各種機電一體化設備、測試儀器和傳感器的研制

1、各種機電一體化設備、測試儀器和傳感器的研制摘要：傳感器是檢測中首先感受被測量、并將它轉換成與被測量有確 定對應關系的電量器件它是檢測和控制系統(tǒng)中最關鍵的部分。機電 一體化是機械的主功能、動力功能、信息功能和控制功能上引進微電 子技術并將機械裝置與電子裝置用相關軟件有機結合而構成系統(tǒng)的 總稱。在機電一體化系統(tǒng)中，傳感器處系統(tǒng)之首，其作用相當于系統(tǒng)感 受器官，能快速、精確地獲取信息并能經受嚴酷環(huán)境考驗，是機電一體 化系統(tǒng)達到高水平的保證。如缺少這些傳感器對系統(tǒng)狀態(tài)和對信息精 確而可靠的自動檢測，系統(tǒng)的信息處理、控制決策等功能就無法談及 和實現(xiàn)。傳感器在機電一體化系統(tǒng)中應用廣泛是機電產品中是必不 可

2、少的器件之一。關鍵詞：傳感器 機電一體化系統(tǒng)測試儀器 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark7 o Current Document 1傳感器技術的發(fā)展-3- HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 1.1傳感器的種類-3- HYPERLINK l bookmark13 o Current Document 1.2傳感器的性能-4- HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 1.2.1靈敏度-4-線性度-4-遲滯-4-重復性-4- HYPERLINK l bookmark28 o

3、 Current Document 1.3傳感器的動態(tài)性能-4- HYPERLINK l bookmark31 o Current Document 2機電一體化系統(tǒng)的發(fā)展-5- HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 2.1機電一體話和機械電氣化的區(qū)別 -6- HYPERLINK l bookmark37 o Current Document 2.2機電產品給我們生活帶來變化 -6- HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 2.3機電一體化產品的分類-7-3傳感器在機電一體化系統(tǒng)中的應用 -7-3.1.傳

4、感器在汽車行業(yè)的應用-7- HYPERLINK l bookmark47 o Current Document 3.2機電一體化在生活中的應用-8- HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 4如何為機電一體化系統(tǒng)選擇傳感器-8- HYPERLINK l bookmark53 o Current Document 5機電一體化系統(tǒng)中常用傳感器的發(fā)展 -8-結論： -9-參考文獻：-10-1傳感器技術的發(fā)展傳感器來自“感覺”一詞，人們用視覺、聽覺、味覺、嗅覺和觸覺等感官感受外界 的有關信息如物體的大小、形狀和顏色感覺到的聲音、氣味等。在視覺情況下絕不是靠

5、 眼睛本身進行感覺，而是從眼睛進入的外界刺激信號通過神經傳送到大腦有大腦感知物 體的大小和顏色,然后由大腦提供命令信號支配行動。聽覺和嗅覺等也完全一樣。然而 要使大腦受到這些刺激首先必須有接受外界刺激的“五官”人的“五官”可以稱之為傳 感器。它們的基本功能是首先接受外界的刺激信號然后產生作用于各種神經傳遞信號的 能量最后在傳送到大腦。在傳感器的系統(tǒng)中傳感器模擬人“五官”的這些作用將外界 刺激信號轉換為能傳遞的信號即使特定的被測量包括物理量、化學量、生物量等按照一 定的規(guī)律轉換成某種可用的輸出信號。傳感器是一種以一定的精確度把被測量轉換為與之有確定對應關系的、便于應用的 另一種量的測量裝置。傳感

6、器的定義具體包含：傳感器是測量裝置，能完成檢測任務;它的輸入量是某一被測量可能是物理量也可能是化學量、生物量等它的輸出量 是某種物理量 這種量應便于傳輸、轉換、處理、顯示等 它可以是氣、光、電 但主 要是電量。傳感器一般由敏感元件和轉換元件兩大部分組成。但很多時候也將轉換電路 及輔助電路作為其組成部分因為傳感器作為一個完整的器件絕大部分都是把轉換電 路及必要的輔助電源單元與敏感元件、轉換元件一起做成一體化的器件。傳感器的作用 包括信息的收集、信號數(shù)據(jù)的轉換和控制信息的采集。傳感器是檢測和控制系統(tǒng)中最關 鍵的部分。1.1傳感器的種類在實際工程應用中傳感器的種類很多。同一種被測量可以用不同的傳感器

