傳感器技術(shù)在機(jī)電控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

喬會(huì)鵬+李小莉

摘 要：現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展極大地推動(dòng)了不同學(xué)科的交叉與滲透，引起了工程領(lǐng)域的技術(shù)改造與革命。機(jī)電控制系統(tǒng)中，傳感器在信息獲取方面，具有快速、精確等特征，是機(jī)電控制系統(tǒng)能否達(dá)到高水平的重要保障。為此，本文主要對(duì)傳感器技術(shù)的概況、機(jī)電控制系統(tǒng)及智能建筑機(jī)電設(shè)備控制中傳感器技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：傳感器技術(shù)；機(jī)電控制系統(tǒng)；概況；智能建筑

傳感器技術(shù)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、自動(dòng)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是機(jī)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(dòng)化程度就越高。在一套完整的機(jī)電一體化系統(tǒng)中，如果不能利用傳感檢測(cè)技術(shù)對(duì)被控對(duì)象的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)出并轉(zhuǎn)換成易于傳送和處理的信號(hào)，我們所需要的用于系統(tǒng)控制的信息就無(wú)法獲得，進(jìn)而使整個(gè)系統(tǒng)就無(wú)法正常有效的工作。

1 傳感器技術(shù)的概況

傳感器是指能感受規(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。 我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665-2005）對(duì)傳感器的定義是："能感受被測(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"。傳感器作為信息獲取的重要手段，與通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)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(cè)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(jī)電控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、機(jī)器人的傳感器應(yīng)用

工業(yè)機(jī)器人之所以能夠準(zhǔn)確操作，是因?yàn)樗軌蛲ㄟ^(guò)各種傳感器來(lái)準(zhǔn)確感知自身、操作對(duì)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(guò)內(nèi)部傳感器（位置、位移、速度、加速度等）來(lái)完成，操作對(duì)象與外部環(huán)境的感知通過(guò)外部傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，這個(gè)過(guò)程非常重要，足以為機(jī)器人控制提供反饋信息。

2、機(jī)械加工過(guò)程的傳感檢測(cè)技術(shù)

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

（2）工件的過(guò)程傳感。與刀具和機(jī)床的過(guò)程監(jiān)視技術(shù)相比，工件的過(guò)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(lái)，工件識(shí)別和工件安裝位姿監(jiān)視要求也提到日程上來(lái)。粗略地講，工序識(shí)別是為辨識(shí)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(shí)別是辨識(shí)送入機(jī)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(shí)還要求辨識(shí)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(shí)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(shí)別與監(jiān)視將采用或開(kāi)發(fā)許多傳感器，如基于TV或CCD的機(jī)器視覺(jué)傳感器、激光表面粗糙度傳感系統(tǒng)等。

（3）刀具（砂輪的檢測(cè)傳感。切削與磨削過(guò)程是重要的材料切除過(guò)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(chēng)），使它們失去切（磨削能力或無(wú)法保證加工精度和加工表面完整性時(shí)，稱(chēng)為刀具/砂輪失效。工業(yè)統(tǒng)計(jì)證明，刀具失效是引起機(jī)床故障停機(jī)的首要因素，由其引起的停機(jī)時(shí)間占NC類(lèi)機(jī)床的總停機(jī)時(shí)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(chē)自動(dòng)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(chē)工業(yè)進(jìn)入了全新時(shí)期。汽車(chē)的機(jī)電一體化要求用自動(dòng)控制系統(tǒng)取代純機(jī)械式控制部件，這不僅體現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)上，為更全面地改善汽車(chē)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(jìn)的檢測(cè)和控制技術(shù)已擴(kuò)大到汽車(chē)全身。在其所有重點(diǎn)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 傳感器在智能建筑機(jī)電設(shè)備控制中的應(yīng)用

智能建筑的機(jī)電設(shè)施系統(tǒng)很多，包括供配電照明系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、電梯控制系統(tǒng)等。傳感器在其中都得到廣泛的應(yīng)用。如空調(diào)系統(tǒng)中大量的溫度、濕度傳感器，給排水系統(tǒng)中的流量傳感器等。這里主要介紹傳感器在電梯控制中的應(yīng)用。

