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智能特种电机

摘要：
针对新兴需求，借助了智能传感器和特种电机原理，探讨智能特种电机的应用，猜想智能特种电机的实例应用。特种电机是电机中的一类主要是指因为使用环境和制作工业的特殊而区别通用电机的名称。随着工业化发展以及自动化技术提高，特种电机的使用范围越来广泛，种类也越来越多。本文是将智能传感器与工业现有特种电机相结合的浅薄介绍，是一种新型技术猜想。本文将分三部分阐述猜想，1：简述智能传感器与特种电机2: 智能特种电机实例应用猜想3：小结。
Abstract：
Aiming at the emerging demand, with thehelpof smartsensorsand specialmotor principle, the applicationofintelligent specialmotor, special motorintelligent application example of conjecture. Special motor is a kind of mainly refers to the name because the use of the environment and making industrial special and difference between generalmotor.Withtheimprovementof industrialization andautomationtechnology, thescopeofuse ofspecialmotor moreand widely, moreandmorespecies. Thispaper is the intelligentsensorsand theexistingindustrial specialmotorcombines shallow introduction, is a new technology of conjecture. This paper is the intelligent sensorsand theexisting industrial specialmotorcombines shallow introduction, isanewtechnologyof conjecture. This paper will be divided into three part: the 1 conjecture, intelligent sensor and special motor 2: intelligent special motor application example of conjecture 3: summary.

关键词：智能传感器 特种电机 猜想
引言：
1）智能特种电机基于现在多复杂、多信息、多干扰的“三多”情况下智能电机的应用猜想。在特殊环境下，完成特定或指定的，人力或现有能力不能完成的任务，是新型的科技与新型机械的完美结合体。
2）简单介绍智能传感器的工作原理以及其功能和组成框图，简述现今主要应用的特种电机的工作原理（直流伺服电机、步进电机、新型开关磁阻电机、磁浮电机，以前两种为主）。
3）介绍现阶段智能特种电机在医疗和工程救援方面的应用
一、 简述智能传感器与特种电机
1：智能传感器
含义：
什么是智能传感器？“智能”的含义是什么？世界各国的专家们各有各的简介，众说纷纭。从字面上理解，中文的智能是指人的智力与才能，其中包括记忆、观察、想象、思考、判断和发明创造。而英文对智能（intelligent）的解释是有才智、聪明，有搜集与交换信息的能力。智能传感器应是具有学习、思考、判断和创造力的传感器。
起源：
最初是美国宇航局（NASA）在开发宇宙飞船的过程中形成的。宇航员的生活环境需要气压、温度、微量气体和空气成份传感器,宇宙飞船需要加速度、速度位置等传感器,科学观测也要用大量的各类传感器。宇宙飞船观测到的各种数据是很庞大的,处理这些数据需要用超大型计算机。为了不丢失数据、降低成本,必须有能实现计算机与传感器一体化的小型传感器。因此实现数据处理由集中处理变为分散处理,避免使用超大型计算机，由此而产生了智能传感器。它是一种带微处理器的，兼有信息检测、信息处理、信息记忆、逻辑思维与判断功能的传感器。从结构上来讲，智能传感器是由经典传感器和微处理单元与相关电路构成，图为智能传感器系统的构成框图。

