《机电一体化系统设计》第5章_检测系统设计PPT课件
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机电一体化系统设计课件
机电一体化系统设计课件1. 简介机电一体化系统是将机械、电子和控制工程相结合，形成一个协同工作的系统。
本课件将介绍机电一体化系统的设计原理、组成部分以及常见应用。
机电一体化系统设计的原理是通过集成机械、电子和控制工程的知识，实现系统的自动化和优化。
设计原理包括以下几个方面：2.1 机械设计机械设计是机电一体化系统设计的基础。
在机械设计中，需要考虑系统的运动学、动力学和机构设计等问题。
通过合理的机械设计，可以实现系统的精确运动和高效能力。
电子设计是机电一体化系统设计的重要组成部分。
在电子设计中，需要考虑系统的传感器、执行器、电路和电源等问题。
通过合理的电子设计，可以实现系统的自动化和智能化。
2.3 控制工程设计控制工程设计是机电一体化系统设计的关键。
在控制工程设计中，需要考虑系统的控制算法、控制器和通信接口等问题。
通过合理的控制工程设计，可以实现系统的稳定性和可靠性。
机电一体化系统由机械部分、电子部分和控制部分组成。
下面将分别介绍这三个部分的组成部分：3.1 机械部分机械部分包括结构、传动、执行和传感器等部件。
结构部件负责支撑和固定系统的其他部件，传动部件负责将能量和动力从一个部件传递到另一个部件，执行部件负责完成系统的特定任务，传感器部件负责感知系统的状态和环境。
电子部分包括电路、传感器、执行器和通信接口等组件。
电路负责系统的信号处理和控制算法的实现，传感器负责感知系统的状态和环境，执行器负责执行系统的动作，通信接口负责系统的数据传输。
3.3 控制部分控制部分包括控制算法、控制器和人机接口等组成部分。
控制算法负责分析系统的状态和环境，并根据预设条件进行控制决策，控制器负责实施控制算法，人机接口负责人机交互和系统监控。
4. 常见应用机电一体化系统在众多领域均有应用，下面介绍其中几个常见的应用：4.1 自动化生产线机电一体化系统被广泛应用于自动化生产线中。
通过集成机械、电子和控制工程的知识，可以实现生产线的自动化和流程优化。
机电一体化系统设计ppt课件
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
3、有源接口：含有有源要素，可以主动进 行匹配的接口。如电磁离合器、放大器、 光电耦合器等
4、智能接口：带有微处理器，可以进行程 序编制或可适应性地改变接口条件。如自 动变速装置、通用输入/输出集成电路， STD总线等
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
1.2.2 机电一体化系统的功能构成
构成功能的目的：处理工业三大要素 信息、能量、物质 功能构成
1、变换（加工、处理）功能 2、传递（移动、输送）功能 3、储存（保持、积蓄、记录）功能
2.2机电一体化系统设计与现代设计方法
设计程序 ①明确设计思想 ②分析综合要求 ③划分功能模块 ④决定性能参数 ⑤调研类似产品 ⑥拟定总体方案 ⑦方案对比定型 ⑧编写总体设计论证书
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
3、信息接口：受规格、标准、法律、语言、 符号等逻辑、软件约束的接口。如RS232， GB，ISO，ASCII，FORTRAN，C++等
4、环境接口：对周围环境条件（温度、湿 度、磁场、振动、水、气、灰、火、放射） 有保护作用的接口。如防尘接头，防水开 关等
机电一体化系统设计第5章检测系统设计
y FS
式中: ΔHm——输出值在正、反行程间的最大差值。
4)重复性 传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向 作全量程连续多次重复测量时，所得输出—输入曲 线的不一致程度，称为重复性。重复性误差用满量 程输出的百分数表示，即
γR Rm 100%
y FS
式中: ΔRm——最大重复性误差。
max
0 xFS x
图3-3 传感器的线性度示意图
线性度可用下式计算：
max L 100% y FS
式中：
（3-1）
L —— 线性度(非线性误差)；
Δmax—— 最大非线性绝对误差；
yFS —— 输出满度值。
2）灵敏度。传感器在静态标准条件下,输出变
化对输入变化的比值称为灵敏度,用S0表示,即
传感器的分类 传感器的分类方法有多种; 如按被测物理量的性质分:位移传感器、速度传感 器、压力传感器等； 按工作机理分:电阻式、电感式、电容式、光电式； 按照输出信号的性质分类:可分为开关型(二值型)、 模拟型和数字型，如下图所示：
28
接触型(如微动开关、接触开关等) 开关型 (二值型) 非接触型(如光电开关、接近开关等) 电阻型(电位器、电阻应变片等) 传感器
(1) 传感器的静特性
1) 线性度 通常希望输出与输入特性（曲线）为线性，这对标 定和数据处理带来方便。但实际的输出与输入特性只能接 近线性，与理论直线有偏差。
传感器的线性度是指传感器实际输出—输入特性曲 线与理论直线之间的最大偏差与输出满度值之比。
y yFS 2
1
1 —实际曲线 2 —理想曲线
一、传感器的组成及基本特征
1.传感器的组成
一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路三部分组成。
式中: ΔHm——输出值在正、反行程间的最大差值。
