机电一体化技术课件

概論

美國《技術評論》認為，有十種新興技術在不遠的將來會產生巨大影響：無線感測器網路；可注入組織工程；納米太陽能電池；機電一體化技術；分子成像；納米印刷刻蝕；軟體保證；糖原組學；量子密碼術。1.1機電一體化的基本概念1.1.1機電一體化系統的功能構成及定義“機電一體化”一詞(Mecharonics)在20世紀70年代起源於日本。它取英語Mechanics(機械學)的前半部和Electronics（電子學）的後半部分拼成一個新詞，即機械電子學或機電一體化。

“機電一體化”是機械技術、微電子技術相互交叉、融合的產物機械技術（機械學機構學）機電一體化技術領域微電子技術（半導體技術、電腦技術）機電一體化系統由機械本體（機構）、資訊處理與控制部分（電腦）、能源部分（動力源）、檢測部分（感測器）、執行元件部分（如電動機）等五個子系統組成能源部分資訊處理與控制資訊輸入驅動部分執行元件機械本體檢測部分典型閉環控制系統1.1.2機電一體化系統的結構要素機電一體化系統是由若干具有特定功能的機械與微電子要素組成的有機整體，具有滿足人們使用要求的功能(目的功能)。根據不同的使用目的，要求系統能對輸入的物質、能量和資訊(即工業三大要素)進行某一處理，輸出所需要的物質、能量和資訊。因此，系統必須具有以下三大“目的功能”：變換(加工、處理)功能、傳遞(移動、輸送)功能和儲存(保持、積累、記錄)功能。不管那類系統（或產品），其系統內部必須具備如所示的五種內部功能，即主動能、動力功能、檢測功能、控制功能、構造功能。

CNC機床內部功能構成實例機電一體化系統（產品）的五大要素及其對應的五大功能機電一體化系統內部與外部介面機電一體化系統（產品）各構成要素之間的相互聯繫

1.1.3機電一體化產品的分類一部分機電一體化系統以能量轉換為主，輸入能量(或物質)和資訊，輸出不同能量(或物質)的系統(或產品)，稱為動力機，其中輸出機械能的為原動機。也有機電一體化系統以資訊處理為主，輸入資訊量，輸出各種資訊的系統，稱為資訊機。機電一體化產品種類繁多，目前還在不斷擴展，但仍可以按產品的功能劃分為以下幾類。（1）數控機械類（2）電子設備類（3）機電結臺類（4）電液伺服類（5）資訊控制類1.2機電一體化的共性關鍵技術1.2.1機械設計技術機械技術是機電一體化的基礎。機電一體化產品中的主功能和構造功能，往往是以機械技術為主實現的。特別是關鍵部件，如導軌、滾珠絲杠、軸承、傳動部件等的材料、精度對機電一體化產品的性能、控制精度等多方向的要求。1.2.2電腦與資訊處理技術資訊處理技術包括資訊的輸入、識別、變換、運算、存儲及格出技術，它們大都是依靠電腦來進行的，因此電腦技術與資訊處理技術是密切相關的。資訊處理技術包括資訊的交換、存取、運算、判斷和決策等，實現資訊處理的主要工具是電腦。電腦技術包括電腦硬體技術和軟體技術、網路與通信技術、資料庫技術等。1.2.3自動控制技術自動控制技術就是通過控制器使被控對象或過程自動地按照預定的規律運行。自動控制技術範圍很廣，包括自動控制理論、控制系統設計、系統仿真、現場調試、可靠運行等從理論到實踐的整個過程。由於被控對象種類繁多，所以控制技術的內容極其豐富，包括高精度定位控制、速度控制、自適應控制、自診斷、校正、補償、示教再現、檢索等控制技術。1.2.4傳感與檢測技術檢測傳感技術是機電一體化的關鍵技術，它將所測得的各種參量如位移、位置、速度、加速度、力、溫度、酸度和其他形式的信號等轉換為統一規格的電信號輸入到資訊處理系統中，並由此產生出相應的控制信號以決定執行機構的運動形式和動作幅度。感測器檢測的精度、靈敏度和可靠性將直接影響到機電一體化的性能。1.2.5執行與驅動技術伺服驅動技術的主要研究對象是執行元件及其驅動裝置。執行元件分為電動、氣動、液壓等多種類型，機電一體化產品中多採用電動式執行元件．驅動裝胃要是指各種電動機的驅動電源電路，目前多採用電力電子器件及集成化的功能電路構成。1.2.6機電一體化總體設計技術系統總體技術是一種從整體目標出發，用系統工程的觀點和力法，將系統總體分解成相互有機聯繫的若干功能單元，並以功能單元為子系統繼續分解，直至找到可實現的技術方案，然後再把功能和技術方案組合成方案指進行分析、評價和優選的綜合應用技術。1.3機電一體化的發展概況1.3.1國內外機電一體化發展狀況機電一體化技術的發展大體上可分為三個階段。20世紀60年代以前為第一階段，也可稱其為“萌芽階段”。70年代至80年代為第二階段。稱其為“蓬勃發展階段”。從上世紀90年代後期開始為第三階段，稱其為“智能化階段”，機電一體化技術向智能化新階段邁進。1.3.2機電一體化技術的理論的發展因此，機電一體化的主要發展方向如下：（1）智能化（2）模組化（3）網路化（4）微型化（5）綠色化（6）人性化1.3.3數控技術與機器人技術一、數控機床數控技術，簡稱數控（NumericalControl）。它是利用數位化的資訊對機床運動及加工過程進行控制的一種方法。數控系統包括：數控裝置、可編程控制器、主軸驅動器及進給裝置等部分.數控機床是機、電、液、氣、光高度一體化的產品。二、工業機器人機器人技術是綜合了電腦、控制論、機構學、資訊和傳感技術、人工智慧、仿生學等多學科而形成的高新技術，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。機器人應用情況，是一個國家工業自動化水準的重要標誌。工業機器人由操作機（機械本體）、控制器、伺服驅動系統和檢測傳感裝置構成，是一種仿人操作、自動控制、可重複編程、能在三維空間完成各種作業的機電一體化自動化生產設備。1.3.4新型的MEMS系統微機電系統MEMS(MicroElectronicMechanicalSystems)是一種全新的必須同時考慮多種物理場混合作用的研發領域，相對於傳統的機械，它們的尺寸更小，最大的不超過一個釐米，甚至僅僅為幾個微米，其厚度就更加微小。MEMS特點可以總結如下：（1）微型化：MEMS器件體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、回應時間短。（2）集成化：微感測器、微執行器和IC集成在一起可以製造出高可靠性和高穩定性的智能化MEMS。（3）多學科交叉：MEMS的製造涉及電子、機械、材料、資訊與自動控制、物理、化學和生物等多種學科。本章小結機電一體化通過綜合利用現代高新技術的優勢，在提高精度、增強功能、改善操作性和使用性、提高生產率和降低成本、節約能源和降低消耗、減輕勞動強度和改善勞動條件、提高安全性和可靠性、簡化結構和減輕重量、增強柔性和智能化程度、降低價格等諸多方面都取得了顯著的技術經濟效益和社會效益，促使社會和科學技術又向前大大邁進了一步。思考練習什麼是機電一體化？機電一體化系統的功能構成和定義是什麼？簡要敘述機電一體化系統的共性關鍵技術。什麼是數控技術、機器人技術、MEMS系統，簡要介紹各自定義及特點。

