【正文】 黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 第 4 頁(yè) 共 23 頁(yè) 第一章 傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的作用及地位 在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，傳感器處系統(tǒng)之首，其作用相當(dāng)于系統(tǒng)感受器官，能快速、精確地獲取信息并能經(jīng)受嚴(yán)酷環(huán)境考驗(yàn)，是機(jī)電一體化系統(tǒng)達(dá)到高水平的保證。如缺少這些傳感器對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)和對(duì)信息精確而可靠的自動(dòng)檢測(cè)，系統(tǒng)的信息處理、控制決策等功能就無(wú)法談及和實(shí)現(xiàn)。 傳感器 是左右機(jī)電一體化系統(tǒng)（或產(chǎn)品）發(fā)展的重要技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)化產(chǎn)品之中。 傳感器 （ 1） 傳感器的 定義 人們?yōu)榱藦耐饨绔@取信息，必須借助于感覺器官 。而單靠人們自身的感覺器官，在研究自然現(xiàn)象和規(guī)律以及生產(chǎn)活動(dòng)中它們的功能就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了。為適應(yīng)這種情況，就需要傳感器。因此可以說(shuō)，傳感器是人類五官的延長(zhǎng)。 傳感器是一種物理裝置或生物器官，能夠探測(cè)、感受外界的信號(hào)、物理?xiàng)l件（如光、熱、濕度）或化學(xué)組成（如煙霧），并將探知的信息傳遞給其他裝置或器官。 根據(jù) 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB766587 對(duì)傳感器下的定義是： “能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由 敏感元件 和轉(zhuǎn)換元件組成 ”。傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。 （ 2） 傳感器的組成： 傳感器的功用是一感二傳，即感受被測(cè)量，并傳送出去。傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件兩大部分組成，有時(shí)也將基本轉(zhuǎn)換電路和輔助電源作為傳感器的組成部分。 （ 1）敏感元件：直接感受或響應(yīng)被測(cè)量的部分。有時(shí)也將敏感元件稱為傳 感器。 （ 2）轉(zhuǎn)換元件：能將敏感元件感受或響應(yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)部分。 （ 3）轉(zhuǎn)換電路：不少傳感器要通過(guò)轉(zhuǎn)換電路之后才能輸出電量信號(hào)，從而決定了轉(zhuǎn)換電路是傳感器的組成部分之一。 機(jī)器人用傳感器 工業(yè)機(jī)器人之所以能夠準(zhǔn)確操作，是因?yàn)樗軌蛲ㄟ^(guò)各種傳感器來(lái)準(zhǔn)確感知自身、操作對(duì)象及作業(yè)環(huán)境的狀態(tài)，包括：其自身狀態(tài)信息的獲取通過(guò)內(nèi)部傳感器（位置、位移、速度、加速度等）來(lái)完成，操作對(duì)象與外部環(huán)境的感知通過(guò)外部傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，這個(gè)過(guò)程非常重要，足以為機(jī)器人控制提供反饋信息。 黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 第 5 頁(yè) 共 23 頁(yè) 機(jī)械加 工過(guò)程的傳感檢測(cè)技術(shù) （ 1） 切削過(guò)程和機(jī)床運(yùn)行過(guò)程的傳感技術(shù)。 切削過(guò)程傳感檢測(cè)的目的在于優(yōu)化切削過(guò)程的生產(chǎn)率、制造成本或（金屬）材料的切除率等。切削過(guò)程傳感檢測(cè)的目標(biāo)有切削過(guò)程的切削力及其變化、切削過(guò)程顫震、刀具與工件的接觸和切削時(shí)切屑的狀態(tài)及切削過(guò)程辨識(shí)等，而最重要的傳感參數(shù)有切削力、切削過(guò)程振動(dòng)、切削過(guò)程聲發(fā)射、切削過(guò)程電機(jī)的功率等。對(duì)于機(jī)床的運(yùn)行來(lái)講，主要的傳感檢測(cè)目標(biāo)有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、軸承與回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、溫度的監(jiān)測(cè)與控制及安全性等，其傳感參數(shù)有機(jī)床的故障停機(jī)時(shí)間、被加工件的表面粗糙度和加工精度、功率、機(jī)床 狀態(tài)與冷卻潤(rùn)滑液的流量等。 （ 2）工件的過(guò)程傳感。 與刀具和機(jī)床的過(guò)程監(jiān)視技術(shù)相比，工件的過(guò)程監(jiān)視是研究和應(yīng)用最早、最多的。