机电一体化技术与应用 课件 -第4章 机电一体化系统检测技术（5-6节）

机电一体化技术与应用第1章

机电一体化概述第2章

机电一体化系统数学建模第3章

机电一体化系统自动控制技术第4章

机电一体化系统检测技术第5章

机电一体化驱动系统第6章

机电一体化系统计算机控制技术第7章

机电一体化系统通信技术第8章

机电一体化系统抗干扰技术第9章

机电一体化系统工程实例目

录第4章机电一体化系统检测技术4.1概述4.2传感器测量误差4.3传感器一般特性4.4常用传感器介绍4.5新型传感器4.6传感器的选型4.7传感器的信号调理4.8数字滤波技术4.9传感器非线性补偿处理2024/10/9-3-4.5新型传感器4.5.1湿敏传感器

湿敏传感器也称为湿度传感器，是能够感受外界湿度变化，并通过湿敏材料的物理或化学性质变化将湿度大小转化为电信号的器件。现在，湿度检测已广泛应用于工业、农业、国防、科技、生活等各个领域。

通常，对湿敏器件特性有如下要求：在各种气体环境下稳定性好、响应时间短、寿命长、有互换性、耐污染和受温度影响小等。微型化、集成化及廉价是湿敏器件的发展方向。2024/10/9-4-4.5新型传感器（1）温度的表示方法

大气中含有水汽的多少表明了大气的干湿程度，通常用湿度来表示。湿度是指大气中的水蒸气含量多少的物理量，常采用绝对湿度、相对湿度和露点三种方法表示。1）绝对湿度

绝对湿度定义为单位体积空气里所含水蒸气的质量，即：式中ρ为待测空气的绝对湿度（g·m-3）；mV为待测空气的水蒸气质量（g）；V为待测空气的总体积（m3）。2024/10/9-5-4.5新型传感器2）相对湿度

相对湿度为某一被测蒸汽压（PW）与相同温度下的饱和蒸气压（PN）的比值的百分数，即

通常用“%RH”表示相对湿度，这是一个无量纲值。当温度和压力变化时，因饱和水蒸气变化，所以，即使气体中水蒸气气压相同，其相对湿度也会发生变化。2024/10/9-6-4.5新型传感器

绝对湿度给出空气内水分的具体含量，而相对湿度则指出了大气的潮湿程度，日常生活中所说的空气湿度，实际上就是指相对湿度。3）露点

保持压力一定，当待测气体的温度降至某一数值时，该气体中的水蒸气达到饱和状态，开始结露或结霜，此时的温度称为此气体的露点或霜点（℃）。气温和露点的差越小，表示空气越接近饱和。2024/10/9-7-4.5新型传感器（2）湿敏传感器的特征参数

湿敏传感器将湿度转换为与其有一定比例关系的电量输出，其特性参数主要有湿度量程、感湿特性、灵敏度、湿度温度系数、响应时间、湿滞回差等。1）湿度量程

湿度量程是指在规定的精度内能够测量的最大范围。2024/10/9-8-4.5新型传感器2）感湿特性

感湿特性表示湿敏传感器的感湿特征量（电阻）随被测相对湿度变化的规律。一般可从感湿特性曲线上确定湿敏传感器的灵敏度及最佳使用范围。对于性能良好的湿敏传感器，其感湿特性曲线应在整个相对湿度范围内连续变化，且斜率保持不变。图示为以二氧化钛/五氧化二矾为敏感元件的湿敏传感器特性曲线。2024/10/9-9-4.5新型传感器3）灵敏度

灵敏度是指湿度传感器输出增量与输入增量之比，它反映被测湿度作为单位变化时所引起的感湿特征量的变化程度，即它对应着感湿特性曲线的斜率。但是，对于一般湿敏传感器来说，其特性是非线性的，因此，在不同的被测湿度下，其传感器的灵敏度是不同的。2024/10/9-10-4.5新型传感器4）湿度温度系数

