機電一體化概論第1頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2.3檢測單元2.3.1檢測單元基礎2.3.2傳感器的結構與基本原理2.3.3數據采集與處理2.3.4虛擬儀器第2頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2.3.1檢測單元基礎機電一體化系統(tǒng)能否有效發(fā)揮其自動化功能，獲得準確信息是首要前提，完成這一任務的環(huán)節(jié)就是檢測單元（Detectingunit）。傳感器與人體的感覺器官相對應，計算機與大腦相對應，執(zhí)行器與人體的運動器官相對應。這種從外界獲得信息，并從中提取有用信息的過程稱為檢測。傳感器是檢測過程中的核心元件。生物系統(tǒng)機電一體化系統(tǒng)檢測的作用第3頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2.3.1檢測單元基礎傳感器的基本用途（1）生產過程中的信號測量與控制。（2）安全報警與環(huán)境保護。（3）自動化設備。（4）交通運輸和資源探測。（5）醫(yī)療衛(wèi)生和家用電器。第4頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2.3.1檢測單元基礎2.傳感器的組成將被測物理量按照一定規(guī)律變換為與之對應的另一種物理量的裝置叫做傳感器，也叫變換器或探測器。其作用是將各種非電物理量轉換成其他量，由接口電路轉換成電壓量。傳感器一般由敏感元件、轉換元件、基本轉換電路組成。敏感元件轉換元件基本轉換電路被測量電量第5頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2.3.1檢測單元基礎3.傳感器的分類第6頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2.3.1檢測單元基礎4.傳感器技術的發(fā)展（1）新型傳感器開發(fā)。（2）傳感器的集成化。（3）傳感器的多功能化。（4）傳感器的智能化。（5）仿生傳感器（Biomimeticsensor）。第7頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2.3.2傳感器的結構與基本原理1.線位移檢測傳感器（1）電阻式線位移傳感器滑線位移式繞線位移式滑線位移傳感器，電阻絲端電壓恒定為Ui，當待測物體往返運動時，將帶動拉桿、電刷運動，電刷在電阻絲上往返滑動，其輸出端電壓為Uo，且與位移量成正比。因此，當我們檢測到輸出電壓的變化量△Uo，就可以獲知待測物體的位移量。滑線式位移傳感器實物繞線位移傳感器第8頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2.3.2傳感器的結構與基本原理1.線位移檢測傳感器（1）電阻式線位移傳感器電阻應變計式線位移傳感器第9頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2.3.2傳感器的結構與基本原理（2）電感式線位移傳感器差動電感式線位移傳感器第10頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2.3.2傳感器的結構與基本原理（2）電感式線位移傳感器差動變壓器式線位移傳感器將被測量轉化為線圈的互感變化。初級線圈L1由交流電源勵磁，交流電的頻率稱為勵磁頻率。兩個次級線圈L2和L3接成差動式，它們反向串接，輸出電壓U0是兩次級線圈的感應電壓差值，故稱差動變壓器。當磁芯處于整個線圈中心位置時，兩個次級線圈的磁阻相等，當磁芯移動時，將產生與位移成線性關系的感應電壓Uo。第11頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2.3.2傳感器的結構與基本原理（3）電容式線位移傳感器

S、ε、d的變化，均會引起電容量的變化。通過檢測電路將電容量的變化將會引起電路中的電壓或電流變化，這樣即可轉換為電壓信號輸出，以此來確定位移量的大小和方向。應用：無接觸檢測，在惡劣環(huán)境下工作。可應用于檢測位移、振動、角度、速度、加速度、壓力等參數。第12頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2.3.2傳感器的結構與基本原理（4）光柵式線位移傳感器相鄰兩莫爾條紋的間距W為：

若用計數器記錄下光柵上的移動通過的條紋數，即可測試主光柵移動的距離。第13頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2.3.2傳感器的結構與基本原理（5）激光式線位移傳感器主要裝置是邁克爾遜干涉儀邁克爾遜干涉儀工作原理

激光傳感器示意圖激光傳感器測量輪轂

光幕式激光傳感器測量直徑第14頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2.3.2傳感器的結構與基本原理（5）激光式線位移傳感器激光具有較好的方向性、單色性和亮度，可從較遠距離對被測物體進行測量。由于光斑直徑小，所以可實現對微小元件的測量。非接觸式的測量原理可保證無磨損、高精度的測量，測量過程不會受到干擾。除此之外，激光三角反射測量原理還極為適用于高精度、高分辨率的快速測量。第15頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2.3.2傳感器的結構與基本原理2.角位移傳感器（1）電阻式角位移傳感器這種傳感器具有結構簡單、體積小、動態(tài)范圍寬、輸出信號大、抗干擾強和準確度較高等特點，已廣泛用于檢測各種回轉角度和角位移量。適用轉速較低的角位移測量。工作原理

