機電一體化大學本科方案設計書傳感器在機電一體化系統(tǒng)中的應用及發(fā)展的研究

1、陜西航空職業(yè)技術(shù)學院機電一體化專業(yè)畢業(yè)論文題目：傳感器在機電一體化系統(tǒng)中的應用及發(fā)展的研究系部： _機電工程系班級：姓名：學號： _3535指導老師：20102010年1111月目錄摘要1.11.1傳感器技術(shù)的發(fā)展 .41.21.2機電一體化系統(tǒng)的發(fā)展 .81.31.3傳感器在機電一體化系統(tǒng)的應用 .27271.41.4如何為機電一體化系統(tǒng)選擇傳感器 . 33331.51.5機電一體化系統(tǒng)中常用傳感器的發(fā)展 . 3636結(jié)論 . 3838參考文獻 . 4040摘要傳感器是檢測中首先感受被測量、并將它轉(zhuǎn)換成與被測量有確定 對應關(guān)系的電量器件，它是檢測和控制系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分。機電 一體化是機械的

2、主功能、動力功能、信息功能和控制功能上引進微 電子技術(shù)，并將機械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機結(jié)合而構(gòu)成系 統(tǒng)的總稱。在機電一體化系統(tǒng)中 , , 傳感器處系統(tǒng)之首 , , 其作用相當于 系統(tǒng)感受器官 , , 能快速、精確地獲取信息并能經(jīng)受嚴酷環(huán)境考驗 , , 是 機電一體化系統(tǒng)達到高水平的保證。如缺少這些傳感器對系統(tǒng)狀態(tài) 和對信息精確而可靠的自動檢測 , , 系統(tǒng)的信息處理、控制決策等功能 就無法談及和實現(xiàn)。傳感器在機電一體化系統(tǒng)中應用廣泛，是機電 產(chǎn)品中是必不可少的器件之一。關(guān)鍵詞：傳感器 機電一體化系統(tǒng)傳感器技術(shù)傳感器來自“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)

3、信息，如物體的大小、形狀和顏色，感 覺到的聲音、氣味等。在視覺情況下，絕不是靠眼睛本身進行感 覺，而是從眼睛進入的外界刺激信號通過神經(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支配行動。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，然后產(chǎn)生作用于各種神經(jīng) 傳遞信號的能量，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，將外界刺激信號轉(zhuǎn)換為能傳遞的信 號，即使特定的被測量（包括物理量、化學量、生物量等）按照一 定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用的輸出

4、信號。傳感器是一種以一定的精確度把被測量轉(zhuǎn)換為與之有確定對應 關(guān)系的、便于應用的另一種量的測量裝置。傳感器的定義具體包 含：傳感器是測量裝置，能、完成檢測任務；它的輸入量是某 一被測量，可能是物理量，也可能是化學量、生物量等；它的輸 出量是某種物理量，這種量應便于傳輸、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。但很多時候也將轉(zhuǎn)換電路及輔助電路作為其組 成部分，因為傳感器作為一個完整的器件，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、信號數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和控制信息 的采集

5、。傳感器是檢測和控制系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分。在實際工程應用中，傳感器的種類很多。同一種被測量可以用 不同的傳感器來測量；而同一種原理的傳感器，通常又可以測量多 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 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 器所測量經(jīng)常處在各種各樣的變動中

6、，例如測量機床車刀的切削 時，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，切削力的值可能有緩慢起伏或者周期性脈動變化， 甚至出現(xiàn)突變的尖峰力。傳感器能否將這些被測量的變化不失真地 變換成相應的電量，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)特性和動態(tài)特性來描述。傳感器變換的被測量的數(shù)值處在穩(wěn)定狀態(tài)時，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 標是：靈敏度、線性度、遲滯和重復性。靈敏度傳感器在穩(wěn)態(tài)標準條件下，輸出變化對輸入變化的比值稱靈敏度，對于線性傳感器來說，它的靈敏度是一個常數(shù)。線性度 傳感器的靜態(tài)特

7、性是穩(wěn)態(tài)標準條件下，利用一定等級的校準設 備，對傳感進行往復循環(huán)測試，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，會對標定和數(shù)據(jù)處理 帶來方便。但實際的輸出 - -輸入特性一般都是非線性的，因此，采用 各種補償環(huán)節(jié)，如非線性電路補償環(huán)節(jié)或計算機軟件，進行線性化 處理。在傳感器非線性冪次不高，輸入量變化范圍較小時，用一條 直線（切線或割線）近似地代表實際曲線的一段。對傳感器的輸出 輸入特性線性化的方法，稱為直線擬合法。實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 滿度值之比作為評價線性度（或非線性誤差）的指標。在常用的擬 合法中，

8、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)值為對應同一大小的輸出量，應采用的行程方 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，主要是傳感器機械部分存在不可避免的缺陷，如軸承摩 擦、間隙、緊固件松動和材料內(nèi)摩擦等。重復性傳感器的輸入量在同一方向（增加或減少）變化時，在全量程內(nèi)連續(xù)進行重復測量所得到的輸出 - -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。多次重復測試的曲線 越重合，說明傳感器重復性越好，使用誤差越小。動態(tài)

9、特性是指傳感器測量動態(tài)信號時，輸出對輸入的響應特 性。傳感器測量靜態(tài)信號時，被測量不隨時間變化，測量和記錄的 過程不受時間限制。實際大量的被測量是隨時間變化的動態(tài)信號， 傳感器的輸出不僅要精確地顯示被測量的大小，還要顯示被測量隨 時間變化的規(guī)律。動態(tài)特性好的傳感器，其輸出隨時間的變化規(guī)律 將再現(xiàn)輸入隨時間變化的規(guī)律，即它們具有相同的時間函數(shù)。但 是，除了理想情況外，實際傳感器的輸出信號與輸出入信號不會具 有相同的時間函數(shù)，輸出與輸入之間會出現(xiàn)差異。這種輸出與輸入 之間的差異稱為動態(tài)誤差，研究這種誤差的性質(zhì)稱為動態(tài)特性分 析。因為傳感器在實際工作中隨時間變化的輸入信號是千變?nèi)f化 的，而且由于隨機

