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淺析機電一體化中的檢測傳感技術(shù)
在機電一體化系統中,傳感器的作用相當于系統的感覺(jué)器官, 即從待測對象那里獲取能反映待測對象特征和狀態(tài)的信號。檢測傳感技術(shù)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(jià)格低廉。但是，目前檢測傳感技術(shù)的發(fā)展還難以滿(mǎn)足控制系統的要求。不少機電一體化系統不能達到滿(mǎn)意的效果，或無(wú)法達到設計要求的關(guān)鍵原因，在于沒(méi)有合適的傳感器。因此檢測傳感技術(shù)是機電一體化系統中的關(guān)鍵技術(shù)。
1 傳感器的研究現狀與發(fā)展
人類(lèi)對客觀(guān)世界的認識和改造總是以檢測工作作為基礎的，隨著(zhù)人類(lèi)探知領(lǐng)域和空間的拓展,電子信息種類(lèi)日益繁多,信息傳遞速度日益加快, 信息處理能力日益增強, 作為現代信息技術(shù)的三大核心技術(shù)之一的檢測傳感技術(shù)發(fā)展迅速，滲透到各行各業(yè)，方方面面，促進(jìn)了經(jīng)濟轉型和社會(huì )發(fā)展，直接影響著(zhù)人類(lèi)文明發(fā)展和進(jìn)步。
檢測傳感技術(shù)的發(fā)展同時(shí)也引起了各國為發(fā)展傳感器技術(shù)的激烈競爭，從20 世紀80 年代起,逐步在世界范圍內掀起一股“傳感器熱”, 世界各國都把檢測傳感技術(shù)作為在高新技術(shù)發(fā)展方面爭奪的一個(gè)重要領(lǐng)域，極為重視檢測傳感技術(shù)和傳感器研究、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)。檢測傳感技術(shù)已成為重要的現代科技領(lǐng)域,傳感器及其系統生產(chǎn)已成為重要的新興行業(yè)。
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(shù)，檢測傳感技術(shù)就像神經(jīng)和感官一樣，廣泛應用于各種機電一體化產(chǎn)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(dòng)控制和自動(dòng)調節功能。
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(guò)各種傳感器來(lái)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(guò)內部傳感器(位置、位移、速度、加速度等)來(lái)完成,操作對象與外部環(huán)境的感知通過(guò)外部傳感器來(lái)實(shí)現,這個(gè)過(guò)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(guò)程的傳感檢測技術(shù)
�。�1）切削過(guò)程和機床運行過(guò)程的傳感技術(shù)。切削過(guò)程傳感檢測的目的，在于優(yōu)化切削過(guò)程的生產(chǎn)率、制造成本或(金屬)材料的切除率等。切削過(guò)程傳感檢測的目標，有切削過(guò)程的切削力及其變化、切削過(guò)程顫震、刀具與工件的接觸和切削時(shí)切屑的狀態(tài)及切削過(guò)程辨識等，而最重要的傳感參數有切削力、切削過(guò)程振動(dòng)、切削過(guò)程聲發(fā)射、切削過(guò)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(dòng)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(shí)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）工件的過(guò)程傳感。與刀具和機床的過(guò)程監視技術(shù)相比，工件的過(guò)程監視是研究和應用最早、最多的。它們多數以工件加工質(zhì)量控制為目標。20 世紀80 年代以來(lái)，工件識別和工件安裝位姿監視要求，也提到日程上來(lái)。粗略地說(shuō)，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(shí)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(kāi)發(fā)許多傳感器，如基于TV 或CCD 的機器視覺(jué)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(guò)程是重要的材料切除過(guò)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(chēng))，使它們失去切(磨)削能力或無(wú)法保證加工精度和加工表面完整性時(shí)，稱(chēng)為刀具/ 砂輪失效。工業(yè)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(shí)間占NC 類(lèi)機床的總停機時(shí)間的1/5～1/3。此外，它還可能引發(fā)設備或人身安全事故，甚至是重大事故。
2.3 汽車(chē)自動(dòng)控制系統中的傳感技術(shù)
隨著(zhù)傳感器技術(shù)和其他新技術(shù)的應用，現代化汽車(chē)工業(yè)進(jìn)入了全新時(shí)期。汽車(chē)的機電一體化要求，用自動(dòng)控制系統取代純機械式控制部件，這不僅體現在發(fā)動(dòng)機上，為更全面地改善汽車(chē)性能，增加人性化服務(wù)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(jìn)的檢測和控制技術(shù)已擴大應用到汽車(chē)全身。在其所有重點(diǎn)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(shù)發(fā)展的若干問(wèn)題
