傳感器和檢測儀表的發展方向

一 概述

在工業生產、科學研究中，幾乎所有的參數獲取都依靠傳感器和檢測儀表，一條生產流水線通常使用為數眾多的溫度、壓力、流量、物位、重量、成分傳感器和檢測儀表。據介紹，2臺300MW機組的傳感器和檢測儀表總數不少于2000，上海賽科一站式項目總共有80000個I/O點和1萬多臺FF總線裝置，其中絕大多數是來自傳感器和檢測儀表的信號。

即使在日常生活中，人們也越來越離不開傳感器和檢測儀表，一輛普通家用轎車上大約安裝幾十到近百只傳感器和數臺顯示儀表，而豪華轎車上的傳感器數量可多達二百余只，顯示儀表可多達數十臺。傳感器中，僅汽車發動機用傳感器就有很多種，如溫度傳感器、壓力傳感器、旋轉傳感器、流量傳感器、位置傳感器、濃度傳感器、爆震傳感器等。在汽車輪胎內嵌入的微型傳感器將壓力傳感器和微型溫度傳感器集成在一起，同時測出壓力和溫度，便可通過芯片內運算消去壓力測量中的溫度影響。微型傳感器的使用可以保持輪胎適當充氣，避免充氣過量或不足，從而可節約燃油10%。再如汽車上的雨量傳感器隱藏在前風擋玻璃后面，它能根據落在玻璃上雨水量的大小來調整雨刷的動作，因而大大減少了開車人的煩惱。雨量傳感器不是以幾個有限的擋位來變換雨刷的動作速度，而是對雨刷的動作速度作無級調節。它有一個發光二級管負責發送遠紅外線，當玻璃表面干燥時，光線幾乎是100%地被反射回來，這樣光電二級管就能接收到很多的反射光線，結果是雨刷不動作；當玻璃上的雨水越多時，反射回來的光線就越少，其結果是雨刷動作越快。即使是價格低廉的簡易型電動自行車，也至少得裝有電壓表和車速表。洗衣機、冰箱中也使用了很多傳感器和檢測儀表。

隨著科學技術的發展，傳感器和檢測儀表在功能上不斷擴展，在原理上不斷創新，在結構上不斷改進，新產品層出不窮。恒宇儀器從事拉力機，拉力試驗機，材料試驗機研究已有10多年，每當接觸到一些新產品或了解到行業發展的一些新動態時，往往浮想聯翩，這里記下一些只言片語，愿與同行共同切磋。

二 功能上不斷擴展

最早的傳感器都是在就地檢測并顯示，像彈簧管壓力表、水銀溫度計等，因為需要報警功能，就在顯示部分增加了電接點，因為需要遠傳顯示功能，彈簧管壓力表中增加了電阻遠傳器件、電感遠傳器件，成為遠傳壓力表。目前的傳感器和顯示儀表在很多情況下仍延續了這種趨勢，如為了使測溫儀表具有遠傳功能，可輸出電信號的熱電偶、熱電阻使用非常普遍，但這兩類儀表又不具備現場顯示功能，所以幾年前我們看到上海嚴勝濤儀器儀表公司的產品中就有雙金屬測量元件與熱電阻測量元件安裝在用一根測量管內的產品，它可以是帶現場指示，又帶熱電阻Pt100信號輸出一表兩用形式的產品；也可以是帶現場指示，又帶熱電阻Pt100信號就地轉換成4～20mA的溫度變送器輸出以及報警控制接點輸出一表三用的產品。

差壓變送器是用來測量差壓的，其中大多數是用來測量節流裝置所產生的差壓，所以帶開方功能差壓變送器的出現不是偶然，而同時配溫度、壓力測量以便完成氣體流量測量溫度、壓力補償運算的多參數變送器的出現更是在情理之中。為了適應各種矩形堰、梯形堰和V形堰流量測量的需要，新的變送器如ABB公司的2600T不僅具有開方功能，還具有3/2、5/2次方運算功能。為適應球罐、圓筒形臥式容器液體體積測量的需要，還增加了自由編程功能，可進行5階多項式運算。圖1是ABB公司2600T多參數變送器。

測量車輛載重量的汽車衡、軌道衡是從靜態車輛開始的，其測量速度慢、需人工介入，難以滿足大運輸量的發展要求，所以動態汽車衡、動態軌道衡也就誕生了，它們可以在車輛運動狀態下自動進行稱重，汽車衡、軌道衡的發展就進入了一個新的里程碑。

三 原理上不斷創新

較早的壓力、差壓監測儀表應該是水銀浮子式和雙波紋管式，隨后才出現帶輸出電信號或氣動信號的變送器，其結構形式為機械力平衡式，其準確度僅±1%左右。上世紀70年代，變送器從原理上有大的創新，微位移式變送器出現，如電容式、電感式、電阻式和弦振頻率式等等，準確度提高到±0.25%左右。上世紀80年代，智能變送器出現，準確度又提高到±0.1～0.075%。