湿度温度系数定义为：在感湿特征量保持不变的条件下，环境相对湿度随环境温度的变化率。它通常用α表示，即：式中T为热力学温度；K为感湿特征量；α为湿度温度系数（%RH/℃）。2024/10/9-11-4.5新型传感器

湿度温度系数是表示感湿特性曲线随环境温度变化而改变的特性参数。在不同的环境温度下，其感湿特性是不相同的，它直接给测量带来误差。即由湿度温度系数α值可知由环境温度变化所引起的测湿误差。图示为CO3O4-TiO2湿敏传感器在0℃，25℃和50℃环境温度下的特性曲线。2024/10/9-12-4.5新型传感器5）响应时间

响应时间是指在规定的环境温度下，由起始相对湿度达到稳定相对湿度时，感湿特征量由起始值变化到稳定相对湿度对应值所需要的时间。2024/10/9-13-4.5新型传感器5）响应时间

响应时间是指在规定的环境温度下，由起始相对湿度达到稳定相对湿度时，感湿特征量由起始值变化到稳定相对湿度对应值所需要的时间。通常情况下，当被测相对湿度有Δ(RH)的阶跃变化时，输出感湿特征量ΔR将按指数规律随时间变化而变化，即:式中ΔR为对应于Δ(RH)的输出量的稳定值；τ为时间常数。由式知，当t=τ时，(ΔR)t=0.632ΔR，即此时的输出量为最终稳定值的63.2%。在实际中，常用时间常数τ来度量传感器的响应时间。2024/10/9-14-4.5新型传感器6）湿滞回线和湿滞回差

湿滞回线是指湿敏传感器的吸湿特性曲线与脱湿特性曲线不一致而形成的回线，如图所示。2024/10/9-15-湿滞回线表示传感器在吸湿和脱湿两种情况下，对应同一数值的感湿特征量所指示相对湿度不一致，最大差值称为湿滞回差。显然，传感器的湿滞回差越小越好。4.5新型传感器（3）湿敏传感器的作用1）自动气象站遥测

湿敏传感器被广泛应用于自动气象站的遥测装置上，采用耗电量很低的湿敏元件，就可以由蓄电池供电而长期工作，几乎不需要维护。图示为自动气象站对湿度进行遥测的原理框图。2024/10/9-16-4.5新型传感器2）汽车风挡玻璃自动除湿装置

图示为汽车风挡玻璃自动除湿装置电路。其中图（a）为风挡玻璃示意图；图（b）为具体电路。2024/10/9-17-4.5新型传感器4.5.2光纤传感器

光纤传感器是利用光纤进行光的传输，并利用被测量对光的调制作用以实现测量的传感器。调制作用主要是指被测量引起光的强度、波长、频率、相位、偏振态等特性的变化。

光纤传感器是20世纪70年代末发展起来的一种新型传感器。它具有灵敏度高，体积小，质量轻，易弯曲，可传输信号的频带宽，电绝缘性能好，耐火、耐水性好，抗电磁干扰强，可实现不带电的全光型探头等独特的优点。2024/10/9-18-4.5新型传感器1）光导纤维

光纤结构如图所示，主要由三部分组成:中心-纤芯；外层-包层；护套-尼龙塑料。光纤的基本材料多为石英玻璃，有不同掺杂。光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质，即光导纤芯的折射率N1和包层折射率N2，N1略大于N2（即N1>N2）。2024/10/9-19-4.5新型传感器2）传输原理

光在空间是直线传播的，光被限制在光纤中，并能随光纤传递到很远的距离。光纤传光原理如图所示（N0为光在空气中的折射率）。2024/10/9-20-4.5新型传感器

光纤的传播基于光的全反射原理，当光线以不同角度入射到光纤端面时，在端面发生折射后进人光纤。光进入光纤后，入射到纤芯（光密介质）与包层（光疏介质）交界面，一部分透射到包层，一部分反射回纤芯。

