传感器在机电一体化中的应用.doc

摘 要
近年来,随着科学技术水平的不断提高,很多系统和设备都从传统的机械模式转变为机电一体化模式,这为各个领域的生产提供了强有力的保障。传感器是机电一体 化系统当中不可获取的重要组成部分之一,若是机电一体化系统中没有传感器,则各种信息便无法完成传递和转换,也就是说整个系统会失控。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，应用

Abstract
In recent years, with the improvement of science and technology, many systems and equipment are changing from traditional mechanical model for mechanical and electrical integration model, which provides a strong guarantee for all areas of production. The sensor is an important part of mechatronic system can not access, if there is no sensor mechatronics system, is all kinds of information we can not complete the transfer and conversion, that is to say the whole system will be out of control.The article provides an overview of the sensor research and development, explore the sensor in the application of mechatronic systems, sensor technology and analysis of development issues and development direction .
Key words：sensor technology、electromechanical integration、application.
目 录

绪 论 ....................................................................................................................... 1
第一章 传感器的基本知识 ......................... 2
1.1 传感器的分类及特性 ...................................................................................... 2
1.2 常用传感器的类型及特点 ............................................................................... 2
第二章 传感器在机电一体化系统中的应用 ........ 4
3.1 传感器在工业机器人中的应用 ....................................................................... 4
3.2 传感器在机械制造中的应用 ........................................................................... 4
第三章 机电一体化系统中传感器的选择 ...................................... 5
4.1 数控机床对传感器的要求 .............................................................................. 5
4.2 位移的检测 ................................................................................................... 5
4.3 位置的检测 ..................................................... 6
4.4 速度的检测 ................................................................................................... 7
4.5 压力的检测 ................................................................................................... 7
4.6 温度的检测 .............. 7
4.7 刀具磨损的监控 ............................................................................................ 8
第四章 传感器技术的现状以及发展趋势 ............................................................ 9
第五章 结束语 ............13
参考文献 ................................................................................................................... 14
附 录.......................................................................... 15

绪 论

传感器技术在现代科学技术中具有十分重要的地位，被称为现代信息技术的三大支柱(传感技术、计算机技术、通信技术)之一。微电子技术的大力发展与进步，极大地促进了通信技术和计算机技术的快速发展。与此形成鲜明对照的是，传感器技术发展十分缓慢，制约了信息技术的发展，被称为技术发展的瓶颈。这种发展不协调的状况以及由此带来的负面影响，在近几年科学技术的快速发展过程中表现的尤为突出，甚至局部领域出现了由于传感器技术发展的滞后，反过来影响、制约了其他相关科学技术的发展与进步的情况。所以传感器技术又被认为是现代信息技术的关键技术和智能技术的先导。许多国家都把传感器技术列为重点发展的关键技术之一。美国曾把20世纪80年代看成是传感器技术时代，并列为20世纪90年代22项关键技术之一；日本把传感器技术列为20世纪80年代10大技术之首；从20世纪80年代中后期开始，我国也把传感器技术列为国家优先发展的技术之一。 
可见，传感器技术是一项与现代技术密切相关的尖端技术。一个国家、一项工程设计中传感器应用的数量和水平直接标志着其技术先进的程度。当今传感器技术被广泛地应用在各种先进的设备和系统中。例如，“阿波罗”运载火箭采用的传感器达2077个；宇宙飞船部分的传感器达1218个；一架波音飞机所用的传感器达上千只。可以说，任何自动控制装置和系统都离不开它，同样，传感器技术在机电一体化技术革命中也正在发挥重要作用。

第一章 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”，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。
1.1 传感器的分类及特性
传感器一般由敏感元件，转换元件及测量电路三部分组成。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。
传感器的静特性是指传感器在输入量的各个值处于稳定状态时的输出与输入关系，即当输入量是常量或变化极慢时，输出与输入的关系。衡量传感器静态特性的主要技术指标有线性度、测量范围和量程、重复性、迟滞、灵敏度等。
动态特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。动态特性好的传感器，其输出量随时间变化的曲线与被测量随时间变化的曲线一致或者相近。
1.2 常用传感器的类型及特点
1.2.1 红外温度传感器  
广泛应用于家用电器（微波炉、空调、油烟机、吹风机、烤面包机、电磁炉、炒锅、暖风机等）、医用/家用体温计、办公自动化、便携式非接触红外温度传感器、工业现场温度测量仪器以及电力自动化等。不仅能提供传感器、模块或完整的测温仪器，还能根据用户需要提供包括光学透镜、ASIC、算法等一揽子解决方案。 
1.2.2 倾角传感器   
倾角传感器在军事、航天航空、工业自动化、工程机械、铁路机车、消费电子、海洋船舶等领域得到广泛运用。辉格公司为国内用户提供全球最全面、最专业的产品方案和服务。提供超过500种规格的伺服型、电解质型、电容型、电感型、光纤型等原理的倾角传感器。      
1.2.3 加速度传感器（线和角加速度）  
分低频高精度力平衡伺服型、低频低成本热对流型和中高频电容式加速度位移传感器。总频响范围从DC至3000Hz。应用领域包括汽车运动控制、汽车测试、家电、游戏产品、办公自动化、GPS、PDA、手机、震动检测、建筑仪器以及实验设备等。  
1.2.4 压力传感器 
压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。 
半导体压电阻抗扩散压力传感器是在薄片表面形成半导体变形压力，通过外力（压力使薄片变形而产生压电阻抗效果，从而使阻抗的变化转换成电信号。

