電子傳感器在機(jī)械制造中的集成問題略論

張文初

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 412001）

1 電子傳感器技術(shù)

電子傳感器技術(shù)綜合了材料、化學(xué)、物理以及微電子等方面的知識(shí)和科技成果，已經(jīng)能代表現(xiàn)代科技最高水平。與傳感器有關(guān)的高科技產(chǎn)業(yè)也被世界各國(guó)公認(rèn)為最有發(fā)展前途和市場(chǎng)最為廣闊的產(chǎn)業(yè)。電子傳感器作為現(xiàn)代科技的先鋒產(chǎn)品,已經(jīng)成為人類社會(huì)的重要技術(shù)基礎(chǔ)。目前世界上的傳感器種類多達(dá)三萬(wàn)種以上，而且它們?cè)诟鱾€(gè)行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛和深入。尤其是電子傳感器在信息的采集和處理上，能力日益增強(qiáng)，速度日益加快，為人類進(jìn)入信息化時(shí)代立下汗馬功勞。

作為現(xiàn)代信息技術(shù)的核心之一，電子傳感器技術(shù)必將是世界各國(guó)在高科技領(lǐng)域博弈的重要戰(zhàn)場(chǎng)。歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家早在上世紀(jì)八十年代左右就已經(jīng)把傳感器技術(shù)列入到了國(guó)家重點(diǎn)開發(fā)技術(shù)，到現(xiàn)在也取得了令人矚目的成果.

2 電子傳感器技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展

為了能夠使得電子傳感器在信息捕獲量和處理速度等方面跟得上時(shí)代的發(fā)展需要電子傳感器正在向著微型化、智能化和低能耗的方向發(fā)展。隨著我們對(duì)電子傳感器的精確度和可靠性的要求不斷增加，傳統(tǒng)的大體積和功能弱的傳感器已經(jīng)被各種高性能的微型傳感器所代替。目前電子傳感器的主要材料由硅組成，它具有重量輕、體積小、靈敏度高和成本低的優(yōu)點(diǎn)，因此新型傳感器被迅速應(yīng)用于航空、工業(yè)自動(dòng)化以及醫(yī)療等各行業(yè)領(lǐng)域。智能化電子傳感器指的是不僅能夠儲(chǔ)存和處理信息，而且還可以進(jìn)行邏輯思考以及做出判斷的傳感器系統(tǒng)。這類傳感器主要由主傳感器、輔助傳感器和微型計(jì)算機(jī)組成，目前智能傳感器已經(jīng)被應(yīng)用于溫度、壓力等方面的測(cè)定。

3 電子傳感器的應(yīng)用特點(diǎn)

3.1 數(shù)字化特點(diǎn)

以電子傳感器為核心建立起的生產(chǎn)檢測(cè)系統(tǒng)可以很好地滿足對(duì)信息的傳送、儲(chǔ)存、處理、記錄以及控制等要求，在生產(chǎn)中可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制。近年來，以數(shù)據(jù)技術(shù)作為支撐的新型電子傳感器在精確度和靈敏度等方面表現(xiàn)更為出色，應(yīng)用價(jià)值更高。

3.2 安全化特點(diǎn)

很多傳統(tǒng)的各種生產(chǎn)流水線并沒有配備專門的或者先進(jìn)的監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)，這就導(dǎo)致很多制造設(shè)備在使用過程中的很多小故障不能被技術(shù)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除，這就往往造成以后大事故的出現(xiàn)。

4 電子傳感器在機(jī)械制造中的應(yīng)用情況

4.1 傳感技術(shù)在切削及機(jī)床運(yùn)行過程中的應(yīng)用

將傳感檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于切削過程的目的在于優(yōu)化切削過程的精確度、制造成本以及生產(chǎn)效率等等。在切削過程中，需要檢測(cè)的指標(biāo)有切削力的變化情況、切削過程中的顫震情況、切屑的狀態(tài)以及切削刀具和被切工件的接觸情況。其中最重要的幾個(gè)傳感參數(shù)包括切削力的變化、切削過程中的震動(dòng)和點(diǎn)擊的功率變化等等。在機(jī)床的運(yùn)行過程中，需要檢測(cè)的指標(biāo)有軸承與回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)裝置、安全性和溫度的監(jiān)測(cè)控制。

