電磁計量技術(shù)在傳感器測量系統(tǒng)中的應(yīng)用

張海平

（昆山市計量測試所，江蘇 昆山 215300）

電磁計量技術(shù)在傳感器測量系統(tǒng)中的應(yīng)用

張海平

（昆山市計量測試所，江蘇 昆山 215300）

傳感器是一種可以感知被測量的信息，并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號或其他形式的信號輸出的器件。傳感器往往把其它非電量轉(zhuǎn)化為電磁參量，然后通過電磁計量技術(shù)進(jìn)行測量。本文首先對電磁計量技術(shù)進(jìn)行了概述，然后介紹了傳感器測量系統(tǒng)及其與電磁計量技術(shù)的關(guān)系，接著以智能手機(jī)為例闡述了傳感器測量系統(tǒng)的組成，最后通過壓力傳感器和電子秤系統(tǒng)闡述了電磁計量技術(shù)在傳感器測量系統(tǒng)中的應(yīng)用。

電磁計量；傳感器；測量系統(tǒng)

傳感器是工業(yè)電子和電氣控制系統(tǒng)的“眼睛”，它能采集系統(tǒng)運(yùn)行中的各項參數(shù)，經(jīng)計算機(jī)或單片機(jī)等主控單元處理后，完成系統(tǒng)的預(yù)定任務(wù)。隨著科技的發(fā)展，傳感器技術(shù)已經(jīng)在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。例如在各大中小企業(yè)的設(shè)備控制系統(tǒng)、自動化生產(chǎn)線等，傳感器的身影無處不在。電子電氣系統(tǒng)復(fù)雜度的提高對傳感器的性能和功能提出了更高要求，而單個傳感器是很難滿足要求的，因此傳感器測量系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。傳感器的主要功能是將一些溫度、壓力、速度、位移等不易直接測量的物理量轉(zhuǎn)換為易于測量的電磁參量，而電磁參量的測量可以通過電磁計量技術(shù)來完成。因此，電磁計量技術(shù)在傳感器測量系統(tǒng)中具有十分重要的作用。

1 電磁計量技術(shù)概述

電磁計量是指根據(jù)國家的法定計量檢定系統(tǒng)，在各種電磁計量器具的輔助下，對自然電磁現(xiàn)象或電氣設(shè)備的電磁參數(shù)進(jìn)行定量分析的過程。電磁計量按原理可大致分為電學(xué)計量和磁學(xué)計量兩大組成部分，其計量參數(shù)既包括電壓、電流、功率、電能、電阻、電容、電感、電阻率和介質(zhì)損耗角等電參數(shù)，也包括磁通、磁通密度、磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度、磁導(dǎo)率、鐵損等磁參數(shù)。根據(jù)取得測量結(jié)果的方式，電磁計量可分為直接測量、間接測量和組合測量；根據(jù)計量儀器的不同，又可分為直讀測量和比較測量兩種方式。電磁計量在現(xiàn)有的眾多計量技術(shù)中占據(jù)著極其重要的地位，是十大計量方式之一，在各領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛。

電磁計量技術(shù)與電磁理論密切相關(guān)，電磁理論和電磁技術(shù)的發(fā)展推動著電磁計量技術(shù)的提高，而電磁計量技術(shù)的進(jìn)步又促進(jìn)了電磁理論和電磁技術(shù)的發(fā)展。

2 傳感器測量系統(tǒng)

電磁計量方式所具有的操作簡捷、自動化程度高、適于遙測等特點(diǎn)是其它計量方式所無法比擬的，因此很多其他需要計量的物理量都會優(yōu)先考慮轉(zhuǎn)化為電磁形式的信號進(jìn)行計量。例如在測量濕度、溫度、振動、位移等物理量時，往往會先轉(zhuǎn)化成易于測量的電壓或電流信號，然后再通過對電壓或電流信號的測量，即可換算得到被測物理量。而這個物理量的轉(zhuǎn)化過程，則是依靠各種傳感器來完成的。

