【正文】 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域發(fā)展的趨勢。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。綠色產(chǎn)品在其設計、 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。 6．人格化 未來的機電一體化更加注重產(chǎn)品與人的關系，機電一體化的人格化有兩層含義。另一層是模仿生物機理，研制各種機電一體化產(chǎn)品。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。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。 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。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。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， 26 而不需要改變產(chǎn)品中的任何部件或零件。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，能應用于不同的場合和不同領域，滿足用戶需求的應變能力較強。 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)。機電一體化產(chǎn)品，通過采用低能耗驅動機構，最佳的調(diào)節(jié)控制，以提高設備的能源利用率，可達到明顯的節(jié)能效果。 因此，無論是生產(chǎn)部門還是使用單位，機電一體化技術和產(chǎn)品， 27 都會帶來顯著的社會和經(jīng)濟效益。 傳感器在機電一體化系統(tǒng)的應用 下面以汽車工業(yè)為例，來分析微電子技術和微型計算機技術對汽車及汽車生產(chǎn)系統(tǒng)帶來的巨大影響。 微電子技術和微處理機技術徹底改變了汽車產(chǎn)品的面貌，“汽車電子化”被稱為汽車技術的又一次革命性飛躍。 在現(xiàn)代汽車生產(chǎn)中，多數(shù)應用計算機進行經(jīng)營和生產(chǎn)管理，利用CAD 進行產(chǎn)品設計，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。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?，F(xiàn)代機電一體化生產(chǎn)系統(tǒng)使 得汽車生產(chǎn)的質量和產(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不同型號汽車的制造，縮短新產(chǎn)品設計生產(chǎn)周 28 期，盡快適應市場需求的變化。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。因此評論界出現(xiàn)了一些專家的預測：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。例如，雖然目前在我國一汽的產(chǎn)品中電子產(chǎn)品和技術的價值含量只占 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，預期很快將達到 50%。汽車工程界專家指出：電子技術的發(fā)展已使汽車產(chǎn)品的概念發(fā)生了深刻的變化。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、導航系統(tǒng)，以及車載辦公系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)等車內(nèi)電子設備的本質改變 29 較少外，現(xiàn)代汽車電子從所應用的電子元器件（包括 傳感器 、執(zhí)行器、微電路等）到車內(nèi)電子系統(tǒng)的架構均已進入了一個有本質性提高的 新階段。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。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)測曲軸轉角和發(fā)動機轉速，最終計算出并發(fā)出最佳點火時機的指令。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。 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 。針對車輪的還有分別監(jiān)測各個車輪相對于車速的轉速，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。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。理想的情況當然是，電子控制單元應與受控制 部件緊密結合，形成一個整體。 3 電子控制單元必須具有足夠的智能化程度。 31 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。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、自補償調(diào)整的能力 。一些微傳感器和智能傳感器就是這方面的典范。傳感器通常有三大類器件分別為： ① 將非電學輸入?yún)⒘哭D換成電磁學信號輸出的傳感器 ； ② 將電學信號轉換成非電學參量輸出的執(zhí)行器 ③ 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 種電磁學參量形式轉變成另一種電磁學參量形態(tài)輸出的變送器 。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)整和補償適應環(huán)境的能力，自診斷、自維護等。可以在正常工藝流程 的投片前，或流程中，或工藝完成后增加一些特殊需要的工序，但也不應太多。其前端的硅壓力傳感器是采用體硅微細加工技術制作的。這種智能壓力傳感器的技術和市場都已成熟，已廣泛用于汽車（機動車）所需的各式各樣的壓力測 33 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。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。 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。還有更復雜一些的，在中、高檔長焦距（ IOX）光學放大數(shù)碼相機和攝像機上裝備的電子和光學防抖系統(tǒng)，特別是高端產(chǎn)品中的真正光學防抖系統(tǒng)。 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)中的應用比現(xiàn)在還要廣泛，當然其功能還要跟強大。 現(xiàn)代傳感器在原理與結構上千差萬別 ， 在選擇傳感器之前，應對其使用環(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?shù)拇胧?，減小環(huán)境的影響。 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。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。因為只有靈敏度高時，與被測量變化對應的輸出信號的值才比較大，有利于信號處理。因此，要求傳感器本身應具有較高的信噪比，盡量減少從外界引入的于擾信號。當被測量是單向量，而且對其方向性要求較高，則應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。傳感器的頻率響應高，可測的信號頻率范圍就寬，而由于受到結構特性的影響，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。 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。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。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。 36 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。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) 境適應能力。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。如果測量目的是定性分析的，選用重復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。 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領域的發(fā)展，不外乎分為兩個方面：一是提高與改善傳感器的技術性能，二是尋找新原理、新材料、新工藝及新功能等。 新型傳感器，大致應包括： ① 采用新原理； ② 填補傳感器空白； ③ 仿生傳感器等諸方面。傳感器的工作機理是基于各種效應和定 37 律，由此啟發(fā)人們進一步探索具有新效應的敏感功能材料，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。結構型傳感器，一般說它的結構復雜，體積偏大，價格偏高。世界各國都在物性型傳感器方面投入大量人力、物力加強研究，從而使它成為一個值得注意的發(fā)展動向。例如：利用核磁共振吸收效應的磁敏傳感器，可將靈敏閾提高到地磁強度的；利用約瑟夫遜效應的熱噪聲溫度傳感器，可測的超低溫；利用光子滯后效應，做出 了響應速度極快的紅外傳感器等。 大自然是生物傳感器的優(yōu)秀設計師和工藝師。例如狗的嗅覺（靈敏閾為人的）、鳥的視覺（視力為人的倍），蝙蝠飛蛾海豚的聽覺（主動型生物雷達 — 超聲波傳感器）等等。研究它們的機理，開發(fā)仿生傳感器，也是引人注目的方向