传感器的应用 3Word格式文档下载.docx
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3.1.6其它结构形式10
3.1.7其它10
3.2先进的封装技术与设备11
3.2.1工作过程模拟与优化11
3.2.2变工况设计理论11
3.2.3超常工况下的安全运行与控制11
3.2.4制冷压缩机与环境保护12
3.2.5无油润滑及特殊用途压缩机研发12
3.2.6新原理、新结构开发12
可靠性技术研究等方面
第4章传感器技术在汽车领域的应用
第5章传感器在数控机床中的应用
5.1引言
5.2数控机床对传感器的要求
5.3位移检测的传感器
5.4位置传感器的种类及其应用
5.5速度的检测
5.6压力的检测
5.7温度的检测
5.8刀具磨损的监控
12
总结13
参考文献14
致谢15
第1章引言
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。
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。
第2章传感器在机电一体化系统中的应用
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：
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.机械加工过程的传感检测技术。
（1）切削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）刀具（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。
.汽车自动控制系统中的传感技术。
随着传感器技术和其它新技术的应用，现代化汽车工业进入了全新时期。
汽车的机电一体化要求用自动控制系统取代纯机械式控制部件，这不仅体现在发动机上，为更全面地改善汽车性能，增加人性化服务功能，降低油耗，减少排气污染，提高行驶安全性、可靠性、操作方便和舒适性，先进的检测和控制技术已扩大到汽车全身。
在其所有重点控制系统中，必不可少地使用曲轴位置传感器、吸气及冷却水温度传感器、压力传感器、气敏传感器等各种传感器。
第3章我国传感器技术发展的若干问题及发展方向
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出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。
我国传感器的研究主要集中在专业研究所和大学，始于20世纪80年代，与国外先进技术相比，我们还有较大差距，主要表现在：
（1）先进的计算、模拟和设计方法；
（2）先进的微机械加工技术与设备；
（3）先进的封装技术与设备；
（4）可靠性技术研究等方面。
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方向可有几方面：
1.加速开发新型敏感材料：
通过微电子、光电子、生物化学、信息处理等各种学科，各种新技术的互相渗透和综合利用，可望研制出一批基于新型敏感材料的先进传感器。
2.向高精度发展：
研制出灵敏度高、精确度高、响应速度快、互换性好的新型传感器以确保生产自动化的可靠性。
3.向微型化发展：
通过发展新的材料及加工技术实现传感器微型化将是近十年研究的热点。
4.向微功耗及无源化发展：
传感器一般都是非电量向电量的转化，工作时离不开电源，开发微功耗的传感器及无源传感器是必然的发展方向。
5.向智能化数字化发展：
随着现代化的发展，传感器的功能已突破传统的功能，其输出不再是一个单一的模拟信号（如0-10mV），而是经过微电脑处理好后的数字信号，有点甚至带有控制功能，即智能传感器。
第四章传感器技术在汽车领域的应用
传感器是将各种参量送入计算机系统，进行智能监测、控制的最前端，所以传感器性能的好坏直接影响后方的数据处理。
近年来，随着汽车智能化、电子化、小型化和轻型化，汽车对传感器的需求已经成为众多行业中之最。
业内人士普遍认为，实现汽车系统最优化的关键是能否使用高可靠度、高性能的传感器。
1汽车传感器的特点
1.1适应性强、耐恶劣环境
汽车可能行驶在地球上的任何区域，环境条件差别极大，既有南北极的极严寒地区，也有象赤道地区的酷热气候，因此，要求传感器具有极强的适应性，能在-40～80℃的条件下，勿须调整正常工作。
汽车可能工作在极度恶劣的气候条件下，有时尘土弥漫，有时风雨交加，所以传感器应具有很好的密封性，耐潮湿、抗腐蚀能力强。
1.2抗干扰能力强
传感器除了能够适应外界恶劣环境之外，也要能够抵抗来自发动机内部的各种干扰。
传感器都安装在发动机舱中，除了能够承受发动机工作时的高温、高压、燃烧废气腐蚀之外，还要求有良好的抗震性能，抵抗发动机工作时的强烈震动，另外，发动机工作时会产生电磁波，因此要求传感器具有抗干扰能力。
汽车电源（发电机、蓄电池等）电压可在6～16V变化，有时甚至迭加超过100V的正负高电压脉冲，故还应具有抗电涌能力等。
1.3稳定性和可靠性高
汽车的各种零部件一般要求能运行10×
104km以上，并且勿须更换和调整仍能满足规定的技术指标。
因此，传感器必须具有高稳定性和高可靠性。
1.4价格低廉，适应大批量生产
这要求传感器的一致性好，不需要复杂调整，适合自动化生产。
2传感器在汽车行业的应用
2.1压力传感器
在汽车传感器实用化方面，最早使用的是汽车压力传感器。
能够用于压力检测的方法很多，如电阻应变片、电容式传感器、电感式传感器、压电传感器等等。
目前汽车所使用的压力传感器主要有以下几种：
歧管负压传感器（用于汽车电子点火提前角控制和燃料喷射系统）;
狄塞尔内燃机油压传感器;
变速箱油压传感器;
制动器油压传感器;
减震器油压传感器;
轮胎内压传感器等。
由于汽车压力传感器在汽车系统中应用范围广，因此，它越来越受到有关方面的重视，同时，各种新型的压力传感器不断出现。
例如，国外使用的高速档转换指示器是通过发光二极管显示高速档转换的最佳时间，它是利用燃油总管压力传感器和发动机转速传感器来实现的。
近年来，随着微机在汽车系统使用的普及，各种高性能的新型压力传感器开始大量用于汽车中。
发展较快的是压阻式半导体压力传感器和谐振式水晶压力传感器。
半导体压力传感器的优点是可以利用集成电路工艺大量生产，使半导体压力传感器集成化，这样就可以大幅度降低压力传感器的成本。
此外，汽车半导体压力传感器的另一个特点就是可以实现传感器的智能化，这种传感器能进行本机处理，并使微机和负载之间所需的接口最小，同时，由于具有零点、满度、温度补偿和自检功能，所以不仅提高了压力传感器的精度，同时也改善了传感器的可靠性。
谐振式水晶压力传感器主要作为汽车吸气负压传感器。
