淺談電磁測量在傳感器測量系統中的應用

陜西省計量科學研究院 陳怡伶

傳感器在我們的日常生活中幾乎隨處可見，現代化的電子產品中都需要布置大量的傳感器來實現某些功能，有很多高精度的電子測量設備都是基于電磁測量技術來實現測量的，本文首先分析了電磁測量的基本工作原理以及采用電磁測量的傳感器種類，在此基礎上介紹兩種基于電磁測量的傳感器具體應用，分別是遠程壓力傳感器和智能手機，使研究人員更加深入地了解電磁測量技術，具有一定的研究價值和參考意義。

傳感器測量技術從問世之日起就得到廣泛關注，對于采用傳統方式無法順利測量的物理量都借助傳感器得到了很好地解決，并由此推動了相關研究領域的發展，在通常情況下測量儀器都是將非電學物理量轉換成電學物理量再通過集成電路將測量數據顯示出來。而磁場和電磁感應等概念是與電學物理量緊密相連的，所以電磁測量儀器的研發是科技發展的必然結果。電磁測量在傳感器測量領域具有獨特的優勢，首先電磁信號是一種連續性信號，可以用于物理量的連續性測量。而且采用電磁測量的設備一般具有較高的靈敏度和精確性，這也保證了在連續測量過程中測量的準確性；其次電磁測量設備可以與被測物體保持一定距離，這樣也防止了由于測量設備本身給測量結果帶來的誤差。電磁測量設備在電離輻射、熱力學、光學等領域都有非常廣泛的研究，將非電學物理量轉換成電學物理量進行測量是現代測量技術中非常普遍并且實用的測量方法。

1 電磁測量和傳感器簡介

1.1 電磁測量工作原理

將溫度、速度、光照強度、壓力等非電學物理量通過某些方法轉變成電流、電壓、電阻等電學物理量進行測量是現代測量技術的總體發展趨勢，這不僅極大降低了各種物理量的測量難度，而且有力促進了微電子技術的進一步發展。例如對于溫度測量，采用原始的水銀溫度計或者煤油溫度計，測量效率極低的同時溫度測量范圍也非常狹窄，在新型冠狀病毒流行期間，額溫測量儀就發揮了重大作用，只需要接近人體額頭就可以快速測量人體體溫，這種測量方式對人體無接觸而且測量速度極快，適宜大范圍人體溫度測量。

在傳感器測量方面通常是將物理量轉換成電信號，而電場、磁場以及電磁感應是不可分割的整體，所以在傳感器的測量研究中不可避免地會考慮電和磁相關物理量的轉換，在電磁測量中需要測量的物理量主要有磁通量、磁感應強度、電流、電壓、電感、電阻等等，利用電磁感應原理制造的測量儀器主要有電流表、電壓表、電阻箱、電位差劑、電橋等等。

為了更好地闡述電磁測量在傳感器測量中的應用，這里舉例利用電磁感應測量電壓的兩種實驗方法，液體靜電計是復現電壓單位的一種試驗方法，在導電性能較好的液體例如純汞的上方水平放置一個電極，電極外接電源而液體接地，電極所流過的電流會產生靜電引力從而使導電液體的液面高度升高一段距離，再通過公式計算測量電壓。或者采用另一種方法，借助尺寸測量工具直接測量液面上升的高度以及上升的液面與電極之間的距離，再計算測量電壓。雖然試驗方法非常簡單，但是實驗結果產生的誤差大約在10-7量級，具有較高的精確度。電壓天平同樣可以用于測量電壓，在天平的一端是可以增減砝碼的托盤，另一端是兩個極板，上極板是和天平連接的可動電極，下極板是外接高電壓的固定電極，在極板之間存在均勻分布的靜電場。已知的物理量有極板的面積、兩極板之間的距離以及空氣介電常數通過這些物理量就可以求出測量電壓了。采用這種測量方法會產生一定的誤差主要來自于兩方面。首先是兩極板間產生的靜電引力過小，現有方法無法準確測量，其次是可動電極會產生一定量的擺動進而造成一定的誤差。

1.2 傳感器種類

伴隨著微電子技術的發展，傳感器的種類和應用范圍已經越來越廣，在工業機械、汽車制造業、家用電器等領域都得到了廣泛應用。現在傳感器的發展困境在于低精度的傳感器價格低廉且沒有很高的技術含量，而高精度的傳感器由于生產技術限制價格高昂并且無法大批量生產。現在幾乎所有的電子器件內部都安裝有傳感器，傳感器的作用也不僅限于物理量的測量，還可以作為自動化控制系統中的反饋元件。傳感器大多由具有與某些物理量線性相關的半導體制造而成，例如光敏電阻、熱敏電阻、力敏電阻、磁敏電阻等等，這些電阻一般與非電物理量呈負相關關系，光敏電阻在接收光照時其電阻值會快速下降，熱敏電阻同樣具有相同的電阻變化特性。

