福建省送變電工程有限公司 程天福 李龍禹

傳感器自動(dòng)檢測(cè)與處理系統(tǒng)這個(gè)技術(shù)，實(shí)際上是現(xiàn)代傳感器技術(shù)不斷發(fā)展和進(jìn)步到一定階段的產(chǎn)物。自動(dòng)化檢測(cè)處理系統(tǒng)主要是傳感器與自動(dòng)測(cè)量機(jī)械儀表、轉(zhuǎn)換檢測(cè)設(shè)備等有機(jī)結(jié)合在一起。在企業(yè)工程設(shè)計(jì)實(shí)踐中，為了同時(shí)完成測(cè)量信號(hào)的自動(dòng)檢測(cè)，需要至少一臺(tái)傳感器與多臺(tái)自動(dòng)測(cè)試機(jī)有機(jī)地結(jié)合使用，構(gòu)成一個(gè)新的整體，從而基本形成了自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。伴隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)通信技術(shù)和其它信息處理系統(tǒng)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，對(duì)檢測(cè)處理系統(tǒng)涉及的技術(shù)內(nèi)容也不斷更新和充實(shí)?，F(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)管理過程中，對(duì)工藝參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè)必須自動(dòng)有序地進(jìn)行，即使一般由自動(dòng)檢測(cè)處理系統(tǒng)自動(dòng)完成檢測(cè)任務(wù)。因此，認(rèn)真研究并掌握自動(dòng)檢測(cè)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(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展過程

傳感器自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)經(jīng)常能夠根據(jù)他人的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，在需要時(shí)自動(dòng)完成某些控制任務(wù)。關(guān)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(gè)輸入端，與系統(tǒng)的各種輸入共同作用于一個(gè)自動(dòng)系統(tǒng)。一個(gè)系統(tǒng)的各種輸出或者狀態(tài)實(shí)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(shí)測(cè)量和轉(zhuǎn)換。傳感器自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正是因?yàn)槠鹆诉@一重要作用，它有點(diǎn)像眼睛和面部的皮膚，用來控制自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行，感知系統(tǒng)在整個(gè)過程中控制各種物理變化，并配合其它部分共同完成自動(dòng)控制系統(tǒng)的任務(wù)[1]。

2 傳感器的類型

溫度傳感器：一般認(rèn)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(cè)量溫度數(shù)據(jù)。由導(dǎo)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(dāng)0℃時(shí)電阻為100歐姆，溫度升高時(shí)使用電阻降低。這類半導(dǎo)體溫度傳感器通常被認(rèn)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(chǎng)效應(yīng)方法測(cè)量一定溫度的物體熱電偶，焦電性導(dǎo)熱物質(zhì)的物體表面的熱電荷的密度也會(huì)隨物體溫度的變化而發(fā)生變化，因此其物質(zhì)的電荷強(qiáng)度可以廣泛用來直接測(cè)量物體溫度。

壓力強(qiáng)度測(cè)量傳感器：壓力強(qiáng)度測(cè)量傳感器主要定義為一種專門用于直接測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下液體和氣體的壓強(qiáng)的一種傳感器。和其它新型的傳感器相似，壓力強(qiáng)度測(cè)量傳感器主要是用來將壓力強(qiáng)度測(cè)量轉(zhuǎn)換器信號(hào)作為高壓交流電信號(hào)的源，輸出到系統(tǒng)之中。壓力強(qiáng)度測(cè)量傳感器在當(dāng)前許多新型的壓力強(qiáng)度監(jiān)測(cè)和氣體流量自動(dòng)控制相關(guān)技術(shù)中已開始得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。除直接用來測(cè)量液體的壓力強(qiáng)度值外，壓力強(qiáng)度測(cè)量傳感器同時(shí)也可被廣泛地用來間接測(cè)量其他氣體流量，例如監(jiān)測(cè)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(qiáng)度測(cè)量傳感器在實(shí)際使用的器件技術(shù)，設(shè)計(jì)，性能測(cè)量表現(xiàn)，工作環(huán)境適應(yīng)性等條件與產(chǎn)品價(jià)格上都具有很大的差異。根據(jù)有關(guān)資料估計(jì)，世界上制造壓力強(qiáng)度測(cè)量傳感器的技術(shù)的至少有50種，能夠制造壓力強(qiáng)度測(cè)量傳感器的企業(yè)最保守估計(jì)有300家。

