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智能传感器数字时代的骄子 传感器是如何工作的

时间:2020-08-04    来源:仪多多仪器网    作者:仪多多商城     
摘 要:本文就目前国际传感器领域的一个热点问题"Smart Sensor"作了介绍,全文从智能传感器的含义、功能、集成化、微机械加工技术与软件、应用与发展等几个方面作了论述。



  智能传感器随数字化时代诞生
  从微处理器带来的数字化革命到虚拟仪器(VXI)的飞速发展,对传感器的综合精度、稳定可靠性和响应要求越来越高,传统传感器已不能适应多种测试要求,随着微处理智能技术和微机械加工技术在传感器上的应用,智能传感器(Smart Sensor)诞生了。
  目前,国际传感器领域已对"Smart Sensor"定义形成了基本共识,但中文译法尚未形成定论,本文所用的"智能传感器"一词属个人引用。智能传感器从其功能来说是具有一种或多种敏感功能,能够完成信号探测、变换处理、逻辑判断、功能计算、双向通讯,内部可实现自检、自校、自补偿、自诊断、具备以上部分功能或全部功能的器件。
  从使用的角度,传感器的准确度、稳定性和可靠性是至关重要的。长期以来研究工作大都集中在硬件方面,虽然人们不断利用新材料研制敏感器件,改进传感器芯片的制造工艺方法来提高芯片的质量以及通过外电路补偿方法来改善传感器的线性度、稳定性和 输出漂移,但都没有根本性的突破。
  七十年代,微处理器举世瞩目的成就带来了数字化的革命,对仪器仪表的发展起了巨大的推动作用。如九十年代的虚拟仪器(VXI)飞速发展,使以微型计算机为基础的测控系统都需要传感器来提供赖以作出实时决策的数据。随着系统自动化程度的提高和复杂性的增加,对传感器的综合精度、稳定可靠性和响应要求越来越高。传统的传感器因其功能单一、性能不适应、不能满足多种测试要求,为此人们利用微处理器智能技术用于传感器。八十年代末期,人们又将微机械加工技术应用到传感器,从而产生新概念传感器"Smart Sensor"--智能传感器。
  
