傳感器技術(shù)在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

薛林

（廣東省技師學(xué)院，廣東惠州，516100）

0 引言

機(jī)電一體化系統(tǒng)中使用了大量的傳感器來(lái)感知周圍的情況，保證對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行作出精確的控制。因此，傳感器技術(shù)的提升能夠推動(dòng)機(jī)電一體化系統(tǒng)的各項(xiàng)工作水平的提升，對(duì)提升系統(tǒng)的工作質(zhì)量和效率有著十分重要的意義。

1 傳感器技術(shù)概述

■1.1 傳感器的構(gòu)成和基本原理

傳感器能夠?qū)ν饨绲淖兓龀龈兄?，并且將信息按照一定的?guī)律轉(zhuǎn)化成可以遠(yuǎn)距離傳播的信號(hào)，是一種重要的測(cè)量裝置。傳感器對(duì)信息的轉(zhuǎn)化形式主要為電信號(hào)，也可以是其他形式的信號(hào)[1]。其測(cè)量的關(guān)鍵是敏感元件，敏感元件可以接受物體或周圍環(huán)境在物理、化學(xué)、生物效應(yīng)的改變，將其轉(zhuǎn)化成可傳遞、可利用的信號(hào)。

■1.2 傳感器的分類

由于目前傳感器的使用十分廣泛，因此對(duì)傳感器有很多種分類方法。可以根據(jù)被測(cè)量的物理量不同，將傳感器分為位移傳感器、力學(xué)傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等等；根據(jù)傳感器不同的工作原理，可以將傳感器分為電學(xué)傳感器、磁學(xué)傳感器、光電傳感器和半導(dǎo)體傳感器等等；依據(jù)傳感器的信號(hào)特征也可以將傳感器分為物性傳感器、結(jié)構(gòu)性傳感器；根據(jù)敏感元件和被測(cè)對(duì)象之間的能量關(guān)系，也可以將傳感器分為轉(zhuǎn)換性傳感器和能量控制性傳感器；根據(jù)信號(hào)的輸出方式進(jìn)行分類，傳感器可以分為模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器等。

2 機(jī)電一體化概述

機(jī)電一體化是指在機(jī)械的主要功能、動(dòng)力功能、控制功能和信息功能上使用微電子技術(shù)，將機(jī)電的不同功能利用電子硬件和電腦軟件整合，構(gòu)成一個(gè)一體化的系統(tǒng)。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，機(jī)電一體化是機(jī)械、微電子、信息三種不同的技術(shù)交叉得到的產(chǎn)物，會(huì)利用機(jī)械技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、檢測(cè)傳感器技術(shù)等等，是一個(gè)由多個(gè)不同學(xué)科交叉而形成高技術(shù)集成性領(lǐng)域。依靠著電子技術(shù)的高速發(fā)展，很多微處理器、微電腦在機(jī)電各種領(lǐng)域中都得到了廣泛應(yīng)用，促進(jìn)了機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展。生活中的很多物品生產(chǎn)、高級(jí)工業(yè)制造都離不開(kāi)機(jī)電一體化技術(shù)，對(duì)未來(lái)的科學(xué)發(fā)展有著十分重要的作用。

3 機(jī)電一體化中的傳感器

機(jī)電一體化設(shè)備會(huì)利用傳感器對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部情況進(jìn)行檢測(cè)，并發(fā)出控制指令，因此傳感器在機(jī)電一體化中有著重要的作用，傳感器的精度，一定程度上決定了設(shè)備的精度和工作效率。傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中承擔(dān)提升轉(zhuǎn)換系統(tǒng)性能、提升機(jī)電一體化系統(tǒng)工作精度、保證信號(hào)傳輸準(zhǔn)確率等重要的任務(wù)，所以傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中有著十分重要的意義。在傳感器被廣泛應(yīng)用的情況下，工作人員也能做到時(shí)刻對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)有保持充分的了解，保證相關(guān)技術(shù)人員可以對(duì)機(jī)電設(shè)備工作狀態(tài)做出調(diào)整，提升對(duì)設(shè)備的利用率和保證系統(tǒng)的使用壽命，具有較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和保障作用[2]。所以，傳感器是機(jī)電一體化系統(tǒng)的神經(jīng)，可以讓機(jī)電一體化系統(tǒng)獲得信息，保證工作的準(zhǔn)確性和效率，對(duì)于提升機(jī)電一體化設(shè)備的技術(shù)水平有著決定性的作用。

