傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用及發(fā)展的研究

1、青 島 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué) 機(jī)電一體化專業(yè)畢業(yè)論文題目：傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用及發(fā)展的研究 系部： 機(jī)電一體化 班級(jí)： 機(jī)電一體化四班 姓名： 王峰浩 學(xué)號(hào)： 910085 指導(dǎo)老師： 2012年09月 目 錄摘要31.1傳感器技術(shù)的發(fā)展41.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的發(fā)展81.3傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)的應(yīng)用（集成液位傳感器lm1042在汽車中的應(yīng)用）271.4如何為機(jī)電一體化系統(tǒng)選擇傳感器331.5機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器的發(fā)展36結(jié)論38參考文獻(xiàn)40 摘 要 傳感器是檢測(cè)中首先感受被測(cè)量、并將它轉(zhuǎn)換成與被測(cè)量有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的電量器件，它是檢測(cè)和控制系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分。機(jī)電一體化是機(jī)械的主功能

2、、動(dòng)力功能、信息功能和控制功能上引進(jìn)微電子技術(shù)，并將機(jī)械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱。在機(jī)電一體化系統(tǒng)中,傳感器處系統(tǒng)之首,其作用相當(dāng)于系統(tǒng)感受器官,能快速、精確地獲取信息并能經(jīng)受嚴(yán)酷環(huán)境考驗(yàn),是機(jī)電一體化系統(tǒng)達(dá)到高水平的保證。如缺少這些傳感器對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)和對(duì)信息精確而可靠的自動(dòng)檢測(cè),系統(tǒng)的信息處理、控制決策等功能就無(wú)法談及和實(shí)現(xiàn)。傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，是機(jī)電產(chǎn)品中是必不可少的器件之一。關(guān)鍵詞：傳感器 機(jī)電一體化系統(tǒng)傳感器技術(shù)傳感器來(lái)自“感覺”一詞，人們用視覺、聽覺、味覺、嗅覺和觸覺等感官感受外界的有關(guān)信息，如物體的大小、形狀和顏色，感覺到的聲音、氣味等。在視覺情

3、況下，絕不是靠眼睛本身進(jìn)行感覺，而是從眼睛進(jìn)入的外界刺激信號(hào)通過神經(jīng)傳送到大腦，有大腦感知物體的大小和顏色，然后由大腦提供命令信號(hào)支配行動(dòng)。聽覺和嗅覺等也完全一樣。然而，要使大腦受到這些刺激，首先必須有接受外界刺激的“五官”，人的“五官”可以稱之為傳感器。它們的基本功能是首先接受外界的刺激信號(hào)，然后產(chǎn)生作用于各種神經(jīng)傳遞信號(hào)的能量，最后在傳送到大腦。在傳感器的系統(tǒng)中，傳感器模擬人“五官”的這些作用，將外界刺激信號(hào)轉(zhuǎn)換為能傳遞的信號(hào)，即使特定的被測(cè)量（包括物理量、化學(xué)量、生物量等）按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用的輸出信號(hào)。傳感器是一種以一定的精確度把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的、便于應(yīng)用的另一

4、種量的測(cè)量裝置。傳感器的定義具體包含：傳感器是測(cè)量裝置，能、完成檢測(cè)任務(wù)；它的輸入量是某一被測(cè)量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等；它的輸出量是某種物理量，這種量應(yīng)便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等，它可以是氣、光、電，但主要是電量。傳感器一般由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件兩大部分組成。但很多時(shí)候也將轉(zhuǎn)換電路及輔助電路作為其組成部分，因?yàn)閭鞲衅髯鳛橐粋€(gè)完整的器件，絕大部分都是把轉(zhuǎn)換電路及必要的輔助電源單元與敏感元件、轉(zhuǎn)換元件一起做成一體化的器件。傳感器的作用包括信息的收集、信號(hào)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和控制信息的采集。傳感器是檢測(cè)和控制系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分。在實(shí)際工程應(yīng)用中，傳感器的種類很多。同一種被測(cè)量可以用不同的傳

5、感器來(lái)測(cè)量；而同一種原理的傳感器，通常又可以測(cè)量多種物理量。因此，傳感器的分類方法也是形形色色，目前尚沒有統(tǒng)一的方法：按傳感器工作原理分類：電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、壓電式傳感器、霍爾式傳感器、光電式傳感器、光柵式傳感器、熱電偶式傳感器。按被測(cè)量（或傳感器的用途）分類：位移傳感器、力傳感器、速度傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、氣體傳感器、物位傳感器、成分傳感器。按輸出信號(hào)的性質(zhì)分類：開關(guān)型傳感器、模擬式傳感器、數(shù)字式傳感器。傳感器所測(cè)量經(jīng)常處在各種各樣的變動(dòng)中，例如測(cè)量機(jī)床車刀的切削時(shí)，若材質(zhì)均勻，切削力的值可能十分穩(wěn)定；若遇到材質(zhì)不均勻甚至有小缺陷時(shí)，切削力的值可能有緩慢起伏

6、或者周期性脈動(dòng)變化，甚至出現(xiàn)突變的尖峰力。傳感器能否將這些被測(cè)量的變化不失真地變換成相應(yīng)的電量，涉及傳感器本身的基本特性，即輸出-輸入特性。這種特性通常用傳感器的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性來(lái)描述。傳感器變換的被測(cè)量的數(shù)值處在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，傳感器的輸出與輸入的關(guān)系稱為傳感器的靜態(tài)特性。描述傳感器靜態(tài)特性的技術(shù)指標(biāo)是：靈敏度、線性度、遲滯和重復(fù)性。靈敏度傳感器在穩(wěn)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下，輸出變化對(duì)輸入變化的比值稱靈敏度，對(duì)于線性傳感器來(lái)說，它的靈敏度是一個(gè)常數(shù)。線性度傳感器的靜態(tài)特性是穩(wěn)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下，利用一定等級(jí)的校準(zhǔn)設(shè)備，對(duì)傳感進(jìn)行往復(fù)循環(huán)測(cè)試，得出的輸出-輸入特性（列表或畫曲線）。通常，希望這一特性為線性，這樣，

7、會(huì)對(duì)標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理帶來(lái)方便。但實(shí)際的輸出-輸入特性一般都是非線性的，因此，采用各種補(bǔ)償環(huán)節(jié)，如非線性電路補(bǔ)償環(huán)節(jié)或計(jì)算機(jī)軟件，進(jìn)行線性化處理。在傳感器非線性冪次不高，輸入量變化范圍較小時(shí)，用一條直線（切線或割線）近似地代表實(shí)際曲線的一段。對(duì)傳感器的輸出-輸入特性線性化的方法，稱為直線擬合法。實(shí)際曲線與擬合直線之間的偏差稱為傳感器的非線性誤差或線性度，取其中最大值與輸出滿度值之比作為評(píng)價(jià)線性度（或非線性誤差）的指標(biāo)。在常用的擬合法中，即使是同類傳感器，擬合方法不同，其象形度也不同，用最小二乘法求取的擬合直線的精確度最高。遲滯遲滯是指在相同工作條件下，傳感器正行程特性和反行程特性的不一致程度。其數(shù)

