电流传感器十篇

电流传感器篇1

关键词： 无损测量；电涡流；测厚；电路

0 引言

电涡流无损检测具有很悠久的历史，从Michael Faradays

总结出电磁感应定律，即变化的磁场能产生电场以来，电磁感应相关技术取得了巨大的发展。后来Foster提出的通过分析系统的阻抗变化来分析涡流检测仪的干扰因素，为涡流检测提供了很好的理论依据，大大推动了电涡流无损检测技术的发展。通过对阻抗分析法的有效运用，电涡流测量技术已经渗透到我们工业测量的方方面面，包括了航空航天、核工业、机械、冶金、石油、化工、机械、汽车等部门，电涡流无损技术的快速发展，相关研究和运用也越来越广泛，其中传感器的电路设计和测量精度的控制都是研究的焦点。

1 涡流检测原理图

涡流检测是无损检测的一个分支，是运用电磁感应原理，将一半径为r的线圈通过正弦波电流后，线圈周围就会产生一交变磁场H1；若在距线圈x处有一电导率为a，磁导率为u厚度为d的金属板，线圈周围的交变磁场会在金属表面产生感应电流，也称作涡流。金属表面也产生一个与原磁场方向相反的相同的相同频率的磁场H2，反射到探头线圈，导致载流线圈的阻抗和电感的变化，改变了线圈的电流大小及相位，原理图如图1所示。

图1 电涡流测厚原理图

2 测厚探头的设计

图2 电涡流测量电路整体设计图

电涡流测量电路的整体测量电路设计图如图2所示，涡流探头测量物体厚度后引起阻抗的变化，通过电桥电路转化成电流信号输出，也由于信号很微弱，需要经过放大器进行功率放大输出，经过整波电路，把交流信号转化为直流信号，然后把那些高频的还有低频的号过滤掉，得到干扰较小的电流信号，经过放大器尽心比例放大后接入ARM7的A/D转换接口，把模拟信号转化为数字信号，对信号进行控制然后接入数字示波器，观察波形输出，把结果通过PC机显示出来[1]。

传统的电涡流传感器的测量电路主要是通过电桥法组成的，电桥法是将传感器线圈的阻抗变化转化为电压或电流的变化，图3是电桥电路的原理图，线圈A和线圈B为传感器线圈，线圈A为阻抗可调线圈，线圈B为测量线圈，传感器原线圈的阻抗值等于线圈A设定的阻抗值，当线圈B接近被测钢件时，线圈B的阻抗值发生变化，使电桥两边失去平衡，电桥的不平衡会使电阻两边产生不均衡信号通过放大器放大后进行检波输出就可以得到和被测量成正比的输出信号，通过一定的方法进行线性拟合就可以得到输出信号和钢件淬火层厚度之间的关系，其中线圈A和线圈B都可以通过漆包线和绝缘套管绕制而成，线圈的阻抗大小由线圈的匝数决定，同时线圈的匝数和绝缘套管的内径和外径大小一起决定了探头能后测量的范围大小。经过实验分析可知，线圈厚度越厚，涡流损耗越小，传感器的的测量精度也越差；线圈外径越大，涡流损耗越小，传感器的测量精度也越差，相反若只是改变传感器线圈的内径对传感器的测量精度影响不大。电涡流效应主要集中在待测物体表面，所以表面的平滑程度对测量的精度也有很大影响。（新型电涡流测量电路设计）

图3 电桥电路原理图

放大电路如图4所示，输出电压的饱和极限等于运放的电源电压V=Vf=R1*V0/（R1+R2），作用于反向输入端，这里Vf也称为反馈电压，根据虚短和虚断定义知电压增益Av=（R1+R2）/R2=1+R2/R1，Av的值只取决于运放外部电路的电阻值R1和R2，由于通过电桥得到的信号时很微弱的，所以输出的电压信号通过放大器进行功率放大是很有必要的。

家用电器使用的都是220V交流电，而各种元器件要求使用的都是直流电。整流，就是把交流电变为直流电的过程，相当于在电路中接入了一个RC整流电路。利用二极管具有单向导电特性的作用，可以把方向和大小交变的电流变换为直流电。整流电路可以分为半波整流电路和全波整流电路。半波整流电路是由负载电阻、整流二极管和电源变压器组成。变压器把220V电压通过线圈匝数比转换为所需要的交变电压，再把交流电变换为元器件可以使用的直流电。全波整流电路，可以看做是由两个半波整流电路组合成的。在变压器的中间取出一个线头，把线圈分成两个匝数比相同的线圈绕组，分别和一个二极管组成一个回路，两个回路得到的电压大小相等极性相反[4]。

家用的220V的交流电经过二极管整流之后，用于二极管的单向导电作用，方向变得单一了，由于转换过程中还有有点路连接中都会产生大小不一的干扰，使正弦交变电压信号出现波动。这种脉动直流一般是不能直接用来给无线电装置供电的，要把脉动直流变成波形平滑的直流，这便是滤波[2][3]。

图5 滤波电路

传感器电路中使用滤波电炉就是为了把整流器输出的直流电压中的或大或小的波动成分尽可能地消除，改造成接近恒稳的直流电。为了排除电路焊接过程中造成的干扰，滤波电路一般都采用组合逻辑器件低通滤波器MAX280，滤波电路结构如图5所示。

电容相当于是一个电能储存的仓库。在电路中，当电路中有电压信号输入时电容便开始不断充电，把电能储存在电容当中；当没有外部电压信号输入时，电容就会把储存的电能释放出来，在回路中进行放电作用。电容在有电压信号输入的过程中电压不断升高，直到接近充电电压；在关闭电压信号后电容存储的点亮逐渐降低，直到完全消失。电容器的容量越大，负载电阻值越大，充电和放电所需要的时间越长。这种电容带两端电压不能突变的特性，正好可以用来承担滤波的任务。

3 总结

通过对对电磁涡流传感器的制作，对电磁涡流测量厚度的电路有了很深的理解，这主要也是在懂得了电涡流测量原理的基础上进行的，电涡流测量仪作为一种非破坏性的涂层测量仪，可以在微米范围内测量涂层厚度，仪器操作性强，运用的领域很广泛，对制药和冶炼等都有很好的运用前景，对电磁涡流电路的研究具有很好的指导意义。

参考文献：

[1]于亚婷，新型电涡流传感器开发[J].成都：电子科技大学，2011，4.

[2]赵昕明，高温型电涡流位移传感器及高精度测量电路[D].上海：同济大学，2004.

电流传感器篇2

关键词： 霍尔电流传感器；神经网络；测量精度

1、引言

霍尔电流传感器是通过霍尔效应来制作的电流检测元件，传统方法通常采用硬件补偿的方式来提升传感器的测量精度[1]，随着微处理器的飞速发展，越来越多的智能算法被应用到电流传感器的补偿和校准中，提升传感器的稳定性和系统精度。本文利用BP神经网络算法来提高传感器测量精度，通过 C语言在STM32F103ZET处理器上进行实现[2]。

2、电流传感器的测量系统

本系统采用的是霍尔电流传感器，具有适用范围广，测量范围大和动态性能好等特点，被广大电子工程设计师所喜爱[3]。霍尔电流测量系统可以分成硬件设计和软件设计。在硬件设计中，采用模块化功能方式进行实现，主要包含的模块有电源模块、传感器调理模块、数据采集模块和显示模块等；系统的软件设计，通过STM32微处理器来实现BP神经网络算法和数据处理等[4]。电流传感器测量系统的模块图如图2-1所示。

从图2-1中可以看出，系统的主控制器采用的是STM32F103ZET，它是一款基于Cortex-M3的32位处理器，它能够对ADC转换、数据采集、BP神经网络程序和显示模块进行控制。霍尔传感器测量系统的供电电源是220V电源，但是主控制器和系统电路需要的电压值是5V和3.3V，需要对电压值进行转换。电压值220V转5V的电源电路图如图2-2所示。

从图2-2中可以看出，将220V转换后的电压值通过三端口稳压电源LM7805得到稳定的5V电压值。系统中5V转3.3V的电压设计是利用LM1117-3.3来进行实现的。5V转3.3V的电源电路实现图如图2-3所示。

对于霍尔电流传感器的信号采集，需要对霍尔电流传感器信号进行放大和滤波，使其经过LM324放大器后的电压值为AD参考电压值的范围内，约在AD参考电压的一半左右。霍尔电流传感器采集电路图如图2-4所示。

