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第 3 章:机电一体化技术 传感与检测技术. 陕西国防学院机电工程系机电教研室. 本章导读. 传感器技术是现代检测和自动化技术的重要基础之一,机电一体化系统的自动化程度越高,对传感器的依赖性也就越大。 能将各种非电物理量转换成电量的传感器及其应用技术便成为机电一体化技术系统中不可缺少的组成部分。. 3.1 传感器的组成和分类. 3.1.1 传感器的组成 通常传感器有敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成。. 图 3-1 传感器的组成. 3.2 常见传感器及其 工作原理. 3.2.1 光电编码器

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第3章:机电一体化技术

传感与检测技术

陕西国防学院机电工程系机电教研室


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本章导读

  • 传感器技术是现代检测和自动化技术的重要基础之一,机电一体化系统的自动化程度越高,对传感器的依赖性也就越大。

  • 能将各种非电物理量转换成电量的传感器及其应用技术便成为机电一体化技术系统中不可缺少的组成部分。


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3.1传感器的组成和分类

  • 3.1.1传感器的组成

  • 通常传感器有敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成。

图3-1传感器的组成


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3.2 常见传感器及其工作原理

  • 3.2.1 光电编码器

  • 编码器是将机械传动的模拟量转换成旋转角度的数字信号,进行角位移检测的传感器。

  • 编码器的种类很多,根据检测原理,它可分为电磁式、电刷式、电磁感应式及光电式等。

  • 光电编码器根据其刻度方法及信号输出形式,分为增量式编码器和绝对式编码器。


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1、增量式光电编码器

图3-2 增量式光电编码器


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  • 2、绝对式光电编码器

  • 绝对式光电编码器的编码盘由透明及不透明区组成,这些透明及不透明区按一定编码构成,编码盘上码道的条数就是数码的位数。绝对式编码器能够直接给出对应于每个转角位置的二进制数码,便于计算机处理。


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(a) 4位二进制绝对式编码器的编码盘 (b) 4位格雷码盘示意图

图3-4 绝对式光电编码器的编码盘


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图3-5 绝对式光电编码器的结构示意

1—光源;2—透镜;3—编码盘;4—狭缝;5—光电元件


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  • 光电编码器的应用——转速测量

  • 转速可由编码器发出的脉冲频率或周期来测量。

图3-6(a) 脉冲频率法测转速


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×

图3-6(b)脉冲周期法测转速


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  • 3.2.2光栅尺

  • 光栅尺或称光栅,是一种高精度的直线位移传感器。

图3-7 光栅尺的结构示意图


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  • 2、莫尔条纹与参数间的关系

  • 光栅的莫尔条纹有如下特点:

  • (1)起放大作用。

  • (2)莫尔条纹的移动与栅距成正比。


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图3-8 光电元件


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  • 3、信号处理

  • 光栅尺输出的信号有两种:一种是正弦波信号;一种是方波信号。

  • 光栅尺除了增量式测量外,还有绝对式测量,输出二进制BCD码子或格雷码

  • 编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。


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  • 3.2.3电阻应变计

  • 电阻应变计是根据应变—电阻效应,将给测试件的应变量转换成电阻变化量的敏感元件。它不仅直接作为应力、应变测量的传感器而且可以与弹性元件组合构成力、压力、称重、位移、扭矩、振动、加速度等多种专用式传感器,广泛应用于机械、交通、建筑、化工和电力等行业。


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  • 电阻应变计的结构

  • 电阻应变计主要由电阻敏感栅、基底和面胶(或覆盖层)、粘结剂、引出线五部分组成。电阻应变计的结构如图所示。

图3-9 电阻应变计的构造

1—敏感栅;2—引出线;3—粘结剂(未示出);4—覆盖层;5—基底


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  • 3、应变计的类型

  • 电阻应变计的分类方法很多,常用的是按应变计的制造材料、 温度以及用途的不同来分类。

  • (1)按敏感栅的制造方法分类

  • 1)金属丝式应变计


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  • 箔式应变计

  • 箔式应变计的敏感栅是利用照相制版或光刻腐蚀技术制成的,箔栅厚度一般为0.002mm~0.005mm,最薄的达0.00035mm。箔式应变计,工艺上能保证敏感栅尺寸的准确,线条均匀,适应不同的测量要求,传递试件应变性能好、横向效应小和散热性能好,因此得到了广泛的应用,现在已经基本上取代金属丝应变计。

  • 金属薄膜应变计

  • 所谓薄膜是指厚度在0.1um以下的膜,它是采用真空的溅射或真空沉积等方法制成的。通过按规定的图形制成的掩膜版,在基底材料上溅射或沉积一层电阻材料的薄膜,从而制成金属薄膜应变计。


