机电一体化第三章
机电一体化教案与PPT3
第三章机电一体化机械设计机电一体化的机械系统研究的三大结构包括传动机构、导向机构和执行机构，机械设计主要包括传动、支 承、导轨等内容。
机械传动机构的主要种类有：齿轮传动机构、滚珠丝杠副、滑动丝杠副、同步带传动副、间 歇机构、绕性传动机构等，传动装置不仅是转速和转矩的变换器，而且还能实现转动到直线运动的转换。
由于 机电一体化系统的机械结构要求有较小的摩擦、较高的精度和刚度。
所以在机械设计的时，应尽量采用现代的 精密机械设计方法以提高系统的性能。
第一节无侧隙齿轮传动机构齿轮传动是机电一体化机械传动系统中应用最广泛的一种机械传动，通常用齿轮传动装置传递转矩、转速 和位移，使电机和滚珠丝杠副及工作台之间的转矩、转速和位移得到匹配。
所以齿轮传动装置的设计是伺服机 械传动系统设计的一个重要部分，在各类型机电一体化机械传动系统中得到广泛使用。
齿轮传动的瞬时传动比为常数，传动精确度高，可做到零侧隙无回差，强度大能承受重载，结构紧凑，摩 擦力小和效率高，成为在机电一体化机械系统中使用最多的传动机构。
对传动装置总的要求是传动精度高、稳定性好和灵敏度高（响应速度快）。
传动误差会直接影响到系统的控制精度。
对于开环控制而言，传动误差直接影响设备的工作精度，因而应尽可能的缩短传动链、消除传动间 隙，以提高传动精度和刚度。
对于闭环控制系统，齿轮传动装置完全在伺服回路中，给系统增加了惯性环节， 其性能参数将直接影响整个系统的稳定性。
无论是开环还是闭环控制，齿轮传动装置都将影响整个系统的灵敏 度（响应速度），从这个角度考虑应注意减少摩擦、 减少转动惯量，以提高 传动装置的加速度。
特别是当传动机构有自动变向功能时，会使运动反向 时滞后于指令信号，造成反向死区也会影响传动精度和系统的稳定性。
所以为了提高系统的传动精度，必须采取措施消除齿轮机构的齿侧间 隙，保证齿轮的双向传动精度。
下面介绍几种消除齿轮间隙的方法。
一、直齿圆柱齿轮传动机构1偏心轴套调整法图3-1所示为最简单的偏心轴套式消隙结构。
机电一体化技术-第03章 执行器
（4）气动执行器应该是正立垂直安装于水平管道上。 特殊情况下需要水平或倾斜安装时，除小口径阀外， 一般应加支撑。即使正立垂直安装，当阀的自重较大 和有振动场合时，也应加支撑。
（5）通过控制阀的流体方向在阀体上有箭头标明， 不能装反。
控制阀的口径选择是由控制阀流量系数KV值决 定的。流量系数KV的定义为：当阀两端压差为 100kPa，流体密度为1g/cm3，阀全开时，流经控制 阀的流体流量。
7.气动执行器的安装和维护
（1）为便于维护检修，气动执行器应安装在靠近地面 或楼板的地方。
（2）气动执行器应安装在环境温度不高于+60℃和不 低于-40℃的地方，并应远离振动较大的设备。
快开特性的阀芯形式是平板形的，适用于迅速 启闭的切断阀或双位控制系统。
6.控制阀的选择
1）控制阀结构与特性的选择
结构形式选择 主要根据工艺条件，如温度、压力及介质的物
理、化学特性（如腐蚀性、黏度等）来选择。 特性选择
先按控制系统的特点来选择阀的希望流量特性，然 后再考虑工艺配管情况来选择相应的理想流量特性。
第三章 执行器
3.1 概述
1.执行器作用
接收控制器输出的控制信号，改变操 纵变量，使生产过程按预定要求正常 进行。
控制信号 执行器
操纵变量
蒸汽加热反应器工艺控制图
温度给定
﹢ ‐
温度控制器 TC
干扰 蒸汽流量
控制阀
反应器
出料温度
温度传感与变送器 TT
反应器温度控制系统方框图
2.执行器组成
电流4~20mA
气关阀
例2：加热炉炉温的控制
TT
TC
【DOC】第3章机电一体化技术与系统中微型计算机控制系统及接
第3章：机电一体化技术与系统中微型计算机控制系统及接口设计 3.1 控制系统的一般设计思路3.1.1专用与通用、硬件与软件的权衡与抉择1. 专用与通用的抉择 专用控制系统：适合于大批量生产的而且较成熟的机电一体化产品。
