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传感器在机电一体化系统中的应用与发展的研究
摘要
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。
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。
关键词：
传感器技术；机电一体化
目录
摘要………………………………………………………………………………………………………1
1.传感器的概述…………………………………………………………………………………………3
2.传感器在机电一体化系统中的作用及地位……………………………………………………………3
2.1机器人用传感器……………………………………………………………………………………3
2.2机械加工过程的传感检测技术……………………………………………………………………4
3.机电一体化系统中常用传感器的类型、特点、结构及用途………………………………………4
3.1电阻式传感器………………………………………………………………………………………4
3.2电容式传感器………………………………………………………………………………………6
3.3电感式传感器………………………………………………………………………………………7
3.4压电式传感器……………………………………………………………………………………9
3.5霍尔式传感器……………………………………………………………………………………11
4.机电一体化系统中传感器的选择……………………………………………………………………13
4.1数控机床对传感器的要求………………………………………………………………………13
4.2位移的检测…………………………………………………………………………………………14
4.3位置的检测…………………………………………………………………………………………15
4.4度的检测……………………………………………………………………………………………15
4.5力的检测……………………………………………………………………………………………15
4.6度的检测……………………………………………………………………………………………16
4.7磨损的监控…………………………………………………………………………………………16
5.系统中常用传感器的发展与思考……………………………………………………………………16
5.1新材料开发…………………………………………………………………………………………16
5.2智能化发展…………………………………………………………………………………………17
致谢…………………………………………………………………………………………………………18
参考文献……………………………………………………………………………………………………19
传感器在机电一体化系统中的应用及发展的研究
1.传感器的概述
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。
2.传感器在机电一体化系统中的作用及地位
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。
传感器是左右机电一体化系统（或产品）发展的重要技术之一，广泛应用于各种自动化产品之中：
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。
2.2机械加工过程的传感检测技术
1、过程和机床运行过程的传感技术。
切削过程传感检测的目的在于优化切削过程的生产率、制造成本或（金属）材料的切除率等。
切削过程传感检测的目标有切削过程的切削力及其变化、切削过程颤震、刀具与工件的接触和切削时切屑的状态及切削过程辨识等，而最重要的传感参数有切削力、切削过程振动、切削过程声发射、切削过程电机的功率等。
对于机床的运行来讲，主要的传感检测目标有驱动系统、轴承与回转系统、温度的监测与控制及安全性等，其传感参数有机床的故障停机时间、被加工件的表面粗糙度和加工精度、功率、机床状态与冷却润滑液的流量等。
2、工件的过程传感。
与刀具和机床的过程监视技术相比，工件的过程监视是研究和应用最早、最多的。
它们多数以工件加工质量控制为目标。
20世纪80年代以来，工件识别和工件安装位姿监视要求也提到日程上来。
粗略地讲，工序识别是为辨识所执行的加工工序是否是工（零）件加工要求的工序；工件识别是辨识送入机床待加工的工件或者毛坯是否是要求加工的工件或毛坯，同时还要求辨识工件安装的位姿是否是工艺规程要求的位姿。
此外，还可以利用工件识别和工件安装监视传感待加工毛坯或工件的加工裕量和表面缺陷。
完成这些识别与监视将采用或开发许多传感器，如基于TV或CCD的机器视觉传感器、激光表面粗糙度传感系统等。
3、具,砂轮的检测传感。
切削与磨削过程是重要的材料切除过程。
刀具与砂轮磨损到一定限度（按磨钝标准判定）或出现破损（破损、崩刃、烧伤、塑变或卷刀的总称），使它们失去切（磨削能力或无法保证加工精度和加工表面完整性时，称为刀具/砂轮失效。
工业统计证明，刀具失效是引起机床故障停机的首要因素，由其引起的停机时间占NC类机床的总停机时间的1/5-1/3.此外，它还可能引发设备或人身安全事故，甚至是重大事故。
3.机电一体化系统中常用传感器的类型、特点、结构及用途
传感器已广泛应用于航天、航空、国防科研、信息产业、机械、电力、能源、交通、冶金、石油、建筑、邮电、生物、医学、环保、材料、灾害预测预防、农林、渔业生产、食品、烟酒制造、机器人、家电等诸多领域,可以说几乎渗透到每个领域。
下面，我就几类基本类型的传感器做些介绍：
3.1电阻式传感器
电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器.按工作的原理可分为：
变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式。
（1）变阻器式传感器
变阻器式传感器的等效电路如下图：
如果电阻丝的直径和材料确定，单位位移的电阻值为一常数，传感器的输出与输入成线性关系。
变阻式传感器又称为电位器式传感器。
它们是由电阻元件及电刷（活动触点）两个基本部分组成。
电刷相对于电阻元件的运动可以是直线运动、转动和螺旋运动，因而可以将直线位移或角位移转换为与其成一定函数关系的电阻或电压输出。
这类传感器结构简单，尺寸小，性能稳定。
受环境影响小。
不需放大。
滑线变阻器式传感器精度可达0.1％。
在生活中，应用实例诸多，如重量的自动检测--配料设备、煤气包储量检测等。
（2）电阻应变式传感器
电阻应变式传感器由弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成，可根据具体测量要求设计成多种结构形式。
弹性敏感元件受到所测量的力而产生变形，并使附着其上的电阻应变计一起变形。
电阻应变计再将变形转换为电阻值的变化，从而可以测量力、压力、扭矩、位移、加速度和温度等多种物理量。
电阻应变式传感器是基于电阻应变片的使用，金属电阻应变片的工作原理是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R为
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。
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
3.2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。
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。
电容传声器
3.3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。
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。
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。
3.4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）
压电传感器也可以等效为一个与电容相串联的电压源。
如下图（b）
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：
3.5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。
4.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。
4.1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。
4.2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。
4.3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。
4.4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。
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。
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。
4.5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。
4.6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。
4.7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。
5.系统中常用传感器的发展与思考
随着科学技术的发展，传感器技术发展的趋势将是开发新材料与传感器智能化发展相结合。
5.1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
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