傳感器在機(jī)電性能測試系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、傳感器在機(jī)電性能測試系統(tǒng)中的應(yīng)用第一章 傳感器發(fā)展現(xiàn)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(xiàn)象和規(guī)律以及生產(chǎn)活動中它們的功能就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了。為適應(yīng)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(xué)組成（如煙霧），并將探知的信息傳遞給其他裝置或器官。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)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(xiàn)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(zhuǎn)換元件兩大部分組成，有時也將基本轉(zhuǎn)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(yīng)被測量的部分。有時也將敏感元件稱為傳感器。2.轉(zhuǎn)換元件能將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號部分。3.轉(zhuǎn)換電路不少傳感器要通過轉(zhuǎn)換電路之后才能輸出電量信號，從而決定了轉(zhuǎn)換電路是傳感器的組成部分之一。1.3傳感器在現(xiàn)代信息技術(shù)中的

3、發(fā)展現(xiàn)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(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，主要用于檢測機(jī)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(jī)電一體化系統(tǒng)的運(yùn)作提供必須的相關(guān)信息。21世紀(jì)人類將全面進(jìn)入信息電子化時代，隨著人類探知領(lǐng)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(qiáng)，相應(yīng)的信息采集，傳感器技術(shù)也將日益發(fā)展，進(jìn)而傳感器將無所不在。從20世紀(jì)80年代起，逐步在世界范圍內(nèi)掀起了一股傳感器熱，各先進(jìn)工業(yè)國都極為重視傳感技術(shù)和傳感器的研究、開發(fā)和生產(chǎn)。傳感器技術(shù)已經(jīng)成為重要的現(xiàn)代科技領(lǐng)域，而傳感器技術(shù)及其系統(tǒng)的生產(chǎn)已成為重要的新興行業(yè)?，F(xiàn)在，

4、全世界傳感器市場的銷售總額已經(jīng)超過200億美元，并以80%的年增長率向前發(fā)展，其產(chǎn)品品種突破2萬種。它們內(nèi)廣泛地應(yīng)用于鋼鐵、能源、交通、機(jī)械制造、通信、化工、汽車、家電、金融、商業(yè)和農(nóng)業(yè)等行業(yè)。我國在八五期間已把傳感器技術(shù)列入國家重點攻關(guān)計劃及中長期科技發(fā)展重點新技術(shù)之一。在本世紀(jì)已跨入高速發(fā)展時期，并不失時機(jī)地開發(fā)新產(chǎn)品，使之成為國民經(jīng)濟(jì)新的增長點。第二章 傳感器在機(jī)電一體化中的作用和地位在機(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，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(xiàn)。 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)用于各種自動化產(chǎn)品之中傳感器技術(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(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)自動化程序就越高。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)對被控對象的各項參數(shù)進(jìn)行及時準(zhǔn)確地檢出并轉(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(jìn)而使整個系統(tǒng)就無法正常有效地工作。傳感檢測技術(shù)是自動化及相關(guān)研究領(lǐng)域的技術(shù)基礎(chǔ)，不管是在工程技術(shù)還是在基礎(chǔ)科學(xué)中都同樣具有獨特而重要的作用和

6、地位。就許多基礎(chǔ)學(xué)科研究而言，新機(jī)理和高靈敏度檢測傳感器的出現(xiàn)，使原本不易獲取的信息得以準(zhǔn)確及時的捕捉，從而將導(dǎo)致該領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)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(xiàn)代文明的科學(xué)技術(shù)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(dāng)?shù)氖褂?，將成為今后科學(xué)技術(shù)研究的起點，可以說技術(shù)革命的主角之一就是傳感器。今天，傳感檢測技術(shù)已經(jīng)滲透到生產(chǎn)和生活的各個領(lǐng)域。高度自動化的工廠、設(shè)備、裝置或系統(tǒng)，可以說是傳感檢測技術(shù)的大集合地。各種儀器設(shè)備、家電、辦公自動化設(shè)備、工廠自動化中的計算機(jī)集成制造系統(tǒng)、CNC機(jī)床、加工中心、大型發(fā)電機(jī)組、軋鋼生產(chǎn)線、汽車的機(jī)電一體化系統(tǒng)等等，傳感器

7、檢測技術(shù)的應(yīng)用已然非常廣泛；在工業(yè)國防領(lǐng)域中的尖端武器裝備和某些尖端科學(xué)與工程等重要領(lǐng)域，傳感器檢測技術(shù)更有不可替代的重要作用。同時，隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活質(zhì)量的提高，傳感檢測技術(shù)也努力挖掘其巨大潛能，不斷地向人們生活密切相關(guān)的發(fā)面展現(xiàn)。第三章 機(jī)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(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器等。1.脈沖編碼器 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.直線光柵傳感器 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

8、，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(jìn)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 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)。旋轉(zhuǎn)變壓器由定子和轉(zhuǎn)子組成，具體來說，它由一個鐵心、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)。2.2壓力檢測傳感器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

