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南 京 广 播 电 视 大 学传感器与测试技术课 程 设 计 报 告12 级 春 季 机械制造及自动化 专业 本 科题目：传感器在机电自动化系统中的应用及发展的研究学 生 姓 名: 周成莉 学 号: 1232101200295 电 大 分 校: 江 宁 电 大 学生所在单位: 指 导 教 师: 周 泽 如 二一二 年 十一 月 目 录引言第1章 机电一体化技术发展历程及其趋向11 机电一体化技术发展历程一 机电一体化概要 二 机电一体化技术和系统组成三 机电一体化技术的主要应用领域四 机电一体化的发展状况五 机电一体化的发展趋前景六 机电一体化的核心技术 第2章 传感器在机电一体化系统中的作用及地位2.1自动检测技术1、检测技术的基本概念- 6 -1.1 传感器与传感器的分类- 7 -1.1.1传感器- 7 -1.1.2传感器的组成- 8 -2、传感器的分类- 8 -2.1测量方法- 8 -2.2 传感器的基本特性- 9 -3、传感器的静态输出-输出特性- 10 -3.1温标及测温方法- 11 -3.2温度检测的主要方法及分类：- 12 -3.3压力检测- 12 -3.3.1概述- 12 -3.3.2压力的测量与压力计的选择- 12 -4、压力传感器- 13 -5、压力变送器- 14 -6、热电偶和热电阻的应用原理- 14 -第三章 PLC在向微型化、网络化、PC化和开放性方向发展小结参考文献引 言现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。 现代化生产过程控制中，执行机构起着十分重要的作用，它是自动控制系统中不可缺少的组成部分。现有的国产大流量电动执行机构存在着控制手段落后、机械传动机构多、结构复杂、定位精度低、可靠性差等问题。而且执行机构的全程运行速度取决于其电机的输出轴转速和其内部减速齿轮的减速比，一旦出厂，这一速度固定不可调整，其通用性较弱。整个机构缺乏完善的保护和故障诊断措施以及必要的通信手段，系统的安全性较差，不便与计算机联网。鉴于以上原因，采用传统的大流量电动执行机构的控制系统，可靠性和稳定性较差。随着计算机网络、现场总线等技术在工业过程中的应用，这种执行机构已远远不能满足工业生产的要求。自电子技术一问世,电子技术和机械技术的结合就开始了,只是出现了半导体集成电路,尤其是出现了以微处理器为代表的大规模集成电路以后,机电一体化技术之后有了明显进展,引起了人们的广泛注重.机电一体化是一种复合技术,是机械技术与微电子技术、信息技术互相渗透的产物,是机电工业发展的必然趋势。 第1章 机电一体化技术发展历程及其趋向 机电一体化是指在机构得主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术，将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称。机电一体化发展至今也已成为一门有着自身体系的新型学科，随着科学技术的不但发展，还将被赋予新的内容。但其基本特征可概括为：机电一体化是从系统的观点出发，综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术，根据系统功能目标和优化组织目标，合理配置与布局各功能单元，在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值，并使整个系统最优化的系统工程技术。由此而产生的功能系统，则成为一个机电一体化系统或机电一体化产品。因此，“机电一体化”涵盖“技术”和“产品”两个方面。只是，机电一体化技术是基于上述群体技术有机融合的一种综合技术，而不是机械技术、微电子技术以及其它新技术的简单组合、拼凑。这是机电一体化与机械加电气所形成的机械电气化在概念上的根本区别。机械工程技术有纯技术发展到机械电气化，仍属传统机械，其主要功能依然是代替和放大的体力。但是发展到机电一体化后，其中的微电子装置除可取代某些机械部件的原有功能外，还能赋予许多新的功能，如自动检测、自动处理信息、自动显示记录、自动调节与控制自动诊断与保护等。即机电一体化产品不仅是人的手与肢体的延伸，还是人的感官与头脑的眼神，具有智能化的特征是机电一体化与机械电气化在功能上的本质区别。11 机电一体化技术发展历程1、 机电一体化概要机电一体化技术具体包括以下内容： （1） 机械技术 机械技术是机电一体化的基础，机械技术的着眼点在于如何与机电一体化技术相适应，利用其它高、新技术来更新概念，实现结构上、材料上、性能上的变更，满足减小重量、缩小体积、提高精度、提高刚度及改善性能的要求。在机电一体化系统制造过程中，经典的机械理论与工艺应借助于计算机辅助技术，同时采用人工智能与专家系统等，形成新一代的机械制造技术。 （2） 计算机与信息技术 其中信息交换、存取、运算、判断与决策、人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术均属于计算机信息处理技术。 （3） 系统技术 系统技术即以整体的概念组织应用各种相关技术，从全局角度和系统目标出发，将总体分解成相互关联的若干功能单元，接口技术是系统技术中一个重要方面，它是实现系统各部分有机连接的保证。 （4） 自动控制技术 其范围很广，在控制理论指导下，进行系统设计，设计后的系统仿真，现场调试，控制技术包括如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正、补偿、再现、检索等。 （5）传感检测技术 传感检测技术是系统的感受器官，是实现自动控制、自动调节的关键环节。其功能越强，系统的自动化程序就越高。现代工程要求传感器能快速、精确地获取信息并能经受严酷环境的考验，它是机电一体化系统达到高水平的保证。 （6） 伺服传动技术 包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置，伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置与部件、对系统的动态性能、控制质量和功能有决定性的影响。二、机电一体化系统组成一、机电一体化的核心技术 机电一体化包括软件和硬件两方面技术。硬件是由机械本体、传感器、信息处 理单元和驱动单元等部分组成。因此,为加速推进机电一体化的发展,必须从以下几方面着手。 1.机械本体 机械本体包括机架、机械连接、机械传动等，它是机电一体化的基础，起着支撑系统中其他功能单元、传递运动和动力的作用。机械本体必须从改善性能、减轻质量和提高精度等几方面考虑。现代机械产品一般都是以钢铁材料为主,为了减轻质量除了在结构上加以改进,还应考虑利用非金属复合材料。只有机械本体减轻了重量,才有可能实现驱动系统的小型化,进而在控制方面改善快速响应特性,减少能量消耗,提高效率。与纯粹的机械产品相比，机电一体化系统的技术性能得到提高、功能得到增强，这就要求机械本体在机械结构、材料、加工工艺性以及几何尺寸等方面能够与之相适应，具有高效、多功能、可靠和节能、小型、轻量、美观的特点。2.检测传感部分 检测传感部分包括各种传感器及其信号检测电路，其作用就是检测机电一体化系统工作过程中本身和外界环境有关参量的变化，并将信息传递给电子控制单元，电子控制单元根据检查到的信息向执行器发出相应的控制。传感器的问题集中在提高可靠性、灵敏度和精确度方面,提高可靠性与防干扰有着直接的关系。为了避免电干扰,目前 有采用光纤电缆传感器的趋势。对外部信息传感器来说,目前主要发展非接触型检测技术。 3.电子控制单元 电子控制单元又称ECU（Electrical Control Unit ），是机电一体化系统的核心，负责将来自各传感器的检测信号和外部输入命令进行集中、存储、计算、分析，根据信息处理结果，按照一定的程度和节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的地进行。机电一体化与微电子学的显著进步、信息处理设备(特别是微型计算机)的普及应用紧密相连。为进一步发展机电一体化,必须提高信息处理设备的可靠性,包括模/数转换设备的可靠性和分时处理的输入输出的可靠性,进而提高处理速 度,并解决抗干扰及标准化问题。 4.驱动技术 执行器的作用是根据电子控制单元的指令驱动机械部件的运动。执行器是运动部件，通常采用电力驱动、气压驱动和液压驱动等几种方式。电机作为驱动机构已被广泛采用,但在快速响应和效率等方面还存在一些问题。目前,正在积极发展内部装有编码器的电机以及控制专用组件-传感器-电机三位一体的伺服驱动单元。 5.动力源 动力源是机电一体化产品能量供应部分，其作用是按照系统控制要求向机械系统提供能量和动力使系统正常运行。提供能量的方式包括电能、气能和液压能，以电能为主。 6.软件技术 软件与硬件必须协调一致地发展。为了减少软件的研制成本,提高生产维修的 效率,要逐步推行软件标准化,包括程序标准化、程序模块化、软件程序的固化、推行软件工程等。为了与计算机进行通信,必须使数据传递的格式标准化、规格化。接口采用同 一标准规格不仅有利于信息传递和维修, 而且可以简化设计。目前,技术人员正致力于开发低成本、高速串行的接口,来解决信号电缆非接触化、光导纤维以及光藕 器的大容量化、小型化、标准化等问题。三、机电一体化技术的主要应用领域 1 数控机床 数控机床及相应的数控技术经过40年的发展,在结构、功能、操作和控制精度上都有迅速提高,具体表现在: (1) 总线式、模块化、紧凑型的结构,即采用多C PU、多主总线的体系结构。 (2) 开放性设计,即硬件体系结构和功能模块具有层次性、兼容性、符合接口标准,能最大限度地提高用户的使用效益。 (3) W O P技术和智能化。系统能提供面向车间的编程技术和实现二、三维加工过程的动态仿真,并引入在线诊断、模糊控制等智能机制。 (4) 大容量存储器的应用和软件的模块化设计,不仅丰富了数控功能,同时也加强了C N C系统的控制功能。 (5) 能实现多过程、多通道控制,即具有一台机床同时完成多个独立加工任务或控制多台和多种机床的能力,并将刀具破损检测、物料搬运、机械手等控制都集成到系统中去。 (6) 系统的多级网络功能,加强了系统组合及构成复杂加工系统的能力。(7) 以单板、单片机作为控制机,加上专用芯片及模板组成结构紧凑的数控装置。 2 计算机集成制造系统(CIMS) C IM S的实现不是现有各分散系统的简单组合,而是全局动态最优综合。它打破原有部门之间的界线,以制造为基干来控制“物流”和“信息流”,实现从经营决策、产品开发、生产准备、生产实验到生产经营管理的有机结合。