8、值為對(duì)應(yīng)同一大小的輸出量，應(yīng)采用的行程方向不同，傳感器的輸出量值不相等，這就是遲滯現(xiàn)象。產(chǎn)生遲滯現(xiàn)象的原因，主要是傳感器機(jī)械部分存在不可避免的缺陷，如軸承摩擦、間隙、緊固件松動(dòng)和材料內(nèi)摩擦等。重復(fù)性傳感器的輸入量在同一方向（增加或減少）變化時(shí)，在全量程內(nèi)連續(xù)進(jìn)行重復(fù)測(cè)量所得到的輸出-輸入特性曲線不一致的程度。產(chǎn)生不一致的原因與產(chǎn)生遲滯現(xiàn)象的原因相同。多次重復(fù)測(cè)試的曲線越重合，說明傳感器重復(fù)性越好，使用誤差越小。動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鳒y(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)，輸出對(duì)輸入的響應(yīng)特性。傳感器測(cè)量靜態(tài)信號(hào)時(shí)，被測(cè)量不隨時(shí)間變化，測(cè)量和記錄的過程不受時(shí)間限制。實(shí)際大量的被測(cè)量是隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)信號(hào)，傳感器的輸出不僅要

9、精確地顯示被測(cè)量的大小，還要顯示被測(cè)量隨時(shí)間變化的規(guī)律。動(dòng)態(tài)特性好的傳感器，其輸出隨時(shí)間的變化規(guī)律將再現(xiàn)輸入隨時(shí)間變化的規(guī)律，即它們具有相同的時(shí)間函數(shù)。但是，除了理想情況外，實(shí)際傳感器的輸出信號(hào)與輸出入信號(hào)不會(huì)具有相同的時(shí)間函數(shù)，輸出與輸入之間會(huì)出現(xiàn)差異。這種輸出與輸入之間的差異稱為動(dòng)態(tài)誤差，研究這種誤差的性質(zhì)稱為動(dòng)態(tài)特性分析。因?yàn)閭鞲衅髟趯?shí)際工作中隨時(shí)間變化的輸入信號(hào)是千變?nèi)f化的，而且由于隨機(jī)因素的影響，往往事先并不知道其特性，故工程上通常采用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)函數(shù)的方法來(lái)研究，并據(jù)此確定若干評(píng)定動(dòng)態(tài)特性的指標(biāo)。常用的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)函數(shù)是正弦函數(shù)和階躍函數(shù)，因?yàn)樗鼈兗幢阌谇蠼庥直阌趯?shí)現(xiàn)。大多數(shù)情況下對(duì)非正弦

10、周期信號(hào)，可以通過數(shù)學(xué)方法利用傅里葉級(jí)數(shù)分解為含多次諧波的正弦函數(shù)；對(duì)其他非爭(zhēng)先非周期信號(hào)，可通過傅里葉變換分解出各次正弦諧波來(lái)分析。而階躍信號(hào)是瞬間發(fā)生的變化，它有可能是輸入信號(hào)中最壞的一種，傳感器如能復(fù)現(xiàn)這種信號(hào)，則就能較容易復(fù)現(xiàn)其他各種輸入信號(hào)，所以將它們作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)函數(shù)。階躍響應(yīng)法：當(dāng)輸入信號(hào)為階躍函數(shù)時(shí)，因?yàn)樗菚r(shí)間的函數(shù)，故傳感器的響應(yīng)是在時(shí)域里發(fā)生的，因此稱她為階躍響應(yīng)法。頻率響應(yīng)法：當(dāng)輸入信號(hào)時(shí)正弦函數(shù)時(shí)，因?yàn)樗l率的函數(shù)，故傳感器的響應(yīng)是在頻域內(nèi)發(fā)生的，因此稱它為頻率響應(yīng)法。傳感器是檢測(cè)中首先感受被測(cè)量、并將它轉(zhuǎn)換成與被測(cè)量有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的電量器件，它是檢測(cè)和控制系統(tǒng)中最關(guān)鍵

11、的部分。傳感器的性能由傳感器的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性來(lái)評(píng)價(jià)。機(jī)電一體化系統(tǒng)機(jī)電一體化又稱機(jī)械電子學(xué)，英文稱為mechatronics，它是由英文機(jī)械學(xué)mechanics 的前半部分與電子學(xué)electronics 的后半部分組合而成。機(jī)電一體化最早出現(xiàn)在1971年日本機(jī)械設(shè)計(jì)雜志的副刊上，隨著機(jī)電一體化技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)電一體化的概念被人們廣泛接受和普遍使用。1996年出版的webster大詞典收錄了這個(gè)日本造的英文單詞，這不僅意味著 “mechatronics”這個(gè)單詞得到了世界各國(guó)學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的認(rèn)可，而且還意味著“機(jī)電一體化”的哲理和思想為世人所接受。 圖1機(jī)體化與其他學(xué)科的關(guān)系到目前為止，就

12、機(jī)電一體化這一概念的內(nèi)涵國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界還沒有一個(gè)完全統(tǒng)一的表述。目前，較普遍的提法是“日本機(jī)械振興協(xié)會(huì)經(jīng)濟(jì)研究所”于1981年的解釋：“機(jī)電一體化是在機(jī)械主功能、動(dòng)力功能、信息功能和控制功能上引進(jìn)微電子技術(shù)，并將機(jī)械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱”。機(jī)電一體化是以機(jī)械學(xué)、電子學(xué)和信息科學(xué)為主的多門技術(shù)學(xué)科在機(jī)電產(chǎn)品發(fā)展過程中相互交叉、相互滲透而形成的一門新興邊緣性技術(shù)學(xué)科。這里面包含了三重含義：首先，機(jī)電一體化是機(jī)械學(xué)、電子學(xué)與信息科學(xué)等學(xué)科相互融合而形成的學(xué)科。圖1形地表達(dá)了機(jī)電一體化與機(jī)械學(xué)、電子學(xué)和信息科學(xué)之間的相互關(guān)系；其次，機(jī)電一體化是一個(gè)發(fā)展中的概念，早期的機(jī)電一體

13、化就像其字面所表述的那樣，主要強(qiáng)調(diào)機(jī)械與電子的結(jié)合，即將電子技術(shù)“溶入”到機(jī)械技術(shù)中而形成新的技術(shù)與產(chǎn)品。隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，以計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)為特征的信息技術(shù)（即所謂的“3c”技術(shù)：computer、communication和 control technology）“滲透”到機(jī)械技術(shù)中，豐富了機(jī)電一體化的含義，現(xiàn)代的機(jī)電一體化不僅僅指機(jī)械、電子與信息技術(shù)的結(jié)合，還包括光（光學(xué)）機(jī)電一體化、機(jī)電氣（氣壓）一體化、機(jī)電液（液壓）一體化、機(jī)電儀（儀器儀表）一體化等；最后，機(jī)電一體化表達(dá)了技術(shù)之間相互結(jié)合的學(xué)術(shù)思想，強(qiáng)調(diào)各種技術(shù)在機(jī)電產(chǎn)品中的相互協(xié)調(diào)，以達(dá)到系統(tǒng)總體最優(yōu)。因此，

14、機(jī)電一體化是多種技術(shù)學(xué)科有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物，而不是它們的簡(jiǎn)單疊加。機(jī)電一體化與機(jī)械電氣化的主要區(qū)別有：電氣機(jī)械在設(shè)計(jì)過程中不考慮或少考慮電器與機(jī)械的內(nèi)在聯(lián)系，基本上是根據(jù)機(jī)械的要求，選用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)或電氣傳動(dòng)裝置；機(jī)械和電氣裝置之間界限分明，它們之間的聯(lián)結(jié)以機(jī)械聯(lián)結(jié)為主，整個(gè)裝置是剛性的；裝置所需的控制是基于電磁學(xué)原理的各種電器來(lái)實(shí)現(xiàn)，屬?gòu)?qiáng)電范疇，其主要支撐技術(shù)是電工技術(shù)。機(jī)械工程技術(shù)由純機(jī)械發(fā)展到機(jī)械電氣化，仍屬傳統(tǒng)機(jī)械，主要功能依然是代替和放大人的體力。但機(jī)電一體化產(chǎn)品不僅是人的手與肢體的延伸，還是人的感官與頭腦的延伸，具有“智能化”的特征是機(jī)電一體化與機(jī)械電氣化在功能上的本質(zhì)差別。從概念的

