毕业设计传感器技术在机电一体化中的应用Word文件下载.doc
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Keywords：
sensortechnology，electromechanicalintegration，application
目录
1引言 5
2机电一体化综述 5
2.1机电一体化概要 5
2.2机电一体化的特点分析 5
2.2.1体积小、重量轻 5
2.2.2速度快、精度高 5
2.2.3可靠性高 6
2.2.4柔性好 6
2.3机电一体化系统的组成部分 6
2.3.1机械部分 6
2.3.2执行装置 6
2.3.3传感器 6
2.3.4控制装置 6
2.4机电一体化的核心技术 7
2.4.1机械本体技术 7
2.4.2传感技术 7
2.4.3信息处理技术 7
2.4.4驱动技术 7
2.4.5接口技术 7
2.4.6软件技术 8
2.5机电一体化技术的主要应用领域 8
2.5.1数控机床 8
2.5.2计算机集成制造系统（CIMS） 8
2.5.3工业机器人 8
3传感器简介 8
3.1传感器的概念与组成 8
3.2传感器——机电一体化系统之首 9
3.3传感器的种类 10
4传感器技术在机电一体化中的应用 11
4.1传感器技术的研究现状和发展 11
4.2传感器在机电一体化系统中的应用 11
4.2.1机器人用传感器 11
4.2.2机械加工过程的传感检测技术 13
4.2.3汽车自动控制系统中的传感技术 13
4.3我国传感器技术发展的若干问题 14
4.4我国传感器技术今后的发展方向 15
4.4.1加速开发新型敏感材料 15
4.4.2向高精度发展 15
4.4.3向微型化发展 15
4.4.4向微功耗及无源化发展 15
4.4.5向智能化数字化发展 15
结论 16
致谢 17
参考文献 18
1引言
进入20世纪80年代以来，关于机电一体化技术的研究和应用已成为全球性的课题，可以说，从军事到经济、从生产到生活、从简单的日用消费品生产到复杂的社会生产和管理系统，机电一体化技术几乎达到无所不在、无孔不入的地步。
近几年来，在我国汽车工业迅猛发展，成为世界最大产业之一的同时，随之也拉动了机电一体化的控制行业强势发展，而随着科学技术的不断更新与集成化的趋势，传感器，也就越来越成为了控制中的核心器件之一。
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、准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品的保证。
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。
随着人类探知领域和空间的拓展，电子信息种类日益繁多，信息传递速度日益加快，信息处理能力日益增强，相应的信息采集——传感技术也将日益发展，传感器也将无所不在。
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。
2机电一体化综述
2.1机电一体化概要
机电一体化（mechatronics）一词是机械（mechanics）和电子（electronics）两个词的合成词，20世纪70年代中期由日本首先开始使用，现在已得到欧美各国的普遍认可，并得到广泛使用。
虽然其精髓定义还不明确，但从广义上可以简要概括为“机械工程与电子工程相结合的技术，以及应用这些技术的机械电子装置”。
再简单地说就是“机械的电子化或者机械电子工程”[1]的意思。
顾名思义，机电一体化就是机械技术与电子技术相结合的产物。
近年来，随处可见许多以前仅由机械结构实现运动的装置，通过与电子技术相结合而得到显著改进和提高的实例。
2.2机电一体化的特点分析
近年来机电一体化技术得到了迅速的发展，这种迅速发展当然有其原因。
下面列举机电一体化技术的几个方面特点：
2.2.1体积小、重量轻
由于半导体与集成电路（integratedcircuit,IC）技术的提高和液晶技术的发展，使得控制装置的测量装置可以做成原来重量和体积的几分之一甚至几十分之一，迅速向轻型化和小型化发展。
2.2.2速度快、精度高
随着半导体和集成电路的飞速发展，出现了大规模集成电路（largescaleintegratedcircuit,LSI）和超大规模集成电路（verylargescaleintegratedcircuit,VLSI）。
在电路集成度提高的同时，处理速度和响应速度也迅速提高，使机电一体化装置总的处理速度能够充分满足实际应用的需要。
同时，由于机电一体化技术的应用，推动了超精密加工技术的进步，使其与高精度加工和精密运动控制相适应。
2.2.3可靠性高
由于激光和电磁应用技术的发展，传感器和驱动控制器等装置已采用非接触式代替了接触式，避免了原来接卸接触式存在的注油、磨损、断裂等问题，使可靠性得到大幅度提高。
2.2.4柔性好
从机器人的例子可以知道，通过计算机软件就可以任意确定动作。