10、因素的影響，往往事先并不知道其特性，故工程 上通常采用標準信號函數(shù)的方法來研究，并據(jù)此確定若干評定動態(tài) 特性的指標。常用的標準信號函數(shù)是正弦函數(shù)和階躍函數(shù)，因為它 們即便于求解又便于實現(xiàn)。大多數(shù)情況下對非正弦周期信號，可以 通過數(shù)學方法利用傅里葉級數(shù)分解為含多次諧波的正弦函數(shù)；對其 他非爭先非周期信號，可通過傅里葉變換分解出各次正弦諧波來分 析。而階躍信號是瞬間發(fā)生的變化，它有可能是輸入信號中最壞的 一種，傳感器如能復現(xiàn)這種信號，則就能較容易復現(xiàn)其他各種輸入 信號，所以將它們作為標準信號函數(shù)。階躍響應法：當輸入信號 為階躍函數(shù)時，因為他是時間的函數(shù)，故傳感器的響應是在時域里 發(fā)生的，因此稱她為

11、階躍響應法。頻率響應法：當輸入信號時正 弦函數(shù)時，因為它頻率的函數(shù)，故傳感器的響應是在頻域內(nèi)發(fā)生 的，因此稱它為頻率響應法。傳感器是檢測中首先感受被測量、并將它轉(zhuǎn)換成與被測量有確 定對應關(guān)系的電量器件，它是檢測和控制系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分。傳 感器的性能由傳感器的靜態(tài)特性和動態(tài)特性來評價。機電一體化系統(tǒng)機電一體化又稱機械電子學，英文稱為 MechatronicsMechatronics ，它是由 英文機械學 MechanicsMechanics 的前半部分與電子學 ElectronicsElectronics 的后半部 分組合而成。機電一體化最早出現(xiàn)在 19711971 年日本機械設計雜志 的副刊

12、上，隨著機電一體化技術(shù)的快速發(fā)展，機電一體化的概念被 人們廣泛接受和普遍使用。19961996年出版的 WEBSTEWEBSTE大詞典收錄了這 個日本造的英文單詞，這不僅意味著 “MechatronicsMechatronics ”這個單詞得 到了世界各國學術(shù)界和企業(yè)界的認可，而且還意味著“機電一體 化”的哲理和思想為世人所接受。到目前為止，就機電一體化這一概念的內(nèi)涵國內(nèi)外學術(shù)界還沒 有一個完全統(tǒng)一的表述。目前，較普遍的提法是“日本機械振興協(xié) 會經(jīng)濟研究所”于19811981年的解釋：“機電一體化是在機械主功能、 動力功能、信息功能和控制功能上引進微電子技術(shù)，并將機械裝置 與電子裝置用相關(guān)軟件

13、有機結(jié)合而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱”。機電一體化 是以機械學、電子學和信息科學為主的多門技術(shù)學科在機電產(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)學科。 這里面包含了三重含義：首先，機電一體化是機械學、電子學與信 息科學等學科相互融合而形成的學科。圖1 1形地表達了機電一體化與機械學、電子學和信息科學之間的相互關(guān)系；其次，機電一體化 是一個發(fā)展中的概念，早期的機電一體化就像其字面所表述的那 樣，主要強調(diào)機械與電子的結(jié)合，即將電子技術(shù)“溶入”到機械技 術(shù)中而形成新的技術(shù)與產(chǎn)品。隨著機電一體化技術(shù)的發(fā)展，以計算 機技術(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

14、Computer、CommuniCommuni caticati onon 禾口 ConCon troltrol TechTech nono logylogy ） “滲 透”到機械技術(shù)中，豐富了機電一體化的含義，現(xiàn)代的機電一體化 不僅僅指機械、電子與信息技術(shù)的結(jié)合，還包括光（光學）機電一體化、機電氣（氣壓）一體化、機電液（液壓）一體化、機電儀（儀器儀表）一體化等；最后，機電一體化表達了技術(shù)之間相互結(jié) 合的學術(shù)思想，強調(diào)各種技術(shù)在機電產(chǎn)品中的相互協(xié)調(diào)，以達到系 統(tǒng)總體最優(yōu)。因此，機電一體化是多種技術(shù)學科有機結(jié)合的產(chǎn)物，而不是它 們的簡單疊加。機電一體化與機械電氣化的主要區(qū)別有：電氣機 械在設計過

15、程中不考慮或少考慮電器與機械的內(nèi)在聯(lián)系，基本上是 根據(jù)機械的要求，選用相應的驅(qū)動電機或電氣傳動裝置；機械和 電氣裝置之間界限分明，它們之間的聯(lián)結(jié)以機械聯(lián)結(jié)為主，整個裝 置是剛性的；裝置所需的控制是基于電磁學原理的各種電器來實 現(xiàn)，屬強電范疇，其主要支撐技術(shù)是電工技術(shù)。機械工程技術(shù)由純 機械發(fā)展到機械電氣化，仍屬傳統(tǒng)機械，主要功能依然是代替和放 大人的體力。但機電一體化產(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”的特征是機電一體化與機 械電氣化在功能上的本質(zhì)差別。從概念的外延來看，機電一體化包括機電一體化技術(shù)和機電一 體化產(chǎn)品兩個方面。機電一體化技術(shù)是從系統(tǒng)工程的觀點

16、出發(fā)，將 機械、電子和信息等有關(guān)技術(shù)有機結(jié)合起來，以實現(xiàn)系統(tǒng)或產(chǎn)品整 體最優(yōu)的綜合性技術(shù)。機電一體化技術(shù)主要包括技術(shù)原理和使機電 一體化產(chǎn)品（或系統(tǒng)）得以實現(xiàn)、使用和發(fā)展的技術(shù)。機電一體化 技術(shù)是一個技術(shù)群（族）的總稱，包括檢測傳感技術(shù)、信息處理技 術(shù)、伺服驅(qū)動技術(shù)、自動控制技術(shù)、機械技術(shù)及系統(tǒng)總體技術(shù)等。 機電一體化產(chǎn)品有時也稱為機電一體化系統(tǒng)，它們是兩個相近的概 念，通常機電一體化產(chǎn)品指獨立存在的機電結(jié)合產(chǎn)品，而機電一體 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)實際上也是機 電一體化產(chǎn)品。機電一體化產(chǎn)品是由機械系統(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）有機結(jié)合、

17、而賦予了 新功能和新性能的高科技產(chǎn)品。由于在機械本體中“溶入” 了電子 技術(shù)和信息技術(shù)，與純粹的機械產(chǎn)品相比，機電一體化產(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)實生活中的機電一體化產(chǎn)品比比皆是。我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂?的全自動洗衣機、空調(diào)及全自動照相機，都是典型的機電一體化產(chǎn) 品；在機械制造領(lǐng)域中廣泛使用的各種數(shù)控機床、工業(yè)機器人、三 坐標測量儀及全自動倉儲，也是典型的機電一體化產(chǎn)品；而汽車更 是機電一體化技術(shù)成功應用的典范，目前汽車上成功應用和正在開 發(fā)的機電一體化系統(tǒng)達數(shù)十種之多，特別是發(fā)動機電子控制系統(tǒng)、 汽車防抱死制動系統(tǒng)、全主動和半主動懸架等機電一體化系統(tǒng)在汽 車

