现代化工业的特点是大规模自动化生产,用机器来代替人的劳动,做人所不能完成的事情。这种自动化生产是以计算机为核心,以传感器为基础组成的。各种传感器作为计算机的五官那样,收集各种信息转变为电的信号输入计算机,由计算机进行思维、判断,然后发出各种控制信号,使执行机构进行动作,实现各种生产操作。它不仅使生产合理化,而且提高了生产效率。本文简介工业自动控制中一些“五官”情况。
一、触觉
人的触觉是十分灵敏的,经它的触摸能感知物体的软硬、冷热、表面状态(粗糙及光滑程度、干湿程度等)及物体的粘度(稀稠程度)等。特别是人的手指对物体的触摸具有手感(如对纺织品质量的鉴别),这是任何传感器难以达到的。但是人的触觉也受到一定的限制,如所感受的温度只能大致了解其冷热,并且也仅在一定的温度范围内(如高于80℃时会烫伤、低于-40℃时会冻伤)。而现在的温度传感器可以检测-200℃~+3000℃的温度范围,而且较容易达到±1%的精度。采用红外温度传感器还能实现不接触测量。低温测量用于制冷、空调、冷藏等工业,而高温测量用于金属冶炼、轧钢、热处理、陶瓷、水泥等工业。
人们对环境的温度变化是敏感的,但对环境湿度的变化则不太敏感。现代工业生产中可以通过湿度传感器测量相对湿度0~100%RH并且可以达到±3~±5%精度。它在化纤、纺织、空调、精密机械及仪器、仪表生产中是极为有用的。
人能感知力及压力,但是也在一定范围内根据经验来判断其大小。现代的力传感器及压力传感器(包括表压、绝对压力、真空压力及差压等)可以从很微小的力或压力到巨大的力及压力。如力可以达几十顿,压力可达几百兆帕。力传感器的精度可超过±0.1%,压力传感器的精度可达±0.02%。

对PVF\(_{2}\)(聚偏二氟乙烯)新型材料的开发,为机器人触觉传感开辟了一条新的道路。它具有柔软、坚韧等机械性质,与皮肤很相似,而且发现皮肤与PVF2同样有压电性及热释性。用它来研制仿人类皮肤的触觉传感器已作了不少探索。模拟人类手指设计制作的指尖式触觉传感器如图1所示。它是由一个深部(“真皮层”)触觉阵列及一个浅部(“表皮层”)触觉阵列组成。前者是制作在一块PVF\(_{2}\)膜上的,规则排列128个敏感元(每个敏感之直径1.5mm,中心距2.5mm)组成的曲面传感阵列;后者有7个相同的敏感元组成。它们都能对机械负荷及温度变化起响应。由于“真皮”传感器能测量法向接触压力的大小,而“表皮”传感器能感知接触时机器人手指表面凹陷的程度、故“表皮”信号与“真皮”信号之比正是材料柔性的一个量度,也就是说可反映被接触物体的硬度。
这一指尖式传感器还有另外两种辅助传感器功能,一种是以PVF\(_{2}\)薄板制成的“指甲”型传感器,它的工作原理类似唱机拾音头。当“指甲”端面沿物体表面刮过时,可感知表面的微观轮廓特征(如粗糙度)。另一种是以PVF2膜为材料的超声接近传感器,它可以探知物体接近的程度。这种触觉传感器目前尚处于实验室阶段,但相信不久将会达到实际应用的程度。
二、听觉
人能听到的声音是物体的振动,它的频率范围是20Hz~20kHz。高于20kHz的振动是超声波,人是听不到的。超声波传感器实质上是一种电/声或声/电换能器,它可以由电的振荡转换成超声波发射,并能将接收的超声波转换成电信号。
