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1、<p><b> 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)</b></p><p> 設(shè)計(jì)(論文)題目: 傳感器在機(jī)電一體化中的應(yīng)用</p><p> 二○一三 年 五 月</p><p><b> 目 錄</b></p><p> 摘要...............................
2、...................................................................................................................1</p><p> 第一章 緒論..........................................................................
3、......................................................3</p><p> 概述........................................................................................................................................3<
4、;/p><p> 第二章 傳感器的基本知識(shí)....................................................................................................4</p><p> 2.1 傳感器的分類及特性..................................................
5、..............................................4</p><p> 2.2 常用傳感器的類型及特點(diǎn).......................................................................................4</p><p> 第三章 常用傳感器的類型、特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)及用途..
6、............................................................5</p><p> 3.1 電阻式傳感器................................................................................................5</p><p> 3.2 電容
7、式傳感器................................................................................................7</p><p> 3.3 電感式傳感器......................................................................................
8、..........8</p><p> 3.4 壓電式傳感器..............................................................................................10</p><p> 3.5 霍爾式傳感器…………………………………………………….......…...11</p>&l
9、t;p> 第四章 傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用…………………………………….……..14</p><p> 4.1 傳感器在工業(yè)機(jī)器人中的應(yīng)用…………………………………………14</p><p> 4.2 傳感器在機(jī)械制造中的應(yīng)用……………………………………………14</p><p> 第五章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中傳感器的選擇………………………………
10、……...…..…..15</p><p> 5.1 數(shù)控機(jī)床對(duì)傳感器的要求…………………………………..…………...…..…..15</p><p> 5.2 位移的檢測(cè)……………………………………………………….………...…..…..15</p><p> 5.3 位置的檢測(cè)…………………………………………………….…………...…..…..16<
11、;/p><p> 5.4 速度的檢測(cè)…………………………………………………..….………...…..…...16</p><p> 5.5 壓力的檢測(cè). ………………………………………………..……………...…..…..17</p><p> 5.6 溫度的檢測(cè)………………………………………………….……………...…..…..17</p><
12、;p> 5.7 刀具磨損的監(jiān)控…………………………………………………………...…..…..17</p><p> 第六章 傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì).……………………………………...………………….19</p><p> 結(jié)束語...........................................................................
13、...............................................................21</p><p><b> 第一章 緒論</b></p><p><b> 概述</b></p><p> 對(duì)于傳感器的研究始于本世紀(jì)30年代。當(dāng)今,在世界范圍內(nèi)掀起一股“傳感器熱”,各
