我国传感器的发展史以及其在轧钢中的应用

我国传感器的发展史以及其在轧钢中的应用

于丙强1，3,4，付广洋2

（1.燕山大学环境与化学工程学院，河北秦皇岛066004；2. 燕山大学环境与化学工程学院，河北秦皇岛066004；3. 燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心；4.燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室）

摘要:简要介绍了我国传感器的发展了历史，重点介绍了各类传感器的类别定义以及应用，详细介绍了传感器在我国轧钢行业中的应用。

关键词: 传感器；张力传感器；轧钢。

中图分类号：TG333.17

■0 引言

传感器技术作为信息技术的三大基础之一，是当前各发达国家竞相发展的高技术是进入21 世纪以来优先发展的十大顶尖技术之一。传感器在科学技术领域、工农业生产以及日常生活中发挥着越来越重要的作用。人类社会对传感器提出的越来越高的要求是传感器技术发展的强大动力，而现代科学技术突飞猛进则提供了坚强的后盾。传感器是信息系统的源头, 在某种程度上是决定系统特性和性能指标的关键部件。本文回顾了传感器技术的发展历史，综述了近几年传感器主要研究状况，以及举例说明了张力传感器在轧钢行业中的应用，并进一步展望了现代传感器技术的发展和应用前景。

■1 我国传感器的发展史

■1.1 传感器的定义

传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会(IEC:International Electrotechnical Committee)的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。按照Gopel等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的传感器”。传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。

传感器是将物理、化学、生物等自然科学和机械、土木、化工等工程技术中的非电信号转换成电信号的换能器。当今社会的发展是信息化社会的发展，在信息时代人们的社会活动将主要依靠对信息资源的开发及获取、传输与处理，而传感器是获取自然领域中信息的主要途径与手段，是现代科学的中枢神经系统，它是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感

受(或响应)与检出功能，并使之按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元器件或装置的总称。传感器处于研究对象与测控系统的接口位置一切科学研究和生产过程所要获取的信息都要通过它转换为容易传输和处理的电信号。如果把计算机比喻为处理和识别信息的大脑，把通信系统比喻为传递信息的神经系统，那么传感器就是感知和获取信息的感觉器官。传感器技术是现代科技的前沿技术，发展迅猛，同计算机技术与通信技术一起被称为信息技术的三大支柱，许多国家已将传感器技术列为与通信技术和计算机技术同等重要的位置现代传感器技术具有巨大的应用潜力拥有广泛的开发空间，发展前景十分广阔。

■1.2.传感器的发展历史及分类

■1.2.1传感器技术的发展历史

传感器技术是20世纪的中期才刚刚问世的，在那时与计算机技术和数字控制技术相比，传感技术的发展都落后于它们，不少先进的成果仍停留在实验研究阶段并没有投入到实际生产与广泛应用转化率比较低。在国外，传感器技术主要是在各国不断发展与提高的工业化浪潮下诞生的，并在早期多用于国家级项目的科研研发以及各国军事科技航空航天领域的试验研究。然而，随着各国机械工业、电子、计算自动化等相关信息化产业的迅猛发展，以日本和欧美等西方国家为代表的传感器研发及其相关技术产业的发展已在国际市场中逐步占有了重要的份额。

我国从20世纪60年代开始传感技术的研究与开发，经过从“六五”到“九五”的国家攻关，在传感器研究开发、设计、制造、可靠性改进等方面获得长足的进步，初步形成了传感器研究、开发、生产和应用的体系，并在数控机床攻关中取得了一批可喜的为世界瞩目的发明专利与工况监控系统或仪器的成果。但从总体上讲，它还不能适应我国经济与科技的迅速发展，我国不少传感器信号处理和识别系统仍然依赖进口。同时，我国传感技术产品的市场竞争力优势尚未形成产品的改进与革新速度慢生产与应用系统的创新与改进少。