感測器及測量系統概述

在機電一體化產品中，感測器及測量系統是一個十分重要的環節是獲取資訊與處理資訊的手段只有在獲得既準確又可靠的資訊基礎上，才能實現自動化，節省能源和原材料，提高機器效率。資訊採集與處理：模擬量←→數字量。A/D轉換器、D/A轉換器。**發展趨勢：(1)集成化：集成（感測器、放大器、運算器、補償器等）；組合（不同功能的感測器）；排列（成矩陣）。(2)多功能化：如溫度與濕度、氣敏與濕度、速度與長度等多功能感測器。(3)智能化：不但能對外界信號進行轉換與測量，同時還具有記憶存儲、運算及數據處理等功能。(4)數位化：數字顯示與微處理機的應用，使感測器應用更為方便，可提高穩定性及精度，簡化結構。**2.2模擬量感測器及測量電路感測器及測量電路：物理量、化學性能→電信號∝F（U，I，f）模擬量傳感：(1)直接感測器；(2)差動感測器（信號相加，干擾相減）；(3)補償感測器（抗干擾）。模擬量感測器性能指標：精確度、穩定性、輸入/輸出特性。*2.2模擬量感測器及測量電路*圖2-2-1模擬量感測器及其測量電路結構2.3模擬量感測器性能指標2.3.1精確度精確度指標：共有三個：精密度、准確度、精度。在工程上常用精度等級來表示感測器的精度（相對誤差）。感測器的精度等級一般分為：0.001,0.002,0.005,0.02,0.05,…,1.5,2.5,4.0,5.0和6.0。*2.3模擬量感測器性能指標*2.3.2穩定性感測器的穩定性有兩個方面：(1)穩定度： 感測器的輸出在所有條件恒定的情況下，於規定的時間內，維持其值不變的能力。如：3.454mV/h。(2)影響量： 感測器的輸出在外界條件變化的情況下而引起輸出的變化量。例0.002mV/℃。*2.3模擬量感測器性能指標*2.3.3輸入／輸出特性分類：靜特性、動特性。1、靜特性定義：靜特性是指輸入量不隨時間而變化，只考慮它們之間的靜態關係靜特性的主要指標：線性度、靈敏度與滯環。(1)線性度：是指感測器輸入/輸出特性曲線用一條直線來近似代替時其準確程度。感測器輸入與輸出的典型特性曲線如圖2-3-1所示。*2.3模擬量感測器性能指標*(2)靈敏度：感測器輸出量增量與輸入量增量之比，即感測器輸入／輸出特性曲線上各點的斜率。(3)滯環:感測器輸入/輸出靜特性在輸入量上升時和下降時輸出特性的不一致性。*2.3模擬量感測器性能指標*圖2-3-1感測器輸入/輸出的曲型特性曲線

滯環誤差和滯環率為:

滯環是由於感測器吸收能量所產生，所以滯環效應常伴著死區效應。*2.3模擬量感測器性能指標*圖2-3-2滯環與滯環誤差圖2-3-3一階動力學系統2、動特性定義：當輸入量隨時間變化很快時，輸入量與輸出量之間的動態關係。感測器輸入／輸出的動態特性是含有時間變數的微分方程。運算式為：bny(n)+bn-1y(n-1)+…+b1y(1)+b0y=bx(t)式中：b0、b1、…、bn——對線性系統來說是常數y、y(1)、…、y(n)——輸出信號的各階導數輸入信號x(t)與輸出信號y(t)具有相同的量綱。*2.3模擬量感測器性能指標*(1)一階系統的動態回應一階動力學系統可由剛度為ｋ的彈簧和粘性阻尼係數為ｃ的阻尼器並聯組成，見圖2-3-3(a)；也可由品質為ｍ的物體和粘性阻尼係數為ｃ的阻尼器串聯組成，見圖2-3-3(b)，動力學方程分別為：

cy(1)+ky=kx(t)和my(2)+cy(1)=cx(1)(t)

可以寫成同一個一階慣性公式: T1y(1)+y=x(t)*2.3模擬量感測器性能指標*正弦信號激勵下其幅頻及相頻回應為:*2.3模擬量感測器性能指標*單位階躍函數輸入一階系統時,通過拉氏變換方法可以求得其回應為：(2)二階系統的動態回應二階動力學系統可由品質為ｍ的物體、剛度為ｋ的彈簧和粘性阻尼係數為ｃ的阻尼器串聯組成：其動力學方程為： my(2)+cy(1)+ky=kx(t)*2.3模擬量感測器性能指標*

圖2-3-4動力學系統在正弦輸入信號時的回應曲線*2.3模擬量感測器性能指標*圖2-3-5對單位階躍輸入信號的回應圖2-3-6二階動力學系統正弦信號的激勵下其幅頻回應及相頻回應為:*2.3模擬量感測器性能指標*單位階躍函數輸入二階系統時,通過拉氏變換方法可以求得其回應為:2.4數字量感測器及其測量電路數字量感測器有兩種：直接數字量感測器——可直接得到數字量輸出的感測器，如角度數字編碼器。間接數字量感測器——通過A/D轉換器得到數字量輸出的感測器如光柵和感應同步器。按結構可分為三種類型：1、直接式數字量感測器——其解析度決定於數字量感測器的位數。被測物理量→數字編碼器→資訊提取裝置→數字量輸出*2.4數字量感測器及其測量電路*2、週期計數式數字量感測器數字量感測器的結構方框圖如圖2-4-2所示。其解析度決定於週期信號發生器的性質。可採用電子細分來提高感測器的精度且具有辨向功能。

*2.4數字量感測器及其測量電路*圖2-4-2週期計數式數字量感測器的結構方框圖2.4.3頻率式數字量感測器結構：如圖2-4-3所示。 分類：帶晶體振盪器、不帶晶體振盪器 其敏感元件可以是直接的和差動的，為了提高頻率式數字量感測器的解析度，一般採用倍頻措施。*2.4數字量感測器及其測量電路*圖2-4-3頻率式數字量感測器的結構方框圖

2.5數字量感測器性能指標(1)解析度(Q)——改變一個測量計數所對應的被測量的變化值。式中xmax，xmin——數字量感測器的測量上限與下限N——數字量感測器的輸出值Q越小，說明數字量測量裝置的精度越高。*2.5數字量感測器性能指標*(2)精度(ε)——測量誤差值與實際測量值之比。數字量感測器測量裝置的精度為：

式中△n——測量值與實際值之差。(3)檢測時間——對被測參數進行兩次採樣之間的時間間隔。(4)計數器字長——根據檢測裝置的最大測量值xmax及解析度(Q)可以確定計數器的最大計數值:*2.5數字量感測器性能指標*2.6數字檢測方法2.6.1M法數字檢測定義：在一定時間T內，測取數字量感測器測量電路發出脈衝的個數來計算被測參數的方法。例如，圖2-6-2中測量轉速時，脈衝發生器每旋轉一周輸出P個脈衝，則轉速n為:

式中m——在檢測時間T內所得的脈衝數

T——在設定的檢測週期，單位s*2.6數字檢測方法*測速裝置的解析度為:測量裝置的解析度在不同的區段是不同的。在低段的解析度低(精度低)，而在高段的解析度高(精度高)。圖2-6-1M法測量原理圖圖2-6-2轉速測量脈衝發生器*2.6數字檢測方法*2.6.2Ｔ法數字檢測定義：通過測量脈衝發生器發出的相鄰兩脈衝之間的間隔時間來計算被測參數的方法為T法例如，圖2-6-2中測量轉速時，脈衝發生器每旋轉一周輸出P個脈衝數。若採用頻率為ｆc的時鐘脈衝進行計數，則轉速n為:

式中m——在檢測時間內所測得的脈衝數。解析度為：*2.6數字檢測方法*測量裝置的解析度在不同的區段是不同的，在低段的解析度高，而在高段的解析度低。時鐘脈衝頻率fc越高，則檢測裝置的解析度越靈敏。但這樣會增加檢測裝置計數器字長，時鐘脈衝頻率fc由下式確定:式中nmin——測量的最低轉速。*2.6數字檢測方法*圖2-6-3Ｔ法測量原理圖圖2-6-4Ｍ/Ｔ法測量原理圖2.6.3M/T法數字檢測定義：在固定的時間間隔內，由一個計數器對脈衝發生器的輸出計數，得脈衝數m1，同時用另一計數器在同樣的時間間隔內同步地對時鐘脈衝進行計數，得另一脈衝數m2。計算公式：設脈衝發生器每轉一周輸出Ｐ個脈衝數，若採用頻率為fc的時鐘進行計數，則轉速n為:式中m1——在檢測時間TC內所測得的信號脈衝數

m2——在檢測時間TC內所測得的時鐘脈衝數

*2.6數字檢測方法*解析度為:測量裝置的解析度是一個常數，與轉速的高低無關。

思考題1.簡述機電一體化技術中感測器的發展趨勢？2.什麼是模擬量感測器，什麼是數字量感測器，二者有什麼區別？3.模擬量感測器的性能指標包括哪些內容？為什麼要研究模擬量感測器的動特性？4.數字量傳感具有哪三種類型？它們有什麼區別？5.數字量感測器的性能指標包括哪些內容？6.數字檢測方法有哪三種？三者有什麼區別？*2.6數字檢測方法*

