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淺析機電一體化中的檢測傳感技術
在機電一體化系統(tǒng)中,傳感器的作用相當于系統(tǒng)的感覺器官, 即從待測對象那里獲取能反映待測對象特征和狀態(tài)的信號。檢測傳感技術的內(nèi)容，一是研究如何將各種物理量（如位置、位移、速度、加速度、力、溫度、壓力、流量、成分等等）轉換成與之成比例的電量；二是研究對轉換的電信號的加工處理，如放大、補償、標度變換等等。
機電一體化系統(tǒng)要求，檢測傳感裝置能快速、精確、可靠地獲取信息，并價格低廉。但是，目前檢測傳感技術的發(fā)展還難以滿足控制系統(tǒng)的要求。不少機電一體化系統(tǒng)不能達到滿意的效果，或無法達到設計要求的關鍵原因，在于沒有合適的傳感器。因此檢測傳感技術是機電一體化系統(tǒng)中的關鍵技術。
1 傳感器的研究現(xiàn)狀與發(fā)展
人類對客觀世界的認識和改造總是以檢測工作作為基礎的，隨著人類探知領域和空間的拓展,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, 作為現(xiàn)代信息技術的三大核心技術之一的檢測傳感技術發(fā)展迅速，滲透到各行各業(yè)，方方面面，促進了經(jīng)濟轉型和社會發(fā)展，直接影響著人類文明發(fā)展和進步。
檢測傳感技術的發(fā)展同時也引起了各國為發(fā)展傳感器技術的激烈競爭，從20 世紀80 年代起,逐步在世界范圍內(nèi)掀起一股“傳感器熱”, 世界各國都把檢測傳感技術作為在高新技術發(fā)展方面爭奪的一個重要領域，極為重視檢測傳感技術和傳感器研究、開發(fā)和生產(chǎn)。檢測傳感技術已成為重要的現(xiàn)代科技領域,傳感器及其系統(tǒng)生產(chǎn)已成為重要的新興行業(yè)。
2 傳感器在機電一體化系統(tǒng)中的應用
作為機電一體化的基本支撐技術，檢測傳感技術就像神經(jīng)和感官一樣，廣泛應用于各種機電一體化產(chǎn)品之中，源源不斷地提供種種信息,以便機電一體化系統(tǒng)能高精度地完成自動控制和自動調節(jié)功能。
2.1 機器人用傳感器
工業(yè)機器人之所以能夠準確操作,是因為它能夠通過各種傳感器來準確感知自身、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現(xiàn),這個過程非常重要,足以為機器人控制提供反饋信息。
2.2 機械加工過程的傳感檢測技術
�。�1）切削過程和機床運行過程的傳感技術。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，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、切削過程電機的功率等。對于機床的運行而言，主要的傳感檢測目標有驅動系統(tǒng)、軸承與回轉系統(tǒng)、溫度的監(jiān)測與控制及安全性等，其傳感參數(shù)有機床的故障停機時間、被加工件的表面粗糙度和加工精度、功率、機床狀態(tài)與冷卻潤滑液的流量等。
�。�2）工件的過程傳感。與刀具和機床的過程監(jiān)視技術相比，工件的過程監(jiān)視是研究和應用最早、最多的。它們多數(shù)以工件加工質量控制為目標。20 世紀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。粗略地說，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，是辨識送入機床待加工的工件或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(按磨鈍標準判定)，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，刀具失效是引起機床故障停機的首要因素，由其引起的停機時間占NC 類機床的總停機時間的1/5～1/3。此外，它還可能引發(fā)設備或人身安全事故，甚至是重大事故。
2.3 汽車自動控制系統(tǒng)中的傳感技術
隨著傳感器技術和其他新技術的應用，現(xiàn)代化汽車工業(yè)進入了全新時期。汽車的機電一體化要求，用自動控制系統(tǒng)取代純機械式控制部件，這不僅體現(xiàn)在發(fā)動機上，為更全面地改善汽車性能，增加人性化服務功能，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，先進的檢測和控制技術已擴大應用到汽車全身。在其所有重點控制系統(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 我國傳感器技術發(fā)展的若干問題
