传感器技术在机电一体化中的应用-职业学院毕业论文

山西机电职业技术学院 毕业论文 姓名：亢冬冬亢冬冬 学号：2917023429170234 专业：机电一体化机电一体化 论文题目：传感器技术在机电一体化中的应用 指导教师：刘建刘建 目录 摘要. 目录目录. 引言引言. 第一章传感器概要第一章传感器概要. 第二章第二章传感器传感器技术发展技术发展. 1什么是传感器. 2传感器的分类. 3 传感器的工作原理. 4 传感器的应用. 结束语. 致谢. 参考文献. 一什么是传感器 传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信 号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾） ，并将探知 的信息传递给其他装置或器官。 二传感器种类介绍 凡是利用一定的物性(物理、化学、生物)法则、定理、定律、 效应等进行能量转换与信息转换，并且输出与输入严格一一对应的 器件和装置均可称为传感器；传感器又被称为变换器、转换器、检 测器、敏感元件、换能器和一次仪表等。 传感器具有以下作用与功能：1、测量与数据采集；2、检测与 控制作用；3、诊断与监测作用；4、辅助观测仪器；5、资源探测与 环境保护；6、医疗卫生和家用电器； 传感器的基本组成：传感器一般由敏感元件、转换元件和测量 电路三部分组成，有时还加上辅助电源。 1、力学量传感器：光电式位移、位置传感器； 光纤陀螺是光纤自身传感器的一种，与激光陀螺相比，光纤陀 螺灵敏度高，体积小，成本低，可以用于飞机、舰船、导弹等的高 性能惯性导航系统。 2、热学量传感器：光纤温度传感器； 一类是利用光导纤维本身具有的敏感功能而使光纤起温度测 量作用，同时利用光纤的特性将温度信号以光的形式传输，该类型 属于功能型光纤温度传感器；另一类是光导纤维仅起传输光波的作 用，感温功能必须由在光纤端面加装其他敏感元件来完成，属于传 输型光纤温度传感器。 光纤温度传感器具有测量精度高、抗电磁干扰、安全防爆、可 绕性好等特点。 目前光纤温度传感器具体可分为晶体光纤温度传感器、 半导体 吸收光纤温度传感器、双折射光纤温度传感器、光路遮断式光纤温 度传感器、荧光光纤温度传感器、Fabry-Rerot 标准器光纤温度传感 器、辐射式光纤温度传感器和分布参数式光纤温度传感器等。 3、流体量传感器： 光纤传感器流量计：光纤传感器涡轮流量计； 液位传感器： 一：浮力式液位传感器(恒浮力式、变浮力式；) 二：吹气式液位传感器； 三：电容式液位传感器； 四：压力传感器式液位计； 五：超声波式液位传感器； 六：放射线式液位传感器； 七：雷达式液位计； 光纤液位传感器： 图 1 为光纤液位传感器的原理示意图。 4、光学量传感器：光纤传感器；近年来，传感器在朝着灵敏、 精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中，光纤 传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。 光纤传感器凭借着其大量的优点已经成为传感器家族的后起 之秀，它凭借着光纤的优异性能而得到广泛的应用，并且在各种不 同的测量中发挥着自己独到的作用，成为传感器家族中不可缺少的 一员。 光纤传感器与传统的各类传感器相比有一系列独特的优点： 用 光纤传输光信号,能量损失极小；灵敏度高；抗电磁干扰和原子辐射 的性能；防噪声、无电火花、无短路负载；光纤具有化学性质稳定 及径细、质软、重量轻的机械性能；电绝缘性好、无感应的电气性 能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能；防爆、光路有可挠性，以 及便于与计算机联接，便于与光纤传输系统组成遥测网络等；还有 结构简单、 体积小、 重量轻、 耗电少等。 它能够在人达不到的地方(如 高温区)，或者对人有害的地区(如核辐射区)，起到人的耳目的作用， 而且还能超越人的生理界限， 接收人的感官所感受不到的外界信息。 光纤传感器一般可分为两大类：一类是功能型传感器，是利用 光纤本身的特性把光纤作为敏感元件， 所以又叫传感型光纤传感器； 另一类是非功能型传感器，利用其他敏感元件感受被测量的变化， 光纤仅作为光的传输介质， 传输来自远处或难以接近场所的光信号， 因此，也称做传光型传感器或混合型传感器。 