傳感器與檢測技術(shù)在機電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

摘 要：本文對傳感器與檢測技術(shù)在機電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行研究，指出它們在機電一體化系統(tǒng)中的重要作用和地位，對常用傳感器在機電系統(tǒng)中的功能進(jìn)行研究，和電機一體化以及傳感器在測量中的應(yīng)用進(jìn)行研究，并指出傳感器與檢測技術(shù)在機電一體化系統(tǒng)中的發(fā)展趨向。

關(guān)鍵詞：傳感器；檢測技術(shù)；機電一體化系統(tǒng)；應(yīng)用

引言

傳感器，是機電系統(tǒng)中的一種器件或裝置，用來檢測所規(guī)定的信息檢測到之后轉(zhuǎn)換成另一種可用的信號輸出。它的主要作用是檢測系統(tǒng)自身的作業(yè)狀態(tài)以及被控制對象和環(huán)境的狀態(tài)，為控制系統(tǒng)的正常運作提供必不可少的信息。隨著人類的不斷發(fā)展，傳感器技術(shù)在現(xiàn)代的科技技術(shù)中占有重要的領(lǐng)域，傳感器與檢測技術(shù)在機電一體化系統(tǒng)中的研究，生產(chǎn)、使用和開發(fā)，給機械以智能的技術(shù)革新成為了一種重要的新興行業(yè)涌向市場。它相當(dāng)于系統(tǒng)的感受器官，保證了機電一體化系統(tǒng)達(dá)到較高的水平，其特點是在獲取信息以及處理信息時的精確度非常高同時速度也非常快。

1.傳感器技術(shù)

1.1.傳感器的定義

傳感器在某個系統(tǒng)中的作用就好比是一個人的感覺器官，這也是傳感器最初的來源，模擬人的視覺，嗅覺，觸覺，聽覺以及味覺這五大器官對外界信息作出的反應(yīng)應(yīng)用于機械上開發(fā)出傳感器這一新型的技術(shù)，使其能將外界環(huán)境給予刺激的信號時使這些特定的刺激信號被測量，信息的被測量量包括了物理性質(zhì)的測量，化學(xué)性質(zhì)的測量以及生物量的測量等，得到了測量的信息之后按照人們所規(guī)定的規(guī)律將這些信號轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)的某種輸出信號也是一種能傳遞的信號。

傳感器的定義包括三個方面：第一它是一種能完成某種檢測任務(wù)的測量裝置；第二，被測量的某個信息的物理量，生物量或者是化學(xué)量都可以作為傳感器的輸入量；第三，傳感器的輸出量是一種物理量，這種物理量可以使氣、可以使電也可以是光，但是電量是最主要的，它的特點主要在于便于系統(tǒng)對這種傳出信號的操作如該信號的下一步傳輸，在系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)對所接收到的該信息的處理以及對其的顯示等等。

1.2.傳感器的分類及選擇

傳感器的種類并不是單一的，在實際的應(yīng)用中也有許許多多的不同種類，就目前而言，傳感器沒有統(tǒng)一的分類方法因為同一種物理量可以用不同的測量原理進(jìn)行測量，而同樣原理的測量方法也可以測量不同的物理量。所以，傳感器的分類可以根據(jù)其工作的原理進(jìn)行分，也可以按傳感器的用途即被測量分，還可以根據(jù)傳感器輸出的信號的性質(zhì)進(jìn)行分，可以根據(jù)這三種分類方式將傳感器分為許多的種類。傳感器的選用有一定的原則，在進(jìn)行某個測量時首先要解決的問題是對傳感器的選擇，可以根據(jù)測量的目的，如測量溫度、壓力等等目的進(jìn)行對傳感器的選擇，也可以根據(jù)測量的對象和其所處的環(huán)境，如液體，固體，氣體等的測量進(jìn)行傳感器的選擇，其對使用的傳感器的選擇合理與否在很大的程度上決定了該次測量結(jié)果的成敗。

1.3.傳感器靜態(tài)特性的技術(shù)指標(biāo)

傳感器的靜態(tài)特性指的是被測量的數(shù)值在進(jìn)行轉(zhuǎn)換時處于穩(wěn)定狀態(tài)，即輸出與輸入的關(guān)系，描述其的指標(biāo)有一下四個：

