机电一体化系统中传感器与检测技术的应用

张荣宝

（厦门海荭兴仪器股份有限公司，福建厦门 361021）

0 引言

科学技术的发展改变了工业的生产方式，促进了工业朝着现代化、智能化和自动化方向发展。在通信技术、传感器技术、检测技术和集成芯片等技术发展的推动下，工业生产开始进入智能制造时代。在智能制造时代，机电一体化系统的重要应用会更加凸显。传感器与检测技术是其中重要的技术和最为核心的操作部件，在机电一体化系统中起到监测机电一体化设备运行的作用，有效保障机电一体化设备的可靠性，同时还可以保障一体化系统的信息传输，有效提高其应用水平。

1 传感器的概念和分类

传统传感器能够收集规定的被测量信息，然后将其转化为输入信号，相当于人体的感知器官。随着科学技术的发展，现代传感器的功能更加强大，不仅具备特征信息的采集功能，而且还能够实现信息的读取，甚至是分析决策管控。也就是说，现代传感器不仅具备眼睛、耳朵、鼻子等感官的功能，还配置了“大脑”，可以进行决策。传感器在机电自动化系统中的主要作用是对系统的作业环境进行检测，从而为系统设备的运行提供信息支持，进而提高其运行的可靠性。

传感器有很多类型，不同类型的传感器具有不同的感知功能，因此在机电一体化系统中，要根据被检测对象来选择传感器类型。根据测量对象的性质可以将传感器分为两大类，即内部信息传感器和外部信息传感器：前者的功能是对系统内部的位置变化、受压情况、内部温度变化等进行检测；后者的功能是检测系统外部的环境状态，如外部的温度、湿度等。外部信息传感器也有很多种类，如触觉传感器、非触觉传感器、激光测距仪以及超声波测距仪等。

2 传感器与检测技术和机电一体化的联系

传感器的主要功能是利用电子元件实现外界环境和设备情况的监测，具体包括温度、流量、压力以及湿度等，并将其转化为数量值。此外，传感器还能监测设备的运行情况，获取设备的运行信息。当前传感器与检测技术已经广泛地应用于工业生产，机电一体化技术在工业领域中的应用也非常广泛。当前，传感器与检测技术可以说是机电一体化系统的核心技术。机电一体化系统的主要功能是进行机械设备的自动化控制，而传感器技术则为机电一体化系统的自动控制提供信息支持。可以说，传感器的精密化和智能化水平直接决定着机电一体化系统运行的效率和质量。因此，如果在机电一体化系统中应用了高智能化、精细化的传感器，那么其可靠性和自动化水平就会越高，从而保障工业生产效率。不过，应用高水平的传感器与检测技术需要花费的资金也更多，因此企业在选择机电一体化系统时，并不一定要应用最先进的，而是要根据其自身需求选择最适合的、性价比最高的系统，在提高生产自动化水平和生产效率的同时降低资金投入，实现效益的最大化。

3 传感器与检测技术在机电一体化中的应用

传感器与检测技术作为机电一体化系统中的核心部分，在机电一体化中有着重要作用。下面对传感器与检测技术在机电一体化中的具体应用进行分析。

3.1 对系统自身工作稳定的测量

机电一体化系统运行过程中，为了保障其运行的可靠性，需要对其运行状态进行监测，对其运行的稳定性进行评估，从而确保其能够正常运行。因此在机电一体化系统的设计阶段，会根据其运行的特点设置具有相应功能的传感器，用于监测系统的运行状态。例如在机械加工行业，在机械加工工作开始之前，为了确保设备的高效运行，加工设备需要进行自动检查，如加紧力度、形变是否符合加工要求、配夹的位置是否与产品相符等，通过应用传感器与检测技术，能够自动检测这些加工参数，并且及时传递数据，确保相关参数符合加工需求。同时，在机械加工过程中，为了提高加工精度，保证产品的合格率，需要确保加工条件时刻处于正常状态，因此需要对加工条件如工件压力和切削速度等进行实时的监测和调整。通过应用传感器与检测技术，能够实现这一过程的自动化，实时检测各项加工条件，并对其进行实时调整，提高加工工件的合格率，

3.2 对关键设备预知性保障技术方面的应用

很多机电一体化系统都是非常复杂的，在系统中包含很多重要的装备，这些设备的正常运行关乎到整个系统的运行状态，如果这些关键设备出现了故障，会对整个系统造成非常大的损失。为了避免这种情况，应用机电一体化设备时应充分考虑这一点，设置与执行分析判断检测传感器，使其对设备运行过程中的故障典型特征值进行采集和分析，从而对设备可能出现的故障进行预知并将其消除在萌芽状态，进而保证系统的安全，减少设备损坏给企业造成的损失，降低系统的维修成本。

