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第6章傳感器與計算機接口6.1概述6.2機電一體化系統(tǒng)中的常用傳感器6.3傳感器與計算機接口技術 6.1概述

6.1.1傳感檢測裝置在機電一體化系統(tǒng)中的作用

機電一體化系統(tǒng)對被控對象實施精確控制時,必須準確了解系統(tǒng)和環(huán)境狀態(tài)的變換情況。傳感檢測裝置作為機電一體化系統(tǒng)的感覺器官,主要用于獲取系統(tǒng)內部和外部的信息。

傳感檢測裝置通過相應的接口對信息做適當處理后(如變換、放大、濾波),將它們傳送到控制單元進行顯示或用于實現(xiàn)控制。圖6-1傳感檢測裝置的組成6.1.2傳感檢測裝置的組成

機電一體化系統(tǒng)中的傳感檢測裝置一般由輸入裝置、中間變換裝置與輸出接口組成,如圖6-1所示。輸入裝置主要是各類傳感器,用于將被測的非電物理量轉換成對應的電量。例如,電阻應變式傳感器可將被測力轉換成對應的電阻變化。

中間變換裝置是一些轉換電路,其作用是將傳感器輸出的一些電參數(shù)轉換成易于測量與處理的電壓或電流信號,并進行適當處理,如放大、濾波、阻抗變換等。例如,直流電橋將電阻的變化可轉換成電壓的變化。

輸出接口可將信號送至顯示裝置、信息處理裝置和控制器。

6.2機電一體化系統(tǒng)中的常用傳感器

傳感器是一種以一定的精確度將被測量(如位移、力、速度等)轉換為與之有確定對應關系的、易于處理和測量的某種物理量的測量部件或裝置。機電一體化系統(tǒng)中使用的傳感器,一般是將被測的非電物理量轉換成電參量,這是因為電量具有便于傳輸、轉換、處理和顯示等特點。

可以根據(jù)被測對象的不同對傳感器進行分類,例如,測量位移的傳感器稱為位移傳感器,測量速度的傳感器稱為速度傳感器,等等??梢愿鶕?jù)傳感器的工作原理(主要是一些物理效應、物理現(xiàn)象等)對傳感器進行分類,例如,利用光電效應工作的傳感器稱為光電式傳感器,利用電阻應變效應工作的傳感器稱為電阻傳感器,等等。

根據(jù)傳感器輸出信號的類型,可以將傳感器分為模擬型傳感器和數(shù)字型傳感器。模擬型傳感器的輸出信號為模擬信號,在時間與數(shù)值上都表現(xiàn)為連續(xù)的。數(shù)字型傳感器的輸出信號在時間與數(shù)值上都表現(xiàn)為不連續(xù)(離散)的。6.2.2機電一體化系統(tǒng)中的常用傳感器

1.位置傳感器

位置傳感器通常用于檢測被測物體是否到達或接近某一位置,并且產(chǎn)生和輸出一個開關信號(閉合/斷開或高/低電位)。位置傳感器分為接觸式和非接觸式(接近式)兩種。

微動開關是最常用的接觸式位置傳感器,當規(guī)定的位移或力作用到可動部分(執(zhí)行器)時,開關的接點斷開或導通而發(fā)出相應的信號。在工程上,它又被稱為行程開關或限位開關,常見的有直動式、滾輪式和微動式。圖6-2是微動式限位開關的結構示意圖。圖6-3是各種限位開關的實物圖。圖6-2微動式限位開關的結構示意圖圖6-3各種限位開關非接觸式(接近式)位置傳感器通常又稱為接近開關,根據(jù)其工作原理的不同,又有電感式、電容式、光電式、渦流式、霍爾式、熱釋電式、氣動式、超聲波式、微波式等多種形式。

光電式接近開關將紅外發(fā)光元件與光電元件組裝在一起,根據(jù)其結構形式的不同,有透射式和反射式兩種類型。光電式接近開關具有體積小、可靠性高、響應快和易于與TTL及CMOS電路兼容等優(yōu)點,使用較為廣泛。圖6-4(a)與(b)分別是透射式光電接近開關與反射式光電接近開關的原理示意圖。圖6-4光電式接近開關圖6-5是各種接近式開關的實物圖。雖然接近式開關的種類很多,但在實際使用時應根據(jù)應用對象、定位精度和開關頻率等性能指標進行選擇。例如,當開關頻率很高時,可選擇霍爾型,而檢測粉塵、煙霧等非導電體時,宜選用電容式或光電式接近開關。圖6-5各種接近開關

