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淺析機(jī)電一體化中的檢測(cè)傳感技術(shù)
在機(jī)電一體化系統(tǒng)中,傳感器的作用相當(dāng)于系統(tǒng)的感覺(jué)器官, 即從待測(cè)對(duì)象那里獲取能反映待測(cè)對(duì)象特征和狀態(tài)的信號(hào)。檢測(cè)傳感技術(shù)的內(nèi)容，一是研究如何將各種物理量（如位置、位移、速度、加速度、力、溫度、壓力、流量、成分等等）轉(zhuǎn)換成與之成比例的電量；二是研究對(duì)轉(zhuǎn)換的電信號(hào)的加工處理，如放大、補(bǔ)償、標(biāo)度變換等等。
機(jī)電一體化系統(tǒng)要求，檢測(cè)傳感裝置能快速、精確、可靠地獲取信息，并價(jià)格低廉。但是，目前檢測(cè)傳感技術(shù)的發(fā)展還難以滿足控制系統(tǒng)的要求。不少機(jī)電一體化系統(tǒng)不能達(dá)到滿意的效果，或無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求的關(guān)鍵原因，在于沒(méi)有合適的傳感器。因此檢測(cè)傳感技術(shù)是機(jī)電一體化系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。
1 傳感器的研究現(xiàn)狀與發(fā)展
人類(lèi)對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)和改造總是以檢測(cè)工作作為基礎(chǔ)的，隨著人類(lèi)探知領(lǐng)域和空間的拓展,電子信息種類(lèi)日益繁多,信息傳遞速度日益加快, 信息處理能力日益增強(qiáng), 作為現(xiàn)代信息技術(shù)的三大核心技術(shù)之一的檢測(cè)傳感技術(shù)發(fā)展迅速，滲透到各行各業(yè)，方方面面，促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型和社會(huì)發(fā)展，直接影響著人類(lèi)文明發(fā)展和進(jìn)步。
檢測(cè)傳感技術(shù)的發(fā)展同時(shí)也引起了各國(guó)為發(fā)展傳感器技術(shù)的激烈競(jìng)爭(zhēng)，從20 世紀(jì)80 年代起,逐步在世界范圍內(nèi)掀起一股“傳感器熱”, 世界各國(guó)都把檢測(cè)傳感技術(shù)作為在高新技術(shù)發(fā)展方面爭(zhēng)奪的一個(gè)重要領(lǐng)域，極為重視檢測(cè)傳感技術(shù)和傳感器研究、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)。檢測(cè)傳感技術(shù)已成為重要的現(xiàn)代科技領(lǐng)域,傳感器及其系統(tǒng)生產(chǎn)已成為重要的新興行業(yè)。
2 傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用
作為機(jī)電一體化的基本支撐技術(shù)，檢測(cè)傳感技術(shù)就像神經(jīng)和感官一樣，廣泛應(yīng)用于各種機(jī)電一體化產(chǎn)品之中，源源不斷地提供種種信息,以便機(jī)電一體化系統(tǒng)能高精度地完成自動(dòng)控制和自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。
2.1 機(jī)器人用傳感器
工業(yè)機(jī)器人之所以能夠準(zhǔn)確操作,是因?yàn)樗軌蛲ㄟ^(guò)各種傳感器來(lái)準(zhǔn)確感知自身、操作對(duì)象及作業(yè)環(huán)境的狀態(tài),包括:其自身狀態(tài)信息的獲取通過(guò)內(nèi)部傳感器(位置、位移、速度、加速度等)來(lái)完成,操作對(duì)象與外部環(huán)境的感知通過(guò)外部傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn),這個(gè)過(guò)程非常重要,足以為機(jī)器人控制提供反饋信息。
2.2 機(jī)械加工過(guò)程的傳感檢測(cè)技術(shù)
�。�1）切削過(guò)程和機(jī)床運(yùn)行過(guò)程的傳感技術(shù)。切削過(guò)程傳感檢測(cè)的目的，在于優(yōu)化切削過(guò)程的生產(chǎn)率、制造成本或(金屬)材料的切除率等。切削過(guò)程傳感檢測(cè)的目標(biāo)，有切削過(guò)程的切削力及其變化、切削過(guò)程顫震、刀具與工件的接觸和切削時(shí)切屑的狀態(tài)及切削過(guò)程辨識(shí)等，而最重要的傳感參數(shù)有切削力、切削過(guò)程振動(dòng)、切削過(guò)程聲發(fā)射、切削過(guò)程電機(jī)的功率等。對(duì)于機(jī)床的運(yùn)行而言，主要的傳感檢測(cè)目標(biāo)有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、軸承與回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、溫度的監(jiān)測(cè)與控制及安全性等，其傳感參數(shù)有機(jī)床的故障停機(jī)時(shí)間、被加工件的表面粗糙度和加工精度、功率、機(jī)床狀態(tài)與冷卻潤(rùn)滑液的流量等。
