傳感器技術(shù)在機(jī)電自動化中的運(yùn)用*

段明華

（安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院城市軌道交通與信息工程系 安徽合肥 230051）

1 傳感器技術(shù)

1.1 傳感器的概念

傳感器作為一種可以及時(shí)采集所需信息的檢測裝置，在采集信息的同時(shí)，還可根據(jù)其特性，將測量信號轉(zhuǎn)換為所需的形式來進(jìn)行傳輸，進(jìn)而達(dá)到人們對信息采集、記錄、保存、監(jiān)控、處理和傳輸，控制調(diào)整等目的。隨著科技的發(fā)展，設(shè)備的不斷更新，需求的逐漸增多，傳感器技術(shù)已在自動控制領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，在為控制系統(tǒng)提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的同時(shí)，還能檢測機(jī)電自動化設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行的條件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對控制目標(biāo)的良好操作，為生產(chǎn)現(xiàn)場提供穩(wěn)定精準(zhǔn)的運(yùn)行。作為機(jī)電自動化控制系統(tǒng)中的重要組成部件，傳感器技術(shù)的優(yōu)良發(fā)展對科技的發(fā)展具有極其重要的作用。中國在傳感器技術(shù)領(lǐng)域已取得突破性的進(jìn)展，集中盡力發(fā)展集成化和智能化，其大大優(yōu)于傳統(tǒng)傳感器技術(shù)，而且已經(jīng)將其融入到傳統(tǒng)與新生的自動化控制領(lǐng)域中，極大地降低了生產(chǎn)成本提升了工作效率，而且在傳感器的發(fā)展過程中，也逐漸融入到了許多高科技領(lǐng)域中，傳感器技術(shù)的發(fā)展水平也將對各類智能系統(tǒng)的發(fā)展產(chǎn)生不可估量的作用，換言之，傳感器技術(shù)水平越高，機(jī)電自動化設(shè)備的智能化水平也將越高。傳感器在自動化系統(tǒng)中的作用如圖1所示。

圖1 傳感器在自動化系統(tǒng)中的作用

1.2 傳感器的分類

一般情況下，會根據(jù)被測量、工作原理、工作機(jī)理等方面的不同，對傳感器技術(shù)進(jìn)行分類，這樣的分類方法是為明晰其使用需求及良好的信息感知效果。目前對傳感器比較常見的分類方式如表1所示。

表1 傳感器分類

常用NTC熱敏電阻的溫度傳感器特性如圖2所示，3種OMEGA公司的霍爾位移傳感器的靜態(tài)特性圖如圖3所示。

圖2 NTC溫度傳感器特性圖

圖3 三種OMEGA霍爾位移傳感器的特性圖

2 傳感器在各類機(jī)電自動化系統(tǒng)中的運(yùn)用分析

2.1 在機(jī)械加工領(lǐng)域中的運(yùn)用

在機(jī)械加工過程中，為保證產(chǎn)品的質(zhì)量，傳統(tǒng)的人工調(diào)整設(shè)備已不能滿足當(dāng)前的生產(chǎn)需求，這就需要將先進(jìn)的傳感技術(shù)融入到機(jī)加工之中，數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)的基本組成如圖4所示。隨著傳感技術(shù)應(yīng)用于加工機(jī)床，不僅可以調(diào)整機(jī)床的位置、振動、行進(jìn)速度以及加工件的狀態(tài)，而且可以將所使用的工具數(shù)據(jù)、加工部件加工數(shù)據(jù)及時(shí)有效地傳遞到自動化控制系統(tǒng)之中，使之進(jìn)行合理的自動調(diào)整，以達(dá)到加工成品的目的。其加工流程為：通過傳感器采集刀具移動軌跡等信息，從而將其轉(zhuǎn)化為所需檢查控制所需的數(shù)字信號，將這些數(shù)據(jù)輸入到數(shù)控系統(tǒng)中進(jìn)行編輯運(yùn)算，而后系統(tǒng)自動的發(fā)出指令完成加工。在數(shù)控機(jī)床中，紅外傳感器、感應(yīng)同步器等傳感器的使用，在實(shí)現(xiàn)對刀具及工件加工參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測的同時(shí)，還能夠及時(shí)地幫助技術(shù)人員合理調(diào)整參數(shù)，實(shí)現(xiàn)快速有效地高精度自動化加工，也避免了人為操作不當(dāng)而產(chǎn)生的錯誤，造成不必要的材料浪費(fèi)。