14、先進(jìn)工業(yè)國(guó)都極為重視傳感技術(shù)和傳感器研究、開發(fā)和生產(chǎn)。傳感技術(shù)已成為重要的現(xiàn)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)。</p><p> 傳感器技術(shù)是一項(xiàng)當(dāng)今世界令人矚目的迅猛發(fā)展起來的高新技術(shù)之一,也是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要標(biāo)志,它與通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)成信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱。如果說計(jì)算機(jī)是人類大腦的擴(kuò)展,那么傳感器就是人類五官的延伸,當(dāng)集成電路、計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展時(shí),人們才逐步認(rèn)識(shí)信息攝取裝置
15、——傳感器沒有跟上信息技術(shù)的發(fā)展而驚呼“大腦發(fā)達(dá)、五官不靈”。 </p><p> 傳感器技術(shù)是測(cè)量技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)、微電子學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、精密機(jī)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。如今它已經(jīng)滲透到生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域,從尖端武器裝備、航空航天技術(shù),到機(jī)械設(shè)備、工業(yè)過程控制、交通運(yùn)輸、紡織印刷、家用電器、醫(yī)療衛(wèi)生、辦公設(shè)備及環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域,均得到廣
16、泛應(yīng)用,在機(jī)電一體化技術(shù)革命中正在發(fā)揮重要作用。</p><p> 第二章 傳感器的基本知識(shí)</p><p> 從20世紀(jì)80年代起,逐步在世界范圍內(nèi)掀起一股“傳感器熱”,各先進(jìn)工業(yè)國(guó)都極為重視傳感技術(shù)和傳感器研究、開發(fā)和生產(chǎn)。傳感技術(shù)已成為重要的現(xiàn)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),文章概述傳感器研究現(xiàn)狀與發(fā)展,探討傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用,并分析我國(guó)傳感器技術(shù)
17、發(fā)展的若干問題及發(fā)展方向。</p><p> 2.1傳感器的分類及特性</p><p> 傳感器一般由敏感元件,轉(zhuǎn)換元件及基本轉(zhuǎn)換電路三部分組成。1.傳感器按其測(cè)量對(duì)象可分為檢測(cè)機(jī)電一體化系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的內(nèi)部信息傳感器及系統(tǒng)外部環(huán)境狀態(tài)的外部信息傳感器。2傳感器按控工作機(jī)理可分制電動(dòng)機(jī)可以分為物理型和結(jié)構(gòu)型。3傳感器按能量源分類可分為無源型和有源型。4按輸出信號(hào)的性質(zhì)可將傳感器分為開關(guān)型
18、,模擬型和數(shù)字型。</p><p> 傳感器的特性主要是指輸出與輸入之間的關(guān)系,有靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性之分。傳感器的靜態(tài)特性;當(dāng)傳感器的輸入量為常量或隨時(shí)間作緩慢變化時(shí),傳感器的輸出與輸入之間的關(guān)系稱為靜態(tài)特性。傳感器的動(dòng)態(tài)特性;傳感器的輸出量對(duì)于隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性稱為傳感器的動(dòng)態(tài)特性。</p><p> 2.2常用傳感器的類型及特點(diǎn)。</p><p>
19、 電阻式傳感器:這類傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,尺寸小,性能穩(wěn)定。受環(huán)境影響小。不需放大?;€變阻器式傳感器精度可達(dá)0.1%。</p><p> 電容式傳感器:溫度穩(wěn)定性好,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,動(dòng)態(tài)響應(yīng)好,可進(jìn)行非接觸測(cè)量,然而,輸入阻抗高,負(fù)載能力差。電容式傳感器精度可達(dá)0.01%。</p><p> 電感式傳感器:無活動(dòng)觸點(diǎn)、可靠度高、壽命長(zhǎng);分辨率高;靈敏度高;線性度高、重復(fù)性好;測(cè)量范圍寬(測(cè)量范
20、圍大時(shí)分辨率低);無輸入時(shí)有零位輸出電壓,引起測(cè)量誤差;對(duì)激勵(lì)電源的頻率和幅值穩(wěn)定性要求較高;不適用于高頻動(dòng)態(tài)測(cè)量。</p><p> 壓電式傳感器: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。</p><p> 霍爾傳感器:在靜止?fàn)顟B(tài)下,具有感受磁場(chǎng)的獨(dú)特能力,并且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、噪聲小、頻率范圍寬(從直流到微波)、動(dòng)態(tài)范圍大(輸出電勢(shì)變化范
21、圍可達(dá)1000:1)、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。</p><p> 第三章 常用傳感器的類型、特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)及用途</p><p> 傳感器已廣泛應(yīng)用于航天、航空、國(guó)防科研、信息產(chǎn)業(yè)、機(jī)械、電力、能源、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(cè)預(yù)防、農(nóng)林、漁業(yè)生產(chǎn)、食品、煙酒制造、機(jī)器人、家電等諸多領(lǐng)域,可以說幾乎滲透到每個(gè)領(lǐng)域。</p><p> 下面,
