浅析传感器的原理及应用

2022-09-11

1 传感器的发展历史

传感器是由微电子、微型计算机与检测技术相结合的产物, 具有测量、存贮、通信、控制等特点。传感器是检测装置的一种, 能测量到信息, 并将测量信息按一定规律变成电信号或者其他形式的信号输出。智能传感器主要由主传感器、辅传感器与微机硬件系统等构成。从以前气动仪表、电动仪表发展到如今的集散系统, 现场总线系统, 把单回路的控制集成到对整个生产装置的所有控制系统的控制。操作可以在控制室足不出户就可以控制现场的阀门, 能够及时通过对工艺设备里面的压力、温度、物位或流量进行控制, 达到稳快准的控制效果。

传感器像人的五官一样具有敏感的感觉功能。人的五官获取信息是通过人体的感觉细胞将温度、颜色、重量、酸、甜、苦、辣等非电量, 转换成电脉冲如电压、电容、电流、电阻等, 电脉冲再通过神经将信息传至大脑, 大脑处理后感知到信息。智能传感器利用这个原理来模仿人的感觉的。与人相比, 传感器的功能更强大, 在日常生产中需要精确地获取信息, 做出准确、迅速的反应, 靠人的感官难以实现, 特别是高温高压、有毒有害、易燃易爆区域, 人根本无法进入, 于是, 就有了传感器应运而生。传感器毕竟是电子产品, 它没有思维和感情, 这一点与人无法比拟的。传感器是一种将非电量 (如温度、密度、电阻、速度、形变等) 的变化转变为电量变化的元件, 根据转换的非电量不同可分为压力传感器、速度传感器、温度传感器、湿度传感器等等, 是控制仪器及设备的主要零件、附件。

2 温度、压力、速度、触摸、声、重力传感器原理及应用

温度是测量物体冷热程度的物理量, 温度是热力学系统热运动的能量, 温度不是直接测量的, 它是通过物体随温度变化的物理量来转换测量的。热电偶就是根据热电势变化来测量温度的;热阻是根据阻值变化来测量温度的, 温度计是根据体积变化来测量温度的。温度传感器从传统的分立式温度传感器、模拟集成温度传感器/控制器到智能温度传感器三个发展阶段。智能温度传感器由温度传感器、信号处理器、存储器与接口电路等组成, 有的温度传感器还带控制器 (CPU) 、多路选择器等。如今, 新型智能温度传感器正从模拟量向数字量及网路化发展, 以实现多功能、高精度、总线系统化、高安全性及可靠性。温度变送器应用非常广泛如压缩机的出口温度、反应器的表面温度、电机的轴承温度、加热炉的炉膛温度等;有些电子产品还需对自身的温度进行检测, 如空调、PLC、计算机、马达控制器, 质量流量计、电磁流量计等。

压力是垂直均匀作用在单位面积上的力即垂直力的大小。压力传感器的工作原理是被测介质直接作用于传感器 (硅谐振、硅微电容、复合半导体、硅电容等) , 它将被测参数转换 (硅梁的振动频率、静电容量、硅芯片电阻值、电容等) 。压力传感器在军事、民用和工业等很多方面都有应用, 压力传感器可用来测量静态压力和动态压力。压力传感器是在自动化系统及汽车中用的最多的传感器, 在化工中主要用于罐顶压力, 塔顶压力, 压缩机出入口压力、管线的压力、润滑油压力、反应器床层压力、炉膛压力等, 在汽车中主要用于检测气囊贮气压力、传感器系统流体压力、注入燃料压力、发动机机油压力、进气管道压力、空气过滤系统的流体压力等。

