傳感器在數(shù)控機床中的應(yīng)用

畢業(yè)論文傳感器在數(shù)控機床中的應(yīng)用傳感器在數(shù)控機床中的應(yīng)用摘要在工業(yè)生產(chǎn)和試驗過程中，經(jīng)常會遇到各種轉(zhuǎn)速的測量和控制率測量。測量頻率的方法有很多，不同的方法各有不同的適用范圍。案，效果可能相差甚遠。本文以普通電機的轉(zhuǎn)速測量為例，利用霍爾輸出的信號進行濾波和整形,在經(jīng)過頻率測試儀的分析得到電機的轉(zhuǎn)試要求。關(guān)鍵詞：傳感器數(shù)控機床應(yīng)用目錄1............................2....................112.1傳感器的作用..........................................................................................12.2傳感器的功能............................................................................................22.3傳感器的分類............................................................................................22.5幾種主要的傳感器....................................................................................3334593........103.1數(shù)控機床對傳感器的要求...................................10111111113.3...............................................................................................121213143.4速度的檢測..3.5壓力的檢測154..............................................16引言1計算機、測量、微電子等最新技術(shù)，使用了多種傳感器，本文介紹的是各種各樣的傳感器在數(shù)控機床上的應(yīng)用。2傳感器的概述傳感器（sensor;measuringelement;transducer按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。圖1。器官。它能感受規(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，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)。2.1傳感器的作用種情況，就需要傳感器。因此可以說，傳感器是人類五官的延長，又稱之為電五官。要途徑與手段。1質(zhì)量。因此可以說，沒有眾多的優(yōu)良的傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)也就失去了基礎(chǔ)。cm的粒子世界，縱向上要觀察長達數(shù)十萬年的天體演化，短到s的瞬間反應(yīng)。此技術(shù)研究，如超高溫、超低溫、超高壓、超高真空、超強磁場、超弱磁碭等等。的發(fā)展，往往是一些邊緣學科開發(fā)的先驅(qū)。傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護、資源調(diào)查、醫(yī)學診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其之泛的領(lǐng)域?？梢院敛豢鋸埖卣f，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。會出現(xiàn)一個飛躍，達到與其重要地位相稱的新水平。2.2傳感器的功能常將傳感器的功能與人類5大感覺器官相比擬：光敏傳感器——視覺、聲敏傳感器——聽覺、氣敏傳感器——嗅覺、化學傳感器——味覺、壓敏、溫敏、流體傳感器——觸覺敏感元件的分類：①物理類，基于力、熱、光、電、磁和聲等物理效應(yīng)。②化學類，基于化學反應(yīng)的原理。③生物類，基于酶、抗體、和激素等分子識別功能。