傳感器技術(shù)應(yīng)用于機(jī)電一體化系統(tǒng)中的方法

張亞龍

摘 要：機(jī)電一體化系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到了各項(xiàng)生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)中。隨著使用需求的不斷提升，應(yīng)用更加高精度、更可靠的傳感器技術(shù)具有廣闊的空間。通過(guò)計(jì)算機(jī)信息技術(shù)來(lái)控制這些傳感器采集信號(hào)，以此來(lái)獲取機(jī)電一體化系統(tǒng)運(yùn)行的狀況，有利于提高控制的效果。

關(guān)鍵詞：傳感器技術(shù);機(jī)電一體化系統(tǒng);應(yīng)用

傳感器技術(shù)可以看作是一個(gè)國(guó)家現(xiàn)代化工業(yè)發(fā)展的重要衡量指標(biāo)。我國(guó)是世界上的工業(yè)大國(guó)，很多工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐領(lǐng)域中都大量應(yīng)用到了傳感器技術(shù)，這樣有利于提高機(jī)電一體化系統(tǒng)運(yùn)行的效率。因此就需要針對(duì)傳感器技術(shù)在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行深入研究，掌握更加科學(xué)的技術(shù)使用方法。

1.相關(guān)理論概述

1.1機(jī)電一體化

機(jī)電一體化融合了機(jī)械、電子信息化技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等眾多方面，這些不同領(lǐng)域的技術(shù)需要相互配合，共同完成整個(gè)控制過(guò)程。機(jī)電一體化已經(jīng)在過(guò)去我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中做出了重大的貢獻(xiàn)，但總體來(lái)說(shuō)，一些所使用的技術(shù)相對(duì)于西方發(fā)達(dá)國(guó)家來(lái)說(shuō)還顯得有些落后。隨著我國(guó)科研環(huán)境的逐步改善，在眾多先進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域取得重大突破。這也使得現(xiàn)代機(jī)電一體化系統(tǒng)能夠應(yīng)用更多先進(jìn)的技術(shù)來(lái)發(fā)揮作用，能夠?qū)崿F(xiàn)在更加惡劣的環(huán)境仍然保持高效的性能。在以計(jì)算機(jī)信息技術(shù)為代表的新興科技的沖擊下，機(jī)電一體化領(lǐng)域也迎來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇。首先是更加高性能的計(jì)算機(jī)處理性能能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)海量信息的實(shí)時(shí)處理，并且控制精度越來(lái)越高，這樣就使得機(jī)電一體化系統(tǒng)的性能越來(lái)越好。從世界發(fā)展的趨勢(shì)看來(lái)，機(jī)電一體化系統(tǒng)仍然將在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)承擔(dān)著工業(yè)生產(chǎn)制造的重要責(zé)任，因此不斷研究機(jī)電一體化技術(shù)具有現(xiàn)實(shí)意義，也是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)換的重要推動(dòng)力量。機(jī)電一體化系統(tǒng)中大量依靠傳感器技術(shù)來(lái)完成整個(gè)控制過(guò)程，因此提高傳感器技術(shù)的應(yīng)用效果也是十分有必要的。

1.2傳感器技術(shù)

傳感器技術(shù)的發(fā)展與材料領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r具有較大的關(guān)聯(lián)。在整個(gè)機(jī)電一體化控制系統(tǒng)中，需要依據(jù)采集得到的信號(hào)才能夠判定生產(chǎn)的實(shí)際狀態(tài)，以此來(lái)完成相應(yīng)的控制過(guò)程。因此由傳感器采集到信號(hào)的精度十分重要，在一些高端控制領(lǐng)域中，往往會(huì)對(duì)傳感器的精度具有較高的要求。例如在測(cè)量溫度時(shí)可以使用熱敏電阻，在測(cè)量電壓、電流等信號(hào)時(shí)，可以使用相對(duì)應(yīng)的采樣電路。不同的機(jī)電一體化系統(tǒng)需要測(cè)量不同的參數(shù)，因此需要根據(jù)實(shí)際需求來(lái)選用符合要求的傳感器。同時(shí)也可以根據(jù)傳感器的實(shí)際應(yīng)用分為內(nèi)部信息傳感器和外部信息傳感器這兩種，其中內(nèi)部信息傳感器主要是對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中涉及到的機(jī)器溫度、壓力信息等進(jìn)行檢測(cè)。外部傳感器主要指的是對(duì)于機(jī)電一體化系統(tǒng)外部的一些參數(shù)進(jìn)行獲取。

