第6章机电一体化系统检测技术特点及应用

1、第6章机电一体化系统检测技术特点及应用6.1传感器的分类与特性6.2传感器与微机接口6.3检测技术的应用6.1传感器的分类与特性6.1.1传感器的定义和组成我国国家标准GB/T 76651987中对传感器(Transducer/Sensor)的定义是：“能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置”。1)敏感元件。2)传感元件。3)基本转换电路。6.1.2传感器的分类传感器的分类方法很多，比较常用的分类见表6 1。6.1传感器的分类与特性表6-1传感器的分类(1)按被测物理量分类：可分为位移传感器、速度传感器、加速度6.1传感器的分类与特性传感器、压力传感器、温度传感器和气

2、敏传感器等。(2)按工作原理分类：可分为电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、谐振式传感器、电动势型传感器、电荷传感器、光电传感器和半导体传感器等。(3)按能量关系分类：可分为有源传感器和无源传感器。(4)按输出信号的性质分类：可分为模拟式传感器和数字式传感器。(5)按转换过程分类：可分为双向传感器和单向传感器等。6.1.3传感器的基本特性6.1传感器的分类与特性图6-3线性度示意图1拟合直线2实际特性曲线满量程输出最大非线性绝对误差6.1传感器的分类与特性1.传感器的静态特性传感器的静态特性是指传感器在被测量的数值处于稳定状态时的输出-输入的关系。(1)线性度：一般情况下，为了方便标定和

3、数据处理，人们总是要求传感器的输出-输入关系最好是线性关系，并能正确地反映被测量的真值，但一般情况下，实际的输出-输入特性曲线或多或少地存在非线性问题，只能接近线性，对比理论直线有偏差，如图6-3所示。(2) 灵敏度：灵敏度是指传感器在稳态标准条件下，输出量变化y对输入量变化x的比值，用S表示，即(3)分辨力：分辨力是指传感器能感受到的被测量的最小变化的能力。6.1传感器的分类与特性(4)迟滞性：迟滞性是用来表示传感器在正(输入量增大)、反(输入量减小)行程期间输出-输入特性曲线不重合的程度，即对应同一输入量，因传感器行程方向不同而导致输出量大小不相等。(5)重复性：重复性是指传感器在输入量按

4、同一方向连续多次变动时，在全量程内连续进行重复测量所得到的输出-输入特性曲线不一致的程度，如图6-5所示。6.1传感器的分类与特性图6-4迟滞特性曲线6.1传感器的分类与特性图6-5重复特性曲线2.传感器的动态特性传感器的动态特性是指传感器对于随时间变6.1传感器的分类与特性化的输入量的响应特性。6.1.4传感器的发展与展望传感器的应用已渗透到科学技术、工农业生产以及日常生活等各个领域。1.探索新理论及采用新材料、新技术和新工艺开发新型传感器目前，许多科学家正在不断地探索新理论，将各种新的物理效应、化学效应和生物效应等用到传感器中，从而开发出新一代传感器。2.向集成化、多维化、多功能化和智能化

5、方向发展传感器的集成化是指应用集成加工技术，将敏感元件、放大电路、运算电路和温度补偿电路等环节集成于一块芯片上。6.1传感器的分类与特性图6-6传感器的多维化a)单个传感器b)一维传感器c)二维传感器6.2传感器与微机接口表6-2多通道数据采集系统的主要形式6.2传感器与微机接口表6-2多通道数据采集系统的主要形式6.2.1多路开关6.2传感器与微机接口在多路采集系统中，计算机每次只能检测处理其中的一路信号，并且各路信号之间不允许相互干扰，因此，对多点信号要分时检测。6.2传感器与微机接口图6-8多路开关a)选择输入方式的多路选择器b)选择输出方式的多路分配器6.2传感器与微机接口1)电平与T

