检测传感技术的应用

浅谈检测传感技术的应用及进展摘要：随着机电一体化技术的发展,以传感器为核心的检测系统就像人的感知器官一样，提供各种信息，以使机电一体化系统能高精度地完成自动控制和自动调节功能。本篇文章分析了传感器发展与研究现状,对检测传感器在机电一体化中的应用过程进行了较深入的分析,探讨了传感技术的日后发展趋势等问题。关键字：传感技术，机电一体化，现状，发展，应用1、传感器的研究现状传感器技术是当今世界令人瞩目、迅猛发展的高新技术之一，也是当代科学技术发展的一个重要标志，与通信技术、计算机技术共同构成21世纪信息产业的三大支柱。如果说计算机是人类大脑的扩展，那么传感器就是人类五官的延伸,当集成电路、计算机技术取得飞速发展时，人们逐步认识到作为信息获取装置的传感器没有跟上信息技术的发展，而惊呼“大脑发达、五官不灵。”1.1、国外的研究现状从20世纪80年代起，逐步在世界范围内掀起了一股“传感器热”。美国国家长期安全和经济繁荣至关重要的22项技术中有6项与传感器信息处理技术直接相关。美国国防部将传感器技术列为20项关键技术之一；与保护美国武器系统质量优势至关重要的关键技术中，有8项与无源传感器技术有关；美国空军2000年提出的15项有助于提高21世纪美国空军作战能力的关键技术中，传感器技术名列第二。日本把传感器技术与计算机、通信、激光、半导体、超导并列为6大核心枝术；日本科技厅制定的90年代70个重点科研项目中，18项与传感器技术密切相关。德国视军用传感器为优先发展技术；英、法等国对传感器的开发投资逐年递增；原苏联军事航天计划中的第五条列有传感器技术。正是由于世界各国的普遍重视和投人开发，传感器发展十分迅速,近十几年来其产量及市场需求年增长率平均在10%以上。目前世界上从事传感器研制生产的单位已达到5000余家。美国、欧洲、俄罗斯各自拥有1000余个从事传感器研究和生产的厂家,日本有800余家，其中不少是世界著名厂商。1.2、国内的研究现状我国在“八五”已把传感器技术列人国家重点攻关计划及中长期科技发展重点新技术之一，先后组建了黑龙江(气敏)、安徽(力敏)、陕西(电压敏)三个产业基地与企业集团。我国传感器的研制开发虽然起步不晚,但受到国民经济发展水平及资金的限制，以及在实际上对其重要性认识的误区，致使传感器行业技术还很落后、发展缓慢、规模较小、应用较窄。目前我国从事传感器开发生产的单位达到1300余家，其中：生产厂家占58.9%，科研单位占27%，高等院校占10%,其他占4.1%。拥有职工总人数约4.2万人，固定资产总额5亿多元;研究开发领域由单一的品种扩展到光敏、热敏、力敏、电压敏、磁敏、气敏、湿敏、声敏、射线敏、离敏、生物敏以及各种传感器、变送器、二次仪表等多种类型，主要产品有3000多种。1990年传感器产量达到1亿只，产值是58亿元，利税1.7亿元，其中结构型传感器占67.9%、物理型传感器占31.3%、智能型仅占0.8%,预计到2010年我国传感器产量将达到约10亿只，产值约为60亿元，并有少量可供出口。尽管我国敏感元件与传感器的研究与发展有了很大的进步，但与发达国家相比还有很大差距，主要表现在产品的质量、生产规模、市场开发、销售等方面。2、传感器在机电一体化中的应用检测传感技术的内容，一是研究如何将各种物理量（如位置、位移、速度、加速度、力、温度、压力、流量、成分等等）转换成与之成比例的电量；二是研究对转换的电信号的加工处理（如放大、补偿、标度变换等等）。（图1）作为机电一体化的基本支撑技术，检测传感技术就像神经和感官一样，源源不断地提供种种信息，以便机电一体化系统能高精度地完成自动控制和自动调节功能。2.1、机器人用传感器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（图2）。（图2）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，（图3）为机器人假肢手的实验平台，（图4）为示意图。（图3）（图4）2.2、机械加工过程中传感器的应用（1）切削过程和机床运行过程的传感技术（图5）。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。切削过程传感检测技术包括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。对于机床的运行而言，主要的传感检测技术包括驱动系统、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。