毕业设计论文传感器在机电一体化中的应用

内蒙古化工职业学院毕 业 论 文题 目： 传感器在机电一体化中的应用 系 部： 测控与机电工程系专 业： 机电一体化班 级： 机电09-2班学 号： 学生姓名： 指导教师：完成日期： 2011.12.232012.2.27内蒙古化工职业学院毕业设计(论文、专题实验)任务书姓 名专业机电一体化班级机电09-2指导教师马文龙题 目原始数据输送带的牵引力为F=2000N，输送带的的速度v=1.2m/s卷筒的直径D=320mm说明书(论文、实验)主要内容1.选定方案 5.轴的设计2.选择电动机的型号 6.齿轮的设计3.设计V带的传动 7.键、轴承、联轴器的选用4.设计圆柱齿轮减速器 8.绘制减速器的相关图纸图纸要求图纸的图幅、比例、图线、标注符合基本的制图规定对学生综合训练方面的要求 充分利用本专业知识，充分发挥主观能动性和创造性，刻苦专研，勤于实践，独立完成毕业设计任务；尊敬师长、团结互助，虚心接受指导教师及有关人员的指导和检查。定期汇报毕业设计的工作进度、设想；实事求是，不弄虚作假，不抄袭他人成果。完成期限 自 2011 年 12 月 5 日至 2011 年12 月 23 日备 注:毕业论文的任务书可对原始数据及图纸要求两项不作要求、专题实验可对图纸一项不做要求。签发: 日期: 2011 年 12 月内蒙古化工职业学院毕业设计(论文、专题实验)更换选题申请单专业机电一体化班级机电09-2班姓名学号092032044原课目带式输送机V带传动及一级直齿圆柱齿轮减速器的设计更换后课题传感器在机电一体化中的应用 更换原因由于提前就业根据所在实习公司岗位性质，需更换题目原指导教师意见摘 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AbstractIn mechatronic systems, sensor system for the first time, the role of the equivalent system receptors, can be fast, accurate access to information and be able to withstand the harsh environment test, mechanical and electrical integration system to achieve a high level of assurance. The lack of these sensors on the system status and information accurate and reliable automatic detection, information processing system, control of decision-making function cannot be talked about. The article provides an overview of the sensor research and development, explore the sensor in the application of mechatronic systems, sensor technology and analysis of development issues and development direction .Key words：sensor technology、electromechanical integration、application.目 录绪 论 . 1第一章 传感器的基本知识 . 2 1.1 传感器的分类及特性 . 21.2 常用传感器的类型及特点 . 2第二章 常用传感器的类型、特点、结构及用途 . 52.1 电阻式传感器 . 52.2 电容式传感器 . 72.3 电感式传感器 . 82.4 压电式传感器 . 92.5 霍尔式传感器 . 11第三章 传感器在机电一体化系统中的应用 . 133.1 传感器在工业机器人中的应用 . 133.2 传感器在机械制造中的应用 . 13第四章 机电一体化系统中传感器的选择 . 144.1 数控机床对传感器的要求 . 144.2 位移的检测 . 144.3 位置的检测 . 154.4 速度的检测 . 164.5 压力的检测 . 164.6 温度的检测 . 164.7 刀具磨损的监控 . 17第五章 传感器技术的现状以及发展趋势 . 185.1 微型化 . 185.2 智能化 . 195.3 多功能传感器 . 215.4 无线网络化 . 23 5.5 新材料开发 . 24参考文献 . 26附 录. 27致 谢 . 28绪 论对于传感器的研究始于本世纪30年代。当今，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。如今它已经渗透到生产和生活的各个领域，从尖端武器装备、航空航天技术，到机械设备、工业过程控制、交通运输、纺织印刷、家用电器、医疗卫生、办公设备及环境保护等领域，均得到广泛应用，在机电一体化技术革命中正在发挥重要作用。第一章 传感器的基本知识从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，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。