比如，只要改变程序就可以实现最佳运动；
同样也可以很容易地增加新的运动，具有很强的可扩展性。
因为不需要变更硬件就能够调整运动，所以很容易地适应多样化的新用途，在应用上非常方便。
由于机电一体化的上述各项特点，使得其产品具有节能、高质、低成本的共性，从而产生了一系列过去不可想象的新产品。
2.3机电一体化系统的组成部分
“机电一体化系统”是指由机械与电子紧密结合的多学科集成技术设计出来的产品或制造系统。
它是当前老产品更新换代和新产品研制开发的方向。
近年来，在世界范围内掀起的利用以微机为代表的微电子技术与机械技术的有机结合，给机械以智能的机电一体化技术革命正在迅猛发展，机电一体化产品正在以惊人的速度不断涌向市场[2]。
机电一体化系统的组成如图1所示，大致上可以分为四个组成部分：
2.3.1机械部分
机械部分（机构要素）：
像机器人的机械手那样实现目标动作。
“mecbanism”历来都翻译为“机构”或“机构学”，在这里我们取其含义为：
“由机械零件（machineelement）组成的，向其他机械部件传递运动的机构。
”
2.3.2执行装置
执行装置（能量转换要素）：
将信息转换为力和能量，以驱动机械部分动作。
所谓执行装置就是按照指令将电信号转换成流体或机械能，驱动机械部分进行运动的装置。
机电一体化系统的执行装置可以分为电动、液压、气动三大类。
2.3.3传感器
传感器（检测要素）：
用于对输出端地机械运动结果进行测量、监控和反馈。
传感器是将被测对象的状态、性质等转换为一定的物理量或者化学量的装置。
近年来，传感器几乎都是将被测量转换为电信号，主要用于反馈指控。
2.3.4控制装置
控制装置（控制要素）：
对机电一体化系统的控制信息和来自传感器的反馈信息进行处理，向执行装置发出动作指令。
为了达到一定目的而实行的适当的操作称为控制。
目前，几乎所有的控制装置都是由具有微处理器的计算机和输入输出接口构成的。
控制系统一般可以分为开环控制系统和闭环控制系统，各种控制系统都充分应用了现代控制理论和技术。
图1机电一体化系统的组成
2.4机电一体化的核心技术
机电一体化包括软件和硬件两方面技术。
硬件是由机械本体、传感器、信息处理单元和驱动单元等部分组成。
因此，为加速推进机电一体化的发展，必须从以下几方面着手：
2.4.1机械本体技术
机械本体必须从改善性能、减轻质量和提高精度等几方面考虑。
现代机械产品一般都是以钢铁材料为主，为了减轻质量除了在结构上加以改进，还应考虑利用非金属复合材料。
只有机械本体减轻了重量，才有可能实现驱动系统的小型化，进而在控制方面改善快速响应特性，减少能量消耗，提高效率。
2.4.2传感技术
传感器的问题集中在提高可靠性、灵敏度和精确度方面，提高可靠性与防干扰有着直接的关系。
为了避免电干扰，目前有采用光纤电缆传感器的趋势。
对外部信息传感器来说，目前主要发展非接触型检测技术。
2.4.3信息处理技术
机电一体化与微电子学的显著进步、信息处理设备（特别是微型计算机）的普及应用紧密相连。
为进一步发展机电一体化，必须提高信息处理设备的可靠性，包括模/数转换设备的可靠性和分时处理的输入输出的可靠性，进而提高处理速度，并解决抗干扰及标准化问题。
2.4.4驱动技术
电机作为驱动机构已被广泛采用，但在快速响应和效率等方面还存在一些问题。
目前，正在积极发展内部装有编码器的电机以及控制专用组件-传感器-电机三位一体的伺服驱动单元。
2.4.5接口技术
为了与计算机进行通信，必须使数据传递的格式标准化、规格化。
接口采用同一标准规格不仅有利于信息传递和维修，而且可以简化设计。
目前，技术人员正致力于开发低成本、高速串行的接口，来解决信号电缆非接触化、光导纤维以及光藕器的大容量化、小型化、标准化等问题。
2.4.6软件技术
软件与硬件必须协调一致地发展。
为了减少软件的研制成本，提高生产维修的效率，要逐步推行软件标准化，包括程序标准化、程序模块化、软件程序的固化、推行软件工程等。
2.5机电一体化技术的主要应用领域
2.5.1数控机床
数控机床及相应的数控技术经过40年的发展，在结构、功能、操作和控制精度上都有迅速提高，具体表现在：
1．总线式、模块化、紧凑型的结构，即采用多CPU、多主总线的体系结构。
2．开放性设计，即硬件体系结构和功能模块具有层次性、兼容性、符合接口标准，能最大限度地提高用户的使用效益。
3．WOP技术和智能化。
系统能提供面向车间的编程技术和实现二、三维加工过程的动态仿真，并引入在线诊断、模糊控制等智能机制。
4．大容量存储器的应用和软件的模块化设计，不仅丰富了数控功能，同时也加强了CNC系统的控制功能。
5．能实现多过程、多通道控制，即具有一台机床同时完成多个独立加工任务或控制多台和多种机床的能力，并将刀具破损检测、物料搬运、机械手等控制都集成到系统中去。
6．系统的多级网络功能，加强了系统组合及构成复杂加工系统的能力。
7．以单板、单片机作为控制机，加上专用芯片及模板组成结构紧凑的数控装置。
2.5.2计算机集成制造系统（CIMS）