結構示意圖

實物第16頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2.3.2傳感器的結構與基本原理2.角位移傳感器（2）電感式角位移傳感器旋轉變壓器是一種典型的電感式角位移傳感器。正余弦旋轉變壓器工作原理D1D2—勵磁繞組；D3D4—交變繞組；Z1Z2—余弦輸出繞組；Z3Z4—正弦輸出繞組第17頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2.3.2傳感器的結構與基本原理2.角位移傳感器（3）電容式角位移傳感器第18頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2.3.2傳感器的結構與基本原理2.角位移傳感器（4）光電式角位移傳感器光電式角位移傳感器是一種非接觸式電位器，它用光束代替電刷。沒有金屬絲電刷造成的摩擦力矩，具有分辨率高、壽命長、掃描速度快等優(yōu)點。其缺點是接觸電阻較大，輸出信號要經過阻抗匹配交換器才能用。第19頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2.3.2傳感器的結構與基本原理3.轉速檢測傳感器（1）電容式轉速傳感器當電容極板與齒頂相對時，電容量最大；而電容極板與齒隙相對時，電容量最小。設齒輪齒數為z，則由計數器得到的頻率數計算出測量轉速為第20頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2.3.2傳感器的結構與基本原理3.轉速檢測傳感器（2）電感式轉速傳感器設齒數為z，由測速表測的頻率計算出測量轉速為：

目前已生產的電感式轉速傳感器測量轉速從600r/min到6000r/min。測量點間距達到2～10mm，測量誤差小于0.01％。原理圖

汽車后輪轉速測量

實物

電感式轉速傳感器原理第21頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2.3.2傳感器的結構與基本原理3.轉速檢測傳感器

（3）光電式轉速傳感器若開孔數為20，記錄過程時間為t，總脈沖數為N，則轉速為：n=60N/(20t)。第22頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2.3.2傳感器的結構與基本原理4．加速度檢測傳感器

當傳感器承受振動體的加速度時，通過質量塊產生相對位移，也就是壓電片的變形量為xmx，在壓電片的線性彈性范圍內，有

式中，F—作用在壓電片上的力；k—壓電片的彈性系數。而壓電片表面所產生的電荷量與作用力成正比，即式中，d—壓電元件的壓電常數，—傳感器的固有角頻率，

—加速度。第23頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2.3.2傳感器的結構與基本原理4．加速度檢測傳感器

第24頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2.3.2傳感器的結構與基本原理5.壓力檢測傳感器（1）電阻應變式壓力傳感器第25頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2.3.2傳感器的結構與基本原理5.壓力檢測傳感器（2）壓阻式壓力傳感器結構示意圖硅杯及硅膜片實物第26頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2.3.2傳感器的結構與基本原理壓電效應：物質在機械力作用下發(fā)生變形時，內部產生極化現象，而在其表面上產生電荷，去掉外力時，電荷量立即消失。根據這一現象，通過檢測的電荷并轉化為電壓量，放大輸出后，即可顯示壓力的大小。5.壓力檢測傳感器

（3）壓電式壓力傳感器原理圖

測量切削力實物第27頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2.3.2傳感器的結構與基本原理熱電效應：對于均質導體，當兩端溫度不相等時，導體內的自由電子將從高溫端向低溫端擴散，在其兩端形成電勢，該電勢稱為溫差電勢。6.溫度檢測傳感器

（1）熱電偶式溫度傳感器熱電偶原理

普通型熱電偶結構實物第28頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2.3.2傳感器的結構與基本原理集成溫度傳感器是一種將感溫元件、放大電路、溫度補償電路等功能集成在一塊極小芯片上的溫度傳感器。跟傳統(tǒng)的熱電阻、熱電偶相比，它具有線性度好、靈敏度高、體積小、穩(wěn)定性好、輸出信號大等優(yōu)點，是其他溫度傳感器無法比擬的。6.溫度檢測傳感器（2）集成溫度傳感器第29頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2.3.2傳感器的結構與基本原理空氣流量傳感器結構示意圖，其作用是將空氣流量轉換成電信號送給電控單元，該信號作為決定噴油量的基本信號之一。葉片式空氣流量計由空氣流量計和電位計兩部分組成。7.流量傳感器（Flowsensor）第30頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2.3.2傳感器的結構與基本原理通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器，這是目前應用最多的傳感器。光電編碼器可以進行角度測量、長度測量、速度測量、位置測量等。8.其他信號檢測傳感器

（1）光電編碼器（Photoelectricencoder）第31頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2.3.2傳感器的結構與基本原理超聲波探頭又稱為超聲波傳感器、超聲波換能器。當工件內無缺陷時，接收能量大，儀表指示值大；有缺陷時部分能量被反射，接收能量小，儀表指示值小。根據這個變化可把工件內部缺陷檢測出來。8.其他信號檢測傳感器

