机电一体化毕业论文-传感器在机电一体化系统中的应用及发展的研究

1陕西航空职业技术学院机电一体化专业毕业论文题目：传感器在机电一体化系统中的应用及发展的研究系部：机电工程系班级：姓名：学号：35指导老师：2010年11月2目录摘要………………………………………………………31.1传感器技术的发展………………………………………41.2机电一体化系统的发展…………………………………81.3传感器在机电一体化系统的应用………………………271.4如何为机电一体化系统选择传感器……………………331.5机电一体化系统中常用传感器的发展…………………36结论…………………………………………………………38参考文献……………………………………………………403摘要传感器是检测中首先感受被测量、并将它转换成与被测量有确定对应关系的电量器件，它是检测和控制系统中最关键的部分。机电一体化是机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。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。传感器在机电一体化系统中应用广泛，是机电产品中是必不可少的器件之一。关键词：传感器机电一体化系统4传感器技术传感器来自“感觉”一词，人们用视觉、听觉、味觉、嗅觉和触觉等感官感受外界的有关信息，如物体的大小、形状和颜色，感觉到的声音、气味等。在视觉情况下，绝不是靠眼睛本身进行感觉，而是从眼睛进入的外界刺激信号通过神经传送到大脑，有大脑感知物体的大小和颜色，然后由大脑提供命令信号支配行动。听觉和嗅觉等也完全一样。然而，要使大脑受到这些刺激，首先必须有接受外界刺激的“五官”，人的“五官”可以称之为传感器。它们的基本功能是首先接受外界的刺激信号，然后产生作用于各种神经传递信号的能量，最后在传送到大脑。在传感器的系统中，传感器模拟人“五官”的这些作用，将外界刺激信号转换为能传递的信号，即使特定的被测量（包括物理量、化学量、生物量等）按照一定的规律转换成某种可用的输出信号。传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的另一种量的测量装置。传感器的定义具体包含：①传感器是测量装置，能、完成检测任务；②它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；③它的输出量是某种物理量，这种量应便于传输、转换、处理、显示等，它可以是气、光、电，但主要是电量。传感器一般由敏感元件和转换元件两大部分组成。但很多时候也将转换电路及辅助电路作为其组成部分，因为传感器作为一个完整的器件，绝大部分都是把转换电路及必要的辅助电源单元与敏感元件、转换元件一起做成一体化的器件。传感器的作用5包括信息的收集、信号数据的转换和控制信息的采集。传感器是检测和控制系统中最关键的部分。在实际工程应用中，传感器的种类很多。同一种被测量可以用不同的传感器来测量；而同一种原理的传感器，通常又可以测量多种物理量。因此，传感器的分类方法也是形形色色，目前尚没有统一的方法：㈠按传感器工作原理分类：电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、霍尔式传感器、光电式传感器、光栅式传感器、热电偶式传感器。㈡按被测量（或传感器的用途）分类：位移传感器、力传感器、速度传感器、温度传感器、流量传感器、气体传感器、物位传感器、成分传感器。㈢按输出信号的性质分类：开关型传感器、模拟式传感器、数字式传感器。传感器所测量经常处在各种各样的变动中，例如测量机床车刀的切削时，若材质均匀，切削力的值可能十分稳定；若遇到材质不均匀甚至有小缺陷时，切削力的值可能有缓慢起伏或者周期性脉动变化，甚至出现突变的尖峰力。传感器能否将这些被测量的变化不失真地变换成相应的电量，涉及传感器本身的基本特性，即输出-输入特性。这种特性通常用传感器的静态特性和动态特性来描述。