机电一体化概论精.ppt
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1、机电一体化概论机电一体化概论第1页,本讲稿共50页2.3 检测单元检测单元2.3.1 检测单元基础检测单元基础2.3.2 传感器的结构与传感器的结构与基本原理基本原理2.3.3 数据采集与处理数据采集与处理2.3.4 虚拟仪器虚拟仪器第2页,本讲稿共50页2.3.1 检测单元基础检测单元基础u 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(首要前提,完成这一任务的环节就是检测单元(Detecting unit)。)。u 传感器与人体的感觉器官相对应,计算机与大脑相对应,传感器与人体的感觉器官
2、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。核心元件。生物系统生物系统 机电一体化系统机电一体化系统 检测的作用检测的作用第3页,本讲稿共50页2.3.1 检测单元基础检测单元基础1.1.传感器的基本用途传感器的基本用途(1 1)生产过程中的信号测量与控制。)生产过程中的信号测量与控制。(2 2)安全报警与环境保护。)安全报警与环境保护。(3 3)自动化设备。)自动化设备。(4 4)交通运输和资
3、源探测。)交通运输和资源探测。(5 5)医疗卫生和家用电器。)医疗卫生和家用电器。第4页,本讲稿共50页2.3.1 检测单元基础检测单元基础2.2.传感器的组成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,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。件、转换元件、基本转换电路组成。被测量被测量电量电量第5
4、页,本讲稿共50页2.3.1 检测单元基础检测单元基础3.3.传感器的分类传感器的分类第6页,本讲稿共50页2.3.1 检测单元基础检测单元基础4.4.传感器技术的发展传感器技术的发展(1)新型传感器开发。)新型传感器开发。(2)传感器的集成化。)传感器的集成化。(3)传感器的多功能化。)传感器的多功能化。(4)传感器的智能化。)传感器的智能化。(5)仿生传感器()仿生传感器(Biomimetic sensor)。第7页,本讲稿共50页2.3.2 传感器的结构与基本原理传感器的结构与基本原理1.线位移检测传感器线位移检测传感器(1)电阻式线位移传感器)电阻式线位移传感器滑线位移式滑线位移式 绕
5、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,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,且与位移量成正比。因此,当我们检测到输出电压的变化量位移量成正比。因此,当我们检测到输出电压的变化量Uo,就可以,就可以获知待测物体的位移量。获知待测物体的位移量。滑线式位移传感器滑线式位移传感器 实实 物物 绕线位移传感器绕线位移传感器第8页,本讲稿共50页2.3.2 传感器的结构与基本原理传感器的结构与基本原理1.线位移检测
6、传感器线位移检测传感器(1)电阻式线位移传感器)电阻式线位移传感器电阻应变计式线位移传感器电阻应变计式线位移传感器第9页,本讲稿共50页2.3.2 传感器的结构与基本原理传感器的结构与基本原理(2)电感式线位移传感器)电感式线位移传感器差动电感式线位移传感器差动电感式线位移传感器第10页,本讲稿共50页2.3.2 传感器的结构与基本原理传感器的结构与基本原理(2)电感式线位移传感器)电感式线位移传感器差动变压器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,交流电的频率称为由交流电源励磁,交流电的频率称为励磁
7、频率。两个次级线圈励磁频率。两个次级线圈L2和和L3接成差动式,它们反向串接,输出电压接成差动式,它们反向串接,输出电压U0是两次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关系的感应电压Uo。第11页,本讲稿共50页2.3.2 传感器的结构与基本原理传感器的结构与基本原理(3)电容式线位移传感器)电容式线位移传感器u S、d的变化,均会引起电容量的变化。的变化,均会引起电
8、容量的变化。u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,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信号输出,以此来确定位移量的大小和方向。这样即可转换为电压信号输出,以此来确定位移量的大小和方向。u 应用:无接触检测,在恶劣环境下工作。可应用于检测位移、振应用: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。动、角度、速度、加速度、压力等参数。第12页,本讲稿共50页2.3.2 传感器的结构与基本原理传感器的结构与基本原理(4)光栅式线位移传感器)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
9、光栅上的移动通过的条纹数,即可测试主光栅移动的距离。第13页,本讲稿共50页2.3.2 传感器的结构与基本原理传感器的结构与基本原理(5)激光式线位移传感器)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第14页,本讲稿共50页2.3.2 传感器的结构与基本原理传感器的结构与基本原理(5)激光式线位移传感器)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。由于光斑直径小,所以可实现对微对被测物体进行测量。由于光斑直径小,所以可实