18、上的應用，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，機電一體化技術(shù)也在一定 范圍內(nèi)得到了應用，如拖拉機自動駕駛系統(tǒng)、懸掛式農(nóng)具的自動調(diào) 節(jié)系統(tǒng)、聯(lián)合收獲機工作部件（如脫粒清選裝置）的監(jiān)控系統(tǒng)、溫 室環(huán)境自動控制系統(tǒng)等。如今，機電一體化已從原來以機械為主的 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)控機床、機器人等，現(xiàn)在已擴大到控制系統(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)（FMSFMS、計算機 集成制造系統(tǒng)（CIMSCIMS以及各種工業(yè)過程控制系統(tǒng)。傳

19、統(tǒng)的機械產(chǎn)品主要是解決物質(zhì)流和能量流的問題，而機電一體化產(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 2所示電一體化系統(tǒng)的主要功能就是對輸入的物質(zhì)、能量 與信息（即所謂工業(yè)三大要素）按照要求進行處理，輸出具有所需特性的物質(zhì)、能量與信息。質(zhì)迓臥 物能信物能信系統(tǒng)的主功能包括三個目的功能：變換（加工、處理）功 能；傳遞（移動、輸送）功能；儲存（保持、積蓄、記錄）功 能。主功能是系統(tǒng)的主要特征部分，是實現(xiàn)系統(tǒng)目的功能直接必需 的功能，主要是對物質(zhì)、能量、信息或其相互結(jié)合進行變換、傳遞 和存儲。圖2機電一體化系統(tǒng)的主功能以物料搬運、加工為主，輸入物質(zhì)（原料、毛坯等）、能量（電能、液能、氣

20、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，如各種機床、交通運輸機械、食品加工機械、起重機械、 紡織機械、印刷機械、輕工機械等。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），稱為動力機，其中輸出機械能的為 原動機，如電動機、水輪機、內(nèi)燃機等。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，如各 種儀器、儀表、傳真機以及各種辦公機械等。機電一體化系統(tǒng)除了具備上述必需的主功能外，還應具備圖 3 3 所 示的內(nèi)部功能。即動力功能、檢測

21、功能、控制功能、構(gòu)造功能。動 力功能是向系統(tǒng)提供動力、讓系統(tǒng)得以運轉(zhuǎn)的功能；檢測功能和控 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整個系統(tǒng)進行控制，使系統(tǒng)正常 運轉(zhuǎn)，實施目的功能。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/ / 輸出來看，除有主功能的輸入 / /輸出之外，還需要有動力輸入 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外部環(huán) 境影響，從系統(tǒng)設計開始就應予以考慮。（原）弋能量信息/輸入/V/新

22、4物質(zhì)能量動力輸入能量）圖3 系統(tǒng)的五種內(nèi)部從機電一體化系統(tǒng)的功能看，輸出 控制.C人或其它系統(tǒng)）人類是機電一體化系統(tǒng)理想的參照物。如圖4 4 （a 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。相應的功能如圖4 4 （b b）所示，內(nèi)臟提供人體所需要的能量（動力）及各種激素，維 持人體活動；頭腦處理各種信息并對其它要素實施控制；感官獲取 外界信息；四肢執(zhí)行動作；軀干的功能是把人體各要素有機地聯(lián)系 為一體。通過類比就可發(fā)現(xiàn)，機電一體化系統(tǒng)內(nèi)部的五大功能與人 體的上述功能幾乎是一樣的，而實現(xiàn)各功能的相應構(gòu)成要素如圖4 4（c c）所示。表1 1列出了機電

23、一體化系統(tǒng)構(gòu)成要素與人體構(gòu)成要素的 對應關(guān)系。因此，一個較完善的機電一體化系統(tǒng)，應包括以下幾個基本要 素：機械本體、動力系統(tǒng)、檢測傳感系統(tǒng)、執(zhí)行部件、信息處理及 控制系統(tǒng)，各要素和環(huán)節(jié)之間通過接口相聯(lián)系。主功能干擾廢棄物輸出（變換、傳遞、儲存片輸入u構(gòu)造功能+機電一休優(yōu)系統(tǒng)要素Q功能卩人體真素心控制器計算機等）控制（信息存儲、處理、傳送”頭腦傳感器檢測信息收集號變換）-感官心執(zhí)行部件U驅(qū)動（操作）四肢空動力源+提供動力（能量）P內(nèi)臟心機械本體:支撐與聯(lián)接己駆干機電一體化系統(tǒng)中機械部分是主體，這不僅是由于機械本體是系 統(tǒng)重要的組成部分，而且系統(tǒng)的主要功能必須由機械裝置來完成， 否則就不能稱其為機

24、電一體化產(chǎn)品。如電子計算機、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，機械已退居次要地 位，這類產(chǎn)品應歸屬于電子產(chǎn)品，而不是機電一體化產(chǎn)品。因此， 機械系統(tǒng)是實現(xiàn)機電一體化產(chǎn)品功能的基礎(chǔ)，從而對其提出了更高 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 一般性的機械強度、剛度、精度、體積和重量等指標外，機械系統(tǒng) 技術(shù)開發(fā)的重點是模塊化、標準化和系列化，以便于機械系統(tǒng)的快 速組合和更換。其次，機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)，但重點是微電子技術(shù)，特別是微型計算機或微處 理器。

25、機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)合的機電產(chǎn)品不能稱為機電一體化產(chǎn)品。如非數(shù) 控機床，一般均有電動機驅(qū)動，但它不是機電一體化產(chǎn)品。除了微 電子技術(shù)以外，在機電一體化產(chǎn)品中，可根據(jù)需要進行一種或多種技術(shù)相結(jié)合。因此，機電一體化是以機械為主體、以微電子技術(shù)為核心，強 調(diào)各種技術(shù)的協(xié)同和集成的綜合性技術(shù)。機電一體化技術(shù)和產(chǎn)品的應用范圍非常廣泛，涉及到工業(yè)生產(chǎn)過 程的所有領(lǐng)域，因此，機電一體化產(chǎn)品的種類很多，而且還在不斷 地增加。按照機電一體化產(chǎn)品的功能，可以將其分成下述幾類。1 1數(shù)控機械類數(shù)控機械類主要產(chǎn)品為數(shù)控機床、工業(yè)機器人、發(fā)動機控制系統(tǒng) 和自動洗衣機等。其

