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文檔簡介
1、(Jd安撤機電職業(yè)裟*曇陀畢業(yè)論文傳感器技術(shù)在機電一體化系統(tǒng)中 的應(yīng)用及其發(fā)展系(部)電氣工程系專 業(yè)機電一體化班 級 3105姓 名呂超生學(xué) 號 1302103211 指導(dǎo)教師20102011學(xué)年第摘要在機電一體化系統(tǒng)中,傳感器處系統(tǒng)之首,其作用相當(dāng)于系統(tǒng)感受器官,能 快速、精確地獲取信息并能經(jīng)受嚴酷環(huán)境考驗,是機電一體化系統(tǒng)達到高水平的 保證。如缺少這些傳感器對系統(tǒng)狀態(tài)和對信息精確而可靠的自動檢測,系統(tǒng)的信 息處理、控制決策等功能就無法談及和實現(xiàn)。文章概述傳感器研究現(xiàn)狀與發(fā)展, 探討傳感器在機電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用,并分析我國傳感器技術(shù)發(fā)展的若干問題 及發(fā)展方向。關(guān)鍵詞:傳感器技術(shù),光機電一
2、體化,應(yīng)用目錄摘要1目錄2引言4第一章傳感器在機電一體化系統(tǒng)中的作用及地位51.1機器人用傳感器51. 2機械加工過程的傳感檢測技術(shù)51.3汽車自動控制系統(tǒng)中的傳感技術(shù)6第二章、常用傳感器的類型、特點、結(jié)構(gòu)及用途 62. 1電阻式傳感器72. 2電容式傳感器82. 3電感式傳感器92.4壓電式傳感器92. 5霍爾式傳感器10第三章機電一體化系統(tǒng)中傳感器的選擇113.1數(shù)控機床對傳感器的要求123.2位移的檢測123. 3位置的檢測133.4速度的檢測133.5壓力的檢測143. 6溫度的檢測143.7刀具磨損的監(jiān)控14第四章我國傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢 164.1與國外的差距164.2今后的發(fā)展趨
3、勢16結(jié)論18致謝19參考文獻20引言從20世紀80年代起,逐步在世界范圍內(nèi)掀起一股“傳感器熱”,各先進工 業(yè)國都極為重視傳感技術(shù)和傳感器研究、開發(fā)和生產(chǎn)。傳感技術(shù)已成為重要的現(xiàn) 代科技領(lǐng)域,傳感器及其系統(tǒng)生產(chǎn)已成為重要的新興行業(yè)。在機電一體化系統(tǒng)中,傳感器的作用相當(dāng)于系統(tǒng)的感覺器官,即從待測對象那里 獲取能反映待測對象特征和狀態(tài)的信號。檢測傳感技術(shù)的內(nèi)容,一是研究如何將 各種物理量(如位置、位移、速度、加速度、力、溫度、壓力、流量、成分等 等)轉(zhuǎn)換成與之成比例的電量;二是研究對轉(zhuǎn)換的電信號的加工處理,如放大、 補償、標度變換等等。機電一體化系統(tǒng)要求,檢測傳感裝置能快速、精確、可靠地獲取信息,
4、并價 格低廉。但是,訂前檢測傳感技術(shù)的發(fā)展還難以滿足控制系統(tǒng)的要求。不少機電 一體化系統(tǒng)不能達到滿意的效果,或無法達到設(shè)計要求的關(guān)鍵原因,在于沒有合 適的傳感器。因此檢測傳感技術(shù)是機電一體化系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。第一章傳感器在機電一體化系統(tǒng)中的作用及地位在機電一體化系統(tǒng)中,傳感器處系統(tǒng)之首,其作用相當(dāng)于系統(tǒng)感受器官,能 快速、精確地獲取信息并能經(jīng)受嚴酷環(huán)境考驗,是機電一體化系統(tǒng)達到高水平的 保證。如缺少這些傳感器對系統(tǒng)狀態(tài)和對信息精確而可靠的自動檢測,系統(tǒng)的信 息處理、控制決策等功能就無法談及和實現(xiàn)。傳感器是左右機電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)發(fā)展的重要技術(shù)之一,廣泛應(yīng)用于各種 自動化產(chǎn)品之中。1傳感器的
