传感器在机械领域的应用与发展毕业论文.docx
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单位代码
学 号 100617019
分类号
密 级
毕业设计(论文)
传感器在机械领域的应用与发展
院(系)名称 工学院
专业名称机械设计与制造
学生姓名
指导教师
2013年5月11日
传感器在机械领域的应用与发展
摘要
工业自动化是人类摆脱繁重的体力劳动的必要手段。
设想有一天,人们可以坐在中央控制室,看着各种机床按预先设定的程序有序地工作。
为了实现这一目标.中央控制室需要随时了解各单元的运行情况,及时作出判断并发出下一步动作指令,以实现闭环控制。
随着计算机技术的飞速发展.工业自动化程度愈来愈高.过去必须由人力去做的许多工作,现在已经逐步由计算机来代替了。
要实现工业自动化,传感器是必不可少的。
传感器的应用范围极广,几乎应用于所有的技术领域,如机器人技术领域、航空航天技术领域、兵器领域、民用工业领域,并逐渐深入到人们的日常生活中。
本文首先对传感器有比较详细的说明,然后介绍传统的工业机械以及现代的
工业机械,对比之下,可以容易得知现在工业机械的效率更高、安全系数更好等
优点,传感器在其中起的作用不可小觑。
最后,我们用冷水机和空压机的实例说明传感器在机械中的应用。
关键词:
传感器机械领域兵器领域
Theapplicationanddevelopmentofsensorinmechanicalfield
Author:
LiWei
Tutor:
LiHui
Abstract
Industrialautomationistheessentialmeanstohumansfromheavymanualwork.
Imagineoneday,peoplecansitatthecentralcontrolroom,lookingatallkindsofmachinetoolsaccordingtothepresetprogramworkorderly.Toachievethisgoal.Thecentralcontrolroomneedtoknowtheoperatingconditionoftheunitatanytime,timelyjudgeandanextmoveinstruction,inordertorealizetheclosed-loopcontrol.
Withtherapiddevelopmentofcomputertechnology,industrialautomationdegreemoreandmorehigh.Thepastmustbehumantodoalotofwork,isnowgraduallyinsteadofbycomputer.
Torealizeindustrialautomation,sensorsareessential.Sensorapplicationrangeisverywide,almostapplytoallareasoftechnologyinareassuchasrobotics,aerospacetechnology,weapons,civilianindustry,andgraduallygodeepintothePeople'sDailylife.
Atfirst,thispaperhasmoredetailedinstructionstothesensor,thenintroducesthetraditionalandmodernindustrialmachineryindustrialmachinery,incontrast,canbeeasilylearnedthatnowindustrialmachineryismoreefficientandbettersafetycoefficient,functionofsensorinittobereckonedwith.Finally,weusecoldwatermachineandaircompressorexampleillustratestheapplicationofsensorinmechanical.
Keywords:
weaponsfieldsensormechanicalfield
黄河科技学院毕业设计(论文) 第29页
目录
1传感器应用的发展过程 3
1.1传感器在机械发动机工况控制的应用 3
1.2传感器在工程机械液压系统控制中的应用 4
1.3传感器在机械总体性能控制中的应用 4
1.2.1机械中传感器的半导体化 4
1.2.2工程机械中传感器的多功能化 4
1.2.3机械中传感器的智能化和专业化 4
2传感器的概述 5
2.1传感器的作用 6
2.2传感器的功能 6
2.3传感器的分类 6
2.4传感器的特性 7
2.4.1传感器静态特性 7
2.4.2传感器动态特性 7
2.4.3传感器的线性度 8
2.4.4传感器的灵敏度 8
2.4.5传感器的分辨率 8
2.4.6传感器的迟滞特性 8
2.5几种主要的传感器 9
2.5.1电阻式传感器 9
2.5.2光敏传感器 9
2.5.3湿度传感器 9
2.5.4温度传感器 11
2.5.5压力传感器 16
