畢業(yè)設(shè)計(jì)傳感器技術(shù)在機(jī)電一體化中的應(yīng)用

1、畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)學(xué)生姓名學(xué) 號(hào)系 (部)機(jī)電信息工程系專 業(yè)機(jī)電一體化技術(shù)題 目傳感器技術(shù)在機(jī)電一體化中的應(yīng)用指導(dǎo)教師 （姓 名） （專業(yè)技術(shù)職稱/學(xué)位） （姓 名） （專業(yè)技術(shù)職稱/學(xué)位）2012年6月摘 要：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。隨之拉動(dòng)了機(jī)電一體化的控制行業(yè)強(qiáng)勢(shì)發(fā)展，而隨著科學(xué)技術(shù)的不斷更新與集成化的趨勢(shì)，傳感器，也就越來(lái)越成為了控制中的核心器件之一。通過(guò)對(duì)傳感器技術(shù)在機(jī)電一體化系統(tǒng)中應(yīng)用狀況的描述，指出傳感器技術(shù)作為機(jī)電一體化系統(tǒng)不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)之一，在機(jī)電一體化系統(tǒng)中起著舉足輕重的地位和作用，也是機(jī)電一體化系統(tǒng)完成自動(dòng)控制和自動(dòng)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。文章概述傳感器研究

2、現(xiàn)狀與發(fā)展，探討傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用，同時(shí)還對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器的種類、功能做了簡(jiǎn)要介紹，并分析我國(guó)傳感器技術(shù)發(fā)展的若干問(wèn)題及發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：傳感器技術(shù)， 機(jī)電一體化， 應(yīng)用Abstract： In recent years the rapid growth in China's automobile industry, develop a momentum. Then pull the mechatronics control industry development, and with strong science and technology unceasin

3、g renewal and integration trend, sensors, also more and more become one of the core device to control. Through the sensor technology in mechatronics system application status, and points out that the sensor technology described as electromechanical integration system is one of the indispensable key

4、technology in mechatronics system plays an important position and role, is also electromechanical integration system to accomplish automatic control and self-regulating key link. This article summarizes the current research and development, the sensor in mechanical and electrical integration system

5、discussed sensor, and the application of mechatronics system is used in category, function of the sensor paper briefly introduces, and analyzes some problems of the development of the sensor technology and development direction. Keywords： sensor technology，electromechanical integration，application目

6、錄1 引言52 機(jī)電一體化綜述52.1 機(jī)電一體化概要52.2 機(jī)電一體化的特點(diǎn)分析52.2.1 體積小、重量輕52.2.2 速度快、精度高52.2.3 可靠性高62.2.4 柔性好62.3 機(jī)電一體化系統(tǒng)的組成部分62.3.1 機(jī)械部分62.3.2 執(zhí)行裝置62.3.3 傳感器62.3.4 控制裝置62.4 機(jī)電一體化的核心技術(shù)72.4.1 機(jī)械本體技術(shù)72.4.2 傳感技術(shù)72.4.3 信息處理技術(shù)72.4.4 驅(qū)動(dòng)技術(shù)72.4.5 接口技術(shù)72.4.6軟件技術(shù)82.5 機(jī)電一體化技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域82.5.1 數(shù)控機(jī)床82.5.2 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）82.5.3 工業(yè)機(jī)器人8

7、3 傳感器簡(jiǎn)介83.1 傳感器的概念與組成83.2 傳感器機(jī)電一體化系統(tǒng)之首93.3 傳感器的種類104 傳感器技術(shù)在機(jī)電一體化中的應(yīng)用114.1 傳感器技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展114.2傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用114.2.1機(jī)器人用傳感器114.2.2機(jī)械加工過(guò)程的傳感檢測(cè)技術(shù)134.2.3汽車自動(dòng)控制系統(tǒng)中的傳感技術(shù)134.3 我國(guó)傳感器技術(shù)發(fā)展的若干問(wèn)題144.4 我國(guó)傳感器技術(shù)今后的發(fā)展方向154.4.1加速開(kāi)發(fā)新型敏感材料154.4.2 向高精度發(fā)展154.4.3 向微型化發(fā)展154.4.4 向微功耗及無(wú)源化發(fā)展154.4.5 向智能化數(shù)字化發(fā)展15結(jié) 論16致 謝17參 考 文