5、研究現(xiàn)狀與發(fā)展人類對客觀世界的認識和改造總是以檢測工作作為基礎(chǔ)的,隨著人類探知領(lǐng) 域和空間的拓展,電子信息種類日益繁多,信息傳遞速度日益加快,信息處理能力 日益增強,作為現(xiàn)代信息技術(shù)的三大核心技術(shù)之一的檢測傳感技術(shù)發(fā)展迅速,滲 透到各行各業(yè),方方面面,促進了經(jīng)濟轉(zhuǎn)型和社會發(fā)展,直接影響著人類文明發(fā) 展和進步。檢測傳感技術(shù)的發(fā)展同時也引起了各國為發(fā)展傳感器技術(shù)的激烈競爭,從20 世紀80年代起,逐步在世界范圍內(nèi)掀起一股“傳感器熱”,世界各國都把檢測傳 感技術(shù)作為在高新技術(shù)發(fā)展方面爭奪的一個重要領(lǐng)域,極為重視檢測傳感技術(shù)和 傳感器研究、開發(fā)和生產(chǎn)。檢測傳感技術(shù)已成為重要的現(xiàn)代科技領(lǐng)域,傳感器及 其
6、系統(tǒng)生產(chǎn)已成為重要的新興行業(yè)。2傳感器在機電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用作為機電一體化的基本支撐技術(shù),檢測傳感技術(shù)就像神經(jīng)和感官一樣,廣泛 應(yīng)用于各種機電一體化產(chǎn)品之中,源源不斷地提供種種信息,以便機電一體化系 統(tǒng)能高精度地完成自動控制和自動調(diào)節(jié)功能。1. 1機器人用傳感器工業(yè)機器人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),包括:其自身狀態(tài)信息的獲取通過內(nèi)部傳感 器(位置、位移、速度、加速度等)來完成,操作對象與外部環(huán)境的感知通過外 部傳感器來實現(xiàn),這個過程非常重要,足以為機器人控制提供反饋信息。1. 2機械加工過程的傳感檢測技術(shù)(1)切削過程和機床運行過
7、程的傳感技術(shù)。切削過程傳感檢測的目的在于優(yōu)化切削過程的生產(chǎn)率、制造成本或(金屬) 材料的切除率等。切削過程傳感檢測的LI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,主要的傳感檢測口標有驅(qū)動系統(tǒng)、軸承與回轉(zhuǎn)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。(2)工件的過程傳感。與刀具和機床的過程監(jiān)視技術(shù)相比,工件的過程監(jiān)視是研究和應(yīng)用最早、最 多的。它們
8、多數(shù)以工件加工質(zhì)量控制為LI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,丄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。(3)刀具,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
9、)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,山其引起的停機 時間占NC類機床的總停機時間的1/5-1/3.此外,它還可能引發(fā)設(shè)備或人身安全 事故,甚至是重大事故。1.3汽車自動控制系統(tǒng)中的傳感技術(shù)隨著傳感器技術(shù)和其它新技術(shù)的應(yīng)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(wù)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
