传感器技术在机械电子中的应用探析

摘要：随着各种原理传感器的出现，我国的现代电子技术也在不断丰富，在机械电子设备方面取得了较广范的应用，不断推进我国的工业向着更加智能化、自动化、网格化和模块化的方向发展。现代工业生产以及生活的方方面面已经离不开各种传感器技术，因此该文针对机械电子行业的发展以及传感器技术的发展，分析传感器技术在机械电子行业的应用价值并列举具体的应用实例。

关键词：传感器技术机械电子应用实例自动化控制智能化发展

中图分类号： TP212    文献标识码：A   文章编号：1672-3791（2022）03（b）-0000-00

Application of Sensor Technology in Mechanical Electronics

TIAN Rui

（Fundamental Science Department， Henan Polytechnic Institute， Nanyang， Henan Province，473000 China）

Abstract： with the emergence of various principle sensors， China's modern electronic technology is also constantly enriched， has made a wide range of applications in mechanical and electronic equipment， and constantly promotes China's industry to develop in the direction of more intelligence， automation， grid and modularization. All aspects of modern industrial production and life are inseparable from various sensor technologies. Therefore， aiming at the development of mechanical and electronic industry and sensor technology， this paper analyzes the application value of sensor technology in mechanical and electronic industry and lists specific application examples.

Key Words： Sensor technology; Mechanical and electronic; Application examples; Automatic control; Intelligent development

机械电子工程综合了机械设备以及电子技术等学科的内容，其发展直接关系到包括生产行业、交通运输、医疗器械以及日常生活的方方面面。随着工业信息化的发展，传感器技术赋予了将机械电子工程应用于更多行业的可行性，借助各种传感器技术可以实现将各种微小信号转变成电信号的功能，将一些不可见的信息进行可视化的表达，各种传感器技术凭借其高灵敏性以及高可靠性的特点，在精确加工与控制领域中发挥着不可替代的作用。由于传感器原理十分多样化，因此只有把握好传感器的原理才能够在特定的工作场景进行正确的设备选型，同时不断发展传感器技术能够进一步拓展传感器技术在机械电子领域的应用和发展空间[1-2]。

1传感器技术

1.1传感器技术的定义与研究现状

传感器可以实现对微小信号的感知和传递，可以将传感器技术类比为人体的各种感知器官。在工业环境中，传感器可以对所处环境微小的变化进行感知，并做出相应的反应，一般是表现为电信号的形式，现场的工作人员能够根据传感器发出的信号进行相应的调节，以达到控制机电系统稳定运行的目的。需要注意到，传感器是机电系统获取信号数据最主要的，也是最准确的方式，能够为开展相应的工作提供准确的依据。传感器技术发源于20世纪80年代，在当时属于领先行业，经过不断的理论研究与应用实践，现有的传感器产品种类已超过2万种，广泛应用于铸造、交通、汽车、金融、通讯、农业、机械制造、化工、能源、加点等众多的行业之中。目前，在我国，传感器技术的不断发展受到了相当大的重视，并成为国家重点关注的领域，取得了各种突破性的成绩，有效地开发了多种传感器产品，不断促进了我国众多行业以及国民经济的快速发展。

1.2传感器的种类

人们习惯地将传感器比作人的五感，表明了传感器功能的强大。传感器可以实现五大领域的信号检测工作，在机械自动化领域，借助传感器可以对位移、速度、加速度、扭矩、振动、作用力进行检测;在电磁学领域，可以对电流、电阻、电容、电压、电感等进行检测;在生物化学领域，可以对成分、浓度等进行检测;在工业过程控制领域，可以对流量、压力、湿度等进行检测;在辐射测量时，可以检测无限电磁波、射线以及微波。可以见得传感器技术具有十分广阔的应用空间和应用前景。根据传感器转换原理、检测对象、输出信号的性质、功能、结构以及使用方式的不同，可以对传感器技术进行各种不同的分类。在工程实际中，可以从能量的角度出发，对传感器进行分类，区分传感器是能量控制型、还是能量转化型等，需要注意到由于一些传感器的原理尚在探索阶段，因此无法对其进行定义[3]。由于传感器种类巨多，因此如何对传感器进行科学统一的分类，是传感器领域的一个重要课题，对于传感器技术的选择工作有不可替代的作用。

