传感器与检测技术在机电一体化系统中的应用研究

摘 要：本文对传感器与检测技术在机电一体化系统中的应用进行研究，指出它们在机电一体化系统中的重要作用和地位，对常用传感器在机电系统中的功能进行研究，和电机一体化以及传感器在测量中的应用进行研究，并指出传感器与检测技术在机电一体化系统中的发展趋向。

关键词：传感器；检测技术；机电一体化系统；应用

引言

传感器，是机电系统中的一种器件或装置，用来检测所规定的信息检测到之后转换成另一种可用的信号输出。它的主要作用是检测系统自身的作业状态以及被控制对象和环境的状态，为控制系统的正常运作提供必不可少的信息。随着人类的不断发展，传感器技术在现代的科技技术中占有重要的领域，传感器与检测技术在机电一体化系统中的研究，生产、使用和开发，给机械以智能的技术革新成为了一种重要的新兴行业涌向市场。它相当于系统的感受器官，保证了机电一体化系统达到较高的水平，其特点是在获取信息以及处理信息时的精确度非常高同时速度也非常快。

1.传感器技术

1.1.传感器的定义

传感器在某个系统中的作用就好比是一个人的感觉器官，这也是传感器最初的来源，模拟人的视觉，嗅觉，触觉，听觉以及味觉这五大器官对外界信息作出的反应应用于机械上开发出传感器这一新型的技术，使其能将外界环境给予刺激的信号时使这些特定的刺激信号被测量，信息的被测量量包括了物理性质的测量，化学性质的测量以及生物量的测量等，得到了测量的信息之后按照人们所规定的规律将这些信号转换成系统的某种输出信号也是一种能传递的信号。

传感器的定义包括三个方面：第一它是一种能完成某种检测任务的测量装置；第二，被测量的某个信息的物理量，生物量或者是化学量都可以作为传感器的输入量；第三，传感器的输出量是一种物理量，这种物理量可以使气、可以使电也可以是光，但是电量是最主要的，它的特点主要在于便于系统对这种传出信号的操作如该信号的下一步传输，在系统与系统之间的转换，系统对所接收到的该信息的处理以及对其的显示等等。

1.2.传感器的分类及选择

传感器的种类并不是单一的，在实际的应用中也有许许多多的不同种类，就目前而言，传感器没有统一的分类方法因为同一种物理量可以用不同的测量原理进行测量，而同样原理的测量方法也可以测量不同的物理量。所以，传感器的分类可以根据其工作的原理进行分，也可以按传感器的用途即被测量分，还可以根据传感器输出的信号的性质进行分，可以根据这三种分类方式将传感器分为许多的种类。传感器的选用有一定的原则，在进行某个测量时首先要解决的问题是对传感器的选择，可以根据测量的目的，如测量温度、压力等等目的进行对传感器的选择，也可以根据测量的对象和其所处的环境，如液体，固体，气体等的测量进行传感器的选择，其对使用的传感器的选择合理与否在很大的程度上决定了该次测量结果的成败。

1.3.传感器静态特性的技术指标

传感器的静态特性指的是被测量的数值在进行转换时处于稳定状态，即输出与输入的关系，描述其的指标有一下四个：

第一，灵敏度。就是传感器在对信息进行转化处理时输出的变化与输入的变化的比值（在稳态标准的条件下），但是，灵敏度也可能是一个常数，如线性传感器。

第二，线性度。基于静态特性稳态标准的条件下，利用一些校准设备进行多次的往复循环测试，得到输出——输入的特性进行列表或曲线的方法将其表现出来。这一特性为一线性值是人们希望得到的结果，因为这样会对数据的下一步操作以及处理带来方便。但是实际得到的结果不会那么好，其得到的特性值不会就成是一条成线性关系的比例曲线，所以得采用各种线性补偿的环节将其特性值进行加工与处理，将最终的到的关系曲线取向一线性的关系，得到的这一线性曲线称为拟合曲线，而线性度就是实际曲线与拟合曲线之间的偏差，评价线性度的指标是最大偏差与输出满度值得比值。

第三，迟滞。迟滞现象就是，传感器在正常工作的情况下其工作条件相同，但是对同一大小信息的输出正反行程的不一致的到的输出量值不等的现象。若发生了这种现象那么就说明在传感器的机械部分如间隙、轴承摩擦等方面有一定的缺陷。应对其进行检查和必要的维修。

第四，重复性。是指在输入量的变化方向不变时，对全量程的测量进行重复的测量，得到测量的结果不一致即所得的特性曲线不能重合的现象，曲线的重复率越高表明该传感器在使用的过程所造成的误差越小，重复性能也越强。