7、來測量而 同一種原理的傳感器通常又可以測量多種物理量。因此傳感器的分類方法也是形形色色, 目前尚沒有統(tǒng)一的方法:按傳感器工作原理分類電阻式傳感器、電容式傳感器、電感 式傳感器、壓電式傳感器、霍爾式傳感器、光電式傳感器、光柵式傳感器、熱電偶式傳 感器。按被測量或傳感器的用途分類位移傳感器、力傳感器、速度傳感器、溫度傳感 器、流量傳感器、氣體傳感器、物位傳感器、成分傳感器。按輸出信號的性質分類： 開關型傳感器、模擬式傳感器、數(shù)字式傳感器。傳感器所測量經常處在各種各樣的變動 中,例如測量機床車刀的切削時 若材質均勻 切削力的值可能十分穩(wěn)定 若遇到材質 不均勻甚至有小缺陷時切削力的值可能有緩慢起伏或者

8、周期性脈動變化甚至出現(xiàn)突 變的尖峰力。傳感器能否將這些被測量的變化不失真地變換成相應的電量涉及傳感器本 身的基本特性，即輸出-輸入特性。這種特性通常用傳感器的靜態(tài)特性和動態(tài)特性來描 述。1.2傳感器的性能傳感器變換的被測量的數(shù)值處在穩(wěn)定狀態(tài)時，傳感器的輸出與輸入的關系稱為傳感 器的靜態(tài)特性。描述傳感器靜態(tài)特性的技術指標是靈敏度、線性度、遲滯和重復性。1.2.1靈敏度傳感器在穩(wěn)態(tài)標準條件下，輸出變化對輸入變化的比值稱靈敏度，對于線性傳感器 來說，它的靈敏度是一個常數(shù)。1.2.2線性度傳感器的靜態(tài)特性是穩(wěn)態(tài)標準條件下，利用一定等級的校準設備對傳感進行往復循 環(huán)測試得出的輸出-輸入特性,列表或畫曲線

9、。通常希望這一特性為線性，這樣會對標 定和數(shù)據(jù)處理帶來方便。但實際的輸出-輸入特性一般都是非線性的，因此采用各種補償 環(huán)節(jié)，如非線性電路補償環(huán)節(jié)或計算機軟件進行線性化處理。在傳感器非線性幕次不高, 輸入量變化范圍較小時，用一條直線切線或割線近似地代表實際曲線的一段。對傳感器 的輸出-輸入特性線性化的方法，稱為直線擬合法。實際曲線與擬合直線之間的偏差稱 為傳感器的非線性誤差或線性度取其中最大值與輸出滿度值之比作為評價線性度或 非線性誤差的指標。在常用的擬合法中，即使是同類傳感器，擬合方法不同其象形度也不 同，用最小二乘法求取的擬合直線的精確度最高。1.2.3遲滯遲滯是指在相同工作條件下，傳感器正

10、行程特性和反行程特性的不一致程度。其數(shù) 值為對應同一大小的輸出量，應采用的行程方向不同，傳感器的輸出量值不相等這就是 遲滯現(xiàn)象。產生遲滯現(xiàn)象的原因主要是傳感器機械部分存在不可避免的缺陷，如軸承摩 擦、間隙、緊固件松動和材料內摩擦等。1.2.4重復性傳感器的輸入量在同一方向增加或減少變化時，在全量程內連續(xù)進行重復測量所得 到的輸出-輸入特性曲線不一致的程度。產生不一致的原因與產生遲滯現(xiàn)象的原因相同。 多次重復測試的曲線越重合說明傳感器重復性越好，使用誤差越小。1.3傳感器的動態(tài)性能動態(tài)特性是指傳感器測量動態(tài)信號時，輸出對輸入的響應特性。傳感器測量靜態(tài)信 號時,被測量不隨時間變化，測量和記錄的過程

