電磁計量技術在傳感器測量系統中的應用

張海平

（昆山市計量測試所，江蘇 昆山 215300）

電磁計量技術在傳感器測量系統中的應用

張海平

（昆山市計量測試所，江蘇 昆山 215300）

傳感器是一種可以感知被測量的信息，并按一定規律轉換成易于測量的電信號或其他形式的信號輸出的器件。傳感器往往把其它非電量轉化為電磁參量，然后通過電磁計量技術進行測量。本文首先對電磁計量技術進行了概述，然后介紹了傳感器測量系統及其與電磁計量技術的關系，接著以智能手機為例闡述了傳感器測量系統的組成，最后通過壓力傳感器和電子秤系統闡述了電磁計量技術在傳感器測量系統中的應用。

電磁計量；傳感器；測量系統

傳感器是工業電子和電氣控制系統的“眼睛”，它能采集系統運行中的各項參數，經計算機或單片機等主控單元處理后，完成系統的預定任務。隨著科技的發展，傳感器技術已經在各個領域得到了廣泛的應用。例如在各大中小企業的設備控制系統、自動化生產線等，傳感器的身影無處不在。電子電氣系統復雜度的提高對傳感器的性能和功能提出了更高要求，而單個傳感器是很難滿足要求的，因此傳感器測量系統應運而生。傳感器的主要功能是將一些溫度、壓力、速度、位移等不易直接測量的物理量轉換為易于測量的電磁參量，而電磁參量的測量可以通過電磁計量技術來完成。因此，電磁計量技術在傳感器測量系統中具有十分重要的作用。

1 電磁計量技術概述

電磁計量是指根據國家的法定計量檢定系統，在各種電磁計量器具的輔助下，對自然電磁現象或電氣設備的電磁參數進行定量分析的過程。電磁計量按原理可大致分為電學計量和磁學計量兩大組成部分，其計量參數既包括電壓、電流、功率、電能、電阻、電容、電感、電阻率和介質損耗角等電參數，也包括磁通、磁通密度、磁感應強度、磁場強度、磁導率、鐵損等磁參數。根據取得測量結果的方式，電磁計量可分為直接測量、間接測量和組合測量；根據計量儀器的不同，又可分為直讀測量和比較測量兩種方式。電磁計量在現有的眾多計量技術中占據著極其重要的地位，是十大計量方式之一，在各領域的應用非常廣泛。

電磁計量技術與電磁理論密切相關，電磁理論和電磁技術的發展推動著電磁計量技術的提高，而電磁計量技術的進步又促進了電磁理論和電磁技術的發展。

2 傳感器測量系統

電磁計量方式所具有的操作簡捷、自動化程度高、適于遙測等特點是其它計量方式所無法比擬的，因此很多其他需要計量的物理量都會優先考慮轉化為電磁形式的信號進行計量。例如在測量濕度、溫度、振動、位移等物理量時，往往會先轉化成易于測量的電壓或電流信號，然后再通過對電壓或電流信號的測量，即可換算得到被測物理量。而這個物理量的轉化過程，則是依靠各種傳感器來完成的。

傳感器是一種常用的檢測元件，它可以感知被測量的信息，并按一定的規律轉換成易于測量的電信號或其他形式的信號作為輸出，以達到方便信息傳輸、處理、存儲和顯示的要求。根據其工作原理，可將傳感器分為振動傳感器、濕敏傳感器、磁敏傳感器、氣敏傳感器、真空度傳感器和生物傳感器等類型；根據其信號的輸出方式，可將傳感器分為模擬傳感器、數字傳感器、數字傳感器和開關傳感器等類型。一般來說，一個單體傳感器可以完成一種物理量的測量。

隨著科技的發展，需測量的物理量往往多而復雜，單體傳感器已無法滿足工業測量要求，這時就需要把多種傳感器與多臺顯示儀表按一定的邏輯組合起來，構成一個功能完整、可完成復雜測量任務的傳感器測量系統。典型的傳感器測量系統由傳感器、測量儀表、變換裝置、信號處理電路等單元組成，是單體傳感器技術發展到一定階段的必然產物。隨著計算機技術、大規模集成電路和信號處理技術的進一步發展，檢測系統的概念也在不斷被更新。在現代工業生產過程中，各種過程參數的測量都是在程序的控制下自動進行的，不需要太多的人工干預。

