傳感器技術(shù)在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用及其發(fā)展

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上傳感器技術(shù)在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用及其發(fā)展摘 要在機(jī)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(yán)酷環(huán)境考驗(yàn)，是機(jī)電一體化系統(tǒng)達(dá)到高水平的保證。如缺少這些傳感器對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)和對(duì)信息精確而可靠的自動(dòng)檢測，系統(tǒng)的信息處理、控制決策等功能就無法談及和實(shí)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(jī)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(jī)電一體化，應(yīng)用THE SENSOR TECHNOLOGY APPLICATION IN MECHATRONICS SYSTEM AND ITS

2、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 assurance. Such as lack

3、of these sensors on the system state and accurate and reliable information to be automatic Testing, the system's information processing, control decision-making functions cannot talk about and realization. This article summarizes the sensor Research situation and development, discusses the senso

4、rs 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專心-專注-專業(yè)目 錄中文摘要2頁英文摘要.3頁前言.1頁第一章、傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的作用及地位.1頁§1.1 機(jī)器人用傳

5、感器. .1頁§1.2 機(jī)械加工過程的傳感檢測技術(shù).1頁§1.3 汽車自動(dòng)控制系統(tǒng)中的傳感技術(shù).2頁第二章、常用傳感器的類型、特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)及用途.3頁§2.1 電阻式傳感器.3頁§2.2 電容式傳感器.5頁§2.3 電感式傳感器.6頁§2.4 壓電式傳感器.7頁§2.5 霍爾式傳感器.9頁第三章、機(jī)電一體化系統(tǒng)中傳感器的選擇 .11頁§3.1 數(shù)控機(jī)床對(duì)傳感器的要求.11頁§3.2 位移的檢測.11頁§3.3 位置的檢測.12頁§3.4 速度的檢測.13頁§3.5 壓力的檢測.

6、13頁.§3.6 溫度的檢測.14頁§3.7 刀具磨損的監(jiān)控.14頁第四章、我國傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢.14頁§4.1 與國外的差距.15頁§4.2 今后的發(fā)展趨勢.15頁第五章、結(jié)論.17頁第六章、參考文獻(xiàn).18頁第七章、致謝.19頁前 言從20世紀(jì)80年代起，逐步在世界范圍內(nèi)掀起一股“傳感器熱”，各先進(jìn)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)。傳感器技術(shù)是一項(xiàng)當(dāng)今世界令人矚目的迅猛發(fā)展起來的高新技術(shù)之一，也是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要標(biāo)志，它與通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)成信息

7、產(chǎn)業(yè)的三大支柱。如果說計(jì)算機(jī)是人類大腦的擴(kuò)展,那么傳感器就是人類五官的延伸，當(dāng)集成電路、計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展時(shí)，人們才逐步認(rèn)識(shí)信息攝取裝置傳感器沒有跟上信息技術(shù)的發(fā)展而驚呼“大腦發(fā)達(dá)、五官不靈”。 傳感器技術(shù)是測量技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)、微電子學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、精密機(jī)械、仿生學(xué)、材料科學(xué)等眾多學(xué)科相互交叉的綜合性高新技術(shù)密集型前沿技術(shù)之一。第一章 傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的作用及地位在機(jī)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(yán)酷環(huán)境考驗(yàn)，是機(jī)電一體化系統(tǒng)達(dá)到高水平的保證。如缺少這些傳感器對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)和對(duì)信息精確而可靠的自動(dòng)檢測，

8、系統(tǒng)的信息處理、控制決策等功能就無法談及和實(shí)現(xiàn)2。傳感器是左右機(jī)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(dòng)化產(chǎn)品之中。1.1 機(jī)器人用傳感器工業(yè)機(jī)器人之所以能夠準(zhǔn)確操作，是因?yàn)樗軌蛲ㄟ^各種傳感器來準(zhǔn)確感知自身、操作對(duì)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(duì)象與外部環(huán)境的感知通過外部傳感器來實(shí)現(xiàn)，這個(gè)過程非常重要，足以為機(jī)器人控制提供反饋信息。 1.2 機(jī)械加工過程的傳感檢測技術(shù) （1）切削過程和機(jī)床運(yùn)行過程的傳感技術(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