（2）超聲波傳感器（Ultrasonicsensors）第32頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2.3.2傳感器的結構與基本原理最常用的視覺傳感器是三維攝像機，它對景物進行掃描，把一幅幅圖像信號變成電壓信號，再由計算機對這些檢測信號進行相應處理，進行圖像識別，提取有用信息。8.其他信號檢測傳感器

（3）視覺傳感器（Visionsensor）第33頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2.3.2傳感器的結構與基本原理感知和辨別在氣體、液體或固體中傳遞的聲波所使用的傳感器，稱之為聽覺傳感器。最常見的聲波傳感器即話筒。8.其他信號檢測傳感器

（4）聽覺傳感器（Auditorysensor）第34頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2.3.2傳感器的結構與基本原理電磁振動式滑覺傳感器，測量端用一個直徑為0.5cm鋼球接觸被抓物體表面。若被抓物產生滑動，會引起測量端部產生振動，振動通過連桿傳向振動子，振動子振動產生磁通變化，因而在線圈中感應出交流輸出信號。它有不受滑動方向限制的特點，對有限區(qū)域的滑覺檢測是很有效的，但由于是點接觸，鋼球必須對準被測握力面。8.其他信號檢測傳感器（5）滑覺傳感器（Sliptactilesensor）第35頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2.3.3數據采集與處理數據采集與處理的幾個階段：信息采集、信號轉換、放大、傳輸接口等。第36頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2.3.3數據采集與處理數據采集：利用傳感器從系統(tǒng)外部的被測單元中獲取一定的信息如物理量、化學量等，轉換為有效電信號并輸入到系統(tǒng)內部。數據處理：采集的數據不一定滿足需要，因此要進行轉換、放大、運算、傳輸等工作。直流電橋常用來進行數據處理，R1、R2、R3、R4是電橋的橋臂電阻，RL是被測電阻，Ui是電源。當RL趨于無窮大時，電橋的輸出電壓Uo為：1．數據采集（Dataacquisition）第37頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2.3.3數據采集與處理電橋平衡時，Uo=0，可以得到電橋平衡的條件，即：1．數據采集（Dataacquisition）當電橋不平衡時，電橋輸出電壓為：當R1=R2=R3=R4=R0，且時，電橋的理想輸出為第38頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2.3.3數據采集與處理運算放大器（Operationalamplifier）簡稱“運放”，是可以對電信號進行運算，具有很高放大倍數的電路單元。輸入和輸出電壓的關系為：2．信號放大（Signalamplifier）第39頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2.3.3數據采集與處理模-數轉換，即A/D轉換，由A/D轉換器實現。數-模轉換，即D/A轉換，由D/A轉換器實現。信號轉換的一般步驟為：采樣、保持、量化、編碼。3．信號轉換（Signalconversion）第40頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2.3.3數據采集與處理3．信號轉換（Signalconversion）采樣（Sampling）是將時間域或空間域的連續(xù)量轉化成離散量的過程，根據采樣定理確定采樣頻率。量化（Quantization）是將采樣電壓轉化為數字量最小數量單位的整數倍的過程。編碼（Encoding）是將量化結果用代碼表示出來。量化誤差是由于模擬量不一定能被整除所忽略的部分。模擬電壓二進制編碼代表的模擬電壓電平模擬信號采樣信號第41頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2.3.3數據采集與處理4.數據傳輸（Datatransmission）檢測單元數據傳輸的任務是將被測模擬量，如位移、壓力、流量、溫度等非電量，經過傳感器、放大器、A/D轉換器后輸入給微機，主要應用接口技術實現。第42頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2.3.4虛擬儀器虛擬儀器就是在通用計算機平臺上，根據用戶需求自行定義、設計儀器的測試功能，讓使用者在操作這臺計算機時，就像是在操作一臺他自己設計的測試儀器一樣。簡言之，“軟件就是儀器”。不論是何種測試儀器，其組成都可以概括為信號采集與控制單元、信號分析與處理單元、結果表達輸出單元三部分。虛擬儀器主要完成三種功能：第43頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2.3.4虛擬儀器硬件平臺可以是各類計算機，如PC、便攜式計算機、工作站、嵌入式計算機等。測控功能硬件主要完成被測輸入信號的采集、放大、模/數轉換等功能。不同的總線對應不同的I/O接口硬件設備，如PC總線的數據采集卡、GPIB（GeneralPurposeInterfaceBus）總線儀器、VXI（VMEbusExtensionsforInstrumentation,VME總線對儀器的擴展）總線儀器模塊、串口總線儀器等。1.虛擬儀器組成（1）虛擬儀器的硬件第44頁，共50頁，2023年，2月20日，星期