8、獻(xiàn)181 引言進(jìn)入20世紀(jì)80年代以來(lái)，關(guān)于機(jī)電一體化技術(shù)的研究和應(yīng)用已成為全球性的課題，可以說(shuō)，從軍事到經(jīng)濟(jì)、從生產(chǎn)到生活、從簡(jiǎn)單的日用消費(fèi)品生產(chǎn)到復(fù)雜的社會(huì)生產(chǎn)和管理系統(tǒng)，機(jī)電一體化技術(shù)幾乎達(dá)到無(wú)所不在、無(wú)孔不入的地步。近幾年來(lái)，在我國(guó)汽車工業(yè)迅猛發(fā)展，成為世界最大產(chǎn)業(yè)之一的同時(shí)，隨之也拉動(dòng)了機(jī)電一體化的控制行業(yè)強(qiáng)勢(shì)發(fā)展，而隨著科學(xué)技術(shù)的不斷更新與集成化的趨勢(shì)，傳感器，也就越來(lái)越成為了控制中的核心器件之一。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、準(zhǔn)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)到高水品的保證。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

9、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)。隨著人類探知領(lǐng)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(qiáng)，相應(yīng)的信息采集傳感技術(shù)也將日益發(fā)展，傳感器也將無(wú)所不在。 從20世紀(jì)80年代起，逐步在世界范圍內(nèi)掀起一股“傳感器熱”，各先進(jìn)工業(yè)國(guó)都極為重視傳感技術(shù)和傳感器研究、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)。傳感技術(shù)已成為重要的現(xiàn)代科技領(lǐng)域，傳感器及其系統(tǒng)生產(chǎn)已成為重要的新興行業(yè)。 2 機(jī)電一體化綜述2.1 機(jī)電一體化概要機(jī)電一體化（mechatronics）一詞是機(jī)械（mechanics）和電子（electronics）兩個(gè)詞的合成詞，20世紀(jì)70年代中期由日本首先開(kāi)始使

10、用，現(xiàn)在已得到歐美各國(guó)的普遍認(rèn)可，并得到廣泛使用。雖然其精髓定義還不明確，但從廣義上可以簡(jiǎn)要概括為“機(jī)械工程與電子工程相結(jié)合的技術(shù)，以及應(yīng)用這些技術(shù)的機(jī)械電子裝置”。再簡(jiǎn)單地說(shuō)就是“機(jī)械的電子化或者機(jī)械電子工程”1的意思。顧名思義，機(jī)電一體化就是機(jī)械技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。近年來(lái)，隨處可見(jiàn)許多以前僅由機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的裝置，通過(guò)與電子技術(shù)相結(jié)合而得到顯著改進(jìn)和提高的實(shí)例。2.2 機(jī)電一體化的特點(diǎn)分析近年來(lái)機(jī)電一體化技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，這種迅速發(fā)展當(dāng)然有其原因。下面列舉機(jī)電一體化技術(shù)的幾個(gè)方面特點(diǎn)：2.2.1 體積小、重量輕 由于半導(dǎo)體與集成電路（integrated circuit,IC

11、）技術(shù)的提高和液晶技術(shù)的發(fā)展，使得控制裝置的測(cè)量裝置可以做成原來(lái)重量和體積的幾分之一甚至幾十分之一，迅速向輕型化和小型化發(fā)展。2.2.2 速度快、精度高 隨著半導(dǎo)體和集成電路的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了大規(guī)模集成電路（large scale integrated circuit,LSI）和超大規(guī)模集成電路（very large scale integrated circuit,VLSI）。在電路集成度提高的同時(shí)，處理速度和響應(yīng)速度也迅速提高，使機(jī)電一體化裝置總的處理速度能夠充分滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。同時(shí)，由于機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用，推動(dòng)了超精密加工技術(shù)的進(jìn)步，使其與高精度加工和精密運(yùn)動(dòng)控制相適應(yīng)。2.2.3

12、 可靠性高 由于激光和電磁應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，傳感器和驅(qū)動(dòng)控制器等裝置已采用非接觸式代替了接觸式，避免了原來(lái)接卸接觸式存在的注油、磨損、斷裂等問(wèn)題，使可靠性得到大幅度提高。2.2.4 柔性好 從機(jī)器人的例子可以知道，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件就可以任意確定動(dòng)作。比如，只要改變程序就可以實(shí)現(xiàn)最佳運(yùn)動(dòng)；同樣也可以很容易地增加新的運(yùn)動(dòng)，具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性。因?yàn)椴恍枰兏布湍軌蛘{(diào)整運(yùn)動(dòng)，所以很容易地適應(yīng)多樣化的新用途，在應(yīng)用上非常方便。由于機(jī)電一體化的上述各項(xiàng)特點(diǎn)，使得其產(chǎn)品具有節(jié)能、高質(zhì)、低成本的共性，從而產(chǎn)生了一系列過(guò)去不可想象的新產(chǎn)品。2.3 機(jī)電一體化系統(tǒng)的組成部分 “機(jī)電一體化系統(tǒng)”是指由機(jī)械與電子緊密

