检测传感技术的应用及发展

检测传感技术的应用及发展张盼盼摘要：以传感器为核心的检测系统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。本文描述了传感器技术在机电一体化系统中现状及其应用状况,并指出了传感器技术发展的若干问题及今后的发展方向。关键词：检测技术；传感器；1.检测传感技术概要检测（Detection）是利用各种物理、化学效应，选择合适的方法与装置，将生产、科研、生活等方面的有关信息通过检查与测量的方法赋予定性或定量结果的过程。能够自动的完成整个检测处理过程的技术称为自动检测与转换技术。现代自动检测技术是计算机技术、微电子技术、信息论、控制论、测量技术、传感技术等学科发展的产物，是这些学科在解决系统、设备、部件性能检测和故障诊断的技术问题中相结合的产物[1]。检测技术是现代化领域中很有发展前途的技术，它在国民经济中起着极其重要的作用。近几十年来，自动控制理论和计算机技术迅速发展，并已应用到生产和生活的各个领域。但是，由于作为“感觉器官”的传感器技术没有与计算机技术协调发展，出现了信息处理功能发达、检测功能不足的局面。目前许多国家已投入大量人力、物力，发展各类新型传感器，检测技术在国民经济中的地位也日益提高。自动检测系统（ATS）[2]是一个不断发展的概念，随着各种高新技术在检测领域的运用，它不断被赋予各种新的内容和组织形式。因此，以现代电子设备的自动检测系统组成原理框图，如图1所示，说明当前自动检测系统的基本组成。图1自动检测系统的组成自动检测系统的组建及其关键技术图2典型ATS结构概念示意计算机技术的发展为自动检测系统（ATS）的组建提供了多种可能，典型的自动检测系统主要由自动化检测设备（ATE），检测程序集（TPS）和检测环境三部分组成。ATE由检测和测量仪器、主计算机、矩阵开关、通讯总线、接收器和系统软件组成。典型自动检测系统的组建如图2所示。主计算机控制检测和测量仪器以及TPS的运行。系统软件（如操作系统、编译器及实验运行程序等）控制检测工作站的工作状态，对TPS进行开发并执行。TPS由检测、诊断程序，连接被测单元（UUT）和ATE的适配器及操作手册等组成。检测环境包括ATS的结构描述、编程和检测规范语言、编译器、开发工具以及描述对象设计需求、检测策略信息的标准格式等。在机电一体化系统中,传感器的作用相当于系统的感觉器官,即从待测对象那里获取能反映待测对象特征和状态的信号。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。机电一体化系统要求，检测传感装置能快速、精确、可靠地获取信息，并且价格低廉。但是，目前检测传感技术的发展还难以满足控制系统的要求。不少机电一体化系统不能达到满意的效果，或无法达到设计要求的关键原因，在于没有合适的传感器。因此检测传感技术是机电一体化系统中的关键技术。2.检测传感技术的核心——传感器传感器是能感受规定的被测量并按照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、作业环境的状态，为有效地控制机电一体化系统的运作提供必须的相关信息。21世纪人类将全面进入信息电子化时代，随着人类探知领域和空间的拓展，电子信息种类的日益繁多，信息传递的速度日益加快，信息处理能力日益增强，相应的信息采集———传感技术也将日益发展，进而传感器也将无所不在。3.传感器在机电一体化系统中的应用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，广泛应用于各种机电一体化产品之中，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[3]。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。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。位移传感器一般也都安装在机器人的各关节上，用于检测机器人各关节的位移量，作为位置控制信息。速度、加速度传感器用来实现机器人各关节的速度闭环控制和加速度控制。触觉传感器装设在机器人腕、手爪等部位,通过触觉确认对象的位置从而修正手爪的位置以便能准确地抓住对象物。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。对于机床的运行而言，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）刀具(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。因此，现代制造领域对刀具与砂轮的失效监视的研究开发由来已久。近20年来，在刀具的破损和磨损监视中有了许多重要的进展。其中刀具/砂轮磨损的传感方法有直接法(光学图像法、接触法、放射线法)，间接法(切削力/扭矩法、功率/电流法功率/电流法、切削温度、刀具—工件距离探测法等)和多感知融合法(多传感器组合/融合识别)；刀具/砂轮破损的传感方法也有直接法(光学图像、接触)和间接法(切削力、扭矩、功率、振动、超声波等)。3）汽车自动控制系统中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。4.我国传感器技术发展的现状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。5.检测传感技术发展趋势虽然我国检测技术的现状还不能适应国民经济发展的需要，产品技术水平与国外相比还有较大差距，但是从统一市场的观点看，我国具有传感器的广阔市场，所以我国传感器产业发展的前途还是光明的。因此，必须加强技术研究和引进先进设备，以提高整体水平。传感器技术今后的发展趋势，主要表现在以下方面[4]：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）应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域的应用。检测原理大多以各种物理效应为基础。近代物理学的发展，对仿生学的研究、仿造生物的感觉功能的新型传感器的开发应用，使得传感器技术的应用领域更广阔。如今的检测领域，正向着社会需要各方面扩展，不仅用于工业部门，而且也涉及到工程、海洋开发、宇宙航行等尖端科学技术和新兴工业领域，生物、医疗、环境污染监测、危险品和毒品的侦察、安全监测方面，同时也渗透到人类的日常生活当中。3）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。近年来，随着科学技术的不断发展，要求灵敏度、精确度和稳定性等尽可能的高。例如超精度的在线检测，要求＜0.1μm。对传感器可靠性故障率的数学模型和计算方法的研究，大大提高检测系统的可靠性。为了使自动检测装置适应在各种复杂条件下可靠工作，要求研制的检测系统，具有较高的抗干扰能力和适应生产要求的较长的使用寿命。4）发展小型化、集成化、多功能化、多维化、智能化和高性能、扩大量程范围的检测装置。随着半导体材料的研究和新工艺的进展，已研制出一批新型半导体传感器；光刻、扩散及各向异性腐蚀等集成电路新工艺，也已渗透到传感器的制造过程中，从而使检测系统更趋于小型化、集成化、多功能化、多维化及性能更强。5）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0～10mV)，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，即智能传感器。结论在机电一体化系统中，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].朱自勤.传感器与检测技术.北京:机械工业出版社,2005.[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].黄志强.机电一体化技术的现状和发展趋势.四川建材,2006,(1).[4].赵一心.论检测传感技术在机电一体化中现状、应用及其发展[J].吉林：制造业自动化，2010.