2.傳感器技術(shù)在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用

傳感器的種類比較多，不同種類的傳感器的工作原理也不一樣。生活中常見(jiàn)的電子秤、聲控開(kāi)關(guān)等都應(yīng)用到了傳感器技術(shù)原理，傳感器的精度以及可靠性需要結(jié)合不同領(lǐng)域的實(shí)際使用情況來(lái)確定。由于機(jī)電一體化系統(tǒng)常用在工業(yè)生產(chǎn)制造領(lǐng)域中，因此往往對(duì)精度和可靠性的要求都比較高。

2.1機(jī)械生產(chǎn)制造

機(jī)械生產(chǎn)制造相對(duì)來(lái)說(shuō)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，涉及到的各個(gè)流程比較多。但是在高精度機(jī)械加工環(huán)節(jié)中，對(duì)加工刀具切割過(guò)程的要求十分高，稍有不慎就有可能導(dǎo)致零件浪費(fèi)。依據(jù)控制系統(tǒng)中已經(jīng)設(shè)定好的參數(shù)，然后通過(guò)控制傳感器采集得到的信號(hào)來(lái)判斷是否滿足了控制條件，然后才能決定是否進(jìn)行加工，這樣有利于降低產(chǎn)品不良率。結(jié)合現(xiàn)代智能控制技術(shù)的高速發(fā)展，可以通過(guò)傳感器采集得到的信號(hào)來(lái)進(jìn)行智能化調(diào)節(jié)，例如在對(duì)機(jī)械坯件夾持時(shí)，所使用的力度要適中，如果力度過(guò)大就會(huì)導(dǎo)致坯件變形，力度過(guò)小就會(huì)出現(xiàn)夾不緊的情況。因此這都需要根據(jù)材料的尺寸、規(guī)格來(lái)進(jìn)行測(cè)量，從而控制相應(yīng)的夾力。此外，機(jī)電一體化系統(tǒng)中要使用電機(jī)來(lái)提供切削的動(dòng)力以及控制切削的角度，這都是需要實(shí)時(shí)通過(guò)傳感器接收獲取到的信息來(lái)進(jìn)行閉環(huán)控制，以此來(lái)完成整個(gè)切削作業(yè)，并且將工藝的精準(zhǔn)度控制在合理的范圍內(nèi)。早期應(yīng)用傳感器很大程度上都是為了檢測(cè)加工工件的質(zhì)量，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)加工工件的自動(dòng)控制。目前在該領(lǐng)域中比較先進(jìn)的傳感器技術(shù)有激光表面粗糙度傳感系統(tǒng)、機(jī)器視覺(jué)傳感器等。

2.2數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用

數(shù)控機(jī)床是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的一項(xiàng)重要技術(shù)，也成為了一個(gè)國(guó)家高端工業(yè)發(fā)展的重要方面。數(shù)控機(jī)床通過(guò)已經(jīng)編制好的程序來(lái)獲取零件加工的狀態(tài)，對(duì)于一些獲取到的信息還需要給予一定的補(bǔ)償。例如，數(shù)控機(jī)床運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，這些熱量在機(jī)床內(nèi)部是不均勻的，這種存在的熱量差異就會(huì)導(dǎo)致在加工的過(guò)程中影響到精度。因此就需要通過(guò)溫度傳感器來(lái)實(shí)時(shí)獲取數(shù)控機(jī)床內(nèi)部的溫度信號(hào)，然后通過(guò)整個(gè)控制管理系統(tǒng)來(lái)給予相應(yīng)的溫度補(bǔ)償，確保加工零件處于一個(gè)相對(duì)均衡的狀態(tài)。此外，數(shù)控機(jī)床的刀具在移動(dòng)的過(guò)程中，都是由電機(jī)來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的，很多電機(jī)尾部都裝有光電編碼器，通過(guò)該部分來(lái)測(cè)量得到電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，確保電機(jī)能夠按照設(shè)定好的程序來(lái)正常運(yùn)行。