13、結(jié)合的多學(xué)科集成技術(shù)設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品或制造系統(tǒng)。它是當(dāng)前老產(chǎn)品更新?lián)Q代和新產(chǎn)品研制開(kāi)發(fā)的方向。近年來(lái)，在世界范圍內(nèi)掀起的利用以微機(jī)為代表的微電子技術(shù)與機(jī)械技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，給機(jī)械以智能的機(jī)電一體化技術(shù)革命正在迅猛發(fā)展，機(jī)電一體化產(chǎn)品正在以驚人的速度不斷涌向市場(chǎng)2。 機(jī)電一體化系統(tǒng)的組成如圖1所示，大致上可以分為四個(gè)組成部分： 機(jī)械部分 機(jī)械部分（機(jī)構(gòu)要素）：像機(jī)器人的機(jī)械手那樣實(shí)現(xiàn)目標(biāo)動(dòng)作?！癿ecbanism”歷來(lái)都翻譯為“機(jī)構(gòu)”或“機(jī)構(gòu)學(xué)”，在這里我們?nèi)∑浜x為：“由機(jī)械零件（machine element）組成的，向其他機(jī)械部件傳遞運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)?！?執(zhí)行裝置執(zhí)行裝置（能量轉(zhuǎn)換要素）：將信息轉(zhuǎn)換

14、為力和能量，以驅(qū)動(dòng)機(jī)械部分動(dòng)作。所謂執(zhí)行裝置就是按照指令將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成流體或機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)機(jī)械部分進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的裝置。機(jī)電一體化系統(tǒng)的執(zhí)行裝置可以分為電動(dòng)、液壓、氣動(dòng)三大類。2.3.3 傳感器 傳感器（檢測(cè)要素）：用于對(duì)輸出端地機(jī)械運(yùn)動(dòng)結(jié)果進(jìn)行測(cè)量、監(jiān)控和反饋。傳感器是將被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)、性質(zhì)等轉(zhuǎn)換為一定的物理量或者化學(xué)量的裝置。近年來(lái)，傳感器幾乎都是將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，主要用于反饋指控。 控制裝置控制裝置（控制要素）：對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)的控制信息和來(lái)自傳感器的反饋信息進(jìn)行處理，向執(zhí)行裝置發(fā)出動(dòng)作指令。為了達(dá)到一定目的而實(shí)行的適當(dāng)?shù)牟僮鞣Q為控制。目前，幾乎所有的控制裝置都是由具有微處理器的計(jì)算機(jī)和輸入

15、輸出接口構(gòu)成的?？刂葡到y(tǒng)一般可以分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)，各種控制系統(tǒng)都充分應(yīng)用了現(xiàn)代控制理論和技術(shù)。 圖1 機(jī)電一體化系統(tǒng)的組成2.4 機(jī)電一體化的核心技術(shù)機(jī)電一體化包括軟件和硬件兩方面技術(shù)。硬件是由機(jī)械本體、傳感器、信息處理單元和驅(qū)動(dòng)單元等部分組成。因此，為加速推進(jìn)機(jī)電一體化的發(fā)展，必須從以下幾方面著手：2.4.1 機(jī)械本體技術(shù)機(jī)械本體必須從改善性能、減輕質(zhì)量和提高精度等幾方面考慮?，F(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品一般都是以鋼鐵材料為主，為了減輕質(zhì)量除了在結(jié)構(gòu)上加以改進(jìn)，還應(yīng)考慮利用非金屬?gòu)?fù)合材料。只有機(jī)械本體減輕了重量，才有可能實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的小型化，進(jìn)而在控制方面改善快速響應(yīng)特性，減少能量消耗，提高效

16、率。2.4.2 傳感技術(shù)傳感器的問(wèn)題集中在提高可靠性、靈敏度和精確度方面，提高可靠性與防干擾有著直接的關(guān)系。為了避免電干擾，目前有采用光纖電纜傳感器的趨勢(shì)。對(duì)外部信息傳感器來(lái)說(shuō)，目前主要發(fā)展非接觸型檢測(cè)技術(shù)。2.4.3 信息處理技術(shù)機(jī)電一體化與微電子學(xué)的顯著進(jìn)步、信息處理設(shè)備（特別是微型計(jì)算機(jī)）的普及應(yīng)用緊密相連。為進(jìn)一步發(fā)展機(jī)電一體化，必須提高信息處理設(shè)備的可靠性，包括模/數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備的可靠性和分時(shí)處理的輸入輸出的可靠性，進(jìn)而提高處理速度，并解決抗干擾及標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題。2.4.4 驅(qū)動(dòng)技術(shù)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)已被廣泛采用，但在快速響應(yīng)和效率等方面還存在一些問(wèn)題。目前，正在積極發(fā)展內(nèi)部裝有編碼器的電機(jī)以