4)重复性 传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向 作全量程连续多次重复测量时，所得输出—输入曲 线的不一致程度，称为重复性。重复性误差用满量 程输出的百分数表示，即
γR Rm 100%
y FS
式中: ΔRm——最大重复性误差。
max
0 xFS x
图3-3 传感器的线性度示意图
线性度可用下式计算：
max L 100% y FS
式中：
（3-1）
L —— 线性度(非线性误差)；
Δmax—— 最大非线性绝对误差；
yFS —— 输出满度值。
2）灵敏度。传感器在静态标准条件下,输出变
化对输入变化的比值称为灵敏度,用S0表示,即
传感器的分类 传感器的分类方法有多种; 如按被测物理量的性质分:位移传感器、速度传感 器、压力传感器等； 按工作机理分:电阻式、电感式、电容式、光电式； 按照输出信号的性质分类:可分为开关型(二值型)、 模拟型和数字型，如下图所示：
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接触型(如微动开关、接触开关等) 开关型 (二值型) 非接触型(如光电开关、接近开关等) 电阻型(电位器、电阻应变片等) 传感器
(1) 传感器的静特性
1) 线性度 通常希望输出与输入特性（曲线）为线性，这对标 定和数据处理带来方便。但实际的输出与输入特性只能接 近线性，与理论直线有偏差。
传感器的线性度是指传感器实际输出—输入特性曲 线与理论直线之间的最大偏差与输出满度值之比。
y yFS 2
1
1 —实际曲线 2 —理想曲线
一、传感器的组成及基本特征
1.传感器的组成
一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路三部分组成。
机电一体化系统传感器与检测系统课件
加速度传感器有压电式、电容式等，具有响应速度快、动态范围大等优
点。
03
应用场景
速度传感器常用于电机控制、车辆测速等领域。加速度传感器则广泛应
用于地震监测、汽车安全气囊系统等方面。
力传感器
• 定义与原理：力传感器用于测量物体受到的力的大小和方向，通常将力学量转 换为电信号输出。
• 类型与特点：包括压阻式、压电式、应变式等。压阻式力传感器具有结构简单、 成本低等优点，但温度漂移较大。压电式力传感器响应速度快，但输出信号较 弱，需放大处理。应变式力传感器测量范围广，精度较高。
信号放大与滤波技术
信号放大
通过使用放大器对微弱信号进行放大， 以提高信号的幅度和驱动能力，使得 后续电路能够正常处理。
滤波技术
采用滤波器对信号中不需要的频率成 分进行滤除，以减少噪声和干扰，提 高信号的信噪比。
模拟/数字转换技术
模拟信号转换为数字信号
通过模数转换器（ADC）将模拟信号转换为数字信号，以便微处理器进行处理。 常用的ADC有逐次逼近型和积分型等。
利用化学反应产生的电信号进行 测量，如气体传感器。
传感器的性能参数
精度：传感器输出量与输入量的实际值之间的误差程度。 线性度：传感器输出量与输入量之间的线性关系程度。
灵敏度：单位输入量的变化引起的输出量变化程度。 响应时间：传感器对输入量变化做出反应的时间。
稳定性：传感器在长期使用过程中，输出量保持稳定不 变的能力。
检测系统组成与功能
阐述检测系统组成，包括传感器、信号调理电路、数据采集与处理 模块等，并分析其在机电一体化系统中的功能。
传感器与检测系统的应用
举例说明传感器与检测系统在机器人、数控机床、自动化生产线等 机电一体化系统中的应用。
机电一体化系统设计-概论PPT课件
出版社） • 张君安主编。机电一体化系统设计（兵器工业出版社） • 张立勋等主编。机电一体化系统设计（哈尔滨工程大学出版社） • 机电一体化技术手册编委会。机电一体化技术手册（机械工业
出版社） • 张建民 等主编. 机电一体化系统设计 (北京理工大学出版社)
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3
第一章。机电一体化概念
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48
• (6)环境完善性 • (7)技术经济性 • (8)结构工艺性 • (9)造型艺术性 • (10)成果规范性
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49
九 .机电一体化产品的设计开发步骤
• (1)市场调查
• 所谓市场调查就是运用科学的方法，
系统地、全面地收集有关市场需求
和经销方面的有关资料。在市场调
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54
(B)接口设计
• 对于一种产品（或系统），其各部件之 间，各子系统之间往往需要传递动力、 运动、命令或信息，这都是通过各种接 口来实现的。
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38
4. 接口技术
• 在机电一体化系统中，计算机与外部设 备（如执行机构、传感器、机械本体、 动力源和人机交互设备等）之间的连接 和信息交换环节称为接口，接口功能的 实现除硬件电路外，还应包括相应的接 口软件（驱动程序），通常通过接口硬 件和接口软件的结合来实现接口任务。
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查的基础上，通过定性的经验分析
或定量的科学计算，对市场未来的
不确定因素和条件作出预测，为企
业提供依据。