機械系統設計技術機電一體化機械系統應包括如下三大部分機構。（1）傳動機構機電一體化機械系統中的傳動機構不僅僅是轉速和轉矩的變換器，而是已成為伺服系統的一部分。（2）導向機構其作用是支承和導向，為機械系統中各運動裝置能安全、準確地完成其特定方向的運動提供保障。（3）執行機構執行機構根據操作指令的要求在動力源的帶動下，完成預定的操作。2.1機械設計概述各種機械從構思到實現要經過設計和製造兩個不同的階段。機械設計是機械生產的第一道工序。在機電產品的設計製造中，設計人員根據市場對產品的需求和公司對產品的定位，提出機械設計的任務，運用各種先進的設計方法，獲得一個既滿足使用要求的產品設計方案，繪製出全部生產用圖。2.1.1機電一體化對機械系統的要求主要從以下幾方面採取措施。（1）採用低摩擦阻力的傳動部件和導向支承部件。（2）縮短傳動鏈，提高傳動與支承剛度（3）選用最佳傳動比，以達到提高系統解析度、減少等效到執行元件輸出軸上的等效轉動慣量。（4）縮小反向死區誤差，如採取消除傳動間隙、減少支承變形的措施。（5）改進支承及架體的結構設計以提高剛性、減少振動、降低雜訊。2.1.2機械系統的組成機電一體化機械系統應包括如下三大部分機構。（1）傳動機構，機電一體化機械系統中的傳動機構不僅僅是轉速和轉矩的變換器，而是已成為伺服系統的一部分，它要根據伺服控制的要求進行選擇設計，以滿足整個機械系統良好的伺服性能（2）導向機構，其作用是支承和導向，為機械系統中各運動裝置能安全、準確地完成其待定方向的運動提供保障。（3）執行機構，它是用以完成操作任務的。執行機構根據操作指令的要求在動力源的帶動下，完成預定的操作2.2傳動部件設計機電一體化機械系統應具有良好的伺服性能，從而要求傳動機構滿足以下幾個方面：轉動慣量小、剛度大、阻尼合適，此外還要求摩擦小、抗振性好、間隙小，特別是其動態特性與伺服電動機等其他環節的動態特性相匹配。常用的機械傳動部件有螺旋傳動、齒輪傳動、同步帶、高速帶傳動以及各種非線性傳動部件等。其主要功能是傳遞轉矩和轉速。因此，它實質上是一種轉矩、轉速變換器。隨著機電一體化技術革命的發展．要求傳動機構不斷適應新的技術要求。具體講有三個方面。（1）精密化：對於某種特定的機電一體化產品來說攝影其性能的需要提出適當的精密度要求（2）高速化：產品效率的高低，直接與機械傳動部分的運動速度相關。（3）小型化、輕量化：隨著機電一體化系統（產品）的精密化、高速化的發展，必然要求其傳動機構小型化和輕量化。2.2.1帶傳動帶傳動是通過環狀撓性件，在兩個或多個傳動輪之間傳遞運動和動力的機械傳動裝置，又稱為撓性件傳動。具有結構簡單、維護方便和成本低廉等特點，適用於兩軸中心距較大的傳動。一、帶傳動的類型、結構和特點（1）帶傳動的主要優點帶具有良好的彈性；超載時，帶在帶輪上打滑，可防止其他零件損壞；適用於兩軸中心距較大的場合；結構簡單，製造、安裝和維護方便，成本低。（2）帶傳動的主要缺點帶在帶輪上有相對滑動，不能保證準確的傳動比；傳動效率較低，帶的壽命較短；傳動的外廓尺寸大；帶傳動需要張緊，支承帶輪的軸和軸承受力較大。二、帶傳動的主要參數帶傳動的主要幾何參數有包角α、基準長度Ld、中心距a及帶輪直徑dd1、dd2等。對於開口傳動、主要參數間有如下近似關係：小輪上的包角 （式2-1）基準長度 （式2-2）三、帶傳動的彈性滑動和傳動比四、帶傳動的張緊裝置帶傳動是依靠帶與帶輪間的摩擦力工作的，所以安裝時，傳動帶必須以一定的預緊拉力緊套在帶輪上，但V帶不是完全彈性體，工作一定時間後，其初拉力必將因帶的塑性變形而減小，產生鬆弛現象，使傳動能力下降，甚至失效，故必須適時地補充張緊。2.2.2諧波齒輪傳動 諧波齒輪傳動具有結構簡單、傳動比大（幾十到幾百）、傳動精度高、回程誤差小、雜訊低、傳動平穩、承載能力強、效率高等優點。故在工業機器人、航空、火箭等機電一體化系統中日益得到廣泛的應用。圖2-4諧波齒輪減速器原理圖2-5諧波減速器中三大部件2.2.3滾珠螺旋傳動滾動螺旋傳動的滾動體有球和滾子兩大類。一、滾珠絲杠副的組成滾珠絲杠副是在絲杠和螺母間以鋼球為滾動體的螺旋傳動部件，它可將旋轉運動變為直線運動，或相反。

二、滾珠絲杠副的結構、及精度等級（1）螺紋滾道型面的（法向）形狀及主要尺寸（2）滾珠的迴圈方式。滾珠絲杠副中滾珠的迴圈方式有內迴圈和外迴圈兩種。三、滾珠絲杠副的特點（1）傳動效率高（2）運動具有可逆性（3）系統剛度好（4）傳動精度高（5）使用壽命長（6）不能自鎖（7）製造工藝複雜2.3軸系軸系由軸及安裝在軸上的齒輪、帶輪等傳動部件組成，有主軸系和中間傳動軸系。它支承著其他轉功件回轉並傳遞轉矩，同時它又通過軸承和機架連接。

2.3.1軸 一、軸的分類軸按受載情況分：（1）轉軸既支承傳動機件又傳遞動力，即承受彎矩和扭矩兩種作用（2）心軸只起支承旋轉機件作用而不傳遞動力，即只承受彎矩作用。（3）傳動軸主要傳遞動力，即要承受扭矩作用。二、軸的材料軸的常用材料種類很多，設計時主要根據對軸的強度、剛度、耐磨性等要求，以及為實現這些要求而採用的熱處理方式。三、軸的結構設計軸的結構決定於受載情況，軸上零件的佈置和固定方式，軸承的類型和尺寸、軸的毛坯、製造和裝配工藝及安裝、運輸等條件。（1）軸上零件的固定零件與軸的固定或連接方式，隨零件的作用而異。零件在軸上應具有確定的軸向位置，以保證它正常工作。一般情況下，應從軸向和周向加以固定。圖2-11軸向固定方法圖2-12軸的周向固定

五、軸的剛度計算軸在載荷作用下，將產生彎曲或扭轉變形。若變形量超過允許的限度，就會影響軸上零件的正常工作，甚至會破壞機器的工作性能。四、採用合理結構措施提高疲勞強度軸的破壞多數多屬於疲勞破壞。2.3.2軸彀連結軸彀連接主要是使軸上零件與軸周向固定以傳遞轉矩。常用的軸彀連接有鍵連接、過盈連接、無鍵連接、銷連接、螺紋連接等。其中以鍵應用最為廣泛。

圖2-13普通平鍵聯結圖2-14花鍵聯結2.3.3軸承軸承是支承軸的部件。根據軸承工作時的摩擦性質，軸承可分為滑動摩擦軸承（簡稱滑動軸承）和滾動摩擦軸承（簡稱滾動軸承）。圖2-15滑動軸承的摩擦狀態一、滑動軸承滑動軸承的類型較多，按其承受載荷方向的不同，可分為徑向滑動軸承（承受徑向載荷）和止推滑動軸承（承受軸向載荷）。（1）滑動袖承的失效形式

