畢業(yè)論文---傳感器在機電一體化中的應用

1、<p><b>　　畢 業(yè) 論 文</b></p><p>　　題 目： 傳感器在機電一體化中的應用 </p><p>　　系 部： 測控與機電工程系</p><p>　　專 業(yè)： 機電一體化</p><p>　　班 級： 機電09-2班</p><p&g

2、t;　　學 號： 092032044</p><p><b>　　學生姓名： </b></p><p><b>　　指導教師： </b></p><p>　　完成日期： 2011.12.23——2012.2.27</p><p><b>　　內蒙古化工職業(yè)學院</b

3、></p><p>　　畢業(yè)設計(論文、專題實驗)任務書</p><p>　　畢業(yè)設計(論文、專題實驗)更換選題申請單</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　在機電一體化系統中，傳感器處系統之首，其作用相當于系統感受器官，能快速、精確地獲取信息并能經受嚴酷環(huán)境考驗，是機電一體化系統達

4、到高水平的保證。如缺少這些傳感器對系統狀態(tài)和對信息精確而可靠的自動檢測，系統的信息處理、控制決策等功能就無法談及和實現。文章概述傳感器研究現狀與發(fā)展，探討傳感器在機電一體化系統中的應用，并分析傳感器技術發(fā)展的若干問題及發(fā)展方向。</p><p>　　關鍵詞：傳感器技術，機電一體化，應用</p><p><b>　　Abstract</b></p><

5、;p>　　In 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 a

6、nd 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 d

7、ecision-making function cannot be talked about. The article provides</p><p>　　Key words：sensor technology、electromechanical integration、application.</p><p><b>　　目 錄</b></p>

8、<p>　　緒 論 ........................................................................................................................ 1</p><p>　　第一章 傳感器的基本知識 .............................................

9、......................................... 2</p><p>　　1.1 傳感器的分類及特性 ....................................................................................... 2</p><p>　　1.2 常用傳感器的類型及特點 ............

10、.................................................................... 2</p><p>　　第二章 常用傳感器的類型、特點、結構及用途 .................................................. 5</p><p>　　2.1 電阻式傳感器 ...................

11、............................................................................... 5</p><p>　　2.2 電容式傳感器 .................................................................................................. 7</

12、p><p>　　2.3 電感式傳感器 .................................................................................................. 8</p><p>　　2.4 壓電式傳感器 .........................................................

13、........................................ 9</p><p>　　2.5 霍爾式傳感器 ................................................................................................ 11</p><p>　　第三章 傳感器在機電一體化系統中的應用 ..

14、....................................................... 13</p><p>　　3.1 傳感器在工業(yè)機器人中的應用 ....................................................................... 13</p><p>　　3.2 傳感器在機械制造中的應用 .......

15、.................................................................... 13</p><p>　　第四章 機電一體化系統中傳感器的選擇 ............................................................ 14</p><p>　　4.1 數控機床對傳感器的要求 .....

16、......................................................................... 14</p><p>　　4.2 位移的檢測 ................................................................................................... 14</p>

17、;<p>　　4.3 位置的檢測 ................................................................................................... 15</p><p>　　4.4 速度的檢測 .............................................................

18、...................................... 16</p><p>　　4.5 壓力的檢測 ................................................................................................... 16</p><p>　　4.6 溫度的檢測 ...........

19、........................................................................................ 16</p><p>　　4.7 刀具磨損的監(jiān)控 ............................................................................................ 1

20、7</p><p>　　第五章 傳感器技術的現狀以及發(fā)展趨勢 ............................................................ 18</p><p>　　5.1 微型化 ...................................................................................

21、........................ 18</p><p>　　5.2 智能化 ........................................................................................................... 19</p><p>　　5.3 多功能傳感器 ..................

22、............................................................................. 21</p><p>　　5.4 無線網絡化 ................................................................................................... 23 <

23、/p><p>　　5.5 新材料開發(fā) ................................................................................................... 24</p><p>　　參考文獻 .............................................................

24、...................................................... 26</p><p>　　附 錄......................................................................................................................... 27致 謝 .......

25、................................................................................................................ 28</p><p><b>　　緒 論</b></p><p>　　對于傳感器的研究始于本世紀30年代。當今，在世界范圍內掀起一股“傳感

26、器熱”，各先進工業(yè)國都極為重視傳感技術和傳感器研究、開發(fā)和生產。傳感技術已成為重要的現代科技領域，傳感器及其系統生產已成為重要的新興行業(yè)。</p><p>　　傳感器技術是一項當今世界令人矚目的迅猛發(fā)展起來的高新技術之一，也是當代科學技術發(fā)展的一個重要標志，它與通信技術、計算機技術構成信息產業(yè)的三大支柱。如果說計算機是人類大腦的擴展,那么傳感器就是人類五官的延伸，當集成電路、計算機技術飛速發(fā)展時，人們才逐步認識信

27、息攝取裝置——傳感器沒有跟上信息技術的發(fā)展而驚呼“大腦發(fā)達、五官不靈”。 </p><p>　　傳感器技術是測量技術、半導體技術、計算機技術、信息處理技術、微電子學、光學、聲學、精密機械、仿生學、材料科學等眾多學科相互交叉的綜合性高新技術密集型前沿技術之一。如今它已經滲透到生產和生活的各個領域，從尖端武器裝備、航空航天技術，到機械設備、工業(yè)過程控制、交通運輸、紡織印刷、家用電器、醫(yī)療衛(wèi)生、辦公設備及環(huán)境保護等領域

