傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用與發(fā)展的研究(共22頁)

1、李 剛 1132143 傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用及發(fā)展的研究陜西航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)PAGE 2PAGE 23陜西航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 摘 要 傳感器是能感受(gnshu)規(guī)定的被測(cè)量(cling)并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，主要用于檢測(cè)機(jī)電一體化系統(tǒng)自身與操作對(duì)象、作業(yè)環(huán)境狀態(tài)，為有效控制機(jī)電一體化系統(tǒng)的運(yùn)作提供必須的相關(guān)信息。隨著人類探知領(lǐng)域(ln y)和空間的拓展，電子信息種類日益繁多，信息傳遞速度日益加快，信息處理能力日益增強(qiáng)，相應(yīng)的信息采集傳感技術(shù)也將日益發(fā)展，傳感器也將無所不在。關(guān)鍵詞：傳感器技術(shù)；機(jī)電一體化目 錄摘 要 11. 傳感器的概述(i sh

2、) 32.傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的作用(zuyng)及地位32.1 機(jī)器人用傳感器32.2 機(jī)械加工過程(guchng)的傳感檢測(cè)技術(shù)43. 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 43.1 電阻式傳感器43.2 電容式傳感器63.3 電感式傳感器73.4 壓電式傳感器 93.5 霍爾式傳感器114. 機(jī)電(jdin)一體化系統(tǒng)中傳感器的選擇134.1 數(shù)控機(jī)床(sh kn j chun)對(duì)傳感器的要求 134.2位移(wiy)的檢測(cè)144.3位置的檢測(cè)154.4度的檢測(cè)154.5力的檢測(cè)154.6度的檢測(cè)164.7磨損的監(jiān)控165. 系統(tǒng)中常用傳感器的發(fā)展(fzhn)與思考 1

3、65.1新材料(cilio)開發(fā)165.2智能化發(fā)展(fzhn)17致謝18參考文獻(xiàn)19傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用及發(fā)展的研究 1. 傳感器的概述從20世紀(jì)80年代起，逐步在世界范圍內(nèi)掀起一股“傳感器熱”，各先進(jìn)工業(yè)國都極為重視傳感技術(shù)和傳感器研究、開發(fā)和生產(chǎn)。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)。傳感器技術(shù)是一項(xiàng)當(dāng)今世界令人矚目的迅猛發(fā)展起來的高新技術(shù)之一，也是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要標(biāo)志，它與通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)成信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱。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(shí)，人們才逐步認(rèn)識(shí)信息攝

4、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”。 傳感器技術(shù)是測(cè)量(cling)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)、微電子學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、精密機(jī)械、仿生學(xué)、材料科學(xué)等眾多學(xué)科相互交叉的綜合性高新技術(shù)密集型前沿技術(shù)之一。2.傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的作用(zuyng)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(jngqu)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

5、重要技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)化產(chǎn)品之中： 2.1 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^各種傳感器來準(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)信息的獲取通過內(nèi)部傳感器（位置、位移、速度、加速度等）來完成，操作對(duì)象與外部環(huán)境的感知通過外部傳感器來實(shí)現(xiàn)，這個(gè)過程非常重要，足以為機(jī)器人控制提供反饋信息。 2.2 機(jī)械加工過程的傳感檢測(cè)技術(shù) 1、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(cè)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。切削過程傳感檢測(cè)的目標(biāo)有切削過程的切削力及其變化、切削過程顫震、刀具與工件的接觸和切削時(shí)切屑的狀態(tài)及切削過程

6、辨識(shí)等，而最重要的傳感參數(shù)有切削力、切削過程振動(dòng)、切削過程聲發(fā)射、切削過程電機(jī)的功率等。對(duì)于機(jī)床的運(yùn)行來講，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)與冷卻潤滑液的流量等。 2、工件的過程傳感。與刀具和機(jī)床的過程(guchng)監(jiān)視技術(shù)相比，工件的過程監(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，工件識(shí)別和工件安裝位姿監(jiān)視要求也提到日程上來。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

7、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、具,砂輪(shln)的檢測(cè)傳感。切削與磨削過程是重要的材料切除過程。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（磨削能力或無法保證加工(ji gng)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

