传感器在自动控制系统中的广泛应用及监测刀具切削中的新突破

现代科技中，自动化与智能化已经成为新的发展方向，传感器作为自动测量与控制中的关键环节，在社会的生产生活中应用十分广泛，且具有巨大的发展空间。

（1）传感器在智能穿戴设备上的应用

近几年各种智能穿戴设备兴起，其中智能手环、腕表甚至智能服装的形式也是多种多样的。但究其根本，在于传感器的不同。目前主流智能手环所用的传感器有意法半导体公司的LIS3DH、Bosch Sensortec公司的BMA250、ADI公司的ADXL362、Inven Sence公司的MPU6500等。这些传感器几乎都集成了陀螺仪和加速度传感器，陀螺仪用于测量角速度，加速度传感器则用于测量线性加速度，两者结合可以实现对人体睡眠、日常运动强度等监测操作。而且定位更高端的一些手环，还搭载有心率传感器、内置有GPS。心率传感器能够读取用户运动时的心跳频率，如目前很火的Apple Watch。这种传感器可发射LED绿光照射皮肤，再通过光敏二极管检测血液对绿光的吸收，从而判断血管的血流量，进一步了解心脏的运动频率。内置有GPS的专用运动手表，可精确捕捉运动者位置，实现测距、测时间，根据公式计算速度等专业运动功能。相比一般的运动手环、智能手表，它可以获得更加精确的数据。

日本大阪大学学者研究出一种NiCr薄膜触觉传感器，该传感器使用硅为基底，在硅基底上面依次沉积氧化硅、氮化硅、NiCr薄膜后，将硅基底腐蚀形成一定形状，上面的薄膜层便形成悬臂梁结构，3个悬臂梁结构可实现触觉的各个方位的感知。该触觉传感器可感知机械手的触觉压力最大值可达到3 kPa。图3－39是上述触觉传感器的基本结构示意图。

图3－39　触觉传感器的基本结构示意图

（a）微悬臂梁的触觉传感器；
1—硅基底；2—倾斜微悬臂；3—弹性体
（b）横截面结构

（2）传感器在机械加工中的应用

随着现代科学技术的蓬勃发展，炼油、化工、冶金、电力、生物、制药等工业过程的生产规模越来越大型化、复杂化，各种类型的自动控制技术已经成了现代工业生产实现安全、高效、优质、低耗的基本条件和重要保证。传感器作为自动控制系统的神经末梢，其应用也越来越广泛。压力、温度、湿度、流量传感器、电流传感器、转速传感器、烟雾传感器等。在工业自动化领域有着广阔的应用前景。

薄膜传感器已应用于监测刀具切削过程中温度、切削力的监控。若采用沉积技术和微机电MEMS技术，在刀具内嵌入薄膜微传感器进行测力，可以直接地反映刀具工作情况，具有准确、有效，可靠性高等特点。切削加工系统配备装有传感器和执行元件的智能化刀具，这将是未来加工智能化的发展方向，借助微机电技术在刀具上嵌入微传感器是实现刀具切削力监测的有效方法。图3－40为薄膜切削力测量系统示意图，图3－41为薄膜传感器各层示意图。

图3－39　触觉传感器的基本结构示意图

（a）微悬臂梁的触觉传感器；
1—硅基底；2—倾斜微悬臂；3—弹性体
（b）横截面结构

（2）传感器在机械加工中的应用

随着现代科学技术的蓬勃发展，炼油、化工、冶金、电力、生物、制药等工业过程的生产规模越来越大型化、复杂化，各种类型的自动控制技术已经成了现代工业生产实现安全、高效、优质、低耗的基本条件和重要保证。传感器作为自动控制系统的神经末梢，其应用也越来越广泛。压力、温度、湿度、流量传感器、电流传感器、转速传感器、烟雾传感器等。在工业自动化领域有着广阔的应用前景。