6、TL或CMOS电平相兼容。2)内部带有通道选择译码器，通道控制方便。3)可采用正或负双极性输入。4)导通电阻低，可以小于100。5)转换速度快，通常其导通或关断时间在1s左右。6)关断电阻高，一般达109以上。7)无机械磨损，寿命长。6.2传感器与微机接口(1)CD4051：CD4051是单端双向8通道多路开关，图6-9CD4051引脚图6.2传感器与微机接口图6-9所示为其引脚图，表6-3为它的逻辑真值表。1) 3个通道选择输入端A、B、C。2) 1个 片选控制端INH。3) 8个通道INOUT端。4) 1个公共INOUT端。5) 3个电源端VCC、VDD、VEE。表6-3CD4051的逻辑

7、真值表6.2传感器与微机接口(2)CD4052：CD4052是差动4通道多路开关，图6-10所示为其引脚图。图6-10CD4052引脚图6.2传感器与微机接口1) 2个通道选择输入端A、B。2) 1个片选控制端INH。3) 双4通道INOUT端。4) 2个公共INOUT端X、Y。5) 3个电源端VCC、VDD、VEE。6.2.2多路开关的控制6.2传感器与微机接口6.2.3采样-保持器图6-11CD4051扩展16通道多路开关6.2传感器与微机接口当传感器将非电量转换成电量，并经放大和滤波等系列处理后，需经A/D转换变换成数字量，才能输入到计算机系统。图6-12采样-保持器的工作原理a)采样-

8、保持器的工作方式b)采样-保持器的工作原理框图6.2传感器与微机接口图6-13最简单的采样-保持电路1.采样-保持器的工作原理最简单的采样-保持电路由一个存储器电容C和一个模拟开关S等组成。6.2传感器与微机接口6M14.tif2.常用的采样-保持器芯片随着大规模集成电路技术的发展，目前已生产出多种集成采样-保持器，6.2传感器与微机接口如可用于一般目的的AD582、AD583和LF198/298/398等，用于高速场合的HT0025、HTS0010和HTC0300等，用于高分辨率场合的SHA1144等。1)采样速度快、精度高，一般为22.5s，即精度达到(0.0030.01)。2)下降速度慢

9、，如AD585和AD348为0.5mV/ms，SD389为0.1V/ms。6.2传感器与微机接口6M15.tif图6-15LF398采样-保持器原理图6.2传感器与微机接口图6-16LF398芯片引脚图6.2传感器与微机接口6M17.tif6.2.4A/D转换器6.2传感器与微机接口A/D转换器的作用就是把模拟量变换成计算机能接收的二进制数字信号。1. AD转换器的工作原理(1)逐次逼近式转换器的工作原理：逐次逼近式转换的基本原理是用一个计量单位使连续量整量化(简称量化)，即用计量单位与连续量比较，把连续量变为计量单位的整数倍，略去小于计量单位的连续量部分，这样所得到的整数量即为数字量。图6-

10、18逐次逼近式A/D转换器原理6.2传感器与微机接口(2)双积分式AD转换器的工作原理：双积分AD转换采用了间接测量原理，即将被测电压值VX转换成时间常数，通过测量时间常数得到未知电压值。图6-19双积分式A/D转换器原理a)电路图b)原理图基准电压、被测电压定时积分时间、反向积分时间6.2传感器与微机接口2. A/D转换器的主要技术指标(1)转换时间和转换速率：转换时间是AD完成一次转换所需要的时间；转换时间的倒数为转换速率。(2)分辨率：AD转换器的分辨率表示输出数字量变化一个相邻数码所需输入电压的变化量，习惯上以二进制位数或BCD码位数表示。(3)量化误差：量化过程引起的误差为量化误差，

