第三章 现代检测技术的应用

1、教材：机电一体化概论 第2版冯细香 主编机电一体化系统的组成u第一节 机械本体u第二节 检测及传感器u第三节 控制器及工控机u第四节 执行机构u第五节 接口及接口技术上一章知识回顾u机电一体化系统的组成要素？u机械本体的功能有哪些？u机电一体化设备对机械本体的要求是什么？u机械本体的发展趋势是什么？3.1 什么是传感器一 认识传感器二 机电一体化系统中的传感器三 传感器的组成四 传感器的发展简况五 传感器的分类一、认识传感器u传感器技术遍布各行各业、各个领域。如工业生产、科学研究、现代医学领域，现代农业生产、国防科技、家用电器、甚至儿童玩具也少不了传感器。一、认识传感器u什么是传感器？1.传感

2、器是利用各种物理、化学效应以及生物效应实现非电量到电量转换的装置或器件。2.传感器是一种能将被测量（各种物理量、化学量和生物量等）变换成可以测量的有用信号的一种装置。u从外界获取信息的方式：人五官（眼、耳、鼻、舌、皮肤）机器传感器二、机电一体化系统中的传感器ASIMO身高1.3米，体重48公斤。它是至2013年最先进的行走机器人。 “阿西莫”不但能跑能走、上下阶梯、“8”字形行走、弯腰，还会踢足球和开瓶倒茶倒水，甚至可以随着音乐翩翩起舞，动作十分灵巧 。u现代啤酒灌装机系统二、机电一体化系统中的传感器2.啤酒缸内碳酸气的压力1.啤酒的温度、流量3.啤酒缸内的液位高低以及啤酒在易拉罐中的液位高低

3、波纹管铂电阻、流量孔板缸内浮球、超声波探头控制器传感器1、传感器的作用：u一方面，检测各种情况，实现信息采集；另一方面，将收集到的信息汇集到电脑控制器。u传感器就像人的五官，为系统收集信息，没有它，机电一体化系统就成了“瞎子”和“聋子”，就无法进行控制。二、机电一体化系统中的传感器2、特点u应用范围广、种类齐全家用电器、医疗仪器、交通运输领域、飞行器、遥感技术、机器人、其他领域u检测到的信号需转换各种检测元件测得的信号多为模拟量，不能直接送入控制器，需将模拟量转换为数字量，也叫做A/D转换。二、机电一体化系统中的传感器10A/D转换器三、传感器的组成敏感元件传感元件测量元件被测量输出信号感受被

4、测量，感受被测量，并把被测量变并把被测量变成便于变换成成便于变换成电信号的量。电信号的量。把敏感元件的把敏感元件的输出量变换成输出量变换成能被仪表测量能被仪表测量的量。的量。把传感元件的把传感元件的输出信号转换、输出信号转换、放大成能用于放大成能用于控制或检测的控制或检测的有用信号。有用信号。三、传感器的组成u例：差动变压器式压力传感器敏感元件传感元件测量元件被测量输出信号衔铁压力P压力P三、传感器的组成u差动变压器式压力传感器的组成部分敏感元件传感元件测量元件被测量输出信号压力P三、传感器的组成u例：电容式压力传感器敏感元件传感元件测量元件被测量输出信号三、传感器的组成u例：带补偿电桥的热电

5、偶（温度传感器）敏感元件传感元件测量元件被测量输出信号三、传感器的组成u例：永磁式直流测速发电机（转速传感器）敏感元件传感元件测量元件被测量输出信号三、传感器的组成敏感元件传感元件测量元件被测量输出信号总结： 完整的传感器具备上面三种功能，但三个功能不一定是完全独立的。不少传感器把其中的两个功能元件或三个功能元件结合在一起。四、传感器的发展简况u开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺；实现传感器的集成化与智能化。 1.开发新型传感器 2.开发新材料 3.新工艺的采用 4.集成化、多功能化 5.智能化u1.开发新型传感器u采用新原理。利用各种效应和定律，研制具有新原理的新型传感器。

6、u填补传感器空白。不少系统达不到满意的效果或根本无法设计出来的关键原因在于没有合适的传感器。新的传感器的出现，必然给相关领域带来突破。u仿生传感器。利用生物工程学的知识，模仿生物所具有的感觉能力和对化学物质的识别能力，开发各种生物传感器。四、传感器的发展简况四、传感器的发展简况u2.开发新材料 传感器材料是传感器技术的重要基础。材料科学的进步，人们可任意控制成分，设计制造出用于各种传感器的功能材料。用复杂材料来制造性能更加良好的传感器是今后的发展方向之一。（1）半导体敏感材料（2）陶瓷材料（3）磁性材料 （4）智能材料四、传感器的发展简况u3.新工艺的采用 微机械加工技术、微电子加工技术 例如