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50
(2) 初步设计
• 初步设计的主要任务是建立产品的 功能模型，提出总体方案、投资预 算，拟定实施计划等
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51
出版社） • 张建民 等主编. 机电一体化系统设计 (北京理工大学出版社)
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3
第一章。机电一体化概念
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48
• (6)环境完善性 • (7)技术经济性 • (8)结构工艺性 • (9)造型艺术性 • (10)成果规范性
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49
九 .机电一体化产品的设计开发步骤
• (1)市场调查
• 所谓市场调查就是运用科学的方法，
系统地、全面地收集有关市场需求
和经销方面的有关资料。在市场调
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54
(B)接口设计
• 对于一种产品（或系统），其各部件之 间，各子系统之间往往需要传递动力、 运动、命令或信息，这都是通过各种接 口来实现的。
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38
4. 接口技术
• 在机电一体化系统中，计算机与外部设 备（如执行机构、传感器、机械本体、 动力源和人机交互设备等）之间的连接 和信息交换环节称为接口，接口功能的 实现除硬件电路外，还应包括相应的接 口软件（驱动程序），通常通过接口硬 件和接口软件的结合来实现接口任务。
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查的基础上，通过定性的经验分析
或定量的科学计算，对市场未来的
不确定因素和条件作出预测，为企
业提供依据。
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50
(2) 初步设计
• 初步设计的主要任务是建立产品的 功能模型，提出总体方案、投资预 算，拟定实施计划等
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51
机电一体化 完整ppt课件
1 23 4
图7-18 双螺母垫片调隙式结构 1、2-单螺母 3-螺母座 4-调整垫片
编辑版pppt
37
(b)螺纹调隙式（图7-20）其中一 个螺母的外端有凸缘而另一个螺母 的外端没有凸缘而制有螺纹，它伸 出套筒外，并用两个圆螺母固定着。 旋转圆螺母时，即可消除间隙，并 产生预拉紧力，调整好后再用另一 个圆螺母把它锁紧。
2.机电技术完全融合形成新型机电一体化产品
生产机械中的激光快速成形机；信息机械中的传真机、打印机、复印机；检测机 械中的CT（计算机断层扫描诊断装置）扫描诊断仪、扫描隧道显微镜等。
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7
C650卧式车床外形图 1— 主轴变速箱 2—溜板与刀架 3—尾座 4—床身 5—丝杠
6—光杠 7—溜板箱 8—进给箱 9—挂轮箱
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36
滚珠丝杠副轴向间隙的调整
(a)垫片调隙式（图7-18） 通常用螺 钉来连接滚珠丝杠两个螺母的凸缘， 并在凸缘间加垫片。调整垫片的厚度 使螺母产生轴向位移，以达到消除间 隙和产生预拉紧力的目的。
这种结构的特点是构造简单、可靠性 好、刚度高以及装卸方便。但调整费 时，并且在工作中不能随意调整，除 非更换厚度不同的垫片。
能更优越。现代机械要求具有更新颖的结构、更
小的体积、更轻的重量，还要求精度更高、刚度
更大、动态性能更好。
3.
在设计和制造机械系统时除了考虑静态、动
态刚度及热变形等问题外，还应考虑采用新型复
合材料和新型结构以及新型的制造工艺和工艺装
置。
4. 2 .传感检测技术
5.
传感检测技术的内容，一是研究如何将各种
3）运动平稳，无爬行现象，传动精度高。
4）运动具有可逆性，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运 动，即丝杠和螺母都可以作为主动件。
机电一体化系统设计课程设计PPT课件
8
二、总体方案设计（续2） 全闭环系统采用直线光栅测量工作台位移、增量式光电编 码盘检测电机或丝杠转速。 4、执行元件确定 开环系统选用步进电机，半闭环和全闭环系统选择直流伺 服电机或交流伺服电机。 5、控制器计算机系统选择 单片机、可编程控制器、工业控制计算机是机电一体化系 统控制器采用的三种基本计算机。
44
课程设计须交材料 1、机电系统草图 1张 2、电气原理图1张 3、程序框图若干 4、设计说明书 1份（封面按江南大学课程设 计格式规定）
45
日程安排
❖ 共三周时间（12月7日至12月25日）
❖
第1天--- 准备（实验室实践，参考资料及设计手册）
❖ 第2、3天---总体方案确定，完成机械结构草图。
❖ 组合的方法：形态矩阵法
61
功能原理设计的举例（瓶盖整列装置）
一：明确设计任务（工厂现场能够提供的 电源和气源）
二：功能分析 三：功能元求解 四：功能元求解的组合 五：评价于决策
