传感器（三种）在钢铁生产过程中的应用

第一章  传感器　　

1.  传感器的概念　　

传感器——能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感组件和转换组件组成。敏感组件指传感器中能直接感受(或响应)被测量的部分。转换组件指传感器中能将敏感组件感受(或响应)的被测量转换成适合于传输和(或)测量的电信号的部分。当输出为规定的标准信号时，则一般称为变送器。　　

最简单的传感器是由一个敏感组件(兼转换组件)组成，它感受被测量时直接输出电量，如热电阻、热电偶等。传感技术——研究传感器的材料、设计、工艺、性能和应用等的综合技术。传感技术是一门边缘技术，它涉及物理学，数学，化学，材视对其敏感组件部分的研究和开发，除了对其芯片的研究和开发外，也应十分重视传感器的封装工艺和封装结构的研究，这往往是引起传感器不能稳定可信地工作的关键因素之一。传感器的作用越来越被工业界、科技界、领导决策部门所认识。这是因为传感技术是信息技术的三大组成部分之一。　　

信息技术主要由信息的采集、信息的处理、信息的传输三大部分组成。传感技术与信息技术的关系：信息-采集-传感技术；
信息-处理-计算机技术；
信息-传输-通讯技术。　　

信息的采集主要利用传感技术，信息的处理主要利用计算机技术，信息的传输主要采用通讯技术。传感技术是现代控制测量技术的主要环节。如果没有传感技术对原始数据进行准确、可信的测量，无论对信息的转换、处理、传输和显示多么精确，都将失去任何意义。　　

人们往往把传感器誉为人的感官：眼——光敏传感器；
鼻——气敏传感器；
耳——声敏传感器；
嘴——味觉传感器；
手——触觉传感器；
而把计算机誉为人的大脑；
把通讯技术作为人的经络。因此通过感官来获取信息(传感器)，由大脑(计算机)发出指令，由经络(通讯技术)进行传输，现代信息技术缺一不可。

在科学研究和基础研究中，传感器能获取人类感官无法获得的大量信息。传感器的水平是衡量一个国家综合经济实力和技术水准的标志之一，它的发展水平、生产能力和应用领域已成为一个国家科学技术进步的重要标志，正如国外有的专家认为；
谁支配了传感器，谁就支配了目前的新时代。　　

2.      传感器的分类　　

传感器的分类目前尚无统一规定，传感器本身又种类繁多，原理各异，检测对象五花八门，给分类工作带来一定困难，通常传感器按下列原则进行分类。　　

2.1.  按被检测量分类　　

按被检测量分类，可分为物理量传感器，化学量传感器，生物量传感器。在各类传感器中可分为若干族，每一族中又可分为若干组。　　

2.2.        按物理原理分类　　

这种分类方法是以传感器的物理原理作为分类依据。可分为压阻式、压电式、电感式、电容式、应变式、霍尔式……；
这种分类方法有利于传感器专业工作者从原理和设计上作归纳性的分析和研究。　　

2.3.        按能量的传递方式分类　　

按能量的传递方式分类，传感器可分为有源传感器和无源传感器两大类。有源传感器将非电量转换为电量。无源传感器本身并不是一个换能器，被测非电量仅对传感器中的能量起控制或调节作用，所以它必须具有辅助能源——电源。　　

2.4.        按传感器的工作机理分类　　

按传感器的工作机理分类，可分为结构型和物性型两大类。结构型传感器是利用物理学中场的定律和运动定律等构成的。物理学中的定律一般是以方程式给出。对于传感器来说，这些方程式也就是许多传感器在工作时的数学模型。这类传感器特点是传感器的性能与它的结构材料没有多大关系。以差动变压器为例，无论使用坡莫合金或铁氧体做铁芯，还是使用铜线或其它导线做绕组，都是作为差动变压器而工作。物性型传感器是利用物质法则构成的。物质法则是表示物质某种客观性质的法则。这种法则大多数以物质本身的常数形式给出。这些常数的大小，决定了传感器的主要性能。因此，物性型传感器的性能随材料的不同而异。如所有的半导体传感器，以及所有利用各种环境变化而引起的金属、半导体、陶瓷、合金等性能变化的传感器都是物性型传感器。另外，根据传感器输出是模拟信号还是数字信号，可分为模拟传感器和数字传感器；
根据转换过程可逆与否，可分为双向传感器和单向传感器等等。　　

