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初稿

1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2摘要作为机电一体化专业的学生，在将来工作学习中都会以机电为主，所以必须对机电专业的相关知识有所了解，然而传感器在机电一体化中占据了很重要的地位。它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。机电一体化是在机械的主功能、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,传感器处在系统之首,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。如果缺少这些传感器对系统状态和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。本文简述了传感器在机电一体化系统中的作用及其地位，也讲述了在机电一体化中常见的传感器类型、特点、结构及用途等，还介绍了在机电一体化中传感器的选择指标以及传感器在以后的发展方向和未来发展前景。关键词：传感器机电一体化系统传感器技术应用领域3目录一、传感器的基础知识............................4（一）、传感器的定义和组成...................................4（二）、传感器的分类...............................................6（三）、常用传感器的结构特点、及用途.................6二、机电一体化系统...................................9三、如何为机电一体化系统选择传感器（举例说明）.....................12(一)、传感器——机电一体化系统之首.....................12（二）、如何选择传感器...............................................13（三）、霍尔式传感器的结构、表现形式及应用........................15四、机电一体化系统中传感器的发展方向及未来发展前景............17（一）、我国传感技术的发展方向及若干问题................17（二）、我国传感器技术今后的发展方向.....................................19五、结束语......................................21六、致谢..........................................22七、参考文献...................................224一、传感器的基础知识（一）、传感器的定义和组成信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展，都需要在传感器的开发方面有相应的进展。微处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛的应用。随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会(IEC:InternationalElectrotechnicalCommittee)的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。按照Gopel等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”[4]，而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的传感器”。传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关卡。传感器由敏感元件、转换元件、信号调节电路和其他辅助电路组成。如图2所示。5图2传感器构成框图一般进入传感器的信号幅度是很小的，而且还会混杂有干扰信号和噪声。为了方便随后的处理过程，首先要将信号整形成具有最佳特性的波形，有时还需要将信号线性化，此项工作是由放大器、滤波器以及其他一些模拟电路完成的。在某些情况下，这些电路的一部分是和传感器部件直接相邻的。成形后的信号随后转换成数字信号，并输入到微处理器。传感器系统的性能主要取决于传感器，传感器把某种形式的能量转换成另一种形式的能量。有两类传感器：有源传感器和无源传感器。有源传感器能将一种能量形式直接转变成另一种，不需要外接的能源或激励源。而无源传感器不能直接转换能量形式，但它能控制从另一输入端输入的能量或激励能。传感器承担着将某个对象或过程的特定特性转换成数量的工作。其“对象”可以是固体、液体或气体，而它们的状态可以是静态的，也可以是动态(即过程)的。对象特性被转换量化后可以通过多种方式进行检测。对象的特性可以是物理性质的，也可以是化学性质的。按6照其工作原理，传感器将对象特性或状态参数转换成可测定的电学量，然后将此电信号分离出来，送入传感器系统加以评测或标示。（二）、传感器的分类传感器可以从不同角度进行分类：1、按被测量的属性分类：可分为位移、速度、加速器、力、压力、流量、温度等传感器。2、按传感器的工作原理分类：可分为电阻式、电感式、电容式、压电式、磁电式、激光式、光电式等传感器。3、按信号转换特征分类：可分为结构型传感器、物性型传感器。结构型传感器是被测量的变化转换成敏感元件结构参数的变化而工作的（如电容、电感传感器等），物性型传感器则是利用敏感元件材料的物理性质的某一特点而工作的（如压电、磁电、光电传感器等）。4、按传感器输出参量的状态分类:可分为模拟传感器、数字传感器。5、按工作时是否需要外部能源分类：可分为参量型传感器、发典型传感器。参量型传感器（也称为无源传感器、能量控制型传感器）必须借助与外加能源才能产生输出信号（如电容、电感传感器等），发电型传感器（也称为有源传感器、能量转换型传感器）则在感受被测量时自身产生具有能量的信号（如压电、磁电传感器等）。（三）、常用传感器的结构特点及用途.随着材料科学的发展，物理型传感器将发挥越来越重要的作用。电阻应变式、电感式、电容式、压电式等传感器是测量工作中使用最多的传感器，他们的工作原理简单，测量转化电路也基本固定，应用技术比7较成熟，下面就此几种常用的传感器进行一下分析，首先我们必须了解他们的结构、特点以及在生活中的用途。1、电阻应变式传感器电阻应式变传感器具有悠久的历史，是应用最广泛的传感器之一。电阻应变式传感式是利用电阻应变片将应变为电阻变化的传感器。应变式传感器特征：不同材料类型：金属应变片、半导体应变片应变范围：应变力、压力、转矩、位移、加速度。主要优点：使用简单、精度高、范围大、体积小。2、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8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。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。3、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。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。其最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器。电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类。极距变化型一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化。面积变化型一般用于测量角位移或较大的线位移。介质变化型常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。电容器传感器的优点是结构简单,价格便宜，灵敏度高,过载能力强，动态响应特性好和对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强等。缺点是输出有非线性，寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大，以及联接电路较复杂等。70年代末以来,随着集成电路技术的发展,出现了与微型测量仪表封装在一起的电容式传感器。这种新型的传感器能使分布电容的影响大为减小，使其固有的缺点得到克服。电容式传感器是一种用途极广，很具发展潜力的传感器。4、压电式传感器9压电式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(见压电式压力传感器、加速度计)。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。传感器在生活中应用很广泛，不只是以上几种传感器在生活中有应用，还有很多很多，例如：霍尔式传感器、热电偶传感器等等。二、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。10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，11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