傳感器技術在自動控制系統中的應用

許達騰

摘 要：本文在對傳感器及其技術分類進行簡要闡述的基礎上，對傳感器技術在機械加工領域、機器人領域以及汽車制電子控制系統中的應用進行了分析探討。

關鍵詞：傳感器；自動控制；機電控制系統

傳感器技術是現代科技的前沿技術，發展迅猛，同計算機技術與通信技術一起被稱為信息技術的三大支柱。傳感器技術在現代工業自動化控制系統中的應用十分廣泛，是機電自動化控制系統功能實現的基礎，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。傳感器技術將待測對象的各種物理量如位置、位移、速度、溫度、壓力、流量、成分等等轉換成與之成比例的電信號并對轉換的電信號進行放大、補償、標度變換等加工處理，對自動控制系統的準確性、可靠性等指標具有十分重要的影響，從某種程度來說，傳感器技術決定著自動控制系統的自動化水平。

1傳感器及其技術分類

傳感器一般由敏感元件、傳感元件和其他輔助件組成，有時也將信號調節與轉換電路、輔助電源作為傳感器的組成部分。傳感器通常可以按照一系列方法進行分類。根據輸人物理量的分類，傳感器常以別測物理量命名，如位移傳感器，速度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等。根據工作原理分類，傳感器常可以依據工作原理進行命名，如應變式、電容式、電感式、熱電式、光電傳感器等，按輸出信號分類，可分為模擬傳感器和數字式傳感器。輸出量為模擬量則稱為模擬式，輸出量為數字式則稱為數字式傳感器等等。

傳感器技術誕生于20世紀中期，是隨著工業自動化浪潮而發展起來的一種技術，是當前代表國家綜合科研水平的重要技術。傳感器的技術分類主要為：光電傳感器技術、多傳感器技術以及生物傳感器技術等。

光電傳感器技術又稱為光傳感器技術，是將光信號轉化為電信號的一種傳感器技術。光電傳感器技術可用干檢測直接引起光量變化的非電量，如光強、光照度、輻射測溫、氣體成分分析等，也可用來檢測能轉換成光電量變化的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應變、位移、振動、速度、加速度、以及物體形狀、工作狀態等，光電傳感技術具有非接觸、響應快、性能可靠等特點，目前主要應用于工業自動化裝置和機器人技術中。

多傳感器信息融合技術將各種傳感器進行多層次、多空間的信息互補和優化組合處理，最終產生對觀測環境的一致性解釋。多傳感器技術的基本原理就像人的大腦綜合處理信息的過程一樣，在這個過程中要充分地利用多源數據進行合理支配與使用，而信息融合的最終目標則是基于各傳感器獲得的分離觀測信息，通過對信息多級別、多方面組合導出更多有用信息。這不僅是利用了多個傳感器相互協同操作的優勢，而且也綜合處理了其它信息源的數據來提高整個傳感器系統的智能化。

生物傳感器技術是一種將生物化學反應能轉化成電信號的分析測試技術，以此制成的傳感器裝置具有選擇性高、分析速度快、操作簡易和價格低廉的特點。作為一門在生命科學和信息科學之間發展起來的一門交叉學科，生物傳感器在發酵工藝、環境監測、食品工程、臨床醫學、軍事及軍事醫學等方面得到了深度重視和廣泛應用。

2傳感器技術在機械加工過程中的應用

傳感器技術在機械加工過程中的應用主要集中在了切削過程和機床運行過程、工件的過程傳感以及刀具的檢測傳感。

對機械加工切削過程的傳感檢測，可以優化切削過程的生產率、制造成本或材料的切除率等，傳感檢測目標主要為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，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，傳感器技術可以對機床驅動系統、軸承與回轉系統的運行狀態進行監測，確保其運行的安全及效能穩定，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。

工件的過程傳感是指對工件過程的監視，包括工序識別、工件識別等。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。

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或出現破損，會產生刀具失效問題，而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傳感器在機器人領域的應用

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。位移傳感器一般也都安裝在機器人的各關節上，用于檢測機器人各關節的位移量，作為位置控制信息。

4傳感技術在汽車自動控制系統中的應用

汽車是一種綜合性的“機-電-液”一體化產品，其電子控制系統由中央控制單元、傳感器和執行器三大部分組成。電控單元（CECU）為其控制中心，利用安裝在發動機、變速器、底盤、車身、舒適和安全等系統上的各種傳感器檢測出汽車運行時各部件總成的運行參數，將其輸入電控單元（CECU）中，再按照電腦中預存的控制程序精確地控制汽車上的各種執行器，滿足汽車在各種工況下都能正常行駛，因此，傳感器是汽車電子控制系統的關鍵。

汽車上使用的傳感器類型多種多樣，檢測的參量也各不相同。按照傳感器的分類特點，在汽車上使用的傳感器按其工作原理分為：電阻應變式，如空氣流量傳感器、壓力傳感器、節氣門位置傳感器等；電容式，如機油傳感器、碰撞傳感器、燃油液位傳感器等；電感式，如齒桿位置傳感器、爆震傳感器、加速度傳感器等；壓電式，如進氣壓力傳感器、減震器傳感器、爆震傳感器等；磁電式，如發動轉速、車速轉速傳感器、曲軸和凸輪軸位置傳感器、方向盤轉角傳感器等；熱電式，如水溫傳感器、空氣流量傳感器、進氣溫度傳感器等；光電式，如曲軸位置傳感器、安全保護系統、盲區信息系統等；化學式，如氧傳感器、濕度檢測傳感器等。

傳感器在汽車上的綜合應用，使汽車的結構和性能得到了改變，優化了汽車動力系統和底盤控制系統，降低了發動機尾氣有害物質的排放，改善了燃油經濟性，達到汽車節能減排的目的；同時，提高了汽車操縱穩定性和平順性，改善了汽車行駛性能。另外，新型傳感器的應用使汽車舒適性和安全性得到了很大的提高，使汽車變的更加可靠和安全。

參考文獻：

[1]于秩祥，張建新，秦雪. 傳感器在汽車上的綜合應用分析[J]. 安徽電子信息職業技術學院學報，2013，12（05）：4-8. [2017-08-27].

[2]王志萍，劉志富，王煒. 傳感器技術在自動化控制系統中的應用[J]. 科技信息，2009，（17）：63. [2017-08-27].

[3]陳津. 傳感器技術應用綜述及發展趨勢探討[J]. 科技創新導報，2008，（10）：1. [2017-08-27]. DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2008.10.019