企业集成度的提高可以使各种生产要素之间的配置得到更好的优化,各种生产要素的潜力可以得到更大的发挥。 3 柔性制造系统(FMS)柔性制造系统是计算机化的制造系统,主要由计算机、数控机床、机器人、料盘、自动搬运小车和自动化仓库等组成。它可以随机地、实时地、按量地按照装配部门的要求,生产其能力范围内的任何工件,特别适于多品种、中小批量、设计更改频繁的离散零件的批量生产。 4 工业机器人 第1代机器人亦称示教再现机器人,它们只能根据示教进行重复运动,对工作环境和作业对象的变化缺乏适应性和灵活性;第2代机器人带有各种先进的传感元件,能获取作业环境和操作对象的简单信息,通过计算机处理、分析,做出一定的判断,对动作进行反馈控制,表现出低级智能,已开始走向实用化;第3代机器人即智能机器人,具有多种感知功能,可进行复杂的逻辑思维、判断和决策,在作业环境中独立行动,与第5代计算机关系密切。四、机电一体化的发展状况 机电一体化的发展大体可以分为3个阶段。20世纪60年代以前为第一阶段，这一阶段称为初级阶段。在这一时期，人们自觉不自觉地利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能。特别是在第二次世界大战期间，战争刺激了机械产品与电子技术的结合，这些机电结合的军用技术，战后转为民用，对战后经济的恢复起了积极的作用。那时研制和开发从总体上看还处于自发状态。由于当时电子技术的发展尚未达到一定水平，机械技术与电子技术的结合还不可能广泛和深入发展，已经开发的产品也无法大量推广。20世纪7080年代为第二阶段，可称为蓬勃发展阶段。这一时期，计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体化的发展奠定了技术基础。大规模、超大规模集成电路和微型计算机的迅猛发展，为机电一体化的发展提供了充分的物质基础。这个时期的特点是：mechatronics一词首先在日本被普遍接受，大约到20世纪80年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认；机电一体化技术和产品得到了极大发展；各国均开始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支持。20世纪90年代后期，开始了机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段，机电一体化进入深入发展时期。一方面，光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也在机电一体化中崭露头脚，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支；另一方面对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。同时，由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。这些研究，将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐渐形成完整的科学体系。我国是从20世纪80年代初才开始在这方面研究和应用。国务院成立了机电一体化领导小组并将该技术列为“863计划”中。在制定“九五”规划和2010年发展纲要时充分考虑了国际上关于机电一体化技术的发展动向.5、 机电一体化技术的发展前景 纵观国内外机电一体化的发展现状 和高新技术的发展动向,机电一体化将朝 着以下几个方向发展。机电一体化是集机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交叉综合，它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。因此，机电一体化的主要发展方向如下：5.1 数字化微控制器及其发展奠定了机电产品数字化的基础，如不断发展的数控机床和机器人；而计算机网络的迅速崛起，为数字化设计与制造铺平了道路，如虚拟设计、计算机集成制造等。数字化要求机电一体化产品的软件具有高可靠性、易操作性、可维护性、自诊断能力以及友好人机界面。数字化的实现将便于远程操作、诊断和修复。5.2智能化智能化是机电一体化与传统机械自动化的主要区别之一,也是21世纪机电一体化技术发展的一个重要发展方向。人工智能在机电一体化建设者的研究日益得到重视，机器人与数控机床的智能化就是重要应用。这里所说的“智能化”是对机器行为的描述，是在控制理论的基础上，吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学和混沌动力学等新思想、新方法，模拟人类智能，使它具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力，以求得到更高的控制目标。诚然，使机电一体化产品具有与人完全相同的智能，是不可能的，也是不必要的。但是，高性能、高速的微处理器使机电一体化产品赋有低级智能或人的部分智能，则是完全可能而又必要的。近几年,处理器速度的提高和微机的高性能化、传感器系统的集成化与智能化为嵌入智能控制算法创造了条件,有力地推动着机电一体化产品向智能化方向发展。智能机电一体化产品可以模拟人类智能,具有某种程度的判断推理、逻辑思维和自主决策能力,从而取代制造工程中人的部分脑力劳动。