10、進的檢測和控制技術(shù)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第二章、常用傳感器的類型、特點、結(jié)構(gòu)及用途傳感器已廣泛應(yīng)用于航天、航空、國防科研、信息產(chǎn)業(yè)、機械、電力、能 源、交通、冶金、石油、建筑、郵電、生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)保、材料、災(zāi)害預(yù)測預(yù) 防、農(nóng)林、漁業(yè)生產(chǎn)、食品、煙酒制造、機器人、家電等諸多領(lǐng)域,可以說兒乎 滲透到每個領(lǐng)域。下面,我就兒類基本類型的傳感器做些介紹:2.1電阻式傳感器電阻式傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器按工作的原理可分 為:變阻器式、電阻應(yīng)變式、熱敏式、光敏式、電敏式。(1)變
11、阻器式傳感器變阻器式傳感器的等效電路如下圖:圖2-1變阻器式傳感器如果電阻絲的直徑和材料確定,單位位移的電阻值為一常數(shù),傳感器的輸出 與輸入成線性關(guān)系。變阻式傳感器乂稱為電位器式傳感器。它們是山電阻元件及電刷(活動觸點)兩個 基本部分組成。電刷相對于電阻元件的運動可以是直線運動、轉(zhuǎn)動和螺旋運動, 因而可以將直線位移或角位移轉(zhuǎn)換為與其成一定函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出。這類傳感器結(jié)構(gòu)簡單,尺寸小,性能穩(wěn)定。受環(huán)境影響小。不需放大?;€ 變阻器式傳感器精度可達0. 1%。在生活中,應(yīng)用實例諸多,如重量的自動檢測一配料設(shè)備、煤氣包儲量檢測 等。(2)電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器山彈性敬感元件、電阻應(yīng)
12、變計、補償電阻和外殼組成,可根據(jù)具體測量要求設(shè)汁成多種結(jié)構(gòu)形式。彈性敬感元件受到所測量的力而產(chǎn) 生變形,并使附著其上的電阻應(yīng)變訃一起變形。電阻應(yīng)變計再將變形轉(zhuǎn)換為電 阻值的變化,從而可以測量力、壓力、扭矩、位移、加速度和溫度等多種物理 量。電阻應(yīng)變式傳感器是基于電阻應(yīng)變片的使用,金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是 基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng),即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機械變形時,其電阻值 隨著它所受機械變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。電橋電路按輔助電源分有直流電橋和交流電橋,山于直流電橋的輸出信號在進一 步放大時易產(chǎn)生零漂,故交流電橋的應(yīng)用更為廣泛。直流電橋只用于較大應(yīng)變的 測量,交流電橋可用于
13、各種應(yīng)變的測量。電橋電路按其工作方式分有單臂、雙臂和全橋三種如下圖:aa圖2-2直流電橋的連接方式a)半橋單臂b)半橋雙臂c)全橋金屬應(yīng)變片的穩(wěn)定性和溫度特性好,但其靈墩度??;而半導(dǎo)體應(yīng)變片應(yīng)變靈 敬度大。體積小。能制成具有一定應(yīng)變電阻的元件,但它的缺點是溫度穩(wěn)定性和 可重復(fù)性不如金屬應(yīng)變片。它的應(yīng)用實例如橋梁固有頻率測量、電子稱、桶式測力傳感器等。2. 2電容式傳感器把被測的機械量,如位移、壓力等轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器。它的敬感 部分就是具有可變參數(shù)的電容器。其最常用的形式是山絕緣介質(zhì)分開的兩個平 行金屬板組成的平板電容器,若不考慮邊緣效應(yīng),其電容量為C = a!d當(dāng)被測參 數(shù)變化使得上式
