機(jī)電一體化技術(shù)課件

概論

美國(guó)《技術(shù)評(píng)論》認(rèn)為，有十種新興技術(shù)在不遠(yuǎn)的將來(lái)會(huì)產(chǎn)生巨大影響：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；可注入組織工程；納米太陽(yáng)能電池；機(jī)電一體化技術(shù)；分子成像；納米印刷刻蝕；軟件保證；糖原組學(xué)；量子密碼術(shù)。1.1機(jī)電一體化的基本概念1.1.1機(jī)電一體化系統(tǒng)的功能構(gòu)成及定義“機(jī)電一體化”一詞(Mecharonics)在20世紀(jì)70年代起源于日本。它取英語(yǔ)Mechanics(機(jī)械學(xué))的前半部和Electronics（電子學(xué)）的后半部分拼成一個(gè)新詞，即機(jī)械電子學(xué)或機(jī)電一體化。

“機(jī)電一體化”是機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)相互交叉、融合的產(chǎn)物機(jī)械技術(shù)（機(jī)械學(xué)機(jī)構(gòu)學(xué)）機(jī)電一體化技術(shù)領(lǐng)域微電子技術(shù)（半導(dǎo)體技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)）機(jī)電一體化系統(tǒng)由機(jī)械本體（機(jī)構(gòu)）、信息處理與控制部分（計(jì)算機(jī)）、能源部分（動(dòng)力源）、檢測(cè)部分（傳感器）、執(zhí)行元件部分（如電動(dòng)機(jī)）等五個(gè)子系統(tǒng)組成能源部分信息處理與控制信息輸入驅(qū)動(dòng)部分執(zhí)行元件機(jī)械本體檢測(cè)部分典型閉環(huán)控制系統(tǒng)1.1.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要素機(jī)電一體化系統(tǒng)是由若干具有特定功能的機(jī)械與微電子要素組成的有機(jī)整體，具有滿足人們使用要求的功能(目的功能)。根據(jù)不同的使用目的，要求系統(tǒng)能對(duì)輸入的物質(zhì)、能量和信息(即工業(yè)三大要素)進(jìn)行某一處理，輸出所需要的物質(zhì)、能量和信息。因此，系統(tǒng)必須具有以下三大“目的功能”：變換(加工、處理)功能、傳遞(移動(dòng)、輸送)功能和儲(chǔ)存(保持、積累、記錄)功能。不管那類系統(tǒng)（或產(chǎn)品），其系統(tǒng)內(nèi)部必須具備如所示的五種內(nèi)部功能，即主動(dòng)能、動(dòng)力功能、檢測(cè)功能、控制功能、構(gòu)造功能。

CNC機(jī)床內(nèi)部功能構(gòu)成實(shí)例機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）的五大要素及其對(duì)應(yīng)的五大功能機(jī)電一體化系統(tǒng)內(nèi)部與外部接口機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）各構(gòu)成要素之間的相互聯(lián)系

1.1.3機(jī)電一體化產(chǎn)品的分類一部分機(jī)電一體化系統(tǒng)以能量轉(zhuǎn)換為主，輸入能量(或物質(zhì))和信息，輸出不同能量(或物質(zhì))的系統(tǒng)(或產(chǎn)品)，稱為動(dòng)力機(jī)，其中輸出機(jī)械能的為原動(dòng)機(jī)。也有機(jī)電一體化系統(tǒng)以信息處理為主，輸入信息量，輸出各種信息的系統(tǒng)，稱為信息機(jī)。機(jī)電一體化產(chǎn)品種類繁多，目前還在不斷擴(kuò)展，但仍可以按產(chǎn)品的功能劃分為以下幾類。（1）數(shù)控機(jī)械類（2）電子設(shè)備類（3）機(jī)電結(jié)臺(tái)類（4）電液伺服類（5）信息控制類1.2機(jī)電一體化的共性關(guān)鍵技術(shù)1.2.1機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)機(jī)械技術(shù)是機(jī)電一體化的基礎(chǔ)。機(jī)電一體化產(chǎn)品中的主功能和構(gòu)造功能，往往是以機(jī)械技術(shù)為主實(shí)現(xiàn)的。特別是關(guān)鍵部件，如導(dǎo)軌、滾珠絲杠、軸承、傳動(dòng)部件等的材料、精度對(duì)機(jī)電一體化產(chǎn)品的性能、控制精度等多方向的要求。1.2.2計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)信息處理技術(shù)包括信息的輸入、識(shí)別、變換、運(yùn)算、存儲(chǔ)及格出技術(shù)，它們大都是依靠計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行的，因此計(jì)算機(jī)技術(shù)與信息處理技術(shù)是密切相關(guān)的。信息處理技術(shù)包括信息的交換、存取、運(yùn)算、判斷和決策等，實(shí)現(xiàn)信息處理的主要工具是計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)技術(shù)包括計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)和軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等。1.2.3自動(dòng)控制技術(shù)自動(dòng)控制技術(shù)就是通過(guò)控制器使被控對(duì)象或過(guò)程自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。自動(dòng)控制技術(shù)范圍很廣，包括自動(dòng)控制理論、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試、可靠運(yùn)行等從理論到實(shí)踐的整個(gè)過(guò)程。由于被控對(duì)象種類繁多，所以控制技術(shù)的內(nèi)容極其豐富，包括高精度定位控制、速度控制、自適應(yīng)控制、自診斷、校正、補(bǔ)償、示教再現(xiàn)、檢索等控制技術(shù)。1.2.4傳感與檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)傳感技術(shù)是機(jī)電一體化的關(guān)鍵技術(shù)，它將所測(cè)得的各種參量如位移、位置、速度、加速度、力、溫度、酸度和其他形式的信號(hào)等轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一規(guī)格的電信號(hào)輸入到信息處理系統(tǒng)中，并由此產(chǎn)生出相應(yīng)的控制信號(hào)以決定執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)形式和動(dòng)作幅度。傳感器檢測(cè)的精度、靈敏度和可靠性將直接影響到機(jī)電一體化的性能。1.2.5執(zhí)行與驅(qū)動(dòng)技術(shù)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的主要研究對(duì)象是執(zhí)行元件及其驅(qū)動(dòng)裝置。執(zhí)行元件分為電動(dòng)、氣動(dòng)、液壓等多種類型，機(jī)電一體化產(chǎn)品中多采用電動(dòng)式執(zhí)行元件．驅(qū)動(dòng)裝胃要是指各種電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源電路，目前多采用電力電子器件及集成化的功能電路構(gòu)成。1.2.6機(jī)電一體化總體設(shè)計(jì)技術(shù)系統(tǒng)總體技術(shù)是一種從整體目標(biāo)出發(fā)，用系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)和力法，將系統(tǒng)總體分解成相互有機(jī)聯(lián)系的若干功能單元，并以功能單元為子系統(tǒng)繼續(xù)分解，直至找到可實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案，然后再把功能和技術(shù)方案組合成方案指進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)和優(yōu)選的綜合應(yīng)用技術(shù)。1.3機(jī)電一體化的發(fā)展概況1.3.1國(guó)內(nèi)外機(jī)電一體化發(fā)展?fàn)顩r機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展大體上可分為三個(gè)階段。20世紀(jì)60年代以前為第一階段，也可稱其為“萌芽階段”。70年代至80年代為第二階段。稱其為“蓬勃發(fā)展階段”。從上世紀(jì)90年代后期開(kāi)始為第三階段，稱其為“智能化階段”，機(jī)電一體化技術(shù)向智能化新階段邁進(jìn)。1.3.2機(jī)電一體化技術(shù)的理論的發(fā)展因此，機(jī)電一體化的主要發(fā)展方向如下：（1）智能化（2）模塊化（3）網(wǎng)絡(luò)化（4）微型化（5）綠色化（6）人性化1.3.3數(shù)控技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)一、數(shù)控機(jī)床數(shù)控技術(shù)，簡(jiǎn)稱數(shù)控（NumericalControl）。它是利用數(shù)字化的信息對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)及加工過(guò)程進(jìn)行控制的一種方法。數(shù)控系統(tǒng)包括：數(shù)控裝置、可編程控制器、主軸驅(qū)動(dòng)器及進(jìn)給裝置等部分.數(shù)控機(jī)床是機(jī)、電、液、氣、光高度一體化的產(chǎn)品。二、工業(yè)機(jī)器人機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)（機(jī)械本體）、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。1.3.4新型的MEMS系統(tǒng)微機(jī)電系統(tǒng)MEMS(MicroElectronicMechanicalSystems)是一種全新的必須同時(shí)考慮多種物理場(chǎng)混合作用的研發(fā)領(lǐng)域，相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械，它們的尺寸更小，最大的不超過(guò)一個(gè)厘米，甚至僅僅為幾個(gè)微米，其厚度就更加微小。MEMS特點(diǎn)可以總結(jié)如下：（1）微型化：MEMS器件體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、響應(yīng)時(shí)間短。（2）集成化：微傳感器、微執(zhí)行器和IC集成在一起可以制造出高可靠性和高穩(wěn)定性的智能化MEMS。（3）多學(xué)科交叉：MEMS的制造涉及電子、機(jī)械、材料、信息與自動(dòng)控制、物理、化學(xué)和生物等多種學(xué)科。本章小結(jié)機(jī)電一體化通過(guò)綜合利用現(xiàn)代高新技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，在提高精度、增強(qiáng)功能、改善操作性和使用性、提高生產(chǎn)率和降低成本、節(jié)約能源和降低消耗、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度和改善勞動(dòng)條件、提高安全性和可靠性、簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)和減輕重量、增強(qiáng)柔性和智能化程度、降低價(jià)格等諸多方面都取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，促使社會(huì)和科學(xué)技術(shù)又向前大大邁進(jìn)了一步。思考練習(xí)什么是機(jī)電一體化？機(jī)電一體化系統(tǒng)的功能構(gòu)成和定義是什么？簡(jiǎn)要敘述機(jī)電一體化系統(tǒng)的共性關(guān)鍵技術(shù)。什么是數(shù)控技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、MEMS系統(tǒng)，簡(jiǎn)要介紹各自定義及特點(diǎn)。

