傳感器在機電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用及發(fā)展的研究_第1頁
傳感器在機電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用及發(fā)展的研究_第2頁
傳感器在機電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用及發(fā)展的研究_第3頁
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經(jīng)典word整理文檔,僅參考,雙擊此處可刪除頁眉頁腳。本資料屬于網(wǎng)絡(luò)整理,如有侵權(quán),請聯(lián)系刪除,謝謝!傳感器在機電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用及發(fā)展的研究指導(dǎo)老師:肖衛(wèi)兵08機電11班張為摘要傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或制機電一體化系統(tǒng)的運作提供必須的相關(guān)信息。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,相應(yīng)的信息采集——傳感技術(shù)也將日益發(fā)展,傳感器也將無所不在。關(guān)鍵詞:傳感器技術(shù);機電一體化一、傳感器的概述從20世紀80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)。三大支柱。如果說計算機是人類大腦的擴展,那么傳感器就是人類五官的延伸,學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、精密機械、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。二、傳感器在機電一體化系統(tǒng)中的作用及地位息處理、控制決策等功能就無法談及和實現(xiàn)。各種自動化產(chǎn)品之中:1.機器人用傳感器。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。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)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。20世紀80年代以來,工件識別和感器,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。砂輪失效。占NC類機床的總停機時間的甚至是重大事故。三、機電一體化系統(tǒng)中常用傳感器的類型、特點、結(jié)構(gòu)及用途交通、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,可以說幾乎滲透到每個領(lǐng)域。下面,我就幾類基本類型的傳感器做些介紹: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:與輸入成線性關(guān)系。(活動觸點)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。滑線變阻器式傳感器精度可達0.1%。--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、補償電阻和外殼組成,可根據(jù)具體測量要求設(shè)計成多種結(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。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。金屬應(yīng)變片的電阻R為,,電阻相對變化為,稱為金屬電阻絲的軸向/l/R/l2/rd/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/r沿橫向伸長時,兩者之間的關(guān)系為,其中為電阻絲材料的泊桑/r/l比,,則,金屬電阻材料的很小,即/R2)d/其壓阻效應(yīng)很弱,這樣上式可簡化為,其靈敏度為/R2)dR/R12常數(shù)Sdl/l流信號,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、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。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??;而半導(dǎo)體應(yīng)變片應(yīng)變靈敏度大;體積小;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。電子稱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)分開的當(dāng)CA/dAdC被測參數(shù)變化使得上式中的、或量的變化,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: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。電容傳聲器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,振動等輸出,實現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。(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微米的位移變化。傳感器的輸出信號強,電壓靈敏度一般每毫米的位移可達數(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(幾十微米至數(shù)毫米)內(nèi),傳感器非線性誤差可達0.05%~0.1%。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)中廣泛被采用。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。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電源時,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是:①無活動觸點、可靠度高、壽命長;②分辨率高;③靈敏度高;④線性度高、重復(fù)性好;⑤測量范圍寬(測量范圍大時分辨率低);⑥無輸入時有零位輸出電壓,引起測量誤差;⑦對激勵電源的頻率和幅值穩(wěn)定性要求較高;⑧不適用于高頻動態(tài)測量。電感式傳感器主要用于位移測量和可以轉(zhuǎn)換成位移變化的機械量(如力、張力、壓力、壓差、加速度、振動、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。在實際應(yīng)用中,這三種傳感器多制成差動式,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δ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。δ一般取在0.1~0.5毫米之間。變面積型電感傳感器這種傳感器的鐵芯和銜鐵之間的相對覆蓋面積(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時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。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。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,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S容的兩個極板,極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì),則其電容量為:C,0a壓電元件受外力時,兩表面產(chǎn)生等量的正負電荷,壓電元件的開路電壓為:Q。UCa壓電傳感器可以等效為一個電荷源與一個電容并聯(lián)。如下圖(a)壓電傳感器也可以等效為一個與電容相串聯(lián)的電壓源。如下圖(b)CaCuqaa(a)(b)k電壓靈敏度與電荷靈敏度之間的關(guān)系為:kquCa壓電式傳感器的測量電路:測量時,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;二是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗。ab(b)壓電式傳感器的性能特點: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、壓電式玻璃破碎報警器等。壓電式金屬加工切削力測量:壓電式玻璃破碎報警器: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)換成電動勢并且具有結(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)金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強度為B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: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,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)1百分率?;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?;魻杺鞲衅鲃討B(tài)性能好?;魻杺鞲衅鞯幕緶y量電路如下:激勵電流由電壓源E供給,其大小由可變電阻來調(diào)節(jié)?!窕魻栃蛡鞲衅鞯膽?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。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。1.數(shù)控機床對傳感器的要求不同種類數(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。等。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。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)。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。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、床和儀器的轉(zhuǎn)臺以及各種回轉(zhuǎn)伺服控制系統(tǒng)中。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物體接觸擠壓而動作,常見的有行程開關(guān)、二加工中心的X、、Z軸方向兩端分別裝有行程開關(guān),則可以控制移動范圍。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)定距離時就可以發(fā)出動作信號的開關(guān),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?;魻杺鞲衅魇抢没魻柆F(xiàn)象制成的傳感器。將鍺等半導(dǎo)體置于磁場中,在斷物體是否到位。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)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)輸出電壓與轉(zhuǎn)速比的斜率大??煞殖山涣骱椭绷鲀深?。脈沖編碼器在經(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。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,可分為信號送給數(shù)控系統(tǒng)。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度補償或過熱保護。在加工過程中,電動機的旋轉(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)控機床產(chǎn)生熱變形,影響零件加工精度,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。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,對刀調(diào)整或更換。出現(xiàn),會使數(shù)控機床更加完善,自適應(yīng)更強。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,傳感器技術(shù)發(fā)展的趨勢將是開發(fā)新材料與傳感器智能化發(fā)展相結(jié)合。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)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)

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