15、外延來(lái)看，機(jī)電一體化包括機(jī)電一體化技術(shù)和機(jī)電一體化產(chǎn)品兩個(gè)方面。機(jī)電一體化技術(shù)是從系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)出發(fā)，將機(jī)械、電子和信息等有關(guān)技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)或產(chǎn)品整體最優(yōu)的綜合性技術(shù)。機(jī)電一體化技術(shù)主要包括技術(shù)原理和使機(jī)電一體化產(chǎn)品（或系統(tǒng)）得以實(shí)現(xiàn)、使用和發(fā)展的技術(shù)。機(jī)電一體化技術(shù)是一個(gè)技術(shù)群（族）的總稱，包括檢測(cè)傳感技術(shù)、信息處理技術(shù)、伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、機(jī)械技術(shù)及系統(tǒng)總體技術(shù)等。機(jī)電一體化產(chǎn)品有時(shí)也稱為機(jī)電一體化系統(tǒng)，它們是兩個(gè)相近的概念，通常機(jī)電一體化產(chǎn)品指獨(dú)立存在的機(jī)電結(jié)合產(chǎn)品，而機(jī)電一體化系統(tǒng)主要指依附于主產(chǎn)品的部件系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)實(shí)際上也是機(jī)電一體化產(chǎn)品。機(jī)電一體化產(chǎn)品是由

16、機(jī)械系統(tǒng)（或部件）與電子系統(tǒng)（或部件）及信息處理單元（硬件和軟件）有機(jī)結(jié)合、而賦予了新功能和新性能的高科技產(chǎn)品。由于在機(jī)械本體中“溶入”了電子技術(shù)和信息技術(shù)，與純粹的機(jī)械產(chǎn)品相比，機(jī)電一體化產(chǎn)品的性能得到了根本的提高，具有滿足人們使用要求的最佳功能?，F(xiàn)實(shí)生活中的機(jī)電一體化產(chǎn)品比比皆是。我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫娜詣?dòng)洗衣機(jī)、空調(diào)及全自動(dòng)照相機(jī)，都是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品；在機(jī)械制造領(lǐng)域中廣泛使用的各種數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x及全自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)，也是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品；而汽車更是機(jī)電一體化技術(shù)成功應(yīng)用的典范，目前汽車上成功應(yīng)用和正在開發(fā)的機(jī)電一體化系統(tǒng)達(dá)數(shù)十種之多，特別是發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)、汽車防

17、抱死制動(dòng)系統(tǒng)、全主動(dòng)和半主動(dòng)懸架等機(jī)電一體化系統(tǒng)在汽車上的應(yīng)用，使得現(xiàn)代汽車的乘坐舒適性、行駛安全性及環(huán)保性能都得到了很大的改善；在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域，機(jī)電一體化技術(shù)也在一定范圍內(nèi)得到了應(yīng)用，如拖拉機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、懸掛式農(nóng)具的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)、聯(lián)合收獲機(jī)工作部件（如脫粒清選裝置）的監(jiān)控系統(tǒng)、溫室環(huán)境自動(dòng)控制系統(tǒng)等。如今，機(jī)電一體化已從原來(lái)以機(jī)械為主的領(lǐng)域拓展到目前的汽車、電站、儀表、化工、通信、冶金等領(lǐng)域。而且機(jī)電一體化產(chǎn)品的概念不再局限在某一具體產(chǎn)品的范圍，如數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等，現(xiàn)在已擴(kuò)大到控制系統(tǒng)和被控制系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)品制造和過程控制的大系統(tǒng)，例如柔性制造系統(tǒng)（fms）、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（cims

18、）以及各種工業(yè)過程控制系統(tǒng)。 傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品主要是解決物質(zhì)流和能量流的問題，而機(jī)電一體化產(chǎn)品除了解決物質(zhì)流和能量流外，還要解決信息流的問題。如圖2所示電一體化系統(tǒng)的主要功能就是對(duì)輸入的物質(zhì)、能量與信息（即所謂工業(yè)三大要素）按照要求進(jìn)行處理，輸出具有所需特性的物質(zhì)、能量與信息。系統(tǒng)的主功能包括三個(gè)目的功能：變換（加工、處理）功能；傳遞（移動(dòng)、輸送）功能；儲(chǔ)存（保持、積蓄、記錄）功能。主功能是系統(tǒng)的主要特征部分，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)目的功能直接必需的功能，主要是對(duì)物質(zhì)、能量、信息或其相互結(jié)合進(jìn)行變換、傳遞和存儲(chǔ)。 圖2 機(jī)電一體化系統(tǒng)的主功能 以物料搬運(yùn)、加工為主，輸入物質(zhì)（原料、毛坯等）、能量（電能、液能

19、、氣能等）和信息（操作及控制指令等），經(jīng)過加工處理，主要輸出改變了位置和形態(tài)的物質(zhì)的系統(tǒng)（或產(chǎn)品），稱為加工機(jī)，如各種機(jī)床、交通運(yùn)輸機(jī)械、食品加工機(jī)械、起重機(jī)械、紡織機(jī)械、印刷機(jī)械、輕工機(jī)械等。以能量轉(zhuǎn)換為主，輸入能量（或物質(zhì)）和信息，輸出不同能量（或物質(zhì)）的系統(tǒng)（或產(chǎn)品），稱為動(dòng)力機(jī)，其中輸出機(jī)械能的為原動(dòng)機(jī)，如電動(dòng)機(jī)、水輪機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等。以信息處理為主，輸入信息和能量，主要輸出某種信息（如數(shù)據(jù)、圖像、文字、聲音等）的系統(tǒng)（或產(chǎn)品），稱為信息機(jī)，如各種儀器、儀表、傳真機(jī)以及各種辦公機(jī)械等。機(jī)電一體化系統(tǒng)除了具備上述必需的主功能外，還應(yīng)具備圖3所示的內(nèi)部功能。即動(dòng)力功能、檢測(cè)功能、控制功能、構(gòu)造

20、功能。動(dòng)力功能是向系統(tǒng)提供動(dòng)力、讓系統(tǒng)得以運(yùn)轉(zhuǎn)的功能；檢測(cè)功能和控制功能的作用是解決各種信息的獲取、傳輸、處理和利用，從而能夠根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部信息和外部信息對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，使系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)施目的功能。而構(gòu)造功能則是使構(gòu)成系統(tǒng)的子系統(tǒng)及元、部件維持所定的時(shí)間和空間上的相互關(guān)系所必需的功能。從系統(tǒng)的輸入/輸出來(lái)看，除有主功能的輸入/輸出之外，還需要有動(dòng)力輸入和控制信息的輸人/輸出。此外，還有因外部環(huán)境引起的干擾輸入以及非目的性輸出（如廢棄物等）。例如汽車的廢氣和噪音對(duì)外部環(huán)境影響，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)開始就應(yīng)予以考慮。 圖3 系統(tǒng)的五種內(nèi)部從機(jī)電一體化系統(tǒng)的功能看，人類是機(jī)電一體化系統(tǒng)理想的參照物。如圖4

