傳感器自動檢測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

福建省送變電工程有限公司 程天福 李龍禹

傳感器自動檢測與處理系統(tǒng)這個技術，實際上是現(xiàn)代傳感器技術不斷發(fā)展和進步到一定階段的產(chǎn)物。自動化檢測處理系統(tǒng)主要是傳感器與自動測量機械儀表、轉(zhuǎn)換檢測設備等有機結(jié)合在一起。在企業(yè)工程設計實踐中，為了同時完成測量信號的自動檢測，需要至少一臺傳感器與多臺自動測試機有機地結(jié)合使用，構(gòu)成一個新的整體，從而基本形成了自動檢測系統(tǒng)。伴隨著現(xiàn)代計算機通信技術和其它信息處理系統(tǒng)技術的不斷進步和發(fā)展，對檢測處理系統(tǒng)涉及的技術內(nèi)容也不斷更新和充實?，F(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)管理過程中，對工藝參數(shù)的自動檢測必須自動有序地進行，即使一般由自動檢測處理系統(tǒng)自動完成檢測任務。因此，認真研究并掌握自動檢測處理系統(tǒng)的基本組成及工作原理是非常必要的。

1 傳感器自動監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展過程

傳感器自動監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)常能夠根據(jù)他人的要求進行設計，在需要時自動完成某些控制任務。關鍵在于如何將反饋引入到系統(tǒng)中，這種反饋也就是將系統(tǒng)的各種輸出或輸入狀態(tài)加到系統(tǒng)的每一個輸入端，與系統(tǒng)的各種輸入共同作用于一個自動系統(tǒng)。一個系統(tǒng)的各種輸出或者狀態(tài)實際上是各種液介質(zhì)的物理量，它們其中的一些可能是電壓，一些是流體的流量、速度等等。這類物理量常常與系統(tǒng)的各種輸入量或性質(zhì)不同，其獲得數(shù)值的大小范圍也不相同。因此，無法直接與系統(tǒng)輸入結(jié)合使用，需要同時測量和轉(zhuǎn)換。傳感器自動監(jiān)測系統(tǒng)正是因為起了這一重要作用，它有點像眼睛和面部的皮膚，用來控制自動化系統(tǒng)的運行，感知系統(tǒng)在整個過程中控制各種物理變化，并配合其它部分共同完成自動控制系統(tǒng)的任務[1]。

2 傳感器的類型

溫度傳感器：一般認為，溫度傳感器是把物體內(nèi)部溫度的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成磁性電子元件，供其它磁性電子元件來測量溫度數(shù)據(jù)。由導電體材料制作的溫度傳感器的使用電阻一般都是隨溫度的變化而變化的。例如，一種最常用的磁性電子元件（pt100），其主要成分是鉑，當0℃時電阻為100歐姆，溫度升高時使用電阻降低。這類半導體溫度傳感器通常被認為是一種管道電路，將功率放大與諧波縮小頻率調(diào)整器集成在一起。

使用熱電荷場效應方法測量一定溫度的物體熱電偶，焦電性導熱物質(zhì)的物體表面的熱電荷的密度也會隨物體溫度的變化而發(fā)生變化，因此其物質(zhì)的電荷強度可以廣泛用來直接測量物體溫度。

壓力強度測量傳感器：壓力強度測量傳感器主要定義為一種專門用于直接測量標準狀態(tài)下液體和氣體的壓強的一種傳感器。和其它新型的傳感器相似，壓力強度測量傳感器主要是用來將壓力強度測量轉(zhuǎn)換器信號作為高壓交流電信號的源，輸出到系統(tǒng)之中。壓力強度測量傳感器在當前許多新型的壓力強度監(jiān)測和氣體流量自動控制相關技術中已開始得到廣泛的應用和發(fā)展。除直接用來測量液體的壓力強度值外，壓力強度測量傳感器同時也可被廣泛地用來間接測量其他氣體流量，例如監(jiān)測氣體和液體的最大平均流量、流速、水面高度或顆粒狀氣體的厚度。

