探討傳感器技術在機械電子行業的應用

蔡曦

摘 要：在各個學科高度發展的今天，交叉學科領域往往會因為學科間的相互交融、取長補短迸發出強大的生命力，機械電子工程便是其中的典型。機械電子工程是機械裝置和電子技術的有機結合，以機械制造為本，在制造生產的各個部分引入電子技術，將兩種技術結合以達到提高生產效率和精度，減少浪費等目標。目前，在機械的主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上已經成功引入了電子技術。傳感器是電子技術中重要的部分，已經大量使用在工業、農業生產中，甚至日常生活中也常常能看到傳感器的身影。同時，將傳感器入網形成的物聯網是當下的熱點。因此，在機械電子行業，傳感器的使用和發展必然會帶來機電行業進一步的發展。

關鍵詞：機械電子；傳感器

在各個學科高度發展的今天，交叉學科領域往往會因為學科間的相互交融、取長補短迸發出強大的生命力，機械電子工程便是其中的典型。機械電子工程是機械裝置和電子技術的有機結合，以機械制造為本，在制造生產的各個部分引入電子技術，將兩種技術結合以達到提高生產效率和精度，減少浪費等目標。目前，在機械的主功能，動力功能，信息處理功能和控制功能上已經成功引入了電子技術。傳感器是電子技術中重要的部分，已經大量使用在工業、農業生產中，甚至日常生活中也常常能看到傳感器的身影。同時，將傳感器入網形成的物聯網是當下的熱點。因此，在機械電子行業，傳感器的使用和發展必然會帶來機電行業進一步的發展。

1 機電行業發展的現狀

機械電子源于日本的“Mechatronics”一詞，被解釋為“在機械的主動功能、信息處理功能和控制功能上引入電子技術，并將機械裝置和電子設備以及軟件等有機結合起來構成的產品或者系統”。歐洲IRDAC認為機械電子工程是“機械工程、電氣控制工程以及系統總體技術在產品設計和生產過程中的結合”。我國通常把機械電子稱之為“機電一體化”。由此可見，機械電子工程確實源于機械技術和電子技術的融合。

機械電子技術發展到今天有了大量成果，設計出的產品在效率、精度上都大大超越了傳統機械。數控機床和機器人就是其中的典型代表。

數控機床作為廣泛使用的機械電子產品，具有適應性強、加工精度高、生產效率高、勞動強度低和可靠性高等特點?；谶@些特點，數控機床適用于工業生產的各個領域，加速了各個行業的發展。

機器人作為一個蓬勃發展的機械電子產品，吸引了越來越多的眼球。它能自動識別對象并采取相應的動作，具有一定程度上的人工智能。目前在汽車生產、電子產品生產等行業已經能看到大量機器人的身影。在這些行業中，機器人的操作精度、對環境的適應性以及工作效率上相比人力具有極大的優勢。與此同時，機器人智能不斷提高，具有越來越多的功能，其發揮的作用也越來越大。未來，我們在醫療衛生、養老護理等服務業也會看到更多的機器人。

同時在德國的工業4.0等計劃中，信息產業和傳統工業的融合可以使資源得到最有效的調配，大幅度提高了傳統工業的效率。機械電子是其中較為成熟并持續快速發展的典型技術。

發展機械電子工程是大勢所趨，掌握其核心技術是發展的關鍵。這些技術包括機械技術、電子技術、自動控制技術、檢測傳感技術、信息處理技術、伺服驅動技術以及系統總體技術。我們可以發現在這些技術中檢測傳感技術起到了類似橋梁的溝通作用，它從機械部分或外界檢測到相關數據并傳輸到控制部分作進一步分析和決策。如果沒有傳感器，數控機床中控制精度的測距部分會失效，機器人也無法識別對象，后面的機電融合就無從談起，因此傳感器在現有的機械電子技術中具有重要的作用。同時在新一代的工業化中，傳感器還充當著采集大數據的角色。這些生產上實時產生的數據在每一個層面都有巨大的作用，生產設備可以根據數據反饋調整操作，政府和企業可以通過分析數據，得到目前的生產狀況、生產需求和生產效率，以便及時調整生產策略。

2 傳感器在機電工程未來發展中的重要性

接下來我們來探討傳感器技術在機械電子行業的應用。智能化、網絡化、數字化、模塊化、綠色化和人性化是機械電子產業未來發展的趨勢[1]，可以從這六個方面來感受傳感器在機械電子工程未來發展中的重要性。

