传感器在检测系统中的应用
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作者: 施文龙
摘 要: 文章概述了传感器研究现状与发展,探讨了传感器在机电一体化产品中的应用,并分析了检测技术的发展与展望。
关键词: 检测系统 机电一体化系统 传感器技术
检测系统是机电一体化产品中的一个重要组成部分,用于实现计测功能。在机电一体化产品中,传感器处系统之首,其作用相当于系统的感受器官,用于检测有关外界环境及自身状态的各种物理量(如力、温度、距离、变形、位置、功率等)及其变化,并将这些信号转换成电信号,然后通过相应的变换、放大、调制与解调、滤波、运算等电路将有用的信号检测出来,反馈给控制装置或送去显示。实现上述功能的传感器及相应的信号检测与处理电路,就构成了机电一体化产品中的检测系统。
随着现代测量、控制与自动化技术的发展,传感器技术越来越受到人们的重视,应用越来越普遍。凡是应用到传感器的地方,必然伴随着相应的检测系统。尤其是在机电一体化产品中,传感器及其检测系统不仅是一个必不可少的组成部分,而且已成为机与电有机结合的一个重要纽带。
一、传感器的研究现状与发展
传感器是能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置,主要用于检测机电一体化系统自身与操作对象、作业环境状态,为有效控制机电一体化系统的运作提供必须的相关信息。随着人类探知领域和空间的拓展,电子信息种类日益繁多,信息传递速度日益加快,信息处理能力日益增强,相应的信息采集――传感技术将日益发展,传感器也将无所不在。
从20世纪80年代起,逐步在世界范围内掀起一股“传感器热”,各先进工业国都极为重视传感技术和传感器研究、开发和生产。传感技术已成为重要的现代科技技术,传感器及其系统生产已成为重要的新兴行业。
二、传感器在机电一体化系统中的应用
传感器是左右机电一体化系统(或产品)发展的重要技术之一,广泛应用于各种自动化产品之中。
1.机器人用传感器
工业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。
2.机械加工过程的传感检测技术
(1)切削过程和机床运行过程的传感技术。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。切削过程传感检测的目标有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。对于机床的运行来讲,主要的传感检测目标有驱动系统、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。
(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。粗略地讲,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者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)刀具与砂轮的检测传感。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。
3.汽车自动控制系统中的传感技术
随着传感器技术和其它新技术的应用,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。
三、检测技术的发展与展望
检测技术有力地促进了科学技术和生产的发展,而科学技术和生产的现代化,不仅对检测技术提出了更高的要求,也为检测技术提供了丰富的物质手段和技术条件,从而促进其不断发展。目前,检测技术的发展趋势可从以下四个方面进行综述。
1.扩大测量范围
科学技术的发展要求检测量的范围不断扩大。为了满足超低温技术开发的需要,利用超导体的约瑟夫逊效应已开发出能检测-200℃超低温传感器,利用热电偶测温最高可达3000℃,辐射温度传感器原理上最高可测105℃,这是高温检测的新课题。
2.测量精度及可靠性
科学技术的发展对检测精度的要求也越来越高。仍以温度检测为例,一般实用温度计的测温精度为±(0.4―4)℃,标准铂电阻温度计的精度可达±0.01℃。人体各部位的温度分布构成温度场,病变时其变化量最小,需要用精度为±(10-3―10-2)℃的温度计才能检测出来。在用于测量微生物的传感器中,则需要能分辨出小于10-3℃温差的热敏元件。
随着人类探求自然奥秘的范围不断扩大,检测环境变得越来越复杂,对检测可靠性的要求越来越高。例如科学探测卫星里装有探测太空的各种参量的检测装置,不仅要求体积小、省电,而且要求具有极高的可靠性和工作寿命,需在极低温和强辐射下保持正常工作。
3.开发检测的新领域与新技术
随着人类活动领域的扩大,检测对象也在扩大。目前,检测技术向宏观世界和微观世界发展。
开发无接触式检测技术取代接触式检测有着重要的意义。现已开发的无接触式检测技术有光、磁、超声波、同位素和微波等,但目前无接触式检测传感器尚存在检测精度不高和品类不多等问题,人们正在研究利用新的原理和方法开发新型的无接触式传感器。
在大规模集成电路技术和微型计算机技术的支持下,传感器的发展出现了“多样、新型、集成、智能”的趋势。
(1)新型:其含义有三个方面。采用新型敏感材料、新原理、新效应或新工艺。①利用原有的物理和化学效应,根据被测物理量的要求,巧妙地运用于传感技术。如谐振传感器近年来已广泛用于温度、湿度、气体和力等参数的测量。②利用集成技术和计算机技术开发的新型传感器。
(2)集成化:其含义也有三个方面。①将众多单体敏感元件集成在同一衬底上构成二维图像的敏感元件,主要用于光和图像传感器领域。例如作为工业视觉,电荷耦合器件(CCED)和MOS摄像元件就是典型的例子。②把传感器与放大、运算及温度补偿等环节集成在一个基片上,如集成压力传感器就是将硅膜片、压阻电桥、放大器和温度补偿电阻集成为一个器件,称为“热敏晶闸管器件”。③将两种或两种以上敏感元件集成在一起,称为多功能传感器。如用MgCr2O4―TiO2陶瓷做成的湿―气敏元器件。
(3)智能化:由检测系统固体化和智能化的构成及发展过程可知,固体化和智能化的结果,逐渐模糊了检测系统和传感器的界限,智能化传感器本身就是智能化检测系统,从而开创了“材料、器件、电路、仪表”一体化的新途径。
参考文献:
[1]韩连英,王晓红.光纤传感器在机械设备检测中的应用[J].光机电信息,2006.
[2]张开逊.现代传感技术在信息科学中的地位[J].工业计量,2006.
[3]朱自勤.传感器与检测技术[J].2007.
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