毕业设计（论文）：传感器在机电一体化系统中的应用及发展的研究.doc

1、页眉要有辽源职业技术学院毕业设计（论文）用纸 1 目 录 摘要 3 1.1 传感器技术的发展 4 1.2 机电一体化系统的发展 8 1.3 传感器在机电一体化系统的应用 27 1.4 如何为机电一体化系统选择传感器 33 1.5 机电一体化系统中常用传感器的发展 36 结论 38 参考文献 40 页眉要有辽源职业技术学院毕业设计（论文）用纸 2 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。

2、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之一。 关键词：传感器 机电一体化系统 传感器技术 传感器来自“感觉”一词，人们用视觉、听觉、味觉、嗅觉和触觉等感官感受外界的有关信息，如物体的大小、形状和颜色，感觉到的声音、气味等。在视觉情况下，绝不是靠眼睛本身进行感觉，而是从眼睛进入的外界刺激信号通过神经传送到大脑，有大脑感

3、知物体的大小和颜色，然后由大脑提供命令信号支配行动。听觉和嗅觉等也完全一样。然而，要使大脑受到这 些刺激，首先必须有 接受外界刺激的“五官”，人的“五官”可以称之为传感器。它们的基本功能是首先接受外界的刺激信号，然后产生作用于各种神经传递信号的能量，最后在传送到大脑。在传感器的系统中，传感器模拟人“五官”的这些作用，将外界刺激信号转换为能传递的信号，即使特定的被测量（包括物理量、化学量、生物量等）按照一定的规律转换成某种可用的输出信号。 传感器是一种以一定的 精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的另一种量的测量装置。传感器的定义具体包含：传感器是测量装置，能、完成检测任务；它的输

4、入量是某一 被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；它的输出量是某种物理量，这种量应便于传输、转换、处理、显示等，它可以是气、光、电，但主要是电量。 传感器一般由敏感元件和转换元件两大部分组成。但很多时候也将转换电路及辅助电路页眉要有辽源职业技术学院毕业设计（论文）用纸 3 作为其组成部分，因为传感器作为一个完整的器件，绝大部分都是把转换电路及必要的辅助电源单元与敏感元件、转换元件一起做成一体化的器件。传感器的作用包括信息的收集、信号数据的转换和控制信息的采集。 传感器是检测和控制系统中最关键的部分。 在实际工程应用中，传感器的种类很多。同一种被测量可以用不同 的传感器 来测量；而同一

5、种原理的传感器，通常又可以测量多种物理量。因此，传感器的分类方法也是形形色色，目前尚没有统一的方法：按传感器工作原理分类：电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、霍尔式传感器、光电式传感器、光栅式传感器、热电偶式传感器。按被测量（或传感器的用途）分类：位移传感器、力传感器、速度传感器、 温度传感器、流量传感器、气体传感器、物位传感器、成分传感器。按输出信号的性质分类：开关型传感器、模拟式传感器、数字式传感器。传感器所测量经常处在各种各样的变动中， 例如测量机床车刀的切 削时，若材质均匀，切削力的值可能十分稳定；若遇到材质不均匀甚至有小缺陷时，切削力的值可能有缓慢起伏或者周期性脉

6、动变化，甚至出现 突变的尖峰力。传感器能否将这些被测量的变化不失真地变换成相应的电量，涉及传感器本身的基本特性，即输出 -输入特性。这种特性通常用传感器的静态特性和动态特性来描述。 传感器变换的被测量的数值处在稳定状态时，传感器的输出与输入的关系称为传感器的静态特性。描述传感器静态特性的技术指标是：灵敏度、线性度、迟滞和 重复性。 灵敏度 传感器在稳态标准条件下，输出变化对输入变化的比值称灵敏度，对于线性 传感器来说，它的灵敏度是一个常数。 线性度 传感器的静态特性是稳态标准条件下，利用一定等级的校准设备，对传感进行往复循环测试，得出的输出 -输入特性（列表或画曲线）。通常，希望这一特性为线性