3、BP神经网络提高融合精度研究

BP神经网络是应用比较广泛的人工智能算法，具有多层的网络结构，包括两种不同的算法：一个向前传播，一个向后传播，逐步的处理输入信号，最后转移到输出层。由于每一个神经节点只影响下一层的节点，所以如果不能获得预期目标，它开始向后传播，传输出来的错误信号经过调整每一个神经节点的权值使其误差信号达到最小[5]。BP神经网络结构图如图3-1所示。

为了提高电流传感器的测量精度，利用BP神经网络算法来进行实现，首先要对系统的霍尔传感器和温度传感器进行标定，将标定数据进行预处理，作为BP神经网络的二维输入值，输出值则是霍尔电流传感器系统的输出值[6]。对于二维输入多项式BP神经网络，按照多项式序列进行排列，可以得到隐含层的激励函数：

将求出的权值带入到模型中，得出相应的输出值。BP神经网络数据处理流程图如图3-2所示。

4、结论

本文提出的基于BP神经网络的电流传感器系统，能够将微处理器技术和智能算法相结合，利用软件编程的方式来提升传感器的测量精度。在接下来的工作中，将梯度算法和数据挖掘技术也融入到系统中，通过其来分析样本对BP神经网络结构的影响，使传感器更加具有智能化。

参考文献

[1]卢敏，郑建生，张提升等. 一种霍尔电流传感器的电路设计[J].电子设计工程，2010，18（11）：41-44.

[2]冯明.霍尔元件不等位电势的调制消除[J].功能材料与器件学报，2004，10（4）：455-4548.

[3]李傲梅，王林森. 零磁通霍尔电流传感器磁路仿真[J].化工自动化及仪表，2011，10（1）：1200-1202.

[4]林欣，王建民，余道杰. 以霍尔电流传感器提高开关电源的效率[J].电子设计工程，2012，20（22）：154-157.

电流传感器篇3

电流一压力传感器(通常也叫做I／P)常常用在利用电信号来控制气动阀的情况下。能够将标准电信号变为压强的这些传感器在造纸、化工、提炼、食品加工等工厂中，得到广泛的应用。

同其他任何仪器一样，I／P的准确度也会随着时间而漂移，甚至是使整个单元失效。由于在大多数的控制环路中，准确度是十分重要的，所以这种漂移和失效会导致重大的问题。例如：一个偏离基准的I／P会使阀门部分关闭，而不是全部关闭，这样就很可能发生泄漏。好的情况下，只会造成产品浪费。坏的情况下，就会因阀门中的液体随处流动，而造成巨大的损失和人员伤亡。类似地，阀门的部分关闭还会引发其他问题：从延误生产到影响质量等问题。正由于这些问题，所以I／P和其他的仪器一样，需要定期进行校正。

l／P校正的传统方法

典型的I／P校正过程需要两种仪器：压力计或压力校正仪、电流源或电流校正器。需要对其他的仪器(如电流到频率转换器或温度传感器)进行校正的技术人员可能还需要另外一些测试和信号源仪器，如频率计或温度校正器。如果既要校正仪器，又要给失效单元排错，那么就需要在测试仪器中加上数字万用表。为了满足这些要求，技术人员最终将不得不在不同的仪器间玩魔术似的摆弄或是经常往来于仪表商店。

校正过程本身包括许多步骤。首先，技术人员作As Found测量，给I／P加上特定的电流，然后记下输出压强，如果这些测试显示I／P已超出容差范围内，技术员就开始作As Left测试，其中包括在每个测试点上加最后一轮的电流源，并测量出压强值。

使工作变得更复杂的是需要记录每次测量的结果。例如，国际质量标准ISO 9000就要求记录下所有的仪器校正结果，同样的，属于FDA、EPA、NRC和OSHA授权的工厂也必须满足制定标准文件的要求。

这种记录是十分繁琐的，它要求技术员必须能够灵活处理纸、笔和仪器的关系，有时候还需要中断校正工作，以便及时记录下测试结果。此外，技术人员通常还需要计算出每个测试中错误的百分比并加以记录。这不仅很枯燥，而且易于出错，这种错误可能会导致仪器工作在正常范围以外。最后，技术员一回到工作间，就必须开始抄写所有的现场记录。这样又引入产生进一步错误的福禄克公司何学农可能性。

对一个熟练的技术员来说，每个I／P的校正过程需要10～30min，此外还需加上在工作间中完成整个记录的5～10min。

一种更好的校正方法Fluke741B／743B／744简介

现在有一种十分简单的I／P校正方法。采用Fluke741 B／743B／744，Fluke741 B和743B／744记录式校正仪在四个主要方面简化了技术员的校正过程：

1　减少了对多种工具的要求

741B和743B／744能够对压强、温度(热耦和RTD)、电压、电流、阻抗和频率等进行校正，因而可满足技术人员进行各种仪器校正的所有要求，它还能同时用来进行排错。

2　可以实现自动测试

只要技术人员输入一些关键的信息，其中包括初始值的高低端值、测量的高低端值、容差和测试点数，校正器就能自动进行As Found和As Left测试。这样就节省了技术人员的时间，并减去了手工输入每个测试点值的麻烦。

3　自动计算误差的百分比

741B和743B／744能够自动计算每次测试的错误百分比，并根据技术人员所输入的容差值来判断仪器是工作在正常范围还是超出容限范围。这种自动能力不仅节省了时间，还能保证结果的准确度。技术人员只需要看看屏幕上显示表格中的结果，就可以知道I／P是否在正常范围内工作。如果不在正常范围，还可知道何处超出了容差范围。

4　自动记录结果

741B和743B／744能够自动地记录和存储测试的结果。741B可存储一天的工作，而743B／744则可以存储一周的工作，回到工作间后，技术员只需重新调出屏幕所显示的结果，并把它们复制到校正表格上，或者使用743B／744和Fluke的基于Windows的DPC／TRACK软件，把结果下载到PC上，并以自动的方式完成表格。

使用741B和743B／744输入测试参数和执行As Found及As Left测试的这一整体过程所需的时间仅5min，其中还包括记录过程，对一个繁忙的仪器技术人员来说，这些时间上的节省就意味着工作效率的大幅增加。

741B和743B／744是专门为生产加工工业所设计的适用于恶劣现场作业的工具。无论是潮湿的气候、粗暴的操作，还是恶劣的工厂环境，它均可提供准确可靠的性能。

简单的使用操作

使用741B和743B／744校正I／P是比较容易的，只需要将I／P输入端接至741B或743B／744的电流源端，将I／P的输出线连接至一个Fluke-700P压强模块上就可以了。

如果进行As Found测试，先按下As Found键，然后，屏幕上就会揭示输入各部的压强和电流的0％和100％的值，以及需要校对的测试点的个数以及允许容差的百分比，再按下自动测试键，自动测试就开始了。它将自动地加上每个特定的电流，测量出每个输出压强值，计算每种情况的误差百分比，记录下结果，并标出超出容差范围的部分。整个过程只需要2～3min。

如果测试的结果中有超出容差范围的，就可以按下调整键，轮流选择适当的键(0％、100％、50％)已进行必要的调整。然后再按下As Left和自动测试键，自动记录As Left测量结果。由于校正器可以记住前面的参数，这次就不必再输入参数了。

最后，校正器将提示你输入记录号、仪器的序号和你的操作密码，

这样就可以将某套测试结果和特定的仪器联系起来，以便将来识别。现在你可以转向下一个仪器的校正了。

灵活的PC接口

使用743B／744和可选项DPC／TRACK软件，可以用电子化方式在校正器和PC之间进行信息传输。这种通信能力不仅通过自动完成记录过程来节省时间，还可允许以标准ASCII格式从现在的数据库中输入、输出信息。例如，在一天的开始，管理员将今天要校正的传感器的记录号以及校正程序远程加载到每个技术人员的校正器中，这样就节省了技术员手工输入数据的时间，且不需要参考写好的说明。同样的，如果你的部门使用数据库来跟踪每个传感器的校正状态，你就可以在每天的工作结束前，从743B／744中下载数据并输出到你的数据库中，从而实现数据库中的自动更新。

DPC／TRACK还可以迅速地产生简明、分步的校正指令。这些指令不仅

能满足ISO 9000的要求，还能确保技术人员遵从工厂的特定程序。建立校正程序十分容易，只需点一下743B／744面板上的PC图像，就好像在亲自操作743B／744一样。

利用DPC／TRACK的文本功能，可以在校正程序的前后增加自己的特殊指令。例如，可以增加打开指令来告诉技术员在何处能够找到传感器，如何隔离和断开它，以及如何挂接测试仪器。类似地，也可以增加解释如何关断测试仪器，重新连接以及使仪器返回原状态的关闭指令。