17、及控制專用組件-傳感器-電機(jī)三位一體的伺服驅(qū)動(dòng)單元。2.4.5 接口技術(shù)為了與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，必須使數(shù)據(jù)傳遞的格式標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)格化。接口采用同一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格不僅有利于信息傳遞和維修，而且可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。目前，技術(shù)人員正致力于開(kāi)發(fā)低成本、高速串行的接口，來(lái)解決信號(hào)電纜非接觸化、光導(dǎo)纖維以及光藕器的大容量化、小型化、標(biāo)準(zhǔn)化等問(wèn)題。2.4.6軟件技術(shù)軟件與硬件必須協(xié)調(diào)一致地發(fā)展。為了減少軟件的研制成本，提高生產(chǎn)維修的效率，要逐步推行軟件標(biāo)準(zhǔn)化，包括程序標(biāo)準(zhǔn)化、程序模塊化、軟件程序的固化、推行軟件工程等。 2.5 機(jī)電一體化技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域2.5.1 數(shù)控機(jī)床數(shù)控機(jī)床及相應(yīng)的數(shù)控技術(shù)經(jīng)過(guò)40年的發(fā)展，在結(jié)構(gòu)

18、、功能、操作和控制精度上都有迅速提高，具體表現(xiàn)在：1總線式、模塊化、緊湊型的結(jié)構(gòu)，即采用多CPU、多主總線的體系結(jié)構(gòu)。2開(kāi)放性設(shè)計(jì)，即硬件體系結(jié)構(gòu)和功能模塊具有層次性、兼容性、符合接口標(biāo)準(zhǔn)，能最大限度地提高用戶的使用效益。3WOP技術(shù)和智能化。系統(tǒng)能提供面向車間的編程技術(shù)和實(shí)現(xiàn)二、三維加工過(guò)程的動(dòng)態(tài)仿真，并引入在線診斷、模糊控制等智能機(jī)制。4大容量存儲(chǔ)器的應(yīng)用和軟件的模塊化設(shè)計(jì)，不僅豐富了數(shù)控功能，同時(shí)也加強(qiáng)了CNC系統(tǒng)的控制功能。5能實(shí)現(xiàn)多過(guò)程、多通道控制，即具有一臺(tái)機(jī)床同時(shí)完成多個(gè)獨(dú)立加工任務(wù)或控制多臺(tái)和多種機(jī)床的能力，并將刀具破損檢測(cè)、物料搬運(yùn)、機(jī)械手等控制都集成到系統(tǒng)中去。6系統(tǒng)的多級(jí)

19、網(wǎng)絡(luò)功能，加強(qiáng)了系統(tǒng)組合及構(gòu)成復(fù)雜加工系統(tǒng)的能力。7以單板、單片機(jī)作為控制機(jī)，加上專用芯片及模板組成結(jié)構(gòu)緊湊的數(shù)控裝置。2.5.2 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）CIMS的實(shí)現(xiàn)不是現(xiàn)有各分散系統(tǒng)的簡(jiǎn)單組合，而是全局動(dòng)態(tài)最優(yōu)綜合。它打破原有部門之間的界線，以制造為基干來(lái)控制“物流”和“信息流”，實(shí)現(xiàn)從經(jīng)營(yíng)決策、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)準(zhǔn)備、生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)到生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理的有機(jī)結(jié)合。企業(yè)集成度的提高可以使各種生產(chǎn)要素之間的配置得到更好的優(yōu)化，各種生產(chǎn)要素的潛力可以得到更大的發(fā)揮。2.5.3 工業(yè)機(jī)器人第1代機(jī)器人亦稱示教再現(xiàn)機(jī)器人，它們只能根據(jù)示教進(jìn)行重復(fù)運(yùn)動(dòng)，對(duì)工作環(huán)境和作業(yè)對(duì)象的變化缺乏適應(yīng)性和靈活性；第2代機(jī)

20、器人帶有各種先進(jìn)的傳感元件，能獲取作業(yè)環(huán)境和操作對(duì)象的簡(jiǎn)單信息，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理、分析，做出一定的判斷，對(duì)動(dòng)作進(jìn)行反饋控制，表現(xiàn)出低級(jí)智能，已開(kāi)始走向?qū)嵱没坏?代機(jī)器人即智能機(jī)器人，具有多種感知功能，可進(jìn)行復(fù)雜的邏輯思維、判斷和決策，在作業(yè)環(huán)境中獨(dú)立行動(dòng)，與第5代計(jì)算機(jī)關(guān)系密切。3 傳感器簡(jiǎn)介3.1 傳感器的概念與組成 信息處理技術(shù)取得的進(jìn)展以及微處理器和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，都需要在傳感器的開(kāi)發(fā)方面有相應(yīng)的進(jìn)展。微處理器現(xiàn)在已經(jīng)在測(cè)量和控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著這些系統(tǒng)能力的增強(qiáng)，作為信息采集系統(tǒng)的前端單元，傳感器的作用越來(lái)越重要。傳感器已成為自動(dòng)化系統(tǒng)和機(jī)器人技術(shù)中的關(guān)鍵部件，作為系