以轎廂式電梯為例，電梯由轎廂、曳引機(jī)構(gòu)、導(dǎo)軌、對(duì)重、安全裝置和控制系統(tǒng)組成。其控制包括拖動(dòng)系統(tǒng)的控制和操控系統(tǒng)的控制。后者指對(duì)來(lái)自轎廂、廳站、井道、機(jī)房等外部控制信號(hào)的分析、判斷和處理。

1、選層控制

乘客進(jìn)入轎廂后，會(huì)在控制面板上鍵入所要到達(dá)的樓層數(shù)字，控制電梯的電腦必須知道電梯所在的位置，才能正確指層，選擇減速點(diǎn)，正確平層。一般電梯都采用光電脈沖編碼器來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)距。

曳引電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)后，編碼器即輸出脈沖，脈沖數(shù)正比于電梯運(yùn)行的距離。例如，電梯上行到3樓，設(shè)3樓距地面對(duì)應(yīng)9000個(gè)脈沖，減速點(diǎn)設(shè)定在7000個(gè)脈沖，當(dāng)電梯從地面（設(shè)為零點(diǎn)）往上時(shí)即開(kāi)始計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)到7000個(gè)脈沖時(shí)，發(fā)出減速指令，于是電梯慢速上行，當(dāng)計(jì)數(shù)到9000個(gè)脈沖時(shí)，發(fā)出停止指令，電梯便停在3樓層面。

2、入口安全保護(hù)

電梯門(mén)有層門(mén)和轎門(mén)兩扇，并在?？繉油瑫r(shí)開(kāi)閉。層門(mén)固定設(shè)在每層入口處，轎門(mén)設(shè)在轎廂靠近層門(mén)的一側(cè)隨轎廂升降。開(kāi)關(guān)門(mén)時(shí)，為保證乘客或貨物的安全，電梯門(mén)的入口處都有保護(hù)裝置。光電式保護(hù)裝置是在轎門(mén)邊上安裝兩道水平光電裝置，選用對(duì)射式紅外光電開(kāi)關(guān)，對(duì)整個(gè)開(kāi)門(mén)寬度進(jìn)行檢測(cè)。在轎門(mén)關(guān)閉的過(guò)程中，只要遮斷任一道光路，門(mén)都會(huì)重新開(kāi)啟，待乘客進(jìn)入或離開(kāi)轎廂后才繼續(xù)完成關(guān)閉動(dòng)作。

超聲波保護(hù)裝置一般安裝在轎門(mén)的上方。在關(guān)門(mén)過(guò)程中，當(dāng)檢測(cè)到門(mén)前有乘客想進(jìn)轎廂時(shí)，則門(mén)會(huì)重新打開(kāi)，待乘客進(jìn)入轎廂后再關(guān)閉。防夾條是當(dāng)發(fā)生乘客的手或腳還未完全進(jìn)入轎廂，光電、超聲傳感器未起作用時(shí)，手或腳就有被轎門(mén)夾住的危險(xiǎn)，這時(shí)必須立即重新打開(kāi)轎門(mén)。在兩扇轎門(mén)的邊沿。各安裝了一根防夾條。防夾條內(nèi)部有兩根距離很近的金屬條，其長(zhǎng)度與轎門(mén)相等，外面用柔軟的橡膠包裹。當(dāng)乘客被夾時(shí)，兩根金屬條發(fā)生短路，向電梯的控制系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，轎門(mén)和層門(mén)立即微開(kāi)一段距離，待報(bào)警消除后再重新關(guān)閉。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，21世紀(jì)人類(lèi)將全面進(jìn)入信息電子化時(shí)代，隨著人類(lèi)探知領(lǐng)域和空間的拓展，電子信息種類(lèi)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(qiáng)，相應(yīng)的信息采集———傳感技術(shù)也將日益發(fā)展，進(jìn)而傳感器也將無(wú)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(jìn)工業(yè)國(guó)都極為重視傳感技術(shù)和傳感器的研究、開(kāi)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)。

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