傳感器的應(yīng)用doc

1、河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院專(zhuān)業(yè)技術(shù)報(bào)告報(bào)告題目：傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用 系 別 機(jī)電工程系專(zhuān)業(yè)年級(jí) 10機(jī)電一班學(xué)生姓名 趙志洲 學(xué)號(hào) 33指導(dǎo)教師 劉秋成 職稱(chēng) 高級(jí)工程師日 期 2013年 5月 目錄摘要3 、傳感器在機(jī)電一體化技術(shù)中的重要地位4二、 傳感器技術(shù)概述4（一）、 傳感器的構(gòu)成與基本原理4（二）、 傳感器的分類(lèi)4（三）常用傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、及用途.5三、 傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用7（一）、 機(jī)械加工過(guò)程的傳感檢測(cè)技術(shù)7（二）、汽車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)中的傳感技術(shù)8三）、機(jī)器人用傳感器8四、我國(guó)傳感器技術(shù)發(fā)展的若干問(wèn)題及發(fā)展方向9.參考文獻(xiàn)10 傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用 班

2、級(jí)：10機(jī)電一班、姓名：趙志洲 學(xué)號(hào)：33 摘要： 傳感器是檢測(cè)中首先感受被測(cè)量、并將它轉(zhuǎn)換成與被測(cè)量有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的電量器件，它是檢測(cè)和控制系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分。機(jī)電一體化是機(jī)械的主功能、動(dòng)力功能、信息功能和控制功能上引進(jìn)微電子技術(shù)，并將機(jī)械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱(chēng)。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?chē)?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(cè),系統(tǒng)的信息處理、控制決策等功能就無(wú)法談及和實(shí)現(xiàn)。傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，是機(jī)電產(chǎn)品中是必不可少的器件

3、之一。關(guān)鍵詞：傳感器 ， 機(jī)電一體化系統(tǒng)， 應(yīng)用一、傳感器在機(jī)電一體化技術(shù)中的重要地位機(jī)電一體化的特征是使機(jī)械系統(tǒng)具有完善的信息采集和處理功能，以此來(lái)取代人對(duì)機(jī)域的絕大部分控制功能。操作機(jī)器的人用五官獲取相應(yīng)的信息，因此機(jī)電一體化系統(tǒng)應(yīng)具有替代以至延伸人類(lèi)五官的器件。這一替代的器件稱(chēng)為“傳感器”，其核心變換部件稱(chēng)為“敏感元件”。傳感器的俗稱(chēng)為“探頭”。傳感器是機(jī)電一體化系統(tǒng)獲取外部信息的觸角。傳感器是采集控制系統(tǒng)及環(huán)境的信息并進(jìn)行變換，供控制系統(tǒng)進(jìn)行分析、判斷和決策。傳感器是機(jī)械閉環(huán)控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，對(duì)系統(tǒng)性能的好壞起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)今控制系統(tǒng)的“大腦”微型電子計(jì)算機(jī)的功能日益強(qiáng)大，但要

4、發(fā)揮其功效，必須有靈敏、可靠和分辨力高的傳感器與之配合。如果傳感器誤差很大，微型電子計(jì)算機(jī)再精確也不可能構(gòu)成一個(gè)精良的機(jī)械測(cè)控系統(tǒng)，這好比：聰明的大腦，遲鈍的五官“之情形。就目前的水平而言，以微型計(jì)算機(jī)為核心的控制技術(shù)已經(jīng)獲得長(zhǎng)足的發(fā)展，相比之下傳感器技術(shù)的發(fā)展水平還不盡人意。一些性能先進(jìn)的機(jī)械測(cè)控系統(tǒng)往往因傳感器的失效而失效，特別是在礦山井下惡劣環(huán)境下工作的系統(tǒng)，問(wèn)題尤為突出。機(jī)電一體化系統(tǒng)要進(jìn)一步提高和完善性能，傳感器技術(shù)是“瓶頸”問(wèn)題之一。二、 傳感器技術(shù)概述傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，主要用于檢測(cè)機(jī)電一體化系統(tǒng)自身與操作對(duì)象、作業(yè)環(huán)境狀態(tài)，為有