2.位移傳感器

位移傳感器在機電一體化系統(tǒng)中的使用非常廣泛。根據(jù)測量對象的不同,位移傳感器又分為直線位移傳感器和角位移傳感器兩種。根據(jù)傳感器的工作原理,傳感器又分為電阻式、電感式、磁柵式、光柵式等。表6-1列出了常見位移傳感器的主要特性。表6-1常見位移傳感器的特性編碼盤是常用的位移傳感器之一,它能將長度或角度模擬信號轉換成數(shù)字信號輸出,適合于模擬與數(shù)字混合測量系統(tǒng)。編碼盤的種類很多,根據(jù)檢測原理可分為電磁式、電刷式、電磁感應式和光電式等多種類型。光電編碼盤具有非接觸、響應快和分辨率高等優(yōu)點,是目前應用最為廣泛的一種編碼器。圖6-6是各式編碼盤的實物圖。圖6-6各式編碼盤光電編碼盤根據(jù)其刻度方法和信號輸出形式,又分為增量式光電編碼盤和絕對式光電編碼盤。增量式光電編碼盤對應每個單位(角)位移輸出一個脈沖,通過對脈沖的計數(shù)即可實現(xiàn)位移測量;絕對式光電編碼盤則直接輸出碼盤上的編碼,從而檢測絕對位置。絕對式光電編碼盤由內向外由多個碼道組成,碼道的條數(shù)就是數(shù)碼的位數(shù),由內至外構成一個編碼。圖6-7所示為4位格雷碼的碼盤示意圖:黑色部分為不透光區(qū)域,輸出二進制碼“1”;白色部分為透光區(qū)域,輸出二進制碼“0”。圖6-7

4位格雷碼盤絕對式光電編碼盤通常采用格雷碼以避免非單值性誤差。由表6-2可以看出,當碼盤由十進制7向十進制8過渡時,若采用ASCII碼,則由0111變化到1000,4個碼道需要同時變化,若其中一個碼道的數(shù)字變化超前或滯后,都將會產(chǎn)生很大誤差。而采用格雷碼(又稱為循環(huán)碼)后,每個相鄰碼只變化一個數(shù)字,即使由于制造或裝配上的誤差,也至多相差一個單位,從而提高了可靠性與精度。表6-2

4位ASCII碼與格雷碼的對照關系增量式光電編碼盤的示意圖如圖6-8所示。在碼盤上有A相、B相和Z相三相光柵,其中A相與B相的相位差為90°,Z相只有一條光柵。圖6-9為由增量式光電編碼盤構成的角度—數(shù)字轉換系統(tǒng),包括增量式光電編碼盤、光源、光敏轉換元件以及放大、整形、辨向和計數(shù)等后續(xù)處理電路。圖6-8增量式碼盤圖6-9由增量式光電編碼盤構成的角度—數(shù)字轉換系統(tǒng)由于光的洐射、刻線的不均勻以及光電轉換元件的非線性等原因,經(jīng)A相、B相光電轉換元件輸出的光電信號是周期性正弦信號,相位上相差90°。對輸出的光電信號進行放大、整形、辨向和計數(shù)處理后,不僅能測量出旋轉的角度,還能分辨出旋轉的方向。圖6-10是后續(xù)處理電路的原理及波形圖。圖6-10后續(xù)處理電路的原理圖及波形圖測量角位移時,單位脈沖對應的角度為式中,m為光柵的條數(shù),m越大,則碼盤的測量精度越高。若計數(shù)器得到的脈沖數(shù)為,則角位移的大小為:(6-2)(6-1)

Z相在碼盤旋轉一周只送出一個脈沖信號,且脈沖較寬,因此常作為計數(shù)器歸零(回原點)信號或作為整圈計數(shù)信號,從而提高測量的可靠性與精度。

3.速度傳感器與加速度傳感器

1)速度傳感器

速度測量是速度反饋控制中不可缺少的環(huán)節(jié),通常分為直線速度測量和角速度(轉速)測量。速度的測量一般可以通過以下方法來實現(xiàn):