7、，这样，会对标定和数据处理带来方便。但实际的输出 -输入特性一般都是非线性的，因此，采用各种补偿环节，如非线性电路补偿环节或计算机软件，进行线性化处理。在传感器非线性 幂次不高，输入量变化范围较小时，用一条直线（切线或割线）近似地代表实际曲线的一段。对传感器的输出 -输入特性线性化的方法，称为直线拟合法。实际曲线与拟合直线 之间的偏差称为传感器的非线性误差或线性度，取其中最大值与输出满度值之比作为评价线性度（或非线性误差）的指标。在常用的拟合法中，即使是同类传感器，拟合方法不同，其象形度也不同，用最小二乘法求取的拟合直线的精确度最高。 迟滞 迟滞是指在相同工作条件下，传感器正行程特性和反行程特

8、性的不一致程度。其数值为对应同一大小的输出量，应采用的行程方向不同，传感器的输出量值不相等，这就是迟滞现象。产生迟滞现象的原因，主要是传感器机械部分存在 不可避免的缺陷，如轴承摩擦、间隙、紧固件松动和材料内摩擦等。 页眉要有辽源职业技术学院毕业设计（论文）用纸 4 重复性 传感器的输入量在 同一方向（增加或减少）变化时，在全量程内连续进行重复测量所得到的输出 -输入特性曲线不一致的程度。产生不一致的原因与产生迟滞现象的原因相同。多次重复测试的曲线越重合，说明传感器重复性越好，使用误差越小。 动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输入的响应特性。 传感器测量静态信号时，被测量不随时间变化，测量

9、和记录的过程不受时间限制。实际大量的被测量是随时间变化的动态信号，传感器的输出不仅要精确地显示被测量的大小，还要显示被测量随时间变化的规律。动态特性好的传感器，其输出随时间的变化规律将再现输入随时间变化的规 律，即它们具有相同的时间函数。但是，除了理想情况 外，实际传感器的输出信号与输出入信号不会具有相同的时间函数，输出与输入之间会出现差异。这种输出与输入之间的差异称为动态误差，研究这种误差的性质称为动态特性分析。 因为传感器在实际工作中随时间变化的输入信号是千变万化的，而且由于随机因素的影响，往往事先并不知道其特性，故工程上通常采用标准信号函数的方法来研究，并据此确定若干评定动态特性的指标。

10、常用的标准信号函数是正弦函数和阶跃函数，因为它们即便于求解又便于实现。大多数情况下 对非正弦周期信号，可以通过数学方法利用傅 里叶级数分解为含多次谐波的正弦函数；对其他非争先非周期信号，可通过傅里叶变换分解出各次正弦谐波来分析。而阶跃信号是瞬间发生的变化，它有可能是输入信号中最坏的一种，传感器如能复现这种信号，则就能较容易复现其他各种输入信号，所以将它们作为标准信号函数。阶跃响应法 ： 当输入信号为 阶跃函数时，因为他是时间的函数，故传感器的响应是在时域里发生的，因此称她为阶跃响应法。频率响应法：当输入信号时正弦函数时，因为它频率的函数，故传感器的响应是在频域内发生的，因此称它为频率响应法。

11、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。传感器的性能由传感器的静态特性和动态特性来评价。 机电一体化系统 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

12、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。 页眉要有辽源职业技术学院毕业设计（论文）用纸 5 图 1 机体化与其他学科的关系 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

13、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

14、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。机电一体化与机 械电气化的主要区别有：电气机械在设计过程中不考虑或少考虑电器与机械的内在联系，基本上是根据机械的要求，选用相应的驱动电机或电气传动装置；机械和电气装置之间界限分明，它们之间的联结以机械联结为主，整个装置是刚性的；装置所需的控制是基于电磁学原理的各种电器来实现，属强电范畴，其主要支撑技术是电工技术。机械工程技术由纯

