傳感器技術在機械電子中的應用探析

摘要：隨著各種原理傳感器的出現，我國的現代電子技術也在不斷豐富，在機械電子設備方面取得了較廣范的應用，不斷推進我國的工業向著更加智能化、自動化、網格化和模塊化的方向發展?，F代工業生產以及生活的方方面面已經離不開各種傳感器技術，因此該文針對機械電子行業的發展以及傳感器技術的發展，分析傳感器技術在機械電子行業的應用價值并列舉具體的應用實例。

關鍵詞：傳感器技術機械電子應用實例自動化控制智能化發展

中圖分類號： TP212? ? 文獻標識碼：A? ?文章編號：1672-3791（2022）03（b）-0000-00

Application of Sensor Technology in Mechanical Electronics

TIAN Rui

（Fundamental Science Department， Henan Polytechnic Institute， Nanyang， Henan Province，473000 China）

Abstract： with the emergence of various principle sensors， China's modern electronic technology is also constantly enriched， has made a wide range of applications in mechanical and electronic equipment， and constantly promotes China's industry to develop in the direction of more intelligence， automation， grid and modularization. All aspects of modern industrial production and life are inseparable from various sensor technologies. Therefore， aiming at the development of mechanical and electronic industry and sensor technology， this paper analyzes the application value of sensor technology in mechanical and electronic industry and lists specific application examples.

Key Words： Sensor technology; Mechanical and electronic; Application examples; Automatic control; Intelligent development

機械電子工程綜合了機械設備以及電子技術等學科的內容，其發展直接關系到包括生產行業、交通運輸、醫療器械以及日常生活的方方面面。隨著工業信息化的發展，傳感器技術賦予了將機械電子工程應用于更多行業的可行性，借助各種傳感器技術可以實現將各種微小信號轉變成電信號的功能，將一些不可見的信息進行可視化的表達，各種傳感器技術憑借其高靈敏性以及高可靠性的特點，在精確加工與控制領域中發揮著不可替代的作用。由于傳感器原理十分多樣化，因此只有把握好傳感器的原理才能夠在特定的工作場景進行正確的設備選型，同時不斷發展傳感器技術能夠進一步拓展傳感器技術在機械電子領域的應用和發展空間[1-2]。

1傳感器技術

1.1傳感器技術的定義與研究現狀

傳感器可以實現對微小信號的感知和傳遞，可以將傳感器技術類比為人體的各種感知器官。在工業環境中，傳感器可以對所處環境微小的變化進行感知，并做出相應的反應，一般是表現為電信號的形式，現場的工作人員能夠根據傳感器發出的信號進行相應的調節，以達到控制機電系統穩定運行的目的。需要注意到，傳感器是機電系統獲取信號數據最主要的，也是最準確的方式，能夠為開展相應的工作提供準確的依據。傳感器技術發源于20世紀80年代，在當時屬于領先行業，經過不斷的理論研究與應用實踐，現有的傳感器產品種類已超過2萬種，廣泛應用于鑄造、交通、汽車、金融、通訊、農業、機械制造、化工、能源、加點等眾多的行業之中。目前，在我國，傳感器技術的不斷發展受到了相當大的重視，并成為國家重點關注的領域，取得了各種突破性的成績，有效地開發了多種傳感器產品，不斷促進了我國眾多行業以及國民經濟的快速發展。

1.2傳感器的種類

人們習慣地將傳感器比作人的五感，表明了傳感器功能的強大。傳感器可以實現五大領域的信號檢測工作，在機械自動化領域，借助傳感器可以對位移、速度、加速度、扭矩、振動、作用力進行檢測;在電磁學領域，可以對電流、電阻、電容、電壓、電感等進行檢測;在生物化學領域，可以對成分、濃度等進行檢測;在工業過程控制領域，可以對流量、壓力、濕度等進行檢測;在輻射測量時，可以檢測無限電磁波、射線以及微波。可以見得傳感器技術具有十分廣闊的應用空間和應用前景。根據傳感器轉換原理、檢測對象、輸出信號的性質、功能、結構以及使用方式的不同，可以對傳感器技術進行各種不同的分類。在工程實際中，可以從能量的角度出發，對傳感器進行分類，區分傳感器是能量控制型、還是能量轉化型等，需要注意到由于一些傳感器的原理尚在探索階段，因此無法對其進行定義[3]。由于傳感器種類巨多，因此如何對傳感器進行科學統一的分類，是傳感器領域的一個重要課題，對于傳感器技術的選擇工作有不可替代的作用。

