传感器在机电一体化系统中的应用及发展.doc

XX学院毕业设计论文作者 学号 系部 机电学院 专业 机电一体化 题目 传感器在机电一体化系统中的应用和发展 指导教师 评阅教师 完成时间： 2013 年 4 月 日 毕业设计（论文）中文摘要题目：传感器在机电一体化系统中的应用及发展摘要：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。本文简述了传感器在机电一体化系统中的作用及其地位，也讲述了在机电一体化中常见的传感器类型、特点、结构及用途等，还介绍了在机电一体化中传感器的选择指标以及传感器在以后的发展情况。关键词：传感器，机电一体化，应用，发展 毕业设计(论文)外文摘要TITLE:THE SENSOR TECHNOLOGY APPLICATION IN MECHATRONICS SYSTEM AND ITS DEVELOPMENTABSTRACT：In mechatronics system, where the sensor system, the role of the equivalent system feeling Organs, can quickly and accurately to obtain information and can withstand harsh environment test, is electromechanical integration system reaches To a high level of assurance. Such as lack of these sensors on the system state and accurate and reliable information to be automatic Testing, the systems information processing, control decision-making functions cannot talk about and realization. This article summarizes the sensor Research situation and development, discusses the sensors in the electromechanical integration system, and analyzes the application of sensor Implement technology development certain problems and development direction.This paper briefly describes the sensor in mechanical and electrical integration of system function and position, also tells the story of common type of sensor in mechanical and electrical integration, characteristics, structure and usage and so on, also introduced the sensor selection indicator and sensor in mechanical and electrical integration in the later development direction and future development prospects. KEY WORDS:sensor technology，Mechatronics，application， development目录1 引言62 机电一体化系统的概念73 传感器在机电一体化系统中的作用及地位94 机电一体化系统中常用传感器的类型、特点、结构及用途104.1 电阻应变式传感器104.2 电感式传感器114.3 电容式传感器114.4 压电式传感器125 如何为机电一体化系统选择传感器145.1 传感器类型145.2 灵敏度145.3 频率响应特性145.4 线性范围155.5 可靠性与稳定性155.6 精度155.7 工作方式155.8 其它166 霍尔式传感器的结构、表现形式及应用176.1 工作原理176.2 集成霍尔传感器176.3 霍尔传感器的应用187 机电一体化系统中常用传感器的发展20结论21致谢22参考文献231 引言从20世纪80年代起，在世界范围内逐步掀起一股“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。2 机电一体化系统的概念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。图1形地表达了机电一体化与机械学、电子学和信息科学之间的相互关系；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。随着机电一体化技术的发展，以计算机技术、通信技术和控制技术为特征的信息技术（即所谓的“3C”技术：Computer、Communication和 Control Technology）“渗透”到机械技术中，丰富了机电一体化的含义，现代的机电一体化不仅仅指机械、电子与信息技术的结合，还包括光（光学）机电一体化、机电气（气压）一体化、机电液（液压）一体化、机电仪（仪器仪表）一体化等；最后，机电一体化表达了技术之间相互结合的学术思想，强调各种技术在机电产品中的相互协调，以达到系统总体最优。因此，机电一体化是多种技术学科有机结合的产物，而不是它们的简单叠加。3 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。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: 机器人用传感器、 机械加工过程的传感检测技术（机床运行过程的传感技术、工件的过程传感、具,砂轮的检测传感）。4 机电一体化系统中常用传感器的类型、特点、结构及用途 传感器可以从不同角度进行分类。（1）按被测量的属性分：位移、速度、加速器、力、压力、流量、温度等传感器。（2）按传感器的工作原理分：电阻式、电感式、电容式、压电式、磁电式、激光式、光电式等传感器。（3）按信号转换特征分：结构型传感器、物性型传感器。结构型传感器是被测量的变化转换成敏感元件结构参数的变化而工作的（如电容、电感传感器等），物性型传感器则是利用敏感元件材料的物理性质的某一特点而工作的（如压电、磁电、光电传感器等）。 （4）按传感器输出参量的状态分:模拟传感器、数字传感器。（5）按工作时是否需要外部能源分：参量型传感器、发典型传感器。