壓力強度測量傳感器在實際使用的器件技術，設計，性能測量表現(xiàn)，工作環(huán)境適應性等條件與產(chǎn)品價格上都具有很大的差異。根據(jù)有關資料估計，世界上制造壓力強度測量傳感器的技術的至少有50種，能夠制造壓力強度測量傳感器的企業(yè)最保守估計有300家。

在此基礎上，還發(fā)現(xiàn)了一類氣體壓力傳感器以及實例，這類傳感器用于動態(tài)控制測量高速變化的氣體壓力。這兩個例子的實際應用主要是檢測發(fā)動機和引擎的動態(tài)燃料壓力，或用于渦輪增壓發(fā)動機中可燃氣體的動態(tài)壓力監(jiān)測。這種壓力傳感器通常用各種壓電復合材料制成，如鋁、石英等。

常見的壓力系數(shù)控制電路傳感器，廣泛用于道路交通安全任務自動執(zhí)行系統(tǒng)中的自動攝像機控制系統(tǒng)，其中的傳感器，則以一種基于二進制的工作方式自動控制，或者說，當它的控制系數(shù)已經(jīng)達到了某一特定數(shù)值時，它的壓力系數(shù)傳感器也會通過開關控制電路，或者自動控制斷開開關控制電路，這種不同類型的普通壓力系數(shù)控制電路傳感器，也是通常被稱為普通型的壓力系數(shù)控制電路。

圖像信號傳感器：圖像信號傳感器指的是一能將一些可視化的圖像信號轉(zhuǎn)化而成為各種電子成像信號的檢測設備，主要廣泛應用于各種數(shù)碼激光照相機與其它電子成像檢測設備中。一般由一組CCD或一組CMOS 類的傳感器（如有源或像素大的傳感器）共同組成[2]。

霍爾效應電磁傳感器：霍爾效應電磁傳感器也可簡稱霍爾傳感器，是一個電磁換能器，將周圍磁場運動產(chǎn)生的頻率變化轉(zhuǎn)化成輸出電壓的變化?；魻杺鞲衅魇紫仁强梢杂脕碛糜跍y量電磁場的，此外還是可以被我們用于測量產(chǎn)生或者直接影響周圍磁場的各種物理量，例如被廣泛用于接近電磁開關、霍爾乘法器、位置密度測量、轉(zhuǎn)速密度測量和電壓測量等設備。

它的一種最簡單的實現(xiàn)方式是，傳感器檢測系統(tǒng)可作為一種能模擬電磁場的換能器，直接返回一個電壓?，F(xiàn)在所知的模擬磁場，其點與霍爾盤的各中心結(jié)點之間的距離和它們的方向位置都能被完全自動設定。如果同時使用多組傳感器，則磁體的各個交互作用所相關的電磁場點的位置也可以完全自動地進行推斷和測量。當電流進入系統(tǒng)時，通過模擬電磁場對導體進行自動測量，并產(chǎn)生一種恒定電流磁場，測量恒定電流源，霍爾效應原理使傳感器檢測系統(tǒng)完全能夠在幾乎不受電磁干擾時的測量任何恒定電流源。

3 傳感器的工作原理

在檢測控制系統(tǒng)中，傳感元件的控制傳感器件是用于感知被控量的數(shù)據(jù)大小，并通過相應的方式輸出數(shù)據(jù)信號。舉例來說，當檢測控制系統(tǒng)的幾個主要功能傳送環(huán)節(jié)相互隔離或分離時，數(shù)據(jù)則必須由一處傳送到另一處，數(shù)據(jù)信號傳送控制環(huán)節(jié)就是用來完成這一數(shù)據(jù)傳送環(huán)節(jié)功能。