例如，在化工行业的机电一体化系统中，要应用到大型的空压机，该设备在系统中起着重要作用，为了防止其出现故障对系统造成影响，在系统设计时应用声学传感器对其机械结构失效问题进行分析和评估，应采用振动传感器的故障分析检测技术、电磁传感器的负荷电流检测评估技术等实现设备故障的预知，有效降低了其故障概率和企业设备维修成本。

3.3 产品制造质量的在线检测应用

应用机电一体化系统进行自动化生产过程中，为了确保产品的质量，需要对产品进行检测。应用传感器技术能实现产品质量的自动检测，大大提高了产品质量检测工作的效率，而且还能提高检测的准确性，更好地保障产品的质量。当前，通过传感器技术可以对产品生产过程进行在线监测，进行自主的质量分析评价，从而在产品生产过程中实现产品质量的自动化检测，有效确保产品的质量。例如，在用于航天发动机核心部件喷管成型加工工序的防热结构件压装粘接成形机电一体化智能制造单元中，通过应用基于电磁超声波技术的粘接质量在线监测评估系统，实现了产品质量的自动检测，在确保产品质量的同时解决了传统质量检测方法存在的质量成本控制差、损耗大等问题，降低了产品检测的成本。

3.4 一些典型管控要素的管控应用

（1）数控机床中传感器与检测技术的应用。在机电一体化系统中，数控机床的应用比较广泛，在数控机床上应用传感器技术能够有效提高工作精确度和效率。在数控机床中，对整个机电一体化设备系统进行的自动化控制是通过数字信号的方式来实现的，传感器则能通过捕捉过数字化信号的方式，实现对数控机床的运行情况的判断，然后将数据提供给相关工作人员，相关工作人员在接收到这些信息之后能够更及时、准确地掌握数控机床的具体工作状态，然后就可以基于其对数控机床进行控制，从而提高数控机床工作的精度，进而提高产品的加工质量，同时促进工作效率的提升，提高企业的经济效益。

（2）传感器在智能机器人中的应用。随着智能技术的发展，智能机器人得到了快速发展，并且在工业生产中得到了广泛应用。当前，机器人的自动处理能力大幅度提升。智能机器人中最为重要的设备就是传感器，根据传感器获取的外部环境信息，机器人才能够准确地掌握外部环境，从而保证其生产过程中的准确性。在运行过程中，机器人中的传感器能有效收集外部环境的各种信息，并且对这些信息进行有效判断和处理，这样机器人就可以准确、敏锐地获取外部信息，为其自动工作提供准确的信息支持，保证其工作的自动化进行。智能机器人要应用到很多种传感器，如多维力传感器、视觉识别传感器、扭矩传感器等。

4 传感器与检测技术的发展展望

4.1 更强的稳定性和适应性

当前传感器的稳定性还存在一定问题，这主要是受环境适应性、自身稳定性等因素的影响，而随着技术的进步、传感器技术和电子技术的水平不断提高，传感器屏蔽技术的水平也在不断提高，传感器的抗干扰能力会进一步增强，从而有效地提高传感器技术的稳定性和准确性。

4.2 微型化

随着智能化技术的不断发展，智慧领域不断拓展，传感器的应用范围也在不断增加，如物联网应用终端设备、可穿戴式智能预知性监测设备等领域，而这些领域都无法为传感器提供很大的空间，这样微型化便成为传感器发展的必然选择。如果说市场的需求是传感器微型化推动力，那么技术的发展则为传感器的微型化提供了技术支持。当前在微电子以及集成化芯片技术的等方面的研究已经取得了突破性进展，这为传感器的微型化创造了良好的技术条件，未来传感器将会朝着体积微型化方向发展，使之能够应用于体积较小的智能设备中，满足机电一体化的发展要求。

4.3 与智能技术融合发展

与智能技术融合将是传感器未来发展的重要方向，从而使其不仅仅是数据的采集，而且具备数据挖掘能力，通过应用智能化技术，使其能够实现信息的智能化采集、分析和管控等，这样就能进一步提高工业生产的智能化和自动化生产水平，提高生产效率。

4.4 可持续性发展

在机电一体化系统向智慧化方向发展的工程中，传感器起着至关重要的作用。此外，传感器技术还是实现智能制造最后一公里全要素全过程智能管控的核心技术。为了满足这些应用需求，传感器技术还需要不断提升其在高响应速率、低功耗、高环境适应性以及自主判读等方面的能力，同时提高在多学科技术协同、高集成化度等方面的研究，从而提高机电一体化的智能化水平。

5 结论

传感器与检测技术作为机电一体化系统中的核心技术，在系统中起着重要作用，不仅能有效保障设备运行的稳定性，而且还能提高产品的加工质量和效率。随着传感器与检测技术的进一步发展，它们将在机电一体化系统中发挥更加重要的作用。