1、优秀毕业设计传感器技术在机电一体化系统中的应用及其发展管理资料传感器技术在机电一体化系统中的应用及其发展摘 要在机电一体化系统中，传感器处系统之首，其作用相当于系统感受器官，能快速、精确地获取信息并能经受严酷环境考验，是机电一体化系统达到高水平的保证。如缺少这些传感器对系统状态和对信息精确而可靠的自动检测，系统的信息处理、控制决策等功能就无法谈及和实现。文章概述传感器研究现状与发展，探讨传感器在机电一体化系统中的应用，并分析我国传感器技术发展的若干问题及发展方向。关键词：传感器技术，光机电一体化，应用THE SENSOR TECHNOLOGY APPLICATION IN MECHATRONI
2、CS SYSTEM AND ITS DEVELOPMENTABSTRACTIn mechatronics system, where the sensor system, the role of the equivalent system feeling Organs, can quickly and accurately to obtain information and can withstand harsh environment test, is electromechanical integration system reaches To a high level of assura
3、nce. Such as lack of these sensors on the system state and accurate and reliable information to be automatic Testing, the systems information processing, control decision-making functions cannot talk about and realization. This article summarizes the sensor Research situation and development, discus
4、ses the sensors in the electromechanical integration system, and analyzes the application of sensor Implement technology development certain problems and development direction.KEY WORDS:sensor technology，Optic-mechanical integration，application中文摘要2页英文摘要.3页前言.1页第一章、传感器在机电一体化系统中的作用及地位.1页 机器人用传感器. .1页
5、 机械加工过程的传感检测技术.1页 汽车自动控制系统中的传感技术.2页第二章、常用传感器的类型、特点、结构及用途.3页 电阻式传感器.3页 电容式传感器.5页 电感式传感器.6页 压电式传感器.7页 霍尔式传感器.9页第三章、机电一体化系统中传感器的选择 .11页 数控机床对传感器的要求.11页 位移的检测.11页 位置的检测.12页 速度的检测.13页 压力的检测.13页. 温度的检测.14页 刀具磨损的监控.14页第四章、我国传感器技术的发展趋势.14页 与国外的差距.15页 今后的发展趋势.15页第五章、结论.17页第六章、参考文献.18页第七章、致谢.19页前 言从20世纪80年代起，
6、逐步在世界范围内掀起一股“传感器热”，各先进工业国都极为重视传感技术和传感器研究、开发和生产。传感技术已成为重要的现代科技领域，传感器及其系统生产已成为重要的新兴行业。传感器技术是一项当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高新技术之一，也是当代科学技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱。如果说计算机是人类大脑的扩展,那么传感器就是人类五官的延伸，当集成电路、计算机技术飞速发展时，人们才逐步认识信息摄取装置传感器没有跟上信息技术的发展而惊呼“大脑发达、五官不灵”。 传感器技术是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密机械、仿生学、材料科
7、学等众多学科相互交叉的综合性高新技术密集型前沿技术之一。第一章 传感器在机电一体化系统中的作用及地位在机电一体化系统中，传感器处系统之首，其作用相当于系统感受器官，能快速、精确地获取信息并能经受严酷环境考验，是机电一体化系统达到高水平的保证。如缺少这些传感器对系统状态和对信息精确而可靠的自动检测，系统的信息处理、控制决策等功能就无法谈及和实现2。传感器是左右机电一体化系统（或产品）发展的重要技术之一，广泛应用于各种自动化产品之中。 机器人用传感器工业机器人之所以能够准确操作，是因为它能够通过各种传感器来准确感知自身、操作对象及作业环境的状态，包括：其自身状态信息的获取通过内部传感器（位置、位移