2機械電子行業的發展現狀分析

機械電子工程融合了機械技術與電子技術的，現階段主要的研究內容是數控機床與機器人，區別于傳統的機械設備，數控機床和機器人在生產效率以及生產精度方面體現出了強大的優勢，為現代工業的更新換代提供了指引。數控機床主要應用于機電行業，在生產效率、加工精度、可靠性以及勞動強度方面都有著巨大的優勢，在其應用的各領域都起到了不同程度的推動作用。機器人是人工智能的機械電子產品，在汽車和電子產品等領域都有了大量的應用，符合生產領域可靠性要求高和靈活性要求高的需求，同時機器人能夠在惡劣環境下開展工作，代替人工進行作業，提高作業的安全性和穩定性。另外，結合市場的需求，機器人的應用功能正在不斷地拓展，在醫療衛生、教育、護理行業的也正在開展應用實踐，機器人的研究工作正在使機器人變得更加有實用價值。機械電子正朝著更加智能化、自動化、高可靠性的方向發展，機械電子工程的發展離不開傳感器技術的應用，在數控機床方面，必須借助傳感器實現微小距離的測量與控制，在機器人中也需要借助傳感器進行環境對象識別，離開傳感器技術，包括數控機床以及機器人在內的機械電子工程就無法取得現有的發展成果。

3傳感器技術應用于機械電子行業的必要性

3.1傳感器技術的優勢

首先，傳感器能夠實現微小變化的測量，提供準確的數據，為進行精細的工業生產提供支撐?，F代生產機械可以通過程序的編程進行自動化的操作，而傳感器提供的數據資料就是程序運行的條件判據，傳感器提供的準確數據確保了現代生產機械進行相應的動作。同時，借助各種傳感器以及電子編程可以實現設備與設備信息的交互，構建起包含各個機電設備的互聯互通的物聯網，提供將設備構建網絡化連接的可能，從而方便操作人員通過采集的各種信息，了解設備的運行情況，更好地進行生產指令的發布。

3.2傳感器技術給機械電子的數字化發展提供助力

利用傳感器技術在機械電子領域進行信息的采集，可以將各種不同的信號進行統一的數字化處理與保存，實現傳感器輸出信號的數字化。數字化信號的特征是以“0”“1”儲存，能夠實現不失真的遠程傳輸，是機械電子中信號儲存與運算的主要形式。通過傳感器的數字化處理，可以實現一些難以直接度量的信號的數字轉變，比如將壓強、力矩、速度、溫度、輻射以及流量等信號轉變成統一標準的數字信號[4]。然后利用各種相關的數學模型，可以對數字信號進行進一步的判斷和處理，借助判斷和處理的結果為數控機床以及機器人的生產提供有效的指導，保證生產工作的效率以及生產工作的精確度，為機械設備進行精細化操作提供保障，從而提高企業在加工制造的工作的能力，提高市場競爭力。傳感器技術的發展為機械電子行業的數字化進程提供的強大的助力，在提高機械生產的精度、效率方面有不可取代的作用，通過將各種生產現場的信號進行數字化處理，結合相應的數字模型，能夠大幅度提高現代機械加工行業的自動化與智能化水平。

3.2傳感器技術給機械電子的模塊化發展提供助力

現代工業發展的一大趨勢是機電設備的模塊化管理，將各種傳感器嵌入到各個機電設備的模塊中，有助于實現功能模塊化的目標。相比于以往各種單一功能的機械設備，現代機械設備能夠實現的功能越發趨于多樣化，例如：傳統的車床、磨床、銑床一般只能進行一種機械加工，而數控機床則是集成了各種車床的功能，在一臺設備上進行多種機械加工，同時也能夠滿足各種精細化加工的需求，這種有綜合性能的機械設備一般劃分為不同的功能模塊，為了實現不同的功能，獲取各種需求的信號，一般需要借助不同的傳感器，將不同信號的測量并將結果輸出給處理中心，實現復雜的功能[5]。再如：一臺機械設備要求同步實現測溫、感知與控制運動的功能，那么就需要將不同的功能進行模塊化的分類，在測溫模塊可以嵌入各種溫度傳感器，在感知模塊可以嵌入紅外傳感器或視頻傳感器，在控制運動模塊可以嵌入應力傳感器、速度傳感器、加速度傳感器，將這些不同模塊的傳感器的信號同步地進行采集，然后在進行數據的集成處理，可以同時實現多重功能。因此，借助各種不同的傳感器技術可以不斷拓寬機電設備的模塊化功能范疇，促進機械電子設備的模塊化發展。