�。�2）工件的過(guò)程傳感。與刀具和機(jī)床的過(guò)程監(jiān)視技術(shù)相比，工件的過(guò)程監(jiān)視是研究和應(yīng)用最早、最多的。它們多數(shù)以工件加工質(zhì)量控制為目標(biāo)。20 世紀(jì)80 年代以來(lái)，工件識(shí)別和工件安裝位姿監(jiān)視要求，也提到日程上來(lái)。粗略地說(shuō)，工序識(shí)別，是為辨識(shí)所執(zhí)行的加工工序是否是工(零)件加工要求的工序；工件識(shí)別，是辨識(shí)送入機(jī)床待加工的工件或毛坯是否是要求加工的工件或毛坯，同時(shí)還要求辨識(shí)工件安裝的位姿，是否是工藝規(guī)程要求的位姿。此外，還可以利用工件識(shí)別和工件安裝監(jiān)視傳感待加工毛坯或工件的加工裕量和表面缺陷。完成這些識(shí)別與監(jiān)視，將采用或開(kāi)發(fā)許多傳感器，如基于TV 或CCD 的機(jī)器視覺(jué)傳感器、激光表面粗糙度傳感系統(tǒng)等。
（3）刀具(砂輪)的檢測(cè)傳感。切削與磨削過(guò)程是重要的材料切除過(guò)程。刀具與砂輪磨損到一定限度(按磨鈍標(biāo)準(zhǔn)判定)，或出現(xiàn)破損(破損、崩刃、燒傷、塑變或卷刀的總稱(chēng))，使它們失去切(磨)削能力或無(wú)法保證加工精度和加工表面完整性時(shí)，稱(chēng)為刀具/ 砂輪失效。工業(yè)統(tǒng)計(jì)證明，刀具失效是引起機(jī)床故障停機(jī)的首要因素，由其引起的停機(jī)時(shí)間占NC 類(lèi)機(jī)床的總停機(jī)時(shí)間的1/5～1/3。此外，它還可能引發(fā)設(shè)備或人身安全事故，甚至是重大事故。
2.3 汽車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)中的傳感技術(shù)
隨著傳感器技術(shù)和其他新技術(shù)的應(yīng)用，現(xiàn)代化汽車(chē)工業(yè)進(jìn)入了全新時(shí)期。汽車(chē)的機(jī)電一體化要求，用自動(dòng)控制系統(tǒng)取代純機(jī)械式控制部件，這不僅體現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)上，為更全面地改善汽車(chē)性能，增加人性化服務(wù)功能，降低油耗，減少排氣污染，提高行駛安全性、可靠性、操作方便和舒適性，先進(jìn)的檢測(cè)和控制技術(shù)已擴(kuò)大應(yīng)用到汽車(chē)全身。在其所有重點(diǎn)控制系統(tǒng)中，必不可少地使用曲軸位置傳感器、吸氣及冷卻水溫度傳感器、壓力傳感器、氣敏傳感器等各種傳感器。
3 我國(guó)傳感器技術(shù)發(fā)展的若干問(wèn)題
傳感器技術(shù)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、自動(dòng)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是機(jī)電一體化系統(tǒng)不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)之一，其水平的高低，在很大程度上影響和決定著系統(tǒng)的功能；其水平越高，系統(tǒng)的自動(dòng)化程度就越高。在一套完整的機(jī)電一體化系統(tǒng)中，如果不能利用傳感檢測(cè)技術(shù)對(duì)被控對(duì)象的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)并轉(zhuǎn)換成易于傳送和處理的信號(hào)，我們所需要的用于系統(tǒng)控制的信息就無(wú)法獲得，進(jìn)而使整個(gè)系統(tǒng)就無(wú)法正常有效的工作。
3.1 與國(guó)外的差距
我國(guó)傳感器的研究，始于20 世紀(jì)80 年代，主要集中在專(zhuān)業(yè)研究所和大學(xué)，與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)相比，還還有較大差距。主要表現(xiàn)在：
（1）我國(guó)傳感器的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，存在著企業(yè)分散、實(shí)力不強(qiáng)、市場(chǎng)開(kāi)拓不力等問(wèn)題。我國(guó)從事傳感器研究和生產(chǎn)的單位約1 300 家，居世界第一，但真正形成一定規(guī)模的卻寥寥無(wú)幾。
多數(shù)企業(yè)是低水平的重復(fù)，處在生產(chǎn)的初級(jí)階段。
�。�2）傳感器屬于多學(xué)科交叉、技術(shù)密集的高技術(shù)產(chǎn)品，其技術(shù)水平?jīng)Q定于科學(xué)研究的水平。而我國(guó)在傳感器研究方面科研投資強(qiáng)度偏低，科研設(shè)備落后，加之我國(guó)存在科研和生產(chǎn)脫節(jié)的現(xiàn)象，所以影響了傳感器科研成果的轉(zhuǎn)化，造成了我國(guó)傳感器產(chǎn)品綜合實(shí)力較低，阻礙了傳感器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。世界傳感器的種類(lèi)約有2 萬(wàn)多種，而我國(guó)經(jīng)過(guò)“八五”、“九五”的發(fā)展，目前也僅有3 000 多種，尚有大量品種需要開(kāi)發(fā)。