第二章 传感器在机电一体化系统中的应用

传感器是左右机电一体化系统(或产品)发展的重要技术之一，广泛应用于各种自动化产品之中。
3.1 传感器在工业机器人中的应用
工业机器人的准确操作取决于对其自身状态、操作对象及作业环境的限确队识。这种准 确认识沟通过传感器的感觉功能实现。机器人自身状态信息酌获取项过其内部信息传感25(位置、速度、加速度等)获取并为机 器人控制反馈信息。希迪电子操作刘象钟L部环境的队识通道外部传感器得到。
3.2传感器在机械制造中的应用
在机械制造中，传感器技术是实现测试与自动控制的重要环节。在机械制造测试系统中，被作为一次仪表定位，其主要特征是能准确传递和检测出某一形态的信息，并将其转换成另一形态的信息。具体地说，传感器是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受（或响应）与检出功能，并使之按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元器件或装置。如果没有传感器对被测的原始信息进行准确可靠的捕获和转换，一切准确的测试与控制都将无法实现；即使最现代化的电子计算机，没有准确的信息（或转换可靠的数据）、不失真的输入，也将无法充分发挥其应有的作用。

第三章 机电一体化系统中传感器的选择

传感器的应用范围广，种类繁多。如何为我们机电一体化系统选择合适的传感器呢？下面我们就以数控机床为例讲讲机电一体化系统中传感器的选择。
数控机床综合了机械、自动化、计算机、测量、微电子等最新技术，使用了多种传感器，由于高精度、高速度、高效率及安全可靠的特点，在制造业技术设备更新中，数控机床正迅速地在企业得到普及。数控机床是一种装有程序控制系统的自动化机床，能够根据已编好的程序，使机床动作并加工零件。它综合了机械、自动化、计算机、测量、微电子等最新技术，使用了多种传感器。
4.1 数控机床对传感器的要求
不同种类数控机床对传感器要求不尽相同 ，数控机床是一种装有程序控制系统的自动化机床，能够根据已编好 的程序，使机床动作并加工零件。不同种类数控机床对传感器的要 求也不尽相同，一般来说，大型机床要求速度响应高，中型和高精 度数控机床以要求精度为主。
4.2 位移的检测
位移检测的传感器主要有脉冲编码器、直线光栅、旋转变压器、感应同步器等。
4.2.1 脉冲编码器的应用
脉冲编码器是一种角位移(转速)传感器，它能够把机械转角变成电脉冲。脉冲编码器可分为光电式、接触式和电磁式三种，其中，光电式应用比较多。
4.2.2 直线光栅的应用
直线光栅是利用光的透射和反射现象制作而成，常用于位移测量，分辨力较高，测量精度比光电编码器高，适应于动态测量。
在进给驱动中，光栅尺固定在床身上，其产生的脉冲信号直接反映了拖板的实际位置。用光栅检测工作台位置的伺服系统是全闭环控制系统。
4.2.3 旋转变压器的应用
旋转变压器是一种输出电压与角位移量成连续函数关系的感应式微电机。旋转变压器由定子和转子组成，具体来说，它由一个铁心、两个定子绕组和两个转子绕组组成，其原、副绕组分别放置在定子、转子上，原、副绕组之间的电磁耦合程度与转子的转角有关。
4.2.4 感应同步器的应用
感应同步器是一种将直线位移或转角位移转化成电信号的传感器。 从原理上看，它与我们前面讲到的旋转变压器并无实质的区别，但是从结构上看，则与旋转变压器（及一般的其他控制电机）大不相同。无论哪一种感应同步器，其结构都包括固定和运动两部分。它的可动部分与不动部分上的绕组不是安装在圆筒形和圆柱形的铁心槽内，而是用绝缘粘合剂把铜铂粘牢在称为基板的金属或玻璃平面的薄板上，利用印刷、腐蚀等方法制成曲折形状的平面绕组，其工艺过程与电子工业中的印刷电路相同，故称为印刷绕组。感应同步器按其运动方式和结构形式的不同，可分为圆盘式（或称旋转式）和直线式两种，前者用来检测角位移，后者用来检测直线位移。但无论是哪种感应同步器，其工作原理都是相同的。
4.3 位置的检测
位置传感器可用来检测位置，反映某种状态的开关，和位移传感器不同。位置传感器有接触式和接近式两种。
4.3.1 接触式传感器的应用
接触式传感器的触头由两个物体接触挤压而动作，常见的有行程开关、二维矩阵式位置传感器等。行程开关结构简单、动作可靠、价格低廉。当某个物体在运动过程中，碰到行程开关时，其内部触头会动作，从而完成控制，如在加工中心的X、Y、Z轴方向两端分别装有行程开关，则可以控制移动范围。二维矩阵式位置传感器安装于机械手掌内侧，用于检测自身与某个物体的接触位置。
4.3.2 接近开关的应用
接近开关是指当物体与其接近到设定距离时就可以发出“动作”信号的开关，它无需和物体直接接触。接近开关有很多种类，主要有自感式、差动变压器式、电涡流式、电容式、干簧管、霍尔式等。
接近开关在数控机床上的应用主要是刀架选刀控制、工作台行程控制、油缸及汽缸活塞行程控制等。