DPC／TRACK带有内置的标准报告，也可以将其打印出来以用来为校正提供硬复制记录。也可以用ASCII格式将校正数据输出到数据单或者数据库应用软件中；在那里，不仅能够打印出常规的报告，还可以对数据进行分析。

方便的排错功能

当你接到一个修理电话时，741B和743B／744还可以兼作仪器排错工具，这样就省去了回工作间拿附加的检测和校正仪器的麻烦。它们具有数字万用表的所有功能，能够测量最大到300V的AC、DC电压、最大到110mA的DC电流，最大到50kHz的频率并可测量电阻，此外还能验证连续性。

例如，假设你要对一个功能不正常的I／P进行检测(如图1所示)，操作员说阀门已经关闭，但是控制器显示阀门是半开的，你首先的任务是确定I／P本身是否是问题源。首先将I／P的输入端连至741B或743B／744的电流源端，I／P的输出端连至741B或743B／744的压力模块，然后前面就像作I／P校正那样，加上不同数值的电流，并测出压强。如果每种数值的输入电流，输出压强值都保持正确，就说明问题不是出在I／P上。

问题的另外一个原因可能在控制器。它可能会输出错误的电流信号。你可以按照下面的步骤来检验这种可能性：先去掉一个引线，将741B和743B／744和控制器的输出端串联起来，然后用741B和743B／744的电流测量功能测出输出电流。

如果问题既不是出在I／P也不是出在控制器，那么你下一步该做的就是检测阀门，看它是否接受到正确的压强信号。你可以将阀门连接到I／P的输出端，或者将阀门的反馈放大器连接到741B和743B／744的压强模块，它将显示阀门实际受到的压力。

如果作用在阀门或阀门的反馈放大器上的压强不正确，而I／P输出的压强却是正确的，这就说明管道系统和装配部件存在泄漏。利用一个低廉的手动阀门和T型接头(共需花10～15美元)，就可检验出管道系统和装配部件的有效性。首先断开I／P与管道系统的连接。将手动阀门连接到两者之间。

将T型头连接在手动阀门之后，T型头的一端连接到741B和743B／744的压强模块，另外一端连接到所要测试的线路。连接如图2所示。

一旦线路中的压强达到稳定，就可以关闭手动阀门，停止I／P方向来的人和空气流动，然后用741B和743B／744的压强测量功能来监视线路的压强。如果不存在泄漏，线路的压强会保持稳定。如果线路压强连续地下降，就肯定存在泄漏。为了解决这个问题，你就必须拧紧装配部件或更换管道系统。

在某些情况下，I／P经常被用在温度控制环路中。在这种控制环路中主要用蒸汽流来控制环路。如图3中所示，一个环路组成主要为：一个用来测量温度的热耦或RTD、一个给控制器传输电信号的温度传送器，一个将控制器输出信号变为压强的I／P以及一个控制蒸汽流动的气动阀门。

如果I／P、控制器给I／P的输出以及加载阀门上的输入压强都被测过，下一步就是用741B和743B／744的电压测量功能测量控制器的输入电压。控制器由指示部分和控制部分组成，因而必须对两者都检测。如果指示器的指示与741B和743B／744的测量电压相符，就说明这部分工作正常。

如果控制器确实在控制，但存在偏差(例如，设置点为50％。而仪器却控制在52％)，问题就在于控制器可能没有校正。为了验证是否为这种情况，应该用741B和743B／744对控制器作一次校正，在每个测试点上加上电流并测试电压。如果经过校正，控制器还没有减小偏差，问题就可能在于内部控制模式，需要进行元件级的排错。

如果发现控制器也没有问题，下一步的工作就是检测温度传送器的校正。这时，只需要正确的选择741B和743B／744的温度源模式(热耦合或RTD)，并同时测量温度传送器的输出电流即可。

节省大量的时间

电流传感器篇4

关键词 电化学微传感器; 铜质敏感膜; 电流脉冲沉积法; 硝酸根离子检测; 湖库水样

1 引 言

硝酸盐广泛存在于自然环境、食品、工业产品和生态系统之中。研究证明，过量NO Symbolm@@ 3会引发严重的环境和生理问题^[1]，摄取过量的硝酸盐会严重危害人体健康，因此世界各国对饮用水中硝酸盐的含量都有严格规定。美国环境保护局（EPA）规定的最高限量为硝酸盐氮10 mg/L（0.7 mmol/L，以N计，下同）;我国《生活饮用水卫生标准（GB5749-2006）》规定饮用水中硝酸盐浓度的限量值为10 mg/L;世界卫生组织（WHO）规定饮用水中硝酸盐氮含量必须低于11 mg/L（0.8 mmol/L）。因此，建立简便、灵敏、准确的硝酸根离子检测方法是十分必要的。

目前，NO Symbolm@@ 3的检测方法主要包括分光光度法、色谱分析法、发光分析法、毛细管电泳法、电化学检测法等^[1，2]。基于光学原理的检测方法大多具有检出限低、准确性好、灵敏度高等优点，但检测设备价格比较昂贵，且需要对待测水样进行精细的预处理。而基于电化学原理的NO Symbolm@@ 3检测方法具有操作简便、所需试剂量少、易与测试电路集成、仪器装置简单便携等优点，因而近几年得到研究者的青睐。

到目前为止，研究人员已经发展了多种类型的电化学传感器用于水体中NO Symbolm@@ 3的检测，根据所测量的响应信号的不同， 可分为电位型传感器和电流型传感器两大类。电位型硝酸根传感器大多以NO Symbolm@@ 3选择性电极为核心部件，当选择性电极与含有NO Symbolm@@ 3的样品接触时，敏感膜和溶液的相界面上产生与NO Symbolm@@ 3活度相关的膜电势，测量膜电势的变化即可实现NO Symbolm@@ 3浓度的检测。常见的敏感膜材料包括聚氯乙烯（PVC）^[3]、聚吡咯^[4]和复合型聚合物材料^[5]等。这种类型的硝酸根传感器结构简单、耐用，有些还可以在恶劣环境下使用（如测量潮湿土壤中硝酸盐的含量），但是其选择性识别能力往往较弱，难以用于具有复杂背景基质的水样检测。与电位型传感器相比，电流型传感器通常具有更高的检测灵敏度和更低的检出限。目前报道的硝酸根电化学传感器主要是电流型传感器，其工作原理是以固定在工作电极表面的敏感膜为介质，将待测样品中的NO Symbolm@@ 3还原为NO Symbolm@@ 2或其它含氮物质，测量还原电流的大小，以实现对NO Symbolm@@ 3浓度的检测。常用的硝酸根敏感膜按材料性质不同可分为金属、导电聚合物以及生物酶材料等。用于NO Symbolm@@ 3检测的金属敏感材料主要有Cu^[6，7]、Ag^[8，9]、Pd^[10，11]以及合金^[12，13]等。导电聚合物敏感材料主要是掺杂的聚吡咯膜^[14，15]。近年， 研究人员利用生物酶固定技术将NO Symbolm@@ 3还原酶固定在检测电极表面用于NO Symbolm@@ 3的选择性识别^[16，17]。其中，聚吡咯和生物酶材料在制备和使用过程中需要严格控制环境光线和温度，导致其应用领域受限。而在金属类敏感材料中，由于铜具有廉价、易于制备、相对较稳定等特点，近年来以铜作为电极修饰材料，用于NO Symbolm@@ 3检测的探索，成为研究热点之一。

已有的文献大都使用恒定电位法在电极表面制备铜质敏感膜，研究重点集中于沉积电位的选取和沉积时间的优化^[18，19]。而通过改变电沉积方式改善修饰层的微观形貌，以提高修饰铜质敏感材料对NO Symbolm@@ 3电催化还原活性的研究少有报道^[20]。最近，文献[21]报道了一种新的电流脉冲沉积法制备铜材料的方法，此方法以含高浓度H+的CuSO4溶液为沉积液，采用高频脉冲电流的加电方式，能够制备出在微观上呈蜂窝状多孔结构的铜层。但是相关报道中均使用铜质的基底电极，而且制备的多孔状铜膜大多被用作贵金属催化材料（如纳米铂或纳米金等）的依附结构层^[22]，直接将其作为敏感层修饰材料的研究还未见报道。本研究利用类似的电流脉冲沉积法在铂质微传感电极上制备出呈多孔、枝簇状的铜质敏感层，并将其应用于不同浓度NO Symbolm@@ 3标准样品的检测，表现出较高的检测灵敏度;使用修饰后的微传感电极对实际水样进行检测，测试结果与专业水质检测机构的测试值之间具有较高的一致性。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

