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.doc

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

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

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...................................22

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。

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
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。

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 Control Technology）“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的，属于强电范畴，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。在机电一体化产品中，工作过程的各种参数、工作状态以及与工作过程有关的相应信息都要通过传感器进行接收，并通过相应的信号检测装置进行测量，然后送入信息处理装置以及反馈给控制装置，以实现产品工作过程的自动控制。机电一体化产品要求传感器能快速和准确地获取信息并且不受外部工作条件和环境的影响，同时检测装置能不失真地对信息信号进行放大、输送和转换。
传感器技术的发展正进入集成化、智能化研究阶段。把传感器件与信号处理电路集成在一个芯片上，就形成了信息型传感器；若再把微处理器集成到信息型传感器的芯片上，就是所谓的智能型传感器。大力开展传感器研究，对于机电一体化技术的发展具有十分重要的意义。

三、如何为机电一体化系统选择传感器（举例说明）
（一）传感器——机电一体化系统之首
一个典型的机电一体化系统结构框图如图3所示。

图3 机电一体化系统结构框图
从这个方框图中可以看到，其中有一个很重要的环节就是测量模块。测量模块涉及采集有关系统状态和行为的信息，由传感器、调理电路、变换电路等组成。其输入参数是确定机械结构模块性能的物理参数，例如，强压、压力、位移、速度、力（力矩）以及变形等。输出参数是被测量的特征参数，如电压、电流、相位、频率等。系统对测量模块的要求，就是不失真地反映被测量物理参数的时间变化曲线。这里包含了分辨率、精度、线性范围、动态响应等一系列技术指标[5]。
由此可见，在机电一体化系统中，传感器处于系统之首，其作用相当于系统的感受器官，它能快速、精确地获取信息并能经受严酷环境的考验，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对象信息精确而可靠的自动检测，那么系统的信息处理、控制决策等功能就无法谈及和实现。

（二）如何选择传感器
选择传感器主要考虑传感器的类型、灵敏度、频率响应特性、线性范围、可靠性与稳定性、精度、工作方式等几个方面的因素。
1、传感器类型
为实现对某一参数的测试，可供选用的传感器类型可能会有很多。不同类型的传感器在原理、测量方式、信号输出方式、精度、动态特性等诸多方面有着很大的差异。例如，测试机床主轴的振动时，可以选用电容式位移传感器，而用电感式位移传感器则无法满足要求。
2、灵敏度
一般来说，传感器的灵敏度越高越好，因为灵敏度高的传感器所能感受的最小被测参数变化小，当被测参数发生变化时，传感器将会产生较大的输出变化。但应注意：
灵敏度越高，外部干扰、噪声就越容易混入。
（1）一般来说，灵敏度越高测量（线性）范围越小。（2）如果被测参数为二维或三维向量，则各测量方向上的单向灵敏度越高越好、交叉灵敏度越低越好。
3、频率响应特性
在被测参数的频带内，所选传感器应能实现近似的不失真测试；与幅频特性对应的灵敏度应尽可能高些，与相频特性对应的响应时间越短越好。物性型传感器的频响特性比结构型传感器要好；非接触式传感器的频响特性比接触式传感器要好。
4、线性范围
任何传感器都有一定线性工作范围。在线性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证测试精度的基本条件。 线性范围一般与灵敏度相互矛盾。
5、可靠性与稳定性
可靠性是指仪器、装置及其它产品在规定的条件下、规定的时间内实现指定功能的能力。传感器的可靠性主要取决于设计、制造及使用时的工作环境条件等因素，特别是受后者的影响很大。稳定性指的是测试装置在长时间工作后或工作条件发生变化后保持其性能不变的能力。稳定性主要有时间稳定性和温度稳定性。稳定性是传感器可靠工作的条件和保证。
6、精度
传感器的精度表示其输出与输入的被测量值的一致程度。传感器是测试系统最前沿的环节，其输出能否真实准确地反映输入的被测量值，将直接影响整个系统的使用性能。选用传感器时，要综合考虑精度的使用要求与经济性。一般在满足精度使用要求的前提下，尽可能选用价廉的传感器。
7、工作方式：
（1）接触测量与非接触测量
（2）破坏性检验与非破坏性检验
（3）在线测试与非在线测试
8、其它
选用传感器时还要兼顾结构简单、体积小、重量轻、价格便宜、易于维护等因素。
据此上述要求我们来讲一下霍尔式传感器，在讲述之前首先我们必须了解此传感器的概念、效应以及表现形式和应用。

（三）霍尔式传感器的结构、表现形式及应用
霍尔式传感器是一种磁电转换元件，它利用某些半导体材料所具有的霍尔效应来实现某些参数的测量。
1、 霍尔效应将一金属或半导体薄片置于磁场中并在相对的两个控制电极之间通入电流时，由于运动的电子在磁场中受到洛伦兹力的作用而在另两个电极的位置产生电子堆积，从而在这两个电极上形成电动势，称为霍尔电势，上述现象就称为霍尔效应。霍尔电势为

霍尔效应与霍尔元件

a) 霍尔效应 b) 霍尔元件结构示意图 c) 符号 d) 封装
式中 ——霍尔电势；——霍尔元件的灵敏度；——磁场的磁感应强度；——控制电流；——控制电流方向与磁感应强度方向的夹角。改变、、中的任何一个参数都会使霍尔电势发生变化。
霍尔元件霍尔传感器的核心是霍尔元件。霍尔元件常用的半导体材料是N型硅，其他还有锑化铟（1nSb）、砷化铟（1nas）、砷化镓（GaAs）等。
霍尔元件的结构示意图、霍尔元件的符号、霍尔元件的封装形式。
2、集成霍尔传感器
（1）线性集成霍尔传感器

