传感器（三种）在钢铁生产过程中的应用.docx

传感器（三种）在钢铁生产过程中的应用 第一章传感器 1.传感器的概念 传感器能感受规定的被测量，并按照一定的规律 转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感组件和转 换组件组成。敏感组件指传感器中能直接感受(或响应)被 测量的部分。转换组件指传感器中能将敏感组件感受(或响 应)的被测量转换成适合于传输和(或)测量的电信号的部分。 当输出为规定的标准信号时，则一般称为变送器。 最简单的传感器是由一个敏感组件(兼转换组件)组成， 它感受被测量时直接输出电量，如热电阻、热电偶等。传 感技术研究传感器的材料、设计、工艺、性能和应用 等的综合技术。传感技术是一门边缘技术，它涉及物理学， 数学，化学，材视对其敏感组件部分的研究和开发，除了 对其芯片的研究和开发外，也应十分重视传感器的封装工 艺和封装结构的研究，这往往是引起传感器不能稳定可信 地工作的关键因素之一。传感器的作用越来越被工业界、 科技界、领导决策部门所认识。这是因为传感技术是信息 技术的三大组成部分之一。 信息技术主要由信息的采集、信息的处理、信息的传 输三大部分组成。传感技术与信息技术的关系：信息-采集 -传感技术；信息-处理-计算机技术；信息-传输-通讯技术。 信息的采集主要利用传感技术，信息的处理主要利用 计算机技术，信息的传输主要采用通讯技术。传感技术是 现代控制测量技术的主要环节。如果没有传感技术对原始 数据进行准确、可信的测量，无论对信息的转换、处理、 传输和显示多么精确，都将失去任何意义。 人们往往把传感器誉为人的感官：眼光敏传感器； 鼻气敏传感器；耳声敏传感器；嘴味觉传感 器；手触觉传感器；而把计算机誉为人的大脑；把通 讯技术作为人的经络。因此通过感官来获取信息(传感器)， 由大脑(计算机)发出指令，由经络(通讯技术)进行传输， 现代信息技术缺一不可。 在科学研究和基础研究中，传感 器能获取人类感官无法获得的大量信息。传感器的水平是 衡量一个国家综合经济实力和技术水准的标志之一，它的 发展水平、生产能力和应用领域已成为一个国家科学技术 进步的重要标志，正如国外有的专家认为；谁支配了传感 器，谁就支配了目前的新时代。 2. 传感器的分类 传感器的分类目前尚无统一规定，传感器本身又种类 繁多，原理各异，检测对象五花八门，给分类工作带来一 定困难，通常传感器按下列原则进行分类。 2.1. 按被检测量分类 按被检测量分类，可分为物理量传感器，化学量传感 器，生物量传感器。在各类传感器中可分为若干族，每一 族中又可分为若干组。 2.2. 按物理原理分类 这种分类方法是以传感器的物理原理作为分类依据。 可分为压阻式、压电式、电感式、电容式、应变式、霍尔 式；这种分类方法有利于传感器专业工作者从原理和 设计上作归纳性的分析和研究。 2.3. 按能量的传递方式分类 按能量的传递方式分类，传感器可分为有源传感器和 无源传感器两大类。有源传感器将非电量转换为电量。无 源传感器本身并不是一个换能器，被测非电量仅对传感器 中的能量起控制或调节作用，所以它必须具有辅助能源 电源。 2.4. 按传感器的工作机理分类 按传感器的工作机理分类，可分为结构型和物性型两 大类。结构型传感器是利用物理学中场的定律和运动定律 等构成的。物理学中的定律一般是以方程式给出。对于传 感器来说，这些方程式也就是许多传感器在工作时的数学 模型。这类传感器特点是传感器的性能与它的结构材料没 有多大关系。以差动变压器为例，无论使用坡莫合金或铁 氧体做铁芯，还是使用铜线或其它导线做绕组，都是作为 差动变压器而工作。物性型传感器是利用物质法则构成的。 物质法则是表示物质某种客观性质的法则。这种法则大多 数以物质本身的常数形式给出。这些常数的大小，决定了 传感器的主要性能。因此，物性型传感器的性能随材料的 不同而异。如所有的半导体传感器，以及所有利用各种环 境变化而引起的金属、半导体、陶瓷、合金等性能变化的 传感器都是物性型传感器。另外，根据传感器输出是模拟 信号还是数字信号，可分为模拟传感器和数字传感器；根 据转换过程可逆与否，可分为双向传感器和单向传感器等 等。 3. 传感器的特性 传感器的特性是指传感器的输入量和输出量之间的对 应关系。通常把传感器的特性分为两种：静态特性和动态 特性。 3.1传感器的静态特性 静态特性是指输入不随时间而变化的特性，它表示传 感器在被测量各个值处于稳定状态下输入输出的关系。 