8、、速度、加速度等）来完成，操作对象与外部环境的感知通过外部传感器来实现，这个过程非常重要，足以为机器人控制提供反馈信息。 机械加工过程的传感检测技术 （1）切削过程和机床运行过程的传感技术。切削过程传感检测的目的在于优化切削过程的生产率、制造成本或（金属）材料的切除率等。切削过程传感检测的目标有切削过程的切削力及其变化、切削过程颤震、刀具与工件的接触和切削时切屑的状态及切削过程辨识等，而最重要的传感参数有切削力、切削过程振动、切削过程声发射、切削过程电机的功率等。对于机床的运行来讲，主要的传感检测目标有驱动系统、轴承与回转系统、温度的监测与控制及安全性等，其传感参数有机床的故障停机时间、被加工
9、件的表面粗糙度和加工精度、功率、机床状态与冷却润滑液的流量等。 （2）工件的过程传感。与刀具和机床的过程监视技术相比，工件的过程监视是研究和应用最早、最多的。它们多数以工件加工质量控制为目标。20世纪80年代以来，工件识别和工件安装位姿监视要求也提到日程上来。粗略地讲，工序识别是为辨识所执行的加工工序是否是工（零）件加工要求的工序；工件识别是辨识送入机床待加工的工件或者毛坯是否是要求加工的工件或毛坯，同时还要求辨识工件安装的位姿是否是工艺规程要求的位姿。此外，还可以利用工件识别和工件安装监视传感待加工毛坯或工件的加工裕量和表面缺陷。完成这些识别与监视将采用或开发许多传感器，如基于TV或CCD的
10、机器视觉传感器、激光表面粗糙度传感系统等。 （3）刀具,砂轮的检测传感。切削与磨削过程是重要的材料切除过程。刀具与砂轮磨损到一定限度（按磨钝标准判定）或出现破损（破损、崩刃、烧伤、塑变或卷刀的总称），使它们失去切（磨削能力或无法保证加工精度和加工表面完整性时，称为刀具/砂轮失效。工业统计证明，刀具失效是引起机床故障停机的首要因素，由其引起的停机时间占NC类机床的总停机时间的1/5-1/，它还可能引发设备或人身安全事故，甚至是重大事故。 汽车自动控制系统中的传感技术随着传感器技术和其它新技术的应用，现代化汽车工业进入了全新时期。汽车的机电一体化要求用自动控制系统取代纯机械式控制部件，这不仅体现在
11、发动机上，为更全面地改善汽车性能，增加人性化服务功能，降低油耗，减少排气污染，提高行驶安全性、可靠性、操作方便和舒适性，先进的检测和控制技术已扩大到汽车全身。在其所有重点控制系统中，必不可少地使用曲轴位置传感器、吸气及冷却水温度传感器、压力传感器、气敏传感器等各种传感器第二章、常用传感器的类型、特点、结构及用途传感器已广泛应用于航天、航空、国防科研、信息产业、机械、电力、能源、交通、冶金、石油、建筑、邮电、生物、医学、环保、材料、灾害预测预防、农林、渔业生产、食品、烟酒制造、机器人、家电等诸多领域,可以说几乎渗透到每个领域1。下面，我就几类基本类型的传感器做些介绍： 电阻式传感器：变阻器式、电
12、阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式。（1）变阻器式传感器变阻器式传感器的等效电路如下图：如果电阻丝的直径和材料确定，单位位移的电阻值为一常数，传感器的输出与输入成线性关系。 变阻式传感器又称为电位器式传感器。它们是由电阻元件及电刷(活动触点)两个基本部分组成。电刷相对于电阻元件的运动可以是直线运动、转动和螺旋运动，因而可以将直线位移或角位移转换为与其成一定函数关系的电阻或电压输出。这类传感器结构简单，尺寸小，性能稳定。受环境影响小。不需放大。在生活中，应用实例诸多，如重量的自动检测-配料设备、煤气包储量检测等。（2）电阻应变式传感器电阻应变式传感器由弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成，
13、可根据具体测量要求设计成多种结构形式。弹性敏感元件受到所测量的力而产生变形，并使附着其上的电阻应变计一起变形。电阻应变计再将变形转换为电阻值的变化，从而可以测量力、压力、扭矩、位移、加速度和温度等多种物理量。电阻应变式传感器是基于电阻应变片的使用，金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形（伸长或缩短）的变化而发生变化的现象。金属应变片的电阻相对变化为 ， 称为金属电阻丝的轴向应变，简称纵向应变。称为电阻丝的径向应变，简称横向应变。当电阻丝沿横向伸长时，两者之间的关系为，其中为电阻丝材料的泊桑比，则，金属电阻材料的很小，即
14、其压阻效应很弱，这样上式可简化为，其灵敏度为。为了将电阻应变式传感器的电阻变化转换成电压或电流信号，在应用中一般采用电桥电路作为其测量电路。电桥电路具有结构简单、灵敏度高、测量范围宽、线性度好且易实现温度补偿等优点。能较好地满足各种应变测量要求，因此在应变测量中得到了广泛的应用3。 电桥电路按辅助电源分有直流电桥和交流电桥，由于直流电桥的输出信号在进一步放大时易产生零漂，故交流电桥的应用更为广泛。直流电桥只用于较大应变的测量，交流电桥可用于各种应变的测量。 电桥电路按其工作方式分有单臂、双臂和全桥三种。直流电桥的连接方式a)半桥单臂 b)半桥双臂 c)全桥金属应变片的稳定性和温度特性好，但其灵