2机械电子行业的发展现状分析

机械电子工程融合了机械技术与电子技术的，现阶段主要的研究内容是数控机床与机器人，区别于传统的机械设备，数控机床和机器人在生产效率以及生产精度方面体现出了强大的优势，为现代工业的更新换代提供了指引。数控机床主要应用于机电行业，在生产效率、加工精度、可靠性以及劳动强度方面都有着巨大的优势，在其应用的各领域都起到了不同程度的推动作用。机器人是人工智能的机械电子产品，在汽车和电子产品等领域都有了大量的应用，符合生产领域可靠性要求高和灵活性要求高的需求，同时机器人能够在恶劣环境下開展工作，代替人工进行作业，提高作业的安全性和稳定性。另外，结合市场的需求，机器人的应用功能正在不断地拓展，在医疗卫生、教育、护理行业的也正在开展应用实践，机器人的研究工作正在使机器人变得更加有实用价值。机械电子正朝着更加智能化、自动化、高可靠性的方向发展，机械电子工程的发展离不开传感器技术的应用，在数控机床方面，必须借助传感器实现微小距离的测量与控制，在机器人中也需要借助传感器进行环境对象识别，离开传感器技术，包括数控机床以及机器人在内的机械电子工程就无法取得现有的发展成果。

3传感器技术应用于机械电子行业的必要性

3.1传感器技术的优势

首先，传感器能够实现微小变化的测量，提供准确的数据，为进行精细的工业生产提供支撑。现代生产机械可以通过程序的编程进行自动化的操作，而传感器提供的数据资料就是程序运行的条件判据，传感器提供的准确数据确保了现代生产机械进行相应的动作。同时，借助各种传感器以及电子编程可以实现设备与设备信息的交互，构建起包含各个机电设备的互联互通的物联网，提供将设备构建网络化连接的可能，从而方便操作人员通过采集的各种信息，了解设备的运行情况，更好地进行生产指令的发布。

3.2传感器技术给机械电子的数字化发展提供助力

利用传感器技术在机械电子领域进行信息的采集，可以将各种不同的信号进行统一的数字化处理与保存，实现传感器输出信号的数字化。数字化信号的特征是以“0”“1”储存，能够实现不失真的远程传输，是机械电子中信号储存与运算的主要形式。通过传感器的数字化处理，可以实现一些难以直接度量的信号的数字转变，比如将压强、力矩、速度、温度、辐射以及流量等信号转变成统一标准的数字信号[4]。然后利用各种相关的数学模型，可以对数字信号进行进一步的判断和处理，借助判断和处理的结果为数控机床以及机器人的生产提供有效的指导，保证生产工作的效率以及生产工作的精确度，为机械设备进行精细化操作提供保障，从而提高企业在加工制造的工作的能力，提高市场竞争力。传感器技术的发展为机械电子行业的数字化进程提供的强大的助力，在提高机械生产的精度、效率方面有不可取代的作用，通过将各种生产现场的信号进行数字化处理，结合相应的数字模型，能够大幅度提高现代机械加工行业的自动化与智能化水平。

3.2传感器技术给机械电子的模块化发展提供助力

现代工业发展的一大趋势是机电设备的模块化管理，将各种传感器嵌入到各个機电设备的模块中，有助于实现功能模块化的目标。相比于以往各种单一功能的机械设备，现代机械设备能够实现的功能越发趋于多样化，例如：传统的车床、磨床、铣床一般只能进行一种机械加工，而数控机床则是集成了各种车床的功能，在一台设备上进行多种机械加工，同时也能够满足各种精细化加工的需求，这种有综合性能的机械设备一般划分为不同的功能模块，为了实现不同的功能，获取各种需求的信号，一般需要借助不同的传感器，将不同信号的测量并将结果输出给处理中心，实现复杂的功能[5]。再如：一台机械设备要求同步实现测温、感知与控制运动的功能，那么就需要将不同的功能进行模块化的分类，在测温模块可以嵌入各种温度传感器，在感知模块可以嵌入红外传感器或视频传感器，在控制运动模块可以嵌入应力传感器、速度传感器、加速度传感器，将这些不同模块的传感器的信号同步地进行采集，然后在进行数据的集成处理，可以同时实现多重功能。因此，借助各种不同的传感器技术可以不断拓宽机电设备的模块化功能范畴，促进机械电子设备的模块化发展。