14、中的A. d或發(fā)生變化時,電容量C也隨之變化。若保持其中 兩個參數(shù)不變,而僅改變其中一個參數(shù),就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變 化,通過測量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。電容式傳感器的等效電路如圖:圖2-3電容式傳感器電容式傳感器的測量電路同樣為電橋電路,如下圖:圖2-4電容式傳感器電容式傳感器的溫度穩(wěn)定性好,結(jié)構(gòu)簡單,動態(tài)響應(yīng)好,可進行非接觸測 量,然而,輸入阻抗高,負載能力差。電容式傳感器精度可達0.01%。其運用實例有電容傳聲器、轉(zhuǎn)速測量、電容測厚儀、電容式油量表等。2.3電感式傳感器電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)把被測的物理量如位移,圧力,流量,振動等 轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)和互感系數(shù)的變化,再
15、山電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量 輸出,實現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。電感式傳感器具有以下特點:(1)結(jié)構(gòu)簡單,傳感器無活動電觸點,因此工作可靠壽命長。(2)靈敏度和分辨力高,能測出0.01微M的位移變化。傳感器的輸出信號 強,電壓靈敬度一般每毫M的位移可達數(shù)百毫伏的輸出。(3)線性度和重復(fù)性都比較好,在一定位移范圍(兒十微H至數(shù)SM)內(nèi), 傳感器非線性誤差可達0.050.1%。同時,這種傳感器能實現(xiàn)信息的遠距離 傳輸、記錄、顯示和控制,它在工業(yè)自動控制系統(tǒng)中廣泛被釆用。但不足的 是,它有頻率響應(yīng)較低,不宜快速動態(tài)測控等缺點。螺管插鐵型電感傳感器它山螺管線圈和與被測物體相連的柱型銜鐵構(gòu) 成。其工作原理
16、基于線圈磁力線泄漏路徑上磁阻的變化。銜鐵隨被測物體移動 時改變了線圈的電感量。這種傳感器的量程大,靈墩度低,結(jié)構(gòu)簡單,便于制 作叫電感式傳感器的應(yīng)用實例有:測厚、零件計數(shù)、側(cè)轉(zhuǎn)速、無損探傷、測微技 術(shù)等。2.4壓電式傳感器壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質(zhì)材料的壓電效應(yīng),是典型的有源傳 感器。當(dāng)材料受力作用而變形時,其表面會有電荷產(chǎn)生,從而實現(xiàn)非電量測量。壓電式傳感器的等效電路:壓電元件兩電極間的壓電陶瓷或石英晶體為絕緣 體,因此可以構(gòu)成一個電容器,晶體上聚集正負電荷的兩表面相當(dāng)于電容的兩個 極板,極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì),壓電元件受外力時,兩表面產(chǎn)生等量的正負電 荷。2. 5霍爾式傳感器霍
17、爾傳感器是利用霍爾元件基于霍爾效應(yīng)原理而將被測量轉(zhuǎn)換成電動勢輸出 的一種傳感器。由于霍爾元件在靜止狀態(tài)下,具有感受磁場的獨特能力,并且具 有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、噪聲小、頻率范圍寬(從直流到微波)、動態(tài)范圍大(輸出 電勢變化范圍可達1000:1)、壽命長等特點,因此獲得了廣泛應(yīng)用。金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強度為B的磁場中,磁場方向垂直于薄片,當(dāng) 有電流流過薄片時,在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢,這種現(xiàn)象稱霍 爾效應(yīng)。如下圖:圖2-5霍爾效應(yīng)原理圖霍爾元件的主要性能參數(shù):(1)輸入電阻和輸出電阻輸入電阻:控制電極間的電阻輸岀電阻:霍爾電極之間的電阻(2)額定控制電流和最大允許控制電流額定控
