第三章現(xiàn)代檢測技術(shù)的應(yīng)用

第三章

現(xiàn)代檢測技術(shù)的應(yīng)用教材：《機電一體化概論第2版》馮細(xì)香主編機電一體化系統(tǒng)的組成第一節(jié)機械本體第二節(jié)檢測及傳感器第三節(jié)控制器及工控機第四節(jié)執(zhí)行機構(gòu)第五節(jié)接口及接口技術(shù)上一章知識回顧機電一體化系統(tǒng)的組成要素？機械本體的功能有哪些？機電一體化設(shè)備對機械本體的要求是什么？機械本體的發(fā)展趨勢是什么？3.1什么是傳感器認(rèn)識傳感器機電一體化系統(tǒng)中的傳感器傳感器的組成傳感器的發(fā)展簡況傳感器的分類一、認(rèn)識傳感器傳感器技術(shù)遍布各行各業(yè)、各個領(lǐng)域。

如工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防科技、家用電器、甚至兒童玩具也少不了傳感器。一、認(rèn)識傳感器什么是傳感器？

1.傳感器是利用各種物理、化學(xué)效應(yīng)以及生物效應(yīng)實現(xiàn)非電量到電量轉(zhuǎn)換的裝置或器件。

2.傳感器是一種能將被測量（各種物理量、化學(xué)量和生物量等）變換成可以測量的有用信號的一種裝置。從外界獲取信息的方式：

人———五官（眼、耳、鼻、舌、皮膚）

機器——傳感器二、機電一體化系統(tǒng)中的傳感器ASIMO身高1.3米，體重48公斤。它是至2013年最先進的行走機器人。“阿西莫”不但能跑能走、上下階梯、“8”字形行走、彎腰，還會踢足球和開瓶倒茶倒水，甚至可以隨著音樂翩翩起舞，動作十分靈巧?，F(xiàn)代啤酒灌裝機系統(tǒng)二、機電一體化系統(tǒng)中的傳感器2.啤酒缸內(nèi)碳酸氣的壓力1.啤酒的溫度、流量3.啤酒缸內(nèi)的液位高低以及啤酒在易拉罐中的液位高低波紋管鉑電阻、流量孔板缸內(nèi)浮球、超聲波探頭控制器傳感器1、傳感器的作用：一方面，檢測各種情況，實現(xiàn)信息采集；另一方面，將收集到的信息匯集到電腦控制器。傳感器就像人的五官，為系統(tǒng)收集信息，沒有它，機電一體化系統(tǒng)就成了“瞎子”和“聾子”，就無法進行控制。二、機電一體化系統(tǒng)中的傳感器2、特點應(yīng)用范圍廣、種類齊全

家用電器、醫(yī)療儀器、交通運輸領(lǐng)域、飛行器、遙感技術(shù)、機器人、其他領(lǐng)域檢測到的信號需轉(zhuǎn)換

各種檢測元件測得的信號多為模擬量，不能直接送入控制器，需將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，也叫做A/D轉(zhuǎn)換。二、機電一體化系統(tǒng)中的傳感器10A/D轉(zhuǎn)換器三、傳感器的組成敏感元件傳感元件測量元件被測量輸出信號感受被測量，并把被測量變成便于變換成電信號的量。把敏感元件的輸出量變換成能被儀表測量的量。把傳感元件的輸出信號轉(zhuǎn)換、放大成能用于控制或檢測的有用信號。三、傳感器的組成例：差動變壓器式壓力傳感器敏感元件傳感元件測量元件被測量輸出信號銜鐵壓力P壓力P工作過程工作過程工作過程工作過程工作過程工作過程三、傳感器的組成差動變壓器式壓力傳感器的組成部分敏感元件傳感元件測量元件被測量輸出信號壓力P三、傳感器的組成例：電容式壓力傳感器敏感元件傳感元件測量元件被測量輸出信號三、傳感器的組成例：帶補償電橋的熱電偶（溫度傳感器）敏感元件傳感元件測量元件被測量輸出信號三、傳感器的組成例：永磁式直流測速發(fā)電機（轉(zhuǎn)速傳感器）敏感元件傳感元件測量元件被測量輸出信號三、傳感器的組成敏感元件傳感元件測量元件被測量輸出信號總結(jié)：完整的傳感器具備上面三種功能，但三個功能不一定是完全獨立的。不少傳感器把其中的兩個功能元件或三個功能元件結(jié)合在一起。四、傳感器的發(fā)展簡況開展基礎(chǔ)研究，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，開發(fā)傳感器的新材料和新工藝；實現(xiàn)傳感器的集成化與智能化。