通用控制系统：适合还在不断改进，结构还不十分稳定的产品。
2. 硬件与软件的权衡根据经济性和可靠性的标准权衡决定。
例：分立元件组成硬件------软件 利用LSI 芯片组成电路-----软件3.1.2 控制系统的一般设计思路 设计步骤为：确定系统整体控制方案；确定控制算法；选用微型计算机；系统总体设计；软件设计等。
1、确定系统整体控制方案（1）应了解被控对象的控制要求，构思控制系统的整体方案。
（2）考虑执行元件采用何种方式。
（3）要考虑是否有特殊控制要求。
（4）考虑微机在整个控制系统中的作用，是设定计算、直接控制还是数据处理，微机应承担哪些任务，为完成这些任务，微机应具备哪些功能，需要哪些输入/输出通道、配备哪些外围设备。
（5）应初步估算其成本。
2、确定控制算法建立该系统的数学模型，确定其控制算法。
数学模型：就是系统动态特性的数学表达式。
它反映了系统输入、内部状态和输出之间的数量和逻辑关系。
控制算法：所谓计算机控制，就是按照规定的控制算法进行控制，因此，控制算法的正确与否直接影响控制系统的品质，甚至决定整个系统的成败。
例如：机床控制中常使用的逐点比较法的控制算法和数字积分法的控制算法；直线算法：a a xy yx F -= 或K x y T T ee Y X==∆∆ 圆弧算法：222R Y X F i i i -+= 或yxT T Y X =∆∆ 直接数字控制系统中常用的PID 调节的控制算法；位置数字伺服系统中常用的实现最少拍控制的控制算法；另外，还有各种最优控制的控制算法、随机控制和自适应控制的控制算法。
3、选择微型计算机 （1）较完善的中断系统 （2）足够的存储容量（3）完备的输入／输出通道和实时时钟（4）特殊要求：字长、速度、指令4、系统总体设计设计中主要考虑硬件与软件功能的分配与协调、接口设计、通道设计、操作控制台设计、可靠性设计等问题。
机电一体化系统设计第三章计算流体力学(CFD)简介
4
数值求解
基于离散和数值方法求解Navier-Stokes方程组。
5
后处理
分析和可视化模拟结果，评估流体行为和性能。
CFD工具的选择和使用
商业软件
流行的商业CFD软件包，如ANSYS Fluent和OpenFOAM。
开源软件
开放源代码的CFD软件，如SU2和OpenFOAM。
使用技巧
合理选择工具，灵活使用模拟参数和求解方法，优化模型和网格。
机电一体化系统设计第三 章计算流体力学(CFD)简 介
本章介绍机电一体化系统设计第三章，包括计算流体力学的定义、应用范围、 模拟步骤、工具选择和使用、分析的意义和价值，以及CFD的未来发展趋势。
计算流体力学的定义
计算流体力学（CFD）是一种利用数值方法进行流体动力学问题求解的数值 模拟技术。它可以模拟流体的流动行为和相应的物理现象。
CFD的应用范围
CFD广泛应用于工程领域，如航空航天、汽车、能源、建筑等。它可以用于 流体流动分析、热传递和传质分析、气动性能仿真等方面。
CFD模拟的步骤
1
几何建模
使用CAD软件创建物体的几何模型。
2
网格划分
将几何模型划分为小的有限体积或有限元网。
3
物理建模
定义边界条件和流体参数，如速度、压力和温度。
CFD分析的意义和价值
1 性能评估
通过模拟和分析，可以评估设计的性能并提出改进意见。
2 节省成本
CFD分析可以在实际制造前模拟和优化设计，以降低产品开发和测试的成本。
3 提高效率
通过CFD优化流体系统，可以提高流体传输效率和能源利用效率。
CFD的未来发展趋势
CFD在大数据、人工智能和高性能计算的支持下，将在精度、效率和应用范 围上都取得更大突破。同时，深度学习和自动化技术将进一步改进CFD模拟 和预测的准确性。
机电一体化系统设计第三章 计算流体力学(CFD)简介
求解器设置
动量 能量
状态方程 所支持的计算模型
紊流 燃烧 辐射 多相流 相转换 动区域 动网格
后处理
选择材料 边界条件 初始条件
FLUENT-通用CFD软件
Fluent基本步骤
问题的鉴定及预处理