2.传感器在测量中的应用

2.1.传感器在温度测量中的应用

测量的方法分为两大类：接触式和非接触时。接触式的原理是传感器与被测的对象相接触，是两者之间发生热传递，当传感器的感温原件与被测物达到热平衡时，传感器显示出的温度就是被测对象的温度，该方法的特点是简便，得到的结果可靠，所测出的数据精度高，可以说是经济实惠的测量方法，但是也有其的缺点就是在达到热稳定之前需要一定的时间造成了测温延迟，并且因为被测物要与传感器的热敏原件接触破坏了被测对象的温度场，对于很高的温度的，有毒的，有腐蚀性的对象进行温度测量时不能采用此种方法：再有一种测量方法就是非接触式测温。其原理是根据物体的热辐以电磁波的形式向四周辐射与物体自身的温度有一定的关系，若对这种辐射采用一定的检测装置进行接收和分析，将其接收到的信号进行转化，转化为温度的变现形式就可以实现对该物体非接触式的测量。该种测量方法解决了接触式测量的温度测量滞后问题以及与接触测量相比有更大的测量范围，解除了应用范围上的限制，对被测物体的温度场也没有影响，但是用该种方法测量时不太方便并且测得的结果准确度也偏低。在此测量方面用到的传感器有膨胀式温度传感器（包括了液体膨胀式、固体膨胀式以及气体膨胀式）。

2.2.传感器在压力测定中的应用以及在流量测量中的应用

在压力测定中常用的测量压力的传感器有许多：利用液体压力平衡原理的有U型管以及单管是液柱试的压力计，采用的工作液一般是水银或水，该种传感器常用于低压、负压或对压力差的测量；利用弹性形变的原理进行对压力测定的传感器有弹性式压力表，其测量的基础是弹簧管、波纹管以及膜片等弹性元件受到压力后所产生的硬性变形，该种传感器适用于测微压和低压。

在流量测量从测量的方法上分类有：一种是速度式流量传感器，他的原理是在已知截面的管路测量流体的流通速度，然后将这种速度的测量信息转化位移，压差等于流量相对应的信号来实现测量，这类传感器有许多如转子传感器，漩涡传感器，电磁波等等的流量传感器。另一种是容积式的流量传感器，它的作用原理是根据测量单位时间内已知容积的容室排出流体的次数来对流量的测量包括了瞬时流量和总的流量测量，根据这一原理进行测量的传感器常用的有刮板、旋转活塞式等。还有一种是质量式的流量测量传感器，又分为如角动量式、量热式、微动式等的直接式质量流量传感器和根据质量与体积流量之间的关系进行测量的间接式质量流量传感器。

2.3.传感器在物位测量中的应用

在各种设备的容器中，如果所方置的是一种均匀的液体，那物位指的是液面的高低，如果放置的是两种各部相溶的液体那分界面的高低就是该流体的物位，如果是固体物质那么堆积的高度就是该物质的物位。在物位的测量中用到的传感器按工作的原理进行分类可以分为：根据流体连通性原理测量的直读式传感器；液体液位高度对浮力影响变化原理进行测量的浮力式传感器；物体高度对某点压力大小的影响原理进行测量的压差式传感器；根据物位变化与点位变化之间的关系进行测量的电学式传感器；根据同位素射线的穿透力与测量物厚度之间的关系原理进行测量的核辐射式传感器；根据物位变化引起声学信号变化的声学式传感器以及其它形式应用于物位测量中的传感器。每一种传感器都有其自身的优缺点。

3.结束语

传感器在工业的生产以及工程的检测中，对各种工业参数进行了检测与控制，这种技术在机电一体化系统中得以很好的应用，如果缺少这些传感器在系统中发挥的作用如对接收信息的高度精确而可靠并且快速的自动检测以及对系统工作状态的自检，那么系统信息的进一步处理以及决策的功能就无法实验。

检传感器与检测技术在机电一体化系统中的应用促进了社会科学技术的发展，但是科学技术的发展对传感器及检测技术的要求随之发展而提高，在为传感检测技术提供更在物质方面更加丰富的手段和技术方面的条件，使传感器与检测技术在机电一体化系统中不断的发展。根据对传感器在测量中的应用研究可知其发展的趋势为：扩大测量的范围，如对超低温或超高温这些难以测量的量进行研究测定；提高传感器的测量精度以及可靠性；向微型化发展，器材本身体积小所占空间小，使用的寿命长，便于使用等这些要求更高的科学技术含量，向节能、微功能、无源化的方向发展，如使之能利用太阳能供电，避免其在野外或离电网远的地方使用时受电源的影响而无法使用；开发传感器与检测技术在机电一体化系统中应用的新邻域以及向智能化数字化的方向发展。

参考文献：

[1]芮延年.机电一体化系统设计[M].北京：机械工业出版社.

[2]章浩，张西良，周士冲.机电一体化技术的发展与应用[J].农机化研究，2011（1）.

[3]李科杰.新编传感器技术手册[M].国防工业出版社.

作者简介：

解观景（1963.10.18-），男，浙江台州人，工程师，主要从事机电产品检测工作。