通常據(jù)其基本感知功能可分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類（還有人曾將敏感元件分462.3傳感器的分類可以用不同的觀點對傳感器進行分類：它們的轉(zhuǎn)換原理(傳感器工作的基本物理或化學效應(yīng))；它們的用途；它們的輸出信號類型以及制作它們的材料和工2藝等。根據(jù)傳感器工作原理，可分為物理傳感器和化學傳感器二大類：伸縮現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應(yīng)。被測信號量的微小變化都將轉(zhuǎn)換成電信號?；瘜W傳感器包括那些以化學吸附、電化學反應(yīng)等現(xiàn)象為因果關(guān)系的傳感器，被測信號量的微小變化也將轉(zhuǎn)換成電信號。的可能性，價格問題等，解決了這類難題，化學傳感器的應(yīng)用將會有巨大增長。2.5幾種主要的傳感器2.5.1電阻式傳感器電阻式傳感器是將被測量，如位移、形變、力、加速度、濕度、溫度等這些物理量轉(zhuǎn)換式成電阻值這樣的一種器件。主要有電阻應(yīng)變式、壓阻式、熱電阻、熱敏、氣敏、濕敏等電阻式傳感器件。24GHz雷達傳感器存在，測量物體的運動速度，靜止距離，物體所處角度等，采用平面微帶技術(shù)，具有體積小，集成化程度高，感應(yīng)靈敏,無需接觸等特點。2.5.2光敏傳感器光敏傳感器是最常見的傳感器之一，它的種類繁多，主要有：光電管、光電倍增管、光敏電阻、光敏三極管、太陽能電池、紅外線傳感器、紫外線傳感器、光纖式光電傳感器、色彩傳感器、CCD和CMOS圖像傳感器等。它的敏感波長在敏傳感器是光敏電阻，當光子沖擊接合處就會產(chǎn)生電流。光敏電阻的符號如圖1-1所示。31-1光敏電阻圖2.5.3濕度傳感器ε及所吸附水分子的介電常數(shù)εε是一個與溫度和頻率有關(guān)的無量綱常數(shù)。水分子的ε在T＝5℃時為78.36，在T＝20℃時為79.63。有機物εε隨Tε隨T介電常數(shù)為3.0一3.8ε的幾十倍。因此高分子介是多相介質(zhì)的復(fù)合介電常數(shù)具有加和性決定的。由于ε的變化，使?jié)衩綦娙菰碾娙萘緾d和平板電容的效面積S也和溫度有關(guān)。溫度變化所引起的介質(zhì)幾何尺寸的變化將影響C系數(shù)可達到的量級。例如硝酸纖維素的平均熱線脹系數(shù)為108x10-5/℃。隨著dCC度特性不同?？傊?，高分子濕度傳感器的溫度系數(shù)并非常數(shù)，而是個變量。所以4通常傳感器生產(chǎn)廠家能在-10-60攝氏度范圍內(nèi)是傳感器線性化減小溫度對濕敏元件的影響。約±2%。雖然，測濕性能還算可以但其耐溫性、耐腐蝕性都不太理想，在工業(yè)領(lǐng)域使用，壽命、耐溫性和穩(wěn)定性、抗腐蝕能力都有待于進一步提高。陶瓷濕敏傳感器是近年來大力發(fā)展的一種新型傳感器。優(yōu)點在于能耐高溫，濕度滯后，響應(yīng)速度快，體積小，便于批量生產(chǎn)，但由于多孔型材質(zhì)，對塵埃影響，在低濕高溫環(huán)境下線性度差，特別是使用壽命短，長期可靠性差，是此類濕敏傳感器迫切解決的問題。最強。度的增加而下降。電解質(zhì)溶解于水中降低水面上的水蒸氣壓的原理而實現(xiàn)感濕。經(jīng)過感濕混合液的配制和工藝上的嚴格控制是保持和發(fā)揮這一特性的關(guān)鍵。2.5.4溫度傳感器式和非接觸式兩大類，按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類。A.觸式溫度傳感器5接觸式溫度傳感器的檢測部分與被測對象有良好的接觸，又稱溫度計。溫度計通過傳導(dǎo)或?qū)α鬟_到熱平衡，從而使溫度計的示值能直接表示被測對象的溫度。一般測量精度較高。在一定的測溫范圍內(nèi)，溫度計也可測量物體內(nèi)部的溫度分布。但對于運動體、小目標或熱容量很小的對象則會產(chǎn)生較大的測量誤差，常用的溫度計有雙金屬溫度計、玻璃液體溫度計、壓力式溫度計、電阻溫度計、熱敏電阻和溫差電偶等。它們廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)等部門。在日常生活中人們也常常使用這些溫度計。隨著低溫技術(shù)在國防工程、空間技術(shù)、冶金、電子、食品、醫(yī)藥和石油化工等部門的廣泛應(yīng)用和超導(dǎo)技術(shù)的研究，測量120K以下溫度的低溫溫度計得到了發(fā)展，如低溫氣體溫度計、蒸汽壓溫度計、聲學溫度計、順磁鹽溫度計、量子溫度計、低溫熱電阻和低溫溫差電偶等。