傳感器在檢測系統中的應用

摘 要: 文章概述了傳感器研究現狀與發展，探討了傳感器在機電一體化產品中的應用，并分析了檢測技術的發展與展望。

關鍵詞: 檢測系統 機電一體化系統 傳感器技術

檢測系統是機電一體化產品中的一個重要組成部分，用于實現計測功能。在機電一體化產品中，傳感器處系統之首，其作用相當于系統的感受器官，用于檢測有關外界環境及自身狀態的各種物理量(如力、溫度、距離、變形、位置、功率等)及其變化，并將這些信號轉換成電信號，然后通過相應的變換、放大、調制與解調、濾波、運算等電路將有用的信號檢測出來，反饋給控制裝置或送去顯示。實現上述功能的傳感器及相應的信號檢測與處理電路，就構成了機電一體化產品中的檢測系統。

隨著現代測量、控制與自動化技術的發展，傳感器技術越來越受到人們的重視，應用越來越普遍。凡是應用到傳感器的地方，必然伴隨著相應的檢測系統。尤其是在機電一體化產品中，傳感器及其檢測系統不僅是一個必不可少的組成部分，而且已成為機與電有機結合的一個重要紐帶。

一、傳感器的研究現狀與發展

傳感器是能感受規定的被測量并按一定規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，主要用于檢測機電一體化系統自身與操作對象、作業環境狀態，為有效控制機電一體化系統的運作提供必須的相關信息。隨著人類探知領域和空間的拓展，電子信息種類日益繁多，信息傳遞速度日益加快，信息處理能力日益增強，相應的信息采集——傳感技術將日益發展，傳感器也將無所不在。

從20世紀80年代起，逐步在世界范圍內掀起一股“傳感器熱”，各先進工業國都極為重視傳感技術和傳感器研究、開發和生產。傳感技術已成為重要的現代科技技術，傳感器及其系統生產已成為重要的新興行業。

二、傳感器在機電一體化系統中的應用

傳感器是左右機電一體化系統(或產品)發展的重要技術之一，廣泛應用于各種自動化產品之中。

1.機器人用傳感器

工業機器人之所以能夠準確操作，是因為它能夠通過各種傳感器來準確感知自身、操作對象及作業環境的狀態，包括其自身狀態信息的獲取通過內部傳感器(位置、位移、速度、加速度等)來完成，操作對象與外部環境的感知通過外部傳感器來實現，這個過程非常重要，足以為機器人控制提供反饋信息。

2.機械加工過程的傳感檢測技術

(1)切削過程和機床運行過程的傳感技術。切削過程傳感檢測的目的在于優化切削過程的生產率、制造成本或(金屬)材料的切除率等。切削過程傳感檢測的目標有切削過程的切削力及其變化、切削過程顫震、刀具與工件的接觸和切削時切屑的狀態及切削過程辨識等，而最重要的傳感參數有切削力、切削過程振動、切削過程聲發射、切削過程電機的功率等。對于機床的運行來講，主要的傳感檢測目標有驅動系統、軸承與回轉系統、溫度的監測與控制及安全性等，其傳感參數有機床的故障停機時間、被加工件的表面粗糙度和加工精度、功率、機床狀態與冷卻潤滑液的流量等。

(2)工件的過程傳感。與刀具和機床的過程監視技術相比，工件的過程監視是研究和應用最早、最多的。它們多數以工件加工質量控制為目標。20世紀80年代以來，工件識別和工件安裝位姿監視要求也提到日程上來。粗略地講，工序識別是為辨識所執行的加工工序是否是工(零)件加工要求的工序;工件識別是辨識送入機床待加工的工件或者毛坯是否是要求加工的工件或毛坯，同時還要求辨識工件安裝的位姿是否是工藝規程要求的位姿。此外，還可以利用工件識別和工件安裝監視傳感待加工毛坯或工件的加工裕量和表面缺陷。完成這些識別與監視將采用或開發許多傳感器，如基于TV或CCD的機器視覺傳感器、激光表面粗糙度傳感系統等。

