表格模板-2安全监测监控原理与仪表 精品.ppt

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1、第2章 安全监测系统主要内容 （1）传感器的定义、组成及分类； （2）主要传感器的工作原理。 （3）传感器的主要技术性能指标和传感器的选用原则。 要求要求 （1）基本掌握传感器的基本工作原理和组成； （2）熟练掌握气体检测传感器的工作原理和传感器主要技术性能指标，明确传感器的选用原则。2.1 2.1 传感器概述传感器概述2.1.1 传感器的定义1）广义定义：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。2）国际电工委员会定义为：“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”。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。 传感器系统的原

2、理框图于图2-1所示，进入传感器的信号幅度是很小的，而且混杂有干扰信号和噪声。为了方便随后的处理过程，首先要将信号整形成具有最佳特性的波形，有时还需要将信号线性化，该工作是由放大器、滤波器以及其他一些模拟电路完成的。在某些情况下，这些电路的一部分是和传感器部件直接相邻的。成形后的信号随后转换成数字信号，并输入到微处理器。图图2-1 2-1 传感器系统的原理框图传感器系统的原理框图3）传感器的基本要求（1）高灵敏度：抗干扰的稳定性(对噪声不敏感)；（2）线性：容易调节(校准简易)（3）高精度：高可靠性；（4）无迟滞性：工作寿命长(耐用性)；（5）可重复性：抗老化；（6）高响应速率：抗环境影响(热

3、、振动、酸、碱、空气、水、尘埃)的能力；（7）选择性：安全性(传感器应是无污染的)；（8）互换性：低成本；（9）宽测量范围：小尺寸、重量轻和高强度。2.1.2 传感器的组成（1）敏感元件(预变换器) 直接感受被测量(一般为非电量)并将其转换为与被测量有确定关系的易变成电量(包括电量)的其它量的元件。（2）转换元件(变换器) 它能将物理量直接转换为有确定关系的电量的元件。（3）测量电路(变换电路) 把转换元件输出的电信号变为便于处理、显示、记录、控制的可用电信号的电路。（4）辅助电源 供给转换能量。 非电量非电量 敏感元件敏感元件 测量电路测量电路 辅助电源辅助电源 电量电量 图2-3 传感器的

4、组成框图 转换元件转换元件 图2-4 按传感器工作原理的分类2.1.3 传感器的分类1）根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类，其分类示于图2-4。2）按照其用途，传感器可分为：（1）压力敏和力敏传感器；（2）位置传感器；（3）液面传感器； （4）能耗传感器；（5）速度传感器； （6）热敏传感器；（7）加速度传感器； （8）射线辐射传感器；（9）振动传感器； （10）湿敏传感器；（11）磁敏传感器； （12）气敏传感器；（13）真空度传感器； （14）生物传感器等。3）以其输出信号为标准可将传感器分为：（1）模拟传感器：将被测量的非电学量转换成模拟电信号。（2）数字传感器：将被

5、测量的非电学量转换成数字输出信号(包括直接和间接转换)。（3）膺数字传感器：将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出(包括直接或间接转换)。（4）开关传感器：当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。4）从所应用的材料观点出发可将传感器分成下列几类：（1）按照其所用材料的类别分：金属、聚合物、陶瓷、混合物；（2）按材料的物理性质分：导体、绝缘体、半导体、磁性材料；（3）按材料的晶体结构分：单晶、多晶、非晶材料。5）按照其制造工艺，可以将传感器区分为：（1）集成传感器：是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。通常还将用于初步处理被测信

6、号的部分电路也集成在同一芯片上。（2）薄膜传感器：则是通过沉积在介质衬底(基板)上的，相应敏感材料的薄膜形成的。使用混合工艺时，同样可将部分电路制造在此基板上。（3）厚膜传感器：是利用相应材料的浆料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后进行热处理，使厚膜成形。（4）陶瓷传感器：采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺(溶胶-凝胶等)生产。 电阻应变式传感器是一种由电阻应变片(计)和弹性敏感元件组合起来的传感器。 主要优点：（1）结构简单，使用方便，性能稳定可靠；（2）易于实现检测过程自动化和多点同步测量、远距离测量和遥测；（3）灵敏度高，测量速度快，适合静态动态测量；（4）可以测

