感測器是如何助力儀錶技術發展

在流程工業過程式控制制領域，感測器及智能化儀器儀錶所起到的關鍵作用無可替代。感測技術、計算機及通信技術等融合而成電子信息技術正在為改變傳統的儀器儀錶技術提供了強大的技術基礎。

壹

感測器是儀器儀錶中的核心部件

感測器實現了信息採集，但要將感測器採集到的被測量信息進行顯示、記錄、存儲、處理、傳輸和控制，必須依靠儀器儀錶。圖1中虛線部分為儀器儀錶的基本結構框圖。從圖中可見，感測器在儀器儀錶中承擔著感知被測對象的重要作用，是儀器儀錶的核心，儀器儀錶的許多性能指標，如：精確度、靈敏度、響應速度、穩定性等都依賴於感測器的性能水平。

圖1儀器儀錶基本結構框圖

感測器用於檢測被測信號，但感測器的輸出信號一般很微弱，需要將其調製與放大。變送器把感測器採集到的微弱的電信號放大，並把檢測到的信號轉換成標準的4-20mA、0-20mA、0-5V、0-10V的信號，或將模擬量變換為數字量。如圖2為壓力/差壓感測器，圖3是由壓力/差壓感測器為檢測元件生產的壓力/差壓變送器。

圖2 壓力/差壓感測器

圖3 壓力/差壓變送器

通過感測器的組合應用，可構成實現測量某一參量的儀器儀錶。

從上述實例中可見，感測器是儀器儀錶核心部件，性能優越的儀器儀錶依賴於技術先進的感測器，儀器儀錶的發展依賴於感測器的發展。

貳

感測器助推了儀錶技術的創新和應用

以儀器儀錶中廣泛應用的壓力/差壓變送器為例，感測器助推了儀錶技術的創新和應用。

當感測器採用金屬膜盒機械式元件時，利用金屬電容壓力原理，出現機械式金屬膜盒壓力/差壓變送器。典型產品如1151系列壓力/差壓變送器。

當採用傳統硅壓阻式感測器時，採用PN結隔離的製造工藝和技術，減小了溫度的影響量，同時矽片的物理特性優於金屬膜盒，其穩定性、可靠性大大優於金屬電容變送器，出現硅壓阻壓力/差壓變送器。典型產品如擴散硅壓力/差壓變送器。

當感測器通過MEMS技術在單晶硅晶元的中間和邊緣上製作兩個形狀大小完全一致的H形的振動梁，當矽片兩面受力形成形變，兩個諧振梁分別受到壓縮力和擴張力，導致振動頻率變化，通過兩個頻率之差的檢測可實現對壓力的測量。感測器採用諧振原理，出現頻率型壓力/差厭變送器。典型產品如EJA系列壓力/差壓變送器。

當採用的是單晶硅微電容式壓力感測器，通過MEMS技術和三明治結構，製造出典型的硅電容感測器的構造，通過壓力/差壓作用下形成的電容變化量來實現測量壓力/差壓，出現硅電容式壓力/差壓變送器。典型產品如FCX-AIII壓力/差壓變送器。

隨著微機電系統(Micro-Electro-MechanismSystem, MEMS)、片上系統（SOC，System on Chip）、無線通信和低功耗嵌入式技術的飛速發展，孕育出無線感測器網路(Wireless Sensor Networks, WSN)，並以其低功耗、低成本、分散式和自組織的特點帶來了信息感知的一場變革。當採用無線感測器網路時，無線智能壓力/差壓變化器應運而出。

當前，隨著感測技術的不斷發展，儀錶技術在工業自動化行業中的最新創新技術和應用如表1所示。

表1 儀錶技術在工業自動化行業中的最新創新技術和應用

叄

儀錶技術發展趨勢

儀器儀錶技術發展趨勢是高性能、高可靠性、高適用性，其技術特徵和標誌是數字化、智能化和網路化。

（1）高性能

高性能主要體現在產品具有高的測量精度和豐富的功能。

現場檢測儀錶的高性能基於檢測技術的發展和新一代感測器的成熟。新型硅感測器、金屬電容感測器、複合感測器、光纖感測器、科氏力感測器等新型感測器的研發使現場儀錶的精度提高1～2個檔次。如壓力/差壓變送器已從0.2級提高到0.075級和0.04級；液、氣體的流量測量精度已從0.5級、1級提高到0.1級、0.2級。數字技術與感測器技術的結合使新一代高性能現場儀錶成熟完善，智能化和網路化技術使現場儀錶具有運算功能、控制功能、補償功能、通信功能等模擬儀錶難以實現的豐富功能。