4.2 電子傳感技術(shù)在工件加工過程的應(yīng)用

關(guān)于工件的加工過程的傳感檢測(cè)這方面的研究相對(duì)于機(jī)床以及刀具工作過程的傳感檢測(cè)來說是起步最早的,因?yàn)樗苯記Q定了工件的加工質(zhì)量。從上個(gè)世紀(jì)八十年代開始，關(guān)于工件的識(shí)別和安裝位姿的監(jiān)控系統(tǒng)的需求越來越迫切。簡(jiǎn)單來講，工件識(shí)別就是辨別被送入機(jī)床的工件是否是要求被加工的工件；而工序識(shí)別指的是辨別出索要執(zhí)行的加工工序是否是要求的工序；在很多情況下，還要求系統(tǒng)能夠判斷出待加工工件的位姿是否符合工藝規(guī)程的要求；

4.3 電子傳感器在刀具和砂輪檢測(cè)上的應(yīng)用

目前在機(jī)械制造過程中,切削和磨削依然是最重要的工件加工方法。當(dāng)?shù)毒吆蜕拜喣p程度超過某一個(gè)規(guī)定值（不同場(chǎng)合按照不同的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)判定）或出現(xiàn)破損，根據(jù)權(quán)威數(shù)據(jù)顯示，在工業(yè)生產(chǎn)中，引起機(jī)床故障停機(jī)的第一大因素就是刀具或砂輪失效，它能占到NC類機(jī)床總停機(jī)時(shí)間的20%-35%。

現(xiàn)在的電子傳感檢測(cè)系統(tǒng)則很好地解決了這樣的問題，在這里我們以某刀具傳感器的應(yīng)用為例。眾所周知，在切削加工過程中，刀具所受到的負(fù)載和多種因素有關(guān)，根據(jù)相關(guān)的在線檢測(cè)規(guī)定，考慮以下幾個(gè)較大的影響因素：主軸轉(zhuǎn)速、切削深度、進(jìn)給速度以及加工材料等等，這樣就可以很好地控制這類問題的發(fā)生。而電子傳感器檢測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)將以上因素的數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，然后就可以模擬出刀具的負(fù)載模型，進(jìn)而得出刀具的磨損程度和壽命，這樣就可以避免由于刀具失效而導(dǎo)致的各種問題的發(fā)生。

5 電子傳感器在汽車上的應(yīng)用情況

現(xiàn)代汽車工業(yè)已經(jīng)隨著電子傳感器以及其他新技術(shù)的不斷應(yīng)用,進(jìn)入了全新發(fā)展的時(shí)期。現(xiàn)代的汽車機(jī)電一體化要求傳統(tǒng)的機(jī)械式控制部件要被自動(dòng)控制系統(tǒng)所代替，這不僅僅只是表現(xiàn)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上，還要更加全面徹底地改善汽車的性能，例如：提高行駛的安全性與可靠性、降低油耗、減少排氣污染、操作和各方面服務(wù)更加人性化等等。目前在一輛現(xiàn)代化汽車的全身都已經(jīng)布滿了先進(jìn)的檢測(cè)和控制系統(tǒng)，大約能達(dá)到近百只傳感器，而高級(jí)的豪華轎車安裝的傳感器數(shù)則可達(dá)到數(shù)百個(gè)之多。傳感器技術(shù)作為現(xiàn)代工業(yè)控制的支柱產(chǎn)業(yè)，在汽車電子研究中占據(jù)著重要地位，例如:曲軸位置傳感器、壓力傳感器以及溫度傳感器等等。

5.1 車用傳感器的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

汽車制造業(yè)已經(jīng)是傳感器的最大用戶，因?yàn)閭鞲衅骷夹g(shù)是促進(jìn)汽車向高檔化和自動(dòng)化方向發(fā)展的重要組成部分。由于相對(duì)于汽車傳統(tǒng)的機(jī)械和電氣技術(shù)來說，汽車傳感技術(shù)的研究起步較晚，所以現(xiàn)在世界上的汽車生產(chǎn)大國(guó)都非常注重這方面的研究，對(duì)車用傳感器的性能、尺寸和價(jià)格也很重視。因此，現(xiàn)在的傳感器市場(chǎng)絕大部分都被德國(guó)的西門子、美國(guó)的霍尼韋爾等公司占有。