7、量多种物理量。2.2 电阻应变式传感器2.2.1 电阻应变式传感器的理论基础1）金属导体的电阻定律 金属导体的电阻值与其导线长度l成正比而与导线截面积S成反比，即: 2）金属材料的应变电阻效应 金属材料的电阻率的相对变化与其体积的相对变化成正比，即: 式中，c为由一定材料和加工方式决定的常数。S Sl lR R VdVcd3）材料的泊松比定律 在弹性限度内金属丝沿长度方向伸长时，径向尺寸缩小，反之亦然。即轴向应变t 与径向应变r有下面的关系成立r=-t 4）半导体材料的压阻效应 对于半导体材料施加应力(外力)时，除了产生变形外，材料的电阻率也随着变化。这种由于应力的作用而使材料的电阻率改变的现

8、象称为“压阻效应”，有下式关系成立 tEd2.2.2电阻应变式传感器的数学模型 设有一长为l0的、截面积为S、电阻率为的导电金属丝，它具有的电阻 当它受到轴向力被拉伸(或压缩)时，其l、S和均将发生变化，因而导体的电阻也随之发生变化。利用数学求导的方法可求得电阻的相对变化量。将上式两边取对数，再对两边取微分得 式中， 为电阻的相对变化； 为材料的轴向线应变。 又由式由线应变定义(径向应变)和面积公式求导并代入得 式中为泊松比。SlR0 SdSldldRdR0 RdR0ldldRdR)21 (2.2.3 电阻应变式传感器的主要应用 (1)将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应变和应力。

9、(2)将应变片贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器。这种传感器常用来测量力、位移、加速度等物理参数。在这种情况下，弹性元件将得到与被测量成正比的应变，再通过应变片转换为电阻变化的输出。2.3.1 电容式传感器的理论基础 电容式传感器是以静电场有关定律为其理论基础:1）两块无穷大的平行导电板(面电荷密度分别为+和-)的电场强度定律为: 极间电场强度为 板外电场强度为 E=0E=0 电场方向：垂直于导电板由正电荷指向负电荷。2）电场强度与电位的关系定律对均强电场： 对非均强电场： 3）电场能量定律 2.3 电容式传感器0EdUE dEdlE0 CQCUQUWe2212122 2.3.2

10、电容式传感器的数学模型1）平行板电容器式传感器的数学模型 假设：它们的表面积均为S；内表面间距离为；极板面的线长度远大于它们这间的距离，此时相当于极板为无穷大，所以除了边缘外，两极板内表面带电均匀，极板间电场也是均匀的；两极板A、B的带电量分别为q。则:SSCCrAB02）圆柱形电容式传感器的数学模型（1）同轴圆柱形电容式传感器的数学模型 设A、B为两个同轴圆柱形导体，A导体的半径为r ,B导体的半径为R，且Rr，L为导体的长度，则（2）变介质式圆柱形电容传感器的数学模型 C=a+ s1x 由上式可知，输出电容与液面高度变化x成线性关系RrLRrLUqCABln22ln002.3.3 电容式传

11、感器的测量电路 将电容量转换成电量 (电压或电流)的电路称作电容式传感器的转换电路。 1）电桥电路 下图所示为电容式传感器的电桥测量电路。通常采用电阻、电容或电感、电容组成交流电桥，该图所示为一种电感、电容组成的电桥。由电容变化转换为电桥的电压输出，经放大、相敏检波、滤波后，再推动显示、记录仪器。 2）谐振电路 下图所示为谐振式电路的原理框图，电容传感器的电容C3作为谐振回路(L2、C2、C3)调谐电容的一部分。谐振回路通过电感藕合，从稳定的高频振荡器取得振荡电压。当传感器电容发生变化时，使得谐振回路的阻抗发生相应的变化，而这个变化被转换为电压或电流，再经过放大、检波即可得到相应的输出。说明：

