传感器技术在机电一体化系统中的应用及其发展毕业论文

传感器技术在机电一体化系统中的应用及其发展毕业论文内容摘要：

，互感式和涡流式三种。 共 34 页第 11 页 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（图 1）。 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（图 2）。 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 共 34 页第 12 页 单，便于制作 [6]。 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。 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) 压电传感器也可以等效为一个与电容相串联的电压源。 如下图（ b） 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。 C au a C aq( a ) ( b ) 共 34 页第 13 页 电压放大器如图（ a）： 电荷放大器如图（ b）： （ b） 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： 压电式玻璃破碎报警器： 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 共 34 页第 14 页 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： 霍尔元件的主要性能参数： （ 1）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 （ 2）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 （ 3）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。 （ 4）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 （ 5） 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。 共 34 页第 15 页 ●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。 共 34 页第 16 页 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。 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。 （ 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。 （ 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。 共 34 页第 17 页 （ 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） 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。