7、：利用半导体技术制造出压阻式传感器，利用薄膜工艺制造出快速响应的气敏、湿敏传感器，日本横河公司利用各向异性腐蚀技术进行高精度三维加工，在硅片上构成孔、沟棱锥、半球等各种开头，制作出全硅谐振式压力传感器。纳米堆垛纳米堆垛四、传感器的发展简况u4.集成化、多功能化u同时测量几种被测参数：将几种不同的传感器元件复合在一起，作成集成块。例如：一种集合温、气、湿三功能的陶瓷传感器。u同一功能的多元件并列化：同一类型的单个传感元件用集成工艺在同一平面上排列起来，如CCD图像传感器。u功能一体化：传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件。四、传感器的发展简况u5.智能化u对外界信息具有检测

8、、数据处理、逻辑判断、自诊断和自适应能力的集成一体化多功能传感器。u智能传感器是传感器技术与大规模集成电路技术相结合的产物，它的实现取决于传感技术与半导体集成化工艺水平的提高与发展。这类传感器具有多功能、高性能、体积小、适宜大批量生产和使用方便等优点，是传感器重要的发展方向之一。五、传感器的分类u传感器的分类方法很多u习惯按照使用特点来分，可分为下列几种：压力传感器压力传感器温度传感器温度传感器位移传感器位移传感器湿度传感器湿度传感器气体传感器气体传感器光学传感器光学传感器流量传感器流量传感器u传感器的分类u说明：u开关型只输出“0”和“1”或开和关两个值。u模拟型输出连续变化的电量。如4mA

9、20mAu数字型分为计数型和代码型两大类。可输出一定的脉冲数，或者二进制数字代码。机电一体化对传感器的要求：u精度、灵敏度、分辨率高u线性、稳定性和重复性好u抗干扰能力强u静态、动态特性好u此外，还要求体积小、质量轻、价格便宜、便于安装与维修，耐环境性能好等3.2 常见传感器u3.2.1 线位移检测传感器u3.2.2 角位移检测传感器u3.2.3 速度、加速度传感器u3.2.4 测力传感器u3.2.5 其他传感器3.2.1 线位移传感器（1）光栅u什么是光栅？u光的属性 莫尔条纹 光电脉冲u分类：长光栅 圆光栅u光栅传感器的特点：u测量精度高u响应速度快u量程范围大u可进行非接触测量u易于实现

10、数字测量和自动控制（1）光栅u结构：u光栅由_和_ 两部分组成u光栅传感器由_、_、_、_等组成1. 标尺光栅2. 指示光栅3. 光电器件4. 光源（1）光栅u工作原理：莫尔条纹测位移1. 两光栅栅距W相同，W密度多少？2. 两光栅成小夹角3. 莫尔条纹是光栅非重合部分光线透过而形成的亮带，它由一系列四棱形亮光区组成u光栅每移动过一个栅距W，莫尔条纹就移动过一个条纹间距B，查看莫尔条纹的移动方向，即可确定主光栅的移动方向。 B（1）光栅u莫尔条纹移动量B的测量u采用如图装置u通过光电元件，可将莫尔条纹移动时光强的变化转换为近似正弦变化的电信号u结构：定尺、滑尺u工作原理：uUs、Uc同频同幅，

11、相位相差90u滑尺滑动位移x，则定尺绕组输出U0相角的感应电势3.2.1 线位移传感器（2）感应同步器（2）感应同步器u分类：u直线型u圆盘型u特点u成本低u受环境温度影响小u测量精度高u非接触测量3.2.1 线位移传感器（3）磁栅u结构：u磁尺（磁栅）、 磁头、检测电路等u工作原理：u磁尺表面涂有特定的磁性膜u磁头能把磁栅上的磁信号检测出来，并感应成电信号u磁头位置的不同，读出的磁信号不同（3）磁栅u特点：u结构简单u使用方便u动态范围大（120m）u磁信号可以重新录制u缺点：需要屏蔽和防尘u应用：大型机床和精密机床的位测量u分类：长磁栅、圆磁栅3.2.2 角位移传感器（1）旋转变压器u什么

12、是旋转变压器？u利用电磁感应原理将转角变换为电压信号的传感器u特点：（1）旋转变压器u工作原理u一种旋转式交流电机u定子绕组分别通以幅值和频率相同、相位相差为90 的交变激磁电压U1和U2u此时，在转子绕组中得到感应电势U3。31sin1coskUkUk是旋转变压器的变压比3.2.2 角位移传感器（2）光电编码器u光电编码器u是一种码盘式角度-数字检测元件u分为两种类型： 增量式 和 绝对式u特点：（2）光电编码器u原理：u码盘：在透明材料的圆盘上精确地印制上二进制编码u码道多少决定角度的最小分辨率，目前可做到18道u利用光电接收装置接受光信号，并转换为需要的电信号3.2.3 速度传感器（1）