62
❖ 黑箱分析:
功能分解
总功能分析:
63
功能元求解目录表
64
结构总体设计
❖ 结构总体设计是将原理方案设计结构化 ❖ 结构设计时的若干注意事项： 1）任务分配原理
27
4、总装配图28ຫໍສະໝຸດ 3、总装配图（续）29
四、检测系统设计及其要点 半闭环系统的检测任务：位置检测、速度检测，通常采用 光电编码盘可同时用于以上两个参数的检测。 1、转角测量 传感器--光电编码盘
参数选择：脉冲分辨率 测量方法：计数值*脉冲分辨率 2、零位检测 传感器---行程开关+光电编码盘
33
五、控制器及其信息接口设计（续2）
34
4、人机接口设计 （1）分析信号形式、统计数量 （2）设计接口
二、总体方案设计（续2） 全闭环系统采用直线光栅测量工作台位移、增量式光电编 码盘检测电机或丝杠转速。 4、执行元件确定 开环系统选用步进电机，半闭环和全闭环系统选择直流伺 服电机或交流伺服电机。 5、控制器计算机系统选择 单片机、可编程控制器、工业控制计算机是机电一体化系 统控制器采用的三种基本计算机。
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课程设计须交材料 1、机电系统草图 1张 2、电气原理图1张 3、程序框图若干 4、设计说明书 1份（封面按江南大学课程设 计格式规定）
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日程安排
❖ 共三周时间（12月7日至12月25日）
❖
第1天--- 准备（实验室实践，参考资料及设计手册）
❖ 第2、3天---总体方案确定，完成机械结构草图。
❖ 组合的方法：形态矩阵法
61
功能原理设计的举例（瓶盖整列装置）
一：明确设计任务（工厂现场能够提供的 电源和气源）
二：功能分析 三：功能元求解 四：功能元求解的组合 五：评价于决策
62
❖ 黑箱分析:
功能分解
总功能分析:
63
功能元求解目录表
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结构总体设计
❖ 结构总体设计是将原理方案设计结构化 ❖ 结构设计时的若干注意事项： 1）任务分配原理
27
4、总装配图28ຫໍສະໝຸດ 3、总装配图（续）29
四、检测系统设计及其要点 半闭环系统的检测任务：位置检测、速度检测，通常采用 光电编码盘可同时用于以上两个参数的检测。 1、转角测量 传感器--光电编码盘
参数选择：脉冲分辨率 测量方法：计数值*脉冲分辨率 2、零位检测 传感器---行程开关+光电编码盘
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五、控制器及其信息接口设计（续2）
34
4、人机接口设计 （1）分析信号形式、统计数量 （2）设计接口
机电一体化系统设计PPT
四、系统论、控制论和信息论的相互关系 系统论、
信息论研究的是如何认识信息和度量信息。 而系统论和控制论是研究如何利用信息，系统 论是利用信息来实现系统最优化，控制论是利 用信息来实现系统的有目的最佳控制。
1.5.2 关键技术（技术构成） 关键技术（技术构成）
1、机械技术 、
数控机床、机器人、自动生产设备 生产用机电一体化产品和系统 柔性生产单元、自动组合生产单元 FMS、无人化工厂、CIMS 微机控制汽车、机车等交通运输工具 运输、包装及工程用机电一体化产品 数控包装机械及系统 数控运输机械及工程机械设备 自动仓库 储存、销售用机电一体化产品 自动空调与制冷系统及设备 自动称量、分选、销售及现金处理系统 自动化办公设备 社会服务性机电一体化产品 动力、医疗、环保及公共服务自动化设备 文教、体育、娱乐用机电一体化产品 微机或数控型耐用消费品 家庭用机电一体化产品 炊事自动化机械 家庭用信息、服务设备 测试设备 科研及过程控制用机电一体化产品 控制设备 信息处理系统 农、林、牧、渔及其它民用机电一体化产品 航空、航天、国防用武器装备等机电一体化产品
机电一体化技术只是将计算机作为核心部件应用，目 的是提高和改善系统性能。计算机在机电一体化系统中 的应用仅仅是计算机应用技术的一部分，它还可以在办 公、管理及图像处理等方面得到广泛应用。机电一体化 技术研究的是机电一体化系统，而不是计算机应用本身。
1.2 机电一体化系统的基本组成
1.2.1 机电一体化系统的功能组成
D、节约能源
• 机电一体化的产品 ， 可以节约材料、 节约 机电一体化的产品， 可以节约材料 、
能源。 能源。例如： • 我国目前各类电风扇的调整器为电磁机械 式 ， 如果用电子式调整器每年全国可节约 电600万度； 600万度； • 汽油机电子点火； • 液压挖掘机电子节能。
机电一体化系统设计 ppt课件
2. 快速发展阶段 ▲ 时间： 20世纪70年代到80年代
▲ 发展情况：
计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一 体化的发展奠定了技术基础，人们自觉、主动地利用３Ｃ技
术的成果创造新的机电一体化产品。Mechatronics诞生。 这一阶段，机电一体化技术和产品得到了极大发展， 各国均开始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支持， 其中日本在推动机电一体化技术的发展方面起了主导作用。 我国机电一体化技术的发展也始于这一阶段，80年代开 始，组织专家根据我国国情对发展机电一体化的原则、目标、 层次和途径等进行了深入而广泛的研究，制订了一系列有利 于机电一体化发展的政策法规，确定了数控机床、工业自动 化控制仪表、工业机器人、汽车电子化等15个优先发展领域 及6项共性关键技术的研究方向和课题。