11、不受時間限制。實際大量的被測量是隨時 間變化的動態(tài)信號傳感器的輸出不僅要精確地顯示被測量的大小，還要顯示被測量隨時 間變化的規(guī)律。動態(tài)特性好的傳感器，其輸出隨時間的變化規(guī)律將再現(xiàn)輸入隨時間變化 的規(guī)律，即它們具有相同的時間函數(shù)。但是除了理想情況外實際傳感器的輸出信號與輸 出入信號不會具有相同的時間函數(shù)，輸出與輸入之間會出現(xiàn)差異。這種輸出與輸入之間 的差異稱為動態(tài)誤差，研究這種誤差的性質稱為動態(tài)特性分析。因為傳感器在實際工作中隨時間變化的輸入信號是千變萬化的，而且由于隨機因素 的影響，往往事先并不知道其特性，故工程上通常采用標準信號函數(shù)的方法來研究，并據(jù) 此確定若干評定動態(tài)特性的指標。常用的標準

12、信號函數(shù)是正弦函數(shù)和階躍函數(shù)，因為它 們即便于求解又便于實現(xiàn)。大多數(shù)情況下對非正弦周期信號可以通過數(shù)學方法利用傅 里葉級數(shù)分解為含多次諧波的正弦函數(shù)，對其他非爭先非周期號可通過傅里葉變換分解 出各次正弦諧波來分析。而階躍信號是瞬間發(fā)生的變化，它有可能是輸入信號中最壞的 一種，傳感器如能復現(xiàn)這種信號，則就能較容易復現(xiàn)其他各種輸入信號，所以將它們作為 標準信號函數(shù)。傳感器是檢測中首先感受被測量、并將它轉換成與被測量有確定對應關系的電量器 件，它是檢測和控制系統(tǒng)中最關鍵的部分。傳感器的性能由傳感器的靜態(tài)特性和動態(tài)特 性來評價。2機電一體化系統(tǒng)的發(fā)展機電一體化又稱機械電子學，英文稱為Mechatron

13、ics,它是由英文機械學 Mechanics的前半部分與電子學Electronics的后半部分組合而成。機電一體化最早 出現(xiàn)在1971年日本機械設計雜志的副刊上，隨著機電一體化技術的快速發(fā)展機電一 體化的概念被人們廣泛接受和普遍使用。1996年出版的WEBSTER大詞典收錄了這個日 本造的英文單詞，這不僅意味著“Mechatronics ”這個單詞得到了世界各國學術界和 企業(yè)界的認可，而且還意味著“機電一體化”的哲理和思想為世人所接受。到目前為止,就機電一體化這一概念的內涵國內外學術界還沒有一個完全統(tǒng)一的表 述。目前較普遍的提法是“日本機械振興協(xié)會經濟研究所”于1981年的解釋”機電一 體化是

14、在機械主功能、動力功能、信息功能和控制功能上引進微電子技術 并將機械裝 置與電子裝置用相關軟件有機結合而構成系統(tǒng)的總稱”。機電一體化是以機械學、電子 學和信息科學為主的多門技術學科在機電產品發(fā)展過程中相互交叉、相互滲透而形成的 一門新興邊緣性技術學科。這里面包含了三重含義:首先,機電一體化是機械學、電子學 與信息科學等學科相互融合而形成的學科。其次，機電一體化是一個發(fā)展中的概念，早期 的機電一體化就像其字面所表述的那樣，主要強調機械與電子的結合，即將電子技術 “溶入”到機械技術中而形成新的技術與產品。2.1機電一體話和機械電氣化的區(qū)別機電一體化與機械電氣化的主要區(qū)別有：（1）電氣機械在設計過程

