汪國(guó)平

[摘要]概述傳感器研究現(xiàn)狀與發(fā)展,探討傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用,并分析我國(guó)傳感器技術(shù)發(fā)展的若干問(wèn)題及發(fā)展方向。

[關(guān)鍵詞]傳感器技術(shù) 機(jī)電一體化 應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào):TM3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-7597(2009)0810099-01

隨著人類(lèi)探知領(lǐng)域和空間的拓展,電子信息種類(lèi)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(wú)所不在。

傳感器作為測(cè)量與控制系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié),必須具有快速、準(zhǔn)確、可靠且又能經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換的基本特點(diǎn)。

一、傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用

(一)機(jī)器人用傳感器

機(jī)器人傳感技術(shù)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的,是一類(lèi)專(zhuān)門(mén)用于機(jī)器人技術(shù)的新型傳感器,與普通傳感器的工作原理基本相同,但又有其特殊性,對(duì)傳感信息種類(lèi)和智能化處理的要求更高,包括機(jī)器人觸覺(jué)傳感器、機(jī)器人接近覺(jué)傳感器、機(jī)器人視覺(jué)傳感器、機(jī)器人嗅覺(jué)傳感器、機(jī)器人味覺(jué)傳感器、機(jī)器人聽(tīng)覺(jué)傳感器等。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。

(二)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。

(三)生物傳感器

生物傳感器大致經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段:20世紀(jì)60年代為第一階段,這一時(shí)期的生物傳感器是由固定了生物成分的非活性基質(zhì)膜和電化學(xué)電極所組成,主要代表是酶電極;20世紀(jì)70年代為第二階段,這是的生物傳感器是將生物成分直接吸附共價(jià)結(jié)合到轉(zhuǎn)換器的表面,無(wú)需非物性的基質(zhì)膜,測(cè)定時(shí)不必向樣品中加入其他試劑,主要代表有微生物傳感器、免疫傳感器、組成傳感器等;從20世紀(jì)80年代至今,生物傳感器進(jìn)入了將生物技術(shù)和電子技術(shù)相結(jié)合的生物電子學(xué)時(shí)期,傳感器把生物成分直接固定在電子元件上,使它們可以直接感知和放大界面物質(zhì)的變化,從而把生物識(shí)別和信號(hào)的轉(zhuǎn)換處理結(jié)合在一起,酶FET、酶光二極管是其中的典型代表。生物傳感器目前已經(jīng)是由生物、物理、化學(xué)、電子技術(shù)等多學(xué)科互相滲透的高新技術(shù),具有選擇性好、靈敏度高、分析速度快、成本低、可以進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)和活體分析的特點(diǎn),在生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品及軍事等領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用。

二、我國(guó)傳感器技術(shù)發(fā)展的若干問(wèn)題及發(fā)展方向

傳感器技術(shù)是人類(lèi)探知自然界信息的觸角,通過(guò)傳感器可以探索人的感覺(jué)器官無(wú)法感知的信息。傳感器技術(shù)能實(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。

我國(guó)傳感器的研究主要集中在專(zhuān)業(yè)研究所和大學(xué),始于20世紀(jì)80年代,與國(guó)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(jì)算、模擬和設(shè)計(jì)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.提高抗干擾技術(shù)的能力,使用穩(wěn)定的電源。

2.加速開(kāi)發(fā)新型敏感材料:通過(guò)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。

3.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(dòng)化的可靠性。

4.向微型化發(fā)展:通過(guò)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)。

5.向微功耗及無(wú)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(shí)離不開(kāi)電源,開(kāi)發(fā)微功耗的傳感器及無(wú)源傳感器是必然的發(fā)展方向。

6.向智能化數(shù)字化發(fā)展:隨著測(cè)控系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化的發(fā)展,對(duì)傳感器的準(zhǔn)確度、可靠性、穩(wěn)定性提出了更高的要求,同時(shí)還應(yīng)具有一定的數(shù)據(jù)處理能力和自檢、自校、自補(bǔ)償功能。傳統(tǒng)傳感器已不能滿(mǎn)足這些要求,而制造高性能的傳感器,僅靠改進(jìn)材料工藝也很困難。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使傳感器技術(shù)發(fā)生了巨大的變革,將計(jì)算機(jī)和傳感器融合,研制出了具有信息檢測(cè)、信號(hào)處理、信息記憶、邏輯思維與判斷等功能強(qiáng)大的智能傳感器。

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