26、特點為執(zhí)行機構(gòu)是機械裝置。2 2電子設備類 電子設備類主要產(chǎn)品為電火花加工機床、線切割加工機床、超聲 波縫紉機和激光測量儀等。其特點為執(zhí)行機構(gòu)是電子裝置。3 3機電結(jié)合類 機電結(jié)合類主要產(chǎn)品為自動探傷機、形狀識別裝置和 CTCT 掃描 儀、自動售貨機等。其特點為執(zhí)行機構(gòu)是機械和電子裝置的有機結(jié) 合。4 4電液伺服類電液伺服類主要產(chǎn)品為機電一體化的伺服裝置。其特點為執(zhí)行機 構(gòu)是液壓驅(qū)動的機械裝置，控制機構(gòu)是接受電信號的液壓伺服閥。5 5信息控制類信息控制類主要產(chǎn)品為電報機、磁盤存儲器、磁帶錄像機、錄音 機以及復印機、傳真機等辦公自動化設備。其主要特點為執(zhí)行機構(gòu) 的動作完全由所接收的信息類控制此外

27、，機電一體化產(chǎn)品還可根據(jù)機電技術(shù)的結(jié)合程度分為功能附加型、功能替代型和機電融合型三類。按產(chǎn)品的服務對象領(lǐng)域和對象，可將機電一體化產(chǎn)品分成工業(yè)生產(chǎn)類、運輸包裝類、儲存銷售 類、社會服務類、家庭日常類、科研儀器類、國防武器類以及其它 用途類等不同的種類。機電一體化技術(shù)的發(fā)展大體上可分為三個階段。 2020 世紀 6060 年代 以前為第一階段，這一階段稱為初期階段。在這一時期，人們自覺 或不自覺地利用電子技術(shù)的初步成果來完善機械產(chǎn)品的性能。2020世紀70708080年代為第二階段，可稱為蓬勃發(fā)展階段。這一時期，計算機技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，為機電一體化的發(fā) 展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。大規(guī)模、超大

28、規(guī)模集成電路和微型計算機的迅 猛發(fā)展，為機電一體化技術(shù)的發(fā)展提供了充分的物質(zhì)基礎(chǔ)。2020 世紀 9090 年代后期，開始了機電一體化技術(shù)向智能化方向邁進 的新階段，一方面光學、通信技術(shù)等進入了機電一體化，微細加工 技術(shù)也在機電一體化中嶄露頭角，出現(xiàn)了光機電一體化和微機電一 體化等新分支；另一方面對機電一體化系統(tǒng)的建模設計、分析和集 成方法，機電一體化的學科體系和發(fā)展趨勢都進行著深入研究。我國是從上世紀 8080 年代初才開始這方面研究和應用。國務院成 立了機電一體化領(lǐng)導小組并將該技術(shù)列為“ 863863 計劃”中。機械工 業(yè)在制定“九五”規(guī)劃和 20102010 年發(fā)展綱要時充分考慮了國際上

29、關(guān)于 機電一體化技術(shù)的發(fā)展動向和由此可能帶來的影響。經(jīng)過 2020 多年的努力，在航天、國防以及經(jīng)濟建設的一些重大工程帶動下，我國已 在機電一體化許多領(lǐng)域躋身于世界先進行列。理論基礎(chǔ)系統(tǒng)論、信息論、控制論的建立，微電子技術(shù)尤其是計算機技 術(shù)的迅猛發(fā)展，引起了科學技術(shù)的又一次革命，誘發(fā)了機械工程的 機電一體化。系統(tǒng)論、信息論、控制論無疑是機電一體化技術(shù)的理 論基礎(chǔ)，是機電一體化技術(shù)的方法論。開展機電一體化技術(shù)研究時，無論在工程的構(gòu)思、規(guī)劃、設計 方面，還是在它的實施或?qū)崿F(xiàn)方面，都不能只著眼于機械或電子， 不能只看到傳感器或計算機，而是要用系統(tǒng)的觀點，合理解決信息 流與控制機制問題，有效地綜合各有

30、關(guān)技術(shù)，才能形成所需要的系 統(tǒng)或產(chǎn)品。機電一體化技術(shù)是從系統(tǒng)工程觀點出發(fā)，應用機械、微電子等 有關(guān)技術(shù)，使機械、電子有機結(jié)合，實現(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)，即使是一臺機器，也都是由許 多要素構(gòu)成的，為了實現(xiàn)其“目的功能”，還需要從系統(tǒng)角度出 發(fā)，不拘泥于機械技術(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。機電一體化工程就是這種技術(shù) 和方法的統(tǒng)一。機電一體化系統(tǒng)是一個包括物質(zhì)流、能量流和信息流的系統(tǒng)， 有效地利用各種信號所攜帶的豐富信息資源，則有賴于信號處理和 信息識別技術(shù)。考察所有機電一體化產(chǎn)品，就會看到準確的信息獲 取、處理、利用在系

31、統(tǒng)中所起的實質(zhì)性作用。關(guān)鍵技術(shù)微電子技術(shù)、精密機械技術(shù)是機電一體化的技術(shù)基礎(chǔ)。微電子技 術(shù)的進步，尤其是微型計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，為機電一體化技術(shù) 的進步與發(fā)展創(chuàng)造了前提。機電一體化產(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 開精密機械技術(shù)。例如，大規(guī)模集成電路（ LSILSI ）制造中的微細加工 就是精密機械技術(shù)的進步成果。因此，精密機械加工技術(shù)促進了微 電子技術(shù)的不斷發(fā)展，微電子技術(shù)的不斷發(fā)展又推動了精密機械技 術(shù)中加工設備的不斷更新。由于機電一體化是一個工程和大系統(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：傳感檢測技術(shù)、信息處理技術(shù)、伺服驅(qū)動

