机电一体化概论2-3.ppt

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1、机电一体化概论,第2章 机电一体化的系统组成 2.3 检测单元,2.3 检测单元,2.3.1 检测单元基础 2.3.2 传感器的结构与基本原理 2.3.3 数据采集与处理 2.3.4 虚拟仪器,2.3.1 检测单元基础,机电一体化系统能否有效发挥其自动化功能，获得准确信息是首要前提，完成这一任务的环节就是检测单元（Detecting unit）。 传感器与人体的感觉器官相对应，计算机与大脑相对应，执行器与人体的运动器官相对应。这种从外界获得信息，并从中提取有用信息的过程称为检测。传感器是检测过程中的核心元件。,生物系统 机电一体化系统 检测的作用,2.3.1 检测单元基础,传感器的基本用途 （

2、1）生产过程中的信号测量与控制。 （2）安全报警与环境保护。 （3）自动化设备。 （4）交通运输和资源探测。 （5）医疗卫生和家用电器。,2.3.1 检测单元基础,2. 传感器的组成 将被测物理量按照一定规律变换为与之对应的另一种物理量的装置叫做传感器，也叫变换器或探测器。其作用是将各种非电物理量转换成其他量，由接口电路转换成电压量。传感器一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路组成。,敏感元件,转换元件,基本转换电路,2.3.1 检测单元基础,3. 传感器的分类,2.3.1 检测单元基础,4. 传感器技术的发展 （1）新型传感器开发。 （2）传感器的集成化。 （3）传感器的多功能化。 （4）传

3、感器的智能化。 （5）仿生传感器（Biomimetic sensor）。,2.3.2 传感器的结构与基本原理,1. 线位移检测传感器 （1）电阻式线位移传感器,滑线位移式 绕线位移式 滑线位移传感器，电阻丝端电压恒定为Ui，当待测物体往返运动时，将带动拉杆、电刷运动，电刷在电阻丝上往返滑动，其输出端电压为Uo，且与位移量成正比。因此，当我们检测到输出电压的变化量Uo，就可以获知待测物体的位移量。,滑线式位移传感器 实 物 绕线位移传感器,2.3.2 传感器的结构与基本原理,1. 线位移检测传感器 （1）电阻式线位移传感器,电阻应变计式线位移传感器,2.3.2 传感器的结构与基本原理,（2）电感

4、式线位移传感器,差动电感式线位移传感器,2.3.2 传感器的结构与基本原理,（2）电感式线位移传感器,差动变压器式线位移传感器 将被测量转化为线圈的互感变化。初级线圈L1由交流电源励磁，交流电的频率称为励磁频率。两个次级线圈L2和L3接成差动式，它们反向串接，输出电压U0是两次级线圈的感应电压差值，故称差动变压器。当磁芯处于整个线圈中心位置时，两个次级线圈的磁阻相等，当磁芯移动时，将产生与位移成线性关系的感应电压Uo。,2.3.2 传感器的结构与基本原理,（3）电容式线位移传感器,S、d的变化，均会引起电容量的变化。 通过检测电路将电容量的变化将会引起电路中的电压或电流变化，这样即可转换为电压

5、信号输出，以此来确定位移量的大小和方向。 应用：无接触检测，在恶劣环境下工作。可应用于检测位移、振动、角度、速度、加速度、压力等参数。,2.3.2 传感器的结构与基本原理,（4）光栅式线位移传感器,相邻两莫尔条纹的间距W为： 若用计数器记录下光栅上的移动通过的条纹数，即可测试主光栅移动的距离。,2.3.2 传感器的结构与基本原理,（5）激光式线位移传感器,主要装置是迈克尔逊干涉仪,迈克尔逊干涉仪工作原理 激光传感器示意图,激光传感器测量轮毂 光幕式激光传感器测量直径,2.3.2 传感器的结构与基本原理,（5）激光式线位移传感器,激光具有较好的方向性、单色性和亮度，可从较远距离对被测物体进行测量