低溫溫度計要求感溫元件體積小、準確度高、復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性好。利用多孔高硅氧玻璃滲碳燒結(jié)而成的滲碳玻璃熱電阻就是低溫溫度計的一種感溫元件，可用于測量1.6～300K范圍內(nèi)的溫度。B.非接觸式溫度傳感器它的敏感元件與被測對象互不接觸，又稱非接觸式測溫儀表。這種儀表可用來測量運動物體、小目標和熱容量小或溫度變化迅速（瞬變）對象的表面溫度，也可用于測量溫度場的溫度分布。最常用的非接觸式測溫儀表基于黑體輻射的基本定律，稱為輻射測溫儀表。輻射測溫法包括亮度法（見光學高溫計）、輻射法（見輻射高溫計）和比色法（見比色溫度計）。各類輻射測溫方法只能測出對應(yīng)的光度溫度、輻射溫度或比色溫度。只有對黑體（吸收全部輻射并不反射光的物體）所測溫度才是真實溫度。如欲測定物體的真實溫度，則必須進行材料表面發(fā)射率的修正。而材料表面發(fā)射率不僅取決于溫度和波長，而且還與表面狀態(tài)、涂膜和微觀組織等有關(guān)，因此很難精確測量。在自動化生產(chǎn)中往往需要利用輻射測溫法來測量或控制某些物體的表面溫度，如冶金中的鋼帶軋制溫度、軋輥溫度、鍛件溫度和各種熔融金屬在冶煉爐或坩堝中的溫度。在這些具體情況下，物體表面發(fā)射率的測量是相當困難的。對于固體表面溫度自動測量和控制，可以采用附加的反射鏡使與被測表面一起組成黑體空腔。附加輻射的影響能提高被測表面的有效輻射和有效發(fā)射系數(shù)。利用有效發(fā)射系數(shù)通過儀表對實測溫度進行相應(yīng)的修正，最終可得到被測表面的真實溫度。最為典型的附加反射鏡是半球反射鏡。球中心附近被測表面的漫射輻射能受半球鏡反射回到表面而形成附加輻射，從而提高有效發(fā)射6系數(shù)式中ε為材料表面發(fā)射率，ρ為反射鏡的反射率。至于氣體和液體介質(zhì)真實溫度的輻射測量，則可以用插入耐熱材料管至一定深度以形成黑體空腔的方法。通過計算求出與介質(zhì)達到熱平衡后的圓筒空腔的有效發(fā)射系數(shù)。在自動測量和控制中就可以用此值對所測腔底溫度（即介質(zhì)溫度）進行修正而得到介質(zhì)的真實溫度。非接觸測溫優(yōu)點：測量上限不受感溫元件耐溫程度的限制，因而對最高可測溫度原則上沒有限制。對于1800℃以上的高溫，主要采用非接觸測輻射測溫逐漸由可見光向紅外線擴展，700℃以下直至常溫都已采用，且分辨率很高。如果采用數(shù)字式接口的溫度傳感器，上述設(shè)計問題將得到簡化。同樣，當A/D和微處理器的I/O管腳短缺時，采用時間或頻率輸出的溫度傳感器也能解決上述測量問題。以MAX6575/76/77系列SOT-23封裝的溫度傳感器為例，這類器件可通過單線和微處理器進行溫度數(shù)據(jù)的傳送，提供三種靈活的輸出方式--頻率、周期或定時，并具備±0.8℃的典型精度，一條線最多允許掛接8個傳感器，150μA典型電源電流和2.7V到5.5V的寬電源電壓范圍及-45℃到+125℃的溫度范圍。它輸出的方波信號具有正比于絕對溫度的周期，采用6腳SOT-23封裝，僅占很小的板面。該器件通過一條I/O與微處理器相連，利用微處理器內(nèi)部的計數(shù)器測出周期后就可計算出溫度。可多點檢測、直接輸出數(shù)字量的數(shù)字溫度傳感器DS1612是美國達拉斯半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的CMOS數(shù)字式溫度傳感器。內(nèi)含兩個不揮發(fā)性存儲器，可以在存儲器中任意的設(shè)定上限和下限溫度值進行恒溫器的溫度控制，由于這些存儲器具有不揮發(fā)性，因此一次定入后，即使不用CPU也仍然可以獨立使用。DS1612傳感器溫度測量原理和精度：在OSC1）和一個溫度系數(shù)較小的振蕩器（OSC2）。在溫度較低時，由于OSC2的開門時間較短，因此溫度測量計數(shù)器計數(shù)值（n）較小；而當溫度較高時，由于OSC2的開門時間較長，其計數(shù)值（m）增大。如果在上述計數(shù)值基礎(chǔ)上再加上一個同實際溫度相差的校正數(shù)據(jù)，就可以構(gòu)成一個高精度的數(shù)字溫度傳感器。該公司將這個校正值定入芯片中的不揮發(fā)存儲器中，這樣傳感器輸出的數(shù)字量就可以作為實際測量的溫度數(shù)據(jù)，而不需要再進行校準。