淺談傳感器技術在機電一體化中的應用

汪國平

[摘要]概述傳感器研究現狀與發展,探討傳感器在機電一體化系統中的應用,并分析我國傳感器技術發展的若干問題及發展方向。

[關鍵詞]傳感器技術 機電一體化 應用

中圖分類號:TM3文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0810099-01

隨著人類探知領域和空間的拓展,電子信息種類日益繁多,信息傳遞速度日益加快,信息處理能力日益增強,相應的信息采集傳感技術也將日益發展,傳感器也將無所不在。

傳感器作為測量與控制系統的首要環節,必須具有快速、準確、可靠且又能經濟地實現信息轉換的基本特點。

一、傳感器在機電一體化系統中的應用

(一)機器人用傳感器

機器人傳感技術是20世紀70年代發展起來的,是一類專門用于機器人技術的新型傳感器,與普通傳感器的工作原理基本相同,但又有其特殊性,對傳感信息種類和智能化處理的要求更高,包括機器人觸覺傳感器、機器人接近覺傳感器、機器人視覺傳感器、機器人嗅覺傳感器、機器人味覺傳感器、機器人聽覺傳感器等。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知自身、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。

(二)機械加工過程的傳感檢測技術

1.切削過程和機床運行過程的傳感技術。切削過程傳感檢測的目的在于優化切削過程的生產率、制造成本或(金屬)材料的切除率等。切削過程傳感檢測的目標有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,而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。對于機床的運行來講,主要的傳感檢測目標有驅動系統、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。

2.工件的過程傳感。與刀具和機床的過程監視技術相比,工件的過程監視是研究和應用最早、最多的。它們多數以工件加工質量控制為目標。20世紀80年代以來,工件識別和工件安裝位姿監視要求也提到日程上來。粗略地講,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者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。完成這些識別與監視將采用或開發許多傳感器,如基于TV或CCD的機器視覺傳感器、激光表面粗糙度傳感系統等。

3.刀具(砂輪的檢測傳感。切削與磨削過程是重要的材料切除過程。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),使它們失去切(磨削能力或無法保證加工精度和加工表面完整性時,稱為刀具/砂輪失效。工業統計證明,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。

(三)生物傳感器

生物傳感器大致經歷了三個發展階段:20世紀60年代為第一階段,這一時期的生物傳感器是由固定了生物成分的非活性基質膜和電化學電極所組成,主要代表是酶電極;20世紀70年代為第二階段,這是的生物傳感器是將生物成分直接吸附共價結合到轉換器的表面,無需非物性的基質膜,測定時不必向樣品中加入其他試劑,主要代表有微生物傳感器、免疫傳感器、組成傳感器等;從20世紀80年代至今,生物傳感器進入了將生物技術和電子技術相結合的生物電子學時期,傳感器把生物成分直接固定在電子元件上,使它們可以直接感知和放大界面物質的變化,從而把生物識別和信號的轉換處理結合在一起,酶FET、酶光二極管是其中的典型代表。生物傳感器目前已經是由生物、物理、化學、電子技術等多學科互相滲透的高新技術,具有選擇性好、靈敏度高、分析速度快、成本低、可以進行連續監測和活體分析的特點,在生物、醫學、環境監測、食品及軍事等領域都有重要的應用。

二、我國傳感器技術發展的若干問題及發展方向

傳感器技術是人類探知自然界信息的觸角,通過傳感器可以探索人的感覺器官無法感知的信息。傳感器技術能實現自動控制、自動調節的關鍵環節,也是機電一體化系統不可缺少的關鍵技術之一,其水平高低在很大程度上影響和決定著系統的功能;其水平越高,系統的自動化程度就越高。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對被控對象的各項參數進行及時準確地檢測出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法獲得,進而使整個系統就無法正常有效的工作。

我國傳感器的研究主要集中在專業研究所和大學,始于20世紀80年代,與國外先進技術相比,我們還有較大差距,主要表現在:(1)先進的計算、模擬和設計方法;(2)先進的微機械加工技術與設備;(3)先進的封裝技術與設備;(4)可靠性技術研究等方面。因此,必須加強技術研究和引進先進設備,以提高整體水平。

傳感器技術今后的發展方向可有幾方面:

1.提高抗干擾技術的能力,使用穩定的電源。

2.加速開發新型敏感材料:通過微電子、光電子、生物化學、信息處理等各種學科,各種新技術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傳感器。

3.向高精度發展: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自動化的可靠性。

4.向微型化發展:通過發展新的材料及加工技術實現傳感器微型化將是近十年研究的熱點。

5.向微功耗及無源化發展:傳感器一般都是非電量向電量的轉化,工作時離不開電源,開發微功耗的傳感器及無源傳感器是必然的發展方向。

6.向智能化數字化發展:隨著測控系統的自動化、智能化的發展,對傳感器的準確度、可靠性、穩定性提出了更高的要求,同時還應具有一定的數據處理能力和自檢、自校、自補償功能。傳統傳感器已不能滿足這些要求,而制造高性能的傳感器,僅靠改進材料工藝也很困難。計算機技術的發展使傳感器技術發生了巨大的變革,將計算機和傳感器融合,研制出了具有信息檢測、信號處理、信息記憶、邏輯思維與判斷等功能強大的智能傳感器。

參考文獻:

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