6、。由于光斑直径小，所以可实现对微小元件的测量。非接触式的测量原理可保证无磨损、高精度的测量，测量过程不会受到干扰。除此之外，激光三角反射测量原理还极为适用于高精度、高分辨率的快速测量。,2.3.2 传感器的结构与基本原理,2. 角位移传感器 （1）电阻式角位移传感器,这种传感器具有结构简单、体积小、动态范围宽、输出信号大、抗干扰强和准确度较高等特点，已广泛用于检测各种回转角度和角位移量。适用转速较低的角位移测量。,工作原理 结构示意图 实 物,2.3.2 传感器的结构与基本原理,2. 角位移传感器 （2）电感式角位移传感器,旋转变压器是一种典型的电感式角位移传感器。,正余弦旋转变压器工作原理

7、D1D2励磁绕组； D3D4交变绕组； Z1Z2余弦输出绕组； Z3Z4正弦输出绕组,2.3.2 传感器的结构与基本原理,2. 角位移传感器 （3）电容式角位移传感器,2.3.2 传感器的结构与基本原理,2. 角位移传感器 （4）光电式角位移传感器,光电式角位移传感器是一种非接触式电位器，它用光束代替电刷。,没有金属丝电刷造成的摩擦力矩，具有分辨率高、寿命长、扫描速度快等优点。其缺点是接触电阻较大，输出信号要经过阻抗匹配交换器才能用。,2.3.2 传感器的结构与基本原理,3. 转速检测传感器 （1）电容式转速传感器,当电容极板与齿顶相对时，电容量最大；而电容极板与齿隙相对时，电容量最小。 设齿

8、轮齿数为z，则由计数器得到的频率数计算出测量转速为,2.3.2 传感器的结构与基本原理,3. 转速检测传感器 （2）电感式转速传感器,设齿数为z，由测速表测的频率计算出测量转速为：,目前已生产的电感式转速传感器测量转速从600r/min到6000r/min。测量点间距达到210 mm，测量误差小于0.01。,原理图 汽车后轮转速测量 实物 电感式转速传感器原理,2.3.2 传感器的结构与基本原理,3. 转速检测传感器 （3）光电式转速传感器,若开孔数为20，记录过程时间为t，总脉冲数为N，则转速为：n=60N/(20t)。,2.3.2 传感器的结构与基本原理,4加速度检测传感器,当传感器承受振

9、动体的加速度时，通过质量块产生相对位移，也就是压电片的变形量为xm x，在压电片的线性弹性范围内，有 式中，F作用在压电片上的力； k压电片的弹性系数。 而压电片表面所产生的电荷量与作用力成正比，即,式中，d 压电元件的压电常数， 传感器的固有角频率， 加速度。,2.3.2 传感器的结构与基本原理,4加速度检测传感器,2.3.2 传感器的结构与基本原理,5. 压力检测传感器 （1）电阻应变式压力传感器,2.3.2 传感器的结构与基本原理,5. 压力检测传感器 （2）压阻式压力传感器,结构示意图 硅杯及硅膜片 实物,2.3.2 传感器的结构与基本原理,压电效应：物质在机械力作用下发生变形时，内部

10、产生极化现象，而在其表面上产生电荷，去掉外力时，电荷量立即消失。 根据这一现象，通过检测的电荷并转化为电压量，放大输出后，即可显示压力的大小。,5. 压力检测传感器 （3）压电式压力传感器,原理图 测量切削力 实物,2.3.2 传感器的结构与基本原理,热电效应：对于均质导体，当两端温度不相等时，导体内的自由电子将从高温端向低温端扩散，在其两端形成电势，该电势称为温差电势。,6. 温度检测传感器 （1）热电偶式温度传感器,热电偶原理 普通型热电偶结构 实物,2.3.2 传感器的结构与基本原理,集成温度传感器是一种将感温元件、放大电路、温度补偿电路等功能集成在一块极小芯片上的温度传感器。跟传统的热

