传感器及检测技术（培训）

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1、传感器及检测技术认识 Contents 传感器概述 我国国家标准 GB T7665 2005 对传感器的定义是 传感器是能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置 通常由敏感元件和转换元件组成 传感器的组成 按照定义传感器由敏感元件和转换元件组成 其中 敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分 转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分 由于传感器的输出信号一般都很微弱 因此需要有信号调理与转换电路对其进行放大 运算调制等 传感器的应用 1 在工业自动化生产中的应用2 在机器人上的应用3 在航空航天中的应用4 军事上的应用5

2、在汽车工业中的应用6 在智能家居中的应用7 通信电子产品中的应用8 医疗卫生中的应用 自动检测系统的组成 在自动检测系统中各部分的功能如下 传感器 把被测非电量转换成为与之有确定对应关系 且便于应用的某些物理量 主要是电量 的测量装置 测量电路 把传感器输出的变量变换成电压或电流信号 使之能在输出单元的指示仪上指示或记录仪上记录 或者能够作为控制系统的检测或反馈信号 输出单元 指示仪 记录仪 累加器 报警器 数据处理电路等 测量过程 测量过程是一个比较的过程 测量就是被测变量与其相应的标准单位进行比较 从而获得一个确定的量值 检测系统中的传感器就是对自动控制系统中的温度 压力 液位 流量 机械

3、量等参数与其相应的测量单位进行比较的工具 误差的基本概念 在测量过程中 由于测量仪器本身不可能绝对准确 以及测量方法和测量条件限制等方面的原因 都会使测量结果存在一定的差距 这种测量值与被测参数真实值之间的差异就称为测量误差 由于被测参数的真实值实际上是测不到的 所以一切测量都具有误差 误差自始至终存在于所有测量之中 测量误差的分类 按照测量误差产生的原因以及误差的性质分类 系统误差 又称规律误差 偶然误差 又称随机误差 疏忽误差 又称粗大误差 按照测量误差的表示方法 绝对误差相对误差引用误差 传感器的基本特性 传感器的静态特性传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出输入关系 只考虑

4、传感器的静态特性时 输入量与输出量之间的关系式中不含有时间变量 衡量静态特性的重要指标是精度 线性度 灵敏度 迟滞和重复性等 传感器的动态特性传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性 当被测量随时间变化 是时间的函数时 则传感器的输出量也是时间的函数 其间的关系要用动态特性来表示 项目小结 主要知识点归纳如下 1 传感器是能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置 通常由敏感元件和转换元件组成 2 根据传感器的功能要求 它一般由敏感元件 转换元件 转换电路三部分组成 3 检测技术就是以研究检测与控制系统中信息的提取 信息转换及处理的理论和技术为主要内容的一

5、门应用技术学科 4 自动检测系统主要由传感器 测量电路和输出单元组成 5 测量值与被测参数真实值之间的差异就称为测量误差 由于被测参数的真实值实际上是测不到的 所以一切测量都具有误差 误差自始至终存在于所有测量之中 6 按照测量误差产生的原因以及误差的性质可以分为系统误差 偶然误差和疏忽误差三类 7 误差的表示方法有三种 分别是绝对误差 相对误差和引用误差 8 传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出输入关系 衡量静态特性的重要指标是精度 线性度 灵敏度 迟滞和重复性等 项目二化工生产过程中传感器的应用 Contents 任务一传感器在温度检测系统中的应用 1 了解温度测量的主要方法

6、和分类 2 掌握热电偶温度计的结构和原理 3 掌握热电阻温度计的结构和原理 4 了解温度变送器的特点 5 会温度传感器的选用和安装 温度传感器 热电偶 热电偶是工程上应用最广泛的温度计之一 在温度测量中占有重要的地位 它构造简单 使用方便 具有较高的准确度 稳定性及复现性 温度测量范围宽 常用的热电偶从 50 1600 均可连续测量 某些特殊热电偶最低可测到 269 最高可达2800 热电偶的安装 1 为使热电偶能正常工作 满足热电偶结构要求 2 引线与外接线连接要牢固 3 对于管道安装通常使工作端处于管道中心线管道直径区域内 4 管道较细 宜采用斜插 管径小于80的管道可以采用扩大管 5 测

