传感器技术在机电一体化系统中的应用及其发展.docx
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传感器技术在机电一体化系统中的应用及其发展
河南质量工程职业学院
毕业设计（论文）
题目:
传感器技术在机电一体化系统中的应用
系别:
机电工程系
专业:
机电一体化
班级:
11级现代控制班
学生姓名:
学
定稿日期:
2014年4月8日
河南质量工程职业学院
毕业设计（论文）任务书
班级
现代控制班
学生姓名
郭振波
指导教师
李德明
设计（论文）题目
传感器技术在机电一体化系统中的应用
主要
研究
内容
传感器技术在测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密机械、仿生学、材料科学等众多学科中的应用。
主要技
术指标
或研究
目标
传感器技术在电阻式传感器电容式传感器霍尔式传感器压电式传感器电感式传感器应用来实现制动化。
基本
要求
有一定精确度和灵敏度。
主要参
考资料
及文献
[1]韩连英，王晓红.光纤传感器在机械设备检测中的应用[J].光机电信息.2006
[2]张开逊.现代传感技术在信息科学中的地位[J].工业计量.2006
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机械工业出版社，2005.
[4]梁景凯.机电一体化技术与系统[M].北京：
机械工业出版社，1999.
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国防工业出版社，1999
[7]李建勇.机电一体化技术[M].北京:
科学出版社,2004.
[8]姜全新.机械制图.武汉：
华中科技大学出版社，2005
传感器技术在机电一体化系统中的应用及其发展
摘要：
在机电一体化系统中，传感器处系统之首，其作用相当于系统感受
器官，能快速、精确地获取信息并能经受严酷环境考验，是机电一体化系统达
到高水平的保证。
如缺少这些传感器对系统状态和对信息精确而可靠的自动
检测，系统的信息处理、控制决策等功能就无法谈及和实现。
文章概述传感器
研究现状与发展，探讨传感器在机电一体化系统中的应用，并分析我国传感
器技术发展的若干问题及发展方向。
关键词：
传感器技术，光机电一体化，应用
ABSTRACT：
Inmechatronicssystem,wherethesensorsystem,theroleoftheequivalentsystemfeelingOrgans,canquicklyandaccuratelytoobtaininformationandcanwithstandharshenvironmenttest,iselectromechanicalintegrationsystemreachesToahighlevelofassurance.SuchaslackofthesesensorsonthesystemstateandaccurateandreliableinformationtobeautomaticTesting,thesystem'sinformationprocessing,controldecision-makingfunctionscannottalkaboutandrealization.ThisarticlesummarizesthesensorResearchsituationanddevelopment,discussesthesensorsintheelectromechanicalintegrationsystem,andanalyzestheapplicationofsensorImplementtechnologydevelopmentcertainproblemsanddevelopmentdirection.
KEYWORDS:
sensortechnology，Optic-mechanicalintegration，application
目录
中文摘要3
英文摘要4
前言1
第一章、传感器在机电一体化系统中的作用及地位1
1.1机器人用传感器2
1.2机械加工过程的传感检测技术2
1.3汽车自动控制系统中的传感技术3
第二章、常用传感器的类型、特点、结构及用途3
2.1电阻式传感器4
2.2电容式传感器6
2.3电感式传感器7
2.4压电式传感器9
2.5霍尔式传感器10
第三章、机电一体化系统中传感器的选择12
3.1数控机床对传感器的要求12
3.2位移的检测13
3.3位置的检测14
3.4速度的检测14
3.5压力的检测14
3.6温度的检测15
3.7刀具磨损的监控15
第四章、我国传感器技术的发展趋势15
4.1与国外的差距16
4.2今后的发展趋势16
第五章、结论18