①磨粒磨損

②疲勞剝落

③刮傷

④腐蝕

⑤膠合（2）軸瓦的結構及軸承材料（3）非液體摩擦滑動軸承採用潤滑脂或滴油形式潤滑的滑動軸承，由於接觸表面間得不到足夠的潤滑劑，難以形成一個完整的承載油膜，軸承只能在混合摩擦潤滑狀態下工作（即邊界潤滑和液體潤滑同時存在（4）液體摩擦滑動軸承液體摩擦是滑動軸承工作時的理想摩擦狀態。依據軸承獲得液體潤滑原理的不同，可分為液體動壓滑動軸承和液體靜壓滑動軸承。圖2-16液體動壓潤滑軸承工作原理圖2-17液體靜壓徑向滑動軸承1－油腔2－油槽3－節流器二、滾動軸承滾動軸承是依靠主要元件間的滾動接觸來支承轉動零件的。（1）滾動軸承的結構及滾動體圖2-18滾動軸承1－外圈2－內圈3－滾動體4－保持架

圖2-19滾動體滾動軸承的類型很多，按軸承承受載荷的作用方向，可分為徑向接觸軸承，它主要用於承受徑向載荷；向心角接觸軸承，能同時承受徑向及單萬向軸向載荷；軸向接觸軸承，只能承受軸向載荷。（2）滾動軸承的失效形式①疲勞點蝕，滾動軸承的正常失效形式是滾動體或內外圈滾道上的點蝕破壞。②塑性變形，若軸承的工作轉速很低（n<10r/min）或僅作間歇擺動，則一般不會出現疲勞點蝕破壞。（3）滾動軸承的密封滾動軸承的密封是為了防止外部的水分、灰塵及雜物進入軸承，亦防止軸承內潤滑劑的流失。2.4支撐件設計機電系統的支承部件包括導向支承部件，旋轉支承部件和機座機架。導向支承部件的作用是支承和限制運動部件按給定的運動要求和規定的運動方向運動。這樣的部件通常被標為導軌副，簡稱導軌。2.4.1導向支承部件 導軌副主要由承導件1和運動件2兩部分組成，如圖2-20所示。運動方向為直線的被稱為直線導軌副，為回轉的被稱為回轉運動導軌副。常用的導軌副種類很多，按其接觸面的摩擦性質可分為滑動導軌、滾動導軌、流體介質摩擦導軌等。圖2-20導軌副的組成1－承導件2－運動件圖2-21導軌副的分類一、導軌副的截面形狀及其特點

常見的導軌截面形狀，有三角形（分對稱、不對稱兩類）、矩形、燕尾形及圓形等四種，每種又分為凸形和凹形兩類。凸形導軌不易積存切屑等髒物，也不易儲存潤滑油。宜在低速下工作，凹形導軌則相反，可用於高速，但必須有良好的防護裝置，以防切屑等髒物落人導軌。

二、導軌副間隙的調整為保證導軌正常工作，導軌滑動表面之間應保持適當的間隙。間隙過小、會增加摩擦阻力；間隙過大，會降低導向精度。

圖2-22燕尾型導軌及其組合的間隙調整1－斜鑲條2－壓板3－直鑲條三、靜壓導軌副 靜壓導軌是將具有一定壓力的油或氣體介質通過導軌的運動件與導向支承件之間，運動件浮在壓力油或氣體形膜之上，與導向支承件脫離接觸，致使摩擦阻力（力矩）大大降低。運動件受外載荷作用後，介質壓力會回饋升高，以支承外載荷。圖2-23閉式液體靜壓導軌工作原理圖四、滾動導軌副（1）直線運動滾動導軌副的特點及要求滾動導軌作為滾動摩擦副的一類，具有許多特點：靈敏度高，摩擦阻力小，運動靈活；摩擦係數為（0.003～0.005），動、靜摩擦係數基本相同，因而啟動阻力小，而不易產生爬行；可以預緊，剛度強；壽命長、定位精度高可達0.2μm，潤滑方便；可以採用脂潤滑。一次裝填，長期使用。圖2-24滾動體不迴圈的滾動導軌副1－動導軌2－滾珠3－定導軌4－滾柱5－滾針2.4.2旋轉支承部件一、旋轉支承的種類及基本要求旋轉支承中的運動件相對於支承導件轉動或擺動時，按其相互摩擦的性質可分為滑動、滾動、彈性、氣體（或液體）摩擦支承。滑動摩擦支承按其結構特點可分為圓柱、圓錐、球面和頂針支承；滾動摩擦支承按其結構特點，可分為填入式滾珠支承和刀口支承。圖2-25各種支承結構簡圖二、圓柱支承這種支承具有較大的接觸表面，承受載荷較大。但其方向精度和置中精度較差，且摩擦阻力矩較大圖2-26圓柱支承結構圖2-27半運動學圓柱支承三、圓錐支承圓錐支承的分向精度和置中精度較高，承載能力較強，但摩擦阻力矩也較大。圓錐支承由錐形軸頸和具有圓錐孔的軸承組成圖2-28填入式滾動支承形式四、其他支承（1）填入式滾動支承（2）頂針支承（3）球面支承（4）刀口支承2.4.3機架與機座 一、機座機架的作用及基本要求 機座或機架是支承其他零部件的基礎部件。它既承受其他零部件的重量和工作載荷，又起保證各零部件相對位置的基準作用。在設計時，首先應對某些關鍵表面及其相對位置精度提出相應的精度要求，以保證產品總體精度。其次，機架或機座的變形和振動將直接影響產品的品質和正常運轉（1）剛度與抗振性剛度是抵抗載荷變形的能力。抵抗恒定載荷變形的能力稱靜剛度；抵抗交變載荷變形的能力稱為動剛度。

式中：K－靜剛度（N/m）；ζ－阻尼比；B－阻尼係數；ωn－固有頻率（1/s）（2）熱變形系統運轉時，電機、強光源等熱源散發的熱量，零部件間相對運動而摩擦生熱，電子元器件發熱等，都將傳到支承部件上。如果熱量分佈不均勻、散熱性能不同，就會由於不同部位的溫差而產生熱變形，影響其原有精度。（3）穩定性 機座或機架的穩定性是指長時間地保持其幾何尺寸和主要表面相對位置精度，以防止產品原有精度的喪失。為此對鑄件機座應進行時效處理來消除產生機座變形的內應力。時效的常用方法有自然時效和人工時效（熱處理法和振動法等）。二、機座機架的結構設計要點機座或機架的結構設計必須保證其自身剛度、連接處剛度和局部剛度，同時要考慮安裝方式、材料選擇、結構工藝性以及節省材料、降低成本和縮短生產週期等問題。（1）合理選擇截面形狀和尺寸。機座雖受力複雜，但不外是拉、壓、彎、扭的作用。（2）合理佈置肋板和加強肋 封閉空心截面的剛度較高。但為了便於鑄造清砂及其內部零部件的裝配和調整，需要在機座上開“窗口”，結果使其剛度顯著降低。（3）合理的開孔和加蓋。在機座壁上開窗孔，將顯著降低機座的剛度，特別是扭轉剛度。三、機座剛度的模擬試驗由於機座的結構形狀複雜，用力學方法計算剛度很困難。採用模型試驗方法，則可測得與實際較接近的變形量。模型試驗，就是將實物按比例縮小製成模型，利用模型模擬實物進行試驗。模型試驗可以用來進行靜態和動態試驗，也可進行抗振性和熱變形試驗等。2.4.4潤滑與潤滑劑一、潤滑運動部件間產生摩擦，摩擦導致磨損。為避免摩擦帶來的能量損失和磨損帶來的失效，潤滑是一種常用的減摩降磨有效手段。在相對運動表面間加入潤滑劑，使之免於工作在幹摩擦狀態．可以達到減小摩擦、降低磨損的效果，進而達到提高工作效率和延長使用壽命的目的。圖2-29平行平板的流體潤滑狀態圖2-30非平行滑動平衰面間的流體動壓潤滑狀態圖2-31彈性動力潤滑圖2-32流體靜壓潤滑二、潤滑劑（1）潤滑劑的分類潤滑劑主要分為流體潤滑劑氣體潤滑劑半固體潤滑劑和固體潤滑型（2）潤滑劑的性能指標潤滑劑的常用性能指標有粘度。凝點、閃點、燃點、油性、滴點和錐入度等。①粘度：是表達液體間粘性阻力大小的指標。②凝點：潤滑劑由液態向固態轉換的最高溫度。③閃點：是潤滑油在火焰下閃爍時的最低溫度。④燃點：是潤滑劑閃爍持續5s以上時的最低溫度。⑤油性：是濕潤、吸附於摩擦表面的性能。⑥滴點：是脂受熱後開始滴落時的溫度。⑦錐入度：是表徵脂粘稠度指標。2.5執行機構設計

