機電一體化畢業(yè)論文傳感器在機電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用及發(fā)展的研究

陜西航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電一體化專業(yè)畢業(yè)論文題目：傳感器在機電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用及發(fā)展的研究 系部： 機電工程系 班級： 姓名： 學(xué)號： 35 指導(dǎo)老師： 2010年11月 目 錄摘要31.1傳感器技術(shù)的發(fā)展41.2機電一體化系統(tǒng)的發(fā)展81.3傳感器在機電一體化系統(tǒng)的應(yīng)用271.4如何為機電一體化系統(tǒng)選擇傳感器331.5機電一體化系統(tǒng)中常用傳感器的發(fā)展36結(jié)論38參考文獻40 摘 要 傳感器是檢測中首先感受被測量、并將它轉(zhuǎn)換成與被測量有確定對應(yīng)關(guān)系的電量器件，它是檢測和控制系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分。機電一體化是機械的主功能、動力功能、信息功能和控制功能上引進微電子技術(shù)，并將機械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機結(jié)合而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱。在機電一體化系統(tǒng)中,傳感器處系統(tǒng)之首,其作用相當(dāng)于系統(tǒng)感受器官,能快速、精確地獲取信息并能經(jīng)受嚴酷環(huán)境考驗,是機電一體化系統(tǒng)達到高水平的保證。如缺少這些傳感器對系統(tǒng)狀態(tài)和對信息精確而可靠的自動檢測,系統(tǒng)的信息處理、控制決策等功能就無法談及和實現(xiàn)。傳感器在機電一體化系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，是機電產(chǎn)品中是必不可少的器件之一。關(guān)鍵詞：傳感器 機電一體化系統(tǒng)傳感器技術(shù)傳感器來自“感覺”一詞，人們用視覺、聽覺、味覺、嗅覺和觸覺等感官感受外界的有關(guān)信息，如物體的大小、形狀和顏色，感覺到的聲音、氣味等。在視覺情況下，絕不是靠眼睛本身進行感覺，而是從眼睛進入的外界刺激信號通過神經(jīng)傳送到大腦，有大腦感知物體的大小和顏色，然后由大腦提供命令信號支配行動。聽覺和嗅覺等也完全一樣。然而，要使大腦受到這些刺激，首先必須有接受外界刺激的“五官”，人的“五官”可以稱之為傳感器。它們的基本功能是首先接受外界的刺激信號，然后產(chǎn)生作用于各種神經(jīng)傳遞信號的能量，最后在傳送到大腦。在傳感器的系統(tǒng)中，傳感器模擬人“五官”的這些作用，將外界刺激信號轉(zhuǎn)換為能傳遞的信號，即使特定的被測量（包括物理量、化學(xué)量、生物量等）按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用的輸出信號。傳感器是一種以一定的精確度把被測量轉(zhuǎn)換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的、便于應(yīng)用的另一種量的測量裝置。傳感器的定義具體包含：傳感器是測量裝置，能、完成檢測任務(wù)；它的輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等；它的輸出量是某種物理量，這種量應(yīng)便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等，它可以是氣、光、電，但主要是電量。傳感器一般由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件兩大部分組成。但很多時候也將轉(zhuǎn)換電路及輔助電路作為其組成部分，因為傳感器作為一個完整的器件，絕大部分都是把轉(zhuǎn)換電路及必要的輔助電源單元與敏感元件、轉(zhuǎn)換元件一起做成一體化的器件。傳感器的作用包括信息的收集、信號數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和控制信息的采集。傳感器是檢測和控制系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分。在實際工程應(yīng)用中，傳感器的種類很多。同一種被測量可以用不同的傳感器來測量；而同一種原理的傳感器，通常又可以測量多種物理量。因此，傳感器的分類方法也是形形色色，目前尚沒有統(tǒng)一的方法：按傳感器工作原理分類：電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、壓電式傳感器、霍爾式傳感器、光電式傳感器、光柵式傳感器、熱電偶式傳感器。按被測量（或傳感器的用途）分類：位移傳感器、力傳感器、速度傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、氣體傳感器、物位傳感器、成分傳感器。按輸出信號的性質(zhì)分類：開關(guān)型傳感器、模擬式傳感器、數(shù)字式傳感器。傳感器所測量經(jīng)常處在各種各樣的變動中，例如測量機床車刀的切削時，若材質(zhì)均勻，切削力的值可能十分穩(wěn)定；若遇到材質(zhì)不均勻甚至有小缺陷時，切削力的值可能有緩慢起伏或者周期性脈動變化，甚至出現(xiàn)突變的尖峰力。傳感器能否將這些被測量的變化不失真地變換成相應(yīng)的電量，涉及傳感器本身的基本特性，即輸出-輸入特性。這種特性通常用傳感器的靜態(tài)特性和動態(tài)特性來描述。傳感器變換的被測量的數(shù)值處在穩(wěn)定狀態(tài)時，傳感器的輸出與輸入的關(guān)系稱為傳感器的靜態(tài)特性。描述傳感器靜態(tài)特性的技術(shù)指標是：靈敏度、線性度、遲滯和重復(fù)性。靈敏度傳感器在穩(wěn)態(tài)標準條件下，輸出變化對輸入變化的比值稱靈敏度，對于線性傳感器來說，它的靈敏度是一個常數(shù)。線性度傳感器的靜態(tài)特性是穩(wěn)態(tài)標準條件下，利用一定等級的校準設(shè)備，對傳感進行往復(fù)循環(huán)測試，得出的輸出-輸入特性（列表或畫曲線）。通常，希望這一特性為線性，這樣，會對標定和數(shù)據(jù)處理帶來方便。但實際的輸出-輸入特性一般都是非線性的，因此，采用各種補償環(huán)節(jié)，如非線性電路補償環(huán)節(jié)或計算機軟件，進行線性化處理。在傳感器非線性冪次不高，輸入量變化范圍較小時，用一條直線（切線或割線）近似地代表實際曲線的一段。對傳感器的輸出-輸入特性線性化的方法，稱為直線擬合法。實際曲線與擬合直線之間的偏差稱為傳感器的非線性誤差或線性度，取其中最大值與輸出滿度值之比作為評價線性度（或非線性誤差）的指標。在常用的擬合法中，即使是同類傳感器，擬合方法不同，其象形度也不同，用最小二乘法求取的擬合直線的精確度最高。遲滯遲滯是指在相同工作條件下，傳感器正行程特性和反行程特性的不一致程度。其數(shù)值為對應(yīng)同一大小的輸出量，應(yīng)采用的行程方向不同，傳感器的輸出量值不相等，這就是遲滯現(xiàn)象。產(chǎn)生遲滯現(xiàn)象的原因，主要是傳感器機械部分存在不可避免的缺陷，如軸承摩擦、間隙、緊固件松動和材料內(nèi)摩擦等。重復(fù)性傳感器的輸入量在同一方向（增加或減少）變化時，在全量程內(nèi)連續(xù)進行重復(fù)測量所得到的輸出-輸入特性曲線不一致的程度。產(chǎn)生不一致的原因與產(chǎn)生遲滯現(xiàn)象的原因相同。多次重復(fù)測試的曲線越重合，說明傳感器重復(fù)性越好，使用誤差越小。動態(tài)特性是指傳感器測量動態(tài)信號時，輸出對輸入的響應(yīng)特性。傳感器測量靜態(tài)信號時，被測量不隨時間變化，測量和記錄的過程不受時間限制。實際大量的被測量是隨時間變化的動態(tài)信號，傳感器的輸出不僅要精確地顯示被測量的大小，還要顯示被測量隨時間變化的規(guī)律。