传感器在机电一体化中的应用(编辑修改稿)

传感器在机电一体化中的应用(编辑修改稿)内容摘要：

图 电容式传感器的测量电路同样为电桥电路，如图 ： 图 电容式传感器的温度稳定性好，结构简单，动态响应好，可进行非接触测量， 然而，输入阻抗高，负载能力差。 电容式传感器精度可达 ％。 其运用实例有电容传声器、转速测量、电容测厚仪、电容式油量表等。 电感式传感器 电感式传感器是利用电磁感应把被测的物理量如位移，压力，流量，振动等转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到 电量的转换。 电感式传感器具有以下特点： (1) 结构简单，传感器无活动电触点，因此工作可靠寿命长。 (2) 灵敏度和分辨力高，能测出。 传感器的输出信号强，电压灵敏度一般每毫米的位移可达数百毫伏的输出。 (3) 线性度和重复性都比较好，在一定位移范围 (几十微米至数毫米 )内，传感器非线性误差可达 %~%。 同时，这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，它在工业自动控制系统中广泛被采用。 但不足的是，它有频率响应较低，不宜快速动态测控等缺点。 电感式传感器种类很多， 常见的有自感式，互感式和涡流式三种 图 图 图 中介绍的是自感式传感器。 由铁心和线圈构成的将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器，又称电感式位移传感器。 这种传感器的线圈匝数和材料导磁系数都是一定的，其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。 当把线圈接入测量电路并接通激励电源时，就可获得正比于位移输入量的电压或电流输出。 电感式传感器的特点是： ① 无活动触点、可靠度高、寿命长； ② 分辨率高； ③灵敏度高； ④ 线性度高、重复性好； ⑤ 测量范围宽 (测量范围大时分辨率低 )；⑥ 无输入 时有零位输出电压，引起测量误差； ⑦ 对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高； ⑧ 不适用于高频动态测量。 电感式传感器主要用于位移测量和可以转换成位移变化的机械量 (如力、张力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等 )的测量。 常用电感式传感器有变间隙型、变面积型和螺管插铁型。 在实际应用中，这三种传感器多制成差动式，以便提高线性度和减小电磁吸力所造成的附加误差。 变间隙型电感传感器 这种传感器的气隙 δ 随被测量的变化而改变 ,从而改变磁阻。 它的灵敏度和非线性都随气隙的增大而减小，因此常常要考虑两者兼 顾。 δ 一般取在 ～ 毫米之间。 变面积型电感传感器 这种传感器的铁芯和衔铁之间的相对覆盖面积(即磁通截面 )随被测量的变化而改变 ,从而改变磁阻。 它的灵敏度为常数，线性度也很好。 螺管插铁型电感传感器 它由螺管线圈和与被测物体相连的柱型衔铁构成。 其工作原理基于线圈磁力线泄漏路径上磁阻的变化。 衔铁随被测物体移动时改变了线圈的电感量。 这种传感器的量程大，灵敏度低，结构简单，便于制作。 电感式传感器的应用实例有：测厚、零件计数、侧转速、无损探伤、测微技术等。 图 压电式传感器 压电式传 感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应 , 是典型的有源传感器。 当材料受力作用而变形时 , 其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。 压电式传感器的等效电路：压电元件两电极间的压电陶瓷或石英晶体为绝缘体，因此可以构成一个电容器，晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板 , 极板间物质等效于一种介质 , 则其电容量为： SCa 0，压电元件受外力时，两表面产生等量的正负电荷，压电元件的开路电压为：aCQU。 压电传感器可以等效为一个电荷源与 一个电容并联，如下图 (a)并联图；压电传感器也可以等效为一个电荷源与一个电容相串联的电压源，如下图 (b)串联图 图 电压灵敏度与电荷灵敏度之间的关系为：aqu Ckk  压电式传感器的测量电路： 测量时，需把压电传感器用电缆接于前置放大器，前置放大器作用： 一是放大传感器输出的微弱信号；二是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗。 电压放大 器如图 (a)： 电荷 放大器 如图 (b)： (b) 图 压电式 传感器的性能特点：高阻抗、低能量；但是无静态输出，要求有很高的电输出阻抗。 需用低电容的低噪声电缆。 压电式传感器的应用有：压电式测力传感器、压电式加速度传感器、压电式金属加工切削力测量、压电式玻璃破碎报警器等。 压电式金属加工切削力测量： 图 压电式玻璃破碎报警器 ： 图 霍尔式传感器 霍尔传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量转换成电动势输出的一种传感器。 由于霍尔元件在静止状态下，具有感受磁场的独特能力，并且具有结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽 (从直流到微波 )、动态范围大 (输出电势变化范围可达 1000:1)、寿命长等特点，因此获得了广泛应用。 金属或半导体薄片置于磁感应强度为 B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种现象称霍尔效应。 如下图： 图 霍尔元件的主要性能参数： 输入电阻和输出电阻 输入电阻：控制电极间的电阻 输出电阻：霍尔电极之间的电阻 额定控制电流和最大允许控制电流 额定控制电流：当霍尔元件有控制电流使其本身在空气中产生 10℃温升时，对应的控制 电流值。 最大允许控制电流：以元件允许的最大温升限制所对 应的控制电流值 不等位电势 当霍尔元件的控制电流为额定值时，若元件所处位置的磁感应强度为零，测得的空载霍尔电势。 寄生直流电势 霍尔元件零位误差的一部分当没有外加磁场，霍尔元件用交流控制电流时，霍尔电极的输出有一个直流电势，控制电极和霍尔电极与基片的连接是非完全欧姆接触时，会产生整流效应。 两个霍尔电极焊点的不一致，引起两电极温度不同产生温差电势 霍尔电势温度系数 在一定磁感应强度和控制电流下，温度每变化 1度时，霍尔电势变化的百分率。 霍尔传感器的灵敏度和线性度主要取决于磁路系统和霍尔元件的特性。 霍尔传感器动态性能好。 霍尔传感器的基本测量电路如下：激励电流由电压源 E 供给，其大小由可变电阻来调节。 图 霍尔型传感器的应用有：霍尔转速表、霍尔式微压力传感器、各种位移传感器等。 第三章 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。 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准确认识，这种准确认识均通过传感器的感觉功能实现。 机器人自身状态信息的获取通过其内部传感器 (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。 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。 具体的说，传感器是指那些对被 测对象的某一确定的信息有感受与检出功能，并使之按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元件或装置。 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。 第四章 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。 数控机床对传感器的要求 (1) 可靠性高和抗干扰性强； (2) 满足精度和速度的要求； (3) 使用维护方便，适合机床运行环境； (4) 成本低。 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。 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。 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。 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。 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。 感应同步器的应用 感应同步器是利用两个平面形绕组的互感随位置不同而变化的原理制成的。 其功能是将角度或直线位移转变成感应电动势的相位或幅值，可用来测量直线或转角位移。 按其结构可分为直线式和旋转式两种。 直线式感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，定尺安装在机床床身上，滑尺安装于移动部件上，随工作台一起移动；旋转式感应同步器定子为固定的圆盘，转子为转动的圆盘。 感应同步器具有较高的精度与分辨力、抗干扰能力强、使用寿命长、维护简单、长距离位移测量、工艺性好、成本较低等优点。 直线式感应同步器目前被广泛地应用于大位移静态与动态测量中，例如用于三坐标测量机、程控数控机床、高精度重型机床及加工中心测量装置等。 旋转式感应同步器则被广泛地用于机床和仪器的转台以及各种回转伺服控制系统中。 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。 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。 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。