32、技 術(shù)、自動控制技術(shù)、接口技術(shù)、精密機械技術(shù)及系統(tǒng)總體技術(shù)等， 同時也要受到社會條件、經(jīng)濟基礎(chǔ)的重大影響 。 傳感器檢測技術(shù)在機電一體化產(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)的相應信息都要通過傳感器進行接收，并通過相應的信 號檢測裝置進行測量，然后送入信息處理裝置以及反饋給控制裝 置，以實現(xiàn)產(chǎn)品工作過程的自動控制。機電一體化產(chǎn)品要求傳感器 能快速和準確地獲取信息并且不受外部工作條件和環(huán)境的影響，同 時檢測裝置能不失真地對信息信號進行放大、輸送和轉(zhuǎn)換。傳感器技術(shù)的發(fā)展正進入集成化、智能化研究階段。把傳感器件 與信號處理電路集成在一個芯片上，就形成了信息型傳感器；若再 把微處理器

33、集成到信息型傳感器的芯片上，就是所謂的智能型傳感 器。大力開展傳感器研究，對于機電一體化技術(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)以及自動控制有關(guān)的信息輸入、識別、變換、運 算、存儲、輸出和決策分析等技術(shù)。信息處理得是否及時、準確， 直接影響機電一體化系統(tǒng)或產(chǎn)品的質(zhì)量和效率，因而也是機電一體 化的關(guān)鍵技術(shù)。在機電一體化產(chǎn)品中，實現(xiàn)信息處理技術(shù)的主要工具是計算機。 計算機信息處理裝置是產(chǎn)品的核心，它控制和指揮整個機電一體化 產(chǎn)品的運行。信息處理是否正確、及時，直接影響到系統(tǒng)工作的質(zhì) 量和效率，因此計算機應用及信息處理技術(shù)已成

34、為促進機電一體化 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)技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)等都屬于計算機信 息處理技術(shù)。自動控制技術(shù)自動控制是在沒有人直接參與的情況下，通過控制器使被控對 象或過程自動地按照預定的規(guī)律運行。自動控制技術(shù)的廣泛應用， 不僅大大提高了勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，改善了勞動條件，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。機電一體化將自動控制作為重要的支 撐技術(shù)，自動控制裝置是它的重要組成部分。伺服驅(qū)動技術(shù)伺服驅(qū)動技術(shù)主要是指機電一體化產(chǎn)品中的執(zhí)行元件和驅(qū)動裝置 設計中的技術(shù)問題，它涉及設備執(zhí)行操作的技術(shù)，對所加工產(chǎn)品的 質(zhì)量

35、具有直接的影響。機電一體化產(chǎn)品中的執(zhí)行元件有電動、氣動 和液壓等類型，其中多采用電動式執(zhí)行元件，驅(qū)動裝置主要是各種 電動機的驅(qū)動電源電路，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算機相聯(lián)，接受控制系 統(tǒng)的指令，另一方面通過機械接口與機械傳動和執(zhí)行機構(gòu)相聯(lián)，以 實現(xiàn)規(guī)定的動作。因此，伺服驅(qū)動技術(shù)直接影響著機電一體化產(chǎn)品 的功能執(zhí)行和操作，對產(chǎn)品的動態(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) 機電一體化系統(tǒng)是機械、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)

36、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。機電一體化系統(tǒng)最重要的設 計任務之一往往就是接口設計。精密機械技術(shù)精密機械技術(shù)是機電一體化的基礎(chǔ)，因為機電一體化產(chǎn)品的主 功能和構(gòu)造功能大都以機械技術(shù)為主來得以實現(xiàn)。隨著高新技術(shù)引 入機械行業(yè)，機械技術(shù)面臨著挑戰(zhàn)和變革。在機電一體化產(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 性與耐用性方面對機電一體化系統(tǒng)有著重要的影響。機電一體化產(chǎn) 品對機械部分零部件的靜、動態(tài)剛度、熱

37、變形等機械性能有更高的 要求。特別是關(guān)鍵零部件，如導軌、滾珠絲杠、軸承、傳動部件等 的材料、精度對機電一體化產(chǎn)品的性能、控制精度影響極大。在制造過程的機電一體化系統(tǒng)中，經(jīng)典的機械理論與工藝應借助 于計算機輔助技術(shù)，同時采用人工智能與專家系統(tǒng)等，形成新一代 的機械制造技術(shù)。這里原有的機械技術(shù)以知識和技能的形式存在， 是任何其他技術(shù)代替不了的。如計算機輔助工藝規(guī)劃（CAPPCAPP是目前CAD/CAMCAD/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)人員中的標準、習慣和經(jīng)驗進行表達和陳述，從 而實現(xiàn)計算機的自動工藝設計與管理。系統(tǒng)總體技術(shù)系統(tǒng)總體技術(shù)就是從整體目標出發(fā)

38、，用系統(tǒng)的觀點和方法，將機 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 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行分 析、評價，綜合優(yōu)選出適宜的功能技術(shù)方案。系統(tǒng)總體技術(shù)是最能 體現(xiàn)機電一體化設計特點的技術(shù)，也是保證其產(chǎn)品工作性能和技術(shù) 指標得以實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。在機電一體化產(chǎn)品中，機械、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 雜性帶來的可靠性問題；產(chǎn)品的小型化增加了狀態(tài)監(jiān)測與維修的困 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 壽命周期的總體

39、綜合技術(shù)。 為了開發(fā)出具有較強競爭能力的機電一體化產(chǎn)品，系統(tǒng)總體設計除 考慮優(yōu)化設計外，還包括可靠性設計、標準化設計、系列化設計以 及造型設計。機電一體化是集機械、電子、光學、控制、計算機、信息等多 學科的交叉融合，它的發(fā)展和進步依賴并促進相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和進 步。因此，機電一體化的主要發(fā)展方向如下：1 1智能化智能化是 2121 世紀機電一體化技術(shù)發(fā)展的一個重要發(fā)展方向。這 里所說的“智能化”是對機器行為的描述，是在控制理論的基礎(chǔ) 上，吸收人工智能、運籌學、計算機科學、心理學、生理學和混沌 動力學等新思想、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

40、標。2.2. 模塊化模塊化是一項重要而又艱巨的工程。由于機電一體化產(chǎn)品種類和 生產(chǎn)廠家繁多，研制和開發(fā)具有標準機械接口、電氣接口、動力接 口、環(huán)境接口的機電一體化產(chǎn)品單元是一項十分復雜但又是非常重要的事。如研制集減速、智能調(diào)速、電機于一體的動力單元，具有視覺、圖像處理、識別和測距等功能的控制單元，以及各種能完成 典型操作的機械裝置。這樣，可利用標準單元迅速開發(fā)出新的產(chǎn) 品，同時也可擴大生產(chǎn)規(guī)模。顯然，從電氣產(chǎn)品的標準化、系列化 帶來的好處可以肯定，無論是對生產(chǎn)標準機電一體化單元的企業(yè)還 是對生產(chǎn)機電一體化產(chǎn)品的企業(yè)，模塊化將給機電一體化企業(yè)帶來 更大的收益。3 3網(wǎng)絡化2020 世紀 9090