传感器变换的被测量的数值处在稳定状态时，传感器的输出与输入的关系称为传感器的静态特性。描述传感器静态特性的技术指标是：灵敏度、线性度、迟滞和重复性。灵敏度传感器在稳态标准条件下，输出变化对输入变化的比值称灵敏6度，对于线性传感器来说，它的灵敏度是一个常数。线性度传感器的静态特性是稳态标准条件下，利用一定等级的校准设备，对传感进行往复循环测试，得出的输出----输入特性（列表或画曲线）。通常，希望这一特性为线性，这样，会对标定和数据处理带来方便。但实际的输出-输入特性一般都是非线性的，因此，采用各种补偿环节，如非线性电路补偿环节或计算机软件，进行线性化处理。在传感器非线性幂次不高，输入量变化范围较小时，用一条直线（切线或割线）近似地代表实际曲线的一段。对传感器的输出-输入特性线性化的方法，称为直线拟合法。实际曲线与拟合直线之间的偏差称为传感器的非线性误差或线性度，取其中最大值与输出满度值之比作为评价线性度（或非线性误差）的指标。在常用的拟合法中，即使是同类传感器，拟合方法不同，其象形度也不同，用最小二乘法求取的拟合直线的精确度最高。迟滞迟滞是指在相同工作条件下，传感器正行程特性和反行程特性的不一致程度。其数值为对应同一大小的输出量，应采用的行程方向不同，传感器的输出量值不相等，这就是迟滞现象。产生迟滞现象的原因，主要是传感器机械部分存在不可避免的缺陷，如轴承摩擦、间隙、紧固件松动和材料内摩擦等。重复性传感器的输入量在同一方向（增加或减少）变化时，在全量程内7连续进行重复测量所得到的输出-输入特性曲线不一致的程度。产生不一致的原因与产生迟滞现象的原因相同。多次重复测试的曲线越重合，说明传感器重复性越好，使用误差越小。动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输入的响应特性。传感器测量静态信号时，被测量不随时间变化，测量和记录的过程不受时间限制。实际大量的被测量是随时间变化的动态信号，传感器的输出不仅要精确地显示被测量的大小，还要显示被测量随时间变化的规律。动态特性好的传感器，其输出随时间的变化规律将再现输入随时间变化的规律，即它们具有相同的时间函数。但是，除了理想情况外，实际传感器的输出信号与输出入信号不会具有相同的时间函数，输出与输入之间会出现差异。这种输出与输入之间的差异称为动态误差，研究这种误差的性质称为动态特性分析。因为传感器在实际工作中随时间变化的输入信号是千变万化的，而且由于随机因素的影响，往往事先并不知道其特性，故工程上通常采用标准信号函数的方法来研究，并据此确定若干评定动态特性的指标。常用的标准信号函数是正弦函数和阶跃函数，因为它们即便于求解又便于实现。大多数情况下对非正弦周期信号，可以通过数学方法利用傅里叶级数分解为含多次谐波的正弦函数；对其他非争先非周期信号，可通过傅里叶变换分解出各次正弦谐波来分析。而阶跃信号是瞬间发生的变化，它有可能是输入信号中最坏的一种，传感器如能复现这种信号，则就能较容易复现其他各种输入信号，所以将它们作为标准信号函数。①阶跃响应法：当输入信号为阶跃函数时，因为他是8时间的函数，故传感器的响应是在时域里发生的，因此称她为阶跃响应法。②频率响应法：当输入信号时正弦函数时，因为它频率的函数，故传感器的响应是在频域内发生的，因此称它为频率响应法。传感器是检测中首先感受被测量、并将它转换成与被测量有确定对应关系的电量器件，它是检测和控制系统中最关键的部分。传感器的性能由传感器的静态特性和动态特性来评价。机电一体化系统机电一体化又称机械电子学，英文称为Mechatronics，它是由英文机械学Mechanics的前半部分与电子学Electronics的后半部分组合而成。机电一体化最早出现在1971年日本《机械设计》杂志的副刊上，随着机电一体化技术的快速发展，机电一体化的概念被人们广泛接受和普遍使用。1996年出版的WEBSTER大词典收录了这个日本造的英文单词，这不仅意味着“Mechatronics”这个单词得到了世界各国学术界和企业界的认可，而且还意味着“机电一体化”的哲理和思想为世人所接受。