5、效控制機(jī)電一體化系統(tǒng)的運(yùn)作提供必須的相關(guān)信息。隨著人類(lèi)探知領(lǐng)域和空間的拓展，電子信息種類(lèi)日益繁多，信息傳遞速度日益加快，信息處理能力日益增強(qiáng)，相應(yīng)的信息采集傳感技術(shù)也將日益發(fā)展，傳感器也將無(wú)所不在。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(guó)都極為重視傳感技術(shù)和傳感器研究、開(kāi)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)。（一）、 傳感器的構(gòu)成與基本原理傳感器中從輸入量到輸出量的轉(zhuǎn)換過(guò)程，可能經(jīng)過(guò)一次變換，但大多經(jīng)過(guò)一個(gè)或一個(gè)以上中間量的變換，再由中間量轉(zhuǎn)換成最終形式。一般的傳感器構(gòu)成如圖1所示。其中敏感元件是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺?/p>

6、或響應(yīng)被測(cè)量的部分；轉(zhuǎn)換元件是指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性惺芑蝽憫?yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)部分。敏感元件轉(zhuǎn)換元件接口電路輔助電源電信號(hào)非電物理量圖1傳感器的構(gòu)成（二）、 傳感器的分類(lèi)傳感器有多種分類(lèi)方法。按被測(cè)物理量的不同，可分為位移傳感器、力傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等；按傳感器的工作原理的不同，可分為電學(xué)式傳感器、磁學(xué)式傳感器、光電式傳感器、半導(dǎo)體型傳感器等；按信號(hào)變換特征也可概括分為物性型傳感器與結(jié)構(gòu)型傳感器；根據(jù)敏感元件與被測(cè)對(duì)象之間的能量關(guān)系，也可分為能量轉(zhuǎn)換型傳感器與能量控制型傳感器；按輸出信號(hào)分類(lèi)，可分為模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器等。他們被廣泛的應(yīng)用于機(jī)電一體化中，是

7、機(jī)電一體化應(yīng)用領(lǐng)域中不可或缺的元素。（三）、常用傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、及用途.隨著材料科學(xué)的發(fā)展，物理型傳感器將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。電阻應(yīng)變式、電感式、電容式、壓電式傳感器是測(cè)量工作中使用最多的傳感器，他們的工作原理簡(jiǎn)單，測(cè)量轉(zhuǎn)化電路也基本固定，應(yīng)用技術(shù)比較成熟，下面就此幾種常用的傳感器進(jìn)行一下分析，首先我們必須了解他們的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)以及在生活中的用途。1、電阻應(yīng)變式傳感器 電阻應(yīng)式變傳感器具有悠久的歷史，是應(yīng)用最廣泛的傳感器之一。電阻應(yīng)變式傳感式是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變?yōu)殡娮枳兓膫鞲衅鳌?應(yīng)變式傳感器特征：不同材料類(lèi)型：金屬應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變片應(yīng)變范圍：應(yīng)變力、壓力、轉(zhuǎn)矩、位移、加速度。主要優(yōu)點(diǎn)

8、：使用簡(jiǎn)單、精度高、范圍大、體積小。2、電感式傳感器電感式傳感器 ：是利用電磁感應(yīng)把被測(cè)的物理量如位移，壓力，流量，振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成線(xiàn)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(jiǎn)單，傳感器無(wú)活動(dòng)電觸點(diǎn)，因此工作可靠壽命長(zhǎng)。 （2）靈敏度和分辨力高，能測(cè)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(xiàn)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(xiàn)性誤差可達(dá)0.05%0.1%。同時(shí)，這種傳感器能實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制，它在

9、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(cè)控等缺點(diǎn)。 電感式傳感器種類(lèi)很多，常見(jiàn)的有自感式，互感式和渦流式三種。電感式傳感器主要用于位移測(cè)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(cè)量。3、電容式傳感器把被測(cè)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兩個(gè)平行電極組成、極間以空氣為介質(zhì)的電容器。電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型、介質(zhì)變化型三類(lèi)。極距變化型一般用來(lái)測(cè)量微小的線(xiàn)位移或由于力、壓力、振動(dòng)等引起的極距變化。面積變化型一