動態(tài)特性好的傳感器，其輸出隨時間的變化規(guī)律將再現(xiàn)輸入隨時間變化的規(guī)律，即它們具有相同的時間函數(shù)。但是，除了理想情況外，實際傳感器的輸出信號與輸出入信號不會具有相同的時間函數(shù)，輸出與輸入之間會出現(xiàn)差異。這種輸出與輸入之間的差異稱為動態(tài)誤差，研究這種誤差的性質(zhì)稱為動態(tài)特性分析。因為傳感器在實際工作中隨時間變化的輸入信號是千變?nèi)f化的，而且由于隨機因素的影響，往往事先并不知道其特性，故工程上通常采用標準信號函數(shù)的方法來研究，并據(jù)此確定若干評定動態(tài)特性的指標。常用的標準信號函數(shù)是正弦函數(shù)和階躍函數(shù)，因為它們即便于求解又便于實現(xiàn)。大多數(shù)情況下對非正弦周期信號，可以通過數(shù)學(xué)方法利用傅里葉級數(shù)分解為含多次諧波的正弦函數(shù)；對其他非爭先非周期信號，可通過傅里葉變換分解出各次正弦諧波來分析。而階躍信號是瞬間發(fā)生的變化，它有可能是輸入信號中最壞的一種，傳感器如能復(fù)現(xiàn)這種信號，則就能較容易復(fù)現(xiàn)其他各種輸入信號，所以將它們作為標準信號函數(shù)。階躍響應(yīng)法：當(dāng)輸入信號為階躍函數(shù)時，因為他是時間的函數(shù)，故傳感器的響應(yīng)是在時域里發(fā)生的，因此稱她為階躍響應(yīng)法。頻率響應(yīng)法：當(dāng)輸入信號時正弦函數(shù)時，因為它頻率的函數(shù)，故傳感器的響應(yīng)是在頻域內(nèi)發(fā)生的，因此稱它為頻率響應(yīng)法。傳感器是檢測中首先感受被測量、并將它轉(zhuǎn)換成與被測量有確定對應(yīng)關(guān)系的電量器件，它是檢測和控制系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分。傳感器的性能由傳感器的靜態(tài)特性和動態(tài)特性來評價。機電一體化系統(tǒng)機電一體化又稱機械電子學(xué)，英文稱為Mechatronics，它是由英文機械學(xué)Mechanics 的前半部分與電子學(xué)Electronics 的后半部分組合而成。機電一體化最早出現(xiàn)在1971年日本機械設(shè)計雜志的副刊上，隨著機電一體化技術(shù)的快速發(fā)展，機電一體化的概念被人們廣泛接受和普遍使用。1996年出版的WEBSTER大詞典收錄了這個日本造的英文單詞，這不僅意味著 “Mechatronics”這個單詞得到了世界各國學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的認可，而且還意味著“機電一體化”的哲理和思想為世人所接受。 圖1機體化與其他學(xué)科的關(guān)系到目前為止，就機電一體化這一概念的內(nèi)涵國內(nèi)外學(xué)術(shù)界還沒有一個完全統(tǒng)一的表述。目前，較普遍的提法是“日本機械振興協(xié)會經(jīng)濟研究所”于1981年的解釋：“機電一體化是在機械主功能、動力功能、信息功能和控制功能上引進微電子技術(shù)，并將機械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機結(jié)合而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱”。機電一體化是以機械學(xué)、電子學(xué)和信息科學(xué)為主的多門技術(shù)學(xué)科在機電產(chǎn)品發(fā)展過程中相互交叉、相互滲透而形成的一門新興邊緣性技術(shù)學(xué)科。這里面包含了三重含義：首先，機電一體化是機械學(xué)、電子學(xué)與信息科學(xué)等學(xué)科相互融合而形成的學(xué)科。圖1形地表達了機電一體化與機械學(xué)、電子學(xué)和信息科學(xué)之間的相互關(guān)系；其次，機電一體化是一個發(fā)展中的概念，早期的機電一體化就像其字面所表述的那樣，主要強調(diào)機械與電子的結(jié)合，即將電子技術(shù)“溶入”到機械技術(shù)中而形成新的技術(shù)與產(chǎn)品。隨著機電一體化技術(shù)的發(fā)展，以計算機技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)為特征的信息技術(shù)（即所謂的“3C”技術(shù)：Computer、Communication和 Control Technology）“滲透”到機械技術(shù)中，豐富了機電一體化的含義，現(xiàn)代的機電一體化不僅僅指機械、電子與信息技術(shù)的結(jié)合，還包括光（光學(xué)）機電一體化、機電氣（氣壓）一體化、機電液（液壓）一體化、機電儀（儀器儀表）一體化等；最后，機電一體化表達了技術(shù)之間相互結(jié)合的學(xué)術(shù)思想，強調(diào)各種技術(shù)在機電產(chǎn)品中的相互協(xié)調(diào)，以達到系統(tǒng)總體最優(yōu)。因此，機電一體化是多種技術(shù)學(xué)科有機結(jié)合的產(chǎn)物，而不是它們的簡單疊加。機電一體化與機械電氣化的主要區(qū)別有：電氣機械在設(shè)計過程中不考慮或少考慮電器與機械的內(nèi)在聯(lián)系，基本上是根據(jù)機械的要求，選用相應(yīng)的驅(qū)動電機或電氣傳動裝置；機械和電氣裝置之間界限分明，它們之間的聯(lián)結(jié)以機械聯(lián)結(jié)為主，整個裝置是剛性的；裝置所需的控制是基于電磁學(xué)原理的各種電器來實現(xiàn)，屬強電范疇，其主要支撐技術(shù)是電工技術(shù)。機械工程技術(shù)由純機械發(fā)展到機械電氣化，仍屬傳統(tǒng)機械，主要功能依然是代替和放大人的體力。但機電一體化產(chǎn)品不僅是人的手與肢體的延伸，還是人的感官與頭腦的延伸，具有“智能化”的特征是機電一體化與機械電氣化在功能上的本質(zhì)差別。從概念的外延來看，機電一體化包括機電一體化技術(shù)和機電一體化產(chǎn)品兩個方面。機電一體化技術(shù)是從系統(tǒng)工程的觀點出發(fā)，將機械、電子和信息等有關(guān)技術(shù)有機結(jié)合起來，以實現(xiàn)系統(tǒng)或產(chǎn)品整體最優(yōu)的綜合性技術(shù)。機電一體化技術(shù)主要包括技術(shù)原理和使機電一體化產(chǎn)品（或系統(tǒng)）得以實現(xiàn)、使用和發(fā)展的技術(shù)。機電一體化技術(shù)是一個技術(shù)群（族）的總稱，包括檢測傳感技術(shù)、信息處理技術(shù)、伺服驅(qū)動技術(shù)、自動控制技術(shù)、機械技術(shù)及系統(tǒng)總體技術(shù)等。機電一體化產(chǎn)品有時也稱為機電一體化系統(tǒng)，它們是兩個相近的概念，通常機電一體化產(chǎn)品指獨立存在的機電結(jié)合產(chǎn)品，而機電一體化系統(tǒng)主要指依附于主產(chǎn)品的部件系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)實際上也是機電一體化產(chǎn)品。機電一體化產(chǎn)品是由機械系統(tǒng)（或部件）與電子系統(tǒng)（或部件）及信息處理單元（硬件和軟件）有機結(jié)合、而賦予了新功能和新性能的高科技產(chǎn)品。由于在機械本體中“溶入”了電子技術(shù)和信息技術(shù)，與純粹的機械產(chǎn)品相比，機電一體化產(chǎn)品的性能得到了根本的提高，具有滿足人們使用要求的最佳功能?，F(xiàn)實生活中的機電一體化產(chǎn)品比比皆是。