1.開發(fā)新型傳感器

2.開發(fā)新材料

3.新工藝的采用

4.集成化、多功能化

5.智能化1.開發(fā)新型傳感器①采用新原理。利用各種效應(yīng)和定律，研制具有新原理的新型傳感器。②填補傳感器空白。不少系統(tǒng)達(dá)不到滿意的效果或根本無法設(shè)計出來的關(guān)鍵原因在于沒有合適的傳感器。新的傳感器的出現(xiàn)，必然給相關(guān)領(lǐng)域帶來突破。③仿生傳感器。利用生物工程學(xué)的知識，模仿生物所具有的感覺能力和對化學(xué)物質(zhì)的識別能力，開發(fā)各種生物傳感器。四、傳感器的發(fā)展簡況四、傳感器的發(fā)展簡況2.開發(fā)新材料

傳感器材料是傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ)。材料科學(xué)的進步，人們可任意控制成分，設(shè)計制造出用于各種傳感器的功能材料。用復(fù)雜材料來制造性能更加良好的傳感器是今后的發(fā)展方向之一。

（1）半導(dǎo)體敏感材料

（2）陶瓷材料

（3）磁性材料

（4）智能材料四、傳感器的發(fā)展簡況3.新工藝的采用

微機械加工技術(shù)、微電子加工技術(shù)

例如：利用半導(dǎo)體技術(shù)制造出壓阻式傳感器，利用薄膜工藝制造出快速響應(yīng)的氣敏、濕敏傳感器，日本橫河公司利用各向異性腐蝕技術(shù)進行高精度三維加工，在硅片上構(gòu)成孔、溝棱錐、半球等各種開頭，制作出全硅諧振式壓力傳感器。納米堆垛四、傳感器的發(fā)展簡況4.集成化、多功能化同時測量幾種被測參數(shù)：將幾種不同的傳感器元件復(fù)合在一起，作成集成塊。例如：一種集合溫、氣、濕三功能的陶瓷傳感器。同一功能的多元件并列化：同一類型的單個傳感元件用集成工藝在同一平面上排列起來，如CCD圖像傳感器。

