传感器自动检测系统的设计与实现

福建省送变电工程有限公司 程天福 李龙禹

传感器自动检测与处理系统这个技术，实际上是现代传感器技术不断发展和进步到一定阶段的产物。自动化检测处理系统主要是传感器与自动测量机械仪表、转换检测设备等有机结合在一起。在企业工程设计实践中，为了同时完成测量信号的自动检测，需要至少一台传感器与多台自动测试机有机地结合使用，构成一个新的整体，从而基本形成了自动检测系统。伴随着现代计算机通信技术和其它信息处理系统技术的不断进步和发展，对检测处理系统涉及的技术内容也不断更新和充实。现代企业生产管理过程中，对工艺参数的自动检测必须自动有序地进行，即使一般由自动检测处理系统自动完成检测任务。因此，认真研究并掌握自动检测处理系统的基本组成及工作原理是非常必要的。

1 传感器自动监测系统的发展过程

传感器自动监测系统经常能够根据他人的要求进行设计，在需要时自动完成某些控制任务。关键在于如何将反馈引入到系统中，这种反馈也就是将系统的各种输出或输入状态加到系统的每一个输入端，与系统的各种输入共同作用于一个自动系统。一个系统的各种输出或者状态实际上是各种液介质的物理量，它们其中的一些可能是电压，一些是流体的流量、速度等等。这类物理量常常与系统的各种输入量或性质不同，其获得数值的大小范围也不相同。因此，无法直接与系统输入结合使用，需要同时测量和转换。传感器自动监测系统正是因为起了这一重要作用，它有点像眼睛和面部的皮肤，用来控制自动化系统的运行，感知系统在整个过程中控制各种物理变化，并配合其它部分共同完成自动控制系统的任务[1]。

2 传感器的类型

温度传感器：一般认为，温度传感器是把物体内部温度的数据转换成磁性电子元件，供其它磁性电子元件来测量温度数据。由导电体材料制作的温度传感器的使用电阻一般都是随温度的变化而变化的。例如，一种最常用的磁性电子元件（pt100），其主要成分是铂，当0℃时电阻为100欧姆，温度升高时使用电阻降低。这类半导体温度传感器通常被认为是一种管道电路，将功率放大与谐波缩小频率调整器集成在一起。

使用热电荷场效应方法测量一定温度的物体热电偶，焦电性导热物质的物体表面的热电荷的密度也会随物体温度的变化而发生变化，因此其物质的电荷强度可以广泛用来直接测量物体温度。

压力强度测量传感器：压力强度测量传感器主要定义为一种专门用于直接测量标准状态下液体和气体的压强的一种传感器。和其它新型的传感器相似，压力强度测量传感器主要是用来将压力强度测量转换器信号作为高压交流电信号的源，输出到系统之中。压力强度测量传感器在当前许多新型的压力强度监测和气体流量自动控制相关技术中已开始得到广泛的应用和发展。除直接用来测量液体的压力强度值外，压力强度测量传感器同时也可被广泛地用来间接测量其他气体流量，例如监测气体和液体的最大平均流量、流速、水面高度或颗粒状气体的厚度。

压力强度测量传感器在实际使用的器件技术，设计，性能测量表现，工作环境适应性等条件与产品价格上都具有很大的差异。根据有关资料估计，世界上制造压力强度测量传感器的技术的至少有50种，能够制造压力强度测量传感器的企业最保守估计有300家。

在此基础上，还发现了一类气体压力传感器以及实例，这类传感器用于动态控制测量高速变化的气体压力。这两个例子的实际应用主要是检测发动机和引擎的动态燃料压力，或用于涡轮增压发动机中可燃气体的动态压力监测。这种压力传感器通常用各种压电复合材料制成，如铝、石英等。

常见的压力系数控制电路传感器，广泛用于道路交通安全任务自动执行系统中的自动摄像机控制系统，其中的传感器，则以一种基于二进制的工作方式自动控制，或者说，当它的控制系数已经达到了某一特定数值时，它的压力系数传感器也会通过开关控制电路，或者自动控制断开开关控制电路，这种不同类型的普通压力系数控制电路传感器，也是通常被称为普通型的压力系数控制电路。