傳感器及測(cè)量系統(tǒng)概述

在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，傳感器及測(cè)量系統(tǒng)是一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)是獲取信息與處理信息的手段只有在獲得既準(zhǔn)確又可靠的信息基礎(chǔ)上，才能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，節(jié)省能源和原材料，提高機(jī)器效率。信息采集與處理：模擬量←→數(shù)字量。A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器。**發(fā)展趨勢(shì)：(1)集成化：集成（傳感器、放大器、運(yùn)算器、補(bǔ)償器等）；組合（不同功能的傳感器）；排列（成矩陣）。(2)多功能化：如溫度與濕度、氣敏與濕度、速度與長(zhǎng)度等多功能傳感器。(3)智能化：不但能對(duì)外界信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換與測(cè)量，同時(shí)還具有記憶存儲(chǔ)、運(yùn)算及數(shù)據(jù)處理等功能。(4)數(shù)字化：數(shù)字顯示與微處理機(jī)的應(yīng)用，使傳感器應(yīng)用更為方便，可提高穩(wěn)定性及精度，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。**2.2模擬量傳感器及測(cè)量電路傳感器及測(cè)量電路：物理量、化學(xué)性能→電信號(hào)∝F（U，I，f）模擬量傳感：(1)直接傳感器；(2)差動(dòng)傳感器（信號(hào)相加，干擾相減）；(3)補(bǔ)償傳感器（抗干擾）。模擬量傳感器性能指標(biāo)：精確度、穩(wěn)定性、輸入/輸出特性。*2.2模擬量傳感器及測(cè)量電路*圖2-2-1模擬量傳感器及其測(cè)量電路結(jié)構(gòu)2.3模擬量傳感器性能指標(biāo)2.3.1精確度精確度指標(biāo)：共有三個(gè)：精密度、準(zhǔn)確度、精度。在工程上常用精度等級(jí)來(lái)表示傳感器的精度（相對(duì)誤差）。傳感器的精度等級(jí)一般分為：0.001,0.002,0.005,0.02,0.05,…,1.5,2.5,4.0,5.0和6.0。*2.3模擬量傳感器性能指標(biāo)*2.3.2穩(wěn)定性傳感器的穩(wěn)定性有兩個(gè)方面：(1)穩(wěn)定度： 傳感器的輸出在所有條件恒定的情況下，于規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，維持其值不變的能力。如：3.454mV/h。(2)影響量： 傳感器的輸出在外界條件變化的情況下而引起輸出的變化量。例0.002mV/℃。*2.3模擬量傳感器性能指標(biāo)*2.3.3輸入／輸出特性分類：靜特性、動(dòng)特性。1、靜特性定義：靜特性是指輸入量不隨時(shí)間而變化，只考慮它們之間的靜態(tài)關(guān)系靜特性的主要指標(biāo)：線性度、靈敏度與滯環(huán)。(1)線性度：是指?jìng)鞲衅鬏斎?輸出特性曲線用一條直線來(lái)近似代替時(shí)其準(zhǔn)確程度。傳感器輸入與輸出的典型特性曲線如圖2-3-1所示。*2.3模擬量傳感器性能指標(biāo)*(2)靈敏度：傳感器輸出量增量與輸入量增量之比，即傳感器輸入／輸出特性曲線上各點(diǎn)的斜率。(3)滯環(huán):傳感器輸入/輸出靜特性在輸入量上升時(shí)和下降時(shí)輸出特性的不一致性。*2.3模擬量傳感器性能指標(biāo)*圖2-3-1傳感器輸入/輸出的曲型特性曲線

滯環(huán)誤差和滯環(huán)率為:

滯環(huán)是由于傳感器吸收能量所產(chǎn)生，所以滯環(huán)效應(yīng)常伴著死區(qū)效應(yīng)。*2.3模擬量傳感器性能指標(biāo)*圖2-3-2滯環(huán)與滯環(huán)誤差圖2-3-3一階動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)2、動(dòng)特性定義：當(dāng)輸入量隨時(shí)間變化很快時(shí)，輸入量與輸出量之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。傳感器輸入／輸出的動(dòng)態(tài)特性是含有時(shí)間變量的微分方程。表達(dá)式為：bny(n)+bn-1y(n-1)+…+b1y(1)+b0y=bx(t)式中：b0、b1、…、bn——對(duì)線性系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是常數(shù)y、y(1)、…、y(n)——輸出信號(hào)的各階導(dǎo)數(shù)輸入信號(hào)x(t)與輸出信號(hào)y(t)具有相同的量綱。*2.3模擬量傳感器性能指標(biāo)*(1)一階系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)一階動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)可由剛度為ｋ的彈簧和粘性阻尼系數(shù)為ｃ的阻尼器并聯(lián)組成，見(jiàn)圖2-3-3(a)；也可由質(zhì)量為ｍ的物體和粘性阻尼系數(shù)為ｃ的阻尼器串聯(lián)組成，見(jiàn)圖2-3-3(b)，動(dòng)力學(xué)方程分別為：

cy(1)+ky=kx(t)和my(2)+cy(1)=cx(1)(t)

可以寫(xiě)成同一個(gè)一階慣性公式: T1y(1)+y=x(t)*2.3模擬量傳感器性能指標(biāo)*正弦信號(hào)激勵(lì)下其幅頻及相頻響應(yīng)為:*2.3模擬量傳感器性能指標(biāo)*單位階躍函數(shù)輸入一階系統(tǒng)時(shí),通過(guò)拉氏變換方法可以求得其響應(yīng)為：(2)二階系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)二階動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)可由質(zhì)量為ｍ的物體、剛度為ｋ的彈簧和粘性阻尼系數(shù)為ｃ的阻尼器串聯(lián)組成：其動(dòng)力學(xué)方程為： my(2)+cy(1)+ky=kx(t)*2.3模擬量傳感器性能指標(biāo)*

圖2-3-4動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)在正弦輸入信號(hào)時(shí)的響應(yīng)曲線*2.3模擬量傳感器性能指標(biāo)*圖2-3-5對(duì)單位階躍輸入信號(hào)的響應(yīng)圖2-3-6二階動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)正弦信號(hào)的激勵(lì)下其幅頻響應(yīng)及相頻響應(yīng)為:*2.3模擬量傳感器性能指標(biāo)*單位階躍函數(shù)輸入二階系統(tǒng)時(shí),通過(guò)拉氏變換方法可以求得其響應(yīng)為:2.4數(shù)字量傳感器及其測(cè)量電路數(shù)字量傳感器有兩種：直接數(shù)字量傳感器——可直接得到數(shù)字量輸出的傳感器，如角度數(shù)字編碼器。間接數(shù)字量傳感器——通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器得到數(shù)字量輸出的傳感器如光柵和感應(yīng)同步器。按結(jié)構(gòu)可分為三種類型：1、直接式數(shù)字量傳感器——其分辨率決定于數(shù)字量傳感器的位數(shù)。被測(cè)物理量→數(shù)字編碼器→信息提取裝置→數(shù)字量輸出*2.4數(shù)字量傳感器及其測(cè)量電路*2、周期計(jì)數(shù)式數(shù)字量傳感器數(shù)字量傳感器的結(jié)構(gòu)方框圖如圖2-4-2所示。其分辨率決定于周期信號(hào)發(fā)生器的性質(zhì)。可采用電子細(xì)分來(lái)提高傳感器的精度且具有辨向功能。

*2.4數(shù)字量傳感器及其測(cè)量電路*圖2-4-2周期計(jì)數(shù)式數(shù)字量傳感器的結(jié)構(gòu)方框圖2.4.3頻率式數(shù)字量傳感器結(jié)構(gòu)：如圖2-4-3所示。 分類：帶晶體振蕩器、不帶晶體振蕩器 其敏感元件可以是直接的和差動(dòng)的，為了提高頻率式數(shù)字量傳感器的分辨率，一般采用倍頻措施。*2.4數(shù)字量傳感器及其測(cè)量電路*圖2-4-3頻率式數(shù)字量傳感器的結(jié)構(gòu)方框圖

2.5數(shù)字量傳感器性能指標(biāo)(1)分辨率(Q)——改變一個(gè)測(cè)量計(jì)數(shù)所對(duì)應(yīng)的被測(cè)量的變化值。式中xmax，xmin——數(shù)字量傳感器的測(cè)量上限與下限N——數(shù)字量傳感器的輸出值Q越小，說(shuō)明數(shù)字量測(cè)量裝置的精度越高。*2.5數(shù)字量傳感器性能指標(biāo)*(2)精度(ε)——測(cè)量誤差值與實(shí)際測(cè)量值之比。數(shù)字量傳感器測(cè)量裝置的精度為：

式中△n——測(cè)量值與實(shí)際值之差。(3)檢測(cè)時(shí)間——對(duì)被測(cè)參數(shù)進(jìn)行兩次采樣之間的時(shí)間間隔。(4)計(jì)數(shù)器字長(zhǎng)——根據(jù)檢測(cè)裝置的最大測(cè)量值xmax及分辨率(Q)可以確定計(jì)數(shù)器的最大計(jì)數(shù)值:*2.5數(shù)字量傳感器性能指標(biāo)*2.6數(shù)字檢測(cè)方法2.6.1M法數(shù)字檢測(cè)定義：在一定時(shí)間T內(nèi)，測(cè)取數(shù)字量傳感器測(cè)量電路發(fā)出脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)計(jì)算被測(cè)參數(shù)的方法。例如，圖2-6-2中測(cè)量轉(zhuǎn)速時(shí)，脈沖發(fā)生器每旋轉(zhuǎn)一周輸出P個(gè)脈沖，則轉(zhuǎn)速n為:

式中m——在檢測(cè)時(shí)間T內(nèi)所得的脈沖數(shù)

T——在設(shè)定的檢測(cè)周期，單位s*2.6數(shù)字檢測(cè)方法*測(cè)速裝置的分辨率為:測(cè)量裝置的分辨率在不同的區(qū)段是不同的。在低段的分辨率低(精度低)，而在高段的分辨率高(精度高)。圖2-6-1M法測(cè)量原理圖圖2-6-2轉(zhuǎn)速測(cè)量脈沖發(fā)生器*2.6數(shù)字檢測(cè)方法*2.6.2Ｔ法數(shù)字檢測(cè)定義：通過(guò)測(cè)量脈沖發(fā)生器發(fā)出的相鄰兩脈沖之間的間隔時(shí)間來(lái)計(jì)算被測(cè)參數(shù)的方法為T(mén)法例如，圖2-6-2中測(cè)量轉(zhuǎn)速時(shí)，脈沖發(fā)生器每旋轉(zhuǎn)一周輸出P個(gè)脈沖數(shù)。若采用頻率為ｆc的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，則轉(zhuǎn)速n為:

式中m——在檢測(cè)時(shí)間內(nèi)所測(cè)得的脈沖數(shù)。分辨率為：*2.6數(shù)字檢測(cè)方法*測(cè)量裝置的分辨率在不同的區(qū)段是不同的，在低段的分辨率高，而在高段的分辨率低。時(shí)鐘脈沖頻率fc越高，則檢測(cè)裝置的分辨率越靈敏。但這樣會(huì)增加檢測(cè)裝置計(jì)數(shù)器字長(zhǎng)，時(shí)鐘脈沖頻率fc由下式確定:式中nmin——測(cè)量的最低轉(zhuǎn)速。*2.6數(shù)字檢測(cè)方法*圖2-6-3Ｔ法測(cè)量原理圖圖2-6-4Ｍ/Ｔ法測(cè)量原理圖2.6.3M/T法數(shù)字檢測(cè)定義：在固定的時(shí)間間隔內(nèi)，由一個(gè)計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖發(fā)生器的輸出計(jì)數(shù)，得脈沖數(shù)m1，同時(shí)用另一計(jì)數(shù)器在同樣的時(shí)間間隔內(nèi)同步地對(duì)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，得另一脈沖數(shù)m2。計(jì)算公式：設(shè)脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)一周輸出Ｐ個(gè)脈沖數(shù)，若采用頻率為fc的時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，則轉(zhuǎn)速n為:式中m1——在檢測(cè)時(shí)間TC內(nèi)所測(cè)得的信號(hào)脈沖數(shù)

m2——在檢測(cè)時(shí)間TC內(nèi)所測(cè)得的時(shí)鐘脈沖數(shù)