21、（a）所示，構(gòu)成人體的五大要素分別是頭腦、感官（眼、耳、鼻、舌、皮膚）、四肢、內(nèi)臟及軀干。相應(yīng)的功能如圖4（b）所示，內(nèi)臟提供人體所需要的能量（動(dòng)力）及各種激素，維持人體活動(dòng)；頭腦處理各種信息并對(duì)其它要素實(shí)施控制；感官獲取外界信息；四肢執(zhí)行動(dòng)作；軀干的功能是把人體各要素有機(jī)地聯(lián)系為一體。通過類比就可發(fā)現(xiàn)，機(jī)電一體化系統(tǒng)內(nèi)部的五大功能與人體的上述功能幾乎是一樣的，而實(shí)現(xiàn)各功能的相應(yīng)構(gòu)成要素如圖4（c）所示。表1列出了機(jī)電一體化系統(tǒng)構(gòu)成要素與人體構(gòu)成要素的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，一個(gè)較完善的機(jī)電一體化系統(tǒng)，應(yīng)包括以下幾個(gè)基本要素：機(jī)械本體、動(dòng)力系統(tǒng)、檢測(cè)傳感系統(tǒng)、執(zhí)行部件、信息處理及控制系統(tǒng)，各要素和環(huán)節(jié)

22、之間通過接口相聯(lián)系。表1 機(jī)電一體化系統(tǒng)構(gòu)成要素與人體構(gòu)成要素的對(duì)應(yīng)關(guān)系機(jī)電一體化系統(tǒng)中機(jī)械部分是主體，這不僅是由于機(jī)械本體是系統(tǒng)重要的組成部分，而且系統(tǒng)的主要功能必須由機(jī)械裝置來(lái)完成，否則就不能稱其為機(jī)電一體化產(chǎn)品。如電子計(jì)算機(jī)、非指針式電子表等，其主要功能已由電子器件和電路等完成，機(jī)械已退居次要地位，這類產(chǎn)品應(yīng)歸屬于電子產(chǎn)品，而不是機(jī)電一體化產(chǎn)品。因此，機(jī)械系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化產(chǎn)品功能的基礎(chǔ)，從而對(duì)其提出了更高的要求，需在結(jié)構(gòu)、材料、工藝加工及幾何尺寸等方面滿足機(jī)電一體化產(chǎn)品高效、可靠、節(jié)能、多功能、小型輕量和美觀等要求。除一般性的機(jī)械強(qiáng)度、剛度、精度、體積和重量等指標(biāo)外，機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)

23、的重點(diǎn)是模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，以便于機(jī)械系統(tǒng)的快速組合和更換。其次，機(jī)電一體化的核心是電子技術(shù)，電子技術(shù)包括微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)，但重點(diǎn)是微電子技術(shù)，特別是微型計(jì)算機(jī)或微處理器。機(jī)電一體化需要多種新技術(shù)的結(jié)合，但首要的是微電子技術(shù)，不和微電子結(jié)合的機(jī)電產(chǎn)品不能稱為機(jī)電一體化產(chǎn)品。如非數(shù)控機(jī)床，一般均有電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，但它不是機(jī)電一體化產(chǎn)品。除了微電子技術(shù)以外，在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，可根據(jù)需要進(jìn)行一種或多種技術(shù)相結(jié)合。因此，機(jī)電一體化是以機(jī)械為主體、以微電子技術(shù)為核心，強(qiáng)調(diào)各種技術(shù)的協(xié)同和集成的綜合性技術(shù)。機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品的應(yīng)用范圍非常廣泛，涉及到工業(yè)生產(chǎn)過程的所有領(lǐng)域，因此，機(jī)電一體化產(chǎn)品

24、的種類很多，而且還在不斷地增加。按照機(jī)電一體化產(chǎn)品的功能，可以將其分成下述幾類。1數(shù)控機(jī)械類數(shù)控機(jī)械類主要產(chǎn)品為數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)和自動(dòng)洗衣機(jī)等。其特點(diǎn)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)械裝置。2電子設(shè)備類電子設(shè)備類主要產(chǎn)品為電火花加工機(jī)床、線切割加工機(jī)床、超聲波縫紉機(jī)和激光測(cè)量?jī)x等。其特點(diǎn)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)是電子裝置。3機(jī)電結(jié)合類機(jī)電結(jié)合類主要產(chǎn)品為自動(dòng)探傷機(jī)、形狀識(shí)別裝置和ct掃描儀、自動(dòng)售貨機(jī)等。其特點(diǎn)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)械和電子裝置的有機(jī)結(jié)合。4電液伺服類電液伺服類主要產(chǎn)品為機(jī)電一體化的伺服裝置。其特點(diǎn)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)是液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械裝置，控制機(jī)構(gòu)是接受電信號(hào)的液壓伺服閥。5信息控制類信息控制類主要產(chǎn)品為電

25、報(bào)機(jī)、磁盤存儲(chǔ)器、磁帶錄像機(jī)、錄音機(jī)以及復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)等辦公自動(dòng)化設(shè)備。其主要特點(diǎn)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作完全由所接收的信息類控制。此外，機(jī)電一體化產(chǎn)品還可根據(jù)機(jī)電技術(shù)的結(jié)合程度分為功能附加型、功能替代型和機(jī)電融合型三類。按產(chǎn)品的服務(wù)對(duì)象領(lǐng)域和對(duì)象，可將機(jī)電一體化產(chǎn)品分成工業(yè)生產(chǎn)類、運(yùn)輸包裝類、儲(chǔ)存銷售類、社會(huì)服務(wù)類、家庭日常類、科研儀器類、國(guó)防武器類以及其它用途類等不同的種類。機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展大體上可分為三個(gè)階段。20世紀(jì)60年代以前為第一階段，這一階段稱為初期階段。在這一時(shí)期，人們自覺或不自覺地利用電子技術(shù)的初步成果來(lái)完善機(jī)械產(chǎn)品的性能。20世紀(jì)7080年代為第二階段，可稱為蓬勃發(fā)展階段。這一

26、時(shí)期，計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，為機(jī)電一體化的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路和微型計(jì)算機(jī)的迅猛發(fā)展，為機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展提供了充分的物質(zhì)基礎(chǔ)。20世紀(jì)90年代后期，開始了機(jī)電一體化技術(shù)向智能化方向邁進(jìn)的新階段，一方面光學(xué)、通信技術(shù)等進(jìn)入了機(jī)電一體化，微細(xì)加工技術(shù)也在機(jī)電一體化中嶄露頭角，出現(xiàn)了光機(jī)電一體化和微機(jī)電一體化等新分支；另一方面對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)的建模設(shè)計(jì)、分析和集成方法，機(jī)電一體化的學(xué)科體系和發(fā)展趨勢(shì)都進(jìn)行著深入研究。我國(guó)是從上世紀(jì)80年代初才開始這方面研究和應(yīng)用。國(guó)務(wù)院成立了機(jī)電一體化領(lǐng)導(dǎo)小組并將該技術(shù)列為“863計(jì)劃”中。機(jī)械工業(yè)在制定“九五”規(guī)劃和20