定义你所需要的模型 确定即将模拟的区域 设计并创建网格
求解
建立数学模型 计算并监控
t(s)
Ma=0.8的均匀场内静止点声源的声辐射,观察 者位置(100m,0m,0m)
FLUENT-通用CFD软件
矢量图：直接给出二维或三维空间里矢量（如 速度）的方向及大小，一般用不同颜色和长度 的箭头表示速度矢量。矢量图能形象地显示流 动特征
某离心叶轮近轮盖处的速度分布
FLUENT-通用CFD软件
CFD算例
开度100％
压力分布
开度50％
开度10％
CFD算例
Frame 001 13 Dec 2004
压力分布
开度100％
Frame 001 10 Dec 2004
130
120
Volume Flow Rate(m3/h)
110
100
90 85
controlvalve 100%open
Frame 001 22 Feb 2005 title
Y
CFD算例
10.418 9.72344 9.02891 8.33438 7.63984 6.94531 6.25078 5.55625 4.86172 4.16719 3.47266 2.77813 2.08359 1.38906 0.694531
dxdydz v ndA 0 t V A
机电一体化系统设计 第3章 执行元器件
第 3 章 执行元件的选择与设计
§3-3 交流伺服电机及驱动器
伺服系统的有哪几部分组成 ➢ 机构-结构：接受执行器输出的力、力矩或功率产生机构 运动，完成最终目标。结构部分把各组成部分联成一体， 起支持与定位作用。 ➢ 能源：主要作用是给机械运动提供足够的动力，同时也 向传感器、信息处理器提供所需的能量。 ➢ 伺服电机:（M）驱动信号控制转换电路 电力电子驱动放 大模块, 电流调解单元，速度调解单元 检测装置
6）电机测试方式
通过键盘操作，伺服电机按照参数设定的脉冲频率转动。用于测试位置控制方式。
第 3 章 执行元件的选择与设计
§3-3 交流伺服电机及驱动器
交流伺服系统 PSDD驱动器驱动方式简介
电子齿轮
第 3 章 执行元件的选择与设计
§3-3 交流伺服电机及驱动器
交流伺服系统 PSDD驱动器
（1）电源输入端子：
§3-3 交流伺服电机及驱动器
交流伺服系统 PSDD驱动器驱动方式简介
4）JOG控制方式
通过按键操作控制电机点动。按下按键，电机按设定的参数转动，松开按键， 停止转动。用于手动移动机械装置到某一固定位置。
5）电机零点调试方式
长期使用后，编码器的零点可能偏移。该操作重新将编码器调零。该操作只能 在空载下进行，否则影响精度。
第 3 章 执行元件的选择与设计
§3-1 执行元件的种类、特点及基本要求
一、执行元件的种类及特点
电磁式是将电能变成电磁力，并用该电磁力驱动运行机构运动。 液压式是先将电能变换为液压能并用电磁阀改变压力油的流向，
从而使液压执行元件驱动运行机构运动。 气压式与液压式的原理相同，只是将介质由油改为气体而已。 其他执行元件与使用材料有关，如使用双金属片、形状记忆合金
机电一体化系统第三章执行元件
一、 特点
1、稳定性好 2、可控性好 3、响应迅速 4、控制功率低，损耗小 5、转矩大
补偿绕组(c)
励磁绕组 (f) ia
Fr Ua Fc Uf
电枢绕组(a)
直流伺服电动机的结构与一般的电机结构相似，也是 由定子、转子和电刷等部分组成，在定子上有励磁绕组 和补偿绕组，转子绕组通过电刷供电。由于转子磁场和 定子磁场始终正交，因而产生转矩使转子转动。
步进电机驱动电源
Hale Waihona Puke 四、步进电动机的功率放大1．单电压功率放大电路
此电路的优点是电路结构简单，不足 之处是Rc消耗能量大，电流脉冲前后 沿不够陡，在改善了高频性能后，低 频工作时会使振荡有所增加，使低频 特性变坏。
2．高低电压功率放大电路
