第6章機(jī)電一體化系統(tǒng)檢測技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用

1、第6章機(jī)電一體化系統(tǒng)檢測技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用6.1傳感器的分類與特性6.2傳感器與微機(jī)接口6.3檢測技術(shù)的應(yīng)用6.1傳感器的分類與特性6.1.1傳感器的定義和組成我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 76651987中對(duì)傳感器(Transducer/Sensor)的定義是：“能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置”。1)敏感元件。2)傳感元件。3)基本轉(zhuǎn)換電路。6.1.2傳感器的分類傳感器的分類方法很多，比較常用的分類見表6 1。6.1傳感器的分類與特性表6-1傳感器的分類(1)按被測物理量分類：可分為位移傳感器、速度傳感器、加速度6.1傳感器的分類與特性傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器和氣

2、敏傳感器等。(2)按工作原理分類：可分為電阻式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、諧振式傳感器、電動(dòng)勢型傳感器、電荷傳感器、光電傳感器和半導(dǎo)體傳感器等。(3)按能量關(guān)系分類：可分為有源傳感器和無源傳感器。(4)按輸出信號(hào)的性質(zhì)分類：可分為模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器。(5)按轉(zhuǎn)換過程分類：可分為雙向傳感器和單向傳感器等。6.1.3傳感器的基本特性6.1傳感器的分類與特性圖6-3線性度示意圖1擬合直線2實(shí)際特性曲線滿量程輸出最大非線性絕對(duì)誤差6.1傳感器的分類與特性1.傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性是指傳感器在被測量的數(shù)值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的輸出-輸入的關(guān)系。(1)線性度：一般情況下，為了方便標(biāo)定和

3、數(shù)據(jù)處理，人們總是要求傳感器的輸出-輸入關(guān)系最好是線性關(guān)系，并能正確地反映被測量的真值，但一般情況下，實(shí)際的輸出-輸入特性曲線或多或少地存在非線性問題，只能接近線性，對(duì)比理論直線有偏差，如圖6-3所示。(2) 靈敏度：靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下，輸出量變化y對(duì)輸入量變化x的比值，用S表示，即(3)分辨力：分辨力是指傳感器能感受到的被測量的最小變化的能力。6.1傳感器的分類與特性(4)遲滯性：遲滯性是用來表示傳感器在正(輸入量增大)、反(輸入量減小)行程期間輸出-輸入特性曲線不重合的程度，即對(duì)應(yīng)同一輸入量，因傳感器行程方向不同而導(dǎo)致輸出量大小不相等。(5)重復(fù)性：重復(fù)性是指傳感器在輸入量按

4、同一方向連續(xù)多次變動(dòng)時(shí)，在全量程內(nèi)連續(xù)進(jìn)行重復(fù)測量所得到的輸出-輸入特性曲線不一致的程度，如圖6-5所示。6.1傳感器的分類與特性圖6-4遲滯特性曲線6.1傳感器的分類與特性圖6-5重復(fù)特性曲線2.傳感器的動(dòng)態(tài)特性傳感器的動(dòng)態(tài)特性是指傳感器對(duì)于隨時(shí)間變6.1傳感器的分類與特性化的輸入量的響應(yīng)特性。6.1.4傳感器的發(fā)展與展望傳感器的應(yīng)用已滲透到科學(xué)技術(shù)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活等各個(gè)領(lǐng)域。1.探索新理論及采用新材料、新技術(shù)和新工藝開發(fā)新型傳感器目前，許多科學(xué)家正在不斷地探索新理論，將各種新的物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)和生物效應(yīng)等用到傳感器中，從而開發(fā)出新一代傳感器。2.向集成化、多維化、多功能化和智能化