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  • 4、电阻应变计的应用

  • 电阻应变计主要有以下两种应用方式:

  • (1)应变片直接粘贴在试件上,用来测量工程结构受力后的应力分析或所产生的应变,为结构设计、应力校正或分析结构在使用中产生破坏的原因提供试验数据,如电阻应变仪。在测量齿轮轮齿弯矩或立柱应力时,也常在被测位置处直接粘贴应变片进行测量,如图所示。

图3-11 构件应力测定的应用


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  • (2)将应变片粘贴在弹性元件上,进行标定后作为测量力、压力、位移等物理量的传感器。

1—质量块;2—应变梁;3—应变片;4—阻尼液;

5—密封圈;6—接线板;7—底座

图 3-12 应变式加速度传感器


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  • 3.2.4温度传感器

  • 温度传感器是一种将温度变化转换为电学量变化的装置,用于检测温度和热量,因此也叫做热电式传感器。

  • 温度传感器一般分为接触式和非接触式两大类


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  • 1、热电效应

  • 热电偶测温是基于热电效应。在两种不同的导体(或半导体)A和B组成的闭合回路中,如果它们两个结点的温度不同,则回路中产生一个电动势,通常我们称这种电动势为热电势,这种现象就是热电效应

图3-13 热电效应


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  • 3、热电偶的种类

  • 热电偶是目前应用广泛、发展比较完善的温度传感器,它在很多方面都具备一种理想温度传感器的条件。

  • (1)标准化和非标准化热电偶

  • 标准化热电偶的工艺比较成熟,应用广泛,性能优良稳定,能成批生产

  • (2)普通型热电偶。

  • 这种类型的热电偶主要用于测量气体、蒸气和液体气体、蒸汽和液体介质的温度。


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(a)固定螺纹形 (b) 无固定装置形 (c) 固定法兰形 (d) 活动法兰形 (e) 角形

图3-14 普通型热电偶外形


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  • (3)铠装热电偶 铠装热电偶的外形像电缆,也称缆式热电偶。

图3-15 铠装热电偶外形及结构

(a)外形 (b)结构


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  • 4、热电偶的特点

  • (1)温度测量范围宽

  • (2)性能稳定、准确可靠

  • (3)信号可以远传和记录

  • 5、热电阻传感器

  • 利用热敏电阻可以制成温度传感器。所谓热敏电阻即是对热量敏感的电阻体,其电阻值随温度的变化而显著改变。


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  • 6、温度传感器的应用

图3-16 热电偶检测电路


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  • 3.2.5 霍尔效应式线位移传感器

图 3-18 霍尔效应线位移传感器输出特性

图 3-17霍尔效应线位移传感器工作原理


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  • 3.2.6 超声波传感器

  • 超声波传感器用超声波来测量距离,在机器人上用来检测障碍物。其原理与蝙蝠通过感觉自己所发出的超声波来测定距离的道理相同。

  • 发射脉冲导通时,开始发射超声波。反射回来的超声波接收后,经过放大和检波得到的波形上升沿由施密特触发器提取。


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3.3检测数据的处理方法

  • 日常生活、工业生产和科学研究中所遇到的绝大多数物理量,如温度、压力、流量、湿度等非电量都是连续变化的模拟量。

  • 然后要通过A/D转换将模拟信号转换为数字信号,进行频谱分析和相关分析等数字信号处理。


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  • 3.3.1模拟信号处理


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  • 3.3.2数字信号处理

  • 1、数字信号处理的步骤

  • 数字信号处理的基本步骤如图所示

图3-22 数字信号处理系统功能框图


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  • 2、数字信号处理方法

  • 通过A/D转换得到的数字信号,可以利用计算机进行各种各样的处理。除此之外,还有数字滤波、快速傅立叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)等。