3.      传感器的特性　　

传感器的特性是指传感器的输入量和输出量之间的对应关系。通常把传感器的特性分为两种：静态特性和动态特性。　　

3.1．传感器的静态特性　　

静态特性是指输入不随时间而变化的特性，它表示传感器在被测量各个值处于稳定状态下输入输出的关系。　　

传感器的输入-输出关系:输入（外部影响：冲振、电磁场、线性、滞后、重复性、灵敏度、误差因素）—传感器—输出（外部影响：温度、供电、各种干扰稳定性、温漂、稳定性（零漂）、分辨力、误差因素）。   人们总希望传感器的输入与输出成唯一的对应关系，而且最好呈线性关系。但一般情况下，输入输出不会完全符合所要求的线性关系，因传感器本身存在着迟滞、蠕变、摩擦等各种因素，以及受外界条件的各种影响。   传感器静态特性的主要指针有：线性度、灵敏度、重复性、迟滞、分辨率、漂移、稳定性等。　　

3.2．传感器的动态特性　　

动态特性是指输入随时间而变化的特性，它表示传感器对随时间变化的输入量的响应特性。　　

一般来说，传感器的输入和输出关系可用微分方程来描述。理论上，将微分方程中的一阶及以上的微分项取为零时，即可得到静态特性。因此传感器的静特性是其动特性的一个特例。　　

传感器除了描述输入与输出量之间的关系特性外，还有与使用条件、使用环境、使用要求等有关的特性。　　

动特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。很多传感器要在动态条件下检测，被测量可能以各种形式随时间变化。只要输入量是时间的函数，则其输出量也将是时间的函数，其间关系要用动特性来说明。设计传感器时要根据其动态性能要求与使用条件选择合理的方案和确定合适的参数；
使用传感器时要根据其动态特性与使用条件确定合适的使用方法，同时对给定条件下的传感器动态误差作出估计。总之，动特性是传感器性能的一个重要方面，对其进行研究与分析十分必要。总的来说，传感器的动特性取决于传感器本身，另一方面也与被测量的形式有关。　　

（1）规律性的：　　

1）周期性的：正弦周期输入、复杂周期输入；
　　

2）非周期性的：阶跃输入、线性输入、其它瞬变输入。　　

（2）随机性的：　　

1）平稳的：多态历经过程、非多态历经过程；
　　

2）非平稳的随机过程。　　

在研究动态特性时，通常只能根据“规律性”的输入来考虑传感器的响应。复杂周期输入信号可以分解为各种谐波，所以可用正弦周期输入信号来代替。其它瞬变输入不及阶跃输入来得严峻，可用阶跃输入代表。因此，“标准”输入只有三种；
正弦周期输入、阶跃输入和线性输入。而经常使用的是前两种。　　

4.      传感器的原理结构和工作过程　　

4.1.        传感器的原理结构　　

在一段特制的弹性轴上粘贴上专用的测扭应片并组成变桥，即为基础扭矩传感器，在轴上固定着：(1)能源环形变压器的次级线圈，(2)信号环形变压器初级线圈，(3)轴上印刷电路板，电路板上包含整流稳定电源、仪表放大电路、V/F变换电路及信号输出电路。在传感器的外壳上固定着：（1）激磁电路，(2)能源环形变压器的初级线圈(输入)，(3) 信号环形变压器次级线圈(输出)，(4)信号处理电路　　

4.2.        传感器的工作过程　　

向传感器提供±15V电源，激磁电路中的晶体振荡器产生400Hz的方波，经过TDA2030功率放大器即产生交流激磁功率电源，通过能源环形变压器T1从静止的初级线圈传递至旋转的次级线圈，得到的交流电源通过轴上的整流滤波电路得到±5V的直流电源，该电源做运算放大器AD822的工作电源；
由基准电源AD589与双运放AD822组成的高精度稳压电源产生±4.5V的精密直流电源，该电源既作为电桥电源，又作为放大器及V/F转换器的工作电源。当弹性轴受扭时，应变桥检测得到的mV级的应变信号通过仪表放大器AD620放大成1.5v±1v的强信号，再通过V/F转换器LM131变换成频率信号，通过信号环形变压器T2从旋转的初级线圈传递至静止次级线圈，再经过外壳上的信号处理电路滤波、整形即可得到与弹性轴承受的扭矩成正比的频率信号，该信号为TTL电平,既可提供给专用二次仪表或频率计显示也可直接送计算机处理。由于该旋转变压器动--静环之间只有零点几毫米的间隙，加之传感器轴上部分都密封在金属外壳之内，形成有效的屏蔽，因此具有很强的抗干扰能力。　　