薄膜传感器已应用于监测刀具切削过程中温度、切削力的监控。若采用沉积技术和微机电MEMS技术，在刀具内嵌入薄膜微传感器进行测力，可以直接地反映刀具工作情况，具有准确、有效，可靠性高等特点。切削加工系统配备装有传感器和执行元件的智能化刀具，这将是未来加工智能化的发展方向，借助微机电技术在刀具上嵌入微传感器是实现刀具切削力监测的有效方法。图3－40为薄膜切削力测量系统示意图，图3－41为薄膜传感器各层示意图。

图3－40　薄膜切削力测量系统示意图

1—刀杆；2—切削刀片；3—传感器单元；4—可换刀片定位螺钉；5—压板；6—定位螺栓；7—导线；8—信号输出接口端；9—接口端定位螺钉

图3－40　薄膜切削力测量系统示意图

1—刀杆；2—切削刀片；3—传感器单元；4—可换刀片定位螺钉；5—压板；6—定位螺栓；7—导线；8—信号输出接口端；9—接口端定位螺钉

图3－41　薄膜传感器各层示意图

1—基片层；2—三层绝缘层Al2O3／Six Ny／Al2O3；3—导线；4—薄膜电阻；5—绝缘层Si3N4；6—电极

图3－42为嵌入刀具的薄膜测力传感器系统切削力测量现场，当刀具刀柄受力后，嵌入刀柄的薄膜传感器中的电阻栅发生应变，电阻改变，将电阻栅连接为惠斯通电桥。接通电压，当电阻栅电阻发生改变，便有电压输出，从而实现切削力的测量。

在曲面（非平面）上沉积溅射材料形成所需图案的薄膜，这种方式通常很难实现，难点在于在曲面表面曝光刻蚀形成所需图案。德国的布伦瑞克物理研究院使用一种自主研发的激光光刻机器，精确度在10μm以下，这种机器可以将喷涂在金属曲面上的光刻胶形成所需的图案，而无须使用掩膜板，直接控制紫外激光在光刻胶表面形成所需图案，然后通过刻蚀电阻层形成应变传感器。图3－43是通过这种技术将NiCr薄膜沉积溅射在前刀面并形成薄膜电阻栅，用来监控刀具切削过程中切削力、温度的变化以及刀具磨损的状态。

图3－41　薄膜传感器各层示意图

1—基片层；2—三层绝缘层Al2O3／Six Ny／Al2O3；3—导线；4—薄膜电阻；5—绝缘层Si3N4；6—电极

图3－42为嵌入刀具的薄膜测力传感器系统切削力测量现场，当刀具刀柄受力后，嵌入刀柄的薄膜传感器中的电阻栅发生应变，电阻改变，将电阻栅连接为惠斯通电桥。接通电压，当电阻栅电阻发生改变，便有电压输出，从而实现切削力的测量。

在曲面（非平面）上沉积溅射材料形成所需图案的薄膜，这种方式通常很难实现，难点在于在曲面表面曝光刻蚀形成所需图案。德国的布伦瑞克物理研究院使用一种自主研发的激光光刻机器，精确度在10μm以下，这种机器可以将喷涂在金属曲面上的光刻胶形成所需的图案，而无须使用掩膜板，直接控制紫外激光在光刻胶表面形成所需图案，然后通过刻蚀电阻层形成应变传感器。图3－43是通过这种技术将NiCr薄膜沉积溅射在前刀面并形成薄膜电阻栅，用来监控刀具切削过程中切削力、温度的变化以及刀具磨损的状态。

图3－42　薄膜测力传感器系统切削力测量现场

图3－42　薄膜测力传感器系统切削力测量现场

图3－43　前刀面溅射沉积形成的电阻栅

一种镍铬薄膜传感器应用于电子封装技术方面，在相邻的两个封装焊点之间通过一系列溅射沉积技术形成NiCr薄膜传感器，用来测量在封装过程中封装焊点的残余应力的变化。图3－44是包含有封装焊点的NiCr薄膜传感器。在制造传感器的过程中运用了典型的MEMS工艺技术，即直流溅射、光刻、腐蚀以及化学蒸发沉积技术等。传感器的制作环境是在室温下进行的，而不像以硅为应变层的传感器需要在高温环境下进行。