■1.2.2传感器的分类

传感器可从不同角度分类。从被测量不同, 分为几何机械量( 例如尺寸、角度、表面参数、位移、速度、加速度、角位移、角速度等) , 热工量( 例如温度、压力、流量、密度、黏度、质量等) , 光学量( 强度、功率、波长、频率、相位、速度、脉宽、延迟、折射率、束散角等) , 声学量, 生物参数, 医学量( 生理参数) 等。从传感器的输出不同, 可分为模拟信号( 连续波和脉冲波) , 数字信号, 电压和电流等传感器。

■1.2.3.现代传感器技术的发展趋势和应用前景

目前的传感器，无论在数量上、质量上和功能上，远远不能适应社会多方面发展的需要。

当前，人们在充分利用先进的电子技术条件，研究和采用合适的外部电路以及最大限度地提高现有传感器的性能价格比的同时，正在寻求传感器技术发展的新途径。特别是电子设计自动化（EDA）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）、数字信号处理（DSP）、专用集成电路（ASIC）及表面贴装技术（SMT）等技术的发展，极大地加速了传感器技术的发展,

由于传感器具有频率响应、阶跃响应等动态特性以及诸如漂移重复性、精确度、灵敏度、分辨率、线性度等静态特性，所以外界因素的改变与动荡必然会造成传感器自身特性的不稳定，从而给其实际应用造成较大影响，这就要求我们针对传感器的工作原理和结构，在不同场合对传感器规定相应的基本要求，以最大程度优化其性能参数与指标，如高灵敏度、抗干扰的稳定性、线性、容易调节、高精度、无迟滞性、工作寿命长、可重复性、抗老化、高响应速率、抗环境影响、互换性、低成本、宽测量范围、小尺寸、重量轻和高强度等。同时，根据对国内外传感器技术的研究现状分析以及对传感器各性能参数的理想化要求，现代传感器技术的发展趋势可以从四个方面：分析与概括一是开发新材料、新工艺和开发新型传感器；二是实现传感器的多功能、高精度、集成化和智能化；三是实现传感技术硬件系统与元器件的微小型化；四是通过传感器与其它学科的交叉整合实现无线网络化。

■1.2.4利用新材料开发新型传感器

随着光导纤维、纳米材料超导材料等相继问世，人工智能材料给我们带来了福音，它具有能够感知环境条件的变化（传统传感器）的功能，识别、判断（处理器）功能，发出指令和自采取行动（执引器）功能，利用这样具有新效应的敏感功能材料使研制具有新原理的新型传感器成为可能。

■1.2.4集成化多功能传感器的开发

集成化是指传感器同一功能的多元件并列以及功能上的一体化前一种集成化使传感器的检测参数实现“点、线、面、体”多维图像化甚至能加上时序控制等软件，变单参数检测为多参数检测；后一种集成化使传感器由单一的信号转换功能，扩展为兼有放大、运算、补偿等多功能的传感器。在实际运用中，常做到硬件与软件两方面的集成，它包括：传感器阵列的集成、多功能和多传感参数的复合传感器；传感系统硬件的集成；硬件与软件的集成；数据集成与融合等。

而多功能是指“一器多能”即一个传感器可以检测两个或两个以上的参数，这样可大大节省工程成本并使项目复杂度降低，提高了工作效率运用集成化多功能理论研制出的传感器可以应用到更广泛的领域，并发挥出更加强大的功能效用，利用集成化多功能原理，现代

传感技术已制成带温度补偿的集成压力传感器频率输出型集成压力传感器、霍尔集成传感器、半导体集成色敏传感器、多维化集成气敏传感器等。

在智能化传感技术方面，以微处理器为核心单元，具有检测、判断和信息处理等功能；硬件上由微处理器系统对整个传感器电路、接口信号转换进行处理调整；软件上进行非线性特性校正，误差的自动校准和数字滤波处理，从而形成传感技术的智能化系统。

■1.2.5实现传感技术硬件系统与元器件的微小型化

利用集成电路微小型化的经验，从传感技术硬件系统的微小型化中提高其可靠性、质量、处理速度和生产率，降低成本，节约资源与能源，减少对环境的污染。这种充分利用已有微细加工技术与装置的做法已经取得巨大的效益，极大地增强了市场竞争力。