18、制電流:當(dāng)霍爾元件有控制電流使其本身在空氣中產(chǎn)生10C溫升時,對 應(yīng)的控制電流值最大允許控制電流:以元件允許的最大溫升限制所對應(yīng)的控制電流值(3)不等位電勢:當(dāng)霍爾元件的控制電流為額定值時,若元件所處位置的 磁感應(yīng)強度為零,測得的空載霍爾電勢。(4)寄生直流電勢霍爾元件零位誤差的一部分當(dāng)沒有外加磁場,霍爾元件用交流控制電流時,霍爾電極的輸出有一 個直流電勢控制電極和霍爾電極與基片的連接是非完全歐姆接觸時,會產(chǎn)生整流效應(yīng)。兩個霍爾電極焊點的不一致,引起兩電極溫度不同產(chǎn)生溫差電勢(5)霍爾電勢溫度系數(shù)在一定磁感應(yīng)強度和控制電流下,溫度每變化1度時,霍爾電勢變化 的百分率?;魻杺鞲衅鞯撵`敏度和線性度
19、主要取決于磁路系統(tǒng)和霍爾元件的特 性?;魻杺鞲衅鲃討B(tài)性能好?;魻杺鞲衅鞯幕緶y量電路如下:激勵電流山電圧源E供給,其大小山 可變電阻來調(diào)節(jié)。E圖2-6霍爾傳感器的基本測量電路霍爾型傳感器的應(yīng)用有:霍爾轉(zhuǎn)速表、霍爾式微壓力傳感器、各種位移 傳感器等。第三章機電一體化系統(tǒng)中傳感器的選擇傳感器的應(yīng)用范圉廣,種類繁多。如何為我們機電一體化系統(tǒng)選擇合適的傳 感器呢?下面我們就以數(shù)控機床為例講講機電一體化系統(tǒng)中傳感器的選擇。數(shù)控機床綜合了機械、自動化、計算機、測量、微電子等最新技術(shù),使用了 多種傳感器,由于高精度、高速度、高效率及安全可翥的特點,在制造業(yè)技術(shù)設(shè) 備更新中,數(shù)控機床正迅速地在企業(yè)得到普及。數(shù)
20、控機床是一種裝有程序控制系 統(tǒng)的自動化機床,能夠根據(jù)已編好的程序,使機床動作并加工零件。它綜合了機 械、自動化、計算機、測量、微電子等最新技術(shù),使用了多種傳感器。3.1數(shù)控機床對傳感器的要求(1)可黑性高和抗干擾性強;(2) 滿 足 精 度 和 速 度 的 要 求;(3 ) 使用維護方便,適合機床運行環(huán)境;(4)成本低不同種類數(shù)控機床對傳感器的要求也不盡相同,一般來說,大型機床要求速度響 應(yīng)高,中型和高精度數(shù)控機床以要求精度為主。3.2位移的檢測位移檢測的傳感器主要有脈沖編碼器、直線光柵、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器等。(1)脈沖編碼器的應(yīng)用脈沖編碼器是一種角位移(轉(zhuǎn)速)傳感器,它能夠把機械轉(zhuǎn)角變成
21、電脈沖。脈沖 編碼器可分為光電式、接觸式和電磁式三種,其中,光電式應(yīng)用比較多。(2)直線光柵的應(yīng)用直線光柵是利用光的透射和反射現(xiàn)象制作而成,常用于位移測量,分辨力較高, 測量精度比光電編碼器高,適應(yīng)于動態(tài)測量。在進給驅(qū)動中,光柵尺固定在床身上,其產(chǎn)生的脈沖信號直接反映了拖板的實際 位置。用光柵檢測工作臺位置的伺服系統(tǒng)是全閉環(huán)控制系統(tǒng)。(3)旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用旋轉(zhuǎn)變壓器是一種輸出電壓與角位移量成連續(xù)函數(shù)關(guān)系的感應(yīng)式微電機。旋轉(zhuǎn)變 壓器由定子和轉(zhuǎn)子組成,具體來說,它曲一個鐵心、兩個定子繞組和兩個轉(zhuǎn)子繞 組組成,其原、副繞組分別放置在定子、轉(zhuǎn)子上,原、副繞組之間的電磁耦合程 度與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角有關(guān)。(4)