21、統(tǒng)中的一個(gè)結(jié)構(gòu)組成，其重要性變得越來(lái)越明顯。 最廣義地來(lái)說(shuō)，傳感器是一種能把物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號(hào)的器件。國(guó)際電工委員會(huì)(IEC:InternationalElectrotechnicalCommittee)的定義為：“傳感器是測(cè)量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測(cè)量的信號(hào)”。按照Gopel等的說(shuō)法是：“傳感器是包括承載體和電路連接的敏感元件”4，而“傳感器系統(tǒng)則是組合有某種信息處理(模擬或數(shù)字)能力的傳感器”。傳感器是傳感器系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，它是被測(cè)量信號(hào)輸入的第一道關(guān)。傳感器由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、信號(hào)調(diào)節(jié)電路和其他輔助電路組成。如圖2所示。圖2 傳感器構(gòu)成框圖進(jìn)

22、入傳感器的信號(hào)幅度是很小的，而且混雜有干擾信號(hào)和噪聲。為了方便隨后的處理過(guò)程，首先要將信號(hào)整形成具有最佳特性的波形，有時(shí)還需要將信號(hào)線性化，該工作是由放大器、濾波器以及其他一些模擬電路完成的。在某些情況下，這些電路的一部分是和傳感器部件直接相鄰的。成形后的信號(hào)隨后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并輸入到微處理器。傳感器系統(tǒng)的性能主要取決于傳感器，傳感器把某種形式的能量轉(zhuǎn)換成另一種形式的能量。有兩類傳感器：有源的和無(wú)源的。有源傳感器能將一種能量形式直接轉(zhuǎn)變成另一種，不需要外接的能源或激勵(lì)源。 無(wú)源傳感器不能直接轉(zhuǎn)換能量形式，但它能控制從另一輸入端輸入的能量或激勵(lì)能。 傳感器承擔(dān)將某個(gè)對(duì)象或過(guò)程的特定特性轉(zhuǎn)換成數(shù)

23、量的工作。其“對(duì)象”可以是固體、液體或氣體，而它們的狀態(tài)可以是靜態(tài)的，也可以是動(dòng)態(tài)(即過(guò)程)的。對(duì)象特性被轉(zhuǎn)換量化后可以通過(guò)多種方式檢測(cè)。對(duì)象的特性可以是物理性質(zhì)的，也可以是化學(xué)性質(zhì)的。按照其工作原理，傳感器將對(duì)象特性或狀態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)換成可測(cè)定的電學(xué)量，然后將此電信號(hào)分離出來(lái)，送入傳感器系統(tǒng)加以評(píng)測(cè)或標(biāo)示。3.2 傳感器機(jī)電一體化系統(tǒng)之首一個(gè)典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。 圖3 機(jī)電一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖從這個(gè)方框圖中可以看到，其中有一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)就是測(cè)量模塊。測(cè)量模塊涉及采集有關(guān)系統(tǒng)狀態(tài)和行為的信息，由傳感器、調(diào)理電路變換電路等組成。其輸入?yún)?shù)是確定機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊性能的物理參數(shù)，例如，強(qiáng)壓

24、、壓力、位移、速度、力（力矩）以及變形等。輸出參數(shù)是被測(cè)量的特征參數(shù)，如電壓、電流、相位、頻率等。系統(tǒng)對(duì)測(cè)量模塊的要求，就是不失真地反映被測(cè)量物理參數(shù)的時(shí)間變化曲線。這里包含了分辨率、精度、線性范圍、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等一系列技術(shù)指標(biāo)5。由此可見(jiàn)，在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，傳感器處于系統(tǒng)之首，其作用相當(dāng)于系統(tǒng)的感受器官，它能快速、精確地獲取信息并能經(jīng)受嚴(yán)酷環(huán)境的考驗(yàn)，是機(jī)電一體化系統(tǒng)達(dá)到高水平的保證。如果缺少這些傳感器對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)和對(duì)象信息精確而可靠的自動(dòng)檢測(cè)，那么系統(tǒng)的信息處理、控制決策等功能就無(wú)法談及和實(shí)現(xiàn)。3.3 傳感器的種類傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，主要用于