传感器的输入-输出关系:输入传感器输出、分辨 力、误差因素）。 人们总希望传感器的输入与输出成唯一 的对应关系，而且最好呈线性关系。但一般情况下，输入 输出不会完全符合所要求的线性关系，因传感器本身存在 着迟滞、蠕变、摩擦等各种因素，以及受外界条件的各种 影响。 传感器静态特性的主要指针有：线性度、灵敏度、 重复性、迟滞、分辨率、漂移、稳定性等。 3.2传感器的动态特性 动态特性是指输入随时间而变化的特性，它表示传感 器对随时间变化的输入量的响应特性。 一般来说，传感器的输入和输出关系可用微分方程来 描述。理论上，将微分方程中的一阶及以上的微分项取为 零时，即可得到静态特性。因此传感器的静特性是其动特 性的一个特例。 传感器除了描述输入与输出量之间的关系特性外，还 有与使用条件、使用环境、使用要求等有关的特性。 动特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。 很多传感器要在动态条件下检测，被测量可能以各种形式 随时间变化。只要输入量是时间的函数，则其输出量也将 是时间的函数，其间关系要用动特性来说明。设计传感器 时要根据其动态性能要求与使用条件选择合理的方案和确 定合适的参数；使用传感器时要根据其动态特性与使用条 件确定合适的使用方法，同时对给定条件下的传感器动态 误差作出估计。总之，动特性是传感器性能的一个重要方 面，对其进行研究与分析十分必要。总的来说，传感器的 动特性取决于传感器本身，另一方面也与被测量的形式有 关。 规律性的： 1）周期性的：正弦周期输入、复杂周期输入； 2）非周期性的：阶跃输入、线性输入、其它瞬变输入。 随机性的： 1）平稳的：多态历经过程、非多态历经过程； 2）非平稳的随机过程。 在研究动态特性时，通常只能根据“规律性”的输入 来考虑传感器的响应。复杂周期输入信号可以分解为各种 谐波，所以可用正弦周期输入信号来代替。其它瞬变输入 不及阶跃输入来得严峻，可用阶跃输入代表。因此，“标 准”输入只有三种；正弦周期输入、阶跃输入和线性输入。 而经常使用的是前两种。 4. 传感器的原理结构和工作过程 4.1. 传感器的原理结构 在一段特制的弹性轴上粘贴上专用的测扭应片并组成 变桥，即为基础扭矩传感器，在轴上固定着：(1)能源环形 变压器的次级线圈，(2)信号环形变压器初级线圈，(3)轴 上印刷电路板，电路板上包含整流稳定电源、仪表放大电 路、V/F 变换电路及信号输出电路。在传感器的外壳上固定 着：激磁电路，(2)能源环形变压器的初级线圈(输入)，(3) 信号环形变压器次级线圈(输出)，(4)信号处理电路 4.2. 传感器的工作过程 向传感器提供15V 电源，激磁电路中的晶体振荡器产 生 400Hz 的方波，经过 TDA2030 功率放大器即产生交流激 磁功率电源，通过能源环形变压器 T1 从静止的初级线圈传 递至旋转的次级线圈，得到的交流电源通过轴上的整流滤 波电路得到5V 的直流电源，该电源做运算放大器 AD822 的工作电源；由基准电源 AD589 与双运放 AD822 组成的高 精度稳压电源产生4.5V 的精密直流电源，该电源既作为 电桥电源，又作为放大器及 V/F 转换器的工作电源。当弹 性轴受扭时，应变桥检测得到的 mV 级的应变信号通过仪表 放大器 AD620 放大成 1.5v1v 的强信号，再通过 V/F 转换 器 LM131 变换成频率信号，通过信号环形变压器 T2 从旋转 的初级线圈传递至静止次级线圈，再经过外壳上的信号处 理电路滤波、整形即可得到与弹性轴承受的扭矩成正比的 频率信号，该信号为 TTL 电平,既可提供给专用二次仪表或 频率计显示也可直接送计算机处理。由于该旋转变压器动- -静环之间只有零点几毫米的间隙，加之传感器轴上部分都 密封在金属外壳之内，形成有效的屏蔽，因此具有很强的 抗干扰能力。 5. 传感器的应用 传感器的应用传感器的应用领域涉及机械制造、工业 程控、汽车电子产品、通信电子产品、消费电子产品和专 用设备等。 5.1.专用设备 专用设备主要包括医疗、环保、气象等领域应用的专 业电子设备。目前医疗领域是传感器销售量巨大、利润可 观的新兴市场，该领域要求传感器件向小型化、低成本和 高可靠性方向发展。 5.2.工业自动化 工业领域应用的传感器，如工艺控制、工业机械以及 传统的；各种测量工艺变量(如温度、液位、压力、流量等)的； 测量电子特性(电流、电压等)和物理量(运动、速度、负载 以及强度)的，以及传统的接近/定位传感器发展迅速。 5.3.