电源U1为高电压，电源大约为80～150V， U2为低电压电源，大约为5～20V。在绕组 指令脉冲到来时，脉冲的上升沿同时使VT1 和VT2导通。由于二极管VD1的作用，使绕组 只加上高电压U1，绕组的电流很快达到规定 值。到达规定值后，VT1的输入脉冲先变成 下降沿，使VT1截止，电动机由低电压U2供 电，维持规定电流值，直到VT2输入脉冲下 降沿到来VT2截止。 不足之处是在高低压衔接处的电流波形在顶 部有下凹，影响电动机运行的平稳性。
步进电机驱动电源总结
作用：对控制脉冲进行功率放大，以使步进电机获 得足够大的功率驱动负载运行。 1、步进电机是用脉冲供电，且按一定工作方式轮 流作用于各相励磁线圈上。 2、步进电机正反转是靠给各相励磁线圈通电顺序 变化来实现的。 3、速度控制是靠改变控制脉冲的频率实现的。 4、在通电脉冲内使励磁线圈的电流能快速建立， 而在断电时电流能快速消失。
伺服电机控制方式
伺服电机比较
第3章 机电一体化系统传感与检测系统设计
0
x
W2 x (c)
机电一体化导论
第3章 机电一体化传感与检测系统设计
当连接成如图4-9所示桥式电路，且 R2பைடு நூலகம் Rw2 R1 Rw1
d 1 di1 e1 M1 dt dt d 2 di2 e2 M 2 dt dt
1 1 di U sc (e1 e2 ) ( M 1 M 2 ) 2 2 dt
度要求、测量所需时间要求等。
2．传感器性能。 精度、稳定性、响应速度、输 出量性质校正周期、输入端保护等。 3．使用条件。 安装条件、工作场地的环境条件 (温度、湿度、振动等)、测量时间、所需功率容量、与 其它设备的连接、备件与维修服务等。
机电一体化导论
第3章 机电一体化传感与检测系统设计 3.1.3. 检测系统设计的任务、方法和步骤 目前，传感器技术已经形成了一个新型科学技术领域， 即传感器工程学。传感器也形成专业化生产，市场上有各 种各样的传感器可供选用。因而对于从事机电一体化研究、 应用和产品开发的工程技术人员来说，检测系统设计的主
非接触型（光电开关、接近开关等）
电阻型（电位器、电阻应变片等）
传感器
模拟型
电压、电流型（热电耦、光电电池、压电元件等） 电感、电容型（电感、电容式位移传感器等） 记数型（二值＋计数器等）
数字型 代码型（编码器、磁尺等）
图3-2 传感器按输出信号性质分类
机电一体化导论
第3章 机电一体化传感与检测系统设计 模拟型传感器的输出是与输入物理量变化相对应 的连续变化的电量。传感器的输入／输出关系可能是
在线圈W1中产生感应电势
定：
e1 ；另一部分磁通
则通过 2
线圈W2 ，并在其中产生感应电势
机电一体化教学课件03章
智能化和自动化
机电一体化技术将向智能化和自动化方向发展，提高系统的智能和自主性。
2
网络化和物联网
机电一体化系统将与其他系统相互连接，形成物联网，实现信息共享和远程监控。
3
节能环保 ♻️
机电一体化技术的应用将更加注重节能和环境保护，降低资源消耗和环境污染。
课件目标和结构概览
1
第一部分：机电一体化概念介绍
机电一体化教学课件03章
本课件将介绍机电一体化的概念、应用领域、发展趋势以及相关的教学资源
和工具。
为什么学习机电一体化？
1
提高工作效率
机电一体化技术可以实现自动化生产，提高生产线的效率和准确性。
2
降低成本
通过机电一体化的集成设计，可以减少设备数量和维护成本。
3
未来趋势
机电一体化是工业领域的重要趋势，学习这一技术将有利于未来就业。
使用机电一体化仿真软件进行
பைடு நூலகம்
提供机电一体化教学实验箱，
帮助学习者系统地掌握相关知
虚拟实验，加深对机电系统的
使学习者能够亲自动手操控和
识和技能。
理解和应用能力。
实践机电一体化技术。
机电一体化的定义和背景
机电一体化是将机械与电气紧密结合，形成协调运行的系统，实现自动化控
制和集成化设计。
机电一体化的发展趋势
学习机电一体化的定义、基本原理和应用领域。
2
第二部分：机电一体化系统的构成与设计
了解机电元件的组成和分类，学习机电系统的设计和运行原理。
3
第三部分：机电一体化教学资源与工具
掌握机电一体化教学资源和工具的使用方法。
