【正文】 好、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。按其結(jié)構(gòu)可分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種。 感應(yīng)同步器的應(yīng)用 感應(yīng)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。 旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用 旋轉(zhuǎn)變壓器是一種輸出電壓與角位移量成連續(xù)函數(shù)關(guān)系的感應(yīng)式微電機(jī)。 在進(jìn)給驅(qū)動中，光柵尺固定在床身上，其產(chǎn)生的脈沖信號直接反映了拖板的實(shí)際位置。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(yīng)用比較多。 位移的檢測 位移檢測的傳感器主要有脈沖編碼器、直線光柵、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器等 。 數(shù)控機(jī)床對傳感器的要求 (1) 可靠性高和抗干擾性強(qiáng)； (2) 滿足精度和速度的要求； (3) 使用維護(hù)方便，適合機(jī)床運(yùn)行環(huán)境； (4) 成本低。數(shù)控機(jī)床是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動化機(jī)床，能夠根據(jù) 已編好的程序，使機(jī)床動作并加工零件。如何為我們機(jī)電一體化系統(tǒng)選擇合適的傳感器呢？下面我們就以 數(shù)控機(jī)床 為例講講機(jī)電一體化系統(tǒng)中傳感器的選擇。對于機(jī)床的運(yùn)行來講，主要的傳感檢測目標(biāo)有驅(qū)動系統(tǒng)、軸承與回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、溫度的監(jiān)測與控制及安全性等，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)與冷卻潤滑液的流量等。 切削過程和機(jī)床運(yùn)行過程的傳感技術(shù)：切削過程傳感檢測的目的在于優(yōu)化切削過程的生產(chǎn)率、制造成本或 (金屬 )材料的切除率等。在機(jī)械制造測試系統(tǒng)中，被作為一次儀表定位，其主要特征是能準(zhǔn)確傳遞和檢測出某一形態(tài)的信息，并將其轉(zhuǎn)換成另一形態(tài)的信息。 機(jī)器人自身狀態(tài)信息的獲取通過其內(nèi)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(shí)現(xiàn)，這個過程非常重要，足以為機(jī)器人控制提供反饋信息。 第三章 傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用 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)用于各種自動化產(chǎn)品之中。 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(diào)節(jié)。 霍爾傳感器的靈敏度和線性度主要取決于磁路系統(tǒng)和霍爾元件的特性。 寄生直流電勢 霍爾元件零位誤差的一部分當(dāng)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(chǎn)生整流效應(yīng)。如下圖： 圖 霍爾元件的主要性能參數(shù)： 輸入電阻和輸出電阻 輸入電阻：控制電極間的電阻 輸出電阻：霍爾電極之間的電阻 額定控制電流和最大允許控制電流 額定控制電流：當(dāng)霍爾元件有控制電流使其本身在空氣中產(chǎn)生 10℃溫升時，對應(yīng)的控制 電流值。由于霍爾元件在靜止?fàn)顟B(tài)下，具有感受磁場的獨(dú)特能力，并且具有結(jié)構(gòu)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 (輸出電勢變化范圍可達(dá) 1000:1)、壽命長等特點(diǎn)，因此獲得了廣泛應(yīng)用。 壓電式傳感器的應(yīng)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(bào)警器等。 電壓放大 器如圖 (a)： 電荷 放大器 如圖 (b)： (b) 圖 壓電式 傳感器的性能特點(diǎn)：高阻抗、低能量；但是無靜態(tài)輸出，要求有很高的電輸出阻抗。 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(gòu)成一個電容器，晶體上聚集正負(fù)電荷的兩表面相當(dāng)于電容的兩個極板 , 極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì) , 則其電容量為：???? SCa 0?，壓電元件受外力時，兩表面產(chǎn)生等量的正負(fù)電荷，壓電元件的開路電壓為：aCQU? 。 圖 壓電式傳感器 壓電式傳 感器的工作原理是基于某些介質(zhì)材料的壓電效應(yīng) , 是典型的有源傳感器。這種傳感器的量程大，靈敏度低，結(jié)構(gòu)簡單，便于制作。其工作原理基于線圈磁力線泄漏路徑上磁阻的變化。它的靈敏度為常數(shù)，線性度也很好。 δ 一般取在 ～ 毫米之間。 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。常用電感式傳感器有變間隙型、變面積型和螺管插鐵型。電感式傳感器的特點(diǎn)是： ① 無活動觸點(diǎn)、可靠度高、壽命長； ② 分辨率高； ③靈敏度高； ④ 線性度高、重復(fù)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)定性要求較高； ⑧ 不適用于高頻動態(tài)測量。這種傳感器的線圈匝數(shù)和材料導(dǎo)磁系數(shù)都是一定的，其電感量的變化是由于位移輸入量導(dǎo)致線圈磁路的幾何尺寸變化而引起的。 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 圖 圖 中介紹的是自感式傳感器。同時，這種傳感器能實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制，它在工業(yè)自動控制系統(tǒng)中廣泛被采用。傳感器的輸出信號強(qiáng)，電壓靈敏度一般每毫米的位移可達(dá)數(shù)百毫伏的輸出 。 電感式傳感器具有以下特點(diǎn)： (1) 結(jié)構(gòu)簡單，傳感器無活動電觸點(diǎn)，因此工作可靠壽命長。 其運(yùn)用實(shí)例有電容傳聲器、轉(zhuǎn)速測量、電容測厚儀、電容式油量表等。 電容式傳感器的等效電路如 圖 ： 圖 電容式傳感器的測量電路同樣為電橋電路，如圖 ： 圖 電容式傳感器的溫度穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)響應(yīng)好，可進(jìn)行非接觸測量， 然而，輸入阻抗高，負(fù)載能力差。 