8、停機(jī)時(shí)間占NC類機(jī)床的總停機(jī)時(shí)間的1/5-1/3.此外，它還可能引發(fā)設(shè)備或人身安全事故，甚至是重大事故。3. 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 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(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：3.1 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。變阻器式傳感器變阻器式傳感器的等效電路如下圖

9、：如果電阻絲的直徑(zhjng)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(yunjin)及電刷(活動(dòng)觸點(diǎn))兩個(gè)基本部分組成(z chn)。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)0.1。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)

10、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。金屬應(yīng)變片的電阻R為 電阻相對(duì)變化為 ， 稱為金屬電阻絲的軸向應(yīng)變，簡(jiǎn)稱縱向應(yīng)變。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，其中為電阻絲材料的泊桑比，則，金屬電阻材料的很小

11、，即其壓阻效應(yīng)很弱，這樣上式可簡(jiǎn)化為，其靈敏度為。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。 電橋電路按輔助電源分有直流電橋和交流電橋，由于(yuy)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(din qio)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(linji)方式a)半橋單臂b)半橋雙臂c)全

12、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3.2 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(chn yn)的形式是由絕緣介質(zhì)分開的兩個(gè)(lin )平行金屬板組成的平板電容器，若不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化(binhu)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

13、參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過測(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)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。電容式傳感器精度可達(dá)0.01。 其運(yùn)用實(shí)例有電容傳聲器、轉(zhuǎn)速測(cè)量、電容測(cè)厚儀、電容式油量表等。電容(dinrng)傳聲器3.3 電感式傳感器電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)把被測(cè)的物理量如位移，壓力，流量，振動(dòng)等轉(zhuǎn)換(zhunhun)成線圈的自感系數(shù)和互感系數(shù)的變化，再由電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。電感式傳感器具有(jyu)以下特點(diǎn)： （1

14、）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳感器無活動(dòng)電觸點(diǎn)，因此工作可靠壽命長(zhǎng)。 （2）靈敏度和分辨力高，能測(cè)出0.01微米的位移變化。傳感器的輸出信號(hào)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。（3）線性度和重復(fù)性都比較好，在一定位移范圍（幾十微米至數(shù)毫米）內(nèi)，傳感器非線性誤差可達(dá)0.05%0.1%。同時(shí)，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(dòng)控制系統(tǒng)中廣泛被采用。但不足的是，它有頻率響應(yīng)較低，不宜快速動(dòng)態(tài)測(cè)控等缺點(diǎn)。 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。圖中介紹的是自感式傳感器。由鐵心和線圈構(gòu)成的將直線或角位移的變化轉(zhuǎn)換為線圈電感(din n)量變化的傳感器，又稱

15、電感式位移傳感器。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。當(dāng)把線圈接入測(cè)量電路并接通激勵(lì)電源時(shí)，就可獲得正比于位移輸入量的電壓或電流輸出。電感式傳感器的特點(diǎn)是：無活動(dòng)(hu dng)觸點(diǎn)、可靠度高、壽命長(zhǎng)；分辨率高；靈敏度高；線性度高、重復(fù)性好；測(cè)量范圍寬（測(cè)量范圍大時(shí)分辨率低）；無輸入時(shí)有零位輸出(shch)電壓，引起測(cè)量誤差；對(duì)激勵(lì)電源的頻率和幅值穩(wěn)定性要求較高；不適用于高頻動(dòng)態(tài)測(cè)量。電感式傳感器主要用于位移測(cè)量和可以轉(zhuǎn)換成位移變化的機(jī)械量（如力、張力、壓力、壓差、加速度、振動(dòng)、應(yīng)變、流量、厚度、液位、比重、轉(zhuǎn)矩等）的

16、測(cè)量。常用電感式傳感器有變間隙型、變面積型和螺管插鐵型。在實(shí)際應(yīng)用中，這三種傳感器多制成差動(dòng)式，以便提高線性度和減小電磁吸力所造成的附加誤差。 變間隙型電感傳感器 這種傳感器的氣隙隨被測(cè)量的變化而改變,從而改變磁阻（圖1）。它的靈敏度和非線性都隨氣隙的增大而減小，因此常常要考慮兩者兼顧。一般取在0.10.5毫米之間。 變面積型電感傳感器 這種傳感器的鐵芯和銜鐵之間的相對(duì)覆蓋面積（即磁通截面）隨被測(cè)量的變化而改變,從而改變磁阻（圖2）。它的靈敏度為常數(shù)，線性度也很好。 螺管插鐵型電感傳感器 它由螺管線圈和與被測(cè)物體相連的柱型銜鐵構(gòu)成。其工作原理基于線圈磁力線泄漏路徑上磁阻的變化。銜鐵隨被測(cè)物體移