机电一体化的应用领域和意义
机电一体化(三)-传感器与检测
反射式光栅
金属反射光栅 钢尺、钢 带 照相腐蚀、 钻石刀刻划 热膨胀系 数与机床一致， 安装调整方便， 易接长，不易碎
透射式光栅
玻璃透射光栅 光源可垂直入 射，信号幅度大， 读数头结构简单; 刻线密度大100 条/mm, 细分后， 分辨率达微米级; 易碎，热膨胀系 数与机床不一致， 影响测量精度.
敏元件三大部分组成。计量光栅按形状
又可分为长光栅和圆光栅。
光栅的外形及结构
尺身 尺身安装孔 防尘保护罩的内部为长光栅
反射式扫描头 扫描头安装孔 可移动电缆
光栅的外形及结构（续）
可移动电缆 扫描头 光栅尺
标尺光栅（长光栅） 指示光栅（短光栅）
光栅的构造：
3 2 1
4
1.标尺光栅 3.光电元件
2.指示光栅 4.光源
3.2.1
光栅传感器
光栅用于数控机床作为检测装置，已有几十年的历史，用以测 量长度、角度、速度、加速度、振动和爬行等。其分辨率高达 纳米级, 测量速度高达480m/min,测量行程高达100m. 它是数 控机床闭环系统用得较多的一种检测装置。
一、光栅的类型和结构
计量光栅可分为透射式光栅和反射
式光栅两大类，均由光源、光栅副、光
γL Δmax 100% yFS
(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
S0
二、传感器的基本特性
y x
(3).迟滞 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
有限
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。
机电一体化原理及应用第三章
02Biblioteka 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装置
步进电动机：通常采用开环的频率控制（晶体管）。主要特点是转角与控制脉冲数成比例，可构成直接的数字控制，有定位转矩，主要用于计算机外围设备，数控装置等。
第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装置
直流伺服电动机通过电刷和换向器产生的整流作用，使磁场动势和电枢电流磁动势正交，从而产生转矩。 直流伺服电动机在结构上有传统式和低惯量型两大类。宽调速直流伺服电动机由于励磁便于调整，易于安装补偿绕组和换向极，可以在较宽速度范围内得到恒转速特性，因此在机电闭环伺服系统中应用较广。
第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装置
”
02
3.4交流伺服电动机
交流伺服电动机检测同步型或感应型气隙磁场的大小和方向，用电力电子变换器代替整流子和电刷，并通过与气隙磁场方向相同的磁化电流和与气隙磁场方向垂直的有效电流控制其主磁通量和转矩。
1．交流伺服电动机主要特性
空载始动电压，机械特性非线性度，调节特性非线性度。 交流伺服电动机的矢量控制原理：即设法在交流电动机上模拟直流电动机控制转矩的规律，以使交流电动机具 有同样产生及控制电磁转矩的能力。
第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装置
直流伺服电动机的常用计算公式
第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装置
01
应用举例
02
火炮跟踪系统原理框图：
03
说明：包括位置和速度两种控制
04
方式，其任务是使火炮转角与由
05
于轮径减速后的指令相等，用角
06
度差控制电机（位置控制），用
07
测速发电机的输出电压经反馈控
第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装置
3机电一体化第三章接口技术
