机械电子工程定义范文

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传统的机械工程包括机械设备动力与制造工艺的研究，通过运用机械运动原理实现机械设备的正常运行。而机械电子工程重视实现传统机械系统能量的连接，信息连接是信息连接的重点。随着机械工程与电子工程的融合度越来越高，机械电子工程的智能化会成为未来的发展趋势。

1 机械电子工程概述

1.1 机械电子工程的定义

机械电子工程与其他相关学科之间有着紧密的联系，结合了各学科的优点，是一门比较复杂的综合性学科。机械电子工程以电子、机械、计算机技术为核心，通过科学合理的设计将各个模块优点发挥到最大。虽然机械电子技术需要运用各方面知识，但是机械电子产品的内部结构并不复杂，只需要将一些简单的机械电子元件按照规划进行科学的组合，就可以最大限度的提高产品的性能，减少成本的投入，在提高产品质量的同时提高企业的经济效益。

1.2 机械电子工程的发展

在机械电子工程发展的初期，人们并没有认识到机械电子工程的广阔的发展前景，由于缺乏必要的资源支持，机械电子工程的技术水平也极低，机械电子产品主要以手工制作为主，其工业化水平十分低下，机械电子工程的发展受到了极大的限制。随着机械电子工程的重要性日益凸显和其市场需求的扩大，人们开始重视对机械电子工程技术的开发，为了进一步提高其生产效率，机械电子工程逐渐实现在机械工业中的应用，并获得了飞速的发展。随着机械电子工程与机械工业的结合，实现了机械电子产品的流水线的生产，促进了生产水平的提高，提高了生产效率，可以实现机械电子产品可以在短时间内投入市场。但是目前我国主要引进国外的标准生产线，产品的生产模式与我国实际的生产需求差距很多，生产线本身的灵活性极弱，生产出的产品并不能够满足国内市场的需求。为了促进机械电子工程的进一步发展，需要结合我国国内市场的实际需求，将机械电子工程与人工智能相结合，充分发挥机械电子工程的优点，逐步实现其产业化与智能化。

2 人工智能概述

2.1 人工智能的学科定义

人工智能通过计算机的使用极大的延伸了自身的智能，主要通过对计算机功能的深入研究得到的一门学科，这门学科具有极大的发展前景，是21世纪的最重要的学科之一。计算机技术的发展是人工智能学科得以发展的关键，因此计算机技术是人工智能学科的基础。但是人工智能学科并不是单一涉及到一门学科，此外还与信息论、心理学、控制论等多个学科存在着交叉关系，因此，人工智能学科吸收了其他各个学科的优点，具有极强的发展潜力。

2.2 人工智能的发展阶段

2.2.1 萌芽阶段

随着世界第一台计算器的诞生标志着人工智能研究之路的开始，但是这个阶段的发展十分缓慢，但是这个阶段为人工智能的研究积累了大量的经验。直到世界第一台计算机诞生之后，加快了人工智能研究的角度，依旧没有取得实质性进展。所以这个阶段属于经验积累阶段，为之后发展奠定基础。

2.2.2 第一个发展阶段

1956年“人工智能”命题的提出标志着人工智能的发展进入了第一个高峰期。这个阶段主要是博弈、和基本原理的证明，这个阶段最大的贡献大大解放了人们的思想，为之后的发展提供了理论支持。

2.2.3 第二个发展阶段

人工智能第二个发展阶段的标志是1977年全球第五届人工智能会议的召开，经过这个会议逐渐促使了人工智能与实际生产的结合，使人工智能获得了一个巨大的飞跃，使其进入了知识层面的发展。

3 机械电子工程与人工智能的关系

随着社会信息化的进一步推进，为机械电子工程技术的发展带来了契机，人工智能的加入为了机械电子工程的发展开拓了巨大的发展空间。传统的机械电子系统，缺乏必要的稳定性，面对逐渐增多的信息量，单纯通过人工的方式进行处理显得力不从心，急需要一种可以处理多种不同类别信息的技术。在这种情况下人工智能的加入为机械电子工程的发展提供了巨大支持。人工智能通过建立相关模型、控制模型，实现对信息的处理，最终根据处理的信息能够很好的完成故障的诊断。除此之外人工智能使用模糊推力系统和神经网络系统这两种方法实现了对系统的数据信息进行全面的描述，最终实现对机械电子系统的科学合理的控制。

在人工智能漫长的发展过程中，每个阶段的发展都十分缓慢，并没有实现人工智能的实质性的变革。但是随着人工智能与机械电子工程逐渐结合之后，形成了由量变到质变的巨大飞跃，使世界进入了机械电子工程时代。随着人工智能在机械电子工程领域的广泛应用，人工智能逐渐形成了神经网络系统和模糊逻辑系统，通过这两个系统对人类的思维模式进行模拟来解决多变的工程应用问题。人工智能在机械电子工程中的广泛应用过程中逐步完善了自身的缺陷，为自身的发展提供了一个新的发展路径。

从以上可以看出发展过程机械电子工程与人工智能二者具有密不可分的联系。一方面在机械电子工程的发展过程中正是由于人工智能的加入是机械电子工程的发展带来新的契机。另一方面，人工智能通过在机械工程领域的应用，为自身的发展提供了一个新的路径。

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关键词：机械电子工程；传感器和转换器；测量系统

1 机械电子工程的概念

机械电子工程是20世纪70年代由日本提出的用于描述机械工程和电子工程一体化的一个技术术语。这个词的英文名字是取C械学的前半部分和电子学的后半部分组合而成的。

在工业发达国家，人们已经意识到，未来的工业系统，尤其是先进的机电系统的设计，制造和运行，将属于那些懂得怎么样去优化机械和电子系统之间联系的人，在这些系统中，信息将起着至关重要的作用；人工智能、专家系统、智能机器人将构成未来机械电子系统的驱动、监测、控制、和诊断的主导技术。

机械电子工程的本质是：机械与电子技术的规划应用和有效的结合，以构成一个最优的产品或系统。在激烈竞争的环境中，只有将电子学和机械工程有效的结合在一起生产出来的产品才更具有竞争力。

2 机械电子工程的应用

在制造业的广大领域中，采用机械电子方法设计的优点是：制造系统的结构易于改变，且产品的质量可以顺利的上升档次。日本人认为产品革新的未来属于那些能将电子系统和机械系统有机结合在一起的人，并已经在这些方面取得了卓有成效。日本的公司充分考虑市场需求，将机械电子方法用于高速纺织机械、计量和监测系统以及诸如集成电路自动检测等具有特殊用途的机械的设计中，并开创了新的局面。机械电子工程在产品中的应用从目前情况来看，有以下两类产品：1将现有产品进行机械电子改造以提高其性能；2用机械电子方法设计开发全新的产品。

3 机械电子工程的设计

在工程设计中，机械电子方法能将系统的大量材料和信息集中起来，使系统具有更高的性能、更强的灵活性。因此，要做到万无一失，机械电子工程的设计必须包括初步设计和具体设计两个阶段。用机械电子方法进行工程设计的核心是将电子技术和计算机技术与机械系统有机的结合在一起。对现有产品或系统，也常用机械电子方法来改善其性能。工程设计的机械电子方法与系统结构的配置有关，在这种方法中，可以实现各种技术的集成，并对其进行评估。为达到这个目的，通常采用一种基于信息的自顶向下策略，就可以将系统分解成一些模块。例如：环境模块、装配模块、测量模块、通讯模块、处理器模块、软件模块、执行模块、界面模块等。从初级阶段的概念来说，在每一阶段都定义其下一级的模块子集，最终，整个系统中的每个部件的设计，都可以从该部件与其他部件的相关处着手。