25、檢測(cè)機(jī)電一體化系統(tǒng)自身與操作對(duì)象、作業(yè)環(huán)境的狀態(tài)，為有效地控制機(jī)電一體化的運(yùn)動(dòng)提供必須的相關(guān)信息。傳感器的種類繁多，可分為以下6種：1按其測(cè)量對(duì)象分類:可分為檢測(cè)機(jī)電一體化系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的內(nèi)部信息傳感器及系統(tǒng)外部環(huán)境狀態(tài)的外部信息傳感器。內(nèi)部信息傳感器主要檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部的位置、速度、力、力矩、溫度及異常變化。外部信息傳感器主要檢測(cè)系統(tǒng)的外部環(huán)境狀態(tài)，它有與人體五種感官相對(duì)應(yīng)的接觸式和非接觸式。如接觸式的觸覺(jué)傳感器、滑覺(jué)傳感器、壓覺(jué)傳感器，非接觸式的視覺(jué)傳感器、超聲測(cè)距儀、激光測(cè)距儀等。2按其工作原理分類：可分為物理傳感器和化學(xué)傳感器二大類。傳感器工作原理的分類物理傳感器應(yīng)用的是物理效應(yīng)，諸如壓電效

26、應(yīng)，磁致伸縮現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應(yīng)。被測(cè)信號(hào)量的微小變化都將轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 化學(xué)傳感器包括那些以化學(xué)吸附、電化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象為因果關(guān)系的傳感器，被測(cè)信號(hào)量的微小變化也將轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 有些傳感器既不能劃分到物理類，也不能劃分為化學(xué)類。大多數(shù)傳感器是以物理原理為基礎(chǔ)運(yùn)作的?；瘜W(xué)傳感器技術(shù)問(wèn)題較多，例如可靠性問(wèn)題，規(guī)模生產(chǎn)的可能性，價(jià)格問(wèn)題等，解決了這類難題，化學(xué)傳感器的應(yīng)用將會(huì)有巨大增長(zhǎng)。3按其用途分類：可分為壓力敏和力敏傳感器位置傳感器 、液面?zhèn)鞲衅髂芎募铀俣葌鞲衅魃渚€輻射傳感器、振動(dòng)傳感器濕敏傳感器、磁敏傳感器氣敏傳感器、真空度傳感器生物傳感器等。4按其輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)分類，可

27、分為：模擬傳感器、數(shù)字傳感器、膺數(shù)字傳感器、開(kāi)關(guān)傳感器。 在外界因素的作用下，所有材料都會(huì)作出相應(yīng)的、具有特征性的反應(yīng)。它們中的那些對(duì)外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被用來(lái)制作傳感器的敏感元件。5 按其所應(yīng)用的材料觀點(diǎn)出發(fā)分類，可分為金屬聚合物陶瓷混合物、導(dǎo)體絕緣體半導(dǎo)體磁性材料、按材料的晶體結(jié)構(gòu)分單晶多晶非晶材料。6按其制造工藝分類，可分為： 集成傳感器用標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)硅基半導(dǎo)體集成電路的工藝技術(shù)制造的。通常還將用于初步處理被測(cè)信號(hào)的部分電路也集成在同一芯片上。薄膜傳感器通過(guò)沉積在介質(zhì)襯底(基板)上的，相應(yīng)敏感材料的薄膜形成的。使用混合工藝時(shí)，同樣可將部分電路制造在此基板上。厚膜

28、傳感器利用相應(yīng)材料的漿料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后進(jìn)行熱處理，使厚膜成形。陶瓷傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)的陶瓷工藝或其某種變種工藝(溶膠-凝膠等)生產(chǎn)。世界范圍內(nèi)對(duì)傳感器技術(shù)的研究開(kāi)始于20世紀(jì)30年代，其涉及的知識(shí)非常廣泛，滲透到了各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。隨著以微型計(jì)算機(jī)為代表的微電子技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化，生物醫(yī)學(xué)、環(huán)保、能源、海洋開(kāi)發(fā)、遙感、遙測(cè)、宇航等科學(xué)技術(shù)的開(kāi)發(fā)，傳感器的品種、數(shù)量將與日俱增。4 傳感器技術(shù)在機(jī)電一體化中的應(yīng)用4.1 傳感器技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，主要用于檢測(cè)機(jī)電一體化系統(tǒng)自身與操作對(duì)象