11、电阻、热电偶相比，它具有线性度好、灵敏度高、体积小、稳定性好、输出信号大等优点，是其他温度传感器无法比拟的。,6. 温度检测传感器 （2）集成温度传感器,2.3.2 传感器的结构与基本原理,空气流量传感器结构示意图，其作用是将空气流量转换成电信号送给电控单元，该信号作为决定喷油量的基本信号之一。叶片式空气流量计由空气流量计和电位计两部分组成。,7. 流量传感器（Flow sensor）,2.3.2 传感器的结构与基本原理,通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，这是目前应用最多的传感器。 光电编码器可以进行角度测量、长度测量、速度测量、位置测量等。,8. 其他信号检测

12、传感器 （1）光电编码器（Photoelectric encoder）,2.3.2 传感器的结构与基本原理,超声波探头又称为超声波传感器、超声波换能器。当工件内无缺陷时，接收能量大，仪表指示值大；有缺陷时部分能量被反射，接收能量小，仪表指示值小。根据这个变化可把工件内部缺陷检测出来。,8. 其他信号检测传感器 （2）超声波传感器（Ultrasonic sensors）,2.3.2 传感器的结构与基本原理,最常用的视觉传感器是三维摄像机，它对景物进行扫描，把一幅幅图像信号变成电压信号，再由计算机对这些检测信号进行相应处理，进行图像识别，提取有用信息。,8. 其他信号检测传感器 （3）视觉传感器（

13、Vision sensor）,2.3.2 传感器的结构与基本原理,感知和辨别在气体、液体或固体中传递的声波所使用的传感器，称之为听觉传感器。最常见的声波传感器即话筒。,8. 其他信号检测传感器 （4）听觉传感器（Auditory sensor）,2.3.2 传感器的结构与基本原理,电磁振动式滑觉传感器，测量端用一个直径为0.5cm钢球接触被抓物体表面。若被抓物产生滑动，会引起测量端部产生振动，振动通过连杆传向振动子，振动子振动产生磁通变化，因而在线圈中感应出交流输出信号。它有不受滑动方向限制的特点，对有限区域的滑觉检测是很有效的，但由于是点接触，钢球必须对准被测握力面。,8. 其他信号检测传感

14、器 （5）滑觉传感器（Slip tactile sensor）,2.3.3 数据采集与处理,数据采集与处理的几个阶段：信息采集、信号转换、放大、传输接口等。,2.3.3 数据采集与处理,数据采集：利用传感器从系统外部的被测单元中获取一定的信息如物理量、化学量等，转换为有效电信号并输入到系统内部。 数据处理：采集的数据不一定满足需要，因此要进行转换、放大、运算、传输等工作。 直流电桥常用来进行数据处理，R1、R2、R3、R4是电桥的桥臂电阻，RL是被测电阻，Ui是电源。当RL趋于无穷大时，电桥的输出电压Uo为：,1数据采集（Data acquisition）,2.3.3 数据采集与处理,电桥平衡

15、时，Uo=0，可以得到电桥平衡的条件，即：,1数据采集（Data acquisition）,当电桥不平衡时，电桥输出电压为：,当R1= R2 =R3= R4= R0，且 时，电桥的理想输出为,2.3.3 数据采集与处理,运算放大器（Operational amplifier）简称“运放”，是可以对电信号进行运算，具有很高放大倍数的电路单元。 输入和输出电压的关系为：,2信号放大（Signal amplifier）,2.3.3 数据采集与处理,模-数转换，即A/D转换，由A/D转换器实现。 数-模转换，即D/A转换，由D/A转换器实现。 信号转换的一般步骤为：采样、保持、量化、编码。,3信号转换