5、方向發(fā)展傳感器的集成化是指應(yīng)用集成加工技術(shù)，將敏感元件、放大電路、運(yùn)算電路和溫度補(bǔ)償電路等環(huán)節(jié)集成于一塊芯片上。6.1傳感器的分類與特性圖6-6傳感器的多維化a)單個(gè)傳感器b)一維傳感器c)二維傳感器6.2傳感器與微機(jī)接口表6-2多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要形式6.2傳感器與微機(jī)接口表6-2多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要形式6.2.1多路開關(guān)6.2傳感器與微機(jī)接口在多路采集系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)每次只能檢測處理其中的一路信號(hào)，并且各路信號(hào)之間不允許相互干擾，因此，對(duì)多點(diǎn)信號(hào)要分時(shí)檢測。6.2傳感器與微機(jī)接口圖6-8多路開關(guān)a)選擇輸入方式的多路選擇器b)選擇輸出方式的多路分配器6.2傳感器與微機(jī)接口1)電平與T

6、TL或CMOS電平相兼容。2)內(nèi)部帶有通道選擇譯碼器，通道控制方便。3)可采用正或負(fù)雙極性輸入。4)導(dǎo)通電阻低，可以小于100。5)轉(zhuǎn)換速度快，通常其導(dǎo)通或關(guān)斷時(shí)間在1s左右。6)關(guān)斷電阻高，一般達(dá)109以上。7)無機(jī)械磨損，壽命長。6.2傳感器與微機(jī)接口(1)CD4051：CD4051是單端雙向8通道多路開關(guān)，圖6-9CD4051引腳圖6.2傳感器與微機(jī)接口圖6-9所示為其引腳圖，表6-3為它的邏輯真值表。1) 3個(gè)通道選擇輸入端A、B、C。2) 1個(gè) 片選控制端INH。3) 8個(gè)通道INOUT端。4) 1個(gè)公共INOUT端。5) 3個(gè)電源端VCC、VDD、VEE。表6-3CD4051的邏輯

7、真值表6.2傳感器與微機(jī)接口(2)CD4052：CD4052是差動(dòng)4通道多路開關(guān)，圖6-10所示為其引腳圖。圖6-10CD4052引腳圖6.2傳感器與微機(jī)接口1) 2個(gè)通道選擇輸入端A、B。2) 1個(gè)片選控制端INH。3) 雙4通道INOUT端。4) 2個(gè)公共INOUT端X、Y。5) 3個(gè)電源端VCC、VDD、VEE。6.2.2多路開關(guān)的控制6.2傳感器與微機(jī)接口6.2.3采樣-保持器圖6-11CD4051擴(kuò)展16通道多路開關(guān)6.2傳感器與微機(jī)接口當(dāng)傳感器將非電量轉(zhuǎn)換成電量，并經(jīng)放大和濾波等系列處理后，需經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換變換成數(shù)字量，才能輸入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。圖6-12采樣-保持器的工作原理a)采樣-

8、保持器的工作方式b)采樣-保持器的工作原理框圖6.2傳感器與微機(jī)接口圖6-13最簡單的采樣-保持電路1.采樣-保持器的工作原理最簡單的采樣-保持電路由一個(gè)存儲(chǔ)器電容C和一個(gè)模擬開關(guān)S等組成。6.2傳感器與微機(jī)接口6M14.tif2.常用的采樣-保持器芯片隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，目前已生產(chǎn)出多種集成采樣-保持器，6.2傳感器與微機(jī)接口如可用于一般目的的AD582、AD583和LF198/298/398等，用于高速場合的HT0025、HTS0010和HTC0300等，用于高分辨率場合的SHA1144等。1)采樣速度快、精度高，一般為22.5s，即精度達(dá)到(0.0030.01)。2)下降速度慢