第一，靈敏度。就是傳感器在對信息進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理時輸出的變化與輸入的變化的比值（在穩(wěn)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)的條件下），但是，靈敏度也可能是一個常數(shù)，如線性傳感器。

第二，線性度?；陟o態(tài)特性穩(wěn)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)的條件下，利用一些校準(zhǔn)設(shè)備進(jìn)行多次的往復(fù)循環(huán)測試，得到輸出——輸入的特性進(jìn)行列表或曲線的方法將其表現(xiàn)出來。這一特性為一線性值是人們希望得到的結(jié)果，因為這樣會對數(shù)據(jù)的下一步操作以及處理帶來方便。但是實際得到的結(jié)果不會那么好，其得到的特性值不會就成是一條成線性關(guān)系的比例曲線，所以得采用各種線性補償?shù)沫h(huán)節(jié)將其特性值進(jìn)行加工與處理，將最終的到的關(guān)系曲線取向一線性的關(guān)系，得到的這一線性曲線稱為擬合曲線，而線性度就是實際曲線與擬合曲線之間的偏差，評價線性度的指標(biāo)是最大偏差與輸出滿度值得比值。

第三，遲滯。遲滯現(xiàn)象就是，傳感器在正常工作的情況下其工作條件相同，但是對同一大小信息的輸出正反行程的不一致的到的輸出量值不等的現(xiàn)象。若發(fā)生了這種現(xiàn)象那么就說明在傳感器的機械部分如間隙、軸承摩擦等方面有一定的缺陷。應(yīng)對其進(jìn)行檢查和必要的維修。

第四，重復(fù)性。是指在輸入量的變化方向不變時，對全量程的測量進(jìn)行重復(fù)的測量，得到測量的結(jié)果不一致即所得的特性曲線不能重合的現(xiàn)象，曲線的重復(fù)率越高表明該傳感器在使用的過程所造成的誤差越小，重復(fù)性能也越強。

2.傳感器在測量中的應(yīng)用

2.1.傳感器在溫度測量中的應(yīng)用

測量的方法分為兩大類：接觸式和非接觸時。接觸式的原理是傳感器與被測的對象相接觸，是兩者之間發(fā)生熱傳遞，當(dāng)傳感器的感溫原件與被測物達(dá)到熱平衡時，傳感器顯示出的溫度就是被測對象的溫度，該方法的特點是簡便，得到的結(jié)果可靠，所測出的數(shù)據(jù)精度高，可以說是經(jīng)濟(jì)實惠的測量方法，但是也有其的缺點就是在達(dá)到熱穩(wěn)定之前需要一定的時間造成了測溫延遲，并且因為被測物要與傳感器的熱敏原件接觸破壞了被測對象的溫度場，對于很高的溫度的，有毒的，有腐蝕性的對象進(jìn)行溫度測量時不能采用此種方法：再有一種測量方法就是非接觸式測溫。其原理是根據(jù)物體的熱輻以電磁波的形式向四周輻射與物體自身的溫度有一定的關(guān)系，若對這種輻射采用一定的檢測裝置進(jìn)行接收和分析，將其接收到的信號進(jìn)行轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化為溫度的變現(xiàn)形式就可以實現(xiàn)對該物體非接觸式的測量。該種測量方法解決了接觸式測量的溫度測量滯后問題以及與接觸測量相比有更大的測量范圍，解除了應(yīng)用范圍上的限制，對被測物體的溫度場也沒有影響，但是用該種方法測量時不太方便并且測得的結(jié)果準(zhǔn)確度也偏低。在此測量方面用到的傳感器有膨脹式溫度傳感器（包括了液體膨脹式、固體膨脹式以及氣體膨脹式）。

2.2.傳感器在壓力測定中的應(yīng)用以及在流量測量中的應(yīng)用

在壓力測定中常用的測量壓力的傳感器有許多：利用液體壓力平衡原理的有U型管以及單管是液柱試的壓力計，采用的工作液一般是水銀或水，該種傳感器常用于低壓、負(fù)壓或?qū)毫Σ畹臏y量；利用彈性形變的原理進(jìn)行對壓力測定的傳感器有彈性式壓力表，其測量的基礎(chǔ)是彈簧管、波紋管以及膜片等彈性元件受到壓力后所產(chǎn)生的硬性變形，該種傳感器適用于測微壓和低壓。