(1)直接利用速度傳感器,例如測速電機。

(2)利用位移傳感器,對位移傳感器輸出的位移信號進行微分,從而得到相應的速度信號。

(3)通過測量單位時間內的位移來測量速度,例如M/T測速法。

(4)通過測量單位位移所需的時間來測量速度,例如T/M測速法。常見的速度傳感器有測速電機、電渦流式傳感器、光電式傳感器、霍爾元件等。其中,測速電機是利用發(fā)電機的原理來測量速度,輸出的是一個與速度(或轉速)成正比的模擬電壓信號;電渦流式傳感器、光電式傳感器和霍爾元件可以實現(xiàn)非接觸式測量轉速,且輸出的是數(shù)字信號,便于與數(shù)字控制系統(tǒng)接口,應用較為廣泛。圖6-11所示為電渦流式傳感器測量轉速的原理圖。當有齒的金屬圓盤隨軸一起旋轉時,置于旁邊的電渦流式傳感器則輸出一個周期性信號,經(jīng)過放大、整形得到一個序列脈沖,對脈沖進行計數(shù)或計頻就可測量出轉速。若金屬圓盤上的齒數(shù)為m,測量時t(s)內輸出脈沖的個數(shù)為N,輸出脈沖頻率為f(Hz),則轉速n(r/min)為

圖6-12所示為霍爾式傳感器測量轉速的原理圖。與電渦流式傳感器類似,當有齒的金屬圓盤隨軸一起旋轉時,置于旁邊的霍爾元件則輸出一個周期性信號,經(jīng)過放大、整形得到一個序列脈沖,對脈沖進行計數(shù)或計頻就可測量出轉速。圖6-11電渦流式傳感器轉速測量原理圖6-12霍爾式傳感器轉速測量原理圖6-13各式速度傳感器圖6-14電阻應變式加速度計的原理圖

2)加速度傳感器

作為加速度檢測元件的加速度傳感器有多種形式,常用的有應變式、壓電式和電磁感應式等。加速度傳感器通常利用慣性質量受加速度作用所產(chǎn)生的慣性力而造成的各種物理效應來工作。電阻應變式加速度計的原理如圖6-14所示。它由質量塊、懸臂梁、應變片和阻尼液等組成。當傳感器隨被測物體運動的加速度為a時,在質量塊m上產(chǎn)生慣性力F=m·a,受慣性力F作用,懸臂梁產(chǎn)生變形,通過應變片可以測量出懸臂梁的變形量,進而可以間接得到加速度a的數(shù)值。在傳感器的殼體充以阻尼液體,作為阻尼之用。這一系統(tǒng)的固有頻率可以做得很低。利用壓阻效應工作的壓阻式加速度傳感器使用了半導體材料,易于與電子電路集成,更加小巧。圖6-15所示為壓電式加速度傳感器的原理圖。它由質量塊、壓電元件等組成,其工作基礎是壓電效應。當傳感器隨被測物體運動的加速度為a時,在質量塊m上產(chǎn)生慣性力F=m·a,慣性力F作用于壓電元件上,由于壓電效應,將產(chǎn)生電荷Q=d·F,其中d為壓電系數(shù)。由此,電荷Q與加速度a

之間就有一一對應的關系,通過測量電荷Q可以間接測量出加速度a。圖6-15壓電式加速度傳感器的原理圖圖6-16各式加速度傳感器

4.力、壓力、力矩傳感器

力、壓力和力矩的測量是以檢測力、壓力和力矩作用的結果來間接測量的,一般可通過以下方法來實現(xiàn):