9、，如AD585和AD348為0.5mV/ms，SD389為0.1V/ms。6.2傳感器與微機(jī)接口6M15.tif圖6-15LF398采樣-保持器原理圖6.2傳感器與微機(jī)接口圖6-16LF398芯片引腳圖6.2傳感器與微機(jī)接口6M17.tif6.2.4A/D轉(zhuǎn)換器6.2傳感器與微機(jī)接口A/D轉(zhuǎn)換器的作用就是把模擬量變換成計(jì)算機(jī)能接收的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。1. AD轉(zhuǎn)換器的工作原理(1)逐次逼近式轉(zhuǎn)換器的工作原理：逐次逼近式轉(zhuǎn)換的基本原理是用一個(gè)計(jì)量單位使連續(xù)量整量化(簡稱量化)，即用計(jì)量單位與連續(xù)量比較，把連續(xù)量變?yōu)橛?jì)量單位的整數(shù)倍，略去小于計(jì)量單位的連續(xù)量部分，這樣所得到的整數(shù)量即為數(shù)字量。圖6-

10、18逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器原理6.2傳感器與微機(jī)接口(2)雙積分式AD轉(zhuǎn)換器的工作原理：雙積分AD轉(zhuǎn)換采用了間接測量原理，即將被測電壓值VX轉(zhuǎn)換成時(shí)間常數(shù)，通過測量時(shí)間常數(shù)得到未知電壓值。圖6-19雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器原理a)電路圖b)原理圖基準(zhǔn)電壓、被測電壓定時(shí)積分時(shí)間、反向積分時(shí)間6.2傳感器與微機(jī)接口2. A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)(1)轉(zhuǎn)換時(shí)間和轉(zhuǎn)換速率：轉(zhuǎn)換時(shí)間是AD完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間；轉(zhuǎn)換時(shí)間的倒數(shù)為轉(zhuǎn)換速率。(2)分辨率：AD轉(zhuǎn)換器的分辨率表示輸出數(shù)字量變化一個(gè)相鄰數(shù)碼所需輸入電壓的變化量，習(xí)慣上以二進(jìn)制位數(shù)或BCD碼位數(shù)表示。(3)量化誤差：量化過程引起的誤差為量化誤差，

11、量化誤差是由于有限數(shù)字對(duì)模擬量進(jìn)行量化而引起的誤差。(4)轉(zhuǎn)換精度：AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度定義為一個(gè)實(shí)際AD轉(zhuǎn)換器與一個(gè)理想AD轉(zhuǎn)換器在量化值上的差值。3.常用A/D轉(zhuǎn)換芯片及其與單片機(jī)接口電路(1) 12位A/D轉(zhuǎn)換器AD5746.2傳感器與微機(jī)接口1) AD574引腳排列及功能。圖6-20AD574引腳圖6.2傳感器與微機(jī)接口表6-4AD574邏輯真值表2) AD574與單片機(jī)接口電路。6.2傳感器與微機(jī)接口圖6-21AD574與單片機(jī)8031的接口電路AD574的數(shù)據(jù)線DB0DB11高8位接于8031的P00P07端，6.2傳感器與微機(jī)接口低4位接于P04P07端。AD574的輸出數(shù)據(jù)形式

12、控制端12/接地，可與8位單片機(jī)兼容，12位數(shù)據(jù)分兩次傳送。圖6-22MC14433的引腳圖6.2傳感器與微機(jī)接口8031的、通過與非門74LS00后，接于A0574的CE端，無論讀或?qū)?，CE=1時(shí)AD574均處于工作狀態(tài)。AD574的R/通過74LS373接于8031的P00端，則P00=0，啟動(dòng)轉(zhuǎn)換器；P00=1，讀取AD轉(zhuǎn)換結(jié)果。AD574的A0端通過74LS373接于8031的P01端，則通過控制P01端的狀態(tài)便可控制轉(zhuǎn)換位數(shù)和讀取字節(jié)的方式。(2)雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器MC144331) MC14433的引腳排列及功能。表6-5D選通時(shí)的狀態(tài)及表示結(jié)果6.2傳感器與微機(jī)接口圖6-23M

