傳感器技術(shù)在機(jī)械電子中的應(yīng)用探析

摘要：隨著各種原理傳感器的出現(xiàn)，我國(guó)的現(xiàn)代電子技術(shù)也在不斷豐富，在機(jī)械電子設(shè)備方面取得了較廣范的應(yīng)用，不斷推進(jìn)我國(guó)的工業(yè)向著更加智能化、自動(dòng)化、網(wǎng)格化和模塊化的方向發(fā)展?，F(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)以及生活的方方面面已經(jīng)離不開(kāi)各種傳感器技術(shù)，因此該文針對(duì)機(jī)械電子行業(yè)的發(fā)展以及傳感器技術(shù)的發(fā)展，分析傳感器技術(shù)在機(jī)械電子行業(yè)的應(yīng)用價(jià)值并列舉具體的應(yīng)用實(shí)例。

關(guān)鍵詞：傳感器技術(shù)機(jī)械電子應(yīng)用實(shí)例自動(dòng)化控制智能化發(fā)展

中圖分類號(hào)： TP212? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ?文章編號(hào)：1672-3791（2022）03（b）-0000-00

Application of Sensor Technology in Mechanical Electronics

TIAN Rui

（Fundamental Science Department， Henan Polytechnic Institute， Nanyang， Henan Province，473000 China）

Abstract： with the emergence of various principle sensors， China's modern electronic technology is also constantly enriched， has made a wide range of applications in mechanical and electronic equipment， and constantly promotes China's industry to develop in the direction of more intelligence， automation， grid and modularization. All aspects of modern industrial production and life are inseparable from various sensor technologies. Therefore， aiming at the development of mechanical and electronic industry and sensor technology， this paper analyzes the application value of sensor technology in mechanical and electronic industry and lists specific application examples.

Key Words： Sensor technology; Mechanical and electronic; Application examples; Automatic control; Intelligent development

機(jī)械電子工程綜合了機(jī)械設(shè)備以及電子技術(shù)等學(xué)科的內(nèi)容，其發(fā)展直接關(guān)系到包括生產(chǎn)行業(yè)、交通運(yùn)輸、醫(yī)療器械以及日常生活的方方面面。隨著工業(yè)信息化的發(fā)展，傳感器技術(shù)賦予了將機(jī)械電子工程應(yīng)用于更多行業(yè)的可行性，借助各種傳感器技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)將各種微小信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的功能，將一些不可見(jiàn)的信息進(jìn)行可視化的表達(dá)，各種傳感器技術(shù)憑借其高靈敏性以及高可靠性的特點(diǎn)，在精確加工與控制領(lǐng)域中發(fā)揮著不可替代的作用。由于傳感器原理十分多樣化，因此只有把握好傳感器的原理才能夠在特定的工作場(chǎng)景進(jìn)行正確的設(shè)備選型，同時(shí)不斷發(fā)展傳感器技術(shù)能夠進(jìn)一步拓展傳感器技術(shù)在機(jī)械電子領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展空間[1-2]。

1傳感器技術(shù)

1.1傳感器技術(shù)的定義與研究現(xiàn)狀

傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微小信號(hào)的感知和傳遞，可以將傳感器技術(shù)類比為人體的各種感知器官。在工業(yè)環(huán)境中，傳感器可以對(duì)所處環(huán)境微小的變化進(jìn)行感知，并做出相應(yīng)的反應(yīng)，一般是表現(xiàn)為電信號(hào)的形式，現(xiàn)場(chǎng)的工作人員能夠根據(jù)傳感器發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，以達(dá)到控制機(jī)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的目的。需要注意到，傳感器是機(jī)電系統(tǒng)獲取信號(hào)數(shù)據(jù)最主要的，也是最準(zhǔn)確的方式，能夠?yàn)殚_(kāi)展相應(yīng)的工作提供準(zhǔn)確的依據(jù)。傳感器技術(shù)發(fā)源于20世紀(jì)80年代，在當(dāng)時(shí)屬于領(lǐng)先行業(yè)，經(jīng)過(guò)不斷的理論研究與應(yīng)用實(shí)踐，現(xiàn)有的傳感器產(chǎn)品種類已超過(guò)2萬(wàn)種，廣泛應(yīng)用于鑄造、交通、汽車(chē)、金融、通訊、農(nóng)業(yè)、機(jī)械制造、化工、能源、加點(diǎn)等眾多的行業(yè)之中。目前，在我國(guó)，傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展受到了相當(dāng)大的重視，并成為國(guó)家重點(diǎn)關(guān)注的領(lǐng)域，取得了各種突破性的成績(jī)，有效地開(kāi)發(fā)了多種傳感器產(chǎn)品，不斷促進(jìn)了我國(guó)眾多行業(yè)以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。