当入射光线在光纤端面中心的入射角减小到某一角度θc时，光线全部被反射。光被全反射时的入射角θc称临界入射角，只要满足入射角θ<θc，入射光就可以在纤芯和包层界面上反射，经若干次反射向前传播，最后从另一端面射出。2024/10/9-21-4.5新型传感器

为保证光在光纤端面入射时是全反射，必须满足全反射条件，即入射角θ<θc。由斯乃尔（Snell）折射定律可导出光线从折射率为N0的介质处射入纤芯时，发生全反射的临界入射角为:外介质一般为空气，在空气中N0=1时，上式可表示为:可见，光纤临界入射角的大小是由光纤本身的性质（N1、N2）决定的，与光纤的几何尺寸无关。2024/10/9-22-4.5新型传感器3）光纤的分类

光导纤维按其折射变化情况可分为阶跃型和渐变型。阶跃型光纤的纤芯与包层的折射率是突变的，如图（a）和图（b）所示。

2024/10/9-23-4.5新型传感器

渐变型光纤在横截面中心处折射率最大，其值由中心向外逐渐变小,到纤芯边界时变为色层折射率。通常折射率变化呈抛物线形式,即在中心轴附近有更陡的折射率梯度,而在按近边缘处折射率减少得非常缓慢,保证传递的光束集中在光纤轴线附近前进。

因为这类光纤有聚焦作用,所以也称为自聚焦光纤,如图（c）所示。2024/10/9-24-4.5新型传感器（2）光纤传感器原理及种类1）光纤传感器原理

如图所示，光源发出的光经耦合器注人光纤，由光纤传输而通过敏感元件，当光在通过敏感元件时，因敏感元件暴露在被测对象（如温度、压力、磁场等）之中且对被测对象极其敏感，所以光在这里受到被测对象的调制，如光的强度、偏振面、频率和相位等；调制光由耦合器进人光纤，再经光纤传输到信号处理器上，经光电检测和信号处理而得到被测对象的信息。2024/10/9-25-4.5新型传感器2）光纤传感器种类按光纤在传感器中的作用划分：功能型光纤传感器非功能光纤传感器按测量范围划分：单点式光纤传感器分布式光纤传感器（DOFS）2024/10/9-26-按光参数被调制的类型划分：光强度调制型传感器相位调制型传感器偏振调制型传感器波长调制型传感器频率调制型传感器4.5新型传感器（3）光纤传感器的应用血压的检测位移的检测角速度的检测2024/10/9-27-4.5新型传感器4.5.3触觉传感器

触觉是指人与对象物体直接接触时所得到的重要感觉功能。触觉传感器是用于机器人中模仿触觉功能的传感器。在自动驾驶车辆和机器人中，触觉传感器能指出与周围障碍物碰撞的情况。正如其名称所包含的意思,检测过程包括了传感器及所关心的物体之间的直接物理接触。

2024/10/9-28-4.5新型传感器

人的触觉通常包括热觉、冷觉、痛觉、触压觉和力觉等。机器人触觉实际上是对人触觉的某些模仿，它是有关机器人和对象物之间直接接触的感觉，包含的内容较多，通常指以下几种。1）接近觉。对机器人手指与被测物是否接触进行检测。2）压觉。垂直于机器人和对象物接触面上压力的感觉。3）力觉。机器人动作时各自由度力的感觉。4）滑觉。物体向着垂直于手指把握面方向的移动或变形。2024/10/9-29-4.5新型传感器

机器人的触觉主要有两方面的功能。1）检测功能。

对对象物进行物理性质检测，如光滑性、硬度等，其目的是感知危险状态，实施自身保护；灵活地控制手指及关节以操作对象物；使操作具有适应性和顺从性。2）识别功能。

识别对象物的形状。2024/10/9-30-4.5新型传感器（1）接触觉传感器

接触觉传感器有微动开关式、导电橡胶式、含碳海绵式、碳素纤维式、气动复位式装置等类型。2024/10/9-31-4.5新型传感器（2）压觉传感器

压觉指的是对手指给予被测物的力或者加在手指上外力的感觉。压觉用于握力控制与手的支撑力检测。目前，压觉传感器主要是分布型压觉传感器，即把分散敏感组件排列成矩阵格式。2024/10/9-32-4.5新型传感器（3）力觉传感器