28、，均得到廣泛應用，在機電一體化技術革命中正在發(fā)揮重要作用。</p><p><b>　　傳感器的基本知識</b></p><p>　　從20世紀80年代起，逐步在世界范圍內掀起一股“傳感器熱”，各先進工業(yè)國都極為重視傳感技術和傳感器研究、開發(fā)和生產。傳感技術已成為重要的現代科技領域，傳感器及其系統生產已成為重要的新興行業(yè)，文章概述傳感器研究現狀與發(fā)展，探討傳感器在機電

29、一體化系統中的應用，并分析我國傳感器技術發(fā)展的若干問題及發(fā)展方向。</p><p>　　1.1 傳感器的分類及特性</p><p>　　傳感器一般由敏感元件，轉換元件及基本轉換電路三部分組成。①傳感器按其測量對象可分為檢測機電一體化系統內部狀態(tài)的內部信息傳感器及系統外部環(huán)境狀態(tài)的外部信息傳感器。②傳感器按控工作機理可分制電動機可以分為物理型和結構型。③傳感器按能量源分類可分為無源型和有源型

30、。④按輸出信號的性質可將傳感器分為開關型，模擬型和數字型。</p><p>　　傳感器的特性主要是指輸出與輸入之間的關系，有靜態(tài)特性和動態(tài)特性之分。傳感器的靜態(tài)特性；當傳感器的輸入量為常量或隨時間作緩慢變化時，傳感器的輸出與輸入之間的關系稱為靜態(tài)特性。傳感器的動態(tài)特性；傳感器的輸出量對于隨時間變化的輸入量的響應特性稱為傳感器的動態(tài)特性。</p><p>　　1.2 常用傳感器的類型及特點&

31、lt;/p><p>　　1.2.1 電阻式傳感器</p><p>　　電阻式傳感器就是利用一定的方式將被測量的變化轉化為敏感元件電阻值的變化，進而通過電路變成電壓或電流信號輸出的一類傳感器?？捎糜诟鞣N機械量和熱工量的檢測，這類傳感器結構簡單，尺寸小，性能穩(wěn)定，受環(huán)境影響小，不需放大?；€變阻器式傳感器精度可達0.1％。</p><p>　　目前，常用的電阻傳感器主要有電

32、阻應變片、熱電阻、光敏電阻、氣敏電阻和濕敏電阻等幾大類。</p><p>　　1.2.2 電容式傳感器</p><p>　　電容式壓力傳感器是一種利用電容敏感元件將被測壓力轉換成與之成一定關系的電量輸出的壓力傳感器。它一般采用圓形金屬薄膜或鍍金屬薄膜作為電容器的一個電極，當薄膜感受壓力而變形時，薄膜與固定電極之間形成的電容量發(fā)生變化，通過測量電路即可輸出與電壓成一定關系的電信號。電容式壓力

33、傳感器屬于極距變化型電容式傳感器，可分為單電容式壓力傳感器和差動電容式壓力傳感器，這種傳感器溫度穩(wěn)定性好，結構簡單，動態(tài)響應好，可進行非接觸測量，然而，輸入阻抗高，負載能力差。電容式傳感器精度可達0.01％。</p><p>　　1.2.3 電感式傳感器</p><p>　　利用利用電磁感應原理將被測非電量（如位移、壓力、流量、振動等）轉換成線圈自感系數L或互感系數M的變化，再由測量電路轉

34、換為電壓或電流的變化量輸出。</p><p>　　磁路的總磁阻可表示為：</p><p><b>　?。ü?）</b></p><p>　　近似計算出線圈的電感量為：</p><p><b>　?。ü?）</b></p><p>　　圖1.1 變氣隙式自感傳感器結構<

35、;/p><p>　　電感式傳感器無活動觸點、可靠度高、壽命長；分辨率高；靈敏度高；線性度高、重復性好；測量范圍寬(測量范圍大時分辨率低)；無輸入時有零位輸出電壓，引起測量誤差；對激勵電源的頻率和幅值穩(wěn)定性要求較高；不適用于高頻動態(tài)測量。</p><p>　　1.2.4 壓電式傳感器</p><p>　　基于壓電效應的傳感器。是一種自發(fā)電式和機電轉換式傳感器。它的敏感元件

36、由壓電材料制成。壓電材料受力后表面產生電荷。此電荷經電荷放大器和測量電路放大和變換阻抗后就成為正比于所受外力的電量輸出。壓電式傳感器用于測量力和能變換為力的非電物理量，如壓力、加速度等。它的優(yōu)點是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結構簡單、工作可靠和重量輕等。缺點是某些壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應差，需要采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來克服這一缺陷。配套儀表和低噪聲、小電容、高絕緣電阻電纜的出現，使壓電傳感器的使用更為方便。它廣泛

37、應用于工程力學、生物醫(yī)學、電聲學等技術領域。</p><p>　　1.2.5 霍爾傳感器</p><p>　　霍爾傳感器是一種基于霍爾效應的磁電傳感器，由于半導體比金屬有高得多的霍爾系數，故用半導體制成的霍爾傳感器具有對磁場敏感度高、結構簡單、使用方便等特點。不僅用于測量電流、電壓、功率和磁感應強度等電磁參數，在非電量測量技術中還廣泛用于測量直線位移、角位移與壓力等非電量。霍爾傳感器是一種