CIMS的实现不是现有各分散系统的简单组合，而是全局动态最优综合。
它打破原有部门之间的界线，以制造为基干来控制“物流”和“信息流”，实现从经营决策、产品开发、生产准备、生产实验到生产经营管理的有机结合。
企业集成度的提高可以使各种生产要素之间的配置得到更好的优化，各种生产要素的潜力可以得到更大的发挥。
2.5.3工业机器人
第1代机器人亦称示教再现机器人，它们只能根据示教进行重复运动，对工作环境和作业对象的变化缺乏适应性和灵活性；
第2代机器人带有各种先进的传感元件，能获取作业环境和操作对象的简单信息，通过计算机处理、分析，做出一定的判断，对动作进行反馈控制，表现出低级智能，已开始走向实用化；
第3代机器人即智能机器人，具有多种感知功能，可进行复杂的逻辑思维、判断和决策，在作业环境中独立行动，与第5代计算机关系密切。
3传感器简介
3.1传感器的概念与组成
信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展，都需要在传感器的开发方面有相应的进展。
微处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛的应用。
随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。
传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。
最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。
国际电工委员会（IEC:
InternationalElectrotechnicalCommittee）的定义为：
“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。
按照Gopel等的说法是：
“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”[4]，而“传感器系统则是组合有某种信息处理（模拟或数字）能力的传感器”。
传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关。
传感器由敏感元件、转换元件、信号调节电路和其他辅助电路组成。
如图2所示。
图2传感器构成框图
进入传感器的信号幅度是很小的，而且混杂有干扰信号和噪声。
为了方便随后的处理过程，首先要将信号整形成具有最佳特性的波形，有时还需要将信号线性化，该工作是由放大器、滤波器以及其他一些模拟电路完成的。
在某些情况下，这些电路的一部分是和传感器部件直接相邻的。
成形后的信号随后转换成数字信号，并输入到微处理器。
传感器系统的性能主要取决于传感器，传感器把某种形式的能量转换成另一种形式的能量。
有两类传感器：
有源的和无源的。
有源传感器能将一种能量形式直接转变成另一种，不需要外接的能源或激励源。
无源传感器不能直接转换能量形式，但它能控制从另一输入端输入的能量或激励能。
传感器承担将某个对象或过程的特定特性转换成数量的工作。
其“对象”可以是固体、液体或气体，而它们的状态可以是静态的，也可以是动态（即过程）的。
对象特性被转换量化后可以通过多种方式检测。
对象的特性可以是物理性质的，也可以是化学性质的。
按照其工作原理，传感器将对象特性或状态参数转换成可测定的电学量，然后将此电信号分离出来，送入传感器系统加以评测或标示。
3.2传感器——机电一体化系统之首
一个典型的机电一体化系统结构框图如图3所示。
图3机电一体化系统结构框图
从这个方框图中可以看到，其中有一个很重要的环节就是测量模块。
测量模块涉及采集有关系统状态和行为的信息，由传感器、调理电路变换电路等组成。
其输入参数是确定机械结构模块性能的物理参数，例如，强压、压力、位移、速度、力（力矩）以及变形等。
输出参数是被测量的特征参数，如电压、电流、相位、频率等。
系统对测量模块的要求，就是不失真地反映被测量物理参数的时间变化曲线。
这里包含了分辨率、精度、线性范围、动态响应等一系列技术指标[5]。
由此可见，在机电一体化系统中，传感器处于系统之首，其作用相当于系统的感受器官，它能快速、精确地获取信息并能经受严酷环境的考验，是机电一体化系统达到高水平的保证。
如果缺少这些传感器对系统状态和对象信息精确而可靠的自动检测，那么系统的信息处理、控制决策等功能就无法谈及和实现。
3.3传感器的种类
传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，主要用于检测机电一体化系统自身与操作对象、作业环境的状态，为有效地控制机电一体化的运动提供必须的相关信息。
传感器的种类繁多，可分为以下6种：
1．按其测量对象分类:
可分为检测机电一体化系统内部状态的内部信息传感器及系统外部环境状态的外部信息传感器。
内部信息传感器主要检测系统内部的位置、速度、力、力矩、温度及异常变化。