15、敏度小；而半导体应变片应变灵敏度大;体积小;能制成具有一定应变电阻的元件，但它的缺点是温度稳定性和可重复性不如金属应变片。它的应用实例如桥梁固有频率测量、电子称、桶式测力传感器等。电子称把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。其最常用的形式是由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，若不考虑边缘效应，其电容量为当被测参数变化使得上式中的A、d 或 发生变化时，电容量C也随之变化。若保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。电容式传感器的等效电路如图：电容式传感器的
16、测量电路同样为电桥电路，如下图：电容式传感器的温度稳定性好，结构简单，动态响应好，可进行非接触测量，然而，输入阻抗高，负载能力差4。其运用实例有电容传声器、转速测量、电容测厚仪、电容式油量表等。 电感式传感器电感式传感器是利用电磁感应把被测的物理量如位移，压力，流量，振动等转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。电感式传感器具有以下特点： （1）结构简单，传感器无活动电触点，因此工作可靠寿命长。 （2）灵敏度和分辨力高，。传感器的输出信号强，电压灵敏度一般每毫米的位移可达数百毫伏的输出。（3）线性度和重复性都比较好，在一定位移范围（几
17、十微米至数毫米）内，%。同时，这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，它在工业自动控制系统中广泛被采用。但不足的是，它有频率响应较低，不宜快速动态测控等缺点7。 电感式传感器种类很多，常见的有自感式，互感式和涡流式三种。图中介绍的是自感式传感器。由铁心和线圈构成的将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器，又称电感式位移传感器。这种传感器的线圈匝数和材料导磁系数都是一定的，其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。当把线圈接入测量电路并接通激励电源时，就可获得正比于位移输入量的电压或电流输出。电感式传感器的特点是：无活动触点、可靠度高、寿命长；分辨率高
18、；灵敏度高；线性度高、重复性好；测量范围宽（测量范围大时分辨率低）；无输入时有零位输出电压，引起测量误差；对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高；不适用于高频动态测量。电感式传感器主要用于位移测量和可以转换成位移变化的机械量（如力、张力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等）的测量。常用电感式传感器有变间隙型、变面积型和螺管插铁型。在实际应用中，这三种传感器多制成差动式，以便提高线性度和减小电磁吸力所造成的附加误差。 变间隙型电感传感器 这种传感器的气隙随被测量的变化而改变,从而改变磁阻（图1）。它的灵敏度和非线性都随气隙的增大而减小，因此常常要考虑两者兼顾。 变面积型
19、电感传感器 这种传感器的铁芯和衔铁之间的相对覆盖面积（即磁通截面）随被测量的变化而改变,从而改变磁阻（图2）。它的灵敏度为常数，线性度也很好。 螺管插铁型电感传感器 它由螺管线圈和与被测物体相连的柱型衔铁构成。其工作原理基于线圈磁力线泄漏路径上磁阻的变化。衔铁随被测物体移动时改变了线圈的电感量。这种传感器的量程大，灵敏度低，结构简单，便于制作6。电感式传感器的应用实例有：测厚、零件计数、侧转速、无损探伤、测微技术等。 压电式传感器压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应, 是典型的有源传感器。当材料受力作用而变形时, 其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。压电式传感器的等效电路：压
20、电元件两电极间的压电陶瓷或石英晶体为绝缘体，因此可以构成一个电容器，晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板, 极板间物质等效于一种介质, 则其电容量为：，压电元件受外力时，两表面产生等量的正负电 荷，压电元件的开路电压为：。压电传感器可以等效为一个电荷源与一个电容并联。如下图(a)压电传感器也可以等效为一个与电容相串联的电压源。如下图（b）电压灵敏度与电荷灵敏度之间的关系为：压电式传感器的测量电路： 测量时，需把压电传感器用电缆接于前置放大器，前置放大器作用： 一是放大传感器输出的微弱信号；二是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗。电压放大器如图（a）： 电荷放大器如图（b）： （b） 压