17、動(dòng)時(shí)改變了線圈的電感量。這種傳感器的量程大，靈敏度低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制作。電感式傳感器的應(yīng)用實(shí)例有：測(cè)厚、零件計(jì)數(shù)、側(cè)轉(zhuǎn)速、無損探傷、測(cè)微技術(shù)等。3.4 壓電式傳感器壓電式傳感器的工作原理(yunl)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。當(dāng)材料(cilio)受力作用而變形時(shí), 其表面會(huì)有電荷產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)非電量(dinling)測(cè)量。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(gè)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(gè)極板, 極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì), 則其電容量為：，壓電元件受外力時(shí)，兩表面產(chǎn)生等量的正負(fù)電荷，壓電元件的開路電壓

18、為：。壓電傳感器可以等效為一個(gè)電荷源與一個(gè)電容并聯(lián)。如下圖(a)壓電傳感器也可以等效為一個(gè)與電容相串聯(lián)的電壓源。如下圖（b）電壓靈敏度與電荷靈敏度之間的關(guān)系為：壓電式傳感器的測(cè)量電路： 測(cè)量時(shí)，需把壓電傳感器用電纜接于前置放大器，前置放大器作用： 一是放大傳感器輸出的微弱信號(hào)；二是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗。電壓放大器如圖（a）： 電荷放大器如圖（b）： （b） 壓電式傳感器的性能特點(diǎn)：高阻抗(zkng)、低能量；但是無靜態(tài)輸出，要求有很高的電輸出阻抗。需用低電容的低噪聲電纜。壓電式傳感器的應(yīng)用有：壓電式測(cè)力傳感器、壓電式加速度傳感器、壓電式金屬加工切削力測(cè)量(cling)、壓電式玻璃破

19、碎報(bào)警器等。壓電式金屬加工切削力測(cè)量(cling)：壓電式玻璃破碎報(bào)警器：3.5 霍爾式傳感器霍爾傳感器是利用霍爾元件基于霍爾效應(yīng)原理而將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)輸出的一種傳感器。由于霍爾元件在靜止?fàn)顟B(tài)下，具有感受磁場(chǎng)的獨(dú)特能力，并且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、噪聲小、頻率范圍寬(從直流到微波)、動(dòng)態(tài)范圍大(輸出電勢(shì)變化范圍可達(dá)1000:1)、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，因此獲得了廣泛應(yīng)用。 金屬或半導(dǎo)體薄片(bo pin)置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于薄片(bo pin)，當(dāng)有電流流過薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。如下圖： 霍爾元件(yunjin)的主要性能參數(shù)： (

20、1) 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(2) 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(shí)，對(duì)應(yīng)的控制電流值 最大允許控制電流：以元件允許的最大溫升限制所對(duì) 應(yīng)的控制電流值（3）不等位電勢(shì)：當(dāng)霍爾元件的控制電流為額定值時(shí)，若元件所處位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，測(cè)得的空載霍爾電勢(shì)。(4) 寄生直流電勢(shì) 霍爾元件零位誤差的一部分當(dāng)沒有外加磁場(chǎng)，霍爾元件用交流控制電流時(shí)，霍爾電極的輸出有一個(gè)直流電勢(shì)控制電極和霍爾電極與基片的連接是非完全歐姆接觸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生整流效應(yīng)。兩個(gè)霍爾電極焊點(diǎn)的不一致，引起兩電極溫度不同產(chǎn)生

21、溫差電勢(shì)(5) 霍爾電勢(shì)溫度系數(shù) 在一定磁感應(yīng)強(qiáng)度和控制電流下，溫度每變化1度時(shí)，霍爾電勢(shì)變化的百分率。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(yunjin)的特性?；魻杺鞲衅鲃?dòng)態(tài)(dngti)性能好?；魻杺鞲衅鞯幕緶y(cè)量電路如下(rxi)：激勵(lì)電流由電壓源E供給，其大小由可變電阻來調(diào)節(jié)?；魻栃蛡鞲衅鞯膽?yīng)用有：霍爾轉(zhuǎn)速表、霍爾式微壓力傳感器、各種位移傳感器等。4. 機(jī)電一體化系統(tǒng)中傳感器的選擇傳感器的應(yīng)用范圍廣，種類繁多。如何為我們機(jī)電(jdin)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(sh kn j chun)為例講講機(jī)電(jdin)一體化系統(tǒng)中傳感器的選擇。數(shù)控

