傳感器技術(shù)在自動控制系統(tǒng)中的具體應(yīng)用

羅曉瓊

（百色職業(yè)學(xué)院 廣西壯族自治區(qū)百色市 533000）

社會發(fā)展程度的不斷提升，自動化技術(shù)的重要性逐步體現(xiàn)了出來，傳感器技術(shù)在自動控制系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1]，因此傳感器技術(shù)被大規(guī)模的運用在了日常生活以及生產(chǎn)中，傳感器技術(shù)不僅在工業(yè)生產(chǎn)中的到了廣泛的應(yīng)用，提升了制造業(yè)的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)水平，還廣泛的被用于農(nóng)業(yè)機械制造中，促進(jìn)了我國農(nóng)業(yè)向生產(chǎn)自動化的轉(zhuǎn)變速度。傳感器技術(shù)的應(yīng)用可以更好地對自動控制系統(tǒng)作業(yè)環(huán)境的狀態(tài)以及生產(chǎn)操作的對象進(jìn)行檢測，為自動控制系統(tǒng)的運行提供有效的信息數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)獲取的效率和準(zhǔn)確度，從而才能保障自動控制系統(tǒng)的高效運行水平。傳感器技術(shù)就像是自動控制系統(tǒng)中的感受器官，可以清晰的感知外界傳遞的信息，雖然傳感器技術(shù)在各行各業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用，但是在應(yīng)用的過程中還需要根據(jù)功能需求來選擇適合的傳感器技術(shù)，一定要保證選取傳感器的合理性才能保障自動化系統(tǒng)控制生產(chǎn)參數(shù)的準(zhǔn)確性和信息處理的有效性，從而真正實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。文章主要從兩個層面來淺談傳感器技術(shù)在自動控制系統(tǒng)中的具體應(yīng)用，一方面是機械自動化生產(chǎn)過程，另一方面是工業(yè)機器人制造。

1 傳感器技術(shù)在機械自動化生產(chǎn)中的應(yīng)用

傳感器技術(shù)在機械自動化加工生產(chǎn)過程中的應(yīng)用會隨著檢測目標(biāo)的不同而產(chǎn)生相應(yīng)的選擇變化。下面我們就從切削過程顫振傳感和工件形狀和尺寸誤差傳感兩個不同的方面來闡述如何根據(jù)檢測目標(biāo)來選擇合適的傳感器技術(shù)[2]，并對其傳感檢測的特性和方法進(jìn)行探究。

1.1 顫振傳感

在切削的過程中一般使用的是顫振傳感，因為在工件加工中的切削、磨削過程會因為系統(tǒng)動力的不穩(wěn)定會出現(xiàn)切削顫振的情況。在加工生產(chǎn)的過程中如果刀具或者是砂輪的子系統(tǒng)出現(xiàn)震動的情況，那么加工出來的工件就比較粗糙，不僅會影響工件生產(chǎn)的效率還會嚴(yán)重影響工件生產(chǎn)的質(zhì)量，同時也會加快刀具和砂輪損壞的速度。切削顫振傳感檢測方法既可以采用直接法，也可以采用間接法。

可以使用直接的方法對切削變化中的機床振動進(jìn)行檢測，主要的檢測方式有熱電動勢、動態(tài)測量儀以及振動傳感器等。

（1）溫差熱電動勢。所謂的溫差熱電動勢是指兩端的接頭處均用金屬接成回路，當(dāng)兩端的溫度發(fā)生差異時會在回路中產(chǎn)生電動勢，因此這種方式適用于在絕緣零部件加工中使用。因其熱電偶原理，溫差熱電動勢常被應(yīng)用于檢查實驗室中刀具和工件的傳感檢測。這種方式操作起來比較簡單，一般的頻率響應(yīng)在100HZ，而且使用成本相對較低，不過其靈敏度也相對較低。在工件加工切削的過程中會出現(xiàn)顫振，不僅工具和工件的接觸壓力會產(chǎn)生較大的變化，其接觸的范圍也會產(chǎn)生較大變化，從而促使溫差熱電動勢發(fā)生變化。想要獲得熱電動勢密度功率譜可以通過FFT 進(jìn)行分析。