力觉传感器的作用有：感知是否夹起工件或是否夹持在正确部位上；控制装配、打磨、研磨、抛光的质量；在装配中提供信息，以产生后续的修正补偿运动来保证装配质量和速度；防止碰撞、卡死和损坏机件。

压觉是一维力的感觉，而力觉则为多维力的感觉。用于力觉的触觉传感器，为了检测多维力的成分，要把多个检测组件立体地安装在被夹物体不同位置上。机器人力觉传感器主要包括关节力传感器、腕力传感器、基座力传感器等。

2024/10/9-33-4.5新型传感器1）关节力传感器

关节力传感器为直接通过驱动装置测定力的装置。若关节由直流电动驱动，则可用测定转子电流的方法来测关节力。若关节由油压装置带动，则可由测背压的方法来测定关节力。这种测力装置的程序中包括对重力和惯性力的补偿。此法的优点是不需分散的传感器。但测量精度和分辨率受手的惯性负荷及其位置变化的影响，还要受自身关节不规则的摩擦力矩的影响。

2024/10/9-34-4.5新型传感器2）腕力传感器

机器人在完成装配作业时，通常要把轴、轴承、垫圈及其他环形零件装入其他零件部件中。其中核心任务一般包括确定零件的重量，将轴类零件插入孔里，调准零件的位置，拧动螺钉等。这些都是通过测量并调整装配过程中零件的相互作用力来实现的。

通常可以通过一个固定的参考点将一个力分解成3个互相垂直的力和3个顺时针方向的力矩，传感器就安装在固定参考点上，此传感器要能测出这6个力（力矩）。

2024/10/9-35-4.5新型传感器3）基座力传感器

基座力传感器装在基座上，机械手装配时用来测量安装在工作台上工件所受的力。此力是装配轴与孔的定位误差所产生的。测出力的数据用来控制机器人手的运动。基座力传感器的精度低于腕力传感器。

2024/10/9-36-4.5新型传感器（4）滑觉传感器

滑觉传感器用于判断和测量机器人抓握或搬运物体时物体所产生的滑移。它实际上是一种位移传感器，采用表面包有绝缘材料并构成经纬分布的导电与不导电区的金属球制作而成，如图所示。2024/10/9-37-4.5新型传感器

当传感器接触物体并产生滑动时，球发生转动，使球面上的导电与不导电区交替接触电极，从而产生通断信号，通过对适断信号的计数和判断可测出滑移的大小和方向。这种传感器的制作工艺要求较高。为了检测滑动，通常采用如下方法：①将滑动转换成滚球的旋转；②用压敏元件和触针，检测滑动的微小振动；③检测出即将发生滑动时，手爪部分的变形和压力通过手爪载荷检测器检测手的压力变化，从而推断出滑动的大小。2024/10/9-38-4.5新型传感器4.5.4智能传感器

智能传感器是为了代替人的感觉器官并扩大其功能而设计制作出来的一种装置。

人和生物体的感觉有两个基本功能：一个是检测对象的有无或检测变换对象发生的信号；另一个是判断、推理、鉴别对象的状态。前者称为“感知”，而后者称为“认知”。一般传感器只有对某一物体精确“感知”的本领，而不具有“认识”（智慧）的能力。

2024/10/9-39-4.5新型传感器

智能传感器则可将“感知”和“认知”结合起来，起到人的“五感”功能的作用。智能传感器就是带微处理器，并且具备信息检测和信息处理功能的传感器。从一定意义上讲，它具有类似于人工智能的作用。