具有类似人的逻辑思考、判断推理、自主决策等能力。例如在CNC数控机床上增加人机对话功能，设置智能I/O接口和智能工艺数据库，会给使用、操作和维护带来极大的方便。随着模糊控制、神经网络、灰色理论、小波理论、混沌与分岔等人工智能技术的进步与发展，为机电一体化技术发展开辟了广阔天地。5.3模块化模块化是一项重要而艰巨的工程。由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元是一项十分复杂但又是非常重要的事。它需要制订一系列标准,以便各部件、单元的匹配和接口。如研制集减速、智能调速、电机于一体的动力单元，具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的控制单元，以及各种能完成典型操作的机械装置。这样，可利用标准单元迅速开发出新产品，同时也可以扩大生产规模。这需要制定各项标准，以便各部件、单元的匹配和接口。由于利益冲突，近期很难制定国际或国内这方面的标准，但可以通过组建一些大企业逐渐形成。显然，从电气产品的标准化、系列化带来的好处可以肯定，无论是对生产标准机电一体化单元的企业还是对生产机电一体化产品的企业，规模化将给机电一体化企业带来美好的前程。5.4网络化20世纪90年代，计算机技术等的突出成就是网络技术。网络技术的兴起和飞速发展给科学技术、工业生产、政治、军事、教育义举人么日常生活都带来了巨大的变革。各种网络将全球经济、生产连成一片，企业间的竞争也将全球化。机电一体化新产品一旦研制出来，只要其功能独到，质量可靠，很快就会畅销全球。由于网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾，而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品。现场总线和局域网技术是家用电器网络化已成大势，利用家庭网络(home net)将各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家电系统(computer integrated appliance system, CIAS)，使人们在家里分享各种高技术带来的便利与快乐。因此，机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。网络技术的飞速发展对机电一体化有重大影响,使其朝着网络化方向发展。机电一体化产品的种类很多,面向网络的方式也不同。由于网络的普及,基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾,而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品。5.5微型化 微型化兴起于20世纪80年代末，指的是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。微型化是精细加工技术发展的必然，也是提高效率的需要。微机电系统(Micro Electronic Mechanical Systems，简称MEMS)是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。自1986年美国斯坦福大学研制出第一个医用微探针，1988年美国加州大学Berkeley分校研制出第一个微电机以来，国内外在MEMS工艺、材料以及微观机理研究方面取得了很大进展，开发出各种MEMS器件和系统，如各种微型传感器（压力传感器、微加速度计、微触觉传感器），各种微构件（微膜、微粱、微探针、微连杆、微齿轮、微轴承、微泵、微弹簧以及微机器人等）。国外称其为微电子机械系统（MEMS），泛指几何尺寸不超过1cm3的机电一体化产品，并向微米、纳米级发展。微机电一体化产品体积小、耗能少、运动灵活，在生物医疗、军事、信息等方面具有不可比拟的优势。微机电一体化发展的瓶颈在于微机械技术，微机电一体化产品的加工采用精细加工技术，即超精密技术，它包括光刻技术和蚀刻技术两类。微型机电一体化系统高度融合了微 机械技术、微电子技术和软件技术,是机 电一体化的一个新的发展方向。国外称微电子机械系统的几何尺寸一般不超过1cm 3,并正向微米、纳米级方向发展。由于微机电一体化系统具有体积小、耗能小、 运动灵活等特点,可进入一般机械无法进入的空间并易于进行精细操作,故在生物 医学、航空航天、信息技术、工农业乃至国 防等领域,都有广阔的应用前景。目前,利用半导体器件制造过程中的蚀刻技术,在实验室中已制造出亚微米级的机械元件。5.6绿色化 科学技术的发展给人们生活带来了巨大变化。一方面，物质丰富，生活舒适；另一方面，资源减少，生态环境受到严重污染。于是，人们呼吁保护环境资源，回归自然。绿色产品概念在这种呼声下应运而生，绿色化是时代的趋势。绿色产品是指低能耗、低材耗、低污染、舒适、协调而可再生利用的产品。在其设计、制造、使用和销毁时应符合环保和人类健康的要求，机电一体化产品的绿色化主要是指在其使用时不污染生态环境，产品寿命结束时，产品可分解和再生利用。绿色产品在其设计、制造、使用和销毁的生命过程中，符合特定的环境保护和人类健康的要求，对生态环境无害或危害极少，资源利用率极高。设计绿色的机电一体化产品，具有远大的发展前途。