10、般用于測(cè)量角位移或較大的線(xiàn)位移。介質(zhì)變化型常用于物位測(cè)量和各種介質(zhì)的溫度、密度、濕度的測(cè)定。電容器傳感器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,價(jià)格便宜，靈敏度高,過(guò)載能力強(qiáng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好和對(duì)高溫、輻射、強(qiáng)振等惡劣條件的適應(yīng)性強(qiáng)等。缺點(diǎn)是輸出有非線(xiàn)性，寄生電容和分布電容對(duì)靈敏度和測(cè)量精度的影響較大，以及聯(lián)接電路較復(fù)雜等。70年代末以來(lái),隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了與微型測(cè)量?jī)x表封裝在一起的電容式傳感器。這種新型的傳感器能使分布電容的影響大為減小，使其固有的缺點(diǎn)得到克服。電容式傳感器是一種用途極廣，很有發(fā)展?jié)摿Φ膫鞲衅鳌?、壓電式傳感器是一種自發(fā)電式和機(jī)電轉(zhuǎn)換式傳感器。它的敏感元件由壓電材料制成。壓電材料受力后表

11、面產(chǎn)生電荷。此電荷經(jīng)電荷放大器和測(cè)量電路放大和變換阻抗后就成為正比于所受外力的電量輸出。壓電式傳感器用于測(cè)量力和能變換為力的非電物理量，如壓力、加速度等(見(jiàn)壓電式壓力傳感器、加速度計(jì))。它的優(yōu)點(diǎn)是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠和重量輕等。缺點(diǎn)是某些壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應(yīng)差，需要采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來(lái)克服這一缺陷。配套儀表和低噪聲、小電容、高絕緣電阻電纜的出現(xiàn)，使壓電傳感器的使用更為方便。它廣泛應(yīng)用于工程力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、電聲學(xué)等技術(shù)領(lǐng)域。傳感器在生活中應(yīng)用很廣泛，不只是以上幾種傳感器在生活中有應(yīng)用，還有很多很多，例如：霍爾式傳感器、熱電偶傳感器等等三、

12、傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用傳感器是左右機(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：（一）、 機(jī)械加工過(guò)程的傳感檢測(cè)技術(shù)1.切削過(guò)程和機(jī)床運(yùn)行過(guò)程的傳感技術(shù)。切削過(guò)程傳感檢測(cè)的目的在于優(yōu)化切削過(guò)程的生產(chǎn)率、制造成本或（金屬）材料的切除率等。切削過(guò)程傳感檢測(cè)的目標(biāo)有切削過(guò)程的切削力及其變化、切削過(guò)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(guò)程辨識(shí)等，而最重要的傳感參數(shù)有切削力、切削過(guò)程振動(dòng)、切削過(guò)程聲發(fā)射、切削過(guò)程電機(jī)的功率等。對(duì)于機(jī)床的運(yùn)行來(lái)講，主要的傳感檢測(cè)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(cè)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

13、件的表面粗糙度和加工精度、功率、機(jī)床狀態(tài)與冷卻潤(rùn)滑液的流量等。2.工件的過(guò)程傳感。與刀具和機(jī)床的過(guò)程監(jiān)視技術(shù)相比，工件的過(guò)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(lái)，工件識(shí)別和工件安裝位姿監(jiān)視要求也提到日程上來(lái)。粗略地講，工序識(shí)別是為辨識(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(kāi)發(fā)許多傳感器，如基于TV或CCD的機(jī)器

14、視覺(jué)傳感器、激光表面粗糙度傳感系統(tǒng)等。3.刀具/砂輪的檢測(cè)傳感。切削與磨削過(guò)程是重要的材料切除過(guò)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(chēng)），使它們失去切/磨削能力或無(wú)法保證加工精度和加工表面完整性時(shí)，稱(chēng)為刀具/砂輪失效。工業(yè)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(lèi)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。（二）、汽車(chē)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(chē)工業(yè)進(jìn)入了全新時(shí)期。汽車(chē)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

15、體現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)上，為更全面地改善汽車(chē)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(cè)和控制技術(shù)已擴(kuò)大到汽車(chē)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。（三）、機(jī)器人用傳感器機(jī)器人傳感技術(shù)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的,是一類(lèi)專(zhuān)門(mén)用于機(jī)器人技術(shù)的新型傳感器,與普通傳感器的工作原理基本相同,但又有其特殊性,對(duì)傳感信息種類(lèi)和智能化處理的要求更高,包括機(jī)器人觸覺(jué)傳感器、機(jī)器人接近覺(jué)傳感器、機(jī)器人視覺(jué)傳感器、機(jī)器人嗅覺(jué)傳感器、機(jī)器人味覺(jué)傳感器、機(jī)器人聽(tīng)覺(jué)傳感器等。之所以能夠準(zhǔn)確操