S-4800扫描电镜 （FE-SEM，日本Hitachi公司）;凯美瑞Reference-600电化学分析仪（美国Gamry公司）;AUW电子天平，BioSpec-nano紫外可见分光光度计（日本岛津公司）;Direct-Q3UV高纯水机（美国Millipore公司）;pHS-25型数显pH计（上海智光仪器仪表公司）;CHI111型Ag/AgCl参比电极（上海辰华公司）。

CuSO4・5H2O，Na2SO4，NaNO3和98% H2SO4（北京化学试剂公司）;硝酸盐标准试样50 mg/L（北京环境保护部标准化研究所）;所用溶剂均为分析纯，实验用水均为30 MΩ・cm去离子水。采用三电极体系，参比电极为Ag/AgCl电极，工作电极和对电极为实验室自制微传感电极。

2.2 微传感电极加工制备

采用标准微加工工艺在玻璃基片上制备微传感电极^[20]，制备工艺流程如图1A所示，主要采用光刻、溅射、剥离等工艺制备。所制备的微传感电极照片如图1B所示。其中， 工作电极和对电极为对称式“圆-环形”结构的铂质金属膜电极，工作电极为半径约为0.56 mm、

面积为1 mm2的圆，对电极为宽度0.4 mm、面积约为1 mm2的近圆环该结构能够提高工作电极与对电极之间电场分布的对称性，改善传感电极的电化学响应性能^[20]。敏感表面是主要的电化学修饰和反应界面，为提高微传感电极的一致性，使用SU-8绝缘层精确定义薄膜金属电极的几何形状，确保每一个微传感电极的敏感表面均是面积为1 mm2的标准圆形。此外，微传感电极还包括一个备用的准参比电极，后续可以在该电极上涂覆银/氯化银浆，实现集成式三电极体系。本研究为确保参比电极的稳定性，直接使用商用Ag/AgCl参比电极。

2.3 铜质敏感膜制备

在酸化的CuSO4溶液中，采用在微传感芯片的工作电极和对电极之间施加脉冲电流信号的方式，将铜沉积在工作电极表面，制备敏感膜：首先，将微电极芯片在丙酮、乙醇、去离子水中依次超声5 min以清洁电极表面，并使用等离子氧刻蚀机进一步清洁并活化电极表面;之后，将微电极浸入含0.10 mol/L CuSO4和0.50 mol/L H2SO4的混合溶液，利用电化学分析仪中的Repeating Chronopotentionmetry扫描功能，在工作电极上施加周期性脉冲电流信号（一个完整的脉冲周期T=T1+T2，其中T1为工作阶段，加电沉积;T2为暂停阶段，停止沉积）。电流脉冲法的电化学沉积曲线如图2所示。电流脉冲沉积法修饰的工作电极，表面呈深黑色。为防止新沉积的铜在空气中被氧化，沉积完成后，用去离子水冲洗电极表面，并将电极放入去离子水中保存，4 h内使用，否则铜质敏感膜将逐渐失去活性，影响传感器的检测性能。

3 结果与讨论

3.1 参数优化

3.1.1 电流脉冲沉积法的工作机理 根据文献[21]对电流脉冲沉积的脉冲参数设置进行优化，本实验参数为：T1=0.01 s， I1= Symbolm@@ 4.4 mA; T2=0.01 s， I2=0.0 mA; 0.50 mol/L H2SO4;并对沉积时间（脉冲周期数）和沉积液中CuSO4的浓度进行优化。

当保持沉积液中CuSO4浓度为0.1 mol/L时，不同沉积时间下所制备的敏感膜的微观形貌如图3所示。发现使用电流脉冲法可以在微传感电极的工作表面制备呈多孔形态的铜质敏感膜;随着扫描周期数（沉积时间）的增加，敏感膜的微观形貌由均匀分布的“枝干”结构向密集、多孔的“树枝”状结构发展。此种微观形貌的形成机理主要与两方面因素有关^[21]：（1）沉积液中含有高浓度的H+，因此，伴随Cu2+被还原的电沉积过程，工作电极表面会发生析氢现象，析出的微小气泡像模板一样附着在电极表面，影响电极表面流体动力学微环境，使铜原子无法在该区域生长，进而导致敏感膜中出现均匀分布的凹陷多孔区;（2）采用脉冲电流，使敏感膜的生长和暂停生长阶段随着脉冲周期交替进行，可以避免持续加电条件下沉积膜生长过快，易于开裂、脱落的现象。以这种方式制备的敏感层，虽然分布疏松、呈现多孔形貌，但自身结构坚实、与基底电极粘附紧密，因而是一种理想的表面催化活性材料。同时，本研究采用铂基底电极，相对于文献中通常采用的铜质基底电极，H+在铂表面更容易发生析氢反应，因而此种条件下制备的敏感层的多孔形态更加显著。

3.1.2 电流脉冲沉积法的参数优化 为考察不同沉积液浓度下，制备的敏感膜的实际性能，使用所制备的敏感膜对同一种测试液（含浓度为1 mmol/L NaNO3）做检测^[20]，通过线性扫描的方式，比较响应电流值的大小，结果如图4所示。当CuSO4浓度为0.15 mol/L，沉积时间为200 s时，微传感电极的响应电流值较大，且重复性最好，故后续实验均采用此条件进行表面修饰。当CuSO4浓度为0.20 mol/L或沉积时间为300 s时，修饰层厚度迅速增大，且沿工作电极表面向外径方向延伸，已超出1 mm2的敏感区域，为保证实验条件的一致，排除此沉积条件。

在优化参数下，所制备的敏感膜的微观形貌如图5所示，在铂微电极表面生成了疏松的、呈多孔性的枝簇状结构。枝簇结构分布均匀，由微米尺寸的颗粒沿着一定的空间方向、突出于电极表面形成三维的堆叠结构。

对修饰层材料进行X射线衍射分析（XRD）分析（图6），发现修饰层材料明显地表现出Cu在（111）和（200）两个取向的特征峰，说明电流脉冲法制备的敏感层是金属铜，且晶向明显，而非氧化态铜。

3.2 微传感器对NO Symbolm@@ 3的检测性能

将微传感器浸入含有不同浓度NO Symbolm@@ 3的待测液中做线性扫描测试，考察NO Symbolm@@ 3浓度与还原峰电流大小的关系（实验支持电解液均为0.1 mol/L Na2SO4溶液，pH=2.0）。

图7所示为微传感器在浓度0～3000 μmol/L硝酸盐标准品中的线性扫描响应曲线。在12.5～200 μmol/L（图7（a））和200～3000 μmol/L（图7b）浓度范围内，微传感器响应电流值与NO Symbolm@@ 3浓度具有良好的线性关系。两种浓度范围内线性拟合曲线分别为：

需要注意的是，在低浓度范围内，微传感器在不同浓度NO Symbolm@@ 3样品中的还原峰电位为 Symbolm@@ 460 mV，基本保持不变;而在高浓度范围内，随着NO Symbolm@@ 3浓度增加，其还原峰电位逐步由 Symbolm@@ 460 mV偏移至 Symbolm@@ 550 mV，且微传感器的检测灵敏度也有降低。这是由于在溶液环境中使用安培型电化学传感器时，待测物在修饰材料表面发生电化学反应会生成一些产物，随着待测物浓度的升高和测试次数的增加，反应产物会逐渐附着在修饰材料的表面，使其有效面积逐步缩减，电催化活性也随之降低，即出现电极钝化效应。当铜质敏感材料的电催化活性下降后，针对NO Symbolm@@ 3的电催化还原反应更难于发生，因此其还原峰电位随之负移至 Symbolm@@ 550 mV处，而传感器的检测灵敏度也同时减小。

经电流脉冲沉积法修饰的微传感器对NO Symbolm@@ 3进行测试时表现出较好的重复性和抗干扰性，水体中常见的离子除NO Symbolm@@ 2外，均未对测试结果产生明显的干扰^[20]。微传感器对0， 14.3， 35.7， 71.4， 107.1和142.9 μmol/L 6个硝酸盐标准样品重复测试3次，其中最大相对标准偏差RSD<5%。检出限为2 μmol/L（S/N=3）。