我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫娜詣酉匆聶C、空調(diào)及全自動照相機，都是典型的機電一體化產(chǎn)品；在機械制造領(lǐng)域中廣泛使用的各種數(shù)控機床、工業(yè)機器人、三坐標測量儀及全自動倉儲，也是典型的機電一體化產(chǎn)品；而汽車更是機電一體化技術(shù)成功應(yīng)用的典范，目前汽車上成功應(yīng)用和正在開發(fā)的機電一體化系統(tǒng)達數(shù)十種之多，特別是發(fā)動機電子控制系統(tǒng)、汽車防抱死制動系統(tǒng)、全主動和半主動懸架等機電一體化系統(tǒng)在汽車上的應(yīng)用，使得現(xiàn)代汽車的乘坐舒適性、行駛安全性及環(huán)保性能都得到了很大的改善；在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域，機電一體化技術(shù)也在一定范圍內(nèi)得到了應(yīng)用，如拖拉機自動駕駛系統(tǒng)、懸掛式農(nóng)具的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)、聯(lián)合收獲機工作部件（如脫粒清選裝置）的監(jiān)控系統(tǒng)、溫室環(huán)境自動控制系統(tǒng)等。如今，機電一體化已從原來以機械為主的領(lǐng)域拓展到目前的汽車、電站、儀表、化工、通信、冶金等領(lǐng)域。而且機電一體化產(chǎn)品的概念不再局限在某一具體產(chǎn)品的范圍，如數(shù)控機床、機器人等，現(xiàn)在已擴大到控制系統(tǒng)和被控制系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)品制造和過程控制的大系統(tǒng)，例如柔性制造系統(tǒng)（FMS）、計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）以及各種工業(yè)過程控制系統(tǒng)。 傳統(tǒng)的機械產(chǎn)品主要是解決物質(zhì)流和能量流的問題，而機電一體化產(chǎn)品除了解決物質(zhì)流和能量流外，還要解決信息流的問題。如圖2所示電一體化系統(tǒng)的主要功能就是對輸入的物質(zhì)、能量與信息（即所謂工業(yè)三大要素）按照要求進行處理，輸出具有所需特性的物質(zhì)、能量與信息。系統(tǒng)的主功能包括三個目的功能：變換（加工、處理）功能；傳遞（移動、輸送）功能；儲存（保持、積蓄、記錄）功能。主功能是系統(tǒng)的主要特征部分，是實現(xiàn)系統(tǒng)目的功能直接必需的功能，主要是對物質(zhì)、能量、信息或其相互結(jié)合進行變換、傳遞和存儲。 圖2 機電一體化系統(tǒng)的主功能 以物料搬運、加工為主，輸入物質(zhì)（原料、毛坯等）、能量（電能、液能、氣能等）和信息（操作及控制指令等），經(jīng)過加工處理，主要輸出改變了位置和形態(tài)的物質(zhì)的系統(tǒng)（或產(chǎn)品），稱為加工機，如各種機床、交通運輸機械、食品加工機械、起重機械、紡織機械、印刷機械、輕工機械等。以能量轉(zhuǎn)換為主，輸入能量（或物質(zhì)）和信息，輸出不同能量（或物質(zhì)）的系統(tǒng)（或產(chǎn)品），稱為動力機，其中輸出機械能的為原動機，如電動機、水輪機、內(nèi)燃機等。以信息處理為主，輸入信息和能量，主要輸出某種信息（如數(shù)據(jù)、圖像、文字、聲音等）的系統(tǒng)（或產(chǎn)品），稱為信息機，如各種儀器、儀表、傳真機以及各種辦公機械等。機電一體化系統(tǒng)除了具備上述必需的主功能外，還應(yīng)具備圖3所示的內(nèi)部功能。即動力功能、檢測功能、控制功能、構(gòu)造功能。動力功能是向系統(tǒng)提供動力、讓系統(tǒng)得以運轉(zhuǎn)的功能；檢測功能和控制功能的作用是解決各種信息的獲取、傳輸、處理和利用，從而能夠根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部信息和外部信息對整個系統(tǒng)進行控制，使系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)，實施目的功能。而構(gòu)造功能則是使構(gòu)成系統(tǒng)的子系統(tǒng)及元、部件維持所定的時間和空間上的相互關(guān)系所必需的功能。從系統(tǒng)的輸入/輸出來看，除有主功能的輸入/輸出之外，還需要有動力輸入和控制信息的輸人/輸出。此外，還有因外部環(huán)境引起的干擾輸入以及非目的性輸出（如廢棄物等）。例如汽車的廢氣和噪音對外部環(huán)境影響，從系統(tǒng)設(shè)計開始就應(yīng)予以考慮。 圖3 系統(tǒng)的五種內(nèi)部從機電一體化系統(tǒng)的功能看，人類是機電一體化系統(tǒng)理想的參照物。如圖4（a）所示，構(gòu)成人體的五大要素分別是頭腦、感官（眼、耳、鼻、舌、皮膚）、四肢、內(nèi)臟及軀干。相應(yīng)的功能如圖4（b）所示，內(nèi)臟提供人體所需要的能量（動力）及各種激素，維持人體活動；頭腦處理各種信息并對其它要素實施控制；感官獲取外界信息；四肢執(zhí)行動作；軀干的功能是把人體各要素有機地聯(lián)系為一體。通過類比就可發(fā)現(xiàn)，機電一體化系統(tǒng)內(nèi)部的五大功能與人體的上述功能幾乎是一樣的，而實現(xiàn)各功能的相應(yīng)構(gòu)成要素如圖4（c）所示。表1列出了機電一體化系統(tǒng)構(gòu)成要素與人體構(gòu)成要素的對應(yīng)關(guān)系。因此，一個較完善的機電一體化系統(tǒng)，應(yīng)包括以下幾個基本要素：機械本體、動力系統(tǒng)、檢測傳感系統(tǒng)、執(zhí)行部件、信息處理及控制系統(tǒng)，各要素和環(huán)節(jié)之間通過接口相聯(lián)系。表1 機電一體化系統(tǒng)構(gòu)成要素與人體構(gòu)成要素的對應(yīng)關(guān)系機電一體化系統(tǒng)中機械部分是主體，這不僅是由于機械本體是系統(tǒng)重要的組成部分，而且系統(tǒng)的主要功能必須由機械裝置來完成，否則就不能稱其為機電一體化產(chǎn)品。如電子計算機、非指針式電子表等，其主要功能已由電子器件和電路等完成，機械已退居次要地位，這類產(chǎn)品應(yīng)歸屬于電子產(chǎn)品，而不是機電一體化產(chǎn)品。因此，機械系統(tǒng)是實現(xiàn)機電一體化產(chǎn)品功能的基礎(chǔ)，從而對其提出了更高的要求，需在結(jié)構(gòu)、材料、工藝加工及幾何尺寸等方面滿足機電一體化產(chǎn)品高效、可靠、節(jié)能、多功能、小型輕量和美觀等要求。除一般性的機械強度、剛度、精度、體積和重量等指標外，機械系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)的重點是模塊化、標準化和系列化，以便于機械系統(tǒng)的快速組合和更換。其次，機電一體化的核心是電子技術(shù)，電子技術(shù)包括微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)，但重點是微電子技術(shù)，特別是微型計算機或微處理器。機電一體化需要多種新技術(shù)的結(jié)合，但首要的是微電子技術(shù)，不和微電子結(jié)合的機電產(chǎn)品不能稱為機電一體化產(chǎn)品。如非數(shù)控機床，一般均有電動機驅(qū)動，但它不是機電一體化產(chǎn)品。除了微電子技術(shù)以外，在機電一體化產(chǎn)品中，可根據(jù)需要進行一種或多種技術(shù)相結(jié)合。因此，機電一體化是以機械為主體、以微電子技術(shù)為核心，強調(diào)各種技術(shù)的協(xié)同和集成的綜合性技術(shù)。機電一體化技術(shù)和產(chǎn)品的應(yīng)用范圍非常廣泛，涉及到工業(yè)生產(chǎn)過程的所有領(lǐng)域，因此，機電一體化產(chǎn)品的種類很多，而且還在不斷地增加。按照機電一體化產(chǎn)品的功能，可以將其分成下述幾類。1數(shù)控機械類數(shù)控機械類主要產(chǎn)品為數(shù)控機床、工業(yè)機器人、發(fā)動機控制系統(tǒng)和自動洗衣機等。其特點為執(zhí)行機構(gòu)是機械裝置。2電子設(shè)備類電子設(shè)備類主要產(chǎn)品為電火花加工機床、線切割加工機床、超聲波縫紉機和激光測量儀等。其特點為執(zhí)行機構(gòu)是電子裝置。3機電結(jié)合類機電結(jié)合類主要產(chǎn)品為自動探傷機、形狀識別裝置和CT掃描儀、自動售貨機等。