1.1 传感器的分类及特性传感器一般由敏感元件，转换元件及基本转换电路三部分组成。传感器按其测量对象可分为检测机电一体化系统内部状态的内部信息传感器及系统外部环境状态的外部信息传感器。传感器按控工作机理可分制电动机可以分为物理型和结构型。传感器按能量源分类可分为无源型和有源型。按输出信号的性质可将传感器分为开关型，模拟型和数字型。传感器的特性主要是指输出与输入之间的关系，有静态特性和动态特性之分。传感器的静态特性；当传感器的输入量为常量或随时间作缓慢变化时，传感器的输出与输入之间的关系称为静态特性。传感器的动态特性；传感器的输出量对于随时间变化的输入量的响应特性称为传感器的动态特性。1.2 常用传感器的类型及特点1.2.1 电阻式传感器 电阻式传感器就是利用一定的方式将被测量的变化转化为敏感元件电阻值的变化，进而通过电路变成电压或电流信号输出的一类传感器。可用于各种机械量和热工量的检测，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。 目前，常用的电阻传感器主要有电阻应变片、热电阻、光敏电阻、气敏电阻和湿敏电阻等几大类。1.2.2 电容式传感器 电容式压力传感器是一种利用电容敏感元件将被测压力转换成与之成一定关系的电量输出的压力传感器。它一般采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极，当薄膜感受压力而变形时，薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化，通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号。电容式压力传感器属于极距变化型电容式传感器，可分为单电容式压力传感器和差动电容式压力传感器，这种传感器温度稳定性好，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。1.2.3 电感式传感器线圈铁心衔铁利用利用电磁感应原理将被测非电量（如位移、压力、流量、振动等）转换成线圈自感系数L或互感系数M的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出。 磁路的总磁阻可表示为： （公式1） 近似计算出线圈的电感量为： （公式2） 图1.1 变气隙式自感传感器结构 电感式传感器无活动触点、可靠度高、寿命长；分辨率高；灵敏度高；线性度高、重复性好；测量范围宽(测量范围大时分辨率低)；无输入时有零位输出电压，引起测量误差；对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高；不适用于高频动态测量。1.2.4 压电式传感器 基于压电效应的传感器。是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量，如压力、加速度等。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。配套仪表和低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电传感器的使用更为方便。它广泛应用于工程力学、生物医学、电声学等技术领域。1.2.5 霍尔传感器 霍尔传感器是一种基于霍尔效应的磁电传感器，由于半导体比金属有高得多的霍尔系数，故用半导体制成的霍尔传感器具有对磁场敏感度高、结构简单、使用方便等特点。不仅用于测量电流、电压、功率和磁感应强度等电磁参数，在非电量测量技术中还广泛用于测量直线位移、角位移与压力等非电量。霍尔传感器是一种很好的检测控制元件，当控制电流不变时，霍尔输出的电压与磁场大小成正比，可用来测定传感器周围的磁场。当磁场强度固定时，则可测量霍尔片的电流、电压等电参。利用霍尔电动势来控制电流与磁场大小的乘积则可制成各种运算器。对非电量测量则是通过改变霍尔片在磁场中的位置来改变参量，从而改变输出霍尔电动势来测量位移、压力、加速度等。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。1.2.6 电化学式传感器 电化学式传感器是以离子导电为基础制成，根据其电特性的形成不同，电化学传感器可分为电位式传感器、电导式传感器、电量式传感器、极谱式传感器和电解式传感器等。电化学式传感器主要用于分析气体、液体或溶于液体的固体成分、液体的酸碱度、电导率及氧化还原电位等参数的测量。 另外，根据传感器对信号的检测转换过程，传感器可划分为直接转换型传感器和间接转换型传感器两大类。前者是把输入给传感器的非电量一次性的变换为电信号输出，如光敏电阻受到光照射时，电阻值会发生变化，直接把光信号转换成电信号输出；后者则要把输入给传感器的非电量先转换成另外一种非电量，然后再转换成电信号输出，如采用弹簧管敏感元件制成的压力传感器就属于这一类，当有压力作用到弹簧管时，弹簧管产生形变，传感器再把变形量转换为电信号输出。 第二章 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：2.1 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。