线性集成霍尔感器
a) 单端输出 b) 差动输出
（2）开关型集成霍尔传感器

开关型集成霍尔传感器
3、霍尔传感器的应用
（1）能转换为磁感应强度变化的参量的测量（如位移、转速、加速度、压力等）
（2）能转换为电流变化的参量的测量
（3）用作乘法器（电功率测量中的电流与电压的相乘等）

图3-40 霍尔传感器的几种应用

a) 线位移测量b) 角位移测量c) 信号相乘运算d) 零件计数e) 转速测量 f) 压力测量

四、机电一体化系统中传感器的发展方向及发展前景
(一)我国传感技术的发展方向及若干问题
当前，传感器技术的主要发展动向:一是开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺；二是实现传感器的集成化与智能化。
1、发现新现象，开发新材料，——新现象、新原理、新材料是发展传感器技术，研究新型传感器的重要基础，每一种新原理、新材料的发现都会伴随着新的传感器种类诞生。
2、集成化，多功能化——向敏感功能装置发展 传感器的集成化，最近积极地应用了半导体集成电路技术及其开发思想用于传感器制造。如采用微细加工技术制作微型传感器 ；采用厚膜和薄膜技术制作传感器等。
3、向未开发的领域挑战——生物传感器 到目前为止，人们正大力研究开发的传感器大多为物理传感器，今后应积极开发研究化学传感器和生物传感器。特别是智能机器人技术的发展，需要研制各种模拟人的感觉器官的传感器，如已有的机器人力觉、触觉传感器、味觉传感器等。
传感器技术是实现自动控制、自动调节的关键环节，也是机电一体化系统不可缺少的关键技术之一，其水平高低在很大程度上影响和决定着系统的功能；其水平越高，系统的自动化程度就越高。在一套完整的机电一体化系统中，如果不能利用传感检测技术对被控对象的各项参数进行及时准确地检测出并转换成易于传送和处理的信号，我们所需要的用于系统控制的信息就无法获得，进而使整个系统就无法正常有效的工作。
我国传感器的研究主要集中在专业研究所和大学，始于20世纪80年代，与国外先进技术相比，我们还有较大差距，主要表现在：
1．先进的计算、模拟和设计方法；
2．先进的微机械加工技术与设备；
3．先进的封装技术与设备；
4. 可靠性技术研究等方面。
因此,我们必须加强技术研究和引进先进设备,以提高整体水平。
（二）我国传感器技术今后的发展方向
1.加速开发新型敏感材料
通过微电子、光电子、生物化学、信息处理等各种学科，各种新技术的互相渗透和综合利用，可望研制出一批基于新型敏感材料的先进传感器。
2. 向高精度发展
研制出灵敏度高、精确度高、响应速度快、互换性好的新型传感器以确保生产自动化的可靠性。
3. 向微型化发展
通过发展新的材料及加工技术实现传感器微型化将是近十年研究的热点。
4. 向微功耗及无源化发展
传感器一般都是非电量向电量的转化,工作时离不开电源，开发微功耗的传感器及无源传感器是必然的发展方向。
5. 向智能化数字化发展
随着现代化的发展，传感器的功能已突破传统的功能，其输出不再是一个单一的模拟信号（如0-10mV），而是经过微电脑处理好后的数字信号，有点甚至带有控制功能，即只能传感器。

结束语

综上所述，机电一体化技术是众多科学技术发展的结晶，是社会生产力发展到一定阶段的必然要求。它促使机械工业发生战略性的变革，使传统的机械设计方法和设计概念发生着革命性的变化。大力发展新一代机电一体化产品，不仅是改造传统机械设备的要求，而且是推动机械产品更新换代和开辟新领域、发展与振兴机械工业的必由之路。而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、准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品的保证。可以说，在信息科学技术高速发展今天，传感器技术作为信息获取、处理的方法和手段，它在机电一体化系统中已扮演着越来越重要的角色。在本次论文设计过程中，我也学到了很多很多知识，从开始的懵懂到现在的了解，从开始的陌生到现在的熟悉，使我对传感器有了不一般的认识。为了此次撰写传感器论文，我在图书馆借阅了一些资料，同时也在互联网上进行了相关知识的搜索，借此我了解到了很多以前完全未曾涉及到的传感器知识，通过对这些知识的探索，使我更进一步加深了对传感器知识的认识理解，对在其社会上的所取的重要性也有了一个初步的认识，也加深了对本专业知识的认识。
致谢

本篇论文是在老师的精心指导下完成的，从选题到论文内容都给予了我精心的指导和严格的教诲，无论从学术水平还是学术造诣上都使我受益非浅,。不仅是我学到了许多社会经验，更重要的是让我开拓了眼界，是我意识到现代化科学技术的发展，以及它的优越性。
在这次毕业论文设计中，我第一次亲身尝试到了作为一个缺乏社会实践经验的学生所面临的困难。使我学会了如何利用所学的知识,把理论结合于实践中这些对以后的工作和学习都是一笔不菲的财富，真的受益匪浅。

参 考 文 献

[1] 芮延年.《机电一体化系统设计》.北京机械工业出版社.2004:17-18.
[2] 李运华.《机电控制》.北京航空航天大学出版社.2003:22-23.
[3] 章浩,张西良,周士冲.《机电一体化技术的发展与应用》.北京农机化研究出版社.2006:44-45.
[4] 周乐挺《传感器与检测技术》。高等教育出版社，2009，（05）
[5] 邹慧君,张青,田志斌.《机电一体化系统概念设计过程模型的研究》.北京机械设计与研究出版社.2002:10-12.