先进传感器技术：提升工业系统机器健康与资产监测

从远程设备获取的监测数据对任何工业流程功能至关重要。通常由监控与数据采集（SCADA）控制系统通过以太网和TCP/IP网络在总线、星型或树型拓扑上处理。工业物联网（IIoT）系统常增强甚至替代这些传统系统，实现无线节点网络连接网关回传云端进行更复杂的数据处理和分析。无论有线无线，底层传感器为评估分析厂内设备提供数据支撑。

本文概述工业机器健康与资产监测应用，及常用传感器技术概览。

IIoT中的机器健康与资产监测应用

远程工业机器健康与资产监测应用跨越海量行业垂直领域，搭配多种传感器类型与无线协议，实现实时或准实时数据传输。传统SCADA架构中，传感器/执行器节点连接工业I/O模块——通常是可编程逻辑控制器（PLC）或远程终端单元（RTU）。这些I/O模块基于监控计算机——常为人机界面（HMI）的反馈，在节点间双向传输传感器数据，收集并按人工输入分发数据。

在工业无线传感器网络（IWSN）中，多个传感器节点通过点对多点（PtMP）拓扑，经授权/非授权频段和特定无线协议无线连接网关。工业应用中协议多样，从行业专用的WirelessHART、蜂窝网络，到商用的Zigbee等。这绕过了SCADA架构中单独I/O模块的布线，将层级压缩为：传感器节点→网关/基站→云端中心平台进行复杂分析的简化数据传输。

IWSN在机器状态监测中的应用包括工业定位设备、电机/驱动器及资产监测应用（图1）。感应电机广泛应用于从精密数控机床到大型工业起重机、滑轮、传送带等设备。任何故障均可降低机械精度甚至导致故障停机，直接消耗宝贵运行时间并增加维修成本。电机常见机械故障包括：转子断条、绕组短路、气隙不均、轴承故障。

加速度计最常用于振动数据分析——旋转机械大多数机械故障导致振动水平可检测性增加。其他测量包括电机电流特征分析（MCSA），通过电流波形畸变推断特定故障，基于峰值幅度和频率。此法常用夹式电流互感器（CT）实现。

除加速度计和电流传感器，温度、湿度、压力、液位传感器在IWSN中也常用。资产监测中，如化工、食品、制药混合罐的液位跟踪对确保配料精准投放至关重要。可用压力传感器或各类液位传感器测量罐液位。工业空气过滤系统或商用HVAC系统中，气流或液流监测也可用压力和液体传感器。水处理设施中，滤器在进水和出水管线呈现压力差，压力传感器可追踪检测性能和堵塞。

多种基本原理（光学、电磁、雷达、机械、超声、声学等）可实现相同传感结果。液位、湿度、温度传感器均存在此多样性。技术选择是在价格、精度、外形、安装校准便利性、响应速度、连续或离散监测间的权衡。下节将涉及IWSN常用传感器。

常用传感器技术解析

加速度计——如前所述，加速度计是设备振动监测的基石。通过采集加速度、减速度、冲击的电压数据，转为时域或频域振动诊断。时域分析通过采集分布信号样本，观察机器行为随时间变化。简单形式是定义“报警限值”，基于机壳RMS速度（ISO 2372标准）。时域分析难以早期捕捉故障，因需更多数据观察差异；但时域波形擅长分类瞬态或间歇性事件。频域中，各故障在频谱功率含量呈现明显差异（即不同频率处振动速度峰值），利于故障隔离。时域分析常用于检查已知问题或搜索特定模式，频域分析允许更广泛调查机器运行，故障识别更明显。多轴加速度计尤为宝贵，可采集轴向和径向数据。加速度计可基于电容、压电、压阻原理。

最常用是电容式加速度计：弹簧悬挂的质量块在加速应力下位移失衡，电极记录电容变化得出加速度大小和方向。压电式也用质量块，但位移引起压电材料剪切应力直接转为电输出。类似压力和液位传感器，加速度计也可利用压阻原理，配合质量块和应变片得出加速度。

电流传感器——工业应用包括MCSA分析、智能计量、电源相关应用（如逆变器控制、UPS、焊接等）。电流传感器利用四大基本原理：欧姆定律、法拉第电磁感应定律、法拉第效应、磁场感应。

电阻分流式传感器利用欧姆定律，由串联在待测导体中的电阻元件组成，部分电流通过产生与电流成比例的压降。

电流互感器（CT）利用法拉第感应定律。初级绕组（或载流导体）可为几匝或仅穿过铁芯的导线。初级交流电在高磁导率铁芯集中磁通线，感应出与初级电流成正比的次级电流，实现电流测量。

罗氏线圈同理，但铁芯磁导率近似空气。次级绕组感应电压与待测电流时间导数成比例，故次级绕组接运放积分电路。

霍尔效应磁场传感器用于开环或闭环架构。霍尔效应描述电流和磁场穿过金属条时产生的垂直电压向量。开环配置类似电流互感器，载流导体穿过高磁导率磁芯中心，霍尔传感器置于铁芯气隙中，产生与电流成比例的电压，但需放大器因输出电压小。

闭环配置则包含补偿线圈（次级绕组），产生对抗载流导体电流的磁场，使霍尔传感器处零磁场。次级绕组由电流传感IC放大器驱动，终止于负载电阻。载流导体电流与该输出电阻电压成比例。

压力传感器——压力传感器泛指压力传感器、变送器、传感器。一般压力传感器输出10mV信号，可在离电气设备10-20英尺无明显损耗。变送器输出高电压（0.5-4.5V），可传20英尺以上无衰减。传感器提供4-20mA电流输出。配置多样：惠斯通电桥/压阻、电容、电磁、压电、光学。

本文聚焦最常见桥式/压阻配置（图3）。最常用压力传感器依赖压阻效应：材料变形时电阻变化与所受压力相关。典型结构有测量膜片，面向气体/液体（液压油、水、油等）一侧暴露于“参考”压力，另一侧暴露高压。膜片随之挠曲变形，应变片测量两侧压差将其转化为电量传输。

应变片本质为电阻元件，电阻变化与所受应变成比例。应变片为溅射沉积制造的粘箔型，或扩散硅型（即半导体应变片），通过将杂质扩散进硅基膜片制造。箔基应变片耐高压优势；半导体应变片灵敏度高，常用于低压。但硅应变片深受温度影响，工作温度通常低于箔基应变片。

液位传感器——液位传感器检测容器内液体、粉末、颗粒物（如颗粒）量。测量方式多样，上表列出部分方法、描述及主要考量。本节聚焦静压式膜片传感器。

静压液位传感器依赖与桥式压力传感器相同的压阻基本原理。此类液位传感器本质是压力传感器，罐内液位升降导致膜片内压力变化，与液深保持高度线性关系。静压力P = 液体比重γ × 液体高度h。

结语

理解工业监测应用中的底层传感器技术，可为工业系统设计开发人员提供洞见。每种传感器可利用多种基本原理，各有优劣和应用考量。这些传感器采集的数据收集与传播可通过有线或无线骨干网，IIoT尤其具备为未来工业应用提供更复杂数据分析的潜力。

本文由L-com产品线经理Tinu Oza撰写，地点：马萨诸塞州北安多弗。更多信息请访问此处。

参考文献

1. Lewis, Joe. Solids Level Measurement and Detection Handbook. Momentum Press, 2014.