機電一體化產品的執行機構是實現其主功能的重要環節，它應能快速地完成預期的動作，並具有回應速度快、動態特性好、動靜態精度高、動作靈敏度高等特點，另外為便於集中控制，它還應滿足效率高、體積小、品質輕、自控性強、可靠性高等要求。2.5.1微動機構微動機構是—種能在一定範圍內精確、微量地移動到給定位置或實現特定的進給運動的機構。在機電—體化產品中，它一般用於精確、微量地調節某些部件的相對位置。如在儀器的讀數系統中，利用微動機構調整刻度尺的零位；在磨床中，用螺旋微動機構調整砂輪架的微量進給；在醫學領域中各種微型手術器械均採用微動機構。2.5.2定位機構定位機構是機電一體化機械系統中一種確保移動件佔據準確位置的執行機構，通常採用分度機構和鎖緊機構組合的形式來實現精確定位的要求。分度工作臺的功能是完成回轉分度運動，在加工中自動實現工件—次安裝完成幾個面的加工。圖2-35分度工作臺的旋轉和粗定位的控制原理框圖2.5.3數控機床回轉刀架 數控機床自動回轉刀架是在一定空間範圍內，能使刀架執行自動鬆開、轉位、精密定位等一系列動作的一種機構。數控車床的刀架是機床的重要組成部分，其結構直接影響機床的切削性能和工作效率。圖2-36立式四方刀架1－軸2－蝸輪3－下端齒盤4－上端齒盤5－刀架6－套筒7－軸套8－銷9－聯軸套10－軸11－蝸杆12－壓縮開關13－套筒14－壓縮彈簧15電動機2.5.4工業機器人末端執行器工業機器人是一種自動控制，可重複編程，多功能、多自由度的操作機，是的搬運物料、工件或操作工具以及完成其他各種作業的機電一體化設備。工業機器人末端執行器裝在操作機手腕的前端，是直接實現操作功能的機構。末端執行器因用途不同而結構各異，一般可分為三大類：機械夾持器、特種末端執行器、工具型末端執行器和萬能手（或靈巧手）。一、機械夾持器圖2-37圓弧型夾持器二、特種末端執行器圖2-38特種末端執行器三、工具型末端執行器圖2-39工具型末端執行器四、靈巧手本章小結一個典型的機電一體化系統，通常由控制部件、介面電路、功率放大電路執行元件、機械傳動部件、導向支承部件，以及檢測傳感部件等部件組成。機械傳動部件和導向支承部件在機電一體化系統中還是佔有相當大的比重，它決定了系統的穩定性和工作特點。思考練習1、機電一體化產品對機械系統的要求有哪些？2、機電一體化機械系統由哪幾部分機構組成，對各部分的要求是什麼？3、各傳動機構的特點及應用？軸系設計時的重點是什麼？4、支承形式有哪些類型，各有什麼特點？5、執行機構有哪些？各有什麼特點？

光電感測器在車輛自動控制過程中充當著重要的角色分類：光束感測器、反射感測器、散射感測器原理：通過發射器發出可見、不可見或紅外光，被接收器所接收，並轉換成電信號。特點：(1)無接觸檢測，減少了被測物及探頭的磨損，確保產品的使用壽命與安全操作。(2)被測物的材料不受限制，可測玻璃、塑膠、木質及液體等各種的被測材料。(3)長距離檢測，反射感測器的檢測距離可達１０ｍ。(4)反應速度快，其反應能力在50μs之內。**(5)可分辨顏色。高精度檢測，利用奇特的視覺系統和精確的電子線路可以實現對物體的精確測量。光電感測器分為亮通型與暗通型兩類。2.7.1光電器件分類：光電發射器、光電探測器2.7.1.1光電發射器件

(1)熱輻射光源：如白熾燈。光譜連續、價格便宜

(2)氣體放電光源：如氙燈光源等。氣體超高壓放電發光。特點：效率高，發熱少。

(3)電致發光器：PN結發光（發光二極體）。特點：功率低，驅動電壓低，效率高，可直接調製，小型化等。**(4)雷射器：a.氦氖雷射器：特點：輸出連續，頻率穩定，相干性與方向性極強，居各類鐳射之首。但效率低體積大，電源複雜。b.半導體雷射器：特點：效率相當高，容易調製，體積小，結構簡單，抗振性能好，但方向性差，PN結摻雜影響大。2.7.1.1光電探測器件原理：光電探測器件是利用物體的光電效應。分類：光電導效應，光伏效應和光電子發射效應三種。**1.光電導器件(光敏電阻)注意：光敏電阻必須在適當的波長光照射下，電阻才會改變。**圖2-7-1光敏電阻的原理圖2-7-2CdS、CdSe光譜回應曲線

2.光伏效應器件(光電二極體與光敏三極管)原理：利用光照在半導體器件上產生伏特效應而製成的器件，應用極廣。

(1)光電二極體原理：在光的照射下，光電二極體產生光電流。注意：光電流向光電二極體的反方向流動。伏安特性：見圖2-7-3（a）。等效電路：電流源與二極體的並聯，如圖2-7-3(b)所示光譜特性：如圖2-7-4。**(2)光電三極管工作原理：①光電轉換，其功能同光電二極體；②光電流放大，將光電流放大幾十部至幾百倍。分類：無基極引線、有極基引線兩種。a)無基極引線光電管——靠光的注入代替基極的信號輸入，並將集電結產生的光電流放大。**圖2-7-3光電二極體伏安特性圖2-7-4光電二極體光譜回應曲線b)有基極引線光電管——設置基極的主要目的是為了預置一個基極電流優點： ①減小了光電三極管發射極的電阻，可以改善弱光下的回應時間；②使光電三極管的交流放大係數進入線性區，這對調制光的檢測特別有利。(3)光電池分類：矽光電池（最受歡迎）、硒光電池、硫化鎘光電池、氧化亞銅光電池、砷化鉀光電池等。矽光電池：性能穩定，光譜範圍寬；頻率特性好；換能效率高；能耐高能輻射等。**圖2-7-5光電三極管輸出特性圖2-7-6矽光電池光照特性曲線**2.7.2光束感測器特點：發射器與接收器分開。**圖2-7-7光束傳感的電氣結構圖

2.7.3反射感測器特點：發射器與接收器放於同一個外殼內。常規反射感測器：不能檢測反光體，易產生誤動作。帶偏振片的反射感測器：無論是否反射體在遮住光通路後就一定能被檢出。與常規反射感測器的區別：(1)在發射器與接收器的光通道上分別安裝互成直角的偏振片；(2)採用三角反射鏡，經它反射的偏振光其振盪面旋轉90°。**圖2-7-8帶偏振片的反射感測器工作原理及電氣結構

2.7.4散射感測器，結構：發射器與接收器也置於同一個外殼內，發出的光照在被測物體上，並被反射回來，被接收器接收。特點：對傳感區域內發光與不發光的物體只要在感測器的靈敏度範圍內，都可被檢測。**圖2-7-9散射感測器的工作原理