其特點為執(zhí)行機構(gòu)是機械和電子裝置的有機結(jié)合。4電液伺服類電液伺服類主要產(chǎn)品為機電一體化的伺服裝置。其特點為執(zhí)行機構(gòu)是液壓驅(qū)動的機械裝置，控制機構(gòu)是接受電信號的液壓伺服閥。5信息控制類信息控制類主要產(chǎn)品為電報機、磁盤存儲器、磁帶錄像機、錄音機以及復(fù)印機、傳真機等辦公自動化設(shè)備。其主要特點為執(zhí)行機構(gòu)的動作完全由所接收的信息類控制。此外，機電一體化產(chǎn)品還可根據(jù)機電技術(shù)的結(jié)合程度分為功能附加型、功能替代型和機電融合型三類。按產(chǎn)品的服務(wù)對象領(lǐng)域和對象，可將機電一體化產(chǎn)品分成工業(yè)生產(chǎn)類、運輸包裝類、儲存銷售類、社會服務(wù)類、家庭日常類、科研儀器類、國防武器類以及其它用途類等不同的種類。機電一體化技術(shù)的發(fā)展大體上可分為三個階段。20世紀60年代以前為第一階段，這一階段稱為初期階段。在這一時期，人們自覺或不自覺地利用電子技術(shù)的初步成果來完善機械產(chǎn)品的性能。20世紀7080年代為第二階段，可稱為蓬勃發(fā)展階段。這一時期，計算機技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，為機電一體化的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路和微型計算機的迅猛發(fā)展，為機電一體化技術(shù)的發(fā)展提供了充分的物質(zhì)基礎(chǔ)。20世紀90年代后期，開始了機電一體化技術(shù)向智能化方向邁進的新階段，一方面光學(xué)、通信技術(shù)等進入了機電一體化，微細加工技術(shù)也在機電一體化中嶄露頭角，出現(xiàn)了光機電一體化和微機電一體化等新分支；另一方面對機電一體化系統(tǒng)的建模設(shè)計、分析和集成方法，機電一體化的學(xué)科體系和發(fā)展趨勢都進行著深入研究。我國是從上世紀80年代初才開始這方面研究和應(yīng)用。國務(wù)院成立了機電一體化領(lǐng)導(dǎo)小組并將該技術(shù)列為“863計劃”中。機械工業(yè)在制定“九五”規(guī)劃和2010年發(fā)展綱要時充分考慮了國際上關(guān)于機電一體化技術(shù)的發(fā)展動向和由此可能帶來的影響。經(jīng)過20多年的努力，在航天、國防以及經(jīng)濟建設(shè)的一些重大工程帶動下，我國已在機電一體化許多領(lǐng)域躋身于世界先進行列。理論基礎(chǔ) 系統(tǒng)論、信息論、控制論的建立，微電子技術(shù)尤其是計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，引起了科學(xué)技術(shù)的又一次革命，誘發(fā)了機械工程的機電一體化。系統(tǒng)論、信息論、控制論無疑是機電一體化技術(shù)的理論基礎(chǔ)，是機電一體化技術(shù)的方法論。開展機電一體化技術(shù)研究時，無論在工程的構(gòu)思、規(guī)劃、設(shè)計方面，還是在它的實施或?qū)崿F(xiàn)方面，都不能只著眼于機械或電子，不能只看到傳感器或計算機，而是要用系統(tǒng)的觀點，合理解決信息流與控制機制問題，有效地綜合各有關(guān)技術(shù)，才能形成所需要的系統(tǒng)或產(chǎn)品。機電一體化技術(shù)是從系統(tǒng)工程觀點出發(fā)，應(yīng)用機械、微電子等有關(guān)技術(shù)，使機械、電子有機結(jié)合，實現(xiàn)系統(tǒng)或產(chǎn)品整體最優(yōu)的綜合性技術(shù)。小型的生產(chǎn)、加工系統(tǒng)，即使是一臺機器，也都是由許多要素構(gòu)成的，為了實現(xiàn)其“目的功能”，還需要從系統(tǒng)角度出發(fā)，不拘泥于機械技術(shù)或電子技術(shù)，并寄希望于能夠使各種功能要素構(gòu)成最佳結(jié)合的柔性技術(shù)與方法。機電一體化工程就是這種技術(shù)和方法的統(tǒng)一。機電一體化系統(tǒng)是一個包括物質(zhì)流、能量流和信息流的系統(tǒng)，有效地利用各種信號所攜帶的豐富信息資源，則有賴于信號處理和信息識別技術(shù)?？疾焖袡C電一體化產(chǎn)品，就會看到準確的信息獲取、處理、利用在系統(tǒng)中所起的實質(zhì)性作用。關(guān)鍵技術(shù) 微電子技術(shù)、精密機械技術(shù)是機電一體化的技術(shù)基礎(chǔ)。微電子技術(shù)的進步，尤其是微型計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，為機電一體化技術(shù)的進步與發(fā)展創(chuàng)造了前提。機電一體化產(chǎn)品中的許多重要零部件都是利用超精密加工技術(shù)制造的。就連微電子技術(shù)本身的發(fā)展也離不開精密機械技術(shù)。例如，大規(guī)模集成電路（LSI）制造中的微細加工就是精密機械技術(shù)的進步成果。因此，精密機械加工技術(shù)促進了微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，微電子技術(shù)的不斷發(fā)展又推動了精密機械技術(shù)中加工設(shè)備的不斷更新。由于機電一體化是一個工程和大系統(tǒng)，發(fā)展該技術(shù)面臨以下共性的關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展：傳感檢測技術(shù)、信息處理技術(shù)、伺服驅(qū)動技術(shù)、自動控制技術(shù)、接口技術(shù)、精密機械技術(shù)及系統(tǒng)總體技術(shù)等，同時也要受到社會條件、經(jīng)濟基礎(chǔ)的重大影響。傳感器檢測技術(shù) 在機電一體化產(chǎn)品中，工作過程的各種參數(shù)、工作狀態(tài)以及與工作過程有關(guān)的相應(yīng)信息都要通過傳感器進行接收，并通過相應(yīng)的信號檢測裝置進行測量，然后送入信息處理裝置以及反饋給控制裝置，以實現(xiàn)產(chǎn)品工作過程的自動控制。機電一體化產(chǎn)品要求傳感器能快速和準確地獲取信息并且不受外部工作條件和環(huán)境的影響，同時檢測裝置能不失真地對信息信號進行放大、輸送和轉(zhuǎn)換。傳感器技術(shù)的發(fā)展正進入集成化、智能化研究階段。把傳感器件與信號處理電路集成在一個芯片上，就形成了信息型傳感器；若再把微處理器集成到信息型傳感器的芯片上，就是所謂的智能型傳感器。大力開展傳感器研究，對于機電一體化技術(shù)的發(fā)展具有十分重要的意義。信息處理技術(shù) 信息處理技術(shù)是指在機電一體化產(chǎn)品工作過程中，與工作過程各種參數(shù)和狀態(tài)以及自動控制有關(guān)的信息輸入、識別、變換、運算、存儲、輸出和決策分析等技術(shù)。信息處理得是否及時、準確，直接影響機電一體化系統(tǒng)或產(chǎn)品的質(zhì)量和效率，因而也是機電一體化的關(guān)鍵技術(shù)。在機電一體化產(chǎn)品中，實現(xiàn)信息處理技術(shù)的主要工具是計算機。計算機信息處理裝置是產(chǎn)品的核心，它控制和指揮整個機電一體化產(chǎn)品的運行。信息處理是否正確、及時，直接影響到系統(tǒng)工作的質(zhì)量和效率，因此計算機應(yīng)用及信息處理技術(shù)已成為促進機電一體化技術(shù)發(fā)展和變革的最活躍的因素。人工智能技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等都屬于計算機信息處理技術(shù)。自動控制技術(shù) 自動控制是在沒有人直接參與的情況下，通過控制器使被控對象或過程自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。自動控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，不僅大大提高了勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，改善了勞動條件，而且在人類征服大自然、探索新能源、發(fā)展空間技術(shù)與改善人類物質(zhì)生活等方面起著極為重要的作用。