22、機(jī)床綜合了機(jī)械、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)、測(cè)量、微電子等最新技術(shù)，使用了多種傳感器，由于高精度、高速度、高效率及安全可靠的特點(diǎn)，在制造業(yè)技術(shù)設(shè)備更新中，數(shù)控機(jī)床正迅速地在企業(yè)得到普及。數(shù)控機(jī)床是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動(dòng)化機(jī)床，能夠根據(jù)已編好的程序，使機(jī)床動(dòng)作并加工零件。它綜合了機(jī)械、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)、測(cè)量、微電子等最新技術(shù)，使用了多種傳感器。4.1 數(shù)控機(jī)床對(duì)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。 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。4.2

23、位移的檢測(cè)位移檢測(cè)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。（1） 脈沖編碼器的應(yīng)用 脈沖編碼器是一種角位移（轉(zhuǎn)速）傳感器，它能夠把機(jī)械轉(zhuǎn)角變成電脈沖。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。（2）直線光柵的應(yīng)用 直線光柵是利用光的透射和反射現(xiàn)象制作而成，常用于位移測(cè)量，分辨力較高，測(cè)量精度比光電編碼器高，適應(yīng)于動(dòng)態(tài)測(cè)量。 在進(jìn)給驅(qū)動(dòng)中，光柵尺固定在床身上，其產(chǎn)生的脈沖信號(hào)直接反映了拖板的實(shí)際位置。用光柵檢測(cè)工作臺(tái)位置的伺服系統(tǒng)是全閉環(huán)控制系統(tǒng)。（3） 旋轉(zhuǎn)(xunzhun)變壓器的應(yīng)用 旋轉(zhuǎn)(xunzhun)變壓器是一種輸出電壓與角位移量成連續(xù)

24、函數(shù)關(guān)系的感應(yīng)式微電機(jī)。旋轉(zhuǎn)變壓器由定子和轉(zhuǎn)子組成，具體來說，它由一個(gè)鐵心、兩個(gè)定子繞組和兩個(gè)轉(zhuǎn)子繞組組成，其原、副繞組分別放置在定子、轉(zhuǎn)子上，原、副繞組之間的電磁耦合程度與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角有關(guān)。（4） 感應(yīng)同步器的應(yīng)用(yngyng) 感應(yīng)同步器是利用兩個(gè)平面形繞組的互感隨位置不同而變化的原理制成的。其功能是將角度或直線位移轉(zhuǎn)變成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相位或幅值，可用來測(cè)量直線或轉(zhuǎn)角位移。按其結(jié)構(gòu)可分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種。直線式感應(yīng)同步器由定尺和滑尺兩部分組成，定尺安裝在機(jī)床床身上，滑尺安裝于移動(dòng)部件上，隨工作臺(tái)一起移動(dòng)；旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器定子為固定的圓盤，轉(zhuǎn)子為轉(zhuǎn)動(dòng)的圓盤。感應(yīng)同步器具有較高的精度與分辨力、

25、抗干擾能力強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)、維護(hù)簡(jiǎn)單、長(zhǎng)距離位移測(cè)量、工藝性好、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。直線式感應(yīng)同步器目前被廣泛地應(yīng)用于大位移靜態(tài)與動(dòng)態(tài)測(cè)量中，例如用于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、程控?cái)?shù)控機(jī)床、高精度重型機(jī)床及加工中心測(cè)量裝置等。旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器則被廣泛地用于機(jī)床和儀器的轉(zhuǎn)臺(tái)以及各種回轉(zhuǎn)伺服控制系統(tǒng)中。4.3位置的檢測(cè) 位置傳感器可用來檢測(cè)位置，反映某種狀態(tài)的開關(guān)，和位移傳感器不同。位置傳感器有接觸式和接近式兩種。（1）接觸式傳感器的應(yīng)用接觸式傳感器的觸頭由兩個(gè)物體接觸擠壓而動(dòng)作，常見的有行程開關(guān)、二維矩陣式位置傳感器等。行程開關(guān)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作可靠、價(jià)格低廉。當(dāng)某個(gè)物體在運(yùn)動(dòng)過程中，碰到行程開關(guān)時(shí)，其內(nèi)部觸頭會(huì)動(dòng)作

