重量传感器

在工业自动化生产过程中，力传感器发挥着重要作用，它可以帮助设备实现高精度、高效率的自动化控制。力标准机是力值量传的标准设备，能够确保各行业力值计量器具的准确性。开展超大力值的力传感器研究，构建超大力值试验能力，有助于提升我国大力值传感器领域的技术水平，不断提高行业整体基础技术和共性技术能力。上海仪电旗下上海工业自动化仪表研究院有限公司面向工业领域超大力值测量及应用需求，于2019年承担起上海市工业强基专项“超大力值传感器和100MN力标准测力机研制及应用”项目。验算建模，力标准机主体设备一次吊装成功！100MN力标准机装置的总重量约500吨，其中最重的结构件约80吨，四根方立柱的长度近12米，约30吨/根，需从20米高的安装孔中垂直吊装进入场地，并直接安装就位。不仅安装难度极高，而且由于结构件重量重、长度长，吊装存在较大安全风险。项目研发团队通过反复验算、建模，并结合实地测量，最终确定了安装施工方案和安全防护方案。2021年1月25日，随着四辆巨型运输车抵达自仪院松江分院，项目迎来了最为重要的建设环节——力标准机主体设备吊装。在项目研发团队、安装技术人员、安全管理人员的全力配合保障下，主体设备仅用2天就一次吊装就位，确保了安装过程的安全可控。驻守现场，保障国际首台套设备研制进度！2021年初，在100MN标准测力机建设调试阶段，项目调试进程遇到了挑战。为保障设备研制进度，自仪院项目研发团队、安装技术人员迎难而上，连续两个月驻守现场展开了持续调试。在一次调试中，在回程卸压到3000吨时，突发液压无法正常卸载，问题非常棘手。调试人员尝试通过松动管路密封卡套螺帽，实现液压缸的卸荷。刚松开3圈时油液四射，调试人员在保障安全的前提下，浑然不顾全身淋满了液压油，当即先控制住了液压油管。最终查明原因是由于狭小的阀芯被堵塞进而导致回油不畅，问题得到了及时解决。最终，项目团队克服重重困难，顺利完成100MN标准测力机一次性满负荷加载试压试验，为项目后续落地应用争取了宝贵时间。突破瓶颈，关键核心技术获多项国外发明专利！自仪院充分发挥转制科研院所的经验优势，项目研发团队着力攻克关键核心技术难题，陆续突破了材料研制难关、传统热处理工艺、传感器结构优化等多个瓶颈。其中，“精度检测方法技术”获得美国、欧盟、日本和韩国多项国际发明专利。2020年6月，新研制的金属材料试制的测力传感器性能测试结果不理想。项目团队开始通宵达旦分析讨论，终于找出问题在于采取的热处理制度不能满足传感器的要求。分析结果指明了努力方向，经过艰苦攻关，最终制成的测力传感器性能得到了大幅改善，这意味着在传感器材料和热处理工艺方面向前迈出了一大步。自2019年开始，项目历时4年时间，成功研制70MN超大力值传感器，以及国际首台套100MN力标准测力机装置，综合技术达到国内领先、国际先进水平。从2023年起，项目研制的超大力值传感器、张力传感器“及测量系统装置已经在国内钢厂几十条热轧或冷轧生产线现场进行了国产化替代应用，并走向海外市场。通过持续完善改进，产品已达到与国外同类产品的同等技术水平。

根据应用场景选择合适传感器光学气体传感器是多种分析设备的核心部件，直接决定了仪器的性能指标和功能，仪器设计之初，传感器选型非常重要。市面上各种原理、各个厂家的光学气体传感器琳琅满目，指标参数参差不齐，要如何选择最合适、性价比最高的传感器呢？实际上每款传感器都有其优缺点和适用范围，要么性能指标有优势，要么可靠性更值得信赖，要么价格便宜等等。要根据具体需求和应用场景选择合适传感器，比如经常要测量组分繁杂、湿度高的气体，最好选择UVDOAS、FTIR这类色散分光原理的气体传感器。关于传感器的性能、体积、功耗、扩展性、价格等要综合权衡。 