傳感器與檢測(cè)技術(shù)課件第十章_傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用1

1、傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用及其發(fā)展研究一一. 傳感器的定義、組成及其分類傳感器的定義、組成及其分類1. 1. 傳感器的定義與組成傳感器的定義與組成 國家標(biāo)準(zhǔn)（GB766587）傳感器（Transducer/Sensor）的定義是：能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置”。我們的定義是：傳感器是一種以一定的精確度把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種物理量的測(cè)量裝置。 傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本轉(zhuǎn)換電路三部分組成，組成框圖見圖 2. 2. 傳感器的分類傳感器的分類n按傳感器的工作機(jī)理，可分為物理型物理型、化學(xué)型化學(xué)型、生物型生物型等n按構(gòu)成原理

2、，可分為結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu)型與物性型物性型兩大類 n根據(jù)傳感器的能量轉(zhuǎn)換情況，可分為能量控制型傳感器能量控制型傳感器和能量轉(zhuǎn)換型能量轉(zhuǎn)換型傳感器。傳感器。 n按照物理原理分類可分為 a.電參量式傳感器 b.磁電式傳感器 c.壓電式傳感器 d.光電式傳感器 e.氣電式傳感器等n按照傳感器的用途來分類如位移傳感器、壓力傳感器 n根據(jù)傳感器輸出是模擬信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)，可分為模擬傳感器模擬傳感器和數(shù)字?jǐn)?shù)字傳感器傳感器；根據(jù)轉(zhuǎn)換過程可逆與否，可分為雙向傳感器雙向傳感器和單向傳感器單向傳感器 二二. .機(jī)電一體化系統(tǒng)在工業(yè)中的地位機(jī)電一體化系統(tǒng)在工業(yè)中的地位 1. 1. 機(jī)電一體化系統(tǒng)的定義機(jī)電一體化系統(tǒng)的定義

3、機(jī)電一體化是指將機(jī)械技術(shù)、電工電子技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)、傳感器技術(shù)、接口技術(shù)、信號(hào)變換技術(shù)等多種技術(shù)進(jìn)行有機(jī)地結(jié)合，并綜合應(yīng)用到實(shí)際中去的綜合技術(shù)。其主要組成為：信息系統(tǒng)，物理系統(tǒng)，電源，傳感器，執(zhí)行器。信息系統(tǒng)：對(duì)外部輸入的命令進(jìn)行儲(chǔ)存，分析，加工，根據(jù)信息處理的結(jié)果，按照一定的程序和節(jié)奏發(fā)出相應(yīng)指令，控制系統(tǒng)有目的的運(yùn)行。物理系統(tǒng)：機(jī)械產(chǎn)品的機(jī)械部分，支撐整個(gè)系統(tǒng)的物理外殼。電源：為系統(tǒng)提供能量和動(dòng)力，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。傳感器：對(duì)系統(tǒng)中的各種參量進(jìn)行檢測(cè)，反饋給信息系統(tǒng)以便實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。執(zhí)行器：根據(jù)信息系統(tǒng)的控制信息，完成各種動(dòng)作。2. 機(jī)電一體化系統(tǒng)在工業(yè)中的應(yīng)用機(jī)電一體化系統(tǒng)在

4、工業(yè)中的應(yīng)用 CIMSCIMS的實(shí)現(xiàn)不是現(xiàn)有各分散系統(tǒng)的簡單組合,而是全局動(dòng)態(tài)最優(yōu)綜合。它打破原有部門之間的界線,以制造為基干來控制“物流”和“信息流”,實(shí)現(xiàn)從經(jīng)營決策、產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)準(zhǔn)備、生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)到生產(chǎn)經(jīng)營管理的有機(jī)結(jié)合。企業(yè)集成度的提高可以使各種生產(chǎn)要素之間的配置得到更好的優(yōu)化,各種生產(chǎn)要素的潛力可以得到更大的發(fā)揮。 柔性制造系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)化的制造系統(tǒng),主要由計(jì)算機(jī)、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、料盤、自動(dòng)搬運(yùn)小車和自動(dòng)化倉庫等組成。它可以隨機(jī)地、實(shí)時(shí)地、按量地按照裝配部門的要求,生產(chǎn)其能力范圍內(nèi)的任何工件,特別適于多品種、中小批量、設(shè)計(jì)更改頻繁的離散零件的批量生產(chǎn)。 三三. 傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中應(yīng)

5、傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中應(yīng)用用1. 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器的類型、機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器的類型、特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)及用途等特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)及用途等 電阻式傳感器:電阻式傳感器的基本原理是將被測(cè)的非電量轉(zhuǎn)化成電阻值的變化，再經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路變成電量輸出。根據(jù)傳感器組成材料變化或傳感器原理變化，產(chǎn)生了各種各樣的電阻式傳感器，主要包括應(yīng)變式傳感器及壓阻式傳感器。電阻傳感器可以測(cè)量力、壓力、位移、應(yīng)變、加速度和溫度等非電量參數(shù)。電阻式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，靈敏度較高，有的還可用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。電阻應(yīng)變式傳感器 電感傳感器 電感式傳感器利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)非電量如位移、壓力、流量、 振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成線圈自感量L或互