(1)通過檢測物體受力變形來測量,例如利用電阻應變原理的電阻應變式力、壓力和力矩傳感器,利用彈簧變形的機械式力、壓力傳感器等。

(2)利用壓電效應來測量,例如壓電式力、壓力傳感器。

(3)利用壓磁效應來測量,例如壓磁式力、壓力傳感器。

(4)利用壓阻效應來測量,例如壓阻式力、壓力傳感器。

(5)采用電動機、液壓馬達驅動的設備,可以通過檢測電動機電流及液壓馬達油壓的方法來測量。

(6)裝有速度、加速度傳感器的設備,可通過速度與加速度的測量,計算出力或壓力。圖6-17電阻應變式力傳感器

1)力傳感器

根據(jù)工作原理的不同,力傳感器有多種形式,如應變式力傳感器、壓電式力傳感器、壓阻式力傳感器、壓磁式力傳感器、電容式力傳感器、差動變壓器式力傳感器和機械式力傳感器等。電阻應變式力傳感器由于簡單、廉價和動態(tài)特性好,在工程中得到了廣泛應用。圖6-17是各式(柱式、梁式、輪輻式等)電阻應變式力傳感器。圖6-18是各式電阻應變式力傳感器的結構及轉換電路。圖6-18各式力傳感器的結構及轉換電路

2)壓力傳感器

物理學將單位面積上所受流體作用力定義為流體的壓強,而工程上則習慣稱之為壓力,且壓力的概念超出了流體的范疇。壓力感受元件通常有膜片、波紋管、波紋膜片、彈簧管和薄壁圓筒等。在流體壓力的作用下,壓力感受元件將產(chǎn)生應變或變形,其應變或變形可通過應變片或其他微位移傳感器進行測量,例如應變式壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、壓電式壓力傳感器、電感式壓力傳感器和電容式壓力傳感器等。圖6-19是各式壓力傳感器的實物圖。圖6-20(a)、(b)分別是膜片式壓力傳感器和薄壁圓筒式壓力傳感器的結構示意圖。圖6-19各式壓力傳感器圖6-20應變式壓力傳感器的結構示意圖圖6-21是壓阻式壓力傳感器的結構示意圖。壓阻式壓力傳感器的核心部分是一塊圓形的半導體膜片(一般是硅材料),在膜片上利用集成電路的工藝擴散形成4個阻值相等的電阻,從而構成電橋,當膜片承受壓力差時,4個電阻在應力作用下的阻值將發(fā)生變化,失去平衡,輸出與壓差成正比的電壓信號。圖6-21壓阻式壓力傳感器的結構示意圖

3)力矩傳感器

力矩的單位是N·m,由力和力臂的乘積來定義。在工程應用中,扭矩的測量最為常見。根據(jù)工作原理的不同,扭矩傳感器有不同的類型,例如電阻應變式扭矩傳感器、壓磁式扭矩傳感器、磁電感應式扭矩傳感器和光電式扭矩傳感器等。其中,電阻應變式扭矩傳感器屬于接觸式測量扭矩,而后幾種則可實現(xiàn)非接觸式測量扭矩。圖6-22是各式扭矩傳感器的實物圖。圖6-22各式扭矩傳感器圖6-23電阻應變式扭矩傳感器的結構示意圖圖6-24是壓磁式扭矩傳感器及其轉換電路。軸由具有壓磁效應的鐵磁材料制成,在軸兩端有兩個由硅鋼片制成的固定環(huán),上面分別繞有線圈W1和W2,磁性軸與固定環(huán)形成磁通路。在不受扭矩時,電橋平衡,輸出為零;當扭矩作用在軸上時,導磁率發(fā)生變化,線圈的電感隨之變化,電橋失衡,輸出與扭矩大小成正比的電壓信號。圖6-24壓磁式扭矩傳感器及其轉換電路圖6-25是磁電感應式扭矩傳感器。傳動軸的兩端分別裝有磁分度圓盤,在磁分度圓盤邊裝有磁頭。無扭矩時,兩分度盤的轉角差為零;當扭矩作用在傳動軸上時,磁頭分別檢測出驅動側圓盤與負載側圓盤的轉角差,轉角差與扭矩M成正比。圖6-25磁電感應式扭矩傳感器

5.溫度傳感器

溫度的測量一般通過間接方法來實現(xiàn),即利用一些材料或元件的性能參數(shù)隨溫度變化的特性,通過測量性能參數(shù)變化而間接得到被測溫度。溫度測量可分為接觸式測量與非接觸式測量。接觸式測溫是基于熱平衡原理來實現(xiàn)的,熱傳遞的方式主要為傳導和對流,例如,水銀溫度計、熱電偶、熱電阻等。非接觸式測溫則利用熱輻射原理來實現(xiàn),例如,輻射溫度計、紅外溫度計等。在各種測溫方法中,以熱(敏)電阻和熱電偶的使用最為廣泛。