需要指出，这里讲的“带微处理器”包含两种情况：一种是将传感器与微处理器集成在一个芯片上，构成“单片智能传感器”；另一种是指传感器能够配微处理器。显然，后者的定义范围更宽，但两者均属于智能传感器的范畴。不论哪一种情况都说明智能传感器的主要特征就是敏感技术和信息处理技术的结合。2024/10/9-40-4.5新型传感器

通常，智能传感器是将传感单元、微处理器和信号处理电路等装在同一壳体内组成的，输出方式常采用RS-232或RS-422等串行输出，或采用IEEE488标准总线并行输出。智能传感器是最小物理的微机系统，其中作为控制核心的微处理器通常采用单片机，其基本结构框图如图所示。2024/10/9-41-4.5新型传感器与传统传感器相比，智能传感器有以下特点：1）精度高。2）可靠性与稳定性强。3）高信噪比与高分辨率。4）自适应性强。5）性价比高。2024/10/9-42-4.5新型传感器4.5.5生物传感器

生物传感器是指由生物活性材料与相应转换器构成，并能测定特定的化学物质（主要是生物物质）的传感器，是近20年来发展起来的一门高新技术。

作为一种新型的检测技术，生物传感器的产生是生物学、医学、电化学、热学、光学及电子技术等多门学科相互交叉渗透的产物，与常规的化学分析及生物化学分析方法相比，具有选择性高、分析速度快、操作简单、灵敏度高、价格低廉等优点，在工农业生产、环保、食品工业、医疗诊断等领域得到了广泛的应用，具有广阔的发展前景。2024/10/9-43-4.5新型传感器（1）生物传感器的基本原理

生物传感器是利用各种生物或生物物质（是指酶、抗体、微生物等）作为敏感材料，并将其产生的物理量、化学量的变化转换成电信号，用以检测与识别生物体内的化学成分的传感器。生物传感器通常将生物敏感材料固定在高分子人工膜等固体载体上，被识别的生物分子作用于人工膜（生物传感器）时，将会产生变化的信号（电位、热、光等）输出，然后采用电化学法、热测量法或光测量法等方法测出输出信号。2024/10/9-44-4.5新型传感器

生物传感器基本原理如图所示，它是由敏感膜和敏感元件两部分组成。被测物质经扩散进人生物敏感膜层，经分子识别，发生生物学反应（物理、化学变化），产生的物理、化学现象或产生新的化学物质，由相应的敏感元件转换成可定量和可传输、处理的电信号。2024/10/9-45-4.5新型传感器

生物敏感膜又称分子识别元件，是利用生物体内具有奇特功能的物质制成的膜，它与被测物质相接触时伴有物理、化学变化的生化反应，可以进行分子识别。生物敏感膜是生物传感器的关键元件，它直接决定着传感器的功能与质量。由于选材不同，可以制成酶膜、全细胞膜、组织膜、免疫膜、细胞器膜、复合膜等。各种膜的生物物质如表所示。2024/10/9-46-4.5新型传感器（2）生物传感器的分类

按照敏感膜材料（分子识别元件）和敏感元件（电信号转换元件）的不同，生物传感器有多种分类方法，但主要有两种分类法。1）敏感膜材料

按照敏感膜材料的不同，生物传感器可分为细胞器传感器（organallsensor）、微生物传感器（microbialsensor）、免疫传感器（immunolsensor）、酶传感器（enzymesensor）和组织传感器（tissuesensor）等五大类，如图所示。2024/10/9-47-4.5新型传感器2）敏感元件

按照敏感元件的工作原理不同，生物传感器可分为生物电极（bioeletrode）、热生物传感器（calorimetricbiosensor）、压电晶体生物传感器（piezoelectricbiosensor）、半导体生物传感器（semiconductbiosensor）、光生物传感器（opticalbiosensor）和介体生物传感器（mediumbiosensor）等，如图所示。2024/10/9-48-4.5新型传感器（3）生物传感器的特点与通常的化学分析法相比，生物传感器具有以下特点：1）分析速度快，可以在较短的时间内得到结果；2）准确度高，一般相对误差可以达到1%；3）操作较简单，容易实现自动分析；4）生物传感器的主要缺点是使用寿命较短。