2.1.1 变阻器式传感器 变阻器式传感器的等效电路如图2.1：图2.1 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。2.1.2 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。金属应变片的电阻相对变化为 ， 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 图2.2。a) 半桥单臂 b)半桥双臂 c)全桥图2.2 直流电桥的连接方式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。图2.3 电子称2.2 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。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2.4：图3.4电容式传感器的测量电路同样为电桥电路，如图2.5：图3.5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。2.3 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图2.6图2.6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：无活动触点、可靠度高、寿命长；分辨率高；灵敏度高；线性度高、重复性好；测量范围宽(测量范围大时分辨率低)；无输入时有零位输出电压，引起测量误差；对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高；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 这种传感器的气隙随被测量的变化而改变,从而改变磁阻。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。一般取在0.10.5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。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。图2.72.4 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2.8 (a)并联图；压电传感器也可以等效为一个电荷源与一个电容相串联的电压源，如下图2.8 (b)串联图图2.8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)图2.9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：图 2.10压电式玻璃破碎报警器：图 2.112.5 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：图2.12霍尔元件的主要性能参数：2.5.1 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2.5.2 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2.5.3 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。2.5.4 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2.5.5 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。图2.13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。第三章 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。3.1 传感器在工业机器人中的应用工业机器人的准确操作取决于对其自身状态、操作对象及作业环境的准确认识，这种准确认识均通过传感器的感觉功能实现。机器人自身状态信息的获取通过其内部传感器(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。 3.2传感器在机械制造中的应用在机械制造中，传感器技术是实现测试与自动控制的重要环节。在机械制造测试系统中，被作为一次仪表定位，其主要特征是能准确传递和检测出某一形态的信息，并将其转换成另一形态的信息。具体的说，传感器是指那些对被测对象的某一确定的信息有感受与检出功能，并使之按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元件或装置。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。第四章 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。