3传感器在机械中的应用 21
3.1传统机械与现代机械 21
3.2传感器在空气压缩机中的应用 22
3.2.1空气压缩机的种类及原理 22
3.2.2空压机的特点 22
3.2.3传感器在阿特拉斯空压机中的应用 23
3.3传感器在冷水机中的应用 24
3.3.1冷水机的用途 25
3.3.2冷水机使用工业 25
3.3.3风冷和水冷式冷冻机 25
3.3.4传感器在york冷水机中的应用 26
4总结 28
5.参考文献 29
1传感器应用的发展过程
1.1传感器在机械发动机工况控制的应用
20世纪60年代以前,传感器只作为测量工程的一部分加以分析研究,随着材料科学的发展,特别是20世纪80年代以后计算机技术的发展和芯片集成水平提高,使传感器技术也随之提高和发展。
传感器不仅应用在工业自动控制、工作环境及工作介质的参数测量等范围内,而且传感器技术与计算机技术结合,形成了微型的多功能、智能化传感器,使之对移动机械设备的状态控制更易普及和发展,因此,在工程机械设备上大量使用传感器技术,以提高这些设备的技术性能。
1.1.1传感器在机械发动机工况控制的应用
近几年出现的电喷柴油发动机借鉴了汽油发动机的一些传感控制技术,它的应用提高了工程机械整体技术水平。
另外,新近生产的一些采用普通柴油机的工程机械也采用了一些传感器测控技术。
工程机械在这方面使用的传感器有以下几种类型:
控制空气流量动片式传感器的喷油机构的位置传感器;压力传感器,包括燃油压力、润油系统机油压力等压力传感器;用于柴油机转速控制的转速传感器;用于测控燃油液面和机油液面的传感器和控制温度的温度传感器。
1.1.2传感器在工程机械液压系统控制中的应用
液压传动系统在现代工程机械的传动中占有十分重要的地位,它不仅应用在主要的工作机构中,如挖掘机的挖掘机构传动,振动压路机的振动机构,而且在现代工程机械行走系统、转向系统以及一些伺服机构中都大量应用。
在液压系统中应用的传感器主要有控制液压油温度的温度传感器;控制液压油压力的压力传感器;控制泄漏量和流量的流量传感器;控制液压油液位的液位传感器等。
1.1.3传感器在机械总体性能控制中的应用
通常工程机械工作环境是比较恶劣的,为了提高其工作的安全性和工作性能,就需要对机械整体性能进行有效控制,在这方面应用的传感器主要有控制主要的工作机构和制动系统磨损检测传感器;控制整机通过性的限位平衡传感器;用于装载机械超载的控制超载压力传感器;用于控制摊铺机铺层厚度的距离传感器;用于拌和站物料温度控制的温度传感器;另外还有工程机械驾驶室工作间的温度、湿度、光照等条件控制的温度式、湿度式、光量式传感器等。
1.2工程机械中应用传感器的发展趋势
进入20世纪80年代超大规模半导体集成技术和计算机技术的发展,为传感器技术的发展创造了极为有利的条件。
从现有的工程机械中传感器应用的相关专业技术的发展来分析。
在工程机械中使用的传感器显示出四个发展趋势,即半导体化、多功能化、智能化和专业化。
1.2.1机械中传感器的半导体化
目前在工程机械中使用的传感器,按测控原理半导体传感器类型已占7O%以上,半导体传感器以其灵敏度高、响应快、体积小、重量轻被广泛应用与筑路机械中。
测控的参数包括温度、压力、流量、浓度、湿度等多项内容,其更重要的特性是传感器集成化程度高,可便利地与计算机结合,广泛应用工程机械中。
1.2.2工程机械中传感器的多功能化
由于半导体传感器可高度集成,这样就可以在同一芯片集成如温度、湿度、压差、气体、浓度等多个敏感元件,使传感器效率有很大提高。
半导体传感器的多功能化比较适合工程机械这样的移动式作业设备。
因此,工程机械中的传感器的多功能化是一个较显著的发展趋势。
1.2.3机械中传感器的智能化和专业化
工程机械使用的传感器与计算机结合形成了具有检测、信息处理功能和自动控制的智能化传感器。
如摊铺机为控制铺层厚度采用的距离传感器就是这一类型。
此类传感器基本上都具有自动校调功能,这样极大地方便了工程机械的使用。
另外,工程机械种类较多,在专业化生产过程中,为提高工程机械的效率和降低生产成本,针对不同种类的工程机械的主要测控参数所使用的传感器,向专业化方向发展,这也是工程机械中使用传感器发展趋势。
据对不同种类的工程机械使用传感器技术的统计,专业传感器占92%以上。
2传感器的概述
传感器(sensor;measuringelement;transducer):
能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。
传感器是一种物理装置或生物器官,能够探测、感受外界的信号、物理条件(如光、热、湿度)或化学组成(如烟雾),并将探知的信息传递给其他装置或器官。
它能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成。
传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将检测感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
2.1传感器的作用
人们为了从外界获取信息,必须借助于感觉器官。