數(shù)據(jù)處理的結(jié)果表明，此操作環(huán)節(jié)將由傳感器模擬測量員的主要信息顯示形式，轉(zhuǎn)變?yōu)槟壳叭祟悆?nèi)部系統(tǒng)中能被廣泛接受的主要信息顯示形式，以更方便人們進行隨機數(shù)據(jù)分析，進行監(jiān)控或?qū)崟r跟蹤數(shù)據(jù)分析?？芍苯佑秒S機數(shù)字模擬測得的結(jié)果，或是直接用隨機數(shù)字模擬測量儀掃描顯示，對其結(jié)果進行隨機數(shù)據(jù)流的自動記錄，或用隨機數(shù)字掃描打印機將人測得的數(shù)據(jù)結(jié)果用數(shù)字打印輸出。這種模擬真實測量方法的主要操作目的之一，就是說明人們?nèi)匀幌Ｍㄟ^對真實數(shù)據(jù)結(jié)果的測量來獲得真實的測量結(jié)果。但是，在實際應用中的模擬測量操作過程中，由于自身的各種原因，如傳感器本身的模擬測量系統(tǒng)性能不理想，測量方法不夠完善，受周圍及外界惡劣環(huán)境條件干擾等因素直接影響到測量結(jié)果的質(zhì)量，因此難以表示。

4 傳感器測試系統(tǒng)的傳感器組成

4.1 溫度傳感器

溫度傳感器的工作原理：溫敏電阻的被動測溫法是以各種金屬導體的電阻值隨阻體溫度的變化而不斷變化這一基本特性為基礎，被用來進行各種溫度敏感測量。通過對溫度傳感器電阻的測溫工作原理的分析可知，被測物體溫度的變化是直接通過傳感器中電阻的溫度變化來測定的，因此，傳感器因別的原因造成的溫度變化對測量結(jié)果也會造成影響［3］。

4.2 HH-316壓力變送器

HH-316壓力變送器的工作原理：HH-316系列擴散硅壓力變送器當被測介質(zhì)的壓力直接作用于傳感器的膜片上（不銹鋼或陶瓷），使膜片產(chǎn)生與介質(zhì)壓力成正比的微位移，則使傳感器的電阻值發(fā)生變化，再用電子線路檢測這一變化，并轉(zhuǎn)換輸出一個對應于這一壓力的標準測量信號最終將其轉(zhuǎn)換成標準信號輸出門。其由傳感器和信號處理電路組成。其中傳感器壓面設有惠斯頓電橋，當增加壓力時，電橋各橋臂電阻值發(fā)生變化，通過信號處理電路，最終將其轉(zhuǎn)換成一個稱為標準（4～20）mA 型的測量控制信號后并進行壓力輸出。

HH-316系列壓力變送器的特點及用途：HH-316系列壓力變送器所采用的傳感器在全世界都屬于頂尖水平，加上許多高精度的電子元件與之相配合，經(jīng)嚴格的制造工藝、生產(chǎn)過程精心裝配而制成。HH-316系列壓力變送器所用的材料對溫度敏感度較低、高溫不易變形、低溫不易開裂、溫度波動幅度小、穩(wěn)定性高，具有很高的測量精度。HH-316系列擴散硅壓力變送器具有多種測量型號，多種可測量程，多種壓力連接裝置形式及所用材料。

4.3 HH-3851差壓變送器

HH-3851差壓變送器工作原理：HH-3851差壓變送器再測量壓力差時，當壓力通過兩側(cè)或一側(cè)的隔離膜片、灌充液傳至控室的中心測量膜片。中心膜片是一個張緊的彈性元件，它對于作用在其上的兩側(cè)壓力差產(chǎn)生相應變形位移，其位移與差壓成正比，最大位移約0.1mm，這種位移轉(zhuǎn)變在電容極板上形成差動電容，由電路把差動電容轉(zhuǎn)換成二線制的4～20mADC 信號輸出。

HH-3851差壓變送器的特點：HH-3851差壓變送器全系列產(chǎn)品的各組分零件采用統(tǒng)一的原材料一體結(jié)構(gòu)，零部件互換性強。

4.4 JSL-3AT 濕度變送器

濕度的定義是指空氣中水蒸氣所占的比例。對于空氣種不同含量的水蒸氣濃度，一般多用相對濕度這個基本概念，即在一定相對應的溫度下，空氣中實際水蒸氣壓與飽和水蒸氣壓的比值（用百分比表示），稱為相對濕度（用RL 表示）。其計量單位也稱為“RE%”。由于目前濕敏傳感器相關產(chǎn)品種類較多，根據(jù)水分子易于吸附在固體表面滲透到固體內(nèi)部的這種特性（稱水分子親和力），濕度傳感器可以分為水分子親和力型和非水分子親和力型。