1.2傳感器的種類

人們習(xí)慣地將傳感器比作人的五感，表明了傳感器功能的強(qiáng)大。傳感器可以實(shí)現(xiàn)五大領(lǐng)域的信號(hào)檢測(cè)工作，在機(jī)械自動(dòng)化領(lǐng)域，借助傳感器可以對(duì)位移、速度、加速度、扭矩、振動(dòng)、作用力進(jìn)行檢測(cè);在電磁學(xué)領(lǐng)域，可以對(duì)電流、電阻、電容、電壓、電感等進(jìn)行檢測(cè);在生物化學(xué)領(lǐng)域，可以對(duì)成分、濃度等進(jìn)行檢測(cè);在工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域，可以對(duì)流量、壓力、濕度等進(jìn)行檢測(cè);在輻射測(cè)量時(shí)，可以檢測(cè)無(wú)限電磁波、射線以及微波?？梢砸?jiàn)得傳感器技術(shù)具有十分廣闊的應(yīng)用空間和應(yīng)用前景。根據(jù)傳感器轉(zhuǎn)換原理、檢測(cè)對(duì)象、輸出信號(hào)的性質(zhì)、功能、結(jié)構(gòu)以及使用方式的不同，可以對(duì)傳感器技術(shù)進(jìn)行各種不同的分類。在工程實(shí)際中，可以從能量的角度出發(fā)，對(duì)傳感器進(jìn)行分類，區(qū)分傳感器是能量控制型、還是能量轉(zhuǎn)化型等，需要注意到由于一些傳感器的原理尚在探索階段，因此無(wú)法對(duì)其進(jìn)行定義[3]。由于傳感器種類巨多，因此如何對(duì)傳感器進(jìn)行科學(xué)統(tǒng)一的分類，是傳感器領(lǐng)域的一個(gè)重要課題，對(duì)于傳感器技術(shù)的選擇工作有不可替代的作用。

2機(jī)械電子行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀分析

機(jī)械電子工程融合了機(jī)械技術(shù)與電子技術(shù)的，現(xiàn)階段主要的研究?jī)?nèi)容是數(shù)控機(jī)床與機(jī)器人，區(qū)別于傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備，數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人在生產(chǎn)效率以及生產(chǎn)精度方面體現(xiàn)出了強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，為現(xiàn)代工業(yè)的更新?lián)Q代提供了指引。數(shù)控機(jī)床主要應(yīng)用于機(jī)電行業(yè)，在生產(chǎn)效率、加工精度、可靠性以及勞動(dòng)強(qiáng)度方面都有著巨大的優(yōu)勢(shì)，在其應(yīng)用的各領(lǐng)域都起到了不同程度的推動(dòng)作用。機(jī)器人是人工智能的機(jī)械電子產(chǎn)品，在汽車(chē)和電子產(chǎn)品等領(lǐng)域都有了大量的應(yīng)用，符合生產(chǎn)領(lǐng)域可靠性要求高和靈活性要求高的需求，同時(shí)機(jī)器人能夠在惡劣環(huán)境下開(kāi)展工作，代替人工進(jìn)行作業(yè)，提高作業(yè)的安全性和穩(wěn)定性。另外，結(jié)合市場(chǎng)的需求，機(jī)器人的應(yīng)用功能正在不斷地拓展，在醫(yī)療衛(wèi)生、教育、護(hù)理行業(yè)的也正在開(kāi)展應(yīng)用實(shí)踐，機(jī)器人的研究工作正在使機(jī)器人變得更加有實(shí)用價(jià)值。機(jī)械電子正朝著更加智能化、自動(dòng)化、高可靠性的方向發(fā)展，機(jī)械電子工程的發(fā)展離不開(kāi)傳感器技術(shù)的應(yīng)用，在數(shù)控機(jī)床方面，必須借助傳感器實(shí)現(xiàn)微小距離的測(cè)量與控制，在機(jī)器人中也需要借助傳感器進(jìn)行環(huán)境對(duì)象識(shí)別，離開(kāi)傳感器技術(shù)，包括數(shù)控機(jī)床以及機(jī)器人在內(nèi)的機(jī)械電子工程就無(wú)法取得現(xiàn)有的發(fā)展成果。