参量型传感器（也称为无源传感器、能量控制型传感器）必须借助与外加能源才能产生输出信号（如电容、电感传感器等），发电型传感器（也称为有源传感器、能量转换型传感器）则在感受被测量时自身产生具有能量的信号（如压电、磁电传感器等）。不同类型的传感器的特点、用途有所不同，下面就几种常见的传感器进行一下分析：4.1 电阻应变式传感器电阻应式变传感器具有悠久的历史，是应用最广泛的传感器之一。电阻应变式传感式是利用电阻应变片将应变为电阻变化的传感器。应变式传感器特征：不同材料类型：金属应变片、半导体应变片应变范围：应变力、压力、转矩、位移、加速度。主要优点：使用简单、精度高、范围大、体积小。4.2 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。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。4.3 电容式传感器电容式传感器是把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。 其最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器。电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类。极距变化型一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化。面积变化型一般用于测量角位移或较大的线位移。介质变化型常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。电容器传感器的优点是结构简单,价格便宜，灵敏度高,过载能力强，动态响应特性好和对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强等。缺点是输出有非线性，寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大，以及联接电路较复杂等。70年代末以来,随着集成电路技术的发展,出现了与微型测量仪表封装在一起的电容式传感器。这种新型的传感器能使分布电容的影响大为减小，使其固有的缺点得到克服。电容式传感器是一种用途极广，很有发展潜力的传感器。4.4 压电式传感器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(见压电式压力传感器、加速度计)。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。传感器在生活中应用很广泛，不只是以上几种传感器在生活中有应用，还有很多很多，例如：霍尔式传感器、热电偶传感器等等。5 如何为机电一体化系统选择传感器选择传感器主要考虑传感器的类型、灵敏度、频率响应特性、线性范围、可靠性与稳定性、精度、工作方式等几个方面的因素。5.1 传感器类型为实现对某一参数的测试，可供选用的传感器类型可能会有很多。不同类型的传感器在原理、测量方式、信号输出方式、精度、动态特性等诸多方面有着很大的差异。例如，测试机床主轴的振动时，可以选用电容式位移传感器，而用电感式位移传感器则无法满足要求。 5.2 灵敏度 一般来说，传感器的灵敏度越高越好，因为灵敏度高的传感器所能感受的最小被测参数变化小，当被测参数发生变化时，传感器将会产生较大的输出变化。但应注意灵敏度越高，外部干扰、噪声越容易混入。（1）一般来说，灵敏度越高测量（线性）范围越小。（2）如果被测参数为二维或三维向量，则各测量方向上的单向灵敏度越高越好、交叉灵敏度越低越好。5.3 频率响应特性在被测参数的频带内，所选传感器应能实现近似的不失真测试；与幅频特性对应的灵敏度应尽可能高些，与相频特性对应的响应时间越短越好。物性型传感器的频响特性比结构型传感器要好；非接触式传感器的频响特性比接触式传感器要好。 5.4 线性范围任何传感器都有一定线性工作范围。在线性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证测试精度的基本条件。 线性范围一般与灵敏度相互矛盾。5.5 可靠性与稳定性可靠性是指仪器、装置及其它产品在规定的条件下、规定的时间内实现指定功能的能力。传感器的可靠性主要取决于设计、制造及使用时的工作环境条件等因素，特别是受后者的影响很大。稳定性指的是测试装置在长时间工作后或工作条件发生变化后保持其性能不变的能力。稳定性主要有时间稳定性和温度稳定性。稳定性是传感器可靠工作的条件和保证。5.6 精度传感器的精度表示其输出与输入的被测量值的一致程度。传感器是测试系统最前沿的环节，其输出能否真实准确地反映输入的被测量值，将直接影响整个系统的使用性能。选用传感器时，要综合考虑精度的使用要求与经济性。一般在满足精度使用要求的前提下，尽可能选用价廉的传感器。5.7 工作方式包括：（1）接触测量与非接触测量（2）破坏性检验与非破坏性检验（3）在线测试与非在线测试5.8 其它选用传感器时还要兼顾结构简单、体积小、重量轻、价格便宜、易于维护等因素。6 霍尔式传感器的结构、表现形式及应用霍尔式传感器是一种磁电转换元件，它利用某些半导体材料所具有的霍尔效应来实现某些参数的测量。6.1 工作原理霍尔效应将一金属或半导体薄片置于磁场中并在相对的两个控制电极之间通入电流时，由于运动的电子在磁场中受到洛伦兹力的作用而在另两个电极的位置产生电子堆积，从而在这两个电极上形成电动势 ，称为霍尔电势，上述现象就称为霍尔效应。霍尔电势为霍尔元件霍尔传感器的核心是霍尔元件。霍尔元件常用的半导体材料是N型硅，其他还有锑化铟（1nSb）、砷化铟（1nas）、砷化镓（GaAs）等。图1：霍尔效应与霍尔元件6.2 集成霍尔传感器（1）线性集成霍尔传感器图2：线性集成霍尔感器a) 单端输出 b) 差动输出（2）开关型集成霍尔传感器图3：开关型集成霍尔传感器6.3 霍尔传感器的应用（1）能转换为磁感应强度变化的参量的测量（如位移、转速、加速度、压力等）（2）能转换为电流变化的参量的测量（3）用作乘法器（电功率测量中的电流与电压的相乘等）图4： 霍尔传感器的几种应用a) 线位移测量b) 角位移测量c) 信号相乘运算d) 零件计数e) 转速测量 f) 压力测量7 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。新型传感器，大致应包括：采用新原理；填补传感器空白；仿生传感器等诸方面。传感器的工作机理是基于各种效应和定律，由此启发人们进一步探索具有新效应的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型传感器件，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。结构型传感器发展得较早，目前日趋成熟。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。 一些动物的感官功能，超过了当今传感器技术所能实现的范围。研究它们