探究傳感器技術(shù)在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用

在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，傳感器處系統(tǒng)之首，其作用相當(dāng)于系統(tǒng)感受器官，能快速、精確地獲取信息并能經(jīng)受嚴(yán)酷環(huán)境考驗(yàn)，是機(jī)電一體化系統(tǒng)達(dá)到高水平的保證。如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，系統(tǒng)的信息處理、控制決策等功能就無法談及和實(shí)現(xiàn)。

一、傳感器的研究現(xiàn)狀與發(fā)展

傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，主要用于檢測機(jī)電一體化系統(tǒng)自身與操作對象、作業(yè)環(huán)境狀態(tài)，為有效控制機(jī)電一體化系統(tǒng)的運(yùn)作提供必須的相關(guān)信息。隨著人類探知領(lǐng)域和空間的拓展，電子 信息種類日益繁多，信息傳遞速度日益加快，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，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)掀起一股“傳感器熱”，各先進(jìn)工業(yè)國都極為重視傳感技術(shù)和傳感器研究、開發(fā)和生產(chǎn)。傳感技術(shù)已成為重要的現(xiàn)代科技領(lǐng)域，傳感器及其系統(tǒng)生產(chǎn)已成為重要的新興行業(yè)。

二、傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用

傳感器是左右機(jī)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(jī)器人用傳感器。

工業(yè)機(jī)器人之所以能夠準(zhǔn)確操作，是因?yàn)樗軌蛲ㄟ^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(shí)現(xiàn)，這個過程非常重要，足以為機(jī)器人控制提供反饋信息。

2.機(jī)械加工過程的傳感檢測技術(shù)。

（1）切削過程和機(jī)床運(yùn)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(jī)的功率等。

對于機(jī)床的運(yùn)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(jī)床的故障停機(jī)時間、被加工件的表面粗糙度和加工精度、功率、機(jī)床狀態(tài)與冷卻潤滑液的流量等。

（2）工件的過程傳感。與刀具和機(jī)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(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(jī)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(jī)床故障停機(jī)的首要因素，由其引起的停機(jī)時間占NC類機(jī)床的總停機(jī)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。

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(jìn)入了全新時期。

汽車的機(jī)電一體化要求用自動控制系統(tǒng)取代純機(jī)械式控制部件，這不僅體現(xiàn)在發(fā)動機(jī)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(jìn)的檢測和控制技術(shù)已擴(kuò)大到汽車全身。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。

三、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(shí)現(xiàn)自動控制、自動調(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技術(shù)對被控對象的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)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(jìn)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(jìn)技術(shù)相比，我們還有較大差距，主要表現(xiàn)在：

（1）先進(jìn)的計算、模擬和設(shè)計方法；

（2）先進(jìn)的微機(jī)械加工技術(shù)與設(shè)備；

（3）先進(jìn)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(qiáng)技術(shù)研究和引進(jìn)先進(jìn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)傳感器微型化將是近十年研究的熱點(diǎn)。

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(diǎn)甚至帶有控制功能，即智能傳感器。

編輯：jq