傳感器技術在機電一體化中的應用

【摘要】文章概述傳感器研究現(xiàn)狀與發(fā)展，探討傳感器在機電一體化系統(tǒng)中的應用，并分析我國傳感器技術發(fā)展的若干問題及發(fā)展方向。

【關鍵詞】傳感器技術；機電一體化；應用

傳感器是新技術革命和信息社會的重要技術基礎，是現(xiàn)代科技的開路先鋒，美、日、英、法、德和獨聯(lián)體等國都把傳感器技術列為國家重點開發(fā)關鍵技術之一。美國國家長期安全和經濟繁榮至關重要的22項技術中有6項與傳感器信息處理技術直接相關。關于保護美國武器系統(tǒng)質量優(yōu)勢至關重要的關鍵技術，其中8項為無源傳感器。美國空軍2000年舉出15項有助于提高21世紀空軍能力關鍵技術，傳感器技術名列第二。日本對開發(fā)和利用傳感器技術相當重視并列為國家重點發(fā)展6大核心技術之一。日本科學技術廳制定的90年代重點科研項目中有70個重點課題，其中有18項是與傳感器技術密切相關。美國早在80年代初就成立了國家技術小組（BTG），幫助政府組織和領導各大公司與國家企事業(yè)部門的傳感器技術開發(fā)工作。

在機電一體化系統(tǒng)中，傳感器處系統(tǒng)之首，其作用相當于系統(tǒng)感受器官，能快速、精確地獲取信息并能經受嚴酷環(huán)境考驗，是機電一體化系統(tǒng)達到高水平的保證。如缺少這些傳感器對系統(tǒng)狀態(tài)和對信息精確而可靠的自動檢測，系統(tǒng)的信息處理、控制決策等功能就無法談及和實現(xiàn)。

1.傳感器的研究現(xiàn)狀與發(fā)展

傳感器技術是一項當今世界令人矚目的迅猛發(fā)展起來的高新技術之一，也是當代科學技術發(fā)展的一個重要標志，它與通信技術、計算機技術構成信息產業(yè)的三大支柱之一。如果說計算機是人類大腦的擴展，那么傳感器就是人類五官的延伸，當集成電路、計算機技術飛速發(fā)展時，人們才逐步認識信息攝取裝置—傳感器沒有跟上信息技術的發(fā)展而驚呼“大腦發(fā)達、五官不靈”。傳感器開始受到普遍重視，從八十年代起，逐步在世界范圍內掀起了一股“傳感器熱”。美國國防部將傳感器技術視為今年20項關鍵技術之一，德國視軍用傳感器為優(yōu)先發(fā)展技術，正是由于世界各國普遍重視和投入開發(fā)，傳感器發(fā)展十分迅速，在近十幾年來其產量及市場需求年增長率均在10%以上。

英特爾公司于當?shù)貢r間本周三宣布，它已經發(fā)明了一種絕緣晶體管的突破性新方法，解決了半導體產業(yè)面臨的最基本問題之一：在減少電能損耗和發(fā)熱量的同時使計算機芯片越來越小。

隨著半導體廠商在芯片中“塞入”的晶體管越來越多，晶體管就會出現(xiàn)電子泄露的問題。這意味著功能強大的芯片需要更多的電能，縮短了電池使用時間，并造成計算機散發(fā)大量熱量，使筆記本電腦變得燙手，企業(yè)則需要為服務器系統(tǒng)建立昂貴的冷卻系統(tǒng)。

當在芯片上集成的晶體管越來越多時，二氧化硅絕緣層會變得非常薄，使電流能夠泄露出去。英特爾公司的解決方案是一種被稱為“高K絕緣體”的較厚的金屬材料，使晶體管不會發(fā)生電流泄露。

英特爾公司沒有披露新材料的成份。英特爾公司稱，它將在2007年使用這種新技術，屆時，它還將開始使用0.045微米生產工藝。

2.傳感器在機電一體化系統(tǒng)中的應用

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

2.1機器人用傳感器

工業(yè)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(yè)環(huán)境的狀態(tài)，包括：其自身狀態(tài)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(huán)境的感知通過外部傳感器來實現(xiàn)，這個過程非常重要，足以為機器人控制提供反饋信息。

2.2機械加工過程的傳感檢測技術

2.2.1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(yōu)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(tài)及切削過程辨識等，而最重要的傳感參數(shù)有切削力、切削過程振動、切削過程聲發(fā)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(tǒng)、軸承與回轉系統(tǒng)、溫度的監(jiān)測與控制及安全性等，其傳感參數(shù)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(tài)與冷卻潤滑液的流量等。

2.2.2工件的過程傳感

與刀具和機床的過程監(jiān)視技術相比，工件的過程監(jiān)視是研究和應用最早、最多的。它們多數(shù)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(jiān)視要求也提到日程上來。粗略地講，工序識別是為辨識所執(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(guī)程要求的位姿。此外，還可以利用工件識別和工件安裝監(jiān)視傳感待加工毛坯或工件的加工裕量和表面缺陷。完成這些識別與監(jiān)視將采用或開發(fā)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(tǒng)等。

2.2.3汽車自動控制系統(tǒng)中的傳感技術

隨著傳感器技術和其它新技術的應用，現(xiàn)代化汽車工業(yè)進入了全新時期。汽車的機電一體化要求用自動控制系統(tǒng)取代純機械式控制部件，這不僅體現(xiàn)在發(fā)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(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.我國傳感器技術發(fā)展的若干問題及發(fā)展方向

傳感器技術是實現(xiàn)自動控制、自動調節(jié)的關鍵環(huán)節(jié)，也是機電一體化系統(tǒng)不可缺少的關鍵技術之一，其水平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)的自動化程度就越高。在一套完整的機電一體化系統(tǒng)中，如果不能利用傳感檢測技術對被控對象的各項參數(shù)進行及時準確地檢測出并轉換成易于傳送和處理的信號，我們所需要的用于系統(tǒng)控制的信息就無法獲得，進而使整個系統(tǒng)就無法正常有效的工作。

我國傳感器的研究主要集中在專業(yè)研究所和大學，始于20世紀80年代，與國外先進技術相比，我們還有較大差距，主要表現(xiàn)在：

（1）先進的計算、模擬和設計方法。

（2）先進的微機械加工技術與設備。

（3）先進的封裝技術與設備。

（4）可靠性技術研究等方面。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(fā)展方向可有幾方面：

1）加速開發(fā)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）向高精度發(fā)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。

3）向微型化發(fā)展：通過發(fā)展新的材料及加工技術實現(xiàn)傳感器微型化將是近十年研究的熱點。

4）向微功耗及無源化發(fā)展：傳感器一般都是非電量向電量的轉化，工作時離不開電源，開發(fā)微功耗的傳感器及無源傳感器是必然的發(fā)展方向。

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，其輸出不再是一個單一的模擬信號（如0-10mV），而是經過微電腦處理好后的數(shù)字信號，有點甚至帶有控制功能，即智能傳感器。