机电一体化技术主要包括技术原理和使机电一体化产品 （或系统）得以实现、使用和发展的技术。
机电一体化技术是一个技术群（族）的总称，包括检测传
感技术、信息处理技术、伺服驱动技术、自动控制技术、机械 技术及系统总体技术等。
机电一体化产品（系统）
机电一体化产品有时也称为机电一体化系统，它们是 两个相近的概念，通常机电一体化产品指独立存在的机电 结合产品，而机电一体化系统主要指依附于主产品的部件 系统，这样的系统实际上也是机电一体化产品。
数 控 铣 床
数控车床
焊接机器人
汽车防抱死系统(ABS)
1.2 发展概况
在机电一体化技术的发展过程中，其不断吸取机械学、 电子学、信息科学等学科的发展成果，以实现本学科的发 展壮大。由于这些相关学科的发展都经历了较长的过程， 因此，机电一体化技术的发展经历了一个较长期的过程。 有学者将这一过程划分为萌芽阶段、快速发展阶段和智能 化阶段三个阶段。
机电一体化系统设计(最终版) PPT
在开发过程中，一方面要求设计机械系统 时应选择与控制系统的电气参数相匹配的 机械系统参数；同时也要求设计控制系统 时，应根据机械系统的固有结构参数来选 择和确定电气参数。
第二节 机电一体化系统设计 的目标与方法
机电一体化系统设计方法
取代法 整体设计法 组合法
第二节 机电一体化系统设计 的目标与方法
第二节 机电一体化系统设计
的目标与方法
机电一体化产品和系统的分类
按机电一体化产品和系统的用途分类，有产 业机械，信息机械，民用机械等；按机械和 电子的功能和含量分类，有以机械装置为主 体的机械电子产品和以电子装置为主体的电 子产品；按机电结合的程度分类，有附加型、 功能替代型和机电融合型。
第二节 机电一体化系统设计 的目标与方法
机电一体化系统设计(最终版)
机电一体化系统设计
教学目的 篇章结构 参考资料
教学目的
本课程主要讲述机电一体化实用技术，讲 述其基本理论，进行机电一体化产品系统 设计的综合知识。同时介绍机电一体化技 术的相关内容，各组成部分的特征和选型 以及相互结合技术方法，为综合应用机电 一体化各种技术奠定基础。通过课堂讲授 和实验观察，使学生了解微电子技术和计 算机应用技术与机械技术相结合的综合性 技术，掌握机电一体化的基础知识。
机械：强度高、输出功率大、承载大载荷；实 现微小复杂运动难。
电子：可实现复杂的检测和控制；但无法实现 重载运动。
第一节 机电一体化的定义
机电一体化是在以机械、电子技术和计算 机科学为主的多门学科相互渗透、相互结 合过程中逐渐形成和发展起来的一门新兴 边缘技术学科。
目前机电一体化的研究和开发主要包括计 算机数控系统、机器人、计算机辅助设计 /辅助制造系统、柔性制造系统和计算机 集成制造系统等。
第二节 机电一体化系统设计 的目标与方法
机电一体化系统设计方法
取代法 整体设计法 组合法
第二节 机电一体化系统设计 的目标与方法
第二节 机电一体化系统设计
的目标与方法
机电一体化产品和系统的分类
按机电一体化产品和系统的用途分类，有产 业机械，信息机械，民用机械等；按机械和 电子的功能和含量分类，有以机械装置为主 体的机械电子产品和以电子装置为主体的电 子产品；按机电结合的程度分类，有附加型、 功能替代型和机电融合型。
第二节 机电一体化系统设计 的目标与方法
机电一体化系统设计(最终版)
机电一体化系统设计
教学目的 篇章结构 参考资料
教学目的
本课程主要讲述机电一体化实用技术，讲 述其基本理论，进行机电一体化产品系统 设计的综合知识。同时介绍机电一体化技 术的相关内容，各组成部分的特征和选型 以及相互结合技术方法，为综合应用机电 一体化各种技术奠定基础。通过课堂讲授 和实验观察，使学生了解微电子技术和计 算机应用技术与机械技术相结合的综合性 技术，掌握机电一体化的基础知识。
机械：强度高、输出功率大、承载大载荷；实 现微小复杂运动难。
电子：可实现复杂的检测和控制；但无法实现 重载运动。
第一节 机电一体化的定义
机电一体化是在以机械、电子技术和计算 机科学为主的多门学科相互渗透、相互结 合过程中逐渐形成和发展起来的一门新兴 边缘技术学科。
目前机电一体化的研究和开发主要包括计 算机数控系统、机器人、计算机辅助设计 /辅助制造系统、柔性制造系统和计算机 集成制造系统等。
《检测系统设计》PPT课件
不影响外部环境； ▪ 6. 对环境条件适应能力强; ▪ 7. 现场处理简单、操作性能好； ▪ 8. 价格便宜。
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10
4.1.5 传感器的分类
传感器的分类方法有多种;
▪ 1、 按被测物理量的性质分；位置、位移传感
器、速度传感器、加速度传感器、转速传感器、 温度传感器、压力传感器等等；
▪ 2、按工作机理分；电阻式、电感式、电容式、
某一范围内是否有某一物体的一种传感器。
编辑版ppt
17
▪ 1. 接触式位置传感器
这类传感器用微动开关之类的触点器件便可构成:
1、柔软电极 2、柔软绝缘体
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18
▪ 2. 接近式位置传感器
接近式位置传感器按其工作原理主要分：①电 磁式；②光电式；③电容式；④超声波式；⑤气 压式等。其基本工作原理可用下图表示出来。
系输出物理量。如弹性敏元件将力转换为位移 或应变输出。