29、、作業(yè)環(huán)境狀態(tài)，為有效控制機(jī)電一體化系統(tǒng)的運(yùn)作提供必須的相關(guān)信息。隨著人類探知領(lǐng)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(qiáng)，相應(yīng)的信息采集傳感技術(shù)也將日益發(fā)展，傳感器也將無(wú)所不在。 從20世紀(jì)80年代起，逐步在世界范圍內(nèi)掀起一股“傳感器熱”5，各先進(jìn)工業(yè)國(guó)都極為重視傳感技術(shù)和傳感器研究、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)。傳感技術(shù)已成為重要的現(xiàn)代科技領(lǐng)域，傳感器及其系統(tǒng)生產(chǎn)已成為重要的新興行業(yè)。4.2傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用 傳感器是衡量機(jī)電一體化系統(tǒng)（或產(chǎn)品）發(fā)展的重要技術(shù)之一，被廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)化產(chǎn)品中。4.2.1機(jī)器人用傳感器工業(yè)機(jī)器人之所以能夠準(zhǔn)確操作， 是因?yàn)樗?/p>

30、能夠通過(guò)各種傳感器來(lái)準(zhǔn)確感知自身、操作對(duì)象及作業(yè)環(huán)境的狀態(tài)，包括其自身狀態(tài)信息的獲取通過(guò)內(nèi)部傳感器（位置、位移、速度、加速度等）來(lái)完成，操作對(duì)象與外部環(huán)境的感知通過(guò)外部傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)， 這個(gè)過(guò)程非常重要， 足以為機(jī)器人控制提供反饋信息。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)功能是由一系列單元運(yùn)動(dòng)的組合來(lái)確定的。所謂的單元運(yùn)動(dòng)就是“直線運(yùn)動(dòng)（伸縮運(yùn)動(dòng)）”、“旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)”和“擺動(dòng)”這三種運(yùn)動(dòng)?！靶D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)”指的是軸線方向不變，以軸線方向?yàn)橹行倪M(jìn)行旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)?！皵[動(dòng)”是改變軸線方向的運(yùn)動(dòng)，有的是軸套固定軸旋轉(zhuǎn)，也有的是軸固定而軸套旋轉(zhuǎn)。一般用“自由度”來(lái)表示構(gòu)成運(yùn)動(dòng)系的單元運(yùn)動(dòng)的個(gè)數(shù)。例如，一個(gè)機(jī)器人從基礎(chǔ)（固定端）開(kāi)始。由直線運(yùn)

31、動(dòng)擺動(dòng)直線運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)擺動(dòng)擺動(dòng)6個(gè)單元運(yùn)動(dòng)構(gòu)成，就可以說(shuō)這個(gè)機(jī)器人其有6個(gè)自由度6。圖4給出了機(jī)器人各種自由度運(yùn)動(dòng)功能的表示符號(hào)。此外，在機(jī)器人領(lǐng)域，將機(jī)器人按坐標(biāo)系分為圓柱坐標(biāo)機(jī)器人、極坐標(biāo)機(jī)器人、直角坐標(biāo)機(jī)器人和多關(guān)節(jié)機(jī)器人四種，表1作了簡(jiǎn)單的說(shuō)明。在圖5中分別用自由度符號(hào)給出了四個(gè)例子。 表1 機(jī)器人按坐標(biāo)系的分類（引自 JIS B 0138）圖4 表示機(jī)器人運(yùn)動(dòng)功能的符號(hào)（引自 JIS B 0138） 圖5 機(jī)器人按坐標(biāo)系分類的例子（引自 JIS B 0138）4.2.2機(jī)械加工過(guò)程的傳感檢測(cè)技術(shù) 1切削過(guò)程和機(jī)床運(yùn)行過(guò)程的傳感技術(shù)。切削過(guò)程傳感檢測(cè)的目的在于優(yōu)化切削過(guò)程的生產(chǎn)率、制造

32、成本或(金屬)材料的切除率等。切削過(guò)程傳感檢測(cè)的目標(biāo)有切削過(guò)程的切削力及其變化、切削過(guò)程顫震、刀具與工件的接觸和切削時(shí)切屑的狀態(tài)及切削過(guò)程辨識(shí)等，而最重要的傳感參數(shù)有切削力、切削過(guò)程振動(dòng)、切削過(guò)程聲發(fā)射、切削過(guò)程電機(jī)的功率等。對(duì)于機(jī)床的運(yùn)行來(lái)講，主要的傳感檢測(cè)目標(biāo)有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、軸承與回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、溫度的監(jiān)測(cè)與控制及安全性等，其傳感參數(shù)有機(jī)床的故障停機(jī)時(shí)間、被加工件的表面粗糙度和加工精度、功率、機(jī)床狀態(tài)與冷卻潤(rùn)滑液的流量等。2工件的過(guò)程傳感。與刀具和機(jī)床的過(guò)程監(jiān)視技術(shù)相比，工件的過(guò)程監(jiān)視是研究和應(yīng)用最早、最多的。它們多數(shù)以工件加工質(zhì)量控制為目標(biāo)。20世紀(jì)80年代以來(lái)，工件識(shí)別和工件安裝位姿監(jiān)視要求也提

