傳感器技術(shù)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

許達(dá)騰

摘 要：本文在對(duì)傳感器及其技術(shù)分類進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述的基礎(chǔ)上，對(duì)傳感器技術(shù)在機(jī)械加工領(lǐng)域、機(jī)器人領(lǐng)域以及汽車制電子控制系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析探討。

關(guān)鍵詞：傳感器；自動(dòng)控制；機(jī)電控制系統(tǒng)

傳感器技術(shù)是現(xiàn)代科技的前沿技術(shù)，發(fā)展迅猛，同計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)一起被稱為信息技術(shù)的三大支柱。傳感器技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用十分廣泛，是機(jī)電自動(dòng)化控制系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，作用相當(dāng)于系統(tǒng)的感覺(jué)器官，即從待測(cè)對(duì)象那里獲取能反映待測(cè)對(duì)象特征和狀態(tài)的信號(hào)。傳感器技術(shù)將待測(cè)對(duì)象的各種物理量如位置、位移、速度、溫度、壓力、流量、成分等等轉(zhuǎn)換成與之成比例的電信號(hào)并對(duì)轉(zhuǎn)換的電信號(hào)進(jìn)行放大、補(bǔ)償、標(biāo)度變換等加工處理，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、可靠性等指標(biāo)具有十分重要的影響，從某種程度來(lái)說(shuō)，傳感器技術(shù)決定著自動(dòng)控制系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。

1傳感器及其技術(shù)分類

傳感器一般由敏感元件、傳感元件和其他輔助件組成，有時(shí)也將信號(hào)調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路、輔助電源作為傳感器的組成部分。傳感器通常可以按照一系列方法進(jìn)行分類。根據(jù)輸人物理量的分類，傳感器常以別測(cè)物理量命名，如位移傳感器，速度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等。根據(jù)工作原理分類，傳感器?？梢砸罁?jù)工作原理進(jìn)行命名，如應(yīng)變式、電容式、電感式、熱電式、光電傳感器等，按輸出信號(hào)分類，可分為模擬傳感器和數(shù)字式傳感器。輸出量為模擬量則稱為模擬式，輸出量為數(shù)字式則稱為數(shù)字式傳感器等等。

傳感器技術(shù)誕生于20世紀(jì)中期，是隨著工業(yè)自動(dòng)化浪潮而發(fā)展起來(lái)的一種技術(shù)，是當(dāng)前代表國(guó)家綜合科研水平的重要技術(shù)。傳感器的技術(shù)分類主要為：光電傳感器技術(shù)、多傳感器技術(shù)以及生物傳感器技術(shù)等。

光電傳感器技術(shù)又稱為光傳感器技術(shù)，是將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的一種傳感器技術(shù)。光電傳感器技術(shù)可用干檢測(cè)直接引起光量變化的非電量，如光強(qiáng)、光照度、輻射測(cè)溫、氣體成分分析等，也可用來(lái)檢測(cè)能轉(zhuǎn)換成光電量變化的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應(yīng)變、位移、振動(dòng)、速度、加速度、以及物體形狀、工作狀態(tài)等，光電傳感技術(shù)具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等特點(diǎn)，目前主要應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化裝置和機(jī)器人技術(shù)中。

多傳感器信息融合技術(shù)將各種傳感器進(jìn)行多層次、多空間的信息互補(bǔ)和優(yōu)化組合處理，最終產(chǎn)生對(duì)觀測(cè)環(huán)境的一致性解釋。多傳感器技術(shù)的基本原理就像人的大腦綜合處理信息的過(guò)程一樣，在這個(gè)過(guò)程中要充分地利用多源數(shù)據(jù)進(jìn)行合理支配與使用，而信息融合的最終目標(biāo)則是基于各傳感器獲得的分離觀測(cè)信息，通過(guò)對(duì)信息多級(jí)別、多方面組合導(dǎo)出更多有用信息。這不僅是利用了多個(gè)傳感器相互協(xié)同操作的優(yōu)勢(shì)，而且也綜合處理了其它信息源的數(shù)據(jù)來(lái)提高整個(gè)傳感器系統(tǒng)的智能化。

生物傳感器技術(shù)是一種將生物化學(xué)反應(yīng)能轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的分析測(cè)試技術(shù)，以此制成的傳感器裝置具有選擇性高、分析速度快、操作簡(jiǎn)易和價(jià)格低廉的特點(diǎn)。作為一門在生命科學(xué)和信息科學(xué)之間發(fā)展起來(lái)的一門交叉學(xué)科，生物傳感器在發(fā)酵工藝、環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品工程、臨床醫(yī)學(xué)、軍事及軍事醫(yī)學(xué)等方面得到了深度重視和廣泛應(yīng)用。