▪ 2 转换元件 将敏感元件输出的非电物理量 (如位移、应变、光强等)转换成电量参数(如电 阻、电感、电容等)等。
▪ 3 基本转换电路 将电路参数量转换成便于 测量的电量，如电压、电流、频率等。
编辑版ppt
3
传感器的组成
编辑版ppt
4
4.1.3 传感器的特性
应用：这种电容传感器有较多的结构形式，可以用来测量纸张、 绝缘薄膜等的厚度，也可以用来测量粮食、纺织品、木材或煤 等非导电固体的物质的湿度。
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33
2、电感式直线位移传感器
将被测量转换为电感量变化的装置。 变换原理：电磁感应原理。 按变换方式的不同分为自感型（可变磁阻式 与涡流式),互感型(差动变压器）。
16
4.2 机电一体化系统常用传感器
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10
4.1.5 传感器的分类
传感器的分类方法有多种;
▪ 1、 按被测物理量的性质分；位置、位移传感
器、速度传感器、加速度传感器、转速传感器、 温度传感器、压力传感器等等；
▪ 2、按工作机理分；电阻式、电感式、电容式、
某一范围内是否有某一物体的一种传感器。
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17
▪ 1. 接触式位置传感器
这类传感器用微动开关之类的触点器件便可构成:
1、柔软电极 2、柔软绝缘体
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18
▪ 2. 接近式位置传感器
接近式位置传感器按其工作原理主要分：①电 磁式；②光电式；③电容式；④超声波式；⑤气 压式等。其基本工作原理可用下图表示出来。
系输出物理量。如弹性敏元件将力转换为位移 或应变输出。
▪ 2 转换元件 将敏感元件输出的非电物理量 (如位移、应变、光强等)转换成电量参数(如电 阻、电感、电容等)等。
▪ 3 基本转换电路 将电路参数量转换成便于 测量的电量，如电压、电流、频率等。
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3
传感器的组成
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4
4.1.3 传感器的特性
应用：这种电容传感器有较多的结构形式，可以用来测量纸张、 绝缘薄膜等的厚度，也可以用来测量粮食、纺织品、木材或煤 等非导电固体的物质的湿度。
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33
2、电感式直线位移传感器
将被测量转换为电感量变化的装置。 变换原理：电磁感应原理。 按变换方式的不同分为自感型（可变磁阻式 与涡流式),互感型(差动变压器）。
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4.2 机电一体化系统常用传感器
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第5章 检测系统设计
5.1 概述 5.2 线位移检测传感器 5.3 角位移检测传感器 5.4 速度、加速度传感器 5.5 测力传感器 5.6 传感器的正确选择和使用 5.7 检测信号的采集与处理
5.1 概述
一、定义及分类：
1、定义：传感器是将力、温度、位移、速 度等量转换成电信号的元件。“传感器技 术是机电一体化的第一基础”
三、传感器的发展方向
2. 传感器的集成化和多功能化 随着微电子学、微细加工技术和集成化工艺等
方面的发展，出现了多种集成化传感器。这类传 感器，或是同一功能的多个敏感元件排列成线性、 面型的阵列型传感器；或是多种不同功能的敏感 元件集成一体，成为可同时进行多种参数测量的 传感器；或是传感器与放大、运算、温度补偿等 电路集成一体具有多种功能——实现了横向和纵 向的多功能。
W
2
3.莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。
一、光栅位移传感器
通过光电元件，可将莫尔条纹移动时光强 的变化转换为近似正弦变化的电信号，如图 所示。
U
Um
U0
o W/2 W 3W/2 2W
x
其电压为：U
U 0 Um sin
2x
W
一、光栅位移传感器
将此电压信号放大、整形变换为方波， 经微分转换为脉冲信号，再经辨向电路和 可逆计数器计数，则可用数字形式显示出 位移量，位移量等于脉冲与栅距乘积。测 量分辨率等于栅距。
二、感应同步器
2.感应同步器的工作原理
在滑尺的绕组中，施加频率为f（一般为 2~10kHz）的交变电流时，定尺绕组感应出频 率为f的感应电动势。感应电动势的大小与滑尺和 定尺的相对位置有关。
设正弦绕组供电电压为Us，余弦绕组供电电压 为Uc，移动距离为x，节距为T，则正弦绕组单 独供电时，在定尺上感应电势为
H Hm 100%
yFS
二、传感器的基本特性
(4).重复性 传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向作全
量程连续多次重复测量时，所得输出——输入曲线的 不一致程度，称重复性。重复性误差用满量程输出的 百分数表示，即
近似计算 γR Rm 100%
yFS
精确计算
R
2~3 yFS
yi y2 n 1
三、传感器的发展方向
1. 新型传感器的开发 鉴于传感器的工作机理是基于各种效应和定律，
