传感器技术在机电一体化中的应用初探

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　　摘 要:传感技术已经成为重要的现代科技领域，而传感器及其系统的生产已成为重要的新兴行业。文章分析传感器的研究现状与发展，探讨传感器在机电一体化系统中的应用，展望我国传感器技术发展的若干问题及发展方向。
　　关键词:传感器技术 机电一体化 自动化产品
　　
　　传感器技术是现代信息技术中主要技术之一，在国民经济建设中占据有极其重要的地位，它以其技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点为世人瞩目。
　　
　　1 传感器的研究现状与发展
　　传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，主要用于检测机电一体化系统自身与操作对象、作业环境的状态，为有效地控制机电一体化系统的运作提供必须的相关信息。21世纪人类将全面进入信息电子化时代，随着人类探知领域和空间的拓展，电子信息种类的日益繁多，信息传递的速度日益加快，信息处理能力日益增强，相应的信息采集――传感技术也将日益发展，进而传感器也将无所不在。
　　从20世纪80年代起，逐步在世界范围内掀起了一股“传感器热”，各先进工业国都极为重视传感技术和传感器的研究、开发和生产。传感技术已经成为重要的现代科技领域，而传感器及其系统的生产已成为重要的新兴行业。现在，全世界传感器市场的销售总额已超过200亿美元，并以80%的年增长率继续发展，其产品品种已经突破2万种。它们被广泛地应用于钢铁、能源、交通、机械制造、通信、化工、汽车、家电、金融、商业和农业等行业。我国在“八五”期间已把传感器的技术列入了国家重点攻关计划及中长期科技发展重点新技术之一，在本世纪已跨入高速发展时期，并不失时机地开发新产品，使之成为国民经济新的增长点。
　　
　　2 传感器在机电一体化系统中的应用
　　传感器是左右机电一体化系统（或产品）发展的重要技术之一，广泛应用于各种自动化产品之中：
　　2.1 机器人用传感器
　　工业机器人之所以能够准确操作，是因为它能够通过各种传感器来准确感知自身、操作对象及作业环境的状态，包括：其自身状态信息的获取通过内部传感器（位置、位移、速度、加速度等）来完成，操作对象与外部环境的感知通过外部传感器来实现，这个过程非常重要，足以为机器人控制提供反馈信息。
　　通常微动开关、光电开关、电涡流等传感器安装在机器人的每个关节上进行零位和极限位置的检测，前者保证机器人的重复定位精度和轨迹精度，后者则起保护机器人和安全动作的作用。
　　位移传感器一般也都安装在机器人的各关节上，用于检测机器人各关节的位移量，作为位置控制信息。
　　速度、加速度传感器用来实现机器人各关节的速度闭环控制和加速度控制。
　　触觉传感器装设在机器人腕、手爪等部位，通过触觉确认对象的位置从而修正手爪的位置以便能准确地抓住对象物。
　　2.2 机械加工过程的传感检测技术
　　（1）切削过程和机床运行过程的传感技术。切削过程传感检测的目的在于优化切削过程的生产率、制造成本或（金属）材料的切除率等。切削过程传感检测的目标有切削过程的切削力及其变化、切削过程颤震、刀具与工件的接触和切削时切屑的状态及切削过程辨识等，而最重要的传感参数有切削力、切削过程振动、切削过程声发射、切削过程电机的功率等。对于机床的运行来讲，主要的传感检测目标有驱动系统、轴承与回转系统、温度的监测与控制及安全性等，其传感参数有机床的故障停机时间、被加工件的表面粗糙度和加工精度、功率、机床状态与冷却润滑液的流量等。
