一體化傳感器的工作原理及其測量技術在工業(yè)制造中的意義

本文綜述
傳感器在科學研究和技術開發(fā)中，特別是在信息技術、現(xiàn)代制造以及生產(chǎn)過程自動化技術中，起著不可替代的作用。隨著社會和科學技術的進步和發(fā)展，人們對傳感器的需求越來越多，要求也越來越高。

但在實際應用中，單一功能的傳感器往往不能滿足越來越高的系統(tǒng)要求。例如，一個液壓系統(tǒng)的工作是否正常，關鍵取決于兩個主要工作參數(shù)即壓力和流量是否處于正常的工作狀態(tài)，以及系統(tǒng)溫度、泵組功率等重要輔助參數(shù)的正常與否。因此進行液壓系統(tǒng)狀態(tài)檢測和故障診斷，最關鍵的就是壓力、流量、溫度、功率參數(shù)的可靠獲取。通過不同應用領域的廣泛調(diào)研和多次實驗發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的用三種傳感器分別測量的方法，即使傳感器精度很高，仍難以達到理想的測試結果。因為首先三種傳感器在安裝上必然存在位置差別，所測出的壓力、流量、溫度實際上并不是同一測量點的數(shù)值，距離測試模型的同點、同時、實時測量有很大差距。其次，三種傳感器的分別接入系統(tǒng)，在接人過程中會引起過多泄漏，或相互干擾，從而影響測試的準確性，同時也增加了測試的復雜性。為了克服上述確定，就需要一種將三種傳感器三位一體集成的設計思想，即在同一傳感器主體上同時構造三個傳感器，即壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器，使三個參數(shù)的實測值集中在一點，再通過變送器將電信號輸出，用于集中測量和控制。這就是一體化測量技術的本質(zhì)。

“一體化”是指根據(jù)某種目的或某種需求，按照系統(tǒng)工程原理，將相互關聯(lián)的系統(tǒng)或子系統(tǒng)整合成一個宏觀有序、整體最優(yōu)的大系統(tǒng)，形成遠遠大于系統(tǒng)簡單相加的整體效能。

一體化傳感器結構模式
如前所述，通常情況下一個傳感器只能用來探測一種物理量，但在許多應用領域中，為了能夠完美而準確地反映客觀事物和環(huán)境，往往需要同時測量大量的物理量。由若干種敏感元件組成的多功能傳感器則是一種體積小巧而多種功能兼?zhèn)涞男乱淮綔y系統(tǒng)，它可以借助于敏感元件中不同的物理結構或化學物質(zhì)及其各不相同的表征方式，用單獨一個傳感器系統(tǒng)來同時實現(xiàn)多種傳感器的功能。隨著傳感器技術和微機技術的飛速發(fā)展，目前已經(jīng)可以生產(chǎn)出來將若干種敏感元件綜裝在同一種材料或單獨一塊芯片上的一體化多功能傳感器。

概括來講，多功能傳感器系統(tǒng)主要的執(zhí)行規(guī)則和結構模式包括以下方面。
①多功能傳感器系統(tǒng)由若干種各不相同的敏感元件組成，可以用來同時測量多種參數(shù)。譬如，可以將一個溫度探測器和一個濕度探測器配置在一起(即將熱敏元件和濕敏元件分別配置在同一個傳感器承載體上)制造成一種新的傳感器，這樣，這種新的傳感器就能夠同時測量溫度和濕度。

②將若干種不同的敏感元件精巧地制作在單獨的一塊硅片中，從而構成一種高度綜合化和小型化的多功能傳感器。由于這些敏感元件是被綜裝在同一塊硅片中的，它們無論何時都工作在同一種條件下，所以很容易對系統(tǒng)誤差進行補償和校正。③在不同的激勵條件下，同一個敏感元件將表現(xiàn)出來不同的特征。而在電壓、電流或溫度等激勵條件均不相同的情況下，由若干種敏感元件組成的一個多功能傳感器的特征可想而知將會是多么的千差萬別。有時候簡直就相當于是若干個不同的傳感器一樣，其多功能特征可謂名副其實。

三位一體傳感器實例
(1)硬件結構
將三種傳感器設計成一體的方案，是在渦輪傳感器主體上預留壓力傳感器和溫度傳感器的接入口，實現(xiàn)三個傳感器的一體化，結構原理如圖9—8所示。



圖9—8三位一體傳感器結構原理

(2)測量原理
①壓力測試原理流體壓力通過不銹鋼隔離膜片、密封硅油，傳輸?shù)綌U散硅膜片上。同時參考端的壓力作用于膜片的另一側(cè)。這樣在膜片兩邊加上的壓差產(chǎn)生一個應力，使膜片的一側(cè)壓縮，另一側(cè)拉伸。擴散硅膜片上有兩個應變電阻片位于壓縮區(qū)內(nèi)，另有兩個應變電阻片位于拉伸區(qū)內(nèi)。在電氣性能上，它們連接成一個全動態(tài)惠斯登電橋，以增大輸出信號。電橋檢測出電阻值的變化，經(jīng)過差分歸一化放大器放大、變換后，變換成相應的電流信號。該電流信號通過非線性矯正環(huán)路的補償，即產(chǎn)生與流體壓力呈線性關系的直流4～20mA的標準輸出信號。
直流4～20mA的標準信號，經(jīng)電流／電壓變換電路變換后，再進行A／D轉(zhuǎn)換，A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量輸入單片機。
②流量測試原理當被測流體流過傳感器時，在流體作用下，葉輪受力而旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速與管道流體的平均流速成正比。葉輪轉(zhuǎn)動時周期性地改變磁電轉(zhuǎn)換器的磁阻值，檢測線圈中的磁通隨之發(fā)生周期性變化，產(chǎn)生周期性的感應電勢，裝在殼體外的非接觸式磁電轉(zhuǎn)速傳感器輸出脈沖信號的頻率與渦輪的轉(zhuǎn)速成正比，因此只要測定傳感器輸出脈沖信號的頻率即可確定流體的流量。在檢測系統(tǒng)中流量測量采用計數(shù)的辦法來實現(xiàn)，具體是采用單片機上的計數(shù)器計數(shù)，算出頻率，利用下列公式求出流量：
Q=af+b
式中，Q為流量；f為頻率；a，b為流量計標定參數(shù)。
③功率測試原理測定泵組的功率，計算公式如下：
N=PQ／60
式中，N為功率；p為壓力；Q為流量。。
④溫度測量溫度傳感器輸出的信號經(jīng)電橋變換后，進入A／D轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字量后也
輸入單片機。
(3)信息匯總分析
本例提出的在流量傳感器的主體上同時安裝三種傳感器，既方便了測量，又簡化了系統(tǒng)。三位一體傳感器的設計和應用，極大地提高了測試的可靠性和準確性。這種新型的液壓系統(tǒng)檢測儀，最后在單片機智能系統(tǒng)的監(jiān)控下，能在液壓系統(tǒng)的同一部位同時動態(tài)測出流量、壓力、溫度、功率四個重要的參數(shù)，為液壓系統(tǒng)測試分析和故障診斷開辟開了一個新方法。
總之，一體化傳感器無疑是當前傳感器技術發(fā)展中一個全新的研究方向。