功能一體化：傳感器與放大、運算以及溫度補償?shù)拳h(huán)節(jié)一體化，組裝成一個器件。四、傳感器的發(fā)展簡況5.智能化對外界信息具有檢測、數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷、自診斷和自適應(yīng)能力的集成一體化多功能傳感器。智能傳感器是傳感器技術(shù)與大規(guī)模集成電路技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它的實現(xiàn)取決于傳感技術(shù)與半導(dǎo)體集成化工藝水平的提高與發(fā)展。這類傳感器具有多功能、高性能、體積小、適宜大批量生產(chǎn)和使用方便等優(yōu)點，是傳感器重要的發(fā)展方向之一。五、傳感器的分類傳感器的分類方法很多習(xí)慣按照使用特點來分，可分為下列幾種：壓力傳感器溫度傳感器位移傳感器濕度傳感器氣體傳感器光學(xué)傳感器流量傳感器傳感器的分類說明：開關(guān)型只輸出“0”和“1”或開和關(guān)兩個值。模擬型輸出連續(xù)變化的電量。如4mA~20mA數(shù)字型分為計數(shù)型和代碼型兩大類?？奢敵鲆欢ǖ拿}沖數(shù)，或者二進制數(shù)字代碼。機電一體化對傳感器的要求：精度、靈敏度、分辨率高線性、穩(wěn)定性和重復(fù)性好抗干擾能力強靜態(tài)、動態(tài)特性好此外，還要求體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、便于安裝與維修，耐環(huán)境性能好等3.2常見傳感器3.2.1線位移檢測傳感器3.2.2角位移檢測傳感器3.2.3速度、加速度傳感器3.2.4測力傳感器3.2.5其他傳感器3.2.1線位移傳感器（1）光柵什么是光柵？光的屬性莫爾條紋光電脈沖分類：長光柵圓光柵光柵傳感器的特點：測量精度高響應(yīng)速度快量程范圍大可進行非接觸測量易于實現(xiàn)數(shù)字測量和自動控制（1）光柵結(jié)構(gòu)：光柵由_______和_______兩部分組成光柵傳感器由_____、_____、_____、_____等組成標(biāo)尺光柵指示光柵光電器件光源（1）光柵工作原理：莫爾條紋測位移兩光柵柵距W相同，W密度多少？兩光柵成小夾角θ莫爾條紋是光柵非重合部分光線透過而形成的亮帶，它由一系列四棱形亮光區(qū)組成光柵每移動過一個柵距W，莫爾條紋就移動過一個條紋間距B，查看莫爾條紋的移動方向，即可確定主光柵的移動方向。B（1）光柵莫爾條紋移動量B的測量采用如圖裝置通過光電元件，可將莫爾條紋移動時光強的變化轉(zhuǎn)換為近似正弦變化的電信號結(jié)構(gòu)：定尺、滑尺工作原理：Us、Uc同頻同幅，相位相差90°滑尺滑動位移x，則定尺繞組輸出U0相角θ的感應(yīng)電勢3.2.1線位移傳感器（2）感應(yīng)同步器（2）感應(yīng)同步器分類：直線型圓盤型特點成本低受環(huán)境溫度影響小測量精度高非接觸測量3.2.1線位移傳感器（3）磁柵結(jié)構(gòu)：磁尺（磁柵）、磁頭、檢測電路等工作原理：磁尺表面涂有特定的磁性膜磁頭能把磁柵上的磁信號檢測出來，并感應(yīng)成電信號磁頭位置的不同，讀出的磁信號不同（3）磁柵特點：結(jié)構(gòu)簡單使用方便動態(tài)范圍大（1~20m）磁信號可以重新錄制缺點：需要屏蔽和防塵應(yīng)用：大型機床和精密機床的位測量分類：長磁柵、圓磁柵3.2.2角位移傳感器（1）旋轉(zhuǎn)變壓器什么是旋轉(zhuǎn)變壓器？利用電磁感應(yīng)原理將轉(zhuǎn)角變換為電壓信號的傳感器特點：（1）旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理一種旋轉(zhuǎn)式交流電機定子繞組分別通以幅值和頻率相同、相位相差為90°的交變激磁電壓U1和U2此時，在轉(zhuǎn)子繞組中得到感應(yīng)電勢U3。k是旋轉(zhuǎn)變壓器的變壓比3.2.2角位移傳感器（2）光電編碼器光電編碼器是一種碼盤式角度---數(shù)字檢測元件分為兩種類型：增量式和絕對式特點：（2）光電編碼器原理：碼盤：在透明材料的圓盤上精確地印制上二進制編碼碼道多少決定角度的最小分辨率，目前可做到18道利用光電接收裝置接受光信號，并轉(zhuǎn)換為需要的電信號3.2.3速度傳感器（1）直流測速發(fā)電機直流測速發(fā)電機是一種測速元件，實際上它是一臺微型直流發(fā)電機。特點：（1）直流測速發(fā)電機例說：永磁式測速發(fā)電機原理當(dāng)轉(zhuǎn)子在磁場中旋轉(zhuǎn)時，電機產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速成正比的直流電壓。