5.    传感器的应用　　

传感器的应用传感器的应用领域涉及机械制造、工业程控、汽车电子产品、通信电子产品、消费电子产品和专用设备等。　　

5.1.专用设备 　　

专用设备主要包括医疗、环保、气象等领域应用的专业电子设备。目前医疗领域是传感器销售量巨大、利润可观的新兴市场，该领域要求传感器件向小型化、低成本和高可靠性方向发展。　　

5.2.工业自动化　　

工业领域应用的传感器，如工艺控制、工业机械以及传统的；
各种测量工艺变量(如温度、液位、压力、流量等)的；
测量电子特性(电流、电压等)和物理量(运动、速度、负载以及强度)的，以及传统的接近/定位传感器发展迅速。　　

5.3.通信电子产品　　

手机产量的大幅增长及手机新功能的不断增加给传感器市场带来机遇与挑战，彩屏手机和摄像手机市场份额不断上升增加了传感器在该领域的应用比例。此外，应用于集团电话和无绳电话的超声波传感器、用于磁存储介质的磁场传感器等都将出现强势增长。　　

5.4.汽车工业　　

现代高级轿车的电子化控制系统水平的关键就在于采用压力传感器的数量和水平，目前一辆普通家用轿车上大约安装几十到近百只传感器，而豪华轿车上的传感器数量可多达二百余只，种类通常达30余种，多则达百种。　　

第二章                传感器在钢铁生产过程中的应用　　

下面我介绍下热电偶、射线、超声波传感器在钢铁生产过程中的应用。　　

1.    热电偶传感器在钢铁生产过程中的应用　　

1.1.电热偶的概念　　

这就要从热电偶测温原理说起，热电是一种感温元件, 它把温度信号转换成热电动势信号, 通过电气仪表转换成被测介质的温度。热电偶测温的基本原理是两种不同成份的均质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在Seebeck电动势——热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系, 制成热电偶分度表; 分度表是自由端温度在　0℃　时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。在热电偶回路中接入第三种金属材料时, 只要该材料两个接点的温度相同, 热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。因此, 在热电偶测温时, 可接入测量仪表, 测得热电动势后, 即可知道被测介质的温度。　　

1.2.电热偶的工作原理　　

热电偶传感器是钢铁生产过程中测量中应用最广泛的一种温度传感器，它与被测对象直接接触，不受中间介质的影响，具有较高的精度；
测量范围广，可从-50~1600℃进行连续测量,特殊的热电偶如金铁——镍铬，最低可测到-269℃，钨——铼最高可达2800℃。比如两种不同材质的导体，如在某点互相连接在一起，对这个连接点加热，在它们不加热的部位就会出现电位差。这个电位差的数值与不加热部位测量点的温度有关，和这两种导体的材质有关。这种现象可以在很宽的温度范围内出现，如果精确测量这个电位差，再测出不加热部位的环境温度，就可以准确知道加热点的温度。由于它必须有两种不同材质的导体，所以称之为“热电偶”。不同材质做出的热电偶使用于不同的温度范围，它们的灵敏度也各不相同。热电偶的灵敏度是指加热点温度变化1℃时，输出电位差的变化量。对于大多数金属材料支撑的热电偶而言，这个数值大约在5～40微伏／℃之间。热电偶传感器有自己的优点和缺陷它灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置放大器温度漂移的影响，因此不适合测量微小的温度变化。由于热电偶温度传感器的灵敏度与材料的粗细无关，用非常细的材料也能够做成温度传感器。　　

1.3.电热偶的优点　　

（1）测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。
（2）测量范围广。常用的热电偶从-50~+1600℃均可边续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如钨-铼）。
（3）构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。　　

