傳感器在機電性能測試系統(tǒng)中的應用

1、傳感器在機電性能測試系統(tǒng)中的應用第一章 傳感器發(fā)展現狀1.1傳感器的涵義人們?yōu)榱藦耐饨绔@取信息，必須借助于感覺器官。而單靠人們自身的感覺器官，在研究自然現象和規(guī)律以及生產活動中它們的功能就遠遠不夠了。為適應這種情況，就需要傳感器。因此可以說，傳感器是人類五官的延長，傳感器是一種物理裝置或生物器官，能夠探測、感受外界的信號、物理條件（如光、熱、濕度）或化學組成（如煙霧），并將探知的信息傳遞給其他裝置或器官。根據國家標準FB7665-87對傳感器下的定義是：能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將

2、檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示。記錄和控制等要求。它是實現自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。1.2傳感器的組成傳感器的功能是一感二傳，即感受被測量，并傳送出去。傳感器一般由敏感元件、轉換元件兩大部分組成，有時也將基本轉換電路和輔助電源作為傳感器的組成部分。1.敏感元件能直接感受或響應被測量的部分。有時也將敏感元件稱為傳感器。2.轉換元件能將敏感元件感受或響應的被測量轉換成適于傳輸或測量的電信號部分。3.轉換電路不少傳感器要通過轉換電路之后才能輸出電量信號，從而決定了轉換電路是傳感器的組成部分之一。1.3傳感器在現代信息技術中的

3、發(fā)展現狀傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，主要用于檢測機電一體化系統(tǒng)自身與操作對象、作業(yè)環(huán)境的狀態(tài)，為有效地控制機電一體化系統(tǒng)的運作提供必須的相關信息。21世紀人類將全面進入信息電子化時代，隨著人類探知領域和空間的拓展，電子信息種類的日益繁多，信息傳遞的速度日益加快，信息處理能力日益增強，相應的信息采集，傳感器技術也將日益發(fā)展，進而傳感器將無所不在。從20世紀80年代起，逐步在世界范圍內掀起了一股傳感器熱，各先進工業(yè)國都極為重視傳感技術和傳感器的研究、開發(fā)和生產。傳感器技術已經成為重要的現代科技領域，而傳感器技術及其系統(tǒng)的生產已成為重要的新興行業(yè)。現在，

4、全世界傳感器市場的銷售總額已經超過200億美元，并以80%的年增長率向前發(fā)展，其產品品種突破2萬種。它們內廣泛地應用于鋼鐵、能源、交通、機械制造、通信、化工、汽車、家電、金融、商業(yè)和農業(yè)等行業(yè)。我國在八五期間已把傳感器技術列入國家重點攻關計劃及中長期科技發(fā)展重點新技術之一。在本世紀已跨入高速發(fā)展時期，并不失時機地開發(fā)新產品，使之成為國民經濟新的增長點。第二章 傳感器在機電一體化中的作用和地位在機電一體化系統(tǒng)中，傳感器處系統(tǒng)之首，其作用相當于系統(tǒng)感受器官，能快速、精確地獲取信息并能經受嚴酷環(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

5、息處理、控制決策等功能就無法談及和實現。 傳感器是左右機電一體化系統(tǒng)（或產品）發(fā)展的重要技術之一，廣泛應用于各種自動化產品之中傳感器技術是實現自動控制、自動調節(jié)的關鍵環(huán)節(jié)，也是機電一體化系統(tǒng)不可缺少的關鍵技術之一，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)自動化程序就越高。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對被控對象的各項參數進行及時準確地檢出并轉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)就無法正常有效地工作。傳感檢測技術是自動化及相關研究領域的技術基礎，不管是在工程技術還是在基礎科學中都同樣具有獨特而重要的作用和

6、地位。就許多基礎學科研究而言，新機理和高靈敏度檢測傳感器的出現，使原本不易獲取的信息得以準確及時的捕捉，從而將導致該領域內技術上的突破。一些專家評論：如果沒有傳感器檢測各種信息，那么支撐現代文明的科學技術就不可能發(fā)展。如何提高感覺信息的傳感器的功能，如何適當的使用，將成為今后科學技術研究的起點，可以說技術革命的主角之一就是傳感器。今天，傳感檢測技術已經滲透到生產和生活的各個領域。高度自動化的工廠、設備、裝置或系統(tǒng)，可以說是傳感檢測技術的大集合地。各種儀器設備、家電、辦公自動化設備、工廠自動化中的計算機集成制造系統(tǒng)、CNC機床、加工中心、大型發(fā)電機組、軋鋼生產線、汽車的機電一體化系統(tǒng)等等，傳感器