7、量炉膛温度时 应避免热电偶与火焰直接接触 避免安装在炉门旁或与加热物体距离过近之处 在高温设备上测温时 为防止保护套管弯曲变形 应尽量垂直安装 6 热电偶的接线盒引出线孔应向下 以防因密封不良而使水汽 灰尘等落入接线盒中 影响测量 7 为减少测温滞后 可在保护外套管与保护管之间加装传热良好的填充物 热电偶典型安装方法 热电阻传感器 热电阻传感器分为金属热电阻和半导体热电阻两大类 一般把金属热电阻称为热电阻 而把半导体热电阻称为热敏电阻 热电阻广泛用来测量 200 850 范围内的温度 少数情况下 低温可测量至1K 高温达1000 热电阻测温电路由热电阻 连接导线及显示传感器组成 热电阻也可与温

8、度变送器连接 转换为标准电流信号输出 热电阻结构 热电阻的安装方法 1 首先应测量好热电阻法兰或者螺纹螺牙的尺寸 加工配套好法兰或者螺纹底座 2 要根据法兰或者螺纹底座的尺寸 在需要测量的管道上开孔 3 焊接法兰或者螺纹座时 把法兰座或者螺纹底座插入已开好孔内 把法兰座或者螺纹底座与被测量的管道焊接好 4 把热电阻用螺栓紧固或者螺纹旋进已焊接好的螺纹底座 5 按照接线图将热电偶或热电阻的接线盒接好线 并与表盘上相对应的显示传感器连接 注意接线盒不可与被测介质管道的管壁相接触 保证接线盒内的温度不超过100 范围 接线盒的出线孔应防因密封不良 水汽灰尘等沉积造成接线端子短路 6 安装的位置 应考

9、虑检修和维护方便 温度变送器 温度变送器是将热电偶 热电阻等测温元件检测到的热电势 电阻等信号 经过稳压滤波 运算放大 非线性较正 V I转换 恒流及反向保护等变换电路 转换成与温度成线性关系的4 20DC或1 5VDC标准信号输出的传感器 任务小结 主要知识点归纳如下 1 温度是表征物体冷热程度的物理量 温标是表示温度数值的标尺 2 温度传感器可分为两大类 即接触法测温传感器和非接触法测温传感器 3 必需由两种不同材料才能构成热电偶 如果热电偶两结点温度相同 则回路总的热电动势必然等于零 温差越大 热电动势越大 4 热电偶产生热电势的条件是两热电极材料不同 两接点温度不同 热电动势的大小只与

10、材料和结点温度有关 与热电偶的尺寸形状无关 5 使用热电偶时要采用补偿导线 当冷端温度不是0 时 为了保证测量精度 需要进行冷端温度补偿 6 热电阻常用的材料为铂和铜 使用热电阻时为了避免导线电阻的影响 一般要采用三线制接法 7 温度变送器是将测温元件检测的信号 变换为4 20DC或1 5DC标准信号输出的传感器 任务二传感器在压力检测系统中的应用 1 了解压力单位及测压仪表分类 2 掌握弹簧管压力表的结构和原理 3 掌握常用差压变送器的结构和原理 4 了解智能差压变送器的特点 5 会使用典型压力计 6 会差压变送器的选用和安装 作用力 作用面积 压力的产生 压力是指均匀垂直的作用在单位面积上

11、的力 压力在工业中用字母P表示 压力可以表示为 根据国际单位制 SI 规定 压力的单位为帕斯卡 简称帕 Pa 1帕为1牛顿每平方米 即 1Pa 1N m2 帕所代表的压力较小 工程上经常使用千帕 KPa 和兆帕 MPa 1MPa 1 106Pa 压力传感器 1 液柱式压力传感器2 弹性式压力传感器3 电气式压力传感器4 活塞式压力传感器 液柱式压力传感器 U型管液柱式压力传感器 液柱式压力计是以流体静力学原理来测量压力的仪表 一般采用水银或水为工作液 用U型管 斜管或单管进行测量 常用于低压 负压或压力差的测量 弹性式压力传感器 弹簧管压力表结构和外形 弹性式压力计是将被测压力转换成弹性元件变