9、檢測的目標(biāo)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(shí)切屑的狀態(tài)及切削過程辨識(shí)等，而最重要的傳感參數(shù)有切削力、切削過程振動(dòng)、切削過程聲發(fā)射、切削過程電機(jī)的功率等。對(duì)于機(jī)床的運(yùn)行來講，主要的傳感檢測目標(biāo)有驅(qū)動(dòng)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(jī)床的故障停機(jī)時(shí)間、被加工件的表面粗糙度和加工精度、功率、機(jī)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(jī)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。它們多數(shù)以工件加工質(zhì)量控制為目標(biāo)。20世紀(jì)80年代以來，工件識(shí)別和工件安裝位姿監(jiān)視要求也提到日程上來。粗略地講，工序識(shí)別是為辨

10、識(shí)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(shí)別是辨識(shí)送入機(jī)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(shí)還要求辨識(shí)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(shí)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(shí)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)判定）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(shí)，稱為刀具/砂輪失效。工業(yè)

11、統(tǒng)計(jì)證明，刀具失效是引起機(jī)床故障停機(jī)的首要因素，由其引起的停機(jī)時(shí)間占NC類機(jī)床的總停機(jī)時(shí)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(dòng)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(jìn)入了全新時(shí)期。汽車的機(jī)電一體化要求用自動(dòng)控制系統(tǒng)取代純機(jī)械式控制部件，這不僅體現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)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，先進(jìn)的檢測和控制技術(shù)已擴(kuò)大到汽車全身。在其所有重點(diǎn)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

12、第二章、常用傳感器的類型、特點(diǎn)、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(jī)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(jī)器人、家電等諸多領(lǐng)域,可以說幾乎滲透到每個(gè)領(lǐng)域1。下面，我就幾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） 變阻器式傳感器變阻器式傳感器的等效電路如下圖：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。 變阻式傳感器又稱為電位

13、器式傳感器。它們是由電阻元件及電刷(活動(dòng)觸點(diǎn))兩個(gè)基本部分組成。電刷相對(duì)于電阻元件的運(yùn)動(dòng)可以是直線運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和螺旋運(yùn)動(dòng)，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(dá)0.1。在生活中，應(yīng)用實(shí)例諸多，如重量的自動(dòng)檢測-配料設(shè)備、煤氣包儲(chǔ)量檢測等。（2）電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器由彈性敏感元件、電阻應(yīng)變計(jì)、補(bǔ)償電阻和外殼組成，可根據(jù)具體測量要求設(shè)計(jì)成多種結(jié)構(gòu)形式。彈性敏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)變計(jì)一起變形。電阻應(yīng)變計(jì)再將變形轉(zhuǎn)換為電阻值的變化，從而可以測量

14、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(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著它所受機(jī)械變形（伸長或縮短）的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。金屬應(yīng)變片的電阻相對(duì)變化為 ， 稱為金屬電阻絲的軸向應(yīng)變，簡稱縱向應(yīng)變。稱為電阻絲的徑向應(yīng)變，簡稱橫向應(yīng)變。當(dāng)電阻絲沿橫向伸長時(shí)，兩者之間的關(guān)系為，其中為電阻絲材料的泊桑比，則，金屬電阻材料的很小，即其壓阻效應(yīng)很弱，這樣上式可簡化為，其靈敏度為。為了將電阻應(yīng)變式傳感器的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號(hào)，在應(yīng)用中一般采用電橋電路作為其測量電路。電橋電路具有結(jié)構(gòu)簡單