图3－43　前刀面溅射沉积形成的电阻栅

一种镍铬薄膜传感器应用于电子封装技术方面，在相邻的两个封装焊点之间通过一系列溅射沉积技术形成NiCr薄膜传感器，用来测量在封装过程中封装焊点的残余应力的变化。图3－44是包含有封装焊点的NiCr薄膜传感器。在制造传感器的过程中运用了典型的MEMS工艺技术，即直流溅射、光刻、腐蚀以及化学蒸发沉积技术等。传感器的制作环境是在室温下进行的，而不像以硅为应变层的传感器需要在高温环境下进行。

图3－44　包含有封装焊点的NiCr薄膜传感器

德国汉诺威激光中心Oliver Suttmann等人利用激光烧结技术，直接在沉积好的NiCr薄膜上烧结去除薄膜形成所需电阻栅图案，并研究了激光烧结过程中的工艺参数对其绝缘基底Al2 O3的损伤性。这种工艺不使用传统的光刻工艺，而是直接利用激光烧结薄膜形成图案，大大提高了生产效率。该工艺的关键技术在于既要烧结NiCr薄膜形车工图案，而又不会烧结到下面的Al2O3绝缘层。图3－45是在不同激光烧结功率下厚度为1.0μm的Al2O3薄膜烧结后的扫描电镜图。

图3－44　包含有封装焊点的NiCr薄膜传感器

德国汉诺威激光中心Oliver Suttmann等人利用激光烧结技术，直接在沉积好的NiCr薄膜上烧结去除薄膜形成所需电阻栅图案，并研究了激光烧结过程中的工艺参数对其绝缘基底Al2 O3的损伤性。这种工艺不使用传统的光刻工艺，而是直接利用激光烧结薄膜形成图案，大大提高了生产效率。该工艺的关键技术在于既要烧结NiCr薄膜形车工图案，而又不会烧结到下面的Al2O3绝缘层。图3－45是在不同激光烧结功率下厚度为1.0μm的Al2O3薄膜烧结后的扫描电镜图。

图3－45　不同激光烧结功率厚度下1.0μm的Al2 O3薄膜的扫描电镜图

Ⅰ0.45 J／cm2；Ⅱ1.05 J／cm2；Ⅲ1.61 J／cm2

哈尔滨工业大学X Chen等人将压电薄膜传感器嵌入刀具刀柄内部，使用螺钉与刀柄固定到一起，用来测量刀具切削过程中的切削力。图3－46是嵌入压电传感器的刀具测力系统的智能车刀结构，使用解耦算法可以实现切削过程中三向力的测量。将刀具与传感器结合为一体的新型测力系统极大地减小了测力系统的体积，改善了测力系统的使用环境。

另外，在机械加工的刀具中埋入光纤进行传感，利用光纤能高精度地传感结构中的应力变化值，探测被测试结构内部的变化并利用光时域反射计（OTDR）和光频域反射计（OFDR）技术，测试从光纤反射的信号而将各种被测的量定位。将光纤传感器网络埋入结构中，就可以“实时”检测结构中各种力学参数、损坏情况及进行系统评估，实现测试的实时化。

图3－45　不同激光烧结功率厚度下1.0μm的Al2 O3薄膜的扫描电镜图

Ⅰ0.45 J／cm2；Ⅱ1.05 J／cm2；Ⅲ1.61 J／cm2

哈尔滨工业大学X Chen等人将压电薄膜传感器嵌入刀具刀柄内部，使用螺钉与刀柄固定到一起，用来测量刀具切削过程中的切削力。图3－46是嵌入压电传感器的刀具测力系统的智能车刀结构，使用解耦算法可以实现切削过程中三向力的测量。将刀具与传感器结合为一体的新型测力系统极大地减小了测力系统的体积，改善了测力系统的使用环境。

