傳感器技術在機電一體化系統中的應用研究

曹聰，卜令欣

（中國電建集團港航建設有限公司，天津 300467）

機電一體化系統內，傳感器是系統中的核心裝置，能夠幫助機電一體化系統快速、準確地獲取到各種信息，并且面對殘酷的外部環境考驗，能夠確保機電一體化系統功能的正常發揮。一旦缺少傳感器精準檢測信息和系統狀態，系統將不能正常進行信息處理以及控制決策。

1 傳感器的研究發展狀況

自20世紀80年代開始，傳感器逐漸在世界各國流行起來，眾多先進工業國從傳感技術的研發入手，進一步研究、開發、生產傳感器。傳感技術在當時屬于科技領域的領先技術，傳感器和傳感器系統的生產成為熱門行業。目前，全球傳感器市場的銷售總額突破200億美元，年均增長率呈現為80%，傳感器產品品種超過2萬種。這些產品主要應用在鋼鐵、交通、通信、汽車、金融、農業、能源、機械制造、化工、家電、商業等眾多行業中。 八五 期間，我國將傳感器技術納入到國家重點攻關計劃中，并且將其視為我國中長期科技發展重點技術，21世紀社會經濟快速發展，創新突破無處不在，這更為傳感器產品的開發提供了有利條件，傳感器技術將促進國民經濟的快速增長。

2 傳感器應用在機電一體化系統中的具體體現

傳感器技術在機電一體化系統中屬于核心技術，目前在多種類型的自動化產品中都能夠發現傳感器技術的應用。

2．1 將傳感檢測技術應用在挖泥船

挖泥船主要是從事水下土石方施工的任務，日常工作就是挖深、加寬和清理現有的航道和港口；開挖新的航道、港口和運河；疏浚碼頭、船塢、船閘及其他水工建筑物的基槽以及將挖出的泥沙拋入深海或吹填于陸上洼地造田等。

當水下耙吸管較為龐大的時候，耙吸式挖泥船在挖泥操作時難以對水下的具體情況了解，同時對耙頭位置和挖泥的深度也難以把握，所以需要一套優秀的操作顯示裝置加以輔助，利用這個裝置對兩側的耙吸管工作情況和具體的位置加以監視，而這個裝置通常就是利用傾角傳感器來實現，在傾角傳感器的作用下，就能夠測量出兩側耙吸管的水平和垂直角度以及所在水下的深度、船舶橫向傾斜和縱向傾斜、耙吸管的水平位移以及相對吸水深度等參數，進一步可以得出船體吃水深度的數據，當船體傾斜超過一定的限制值或者耙吸管移動的位移超過限制時輸出報警信號。

2．2 將傳感檢測技術應用在機械加工過程中

（1）機械加工過程中切削環節以及機床運行環節都會應用到傳感技術。切削環節傳感檢測可以提高切削環節的生產率以及制造成本，確保（金屬）材料的切除率。切削環節傳感檢測的目標包括切削過程中切削力水平以及發生的變化、切削過程中產生顫震、刀具和工件接觸過程中切屑狀態、切削過程的辨識等，而極為重要的傳感參數包括切削力、切削過程聲發射、切削過程振動、切削過程電機的功率等。機床運行環節的傳感檢測目標包括驅動系統、溫度的監測與控制、軸承與回轉系統、安全性等，機床運行環節的傳感參數包括機床的故障停機時間、功率、被加工件的表面粗糙度和加工精度、機床狀態、冷卻潤滑液的流量等。

（2）工件的過程監視技術。對比刀具和機床的過程監視技術，工件的過程監視應用范圍較廣，并且具有更多的理論研究成果。工件的過程監視將工件加工質量控制作為目標。20世紀80年代，工件識別以及工件安裝位姿監視要求被得到重視。工序識別的主要目的是將所要執行的加工工序是否與工件加工要求的工序相一致；工件識別主要是對送入機床代加工的工件以及毛坯是否達到相關要求進行辨識，與此同時還應對工件安裝的位姿與工藝規程要求位姿是否相符進行辨識。除此之外，還應通過工件識別以及工件安裝監視傳感技術對代加工毛坯或工件體現出的表面缺陷以及加工裕量進行辨識。和工件的過程監視關系密切的一種監視手段是工藝過程監視，這主要是對毛坯或者工件的表面粗糙度、表面質量、形狀、尺寸、位置進行在機監視以及實時監視。這些因素和加工過程質量、成品率和生產率的提升、加工成本的降低、交貨期的提前有直接關系，所以這些因素逐步受到重視。想要圓滿完成以上的識別和監視任務必須開發大量傳感器，例如基于TV的視覺傳感器等。

