傳感器技術(shù)在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

曹聰，卜令欣

（中國(guó)電建集團(tuán)港航建設(shè)有限公司，天津 300467）

機(jī)電一體化系統(tǒng)內(nèi)，傳感器是系統(tǒng)中的核心裝置，能夠幫助機(jī)電一體化系統(tǒng)快速、準(zhǔn)確地獲取到各種信息，并且面對(duì)殘酷的外部環(huán)境考驗(yàn)，能夠確保機(jī)電一體化系統(tǒng)功能的正常發(fā)揮。一旦缺少傳感器精準(zhǔn)檢測(cè)信息和系統(tǒng)狀態(tài)，系統(tǒng)將不能正常進(jìn)行信息處理以及控制決策。

1 傳感器的研究發(fā)展?fàn)顩r

自20世紀(jì)80年代開(kāi)始，傳感器逐漸在世界各國(guó)流行起來(lái)，眾多先進(jìn)工業(yè)國(guó)從傳感技術(shù)的研發(fā)入手，進(jìn)一步研究、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)傳感器。傳感技術(shù)在當(dāng)時(shí)屬于科技領(lǐng)域的領(lǐng)先技術(shù)，傳感器和傳感器系統(tǒng)的生產(chǎn)成為熱門(mén)行業(yè)。目前，全球傳感器市場(chǎng)的銷(xiāo)售總額突破200億美元，年均增長(zhǎng)率呈現(xiàn)為80%，傳感器產(chǎn)品品種超過(guò)2萬(wàn)種。這些產(chǎn)品主要應(yīng)用在鋼鐵、交通、通信、汽車(chē)、金融、農(nóng)業(yè)、能源、機(jī)械制造、化工、家電、商業(yè)等眾多行業(yè)中。 八五 期間，我國(guó)將傳感器技術(shù)納入到國(guó)家重點(diǎn)攻關(guān)計(jì)劃中，并且將其視為我國(guó)中長(zhǎng)期科技發(fā)展重點(diǎn)技術(shù)，21世紀(jì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，創(chuàng)新突破無(wú)處不在，這更為傳感器產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供了有利條件，傳感器技術(shù)將促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)。

2 傳感器應(yīng)用在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的具體體現(xiàn)

傳感器技術(shù)在機(jī)電一體化系統(tǒng)中屬于核心技術(shù)，目前在多種類(lèi)型的自動(dòng)化產(chǎn)品中都能夠發(fā)現(xiàn)傳感器技術(shù)的應(yīng)用。

2．1 將傳感檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用在挖泥船

挖泥船主要是從事水下土石方施工的任務(wù)，日常工作就是挖深、加寬和清理現(xiàn)有的航道和港口；開(kāi)挖新的航道、港口和運(yùn)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(dāng)水下耙吸管較為龐大的時(shí)候，耙吸式挖泥船在挖泥操作時(shí)難以對(duì)水下的具體情況了解，同時(shí)對(duì)耙頭位置和挖泥的深度也難以把握，所以需要一套優(yōu)秀的操作顯示裝置加以輔助，利用這個(gè)裝置對(duì)兩側(cè)的耙吸管工作情況和具體的位置加以監(jiān)視，而這個(gè)裝置通常就是利用傾角傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，在傾角傳感器的作用下，就能夠測(cè)量出兩側(cè)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(duì)吸水深度等參數(shù)，進(jìn)一步可以得出船體吃水深度的數(shù)據(jù)，當(dāng)船體傾斜超過(guò)一定的限制值或者耙吸管移動(dòng)的位移超過(guò)限制時(shí)輸出報(bào)警信號(hào)。

2．2 將傳感檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用在機(jī)械加工過(guò)程中

（1）機(jī)械加工過(guò)程中切削環(huán)節(jié)以及機(jī)床運(yùn)行環(huán)節(jié)都會(huì)應(yīng)用到傳感技術(shù)。切削環(huán)節(jié)傳感檢測(cè)可以提高切削環(huán)節(jié)的生產(chǎn)率以及制造成本，確保（金屬）材料的切除率。切削環(huán)節(jié)傳感檢測(cè)的目標(biāo)包括切削過(guò)程中切削力水平以及發(fā)生的變化、切削過(guò)程中產(chǎn)生顫震、刀具和工件接觸過(guò)程中切屑狀態(tài)、切削過(guò)程的辨識(shí)等，而極為重要的傳感參數(shù)包括切削力、切削過(guò)程聲發(fā)射、切削過(guò)程振動(dòng)、切削過(guò)程電機(jī)的功率等。機(jī)床運(yùn)行環(huán)節(jié)的傳感檢測(cè)目標(biāo)包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、溫度的監(jiān)測(cè)與控制、軸承與回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、安全性等，機(jī)床運(yùn)行環(huán)節(jié)的傳感參數(shù)包括機(jī)床的故障停機(jī)時(shí)間、功率、被加工件的表面粗糙度和加工精度、機(jī)床狀態(tài)、冷卻潤(rùn)滑液的流量等。