3.3 实际水样检测

为考察微传感器对实际水样的检测性能，取实际水样，对比微传感器的测试结果以及专业水质检测机构的测试结果。在北京市某地的湖泊及河道分别取水样，标记为水样1、水样2和水样3，并对3个水样分别进行分样，所分水样一部分送至专业水质检测机构按照硝酸盐国标检测法之一的紫外分光光度法（HJ T 346-2007）进行测试，另一部分水样使用本文研制的微传感器进行测试。对于每一个水样，在实验室均使用3支微传感器进行测试，每支传感器均先以3个硝酸盐标准品（0，50，100 μmol/L）定标，

然后进行水样检测。从表1可见，微传感器的测试结果与专业机构出具的测试值偏差在3.9%～15.4%之间，具有一定的相关性。实验结果表明，微传感器可用于实际水样中NO Symbolm@@ 3浓度的检测。

4 结 论

使用电流脉冲沉积法在铂质微电极表面制备出枝簇状、多孔的铜质敏感膜，利用铜在酸性溶液中对NO Symbolm@@ 3的电催化还原特性，实现溶液中NO Symbolm@@ 3的检测，依据此种原理研制的电化学硝酸根微传感器能够用于实际水样中NO Symbolm@@ 3的检测，且测量结果与专业水质检测机构出具的结果具有一定的相关性。

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22 Yin J， Jia J B， Zhu L D. Int. J. Hydrogen Energ.， 2008， 33： 7444-7447

A Micro Electrochemical Sensor for Nitrate Determination Based

on Square-wave Pulsating Current Deposition Process

LI Yang*， SUN Ji-Zhou， WANG Jin-Feng， BIAN Chao， TONG Jian-Hua，

DONG Han-Peng， ZHANG Hong， XIA Shan-Hong

（State Key Laboratory of Transducer Technology， Institute of Electronics， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100190， China）

Abstract Based on microfabrication technology and electrochemical modification method， a micro electrochemical sensor for nitrate （NO Symbolm@@ 3） determination was developed. A micro sensor chip with working electrode and counter electrode was used as the signal convertor of the sensor. The area of the micro working-electrode was only 1 mm2. As an electrocatalysis sensitive material， copper was electrodeposited onto the working electrode by square-wave pulse current electrodeposition method. The morphologies and components of freshly deposited materials were examined by scanning electron microscopy （SEM） and X-ray diffraction （XRD） to explore key factors that affected the electrocatalytic ability of the deposited copper layer for reducing nitrate ions. The experimental results revealed that under the optimal conditions， the deposited copper layer was macroporous and had a larger effective surface area that could serve as a more effective electrocatalyst in facilitating nitrate reduction. Electrochemical response of the macroporous copper layer was characterized by linear sweep voltammetry in acidic supporting electrolytes （pH=2）. The electroanalytical results showed that the modified microsensor had marked sensitivity for standard nitrate samples within the concentration range from 12.5 to 3000 μmol/L （in the range of 12.5-200 μmol/L yielded straight line： y1= Symbolm@@ 0.1422x-10.326， R12=0.9976， while in the range of 200-3000 μmol/L yielded straight line： y2= Symbolm@@ 0.0984x-22.144， R22=0.9927） with a detection limit of 2 μmol/L （S/N=3）. The developed electrochemical microsensor was also employed for nitrate determination in water samples collected from lakes and rivers near the city of Beijing. The results were in good agreement with the data given by qualified water quality detection institute， with the deviations from 3.9% to 15.4%.

Keywords Micro electrochemical sensor; Copper sensitive material; Pulsating current electrodeposition method; Nitrate determination; Real water samples

电流传感器篇5

在中学化学实验中，若要测定溶液的离子浓度，一般会采用滴定的方法；若需测定溶液离子浓度的变化，一般要进行溶液导电实验，就是通过小灯泡的明暗以及电流表指针的偏转定性地反映出溶液导电性能强弱的相对变化。这样做虽然很直观，但精确度很低。

采用DIS电流传感器测定，可以提高数据采集精确度。但是在实验仪器中存在的系统误差以及在实验操作过程中人为的较大误差就很难避免。如果不将这些问题解决，整个实验在准确性上就会失去传感器测定的意义。

例如“测定冰醋酸加水稀释过程中离子浓度的变化”实验，在精确测量与传统实验仪器和粗糙实验操作之间的矛盾尤为突出。主要体现在以下几个方面：

(1)如何保证加水稀释的速率是匀速的；

(2)如何使装置内液体获得最佳的搅拌效果；

(3)如何保证实验操作过程中乙酸溶液与自制电极的接触面积恒定。

此实验为一个稀释实验，经过反复实验操作发现，为了采集足够的数据画出一条完整的曲线图象，基本上冰醋酸都要被稀释十倍以上。但是使用实验室现有的玻璃仪器在冰醋酸体积较小时液体要浸没自制电极显得有些困难。即使能达到浸没，也无法加入十倍以上的蒸馏水(加入过多蒸馏水，玻璃仪器会出现溢流现象)，或会出现无法放入搅拌子的现象，或出现搅拌效果不佳的局面。

为了解决这些问题，提升实验整体的精确性，作者自行设计了以下的装置：

1自动滴液装置

1.1装置构造

实验装置类似于医用点滴吊瓶(如图1)，由玻璃的试剂瓶、两孔胶塞、玻璃导管、橡皮管、止水夹和活动开关组成。

1.2 流速的标定

在自动滴液装置中加入250mL左右的水，分别在不同液位处打开止水夹，使用秒表计时。每放出100mL(精确值)进行一次计时，发现前后两次的耗时纪录之差值在半秒钟之内。

前100mL耗时1°50′73″；

后100mL耗时1°50′57″。

1.3 特点

对自动滴液装置的流速事先进行标定。以设计好的流速滴入有磁力搅拌的盛有冰醋酸的稀释池中。与此同时，计算机上显示时间与乙酸溶液导电性(电流)关系的图像。

整个稀释过程结束后，只需纪录稀释曲线最高点对应的加入蒸馏水的时间，根据事先标定的自动滴液装置的流速，就可以很容易计算得到最高点对应的加入蒸馏水的体积，从而得到稀释冰醋酸时溶液中离子浓度开始变小时候的乙酸浓度值。

1.4 使用方法

使用前先对自动滴液装置流速进行标定。

实验时将控制流速开关滑动至适合挡位，将止水夹打开，使瓶内蒸馏水流出。实验结果时关闭止水夹即可。

1.5 实验装置原理(如图2)

1.6该装置还适用于其它需要匀速滴加液体的化学实验。

1.7可通过调整BC的长度或者C处出液管管口的大小控制容器内液体的流速(或通过调节自动开关控制流速)。

1.8利用标定好的数据，可以设计程序令计算机上作出的图像的横坐标由时间变为体积，这样能更清楚地说明问题。

2 稀释池

2.1装置构造

如图3，选用250mL锥形瓶(相同容积搅拌效果最好)，将其瓶口用玻璃片封口，并截去底部，倒置。瓶颈部刚好能容纳20mL待稀释冰醋酸，放入搅拌磁子。

2.2 优点

该装置解决了两个问题

①该装置达到了同等条件下最好的液体搅拌效果。

②在冰醋酸体积只有20mL的时候，冰醋酸就能浸没自制电极。

2.3 使用方法

电流传感器篇6

关键词:压缩机 无刷直流电机 ML4425 IR2130 单片机

中图分类号:TP319.3 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)04(c)-0032-01

1 硬件结构

本系统主要是有两个大块组成,一个是由ML4425和IR2130组成的对电机控制的调速系统,另一个是以8051单片机为核心的空调的自动控制与显示部分。将他们合理的结合起来就构成一个我们想要实现的有实际功能的系统。

1.1 电机调速系统

ML4425为三相无位置传感器无刷直流电机驱动而设计的专用控制芯片,适用于星形或角型连接的无刷直流电机。采用28脚双列直插或表面封装。可独立实现无刷直流电机的启动和换相,并能实现电流和速度的双重闭环。同时,ML4425提供了完善的保护机制,在过流或欠压时能自动切断驱动信号实现对电动机的保护。IR2130是美国国际整流器公司近年新推出的MOS功率器件专用栅极驱动集成电路。它可以直接驱动中小容量的功率场效应控制晶闸管等,具有六路输入信号和六路输出信号,其中六路输出信号中的三路具有电平转换功能,因而它既能驱动桥式电路中低压侧的功率器件,又能驱动高压侧的功率元件。

1.2 单片机控制系统

单片机采集红外接收器和室温传感器的信号,通过程序运算,启动调速系统调整压缩机运行转数。单片机为整个系统的核心,采用我们熟悉的Intel公司的MCS-51系列单片机。