27、10年發(fā)展綱要時(shí)充分考慮了國(guó)際上關(guān)于機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向和由此可能帶來(lái)的影響。經(jīng)過20多年的努力，在航天、國(guó)防以及經(jīng)濟(jì)建設(shè)的一些重大工程帶動(dòng)下，我國(guó)已在機(jī)電一體化許多領(lǐng)域躋身于世界先進(jìn)行列。理論基礎(chǔ) 系統(tǒng)論、信息論、控制論的建立，微電子技術(shù)尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，引起了科學(xué)技術(shù)的又一次革命，誘發(fā)了機(jī)械工程的機(jī)電一體化。系統(tǒng)論、信息論、控制論無(wú)疑是機(jī)電一體化技術(shù)的理論基礎(chǔ)，是機(jī)電一體化技術(shù)的方法論。開展機(jī)電一體化技術(shù)研究時(shí)，無(wú)論在工程的構(gòu)思、規(guī)劃、設(shè)計(jì)方面，還是在它的實(shí)施或?qū)崿F(xiàn)方面，都不能只著眼于機(jī)械或電子，不能只看到傳感器或計(jì)算機(jī)，而是要用系統(tǒng)的觀點(diǎn)，合理解決信息流與控制機(jī)制問題，有效

28、地綜合各有關(guān)技術(shù)，才能形成所需要的系統(tǒng)或產(chǎn)品。機(jī)電一體化技術(shù)是從系統(tǒng)工程觀點(diǎn)出發(fā)，應(yīng)用機(jī)械、微電子等有關(guān)技術(shù)，使機(jī)械、電子有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)或產(chǎn)品整體最優(yōu)的綜合性技術(shù)。小型的生產(chǎn)、加工系統(tǒng)，即使是一臺(tái)機(jī)器，也都是由許多要素構(gòu)成的，為了實(shí)現(xiàn)其“目的功能”，還需要從系統(tǒng)角度出發(fā)，不拘泥于機(jī)械技術(shù)或電子技術(shù)，并寄希望于能夠使各種功能要素構(gòu)成最佳結(jié)合的柔性技術(shù)與方法。機(jī)電一體化工程就是這種技術(shù)和方法的統(tǒng)一。機(jī)電一體化系統(tǒng)是一個(gè)包括物質(zhì)流、能量流和信息流的系統(tǒng)，有效地利用各種信號(hào)所攜帶的豐富信息資源，則有賴于信號(hào)處理和信息識(shí)別技術(shù)。考察所有機(jī)電一體化產(chǎn)品，就會(huì)看到準(zhǔn)確的信息獲取、處理、利用在系統(tǒng)中所起的

29、實(shí)質(zhì)性作用。關(guān)鍵技術(shù) 微電子技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)是機(jī)電一體化的技術(shù)基礎(chǔ)。微電子技術(shù)的進(jìn)步，尤其是微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，為機(jī)電一體化技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展創(chuàng)造了前提。機(jī)電一體化產(chǎn)品中的許多重要零部件都是利用超精密加工技術(shù)制造的。就連微電子技術(shù)本身的發(fā)展也離不開精密機(jī)械技術(shù)。例如，大規(guī)模集成電路（lsi）制造中的微細(xì)加工就是精密機(jī)械技術(shù)的進(jìn)步成果。因此，精密機(jī)械加工技術(shù)促進(jìn)了微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，微電子技術(shù)的不斷發(fā)展又推動(dòng)了精密機(jī)械技術(shù)中加工設(shè)備的不斷更新。由于機(jī)電一體化是一個(gè)工程和大系統(tǒng)，發(fā)展該技術(shù)面臨以下共性的關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展：傳感檢測(cè)技術(shù)、信息處理技術(shù)、伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、接口技術(shù)、精密

30、機(jī)械技術(shù)及系統(tǒng)總體技術(shù)等，同時(shí)也要受到社會(huì)條件、經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)的重大影響。傳感器檢測(cè)技術(shù) 在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，工作過程的各種參數(shù)、工作狀態(tài)以及與工作過程有關(guān)的相應(yīng)信息都要通過傳感器進(jìn)行接收，并通過相應(yīng)的信號(hào)檢測(cè)裝置進(jìn)行測(cè)量，然后送入信息處理裝置以及反饋給控制裝置，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品工作過程的自動(dòng)控制。機(jī)電一體化產(chǎn)品要求傳感器能快速和準(zhǔn)確地獲取信息并且不受外部工作條件和環(huán)境的影響，同時(shí)檢測(cè)裝置能不失真地對(duì)信息信號(hào)進(jìn)行放大、輸送和轉(zhuǎn)換。傳感器技術(shù)的發(fā)展正進(jìn)入集成化、智能化研究階段。把傳感器件與信號(hào)處理電路集成在一個(gè)芯片上，就形成了信息型傳感器；若再把微處理器集成到信息型傳感器的芯片上，就是所謂的智能型傳感器。大

31、力開展傳感器研究，對(duì)于機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展具有十分重要的意義。信息處理技術(shù) 信息處理技術(shù)是指在機(jī)電一體化產(chǎn)品工作過程中，與工作過程各種參數(shù)和狀態(tài)以及自動(dòng)控制有關(guān)的信息輸入、識(shí)別、變換、運(yùn)算、存儲(chǔ)、輸出和決策分析等技術(shù)。信息處理得是否及時(shí)、準(zhǔn)確，直接影響機(jī)電一體化系統(tǒng)或產(chǎn)品的質(zhì)量和效率，因而也是機(jī)電一體化的關(guān)鍵技術(shù)。在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，實(shí)現(xiàn)信息處理技術(shù)的主要工具是計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)信息處理裝置是產(chǎn)品的核心，它控制和指揮整個(gè)機(jī)電一體化產(chǎn)品的運(yùn)行。信息處理是否正確、及時(shí)，直接影響到系統(tǒng)工作的質(zhì)量和效率，因此計(jì)算機(jī)應(yīng)用及信息處理技術(shù)已成為促進(jìn)機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展和變革的最活躍的因素。人工智能技術(shù)、專家系統(tǒng)技

32、術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等都屬于計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)。自動(dòng)控制技術(shù) 自動(dòng)控制是在沒有人直接參與的情況下，通過控制器使被控對(duì)象或過程自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。自動(dòng)控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，不僅大大提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，改善了勞動(dòng)條件，而且在人類征服大自然、探索新能源、發(fā)展空間技術(shù)與改善人類物質(zhì)生活等方面起著極為重要的作用。機(jī)電一體化將自動(dòng)控制作為重要的支撐技術(shù)，自動(dòng)控制裝置是它的重要組成部分。伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù) 伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)主要是指機(jī)電一體化產(chǎn)品中的執(zhí)行元件和驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)中的技術(shù)問題，它涉及設(shè)備執(zhí)行操作的技術(shù)，對(duì)所加工產(chǎn)品的質(zhì)量具有直接的影響。機(jī)電一體化產(chǎn)品中的執(zhí)行元件有電動(dòng)、氣動(dòng)和液壓等類型，其中多采用電動(dòng)式

33、執(zhí)行元件，驅(qū)動(dòng)裝置主要是各種電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源電路，目前多由電力電子器件及集成化的功能電路構(gòu)成。執(zhí)行元件一方面通過接口電路與計(jì)算機(jī)相聯(lián)，接受控制系統(tǒng)的指令，另一方面通過機(jī)械接口與機(jī)械傳動(dòng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)相聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作。因此，伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)直接影響著機(jī)電一體化產(chǎn)品的功能執(zhí)行和操作，對(duì)產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)定性能、操作精度和控制質(zhì)量等具有決定性的影響。接口技術(shù) 機(jī)電一體化系統(tǒng)是機(jī)械、電子和信息等性能各異的技術(shù)融為一體的綜合系統(tǒng)，其構(gòu)成要素和子系統(tǒng)之間的接口極其重要。從系統(tǒng)外部看，輸入/輸出是系統(tǒng)與人、環(huán)境或其它系統(tǒng)之間的接口；從系統(tǒng)內(nèi)部看，機(jī)電一體化系統(tǒng)是通過許多接口將各組成要素的輸入/輸出聯(lián)系成一體的