13、C14433與單片機(jī)8031的接口電路2) MC14433與單片機(jī)接口電路。6.3檢測技術(shù)的應(yīng)用6.3.1檢測技術(shù)的含義及其作用和地位檢測(Detection)是利用各種物理、化學(xué)效應(yīng)，選擇合適的方法與裝置，將生產(chǎn)、科研和生活等各方面的有關(guān)信息通過檢查與測量的方法賦予定性或定量結(jié)果的過程。1.檢測技術(shù)是產(chǎn)品檢驗(yàn)和質(zhì)量控制的重要手段借助于檢測工具對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)是檢測技術(shù)重要的應(yīng)用領(lǐng)域。2.檢測技術(shù)在大型設(shè)備安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用電力、石油、化工和機(jī)械等行業(yè)的一些大型設(shè)備通常在高溫、高壓、高速和大功率狀態(tài)下運(yùn)行，保證這些關(guān)鍵設(shè)備安全運(yùn)行在國民經(jīng)濟(jì)中具有重大意義。6.3檢測技術(shù)的應(yīng)用3.

14、檢測技術(shù)和裝置是自動(dòng)化系統(tǒng)中不可缺少的組成部分任何生產(chǎn)過程都可以看作是由“物流”和“信息流”組合而成的，反映物流的數(shù)量、狀態(tài)和趨向的信息流則是人們管理和控制物流的依據(jù)。4.檢測技術(shù)的完善和發(fā)展推動(dòng)著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步現(xiàn)代化檢測手段所達(dá)到的水平在很大程度上決定了科學(xué)研究的深度和廣度。6.3.2檢測技術(shù)的內(nèi)容檢測技術(shù)的內(nèi)容較廣泛，常見的機(jī)電一體化系統(tǒng)檢測涉及的內(nèi)容見表6 6。6.3檢測技術(shù)的應(yīng)用表6-6常見的機(jī)電一體化系統(tǒng)檢測涉及的內(nèi)容1.檢測技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例當(dāng)代的檢測系統(tǒng)越來越多地使用計(jì)算機(jī)或微處理器來控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作。(1)系統(tǒng)控制方案：脈沖燃燒熱水爐的燃燒原理如圖6-24所示，燃?xì)夂涂諝饨?jīng)混

15、合室7混合后，進(jìn)入燃燒室6。6.3檢測技術(shù)的應(yīng)用圖6-24脈沖燃燒熱水爐的燃燒原理1排氣消聲器2進(jìn)水管3空氣去耦室4熄火檢測器5進(jìn)水電磁閥6燃燒室7混合室8點(diǎn)火器9燃?xì)馊ヱ钍?0燃?xì)怆姶砰y11燃?xì)膺M(jìn)管12風(fēng)機(jī)13排煙去耦室14出水管15尾管16傳熱器17低水位檢測開關(guān)18溫度傳感器19高水位檢測開關(guān)20水箱連接管6.3檢測技術(shù)的應(yīng)用(2)檢測部分的工作原理：脈沖燃燒爐控制電路結(jié)構(gòu)框圖如圖6-25所示，在設(shè)計(jì)中使用了8051單片機(jī)，利用其片內(nèi)存儲(chǔ)器及RAM存儲(chǔ)全部程序，并充分利用其IO接口和定時(shí)器等內(nèi)置功能。圖6-25脈沖燃燒爐控制電路結(jié)構(gòu)框圖6.3檢測技術(shù)的應(yīng)用(3)控制部分的工作原理：控制部分主要完成系統(tǒng)初始化、按鍵識(shí)別、熄火檢測保護(hù)、水位控制和水溫控制、輸出驅(qū)動(dòng)及報(bào)警等工作。1)系統(tǒng)初始化。2)按鍵識(shí)別。3)熄火檢測保護(hù)。4)水位控制。5)水溫控制。6)輸出驅(qū)動(dòng)。7)報(bào)警。6.3檢測技術(shù)的應(yīng)用(4)系統(tǒng)特點(diǎn)：脈沖燃燒熱水爐采用先進(jìn)的脈沖燃燒技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡單、燃燒強(qiáng)度大和對(duì)環(huán)境污染小等突出優(yōu)點(diǎn)，適用于賓館、招待所、公寓、機(jī)關(guān)和學(xué)校等集中供熱