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。

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1671-0711（2017）07（上）-0081-02