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第四章 机电一体化检测系统 第一节 概 述 传感与检测是系统的感受器官，如数控机床加工过程中，要对刀架位置、切屑力大小、进给速度等进行控制，这都是通过传感与检测来完成。检测技术是机电一体化技术的关键技术，它主要用于检测相关外界环境及产品自身状态，为控制环节提供判断和处理依据的信息反馈环节。传感器是检测技术的关键元件。如何从待测对象那里获得能反映待测对象特征与状态的信号，取决于传感器，而能否有效的利用这些信号携带的丰富信息则取决于检测技术。传感器可以为检测系统提供必需的原始信号，中间转换电路将传感器的敏感元件输出的电参数信号转换为易于测量或处理的电压或电流等电量信号，但是往往这种信号都很微弱，所以要通过电路进行放大、调制解调、A/D或D/A转换等以满足信号传输、计算机处理的要求；根据需要还必需进行必要的阻抗匹配、线性化及温度补偿等处理。 随着世界各国现技术的发展，检测领域出现了许多新的检测方法，如超声波、红外线、核辐射、光导纤维等，这些方法在高温、高速度、远距离等情况下更具有优越性。对检测技术的要求也越来越高。目前，检测技术的总趋势大体有以下几个方面：（1）不断拓展测量范围，努力提高检测精度和可靠性；（2）传感器逐渐向集成化、组合式、数字化方向发展；（3）重视非接触式检测技术研究；（4）检测系统智能化。 本章重点介绍常用的传感器、传感器的信号处理、传感器的借口技术。 一、检测系统的组成 机电一体化产品中需要检测的物理量分成电量和非电量两种形式。 通常作为信息的载体所表现的物理量不是电量，即非电量，所以必须用传感器将非电量转换成电量。非电量的检测系统有两个重要环节： 1、把各种非电量信息转换为电信号。这就是传感器的功能，传感器又称为一次仪表。 2、对转换后的电信号进行测量，并进行放大、运算、转换、记录、指示、显示等处理，也称为电信号处理系统或二次仪表。 机电一体化系统一般采用计算机控制，电信号处理系统通常是以计算机为中心的电信号处理系统。 非电量检测系统的结构形式如图4-1所示。 图4-1 非电量检测系统的结构形式 对于电量检测系统，只保留电信号的处理过程，省略了一次仪表的处理过程。 二、传感器的概念及基本特性 传感器是一种以一定的精确度将被测量转换为与之有确定对应关系的、易于精确处理和测量的某种物理量（如电量）的测量部件或装置。传感器件一般有物理、化学和生物等学科的某些效应或远离按照一定工艺研制出来，能“感知”被测量的大小和变化，并进行处理。传感器的特性（静特性和动特性）是其内部参数的外部表现，也决定了其性能和精度。 1、传感器的构成 传感器一般是由敏感元件、传感元件和转换电路三部分组成，如图4-2所示。 图4-2 传感器组成框图 （1）敏感元件 在 非电量到电量的转换时，并非所有的非电量都能直接变为电量，需要进行与转换，再变为电量。 敏感元件是直接感受被测非电量的，能将被测量转换成易于测量的物理量的预变换装置，且输入输出间具有确定的数学关系（最好为线性）。如弹性敏感元件弹簧、悬臂梁等。 （2）转换元件 转换元件又称为变换器，是将敏感元件输出的非电物理量转换成电信号（如电阻、电感、电容等）的元件。信号的转换元件是构成传感器的核心。例如热敏电阻。 （3）基本转换电路 能将电信号转换成便于测量、处理和控制电量的电路，如电压、电流、频率等。 传感器的结构有的简单，有的复杂。如热电偶（只有敏感元件，输出电势），电容式位移传感器（敏感元件和基本转换电路），膜片式液体压力传感器和悬臂梁式力传感器（敏感元件、转换元件、基本转换电路）。 2、传感器的静态特性 静态特性是指传感器变换的被测量的数值处在稳定状态时，所表现出来的输入/输出关系。 通常用来描述静态特性的指标有：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨率和零漂等。 线性度 线性度是指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值与满量程输出值之比。 图4-3传感器线性度示意图 1、实际曲线 2、理想曲线 （4-1） 式中， —线性度(非线性误差)； —最大非线性绝对误差； yFS—输出满度值。 灵敏度 传感器在静态标准条件下，输出量的增量与引起该增量的相应输入量增量之比 (4-2) 对于线性传感器，它的灵敏度S0是个常数。 灵敏度是