*2.6數(shù)字檢測(cè)方法*分辨率為:測(cè)量裝置的分辨率是一個(gè)常數(shù)，與轉(zhuǎn)速的高低無(wú)關(guān)。

思考題1.簡(jiǎn)述機(jī)電一體化技術(shù)中傳感器的發(fā)展趨勢(shì)？2.什么是模擬量傳感器，什么是數(shù)字量傳感器，二者有什么區(qū)別？3.模擬量傳感器的性能指標(biāo)包括哪些內(nèi)容？為什么要研究模擬量傳感器的動(dòng)特性？4.數(shù)字量傳感具有哪三種類型？它們有什么區(qū)別？5.數(shù)字量傳感器的性能指標(biāo)包括哪些內(nèi)容？6.數(shù)字檢測(cè)方法有哪三種？三者有什么區(qū)別？*2.6數(shù)字檢測(cè)方法*

機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)應(yīng)包括如下三大部分機(jī)構(gòu)。（1）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)中的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不僅僅是轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變換器，而是已成為伺服系統(tǒng)的一部分。（2）導(dǎo)向機(jī)構(gòu)其作用是支承和導(dǎo)向，為機(jī)械系統(tǒng)中各運(yùn)動(dòng)裝置能安全、準(zhǔn)確地完成其特定方向的運(yùn)動(dòng)提供保障。（3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)操作指令的要求在動(dòng)力源的帶動(dòng)下，完成預(yù)定的操作。2.1機(jī)械設(shè)計(jì)概述各種機(jī)械從構(gòu)思到實(shí)現(xiàn)要經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)和制造兩個(gè)不同的階段。機(jī)械設(shè)計(jì)是機(jī)械生產(chǎn)的第一道工序。在機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造中，設(shè)計(jì)人員根據(jù)市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的需求和公司對(duì)產(chǎn)品的定位，提出機(jī)械設(shè)計(jì)的任務(wù)，運(yùn)用各種先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，獲得一個(gè)既滿足使用要求的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，繪制出全部生產(chǎn)用圖。2.1.1機(jī)電一體化對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的要求主要從以下幾方面采取措施。（1）采用低摩擦阻力的傳動(dòng)部件和導(dǎo)向支承部件。（2）縮短傳動(dòng)鏈，提高傳動(dòng)與支承剛度（3）選用最佳傳動(dòng)比，以達(dá)到提高系統(tǒng)分辨率、減少等效到執(zhí)行元件輸出軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。（4）縮小反向死區(qū)誤差，如采取消除傳動(dòng)間隙、減少支承變形的措施。（5）改進(jìn)支承及架體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以提高剛性、減少振動(dòng)、降低噪聲。2.1.2機(jī)械系統(tǒng)的組成機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)應(yīng)包括如下三大部分機(jī)構(gòu)。（1）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)中的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不僅僅是轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變換器，而是已成為伺服系統(tǒng)的一部分，它要根據(jù)伺服控制的要求進(jìn)行選擇設(shè)計(jì)，以滿足整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)良好的伺服性能（2）導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，其作用是支承和導(dǎo)向，為機(jī)械系統(tǒng)中各運(yùn)動(dòng)裝置能安全、準(zhǔn)確地完成其待定方向的運(yùn)動(dòng)提供保障。（3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它是用以完成操作任務(wù)的。執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)操作指令的要求在動(dòng)力源的帶動(dòng)下，完成預(yù)定的操作2.2傳動(dòng)部件設(shè)計(jì)機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)應(yīng)具有良好的伺服性能，從而要求傳動(dòng)機(jī)構(gòu)滿足以下幾個(gè)方面：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、剛度大、阻尼合適，此外還要求摩擦小、抗振性好、間隙小，特別是其動(dòng)態(tài)特性與伺服電動(dòng)機(jī)等其他環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)特性相匹配。常用的機(jī)械傳動(dòng)部件有螺旋傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、同步帶、高速帶傳動(dòng)以及各種非線性傳動(dòng)部件等。其主要功能是傳遞轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。因此，它實(shí)質(zhì)上是一種轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速變換器。隨著機(jī)電一體化技術(shù)革命的發(fā)展．要求傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不斷適應(yīng)新的技術(shù)要求。具體講有三個(gè)方面。（1）精密化：對(duì)于某種特定的機(jī)電一體化產(chǎn)品來(lái)說(shuō)攝影其性能的需要提出適當(dāng)?shù)木芏纫螅?）高速化：產(chǎn)品效率的高低，直接與機(jī)械傳動(dòng)部分的運(yùn)動(dòng)速度相關(guān)。（3）小型化、輕量化：隨著機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）的精密化、高速化的發(fā)展，必然要求其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)小型化和輕量化。2.2.1帶傳動(dòng)帶傳動(dòng)是通過(guò)環(huán)狀撓性件，在兩個(gè)或多個(gè)傳動(dòng)輪之間傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的機(jī)械傳動(dòng)裝置，又稱為撓性件傳動(dòng)。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便和成本低廉等特點(diǎn)，適用于兩軸中心距較大的傳動(dòng)。一、帶傳動(dòng)的類型、結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)（1）帶傳動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)帶具有良好的彈性；過(guò)載時(shí)，帶在帶輪上打滑，可防止其他零件損壞；適用于兩軸中心距較大的場(chǎng)合；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、安裝和維護(hù)方便，成本低。（2）帶傳動(dòng)的主要缺點(diǎn)帶在帶輪上有相對(duì)滑動(dòng)，不能保證準(zhǔn)確的傳動(dòng)比；傳動(dòng)效率較低，帶的壽命較短；傳動(dòng)的外廓尺寸大；帶傳動(dòng)需要張緊，支承帶輪的軸和軸承受力較大。二、帶傳動(dòng)的主要參數(shù)帶傳動(dòng)的主要幾何參數(shù)有包角α、基準(zhǔn)長(zhǎng)度Ld、中心距a及帶輪直徑dd1、dd2等。對(duì)于開(kāi)口傳動(dòng)、主要參數(shù)間有如下近似關(guān)系：小輪上的包角 （式2-1）基準(zhǔn)長(zhǎng)度 （式2-2）三、帶傳動(dòng)的彈性滑動(dòng)和傳動(dòng)比四、帶傳動(dòng)的張緊裝置帶傳動(dòng)是依靠帶與帶輪間的摩擦力工作的，所以安裝時(shí)，傳動(dòng)帶必須以一定的預(yù)緊拉力緊套在帶輪上，但V帶不是完全彈性體，工作一定時(shí)間后，其初拉力必將因帶的塑性變形而減小，產(chǎn)生松弛現(xiàn)象，使傳動(dòng)能力下降，甚至失效，故必須適時(shí)地補(bǔ)充張緊。2.2.2諧波齒輪傳動(dòng) 諧波齒輪傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)比大（幾十到幾百）、傳動(dòng)精度高、回程誤差小、噪聲低、傳動(dòng)平穩(wěn)、承載能力強(qiáng)、效率高等優(yōu)點(diǎn)。故在工業(yè)機(jī)器人、航空、火箭等機(jī)電一體化系統(tǒng)中日益得到廣泛的應(yīng)用。圖2-4諧波齒輪減速器原理圖2-5諧波減速器中三大部件2.2.3滾珠螺旋傳動(dòng)滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)的滾動(dòng)體有球和滾子兩大類。一、滾珠絲杠副的組成滾珠絲杠副是在絲杠和螺母間以鋼球?yàn)闈L動(dòng)體的螺旋傳動(dòng)部件，它可將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，或相反。

二、滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)、及精度等級(jí)（1）螺紋滾道型面的（法向）形狀及主要尺寸（2）滾珠的循環(huán)方式。滾珠絲杠副中滾珠的循環(huán)方式有內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩種。三、滾珠絲杠副的特點(diǎn)（1）傳動(dòng)效率高（2）運(yùn)動(dòng)具有可逆性（3）系統(tǒng)剛度好（4）傳動(dòng)精度高（5）使用壽命長(zhǎng)（6）不能自鎖（7）制造工藝復(fù)雜2.3軸系軸系由軸及安裝在軸上的齒輪、帶輪等傳動(dòng)部件組成，有主軸系和中間傳動(dòng)軸系。它支承著其他轉(zhuǎn)功件回轉(zhuǎn)并傳遞轉(zhuǎn)矩，同時(shí)它又通過(guò)軸承和機(jī)架連接。

2.3.1軸 一、軸的分類軸按受載情況分：（1）轉(zhuǎn)軸既支承傳動(dòng)機(jī)件又傳遞動(dòng)力，即承受彎矩和扭矩兩種作用（2）心軸只起支承旋轉(zhuǎn)機(jī)件作用而不傳遞動(dòng)力，即只承受彎矩作用。（3）傳動(dòng)軸主要傳遞動(dòng)力，即要承受扭矩作用。二、軸的材料軸的常用材料種類很多，設(shè)計(jì)時(shí)主要根據(jù)對(duì)軸的強(qiáng)度、剛度、耐磨性等要求，以及為實(shí)現(xiàn)這些要求而采用的熱處理方式。三、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)決定于受載情況，軸上零件的布置和固定方式，軸承的類型和尺寸、軸的毛坯、制造和裝配工藝及安裝、運(yùn)輸?shù)葪l件。（1）軸上零件的固定零件與軸的固定或連接方式，隨零件的作用而異。零件在軸上應(yīng)具有確定的軸向位置，以保證它正常工作。一般情況下，應(yīng)從軸向和周向加以固定。圖2-11軸向固定方法圖2-12軸的周向固定

五、軸的剛度計(jì)算軸在載荷作用下，將產(chǎn)生彎曲或扭轉(zhuǎn)變形。若變形量超過(guò)允許的限度，就會(huì)影響軸上零件的正常工作，甚至?xí)茐臋C(jī)器的工作性能。四、采用合理結(jié)構(gòu)措施提高疲勞強(qiáng)度軸的破壞多數(shù)多屬于疲勞破壞。2.3.2軸彀連結(jié)軸彀連接主要是使軸上零件與軸周向固定以傳遞轉(zhuǎn)矩。常用的軸彀連接有鍵連接、過(guò)盈連接、無(wú)鍵連接、銷連接、螺紋連接等。其中以鍵應(yīng)用最為廣泛。

圖2-13普通平鍵聯(lián)結(jié)圖2-14花鍵聯(lián)結(jié)2.3.3軸承軸承是支承軸的部件。根據(jù)軸承工作時(shí)的摩擦性質(zhì)，軸承可分為滑動(dòng)摩擦軸承（簡(jiǎn)稱滑動(dòng)軸承）和滾動(dòng)摩擦軸承（簡(jiǎn)稱滾動(dòng)軸承）。圖2-15滑動(dòng)軸承的摩擦狀態(tài)一、滑動(dòng)軸承滑動(dòng)軸承的類型較多，按其承受載荷方向的不同，可分為徑向滑動(dòng)軸承（承受徑向載荷）和止推滑動(dòng)軸承（承受軸向載荷）。（1）滑動(dòng)袖承的失效形式

