傳感器技術(shù)編輯整理

由于高精度、高速度、高效率及安全可靠的特點(diǎn)，在制造業(yè)技術(shù)設(shè)備更新中，數(shù)控機(jī)床正迅速地在企業(yè)得到普及。數(shù)控機(jī)床是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動(dòng)化機(jī)床，能夠根據(jù)已編好的程序，使機(jī)床動(dòng)作并加工零件。它綜合了機(jī)械、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)、測(cè)量、微電子等最新技術(shù)，使用了多種傳感器。

傳感器

傳感器（sensor;measuring element;transducer）：能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。

傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本轉(zhuǎn)換電路三部分組成。

傳感器是一種物理裝置或生物器官，能夠探測(cè)、感受外界的信號(hào)、物理?xiàng)l件（如光、熱、濕度）或化學(xué)組成（如煙霧），并將探知的信息傳遞給其他裝置或器官。它能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。

傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。

傳感器的功能

常將傳感器的功能與人類5大感覺器官相比擬：光敏傳感器——視覺、聲敏傳感器——聽覺、氣敏傳感器——嗅覺、化學(xué)傳感器——味覺、壓敏、溫敏、流體傳感器——觸覺

敏感元件的分類：

①物理類，基于力、熱、光、電、磁和聲等物理效應(yīng)。

②化學(xué)類，基于化學(xué)反應(yīng)的原理。

③生物類，基于酶、抗體、和激素等分子識(shí)別功能。

通常據(jù)其基本感知功能可分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類（還有人曾將敏感元件分46類）。

傳感器在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用

數(shù)控機(jī)床中的傳感器的基本要求

1）傳感器具有較強(qiáng)的抗干擾性和較高的可靠性；

2）傳感器要達(dá)到速度及精度方面的標(biāo)準(zhǔn)和要求；

3）傳感器的使用和維護(hù)工作較為方便；

4）傳感器的成本較低。

不同類型的數(shù)控機(jī)床對(duì)傳感器的一些要求也存在著差異，通常情況下，高精度、中型數(shù)控機(jī)床對(duì)傳感器的要求著重體現(xiàn)在精度上，而大型數(shù)控機(jī)床對(duì)傳感器的要求主要體現(xiàn)在速度響應(yīng)度上。

1、位移檢測(cè)的應(yīng)用

對(duì)位移檢測(cè)的數(shù)控機(jī)床中的傳感器著重包括直線光柵、脈沖編碼器以及旋轉(zhuǎn)變壓器等。

1）直線光柵的一些應(yīng)用

直線光柵是通過對(duì)光的反射、投射現(xiàn)象進(jìn)行運(yùn)用而制成的，通常被運(yùn)用在位移的檢測(cè)上，其辨認(rèn)能力較高，檢測(cè)準(zhǔn)確度高于光編碼器，在動(dòng)態(tài)測(cè)量中被廣泛的運(yùn)用。

在進(jìn)給驅(qū)動(dòng)過程中，在床身上對(duì)光柵進(jìn)行固定。拖板移動(dòng)的實(shí)際位移在直線光柵所產(chǎn)生的一些脈沖信號(hào)上被直接性的反映出來。利用直線光柵對(duì)工作臺(tái)的具體位置進(jìn)行檢測(cè)的伺服系統(tǒng)是一個(gè)全閉環(huán)控制系統(tǒng)。

2）脈沖編碼器的一些應(yīng)用

脈沖編碼器是一種轉(zhuǎn)速傳感器或是角位移傳感器，此傳感器可以將機(jī)械轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)化成一種電脈沖。脈沖編碼器有三種類型，分別是電磁式、接觸式以及光電式。在以上三種脈沖編碼器中，光電式的運(yùn)用最為廣泛，在x軸、z軸端各配有一個(gè)光點(diǎn)編碼器，其主要運(yùn)用于對(duì)數(shù)字、角位移的檢測(cè)，角位移基于絲杠螺距對(duì)刀架的直線位移進(jìn)行間接性的反映。

