【正文】 或缺的元素。 傳感器的數(shù)學模型 傳感器的靜態(tài)數(shù)學模型是指在靜態(tài)信號的作用下，傳感器輸出與輸入量間的一種函數(shù)關系。一般可以用 n 次多項式表示 y = a0 + a1x + a2x2 + … + anxn 傳感器的動態(tài)數(shù)學模型是指在隨時間變化的動態(tài)信號作用下，傳感器輸出 —— 輸入量間的函數(shù)關系，動態(tài)數(shù)學模型一般采用微分方程和傳遞函數(shù)描述 微分方程 ： 傳遞函數(shù) ： 傳感器的主要技術指標 傳感器應能準確、迅速地反映被測物理量，無論在什么情況下其輸入和輸出都應是一一對應的。這是對物理傳感器的要求，但不能 100%地達到，因而對傳感器的性能必須用一些定量的指標去描述。從應用角度看，傳感器的性能指標分為兩大類：一種是輸入不隨時間變化的特性，即靜態(tài)特性；一種 是輸入隨時間變化的輸出信號的響應特性，反映傳感器靜態(tài)特性的指標主要有靈敏度、線性度、遲滯性和重復性。 5 動態(tài)特性的主要指標有：頻率響應范圍、固有頻率、阻尼系數(shù)和時間常數(shù)等 。 一個動態(tài)特性好的傳感器，無論輸入信號變化多么迅速，輸出都能很好地跟隨；一個靜態(tài)特性很好的傳感器，不一定能夠真實地反映動態(tài)的被測物理量。輸入信號和輸出信號的差距總是存在的，不過可用一些指標去估計這些誤差的大小。 6 第 三 章 傳感器在機電一體化系統(tǒng)中的應用 傳感器是左右機電一體化系統(tǒng)（或產品）發(fā)展的重要技術之一，廣泛應用于各種自動化產品之中： 機械加工過程的傳感檢測技術 。切削過程傳感檢測的目的在于優(yōu)化切削過程的生產率、制造成本或（金屬）材料的切除率等。切削過程傳感檢測的目標有切削過程的切削力及其變化、切削過程顫震、刀具與工件的接觸和切削時切屑的狀態(tài)及切削過程辨識等，而最重要的傳感參數(shù)有切削力、切削過程振動、切削過程聲發(fā)射、切削過程電機的功率等。對于機床的運行來講，主要的傳感檢測目標有驅動系統(tǒng)、軸承與回轉系統(tǒng)、溫度的監(jiān)測與控制及安全性等，其傳感參數(shù)有機床的故障停機時間、被加工件的表面粗糙度和加工精度、功率、 機床狀態(tài)與冷卻潤滑液的流量等。 。與刀具和機床的過程監(jiān)視技術相比，工件的過程監(jiān)視是研究和應用最早、最多的。它們多數(shù)以工件加工質量控制為目標。 20 世紀 80 年代以來，工件識別和工件安裝位姿監(jiān)視要求也提到日程上來。粗略地講，工序識別是為辨識所執(zhí)行的加工工序是否是工（零）件加工要求的工序；工件識別是辨識送入機床待加工的工件或者毛坯是否是要求加工的工件或毛坯，同時還要求辨識工件安裝的位姿是否是工藝規(guī)程要求的位姿。此外，還可以利用工件識別和工件安裝監(jiān)視傳感待加工毛坯或工件的加工裕量和表面缺陷。完成這 些識別與監(jiān)視將采用或開發(fā)許多傳感器，如基于 TV 或 CCD 的機器視覺傳感器、激光表面粗糙度傳感系統(tǒng)等。 /砂輪的檢測傳感。切削與磨削過程是重要的材料切除過程。