論檢測傳感技術在機電一體化中現狀、應用及其發展

林云峰

LIN Yun-feng

（麗水學院 機械系，麗水 323000）

0 引言

在機電一體化系統中，傳感器的作用相當于系統的感覺器官，即從待測對象那里獲取能反映待測對象特征和狀態的信號。檢測傳感技術的內容，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）轉換成與之成比例的電量；二是研究對轉換的電信號的加工處理，如放大、補償、標度變換等等。

機電一體化系統要求，檢測傳感裝置能快速、精確、可靠地獲取信息，并價格低廉。但是，目前檢測傳感技術的發展還難以滿足控制系統的要求。不少機電一體化系統不能達到滿意的效果，或無法達到設計要求的關鍵原因，在于沒有合適的傳感器。因此檢測傳感技術是機電一體化系統中的關鍵技術。

1 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照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、作業環境的狀態，為有效地控制機電一體化系統的運作提供必須的相關信息。21世紀人類將全面進入信息電子化時代，隨著人類探知領域和空間的拓展，電子信息種類的日益繁多，信息傳遞的速度日益加快，信息處理能力日益增強，相應的信息采集——傳感技術也將日益發展，進而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了一股“傳感器熱”，各先進工業國都極為重視傳感技術和傳感器的研究、開發和生產。傳感技術已經成為重要的現代科技領域，而傳感器及其系統的生產已成為重要的新興行業?，F在，全世界傳感器市場的銷售總額已超過200億美元，并以80%的年增長率向前發展，其產品品種突破2萬種。它們被廣泛地應用于鋼鐵、能源、交通、機械制造、通信、化工、汽車、家電、金融、商業和農業等行業。我國在“八五”期間已把傳感器技術列入國家重點攻關計劃及中長期科技發展重點新技術之一，在本世紀已跨入高速發展時期，并不失時機地開發新產品，使之成為國民經濟新的增長點。

2 傳感器在機電一體化系統中的應用

作為機電一體化的基本支撐技術，檢測傳感技術就像神經和感官一樣，廣泛應用于各種機電一體化產品之中，源源不斷地提供種種信息，以便機電一體化系統能高精度地完成自動控制和自動調節功能。

2.1 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。

通常微動開關、光電開關、電渦流等傳感器安裝在機器人的每個關節上進行零位和極限位置的檢測，前者保證機器人的重復定位精度和軌跡精度，后者則起保護機器人和安全動作的作用。

2.2 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。對于機床的運行而言，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。粗略地說，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（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。因此，現代制造領域對刀具與砂輪的失效監視的研究開發由來已久。

2.3 汽車自動控制系統中的傳感技術

隨著傳感器技術和其他新技術的應用，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應用到汽車全身。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。

3 我國傳感器技術發展的若干問題

傳感器技術是實現自動控制、自動調節的關鍵環節，也是機電一體化系統不可缺少的關鍵技術之一，其水平的高低，在很大程度上影響和決定著系統的功能；其水平越高，系統的自動化程度就越高。在一套完整的機電一體化系統中，如果不能利用傳感檢測技術對被控對象的各項參數進行及時準確地檢測并轉換成易于傳送和處理的信號，我們所需要的用于系統控制的信息就無法獲得，進而使整個系統就無法正常有效的工作。

我國傳感器的研究，始于20世紀80年代，主要集中在專業研究所和大學，與國外先進技術相比，還還有較大差距。主要表現在：

1）我國傳感器的產業結構，存在著企業分散、實力不強、市場開拓不力等問題。我國從事傳感器研究和生產的單位約1 300家，居世界第一，但真正形成一定規模的卻寥寥無幾。多數企業是低水平的重復，處在生產的初級階段。

2）傳感器屬于多學科交叉、技術密集的高技術產品，其技術水平決定于科學研究的水平。而我國在傳感器研究方面科研投資強度偏低，科研設備落后，加之我國存在科研和生產脫節的現象，所以影響了傳感器科研成果的轉化，造成了我國傳感器產品綜合實力較低，阻礙了傳感器產業的發展。世界傳感器的種類約有2萬多種，而我國經過“八五”、“九五”的發展，目前也僅有3 000多種，尚有大量品種需要開發。

3）我國傳感器產品的技術水平與國外有較大差距，主要是長期穩定性和可靠性較差，限制了其應用領域和產業的發展。

4 傳感器技術發展趨勢

雖然我國傳感器產業的現狀還不能適應國民經濟發展的需要，產品技術水平與國外相比還有較大差距，但是從統一市場的觀點看，我國具有傳感器的廣闊市場，所以我國傳感器產業發展的前途還是光明的。因此，必須加強技術研究和引進先進設備，以提高整體水平。傳感器技術今后的發展趨勢，主要表現在以下方面：

1）加速開發新型敏感材料。通過微電子、光電子、生物化學、信息處理等各種學科，各種新技術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傳感器。

2）應用新技術和新的物理效應，擴大檢測領域的應用。檢測原理大多以各種物理效應為基礎。近代物理學的發展，對仿生學的研究、仿造生物的感覺功能的新型傳感器的開發應用，使得傳感器技術的應用領域更廣闊。如今的檢測領域，正向著社會需要各方面擴展，不僅用于工業部門，而且也涉及到工程、海洋開發、宇宙航行等尖端科學技術和新興工業領域，生物、醫療、環境污染監測、危險品和毒品的偵察、安全監測方面，同時也滲透到人類的日常生活當中。

3）向高精度發展，研制出靈敏度高、精確度高、響應速度快、互換性好的新型傳感器，以確保生產自動化的可靠性。近年來，隨著科學技術的不斷發展，要求靈敏度、精確度和穩定性等盡可能的高。例如超精度的在線檢測，要求＜0.1μm。對傳感器可靠性故障率的數學模型和計算方法的研究，大大提高檢測系統的可靠性。

4）向智能化數字化發展。隨著現代化的發展，傳感器的功能已突破傳統的功能，其輸出不再是一個單一的模擬信號（如0～10 mV），而是經過微電腦處理好后的數字信號，有的甚至帶有控制功能，即智能傳感器。

5 結束語

總之，在機電一體化系統中，無論是機械電子化產品（如數控機床），還是機電相互融合的高級產品（如機器人），都離不開檢測與傳感器這個重要環節。檢測傳感技術的不斷發展是為了適應國民經濟發展的需求，取得的進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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