26、，從而完成控制，如在加工中心的X、Y、Z軸方向兩端分別裝有行程開關(guān)，則可以控制移動(dòng)范圍。二維矩陣式位置傳感器安裝于機(jī)械手掌內(nèi)側(cè)，用于檢測(cè)自身與某個(gè)物體的接觸位置。（2） 接近(jijn)開關(guān)的應(yīng)用 接近開關(guān)(kigun)是指當(dāng)物體與其接近到設(shè)定距離時(shí)就可以發(fā)出“動(dòng)作(dngzu)”信號(hào)的開關(guān)，它無需和物體直接接觸。接近開關(guān)有很多種類，主要有自感式、差動(dòng)變壓器式、電渦流式、電容式、干簧管、霍爾式等。 接近開關(guān)在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用主要是刀架選刀控制、工作臺(tái)行程控制、油缸及汽缸活塞行程控制等。 霍爾傳感器是利用霍爾現(xiàn)象制成的傳感器。將鍺等半導(dǎo)體置于磁場(chǎng)中，在一個(gè)方向通以電流時(shí)，則在垂直的方向上會(huì)出現(xiàn)電

27、位差，這就是霍爾現(xiàn)象。將小磁體固定在運(yùn)動(dòng)部件上，當(dāng)部件靠近霍爾元件時(shí)，便產(chǎn)生霍爾現(xiàn)象，從而判斷物體是否到位。4.4度的檢測(cè)速度傳感器是一種將速度轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的傳感器，既可以檢測(cè)直線速度，也可以檢測(cè)角速度，常用的有測(cè)速發(fā)電機(jī)和脈沖編碼器等。 機(jī)具有的特點(diǎn)是：（1）輸出電壓與轉(zhuǎn)速嚴(yán)格成線性關(guān)系；（2）輸出電壓與轉(zhuǎn)速比的斜率大?？煞殖山涣骱椭绷鲀深?。 器在經(jīng)過一個(gè)單位角位移時(shí)，便產(chǎn)生一個(gè)脈沖，配以定時(shí)器便可檢測(cè)出角速度。 在數(shù)控機(jī)床中，速度傳感器一般用于數(shù)控系統(tǒng)伺服單元的速度檢測(cè)。4.5力的檢測(cè) 壓力傳感器是一種將壓力轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的傳感器。根據(jù)工作原理，可分為壓電式傳感器、壓阻式傳感器和電容式傳感器

28、。它是檢測(cè)氣體、液體、固體等所有物質(zhì)間作用力能量的總稱，也包括測(cè)量高于大氣壓的壓力計(jì)以及測(cè)量低于大氣壓的真空計(jì)。電容式壓力傳感器的電容量是由電極面積和兩個(gè)電極間的距離決定，因靈敏度高、溫度穩(wěn)定性好、壓力量程大等特點(diǎn)近來得到了迅速發(fā)展。在數(shù)控機(jī)床中，可用它對(duì)工件夾緊力進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)夾緊力小于設(shè)定值時(shí)，會(huì)導(dǎo)致工件松動(dòng)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，停止走刀。另外，還可用壓力傳感器檢測(cè)車刀切削力的變化。再者，它還在潤滑系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)被用來檢測(cè)油路或氣路中的壓力，當(dāng)油路或氣路中的壓力低于設(shè)定值時(shí)，其觸點(diǎn)會(huì)動(dòng)作，將故障信號(hào)送給數(shù)控系統(tǒng)。4.6度的檢測(cè)(jin c) 溫度傳感器是一種(y zhn)將溫度高低轉(zhuǎn)變成