22、我就幾類基本類型的傳感器做些介紹:</p><p> 3.1 電阻式傳感器</p><p> 電阻式傳感器是把被測(cè)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。</p><p><b> 變阻器式傳感器</b></p><p> 變阻器式傳感器的等效電路如圖3.1
23、:</p><p><b> 圖3.1</b></p><p> 如果電阻絲的直徑和材料確定,單位位移的電阻值為一常數(shù),傳感器的輸出與輸入成線性關(guān)系。</p><p> 變阻式傳感器又稱為電位器式傳感器。它們是由電阻元件及電刷(活動(dòng)觸點(diǎn))兩個(gè)基本部分組成。電刷相對(duì)于電阻元件的運(yùn)動(dòng)可以是直線運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和螺旋運(yùn)動(dòng),因而可以將直線位移或角位移轉(zhuǎn)
24、換為與其成一定函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出。</p><p> 這類傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,尺寸小,性能穩(wěn)定。受環(huán)境影響小。不需放大?;€變阻器式傳感器精度可達(dá)0.1%。</p><p> 在生活中,應(yīng)用實(shí)例諸多,如重量的自動(dòng)檢測(cè)--配料設(shè)備、煤氣包儲(chǔ)量檢測(cè)等。</p><p> (2)電阻應(yīng)變式傳感器</p><p> 電阻應(yīng)變式傳感器由彈性敏
25、感元件、電阻應(yīng)變計(jì)、補(bǔ)償電阻和外殼組成,可根據(jù)具體測(cè)量要求設(shè)計(jì)成多種結(jié)構(gòu)形式。彈性敏感元件受到所測(cè)量的力而產(chǎn)生變形,并使附著其上的電阻應(yīng)變計(jì)一起變形。電阻應(yīng)變計(jì)再將變形轉(zhuǎn)換為電阻值的變化,從而可以測(cè)量力、壓力、扭矩、位移、加速度和溫度等多種物理量。</p><p> 金屬應(yīng)變片的電阻相對(duì)變化為 , 稱為金屬電阻絲的軸向應(yīng)變,簡(jiǎn)稱縱向應(yīng)變。稱為電阻絲的徑向應(yīng)變,簡(jiǎn)稱橫向應(yīng)變。當(dāng)電阻絲沿橫向伸長(zhǎng)時(shí),兩者之間的關(guān)系為
26、,其中為電阻絲材料的泊桑比,,則,金屬電阻材料的很小,即其壓阻效應(yīng)很弱,這樣上式可簡(jiǎn)化為,其靈敏度為。為了將電阻應(yīng)變式傳感器的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號(hào),在應(yīng)用中一般采用電橋電路作為其測(cè)量電路。電橋電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、測(cè)量范圍寬、線性度好且易實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)。能較好地滿足各種應(yīng)變測(cè)量要求,因此在應(yīng)變測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p> 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
27、出信號(hào)在進(jìn)一步放大時(shí)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(cè)量,交流電橋可用于各種應(yīng)變的測(cè)量。</p><p> 電橋電路按其工作方式分有單臂、雙臂和全橋三種 圖3.2。</p><p> 圖3.2 直流電橋的連接方式</p><p> a)半橋單臂b)半橋雙臂c)全橋</p><p> 金屬應(yīng)變片的穩(wěn)定
28、性和溫度特性好,但其靈敏度?。欢雽?dǎo)體應(yīng)變片應(yīng)變靈敏度大;體積小;能制成具有一定應(yīng)變電阻的元件,但它的缺點(diǎn)是溫度穩(wěn)定性和可重復(fù)性不如金屬應(yīng)變片。</p><p> 它的應(yīng)用實(shí)例如橋梁固有頻率測(cè)量、電子稱、桶式測(cè)力傳感器等。</p><p><b> 圖3.3 電子稱</b></p><p> 3.2 電容式傳感器</p>
29、<p> 把被測(cè)的機(jī)械量,如位移、壓力等轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器。電容量為當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化使得上式中的A、d 或 發(fā)生變化時(shí),電容量C也隨之變化。若保持其中兩個(gè)參數(shù)不變,而僅改變其中一個(gè)參數(shù),就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化,通過測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。</p><p> 電容式傳感器的等效電路如 圖3.4:</p><p><b> 圖3.4</b&
30、gt;</p><p> 電容式傳感器的測(cè)量電路同樣為電橋電路,如圖3.5:</p><p><b> 圖3.5</b></p><p> 電容式傳感器的溫度穩(wěn)定性好,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,動(dòng)態(tài)響應(yīng)好,可進(jìn)行非接觸測(cè)量,然而,輸入阻抗高,負(fù)載能力差。電容式傳感器精度可達(dá)0.01%。</p><p> 其運(yùn)用實(shí)例有電容傳聲器、
31、轉(zhuǎn)速測(cè)量、電容測(cè)厚儀、電容式油量表等。</p><p> 3.3 電感式傳感器</p><p> 電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)把被測(cè)的物理量如位移,壓力,流量,振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)和互感系數(shù)的變化,再由電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出,實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。</p><p> 電感式傳感器具有以下特點(diǎn): </p><p> (1