4 测量系统

测量系统的任务是获取机械电子系统中需要的各种状态信息，并根据这些信息来控制系统的运行。将传感器配合某些特定功能的电路，可以构成一个测量系统。在测量系统中，由于测量的范围不同，并且测量系统的任一环节都可能存在内部的噪音或者外界的干扰，使测量系统的性能受到影响，因此也需要一些指标来表示测量系统的性能如：精度、稳定性、输入输出特性等等。对于测量系统的设计来说，机械电子系统中的测量系统大多是自动测量系统，他爸检测、数据处理、故障诊断和报警、校验等技术结合在一起。往往是多个敏感器件、多路信号有机的构成一个测量系统，而不是若干台仪器仪表的简单合并。简单系统往往采用直接连接。通用总线系统主要用于计算机和各种常规外部设备及I/O部件，构成通用计算机系统。测量系统的设计是为了保证能够得到所需要的信息，因此测量系统是设计中的一个重要环节。

5 传感器和转换器

在很多测量系统中，传感器和转换器都是用来提供系统状态信息的。传感器是在测量系统中，对所测物理参数发生响应的器件。转换器是能吧信息和能量从系统某一部分传送到系统另一部分的器件。在传送过程中的同时，能量形式也可能发生变化。在使用时通常不作区分。其分类可按功能分为：位移、速度、加速度、几何量、质量、力、等等。根据性能分：可以用精度、稳定性、线性度、灵敏度、量程等静态性能和响应特性的动态指标来评估。根据输出信号分：模拟量输出、数字量输出、频率输出、代码输出等等。在选用传感器或转换器时，用什么样的输出信号形式并不重要，因为用模/数转换器和数模转换器都可以获得多需形式。重要的是测量元件的功能和系统的总体性能指标必须满足需求。

6 微处理器

控制和信息处理是机械电子系统两种主要功能，期通常是由微处理器系统实现的。去其他控制和处理方式相比，微处理器有许多优势，其中最重要的是如下机电：1可存储、可编程控制2数字处理3工作速度4设计的灵活性5集成化6费用低。对于嵌入式微机系统的设计方法有：1基于模板的设计2基于模块的设计3基于芯片的设计。

参考文献

[1]蔡自兴，智能控制基础与应用，国防工业出版社，1998

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1机械电子工程简介

1.1机械电子工程定义

机械电子工程是由以下几个方面组成的，它们分别是机械工程、电子工程、信息工程等。近些年来，我国信息技术发展速度较快，机械电子工程也随之不断发生改变。它主要经历了以下几个阶段：第一，针对萌芽初期，这个时期主要是手工加工为主，并且它是这个阶段的主要生产力，但是对于这个时期来说，生产力相对低下，人力资源匮乏，这对于机械电子工程来说是非常不利的，而且在一定程度上抑制了其长远发展；第二，机械电子工程生产标准发生改变，主要以流水线为主，不断提高生产力，进而促进了生产数量以及次数的不断增多。但是仍然有一些问题出现，比如工件生产的严要求导致生产技术与设备不能满足生产所需，进而无法适应市场的长远发展；第三，这个阶段机械电子工程发展速度较快，究其原因在于电子技术的快速发展，并且其与机械工程在某种程度上实现了完美融合。现代社会发展速度不断加快，而随之加快了人类生活水平的提高速度，机械电子产业也在寻求变革，其需要更好的生产方式，不仅要具有较强的灵活性，而且还应具备极强的适应性。除此之外，机械电子产业还需要缩短生产周期，并且不断提高产品质量。在这个阶段的机械电子工程生产呈现出了新的特点，即柔性制造系统，并结合以下几种元素，即生产加工、物理、信息流等等，不仅能够使产品生产摆脱人工化，逐步形成自动化操作，而且还可以使信息实现自动化。

1.2机械电子产品特点

针对电子工程，它可以看成是由以下两种因素共同构成的一个分支，分别是机械工程和自动化，它涵盖了多方面的技术总和，比如机械设计制造技术、计算机硬件技术，除此之外还包含其它学科知识的精华。所以这项研究产业相对来说存在一定的发展难度，并且综合性极强。对于机械电子工程而言，它的发展始终没有离开机械工程，基本上是以该工程知识为主，然后以计算机技术为辅，以电子工程为主要内容，这在某种程度上是一种技术的进步，不仅在结构上有所体现，还体现在系统配置上，相较于传统机械工程而言，它具有一定的优势。机械电子产品结构形式发生了巨大的改变，主要体现在结构越来越简单，相对于以往笨重型机械可谓是一种极大的进步，不仅如此还大大提高了产品性能。

2人工智能在机械电子工程中的应用

社会的发展进步在一定程度上推动了信息技术范围的不断扩大，并在某种程度上促使信息传递方式实现不断更新，促进我国信息时代的到来。人工智能技术就是信息技术快速发展的产物，它在机械电子工程领域的应用取得了良好的效果，为其实现智能化与自动化发挥了重要作用，这种智能技术不仅能够及时处理信息，还能够将信息传递出去，有利于机械电子工程的长远发展。但是由于机械电子工程自身的一些特点，如综合性较强、复杂多变，还有不稳定性，这在一定程度上阻碍了其快速发展，其中主要表现在机械电子系统上，在描述输入或是输出过程中，电子系统显现出诸多困难。而在描述过程中运用的方法主要有以下几种：它们分别是建设规则库、推导数学方式等方法，针对上述几种方法而言，它只适合简单电子系统，一旦涉及较为复杂的系统，必须通过操作完成。针对电子系统而言，借助人工智能方法整合的方法有两种：其一是神经网络系统，其二是模糊推理系统。

2.1神经网络系统

针对人工智能来说，它是计算机技术发展的产物，也可以说是一个分支，它研究的主要内容相对来说很好理解，即借助计算机技术模拟人，不仅模拟人的思维过程，而且还模拟人的行为，它属于一门学科，并能够促进计算机发挥更好的功能，实现高层次应用。神经网络听起来较难理解，它主要是通过一定的渠道，即神经元，建立一种特殊模式即兴奋模式，将其并分布在网络之上，并且可以实现互动。人工神经系统是一种特殊的系统形式，并且其自身具有一定的特点，比如信息存储方式主要以分布式为主，而且能够实现并行协调处理。人工神经系统虽然结构相对简单，功能有限，但是该系统还具有一些其它方面的优势，比如针对其构成来说具有一定的特点，即神经元的构成能够促进该系统发挥最大的功能性作用，能够实现相对丰富的行为。神经网络系统在某种程度上已经形成较为逼真的效果，它通过模拟结构的方式，进一步分析数字信号，然后根据分析结果给出参与值，最后借助网络形式得出关联函数。对于神经网络系统来说，它运用的方式相对简单，即点到点映射，在输入过程中，针对所有神经元来说，它们之间的联系都是固定的，并且计算量都很大，无论是在信息输入方面，还有信息输出方面，都具有极高的精准度。

2.2模糊推理系统

模糊推理系统是另外一个相对完整的系统，它将模糊集合论作为基本理论指导，而它的设计工具也很简单，即模糊理念，而它的信息处理能力也很强大，主要针对模糊信息进行。就现状而言，该系统已经得到了广泛运用，它不仅在自动化控制方面发挥了极佳的作用，而且在数据处理方面的能力也不容小觑，并取得了较为明显的成果。机械电子系统在运用时，模糊推理系统借助一定的元素，即模拟人脑功能，进而分析语言信号，然后根据网络结构的相关作用产生一组连续函数，这点相较于神经网络系统具有异曲同工之妙。对于模糊推理系统而言，它的物理意义非常明确，其运用方式与神经网络系统不同，即域到域方式，进而对信息实现规则储备。但是该系统在运用过程中具有一定缺陷，比如计算量小、连接较为不固定，进一步导致该系统在输入以及输出过程中精准度受到一定的影响，相较于神经网络系统，这种系统精准度很低。