  可实现的功能
  智能传感器的功能是通过模拟人的感官和大脑的协调动作,结合长期以来测试技术的研究和实际经验而提出来的。是一个相对独立的智能单元,它的出现对原来硬件性能苛刻要求有所减轻,而靠软件帮助可以使传感器的性能大幅度提高。
  1. 复合敏感功能 ---- 我们观察周围的自然现象,常见的信号有声、光、电、热、力、化学等。敏感元件测量一般通过两种方式:直接和间接的测量。而智能传感器具有复合功能,能够同时测量多种物理量和化学量,给出能够较全面反映物质运动规律的信息。如美国加利弗尼亚大学研制的复合液体传感器,可同时测量介质的温度、流速、压力和密度。美国EG&G IC Sensors公司研制的复合力学传感器,可同时测量物体某一点的三维振动加速度、速度、位移,等等。
  2. 自补偿和计算功能 ---- 多年来从事传感器研制的工程技术人员一直为传感器的温度漂移和输出非线性作大量的补偿工作,但都没有从根本上解决问题。而智能传感器的自补偿和计算功能为传感器的温度漂移和非线性补偿开辟了新的道路。这样,放宽传感器加工精密度要求,只要能保证传感器的重复性好,利用微处理器对测试的信号通过软件计算,采用多次拟合和差值计算方法对漂移和非线性进行补偿,从而能获得较精确的测量结果。
  3. 自检、自校、自诊断功能 ---- 普通传感器需要定期检验和标定,以保证它在正常使用时足够的准确度,这些工作一般要求将传感器从使用现场拆卸送到实验室或检验部门进行。对于在线测量传感器出现异常则不能及时诊断。采用智能传感器情况则大有改观,首先自诊断功能在电源接通时进行自检,诊断测试以确定组件有无故障。其次根据使用时间可以在线进行校正,微处理器利用存在EPROM内的计量特性数据进行对比校对。
  4. 信息存储和传输 ---- 随着全智能集散控制系统(Smart Distributed System)的飞速发展,对智能单元要求具备通信功能,用通信网络以数字形式进行双向通信,这也是智能传感器关键标志之一。智能传感器通过测试数据传输或接收指令来实现各项功能。如增益的设置、补偿参数的设置、内检参数设置、测试数据输出等。
  智能传感器的集成化
  由于大规模集成电路的发展使得传感器与相应的电路都集成到同一芯片上,而这种具有某些智能功能的传感器叫作集成智能传感器  集成智能传感器的功能有三个方面的优点: 较高信噪比:传感器的弱信号先经集成电路信号放大后再远距离传送,就可大大改进信噪比。 改善性能:由于传感器与电路集成于同一芯片上,对于传感器的零漂、温漂和零位可以通过自校单元定期自动校准,又可以采用适当的反馈方式改善传感器的频响。 信号规一化:传感器的模拟信号通过程控放大器进行规一化,又通过模数转换成数字信号,微处理器按数字传输的几种形式进行数字规一化,如串行、并行、频率、相位和脉冲等。
  微机械加工技术与软件
  智能传感器的制造基础是微机械加工技术,将硅进行机械、化学、焊接加工,再采用不同的封装技术来封装,近几年又发展了一种LIGA工艺(深层X射线光刻电镀成敏膜)用于制造传感器。
智能传感器一般具有实时性很强的功能,尤其动态测量时常要求在几微秒内完成数据采集、计算、处理和输出。智能传感器的一系列功能都是在程序支持下进行。如功能多少、基本性能、方便使用、工作可靠,大都在一定程度上依赖于软件设计和其质量,这些软件主要有五大类。包括标度换算、数字调零、非线性补偿、温度补偿、数字滤波技术。
国内外的应用状况
  十几年前,美国Honeywell公司研制第一只智能传感器。它是将硅敏感元件技术与微处理器的计算、控制能力结合在一起,建立了新的传感器概念。目前智能传感器多使用于压力、力、振动冲击加速度、流量、温湿度的测量。如美国Honeywell公司的ST3000系列全智能变送器,德国Strohrmann公司的二维加速度传感器等。
  目前智能传感器系统本身都是数字式的,但其通信规定仍采用4~20 mA的标准模拟信号。国际上有关标准化研究机构正在积极推出国际规格的数字标准(现场总线)。在现在的过渡阶段采用了HART协议(Highway Addressable Remote Transducer,寻址远程传感器数据线)。这是一种智能传感器的通信协议,与现有的4~20mA的系统兼容,模拟与数字可以同时进行通信。这样使不同生产厂家的产品具有通用性。
  我国智能传感器的研究主要集中在专业研究所和大学,始于八十年代中期,八十年代末中国国防科技大学、北京航空航天大学、浙江大学等大专院校相继报道了研究成果。九十年代初,国内几家研究机构采用混合集成技术成功的研制出实用的智能传感器,标志着我国智能传感器的研究进入了国际行列,但是与国外的先进技术相比,我们还有较大差距。主要在:1、先进的计算、模拟和设计方法,2、先进的微机械加工技术与设备,3、先进的封装技术于设备,4、可靠性技术研究等方面。所以加强技术的研究和引进先进设备,提高整体水平是我们今后努力的方向。
  今后几年中,智能传感器将扩展到化学、电磁、光学和核物理等领域,可以预见,越来越多的智能传感器将会在我国国民经济的各个领域发挥作用。
参考文献
(1) J.M.Favennec.Smart sensors in industry.J.Phys.E: Sci.Instum.20(1987)
(2) Strohmann M. Smart Acceleration Sensor Systems. Based onLIGA .Micromechanics Microsystem Technologies 94.1994
(3) 刘广玉 编著"新型传感器技术及应用",1994.6
安装电涡流传感器要注意的几点