32、) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,傳感器無活動(dòng)電觸點(diǎn),因此工作可靠壽命長(zhǎng)。 </p><p> (2) 靈敏度和分辨力高,能測(cè)出0.01微米的位移變化。傳感器的輸出信號(hào)強(qiáng),電壓靈敏度一般每毫米的位移可達(dá)數(shù)百毫伏的輸出。</p><p> (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(dá)0.05%~0.1%。同時(shí),這種傳感器能實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制,
33、它在工業(yè)自動(dòng)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(dòng)態(tài)測(cè)控等缺點(diǎn)。 </p><p> 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</p><p><b> 圖3.6</b></p><p> 圖3.6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
34、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(cè)量電路并接通激勵(lì)電源時(shí),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(diǎn)是:①無活動(dòng)觸點(diǎn)、可靠度高、壽命長(zhǎng);②分辨率高;③靈敏度高;④線性度高、重復(fù)性好;⑤測(cè)量范圍寬(測(cè)量范圍大時(shí)分辨率低);⑥無輸入時(shí)有零位輸出電壓,引起測(cè)量誤差;⑦對(duì)激勵(lì)電源的頻率和幅值穩(wěn)定性要求較高;⑧不適用于高頻動(dòng)
35、態(tài)測(cè)量。電感式傳感器主要用于位移測(cè)量和可以轉(zhuǎn)換成位移變化的機(jī)械量(如力、張力、壓力、壓差、加速度、振動(dòng)、應(yīng)變、流量、厚度、液位、比重、轉(zhuǎn)矩等)的測(cè)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(shí)際應(yīng)用中,這三種傳感器多制成差動(dòng)式,以便提高線性度和減小電磁吸力所造成的附加誤差。 </p><p> 變間隙型電感傳感器 這種傳感器的氣隙δ隨被測(cè)量的變化而改變,從而改變磁阻。它的靈敏度和非線性都隨氣隙的增大
36、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。 </p><p> 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(duì)覆蓋面積(即磁通截面)隨被測(cè)量的變化而改變,從而改變磁阻。它的靈敏度為常數(shù),線性度也很好。 </p><p> 螺管插鐵型電感傳感器 它由螺管線圈和與被測(cè)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(cè)物體移動(dòng)時(shí)改變
37、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(jiǎn)單,便于制作。</p><p> 電感式傳感器的應(yīng)用實(shí)例有:測(cè)厚、零件計(jì)數(shù)、側(cè)轉(zhuǎn)速、無損探傷、測(cè)微技術(shù)等。</p><p><b> 圖3.7</b></p><p> 3.4 壓電式傳感器</p><p> 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)
38、, 是典型的有源傳感器。當(dāng)材料受力作用而變形時(shí), 其表面會(huì)有電荷產(chǎn)生,從而實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量。</p><p> 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(gè)電容器,晶體上聚集正負(fù)電荷的兩表面相當(dāng)于電容的兩個(gè)極板, 極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì), 則其電容量為:,壓電元件受外力時(shí),兩表面產(chǎn)生等量的正負(fù)電荷,壓電元件的開路電壓為:。</p><p> 壓
39、電傳感器可以等效為一個(gè)電荷源與一個(gè)電容并聯(lián)。如下圖3.8 (a)并聯(lián)圖</p><p> 壓電傳感器也可以等效為一個(gè)電荷源與一個(gè)電容相串聯(lián)的電壓源。如下圖3.8 (b)串聯(lián)圖</p><p><b> 圖3.8</b></p><p> 電壓靈敏度與電荷靈敏度之間的關(guān)系為:</p><p> 壓電式傳感器的測(cè)量電
40、路: 測(cè)量時(shí),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(hào);二是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗。</p><p> 電壓放大器如圖(a): 電荷放大器如圖(b): (b)</p><p><b> 圖3.9</b></p><p> 壓電式傳感器
41、的性能特點(diǎn):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。</p><p> 壓電式傳感器的應(yīng)用有:壓電式測(cè)力傳感器、壓電式加速度傳感器、壓電式金屬加工切削力測(cè)量、壓電式玻璃破碎報(bào)警器等。</p><p> 壓電式金屬加工切削力測(cè)量:</p><p><b> 圖 3.10</b></p>
42、<p> 壓電式玻璃破碎報(bào)警器:</p><p><b> 圖 3.11</b></p><p> 3.5 霍爾式傳感器</p><p> 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(cè)量轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)輸出的一種傳感器。由于霍爾元件在靜止?fàn)顟B(tài)下,具有感受磁場(chǎng)的獨(dú)特能力,并且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、噪聲小、頻率范圍寬(從直流到微
