机电一体化技术

摘要

现在的国家，在经济上的突飞猛进，不但让他们的科技突飞猛进，更是让他们在各个行业、各个领域都获得了巨大的发展。同时，他们的国家还在采用旧的生产方式和技术，这不仅限制了国家的机械化，还给国家的经济带来了负面的影响。因此，必须在自动化的生产中加入先进的技术和设备，提高其效率和质量，进而促进机电系统的高效安全运行。本文重点介绍了传感器技术的概念、机电一体化的概念、传感器技术在机电一体化系统中的应用。

　关键词：传感器技术；机电一体化；系统应用

第1章传感器的基础知识

1.1 课题的研究背景

针对于传感器技术来讲，经过了漫长的研究和研究，它的性能也在不断的提升，它的特性和类型也越来越多，在各个行业中都有广泛的应用，随着它的广泛应用，它已经成为了一个重要的技术[1]。将传感器技术应用于机电系统，不但可以优化和完善整个系统，还可以增强其实际操作能力和控制力，从而为整个系统的运行提供可靠的保障[2]。

1.2传感器的定义和组成

随着信息处理技术的发展，微处理器和计算机技术的迅速发展，对传感器的开发需求越来越大。目前，微机已被广泛地用于测量与控制。在信息采集系统中，传感器作为数据采集系统的前端部件，其功能日益突出。在自动化与机械手技术中，传感器起着举足轻重的作用，它是整个系统的重要组成部分。

该传感器由敏感元件、转换元件、信号调整电路及其它辅助电路构成。如图1所示

ff79ab1e0bc0039f8e7e19aac7f55953 　　图1传感器构成框图

通常，进入感应器的信号振幅较低，同时存在着干扰、噪音等问题。为了便于后续的处理，首先要使信号得到最优的波形，同时还要对信号进行线性化。在一些例子中，有些电路直接邻近于传感元件。然后将成型的信号转化为数字信号，然后将其输入到一个微处理器中。

传感系统的性能很大程度上依赖于将一定的能量转化为其他能量的传感器。传感器分为主动式和被动式两种。主动式传感器可以将一种能量转换为另外一种，无需外部电源或激发电源。被动式传感器虽然不能对能量进行直接的转化，但是可以对来自其他输入的能源或激发能进行控制[3]。

传感器负责把一个物体或工艺的具体特征转化为一定的数量。它的“对象”可以是固态的、液体的、气体的，并且可以是静止的或动态的（例如，进程）的。在完成了对象特征的转化和量化后，可以采用各种方法进行检测。物体的特征可能是物理或化学的。根据它的工作原理，传感器将物体的特征或状态参数转化为可测量的电学量，再将这些电学信号分解，送到传感器系统中进行评价和标识。

1.3传感器的分类及特性

传感器通常包括三个部件：敏感部件、变换部件和基础变换部件。1、传感器按其测量目标可划分为：内、外信息传感器，用于探测机电一体化系统的内部状况；2、按控制的工作机制，传感器可分为机械类型和结构类型两种。3、按能源来源的不同，传感器可分为被动式和主动式两种。4、根据输出信号的特性，传感器可以被划分为切换类型、模拟类型和数字类型[4]。

传感器的性能主要体现在输出和输入的关系上，它可以分为静态和动态两种。传感器的静态特征；在输入端不变的情况下，输出和输入信号的关系叫做静态特征。传感器的动力学特征；输出信号在输入时的响应特征，即传感器的动力学特征。

1.4常用传感器的结构特点及用途

电阻型传感器：这种传感器具有结构简单、体积小、工作稳定等优点。不会受到周围环境的影响。无需放大。滑线变阻器的测量精度达到0.1%.

电容式传感器：具有良好的温控、简单的结构、良好的动态特性，可以实现无接触式的测量，但其具有较高的输入阻抗和较低的负载性能。该传感器具有0.01%的准确率。

感应式感应器：没有触点，高可靠性，长寿命，高分辨率；高灵敏度：线性度高，重复性好；在没有输入的情况下，输出电压为零，造成了测量误差：对激发电源的频率和振幅的稳定性有很高的要求；该方法不适合于高频率的动态测量。