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(shù)控機(jī)床中，可用它對工件夾緊力進(jìn)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)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(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)。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(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)?shù)毒吣p時，機(jī)床主軸

10、電動機(jī)負(fù)荷增大，電動機(jī)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(jī)車停止運(yùn)轉(zhuǎn)，此時，應(yīng)及時進(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)，會使數(shù)控機(jī)床更加完善，自適應(yīng)更強(qiáng)。2.4溫度的檢測傳感器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

11、，電動機(jī)的旋轉(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(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，感受溫度信號并轉(zhuǎn)換成電信號送給數(shù)控系統(tǒng)，進(jìn)行溫度補(bǔ)償。 此外，在電動機(jī)等需要過熱保護(hù)的地方，應(yīng)埋設(shè)溫度傳感器，過熱時通過數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行過熱報警。第四章 傳感器在機(jī)電性能測試系統(tǒng)中的應(yīng)用4.1在機(jī)器人中的應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人之所以能夠準(zhǔn)確操作，是因為它能夠通過各種傳感器來準(zhǔn)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(xiàn)，這個過程非常重要，足以為機(jī)器人控制提供反饋信息。通常微動開關(guān)、光電開關(guān)、電渦流等傳感器安裝在機(jī)器人的每個關(guān)節(jié)上進(jìn)行零位和極限位置的檢測，前者保證機(jī)器人的重復(fù)定位精度和軌跡精度，后者則起保護(hù)機(jī)器人和安全動作的作用。速度、加速度傳感器用來實現(xiàn)機(jī)器人各關(guān)節(jié)的速度閉環(huán)控制盒加速度控制。觸覺傳感器裝設(shè)在機(jī)器人腕、手爪等部位，通過觸覺確認(rèn)對象的位置從而修正手爪的位置以便能準(zhǔn)確地抓住對象物。4.2在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用數(shù)控機(jī)床綜合了機(jī)械、自動化、計算機(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，在制造技術(shù)設(shè)備更新中，數(shù)控機(jī)床證迅速地在企業(yè)得到普及。數(shù)控機(jī)床是

13、一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動化機(jī)床，能夠根據(jù)已編好的程序，使機(jī)床動作并加工零件。他綜合了機(jī)械、自動化、計算機(jī)、測量、微電子等最新技術(shù)，使用了多種傳感器。數(shù)控機(jī)床對傳感器的要求如下：（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)床以要求精確為主。4.3 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。切削過程傳感檢測的目標(biāo)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(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(jī)的功率等。對于機(jī)床的運(yùn)行來講，主要的傳感檢測目標(biāo)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(jī)床的故障停機(jī)時間、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.工件的過程傳感器 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(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(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(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，稱為刀具/砂輪失效。工業(yè)統(tǒng)計證明，刀具失效是引起機(jī)床故障停機(jī)

16、的首要因素，由其引起的停機(jī)時間占NC類機(jī)床的總停機(jī)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。第五章 傳感器技術(shù)的發(fā)展的問題及發(fā)展發(fā)向5.1傳感器技術(shù)發(fā)展的問題我國傳感器的研究，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(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(shù)企業(yè)是低水平重復(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)密集的高科技產(chǎn)品，其技術(shù)水平?jīng)Q定于科學(xué)研究水平。而我國

17、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3000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。5.2傳感器技術(shù)的發(fā)展方向我國必須要加大對技術(shù)的研究和設(shè)備的投入，這樣才能夠提高傳感器技術(shù)整體水平，可以從以下幾個方面來發(fā)展提高技術(shù)水平：(1)高精度發(fā)展。只有高精度、高靈敏度、高速反應(yīng)的新型傳感器才能提高生產(chǎn)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(jīng)之路；(4)功能化和數(shù)字化。傳感器已經(jīng)不再局限于傳統(tǒng)的功能，其輸出信號是經(jīng)過微電腦處理好后的數(shù)字信號，實現(xiàn)了數(shù)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(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(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

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(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(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(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。結(jié)論大力發(fā)展新一代機(jī)電一體化產(chǎn)品，不僅是改造和武裝傳統(tǒng)機(jī)械老設(shè)備的一條新路，而且是推動機(jī)械產(chǎn)品更新?lián)Q代和開辟新領(lǐng)域、發(fā)展與振興機(jī)械工業(yè)的必由之路。機(jī)電一體化產(chǎn)業(yè)覆蓋面非常廣，而我國人力、物力、財力有限，機(jī)電一體化產(chǎn)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(chǎn)業(yè)的電子信息技術(shù)改造，使機(jī)械技術(shù)與電子技術(shù)初步結(jié)合，又要在新產(chǎn)品設(shè)計之初，就統(tǒng)一考慮機(jī)械與電子的融合，使機(jī)械與電子密不可分，從而使設(shè)計、生產(chǎn)出來的新產(chǎn)品真正做到機(jī)電一體化。在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，無論是機(jī)械電子化產(chǎn)品還是機(jī)電互相融合的高級產(chǎn)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(shù)在發(fā)展經(jīng)濟(jì)、推動社會進(jìn)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(lǐng)域的