34、系統(tǒng)。因此，各要素及各子系統(tǒng)之間的接口性能就成為綜合系統(tǒng)性能好壞的決定性因素。機(jī)電一體化系統(tǒng)最重要的設(shè)計(jì)任務(wù)之一往往就是接口設(shè)計(jì)。精密機(jī)械技術(shù) 精密機(jī)械技術(shù)是機(jī)電一體化的基礎(chǔ)，因?yàn)闄C(jī)電一體化產(chǎn)品的主功能和構(gòu)造功能大都以機(jī)械技術(shù)為主來(lái)得以實(shí)現(xiàn)。隨著高新技術(shù)引入機(jī)械行業(yè)，機(jī)械技術(shù)面臨著挑戰(zhàn)和變革。在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，它不再是單一地完成系統(tǒng)間的連接，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、重量、體積、剛性與耐用性方面對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)有著重要的影響。機(jī)電一體化產(chǎn)品對(duì)機(jī)械部分零部件的靜、動(dòng)態(tài)剛度、熱變形等機(jī)械性能有更高的要求。特別是關(guān)鍵零部件，如導(dǎo)軌、滾珠絲杠、軸承、傳動(dòng)部件等的材料、精度對(duì)機(jī)電一體化產(chǎn)品的性能、控制精度影響極大。

35、在制造過程的機(jī)電一體化系統(tǒng)中，經(jīng)典的機(jī)械理論與工藝應(yīng)借助于計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，同時(shí)采用人工智能與專家系統(tǒng)等，形成新一代的機(jī)械制造技術(shù)。這里原有的機(jī)械技術(shù)以知識(shí)和技能的形式存在，是任何其他技術(shù)代替不了的。如計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃（capp）是目前cad/cam系統(tǒng)研究的瓶頸，其關(guān)鍵問題在于如何將廣泛存在于各行業(yè)、企業(yè)、技術(shù)人員中的標(biāo)準(zhǔn)、習(xí)慣和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行表達(dá)和陳述，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的自動(dòng)工藝設(shè)計(jì)與管理。系統(tǒng)總體技術(shù) 系統(tǒng)總體技術(shù)就是從整體目標(biāo)出發(fā)，用系統(tǒng)的觀點(diǎn)和方法，將機(jī)電一體化產(chǎn)品的總體功能分解成若干功能單元，找出能夠完成各個(gè)功能的可能技術(shù)方案，再把功能與技術(shù)方案組合成方案組進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)，綜合優(yōu)選出適宜的

36、功能技術(shù)方案。系統(tǒng)總體技術(shù)是最能體現(xiàn)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)特點(diǎn)的技術(shù)，也是保證其產(chǎn)品工作性能和技術(shù)指標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，機(jī)械、電氣和電子是性能、規(guī)律截然不同的物理模型，因而存在匹配上的困難；電氣、電子又有強(qiáng)電與弱電、模擬與數(shù)字之分，必然遇到相互干擾與耦合的問題；系統(tǒng)的復(fù)雜性帶來(lái)的可靠性問題；產(chǎn)品的小型化增加了狀態(tài)監(jiān)測(cè)與維修的困難；多功能化造成診斷技術(shù)的多樣性等等。因此就要考慮產(chǎn)品整個(gè)壽命周期的總體綜合技術(shù)。為了開發(fā)出具有較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)能力的機(jī)電一體化產(chǎn)品，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)除考慮優(yōu)化設(shè)計(jì)外，還包括可靠性設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、系列化設(shè)計(jì)以及造型設(shè)計(jì)。 機(jī)電一體化是集機(jī)械、電子、光學(xué)、控制、計(jì)算機(jī)、

37、信息等多學(xué)科的交叉融合，它的發(fā)展和進(jìn)步依賴并促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。因此，機(jī)電一體化的主要發(fā)展方向如下：1智能化智能化是21世紀(jì)機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要發(fā)展方向。這里所說的“智能化”是對(duì)機(jī)器行為的描述，是在控制理論的基礎(chǔ)上，吸收人工智能、運(yùn)籌學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、心理學(xué)、生理學(xué)和混沌動(dòng)力學(xué)等新思想、新方法，模擬人類智能，使它具有判斷推理、邏輯思維、自主決策等能力，以求得到更高的控制目標(biāo)。2. 模塊化模塊化是一項(xiàng)重要而又艱巨的工程。由于機(jī)電一體化產(chǎn)品種類和生產(chǎn)廠家繁多，研制和開發(fā)具有標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械接口、電氣接口、動(dòng)力接口、環(huán)境接口的機(jī)電一體化產(chǎn)品單元是一項(xiàng)十分復(fù)雜但又是非常重要的事。如研制集減速、智能

38、調(diào)速、電機(jī)于一體的動(dòng)力單元，具有視覺、圖像處理、識(shí)別和測(cè)距等功能的控制單元，以及各種能完成典型操作的機(jī)械裝置。這樣，可利用標(biāo)準(zhǔn)單元迅速開發(fā)出新的產(chǎn)品，同時(shí)也可擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。顯然，從電氣產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化帶來(lái)的好處可以肯定，無(wú)論是對(duì)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)電一體化單元的企業(yè)還是對(duì)生產(chǎn)機(jī)電一體化產(chǎn)品的企業(yè)，模塊化將給機(jī)電一體化企業(yè)帶來(lái)更大的收益。3網(wǎng)絡(luò)化20世紀(jì)90年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)的突出成就是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。各種網(wǎng)絡(luò)將全球經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)連成一片，企業(yè)間的競(jìng)爭(zhēng)也全球化。機(jī)電一體化新產(chǎn)品一旦研制出來(lái),只要其功能獨(dú)到，質(zhì)量可靠，很快就會(huì)暢銷全球。由于網(wǎng)絡(luò)的普及，基于網(wǎng)絡(luò)的各種遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視技術(shù)方興未艾，而遠(yuǎn)程控制的終端設(shè)備本

39、身就是機(jī)電一體化產(chǎn)品?，F(xiàn)場(chǎng)總線和局域網(wǎng)技術(shù)使家用電器網(wǎng)絡(luò)化已成大勢(shì)，利用家庭網(wǎng)絡(luò)（home net）將各種家用電器連接成以計(jì)算機(jī)為中心的計(jì)算機(jī)集成家電系統(tǒng)（computer integrated appliance system，cias），使人們?cè)诩依锍浞窒硎芨鞣N高技術(shù)帶來(lái)的便利和快樂。因此，機(jī)電一體化產(chǎn)品無(wú)疑朝著網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。4. 微型化微型化興起于20世紀(jì)80年代末，指的是機(jī)電一體化向微型機(jī)器和微觀領(lǐng)域發(fā)展的趨勢(shì)。國(guó)外將其稱為微電子機(jī)械系統(tǒng)（micro electro mechanical system, mems），或微機(jī)電一體化系統(tǒng)，泛指幾何尺寸不超過1cm3的機(jī)電一體化產(chǎn)品，并向