传感器性能指标权衡选择光学气体传感器，首先传感器的关键指标参数要优于预研仪器的设计参数，除体积重量外，一般要考虑以下几点要素，（每个要素都很复杂，本期先简单描述，后面几期再根据反馈详细分析）：1. 测量气体种类和干扰。前者好理解，要和仪器的目标气体一致，比如开发环境空气CO2分析仪器选择低量程LY-NDIR双通道CO2模块就完全能满足要求，但在背景气中有干扰组分的就要同时考虑干扰组分的同时测量，这是很多仪器开发者经常忽略的问题。比如开发污染源SO2分析仪选择NDIR原理就要考虑烟气常见组分CH4的干扰，因为红外波段CH4在SO2吸收峰处同样有吸收，会带来正干扰，当然选择紫外差分原理的如LY-UVDOAS系列的传感器就不用考虑CH4干扰。2. 量程、检出限和线性误差。分别代表了传感器的实际测量范围、最低响应浓度和结果正确度，其中量程和检出限指标是一对有点矛盾的参数，一般长光程设计的传感器，会有低的检出限和量程指标，反之亦然，当然，也有少数高端的传感器可以两者都兼顾，比如崂应的UVDOAS系列传感器，通过自适应调整光谱波段算法，测超低浓度时选择强吸收谱段反演计算测，超高浓度时选择弱吸收谱段反演计算，这样两个参数都能获得很优秀的指标。3. 响应时间、重复性和稳定性响应时间一般是T90、T10，表征了传感器的响应速度，跟气室体积、气体流速和平滑算法都有关系，因此也与精度、检出限指标有点负相关。关于重复性和稳定性，一般是在环境条件稳定的情况下，反复多次测量结果的一致性程度。4. 漂移（零漂、量漂）和适用温度范围漂移指标分为不同时间的漂移，常见的有1h/4h/8h/24h/月/年漂移，便携式仪器，小时漂移更重要，在线运行仪器月漂移也很重要，这关系到仪器设计或运行时的调零周期，有些仪器还需要设计自动调零气路。适用温度范围，在本文中不仅指传感器可工作的温度范围，还代表确保传感器精度/线性误差满足指标的温度范围，温度对光学气体传感器的影响非常大，所以需要确定精度是在什么温度范围内能满足。有些传感器比如崂应UVDOAS/NDIR/NDUV系列，采取了大量的措施确保了温度适用性，指标表里的误差均是指在工作温度范围内都能满足的误差；也有很多传感器指标误差中仅仅在室温条件满足（有些在指标表中看不出，有些会用温度漂移1℃示值漂移不超过满量程的多少来描述），这样就意味着仪器设计中要考虑增加对气体传感器应用环境的恒温设计或温度补偿算法，以满足仪器的高低温性能指标要求，据了解在多个领域的标准中都有仪器高低温适用性指标要求，毕竟仪器的客户群体大多分布在全国各地，四季温差、昼夜温差跨度非常大。5. 考虑升级和可扩展性，在仪器整个生命周期中，满足当前设计指标就可以？还是会根据市场需求而扩展升级（这种情况在快速发展的行业中是经常出现的，污染源监测行业指标就一直随着环保需求而不断收紧）？如果是后者，在核心传感器选型时就要考虑传感器的指标可扩展性，市面有少数高端传感器具备扩展空间，比如崂应的大部分UVDOAS传感器和NDIR传感器可以在硬件不变的情况下升级扩展量程，LY-UVDOAS更是可以在原基础上扩展测量气体的种类，然而这些扩展功能是基于深厚的技术水平的，能做到、做好的不多，有仪器扩展升级考量的要仔细甄别，选择对的传感器，有利于仪器的快速升级、缩减研发时间和成本。关于光学气体传感器的价格和价值这是个有意思的话题，本文简单一说。市面上不同传感器价格差异很大，这跟很多因素有关，最关键的还是指标。有些传感器是半定量的，有个不离谱的示值就可以，仅作为一个参考，这种很便宜；有些较准确，可以作为阈值判断用，价格一般；有些给出精确示值，比如误差在±5%以内，属于工业级的，价格较高；有些更高端的传感器给出更精确示值、表现非常好的环境使用性，比如误差在±2%甚至±1%以内，价格很高。