圖1：速度傳感器

圖2：激光傳感器工作原理

（2）動態(tài)測量儀。由于動態(tài)測量儀的靈敏度較高且具有較強的可靠性，因此動態(tài)測量儀最早應(yīng)用于銑床和車床的加工。動態(tài)測量儀的最高響應(yīng)頻率為800-2000HZ，但是顫振的頻率往往在幾千HZ 以上，所以動態(tài)測量儀一般只應(yīng)用于實驗室中。

（3）振動傳感器。改設(shè)備不僅靈敏度相對較高，實用性也較強，因此可以應(yīng)用刀架上或者是工作臺上，其響應(yīng)頻率范圍為2-40HZ，屬于超低頻響應(yīng)。

間接法包括光學(xué)法和聲學(xué)法：

（1）光學(xué)法的靈敏度較低，由于光學(xué)法屬于非接觸性的檢測方法，因此其可靠性以及實用性都相對較差，響應(yīng)頻率為500HZ，此類檢測方式常用于實驗室中；

（2）聲學(xué)法的響應(yīng)頻率為700HZ，它依舊屬于非接觸性檢測放式，故其靈敏度也較低。

1.2 加工件形狀和尺寸傳感誤差

我們會經(jīng)常使用光學(xué)式、氣動式、電子式、機械式、溫度探測式、有限元法、超聲式等傳感器技術(shù)來檢測加工件形狀和尺寸傳感誤差[3]，這些傳感器技術(shù)在自動控制系統(tǒng)中的具體應(yīng)用特性如下所示：

（1）光學(xué)式。雖然光學(xué)式的靈敏度比較高，可遙感也比較強，但是實際操作起來存在著一定的困難，因為它的系統(tǒng)校準(zhǔn)比較困難。我們一檢測尺寸為0.1 米的加工件為例，當(dāng)選擇間接測量的時候，其精度在5 微米到10 微米范圍之間，分辨率為0.5 微米；而當(dāng)我們選擇使用直接測量法時其分辨率為1 微米，精度的范圍值在8 微米到12 微米之間。因此，得到的結(jié)論為光學(xué)式采用間接測量法傳感誤差較大，可靠性較低；而使用直接測量法則要盡量避開外界環(huán)境的干擾。

（2）氣動式。氣動式憑借著量程小、低耐用度、高增益、低響應(yīng)以及其實用性在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。如果使用直接測量法檢測尺寸為0.1 米的工件，其選擇的分辨率應(yīng)當(dāng)小于或者是等于1 微米，精度值為2 微米；當(dāng)使用間接測量法的時候其精度值為10 微米，分辨率為2 微米。

（3）電子式。雖然電子式的靈敏度較高、相應(yīng)速度較快、工作的穩(wěn)定性較強，但是受不同工件材料的影響較大，因此，一般多用于實驗室。想要使用電子式檢測0.1 米的工件，其精度值為10微米，分辨率為1 微米。

（4）機械式摩擦輪。該設(shè)備不僅具備較高的可靠性、信號也便于處理，實際操作起來非常便捷，所以該傳感器技術(shù)在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。以檢測0.1 米的工件為例，其分辨率在4 微米到6 微米之間，而精度制則為10 微米。

（5）機械式卡規(guī)型。也可以將機械式卡規(guī)型應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，可用分辨率為1 微米，精度為正負(fù)3 微米來檢測尺寸為0.1 米的工件，但是隨著該設(shè)備觸頭出現(xiàn)接觸磨損時其增益和分辨率都會有所降低。

（6）溫度探測式。一般溫度探測式也主要應(yīng)用于實驗室檢測，因為它的實用性相對較低，靈敏度也較差，多應(yīng)用于復(fù)雜形狀工件的檢測。若實用溫度探測式檢查0.1 米的工件，精度和分辨率的選擇分別為5 微米、4 微米。

（7）有限元法。這種檢測方式?jīng)]有具體的檢測裝置，且檢測時的靈敏度較低，模型精度是影響其檢測的主要因素。當(dāng)檢測0.1米的工件時，選擇的分辨率以及精度分別為5 微米、7 微米。

（8）超聲式。雖然超聲式的耐用度相對較低，操作起來也相對復(fù)雜，但是它的穩(wěn)定性較高，距離較遠(yuǎn)也可以進(jìn)行傳感，未來市場的應(yīng)用前景比較開闊。使用直接測量法檢測0.1 米的工件時，精度設(shè)置是±2 微米，分辨率設(shè)置為1 微米；運用間接測量法時設(shè)置的分辨率的范圍值在4 微米到6 微米之間，而設(shè)置的精度值是±10微米。

