传感器在机电性能测试系统中的应用资料.docx

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传感器在机电性能测试系统中的应用资料

传感器在机电性能测试系统中的应用

第一章传感器发展现状

1.1传感器的涵义

人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。

而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。

为适应这种情况，就需要传感器。

因此可以说，传感器是人类五官的延长，

传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置或器官。

根据国家标准FB7665-87对传感器下的定义是：

能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示。

记录和控制等要求。

它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

1.2传感器的组成

传感器的功能是一感二传，即感受被测量，并传送出去。

传感器一般由敏感元件、转换元件两大部分组成，有时也将基本转换电路和辅助电源作为传感器的组成部分。

1.敏感元件

能直接感受或响应被测量的部分。

有时也将敏感元件称为传感器。

2.转换元件

能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。

3.转换电路

不少传感器要通过转换电路之后才能输出电量信号，从而决定了转换电路是传感器的组成部分之一。

1.3传感器在现代信息技术中的发展现状

传感器是能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，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系统的运作提供必须的相关信息。

21世纪人类将全面进入信息电子化时代，随着人类探知领域和空间的拓展，电子信息种类的日益繁多，信息传递的速度日益加快，信息处理能力日益增强，相应的信息采集，传感器技术也将日益发展，进而传感器将无所不在。

从20世纪80年代起，逐步在世界范围内掀起了一股传感器热，各先进工业国都极为重视传感技术和传感器的研究、开发和生产。

传感器技术已经成为重要的现代科技领域，而传感器技术及其系统的生产已成为重要的新兴行业。

现在，全世界传感器市场的销售总额已经超过200亿美元，并以80%的年增长率向前发展，其产品品种突破2万种。

它们内广泛地应用于钢铁、能源、交通、机械制造、通信、化工、汽车、家电、金融、商业和农业等行业。

我国在八五期间已把传感器技术列入国家重点攻关计划及中长期科技发展重点新技术之一。

在本世纪已跨入高速发展时期，并不失时机地开发新产品，使之成为国民经济新的增长点。

第二章传感器在机电一体化中的作用和地位

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

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，系统自动化程序就越高。

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地工作。

传感检测技术是自动化及相关研究领域的技术基础，不管是在工程技术还是在基础科学中都同样具有独特而重要的作用和地位。

就许多基础学科研究而言，新机理和高灵敏度检测传感器的出现，使原本不易获取的信息得以准确及时的捕捉，从而将导致该领域内技术上的突破。

一些专家评论：

如果没有传感器检测各种信息，那么支撑现代文明的科学技术就不可能发展。

如何提高感觉信息的传感器的功能，如何适当的使用，将成为今后科学技术研究的起点，可以说技术革命的主角之一就是传感器。

今天，传感检测技术已经渗透到生产和生活的各个领域。

高度自动化的工厂、设备、装置或系统，可以说是传感检测技术的大集合地。

各种仪器设备、家电、办公自动化设备、工厂自动化中的计算机集成制造系统、CNC机床、加工中心、大型发电机组、轧钢生产线、汽车的机电一体化系统等等，传感器检测技术的应用已然非常广泛；在工业国防领域中的尖端武器装备和某些尖端科学与工程等重要领域，传感器检测技术更有不可替代的重要作用。

同时，随着世界经济的发展和人民生活质量的提高，传感检测技术也努力挖掘其巨大潜能，不断地向人们生

活密切相关的发面展现。

第三章机电一体化系统中传感器的类型

2.1.位移检测传感器

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

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.直线光栅传感器

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

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。

2.2压力检测传感器

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。

2.3刀具磨损监控传感器

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。

2.4温度的检测传感器

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。

第四章传感器在机电性能测试系统中的应用

4.1在机器人中的应用

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。

通常微动开关、光电开关、电涡流等传感器安装在机器人的每个关节上进行零位和极限位置的检测，前者保证机器人的重复定位精度和轨迹精度，后者则起保护机器人和安全动作的作用。

速度、加速度传感器用来实现机器人各关节的速度闭环控制盒加速度控制。

触觉传感器装设在机器人腕、手爪等部位，通过触觉确认对象的位置从而修正手爪的位置以便能准确地抓住对象物。

4.2在数控机床中的应用

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，在制造技术设备更新中，数控机床证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。

他综合了机械、自动化、计算机、测量、微电子等最新技术，使用了多种传感器。

数控机床对传感器的要求如下：

（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确为主。

4.3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.工件的过程传感器

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、砂轮的检测传感器

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。

第五章传感器技术的发展的问题及发展发向

5.1传感器技术发展的问题

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、技术密集的高科技产品，其技术水平决定于科

学研究水平。

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。

5.2传感器技术的发展方向

我国必须要加大对技术的研究和设备的投入，这样才能够提高传感器技术整

体水平，可以从以下几个方面来发展提高技术水平：

（1）高精度发展。

只有高精度、高灵敏度、高速反应的新型传感器才能提高生产自动化的可靠性；

（2）微型化。

如今将传感器微型化一直是人们所研究的热门；

（3）微功耗及无源化。

开发微功耗的传感器及无源传感器是必经之路；

（4）功能化和数字化。

传感器已经不再局限于传统的功能，其输出信号是经过微电脑处理好后的数字信号，实现了数字化和智能化。

（5）新材料的开发。

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ZrO2气体传感器,控制机动车辆尾气的排放,对净化环境效果很好,应用前景比较广阔。

由于采用纳米材料制作的传感器,具有庞大的界面,能提供大量的气体通道,而且导通电阻很小,有利于传感器向微型化发展，随着科学技术的不断进步将有更多的新型材料诞生。

结论

大力发展新一代机电一体化产品，不仅是改造和武装传统机械老设备的一条新路，而且是推动机械产品更新换代和开辟新领域、发展与振兴机械工业的必由之路。

机电一体化产业覆盖面非常广，而我国人力、物力、财力有限，机电一体化产业发展不可能面面俱到，平铺直叙。

因此，要分清主次、突出重点，大胆取舍。

既要抓住传统产业的电子信息技术改造，使机械技术与电子技术初步结合，又要在新产品设计之初，就统一考虑机械与电子的融合，使机械与电子密不可分，从而使设计、生产出来的新产品真正做到机电一体化。

在机电一体化系统中，无论是机械电子化产品还是机电互相融合的高级产品，都离不开检测与传感器这个重要环节。

由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。

世界各国都十分重视这一领域的发展。

相信在不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平，今后必将有更辉煌的飞跃。

致谢

在论文完成之际，我首先向关心帮助和指导我的指导老师朱正才老师表示衷心的感谢并致以崇高的敬意！

在学校的学习生活即将结束，回顾三年来的学习经历，面对现在的收获，我感到无限欣慰。

为此，我向热心帮助过我的所有老师和同学表示由衷的感谢!

在论文工作中，遇到了许许多多这样那样的问题，有的是专业上的问题，有的是论文格式上的问题，一直得到朱正才老师的亲切关怀和悉心指导，使我的论文可以又快又好的完成，朱老师以其渊博的学识、严谨的治学态度、求实的工作作风和他敏捷的思维给我留下了深刻的印象，我将终生难忘老师对我的亲切关怀和悉心指导，再一次向他表示衷心的感谢，感谢他为学生营造的浓郁学术氛围，以及学习上的无私帮助!

值此论文完成之际，谨向朱正才老师致以最崇高的谢意!

最后，衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位老师!

参考文献：

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