3结语

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计算机仿真技术中Matlab是一款强大的可视化软件，是MathWorks公司在2009年推出的一套高效率的数值分析软件。它的超强数值分析能力，在工程机械电子电工的模型建设和机械化改造中起到了很好的作用。目标实验在基于Matlab的工程机械电子电工仿真方案中，在矩阵的单位模块下，形成电工的模型结构，对于信号上的链接更加直观，使得数据可以通过数学函数的计算形成具体的图像和音频文件，直接显示在电脑屏幕上，对于一些动态的影像还可以实时扑捉，在图像帧数上也有了很大的提高，可以很清晰地控制工程机械开挖中，现场的施工情况，以备监控的技术人员对工作的整个流程有直观的了解，并且在第一时间做出可行性判断。使用Matlab技术后，其模拟仿真功能可以直接使用在机械设备上，生产方式改良，生产效率提升。基于Matlab的工程机械电子电工仿真实验方案主要是从机械设备使用中降低原材料的消耗和减少对机械自身磨损两个方面入手，通过利用最为合理有效的生产模式将机械的运转情况发挥到最佳状态，利用机械设备中的高强度和稳定性来对生产产品质量进行保证。在基于Matlab的计算机分析程序中，利用计算机高度智能化的相关特点，对生产方式进行逐步优化，通过智能识别系统在自动管理方式上加以改良，不仅凸显了在材料处理中的优势特性，还能达到设计的准确性。拿机床电子加工为例，在利用识别系统进行优化后，机床打磨出的产品原件具有更强的耐磨性，同时设计生产出的样品有更高的使用精度，具有很强的市场竞争能力。接下来就仿真的方法进行简单的叙述。

（1）非线性的仿真实验法非线性关系的模拟仿真是在数据存储的方式上的优化，使得算法出现了差异。计算方式的改变得到的数据可以在实验中加以利用，通常情况下，计算机得出数据存在两种主要的计算类型：在目标函数中利用高斯公式进行计算，得到的函数再进行乘法运算，最终得到的数据与实测数据进行加权求平均，得到的最终数据用在数据参数中，定义为机械适用的函数值。这种方式利用了高斯公式可以对大型数据进行运算的优势，在共轭负数的变化中得到模型的优化方程，利用除权方式有效避免在计算中出现错误。在利用Matlab计算中，仿真方案的研究表现出较好的准确性，计算简便的同时达到了算法的优化。此外，另一种办法是在多个定义域内的函数值进行区域界定，将得到合理区间计算的函数值加以区分，在多个变量的条件下，对目标函数进行计算。这种方式在操作中十分简单，而且计算量很小，在一些小型的算法计算中可以使用，但是在一些大型的机械操作设计中，这类的模拟仿真方式无法发挥出作用，也无法将计算的结果在整套机械设计中体现出来，得出的计算命令较为单一。后期使用中，机械得到的命令较为混乱，无法达到指令清晰的状态。

（2）线性仿真实验法电子电工的仿真研究中，函数的线性问题是最为关键的问题，在设计方案中，如何处理线性和非线性之间的算法关系也是十分重要的。函数在直接函数和间接函数计算后得到的数值可以通过矩阵互换的方式进行推导，在利用多个线性仿真实验结果后可以得到相关的复杂数学模型，在以往电子电工实验中，一些人力无法计算的复杂算法很难得到相应的答案，利用智能化的计算机可以有效的解决这个问题。使用电子电工自带的数值跟踪器，在设定的区域内对函数值进行复核，在迭代方程中，根据函数的模型得到的方程解可以在线性计算中进行使用，最终得到的数据可以在仿真实验中作为设计方案进行使用，大大增加了实验计算的准确性。

2基于Matlab的工程机械计算机电子电工仿真实验分析

基于Matlab的工程机械电子电工仿真实验从编程的方式上进行了修改，不同于以往单一的计算模式，现代化的计算手段更注重对于计算的迭代方式的改变。机械设备效率的提高在实践中很难进行改良，通过仿真实验得到的结果具有很强的指导意义。利用模拟仿真的方式可以使得机械产出的产品具有高效能、低损耗的特点，对于仿真技术中，使用最为广泛的技术为Matlab仿真方案中的遗传算法。遗传算法（GeneticAlgorithm简称GA），是20世纪70年代初期由美国密执根（Michigan）大学霍兰（Holland）教授提出的一种基于Matlab下全新电子电工全带概率仿真方法。GA是一种在人为施工条件下非确定性的拟自然算法，这种算法是根据自然界仿照生物的固有进化规律，对一个大的群体进行随机抽样，观测其繁衍变化以及淘汰机制。其中就会有适者生存，不适者就会被淘汰，使整个群体在繁衍的素质上和种群的数量上都会有很大的提高，时间变长，最终会以一种仿真平衡的态势趋于平衡，并且保持最优配合比。遗传算法具有鲁棒性、自适应性、全局仿真性和隐含并行性。基于Matlab下的实验仿真就是选取这样的实验理念，在优势上有了很大的突显，主要表现在：

（1）工程机械电子电工结构仿真实验：在工程机械生产中，多考虑到机械的方便和使用性，遗传算法在结合Matlab软件后，利用遗传算法中的模量改变和动态模拟，对电子电工中机械运行频率进行改变，在运行过程中利用仿真的模式实现电子机械的波段变化。

（2）可行性分析：在机械的整个框架系统中，模拟了固定模式中的运行，加上基于Matlab下的运转方式，把整个系统的仿真性再次提升，能够在加工材料和零件的加工都有很好的保护作用。

（3）故障诊断：提出了一种新的基于Matlab的遗传算法，并在此基础上实验出一种基于遗传算法和有毒性气体分析的技术，使得工程机械电子电工会在满负荷工作时自动的对整个电路系统起到测试的作用。尽管遗传算法在Matlab指导下已解决工程机械行走系统、转向系统、工作系统的电气控制优化等生产中的许多难题，通过仿真过程，得到最优参数，但还存在许多不足之处。用遗传算法求解线性和非线性仿真问题时，一般采用共轭发散函数法。共轭因子取得过小时，可能造成整个发散函数的极小解不是原目标函数的极小解；共轭因子取得过大时，搜索过程运算量过大。所以对基于Matlab的工程机械电子电工仿真中遗传算法中的一系列问题还有待于进一步研究、讨论。

3结束语

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关键词:人工智能；机电一体化；信息技术；工业机器人

0 引言

近年来，随着中国经济的快速发展和国内外金融环境的不断变化，人力成本上涨、利率和汇率的波动，给国内生产制造业的生存发展带来了巨大的挑战。针对生产制造企业急需在保证品质的前提下，满足既要提高生产效率，又想降低劳动成本的需求，利用人工智能的机器人产品和高效的自动化装配、输送等操作，无疑是企业的理想之选，同时也有助于制造业自动化的发展，使得工业生产过程综合自动化，工艺过程能够达到最优控制。另一方面工业机器人在工业生产中也能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业和在危险、恶劣环境下的作业，例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序上、在原子能工业等部门中，以及完成对人体有害物料的搬运或工艺操作。

1 机电一体化的内容

机电一体化又称机械电子学，亦可称为机电整合，英语称为Mechatronics，最早出现在1971年日本杂志《机械设计》的副刊上，随着计算机技术的迅猛发展和广泛应用，机电一体化技术获得前所未有的发展，现在的机电一体化技术，是机械、微电子和信息这三项技术相互融合、交叉的产物。

机电一体化技术的内容包括机械技术、计算机与信息技术、系统技术、自动控制技术、传感检测技术、伺服传动技术等。机械技术是机电一体化的基础，在机电一体化系统制造过程中，经典的机械理论与工艺应借助于计算机辅助技术，同时采用人工智能与专家系统等，形成新一代的机械制造技术，而其中的信息交换、存取、运算、判断与决策、人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术均属于计算机信息处理技术；控制技术包括如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正、补偿、再现、检索等；传感检测技术是系统的感受器官，是实现自动控制、自动调节的关键环节，其功能越强，系统的自动化程序就越高，现代工程要求传感器能快速、精确地获取信息并能经受严酷环境的考验，它是机电一体化系统达到高水平的保证；伺服系统则是实现电信号到机械动作的转换装置与部件、对系统的动态性能、控制质量和功能有决定性的影响。