机电一体化产品的绿色化主要是指，使用时不污染生态环境，报废后能回收利用。绿色化是时代的趋势,其目标是使产品从设计、 制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期中,对生态环境无危害或危害极小,资源利用率极高。机电一体化产品的绿色化主要是指使用时不污染生态环境, 报废时能回收利用。绿色制造业是现代制造业的可持续发展模式。5.7系统化 系统化的表现特征之一就是系统体 系结构进一步采用开放式和模式化的总线结构。系统可以灵活组态，进行任意剪裁和组合，同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。表现之二是通信功能的大大加强，一般除RS232外，还有RS485、DCS人格化。实现远程及多系统通信联网需要的局部网络正逐渐被采用。未来的机电一体化更加注重产品与人的关系，机电一体化的人格化有两层含义。一层是，机电一体化产品的最终使用对象是人，如何赋予机电一体化产品人的智能、情感、人性显得越来越重要，特别是对家用机器人，其高层境界就是人机一体化。另一层是模仿生物机理，研制各种机电一体花产品。事实上，许多机电一体化产品都是受动物的启发研制出来的。机电一体化产品还可根 据一些生物体优良的构造研究某种新型机体,使其向着生物系统化方向发展。机电一体化产品除了完善的性能外，还要求在色彩、造型等方面与环境相协调，使用这些产品，对人来说还是一种艺术享受，如家用机器人的最高境界就是人机一体化。5.8集成化集成化既包含各种技术的相互渗透、相互融合和各种产品不同结构的优化与复合，又包含在生产过程中同时处理加工、装配、检测、管理等多种工序。为了实现多品种、小批量生产的自动化与高效率，应使系统具有更广泛的柔性。首先可将系统分解为若干层次，使系统功能分散，并使各部分协调而又安全地运转，然后再通过软、硬件将各个层次有机地联系起来，使其性能最优、功能最强。5.9带源化是指机电一体化产品自身带有能源，如太阳能电池、燃料电池和大容量电池。由于在许多场合无法使用电能，因而对于运动的机电一体化产品，自带动力源具有独特的好处。带源化是机电一体化产品的发展方向之一。5.10.光机电一体化.一般的机电一体化系统是由传感系统、能源系统、信息处理系统、机械结构等部件组成的.因此,引进光学技术,实现光学技术的先天优点是能有效地改进机电一体化系统的传感系统、能源(动力)系统和信息处理系统.光机电一体化是机电产品发展的重要趋向.六、机电一体化的核心技术机电一体化包括软件和硬件两方面技术。硬件是由机械本体、传感器、信息处理单元和驱动单元等部分组成。因此,为加速推进机电一体化的发展,必须从以下几方面着手。 1 机械本体技术 机械本体必须从改善性能、减轻质量和提高精度等几方面考虑。现代机械产品一般都是以钢铁材料为主,为了减轻质量除了在结构上加以改进,还应考虑利用非金属复合材料。只有机械本体减轻了重量,才有可能实现驱动系统的小型化,进而在控制方面改善快速响应特性,减少能量消耗,提高效率。 2 传感技术 传感器的问题集中在提高可靠性、灵敏度和精确度方面,提高可靠性与防干扰有着直接的关系。为了避免电干扰,目前有采用光纤电缆传感器的趋势。对外部信息传感器来说,目前主要发展非接触型检测技术。 3 信息处理技术 机电一体化与微电子学的显著进步、信息处理设备(特别是微型计算机)的普及应用紧密相连。为进一步发展机电一体化,必须提高信息处理设备的可靠性,包括模/数转换设备的可靠性和分时处理的输入输出的可靠性,进而提高处理速度,并解决抗干扰及标准化问题。4 驱动技术 电机作为驱动机构已被广泛采用,但在快速响应和效率等方面还存在一些问题。目前,正在积极发展内部装有编码器的电机以及控制专用组件-传感器-电机三位一体的伺服驱动单元。 5 接口技术 为了与计算机进行通信,必须使数据传递的格式标准化、规格化。接口采用同一标准规格不仅有利于信息传递和维修,而且可以简化设计。目前,技术人员正致力于开发低成本、高速串行的接口,来解决信号电缆非接触化、光导纤维以及光藕器的大容量化、小型化、标准化等问题。 6 软件技术软件与硬件必须协调一致地发展。为了减少软件的研制成本,提高生产维修的效率,要逐步推行软件标准化,包括程序标准化、程序模块化、软件程序的固化、推行软件工程等。第3章 传感器在机电一体化系统中的作用及地位自动检测技术是自动化科学技术的一个重要分支科学，是在仪器仪表的使用、研制、生产、的基础上发展起来的一门综合性技术。自动检测就是在测量和检验过程中完全不需要或仅需要很少的人工干预而自动进行并完成的。实现自动检测可以提高自动化水平和程度，减少人为干扰因素和人为差错，可以提高生产过程或设备的可靠性及运行效率。1. 自动检测的任务： 自动检测的任务主要有两种，一是将被测参数直接测量并显示出来，以告诉人们或其他系统有关被测对象的变化情况，即通常而言的自动检测或自动测试；二是用作自动控制系统的前端系统，以便根据参数的变化情况做出相应的控制决策，实施自动控制。2. 自动检测技术主要的研究内容： 自动检测技术的主要研究内容包括测量原理、测量方法、测量系统、及数据处理。3.测量系统： 确定了被测量的测量原理和测量方法后，就要设计或选用装置组成测量系统。目前的测量系统从信息的传输形式看，主要有模拟式和数字式两种。 