38、很好的檢測控制元件，當控制電流不變時，霍爾輸出的電壓與磁場大小成正比，可用來測定傳感器周圍的磁場。當磁場強度固定時，則可測量霍爾片的電流、電壓等電參。利用霍爾電動勢來控制電流與磁場大小的乘積則可制成各種運算器。對非電量測量則是通過改變霍爾片在磁場中的位置來改變參量α，從而改變輸出霍爾電動勢來測量位移、壓力、加速度等。</p><p>　　在靜止狀態(tài)下，具有感受磁場的獨特能力，并且具有結構簡單、體積小、噪聲小、頻率

39、范圍寬(從直流到微波)、動態(tài)范圍大(輸出電勢變化范圍可達1000:1)、壽命長等特點。</p><p>　　1.2.6 電化學式傳感器    電化學式傳感器是以離子導電為基礎制成，根據其電特性的形成不同，電化學傳感器可分為電位式傳感器、電導式傳感器、電量式傳感器、極譜式傳感器和電解式傳感器等。電化學式傳感器主要用于分析氣體、液體或溶于液體的固體成分、液體的酸堿度、電導率及氧化還原電

40、位等參數的測量。   另外，根據傳感器對信號的檢測轉換過程，傳感器可劃分為直接轉換型傳感器和間接轉換型傳感器兩大類。前者是把輸入給傳感器的非電量一次性的變換為電信號輸出，如光敏電阻受到光照射時，電阻值會發(fā)生變化，直接把光信號轉換成電信號輸出；后者則要把輸入給傳感器的非電量先轉換成另外一種非電量，然后再轉換成電信號輸出，如采用彈簧管敏感元件制成的壓力傳感器就屬于這一類，當有壓力作用到彈簧管時，彈簧管產生形變，傳感器再

41、把變形量轉換為電信號輸出。 </p><p>　　第二章 常用傳感器的類型、特點、結構及用途</p><p>　　傳感器已廣泛應用于航天、航空、國防科研、信息產業(yè)、機械、電力、能源、交通、冶金、石油、建筑、郵電、生物、醫(yī)學、環(huán)保、材料、災害預測預防、農林、漁業(yè)生產、食品、煙酒制造、機器人、家電等諸多領域,可以說幾乎滲透到每個領域。下面，我就幾類基本類型的傳感器做些介紹：</p>

42、<p>　　2.1 電阻式傳感器</p><p>　　電阻式傳感器是把被測量轉換為電阻變化的一種傳感器.按工作的原理可分為：變阻器式、電阻應變式、熱敏式、光敏式、電敏式。</p><p>　　2.1.1 變阻器式傳感器</p><p>　　變阻器式傳感器的等效電路如圖2.1：</p><p><b>　　圖2.1<

43、;/b></p><p>　　如果電阻絲的直徑和材料確定，單位位移的電阻值為一常數，傳感器的輸出與輸入成線性關系。</p><p>　　變阻式傳感器又稱為電位器式傳感器。它們是由電阻元件及電刷(活動觸點)兩個基本部分組成。電刷相對于電阻元件的運動可以是直線運動、轉動和螺旋運動，因而可以將直線位移或角位移轉換為與其成一定函數關系的電阻或電壓輸出。</p><p>

44、;　　這類傳感器結構簡單，尺寸小，性能穩(wěn)定。受環(huán)境影響小。不需放大?；€變阻器式傳感器精度可達0.1％。</p><p>　　在生活中，應用實例諸多，如重量的自動檢測--配料設備、煤氣包儲量檢測等。</p><p>　　2.1.2 電阻應變式傳感器</p><p>　　電阻應變式傳感器由彈性敏感元件、電阻應變計、補償電阻和外殼組成，可</p><

45、p>　　根據具體測量要求設計成多種結構形式。彈性敏感元件受到所測量的力而產生變形，并使附著其上的電阻應變計一起變形。電阻應變計再將變形轉換為電阻值的變化，從而可以測量力、壓力、扭矩、位移、加速度和溫度等多種物理量。</p><p>　　金屬應變片的電阻相對變化為 ， 稱為金屬電阻絲的軸向應變，簡稱縱向應變。稱為電阻絲的徑向應變，簡稱橫向應變。當電阻絲沿橫向伸長時，兩者之間的關系為，其中為電阻絲材料的泊桑比，

46、，則，金屬電阻材料的很小，即其壓阻效應很弱，這樣上式可簡化為，其靈敏度為。為了將電阻應變式傳感器的電阻變化轉換成電壓或電流信號，在應用中一般采用電橋電路作為其測量電路。電橋電路具有結構簡單、靈敏度高、測量范圍寬、線性度好且易實現溫度補償等優(yōu)點。能較好地滿足各種應變測量要求，因此在應變測量中得到了廣泛的應用。</p><p>　　電橋電路按輔助電源分有直流電橋和交流電橋，由于直流電橋的輸出信號在進一步放大時易產生零

47、漂，故交流電橋的應用更為廣泛。直流電橋只用于較大應變的測量，交流電橋可用于各種應變的測量。</p><p>　　電橋電路按其工作方式分有單臂、雙臂和全橋三種 圖2.2。</p><p>　　半橋單臂 b)半橋雙臂 c)全橋</p><p>　　圖2.2 直流電橋的連接方式</p><p>

48、　　金屬應變片的穩(wěn)定性和溫度特性好，但其靈敏度??；而半導體應變片應變靈敏度大;體積小;能制成具有一定應變電阻的元件，但它的缺點是溫度穩(wěn)定性和可重復性不如金屬應變片。</p><p>　　它的應用實例如橋梁固有頻率測量、電子稱、桶式測力傳感器等。</p><p><b>　　圖2.3 電子稱</b></p><p>　　2.2 電容式傳感器&l