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。4.2.1 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。4.2.2 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。4.2.3 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。4.2.4 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。4.3.1 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。4.3.2 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 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。4.5 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。4.6 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。4.7 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。第五章 传感器技术的现状以及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。5.1 微型化 为了能够与信息时代信息量激增、要求捕获和处理信息的能力日益增强的技术发展趋势保持一致，对于传感器性能指标(包括精确性、可靠性、灵敏性等)的要求越来越严格;与此同时，传感器系统的操作友好性亦被提上了议事日程，因此还要求传感器必须配有标准的输出模式;而传统的大体积弱功能传感器往往很难满足上述要求，所以它们已逐步被各种不同类型的高性能微型传感器所取代;后者主要由硅材料构成，具有体积小、重量轻、反应快、灵敏度高以及成本低等优点。5.1.1 微型传感器研发现状 目前，几乎所有的传感器都在由传统的结构化生产设计向基于计算机辅助设计(CAD)的模拟式工程化设计转变，从而使设计者们能够在较短的时间内设计出低成本、高性能的新型系统，这种设计手段的巨大转变在很大程度上推动着传感器系统以更快的速度向着能够满足科技发展需求的微型化的方向发展。 对于微机电系统(MEMS)的研究工作始于20世纪60年代，其研究范畴涉及材料科学、机械控制、加工与封装工艺、电子技术以及传感器和执行器等多种学科，是一个极具前景的新兴研究领域。MEMS的核心技术是研究微电子与微机械加工与封装技术的巧妙结合，期望能够由此而制造出体积小巧但功能强大的新型系统。经过几十年的发展，尤其最近十多年的研究与发展，MEMS技术已经显示出了巨大的生命力，此项技术的有效采用将信息系统的微型化、智能化、多功能化和可靠性水平提高到了一个新的高度。 在当前技术水平下，微切削加工技术已经可以生产出来具有不同层次的3D微型结构，从而可以生产出体积非常微小的微型传感器敏感元件，象毒气传感器、离子传感器、光电探测器这样的以硅为主要构成材料的传感/探测器都装有极好的敏感元件。目前，这一类元器件已作为微型传感器的主要敏感元件被广泛应用于不同的研究领域中。由计算机辅助设计(CAD)技术和微机电系统(MEMS)技术引发的传感器研发制造已经进入微型化时代。5.1.2 微型传感器应用现状 就当前技术发展现状来看，微型传感器已经对大量不同应用领域，如航空、远距离探测、医疗及工业自动化等领域的信号探测系统产生了深远影响;目前开发并进入实用阶段的微型传感器已可以用来测量各种物理量、化学量和生物量，如位移、速度/加速度、压力、应力、应变、声、光、电、磁、热、PH值、离子浓度及生物分子浓度等。5.2 智能化 智能化传感器(Smart Sensor)是20世纪80年代末出现的另外一种涉及多种学科的新型传感器系统。此类传感器系统一经问世即刻受到科研界的普遍重视，尤其在探测器应用领域，如分布式实时探测、网络探测和多信号探测方面一直颇受欢迎，产生的影响较大。5.2.1 智能化传感器的特点 智能化传感器是指那些装有微处理器的，不但能够执行信息处理和信息存储，而且还能够进行逻辑思考和结论判断的传感器系统。这一类传感器就相当于是微型机与传感器的综合体一样，其主要组成部分包括主传感器、辅助传感器及微型机的硬件设备。如智能化压力传感器，主传感器为压力传感器，用来探测压力参数，辅助传感器通常为温度传感器和环境压力传感器。采用这种技术时可以方便地调节和校正由于温度的变化而导致的测量误差，而环境压力传感器测量工作环境的压力变化并对测定结果进行校正;而硬件系统除了能够对传感器的弱输出信号进行放大、处理和存储外，还执行与计算机之间的通信联络。 通常情况下，一个通用的检测仪器只能用来探测一种物理量，其信号调节是由那些与主探测部件相连接着的模拟电路来完成的;但智能化传感器却能够实现所有的功能，而且其精度更高、价格更便宜、处理质量也更好。与传统的传感器相比，智能化传感器具有以下优： 智能化传感器不但能够对信息进行处理、分析和调节，能够对所测的数值及其误差进行补偿，而且还能够进行逻辑思考和结论判断，能够借助于一览表对非线性信号进行线性化处理，借助于软件滤波器滤波数字信号。