12、形的位移进行测量的仪表 常用的有弹簧管式 膜片式 膜盒式和波纹管式等压力计 具有结构简单 使用可靠 读数清楚 价格低廉 测量范围广等优点 弹性式压力计测压的敏感元件为弹性元件 它也经常用来作为气动单元组合仪表的基本组成元件 弹性元件 被测压力由接头通入 迫使弹簧管的自由端产生位移 通过拉杆使扇形齿轮作逆时针偏转 同时指针通过同轴的中心齿轮的带动而作顺时针偏转 在面板的刻度标尺上显示出被测压力的数值 游丝用来克服因扇形齿轮和中心齿轮间的传动间隙而产生的仪表变差 改变调整螺钉的位置 即改变机械传动的放大系统 可以实现压力表量程的调整 弹簧管压力表结构 差压变送器 智能式差压变送器 电容式差压变送器

13、 扩散硅差压变送器 3 1 2 1 电容式差压变送器 电容式差压变送器包括差动电容传感器和变送器电路两部分 变送器电路包括高频振荡器 振荡控制电路 放大器及量程调整电路等 电容式压力传感器的测量原理是将弹性元件的位移转换为电容量的变化 以测压膜片作为电容器的可动极板 它与固定极板组成可变电容器 当被测压力变化时 测压膜片产生位移而改变两极板间的距离 测量相应的电容量变化 可知被测压力值 电容式差压变送器工作原理 硅杯压阻传感器结构图 2 扩散硅差压变送器 扩散硅差压变送器采用硅杯压阻传感器作为敏感元件 它具有体积小 重量轻 结构简单和稳定性好的优点 精度也很高 3 智能式差压变送器 智能式差压

14、变送器是由压力传感器和微处理器 微机 相结合而成的 它充分利用了微处理器的运算和存储能力 可对检测的数据进行处理 包括对测量信号的调理 如滤波 放大 A D转换等 数据显示 自动校正和自动补偿等 压力计选用 仪表类型 量程范围 选用 仪表精度 仪表型号 压力计安装 测压点的选择 引压管的敷设 加装隔离装置 加装缓冲器 加装减振装置及固定装置 安装 任务小结 主要知识点归纳如下 1 压力传感器简称为压力计 按照其转换原理的不同 大致可分为四大类 液柱式压力传感器 弹性式压力传感器 电气式压力传感器 活塞式压力传感器 2 弹性式压力传感器测压的敏感元件为弹性元件 弹性元件主要有膜片 膜盒 波纹管和

15、弹簧管 3 弹簧管压力表是利用弹簧管将压力信号转换为位移信号测量的 如果再加入霍尔元件 还可以将位移信号转换为电势信号 4 电容式差压变送器采用差动电容作为检测元件 将输入差压作用于差动电容的电极板 使其产生位移 从而使差动电容器的电容量发生变化 5 扩散硅差压变送器是采用硅杯压阻传感器作为敏感元件 它利用压力使硅片电阻发生变化而检测压力差值 6 通过压力表检验的实训练习了解压力表在使用中的校验方法 任务三传感器在流量检测系统中的应用 1 了解流量的概念和流量计的分类 2 掌握差压式流量计的结构及特点 3 理解常用流量计的结构及特点 4 会差压式流量计的选型与安装方法 5 会使用常用流量计 流

16、量检测 流量的基本概念 单位时间内流过管道某一截面的流体数量 称为瞬时流量 在某一段时间间隔内流过管道某一截面的流体量的总和 即瞬时流量在某一段时间内的累积值 称为总量或累积流量 工程上讲的流量常指瞬时流量 流量 瞬时流量 累积流量 体积流量 质量流量 流量 体积流量Q 单位时间内通过某截面的流体的体积 单位为m3 s 质量流量M 单位时间内通过某截面的流体的质量 单位为Kg s 如果流体的密度为 则质量流量和体积流量的关系为 M Q 如以t表示时间 则流量和总量之间的关系是 流量的基本概念 流量计分类 速度式流量计 容积式流量计 质量式流量计 1 2 3 速度式流量计是通过测量流体在管路内已知截面流过的流速大小实现流量测量的 它是利用管道中流量敏感元件 如孔板 转子 涡轮 靶子 非线性物体等 把流体的流速变换成压差 位移 转速 冲力 频率等对应的信号来间接测量流量的 差压式 转子 涡轮 电磁 涡街和超声波等流量计都属于速度式流量计 速度式流量计 容积式流量计相当于一个容器 根据已知容积的容室在单位时间内所排出流体的体积来测量流体的瞬时流量和总量 常用的有椭圆齿轮 旋转活塞式和刮板等流