49、t;/p><p>　　把被測的機械量，如位移、壓力等轉換為電容量變化的傳感器。電容量為當被測參數變化使得上式中的A、d 或 發(fā)生變化時，電容量C也隨之變化。若保持其中兩個參數不變，而僅改變其中一個參數，就可把該參數的變化轉換為電容量的變化，通過測量電路就可轉換為電量輸出。</p><p>　　電容式傳感器的等效電路如 圖2.4：</p><p><b>　　圖

50、3.4</b></p><p>　　電容式傳感器的測量電路同樣為電橋電路，如圖2.5：</p><p><b>　　圖3.5</b></p><p>　　電容式傳感器的溫度穩(wěn)定性好，結構簡單，動態(tài)響應好，可進行非接觸測量，</p><p>　　然而，輸入阻抗高，負載能力差。電容式傳感器精度可達0.01％。&l

51、t;/p><p>　　其運用實例有電容傳聲器、轉速測量、電容測厚儀、電容式油量表等。</p><p>　　2.3 電感式傳感器</p><p>　　電感式傳感器是利用電磁感應把被測的物理量如位移，壓力，流量，振動等轉換成線圈的自感系數和互感系數的變化，再由電路轉換為電壓或電流的變化量輸出，實現非電量到電量的轉換。電感式傳感器具有以下特點： </p><

52、;p>　　(1) 結構簡單，傳感器無活動電觸點，因此工作可靠壽命長。 </p><p>　　(2) 靈敏度和分辨力高，能測出0.01微米的位移變化。傳感器的輸出信號強，電壓靈敏度一般每毫米的位移可達數百毫伏的輸出。</p><p>　　(3) 線性度和重復性都比較好，在一定位移范圍(幾十微米至數毫米)內，傳感器非線性誤差可達0.05%~0.1%。同時，這種傳感器能實現信息的遠距離傳輸

53、、記錄、顯示和控制，它在工業(yè)自動控制系統中廣泛被采用。但不足的是，它有頻率響應較低，不宜快速動態(tài)測控等缺點。 </p><p>　　電感式傳感器種類很多，常見的有自感式，互感式和渦流式三種圖</p><p><b>　　圖2.6</b></p><p>　　圖2.6中介紹的是自感式傳感器。由鐵心和線圈構成的將直線或角位移的變化轉換為線圈電感量變

54、化的傳感器，又稱電感式位移傳感器。這種傳感器的線圈匝數和材料導磁系數都是一定的，其電感量的變化是由于位移輸入量導致線圈磁路的幾何尺寸變化而引起的。當把線圈接入測量電路并接通激勵電源時，就可獲得正比于位移輸入量的電壓或電流輸出。電感式傳感器的特點是：①無活動觸點、可靠度高、壽命長；②分辨率高；③靈敏度高；④線性度高、重復性好；⑤測量范圍寬(測量范圍大時分辨率低)；⑥無輸入時有零位輸出電壓，引起測量誤差；⑦對激勵電源的頻率和幅值穩(wěn)定性要求較

55、高；⑧不適用于高頻動態(tài)測量。電感式傳感器主要用于位移測量和可以轉換成位移變化的機械量(如力、張力、壓力、壓差、加速度、振動、應變、流量、厚度、液位、比重、轉矩等)的測量。常用電感式傳感器有變間隙型、變面積型和螺管插鐵型。在實際應用中，這三種傳感器多制成差動式，以便提高線性度和減小電磁吸力所造成的附加誤差。 </p><p>　　變間隙型電感傳感器 這種傳感器的氣隙δ隨被測量的變化而改變,從而改變磁阻。它的靈敏度和

56、非線性都隨氣隙的增大而減小，因此常常要考慮兩者兼顧。δ一般取在0.1～0.5毫米之間。 </p><p>　　變面積型電感傳感器 這種傳感器的鐵芯和銜鐵之間的相對覆蓋面積(即磁通截面)隨被測量的變化而改變,從而改變磁阻。它的靈敏度為常數，線性度也很好。 </p><p>　　螺管插鐵型電感傳感器 它由螺管線圈和與被測物體相連的柱型銜鐵構成。其工作原理基于線圈磁力線泄漏路徑上磁阻的變化。銜鐵

57、隨被測物體移動時改變了線圈的電感量。這種傳感器的量程大，靈敏度低，結構簡單，便于制作。</p><p>　　電感式傳感器的應用實例有：測厚、零件計數、側轉速、無損探傷、測微技術等。</p><p><b>　　圖2.7</b></p><p>　　2.4 壓電式傳感器</p><p>　　壓電式傳感器的工作原理是基于某

58、些介質材料的壓電效應, 是典型的有源傳感器。當材料受力作用而變形時, 其表面會有電荷產生，從而實現非電量測量。</p><p>　　壓電式傳感器的等效電路：壓電元件兩電極間的壓電陶瓷或石英晶體為絕緣體，因此可以構成一個電容器，晶體上聚集正負電荷的兩表面相當于電容的兩個極板, 極板間物質等效于一種介質, 則其電容量為：，壓電元件受外力時，兩表面產生等量的正負電荷，壓電元件的開路電壓為：。</p>&l

59、t;p>　　壓電傳感器可以等效為一個電荷源與一個電容并聯，如下圖2.8 (a)并聯圖；壓電傳感器也可以等效為一個電荷源與一個電容相串聯的電壓源，如下圖2.8 (b)串聯圖</p><p><b>　　圖2.8</b></p><p>　　電壓靈敏度與電荷靈敏度之間的關系為：</p><p>　　壓電式傳感器的測量電路： 測量時，需把壓電傳