①磨粒磨損

②疲勞剝落

③刮傷

④腐蝕

⑤膠合（2）軸瓦的結(jié)構(gòu)及軸承材料（3）非液體摩擦滑動(dòng)軸承采用潤(rùn)滑脂或滴油形式潤(rùn)滑的滑動(dòng)軸承，由于接觸表面間得不到足夠的潤(rùn)滑劑，難以形成一個(gè)完整的承載油膜，軸承只能在混合摩擦潤(rùn)滑狀態(tài)下工作（即邊界潤(rùn)滑和液體潤(rùn)滑同時(shí)存在（4）液體摩擦滑動(dòng)軸承液體摩擦是滑動(dòng)軸承工作時(shí)的理想摩擦狀態(tài)。依據(jù)軸承獲得液體潤(rùn)滑原理的不同，可分為液體動(dòng)壓滑動(dòng)軸承和液體靜壓滑動(dòng)軸承。圖2-16液體動(dòng)壓潤(rùn)滑軸承工作原理圖2-17液體靜壓徑向滑動(dòng)軸承1－油腔2－油槽3－節(jié)流器二、滾動(dòng)軸承滾動(dòng)軸承是依靠主要元件間的滾動(dòng)接觸來(lái)支承轉(zhuǎn)動(dòng)零件的。（1）滾動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)及滾動(dòng)體圖2-18滾動(dòng)軸承1－外圈2－內(nèi)圈3－滾動(dòng)體4－保持架

圖2-19滾動(dòng)體滾動(dòng)軸承的類型很多，按軸承承受載荷的作用方向，可分為徑向接觸軸承，它主要用于承受徑向載荷；向心角接觸軸承，能同時(shí)承受徑向及單萬(wàn)向軸向載荷；軸向接觸軸承，只能承受軸向載荷。（2）滾動(dòng)軸承的失效形式①疲勞點(diǎn)蝕，滾動(dòng)軸承的正常失效形式是滾動(dòng)體或內(nèi)外圈滾道上的點(diǎn)蝕破壞。②塑性變形，若軸承的工作轉(zhuǎn)速很低（n<10r/min）或僅作間歇擺動(dòng)，則一般不會(huì)出現(xiàn)疲勞點(diǎn)蝕破壞。（3）滾動(dòng)軸承的密封滾動(dòng)軸承的密封是為了防止外部的水分、灰塵及雜物進(jìn)入軸承，亦防止軸承內(nèi)潤(rùn)滑劑的流失。2.4支撐件設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)的支承部件包括導(dǎo)向支承部件，旋轉(zhuǎn)支承部件和機(jī)座機(jī)架。導(dǎo)向支承部件的作用是支承和限制運(yùn)動(dòng)部件按給定的運(yùn)動(dòng)要求和規(guī)定的運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)。這樣的部件通常被標(biāo)為導(dǎo)軌副，簡(jiǎn)稱導(dǎo)軌。2.4.1導(dǎo)向支承部件 導(dǎo)軌副主要由承導(dǎo)件1和運(yùn)動(dòng)件2兩部分組成，如圖2-20所示。運(yùn)動(dòng)方向?yàn)橹本€的被稱為直線導(dǎo)軌副，為回轉(zhuǎn)的被稱為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌副。常用的導(dǎo)軌副種類很多，按其接觸面的摩擦性質(zhì)可分為滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌、流體介質(zhì)摩擦導(dǎo)軌等。圖2-20導(dǎo)軌副的組成1－承導(dǎo)件2－運(yùn)動(dòng)件圖2-21導(dǎo)軌副的分類一、導(dǎo)軌副的截面形狀及其特點(diǎn)

常見(jiàn)的導(dǎo)軌截面形狀，有三角形（分對(duì)稱、不對(duì)稱兩類）、矩形、燕尾形及圓形等四種，每種又分為凸形和凹形兩類。凸形導(dǎo)軌不易積存切屑等臟物，也不易儲(chǔ)存潤(rùn)滑油。宜在低速下工作，凹形導(dǎo)軌則相反，可用于高速，但必須有良好的防護(hù)裝置，以防切屑等臟物落人導(dǎo)軌。

二、導(dǎo)軌副間隙的調(diào)整為保證導(dǎo)軌正常工作，導(dǎo)軌滑動(dòng)表面之間應(yīng)保持適當(dāng)?shù)拈g隙。間隙過(guò)小、會(huì)增加摩擦阻力；間隙過(guò)大，會(huì)降低導(dǎo)向精度。

圖2-22燕尾型導(dǎo)軌及其組合的間隙調(diào)整1－斜鑲條2－壓板3－直鑲條三、靜壓導(dǎo)軌副 靜壓導(dǎo)軌是將具有一定壓力的油或氣體介質(zhì)通過(guò)導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)件與導(dǎo)向支承件之間，運(yùn)動(dòng)件浮在壓力油或氣體形膜之上，與導(dǎo)向支承件脫離接觸，致使摩擦阻力（力矩）大大降低。運(yùn)動(dòng)件受外載荷作用后，介質(zhì)壓力會(huì)反饋升高，以支承外載荷。圖2-23閉式液體靜壓導(dǎo)軌工作原理圖四、滾動(dòng)導(dǎo)軌副（1）直線運(yùn)動(dòng)滾動(dòng)導(dǎo)軌副的特點(diǎn)及要求滾動(dòng)導(dǎo)軌作為滾動(dòng)摩擦副的一類，具有許多特點(diǎn)：靈敏度高，摩擦阻力小，運(yùn)動(dòng)靈活；摩擦系數(shù)為（0.003～0.005），動(dòng)、靜摩擦系數(shù)基本相同，因而啟動(dòng)阻力小，而不易產(chǎn)生爬行；可以預(yù)緊，剛度強(qiáng)；壽命長(zhǎng)、定位精度高可達(dá)0.2μm，潤(rùn)滑方便；可以采用脂潤(rùn)滑。一次裝填，長(zhǎng)期使用。圖2-24滾動(dòng)體不循環(huán)的滾動(dòng)導(dǎo)軌副1－動(dòng)導(dǎo)軌2－滾珠3－定導(dǎo)軌4－滾柱5－滾針2.4.2旋轉(zhuǎn)支承部件一、旋轉(zhuǎn)支承的種類及基本要求旋轉(zhuǎn)支承中的運(yùn)動(dòng)件相對(duì)于支承導(dǎo)件轉(zhuǎn)動(dòng)或擺動(dòng)時(shí)，按其相互摩擦的性質(zhì)可分為滑動(dòng)、滾動(dòng)、彈性、氣體（或液體）摩擦支承。滑動(dòng)摩擦支承按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為圓柱、圓錐、球面和頂針支承；滾動(dòng)摩擦支承按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可分為填入式滾珠支承和刀口支承。圖2-25各種支承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖二、圓柱支承這種支承具有較大的接觸表面，承受載荷較大。但其方向精度和置中精度較差，且摩擦阻力矩較大圖2-26圓柱支承結(jié)構(gòu)圖2-27半運(yùn)動(dòng)學(xué)圓柱支承三、圓錐支承圓錐支承的分向精度和置中精度較高，承載能力較強(qiáng)，但摩擦阻力矩也較大。圓錐支承由錐形軸頸和具有圓錐孔的軸承組成圖2-28填入式滾動(dòng)支承形式四、其他支承（1）填入式滾動(dòng)支承（2）頂針支承（3）球面支承（4）刀口支承2.4.3機(jī)架與機(jī)座 一、機(jī)座機(jī)架的作用及基本要求 機(jī)座或機(jī)架是支承其他零部件的基礎(chǔ)部件。它既承受其他零部件的重量和工作載荷，又起保證各零部件相對(duì)位置的基準(zhǔn)作用。在設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)對(duì)某些關(guān)鍵表面及其相對(duì)位置精度提出相應(yīng)的精度要求，以保證產(chǎn)品總體精度。其次，機(jī)架或機(jī)座的變形和振動(dòng)將直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和正常運(yùn)轉(zhuǎn)（1）剛度與抗振性剛度是抵抗載荷變形的能力。抵抗恒定載荷變形的能力稱靜剛度；抵抗交變載荷變形的能力稱為動(dòng)剛度。