1）模拟式测量系统模拟量测试系统是由传感器，信号调理器，显示、记录装置和（或）输出装置组成。 2）数字式测量系统 数字式测量系统目前主要是带微机的测量系统，是由传感器、信号调理器、输入接口、中央处理器组件、输出接口和显示记录等外围设备组成。4.检测技术的特点1）实时性强2）精确度高3）可靠性高4）通道多5）功能强1、检测技术的基本概念 检测技术是以研究自动检测系统中的信息提取、信息转换以及信息处理的理论和技术为主要内容的一门应用技术学科。 广义的讲，检测技术是自动化技术四个支柱之一，从信息科学角度考察，检测技术任务寻找与自然信息具有对应关系的种种表现形式的信号，以及确定二者间的定性、定量关系；从反映某一信息的多种信号表现中挑选出在所处条件下最为合适的表现形式，以及寻求最佳采集、变换、处理、传输、存贮、显示等方法和相应的设备。 信息采集是指，自然界诸多被检查与测量量中提取有用信息。 信息变换是将所提取出的有用信息进行电量形式幅值、功率等的转换。信息处理的任务，视输出环节的需要，可将变换后的电信号进行数字运算、模拟量-数字量变换等吃力。 信息传输的任务是在排除干扰的情况下经济的、准确无误的把信息进行远、近距离的传递。 虽然检测技术服务的领域非常广泛，但是从这门课程的研究内容来看，不外乎是传感器技术、误差理论、测试计量技术、抗干扰技术以及电量间互相转换的技术等。提高自动检测系统的检测分辨率、精度、稳定性和可靠性是本门技术的研究课题和方向。 自动检测技术已成为一些发达国家的最重要的热门技术之一，它可以给人们带来巨大的经济效益并促进科学技术飞跃发展，因此在国民经济中占有极其重要的地位和作用。 自动检测系统是自动测量、自动计量、自动保护、自动诊断、自动信号等诸多系统的总称.在上述系统中，都包含有被测量，敏感元件和电子测量电路，它们之间的区别仅在于输出单元。如果输出单元是显示器或记录器，则该系统叫做自动测量系统；如果输出单元是计数器或累加器，则该系统叫做自动计量系统，如果输出单元是报警器，则该系统是自动保护系统或自动诊断系统；如果输出单元是处理电路，则该系统是部分数据分析系统、自动管理系统或自动控制系统。1.1 传感器与传感器的分类1.1.1传感器 传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。 这一概念包含下面四个方面的含义：1）传感器是测量装置，能完成信号获取任务。2）它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量。3）它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、吃力、显示等等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量。4）输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。1.1.2传感器的组成 传感器的功用是一感二传，即感受被测信息，并传送出去。传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成。 1. 敏感元件 它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。 2. 转换元件 敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参数量。 3. 转换电路 上述电路参数接入转换电路，便可转换成电路参数量。 实际上，有些传感器很简单，有些则较复杂，也有些是带反馈的闭环系统。最简单的传感器由一个敏感元件组成，它感受被测量时直接输出电量，如热电偶。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转换电路，如压电式加速度传感器，其中质量块是敏感元件，压电片是转换元件。有些传感器转换元件不只一个，要经过若干次转换。 由于传感器空间限制等其他原因，转换电路常装入电箱中。然而，因为不少传感器要在通过转换电路之后才能输出电量信号，从而决定了转换电路是传感器的组成部分之一。2、传感器的分类 目前传感器主要有四种分类方法：根据传感器工作原理分类方法；根据传感器能量转换情况分类法；根据传感器转换原理分类法和按照传感器的使用分类法。2.1测量方法一、 直接测量 在使用测量仪表进行测量时，对仪表读数不需要经过任何运算，就能直接表示测量的结果，称为直接测量。这种测量方法。这种测量方法是工程上广泛采用的方法。 二、 间接测量 在使用仪表进行测量时，首先对与被测物理量有确定函数关系的几个量进行测量，将测量值代入函数关系式，经过计算得到所需结果，这种测量称为间接测量。间接侧来那个多用于科学实验中的实验室测量，工程测量中亦有应用。 三、 联立测量 在应用仪表进行测量时，若被测物理量必须经过求解联立方程才能得到最后的结果，则称这样的测量为联立测量。在进行联立测量时，一般需要改变测试条件，才能获得一组联立方程所需要的数据。它只是用于科学实验或特殊场合。四、 偏差式侧量 在测量过程中，用仪表指针位移决定被测量的测量方法，称为偏差式测量法。应用这种方法进行测量时，标准量具不装在仪表内，而是事先用标准量具对仪表刻度进行校准；在测量时，输入被测量，按照仪表指针在标尺上的示值，决定被测量的数值。采用这种方法进行测量，测量过程比较简单、迅速。