第六章、参考文献19
第七章、致谢19
前言
从20世纪80年代起，逐步在世界范围内掀起一股“传感器热”，各先进工业国都极为重视传感技术和传感器研究、开发和生产。
传感技术已成为重要的现代科技领域，传感器及其系统生产已成为重要的新兴行业。
传感器技术是一项当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高新技术之一，也是当代科学技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱。
如果说计算机是人类大脑的扩展,那么传感器就是人类五官的延伸，当集成电路、计算机技术飞速发展时，人们才逐步认识信息摄取装置——传感器没有跟上信息技术的发展而惊呼“大脑发达、五官不灵”。
传感器技术是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密机械、仿生学、材料科学等众多学科相互交叉的综合性高新技术密集型前沿技术之一。
如今它已经渗透到生产和生活的各个领域，从尖端武器装备、航空航天技术，到机械设备、工业过程控制、交通运输、纺织印刷、家用电器、医疗卫生、办公设备及环境保护等领域，均得到广泛应用，在机电一体化技术革命中正在发挥重要作用。
基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形（伸长或缩短）的变化而发生变化的现象。
金属应变片的电阻相对变化为
，
称为金属电阻丝的轴向应变，简称纵向应变。
称为电阻丝的径向应变，简称横向应变。
当电阻丝沿横向伸长时，两者之间的关系为
，其中
为电阻丝材料的泊桑比，
，则
，金属电阻材料的
很小，即其压阻效应很弱，这样上式可简化为
，其灵敏度为
。
为了将电阻应变式传感器的电阻变化转换成电压或电流信号，在应用中一般采用电桥电路作为其测量电路。
电桥电路具有结构简单、灵敏度高、测量范围宽、线性度好且易实现温度补偿等优点。
能较好地满足各种应变测量要求，因此在应变测量中得到了广泛的应用[3]。
电桥电路按辅助电源分有直流电桥和交流电桥，由于直流电桥的输出信号在进一步放大时易产生零漂，故交流电桥的应用更为广泛。
直流电桥只用于较大应变的测量，交流电桥可用于各种应变的测量。
电桥电路按其工作方式分有单臂、双臂和全桥三种。
直流电桥的连接方式
a）半桥单臂b）半桥双臂c）全桥
金属应变片的稳定性和温度特性好，但其灵敏度小；而半导体应变片应变灵敏度大;体积小;能制成具有一定应变电阻的元件，但它的缺点是温度稳定性和可重复性不如金属应变片。
它的应用实例如桥梁固有频率测量、电子称、桶式测力传感器等。
电子称
2.2电容式传感器
把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。
它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。
其最常用的形式是由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，若不考虑边缘效应，其电容量为
当被测参数变化使得上式中的A、d或
发生变化时，电容量C也随之变化。
若保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。
电容式传感器的等效电路如图
电容式传感器的测量电路同样为电桥电路，如下图：
电容式传感器的温度稳定性好，结构简单，动态响应好，可进行非接触测量，然而，输入阻抗高，负载能力差[4]。
电容式传感器精度可达0.01％。
其运用实例有电容传声器、转速测量、电容测厚仪、电容式油量表等。
2.3电感式传感器
电感式传感器是利用电磁感应把被测的物理量如位移，压力，流量，振动等转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。
电感式传感器具有以下特点：
（1）结构简单，传感器无活动电触点，因此工作可靠寿命长。
（2）灵敏度和分辨力高，能测出0.01微米的位移变化。
传感器的输出信号强，电压灵敏度一般每毫米的位移可达数百毫伏的输出。
（3）线性度和重复性都比较好，在一定位移范围（几十微米至数毫米）内，传感器非线性误差可达0.05%~0.1%。
同时，这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，它在工业自动控制系统中广泛被采用。
但不足的是，它有频率响应较低，不宜快速动态测控等缺点[7]。
电感式传感器种类很多，常见的有自感式，互感式和涡流式三种。
图中介绍的是自感式传感器。
由铁心和线圈构成的将直线或角位移的变化转
图中介绍的是自感式传感器
换为线圈电感量变化的传感器，又称电感式位移传感器。