15、机械发展到机械电气化，仍属传统机械，主要功能依然是代替和放大人的体力。但机电一体化产品不仅是人的手与肢体的延伸，还是人的感官与头脑的延伸，具有“智能化”的特征是机电一体化与机械电气化在功能上的 本质差别。 从概念的外延来看，机电一体化包括机电一体化技术和机电一体化产品两个方面。机电页眉要有辽源职业技术学院毕业设计（论文）用纸 6 一体化技术是从系统工程的观点出发，将机械、电子和信息等有关技术有机结合起来，以实现系统或产品整体最优的综合性技术。机电一体化技术主要包括技术原理和使机电一体化产品（或系统）得以实现、使用和发展的技术。机电一体化技术是一个技术群（族）的总称，包括检测传感技术、信息处理技

16、术、伺服驱动技术、自动控制技术、机械技术及系统总体技术等。机电一体化产品有时也称为机电一体化系统，它们是两个相近的概念，通常机电一体化产品指独立存在的机电结 合产品，而机电一体化系统主要指依附于主产品的部件系统，这样的系统实际上也是机电一体化产品。机电一体化产品是由机械系统（或部件）与电子系统（或部件）及信息处理单元（硬件和软件）有机结合、而赋予了新功能和新性能的高科技产品。由于在机械本体中“溶入”了电子技术和信息技术，与纯粹的机械产品相比，机电一体化产品的性能得到了根本的提高，具有满足人们使用要求的最佳功能 。 现实生活中的机电一体化产品比比皆是。我们日常生活中使用的全自动洗衣机、空调及全自

17、动照相机，都是典型的机电一体化产品；在机械制造领域中广泛使用的各种数控机 床、工业机器人、三坐标测量仪及全自动仓储，也是典型的机电一体化产品；而汽车更是机电一体化技术成功应用的典范，目前汽车上成功应用和正在开发的机电一体化系统达数十种之多，特别是发动机电子控制系统、汽车防抱死制动系统、全主动和半主动悬架等机电一体化系统在汽车上的应用，使得现代汽车的乘坐舒适性、行驶安全性及环保性能都得到了很大的改善；在农业工程领域，机电一体化技术也在一定范围内得到了应用，如拖拉机自动驾驶系统、悬挂式农具的自动调节系统、联合收获机工作部件（如脱粒清选装置）的监控系统、温室环境自动控制系统等。如今，机 电一体化已从

18、原来以机械为主的领域拓展到目前的汽车、电站、仪表、化工、通信、冶金等领域。而且机电一体化产品的概念不再局限在某一具体产品的范围，如数控机床、机器人等，现在已扩大到控制系统和被控制系统相结合的产品制造和过程控制的大系统，例如柔性制造系统（ FMS）、计算机集成制造系统（ CIMS）以及各种工业过程控制系统。 传统的机械产品主要是解决物质流和能量流的问题，而机电一体化产品除了解决物质流和能量流外，还要解决信息流的问题。如图 2 所示电一体化系统的主要功能就是对输入的物质、能量与信息（即所谓工业三大要 素）按照要求进行处理，输出具有所需特性的物质、能量与信息。 系统的主功能包括三个目的功能：变换（加

19、工、处理）功能；传递（移动、输送）功能；储存（保持、积蓄、记录）功能。主功能是系统的主要特征部分，是实现系统目的功能直接必需的功能，主要是对物质、能量、信息或其相互结合进行变换、传递和存储。 页眉要有辽源职业技术学院毕业设计（论文）用纸 7 图 2 机电一体化系统的主功能 以物料搬运、加工为主，输入物质（原料、毛坯等）、能量（电能、液能、气能等）和信息（操作及控制指令等），经过加 工处理，主要输出改变了位置和形态的物质的系统（或产品），称为加工机，如各种机床、交通运输机械、食品加工机械、起重机械、纺织机械、印刷机械、轻工机械等。 以能量转换为主，输入能量（或物质）和信息，输出不同能量（或物质）

20、的系统（或产品），称为动力机，其中输出机械能的为原动机，如电动机、水轮机、内燃机等。 以信息处理为主，输入信息和能量，主要输出某种信息（如数据、图像、文字、声音等）的系统（或产品），称为信息机，如各种仪器、仪表、传真机以及各种办公机械等。 机电一体化系统除了具备上述必需的主功能外，还应具备图 3 所 示的内部功能。即动力功能、检测功能、控制功能、构造功能。动力功能是向系统提供动力、让系统得以运转的功能；检测功能和控制功能的作用是解决各种信息的获取、传输、处理和利用，从而能够根据系统内部信息和外部信息对整个系统进行控制，使系统正常运转，实施目的功能。 页眉要有辽源职业技术学院毕业设计（论文）用纸