在我們日常生活中聲控開關以及煙霧報警器都是應用傳感器的典型例子，在聲控開關中安裝有光敏電阻和三極管，在白天期間光敏電阻的阻值極小可以使三極管截斷，電路出于斷開狀態，在夜晚期間光敏電阻阻值急劇升高三極管導通，當接收到聲音信號時三極管會將聲音信號放大，進而接通電路。光電式煙霧報警器也是采用的光敏電阻作為傳感器件，但是實際的工作過程和聲控開關不同，煙霧報警器會向外發射紅外光，當出現煙霧時由于煙霧的反射效應讓煙霧報警器接收到紅外光進而觸發報警系統。

2 具體應用

2.1 遠程壓力傳感器

遠程壓力傳感器是基于電磁測量技術測量物理量的最典型范例，可以通過傳感器將壓力轉換成電信號，再借助相關測量電路將測量數值顯示出來。而且還能遠程控制電信號來間接控制壓力執行機構，達到改變施加壓力載荷的目的。

遠程壓力測量儀主要由五個部分組成，分別是受力機構、壓力傳感器、信號轉換元件、集成電路、數字顯示屏，其中壓力傳感器要求可以進行溫度補償工作性能穩定，壓力傳感器將接收的壓力數值傳遞到信號轉換元件變成電信號，集成電路再將電信號進行放大處理，壓力數值就在數字顯示屏上顯示出來了。在使用壓力測量儀之前需要檢查設備是否校準調零，將電流表和壓力計接入設備的集成電路中，在沒有任何外在負載的情況下，電流表讀數為4mA，壓力計讀數為4KPa，如果讀數出現較大的偏差就需要FS電位器進行零點校正，如果偏差較小則可以采用ZO電位器進行校正，將標準的電流信號輸入集成電路，電流波動范圍在4-20mA。在完成零點校正之后還需要進行校準測量，如果壓力計達到集成電路的最大壓力，電流表顯示讀數為20mA，則說明零點校準是成功的。

2.2 智能手機

實際上智能手機的發展時間極短只有十多年的時間，但是發展速度是非常快的，智能手機的發展速度在很大程度上依賴于傳感器的發展速度，這里主要介紹應用于智能手機的幾種較為重要的傳感器，它們分別是光線傳感器、紅外傳感器、采用壓電效應或者電磁效應的方向傳感器、指紋傳感器、霍爾傳感器等等。

光線傳感器的主要測量元件是光敏三極管，光敏元件具有優良的電阻線性變化率，光敏三極管將接收到的光信號放大，再將信號傳遞給控制器，控制器自動調節手機屏幕亮度；紅外傳感器的主要測量元件是一個紅外線發射器，這個設備主要安裝在手機攝像頭內部，當攝像頭面對某件物體時紅外線發射器發射紅外光并在物體上反彈回來，由此測量與物體之間的距離并使攝像頭自動調節焦距；方向傳感器的主要測量元件是具有正交效應的壓電片或者磁致電阻，方向傳感器的主要作用是測量手機屏幕的當前位置，并根據當前位置自動調整手機屏幕位置，壓電片的工作原理是與水平方向正交就會產生微弱電壓從而確定當前位置，當調轉手機方向時電壓就會消失。磁致電阻的工作原理和壓電片類似但是比壓電片要更加靈敏，在手機保持某一方向時電阻會產生感應磁場，當手機方向發生變化電阻阻值也會發生變化，通過測量電阻兩端的電壓就可以確定手機當前的方向；現有的智能手機指紋傳感器都是采用的電容識別進行工作的，手機內屏設置有電晶片陣列作為電容的一極，人的手指就是電容的另一極，當人的手指接觸手機屏幕時就會產生微弱電流，而人的手指表面是凹凸不平的，手指的每個位置產生的電流有所差別就可以將指紋識別出來；手機中的霍爾傳感器是采用電磁測量技術進行相關物理量測量的，霍爾元件也是應用范圍非常廣泛的傳感器，在霍爾磁場中有電流經過就會產生垂直電子方向的力，從而產生電勢差。

綜合傳感器在智能手機中的應用可以看出，對于很多無法直接測量的物理量可以借助傳感器轉換成電流、電壓、磁通量等可以在集成電路中測量的物理量，這不僅極大優化了智能手機的使用體驗，而且也有力證明了傳感器在現代科技領域應用的廣泛性以及重要性。

結論：傳感器除了在物理量測量領域發揮著重要的作用，在自動化控制、機械制造領域也發揮著至關重要的作用，例如在現代商用汽車中就運用了大量的傳感器來優化汽車的燃油經濟性以及駕駛舒適度，還有現在非常火熱的無人駕駛技術也需要依賴大量精密度較高的傳感器，但是精度和靈敏度較高的傳感器造價高昂并且工作性能不穩定，但是隨著科學技術的不斷發展相信未來高精度的傳感器價格只會越來越低，就像光敏電阻一樣在制造之初的價格高達上萬美元，但是經過幾十年的發展高精度的光敏電阻也只要幾元人民幣，這是微電子技術發展的必然趨勢。