传感器的应用doc

1、河北工业职业技术学院专业技术报告报告题目：传感器在机电一体化系统中的应用 系 别 机电工程系专业年级 10机电一班学生姓名 赵志洲 学号 33指导教师 刘秋成 职称 高级工程师日 期 2013年 5月 目录摘要3 、传感器在机电一体化技术中的重要地位4二、 传感器技术概述4（一）、 传感器的构成与基本原理4（二）、 传感器的分类4（三）常用传感器的结构特点、及用途.5三、 传感器在机电一体化系统中的应用7（一）、 机械加工过程的传感检测技术7（二）、汽车自动控制系统中的传感技术8三）、机器人用传感器8四、我国传感器技术发展的若干问题及发展方向9.参考文献10 传感器在机电一体化系统中的应用 班

2、级：10机电一班、姓名：赵志洲 学号：33 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

3、之一。关键词：传感器 ， 机电一体化系统， 应用一、传感器在机电一体化技术中的重要地位机电一体化的特征是使机械系统具有完善的信息采集和处理功能，以此来取代人对机域的绝大部分控制功能。操作机器的人用五官获取相应的信息，因此机电一体化系统应具有替代以至延伸人类五官的器件。这一替代的器件称为“传感器”，其核心变换部件称为“敏感元件”。传感器的俗称为“探头”。传感器是机电一体化系统获取外部信息的触角。传感器是采集控制系统及环境的信息并进行变换，供控制系统进行分析、判断和决策。传感器是机械闭环控制系统的重要环节，对系统性能的好坏起着至关重要的作用。当今控制系统的“大脑”微型电子计算机的功能日益强大，但要

4、发挥其功效，必须有灵敏、可靠和分辨力高的传感器与之配合。如果传感器误差很大，微型电子计算机再精确也不可能构成一个精良的机械测控系统，这好比：聪明的大脑，迟钝的五官“之情形。就目前的水平而言，以微型计算机为核心的控制技术已经获得长足的发展，相比之下传感器技术的发展水平还不尽人意。一些性能先进的机械测控系统往往因传感器的失效而失效，特别是在矿山井下恶劣环境下工作的系统，问题尤为突出。机电一体化系统要进一步提高和完善性能，传感器技术是“瓶颈”问题之一。二、 传感器技术概述传感器是能感受规定的被测量并按一定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、作业环境状态，为有

5、效控制机电一体化系统的运作提供必须的相关信息。随着人类探知领域和空间的拓展，电子信息种类日益繁多，信息传递速度日益加快，信息处理能力日益增强，相应的信息采集传感技术也将日益发展，传感器也将无所不在。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。（一）、 传感器的构成与基本原理传感器中从输入量到输出量的转换过程，可能经过一次变换，但大多经过一个或一个以上中间量的变换，再由中间量转换成最终形式。一般的传感器构成如图1所示。其中敏感元件是指传感器中能直接感受

6、或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中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。敏感元件转换元件接口电路辅助电源电信号非电物理量图1传感器的构成（二）、 传感器的分类传感器有多种分类方法。按被测物理量的不同，可分为位移传感器、力传感器、温度传感器、压力传感器等；按传感器的工作原理的不同，可分为电学式传感器、磁学式传感器、光电式传感器、半导体型传感器等；按信号变换特征也可概括分为物性型传感器与结构型传感器；根据敏感元件与被测对象之间的能量关系，也可分为能量转换型传感器与能量控制型传感器；按输出信号分类，可分为模拟式传感器和数字式传感器等。他们被广泛的应用于机电一体化中，是

7、机电一体化应用领域中不可或缺的元素。（三）、常用传感器的结构特点、及用途.随着材料科学的发展，物理型传感器将发挥越来越重要的作用。电阻应变式、电感式、电容式、压电式传感器是测量工作中使用最多的传感器，他们的工作原理简单，测量转化电路也基本固定，应用技术比较成熟，下面就此几种常用的传感器进行一下分析，首先我们必须了解他们的结构、特点以及在生活中的用途。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

8、：使用简单、精度高、范围大、体积小。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

9、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。3、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。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

10、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、压电式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

11、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、热电偶传感器等等三、

12、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：（一）、 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

13、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

14、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。（二）、汽车自动控制系统中的传感技术随着传感器技术和其它新技术的应用，现代化汽车工业进入了全新时期。汽车的机电一体化要求用自动控制系统取代纯机械式控制部件，这不仅

15、体现在发动机上，为更全面地改善汽车性能，增加人性化服务功能，降低油耗，减少排气污染，提高行驶安全性、可靠性、操作方便和舒适性，先进的检测和控制技术已扩大到汽车全身。在其所有重点控制系统中，必不可少地使用曲轴位置传感器、吸气及冷却水温度传感器、压力传感器、气敏传感器等各种传感器。（三）、机器人用传感器机器人传感技术是20世纪70年代发展起来的,是一类专门用于机器人技术的新型传感器,与普通传感器的工作原理基本相同,但又有其特殊性,对传感信息种类和智能化处理的要求更高,包括机器人触觉传感器、机器人接近觉传感器、机器人视觉传感器、机器人嗅觉传感器、机器人味觉传感器、机器人听觉传感器等。之所以能够准确操

16、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。机器人传感器可分为内部检测传感器和外部检测传感器两大类。内部检测传感器是以机器人本身的坐标轴来确定其位置，它安装在机器人自身中用来感知机器人自己的状态，以调整和控制机器人的行动。它通常由位置、加速度、速度及压力传感器组成。外部检测传感器用于机器人对周围环境、目标物的状态特征获取信息，使机器人和环境能发生交互作用，从而使机器人对环境有自我校正和自适应能力。图1列出了这些传感器的分类和功用。图1 机器人用外界检测传感器的分类传感器检测内容检测器件应用触觉接触把握力荷重分布压力多元力力矩滑动限制开关应变计、半导体感压元件弹簧变位

17、测量计导电橡胶、感压高分子材料应变计、半导体感压元件压阻元件、马达电流计光学旋转检测器、光纤动作顺序控制把握力控制张力控制、指压力控制姿势、形状判别装配力控制协调控制滑动判定、力控制接近觉接近间隔倾斜光电开关、LED、激光、红外光敏晶体管、光敏二极管电磁线圈、超声波传感器动作顺序控制障碍物躲避轨迹移动控制、探索视觉平面位置距离形状缺陷ITV摄像机、位置传感器测距器线图像传感器面图像传感器位置决定、控制移动控制物体识别、判别检查、异常检测听觉声音超声波麦克风超声波传感器语言控制（人机接口）移动控制嗅觉气体成分气体传感器、射线传感器化学成分探测味觉味道离子传感器、pH计化学成分探测机器人的触觉，实

18、际上是人的触觉的某些模仿。它是有关机器人和对象物之间直接接触的感觉，包括的内容较多，通常指以下几种；触觉：手指与被测物是否接触，接触图形的检测。压觉：垂直于机器人和对象物接触面上的力传感器。力觉：机器人动作时各自由度的力感觉。滑觉：物体向着垂直于手指把握面的方向移动或变形。四、我国传感器技术发展的若干问题及发展方向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的工作。我国传感器的研究主要集中在专业研究所和大学，始于20世纪80年代，与国外先进技术相比，我们还有较大差距，主要表现在：（1）先进的计算、模拟和设计方法；（2）先进的微机械加工技术与设备；（3）先进的封装技术与设备；（4）可靠性技术研究等方面。因此，必须加强技术研究和引进先进设备，以提高整体