機電一體化將自動控制作為重要的支撐技術(shù)，自動控制裝置是它的重要組成部分。伺服驅(qū)動技術(shù) 伺服驅(qū)動技術(shù)主要是指機電一體化產(chǎn)品中的執(zhí)行元件和驅(qū)動裝置設(shè)計中的技術(shù)問題，它涉及設(shè)備執(zhí)行操作的技術(shù)，對所加工產(chǎn)品的質(zhì)量具有直接的影響。機電一體化產(chǎn)品中的執(zhí)行元件有電動、氣動和液壓等類型，其中多采用電動式執(zhí)行元件，驅(qū)動裝置主要是各種電動機的驅(qū)動電源電路，目前多由電力電子器件及集成化的功能電路構(gòu)成。執(zhí)行元件一方面通過接口電路與計算機相聯(lián)，接受控制系統(tǒng)的指令，另一方面通過機械接口與機械傳動和執(zhí)行機構(gòu)相聯(lián)，以實現(xiàn)規(guī)定的動作。因此，伺服驅(qū)動技術(shù)直接影響著機電一體化產(chǎn)品的功能執(zhí)行和操作，對產(chǎn)品的動態(tài)性能、穩(wěn)定性能、操作精度和控制質(zhì)量等具有決定性的影響。接口技術(shù) 機電一體化系統(tǒng)是機械、電子和信息等性能各異的技術(shù)融為一體的綜合系統(tǒng)，其構(gòu)成要素和子系統(tǒng)之間的接口極其重要。從系統(tǒng)外部看，輸入/輸出是系統(tǒng)與人、環(huán)境或其它系統(tǒng)之間的接口；從系統(tǒng)內(nèi)部看，機電一體化系統(tǒng)是通過許多接口將各組成要素的輸入/輸出聯(lián)系成一體的系統(tǒng)。因此，各要素及各子系統(tǒng)之間的接口性能就成為綜合系統(tǒng)性能好壞的決定性因素。機電一體化系統(tǒng)最重要的設(shè)計任務(wù)之一往往就是接口設(shè)計。精密機械技術(shù) 精密機械技術(shù)是機電一體化的基礎(chǔ)，因為機電一體化產(chǎn)品的主功能和構(gòu)造功能大都以機械技術(shù)為主來得以實現(xiàn)。隨著高新技術(shù)引入機械行業(yè)，機械技術(shù)面臨著挑戰(zhàn)和變革。在機電一體化產(chǎn)品中，它不再是單一地完成系統(tǒng)間的連接，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、重量、體積、剛性與耐用性方面對機電一體化系統(tǒng)有著重要的影響。機電一體化產(chǎn)品對機械部分零部件的靜、動態(tài)剛度、熱變形等機械性能有更高的要求。特別是關(guān)鍵零部件，如導(dǎo)軌、滾珠絲杠、軸承、傳動部件等的材料、精度對機電一體化產(chǎn)品的性能、控制精度影響極大。在制造過程的機電一體化系統(tǒng)中，經(jīng)典的機械理論與工藝應(yīng)借助于計算機輔助技術(shù)，同時采用人工智能與專家系統(tǒng)等，形成新一代的機械制造技術(shù)。這里原有的機械技術(shù)以知識和技能的形式存在，是任何其他技術(shù)代替不了的。如計算機輔助工藝規(guī)劃（CAPP）是目前CAD/CAM系統(tǒng)研究的瓶頸，其關(guān)鍵問題在于如何將廣泛存在于各行業(yè)、企業(yè)、技術(shù)人員中的標準、習(xí)慣和經(jīng)驗進行表達和陳述，從而實現(xiàn)計算機的自動工藝設(shè)計與管理。系統(tǒng)總體技術(shù) 系統(tǒng)總體技術(shù)就是從整體目標出發(fā)，用系統(tǒng)的觀點和方法，將機電一體化產(chǎn)品的總體功能分解成若干功能單元，找出能夠完成各個功能的可能技術(shù)方案，再把功能與技術(shù)方案組合成方案組進行分析、評價，綜合優(yōu)選出適宜的功能技術(shù)方案。系統(tǒng)總體技術(shù)是最能體現(xiàn)機電一體化設(shè)計特點的技術(shù)，也是保證其產(chǎn)品工作性能和技術(shù)指標得以實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。在機電一體化產(chǎn)品中，機械、電氣和電子是性能、規(guī)律截然不同的物理模型，因而存在匹配上的困難；電氣、電子又有強電與弱電、模擬與數(shù)字之分，必然遇到相互干擾與耦合的問題；系統(tǒng)的復(fù)雜性帶來的可靠性問題；產(chǎn)品的小型化增加了狀態(tài)監(jiān)測與維修的困難；多功能化造成診斷技術(shù)的多樣性等等。因此就要考慮產(chǎn)品整個壽命周期的總體綜合技術(shù)。為了開發(fā)出具有較強競爭能力的機電一體化產(chǎn)品，系統(tǒng)總體設(shè)計除考慮優(yōu)化設(shè)計外，還包括可靠性設(shè)計、標準化設(shè)計、系列化設(shè)計以及造型設(shè)計。 機電一體化是集機械、電子、光學(xué)、控制、計算機、信息等多學(xué)科的交叉融合，它的發(fā)展和進步依賴并促進相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和進步。因此，機電一體化的主要發(fā)展方向如下：1智能化智能化是21世紀機電一體化技術(shù)發(fā)展的一個重要發(fā)展方向。這里所說的“智能化”是對機器行為的描述，是在控制理論的基礎(chǔ)上，吸收人工智能、運籌學(xué)、計算機科學(xué)、心理學(xué)、生理學(xué)和混沌動力學(xué)等新思想、新方法，模擬人類智能，使它具有判斷推理、邏輯思維、自主決策等能力，以求得到更高的控制目標。2. 模塊化模塊化是一項重要而又艱巨的工程。由于機電一體化產(chǎn)品種類和生產(chǎn)廠家繁多，研制和開發(fā)具有標準機械接口、電氣接口、動力接口、環(huán)境接口的機電一體化產(chǎn)品單元是一項十分復(fù)雜但又是非常重要的事。如研制集減速、智能調(diào)速、電機于一體的動力單元，具有視覺、圖像處理、識別和測距等功能的控制單元，以及各種能完成典型操作的機械裝置。這樣，可利用標準單元迅速開發(fā)出新的產(chǎn)品，同時也可擴大生產(chǎn)規(guī)模。顯然，從電氣產(chǎn)品的標準化、系列化帶來的好處可以肯定，無論是對生產(chǎn)標準機電一體化單元的企業(yè)還是對生產(chǎn)機電一體化產(chǎn)品的企業(yè)，模塊化將給機電一體化企業(yè)帶來更大的收益。3網(wǎng)絡(luò)化20世紀90年代，計算機技術(shù)的突出成就是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。各種網(wǎng)絡(luò)將全球經(jīng)濟、生產(chǎn)連成一片，企業(yè)間的競爭也全球化。機電一體化新產(chǎn)品一旦研制出來,只要其功能獨到，質(zhì)量可靠，很快就會暢銷全球。由于網(wǎng)絡(luò)的普及，基于網(wǎng)絡(luò)的各種遠程控制和監(jiān)視技術(shù)方興未艾，而遠程控制的終端設(shè)備本身就是機電一體化產(chǎn)品?，F(xiàn)場總線和局域網(wǎng)技術(shù)使家用電器網(wǎng)絡(luò)化已成大勢，利用家庭網(wǎng)絡(luò)（Home Net）將各種家用電器連接成以計算機為中心的計算機集成家電系統(tǒng)（Computer Integrated Appliance System，CIAS），使人們在家里充分享受各種高技術(shù)帶來的便利和快樂。因此，機電一體化產(chǎn)品無疑朝著網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。4. 微型化微型化興起于20世紀80年代末，指的是機電一體化向微型機器和微觀領(lǐng)域發(fā)展的趨勢。國外將其稱為微電子機械系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical System, MEMS），或微機電一體化系統(tǒng)，泛指幾何尺寸不超過1cm3的機電一體化產(chǎn)品，并向微米、納米級發(fā)展。微機電一體化產(chǎn)品體積小，耗能少，運動靈活，在生物、醫(yī)療、軍事、信息等方面具有不可比擬的優(yōu)越性。