15、、靈敏度高、測量范圍寬、線性度好且易實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)。能較好地滿足各種應(yīng)變測量要求，因此在應(yīng)變測量中得到了廣泛的應(yīng)用3。 電橋電路按輔助電源分有直流電橋和交流電橋，由于直流電橋的輸出信號(hào)在進(jìn)一步放大時(shí)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。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，但其靈敏度?。欢雽?dǎo)體應(yīng)變片應(yīng)變靈敏度大;體積小;能制成具有一定應(yīng)變電阻的元件，但它的缺點(diǎn)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(shí)例如橋梁固有頻率測量、電子稱、桶

16、式測力傳感器等。電子稱2.2電容式傳感器把被測的機(jī)械量，如位移、壓力等轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器。它的敏感部分就是具有可變參數(shù)的電容器。其最常用的形式是由絕緣介質(zhì)分開的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器，若不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為當(dāng)被測參數(shù)變化使得上式中的A、d 或 發(fā)生變化時(shí)，電容量C也隨之變化。若保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變其中一個(gè)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：電容式傳感器的測量電路同樣為電橋電路，如下圖：電容式傳感器的溫度穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，可進(jìn)行非接觸測量，然而，輸入阻抗高，負(fù)載能力差4。電容式傳感器精

17、度可達(dá)0.01。其運(yùn)用實(shí)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，壓力，流量，振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)和互感系數(shù)的變化，再由電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。電感式傳感器具有以下特點(diǎn)： （1）結(jié)構(gòu)簡單，傳感器無活動(dòng)電觸點(diǎn)，因此工作可靠壽命長。 （2）靈敏度和分辨力高，能測出0.01微米的位移變化。傳感器的輸出信號(hào)強(qiáng)，電壓靈敏度一般每毫米的位移可達(dá)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（幾十微米至數(shù)毫米）內(nèi)，傳感器非線性誤差可達(dá)0.05%0.1%。同時(shí)，這種傳感器能實(shí)現(xiàn)

18、信息的遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制，它在工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中廣泛被采用。但不足的是，它有頻率響應(yīng)較低，不宜快速動(dòng)態(tài)測控等缺點(diǎn)7。 電感式傳感器種類很多，常見的有自感式，互感式和渦流式三種。圖中介紹的是自感式傳感器。由鐵心和線圈構(gòu)成的將直線或角位移的變化轉(zhuǎn)換為線圈電感量變化的傳感器，又稱電感式位移傳感器。這種傳感器的線圈匝數(shù)和材料導(dǎo)磁系數(shù)都是一定的，其電感量的變化是由于位移輸入量導(dǎo)致線圈磁路的幾何尺寸變化而引起的。當(dāng)把線圈接入測量電路并接通激勵(lì)電源時(shí)，就可獲得正比于位移輸入量的電壓或電流輸出。電感式傳感器的特點(diǎn)是：無活動(dòng)觸點(diǎn)、可靠度高、壽命長；分辨率高；靈敏度高；線性度高、重復(fù)性好；測量范圍寬（測

19、量范圍大時(shí)分辨率低）；無輸入時(shí)有零位輸出電壓，引起測量誤差；對(duì)激勵(lì)電源的頻率和幅值穩(wěn)定性要求較高；不適用于高頻動(dòng)態(tài)測量。電感式傳感器主要用于位移測量和可以轉(zhuǎn)換成位移變化的機(jī)械量（如力、張力、壓力、壓差、加速度、振動(dòng)、應(yīng)變、流量、厚度、液位、比重、轉(zhuǎn)矩等）的測量。常用電感式傳感器有變間隙型、變面積型和螺管插鐵型。在實(shí)際應(yīng)用中，這三種傳感器多制成差動(dòng)式，以便提高線性度和減小電磁吸力所造成的附加誤差。 變間隙型電感傳感器 這種傳感器的氣隙隨被測量的變化而改變,從而改變磁阻（圖1）。它的靈敏度和非線性都隨氣隙的增大而減小，因此常常要考慮兩者兼顧。一般取在0.10.5毫米之間。 變面積型電感傳感器 這種