15、中不考慮或少 考慮電器與機械的內在聯(lián)系，基本上是根據(jù)機械的要求，選用相應的驅動電機或電氣傳 動裝置（2）機械和電氣裝置之間界限分明，它們之間的聯(lián)結以機械為主,整個裝置是剛 性的（3）裝置所需的控制是基于電磁學原理的各種電器來實現(xiàn)，屬強電范疇，其主要支 撐技術是電工技術。機械工程技術由純機械發(fā)展到機械電氣化，仍屬傳統(tǒng)機械，主要功能 依然是代替和放大人的體力。但機電一體化產品不僅是人的手與肢體的延伸還是人的感 官與頭腦的延伸，具有“智能化”的特征是機電一體化與機械電氣化在功能上的本質差 別。從概念的外延來看,機電一體化包括機電一體化技術和機電一體化產品兩個方面。 機電一體化技術是從系統(tǒng)工程的觀點出

16、發(fā)，將機械、電子和信息等有關技術有機結合起 來，以實現(xiàn)系統(tǒng)或產品整體最優(yōu)的綜合性技術。機電一體化技術主要包括技術原理和使 機電一體化產品或系統(tǒng)得以實現(xiàn)、使用和發(fā)展的技術。2.2機電產品給我們生活帶來變化現(xiàn)實生活中的機電一體化產品比比皆是。我們日常生活中使用的全自動洗衣機、空 調及全自動照相機都是典型的機電一體化產品.在機械制造領域中廣泛使用的各種數(shù)控 機床、工業(yè)機器人、三坐標測量儀及全自動倉儲也是典型的機電一體化產品，而汽車更 是機電一體化技術成功應用的典范，目前汽車上成功應用和正在開發(fā)的機電一體化系統(tǒng)達數(shù)十種之多。特別是發(fā)動機電 子控制系統(tǒng)、汽車防抱死制動系統(tǒng)、全主動和半主動懸架等機電一體化

17、系統(tǒng)在汽車上的 應用，使得現(xiàn)代汽車的乘坐舒適性、行駛安全性及環(huán)保性能都得到了很大的改善,在農業(yè) 工程領域，機電一體化技術也在一定范圍內得到了應用，如今機電一體化已從原來以機 械為主的領域拓展到目前的汽車、電站、儀表、化工、通信、冶金等領域。而且機電一 體化產品的概念不再局限在某一具體產品的范圍 如數(shù)控機床、機器人等，現(xiàn)在已擴大 到控制系統(tǒng)和被控制系統(tǒng)相結合的產品制造和過程控制的大系統(tǒng)，例如柔性制造系統(tǒng) FMS 、計算機集成制造系統(tǒng) CIMS以及各種工業(yè)過程控制系統(tǒng)。機電一體化是以機械為主體、以微電子技術為核心，強調各種技術的協(xié)同和集成的 綜合性技術。機電一體化技術和產品的應用范圍非常廣泛，涉及

18、到工業(yè)生產過程的所有 領域.因此，機電一體化產品的種類很多，而且還在不斷地增加。2.3機電一體化產品的分類按照機電一體化產品的功能，可以將其分成下述幾類：1數(shù)控機械類：數(shù)控機械類主要產品為數(shù)控機床、工業(yè)機器人、發(fā)動機控制系統(tǒng) 和自動洗衣機等。其特點為執(zhí)行機構是機械裝置。2電子設備類：電子設備類主要產品為電火花加工機床、線切割加工機床、超聲 波縫紉機和激光測量儀等。其特點為執(zhí)行機構是電子裝置。3機電結合類:機電結合類主要產品為自動探傷機、形狀識別裝置和CT掃描儀、 自動售貨機等。其特點為執(zhí)行機構是機械和電子裝置的有機結合。4電液伺服類：電液伺服類主要產品為機電一體化的伺服裝置。其特點為執(zhí)行機 構

19、是液壓驅動的機械裝置，控制機構是接受電信號的液壓伺服閥。5信息控制類:信息控制類主要產品為電報機、磁盤存儲器、磁帶錄像機、錄音 機以及復印機、傳真機等辦公自動化設備。其主要特點為執(zhí)行機構的動作完全由所接收 的信息類控制。此外,機電一體化產品還可根據(jù)機電技術的結合程度分為功能附加型、功能替代型 和機電融合型三類。按產品的服務對象領域和對象可將機電一體化產品分成工業(yè)生產 類、運輸包裝類、儲存銷售類、社會服務類、家庭日常類、科研儀器類、國防武器類以 及其它用途類等不同的種類。3傳感器在機電一體化系統(tǒng)中的應用3.1.傳感器在汽車行業(yè)的應用近幾年來我國汽車工業(yè)增長迅速,發(fā)展勢頭很猛。因此評論界出現(xiàn)了一些

