电磁计量技术在传感器测量系统中的应用

2017-07-18张海平

中国设备工程 2017年13期

关键词：读数电磁计量

张海平

（昆山市计量测试所，江苏昆山 215300）

电磁计量技术在传感器测量系统中的应用

张海平

（昆山市计量测试所，江苏昆山 215300）

传感器是一种可以感知被测量的信息，并按一定规律转换成易于测量的电信号或其他形式的信号输出的器件。传感器往往把其它非电量转化为电磁参量，然后通过电磁计量技术进行测量。本文首先对电磁计量技术进行了概述，然后介绍了传感器测量系统及其与电磁计量技术的关系，接着以智能手机为例阐述了传感器测量系统的组成，最后通过压力传感器和电子秤系统阐述了电磁计量技术在传感器测量系统中的应用。

电磁计量；传感器；测量系统

传感器是工业电子和电气控制系统的“眼睛”，它能采集系统运行中的各项参数，经计算机或单片机等主控单元处理后，完成系统的预定任务。随着科技的发展，传感器技术已经在各个领域得到了广泛的应用。例如在各大中小企业的设备控制系统、自动化生产线等，传感器的身影无处不在。电子电气系统复杂度的提高对传感器的性能和功能提出了更高要求，而单个传感器是很难满足要求的，因此传感器测量系统应运而生。传感器的主要功能是将一些温度、压力、速度、位移等不易直接测量的物理量转换为易于测量的电磁参量，而电磁参量的测量可以通过电磁计量技术来完成。因此，电磁计量技术在传感器测量系统中具有十分重要的作用。

1 电磁计量技术概述

电磁计量是指根据国家的法定计量检定系统，在各种电磁计量器具的辅助下，对自然电磁现象或电气设备的电磁参数进行定量分析的过程。电磁计量按原理可大致分为电学计量和磁学计量两大组成部分，其计量参数既包括电压、电流、功率、电能、电阻、电容、电感、电阻率和介质损耗角等电参数，也包括磁通、磁通密度、磁感应强度、磁场强度、磁导率、铁损等磁参数。根据取得测量结果的方式，电磁计量可分为直接测量、间接测量和组合测量；根据计量仪器的不同，又可分为直读测量和比较测量两种方式。电磁计量在现有的众多计量技术中占据着极其重要的地位，是十大计量方式之一，在各领域的应用非常广泛。

电磁计量技术与电磁理论密切相关，电磁理论和电磁技术的发展推动着电磁计量技术的提高，而电磁计量技术的进步又促进了电磁理论和电磁技术的发展。

2 传感器测量系统

电磁计量方式所具有的操作简捷、自动化程度高、适于遥测等特点是其它计量方式所无法比拟的，因此很多其他需要计量的物理量都会优先考虑转化为电磁形式的信号进行计量。例如在测量湿度、温度、振动、位移等物理量时，往往会先转化成易于测量的电压或电流信号，然后再通过对电压或电流信号的测量，即可换算得到被测物理量。而这个物理量的转化过程，则是依靠各种传感器来完成的。

传感器是一种常用的检测元件，它可以感知被测量的信息，并按一定的规律转换成易于测量的电信号或其他形式的信号作为输出，以达到方便信息传输、处理、存储和显示的要求。根据其工作原理，可将传感器分为振动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、真空度传感器和生物传感器等类型；根据其信号的输出方式，可将传感器分为模拟传感器、数字传感器、数字传感器和开关传感器等类型。一般来说，一个单体传感器可以完成一种物理量的测量。

随着科技的发展，需测量的物理量往往多而复杂，单体传感器已无法满足工业测量要求，这时就需要把多种传感器与多台显示仪表按一定的逻辑组合起来，构成一个功能完整、可完成复杂测量任务的传感器测量系统。典型的传感器测量系统由传感器、测量仪表、变换装置、信号处理电路等单元组成，是单体传感器技术发展到一定阶段的必然产物。随着计算机技术、大规模集成电路和信号处理技术的进一步发展，检测系统的概念也在不断被更新。在现代工业生产过程中，各种过程参数的测量都是在程序的控制下自动进行的，不需要太多的人工干预。

