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传感器的选择和在机电学上的应用

 摘要:文章浅析在实际运用中有传感器的选择、传感器的运用广泛性(内容主要介绍与机械一体化的应用),以及我国传感器的发展中存在若干问题和方向性。

 传感器是感受规定的测量并转换为一定规则可使用的输出信号的设备或装置,主要检测机电系统本身和操作对象、作业环境的状态,提供有效控制机电系统动作所需的相关信息。随着人类探测领域和空间的扩大,电子信息的种类越来越多,信息传递速度越来越快,信息处理能力越来越强,相应的信息收集——传感技术也越来越发发展,传感器也遍布各地。

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 一、传感器的选择

 现代传感器在原理构造上非常多样,如何根据具体的测量目的、测量对象、测量环境来区分使用传感器,是进行某种量的测量时首先应该解决的问题。 传感器确定后,也可以确定与其对应的测定方法和测定装置。测量结果的成功与否,根据传感器的选择是否妥当而有很大的影响。

  在实际运用中,根据测量对象和测量环境来确定传感器的类型。具体的测量作业需要考虑采用哪种原理的传感器,分析多方面的因素后再特定。即使测量相同的物理量,有几个原理的传感器,哪个原理的传感器更适合,根据测量的特征和传感器的使用条件,对于跨距的大小和传感器大小的被测量位置的要求测量方式是接触式还是非接触式,信号的引出方式、有线或非接触式 传感器的出处是国产还是进口,价格能承受吗? 在考虑到上述问题的基础上,判断选择了哪种类型的传感器,并考虑了传感器的具体性能指标。

 关于传感器选定的性能指标

   1.灵敏度的选定

 通常,在传感器线性范围中,传感器的灵敏度越高越希望。仅在灵敏度高的情况下,与被测量的变化对应的输出信号的值变大,有利于信号处理。但是,请注意传感器的灵敏度高,容易混入未测量的干扰噪声,放大系统会放大,影响测量精度。因此,传感器本身要求高的信噪比,可以将外部导入的干扰信号控制在最小限度。传感器的灵敏度有方向性。在测量对象为单向量且方向性高情况下,选择另外一方向的灵敏度小的传感器,在测量对象为另外一方向量的情况下,选择另外一方向的灵敏度小的传感器。被测定为多维矢量,传感器的交叉灵敏度越小要求越好。

   2.频率响应特性

 传感器的频率响应特性需要确定测量的频率范围,在容许频率范围内保持无应变的测量条件,实际上传感器的响应始终为-恒定延迟,延迟时间越短越好。传感器频率响应高,可测量的信号频率范围宽,受结构特性影响,机械系统的惯性大,频率低的传感器可测量的信号频率低。动态测量时,请根据信号的特性(稳定、过渡、随机等)使其具有响应特性,以免产生过火的误差。

   3.线性范围

 传感器线性范围是指输出与输入成正比的范围。理论上,在该范围内为灵敏度保持值。传感器的线性范围越宽,范围越大,保证一定的测量精度。选择传感器时,在种类判定后,首先确认范围是否满足要求。但实际上,所有传感器都不能保证绝对的直线性,其直线性也是相对的。要求测量精度比较低时,可以将一定范围内非线性误差小的传感器近似地视为线性,测量极其方便。

   4.稳定性

 传感器即使在一定时间内使用,性能也不会发生变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的主要原因,除了传感器自身的构造外,主要是传感器的使用环境。因此,为了提高传感器的稳定性,传感器需要很强的环境适应能力。

 选择传感器前,请调查其使用环境,根据具体的使用环境选择适当的传感器,或采取适当的对策,降低对环境的影响。

 传感器的稳定性有定量的指标,因此在使用期间过后,为了确认传感器的性能是否发生变化,使用前需要重新进行校准。

 另外,传感器的更换和额定化不容易,要求长期使用时,要求传感器的稳定性,可以长期使用。

 6 )精度

 精度是传感器的重要性能指标,是与测量系统整体的测量精度相关的重要因素。传感器的精度越高价格越高,因此传感器的精度只要满足测量系统整体的精度要求即可,无需选择太高。由此,能够从满足相同测量目的的多个传感器中选择比较廉价且简单的传感器。

 如果测量目的是定性分析,选择重复精度高的传感器即可,请勿选择绝对值精度高的传感器。定量分析需要正确的测量值时,选择要求精度等级的传感器。

 二、将传感器应用于机电一体化

 传感器是影响机电一体化系统发展的重要技术之一,广泛应用于各种自动化产品。

1. 机器人用传感器。 

  工业用机器人能够正确动作是因为能够通过各种传感器正确地感知自身、操作对象物、作业环境的状态,例如,通过内部传感器进行自身的状态信息的取得,通过外部传感器进行操作对象物与外部环境的感知是重要的,在机器人控制中使用氟。