在流量測量從測量的方法上分類有：一種是速度式流量傳感器，他的原理是在已知截面的管路測量流體的流通速度，然后將這種速度的測量信息轉(zhuǎn)化位移，壓差等于流量相對應(yīng)的信號來實現(xiàn)測量，這類傳感器有許多如轉(zhuǎn)子傳感器，漩渦傳感器，電磁波等等的流量傳感器。另一種是容積式的流量傳感器，它的作用原理是根據(jù)測量單位時間內(nèi)已知容積的容室排出流體的次數(shù)來對流量的測量包括了瞬時流量和總的流量測量，根據(jù)這一原理進(jìn)行測量的傳感器常用的有刮板、旋轉(zhuǎn)活塞式等。還有一種是質(zhì)量式的流量測量傳感器，又分為如角動量式、量熱式、微動式等的直接式質(zhì)量流量傳感器和根據(jù)質(zhì)量與體積流量之間的關(guān)系進(jìn)行測量的間接式質(zhì)量流量傳感器。

2.3.傳感器在物位測量中的應(yīng)用

在各種設(shè)備的容器中，如果所方置的是一種均勻的液體，那物位指的是液面的高低，如果放置的是兩種各部相溶的液體那分界面的高低就是該流體的物位，如果是固體物質(zhì)那么堆積的高度就是該物質(zhì)的物位。在物位的測量中用到的傳感器按工作的原理進(jìn)行分類可以分為：根據(jù)流體連通性原理測量的直讀式傳感器；液體液位高度對浮力影響變化原理進(jìn)行測量的浮力式傳感器；物體高度對某點壓力大小的影響原理進(jìn)行測量的壓差式傳感器；根據(jù)物位變化與點位變化之間的關(guān)系進(jìn)行測量的電學(xué)式傳感器；根據(jù)同位素射線的穿透力與測量物厚度之間的關(guān)系原理進(jìn)行測量的核輻射式傳感器；根據(jù)物位變化引起聲學(xué)信號變化的聲學(xué)式傳感器以及其它形式應(yīng)用于物位測量中的傳感器。每一種傳感器都有其自身的優(yōu)缺點。

3.結(jié)束語

傳感器在工業(yè)的生產(chǎn)以及工程的檢測中，對各種工業(yè)參數(shù)進(jìn)行了檢測與控制，這種技術(shù)在機電一體化系統(tǒng)中得以很好的應(yīng)用，如果缺少這些傳感器在系統(tǒng)中發(fā)揮的作用如對接收信息的高度精確而可靠并且快速的自動檢測以及對系統(tǒng)工作狀態(tài)的自檢，那么系統(tǒng)信息的進(jìn)一步處理以及決策的功能就無法實驗。

檢傳感器與檢測技術(shù)在機電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用促進(jìn)了社會科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，但是科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對傳感器及檢測技術(shù)的要求隨之發(fā)展而提高，在為傳感檢測技術(shù)提供更在物質(zhì)方面更加豐富的手段和技術(shù)方面的條件，使傳感器與檢測技術(shù)在機電一體化系統(tǒng)中不斷的發(fā)展。根據(jù)對傳感器在測量中的應(yīng)用研究可知其發(fā)展的趨勢為：擴大測量的范圍，如對超低溫或超高溫這些難以測量的量進(jìn)行研究測定；提高傳感器的測量精度以及可靠性；向微型化發(fā)展，器材本身體積小所占空間小，使用的壽命長，便于使用等這些要求更高的科學(xué)技術(shù)含量，向節(jié)能、微功能、無源化的方向發(fā)展，如使之能利用太陽能供電，避免其在野外或離電網(wǎng)遠(yuǎn)的地方使用時受電源的影響而無法使用；開發(fā)傳感器與檢測技術(shù)在機電一體化系統(tǒng)中應(yīng)用的新鄰域以及向智能化數(shù)字化的方向發(fā)展。

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作者簡介：

解觀景（1963.10.18-），男，浙江臺州人，工程師，主要從事機電產(chǎn)品檢測工作。