此外還可以通過(guò)刀具的移動(dòng)量來(lái)進(jìn)行控制，避免出現(xiàn)軸動(dòng)過(guò)位的情況。數(shù)控機(jī)床的刀具在長(zhǎng)期切割加工的過(guò)程中還會(huì)出現(xiàn)一定程度的磨損，如果磨損程度比較高，就會(huì)存在較高的加工誤差，這也是現(xiàn)代高精度數(shù)控機(jī)床不可接受的。

2.3機(jī)器人領(lǐng)域

目前世界各國(guó)仍然在持續(xù)加大機(jī)器人領(lǐng)域的投入，這是因?yàn)楝F(xiàn)如今很多技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了足夠成熟的狀態(tài)，能夠確保裝備這些先進(jìn)技術(shù)的機(jī)器人完成一些人類無(wú)法完成的工作。但是機(jī)器人本身并不具備人類的肉眼、皮膚等部位，因此就無(wú)法獲取到外部的信號(hào)。只能在機(jī)器人結(jié)構(gòu)中根據(jù)控制的需求來(lái)選擇相應(yīng)的傳感器技術(shù)，這樣才能夠?qū)崟r(shí)獲取外界信息，通過(guò)對(duì)這些信息的判斷來(lái)做出模仿人類反應(yīng)的活動(dòng)。例如機(jī)器人在移動(dòng)過(guò)程中，要通過(guò)采集視頻信號(hào)來(lái)判斷前方是否具有障礙物，這樣才能夠重新規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的移動(dòng)軌跡，繞過(guò)障礙物。并且機(jī)器人需要裝備電池組，這些電池組的剩余電量都要能夠被系統(tǒng)獲取到，在剩余電量達(dá)到警戒值時(shí)，就需要觸發(fā)報(bào)警，以便提醒控制者在合理的時(shí)間內(nèi)結(jié)束機(jī)器人的活動(dòng)，或者是機(jī)器人自行移動(dòng)到充電區(qū)域完成充電過(guò)程。這一過(guò)程中都需要使用到傳感器技術(shù)，否則無(wú)法獲取到這些實(shí)時(shí)信號(hào)。目前，觸覺(jué)傳感器、超聲波傳感器、光敏傳感器等都是機(jī)器人、無(wú)人機(jī)使用比較常見(jiàn)的傳感器技術(shù)，性能已經(jīng)日趨穩(wěn)定。

2.4汽車領(lǐng)域

汽車已經(jīng)逐漸走入千家萬(wàn)戶，成為了十分常見(jiàn)的家用品。在很多汽車車身上都裝備了眾多高精度的傳感器，例如使用雷達(dá)測(cè)距，這樣在車輛運(yùn)動(dòng)過(guò)程中就能夠得知車輛與障礙物的距離，一旦距離達(dá)到警戒范圍內(nèi)，就立即觸發(fā)報(bào)警，避免駕駛員繼續(xù)操作，引發(fā)碰撞。車輛的油量、行駛速度、車內(nèi)外溫度都能實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，這都需要這些傳感器技術(shù)具備足夠的抗干擾能力，即使在惡劣的環(huán)境下仍然能夠獲取到正確的信息，具備較高的可靠性和穩(wěn)定性。一般來(lái)說(shuō)，壓力傳感器、曲軸位置傳感器、吸氣及冷卻水溫度傳感器都是整車性能中十分重要的環(huán)節(jié)。提高這些領(lǐng)域的傳感器技術(shù)，有利于提高燃油經(jīng)濟(jì)性以及車輛行駛的安全性，車輛駕駛員也能夠有效地減輕駕駛疲勞感。此外，傳感器技術(shù)在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用需要根據(jù)不同的場(chǎng)合來(lái)選擇不同標(biāo)準(zhǔn)的傳感器模塊，在確保性能達(dá)標(biāo)的情況下，盡量降低傳感器模塊使用的成本，提高經(jīng)濟(jì)性。