29、電阻值大小或其它電信號(hào)的一種裝置。常見的有以鉑、銅為主的熱電阻傳感器、以半導(dǎo)體材料為主的熱敏電阻傳感器和熱電偶傳感器等。在數(shù)控機(jī)床上，溫度傳感器用來檢測(cè)溫度從而進(jìn)行溫度補(bǔ)償或過熱保護(hù)。 在加工過程中，電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)部件的移動(dòng)、切削等都會(huì)產(chǎn)生熱量，且溫度分布不均勻，造成溫差，使數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生熱變形，影響零件加工精度，為了避免溫度產(chǎn)生的影響，可在數(shù)控機(jī)床上某些部位裝設(shè)溫度傳感器，感受(gnshu)溫度信號(hào)并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送給數(shù)控系統(tǒng)，進(jìn)行溫度補(bǔ)償。 此外，在電動(dòng)機(jī)等需要過熱保護(hù)的地方，應(yīng)埋設(shè)溫度傳感器，過熱時(shí)通過數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行過熱報(bào)警。4.7磨損的監(jiān)控 刀具磨損到一定程度會(huì)影響到工件的尺寸精度和表面

30、粗糙度，因此，對(duì)刀具磨損要進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)?shù)毒吣p時(shí)，機(jī)床主軸電動(dòng)機(jī)負(fù)荷增大，電動(dòng)機(jī)的電流和電壓也會(huì)變化，功率隨之改變，功率變化可通過霍爾傳感器檢測(cè)。功率變化到一定程度，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，機(jī)車停止運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行刀具調(diào)整或更換。以上介紹的傳感器在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用是目前的狀況，但隨著傳感器和數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，有些傳感器將被淘汰，如旋轉(zhuǎn)變壓器等，而新的傳感器將不斷出現(xiàn)，會(huì)使數(shù)控機(jī)床更加完善，自適應(yīng)更強(qiáng)。5. 系統(tǒng)中常用傳感器的發(fā)展與思考 隨著(su zhe)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)將是開發(fā)新材料與傳感器智能化發(fā)展相結(jié)合。5.1新材料(cilio)開發(fā)傳感器材料是傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ)

31、, 是傳感器技術(shù)升級(jí)的重要支撐。隨著材料科學(xué)的進(jìn)步,傳感器技術(shù)日臻成熟,其種類越來越多,除了早期使用的半導(dǎo)體材料、陶瓷材料以外,光導(dǎo)纖維以及超導(dǎo)材料的開發(fā),為傳感器的發(fā)展提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。例如,根據(jù)以硅為基體的許多半導(dǎo)體材料易于(yy)微型化、集成化、多功能化、智能化,以及半導(dǎo)體光熱探測(cè)器具有靈敏度高、精度高、非接觸性等特點(diǎn),發(fā)展紅外傳感器、激光傳感器、光纖傳感器等現(xiàn)代傳感器;在敏感材料中,陶瓷材料、有機(jī)材料發(fā)展很快,可采用不同的配方混合原料,在精密調(diào)配化學(xué)成分的基礎(chǔ)上,經(jīng)過高精度成型燒結(jié),得到對(duì)某一種或某幾種氣體具有識(shí)別功能的敏感材料,用于制成新型氣體傳感器。此外,高分子有機(jī)敏感材料,是近幾年

32、人們極為關(guān)注的具有應(yīng)用潛力的新型敏感材料,可制成熱敏、光敏、氣敏、濕敏、力敏、離子敏和生物敏等傳感器。傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展,也促進(jìn)了更新型材料的開發(fā),如納米材料等。美國NRC公司已開發(fā)出納米ZrO2 氣體傳感器,控制機(jī)動(dòng)車輛尾氣的排放,對(duì)凈化環(huán)境效果很好,應(yīng)用前景比較廣闊。由于采用納米材料制作的傳感器,具有龐大的界面,能提供大量的氣體通道,而且導(dǎo)通電阻很小,有利于傳感器向微型化發(fā)展，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步將有更多的新型材料誕生。5.2智能化發(fā)展80 年代發(fā)展起來的智能化傳感器是微電子技術(shù)、微型電子計(jì)算機(jī)技術(shù)與檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，具有測(cè)量、存貯、通信、控制等特點(diǎn)。智能化傳感器一般主要由主傳感器、輔助傳感器及微機(jī)硬件系統(tǒng)三大部分構(gòu)成。也就是說,智能化傳感器是一種帶有微處理器的傳感器,它兼有檢測(cè)判斷和信息處理功能。例如美國霍尼爾公司的ST - 3000 型傳感器,是一種能夠進(jìn)行檢測(cè)和信號(hào)處理的智能傳感器,具有微處理器和存貯器功能,可測(cè)量差壓、靜壓及溫度等。又如一