22、感應(yīng)同步器的應(yīng)用感應(yīng)同步器是利用兩個平面形繞組的互感隨位置不同而變化的原理制成的。其功 能是將角度或直線位移轉(zhuǎn)變成感應(yīng)電動勢的相位或幅值,可用來測量直線或轉(zhuǎn)角 位移。按其結(jié)構(gòu)可分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種。直線式感應(yīng)同步器由定尺和滑尺兩 部分組成,定尺安裝在機床床身上,滑尺安裝于移動部件上,隨工作臺一起移 動;旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器定子為固定的圓盤,轉(zhuǎn)子為轉(zhuǎn)動的圓盤。感應(yīng)同步器具有 較高的精度與分辨力、抗干擾能力強、使用壽命長、維護簡單、長距離位移測 量、工藝性好、成本較低等優(yōu)點。直線式感應(yīng)同步器忖前被廣泛地應(yīng)用于大位移 靜態(tài)與動態(tài)測量中,例如用于三坐標測量機、程控數(shù)控機床、高精度重型機床及 加工中心測量
23、裝置等。旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器則被廣泛地用于機床和儀器的轉(zhuǎn)臺以及 各種回轉(zhuǎn)伺服控制系統(tǒng)中。3. 3位置的檢測位置傳感器可以空來檢測位置,反映某種狀態(tài)的開關(guān),和位移傳感器不同。位置 傳感器有接觸式和接近式兩種。(1)接觸式傳感器的應(yīng)用接觸式傳感器的觸頭山兩個物體接觸擠壓而動作,常見的有行程開關(guān)、二 維矩陣式位置傳感器等。行程開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單、動作可靠、價格低廉。當(dāng)某個物體 在運動過程中,碰到行程開關(guān)時,其內(nèi)部觸頭會動作,從而完成控制,如在加工 中心的X、Y、Z軸方向兩端分別裝有行程開關(guān),則可以控制移動范圍。二維矩陣 式位置傳感器安裝于機械手掌內(nèi)側(cè),用于檢測自身與某個物體的接觸位置。(2)接近開關(guān)的應(yīng)用接近
24、開關(guān)是指當(dāng)物體與其接近到設(shè)定距離時就可以發(fā)出“動作”信號的開關(guān),它 無需和物體直接接觸。接近開關(guān)有很多種類,主要有自感式、差動變壓器式、電 渦流式、電容式、干簧管、霍爾式等。接近開關(guān)在數(shù)控機床上的應(yīng)用主要是刀架選刀控制、工作臺行程控制、油缸及汽 缸活塞行程控制等。霍爾傳感器是利用霍爾現(xiàn)象制成的傳感器。將錯等半導(dǎo)體置于磁場中,在一個方 向通以電流時,則在垂直的方向上會出現(xiàn)電位差,這就是霍爾現(xiàn)象。將小磁體固 定在運動部件上,當(dāng)部件靠近霍爾元件時,便產(chǎn)生霍爾現(xiàn)象,從而判斷物體是否 到位。3.4速度的檢測速度傳感器是一種將速度轉(zhuǎn)變成電信號的傳感器,既可以檢測直線速度,也 可以檢測角速度,常用的有測速發(fā)
25、電機和脈沖編碼器等。測速發(fā)電機具有的特點是:(1)輸出電壓與轉(zhuǎn)速嚴格成線性關(guān)系;(2)輸岀電 壓與轉(zhuǎn)速比的斜率大??煞殖山涣骱椭绷鲀深悺C}沖編碼器在經(jīng)過一個單位角位移時,便產(chǎn)生一個脈沖,配以定時器便可檢測出 角速度。在數(shù)控機床中,速度傳感器一般用于數(shù)控系統(tǒng)伺服單元的速度檢測。3.5壓力的檢測壓力傳感器是一種將壓力轉(zhuǎn)變成電信號的傳感器。根據(jù)工作原理,可分為壓 電式傳感器、壓阻式傳感器和電容式傳感器。它是檢測氣體、液體、固體等所有 物質(zhì)間作用力能量的總稱,也包括測量高于大氣壓的壓力計以及測量低于大氣壓 的真空計。電容式壓力傳感器的電容量是山電極面積和兩個電極間的距離決定, 因靈敏度高、溫度穩(wěn)定性好