  • (1)算术平均值法

  • 平均值滤波法是对信号Y的m次测量值进行算术平均,作为时刻n的输出,即

  • =


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  • (2)中位值滤波法

  • 中位值滤波法的原理是对被测参数连续采样次(3且为奇数),并按大小顺序排序;再取中间值作为本次采样的有效数据。

  • 中位值滤波法和算术平均值滤波法结合起来使用,滤波效果会更好。

  • (3)限幅滤波法

  • 由于大的随机干扰或采样器的不稳定,使得采样数据偏离实际值太远,为此仅采用上、下限限幅


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  • (2)中位值滤波法

  • 中位值滤波法的原理是对被测参数连续采样次(3且为奇数),并按大小顺序排序;再取中间值作为本次采样的有效数据。

  • 中位值滤波法和算术平均值滤波法结合起来使用,滤波效果会更好。

  • (3)限幅滤波法

  • 由于大的随机干扰或采样器的不稳定,使得采样数据偏离实际值太远,为此仅采用上、下限限幅


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  • (2)中位值滤波法

  • 中位值滤波法的原理是对被测参数连续采样次(3且为奇数),并按大小顺序排序;再取中间值作为本次采样的有效数据。

  • 中位值滤波法和算术平均值滤波法结合起来使用,滤波效果会更好。

  • (3)限幅滤波法

  • 由于大的随机干扰或采样器的不稳定,使得采样数据偏离实际值太远,为此仅采用上、下限限幅


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  • (2)中位值滤波法

  • 中位值滤波法的原理是对被测参数连续采样次(3且为奇数),并按大小顺序排序;再取中间值作为本次采样的有效数据。

  • 中位值滤波法和算术平均值滤波法结合起来使用,滤波效果会更好。

  • (3)限幅滤波法

  • 由于大的随机干扰或采样器的不稳定,使得采样数据偏离实际值太远,为此仅采用上、下限限幅


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  • (2)中位值滤波法

  • 中位值滤波法的原理是对被测参数连续采样次(3且为奇数),并按大小顺序排序;再取中间值作为本次采样的有效数据。

  • 中位值滤波法和算术平均值滤波法结合起来使用,滤波效果会更好。

  • (3)限幅滤波法

  • 由于大的随机干扰或采样器的不稳定,使得采样数据偏离实际值太远,为此仅采用上、下限限幅


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  • (2)中位值滤波法

  • 中位值滤波法的原理是对被测参数连续采样次(3且为奇数),并按大小顺序排序;再取中间值作为本次采样的有效数据。

  • 中位值滤波法和算术平均值滤波法结合起来使用,滤波效果会更好。

  • (3)限幅滤波法

  • 由于大的随机干扰或采样器的不稳定,使得采样数据偏离实际值太远,为此仅采用上、下限限幅


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  • (2)中位值滤波法

  • 中位值滤波法的原理是对被测参数连续采样次(3且为奇数),并按大小顺序排序;再取中间值作为本次采样的有效数据。

  • 中位值滤波法和算术平均值滤波法结合起来使用,滤波效果会更好。

  • (3)限幅滤波法

  • 由于大的随机干扰或采样器的不稳定,使得采样数据偏离实际值太远,为此仅采用上、下限限幅


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  • 3.3.3信号调制与解调

  • 在测试技术中,调制是工程测试信号在传输过程中常用的一种调理方法,主要是为了解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。


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图3-23 载波、调制信号及调幅、调频波


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  • 1、调幅与解调

  • 调幅是将一个高频简谐信号(载波信号)与测试信号(调制信号)相乘,使载波信号随测试信号的变化而变化。

  • 调幅的目的是为了便于缓变信号的放大和传送,然后再通过解调从放大的调制波中取出有用的信号。


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图3-24 调幅过程


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图3-25 同步解调


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图3-27 常用的环形二极管相敏检波器


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图3-28 相敏检波


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图3-29 动态电阻应变仪方框图


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  • 3、调频与解调

  • (1)调频原理

  • 调频是利用调制信号的幅值变化控制和调节载波的频率。调频比较容易实现数字化,特别是调频信号在传输过程中不易受到干扰,所以在测量、通信和电子技术的许多领域中得到了越来越多广泛的应用。


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图3-30调频波与调制信号幅值的关系


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图3-31直接调频装置


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  • (2)鉴频器

  • 调频波的解调又称为鉴频,是将频率变化的等幅调频波,按其频率变化复现调制信号波形的变换。振幅鉴频器是一种简单的调频解调器,其原理图及频率——幅值变换如图所示。


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图3-32 变压器耦合的谐振回路鉴频率


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3.4 传感器信号的计算机检测技术

  • 3.4.1传感器的测量电路

  • 在机电一体化系统中,传感器获取系统的有关信息并通过检测系统进行处理,以实施系统的控制。

  • 通常,这种电量信号很微弱,需要由中间转换电路进行放大、调制解调、A/D、D/A转换等处理以满足信号传输、微机处理的要求,根据需要还必须进行必要的阻抗匹配、线性化及温度补偿等处理。


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  • (1)模拟型测量电路

  • 模拟型测量电路适用于电阻式、电感式、电磁式、电热式等输出模拟信号的传感器。当传感器为电参量式时,即被测物理量的变化引起敏感元件的电阻、电感、或电容等参数变化时,则需通过基本转换电路将其转换成电量(电压、电流等)。若传感器的输出已是电量,则不需要基本转换电路。