5綠色化工業(yè)的發(fā)達給人們生活帶來了巨大變化。綠色產(chǎn)品在其設(shè)計、制造、使用和銷毀的生命過程中，符合特定的環(huán)境保護和人類健康的要求，對生態(tài)環(huán)境無害或危害極少，資源利用率最高。設(shè)計綠色的機電一體化產(chǎn)品，具有遠大的發(fā)展前途。6人格化未來的機電一體化更加注重產(chǎn)品與人的關(guān)系，機電一體化的人格化有兩層含義。一層是機電一體化產(chǎn)品的最終使用對象是人，如何賦予機電一體化產(chǎn)品人的智能、情感、人性越來越顯得重要，特別是對家用機器人，其高層境界就是人機一體化。另一層是模仿生物機理，研制各種機電一體化產(chǎn)品。隨著機電一體化技術(shù)的快速發(fā)展，機電一體化產(chǎn)品有逐步取代統(tǒng)機電產(chǎn)品的趨勢，這完全取決于機電一體化技術(shù)所存在的優(yōu)越性和潛在的應(yīng)用性能。與傳統(tǒng)的機電產(chǎn)品相比，機電一體化產(chǎn)品具有高的功能和附加價值，它將給開發(fā)生產(chǎn)者和用戶帶來社會經(jīng)濟效益。1生產(chǎn)能力和工作質(zhì)量提高機電一體化產(chǎn)品大都具有信息自動處理和自動控制功能，其控制和檢測的靈敏度、精度以及范圍都有很大程度的提高，通過自動控制系統(tǒng)可精確地保證機械的執(zhí)行機構(gòu)按照設(shè)計的要求完成預(yù)定的動作，使之不受機械操作者主觀因素的影響，從而實現(xiàn)最佳操作，保證最佳的工作質(zhì)量和較高的產(chǎn)品合格率。同時，由于機電一體化產(chǎn)品實現(xiàn)了工作的自動化，使得生產(chǎn)能力大大提高。例如，數(shù)控機床對工件的加工穩(wěn)定性大大提高，生產(chǎn)效率比普通機床提高56倍，柔性制造系統(tǒng)的生產(chǎn)設(shè)備利用率可提高1.53.5倍，機床數(shù)量可減少約50，節(jié)省操作人員數(shù)量約50，縮短生產(chǎn)周期40，使加工成本降低50左右。2. 使用安全性和可靠性提高 機電一體化產(chǎn)品一般都具有自動監(jiān)視、報警、自動診斷、自動保護等功能。在工作過程中，遇到過載、過壓、過流、短路等電力故障時，能自動采取保護措施，避免和減少人身與設(shè)備事故，顯著提高設(shè)備的使用安全性。機電一體化產(chǎn)品由于采用電子元器件，減少了機械產(chǎn)品中的可動構(gòu)件和磨損部件，從而使其具有較高的靈敏度和可靠性，產(chǎn)品的故障率低，壽命得到了延長。3調(diào)整和維護方便，使用性能改善機電一體化產(chǎn)品在安裝調(diào)試時，可通過改變控制程序來實現(xiàn)工作方式的改變，以適應(yīng)不同用戶對象的需要以及現(xiàn)場參數(shù)變化的需要。這些控制程序可通過多種手段輸入到機電一體化產(chǎn)品的控制系統(tǒng)中，而不需要改變產(chǎn)品中的任何部件或零件。4具有復(fù)合功能，適用面廣機電一體化產(chǎn)品跳出了機電產(chǎn)品的單技術(shù)和單功能限制，具有復(fù)合技術(shù)和復(fù)合功能，使產(chǎn)品的功能水平和自動化程度大大提高。機電一體化產(chǎn)品一般具有自動化控制、自動補償、自動校驗、自動調(diào)節(jié)、自動保護和智能化等多種功能，能應(yīng)用于不同的場合和不同領(lǐng)域，滿足用戶需求的應(yīng)變能力較強。例如，電子式空氣斷路器具有保護特性可調(diào)、選擇性脫扣、正常通過電流與脫扣時電流的測量、顯示和故障自動診斷等功能，使其應(yīng)用范圍顯著擴大。5改善勞動條件，有利于自動化生產(chǎn)機電一體化產(chǎn)品自動化程度高，是知識密集型和技術(shù)密集型產(chǎn)品，是將人們從繁重體力勞動中解放出來的重要途徑，可以加速工廠自動化、辦公自動化、農(nóng)業(yè)自動化、交通自動化甚至是家庭自動化，從而可促進我國四個現(xiàn)代化的實現(xiàn)。6節(jié)約能源，減少耗材節(jié)約一次和二次能源是國家的戰(zhàn)略目標，也是用戶十分關(guān)心的問題。機電一體化產(chǎn)品，通過采用低能耗驅(qū)動機構(gòu)，最佳的調(diào)節(jié)控制，以提高設(shè)備的能源利用率，可達到明顯的節(jié)能效果。同時，由于多種學(xué)科的交叉融合，機電一體化系統(tǒng)的許多功能一方面從機械系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到了微電子、計算機等系統(tǒng)，另一方面從硬件系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到了軟件系統(tǒng)，從而使得機電一體化系統(tǒng)朝著輕小型方向發(fā)展，減少了材料消耗。因此，無論是生產(chǎn)部門還是使用單位，機電一體化技術(shù)和產(chǎn)品，都會帶來顯著的社會和經(jīng)濟效益。正因為如此，世界各國，首先是日本、美國、歐洲各國都在大力發(fā)展和推廣機電一體化技術(shù)。傳感器在機電一體化系統(tǒng)的應(yīng)用下面以汽車工業(yè)為例，來分析微電子技術(shù)和微型計算機技術(shù)對汽車及汽車生產(chǎn)系統(tǒng)帶來的巨大影響。一方面是汽車產(chǎn)品的機電一體化革命，另一方面，汽車的生產(chǎn)制造系統(tǒng)也發(fā)生了巨大的變化。微電子技術(shù)和微處理機技術(shù)徹底改變了汽車產(chǎn)品的面貌，“汽車電子化”被稱為汽車技術(shù)的又一次革命性飛躍。機電一體化的現(xiàn)代新型汽車在操作性、可靠性、高速度、安全性、低油耗、減少排氣污染和維修性、舒適性等各方面性能大幅度提高，汽車電子化程度成為汽車產(chǎn)品市場競爭性的極重要因素，汽車電子也逐漸發(fā)展成為一個新興產(chǎn)業(yè)。在現(xiàn)代汽車生產(chǎn)中，多數(shù)應(yīng)用計算機進行經(jīng)營和生產(chǎn)管理，利用CAD進行產(chǎn)品設(shè)計，使用數(shù)控機床和柔性生產(chǎn)線進行零部件加工，使用機器人從事噴漆、焊接、組裝、搬運等工作。汽車車身通常需要進行3 0004 000次點焊，其中90以上的焊點可由工業(yè)機器人完成。意大利菲亞特汽車公司的兩條汽車裝配線，每條線上都分布有50多個機器人，可在平均l min內(nèi)完成一部汽車的焊接工作。數(shù)控自動化生產(chǎn)能夠節(jié)約原材料、動力及其他工廠輔助設(shè)備，降低廢品率，減輕工人的勞動強度，并使勞動生產(chǎn)率提高300倍?，F(xiàn)代機電一體化生產(chǎn)系統(tǒng)使得汽車生產(chǎn)的質(zhì)量和產(chǎn)量迅速大幅度提高，同時整個生產(chǎn)系統(tǒng)可以通過改變程序適應(yīng)不同型號汽車的制造，縮短新產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)周期，盡快適應(yīng)市場需求的變化。傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)機電一體化革命所帶來的優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、柔性增強了企業(yè)的經(jīng)濟競爭能力，引起各個國家和企業(yè)的極大重視。機電一體化新型產(chǎn)品將逐步取代大部分傳統(tǒng)機械產(chǎn)品，傳統(tǒng)的機械裝備和生產(chǎn)管理系統(tǒng)將被大規(guī)模地改造和更新為機電一體化生產(chǎn)系統(tǒng)，機電一體化產(chǎn)業(yè)將占據(jù)主導(dǎo)地位，機械工業(yè)將以機械電子工業(yè)的新面貌得到迅速發(fā)展。傳感器在機電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用近幾年來我國汽車工業(yè)增長迅速，發(fā)展勢頭很猛。因此評論界出現(xiàn)了一些專家的預(yù)測：汽車工業(yè)有可能超過IT產(chǎn)業(yè)，成為中國國民經(jīng)濟最重要的支柱產(chǎn)業(yè)之一。