另外，在机械加工的刀具中埋入光纤进行传感，利用光纤能高精度地传感结构中的应力变化值，探测被测试结构内部的变化并利用光时域反射计（OTDR）和光频域反射计（OFDR）技术，测试从光纤反射的信号而将各种被测的量定位。将光纤传感器网络埋入结构中，就可以“实时”检测结构中各种力学参数、损坏情况及进行系统评估，实现测试的实时化。

图3－46　嵌入压电传感器的刀具测力系统

（a）智能车刀组成图
1—刀柄；2—防护罩；3—金刚石工具插入；4—压电传感器
（b）车刀内部测力系统结构

（3）传感器在智能家居中的应用

智能家居与普通家居相比，不仅具有传统的居住功能，还兼备信息家电、设备自动化、提供全方位的信息交互功能。而这些功能的实现几乎都需要大量的传感器作为支持。传感器在智能家居中的应用包括：居家安全与便利，如安防监视、火灾烟雾检测、可燃和有毒气体检测等；节能与健康环境，如光线明亮检测、温湿度控制、空气质量等。在居家安全方面，市面上即将推出的传感器有小米公司的小米门窗传感器和Loopabs公司的“Notion”传感器。前者可以监控门窗的开关状态，后者可以识别门的开关与否，同时还能监听烟雾警报以及门铃。在居家节能与健康环境方面，智慧云谷推出系列能检测出精确数值的家用无线自动组网空气质量传感器，能够检测损害健康的甲醛、苯、一氧化碳等十几种气体及家中的温湿度并实时显示，且可以根据检测的结果对通风、加氧、除湿等进行自动调整。

图3－46　嵌入压电传感器的刀具测力系统

（a）智能车刀组成图
1—刀柄；2—防护罩；3—金刚石工具插入；4—压电传感器
（b）车刀内部测力系统结构

（3）传感器在智能家居中的应用

智能家居与普通家居相比，不仅具有传统的居住功能，还兼备信息家电、设备自动化、提供全方位的信息交互功能。而这些功能的实现几乎都需要大量的传感器作为支持。传感器在智能家居中的应用包括：居家安全与便利，如安防监视、火灾烟雾检测、可燃和有毒气体检测等；节能与健康环境，如光线明亮检测、温湿度控制、空气质量等。在居家安全方面，市面上即将推出的传感器有小米公司的小米门窗传感器和Loopabs公司的“Notion”传感器。前者可以监控门窗的开关状态，后者可以识别门的开关与否，同时还能监听烟雾警报以及门铃。在居家节能与健康环境方面，智慧云谷推出系列能检测出精确数值的家用无线自动组网空气质量传感器，能够检测损害健康的甲醛、苯、一氧化碳等十几种气体及家中的温湿度并实时显示，且可以根据检测的结果对通风、加氧、除湿等进行自动调整。

智能交通资源

（4）传感器在智能交通中的应用

传感器在智能交通系统里，就如同人的五官一样，发挥着极其重要的作用。例如，采用多目标雷达传感器与图像传感器的技术目前已经在智能交通领域崭露头角，传感器配合相机，可以在一张图片上同时显示多辆车的速度、距离、角度等信息，有效地监控道路车辆状况。同时，随着智能城市的兴起，车流量雷达、2D／3D多目标跟踪雷达也逐渐普及起来。作为系统眼睛的传感器，实时搜集道路交通状况，以便更好控制的车流显得越发重要。未来车辆排放法规、燃油的效能都将成为智能交通行业的驱动力，而传感器亦将在这些领域发挥重要的作用。在提高汽车燃油能效方面，新一代智能型的液压泵使用一个位置传感器实现对检测液压泵挡板的位置检测，从而较传统的泵节省15%燃油。

图3－47是一种嵌入电动车电池内部的一种薄膜热电偶传感器，该传感器用来测量实时的电池温度。此设计为一种在柔性聚合物中嵌入薄膜热电偶（TFTCs）用作锂离子电池内部原位温度的监测的方法。聚酰亚胺嵌入式薄膜热电偶安装在电池电解液的内部而不影响电池装配过程和环境，可以监控电池内部的热生成率。