  电涡流是依据电涡流效应研制出来的,所谓电涡流效应是指当把状块金属防置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时,导体内部将产生涡旋状感应电流的现象。电涡流传感器在、石油、化工、冶金等行业和一些科研单位中广泛应用,可以用它来测量物体的振动、速度和位移等等。在使用电涡流传感器时,一定要注意它的安装方法,它影响着测量的精度。

  探头的安装:

  在安装探头之前,要确保安装孔内没有任何杂物,探头在旋转过程中不会与导线发生缠绕;为了防止擦伤探头端部或看管外表,可用非金属测隙规测定探头的间隙,也可用衔接探头导线到延长电缆及前置器的电汽办法整定探头间隙。当确定好探头间隙以后,禁固安装螺母,力度适宜就好。探头的延长导线务必与前置器所需的长度相同,以免造成测量误差。

  延长电缆的安装:

  延长电缆位于衔接探头和前置器的中心局部,是电涡流传感器内部重要连接部分。因此应确保延长电缆在运行过程不被损坏,要具有抗环境的能力。在使用的时候避免因探头与延长电缆连接不紧而造成的松动,可用热缩套管把连接出所紧。此外,在固定延长电缆时避免电缆线折断,通常情况下要求延长电缆盘放直径应大于55mm.

  前置器的安装:

  前置器应放置于铸铝的盒子内,防止出现机械损坏和污染现象的发生。在不改动探头到前置器电缆长度的前提下,可以在一个盒内装有多个前置器,以降低装置本钱,减少前置器到看管器的电缆布线。采用恰当的隔离和屏障接地,将干扰信号降到最低。

  轴振动传感器装置间隙:

  将探头、延长电缆、前置器衔接起来,并给传感器系统接上,用精度较高的监测前置器的输出电压,还调整探头与被测面的间隙,当时置器的输出电压大约在10到11VDC之间时,拧紧探头的两个紧固螺母固定探头即可。

  传感器的正确安装,可以减少后期的维护成本。如果因为安装问题而导致传感器输出不正常,就要重新拆除安装,很多时候不可避免的损坏到传感器,如过按照上面的安装要求,可保证电涡流传感器的输出正常。

标签: 电涡流传感器
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压力传感器的那些常见故障

    压力传感器构造自动化控制在称量配料、管道压力测试等方面得到应用。因此极大地提高了工作效率。

 

    压力传感器的常见故障

    1、压力传感器密封圈的问题

    加压变送器输出不变化,再加压变送器输出突然变化,泄压变送器零位回不去,很有可能是压力传感器密封圈的问题。常见的是由于密封圈规格原因,传感器拧紧之后密封圈被压缩到传感器引压口里面堵塞传感器,加压时压力介质进不去,但在压力大时突然冲开密封圈,压力传感器受到压力而变化。排除这种故障的方法是将传感器卸下,直接察看零位是否正常,若零位正常可更换密封圈再试;

    2、变送器与指针式压力表对照偏差大

    出现偏差是正常的现象,确认正常的偏差范围即可;最后一种易出现的故障是微差压变送器安装位置对零位输出的影响。微差压变送器由于其测量范围很小,变送器中传感元件会影响到微差压变送器的输出。安装时应使变送器的压力敏感件轴向垂直于重力方向,安装固定后调整变送器零位到标准值。

    3、压力上去,变送器输出上不去

    此种情况,先应检查压力接口是否漏气或者被堵住,如果确认不是,检查接线方式和检查电源,如电源正常则进行简单加压看输出是否变化,或者察看传感器零位是否有输出,若无变化则传感器已损坏,可能是仪表损坏或者整个系统的其他环节的问题;

    4、变送器输出信号不稳

    这种故障有肯是压力源的问题。压力源本身是一个不稳定的压力,很有可能是仪表或压力传感器抗干扰能力不强、传感器本身振动很厉害和传感器故障。

    压力变送器的维护。对压力变送器要求每周检查一次,每个月检验一次,主要是清除仪器内的灰尘,对电器元件认真检查,对输出的电流值要经常校对,压力变送器内部是弱电,一定要同外界强电隔开。

标签: 压力传感器
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