43、波)、動(dòng)態(tài)范圍大(輸出電勢(shì)變化范圍可達(dá)1000:1)、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn),因此獲得了廣泛應(yīng)用。 </p><p> 金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中,磁場(chǎng)方向垂直于薄片,當(dāng)有電流流過薄片時(shí),在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。如下圖:</p><p><b> 圖3.12</b></p><p>
44、 霍爾元件的主要性能參數(shù):</p><p> (1) 輸入電阻和輸出電阻</p><p> 輸入電阻:控制電極間的電阻</p><p> 輸出電阻:霍爾電極之間的電阻</p><p> (2) 額定控制電流和最大允許控制電流</p><p> 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(shí)
45、,對(duì)應(yīng)的控制電流值。</p><p> 最大允許控制電流:以元件允許的最大溫升限制所對(duì) 應(yīng)的控制電流值</p><p> (3) 不等位電勢(shì):當(dāng)霍爾元件的控制電流為額定值時(shí),若元件所處位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零,測(cè)得的空載霍爾電勢(shì)。</p><p> (4) 寄生直流電勢(shì) </p><p> 霍爾元件零位誤差的一部分當(dāng)沒有外加磁場(chǎng),霍爾元件
46、用交流控制電流時(shí),霍爾電極的輸出有一個(gè)直流電勢(shì),控制電極和霍爾電極與基片的連接是非完全歐姆接觸時(shí),會(huì)產(chǎn)生整流效應(yīng)。兩個(gè)霍爾電極焊點(diǎn)的不一致,引起兩電極溫度不同產(chǎn)生溫差電勢(shì)</p><p> (5) 霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)</p><p> 在一定磁感應(yīng)強(qiáng)度和控制電流下,溫度每變化1度時(shí),霍爾電勢(shì)變化的百分率。</p><p> 霍爾傳感器的靈敏度和線性度主要取決于磁
47、路系統(tǒng)和霍爾元件的特性。</p><p> 霍爾傳感器動(dòng)態(tài)性能好。</p><p> 霍爾傳感器的基本測(cè)量電路如下:激勵(lì)電流由電壓源E供給,其大小由可變電阻來調(diào)節(jié)。</p><p><b> 圖3.13</b></p><p> 霍爾型傳感器的應(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。</p
48、><p><b> 圖3.14</b></p><p> 第四章 傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用</p><p> 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(dòng)化產(chǎn)品之中。</p><p> 4.1 傳感器在工業(yè)機(jī)器人中的應(yīng)用</p><p> 工業(yè)機(jī)器人的準(zhǔn)確
49、操作取決于對(duì)其自身狀態(tài)、操作對(duì)象及作業(yè)環(huán)境的準(zhǔn)確認(rèn)識(shí),這種準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)均通過傳感器的感覺功能實(shí)現(xiàn)。</p><p> 機(jī)器人自身狀態(tài)信息的獲取通過其內(nèi)部傳感器(位置、位移、速度、加速度等)來完成,操作對(duì)象與外部環(huán)境的感知通過外部傳感器來實(shí)現(xiàn),這個(gè)過程非常重要,足以為機(jī)器人控制提供反饋信息。 </p><p> 4.2傳感器在機(jī)械制造中的應(yīng)用</p><p> 在機(jī)
50、械制造中,傳感器技術(shù)是實(shí)現(xiàn)測(cè)試與自動(dòng)控制的重要環(huán)節(jié)。在機(jī)械制造測(cè)試系統(tǒng)中,被作為一次儀表定位,其主要特征是能準(zhǔn)確傳遞和檢測(cè)出某一形態(tài)的信息,并將其轉(zhuǎn)換成另一形態(tài)的信息。具體的說,傳感器是指那些對(duì)被測(cè)對(duì)象的某一確定的信息有感受與檢出功能,并使之按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的可輸出信號(hào)的元件或裝置。</p><p> 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(cè)的目的在于優(yōu)化切削過程的生產(chǎn)率、制造成本或(金屬)
51、材料的切除率等。切削過程傳感檢測(cè)的目標(biāo)有切削過程的切削力及其變化、切削過程顫震、刀具與工件的接觸和切削時(shí)切屑的狀態(tài)及切削過程辨識(shí)等,而最重要的傳感參數(shù)有切削力、切削過程振動(dòng)、切削過程聲發(fā)射、切削過程電機(jī)的功率等。對(duì)于機(jī)床的運(yùn)行來講,主要的傳感檢測(cè)目標(biāo)有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、軸承與回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、溫度的監(jiān)測(cè)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(shí)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(rùn)滑液的流量等 </p><