（3）對刀具/砂輪進行檢測傳感。切削過程和磨削過程的作用都是切除材料。刀具和砂輪發生一定程度的磨損（根據磨鈍標準判別），或者出現卷刀、燒傷、崩刃等破損情況，導致切割能力、磨削能力下降，不能達到加工精度標準，會破壞加工零件表面的完整性，這種情況被視為刀具/砂輪失效。工業統計表明，導致機床故障停機的最根本原因是刀具失效，刀具失效造成的停機時間達到NC類機床的總停機時間的1/4左右。刀具失效還將會帶來人身安全和設備安全隱患，甚至引發重大安全事故。所以，現階段制造領域更加重視對刀具和砂輪的失效監視。最近20年以來，刀具的破損以及磨損監視技術不斷發展。刀具/砂輪磨損的傳感方法包括直接法、間接法和多感知融合法，其中直接法涵蓋光學圖像法、接觸法、放射線法；間接法包括切削力/扭矩法、功率/電流法功率/電流法、切削溫度、刀具—工件距離探測法等；多感知融合法包括多傳感器組合/融合識別；刀具/砂輪破損的傳感方法具體分為直接法和間接法2種，其中直接法包括光學圖像和接觸2種方法；間接法包括切削力、扭矩、功率、振動、超聲波等。

2．3 汽車自動控制系統中應用傳感技術的具體體現

伴隨傳感器技術的不斷突破，結合現代化其他技術的應用，促進了汽車工業的發展。汽車的機電一體化利用自動控制系統代替機械式控制部件，除了應用在汽車發動機上，還應用在改善汽車性能的其他方面，能夠達到油耗下降、節能減排、提升安全性、便于操作的目的，現如今，汽車全身都涵蓋領先的檢測和控制技術。在汽車的重點控制系統中，應用了大量傳感器裝置，例如曲軸位置傳感器壓力傳感器、吸氣及冷卻水溫度傳感器、氣敏傳感器等各種傳感器。

3 我國傳感器技術的未來發展趨勢

從20世紀80年代開始我國針對于傳感器技術的研究以研究所以及大學為主，對比西方發達國家目前仍有較大差距，具體差距體現為：（1）計算、模擬、設計方式較為領先；（2）微機械加工技術和設備較為領先；（3）封裝技術和設備較為領先；（4）可靠性技術研究更加深入。所以，我國應注重技術研究并從西方發達國家引進各種先進設備，以此來實現整體水平的提高。傳感器技術未來發展趨勢應緊緊圍繞以下幾個方向：

3．1 新型敏感材料的研發

注重結合微電子、生物化學、光電子等學科，實現技術的綜合利用，研制出利用新型敏感材料制作的傳感器。

3．2 高精度研發方向

使傳感器具備更高的靈敏度、精確度、反應速度以及良好的互換性效果。

3．3 寬溫度范圍、高可靠性方向

傳感器的溫度范圍一直以來難以突破，當前很多傳感器的工作溫度范圍是-20～70℃，然而軍用系統需要-40～85℃溫度條件下，一些工業要求-20～120℃環境，航天飛機以及空間機器人的溫度環境為-80℃以下，200℃以上。傳感器的可靠性將決定電子設備的抗干擾功能，所以提高其可靠性將直接影響傳感器的抗干擾性更強。

3．4 微型化方向

通過運用新材料、新工藝實現傳感器體積更小、重量更輕的目標。

3．5 微功耗以及無源化方向

傳感器通常將非電量轉化成電量，工作過程中必須接電源，因此未來將微功耗和無源化作為發展趨勢。

3．6 智能化數字化方向

伴隨科技的創新，現如今的傳感器已經實現了更多的功能，通過微電腦處理數字信號，使其具備智能化、數字化特點。

4 結語

歸納以上，在科學技術不斷創新的基礎上，傳感器技術也突破創新，將傳感器技術和機電一體化技術相融合，可以實現機電一體化系統應用效果的逐步提升。