3 传感器测量系统中的电磁计量

本文以智能手机为例，介绍各类传感器是如何组成一个庞大的测量系统，并通过电磁参数的计量而完成复杂任务的。

（1）光线传感器由光敏三极管组成，当外界光线照射时，会产生相应的电流从而感知环境光亮度。

（2）距离传感器由LED发出红外光并被前方物体反射，再经红外探测器接收并计算其强度，从而测得距离。

（3）重力传感器是利用压电效应来工作的，通过两个正交方向压电片产生的电压大小来求得水平方向。

（4）磁场传感器采用各向异性的磁致电阻材料制作，当外界磁场发生微小的变化时，自身电阻会发生相应的变化，通过测量电阻两端的电压即可计算出方向。

（5）指纹传感器的传统方法是采用电容式识别方式，根据电容原理，以用户手指作为电容的其中一极，手机内的硅晶片阵列作为电容的另一极，人体所带的微电场与电容之间会产生微电流，由于指纹波峰波谷的存在，使硅晶片上形成电容差，进而复现指纹图像。

（6）霍尔感应器利用了霍尔磁电效应，当磁场中的导体流过电流时，导体中的电子将受到一个垂直于电子运动方向的力，使导体两端产生电势差。

（7）气压传感器常常采用变阻式设计，制造时把薄膜和变阻器安装在一起，大气气压的改变会使电阻发生相应变化，通过对电阻上的电流或电压测量，即可得到气压值。

在上述的智能手机传感器测量系统中，传感器的任务都是把待测物理量转化为电压、电流、光强、电阻、电容等电磁参量来测量，对手机的检测与验收时同样是以电磁参量的形式进行计量，这充分说明了电磁计量技术在传感器系统中的关键地位。

4 应用实例分析

压力传感器是一种典型的利用电磁计量技术进行测量的传感器，它能够把重力转化为电信号，然后由数字仪表或机械仪表显示可读的压力值。反过来，由数显控制单元产生电信号，以此控制电气执行机构来改变压力的施加强度。

DPI—I型远程数显压力计是一种有着远程信号传输能力的压力计量仪表，其内部配置了JCYX系列高精度、高性能压力传感器，采用了最先进的精密温度线性补偿技术和数字信号处理技术，可实现对介质压力的精确测量并以直观的数字形式显示给用户，同时还能输出4～20mA或0～10mA的标准电流信号，用于电气执行单元的控制信号。DPI—I型远程数显压力计与电流表相连可以直接判断其准确度，当仪表在正常使用过程中，若被测介质不受任何压力，则数显窗口读数应为4-000.0kPa，电流表的读数应为4mA。如果实际读数有偏差，可以通过其后面板的“ZO”电位器进行零点校正。完成零点校正才能对介质施加压力开始测量，当压力值上升到额定值时，电流表的读数应显示20mA。如果实际读数有偏差，可以通过其后面板的“FS”电位器进行零点校正。

值得一提的是，“ZO”和“FS”虽然具备调零的能力，但其调节能力是有限的。在零位和满量程位都经过校准的情况下，其余中间点的压力值将比较严格地遵守线性关系，从而达到测量的目的。当校准前电流表读数与标准值偏差过大，则可判定该仪表已经出现了严重故障，无法再通过简单校准来保证测量的准确性。

SCS—100型大型电子秤就是以压力传感器为核心单元的压力测量系统。其基本功能单元包括：运算放大电路，A／D转换电路，单片机主控单元、外围辅助电路和操作面板。其中显示电路、打印电路和串型通讯电路的额定输入电压为-30～30mA。该电子秤配置了一个XK3190和一个D9型称重专用显示屏。为了判定该仪器是否合格，可以在显示器的信号输入端串接毫伏表，并且要求毫伏表的分辨率不低于lμV，测量结果显示毫伏读数与电子秤重量读数呈现出明显的线性关系，这就可以得出电子秤合格的最终结论。这充分说明，采用电磁测量仪表对电子设备的电参量进行测量，并对测量数据进行处理，可以非常方便而精确地判定待测设备是否符合国家相关标准。