2傳感器技術(shù)在機(jī)械加工過(guò)程中的應(yīng)用

傳感器技術(shù)在機(jī)械加工過(guò)程中的應(yīng)用主要集中在了切削過(guò)程和機(jī)床運(yùn)行過(guò)程、工件的過(guò)程傳感以及刀具的檢測(cè)傳感。

對(duì)機(jī)械加工切削過(guò)程的傳感檢測(cè)，可以優(yōu)化切削過(guò)程的生產(chǎn)率、制造成本或材料的切除率等，傳感檢測(cè)目標(biāo)主要為切削過(guò)程的切削力及其變化、切削過(guò)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(guò)程辨識(shí)等，最重要的傳感參數(shù)有切削力、切削過(guò)程振動(dòng)、切削過(guò)程聲發(fā)射、切削過(guò)程電機(jī)的功率等。對(duì)于機(jī)床的運(yùn)行而言，傳感器技術(shù)可以對(duì)機(jī)床驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、軸承與回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確保其運(yùn)行的安全及效能穩(wěn)定，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(rùn)滑液的流量等。

工件的過(guò)程傳感是指對(duì)工件過(guò)程的監(jiān)視，包括工序識(shí)別、工件識(shí)別等。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。

切削與磨削過(guò)程是重要的材料切除過(guò)程。刀具與砂輪磨損到一定限度或出現(xiàn)破損，會(huì)產(chǎn)生刀具失效問(wèn)題，而刀具失效是引起機(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。

3傳感器在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用

工業(yè)機(jī)器人之所以能夠準(zhǔn)確操作，是因?yàn)樗軌蛲ㄟ^(guò)各種傳感器來(lái)準(zhǔn)確感自身、操作對(duì)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(guò)內(nèi)部傳感器（位置、位移、速度、加速度等）來(lái)完成，操作對(duì)象與外部環(huán)境的感知通過(guò)外部傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，這個(gè)過(guò)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(kāi)關(guān)、光電開(kāi)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(cè)，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。位移傳感器一般也都安裝在機(jī)器人的各關(guān)節(jié)上，用于檢測(cè)機(jī)器人各關(guān)節(jié)的位移量，作為位置控制信息。

4傳感技術(shù)在汽車自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

汽車是一種綜合性的“機(jī)-電-液”一體化產(chǎn)品，其電子控制系統(tǒng)由中央控制單元、傳感器和執(zhí)行器三大部分組成。電控單元（CECU）為其控制中心，利用安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、底盤、車身、舒適和安全等系統(tǒng)上的各種傳感器檢測(cè)出汽車運(yùn)行時(shí)各部件總成的運(yùn)行參數(shù)，將其輸入電控單元（CECU）中，再按照電腦中預(yù)存的控制程序精確地控制汽車上的各種執(zhí)行器，滿足汽車在各種工況下都能正常行駛，因此，傳感器是汽車電子控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。

汽車上使用的傳感器類型多種多樣，檢測(cè)的參量也各不相同。按照傳感器的分類特點(diǎn)，在汽車上使用的傳感器按其工作原理分為：電阻應(yīng)變式，如空氣流量傳感器、壓力傳感器、節(jié)氣門位置傳感器等；電容式，如機(jī)油傳感器、碰撞傳感器、燃油液位傳感器等；電感式，如齒桿位置傳感器、爆震傳感器、加速度傳感器等；壓電式，如進(jìn)氣壓力傳感器、減震器傳感器、爆震傳感器等；磁電式，如發(fā)動(dòng)轉(zhuǎn)速、車速轉(zhuǎn)速傳感器、曲軸和凸輪軸位置傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器等；熱電式，如水溫傳感器、空氣流量傳感器、進(jìn)氣溫度傳感器等；光電式，如曲軸位置傳感器、安全保護(hù)系統(tǒng)、盲區(qū)信息系統(tǒng)等；化學(xué)式，如氧傳感器、濕度檢測(cè)傳感器等。

傳感器在汽車上的綜合應(yīng)用，使汽車的結(jié)構(gòu)和性能得到了改變，優(yōu)化了汽車動(dòng)力系統(tǒng)和底盤控制系統(tǒng)，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣有害物質(zhì)的排放，改善了燃油經(jīng)濟(jì)性，達(dá)到汽車節(jié)能減排的目的；同時(shí)，提高了汽車操縱穩(wěn)定性和平順性，改善了汽車行駛性能。另外，新型傳感器的應(yīng)用使汽車舒適性和安全性得到了很大的提高，使汽車變的更加可靠和安全。

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