此外，还能够利用软件实现非线性补偿或其它更复杂的环境补偿，以改进测量精度。 智能化传感器具有自诊断和自校准功能，可以用来检测工作环境。当工作环境临近其极限条件时，它将发出告警信号，并根据其分析器的输入信号给出相关的诊断信息。当智能化传感器由于某些内部故障而不能正常工作时，它能够借助其内部检测链路找出异常现象或出了故障的部件。 (3) 智能化传感器能够完成多传感器多参数混合测量，从而进一步拓宽了其探测与应用领域，而微处理器的介入使得智能化传感器能够更加方便地对多种信号进行实时处理。此外，其灵活的配置功能既能够使相同类型的传感器实现最佳的工作性能，也能够使它们适合于各不相同的工作环境。 (4) 智能化传感器既能够很方便地实时处理所探测到的大量数据，也可以根据需要将它们存储起来。存储大量信息的目的主要是以备事后查询，这一类信息包括设备的历史信息以及有关探测分析结果的索引等; (5) 智能化传感器备有一个数字式通信接口，通过此接口可以直接与其所属计算机进行通信联络和交换信息。此外，智能化传感器的信息管理程序也非常简单方便，譬如，可以对探测系统进行远距离控制或者在锁定方式下工作，也可以将所测的数据发送给远程用户等。5.2.2 智能化传感器的发展与应用现状 目前，智能化传感器技术正处于蓬勃发展时期，具有代表意义的典型产品是美国霍尼韦尔公司的ST-3000系列智能变送器和德国斯特曼公司的二维加速度传感器，以及另外一些含有微处理器(MCU)的单片集成压力传感器、具有多维检测能力的智能传感器和固体图像传感器(SSIS)等。与此同时，基于模糊理论的新型智能传感器和神经网络技术在智能化传感器系统的研究和发展中的重要作用也日益受到了相关研究人员的极大重视。 需要特别指出的一点是:目前的智能化传感器系统本身尽管全都是数字式的，但其通信协议却仍需借助于420 mA的标准模拟信号来实现。一些国际性标准化研究机构目前正在积极研究推出相关的通用现场总线数字信号传输标准;不过，在眼下过渡阶段仍大多采用远距离总线寻址传感器(HART)协议，即Highway Addressable Remote Transducer。这是一种适用于智能化传感器的通信协议，与目前使用420mA模拟信号的系统完全兼容，模拟信号和数字信号可以同时进行通信，从而使不同生产厂家的产品具有通用性。 目前，智能化传感器多用于压力、力、振动冲击加速度、流量、温湿度的测量，如美国霍尼韦尔公司的ST3000系列全智能变送器和德国斯特曼公司的二维加速度传感器就属于这一类传感器。另外，智能化传感器在空间技术研究领域亦有比较成功的应用实例。 在今后的发展中，智能化传感器无疑将会进一步扩展到化学、电磁、光学和核物理等研究领域。可以预见，新兴的智能化传感器将会在关系到全人类国民生的各个领域发挥越来越大作用。5.3 多功能传感器 如前所述，通常情况下一个传感器只能用来探测一种物理量，但在许多应用领域中，为了能够完美而准确地反映客观事物和环境，往往需要同时测量大量的物理量。由若干种敏感元件组成的多功能传感器则是一种体积小巧而多种功能兼备的新一代探测系统，它可以借助于敏感元件中不同的物理结构或化学物质及其各不相同的表征方式，用单独一个传感器系统来同时实现多种传感器的功能。随着传感器技术和微机技术的飞速发展，目前已经可以生产出来将若干种敏感元件综装在同一种材料或单独一块芯片上的一体化多功能传感器。5.3.1 多功能传感器的执行规则和结构模式 概括来讲，多功能传感器系统主要的执行规则和结构模式包括: (1) 多功能传感器系统由若干种各不相同的敏感元件组成，可以用来同时测量多种参数。譬如，可以将一个温度探测器和一个湿度探测器配置在一起(即将热敏元件和湿敏元件分别配置在同一个传感器承载体上)制造成一种新的传感器，这样，这种新的传感器就能够同时测量温度和湿度。 (2) 将若干种不同的敏感元件精巧地制作在单独的一块硅片中，从而构成一种高度综合化和小型化的多功能传感器。由于这些敏感元件是被综装在同一块硅片中的，它们无论何时都工作在同一种条件下，所以很容易对系统误差进行补偿和校正。 (3) 借助于同一个传感器的不同效应可以获得不同的信息。以线圈为例，它所表现出来的电容和电感是各不相同的。 (4) 在不同的激励条件下，同一个敏感元件将表现出来不同的特征。而在电压、电流或温度等激励条件均不相同的情况下，由若干种敏感元件组成的一个多功能传感器的特征可想而知将会是多么的千差万别！有时候简直就相当于是若干个不同的传感器一样，其多功能特征可谓名副其实。5.3.2 多功能传感器的研制与应用现状 多功能传感器无疑是当前传感器技术发展中一个全新的研究方向，日前有许多学者正在积极从事于该领域的研究工作。如将某些类型的传感器进行适当组合而使之成为新的传感器，如用来测量流体压力和互异压力的组合传感器。又如，为了能够以较高的灵敏度和较小的粒度同时探测多种信号，微型数字式三端口传感器可以同时采用热敏元件、光敏元件和磁敏元件;这种组配方式的传感器不但能够输出模拟信号，而且还能够输出频率信号和数字信号。 从目前的发展现状来看，最热门的研究领域也许是各种类型的仿生传感器了，而且在感触、刺激以及视听辨别等方面已有最新研究成果问世。从实用的角度考虑，多功能传感器中应用较