5.2 關(guān)于汽車電子傳感技術(shù)的開發(fā)研究及其類型

從上個(gè)世紀(jì)九十年代以來,在車用傳感系統(tǒng)中,智能化集成傳感器已經(jīng)被越來越多的研究開發(fā)。這種類型的傳感器可以有效代替電控裝置中的一些器件，使得傳感器在整個(gè)汽車的電控系統(tǒng)中成為一個(gè)獨(dú)立的整體。智能化集成傳感器的開發(fā)研究主要分為三個(gè)步驟：一、將薄膜以及厚膜電路安裝在一個(gè)小型殼體內(nèi)，制作成一個(gè)小型的智能化傳感器；二、開發(fā)具有線性度較高、重復(fù)性好以及價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)的自校準(zhǔn)、自補(bǔ)償能力的智能化傳感器；三、最后開發(fā)出能夠應(yīng)用于汽車電控系統(tǒng)的智能化集成傳感器。

5.2.1 電子傳感器在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用

作為整個(gè)汽車傳感器的核心，發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)包括壓力、溫度、流量、爆震以及位置和轉(zhuǎn)速等多種類型傳感器。這些傳感器將發(fā)動(dòng)機(jī)工作情況出送給電子控制元件（ECU）,使其能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)做出精確控制，以提高它的動(dòng)力性，同時(shí)還可以降低油耗和廢氣排放，實(shí)時(shí)進(jìn)行故障檢測(cè)。

5.2.2 電子傳感器在車身的應(yīng)用

車身傳感器的主要目的是提高汽車的安全性、可靠性以及舒適性。主要的種類有安全氣囊中的加速度傳感器、倒車控制中的激光傳感器、測(cè)量車距的距離傳感器；隨著衛(wèi)星導(dǎo)航和地理信息技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)航傳感器也被應(yīng)用汽車上，

5.2.3 電子傳感器在底盤的應(yīng)用

在汽車底盤上的主要傳感器類型主要有：壓力及旋轉(zhuǎn)位移傳感器、側(cè)路面角速率傳感器、懸架位置傳感器和車輪角位置傳感器等。由于汽車底盤的工作環(huán)境較為惡劣，所以對(duì)傳感器的質(zhì)量也提出了更高的要求，它的耐惡劣環(huán)境技術(shù)指標(biāo)要比普通工業(yè)用傳感器高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)測(cè)量精度還要能夠保證。

6.結(jié)束語(yǔ)

隨著我們的設(shè)計(jì)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、加工技術(shù)和材料技術(shù)不斷發(fā)展，未來的電子傳感器必將會(huì)向著微型化、集成化和智能化發(fā)展，所能應(yīng)用的領(lǐng)域也會(huì)更加的廣泛。電子傳感器技術(shù)可以有效提高機(jī)械設(shè)備的性能，提高產(chǎn)品的質(zhì)量。這就要求我國(guó)的傳感器生產(chǎn)企業(yè)要加強(qiáng)相關(guān)技術(shù)的投入和研究，積極引進(jìn)國(guó)外的先進(jìn)設(shè)備，努力提高自己的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，為我國(guó)傳感器市場(chǎng)能夠早日實(shí)現(xiàn)自給做出貢獻(xiàn)。

[1]李良?jí)?汽車傳感器的技術(shù)應(yīng)用與分析[J].儀表技術(shù)與傳感器.2006（4）.

[2]周智勇.MEMS傳感器開創(chuàng)汽車主動(dòng)安全系統(tǒng)新時(shí)代[J].電子產(chǎn)品世界.2008（2）.

[3]王華祥，張淑英.傳感器的原理及其應(yīng)用[J].天津：天津大學(xué)出版社.2007（10）.

[4]廖延彪，黎敏，閆春生.現(xiàn)代電子傳感器原理和技術(shù)[J].北京：清華大學(xué)出版社.2004（8）