刀具與砂輪磨損到一定限度（按磨鈍標準判定）或出現(xiàn)破損（破損、崩刃、燒傷、塑變或卷刀的總稱），使它們失去切 /磨削能力或無法保證加工精度和加工表面完整性時，稱為刀具 /砂輪失效。工業(yè)統(tǒng)計證明，刀具失效是引起機床故障停機的首要因素，由其引起的停機時間占NC 類機床的總停機時間的 1/51/，它還可能引發(fā)設備或人身安全事故，甚至是重大事故。 7 汽車 自動控制系統(tǒng)中的傳感技術 隨著傳感器技術和其它新技術的應用， 現(xiàn)代 化汽車 工業(yè) 進入了全新時期。汽車的機電一體化要求用自動控制系統(tǒng)取代純機械式控制部件，這不僅體現(xiàn)在發(fā)動機上，為更全面地改善汽車性能，增加人性化服務功能，降低油耗，減少排氣污染，提高行駛安全性、可靠性、操作方便和舒適性，先進的檢測和控制技術已擴大到汽車全身。在其所有重點控制系統(tǒng)中，必不可少地使用曲軸位置傳感器、吸氣及冷卻水溫度傳感器、壓力傳感器、氣敏傳感器等各種傳感器。 汽車傳感器大致有兩類：一類是使司機了解汽車各部分狀態(tài)的傳感器；另一類傳感器是用于控制汽車運行狀態(tài)的控制傳感器。表 示出了汽車常用傳感器及檢測對象。 表 汽車用傳感器及檢測對象 項目 檢測對象與檢測量 溫度 冷卻水、排出氣體（催化劑）、吸入空氣、發(fā)動機油、室外（內）空氣 壓力 吸氣壓（計示壓力、絕對壓力）、大氣壓、燃燒壓、發(fā)動機油壓、制動壓、各種泵壓、輪胎壓 轉數(shù) 曲柄轉角、曲柄轉數(shù)、車輪速 度、發(fā)動機轉速 速度、加速度 車速（絕對）、角加速度 流量 吸入空氣量、燃料流量、排氣再循環(huán)量、二次空氣量 液量 燃料、冷卻水、電池液、洗窗器液、發(fā)動機軸、制動油 位移方位 節(jié)流閥開口度、排氣再循環(huán)閥升降溫量、車高（懸置、位移）、行駛距離、行駛方位 排出氣體 O CO C0、 NOX、碳氫化合物、柴油煙 其他 轉矩、爆震、燃料酒精成分、濕度、玻璃結露、飲酒鑒別、睡眠狀態(tài)、電池電壓、電池儲能多寡、燈泡斷線、載荷、沖擊物、輪胎失效率、液位等 汽車發(fā)動機控制用傳感器是在發(fā)動機產生的熱、震動、汽油蒸 汽以及輪胎產生的污泥和飛濺的水花等惡劣環(huán)境下工作的，因此汽車發(fā)動機用傳感器與一般傳感器相比，其耐惡劣環(huán)境的指標要高得多。表 為汽車發(fā)動機控制用傳感器。 8 表 汽車發(fā)動機控制用傳感器 傳感器名稱 測量范圍 精度要求 例 空氣吸入量傳感器 5~500m3/h (2020mL 發(fā)動機 ) 177。 2% 旋轉板、電位計式 卡爾曼渦流式、渦輪式、紅外線式、離子漂移式、超聲式 吸氣管壓力傳感器 大氣壓傳感器 （ ~） x105pa （絕對壓力） （ ~） x105pa （絕對壓力） 177。 2% 真空膜盒式氣壓計 /差分變壓器式真空膜盒式氣壓計 /電位計式 振動膜 /半導體應變計式 電容器式 振動膜 /聲表面波式、振動膜 /晶體振動式、振動膜 /碳堆式 溫度傳感器 （水溫、吸氣溫度） 40~120 186。C 177。 2% 熱敏電阻式 線繞電阻式、半導體式、臨界溫度電阻式（開關用）、正溫度系數(shù)熱敏電阻式（開關用）、熱敏鐵氧體式（開關用） 曲柄轉角傳感器（曲柄基準位置傳感器） 發(fā)動機轉數(shù)傳感器 1186。~300186。 177。 % 電磁傳感器式、磁敏晶體管式 磁感應式 霍爾元件式、壓電式、光電式、韋格納效應式 、可變電感式 位置傳感器（排氣再循環(huán)式閥的升降、節(jié)氣門角度） 0~5mm 177。 3% 電位差式 差分變壓器式 車速傳感器 0~170km/h 177。 1%~177。 4% 舌簧接點開關式 電磁傳感器式 氧傳感器 %~% 177。 1% ZrO2 元件、 TiO2 元件、 CO 元件（低級的空燃比 A/F 傳感器） 爆震傳感器 1~10 kHz 177。 1% 壓電元件式 磁致伸縮式 發(fā)動機控制用傳感器的精度多以百分數(shù)表示，這個百分數(shù)值必須在各種不同條件下滿足燃料經(jīng)濟性指標和排氣污染指標規(guī)定?？刂苹钊桨l(fā)動機，基本上就是 控制曲軸的位置。利用檢測曲軸位置的傳感器，可測出曲軸轉角位置從而計算點火提前角，并用微機計算出發(fā)動機轉速，其信號以時序脈沖形式輸出。燃料供給信號可以用二種方法獲得，一種是直接測量空氣的質量流量；另一種是檢測曲軸位置，再由技管絕對壓力 (MAP)和溫度計算出每個汽缸的空氣量。燃料控制環(huán)路多采用第二種方法，或采用測量空氣質量流量的方法。因此 MAP 傳感器和空氣質量流量傳感器都是重要的汽車用傳感器。 MAP傳感器有膜盒線性差動變換傳感器、電容盒 MAP 傳感器和硅膜壓力傳感器。 在空氣流量傳感器中，離子遷移式、熱絲式、 葉片式傳感器是真正的空氣質量流量計。渦流式、渦輪式是測量空氣流速的，需把它換算成質量流量。為算出恰當?shù)狞c火時刻，需要檢測曲軸指示脈沖、發(fā)動機轉速和發(fā)動機負荷三個參量。 9 為了確定發(fā)動機的初始條件或隨時進行狀態(tài)修正，還裝了爆震傳感器，如空氣溫度傳感器、冷卻水溫度傳感器等，在某些汽車中，還裝了爆震傳感器，渦輪增壓發(fā)動機在中速或高負荷狀態(tài)下，震動較大，從而帶來許多問題，安裝爆震傳感器后，當震動超過某一限度時，就自動推遲點火時間，直至震動減弱為止。這就是說，發(fā)動機在無激烈震動時提前點火，找出了最佳超前量。機械共振傳感 器、帶通振動傳感器和磁致伸縮傳感器可以提供這種震動信息。 為了提高汽車行駛的安全、可靠、操縱方便及舒適性，還采用了非發(fā)動機用傳感器，如表 所示。工業(yè)自動化領域用的各類傳感器直接或稍加改進，即可作為汽車非發(fā)動機用傳感器使用。 表 非發(fā)動機用傳感器 項目 所用傳感器 防打滑制動器 對地速度傳感器、車輪轉數(shù)傳感器 液壓轉向裝置 油壓傳感器、車速傳感器 行車速度自動控制 車速傳感器、加速踏板位置傳感器 氣胎 雷達、 G 傳感器 死角報警 超聲波傳感器、圖像傳感器 自動空調 室內溫度傳感器、吸氣溫 度傳感器、風量傳感器、濕度傳感器 亮度自動控制 光傳感器 自動門鎖系統(tǒng) 磁傳感器 自動（電子式）駕駛 磁傳感器、氣流速度傳感器 機器人用傳感器 機器人傳感技術是 20 世紀 70 年代發(fā)展起來的 ,是一類專門用于機器人技術的新型傳感器 ,與普通傳感器的工作原理基本相同 ,但又有其特殊性 ,對傳感信息種類和智能化處理的要求更高 ,包括機器人觸覺傳感器、機器人接近覺傳感器、機器人視覺傳感器、機器人嗅覺傳感器、機器人味覺傳感器、機器人聽覺傳感器等。