淺析傳感器的原理及應(yīng)用

李月仙(廣東茂化建集團(tuán)有限公司,廣東 茂名 525000)

1 傳感器的發(fā)展歷史

傳感器是由微電子、微型計(jì)算機(jī)與檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，具有測(cè)量、存貯、通信、控制等特點(diǎn)。傳感器是檢測(cè)裝置的一種，能測(cè)量到信息，并將測(cè)量信息按一定規(guī)律變成電信號(hào)或者其他形式的信號(hào)輸出。智能傳感器主要由主傳感器、輔傳感器與微機(jī)硬件系統(tǒng)等構(gòu)成。從以前氣動(dòng)儀表、電動(dòng)儀表發(fā)展到如今的集散系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，把單回路的控制集成到對(duì)整個(gè)生產(chǎn)裝置的所有控制系統(tǒng)的控制。操作可以在控制室足不出戶就可以控制現(xiàn)場(chǎng)的閥門，能夠及時(shí)通過對(duì)工藝設(shè)備里面的壓力、溫度、物位或流量進(jìn)行控制，達(dá)到穩(wěn)快準(zhǔn)的控制效果。

傳感器像人的五官一樣具有敏感的感覺功能。人的五官獲取信息是通過人體的感覺細(xì)胞將溫度、顏色、重量、酸、甜、苦、辣等非電量，轉(zhuǎn)換成電脈沖如電壓、電容、電流、電阻等，電脈沖再通過神經(jīng)將信息傳至大腦，大腦處理后感知到信息。智能傳感器利用這個(gè)原理來模仿人的感覺的。與人相比，傳感器的功能更強(qiáng)大，在日常生產(chǎn)中需要精確地獲取信息，做出準(zhǔn)確、迅速的反應(yīng)，靠人的感官難以實(shí)現(xiàn)，特別是高溫高壓、有毒有害、易燃易爆區(qū)域，人根本無法進(jìn)入，于是，就有了傳感器應(yīng)運(yùn)而生。傳感器畢竟是電子產(chǎn)品，它沒有思維和感情，這一點(diǎn)與人無法比擬的。傳感器是一種將非電量(如溫度、密度、電阻、速度、形變等)的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏孔兓脑?，根?jù)轉(zhuǎn)換的非電量不同可分為壓力傳感器、速度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器等等，是控制儀器及設(shè)備的主要零件、附件。

2 溫度、壓力、速度、觸摸、聲、重力傳感器原理及應(yīng)用

溫度是測(cè)量物體冷熱程度的物理量，溫度是熱力學(xué)系統(tǒng)熱運(yùn)動(dòng)的能量，溫度不是直接測(cè)量的，它是通過物體隨溫度變化的物理量來轉(zhuǎn)換測(cè)量的。熱電偶就是根據(jù)熱電勢(shì)變化來測(cè)量溫度的；熱阻是根據(jù)阻值變化來測(cè)量溫度的，溫度計(jì)是根據(jù)體積變化來測(cè)量溫度的。溫度傳感器從傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器、模擬集成溫度傳感器/控制器到智能溫度傳感器三個(gè)發(fā)展階段。智能溫度傳感器由溫度傳感器、信號(hào)處理器、存儲(chǔ)器與接口電路等組成，有的溫度傳感器還帶控制器(CPU)、多路選擇器等。如今，新型智能溫度傳感器正從模擬量向數(shù)字量及網(wǎng)路化發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)多功能、高精度、總線系統(tǒng)化、高安全性及可靠性。溫度變送器應(yīng)用非常廣泛如壓縮機(jī)的出口溫度、反應(yīng)器的表面溫度、電機(jī)的軸承溫度、加熱爐的爐膛溫度等；有些電子產(chǎn)品還需對(duì)自身的溫度進(jìn)行檢測(cè)，如空調(diào)、PLC、計(jì)算機(jī)、馬達(dá)控制器，質(zhì)量流量計(jì)、電磁流量計(jì)等。