这种传感器的线圈匝数和材料导磁系数都是一定的，其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。
当把线圈接入测量电路并接通激励电源时，就可获得正比于位移输入量的电压或电流输出。
电感式传感器的特点是：
①无活动触点、可靠度高、寿命长；②分辨率高；③灵敏度高；④线性度高、重复性好；⑤测量范围宽（测量范围大时分辨率低）；⑥无输入时有零位输出电压，引起测量误差；⑦对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高；⑧不适用于高频动态测量。
电感式传感器主要用于位移测量和可以转换成位移变化的机械量（如力、张力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等）的测量。
常用电感式传感器有变间隙型、变面积型和螺管插铁型。
在实际应用中，这三种传感器多制成差动式，以便提高线性度和减小电磁吸力所造成的附加误差。
变间隙型电感传感器这种传感器的气隙δ随被测量的变化而改变,从而改变磁阻（图1）。
它的灵敏度和非线性都随气隙的增大而减小，因此常常要考虑两者兼顾。
δ一般取在0.1～0.5毫米之间。
变面积型电感传感器这种传感器的铁芯和衔铁之间的相对覆盖面积（即磁通截面）随被测量的变化而改变,从而改变磁阻（图2）。
它的灵敏度为常数，线性度也很好。
螺管插铁型电感传感器它由螺管线圈和与被测物体相连的柱型衔铁构成。
其工作原理基于线圈磁力线泄漏路径上磁阻的变化。
衔铁随被测物体移动时改变了线圈的电感量。
这种传感器的量程大，灵敏度低，结构简单，便于制作[6]。
电感式传感器的应用实例有：
测厚、零件计数、侧转速、无损探伤、测微技术等。
电感式传感器如图
2.4压电式传感器
压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应,是典型的有源传感器。
当材料受力作用而变形时,其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。
压电式传感器的等效电路：
压电元件两电极间的压电陶瓷或石英晶体为绝缘体，因此可
以构成一个电容器，晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板,极板间物质等效于一种介质,则其电容量为：
，压电元件受外力时，两表面产生等量的正负电荷，压电元件的开路电压为：
。
压电传感器可以等效为一个电荷源与一个电容并联。
如下图（a）
压
电压灵敏度与电荷灵敏度之间的关系为：
压电式传感器的测量电路：
测量时，需把压电传感器用电缆接于前置放大器，前置放大器作用：
一是放大传感器输出的微弱信号；二是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗。
电压放大器如图（a）：
电荷放大器如图（b）：
（b）
压电式传感器的性能特点：
高阻抗、低能量；但是无静态输出，要求有很高的电输出阻抗。
需用低电容的低噪声电缆。
压电式传感器的应用有：
压电式测力传感器、压电式加速度传感器、压电式金属加工切削力测量、压电式玻璃破碎报警器等。
压电式金属加工切削力测量：
压电式玻璃破碎报警器：
2.5霍尔式传感器
霍尔传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量转换成电动势输出的一种传感器。
由于霍尔元件在静止状态下，具有感受磁场的独特能力，并且具有结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽（从直流到微波）、动态范围大（输出电势变化范围可达1000:
1）、寿命长等特点，因此获得了广泛应用。
金属或半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种现象称霍尔效应。
如下图：
霍尔元件的主要性能参数：
（1）输入电阻和输出电阻
输入电阻：
控制电极间的电阻
输出电阻：
霍尔电极之间的电阻
（2）额定控制电流和最大允许控制电流
额定控制电流：
当霍尔元件有控制电流使其本身在空气中产生10℃温升时，对应的控制电流值
最大允许控制电流：
以元件允许的最大温升限制所对应的控制电流值
（3）不等位电势：
当霍尔元件的控制电流为额定值时，若元件所处位置的磁感应强度为零，测得的空载霍尔电势。
（4）寄生直流电势霍尔元件零位误差的一部分
当没有外加磁场，霍尔元件用交流控制电流时，霍尔电极的输出有一个直流电势
控制电极和霍尔电极与基片的连接是非完全欧姆接触时，会产生整流效应。
两个霍尔电极焊点的不一致，引起两电极温度不同产生温差电势
（5）霍尔电势温度系数
在一定磁感应强度和控制电流下，温度每变化1度时，霍尔电势变化的百分率。