33、到日程上來(lái)。粗略地講，工序識(shí)別是為辨識(shí)所執(zhí)行的加工工序是否是工(零)件加工要求的工序；工件識(shí)別是辨識(shí)送入機(jī)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(shí)還要求辨識(shí)工件安裝的位姿是否是工藝規(guī)程要求的位姿。此外，還可以利用工件識(shí)別和工件安裝監(jiān)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(shí)別與監(jiān)視將采用或開(kāi)發(fā)許多傳感器，如基于TV或CCD的機(jī)器視覺(jué)傳感器、激光表面粗糙度傳感系統(tǒng)等。3刀具(或砂輪)的檢測(cè)傳感7。切削與磨削過(guò)程是重要的材料切除過(guò)程。刀具（或砂輪）磨損到一定限度(按磨鈍標(biāo)準(zhǔn)判定)或出現(xiàn)破損(破損、崩刃、燒傷、塑變或卷刀)，使它們失去切(磨)削能力或無(wú)法保證加工精度和加工表

34、面完整性時(shí)，稱為刀具（或砂輪）失效。工業(yè)統(tǒng)計(jì)證明，刀具失效是引起機(jī)床故障停機(jī)的首要因素，由其引起的停機(jī)時(shí)間占NC類機(jī)床的總停機(jī)時(shí)間的1/5-1/3.此外，它還可能引發(fā)設(shè)備或人身安全事故，甚至是重大事故。4.2.3汽車自動(dòng)控制系統(tǒng)中的傳感技術(shù)隨著傳感器技術(shù)和其它新技術(shù)的應(yīng)用，現(xiàn)代化汽車工業(yè)進(jìn)入了全新時(shí)期。汽車的機(jī)電一體化要求用自動(dòng)控制系統(tǒng)取代純機(jī)械式控制部件，這不僅體現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)上，為更全面地改善汽車性能，增加人性化服務(wù)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(jìn)的檢測(cè)和控制技術(shù)已擴(kuò)大到汽車全身。在其所有重點(diǎn)控制系統(tǒng)中，必不可少地使用曲軸位置傳感器、吸氣及冷卻水溫度

35、傳感器、壓力傳感器、氣敏傳感器等各種傳感器。圖6所示的是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖。發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（engine control unit,ECU）的核心是通用微處理器或者是為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)專門設(shè)計(jì)的LSI。從各個(gè)傳感器得到的模擬電壓信號(hào)和從發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸得到的脈沖信號(hào)都輸入到ECU。模擬信號(hào)通過(guò)模擬數(shù)字（analog to digital,A/D）轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。以這些信息為基礎(chǔ)，在ECU內(nèi)對(duì)最佳空氣燃料比、點(diǎn)火時(shí)間、排氣再循環(huán)率（exhaust gas recirculating,EGR）等進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果作為控制燃料噴射閥和點(diǎn)火裝置等的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出。圖6 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)原

36、理簡(jiǎn)圖4.3 我國(guó)傳感器技術(shù)發(fā)展的若干問(wèn)題傳感器技術(shù)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、自動(dòng)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是機(jī)電一體化系統(tǒng)不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)之一，其水平高低在很大程度上影響和決定著系統(tǒng)的功能；其水平越高，系統(tǒng)的自動(dòng)化程度就越高8。在一套完整的機(jī)電一體化系統(tǒng)中，如果不能利用傳感檢測(cè)技術(shù)對(duì)被控對(duì)象的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)出并轉(zhuǎn)換成易于傳送和處理的信號(hào)，我們所需要的用于系統(tǒng)控制的信息就無(wú)法獲得，進(jìn)而使整個(gè)系統(tǒng)就無(wú)法正常有效的工作。 我國(guó)傳感器的研究主要集中在專業(yè)研究所和大學(xué)，始于20世紀(jì)80年代9，與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)相比，我們還有較大差距，主要表現(xiàn)在： 1先進(jìn)的計(jì)算、模擬和設(shè)計(jì)方法； 2先進(jìn)的微機(jī)械加工技術(shù)與設(shè)備； 3先進(jìn)的封裝技術(shù)與設(shè)備；4. 可靠性技術(shù)研究等方面。因此,必須加強(qiáng)技術(shù)研究和引進(jìn)先進(jìn)設(shè)備,以提高整體水平。4.4 我國(guó)傳感器技術(shù)今后的發(fā)展方向4.4.1加速開(kāi)發(fā)新型敏感材料通過(guò)微電子、光電子、生物化學(xué)、信息處理等各種學(xué)科，各種新技術(shù)的互相滲透和