各种机电一体化设备测试仪器和传感器的研制.docx

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各种机电一体化设备测试仪器和传感器的研制

各种机电一体化设备、测试仪器和传感器的研制

摘要：

传感器是检测中首先感受被测量、并将它转换成与被测量有确

定对应关系的电量器件它是检测和控制系统中最关键的部分。

机电

一体化是机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电

子技术并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的

总称。

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。

传感器在机电一体化系统中应用广泛是机电产品中是必不

可少的器件之一。

关键词：

传感器机电一体化系统测试仪器

1传感器技术的发展

传感器来自“感觉”一词,人们用视觉、听觉、味觉、嗅觉和触觉等感官感受外界的有关信息如物体的大小、形状和颜色感觉到的声音、气味等。

在视觉情况下绝不是靠眼睛本身进行感觉,而是从眼睛进入的外界刺激信号通过神经传送到大脑有大脑感知物体的大小和颜色,然后由大脑提供命令信号支配行动。

听觉和嗅觉等也完全一样。

然而要使大脑受到这些刺激首先必须有接受外界刺激的“五官”人的“五官”可以称之为传感器。

它们的基本功能是首先接受外界的刺激信号然后产生作用于各种神经传递信号的能量最后在传送到大脑。

在传感器的系统中传感器模拟人“五官”的这些作用将外界刺激信号转换为能传递的信号即使特定的被测量包括物理量、化学量、生物量等按照一定的规律转换成某种可用的输出信号。

传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的另一种量的测量装置。

传感器的定义具体包含:

①传感器是测量装置,能完成检测任务;②它的输入量是某一被测量可能是物理量也可能是化学量、生物量等③它的输出量是某种物理量这种量应便于传输、转换、处理、显示等它可以是气、光、电但主要是电量。

传感器一般由敏感元件和转换元件两大部分组成。

但很多时候也将转换电路及辅助电路作为其组成部分因为传感器作为一个完整的器件绝大部分都是把转换电路及必要的辅助电源单元与敏感元件、转换元件一起做成一体化的器件。

传感器的作用包括信息的收集、信号数据的转换和控制信息的采集。

传感器是检测和控制系统中最关键的部分。

1.1传感器的种类

在实际工程应用中传感器的种类很多。

同一种被测量可以用不同的传感器来测量而同一种原理的传感器通常又可以测量多种物理量。

因此传感器的分类方法也是形形色色,目前尚没有统一的方法:

㈠按传感器工作原理分类电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、霍尔式传感器、光电式传感器、光栅式传感器、热电偶式传感器。

㈡按被测量或传感器的用途分类位移传感器、力传感器、速度传感器、温度传感器、流量传感器、气体传感器、物位传感器、成分传感器。

㈢按输出信号的性质分类:

开关型传感器、模拟式传感器、数字式传感器。

传感器所测量经常处在各种各样的变动中,例如测量机床车刀的切削时若材质均匀切削力的值可能十分稳定若遇到材质不均匀甚至有小缺陷时切削力的值可能有缓慢起伏或者周期性脉动变化甚至出现突变的尖峰力。

