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1、第二章 矿用传感器,2.1 传感器概述 2.2 甲烷传感器 2.3 一氧化碳传感器 2.4 氧气传感器 2.5 温度传感器 2.6 风速传感器 2.7 烟雾传感器 2.8 液位传感器 2.9 开关量传感器,2.5 温度传感器,一、温度传感原理 热电偶测温 热电阻测温 半导体PN结测温 红外测温,一、温度传感原理,1、热电偶测温 热电效应 将两种不同材料的金属A和B焊接组成一个闭合回路，即构成感温元件（热电偶）。当其两个接点之间存在温差时，则在回路中产生电动势（热电势）。 热电偶的热端与冷端 热电偶回路有两个连接点，其中与被测介质接触的一端称为热端（工作端），另一端则称为冷端（参比端）。,热电偶
2、和热电势,一、温度传感原理,1、热电偶测温 热电势 由接触电势和温差电势两部分组成。,热电偶和热电势,接触电势：,温差电势：,热电偶回路总电势,K波尔兹曼常数；e单位电荷量；NAT电子密度,1、热电偶测温,均质导体定律 由两种均质导体组成的热电偶，其热电势的大小只与热电偶的材料及两端温度有关，而与热电偶的长短、粗细、形状及沿电极的温度分布无关。否则，产生温度梯度附加电动势。 如果组成热电偶的两种材料性质相同，即NA=NB，则无论两接点温度如何，回路内总热电势为零。 如果两接点处温度相同，即T=T0，则尽管两种导体材料性质不同，回路总电势也必然为零。 因热电势与温度的函数关系f(T)AB复杂难求
3、，故在工程应用中常用实验的方法制作热电势与温度的关系表，以备查用。,1、热电偶测温,中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种导体时，只要该导体的两端温度相同，则其对热电偶回路热电势的大小和方向不产生影响。 中间温度定律 Tn为热电偶热电极AB上某点的温度，则热电偶在其接点温度为T、T0时的热电势eAB(T,T0)等于热电偶在接点温度为T、Tn和Tn、T0时的热电势eAB(T,Tn)和eAB(Tn,T0)的代数和。 即：,1、热电偶测温,热电偶的使用 使用热电偶时，只需考虑两端温度值，而不必顾及其中间段的温度。 为稳定冷端温度，通常采用补偿导线将贵金属热电偶的冷端延伸至温度稳定处。但补偿导线a、b
4、在Tn到T0的温度范围内，应分别与贵金属A、B具有相同的热电特性。,1、热电偶测温,常用热电偶,1、热电偶测温,1、热电偶测温,2、热电阻测温,热电阻效应 金属热电阻和半导体热敏电阻。,3、半导体PN结测温,基本原理 半导体PN结（二极管）在一定偏置电流的情况下，其正向压降随着温度的变化而变化，且基本呈线性关系。 半导体温度传感器 温敏二极管、温敏三极管和集成温度传感器等， 测温范围一般在-50+150之间。 温敏二极管大都选用硅及砷化镓材料制作，其电压-温度特性的线性度比锗管好。,3、半导体PN结测温,温敏三极管： 集电极电流恒定时，其发射结正向电压-温度特性,3、半导体PN结测温,集成温度
5、传感器：差分对管温度敏感元件,3、半导体PN结测温,集成温度传感器的输出类型 电压输出型 如LX5600、LM3911、SC616A 温度系数为：10mV/ 电流输出型 AD590、LM134、SL334 温度系数为：1A/ 集成温度控制器 可由用户设定温度限值，当被控温度超限时可输出逻辑控制信号，有的也同时输出温度测量值。如TC620、DS1620等。,4、红外测温原理,热辐射 任何物体只要温度高于绝对零度，就会不断产生热辐射，且温度T越高，辐射功率P就越大。 -比辐射率，绝对黑体为1.0，非绝对黑体为01.0； -斯蒂潘-波尔兹曼常数，5.66971012W/cm2K4； T-物体的热力学
6、温度。 红外热辐射 物体辐射波长的峰值m与温度T成反比： 当温度低于1000时，物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射出来的，且物体的温度越高，辐射出的红外线就越多，辐射出的能量也越强。 红外测温就是通过检测物体在红外波段的辐射通量来进行温度测量的。,4、红外测温原理,红外线 红外线是一种不可见光，波长大致为0.761000m。 红外探测器通常工作在大气窗口内，即22.6m、35m或814m三个波段范围。 红外测温检测元件 热敏电阻、光敏电阻、热释电体等。,二、GW50(A)温度传感器,检测原理 温度铂热电阻电桥电压A/D单片机 技术指标 测量范围：050； 基本误差：2； 工作电压：122
7、4V DC（本安电源）； 工作电流：80mADC 信号输出：频率型2001000Hz；电流型15mA； 传输距离：2km 显示方式：四位红色数码管，左第一位为功能位： 1调零，2调精度，3自检；后三位为测量值。 安全特征：防爆标志Exibd （+150） 使用环境： 040；相对湿度95；大气压力80106kPa；风速08m/s；,二、GW50(A)温度传感器,连接 将来自分站的专用电缆航空插头按对应位置插入传感器上的航空插座，并旋紧固定。电缆航空插头的接线为： 1号口电源正极，红色线； 2号口电源、信号负极，蓝色线； 3号口恒流或频率信号输出，白色线； 4号口绿色线（未用）。,二、GW50(