但是，测量结果的精度低。这种测量方法广泛适用于工程测量。 五、 零位式测量 在侧来那个过程中，用指零位仪表的零位指示检测测量系统的平衡状态；在测量系统达到平衡时，用已知的基准量决定被测未知量的测量方法，称为零位式测量法。 六、 微差式测量微差式测量法是综合了偏差式测量法与零位式测量法的优点而提出的测量方法。微差式测量法的优点是反应快，而且测量精度高，特别适用于在线控制参数的检测。2.2 传感器的基本特性一、精确度 与精确度有关的指标有三个：精密度、准确度和精确度。 1）精密度 它说明测量传感器输出值的分散性，即对某一稳定的被测量，由同一个测量者，用同一个传感器，在相当短的时间内连续重复测量多次，其测量结果的分散程度。例如，某测温传感器的精密度为0.5C，即表示多次测量结果的分散程度不大于0.5C。精密度是随机误差大小的标志，精密度越高，意味着随机误差小。但必须注意，精密度与准确度是两个概念，精密度高不一定准确度高。 2）准确度 它说明传感器输出值与真值的偏离程度。例如，某流量传感器的输出值与真值偏离0.3m/s。准确度是系统误差大小的标志，准确度高意味着系统误差小。同样，准确度高不一定精密度高。 3）精确度 它是精密度和准确度两者的总和，精确度高表示精密度和准确度都比较高。在最简单的情况下，可取两者的代数和。精确度常以测量误差的相对值表示。二、稳定性 传感器的稳定性有两个指标。一是传感器测量输出值在一段时间中变化。以稳定度表示；二是传感器外部环境和工作条件变化引起输出值的不稳定，用影响量表示。 1） 稳定度 指在规定时间内，测量条件不变的情况下，由传感器中随机性变动，周期性变动，漂移等引起输出值的变化。一般用精密度和观测时间长短表示。 2） 影响量 测量传感器由外界环境变化引起输出值变化的量。称为影响量。它是由温度、湿度、气压、震动、电源电压及电源频率等一些外加环境影响所引起的。说明影响量时，必须将影响因素与输出值同时表示。3、传感器的静态输出-输出特性 静态特性是指输入的被测参数不随时间而变化，或随时间变化很缓慢时，传感器的输出量与输入量的关系。1）线性度2）灵敏度3）灵敏度和分辨力4）迟滞5）重复性3.1温标及测温方法 温度是表征物体或系统的冷热程度的物理量。温度单位是国际单位制中七个基本单位之一，从能量角度来看，温度是描述系统不同自由度间能量分配状况的物理量；从热平衡观点来看，温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量，；从分子的物理学的角度来看，温度反映了系统内部分子无规则运动的剧烈程度。 1）温标 为了保证温度量值的统一，必须建立一个用来衡量温度高低的标准尺度，这个标准尺度称为温标。温标又分为三个温标。温度的高低必须用数字来说明，温标就是温度的一种数值表示方法，并给出了温度数值化的一套规则和方法，同时明确了温度的测量单位。人们一般是借助于随温度变化而变化的物理量来定义温度数值，建立温标和制造各种各样的温度检测仪表。温标分为以下几种： 一、经验温标：借助某一种物质的物理量与温度变化的关系，用实验的方法或经验公式所确定的温标称为经验温标。常有摄氏温标、华氏温标和列氏温标。 1. 摄氏温标：摄氏温标是把标准大气压下的冰点定为0摄氏度，把水的沸点定为100摄氏度的一种温标。在0摄氏度到100摄氏度之间进行100等分，每一等分为一摄氏度，单位符号为。 2. 华氏温标：华氏温标是以当地的最低气温为零度（起点），人体温度为100度，中间等分为100等分，每一等分为华氏一度。每一等分称为一华氏温度。单位符号为。 3. 列氏温标：列氏温标规定标准大气压下纯水的冰熔点为0度，水沸点为100度。中间等分为80等分，每一等分为列氏一度。单位符号为R。 二、热力学温标：1848年威廉.汤姆首先提出以热力学第二定律为基础建立起来的温度仅与热量有关而与物质无关的热力学温标。因是开尔文总结出来的，故又称为开尔文温标，用符号K表示。由于热力学中的卡诺热机是一种理想的机器，实际上能够实现卡诺循环的可逆热机是没有的。所以说，热力学温标是一种理想的温标，但是是不可能实现的温标。 三、国际实用温标：为了解决国际上温度标准的统一问题及实用方便，国际上协商决定，建立一种既能体现热力学温度，又使用方便、容易实现的温标，这就是国际实用温标，又称为国际温标。3.2温度检测的主要方法及分类： 温度检测方法一般可以分为两大类，即接触测量法和非接触式测量法。接触式测量法是测温敏感元件直接与被测介质接触。是被测介质与测温敏感元件进行充分的热交换，使两者具有同一温度，达到侧来那个的目的。非接触测量法是利用物质的热辐射原理，测温敏感元件不与被测介质接触。通过辐射和对流实现热交换。达到测量目的。 3.3压力检测3.3.1概述压力是工业生产中的重要参数之一，为了保证生产政党运行，必须对压力进行监测和控制，但需说明的是，这里所说的压力，实际上是物理概念中的压强，即垂直作用在单位面积上的力。在压力测量中，常用绝对压力、表压力、负压力或真空度之分。所谓绝对压力是指被测介质作用在容器单位面积上的全部压力，用符号pj表示。用来测量绝对压力的仪表称为绝对压力表。地面上的空气柱所产生的平均压力称为大气压力，用符号pq表示。用来测量大气气压力的仪表叫气压表。绝对压力与大气压力之差。称为表压力，用符号pb表示。即pb=pj-pq。当绝对压力值小于大气压力值时，表压力为负值（即负压力），此负压力值的绝对值，称为真空度，用符号pz 表示。