它可測量的溫度范圍為-55℃~+125℃，在0℃~+70℃范圍內(nèi)，測量精度為±0.5℃，輸出7的9位編碼直接與溫度相對應(yīng)。DS1621同外部電路的控制信號和數(shù)據(jù)的通信是通過雙向總線來實現(xiàn)的，由CPU生成串行時鐘脈沖（SCL），SDA是雙向數(shù)據(jù)線。通過地址引腳A0、A1、A2將8個不同的地址分配給各器件。通過設(shè)定寄存器來設(shè)置工作方式，并對工作狀態(tài)進行監(jiān)控。被測的溫度數(shù)據(jù)被存儲在溫度傳感器寄存器中，高溫（TH）和低溫（TL）閾值寄存器存儲了恒溫器輸出（Tout）的閾值。現(xiàn)在，各種集成的溫度傳感器的功能越來越專業(yè)化。比如，MAXIM公司近期推出的MAX1619是一種增強型精密遠端數(shù)字溫度傳感器，能夠監(jiān)測遠端P-N結(jié)和其自身封裝的溫度。它具有雙報警輸出：ALERT和OVERT。ALERT用于指示各傳感器的高/低溫狀態(tài)，OVERT信號等價于一個自動調(diào)溫器，在遠端溫度傳感器超上限時觸發(fā)，MAX1617A完全軟件兼容，非常適合于系統(tǒng)關(guān)斷或風扇控制，甚至在系統(tǒng)“死鎖”后仍能正常工作。美國達拉斯半導(dǎo)體公司的DS1615是有記錄功能的溫度傳感器。器件中包含實時時鐘、數(shù)字式溫度傳感器、非易失性存儲器、控制邏輯電路以及串行接口電路。數(shù)字溫度傳感器的測量范圍為-40℃MAX1619與~+85℃，精度為±2℃，讀取9位時的分辨率是0.03125℃。時鐘提供的時2100年以前的閏年作了修正。電源電壓為2.2V~5.5V，8腳SOIC封裝。DS17775是數(shù)字式溫度計及恒溫控制器集成電路。其中包含數(shù)字溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字寄存器、恒溫控制比較器以及兩線串行接口電路。供電電壓在3V至5V時的測量溫度精度為±2℃，讀取9位時的分辨率是0.5℃，讀取13位時的分辨率是0.03125℃。D.溫度傳感器發(fā)展趨勢8現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)是信息采集(即傳感器技術(shù))、信息傳輸(通信技術(shù))和信息處理(計算機技術(shù))。傳感器屬于信息技術(shù)的前沿尖端產(chǎn)品，尤其是溫度傳感器被廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學研究和生活等領(lǐng)域，數(shù)量高(1)傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器(含敏感元件)(2)模擬集成溫度傳感器／控制器；(3)智能溫度傳感器。國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式、由集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。在20世紀90年代中期最早推出的智能溫8位A/D分辨力只能達到1°C高分辨力的智能溫度傳感器，所用的是9~12位A/D轉(zhuǎn)換器，分辨力一般可達0.5~0.0625°C。由美國DALLAS半導(dǎo)體公司新研制的DS1624型高分辨力智能溫度傳感器，能輸出13位二進制數(shù)據(jù)，其分辨力高達0.03125°C，測溫精度為±0.2°C。為了提高多通道智能溫AD7817型5通道智能溫度傳感器為例，它對本地傳感器、每一路遠程傳感器的轉(zhuǎn)換時間分別僅為27us、9us。進入21世紀后，智能溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標準化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。目前，智能溫度傳感器的總線技術(shù)也實現(xiàn)了標準化、規(guī)范化，所采用的總線主要有單線(1-Wire)總線、I2C總線、SMBus總線和spI總線。溫度傳感器作為從機可通過專用總線接口與主機進行通信。2.5.5壓力傳感器智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等眾多行業(yè)，下面就簡單介紹一些常用傳感器原理及其應(yīng)用。