内蒙古化工职业学院

毕 业 论 文

题 目： 传感器在机电一体化中的应用 系 部： 测控与机电工程系

专 业： 机电一体化

班 级： 机电09-2班

学 号： 092032044

学生姓名： 王 双

指导教师： 马文龙

完成日期： 2011.12.23——2012.2.27

内蒙古化工职业学院

毕业设计(论文、专题实验)任务书

内蒙古化工职业学院

毕业设计(论文、专题实验)更换选题申请单

摘 要

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。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 mechatronic systems, sensor system for the first time, the role of the equivalent system receptors, can be fast, accurate access to information and be able to withstand the harsh environment test, mechanical and electrical integration system to achieve a high level of assurance. The lack of these sensors on the system status and information accurate and reliable automatic detection, information processing system, control of decision-making function cannot be talked about. 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

1.2 常用传感器的类型及特点 ................................................................................ 2

第二章 常用传感器的类型、特点、结构及用途 .................................................. 5

2.1 电阻式传感器 .................................................................................................. 5

2.2 电容式传感器 .................................................................................................. 7

2.3 电感式传感器 .................................................................................................. 8

2.4 压电式传感器 .................................................................................................9

2.5 霍尔式传感器 ................................................................................................ 11 1.1 传感器的分类及特性 .......................................................................................2

第三章 传感器在机电一体化系统中的应用 ......................................................... 13

3.1 传感器在工业机器人中的应用 .......................................................................13

4.1 数控机床对传感器的要求 .............................................................................. 14

4.2 位移的检测 ................................................................................................... 14

4.3 位置的检测 ................................................................................................... 15

4.4 速度的检测 ................................................................................................... 16

4.5 压力的检测 ................................................................................................... 16

4.6 温度的检测 ................................................................................................... 16

4.7 刀具磨损的监控 ............................................................................................ 17

第五章 传感器技术的现状以及发展趋势 ............................................................ 18 第四章 机电一体化系统中传感器的选择 ............................................................14

5.1 微型化 ........................................................................................................... 18

5.2 智能化 ........................................................................................................... 19

3.2 传感器在机械制造中的应用 ........................................................................... 13

5.3 多功能传感器 ...............................................................................................21

5.5 新材料开发 ................................................................................................... 24

参考文献 ................................................................................................................... 26

附 录......................................................................................................................... 27

致 谢 ....................................................................................................................... 28 5.4 无线网络化 ...................................................................................................23

绪 论

对于传感器的研究始于本世纪30年代。当今，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。

传感器技术是一项当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高新技术之一，也是当代科学技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱。如果说计算机是人类大脑的扩展,那么传感器就是人类五官的延伸，当集成电路、计算机技术飞速发展时，人们才逐步认识信息摄取装置——传感器没有跟上信息技术的发展而惊呼“大脑发达、五官不灵”。

传感器技术是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子

学、光学、声学、精密机械、仿生学、材料科学等众多学科相互交叉的综合性高新技术密集型前沿技术之一。如今它已经渗透到生产和生活的各个领域，从尖端武器装备、航空航天技术，到机械设备、工业过程控制、交通运输、纺织印刷、家用电器、医疗卫生、办公设备及环境保护等领域，均得到广泛应用，在机电一体化技术革命中正在发挥重要作用。

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，转换元件及基本转换电路三部分组成。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。

传感器的特性主要是指输出与输入之间的关系，有静态特性和动态特性之分。传感器的静态特性；当传感器的输入量为常量或随时间作缓慢变化时，传感器的输出与输入之间的关系称为静态特性。传感器的动态特性；传感器的输出量对于随时间变化的输入量的响应特性称为传感器的动态特性。

1.2 常用传感器的类型及特点

1.2.1 电阻式传感器

电阻式传感器就是利用一定的方式将被测量的变化转化为敏感元件电阻值的变化，进而通过电路变成电压或电流信号输出的一类传感器。可用于各种机械量和热工量的检测，这类传感器结构简单，尺寸小，性能稳定，受环境影响小，不需放大。滑线变阻器式传感器精度可达0.1％。

目前，常用的电阻传感器主要有电阻应变片、热电阻、光敏电阻、气敏电阻和湿敏电阻等几大类。

1.2.2 电容式传感器

电容式压力传感器是一种利用电容敏感元件将被测压力转换成与之成一定关

系的电量输出的压力传感器。它一般采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极，当薄膜感受压力而变形时，薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化，通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号。电容式压力传感器属于极距变化型电容式传感器，可分为单电容式压力传感器和差动电容式压力传感器，这种传感器温度稳定性好，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0.01％。

1.2.3 电感式传感器

利用利用电磁感应原理将被测非电量（如位移、压力、流量、振动等）转换成线圈自感系数L或互感系数M的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出。

磁路的总磁阻可表示为： 铁心

R （公式1） S Sm

ii0li2

近似计算出线圈的电感量为： 衔铁

NS 0（公式2） L 2

2

电感式传感器无活动触点、可靠度高、寿命长；分辨率高；灵敏度高；线性度高、重复性好；测量范围宽(测量范围大时分辨率低)；无输入时有零位输出电压，引起测量误差；对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高；不适用于高频动态测量。

1.2.4 压电式传感器

基于压电效应的传感器。是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量，如压力、加速度等。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。配套仪表和低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电传感器的使用更为方便。它广泛应用于工程力学、生物医学、电声学等技术领域。