工作原理：
传感器是将各种非电量一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量的装置。如人体的感觉器官就是一套完美的传感系统，通过眼、耳、皮肤来感知外界的光、声、温度、压力等物理信息，通过鼻、舌感知气味和味道这样的化学刺激。传感器工作原理的分类，一般传感器的物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。而智能传感器是逐渐成长起来的高新技术。因其具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低、能在复杂的体系中进行在线连续监测，特别是它的高度自动化、微型化与集成化的特点，使其在近几十年获得蓬勃而迅速的发展。智能传感器带有微处理机，具有采集、处理、交换信息的能力，是传感器集成化与微处理机相结合的产物。
功能：
1）自补偿和自诊断功能
一般的传感器都具有输人输出的非线性关系,这既不利于读数也不利于仪表在整个刻度范围内灵敏度的一致性。智能传感器常利川插值方法实现非线性补偿, 它还可实现温度补偿、漂移补偿等，智能传感器还能根据长期趋势、敏感元件遭受的破坏程度等进行自测, 有效地阻止可能发生的错误。因此, 智能传感器能提供比传统传感器更全面更真实的信息, 其精度、可靠性都有很大提高, 尤其自补偿功能是它最突出的优点之一。
2）强大的通信功能
智能传感器内部的两大部分间能够双向通信, 可在控制室利用软件对基本传感器进行控制, 也可远程实现对传感器基本的量程设定和状态组合, 使基本传感器成为灵巧的检测工具。基本传感器则由数据总线把测量信息传送到微处理器。智能传感器输出的是数字量, 通过总线控制器, 为它与其他数字控制仪表的直接通信提供了方便, 使智能传感器可作为集散控制系统的组成单元受中央计算机的控制。
3）信息存贮和记忆功能
智能传感器能存贮已有的信息, 如补偿系数、历史数据、标定日期和各种必需的参数。
常见智能传感器：
1)红外对管：红外对管是根据红外辐射式传感器原理制作的一种红外对射式传感器。与一般红外传感器一样，红外对管也由三部分构成：光学系统（发射管）、探测器（接收管）、信号调理及输出电路。红外探测器是利用红外辐射与物质相互作用所呈现的物理效应来探测红外辐射的。在此接收管通过对发射管所发出的红外线做出反应实现，实现信号的采集，再通过后续信号处理电路完成信号的采集和输出。

2)超声波传感器：利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应而研制的装置可称为超声波换能器、 探测器或传感器。超声波探头按其工作原理可分为压电式、 磁致伸缩式、 电磁式等, 而以压电式最为常用。压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷, 这种传感器统称为压电式超声波探头。它是利用压电材料的压电效应来工作的: 逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动, 从而产生超声波, 可作为发射探头; 而利用正压电效应, 将超声振动波转换成电信号, 可用为接收探头。

超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性
能指标包括： 

（1）工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。 
（2）工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。 
（3）灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。

3) 压阻式压力传感器: 它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是 A/D转换和CPU）显示或执行机构。利用应变电阻式工作原理，采用硅-蓝宝石作为半导体敏感元件，具有无与伦比的计量特性。利用硅-蓝宝石制造的半导体敏感元件，对温度变化不敏感，即使在高温条件下，也有着很好的工作特性；蓝宝石的抗辐射特性极强；另外，硅 -蓝宝石半导体敏感元件，无p-n漂移，因此，从根本上简化了制造工艺，提高了重复性，确保了高成品率。

2：特种电机
含义：
特种电机是电机中的一类主要是指因为使用环境和制作工业的特殊而
区别通用电机的名称。随着工业化发展以及自动化技术提高特种电机的使
用范围越来广泛种类越来越多。是以一类新型特种电机（步进电动机、自
整角机、直线电动机、超声波电动机等等之类的）为例，综述其原理，结
构，性能，应用以及研究热点。

现有几种应用广的特种电机原理简介：

1. 直流伺服电机
结构：

直流伺服电机

电源为直流电源

空心杯式
无槽式
盘形电枢
普通型

机械特性和电机特性：
1）机械特性
   机械特性是指在控制电枢电压保持不变的情况下，直流流伺服电动机的转速n随转矩变化的关系。当转矩为零时，电机转速仅与电枢电压有关此时的转速为直流伺服电机的理想空载转速，理想空载转速与电枢电压成正比。当转速为零时，电机的转矩仅与电枢电压有关，此时的转矩称为堵转转矩，堵转转矩与电枢电压成正比。
2）调节特性
当转矩一定时，转速与电压的关系也为一组平行线，当电动机的转矩T不变时，控制电压增加，转速成正比地增加。其斜率为k。调节特性与横轴的交点所对应的电压值为始动电压，只有当控制电压大于始动电压，电动机才会转动。负载转矩TL不同时，始动电压也不同，TL越大，始动电压越高，死区越大，伺服电动机越不灵敏，所以伺服电动机不可带太大的负载。
2. 步进电动机
原理：