　　（2）工件的过程传感。与刀具和机床的过程监视技术相比，工件的过程监视是研究和应用最早、最多的。它们多数以工件加工质量控制为目标。20世纪80年代以来，工件识别和工件安装位姿监视要求也提到日程上来。粗略地讲，工序识别是为辨识所执行的加工工序是否是工（零）件加工要求的工序；工件识别是辨识送入机床待加工的工件或者毛坯是否是要求加工的工件或毛坯，同时还要求辨识工件安装的位姿是否是工艺规程要求的位姿。此外，还可以利用工件识别和工件安装监视传感待加工毛坯或工件的加工裕量和表面缺陷。与工件的过程监视密切相关的另一类监视是工艺过程监视，如加工表面粗糙度，表面特性质量，尺寸、形状与位置精度的实时监视或在机监视。由于它们与加工过程质量、提高成品率和生产率、降低加工成本、缩短交货期密切相关，正在日益受到重视。完成这些识别与监视将采用或开发许多传感器，如基于TV或CCD的机器视觉传感器、激光表面粗糙度传感系统等。
　　（3）刀具(砂轮的检测传感。切削与磨削过程是重要的材料切除过程。刀具与砂轮磨损到一定限度（按磨钝标准判定）或出现破损（破损、崩刃、烧伤、塑变或卷刀的总称），使它们失去切(磨削能力或无法保证加工精度和加工表面完整性时，称为刀具/砂轮失效。工业统计证明，刀具失效是引起机床故障停机的首要因素，由其引起的停机时间占NC类机床的总停机时间的1/5～1/3。此外，它还可能引发设备或人身安全事故，甚至是重大事故。因此，现代制造领域对刀具与砂轮的失效监视的研究开发由来已久。
　　2．3 汽车自动控制系统中的传感技术
　　随着传感器技术和其它新技术的应用，现代化汽车工业进入了一个全新的时期。汽车的机电一体化要求用自动控制系统取代纯机械式控制部件，这不仅仅是体现在发动机上，为了更全面地改善汽车性能，增加人性化服务功能，降低油耗，减少排气污染，提高行驶安全性、可靠性、操作方便和舒适性，先进的检测和控制技术已经扩大到了汽车全身。在其所有重点控制系统中，必不可少地使用了曲轴位置传感器、吸气及冷却水温度传感器、压力传感器、气敏传感器等各种传感器。
　　
　　3 我国传感器技术发展的若干问题及发展方向
　　传感器技术是实现自动控制、自动调节的关键环节，也是机电一体化系统不可缺少的关键技术之一，其水平高低在很大程度上影响和决定着系统的功能；其水平越高，系统的自动化程度就越高。在一套完整的机电一体化系统中，如果不能利用传感检测技术对被控对象的各项参数进行及时准确地检测出并转换成易于传送和处理的信号，我们所需要的用于系统控制的信息就无法获得，进而使整个系统就无法正常有效的工作。
　　我国传感器的研究主要集中在专业研究所和大学，始于20世纪80年代，与国外先进技术相比，我们还有较大差距，主要表现在：（1）先进的计算、模拟和设计方法；（2）先进的微机械加工技术与设备；（3）先进的封装技术与设备；（4）可靠性技术研究等方面。因此，必须加强技术研究和引进先进设备，以提高整体水平。传感器技术今后的发展方向可有以下几个方面：
　　3．1 加速开发新型敏感材料：通过微电子、光电子、生物化学、信息处理等各种学科，各种新技术的互相渗透和综合利用，可望研制出一批基于新型敏感材料的先进传感器。
　　3．2 向高精度发展：研制出灵敏度高、精确度高、响应速度快、互换性好的新型传感器以确保生产自动化的可靠性。
　　3．3 向微型化发展：通过发展新的材料及加工技术实现传感器微型化将是近十年研究的热点。
　　3．4 向微功耗及无源化发展：传感器一般都是非电量向电量的转化，工作时离不开电源，开发微功耗的传感器及无源传感器是必然的发展方向。
　　3．5 向智能化数字化发展：随着现代化的发展，传感器的功能已突破传统的功能，其输出不再是一个单一的模拟信号（如0～10mV），而是经过微电脑处理好后的数字信号，有点甚至带有控制功能，即智能传感器。
　　
　　参考文献
　　[1]陈津.传感器技术应用综述及发展趋势探讨.科技创新导报，2008年第10期.
　　[2]卞海玲.浅析机电一体化中的检测传感技术.装备制造技术，2010年第04期.

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