（图5）（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。粗略地说，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。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（图6）。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。（图6）2.3、汽车自动控制系统的传感技术随着传感器技术和其他新技术的应用，现代化汽车工业进入了全新时期。汽车的机电一体化要求，用自动控制系统取代纯机械式控制部件，这不仅体现在发动机上，为更全面地改善汽车性能，增加人性化服务功能，降低油耗，减少排气污染，提高行驶安全性、可靠性、操作方便和舒适性，先进的检测和控制技术已扩大应用到汽车全身。在其所有重点控制系统中，必不可少地使用曲轴位置传感器、吸气及冷却水温度传感器、压力传感器、气敏传感器等各种传感器（图7）。（图7）3、我国传感器存在的问题及发展方向3.1我国传感器存在的若干问题传感器技术是实现自动控制、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，其水平的高低，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，始于20世纪80年代，主要集中在专业研究所和大学，与国外先进技术相比，还还有较大差距。主要表现在：（1）我国传感器的产业结构，存在着企业分散、实力不强、市场开拓不力等问题。我国从事传感器研究和生产的单位约1300家，居世界第一，但真正形成一定规模的却寥寥无几。多数企业是低水平的重复，处在生产的初级阶段。（2）传感器属于多学科交叉、技术密集的高技术产品，其技术水平决定于科学研究的水平。而我国在传感器研究方面科研投资强度偏低，科研设备落后，加之我国存在科研和生产脱节的现象，所以影响了传感器科研成果的转化，造成了我国传感器产品综合实力较低，阻碍了传感器产业的发展。世界传感器的种类约有2万多种，而我国经过“八五”、“九五”的发展，目前也仅有3000多种，尚有大量品种需要开发。（3）我国传感器产品的技术水平与国外有较大差距，主要是长期稳定性和可靠性较差，限制了其应用领域和产业的发展。3.2传感器发展趋势（1）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。（2）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。（3）向高可靠性、宽温度范围发展:传感器的可靠性直接影响到电子设备的抗干扰等性能研制高可靠性、宽温度范围的传感器将是永久性的方向。提高温度范围历来是大课题,目前大部分传感器的工作范围都在一20℃一70℃,但军用系统一般要求一40℃一85℃范围,一些工业特殊环境要求一20℃一120℃,而航天飞机和空间机器人要求的温度在-80℃以下,200℃以上,甚至更高。（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:随着现代化的发展,传感器的功能已突破传统的功能,其输出不再是一个单一的模拟信号(如0一10mV),而是经过微电脑处理好后的数字信号,有的甚至带有控制功能,这就是智能传感器。4、结束语总之，无论是机械电子化产品（如数控机床），还是机电相互融合的高级产品（如机器人），都离不开检测与传感器这个重要环节。检测传感技术的不断发展是为了适应国民经济发展的需求，取得的进展也是十分引人瞩目的，今后必将有更辉煌的飞跃。参考文献[1]张开逊.现代传感技术在信息科学中的地位[J].工业计量,2006.[2]武昌俊.自动检测技术及应用[M].北京:机械工业出版社,2005.[3]周祖德,陈幼平.机电一体化控制技术与系统(第二版)[M].华中科技大学出版社,2003.[4]朱自勤.传感器与检测技术[M].北京:机械工业出版社,2005.[5]林云峰.论检测传感技术在机电一体化中的现状、应用及其进展[J].自造业自动化.2010.[6]葛运建.浅析我国传感器技术的若赶问题.专题报道.2003.[7]刘宪武.机电一体化系统中检测传感器技术应用探讨.科技创新导报.2011.[8]陆遥.传感器技术的研究现状与发展前景.科技信息.2009.