40、微米、納米級(jí)發(fā)展。微機(jī)電一體化產(chǎn)品體積小，耗能少，運(yùn)動(dòng)靈活，在生物、醫(yī)療、軍事、信息等方面具有不可比擬的優(yōu)越性。5綠色化工業(yè)的發(fā)達(dá)給人們生活帶來(lái)了巨大變化。綠色產(chǎn)品在其設(shè)計(jì)、制造、使用和銷毀的生命過程中，符合特定的環(huán)境保護(hù)和人類健康的要求，對(duì)生態(tài)環(huán)境無(wú)害或危害極少，資源利用率最高。設(shè)計(jì)綠色的機(jī)電一體化產(chǎn)品，具有遠(yuǎn)大的發(fā)展前途。6人格化未來(lái)的機(jī)電一體化更加注重產(chǎn)品與人的關(guān)系，機(jī)電一體化的人格化有兩層含義。一層是機(jī)電一體化產(chǎn)品的最終使用對(duì)象是人，如何賦予機(jī)電一體化產(chǎn)品人的智能、情感、人性越來(lái)越顯得重要，特別是對(duì)家用機(jī)器人，其高層境界就是人機(jī)一體化。另一層是模仿生物機(jī)理，研制各種機(jī)電一體化產(chǎn)品。隨著

41、機(jī)電一體化技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)電一體化產(chǎn)品有逐步取代統(tǒng)機(jī)電產(chǎn)品的趨勢(shì)，這完全取決于機(jī)電一體化技術(shù)所存在的優(yōu)越性和潛在的應(yīng)用性能。與傳統(tǒng)的機(jī)電產(chǎn)品相比，機(jī)電一體化產(chǎn)品具有高的功能和附加價(jià)值，它將給開發(fā)生產(chǎn)者和用戶帶來(lái)社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。1生產(chǎn)能力和工作質(zhì)量提高機(jī)電一體化產(chǎn)品大都具有信息自動(dòng)處理和自動(dòng)控制功能，其控制和檢測(cè)的靈敏度、精度以及范圍都有很大程度的提高，通過自動(dòng)控制系統(tǒng)可精確地保證機(jī)械的執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照設(shè)計(jì)的要求完成預(yù)定的動(dòng)作，使之不受機(jī)械操作者主觀因素的影響，從而實(shí)現(xiàn)最佳操作，保證最佳的工作質(zhì)量和較高的產(chǎn)品合格率。同時(shí)，由于機(jī)電一體化產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了工作的自動(dòng)化，使得生產(chǎn)能力大大提高。例如，數(shù)控機(jī)床對(duì)工

42、件的加工穩(wěn)定性大大提高，生產(chǎn)效率比普通機(jī)床提高56倍，柔性制造系統(tǒng)的生產(chǎn)設(shè)備利用率可提高1.53.5倍，機(jī)床數(shù)量可減少約50，節(jié)省操作人員數(shù)量約50，縮短生產(chǎn)周期40，使加工成本降低50左右。2. 使用安全性和可靠性提高 機(jī)電一體化產(chǎn)品一般都具有自動(dòng)監(jiān)視、報(bào)警、自動(dòng)診斷、自動(dòng)保護(hù)等功能。在工作過程中，遇到過載、過壓、過流、短路等電力故障時(shí)，能自動(dòng)采取保護(hù)措施，避免和減少人身與設(shè)備事故，顯著提高設(shè)備的使用安全性。機(jī)電一體化產(chǎn)品由于采用電子元器件，減少了機(jī)械產(chǎn)品中的可動(dòng)構(gòu)件和磨損部件，從而使其具有較高的靈敏度和可靠性，產(chǎn)品的故障率低，壽命得到了延長(zhǎng)。3調(diào)整和維護(hù)方便，使用性能改善機(jī)電一體化產(chǎn)品在安

43、裝調(diào)試時(shí)，可通過改變控制程序來(lái)實(shí)現(xiàn)工作方式的改變，以適應(yīng)不同用戶對(duì)象的需要以及現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)變化的需要。這些控制程序可通過多種手段輸入到機(jī)電一體化產(chǎn)品的控制系統(tǒng)中，而不需要改變產(chǎn)品中的任何部件或零件。4具有復(fù)合功能，適用面廣機(jī)電一體化產(chǎn)品跳出了機(jī)電產(chǎn)品的單技術(shù)和單功能限制，具有復(fù)合技術(shù)和復(fù)合功能，使產(chǎn)品的功能水平和自動(dòng)化程度大大提高。機(jī)電一體化產(chǎn)品一般具有自動(dòng)化控制、自動(dòng)補(bǔ)償、自動(dòng)校驗(yàn)、自動(dòng)調(diào)節(jié)、自動(dòng)保護(hù)和智能化等多種功能，能應(yīng)用于不同的場(chǎng)合和不同領(lǐng)域，滿足用戶需求的應(yīng)變能力較強(qiáng)。例如，電子式空氣斷路器具有保護(hù)特性可調(diào)、選擇性脫扣、正常通過電流與脫扣時(shí)電流的測(cè)量、顯示和故障自動(dòng)診斷等功能，使其應(yīng)用范

44、圍顯著擴(kuò)大。5改善勞動(dòng)條件，有利于自動(dòng)化生產(chǎn)機(jī)電一體化產(chǎn)品自動(dòng)化程度高，是知識(shí)密集型和技術(shù)密集型產(chǎn)品，是將人們從繁重體力勞動(dòng)中解放出來(lái)的重要途徑，可以加速工廠自動(dòng)化、辦公自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、交通自動(dòng)化甚至是家庭自動(dòng)化，從而可促進(jìn)我國(guó)四個(gè)現(xiàn)代化的實(shí)現(xiàn)。6節(jié)約能源，減少耗材節(jié)約一次和二次能源是國(guó)家的戰(zhàn)略目標(biāo)，也是用戶十分關(guān)心的問題。機(jī)電一體化產(chǎn)品，通過采用低能耗驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，最佳的調(diào)節(jié)控制，以提高設(shè)備的能源利用率，可達(dá)到明顯的節(jié)能效果。同時(shí)，由于多種學(xué)科的交叉融合，機(jī)電一體化系統(tǒng)的許多功能一方面從機(jī)械系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到了微電子、計(jì)算機(jī)等系統(tǒng)，另一方面從硬件系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到了軟件系統(tǒng)，從而使得機(jī)電一體化系統(tǒng)朝著輕小型

45、方向發(fā)展，減少了材料消耗。因此，無(wú)論是生產(chǎn)部門還是使用單位，機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品，都會(huì)帶來(lái)顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。正因?yàn)槿绱?，世界各?guó)，首先是日本、美國(guó)、歐洲各國(guó)都在大力發(fā)展和推廣機(jī)電一體化技術(shù)。傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)的應(yīng)用下面以汽車工業(yè)為例，來(lái)分析微電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)汽車及汽車生產(chǎn)系統(tǒng)帶來(lái)的巨大影響。一方面是汽車產(chǎn)品的機(jī)電一體化革命，另一方面，汽車的生產(chǎn)制造系統(tǒng)也發(fā)生了巨大的變化。微電子技術(shù)和微處理機(jī)技術(shù)徹底改變了汽車產(chǎn)品的面貌，“汽車電子化”被稱為汽車技術(shù)的又一次革命性飛躍。機(jī)電一體化的現(xiàn)代新型汽車在操作性、可靠性、高速度、安全性、低油耗、減少排氣污染和維修性、舒適性等各方面性能大幅

