毕业设计(论文)-浅析传感器技术在机电一体化中的应用.doc
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1、西南科技大学网络教育西南科技大学网络教育 毕业设计(论文)毕业设计(论文) 题题目名称:目名称: 浅析浅析传传感器技感器技术术在机在机电电一体化中的一体化中的应应用用 年年 级级: : 08 秋秋 层层次:次: 本科本科 专专科科 学生学号:学生学号: 指指导导教教师师: : 学生姓名:学生姓名: 技技术职术职称:称: 讲师讲师 学生学生专业专业: : 机机电电一体化技一体化技术术 学学习习中心名称:中心名称: 武武汉汉学学习习中心中心 西南科技大学网西南科技大学网络络教育学院制教育学院制 毕业设计(论文) 任 务 书 题目名称 浅析传感器技术在机电一体化中的应用 题目性质 真实题目 虚拟题目
2、 学生学号 88160250354 指导教师 学生姓名 杨洪伟 专业名称 机电一体化技术 技术职称 讲 师 学生层次 高起专 学习中心名称 武汉学习中心 2010 年 5 月 26 日 毕业设计(论文)内容与要求: 1. 本课题是浅析传感器技术在机电一体化中的应用,传感器技术被广泛的应 用于机电一体化系统中,在机电一体化领域具有重要的地位;传感器正向着小型化、 一体化、多功能化和智能化的方向发展,为机电一体化的进一步发展打下了基础。 2在机械加工过程的传感检测技术中,讨论了切削过程和机床运行过程的传感技 术、工件的过程传感、刀具/砂轮的检测传感。 3 在汽车自动控制系统中,例举了汽车用传感器及
3、检测对象、汽车发动机控制 用传感器、非发动机用传感器,详尽说明了传感器在汽车自动控制系统中的应用。 4对于机器人用传感器,分析了触觉、压觉、力觉、滑觉、接近觉等机器人外部 传感器的应用。 毕业设计领导小组负责人: (签字) 2010 年 月 日 毕业设计(论文) 成绩考核表 总成绩 过程评分评阅成绩答辩成绩 百分制等级制 1、指导教师评语 建议成绩 指导教师签字: 2010 年 月 日 2、论文评阅教师评语 建议成绩 评阅教师签字: 2010 年 月 日 3、毕业答辩专家组评语 建议成绩 答辩组长签字: 年 月 日 4、毕业设计领导小组推优评语 组长签字: 年 月 日 摘 要 传感器技术作为信
4、息技术的一脉正在越来越广泛地普及发展到我国的各行各业各 个领域,以目前情况来看,我国从事传感器的生产与研究,共生产热敏、力敏、湿敏、 色敏、磁敏、电压敏、离子敏、生物敏、射线敏等十一种功能的传感器。为使我国从 劳动密集型向技术密集型转化,必须利用信息技术,即传感器技术和计算机技术,使 传感器在工业自动化,农业国防军工,能源交通,家用电器等应用领域均有它的开发 市场。 文章概述传感器研究现状与发展,并分析我国传感器技术发展的若干问题及发展 方向。讨论了传感器在机床,汽车,机器人等系统中的应用,充分说明了传感器技术 在机电一化应用中的重要地位。 关键词:关键词: 传感器技术 ; 机电一体化 ; 应
5、用 ABSTRACT This article introduced one kind of use tubular semifinished materials compression loses in the steady distortion forming tube wall the concave components new method. The practice proved, this method uses the mold structure simple, the movement reliable, the construction cost is low, may
6、obtain satisfaction the formed effect.This manipulators design is referring.Absorbs in the overseas advanced experience structure foundation to research and develop designs.Through and pulled the fingernail to the spring the reasonable use to avoid many kinds of deficiencies which beforehand ribbon
7、board manipulator existed.Had guaranteed the mechanical work stable and has saved the production cost greatly.This design only uses a spring to connect two to pull the fingernail, may guarantee two fingernail movement synchronization.The reed silk looks down upon the scene to decide greatly, ought t