20、專家的預 測：汽車工業(yè)有可能超過IT產業(yè)。成為中國國民經濟最重要的支柱產業(yè)之一。其實 汽車工業(yè)的增長必將包含與汽車產業(yè)關的IT產業(yè)的增長。例如，雖然目前在我國一汽 的產品中電子產品和技術的價值含量只占10%15%左右，但國外汽車中電子產品和技 術的價值含量平均約為22%中、高檔轎車中汽車電子已占30%以上，而且這個比例還在、 不斷地快速增長，預期很快將達到50%。電子信息技術已經成為新一代汽車發(fā)展方向的 主導因素。汽車，機動車的動力性能、操控性能、安全性能和舒適性能等各個方面的改 進和提高，都將依賴于機械系統(tǒng)及結構和電子產品、信息技術間的完美結合。3.2機電一體化在生活中的應用最貼近生活的智能

21、傳感器可能要算是用于攝像頭、數(shù)碼相機、攝像機、手機攝像中 的CCD圖像傳感器了。這是一種非智能型傳感器莫屬的情況，因為CCD陣列中每個硅 單元由光轉換成的電信號極弱，必須直接和及時移位寄存、并處理轉換成標準的圖像格 式信號。還有更復雜一些的，在中、高檔長焦距IOX光學放大數(shù)碼相機和攝像機上裝備 的電子和光學防抖系統(tǒng)，特別是高端產品中的真正光學防抖系統(tǒng)。它的核心是雙軸向或 3軸向的微加速度計或微陀螺儀，通過它監(jiān)測機身的抖動 并換算成鏡頭的各軸向位移 量 進而驅動鏡頭中可變角度透鏡的移動，使光學系統(tǒng)的折射光路保持穩(wěn)定。隨著工業(yè) 的不斷發(fā)展，相信在不久的將來傳感器在機電一體化系統(tǒng)中的應用比現(xiàn)在還要廣

22、泛，當 然其功能還要更強大。4如何為機電一體化系統(tǒng)選擇傳感器傳感器的基本要求：（1）體積小、重量輕、適應型好；（2）精度和靈敏性高、 響應快、穩(wěn)定性好、信噪比高；（3）安全可靠、壽命長；（4）便于與計算機對接；（5） 不易受被檢測對象和外部環(huán)境的影響；（6）環(huán)境適應能力強；（7）現(xiàn)場安裝處理簡單 操作方便。5機電一體化系統(tǒng)中常用傳感器的發(fā)展縱觀幾十年來的傳感技術領域的發(fā)展，不外乎分為兩個方面：一是提高與改善傳 感器的技術性能；二是尋找新原理、新材料、新工藝及新功能等。近年傳感器的發(fā)展動 向是開發(fā)新型傳感器。結構型傳感器一般說它的結構復雜，體積偏大，價格偏高。物性型傳感器大致與之 相反，具有不少誘人的優(yōu)點，加之過去發(fā)展也不夠。世界各國都在物性型傳感器方面投 入大量人力、物力加強研究，從而使它成為一個值得注意的發(fā)展動向。其中利用量子力 學諸效應研制的低靈敏閾傳感器，用來檢測微弱的信號是發(fā)展新動向之一。大自然是生物傳感器的優(yōu)秀設計師和工藝師。它通過漫長的歲月不僅造就了集多種 感官于一身的人類而且還構造了許多功能奇特、性能高超的生物感官。例如狗的嗅覺（靈 敏閾為人的）、鳥的視覺（視力為人的倍）、蝙蝠飛蛾海豚的聽覺、主動型生物雷達一 超聲波傳感器等等。這些動物的感官功能，超過了當今傳感器技術所能實現(xiàn)的范圍。研 究它們的機理，開發(fā)仿生傳感器，也是