自学考试本科毕业论文机电一体化.doc

1、自学考试本科毕业论文题 目: 传感器在机电一体化中的应用 专 业: 机电一体化工程 学生姓名: 张建宇 指导老师: 刘定军 起讫日期: 2011 年 09 月 17 日2011 年 11 月 05 日 摘要1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

2、； 应用目录2目 录摘要.1第一章 绪论.3概述.3第二章 传感器的基本知识.42.1 传感器的分类及特性.42.2 常用传感器的类型及特点.4第三章 常用传感器的类型、特点、结构及用途.53.1 电阻式传感器.53.2 电容式传感器.73.3 电感式传感器.83.4 压电式传感器.103.5 霍尔式传感器.11第四章 传感器在机电一体化系统中的应用.144.1 传感器在工业机器人中的应用144.2 传感器在机械制造中的应用14第五章 机电一体化系统中传感器的选择.155.1 数控机床对传感器的要求.155.2 位移的检测.155.3 位置的检测.165.4 速度的检测.165.5 压力的检测

3、. .175.6 温度的检测.175.7 刀具磨损的监控.17第六章 传感器技术的发展趋势.19结束语 .21致谢.22参考文献.23第一章 绪论3第一章 绪论概述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

4、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。第二章 传感器的基本知识4第二章 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”

5、，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。2.1 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。1.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。2 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。3 传感器按能量源分类可分为无源型和有源型。4 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

6、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。2.2 常用传感器的类型及特点。电阻式传感器：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。电容式传感器：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。电感式传感器：无 活 动 触 点 、 可 靠 度 高 、 寿 命 长 ； 分

7、 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 。压电式传感器：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。霍尔传感器：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

8、点。第三章 常用传感器的类型、特点、结构及用途5第三章 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：3.1 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。（1） 变阻器式传感器变阻器式传感器的等效电路如图 3.1：图 3.1如果电阻丝的直径和材料确定，单位位移的电阻值为

9、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)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，第三章 常用传感器的类型、特点、结构及用途6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

10、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 ， /2/drldRl/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 ，lr/其 中 为 电

11、 阻 丝 材 料 的 泊 桑 比 ， ， 则 ， /d )21(Rd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)21(/Rd常 数21/ldRS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

12、 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 3.2。图 3.2 直流电桥的连接方式a)半桥单臂 b)半桥双臂 c

13、)全桥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第三章 常用传感器的类型、特点、结构及用途7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 3.3 电子称3.2 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 CdAC/ 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

14、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 3.4：图 3.4电容式传感器的测量电路同样为电桥电路，如图 3.5：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，可进行非接触测第三章 常用传感器的类型、特点、结构及用途8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。3.3 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

15、 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

16、 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 3.6图 3.6 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

17、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

18、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 性第三章 常用传感器的类型、特点、结构及用途9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

19、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 0.1 0.5 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

20、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 3.73.4 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SCa0