传感器在机电一体化中的应用

传感器在机电一体化中的应用
在机电一体化系统中,传感器处系统之首,其作用相当于系统感受器官,能快速、精确地获取信息并能经受严酷环境考验,是机电一体化系统达到高水平的保证。

如缺少这些传感器对系统状态和对信息精确而可靠的自动检测,系统的信息处理、控制决策等功能就无法谈及和实现。

因此，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:
一.机器人用传感器。

机器人是由计算机控制的复杂机器，它具有类似人的肢体及感官功能；动作程序灵活；有一定程度的智能；在工作时可以不依赖人的操纵。

机器人传感器在机器人的控制中起了非常重要的作用，正因为有了传感器，机器人才具备了类似人类的知觉功能和反应能力。

机器人传感器分类：
根据检测对象的不同可分为内部传感器和外部传感器。

a.内部传感器：用来检测机器人本身状态（如手臂间角度）的传感器。

多为检测位置和角度的传感器。

b.外部传感器：用来检测机器人所处环境（如是什么物体，离物体的距离有多远等）及状况（如抓取的物体是否滑落）的传感器。

具体有物体识别传感器、物体探伤传感器、接近觉传感器、距离传感器、力觉传感器，听觉传感器等。

具体有：
（1）明暗觉
检测内容：是否有光，亮度多少
应用目的：判断有无对象，并得到定量结果
传感器件：光敏管、光电断续器
（2）色觉
检测内容：对象的色彩及浓度
应用目的：利用颜色识别对象的场合
传感器件：彩色摄像机、滤波器、彩色CCD
（3）位置觉
检测内容：物体的位置、角度、距离
应用目的：物体空间位置、判断物体移动
传感器件：光敏阵列、CCD等
（4）形状觉
检测内容：物体的外形
应用目的：提取物体轮廓及固有特征，识别物体
传感器件：光敏阵列、CCD等
（5）接触觉
检测内容：与对象是否接触，接触的位置
应用目的：确定对象位置，识别对象形态，控制速度，安全保障，异常停止，寻径
传感器件：光电传感器、微动开关、薄膜特点、压敏高分子材料
（6）压觉
检测内容：对物体的压力、握力、压力分布
应用目的：控制握力，识别握持物，测量物体弹性
传感器件：压电元件、导电橡胶、压敏高分子材料
（7）力觉
检测内容：机器人有关部件（如手指）所受外力及转矩
应用目的：控制手腕移动，伺服控制，正解完成作业
传感器件：应变片、导电橡胶
（8）接近觉
检测内容：对象物是否接近，接近距离，对象面的倾斜
应用目的：控制位置，寻径，安全保障，异常停止
传感器件：光传感器、气压传感器、超声波传感器、电涡流传感器、霍尔传感器
（9）滑觉
检测内容：垂直握持面方向物体的位移，重力引起的变形
应用目的：修正握力，防止打滑，判断物体重量及表面状态
传感器件：球形接点式、光电旋转传感器、角编码器、振动检测器几种主要的机器人传感器简介：
⒈视觉：20世纪50年代后期出现，发展十分迅速，是机器人中最重要的传感器之一。