8、o be able to guarantee pulls under the fingernail smooth geostatic pressure and the replacement, like this may replace in the original design the pendulum arm module and the torsional spring function, when also can the corrosion break pull after the spring the fingernail falls naturally promptly fin
9、ds out the breakdown and to the equipment carries on the maintenance. Key words:Sensor technology ; Mechatronics ; Application 目 录 引 言1 第一章 传感器在机电一体化技术中的重要地位.2 第二章 传感器技术概述.3 2.1 传感器的构成与基本原理 3 2.2 传感器的分类 3 2.3 传感器的数学模型 4 2.4 传感器的主要技术指标 4 第三章 传感器在机电一体化系统中的应用.6 3.1 机械加工过程的传感检测技术 6 3.2 汽车自动控制系统中的传感技术 7
10、3.3 机器人用传感器 9 3.3.1 触觉传感器 10 3.3.2 压觉传感器 12 3.3.3 力觉传感器 12 3.3.4 滑觉传感器 14 3.3.5 接近觉传感器 15 第四章 我国传感器技术发展的若干问题及发展方向18 结 论.19 致 谢.20 参考文献.21 1 引 言 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 2 第一章 传感器在机电一体化技术中的重要地位 机电一体化的
11、特征是使机械系统具有完善的信息采集和处理功能,以此来取代人 对机域的绝大部分控制功能。操作机器的人用五官获取相应的信息,因此机电一体化 系统应具有替代以至延伸人类五官的器件。这一替代的器件称为“传感器” ,其核心变 换部件称为“敏感元件” 。传感器的俗称为“探头” 。 传感器是机电一体化系统获取外部信息的触角。传感器是采集控制系统及环境的 信息并进行变换,供控制系统进行分析、判断和决策。传感器是机械闭环控制系统的 重要环节,对系统性能的好坏起着至关重要的作用。 当今控制系统的“大脑”微型电子计算机的功能日益强大,但要发挥其功效, 必须有灵敏、可靠和分辨力高的传感器与之配合。如果传感器误差很大,
12、微型电子计 算机再精确也不可能构成一个精良的机械测控系统,这好比:聪明的大脑,迟钝的五 官“之情形。 就目前的水平而言,以微型计算机为核心的控制技术已经获得长足的发展,相比 之下传感器技术的发展水平还不尽人意。一些性能先进的机械测控系统往往因传感器 的失效而失效,特别是在矿山井下恶劣环境下工作的系统,问题尤为突出。机电一体 化系统要进一步提高和完善性能,传感器技术是“瓶颈”问题之一。 3 第二章 传感器技术概述 传感器是能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置, 主要用于检测机电一体化系统自身与操作对象、作业环境状态,为有效控制机电一体 化系统的运作提供必须的相关信息。随着
13、人类探知领域和空间的拓展,电子信息种类 日益繁多,信息传递速度日益加快,信息处理能力日益增强,相应的信息采集传 感技术也将日益发展,传感器也将无所不在。 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。 2.1 传感器的构成与基本原理 传感器中从输入量到输出量的转换过程,可能经过一次变换,但大多经过一个或 一个以上中间量的变换,再由中间量转换成最终形式。一般的传感器构成如图 2.1 所 示。其中敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分
14、;转换元件是指传感 器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。 敏感元件转换元件接口电路 辅助电源 电信号 非电物理量 图 2.1 2.2 传感器的分类 传感器有多种分类方法。按被测物理量的不同,可分为位移传感器、力传感器、 温度传感器、压力传感器等;按传感器的工作原理的不同,可分为电学式传感器、磁 学式传感器、光电式传感器、半导体型传感器等;按信号变换特征也可概括分为物性 型传感器与结构型传感器;根据敏感元件与被测对象之间的能量关系,也可分为能量 4 转换型传感器与能量控制型传感器;按输出信号分类,可分为模拟式传感器和数字式 传感器等。他们被广泛的应用于机电一体化中