11、量化误差是由于有限数字对模拟量进行量化而引起的误差。(4)转换精度：AD转换器的转换精度定义为一个实际AD转换器与一个理想AD转换器在量化值上的差值。3.常用A/D转换芯片及其与单片机接口电路(1) 12位A/D转换器AD5746.2传感器与微机接口1) AD574引脚排列及功能。图6-20AD574引脚图6.2传感器与微机接口表6-4AD574逻辑真值表2) AD574与单片机接口电路。6.2传感器与微机接口图6-21AD574与单片机8031的接口电路AD574的数据线DB0DB11高8位接于8031的P00P07端，6.2传感器与微机接口低4位接于P04P07端。AD574的输出数据形式

12、控制端12/接地，可与8位单片机兼容，12位数据分两次传送。图6-22MC14433的引脚图6.2传感器与微机接口8031的、通过与非门74LS00后，接于A0574的CE端，无论读或写，CE=1时AD574均处于工作状态。AD574的R/通过74LS373接于8031的P00端，则P00=0，启动转换器；P00=1，读取AD转换结果。AD574的A0端通过74LS373接于8031的P01端，则通过控制P01端的状态便可控制转换位数和读取字节的方式。(2)双积分型A/D转换器MC144331) MC14433的引脚排列及功能。表6-5D选通时的状态及表示结果6.2传感器与微机接口图6-23M

13、C14433与单片机8031的接口电路2) MC14433与单片机接口电路。6.3检测技术的应用6.3.1检测技术的含义及其作用和地位检测(Detection)是利用各种物理、化学效应，选择合适的方法与装置，将生产、科研和生活等各方面的有关信息通过检查与测量的方法赋予定性或定量结果的过程。1.检测技术是产品检验和质量控制的重要手段借助于检测工具对产品进行质量评价是检测技术重要的应用领域。2.检测技术在大型设备安全经济运行监测中得到广泛应用电力、石油、化工和机械等行业的一些大型设备通常在高温、高压、高速和大功率状态下运行，保证这些关键设备安全运行在国民经济中具有重大意义。6.3检测技术的应用3.

14、检测技术和装置是自动化系统中不可缺少的组成部分任何生产过程都可以看作是由“物流”和“信息流”组合而成的，反映物流的数量、状态和趋向的信息流则是人们管理和控制物流的依据。4.检测技术的完善和发展推动着现代科学技术的进步现代化检测手段所达到的水平在很大程度上决定了科学研究的深度和广度。6.3.2检测技术的内容检测技术的内容较广泛，常见的机电一体化系统检测涉及的内容见表6 6。6.3检测技术的应用表6-6常见的机电一体化系统检测涉及的内容1.检测技术的应用实例当代的检测系统越来越多地使用计算机或微处理器来控制执行机构的工作。(1)系统控制方案：脉冲燃烧热水炉的燃烧原理如图6-24所示，燃气和空气经混

15、合室7混合后，进入燃烧室6。6.3检测技术的应用图6-24脉冲燃烧热水炉的燃烧原理1排气消声器2进水管3空气去耦室4熄火检测器5进水电磁阀6燃烧室7混合室8点火器9燃气去耦室10燃气电磁阀11燃气进管12风机13排烟去耦室14出水管15尾管16传热器17低水位检测开关18温度传感器19高水位检测开关20水箱连接管6.3检测技术的应用(2)检测部分的工作原理：脉冲燃烧炉控制电路结构框图如图6-25所示，在设计中使用了8051单片机，利用其片内存储器及RAM存储全部程序，并充分利用其IO接口和定时器等内置功能。图6-25脉冲燃烧炉控制电路结构框图6.3检测技术的应用(3)控制部分的工作原理：控制部分主要完成系统初始化、按键识别、熄火检测保护、水位控制和水温控制、输出驱动及报警等工作。1)系统初始化。2)按键识别。3)熄火检测保护。4)水位控制。5)水温控制。6)输出驱动。7)报警。6.3检测技术的应用(4)系统特点：脉冲燃烧热水炉采用先进的脉冲燃烧技术，具有结构简单、燃烧强度大和对环境污染小等突出优点，适用于宾馆、招待所、公寓、机关和学校等集中供热