用来测量真空度的仪表称为真空表。既能测量压力值又能测量真空度的仪表叫压力真空表。3.3.2压力的测量与压力计的选择压力测量原理可分为液柱式、弹性式、电阻式、电容式、电感式和振频式等等。压力计测量压力范围宽广可以从超真空如13310-13Pa直到超高压280MPa。压力计从结构上可分为实验室型和工业应用型。压力计的品种繁多。因此根据被测压力对象很好地选用压力计就显得十分重要。1就地压力指示当压力在2.6Kpa时,可采用膜片式压力表、波纹管压力表和波登管压力表。如接近大气压的低压检测时，可用膜片式压力表或波纹管式压力表。2远距离压力显示若需要进行远距离压力显示时，一般用气动或电动压力变压器，也可用电气压力传感器。当压力范围为140280MPa时，则应采用高压压力传感受器。当高真空测量时可采用热电真空计。3多点压力测量进行多点压力测量时，可采用巡回压力检测仪。若被测压力达到极限值需报警的，则应选用附带报警装置的各类压力计。正确选择压力计除上述几点考虑外，还需考虑以下几点。（1）量程的选择 根据被测压力的大小确定仪表量程。对于弹性式压力表，在测稳定压力时，最大压力值应不超过满量程的3/4；测波动压力时，最大压力值应不超过满量程的2/3。最低测量压力值应不低于全量程的1/3。（2）精度选择 根据生产允许的最大测量误差，以经济、实惠的原则确定仪表的精度级。一般工业用压力表1.5级或2.5级已足够,科研或精密测量用0.5级或0.35级的精密压力计或标准压力表。（3）使用环境及介质性能的考虑 环境条件恶劣，如高温、腐蚀、潮湿、振动等，被测介质的性能，如温度的高低、腐蚀性、易结晶、易燃、易爆等等，以此来确定压力表的种类和型号。（4）压力表外形尺寸的选择 现场就地指示的压力表一般表面直径为100mm，在标准较高或照明条件关差的场合用表面直径为200250mm的，盘装压力表直径为150mm，或用矩形压力表。4、压力传感器压力传感器是压力检测系统中的重要组成部分,由各种压力敏感元件将被测压力信号转换成容易测量的电信号作输出,给显示仪表显示压力值,或供控制和报警使用。1应变式压力传感器应变式压力传感器是把压力的变化转换成电阻值的变化来进行测量的，应变片是由金属导体或半导体制成的电阻体，其阻值随压力所产生的应变而变化。2压电式压力传感器 压电式传感器的原理是基于某些晶体材料的压电效应，目前广泛使用的压电材料有石英和钛酸钡等，当这些晶体受压力作用发生机械变形时，在其相对的两个侧面上产生异性电荷，这种现象称为“压电效应”。 3.光导纤维压力传感器光导纤维压力传感器与传统压力传感器相比,有其独特的优点:利用光波传导压力信息,不受电磁干扰,电气绝缘好,耐腐蚀,无电火花,可以在高压、易燃易爆的环境中测量压力、流量、液位等。它灵敏高度，体积小，可挠性好，可插入狭窄的空间是进行测量，因此而得到重视，并且得到迅速发展。 5、压力变送器需要在控制室内显示压力的仪表，一般选用压力变送器或压力传感器，对于爆炸危险场所，常选用气动压力变送器、防爆型电动型或型压力变送器；对于微压力的测量，可采用微差压变送器；对粘稠、易堵、易结晶和腐蚀强的介质，宜选用带法兰的膜片式压力变送器；在大气腐蚀场所及强腐蚀性等介质测量中，还可选用1151系列或820系列压力变送器。压力变送器测量部分的测压敏感元件所产生的测量力的大小范围约为50100，最高不超过150N。根据这一要求，敏感元件的选择依据由制成的波纹管。当被测压力p进入测量室后，经测量波纹管转换成测量力，通过推杆用在主杠杆上，传递到气动转换部分。测量中、高压 2.510MPa,1060 MPa）的敏感元件一般采用铬钒钢制成的包端管,它的测量原理是利用包端管末端产生的径向分力,通过推杆2作用在主杠杆3的下端,带动变送器的气动转换部分动作。6、热电偶和热电阻的应用原理 热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热是阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。1热电阻测温原理及材料热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用甸、镍、锰和铑等材料制造热电阻。2热电阻的结构 （1）精通型热电阻 工业常用热电阻感温元件（电阻体）的结构及特点。从热电阻的测温原理可知，被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来测量的，因此，热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。为消除引线电阻的影响同般采用三线制或四线制，有关具体内容参见本篇第三章第一节.（2）铠装热电阻 铠装热电阻是由感温元件（电阻体）、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体，它的外径一般为28mm，最小可达mm。与普通型热电阻相比，它有下列优点：体积小，内部无空气隙，热惯性上，测量滞后小；机械性能好、耐振，抗冲击；能弯曲，便于安装使用寿命长。（3）端面热电阻 端面热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕制，紧贴在温度计端面。它与一般轴向热电阻相比