淺談傳感器技術(shù)在機(jī)電一體化中的應(yīng)用

汪國平

[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,并分析我國傳感器技術(shù)發(fā)展的若干問題及發(fā)展方向。

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

中圖分類號:TM3文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0810099-01

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。

傳感器作為測量與控制系統(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)展起來的,是一類專門用于機(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,對傳感信息種類和智能化處理的要求更高,包括機(jī)器人觸覺傳感器、機(jī)器人接近覺傳感器、機(jī)器人視覺傳感器、機(jī)器人嗅覺傳感器、機(jī)器人味覺傳感器、機(jī)器人聽覺傳感器等。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。

(二)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(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。

(三)生物傳感器

生物傳感器大致經(jīng)歷了三個發(fā)展階段:20世紀(jì)60年代為第一階段,這一時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結(jié)合到轉(zhuǎn)換器的表面,無需非物性的基質(zhì)膜,測定時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,從而把生物識別和信號的轉(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)測和活體分析的特點(diǎn),在生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測、食品及軍事等領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用。

二、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)是人類探知自然界信息的觸角,通過傳感器可以探索人的感覺器官無法感知的信息。傳感器技術(shù)能實(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(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。

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)自動化的可靠性。

4.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)。

5.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。

6.向智能化數(shù)字化發(fā)展:隨著測控系統(tǒng)的自動化、智能化的發(fā)展,對傳感器的準(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、信號處理、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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