52、;p> 第五章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中傳感器的選擇</p><p> 傳感器的應(yīng)用范圍廣,種類繁多。如何為我們機(jī)電一體化系統(tǒng)選擇合適的傳感器呢?下面我們就以數(shù)控機(jī)床為例講講機(jī)電一體化系統(tǒng)中傳感器的選擇。</p><p> 數(shù)控機(jī)床綜合了機(jī)械、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)、測(cè)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(diǎn),在制造業(yè)技術(shù)設(shè)備更新中,數(shù)控機(jī)床正迅速地在
53、企業(yè)得到普及。數(shù)控機(jī)床是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動(dòng)化機(jī)床,能夠根據(jù)已編好的程序,使機(jī)床動(dòng)作并加工零件。它綜合了機(jī)械、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)、測(cè)量、微電子等最新技術(shù),使用了多種傳感器。</p><p> 5.1 數(shù)控機(jī)床對(duì)傳感器的要求</p><p> (1) 可靠性高和抗干擾性強(qiáng);</p><p> (2) 滿足精度和速度的要求;</p><p&g
54、t; (3) 使用維護(hù)方便,適合機(jī)床運(yùn)行環(huán)境;</p><p><b> (4) 成本低</b></p><p> 不同種類數(shù)控機(jī)床對(duì)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)床以要求精度為主。</p><p><b> 5.2 位移的檢測(cè)</b></p><p
55、> 位移檢測(cè)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。</p><p> (1) 脈沖編碼器的應(yīng)用</p><p> 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。</p><p> (2) 直線光柵的應(yīng)用</p><p>
56、; 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(cè)量,分辨力較高,測(cè)量精度比光電編碼器高,適應(yīng)于動(dòng)態(tài)測(cè)量。</p><p> 在進(jìn)給驅(qū)動(dòng)中,光柵尺固定在床身上,其產(chǎn)生的脈沖信號(hào)直接反映了拖板的實(shí)際位置。用光柵檢測(cè)工作臺(tái)位置的伺服系統(tǒng)是全閉環(huán)控制系統(tǒng)。</p><p> (3) 旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用</p><p> 旋轉(zhuǎn)變壓器是一種輸出電壓與角位移量成連
57、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(gè)鐵心、兩個(gè)定子繞組和兩個(gè)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)。</p><p> (4) 感應(yīng)同步器的應(yīng)用</p><p> 感應(yīng)同步器是利用兩個(gè)平面形繞組的互感隨位置不同而變化的原理制成的。其功能是將角度或直線位移轉(zhuǎn)變成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相位或幅值,可用來測(cè)量直
58、線或轉(zhuǎn)角位移。按其結(jié)構(gòu)可分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種。直線式感應(yīng)同步器由定尺和滑尺兩部分組成,定尺安裝在機(jī)床床身上,滑尺安裝于移動(dòng)部件上,隨工作臺(tái)一起移動(dòng);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(dòng)的圓盤。感應(yīng)同步器具有較高的精度與分辨力、抗干擾能力強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)、維護(hù)簡(jiǎn)單、長(zhǎng)距離位移測(cè)量、工藝性好、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。直線式感應(yīng)同步器目前被廣泛地應(yīng)用于大位移靜態(tài)與動(dòng)態(tài)測(cè)量中,例如用于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、程控?cái)?shù)控機(jī)床、高精度重型機(jī)床及加工中心測(cè)量裝置
59、等。旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器則被廣泛地用于機(jī)床和儀器的轉(zhuǎn)臺(tái)以及各種回轉(zhuǎn)伺服控制系統(tǒng)中。</p><p><b> 5.3 位置的檢測(cè)</b></p><p> 位置傳感器可用來檢測(cè)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。</p><p> (1) 接觸式傳感器的應(yīng)用</p><p>
60、接觸式傳感器的觸頭由兩個(gè)物體接觸擠壓而動(dòng)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(jiǎn)單、動(dòng)作可靠、價(jià)格低廉。當(dāng)某個(gè)物體在運(yùn)動(dòng)過程中,碰到行程開關(guān)時(shí),其內(nèi)部觸頭會(huì)動(dòng)作,從而完成控制,如在加工中心的X、Y、Z軸方向兩端分別裝有行程開關(guān),則可以控制移動(dòng)范圍。二維矩陣式位置傳感器安裝于機(jī)械手掌內(nèi)側(cè),用于檢測(cè)自身與某個(gè)物體的接觸位置。</p><p> (2) 接近開關(guān)的應(yīng)用</p><