1)熱電阻

物質的電阻率隨溫度變化而變化的特性稱為熱電阻效應。熱電阻就是利用金屬材料的熱電阻效應進行溫度測量的。常用的金屬材料有鉑(Pt)和銅(Cu)。

鉑在很寬的溫度范圍內具有非常穩(wěn)定的物理、化學特性,且具有很強的耐氧化能力;另外,它還有電阻率較高,易于提純和復制等優(yōu)點。但其電阻溫度系數(shù)較小,價格昂貴,所以一般用于對精度與穩(wěn)定性要求較高的場合,例如科研、實驗室等。鉑熱電阻與溫度之間的關系如下:-200℃≤≤0℃:(6-4)0℃≤t≤650℃(6-5)式中:Rt——溫度為t℃時的電阻值;

R0——溫度為0℃時的電阻值;

A、B、C——分度系數(shù),A=3.96847×10-3/℃,B=-5.847×10-7/℃2,C=-4.22×10-12/℃3。由于鉑熱電阻價格昂貴,因而在一些測量精度要求不高而溫度又較低的場合,可以采用銅熱電阻。在-50~150℃范圍內,銅熱電阻有較好的線性,電阻溫度系數(shù)也較高。銅熱電阻容易提純、價格便宜,其缺點是電阻率小,容易氧化,不宜用于腐蝕性介質中。

在-50~150℃范圍內,銅熱電阻與溫度之間的關系為Rt=R0(1+αt)(6-6)式中:Rt——溫度為t℃時的電阻值;

R0——溫度為0℃時的電阻值;α——銅的電阻溫度系數(shù),α=(4.25~4.28)×10-3/℃。2)熱敏電阻

熱敏電阻是利用半導體材料的熱電阻效應來進行溫度測量的。與金屬熱電阻不同,半導體熱敏電阻的電阻系數(shù)普遍較大,非線性也較大。

根據(jù)半導體材料隨溫度變化的特性不同,將熱敏電阻分為正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)、負溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)和臨界溫度系數(shù)熱敏電阻(CTR)三種類型。

對于PTC,其電阻與溫度之間的關系如下:(6-7)對于NTC,其電阻與溫度之間的關系如下:(6-8)圖6-26熱電偶

3)熱電偶

熱電偶的工作基礎是熱電效應。A、B兩種不同導體首尾相連,組成一個閉合回路,如圖6-26所示,當兩端溫度T和T0不相等時,回路中將產(chǎn)生電動勢。這一現(xiàn)象稱為熱電效應,產(chǎn)生的電動勢稱為熱電勢。其中,T端稱為熱端或工作端,測量時,將其置于被測的溫度場內;T0端稱為冷端或自由端,測量時溫度應保持恒定。

熱電勢表示為EAB(T,T0),由兩部分組成,即兩種不同導體的接觸電勢(珀爾帖效應)和單一導體的溫差電勢(湯姆遜效應)。熱電偶的測溫基礎是以下四大基本定律:

(1)均質導體定理:由同一導體構成的熱電偶不能產(chǎn)生熱電勢,即(6-9)(2)中間導體定律:A、B構成熱電偶,將冷端斷開,并接入第三種導體C,若保持C兩端的溫度相等,則回路中的總電勢不變,即(6-10)中間導體定律是熱電偶測溫的理論基礎之一,可以把熱電偶引入測量電路而不必考慮連接導線的影響。(3)中間溫度定律:熱電偶AB(T、T0)產(chǎn)生的熱電勢等于熱電偶AB(T,Tn)和熱電偶AB(Tn,T0)產(chǎn)生的熱電勢的代數(shù)和,即(6-11)

中間溫度定律是熱電偶測溫的理論基礎之一,冷端的溫度可以隨意而不必是0K。(4)標準電極定律:熱電偶AB(T、T0)產(chǎn)生的熱電勢等于熱電偶AC(T,T0)和熱電偶CB(T,T0)產(chǎn)生的熱電勢的代數(shù)和,即導體C通常被稱為標準電極。如果已知各種熱電極對標準電極的熱電勢,則可以利用標準電極定律,求出其中任意兩種材料配成的熱電偶的熱電勢。圖6-27各式溫度傳感器