速度是单位时间内位移的增量, 速度传感器是能感受被测速度并将其转换成可用输出信号的传感器。速度分为线速度和角速度。测量线速度的为线速度传感器, 它是用来测量直线运动的传感器, 根据输出电压与被测物体运动速度成线性关系来测量线速度。线速度传感器被广泛应用于化工机械、仪器仪表、地质石油等方面的自动化控制与测量小模数齿轮或其它设备的转速, 工作性能稳定的特点, 线速度传感器输出方波信号, 能够远距离传输。在机车的牵引控制、车轮滑动保护、列车控制和车门控制过程中都要设计到速度信号的采集问题。这个任务由许许多多的速度传感器来完成。测量角速度的为角速度传感器, 用于测量旋转运动的角位移、角速度、角加速度等, 早期测量角参数, 多采用线加速度计与线位移传感器, 再经过计算得出角参数, 这种方法测量误差比较大。目前多采用陀螺仪原理测量角速度, 陀螺仪常被称为角速度传感器。陀螺仪的设计和工作原理主要采用振动部件传感角速度, 依赖相互正交的振动和转动引起科里奥利力。即静止时, 驱动臂在水平方向振动, 当发生旋转时, 在科氏力的作用下驱动臂产生垂直运动, 引起感应臂的运动, 使感应臂产生与旋转角速度成正比的电势差。陀螺仪可以固定一个方向, 像旋转的陀螺放在平面上, 不论将平面如何倾斜, 陀螺的中心轴是不变的。陀螺仪传感器是基于空间位移和手势定位的控制系统, 具有定轴性和进动性两个重要特性。如陀螺传感器装在手机中就可以固定一个方向, 手机移动但是方向保持不变。在射击游戏中, 射击准心不变, 然后通过移动手机位置来瞄准目标。转速传感器是测量旋转物体的转速并将其转换为电量输出。转速传感器根据信号可分为模拟和数字两种。模拟信号输出值是转速的线性函数, 数字信号输出值是信号频率与转速成正比。由于在自动控制及自动化仪表中大量使用电机 (如进/出料泵, 空冷风机、压缩机的电机部分) , 所以转速传感器应用非常广并且种类很多, 常用的转速传感器有磁电式、光电式、霍尔式、电容式等。应用案列:柴油机用的转速传感器就装在喷油泵的飞锤齿轮处, 当柴油发动机的喷油泵工作时, 传感器的齿轮旋转, 因此在信号线圈中就会产生交流电压。交流电压的频率与发动机的转速成正比。

在机电一体化操作台及手机上主要搭载的传感器有触摸传感器、声传感器、重力传感器等。电脑及手机触摸屏, 在皮肤下面, 人体组织中充满了传导电解质 (一种有损电介质) , 这种电解质与电场相互作用, 这种传感器即电容式触摸传感器;打电话时, 把声音转换成电信号, 这种传感器即声传感器;用电脑或者手机观看视频、新闻或网络购物时, 把手机从竖变为横着拿时, 页面内容就自动反应过来, 这就是重力传感器的应用。

3 结语

在自动化控制中, 传感器处于系统首位, 如传感器在蜡油加氢装置的应用, 蜡油加氢装置工艺概况蜡油在高温、高压、氢气及催化剂的作用下先脱除原料中的硫、氮以及金属等杂质, 然后进行加氢、裂化、芳烃饱和和开环等反应, 生产出石脑油、柴油、航煤、加氢尾油等高附加值产品。温度传感器在蜡油加氢装置的应用:反应器每个床层温度、温升的控制都是通过调节床层入口温度实现的。在反应器每个床层的入口, 在同一平面上一周设有6个温度测量点, 通过信号选择器, 选择温度较高的一个作为控制值。压力传感器在蜡油加氢装置的应用:在冷高压分离器罐顶的压力作为压力控制点, 在新氢压缩机出口压力控制下, 通过设在压缩机三返一线上的压力调节阀来调节其返回入口流量, 用来改变反应系统的氢气流量。转速传感器在蜡油加氢装置的应用:空冷出口温度控制通过调节运转风机的频率转速来调节空冷出口温度。于是可以说传感器是自动化系统达到快速、精确以及稳定的保证。新技术的发展带动着传感器市场, 如光纤传感器、红外传感器、紫外传感器、无线传感器以及金属氧化物传感器等。在现代工业自动化生产中, 需要各种传感器来监视以及控制生产过程中的温度、压力、液位、流量等参数, 确保设备在正常状态下工作, 生产出质量过关的产品。传感器已渗透到工业、农业、医学、科学研究等领域, 几乎每个现代化项目, 都需要各种各样的传感器。相信在不久的将来, 智能传感器市场将更加强大。

摘要：文章概述了传感器的原理及分类, 探讨传感器的应用及发展

关键词：温度传感器,压力传感器,速度传感器