機(jī)電一體化系統(tǒng)中傳感器與檢測技術(shù)的應(yīng)用

張榮寶

（廈門海葒興儀器股份有限公司，福建廈門 361021）

0 引言

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展改變了工業(yè)的生產(chǎn)方式，促進(jìn)了工業(yè)朝著現(xiàn)代化、智能化和自動化方向發(fā)展。在通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、檢測技術(shù)和集成芯片等技術(shù)發(fā)展的推動下，工業(yè)生產(chǎn)開始進(jìn)入智能制造時代。在智能制造時代，機(jī)電一體化系統(tǒng)的重要應(yīng)用會更加凸顯。傳感器與檢測技術(shù)是其中重要的技術(shù)和最為核心的操作部件，在機(jī)電一體化系統(tǒng)中起到監(jiān)測機(jī)電一體化設(shè)備運行的作用，有效保障機(jī)電一體化設(shè)備的可靠性，同時還可以保障一體化系統(tǒng)的信息傳輸，有效提高其應(yīng)用水平。

1 傳感器的概念和分類

傳統(tǒng)傳感器能夠收集規(guī)定的被測量信息，然后將其轉(zhuǎn)化為輸入信號，相當(dāng)于人體的感知器官。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代傳感器的功能更加強大，不僅具備特征信息的采集功能，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)信息的讀取，甚至是分析決策管控。也就是說，現(xiàn)代傳感器不僅具備眼睛、耳朵、鼻子等感官的功能，還配置了“大腦”，可以進(jìn)行決策。傳感器在機(jī)電自動化系統(tǒng)中的主要作用是對系統(tǒng)的作業(yè)環(huán)境進(jìn)行檢測，從而為系統(tǒng)設(shè)備的運行提供信息支持，進(jìn)而提高其運行的可靠性。

傳感器有很多類型，不同類型的傳感器具有不同的感知功能，因此在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，要根據(jù)被檢測對象來選擇傳感器類型。根據(jù)測量對象的性質(zhì)可以將傳感器分為兩大類，即內(nèi)部信息傳感器和外部信息傳感器：前者的功能是對系統(tǒng)內(nèi)部的位置變化、受壓情況、內(nèi)部溫度變化等進(jìn)行檢測；后者的功能是檢測系統(tǒng)外部的環(huán)境狀態(tài)，如外部的溫度、濕度等。外部信息傳感器也有很多種類，如觸覺傳感器、非觸覺傳感器、激光測距儀以及超聲波測距儀等。

2 傳感器與檢測技術(shù)和機(jī)電一體化的聯(lián)系

傳感器的主要功能是利用電子元件實現(xiàn)外界環(huán)境和設(shè)備情況的監(jiān)測，具體包括溫度、流量、壓力以及濕度等，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)量值。此外，傳感器還能監(jiān)測設(shè)備的運行情況，獲取設(shè)備的運行信息。當(dāng)前傳感器與檢測技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，機(jī)電一體化技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用也非常廣泛。當(dāng)前，傳感器與檢測技術(shù)可以說是機(jī)電一體化系統(tǒng)的核心技術(shù)。機(jī)電一體化系統(tǒng)的主要功能是進(jìn)行機(jī)械設(shè)備的自動化控制，而傳感器技術(shù)則為機(jī)電一體化系統(tǒng)的自動控制提供信息支持。可以說，傳感器的精密化和智能化水平直接決定著機(jī)電一體化系統(tǒng)運行的效率和質(zhì)量。因此，如果在機(jī)電一體化系統(tǒng)中應(yīng)用了高智能化、精細(xì)化的傳感器，那么其可靠性和自動化水平就會越高，從而保障工業(yè)生產(chǎn)效率。不過，應(yīng)用高水平的傳感器與檢測技術(shù)需要花費的資金也更多，因此企業(yè)在選擇機(jī)電一體化系統(tǒng)時，并不一定要應(yīng)用最先進(jìn)的，而是要根據(jù)其自身需求選擇最適合的、性價比最高的系統(tǒng)，在提高生產(chǎn)自動化水平和生產(chǎn)效率的同時降低資金投入，實現(xiàn)效益的最大化。

3 傳感器與檢測技術(shù)在機(jī)電一體化中的應(yīng)用

傳感器與檢測技術(shù)作為機(jī)電一體化系統(tǒng)中的核心部分，在機(jī)電一體化中有著重要作用。下面對傳感器與檢測技術(shù)在機(jī)電一體化中的具體應(yīng)用進(jìn)行分析。