Intel 8155是一种可编程多功能并行接口芯片。片内有3个并行口PA、PB和PC,其中PA和PB为8位口,PC为6位口,一个可编程的14位定时/计数器和256个字节的RAM区,可以用作I/O口和RAM扩展,是单片机系统中常用的接口电路。采用40引脚双列直插式封装。

在程序中必然要通过Intel 8155芯片的读写来完成数据传送。Intel 8155提供的3个接口是可编程的。CPU通过写命令字来控制对他们的操作,通过读状态字来判断他们的状态。通过Intel 8155芯片建立了单片机与设备的桥梁,实现了数据交换。

2 软件的设计

这个系统采用的Intel的51系列单片机,编程的语言是汇编语言。由于各个器件的基本功能和原理已经介绍过,这里对程序做简单的说明。开机后由温度传感器传来温度信号,然后检测键盘和红外线接收器,是否有信号输入,这些信号的输入也就是设定值的输入。通过一些程序实现对室内温度的控制。如果温度差比较大,可使压缩机转数加大,这样可以快速达到设定的温度。如果温差不是很大,则采用较低的转数工作,这样还可以节省能源。

2.1 程序码

要使各个芯片同时连接在一个单片机上,就要选好各个芯片的工作地址和工作状态,例如:

LOOPSW:MOV DPTR,#1F00H;选中温度传感器的8155

MOV A,#02H

MOVX @DPTR,A ;设置PA为输入口,PB为输出口

LOOPSW1:MOV DPTR,#1F03H

MOV A,#00H

MOVX @DPTR,A;PB口输出清零

LOOPSW2: MOV DPTR,#1F03H;指向PC口

MOV R0,#05H

ORL A,@DPTR

RL A

DJNZ R0,LOOPSW2

MOV A,#00H;把A中数字清零

LOOPSW3: MOV R1,#07H;取其中的7位有效数字

ORL A,@DPTR

RL A

DJNZ R1,LOOPSW3

MOV DPTR,1F02H ;指向PB口

MOVX @DPTR,A ;把温度通过B口送入CPU

MOV R5,A ;将室温传感器的温度存入R5中

LOOPHW: MOV DPTR,#1F03H ; 指向PC口

LOOPHW1: MOV A,#00H

MOVX @DPTR,A ;PB口输出清零

LOOPHW2:MOV DPTR,#3F01H;指向PA 口

MOVX A,@DPTR

MOV R6,A

下面这段程序是一个将设定值与当前温度进行对比的程序。如果温差小于5度,电机将以一个相对较低的电压工作,如果温差大于5度,电机将以额定电压工作。

ML: MOV DPTR,#7F00H;对ML4425的程序

MOV A,#01H

MOV @DPTR,A

CLR C

MOV A,R6;将设定值存入A中,再进行比较

SUBB A,R5

CJNE A,#5,CCC

CCC: JC LOW;如果温差小于5度,转到LOW中

MOV A,#92H;温差大于5度,额定电压工作

MOVX @DPTR,A

ACALL DAY

LOW: MOV A,#4CH

MOVX @DPTR.A

ACALL DAY

RET

将设定温度存入R6中,并显示设定温度值,转入DISPLAY程序中进行显示。

K1:MOV R6=0DH

SJMP DISPLAY

K2:MOV R6=0EH

SJMP DISPLAY

…… ;中间程序不再累述

K12:MOV R6=18H;不同温度的代码分别输入到R6中

SJMP DISPLAY;转入显示程序,显示设定的温度

这是一个延时程序

DAY: MOV R3,#0AH;一个延时程序,10ms,外循环10次

DL2:MOV R4,#7DH;内循环

DL1:NOP

NOP

DJNZ R4,DL1

DJNZ R3,DL2

RET

3 结语

随着空调使用量的不断加剧,研究空调,使其更完美的完成任务是最近的发展趋势。作为心脏的空调压缩机却是人们研究的重点。由于无刷直流电机的很多特点,是多数厂家空调压缩机的首选。本人借鉴了国外的一些研究成果,对于无刷直流电动机的无位置传感器的调速系统做了一些简单的研究,并将其应用在空调上。

参考文献

[1] 周子成.我国空调压缩机制造业的现状和发展方向[J].制冷与空调,2004.

电流传感器篇7

关键词：传感器；检测技术；教学；比较

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）10-0170-02

一、引言

“传感器与检测技术”是自动化类专业的一门专业必修课，主要讲授各种传感器的工作原理、结构组成、测量电路和应用，以及各种过程量的检测技术[1，2]。传感器的种类多，涉及到的转换原理也多，结构复杂，应用广泛。即便是同一种传感器，也有不同的结构组成、激励方式和测量电路。在同一类传感器中，其转换原理、结构形式、测量范围等也有所不同。当学习了多种传感器后，不知道如何在实际应用中选择最为合适的传感器来完成检测任务。学生在学习“传感器与检测技术”课程中存在一定的困难。为此，我们在教学中注重采用比较的方式进行讲授，以便帮助学生更加全面、准确和深刻地理解和掌握各种传感器和检测技术的原理和应用。

二、对同一种传感器进行比较

针对同一种传感器，比较其激励方式和测量电路，以便学生较为全面地掌握这种传感器的工作原理和测量电路。

1.比较不同的激励方式。电涡流传感器有高频激励和低频激励两种方式。高频激励的电涡流传感器称为高频反射式电涡流传感器，用于测量位移、距离。低频激励的电涡流传感器称为低频透射式电涡流传感器，用于测量金属镀层的厚度等。

电磁流量计有正弦波励磁和矩形波励磁两种方式。正弦波励磁产生的交变磁场能有效地降低极化效应，响应速度快。但是，由于励磁磁场一直在变化，容易造成涡流损耗和磁滞损耗，产生正交干扰，使零点不稳定。矩形励磁是目前主流的励磁方式，励磁频率约为工频的1/8～1/32。由于励磁切换时间较短，所以，产生的微分干扰比较小。励磁的平稳段有效地克服了微分干扰和正交干扰；同时，交变的磁场也能抑制极化电压的影响。

2.比较不同的测量电路。差动变压器式传感器输出是交流电压。若用交流电压表测量，只能反映铁芯位移的大小，不能反映其移动的方向。为了达到既能辨别位移的方向，又能消除零点残余电压的目的，常采用差动整流电路和相敏检波电路。差动整流电路是把差动变压器式传感器的两个次级输出电压分别进行整流，然后，将整流后的电压或者电流的差值作为输出。相敏检波电路同样是利用二极管的单向导电性，但是，增加了参考电压对二极管的控制。所以，这两种电路都可以实现信号的解调，但是，前者电路比较简单，后者多了参考电压，有一定的抗干扰作用。

三、对同一类传感器进行比较

我们对传感器进行了归类[3，4，5]：将应变式传感器和压阻式传感器归为电阻式传感器；将自感式传感器、差动变压器式传感器、电容式传感器、电涡流式传感器和压磁传感器归为变阻抗式传感器；将光电器件、光电码盘、电荷耦合器件、光纤传感器和光栅传感器归为光电式传感器；将磁电式传感器、霍尔传感器和压电式传感器归为电动势式传感器式。针对同一类传感器，比较其工作原理、测量范围、应用特点等，以便对它们进行区别，帮助学生理解和记忆。例如，热电阻与热电偶的比较如表1所示，对差动电感式传感器与差动变压器式传感器的比较如表2所示。

四、对相同用途的传感器进行比较

当讲授了各种传感器的原理和应用之后，学生最大的困惑是：针对某一种应用，可以采用不同的传感器去实现，但是，哪种传感器最合适？为此，我们针对应用相同的传感器进行比较。各种测量位移传感器的比较如表3所示，各种测量压力的传感器的比较如表4所示。

五、结束语

在“传感器与检测技术”课程的讲授中，注重采用比较的方式进行教学，帮助学生清楚地认识和掌握同一传感器中的不同激励方式和测量电路，区别和理解同一类传感器在工作原理、结构组成、测量电路和测量范围方面的相同点和差异，熟悉相同用途传感器的适用范围和应用特点。近几年来，“传感器与检测技术”课程考试的不及格率逐年下降；本校学生参加本校研究生入学考试复试时，“传感器与检测技术”课程的笔试和口试成绩逐年提高。

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电流传感器篇8

关键词: 霍尔元件 传感器 应用

中图分类号: TQ153 文献标识码: A文章编号: 1007-3973 (2010) 04-097-02

1 霍尔器件的工作原理

在磁场作用下,通有电流的金属片上产生一横向电位差,这个电压和磁场及控制电流成正比: VH=K|HIC|式中VH为霍尔电压,H为磁场,IC为控制电流,K为霍尔系数。在半导体中霍尔效应比金属中显著,故一般霍尔器件是采用半导体材料制作的。