2024/10/9-49-4.5新型传感器（4）应用举例：酶传感器1）酶的特性与特点

酶是由生物体内产生并具有催化活性的一类蛋白质，此类蛋白质表现出特异的催化功能，因此，酶被称为生物催化剂。酶在生命活动中起着极其重要的作用，它参加新陈代谢过程的所有生化反应，并以极高的速度维持生命的代谢活动（包括生长、发育、繁殖与运动）。目前，已鉴定出的酶有2000余种。2024/10/9-50-4.5新型传感器

酶与一般催化剂相似之处是：在相对浓度较低时，仅能影响化学反应的速度，而不改变反应的平衡点。酶与一般催化剂的不同之处是：①酶的催化效率比一般催化剂要高106~1013倍；②酶催化反应条件较为温和，在常温、常压条件下即可进行；③酶的催化具有高度的专一性，即一种酶只能作用于一种或一类物质，产生一定的产物，而非酶催化剂对作用物没有如此严格的选择性。2024/10/9-51-4.5新型传感器2）酶传感器的结构与原理

目前，常见的酶传感器有电流型和电位型两种。其中，电流型是由与酶催化反应相关物质电极反应所得到的电流来确定反应物质的浓度，一般采用氧电极、H2O2电极等；而电位型是通过电化学传感器件测量敏感膜电位来确定与催化反应有关的各种物质的浓度，一般采用NH3电极、CO2电极、H2电极等。2024/10/9-52-4.5新型传感器

下表列出了两类传感器，电流型是以氧或H2O2作为检测方式，而电位型是以离子作为检测方式。2024/10/9-53-4.5新型传感器

下面以葡萄糖酶传感器为例说明其工作原理与检测过程。下图为葡萄糖酶传感器的结构原理图，它的敏感膜为葡萄糖氧化酶，固定在聚乙烯酰胺凝胶上。2024/10/9-54-4.5新型传感器

敏感元件由阴极Pt，阳极Pb和中间电解液（强碱溶液）组成。在电极Pt表面上覆盖一层透氧化的聚四氟乙烯膜，形成封闭式氧电极，它避免了电极与被测液直接接触，防止电极毒化。当电极Pt浸入含蛋白质的介质中，蛋白质会沉淀在电极表面上，从而减小电极有效面积，使两电极之间的电流减小，传感器受到毒化。

测量时，葡萄糖酶传感器插入到被测葡萄糖溶液中，由于酶的催化作用而耗氧（过氧化氢H2O2）其反应式为2024/10/9-55-4.5新型传感器

由上式可知，葡萄糖氧化时产生H2O2，而H2O2通过选择性透气膜，使聚四氟乙烯膜附近的氧化量减少，相应电极的还原电流减少，从而通过电流值的变化来确定葡萄糖的浓度。

值得指出是，酶作为生物传感器的敏感材料虽然已有许多应用，但其价格比较昂贵和性能不够稳定，其应用也受到限制。2024/10/9-56-第4章机电一体化系统检测技术4.1概述4.2传感器测量误差4.3传感器一般特性4.4常用传感器介绍4.5新型传感器4.6传感器的选型4.7传感器的信号调理4.8数字滤波技术4.9传感器非线性补偿处理2024/10/9-57-4.6传感器的选型

一般来说，对于同一种类的被测物理量，可供选择的传感器类型很多。为了选择最适合测试目的的传感器，应根据实际使用传感器的目的、指标环境等因素，考虑不同的侧重点，仔细研究测试信号，确定测试方式和初步确定传感器类型；分析测试环境和干扰因素，如测试环境是否有磁场、电场、温度的干扰，测试现场是否潮湿等；根据测试范围确定某种传感器；确定测量方式，是接触测量还是