46、度提高，汽車電子化程度成為汽車產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)性的極重要因素，汽車電子也逐漸發(fā)展成為一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)。在現(xiàn)代汽車生產(chǎn)中，多數(shù)應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行經(jīng)營(yíng)和生產(chǎn)管理，利用cad進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，使用數(shù)控機(jī)床和柔性生產(chǎn)線進(jìn)行零部件加工，使用機(jī)器人從事噴漆、焊接、組裝、搬運(yùn)等工作。汽車車身通常需要進(jìn)行3 0004 000次點(diǎn)焊，其中90以上的焊點(diǎn)可由工業(yè)機(jī)器人完成。意大利菲亞特汽車公司的兩條汽車裝配線，每條線上都分布有50多個(gè)機(jī)器人，可在平均l min內(nèi)完成一部汽車的焊接工作。數(shù)控自動(dòng)化生產(chǎn)能夠節(jié)約原材料、動(dòng)力及其他工廠輔助設(shè)備，降低廢品率，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，并使勞動(dòng)生產(chǎn)率提高300倍?，F(xiàn)代機(jī)電一體化生產(chǎn)系統(tǒng)使得汽車生

47、產(chǎn)的質(zhì)量和產(chǎn)量迅速大幅度提高，同時(shí)整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)可以通過改變程序適應(yīng)不同型號(hào)汽車的制造，縮短新產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)周期，盡快適應(yīng)市場(chǎng)需求的變化。傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)機(jī)電一體化革命所帶來(lái)的優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、柔性增強(qiáng)了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)能力，引起各個(gè)國(guó)家和企業(yè)的極大重視。機(jī)電一體化新型產(chǎn)品將逐步取代大部分傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品，傳統(tǒng)的機(jī)械裝備和生產(chǎn)管理系統(tǒng)將被大規(guī)模地改造和更新為機(jī)電一體化生產(chǎn)系統(tǒng)，機(jī)電一體化產(chǎn)業(yè)將占據(jù)主導(dǎo)地位，機(jī)械工業(yè)將以機(jī)械電子工業(yè)的新面貌得到迅速發(fā)展。傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用近幾年來(lái)我國(guó)汽車工業(yè)增長(zhǎng)迅速，發(fā)展勢(shì)頭很猛。在汽車中的應(yīng)用電路如圖所示下面以lm1042。電源取自+12v蓄電池。利用油壓開關(guān)s1來(lái)

48、選擇探頭。在汽車點(diǎn)火時(shí)s1閉合，通過風(fēng)將第8腳拉成低電平，選擇探頭1測(cè)量油箱中的液位。發(fā)動(dòng)機(jī)開始工作后s1就斷開，u+經(jīng)過vd1把第8腳拉成高電平，改由輔助探頭2測(cè)量液位。即使發(fā)動(dòng)機(jī)失速，c5使第8腳仍保持高電平，能禁止探頭1測(cè)量。hl為油壓報(bào)警燈。vd2可防止電源的極性接反。rp1用來(lái)調(diào)整探頭的工作電流，使i=200ma。rp2用以校準(zhǔn)每次測(cè)量的持續(xù)時(shí)間。閉合s2時(shí)，cosc被短路，選擇單次測(cè)量模式。斷開s2時(shí)選擇重復(fù)測(cè)量模式。如需改變a4的電壓增益，可沿圖中的虛線接入電阻r7。數(shù)字電壓表接在uo2端與uo1之間，利用r5、c6可濾除儀表輸入端的高頻干擾。機(jī)電一體化系統(tǒng)中如何選擇傳感器傳感器

49、的基本要求：體積小、重量輕、適應(yīng)型好精度和靈敏性高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、信噪比高安全可靠、壽命長(zhǎng)便于與計(jì)算機(jī)對(duì)接不易受被檢測(cè)對(duì)象和外部環(huán)境的影響環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)安裝處理簡(jiǎn)單操作方便，價(jià)格表便宜?，F(xiàn)代傳感器在原理與結(jié)構(gòu)上千差萬(wàn)別，在選擇傳感器之前，應(yīng)對(duì)其使用環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，并根據(jù)具體的使用環(huán)境選擇合適的傳感器，或采取適當(dāng)?shù)拇胧?，減小環(huán)境的影響。傳感器的穩(wěn)定性有定量指標(biāo)，在超過使用期后，在使用前應(yīng)重新進(jìn)行標(biāo)定，以確定傳感器的性能是否發(fā)生變化。1、根據(jù)測(cè)量對(duì)象與測(cè)量環(huán)境確定傳感器的類型 要進(jìn)行個(gè)具體的測(cè)量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因?yàn)?，即使是測(cè)量同一物理

50、量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測(cè)量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：量程的大?。槐粶y(cè)位置對(duì)傳感器體積的要求；測(cè)量方式為接觸式還是非接觸式；信號(hào)的引出方法，有線或是非接觸測(cè)量；傳感器的來(lái)源，國(guó)產(chǎn)還是進(jìn)口，價(jià)格能否承受，還是自行研制。在考慮上述問題之后就能確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標(biāo)。 2、靈敏度的選擇 通常，在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。因?yàn)橹挥徐`敏度高時(shí)，與被測(cè)量變化對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)的值才比較大，有利于信號(hào)處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測(cè)量無(wú)關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會(huì)被放大系統(tǒng)放

51、大，影響測(cè)量精度。因此，要求傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比，盡量減少?gòu)耐饨缫氲挠跀_信號(hào)。傳感器的靈敏度是有方向性的。當(dāng)被測(cè)量是單向量，而且對(duì)其方向性要求較高，則應(yīng)選擇其它方向靈敏度小的傳感器；如果被測(cè)量是多維向量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。 3、響應(yīng)特性 （反應(yīng)時(shí)間） 傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測(cè)量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測(cè)量條件，實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總有定延遲，希望延遲時(shí)間越短越好。傳感器的頻率響應(yīng)高，可測(cè)的信號(hào)頻率范圍就寬，而由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，機(jī)械系統(tǒng)的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測(cè)信號(hào)的頻率較低。在動(dòng)態(tài)測(cè)量中，應(yīng)根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)(穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機(jī)等)響應(yīng)

52、特性，以免產(chǎn)生過火的誤差。4、線性范圍 傳感器的線形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理論上講，在此范圍內(nèi)，靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測(cè)量精度。在選擇傳感器時(shí)，當(dāng)傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。但實(shí)際上，任何傳感器都不能保證絕對(duì)的線性，其線性度也是相對(duì)的。當(dāng)所要求測(cè)量精度比較低時(shí)，在一定的范圍內(nèi)，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性的，這會(huì)給測(cè)量帶來(lái)極大的方便。 5、穩(wěn)定性 傳感器使用一段時(shí)間后，其性能保持不變化的能力稱為穩(wěn)定性。影響傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定性的因素除傳感器本身結(jié)構(gòu)外，主要是傳感器的使用環(huán)境。因此，要使傳感器具有良好的穩(wěn)定性，傳

53、感器必須要有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。 6、精度 精度是傳感器的一個(gè)重要的性能指標(biāo)，它是關(guān)系到整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高，其價(jià)格越昂貴，因此，傳感器的精度只要滿足整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的精度要求就可以，不必選得過高。這樣就可以在滿足同一測(cè)量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡(jiǎn)單的傳感器。如果測(cè)量目的是定性分析的，選用重復(fù)精度高的傳感器即可，不宜選用絕對(duì)量值精度高的；如果是為了定量分析，必須獲得精確的測(cè)量值，就需選用精度等級(jí)能滿足要求的傳感器。 在某些要求傳感器能長(zhǎng)期使用而又不能輕易更換或標(biāo)定的場(chǎng)合，所選用的傳感器穩(wěn)定性要求更嚴(yán)格，要能夠經(jīng)受住長(zhǎng)時(shí)間的考驗(yàn)。機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器的發(fā)展縱觀幾十年來(lái)的傳感技術(shù)領(lǐng)