發(fā)表時(shí)間：2018-05-22 次數(shù)：704 作者：Ringier
在流程工業(yè)過程控制領(lǐng)域，傳感器及智能化儀器儀表所起到的關(guān)鍵作用無可替代。傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)及通信技術(shù)等融合而成電子信息技術(shù)正在為改變傳統(tǒng)的儀器儀表技術(shù)提供了強(qiáng)大的技術(shù)基礎(chǔ)。
傳感器是儀器儀表中的核心部件
傳感器實(shí)現(xiàn)了信息采集，但要將傳感器采集到的被測量信息進(jìn)行顯示、記錄、存儲、處理、傳輸和控制，必須依靠儀器儀表。圖1中虛線部分為儀器儀表的基本結(jié)構(gòu)框圖。從圖中可見，傳感器在儀器儀表中承擔(dān)著感知被測對象的重要作用，是儀器儀表的核心，儀器儀表的許多性能指標(biāo)，如：精確度、靈敏度、響應(yīng)速度、穩(wěn)定性等都依賴于傳感器的性能水平。
圖1 儀器儀表基本結(jié)構(gòu)框圖
傳感器用于檢測被測信號，但傳感器的輸出信號一般很微弱，需要將其調(diào)制與放大。變送器把傳感器采集到的微弱的電信號放大，并把檢測到的信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的4-20mA、0-20mA、0-5V、0-10V的信號，或?qū)⒛M量變換為數(shù)字量。如圖2為壓力/差壓傳感器，圖3是由壓力/差壓傳感器為檢測元件生產(chǎn)的壓力/差壓變送器。
圖2 壓力/差壓傳感器
圖3 壓力/差壓變送器
通過傳感器的組合應(yīng)用，可構(gòu)成實(shí)現(xiàn)測量某一參量的儀器儀表。
從上述實(shí)例中可見，傳感器是儀器儀表核心部件，性能優(yōu)越的儀器儀表依賴于技術(shù)先進(jìn)的傳感器，儀器儀表的發(fā)展依賴于傳感器的發(fā)展。
傳感器助推了儀表技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用
以儀器儀表中廣泛應(yīng)用的壓力/差壓變送器為例，傳感器助推了儀表技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用。
當(dāng)傳感器采用金屬膜盒機(jī)械式元件時(shí)，利用金屬電容壓力原理，出現(xiàn)機(jī)械式金屬膜盒壓力/差壓變送器。典型產(chǎn)品如1151系列壓力/差壓變送器。
當(dāng)采用傳統(tǒng)硅壓阻式傳感器時(shí)，采用PN結(jié)隔離的制造工藝和技術(shù)，減小了溫度的影響量，同時(shí)硅片的物理特性優(yōu)于金屬膜盒，其穩(wěn)定性、可靠性大大優(yōu)于金屬電容變送器，出現(xiàn)硅壓阻壓力/差壓變送器。典型產(chǎn)品如擴(kuò)散硅壓力/差壓變送器。
當(dāng)傳感器通過MEMS技術(shù)在單晶硅芯片的中間和邊緣上制作兩個(gè)形狀大小完全一致的H形的振動梁，當(dāng)硅片兩面受力形成形變，兩個(gè)諧振梁分別受到壓縮力和擴(kuò)張力，導(dǎo)致振動頻率變化，通過兩個(gè)頻率之差的檢測可實(shí)現(xiàn)對壓力的測量。傳感器采用諧振原理，出現(xiàn)頻率型壓力/差厭變送器。典型產(chǎn)品如EJA系列壓力/差壓變送器。
當(dāng)采用的是單晶硅微電容式壓力傳感器，通過MEMS技術(shù)和三明治結(jié)構(gòu)，制造出典型的硅電容傳感器的構(gòu)造，通過壓力/差壓作用下形成的電容變化量來實(shí)現(xiàn)測量壓力/差壓，出現(xiàn)硅電容式壓力/差壓變送器。典型產(chǎn)品如FCX-AIII壓力/差壓變送器。
隨著微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-MechanismSystem, MEMS)、片上系統(tǒng)（SOC，System on Chip）、無線通信和低功耗嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，孕育出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks, WSN)，并以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點(diǎn)帶來了信息感知的一場變革。當(dāng)采用無線傳感器網(wǎng)路時(shí)，無線智能壓力/差壓變化器應(yīng)運(yùn)而出。
當(dāng)前，隨著傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，儀表技術(shù)在工業(yè)自動化行業(yè)中的最新創(chuàng)新技術(shù)和應(yīng)用如表1所示。
表1 儀表技術(shù)在工業(yè)自動化行業(yè)中的最新創(chuàng)新技術(shù)和應(yīng)用
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序號 |
儀表技術(shù) |
自動化行業(yè)中的應(yīng)用 |
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1 |
信號處理技術(shù) |