假设转子上有四个齿，相邻两齿间夹角（齿距角）为90°。当A相通电时，转子1、3齿被磁极A产生的电磁引力吸引过去，使1、3齿与A相磁极对齐。接着B相通电，A相断电，磁极B又把距它最近的一对齿2、4吸引过来，使转子按逆时针方向转动30o 然后C相通电，B相断电，转子又逆时针旋转30°。依次类推，定子按A→B→C→A顺序通电，转子就一步步地按逆时针方向转动，每步转30°。若改变通电顺序，按A→C→B→A使定子绕组通电，步进电动机就按顺时针方向转动，同样每步转30°
。

3. 新型开关磁阻电机
  开关磁阻电机是一种新型调速电机，调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点，是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统的最新一代无极调速系统。它的结构简单坚固，调速范围宽，调速性能优异，且在整个调速范围内都具有较高效率，系统可靠性高。它具有两个基本特征：(l)开关性——电机必须工作在一个连续的开关模式，这也是为什么在各种新型功率半导体器件可以获得后这种电机才得以发展的主要原因。(2)磁阻性——定、转子具有可变磁阻回路，是真正的磁阻电机。
4. 磁浮电机
磁悬浮电动机是一种具有轴承支承功能的特殊电动机,它在运行时不需要任何独立的轴承支承,因此具有无摩擦和磨损无润滑油污染寿命长等一系列优点。
二、 智能特种电机实例猜想
1. 医疗方面
近年来，医疗机器人技术引起美、法、德、意、日等国家学术界的极大关注研究工作蓬勃兴起。二十世纪九十年代起，国际先进机器人计划(IARP)已召开过多届医疗外科机器人研讨会DARPA己经立项，开展基于遥控操作的外科研究，用于战伤模拟手术、手术培训、解剖教学。欧盟、法国国家科学研究中心也将机器人辅助外科手术及虚拟外科手术仿真系统作为重点研究发展的项目之一在发达国家已经出现医疗外科手术机器人市场化产品，并在临床上开展了大量的病例应用研究。随着科学技术的发展, 特别是计算机技术的发展, 医用机器人在临床中的作用越来越受到人们的重视。
空间定位技术在计算机辅助导航系统中, 空间定位是整个系统的关键, 直接关系到整个系统的精度和计算机辅助手术的成败。其作用就是实时测出手术器械的空间位置和姿态, 根据定位传感器的不同, 可分为机械定位、超声定位、电磁定位和光学定位法。（1）机械定位　机械定位是手术导航系统最初的定位方法, 属于无源定位。定位用机械手至少应有6 个自由度, 且每个关节均有编码器。和机械手相联的手术器械的位置和旋转, 能够通过机械手的几何模型和关节编码器的瞬时值计算出来，典型精度为: 2～3 mm。机械手定位的优点是不会被阻塞, 不会被障碍遮挡, 同时可在特定位置夹住或放置手术器械。缺点是在手术中较为笨拙, 施加在机械手上的压力可使数据发生变化, 同时存在固定装置和制动器的位移误差。机械定位常用于无臂系统的标定和检查。(2) 超声定位通过测量超声波的传播时间来测量超声波发射器与接收器间的距离。在手术器械上放置N (至少大于3) 个发射器, 即可计算出手术器械的位置和姿态。该系统的绝对精度一般为5mm。超声波定位的主要问题在于温度对超声波的影响、空气位移、空气非均匀性以及发射器的大尺寸等。(3) 电磁定位　在电磁定位系统中, 每个电磁产生线圈定义一个空间方向, 3 个线圈确定三个空间方向, 然后再根据已知的相对位置关系就可以对目标的空间位置进行定位。电磁定位系统的精度为2mm。电磁定位的精度较高, 又属于非接触式定位。但系统磁场对工作空间中的任何金属物体的引入都很敏感。(4) 光学定位　光学定位是目前手术导航系统中的主流定位方法。以CCD 摄像机作为传感器,测量目标为安装在手术器械上的几个红外发光二极管, 通过红外发光二极管的空间位置, 计算出手术器械的位置和姿态。
猜想：利用压阻式压力传感器与磁浮电机相结合，所做出来的新型压阻式-磁浮电机可以用到人身体检测器械方面。一方面磁浮电机运行时不需要任何独立的轴承支承的特点，可以减小原有测量医疗器械的体积，方便携带，可以随时随地的进行所需要的测量工作，同时利用磁浮电机具有无摩擦和磨损无润滑油污染寿命长的优秀性，提高医疗器械的使用寿命；此外压阻式的压力传感器极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性的特点，从成本上减小医疗器械的支出成本的同时，又从质量上保证高精度性，此外，由硅-蓝宝石作为的半导体敏感元件，利用其对温度变化不敏感，即使在高温条件下，也有着很好的工作特性，满足了多复杂，多信息，多干扰的“三多”情形的智能特种电机所需要的条件。
2. 工程救援
可以分为：军用救援机器人，灾后救援机器人，水下救援机器人、灾难侦察机器人等。
由中科院沈阳自动化所机器人学国家重点实验室与中国地震应急搜救中心联合承担研制，并成功研制出“废墟可变形搜救机器人、机器人化生命探测仪、旋翼无人机”三款机器人。这三款机器人曾经被国家地震局评为“十一五”以来最具应用实效的10项科技成果之一。2013年4月20日，四川雅安地震发生后，沈阳自动化所科研人员迅速反应，已于20日下午组成临时搜救队随同机器人急赴灾区开展救援工作。
这种机器人由若干个装有铁磁微粒、水以及润滑剂的橡胶囊组成，爬行时所受阻力很小。每两个橡胶囊之间由一副橡胶棒连接，通过磁场的作用推动机器人前行。
猜想：利用超声波传感器和新型开关磁阻电机的优点，所做出来的超声波-开关磁阻电机可以用到地震救援机器人方面。一方面开关磁阻电机利用其兼具直流、交流两类调速系统的优点在地震发生的现场根据当时条件就可以进行对机器人的不同情况的操控(根据当时的电流条件)，另一方面开关磁阻电机结构简单坚固，调速范围宽，调速性能优异，且在整个调速范围内都具有较高效率，系统可靠性高的优点，满足了在地震时多岩石，余震频繁的情况下保证点击可以安全运行的要求；此外利用超声波传感器的三个主要性能（1）工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高（2）工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。（3）灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。的优点既可以进行声波救援也可以满足多复杂，多信息，多干扰的“三多”情形的智能特种电机所需要的要求。