压电传感器：高阻抗，低功耗；但没有静压输出，需要高的输出电阻。需要使用低噪音的低容量电缆。

霍尔感应器：在静态时，具有特殊的感应磁场的功能，结构简单，体积小，噪声小，频率范围宽（从直流到微波），动态范围大（电压变化范围可达到1000:1)，寿命长。

第2章常用传感器的类型、特点、结构及用途

传感器可以应用在航天、医疗、国防、机械、等诸多领域，可以说几乎渗透到每个领域[5]。以下，将简单地介绍一些传感器的种类。

2.1 电阻式传感器

2.1.1 变阻式传感器

若测量电阻线的直径及材质，则每隔一段位移之阻值为恒量，则其输出与之呈线性关系。

可变电阻传感器也被称作电位计。其主要部件包括电阻器和电刷（可移动触头）。电刷相对于电阻器的运动可以是直线运动、旋转运动和螺旋运动，从而可以把直线或角位移转化为与之相关的电阻器或电压。该类型的传感器具有结构简单、体积小、工作稳定等优点。不会受到周围环境的影响。无需放大。滑线变阻器的测量精度达到0.1%.在实际生产中，有许多例子，例如：自动计量—配料设备，煤气罐储量测定等。

2.1.2 变阻应变式传感器

电阻应变元件包括弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻、壳体等。所测的力会引起弹性敏感元件的变形，并将其上的电阻应变计一同发生变形。通过测量各种物理量，如力，压力，扭矩，位移，加速度，和温度[6]。

在实际应用中，通常使用电桥电路来实现电阻-应变传感器的电阻值的变化。电桥电路结构简单，灵敏度高，测量范围宽，线性度好，容易进行温度补偿。它可以很好的适应不同的应变测试需求，因而被广泛用于应变测试。

2.2 电容式传感器

一种将测量到的机械量，例如位移，压力等转换成电容的传感器。电容是指在测量的参数改变，从而改变A，d，ε的情况下，电容C也会改变。只要将两个参数保持不变，只需改变一个，即可将此参数的变化转化为电容的变化，并将其转化为电能的输出。

该传感器具有良好的温控性能、结构简单、动态响应好、能够实现无接触测量但具有较高的输入阻抗和较低的负载性能。该传感器具有0.01%的准确率。

它的应用例子包括电容式麦克风、速度计、电容式油量计、电容式油量计等[7]。

2.3电感式传感器

(1)该传感器具有结构简单、不带移动的电气接触，因而工作稳定，使用寿命长。

(2)具有较高的灵敏度和分辨能力，能够测量到0。1微米的位移。该传感器的输出信号较大，其电压敏感性通常可以达到几百毫伏。

(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

2.4压电式传感器

压电传感器是一种以压电效应为基础的新型传感器。在受到外力的影响下，材料的表面会产生电荷，从而达到非电量的测量。

压电传感器的特性：阻抗高，能量低；但没有静压输出，对电气输出的阻抗要求很高。需要使用低噪音的低容量电缆。

压电式压力传感器，压电加速度传感器，压电金属切削力测量，压电玻璃破碎报警。

2.5霍尔式传感器

基于霍尔效应的霍尔传感器，利用霍尔元件将检测到的信号转换成电势。霍尔元件由于其独特的感应磁场特性，具有结构简单、体积小、噪音低、频率范围（从直流到微波）、动态范围大（输出电压达到1000:1）、使用寿命长等优点。

霍尔器件的主要特性指标：

(1)输入电阻和输出电阻

输入电阻器：霍尔电阻器与电极间的阻值

(2)额定控制电流和最大允许控制电流

额定电流：霍尔元件有一个控制电流，它自身就能在空气中产生10摄氏度的温度。最大容许控制电流：根据元件最大容许温度上限之受控电流值

(3)不等位电位：在霍尔器件的控制电流是额定的情况下，在该器件的磁场感应强度为0的情况下，测量出无负载霍尔电势。

(4) 寄生直流电位

霍尔元件零位误差中的一种，在霍尔器件采用 AC控制电流时，霍尔的输出端具有 DC电压，而霍尔和控制电极与衬底之间的欧姆接触不完全，则会引起整流。两霍尔电极焊点温度差异造成的温差电位

(5)霍尔电势的温度因子（Hole Current）

在某一磁致强度及受控电流条件下，每改变一度，霍尔电势的变化百分数。

第3章传感器在机电一体化系统中的意义和作用

随着我国工业水平的不断提升，对各种电子产品的需求量也在不断增加，其中传感器技术在其中扮演了重要角色。利用传感器技术，将其应用于机电系统，从而实现对自动化设备的监控，从而极大地提高了国家的机械化程度。在获得精确的资料的同时，也为以后的正常、高效运行打下了坚实的基础。

其中的检测环节是最关键的一环，不仅可以监控和获取被监控的物体的数据，还可以对机器的速度、强度、压力等进行分析。而机电系统的测试模块，则是由传感器技术和测试电路组成，这也说明了传感器技术在整个机电系统中的地位，也是整个机电系统的关键，它的出现，将会对整个系统的正常运行产生巨大的影响。