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  • (2)数字型测量电路

  • 数字型测量电路有绝对码数字式和增量码数字式。绝对码数字式传感器输出的编码与被测量一一对应,每一码道的状态由相应的光电元件读出,经光电转换、放大整形后,得到与被测量相对应的编码。

  • 输出的信号为增量码数字信号的传感器,如光栅、磁栅、容栅、感应同步器、激光干涉等传感器均使用增量码测量电路。


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  • (3)开关型测量电路

  • 传感器的输出信号为开关信号,如光电开关和电触点开关的通断信号等。这类信号的测量电路实质为功率放大电路。

  • (4)转换电路 中间转换电路的种类和构成由传感器的类型决定。这里对常用的转换电路,如电桥、放大电路、调制与解调电路、数/模(D/A)与模/数(A/D)转换电路等的作用做一简单说明,其工作原理及应用电路请参考相关资料。


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  • 3.4.2传感器的计算机接口

  • 输入到计算机的信息必须是计算机能够处理的数字量信息。传感器的输出形式可分为模拟量、数字量和开关量。

  • (1)输入放大器

  • 被分析的信号幅值大小不一,输入放大器(或衰减器)便是对幅值进行处理的器件。对于超过限额的电压幅值,可以加以衰减,对于太小的幅值,则加以放大,避免影响采样精度。


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  • (2)抗频混滤波器

  • 在作频域分析时,为解决频混的影响,采样之前通常用模拟滤波器来衰减不感兴趣的高频分量,然后根据滤波器的选择性来确定适当的采样频率。低通滤波器为抗频混滤波器。(3)采样保持电路

  • 采样保持电路在A/D转换之前,是为A/D进行转换期间,保持输入信号不变而设置的。对于模拟输入信号变化率较大的信号通道,一般都需要的。


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  • (4)模拟多路开关

  • 模拟多路开关的作用为分别或依次把各传感器输出的模拟量与A/D接通,以便进行A/D转换。对其要求是:(1)导通电阻小,(2)开路电阻大,交叉干扰小;(3)速度快。

  • (5)A/D转换器及其与计算机的连接

  • 在机电一体化产品常用的传感器中,有很多是以模拟量形式输出信号的,如位置检测用的差动变压器、温度检测用的热电偶、温敏电阻、转速检测用的测速发电机等,但由于控制计算机是一个数字系统(有些信号的单片机内部集成了模/数转换器件,如MCS—96系列单片机等)。


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  • 3.4.3传感器在机电一体化系统中的应用实例——车载信息系统

  • 车载信息系统是汽车技术革命的一项重要内容,它是将汽车工业的传统的模拟测量测控技术改变为现代化的数字测控技术,把汽车装备的现代化和信息化提高到一个新的高度。该系统是以计算机为核心,对汽车的各种信息状态,如燃油的液位、电池电压、水温、机油压力、车速等参数进行采集、处理、显示和报警提示。


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  • 系统的构成和工作原理

  • 车载信息系统的构成如图3-34所示。它由工控机、多种传感器、信息采集部件、计数器卡、声光显示和报警部件、GPS以及管理控制软件所组成。

  • 该系统的工作原理是:汽车燃油的液位、电池电压、行进速度、机油压力各种信息参数都由响应的传感器进行检测。


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图3-34 车载系统原理方框图


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图3-35 数据采集部件原理方框图


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图3-36 传感器所对应的电压—频率转换示意图


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本章小结

  • 传感器是机电一体化产品中不可缺少的重要组成部分之一。传感器把被测物理量(大多数为非电量)检测出来,转换成与之相应的其他易于测量的物理量(大多数为电量)。随后,这个信息被传送给信息处理部分进行判断、运算、存贮、进而控制被测量。传感器输出信息正确与否将直接影响整个系统的工作,因此,传感器的正确选择和应用十分重要。


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思考练习

  • 1、码盘式编码器主要有哪几种?各有什么特点?

  • 2、传感器有哪几部分组成?每部分起什么作用?

  • 3、莫尔条纹是怎样产生的?它具有哪些特性?

  • 4、试述光栅传感器的工作原理及特点。

  • 5、简述电阻应变计的工作原理,它的基本组成结构是什么?

  • 6、传感器的发展方向是什么?

  • 7、模拟多路开关和采样保持电路的作用是什么?

  • 8、试问数字滤波较一般模拟滤波有何优点?


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Thank You !


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