2.7.5紅外感測器圖2-7-10曲型紅外感測器的電氣結構構成：光電管、前置放大器、比較整形及輸出級構成用途：紅外感測器用於高溫物體遠距離、非接觸檢測**2.8光纖感測器2.8.1光纖感測器概述起步：光纖感測器技術是70年代末發展起來的一項新型傳感技術。技術構成：光纖傳感技術是傳統的光檢測技術和纖維光學應用的結合應用範圍：位移、振動、轉速、溫度、壓力、電場、流量、濃度、PH值等70多項參數的檢測。適用：普通光電感測器所不能適應的條件，例如有限空間、高溫、或危險地區，因而具有廣泛的應用潛力。測量原理：外界待測信號→調製→光參數→光纖→光電探測器。*2.8光纖感測器*調製參數：光可以看成簡諧振蕩的電磁波，其電場分量運算式為：E=E0sin(ωt+φ)因此光可以被調製的參數有四個，即光強度、相位、偏振角及頻率。按調製形式分類：強度調製型、相位調製型、偏振調製型、頻率調製型。大部分感測器屬於前三類。按光纖光纖作用分類：非功能型傳感、功能傳感兩種。（1）非功能型感測器：利用外加的敏感元件對光進行調製而光纖僅僅作為傳光之用。（2）能型光纖感測器：光纖不僅有用作傳光，本身也是敏感元件。功能型光纖感測器的調製原理：溫度、壓力、振動→光纖→光纖的長度、形狀、折射率等發生變化→光纖中傳輸光的強度、相位、偏振態等發生變化*2.8光纖感測器*特點：(1)檢則精度與靈敏度高。強度調製型光纖感測器的靈敏度與一般感測器不相上下，而相位調製型光纖感測器的靈敏度比普通感測器高出幾個數量級，具有較大的動態範圍。(2)回應速度高，頻響寬，可實現非接觸高速檢測。(3)環境適應性強，由於光纖具有可撓曲、耐高溫、耐腐蝕、抗電磁干擾，本質安全防暴，因而光纖感測器適用於一切場合。(4)體積小、重量輕，因而具有可集成的替力。隨著集成光學的發展，將有可能出現將敏感元件、光學元件、光纖等集成一體的光纖感測器。*2.8光纖感測器**2.8光纖感測器*圖2-8-1強度調製型光纖感測器的幾種基本形式及工作原理

2.8.2光纖感測器工作原理

(1)強度調製型光纖感測器特點：結構簡單、可靠性高、對光纖要求不高，信號檢測簡單等。

(2)相位調製型光纖感測器原理：外界待測信號作用於光纖時，引起光纖中傳輸的光的相位必生變化。測量：光相位變化難以直接檢測出來，通常用光的干涉效應將光相位的變化轉換為干涉強度的變化來檢測。相位調製型光纖感測器又稱為干涉型光纖感測器。相位調製型光纖感測器一般具有極高的靈敏度和動態範圍。光纖干涉儀可以檢測出小於10-6rad的相位變化。*2.8光纖感測器*[例]溫度變化1℃→1m長的光纖中光相位變化100rad→解析度達到10-8℃*2.8光纖感測器*圖2-8-2相位調製型光纖感測器的干涉系統及基本結構

(3)偏振調製型光纖感測器原理：法拉弟旋光效應（檢測磁場與電場）；泡克爾效應（檢則電場與電壓）；光彈效應（測量應力）光彈效應原理：透明晶體在受到應力時，其內部對光的折射率發生變化。*2.8光纖感測器*圖2-8-3偏振調製原理2.8.2光導纖維光傳輸的載體，應用很廣。結構：一種透明的圓柱形細絲，中間是折射率極高的透明介質，外面一層是折射率較低的透明介質，再外層一般塗上環氧樹脂和矽膠保護層，並在最外層加上套管。特點：可以彎曲，但彎曲後將對子午線光的傳輸產生一定的影響，但引起的損耗是很小的。*2.8光纖感測器*圖2-8-4光導纖維的結構及其損耗與波長的關係

線位移感測器

2.9.1線位移感測器概述

用途：測量距離，高度、寬度等種類：接觸型與非接觸型。常用類型：電阻式、電容式、電感式、光電式，霍爾效應式等。重點介紹：半導體鐳射位移感測器、電蝸流位移感測器，屬非接觸型位移感測器2.9.2半導體鐳射位移感測器

圖2-9-1半導體鐳射位移感測器圖2-9-2電蝸流位移感測器2.9.2半導體鐳射位移感測器結構：包括一個發光元件（發光二極體、雷射器）、一個位置敏感檢測器原理：採用三角測量。通過檢測聚焦到位置敏感檢測器上的光柱點的運動即可確定工作物體的位移量。特點：

(1)具有高解析度，可對各種不同的材料進行精確測量。(2)測量範圍寬，可對高溫快速移動的物體進行測量。(3)具有先進的鐳射安全性，不會對被測物體或人造成傷害。(4)在任何安裝位置均可實現精確0V設定。(5)易於安裝。2.9.3電蝸流位移感測器

基本結構：由探頭（線圈、骨架、殼體、射頻電纜和射頻插頭）、與前置器構成。測量原理：前置放大器→高頻信號激勵→線圈→產生高頻磁場→金屬表面會感應出渦流→渦流損耗→線圈磁感應強度變化→經前置器轉換成電壓信號∝距離（線性關係）2.9.3電蝸流位移感測器特點：①非接觸式測量②線性範圍寬，0～80mm③動態回應好，0-10kHz④長期連續可靠工作，抗干擾能力強⑤在水、油等惡劣環境條件下工作⑥可長線傳輸⑦直接與A、D介面相連配電腦使用2.10光柵感測器

2.10.1光柵感測器概述用途：精密直線位移、角位移測量，應用甚廣舉例：如高精度數控機床、三座標輪廓儀、直徑測量儀器。精度：直線位移測量精度可達0.5μm，轉角位移測量精度可分度±1"(1、3600度)。組成：一塊測量柵，一塊指示光柵。結構原理：兩柵均有相間條紋，間距相等，兩光柵相對移動一個柵距，莫爾條紋也移動一個條紋間距。 用光電元件接收透過兩塊光柵的光能量，根據計數器累計的信號數，就可測得移動長度或移過轉角。2.10光柵感測器圖2-10-1長光柵模爾條紋圖2-11-1感應同步器的結構與工作原理

2.11感應同步器特點：是一種數字感測器，分類：直線式與旋轉式兩種，前者用來檢測直線位移，後者用來檢測旋轉角位移。結構：旋轉式（定子、轉子），直線式（定尺、滑尺）。滑尺上繞阻接成S組(正弦繞組)與C組(余弦繞阻)。安裝：定尺安裝於固定部分，滑尺安裝在運動部分，二者作間隙很小的非接觸移動。原理：正弦電壓→S組或C組→定尺上產生幅值按正弦或余弦變化的感應電勢輸出信號可用幅值與相位來描述，通過鑒幅或鑒相系統可以檢測出位移信號並進行數值顯示。2.12接近感測器2.12.1接近感測器概述用途：屬無觸點接近開關，用於導電、導磁金屬材料的限位置、固體料位和液體液位檢測等常用的接近感測器：感應式接近感測器，電容式接近感測器，及電磁式接近感測器高精度的接近感測器，還能檢測金屬薄板及渡層的厚度。優點：不直接接觸被測物體，開關及被測物均沒有機械磨損，使壽命很長，可適用於高速檢測。原理：但當被測物體進入接近開關的靈敏區時，就會發出一個脈衝信號。靈敏區形狀：探頭附近的一個近似半球區域。2.12.2感應式接近感測器

適用：空間有限情況的金屬的非接觸接近測量探頭結構分類：有遮罩的、無遮罩的兩種。後者測量距離較前者為大。結構：振盪器、感應線圈、斯密特電路及輸出電路組成。工作原理：振盪器在探頭端部產生磁場作用區，當金屬進入該作用區時，引起振盪器停振。2.12.2感應式接近感測器圖2-12-1感應式接近感測器的工作原理

2.12.3電容式接近感測器適用：非接觸、空間有限。如各種管道內流體的測量、料位測量及對金屬物品測量。結構：由振盪器、斯密特電路及輸出電路組成，電容器的一個電極是傳感電極，另一個電極是大地。原理：加電後，兩極間產生電場，當與大地連接的金屬物體靠近電容器時引起振盪器停振。2.12.3電容式接近感測器圖2-12-2電容式接近感測器的電路結構及工作原理