它們多數(shù)以工件加工質(zhì)量控制為目標(biāo)。 20 世紀(jì) 80 年代以來(lái)，工件識(shí)別和工件安裝位姿監(jiān)視要求也提到日程上來(lái)。粗略地講，工序識(shí)別是為辨識(shí)所執(zhí)行的加工工序是否是工（零）件加工要求的工序；工件識(shí)別是辨識(shí)送入機(jī)床待加工的工件或者毛坯是否是要求加工的工件或毛坯，同時(shí)還要求辨識(shí)工件安裝的位姿是否是工藝規(guī)程要求的位姿。此外，還可以利用工件識(shí)別和工件安裝監(jiān)視傳感待加工毛坯或工件的加工裕量和表面缺陷。完 成這些識(shí)別與監(jiān)視將采用或開發(fā)許多傳感器，如基于 TV 或 CCD 的機(jī)器視覺傳感器、激光表面粗糙度傳感系統(tǒng)等。 （ 3）刀具 ,砂輪的檢測(cè)傳感。 切削與磨削過(guò)程是重要的材料切除過(guò)程。刀具與砂輪磨損到一定限度（按磨鈍標(biāo)準(zhǔn)判定）或出現(xiàn)破損（破損、崩刃、燒傷、塑變或卷刀的總稱），使它們失去切（磨削能力或無(wú)法保證加工精度和加工表面完整性時(shí)，稱為刀具 /砂輪失效。工業(yè)統(tǒng)計(jì)證明，刀具失效是引起機(jī)床故障停機(jī)的首要因素，由其引起的停機(jī)時(shí)間占NC 類機(jī)床的總停機(jī)時(shí)間的 1/51/，它還可能引發(fā)設(shè)備或人身安全事故，甚至是重大事故。 汽車自動(dòng)控制系統(tǒng)中的傳感技術(shù) 隨著傳感器技術(shù)和其它新技術(shù)的應(yīng)用，現(xiàn)代化汽車工業(yè)進(jìn)入了全新時(shí)期。汽車的機(jī)電一體化要求用自動(dòng)控制系統(tǒng)取代純機(jī)械式控制部件，這不僅體現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)上，為更全面地改善汽車性能，增加人性化服務(wù)功能，降低油耗，減少排氣污染，提高行駛安全性、可靠性、操作方便和舒適性，先進(jìn)的檢測(cè)和控制技術(shù)已擴(kuò)大到汽車全身。在其所有重點(diǎn)控制系統(tǒng)中，必不可少地使用曲軸位置傳感器、吸氣及冷卻水溫度傳感器、壓力傳感器、氣敏傳感器等各種傳感器 。 傳感器在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用十分廣泛 .汽車發(fā)動(dòng)機(jī)用傳感器種類繁多 ,其中 主要包括溫度傳感器 ,壓力傳感器 ,流量傳感器 ,旋轉(zhuǎn)傳感器 ,位置傳感器 ,濃度傳感器 ,爆震傳感器等 。 這些傳感器是整個(gè)汽車用傳感器的核心 ,利用它們可提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能 ,降低油耗 ,減少?gòu)U氣 ,反映故障 ,并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制 。 這些傳感器技術(shù)的性能指標(biāo)要求中最關(guān)鍵的是測(cè)量精度與可靠性 。 由于其工作在發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng) ,燃油蒸汽 ,污泥 ,水花等惡劣環(huán)境中 ,因此這些傳感器的耐惡劣環(huán)境技術(shù)指標(biāo)要高于一般的傳感器 ,以避免由傳感器檢測(cè)帶來(lái)的誤差 ,以及最終將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)失靈或產(chǎn)生故障 。 黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 第 6 頁(yè) 共 23 頁(yè) 第二 章 、 常用傳感器的類型、特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)及用途 傳感器 已廣泛應(yīng)用于航天、航空、國(guó)防科研、信息產(chǎn)業(yè)、機(jī)械、電力、能源、交通、冶金、石油、建筑、郵電、生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)保、材料、災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)防、農(nóng)林、漁業(yè)生產(chǎn)、食品、煙酒制造、機(jī)器人、家電等諸多領(lǐng)域 ,可以說(shuō)幾乎滲透到每個(gè)領(lǐng)域。 下面，我就幾類基本類型的傳感器做些介紹 ： 電阻式傳感器 電阻式傳感器是把被測(cè)量轉(zhuǎn)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(yīng)變式、熱敏式、光敏式、電敏式。 （ 1） 變阻器式傳感器 變阻器式傳感器的等效電路如下圖： 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(shù)，傳感器 的輸出與輸入成線性關(guān)系。 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(dòng)觸點(diǎn) )兩個(gè)基本部分組成。