图像信号传感器：图像信号传感器指的是一能将一些可视化的图像信号转化而成为各种电子成像信号的检测设备，主要广泛应用于各种数码激光照相机与其它电子成像检测设备中。一般由一组CCD或一组CMOS 类的传感器（如有源或像素大的传感器）共同组成[2]。

霍尔效应电磁传感器：霍尔效应电磁传感器也可简称霍尔传感器，是一个电磁换能器，将周围磁场运动产生的频率变化转化成输出电压的变化。霍尔传感器首先是可以用来用于测量电磁场的，此外还是可以被我们用于测量产生或者直接影响周围磁场的各种物理量，例如被广泛用于接近电磁开关、霍尔乘法器、位置密度测量、转速密度测量和电压测量等设备。

它的一种最简单的实现方式是，传感器检测系统可作为一种能模拟电磁场的换能器，直接返回一个电压。现在所知的模拟磁场，其点与霍尔盘的各中心结点之间的距离和它们的方向位置都能被完全自动设定。如果同时使用多组传感器，则磁体的各个交互作用所相关的电磁场点的位置也可以完全自动地进行推断和测量。当电流进入系统时，通过模拟电磁场对导体进行自动测量，并产生一种恒定电流磁场，测量恒定电流源，霍尔效应原理使传感器检测系统完全能够在几乎不受电磁干扰时的测量任何恒定电流源。

3 传感器的工作原理

在检测控制系统中，传感元件的控制传感器件是用于感知被控量的数据大小，并通过相应的方式输出数据信号。举例来说，当检测控制系统的几个主要功能传送环节相互隔离或分离时，数据则必须由一处传送到另一处，数据信号传送控制环节就是用来完成这一数据传送环节功能。

数据处理的结果表明，此操作环节将由传感器模拟测量员的主要信息显示形式，转变为目前人类内部系统中能被广泛接受的主要信息显示形式，以更方便人们进行随机数据分析，进行监控或实时跟踪数据分析。可直接用随机数字模拟测得的结果，或是直接用随机数字模拟测量仪扫描显示，对其结果进行随机数据流的自动记录，或用随机数字扫描打印机将人测得的数据结果用数字打印输出。这种模拟真实测量方法的主要操作目的之一，就是说明人们仍然希望通过对真实数据结果的测量来获得真实的测量结果。但是，在实际应用中的模拟测量操作过程中，由于自身的各种原因，如传感器本身的模拟测量系统性能不理想，测量方法不够完善，受周围及外界恶劣环境条件干扰等因素直接影响到测量结果的质量，因此难以表示。

4 传感器测试系统的传感器组成

4.1 温度传感器

温度传感器的工作原理：温敏电阻的被动测温法是以各种金属导体的电阻值随阻体温度的变化而不断变化这一基本特性为基础，被用来进行各种温度敏感测量。通过对温度传感器电阻的测温工作原理的分析可知，被测物体温度的变化是直接通过传感器中电阻的温度变化来测定的，因此，传感器因别的原因造成的温度变化对测量结果也会造成影响［3］。

4.2 HH-316压力变送器

HH-316压力变送器的工作原理：HH-316系列扩散硅压力变送器当被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，则使传感器的电阻值发生变化，再用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号最终将其转换成标准信号输出门。其由传感器和信号处理电路组成。其中传感器压面设有惠斯顿电桥，当增加压力时，电桥各桥臂电阻值发生变化，通过信号处理电路，最终将其转换成一个称为标准（4～20）mA 型的测量控制信号后并进行压力输出。

HH-316系列压力变送器的特点及用途：HH-316系列压力变送器所采用的传感器在全世界都属于顶尖水平，加上许多高精度的电子元件与之相配合，经严格的制造工艺、生产过程精心装配而制成。HH-316系列压力变送器所用的材料对温度敏感度较低、高温不易变形、低温不易开裂、温度波动幅度小、稳定性高，具有很高的测量精度。HH-316系列扩散硅压力变送器具有多种测量型号，多种可测量程，多种压力连接装置形式及所用材料。