傳感器是一種常用的檢測元件，它可以感知被測量的信息，并按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號或其他形式的信號作為輸出，以達(dá)到方便信息傳輸、處理、存儲和顯示的要求。根據(jù)其工作原理，可將傳感器分為振動傳感器、濕敏傳感器、磁敏傳感器、氣敏傳感器、真空度傳感器和生物傳感器等類型；根據(jù)其信號的輸出方式，可將傳感器分為模擬傳感器、數(shù)字傳感器、數(shù)字傳感器和開關(guān)傳感器等類型。一般來說，一個單體傳感器可以完成一種物理量的測量。

隨著科技的發(fā)展，需測量的物理量往往多而復(fù)雜，單體傳感器已無法滿足工業(yè)測量要求，這時就需要把多種傳感器與多臺顯示儀表按一定的邏輯組合起來，構(gòu)成一個功能完整、可完成復(fù)雜測量任務(wù)的傳感器測量系統(tǒng)。典型的傳感器測量系統(tǒng)由傳感器、測量儀表、變換裝置、信號處理電路等單元組成，是單體傳感器技術(shù)發(fā)展到一定階段的必然產(chǎn)物。隨著計算機(jī)技術(shù)、大規(guī)模集成電路和信號處理技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，檢測系統(tǒng)的概念也在不斷被更新。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，各種過程參數(shù)的測量都是在程序的控制下自動進(jìn)行的，不需要太多的人工干預(yù)。

3 傳感器測量系統(tǒng)中的電磁計量

本文以智能手機(jī)為例，介紹各類傳感器是如何組成一個龐大的測量系統(tǒng)，并通過電磁參數(shù)的計量而完成復(fù)雜任務(wù)的。

（1）光線傳感器由光敏三極管組成，當(dāng)外界光線照射時，會產(chǎn)生相應(yīng)的電流從而感知環(huán)境光亮度。

（2）距離傳感器由LED發(fā)出紅外光并被前方物體反射，再經(jīng)紅外探測器接收并計算其強(qiáng)度，從而測得距離。

（3）重力傳感器是利用壓電效應(yīng)來工作的，通過兩個正交方向壓電片產(chǎn)生的電壓大小來求得水平方向。

（4）磁場傳感器采用各向異性的磁致電阻材料制作，當(dāng)外界磁場發(fā)生微小的變化時，自身電阻會發(fā)生相應(yīng)的變化，通過測量電阻兩端的電壓即可計算出方向。

（5）指紋傳感器的傳統(tǒng)方法是采用電容式識別方式，根據(jù)電容原理，以用戶手指作為電容的其中一極，手機(jī)內(nèi)的硅晶片陣列作為電容的另一極，人體所帶的微電場與電容之間會產(chǎn)生微電流，由于指紋波峰波谷的存在，使硅晶片上形成電容差，進(jìn)而復(fù)現(xiàn)指紋圖像。

（6）霍爾感應(yīng)器利用了霍爾磁電效應(yīng)，當(dāng)磁場中的導(dǎo)體流過電流時，導(dǎo)體中的電子將受到一個垂直于電子運(yùn)動方向的力，使導(dǎo)體兩端產(chǎn)生電勢差。

（7）氣壓傳感器常常采用變阻式設(shè)計，制造時把薄膜和變阻器安裝在一起，大氣氣壓的改變會使電阻發(fā)生相應(yīng)變化，通過對電阻上的電流或電壓測量，即可得到氣壓值。

在上述的智能手機(jī)傳感器測量系統(tǒng)中，傳感器的任務(wù)都是把待測物理量轉(zhuǎn)化為電壓、電流、光強(qiáng)、電阻、電容等電磁參量來測量，對手機(jī)的檢測與驗(yàn)收時同樣是以電磁參量的形式進(jìn)行計量，這充分說明了電磁計量技術(shù)在傳感器系統(tǒng)中的關(guān)鍵地位。