机电一体化系统一般由机械本体、检测传感部分、电子控制单元、执行器和动力源五个组成部分构成。机电一体化指的是在机械的主功能、动力功能、控制功能和信息功能的基础上引进微电子技术,并且将机械设备和电子设备用软件有机结合而构成的系统的总称,传统的机械工程可以分为制造和动力两大类。

2 人工智能的定义及其用途

智能化即全息系统化,是对机器的行为状态进行描述，是吸收了计算机科学、模糊数学、运筹学、混沌动力学、人工智能和生理学等新的学科方法、新的设计思想，从而模拟出人类的思维能力，使它如同人一样具有思维、意识和行为等能力，以达到更高水平的控制目标。

人工智能（Artificial Intelligence）也称机器智能，它是研究用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学，又是计算机科学、控制论、信息论、神经生理学等多种学科相互渗透而发展起来的一门综合性学科。

人工智能的目的就是让计算机能够指挥机器象人一样地思考和行动，它始终是计算机科学的前沿学科，在一些地方计算机利用编程语言和其它一些软件帮助人们进行原来只属于人类的工作，计算机以它的高速和准确为人类发挥了很大的作用。美国麻省理工学院的温斯顿教授认为人工智能就是研究如何使计算机去做过去只有人才能做的智能工作，这说明了人工智能是研究人类智能活动的规律，构造具有一定智能的人工系统，也就是研究如何应用计算机的软硬件来模拟人类某些智能行为的基本理论、方法和技术。

人工智能技术的发展，使得机械电子在传统的机械系统能量和功能连接的基础上，更加强调了信息连接和驱动，并逐步使机械电子系统向具有一定智能化的方向发展。目前，人工智能在推理功能方面已经获得突破，学习和联想功能正在研究之中，下一步要研究的就是模仿人类右脑的模糊处理功能和整个大脑的并行化处理功能。人工神经网络是未来人工智能应用的新领域，未来智能计算机的构成，可能就是作为主机的冯・诺依曼型机与作为智能的人工神经网络的结合。在人工智能的应用当中最有意思的是机器人，其实机器人有很多种类型，不仅包括各种外型独特的智能机器人，还包括一些用于工业生产代替人类劳动的机器人，现在的机器人技术在制造上还很欠缺，只在某一种功能的机器人方面取得了一定的成果，要研制一种多功能、人性化的智能机器人还需要进一步努力。除了机器人之外，在我们生活中的许多地方都能找到人工智能的影子，例如我们许多的家用电器里都有智能芯片、汽车和飞机的导航系统里都有人工智能程序。

3 人工智能在机电一体化中的应用

机电一体化是目前人工智能研究的目标，研究目的主要是把机械技术、微电子技术和信息技术有机地结合为一体，实现整个系统的最优化。机电一体化可以充分发挥机械技术、微电子技术和信息技术的各自的优势，促进机械产品的快速更新换代，这样就使得机电一体化的人格化，怎样将人的智能、情感、行为赋予到机电一体化产品中显得越来越重要。随着机电一体化技术的发展，机电一体化产品智能化特征也将越来越明显，智能化水平也会上升,人工智能在机电一体化的研究中也将进一步得到更加重视，其中机器人与数控机床的智能结合就是一项重要应用，在日欧美等发达国家，工业机器人应用于工厂自动化生产中已有很多年的历史了。

随着计算机网络技术的飞速发展，它带动了科学技术发生巨大进步，同时也给日常生活带来了崭新的面貌，全球经济、生产等都被各种网络连成了一片，企业间的竞争也将面临网络全球化，一旦研制出机电一体化某种新产品，只要其质量和功能可靠必然会畅销全球。由于网络在全球的进一步普及，只要是关于网络的各种远程控制技术也就会持续发展，因为远程控制的终端设备就是机电一体化产品，因此，机电一体化产品也必然会朝着网络全球化方向发展。

参考文献：

[1] 王孙安.机械电子工程系统设计.西安交通大学机械工程学院，1996.

[2] 王士同.神经模糊系统及其应用.北京航空航天大学出版社，1998.

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【关键词】机电一体化;农业;机械;应用

引言

随着电子技术的发展，具有高科技含量的半导体集成电路的出现，为机电一体化技术在农业机械上的应用提供了便利。这种高科技产物提高机械的运作效率，降低了操作危险系数。目前，国内外对机电一体化研究力度也明显的加强了，大量的科技产物涌向市场，赢得了人们的注意力。近几十年来，机电一体化在农业机械生产中得到了广泛运用，使得农业的生产效率大大提高，为国民经济的进步提高了帮助。

一、机电一体化的基本特征

1.机电一体化的基本定义

机电一体化又名为机械电子学，是机械与电子科技结合为一体的技术。这项技术的技术基础是机械制造和电子配合电脑软件进行工作。因此机电一体化是整合了机械、电子、电动机和电脑等多领域的一门技术。机电一体化主要由机械本体、检测传感部分、电子控制单元、执行器和动力源五大部分组成。

2.机电一体化的具体内容

机电一体化是将电子器件的信息处理和控制功能附加或融合在机械装置中的一种复合化技术。其主要内容包括以下4个方面：

（1）机械技术

经典的机械理论借助于技术在人工智能和专家系统的帮助下形成新一代的机械制造技术。

（2）系统技术

系统技术就是以整体出发，组织利用各种相关的技术，将总体分解问相互关联的若干功能单元。

（3）自动控制技术

在控制理论的控制下，设计仿真系统，再进行现场调试。

（4）伺服传动技术

包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置。

3.机电一体化的原则

机电一体化技术有四大原则：

（1）接口耦合

为保证对信息的逻辑控制功能，使信息按规定的模式进行交换与传递。

（2）能量转换

在传输和交换的环节进行能量交换与交流。

（3）信息控制

在软、硬件的保证下，系统控制单元对信息进行控制

（4）运动传递

是不同类型的运动进行变换与传输来达到控制的目的。

二、机电一体化在农业机械应用的实际情况

1.传统农业生产技术

传统的农业生产方式是指主要通过生产工具、动力、水利设施等方法进行耕种收获的农业方式。其是自给自足的小农经济，主要生产满足自家的生活需要和缴纳税收等开支，商品率低。农民有固定的农耕田地，以人力和畜力为主要动力，以有机肥为主要肥料，实现丰衣足食的目标。是一种相对稳定却又低效率的农业生产体系。

2.现代化农业生产技术

现代农业是集科学化、商品化、集约化和产业化于一身，它突破了传统农业的局限性。现代农业机械是将自动化、智能化、多功能方向发展。随着机电一体化的不断革新，越来越多的自动化机械出现在劳动场地，机械耕种机代替了人畜犁耙;拖拉机代替了人工扛输。大力发展农业的机电一体化，提高农业的生产水平，增加农民收入的渠道，是实现农业现代化的重要基石。

3.机电一体化技术在农业机械的应用

机电一体化与传统的机械产品相比，有明显的优势。机电一体化产品的使用改变以前比较落后的生产方式，一般都是使用自动化的机械进行操作，解放生产力。在农业生产中，机电一体化使农业机械的工作效率和产能都得到了提高。工作人员在操作过程中的人身安全安全得到保障，机械故障率也随之降低。随着技术的多样性，机械设备的制造使得机电一体化设备功能多种多样满足市场需求，适应能力也很强。简单的安装原理，使得机械便于调试和维护，大大降低了维修成本。

三、机电一体化在农业机械上的发展前景

当今的世界可谓是高速信息的电子时代，电脑和电子信息各项技术的飞速发展使得农业机械生产逐渐向机电一体化方向前进。随着时代潮流的推进，农业机械控制技术势必将成为发展主流。一些著名农机厂商大量使用现代高端技术，例如GPS全球定位系统、激光扫信息遥感等，并将其装备应用于现代农业机械上。农用激光平地机是用激光调平传感微机处理技术进行地面平整作业，一次便可成形，效果非常显著。广大技术人员应及时更新知识结构，找准时代信息科学技术的发展方向，在满足市场需要的前提下，生产具有足够的竞争力的农业机械，以保证从市场获得最大的技术经济效益和社会效益。

四、总结

综上所述，机电一体化的出现是许多科学技术发展的结晶，是社会生产力发展到一定阶段的必然要求。 对机电一体化的研究目的在于将机械技术与信息技术结合为一体，实现工作系统的最优化。因此，在农业机械化的生产上必然离不开机电一体化。随着科学技术的发展，各种高科技技术也相互融合，这种发展趋势也证明了机电一体化技术在农业生产中将越来越主导地位。

参考文献

[1]张建敏，张达敏，陈静，易从琴，冉寒伟.农业机械虚拟现实设计――基于数字媒体技术及人机工程学[J].农机化研究，2011（12）.