机器视觉从20世纪60年代开始首先处理积木世界，后来发展到处理室外的现实世界。

20世纪70年代以后，实用性的视觉系统出现了。

视觉一般包括三个过程：图像获取、图像处理和图像理解。

相对而言，图像理解技术还很落后。

⒉力觉：机器人力传感器就安装部位来讲，可以分为关节力传感器、腕力传感器和指力传感器。

国际上对腕力传感器的研究是从20世纪70年代开始的，主要研究单位有美国的DRAPER实验室、SRI研究所、IBM公司和日本的日立公司、东京大学等单位。

⒊触觉：作为视觉的补充，触觉能感知目标物体的表面性能和物理特性：柔软性、硬度、弹性、粗糙度和导热性等。

触觉研究从20世纪80年代初开始，到20世纪90年代初已取得了大量的成果。

⒋接近觉：研究它的目的是使机器人在移动或操作过程中获知目标（障碍）物的接近程度，移动机器人可以实现避障，操作机器人可避免手爪对目标物由于接近速度过快造成的冲击。

⒌听觉：
（1）特定人的语音识别系统
特定人语音识别方法是将事先指定的人的声音中的每一个字音的特征矩阵存储起来，形成一个标准模板（或叫模板），然后再进行匹配。

它首先要记忆一个或几个语音特征，而且被指定人讲话的内容也必须是事先规定好的有限的几句话。

特定人语音识别系统可以识别讲话的人是否是事先指定的人，讲的是哪一句话。

（2）非特定人的语音识别系统
非特定人的语音识别系统大致可以分为语言识别系统，单词识别系统，及数字音（0~9）识别系统。

非特定人的语音识别方法则需要对一组有代表性的人的语音进行训练，找出同一词音的共性，这种训练往往是开放式的，能对系统进行不断的修正。

在系统工作时，将接收到的声音信号用同样的办法求出它们的特征矩阵，再与标准模式相比较。

看它与哪个模板相同或相近，从而识别该信号的含义。

二.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(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。

三.汽车自动控制系统中的传感技术。

现代汽车技术发展特征之一就是越来越多的部件采用电子控制。

例如电控喷油喷射、废气排放、刹车防抱死系统、自动空调、大灯亮度控制、驾驶座位自动调整、转向控制、电控悬挂，等等。

电子自动控制的工作要依赖传感器的信息反缋。

据统计，目前一般轿车上大约有几十只传感器，高级轿车有100多个传感器。

根据传感器的作用，可以分类为测量温度、压力、流量、位置、气体浓度、速度、光亮度、干湿度、距离等功能的传感器，它们各司其职，一旦某个传感器失灵，对应的装置工作就会不正常甚至不工作。

因此，传感器在汽车上的作用是很重要的。

汽车传感器过去单纯用于发动机上，现在巳扩展到底盘、车身和灯光电气系统上了。

这些系统采用的传感器有100多种。

在种类繁多的传感器中，常见的有∶ 1、用在电控喷油喷射发动机上的传感器进气压力传感器：反映进气歧管内的绝对压力大小的变化，是向ECU（发动机电控单元）提供计算喷油持续时间的基准信号；空气流量传感器：测量发动机吸入的空气量，提供给ECU作为喷油时间的基准信号；节气门位置传感器：测量节气门打开的角度，提供给ECU 作为断油、控制燃油/空气比、点火提前角修正的基准信号；曲轴角度传感器：检测曲轴及发动机转速，提供给ECU作为确定点火正时及工作顺序的基准信号；氧传感器：检测排气中的氧浓度，提供给ECU作为控制燃油/空气比在最佳值（理论值）附近的的基准信号；进气温度传感器：检测进气温度，提供给ECU作为计算空气密度的依据；水温传感器：
检测冷却液的温度，向ECU提供发动机温度信息；爆燃传感器：安装在缸体上专门检测发动机的爆燃状况，提供给ECU根据信号调整点火提前角。

2、用在底盘控制方面的传感器这些传感器主要应用在变速器、方向器、悬架和ABS上。

变速器：有车速传感器、温度传感器、轴转速传感器、压力传感器等，方向器有转角传感器、转矩传感器、液压传感器；悬架：有车速传感器、加速度传感器、车身高度传感器、侧倾角传感器、转角传感器等；ABS：有车轮速度传感器。

3、车身的传感器与安全性能息息相关，主要有安全气囊传感器、侧面防碰传感器、测距传感器等。

4、灯光及电气系统的传感器主要有光亮检测传感器、雨滴量传感器、空调温度传感器、座椅位置传感器等。

微电子技术的发展促进传感器技术发展。

传感器巳经利用到Mems技术，一种利用硅单晶受力后其电阻率会发生很大变化的“压阻效应”原理通过机械或化学加工成园平膜片，利用微电子技术将极小（微米级）的敏感元件、信号处理器、数据处理装置封闭在同一个芯片上，可显著提高测试精确度，同时又具有体积小，重量轻，可靠性和耐用性高，价格便宜的优点。