壓力傳感器是工業(yè)實踐中最為常用的一種傳感器，而我們通常使用的壓力傳感器主要是利用壓電效應(yīng)制造而成的，這樣的傳感器也稱為壓電傳感器。我們知道，晶體是各向異性的，非晶體是各向同性的。某些晶體介質(zhì)，當沿效應(yīng)，這就是所謂的極化效應(yīng)?？茖W家就是根據(jù)這個效應(yīng)研制出了壓力傳感器。壓電傳感器中主要使用的壓電材料包括有石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺。其中石英（二氧化硅）是一種天然晶體，壓電效應(yīng)就是在這種晶體中發(fā)現(xiàn)的，在9?。ㄒ簿驼f壓電系數(shù)比較低），所以石英逐漸被其他的壓電晶體所替代。而酒石以已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。陶瓷、PZT、鈮酸鹽系壓電陶瓷、鈮鎂酸鉛壓電陶瓷等等。際的情況不是這樣的，所以這決定了壓電傳感器只能夠測量動態(tài)的應(yīng)力。是一種常用的加速度計。它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優(yōu)異的特點。壓電式加速度傳感器在飛機、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動和沖擊測的沖擊波壓力。它既可以用來測量大的壓力，也可以用來測量微小的壓力。非常廣。除了壓電傳感器之外，還有利用壓阻效應(yīng)制造出來的壓阻傳感器，利用應(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)變式傳感器等，這些不同的壓力傳感器利用不同的效應(yīng)和不同的材料，在不同的場合能夠發(fā)揮它們獨特的用途。3傳感器在數(shù)控機床中的應(yīng)用3.1數(shù)控機床對傳感器的要求（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。10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。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。3.2.1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。在圖1X軸和Z軸端部分別配有光電編碼器，用于角位移測移。圖13.2.2直線光柵的應(yīng)用11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制系統(tǒng)。3..2.3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。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)。3.2.4感應(yīng)同步器的應(yīng)用感應(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床身上，滑尺安裝于移動部件上，隨工作臺一起移動；旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同精度與分辨力、抗干擾能力強、使用壽命長、維護簡單、長距離位移被廣泛地用于機床和儀器的轉(zhuǎn)臺以及各種回轉(zhuǎn)伺服控制系統(tǒng)中。123.3位置的檢測器不同。位置傳感器有接觸式和接近式兩種。3.3.1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)、二維矩陣式位置傳感器等。行程開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單、動作可靠、價格低廉。當某個物體在運動過程中，碰到行程開關(guān)時，其內(nèi)部觸頭會動作，從而完成控制，如在加工中心的XYZ軸方向兩端分別裝有手掌內(nèi)側(cè)，用于檢測自身與某個物體的接觸位置。3.3.2接近開關(guān)的應(yīng)用接近開關(guān)是指當物體與其接近到設(shè)定距離時就可以發(fā)出“動作”信號的開關(guān)，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。在刀架選刀控制中，如圖2所示，從