其實，汽車工業(yè)的增長必將包含與汽車產(chǎn)業(yè)相關(guān)的IT 產(chǎn)業(yè)的增長。例如，雖然目前在我國一汽的產(chǎn)品中電子產(chǎn)品和技術(shù)的價值含量只占10%15%左右，但國外汽車中電子產(chǎn)品和技術(shù)的價值含量平均約為22%，中、高檔轎車中汽車電子已占30%以上，而且這個比例還在、不斷地快速增長，預(yù)期很快將達到50%。電子信息技術(shù)已經(jīng)成為新一代汽車發(fā)展方向的主導(dǎo)因素，汽車（機動車）的動力性能、操控性能、安全性能和舒適性能等各個方面的改進和提高，都將依賴于機械系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)和電子產(chǎn)品、信息技術(shù)間的完美結(jié)合。汽車工程界專家指出：電子技術(shù)的發(fā)展已使汽車產(chǎn)品的概念發(fā)生了深刻的變化。這也是最近電子信息產(chǎn)業(yè)界對汽車電子空前關(guān)注的原因之一。但是，必須指出的是，除了一些車內(nèi)音響、視頻裝備，車用通信、導(dǎo)航系統(tǒng)，以及車載辦公系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等車內(nèi)電子設(shè)備的本質(zhì)改變較少外，現(xiàn)代汽車電子從所應(yīng)用的電子元器件（包括傳感器、執(zhí)行器、微電路等）到車內(nèi)電子系統(tǒng)的架構(gòu)均已進入了一個有本質(zhì)性提高的新階段。其中最有代表性的核心器件之一就是智能傳感器（智能執(zhí)行器、智能變送器）。實際上，汽車電子已經(jīng)經(jīng)歷了幾個發(fā)展階段：從分立電子元器件搭建的電路監(jiān)測控制，經(jīng)過了電子元器件或組件加微處理器構(gòu)筑的各自獨立的、專用的、半自動和自動的操控系統(tǒng)，現(xiàn)在已經(jīng)進入了采用高速總線（目前至少有5種以上總線已開發(fā)使用），統(tǒng)一交換汽車運行中的各種電子裝備和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)綜合、智能調(diào)控的新階段。新的汽車電子系統(tǒng)由各個電子控制單元（ECU）組成，可以獨立操控，同時又能協(xié)調(diào)到整體運行的最佳狀態(tài)。例如為使發(fā)動機處于最佳工作狀態(tài)，就需要從吸入汽缸的空氣流量、進氣壓力的測定開始，再根據(jù)水溫、空氣溫度等工作環(huán)境參數(shù)計算出基本噴油量，同時還要通過節(jié)氣門位置傳感器檢測節(jié)氣門的開度，確定發(fā)動機的工況，進而控制，調(diào)整最佳噴油量，最后還需要通過曲軸的角速度傳感器監(jiān)測曲軸轉(zhuǎn)角和發(fā)動機轉(zhuǎn)速，最終計算出并發(fā)出最佳點火時機的指令。這個發(fā)動機燃油噴射系統(tǒng)和點火綜合控制系統(tǒng)還可以與廢氣排放的監(jiān)控系統(tǒng)和起動系統(tǒng)等組合，構(gòu)筑成可使汽車發(fā)動機功率和扭矩最大化，而同時燃油消耗和廢氣排放最低化的智能系統(tǒng)。還可以舉一個安全駕駛方面的例子，出于平穩(wěn)、安全駕駛的需要，僅只針對四個輪子的操控上，除了應(yīng)用大量壓力傳感器并普遍安裝了剎車防抱死裝置（ABS）外，許多轎車，包括國產(chǎn)車，已增設(shè)了電子動力分配系統(tǒng)（EBD），ABS+EBD可以最大限度的保障雨雪天氣駕駛時的穩(wěn)定性?，F(xiàn)在，國內(nèi)外的一些汽車進一步加裝了緊急剎車輔助系統(tǒng)（EBA），該系統(tǒng)在發(fā)生緊急情況時，自動檢測駕駛者踩制動踏板時的速度和力度，并判斷緊急制動的力度是否足夠，如果需要，就會自動增大制動力。EBA 的自控動作必須在極短時間（例如百萬分之一秒級）內(nèi)完成。這個系統(tǒng)能使200km/h高速行駛車輛的制動滑行距離縮短極其寶貴的20多米。針對車輪的還有分別監(jiān)測各個車輪相對于車速的轉(zhuǎn)速，進而為每個車輪平衡分配動力，保證在惡劣路面條件下各輪間具有良好的均衡抓地能力的“電子牽引力控制”（ETC）系統(tǒng)等。有上述例子可以看出汽車發(fā)展對汽車電子的一些基本要求：1電子操控系統(tǒng)的動作必須快速、正確、可靠。傳感器（+調(diào)理電路）+微處理器，然后再通過微處理器（+功率放大電路）+執(zhí)行器的技術(shù)途徑已經(jīng)不再能滿足現(xiàn)代汽車的要求，需要通過硬件集成、直接交換數(shù)據(jù)和簡化電路，并提高智能化程度來確?？刂茊卧獎幼鞯恼_性、可靠性和適時性。 2現(xiàn)在幾乎所有的汽車的機械結(jié)構(gòu)部件都已受電子裝置控制，但汽車車體內(nèi)的空間有限，構(gòu)件系統(tǒng)的空間更是極其有限。理想的情況當(dāng)然是，電子控制單元應(yīng)與受控制 部件緊密結(jié)合，形成一個整體。因此器件和電路的微型化、集成化是不可回避的道路。3電子控制單元必須具有足夠的智能化程度。以安全氣囊為例，它在關(guān)鍵時刻必須要能及時、正確地瞬時打開，但在極大多數(shù)時間內(nèi)氣囊是處在待命狀態(tài)，因此安全氣囊的ECU 必須具有自檢、自維護能力，不斷確認氣囊系統(tǒng)的可正常運作的可靠性，確保動作的“萬無一失”。4汽車的各種功能部件都有各自的運動、操控特性，并且，對電子產(chǎn)品而言，大多處于非常惡劣的運行環(huán)境中，而且各不相同。諸如工作狀態(tài)時的高溫，靜止待命時的低溫，高濃度的油蒸汽和活性（毒性）氣體，以及高速運動和高強度的沖擊和振動等。因此，電子元器件和電路必須要有高穩(wěn)定、抗環(huán)境和自適應(yīng)、自補償調(diào)整的能力。5與上述要求同樣重要，甚至有時是關(guān)鍵性的條件是，汽車電子控制單元用的電子元器件、模塊必須要能大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，并能將成本降低到可接受的程度。一些微傳感器和智能傳感器就是這方面的典范。例如智能加速度傳感器，它不僅能較好地滿足現(xiàn)代汽車的各項需要，而且因為可以在集成電路標準硅工藝線上批量生產(chǎn)，生產(chǎn)成本較低（幾美元至十幾或幾十美元），所以在汽車工業(yè)中找到了自己最大的應(yīng)用市場，反過來也有力地促進了汽車工業(yè)的電子信息化。傳感器通常有三大類器件分別為：將非電學(xué)輸入?yún)⒘哭D(zhuǎn)換成電磁學(xué)信號輸出的傳感器；將電學(xué)信號轉(zhuǎn)換成非電學(xué)參量輸出的執(zhí)行器以及既能用作傳感器又能用作執(zhí)行器，其中較多的是將一種電磁學(xué)參量形式轉(zhuǎn)變成另一種電磁學(xué)參量形態(tài)輸出的變送器。智能傳感器（Smart Sensor）、智能執(zhí)行器和智能變送器微傳感器（或微執(zhí)行器，或微變送器）和它的部分或全部處理器件、處理電路集成在一個芯片上的器件（例如上述的微加速度計的單芯片解決方案）。因此智能傳感器具有一定的仿生能力，如模糊邏輯運算、主動鑒別環(huán)境，自動調(diào)整和補償適應(yīng)環(huán)境的能力，自診斷、自維護等。顯然，出于規(guī)模生產(chǎn)和降低生產(chǎn)成本的要求，智能傳感器的設(shè)計思想、材料選擇和生產(chǎn)工藝必須要盡可能地和集成電路的標準硅平面工藝一致?？梢栽谡９に嚵鞒痰耐镀?，或流程中，或工藝完成后增加一些特殊需要的工序，但也不應(yīng)太多。一種智能硅壓力傳感器的布局示意圖在一個封裝中，把一只微機械壓力傳感器與模擬用戶接口、8位模-數(shù)轉(zhuǎn)換器（SAR）、微處理器（摩托羅拉69HC08）、存儲器和串行接口 （SPI）等集成在一個芯片上。其前端的硅壓力傳感器是采用體硅微細加工技術(shù)制作的。制備硅壓力傳感器的工序既可安排在集成 CMOS 電路工藝流程之前，亦可在后。這種智能壓力傳感器的技術(shù)和市場都已成熟，已廣泛用于汽車（機動車）所需的各式各樣的壓力測量和控制單元中，諸如各種氣壓計、噴嘴前集流腔壓力、廢氣排氣管、燃油、輪胎、液壓傳動裝置等。智能壓力傳感器的應(yīng)用很廣，不局限于汽車工業(yè)。