1.4. 利用热电偶转换器的单片机温度测控系统　　

1.4.1.Ｋ型热电偶　　

Ｋ型热电偶是工业生产中最常用的温度传感器，具有结构简单、制造容易、使用方便、测温范围宽等特点。目前，在以Ｋ型热电偶为测温元件的工业测温系统中，热电偶输出的热电势信号必须经过中间转换环节，才能输入基于单片机的嵌入式系统。中间转换环节包括信号放大、冷端补偿、线性化及数字化等几个部分，实际应用中，由于中间环节较多，调试较为困难，系统的抗干扰性能往往也不理想。在铝水平温度测量仪的研制中，我们采用了MAXIM公司新近推出的MAX6675，它是一个集成了热电偶放大器、冷端补偿、A/D转换器及SPI串口的热电偶放大器与数字转换器，可以直接与单片机接口，大大简化系统的设计，保证了温度测量的快速、准确。　　

1.4.2. MAX6675工作原理　　

MAX6675是一复杂的单片热电偶数字转换器。主要包括：低噪声电压放大器A1、电压跟随器A2、冷端温度补偿二极管、基准电压源、12位AD转换器、SPI串行接口、模拟开关及数字控制器。　　

　　其工作原理如下：K型热电偶产生的热电势，经过低噪声电压放大器A1和电压跟随器A2放大、缓冲后，得到热电势信号U1，再经过S4送至ADC。对于K型热电偶，电压变化率为(41μV/℃)，电压可由如下公式来近似热电偶的特性。　　

　　U1=(41μV/℃)×(T-T0)　　

　　上式中，U1为热电偶输出电压（mV），T是测量点温度；
T0是周围温度。　　

　　在将温度电压值转换为相应的温度值之前，对热电偶的冷端温度进行补偿，冷端温度即是MAX6675周围温度与0℃实际参考值之间的差值。通过冷端温度补偿二极管，产生补偿电压U2经S4输入ADC转换器。　　

U2=(41μV/℃)×T0　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　在数字控制器的控制下，ADC首先将U1、U2转换成数字量,即获得输出电压U0的数据，该数据就代表测量点的实际温度值T。这就是MAX6675进行冷端温度补偿和测量温度的原理。（如下图）

2.    射线传感器在钢铁生产过程中的应用 　　

2.1. 射线感应器在钢铁冶炼过程中的作用　　

冶炼过程是将固体原料熔炼成高温钢铁液,并通过反应控制得到相应的成分含量，物料量、温度、成分等是冶炼过程中重要的检测参数。此过程除了精确控制温度以取得材料的强度特性等,精确的尺寸和钢材外形控制也是轧钢过程检测的特点之一。产品与程控对于检测的速度和精度要求以及参数的多样化都是检测技术的要点。钢液渣层检测在转炉冶炼、精炼等过程中也有很高要求。射线感应技术被应用于钢液或渣检测以取得控制浇钢过程夹渣量的效果。　　

在线非接触尺寸测量技术和装置在开发之前,轧钢过程的高速自动化只是奢望。而当射线感应技术相继应用于轧钢过程测量,解决了各种钢材轧制工艺的测量控制要求,并且使生产过程高速、高精度成为现实。现在的冷板材轧制中厚度精度可以达到千分之一的精度等级,薄板材厚度控制在10μm以内。　　

2.2. 涉嫌传感器的种类　　

    射线式传感器通常有两种主要形式，一种是测量天然或自然的放射线，例如测量天然放射性的U、Th、K和这三个量的总量；
另一种方式是利用放射性同位素测量非放射性物质，根据被测物质对辐射线的吸收、反射进行检测，或者利用射线对被测物质的电离激发作用。后者射线式传感器主要由放射源和探测器组成。　　

3.    超声波传感器在钢铁生产过程中的应用　　

3.1.        超声波感应器的概念   　　

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能芯片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分接口会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。

以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。　　

超声波探头主要由压电芯片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。

超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电芯片。构成芯片的材料可以有许多种。芯片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指针包括：
　　

（1）工作频率。工作频率就是压电芯片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和芯片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。　　

（2）工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。　　

（3）灵敏度。主要取决于制造芯片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；
反之，灵敏度低。

超声波传感技术应用在生产实践的不同方面，而医学应用是其最主要的应用之一，下面以医学为例子说明超声波传感技术的应用。超声波在医学上的应用主要是诊断疾病，它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。超声波诊断的优点是：对受检者无痛苦、无损害、方法简便、显像清晰、诊断的准确率高等。因而推广容易，受到医务工作者和患者的欢迎。超声波诊断可以基于不同的医学原理，我们来看看其中有代表性的一种所谓的A型方法。这个方法是利用超声波的反射。当超声波在人体组织中传播遇到两层声阻抗不同的介质接口是，在该接口就产生反射回声。每遇到一个反射面时，回声在示波器的屏幕上显示出来，而两个接口的阻抗差值也决定了回声的振幅的高低。