3）旋轉(zhuǎn)變壓器的一些應(yīng)用

旋轉(zhuǎn)變壓器就是感應(yīng)式微電機(jī)，在該旋轉(zhuǎn)變壓器中，其角位移量與輸出電壓之間是一種連續(xù)函數(shù)的關(guān)系。轉(zhuǎn)子與定子共同構(gòu)成旋轉(zhuǎn)變壓器，詳細(xì)來講，旋轉(zhuǎn)變壓器由兩個(gè)轉(zhuǎn)子繞組、一個(gè)鐵心以及兩個(gè)定子繞組構(gòu)成，在轉(zhuǎn)子及定子上各自放置著旋轉(zhuǎn)變壓器的副繞組和原繞組，原繞組和副繞組間的電磁耦合度與旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角存在一定的關(guān)系。

2、位置檢測(cè)的應(yīng)用

位置傳感器與位移傳感器之間存在一定的差異。位置傳感器主要分為接近式傳感器與接觸式傳感器。

1）接觸式傳感器的應(yīng)用

接觸式傳感器的觸頭通常由兩個(gè)物體相互接觸并擠壓進(jìn)行相應(yīng)的工作，經(jīng)常見到的有行程開關(guān)以及二維矩陣式位置傳感器等等。行程開關(guān)的構(gòu)架比較簡(jiǎn)單、成本廉價(jià)且運(yùn)行動(dòng)作可靠。如果一個(gè)物體在運(yùn)行中碰到行程開關(guān)時(shí)，行程開關(guān)的內(nèi)部觸頭將產(chǎn)生動(dòng)作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)過程的控制，倘若在x軸、y軸以及z軸兩端各自配置一個(gè)行程開關(guān)，那么該行程開關(guān)將對(duì)移動(dòng)范圍進(jìn)行了控制。在機(jī)械手掌的內(nèi)側(cè)對(duì)二維矩陣式位置傳感器進(jìn)行相應(yīng)的安裝和配置，該傳感器主要用在對(duì)其自身和一個(gè)物體間的接觸位置進(jìn)行檢測(cè)。

2）接近開關(guān)的應(yīng)用

所謂接近開關(guān)，指某種物體和接近開關(guān)相距事先設(shè)定的距離時(shí)，能發(fā)出“動(dòng)作”信號(hào)的一種開關(guān)，接近開關(guān)與物體之間沒有必要直接接觸。接近開關(guān)主要有霍爾式、自感式以及電容式等。在數(shù)控機(jī)床中，接近開關(guān)著重運(yùn)用于對(duì)工作臺(tái)行程、刀架選刀以及油缸等的一些控制。

在刀架選刀控制中，如下圖所示，從左至右的四個(gè)凸輪與接近開關(guān)SQ4～SQ1相對(duì)應(yīng)，組成四位二進(jìn)制編碼，每一個(gè)編碼對(duì)應(yīng)一個(gè)刀位，如0110對(duì)應(yīng)6號(hào)刀位；接近開關(guān)SQ5用于奇偶校驗(yàn)，以減少出錯(cuò)。刀架每轉(zhuǎn)過一個(gè)刀位，就發(fā)出一個(gè)信號(hào)，該信號(hào)與數(shù)控系統(tǒng)的刀位指令進(jìn)行比較，當(dāng)?shù)都艿牡段恍盘?hào)與指令刀位信號(hào)相符時(shí)，表示選刀完成。

霍爾傳感器是利用霍爾現(xiàn)象制成的傳感器。將鍺等半導(dǎo)體置于磁場(chǎng)中，在一個(gè)方向通以電流時(shí)，則在垂直的方向上會(huì)出現(xiàn)電位差，這就是霍爾現(xiàn)象。將小磁體固定在運(yùn)動(dòng)部件上，當(dāng)部件靠近霍爾元件時(shí)，便產(chǎn)生霍爾現(xiàn)象，從而判斷物體是否到位。

3、速度檢測(cè)的應(yīng)用

速度傳感器就是把速度轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的一種傳感器，該種傳感器一方面可對(duì)直線速度進(jìn)行檢測(cè)，另一方面也能對(duì)角速度進(jìn)行檢測(cè)，在數(shù)控機(jī)床中常見的有脈沖編碼器以及測(cè)速發(fā)電機(jī)等。