而单靠人们自身的感觉器官,在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。
为适应这种情况,就需要传感器。
因此可以说,传感器是人类五官的延长,又称之为电五官。
新技术革命的到来,世界开始进入信息时代。
在利用信息的过程中,首先要解决的就是要获取准确可靠的信息,而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。
在现代工业生产尤其是自动化生产过程中,要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数,使设备工作在正常状态或最佳状态,并使产品达到最好的质量。
因此可以说,没有众多的优良的传感器,现代化生产也就失去了基础。
在基础学科研究中,传感器更具有突出的地位。
现代科学技术的发展,进入了许多新领域:
例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙,微观上要观察小到cm的粒子世界,纵向上要观察长达数十万年的天体演化,短到s的瞬间反应。
此外,还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究,如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁砀等等。
显然,要获取大量人类感官无法直接获取的信息,没有相适应的传感器是不可能的。
许多基础科学研究的障碍,首先就在于对象信息的获取存在困难,而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现,往往会导致该领域内的突破。
一些传感器的发展,往往是一些边缘学科开发的先驱。
传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。
可以毫不夸张地说,从茫茫的太空,到浩瀚的海洋,以至各种复杂的工程系统,几乎每一个现代化项目,都离不开各种各样的传感器。
由此可见,传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用,是十分明显的。
世界各国都十分重视这一领域的发展。
相信不久的将来,传感器技术将会出现一个飞跃,达到与其重要地位相称的新水平。
2.2传感器的功能
常将传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟:
光敏传感器——视觉、声敏传感器——听觉、气敏传感器——嗅觉、化学传感器——味觉、压敏、温敏、流体传感器——触觉
敏感元件的分类:
①物理类,基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。
②化学类,基于化学反应的原理。
③生物类,基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。
通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类(还有人曾将敏感元件分46类)。
2.3传感器的分类
可以用不同的观点对传感器进行分类:
它们的转换原理(传感器工作的基本物理或化学效应);它们的用途;它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。
根据传感器工作原理,可分为物理传感器和化学传感器二大类:
传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应,诸如压电效应,磁致伸缩现象,离化、极化、热电、光电、磁电等效应。
被测信号量的微小变化都将转换成电信号。
化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器,被测信号量的微小变化也将转换成电信号。
有些传感器既不能划分到物理类,也不能划分为化学类。
大多数传感器是以物理原理为基础运作的。
化学传感器技术问题较多,例如可靠性问题,规模生产的可能性,价格问题等,解决了这类难题,化学传感器的应用将会有巨大增长。
2.4传感器的特性
2.4.1传感器静态特性
传感器的静态特性是指对静态的输入信号,传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。
因为这时输入量和输出量都和时间无关,所以它们之间的关系,即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程,或以输入量作横坐标,把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。
表征传感器静态特性的主要参数有:
线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。
(1) 线性度:
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。
定义为在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。