根据对光进行调制的手段不同， 光纤传感器有强度(振幅)调制、 相位调制、频率调制、偏振调制、波长调制等不同工作原理的光纤 传感器。 光纤传感器可以探测的物理量很多，按照被测对象的不同，光 纤传感器又可以分为声场、电场、磁场、位移、压力、温度、流量、 角速度、速度、加速度、振动、转动、弯曲、应变、电压、电流、 化学量、生物医学量等各种光纤传感器，还可以完成现有测量技术 难以完成的测量任务。在狭小的空间里，在强电磁干扰和高电压的 环境里，光纤传感器都显示出了独特的能力。目前光纤传感器已经 有 70 多种，大致上分成光纤自身传感器和利用光纤的传感器。 5、电量传感器：光纤电量传感器； 6、磁学量传感器； 7、声学量传感器；光纤声传感器就是一种利用光纤自身的传 感器。当光纤受到一点很微小的外力作用时，就会产生微弯曲，而 其传光能力发生很大的变化。声音是一种机械波，它对光纤的作用 就是使光纤受力并产生弯曲，通过弯曲就能够得到声音的强弱。 8、化学量传感器：光纤化学传感器； 利用化学发光、 生物发光以及光敏器件与光导纤维技术制作传 感器， 特别是光导纤维传感器及以光导纤维为基础的各种探针技术， 具有响应速度快、灵敏度高、抗电磁干扰能力强、体积小，可应用 于其他传感器无法工作的恶劣环境等特点。 光纤化学传感器可分为两种基本类型：光导型和化学型。 光电检测器件可采用光电倍增管(PMT)、PIN 光电二极管 (PIN-FET)、雪崩光电二极管、光电二极管等。 9、生物传感器：光纤型酶传感器； 10、仿生及机器人传感器； 11、生态环境 传感器：光纤传感器； 三传感器的工作原理 根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类： 传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效 应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测 信号量的微小变化都将转换成电信号。化学传感器包括那些以 化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的 微小变化也将转换成电信号。有些传感器既不能划分到物理类， 也不能划分为化学类。大多数传感器是以物理原理为基础运作的。 化学传感器技术问题较多，例如可靠性问题，规模生产的可能性， 价格问题等，解决了这类难题，化学传感器的应用将会有巨大增长。 毕业设计（论文） I 四传感器技术在机电一体化中的应用四传感器技术在机电一体化中的应用 在机电一体化系统中,传感器处系统之首,其作用相当于系统 感受器官,能快速、精确地获取信息并能经受严酷环境考验,是 机电一体化系统达到高水平的保证。如缺少这些传感器对系统 状态和对信息精确而可靠的自动检测,系统的信息处理、控制决 策等功能就无法谈及和实现。 一、传感器的研究现状与发展 传感器是能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输 出信号的器件或装置,主要用于检测机电一体化系统自身与操 作对象、作业环境状态,为有效控制机电一体化系统的运作提供 必须的相关信息。随着人类探知领域和空间的拓展,电子信息种 类日益繁多,信息传递速度日益加快,信息处理能力日益增强, 相应的信息采集传感技术也将日益发展,传感器也将无所 不在。 毕业设计（论文） II 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。 二、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: 1.机器人用传感器。工业机器人之所以能够准确操作,是因 为它能够通过各种传感器来准确感知自身、操作对象及作业环 境的状态,包括:其自身状态信息的获取通过内部传感器(位置、 位移、速度、加速度等)来完成,操作对象与外部环境的感知通 过外部传感器来实现,这个过程非常重要,足以为机器人控制提 供反馈信息。 2.机械加工过程的传感检测技术。 