60、感器用電纜接于前置放大器，前置放大器作用： 一是放大傳感器輸出的微弱信號；二是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗。</p><p>　　電壓放大器如圖(a)： 電荷放大器如圖(b)： (b)</p><p><b>　　圖2.9</b></p><p>　　壓電式傳感器的性能特點：高阻抗、低能

61、量；但是無靜態(tài)輸出，要求有很高的電輸出阻抗。需用低電容的低噪聲電纜。</p><p>　　壓電式傳感器的應用有：壓電式測力傳感器、壓電式加速度傳感器、壓電式金屬加工切削力測量、壓電式玻璃破碎報警器等。</p><p>　　壓電式金屬加工切削力測量：</p><p><b>　　圖 2.10</b></p><p>　　壓

62、電式玻璃破碎報警器：</p><p><b>　　圖 2.11</b></p><p>　　2.5 霍爾式傳感器</p><p>　　霍爾傳感器是利用霍爾元件基于霍爾效應原理而將被測量轉換成電動勢輸出的一種傳感器。由于霍爾元件在靜止狀態(tài)下，具有感受磁場的獨特能力，并且具有結構簡單、體積小、噪聲小、頻率范圍寬(從直流到微波)、動態(tài)范圍大(輸出電勢

63、變化范圍可達1000:1)、壽命長等特點，因此獲得了廣泛應用。 </p><p>　　金屬或半導體薄片置于磁感應強度為B的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當有電流流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產生電動勢，這種現象稱霍爾效應。如下圖：</p><p><b>　　圖2.12</b></p><p>　　霍爾元件的主要性能參數：

64、</p><p>　　2.5.1 輸入電阻和輸出電阻</p><p>　　輸入電阻：控制電極間的電阻</p><p>　　輸出電阻：霍爾電極之間的電阻</p><p>　　2.5.2 額定控制電流和最大允許控制電流</p><p>　　額定控制電流：當霍爾元件有控制電流使其本身在空氣中產生10℃溫升時，對應的控制電流值

65、。</p><p>　　最大允許控制電流：以元件允許的最大溫升限制所對 應的控制電流值</p><p>　　2.5.3 不等位電勢</p><p>　　當霍爾元件的控制電流為額定值時，若元件所處位置的磁感應強度為零，測得的空載霍爾電勢。</p><p>　　2.5.4 寄生直流電勢 </p><p>　　霍爾元件零位誤

66、差的一部分當沒有外加磁場，霍爾元件用交流控制電流時，霍爾電極的輸出有一個直流電勢，控制電極和霍爾電極與基片的連接是非完全歐姆接觸時，會產生整流效應。兩個霍爾電極焊點的不一致，引起兩電極溫度不同產生溫差電勢</p><p>　　2.5.5 霍爾電勢溫度系數</p><p>　　在一定磁感應強度和控制電流下，溫度每變化1度時，霍爾電勢變化的百分率。</p><p>　　

67、霍爾傳感器的靈敏度和線性度主要取決于磁路系統和霍爾元件的特性。</p><p>　　霍爾傳感器動態(tài)性能好。</p><p>　　霍爾傳感器的基本測量電路如下：激勵電流由電壓源E供給，其大小由可變電阻來調節(jié)。</p><p><b>　　圖2.13</b></p><p>　　霍爾型傳感器的應用有：霍爾轉速表、霍爾式微壓力

68、傳感器、各種位移傳感器等。</p><p>　　第三章 傳感器在機電一體化系統中的應用</p><p>　　傳感器是左右機電一體化系統(或產品)發(fā)展的重要技術之一，廣泛應用于各種自動化產品之中。</p><p>　　3.1 傳感器在工業(yè)機器人中的應用</p><p>　　工業(yè)機器人的準確操作取決于對其自身狀態(tài)、操作對象及作業(yè)環(huán)境的準確認識，這

69、種準確認識均通過傳感器的感覺功能實現。</p><p>　　機器人自身狀態(tài)信息的獲取通過其內部傳感器(位置、位移、速度、加速度等)來完成，操作對象與外部環(huán)境的感知通過外部傳感器來實現，這個過程非常重要，足以為機器人控制提供反饋信息。 </p><p>　　3.2傳感器在機械制造中的應用</p><p>　　在機械制造中，傳感器技術是實現測試與自動控制的重要環(huán)節(jié)。在機

70、械制造測試系統中，被作為一次儀表定位，其主要特征是能準確傳遞和檢測出某一形態(tài)的信息，并將其轉換成另一形態(tài)的信息。具體的說，傳感器是指那些對被測對象的某一確定的信息有感受與檢出功能，并使之按照一定規(guī)律轉換成與之對應的可輸出信號的元件或裝置。</p><p>　　切削過程和機床運行過程的傳感技術：切削過程傳感檢測的目的在于優(yōu)化切削過程的生產率、制造成本或(金屬)材料的切除率等。切削過程傳感檢測的目標有切削過程的切削力

71、及其變化、切削過程顫震、刀具與工件的接觸和切削時切屑的狀態(tài)及切削過程辨識等，而最重要的傳感參數有切削力、切削過程振動、切削過程聲發(fā)射、切削過程電機的功率等。對于機床的運行來講，主要的傳感檢測目標有驅動系統、軸承與回轉系統、溫度的監(jiān)測與控制及安全性等，其傳感參數有機床的故障停機時間、被加工件的表面粗糙度和加工精度、功率、機床狀態(tài)與冷卻潤滑液的流量等。</p><p>　　第四章 機電一體化系統中傳感器的選擇<

