发表时间：2018-05-22 次数：760 作者：Ringier
在流程工业过程控制领域，传感器及智能化仪器仪表所起到的关键作用无可替代。传感技术、计算机及通信技术等融合而成电子信息技术正在为改变传统的仪器仪表技术提供了强大的技术基础。
传感器是仪器仪表中的核心部件
传感器实现了信息采集，但要将传感器采集到的被测量信息进行显示、记录、存储、处理、传输和控制，必须依靠仪器仪表。图1中虚线部分为仪器仪表的基本结构框图。从图中可见，传感器在仪器仪表中承担着感知被测对象的重要作用，是仪器仪表的核心，仪器仪表的许多性能指标，如：精确度、灵敏度、响应速度、稳定性等都依赖于传感器的性能水平。
图1 仪器仪表基本结构框图
传感器用于检测被测信号，但传感器的输出信号一般很微弱，需要将其调制与放大。变送器把传感器采集到的微弱的电信号放大，并把检测到的信号转换成标准的4-20mA、0-20mA、0-5V、0-10V的信号，或将模拟量变换为数字量。如图2为压力/差压传感器，图3是由压力/差压传感器为检测元件生产的压力/差压变送器。
图2 压力/差压传感器
图3 压力/差压变送器
通过传感器的组合应用，可构成实现测量某一参量的仪器仪表。
从上述实例中可见，传感器是仪器仪表核心部件，性能优越的仪器仪表依赖于技术先进的传感器，仪器仪表的发展依赖于传感器的发展。
传感器助推了仪表技术的创新和应用
以仪器仪表中广泛应用的压力/差压变送器为例，传感器助推了仪表技术的创新和应用。
当传感器采用金属膜盒机械式元件时，利用金属电容压力原理，出现机械式金属膜盒压力/差压变送器。典型产品如1151系列压力/差压变送器。
当采用传统硅压阻式传感器时，采用PN结隔离的制造工艺和技术，减小了温度的影响量，同时硅片的物理特性优于金属膜盒，其稳定性、可靠性大大优于金属电容变送器，出现硅压阻压力/差压变送器。典型产品如扩散硅压力/差压变送器。
当传感器通过MEMS技术在单晶硅芯片的中间和边缘上制作两个形状大小完全一致的H形的振动梁，当硅片两面受力形成形变，两个谐振梁分别受到压缩力和扩张力，导致振动频率变化，通过两个频率之差的检测可实现对压力的测量。传感器采用谐振原理，出現频率型压力/差厌变送器。典型产品如EJA系列压力/差压变送器。
当采用的是单晶硅微电容式压力传感器，通过MEMS技术和三明治结构，制造出典型的硅电容传感器的构造，通过压力/差压作用下形成的电容变化量来实现测量压力/差压，出现硅电容式压力/差压变送器。典型产品如FCX-AIII压力/差压变送器。
随着微机电系统(Micro-Electro-MechanismSystem, MEMS)、片上系统（SOC，System on Chip）、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展，孕育出无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)，并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。当采用无线传感器网路时，无线智能压力/差压变化器应运而出。
当前，随着传感技术的不断发展，仪表技术在工业自动化行业中的最新创新技术和应用如表1所示。
表1 仪表技术在工业自动化行业中的最新创新技术和应用
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序号 |
仪表技术 |
自动化行业中的应用 |
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1 |
信号处理技术 |
高保真放大、信号补偿、信号滤波、非线性校正、模数A/D转换等，信号隔离，电流输出 |
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2 |
高智能化技术
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实现自动化增益、智能校正、自动补偿、复杂算法、多变量处理、时间序列记录分析、智能诊断、智能配置管理等等 |
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3 |
数字化通讯技术
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随着通信技术的进步，仪表技术从最初采用二线制II/III型标准模拟信号进行单向传输的集中式检测与控制系统，朝着基于数字总线（如现场总线、工业无线传感网）技术的泛在系统方向发展 |
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4 |
可靠性技术 |
保证部件具备工业级应用要求，设备平均无故障时间（MTBF）超过10万小时。 |
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5 |
高安全性技术 |