41、 年代，計算機技術(shù)的突出成就是網(wǎng)絡技術(shù)。各種網(wǎng)絡 將全球經(jīng)濟、生產(chǎn)連成一片，企業(yè)間的競爭也全球化。機電一體化 新產(chǎn)品一旦研制出來 , , 只要其功能獨到，質(zhì)量可靠，很快就會暢銷全 球。由于網(wǎng)絡的普及，基于網(wǎng)絡的各種遠程控制和監(jiān)視技術(shù)方興未 艾，而遠程控制的終端設備本身就是機電一體化產(chǎn)品?，F(xiàn)場總線和 局域網(wǎng)技術(shù)使家用電器網(wǎng)絡化已成大勢，利用家庭網(wǎng)絡( HomeHome NetNet)將各種家用電器連接成以計算機為中心的計算機集成家電系統(tǒng)(ComputerComputer IntegratedIntegrated ApplianeeApplianee SystemSystem ，CIASCIAS)

42、,使人們在家里充分享受各種高技術(shù)帶來的便利和快樂。因此，機電一體化產(chǎn)品 無疑朝著網(wǎng)絡化方向發(fā)展。4.4. 微型化微型化興起于 2020 世紀 8080 年代末,指的是機電一體化向微型機器 和微觀領(lǐng)域發(fā)展的趨勢。國外將其稱為微電子機械系統(tǒng)(MieroMieroEleetroEleetro MeehaniealMeehanieal System,System, MEMSMEMS ),或微機電一體化系統(tǒng),泛指幾何尺寸不超過 1cm1cm3的機電一體化產(chǎn)品，并向微 M M納M M級發(fā)展。微機電一體化產(chǎn)品體積小，耗能少，運動靈活，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 5綠色化工業(yè)的發(fā)

43、達給人們生活帶來了巨大變化。綠色產(chǎn)品在其設計、制造、使用和銷毀的生命過程中，符合特定的環(huán)境保護和人類健康的要求，對生態(tài)環(huán)境無害或危害極少，資源利用率最高。設計綠色的 機電一體化產(chǎn)品，具有遠大的發(fā)展前途。6 6人格化未來的機電一體化更加注重產(chǎn)品與人的關(guān)系，機電一體化的人格化有兩層含義。一層是機電一體化產(chǎn)品的最終使用對象是人，如何賦予機電一體化產(chǎn)品人的智能、情感、人性越來越顯得重要，特別是對家用機器人，其高層境界就是人機一體化。另一層是模仿生物機 理，研制各種機電一體化產(chǎn)品。隨著機電一體化技術(shù)的快速發(fā)展，機電一體化產(chǎn)品有逐步取代統(tǒng)機電產(chǎn)品的趨勢，這完全取決于機電一體化技術(shù)所存在的優(yōu)越性和潛在的應用

44、性能。與傳統(tǒng)的機電產(chǎn)品相比，機電一體化產(chǎn)品具有高的功能和附加價值，它將給開發(fā)生產(chǎn)者和用戶帶來社會經(jīng)濟效益。1 1 生產(chǎn)能力和工作質(zhì)量提高 機電一體化產(chǎn)品大都具有信息自動處理和自動控制功能，其控制和檢測的靈敏度、精度以及范圍都有很大程度的提高，通過自動控制系統(tǒng)可精確地保證機械的執(zhí)行機構(gòu)按照設計的要求完成預定的 動作，使之不受機械操作者主觀因素的影響，從而實現(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，由于機電一體化 產(chǎn)品實現(xiàn)了工作的自動化，使得生產(chǎn)能力大大提高。例如，數(shù)控機 床對工件的加工穩(wěn)定性大大提高，生產(chǎn)效率比普通機床提高5 56 6倍，柔性制造系統(tǒng)的生產(chǎn)設備利用率可提高 1.5

45、1.53.53.5倍，機床數(shù)量 可減少約 5050，節(jié)省操作人員數(shù)量約 5050，縮短生產(chǎn)周期 4040， 使加工成本降低 5050左右。2.2. 使用安全性和可靠性提高機電一體化產(chǎn)品一般都具有自動監(jiān)視、報警、自動診斷、自動保護等功能。在工作過程中，遇到過載、過壓、過流、短路等 電力故障時，能自動采取保護措施，避免和減少人身與設備事故， 顯著提高設備的使用安全性。機電一體化產(chǎn)品由于采用電子元器 件，減少了機械產(chǎn)品中的可動構(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。3 3調(diào)整和維護方便，使用性能改善機電一體化產(chǎn)品在安裝調(diào)試時，可通過改變控制程序來實現(xiàn)工作

46、方式的改變，以適應不同用戶對象的需要以及現(xiàn)場參數(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 4具有復合功能，適用面廣機電一體化產(chǎn)品跳出了機電產(chǎn)品的單技術(shù)和單功能限制，具有復 合技術(shù)和復合功能，使產(chǎn)品的功能水平和自動化程度大大提高。機 電一體化產(chǎn)品一般具有自動化控制、自動補償、自動校驗、自動調(diào) 節(jié)、自動保護和智能化等多種功能，能應用于不同的場合和不同領(lǐng) 域，滿足用戶需求的應變能力較強。例如，電子式空氣斷路器具有 保護特性可調(diào)、選擇性脫扣、正常通過電流與脫扣時電流的測量、 顯示和故障自動診斷等功能，使其應用范圍顯著擴大。 5

47、5改善勞動條件，有利于自動化生產(chǎn)機電一體化產(chǎn)品自動化程度高，是知識密集型和技術(shù)密集型產(chǎn) 品，是將人們從繁重體力勞動中解放出來的重要途徑，可以加速工 廠自動化、辦公自動化、農(nóng)業(yè)自動化、交通自動化甚至是家庭自動 化，從而可促進我國四個現(xiàn)代化的實現(xiàn)。 6 6節(jié)約能源，減少耗材節(jié)約一次和二次能源是國家的戰(zhàn)略目標，也是用戶十分關(guān)心的問 題。機電一體化產(chǎn)品，通過采用低能耗驅(qū)動機構(gòu)，最佳的調(diào)節(jié)控 制，以提高設備的能源利用率，可達到明顯的節(jié)能效果。同時，由 于多種學科的交叉融合，機電一體化系統(tǒng)的許多功能一方面從機械 系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到了微電子、計算機等系統(tǒng)，另一方面從硬件系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到 了軟件系統(tǒng)，從而使得機電一體化系統(tǒng)