霍尔传感器是利用霍尔现象制成的传感器。将锗等半导体置于磁场中，在一个方向通以电流时，则在垂直的方向上会出现电位差，这就是霍尔现象。将小磁体固定在运动部件上，当部件靠近霍尔元件时，便产生霍尔现象，从而判断物体是否到位。
4.4 速度的检测
在轨道车辆上，车辆系统的稳定性很大程度上取决于它所采集到的速度信号的可靠性和精度，而所采集的速度信号包括当前速度值和速度的变化量。在机车的牵引控制，车轮滑动保护，列车控制，和车门控制过程中都要涉及到速度信号的采集问题。我们可以发现在各种轨道车辆中，这个任务是由许许多多的速度传感器来完成的。 传感器是一种将非电量（如速度、压力）的变化转变为电量变化的原件，根据转换的非电量不同可分为压力传感器、速度传感器、温度传感器等，是进行测量、控制仪器及设备的零件、附件。 单位时间内位移的增量就是速度。速度包括线速度和角速度，与之相对应的就有线速度传感器和角速度传感器，我们都统称为速度传感器。
4.5 压力的检测
压力传感器是一种将压力转变成电信号的传感器。根据工作原理，可分为压电式传感器、压阻式传感器和电容式传感器。它是检测气体、液体、固体等所有物质间作用力能量的总称，也包括测量高于大气压的压力计以及测量低于大气压的真空计。电容式压力传感器的电容量是由电极面积和两个电极间的距离决定，因灵敏度高、温度稳定性好、压力量程大等特点近来得到了迅速发展。在数控机床中，可用它对工件夹紧力进行检测，当夹紧力小于设定值时，会导致工件松动，系统发出报警，停止走刀。另外，还可用压力传感器检测车刀切削力的变化。再者，它还在润滑系统、液压系统、气压系统被用来检测油路或气路中的压力，当油路或气路中的压力低于设定值时，其触点会动作，将故障信号送给数控系统。
4.6 温度的检测
温度传感器是一种将温度高低转变成电阻值大小或其它电信号的一种装置。常见的有以铂、铜为主的热电阻传感器、以半导体材料为主的热敏电阻传感器和热电偶传感器等。在数控机床上，温度传感器用来检测温度从而进行温度补偿或过热保护。
在加工过程中，电动机的旋转、移动部件的移动、切削等都会产生热量，且温度分布不均匀，造成温差，使数控机床产生热变形，影响零件加工精度，为了避免温度产生的影响，可在数控机床上某些部位装设温度传感器，感受温度信号并转换成电信号送给数控系统，进行温度补偿。
此外，在电动机等需要过热保护的地方，应埋设温度传感器，过热时通过数控系统进行过热报警。
4.7 刀具磨损的监控
刀具磨损到一定程度会影响到工件的尺寸精度和表面粗糙度，因此，对刀具磨损要进行监控。当刀具磨损时，机床主轴电动机负荷增大，电动机的电流和电压也会变化，功率随之改变，功率变化可通过霍尔传感器检测。功率变化到一定程度，数控系统发出报警信号，机车停止运转，此时，应及时进行刀具调整或更换。
以上介绍的传感器在数控机床上的应用是目前的状况，但随着传感器和数控机床的发展，有些传感器将被淘汰，如旋转变压器等，而新的传感器将不断出现，会使数控机床更加完善，自适应更强。