壓力是垂直均勻作用在單位面積上的力即垂直力的大小。壓力傳感器的工作原理是被測(cè)介質(zhì)直接作用于傳感器(硅諧振、硅微電容、復(fù)合半導(dǎo)體、硅電容等)，它將被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換(硅梁的振動(dòng)頻率、靜電容量、硅芯片電阻值、電容等)。壓力傳感器在軍事、民用和工業(yè)等很多方面都有應(yīng)用，壓力傳感器可用來測(cè)量靜態(tài)壓力和動(dòng)態(tài)壓力。壓力傳感器是在自動(dòng)化系統(tǒng)及汽車中用的最多的傳感器，在化工中主要用于罐頂壓力，塔頂壓力，壓縮機(jī)出入口壓力、管線的壓力、潤(rùn)滑油壓力、反應(yīng)器床層壓力、爐膛壓力等，在汽車中主要用于檢測(cè)氣囊貯氣壓力、傳感器系統(tǒng)流體壓力、注入燃料壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力、進(jìn)氣管道壓力、空氣過濾系統(tǒng)的流體壓力等。

速度是單位時(shí)間內(nèi)位移的增量，速度傳感器是能感受被測(cè)速度并將其轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器。速度分為線速度和角速度。測(cè)量線速度的為線速度傳感器，它是用來測(cè)量直線運(yùn)動(dòng)的傳感器，根據(jù)輸出電壓與被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)速度成線性關(guān)系來測(cè)量線速度。線速度傳感器被廣泛應(yīng)用于化工機(jī)械、儀器儀表、地質(zhì)石油等方面的自動(dòng)化控制與測(cè)量小模數(shù)齒輪或其它設(shè)備的轉(zhuǎn)速，工作性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，線速度傳感器輸出方波信號(hào)，能夠遠(yuǎn)距離傳輸。在機(jī)車的牽引控制、車輪滑動(dòng)保護(hù)、列車控制和車門控制過程中都要設(shè)計(jì)到速度信號(hào)的采集問題。這個(gè)任務(wù)由許許多多的速度傳感器來完成。測(cè)量角速度的為角速度傳感器，用于測(cè)量旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的角位移、角速度、角加速度等，早期測(cè)量角參數(shù)，多采用線加速度計(jì)與線位移傳感器，再經(jīng)過計(jì)算得出角參數(shù)，這種方法測(cè)量誤差比較大。目前多采用陀螺儀原理測(cè)量角速度，陀螺儀常被稱為角速度傳感器。陀螺儀的設(shè)計(jì)和工作原理主要采用振動(dòng)部件傳感角速度，依賴相互正交的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)引起科里奧利力。即靜止時(shí)，驅(qū)動(dòng)臂在水平方向振動(dòng)，當(dāng)發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)，在科氏力的作用下驅(qū)動(dòng)臂產(chǎn)生垂直運(yùn)動(dòng)，引起感應(yīng)臂的運(yùn)動(dòng)，使感應(yīng)臂產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)角速度成正比的電勢(shì)差。陀螺儀可以固定一個(gè)方向，像旋轉(zhuǎn)的陀螺放在平面上，不論將平面如何傾斜，陀螺的中心軸是不變的。陀螺儀傳感器是基于空間位移和手勢(shì)定位的控制系統(tǒng)，具有定軸性和進(jìn)動(dòng)性兩個(gè)重要特性。如陀螺傳感器裝在手機(jī)中就可以固定一個(gè)方向，手機(jī)移動(dòng)但是方向保持不變。在射擊游戲中，射擊準(zhǔn)心不變，然后通過移動(dòng)手機(jī)位置來瞄準(zhǔn)目標(biāo)。轉(zhuǎn)速傳感器是測(cè)量旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)速并將其轉(zhuǎn)換為電量輸出。轉(zhuǎn)速傳感器根據(jù)信號(hào)可分為模擬和數(shù)字兩種。模擬信號(hào)輸出值是轉(zhuǎn)速的線性函數(shù)，數(shù)字信號(hào)輸出值是信號(hào)頻率與轉(zhuǎn)速成正比。由于在自動(dòng)控制及自動(dòng)化儀表中大量使用電機(jī)(如進(jìn)/出料泵，空冷風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)的電機(jī)部分)，所以轉(zhuǎn)速傳感器應(yīng)用非常廣并且種類很多，常用的轉(zhuǎn)速傳感器有磁電式、光電式、霍爾式、電容式等。應(yīng)用案列:柴油機(jī)用的轉(zhuǎn)速傳感器就裝在噴油泵的飛錘齒輪處，當(dāng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油泵工作時(shí)，傳感器的齒輪旋轉(zhuǎn)，因此在信號(hào)線圈中就會(huì)產(chǎn)生交流電壓。交流電壓的頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比。

