《機(jī)電一體化技術(shù)》課件-第四章 4.1 傳感檢測系統(tǒng)的作用及組成

第四章傳感檢測技術(shù)機(jī)電一體化技術(shù)4.1

傳感檢測系統(tǒng)的作用及組成4.2

機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器4.3新型生物電信號傳感器4.4

智能傳感器4.5

檢測信號處理技術(shù)第四章傳感檢測技術(shù)機(jī)電一體化技術(shù)4.1

傳感檢測系統(tǒng)的作用及組成4.1

傳感檢測系統(tǒng)的作用及組成30、緒論外骨骼機(jī)器人（ExoskeletonsRobot）主要用于增強(qiáng)正常人的運(yùn)動(dòng)和負(fù)荷能力，及運(yùn)動(dòng)功能障礙患者的運(yùn)動(dòng)輔助和康復(fù)訓(xùn)練，其深度融合了機(jī)械工程、控制科學(xué)、通信工程、電子技術(shù)、儀器科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程等學(xué)科領(lǐng)域的理論和技術(shù)，在工作過程中需要位置傳感器、加速度傳感器、扭矩傳感器、生物電信號傳感器等多種類型傳感器的協(xié)同工作。本章將以外骨骼機(jī)器人這一典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品為例，深入介紹機(jī)電一體化產(chǎn)品中采用的各類傳感器的特點(diǎn)、工作原理、應(yīng)用場合及信號采集與處理方法。4.1

傳感檢測系統(tǒng)的作用及組成41、傳感檢測系統(tǒng)在機(jī)電一體化中的作用

在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，傳感檢測系統(tǒng)的作用相當(dāng)于人的感官，檢測系統(tǒng)運(yùn)行過程中內(nèi)部和外部的各種物理量及其變化，將這些非電量信號轉(zhuǎn)化為電信號，并通過適當(dāng)處理后，反饋至控制裝置或進(jìn)行顯示記錄。因此，傳感檢測系統(tǒng)是機(jī)與電有機(jī)結(jié)合的重要紐帶，成為機(jī)電一體化系統(tǒng)中必不可少的組成部分。4.1

傳感檢測系統(tǒng)的作用及組成52、傳感檢測系統(tǒng)的組成（1）傳感檢測系統(tǒng)的組成

傳感檢測系統(tǒng)一般由傳感器、信號調(diào)理電路及輸出接口組成，如下圖所示。4.1

傳感檢測系統(tǒng)的作用及組成6（2）傳感器①傳感器的定義

傳感器是一種能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律(即數(shù)學(xué)函數(shù)法則)轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置。②傳感器的組成傳感器通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)換電路組成，可將非電量物理量轉(zhuǎn)換為電量信號輸出。

敏感元件直接感受被測物理量，并以確定的關(guān)系輸出物理量信號。轉(zhuǎn)換元件將敏感元件輸出的非電物理量信號轉(zhuǎn)換為電信號。轉(zhuǎn)換電路將轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號轉(zhuǎn)換為便于測量的電信號。2、傳感檢測系統(tǒng)的組成4.1

傳感檢測系統(tǒng)的作用及組成7③傳感器的分類

傳感器的種類繁多，分類的方法也不盡相同，下面列舉了三類分類方法。根據(jù)被測量的不同可分為:溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器等；根據(jù)測量原理可分為:電阻式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、電渦流式傳感器、磁電式傳感器、壓電式傳感器、光電式傳感器等；根據(jù)輸出信號的類型可分為:模擬傳感器和數(shù)字傳感器。2、傳感檢測系統(tǒng)的組成4.1

傳感檢測系統(tǒng)的作用及組成81)模擬傳感器

模擬傳感器將測量的非電量轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出，例如歐姆龍ZX-L位移傳感器的輸出信號為電壓信號，其輸出信號電壓特性如圖所示。模擬傳感器2、傳感檢測系統(tǒng)的組成4.1

傳感檢測系統(tǒng)的作用及組成92)數(shù)字傳感器

廣義上，數(shù)字傳感器分為準(zhǔn)數(shù)字傳感器和數(shù)字傳感器兩類。準(zhǔn)數(shù)字傳感器輸出信號為方波信號，其頻率或占空比隨被測參量變化而變化，如增量式光電編碼器。數(shù)字傳感器輸出信號為數(shù)字量，如DS18B20溫度傳感器在分辨率為12位時(shí)-55℃、0℃和125℃輸出信號如圖所示。數(shù)字傳感器2、傳感檢測系統(tǒng)的組成4.1

傳感檢測系統(tǒng)的作用及組成102)數(shù)字傳感器

開關(guān)量傳感器輸出只有高/低電平或開/關(guān)兩個(gè)狀態(tài)。當(dāng)被測量的信號到達(dá)某個(gè)特定的閾值時(shí)，開關(guān)量傳感器輸出高電平(開)，反之輸出低電平(關(guān))，如圖所示。開關(guān)傳感器與數(shù)字電路具有良好的兼容性。根據(jù)與被測對象的連接形式，開關(guān)傳感器又可分為接觸型(如限位開關(guān))和非接觸型(如光電接近開關(guān))兩類。開關(guān)傳感器2、傳感檢測系統(tǒng)的組成4.1

傳感檢測系統(tǒng)的作用及組成11（3）信號調(diào)理電路信號調(diào)理電路將傳感器輸出的信號進(jìn)行放大、濾波、檢波、轉(zhuǎn)換等處理，以方便后續(xù)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)采集與處理。信號調(diào)理電路可分為電平調(diào)整、線性化、信號形式轉(zhuǎn)換和濾波及阻抗匹配四種類型。在工程上對信號調(diào)理電路的一般要求如下：1°轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確、放大穩(wěn)定和傳輸可靠；

2°信噪比高，抗干擾能力強(qiáng)。2、傳感檢測系統(tǒng)的組成4.1

傳感檢測系統(tǒng)的作用及組成12（4）輸出接口輸出接口可實(shí)現(xiàn)不同功能模塊之間電氣參數(shù)連接部分，負(fù)責(zé)將信號傳輸至信號記錄裝置、顯示裝置、信號處理裝置與控制裝置等。輸出接口電路可在同一電氣參數(shù)范圍內(nèi)工作，如將傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)輸出信號；也可以將信號從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式，如A/D轉(zhuǎn)換電路。2、傳感檢測系統(tǒng)的組成4.1

傳感檢測系統(tǒng)的作用及組成133、傳感器的選用原則工程應(yīng)用中，傳感器選用原則如下：傳感器的量程應(yīng)大于測試信號最大幅值的1.2~1.5倍；

傳感器的固有頻率應(yīng)大于測試信號頻率的5~10倍；

傳感器準(zhǔn)確度小于系統(tǒng)總不確定度的1/3；

傳感器工作溫度大于傳感器測量環(huán)境