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光學工程
傳感器技術在機電一體化中的應用

在機電一體化系統中,傳感器處系統之首,其作用相當于系統感受器官,能快速、精確地獲取信息并能經受嚴酷環境考驗,是機電一體化系統達到高水平的保證。如缺少這些傳感器對系統狀態和對信息精確而可靠的自動檢測,系統的信息處理、控制決策等功能就無法談及和實現。

一、傳感器的研究現狀與發展

傳感器是能感受規定的被測量并按一定規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置,主要用于檢測機電一體化系統自身與操作對象、作業環境狀態,為有效控制機電一體化系統的運作提供必須的相關信息。隨著人類探知領域和空間的拓展,電子信息種類日益繁多,信息傳遞速度日益加快,信息處理能力日益增強,相應的信息采集——傳感技術也將日益發展,傳感器也將無所不在。

從20世紀80年代起,逐步在世界范圍內掀起一股“傳感器熱”,各先進工業國都極為重視傳感技術和傳感器研究、開發和生產。傳感技術已成為重要的現代科技領域,傳感器及其系統生產已成為重要的新興行業。

二、傳感器在機電一體化系統中的應用

傳感器是左右機電一體化系統(或產品)發展的重要技術之一,廣泛應用于各種自動化產品之中:

1.機器人用傳感器。工業機器人之所以能夠準確操作,是因為它能夠通過各種傳感器來準確感知自身、操作對象及作業環境的狀態,包括:其自身狀態信息的獲取通過內部傳感器(位置、位移、速度、加速度等)來完成,操作對象與外部環境的感知通過外部傳感器來實現,這個過程非常重要,足以為機器人控制提供反饋信息。

2.機械加工過程的傳感檢測技術。

(1)切削過程和機床運行過程的傳感技術。切削過程傳感檢測的目的在于優化切削過程的生產率、制造成本或(金屬)材料的切除率等。切削過程傳感檢測的目標有切削過程的切削力及其變化、切削過程顫震、刀具與工件的接觸和切削時切屑的狀態及切削過程辨識等,而最重要的傳感參數有切削力、切削過程振動、切削過程聲發射、切削過程電機的功率等。對于機床的運行來講,主要的傳感檢測目標有驅動系統、軸承與回轉系統、溫度的監測與控制及安全性等,其傳感參數有機床的故障停機時間、被加工件的表面粗糙度和加工精度、功率、機床狀態與冷卻潤滑液的流量等。

(2)工件的過程傳感。與刀具和機床的過程監視技術相比,工件的過程監視是研究和應用最早、最多的。它們多數以工件加工質量控制為目標。20世紀80年代以來,工件識別和工件安裝位姿監視要求也提到日程上來。粗略地講,工序識別是為辨識所執行的加工工序是否是工(零)件加工要求的工序;工件識別是辨識送入機床待加工的工件或者毛坯是否是要求加工的工件或毛坯,同時還要求辨識工件安裝的位姿是否是工藝規程要求的位姿。此外,還可以利用工件識別和工件安裝監視傳感待加工毛坯或工件的加工裕量和表面缺陷。完成這些識別與監視將采用或開發許多傳感器,如基于TV或CCD的機器視覺傳感器、激光表面粗糙度傳感系統等。

(3)刀具(砂輪的檢測傳感。切削與磨削過程是重要的材料切除過程。刀具與砂輪磨損到一定限度(按磨鈍標準判定)或出現破損(破損、崩刃、燒傷、塑變或卷刀的總稱),使它們失去切(磨削能力或無法保證加工精度和加工表面完整性時,稱為刀具/砂輪失效。工業統計證明,刀具失效是引起機床故障停機的首要因素, 由其引起的停機時間占NC類機床的總停機時間的1/5-1/3.此外,它還可能引發設備或人身安全事故,甚至是重大事故。

3.汽車自動控制系統中的傳感技術。隨著傳感器技術和其它新技術的應用,現代化汽車工業進入了全新時期。汽車的機電一體化要求用自動控制系統取代純機械式控制部件,這不僅體現在發動機上,為更全面地改善汽車性能,增加人性化服務功能,降低油耗,減少排氣污染,提高行駛安全性、可靠性、操作方便和舒適性,先進的檢測和控制技術已擴大到汽車全身。在其所有重點控制系統中,必不可少地使用曲軸位置傳感器、吸氣及冷卻水溫度傳感器、壓力傳感器、氣敏傳感器等各種傳感器。

三、我國傳感器技術發展的若干問題及發展方向

傳感器技術是實現自動控制、自動調節的關鍵環節,也是機電一體化系統不可缺少的關鍵技術之一,其水平高低在很大程度上影響和決定著系統的功能;其水平越高,系統的自動化程度就越高。在一套完整的機電一體化系統中,如果不能利用傳感檢測技術對被控對象的各項參數進行及時準確地檢測出并轉換成易于傳送和處理的信號,我們所需要的用于系

統控制的信息就無法獲得,進而使整個系統就無法正常有效的工作。

我國傳感器的研究主要集中在專業研究所和大學,始于20世紀80年代,與國外先進技術相比,我們還有較大差距,主要表現在:

(1)先進的計算、模擬和設計方法;

(2)先進的微機械加工技術與設備;

(3)先進的封裝技術與設備;

(4)可靠性技術研究等方面。因此,必須加強技術研究和引進先進設備,以提高整體水平。傳感器技術今后的發展方向可有幾方面:

1.加速開發新型敏感材料:通過微電子、光電子、生物化學、信息處理等各種學科,各種新技術的互相滲透和綜合利用,可望研制出一批基于新型敏感材料的先進傳感器。

2.向高精度發展:研制出靈敏度高、精確度高、響應速度快、互換性好的新型傳感器以確保生產自動化的可靠性。

3.向微型化發展:通過發展新的材料及加工技術實現傳感器微型化將是近十年研究的熱點。

4.向微功耗及無源化發展:傳感器一般都是非電量向電量的轉化,工作時離不開電源,開發微功耗的傳感器及無源傳感器是必然的發展方向。

5.向智能化數字化發展:隨著現代化的發展,傳感器的功能已突破傳統的功能,其輸出不再是一個單一的模擬信號(如0-10mV),而是經過微電腦處理好后的數字信號,有點甚至帶有控制功能,即智能傳感器。

 


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