传感器在机电一体化系统中的应用及发展的研究

云南铜业高级技工学校技师毕业设计（论文）编号：日期：2012年9月1日云南铜业高级技工学校毕业设计（论文）题目：传感器在机电一体化系统中的应用及发展的研究指导教师：袁玉礼老师专业：机电一体化班级：机电一体化技师（2）班姓名：黄邓刚学号：200902312012年9月1日云南铜业高级技工学校技师毕业设计（论文）1摘要传感器是能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，主要用于检测机电一体化系统自身与操作对象、作业环境状态，为有效控制机电一体化系统的运作提供必须的相关信息。随着人类探知领域和空间的拓展，电子信息种类日益繁多，信息传递速度日益加快，信息处理能力日益增强，相应的信息采集——传感技术也将日益发展，传感器也将无所不在。关键词：传感器技术；机电一体化云南铜业高级技工学校技师毕业设计（论文）2目录摘要………………………………………………………………………………………………………11.传感器的概述…………………………………………………………………………………………32.传感器在机电一体化系统中的作用及地位……………………………………………………………32.1机器人用传感器……………………………………………………………………………………32.2机械加工过程的传感检测技术……………………………………………………………………43.机电一体化系统中常用传感器的类型、特点、结构及用途………………………………………43.1电阻式传感器………………………………………………………………………………………43.2电容式传感器………………………………………………………………………………………63.3电感式传感器………………………………………………………………………………………73.4压电式传感器……………………………………………………………………………………93.5霍尔式传感器……………………………………………………………………………………114.机电一体化系统中传感器的选择……………………………………………………………………134.1数控机床对传感器的要求………………………………………………………………………134.2位移的检测…………………………………………………………………………………………144.3位置的检测…………………………………………………………………………………………154.4度的检测……………………………………………………………………………………………154.5力的检测……………………………………………………………………………………………154.6度的检测……………………………………………………………………………………………164.7磨损的监控…………………………………………………………………………………………165.系统中常用传感器的发展与思考……………………………………………………………………165.1新材料开发…………………………………………………………………………………………165.2智能化发展…………………………………………………………………………………………17致谢…………………………………………………………………………………………………………18参考文献……………………………………………………………………………………………………19云南铜业高级技工学校技师毕业设计（论文）3传感器在机电一体化系统中的应用及发展的研究1.传感器的概述从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。2.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。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：2.1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、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。云南铜业高级技工学校技师毕业设计（论文）42.2机械加工过程的传感检测技术1、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的机器视觉传感器、激光表面粗糙度传感系统等。3、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1/5-1/3.此外，它还可能引发设备或人身安全事故，甚至是重大事故。3.机电一体化系统中常用传感器的类型、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。云南铜业高级技工学校技师毕业设计（论文）5下面，我就几类基本类型的传感器做些介绍：3.1电阻式传感器电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器.按工作的原理可分为：变阻器式、电阻应变式、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。滑线变阻器式传感器精度可达0.1％。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，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云南铜业高级技工学校技师毕业设计（论文）6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R为电阻相对变化为//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、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。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。云南铜业高级技工学校技师毕业设计（论文）7电子称3.2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：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。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。云南铜业高级技工学校技师毕业设计（论文）8电容传声器3.3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。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。云南铜业高级技工学校