在此基礎(chǔ)上，還發(fā)現(xiàn)了一類氣體壓力傳感器以及實(shí)例，這類傳感器用于動(dòng)態(tài)控制測(cè)量高速變化的氣體壓力。這兩個(gè)例子的實(shí)際應(yīng)用主要是檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)和引擎的動(dòng)態(tài)燃料壓力，或用于渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)中可燃?xì)怏w的動(dòng)態(tài)壓力監(jiān)測(cè)。這種壓力傳感器通常用各種壓電復(fù)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(wù)自動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)中的自動(dòng)攝像機(jī)控制系統(tǒng)，其中的傳感器，則以一種基于二進(jìn)制的工作方式自動(dòng)控制，或者說，當(dāng)它的控制系數(shù)已經(jīng)達(dá)到了某一特定數(shù)值時(shí)，它的壓力系數(shù)傳感器也會(huì)通過開關(guān)控制電路，或者自動(dòng)控制斷開開關(guān)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(hào)傳感器：圖像信號(hào)傳感器指的是一能將一些可視化的圖像信號(hào)轉(zhuǎn)化而成為各種電子成像信號(hào)的檢測(cè)設(shè)備，主要廣泛應(yīng)用于各種數(shù)碼激光照相機(jī)與其它電子成像檢測(cè)設(shè)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(yīng)電磁傳感器：霍爾效應(yīng)電磁傳感器也可簡(jiǎn)稱霍爾傳感器，是一個(gè)電磁換能器，將周圍磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的頻率變化轉(zhuǎn)化成輸出電壓的變化。霍爾傳感器首先是可以用來用于測(cè)量電磁場(chǎng)的，此外還是可以被我們用于測(cè)量產(chǎn)生或者直接影響周圍磁場(chǎng)的各種物理量，例如被廣泛用于接近電磁開關(guān)、霍爾乘法器、位置密度測(cè)量、轉(zhuǎn)速密度測(cè)量和電壓測(cè)量等設(shè)備。

它的一種最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方式是，傳感器檢測(cè)系統(tǒng)可作為一種能模擬電磁場(chǎng)的換能器，直接返回一個(gè)電壓。現(xiàn)在所知的模擬磁場(chǎng)，其點(diǎn)與霍爾盤的各中心結(jié)點(diǎn)之間的距離和它們的方向位置都能被完全自動(dòng)設(shè)定。如果同時(shí)使用多組傳感器，則磁體的各個(gè)交互作用所相關(guān)的電磁場(chǎng)點(diǎn)的位置也可以完全自動(dòng)地進(jìn)行推斷和測(cè)量。當(dāng)電流進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)，通過模擬電磁場(chǎng)對(duì)導(dǎo)體進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，并產(chǎn)生一種恒定電流磁場(chǎng)，測(cè)量恒定電流源，霍爾效應(yīng)原理使傳感器檢測(cè)系統(tǒng)完全能夠在幾乎不受電磁干擾時(shí)的測(cè)量任何恒定電流源。

3 傳感器的工作原理

在檢測(cè)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(yīng)的方式輸出數(shù)據(jù)信號(hào)。舉例來說，當(dāng)檢測(cè)控制系統(tǒng)的幾個(gè)主要功能傳送環(huán)節(jié)相互隔離或分離時(shí)，數(shù)據(jù)則必須由一處傳送到另一處，數(shù)據(jù)信號(hào)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(cè)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(jìn)行隨機(jī)數(shù)據(jù)分析，進(jìn)行監(jiān)控或?qū)崟r(shí)跟蹤數(shù)據(jù)分析?？芍苯佑秒S機(jī)數(shù)字模擬測(cè)得的結(jié)果，或是直接用隨機(jī)數(shù)字模擬測(cè)量?jī)x掃描顯示，對(duì)其結(jié)果進(jìn)行隨機(jī)數(shù)據(jù)流的自動(dòng)記錄，或用隨機(jī)數(shù)字掃描打印機(jī)將人測(cè)得的數(shù)據(jù)結(jié)果用數(shù)字打印輸出。這種模擬真實(shí)測(cè)量方法的主要操作目的之一，就是說明人們?nèi)匀幌Ｍㄟ^對(duì)真實(shí)數(shù)據(jù)結(jié)果的測(cè)量來獲得真實(shí)的測(cè)量結(jié)果。但是，在實(shí)際應(yīng)用中的模擬測(cè)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(cè)量系統(tǒng)性能不理想，測(cè)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(cè)量結(jié)果的質(zhì)量，因此難以表示。

4 傳感器測(cè)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(dòng)測(cè)溫法是以各種金屬導(dǎo)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(chǔ)，被用來進(jìn)行各種溫度敏感測(cè)量。通過對(duì)溫度傳感器電阻的測(cè)溫工作原理的分析可知，被測(cè)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(cè)定的，因此，傳感器因別的原因造成的溫度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果也會(huì)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(kuò)散硅壓力變送器當(dāng)被測(cè)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(cè)這一變化，并轉(zhuǎn)換輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)于這一壓力的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)最終將其轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出門。其由傳感器和信號(hào)處理電路組成。其中傳感器壓面設(shè)有惠斯頓電橋，當(dāng)增加壓力時(shí)，電橋各橋臂電阻值發(fā)生變化，通過信號(hào)處理電路，最終將其轉(zhuǎn)換成一個(gè)稱為標(biāo)準(zhǔn)（4～20）mA 型的測(cè)量控制信號(hào)后并進(jìn)行壓力輸出。