4 應(yīng)用實(shí)例分析

壓力傳感器是一種典型的利用電磁計量技術(shù)進(jìn)行測量的傳感器，它能夠把重力轉(zhuǎn)化為電信號，然后由數(shù)字儀表或機(jī)械儀表顯示可讀的壓力值。反過來，由數(shù)顯控制單元產(chǎn)生電信號，以此控制電氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)來改變壓力的施加強(qiáng)度。

DPI—I型遠(yuǎn)程數(shù)顯壓力計是一種有著遠(yuǎn)程信號傳輸能力的壓力計量儀表，其內(nèi)部配置了JCYX系列高精度、高性能壓力傳感器，采用了最先進(jìn)的精密溫度線性補(bǔ)償技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對介質(zhì)壓力的精確測量并以直觀的數(shù)字形式顯示給用戶，同時還能輸出4～20mA或0～10mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號，用于電氣執(zhí)行單元的控制信號。DPI—I型遠(yuǎn)程數(shù)顯壓力計與電流表相連可以直接判斷其準(zhǔn)確度，當(dāng)儀表在正常使用過程中，若被測介質(zhì)不受任何壓力，則數(shù)顯窗口讀數(shù)應(yīng)為4-000.0kPa，電流表的讀數(shù)應(yīng)為4mA。如果實(shí)際讀數(shù)有偏差，可以通過其后面板的“ZO”電位器進(jìn)行零點(diǎn)校正。完成零點(diǎn)校正才能對介質(zhì)施加壓力開始測量，當(dāng)壓力值上升到額定值時，電流表的讀數(shù)應(yīng)顯示20mA。如果實(shí)際讀數(shù)有偏差，可以通過其后面板的“FS”電位器進(jìn)行零點(diǎn)校正。

值得一提的是，“ZO”和“FS”雖然具備調(diào)零的能力，但其調(diào)節(jié)能力是有限的。在零位和滿量程位都經(jīng)過校準(zhǔn)的情況下，其余中間點(diǎn)的壓力值將比較嚴(yán)格地遵守線性關(guān)系，從而達(dá)到測量的目的。當(dāng)校準(zhǔn)前電流表讀數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)值偏差過大，則可判定該儀表已經(jīng)出現(xiàn)了嚴(yán)重故障，無法再通過簡單校準(zhǔn)來保證測量的準(zhǔn)確性。

SCS—100型大型電子秤就是以壓力傳感器為核心單元的壓力測量系統(tǒng)。其基本功能單元包括：運(yùn)算放大電路，A／D轉(zhuǎn)換電路，單片機(jī)主控單元、外圍輔助電路和操作面板。其中顯示電路、打印電路和串型通訊電路的額定輸入電壓為-30～30mA。該電子秤配置了一個XK3190和一個D9型稱重專用顯示屏。為了判定該儀器是否合格，可以在顯示器的信號輸入端串接毫伏表，并且要求毫伏表的分辨率不低于lμV，測量結(jié)果顯示毫伏讀數(shù)與電子秤重量讀數(shù)呈現(xiàn)出明顯的線性關(guān)系，這就可以得出電子秤合格的最終結(jié)論。這充分說明，采用電磁測量儀表對電子設(shè)備的電參量進(jìn)行測量，并對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以非常方便而精確地判定待測設(shè)備是否符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)語

目前，傳感器正朝著微型化、集成化、數(shù)字化、智能化、系統(tǒng)化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，具備了更強(qiáng)的信息處理能力，其性能也在不斷提升當(dāng)中，為系統(tǒng)的檢測帶來了很大的方便。因此，傳感器技術(shù)的發(fā)展將進(jìn)一步帶動電磁計量技術(shù)的發(fā)展，電磁計量技術(shù)的進(jìn)步又將促進(jìn)傳感器技術(shù)的提高。

[1]張勤主編.電磁計量[M].北京：中國計量出版社.2007.

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[3]吳建平主編.傳感器原理及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2016.

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