3傳感器技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械電子行業(yè)的必要性

3.1傳感器技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

首先，傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)微小變化的測(cè)量，提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，為進(jìn)行精細(xì)的工業(yè)生產(chǎn)提供支撐?，F(xiàn)代生產(chǎn)機(jī)械可以通過(guò)程序的編程進(jìn)行自動(dòng)化的操作，而傳感器提供的數(shù)據(jù)資料就是程序運(yùn)行的條件判據(jù)，傳感器提供的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)確保了現(xiàn)代生產(chǎn)機(jī)械進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。同時(shí)，借助各種傳感器以及電子編程可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備信息的交互，構(gòu)建起包含各個(gè)機(jī)電設(shè)備的互聯(lián)互通的物聯(lián)網(wǎng)，提供將設(shè)備構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化連接的可能，從而方便操作人員通過(guò)采集的各種信息，了解設(shè)備的運(yùn)行情況，更好地進(jìn)行生產(chǎn)指令的發(fā)布。

3.2傳感器技術(shù)給機(jī)械電子的數(shù)字化發(fā)展提供助力

利用傳感器技術(shù)在機(jī)械電子領(lǐng)域進(jìn)行信息的采集，可以將各種不同的信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)字化處理與保存，實(shí)現(xiàn)傳感器輸出信號(hào)的數(shù)字化。數(shù)字化信號(hào)的特征是以“0”“1”儲(chǔ)存，能夠?qū)崿F(xiàn)不失真的遠(yuǎn)程傳輸，是機(jī)械電子中信號(hào)儲(chǔ)存與運(yùn)算的主要形式。通過(guò)傳感器的數(shù)字化處理，可以實(shí)現(xiàn)一些難以直接度量的信號(hào)的數(shù)字轉(zhuǎn)變，比如將壓強(qiáng)、力矩、速度、溫度、輻射以及流量等信號(hào)轉(zhuǎn)變成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)[4]。然后利用各種相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，可以對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的判斷和處理，借助判斷和處理的結(jié)果為數(shù)控機(jī)床以及機(jī)器人的生產(chǎn)提供有效的指導(dǎo)，保證生產(chǎn)工作的效率以及生產(chǎn)工作的精確度，為機(jī)械設(shè)備進(jìn)行精細(xì)化操作提供保障，從而提高企業(yè)在加工制造的工作的能力，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。傳感器技術(shù)的發(fā)展為機(jī)械電子行業(yè)的數(shù)字化進(jìn)程提供的強(qiáng)大的助力，在提高機(jī)械生產(chǎn)的精度、效率方面有不可取代的作用，通過(guò)將各種生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，結(jié)合相應(yīng)的數(shù)字模型，能夠大幅度提高現(xiàn)代機(jī)械加工行業(yè)的自動(dòng)化與智能化水平。

3.2傳感器技術(shù)給機(jī)械電子的模塊化發(fā)展提供助力

現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的一大趨勢(shì)是機(jī)電設(shè)備的模塊化管理，將各種傳感器嵌入到各個(gè)機(jī)電設(shè)備的模塊中，有助于實(shí)現(xiàn)功能模塊化的目標(biāo)。相比于以往各種單一功能的機(jī)械設(shè)備，現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)的功能越發(fā)趨于多樣化，例如：傳統(tǒng)的車(chē)床、磨床、銑床一般只能進(jìn)行一種機(jī)械加工，而數(shù)控機(jī)床則是集成了各種車(chē)床的功能，在一臺(tái)設(shè)備上進(jìn)行多種機(jī)械加工，同時(shí)也能夠滿足各種精細(xì)化加工的需求，這種有綜合性能的機(jī)械設(shè)備一般劃分為不同的功能模塊，為了實(shí)現(xiàn)不同的功能，獲取各種需求的信號(hào)，一般需要借助不同的傳感器，將不同信號(hào)的測(cè)量并將結(jié)果輸出給處理中心，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能[5]。再如：一臺(tái)機(jī)械設(shè)備要求同步實(shí)現(xiàn)測(cè)溫、感知與控制運(yùn)動(dòng)的功能，那么就需要將不同的功能進(jìn)行模塊化的分類，在測(cè)溫模塊可以嵌入各種溫度傳感器，在感知模塊可以嵌入紅外傳感器或視頻傳感器，在控制運(yùn)動(dòng)模塊可以嵌入應(yīng)力傳感器、速度傳感器、加速度傳感器，將這些不同模塊的傳感器的信號(hào)同步地進(jìn)行采集，然后在進(jìn)行數(shù)據(jù)的集成處理，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)多重功能。因此，借助各種不同的傳感器技術(shù)可以不斷拓寬機(jī)電設(shè)備的模塊化功能范疇，促進(jìn)機(jī)械電子設(shè)備的模塊化發(fā)展。