由此启发人们进一步发现新现象、采用新原理、 开发新材料、采用新工艺，并以此研制出具有新 原理的新型物性型传感器，这是发展高性能、多 功能、低成本和小型化传感器的重要途径。总之， 传感器正经历着从以结构型为主转向以物性型为 主的过程。
一、光栅位移传感器
二、感应同步器 三、磁栅位移传感器
一、光栅位移传感器
1、光栅的构造：
3 2 1
4
1.标尺光栅 2.指示光栅 3.光电元件 4.光源
一、光栅位移传感器
2、工作原理
把两块栅距W相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间 有较小的夹角θ时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条 纹，这种条纹称莫尔条纹，它们沿着与光栅条纹几乎垂直的 方向排列，如图所示。
二、传感器的基本特性
1. 传感器的静特性 传感器的静态特性是指当被测量处于稳定状态
下，传感器的输入与输出值之间的关系。传感器 静态特性的主要技术指标有：线性度、灵敏度、 迟滞和重复性等。
(1).线性度 传感器的线性度是指传感器实际输出—输入特
性曲线与理论直线之间的最大偏差与输出满度值 之比，即
二、感应同步器
1.感应同步器结构
定尺
节距2τ （2mm）
基板(钢、铜)
节距τ
绝缘粘胶 铜箔
（0.5mm） sin
耐切削液涂层
铝箔
l 4
cos
滑尺
二、感应同步器
包括定尺和滑尺，用制造印刷线路板的腐蚀方 法在定尺和滑尺上制成节距T(一般为2mm)的 方齿形线圈。定尺绕组是连续的，滑尺上分布着 两个励磁绕组，分别称为正弦绕组和余弦绕组。 当正弦绕组与定尺绕组相位相同时，余弦绕组与 定尺绕组错开1/4节距。滑尺和定尺相对平行安 装，其间保持一定间隙（0.05~0.2mm）。
指示光栅 W
θ
标尺光栅
d f d f d
W/2
d f d f d
B
d W/2 d
一、光栅位移传感器
莫尔条纹具有如下特点：
1.莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。光栅每
移动过一个栅距W，莫尔条纹就移动过一个条 纹间距B
2.莫尔条纹具有位移放大作用。莫尔条纹的间距 B与两光栅条纹夹角之间关系为
B
W 2 sin
γL Δmax 100%
yFS
二、传感器的基本特性
(2).灵敏度 传感器的灵敏度是指传感器在稳定标准条件下，
输出量的变化量与输入量的变化量之比，即
(3).迟滞
S0 y
x
传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行
程中，输出——输入特性曲线不重合的程度称为迟滞，
迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示能分：
化学传感器
按输出的信号分：
非电量型
传感器 电量
有接点型(微动开关，接触开关，
二值型
行程开关)
无接点型(光电开关，接近开关)
电阻型（电位器，电阻应变片）
模拟型 电压，电流型（热电偶,Cds电池）
电感，电容型（可变电容）
计数型（二次型+计数型）
数字型 代码型（旋转编码器，磁尺）
三、传感器的发展方向
3. 传感器的智能化 “电五官”与“电脑”的相结合，就是传感器
的智能化。智能化传感器不仅具有信号检测、转 换功能，同时还具有记忆、存储、解析、统计处 理及自诊断、自校准、自适应等功能。如进一步 将传感器与计算机的这些功能集成于同一芯片上， 就成为智能传感器。
5.2 线位移检测传感器
二、传感器的基本特性
5.分辨力 传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，在输入
零点附近的分辨力称为阈值。
6.零漂 传感器在零输入状态下，输出值的变化称为零漂，
零漂可用相对误差表示，也可用绝对误差表示。
二、传感器的基本特性
2. 传感器的动态特性 传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。
动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输 入的响应特性。传感器动态特性的性能指标可以 通过时域、频域以及试验分析的方法确定，其动 态特性参数如：最大超调量、上升时间、调整时 间、频率响应范围、临界频率等。
U'2
KUs
cos
x T
5.1 概述 5.2 线位移检测传感器 5.3 角位移检测传感器 5.4 速度、加速度传感器 5.5 测力传感器 5.6 传感器的正确选择和使用 5.7 检测信号的采集与处理
5.1 概述
一、定义及分类：
1、定义：传感器是将力、温度、位移、速 度等量转换成电信号的元件。“传感器技 术是机电一体化的第一基础”
三、传感器的发展方向
2. 传感器的集成化和多功能化 随着微电子学、微细加工技术和集成化工艺等
方面的发展，出现了多种集成化传感器。这类传 感器，或是同一功能的多个敏感元件排列成线性、 面型的阵列型传感器；或是多种不同功能的敏感 元件集成一体，成为可同时进行多种参数测量的 传感器；或是传感器与放大、运算、温度补偿等 电路集成一体具有多种功能——实现了横向和纵 向的多功能。
W
2
3.莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。
一、光栅位移传感器
通过光电元件，可将莫尔条纹移动时光强 的变化转换为近似正弦变化的电信号，如图 所示。
U
Um
U0
o W/2 W 3W/2 2W
x
其电压为：U
U 0 Um sin