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

目前，傳感器已經(jīng)在機(jī)電一體化系統(tǒng)中獲得了十分廣泛的應(yīng)用，各種設(shè)備都需要有傳感器才能正常工作。由于機(jī)電一體化有很多的不同領(lǐng)域，對(duì)傳感器的需求也會(huì)有明顯的不同，無(wú)論是傳感器的功能、測(cè)量數(shù)據(jù)的種類都會(huì)有較大的差別，所以在不同機(jī)電一體化系統(tǒng)中，傳感器的應(yīng)用方式會(huì)有明顯的差異。

■4.1 機(jī)械加工領(lǐng)域傳感器的應(yīng)用

機(jī)電一體化系統(tǒng)的重要應(yīng)用方向就是機(jī)械加工領(lǐng)域，普遍使用了傳感器。因?yàn)闄C(jī)械的加工零件會(huì)不斷位移、偏轉(zhuǎn)，傳感器將會(huì)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，獲得真實(shí)的物理數(shù)據(jù)，以保證零件的切割精度。同時(shí)，使用傳感器對(duì)零件的加工過(guò)程可以作出更主動(dòng)的控制，能主動(dòng)改變參數(shù)來(lái)確保機(jī)械加工的準(zhǔn)確性和有效性。很多傳感器會(huì)將切割元件過(guò)程中的數(shù)值轉(zhuǎn)化成電信號(hào)發(fā)送到中心計(jì)算機(jī)，技術(shù)人員就可以對(duì)機(jī)械加工設(shè)備進(jìn)行遙控，以保證機(jī)械加工工作的效率和質(zhì)量[3]。而且，通過(guò)使用傳感器讓系統(tǒng)的運(yùn)行效率有了明顯的提升，全面提升了機(jī)械加工工作的效益。

■4.2 數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域的傳感器技術(shù)

數(shù)控機(jī)床是進(jìn)行機(jī)械生產(chǎn)、機(jī)械加工的重要技術(shù)設(shè)備，也是目前機(jī)電一體化系統(tǒng)應(yīng)用的主要方向。由于傳感器技術(shù)在數(shù)控機(jī)床中逐漸普及，數(shù)控機(jī)床的性能相比過(guò)去有了明顯提升，并且滿足了很多全新的技術(shù)要求。在數(shù)控機(jī)床中，通過(guò)使用傳感器可以讓技術(shù)人員能選擇最合適的控制策略，確保數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行精度。而且數(shù)控機(jī)床也因?yàn)閭鞲衅鞯陌l(fā)展朝著小體積、高精度的方向發(fā)展，可以對(duì)批量生產(chǎn)時(shí)刻保持檢測(cè)，讓零件的生產(chǎn)效率和質(zhì)量都得到了極大幅度的提升。由于數(shù)控機(jī)床在工作中必然會(huì)釋放大量的熱能，導(dǎo)致周圍的溫度發(fā)生轉(zhuǎn)變，即便是比較微小的溫度變化，都會(huì)導(dǎo)致較大的精度變化。所以，在機(jī)床工作過(guò)程中需要用傳感器時(shí)刻監(jiān)控周圍的溫度，并利用溫度數(shù)據(jù)確定溫度控制策略，降低周圍溫度的起伏，確保零件加工的總體質(zhì)量。另一方面，數(shù)控機(jī)床在加工過(guò)程中需要對(duì)零部件夾緊，但是如果施加的力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致零部件損壞，力度過(guò)小則會(huì)導(dǎo)致零件在加工時(shí)發(fā)生位移，導(dǎo)致零件報(bào)廢，降低零件加工的效率和水平；同時(shí)，不合理的力度控制也會(huì)導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床的磨損，導(dǎo)致機(jī)床使用壽命縮短。因此，必須要有傳感器時(shí)刻分析零部件的受力情況，并依靠智能技術(shù)來(lái)對(duì)加緊力度進(jìn)行控制和調(diào)整，從而有效地控制加工精度。通過(guò)使用這種方法，可以保證機(jī)床零件加工的質(zhì)量穩(wěn)定性，防止加工過(guò)程中出現(xiàn)誤差，而且可以選擇到最合適的切削角度和力度，維持機(jī)床工作的最佳功率。例如根據(jù)零件受力的變化，來(lái)對(duì)切削的扭矩作出調(diào)整，就能獲得最合理的切削質(zhì)量和效率。