16、（Signal conversion）,2.3.3 数据采集与处理,3信号转换（Signal conversion）,采样（Sampling）是将时间域或空间域的连续量转化成离散量的过程，根据采样定理确定采样频率。 量化（Quantization）是将采样电压转化为数字量最小数量单位的整数倍的过程。 编码（Encoding）是将量化结果用代码表示出来。量化误差是由于模拟量不一定能被整除所忽略的部分。,模拟电压,二进制 编码,代表的模拟电压电平,模拟信号,采样信号,2.3.3 数据采集与处理,4. 数据传输（Data transmission）,检测单元数据传输的任务是将被测模拟量，如位移、压力

17、、流量、温度等非电量，经过传感器、放大器、A/D转换器后输入给微机，主要应用接口技术实现。,2.3.4 虚拟仪器,虚拟仪器就是在通用计算机平台上，根据用户需求自行定义、设计仪器的测试功能，让使用者在操作这台计算机时，就像是在操作一台他自己设计的测试仪器一样。简言之，“软件就是仪器”。 不论是何种测试仪器，其组成都可以概括为信号采集与控制单元、信号分析与处理单元、结果表达输出单元三部分。 虚拟仪器主要完成三种功能：,2.3.4 虚拟仪器,硬件平台可以是各类计算机，如PC、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机等。 测控功能硬件主要完成被测输入信号的采集、放大、模/数转换等功能。 不同的总线对应不同的

18、I/O接口硬件设备，如PC总线的数据采集卡、GPIB（General Purpose Interface Bus）总线仪器、VXI（VMEbus Extensions for Instrumentation, VME总线对仪器的扩展）总线仪器模块、串口总线仪器等。,1. 虚拟仪器组成 （1）虚拟仪器的硬件,2.3.4 虚拟仪器,1. 虚拟仪器组成 （1）虚拟仪器的硬件,PC-DAQ型虚拟仪器的硬件平台,2.3.4 虚拟仪器,1. 虚拟仪器组成 （2）虚拟仪器的应用软件,应用程序 I/O接口驱动程序。 软件三大任务： 集成开发环境， 仪器硬件的高级接口， 仪器用户的接口。,2.3.4 虚拟仪器,

19、2. LabVIEW虚拟仪器系统开发环境简介 （1）前面板,前面板是VI的交互式用户界面，外观和功能都类似于传统仪器面板，用户的输入数据通过前面板传递给框图，计算和分析结果也在前面板上以数字、图形、表格等各种不同方式显示出来。,运行的虚拟仪器的前面板,2.3.4 虚拟仪器,2. LabVIEW虚拟仪器系统开发环境简介 （2）框图程序,LabVIEW用框图代替了传统的程序代码，编程的过程即是使用图形符号表达程序行为的过程，源代码不是文本而是框图。,2.3.4 虚拟仪器,2. LabVIEW虚拟仪器系统开发环境简介 （3）图标和连接器,图 标,连接器,通过连线进行编程,2.3.4 虚拟仪器,2.

20、LabVIEW虚拟仪器系统开发环境简介 （3）图标和连接器,通过连线进行编程,如果将虚拟仪器与传统仪器作一类比，前面板就像是仪器的操作和显示面板，提供各种参数的设置和数据的显示，框图就像是仪器内部的印刷电路板，是仪器的核心部分，对用户来讲是透明的，而图标和连接器可以比作电路板上的电子元器件和集成电路，保证了仪器正常的逻辑和运算功能。,2.3.4 虚拟仪器,3. 虚拟仪器的应用,在电子和通信工程中，虚拟仪器可用于电子测量和信号分析；在自动化检测领域内，虚拟仪器可用于数据采集和控制；在航天航空学科里，虚拟仪器可用于监测和分析火箭或卫星传递来的复杂数据，已被美国航天航空局（NASA）用于火星探险；在基础学科的研究中，虚拟仪器可用于设计实验系统，例如用于生化领域中监测薄膜分子的相互作用，以及医学领域中研究嗅觉和视觉。,