(2) 灵敏度:
灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。
其定义为输出量的增量与引起该增量的相应输入量增量之比。
用S表示灵敏度。
(3) 迟滞:
传感器在输入量由小到大(正行程)及输入量由大到小(反行程)变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象成为迟滞。
对于同一大小的输入信号,传感器的正反行程输出信号大小不相等,这个差值称为迟滞差值。
(4) 重复性:
重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时,所得特性曲线不一致的程度。
(5) 漂移:
传感器的漂移是指在输入量不变的情况下,传感器输出量随着时间变化,此现象称为漂移。
产生漂移的原因有两个方面:
一是传感器自身结构参数;二是周围环境(如温度、湿度等)。
2.4.2传感器动态特性
所谓动态特性,是指传感器在输入变化时,它的输出的特性。
在实际工作中,传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。
这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得,并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系,往往知道了前者就能推定后者。
最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种,所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。
2.4.3传感器的线性度
通常情况下,传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。
在实际工作中,为使仪表具有均匀刻度的读数,常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度(非线性误差)就是这个近似程度的一个性能指标。
拟合直线的选取有多种方法。
如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线;或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线,此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。
2.4.4传感器的灵敏度
灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化△y对输入量变化△x的比值。
它是输出一输入特性曲线的斜率。
如果传感器的输出和输入之间显线性关系,则灵敏度S是一个常数。
否则,它将随输入量的变化而变化。
灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。
例如,某位移传感器,在位移变化1mm时,输出电压变化为200mV,则其灵敏度应表示为200mV/mm。
当传感器的输出、输入量的量纲相同时,灵敏度可理解为放大倍数。
提高灵敏度,可得到较高的测量精度。
但灵敏度愈高,测量范围愈窄,稳定性也往往愈差。
2.4.5传感器的分辨率
分辨率是指传感器可感受到的被测量的最小变化的能力。
也就是说,如果输入量从某一非零值缓慢地变化。
当输入变化值未超过某一数值时,传感器的输出不会发生变化,即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。
只有当输入量的变化超过分辨率时,其输出才会发生变化。
通常传感器在满量程范围内各点的分辨率并不相同,因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨率的指标。
上述指标若用满量程的百分比表示,则称为分辨率。
分辨率与传感器的稳定性有负相相关性。
2.4.6传感器的迟滞特性
迟滞特性表征传感器在正向(输入量增大)和反向(输入量减小)行程间输出-一输入特性曲线不一致的程度,通常用这两条曲线之间的最大差值△MAX与满量程输出F·S的百分比表示。
迟滞可由传感器内部元件存在能量的吸收造成。
2.5几种主要的传感器
2.5.1电阻式传感器
电阻式传感器是将被测量,如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等这些物理量转换式成电阻值这样的一种器件。
主要有电阻应变式、压阻式、热电阻、热敏、气敏、湿敏等电阻式传感器件。
24GHz雷达传感器
存在,测量物体的运动速度,静止距离,物体所处角度等,采用平面微带技术,具有体积小,集成化程度高,感应灵敏,无需接触等特点。
2.5.2光敏传感器
光敏传感器是最常见的传感器之一,它的种类繁多,主要有:
光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、太阳能电池、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD和CMOS图像传感器等。