一种全新的设计理念从功能需求到系统设计、从系统实施到运行维护的全过程的安全保障。 研究流程工业安全技术与仪器仪表风险评估、自诊断、软件可靠性、安全验证等关键技术，掌握具有自主知识产权的安全核心技术，开发智能安全仪表。 |
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6 |
低功耗技术 |
从传感、信号处理与运算、数字化通讯等各个方面研究低功耗技术。低功耗技术的研究主要涉及了传感技术本身、信号处理电路设计以及工艺、封装等多个层面。 |
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7 |
国际标准化设计 |
针对不同应用，需要研究工业过程传感器和智能仪器仪表的标准，提高传感、检测的标准化和开放性。 |
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8 |
工业化批量制造技术 |
工业化制造的批量生产工艺，实现规模效应；质量控制能力的提升，实现规模产品生产成品率；智能、高效的生产、检验、测试设备，提高生产效率；智能仪器仪表的齐套率，满足流程工业生产装置应用需求 |
仪器仪表技术发展趋势是高性能、高可靠性、高适用性，其技术特征和标志是数字化、智能化和网络化。
（1）高性能
高性能主要体现在产品具有高的测量精度和丰富的功能。
现场检测仪表的高性能基于检测技术的发展和新一代传感器的成熟。新型硅传感器、金属电容传感器、复合传感器、光纤传感器、科氏力传感器等新型传感器的研发使现场仪表的精度提高1～2个档次。如压力/差压变送器已从0.2级提高到0.075级和0.04级；液、气体的流量测量精度已从0.5级、1级提高到0.1级、0.2级。数字技术与传感器技术的结合使新一代高性能现场仪表成熟完善，智能化和网络化技术使现场仪表具有运算功能、控制功能、补偿功能、通信功能等模拟仪表难以实现的丰富功能。
控制技术、通信技术、计算技术的发展使工业控制系统具备了适应超大规模、快速响应、核级安全等各种复杂工况所需的功能，并且以软硬件结合的方式向控制优化、管理优化、工程集成方向发展，使大型控制系统具备大量工业自动化设备的协调应用和管理功能。
（2）高可靠性
工业自动化仪表是大型化、高参数化、工况复杂化的现代工业重大装备的神经中枢、运行中心和安全屏障，不允许闪失。针对其日益提升的重点地位和作用，国外将该类产品的“高可靠性”作为其重要发展方向。现场仪表复杂、易损、难以维修的状况正在改变。国外领先企业开始提供保修期长达10年、使用期不需调整维修的产品，并提出“终身保修”、“本质无损”等概念。高可靠性的实现首先源自原理和结构设计的创新，固态传感器、无运动部件结构等产品的问世体现这一方向。除此之外，大量产品的高可靠性基础是成熟的核心技术、精密加工和特殊加工工艺以及严格的质量和生产管理。
智能化技术和现场总线技术的推广采用不但使单个产品的故障能及时发现，而且使整个工程成千上万台自动控制设备处于实时监控之中，并有条件实现预防性维护，明显提高了整个系统的运行可靠性。近年国外提出“功能安全技术”概念，并开始制定相应标准，符合功能安全技术的产品开发和系统整体安全等级的论证技术也是“高可靠性”技术发展的重要内容。
（3）高适用性
新原理、新技术、新材料的应用使现场仪表显著提高了对复杂工况条件和环境的适应性。耐高温、高压、高压差、强冲刷、强辐射、多相流、非接触检测、无损检测等产品的出现解决了绝大部分用户的现场检测“难题”。高量程比、模块化结构、红外技术、无线通讯、自校正、自适应、自诊断等技术的发展应用使得现场仪表操作应用便捷，劳动强度降低、备品备件减少。
数字化、智能化、网络化使众多测控设备联络快捷，操作简化，功能设置灵活，实时聚合集成，促进软件研发及其功能发挥，使测量控制系统与企业经营管理系统紧密结合，形成管控一体化，从工艺流程的底层开始实现工业企业的信息化。“三高”、“三化”的测控设备和应用现场总线技术的高水平系统集成技术将使工业自动化领域进入“一代变革”，极大地提高仪控装备对大型复杂工程的综合适用性，并与SOLUTION、MIV等自控工程项目的经营、管理和技术发展趋势相适应。
（4）网络化
当前国际上现场总线与智能仪表的发展呈现多种总线及其仪表共存发展的局面。HART、FF、Profibus、Modbus、LonWorks、WorldFIP、CAN总线都在自动化仪表上得到广泛应用，工业以太网技术也开始出现在国际工业自动化控制领域，具有我国自主知识产权的EPA等工业通信协议也开始在智能化仪器仪表中应用，仪器仪表正经历着深刻的智能化变革。
所有这些集中表现为仪器仪表智能化程度普遍提高。当前，仪器仪表的发展呈现两个特点。其一是综合性，仪器仪表包含了精密机械、电子、计算机、软件、通信、半导体加工等多种技术，必须要把这些技术综合在一个产品中。其二是先进性，仪器仪表所采用的技术通常都涉及国际先进技术，而且不断跟踪着世界最新技术，发展变化的速度特别快。
内容 / 摘自《传感器》五月号
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