上文通過對以上傳感器技術(shù)進(jìn)行對比分析得知同一傳感器有兩種不同的檢測方式：

（1）直接測量法，就是使用精密度較高的儀器進(jìn)行測量所得到直接的檢測結(jié)果；

（2）間接測量法，先測出與檢測工件相關(guān)的物理量，在根據(jù)他們物理量的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行檢測工件的間接測量。

同一個傳感器使用的測量法不同檢測的精度以及分辨率也會不盡相同。標(biāo)準(zhǔn)件的匹配測定一般都會使用直接測量法，但是它只能檢測傳感檢測范圍內(nèi)的工件變形、刀具磨損以及機床變形的誤差，而內(nèi)徑比較復(fù)雜的工件檢測則難以使用直接測量法，因此直接測量法多應(yīng)用于中低精度機床的檢測。間接測量法則可應(yīng)用于復(fù)雜形狀以及內(nèi)孔的檢測，因為在檢測的過程中是根據(jù)檢測到的刀具位置、形狀誤差以及運動誤差的倒數(shù)第二個人尺寸為物理量，根據(jù)其相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系對這些復(fù)雜工件進(jìn)行檢測，其檢測的精度受刀具、形狀以及工件誤差的影響較小。由于間接測量發(fā)的應(yīng)用特性使其使用范圍不斷擴大，大多數(shù)被應(yīng)用于中、高精度的機床。

2 傳感器技術(shù)在工業(yè)自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 速度、加速度傳感器

反饋驅(qū)動器控制中最為重要的部分就是速度測量以及加速度，為了控制和構(gòu)建機器人各個關(guān)節(jié)的閉環(huán)速度以及加速度需要運用到速度、加速度傳感器（圖1），而常見的應(yīng)用方式主要有兩種：

（1）可以使用測速發(fā)電機來測量速度，由于這種方式比較常用，操作起來也相對簡單，一旦線圈的恒定磁場出現(xiàn)位移的現(xiàn)象，交鏈線圈內(nèi)磁的通空徑變化率與兩端E 的感應(yīng)電壓線圈成正相關(guān)；

（2）使用位移傳感器來測量速度，以時間位移量為檢測單位，然后將轉(zhuǎn)換器F/V 轉(zhuǎn)化為電壓模擬的方式，如果這種檢測方式的速度過快，那么其精度難以得到有效保障。

2.2 位移傳感器技術(shù)

位移傳感器技術(shù)大多應(yīng)用于工業(yè)機器人的制造，安裝在機器人的關(guān)節(jié)位置，便于準(zhǔn)確檢測機器人關(guān)節(jié)的位移變量[4]。常用的位移傳感檢測方法的性能有以下幾點：

（1）雖然激光性的反應(yīng)速度較快（如圖2所示），但是成本較高，它的分辨率可以達(dá)到幾百甚至上千微米，隨著量程的增加其反射的平面也要逐漸增加；

（2）光柵型不僅成本高而且反應(yīng)速度較慢，量程在10 米左右且分辨率只有幾微米；

（3）電感型的使用量較大，但是分辨率和反應(yīng)速度不甚理想；

（4）磁致伸縮型的反應(yīng)速度也比較慢，分辨率只有幾微米且成本太高。

（5）超聲波可以在量程為10 米的范圍內(nèi)使用，它的反應(yīng)速度也向度較慢，分辨率范圍在幾百微米到幾千微米之間，但是隨著量程范圍的不斷增加超聲波發(fā)射平面也要隨之增加。

3 結(jié)語

通過上文的具體分析，自動控制系統(tǒng)中傳感器技術(shù)合理地運用可以有效地實現(xiàn)自動控制功能以及開關(guān)的自動調(diào)節(jié)，傳感器技術(shù)水平越高其自動化程度也就越高。傳感器技術(shù)在自動化控制系統(tǒng)中應(yīng)用不僅給人們的日常生活帶來了很大的便利，提升了人們的生活質(zhì)量，減輕了人們的工作負(fù)擔(dān)，還有效地推動了社會、商業(yè)、農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展。