（2）工件的過(guò)程監(jiān)視技術(shù)。對(duì)比刀具和機(jī)床的過(guò)程監(jiān)視技術(shù)，工件的過(guò)程監(jiān)視應(yīng)用范圍較廣，并且具有更多的理論研究成果。工件的過(guò)程監(jiān)視將工件加工質(zhì)量控制作為目標(biāo)。20世紀(jì)80年代，工件識(shí)別以及工件安裝位姿監(jiān)視要求被得到重視。工序識(shí)別的主要目的是將所要執(zhí)行的加工工序是否與工件加工要求的工序相一致；工件識(shí)別主要是對(duì)送入機(jī)床代加工的工件以及毛坯是否達(dá)到相關(guān)要求進(jìn)行辨識(shí)，與此同時(shí)還應(yīng)對(duì)工件安裝的位姿與工藝規(guī)程要求位姿是否相符進(jìn)行辨識(shí)。除此之外，還應(yīng)通過(guò)工件識(shí)別以及工件安裝監(jiān)視傳感技術(shù)對(duì)代加工毛坯或工件體現(xiàn)出的表面缺陷以及加工裕量進(jìn)行辨識(shí)。和工件的過(guò)程監(jiān)視關(guān)系密切的一種監(jiān)視手段是工藝過(guò)程監(jiān)視，這主要是對(duì)毛坯或者工件的表面粗糙度、表面質(zhì)量、形狀、尺寸、位置進(jìn)行在機(jī)監(jiān)視以及實(shí)時(shí)監(jiān)視。這些因素和加工過(guò)程質(zhì)量、成品率和生產(chǎn)率的提升、加工成本的降低、交貨期的提前有直接關(guān)系，所以這些因素逐步受到重視。想要圓滿(mǎn)完成以上的識(shí)別和監(jiān)視任務(wù)必須開(kāi)發(fā)大量傳感器，例如基于TV的視覺(jué)傳感器等。

（3）對(duì)刀具/砂輪進(jìn)行檢測(cè)傳感。切削過(guò)程和磨削過(guò)程的作用都是切除材料。刀具和砂輪發(fā)生一定程度的磨損（根據(jù)磨鈍標(biāo)準(zhǔn)判別），或者出現(xiàn)卷刀、燒傷、崩刃等破損情況，導(dǎo)致切割能力、磨削能力下降，不能達(dá)到加工精度標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)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(yè)統(tǒng)計(jì)表明，導(dǎo)致機(jī)床故障停機(jī)的最根本原因是刀具失效，刀具失效造成的停機(jī)時(shí)間達(dá)到NC類(lèi)機(jī)床的總停機(jī)時(shí)間的1/4左右。刀具失效還將會(huì)帶來(lái)人身安全和設(shè)備安全隱患，甚至引發(fā)重大安全事故。所以，現(xiàn)階段制造領(lǐng)域更加重視對(duì)刀具和砂輪的失效監(jiān)視。最近20年以來(lái)，刀具的破損以及磨損監(jiān)視技術(shù)不斷發(fā)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(xué)圖像法、接觸法、放射線(xiàn)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(cè)法等；多感知融合法包括多傳感器組合/融合識(shí)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(xué)圖像和接觸2種方法；間接法包括切削力、扭矩、功率、振動(dòng)、超聲波等。

2．3 汽車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用傳感技術(shù)的具體體現(xiàn)

伴隨傳感器技術(shù)的不斷突破，結(jié)合現(xiàn)代化其他技術(shù)的應(yīng)用，促進(jìn)了汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展。汽車(chē)的機(jī)電一體化利用自動(dòng)控制系統(tǒng)代替機(jī)械式控制部件，除了應(yīng)用在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)上，還應(yīng)用在改善汽車(chē)性能的其他方面，能夠達(dá)到油耗下降、節(jié)能減排、提升安全性、便于操作的目的，現(xiàn)如今，汽車(chē)全身都涵蓋領(lǐng)先的檢測(cè)和控制技術(shù)。在汽車(chē)的重點(diǎn)控制系統(tǒng)中，應(yīng)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(guó)傳感器技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

從20世紀(jì)80年代開(kāi)始我國(guó)針對(duì)于傳感器技術(shù)的研究以研究所以及大學(xué)為主，對(duì)比西方發(fā)達(dá)國(guó)家目前仍有較大差距，具體差距體現(xiàn)為：（1）計(jì)算、模擬、設(shè)計(jì)方式較為領(lǐng)先；（2）微機(jī)械加工技術(shù)和設(shè)備較為領(lǐng)先；（3）封裝技術(shù)和設(shè)備較為領(lǐng)先；（4）可靠性技術(shù)研究更加深入。所以，我國(guó)應(yīng)注重技術(shù)研究并從西方發(fā)達(dá)國(guó)家引進(jìn)各種先進(jìn)設(shè)備，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)整體水平的提高。傳感器技術(shù)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)緊緊圍繞以下幾個(gè)方向：

3．1 新型敏感材料的研發(fā)

注重結(jié)合微電子、生物化學(xué)、光電子等學(xué)科，實(shí)現(xiàn)技術(shù)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(fā)方向

使傳感器具備更高的靈敏度、精確度、反應(yīng)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(lái)難以突破，當(dāng)前很多傳感器的工作溫度范圍是-20～70℃，然而軍用系統(tǒng)需要-40～85℃溫度條件下，一些工業(yè)要求-20～120℃環(huán)境，航天飛機(jī)以及空間機(jī)器人的溫度環(huán)境為-80℃以下，200℃以上。傳感器的可靠性將決定電子設(shè)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(qiáng)。

3．4 微型化方向

通過(guò)運(yùn)用新材料、新工藝實(shí)現(xiàn)傳感器體積更小、重量更輕的目標(biāo)。

3．5 微功耗以及無(wú)源化方向

傳感器通常將非電量轉(zhuǎn)化成電量，工作過(guò)程中必須接電源，因此未來(lái)將微功耗和無(wú)源化作為發(fā)展趨勢(shì)。

3．6 智能化數(shù)字化方向

伴隨科技的創(chuàng)新，現(xiàn)如今的傳感器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了更多的功能，通過(guò)微電腦處理數(shù)字信號(hào)，使其具備智能化、數(shù)字化特點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

歸納以上，在科學(xué)技術(shù)不斷創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，傳感器技術(shù)也突破創(chuàng)新，將傳感器技術(shù)和機(jī)電一體化技術(shù)相融合，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化系統(tǒng)應(yīng)用效果的逐步提升。