3.傳感器技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向

目前國(guó)內(nèi)傳感器技術(shù)已經(jīng)取得了較大的突破，也已經(jīng)開(kāi)始逐步走向工業(yè)化應(yīng)用。但總體來(lái)說(shuō)，由于材料技術(shù)的限制，目前應(yīng)用在高精度傳感器中的特殊材料研究成果還比較匱乏，并且可靠性也達(dá)不到預(yù)期。這樣就使得國(guó)內(nèi)傳感器技術(shù)相對(duì)比較落后，在一些要求比較高的場(chǎng)合下，仍然需要大量進(jìn)口。傳感器技術(shù)可以視為機(jī)電一體化系統(tǒng)的感官，如果不能夠?qū)Ρ豢貙?duì)象的參數(shù)進(jìn)行精確獲取，也就不能達(dá)到較高的控制要求。

3.1提高探測(cè)精度

從未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)看來(lái)，還可以進(jìn)一步提高傳感器的探測(cè)精度。這都得益于微電子技術(shù)和材料技術(shù)的發(fā)展，這樣才能夠通過(guò)這些模塊來(lái)將需要采集的信息更加真實(shí)的反應(yīng)出來(lái)，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便機(jī)電一體化系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行控制。在航空航天等領(lǐng)域中，傳感器技術(shù)要求十分高，必須要嚴(yán)格確保不出現(xiàn)任何失誤，否則就有可能帶來(lái)十分嚴(yán)重的后果。

3.2實(shí)現(xiàn)智能化控制

智能控制理念已經(jīng)被工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛接受，在未來(lái)的發(fā)展進(jìn)程中，傳感器技術(shù)將進(jìn)一步朝著更加智能化的方向發(fā)展。將傳感器技術(shù)采集獲取到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)精確的數(shù)字信號(hào)傳輸和控制，結(jié)合一些智能控制算法的應(yīng)用，能夠?qū)Λ@取到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾，將一些干擾信號(hào)除去，避免這些干擾信號(hào)構(gòu)成對(duì)信號(hào)處理結(jié)果的影響。

3.3控制傳感器模塊的體積

相對(duì)于日益精細(xì)化的機(jī)電一體化系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一部分傳感器模塊的體積還需要進(jìn)一步縮小。通過(guò)降低傳感器模塊的體積，也能夠使得一部分便攜式機(jī)電一體化系統(tǒng)能夠更加容易攜帶，提高應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。但仍然應(yīng)當(dāng)以性能為主，要確保傳感器模塊性能優(yōu)異。

4.結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)傳感器技術(shù)在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。由于傳感器技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，也將會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)機(jī)電一體化系統(tǒng)的發(fā)展，創(chuàng)造更大的應(yīng)用空間。傳感器技術(shù)還需要不斷的提高精度，擁有更高的可靠性以及穩(wěn)定性，以此來(lái)滿足越來(lái)越多行業(yè)的需求。我國(guó)也需要進(jìn)一步加大傳感器技術(shù)以及智能機(jī)電一體化系統(tǒng)的研究投入，這樣才能在國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中獲得優(yōu)勢(shì)地位，解決更多生產(chǎn)實(shí)踐問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1]高文博.機(jī)電自動(dòng)化中傳感器技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2020（07）：40-41.

[2]王宇豪，周楊.物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用研究[J].中國(guó)管理信息化，2020，23（04）：187-188.

[3]袁卯生.機(jī)電一體化中傳感器與檢測(cè)技術(shù)的運(yùn)用探討[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019（21）：257-258.

[4]郭露.機(jī)電一體化技術(shù)在智能制造中的實(shí)踐分析[J].建材與裝飾，2019（24）：216-217.