61、;p> 接近開關(guān)是指當(dāng)物體與其接近到設(shè)定距離時(shí)就可以發(fā)出“動(dòng)作”信號(hào)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(dòng)變壓器式、電渦流式、電容式、干簧管、霍爾式等。</p><p> 接近開關(guān)在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用主要是刀架選刀控制、工作臺(tái)行程控制、油缸及汽缸活塞行程控制等。</p><p> 霍爾傳感器是利用霍爾現(xiàn)象制成的傳感器。將鍺等半導(dǎo)體置于磁場(chǎng)中,在一個(gè)方
62、向通以電流時(shí),則在垂直的方向上會(huì)出現(xiàn)電位差,這就是霍爾現(xiàn)象。將小磁體固定在運(yùn)動(dòng)部件上,當(dāng)部件靠近霍爾元件時(shí),便產(chǎn)生霍爾現(xiàn)象,從而判斷物體是否到位。</p><p><b> 5.4 速度的檢測(cè)</b></p><p> 速度傳感器是一種將速度轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的傳感器,既可以檢測(cè)直線速度,也可以檢測(cè)角速度,常用的有測(cè)速發(fā)電機(jī)和脈沖編碼器等。</p><
63、;p> 測(cè)速發(fā)電機(jī)具有的特點(diǎn)是:(1)輸出電壓與轉(zhuǎn)速嚴(yán)格成線性關(guān)系;(2)輸出電壓與轉(zhuǎn)速比的斜率大。可分成交流和直流兩類。</p><p> 脈沖編碼器在經(jīng)過一個(gè)單位角位移時(shí),便產(chǎn)生一個(gè)脈沖,配以定時(shí)器便可檢測(cè)出角速度。</p><p> 在數(shù)控機(jī)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(cè)。</p><p><b> 5.5 壓力的檢
64、測(cè)</b></p><p> 壓力傳感器是一種將壓力轉(zhuǎn)變成電信號(hào)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(cè)氣體、液體、固體等所有物質(zhì)間作用力能量的總稱,也包括測(cè)量高于大氣壓的壓力計(jì)以及測(cè)量低于大氣壓的真空計(jì)。電容式壓力傳感器的電容量是由電極面積和兩個(gè)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(diǎn)近來得到了迅速發(fā)展。在數(shù)控機(jī)床中,可用它對(duì)工件夾緊力進(jìn)
65、行檢測(cè),當(dāng)夾緊力小于設(shè)定值時(shí),會(huì)導(dǎo)致工件松動(dòng),系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警,停止走刀。另外,還可用壓力傳感器檢測(cè)車刀切削力的變化。再者,它還在潤(rùn)滑系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)被用來檢測(cè)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(shí),其觸點(diǎn)會(huì)動(dòng)作,將故障信號(hào)送給數(shù)控系統(tǒng)。</p><p><b> 5.6 溫度的檢測(cè)</b></p><p> 溫度傳感器是一種將溫度高低轉(zhuǎn)變成電阻
66、值大小或其它電信號(hào)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(cè)溫度從而進(jìn)行溫度補(bǔ)償或過熱保護(hù)。</p><p> 在加工過程中,電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)部件的移動(dòng)、切削等都會(huì)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(hào)并轉(zhuǎn)換成
67、電信號(hào)送給數(shù)控系統(tǒng),進(jìn)行溫度補(bǔ)償。</p><p> 此外,在電動(dòng)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(shí)通過數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行過熱報(bào)警。</p><p> 5.7 刀具磨損的監(jiān)控</p><p> 刀具磨損到一定程度會(huì)影響到工件的尺寸精度和表面粗糙度,因此,對(duì)刀具磨損要進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)?shù)毒吣p時(shí),機(jī)床主軸電動(dòng)機(jī)負(fù)荷增大,電動(dòng)機(jī)的電流和電壓也會(huì)變化,功率隨之改變
68、,功率變化可通過霍爾傳感器檢測(cè)。功率變化到一定程度,數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào),機(jī)車停止運(yùn)轉(zhuǎn),此時(shí),應(yīng)及時(shí)進(jìn)行刀具調(diào)整或更換。</p><p> 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(huì)使數(shù)控機(jī)床更加完善,自適應(yīng)更強(qiáng)。</p><p> 第六章 傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)</p>&l
69、t;p> 傳感器技術(shù)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、自動(dòng)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,其水平的高低,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)的自動(dòng)化程度就越高。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(cè)技術(shù)對(duì)被控對(duì)象的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)并轉(zhuǎn)換成易于傳送和處理的信號(hào),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(gè)系統(tǒng)就無法正常有效的工作。</p><p> 雖
