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        電磁計量技術在傳感器測量系統(tǒng)中的應用

        2017-07-18 11:22:43張海平
        中國設備工程 2017年13期
        關鍵詞:讀數(shù)電磁計量

        張海平

        (昆山市計量測試所,江蘇 昆山 215300)

        電磁計量技術在傳感器測量系統(tǒng)中的應用

        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化為電磁參量,然后通過電磁計量技術進行測量。本文首先對電磁計量技術進行了概述,然后介紹了傳感器測量系統(tǒng)及其與電磁計量技術的關系,接著以智能手機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在傳感器測量系統(tǒng)中的應用。

        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)運行中的各項參數(shù),經(jīng)計算機或單片機等主控單元處理后,完成系統(tǒng)的預定任務。隨著科技的發(fā)展,傳感器技術已經(jīng)在各個領域得到了廣泛的應用。例如在各大中小企業(yè)的設備控制系統(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)應運而生。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來完成。因此,電磁計量技術在傳感器測量系統(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)象或電氣設備的電磁參數(shù)進行定量分析的過程。電磁計量按原理可大致分為電學計量和磁學計量兩大組成部分,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、磁感應強度、磁場強度、磁導率、鐵損等磁參數(shù)。根據(jù)取得測量結果的方式,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)有的眾多計量技術中占據(jù)著極其重要的地位,是十大計量方式之一,在各領域的應用非常廣泛。

        電磁計量技術與電磁理論密切相關,電磁理論和電磁技術的發(fā)展推動著電磁計量技術的提高,而電磁計量技術的進步又促進了電磁理論和電磁技術的發(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)先考慮轉化為電磁形式的信號進行計量。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)律轉換成易于測量的電信號或其他形式的信號作為輸出,以達到方便信息傳輸、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,構成一個功能完整、可完成復雜測量任務的傳感器測量系統(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,是單體傳感器技術發(fā)展到一定階段的必然產(chǎn)物。隨著計算機技術、大規(guī)模集成電路和信號處理技術的進一步發(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行的,不需要太多的人工干預。

        3 傳感器測量系統(tǒng)中的電磁計量

        本文以智能手機為例,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)的計量而完成復雜任務的。

        (1)光線傳感器由光敏三極管組成,當外界光線照射時,會產(chǎn)生相應的電流從而感知環(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度,從而測得距離。

        (3)重力傳感器是利用壓電效應來工作的,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,當外界磁場發(fā)生微小的變化時,自身電阻會發(fā)生相應的變化,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,進而復現(xiàn)指紋圖像。

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

        (7)氣壓傳感器常常采用變阻式設計,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。

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

        4 應用實例分析

        壓力傳感器是一種典型的利用電磁計量技術進行測量的傳感器,它能夠把重力轉化為電信號,然后由數(shù)字儀表或機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)行機構來改變壓力的施加強度。

        DPI—I型遠程數(shù)顯壓力計是一種有著遠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,采用了最先進的精密溫度線性補償技術和數(shù)字信號處理技術,可實現(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的標準電流信號,用于電氣執(zhí)行單元的控制信號。DPI—I型遠程數(shù)顯壓力計與電流表相連可以直接判斷其準確度,當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)應為4-000.0kPa,電流表的讀數(shù)應為4mA。如果實際讀數(shù)有偏差,可以通過其后面板的“ZO”電位器進行零點校正。完成零點校正才能對介質(zhì)施加壓力開始測量,當壓力值上升到額定值時,電流表的讀數(shù)應顯示20mA。如果實際讀數(shù)有偏差,可以通過其后面板的“FS”電位器進行零點校正。

        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)過校準的情況下,其余中間點的壓力值將比較嚴格地遵守線性關系,從而達到測量的目的。當校準前電流表讀數(shù)與標準值偏差過大,則可判定該儀表已經(jīng)出現(xiàn)了嚴重故障,無法再通過簡單校準來保證測量的準確性。

        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:運算放大電路,A/D轉換電路,單片機主控單元、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)出明顯的線性關系,這就可以得出電子秤合格的最終結論。這充分說明,采用電磁測量儀表對電子設備的電參量進行測量,并對測量數(shù)據(jù)進行處理,可以非常方便而精確地判定待測設備是否符合國家相關標準。

        5 結語

        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)絡化的方向發(fā)展,具備了更強的信息處理能力,其性能也在不斷提升當中,為系統(tǒng)的檢測帶來了很大的方便。因此,傳感器技術的發(fā)展將進一步帶動電磁計量技術的發(fā)展,電磁計量技術的進步又將促進傳感器技術的提高。

        [1]張勤主編.電磁計量[M].北京:中國計量出版社.2007.

        [2]李鑫.電磁輻射檢測技術與設備研究[D].大連理工大學,2015

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

        [4]王立新.電磁計量技術在傳感器測量系統(tǒng)中的應用[J].科技創(chuàng)新導報.2011,(15):90.

        TP212

        A

        1671-0711(2017)07(上)-0081-02

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