图1机体化与其他学科的关系到目前为止，就机电一体化这一概念的内涵国内外学术界还没有一个完全统一的表述。目前，较普遍的提法是“日本机械振兴协会经9济研究所”于1981年的解释：“机电一体化是在机械主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称”。机电一体化是以机械学、电子学和信息科学为主的多门技术学科在机电产品发展过程中相互交叉、相互渗透而形成的一门新兴边缘性技术学科。这里面包含了三重含义：首先，机电一体化是机械学、电子学与信息科学等学科相互融合而形成的学科。图1形地表达了机电一体化与机械学、电子学和信息科学之间的相互关系；其次，机电一体化是一个发展中的概念，早期的机电一体化就像其字面所表述的那样，主要强调机械与电子的结合，即将电子技术“溶入”到机械技术中而形成新的技术与产品。随着机电一体化技术的发展，以计算机技术、通信技术和控制技术为特征的信息技术（即所谓的“3C”技术：Computer、Communication和ControlTechnology）“渗透”到机械技术中，丰富了机电一体化的含义，现代的机电一体化不仅仅指机械、电子与信息技术的结合，还包括光（光学）机电一体化、机电气（气压）一体化、机电液（液压）一体化、机电仪（仪器仪表）一体化等；最后，机电一体化表达了技术之间相互结合的学术思想，强调各种技术在机电产品中的相互协调，以达到系统总体最优。因此，机电一体化是多种技术学科有机结合的产物，而不是它们的简单叠加。机电一体化与机械电气化的主要区别有：①电气机械在设计过程中不考虑或少考虑电器与机械的内在联系，基本上是根据机械的要求，选用相应的驱动电机或电气传动装置；②机械和电气装置10之间界限分明，它们之间的联结以机械联结为主，整个装置是刚性的；③装置所需的控制是基于电磁学原理的各种电器来实现，属强电范畴，其主要支撑技术是电工技术。机械工程技术由纯机械发展到机械电气化，仍属传统机械，主要功能依然是代替和放大人的体力。但机电一体化产品不仅是人的手与肢体的延伸，还是人的感官与头脑的延伸，具有“智能化”的特征是机电一体化与机械电气化在功能上的本质差别。从概念的外延来看，机电一体化包括机电一体化技术和机电一体化产品两个方面。机电一体化技术是从系统工程的观点出发，将机械、电子和信息等有关技术有机结合起来，以实现系统或产品整体最优的综合性技术。机电一体化技术主要包括技术原理和使机电一体化产品（或系统）得以实现、使用和发展的技术。机电一体化技术是一个技术群（族）的总称，包括检测传感技术、信息处理技术、伺服驱动技术、自动控制技术、机械技术及系统总体技术等。机电一体化产品有时也称为机电一体化系统，它们是两个相近的概念，通常机电一体化产品指独立存在的机电结合产品，而机电一体化系统主要指依附于主产品的部件系统，这样的系统实际上也是机电一体化产品。机电一体化产品是由机械系统（或部件）与电子系统（或部件）及信息处理单元（硬件和软件）有机结合、而赋予了新功能和新性能的高科技产品。由于在机械本体中“溶入”了电子技术和信息技术，与纯粹的机械产品相比，机电一体化产品的性能得到了根本的提高，具有满足人们使用要求的最佳功能。11现实生活中的机电一体化产品比比皆是。我们日常生活中使用的全自动洗衣机、空调及全自动照相机，都是典型的机电一体化产品；在机械制造领域中广泛使用的各种数控机床、工业机器人、三坐标测量仪及全自动仓储，也是典型的机电一体化产品；而汽车更是机电一体化技术成功应用的典范，目前汽车上成功应用和正在开发的机电一体化系统达数十种之多，特别是发动机电子控制系统、汽车防抱死制动系统、全主动和半主动悬架等机电一体化系统在汽车上的应用，使得现代汽车的乘坐舒适性、行驶安全性及环保性能都得到了很大的改善；在农业工程领域，机电一体化技术也在一定范围内得到了应用，如拖拉机自动驾驶系统、悬挂式农具的自动调节系统