電刷相對(duì)于電阻元件的運(yùn)動(dòng)可以是直線運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和螺旋運(yùn)動(dòng)，因而可以將直線位移或角位移轉(zhuǎn)換為與其成一定函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出。 這類傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dá) ％。 在生活中，應(yīng)用實(shí)例諸多，如重量的自動(dòng)檢測(cè) 配料設(shè)備、煤氣包儲(chǔ)量檢測(cè)等。 （ 2） 電阻應(yīng)變式傳感器 電阻應(yīng)變式傳感器由彈性敏感元件、電阻應(yīng)變計(jì)、補(bǔ)償電阻和外殼組 成，可根據(jù)具體測(cè)量要求設(shè)計(jì)成多種結(jié)構(gòu)形式。彈性敏感元件受到所測(cè)量的力而產(chǎn)生變形，并使附著其上的電阻應(yīng)變計(jì)一起變形。電阻應(yīng)變計(jì)再將變形轉(zhuǎn)換為電阻值的變化，從而可以測(cè)量力、壓力、扭矩、位移、加速度和溫度等多種物理量。 電阻應(yīng)變式傳感器是基于電阻應(yīng)變片的使用，金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著它所受機(jī)械變形（伸長(zhǎng)或縮短）的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。 黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 第 7 頁(yè) 共 23 頁(yè) 金屬應(yīng)變片的 電阻相對(duì)變化為 ?? //2// drdrldlRdR ??? ， ??ldl/ 稱為金屬電阻絲的軸向應(yīng)變，簡(jiǎn)稱縱向應(yīng)變。 rdr/ 稱為電阻絲的徑向應(yīng)變，簡(jiǎn)稱橫向應(yīng)變。當(dāng)電阻絲沿橫向伸長(zhǎng)時(shí)，兩者之間的關(guān)系為 ldlrdr // ??? ，其中 ? 為電阻絲材料的泊桑比， ?????? ???/d ，則 ??? )21(/ ????RdR ，金屬電阻材料的 ??很小，即其壓阻效應(yīng)很弱，這樣上式可簡(jiǎn)化為 ??)21(/ ??RdR ，其靈敏度為常數(shù)???? ?21// ldl RdRS 。為了將電阻應(yīng)變式傳感器的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號(hào)，在應(yīng)用中一般采用電橋電路作為其測(cè)量電路。電橋電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、測(cè)量范圍寬、線性度好且易實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)。能較好地滿足各種應(yīng)變測(cè)量要求，因此在應(yīng)變測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用 [3]。 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(hào)在進(jìn)一步放大時(shí)易產(chǎn)生零漂，故交流電橋的應(yīng)用更為廣泛。直流電橋只用于較大應(yīng)變的測(cè)量，交流電橋可用于各種應(yīng)變的測(cè)量。 電橋電路按 其工作方式分有單臂、雙臂和全橋三種。 直流電橋的連接方式 a)半橋單臂 b)半橋雙臂 c)全橋 金屬應(yīng)變片的穩(wěn)定性和溫度特性好，但其靈敏度小；而半導(dǎo)體應(yīng)變片應(yīng)變靈敏度大 ； 體積小 ； 能制成具有一定應(yīng)變電阻的元件，但它的缺點(diǎn)是溫度穩(wěn)定性和可重復(fù)性不如金屬應(yīng)變片。 它的應(yīng)用實(shí)例如橋梁固有頻率測(cè)量、電子稱、桶式測(cè)力傳感器等 。 電子稱 黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 第 8 頁(yè) 共 23 頁(yè) 電容式傳感器 把被 測(cè)的機(jī)械量，如位移、壓力等轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器。它的敏感部分就是具有可變參數(shù)的電容器。其最常用的形式是 由絕緣介質(zhì)分開的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器 ，若不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為 dAC /?? 當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化使得上式中的 A、 d 或 ? 發(fā)生變化時(shí)，電容量 C 也隨之變化。若保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變其中一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過(guò)測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。 電容式傳感器的等效電路如圖： 電容式傳感器的測(cè)量電路同樣為電橋電路，如下圖： 電容式傳感器的溫度穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)