第三章 接口技术第一节 概 述一、接口定义及作用如第一章所述，机电一体化产品或系统由机械本体、检测传感系统、电子控制单元、执行器和动力源等部分组成，各子系统又分别由若干要素构成。
若要将各要素、各子系统有机地结合起来，构成一个完整的机电一体化系统，各要素、各子系统之间需要进行物质、能量和信息的传递与交换，如图3-1所示。
为此，各要素和子系统的相接处必须具备一定的联系条件，这个联系条件，通常被称为接口，简单地说就是各子系统之间以及子系统内各模块之间相互联接的硬件及相关协议软件。
因此，也可以把机电一体化产品看成是由许多接口将组成产品的各要素的输入/输出联系为一体的机电系统。
从某种意义上讲，机电一体化产品的设计， 就是在根据功能要求选择了各要素后，所进行的接口设计。
从这一观点出发，机电一体化产品的性能很大程度上取决于接口的性能，即各要素和各子系统之间的接口性能是机电一体化系统性能好坏的决定性因素。
因此，接口设计是机电一体化产品设计的关键环节。
图 3-1 接口在机电一体化系统中的作用二、接口的分类和特点从不同的角度及工作特点出发，机电一体化系统的接口有多种分类方法。
根据接口的变换和调整功能，可将接口分为零接口、被动接口、主动接口和智能接口；根据接口的输入/输出对象，可将接口分为机械接口、物理接口、信息接口与环境接口等；根据接口的输入/输出类型，可将接口分为数字接口、开关接口、模拟接口和脉冲接口。
本章根据接口所联系的子系统不同，以信息处理系统( 微电子系统)为出发点，将接口分为人机接口与机电接口两大类，对各子系统内部接口不作具体介绍。
人机接口实现人与机电一体化系统的信息交流、信息反馈，保证对机电一体化系统的实时监测、有效控制；由于机械与电子系统工作形式、速率等存在极大的差异，机电接口还起着调整、匹配、缓冲的作用。
人机接口又包括输入接口与输出接口两类。
通过输入接口，操作者向系统输入各种命令及控制参数，对系统运行进行控制；通过输出接口，操作者对系统的运行状态、各种参数进行监测，按照信息和能量的传递方向，机电接口又可分为信息采集接口（传感器接口）与控制输出接口。
第3章机电一体化技术与系统中微型计算机控制系统及接
第3章机电一体化技术与系统中微型计算机控制系统及接口技术机电一体化技术与系统的快速发展为各行各业带来了很多便利和创新。
在机电一体化技术与系统中，微型计算机控制系统及其接口技术起着至关重要的作用。
本文将介绍微型计算机控制系统的基本原理，以及其在机电一体化系统中的应用。
一、微型计算机控制系统的基本原理微型计算机控制系统是指借助微型计算机进行控制，其基本原理是将输入信号转换为数字信号，通过计算机的运算处理，再将输出信号转换为控制信号。
微型计算机控制系统通常由四个主要部分组成：输入设备、中央处理器、存储器和输出设备。
输入设备用于将外部信号转换为计算机可以识别的数字信号。
常见的输入设备包括传感器、编码器等，通过检测物理量的变化并将其转换为电信号，再经过模数转换装置将电信号转换为数字信号。
中央处理器是微型计算机控制系统的核心部分，它接收输入信号并进行运算处理。
中央处理器通常由控制单元和算术逻辑单元组成，控制单元用于控制程序的执行流程，算术逻辑单元用于执行各种算术和逻辑运算。
存储器主要用于存储程序和数据。
微型计算机控制系统的程序是预先编写好的指令序列，用于控制系统的运行。
数据则是控制系统运行过程中所需的各种参数和状态信息。
输出设备用于将计算机处理后的数字信号转换为控制信号，进而控制执行器的运动。
常见的输出设备包括电机、液压缸等，通过控制信号的输出来实现对执行器运动的控制。
二、微型计算机控制系统在机电一体化系统中的应用微型计算机控制系统在机电一体化系统中有着广泛的应用。
以下是几个典型的应用案例：1. 自动化生产线控制系统：在自动化生产线上，微型计算机控制系统可以集成各种传感器和执行器，通过对传感器信号的检测和处理，自动控制执行器的动作，从而实现生产线的自动化控制。
2. 机器人控制系统：微型计算机控制系统在机器人控制中起着核心作用。
