焦希才

摘 要：在機(jī)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?chē)?yán)酷環(huán)境的考驗(yàn)，是機(jī)電一體化系統(tǒng)達(dá)到高水平的保證。如果缺少這些傳感器對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)和對(duì)信息精確而可靠的自動(dòng)檢測(cè)，那么系統(tǒng)的信息處理、控制決策等功能就無(wú)法談及和實(shí)現(xiàn)。為此，本文主要對(duì)傳感器技術(shù)的概況、傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用及發(fā)展進(jìn)行了分析與探討。

關(guān)鍵詞：機(jī)電一體化系統(tǒng)；傳感器技術(shù)

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)。

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(dòng)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^(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 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、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。

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(dòng)化的可靠性。

3、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)。

4、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。

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(gè)單一的模擬信號(hào)（如0-10mV），而是經(jīng)過(guò)微電腦處理好后的數(shù)字信號(hào)，有點(diǎn)甚至帶有控制功能，即智能傳感器。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，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。

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