不同等级的传感器，价格差异是数量级的，毕竟气体传感器做到一定精度指标之后，每一点小的提升，都会需要付出很高的成本代价去实现。所以，要根据预研仪器的要求和定位选择最合适的传感器。另外，传感器的附加值差异也很大，比如价格对比时，不要单独看一个传感器的价格，要看测一种气体的价格，比如多通道LYNDIR传感器一种气体的价格就明显低于多个单一气体传感器，同时去除了相互间的干扰，节省了体积，对仪器设计而言，增加功能同时省时、实力、省空间，性价比自然高很多。关于传感器之外的隐形附加价值也要权衡。比如购买崂应的传感器，就附加了定制化的解决方案，协助根据应用场景选择最佳好传感器、设计时用好，高质量的售后服务和可能的升级空间。最后，传感器基本选好了后，还要实测，尤其上文中提到的几个关键指标，毕竟光学气体传感器良莠不齐，自己测过才知道。欢迎致电崂应咨询交流。

未来值得关注的四大领域　　随着材料科学、纳米技术、微电子等领域前沿技术的突破以及经济社会发展的需求，四大领域可能成为传感器技术未来发展的重点。　　一是可穿戴式应用。据美国ABI调查公司预测，2017年可穿戴式传感器的数量将会达到1.6亿。以谷歌眼镜为代表的可穿戴设备是最受关注的硬件创新。谷歌眼镜内置多达10余种的传感器，包括陀螺仪传感器、加速度传感器、磁力传感器、线性加速传感器等，实现了一些传统终端无法实现的功能，如使用者仅需眨一眨眼睛就可完成拍照。当前，可穿戴设备的应用领域正从外置的手表、眼镜、鞋子等向更广阔的领域扩展，如电子肌肤等。日前，东京大学已开发出一种可以贴在肌肤上的柔性可穿戴式传感器。该传感器为薄膜状，单位面积重量只有3g/m2，是普通纸张的1/27左右，厚度也只有2微米。　　二是无人驾驶。美国IHS公司指出，推进无人驾驶发展的传感器技术应用正在加快突破。在该领域，谷歌公司的无人驾驶车辆项目开发取得了重要成果，通过车内安装的照相机、雷达传感器和激光测距仪，以每秒20次的间隔，生成汽车周边区域的实时路况信息，并利用人工智能软件进行分析，预测相关路况未来动向，同时结合谷歌地图来进行道路导航。谷歌无人驾驶汽车已经在内华达、佛罗里达和加利福尼亚州获得上路行使权。奥迪、奔驰、宝马和福特等全球汽车巨头均已展开无人驾驶技术研发，有的车型已接近量产。　　三是医护和健康监测。国内外众多医疗研究机构，包括国际著名的医疗行业巨头在传感器技术应用于医疗领域方面已取得重要进展。如罗姆公司目前正在开发一种使用近红外光(NIR)的图像传感器，其原理是照射近红外光LED后，使用专用摄像元件拍摄反射光，通过改变近红外光的波长获取图像，然后通过图像处理使血管等更加鲜明地呈现出来。一些研究机构在能够嵌入或吞入体内的材料制造传感器方面已取得进展。如美国佐治亚理工学院正在开发具备压力传感器和无线通信电路等的体内嵌入式传感器，该器件由导电金属和绝缘薄膜构成，能够根据构成的共振电路的频率变化检测出压力的变化，发挥完作用之后就会溶解于体液中。　　四是工业控制。2012年，GE公司在《工业互联网：突破智慧与机器的界限》报告中提出，通过智能传感器将人机连接，并结合软件和大数据分析，可以突破物理和材料科学的限制，并将改变世界的运行方式。报告同时指出，美国通过部署工业互联网，各行业可实现1%的效率提升，15年内能源行业将节省1%的燃料(约660亿美元)。2013年1月，GE在纽约一家电池生产企业共安装了1万多个传感器，用于监测生产时的温度、能源消耗和气压等数据，而工厂的管理人员可以通过iPad获取这些数据，从而对生产进行监督。超声波气象站集合了7个传感器，为工业生产提供了一流的天气监测信息，为预防一些灾害事件提供可靠信息，从而提高效率，降低和总的成本。　　此外，荷兰壳牌、富士电机等跨国公司也都在该领域采取了行动。