■1.2.6传感器与多学科交叉融合，推动无线传感器网络的发展

无线传感器网络是由大量具有无线通信与计算能力的微小传感器节点构成的自组织分布式网络系统利用微传感器与微机械、通信自动控制、人工智能等多学科的综合技术，实现传感器的无线网络化使其能根据环境自主完成指定任务

由此可见，现代传感器技术具有巨大的应用潜力，拥有广泛的开发空间。面对当前各项技术尚未完善的局面，我们有理由相信，传感器技术的发展道路上充满机遇。在不久的将来，传感器技术会得到更快速的发展，并应用到更广泛的领域，成为人类生产生活中不可或缺的科技产品。

■1.2.7传感器的虚拟化和网络化

自20 世纪90 年代以来，一种全新概念“虚拟化”正获得愈来愈广泛的应用。虚拟传感器是传感器、计算机和软件这三者的有机结合，构成软硬结合、实虚共体的新一代传感器这种传感器是基于计算机平台并且完全通过软件开发而成，利用软件来建立传感器模型、标定参数及标定模型，以实现最佳性能指标。如美国B＆K 公司最近已开发一种基于软件设置的TEDS 型虚拟传感器，其主要特点是每只传感器都有唯一的产品序列号并附带一张软盘，软盘上存储着该传感器进行标定的有关数据。使用时，传感器通过数据采集器接至计算机，首先从计算机输入该传感器的产品序列号，再从软盘上读出有关数据，然后自动完成对传感器的检查、传感器参数的读取、传感器设置和记录工作。此外，专供开发虚拟传感器产品的软件工具也已面市了。网络传感器是包含数字化传感器、网络接口和处理单元的新一代智能传感器。这里讲的网络已不限于传感器总线，还应包括现场总线、局域网和因特网。数字传感器首先将被测参数转换成数字量，再送给微处理器做数据处理，最后将测量结果传输给网络，以便实现各传感器之间、传感器与执行器之间、传感器与系统之间的数据交换及资源共享

■1.2.8研究生物感官，开发仿生传感器

大自然是生物传感器的优秀设计师，它通过漫长的岁月，不仅造就了集多种感官于一身的人类本身，而且还设计了许许多多的功能奇特、性能高超的生物传感器。如狗的嗅觉（灵敏阈为人的10 倍）、鸟的视觉（视力为人的8～50 倍）、蝙蝠、海豚的听觉（主动型生物雷达———超声波传感器）、蛇的接近觉（分辩率达0.001℃的红外测温传感器）等等。这些生物的感官性能,是当今传感器技术所望尘莫及的。研究它们的机理,开发仿生传感器（包括视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉传感器等）也是引人注目的方向。目前只有视觉与触觉传感器得到了比较好的发展。

■1.2.9. 我国传感器发展应采取的措施

当前，我国传感器产业正处于由传统型向新型传感器发展的关键阶段，它体现了新型传感器向微型化、多功能化、数字化、智能化、系统化和网络化发展的总趋势。我国在传感器生产产业化过程中，应该兼顾引进国外技术和自主创新两方面。在引进国外先进技术中，可以提高自己的技术，同时也满足了国内市场的需求，形成了传感器生产产业规模。今后国内传感器产业发展应采取以下措施：：

(1)加大科技投入, 保证传感器技术及其产业的可持续发展。从战略发展考虑，国家应加大科技投入力度同时，国家在执行投资倾斜政策时，要注意支持传感器行业的骨干企业和特色企业，通过技术改造提高档次、扩大规模；重点支持具有发展潜力的地区形成生产基地，培育出传感器产业新的经济增长点。