13、直流测速发电机u直流测速发电机u是一种测速元件，实际上它是一台微型直流发电机。u特点：（1）直流测速发电机u例说：永磁式测速发电机原理u当转子在磁场中旋转时，电机产生与转速成正比的直流电压。 永磁式测速发电机原理图 直流测速发电机输出特性 （2）光电式速度传感器u工作原理：如何改造圆盘使能辨别转动方向？（2）差动变压器式速度传感器 02vvUkI差动变压器式速度传感器的工作原理3.2.4 测力传感器u测力：测力、压力、扭矩u按照工作原理可分为：弹性式、电阻应变式、电感式、电容式、压电式、磁电式等u电阻应变式测力传感器：利用的是电阻应变效应。（1）圆柱式称重压力传感器u结构简单、承载能力大u主要

14、用于中等载荷和大载荷（可达数兆牛顿）的拉（压）力传感器。020kg、50kg、100kg、200kg、500kg、1000kg、2T、3T、5T、10T0100kg、200kg、500kg、1000kg、2000kg（2）悬臂梁称重压力传感器u结构简单、加工方便、应变片粘贴容易、灵敏度较高u主要用于小载荷、高精度的拉（压）力传感器中，可测量0.01牛顿到几千牛顿的拉（压）力（3）膜式压力传感器（4）筒式压力传感器u特点：圆筒收到被测压力后表面各处的应变是相同的。u适于测量较大的力（5）压阻式压力传感器u适用于中、低压力、微压和压差测量。u由于其弹性敏感元件与变换元件一体化，尺寸小且可微型化，固

15、有频率很高。 （6）力矩传感器u大多使用应变片做敏感元件u当发生扭转时，应变片发生形变，通过测量应变片的电压，获得力矩的大小。机器人手腕用力矩传感器原理 （6）力矩传感器u无触点力矩测量法u传动轴的两端安装上磁分度圆盘A，分别用磁头检测两圆盘间的转角差，用转角差与负荷M成比例的关系，即可测量负荷力矩的大小。无触点力矩测量原理 3.2.5 其他传感器-（1）CCD图像传感器u什么是CCD？u利用光电转换原理，将被测物体的光像转换为电子图像信号输出的一种大规模集成电路光电元件，称为电荷耦合器件，即CCD。uCCD工作过程：u光敏单元、像素点、电信号的储存u特点：u体积小、析像度高、功耗小（1）CC

16、D图像传感器（2）激光检测u激光的特性：u激光检测主要是利用激光的_等特点，无论在测量精确度和测量范围上都具有明显的优越性。 u举例：激光多普勒流速计（3）超声波检测u什么是超声波？u频率为162104Hz的机械波-声波u频率低于16Hz的机械波-次声波u频率高于2104Hz的机械波-超声波u检测用超声波，频率是几十万Hz以上u超声波特点：u波长短、方向性好、易于形成光束u超声波在介质中传播时，与光波相似，具有反射、折射、聚焦等特性。u超声波常用于u无损探伤、厚度测量、速度测量、黏度测量、距离测量等。（3）超声波检测u超声波检测过程超声波探伤仪超声波液位计3.3 传感器的基本特性u输入特性：u

17、(1) 量程或测量范围u 传感器预期要测量的被测量值的范围，一般用传感器允许测量的上下极限值来表示，其中上限值也称为满量程FS。u(2) 过载能力u 传感器允许承受的最大输入量(被测量),通常用一个最大允许值或满量程的百分比来表示。u静态特性：u(1)线性度u也称非线性，表示传感器输出与输入之间的关系曲线与选定的工作曲线的靠近程度，采用工作直线与实际工作曲线之间的最大偏差值与满量程输出之比来表示。 u(2)灵敏度u传感器输入增量与输出增量之比；u(3)迟滞 u传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中，输入输出特性曲线不重合的程度称为迟滞 maxLFS100%=y0ySxu(4)重复性u反映传感器在工作条件不变的情况下，重复地输入某一相同的输入值，其输出值的一致性，其意义与精度类似。u(5)分辨力u传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，在输入零点附近的分辨力称为阈值。u(5) 稳定性(温度漂移，时间零漂)u时间零漂: 在规定的时间内，在温度不变的条件下，零输出的变化；u温度漂移:当温度发生变化时，其输出特性的变化