48、朝著輕小型方向發(fā)展，減少 了材料消耗。因此，無論是生產(chǎn)部門還是使用單位，機電一體化技術(shù)和產(chǎn)品， 都會帶來顯著的社會和經(jīng)濟效益。正因為如此，世界各國，首先是 日本、美國、歐洲各國都在大力發(fā)展和推廣機電一體化技術(shù)。 傳感器在機電一體化系統(tǒng)的應用下面以汽車工業(yè)為例，來分析微電子技術(shù)和微型計算機技術(shù)對汽 車及汽車生產(chǎn)系統(tǒng)帶來的巨大影響。一方面是汽車產(chǎn)品的機電一體 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

49、修性、舒適性等各方面性能大幅度提高，汽車電子化程度 成為汽車產(chǎn)品市場競爭性的極重要因素，汽車電子也逐漸發(fā)展成為 一個新興產(chǎn)業(yè)。在現(xiàn)代汽車生產(chǎn)中，多數(shù)應用計算機進行經(jīng)營和生產(chǎn)管理，利用CADCAD進行產(chǎn)品設計，使用數(shù)控機床和柔性生產(chǎn)線進行零部件加工， 使用機器人從事噴漆、焊接、組裝、搬運等工作。汽車車身通常需 要進行3 3 0000004 4 000000次點焊，其中9090%以上的焊點可由工業(yè)機器 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 5050 多個機器人，可在平均 l l minmin 內(nèi)完成一部汽車的焊接工作。 數(shù)控自動化生產(chǎn)能夠節(jié)約原材料、動力及其他工廠輔助設

50、備，降低 廢品率，減輕工人的勞動強度，并使勞動生產(chǎn)率提高 300300 倍。現(xiàn)代 機電一體化生產(chǎn)系統(tǒng)使得汽車生產(chǎn)的質(zhì)量和產(chǎn)量迅速大幅度提高， 同時整個生產(chǎn)系統(tǒng)可以通過改變程序適應不同型號汽車的制造，縮 短新產(chǎn)品設計生產(chǎn)周期，盡快適應市場需求的變化。傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)機電一體化革命所帶來的優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、柔性增強了企業(yè)的經(jīng)濟競爭能力，引起各個國家和企業(yè)的極大重視。機電一 體化新型產(chǎn)品將逐步取代大部分傳統(tǒng)機械產(chǎn)品，傳統(tǒng)的機械裝備和 生產(chǎn)管理系統(tǒng)將被大規(guī)模地改造和更新為機電一體化生產(chǎn)系統(tǒng)，機 電一體化產(chǎn)業(yè)將占據(jù)主導地位，機械工業(yè)將以機械電子工業(yè)的新面 貌得到迅速發(fā)展。傳感器在機電一體化系統(tǒng)中的應用 近幾年來

51、我國汽車工業(yè)增長迅速，發(fā)展勢頭很猛。因此評論界出現(xiàn) 了一些專家的預測：汽車工業(yè)有可能超過 ITIT 產(chǎn)業(yè)，成為中國國民經(jīng) 濟最重要的支柱產(chǎn)業(yè)之一。其實，汽車工業(yè)的增長必將包含與汽車 產(chǎn)業(yè)相關(guān)的 ITIT 產(chǎn)業(yè)的增長。例如，雖然目前在我國一汽的產(chǎn)品中 電子產(chǎn)品和技術(shù)的價值含量只占 10%10% 15%15%左右，但國外汽車中電子 產(chǎn)品和技術(shù)的價值含量平均約為 22%22%，中、高檔轎車中汽車電子已 占 30%30%以上，而且這個比例還在、不斷地快速增長，預期很快將達 到 50%50%。電子信息技術(shù)已經(jīng)成為新一代汽車發(fā)展方向的主導因素， 汽車（機動車）的動力性能、操控性能、安全性能和舒適性能等各

52、個方面的改進和提高，都將依賴于機械系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)和電子產(chǎn)品、信 息技術(shù)間的完美結(jié)合。汽車工程界專家指出：電子技術(shù)的發(fā)展已使 汽車產(chǎn)品的概念發(fā)生了深刻的變化。這也是最近電子信息產(chǎn)業(yè)界對 汽車電子空前關(guān)注的原因之一。但是，必須指出的是，除了一些車 內(nèi)音響、視頻裝備，車用通信、導航系統(tǒng)，以及車載辦公系統(tǒng)、網(wǎng) 絡系統(tǒng)等車內(nèi)電子設備的本質(zhì)改變較少外，現(xiàn)代汽車電子從所應用 的電子元器件（包括傳感器、執(zhí)行器、微電路等）到車內(nèi)電子系統(tǒng) 的架構(gòu)均已進入了一個有本質(zhì)性提高的新階段。其中最有代表性的 核心器件之一就是智能傳感器（智能執(zhí)行器、智能變送器）。實際 上，汽車電子已經(jīng)經(jīng)歷了幾個發(fā)展階段：從分立電子元器件搭建的

53、電路監(jiān)測控制，經(jīng)過了電子元器件或組件加微處理器構(gòu)筑的各自獨 立的、專用的、半自動和自動的操控系統(tǒng)，現(xiàn)在已經(jīng)進入了采用高 速總線（目前至少有 5 5 種以上總線已開發(fā)使用），統(tǒng)一交換汽車運 行中的各種電子裝備和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)綜合、智能調(diào)控的新階 段。新的汽車電子系統(tǒng)由各個電子控制單元（ECUECU組成，可以獨立 操控，同時又能協(xié)調(diào)到整體運行的最佳狀態(tài)。例如為使發(fā)動機處于 最佳工作狀態(tài)，就需要從吸入汽缸的空氣流量、進氣壓力的測定開 始，再根據(jù)水溫、空氣溫度等工作環(huán)境參數(shù)計算出基本噴油量，同 時還要通過節(jié)氣門位置傳感器檢測節(jié)氣門的開度，確定發(fā)動機的工 況，進而控制，調(diào)整最佳噴油量，最后還需要通過曲

