淺析機電一體化系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用

焦希才

摘 要：在機電一體化系統(tǒng)中，傳感器處于系統(tǒng)之首，其作用相當(dāng)于系統(tǒng)的感受器官，它能快速、精確地獲取信息并能經(jīng)受嚴(yán)酷環(huán)境的考驗，是機電一體化系統(tǒng)達到高水平的保證。如果缺少這些傳感器對系統(tǒng)狀態(tài)和對信息精確而可靠的自動檢測，那么系統(tǒng)的信息處理、控制決策等功能就無法談及和實現(xiàn)。為此，本文主要對傳感器技術(shù)的概況、傳感器在機電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用及發(fā)展進行了分析與探討。

關(guān)鍵詞：機電一體化系統(tǒng)；傳感器技術(shù)

21世紀(jì)人類將全面進入信息電子化時代，隨著人類探知領(lǐng)域和空間的拓展，電子信息種類的日益繁多，信息傳遞的速度日益加快，信息處理能力日益增強，相應(yīng)的信息采集———傳感技術(shù)也將日益發(fā)展，進而傳感器也將無所不在。從20世紀(jì)80年代起，逐步在世界范圍內(nèi)掀起了一股“傳感器熱”，各先進工業(yè)國都極為重視傳感技術(shù)和傳感器的研究、開發(fā)和生產(chǎn)。傳感技術(shù)已經(jīng)成為重要的現(xiàn)代科技領(lǐng)域，而傳感器及其系統(tǒng)的生產(chǎn)已成為重要的新興行業(yè)。

1 傳感器技術(shù)的概況

傳感器是指能感受規(guī)定的被測量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。我國國家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665-2005）對傳感器的定義是："能感受被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置"。傳感器作為信息獲取的重要手段，與通信技術(shù)和計算機技術(shù)共同構(gòu)成信息技術(shù)的三大支柱。作用：利用物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、生物效應(yīng)，把被測的物理量、化學(xué)量、生物量等轉(zhuǎn)換成符合需要的電量。

2 傳感器在機電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用

傳感器是左右機電一體化系統(tǒng)（或產(chǎn)品）發(fā)展的重要技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于各種自動化產(chǎn)品之中：

1、機器人用傳感器

工業(yè)機器人之所以能夠準(zhǔn)確操作，是因為它能夠通過各種傳感器來準(zhǔn)確感知自身、操作對象及作業(yè)環(huán)境的狀態(tài)，包括：其自身狀態(tài)信息的獲取通過內(nèi)部傳感器（位置、位移、速度、加速度等）來完成，操作對象與外部環(huán)境的感知通過外部傳感器來實現(xiàn)，這個過程非常重要，足以為機器人控制提供反饋信息。

2、機械加工過程的傳感檢測技術(shù)

（1）切削過程和機床運行過程的傳感技術(shù)。切削過程傳感檢測的目的在于優(yōu)化切削過程的生產(chǎn)率、制造成本或（金屬）材料的切除率等。切削過程傳感檢測的目標(biāo)有切削過程的切削力及其變化、切削過程顫震、刀具與工件的接觸和切削時切屑的狀態(tài)及切削過程辨識等，而最重要的傳感參數(shù)有切削力、切削過程振動、切削過程聲發(fā)射、切削過程電機的功率等。對于機床的運行來講，主要的傳感檢測目標(biāo)有驅(qū)動系統(tǒng)、軸承與回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、溫度的監(jiān)測與控制及安全性等，其傳感參數(shù)有機床的故障停機時間、被加工件的表面粗糙度和加工精度、功率、機床狀態(tài)與冷卻潤滑液的流量等。

（2）工件的過程傳感。與刀具和機床的過程監(jiān)視技術(shù)相比，工件的過程監(jiān)視是研究和應(yīng)用最早、最多的。它們多數(shù)以工件加工質(zhì)量控制為目標(biāo)。20世紀(jì)80年代以來，工件識別和工件安裝位姿監(jiān)視要求也提到日程上來。粗略地講，工序識別是為辨識所執(zhí)行的加工工序是否是工（零）件加工要求的工序；工件識別是辨識送入機床待加工的工件或者毛坯是否是要求加工的工件或毛坯，同時還要求辨識工件安裝的位姿是否是工藝規(guī)程要求的位姿。此外，還可以利用工件識別和工件安裝監(jiān)視傳感待加工毛坯或工件的加工裕量和表面缺陷。完成這些識別與監(jiān)視將采用或開發(fā)許多傳感器，如基于TV或CCD的機器視覺傳感器、激光表面粗糙度傳感系統(tǒng)等。