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【关键词】机电一体化；发展现状；发展趋势

中图分类号：F407文献标识码： A

一、前言

随着我国科技的不断进步与发展，机电一体化技术越来越受到企业及科研人员的重视，本文就该部分内容进行了探讨。

二、机电一体化的内容

1.机电一体化技术是从系统工程观点出发,应用机械、电子等有关技术,使机械、电子有机结合,实现系统或产品整体最优的综合性技术。机电一体化技术,主要包括技术原理和使用机电一体化产品(或系统)得以实现、使用和发展的技术。机电一体化技术是一个技术群(族)的总称。

2.机电一体化系统(产品)由若干具有特定功能的机械和电子要素组成的有机整体,具有满足人的使用要求的最佳功能,机电一体化系统(产品)。主要是指机械系统(或部件)与微电子系统(或部件)相互置换和有机结合,从而赋予新的功能和性能的新一代产品,有良好的人机协作关系。一个机电一体化的系统主要是由机械装置、执行装置、动力源、传感器、计算机这5个要素构成。

3.机电一体化工程(机械电子工程)是机械工程与电子工程的综合集成,即给定机电一体化系统(或产品)“目的功能”与“规格”后,机电一体化技术人员利用机电一体化技术进行设计、制造的整个过程体系。机电一体化工程是系统工程在机电一体化系统(产品)中的具体应用。

4.机电一体化思想体现了“系统设计原理”和“综合集成技巧”。系统工程、控制论和信息论是机电一体化技术的方法论。从某种意义上讲、机电一体化思想相当于“一体化”思想。它带来了诸如光电机一体化、机电液一体化、科工贸一体化、人机一体化等技术及其产品。

20世纪80年代中期以来,计算机特别是微型计算机已日益广泛应用于机械产品和生产过程的控制,使机、电有机地结合,发展成机电一体化技术。机电一体化技术的应用,给机械行业带来了显著的效益,提高了生产率,提高了产品的性能和质量,降低了原材料消耗,节约了能源,减轻了操作工人的劳动强度,增强了企业在市场中的竞争力。“机电一体化”是微电子技术、计算机技术、信息技术与机械技术相结合的综合性高新技术,是机械技术与微电子技术的有机结合。

三、机电一体化技术设计原理

从方法学的观点出发,机电一体化技术应遵循以下设计原理：

1.整体最优化原理

机电一体化技术要求从系统的观点出发,综合机械技术和信息技术,实现整体最优化。其实,“最优化原理”是人类进行科学技术活动的基本思想动力。“精益求精”是这一思想的生动描述。人们为达到一定的目标,采用直接或间接的方法求得达到该目标的最佳途径。这里强调“整体最优化”,正是运筹学思想在机电一体化技术中的体现。

2.智能化原理

这是机电一体化技术与传统机械自动化技术的主要区别之一,也是21世纪机电一体化技术发展的主要方向。关于“智能”的定义。目前尚无确切和统一的说法。但是,它首先是对人类行为的描述。“智能”主要概括出人类有以下能力:感知能力;记忆能力;思维能力―包括形成概念的能力、判断能力、推理能力。

我们这里所说的“智能化”。是对机器行为的描述,是“仿人智能”,或者称之为“人工智能”(artificialintelligence)。具体地说,智能化就是在控制理论的基础上,吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学和混沌动力学等新思想、新方法,模拟人类智能,以求得到更高的控制目标。

3.仿生原理

如果说智能化是“仿人智能”,那么“仿生”便是对所有生物行为的模仿。生物世界是亿万年生物进化的结果,是“适者生存”这条自然规律“精雕细刻”的结果,是人类的学习宝库。现代信息技术和机械技术使这一“模仿”比较容易,成为可能。

4.柔性化原理

也可称之为“软化原理”。由于使用了微电子技术,可以而且应当尽量用软件功能代替硬件功能。因为“软化”可以使机械系统近乎完全“贴近”实际工况的需要,极大地提高产品的性能。例如,加工中心机床、电梯的“加减速无感控制”、汽车发动机的电喷技术、汽车的防抱死装置… ,都广泛地采用了软件控制原理。

四、机电一体化技术的应用

在人们的日常生活当中,自动机械、信息处理设备、办公室设备、车辆电子设备、医疗器械、光学装置、智能家电、楼宇安全系统等机电一体化系统都离不开执行元件为其提供动力。而执行元件和电子控制装置之间是无法直接连接的,因此需要一个驱动部件。该驱动部件在电子控制装置的控制下,接收指令,进行能量转换,从而得到目标输出。对于精密传动来说,需要在执行元件输出终端进行传动测量,如测量其位置、速度、加速度,同时将所测得的数据反馈给电子控制装置,让其进行比较,进行误差修正控制,最终实现精密传动。

当有多个执行元件,其输出动作规律各不相同时,一方面要根据各执行元件工作情况来考虑其控制的形式,另一方面需要确定它们之间是否存在输出的联系。如果它们之间没有联系,可以让它们单独来工作,也可以通过构建PC机上位控制来统一管理。若工作联动内容经常变化,就应该构建一个可以直接识别联动输出的软件,将联动输出写入软件当中,让其直接转化为控制程序,这样就能灵活地应对动作输出的需求。

五、机电一体化的发展趋势

机电一体化是集机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交叉综合, 它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。进入 21 世纪,在机电一体化技术的发展方向中,最主要的是:智能化、数字化、网络化、微型化、绿色化,下文对此略加探讨:

1.智能化

智能化是 21 世纪机电一体化技术发展的一个重要发展方向。人工智能在机电一体化建设者的研究日益得到重视,机器人与数控机床的智能化就是重要应用。这里所说的“智能化”是对机器行为的描述,是在控制理论的基础上,吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学和混沌动力学等新思想、新方法,模拟人类智能,使它具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力,以求得到更高的控制目标。诚然,使机电一体化产品具有与人完全相同的智能,是不可能的,也是不必要的。但是,高性能、高速的微处理器使机电一体化产品赋有低级智能或人的部分智能,则是完全可能而又必要的。

2.数字化

微控制器及其发展奠定了机电产品数字化的基础,如不断发展的数控机床和机器人;而计算机网络的迅速崛起,为数字化设计与制造铺平了道路. 如虚拟设计、计算机集成制造等。数字化要求机电一体化产品的软件具有高可靠性、易操作性、可维护性、自诊断能力以及友好人机界面。数字化的实现将便于远程操作、诊断和修复。

3.网络化

20 世纪 90 年代,计算机技术等的突出成就是网络技术。网络技术的兴起和飞速发展给科学技术、工业生产、政治、军事、教育义举人么日常生活都带来了巨大的变革。各种网络将全球经济、生产连成一片, 企业间的竞争也将全球化。机电一体化新产品一旦研制出来,只要其功能独到,质量可靠,很快就会畅销全球。由于网络的普及, 基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾,而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品。现场总线和局域网技术是家用电器网络化已成大势,利用家庭网络(home net)将各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家电系统(computer integrated appliancesystem, CIAS),使人们在家里分享各种高技术带来的便利与快乐。因此, 机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。

六、结束语

只有加强对机电一体化技术发展的研究，才能使机电一体化技术的应用越来越广泛，是非常具有现实意义的研究。

参考文献：

[1] 彭海辉.机电一体化技术的发展及应用[J].工程技术.2013（3）:166-168.