3.3傳感器技術(shù)為機(jī)械電子的智能化發(fā)展提供助力

現(xiàn)代工業(yè)正在朝越來(lái)越智能化的方向不斷發(fā)展，尤其是在機(jī)器人領(lǐng)域，各種人工智能的概念以及各種智能算法的出現(xiàn)不斷地提高了機(jī)器人制造水平的發(fā)展，各種機(jī)器人也能夠?qū)崿F(xiàn)越來(lái)越多的智能操作，各種傳感器設(shè)備就相當(dāng)于機(jī)器人的感知環(huán)境的器官，共同構(gòu)建起機(jī)器人的感知系統(tǒng)，為機(jī)器人提供各種需求的數(shù)據(jù)。借助不同類型的傳感器，可以采集溫度、圖像、距離、聲音、外力等各種數(shù)據(jù)，同時(shí)能夠?qū)@些采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行保證，確保機(jī)器人能夠有足夠準(zhǔn)確的信息采集來(lái)源，然后可以借助各種預(yù)設(shè)的智能學(xué)習(xí)算法，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，進(jìn)行不斷的信息識(shí)別，數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)量與質(zhì)量是機(jī)器人能夠不斷提高識(shí)別精度的保證，從而能夠?qū)崿F(xiàn)更加智慧的功能。因此，傳感器技術(shù)通過(guò)為智能設(shè)備提供信息數(shù)據(jù)，為智能機(jī)械進(jìn)行智能學(xué)習(xí)提供了足夠的學(xué)習(xí)樣本，從而為其進(jìn)行智能決策提供信息保障。

4傳感器技術(shù)在機(jī)械電子中的應(yīng)用

4.1傳感器技術(shù)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用

區(qū)別于傳統(tǒng)機(jī)械的手動(dòng)型操作，數(shù)控機(jī)床是借助各種事先編寫(xiě)好的算法使得生產(chǎn)裝置進(jìn)行相應(yīng)的工藝操作，操作人員只需要進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定工作，減少了操作過(guò)程中人員參與的需求，對(duì)于實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)以及提高生產(chǎn)的精確度有重要的意義。但是在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，由于各個(gè)工件之間肯定會(huì)存在細(xì)微的差距，因此在機(jī)床加工過(guò)程中，為了保證加工的精度模具與工件之間的相位位置與速度的過(guò)程檢測(cè)是必要的。利用傳感器技術(shù)就可以為解決這一問(wèn)題提供思路，在數(shù)控機(jī)床的各個(gè)預(yù)設(shè)好的位置通常會(huì)安裝各種傳感裝置，傳感裝置通過(guò)對(duì)信號(hào)的采集，可以將信號(hào)統(tǒng)一輸出到信息處理和控制中心，控制中心借助各種算法對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，來(lái)獲得模塊與工件的相對(duì)位置關(guān)系，再根據(jù)人工預(yù)設(shè)的生產(chǎn)要求，調(diào)整好模具與工件的運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化的加工，在加工過(guò)程中傳感器會(huì)對(duì)工件與模具的狀態(tài)實(shí)時(shí)進(jìn)行檢測(cè)比對(duì)，能夠有效地減少加工誤差，提高加工的精確度[6]。除此之外，在加工過(guò)程中還可以應(yīng)用各種溫度傳感器對(duì)重點(diǎn)產(chǎn)熱部位的溫度進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)溫度超過(guò)閾值時(shí)能夠進(jìn)行報(bào)警或自動(dòng)停機(jī)，起到保護(hù)機(jī)電設(shè)備以及操作人員的作用，大大提高了操作加工過(guò)程中的安全性與可靠性。

5結(jié)語(yǔ)

隨著現(xiàn)代科學(xué)的不斷發(fā)展，傳感器越來(lái)越多的應(yīng)用于機(jī)械電子領(lǐng)域并成為一種發(fā)展趨勢(shì)，為了不斷推進(jìn)我國(guó)工業(yè)朝著更加智能化、自動(dòng)化、高效化的方向復(fù)雜，就應(yīng)當(dāng)不斷豐富各種傳感器技術(shù)，加大各種傳感器在機(jī)械電子上應(yīng)用的投入，保證機(jī)械電子能夠朝著數(shù)字化、模塊化和智能化的方向不斷發(fā)展，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的發(fā)展要求。另外為了順應(yīng)工業(yè)4.0的發(fā)展要求，應(yīng)當(dāng)不斷加大在物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)方面的投入，利用好各種傳感器技術(shù)，對(duì)機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行好采集處理，實(shí)現(xiàn)更好的設(shè)備信息交互與設(shè)備運(yùn)行管理，構(gòu)建起萬(wàn)物互聯(lián)的新型智能工廠，不斷提高現(xiàn)代工廠的生產(chǎn)效率、生產(chǎn)水平，創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)效益，從而為我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展提供源源不斷的活力。

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作者簡(jiǎn)介：田睿（1981—），女，碩士，講師。研究方向?yàn)楣鈱W(xué)、物理學(xué)。