（3）刀具（砂輪的檢測傳感。切削與磨削過程是重要的材料切除過程。刀具與砂輪磨損到一定限度（按磨鈍標(biāo)準(zhǔn)判定）或出現(xiàn)破損（破損、崩刃、燒傷、塑變或卷刀的總稱），使它們失去切（磨削能力或無法保證加工精度和加工表面完整性時，稱為刀具/砂輪失效。工業(yè)統(tǒng)計證明，刀具失效是引起機床故障停機的首要因素，由其引起的停機時間占NC類機床的總停機時間的1/5-1/3.此外，它還可能引發(fā)設(shè)備或人身安全事故，甚至是重大事故。

3、汽車自動控制系統(tǒng)中的傳感技術(shù)

隨著傳感器技術(shù)和其它新技術(shù)的應(yīng)用，現(xiàn)代化汽車工業(yè)進入了全新時期。汽車的機電一體化要求用自動控制系統(tǒng)取代純機械式控制部件，這不僅體現(xiàn)在發(fā)動機上，為更全面地改善汽車性能，增加人性化服務(wù)功能，降低油耗，減少排氣污染，提高行駛安全性、可靠性、操作方便和舒適性，先進的檢測和控制技術(shù)已擴大到汽車全身。在其所有重點控制系統(tǒng)中，必不可少地使用曲軸位置傳感器、吸氣及冷卻水溫度傳感器、壓力傳感器、氣敏傳感器等各種傳感器。

3 我國傳感器技術(shù)發(fā)展的若干問題及發(fā)展方向

傳感器技術(shù)是實現(xiàn)自動控制、自動調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是機電一體化系統(tǒng)不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)之一，其水平高低在很大程度上影響和決定著系統(tǒng)的功能；其水平越高，系統(tǒng)的自動化程度就越高。在一套完整的機電一體化系統(tǒng)中，如果不能利用傳感檢測技術(shù)對被控對象的各項參數(shù)進行及時準(zhǔn)確地檢測出并轉(zhuǎn)換成易于傳送和處理的信號，我們所需要的用于系統(tǒng)控制的信息就無法獲得，進而使整個系統(tǒng)就無法正常有效的工作。我國傳感器的研究主要集中在專業(yè)研究所和大學(xué)，始于20世紀(jì)80年代，與國外先進技術(shù)相比，我們還有較大差距，主要表現(xiàn)在：

（1）先進的計算、模擬和設(shè)計方法；

（2）先進的微機械加工技術(shù)與設(shè)備；

（3）先進的封裝技術(shù)與設(shè)備；

（4）可靠性技術(shù)研究等方面。

因此，必須加強技術(shù)研究和引進先進設(shè)備，以提高整體水平。傳感器技術(shù)今后的發(fā)展方向可有幾方面：

1、加速開發(fā)新型敏感材料：通過微電子、光電子、生物化學(xué)、信息處理等各種學(xué)科，各種新技術(shù)的互相滲透和綜合利用，可望研制出一批基于新型敏感材料的先進傳感器。

2、向高精度發(fā)展：研制出靈敏度高、精確度高、響應(yīng)速度快、互換性好的新型傳感器以確保生產(chǎn)自動化的可靠性。

3、向微型化發(fā)展：通過發(fā)展新的材料及加工技術(shù)實現(xiàn)傳感器微型化將是近十年研究的熱點。

4、向微功耗及無源化發(fā)展：傳感器一般都是非電量向電量的轉(zhuǎn)化，工作時離不開電源，開發(fā)微功耗的傳感器及無源傳感器是必然的發(fā)展方向。

5、向智能化數(shù)字化發(fā)展：隨著現(xiàn)代化的發(fā)展，傳感器的功能已突破傳統(tǒng)的功能，其輸出不再是一個單一的模擬信號（如0-10mV），而是經(jīng)過微電腦處理好后的數(shù)字信號，有點甚至帶有控制功能，即智能傳感器。

4 結(jié)束語

綜上所述，傳感器技術(shù)是實現(xiàn)自動控制、自動調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是機電一體化系統(tǒng)不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)之一，其水平高低在很大程度上影響和決定著系統(tǒng)的功能；其水平越高，系統(tǒng)的自動化程度就越高。在一套完整的機電一體化系統(tǒng)中，如果不能利用傳感檢測技術(shù)對被控對象的各項參數(shù)進行及時準(zhǔn)確地檢測出并轉(zhuǎn)換成易于傳送和處理的信號，我們所需要的用于系統(tǒng)控制的信息就無法獲得，進而使整個系統(tǒng)就無法正常有效的工作。

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