5 檢測傳感技術發(fā)展趨勢

盡管目前我國檢測設備應用技術的現(xiàn)狀并不能完全適應我國當前國民經(jīng)濟和社會快速發(fā)展的實際應用需要，產(chǎn)品質(zhì)量、技術水平與國外先進水平相比仍有可能存在較大的差距，但從國家統(tǒng)一國內(nèi)消費市場的國家戰(zhàn)略方案來看，我國仍有一個廣闊的市場前景[4]。為此，必須不斷加強國內(nèi)檢測設備技術的基礎知識研究，積極探索引進國外先進的檢測設備，以便不斷提高檢測行業(yè)整體檢測技術水平。我國檢測傳感器應用檢測行業(yè)未來技術發(fā)展趨勢具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

我國加速研制開發(fā)新型敏感載體材料。我國通過結(jié)合微電子、光電子、生物化學、信息處理等各種電子學科，各種新材料技術的互相交叉滲透和充分綜合利用，有望加快研制開發(fā)出一批基于新型敏感載體材料的先進電子傳感器。

充分推廣應用新生物科學檢測技術和新的各種物理效應，擴大新型生物傳感檢測應用領域的相關技術的應用。新型生物傳感檢測器的工作原理大多以各種物理效應為主要理論技術基礎。近代以來粒子物理學技術的飛速發(fā)展，對現(xiàn)代生物粒子仿生學的技術深入應用研究，使得新型生物傳感器及其檢測器技術的應用領域更廣闊。如今的新型生物傳感檢測器的技術在各個領域，正向著我們經(jīng)濟社會持續(xù)發(fā)展新的需要不斷壯大擴展，不僅僅廣泛應用于各個科學工業(yè)部門，而且也逐漸擴大滲透到海洋船舶建造工程、海洋資源研究開發(fā)、宇宙太空軌道航行等尖端新的現(xiàn)代科學工程技術和其他新興尖端現(xiàn)代科學工業(yè)工程技術的各個領域，生物、醫(yī)療、食用化學產(chǎn)品污染物的定量監(jiān)測、危險品和其他化學毒品的定量檢測、衛(wèi)生產(chǎn)品的安全性監(jiān)測等各個方面，同時也逐漸滲透到整個人類的各種日常生活當中。

向高靈敏和高精度檢測領域快速發(fā)展，研制設計開發(fā)出各種靈敏度高、精確度高、適應性強、響應速度快、互換性好的新型自動測量傳感器，以大大提高確保各種復雜生產(chǎn)工藝自動化的檢測可靠性。近年來，隨著現(xiàn)代電子工程科學以及信息系統(tǒng)技術的不斷進步和快速發(fā)展，要求它的檢測靈敏度、精確度和檢測工作量的穩(wěn)定性等盡可能的高。例如針對各種超高靈敏精度的自動測量檢測器在生產(chǎn)線進行自動檢測，要求它的誤差范圍不超過0.1微米，大大提高各種自動檢測設備的檢測工作量和可靠性。為了能夠保證各種新型自動檢測裝置設備能夠很好地適應各種復雜條件下的高可靠性的檢測工作，要求企業(yè)自主開發(fā)研制的各種自動檢測設備，對惡劣的化境具有較高的抗干擾能力和使用壽命[5]。

6 結(jié)語

隨著現(xiàn)代科學測量技術的不斷發(fā)展，人們對科學測量誤差精度的基本要求越來越高，可以這么說，測量精度工作的實際價值就直接取決于測量的誤差精度。但是當測量誤差精度超過一定限度時，測量出的結(jié)果就完全失去了基本意義甚至可能會給測量工作效率帶來很大危害。因此，對測量誤差的精度分析和誤差控制就已經(jīng)成為我們衡量現(xiàn)代科學測量技術水平的一個重要方面。但是由于測量誤差精度存在的一種必然性和它的普遍性，人們往往只能將測量誤差控制在盡可能小的精度范圍內(nèi)，而不能完全徹底消除它。