脈沖編碼器每經(jīng)過一個(gè)單位角位移就產(chǎn)生一個(gè)脈沖，同時(shí)和定時(shí)器相互配合對(duì)角速度進(jìn)行檢測(cè)。測(cè)速發(fā)電機(jī)有直流、交流測(cè)速發(fā)電機(jī)兩種；測(cè)速發(fā)電機(jī)具有以下兩個(gè)特點(diǎn)，其一、測(cè)速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出電壓之比的斜率較大；其二、測(cè)速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出電壓之間成線性關(guān)系。

通常情況下，速度傳感器在數(shù)控機(jī)床中主要運(yùn)用在對(duì)數(shù)控系統(tǒng)伺服單元的速度檢測(cè)上。

4、壓力檢測(cè)的應(yīng)用

壓力傳感器就是把壓力轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的一種傳感器。依據(jù)壓力傳感器的工作原理，可將其劃分成電容式、壓電式、壓阻式傳感器。

壓力傳感器是檢測(cè)固體以及氣體等物質(zhì)之間的一種作用能量的合稱。電容式壓力傳感器的兩個(gè)電極與電極面積之間的距離決定了該傳感器的電容量，電容式壓力傳感器由于其穩(wěn)定性能好、靈敏度較高等，在數(shù)控機(jī)床中得到了廣泛的運(yùn)用。

壓力傳感器在數(shù)控機(jī)床中可對(duì)工件夾緊進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)，如果設(shè)定值大于夾緊力時(shí)，將出現(xiàn)被夾工件松動(dòng)的現(xiàn)象，同時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)報(bào)警聲音，停止工作。除此之外，也可以利用壓力傳感器對(duì)車刀切削力的一些變化進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)。

5、溫度檢測(cè)和應(yīng)用

溫度傳感器就是將溫度高低轉(zhuǎn)化成另外一種信號(hào)、電阻值大小的設(shè)備。通常所見的就是熱敏電阻傳感器或者熱電阻傳感器等。溫度傳感器在數(shù)控機(jī)床中通過對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而進(jìn)行相應(yīng)的過熱保護(hù)和溫度補(bǔ)償。

在數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行過程中，移動(dòng)部件切削、電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)等均會(huì)產(chǎn)生不同程度的溫度，并且這些熱量不易盡快發(fā)散，分部不均衡，很容易造成溫度上的差異，致使數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)發(fā)熱變形的現(xiàn)象，在很大程度上給零件的加工精度帶來影響，為了避免由于以上現(xiàn)象的出現(xiàn)，在數(shù)控機(jī)床的一些易受溫度影響的部位安裝溫度傳感器，該設(shè)置能將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變成一種電信號(hào)傳達(dá)到數(shù)控系統(tǒng)中，從而進(jìn)行一定的溫度補(bǔ)償。

除此之外，在電動(dòng)機(jī)等一些設(shè)備或部件需要過熱保護(hù)的部位，應(yīng)當(dāng)安裝相應(yīng)的溫度傳感器，從而進(jìn)行一定的過熱保護(hù)。

6、刀具磨損監(jiān)控和應(yīng)用

刀具磨損在一定程度上會(huì)給工件的表面粗糙度及尺寸精度造成影響，所以，為了避免上述現(xiàn)象在數(shù)控機(jī)床中出現(xiàn)，有必要對(duì)刀具磨損進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)控。當(dāng)?shù)毒叱霈F(xiàn)磨損時(shí)，在機(jī)床主軸電動(dòng)機(jī)上會(huì)出現(xiàn)荷載加大的現(xiàn)象，同時(shí)電動(dòng)機(jī)的電壓及電流會(huì)隨之發(fā)生變化，電動(dòng)機(jī)功率同樣也發(fā)生了變化，通過霍爾傳感器對(duì)功率變化進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)功率變化到數(shù)控系統(tǒng)出現(xiàn)報(bào)警、機(jī)車出現(xiàn)停止運(yùn)行的現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)當(dāng)立刻對(duì)刀具進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整或者替換。

以上幾種傳感器已在數(shù)控機(jī)床中進(jìn)行了廣泛的運(yùn)用，但是伴著數(shù)控機(jī)床以及傳感器的不斷更新和發(fā)展，部分傳感器已經(jīng)被遭到淘汰，例如旋轉(zhuǎn)變壓器等這些傳感器，同樣，一些較新傳感器也在不斷的涌現(xiàn)出來，致使數(shù)控機(jī)床得以更新和完善。