圖4 數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)的組成

2.2 在機(jī)器人技術(shù)中的運(yùn)用

機(jī)器人作為集電子、機(jī)械、信息等技術(shù)融于一體的機(jī)電自動化裝置，傳感技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程對機(jī)器人的發(fā)展與應(yīng)用極其重要。眾所周知，具有信息反饋的閉環(huán)自動化設(shè)備通過使用傳感器技術(shù)來獲取外界信息，將傳感器采集到的物理信息轉(zhuǎn)為電信號，從而達(dá)到對自動化設(shè)備的有效控制，實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速的輸出，完成其工作任務(wù)。同理，機(jī)器人作為自動化設(shè)備集大成者，傳感器技術(shù)在機(jī)器人中顯得更為重要，其數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化的穩(wěn)定性都將對其動作的執(zhí)行產(chǎn)生極其重要的影響。機(jī)器人的眾多傳感器可以助力其完成穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速的操作，傳感器技術(shù)的不斷更新和不同位置的設(shè)定，也在一定程度上了避免了失誤，提高了機(jī)器人的工作效率，保證整條生產(chǎn)流程的順利實(shí)施。機(jī)器人的運(yùn)用使得人們可以從繁重的勞動、繁瑣的流程中解放出來，其可以按照既定的工作流程完成工作任務(wù)，而前提是以現(xiàn)場傳感器采集的數(shù)據(jù)信息為基礎(chǔ)，通過合理的動作軌跡，實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)、碼垛、焊接、涂膠、壓合、滾邊、裝配等工作。為了進(jìn)一步快速、流暢的完成生產(chǎn)現(xiàn)場的工作任務(wù)，也需要使用各類傳感器，如圖5所示，工業(yè)機(jī)器人視覺傳感系統(tǒng)在焊接工藝中的運(yùn)用。一般情況下，機(jī)器人中常用傳感技術(shù)主要包括：①通過傳感器采集、檢測外部數(shù)據(jù)信息，正確的感知外部工作環(huán)境（精準(zhǔn)的輸入信號），并做出準(zhǔn)確、及時(shí)的反應(yīng)，即有效地?cái)?shù)據(jù)輸出，確保機(jī)器人能夠完成正常的工作任務(wù)，避免錯誤信息的、異常輸入的出現(xiàn)導(dǎo)致機(jī)器人不能夠正常運(yùn)行。②通過使用外部傳感器可以有效地控制機(jī)器人技術(shù)工作行為，檢測其狀態(tài)的好壞，并將其信息和數(shù)據(jù)，傳輸?shù)街锌厥?，相關(guān)工作人員依據(jù)當(dāng)前采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行合理調(diào)配，使機(jī)器人更好的完成工作任務(wù)。

圖5 工業(yè)機(jī)器人視覺傳感系統(tǒng)在焊接工藝中的運(yùn)用

2.3 在交通監(jiān)管領(lǐng)域中的運(yùn)用

目前世界各國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，尤其是中國近些年經(jīng)濟(jì)的快速崛起，汽車早已走入尋常百姓，如何使和家車安全有序的出行，依靠傳統(tǒng)的交通警務(wù)人員已經(jīng)捉襟見肘。隨之而來的是高新的傳感技術(shù)的介入，交通視頻監(jiān)控、測速監(jiān)控等。各類監(jiān)控采用的視頻傳感技術(shù)、聲吶傳感技術(shù)、測速傳感技術(shù)等可將其采集的交通數(shù)據(jù)信息回傳至交通管理中心，并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)直連，可直接將信息提供給交通管理者和交通參與者，其交通指揮中心如圖6所示。不僅可以及時(shí)通報(bào)路況信息，對當(dāng)前路況采用及時(shí)有效的處理措施，還可以對違章、違法的交通參與者進(jìn)行及時(shí)處理。其中，在收費(fèi)站處設(shè)置的壓力傳感器可以有效測量汽車實(shí)際載重，便于準(zhǔn)確、高效檢測汽車超載狀況。

圖6 交通指揮系統(tǒng)

2.4 在汽車領(lǐng)域中的運(yùn)用

伴隨著科技的不斷進(jìn)步，汽車在不斷完善其基本性能的基礎(chǔ)上，人們對于汽車的安全可靠性、舒適性等品質(zhì)也提出了更高的要求，這使得汽車自身融入了更多的高新科技，汽車的智能化程度也越來越高，比如無人駕駛。

傳感器技術(shù)對汽車行業(yè)的發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用。傳感器技術(shù)大量運(yùn)用于汽車之中（如圖7所示），不僅可以確保汽車性能的，使得汽車的駕駛性能更好、安全性更高，也使得汽車行駛、設(shè)備轉(zhuǎn)換、信息傳遞等功能實(shí)現(xiàn)一體化，為安全出行提供了有力保障。汽車行駛過程中，可以有效減少能源的浪費(fèi)、資源的消耗，為汽車行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支持。

