传感器技术在自动控制系统中的应用

许达腾

摘 要：本文在对传感器及其技术分类进行简要阐述的基础上，对传感器技术在机械加工领域、机器人领域以及汽车制电子控制系统中的应用进行了分析探讨。

关键词：传感器；自动控制；机电控制系统

传感器技术是现代科技的前沿技术，发展迅猛，同计算机技术与通信技术一起被称为信息技术的三大支柱。传感器技术在现代工业自动化控制系统中的应用十分广泛，是机电自动化控制系统功能实现的基础，作用相当于系统的感觉器官，即从待测对象那里获取能反映待测对象特征和状态的信号。传感器技术将待测对象的各种物理量如位置、位移、速度、温度、压力、流量、成分等等转换成与之成比例的电信号并对转换的电信号进行放大、补偿、标度变换等加工处理，对自动控制系统的准确性、可靠性等指标具有十分重要的影响，从某种程度来说，传感器技术决定着自动控制系统的自动化水平。

1传感器及其技术分类

传感器一般由敏感元件、传感元件和其他辅助件组成，有时也将信号调节与转换电路、辅助电源作为传感器的组成部分。传感器通常可以按照一系列方法进行分类。根据输人物理量的分类，传感器常以别测物理量命名，如位移传感器，速度传感器、温度传感器、压力传感器等。根據工作原理分类，传感器常可以依据工作原理进行命名，如应变式、电容式、电感式、热电式、光电传感器等，按输出信号分类，可分为模拟传感器和数字式传感器。输出量为模拟量则称为模拟式，输出量为数字式则称为数字式传感器等等。

传感器技术诞生于20世纪中期，是随着工业自动化浪潮而发展起来的一种技术，是当前代表国家综合科研水平的重要技术。传感器的技术分类主要为：光电传感器技术、多传感器技术以及生物传感器技术等。

光电传感器技术又称为光传感器技术，是将光信号转化为电信号的一种传感器技术。光电传感器技术可用干检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等，也可用来检测能转换成光电量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度、以及物体形状、工作状态等，光电传感技术具有非接触、响应快、性能可靠等特点，目前主要应用于工业自动化装置和机器人技术中。

多传感器信息融合技术将各种传感器进行多层次、多空间的信息互补和优化组合处理，最终产生对观测环境的一致性解释。多传感器技术的基本原理就像人的大脑综合处理信息的过程一样，在这个过程中要充分地利用多源数据进行合理支配与使用，而信息融合的最终目标则是基于各传感器获得的分离观测信息，通过对信息多级别、多方面组合导出更多有用信息。这不仅是利用了多个传感器相互协同操作的优势，而且也综合处理了其它信息源的数据来提高整个传感器系统的智能化。

生物传感器技术是一种将生物化学反应能转化成电信号的分析测试技术，以此制成的传感器装置具有选择性高、分析速度快、操作简易和价格低廉的特点。作为一门在生命科学和信息科学之间发展起来的一门交叉学科，生物传感器在发酵工艺、环境监测、食品工程、临床医学、军事及军事医学等方面得到了深度重视和广泛应用。

2传感器技术在机械加工过程中的应用

传感器技术在机械加工过程中的应用主要集中在了切削过程和机床运行过程、工件的过程传感以及刀具的检测传感。

对机械加工切削过程的传感检测，可以优化切削过程的生产率、制造成本或材料的切除率等，传感检测目标主要为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，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。对于机床的运行而言，传感器技术可以对机床驱动系统、轴承与回转系统的运行状态进行监测，确保其运行的安全及效能稳定，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。

工件的过程传感是指对工件过程的监视，包括工序识别、工件识别等。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。

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或出现破损，会产生刀具失效问题，而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。

3传感器在机器人领域的应用

工业机器人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。

通常微动开关、光电开关、电涡流等传感器安装在机器人的每个关节上进行零位和极限位置的检测，前者保证机器人的重复定位精度和轨迹精度，后者则起保护机器人和安全动作的作用。位移传感器一般也都安装在机器人的各关节上，用于检测机器人各关节的位移量，作为位置控制信息。

4传感技术在汽车自动控制系统中的应用

汽车是一种综合性的“机-电-液”一体化产品，其电子控制系统由中央控制单元、传感器和执行器三大部分组成。电控单元（CECU）为其控制中心，利用安装在发动机、变速器、底盘、车身、舒适和安全等系统上的各种传感器检测出汽车运行时各部件总成的运行参数，将其输入电控单元（CECU）中，再按照电脑中预存的控制程序精确地控制汽车上的各种执行器，满足汽车在各种工况下都能正常行驶，因此，传感器是汽车电子控制系统的关键。

汽车上使用的传感器类型多种多样，检测的参量也各不相同。按照传感器的分类特点，在汽车上使用的传感器按其工作原理分为：电阻应变式，如空气流量传感器、压力传感器、节气门位置传感器等；电容式，如机油传感器、碰撞传感器、燃油液位传感器等；电感式，如齿杆位置传感器、爆震传感器、加速度传感器等；压电式，如进气压力传感器、减震器传感器、爆震传感器等；磁电式，如发动转速、车速转速传感器、曲轴和凸轮轴位置传感器、方向盘转角传感器等；热电式，如水温传感器、空气流量传感器、进气温度传感器等；光电式，如曲轴位置传感器、安全保护系统、盲区信息系统等；化学式，如氧传感器、湿度检测传感器等。

传感器在汽车上的综合应用，使汽车的结构和性能得到了改变，优化了汽车动力系统和底盘控制系统，降低了发动机尾气有害物质的排放，改善了燃油经济性，达到汽车节能减排的目的；同时，提高了汽车操纵稳定性和平顺性，改善了汽车行驶性能。另外，新型传感器的应用使汽车舒适性和安全性得到了很大的提高，使汽车变的更加可靠和安全。

参考文献：

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