10、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。反射测量原理还极为适用于高精度、高分辨率的快速测量。第15页,本讲稿共50页2.3.2 传感器的结构与基本原理传感器的结构与基本原理2.角位移传感器角位移传感器(1)电阻式角位移传感器)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
11、泛用于检测各号大、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。种回转角度和角位移量。适用转速较低的角位移测量。工作原理工作原理 结构示意图结构示意图 实实 物物第16页,本讲稿共50页2.3.2 传感器的结构与基本原理传感器的结构与基本原理2.角位移传感器角位移传感器(2)电感式角位移传感器)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。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正余弦旋转变压器工作原理D1D2励磁绕组;励磁绕组;D3D4交变绕组;交变绕组;Z1Z2余弦输出绕组;余弦输出绕组;Z3Z4正弦输出
12、绕组正弦输出绕组第17页,本讲稿共50页2.3.2 传感器的结构与基本原理传感器的结构与基本原理2.角位移传感器角位移传感器(3)电容式角位移传感器)电容式角位移传感器第18页,本讲稿共50页2.3.2 传感器的结构与基本原理传感器的结构与基本原理2.角位移传感器角位移传感器(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。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
13、抗匹速度快等优点。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。配交换器才能用。第19页,本讲稿共50页2.3.2 传感器的结构与基本原理传感器的结构与基本原理3.转速检测传感器转速检测传感器(1)电容式转速传感器)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。时,电容量最小。设齿轮齿数为设齿轮齿数为z,则由计数器得到的频率数计算出测量转速为,则由计数器得到的频率数计算出测量转速为第20页,本讲稿共50页2.3.2 传感器的结构与基本原理传感器的结构与基本原理3.转速检测传感器转速检测
14、传感器(2)电感式转速传感器)电感式转速传感器设齿数为设齿数为z,由测速表测的频率计算出测量转速为:,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目前已生产的电感式转速传感器测量转速从600r/min到到6000r/min。测量点间距达到。测量点间距达到210 mm,测量误差小于,测量误差小于0.01。原理图原理图 汽车后轮转速测量汽车后轮转速测量 实物实物 电感式转速传感器原理电感式转速传感器原理第21页,本讲稿共50页2.3.2 传感器的结构与基本原理传感器的结构与基本原理3.转速检测传感器转速检测传感器(3)光电式转速传感器)光电式转速传感器若开孔数为若开孔数
15、为20,记录过程时间为,记录过程时间为t,总脉冲数为,总脉冲数为N,则转速为:,则转速为:n=60N/(20t)。第22页,本讲稿共50页2.3.2 传感器的结构与基本原理传感器的结构与基本原理4加速度检测传感器加速度检测传感器 当传感器承受振动体的加速度时,通过质量块产生相对位移,也当传感器承受振动体的加速度时,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,在压电片的线性弹性范围内,有 式中,式中,F作用在压电片上的力;作用在压电片上的力;k压电片的弹性系数。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,即而压电片表面
16、所产生的电荷量与作用力成正比,即式中,式中,d 压电元件的压电常数,压电元件的压电常数,传感器的固有角频率,传感器的固有角频率,加速度。加速度。第23页,本讲稿共50页2.3.2 传感器的结构与基本原理传感器的结构与基本原理4加速度检测传感器加速度检测传感器 第24页,本讲稿共50页2.3.2 传感器的结构与基本原理传感器的结构与基本原理 5.压力检测传感器压力检测传感器(1)电阻应变式压力传感器)电阻应变式压力传感器第25页,本讲稿共50页2.3.2 传感器的结构与基本原理传感器的结构与基本原理 5.压力检测传感器压力检测传感器(2)压阻式压力传感器)压阻式压力传感器 结构示意图结构示意图
17、硅杯及硅膜片硅杯及硅膜片 实物实物 第26页,本讲稿共50页2.3.2 传感器的结构与基本原理传感器的结构与基本原理压电效应:压电效应:物质在机械力作用下发生变形时,内部产生极化现象,物质在机械力作用下发生变形时,内部产生极化现象,而在其表面上产生电荷,去掉外力时,电荷量立即消失。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,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。即可显示压力的大小。5.压力检测传感器压力检测传感器(3)压电式压力传感器)压电式压力传感器原理图原理图 测量切削力测量切削力 实物实物
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