3 傳感器測量系統中的電磁計量

本文以智能手機為例，介紹各類傳感器是如何組成一個龐大的測量系統，并通過電磁參數的計量而完成復雜任務的。

（1）光線傳感器由光敏三極管組成，當外界光線照射時，會產生相應的電流從而感知環境光亮度。

（2）距離傳感器由LED發出紅外光并被前方物體反射，再經紅外探測器接收并計算其強度，從而測得距離。

（3）重力傳感器是利用壓電效應來工作的，通過兩個正交方向壓電片產生的電壓大小來求得水平方向。

（4）磁場傳感器采用各向異性的磁致電阻材料制作，當外界磁場發生微小的變化時，自身電阻會發生相應的變化，通過測量電阻兩端的電壓即可計算出方向。

（5）指紋傳感器的傳統方法是采用電容式識別方式，根據電容原理，以用戶手指作為電容的其中一極，手機內的硅晶片陣列作為電容的另一極，人體所帶的微電場與電容之間會產生微電流，由于指紋波峰波谷的存在，使硅晶片上形成電容差，進而復現指紋圖像。

（6）霍爾感應器利用了霍爾磁電效應，當磁場中的導體流過電流時，導體中的電子將受到一個垂直于電子運動方向的力，使導體兩端產生電勢差。

（7）氣壓傳感器常常采用變阻式設計，制造時把薄膜和變阻器安裝在一起，大氣氣壓的改變會使電阻發生相應變化，通過對電阻上的電流或電壓測量，即可得到氣壓值。

在上述的智能手機傳感器測量系統中，傳感器的任務都是把待測物理量轉化為電壓、電流、光強、電阻、電容等電磁參量來測量，對手機的檢測與驗收時同樣是以電磁參量的形式進行計量，這充分說明了電磁計量技術在傳感器系統中的關鍵地位。

4 應用實例分析

壓力傳感器是一種典型的利用電磁計量技術進行測量的傳感器，它能夠把重力轉化為電信號，然后由數字儀表或機械儀表顯示可讀的壓力值。反過來，由數顯控制單元產生電信號，以此控制電氣執行機構來改變壓力的施加強度。

DPI—I型遠程數顯壓力計是一種有著遠程信號傳輸能力的壓力計量儀表，其內部配置了JCYX系列高精度、高性能壓力傳感器，采用了最先進的精密溫度線性補償技術和數字信號處理技術，可實現對介質壓力的精確測量并以直觀的數字形式顯示給用戶，同時還能輸出4～20mA或0～10mA的標準電流信號，用于電氣執行單元的控制信號。DPI—I型遠程數顯壓力計與電流表相連可以直接判斷其準確度，當儀表在正常使用過程中，若被測介質不受任何壓力，則數顯窗口讀數應為4-000.0kPa，電流表的讀數應為4mA。如果實際讀數有偏差，可以通過其后面板的“ZO”電位器進行零點校正。完成零點校正才能對介質施加壓力開始測量，當壓力值上升到額定值時，電流表的讀數應顯示20mA。如果實際讀數有偏差，可以通過其后面板的“FS”電位器進行零點校正。

值得一提的是，“ZO”和“FS”雖然具備調零的能力，但其調節能力是有限的。在零位和滿量程位都經過校準的情況下，其余中間點的壓力值將比較嚴格地遵守線性關系，從而達到測量的目的。當校準前電流表讀數與標準值偏差過大，則可判定該儀表已經出現了嚴重故障，無法再通過簡單校準來保證測量的準確性。

SCS—100型大型電子秤就是以壓力傳感器為核心單元的壓力測量系統。其基本功能單元包括：運算放大電路，A／D轉換電路，單片機主控單元、外圍輔助電路和操作面板。其中顯示電路、打印電路和串型通訊電路的額定輸入電壓為-30～30mA。該電子秤配置了一個XK3190和一個D9型稱重專用顯示屏。為了判定該儀器是否合格，可以在顯示器的信號輸入端串接毫伏表，并且要求毫伏表的分辨率不低于lμV，測量結果顯示毫伏讀數與電子秤重量讀數呈現出明顯的線性關系，這就可以得出電子秤合格的最終結論。這充分說明，采用電磁測量儀表對電子設備的電參量進行測量，并對測量數據進行處理，可以非常方便而精確地判定待測設備是否符合國家相關標準。

5 結語

目前，傳感器正朝著微型化、集成化、數字化、智能化、系統化和網絡化的方向發展，具備了更強的信息處理能力，其性能也在不斷提升當中，為系統的檢測帶來了很大的方便。因此，傳感器技術的發展將進一步帶動電磁計量技術的發展，電磁計量技術的進步又將促進傳感器技術的提高。

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1671-0711（2017）07（上）-0081-02