它的敏感波长在可见光波长附近,包括红外线波长和紫外线波长。
光传感器不只局限于对光的探测,它还可以作为探测元件组成其他传感器,对许多非电量进行检测,只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。
光传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之一,它在自动控制和非电量电测技术引中占有非常重要的地位。
最简单的光敏传感器是光敏电阻,当光子冲击接合处就会产生电流。
2.5.3湿度传感器
高分子电容式湿度传感器通常都是在绝缘的基片诸如玻璃、陶瓷、硅等材料上,用丝网漏印或真空镀膜工艺做出电极,再用浸渍或其它办法将感湿胶涂覆在电极上做成电容元件。
湿敏元件在不同相对湿度的大气环境中,因感湿膜吸附水分子而使电容值呈现规律性变化,此即为湿度传感器的基本机理。
影响高分子电容型元件的温度特性,除作为介质的高分子聚合物的介质常数ε及所吸附水分子的介电常数ε受温度影响产生变化外,还有元件的几何尺寸受热膨胀系数影响而产生变化等因素。
根据德拜理论的观点,液体的介电常数ε是一个与温度和频率有关的无量纲常数。
水分子的ε在T=5℃时为78.36,在T=20℃时为79.63。
有机物ε与温度的关系因材料而异,且不完全遵从正比关系。
在某些温区ε随T呈上升趋势,某些温区ε随T增加而下降。
多数文献在对高分子湿敏电容元件感湿机理的分析中认为:
高分子聚合物具有较小的介电常数,如聚酰亚胺在低湿时介电常数为3.0一3.8。
而水分子介电常数是高分子ε的几十倍。
因此高分子介质在吸湿后,由于水分子偶极距的存在,大大提高了吸水异质层的介电常数,这是多相介质的复合介电常数具有加和性决定的。
由于ε的变化,使湿敏电容元件的电容量C与相对湿度成正比。
在设计和制作工艺中很难组到感湿特性全湿程线性。
作为电容器,高分子介质膜的厚度d和平板电容的效面积S也和温度有关。
温度变化所引起的介质几何尺寸的变化将影响C值。
高分子聚合物的平均热线胀系数可达到的量级。
例如硝酸纤维素的平均热线胀系数为108x10-5/℃。
随着温度上升,介质膜厚d增加,对C呈负贡献值;但感湿膜的膨胀又使介质对水的吸附量增加,即对C呈正值贡献。
可见湿敏电容的温度特性受多种因素支配,在不同的湿度范围温漂不同;在不同的温区呈不同的温度系数;不同的感湿材料温度特性不同。
总之,高分子湿度传感器的温度系数并非常数,而是个变量。
所以通常传感器生产厂家能在-10-60摄氏度范围内是传感器线性化减小温度对湿敏元件的影响。
比较优质的产品主要使用聚酰胺树脂,产品结构概要为在硼硅玻璃或蓝宝石衬底上真空蒸发制作金电极,再喷镀感湿介质材料(如前所述)形式平整的感湿膜,再在薄膜上蒸发上金电极湿敏元件的电容值与相对湿度成正比关系,线性度约±2%。
虽然,测湿性能还算可以但其耐温性、耐腐蚀性都不太理想,在工业领域使用,寿命、耐温性和稳定性、抗腐蚀能力都有待于进一步提高。
陶瓷湿敏传感器是近年来大力发展的一种新型传感器。
优点在于能耐高温,湿度滞后,响应速度快,体积小,便于批量生产,但由于多孔型材质,对尘埃影响很大,日常维护频繁,时常需要电加热加以清洗易影响产品质量,易受湿度影响,在低湿高温环境下线性度差,特别是使用寿命短,长期可靠性差,是此类湿敏传感器迫切解决的问题。
当前在湿敏元件的开发和研究中,电阻式湿度传感器应当最适用于湿度控制领域,其代表产品氯化锂湿度传感器具有稳定性、耐温性和使用寿命长多项重要的优点,氯化锂湿敏传感器已有了五十年以上的生产和研究的历史,有着多种多样的产品型式和制作方法,都应用了氯化锂感湿液具备的各种优点尤其是稳定性最强。
氯化锂湿敏器件属于电解质感湿性材料,在众多的感湿材料之中,首先被人们所注意并应用于制造湿敏器件,氯化锂电解质感湿液依据当量电导随着溶液浓度的增加而下降。
电解质溶解于水中降低水面上的水蒸气压的原理而实现感湿。
氯化锂湿敏器件的衬底结构分柱状和梳妆,以氯化锂聚乙烯醇涂覆为主要成份的感湿液和制作金质电极是氯化锂湿敏器件的三个组成部分。
多年来产品制作不断改进提高,产品性能不断得到改善,氯化锂感湿传感器其特有的长期稳定性是其它感湿材料不可替代的,也是湿度传感器最重要的性能。
在产品制作过程中,经过感湿混合液的配制和工艺上的严格控制是保持和发挥这一特性的关键。
2.5.4温度传感器
能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。
利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量的传感器。
这些呈现规律性变化的物理性质主要有体。
温度传感器是温度测量仪表的核心部分,品种繁多。
按测量方式可分为接触式和非接触式两大类,按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。
A.触式温度传感器
接触式温度传感器的检测部分
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