第四章 传感器技术的现状以及发展趋势

当今社会的发展，是信息化社会的发展。在信息时代，人们的社会活动将主要依靠对信息资源的开发及获取、传输与处理。而传感器是获取自然领域中信息的主要途径与手段，是现代科学的中枢神经系统。它是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受(或响应)与检出功能，并使之按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元器件或装置的总称。传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，一切科学研究和生产过程所要获取的信息都要通过它转换为容易传输和处理的电信号。如果把计算机比喻为处理和识别信息的“大脑”，把通信系统比喻为传递信息的“神经系统”，那么传感器就是感知和获取信息的“感觉器官”。
传感器技术是现代科技的前沿技术，发展迅猛，同计算机技术与通信技术一起被称为信息技术的三大支柱，许多国家已将传感器技术列为与通信技术和计算机技术同等重要的位置。现代传感器技术具有巨大的应用潜力，拥有广泛的开发空间，发展前景十分广阔。
对比传感器技术的发展历史与研究现状可以看出，随着科学技术的迅猛发展以及相关条件的日趋成熟，传感器技术逐渐受到了更多人士的高度重视。当今传感器技术的研究与发展，特别是基于光电通信和生物学原理的新型传感器技术的发展，已成为推动国家乃至世界信息化产业进步的重要标志与动力。 
由于传感器具有频率响应、阶跃响应等动态特性以及诸如漂移、重复性、精确度、灵敏度、分辨率、线性度等静态特性，所以外界因素的改变与动荡必然会造成传感器自身特性的不稳定，从而给其实际应用造成较大影响。这就要求我们针对传感器的工作原理和结构，在不同场合对传感器规定相应的基本要求，以最大程度优化其性能参数与指标，如高灵敏度、抗干扰的稳定性、线性、容易调节、高精度、无迟滞性、工作寿命长、可重复性、抗老化、高响应速率、抗环境影响、互换性、低成本、宽测量范围、小尺寸、重量轻和高强度等。 
同时，根据对国内外传感器技术的研究现状分析以及对传感器各性能参数的理想化要求，现代传感器技术的发展趋势可以从四个方面分析与概括：一是开发新材料的开发与应用；二是实现传感器集成化、多功能化及智能化；三是实现传感技术硬件系统与元器件的微小型化；四是通过传感器与其它学科的交叉整合，实现无线网络化。
 4.1 新材料的开发、应用 
材料是传感器技术的重要基础和前提，是传感器技术升级的重要支撑，因而传感器技术的发展必然要求加大新材料的研制力度。事实上由于材料科学的不断发展，传感器材料的不断得到更新，品种不断得到丰富，目前除传统的半导体材料、陶瓷材料、光导材料、超导材料以外，新型的纳米材料的诞生有利于传感器向微型方向发展，随着科学技术的不断进步将有更多的新型材料诞生。 
半导体材料在敏感技术中占有较大的技术优势，半导体传感器不仅灵敏度高、响应速度快、体积小、质量轻，且便于实现集成化，在今后的一个时期，仍占有主要地位。 
以一定化学成分组成、经过成型及烧结的功能陶瓷材料，其最大的特点是耐热性，在敏感技术发展中具有很大的潜力。 
此外，采用功能金属、功能有机聚合物、非晶态材料、固体材料、薄膜材料等，都可进一步提高传感器的产品质量及降低生产成本。 
4.2 传感器的集成化、多功能化及智能化 
传感器的集成化分为传感器本身的集成化和传感器与后续电路的集成化。前者是在同一芯片上，或将众多同一类型的单个传感器件集成为一维线型、二维阵列（面）型传感器，使传感器的检测参数由点到面到体多维图像化，甚至能加上时序，变单参数检测为多参数检测；后者是将传感器与调理、补偿等电路集成一体化，使传感器由单一的信号变换功能，扩展为兼有放大、运算、干扰补偿等多功能—实现了横向和纵向的多功能。如日本丰田研究所开发出同时检测Na+、K+ 和 H+ 等多种离子的传感器。这种传感器的芯片尺寸为2.5mm×0.5mm，仅用一滴液体，如一滴血液，即可同时快速检测出其中Na+、K+和H+的浓度，对医院临床非常方便实用。目前集成化传感主要使用硅材料，它可以制作电路，又可制作磁敏、力敏、温敏、光敏和离子敏器件。在制作敏感元件时要采用单硅的各向同性和各向异性腐蚀、等离子刻蚀、离子注入等工艺，利用微机械加工技术在单晶硅上加工出各种弹性元件。当今，发达国家正在把传感器与电路集成在一起进行研究。 