7、檢測技術的應用已然非常廣泛；在工業(yè)國防領域中的尖端武器裝備和某些尖端科學與工程等重要領域，傳感器檢測技術更有不可替代的重要作用。同時，隨著世界經濟的發(fā)展和人民生活質量的提高，傳感檢測技術也努力挖掘其巨大潛能，不斷地向人們生活密切相關的發(fā)面展現。第三章 機電一體化系統(tǒng)中傳感器的類型2.1.位移檢測傳感器位移檢測的傳感器主要有脈沖編碼器、直線光柵、旋轉變壓器、感應同步器等。1.脈沖編碼器 脈沖編碼器是一種角位移（轉速）傳感器，它能夠把機械轉角變成電脈沖。脈沖編碼器可分為光電式、接觸式和電磁式三種，其中，光電式應用比較多。 2.直線光柵傳感器 直線光柵是利用光的透射和反射現象制作而成，常用于位移測量

8、，分辨力較高，測量精度比光電編碼器高，適應于動態(tài)測量。在進給驅動中，光柵尺固定在床身上，其產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.旋轉變壓器 旋轉變壓器是一種輸出電壓與角位移量成連續(xù)函數關系的感應式微電機。旋轉變壓器由定子和轉子組成，具體來說，它由一個鐵心、兩個定子繞組和兩個轉子繞組組成，其原、副繞組分別放置在定子、轉子上，原、副繞組之間的電磁耦合程度與轉子的轉角有關。2.2壓力檢測傳感器壓力傳感器是一種將壓力轉變成電信號的傳感器。根據工作原理，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、固體等所有物質間作用力能量的總

9、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由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、壓力量程大等特點近來得到了迅速發(fā)展。在數控機床中，可用它對工件夾緊力進行檢測，當夾緊力小于設定值時，會導致工件松動，系統(tǒng)發(fā)出報警，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，當油路或氣路中的壓力低于設定值時，其觸點會動作，將故障信號送給數控系統(tǒng)。2.3刀具磨損監(jiān)控傳感器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。當刀具磨損時，機床主軸

10、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，數控系統(tǒng)發(fā)出報警信號，機車停止運轉，此時，應及時進行刀具調整或更換。 以上介紹的傳感器在數控機床上的應用是目前的狀況，但隨著傳感器和數控機床的發(fā)展，有些傳感器將被淘汰，如旋轉變壓器等，而新的傳感器將不斷出現，會使數控機床更加完善，自適應更強。2.4溫度的檢測傳感器溫度傳感器是一種將溫度高低轉變成電阻值大小或其它電信號的一種裝置。常見的有以鉑、銅為主的熱電阻傳感器、以半導體材料為主的熱敏電阻傳感器和熱電偶傳感器等。在數控機床上，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

11、，電動機的旋轉、移動部件的移動、切削等都會產生熱量，且溫度分布不均勻，造成溫差，使數控機床產生熱變形，影響零件加工精度，為了避免溫度產生的影響，可在數控機床上某些部位裝設溫度傳感器，感受溫度信號并轉換成電信號送給數控系統(tǒng)，進行溫度補償。 此外，在電動機等需要過熱保護的地方，應埋設溫度傳感器，過熱時通過數控系統(tǒng)進行過熱報警。第四章 傳感器在機電性能測試系統(tǒng)中的應用4.1在機器人中的應用工業(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)信息的獲取通過內部傳感器（位置、位移、速度、加速度等等）來完成，操作對象與外部環(huán)境的感知通過外部傳感

12、器來實現，這個過程非常重要，足以為機器人控制提供反饋信息。通常微動開關、光電開關、電渦流等傳感器安裝在機器人的每個關節(jié)上進行零位和極限位置的檢測，前者保證機器人的重復定位精度和軌跡精度，后者則起保護機器人和安全動作的作用。速度、加速度傳感器用來實現機器人各關節(jié)的速度閉環(huán)控制盒加速度控制。觸覺傳感器裝設在機器人腕、手爪等部位，通過觸覺確認對象的位置從而修正手爪的位置以便能準確地抓住對象物。4.2在數控機床中的應用數控機床綜合了機械、自動化、計算機、測量、微電子等最新技術，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，在制造技術設備更新中，數控機床證迅速地在企業(yè)得到普及。數控機床是

13、一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動化機床，能夠根據已編好的程序，使機床動作并加工零件。他綜合了機械、自動化、計算機、測量、微電子等最新技術，使用了多種傳感器。數控機床對傳感器的要求如下：（1）可靠性高和抗干擾性強；（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高，中型和高精度數控機床以要求精確為主。4.3 機械加工過程的傳感檢測技術 1.切削過程和機床運行過程的傳感技術 切削過程傳感檢測的目的在于優(yōu)化切削過程的生產率、制造成本或（金屬）材料的切除率等。切削過程傳感檢測的目標有切削過程的切削力及其變

