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研究

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研究内容摘要：

，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 [4]。 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 微米的位移变化。 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。 黄冈职业技 术学院毕业论文 第 9页 共 23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。 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 , 极板间黄冈职业技 术学院毕业论文 第 10页 共 23页 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。 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： C au a C aq( a ) ( b )黄冈职业技 术学院毕业论文 第 11页 共 23页 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。 黄冈职业技 术学院毕业论文 第 12页 共 23页 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。 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。 黄冈职业技 术学院毕业论文 第 13页 共 23页 第三 章 机电一体化系统中传感器的选择 传感器的选用 选择传感器主要考虑传感器的类型、灵敏度、频率响应特性、线性范围、可靠性与稳 定性、精度、工作方式等几个方面的因素。 (1)传感器类型 为实现对某一参数的测试，可供选用的传感器类型可能会有很多。 不同类型的传感器在原理、测量方式、信号输出方式、精度、动态特性等诸多方面有着很大的差异。 例如，测试机床主轴的振动时，可以选用电容式位移传感器，而用电感式位移传感器则无法满足要求。 (2)灵敏度 一般来说，传感器的灵敏度越高越好，因为灵敏度高的传感器所能感受的最小被测参数变化小，当被测参数发生变化时，传感器将会产生较大的输出变化。 但应注意： 灵敏度越高，外部干扰、噪声越容易混入。 来说，灵敏度越高测量（线性）范围越小。 ，则各测量方向上的单向灵敏度越高越好、交叉灵敏度越低越好。 (3) 频率响应特性 在被测参数的频带内，所选传感器应能实现近似的不失真测试；与幅频 特性对应的灵敏度应尽可能高些，与相频特性对应的响应时间越短越好。 物性型传感器的频响特性比结构型传感器要好；非接触式传感器的频响特性比接触式传感器要好。 (4) 线性范围 任何传感器都有一定线性工作范围。 在线性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。 传感器工作在线性 区域内，是保证测试精度的基本条件。 线性范围一般与灵敏度相互矛盾。 (5) 可靠性与稳定性 可靠性是指仪器、装置及其它产品在规定的条件下、规定的时间内实现指定功能的能力。 传感器的可靠性主要取决于 设计、制造及使用时的工作环境条件等因素，特别是受后者的影响很大。 稳定性指的是测试装置在长时间工作后或工作条件发生变化后保持其性能不变的能力。 稳定性主要有时间稳定性和温度稳定性。 稳定性是传感器可靠工作的条件和保证。 (6) 精度 传感器的精度表示其输出与输入的被测量值的一致程度。 传感器是测试系统最前沿的环节，其 输出能否真实准确地反映输入的被测量值，将直接影响整个系统的使用性能。 选用传感器时，要综合考虑精度的使用要求与经济性。 一般在满足精度使用要求的前提下，尽可能选用价廉的传感器。 黄冈职业技 术学院毕业论文 第 14页 共 23页 (7) 工作方式 （ 1） 接触测量与非接触测量。 （ 2） 破坏性检验与非破坏性检验。 （ 3） 在线测试与非在线测试。 其它 选用传感器时还要兼顾结构简单、体积小、重量轻、价格便宜、易于维护等因素。 数控机床中传感器的选择 (列举 ) 传感器的应 用范围广，种类繁多。 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。