26、、壓力量程大等特點近來得到了迅速發(fā)展。在數(shù)控機 床中,可用它對工件夾緊力進行檢測,當(dāng)夾緊力小于設(shè)定值時,會導(dǎo)致工件松 動,系統(tǒng)發(fā)岀報警,停止走刀。另外,還可用壓力傳感器檢測車刀切削力的變 化。再者,它還在潤滑系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)被用來檢測油路或氣路中的壓 力,當(dāng)油路或氣路中的壓力低于設(shè)定值時,其觸點會動作,將故障信號送給數(shù)控 系統(tǒng)。3.6溫度的檢測溫度傳感器是一種將溫度高低轉(zhuǎn)變成電阻值大小或其它電信號的一種裝置。 常見的有以鉗、銅為主的熱電阻傳感器、以半導(dǎo)體材料為主的熱敬電阻傳感器和 熱電偶傳感器等。在數(shù)控機床上,溫度傳感器用來檢測溫度從而進行溫度補償或 過熱保護。在加工過程中,電動機的旋
27、轉(zhuǎn)、移動部件的移動、切削等都會產(chǎn)生熱量,且溫度 分布不均勻,造成溫差,使數(shù)控機床產(chǎn)生熱變形,影響零件加工精度,為了避免 溫度產(chǎn)生的影響,可在數(shù)控機床上某些部位裝設(shè)溫度傳感器,感受溫度信號并轉(zhuǎn) 換成電信號送給數(shù)控系統(tǒng),進行溫度補償。此外,在電動機等需要過熱保護的地方,應(yīng)埋設(shè)溫度傳感器,過熱時通過數(shù)控系 統(tǒng)進行過熱報警。3.7刀具磨損的監(jiān)控刀具磨損到一定程度會影響到工件的尺寸精度和表面粗糙度,因此,對刀具 磨損要進行監(jiān)控。當(dāng)?shù)毒吣p時,機床主軸電動機負荷增大,電動機的電流和電 壓也會變化,功率隨之改變,功率變化可通過霍爾傳感器檢測。功率變化到一定 程度,數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出報警信號,機車停止運轉(zhuǎn),此時,應(yīng)
28、及時進行刀具調(diào)整或更 換。以上介紹的傳感器在數(shù)控機床上的應(yīng)用是LI前的狀況,但隨著傳感器和數(shù)控機床 的發(fā)展,有些傳感器將被淘汰,如旋轉(zhuǎn)變壓器等,而新的傳感器將不斷出現(xiàn),會 使數(shù)控機床更加完善,自適應(yīng)更強。第四章我國傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢傳感器技術(shù)是實現(xiàn)自動控制、自動調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),也是機電一體化系統(tǒng)不 可缺少的關(guān)鍵技術(shù)之一,其水平的高低,在很大程度上影響和決定著系統(tǒng)的功 能;其水平越高,系統(tǒng)的自動化程度就越高。在一套完整的機電一體化系統(tǒng)中, 如果不能利用傳感檢測技術(shù)對被控對象的各項參數(shù)進行及時準確地檢測并轉(zhuǎn)換成 易于傳送和處理的信號,我們所需要的用于系統(tǒng)控制的信息就無法獲得,進而使 整個系統(tǒng)就無
29、法正常有效的工作。4.1與國外的差距我國傳感器的研究,始于20世紀80年代,主要集中在專業(yè)研究所和大 學(xué),與國外先進技術(shù)相比,還還有較大差距。主要表現(xiàn)在:(1)我國傳感器的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),存在著企業(yè)分散、實力不強、市場開拓不力等 問題。我國從事傳感器研究和生產(chǎn)的單位約1 300家,居世界第一,但真正形成 一定規(guī)模的卻寥寥無兒。多數(shù)企業(yè)是低水平的重復(fù),處在生產(chǎn)的初級階段。(2)傳感器屬于多學(xué)科交叉、技術(shù)密集的高技術(shù)產(chǎn)品,其技術(shù)水平?jīng)Q定于科 學(xué)研究的水平。而我國在傳感器研究方面科研投資強度偏低,科研設(shè)備落后,加 之我國存在科研和生產(chǎn)脫節(jié)的現(xiàn)象,所以影響了傳感器科研成果的轉(zhuǎn)化,造成了 我國傳感器產(chǎn)品綜合實
