面向关键紧凑型应用的嵌入式传感器

趋势

感应压力

随着系统集成商和 OEM 厂商努力提高可靠性、安全性和性能并不断降低成本,向歧管、平衡阀、致动器及泵中嵌入传感器的需求变得至关重要。作者:Karmjit Sidhu,石油和天然气/船舶传感器部门高级总监

压力传感器在液压、水、医疗及其他许多领域(在这些领域,尺寸和性能至关重要)得到了越来越多的应用,在市场规模方面仅次于温度传感器,位居第二位。 为了提高效率,系统内部产生的压力在不断提高,系统的尺寸也在不断缩小。更紧凑的系统带来的成本节约正迫使压力传感器制造商开发更智能的解决方案。对于具有充足空间的应用来说,提供集成电子设备、EMC 保护和温度补偿功能的独立传感器是可以接受的,但它们不适合小型和微型系统。

嵌入式传感器可以用在高温、振动和辐射环境中,前提是将电子设备与这些严苛环境隔离开。

可以对嵌入式压力传感器进行设计,以根据系统的目标价格和总体性能来提供补偿或无补偿输出。 有些人在其电子设备中内置了识别无补偿传感器特征的功能(了解传感器在压力和温度方面的性能特性),以针对应用进行优化。对于无补偿传感器,用户需要压力和温度输入以便精确读取传感器的反应,之后才能使用这些数据。如果设计者能够在其电子设备中识别传感器的特征的话,无补偿传感器往往成本更低,且较为灵活。补偿传感器的压力和温度特征在工厂中已确定,因此较易于使用。要想获得所需的输出,需要增加一个放大器模块。由于提供给用户的传感器工作时可以达到特定的压力和温度精度,用户不必进行过多的测试或编程。

在大多数情况下,使用嵌入式传感器时,搭配远程电子设备往往是最好的选择。 根据技术和介质,嵌入式传感器可以用在高温、振动和辐射环境中,前提是将电子设备与这些严苛环境隔离开。使用低阻抗(即低于 2 kΩ 的高输出硅压阻式应变片)时,用户可以将电子设备置于距传感器几英尺远的地方。必须仔细挑选嵌入式传感器接触液体部件的材料和固定结构,以免出现高成本故障。316L 不锈钢非常适合水、氧、氢及许多其他恶劣且重要的介质中的应用。在体液、硫化氢、漂白剂等医疗和有毒介质中,钛和镍合金是首选材料。图 2 显示了嵌入式压力传感器在液压和医疗 OEM 设备中应用时的典型结构。

补偿传感器(左),具备 mV/V 输出和带有 O 型环密封件的 SAE 端口,适合用于液压歧管。平面型无补偿传感器(右)适用于医疗和半导体阀门。
图 2:补偿传感器(左),具备 mV/V 输出和带有 O 型环密封件的 SAE 端口,适合用于液压歧管。平面型无补偿传感器(右)适用于医疗和半导体阀门。

考虑嵌入式设备的整合时,压力传感技术是至关重要的一环。 可靠性和使用寿命是决定一段时间内的系统性能的两个关键因素。在涉及氢气和氧气等气体的医疗、半导体和工业等领域,防止压力传感器将污染带进关键流程中是非常重要的。图 3 展示了两类常用的嵌入式传感器技术;它们分别采用了独特的测压方式,并具有不同的控压能力。主要区别在于使流程遭受污染的几率不同。

具有超薄焊接膜片和充油型腔的传感器(左),一旦薄膜发生破裂,其将成为主要的污染源。
图 3:具有超薄焊接膜片和充油型腔的传感器(左),一旦薄膜发生破裂,其将成为主要的污染源。TE 的一体成型设计(右),隔膜较厚且没有充液型腔。

核能、液压和自动化等关键应用都开始使用阀门和致动器,这使得嵌入式位移传感器的作用日益重要,并越来越多地用于位置反馈。 线性位置测量的范围可以从几毫米到数米之长。考虑到安全性在核能和液压行业的重要性,传感阀座正在逐渐演变为一个关键领域。与压力传感技术一样,为位移传感器挑选正确的技术在系统性能和可靠性方面至关重要。数年来,位移传感器一直依赖于接触或非接触式技术。在接触式技术(如线性电位计)中,有一个连接至移动构件的滑块,它形成了与电阻器件的直接接触。电位计充当分压器,提供了某种输出 - 当滑块从器件的一端滑动到另一端时,施加的电压将从 0% 变为 100%。这些设备的成本通常较低,但它们不适合用于高振动环境,且需要防尘、防水。光学、可变磁阻、涡电流、磁阻和线性可变差动变压器 (LVDT) 等非接触式技术已得到了广泛的应用。与电位计相比,这些器件可提供好得多的性能和可靠性。基于激光干涉仪、波长和强度调制的光学传感器只用在实验室类环境中,且适用于恶劣的介质。可变磁阻型传感器是多种介质和温度的极佳选择,但它们高度非线性且仅在较短的传感范围内工作。涡电流器件通常在较高的频率下工作,且要求信号处理电子设备靠近该传感器。这限制了该器件在宽温度和辐射范围内工作的能力。磁阻传感器虽然提供了优良的性能,但也因为靠近信号处理电子设备而受到工作温度的限制。

进入传感器视界

传感器可增强我们观察及分析周围世界的能力。想象与实现之间的区别就在于传感器所检测到的内容。

多年来,LVDT 已在商用飞机和军用飞机中有所应用,如襟翼、燃油泵和起落架等可靠性至关重要的位置。 与涡电流或其他高频作业的线性传感器相比,这些器件使用了低频(3 到 5 kHz)磁路,且不会产生任何射频 (RF) 噪声。由于工作频率低,您可以将这些传感器与电子设备分开达数英尺远。LVDT 器件使用了从初级到次级线圈的磁性接头且没有任何物理连接,因此,可以将这些传感器进行气密密封,以防水、灰尘、冰雪等侵入。通过使用基于最新集成电路 (ASIC) 的电子设备,传感器的长度可以显著减少,同时性能不变。ASIC 允许在进行数字信号处理时对宽温度范围进行完全补偿。该技术为线性非接触式传感器在狭小空间封套(如汽缸传感中的阀座和海底扼流圈)中的应用开辟了市场。图 4 展示了两种可嵌入在阀门和传输件中的非接触式位移传感器。

适用于钻探活动的井下高温和高压(+200℃,20,000 psi)位移传感器。带有远程电子设备的位移传感器(右),适用于严苛环境。
图 4:适用于钻探活动的井下高温和高压(+200℃,20,000 psi)位移传感器。带有远程电子设备的位移传感器(右),适用于严苛环境。