用霍尔器件,可以进行非接触式电流测量,众所周知,当电流通过一根长的直导线时,在导线周围产生磁场,磁场的大小与流过导线的电流成正比,这一磁场可以通过软磁材料来聚集,然后用霍尔器件进行检测,由于磁场与霍尔器件的输出有良好的线性关系,因此可利用霍尔器件测得的讯号大小,直接反应出电流的大小,即:I∞B∞VH其中I为通过导线的电流,B为导线通电流后产生的磁场,VH为霍尔器件在磁场B中产生的霍尔电压、当选用适当比例系数时,可以表示为等式。霍尔传感器就是根据这种工作原理制成的。

2霍尔传感器的特点

霍尔器件具有许多优点,它们的结构牢固,体积小,重量轻,寿命长,安装方便,功耗小,频率高(可达1MHZ),耐震动,不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔线性器件的精度高、线性度好;霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高(可达μm级)。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽,可达-55℃～150℃。按照霍尔器件的功能可将它们分为:霍尔线性器件和霍尔开关器件。前者输出模拟量,后者输出数字量。

3 霍尔传感器的类型

传感器种类很多,分类标准不一样,叫法也不一样,常见的有电阻传感器、电感式传感器、电容式传感器、温度传感器、压电式传感器、霍尔传感器、热电偶传感器、光电传感器、数字式位置传感器等。在数控机床上应用的传感器主要有光电编码器、直线光栅、接近开关、温度传感器、霍尔传感器、电流传感器、电压传感器、液位传感器等。

4 HST霍尔传感器原理结构

图1 HST霍尔传感器原理结构图

5 霍尔传感器的应用

以HST霍尔传感器在电动自行车上的应用为例来说明:

(1)目前流行的电动自行车、电动摩托车大都使用直流电机,对直流电机调速的控制器有很多种类。电动车控制器核心是脉宽调制(PWM)器,而一款完善的控制器,还应具有电瓶欠压保护、电机过流保护、刹车断电、电量显示等功能。电动车控制器以功率大小可分为大功率、中功率、小功率三类。电动自行车使用小功率的,货运三轮车和电摩托要使用中功率和大功率的。

(2)实例应用

下面是上海某品牌电动自行车控制器,该控制器使用LM324、LM393和LM339制作的有刷控制器可靠性是很高的,就是器件数量多些。该控制器仅用一片LM339制作有刷控制器部分。用另一块LM339制成电量显示部分。显示部分见图3,电路原理见图4所示。

该控制器的调速采用了光电速度转把。由于北方干燥,沙土灰尘大,影响了光电速度转把的使用。实践证明,完全可以用霍尔速度转把替代它。

(3)改装要点

光电速度转把改为霍尔速度转把关键有两点:一是加装+5V稳压电源;二是根据原速度信号输出点信号变化规律,选用相应信号变化的霍尔调速转把。

该有刷控制器以PWM电路为核心,前面有三角波发生器、电瓶欠压检测、电机过电流检测;后面有驱动、功率开关等。每部分都是独立的。检查调试都比较方便。三角波发生器由IC2A、R17、C5、D2、R9、R10等组成施密特振荡器,在C5上产生三角波。脉宽调制器是IC2B,它的输入之一⑥脚,为来自C5上的三角波,输入之二⑦脚,是来自速度转把(J1)①脚的速度信号。从IC2B①脚输出调宽脉冲,送互补推挽放大器。互补推挽驱动由T3、T4组成,脉冲高电平到来,上管NPN管T4导通,12V加到功率管T1、T2的栅极,T1、T2导通;脉冲低电平到来,上管NPN管T4截止。下管PNP管T2导通,将T1、T2栅极的电荷迅速放掉,T1、T2截止。电池欠压保护由IC2C组成电压比较器,当电瓶电压低于31.5V时,它的⒁脚变为低电位,相当于R13输入一端接地,将转把速度信号降到接近零伏。使IC2B①脚呈低电平,T4截止、T3导通;T1、T2截止。过电流保护由IC2D组成电压比较器,当过电流时。R4右端电位变低.通过R5加到IC2D⑾脚,比较器翻转⒀脚变为低电位,同样相当于R13输入一端接地.将转把速度信号降到接近零伏,使T1、T2截止。

以上介绍的是HST霍尔传感器在电动自行车调速控制器中的应用,经以上改装后该控制器的性能更加稳定,适应范围更加宽广。其他控制方面的应用还有很多,这里不再叙述;仅以此文和大家交流。

参考文献:

电流传感器篇9

关键词：电子机械制动传感器；支持向量机回归算法；预测模型

为充分提升电子机械制动传感器系统的稳定性，该领域的学者研究出基于支持向量机回归算法的故障判断方法。因此，探究基于支持向量机回归算法的电子机械制动传感器系统故障分析有着重要意义。

1电子机械制动传感器系统

电子机械制动传感器系统主要包括电子机械制动传感器控制算法，电子机械制动传感器，电子机械制动传感器执行器以及底层控制器。电子机械制动传感器的执行机构主要由执行电机、运动转换机构以及减速机构三部分构成。目标制动力进入电子机械制动传感器的底层控制器中的控制电路转化为信号，传入驱动电路，进而导入电流传感器当中。电压信号从电子机械制动传感器底层控制器中传入电机中，依次进入减速机构运动转换装置、压力传感器以及制动钳这一系列环节构成了电子机械制动传感器的执行器。部分信号会由电子机械制动传感器、执行器传递到电子机械制动传感器底层控制器中，这一系列流程构成了电子机械制动传感器系统。电子机械制动传感器控制系统运用了三闭环控制算法。三闭环结构从内至外依次为电流环、转速环以及压力环。其中的主要控制环为压力环，借助转速环对电机的响应速度进行相应的增强，电流环的作用主要是消减压力变化阶段以及启动阶段带来的电流扰动[1]。上述分析表明，借助闭环控制结构，传感器系統能够为电子机械制动传感器的控制器提供重要信息。这进一步表明，电子机械制动传感器的性能直接决定电子机械制动传感器系统能否正常运转。

2支持向量机回归算法原理

在应用于问题分类处理阶段，支持向量机原理是借助找寻分类面的最优状态。对相关样本进行正确分类操作。而将上述操作步骤推广开来，借助数据样本来进行实函数估计为支持向量机回归原理。借助支持向量进行问题分类的具体表述为，在一组训练样本中，，借助非线性映射，将传统空间映射到高维度特征空间，在此处空间中构造超平面，进而将原本的非线性问题分类转化为线性问题分类。使用支持向量机回归算法不能对上述问题直接进行求解，由于很难找到非线性映射的具体模式，因此常用核函数进行替代。借助核函数算法，能够将原本的高维度特征空间的运算转化为低维度特征空间的运算。核函数的定义为任意满足mercer条件的函数，进而可将原本复杂的运算问题转变为优化对偶问题。对于支持向量机回归算法可以采用时间滚动方式进行学习。在增量学习的过程中，样本呈递增态势，随着时间的变动，样本的数量也会持续增加，但新增的样本不一定会对支持向量回归产生直接影响。若新增样本出现传统样本集中不具备的信息，那么支持向量就会出现一定程度的变动；若是新增样本出现了传统样本集中的信息，那么支持向量就不会产生相应的变动。