12、为了获得较好的线性关系，一般谐振电路的工作点选在谐振曲线的线性区域内，最大振幅70%附近的地方，且工作范围选在BC段内。这种电路的优点是比较灵活;其缺点是工作点不易选好，变化范围也较窄，传感器连接电缆的杂散电容对电路的影响较大，同时为了提高测量精度，要求振荡器的频率具有很高的稳定性。3）运算放大器电路 采用比例运算放大器电路，可以使输出电压约与位移的关系转换为线性关系。如下图所示，反馈回路中的Cx为极距变化型电容式传感器的输入电路，采用固定电容C0，u0为稳定的工作电压。由于放大器的高输入阻抗和高增益特性，比例器的运算关系为： 由上式可知，输出电压与电容传感器的间隙成线性关系。 2.4 2.4

13、 气体检测传感器气体检测传感器 可燃气体检测报警器多采用基于热化学反应的接触燃烧原理。其构成原理如下图所示。 元件C、D为传感元件，其中是C补偿元件，D为接触燃烧元件。2.4.1 气体传感器气体传感器能直接接受被测参数的有关数据(信息)，并能将所接受的物理量信息按一定规律转变成同种或别种物理信息。为保证气体检测仪检测的精度，气体传感器必须满足下列条件：（1）能够检测可燃气体的允许浓度和其它基准设定浓度，并能及时给出报警、显示和控制信号；（2）对被测气体以外的共存气体或物质不敏感；（3）响应迅速，重复性好；（4）维护方便，价格便宜等。1）催化型可燃气体传感器 催化型可燃气体传感器的主要特性如下：

14、（1）它是一种通用的传感器，适用于大多数检测烃气体的便携式仪器和连续稳态仪器。（2）寿命12年。（3）有些化学品会使催化剂中毒，致使传感器无响应。例如，曝露于硅的化合物、硫的化合物和氯等化学品时就会出现这种情况。（4）最常用于检测甲烷。为检测和精确测量其它气体必须进行系数校正。（5）不同厂商的产品质量是不一致的。2）固态传感器固体传感器的重要特性如下：（1）它是所有通用传感器中检测范围最宽的，能检测低到PPm量级或易燃范围的各种气体，而且通过改变金属氧化物材料、加工技术和工作温度，可以获得不同的响应特性。因此，它能在很宽的范围检测数百种气体。（2）结构简单使其可靠寿命达1025年。具有鲁棒性，

15、耐冲击和振动，并有防爆结构。（3）其选择性有限，并对可能造成误触发报警的干扰和背景气体敏感。3）红外气体传感器红外传感器的主要特性如下：（1）它不与被测气体相接触。光学器件保护传感器的主要元件不受气体本身影响，因此这种传感器能在高浓度场合可长期有效使用。（2）由于无需曝露于气体，所以没有传感器中毒、烧坏或疲劳问题，容易实现满足防爆要求的结构。（3）元件故障造成的信号丢失将关闭报警。但只要保持零气体读数校准，则传感器就有良好的响应和测量准确度。（4）它是高浓度可燃碳氢化合物气体的理想传感器，也是极有效的监测器。2.4.2 气体传感器的分类1）按原理分类 （1）利用物理化学性质的气体传感器：如半导

16、体式(表面控制型、体积控制型、表面电位型)、催化燃烧式、固体热导式等。（2）利用物理性质的气体传感器：如热传导式、光干涉式、红外吸收式等。（3）利用电化学性质的气体传感器：如定电位电解式、迦伐尼电池式、隔膜离子电极式、固定电解质式等。2.按结构分类 气体传感器从结构上可区分为干式和湿式两大类。凡构成气体传感器的材料为固体者均称为干式气体传感器；凡利用水溶液或电解液感知待测气体浓度的称为湿式气体传感器。图2-9为气体传感器的分类情况： 图图2-9 2-9 气体传感器的分类气体传感器的分类2.5.1 静态特性的性能指标1）精确度、精密度和准确度精确度的含义是：传感器反映的信号值与被测物理量真值(约定)的一致程度。精密度指的是在一定条件下进行多次测量时，在测量结果比较集中和仪器分辨率较高的条件下，随机误差的大小。准确度是指在规定条件下，测量结果的正确程度。 2.5 2.5 传感器主要技术性能指标传感器主要技术性能指标minmaxYY量程2）测量范围与量程 测量范围指被测物理量可以按规定的精确度进行测量的范围。量程是指测量范围的上限值与下限值的代数差。即： 3）线性度误差度理想情况下，传感器的