(2)加大自主创新，提升自主知识产权比例。

21世纪传感器发展的总趋势是微型化、集成化、多功能化、智能化、网络化，传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高, 尤其是微机械加工与微米/纳米技术。我国应在现有技术基础上，在广泛吸收、消化、跟踪国外先进技术的同时，加大技术创新，努力发展专用技术、特色技术、自主知识产权技术要以提高企业自身的创新与开发能力为突破口,采取以企业为主体、高等院校和科研院所广泛参与，利益共享、风险共担的产、学、研联合的机制,组织协同攻关，占领技术制高点, 增强企业核心竟争力，并逐步实现自主开发、自我发展的良性循环，创造出具有自主知识产权的名牌产品。

(3)加快科技人才开发。

传感器产业要生存、要发展、要振兴、要参与国内外市场竞争并立于不败之地，从某种意义上说是人，或者说是高科技人才在起决定性作用。在此情况下，应大力开展人力资源开发，加快培养与造就科技人才，培养新一代的传感器专家。

(4) 建立有利干传感器技术快速转化的高效运行机制。以抓改革、抓创新、抓质量、抓市场、抓管理为主要任务，以传感器产业发展上规模、上档次、争份倾、创利润为主要目标，建立有利于传感器技术与经济紧密结合、促进其科技成果快速转化的高效运行机制，基本形成传感器产学研科技经济一体化的发展模式，努力实现传感器产业从速度数量型向质量效益型转变，以达到技术经济双升级，创新创业双赢的成效。

■1.3.结论

现代传感器技术具有巨大的应用潜力，拥有广泛的开发空间。传感器是信息系统的源头。在客观对象的测量、测试、检测、监测、分析、定位、跟踪、导航、制导、控制及健康管理等系统中, 传感器是不可缺少的且在一定程度上是决定系统性能的重要部件。因此,无论是材料、元器件和部件, 还是系统研发者对传感器进展高度关注。传感器是科学和工程结合产物,既依赖于科学的新现象和新规律, 又依赖于新技术和工艺。

目前，我国传感器产品及其产业化水平与国外发达国家相比还有很大的差距，而传感器技术的发展正处于由传统向新型传感器发展的关键阶段，传感器更新换代快、需求量大、需求增长速度快，由于国内传感器的发展落后于需求的增加，国内大片市场被国外产品所占领面对国际市场的竞争，我国传感器行业处于非常不利的地位，甚至在某些领城出现生存危机。为此，国内传感器的研究开发工作应重视基础性研究,针对中试规模的新产品,在攻克制造工艺技术的前提下,进行工艺稳定性研究及市场应用研究，在确定产品性能稳定可靠工艺易于批量化生产，市场应用前景广阔的基础上，开展产业化技术及产业化配套技术研究、可靠性技术等方面研究，以市场需求为导向，积极调动各方面力量,以促进我国传感器行业的产业化进程。因此，要抓住机遇，立意创新，迎接挑战，坚持走科技与产业相结合的道路，加强具有自主知识产权的新型传感器的开发，加速现有科研成果的转化和产业化，迅速提高国产传感器的市场占有率，这才是我国传感器产业自身发展的当务之急，也是我国传感器发展的必由之路。

■2 张力传感器在轧钢行业中的应用

在高速卷烟纸生产的纸机中以及在轧制钢板的过程中，为了保证产品的高质量, 必须保证纸张的张力恒定, 采用张力传感器控制是一项重要的技术保证措施。安装于纸机干燥部尾端的ABB 枕式张力传感器示意图见图1。

图1 张力传感器安装示意图

Fig. 1 tension sensor installation diagram

由于ABB 枕式张力传感器的整体设计比较独特, 压头测量控制结构也十分可靠, 又不受任何环境因素的干扰。所以, 使用效果和工作性能都十分理想。

■2.1 ABB 枕式张力传感器的描述

ABB 枕式张力传感器的结构坚固, 带低阻抗信号输出, 适应性强, 而且又具有抗振动、抗干扰、耐高温的特性, 由于是压磁式的, 所以不会有因疲劳现象所产生的物理漂移, 在测量中始终保证高精度。