圖7 車身傳感技術(shù)的應(yīng)用

一般來說，傳感器技術(shù)在汽車領(lǐng)域的主要應(yīng)用：壓力傳感器、冷卻水溫傳感器、吸氣傳感器、曲軸位置傳感器等，其中，驅(qū)動防滑裝置就是傳感器技術(shù)在汽車運(yùn)用中的典型代表，如圖8所示。

圖8 汽車驅(qū)動防滑裝置

綜上，汽車自身使用傳感器技術(shù)后，其表現(xiàn)出來的優(yōu)質(zhì)特性主要有：①強(qiáng)適應(yīng)性。汽車在行駛過程中遇到惡劣的駕駛條件和環(huán)境時(shí)，眾多優(yōu)良的汽車傳感器技術(shù)使得汽車具備耐高溫高壓、抗顛簸等惡劣環(huán)境的適應(yīng)能力。②強(qiáng)抗干擾性。汽車在啟動時(shí)，會產(chǎn)生較高的溫度與壓力，為了能夠有效防止高溫高壓產(chǎn)生的副作用對汽車發(fā)動機(jī)性能的影響，現(xiàn)在的汽車發(fā)動機(jī)艙中普遍安裝傳感器，及時(shí)采集艙內(nèi)數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行及時(shí)處理，防止不良影響的產(chǎn)生。并且也能避免汽車在行駛過程中，由于路面原因造成的顛簸。③高智能性。汽車在駕駛過程中，通過車身間距傳感器可以測量車身與其他車輛或物體的間距，進(jìn)行燈光、聲音報(bào)警，從而保證行駛的安全性；在停倒車過程中，采用雷達(dá)、視頻監(jiān)控等手段達(dá)到避讓障礙有效停車的目的；通過網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)對家庭智能設(shè)備的控制，實(shí)現(xiàn)生活的舒適化。

2.5 在軌道交通領(lǐng)域中的運(yùn)用

現(xiàn)代軌道交通機(jī)電系統(tǒng)中包括有大量的以計(jì)算機(jī)處理技術(shù)為核心的各種智能控制系統(tǒng)如電扶梯系統(tǒng)、AFC系統(tǒng)、BAS系統(tǒng)、FAS系統(tǒng)、安全門系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、低壓配電與照明系統(tǒng)、信號系統(tǒng)和車輛系統(tǒng)等，這些機(jī)電控制系統(tǒng)在軌道交通運(yùn)營中發(fā)揮各自不同的作用，在OCC（控制中心）的統(tǒng)一指揮和控制下，確保軌道交通系統(tǒng)安全正常地運(yùn)營。而保證這些系統(tǒng)和設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的前提基礎(chǔ)是大量自動化檢測傳感器的應(yīng)用。對于任意一個(gè)子系統(tǒng)，傳感器檢測技術(shù)是這些機(jī)電設(shè)備智能控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)性技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)軌道交通自動化、智能化的基礎(chǔ)和前提。而傳感器單元就是檢測系統(tǒng)最核心的單元，任何軌道交通運(yùn)營所需要參數(shù)的成功檢測均離不開優(yōu)良的傳感器，它是檢測技術(shù)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

每一類機(jī)電控制子系統(tǒng)中各類傳感器的大量應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了包括車輛、信號、車站等各種工藝參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)的及時(shí)準(zhǔn)確檢測，使所有的軌道機(jī)電控制系統(tǒng)有條不紊的按照預(yù)先確定的控制策略和要求精確控制、準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，滿足軌道交通運(yùn)營的整體的嚴(yán)格精準(zhǔn)的控制要求，保證良好的運(yùn)行秩序和舒適的運(yùn)營環(huán)境。傳感器在城市軌道交通中的主要應(yīng)用如圖9所示。

圖9 傳感器在城市軌道交通中的主要應(yīng)用

3 結(jié)語

隨著傳感器技術(shù)不斷進(jìn)步更新和在機(jī)電自動化控制領(lǐng)域之中的運(yùn)用，引領(lǐng)人們生產(chǎn)生活向更加智能化、多元化、集成化方向發(fā)展，也將逐步提升人們生產(chǎn)、生活效率與質(zhì)量。作為機(jī)電自動化控制中的重要組成部分，傳感器技術(shù)的廣泛運(yùn)用，將會覆蓋人們生產(chǎn)、生活的各個(gè)角落，成為不可或缺的一部分，其在各領(lǐng)域發(fā)揮出巨大的作用，必將推動社會生產(chǎn)與人民生活的進(jìn)步。