1.2.5 霍尔传感器

霍尔传感器是一种基于霍尔效应的磁电传感器，由于半导体比金属有高得多的霍尔系数，故用半导体制成的霍尔传感器具有对磁场敏感度高、结构简单、使用方便等特点。不仅用于测量电流、电压、功率和磁感应强度等电磁参数，在非电量测量技术中还广泛用于测量直线位移、角位移与压力等非电量。霍尔传感器是一种很好的检测控制元件，当控制电流不变时，霍尔输出的电压与磁场大小成正比，可用来测定传感器周围的磁场。当磁场强度固定时，则可测量霍尔片的电流、电压等电参。利用霍尔电动势来控制电流与磁场大小的乘积则可制成各种运算器。对非电量测量则是通过改变霍尔片在磁场中的位置来改变参量α，从而改变输出霍尔电动势来测量位移、压力、加速度等。

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。

1.2.6 电化学式传感器

电化学式传感器是以离子导电为基础制成，根据其电特性的形成不同，电化学传感器可分为电位式传感器、电导式传感器、电量式传感器、极谱式传感器和电解式传感器等。电化学式传感器主要用于分析气体、液体或溶于液体的固体成分、液体的酸碱度、电导率及氧化还原电位等参数的测量。

另外，根据传感器对信号的检测转换过程，传感器可划分为直接转换型传感器和间接转换型传感器两大类。前者是把输入给传感器的非电量一次性的变换为电信号输出，如光敏电阻受到光照射时，电阻值会发生变化，直接把光信号转换成电信号输出；后者则要把输入给传感器的非电量先转换成另外一种非电量，然后再转换成电信号输出，如采用弹簧管敏感元件制成的压力传感器就属于这一类，当有压力作用到弹簧管时，弹簧管产生形变，传感器再把变形量转换为电信号输出。

第二章 常用传感器的类型、特点、结构及用途

传感器已广泛应用于航天、航空、国防科研、信息产业、机械、电力、能源、交通、冶金、石油、建筑、邮电、生物、医学、环保、材料、灾害预测预防、农林、渔业生产、食品、烟酒制造、机器人、家电等诸多领域,可以说几乎渗透到每个领域。下面，我就几类基本类型的传感器做些介绍：

2.1 电阻式传感器

电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器.按工作的原理可分为：变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式。

2.1.1 变阻器式传感器

变阻器式传感器的等效电路如图2.1：

图2.1

如果电阻丝的直径和材料确定，单位位移的电阻值为一常数，传感器的输出与输入成线性关系。

变阻式传感器又称为电位器式传感器。它们是由电阻元件及电刷(活动触点)两个基本部分组成。电刷相对于电阻元件的运动可以是直线运动、转动和螺旋运动，因而可以将直线位移或角位移转换为与其成一定函数关系的电阻或电压输出。

这类传感器结构简单，尺寸小，性能稳定。受环境影响小。不需放大。滑线变阻器式传感器精度可达0.1％。

在生活中，应用实例诸多，如重量的自动检测--配料设备、煤气包储量检测等。

2.1.2 电阻应变式传感器

电阻应变式传感器由弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成，可

根据具体测量要求设计成多种结构形式。弹性敏感元件受到所测量的力而产生变形，并使附着其上的电阻应变计一起变形。电阻应变计再将变形转换为电阻值的变化，从而可以测量力、压力、扭矩、位移、加速度和温度等多种物理量。

dl/l 称金属应变片的电阻相对变化为 dR/R dl/l 2dr/r d / ，

为金属电阻丝的轴向应变，简称纵向应变。dr/r称为电阻丝的径向应变，简称横向应变。当电阻丝沿横向伸长时，两者之间的关系为dr/r dl/l，其中 为电阻丝材料的泊桑比，d / ，则dR/R (1 2 ) ，金属电阻材料的 很小，即其压阻效应很弱，这样上式可简化为

S dR/R

dl/l 1 2 常数dR/R (1 2 ) ，其灵敏度为。为了将电阻应变式

传感器的电阻变化转换成电压或电流信号，在应用中一般采用电桥电路作为其测量电路。电桥电路具有结构简单、灵敏度高、测量范围宽、线性度好且易实现温度补偿等优点。能较好地满足各种应变测量要求，因此在应变测量中得到了广泛的应用。

电桥电路按辅助电源分有直流电桥和交流电桥，由于直流电桥的输出信号在进一步放大时易产生零漂，故交流电桥的应用更为广泛。直流电桥只用于较大应变的测量，交流电桥可用于各种应变的测量。

电桥电路按其工作方式分有单臂、双臂和全桥三种 图2.2。

a)半桥单臂 b)半桥双臂

图2.2 直流电桥的连接方式

c)全桥

金属应变片的稳定性和温度特性好，但其灵敏度小；而半导体应变片应变灵敏度大;体积小;能制成具有一定应变电阻的元件，但它的缺点是温度稳定性和可重复性不如金属应变片。

它的应用实例如桥梁固有频率测量、电子称、桶式测力传感器等。

图2.3 电子称

2.2 电容式传感器

把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。电容量为C A/d当被测参数变化使得上式中的A、d 或 发生变化时，电容量C也随之变化。若保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。

电容式传感器的等效电路如 图2.4：

图3.4

电容式传感器的测量电路同样为电桥电路，如图2.5：

图3.5

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0.01％。

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。

2.3 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0.01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0.05%~0.1%。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2.6

图2.6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0.1～0.5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2.7

2.4 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：Ca 0S ，压电元件受外Q

Ca力时，两表面产生等量的正负电荷，压电元件的开路电压为：U 。

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2.8 (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2.8 (b)串联图

图2.8 电压灵敏度与电荷灵敏度之间的关系为：ku kqCa

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)：

图2.9 (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：