6.視覺傳感器

視覺傳感器可把光學圖像轉換為電信號,即把入射到傳感器光敏面上按空間分布的光強信息轉換為按時序串行輸出的電信號。目前較為常見的固體視覺傳感器主要有兩大類型:CCD型(ChargeCoupledDevice,電荷耦合元件)和CMOS型(ComplementaryMetalOxideSemiconductor,金屬氧化物半導體元件)。其中,CCD型視覺傳感器具有高解析度、高信噪比和動態(tài)特性好等優(yōu)點,但其成本較高,常用于一些高端系統(tǒng)或要求較高的場合;而CMOS型視覺傳感器具有體積小、功耗低和成本小等優(yōu)點,常用于一些低端系統(tǒng)或要求較低的場合。視覺傳感器作為一種新型傳感器,在機電一體化系統(tǒng)中的使用越來越廣泛。利用視覺傳感器和相關的圖像處理軟件(算法),可以實現(xiàn)檢驗、計量、測量、定向、瑕疵檢測和識別/分檢等功能,使其在汽車制造、制藥、食品、機器人等行業(yè)得到了廣泛的應用。例如:

在汽車組裝廠,檢驗由機器人涂抹到車門邊框的膠珠是否連續(xù),是否有正確的寬度。

在瓶裝廠,檢驗瓶蓋是否正確密封、裝灌液位是否正確,以及在封蓋之前沒有異物掉入瓶中。

在包裝生產(chǎn)線,確保在正確的位置粘貼正確的包裝標簽。

在藥品包裝生產(chǎn)線,檢驗阿斯匹林藥片的泡罩式包裝中是否有破損或缺失的藥片。

在金屬沖壓公司,以逾150片/分鐘的速度檢驗沖壓部件——是人工檢驗的13倍以上。圖6-28視覺檢測系統(tǒng)的組成圖6-29視覺傳感器在藥品生產(chǎn)中的應用圖6-30視覺傳感器在PCB生產(chǎn)線中的應用6.2.3智能傳感器

一般傳感器只具備信息采集、轉換功能,智能化傳感器是一種帶微處理器的傳感器,是微型計算機和傳感器的結合,它兼有信息采集、轉換、檢測、判斷和處理功能。與傳統(tǒng)傳感器相比,智能傳感器具有以下特點:

(1)具有信息判斷和處理功能;

(2)能對測量值進行修正、誤差補償,提高了測量精度;

(3)可實現(xiàn)多傳感器多參數(shù)測量;

(4)有自診斷和自校準功能,提高了可靠性;

(5)測量數(shù)據(jù)可存取,使用方便;

(6)通信功能,有數(shù)據(jù)通信接口,能與微型計算機進行通信。圖6-31智能傳感器的結構框圖6.3傳感器與計算機接口技術

6.3.1數(shù)字型傳感器與計算機的接口及實例

1.數(shù)字型傳感器與計算機的接口

數(shù)字型傳感器輸出的是數(shù)字信號,因此它與計算機的接口相對簡單。被測對象經(jīng)數(shù)字型傳感器、中間變換電路后輸出數(shù)字編碼信號,經(jīng)三態(tài)緩沖器可直接與計算機數(shù)據(jù)總線相連。圖6-32數(shù)字型傳感器與計算機的接口框圖

2.數(shù)字型傳感器與計算機的接口實例——M/T法測速

M/T法測速原理如圖6-9所示,由增量式光電編碼盤構成的角度—數(shù)字轉換系統(tǒng),包括增量式光電編碼盤、光源、光敏轉換元件以及放大、整形、辨向和計數(shù)等后續(xù)處理電路。

下面通過M/T法測速的硬件實現(xiàn)來說明數(shù)字型傳感器與計算機的接口。這里的硬件實現(xiàn)是指圖6-9中計數(shù)器輸出(此處是一般計數(shù)器,而非可逆計數(shù)器)之后的部分。

所謂M/T法測速,就是同時測量檢測時間和在此檢測時間內計數(shù)脈沖的個數(shù),從而得到被測轉速。(

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