浅析传感器在机电一体化中的应用.docx

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浅析传感器在机电一体化中的应用

浅析传感器在机电一体化中的应用

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摘要2

前言4

第一章传感器在机电一体化系统中的作用及地位5

1.1机器人用传感器5

1.2机械加工过程的传感检测技术5

1.3采集系统中传感技术6

第二章机电一体化系统中传感器的选择6

2.1数控机床对传感器的要求7

2.2位移的检测7

2.3位置的检测8

2.4速度的检测8

2.5压力的检测9

2.6温度的检测9

2.7刀具磨损的监控10

第三章我国传感器技术的发展趋势10

3.1与国外的差距10

3.2今后的发展趋势11

结论13

参考文献14

致谢15

摘要

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。

文章概述传感器

研究现状与发展，探讨传感器在机电一体化系统中的应用，并分析我国传感

器技术发展的若干问题及发展方向。

关键词：

传感器技术，机电一体化，应用

THESENSORTECHNOLOGYAPPLICATIONINMECHATRONICSSYSTEMANDITSDEVELOPMENT

ABSTRACT

Inmechatronicssystem,wherethesensorsystem,theroleoftheequivalentsystemfeelingOrgans,canquicklyandaccuratelytoobtaininformationandcanwithstandharshenvironmenttest,iselectromechanicalintegrationsystemreachesToahighlevelofassurance.SuchaslackofthesesensorsonthesystemstateandaccurateandreliableinformationtobeautomaticTesting,thesystem'sinformationprocessing,controldecision-makingfunctionscannottalkaboutandrealization.ThisarticlesummarizesthesensorResearchsituationanddevelopment,discussesthesensorsintheelectromechanicalintegrationsystem,andanalyzestheapplicationofsensorImplementtechnologydevelopmentcertainproblemsanddevelopmentdirection.

KEYWORDS:

sensortechnology，Optic-mechanicalintegration，application

前言

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。

第一章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[2]。

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。

1.1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。

1.2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。

1.3采集系统中传感技术

在产业控制现场，经常需要采集大量的现场数据，如电压、电流、温度、湿度、气压等，并将这些数据采集模块采集的数据传输到主机进行处理，由主机根据处理的结果，将控制信号传输给现场执行模块进行各种操纵。

传感器将采集到的数据进行转换，转转成4~20mA的电流或1~5V的电压。

使人们很容易采集，从而实现了非电量转换成电量的技术。

在采集系统里，通过传感器的转换电路，使标准的数据转换成人们想要的各种数据，从而进行现场监控的数据变成了可控的，而且易于维护。

第二章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。

2.1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。

2.2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。

2.3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。

2.4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。

2.5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。

2.6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。

2.7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。

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。

第三章我国传感器技术的发展趋势

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，其水平的高低，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[7]。

3.1与国外的差距

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。

多数企业是低水平的重复，处在生产的初级阶段。

（2）传感器属于多学科交叉、技术密集的高技术产品，其技术水平决定于科学研究的水平。

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。

3.2今后的发展趋势

虽然我国传感器产业的现状还不能适应国民经济发展的需要，产品技术水平与国外相比还有较大差距，但是从统一市场的观点看，我国具有传感器的广阔市场，所以我国传感器产业发展的前途还是光明的。

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趋势，主要表现在以下方面：

（1）开发新型传感器。

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。

（2）结构型传感器。

（3）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。

近年来，随着科学技术的不断发展，要求灵敏度、精确度和稳定性等尽可能的高。

例如超精度的在线检测，要求＜0.1μm。

对传感器可靠性故障率的数学模型和计算方法的研究，大大提高检测系统的可靠性。

为了使自动检测装置适应在各种复杂条件下可靠工作，要求研制的检测系统，具有较高的抗干扰能力和适应生产要求的较长的使用寿命。

（4）发展小型化、集成化、多功能化、多维化、智能化和高性能、扩大量程范围的检测装置。

随着半导体材料的研究和新工艺的进展，已研制出一批新型半导体传感器；光刻、扩散及各向异性腐蚀等集成电路新工艺，也已渗透到传感器的制造过程中，从而使检测系统更趋于小型化、集成化、多功能化、多维化及性能更强。

（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，有的甚至带有控制功能，即智能传感器。

结论

在机电一体化系统中，无论是机械电子化产品（如数控机床），还是机电相互融合的高级产品（如机器人），都离不开检测与传感器这个重要环节。

检测传感技术的不断发展是为了适应国民经济发展的需求，取得的进展也是十分引人瞩目的，今后必将有更辉煌的飞跃。

参考文献

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[3]武昌俊.自动检测技术及应用[M].北京：

机械工业出版社，2005.

[4]梁景凯.机电一体化技术与系统[M].北京：

机械工业出版社，1999.

[5]陈瑜.国外机电一体化技术发展趋势[J].国外机电一体化技术.2000，5

[6]胡泓、姚伯威主编.机电一体化原理及应用.北京：

国防工业出版社，1999

[7]李建勇.机电一体化技术[M].北京:

科学出版社,2004.

致谢

本篇论文是在魏跃庆老师的精心指导下完成的，从选题到论文内容都给予了我精心的指导和严格的教诲，无论从学术水平还是学术造诣上都使我受益非浅,。

不仅是我学到了许多社会经验，更重要的是让我开拓了眼界，是我意识到现代化科学技术的发展，以及它的优越性。

在这次毕业论文设计中，我第一次亲身尝试到了作为一个缺乏社会实践经验的学生所面临的困难。

使我学会了如何利用所学的知识,把理论结合于实践中,进一步掌握了专业知识,从而对本专业有了更深刻的认识。