3.1 對系統(tǒng)自身工作穩(wěn)定的測量

機(jī)電一體化系統(tǒng)運行過程中，為了保障其運行的可靠性，需要對其運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，對其運行的穩(wěn)定性進(jìn)行評估，從而確保其能夠正常運行。因此在機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計階段，會根據(jù)其運行的特點設(shè)置具有相應(yīng)功能的傳感器，用于監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀態(tài)。例如在機(jī)械加工行業(yè)，在機(jī)械加工工作開始之前，為了確保設(shè)備的高效運行，加工設(shè)備需要進(jìn)行自動檢查，如加緊力度、形變是否符合加工要求、配夾的位置是否與產(chǎn)品相符等，通過應(yīng)用傳感器與檢測技術(shù)，能夠自動檢測這些加工參數(shù)，并且及時傳遞數(shù)據(jù)，確保相關(guān)參數(shù)符合加工需求。同時，在機(jī)械加工過程中，為了提高加工精度，保證產(chǎn)品的合格率，需要確保加工條件時刻處于正常狀態(tài)，因此需要對加工條件如工件壓力和切削速度等進(jìn)行實時的監(jiān)測和調(diào)整。通過應(yīng)用傳感器與檢測技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)這一過程的自動化，實時檢測各項加工條件，并對其進(jìn)行實時調(diào)整，提高加工工件的合格率，

3.2 對關(guān)鍵設(shè)備預(yù)知性保障技術(shù)方面的應(yīng)用

很多機(jī)電一體化系統(tǒng)都是非常復(fù)雜的，在系統(tǒng)中包含很多重要的裝備，這些設(shè)備的正常運行關(guān)乎到整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)，如果這些關(guān)鍵設(shè)備出現(xiàn)了故障，會對整個系統(tǒng)造成非常大的損失。為了避免這種情況，應(yīng)用機(jī)電一體化設(shè)備時應(yīng)充分考慮這一點，設(shè)置與執(zhí)行分析判斷檢測傳感器，使其對設(shè)備運行過程中的故障典型特征值進(jìn)行采集和分析，從而對設(shè)備可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行預(yù)知并將其消除在萌芽狀態(tài)，進(jìn)而保證系統(tǒng)的安全，減少設(shè)備損壞給企業(yè)造成的損失，降低系統(tǒng)的維修成本。

例如，在化工行業(yè)的機(jī)電一體化系統(tǒng)中，要應(yīng)用到大型的空壓機(jī)，該設(shè)備在系統(tǒng)中起著重要作用，為了防止其出現(xiàn)故障對系統(tǒng)造成影響，在系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)用聲學(xué)傳感器對其機(jī)械結(jié)構(gòu)失效問題進(jìn)行分析和評估，應(yīng)采用振動傳感器的故障分析檢測技術(shù)、電磁傳感器的負(fù)荷電流檢測評估技術(shù)等實現(xiàn)設(shè)備故障的預(yù)知，有效降低了其故障概率和企業(yè)設(shè)備維修成本。

3.3 產(chǎn)品制造質(zhì)量的在線檢測應(yīng)用

應(yīng)用機(jī)電一體化系統(tǒng)進(jìn)行自動化生產(chǎn)過程中，為了確保產(chǎn)品的質(zhì)量，需要對產(chǎn)品進(jìn)行檢測。應(yīng)用傳感器技術(shù)能實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的自動檢測，大大提高了產(chǎn)品質(zhì)量檢測工作的效率，而且還能提高檢測的準(zhǔn)確性，更好地保障產(chǎn)品的質(zhì)量。當(dāng)前，通過傳感器技術(shù)可以對產(chǎn)品生產(chǎn)過程進(jìn)行在線監(jiān)測，進(jìn)行自主的質(zhì)量分析評價，從而在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的自動化檢測，有效確保產(chǎn)品的質(zhì)量。例如，在用于航天發(fā)動機(jī)核心部件噴管成型加工工序的防熱結(jié)構(gòu)件壓裝粘接成形機(jī)電一體化智能制造單元中，通過應(yīng)用基于電磁超聲波技術(shù)的粘接質(zhì)量在線監(jiān)測評估系統(tǒng)，實現(xiàn)了產(chǎn)品質(zhì)量的自動檢測，在確保產(chǎn)品質(zhì)量的同時解決了傳統(tǒng)質(zhì)量檢測方法存在的質(zhì)量成本控制差、損耗大等問題，降低了產(chǎn)品檢測的成本。