15、,是机电一体化应用领域中不可或缺的 元素。 2.3 传感器的数学模型 传感器的静态数学模型是指在静态信号的作用下,传感器输出与输入量间的一种 函数关系。一般可以用 n 次多项式表示 y = a0 + a1x + a2x2 + + anxn 传感器的动态数学模型是指在随时间变化的动态信号作用下,传感器输出输 入量间的函数关系,动态数学模型一般采用微分方程和传递函数描述 微分方程 : 传递函数: 2.4 传感器的主要技术指标 传感器应能准确、迅速地反映被测物理量,无论在什么情况下其输入和输出都应 是一一对应的。这是对物理传感器的要求,但不能 100%地达到,因而对传感器的性能 必须用一些定量的指标
16、去描述。从应用角度看,传感器的性能指标分为两大类:一种 是输入不随时间变化的特性,即静态特性;一种是输入随时间变化的输出信号的响应 5 特性,反映传感器静态特性的指标主要有灵敏度、线性度、迟滞性和重复性。 动态特性的主要指标有:频率响应范围、固有频率、阻尼系数和时间常数等。 一个动态特性好的传感器,无论输入信号变化多么迅速,输出都能很好地跟随; 一个静态特性很好的传感器,不一定能够真实地反映动态的被测物理量。输入信号和 输出信号的差距总是存在的,不过可用一些指标去估计这些误差的大小。 6 第三章传感器在机电一体化系统中的应用 传感器是左右机电一体化系统(或产品)发展的重要技术之一,广泛应用于各
17、种 自动化产品之中: 3.1 机械加工过程的传感检测技术 1.切削过程和机床运行过程的传感技术。切削过程传感检测的目的在于优化切削 过程的生产率、制造成本或(金属)材料的切除率等。切削过程传感检测的目标有切 削过程的切削力及其变化、切削过程颤震、刀具与工件的接触和切削时切屑的状态及 切削过程辨识等,而最重要的传感参数有切削力、切削过程振动、切削过程声发射、 切削过程电机的功率等。对于机床的运行来讲,主要的传感检测目标有驱动系统、轴 承与回转系统、温度的监测与控制及安全性等,其传感参数有机床的故障停机时间、 被加工件的表面粗糙度和加工精度、功率、机床状态与冷却润滑液的流量等。 2.工件的过程传感
18、。与刀具和机床的过程监视技术相比,工件的过程监视是研究 和应用最早、最多的。它们多数以工件加工质量控制为目标。20 世纪 80 年代以来,工 件识别和工件安装位姿监视要求也提到日程上来。粗略地讲,工序识别是为辨识所执 行的加工工序是否是工(零)件加工要求的工序;工件识别是辨识送入机床待加工的 工件或者毛坯是否是要求加工的工件或毛坯,同时还要求辨识工件安装的位姿是否是 工艺规程要求的位姿。此外,还可以利用工件识别和工件安装监视传感待加工毛坯或 工件的加工裕量和表面缺陷。完成这些识别与监视将采用或开发许多传感器,如基于 TV 或 CCD 的机器视觉传感器、激光表面粗糙度传感系统等。 3.刀具/砂轮
19、的检测传感。切削与磨削过程是重要的材料切除过程。刀具与砂轮磨 损到一定限度(按磨钝标准判定)或出现破损(破损、崩刃、烧伤、塑变或卷刀的总 称),使它们失去切/磨削能力或无法保证加工精度和加工表面完整性时,称为刀具/ 砂轮失效。工业统计证明,刀具失效是引起机床故障停机的首要因素,由其引起的停 机时间占 NC 类机床的总停机时间的 1/5-1/3.此外,它还可能引发设备或人身安全事故, 甚至是重大事故。 7 3.2 汽车自动控制系统中的传感技术 随着传感器技术和其它新技术的应用,现代化汽车工业进入了全新时期。汽车的 机电一体化要求用自动控制系统取代纯机械式控制部件,这不仅体现在发动机上,为 更全面
20、地改善汽车性能,增加人性化服务功能,降低油耗,减少排气污染,提高行驶 安全性、可靠性、操作方便和舒适性,先进的检测和控制技术已扩大到汽车全身。在 其所有重点控制系统中,必不可少地使用曲轴位置传感器、吸气及冷却水温度传感器、 压力传感器、气敏传感器等各种传感器。汽车传感器大致有两类:一类是使司机了解 汽车各部分状态的传感器;另一类传感器是用于控制汽车运行状态的控制传感器。表 3.1 示出了汽车常用传感器及检测对象。 表 3.1 汽车用传感器及检测对象 项目检测对象与检测量 温度冷却水、排出气体(催化剂) 、吸入空气、发动机油、室外(内)空 气 压力吸气压(计示压力、绝对压力) 、大气压、燃烧压、
21、发动机油压、制 动压、各种泵压、轮胎压 转数曲柄转角、曲柄转数、车轮速度、发动机转速 速度、加速度车速(绝对) 、角加速度 流量吸入空气量、燃料流量、排气再循环量、二次空气量 液量燃料、冷却水、电池液、洗窗器液、发动机轴、制动油 位移方位节流阀开口度、排气再循环阀升降温量、车高(悬置、位移) 、行驶 距离、行驶方位 排出气体O2、CO2、C0、NOX、碳氢化合物、柴油烟 其他转矩、爆震、燃料酒精成分、湿度、玻璃结露、饮酒鉴别、睡眠状态、 电池电压、电池储能多寡、灯泡断线、载荷、冲击物、轮胎失效率、 液位等 汽车发动机控制用传感器是在发动机产生的热、震动、汽油蒸汽以及轮胎产生的 污泥和飞溅的水花
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