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[关键词]物联网传感器

一、物联网概念与定义

物联网(TheInternetofthings)的概念是在1999年提出的,它的定义很简单:把所有物品通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备与互联网连接起来,进行信息交换和通讯,实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。

现在对物联网的定义至少有几十种,都是不同领域专家从不同领域定义的,我们取几种有代表性的供大家参考:

1.英语中“物联网”一词:InternetofThings,可译成物的互联网。

2.2005年ITU关于物联网的定义:是一个具有可识别,可定位的传感网络。

3.经过与无线网络(也含固定网络)连接,使物体与物体之间实现沟通和对话,人与物体之间实现沟通与对话。能实现上述功能的网称为物联网。

4.作者比较赞成一种基于泛网及其多制式、多系统、多终端等综合的物联网的定义——或称为广义物联网。

二、国内外物联网发展现状

从国际上看,欧盟、美国、日本等国都十分重视物联网的工作,并且已作了大量研究开发和应用工作。如美国把它当成重振经济的法宝,所以非常重视物联网和互联网的发展,它的核心是利用信息通信技术(ICT)来改变美国未来产业发展模式和结构(金融、制造、消费和服务等),改变政府、企业和人们的交互方式以提高效率、灵活性和响应速度。按欧盟专家讲,欧盟发展物联网先于美国,确实欧盟围绕物联网技术和应用作了不少创新性工作。在北京全球物联网会议上,他们介绍了《欧盟物联网行动计划》(Internetofthings-AnactionplanforEurope)其目的也是企图在“物联网”的发展上引领世界。

我国在“物联网”的启动和发展上与国际相比并不落后,我国中长期规划《新一代宽带移动无线通信网》中有重点专项研究开发“传感器及其网络”,国内不少城市和省份已大量采用传感网解决电力、交通、公安、农渔业中的“M2M”等信息通信技术的服务。

在温总理关于“感知中国”的讲话后我国“物联网”的研究、开发和应用工作进入了,江苏省无锡市一马当先率先提出建立“感知中国”研究中心,中国科学院、运营商、知名大学云集无锡共同协力发展我国的物联网。

三、传感器在物联网中的应用

一说到传感器,可能大家就会往小的方面想,在物联网的大概念下,一个泛在的物联网系统,随着参照物的不同,传感器可以是一个“大”的“智能物件”,它可以是一个机器人、一台机床、一列火车,甚至是一个卫星或太空探测器。物联网关注传感器的实际应用,下面是按应用方式进行的分类。

1.液位传感器:利用流体静力学原理测量液位,是压力传感器的一项重要应用,适用于石油化工、冶金、电力、制药、供排水、环保等系统和行业的各种介质的液位测量。

2.速度传感器:是一种将非电量(如速度、压力)的变化转变为电量变化的传感器,适应于速度监测。

3.加速度传感器:是一种能够测量加速力的电子设备,可应用在控制、手柄振动和摇晃、仪器仪表、汽车制动启动检测、地震检测、报警系统、玩具、结构物、环境监视、工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析,以及鼠标,高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上。

4.湿度传感器:分为电阻式和电容式两种,产品的基本形式都为在基片涂覆感湿材料形成感湿膜。空气中的水蒸汽吸附于感湿材料后,元件的阻抗、介质常数发生很大的变化,从而制成湿敏元件,适用于湿度监测。

5.气敏传感器:是一种检测特定气体的传感器,适用于一氧化碳气体、瓦斯气体、煤气、氟利昂(R11、R12)、呼气中乙醇、人体口腔口臭的检测等。

6.压力传感器:是工业实践中最为常用的一种传感器,广泛应用于各种工业自控环境,涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。

7.激光传感器:利用激光技术进行测量的传感器,广泛应用于国防、生产、医学和非电测量等。

8.MEMS传感器:包含硅压阻式压力传感器和硅电容式压力传感器,两者都是在硅片上生成的微机械电子传感器,广泛应用于国防、生产、医学和非电测量等。

9.红外线传感器:利用红外线的物理性质来进行测量的传感器,常用于无接触温度测量、气体成分分析和无损探伤,应用在医学、军事、空间技术和环境工程等。

10.超声波传感器:是利用超声波的特性研制而成的传感器,广泛应用在工业、国防、生物医学等。

11.遥感传感器:是测量和记录被探测物体的电磁波特性的工具,用在地表物质探测、遥感飞机上或是人造卫星上。

12.视觉传感器:能从一整幅图像捕获光线数以千计的像素,工业应用包括检验、计量、测量、定向、瑕疵检测和分捡。

虽然,物联网的产业供应链包括传感器和芯片供应商、应用设备提供商、网络运营及服务提供商、软件与应用开发商和系统集成商。但是,作为“金字塔”的塔座,传感器将会是整个链条需求总量最大和最基础的环节。“传感器是物联网技术的支撑、应用的支撑和未来泛在网的支撑,传感器感知了物体的信息,RFID赋予它电子编码,传感网到物联网的演变是信息技术发展的阶段表征。”

参考文献:

[1]张应福.物联网技术与应用[J].通信与信息技术,2010,(1).

[2]张群.对物联网的深度剖析[J].通信企业管理,2010,(1).

[3]孔晓波.物联网概念与演进路径[J].电信工程技术与标准化,2009,(12).

[4]王保云.物联网技术研究综述[J].电子测量与仪器学报,2009,(12).

[5]赵茂泰.智能仪器原理及应用[J].北京:电子工业出版社.

[6]陈艾.敏感材料与传感器[M].北京:高等教育出版社.

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【关键词】机电；传感检测；技术

1 机电一体化

机电一体化又称机械电子学，英语称为Mechatronics，它是由英文机械学Mechanics的前半部分与电子学Electronics的后半部分组合而成。现在的机电一体化技术，是机械和微电子技术紧密集合的一门技术，它的发展使冷冰冰的机器有了人性化，智能化。

机电一体化具体包括以下内容：机械技术、计算机与信息技术、系统技术、自动控制技术、传感检测技术。

2 传感检测技术

传感检测技术是系统的感受器官，是实现自动控制、自动调节的关键环节。其功能越强，系统的自动化程序就越高。现代工程要求传感器能快速、精确地获取信息并能经受严酷环境的考验，它是机电一体化系统达到高水平的保证。

检测传感部分包括各种传感器及其信号检测电路，其作用就是检测机电一体化系统工作过程中本身和外界环境有关参量的变化，并将信息传递给电子控制单元，电子控制单元根据检查到的信息向执行器发出相应的控制。

国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

可以用不同的观点对传感器进行分类：

按传感器的物理量分类，可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等传感器。

按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器。

电阻式传感器是将被测量，如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等这些物理量转换式成电阻值这样的一种器件。主要有电阻应变式、压阻式、热电阻、热敏、气敏、湿敏等电阻式传感器件。

电阻应变式传感器。传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应，电阻应变片主要有金属和半导体两类，金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式之分。半导体应变片具有灵敏度高（通常是丝式、箔式的几十倍）、横向效应小等优点。

压阻式传感器。压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。用作压阻式传感器的基片（或称膜片）材料主要为硅片和锗片，硅片为敏感材料而制成的硅压阻传感器越来越受到人们的重视，尤其是以测量压力和速度的固态压阻式传感器应用最为普遍。

热电阻传感器。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。目前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。

按传感器输出信号的性质分类，可分为：输出为开关量的开关型传感器；输出为模拟量的模拟型传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器。

按传感器材料分类：可分为金属、聚合物、陶瓷、混合物传感器。

按传感器制造工艺分类：可分为集成传感器、薄膜传感器、厚膜传感器、陶瓷传感器。

集成传感器是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。通常还将用于初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上。

薄膜传感器是通过沉积在介质衬底(基板)上的，相应敏感材料的薄膜形成的。使用混合工艺时，同样可将部分电路制造在此基板上。

厚膜传感器是利用相应材料的浆料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后进行热处理，使厚膜成形。