21、 8 图 3 系统的五种内部 而构造功能则是使构成系统的子系统及元、部件维持所定的时间和空间上的相互关系所必需的功能。从系统的输入 /输出来看，除有主功能的输入 /输出之外，还需要有动力输入和控 制信息的输人 /输出。此外，还有因外部环境引起的干扰输入以及非目的性输出（如废弃物等）。例如汽车的废气和噪音对外部环境影响，从系统设计开始就应予以考虑。 从机电一体化系统的功能看，人类是机电一体化系统理想的参照物。如图 4（ a）所示，构成人体的五大要素分别是头脑、感官（眼、耳、鼻、舌、皮肤）、四肢、内脏及躯干。相应的功能如图 4（ b）所示，内脏提供人体所需要的能量（动力）及各种激素，维持人体活动；

22、头脑处理各种信息并对其它要素实施控制；感官获取外界信息；四肢执行动作；躯干的功能是把人体各要素有机地联系为一体。通过类 比就可发现，机电一体化系统内部的五大功能与人体的上述功能几乎是一样的，而实现各功能的相应构成要素如图 4（ c）所示。表 1 列出了机电一体化系统构成要素与人体构成要素的对应关系。 因此，一个较完善的机电一体化系统，应包括以下几个基本要素：机械本体、动力系统、检测传感系统、执行部件、信息处理及控制系统，各要素和环节之间通过接口相联系。 表 1 机电一体化系统构成要素与人体构成要素的对应关系 机电一体化系统中机械部分是主体，这不仅是由于机械本体是系统重要的组成部分，而且系统的主

23、要功 能必须由机械装置来完成，否则就不能称其为机电一体化产品。如电子计算机、非指针式电子表等，其主要功能已由电子器件和电路等完成，机械已退居次要地位，这类产品应归属于电子产品，而不是机电一体化产品。因此，机械系统是实现机电一体化产品功能的基础，从而对其提出了更高的要求，需在结构、材料、工艺加工及几何尺寸等方面满足机电一体化产品高效、可靠、节能、多功能、小型轻量和美观等要求。除一般性的机械强度、刚度、精度、体积和重量等指标外，机械系统技术开发的重点是模块化、标准化和系列化，以便于机械系统的快速组合和更换。 其次，机 电一体化的核心是电子技术，电子技术包括微电子技术和电力电子技术，但重页眉要有辽源

24、职业技术学院毕业设计（论文）用纸 9 点是微电子技术，特别是微型计算机或微处理器。机电一体化需要多种新技术的结合，但首要的是微电子技术，不和微电子结合的机电产品不能称为机电一体化产品。如非数控机床，一般均有电动机驱动，但它不是机电一体化产品。除了微电子技术以外，在机电一体化产品中，可根据需要进行一种或多种技术相结合。 因此，机电一体化是以机械为主体、以微电子技术为核心，强调各种技术的协同和集成的综合性技术。 机电一体化技术和产品的应用范围非常广泛，涉及到工业生产过程的所有领域， 因此，机电一体化产品的种类很多，而且还在不断地增加。按照机电一体化产品的功能，可以将其分成下述几类。 1数控机械类

25、数控机械类主要产品为数控机床、工业机器人、发动机控制系统和自动洗衣机等。其特点为执行机构是机械装置。 2电子设备类 电子设备类主要产品为电火花加工机床、线切割加工机床、超声波缝纫机和激光测量仪等。其特点为执行机构是电子装置。 3机电结合类 机电结合类主要产品为自动探伤机、形状识别装置和 CT 扫描仪、自动售货机等。其特点为执行机构是机械和电子装置的有机结合。 4电液伺服类 电液伺服类主要产 品为机电一体化的伺服装置。其特点为执行机构是液压驱动的机械装置，控制机构是接受电信号的液压伺服阀。 5信息控制类 信息控制类主要产品为电报机、磁盘存储器、磁带录像机、录音机以及复印机、传真机等办公自动化设备