30、力較低,阻礙了傳感器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。世界傳感器的種類約 有2萬多種,而我國經(jīng)過“八五”、“九五”的發(fā)展,目前也僅有3 000多 種,尚有大量品種需要開發(fā)。(3)我國傳感器產(chǎn)品的技術(shù)水平與國外有較大差距,主要是長期穩(wěn)定性和可 器性較差,限制了其應(yīng)用領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。4.2今后的發(fā)展趨勢雖然我國傳感器產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀還不能適應(yīng)國民經(jīng)濟發(fā)展的需要,產(chǎn)品技術(shù)水平 與國外相比還有較大差距,但是從統(tǒng)一市場的觀點看,我國具有傳感器的廣闊市 場,所以我國傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前途還是光明的。因此,必須加強技術(shù)研究和引 進先進設(shè)備,以提高整體水平。傳感器技術(shù)今后的發(fā)展趨勢,主要表現(xiàn)在以下方 面:(1)新材料開發(fā)。傳感器材料是傳
31、感器技術(shù)的重要基礎(chǔ),是傳感器技術(shù)升級的 重要支撐。隨著材料科學(xué)的進步,傳感器技術(shù)日臻成熟,其種類越來越多,除了早 期使用的半導(dǎo)體材料、陶瓷材料以外,光導(dǎo)纖維以及超導(dǎo)材料的開發(fā),為傳感器的 發(fā)展提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。例如,根據(jù)以硅為基體的許多半導(dǎo)體材料易于微型化、集 成化、多功能化、智能化,以及半導(dǎo)體光熱探測器具有靈墩度高、精度高、非接 觸性等特點,發(fā)展紅外傳感器、激光傳感器、光纖傳感器等現(xiàn)代傳感器。在敬感 材料中,陶瓷材料、有機材料發(fā)展很快,可采用不同的配方混合原料,在精密調(diào)配 化學(xué)成分的基礎(chǔ)上,經(jīng)過高精度成型燒結(jié),得到對某一種或某兒種氣體具有識別功 能的敬感材料,用于制成新型氣體傳感器。此外,高分
32、子有機敬感材料,是近兒年 人們極為關(guān)注的具有應(yīng)用潛力的新型敬感材料,可制成熱敏、光敬、氣敏、濕 敬、力敏、離子敬和生物敬等傳感器。傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展,也促進了更新型 材料的開發(fā),如納M材料等。美國NRC公司已開發(fā)出納MZrO2氣體傳感器,控制機 動車輛尾氣的排放,對凈化環(huán)境效果很好,應(yīng)用前景比較廣闊。由于采用納M材料 制作的傳感器,具有龐大的界面,能提供大量的氣體通道,而且導(dǎo)通電阻很小,有利 于傳感器向微型化發(fā)展,隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步將有更多的新型材料誕生。(2)應(yīng)用新技術(shù)和新的物理效應(yīng),擴大檢測領(lǐng)域的應(yīng)用。檢測原理大多以各種 物理效應(yīng)為基礎(chǔ)。近代物理學(xué)的發(fā)展,對仿生學(xué)的研究、仿造生物的感覺功能的 新型傳感器的開發(fā)應(yīng)用,使得傳感器技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域更廣闊。如今的檢測領(lǐng)域, 正向著社會需要各方面擴展,不僅用于工業(yè)部門,而且也涉及到工程、海洋開 發(fā)、宇宙航行等尖端科學(xué)技術(shù)和新興工業(yè)領(lǐng)域,生物、醫(yī)療、環(huán)境污染監(jiān)測、危 險品
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