式中：K－靜剛度（N/m）；ζ－阻尼比；B－阻尼系數(shù)；ωn－固有頻率（1/s）（2）熱變形系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)、強(qiáng)光源等熱源散發(fā)的熱量，零部件間相對(duì)運(yùn)動(dòng)而摩擦生熱，電子元器件發(fā)熱等，都將傳到支承部件上。如果熱量分布不均勻、散熱性能不同，就會(huì)由于不同部位的溫差而產(chǎn)生熱變形，影響其原有精度。（3）穩(wěn)定性 機(jī)座或機(jī)架的穩(wěn)定性是指長(zhǎng)時(shí)間地保持其幾何尺寸和主要表面相對(duì)位置精度，以防止產(chǎn)品原有精度的喪失。為此對(duì)鑄件機(jī)座應(yīng)進(jìn)行時(shí)效處理來(lái)消除產(chǎn)生機(jī)座變形的內(nèi)應(yīng)力。時(shí)效的常用方法有自然時(shí)效和人工時(shí)效（熱處理法和振動(dòng)法等）。二、機(jī)座機(jī)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)機(jī)座或機(jī)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須保證其自身剛度、連接處剛度和局部剛度，同時(shí)要考慮安裝方式、材料選擇、結(jié)構(gòu)工藝性以及節(jié)省材料、降低成本和縮短生產(chǎn)周期等問(wèn)題。（1）合理選擇截面形狀和尺寸。機(jī)座雖受力復(fù)雜，但不外是拉、壓、彎、扭的作用。（2）合理布置肋板和加強(qiáng)肋 封閉空心截面的剛度較高。但為了便于鑄造清砂及其內(nèi)部零部件的裝配和調(diào)整，需要在機(jī)座上開(kāi)“窗口”，結(jié)果使其剛度顯著降低。（3）合理的開(kāi)孔和加蓋。在機(jī)座壁上開(kāi)窗孔，將顯著降低機(jī)座的剛度，特別是扭轉(zhuǎn)剛度。三、機(jī)座剛度的模擬試驗(yàn)由于機(jī)座的結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，用力學(xué)方法計(jì)算剛度很困難。采用模型試驗(yàn)方法，則可測(cè)得與實(shí)際較接近的變形量。模型試驗(yàn)，就是將實(shí)物按比例縮小制成模型，利用模型模擬實(shí)物進(jìn)行試驗(yàn)。模型試驗(yàn)可以用來(lái)進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，也可進(jìn)行抗振性和熱變形試驗(yàn)等。2.4.4潤(rùn)滑與潤(rùn)滑劑一、潤(rùn)滑運(yùn)動(dòng)部件間產(chǎn)生摩擦，摩擦導(dǎo)致磨損。為避免摩擦帶來(lái)的能量損失和磨損帶來(lái)的失效，潤(rùn)滑是一種常用的減摩降磨有效手段。在相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面間加入潤(rùn)滑劑，使之免于工作在干摩擦狀態(tài)．可以達(dá)到減小摩擦、降低磨損的效果，進(jìn)而達(dá)到提高工作效率和延長(zhǎng)使用壽命的目的。圖2-29平行平板的流體潤(rùn)滑狀態(tài)圖2-30非平行滑動(dòng)平衰面間的流體動(dòng)壓潤(rùn)滑狀態(tài)圖2-31彈性動(dòng)力潤(rùn)滑圖2-32流體靜壓潤(rùn)滑二、潤(rùn)滑劑（1）潤(rùn)滑劑的分類潤(rùn)滑劑主要分為流體潤(rùn)滑劑氣體潤(rùn)滑劑半固體潤(rùn)滑劑和固體潤(rùn)滑型（2）潤(rùn)滑劑的性能指標(biāo)潤(rùn)滑劑的常用性能指標(biāo)有粘度。凝點(diǎn)、閃點(diǎn)、燃點(diǎn)、油性、滴點(diǎn)和錐入度等。①粘度：是表達(dá)液體間粘性阻力大小的指標(biāo)。②凝點(diǎn)：潤(rùn)滑劑由液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)換的最高溫度。③閃點(diǎn)：是潤(rùn)滑油在火焰下閃爍時(shí)的最低溫度。④燃點(diǎn)：是潤(rùn)滑劑閃爍持續(xù)5s以上時(shí)的最低溫度。⑤油性：是濕潤(rùn)、吸附于摩擦表面的性能。⑥滴點(diǎn)：是脂受熱后開(kāi)始滴落時(shí)的溫度。⑦錐入度：是表征脂粘稠度指標(biāo)。2.5執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)電一體化產(chǎn)品的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)其主功能的重要環(huán)節(jié)，它應(yīng)能快速地完成預(yù)期的動(dòng)作，并具有響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)特性好、動(dòng)靜態(tài)精度高、動(dòng)作靈敏度高等特點(diǎn)，另外為便于集中控制，它還應(yīng)滿足效率高、體積小、質(zhì)量輕、自控性強(qiáng)、可靠性高等要求。2.5.1微動(dòng)機(jī)構(gòu)微動(dòng)機(jī)構(gòu)是—種能在一定范圍內(nèi)精確、微量地移動(dòng)到給定位置或?qū)崿F(xiàn)特定的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。在機(jī)電—體化產(chǎn)品中，它一般用于精確、微量地調(diào)節(jié)某些部件的相對(duì)位置。如在儀器的讀數(shù)系統(tǒng)中，利用微動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)整刻度尺的零位；在磨床中，用螺旋微動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)整砂輪架的微量進(jìn)給；在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中各種微型手術(shù)器械均采用微動(dòng)機(jī)構(gòu)。2.5.2定位機(jī)構(gòu)定位機(jī)構(gòu)是機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)中一種確保移動(dòng)件占據(jù)準(zhǔn)確位置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通常采用分度機(jī)構(gòu)和鎖緊機(jī)構(gòu)組合的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)精確定位的要求。分度工作臺(tái)的功能是完成回轉(zhuǎn)分度運(yùn)動(dòng)，在加工中自動(dòng)實(shí)現(xiàn)工件—次安裝完成幾個(gè)面的加工。圖2-35分度工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)和粗定位的控制原理框圖2.5.3數(shù)控機(jī)床回轉(zhuǎn)刀架 數(shù)控機(jī)床自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架是在一定空間范圍內(nèi)，能使刀架執(zhí)行自動(dòng)松開(kāi)、轉(zhuǎn)位、精密定位等一系列動(dòng)作的一種機(jī)構(gòu)。數(shù)控車床的刀架是機(jī)床的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)直接影響機(jī)床的切削性能和工作效率。圖2-36立式四方刀架1－軸2－蝸輪3－下端齒盤(pán)4－上端齒盤(pán)5－刀架6－套筒7－軸套8－銷9－聯(lián)軸套10－軸11－蝸桿12－壓縮開(kāi)關(guān)13－套筒14－壓縮彈簧15電動(dòng)機(jī)2.5.4工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器工業(yè)機(jī)器人是一種自動(dòng)控制，可重復(fù)編程，多功能、多自由度的操作機(jī)，是的搬運(yùn)物料、工件或操作工具以及完成其他各種作業(yè)的機(jī)電一體化設(shè)備。工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器裝在操作機(jī)手腕的前端，是直接實(shí)現(xiàn)操作功能的機(jī)構(gòu)。末端執(zhí)行器因用途不同而結(jié)構(gòu)各異，一般可分為三大類：機(jī)械夾持器、特種末端執(zhí)行器、工具型末端執(zhí)行器和萬(wàn)能手（或靈巧手）。一、機(jī)械夾持器圖2-37圓弧型夾持器二、特種末端執(zhí)行器圖2-38特種末端執(zhí)行器三、工具型末端執(zhí)行器圖2-39工具型末端執(zhí)行器四、靈巧手本章小結(jié)一個(gè)典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)，通常由控制部件、接口電路、功率放大電路執(zhí)行元件、機(jī)械傳動(dòng)部件、導(dǎo)向支承部件，以及檢測(cè)傳感部件等部件組成。機(jī)械傳動(dòng)部件和導(dǎo)向支承部件在機(jī)電一體化系統(tǒng)中還是占有相當(dāng)大的比重，它決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和工作特點(diǎn)。思考練習(xí)1、機(jī)電一體化產(chǎn)品對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的要求有哪些？2、機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)由哪幾部分機(jī)構(gòu)組成，對(duì)各部分的要求是什么？3、各傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)及應(yīng)用？軸系設(shè)計(jì)時(shí)的重點(diǎn)是什么？4、支承形式有哪些類型，各有什么特點(diǎn)？5、執(zhí)行機(jī)構(gòu)有哪些？各有什么特點(diǎn)？

光電傳感器在車輛自動(dòng)控制過(guò)程中充當(dāng)著重要的角色分類：光束傳感器、反射傳感器、散射傳感器原理：通過(guò)發(fā)射器發(fā)出可見(jiàn)、不可見(jiàn)或紅外光，被接收器所接收，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。特點(diǎn)：(1)無(wú)接觸檢測(cè)，減少了被測(cè)物及探頭的磨損，確保產(chǎn)品的使用壽命與安全操作。(2)被測(cè)物的材料不受限制，可測(cè)玻璃、塑料、木質(zhì)及液體等各種的被測(cè)材料。(3)長(zhǎng)距離檢測(cè)，反射傳感器的檢測(cè)距離可達(dá)１０ｍ。(4)反應(yīng)速度快，其反應(yīng)能力在50μs之內(nèi)。**(5)可分辨顏色。高精度檢測(cè)，利用奇特的視覺(jué)系統(tǒng)和精確的電子線路可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的精確測(cè)量。光電傳感器分為亮通型與暗通型兩類。2.7.1光電器件分類：光電發(fā)射器、光電探測(cè)器2.7.1.1光電發(fā)射器件

(1)熱輻射光源：如白熾燈。光譜連續(xù)、價(jià)格便宜

(2)氣體放電光源：如氙燈光源等。氣體超高壓放電發(fā)光。特點(diǎn)：效率高，發(fā)熱少。

(3)電致發(fā)光器：PN結(jié)發(fā)光（發(fā)光二極管）。特點(diǎn)：功率低，驅(qū)動(dòng)電壓低，效率高，可直接調(diào)制，小型化等。**(4)激光器：a.氦氖激光器：特點(diǎn)：輸出連續(xù)，頻率穩(wěn)定，相干性與方向性極強(qiáng)，居各類激光之首。但效率低體積大，電源復(fù)雜。b.半導(dǎo)體激光器：特點(diǎn)：效率相當(dāng)高，容易調(diào)制，體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗振性能好，但方向性差，PN結(jié)摻雜影響大。2.7.1.1光電探測(cè)器件原理：光電探測(cè)器件是利用物體的光電效應(yīng)。分類：光電導(dǎo)效應(yīng)，光伏效應(yīng)和光電子發(fā)射效應(yīng)三種。**1.光電導(dǎo)器件(光敏電阻)注意：光敏電阻必須在適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)光照射下，電阻才會(huì)改變。**圖2-7-1光敏電阻的原理圖2-7-2CdS、CdSe光譜響應(yīng)曲線

2.光伏效應(yīng)器件(光電二極管與光敏三極管)原理：利用光照在半導(dǎo)體器件上產(chǎn)生伏特效應(yīng)而制成的器件，應(yīng)用極廣。

(1)光電二極管原理：在光的照射下，光電二極管產(chǎn)生光電流。注意：光電流向光電二極管的反方向流動(dòng)。伏安特性：見(jiàn)圖2-7-3（a）。等效電路：電流源與二極管的并聯(lián)，如圖2-7-3(b)所示光譜特性：如圖2-7-4。**(2)光電三極管工作原理：①光電轉(zhuǎn)換，其功能同光電二極管；②光電流放大，將光電流放大幾十部至幾百倍。分類：無(wú)基極引線、有極基引線兩種。a)無(wú)基極引線光電管——靠光的注入代替基極的信號(hào)輸入，并將集電結(jié)產(chǎn)生的光電流放大。**圖2-7-3光電二極管伏安特性圖2-7-4光電二極管光譜響應(yīng)曲線b)有基極引線光電管——設(shè)置基極的主要目的是為了預(yù)置一個(gè)基極電流優(yōu)點(diǎn)： ①減小了光電三極管發(fā)射極的電阻，可以改善弱光下的響應(yīng)時(shí)間；②使光電三極管的交流放大系數(shù)進(jìn)入線性區(qū)，這對(duì)調(diào)制光的檢測(cè)特別有利。(3)光電池分類：硅光電池（最受歡迎）、硒光電池、硫化鎘光電池、氧化亞銅光電池、砷化鉀光電池等。硅光電池：性能穩(wěn)定，光譜范圍寬；頻率特性好；換能效率高；能耐高能輻射等。**圖2-7-5光電三極管輸出特性圖2-7-6硅光電池光照特性曲線**2.7.2光束傳感器特點(diǎn)：發(fā)射器與接收器分開(kāi)。**圖2-7-7光束傳感的電氣結(jié)構(gòu)圖

2.7.3反射傳感器特點(diǎn)：發(fā)射器與接收器放于同一個(gè)外殼內(nèi)。常規(guī)反射傳感器：不能檢測(cè)反光體，易產(chǎn)生誤動(dòng)作。帶偏振片的反射傳感器：無(wú)論是否反射體在遮住光通路后就一定能被檢出。與常規(guī)反射傳感器的區(qū)別：(1)在發(fā)射器與接收器的光通道上分別安裝互成直角的偏振片；(2)采用三角反射鏡，經(jīng)它反射的偏振光其振蕩面旋轉(zhuǎn)90°。**圖2-7-8帶偏振片的反射傳感器工作原理及電氣結(jié)構(gòu)

2.7.4散射傳感器，結(jié)構(gòu)：發(fā)射器與接收器也置于同一個(gè)外殼內(nèi)，發(fā)出的光照在被測(cè)物體上，并被反射回來(lái)，被接收器接收。特點(diǎn)：對(duì)傳感區(qū)域內(nèi)發(fā)光與不發(fā)光的物體只要在傳感器的靈敏度范圍內(nèi)，都可被檢測(cè)。**圖2-7-9散射傳感器的工作原理