70、然我國(guó)傳感器產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀還不能適應(yīng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要,產(chǎn)品技術(shù)水平與國(guó)外相比還有較大差距,但是從統(tǒng)一市場(chǎng)的觀點(diǎn)看,我國(guó)具有傳感器的廣闊市場(chǎng),所以我國(guó)傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前途還是光明的。因此,必須加強(qiáng)技術(shù)研究和引進(jìn)先進(jìn)設(shè)備,以提高整體水平。傳感器技術(shù)今后的發(fā)展趨勢(shì),主要表現(xiàn)在以下方面:</p><p> (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(jí)的重要支撐。隨著材料科學(xué)的進(jìn)步,傳感器技術(shù)日
71、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(cè)器具有靈敏度高、精度高、非接觸性等特點(diǎn),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(duì)某一種或某幾
72、種氣體具有識(shí)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(guó)NRC公司已開發(fā)出納米ZrO2 氣體傳感器,控制機(jī)動(dòng)車輛尾氣的排放,對(duì)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,具有龐大的界面,能提供大量的氣體通道,而且導(dǎo)通電
73、阻很</p><p> (2) 應(yīng)用新技術(shù)和新的物理效應(yīng),擴(kuò)大檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用。檢測(cè)原理大多以各種物理效應(yīng)為基礎(chǔ)。近代物理學(xué)的發(fā)展,對(duì)仿生學(xué)的研究、仿造生物的感覺功能的新型傳感器的開發(fā)應(yīng)用,使得傳感器技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域更廣闊。如今的檢測(cè)領(lǐng)域,正向著社會(huì)需要各方面擴(kuò)展,不僅用于工業(yè)部門,而且也涉及到工程、海洋開發(fā)、宇宙航行等尖端科學(xué)技術(shù)和新興工業(yè)領(lǐng)域,生物、醫(yī)療、環(huán)境污染監(jiān)測(cè)、危險(xiǎn)品和毒品的偵察、安全監(jiān)測(cè)方面,同時(shí)也滲
74、透到人類的日常生活當(dāng)中。</p><p> (3) 向高精度發(fā)展,研制出靈敏度高、精確度高、響應(yīng)速度快、互換性好的新型傳感器,以確保生產(chǎn)自動(dòng)化的可靠性。近年來,隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,要求靈敏度、精確度和穩(wěn)定性等盡可能的高。例如超精度的在線檢測(cè),要求< 0.1 μm。對(duì)傳感器可靠性故障率的數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法的研究,大大提高檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性。為了使自動(dòng)檢測(cè)裝置適應(yīng)在各種復(fù)雜條件下可靠工作,要求研制的檢測(cè)系統(tǒng),具有
75、較高的抗干擾能力和適應(yīng)生產(chǎn)要求的較長(zhǎng)的使用壽命。</p><p> (4) 發(fā)展小型化、集成化、多功能化、多維化、智能化和高性能、擴(kuò)大量程范圍的檢測(cè)裝置。隨著半導(dǎo)體材料的研究和新工藝的進(jìn)展,已研制出一批新型半導(dǎo)體傳感器;光刻、擴(kuò)散及各向異性腐蝕等集成電路新工藝,也已滲透到傳感器的制造過程中,從而使檢測(cè)系統(tǒng)更趨于小型化、集成化、多功能化、多維化及性能更強(qiáng)。</p><p> (5) 向智
76、能化數(shù)字化發(fā)展。隨著現(xiàn)代化的發(fā)展,傳感器的功能已突破傳統(tǒng)的功能,其輸出不再是一個(gè)單一的模擬信號(hào)(如0~10 mV),而是經(jīng)過微電腦處理好后的數(shù)字信號(hào),有的甚至帶有控制功能,即智能傳感器。</p><p><b> 結(jié)束語</b></p><p> 四年的讀書生活在這個(gè)季節(jié)即將劃上一個(gè)句號(hào),而于我的人生卻只是一個(gè)逗號(hào),我將面對(duì)又一次征程的開始。四年的求學(xué)生涯在師長(zhǎng)、
77、親友的大力支持下,走得辛苦卻也收獲滿囊,在論文即將付梓之際,思緒萬千,心情久久不能平靜。 偉人、名人為我所崇拜,可是我更急切地要把我的敬意和贊美獻(xiàn)給一位平凡的人,我的導(dǎo)師。我不是您最出色的學(xué)生,而您卻是我最尊敬的老師。您治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn),學(xué)識(shí)淵博,思想深邃,視野雄闊,為我營(yíng)造了一種良好的精神氛圍。授人以魚不如授人以漁,置身其間,耳濡目染,潛移默化,使我不僅接受了全新的思想觀念,樹立了宏偉的學(xué)術(shù)目標(biāo),領(lǐng)會(huì)了基本的思考方式,從論文題目的選定到論文寫
78、作的指導(dǎo),經(jīng)由您悉心的點(diǎn)撥,再經(jīng)思考后的領(lǐng)悟,常常讓我有“山重水復(fù)疑無路,柳暗花明又一村”。 </p><p> 感謝我的爸媽,焉得諼草,言樹之背,養(yǎng)育之恩,無以回報(bào),你們永遠(yuǎn)健康快樂是我最大的心愿。在論文即將完成之際,我的心情無法平靜,從開始進(jìn)入課題到論文的順利完成,有多少可敬的師長(zhǎng)、同學(xué)、朋友給了我無言的幫助,在這里請(qǐng)接受我誠(chéng)摯謝意! </p><p> 同時(shí)也感謝學(xué)院為我提供良好
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