HH-316系列壓力變送器的特點(diǎn)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(yán)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(duì)溫度敏感度較低、高溫不易變形、低溫不易開裂、溫度波動(dòng)幅度小、穩(wěn)定性高，具有很高的測(cè)量精度。HH-316系列擴(kuò)散硅壓力變送器具有多種測(cè)量型號(hào)，多種可測(cè)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(cè)量壓力差時(shí)，當(dāng)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(cè)量膜片。中心膜片是一個(gè)張緊的彈性元件，它對(duì)于作用在其上的兩側(cè)壓力差產(chǎn)生相應(yīng)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?cè)陔娙輼O板上形成差動(dòng)電容，由電路把差動(dòng)電容轉(zhuǎn)換成二線制的4～20mADC 信號(hào)輸出。

HH-3851差壓變送器的特點(diǎn)：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(qiáng)。

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(duì)于空氣種不同含量的水蒸氣濃度，一般多用相對(duì)濕度這個(gè)基本概念，即在一定相對(duì)應(yīng)的溫度下，空氣中實(shí)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(duì)濕度（用RL 表示）。其計(jì)量單位也稱為“RE%”。由于目前濕敏傳感器相關(guān)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(cè)傳感技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

盡管目前我國檢測(cè)設(shè)備應(yīng)用技術(shù)的現(xiàn)狀并不能完全適應(yīng)我國當(dāng)前國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)快速發(fā)展的實(shí)際應(yīng)用需要，產(chǎn)品質(zhì)量、技術(shù)水平與國外先進(jìn)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(fèi)市場(chǎng)的國家戰(zhàn)略方案來看，我國仍有一個(gè)廣闊的市場(chǎng)前景[4]。為此，必須不斷加強(qiáng)國內(nèi)檢測(cè)設(shè)備技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)研究，積極探索引進(jìn)國外先進(jìn)的檢測(cè)設(shè)備，以便不斷提高檢測(cè)行業(yè)整體檢測(cè)技術(shù)水平。我國檢測(cè)傳感器應(yīng)用檢測(cè)行業(yè)未來技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)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(xué)、信息處理等各種電子學(xué)科，各種新材料技術(shù)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(jìn)電子傳感器。

充分推廣應(yīng)用新生物科學(xué)檢測(cè)技術(shù)和新的各種物理效應(yīng)，擴(kuò)大新型生物傳感檢測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用。新型生物傳感檢測(cè)器的工作原理大多以各種物理效應(yīng)為主要理論技術(shù)基礎(chǔ)。近代以來粒子物理學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)現(xiàn)代生物粒子仿生學(xué)的技術(shù)深入應(yīng)用研究，使得新型生物傳感器及其檢測(cè)器技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域更廣闊。如今的新型生物傳感檢測(cè)器的技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域，正向著我們經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)發(fā)展新的需要不斷壯大擴(kuò)展，不僅僅廣泛應(yīng)用于各個(gè)科學(xué)工業(yè)部門，而且也逐漸擴(kuò)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(xué)工程技術(shù)和其他新興尖端現(xiàn)代科學(xué)工業(yè)工程技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域，生物、醫(yī)療、食用化學(xué)產(chǎn)品污染物的定量監(jiān)測(cè)、危險(xiǎn)品和其他化學(xué)毒品的定量檢測(cè)、衛(wèi)生產(chǎn)品的安全性監(jiān)測(cè)等各個(gè)方面，同時(shí)也逐漸滲透到整個(gè)人類的各種日常生活當(dāng)中。

向高靈敏和高精度檢測(cè)領(lǐng)域快速發(fā)展，研制設(shè)計(jì)開發(fā)出各種靈敏度高、精確度高、適應(yīng)性強(qiáng)、響應(yīng)速度快、互換性好的新型自動(dòng)測(cè)量傳感器，以大大提高確保各種復(fù)雜生產(chǎn)工藝自動(dòng)化的檢測(cè)可靠性。近年來，隨著現(xiàn)代電子工程科學(xué)以及信息系統(tǒng)技術(shù)的不斷進(jìn)步和快速發(fā)展，要求它的檢測(cè)靈敏度、精確度和檢測(cè)工作量的穩(wěn)定性等盡可能的高。例如針對(duì)各種超高靈敏精度的自動(dòng)測(cè)量檢測(cè)器在生產(chǎn)線進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，要求它的誤差范圍不超過0.1微米，大大提高各種自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)工作量和可靠性。為了能夠保證各種新型自動(dòng)檢測(cè)裝置設(shè)備能夠很好地適應(yīng)各種復(fù)雜條件下的高可靠性的檢測(cè)工作，要求企業(yè)自主開發(fā)研制的各種自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備，對(duì)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(xué)測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)科學(xué)測(cè)量誤差精度的基本要求越來越高，可以這么說，測(cè)量精度工作的實(shí)際價(jià)值就直接取決于測(cè)量的誤差精度。但是當(dāng)測(cè)量誤差精度超過一定限度時(shí)，測(cè)量出的結(jié)果就完全失去了基本意義甚至可能會(huì)給測(cè)量工作效率帶來很大危害。因此，對(duì)測(cè)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(xué)測(cè)量技術(shù)水平的一個(gè)重要方面。但是由于測(cè)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(cè)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。