2.12.4電磁式接近感測器適用：非接觸式導磁材料測量結構：內部有4個磁鐵和一個常開觸點的幹簧繼電器。原理：導磁材料外界物體→靠近電磁式接近開關誘導面→磁場失去平衡→幹簧繼電器的觸點閉合2.13流量感測器用途：對流動的介質——液體或氣體的流量進行檢測的感測器。按工作原理分類：電子流量感測器、電磁流量感測器、超聲波流量感測器、渦流流量感測器等。重點介紹：電子流量感測器與電磁流量感測器。2.13.1電子流量感測器工作原理：基於熱傳導理論。兩個精確溫度電阻放置介質中，一個只受介質溫度的影響，另一個被熱源加熱，介質流動時該電阻被冷卻，比較兩個電阻值，可得到傳感信號，經二次儀錶轉化為介質的流量值。實際的流量感測器將兩個電阻裝於同一個感測器殼體內。2.13.1電子流量感測器圖2-13-1電子流量感器原理圖2-13-2電磁流量感器原理

2.13.2電磁流量感測器測量原理：基於法拉弟電磁感應定律。 交流驅動→感測器內磁芯產生交變磁場→被測介質為（水、或酸、堿、鹽等導電液體）流動時相當於導體切害磁力線→兩個電極上產生感應電動勢→引出檢測感應電動勢→確定流速→確定流量構成：電磁流量感測器、電磁流量轉換器。2.14溫度感測器分類： 高溫感測器（熱電偶、鉑電阻以及紅外輻射測溫計）；常溫感測器（熱敏電阻、銅電阻等）；低溫感測器（銅電阻等）。2.14.1熱敏電阻說明：熱敏電阻是一種電阻值隨溫度變化的半導體元件。特點：體積小，靈敏度高，價格崐低，所以應用最為廣泛。分類：一類電阻值隨溫度升高而增加（正的溫度係數），一類隨溫度升高而降低（負的溫度係數，常用）。特性：熱電特性、伏安特性。2.14.1.1熱敏電阻的熱電特性定義：電阻值隨溫度變化的關係，以座標圖表示它是一條指數曲線： 式中： RT——溫度為T時的電阻值；

T——絕對溫度，K；

A、B——由材料及製造工藝決定的係數熱敏電阻材料：鐵、鎳、錳、鉬、鈦、鎂、銅等氧化物做成。改變這些混合物的成分，就可以改變熱敏電阻的測量範圍、阻值及A、B值。2.14.1.1熱敏電阻的熱電特性圖2-14-1熱敏電阻的熱電特性圖圖2-14-2熱敏電阻的伏安特性圖2.14.1.2熱敏電阻伏安特性說明：熱敏電阻的伏安特性是指通過熱敏電阻的電流與其兩端電壓之間的關係。原理： 當熱敏電阻的電流很小時，熱敏電阻的伏安特性遵循歐姆定律；但當電流大到一定程度時，流過熱敏電阻的電流使其自身溫度升高，因而其阻值減小。因此在使用熱敏電阻伏安特性時應防止電流過大。2.14.2熱電偶溫度感測器說明：是較早的一種接觸式溫度感測器，測量可從室溫至1800℃。所以至今仍是應用最廣的溫度感測器。發展趨勢：標準化（我國已8個品種）、小型化（最小的鎧裝熱電偶直徑為2～4mm）。測溫原理：熱電效應。將不同的導體或半導體A、B組成閉合回路，使兩個接點處於不同的溫度，回路中就產生電動勢。2.14.2熱電偶溫度感測器輸出電動勢：與兩種材料的性質及兩接點的溫度差有關，與導體的大小，接觸面積及連接方式無關。其輸出電勢為：EAB(t，t0)=fAB(t)-fAB(t0)如果使熱電偶的一個接點溫度t0保持不變，設fAB(t0)=C，則上式可寫成：

EAB(t，t0)=fAB(t)-C2.14.2熱電偶溫度感測器表明：產生的熱電勢EAB(t，t0)只與溫度t有關，成為溫度的單值函數。實際：使t端與工作介質接觸，進行測溫，稱為工作端，t0端稱為熱電偶自由端或參考端或冷端。冰點槽裝置：用於在工作中將自由端保持0℃恒溫，然後將工作端的溫度與電勢關係列成表格，供測量人員使用。2.14.2熱電偶溫度感測器圖2-14-3熱電偶效應圖2-14-4冰點槽裝置

2.15轉速及角位移感測器編碼器就是近年來出現的一種新型的高精度、數位化、大尺寸測量元件，用作旋轉軸和線性軸的回饋裝置。用途：用於數控機床、木工機械、機器人和裝卸設備、紡織機械、繪圖儀和仿形裝置，測量和測試設備。特點：(1)能借助於微電子技術，達到足夠高的精度，沒有人為的讀數誤差；(2)易於實現系統的快速、自動和數字化；(3)測量系統量程大，長度可以達數米甚至更長，角度可以在360°範圍內進行測量；(4)體積小，重量輕，結構緊湊，測量系統安全方便，使用和維護簡單，工作可靠。2.15轉速及角位移感測器2.15.1絕對式旋轉編碼器可直接從分度盤的編碼圖案中得出角度位置，然後轉換成編碼信號。即使電源有瞬間掉電，只要主軸轉速在允許範圍內，都能通過控制器或電腦編譯成編碼信號。2.15.2增量式旋轉編碼器以脈衝形式輸出，被測物體每走過一個當量距離，編碼器就輸出一個脈衝。2.16圖像感測器在機電控制、機器人的領域中起著重要的作用，尤以CCD圖像感測器和紅外線圖像感測器應用最為廣泛。CCD圖像感測器：典型例，日本KEYENCE公司生產的VH系列圖像顯微檢測儀。紅外線圖像感測器：典型例，AVIONICS公司生產的TVS-2000系列熱圖像系統。2.16.1CCD圖像感測器命名：CCD(ChargecoupleDevice)即電荷耦合器件的簡稱，是一種金屬氧化物半導體(MOS)積體電路的簡稱。結構：由感光部和CCD移位寄存器組成。原理：成像在CCD上的景物→感光部電信號→電子圖像→CCD移位寄存器→放大器→輸出分類：中按結構和信號電荷傳送方式，又可分為線陣(一維)和麵陣兩種。2.16.1.1線陣CCD圖像感測器中間是一列感光單元（光電二極體陣），兩側分別設置了CCD移位寄存器。感光單元按位置的奇偶性，分別把其所存儲的電荷向兩側移位寄存器傳送，最後在輸出部匯合輸出。在其感光部和兩側CCD移位寄存器之間設有轉移柵。移位寄存器停頓時，轉移柵開放，光電二極體所積累的電荷可以送到兩側的CCD移位寄存器中。接著轉移柵關閉，感光部的光電二極體開始進行下一次讀出的電荷積累。線陣CCD圖像感測器廣泛應用於傳真等場合。2.16.1.1線陣CCD圖像感測器圖2-16-2048位線陣CCD圖像感測器結構

2.16.1.2面陣CCD圖像感測器分類：按構成分為兩種：幀傳送方式和行間傳送方式。在幀傳送方式垂直消影期中，感光部所積累的信號電荷快速轉送到存儲部，然後由輸出寄存器順次讀出。在行間傳送方式中積累的電荷一次轉送到鄰接的垂直移位寄存器，以後從輸出移位寄存器中讀出信號。400×500像素和800×500像素的CCD圖像感測器適用於工業監視及工業機器人。1024×800的CCD圖像感測器也已用於TV攝像機。2.16.1.2面陣CCD圖像感測器圖2-16-2幀傳送面陣CCD圖像感測器的結構圖2-16-3行間傳送面陣CCD圖像感測器的結構

2.16.2紅外圖像感測器功能：把波長為2～20μm的紅外圖像→TV時間系列掃描信號。構成：紅外傳感（量子型和熱型）和電子掃描兩部分。分類：量子型紅外圖像感測器、熱型紅外圖像感測器兩大類。量子型紅外圖像感測器：採用固體電子掃描，如單片型CCD、混合型CCD或肖特基勢壘型CCD等。熱型紅外圖像感測器：採用熱電光導攝像管式的電子掃描或採用熱電紅外CCD型的固體電子掃描。2.16.2.1熱電光導攝像管特徵：靶電極用熱電材料，採用鎳—鉻和黃金黑體等吸收紅外線的材料，其窗口採用能透過紅外線的玻璃。原理：基於熱電效應。景物→透鏡→成像在熱電光導攝像管上→紅外熱圖像→在靶面上感應出相應的電壓分佈→被電子束拾取→做為時間序列信號讀出2.16.2.2紅外CCD特徵：是採用固體電子掃描的原理。最新的肖特基勢壘型CCD圖像感測器可製成靈敏度均勻的大面積圖像感測器。圖2-16-4熱電光導攝像管圖2-16-5紅外CCD圖像感測器

