传感器技术及其在自动控制系统中的应用

1 引言

在自动化控制系统中，传感器处系统之首，它直接作用于被测量，并能按一定规律将被测量转换成同种或别种量值输出，快速、精确地获取信息，并能经受严酷环境考验，是机电一体化达到高水平的保证。若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。

2 传感器的研究现状及发展

    工程上，通常把直接作用于被测量，能按一定规律将其转换成同种或别种量值输出的器件，称为传感器。传感器的作用类似于人的感觉器官，也可以认为是人类感官的延伸。传感器主要用于检测自动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楣关信息。 

现代科技的发展不断地向传感器技术提出新的要求．推动传感器 技术的发展。与此同时．传感器技术迅速吸取和综合各个科技领域(如物理学、化学、生物学等)的新成就，开发出新的方法和装置。传感技术已成为重要的现代科技领域．传感器及其系统生产已成为重要的新兴行业。

3 常见传感器的分类

3.1 光敏传感器

光敏传感器是最常见的传感器之一，它的种类繁多，主要有：光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、太阳能电池、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD和CMOS图像传感器等。它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。光传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。光传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之一，它在自动控制和非电量电测技术引中占有非常重要的地位。最简单的光敏传感器是光敏电阻，当光子冲击接合处就会产生电流。

3.2 热电阻传感器

    热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较适用。较为广泛的热电阻材料为铂、铜、镍等，它们具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。用于测量-200℃～+500℃范围内的温度。

3.3 电容式物位传感器

    电容式物位传感器适用于工业企业在生产过程中进行测量和控制生产过程，主要用作类导电与非导电介质的液体液位或粉粒状固体料位的远距离连续测量和指示。

电容式液位传感器由电容式传感器与电子模块电路组成，它以两线制4～20mA恒定电流输出为基型，经过转换，可以用三线或四线方式输出，输出信号形成为 1～5V、0～5V、0～10mA等标准信号。电容传感器由绝缘电极和装有测量介质的圆柱形金属容器组成。当料位上升时，因非导电物料的介电常数明显小于空气的介电常数，所以电容量随着物料高度的变化而变化。传感器的模块电路由基准源、脉宽调制、转换、恒流放大、反馈和限流等单元组成。采用脉宽调特原理进行测量的优点是频率较低，对周围元射频干扰、稳定性好、线性好、无明显温度漂移等。

4 传感器在自动化系统中的应用   

4.1 传感器技术在机器人控制中的应用

    机器人能智能探测发现工作对象及对工作对象进行处理加工，都是因为在机器人相应部位装备了传感器，机器人才具备了类似于人类的视觉功能、运动协调和触觉反馈。智能机器人能对工作对象进行检测或在恶劣环境中工作是因为装备了触觉传感器、视觉传感器、力觉传感器、光敏传感器、超声波传感器和声学传感器等，有了传感器的应用才大大改善智能机器人知觉功能和反应能力，使其能够更灵活、更妥善地完成各种复杂的工作。

4.2 传感检测技术在机械加工过程中的应用

(1) 生产现场必不可少传感器技术是生产现场必不可少的关键技术之一。为了按照切削加工指令控制机床，需要利用传感器检测出机床的位置、速度以及变形、振动等因素对刀具与工件相对位移的影响，还需要监测加工过程的状态，根据榆测结果来变更包括换刀等在内的加工条件，以此保持加工精度，实现切削加工的高精度化。此外，为了实现无人化、省力化加工，也需要利用传感器对加工检测结果进行输出反馈。

(2) 重视最终加工精度在机械加工中, 最终加工精度是最重要的。工件的尺寸是连接两点间的直线距离，其基点是一个点。检测工件上一个点的位置，通常使用接触式传感器和微小光点非接触光学式位移传感器。近年来。要求使用扫描式测头的呼声不断增加。这种测头是沿着工件的轮廓连续地进行仿形测量．能够在短时间内获取大量测量数据，可获得更接近实际情况、可靠性岛的测量结果，这是它的最大优势。此外, 在刀具管理方面．可采用电磁结合方式的识别系统(ID系统)来识别月具和进行刀具寿命管理。

4.3传感技术在汽车自动控制系统中的应用

4.3.1 温度传感器

    汽车用温度传感器主要用于检测发动机温度、吸人气体温度、冷却水温度、燃油温度以及催化温度等。温度传感器有热敏电阻式、线绕电阻式和热偶电阻式三种主要类型。这三种类型传感器各有特点，其应用场合也略有区别。热敏电阻式温度传感器灵敏度高、响应特性较好，但线性差、适应温度较低。其中，通用型的测温范围为-50℃～30℃，精度为1.5%，响应时间为10 ms;高温型为600℃～1000℃，精度为5%，响应时间为10ms;线绕电阻式温度传感器的精度高，但响应特性差;热偶电阻式温度传感器的精度高，测量温度范围宽，但需要配合放大器和冷端处理一起使用。其他已实用化的产品有铁氧体式温度传感器(测温范围为-40℃～120℃，精度为2.0%)、金属或半导体膜空气温度传感器(测温范围为-40℃～150℃，精度为2.0%，响应时间约20 ms)等。

4.3.2 流量传感器

    流量传感器主要用于发动机空气流量和燃料流量的测量。进气量是燃油喷射量计算的基本参数之一。空气流量传感器的功能：感知空气流量的大小，并转换成电信号传输给发动机的电子控制单元。空气流量的测量用于发动机控制系统确定燃烧条件、控制空燃比、起动、点火等。空气流量传感器有旋转翼片式、卡门涡旋式、热线式、热膜式等4种类型。空气流量传感器的主要技术指标：工作范围为0.11m3/min～103m3/min，工作温度为-40℃～120℃，精度>1%。燃料流量传感器用于检测燃料流量，主要有水轮式和循环球式，其动态范围为0～60kg/h，工作温度为-40℃～120℃，精度为±1%，响应时间<10ms。

5 结语

    传感器技术是综合了测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密仪器、仿生化学、材料工程等众多学科相互交叉的高新技术密集型前沿技术之一，是现代新技术和信息社会的重要基础，是自动化检测与自动控制技术不可缺少的重要组成部分，是中外公认的具有广阔发展前途的高新技术，所以也得到各大高校重视和投入资金开展项目研究。同时，通过对传感器技术的了解，为毕业课题的后续工作奠定了基础。

参考文献 

[1]赵长富,李千新.传感器在工业机器人中的应用[J].组合机床与自动化加工技术,1987-01-31.

[2]孙进喜.机器人用触觉传感器[J].传感器技术,1992-06-29.

[3]张洪亮.多机器人编队技术的研究与应用[D].2009年,北京工业大学.

[4]王火亮.基于超声波传感器的智能吸尘机器人导航系统的研究[D] .2002年,浙江大学

[5] 龚雪,张认成,张晓华,黄湘莹.触觉传感器述评[J].仪器仪表户,2005-10-08. 

[6]李婧.浅谈传感器技术发展与应用[期刊论文]-科技资讯,2009(14).

[7]饶风华 传感器技术的应用[期刊论文]-科技致富向导,2010(16).

[8]马问问,何金龙,王宽.光电位置传感器在海绵复卷纠偏控制中的应用[期刊论文]-传感器与微系统,2013(7).

[9]苗涛,刘宏新.传感器在自动化生产线上的应用[期刊论文]-企业标准化,2001(4).

[10]余振,朱建新.锌锭自动堆码生产线光电传感器检测系统设计[期刊论文]-计量与测试技术,2005(12).