永磁式測速發(fā)電機原理圖直流測速發(fā)電機輸出特性（2）光電式速度傳感器工作原理：如何改造圓盤使能辨別轉(zhuǎn)動方向？（2）差動變壓器式速度傳感器

差動變壓器式速度傳感器的工作原理3.2.4測力傳感器測力：測力、壓力、扭矩按照工作原理可分為：彈性式、電阻應(yīng)變式、電感式、電容式、壓電式、磁電式等電阻應(yīng)變式測力傳感器：利用的是電阻應(yīng)變效應(yīng)。（1）圓柱式稱重壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡單、承載能力大主要用于中等載荷和大載荷（可達(dá)數(shù)兆牛頓）的拉（壓）力傳感器。0～20kg、50kg、100kg、200kg、500kg、1000kg、2T、3T、5T、10T0～100kg、200kg、500kg、1000kg、2000kg（2）懸臂梁稱重壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、應(yīng)變片粘貼容易、靈敏度較高主要用于小載荷、高精度的拉（壓）力傳感器中，可測量0.01牛頓到幾千牛頓的拉（壓）力（3）膜式壓力傳感器（4）筒式壓力傳感器特點：圓筒收到被測壓力后表面各處的應(yīng)變是相同的。適于測量較大的力（5）壓阻式壓力傳感器適用于中、低壓力、微壓和壓差測量。由于其彈性敏感元件與變換元件一體化，尺寸小且可微型化，固有頻率很高。（6）力矩傳感器大多使用應(yīng)變片做敏感元件當(dāng)發(fā)生扭轉(zhuǎn)時，應(yīng)變片發(fā)生形變，通過測量應(yīng)變片的電壓，獲得力矩的大小。機器人手腕用力矩傳感器原理（6）力矩傳感器無觸點力矩測量法傳動軸的兩端安裝上磁分度圓盤A，分別用磁頭檢測兩圓盤間的轉(zhuǎn)角差，用轉(zhuǎn)角差與負(fù)荷M成比例的關(guān)系，即可測量負(fù)荷力矩的大小。無觸點力矩測量原理3.2.5其他傳感器----（1）CCD圖像傳感器什么是CCD？利用光電轉(zhuǎn)換原理，將被測物體的光像轉(zhuǎn)換為電子圖像信號輸出的一種大規(guī)模集成電路光電元件，稱為電荷耦合器件，即CCD。CCD工作過程：光敏單元、像素點、電信號的儲存特點：體積小、析像度高、功耗?。?）CCD圖像傳感器（2）激光檢測激光的特性：激光檢測主要是利用激光的______________等特點，無論在測量精確度和測量范圍上都具有明顯的優(yōu)越性。舉例：激光多普勒流速計（3）超聲波檢測什么是超聲波？頻率為16~2×104Hz的機械波-------聲波頻率低于16Hz的機械波-------------次聲波頻率高于2×104Hz的機械波--------超聲波檢測用超聲波，頻率是幾十萬Hz以上超聲波特點：波長短、方向性好、易于形成光束超聲波在介質(zhì)中傳播時，與光波相似，具有反射、折射、聚焦等特性。超聲波常用于無損探傷、厚度測量、速度測量、黏度測量、距離測量等。（3）超聲波檢測超聲波檢測過程超聲波探傷儀超聲波液位計3.3傳感器的基本特性輸入特性：(1)量程或測量范圍傳感器預(yù)期要測量的被測量值的范圍，一般用傳感器允許測量的上下極限值來表示，其中上限值也稱為滿量程FS。(2)過載能力傳感器允許承受的最大輸入量(被測量),通常用一個最大允許值或滿量程的百分比來表示。靜態(tài)特性：(1)線性度也稱非線性，表示傳感器輸出與輸入之間的關(guān)系曲線與選定的工作曲線的靠近程度，采用