在機(jī)電一體化操作臺(tái)及手機(jī)上主要搭載的傳感器有觸摸傳感器、聲傳感器、重力傳感器等。電腦及手機(jī)觸摸屏，在皮膚下面，人體組織中充滿了傳導(dǎo)電解質(zhì)(一種有損電介質(zhì))，這種電解質(zhì)與電場(chǎng)相互作用，這種傳感器即電容式觸摸傳感器；打電話時(shí)，把聲音轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，這種傳感器即聲傳感器；用電腦或者手機(jī)觀看視頻、新聞或網(wǎng)絡(luò)購物時(shí)，把手機(jī)從豎變?yōu)闄M著拿時(shí)，頁面內(nèi)容就自動(dòng)反應(yīng)過來，這就是重力傳感器的應(yīng)用。

3 結(jié)語

在自動(dòng)化控制中，傳感器處于系統(tǒng)首位，如傳感器在蠟油加氫裝置的應(yīng)用，蠟油加氫裝置工藝概況蠟油在高溫、高壓、氫氣及催化劑的作用下先脫除原料中的硫、氮以及金屬等雜質(zhì)，然后進(jìn)行加氫、裂化、芳烴飽和和開環(huán)等反應(yīng)，生產(chǎn)出石腦油、柴油、航煤、加氫尾油等高附加值產(chǎn)品。溫度傳感器在蠟油加氫裝置的應(yīng)用:反應(yīng)器每個(gè)床層溫度、溫升的控制都是通過調(diào)節(jié)床層入口溫度實(shí)現(xiàn)的。在反應(yīng)器每個(gè)床層的入口，在同一平面上一周設(shè)有6個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)，通過信號(hào)選擇器，選擇溫度較高的一個(gè)作為控制值。壓力傳感器在蠟油加氫裝置的應(yīng)用:在冷高壓分離器罐頂?shù)膲毫ψ鳛閴毫刂泣c(diǎn)，在新氫壓縮機(jī)出口壓力控制下，通過設(shè)在壓縮機(jī)三返一線上的壓力調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)其返回入口流量，用來改變反應(yīng)系統(tǒng)的氫氣流量。轉(zhuǎn)速傳感器在蠟油加氫裝置的應(yīng)用:空冷出口溫度控制通過調(diào)節(jié)運(yùn)轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)的頻率轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)空冷出口溫度。于是可以說傳感器是自動(dòng)化系統(tǒng)達(dá)到快速、精確以及穩(wěn)定的保證。新技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)著傳感器市場(chǎng)，如光纖傳感器、紅外傳感器、紫外傳感器、無線傳感器以及金屬氧化物傳感器等。在現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中，需要各種傳感器來監(jiān)視以及控制生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、液位、流量等參數(shù)，確保設(shè)備在正常狀態(tài)下工作，生產(chǎn)出質(zhì)量過關(guān)的產(chǎn)品。傳感器已滲透到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、科學(xué)研究等領(lǐng)域，幾乎每個(gè)現(xiàn)代化項(xiàng)目，都需要各種各樣的傳感器。相信在不久的將來，智能傳感器市場(chǎng)將更加強(qiáng)大。

[1]徐科軍.傳感器與檢測(cè)技術(shù)(第3版電氣工程自動(dòng)化專業(yè)).

[2]張洪潤(rùn).傳感器技術(shù)大全.

[3]樊尚春.傳感器技術(shù)及應(yīng)用(第2版).