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

林云峰

LIN Yun-feng

（麗水學(xué)院 機(jī)械系，麗水 323000）

0 引言

在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，傳感器的作用相當(dāng)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(hào)。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(hào)的加工處理，如放大、補(bǔ)償、標(biāo)度變換等等。

機(jī)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(jià)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(jī)電一體化系統(tǒng)不能達(dá)到滿意的效果，或無法達(dá)到設(shè)計(jì)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(jī)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(hào)的器件或裝置，主要用于檢測機(jī)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(jī)電一體化系統(tǒng)的運(yùn)作提供必須的相關(guān)信息。21世紀(jì)人類將全面進(jìn)入信息電子化時(shí)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(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)。現(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(jī)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(diǎn)攻關(guān)計(jì)劃及中長期科技發(fā)展重點(diǎn)新技術(shù)之一，在本世紀(jì)已跨入高速發(fā)展時(shí)期，并不失時(shí)機(jī)地開發(fā)新產(chǎn)品，使之成為國民經(jīng)濟(jì)新的增長點(diǎn)。

2 傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用

作為機(jī)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(jī)電一體化產(chǎn)品之中，源源不斷地提供種種信息，以便機(jī)電一體化系統(tǒng)能高精度地完成自動(dòng)控制和自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。

2.1 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^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(gè)過程非常重要，足以為機(jī)器人控制提供反饋信息。

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

2.2 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(shí)切屑的狀態(tài)及切削過程辨識(shí)等，而最重要的傳感參數(shù)有切削力、切削過程振動(dòng)、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)行而言，主要的傳感檢測目標(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(shí)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(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(shí)，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(shí)間占NC類機(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。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。

2.3 汽車自動(dòng)控制系統(tǒng)中的傳感技術(shù)

隨著傳感器技術(shù)和其他新技術(shù)的應(yīng)用，現(xiàn)代化汽車工業(yè)進(jìn)入了全新時(shí)期。汽車的機(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)的檢測和控制技術(shù)已擴(kuò)大應(yīng)用到汽車全身。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 我國傳感器技術(shù)發(fā)展的若干問題

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(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技術(shù)對被控對象的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確地檢測并轉(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)控制的信息就無法獲得，進(jìn)而使整個(gè)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(jì)80年代，主要集中在專業(yè)研究所和大學(xué)，與國外先進(jìn)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(shí)力不強(qiáng)、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(fù)，處在生產(chǎn)的初級階段。

2）傳感器屬于多學(xué)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(xué)研究的水平。而我國在傳感器研究方面科研投資強(qiáng)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(shí)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(jì)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(diǎn)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(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(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）應(yīng)用新技術(shù)和新的物理效應(yīng)，擴(kuò)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(xué)的發(fā)展，對仿生學(xué)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(huì)需要各方面擴(kuò)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(xué)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(xiǎn)品和毒品的偵察、安全監(jiān)測方面，同時(shí)也滲透到人類的日常生活當(dāng)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(dòng)化的可靠性。近年來，隨著科學(xué)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(xué)模型和計(jì)算方法的研究，大大提高檢測系統(tǒng)的可靠性。

4）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0～10 mV），而是經(jīng)過微電腦處理好后的數(shù)字信號(hào)，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(jī)電一體化系統(tǒng)中，無論是機(jī)械電子化產(chǎn)品（如數(shù)控機(jī)床），還是機(jī)電相互融合的高級產(chǎn)品（如機(jī)器人），都離不開檢測與傳感器這個(gè)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(jì)發(fā)展的需求，取得的進(jìn)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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