外部信息传感器主要检测系统的外部环境状态，它有与人体五种感官相对应的接触式和非接触式。
如接触式的触觉传感器、滑觉传感器、压觉传感器，非接触式的视觉传感器、超声测距仪、激光测距仪等。
2．按其工作原理分类：
可分为物理传感器和化学传感器二大类。
传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。
被测信号量的微小变化都将转换成电信号。
化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。
有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。
大多数传感器是以物理原理为基础运作的。
化学传感器技术问题较多，例如可靠性问题，规模生产的可能性，价格问题等，解决了这类难题，化学传感器的应用将会有巨大增长。
3．按其用途分类：
可分为压力敏和力敏传感器位置传感器、液面传感器能耗加速度传感器射线辐射传感器、振动传感器湿敏传感器、磁敏传感器气敏传感器、真空度传感器生物传感器等。
4．按其输出信号为标准分类，可分为：
模拟传感器、数字传感器、膺数字传感器、开关传感器。
在外界因素的作用下，所有材料都会作出相应的、具有特征性的反应。
它们中的那些对外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被用来制作传感器的敏感元件。
5．按其所应用的材料观点出发分类，可分为金属聚合物陶瓷混合物、导体绝缘体半导体磁性材料、按材料的晶体结构分单晶多晶非晶材料。
6．按其制造工艺分类，可分为：
①集成传感器——用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。
通常还将用于初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上。
②薄膜传感器——通过沉积在介质衬底（基板）上的，相应敏感材料的薄膜形成的。
使用混合工艺时，同样可将部分电路制造在此基板上。
③厚膜传感器——利用相应材料的浆料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后进行热处理，使厚膜成形。
④陶瓷传感器——采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺（溶胶-凝胶等）生产。
世界范围内对传感器技术的研究开始于20世纪30年代，其涉及的知识非常广泛，渗透到了各个学科领域。
随着以微型计算机为代表的微电子技术的发展，生产过程自动化，生物医学、环保、能源、海洋开发、遥感、遥测、宇航等科学技术的开发，传感器的品种、数量将与日俱增。
4传感器技术在机电一体化中的应用
4.1传感器技术的研究现状和发展
传感器是能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，主要用于检测机电一体化系统自身与操作对象、作业环境状态，为有效控制机电一体化系统的运作提供必须的相关信息。
从20世纪80年代起，逐步在世界范围内掀起一股“传感器热”[5]，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。
4.2传感器在机电一体化系统中的应用
传感器是衡量机电一体化系统（或产品）发展的重要技术之一，被广泛应用于各种自动化产品中。
4.2.1机器人用传感器
工业机器人之所以能够准确操作，是因为它能够通过各种传感器来准确感知自身、操作对象及作业环境的状态，包括其自身状态信息的获取通过内部传感器（位置、位移、速度、加速度等）来完成，操作对象与外部环境的感知通过外部传感器来实现，这个过程非常重要，足以为机器人控制提供反馈信息。
机器人的运动功能是由一系列单元运动的组合来确定的。
所谓的单元运动就是“直线运动（伸缩运动）”、“旋转运动”和“摆动”这三种运动。
“旋转运动”指的是轴线方向不变，以轴线方向为中心进行旋转的运动。
“摆动”是改变轴线方向的运动，有的是轴套固定轴旋转，也有的是轴固定而轴套旋转。
一般用“自由度”来表示构成运动系的单元运动的个数。
例如，一个机器人从基础（固定端）开始。
由直线运动——摆动——直线运动——旋转运动——摆动——摆动6个单元运动构成，就可以说这个机器人其有6个自由度[6]。
图4给出了机器人各种自由度运动功能的表示符号。
此外，在机器人领域，将机器人按坐标系分为圆柱坐标机器人、极坐标机器人、直角坐标机器人和多关节机器人四种，表1作了简单的说明。
在图5中分别用自由度符号给出了四个例子。
表1机器人按坐标系的分类（引自JISB0138）
图4表示机器人运动功能的符号（引自JISB0138）
图5机器人按坐标系分类的例子（引自JISB0138）
4.2.2机械加工过程的传感检测技术
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