21、电式传感器的性能特点：高阻抗、低能量；但是无静态输出，要求有很高的电输出阻抗。需用低电容的低噪声电缆。压电式传感器的应用有：压电式测力传感器、压电式加速度传感器、压电式金属加工切削力测量、压电式玻璃破碎报警器等。压电式金属加工切削力测量：压电式玻璃破碎报警器： 霍尔式传感器霍尔传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量转换成电动势输出的一种传感器。由于霍尔元件在静止状态下，具有感受磁场的独特能力，并且具有结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽(从直流到微波)、动态范围大(输出电势变化范围可达1000:1)、寿命长等特点，因此获得了广泛应用。 金属或半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方
22、向垂直于薄片，当有电流流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种现象称霍尔效应。如下图：霍尔元件的主要性能参数： （1）输入电阻和输出电阻 输入电阻：控制电极间的电阻 输出电阻：霍尔电极之间的电阻（2）额定控制电流和最大允许控制电流 额定控制电流：当霍尔元件有控制电流使其本身在空气中产生10温升时，对应的控制电流值 最大允许控制电流：以元件允许的最大温升限制所对 应的控制电流值（3）不等位电势：当霍尔元件的控制电流为额定值时，若元件所处位置的磁感应强度为零，测得的空载霍尔电势。（4）寄生直流电势 霍尔元件零位误差的一部分当没有外加磁场，霍尔元件用交流控制电流时，霍尔电极的输出有一
23、个直流电势控制电极和霍尔电极与基片的连接是非完全欧姆接触时，会产生整流效应。两个霍尔电极焊点的不一致，引起两电极温度不同产生温差电势（5） 霍尔电势温度系数在一定磁感应强度和控制电流下，温度每变化1度时，霍尔电势变化的百分率。霍尔传感器的灵敏度和线性度主要取决于磁路系统和霍尔元件的特性。霍尔传感器动态性能好。霍尔传感器的基本测量电路如下：激励电流由电压源E供给，其大小由可变电阻来调节。霍尔型传感器的应用有：霍尔转速表、霍尔式微压力传感器、各种位移传感器等。第三章 机电一体化系统中传感器的选择传感器的应用范围广，种类繁多。如何为我们机电一体化系统选择合适的传感器呢？下面我们就以数控机床为例讲讲机
24、电一体化系统中传感器的选择。数控机床综合了机械、自动化、计算机、测量、微电子等最新技术，使用了多种传感器，由于高精度、高速度、高效率及安全可靠的特点，在制造业技术设备更新中，数控机床正迅速地在企业得到普及。数控机床是一种装有程序控制系统的自动化机床，能够根据已编好的程序，使机床动作并加工零件。它综合了机械、自动化、计算机、测量、微电子等最新技术，使用了多种传感器。 数控机床对传感器的要求（1）可靠性高和抗干扰性强；（2）满足精度和速度的要求；（3）使用维护方便，适合机床运行环境；（4）成本低不同种类数控机床对传感器的要求也不尽相同，一般来说，大型机床要求速度响应高，中型和高精度数控机床以要求精
25、度为主。 位移的检测位移检测的传感器主要有脉冲编码器、直线光栅、旋转变压器、感应同步器等。（1） 脉冲编码器的应用脉冲编码器是一种角位移（转速）传感器，它能够把机械转角变成电脉冲。脉冲编码器可分为光电式、接触式和电磁式三种，其中，光电式应用比较多。（2）直线光栅的应用直线光栅是利用光的透射和反射现象制作而成，常用于位移测量，分辨力较高，测量精度比光电编码器高，适应于动态测量。在进给驱动中，光栅尺固定在床身上，其产生的脉冲信号直接反映了拖板的实际位置。用光栅检测工作台位置的伺服系统是全闭环控制系统。（3） 旋转变压器的应用旋转变压器是一种输出电压与角位移量成连续函数关系的感应式微电机。旋转变压器
26、由定子和转子组成，具体来说，它由一个铁心、两个定子绕组和两个转子绕组组成，其原、副绕组分别放置在定子、转子上，原、副绕组之间的电磁耦合程度与转子的转角有关。（4） 感应同步器的应用感应同步器是利用两个平面形绕组的互感随位置不同而变化的原理制成的。其功能是将角度或直线位移转变成感应电动势的相位或幅值，可用来测量直线或转角位移。按其结构可分为直线式和旋转式两种。直线式感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，定尺安装在机床床身上，滑尺安装于移动部件上，随工作台一起移动；旋转式感应同步器定子为固定的圆盘，转子为转动的圆盘。感应同步器具有较高的精度与分辨力、抗干扰能力强、使用寿命长、维护简单、长距离位移测量、工艺性好、成本较低等优点。直线式感应同步器目前被广泛地应用于大位移静态与动态测量中，例如用于三坐标测量机、程控数控机床、高精度重型机床及加工中心测量装置等。旋转式感应同步器则被广泛地用于机床和仪器的转台以及各种回转伺服控制系统中。 位置的检测位置传感器可用来检测位置，反映某种状态的开关，和位移传感器不同。位置传感器有接触式和接近式两种。（1）接触式传感器的应用接触式传感器的触头由两个物体接触挤压而动作，常见的有行程开关、二维矩阵式位置传感器等。行程开关结构