在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种。过去，许多技术因为无法探测到物体组织内部而受到阻碍，超声波传感技术的出现改变了这种状况。当然更多的超声波传感器是固定地安装在不同的装置上，“悄无声息”地探测人们所需要的信号。在未来的应用中，超声波将与信息技术、新材料技术结合起来，将出现更多的智慧化、高灵敏度的超声波传感器。　　

3.2.        超声波传感器的基本原理　　

超声波传感器是用双压电陶瓷芯片制成，在压电陶瓷芯片加上大小和方向不断变化的交流电压时，根据压电效应，就会使压电陶瓷芯片产生机械变形，并产生机械波，这种机械波的大小和方向，是与外加电压的大小和方向成正比的。与此相反，如果在压电陶瓷芯片上有机械波作用，则将会使其产生机械变形并进而产生电压信号。超声波在空气中传播时，如果遇到其它媒介，则因两种媒介的声阻抗不同而产生反射。因此，向前方路面障碍物发射超声波，检测反射波并进行分析，便可判断并获知前方路面的状况。另外，超声波传感器信息处理简单快速，环境适应性强，价格便宜，因此适于在履带车辆主动悬挂系统中应用。　　

3.3.        超声波传感器信息的采集与处理　　

由超声波传感器探测近距离路面障碍物信息，并采用单片机进行信号分析与处理。系统硬件部分由超声波发射接收电路和单片机控制系统组成。。在履带车辆主动悬挂系统中，采用80C196／PLC 单片机，作动器采用磁流变液这种新型智能材料，由磁流变阻尼器产生主动控制力，达到减振缓冲的目的。　　

在履带车辆主动悬挂系统的传感部分，采用多超声波传感器，按一定的位置关系在每侧履带设置四个超声波发射器和一个超声波接收器，对履带前方路面的凸堆和凹坑进行探测，确定障碍物的距离、方位和高度等信息。但超声波传感器也有一定的局限性，表现在探测波束角过大，而且使用单一的超声波传感器，其系统稳定性有时也不理想。如果采用其它传感器来补偿，或采用多传感器融合技术提高检测精度等，其性能可以得到很好的改善。在这里，加入红外线传感器和微波雷达，将这三种传感器集成在一起，进行信息融合。为了有效利用传感器信息，需要采用一种信息融合算法，如人工神经网络（ANN）、贝叶斯估计、SHAFTER－DEMPSTER 推理、卡尔曼滤波等方法，对信息进行分析、综合与处理。　　

3.4.        超声波传感器的发展　　

随着科学技术的快速发展，超声波将在传感器中的应用越来越广。在人类文明的历次产业革命中，传感技术一直扮演着先行官的重要角色，它是贯穿各个技术和应用领域的关键技术，在人们可以想象的所有领域中，它几乎无所不在。传感器是世界各国发展最快的产业之一，在各国有关研究、生产、应用部门的共同努力下，传感器技术得到了飞速的发展和进步。但就目前技术水准来说，人们可以具体利用的传感技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来，超声波传感器作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求，如声纳的发展趋势基本为：研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；
继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；
研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；
大力降低潜艇自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。无庸置疑，未来的超声波传感器将与自动化智能化接轨，与其它的传感器集成和融合，形成多传感器。随着传感器的技术进步，传感器将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。在新的世纪里，面貌一新的传感器将发挥更大的作用。　　

第三章                结语　　

随着现代工业和自动化技术的发展，作为各种信息的感知、采集、转换、传输相处理的功能器件，传感器的作用日显突出，已成为自动检测、自动控制系统和计量测试中不可缺少的重要技术工具，其应用已遍及工农业生产和日常生活的各个领域。无论是从设计还是从应用角度看，传感器技术既是一门分散型技术，又是一门知识密集型技术。它涉及的知识面宽，交叉学科多，应用条件杂，使用范围广。因此，在工程实践中，要充分发挥传感器的作用，必须了解传感器的原理、性能、使用特点和方法，以便根据不同的目的，选择相应的产品，构成所需要的检测系统或装置。　　

参考文献：　　

1.《传感器与应用电路设计》赵继文 何玉彬