思考題1.簡述反射感測器的傳感原理，為什麼帶偏振片的反射感測器在被測物體為反射體時不會產生誤動作？2.光纖感測器在機電一體化中應用極廣，它具有什麼優點？，光纖傳感具有幾種調製方式？3.簡述圖2-8-2中四種相位調製型光纖感測器干涉系統的工作原理？4.在大位移與高精度測量中常用什麼感測器，其工作原理分別是什麼？5.接近感測器共有幾種類型？，簡述感應式接近感測器與電容式接近感測器測量原理的共同點與不同點？6.簡述電子流量感測器的工作原理。7.常用的圖像感測器有幾種？，傳真中用的是什麼圖像感測器？，機器人用什麼圖像感測器，簡述其工作原理。8.熱電光導攝像管是靠什麼原理把紅外圖像變為視頻信號的？

檢測與傳感系統設計技術3.1感測器的組成和分類3.1.1感測器的組成通常感測器有敏感元件、轉換元件和轉換電路三部分組成。

圖3-1感測器的組成3.2常見感測器及其工作原理3.2.1光電編碼器編碼器是將機械傳動的模擬量轉換成旋轉角度的數字信號，進行角位移檢測的感測器。編碼器的種類很多，根據檢測原理，它可分為電磁式、電刷式、電磁感應式及光電式等。光電編碼器根據其刻度方法及信號輸出形式，分為增量式編碼器和絕對式編碼器。1、增量式光電編碼器圖3-2增量式光電編碼器2、絕對式光電編碼器絕對式光電編碼器的編碼盤由透明及不透明區組成，這些透明及不透明區按一定編碼構成，編碼盤上碼道的條數就是數碼的位數。絕對式編碼器能夠直接給出對應於每個轉角位置的二進位數碼，便於電腦處理。(a)4位二進位絕對式編碼器的編碼盤(b)4位格雷碼盤示意圖圖3-4絕對式光電編碼器的編碼盤

圖3-5絕對式光電編碼器的結構示意

1—光源；2—透鏡；3—編碼盤；4—狹縫；5—光電元件光電編碼器的應用——轉速測量轉速可由編碼器發出的脈衝頻率或週期來測量。

圖3-6(a)脈衝頻率法測轉速

圖3-6（b）脈衝週期法測轉速×3.2.2光柵尺光柵尺或稱光柵，是一種高精度的直線位移感測器。圖3-7光柵尺的結構示意圖2、莫爾條紋與參數間的關係光柵的莫爾條紋有如下特點：（1）起放大作用。（2）莫爾條紋的移動與柵距成正比。圖3-8光電元件3、信號處理光柵尺輸出的信號有兩種：一種是正弦波信號；一種是方波信號。光柵尺除了增量式測量外，還有絕對式測量，輸出二進位BCD碼子或格雷碼編碼的設計可採用二進位碼、迴圈碼、二進位補數等。3.2.3電阻應變計電阻應變計是根據應變—電阻效應，將給測試件的應變量轉換成電阻變化量的敏感元件。它不僅直接作為應力、應變測量的感測器而且可以與彈性元件組合構成力、壓力、稱重、位移、扭矩、振動、加速度等多種專用式感測器，廣泛應用於機械、交通、建築、化工和電力等行業。電阻應變計的結構電阻應變計主要由電阻敏感柵、基底和麵膠（或覆蓋層）、粘結劑、引出線五部分組成。電阻應變計的結構如圖所示。圖3-9電阻應變計的構造1—敏感柵；2—引出線；3—粘結劑（未示出）；4—覆蓋層；5—基底3、應變計的類型電阻應變計的分類方法很多，常用的是按應變計的製造材料、溫度以及用途的不同來分類。（1）按敏感柵的製造方法分類1）金屬絲式應變計箔式應變計箔式應變計的敏感柵是利用照相製版或光刻腐蝕技術製成的，箔柵厚度一般為0.002mm~0.005mm,最薄的達0.00035mm。箔式應變計，工藝上能保證敏感柵尺寸的準確，線條均勻，適應不同的測量要求，傳遞試件應變性能好、橫向效應小和散熱性能好，因此得到了廣泛的應用，現在已經基本上取代金屬絲應變計。金屬薄膜應變計所謂薄膜是指厚度在0.1um以下的膜，它是採用真空的濺射或真空沉積等方法製成的。通過按規定的圖形製成的掩膜版，在基底材料上濺射或沉積一層電阻材料的薄膜，從而製成金屬薄膜應變計。4、電阻應變計的應用電阻應變計主要有以下兩種應用方式：（1）應變片直接粘貼在試件上，用來測量工程結構受力後的應力分析或所產生的應變，為結構設計、應力校正或分析結構在使用中產生破壞的原因提供試驗數據，如電阻應變儀。在測量齒輪輪齒彎矩或立柱應力時，也常在被測位置處直接粘貼應變片進行測量，如圖所示。圖3-11構件應力測定的應用（2）將應變片粘貼在彈性元件上，進行標定後作為測量力、壓力、位移等物理量的感測器。1—品質塊；2—應變梁；3—應變片；4—阻尼液；

5—密封圈；6—接線板；7—底座圖3-12應變式加速度感測器3.2.4溫度感測器溫度感測器是一種將溫度變化轉換為電學量變化的裝置，用於檢測溫度和熱量，因此也叫做熱電式感測器。溫度感測器一般分為接觸式和非接觸式兩大類1、熱電效應熱電偶測溫是基於熱電效應。在兩種不同的導體（或半導體）A和B組成的閉合回路中，如果它們兩個結點的溫度不同，則回路中產生一個電動勢，通常我們稱這種電動勢為熱電勢，這種現象就是熱電效應

圖3-13熱電效應3、熱電偶的種類熱電偶是目前應用廣泛、發展比較完善的溫度感測器，它在很多方面都具備一種理想溫度感測器的條件。（1）標準化和非標準化熱電偶標準化熱電偶的工藝比較成熟，應用廣泛，性能優良穩定，能成批生產（2）普通型熱電偶。這種類型的熱電偶主要用於測量氣體、蒸氣和液體氣體、蒸汽和液體介質的溫度。

圖3-14普通型熱電偶外形（a）固定螺紋形(b)無固定裝置形(c)固定法蘭形(d)活動法蘭形(e)角形（3）鎧裝熱電偶鎧裝熱電偶的外形像電纜，也稱纜式熱電偶。圖3-15鎧裝熱電偶外形及結構（a）外形(b)結構4、熱電偶的特點（1）溫度測量範圍寬（2）性能穩定、準確可靠（3）信號可以遠傳和記錄5、熱電阻感測器利用熱敏電阻可以製成溫度感測器。所謂熱敏電阻即是對熱量敏感的電阻體，其電阻值隨溫度的變化而顯著改變。6、溫度感測器的應用圖3-16熱電偶檢測電路3.2.5霍爾效應式線位移感測器圖3-17霍爾效應線位移感測器工作原理圖3-18霍爾效應線位移感測器輸出特性3.2.6超聲波感測器 超聲波感測器用超聲波來測量距離，在機器人上用來檢測障礙物。其原理與蝙蝠通過感覺自己所發出的超聲波來測定距離的道理相同。發射脈衝導通時，開始發射超聲波。反射回來的超聲波接收後，經過放大和檢波得到的波形上升沿由施密特觸發器提取。3.3檢測數據的處理方法日常生活、工業生產和科學研究中所遇到的絕大多數物理量，如溫度、壓力、流量、濕度等非電量都是連續變化的模擬量。然後要通過A／D轉換將模擬信號轉換為數字信號，進行頻譜分析和相關分析等數字信號處理。3.3.1模擬信號處理3.3.2數字信號處理1、數字信號處理的步驟數字信號處理的基本步驟如圖所示

圖3-22數字信號處理系統功能框圖2、數字信號處理方法通過A/D轉換得到的數字信號，可以利用電腦進行各種各樣的處理。