16、作,是因?yàn)樗軌蛲ㄟ^(guò)各種傳感器來(lái)準(zhǔn)確感知自身、操作對(duì)象及作業(yè)環(huán)境的狀態(tài)。機(jī)器人傳感器可分為內(nèi)部檢測(cè)傳感器和外部檢測(cè)傳感器兩大類(lèi)。內(nèi)部檢測(cè)傳感器是以機(jī)器人本身的坐標(biāo)軸來(lái)確定其位置，它安裝在機(jī)器人自身中用來(lái)感知機(jī)器人自己的狀態(tài)，以調(diào)整和控制機(jī)器人的行動(dòng)。它通常由位置、加速度、速度及壓力傳感器組成。外部檢測(cè)傳感器用于機(jī)器人對(duì)周?chē)h(huán)境、目標(biāo)物的狀態(tài)特征獲取信息，使機(jī)器人和環(huán)境能發(fā)生交互作用，從而使機(jī)器人對(duì)環(huán)境有自我校正和自適應(yīng)能力。圖1列出了這些傳感器的分類(lèi)和功用。圖1 機(jī)器人用外界檢測(cè)傳感器的分類(lèi)傳感器檢測(cè)內(nèi)容檢測(cè)器件應(yīng)用觸覺(jué)接觸把握力荷重分布?jí)毫Χ嘣α鼗瑒?dòng)限制開(kāi)關(guān)應(yīng)變計(jì)、半導(dǎo)體感壓元件彈簧變位

17、測(cè)量計(jì)導(dǎo)電橡膠、感壓高分子材料應(yīng)變計(jì)、半導(dǎo)體感壓元件壓阻元件、馬達(dá)電流計(jì)光學(xué)旋轉(zhuǎn)檢測(cè)器、光纖動(dòng)作順序控制把握力控制張力控制、指壓力控制姿勢(shì)、形狀判別裝配力控制協(xié)調(diào)控制滑動(dòng)判定、力控制接近覺(jué)接近間隔傾斜光電開(kāi)關(guān)、LED、激光、紅外光敏晶體管、光敏二極管電磁線(xiàn)圈、超聲波傳感器動(dòng)作順序控制障礙物躲避軌跡移動(dòng)控制、探索視覺(jué)平面位置距離形狀缺陷ITV攝像機(jī)、位置傳感器測(cè)距器線(xiàn)圖像傳感器面圖像傳感器位置決定、控制移動(dòng)控制物體識(shí)別、判別檢查、異常檢測(cè)聽(tīng)覺(jué)聲音超聲波麥克風(fēng)超聲波傳感器語(yǔ)言控制（人機(jī)接口）移動(dòng)控制嗅覺(jué)氣體成分氣體傳感器、射線(xiàn)傳感器化學(xué)成分探測(cè)味覺(jué)味道離子傳感器、pH計(jì)化學(xué)成分探測(cè)機(jī)器人的觸覺(jué)，實(shí)

18、際上是人的觸覺(jué)的某些模仿。它是有關(guān)機(jī)器人和對(duì)象物之間直接接觸的感覺(jué)，包括的內(nèi)容較多，通常指以下幾種；觸覺(jué)：手指與被測(cè)物是否接觸，接觸圖形的檢測(cè)。壓覺(jué)：垂直于機(jī)器人和對(duì)象物接觸面上的力傳感器。力覺(jué)：機(jī)器人動(dòng)作時(shí)各自由度的力感覺(jué)。滑覺(jué)：物體向著垂直于手指把握面的方向移動(dòng)或變形。四、我國(guó)傳感器技術(shù)發(fā)展的若干問(wèn)題及發(fā)展方向傳感器技術(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(cè)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(cè)出并轉(zhuǎn)換成易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(wú)法獲得，進(jìn)而使整個(gè)系統(tǒng)就無(wú)法正常有效的工作。我國(guó)傳感器的研究主要集中在專(zhuān)業(yè)研究所和大學(xué)，始于20世紀(jì)80年代，與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)相比，我們還有較大差距，主要表現(xiàn)在：（1）先進(jìn)的計(jì)算、模擬和設(shè)計(jì)方法；（2）先進(jìn)的微機(jī)械加工技術(shù)與設(shè)備；（3）先進(jìn)的封裝技術(shù)與設(shè)備；（4）可靠性技術(shù)研究等方面。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