3.3傳感器技術為機械電子的智能化發展提供助力

現代工業正在朝越來越智能化的方向不斷發展，尤其是在機器人領域，各種人工智能的概念以及各種智能算法的出現不斷地提高了機器人制造水平的發展，各種機器人也能夠實現越來越多的智能操作，各種傳感器設備就相當于機器人的感知環境的器官，共同構建起機器人的感知系統，為機器人提供各種需求的數據。借助不同類型的傳感器，可以采集溫度、圖像、距離、聲音、外力等各種數據，同時能夠對這些采集數據的準確性進行保證，確保機器人能夠有足夠準確的信息采集來源，然后可以借助各種預設的智能學習算法，對采集到的數據進行加工處理，進行不斷的信息識別，數據庫的數量與質量是機器人能夠不斷提高識別精度的保證，從而能夠實現更加智慧的功能。因此，傳感器技術通過為智能設備提供信息數據，為智能機械進行智能學習提供了足夠的學習樣本，從而為其進行智能決策提供信息保障。

4傳感器技術在機械電子中的應用

4.1傳感器技術在數控機床中的應用

區別于傳統機械的手動型操作，數控機床是借助各種事先編寫好的算法使得生產裝置進行相應的工藝操作，操作人員只需要進行參數的設定工作，減少了操作過程中人員參與的需求，對于實現批量生產以及提高生產的精確度有重要的意義。但是在實際的生產過程中，由于各個工件之間肯定會存在細微的差距，因此在機床加工過程中，為了保證加工的精度模具與工件之間的相位位置與速度的過程檢測是必要的。利用傳感器技術就可以為解決這一問題提供思路，在數控機床的各個預設好的位置通常會安裝各種傳感裝置，傳感裝置通過對信號的采集，可以將信號統一輸出到信息處理和控制中心，控制中心借助各種算法對采集的數據進行加工處理，來獲得模塊與工件的相對位置關系，再根據人工預設的生產要求，調整好模具與工件的運動軌跡，實現精細化的加工，在加工過程中傳感器會對工件與模具的狀態實時進行檢測比對，能夠有效地減少加工誤差，提高加工的精確度[6]。除此之外，在加工過程中還可以應用各種溫度傳感器對重點產熱部位的溫度進行監視，當溫度超過閾值時能夠進行報警或自動停機，起到保護機電設備以及操作人員的作用，大大提高了操作加工過程中的安全性與可靠性。

5結語

隨著現代科學的不斷發展，傳感器越來越多的應用于機械電子領域并成為一種發展趨勢，為了不斷推進我國工業朝著更加智能化、自動化、高效化的方向復雜，就應當不斷豐富各種傳感器技術，加大各種傳感器在機械電子上應用的投入，保證機械電子能夠朝著數字化、模塊化和智能化的方向不斷發展，實現可持續的發展要求。另外為了順應工業4.0的發展要求，應當不斷加大在物聯網建設方面的投入，利用好各種傳感器技術，對機電設備的運行狀態數據進行好采集處理，實現更好的設備信息交互與設備運行管理，構建起萬物互聯的新型智能工廠，不斷提高現代工廠的生產效率、生產水平，創造更高的經濟效益，從而為我國經濟社會的發展提供源源不斷的活力。

參考文獻

[1]劉德國.便攜式實驗平臺在傳感器實踐教學中的應用[J].科技創新導報，2020，17（4）：205-206.

[2]熊曉倩.嵌入式系統傳感器的設計與應用研究[J].科技創新導報，2020，17（20）：1-2，5.

[3]丁志超. 光纖干涉儀傳感器及波長解調系統的理論與實驗研究[D].北京：北京交通學，2021.

[4]瞿元昊. 基于多傳感器融合的移動機械臂導航地圖構建[D].桂林：桂林電子科技大學，2021.

[5]趙新宇. 基于六維力傳感器的機械臂阻抗控制研究[D].濟南：山東大學，2021.

[6]朱弟發. 協作機械臂一體化力矩傳感器優化設計研究[D].長春：中國科學院大學（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所），2021.

作者簡介：田睿（1981—），女，碩士，講師。研究方向為光學、物理學。