目前，生產(chǎn)智能壓力傳感器的廠商已不少，市售商品的品種也很多，已經(jīng)出現(xiàn)激烈的競爭。結(jié)果是智能壓力傳感器體積越來越小，隨之控制單元所需的外圍接插件和分立元件越來越少，但功能和性能卻越來越強，而且生產(chǎn)成本降低很快。最貼近生活的智能傳感器可能要算是用于攝像頭、數(shù)碼相機、攝像機、手機攝像中的CCD圖像傳感器了。這是一種非智能型傳感器莫屬的情況，因為CCD 陣列中每個硅單元由光轉(zhuǎn)換成的電信號極弱，必須直接和及時移位寄存、并處理轉(zhuǎn)換成標準的圖像格式信號。還有更復(fù)雜一些的，在中、高檔長焦距（IOX）光學(xué)放大數(shù)碼相機和攝像機上裝備的電子和光學(xué)防抖系統(tǒng)，特別是高端產(chǎn)品中的真正光學(xué)防抖系統(tǒng)。它的核心是雙軸向或3軸向的微加速度計或微陀螺儀，通過它監(jiān)測機身的抖動，并換算成鏡頭的各軸向位移量，進而驅(qū)動鏡頭中可變角度透鏡的移動，使光學(xué)系統(tǒng)的折射光路保持穩(wěn)定。隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，相信在不久的將來傳感器在機電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用比現(xiàn)在還要廣泛，當(dāng)然其功能還要跟強大。機電一體化系統(tǒng)中如何選擇傳感器傳感器的基本要求：體積小、重量輕、適應(yīng)型好精度和靈敏性高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、信噪比高安全可靠、壽命長便于與計算機對接不易受被檢測對象和外部環(huán)境的影響環(huán)境適應(yīng)能力強現(xiàn)場安裝處理簡單操作方便，價格表便宜?，F(xiàn)代傳感器在原理與結(jié)構(gòu)上千差萬別，在選擇傳感器之前，應(yīng)對其使用環(huán)境進行調(diào)查，并根據(jù)具體的使用環(huán)境選擇合適的傳感器，或采取適當(dāng)?shù)拇胧?，減小環(huán)境的影響。傳感器的穩(wěn)定性有定量指標，在超過使用期后，在使用前應(yīng)重新進行標定，以確定傳感器的性能是否發(fā)生變化。1、根據(jù)測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型 要進行個具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因為，即使是測量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測量的特點和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：量程的大小；被測位置對傳感器體積的要求；測量方式為接觸式還是非接觸式；信號的引出方法，有線或是非接觸測量；傳感器的來源，國產(chǎn)還是進口，價格能否承受，還是自行研制。在考慮上述問題之后就能確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標。 2、靈敏度的選擇 通常，在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。因為只有靈敏度高時，與被測量變化對應(yīng)的輸出信號的值才比較大，有利于信號處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測量無關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會被放大系統(tǒng)放大，影響測量精度。因此，要求傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比，盡量減少從外界引入的于擾信號。傳感器的靈敏度是有方向性的。當(dāng)被測量是單向量，而且對其方向性要求較高，則應(yīng)選擇其它方向靈敏度小的傳感器；如果被測量是多維向量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。 3、響應(yīng)特性 （反應(yīng)時間） 傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測量條件，實際上傳感器的響應(yīng)總有定延遲，希望延遲時間越短越好。傳感器的頻率響應(yīng)高，可測的信號頻率范圍就寬，而由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，機械系統(tǒng)的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測信號的頻率較低。在動態(tài)測量中，應(yīng)根據(jù)信號的特點(穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機等)響應(yīng)特性，以免產(chǎn)生過火的誤差。4、線性范圍 傳感器的線形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理論上講，在此范圍內(nèi)，靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測量精度。在選擇傳感器時，當(dāng)傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。但實際上，任何傳感器都不能保證絕對的線性，其線性度也是相對的。當(dāng)所要求測量精度比較低時，在一定的范圍內(nèi)，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性的，這會給測量帶來極大的方便。 5、穩(wěn)定性 傳感器使用一段時間后，其性能保持不變化的能力稱為穩(wěn)定性。影響傳感器長期穩(wěn)定性的因素除傳感器本身結(jié)構(gòu)外，主要是傳感器的使用環(huán)境。因此，要使傳感器具有良好的穩(wěn)定性，傳感器必須要有較強的環(huán)境適應(yīng)能力。 6、精度 精度是傳感器的一個重要的性能指標，它是關(guān)系到整個測量系統(tǒng)測量精度的一個重要環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高，其價格越昂貴，因此，傳感器的精度只要滿足整個測量系統(tǒng)的精度要求就可以，不必選得過高。這樣就可以在滿足同一測量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡單的傳感器。如果測量目的是定性分析的，選用重復(fù)精度高的傳感器即可，不宜選用絕對量值精度高的；如果是為了定量分析，必須獲得精確的測量值，就需選用精度等級能滿足要求的傳感器。 在某些要求傳感器能長期使用而又不能輕易更換或標定的場合，所選用的傳感器穩(wěn)定性要求更嚴格，要能夠經(jīng)受住長時間的考驗。機電一體化系統(tǒng)中常用傳感器的發(fā)展縱觀幾十年來的傳感技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，不外乎分為兩個方面：一是提高與改善傳感器的技術(shù)性能，二是尋找新原理、新材料、新工藝及新功能等。近年傳感器的發(fā)展動向是開發(fā)新型傳感器。新型傳感器，大致應(yīng)包括：采用新原理；填補傳感器空白；仿生傳感器等諸方面。它們之間是互相聯(lián)系的。傳感器的工作機理是基于各種效應(yīng)和定律，由此啟發(fā)人們進一步探索具有新效應(yīng)的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型傳感器件，這是發(fā)展高性能、多功能、低成本和小型化傳感器的重要途徑。結(jié)構(gòu)型傳感器發(fā)展得較早，目前日趨成熟。結(jié)構(gòu)型傳感器，一般說它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積偏大，價格偏高。物性型傳感器大致與之相反，具有不少誘人的優(yōu)點，加之過去發(fā)展也不夠。世界各國都在物性型傳感器方面