26、。其主要特点为执行机构的动作完全由所接收的信息类控制。 此外，机电一体化产品还可根据机电技术的结合程度分为功能附加型、功能替代型和机电融合型三类。按产品的服务对象领域和对象，可将机电一体化产品分成工业生产类、运输包装类、储存销售类、社会服务类、家庭日常类、科研仪器类、国防武器类以及其它用途类等不同的种类 。 机电一体化技术的发展大体上可分为三个阶段。 20 世纪 60 年代以前为第一阶段，这一阶段称为初期阶段。在这一时期，人们自觉或不自觉地利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能。 20 世纪 70 80 年代为第二阶段，可称为蓬勃发展阶段。这一时期，计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为

27、机电一体化的发展奠定了技术基础。大规模、超大规模集成电路和微型计算机的迅猛发展，为机电一体化技术的发展提供了充分的物质基础。 页眉要有辽源职业技术学院毕业设计（论文）用纸 10 20 世纪 90 年代后期，开始了机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段，一方面光学、通信技术等进入了机电一体化 ，微细加工技术也在机电一体化中崭露头角，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支；另一方面对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电一体化的学科体系和发展趋势都进行着深入研究。 我国是从上世纪 80 年代初才开始这方面研究和应用。国务院成立了机电一体化领导小组并将该技术列为“ 863 计划”中。机械工

28、业在制定“九五”规划和 2010 年发展纲要时充分考虑了国际上关于机电一体化技术的发展动向和由此可能带来的影响。经过 20 多年的努力，在航天、国防以及经济建设的一些重大工程带动下，我国已在机电一体化许多领域跻身于世界先 进行列。 理论基础 系统论、信息论、控制论的建立，微电子技术尤其是计算机技术的迅猛发展，引起了科学技术的又一次革命，诱发了机械工程的机电一体化。系统论、信息论、控制论无疑是机电一体化技术的理论基础，是机电一体化技术的方法论。 开展机电一体化技术研究时，无论在工程的构思、规划、设计方面，还是在它的实施或实现方面，都不能只着眼于机械或电子，不能只看到传感器或计算机，而是要用系统的

29、观点，合理解决信息流与控制机制问题，有效地综合各有关技术，才能形成所需要的系统或产品。 机电一体化技术是从系统工程观点出发，应 用机械、微电子等有关技术，使机械、电子有机结合，实现系统或产品整体最优的综合性技术。小型的生产、加工系统，即使是一台机器，也都是由许多要素构成的，为了实现其“目的功能”，还需要从系统角度出发，不拘泥于机械技术或电子技术，并寄希望于能够使各种功能要素构成最佳结合的柔性技术与方法。机电一体化工程就是这种技术和方法的统一。 机电一体化系统是一个包括物质流、能量流和信息流的系统，有效地利用各种信号所携带的丰富信息资源，则有赖于信号处理和信息识别技术。考察所有机电一体化产品，就

30、会看到准确的信息获取、处理、利用在系统中 所起的实质性作用。 关键技术 微电子技术、精密机械技术是机电一体化的技术基础。微电子技术的进步，尤其是微型计算机技术的迅速发展，为机电一体化技术的进步与发展创造了前提。机电一体化产品中的许多重要零部件都是利用超精密加工技术制造的。就连微电子技术本身的发展也离不开精密机械技术。例如，大规模集成电路（ LSI）制造中的微细加工就是精密机械技术的进步成果。因此，精密机械加工技术促进了微电子技术的不断发展，微电子技术的不断发展又推动了精密机械技术中加工设备的不断更新。 由于机电一体化是一个工程和大系统，发展该 技术面临以下共性的关键技术及其发展：传感检测技术、信息处理技术、伺服驱动技术、自动控制技术、接口技术、精密机械技术及系统总体技术等，同时也要受到社会条件、经济基础的重大影响。