電容量為 dAC /?? 當(dāng)被測參數(shù)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。 它的應(yīng)用實(shí)例如橋梁固有頻率測量、電子稱、桶式測力傳感器等。體積 小 。 電橋電路按其工作方式分有單臂、雙臂和全橋三種 圖 。 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(jìn)一步放大時易產(chǎn)生零漂，故交流電橋的應(yīng)用更為廣泛。電橋電路具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、測量范圍寬、線性度好且易實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)葍?yōu) 點(diǎn)。當(dāng)電阻絲沿橫向伸長時，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 簡化 為??)21(/ ??RdR ，其靈敏度為 常數(shù)???? ?21// ldl RdRS 。 金屬應(yīng)變片的電阻相對變化為 ?? //2// drdrldlRdR ??? ， ??ldl/ 稱為金屬電阻絲的軸向應(yīng)變，簡稱縱向應(yīng)變。彈 性敏感元件受到所測量的力而產(chǎn)生變形，并使 附著其上的電阻應(yīng)變計(jì)一起變形。 在生活中，應(yīng)用實(shí)例諸多，如重量的自動檢測 配料設(shè)備、煤氣包儲量檢測等。不需放大。 這類傳感器結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，性能穩(wěn)定。它們是由電阻元件及電刷 (活動觸點(diǎn) )兩個基本部分組成。 變阻器式傳感器 變阻器式傳感器的等效電路如圖 ： 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。 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 ,可以說幾乎滲透到每個領(lǐng)域。 另外，根據(jù)傳感器對信號的檢測轉(zhuǎn)換過程，傳感器可劃分為直 接轉(zhuǎn)換型傳感器和間接轉(zhuǎn)換型傳感器兩大類。 電化學(xué)式傳感器 電化學(xué)式傳感器是以離子導(dǎo)電為基礎(chǔ)制成，根據(jù)其電特性的形成不同，電化學(xué)傳感器可分為電位式傳感器、電導(dǎo)式傳感器、電量式傳感器、極譜式傳感器和電解式傳感器等。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。當(dāng)磁場強(qiáng)度固定時，則可測量霍爾片的電流、電壓等電參。不僅用于測量電流、電壓、功率和磁感應(yīng)強(qiáng)度等電磁參數(shù)，在非電量測量技術(shù)中還廣泛用于測量直線位移、角位移與壓力等非電量。它廣泛應(yīng)用于工程力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、電聲學(xué)等技術(shù)領(lǐng)域。缺點(diǎn)是某些壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應(yīng)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。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。壓電材料受力后表面產(chǎn)生電荷。是一種自發(fā)電式和機(jī)電轉(zhuǎn)換式傳感器。 磁路的總磁阻可表示為： （公式 1） 近似計(jì)算出線圈的電感量為： （公式 2） 圖 變氣隙式自感傳感器結(jié)構(gòu) 電感式傳感器 無活動觸點(diǎn)、可靠度高、壽命長；分辨率高；靈敏度高；線性度高、重復(fù)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 。電容式傳感器精度可達(dá) ％。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(dāng)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(guān)系的電信號。 目前，常用的電阻傳感器主要有電阻應(yīng)變片、熱電阻、光敏電阻、氣敏電阻和濕敏電阻等幾大類。可用于各種機(jī)械量和熱工量的檢測， 這類傳感器結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，性能穩(wěn)定，受環(huán)境影響小，不需放大。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(yīng)特性稱為傳感器的動態(tài)特 性。 傳感器的特性主要是指輸出與輸入之間的關(guān)系，有靜態(tài)特性和動態(tài)特性之分。③傳感器按能量源分類可分為無源型和有源型。① 傳感器按其測量對象可分為檢測機(jī)電一體化系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的內(nèi)部信息傳感器及系統(tǒng)外部環(huán)境狀態(tài)的外部信息傳感器。傳感技術(shù)已成為重要的現(xiàn)代科技領(lǐng)域，傳感器及其系統(tǒng)生產(chǎn)已成為重要的新興行業(yè)，文章概述傳感器研究現(xiàn)狀與發(fā)展，探討傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用，并分析我國傳感器技術(shù)發(fā)展的若干問題及發(fā)展方向。如今它已經(jīng)滲透到生產(chǎn)和生活的各個領(lǐng)域，從尖端武器裝備、航空航天技術(shù)，到機(jī)械設(shè)備、工業(yè)過程控制、交通運(yùn)輸、紡織印刷、家用電器、醫(yī)療衛(wèi)生、辦公設(shè)備及 環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域，均得到廣泛應(yīng)用，在機(jī)電一體化技術(shù)革命中正在發(fā)揮重要作用。如果說計(jì)算機(jī)是人類大腦的擴(kuò)展 ,那么傳感器就是人類五官的延伸，當(dāng)集成電路、計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展時，人們才逐步認(rèn)識信息攝取裝置 —— 傳感器沒有跟上信息技術(shù)的發(fā)展而驚呼“大腦發(fā)達(dá)、五官不靈”。傳感技術(shù)已成為重要的現(xiàn)代科技領(lǐng)域，傳感器及其系統(tǒng)生產(chǎn)已成為重要的新興行業(yè)。 關(guān)鍵詞 ： 傳感器技術(shù)，機(jī)電一體化，應(yīng)用 Abstract 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 and electrical integration system to achieve a high level of assurance. 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