(3)刀具與砂輪的檢測傳感。切削與磨削過程是重要的材料切除過程。刀具與砂輪磨損到一定限度(按磨鈍標準判定)或出現破損(破損、崩刃、燒傷、塑變或卷刀的總稱)，使它們失去切/磨削能力或無法保證加工精度和加工表面完整性時，稱為刀具/砂輪失效。工業統計證明，刀具失效是引起機床故障停機的首要因素，由其引起的停機時間占NC類機床的總停機時間的1/5—1/3。此外，它還可能引發設備或人身安全事故，甚至是重大事故。

3.汽車自動控制系統中的傳感技術

隨著傳感器技術和其它新技術的應用，現代化汽車工業進入了全新時期。汽車的機電一體化要求用自動控制系統取代純機械式控制部件，這不僅僅體現在發動機上，為更全面地改善汽車性能，增加人性化服務功能，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，先進的檢測和控制技術已擴大到汽車全身。在其所有重點控制系統中，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。

三、檢測技術的發展與展望

檢測技術有力地促進了科學技術和生產的發展，而科學技術和生產的現代化，不僅對檢測技術提出了更高的要求，也為檢測技術提供了豐富的物質手段和技術條件，從而促進其不斷發展。目前，檢測技術的發展趨勢可從以下四個方面進行綜述。

1.擴大測量范圍

科學技術的發展要求檢測量的范圍不斷擴大。為了滿足超低溫技術開發的需要，利用超導體的約瑟夫遜效應已開發出能檢測-200℃超低溫傳感器，利用熱電偶測溫最高可達3000℃，輻射溫度傳感器原理上最高可測105℃，這是高溫檢測的新課題。

2.測量精度及可靠性

科學技術的發展對檢測精度的要求也越來越高。仍以溫度檢測為例，一般實用溫度計的測溫精度為±(0.4—4)℃，標準鉑電阻溫度計的精度可達±0.01℃。人體各部位的溫度分布構成溫度場，病變時其變化量最小，需要用精度為±(10-3—10-2)℃的溫度計才能檢測出來。在用于測量微生物的傳感器中，則需要能分辨出小于10-3℃溫差的熱敏元件。

隨著人類探求自然奧秘的范圍不斷擴大，檢測環境變得越來越復雜，對檢測可靠性的要求越來越高。例如科學探測衛星里裝有探測太空的各種參量的檢測裝置，不僅要求體積小、省電，而且要求具有極高的可靠性和工作壽命，需在極低溫和強輻射下保持正常工作。

3.開發檢測的新領域與新技術

隨著人類活動領域的擴大，檢測對象也在擴大。目前，檢測技術向宏觀世界和微觀世界發展。

開發無接觸式檢測技術取代接觸式檢測有著重要的意義。現已開發的無接觸式檢測技術有光、磁、超聲波、同位素和微波等，但目前無接觸式檢測傳感器尚存在檢測精度不高和品類不多等問題，人們正在研究利用新的原理和方法開發新型的無接觸式傳感器。

在大規模集成電路技術和微型計算機技術的支持下，傳感器的發展出現了“多樣、新型、集成、智能”的趨勢。

(1)新型:其含義有三個方面。采用新型敏感材料、新原理、新效應或新工藝。①利用原有的物理和化學效應，根據被測物理量的要求，巧妙地運用于傳感技術。如諧振傳感器近年來已廣泛用于溫度、濕度、氣體和力等參數的測量。②利用集成技術和計算機技術開發的新型傳感器。

(2)集成化:其含義也有三個方面。①將眾多單體敏感元件集成在同一襯底上構成二維圖像的敏感元件，主要用于光和圖像傳感器領域。例如作為工業視覺，電荷耦合器件(CCED)和MOS攝像元件就是典型的例子。②把傳感器與放大、運算及溫度補償等環節集成在一個基片上，如集成壓力傳感器就是將硅膜片、壓阻電橋、放大器和溫度補償電阻集成為一個器件，稱為“熱敏晶閘管器件”。③將兩種或兩種以上敏感元件集成在一起，稱為多功能傳感器。如用MgCr2O4—TiO2陶瓷做成的濕—氣敏元器件。

(3)智能化:由檢測系統固體化和智能化的構成及發展過程可知，固體化和智能化的結果，逐漸模糊了檢測系統和傳感器的界限，智能化傳感器本身就是智能化檢測系統，從而開創了“材料、器件、電路、儀表”一體化的新途徑。

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