3.3传感器技术为机械电子的智能化发展提供助力

现代工业正在朝越来越智能化的方向不断发展，尤其是在机器人领域，各种人工智能的概念以及各种智能算法的出现不断地提高了机器人制造水平的发展，各种机器人也能够实现越来越多的智能操作，各种传感器设备就相当于机器人的感知环境的器官，共同构建起机器人的感知系统，为机器人提供各种需求的数据。借助不同类型的传感器，可以采集温度、图像、距离、声音、外力等各种数据，同时能够对这些采集数据的准确性进行保证，确保机器人能够有足够准确的信息采集来源，然后可以借助各种预设的智能学习算法，对采集到的数据进行加工处理，进行不断的信息识别，数据库的数量与质量是机器人能够不断提高识别精度的保证，从而能够实现更加智慧的功能。因此，传感器技术通过为智能设备提供信息数据，为智能机械进行智能学习提供了足够的学习样本，从而为其进行智能决策提供信息保障。

4传感器技术在机械电子中的应用

4.1传感器技术在数控机床中的应用

区别于传统机械的手动型操作，数控机床是借助各种事先编写好的算法使得生产装置进行相应的工艺操作，操作人员只需要进行参数的设定工作，减少了操作过程中人员参与的需求，对于实现批量生产以及提高生产的精确度有重要的意义。但是在实际的生产过程中，由于各个工件之间肯定会存在细微的差距，因此在机床加工过程中，为了保证加工的精度模具与工件之间的相位位置与速度的过程检测是必要的。利用传感器技术就可以为解决这一问题提供思路，在数控机床的各个预设好的位置通常会安装各种传感装置，传感装置通过对信号的采集，可以将信号统一输出到信息处理和控制中心，控制中心借助各种算法对采集的数据进行加工处理，来获得模块与工件的相对位置关系，再根据人工预设的生产要求，调整好模具与工件的运动轨迹，实现精细化的加工，在加工过程中传感器会对工件与模具的状态实时进行检测比对，能够有效地减少加工误差，提高加工的精确度[6]。除此之外，在加工过程中还可以应用各种温度传感器对重点产热部位的温度进行监视，当温度超过阈值时能够进行报警或自动停机，起到保护机电设备以及操作人员的作用，大大提高了操作加工过程中的安全性与可靠性。

5结语

随着现代科学的不断发展，传感器越来越多的应用于机械电子领域并成为一种发展趋势，为了不断推进我国工业朝着更加智能化、自动化、高效化的方向复杂，就应当不断丰富各种传感器技术，加大各种传感器在机械电子上应用的投入，保证机械电子能够朝着数字化、模块化和智能化的方向不断发展，实现可持续的发展要求。另外为了顺应工业4.0的发展要求，应当不断加大在物联网建设方面的投入，利用好各种传感器技术，对机电设备的运行状态数据进行好采集处理，实现更好的设备信息交互与设备运行管理，构建起万物互联的新型智能工厂，不断提高现代工厂的生产效率、生产水平，创造更高的经济效益，从而为我国经济社会的发展提供源源不断的活力。

参考文献

[1]刘德国.便携式实验平台在传感器实践教学中的应用[J].科技创新导报，2020，17（4）：205-206.

[2]熊晓倩.嵌入式系统传感器的设计与应用研究[J].科技创新导报，2020，17（20）：1-2，5.

[3]丁志超. 光纤干涉仪传感器及波长解调系统的理论与实验研究[D].北京：北京交通学，2021.

[4]瞿元昊. 基于多传感器融合的移动机械臂导航地图构建[D].桂林：桂林电子科技大学，2021.

[5]赵新宇. 基于六维力传感器的机械臂阻抗控制研究[D].济南：山东大学，2021.

[6]朱弟发. 协作机械臂一体化力矩传感器优化设计研究[D].长春：中国科学院大学（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所），2021.

作者简介：田睿（1981—），女，硕士，讲师。研究方向为光学、物理学。