20、傳感器的鐵芯和銜鐵之間的相對(duì)覆蓋面積（即磁通截面）隨被測量的變化而改變,從而改變磁阻（圖2）。它的靈敏度為常數(shù)，線性度也很好。 螺管插鐵型電感傳感器 它由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(dòng)時(shí)改變了線圈的電感量。這種傳感器的量程大，靈敏度低，結(jié)構(gòu)簡單，便于制作6。電感式傳感器的應(yīng)用實(shí)例有：測厚、零件計(jì)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(shí), 其表面會(huì)有電荷產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)非電量測量。壓電式傳感器的等效電路：壓電元件兩電

21、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(gè)電容器，晶體上聚集正負(fù)電荷的兩表面相當(dāng)于電容的兩個(gè)極板, 極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì), 則其電容量為：，壓電元件受外力時(shí)，兩表面產(chǎn)生等量的正負(fù)電 荷，壓電元件的開路電壓為：。壓電傳感器可以等效為一個(gè)電荷源與一個(gè)電容并聯(lián)。如下圖(a)壓電傳感器也可以等效為一個(gè)與電容相串聯(lián)的電壓源。如下圖（b）電壓靈敏度與電荷靈敏度之間的關(guān)系為：壓電式傳感器的測量電路： 測量時(shí)，需把壓電傳感器用電纜接于前置放大器，前置放大器作用： 一是放大傳感器輸出的微弱信號(hào)；二是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗。電壓放大器如圖（a）： 電荷放大器如圖（b）： （b） 壓電式傳感器

22、的性能特點(diǎn)：高阻抗、低能量；但是無靜態(tài)輸出，要求有很高的電輸出阻抗。需用低電容的低噪聲電纜。壓電式傳感器的應(yīng)用有：壓電式測力傳感器、壓電式加速度傳感器、壓電式金屬加工切削力測量、壓電式玻璃破碎報(bào)警器等。壓電式金屬加工切削力測量：壓電式玻璃破碎報(bào)警器：2.5 霍爾式傳感器霍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(dòng)勢輸出的一種傳感器。由于霍爾元件在靜止?fàn)顟B(tài)下，具有感受磁場的獨(dú)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(dòng)態(tài)范圍大(輸出電勢變化范圍可達(dá)1000:1)、壽命長等特點(diǎn)，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(qiáng)度為B的磁場中，磁場方向垂

23、直于薄片，當(dāng)有電流流過薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。如下圖：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 輸出電阻：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10溫升時(shí)，對(duì)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(duì) 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(shí)，若元件所處位置的磁感應(yīng)強(qiáng)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(shí)，霍爾電極的輸出有一個(gè)直

24、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(shí)，會(huì)產(chǎn)生整流效應(yīng)。兩個(gè)霍爾電極焊點(diǎn)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(qiáng)度和控制電流下，溫度每變化1度時(shí)，霍爾電勢變化的百分率?；魻杺鞲衅鞯撵`敏度和線性度主要取決于磁路系統(tǒng)和霍爾元件的特性?；魻杺鞲衅鲃?dòng)態(tài)性能好?；魻杺鞲衅鞯幕緶y量電路如下：激勵(lì)電流由電壓源E供給，其大小由可變電阻來調(diào)節(jié)?；魻栃蛡鞲衅鞯膽?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(jī)電一體化系統(tǒng)中傳感器的選擇傳感器的應(yīng)用范圍廣，種類繁多。如何為我們機(jī)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(jī)床為例講講機(jī)電一

25、體化系統(tǒng)中傳感器的選擇。數(shù)控機(jī)床綜合了機(jī)械、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)、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、高效率及安全可靠的特點(diǎn)，在制造業(yè)技術(shù)設(shè)備更新中，數(shù)控機(jī)床正迅速地在企業(yè)得到普及。數(shù)控機(jī)床是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動(dòng)化機(jī)床，能夠根據(jù)已編好的程序，使機(jī)床動(dòng)作并加工零件。它綜合了機(jī)械、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)、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(jī)床對(duì)傳感器的要求（1）可靠性高和抗干擾性強(qiáng)；（2）滿足精度和速度的要求；（3）使用維護(hù)方便，適合機(jī)床運(yùn)行環(huán)境；（4）成本低不同種類數(shù)控機(jī)床對(duì)傳感器的要求也不盡相同，一般來說，大型機(jī)床要求速度響應(yīng)高，中型和高精度數(shù)控機(jī)床以要求