传感器能否将这些被测量的变化不失真地变换成相应的电量涉及传感器本身的基本特性,即输出-输入特性。

这种特性通常用传感器的静态特性和动态特性来描述。

1.2传感器的性能

传感器变换的被测量的数值处在稳定状态时,传感器的输出与输入的关系称为传感器的静态特性。

描述传感器静态特性的技术指标是灵敏度、线性度、迟滞和重复性。

1.2.1灵敏度

传感器在稳态标准条件下,输出变化对输入变化的比值称灵敏度,对于线性传感器来说,它的灵敏度是一个常数。

1.2.2线性度

传感器的静态特性是稳态标准条件下,利用一定等级的校准设备对传感进行往复循环测试得出的输出----输入特性,列表或画曲线。

通常希望这一特性为线性,这样会对标定和数据处理带来方便。

但实际的输出-输入特性一般都是非线性的,因此采用各种补偿环节,如非线性电路补偿环节或计算机软件进行线性化处理。

在传感器非线性幂次不高,输入量变化范围较小时,用一条直线切线或割线近似地代表实际曲线的一段。

对传感器的输出-输入特性线性化的方法,称为直线拟合法。

实际曲线与拟合直线之间的偏差称

为传感器的非线性误差或线性度取其中最大值与输出满度值之比作为评价线性度或非线性误差的指标。

在常用的拟合法中,即使是同类传感器,拟合方法不同其象形度也不同,用最小二乘法求取的拟合直线的精确度最高。

1.2.3迟滞

迟滞是指在相同工作条件下,传感器正行程特性和反行程特性的不一致程度。

其数值为对应同一大小的输出量,应采用的行程方向不同,传感器的输出量值不相等这就是迟滞现象。

产生迟滞现象的原因主要是传感器机械部分存在不可避免的缺陷,如轴承摩擦、间隙、紧固件松动和材料内摩擦等。

1.2.4重复性

传感器的输入量在同一方向增加或减少变化时,在全量程内连续进行重复测量所得到的输出-输入特性曲线不一致的程度。

产生不一致的原因与产生迟滞现象的原因相同。

多次重复测试的曲线越重合说明传感器重复性越好,使用误差越小。

1.3传感器的动态性能

动态特性是指传感器测量动态信号时,输出对输入的响应特性。

传感器测量静态信号时,被测量不随时间变化,测量和记录的过程不受时间限制。

实际大量的被测量是随时间变化的动态信号传感器的输出不仅要精确地显示被测量的大小,还要显示被测量随时间变化的规律。

动态特性好的传感器,其输出随时间的变化规律将再现输入随时间变化的规律,即它们具有相同的时间函数。

但是除了理想情况外实际传感器的输出信号与输出入信号不会具有相同的时间函数,输出与输入之间会出现差异。

这种输出与输入之间的差异称为动态误差,研究这种误差的性质称为动态特性分析。

因为传感器在实际工作中随时间变化的输入信号是千变万化的,而且由于随机因素的影响,往往事先并不知道其特性,故工程上通常采用标准信号函数的方法来研究,并据此确定若干评定动态特性的指标。

常用的标准信号函数是正弦函数和阶跃函数,因为它们即便于求解又便于实现。

大多数情况下对非正弦周期信号可以通过数学方法利用傅里叶级数分解为含多次谐波的正弦函数,对其他非争先非周期号可通过傅里叶变换分解出各次正弦谐波来分析。

而阶跃信号是瞬间发生的变化,它有可能是输入信号中最坏的一种,传感器如能复现这种信号,则就能较容易复现其他各种输入信号,所以将它们作为

标准信号函数。

传感器是检测中首先感受被测量、并将它转换成与被测量有确定对应关系的电量器件,它是检测和控制系统中最关键的部分。

传感器的性能由传感器的静态特性和动态特性来评价。

2机电一体化系统的发展

机电一体化又称机械电子学,英文称为Mechatronics,它是由英文机械学Mechanics的前半部分与电子学Electronics的后半部分组合而成。

机电一体化最早出现在1971年日本《机械设计》杂志的副刊上,随着机电一体化技术的快速发展机电一体化的概念被人们广泛接受和普遍使用。

1996年出版的WEBSTER大词典收录了这个日本造的英文单词,这不仅意味着“Mechatronics”这个单词得到了世界各国学术界和企业界的认可,而且还意味着“机电一体化”的哲理和思想为世人所接受。

到目前为止,就机电一体化这一概念的内涵国内外学术界还没有一个完全统一的表述。

目前较普遍的提法是“日本机械振兴协会经济研究所”于1981年的解释”机电一体化是在机械主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称”。

机电一体化是以机械学、电子学和信息科学为主的多门技术学科在机电产品发展过程中相互交叉、相互渗透而形成的一门新兴边缘性技术学科。

这里面包含了三重含义:

首先,机电一体化是机械学、电子学与信息科学等学科相互融合而形成的学科。

其次,机电一体化是一个发展中的概念,早期的机电一体化就像其字面所表述的那样,主要强调机械与电子的结合,即将电子技术“溶入”到机械技术中而形成新的技术与产品。

2.1机电一体话和机械电气化的区别

机电一体化与机械电气化的主要区别有：

（1）电气机械在设计过程中不考虑或少考虑电器与机械的内在联系,基本上是根据机械的要求,选用相应的驱动电机或电气传动装置

（2）机械和电气装置之间界限分明,它们之间的联结以机械为主,整个装置是刚性的（3）装置所需的控制是基于电磁学原理的各种电器来实现,属强电范畴,其主要支撑技术是电工技术。

机械工程技术由纯机械发展到机械电气化,仍属传统机械,主要功能依然是代替和放大人的体力。

但机电一体化产品不仅是人的手与肢体的延伸还是人的感官与头脑的延伸,具有“智能化”的特征是机电一体化与机械电气化在功能上的本质差别。

从概念的外延来看,机电一体化包括机电一体化技术和机电一体化产品两个方面。

机电一体化技术是从系统工程的观点出发,将机械、电子和信息等有关技术有机结合起来,以实现系统或产品整体最优的综合性技术。

机电一体化技术主要包括技术原理和使机电一体化产品或系统得以实现、使用和发展的技术。

2.2机电产品给我们生活带来变化

现实生活中的机电一体化产品比比皆是。

我们日常生活中使用的全自动洗衣机、空调及全自动照相机都是典型的机电一体化产品.在机械制造领域中广泛使用的各种数控机床、工业机器人、三坐标测量仪及全自动仓储也是典型的机电一体化产品,而汽车更是机电一体化技术成功应用的典范,

目前汽车上成功应用和正在开发的机电一体化系统达数十种之多。

特别是发动机电子控制系统、汽车防抱死制动系统、全主动和半主动悬架等机电一体化系统在汽车上的应用,使得现代汽车的乘坐舒适性、行驶安全性及环保性能都得到了很大的改善,在农业工程领域,机电一体化技术也在一定范围内得到了应用,如今机电一体化已从原来以机械为主的领域拓展到目前的汽车、电站、仪表、化工、通信、冶金等领域。

而且机电一体化产品的概念不再局限在某一具体产品的范围如数控机床、机器人等,现在已扩大到控制系统和被控制系统相结合的产品制造和过程控制的大系统,例如柔性制造系统FMS、计算机集成制造系统CIMS以及各种工业过程控制系统。

机电一体化是以机械为主体、以微电子技术为核心,强调各种技术的协同和集成的综合性技术。

机电一体化技术和产品的应用范围非常广泛,涉及到工业生产过程的所有领域.因此,机电一体化产品的种类很多,而且还在不断地增加。

2.3机电一体化产品的分类

按照机电一体化产品的功能,可以将其分成下述几类：

1数控机械类：

数控机械类主要产品为数控机床、工业机器人、发动机控制系统和自动洗衣机等。

其特点为执行机构是机械装置。

　　2电子设备类：

电子设备类主要产品为电火花加工机床、线切割加工机床、超声波缝纫机和激光测量仪等。

其特点为执行机构是电子装置。

　　3机电结合类:

机电结合类主要产品为自动探伤机、形状识别装置和CT扫描仪、自动售货机等。

其特点为执行机构是机械和电子装置的有机结合。

　　4电液伺服类:

电液伺服类主要产品为机电一体化的伺服装置。

其特点为执行机构是液压驱动的机械装置,控制机构是接受电信号的液压伺服阀。

　　5信息控制类:

信息控制类主要产品为电报机、磁盘存储器、磁带录像机、录音机以及复印机、传真机等办公自动化设备。

其主要特点为执行机构的动作完全由所接收的信息类控制。

　　此外,机电一体化产品还可根据机电技术的结合程度分为功能附加型、功能替代型和机电融合型三类。

按产品的服务对象领域和对象可将机电一体化产品分成工业生产类、运输包装类、储存销售类、社会服务类、家庭日常类、科研仪器类、国防武器类以及其它用途类等不同的种类。

3传感器在机电一体化系统中的应用

3.1.传感器在汽车行业的应用

近几年来我国汽车工业增长迅速,发展势头很猛。

因此评论界出现了一些专家的预测：

汽车工业有可能超过IT产业。

成为中国国民经济最重要的支柱产业之一。

其实汽车工业的增长必将包含与汽车产业关的IT产业的增长。

例如,虽然目前在我国一汽的产品中电子产品和技术的价值含量只占10%—15%左右，但国外汽车中电子产品和技术的价值含量平均约为22%中、高档轿车中汽车电子已占30%以上，而且这个比例还在、不断地快速增长，预期很快将达到50%。

电子信息技术已经成为新一代汽车发展方向的主导因素。

汽车，机动车的动力性能、操控性能、安全性能和舒适性能等各个方面的改进和提高，都将依赖于机械系统及结构和电子产品、信息技术间的完美结合。

3.2机电一体化在生活中的应用

最贴近生活的智能传感器可能要算是用于摄像头、数码相机、摄像机、手机摄像中的CCD图像传感器了。

这是一种非智能型传感器莫属的情况，因为CCD阵列中每个硅单元由光转换成的电信号极弱，必须直接和及时移位寄存、并处理转换成标准的图像格式信号。

还有更复杂一些的，在中、高档长焦距IOX光学放大数码相机和摄像机上装备的电子和光学防抖系统，特别是高端产品中的真正光学防抖系统。

它的核心是双轴向或3轴向的微加速度计或微陀螺仪，通过它监测机身的抖动并换算成镜头的各轴向位移量进而驱动镜头中可变角度透镜的移动，使光学系统的折射光路保持稳定。

随着工业的不断发展，相信在不久的将来传感器在机电一体化系统中的应用比现在还要广泛，当然其功能还要更强大。

4如何为机电一体化系统选择传感器

传感器的基本要求：

（1）体积小、重量轻、适应型好；

（2）精度和灵敏性高、响应快、稳定性好、信噪比高；（3）安全可靠、寿命长；（4）便于与计算机对接；（5）不易受被检测对象和外部环境的影响；（6）环境适应能力强；（7）现场安装处理简单操作方便。

5机电一体化系统中常用传感器的发展

纵观几十年来的传感技术领域的发展，不外乎分为两个方面：

一是提高与改善传感器的技术性能；二是寻找新原理、新材料、新工艺及新功能等。

近年传感器的发展动向是开发新型传感器。

结构型传感器一般说它的结构复杂，体积偏大，价格偏高。

物性型传感器大致与之相反，具有不少诱人的优点，加之过去发展也不够。

世界各国都在物性型传感器方面投入大量人力、物力加强研究，从而使它成为一个值得注意的发展动向。

其中利用量子力学诸效应研制的低灵敏阈传感器，用来检测微弱的信号是发展新动向之一。

大自然是生物传感器的优秀设计师和工艺师。

它通过漫长的岁月不仅造就了集多种感官于一身的人类而且还构造了许多功能奇特、性能高超的生物感官。

例如狗的嗅觉（灵敏阈为人的）、鸟的视觉（视力为人的倍）、蝙蝠飞蛾海豚的听觉、主动型生物雷达—超声波传感器等等。

这些动物的感官功能，超过了当今传感器技术所能实现的范围。

研究它们的机理，开发仿生传感器，也是引人注目的方向。

结论：

人体为从外界获取信息，必须借助于感觉器官，但是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，又称之为电五官。

当今世界已进入信息时代在利用信息的过程中首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。

在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。

因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。

传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。

可以毫不夸张地说，从茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目都离不开各种各样的传感器。

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。

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