霍尔传感器的灵敏度和线性度主要取决于磁路系统和霍尔元件的特性。
霍尔传感器动态性能好。
霍尔传感器的基本测量电路如下：
激励电流由电压源E供给，其大小由可变电阻来调节。
●霍尔型传感器的应用有：
霍尔转速表、霍尔式微压力传感器、各种位移传感器等。
第三章机电一体化系统中传感器的选择
传感器的应用范围广，种类繁多。
如何为我们机电一体化系统选择合适的传感器呢？
下面我们就以数控机床为例讲讲机电一体化系统中传感器的选择。
数控机床综合了机械、自动化、计算机、测量、微电子等最新技术，使用了多种传感器，由于高精度、高速度、高效率及安全可靠的特点，在制造业技术设备更新中，数控机床正迅速地在企业得到普及。
数控机床是一种装有程序控制系统的自动化机床，能够根据已编好的程序，使机床动作并加工零件。
它综合了机械、自动化、计算机、测量、微电子等最新技术，使用了多种传感器。
3.1数控机床对传感器的要求
（1）可靠性高和抗干扰性强；
（2）满足精度和速度的要求；
（3）使用维护方便，适合机床运行环境；
（4）成本低不同种类数控机床对传感器的要求也不尽相同，一般来说，大型机床要求速度响应高，中型和高精度数控机床以要求精度为主。
3.2位移的检测
位移检测的传感器主要有脉冲编码器、直线光栅、旋转变压器、感应同步器等。
（1）脉冲编码器的应用
脉冲编码器是一种角位移（转速）传感器，它能够把机械转角变成电脉冲。
脉冲编码器可分为光电式、接触式和电磁式三种，其中，光电式应用比较多。
（2）直线光栅的应用
直线光栅是利用光的透射和反射现象制作而成，常用于位移测量，分辨力较高，测量精度比光电编码器高，适应于动态测量。
在进给驱动中，光栅尺固定在床身上，其产生的脉冲信号直接反映了拖板的实际位置。
用光栅检测工作台位置的伺服系统是全闭环控制系统。
（3）旋转变压器的应用
旋转变压器是一种输出电压与角位移量成连续函数关系的感应式微电机。
旋转变压器由定子和转子组成，具体来说，它由一个铁心、两个定子绕组和两个转子绕组组成，其原、副绕组分别放置在定子、转子上，原、副绕组之间的电磁耦合程度与转子的转角有关。
（4）感应同步器的应用
感应同步器是利用两个平面形绕组的互感随位置不同而变化的原理制成的。
其功能是将角度或直线位移转变成感应电动势的相位或幅值，可用来测量直线或转角位移。
按其结构可分为直线式和旋转式两种。
直线式感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，定尺安装在机床床身上，滑尺安装于移动部件上，随工作台一起移动；旋转式感应同步器定子为固定的圆盘，转子为转动的圆盘。
感应同步器具有较高的精度与分辨力、抗干扰能力强、使用寿命长、维护简单、长距离位移测量、工艺性好、成本较低等优点。
直线式感应同步器目前被广泛地应用于大位移静态与动态测量中，例如用于三坐标测量机、程控数控机床、高精度重型机床及加工中心测量装置等。
旋转式感应同步器则被广泛地用于机床和仪器的转台以及各种回转伺服控制系统中。
3.3位置的检测
位置传感器可用来检测位置，反映某种状态的开关，和位移传感器不同。
位置传感器有接触式和接近式两种。
（1）接触式传感器的应用
接触式传感器的触头由两个物体接触挤压而动作，常见的有行程开关、二维矩阵式位置传感器等。
行程开关结构简单、动作可靠、价格低廉。
当某个物体在运动过程中，碰到行程开关时，其内部触头会动作，从而完成控制，如在加工中心的X、Y、Z轴方向两端分别装有行程开关，则可以控制移动范围。
二维矩阵式位置传感器安装于机械手掌内侧，用于检测自身与某个物体的接触位置。
（2）接近开关的应用
接近开关是指当物体与其接近到设定距离时就可以发出“动作”信号的开关，它无需和物体直接接触。
接近开关有很多种类，主要有自感式、差动变压器式、电涡流式、电容式、干簧管、霍尔式等。
接近开关在数控机床上的应用主要是刀架选刀控制、工作台行程控制、油缸及汽缸活塞行程控制等。
霍尔传感器是利用霍尔现象制成的传感器。
将锗等半导体置于磁场中，在一个方向通以电流时，则在垂直的方向上会出现电位差，这就是霍尔现象。
将小磁体固定在运动部件上，当部件靠近霍尔元件时，便产生霍尔现象，从而判断物体是否到位。
3.4速度的检测
速度传感器是一种将速度转变成电信号的传感器，既可以检测直线速度，也可以检测角速度，常用的有测速发电机和脉冲编码器等。
测速发电机具有的特点是：
（1）输出电压与转速严格成线性关系；
（2）输出电压与转速比的斜率大。
可分成交流和直流两类。
脉冲编码器在经过一个单位角位移时，便产生一个脉冲，配以定时器便可检测出角速度。
在数控机床中，速度传感器一般用于数控系统伺服单元的速度检测。
3.5压力的检测
压力传感器是一种将压力转变成电信号的传感器。
根据工作原理，可分为压电式传感器、压阻式传感器和电容式传感器。