智能化传感器是20世纪80年代末出现的另外一种涉及多种学科的新型传感器系统。此类传感器系统一经问世即刻受到科研界的普遍重视，尤其在探测器应用领域，如分布式实时探测、网络探测和多信号探测方面一直颇受欢迎，产生的影响较大。智能化传感器是指那些装有微处理器的，不但能够执行信息处理和信息存储，而且还能够进行逻辑思考和结论判断的传感器系统。这一类传感器就相当于是微型机与传感器的综合体一样，其主要组成部分包括主传感器、辅助传感器及微型机的硬件设备。与传统的传感器相比，智能化传感器具有以下优点： 
1） 智能化传感器不但能够对信息进行处理、分析和调节，能够对所测的数值及其误差进行补偿，而且还能够进行逻辑思考和结论判断，能够借助于一览表对非线性信号进行线性化处理，借助于软件滤波器滤波数字信号。
2） 智能化传感器具有自诊断和自校准功能，可以用来检测工作环境。
 3） 智能化传感器能够完成多传感器多参数混合测量，从而进一步拓宽了其探测与应用领域，而微处理器的介入使得智能化传感器能够更加方便地对多种信号进行实时处理。 
4） 智能化传感器既能够很方便地实时处理所探测到的大量数据，也可以根据需要将它们存储起来。 
5） 智能化传感器备有一个数字式通信接口，通过此接口可以直接与其所属计算机进行通信联络和交换信息。 
智能化传感器无疑将会进一步扩展到化学、电磁、光学和核物理等研究领域。可以预见，新兴的智能化传感器将会在关系到全人类国民生的各个领域发挥越来越大作用。
4.3 传感器微小型化 
为了能够与信息时代信息量激增、要求捕获和处理信息的能力日益增强的技术发展趋势保持一致，对于传感器性能指标的要求越来越严格；与此同时，传感器系统的操作友好性亦被提上了议事日程，因此还要求传感器必须配有标准的输出模式；而传统的大体积弱功能传感器往往很难满足上述要求，所以它们已逐步被各种不同类型的高性能微型传感器所取代；后者主要由硅材料构成，具有体积小、重量轻、反应快、灵敏度高以及成本低等优点。 
就当前技术发展现状来看，微型传感器已经对大量不同应用领域，如航空、远距离探测、医疗及工业自动化等领域的信号探测系统产生了深远影响；目前开发并进入实用阶段的微型传感器已可以用来测量各种物理量、化学量和生物量，如位移、速度、加速度、压力、应力、应变、声、光、电、磁、热、PH值、离子浓度及生物分子浓度等。 
4.4 传感器的无线网络化 
无线网络对我们来说并不陌生，比如手机，无线上网，电视机。传感器对我们来说也不陌生，比如温度传感器。但是，把二者结合在起来，提出无线传感器
网络这个概念，却是近几年才发生的事情。这个网络的主要组成部分就是一个个传感器节点。这些节点可以感受温度的高低、湿度的变化、压力的增减、噪声的升降。更让人感兴趣的是，每一个节点都是一个可以进行快速运算的微型计算机，它们将传感器收集到的信息转化成为数字信号，进行编码，然后通过节点与节点之间自行建立的无线网络发送给具有更大处理能力的服务器。 
传感器网络是当前国际上备受关注的、由多学科高度交叉的新兴前沿研究热点领域，被认为是将对二十一世纪产生巨大影响力的技术之一。无线传感器网络有着十分广泛的应用前景它不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域有具有巨大的运用价值，在未来还将在许多新兴领域体现其优越性，如家用、保健、交通等领域。我们可以大胆的预见，将来无线传感器网络将无处不在，将完全融入我们的生活。比如微型传感器网最终可能将家用电器、个人电脑和其他日常用品同互联网相连，实现远距离跟踪，家庭采用无线传感器网络负责安全调控、节电等。
第五章 结束语

传感技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用是十分明显的。研究与开发新型传感器以满足不断增长的测量需求，是当今传感器检测技术发展的一个重要方向和研究热点。随着传感器研究方法的深入以及传感器工艺技术的提高和运用的推广，新型传感器的研制必将越来越快，使传感器必定能够在更多的领域发挥更大的作用。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。

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附 录

霍尔式传感器