�。�3）我國(guó)傳感器產(chǎn)品的技術(shù)水平與國(guó)外有較大差距，主要是長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性較差，限制了其應(yīng)用領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
3.2 今后的發(fā)展趨勢(shì)
雖然我國(guó)傳感器產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀還不能適應(yīng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，產(chǎn)品技術(shù)水平與國(guó)外相比還有較大差距，但是從統(tǒng)一市場(chǎng)的觀點(diǎn)看，我國(guó)具有傳感器的廣闊市場(chǎng)，所以我國(guó)傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前途還是光明的。因此，必須加強(qiáng)技術(shù)研究和引進(jìn)先進(jìn)設(shè)備，以提高整體水平。傳感器技術(shù)今后的發(fā)展趨勢(shì)，主要表現(xiàn)在以下方面：
�。�1）加速開(kāi)發(fā)新型敏感材料。通過(guò)微電子、光電子、生物化學(xué)、信息處理等各種學(xué)科，各種新技術(shù)的互相滲透和綜合利用，可望研制出一批基于新型敏感材料的先進(jìn)傳感器。
�。�2）應(yīng)用新技術(shù)和新的物理效應(yīng)，擴(kuò)大檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用。檢測(cè)原理大多以各種物理效應(yīng)為基礎(chǔ)。近代物理學(xué)的發(fā)展，對(duì)仿生學(xué)的研究、仿造生物的感覺(jué)功能的新型傳感器的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，使得傳感器技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域更廣闊。如今的檢測(cè)領(lǐng)域，正向著社會(huì)需要各方面擴(kuò)展，不僅用于工業(yè)部門(mén)，而且也涉及到工程、海洋開(kāi)發(fā)、宇宙航行等尖端科學(xué)技術(shù)和新興工業(yè)領(lǐng)域，生物、醫(yī)療、環(huán)境污染監(jiān)測(cè)、危險(xiǎn)品和毒品的偵察、安全監(jiān)測(cè)方面，同時(shí)也滲透到人類(lèi)的日常生活當(dāng)中。
（3）向高精度發(fā)展，研制出靈敏度高、精確度高、響應(yīng)速度快、互換性好的新型傳感器，以確保生產(chǎn)自動(dòng)化的可靠性。近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，要求靈敏度、精確度和穩(wěn)定性等盡可能的高。例如超精度的在線檢測(cè)，要求＜ 0.1 μm。對(duì)傳感器可靠性故障率的數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法的研究，大大提高檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性。為了使自動(dòng)檢測(cè)裝置適應(yīng)在各種復(fù)雜條件下可靠工作，要求研制的檢測(cè)系統(tǒng)，具有較高的抗干擾能力和適應(yīng)生產(chǎn)要求的較長(zhǎng)的使用壽命。
�。�4）發(fā)展小型化、集成化、多功能化、多維化、智能化和高性能、擴(kuò)大量程范圍的檢測(cè)裝置。隨著半導(dǎo)體材料的研究和新工藝的進(jìn)展，已研制出一批新型半導(dǎo)體傳感器；光刻、擴(kuò)散及各向異性腐蝕等集成電路新工藝，也已滲透到傳感器的制造過(guò)程中，從而使檢測(cè)系統(tǒng)更趨于小型化、集成化、多功能化、多維化及性能更強(qiáng)。
�。�5）向智能化數(shù)字化發(fā)展。隨著現(xiàn)代化的發(fā)展，傳感器的功能已突破傳統(tǒng)的功能，其輸出不再是一個(gè)單一的模擬信號(hào)(如0～10 mV)，而是經(jīng)過(guò)微電腦處理好后的數(shù)字信號(hào)，有的甚至帶有控制功能，即智能傳感器。
4 結(jié)束語(yǔ)
總之，在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，無(wú)論是機(jī)械電子化產(chǎn)品（如數(shù)控機(jī)床），還是機(jī)電相互融合的高級(jí)產(chǎn)品（如機(jī)器人），都離不開(kāi)檢測(cè)與傳感器這個(gè)重要環(huán)節(jié)。檢測(cè)傳感技術(shù)的不斷發(fā)展是為了適應(yīng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，取得的進(jìn)展也是十分引人矚目的，今后必將有更輝煌的飛躍。
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