傳感器技術是實現(xiàn)自動控制、自動調節(jié)的關鍵環(huán)節(jié)，也是機電一體化系統(tǒng)不可缺少的關鍵技術之一，其水平的高低，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。在一套完整的機電一體化系統(tǒng)中，如果不能利用傳感檢測技術對被控對象的各項參數(shù)進行及時準確地檢測并轉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，進而使整個系統(tǒng)就無法正常有效的工作。
3.1 與國外的差距
我國傳感器的研究，始于20 世紀80 年代，主要集中在專業(yè)研究所和大學，與國外先進技術相比，還還有較大差距。主要表現(xiàn)在：
�。�1）我國傳感器的產(chǎn)業(yè)結構，存在著企業(yè)分散、實力不強、市場開拓不力等問題。我國從事傳感器研究和生產(chǎn)的單位約1 300 家，居世界第一，但真正形成一定規(guī)模的卻寥寥無幾。
多數(shù)企業(yè)是低水平的重復，處在生產(chǎn)的初級階段。
�。�2）傳感器屬于多學科交叉、技術密集的高技術產(chǎn)品，其技術水平?jīng)Q定于科學研究的水平。而我國在傳感器研究方面科研投資強度偏低，科研設備落后，加之我國存在科研和生產(chǎn)脫節(jié)的現(xiàn)象，所以影響了傳感器科研成果的轉化，造成了我國傳感器產(chǎn)品綜合實力較低，阻礙了傳感器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。世界傳感器的種類約有2 萬多種，而我國經(jīng)過“八五”、“九五”的發(fā)展，目前也僅有3 000 多種，尚有大量品種需要開發(fā)。
�。�3）我國傳感器產(chǎn)品的技術水平與國外有較大差距，主要是長期穩(wěn)定性和可靠性較差，限制了其應用領域和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
3.2 今后的發(fā)展趨勢
雖然我國傳感器產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀還不能適應國民經(jīng)濟發(fā)展的需要，產(chǎn)品技術水平與國外相比還有較大差距，但是從統(tǒng)一市場的觀點看，我國具有傳感器的廣闊市場，所以我國傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前途還是光明的。因此，必須加強技術研究和引進先進設備，以提高整體水平。傳感器技術今后的發(fā)展趨勢，主要表現(xiàn)在以下方面：
（1）加速開發(fā)新型敏感材料。通過微電子、光電子、生物化學、信息處理等各種學科，各種新技術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傳感器。
�。�2）應用新技術和新的物理效應，擴大檢測領域的應用。檢測原理大多以各種物理效應為基礎。近代物理學的發(fā)展，對仿生學的研究、仿造生物的感覺功能的新型傳感器的開發(fā)應用，使得傳感器技術的應用領域更廣闊。如今的檢測領域，正向著社會需要各方面擴展，不僅用于工業(yè)部門，而且也涉及到工程、海洋開發(fā)、宇宙航行等尖端科學技術和新興工業(yè)領域，生物、醫(yī)療、環(huán)境污染監(jiān)測、危險品和毒品的偵察、安全監(jiān)測方面，同時也滲透到人類的日常生活當中。
�。�3）向高精度發(fā)展，研制出靈敏度高、精確度高、響應速度快、互換性好的新型傳感器，以確保生產(chǎn)自動化的可靠性。近年來，隨著科學技術的不斷發(fā)展，要求靈敏度、精確度和穩(wěn)定性等盡可能的高。例如超精度的在線檢測，要求＜ 0.1 μm。對傳感器可靠性故障率的數(shù)學模型和計算方法的研究，大大提高檢測系統(tǒng)的可靠性。為了使自動檢測裝置適應在各種復雜條件下可靠工作，要求研制的檢測系統(tǒng)，具有較高的抗干擾能力和適應生產(chǎn)要求的較長的使用壽命。
（4）發(fā)展小型化、集成化、多功能化、多維化、智能化和高性能、擴大量程范圍的檢測裝置。隨著半導體材料的研究和新工藝的進展，已研制出一批新型半導體傳感器；光刻、擴散及各向異性腐蝕等集成電路新工藝，也已滲透到傳感器的制造過程中，從而使檢測系統(tǒng)更趨于小型化、集成化、多功能化、多維化及性能更強。
�。�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0～10 mV)，而是經(jīng)過微電腦處理好后的數(shù)字信號，有的甚至帶有控制功能，即智能傳感器。
4 結束語
總之，在機電一體化系統(tǒng)中，無論是機械電子化產(chǎn)品（如數(shù)控機床），還是機電相互融合的高級產(chǎn)品（如機器人），都離不開檢測與傳感器這個重要環(huán)節(jié)。檢測傳感技術的不斷發(fā)展是為了適應國民經(jīng)濟發(fā)展的需求，取得的進展也是十分引人矚目的，今后必將有更輝煌的飛躍。
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