通过对机器人传感器信号的检测和处理，结合预先编写的控制程序，可以实现对机器人的精确控制，使机器人能够完成各种复杂的任务。
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精品课件
3
传感器的组成
0 输C 出
0
（1）敏感元件: 是一种能够将被测量转换成易于测量 的物理量的预变换装置,其输入、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转换成
第三章 传感器及其检测接口电路
精品课件
1
引言
传感器在机电一体化设备中是不可缺少的组成部 分。它是整个设备的感觉器官，监视监测着整个生 产过程，用以保持最佳工作状况。闭环伺服系统中， 传感器作为反馈元件，其精度直接影响到工作机械 的精度和稳定性，因而要求传感器灵敏度高、动态 特性好、特别要求其稳定可靠、抗干扰强，且适应 不同的环境。
精品课件
6
常用传感器
精品课件
7
精品课件
8
第三节 速度、加速度传感器
一、直流测速机
直流测速机是一种测 速元件，实际上它就是一 台微型的直流发电机。根 据电机磁极激磁方式的不 同。直流测速机可分为电 磁式和永磁式两种。以电 枢的结构不同来分，有无 槽电枢、有槽电枢、空心 杯电枢和圆盘电枢等。近 年来，又出现了永磁式直 线测速机。常用的为永磁 式测速机。
电刷
N
－
U
＋
S
换向片
精品课件
9
图3-14所示为永磁式测 速机原理电路图。恒定磁 通由定子产生，当转子在 磁场中旋转时，电枢绕组 中即产生交变的电势，经 换向器和电刷转换成与转 子速度成正比的直流电势。
精品课件
10
直流测速机的输出特性曲线，如图3-15所示。从
图中可以看出，当负载电阻RL→∞时，其输出电 压V。与转速n成正比。随着负载电阻RL变小，其
从 振 振应 测 C=而荡荡而电Q有减。产 极/使弱振V生 上，振 ，荡极 的所荡 甚电化 电以电 至路现 荷电路停的象 就荷的止振越，的多被增多测，，物由使体于电越检容靠测C近电随检极之测的增电静大极电，电，容检
荡与停振这两种状态
被检测电路转换为开
关信号后向外输出。
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电容式接近开关在检测部分采用导体电极，当电 极与被测物一接近，检测部分的导体电极与被测 对象之间产生静电电容变化。利用这一现象制成 电容式接近开关，检测出这一电容量的变化，产 生输出信号。
n—转速（r/min）；
t—测量时间（S）。
利用两组缝隙间距W相同，位
置相差（i/2+1/4）W（i为正整
数）的指示缝隙和两个光电器件，
则可辨别出圆盘的旋转方向精。品课件
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第四节 位置传感器
位置传感器和位移传感器不一样，它所测量的 不是一段距离的变化量，而是通过检测，确定是 否已到某一指定位置。因此，其输出信号只需要 产生能反映某种状态的开关量就可以了。
（3）基本转换电路：将电气参量转换成便于测量的电
量,如电压、电流、频率等。精品课件
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本章主要内容
第一节 传感器 第二节 位移测量传感器 第三节 速度、加速度传感器 第四节 位置传感器 第五节 传感器前期信号处理 第六节 传感器接口技术 第七节 传感器非线性补偿处理 第八节 数字滤波
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1.传感器的分类 2.传感器的特性
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二、光电式转速传感器
光源发生的光通过缝隙圆盘和指示缝隙照射到光电器件 上。当缝隙圆盘随被测轴转动时，由于圆盘上的缝隙间 距与指示缝隙的间距相同，因此圆盘每转一周，光电器