26、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(jī)械轉(zhuǎn)角變成電脈沖。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(dòng)態(tài)測量。在進(jìn)給驅(qū)動(dòng)中，光柵尺固定在床身上，其產(chǎn)生的脈沖信號(hào)直接反映了拖板的實(shí)際位置。用光柵檢測工作臺(tái)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(jī)。旋

27、轉(zhuǎn)變壓器由定子和轉(zhuǎn)子組成，具體來說，它由一個(gè)鐵心、兩個(gè)定子繞組和兩個(gè)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） 感應(yīng)同步器的應(yīng)用感應(yīng)同步器是利用兩個(gè)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(dòng)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(jī)床床身上，滑尺安裝于移動(dòng)部件上，隨工作臺(tái)一起移動(dòng)；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(dòng)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(qiáng)、使用壽命長、維護(hù)簡單、長距離位

28、移測量、工藝性好、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。直線式感應(yīng)同步器目前被廣泛地應(yīng)用于大位移靜態(tài)與動(dòng)態(tài)測量中，例如用于三坐標(biāo)測量機(jī)、程控?cái)?shù)控機(jī)床、高精度重型機(jī)床及加工中心測量裝置等。旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器則被廣泛地用于機(jī)床和儀器的轉(zhuǎn)臺(tái)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用來檢測位置，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由兩個(gè)物體接觸擠壓而動(dòng)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(dòng)作可靠、價(jià)格低廉。當(dāng)某個(gè)物體在運(yùn)動(dòng)過程中，碰到行程開關(guān)時(shí)，其內(nèi)部觸頭會(huì)動(dòng)作，從而完成控制，如在加工中心的X、Y、Z軸方

29、向兩端分別裝有行程開關(guān)，則可以控制移動(dòng)范圍。二維矩陣式位置傳感器安裝于機(jī)械手掌內(nèi)側(cè)，用于檢測自身與某個(gè)物體的接觸位置。（2） 接近開關(guān)的應(yīng)用接近開關(guān)是指當(dāng)物體與其接近到設(shè)定距離時(shí)就可以發(fā)出“動(dòng)作”信號(hào)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(dòng)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(jī)床上的應(yīng)用主要是刀架選刀控制、工作臺(tái)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。將鍺等半導(dǎo)體置于磁場中，在一個(gè)方向通以電流時(shí)，則在垂直的方向上會(huì)出現(xiàn)電位差，這就是霍爾現(xiàn)象。將小磁體固定在運(yùn)動(dòng)部件上，當(dāng)部件靠近霍爾元件時(shí)，便產(chǎn)生霍爾現(xiàn)象，從而

30、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(hào)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)電機(jī)和脈沖編碼器等。測速發(fā)電機(jī)具有的特點(diǎn)是：（1）輸出電壓與轉(zhuǎn)速嚴(yán)格成線性關(guān)系；（2）輸出電壓與轉(zhuǎn)速比的斜率大。可分成交流和直流兩類。脈沖編碼器在經(jīng)過一個(gè)單位角位移時(shí)，便產(chǎn)生一個(gè)脈沖，配以定時(shí)器便可檢測出角速度。在數(shù)控機(jī)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(hào)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

31、壓的壓力計(jì)以及測量低于大氣壓的真空計(jì)。電容式壓力傳感器的電容量是由電極面積和兩個(gè)電極間的距離決定，因靈敏度高、溫度穩(wěn)定性好、壓力量程大等特點(diǎn)近來得到了迅速發(fā)展。在數(shù)控機(jī)床中，可用它對(duì)工件夾緊力進(jìn)行檢測，當(dāng)夾緊力小于設(shè)定值時(shí)，會(huì)導(dǎo)致工件松動(dòng)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)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(shí)，其觸點(diǎn)會(huì)動(dòng)作，將故障信號(hào)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(hào)的一種裝置。常見的有以鉑、銅為主的熱電阻傳感器、以半導(dǎo)體材料為主的熱敏電阻傳感