陶瓷传感器采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺(溶胶-凝胶等)生产。

完成适当的预备性操作之后，已成形的元件在高温中进行烧结。厚膜和陶瓷传感器这二种工艺之间有许多共同特性，在某些方面，可以认为厚膜工艺是陶瓷工艺的一种变型。

每种工艺技术都有自己的优点和不足。由于研究、开发和生产所需的资本投入较低，以及传感器参数的高稳定性等原因，采用陶瓷和厚膜传感器比较合理。

3 机器视觉技术

采用机器代替人眼来做测量和判断的“机器视觉”，第一步靠的就是传感器技术。

机器视觉系统是通过图像摄取装置把图像抓取到，然后将该图像传送到处理单元，再通过数字化处理，根据像素分布和亮度、颜色等信息，来进行尺寸、形状、颜色等的判别。进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。

机器视觉技术日臻成熟，在现代加工制造业中，广泛应用于食品和饮料、化妆品、制药、建材和化工、金属加工、电子制造、包装、汽车制造等行业。在现代自动化生产过程中，广泛地用于工况监视、成品检验和质量控制等领域。机器视觉系统能提高生产的柔性和自动化程度，提高了生产效率和生产的自动化程度，机器视觉易于实现信息集成，是实现计算机集成制造的基础技术。

4 机器视觉工业检测系统类型

机器视觉工业检测系统从检测性质和应用范围而言，分为定量和定性检测两大类，每类又分为不同的子类。机器视觉在工业在线检测的各个应用领域十分活跃，如：印刷电路板的视觉检查、钢板表面的自动探伤、大型工件平行度和垂直度测量、容器容积或杂质检测、机械零件的自动识别分类和几何尺寸测量等。此外，在许多其它方法难以检测的场合，利用机器视觉系统可以有效地实现。机器视觉的应用正越来越多地代替人去完成许多工作，这无疑在很大程度上提高了生产自动化水平和检测系统的智能水平。

用微波作为信号源，根据微波发生器发出不同波涛率的方波，测量金属表面的裂纹，微波的波的频率越高，可测的裂纹越狭小。

自动光学检测 (AOI) 指的是通过在受控照明条件下使检测目标（如 PCB 的一部分）成像进行的目标检测。

在AOI 系统中，捕获和重建3-D 形状的能力是非常必要的。3-D AOI从检测图像中可以萃取出不同类型的信息。其表面颜色一直被成功用于检查零部件情况，对于焊点检测，精确确定焊点质量，形状信息比颜色信息更有用。

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Abstract: This paper introduces the basic overview of mechatronics technology and development background, and describes the mechatronics design approaches and key elements.

关键词:机电一体化;传感器;发展趋势

Key words: mechatronics;sensor;development trend

中图分类号:TH122 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)11-0084-03

0 引言

现代科学技术的不断发展,极大地推动了不同学科的交叉与渗透,导致了工程领域的技术革命与改造。在机械工程领域,由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化,使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化,使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。

1机电一体化认识

日本在1971年提出一个新的英文集成名词“Mechatronics”词首Mecha取自Mechanics(机械学),词尾tronics取自Electronics(电子学)。我国经常译为机电一体化或机械电子学。在1981年德国工程师协会,德国电气工程技术人员协会共同组成的精密工程技术专家组提出的“关于大学精密工程技术专业的建议书”中,把精密工程技术定义为光-机-电一体化的综合技术。它包括机械(含液压,气动及微机械),电工与电子,光学等技术及其组合,其核心为精密工程技术。在当前“信息爆炸”的形式下,相对于专门型人才来说,市场对复合型人才的需求更加迫切。在中国,我们认为机械发展新阶段是机电一体化阶段。机电一体化是指在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术,将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称。机电一体化发展至今也已成为一门有着自身体系的新型学科,随着科学技术的不但发展,还将被赋予新的内容,基本特征可概括为:机电一体化是从系统的观点出发,综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术,根据系统功能目标和优化组织目标,合理配置与布局各功能单元,在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值,并使整个系统最优化的系统工程技术。因此,“机电一体化”涵盖“技术”和“产品”两个方面。只是,机电一体化技术是基于上述群体技术有机融合的一种综合技术,而不是机械技术、微电子技术以及其它新技术的简单组合、拼凑。这是机电一体化与机械加电气所形成的机械电气化在概念上的根本区别。机械工程技术有纯技术发展到机械电气化,仍属传统机械,其主要功能依然是代替和放大的体力。但是发展到机电一体化后,其中的微电子装置除可取代某些机械部件的原有功能外,还能赋予许多新的功能,如自动检测、自动处理信息、自动显示记录、自动调节与控制自动诊断与保护等。即机电一体化产品不仅是人的手与肢体的延伸,还是人的感官与头脑的眼神,具有智能化的特征是机电一体化与机械电气化在功能上的本质区别。

2机电一体化的设计过程

机电一体化的机械动力部分由一般电动机演变为控制电动机,里程碑式地引入了电子和计算机等先进技术,代替人完成机器的检测与控制等工作。在知识经济中体现了制造业高科技化,促进了高科技产业和知识经济的发展。它是一种用于机电产品最优设计的方法学。它包括4个基本学科:电气、机械、计算机科学和信息技术。如图1所示。

机电一体化系统和多学科系统之间的区别不在于它们的组成要素,而在于这些组成要素设计的次序。一直以来,多学科系统设计使用一种按学科顺序设计的方法。比如,机电系统的设计一般通过以机械设计开始的三个步骤完成。当机械设计完成后,设计电源和微电子系统,接着是控制算法的设计及其实施。按学科顺序设计的方法的最大缺点是对整个过程中各个点的固定设计导致新的限制,这种限制源于对这些点的设计,而且会传递到下一个学科点的设计。使用并行方法进行预先设计可以使产品更具协同性。它补充了信息系统以指导设计,这种指导贯穿于设计的各个阶段,而不只是预先设计阶段,从而使之更加综合。在将机械,电气及计算机系统和信息系统进行集成以设计制造产品和过程时,需要进行协同。最终产品的功能应大于其各部分功能之和。如果没有协同组合的话,机电一体化产品具有的性能特征是很难实现的,机电一体化的关键要素如图2。

机电一体化系统是在物理系统中使用信息系统的结果。物理系统包括机械系统,计算机系统,执行器,传感器和实时接口。机电一体化系统不只是机电系统,而且还是一个控制系统。传感器和执行器用来把能量从动力大的一边(通常是机械的一边),转换到动力小的一边(通常是电气和计算机的一边)。上图中的机械系统不仅包括机械零部件,还可能包括流体,气动,热,声,化学及其它学科。传感技术已经出现了新的发展以适应对特殊监测应用解决方案不断增长的需要。

2.1 机电一体化中的集成设计问题由于机电一体化方法内在的并行性,或同时性工程,所以样机试制阶段的建模与仿真很重要。因为模型来自于各学科的综合应用。所以应用一种可视化的编程软件是很重要的。这样就涉及到了框图,流程图,状态转换图和波特图。机电一体化是一种设计哲学,其产品或设备有一个重要的特点就是它们内部的智能,这是将执行器,传感器,控制系统和计算机组合设计实现的。系统的集成是通过硬件(部件)和软件(信息处理)的联合实现的。硬件集成是将机电一体化系统看成一个整体系统来设计的,将传感器,执行器和微处理器融入到机械系统中,软件集成主要基于高级控制功能在设计时应首先分析客户要求以及系统集成的技术环境。在制作时应考虑了解客户,市场分析,优化性能,生命周期性能,质量,可靠性和销售。