6、感量M的變化, 再由測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出。 電感式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單, 工作可靠, 測(cè)量精度高, 零點(diǎn)穩(wěn)定, 輸出功率較大等一系列優(yōu)點(diǎn), 其主要缺點(diǎn)是靈敏度、線性度和測(cè)量范圍相互制約, 傳感器自身頻率響應(yīng)低, 不適用于快速動(dòng)態(tài)測(cè)量。 電感式傳感器種類很多，常見的有自感式傳感器，互感式傳感器和電渦流式傳感器三種。 使用注意事項(xiàng)使用注意事項(xiàng) (1) 方案選擇 在選擇方案之前應(yīng)首先弄清給定的技術(shù)指標(biāo)，如示值范圍、示值誤差、分辨力、重復(fù)性誤差、時(shí)漂、溫漂、使用環(huán)境等。 (2) 鐵心材料的選擇 鐵心材料選擇的主要依據(jù)是要具有較高的導(dǎo)磁系數(shù)，較高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度和較小的磁滯損耗，剩磁 和矯

7、頑磁力 都要小。另外，還要求電阻率大，居里點(diǎn)溫度高，磁性能穩(wěn)定，便于加工等。常用導(dǎo)磁材料有鐵氧體、鐵鎳合金、硅鋼片和純鐵。 (3) 電源頻率的選擇 提高電源頻率有下列優(yōu)點(diǎn)：能提高線圈的品質(zhì)因數(shù)；靈敏度有一定的提高；適當(dāng)提高頻率還有利于放大器的設(shè)計(jì)。但是，過高的電源頻率也會(huì)帶來缺點(diǎn)，如鐵心渦流損耗增加；導(dǎo)線的集膚效應(yīng)等會(huì)使靈敏度減低；增加寄生電容（包括線圈匝間電容）以及外界干擾的影響。 壓電傳感器壓電傳感器 壓電效應(yīng)與壓電傳感器 某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正

8、壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)發(fā)生變形，電場(chǎng)去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，或稱為電致伸縮現(xiàn)象。 依據(jù)電介質(zhì)壓電效應(yīng)研制的一類傳感器稱為為壓電傳感器,它是利用某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電量的一種傳感器。 電容式傳感器電容式傳感器 電容式傳感器的溫度穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，可進(jìn)行非接電容式傳感器的溫度穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，可進(jìn)行非接觸測(cè)量，然而，輸入阻抗高，負(fù)載能力差。觸測(cè)量，然而，輸入阻抗高，負(fù)載能力差。 電磁式傳感器 霍爾傳感器霍爾傳感器（1）可靠性高和抗干擾性強(qiáng)；（2）

9、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。不同種類數(shù)控機(jī)床對(duì)傳感器的要求也不盡相同，一般來說，大型機(jī)床要求速度響應(yīng)高，中型和高精度數(shù)控機(jī)床以要求精度為主。 數(shù)控機(jī)床傳感器選擇的原則數(shù)控機(jī)床傳感器選擇的原則（1）根據(jù)傳感器的特性選擇（2）根據(jù)傳感器的用途選擇2.數(shù)控機(jī)床對(duì)傳感器的要數(shù)控機(jī)床對(duì)傳感器的要求求 3. 3.傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的重要地位傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的重要地位 傳感器技術(shù)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、自動(dòng)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),也是機(jī)電一體化系統(tǒng)不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)之一,其水平高低在很大程度上影響和決定著系統(tǒng)的功能;其水平越高,系統(tǒng)的自動(dòng)化程度就越高。在一套完整的機(jī)電一體化系統(tǒng)中,如果不能利用傳感檢測(cè)技術(shù)對(duì)被控對(duì)象的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)出并轉(zhuǎn)換成易于傳送和處理的信號(hào),我們所需要的用于系統(tǒng)控制的信息就無法獲得,進(jìn)而使整個(gè)系統(tǒng)就無法正常有效的工作。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 :機(jī)器人用傳感器、機(jī)械加工過程的傳感檢測(cè)技術(shù)。四四.機(jī)電一體化系統(tǒng)中傳感器的發(fā)展機(jī)電一體化系統(tǒng)中傳感器的發(fā)展 1.新型傳感器新型傳感器 2.新材料傳感器新材料傳感器3.無線智能傳感器無線智能傳感器五.工業(yè)信息化在我國高速發(fā)展 當(dāng)前我國正在重點(diǎn)開發(fā)的MEMS（