2.1 智能化

在機器人領域，智能化的體現在能根據觀察到的對象，做出更加符合智能定義的行為，從而對各種情況都有良好的適應性。傳感器在早期可以提供最基本的對象信息，然后通過模式識別等技術實現初步的智能化。在后期進一步發展的過程中，傳感器要提供更多的對象信息，包括圖像、聲音、溫度以及距離等，同時也要提高對象數據的精確性。通過對大量、多維度、高精度數據的特征提取，機器人不但可以進行主動學習，也可以提高識別精度。在智能化這一趨勢中，傳感器能起到信息采集和傳輸的作用。

2.2 網絡化

傳感器設備一般會集成網絡接口，以物聯網設備的形式出現。通過4G、5G、WIFI、RFID、ZIGBEE以及藍牙等多種傳輸方式，傳感器能接入互聯網，為遠程監控提供接口，操作者和監控者可以突破空間限制，遠距離調控機電設備；也能在各個傳感器之間連成網絡，使各機電設備可以共享數據、協同工作。傳感器為網絡化提供了必要的接口，使機電設備成為物聯網的一部分。

2.3 數字化

現實世界中不同維度的信息，通過傳感器的采集，會形成統一的數據格式：視頻流、溫度、距離、壓強等。這些數據將不可度量的感受轉化為精確的數字，并進一步構建數學模型。在這一基礎上，機器人、數控機床等設備可以利用模型大幅度提高生產效率及精度。傳感器的進一步發展會推動數字化精度和維度的提高，構建更加切合實際的模型。

2.4 模塊化

在機電設備模塊化的發展中，傳感器也扮演了重要的角色。傳感器能既嵌入其他模塊中以強化該模塊的功能，提供測距、溫控等功能；也能將多種傳感器集成為一個模塊，如機器人的感知模塊，通過攝像頭、溫度傳感器、紅外線傳感器等為機器人提供全方位探測周圍環境的功能。傳感器產業的發展為機電設備的模塊化提供了助力。

2.5 人性化

機電設備在人性化上也持續發展。使用設備的方式可以采用手勢、語音等途徑，采集這些信息并傳輸給控制設備的功能由傳感器實現，采用這些新的交互方式可以使設備使用突破多種限制，讓人在不同的環境下都能使用。同時，設備運作的方式也有賴于傳感器的數據反饋，通過傳感器采集周圍數據并分析，機器人能做出更加人性化的反應。

2.6 綠色化

在機電設備使用過程中，通過傳感器可以獲取機電設備的生產狀況，包括污染物排放情況、設備的磨損情況以及原料的使用情況。根據傳感器反饋的設備狀況，控制模塊或操作者可以對設備進行動態調節，優化資源配置。進一步的，老化嚴重或出錯的設備可能會增加污染物排放，降低原料使用率，根據數據制定相應的維護計劃或停用相應設備，有利于機電設備的綠色化。

3 結語

在機電設備的發展過程中，機械與電子兩個學科始終相互交融，取長補短。以電子技術作為輔助，能在傳統的機械技術中取得長足的進步。而傳感器作為電子技術之一，在此發揮了比較大的作用。傳感器的種類較多，能采集到外界各種信息。通過集成的各種網絡接口，傳感器能自組網絡，也能連入互聯網，將數據傳輸到上層或其他相關設備。上層通過對數據的分析處理可以形成數學模型，實時調節設備的運行。相關設備接收到數據后，則可以采取協調措施。總之，通過發展并使用傳感器，可以在機械電子的發展中達到如下成果：

首先，傳感器的發展使機電設備的“眼睛”、“耳朵”更靈敏，更加精確的數據可以使工業生產更精細化。同時，機器人等工作環境更加復雜的機電設備，通過多種傳感器采集數據可以對周圍環境建立復合模型，通過分析更切合真實環境的模型，做出更合理的反應。

其次，傳感器的廣泛使用可以將機電設備連入物聯網，遠程監控會節約大量的人力物力，同時，可以將發生故障或者問題的設備及時報告。將機電設備連入網絡，可以在多個設備之間相互共享數據，協作生產，在全局上獲得更大的收益。傳感器采集的數據，通過處理和分析，可以在生產的各個層面優化資源配置，最大程度上發揮資源作用。

最后，傳感器發揮的是現實世界到機電設備的橋梁作用，不管是探測周圍環境，還是反饋操作效果，傳感器搜集的數據都會對機電設備的運行產生極大的影響。在信息化時代，信息的獲取、積累以及挖掘會帶來極大的進步。

參考文獻

[1]方金源，萬浩，李浩.淺析傳感器技術在機電自動控制中的應用[J].中國機械，2015，（20）：2-3.