72、/p><p>　　傳感器的應用范圍廣，種類繁多。如何為我們機電一體化系統選擇合適的傳感器呢？下面我們就以數控機床為例講講機電一體化系統中傳感器的選擇。</p><p>　　數控機床綜合了機械、自動化、計算機、測量、微電子等最新技術，使用了多種傳感器，由于高精度、高速度、高效率及安全可靠的特點，在制造業(yè)技術設備更新中，數控機床正迅速地在企業(yè)得到普及。數控機床是一種裝有程序控制系統的自動化機床，能

73、夠根據已編好的程序，使機床動作并加工零件。它綜合了機械、自動化、計算機、測量、微電子等最新技術，使用了多種傳感器。</p><p>　　4.1 數控機床對傳感器的要求</p><p>　　(1) 可靠性高和抗干擾性強；(2) 滿足精度和速度的要求；(3) 使用維護方便，適合機床運行環(huán)境；(4) 成本低。</p><p>　　不同種類數控機床對傳感器的要求也不盡相同，

74、一般來說，大型機床要求速度響應高，中型和高精度數控機床以要求精度為主。</p><p><b>　　4.2 位移的檢測</b></p><p>　　位移檢測的傳感器主要有脈沖編碼器、直線光柵、旋轉變壓器、感應同步器等。</p><p>　　4.2.1 脈沖編碼器的應用</p><p>　　脈沖編碼器是一種角位移(轉速)傳

75、感器，它能夠把機械轉角變成電脈沖。脈沖編碼器可分為光電式、接觸式和電磁式三種，其中，光電式應用比較多。</p><p>　　4.2.2 直線光柵的應用</p><p>　　直線光柵是利用光的透射和反射現象制作而成，常用于位移測量，分辨力較高，測量精度比光電編碼器高，適應于動態(tài)測量。</p><p>　　在進給驅動中，光柵尺固定在床身上，其產生的脈沖信號直接反映了拖板

76、的實際位置。用光柵檢測工作臺位置的伺服系統是全閉環(huán)控制系統。</p><p>　　4.2.3 旋轉變壓器的應用</p><p>　　旋轉變壓器是一種輸出電壓與角位移量成連續(xù)函數關系的感應式微電機。旋轉變壓器由定子和轉子組成，具體來說，它由一個鐵心、兩個定子繞組和兩個轉子繞組組成，其原、副繞組分別放置在定子、轉子上，原、副繞組之間的電磁耦合程度與轉子的轉角有關。</p><

77、;p>　　4.2.4 感應同步器的應用</p><p>　　感應同步器是利用兩個平面形繞組的互感隨位置不同而變化的原理制成的。其功能是將角度或直線位移轉變成感應電動勢的相位或幅值，可用來測量直線或轉角位移。按其結構可分為直線式和旋轉式兩種。直線式感應同步器由定尺和滑尺兩部分組成，定尺安裝在機床床身上，滑尺安裝于移動部件上，隨工作臺一起移動；旋轉式感應同步器定子為固定的圓盤，轉子為轉動的圓盤。感應同步器具有較

78、高的精度與分辨力、抗干擾能力強、使用壽命長、維護簡單、長距離位移測量、工藝性好、成本較低等優(yōu)點。直線式感應同步器目前被廣泛地應用于大位移靜態(tài)與動態(tài)測量中，例如用于三坐標測量機、程控數控機床、高精度重型機床及加工中心測量裝置等。旋轉式感應同步器則被廣泛地用于機床和儀器的轉臺以及各種回轉伺服控制系統中。</p><p><b>　　4.3 位置的檢測</b></p><p&g

79、t;　　位置傳感器可用來檢測位置，反映某種狀態(tài)的開關，和位移傳感器不同。位置傳感器有接觸式和接近式兩種。</p><p>　　4.3.1 接觸式傳感器的應用</p><p>　　接觸式傳感器的觸頭由兩個物體接觸擠壓而動作，常見的有行程開關、二維矩陣式位置傳感器等。行程開關結構簡單、動作可靠、價格低廉。當某個物體在運動過程中，碰到行程開關時，其內部觸頭會動作，從而完成控制，如在加工中心的X、

80、Y、Z軸方向兩端分別裝有行程開關，則可以控制移動范圍。二維矩陣式位置傳感器安裝于機械手掌內側，用于檢測自身與某個物體的接觸位置。</p><p>　　4.3.2 接近開關的應用</p><p>　　接近開關是指當物體與其接近到設定距離時就可以發(fā)出“動作”信號的開關，它無需和物體直接接觸。接近開關有很多種類，主要有自感式、差動變壓器式、電渦流式、電容式、干簧管、霍爾式等。</p>

81、<p>　　接近開關在數控機床上的應用主要是刀架選刀控制、工作臺行程控制、油缸及汽缸活塞行程控制等。</p><p>　　霍爾傳感器是利用霍爾現象制成的傳感器。將鍺等半導體置于磁場中，在一個方向通以電流時，則在垂直的方向上會出現電位差，這就是霍爾現象。將小磁體固定在運動部件上，當部件靠近霍爾元件時，便產生霍爾現象，從而判斷物體是否到位。</p><p><b>　　

82、4.4 速度的檢測</b></p><p>　　速度傳感器是一種將速度轉變成電信號的傳感器，既可以檢測直線速度，也可以檢測角速度，常用的有測速發(fā)電機和脈沖編碼器等。</p><p>　　測速發(fā)電機具有的特點是：(1)輸出電壓與轉速嚴格成線性關系；(2)輸出電壓與轉速比的斜率大?？煞殖山涣骱椭绷鲀深悺?lt;/p><p>　　脈沖編碼器在經過一個單位角位移時，

