浅谈传感器技术在机电一体化中的应用

汪国平

[摘要]概述传感器研究现状与发展,探讨传感器在机电一体化系统中的应用,并分析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 应用

中图分类号:TM3文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)0810099-01

随着人类探知领域和空间的拓展,电子信息种类日益繁多,信息传递速度日益加快,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,传感器也将无所不在。

传感器作为测量与控制系统的首要环节,必须具有快速、准确、可靠且又能经济地实现信息转换的基本特点。

一、传感器在机电一体化系统中的应用

(一)机器人用传感器

机器人传感技术是20世纪70年代发展起来的,是一类专门用于机器人技术的新型传感器,与普通传感器的工作原理基本相同,但又有其特殊性,对传感信息种类和智能化处理的要求更高,包括机器人触觉传感器、机器人接近觉传感器、机器人视觉传感器、机器人嗅觉传感器、机器人味觉传感器、机器人听觉传感器等。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。

(二)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。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。

(三)生物传感器

生物传感器大致经历了三个发展阶段:20世纪60年代为第一阶段,这一时期的生物传感器是由固定了生物成分的非活性基质膜和电化学电极所组成,主要代表是酶电极;20世纪70年代为第二阶段,这是的生物传感器是将生物成分直接吸附共价结合到转换器的表面,无需非物性的基质膜,测定时不必向样品中加入其他试剂,主要代表有微生物传感器、免疫传感器、组成传感器等;从20世纪80年代至今,生物传感器进入了将生物技术和电子技术相结合的生物电子学时期,传感器把生物成分直接固定在电子元件上,使它们可以直接感知和放大界面物质的变化,从而把生物识别和信号的转换处理结合在一起,酶FET、酶光二极管是其中的典型代表。生物传感器目前已经是由生物、物理、化学、电子技术等多学科互相渗透的高新技术,具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低、可以进行连续监测和活体分析的特点,在生物、医学、环境监测、食品及军事等领域都有重要的应用。

二、我国传感器技术发展的若干问题及发展方向

传感器技术是人类探知自然界信息的触角,通过传感器可以探索人的感觉器官无法感知的信息。传感器技术能实现自动控制、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几方面:

1.提高抗干扰技术的能力,使用稳定的电源。

2.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.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。

4.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。

5.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。

6.向智能化数字化发展:随着测控系统的自动化、智能化的发展,对传感器的准确度、可靠性、稳定性提出了更高的要求,同时还应具有一定的数据处理能力和自检、自校、自补偿功能。传统传感器已不能满足这些要求,而制造高性能的传感器,仅靠改进材料工艺也很困难。计算机技术的发展使传感器技术发生了巨大的变革,将计算机和传感器融合,研制出了具有信息检测、信号处理、信息记忆、逻辑思维与判断等功能强大的智能传感器。

参考文献:

[1]韩连英、王晓红,光纤传感器在机械设备检测中的应用[J].光机电信息,2006(3).

[2]郭爱芳,传感器原理及应用,西安电子科技大学出版社,2007.

[3]张开逊,现代传感技术在信息科学中的地位[J].工业计量,2006(1).