一體化傳感器的工作原理及其測量技術(shù)在工業(yè)制造中的意義

本文綜述
傳感器在科學(xué)研究和技術(shù)開發(fā)中，特別是在信息技術(shù)、現(xiàn)代制造以及生產(chǎn)過程自動(dòng)化技術(shù)中，起著不可替代的作用。隨著社會(huì)和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)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(shí)際應(yīng)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(gè)液壓系統(tǒng)的工作是否正常，關(guān)鍵取決于兩個(gè)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(jìn)行液壓系統(tǒng)狀態(tài)檢測和故障診斷，最關(guān)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(yīng)用領(lǐng)域的廣泛調(diào)研和多次實(shí)驗(yàn)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(dá)到理想的測試結(jié)果。因?yàn)槭紫热N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(shí)際上并不是同一測量點(diǎn)的數(shù)值，距離測試模型的同點(diǎn)、同時(shí)、實(shí)時(shí)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(huì)引起過多泄漏，或相互干擾，從而影響測試的準(zhǔn)確性，同時(shí)也增加了測試的復(fù)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(shè)計(jì)思想，即在同一傳感器主體上同時(shí)構(gòu)造三個(gè)傳感器，即壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器，使三個(gè)參數(shù)的實(shí)測值集中在一點(diǎn)，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(shù)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(guān)聯(lián)的系統(tǒng)或子系統(tǒng)整合成一個(gè)宏觀有序、整體最優(yōu)的大系統(tǒng)，形成遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)簡單相加的整體效能。

一體化傳感器結(jié)構(gòu)模式
如前所述，通常情況下一個(gè)傳感器只能用來探測一種物理量，但在許多應(yīng)用領(lǐng)域中，為了能夠完美而準(zhǔn)確地反映客觀事物和環(huán)境，往往需要同時(shí)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(jié)構(gòu)或化學(xué)物質(zhì)及其各不相同的表征方式，用單獨(dú)一個(gè)傳感器系統(tǒng)來同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種傳感器的功能。隨著傳感器技術(shù)和微機(jī)技術(shù)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(dú)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(jié)構(gòu)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(shí)測量多種參數(shù)。譬如，可以將一個(gè)溫度探測器和一個(gè)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(gè)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(shí)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(dú)的一塊硅片中，從而構(gòu)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(shí)都工作在同一種條件下，所以很容易對系統(tǒng)誤差進(jìn)行補(bǔ)償和校正。③在不同的激勵(lì)條件下，同一個(gè)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(lì)條件均不相同的情況下，由若干種敏感元件組成的一個(gè)多功能傳感器的特征可想而知將會(huì)是多么的千差萬別。有時(shí)候簡直就相當(dāng)于是若干個(gè)不同的傳感器一樣，其多功能特征可謂名副其實(shí)。

三位一體傳感器實(shí)例
(1)硬件結(jié)構(gòu)
將三種傳感器設(shè)計(jì)成一體的方案，是在渦輪傳感器主體上預(yù)留壓力傳感器和溫度傳感器的接入口，實(shí)現(xiàn)三個(gè)傳感器的一體化，結(jié)構(gòu)原理如圖9—8所示。



圖9—8三位一體傳感器結(jié)構(gòu)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(kuò)散硅膜片上。同時(shí)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(gè)應(yīng)力，使膜片的一側(cè)壓縮，另一側(cè)拉伸。擴(kuò)散硅膜片上有兩個(gè)應(yīng)變電阻片位于壓縮區(qū)內(nèi)，另有兩個(gè)應(yīng)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(gè)全動(dòng)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(yīng)的電流信號。該電流信號通過非線性矯正環(huán)路的補(bǔ)償，即產(chǎn)生與流體壓力呈線性關(guān)系的直流4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)輸出信號。
直流4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號，經(jīng)電流／電壓變換電路變換后，再進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量輸入單片機(jī)。
②流量測試原理當(dāng)被測流體流過傳感器時(shí)，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(dòng)時(shí)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(yīng)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(jì)數(shù)的辦法來實(shí)現(xiàn)，具體是采用單片機(jī)上的計(jì)數(shù)器計(jì)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(jì)標(biāo)定參數(shù)。
③功率測試原理測定泵組的功率，計(jì)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(jìn)入A／D轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字量后也
輸入單片機(jī)。
(3)信息匯總分析
本例提出的在流量傳感器的主體上同時(shí)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(shè)計(jì)和應(yīng)用，極大地提高了測試的可靠性和準(zhǔn)確性。這種新型的液壓系統(tǒng)檢測儀，最后在單片機(jī)智能系統(tǒng)的監(jiān)控下，能在液壓系統(tǒng)的同一部位同時(shí)動(dòng)態(tài)測出流量、壓力、溫度、功率四個(gè)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(gè)新方法。
總之，一體化傳感器無疑是當(dāng)前傳感器技術(shù)發(fā)展中一個(gè)全新的研究方向。