4.3 HH-3851差压变送器

HH-3851差压变送器工作原理：HH-3851差压变送器再测量压力差时，当压力通过两侧或一侧的隔离膜片、灌充液传至控室的中心测量膜片。中心膜片是一个张紧的弹性元件，它对于作用在其上的两侧压力差产生相应变形位移，其位移与差压成正比，最大位移约0.1mm，这种位移转变在电容极板上形成差动电容，由电路把差动电容转换成二线制的4～20mADC 信号输出。

HH-3851差压变送器的特点：HH-3851差压变送器全系列产品的各组分零件采用统一的原材料一体结构，零部件互换性强。

4.4 JSL-3AT 湿度变送器

湿度的定义是指空气中水蒸气所占的比例。对于空气种不同含量的水蒸气浓度，一般多用相对湿度这个基本概念，即在一定相对应的温度下，空气中实际水蒸气压与饱和水蒸气压的比值（用百分比表示），称为相对湿度（用RL 表示）。其计量单位也称为“RE%”。由于目前湿敏传感器相关产品种类较多，根据水分子易于吸附在固体表面渗透到固体内部的这种特性（称水分子亲和力），湿度传感器可以分为水分子亲和力型和非水分子亲和力型。

5 检测传感技术发展趋势

尽管目前我国检测设备应用技术的现状并不能完全适应我国当前国民经济和社会快速发展的实际应用需要，产品质量、技术水平与国外先进水平相比仍有可能存在较大的差距，但从国家统一国内消费市场的国家战略方案来看，我国仍有一个广阔的市场前景[4]。为此，必须不断加强国内检测设备技术的基础知识研究，积极探索引进国外先进的检测设备，以便不断提高检测行业整体检测技术水平。我国检测传感器应用检测行业未来技术发展趋势具体表现在以下几个方面：

我国加速研制开发新型敏感载体材料。我国通过结合微电子、光电子、生物化学、信息处理等各种电子学科，各种新材料技术的互相交叉渗透和充分综合利用，有望加快研制开发出一批基于新型敏感载体材料的先进电子传感器。

充分推广应用新生物科学检测技术和新的各种物理效应，扩大新型生物传感检测应用领域的相关技术的应用。新型生物传感检测器的工作原理大多以各种物理效应为主要理论技术基础。近代以来粒子物理学技术的飞速发展，对现代生物粒子仿生学的技术深入应用研究，使得新型生物传感器及其检测器技术的应用领域更广阔。如今的新型生物传感检测器的技术在各个领域，正向着我们经济社会持续发展新的需要不断壮大扩展，不仅仅广泛应用于各个科学工业部门，而且也逐渐扩大渗透到海洋船舶建造工程、海洋资源研究开发、宇宙太空轨道航行等尖端新的现代科学工程技术和其他新兴尖端现代科学工业工程技术的各个领域，生物、医疗、食用化学产品污染物的定量监测、危险品和其他化学毒品的定量检测、卫生产品的安全性监测等各个方面，同时也逐渐渗透到整个人类的各种日常生活当中。

向高灵敏和高精度检测领域快速发展，研制设计开发出各种灵敏度高、精确度高、适应性强、响应速度快、互换性好的新型自动测量传感器，以大大提高确保各种复杂生产工艺自动化的检测可靠性。近年来，随着现代电子工程科学以及信息系统技术的不断进步和快速发展，要求它的检测灵敏度、精确度和检测工作量的稳定性等尽可能的高。例如针对各种超高灵敏精度的自动测量检测器在生产线进行自动检测，要求它的误差范围不超过0.1微米，大大提高各种自动检测设备的检测工作量和可靠性。为了能够保证各种新型自动检测装置设备能够很好地适应各种复杂条件下的高可靠性的检测工作，要求企业自主开发研制的各种自动检测设备，对恶劣的化境具有较高的抗干扰能力和使用寿命[5]。

6 结语

随着现代科学测量技术的不断发展，人们对科学测量误差精度的基本要求越来越高，可以这么说，测量精度工作的实际价值就直接取决于测量的误差精度。但是当测量误差精度超过一定限度时，测量出的结果就完全失去了基本意义甚至可能会给测量工作效率带来很大危害。因此，对测量误差的精度分析和误差控制就已经成为我们衡量现代科学测量技术水平的一个重要方面。但是由于测量误差精度存在的一种必然性和它的普遍性，人们往往只能将测量误差控制在尽可能小的精度范围内，而不能完全彻底消除它。