2.7.5紅外傳感器圖2-7-10曲型紅外傳感器的電氣結(jié)構(gòu)構(gòu)成：光電管、前置放大器、比較整形及輸出級(jí)構(gòu)成用途：紅外傳感器用于高溫物體遠(yuǎn)距離、非接觸檢測(cè)**2.8光纖傳感器2.8.1光纖傳感器概述起步：光纖傳感器技術(shù)是70年代末發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新型傳感技術(shù)。技術(shù)構(gòu)成：光纖傳感技術(shù)是傳統(tǒng)的光檢測(cè)技術(shù)和纖維光學(xué)應(yīng)用的結(jié)合應(yīng)用范圍：位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、溫度、壓力、電場(chǎng)、流量、濃度、PH值等70多項(xiàng)參數(shù)的檢測(cè)。適用：普通光電傳感器所不能適應(yīng)的條件，例如有限空間、高溫、或危險(xiǎn)地區(qū)，因而具有廣泛的應(yīng)用潛力。測(cè)量原理：外界待測(cè)信號(hào)→調(diào)制→光參數(shù)→光纖→光電探測(cè)器。*2.8光纖傳感器*調(diào)制參數(shù)：光可以看成簡(jiǎn)諧振蕩的電磁波，其電場(chǎng)分量表達(dá)式為：E=E0sin(ωt+φ)因此光可以被調(diào)制的參數(shù)有四個(gè)，即光強(qiáng)度、相位、偏振角及頻率。按調(diào)制形式分類：強(qiáng)度調(diào)制型、相位調(diào)制型、偏振調(diào)制型、頻率調(diào)制型。大部分傳感器屬于前三類。按光纖光纖作用分類：非功能型傳感、功能傳感兩種。（1）非功能型傳感器：利用外加的敏感元件對(duì)光進(jìn)行調(diào)制而光纖僅僅作為傳光之用。（2）能型光纖傳感器：光纖不僅有用作傳光，本身也是敏感元件。功能型光纖傳感器的調(diào)制原理：溫度、壓力、振動(dòng)→光纖→光纖的長(zhǎng)度、形狀、折射率等發(fā)生變化→光纖中傳輸光的強(qiáng)度、相位、偏振態(tài)等發(fā)生變化*2.8光纖傳感器*特點(diǎn)：(1)檢則精度與靈敏度高。強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器的靈敏度與一般傳感器不相上下，而相位調(diào)制型光纖傳感器的靈敏度比普通傳感器高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，具有較大的動(dòng)態(tài)范圍。(2)響應(yīng)速度高，頻響寬，可實(shí)現(xiàn)非接觸高速檢測(cè)。(3)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，由于光纖具有可撓曲、耐高溫、耐腐蝕、抗電磁干擾，本質(zhì)安全防暴，因而光纖傳感器適用于一切場(chǎng)合。(4)體積小、重量輕，因而具有可集成的替力。隨著集成光學(xué)的發(fā)展，將有可能出現(xiàn)將敏感元件、光學(xué)元件、光纖等集成一體的光纖傳感器。*2.8光纖傳感器**2.8光纖傳感器*圖2-8-1強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器的幾種基本形式及工作原理

2.8.2光纖傳感器工作原理

(1)強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、對(duì)光纖要求不高，信號(hào)檢測(cè)簡(jiǎn)單等。

(2)相位調(diào)制型光纖傳感器原理：外界待測(cè)信號(hào)作用于光纖時(shí)，引起光纖中傳輸?shù)墓獾南辔槐厣兓?。測(cè)量：光相位變化難以直接檢測(cè)出來(lái)，通常用光的干涉效應(yīng)將光相位的變化轉(zhuǎn)換為干涉強(qiáng)度的變化來(lái)檢測(cè)。相位調(diào)制型光纖傳感器又稱為干涉型光纖傳感器。相位調(diào)制型光纖傳感器一般具有極高的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。光纖干涉儀可以檢測(cè)出小于10-6rad的相位變化。*2.8光纖傳感器*[例]溫度變化1℃→1m長(zhǎng)的光纖中光相位變化100rad→分辨率達(dá)到10-8℃*2.8光纖傳感器*圖2-8-2相位調(diào)制型光纖傳感器的干涉系統(tǒng)及基本結(jié)構(gòu)

(3)偏振調(diào)制型光纖傳感器原理：法拉弟旋光效應(yīng)（檢測(cè)磁場(chǎng)與電場(chǎng)）；泡克爾效應(yīng)（檢則電場(chǎng)與電壓）；光彈效應(yīng)（測(cè)量應(yīng)力）光彈效應(yīng)原理：透明晶體在受到應(yīng)力時(shí)，其內(nèi)部對(duì)光的折射率發(fā)生變化。*2.8光纖傳感器*圖2-8-3偏振調(diào)制原理2.8.2光導(dǎo)纖維光傳輸?shù)妮d體，應(yīng)用很廣。結(jié)構(gòu)：一種透明的圓柱形細(xì)絲，中間是折射率極高的透明介質(zhì)，外面一層是折射率較低的透明介質(zhì)，再外層一般涂上環(huán)氧樹(shù)脂和硅膠保護(hù)層，并在最外層加上套管。特點(diǎn)：可以彎曲，但彎曲后將對(duì)子午線光的傳輸產(chǎn)生一定的影響，但引起的損耗是很小的。*2.8光纖傳感器*圖2-8-4光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)及其損耗與波長(zhǎng)的關(guān)系

線位移傳感器

2.9.1線位移傳感器概述

用途：測(cè)量距離，高度、寬度等種類：接觸型與非接觸型。常用類型：電阻式、電容式、電感式、光電式，霍爾效應(yīng)式等。重點(diǎn)介紹：半導(dǎo)體激光位移傳感器、電蝸流位移傳感器，屬非接觸型位移傳感器2.9.2半導(dǎo)體激光位移傳感器

圖2-9-1半導(dǎo)體激光位移傳感器圖2-9-2電蝸流位移傳感器2.9.2半導(dǎo)體激光位移傳感器結(jié)構(gòu)：包括一個(gè)發(fā)光元件（發(fā)光二極管、激光器）、一個(gè)位置敏感檢測(cè)器原理：采用三角測(cè)量。通過(guò)檢測(cè)聚焦到位置敏感檢測(cè)器上的光柱點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)即可確定工作物體的位移量。特點(diǎn)：

(1)具有高分辨率，可對(duì)各種不同的材料進(jìn)行精確測(cè)量。(2)測(cè)量范圍寬，可對(duì)高溫快速移動(dòng)的物體進(jìn)行測(cè)量。(3)具有先進(jìn)的激光安全性，不會(huì)對(duì)被測(cè)物體或人造成傷害。(4)在任何安裝位置均可實(shí)現(xiàn)精確0V設(shè)定。(5)易于安裝。2.9.3電蝸流位移傳感器

基本結(jié)構(gòu)：由探頭（線圈、骨架、殼體、射頻電纜和射頻插頭）、與前置器構(gòu)成。測(cè)量原理：前置放大器→高頻信號(hào)激勵(lì)→線圈→產(chǎn)生高頻磁場(chǎng)→金屬表面會(huì)感應(yīng)出渦流→渦流損耗→線圈磁感應(yīng)強(qiáng)度變化→經(jīng)前置器轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)∝距離（線性關(guān)系）2.9.3電蝸流位移傳感器特點(diǎn)：①非接觸式測(cè)量②線性范圍寬，0～80mm③動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，0-10kHz④長(zhǎng)期連續(xù)可靠工作，抗干擾能力強(qiáng)⑤在水、油等惡劣環(huán)境條件下工作⑥可長(zhǎng)線傳輸⑦直接與A、D接口相連配計(jì)算機(jī)使用2.10光柵傳感器

2.10.1光柵傳感器概述用途：精密直線位移、角位移測(cè)量，應(yīng)用甚廣舉例：如高精度數(shù)控機(jī)床、三坐標(biāo)輪廓儀、直徑測(cè)量?jī)x器。精度：直線位移測(cè)量精度可達(dá)0.5μm，轉(zhuǎn)角位移測(cè)量精度可分度±1"(1、3600度)。組成：一塊測(cè)量柵，一塊指示光柵。結(jié)構(gòu)原理：兩柵均有相間條紋，間距相等，兩光柵相對(duì)移動(dòng)一個(gè)柵距，莫爾條紋也移動(dòng)一個(gè)條紋間距。 用光電元件接收透過(guò)兩塊光柵的光能量，根據(jù)計(jì)數(shù)器累計(jì)的信號(hào)數(shù)，就可測(cè)得移動(dòng)長(zhǎng)度或移過(guò)轉(zhuǎn)角。2.10光柵傳感器圖2-10-1長(zhǎng)光柵模爾條紋圖2-11-1感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)與工作原理

2.11感應(yīng)同步器特點(diǎn)：是一種數(shù)字傳感器，分類：直線式與旋轉(zhuǎn)式兩種，前者用來(lái)檢測(cè)直線位移，后者用來(lái)檢測(cè)旋轉(zhuǎn)角位移。結(jié)構(gòu)：旋轉(zhuǎn)式（定子、轉(zhuǎn)子），直線式（定尺、滑尺）?；呱侠@阻接成S組(正弦繞組)與C組(余弦繞阻)。安裝：定尺安裝于固定部分，滑尺安裝在運(yùn)動(dòng)部分，二者作間隙很小的非接觸移動(dòng)。原理：正弦電壓→S組或C組→定尺上產(chǎn)生幅值按正弦或余弦變化的感應(yīng)電勢(shì)輸出信號(hào)可用幅值與相位來(lái)描述，通過(guò)鑒幅或鑒相系統(tǒng)可以檢測(cè)出位移信號(hào)并進(jìn)行數(shù)值顯示。2.12接近傳感器2.12.1接近傳感器概述用途：屬無(wú)觸點(diǎn)接近開(kāi)關(guān)，用于導(dǎo)電、導(dǎo)磁金屬材料的限位置、固體料位和液體液位檢測(cè)等常用的接近傳感器：感應(yīng)式接近傳感器，電容式接近傳感器，及電磁式接近傳感器高精度的接近傳感器，還能檢測(cè)金屬薄板及渡層的厚度。優(yōu)點(diǎn)：不直接接觸被測(cè)物體，開(kāi)關(guān)及被測(cè)物均沒(méi)有機(jī)械磨損，使壽命很長(zhǎng)，可適用于高速檢測(cè)。原理：但當(dāng)被測(cè)物體進(jìn)入接近開(kāi)關(guān)的靈敏區(qū)時(shí)，就會(huì)發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)。靈敏區(qū)形狀：探頭附近的一個(gè)近似半球區(qū)域。2.12.2感應(yīng)式接近傳感器

適用：空間有限情況的金屬的非接觸接近測(cè)量探頭結(jié)構(gòu)分類：有屏蔽的、無(wú)屏蔽的兩種。后者測(cè)量距離較前者為大。結(jié)構(gòu)：振蕩器、感應(yīng)線圈、斯密特電路及輸出電路組成。工作原理：振蕩器在探頭端部產(chǎn)生磁場(chǎng)作用區(qū)，當(dāng)金屬進(jìn)入該作用區(qū)時(shí)，引起振蕩器停振。2.12.2感應(yīng)式接近傳感器圖2-12-1感應(yīng)式接近傳感器的工作原理