毕业设计（论文） III (1)切削过程和机床运行过程的传感技术。切削过程传感检 测的目的在于优化切削过程的生产率、制造成本或(金属)材料 的切除率等。切削过程传感检测的目标有切削过程的切削力及 其变化、切削过程颤震、刀具与工件的接触和切削时切屑的状 态及切削过程辨识等,而最重要的传感参数有切削力、切削过程 振动、切削过程声发射、切削过程电机的功率等。对于机床的 运行来讲,主要的传感检测目标有驱动系统、轴承与回转系统、 温度的监测与控制及安全性等,其传感参数有机床的故障停机 时间、被加工件的表面粗糙度和加工精度、功率、机床状态与 冷却润滑液的流量等。 (2)工件的过程传感。与刀具和机床的过程监视技术相比, 工件的过程监视是研究和应用最早、最多的。它们多数以工件 加工质量控制为目标。20 世纪 80 年代以来,工件识别和工件安 装位姿监视要求也提到日程上来。粗略地讲,工序识别是为辨识 所执行的加工工序是否是工(零)件加工要求的工序;工件识别 是辨识送入机床待加工的工件或者毛坯是否是要求加工的工件 或毛坯,同时还要求辨识工件安装的位姿是否是工艺规程要求 的位姿。此外,还可以利用工件识别和工件安装监视传感待加工 毛坯或工件的加工裕量和表面缺陷。完成这些识别与监视将采 用或开发许多传感器,如基于 TV 或 CCD 的机器视觉传感器、激 光表面粗糙度传感系统等。 毕业设计（论文） IV (3)刀具(砂轮的检测传感。切削与磨削过程是重要的材料 切除过程。刀具与砂轮磨损到一定限度(按磨钝标准判定)或出 现破损(破损、崩刃、烧伤、塑变或卷刀的总称),使它们失去切 (磨削能力或无法保证加工精度和加工表面完整性时,称为刀具 /砂轮失效。工业统计证明,刀具失效是引起机床故障停机的首 要因素, 由其引起的停机时间占 NC 类机床的总停机时间的 1/5-1/3.此外,它还可能引发设备或人身安全事故,甚至是重大 事故。 3.汽车自动控制系统中的传感技术。随着传感器技术和其 它新技术的应用,现代化汽车工业进入了全新时期。汽车的机电 一体化要求用自动控制系统取代纯机械式控制部件,这不仅体 现在发动机上,为更全面地改善汽车性能,增加人性化服务功能, 降低油耗,减少排气污染,提高行驶安全性、可靠性、操作方便 和舒适性,先进的检测和控制技术已扩大到汽车全身。在其所有 重点控制系统中,必不可少地使用曲轴位置传感器、吸气及冷却 水温度传感器、压力传感器、气敏传感器等各种传感器。 三、我国传感器技术发展的若干问题及发展方向 毕业设计（论文） V 传感器技术是实现自动控制、自动调节的关键环节,也是机 电一体化系统不可缺少的关键技术之一,其水平高低在很大程 度上影响和决定着系统的功能;其水平越高,系统的自动化程度 就越高。在一套完整的机电一体化系统中,如果不能利用传感检 测技术对被控对象的各项参数进行及时准确地检测出并转换成 易于传送和处理的信号,我们所需要的用于系 统控制的信息就无法获得,进而使整个系统就无法正常有 效的工作。 我国传感器的研究主要集中在专业研究所和大学,始于 20 世纪 80 年代,与国外先进技术相比,我们还有较大差距,主要表 现在: (1)先进的计算、模拟和设计方法; (2)先进的微机械加工技术与设备; (3)先进的封装技术与设备; (4)可靠性技术研究等方面。因此,必须加强技术研究和引 进先进设备,以提高整体水平。传感器技术今后的发展方向可有 几方面: 毕业设计（论文） VI 1.加速开发新型敏感材料:通过微电子、 光电子、 生物化学、 信息处理等各种学科,各种新技术的互相渗透和综合利用,可望 研制出一批基于新型敏感材料的先进传感器。 2.向高精度发展:研制出灵敏度高、 精确度高、 响应速度快、 互换性好的新型传感器以确保生产自动化的可靠性。 3.向微型化发展:通过发展新的材料及加工技术实现传感 器微型化将是近十年研究的热点。 4.向微功耗及无源化发展:传感器一般都是非电量向电量 的转化,工作时离不开电源,开发微功耗的传感器及无源传感器 是必然的发展方向。 5.向智能化数字化发展:随着现代化的发展,传感器的功能 已突破传统的功能,其输出不再是一个单一的模拟信号(如 0-10mV),而是经过微电脑处理好后的数字信号,有点甚至带有 控制功能,即智能传感器。 毕 业 设 计 （论文） 7 结束语