一体化传感器的工作原理及其测量技术在工业制造中的意义

本文综述
传感器在科学研究和技术开发中，特别是在信息技术、现代制造以及生产过程自动化技术中，起着不可替代的作用。随着社会和科学技术的进步和发展，人们对传感器的需求越来越多，要求也越来越高。

但在实际应用中，单一功能的传感器往往不能满足越来越高的系统要求。例如，一个液压系统的工作是否正常，关键取决于两个主要工作参数即压力和流量是否处于正常的工作状态，以及系统温度、泵组功率等重要辅助参数的正常与否。因此进行液压系统状态检测和故障诊断，最关键的就是压力、流量、温度、功率参数的可靠获取。通过不同应用领域的广泛调研和多次实验发现，传统的用三种传感器分别测量的方法，即使传感器精度很高，仍难以达到理想的测试结果。因为首先三种传感器在安装上必然存在位置差别，所测出的压力、流量、温度实际上并不是同一测量点的数值，距离测试模型的同点、同时、实时测量有很大差距。其次，三种传感器的分别接入系统，在接人过程中会引起过多泄漏，或相互干扰，从而影响测试的准确性，同时也增加了测试的复杂性。为了克服上述确定，就需要一种将三种传感器三位一体集成的设计思想，即在同一传感器主体上同时构造三个传感器，即压力传感器、流量传感器、温度传感器，使三个参数的实测值集中在一点，再通过变送器将电信号输出，用于集中测量和控制。这就是一体化测量技术的本质。

“一体化”是指根据某种目的或某种需求，按照系统工程原理，将相互关联的系统或子系统整合成一个宏观有序、整体最优的大系统，形成远远大于系统简单相加的整体效能。

一体化传感器结构模式
如前所述，通常情况下一个传感器只能用来探测一种物理量，但在许多应用领域中，为了能够完美而准确地反映客观事物和环境，往往需要同时测量大量的物理量。由若干种敏感元件组成的多功能传感器则是一种体积小巧而多种功能兼备的新一代探测系统，它可以借助于敏感元件中不同的物理结构或化学物质及其各不相同的表征方式，用单独一个传感器系统来同时实现多种传感器的功能。随着传感器技术和微机技术的飞速发展，目前已经可以生产出来将若干种敏感元件综装在同一种材料或单独一块芯片上的一体化多功能传感器。

概括来讲，多功能传感器系统主要的执行规则和结构模式包括以下方面。
①多功能传感器系统由若干种各不相同的敏感元件组成，可以用来同时测量多种参数。譬如，可以将一个温度探测器和一个湿度探测器配置在一起(即将热敏元件和湿敏元件分别配置在同一个传感器承载体上)制造成一种新的传感器，这样，这种新的传感器就能够同时测量温度和湿度。

②将若干种不同的敏感元件精巧地制作在单独的一块硅片中，从而构成一种高度综合化和小型化的多功能传感器。由于这些敏感元件是被综装在同一块硅片中的，它们无论何时都工作在同一种条件下，所以很容易对系统误差进行补偿和校正。③在不同的激励条件下，同一个敏感元件将表现出来不同的特征。而在电压、电流或温度等激励条件均不相同的情况下，由若干种敏感元件组成的一个多功能传感器的特征可想而知将会是多么的千差万别。有时候简直就相当于是若干个不同的传感器一样，其多功能特征可谓名副其实。

三位一体传感器实例
(1)硬件结构
将三种传感器设计成一体的方案，是在涡轮传感器主体上预留压力传感器和温度传感器的接入口，实现三个传感器的一体化，结构原理如图9—8所示。



图9—8三位一体传感器结构原理

(2)测量原理
①压力测试原理流体压力通过不锈钢隔离膜片、密封硅油，传输到扩散硅膜片上。同时参考端的压力作用于膜片的另一侧。这样在膜片两边加上的压差产生一个应力，使膜片的一侧压缩，另一侧拉伸。扩散硅膜片上有两个应变电阻片位于压缩区内，另有两个应变电阻片位于拉伸区内。在电气性能上，它们连接成一个全动态惠斯登电桥，以增大输出信号。电桥检测出电阻值的变化，经过差分归一化放大器放大、变换后，变换成相应的电流信号。该电流信号通过非线性矫正环路的补偿，即产生与流体压力呈线性关系的直流4～20mA的标准输出信号。
直流4～20mA的标准信号，经电流／电压变换电路变换后，再进行A／D转换，A／D转换后的数字量输入单片机。
②流量测试原理当被测流体流过传感器时，在流体作用下，叶轮受力而旋转，转速与管道流体的平均流速成正比。叶轮转动时周期性地改变磁电转换器的磁阻值，检测线圈中的磁通随之发生周期性变化，产生周期性的感应电势，装在壳体外的非接触式磁电转速传感器输出脉冲信号的频率与涡轮的转速成正比，因此只要测定传感器输出脉冲信号的频率即可确定流体的流量。在检测系统中流量测量采用计数的办法来实现，具体是采用单片机上的计数器计数，算出频率，利用下列公式求出流量：
Q=af+b
式中，Q为流量；f为频率；a，b为流量计标定参数。
③功率测试原理测定泵组的功率，计算公式如下：
N=PQ／60
式中，N为功率；p为压力；Q为流量。。
④温度测量温度传感器输出的信号经电桥变换后，进入A／D转换，变成数字量后也
输入单片机。
(3)信息汇总分析
本例提出的在流量传感器的主体上同时安装三种传感器，既方便了测量，又简化了系统。三位一体传感器的设计和应用，极大地提高了测试的可靠性和准确性。这种新型的液压系统检测仪，最后在单片机智能系统的监控下，能在液压系统的同一部位同时动态测出流量、压力、温度、功率四个重要的参数，为液压系统测试分析和故障诊断开辟开了一个新方法。
总之，一体化传感器无疑是当前传感器技术发展中一个全新的研究方向。