14、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，主要的傳感檢測目標有驅動系統(tǒng)、軸承與回轉系統(tǒng)、溫度的監(jiān)測與控制及安全性等，其傳感參數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.工件的過程傳感器 與刀具和機床的過程監(jiān)視技術相比，工件的過程監(jiān)視是研究和應用最早、最多的。它們多數以工件加工質量控制為目標。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，工序識別是為辨識所執(zhí)行的加工工序是否是工（零）件加

15、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、砂輪的檢測傳感器 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）或出現破損（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

16、的首要因素，由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)設備或人身安全事故，甚至是重大事故。第五章 傳感器技術的發(fā)展的問題及發(fā)展發(fā)向5.1傳感器技術發(fā)展的問題我國傳感器的研究，始于20世紀80年代，主要集中在專業(yè)研究所和大學，與國外先進技術相比，還有較大差距。主要表現在：(1) 我國傳感器的產業(yè)結構，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的單位約1300家，居世界第一，但真正形成一定規(guī)模的卻寥寥無幾。多數企業(yè)是低水平重復，處在生產的初級階段。(2) 傳感器屬于多學科交叉、技術密集的高科技產品，其技術水平決定于科學研究水平。而我國

17、在傳感器研究方面科研投資強度偏低，科研設備落后，加之我國存在科研和生產脫節(jié)的現象，所以影響了傳感器科研成果的轉化，造成了我國傳感器產品綜合實力較低，阻礙了傳感器產業(yè)的發(fā)展。世界傳感器的種類約有2萬多種，而我國經過八五、九五的發(fā)展，目前也僅有3000多種，尚有大量品種需要開發(fā)。(3) 我國傳感器產品的技術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，限制了其應用領域和產業(yè)的發(fā)展。5.2傳感器技術的發(fā)展方向我國必須要加大對技術的研究和設備的投入，這樣才能夠提高傳感器技術整體水平，可以從以下幾個方面來發(fā)展提高技術水平：(1)高精度發(fā)展。只有高精度、高靈敏度、高速反應的新型傳感器才能提高生產自動

18、化的可靠性；(2)微型化。如今將傳感器微型化一直是人們所研究的熱門；(3)微功耗及無源化。開發(fā)微功耗的傳感器及無源傳感器是必經之路；(4)功能化和數字化。傳感器已經不再局限于傳統(tǒng)的功能，其輸出信號是經過微電腦處理好后的數字信號，實現了數字化和智能化。(5)新材料的開發(fā)。傳感器材料是傳感器技術的重要基礎, 是傳感器技術升級的重要支撐。隨著材料科學的進步,傳感器技術日臻成熟,其種類越來越多,除了早期使用的半導體材料、陶瓷材料以外,光導纖維以及超導材料的開發(fā),為傳感器的發(fā)展提供了物質基礎。例如,根據以硅為基體的許多半導體材料易于微型化、集成化、多功能化、智能化,以及半導體光熱探測器具有靈敏度高、精度

19、高、非接觸性等特點,發(fā)展紅外傳感器、激光傳感器、光纖傳感器等現代傳感器;在敏感材料中,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,在精密調配化學成分的基礎上,經過高精度成型燒結,得到對某一種或某幾種氣體具有識別功能的敏感材料,用于制成新型氣體傳感器。此外,高分子有機敏感材料,是近幾年人們極為關注的具有應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。傳感器技術的不斷發(fā)展,也促進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,控制機動車輛尾氣的排放,對凈化環(huán)境效果很好,應用前景比較廣闊。由于采用納米材料制作的傳感器,具

20、有龐大的界面,能提供大量的氣體通道,而且導通電阻很小,有利于傳感器向微型化發(fā)展，隨著科學技術的不斷進步將有更多的新型材料誕生。結論大力發(fā)展新一代機電一體化產品，不僅是改造和武裝傳統(tǒng)機械老設備的一條新路，而且是推動機械產品更新?lián)Q代和開辟新領域、發(fā)展與振興機械工業(yè)的必由之路。機電一體化產業(yè)覆蓋面非常廣，而我國人力、物力、財力有限，機電一體化產業(yè)發(fā)展不可能面面俱到，平鋪直敘。因此，要分清主次、突出重點，大膽取舍。既要抓住傳統(tǒng)產業(yè)的電子信息技術改造，使機械技術與電子技術初步結合，又要在新產品設計之初，就統(tǒng)一考慮機械與電子的融合，使機械與電子密不可分，從而使設計、生產出來的新產品真正做到機電一體化。在機電一體化系統(tǒng)中，無論是機械電子化產品還是機電互相融合的高級產品，都離不開檢測與傳感器這個重要環(huán)節(jié)。由此可見，傳感器技術在發(fā)展經濟、推動社會進步方面的重要作用，是十分明顯的。世界各國都十分重視這一領域的