傳感器技術(shù)是實(shí)現自動(dòng)控制、自動(dòng)調節的關(guān)鍵環(huán)節，也是機電一體化系統不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)之一，其水平的高低，在很大程度上影響和決定著(zhù)系統的功能；其水平越高，系統的自動(dòng)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(shù)對被控對象的各項參數進(jìn)行及時(shí)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(wú)法獲得，進(jìn)而使整個(gè)系統就無(wú)法正常有效的工作。
3.1 與國外的差距
我國傳感器的研究，始于20 世紀80 年代，主要集中在專(zhuān)業(yè)研究所和大學(xué)，與國外先進(jìn)技術(shù)相比，還還有較大差距。主要表現在：
�。�1）我國傳感器的產(chǎn)業(yè)結構，存在著(zhù)企業(yè)分散、實(shí)力不強、市場(chǎng)開(kāi)拓不力等問(wèn)題。我國從事傳感器研究和生產(chǎn)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(wú)幾。
多數企業(yè)是低水平的重復，處在生產(chǎn)的初級階段。
�。�2）傳感器屬于多學(xué)科交叉、技術(shù)密集的高技術(shù)產(chǎn)品，其技術(shù)水平?jīng)Q定于科學(xué)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(chǎn)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(chǎn)品綜合實(shí)力較低，阻礙了傳感器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。世界傳感器的種類(lèi)約有2 萬(wàn)多種，而我國經(jīng)過(guò)“八五”、“九五”的發(fā)展，目前也僅有3 000 多種，尚有大量品種需要開(kāi)發(fā)。
�。�3）我國傳感器產(chǎn)品的技術(shù)水平與國外有較大差距，主要是長(cháng)期穩定性和可靠性較差，限制了其應用領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
3.2 今后的發(fā)展趨勢
雖然我國傳感器產(chǎn)業(yè)的現狀還不能適應國民經(jīng)濟發(fā)展的需要，產(chǎn)品技術(shù)水平與國外相比還有較大差距，但是從統一市場(chǎng)的觀(guān)點(diǎn)看，我國具有傳感器的廣闊市場(chǎng)，所以我國傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前途還是光明的。因此，必須加強技術(shù)研究和引進(jìn)先進(jìn)設備，以提高整體水平。傳感器技術(shù)今后的發(fā)展趨勢，主要表現在以下方面：
�。�1）加速開(kāi)發(fā)新型敏感材料。通過(guò)微電子、光電子、生物化學(xué)、信息處理等各種學(xué)科，各種新技術(shù)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(jìn)傳感器。
�。�2）應用新技術(shù)和新的物理效應，擴大檢測領(lǐng)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(xué)的發(fā)展，對仿生學(xué)的研究、仿造生物的感覺(jué)功能的新型傳感器的開(kāi)發(fā)應用，使得傳感器技術(shù)的應用領(lǐng)域更廣闊。如今的檢測領(lǐng)域，正向著(zhù)社會(huì )需要各方面擴展，不僅用于工業(yè)部門(mén)，而且也涉及到工程、海洋開(kāi)發(fā)、宇宙航行等尖端科學(xué)技術(shù)和新興工業(yè)領(lǐng)域，生物、醫療、環(huán)境污染監測、危險品和毒品的偵察、安全監測方面，同時(shí)也滲透到人類(lèi)的日常生活當中。
�。�3）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(chǎn)自動(dòng)化的可靠性。近年來(lái)，隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)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(xiàn)檢測，要求＜ 0.1 μm。對傳感器可靠性故障率的數學(xué)模型和計算方法的研究，大大提高檢測系統的可靠性。為了使自動(dòng)檢測裝置適應在各種復雜條件下可靠工作，要求研制的檢測系統，具有較高的抗干擾能力和適應生產(chǎn)要求的較長(cháng)的使用壽命。
�。�4）發(fā)展小型化、集成化、多功能化、多維化、智能化和高性能、擴大量程范圍的檢測裝置。隨著(zhù)半導體材料的研究和新工藝的進(jìn)展，已研制出一批新型半導體傳感器；光刻、擴散及各向異性腐蝕等集成電路新工藝，也已滲透到傳感器的制造過(guò)程中，從而使檢測系統更趨于小型化、集成化、多功能化、多維化及性能更強。
�。�5）向智能化數字化發(fā)展。隨著(zhù)現代化的發(fā)展，傳感器的功能已突破傳統的功能，其輸出不再是一個(gè)單一的模擬信號(如0～10 mV)，而是經(jīng)過(guò)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。
4 結束語(yǔ)
總之，在機電一體化系統中，無(wú)論是機械電子化產(chǎn)品（如數控機床），還是機電相互融合的高級產(chǎn)品（如機器人），都離不開(kāi)檢測與傳感器這個(gè)重要環(huán)節。檢測傳感技術(shù)的不斷發(fā)展是為了適應國民經(jīng)濟發(fā)展的需求，取得的進(jìn)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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