54、軸的角速度傳 感器監(jiān)測曲軸轉(zhuǎn)角和發(fā)動機轉(zhuǎn)速，最終計算出并發(fā)出最佳點火時機 的指令。這個發(fā)動機燃油噴射系統(tǒng)和點火綜合控制系統(tǒng)還可以與廢 氣排放的監(jiān)控系統(tǒng)和起動系統(tǒng)等組合，構(gòu)筑成可使汽車發(fā)動機功率 和扭矩最大化，而同時燃油消耗和廢氣排放最低化的智能系統(tǒng)。還 可以舉一個安全駕駛方面的例子，出于平穩(wěn)、安全駕駛的需要，僅 只針對四個輪子的操控上，除了應用大量壓力傳感器并普遍安裝了 剎車防抱死裝置（ABSABS夕卜，許多轎車，包括國產(chǎn)車，已增設了電子 動力分配系統(tǒng)（EBDEBD，ABS+EBDABS+EBD可以最大限度的保障雨雪天氣駕駛 時的穩(wěn)定性?，F(xiàn)在，國內(nèi)外的一些汽車進一步加裝了緊急剎車輔助 系統(tǒng)（E

55、BAEBA，該系統(tǒng)在發(fā)生緊急情況時，自動檢測駕駛者踩制動踏 板時的速度和力度，并判斷緊急制動的力度是否足夠，如果需要， 就會自動增大制動力。 EBAEBA 的自控動作必須在極短時間（例如百萬 分之一秒級）內(nèi)完成。這個系統(tǒng)能使 200km/h200km/h 高速行駛車輛的制動 滑行距離縮短極其寶貴的2020多M M。針對車輪的還有分別監(jiān)測各個車 輪相對于車速的轉(zhuǎn)速，進而為每個車輪平衡分配動力，保證在惡劣 路面條件下各輪間具有良好的均衡抓地能力的“電子牽引力控制” （ETCETC系統(tǒng)等。有上述例子可以看出汽車發(fā)展對汽車電子的一些基本要求： 1 1 電子 操控系統(tǒng)的動作必須快速、正確、可靠。傳感器（

56、 + +調(diào)理電路） + +微 處理器，然后再通過微處理器（ + +功率放大電路） + +執(zhí)行器的技術(shù)途 徑已經(jīng)不再能滿足現(xiàn)代汽車的要求，需要通過硬件集成、直接交換 數(shù)據(jù)和簡化電路，并提高智能化程度來確保控制單元動作的正確 性、可靠性和適時性。 2 2 現(xiàn)在幾乎所有的汽車的機械結(jié)構(gòu)部件 都已受電子裝置控制，但汽車車體內(nèi)的空間有限，構(gòu)件系統(tǒng)的空間 更是極其有限。理想的情況當然是，電子控制單元應與受控制 部件 緊密結(jié)合，形成一個整體。因此器件和電路的微型化、集成化是不 可回避的道路。 3 3 電子控制單元必須具有足夠的智能化程度。以安 全氣囊為例，它在關(guān)鍵時刻必須要能及時、正確地瞬時打開，但在 極大

57、多數(shù)時間內(nèi)氣囊是處在待命狀態(tài)，因此安全氣囊的 ECUECU必須具 有自檢、自維護能力，不斷確認氣囊系統(tǒng)的可正常運作的可靠性， 確保動作的“萬無一失”。4 4汽車的各種功能部件都有各自的運動、操控特性，并且，對電子 產(chǎn)品而言，大多處于非常惡劣的運行環(huán)境中，而且各不相同。諸如 工作狀態(tài)時的高溫，靜止待命時的低溫，高濃度的油蒸汽和活性 （毒性）氣體，以及高速運動和高強度的沖擊和振動等。因此，電 子元器件和電路必須要有高穩(wěn)定、抗環(huán)境和自適應、自補償調(diào)整的 能力。 5 5與上述要求同樣重要，甚至有時是關(guān)鍵性的條件是，汽車 電子控制單元用的電子元器件、模塊必須要能大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，并 能將成本降低到可接受的

58、程度。一些微傳感器和智能傳感器就是這 方面的典范。例如智能加速度傳感器，它不僅能較好地滿足現(xiàn)代汽 車的各項需要，而且因為可以在集成電路標準硅工藝線上批量生 產(chǎn)，生產(chǎn)成本較低（幾美元至十幾或幾十美元），所以在汽車工業(yè) 中找到了自己最大的應用市場，反過來也有力地促進了汽車工業(yè)的 電子信息化。傳感器通常有三大類器件分別為：將非電學輸入?yún)?量轉(zhuǎn)換成電磁學信號輸出的傳感器；將電學信號轉(zhuǎn)換成非電學參 量輸出的執(zhí)行器以及既能用作傳感器又能用作執(zhí)行器，其中較多 的是將一種電磁學參量形式轉(zhuǎn)變成另一種電磁學參量形態(tài)輸出的變智能傳感器（ SmartSmart SensorSensor ）、智能執(zhí)行器和智能變送器微傳

59、 感器（或微執(zhí)行器，或微變送器）和它的部分或全部處理器件、處3 e voCompCJ理電路集成在一個芯片上的器件（例如上述的微加速度計的單芯片 解決方案）。因此智能傳感器具有一定的仿生能力，如模糊邏輯運 算、主動鑒別環(huán)境，自動調(diào)整和補償適應環(huán)境的能力，自診斷、自 維護等。顯然，出于規(guī)模生產(chǎn)和降低生產(chǎn)成本的要求，智能傳感器 的設計思想、材料選擇和生產(chǎn)工藝必須要盡可能地和集成電路的標 準硅平面工藝一致?？梢栽谡９に嚵鞒痰耐镀埃蛄鞒讨?，或 工藝完成后增加一些特殊需要的工序，但也不應太多。曰冋石曰同同 Fiifaitnlbzr一種智能硅壓力傳感器的布局示意圖在一個封裝中，把一只微機械壓力傳感器與

60、模擬用戶接口、8 8位模- - 數(shù)轉(zhuǎn)換器（SARSAR、微處理器（摩托羅拉69HC0869HC08、存儲器和串行 接口 （ SPISPI）等集成在一個芯片上。其前端的硅壓力傳感器是米用 aa:忡制irx6KHCO5CUPCUP33 J J；yl76xX體硅微細加工技術(shù)制作的。制備硅壓力傳感器的工序既可安排在集 成CMOSCMOS電路工藝流程之前，亦可在后。這種智能壓力傳感器的技 術(shù)和市場都已成熟，已廣泛用于汽車（機動車）所需的各式各樣的 壓力測量和控制單元中，諸如各種氣壓計、噴嘴前集流腔壓力、廢 氣排氣管、燃油、輪胎、液壓傳動裝置等。智能壓力傳感器的應用 很廣，不局限于汽車工業(yè)。目前，生產(chǎn)智能