物位計也有類似的情況，早期的機械式直接接觸測量的居多，如重錘式、阻旋式、浮子式、電阻式、電容式等，但在實際使用過程中，因液體介質腐蝕、粘滯或固體介質塊度大、埋料等原因，直接接觸測量的效果均不理想，而隨后出現的超聲波式、雷達式等非接觸測量原理的物位儀表能較好的解決上述問題，其用量也大大增加。

超聲波流量計是一種發展非常迅速的新型流量計，當采用多普勒法時，其準確度較低，常常不能滿足現場測量要求，后來采用時差法，準確度提高到±0.5%，量程比也擴大了，在大管徑的情況下可以替代電磁流量計，而費用卻節省了很多。

通常使用的溫度計是測量一個點的溫度，而DTS分布式光導纖維溫度傳感器可以測量出沿光導纖維整段長度的溫度信號值，所以它測量的是一個溫度場，但局部溫度異常時，可顯示異常溫度值及異常點位置。光導纖維長度可達10km，溫度定位準確度可達1m。

50年代，我國使用的皮帶秤都是機械式皮帶秤，其物料流量累計的原理是機械積分圓盤，荷重測量是通過杠桿將力轉換成在圓盤上轉動的轉輪的位置，皮帶速度測量通過機械方式傳動轉換成積分圓盤的轉速，轉輪的轉動帶動計數器，由此可得出物料累計量。它的準確度低，維護量大，國內用量非常少。國內在50年代后期開始生產電阻應變式重量傳感器并應用到皮帶秤上，重量測量信號可以采用電信號方式傳送，自此之后，機械式皮帶秤逐步淘汰，電子皮帶秤成為皮帶輸送機輸送物料稱重的主流選擇。

說到秤時，還應該提一下失重式給料機秤，我們知道靜態秤和動態秤相比，稱量難度要低得多，而稱量準確度又要高得多。常規的給料機秤是在給料機部分如皮帶輸送機、螺旋輸送機等進行動態稱重，而失重式給料機秤的稱重原理是：在給料機上方的料倉上裝設靜態料倉秤，而在靜態料倉秤的顯示儀表部分對料倉重量信號進行減法運算，得到單位時間內物料減少的重量，并將它轉換成瞬時流量信號。從而以軟件方式實現了將靜態秤的信號變換成具有動態秤特點的瞬時流量信號，進而可以實現物料量的自動控制。

皮帶秤的準確檢定一直是個難題，國外通常采用的方法有掛碼檢定、電信號模擬檢定、滾鏈檢定和實物檢定。前3種方法都是模擬檢定方法，準確度不夠高，而實物檢定又費時費事。國內的專家努力多年，終于摸索出一種新的模擬檢定方法——循環鏈碼檢定法，它有點類似滾鏈檢定，但它不像滾鏈是在原地轉動，而是通過一套機械裝置始終隨皮帶循環同步運動， 與實際物料輸送情況相比，其模擬程度高，所以用它檢定過的皮帶秤能達到較高的使用準確度。這種新型檢定裝置在國內推出后應用已達數百套，特別是在大型電廠應用廣泛。

鍋爐汽包水位測量對鍋爐來說至關重要，不僅就地需要裝設玻璃水位計，傳送到控制室的水位信號通常要求采用兩種以上的測量方式如差壓式、電接點式同時顯示，這些儀表中通常認為就地玻璃水位計可靠，差壓式、電接點式都有可能出故障。現在國內很多鍋爐上都采用工業電視直接將就地玻璃水位計的圖像傳送到控制室顯示就地鍋爐壓力表的圖像也在同一幅畫面上顯示，非常直觀，水位監控的可靠性也大大提高了。

傳感器和檢測儀表信號傳送一直是業界關心的問題，較早是各自為政，五花八門各種各樣信號同時存在，稍后國際上統一為4～20mA一對一傳送，以后出現了現場總線的傳輸方式，多臺變送器的數字輸出信號可用一根總線來傳送，現在已經出現無線傳送信號的變送器。工控領域已經應用了無線局域網WLAN和無線短程網，如美國霍尼威爾公司2003年推出的XYR5000無線變送器見圖2，它采用了無線短程網中的ZigBee方式，由干電池供電，可連續工作3～5年，傳送距離600m，準確度指標為±0.1%。而在一些測點分散的場合，例如油田、城市煤氣管網、城市供水管網，大氣及水環境環保監測等領域，采用基于GPRS/GSM手機短信息傳輸方式在國內發展迅猛異常。有線一對一傳送——現場總線傳送——無線傳送，這是否是信號傳送新的發展趨勢呢？