之所以能夠準確操作 ,是因為它能夠通過各種傳感器來準確感知自身、操作對象 及作業(yè)環(huán)境的狀態(tài)。 機器人傳感器可分為內部檢測傳感器和外部檢測傳感器兩大類 。 內部檢測傳感器是以機器人本身的坐標軸來確定其位置，它安裝在機器人自身中用來感知機器人自己的狀態(tài)，以調整和控制機器人的行動。它通常由位置、加速度、速度及壓力傳感器組成。 外部檢測傳感器用于機器人對周圍環(huán)境、目標物的狀態(tài)特征獲取信息，使機器人和 10 環(huán)境能發(fā)生交互作用，從而使機器人對環(huán)境有自我校正和自適應能力。表 列出了這些傳感器的分類和功用。 表 機器人用外界檢測傳感器的分類 傳感器 檢測內容 檢測器件 應用 觸覺 接觸 把握力 荷重 分布壓力 多元力 力矩 滑動 限制開關 應變計、半導體感壓元件 彈簧變位測量計 導電橡膠、感壓高分子材料 應變計、半導體感壓元件 壓阻元件、馬達電流計 光學旋轉檢測器、光纖 動作順序控制 把握力控制 張力控制、指壓力控制 姿勢、形狀判別 裝配力控制 協(xié)調控制 滑動判定、力控制 接近覺 接近 間隔 傾斜 光電開關、 LED、激光、紅外 光敏晶體管、光敏二極管 電磁線圈、超聲波傳感器 動作順序控制 障礙物躲避 軌跡移動控制、探索 視覺 平面位置 距離 形狀 缺陷 ITV 攝像機、位置傳感器 測距器 線圖像傳感器 面圖像傳感器 位置決定、控制 移動控制 物體識別、判別 檢查、異常檢測 聽覺 聲音 超聲波 麥克風 超聲波傳感器 語言控制（人機接口） 移動控制 嗅覺 氣體成分 氣體傳感器、射線傳感器 化學成分探測 味覺 味道 離子傳感器、 pH 計 化學成分探測 機器人的觸覺，實際上是人的觸覺的某些模仿。它是有關機器人和對象物之間直接接觸的感覺，包括的內容較多，通常指以下幾種； 觸覺：手指與被測物是否接觸，接觸圖形的檢測。 壓覺：垂直于機器人和對象物接觸面上的力傳感器。 力覺：機器人動作時各自由度的力 感覺。 滑覺：物體向著垂直于手指把握面的方向移動或變形 。 觸覺傳感器 觸覺是接觸、沖擊、壓迫等機械刺激感覺的綜合，觸覺可以用來進行機器人抓取，利用觸覺可進一步感知物體的形狀、軟硬等物理性質。對機器人觸覺的研究，只能集中于擴展機器人能力所必需的觸覺功能，一般把檢測感知和外部直接接觸而產生的接觸覺、壓力、觸覺及接近覺的傳感器稱為機器人觸覺傳感器。 舉例：觸覺傳感器，如圖 所示。 1. 結構：平板上安裝著多點通、斷傳感器附著板的裝置 11 2. 原理：平常為通態(tài)，當與物體接觸時，彈簧收縮，上、下間電流斷開。它的功能相當于一開關，即輸出 0 和 1 兩種信號 3. 可用于控制機械手的運動方向和范圍、躲避障礙物等。 圖 觸覺傳感器 1. 導電橡膠； ； ； 人工皮膚觸覺傳感器的研究重點 1. 選擇更為合適的敏感材料，現(xiàn)有的材料主要有導電橡膠、壓電材料、光纖等； 2. 將集成電路工藝應用到傳感器的設計和制造中，使傳感器和處理電路一體化，得到 在規(guī)?；虺笠?guī)模陣列式觸覺傳感器 觸覺傳感器的工作重點集中在陣列式觸覺傳感器信號的處理上，目的是辨識物體接觸物體的形狀。陣列式觸覺傳感器如圖 所示。 圖 PVF2 陣列 式觸覺傳感器 這種信號的處理涉及到信號處理、圖像處理、計算機圖形學、人工智能、模式識別等學科，是一門比較復雜、比較困難的技術，還不是