传感器技术在机电一体化系统中的应用及其发展

1河南质量工程职业学院毕业设计（论文）题目:传感器技术在机电一体化系统中的应用系别:机电工程系专业:机电一体化班级:11级现代控制班学生姓名:学定稿日期:2014年4月8日2河南质量工程职业学院毕业设计（论文）任务书班级现代控制班学生姓名郭振波指导教师李德明设计（论文）题目传感器技术在机电一体化系统中的应用主要研究内容传感器技术在测量技术、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、材料科学等众多学科中的应用。主要技术指标或研究目标传感器技术在电阻式传感器电容式传感器霍尔式传感器压电式传感器电感式传感器应用来实现制动化。基本要求有一定精确度和灵敏度。主要参考资料[1]韩连英，王晓红.光纤传感器在机械设备检测中的应用[J].光机电信息.2006[2]张开逊.现代传感技术在信息科学中的地位[J].工业计量.2006（1）3及文献[3]武昌俊.自动检测技术及应用[M].北京：机械工业出版社，2005.[4]梁景凯.机电一体化技术与系统[M].北京：机械工业出版社，1999.[5]陈瑜.国外机电一体化技术发展趋势[J].国外机电一体化技术.2000，5[6]胡泓、姚伯威主编.机电一体化原理及应用.北京：国防工业出版社，1999[7]李建勇.机电一体化技术[M].北京:科学出版社,2004.[8]姜全新.机械制图.武汉：华中科技大学出版社，2005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4ABSTRACT：Inmechatronicssystem,wherethesensorsystem,theroleoftheequivalentsystemfeelingOrgans,canquicklyandaccuratelytoobtaininformationandcanwithstandharshenvironmenttest,iselectromechanicalintegrationsystemreachesToahighlevelofassurance.SuchaslackofthesesensorsonthesystemstateandaccurateandreliableinformationtobeautomaticTesting,thesystem'sinformationprocessing,controldecision-makingfunctionscannottalkaboutandrealization.ThisarticlesummarizesthesensorResearchsituationanddevelopment,discussesthesensorsintheelectromechanicalintegrationsystem,andanalyzestheapplicationofsensorImplementtechnologydevelopmentcertainproblemsanddevelopmentdirection.KEYWORDS:sensortechnology，Optic-mechanicalintegration，application1目录中文摘要3英文摘要4前言1第一章、传感器在机电一体化系统中的作用及地位11.1机器人用传感器21.2机械加工过程的传感检测技术21.3汽车自动控制系统中的传感技术3第二章、常用传感器的类型、特点、结构及用途32.1电阻式传感器42.2电容式传感器62.3电感式传感器72.4压电式传感器92.5霍尔式传感器10第三章、机电一体化系统中传感器的选择123.1数控机床对传感器的要求123.2位移的检测133.3位置的检测143.4速度的检测143.5压力的检测143.6温度的检测153.7刀具磨损的监控15第四章、我国传感器技术的发展趋势154.1与国外的差距164.2今后的发展趋势16第五章、结论18第六章、参考文献19第七章、致谢191前言从20世纪80年代起，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。如今它已经渗透到生产和生活的各个领域，从尖端武器装备、航空航天技术，到机械设备、工业过程控制、交通运输、纺织印刷、家用电器、医疗卫生、办公设备及环境保护等领域，均得到广泛应用，在机电一体化技术革命中正在发挥重要作用。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//2//drdrldlRdR，ldl/称为金属电阻丝的轴向应变，简称纵向应变。rdr/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ldlrdr//，其中为电阻丝材料的泊桑比，/d，则)21(/RdR，金属电阻材料的很小，即其压阻效应很弱，这样上式可简化为)21(/RdR，其灵敏度为常数21//ldlRdRS。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、2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2.2电容式传感器把被测的机械量，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dAC/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3电容式传感器的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]。电容式传感器精度可达0.01％。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。2.3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，能测出0.01微米的位移变化。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（几十微米至数毫米）内，传感器非线性误差可达0.05%~0.1%。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。4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图中介绍的是自感式传感器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：①无活动触点、可靠度高、寿命长；②分辨率高；③灵敏度高；④线性度高、重复性好；⑤测量范围宽（测量范围大时分辨率低）；⑥无输入时有零位输出电压，引起测量误差；⑦对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高；⑧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δ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。δ一般取在0.1～0.5毫米之间。变面积型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5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。电感式传感器如图2.4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：SCa0，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：aCQU。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CauaCaq(a)(b)6电压灵敏度与电荷灵敏度之间的关系为：aquCkk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：2.5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7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