3.4 一些典型管控要素的管控應(yīng)用

（1）數(shù)控機(jī)床中傳感器與檢測技術(shù)的應(yīng)用。在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用比較廣泛，在數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用傳感器技術(shù)能夠有效提高工作精確度和效率。在數(shù)控機(jī)床中，對整個機(jī)電一體化設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行的自動化控制是通過數(shù)字信號的方式來實現(xiàn)的，傳感器則能通過捕捉過數(shù)字化信號的方式，實現(xiàn)對數(shù)控機(jī)床的運行情況的判斷，然后將數(shù)據(jù)提供給相關(guān)工作人員，相關(guān)工作人員在接收到這些信息之后能夠更及時、準(zhǔn)確地掌握數(shù)控機(jī)床的具體工作狀態(tài)，然后就可以基于其對數(shù)控機(jī)床進(jìn)行控制，從而提高數(shù)控機(jī)床工作的精度，進(jìn)而提高產(chǎn)品的加工質(zhì)量，同時促進(jìn)工作效率的提升，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

（2）傳感器在智能機(jī)器人中的應(yīng)用。隨著智能技術(shù)的發(fā)展，智能機(jī)器人得到了快速發(fā)展，并且在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。當(dāng)前，機(jī)器人的自動處理能力大幅度提升。智能機(jī)器人中最為重要的設(shè)備就是傳感器，根據(jù)傳感器獲取的外部環(huán)境信息，機(jī)器人才能夠準(zhǔn)確地掌握外部環(huán)境，從而保證其生產(chǎn)過程中的準(zhǔn)確性。在運行過程中，機(jī)器人中的傳感器能有效收集外部環(huán)境的各種信息，并且對這些信息進(jìn)行有效判斷和處理，這樣機(jī)器人就可以準(zhǔn)確、敏銳地獲取外部信息，為其自動工作提供準(zhǔn)確的信息支持，保證其工作的自動化進(jìn)行。智能機(jī)器人要應(yīng)用到很多種傳感器，如多維力傳感器、視覺識別傳感器、扭矩傳感器等。

4 傳感器與檢測技術(shù)的發(fā)展展望

4.1 更強的穩(wěn)定性和適應(yīng)性

當(dāng)前傳感器的穩(wěn)定性還存在一定問題，這主要是受環(huán)境適應(yīng)性、自身穩(wěn)定性等因素的影響，而隨著技術(shù)的進(jìn)步、傳感器技術(shù)和電子技術(shù)的水平不斷提高，傳感器屏蔽技術(shù)的水平也在不斷提高，傳感器的抗干擾能力會進(jìn)一步增強，從而有效地提高傳感器技術(shù)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

4.2 微型化

隨著智能化技術(shù)的不斷發(fā)展，智慧領(lǐng)域不斷拓展，傳感器的應(yīng)用范圍也在不斷增加，如物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用終端設(shè)備、可穿戴式智能預(yù)知性監(jiān)測設(shè)備等領(lǐng)域，而這些領(lǐng)域都無法為傳感器提供很大的空間，這樣微型化便成為傳感器發(fā)展的必然選擇。如果說市場的需求是傳感器微型化推動力，那么技術(shù)的發(fā)展則為傳感器的微型化提供了技術(shù)支持。當(dāng)前在微電子以及集成化芯片技術(shù)的等方面的研究已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展，這為傳感器的微型化創(chuàng)造了良好的技術(shù)條件，未來傳感器將會朝著體積微型化方向發(fā)展，使之能夠應(yīng)用于體積較小的智能設(shè)備中，滿足機(jī)電一體化的發(fā)展要求。

4.3 與智能技術(shù)融合發(fā)展

與智能技術(shù)融合將是傳感器未來發(fā)展的重要方向，從而使其不僅僅是數(shù)據(jù)的采集，而且具備數(shù)據(jù)挖掘能力，通過應(yīng)用智能化技術(shù)，使其能夠?qū)崿F(xiàn)信息的智能化采集、分析和管控等，這樣就能進(jìn)一步提高工業(yè)生產(chǎn)的智能化和自動化生產(chǎn)水平，提高生產(chǎn)效率。

4.4 可持續(xù)性發(fā)展

在機(jī)電一體化系統(tǒng)向智慧化方向發(fā)展的工程中，傳感器起著至關(guān)重要的作用。此外，傳感器技術(shù)還是實現(xiàn)智能制造最后一公里全要素全過程智能管控的核心技術(shù)。為了滿足這些應(yīng)用需求，傳感器技術(shù)還需要不斷提升其在高響應(yīng)速率、低功耗、高環(huán)境適應(yīng)性以及自主判讀等方面的能力，同時提高在多學(xué)科技術(shù)協(xié)同、高集成化度等方面的研究，從而提高機(jī)電一體化的智能化水平。

5 結(jié)論

傳感器與檢測技術(shù)作為機(jī)電一體化系統(tǒng)中的核心技術(shù)，在系統(tǒng)中起著重要作用，不僅能有效保障設(shè)備運行的穩(wěn)定性，而且還能提高產(chǎn)品的加工質(zhì)量和效率。隨著傳感器與檢測技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，它們將在機(jī)電一體化系統(tǒng)中發(fā)揮更加重要的作用。