■4.3 工業(yè)機(jī)器人

在技術(shù)進(jìn)步的背景下，大量的工業(yè)機(jī)器人都被應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中。工業(yè)機(jī)器人可以有效地代替一部分人工的操作，并且克服生產(chǎn)過(guò)程中的惡劣環(huán)境，從而降低工業(yè)生產(chǎn)的成本，從而有效提升工業(yè)的加工效率和質(zhì)量。同時(shí)，工業(yè)機(jī)器人能夠解決工人在工作過(guò)程中存在的疲勞問(wèn)題，減少因?yàn)槿藶橐蛩厮鶎?dǎo)致的誤差率和失誤率，保證工業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量和效率。而為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的這些功能，就需要利用傳感器讓工業(yè)機(jī)器人能對(duì)周圍的情況、零部件的加工狀態(tài)做出感知，自動(dòng)地對(duì)零部件加工的位置、加工工藝做出微調(diào)，保證機(jī)器人工作的效率和有效性。所以，傳感器就是機(jī)器人的感官系統(tǒng)，可以有效識(shí)別周邊的情況，機(jī)器人會(huì)利用傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行自主調(diào)整，技術(shù)人員也能在工業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程中監(jiān)控機(jī)器人的狀態(tài)，并且結(jié)合實(shí)際工作需要做好調(diào)整。

■4.4 無(wú)人駕駛中的傳感器應(yīng)用

無(wú)人駕駛是目前機(jī)電一體化的重要發(fā)展方向，隨著技術(shù)的發(fā)展，人類正在不斷接近無(wú)人駕駛的目標(biāo)。很多技術(shù)人員都在很早以前就開(kāi)始了相關(guān)研究，而傳感器技術(shù)一直都是無(wú)人駕駛技術(shù)實(shí)現(xiàn)的重要支撐。目前，特斯拉等汽車廠家已經(jīng)推出了無(wú)人駕駛系統(tǒng)，有很高的實(shí)用價(jià)值，但是由于人工智能技術(shù)還不能滿足使用要求，以及無(wú)人駕駛的舒適性也存在不足，導(dǎo)致目前在車流和人流較多的位置，無(wú)人駕駛技術(shù)還并不能達(dá)到安全駕駛要求。為了增加無(wú)人駕駛技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景，就需要升級(jí)無(wú)人駕駛車輛的傳感器，使其能夠?qū)χ車那闆r做出精準(zhǔn)的感知，然后依靠智能技術(shù)，推動(dòng)無(wú)人駕駛技術(shù)的人性化[4]。在汽車的倒車系統(tǒng)當(dāng)中，就利用了聲波傳感器對(duì)車輛后方的情況作出識(shí)別，可以對(duì)車輛后方物體和車輛的距離進(jìn)行測(cè)量，并且將其報(bào)告給車主，以及在危急時(shí)刻自動(dòng)完成制動(dòng)，有效提升車輛操作的安全性和準(zhǔn)確性。傳感器目前已經(jīng)可以適應(yīng)無(wú)人駕駛技術(shù)的要求，能夠時(shí)刻判斷車輛周圍的情況，對(duì)快速靠近的物體、行人作出識(shí)別，可以保證車輛規(guī)避操作的有效性，全面提升車輛行駛安全。

5 機(jī)電一體化系統(tǒng)中傳感器的發(fā)展趨勢(shì)

目前機(jī)電一體化系統(tǒng)和傳感器正處在快速發(fā)展的階段，尤其是傳感器性能的提升，對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)性能提升有著十分重要的意義。目前，很多新型的光電技術(shù)和微電子技術(shù)在覆蓋面積和反應(yīng)速度上都已經(jīng)超出了工作效率的需求，給機(jī)電一體化技術(shù)性能提升創(chuàng)造了巨大的空間，使機(jī)電一體化系統(tǒng)不斷的更新和完善。

6 結(jié)束語(yǔ)

傳感器技術(shù)在機(jī)電一體化系統(tǒng)中有著重要的作用，是機(jī)電一體化系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。目前，傳感器系統(tǒng)的不斷更新和研發(fā)，能夠提升和完善機(jī)電一體化系統(tǒng)的性能，滿足行業(yè)的發(fā)展，推動(dòng)工業(yè)現(xiàn)代化水平的提升。