3基于支持向量机回归算法的电子机械制动传感器系统故障分析

基于支持向量机回归算法对电子机械制动传感器系统进行故障分析，主要是针对电子机械制动传感器系统中的压力、转速以及电流三个电子机械制动器传感器进行故障分析。首先需要建立基于支持向量机的预测模型，然后将电子机械制动传感器实测的残差值与基于支持向量机预测模型的估计值比对，进而得出相应的故障分析结果，并对故障分析结果进行相应分类。下文将依照压力、信号转速以及电流在空间和时间的冗余关系中建立两个独特的基于向量机回归算法的预测模型。此种预设方式比依照压力、信号转速以及电流三者各建立一个基于支持向量机回归算法的预测模型有着更高的效率。在具体的实验进程中，首先收集两组对照电子机械制动传感器的样本值。两组样本分别为由转速信号和电流构成的样本，以及由压力信号和电流构成的样本[2]。以当前时刻k为基准，记录过往时刻的连续数据。将过往样本各连续时刻的压力值与电流值作为输入性样本，以某一特定时刻的压力值和电流值为输出样本，建立相应的支持向量机回归算法的模型。待基于支持向量机回归算法的预测模型设置完成后，借助过去某一特定时刻的样本值。对当前传感器的传输值进行预测。两组电子机械制动传感器对照组基于支持向量机回归算法的预测模型一和二会出现两个不同的输出值。将两个来自于不同预测模型的估计值与现场的电流值进行比对，然后两两做差形成序列残差。其中残差值一包括了电流和转速信号在空间与时间方面的冗余信息，残差值二包括了电流与压力信号，在空间与时间方面的冗余信息；残差值三包括了压力信号、电流以及转速信号在空间与时间方面的冗余信息。基于上述分析我们可以假设在时刻k电子机械制动传感器出现故障，则时刻k的电流值将与电子机械制动传感器系统正常的输出电流值存在一定的偏差。由于时刻k前后的任意时刻的电流测量值都是准确的，则基于支持向量机回归算法预测模型计算出的电流输出值更为接近电子机械制动传感器系统的正确电流输出值，这就会导致残差值一与残差之二出现显著变化，残差值三基本不会出现变动。当电子机械制动传感系统的转速传感器在时刻k出现故障时，时刻k的电流测量值将偏离电子机械制动传感器系统的正确电流输出值；当电子机械制动传感器系统的压力传感器在时刻k出现故障时，残差值一基本不会出现变动；残差值二与残差值三会出现显著变化。基于上述分析，采用支持向量机回归算法对电子机械制动传感器系统故障的分析过程为，收集样本、数据处理、建立支持向量机预测模型形成残差值，进而判断系统故障原因。

电流传感器篇10

【关键词】煤矿；安全监控系统；分时上电；传感器

1.引言

煤矿安全监控系统是国家强制要求安装的“六大系统”之一，是煤矿安全生产的重要保证。在煤矿安全监控系统中，井下监控分站和矿用传感器基本都采用集中本安电源供电方式，即一路本安电源带若干个传感器，当出现本安电源上电，短路、断线等故障恢复等情况时，监控分站与其挂接的所有传感器都会全部重新上电复位重启，目前已有一些提高本安电源带负载数量的措施，比如软起动技术等，但也无法实现真正的电流零冲击，往往设置限流值也较大，传感器供电采用同步上电方式，因矿用传感器上电启动时的峰值电流一般都较稳定后正常工作电流大很多，集中同步上电时要求矿用电源提供的电流远大于正常工作要求的电流，因本安电源的容量的限制，使本安电源所带传感器数量受限，如配接的传感器数量较多，本安电源容量裕量较小，还会使系统的不稳定性几率增加。往往无法实现超远距离的远程供电要求

2.平衡分时上电控制技术

目前国内部分厂家的新型矿用传感器都采用了软启动设计和低功耗芯片设计，传感器启动电流较传统的设计方式上电冲击电流大大减小，但由于传感器输入电源存在工作电压要求范围宽的问题，一般要求为DC（9～24）V，设计时需满足低端的启动限制，这样软启动设计的最大限制电流往往比负载正常工作电流大，而且如在设计时启动电流限制太小，则会导致负载内部电容不能及时充满电，电源输入提供的功率赶不上消耗的功耗，从而导致启动失败的问题。

图1 安全监控系统平衡分时上电模型

图2 传感器内部平衡分时上电控制模块控制框图

平衡分时上电控制技术主要是将启动电流在值域向时域进行转换，根据实际设计时的各电路功能模块的负载曲线对系统累积电流值进行平衡处理的方法。目前分时上电技术已开始应用于多个领域，如华为、华三、曙光集群服务器集中供电领域就采用了该技术，在煤矿领域的矿井风压自动监测报警系统中已开始有部分应用，该技术可在很大程度上减少累积冲击电流以提高系统实际负载能力，增强系统的稳定性。

煤矿安全监控系统的平衡分时上电控制设计可以分为设备之间的平衡分时上电控制和设备内部的平衡分时上电控制两部分.设备之间的平衡分时上电控制原理如图1所示，控制方法是……。设备内部的平衡分时上电控制如图2所示，控制方法是……。

3.平衡分时上电的设计方法

3.1 监控系统各组成的矿用传感器分时上电设计

矿用传感器主要采用模拟量或数字量传输，采用RS485总线传输的智能传感器都有通讯总线上的唯一识别地址，传感器上设计有一超低功耗分时上电管理模块，内含一超低功耗微处理器，如可选用MSP430、AVR系列功耗在μA级的单片机，传感器上电后低功耗单片机根据已存储的唯一地址号作为分时时间计算因子，计算出偏移时间，各传感器根据偏移时间独立分时启动自身的电路模块，最终达到正常的稳态工作模式。

图3 本安电源侧上电后输出电流曲线

如图3中所示，a为传感器无任何启动保护下工作电流曲线，b为传感器具有软启动功能电流曲线，c为所有传感器分时上电且有软启动功能累积电流曲线图。

I1（max）为方式a时所有传感器最大工作电流，I2（max）为方式b时所有传感器最大工作电流，I3（max）为方式c时所有传感器最大工作电流，三个工作方式下的电流大小关系和启动时间关系是：I1’（max）>I3’（max）>I3’（max），t3’>t2’>t1’，由图可知，在采用分时上电控制时传感器上电电流曲线平滑，冲击很小，但从上电到稳态时间相对较长。

3.2 矿用传感器内部平衡分时上电的设计

矿用传感器一般由传感检测模块、电源管理模块、显示与驱动电路模块、数字通讯电路模块、信号输出模块、报警驱动电路模块、单片机处理及电路模块等。如瓦斯传感器探头功能稳态时约0.36W（3Vх120mA），上电瞬态电流约为0.9W，随温度升高电流逐渐下降直120mA，显示及驱动电路模块部分功耗约0.15W，单片机及AD等模块约0.06W，其他电路部分估算为0.03W左右，累积功耗约0.6W，根据平衡分时上电设计方法，分时上电模块将依次启动单片机及电路，显示模块，探头模块等，减少各模块工作电流的累加的最大峰值。

图4 单台传感器工作电流曲线图

图4中，a为无任何软启动保护下工作电流曲线，b为具有软启动功能电流曲线，c为分时上电且有软启动功能电流曲线图，I1（max）为方式a时最大工作电流，I2（max）为方式b时最大工作电流，I3（max）为方式c时最大工作电流，三个工作方式下的电流大小关系和启动时间关系是：I1（max）>I3（max）>I3（max），t3>t2>t1。

采用分时上电控制技术的传感器最大工作电流将大幅度减少，稳态后和原传感器电流相等，采用分时上电技术可减少传感器在实际使用时的远端最小工作电压，降低启动阶段的线路损耗，可较大的延长传感器的实际供电距离。

4.平衡分时上电设计在系统中的作用

4.1 增加监控系统传感器传输距离

分时上电控制可有效的减少传感器最大瞬态电流，减少传输电缆终端传感器的实际最小工作电压，可实现在远端最低启动电压由DC（11～12）V降低到DC（8～9）V左右，从而大大延长传感器供电距离。

4.2 提高单路本安电源的实际带载能力

分时上电控制技术可降低单台传感器的启动允许电流，减轻了本安电源的负载，可提高监控系统中本安电源的实际带载能力，可增加实际使用过程中，单独电源允许挂接的矿用传感器数量。

4.3 减少传感器之间干扰提高系统的稳定性

在相同的传感器负载情况下，系统启动和稳态后最大的累积电流大大减少，离本安保护电流余量值较大，可大大提高监控系统的稳定性和可靠性。

5.结语

本文通过对煤矿井下安全监控系统集中供电存在的问题进行分析，采用平衡分时上电控制技术可最大限度的平滑启动电流曲线，减少同一电源下的多个传感器最大电流累积值，减少对本安电源的冲击，提高系统的稳定性，同时也可大大延长传感器的供电距离，保证了煤矿安全监控系统运行的安全、稳定和可靠。

参考文献

[1]孙继平.煤矿安全生产理念研究[J].煤炭学报，2011， 36（2）.

[2]梁秀荣，朱小龙.煤矿安全监测监控系统有关问题的探讨[J].煤炭科学技术，2006（8）.

[3]矿用传感器超远距离传输技术研究[J].矿业安全与环保，2012（3）.

[4]白鹏.煤矿瓦斯检测、监测与甲烷传感器[J].大众标准化，2006（S1）.

[5]李俊.数字集成电路设计中的低功耗分析[J].肇庆学院学报，2009（5）.

[6]张耀丽，王凤英.矿井安全生产检测监控系统的设计[J].机械管理开发，2009（5）.