8、A)温度传感器,调校 零点调节： 使传感器通电工作20分钟，将测温头放入冰水混合物中。打开机壳后盖，按动选择键使小数码管显示为“1”。然后调节P1电位器，使大数码管显示为0.00，即调零完毕。 精度调节： 按遥控器上“选择”键使小数码管显示为“2”，再按“”或“”使大数码管显示数值与实际温度值一致。 自检： 按遥控器上“选择”键使小数码管显示为“3”，此时传感器应显示30.0，对应输出信号为680Hz（或3.4mA）。 仪器零点、精度要定期调校，一般一月一次。,2.6 风速传感器,风速测量方法 1. 翼轮式风表 机械翼轮式、电子翼轮式 2. 皮托管-压差计 3. 超声波风速仪 涡旋式 时差式
9、4. 热效式风速传感器,一、超声波涡旋风速传感器,卡曼涡街 无限界流场中，流体流经 非流线性阻力体时，在阻力体下方形成两列内旋、互相交替 的涡旋。冯卡曼数学推导了涡旋结构及能量损失。 涡旋频率与流体平均速度之间的关系： S斯脱哈尔常数；v未扰动流体速度；d涡旋阻力体宽度,一、超声波涡旋风速传感器,斯脱哈尔常数与阻力体形状和扰动体雷诺数有关。 扰动体雷诺数：Re=Vd/: 当Re40时，形成涡街。 仅在一定雷诺数范围内，斯脱哈尔数为恒定值。 流速低于某一阈值时，不能形成涡旋。,一、超声波涡旋风速传感器,涡旋风速传感器的结构 涡旋发生杆；振荡器；发射换能器；接收换能器；电源；放大、解调、滤波、输出
10、等处理电路。,一、超声波涡旋风速传感器,工作原理 发射换能器：发射连续等幅超声波束； 涡旋发生杆：产生涡旋； 涡旋：调制超声波束，形成调幅波，其频率为涡旋频率； 接收换能器：接收调幅超声波束，转换为电信号； 放大、解调、滤波等：检出涡旋个数；,一、超声波涡旋风速传感器,技术要求 1. 超声波换能器振荡频率必须高于涡旋频率两个数量级，一般为140150kHz； 2. 发射与接收换能器轴线至涡旋发生杆的距离H为发生杆直径的6倍时，测速范围内线性最好； 3. 为测量低风速，应增加涡旋发生杆尺寸或提高超声波换能器的灵敏度。,一、超声波涡旋风速传感器,技术特点 1. 优点： （1）无运动部件，适于连续运
11、行，寿命长； （2）线性输出范围宽，原理上无零漂，精度高； （3）响应速度快； 2. 缺点： 由于风速不均匀，固定点的风速不一定等于断面的平均风速，代表性较差。,二、超声波时差法风速传感器,基本原理 通过测定超声波顺风流和逆风流传播一段距离的时间差来测定风速。,二、超声波时差法风速传感器,基本原理 通过测定超声波顺风流和逆风流传播一段距离的时间差来测定风速。,三、KGF15(原CW-1)型风速传感器,技术指标 测量范围：0.315m/s 基本误差：0.3m/s 工作电压：924V DC 工作电流：70mA DC 显示方式：就地显示3位LED 输出信号：15mA DC、2001000Hz 防爆型
12、式：Exib,三、KGF15(原CW-1)型风速传感器,调校方法 1. 首先测出安设地点巷道断面平均风速值； 2. 安设风速传感器，风流方向与传感器的风流指向偏差不大于5度； 3. 连线开机预热后，按遥控器选择键使小数码显示为“2”； 4. 按遥控器上升或下降键使传感器显示值与断面平均风速值相等。 5. 检测传感器输出是否正常：按遥控器选择键使小数码显示为“3”，此时的显示若为3 . 则正常。,三、GLW100型管道流量传感器,工作原理 1. 被测流体介质以平均流速为v，流过迎面宽度为d的三角柱旋涡发生体时，产生卡曼涡街； 2. 在旋涡发生体中装有检测到涡旋频率的探头，通过相关电路处理成电信号
13、输送给传感器； 3. 经A/D转换，再由单片机进行数据处理，完成传感器就地显示，同时输出频率信号至分站。,三、GLW100型管道流量传感器,主要技术指标 测量范围：8100m3/min(标况流量) 基本测量误差：2.5% F.S 信号输出：200Hz1000Hz 线性对应0.00100 m3/min(标况流量) 介质压力：2.5MPa,三、GLW100型管道流量传感器,安装要求 1. 水平或垂直装在与其公称通径相应的管道上； 2. 传感头上、下游应配一定长度的直管道； 3. 必要时安装流体整流器或变径整流器； 4. 上游侧不应设置流量调节阀；,三、GLW100型管道流量传感器,调校 1. 出厂时已调校完毕，一般现场不需调校； 2. 连线、接地等检查，通电运行； 3. 零流量检查： 输出回路电流应为：4.00 0.01mA 4. 正常流量检查： 传感器信号处理放大板上有两个检查 脉冲信号的标识测点，正常时为均匀脉冲， 否则，调整电位器直至正常。,