2.12.3電容式接近傳感器適用：非接觸、空間有限。如各種管道內(nèi)流體的測(cè)量、料位測(cè)量及對(duì)金屬物品測(cè)量。結(jié)構(gòu)：由振蕩器、斯密特電路及輸出電路組成，電容器的一個(gè)電極是傳感電極，另一個(gè)電極是大地。原理：加電后，兩極間產(chǎn)生電場(chǎng)，當(dāng)與大地連接的金屬物體靠近電容器時(shí)引起振蕩器停振。2.12.3電容式接近傳感器圖2-12-2電容式接近傳感器的電路結(jié)構(gòu)及工作原理

2.12.4電磁式接近傳感器適用：非接觸式導(dǎo)磁材料測(cè)量結(jié)構(gòu)：內(nèi)部有4個(gè)磁鐵和一個(gè)常開(kāi)觸點(diǎn)的干簧繼電器。原理：導(dǎo)磁材料外界物體→靠近電磁式接近開(kāi)關(guān)誘導(dǎo)面→磁場(chǎng)失去平衡→干簧繼電器的觸點(diǎn)閉合2.13流量傳感器用途：對(duì)流動(dòng)的介質(zhì)——液體或氣體的流量進(jìn)行檢測(cè)的傳感器。按工作原理分類：電子流量傳感器、電磁流量傳感器、超聲波流量傳感器、渦流流量傳感器等。重點(diǎn)介紹：電子流量傳感器與電磁流量傳感器。2.13.1電子流量傳感器工作原理：基于熱傳導(dǎo)理論。兩個(gè)精確溫度電阻放置介質(zhì)中，一個(gè)只受介質(zhì)溫度的影響，另一個(gè)被熱源加熱，介質(zhì)流動(dòng)時(shí)該電阻被冷卻，比較兩個(gè)電阻值，可得到傳感信號(hào)，經(jīng)二次儀表轉(zhuǎn)化為介質(zhì)的流量值。實(shí)際的流量傳感器將兩個(gè)電阻裝于同一個(gè)傳感器殼體內(nèi)。2.13.1電子流量傳感器圖2-13-1電子流量感器原理圖2-13-2電磁流量感器原理

2.13.2電磁流量傳感器測(cè)量原理：基于法拉弟電磁感應(yīng)定律。 交流驅(qū)動(dòng)→傳感器內(nèi)磁芯產(chǎn)生交變磁場(chǎng)→被測(cè)介質(zhì)為（水、或酸、堿、鹽等導(dǎo)電液體）流動(dòng)時(shí)相當(dāng)于導(dǎo)體切害磁力線→兩個(gè)電極上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)→引出檢測(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)→確定流速→確定流量構(gòu)成：電磁流量傳感器、電磁流量轉(zhuǎn)換器。2.14溫度傳感器分類： 高溫傳感器（熱電偶、鉑電阻以及紅外輻射測(cè)溫計(jì)）；常溫傳感器（熱敏電阻、銅電阻等）；低溫傳感器（銅電阻等）。2.14.1熱敏電阻說(shuō)明：熱敏電阻是一種電阻值隨溫度變化的半導(dǎo)體元件。特點(diǎn)：體積小，靈敏度高，價(jià)格崐低，所以應(yīng)用最為廣泛。分類：一類電阻值隨溫度升高而增加（正的溫度系數(shù)），一類隨溫度升高而降低（負(fù)的溫度系數(shù)，常用）。特性：熱電特性、伏安特性。2.14.1.1熱敏電阻的熱電特性定義：電阻值隨溫度變化的關(guān)系，以坐標(biāo)圖表示它是一條指數(shù)曲線： 式中： RT——溫度為T(mén)時(shí)的電阻值；

T——絕對(duì)溫度，K；

A、B——由材料及制造工藝決定的系數(shù)熱敏電阻材料：鐵、鎳、錳、鉬、鈦、鎂、銅等氧化物做成。改變這些混合物的成分，就可以改變熱敏電阻的測(cè)量范圍、阻值及A、B值。2.14.1.1熱敏電阻的熱電特性圖2-14-1熱敏電阻的熱電特性圖圖2-14-2熱敏電阻的伏安特性圖2.14.1.2熱敏電阻伏安特性說(shuō)明：熱敏電阻的伏安特性是指通過(guò)熱敏電阻的電流與其兩端電壓之間的關(guān)系。原理： 當(dāng)熱敏電阻的電流很小時(shí)，熱敏電阻的伏安特性遵循歐姆定律；但當(dāng)電流大到一定程度時(shí)，流過(guò)熱敏電阻的電流使其自身溫度升高，因而其阻值減小。因此在使用熱敏電阻伏安特性時(shí)應(yīng)防止電流過(guò)大。2.14.2熱電偶溫度傳感器說(shuō)明：是較早的一種接觸式溫度傳感器，測(cè)量可從室溫至1800℃。所以至今仍是應(yīng)用最廣的溫度傳感器。發(fā)展趨勢(shì)：標(biāo)準(zhǔn)化（我國(guó)已8個(gè)品種）、小型化（最小的鎧裝熱電偶直徑為2～4mm）。測(cè)溫原理：熱電效應(yīng)。將不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A、B組成閉合回路，使兩個(gè)接點(diǎn)處于不同的溫度，回路中就產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。2.14.2熱電偶溫度傳感器輸出電動(dòng)勢(shì)：與兩種材料的性質(zhì)及兩接點(diǎn)的溫度差有關(guān)，與導(dǎo)體的大小，接觸面積及連接方式無(wú)關(guān)。其輸出電勢(shì)為：EAB(t，t0)=fAB(t)-fAB(t0)如果使熱電偶的一個(gè)接點(diǎn)溫度t0保持不變，設(shè)fAB(t0)=C，則上式可寫(xiě)成：

EAB(t，t0)=fAB(t)-C2.14.2熱電偶溫度傳感器表明：產(chǎn)生的熱電勢(shì)EAB(t，t0)只與溫度t有關(guān)，成為溫度的單值函數(shù)。實(shí)際：使t端與工作介質(zhì)接觸，進(jìn)行測(cè)溫，稱為工作端，t0端稱為熱電偶自由端或參考端或冷端。冰點(diǎn)槽裝置：用于在工作中將自由端保持0℃恒溫，然后將工作端的溫度與電勢(shì)關(guān)系列成表格，供測(cè)量人員使用。2.14.2熱電偶溫度傳感器圖2-14-3熱電偶效應(yīng)圖2-14-4冰點(diǎn)槽裝置

2.15轉(zhuǎn)速及角位移傳感器編碼器就是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新型的高精度、數(shù)字化、大尺寸測(cè)量元件，用作旋轉(zhuǎn)軸和線性軸的反饋裝置。用途：用于數(shù)控機(jī)床、木工機(jī)械、機(jī)器人和裝卸設(shè)備、紡織機(jī)械、繪圖儀和仿形裝置，測(cè)量和測(cè)試設(shè)備。特點(diǎn)：(1)能借助于微電子技術(shù)，達(dá)到足夠高的精度，沒(méi)有人為的讀數(shù)誤差；(2)易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速、自動(dòng)和數(shù)字化；(3)測(cè)量系統(tǒng)量程大，長(zhǎng)度可以達(dá)數(shù)米甚至更長(zhǎng)，角度可以在360°范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量；(4)體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，測(cè)量系統(tǒng)安全方便，使用和維護(hù)簡(jiǎn)單，工作可靠。2.15轉(zhuǎn)速及角位移傳感器2.15.1絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器可直接從分度盤(pán)的編碼圖案中得出角度位置，然后轉(zhuǎn)換成編碼信號(hào)。即使電源有瞬間掉電，只要主軸轉(zhuǎn)速在允許范圍內(nèi)，都能通過(guò)控制器或計(jì)算機(jī)編譯成編碼信號(hào)。2.15.2增量式旋轉(zhuǎn)編碼器以脈沖形式輸出，被測(cè)物體每走過(guò)一個(gè)當(dāng)量距離，編碼器就輸出一個(gè)脈沖。2.16圖像傳感器在機(jī)電控制、機(jī)器人的領(lǐng)域中起著重要的作用，尤以CCD圖像傳感器和紅外線圖像傳感器應(yīng)用最為廣泛。CCD圖像傳感器：典型例，日本KEYENCE公司生產(chǎn)的VH系列圖像顯微檢測(cè)儀。紅外線圖像傳感器：典型例，AVIONICS公司生產(chǎn)的TVS-2000系列熱圖像系統(tǒng)。2.16.1CCD圖像傳感器命名：CCD(ChargecoupleDevice)即電荷耦合器件的簡(jiǎn)稱，是一種金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)集成電路的簡(jiǎn)稱。結(jié)構(gòu)：由感光部和CCD移位寄存器組成。原理：成像在CCD上的景物→感光部電信號(hào)→電子圖像→CCD移位寄存器→放大器→輸出分類：中按結(jié)構(gòu)和信號(hào)電荷傳送方式，又可分為線陣(一維)和面陣兩種。2.16.1.1線陣CCD圖像傳感器中間是一列感光單元（光電二極管陣），兩側(cè)分別設(shè)置了CCD移位寄存器。感光單元按位置的奇偶性，分別把其所存儲(chǔ)的電荷向兩側(cè)移位寄存器傳送，最后在輸出部匯合輸出。在其感光部和兩側(cè)CCD移位寄存器之間設(shè)有轉(zhuǎn)移柵。移位寄存器停頓時(shí)，轉(zhuǎn)移柵開(kāi)放，光電二極管所積累的電荷可以送到兩側(cè)的CCD移位寄存器中。接著轉(zhuǎn)移柵關(guān)閉，感光部的光電二極管開(kāi)始進(jìn)行下一次讀出的電荷積累。線陣CCD圖像傳感器廣泛應(yīng)用于傳真等場(chǎng)合。2.16.1.1線陣CCD圖像傳感器圖2-16-2048位線陣CCD圖像傳感器結(jié)構(gòu)

2.16.1.2面陣CCD圖像傳感器分類：按構(gòu)成分為兩種：幀傳送方式和行間傳送方式。在幀傳送方式垂直消影期中，感光部所積累的信號(hào)電荷快速轉(zhuǎn)送到存儲(chǔ)部，然后由輸出寄存器順次讀出。在行間傳送方式中積累的電荷一次轉(zhuǎn)送到鄰接的垂直移位寄存器，以后從輸出移位寄存器中讀出信號(hào)。400×500像素和800×500像素的CCD圖像傳感器適用于工業(yè)監(jiān)視及工業(yè)機(jī)器人。1024×800的CCD圖像傳感器也已用于TV攝像機(jī)。2.16.1.2面陣CCD圖像傳感器圖2-16-2幀傳送面陣CCD圖像傳感器的結(jié)構(gòu)圖2-16-3行間傳送面陣CCD圖像傳感器的結(jié)構(gòu)