83、便產生一個脈沖，配以定時器便可檢測出角速度。</p><p>　　在數控機床中，速度傳感器一般用于數控系統伺服單元的速度檢測。</p><p><b>　　4.5 壓力的檢測</b></p><p>　　壓力傳感器是一種將壓力轉變成電信號的傳感器。根據工作原理，可分為壓電式傳感器、壓阻式傳感器和電容式傳感器。它是檢測氣體、液體、固體等所有物質間

84、作用力能量的總稱，也包括測量高于大氣壓的壓力計以及測量低于大氣壓的真空計。電容式壓力傳感器的電容量是由電極面積和兩個電極間的距離決定，因靈敏度高、溫度穩(wěn)定性好、壓力量程大等特點近來得到了迅速發(fā)展。在數控機床中，可用它對工件夾緊力進行檢測，當夾緊力小于設定值時，會導致工件松動，系統發(fā)出報警，停止走刀。另外，還可用壓力傳感器檢測車刀切削力的變化。再者，它還在潤滑系統、液壓系統、氣壓系統被用來檢測油路或氣路中的壓力，當油路或氣路中的壓力低于設

85、定值時，其觸點會動作，將故障信號送給數控系統。</p><p><b>　　4.6 溫度的檢測</b></p><p>　　溫度傳感器是一種將溫度高低轉變成電阻值大小或其它電信號的一種裝置。常見的有以鉑、銅為主的熱電阻傳感器、以半導體材料為主的熱敏電阻傳感器和熱電偶傳感器等。在數控機床上，溫度傳感器用來檢測溫度從而進行溫度補償或過熱保護。</p><

86、;p>　　在加工過程中，電動機的旋轉、移動部件的移動、切削等都會產生熱量，且溫度分布不均勻，造成溫差，使數控機床產生熱變形，影響零件加工精度，為了避免溫度產生的影響，可在數控機床上某些部位裝設溫度傳感器，感受溫度信號并轉換成電信號送給數控系統，進行溫度補償。</p><p>　　此外，在電動機等需要過熱保護的地方，應埋設溫度傳感器，過熱時通過數控系統進行過熱報警。</p><p>　

87、　4.7 刀具磨損的監(jiān)控</p><p>　　刀具磨損到一定程度會影響到工件的尺寸精度和表面粗糙度，因此，對刀具磨損要進行監(jiān)控。當刀具磨損時，機床主軸電動機負荷增大，電動機的電流和電壓也會變化，功率隨之改變，功率變化可通過霍爾傳感器檢測。功率變化到一定程度，數控系統發(fā)出報警信號，機車停止運轉，此時，應及時進行刀具調整或更換。</p><p>　　以上介紹的傳感器在數控機床上的應用是目前的狀

88、況，但隨著傳感器和數控機床的發(fā)展，有些傳感器將被淘汰，如旋轉變壓器等，而新的傳感器將不斷出現，會使數控機床更加完善，自適應更強。</p><p>　　第五章 傳感器技術的現狀以及發(fā)展趨勢</p><p>　　傳感器技術是實現自動控制、自動調節(jié)的關鍵環(huán)節(jié)，也是機電一體化系統不可缺少的關鍵技術之一，其水平的高低，在很大程度上影響和決定著系統的功能；其水平越高，系統的自動化程度就越高。在一套完整

89、的機電一體化系統中，如果不能利用傳感檢測技術對被控對象的各項參數進行及時準確地檢測并轉換成易于傳送和處理的信號，我們所需要的用于系統控制的信息就無法獲得，進而使整個系統就無法正常有效的工作。</p><p>　　5.1 微型化 為了能夠與信息時代信息量激增、要求捕獲和處理信息的能力日益增強的技術發(fā)展趨勢保持一致，對于傳感器性能指標(包括精確性、可靠性、靈敏性等)的要求越來越嚴格;與此同時，傳感器系統的操作

90、友好性亦被提上了議事日程，因此還要求傳感器必須配有標準的輸出模式;而傳統的大體積弱功能傳感器往往很難滿足上述要求，所以它們已逐步被各種不同類型的高性能微型傳感器所取代;后者主要由硅材料構成，具有體積小、重量輕、反應快、靈敏度高以及成本低等優(yōu)點。5.1.1 微型傳感器研發(fā)現狀 目前，幾乎所有的傳感器都在由傳統的結構化生產設計向基于計算機輔助設計(CAD)的模擬式工程化設計轉變，從而使設計者們能夠在較短的時間內設計出低成本、高性能

91、的新型系統，這種設計手段的巨大轉變在很大程度上推動著傳感器系統以更快的速度向著能夠滿足科技發(fā)展需求的微型化的方向發(fā)展。 對于微機電系統(MEMS)的研究工作始于20世紀60年代，其研究范疇涉及材料科學、機械控制、加工與封裝工藝、電子技術以及傳感器和執(zhí)行器等多種學科，是一個極具前景的新興研究領域。MEMS的核心技術是研究微電子與微機械加工與封裝技術</p><p>　　雖然我國傳感器產業(yè)的現狀還不能適應國民