控制技術、通信技術、計算技術的發展使工業控制系統具備了適應超大規模、快速響應、核級安全等各種複雜工況所需的功能，並且以軟硬體結合的方式向控制優化、管理優化、工程集成方向發展，使大型控制系統具備大量工業自動化設備的協調應用和管理功能。

（2）高可靠性

工業自動化儀錶是大型化、高參數化、工況複雜化的現代工業重大裝備的神經中樞、運行中心和安全屏障，不允許閃失。針對其日益提升的重點地位和作用，國外將該類產品的「高可靠性」作為其重要發展方向。現場儀錶複雜、易損、難以維修的狀況正在改變。國外領先企業開始提供保修期長達10年、使用期不需調整維修的產品，並提出「終身保修」、「本質無損」等概念。高可靠性的實現首先源自原理和結構設計的創新，固態感測器、無運動部件結構等產品的問世體現這一方向。除此之外，大量產品的高可靠性基礎是成熟的核心技術、精密加工和特殊加工工藝以及嚴格的質量和生產管理。

智能化技術和現場匯流排技術的推廣採用不但使單個產品的故障能及時發現，而且使整個工程成千上萬台自動控制設備處於實時監控之中，並有條件實現預防性維護，明顯提高了整個系統的運行可靠性。近年國外提出「功能安全技術」概念，並開始制定相應標準，符合功能安全技術的產品開發和系統整體安全等級的論證技術也是「高可靠性」技術發展的重要內容。

（3）高適用性

新原理、新技術、新材料的應用使現場儀錶顯著提高了對複雜工況條件和環境的適應性。耐高溫、高壓、高壓差、強沖刷、強輻射、多相流、非接觸檢測、無損檢測等產品的出現解決了絕大部分用戶的現場檢測「難題」。高量程比、模塊化結構、紅外技術、無線通訊、自校正、自適應、自診斷等技術的發展應用使得現場儀錶操作應用便捷，勞動強度降低、備品備件減少。

數字化、智能化、網路化使眾多測控設備聯絡快捷，操作簡化，功能設置靈活，實時聚合集成，促進軟體研發及其功能發揮，使測量控制系統與企業經營管理系統緊密結合，形成管控一體化，從工藝流程的底層開始實現工業企業的信息化。「三高」、「三化」的測控設備和應用現場匯流排技術的高水平系統集成技術將使工業自動化領域進入「一代變革」，極大地提高儀控裝備對大型複雜工程的綜合適用性，並與SOLUTION、MIV等自控工程項目的經營、管理和技術發展趨勢相適應。

（4）網路化

當前國際上現場匯流排與智能儀錶的發展呈現多種匯流排及其儀錶共存發展的局面。HART、FF、Profibus、Modbus、LonWorks、WorldFIP、CAN匯流排都在自動化儀錶上得到廣泛應用，工業乙太網技術也開始出現在國際工業自動化控制領域，具有我國自主知識產權的EPA等工業通信協議也開始在智能化儀器儀錶中應用，儀器儀錶正經歷著深刻的智能化變革。

所有這些集中表現為儀器儀錶智能化程度普遍提高。當前，儀器儀錶的發展呈現兩個特點。其一是綜合性，儀器儀錶包含了精密機械、電子、計算機、軟體、通信、半導體加工等多種技術，必須要把這些技術綜合在一個產品中。其二是先進性，儀器儀錶所採用的技術通常都涉及國際先進技術，而且不斷跟蹤著世界最新技術，發展變化的速度特別快。

內容 / 摘自《感測器》五月號

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