它是检测气体、液体、固体等所有物质间作用力能量的总称，也包括测量高于大气压的压力计以及测量低于大气压的真空计。
电容式压力传感器的电容量是由电极面积和两个电极间的距离决定，因灵敏度高、温度稳定性好、压力量程大等特点近来得到了迅速发展。
在数控机床中，可用它对工件夹紧力进行检测，当夹紧力小于设定值时，会导致工件松动，系统发出报警，停止走刀。
另外，还可用压力传感器检测车刀切削力的变化。
再者，它还在润滑系统、液压系统、气压系统被用来检测油路或气路中的压力，当油路或气路中的压力低于设定值时，其触点会动作，将故障信号送给数控系统。
3.6温度的检测
温度传感器是一种将温度高低转变成电阻值大小或其它电信号的一种装置。
常见的有以铂、铜为主的热电阻传感器、以半导体材料为主的热敏电阻传感器和热电偶传感器等。
在数控机床上，温度传感器用来检测温度从而进行温度补偿或过热保护。
在加工过程中，电动机的旋转、移动部件的移动、切削等都会产生热量，且温度分布不均匀，造成温差，使数控机床产生热变形，影响零件加工精度，为了避免温度产生的影响，可在数控机床上某些部位装设温度传感器，感受温度信号并转换成电信号送给数控系统，进行温度补偿。
此外，在电动机等需要过热保护的地方，应埋设温度传感器，过热时通过数控系统进行过热报警。
3.7刀具磨损的监控
刀具磨损到一定程度会影响到工件的尺寸精度和表面粗糙度，因此，对刀具磨损要进行监控。
当刀具磨损时，机床主轴电动机负荷增大，电动机的电流和电压也会变化，功率随之改变，功率变化可通过霍尔传感器检测。
功率变化到一定程度，数控系统发出报警信号，机车停止运转，此时，应及时进行刀具调整或更换。
以上介绍的传感器在数控机床上的应用是目前的状况，但随着传感器和数控机床的发展，有些传感器将被淘汰，如旋转变压器等，而新的传感器将不断出现，会使数控机床更加完善，自适应更强。
第四章我国传感器技术的发展趋势
传感器技术是实现自动控制、自动调节的关键环节，也是机电一体化系统不可缺少的关键技术之一，其水平的高低，在很大程度上影响和决定着系统的功能；其水平越高，系统的自动化程度就越高。
在一套完整的机电一体化系统中，如果不能利用传感检测技术对被控对象的各项参数进行及时准确地检测并转换成易于传送和处理的信号，我们所需要的用于系统控制的信息就无法获得，进而使整个系统就无法正常有效的工作[7]。
4.1与国外的差距
我国传感器的研究，始于20世纪80年代，主要集中在专业研究所和大学，与国外先进技术相比，还还有较大差距。
主要表现在：
（1）我国传感器的产业结构，存在着企业分散、实力不强、市场开拓不力等问题。
我国从事传感器研究和生产的单位约1300家，居世界第一，但真正形成一定规模的却寥寥无几。
多数企业是低水平的重复，处在生产的初级阶段。
（2）传感器属于多学科交叉、技术密集的高技术产品，其技术水平决定于科学研究的水平。
而我国在传感器研究方面科研投资强度偏低，科研设备落后，加之我国存在科研和生产脱节的现象，所以影响了传感器科研成果的转化，造成了我国传感器产品综合实力较低，阻碍了传感器产业的发展。
世界传感器的种类约有2万多种，而我国经过“八五”、“九五”的发展，目前也仅有3000多种，尚有大量品种需要开发。
（3）我国传感器产品的技术水平与国外有较大差距，主要是长期稳定性和可靠性较差，限制了其应用领域和产业的发展。
4.2今后的发展趋势
虽然我国传感器产业的现状还不能适应国民经济发展的需要，产品技术水平与国外相比还有较大差距，但是从统一市场的观点看，我国具有传感器的广阔市场，所以我国传感器产业发展的前途还是光明的。
因此，必须加强技术研究和引进先进设备，以提高整体水平。
传感器技术今后的发展趋势，主要表现在以下方面：
（1）新材料开发。
传感器材料是传感器技术的重要基础,是传感器技术升级的重要支撑。
随着材料科学的进步,传感器技术日臻成熟,其种类越来越多,除了早期使用的半导体材料、陶瓷材料以外,光导纤维以及超导材料的开发,为传感器的发展提供了物质基础。
例如,根据以硅为基体的许多半导体材料易于微型化、集成化、多功能化、智能化,以及半导体光热探测器具有灵敏度高、精度高、非接触性等特点,发展红外传感器、激光传感器、光纤传感器等现代传感器;在敏感材料中,陶瓷材料、有机材料发展很快,可采用不同的配方混合原料,在精密调配化学成分的基础上,经过高精度成型烧结,得到对某一种或某几种气体具有识别功能的敏感材料,用于制成新型气体传感器。
此外,高分子有机敏感材料,是近几年人们极为关注的具有应用潜力的新型敏感材料,可制成热敏、光敏、气敏、湿敏、力敏、离子敏和生物敏等传感器。
传感器技术的不断发展,也促进了更新型材料的开发,如纳米材料等。
美国NRC公司已开发出纳米ZrO
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