32、器和熱電偶傳感器等。在數(shù)控機(jī)床上，溫度傳感器用來檢測溫度從而進(jìn)行溫度補(bǔ)償或過熱保護(hù)。在加工過程中，電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)部件的移動(dòng)、切削等都會(huì)產(chǎn)生熱量，且溫度分布不均勻，造成溫差，使數(shù)控機(jī)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(jī)床上某些部位裝設(shè)溫度傳感器，感受溫度信號(hào)并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送給數(shù)控系統(tǒng)，進(jìn)行溫度補(bǔ)償。此外，在電動(dòng)機(jī)等需要過熱保護(hù)的地方，應(yīng)埋設(shè)溫度傳感器，過熱時(shí)通過數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行過熱報(bào)警。3.7 刀具磨損的監(jiān)控刀具磨損到一定程度會(huì)影響到工件的尺寸精度和表面粗糙度，因此，對(duì)刀具磨損要進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)?shù)毒吣p時(shí)，機(jī)床主軸電動(dòng)機(jī)負(fù)荷增大，電動(dòng)機(jī)的電流和電壓也會(huì)變化，功率隨之改變

33、，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(bào)警信號(hào)，機(jī)車停止運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行刀具調(diào)整或更換。以上介紹的傳感器在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用是目前的狀況，但隨著傳感器和數(shù)控機(jī)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(huì)使數(shù)控機(jī)床更加完善，自適應(yīng)更強(qiáng)。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(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、自動(dòng)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是機(jī)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(dòng)化程度就越高。在一套完整的機(jī)電一體化系統(tǒng)中，如果不能利用傳感檢測技術(shù)對(duì)被控對(duì)象的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確地檢測并轉(zhuǎn)換成易

34、于傳送和處理的信號(hào)，我們所需要的用于系統(tǒng)控制的信息就無法獲得，進(jìn)而使整個(gè)系統(tǒng)就無法正常有效的工作7。4.1 與國外的差距我國傳感器的研究，始于20 世紀(jì)80 年代，主要集中在專業(yè)研究所和大學(xué)，與國外先進(jìn)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(shí)力不強(qiáng)、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)模的卻寥寥無幾。多數(shù)企業(yè)是低水平的重復(fù)，處在生產(chǎn)的初級(jí)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(qiáng)度偏低，科研設(shè)備落后，加之我國存

35、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(shí)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)定性和可靠性較差，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(jì)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(diǎn)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(qiáng)技術(shù)研究和引進(jìn)先進(jìn)設(shè)備，以提高整體水平。傳

36、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)。傳感器材料是傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ), 是傳感器技術(shù)升級(jí)的重要支撐。隨著材料科學(xué)的進(jìn)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敏度高、精度高、非接觸性等特點(diǎn),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;在敏感材料中,陶瓷材料、有機(jī)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(duì)某一種或某幾種氣體具有識(shí)別功能的敏感材料,用于制成新型氣體傳感器。此外,高分子有機(jī)敏感材料,是近幾年人們極為關(guān)注的具有應(yīng)用潛力的新型敏感材料,可制成熱敏、光敏、氣敏、濕敏、力敏、離子敏和生物敏等傳感器。傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展,也促進(jìn)了更新型材料的開發(fā),如納米材料等。美國NRC公司已開發(fā)出納米ZrO2 氣體傳感器,控制機(jī)動(dòng)車輛尾氣的排放,對(duì)凈化環(huán)境效果很好,應(yīng)用前景比較廣闊。由于采用納米材料制作的傳感器,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(jìn)步將有更多的新型材料誕生。（2）應(yīng)用