2. 机械加工过程的传感技术。

 切削工艺和机床运转工艺的传感技术:切削工艺的传感是以优化切削工艺的生产率、制造成本、材料的切削率等为目的的。切削过程传感对象包括切削过程的切削力及其变化、切削过程的震颤振动、工具与工件的接触和切削时的切削屑的状态和切削过程的识别等,最重要的传感参数包括切削力、切削过程的振动、切削过程的声音的发射、切削过程的电动机的动力等。在机床运转中,主要的传感目标是驱动系统、轴承和旋转系统、温度监控和控制和安全性等,其传感参数是机床故障停止时间、被加工物的表面粗糙度和加工精度、动力、机床状态和冷却润滑液的流量等。

 工件的工艺传感:与工具和机床的工艺监视技术相比,工件的工艺监视最快,最多。 这些大多以工件的加工品质控制为目标。20世纪80年份代以来,工件识别和工件安装姿势监视要求日程也出现了。总之,工序识别是为了识别执行的加工工序是否是工件加工要求的工序。工件识别是指,识别送入机床的被加工物或毛坯是否为需要加工的工件或毛坯,另外,识别工件的安装姿势是否为工艺规则所要求的姿势。另外,通过安装工件识别工件的监视传感器,还可以实现应加工的工件和工件的加工余量和表面缺陷。为了完成这些识别和监视,有必要使用或开发TV和CCD的机械视觉传感器、激光表面粗糙度传感系统等多种传感器。

 刀具破损而无法切断时(磨削能力不足时,或者加工精度与加工面的一致性未得到保证时,称为刀具/砂轮的破损)。工业统计显示,工具故障是造成机床故障的主要原因。也可能导致机器、人身事故,甚至重大事故。

3. 汽车自动控制系统的传感技术。

 随着感应技术和其他新技术的应用,现代化汽车工业进入了新的时代。汽车的机电一体化需要一种自动控制系统来代替纯机械式控制部件,这不仅是发动机,而且是为了更全面地改善汽车的性能,追加人工服务功能、降低燃料消耗、降低排气污染、行驶安全性、可靠性、操作性和舒适性。在其所有重点控制系统中,必不可少地使用曲柄位置传感器、进气及冷却水温度传感器、压力传感器、压敏传感器等各种传感器。

 三、中国传感器技术发展的几个问题和发展方向

 传感器技术是实现自动控制、自动调整的关键环节,是机电一体化系统不可或缺的关键技术之一,其水平的高低对系统的功能有很大影响并决定了。其级别越高,系统的自动化就越高。在完整的机电一体化系统中,如果无法通过传感技术及时正确检测出控制对象的各参数,并将其转换为传送和处理容易的信号,则无法获得系统控制所需的信息,系统整体无法正常工作。

 我国传感器的研究主要集中于专业研究所和大学,从20世纪80年代开始,与国外先进技术相比,我们有很大的差距,主要表现如下。

 a.先进的计算、模拟和设计方法。

 b.先进的微机械加工技术和设备。

 c.先进的打包技术和设备。

 d.可靠性技术研究等。

 因此,有必要加强技术研究,引进先进的设备,提高整体水平。传感器技术今后的发展方向有几个。

 1.  加速新敏感材料的开发:在微电子、光电子、生物化学、信息处理等各个领域,通过各种新技术互相渗透和综合利用,期待着基于新敏感材料的先进传感器的开发。

 2. 高精度的发展:开发灵敏度高、精度高、响应速度快、兼容性优异的新型传感器,确保生产自动化的可靠性。

 3. 微细化的发展:通过新的材料加工技术的发展,实现了传感器的微细化。

 4. 微电力消耗及被动化的发展:传感器一般是从非电力量向电力量的转换,动作时不能关闭电源,开发微电力消耗的传感器及被动传感器是必然的发展方向。

 5.智能数字化的发展:随着现代化的发展,传感器的功能突破了以往的功能,其输出不是单一的模拟信号,而是由微型计算机处理的数字信号,具有控制功能,即智能传感器。




 参考文献:

韩连英,王晓红《光纤传感器在机械设备检测中的应用.光机电信息》。2006

张开逊《现代传感技术在信息科学中的地位.工业计量》。2006

《设备管理与维修》. 设备管理与维修杂志社




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