92、經濟發(fā)展的需要，產品技術水平與國外相比還有較大差距，但是從統一市場的觀點看，我國具有傳感器的廣闊市場，所以我國傳感器產業(yè)發(fā)展的前途還是光明的。因此，必須加強技術研究和引進先進設備，以提高整體水平。傳感器技術今后的發(fā)展趨勢，主要表現在以下方面：</p><p><b>　　5.5 新材料開發(fā)</b></p><p>　　傳感器材料是傳感器技術的重要基礎, 是傳感器技術升

93、級的重要支撐。隨著材料科學的進步,傳感器技術日臻成熟,其種類越來越多,除了早期使用的半導體材料、陶瓷材料以外,光導纖維以及超導材料的開發(fā),為傳感器的發(fā)展提供了物質基礎。例如,根據以硅為基體的許多半導體材料易于微型化、集成化、多功能化、智能化,以及半導體光熱探測器具有靈敏度高、精度高、非接觸性等特點,發(fā)展紅外傳感器、激光傳感器、光纖傳感器等現代傳感器;在敏感材料中,陶瓷材料、有機材料發(fā)展很快,可采用不同的配方混合原料,在精密調配化學成分的

94、基礎上,經過高精度成型燒結,得到對某一種或某幾種氣體具有識別功能的敏感材料,用于制成新型氣體傳感器。此外,高分子有機敏感材料,是近幾年人們極為關注的具有應用潛力的新型敏感材料,可制成熱敏、光敏、氣敏、濕敏、力敏、離子敏和生物敏等傳感器。傳感器技術的不斷發(fā)展,也促進了更新型材料的開發(fā),如納米材料等。美國NRC公司已開發(fā)出納米ZrO2 氣體傳感器,控制機動車輛尾氣的排放,對凈化環(huán)境效果很好,應用前景比較廣闊。由于采用納米材料制作的傳感器,具

95、有龐大的界面,能提供大量的氣體通道,而且導通電阻很小,有利于傳感器向微</p><p>　　5.5.1 應用新技術和新的物理效應，擴大檢測領域的應用</p><p>　　檢測原理大多以各種物理效應為基礎。近代物理學的發(fā)展，對仿生學的研究、仿造生物的感覺功能的新型傳感器的開發(fā)應用，使得傳感器技術的應用領域更廣闊。如今的檢測領域，正向著社會需要各方面擴展，不僅用于工業(yè)部門，而且也涉及到工程、海

96、洋開發(fā)、宇宙航行等尖端科學技術和新興工業(yè)領域，生物、醫(yī)療、環(huán)境污染監(jiān)測、危險品和毒品的偵察、安全監(jiān)測方面，同時也滲透到人類的日常生活當中。</p><p>　　5.5.2 向高精度發(fā)展，研制出靈敏度高、精確度高、響應速度快、互換性好的新型傳感器，以確保生產自動化的可靠性</p><p>　　近年來，隨著科學技術的不斷發(fā)展，要求靈敏度、精確度和穩(wěn)定性等盡可能的高。例如超精度的在線檢測，要求＜

97、 0.1 μm。對傳感器可靠性故障率的數學模型和計算方法的研究，大大提高檢測系統的可靠性。為了使自動檢測裝置適應在各種復雜條件下可靠工作，要求研制的檢測系統，具有較高的抗干擾能力和適應生產要求的較長的使用壽命。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 韓連英.光纖傳感器在機械設備檢測中的應用[J].光機電信息.2006(3)<

98、/p><p>　　[2] 張開遜.現代傳感技術在信息科學中的地位[J].工業(yè)計量.2006(1)</p><p>　　[3] 武昌俊. 自動檢測技術及應用[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2005.</p><p>　　[4] 梁景凱. 機電一體化技術與系統[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1999.</p><p>　　[5] 陳瑜.國外機

99、電一體化技術發(fā)展趨勢[J].國外機電一體化技術.2000，5</p><p>　　[6] 胡泓、姚伯威主編.機電一體化原理及應用[M].北京：國防工業(yè)出版社，1999</p><p>　　[7] 李建勇.機電一體化技術[M].北京:科學出版社,2004.</p><p>　　[8] 徐航.機電一體化技術基礎.北京：北京理工大學出版社，2010</p>

100、;<p>　　[9] 熊世和.機電系統計算機控制技術[M].成都：程都電子科技大學出版社，1993</p><p><b>　　附 錄 </b></p><p>　　2.5 霍爾式傳感器</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　三年的讀書生活在這個

101、季節(jié)即將劃上一個句號，而于我的人生卻只是一個逗號，我將面對又一次征程的開始。三年的求學生涯在師長、親友的大力支持下，走得辛苦卻也收獲滿囊，在論文即將付梓之際，思緒萬千，心情久久不能平靜。 偉人、名人為我所崇拜，可是我更急切地要把我的敬意和贊美獻給一位平凡的人，我的指導老師。衷心感謝馬文龍老師在我完成論文期間給予的熱情關心和悉心指導.馬老師嚴謹的教學態(tài)度和謙遜的性格，務實高效的工作作風使我受益匪淺。我不是您最出色的學生，而您卻是我最尊敬的

102、老師。您治學嚴謹，學識淵博，思想深邃，視野雄闊，為我營造了一種良好的精神氛圍。授人以魚不如授人以漁，置身其間，耳濡目染，潛移默化，使我不僅接受了全新的思想觀念，樹立了宏偉的學術目標，領會了基本的思考方式，從論文題目的選定到論文寫作的指導，經由您悉心的點撥，再經思考后的領悟，常常讓我有“山重水復疑無路，柳暗花明又一村”。 </p><p>　　感謝我的爸媽，焉得諼草，言樹之背，養(yǎng)育之恩，無以回報，你們永遠健康快樂是