■2.2 测量原理

枕式张力传感器的测量原理, 如图2 所示。

图2 枕式张力传感器的测量原理

Fig. 2 pillow tension sensor measuring principle

枕式张力传感器的压头测量的是平行于压头表面的水平分力F R , 其设计原理使得垂直

于压头表面的垂直分力F V 对压头不产生影响, F T是导向辊和轴承的自重, 对压头也没影响, 水平分力是通过测量辊测量的。

F R的计算公式为:F R= T (cosB-cosA)

式中: T 为纸幅面的张力; A, B为包角。

用水平分力测量幅面的张力效果最佳, 可以按纸幅面的张力值大小选择合适的压头尺寸, 在设计安装中, 注意要自然去除导棍的自重量, 因为导辊的重量要比纸幅面张力值大很多, 这样才能做到张力测量的准确, 使得对纸幅张力值测量获得最优化, 高精度。

■2. 3控制原理

枕式传感器的控制原理如图3 所示。

图3 枕式传感器控制原理图

Fig. 3 Pillow sensor control schematics

图3 中的控制信号由1 个或2 个压头提供稳定的励磁电流, 励磁单元由一个带有功率放大器的330 Hz 振荡器组成, 由它给压头提供励磁电流, 交流励磁的主要优点在于系统测量速度快, 抗干扰。压头信号由信号处理单元进行放大、整流和滤波后输入2 个等同通道。每个通道有2 路输出,即滤波后的仪表输出和具有极佳动态特性的过程输出。仪表输出中的低频滤波器用于滤除信号中由于机械振动而产生的低频振荡信号, 当用2 个压头, 则可获得4 个输出信号, 即每个通道的输出信号(A 和B ) , 以及它的和信号与差信号。

■2. 4应用与效果

图4 所示为ABB 枕式张力传感器的使用控制原理图。

图4 ABB 张力传感器控制原理图

Fig. 4 ABB tension sensor control schematic

压力信号把测量到的信号送到张力控制器上, 控制器的输出信号分别接于仪表显示(供生产操作工实际观察) 和ABB 传动控制, 从而使纸页生产得到有效控制。由于采用了ABB 枕式张力传感器, 使纸页在生产中, 张力始终保持恒定, 避免了纸张在生产中的质量

问题, 俗称“起拱”, 使产品质量和产量大大提高, 同时可根据卷烟厂用纸的物理指标要求, 按需生产各种张力要求的烟纸。该传感器经过多年来的使用, 测量特性一直十分理想, 由于压磁的抗疲劳特性, 也不存在维修问题。

参考文献

[1] 于丙强;杨利坡;孙建亮;.冷轧带钢板形检测辊研究现状[J]轧钢.2011,(02).

[2]于丙强;杨利坡;李志明;丁栋;张传胜;.嵌入式DSP冷轧带钢板形信号处理统研制[J]测控技

术.2011,(08).

[3]郭冰，王冲. 压力传感器的现状与发展[M].中国石油兰州石化公司.

[4]夏伟强, 樊尚春. 传感器技术发展的新进展.北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院.

[5] 苏艳阳,李锐,陈宇,黄哲,何诗文,蔡天净.传感技术综述. 重庆邮电大学自动化学院.

[6]杨青锋. 我国传感技术的现状及发展之路.宁波控泰电气有限公司.

The development of sensor as well as its application in the Rolling industy

YU Bing-qiang1，3，4 Fu Guang-yang2

(1. College of Enviromental and Chemical Engineering,Yanshan University,Qinhuangdao,Hebei 066004,China；2. College of Enviromental and Chemical Engineering,Yanshan, University, Qinhuangdao Hebe 066004,China；3. National Engieering Research Center for Equipment and Technology of Cold Rolling Strip,Yanshan University, Qinhuangdao 066004,Hebei,China；4. State Key Laboratory of Metastable Materials Science and Technology,Yanshan University,Qinhuangdao 066004,Hebei,China)

Abstract:This paper describes the historical development of our sensor, focuses on the class definition and the application of various types of sensors, sensor applications in China's steel rolling industry details.

Keywords: sensor; tension sensor; rolling.