其显著特点是可以在高温时仍稳定工作，随着将来薄膜介电体性能的提高，传感器的性能还会出现较大的飞跃。
此外，采用将有源压电和热释电薄膜与集成电路制作在一起的相容技术，还可以制作多功能的汽车传感器，而且还可以解决压电传感器难以集成化的难题。
2.2空气流量传感器
发动机电子控制系统中很重要的一项控制内容就是最佳空燃控制，为达到这个目的，必须对发动机进气空气流量进行精确的测量。
常用的空气流量传感器有风门式空气流量计、卡门旋涡式空气流量计、热线式空气流量计、热膜式空气流量计。
风门式空气流量计结构简单、可靠性高，但进气阻力大，响应较慢且体积大;
而热线式空气流量计由于无运动部件，不但工作可靠，而且响应快，缺点是在流速分布不均时误差较大。
虽然热膜式空气流量计的工作原理和热线式空气流量计类似，但由于热膜式传感器不使用白金线作为热线，而是将热线电阻、补偿电阻等用厚膜工艺制作，在同一陶瓷基片上，使发热体不直接承受空气流动所产生的作用力，从而增加了发热体的强度，不但使空气流量计的可靠性进一步提高，也使误差减小，性能更好。
2.3节气门传感器
用于把节气门开度转换成电压信号，通过ECU控制喷油量。
常用的有开关式节气门位置传感器和线形节气门传感器两种，其中开关式节气门位置传感器虽然结构比较简单，但其输出是非连续的。
除了上述三种，用于汽车发动机电子控制的传感器还有氧气传感器、温度传感器、爆震传感器、曲轴位置传感器、转速传感器等。
现代汽车凡是采用电子控制的系统或装置，都离不开传感器，如自动变速器、汽车制动防抱死系统、驱动防滑系统等。
尤其是近几年，车用电子装置越来越多，如安全报警装置、通信装置、娱乐装置以及为提高舒适、减轻疲劳采用的辅助驾驶装置等等。
当然，国产汽车在电子控制技术方面才刚刚起步，主要集中在发动机的电子控制，正因为如此，汽车传感器在我国才会有更为广阔的发展空间。
第五章传感器在数控机床中的应用
1引言
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，本文介绍的是各种各样的传感器在数控机床上的应用。
2传感器简介
传感器是一种能够感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，其输入信号（被测量）往往是非电量，输出信号常常为易于处理的电量，如电压等。
传感器种类很多，分类标准不一样，叫法也不一样，常见的有电阻传感器、电感式传感器、电容式传感器、温度传感器、压电式传感器、霍尔传感器、热电偶传感器、光电传感器、数字式位置传感器等。
在数控机床上应用的传感器主要有光电编码器、直线光栅、接近开关、温度传感器、霍尔传感器、电流传感器、电压传感器、压力传感器、液位传感器、旋转变压器、感应同步器、速度传感器等,主要用来检测位置、直线位移和角位移、速度、压力、温度等。
3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。
4.1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。
在图1中，X轴和Z轴端部分别配有光电编码器，用于角位移测量和数字测速，角位移通过丝杠螺距能间接反映拖板或刀架的直线位移。
4.2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。
4.3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。
4.4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。
5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。
5.1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。
5.2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。
在刀架选刀控制中，如图2所示，从左至右的四个凸轮与接近开关SQ4～SQ1相对应，组成四位二进制编码，每一个编码对应一个刀位，如0110对应6号刀位；
接近开关SQ5用于奇偶校验，以减少出错。
刀架每转过一个刀位，就发出一个信号，该信号与数控系统的刀位指令进行比较，当刀架的刀位信号与指令刀位信号相符时，表示选刀完成。
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。
6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。
7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。
8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。
9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。
10结束语
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。
总结
传感器技术在机电一体化中应用越来越普遍，涉及到生活中的方方面面。
它使零件的质量到了显著的提高，使人们的劳动强强度大大减轻。
世界上各个国家都相继投入了巨额资金和人力进行研究，并已取得长足的进步，工业关乎一个国家的经济实力和军事实力，因此它至关重要。
故加紧传感器技术的研究显得迫在眉睫，我国起步较晚工业基础较差，更应该加快传感器技术的研究，只有这样我们才能缩小与发达国家的差距，直至最终超越他们。
参考文献
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光纤传感器在机械设备检测中的应用[J].光机电信息。
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[2]张开逊。
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[3]汪国平。
浅谈传感器技术在机电一体化中的应用[J].硅谷，2009。
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[3]梁景凯。
机电一体化技术与系统[M].北京:
机械工业出版社,1999..
[3].自动检测技术及应用[M].北京:
机械工业出版社,2005,6..
致谢
感谢周围同学在我论文写作过程中提供的帮助，指
导我及时玩成了论文。
在此我衷心地谢谢他们，同时我也感谢谢XX，它使我了解了许多相关知识。
使我的视野得到了极大地开阔，总之，
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