2x
W
一、光栅位移传感器
将此电压信号放大、整形变换为方波， 经微分转换为脉冲信号，再经辨向电路和 可逆计数器计数，则可用数字形式显示出 位移量，位移量等于脉冲与栅距乘积。测 量分辨率等于栅距。
二、感应同步器
2.感应同步器的工作原理
在滑尺的绕组中，施加频率为f（一般为 2~10kHz）的交变电流时，定尺绕组感应出频 率为f的感应电动势。感应电动势的大小与滑尺和 定尺的相对位置有关。
设正弦绕组供电电压为Us，余弦绕组供电电压 为Uc，移动距离为x，节距为T，则正弦绕组单 独供电时，在定尺上感应电势为
H Hm 100%
yFS
二、传感器的基本特性
(4).重复性 传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向作全
量程连续多次重复测量时，所得输出——输入曲线的 不一致程度，称重复性。重复性误差用满量程输出的 百分数表示，即
近似计算 γR Rm 100%
yFS
精确计算
R
2~3 yFS
yi y2 n 1
三、传感器的发展方向
1. 新型传感器的开发 鉴于传感器的工作机理是基于各种效应和定律，
由此启发人们进一步发现新现象、采用新原理、 开发新材料、采用新工艺，并以此研制出具有新 原理的新型物性型传感器，这是发展高性能、多 功能、低成本和小型化传感器的重要途径。总之， 传感器正经历着从以结构型为主转向以物性型为 主的过程。
一、光栅位移传感器
二、感应同步器 三、磁栅位移传感器
一、光栅位移传感器
1、光栅的构造：
3 2 1
4
1.标尺光栅 2.指示光栅 3.光电元件 4.光源
一、光栅位移传感器
2、工作原理
把两块栅距W相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间 有较小的夹角θ时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条 纹，这种条纹称莫尔条纹，它们沿着与光栅条纹几乎垂直的 方向排列，如图所示。
二、传感器的基本特性
1. 传感器的静特性 传感器的静态特性是指当被测量处于稳定状态
下，传感器的输入与输出值之间的关系。传感器 静态特性的主要技术指标有：线性度、灵敏度、 迟滞和重复性等。
(1).线性度 传感器的线性度是指传感器实际输出—输入特
性曲线与理论直线之间的最大偏差与输出满度值 之比，即
二、感应同步器
1.感应同步器结构
定尺
节距2τ （2mm）
基板(钢、铜)
节距τ
绝缘粘胶 铜箔
（0.5mm） sin
耐切削液涂层
铝箔
l 4
cos
滑尺
二、感应同步器
包括定尺和滑尺，用制造印刷线路板的腐蚀方 法在定尺和滑尺上制成节距T(一般为2mm)的 方齿形线圈。定尺绕组是连续的，滑尺上分布着 两个励磁绕组，分别称为正弦绕组和余弦绕组。 当正弦绕组与定尺绕组相位相同时，余弦绕组与 定尺绕组错开1/4节距。滑尺和定尺相对平行安 装，其间保持一定间隙（0.05~0.2mm）。
指示光栅 W
θ
标尺光栅
d f d f d
W/2
d f d f d
B
d W/2 d
一、光栅位移传感器
莫尔条纹具有如下特点：
1.莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。光栅每
移动过一个栅距W，莫尔条纹就移动过一个条 纹间距B
2.莫尔条纹具有位移放大作用。莫尔条纹的间距 B与两光栅条纹夹角之间关系为
B
W 2 sin
γL Δmax 100%
yFS
二、传感器的基本特性
(2).灵敏度 传感器的灵敏度是指传感器在稳定标准条件下，
输出量的变化量与输入量的变化量之比，即
(3).迟滞
S0 y
x
传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行
程中，输出——输入特性曲线不重合的程度称为迟滞，
迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示能分：
化学传感器
按输出的信号分：
非电量型
传感器 电量
有接点型(微动开关，接触开关，
二值型
行程开关)
无接点型(光电开关，接近开关)
电阻型（电位器，电阻应变片）
模拟型 电压，电流型（热电偶,Cds电池）
电感，电容型（可变电容）
计数型（二次型+计数型）
数字型 代码型（旋转编码器，磁尺）
三、传感器的发展方向
3. 传感器的智能化 “电五官”与“电脑”的相结合，就是传感器
的智能化。智能化传感器不仅具有信号检测、转 换功能，同时还具有记忆、存储、解析、统计处 理及自诊断、自校准、自适应等功能。如进一步 将传感器与计算机的这些功能集成于同一芯片上， 就成为智能传感器。
5.2 线位移检测传感器
二、传感器的基本特性
5.分辨力 传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，在输入
零点附近的分辨力称为阈值。
6.零漂 传感器在零输入状态下，输出值的变化称为零漂，
零漂可用相对误差表示，也可用绝对误差表示。
二、传感器的基本特性
2. 传感器的动态特性 传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。
动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输 入的响应特性。传感器动态特性的性能指标可以 通过时域、频域以及试验分析的方法确定，其动 态特性参数如：最大超调量、上升时间、调整时 间、频率响应范围、临界频率等。
U'2
KUs
cos
x T