高保真放大、信號補(bǔ)償、信號濾波、非線性校正、模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換等，信號隔離，電流輸出 |
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2 |
高智能化技術(shù)
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實(shí)現(xiàn)自動化增益、智能校正、自動補(bǔ)償、復(fù)雜算法、多變量處理、時(shí)間序列記錄分析、智能診斷、智能配置管理等等 |
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3 |
數(shù)字化通訊技術(shù)
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隨著通信技術(shù)的進(jìn)步，儀表技術(shù)從最初采用二線制II/III型標(biāo)準(zhǔn)模擬信號進(jìn)行單向傳輸?shù)募惺綑z測與控制系統(tǒng)，朝著基于數(shù)字總線（如現(xiàn)場總線、工業(yè)無線傳感網(wǎng)）技術(shù)的泛在系統(tǒng)方向發(fā)展 |
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4 |
可靠性技術(shù) |
保證部件具備工業(yè)級應(yīng)用要求，設(shè)備平均無故障時(shí)間（MTBF）超過10萬小時(shí)。 |
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5 |
高安全性技術(shù) |
一種全新的設(shè)計(jì)理念從功能需求到系統(tǒng)設(shè)計(jì)、從系統(tǒng)實(shí)施到運(yùn)行維護(hù)的全過程的安全保障。 研究流程工業(yè)安全技術(shù)與儀器儀表風(fēng)險(xiǎn)評估、自診斷、軟件可靠性、安全驗(yàn)證等關(guān)鍵技術(shù)，掌握具有自主知識產(chǎn)權(quán)的安全核心技術(shù)，開發(fā)智能安全儀表。 |
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6 |
低功耗技術(shù) |
從傳感、信號處理與運(yùn)算、數(shù)字化通訊等各個(gè)方面研究低功耗技術(shù)。低功耗技術(shù)的研究主要涉及了傳感技術(shù)本身、信號處理電路設(shè)計(jì)以及工藝、封裝等多個(gè)層面。 |
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7 |
國際標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì) |
針對不同應(yīng)用，需要研究工業(yè)過程傳感器和智能儀器儀表的標(biāo)準(zhǔn)，提高傳感、檢測的標(biāo)準(zhǔn)化和開放性。 |
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8 |
工業(yè)化批量制造技術(shù) |
工業(yè)化制造的批量生產(chǎn)工藝，實(shí)現(xiàn)規(guī)模效應(yīng)；質(zhì)量控制能力的提升，實(shí)現(xiàn)規(guī)模產(chǎn)品生產(chǎn)成品率；智能、高效的生產(chǎn)、檢驗(yàn)、測試設(shè)備，提高生產(chǎn)效率；智能儀器儀表的齊套率，滿足流程工業(yè)生產(chǎn)裝置應(yīng)用需求 |
儀器儀表技術(shù)發(fā)展趨勢是高性能、高可靠性、高適用性，其技術(shù)特征和標(biāo)志是數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。
（1）高性能
高性能主要體現(xiàn)在產(chǎn)品具有高的測量精度和豐富的功能。
現(xiàn)場檢測儀表的高性能基于檢測技術(shù)的發(fā)展和新一代傳感器的成熟。新型硅傳感器、金屬電容傳感器、復(fù)合傳感器、光纖傳感器、科氏力傳感器等新型傳感器的研發(fā)使現(xiàn)場儀表的精度提高1～2個(gè)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(shù)字技術(shù)與傳感器技術(shù)的結(jié)合使新一代高性能現(xiàn)場儀表成熟完善，智能化和網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)使現(xiàn)場儀表具有運(yùn)算功能、控制功能、補(bǔ)償功能、通信功能等模擬儀表難以實(shí)現(xiàn)的豐富功能。
控制技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算技術(shù)的發(fā)展使工業(yè)控制系統(tǒng)具備了適應(yīng)超大規(guī)模、快速響應(yīng)、核級安全等各種復(fù)雜工況所需的功能，并且以軟硬件結(jié)合的方式向控制優(yōu)化、管理優(yōu)化、工程集成方向發(fā)展，使大型控制系統(tǒng)具備大量工業(yè)自動化設(shè)備的協(xié)調(diào)應(yīng)用和管理功能。
（2）高可靠性