三、 小结
随着科技的不断反展，越来越多的可变换，不确定性的增加，使得特种电机的应用度也越来越多，也同时越来越广泛，而且随着人们对于要求的不断提高，智能特种电机也就越来越受到关注与研究。
智能特种电机，从字面上来解释就是将智能传感器与特种电机相结合，通过传感器收集所需要的数据和信息，可以远程控制或者自身根据环境进行分析和处理。从复杂的环境当中提取有用的数据，完成人工所需要的要求和任务。智能传感器的本身特性，自补偿和自诊断功能以及强大的通信功能，在保证任务完成的同时及时分享数据，提高传感器的使用寿命和频率，从经济利益上减少成本，从功能上完善传统工具的不足。特种电机改变了原有的电机的驱动方式或者驱动原理，使电机更能适应应用于越来越多的复杂环境，完成越来越多的人工需求。再多复杂，多信息，多干扰的“三多”情形中更加使电机的使用游刃有余。
综上，智能特种电机在科技不断完善的未来，其更加全面更加高效的能力，会受到人们越来越多的关注和研究。这就是本人对于智能特种电机的简单猜想。
四、 参考文献
1）中国工程大学 030940031 任逍遥
《直线电机及其高精密机械加工方面的应用》
2）浙江大学 3090102511 杨德格
《特种电机及其驱动技术综述》
3）淄博职业学院 0910320522 李旭平
《特种电机的结构、控制原理及其应用》
4）徐甲强，张全法，范福玲，传感器技术（下册）[M]，哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2004年
5）王军，苏剑波，席裕庚，多传感器融合综述[J]，数据采集与处理，2004年第19卷第1期
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6）沙占友，智能传感器系统设计与应用[M]，电子工业出版社，2004年
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