第4章传感器在机电一体化系统中的实际应用

4.1传感器技术在机械加工中的应用

在任何一个行业，在进行自动化生产的时候，都会对每一个零件进行监控，这也就意味着，在制造这些零件的时候，工人们必须要利用自动化的设备，对每一个零件进行监控，然后根据准确的监控结果，保证零件的生产。以此为基础，将传感器技术与机电一体化系统相结合，为机械设备的监控提供技术支撑，进而实现对机床零件的精确、完美的控制。

4.2传感器技术在汽车行业的应用

随着国家的经济发展，科技的不断进步，人们的生活品质大大改善，对汽车的需求也日益增长，以前的汽车制造技术和设备都与现代的机械产品存在着很大的冲突，这就限制了汽车的生产。随着传感器技术的普及，电动汽车的制造，也开始朝着智能化、自动化、轻型化的方向发展，这就是为了满足人民的需要，让国内的汽车产业，更上一层楼。

在汽车的自动化制造中，传感器技术起到了不可替代的作用。在现代汽车的制造过程中，无论是自动变速器，还是防抱死装置，都需要通过传感器来探测和获取相关的信息。随着人们对车辆的需求越来越大，车辆的配置也越来越多，以前的机械控制已经被淘汰了，取而代之的是机电一体化。比如，汽车的导航系统，就是利用传感器技术，让车辆的结构更加的符合人类的需要，同时也更加的安全和稳定。将传感器技术和机电一体化技术相结合，既可以保证车辆在行驶中的安全性，又可以不断地优化和改进车辆的安全控制系统。

4.3传感器技术在无人驾驶汽车领域的应用

随着国内科技的不断发展，汽车业也在逐步向无人化的方向发展。一些大的汽车制造商，也在逐步的开发无人驾驶系统。无人机的发展空间还很大，比如安全性、对汽车的灵敏度等。在人口稠密的地方，自动驾驶的作用并不大。将传感器技术和自动驾驶技术相结合，不但可以让无人机更好的适应人类的需要，而且还可以让无人机向着智能化的方向发展。传感器技术是汽车制造和驾驶过程中必不可少的一项技术，它可以保证人们的安全。而传感器技术则广泛应用于车辆的制动、防抱死、控制、自动换档等领域，为车辆的行车安全提供了极大的保证。

4.4传感器技术在数控机床上的应用

在我国的自动化生产进程中，数控机床一直是备受瞩目的对象，也是整个机电系统中最需要改进和改进的环节。如何大规模的将传感器技术应用到数控机床上，保证其应用效果，就必须要对其原理和优势有深刻的了解，从而使传感技术得到进一步的改进，使整个系统的科学性、完整性和效率得到提高。比如，强化了传感器技术的数据控制精度，增加了数控机床的机电集成系统，从而将电子控制系统的功能最大化，从而实现了传感器技术与机电系统的完美结合。将传感器技术应用到数控机床的自动化中，不但可以实现数控机床的自动化，而且还可以提高零件的质量，降低产品的制造错误，提高产品的效率和质量。

4.5传感器技术在工业机器人领域上的应用

要想让国内的产业逐渐走向自动化、智能化、无人化，就必须要有一个更深层次的研究。工业机器人的诞生，不但可以取代一部分的劳动力，还可以在极端恶劣的环境下工作，保障职工的人身安全，使公司的工作效率与品质得到提升。另外，在工业机器人的作用下，还可以将错误率降低到最小，可以很好的解决工业生产中的问题。在工业机器人的研究和应用中，将传感器技术和工业机器人结合在一起，可以极大的提高工业机器人的效率，而使用传感技术，就相当于使用的视觉与触觉，可以让工业机器人做出更多的动作，从而达到更好的效果。

致谢

这篇文章在我的老师的悉心教导下，从题目到文章的内容，都得到了我的悉心教导，不管是在学术上，还是在学术上，我都受益匪浅。这不但使我获得了丰富的社交经验，同时，我也看到了现代技术的发展和它的优点。

在这个毕业论文的设计中，我首次体验到了一个没有社会实践经历的人所面对的困境。让我学习到怎样将所学的知识运用到实际中去。

参考文献

[1]杨振中.传感器技术在机电一体化系统中的应用研究[J].矿业装备,2021(04):210-211.

[2]起红忠.机电一体化系统中传感器与检测技术的应用[J].现代经济信息,2016(08):353.

[3]曹聪,卜令欣.传感器技术在机电一体化系统中的应用研究[J].中国设备工程,2019(07):139-140.

[4]谢小宝.传感器技术在机电一体化系统中的应用[J].中小企业管理与科技(中旬刊),2018(06):161-162.