2.2 机电一体化关键要素①信息系统:信息系统包括信息传输的所有方面,从信号处理到控制系统到分析技术。信息系统结合了以下四种学科:通讯系统,信号处理,控制系统和数值计算方法。在机电一体化应用中,我们最关心的是建模,仿真,自动控制和用于优化的数字方法。②自动控制:控制系统工程学是在19世纪晚期产生的学科,认为在低阶系统(三阶或三阶以下)系统的稳定性依赖于特征方程的根和劳思(Routh)判据,这是一个很好的判断系统稳定性的分析工具。③最优化: 就是先确认最优轨迹,最优轨迹是根据系统的要求即约束条件确定的,然后设计控制系统,在设计控制系统的时候应使系统的各参数最终满足控制要求,使误差最小化,或者说使目标函数的扰动最小化,可用最优化过程反复迭代公式(Pk+1=Pk+τ・S k)这里k是迭代次数,S k是P空间内的探索方向,τ是该方向上的探索步长空间内的探索步长,当P值不能再改进时这个过程结束,此时为最优化。④机械系统:机械系统考虑力作用下物体的特性。这样的系统按其性质可分为刚性的,可变形的和可流动的。大多数机电一体化系统应用的刚体系统,都依赖于物理学中的基本定律。⑤电气系统:电气系统由两个分支组成:电源系统和通讯系统。通讯系统以低能量的电信号形式在各点之间传输信息。诸如信息存储,处理和交换是通信系统的常见组成部分。电气工程的这个领域也称电子学。另一方面,电源系统用来在各点之间有效的传递大量的电能,而不是信息,例如:发电机是把机械能转化为电能,而电动机是把电能转化为机械能。

3传感器和变换器

仪器仪表在现代科技领域中起着关键的作用。传感器是与仪器仪表紧密相关的机电一体化系统中一个非常重要的组件,其作用是为特定工业过程提供收集不同信息的机制。传感器广泛应用于过程检测以及工况评价方面,为用计算机系统对制造作业作较高级的监控提供便利,可应用于过程前,过程中及过程后。有时,传感器可以将一种物理现象转化为决策分析的可用信号。智能系统用传感器来监测由环境变化影响的特定场合,然后通过校正动作对其控制。

实际上在所有的应用中,传感器是将各种现实世界的数据转化为电信号,因此可定义为:传感器是一种把被测物理量转换成输出信号的装置。因此传感器也可以称为变换器,应用范围广泛,甚至可以用于分辨那些人类感官无法觉察到的环境变化。它们作为一次元件,连续的将变化着的信息转变成另一种形式,也就是说,传感装置检测被测量,并将其转换成系统可接受形式的信号,通常为电信号。整个系统的最大准确度由传感器的灵敏度和其内部噪声干扰所决定。在测控系统中,任何参数的变化,不论是在被测量中还是在信号修整中,都会直接影响系统的准确度。传感器和变换器是现代控制系统(电,光,机械或流体系统)的两个重要组成部分,传感器和变换器选用的程度取决于控制系统的自动化水平和复杂程度。要构成一个复杂控制系统,测量装置必须能够满足快速,灵敏和精确的要求。随着使用要求的不断提高,传感器的体积也不断的小型化,并通常将多个传感器和数据处理系统组合固定在一起。传感器的分类:根据传感器的输出信号形式,电源,工作模式以及被测变量可将传感器分为以下两大类。模拟传感器:模拟是指连续的,不中断的一系列事件。典型的模拟传感器的输出与被测变量是成正比例的,输出信号以连续方式变化,根据其幅值取得信息,通常其输出要经过A/D转换后输到计算机。数字传感器:数字是指一系列离散的事件,各个事件前后分开,如果传感器的逻辑电平输出是数字的,则称其为数字传感器。数字传感器有着准确度和精密度高的特点,与计算机监控系统相连时不需要任何转换器。

4A/D,D/A转换

在计算机控制系统中,主机输入数据或向外部命令,都是通过接口及输入输出通道进行的,完成信息传递和交换的装置称为过程输入输出通道。这些通道是联系主机与被控对象的纽带和桥梁。生产对象的各种模拟信号,不能直接输入计算机,而要经过模/数转换,转换成数字信号,才能输入计算机进行加工处理。同样,经过计算机加工处理得到的数字信号,也不可能直接作用与被控对象。而要经过数/模转变成模拟信号,才能输出到被控对象。

数据采集系统的基本任务是将模拟量即连续量转换为数字量以便于计算机进行存储,计算和处理。由于绝大多数物理量都是模拟量。因而数据采集系统不但本身就是一种独立系统,而且是计算机控制系统的极重要的组成部分。

一个典型的计算机控制系统如图3所示。其工作原理是作为系统输入的物理量(压力,温度,湿度,位置等),首先由传感器变成点信号,然后送到放大器和滤波器。传感器的输出信号一般比较微弱,放大器的作用是将传感器输出的电信号放大到适当的大小。以利于进一步处理。滤波器的作用是消除干扰信号。然后,信号送到模拟多路开关,它在计算机的控制作用下对各个模拟通道进行分时处理,将各通道信号接到后面的采样保持电路和A/D转换器。采样保持电路在规定的时刻对送来的模拟信号进行采样并在A/D转换期间保持被采样的电压不发生变化。A/D转换器在保持时间内完成模/数转换后将数字量送到计算机。采样保持电路及A/D转换的定时和控制信号均由计算机产生。计算机对A/D转换器送来的各路数字量进行各种处理计算,然后用分时方法将处理结果送到各路D/A转换器变成模拟信号去完成各种模拟控制。有时为了提高速度和精度,数据采集系统不用模拟多路转换开关,而是每条通道用一个A/D转换器。

4.1 传感器的作用传感器是工业控制计算机系统的重要环节。如没有传感器对生产过程的原始参数进行精确可靠的测量,那么无论是信号转换,信息处理,或数据的显示与控制,都将成为一句空话。可以说,没有精确可靠的传感器就没有精确可靠的测量系统。

4.2 A/D转换器的原理经过多路转换开关和采样/保持的模拟量必须被变成数字量才能送入计算机。完成这一转换任务的器件叫做模拟/数字转换器,简称A/D转换器。如图4是逐次逼近型A/D转换器原理图。由图4可以看出,由N位寄存器,N位D/A转换器、比较器以及控制逻辑四部分组成。其工作原理:当启动信号作用后,时钟信号在控制逻辑作用下,首先使寄存器的DN-1=1,N位寄存器的数字量一方面作为输出用,另一方面,经D/A转换器转换成模拟量Vx后,送到比较器,在比较器中与被转换的模拟量Vx进行比较,控制逻辑根据比较器的输出进行判断。若Vx≥Vc,则保留这一位;若Vx

4.3 D/A转换器的原理D/A转换器的作用是将数字量转换为模拟量。它实际上是一种由二进制译码控制的电流叠加电路。通常包括四个组成部分:精密的电压基准;模拟二进制数字电压(或电流)开关;产生二进制权电流或权电压的精密电阻网络;提供电压或电流输出相加的运算放大器。其原理如图5为倒T型电阻D/A转换器。其输出电压表达式很容易用基准电流和响应的倍数表示出来。与权电流型的D/A转换器相比,倒T型电阻D/A转换器具有电路简单、转换速度快的优点,但其转换误差较大。在实际的D/A转换器中,开关S是电子式的模拟开关。为了减小转换误差,开关必须具有导通电阻小,截止电阻大的特点。

5机电一体化综述

机电一体化系统开发过程的第一步就是分析客房需求以及系统集成的技术环境。解决问题的复杂技术系统往往是一个具有数字或模拟形式并由复杂软件支持其硬件的机械、电子、液压和热动力部件的结合体。典型机电一体化系统使用传感器从技术环境中收集数据和信息。接下来的一步就是使用建模和描述方法的完善形式,以一种集成的方式来涵盖这个系统的所有子任务。这包括在初始阶段对子系统间必要接口的有效描述。数据经过处理和解释转化为执行器的动作。机电一体化系统能够缩短开发周期,降低成本,提高质量。在机电一体化产品的设计中,有必要在不同的专家组之间协调知识和需要的信息。并行工程是产品的设计和制造以特殊方式融合的一种设计方法。传统设计和制造间的障碍得以排除。

6机电一体化的发展趋势