利用超声波的发射及接收,可用于通信、遥控及遥测。利用超声波对材料(金属或非金属)的发射及回波接收的情况,可以制成无损探伤仪,用于检测材料内部有无缺陷。按相似的原理,通过对材料发射超声波及接收回波的时间间隔,可以在线检测材料的厚度。按类似的工作原理可以制成超声波物位(料位或液位)检测或控制系统。
另外,利用超声波的特性可以制成检测材料的硬度计、液体流量计及接近开关等。
在听觉系统中,利用语言芯片及计算机可完成语音合成、语音识别功能。它能使仪器或机器人说话,并可进行人机对话,使系统具有更高的技术水平。
三、视觉
人的视觉可以识别物体的形状、尺寸大小、颜色及与人之间的距离,并且还可以看出物体的材料及表面状态等。但从光谱范围来说,人眼仅限于可见光(380~760nm)范围。视觉传感器的光谱范围要比人眼宽广很多,它能检测紫外线、可见光及红外线。
视觉传感器主要是由光电能量转换的光电器件组成,它们有发光源(红外发光二极管、半导体激光二极管)及光电变换元件(光电二极管、光电三极管、光电池、光敏电阻等)。
利用红外线发射及接收可以制成遥控及遥测装置,如果采用光纤进行信号传输,采用多路编码技术,则可以将信号传输得很远及控制更多的信号。
利用紫外线传感器(300nm以下)可以制成火焰传感器,它用于火灾报警,也用于陶瓷窑的点火检测系统中。另外,它也可用于紫外线的检测装置。
近年来开发的色彩传感器是由非晶态硅制成的光电二极管和红、绿、蓝三色光滤波器组成,如图2所示。它除能检测红、绿、蓝三种颜色外,还能识别12种中间色。它主要用于色测定、色差管理、色均匀度判别等,在涂料、染料、印刷、纸张质量检验中得到广泛应用。

新型的固态图像传感器CCD已代替光导摄像管,成为目前工业自动化检测和机器人视觉传感器的最佳选择。由它制成的商品摄像机仅200克左右,尺寸仅为5.8×5.1×12.05cm\(^{3}\)。
利用CCD器件可以用来测量距离、零件的表面质量(有无划伤、刮伤、污损)、零件的尺寸等。利用CCD摄像机作工业控制监视已十分普遍。
四、嗅觉
在工业生产中“嗅觉”传感器主要的对象是可燃性气体、有毒气体(或有害气体)、氧气及湿度(空气中含的水蒸气)等。气体传感器(化学传感器)为我们提供有关待测气体(多数为空气中所含的待测气体)的存在及其浓度大小的信息。
气体传感器制成各种报警器、报警装置或系统,用于采矿(防止瓦斯爆炸)、或管道泄漏检测(防止火灾或爆炸)。
常用的气体传感器由金属氧化物(如SnO\(_{2}\)等)组成。最近采用光纤测可燃性气体,它可以在2公里外进行遥测,它的检测灵敏度可达最低爆炸极限的4%(即2000PPm);在20公里遥测时,其灵敏度也达到最低爆炸极限的25%。利用这种光纤传感技术,还可以检测CO、CO2、SO\(_{2}\)、NO2等气体。
燃料的燃烧是否完善不仅涉及能源消耗问题,同时也涉及环境污染问题。因此利用气体传感器检测排气的成份来调节空气及燃料的比例,使燃烧完全。地下车库检测汽车排气中CO、CO\(_{2}\)、NOx等有害气体,可控制通风系统以保证安全。这种装置也同样适用于隧道及地下工程。
五、味觉
在工业生产中,味觉传感器现在仍处于未开发的领域。现有的味觉传感器仅有酸碱度传感器(PH值传感器),它可以作在线测量PH值(1~14)。另外,利用测比重的原理可以测啤酒的精度。
在食品工业中,味觉是十分重要的,如测定茶叶的等级,酒的质量都需要有专门的品茶、品酒师,目前还没有传感器能代替人的味觉,这方面将有待开发。(方佩敏)