（5）在航空航天领域的应用

用于制造航天飞机和飞机的材料是有使用寿命的。美国斯坦福大学开发了一项专利技术——斯坦福多致动器接收转换（SMART）层，它的工作原理是：传感器产生的电磁波在结构部件中传播，电磁波被其他的传感器接收，最后将数据传输到计算机中进行处理，提供了一种结构健康监测的实现方法。

智能交通资源

（4）传感器在智能交通中的应用

传感器在智能交通系统里，就如同人的五官一样，发挥着极其重要的作用。例如，采用多目标雷达传感器与图像传感器的技术目前已经在智能交通领域崭露头角，传感器配合相机，可以在一张图片上同时显示多辆车的速度、距离、角度等信息，有效地监控道路车辆状况。同时，随着智能城市的兴起，车流量雷达、2D／3D多目标跟踪雷达也逐渐普及起来。作为系统眼睛的传感器，实时搜集道路交通状况，以便更好控制的车流显得越发重要。未来车辆排放法规、燃油的效能都将成为智能交通行业的驱动力，而传感器亦将在这些领域发挥重要的作用。在提高汽车燃油能效方面，新一代智能型的液压泵使用一个位置传感器实现对检测液压泵挡板的位置检测，从而较传统的泵节省15%燃油。

图3－47是一种嵌入电动车电池内部的一种薄膜热电偶传感器，该传感器用来测量实时的电池温度。此设计为一种在柔性聚合物中嵌入薄膜热电偶（TFTCs）用作锂离子电池内部原位温度的监测的方法。聚酰亚胺嵌入式薄膜热电偶安装在电池电解液的内部而不影响电池装配过程和环境，可以监控电池内部的热生成率。

（5）在航空航天领域的应用

用于制造航天飞机和飞机的材料是有使用寿命的。美国斯坦福大学开发了一项专利技术——斯坦福多致动器接收转换（SMART）层，它的工作原理是：传感器产生的电磁波在结构部件中传播，电磁波被其他的传感器接收，最后将数据传输到计算机中进行处理，提供了一种结构健康监测的实现方法。

图3－47　嵌入电池的薄膜热电偶传感器

（6）传感器在智能工厂中的应用

在智能制造的传感器应用领域，不同行业间的差距非常大。对石油化工等工业来说，需要用到的新型高端工业传感器较少，但在高端制造领域，传感器的国产化率还很低。智能制造所需的某些特殊部件，如需要耐高温、高压的传感器，国内产品的可靠性、稳定性还是有些差距。

在航天、军工等领域，为了做到自主、安全、可控，可以不计成本地研发、生产部分高端传感器。但是应用到工业领域，目前阶段还是采购进口产品比较划算。对于高端电机、视觉、力觉等高附加值的传感器，我国现在还无法大规模生产，只能依赖进口。为了追求整个系统的一致性和可靠性，又连带许多传感器也要使用进口产品。早期，我国智能制造设备大都是从国外进口，造价很高。后来国内设备企业引进、消化之后，实现了自主生产，但是为了选型方便以及设备运行的稳定性，传感器一般还是采用原厂产品。

图3－47　嵌入电池的薄膜热电偶传感器

（6）传感器在智能工厂中的应用

在智能制造的传感器应用领域，不同行业间的差距非常大。对石油化工等工业来说，需要用到的新型高端工业传感器较少，但在高端制造领域，传感器的国产化率还很低。智能制造所需的某些特殊部件，如需要耐高温、高压的传感器，国内产品的可靠性、稳定性还是有些差距。

在航天、军工等领域，为了做到自主、安全、可控，可以不计成本地研发、生产部分高端传感器。但是应用到工业领域，目前阶段还是采购进口产品比较划算。对于高端电机、视觉、力觉等高附加值的传感器，我国现在还无法大规模生产，只能依赖进口。为了追求整个系统的一致性和可靠性，又连带许多传感器也要使用进口产品。早期，我国智能制造设备大都是从国外进口，造价很高。后来国内设备企业引进、消化之后，实现了自主生产，但是为了选型方便以及设备运行的稳定性，传感器一般还是采用原厂产品。