王文恒 包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院
智能傳感器在機電一體化設(shè)備中的應(yīng)用研究
王文恒 包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院
傳感器是機電一體化系統(tǒng)中必不可少的零部件,能實時監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀態(tài),是實現(xiàn)系統(tǒng)的信息處理,自動監(jiān)測并及時做出控制決策的基礎(chǔ),本文在詳細闡述不同傳感器的特性基礎(chǔ)上,對傳感器在機電一體化中的運用做出剖析,并對傳感器技術(shù)的發(fā)展方向進行預(yù)測。
傳感器技術(shù) 特點 機電一體化 應(yīng)用
傳感器技術(shù)近年來發(fā)展迅猛,也是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的一個重要標(biāo)桿,是信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱之一,被譽為人類五官的延伸。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,傳感器探測技術(shù)在應(yīng)用上越來越成熟,各國重新掀起對傳感器技術(shù)的研究熱潮。經(jīng)過了幾十年的發(fā)展,傳感器及其所覆蓋的相應(yīng)機電技術(shù)已成為重要的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一,而傳感器與半導(dǎo)體、計算機、信息處理監(jiān)測技術(shù)、微電子技術(shù)等機電一體化的眾多技術(shù)的更深層次的結(jié)合,使傳感器的作用越來越明顯。
在機電一體化設(shè)備中,利用機械裝置或者電阻本身的一些特性將被測量物體的變化轉(zhuǎn)為電阻阻值的變化,進而輸出不同電流或電壓信號的就是電阻式傳感器。可用于許多機械工程中的溫度變化的檢測和距離的測量。例如,某些變阻器式傳感器監(jiān)測精度可達千分之一以上。電阻式傳感器按照不同工作的原理大體可分為:變阻器式、光敏式、電阻應(yīng)變式、電敏式等。在生活中,電阻式傳感器應(yīng)用實例也有很多,如電子稱、煤氣儲量檢測裝置等。
電容式壓力傳感器與電阻式式傳感器類似,區(qū)別在于電容式傳感器是利用電容敏感元件的特性,將傳感器所受壓力轉(zhuǎn)化為與之對應(yīng)的電容輸出。它的一個電極是金屬薄膜,金屬薄膜受到壓力會發(fā)生變形,從而導(dǎo)致薄膜與另一電極之間儲存的電容量發(fā)生很大改變,進而輸出電信號。這種傳感器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)比較簡單,動態(tài)響應(yīng)也較好,溫度變化小,最為關(guān)鍵的是可以在不接觸被測物體的情況下進行測量。然而,負載能力不好,阻抗也較大。
電感式傳感器根據(jù)工作感應(yīng)形式的不同種類也有很多,其中渦流式、互感式、自感式傳感器最為普遍。工作原理大同小異,都是通過電磁感應(yīng)原理使被測量的物理量轉(zhuǎn)換成互感系數(shù)M或線圈自感系數(shù)L的變化,接著,測量電路發(fā)現(xiàn)并識別這些信號,隨后轉(zhuǎn)化為電量的輸出。
線圈的近似電感量為:
圖1.1 變氣隙式自感傳感器結(jié)構(gòu)
電感式傳感器由于不和被測量物體直接接觸,所以有工作壽命長、可靠度高等特點,而且因為電感本身的靈敏性,電感式傳感器精度及分辨率都很高。缺點是當(dāng)幅值穩(wěn)定性較差或激勵電源的頻率過高時,測量不穩(wěn)定。因此高頻動態(tài)測量通常不用電感式傳感器。
壓電式傳感器是利用材料的壓電效應(yīng)做出來的傳感器。壓電材料受力后產(chǎn)生電荷,經(jīng)過測量電路放大后轉(zhuǎn)為正比于所受壓力的電量輸出。壓電式傳感器通常用于測量力和相關(guān)的運動特征,具有結(jié)構(gòu)簡單、頻帶較寬、靈敏度極高、重量較輕、工作可靠等很多優(yōu)點。壓電式傳感器在工程力學(xué)、電學(xué)、仿生學(xué)等機電技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用普遍。
壓電式傳感器的工作電壓與電容參數(shù):壓電傳感器的兩端絕緣體構(gòu)成了一個一個電容器,晶體不同表面聚集著不同電荷,相當(dāng)于正負極,兩極間形成電介質(zhì),則其電容量為:當(dāng)壓電元件受外力時,兩表面產(chǎn)生等量的正負電荷,壓電元件的開路電壓為:
隨著元件生產(chǎn)的工藝水平越來越高,傳感器的監(jiān)測精度,穩(wěn)定性等也越來越好,未來傳感器的發(fā)展趨勢必然具有體積微型化,監(jiān)測智能化,功能多樣化,傳輸無線化等特點。要實現(xiàn)以上變革,傳感器技術(shù)首先要在新材料方面有所突破,其次,改進生產(chǎn)工藝也是必然要求。現(xiàn)在各國政府都在展開對傳感器新材料及生產(chǎn)工藝的攻克,并且取得了不錯的成果。
傳感器技術(shù)是實現(xiàn)裝置自動化,智能化的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié),是機電實現(xiàn)一體化過程中極其重要的主要技術(shù)之一,系統(tǒng)的功能很大程度上取決于傳感器的性能的好壞。在工作狀態(tài)良好的機電設(shè)備中,傳感檢測技術(shù)準(zhǔn)確無誤的對監(jiān)測對象進行檢測并且轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定可靠的信號輸出。隨著機電一體化的進一步發(fā)展,必然推動傳感器技術(shù)向智能化,微型化,多功能化深入發(fā)展。
[1]韓連英.光纖傳感器在機械設(shè)備檢測中的應(yīng)用[J].光機電信息.2006(3)
[2]張開遜.現(xiàn)代傳感技術(shù)在信息科學(xué)中的地位[J].工業(yè)計量.2006(1)
[3]武昌俊.自動檢測技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.
[4]梁景凱.機電一體化技術(shù)與系統(tǒng)[M].北京:機械工業(yè)出版社,1999.
[5]陳瑜.國外機電一體化技術(shù)發(fā)展趨勢[J].國外機電一體化技術(shù).2000,5
王文恒,1970.2.15,男,漢,遼寧省蓋縣,工程師,中級,高級技師,包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院,研究方向:機電工程類。