件输出与圆盘缝隙数相等的电脉冲，根据测量时间t内 的脉冲数N，则可测出转速为
n 60N Zt
式中Z—圆盘上的缝隙数；
检测传感器种类很多，本章在介绍传感器相关知
识的基础上，重点介绍了位移、速度、加速度以及
位置这四种类型的传感器及其后续处理接口电路。
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传感器是借助于检测元件接收一种形式的 信息，并按一定规律将它转换成另一种信息 的装置。它获取的信息，可以是各种物理量、 化学量和生物量，而且转换后的信息也是有 各种形式。
位置传感器分接触式和接近式两种。所谓接触 式传感器就是能获取两个物体是否已接触的信息 的一种传感器；而接近式传感器是用来判别在某 一范围内是否有某一物体的一种传感器。
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一、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，它分以下两种。
1．由微动开关制成的位置传感器
它用于检测物体位置 ，有如图3-17所示的几种
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二、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：电磁式、 光电式、静电容式，基本工作原理可用图3-19表示 出来。
图3-19 接近式位置传感器工作原理
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1．电磁式传感器
高频振荡电路在检测部分有检测线圈，检测对象 为金属体。当开关接近金属体时，检测线圈的电 感量发生变化，使振荡回路停振，检测出这一停 振变化，产生输出信号。
高
波
金
频
检
形
输
属
振
波
整
出
荡
电
形
电
体
电
路
电
路
路
路
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2．电容式传感器
电容式接近传感器是一个以电极为检测端的静电
电容式接近开关，它由高频振荡电路、检波电路、
放大电路、整形电路及输出电路组成。平时检测电
极与大地之间存在一定的电容量，它成为振荡电路
的一个组成部分。当被检测物体接近检测电极时，
由于检测电极加有电压，检测物体就会受到静电感
构造和分布形式。
1维
2维
图3-17 微动开关制成的位置传感器
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2．二维矩阵式配置的位置传感器
如图3-18所示，它一般用于机器人手掌内侧。 在手掌内侧常安装有多个二维触觉传感器，用以 检测自身与某物体的接触位置，被握物体的中心 位置和倾斜度，甚至还可识别物体的大小和形状。
图3-18 二维矩阵式配置的位置传感器
有电刷和换向器，构造和维护比较复杂，摩擦转矩较大。 直在流使测 用- 速中机，在为位制机了置器电提控控高制检- 系测速控统灵度制中敏度，主，要尽电机用可作能测把速它传机动构和直校接正连元接执机行构件到。电
机轴上。有的电机本身就已安装速了度测控速制环机。测速电机输出的 模拟电压直接送到速度换比较器位中置用控于制环速度控制。
输出电压下降，而且输出电压与转速之间并不能严 格保持线性关系。由此可见，对于要求精度比较高
的直流测速机，除采取其他措施外，负载电阻RL
应尽量大。
I0
RL
RL1
M
U0
RL
RL
理想值
Rl2
实测值
RL>RL1>RL2
图3-14 永磁式测速机测量电路图 图3-15 直流测速机输出特性
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直流测速机的特点是输出为线性，斜率大、线性好，但由于