国产化温度振动一体传感器体验评测
2020-12-06
14:00:10
来源: 半导体行业观察
在系统日益复杂的工业自动化现场中，各种轴承、电机、泵体的温度与振动状态，无时无刻不在影响着整个自动化系统的设备健康与使用效率。庞大的工业产业酝酿催生出了巨大的传感器需求。长期以来这些高端工业级振动与温度传感器的技术与市场多为欧美企业把持，
伴随着中国庞大的工业制造业崛起，国产传感器企业正在向这一领域发起冲击！
基于国内工业自动化市场的需求增长与传感器技术的高速发展，振动与温度的测量从分立逐渐走向复合。
笔者有幸在某工业应用实验室了解到几款国产温度振动一体化传感器，并参与了部分工业现场应用方案的选型，就这几款传感器的体验和测试性能进行一个简单的总结和剖析，记录并分享给行业内的用户与读者，希望能对各位有所裨益，不吝褒贬。
温度振动一体传感器是指通过集成振动传感芯片和温度传感器芯片，按应用需求进行封装和信号输出的一种复合型传感器变送器。
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线性度(传感器在受到不同的G值振动时，其输出的线性度，该数值越小越好)
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横向灵敏度（横向灵敏度决定了传感器在受非主轴方向振动或者冲击时，其受干扰的程度，越小越好，按照国家标准应＜5%）
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谐振频率（振动测量的使用上限频率取决于幅频曲线中的谐振频率）
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频响特性（振动测量的频率上限稍高于被测结构的振动频率即可）
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温度测量精度（测温精度数值越小越好）
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温度测量响应时间（温度响应的时间越短越好）
（此测试数据仅针对在本次测试实验中在市场上购买到的产品，仅供参考）
振动测量主要参考线性度与横向灵敏度作为传感器准确性的考量依据。
基于传感器测量时输入单一灵敏度，用于描述在一定的频响范围内，传感器的灵敏度是否满足实际的灵敏度的指标就是线性度。相对来看，在低频段，传感器的灵敏度会少于实际的灵敏度，而在高频段，则灵敏度会大于实际的灵敏度。只有在中间频段，灵敏度满足线性关系。如果传感器不在线性区间，所以测量得到的幅值会误差较大，一般来说要求传感器非线性<1%。
从本次测试的数据可以看出乃尔CAYD275-10和西人马PYDV00-100在线性度测试中表现上佳。
在测量某个方向的振动时，理论上信号输出应为振动感知方向，但实际上在与该方向垂直的方向也有信号输出，从而形成了一种干扰，这种效应称为横向效应。横向效应灵敏度越低，传感器性能越好，但通常，传感器都存在一定的横向效应，国标的要求是横向灵敏度应<5%。
在此项测试中，西人马PYDV00-100为2.68%。我一度怀疑我哪里操作错了，因为其它几款产品的平均结果都在4.9~5%之间。
重复了几次，但西人马平均结果还是在2.4~2.5%左右,谨慎起见，取一个相对高一点的值2.68%，在恶劣的工业现场，减少横向效应的影响，是准确测量的基本保障，不得不说西人马这项指标真的非常不错！
由于传感器自身也属于一种结构，所以也有它的固有频率。一般把传感器的第一阶固有频率叫做谐振频率。传感器的结构尺寸越小，谐振频率越高。振动传感器的使用上限频率取决于幅频曲线中的谐振频率。一般要求＞20kHz，从这项数据中可以看出，在谐振频率的测试中，乃尔CAYD275V-10与西人马PYDV00-100的都能满足要求，另外两款产品在这项测试中还存在一定的提高空间。
频响特性是指传感器在受到不同频率振动时（1.0~7000Hz-±5%、0.5~10000Hz-±10%、0.3~15000Hz-±3dB），其灵敏度现对于参考点的误差，理论上误差越小，带宽越大越好。
在此项测试中西人马PYDV00-100、江苏联能CA-YD-170、安徽容知RH103均在正常的频响灵敏度的范围内。乃尔的CAYD275-10在1.0-7000Hz的频响灵敏度误差为±5.2%，在0.5~10000Hz的测试中误差为±11.2%，稍高于参考标准值。
这几款传感器都含有温度测量功能，无疑温度测量的精度和响应时间是最关键指标，温度测量精度与响应时间不用多说，精度数值越小越好。
经过对比测试四款产品在测量精度上差异不大，基本都在实际应用中的温度冗余范围内，但在温度响应时间上，西人马PYDV00-100 3.5min的响应时间表现更为出色。
在本次实验测试中，实际上包括电气参数、连接性能等测试进行了18项测试内容，从技术指标的重要性和产品应用选型参考主要依据的角度出发，在众多的测试项和数据中，拣选了六项笔者认为比较有代表性的数据，进行一个简单剖析。从本次测试的这几项测试结果来看，综合性能表现较好的温度振动一体传感器是西人马PYDV00-100和乃尔CAYD275V-10这两款产品，其余两款产品在主要性能上还存在较大的提升空间。
作为ICP传感器的核心电荷转换芯片，是温度振动一体传感器的核心。笔者认为，西人马的传感器之所以表现比较优异，很有可能是西人马拥有自己的核心芯片设计与制造能力，而其它几家不具备相应能力，很有可能是外采芯片，或者购买国外的器件封装而成，在自主国产化的今天，上述操作能走多远就不得而知了。
随着工业物联网、智能制造水平的提升，希望能涌现出更多的优秀国产化传感器。
1. 根据数采和频谱分析仪器的类型来选择，如ICP型调理设备选择ICP型传感器，电荷调理设备选择压电式传感器。
2. 在工作状态下的待测结构进行测量时，最好使用带有“隔离”的传感器。如果传感器本身不具备隔离，可在传感器底部增加绝缘材料充当隔离器件。
3. 聚焦位置的振动测量最好选择传感器量程的60-80%，这样能获得高信噪比，且不会过载。
4. 应用的传感器的工作频率区间，稍高于实际测量的带宽较为适宜
5. 根据行业应用选择传感器，如重工业、电力、石化推荐选用振动量程大，频率宽的传感器，反观建筑行业宜选用小量程，高灵敏度，低频、或超低频性能好的传感器。
笔者——我是路游，曾经的传感器行业长期从业者，现在的自由职业者。
*免责声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点，不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系半导体行业观察。
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