2.16.2紅外圖像傳感器功能：把波長(zhǎng)為2～20μm的紅外圖像→TV時(shí)間系列掃描信號(hào)。構(gòu)成：紅外傳感（量子型和熱型）和電子掃描兩部分。分類：量子型紅外圖像傳感器、熱型紅外圖像傳感器兩大類。量子型紅外圖像傳感器：采用固體電子掃描，如單片型CCD、混合型CCD或肖特基勢(shì)壘型CCD等。熱型紅外圖像傳感器：采用熱電光導(dǎo)攝像管式的電子掃描或采用熱電紅外CCD型的固體電子掃描。2.16.2.1熱電光導(dǎo)攝像管特征：靶電極用熱電材料，采用鎳—鉻和黃金黑體等吸收紅外線的材料，其窗口采用能透過(guò)紅外線的玻璃。原理：基于熱電效應(yīng)。景物→透鏡→成像在熱電光導(dǎo)攝像管上→紅外熱圖像→在靶面上感應(yīng)出相應(yīng)的電壓分布→被電子束拾取→做為時(shí)間序列信號(hào)讀出2.16.2.2紅外CCD特征：是采用固體電子掃描的原理。最新的肖特基勢(shì)壘型CCD圖像傳感器可制成靈敏度均勻的大面積圖像傳感器。圖2-16-4熱電光導(dǎo)攝像管圖2-16-5紅外CCD圖像傳感器

思考題1.簡(jiǎn)述反射傳感器的傳感原理，為什么帶偏振片的反射傳感器在被測(cè)物體為反射體時(shí)不會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作？2.光纖傳感器在機(jī)電一體化中應(yīng)用極廣，它具有什么優(yōu)點(diǎn)？，光纖傳感具有幾種調(diào)制方式？3.簡(jiǎn)述圖2-8-2中四種相位調(diào)制型光纖傳感器干涉系統(tǒng)的工作原理？4.在大位移與高精度測(cè)量中常用什么傳感器，其工作原理分別是什么？5.接近傳感器共有幾種類型？，簡(jiǎn)述感應(yīng)式接近傳感器與電容式接近傳感器測(cè)量原理的共同點(diǎn)與不同點(diǎn)？6.簡(jiǎn)述電子流量傳感器的工作原理。7.常用的圖像傳感器有幾種？，傳真中用的是什么圖像傳感器？，機(jī)器人用什么圖像傳感器，簡(jiǎn)述其工作原理。8.熱電光導(dǎo)攝像管是靠什么原理把紅外圖像變?yōu)橐曨l信號(hào)的？

檢測(cè)與傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)3.1傳感器的組成和分類3.1.1傳感器的組成通常傳感器有敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)換電路三部分組成。

圖3-1傳感器的組成3.2常見(jiàn)傳感器及其工作原理3.2.1光電編碼器編碼器是將機(jī)械傳動(dòng)的模擬量轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)角度的數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行角位移檢測(cè)的傳感器。編碼器的種類很多，根據(jù)檢測(cè)原理，它可分為電磁式、電刷式、電磁感應(yīng)式及光電式等。光電編碼器根據(jù)其刻度方法及信號(hào)輸出形式，分為增量式編碼器和絕對(duì)式編碼器。1、增量式光電編碼器圖3-2增量式光電編碼器2、絕對(duì)式光電編碼器絕對(duì)式光電編碼器的編碼盤(pán)由透明及不透明區(qū)組成，這些透明及不透明區(qū)按一定編碼構(gòu)成，編碼盤(pán)上碼道的條數(shù)就是數(shù)碼的位數(shù)。絕對(duì)式編碼器能夠直接給出對(duì)應(yīng)于每個(gè)轉(zhuǎn)角位置的二進(jìn)制數(shù)碼，便于計(jì)算機(jī)處理。(a)4位二進(jìn)制絕對(duì)式編碼器的編碼盤(pán)(b)4位格雷碼盤(pán)示意圖圖3-4絕對(duì)式光電編碼器的編碼盤(pán)

圖3-5絕對(duì)式光電編碼器的結(jié)構(gòu)示意

1—光源；2—透鏡；3—編碼盤(pán)；4—狹縫；5—光電元件光電編碼器的應(yīng)用——轉(zhuǎn)速測(cè)量轉(zhuǎn)速可由編碼器發(fā)出的脈沖頻率或周期來(lái)測(cè)量。

圖3-6(a)脈沖頻率法測(cè)轉(zhuǎn)速

圖3-6（b）脈沖周期法測(cè)轉(zhuǎn)速×3.2.2光柵尺光柵尺或稱光柵，是一種高精度的直線位移傳感器。圖3-7光柵尺的結(jié)構(gòu)示意圖2、莫爾條紋與參數(shù)間的關(guān)系光柵的莫爾條紋有如下特點(diǎn)：（1）起放大作用。（2）莫爾條紋的移動(dòng)與柵距成正比。圖3-8光電元件3、信號(hào)處理光柵尺輸出的信號(hào)有兩種：一種是正弦波信號(hào)；一種是方波信號(hào)。光柵尺除了增量式測(cè)量外，還有絕對(duì)式測(cè)量，輸出二進(jìn)制BCD碼子或格雷碼編碼的設(shè)計(jì)可采用二進(jìn)制碼、循環(huán)碼、二進(jìn)制補(bǔ)碼等。3.2.3電阻應(yīng)變計(jì)電阻應(yīng)變計(jì)是根據(jù)應(yīng)變—電阻效應(yīng)，將給測(cè)試件的應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻變化量的敏感元件。它不僅直接作為應(yīng)力、應(yīng)變測(cè)量的傳感器而且可以與彈性元件組合構(gòu)成力、壓力、稱重、位移、扭矩、振動(dòng)、加速度等多種專用式傳感器，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、交通、建筑、化工和電力等行業(yè)。電阻應(yīng)變計(jì)的結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變計(jì)主要由電阻敏感柵、基底和面膠（或覆蓋層）、粘結(jié)劑、引出線五部分組成。電阻應(yīng)變計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖所示。圖3-9電阻應(yīng)變計(jì)的構(gòu)造1—敏感柵；2—引出線；3—粘結(jié)劑（未示出）；4—覆蓋層；5—基底3、應(yīng)變計(jì)的類型電阻應(yīng)變計(jì)的分類方法很多，常用的是按應(yīng)變計(jì)的制造材料、溫度以及用途的不同來(lái)分類。（1）按敏感柵的制造方法分類1）金屬絲式應(yīng)變計(jì)箔式應(yīng)變計(jì)箔式應(yīng)變計(jì)的敏感柵是利用照相制版或光刻腐蝕技術(shù)制成的，箔柵厚度一般為0.002mm~0.005mm,最薄的達(dá)0.00035mm。箔式應(yīng)變計(jì)，工藝上能保證敏感柵尺寸的準(zhǔn)確，線條均勻，適應(yīng)不同的測(cè)量要求，傳遞試件應(yīng)變性能好、橫向效應(yīng)小和散熱性能好，因此得到了廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)在已經(jīng)基本上取代金屬絲應(yīng)變計(jì)。金屬薄膜應(yīng)變計(jì)所謂薄膜是指厚度在0.1um以下的膜，它是采用真空的濺射或真空沉積等方法制成的。通過(guò)按規(guī)定的圖形制成的掩膜版，在基底材料上濺射或沉積一層電阻材料的薄膜，從而制成金屬薄膜應(yīng)變計(jì)。4、電阻應(yīng)變計(jì)的應(yīng)用電阻應(yīng)變計(jì)主要有以下兩種應(yīng)用方式：（1）應(yīng)變片直接粘貼在試件上，用來(lái)測(cè)量工程結(jié)構(gòu)受力后的應(yīng)力分析或所產(chǎn)生的應(yīng)變，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、應(yīng)力校正或分析結(jié)構(gòu)在使用中產(chǎn)生破壞的原因提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如電阻應(yīng)變儀。在測(cè)量齒輪輪齒彎矩或立柱應(yīng)力時(shí)，也常在被測(cè)位置處直接粘貼應(yīng)變片進(jìn)行測(cè)量，如圖所示。圖3-11構(gòu)件應(yīng)力測(cè)定的應(yīng)用（2）將應(yīng)變片粘貼在彈性元件上，進(jìn)行標(biāo)定后作為測(cè)量力、壓力、位移等物理量的傳感器。1—質(zhì)量塊；2—應(yīng)變梁；3—應(yīng)變片；4—阻尼液；

5—密封圈；6—接線板；7—底座圖3-12應(yīng)變式加速度傳感器3.2.4溫度傳感器溫度傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電學(xué)量變化的裝置，用于檢測(cè)溫度和熱量，因此也叫做熱電式傳感器。溫度傳感器一般分為接觸式和非接觸式兩大類1、熱電效應(yīng)熱電偶測(cè)溫是基于熱電效應(yīng)。在兩種不同的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）A和B組成的閉合回路中，如果它們兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫度不同，則回路中產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)，通常我們稱這種電動(dòng)勢(shì)為熱電勢(shì)，這種現(xiàn)象就是熱電效應(yīng)

圖3-13熱電效應(yīng)3、熱電偶的種類熱電偶是目前應(yīng)用廣泛、發(fā)展比較完善的溫度傳感器，它在很多方面都具備一種理想溫度傳感器的條件。（1）標(biāo)準(zhǔn)化和非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的工藝比較成熟，應(yīng)用廣泛，性能優(yōu)良穩(wěn)定，能成批生產(chǎn)（2）普通型熱電偶。這種類型的熱電偶主要用于測(cè)量氣體、蒸氣和液體氣體、蒸汽和液體介質(zhì)的溫度。

圖3-14普通型熱電偶外形（a）固定螺紋形(b)無(wú)固定裝置形(c)固定法蘭形(d)活動(dòng)法蘭形(e)角形（3）鎧裝熱電偶鎧裝熱電偶的外形像電纜，也稱纜式熱電偶。圖3-15鎧裝熱電偶外形及結(jié)構(gòu)（a）外形(b)結(jié)構(gòu)4、熱電偶的特點(diǎn)（1）溫度測(cè)量范圍寬（2）性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確可靠（3）信號(hào)可以遠(yuǎn)傳和記錄5、熱電阻傳感器利用熱敏電阻可以制成溫度傳感器。所謂熱敏電阻即是對(duì)熱量敏感的電阻體，其電阻值隨溫度的變化而顯著改變。6、溫度傳感器的應(yīng)用圖3-16熱電偶檢測(cè)電路3.2.5霍爾效應(yīng)式線位移傳感器圖3-17霍爾效應(yīng)線位移傳感器工作原理圖3-18霍爾效應(yīng)線位移傳感器輸出特性3.2.6超聲波傳感器 超聲波傳感器用超聲波來(lái)測(cè)量距離，在機(jī)器人上用來(lái)檢測(cè)障礙物。其原理與蝙蝠通過(guò)感覺(jué)自己所發(fā)出的超聲波來(lái)測(cè)定距離的道理相同。發(fā)射脈沖導(dǎo)通時(shí)，開(kāi)始發(fā)射超聲波。反射回來(lái)的超聲波接收后，經(jīng)過(guò)放大和檢波得到的波形上升沿由施密特觸發(fā)器提取。3.3檢測(cè)數(shù)據(jù)的處理方法日常生活、工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中所遇到的絕大多數(shù)物理量，如溫度、壓力、流量、濕度等非電量都是連續(xù)變化的模擬量。然后要通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行頻譜分析和相關(guān)分析等數(shù)字信號(hào)處理。3.3.1模擬信號(hào)處理3.3.2數(shù)字信號(hào)處理1、數(shù)字信號(hào)處理的步驟數(shù)字信號(hào)處理的基本步驟如圖所示

圖3-22數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)功能框圖2、數(shù)字信號(hào)處理方法通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號(hào)，可以利用