論檢測傳感技術(shù)在機電一體化中現(xiàn)狀、應(yīng)用及其發(fā)展

趙一心

ZHAO YI-XIN

（吉林農(nóng)業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學院，吉林 136001）

0 引言

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(shù)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(zhuǎn)換成與之成比例的電量；二是研究對轉(zhuǎn)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(shù)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(shè)計要求的關(guān)鍵原因，在于沒有合適的傳感器。因此檢測傳感技術(shù)是機電一體化系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。

1 傳感器的研究現(xiàn)狀與發(fā)展

傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，主要用于檢測機電一體化系統(tǒng)自身與操作對象、作業(yè)環(huán)境的狀態(tài)，為有效地控制機電一體化系統(tǒng)的運作提供必須的相關(guān)信息。21世紀人類將全面進入信息電子化時代，隨著人類探知領(lǐng)域和空間的拓展，電子信息種類的日益繁多，信息傳遞的速度日益加快，信息處理能力日益增強，相應(yīng)的信息采集— —傳感技術(shù)也將日益發(fā)展，進而傳感器也將無所不在。

從20世紀80年代起,逐步在世界范圍內(nèi)掀起了一股“傳感器熱”,各先進工業(yè)國都極為重視傳感技術(shù)和傳感器的研究、開發(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)?，F(xiàn)在,全世界傳感器市場的銷售總額已超過200億美元，并以80%的年增長率向前發(fā)展，其產(chǎn)品品種突破2萬種。它們被廣泛地應(yīng)用于鋼鐵、能源、交通、機械制造、通信、化工、汽車、家電、金融、商業(yè)和農(nóng)業(yè)等行業(yè)。我國在“八五”期間已把傳感器技術(shù)列入國家重點攻關(guān)計劃及中長期科技發(fā)展重點新技術(shù)之一，在本世紀已跨入高速發(fā)展時期，并不失時機地開發(fā)新產(chǎn)品，使之成為國民經(jīng)濟新的增長點。

2 傳感器在機電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用

作為機電一體化的基本支撐技術(shù)，檢測傳感技術(shù)就像神經(jīng)和感官一樣，廣泛應(yīng)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(diào)節(jié)功能。

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。

通常微動開關(guān)、光電開關(guān)、電渦流等傳感器安裝在機器人的每個關(guān)節(jié)上進行零位和極限位置的檢測，前者保證機器人的重復定位精度和軌跡精度，后者則起保護機器人和安全動作的作用。

位移傳感器一般也都安裝在機器人的各關(guān)節(jié)上，用于檢測機器人各關(guān)節(jié)的位移量，作為位置控制信息。速度、加速度傳感器用來實現(xiàn)機器人各關(guān)節(jié)的速度閉環(huán)控制和加速度控制。

觸覺傳感器裝設(shè)在機器人腕、手爪等部位,通過觸覺確認對象的位置從而修正手爪的位置以便能準確地抓住對象物。

2）機械加工過程的傳感檢測技術(shù)

（1）切削過程和機床運行過程的傳感技術(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，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(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(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。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(shè)備或人身安全事故，甚至是重大事故。因此，現(xiàn)代制造領(lǐng)域?qū)Φ毒吲c砂輪的失效監(jiān)視的研究開發(fā)由來已久。近20年來，在刀具的破損和磨損監(jiān)視中有了許多重要的進展。其中刀具/砂輪磨損的傳感方法有直接法(光學圖像法、接觸法、放射線法)，間接法(切削力/扭矩法、功率/電流法功率/電流法、切削溫度、刀具—工件距離探測法等)和多感知融合法(多傳感器組合/融合識別)；刀具/砂輪破損的傳感方法也有直接法(光學圖像、接觸)和間接法(切削力、扭矩、功率、振動、超聲波等)。

3）汽車自動控制系統(tǒng)中的傳感技術(shù)

隨著傳感器技術(shù)和其他新技術(shù)的應(yīng)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(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，先進的檢測和控制技術(shù)已擴大應(yīng)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(shù)發(fā)展的若干問題

傳感器技術(shù)是實現(xiàn)自動控制、自動調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是機電一體化系統(tǒng)不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)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(shù)對被控對象的各項參數(shù)進行及時準確地檢測并轉(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，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(shù)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(jié)構(gòu)，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(shù)密集的高技術(shù)產(chǎn)品，其技術(shù)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(shè)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(zhuǎn)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(shù)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(yīng)用領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

4 傳感器技術(shù)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(yīng)國民經(jīng)濟發(fā)展的需要，產(chǎn)品技術(shù)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(shù)研究和引進先進設(shè)備，以提高整體水平。傳感器技術(shù)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(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傳感器。

2）應(yīng)用新技術(shù)和新的物理效應(yīng)，擴大檢測領(lǐng)域的應(yīng)用。檢測原理大多以各種物理效應(yīng)為基礎(chǔ)。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(yīng)用，使得傳感器技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域更廣闊。如今的檢測領(lǐng)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(shù)和新興工業(yè)領(lǐng)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(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。近年來，隨著科學技術(shù)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＜0.1μm。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(yīng)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(yīng)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。

5 結(jié)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(shù)的不斷發(fā)展是為了適應(yīng)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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