工業(yè)自動化儀表是大型化、高參數(shù)化、工況復(fù)雜化的現(xiàn)代工業(yè)重大裝備的神經(jīng)中樞、運(yùn)行中心和安全屏障，不允許閃失。針對其日益提升的重點(diǎn)地位和作用，國外將該類產(chǎn)品的“高可靠性”作為其重要發(fā)展方向。現(xiàn)場儀表復(fù)雜、易損、難以維修的狀況正在改變。國外領(lǐng)先企業(yè)開始提供保修期長達(dá)10年、使用期不需調(diào)整維修的產(chǎn)品，并提出“終身保修”、“本質(zhì)無損”等概念。高可靠性的實(shí)現(xiàn)首先源自原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新，固態(tài)傳感器、無運(yùn)動部件結(jié)構(gòu)等產(chǎn)品的問世體現(xiàn)這一方向。除此之外，大量產(chǎn)品的高可靠性基礎(chǔ)是成熟的核心技術(shù)、精密加工和特殊加工工藝以及嚴(yán)格的質(zhì)量和生產(chǎn)管理。
智能化技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)的推廣采用不但使單個(gè)產(chǎn)品的故障能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，而且使整個(gè)工程成千上萬臺自動控制設(shè)備處于實(shí)時(shí)監(jiān)控之中，并有條件實(shí)現(xiàn)預(yù)防性維護(hù)，明顯提高了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。近年國外提出“功能安全技術(shù)”概念，并開始制定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，符合功能安全技術(shù)的產(chǎn)品開發(fā)和系統(tǒng)整體安全等級的論證技術(shù)也是“高可靠性”技術(shù)發(fā)展的重要內(nèi)容。
（3）高適用性
新原理、新技術(shù)、新材料的應(yīng)用使現(xiàn)場儀表顯著提高了對復(fù)雜工況條件和環(huán)境的適應(yīng)性。耐高溫、高壓、高壓差、強(qiáng)沖刷、強(qiáng)輻射、多相流、非接觸檢測、無損檢測等產(chǎn)品的出現(xiàn)解決了絕大部分用戶的現(xiàn)場檢測“難題”。高量程比、模塊化結(jié)構(gòu)、紅外技術(shù)、無線通訊、自校正、自適應(yīng)、自診斷等技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用使得現(xiàn)場儀表操作應(yīng)用便捷，勞動強(qiáng)度降低、備品備件減少。
數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化使眾多測控設(shè)備聯(lián)絡(luò)快捷，操作簡化，功能設(shè)置靈活，實(shí)時(shí)聚合集成，促進(jìn)軟件研發(fā)及其功能發(fā)揮，使測量控制系統(tǒng)與企業(yè)經(jīng)營管理系統(tǒng)緊密結(jié)合，形成管控一體化，從工藝流程的底層開始實(shí)現(xiàn)工業(yè)企業(yè)的信息化。“三高”、“三化”的測控設(shè)備和應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)的高水平系統(tǒng)集成技術(shù)將使工業(yè)自動化領(lǐng)域進(jìn)入“一代變革”，極大地提高儀控裝備對大型復(fù)雜工程的綜合適用性，并與SOLUTION、MIV等自控工程項(xiàng)目的經(jīng)營、管理和技術(shù)發(fā)展趨勢相適應(yīng)。
（4）網(wǎng)絡(luò)化
當(dāng)前國際上現(xiàn)場總線與智能儀表的發(fā)展呈現(xiàn)多種總線及其儀表共存發(fā)展的局面。HART、FF、Profibus、Modbus、LonWorks、WorldFIP、CAN總線都在自動化儀表上得到廣泛應(yīng)用，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)也開始出現(xiàn)在國際工業(yè)自動化控制領(lǐng)域，具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的EPA等工業(yè)通信協(xié)議也開始在智能化儀器儀表中應(yīng)用，儀器儀表正經(jīng)歷著深刻的智能化變革。
所有這些集中表現(xiàn)為儀器儀表智能化程度普遍提高。當(dāng)前，儀器儀表的發(fā)展呈現(xiàn)兩個(gè)特點(diǎn)。其一是綜合性，儀器儀表包含了精密機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、軟件、通信、半導(dǎo)體加工等多種技術(shù)，必須要把這些技術(shù)綜合在一個(gè)產(chǎn)品中。其二是先進(jìn)性，儀器儀表所采用的技術(shù)通常都涉及國際先進(jìn)技術(shù)，而且不斷跟蹤著世界最新技術(shù)，發(fā)展變化的速度特別快。
內(nèi)容 / 摘自《傳感器》五月號
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