通信电子产品 手机产量的大幅增长及手机新功能的不断增加给传感 器市场带来机遇与挑战，彩屏手机和摄像手机市场份额不 断上升增加了传感器在该领域的应用比例。此外，应用于 集团电话和无绳电话的超声波传感器、用于磁存储介质的 磁场传感器等都将出现强势增长。 5.4.汽车工业 现代高级轿车的电子化控制系统水平的关键就在于采 用压力传感器的数量和水平，目前一辆普通家用轿车上大 约安装几十到近百只传感器，而豪华轿车上的传感器数量 可多达二百余只，种类通常达 30 余种，多则达百种。 第二章 传感器在钢铁生产过程中的应用 下面我介绍下热电偶、射线、超声波传感器在钢铁生 产过程中的应用。 1. 热电偶传感器在钢铁生产过程中的应用 1.1.电热偶的概念 这就要从热电偶测温原理说起，热电是一种感温元件, 它把温度信号转换成热电动势信号, 通过电气仪表转换成 被测介质的温度。热电偶测温的基本原理是两种不同成份 的均质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中 就会有电流通过，此时两端之间就存在 Seebeck 电动势 热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。两种不同成份的 均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低 的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。根 据热电动势与温度的函数关系, 制成热电偶分度表; 分度 表是自由端温度在 0 时的条件下得到的，不同的热电 偶具有不同的分度表。在热电偶回路中接入第三种金属材 料时, 只要该材料两个接点的温度相同, 热电偶所产生的 热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。 因此, 在热电偶测温时, 可接入测量仪表, 测得热电动势 后, 即可知道被测介质的温度。 1.2.电热偶的工作原理 热电偶传感器是钢铁生产过程中测量中应用最广泛的 一种温度传感器，它与被测对象直接接触，不受中间介质 的影响，具有较高的精度；测量范围广，可从-501600 进行连续测量,特殊的热电偶如金铁镍铬，最低可测到 -269，钨铼最高可达 2800。比如两种不同材质的 导体，如在某点互相连接在一起，对这个连接点加热，在 它们不加热的部位就会出现电位差。这个电位差的数值与 不加热部位测量点的温度有关，和这两种导体的材质有关。 这种现象可以在很宽的温度范围内出现，如果精确测量这 个电位差，再测出不加热部位的环境温度，就可以准确知 道加热点的温度。由于它必须有两种不同材质的导体，所 以称之为“热电偶”。不同材质做出的热电偶使用于不同 的温度范围，它们的灵敏度也各不相同。热电偶的灵敏度 是指加热点温度变化 1时，输出电位差的变化量。对于大 多数金属材料支撑的热电偶而言，这个数值大约在 540 微伏之间。热电偶传感器有自己的优点和缺陷它灵敏 度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前 置放大器温度漂移的影响，因此不适合测量微小的温度变 化。由于热电偶温度传感器的灵敏度与材料的粗细无关， 用非常细的材料也能够做成温度传感器。 1.3.电热偶的优点 测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中 间介质的影响。 测量范围广。常用的热电偶从-50+1600均可边续测 量，某些特殊热电偶最低可测到-269，最高可达+2800。 构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金 属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管， 用起来非常方便。 1.4. 利用热电偶转换器的单片机温度测控系统 1.4.1.型热电偶 型热电偶是工业生产中最常用的温度传感器，具有 结构简单、制造容易、使用方便、测温范围宽等特点。目 前，在以型热电偶为测温元件的工业测温系统中，热电 偶输出的热电势信号必须经过中间转换环节，才能输入基 于单片机的嵌入式系统。中间转换环节包括信号放大、冷 端补偿、线性化及数字化等几个部分，实际应用中，由于 中间环节较多，调试较为困难，系统的抗干扰性能往往也 不理想。在铝水平温度测量仪的研制中，我们采用了 MAXIM 公司新近推出的 MAX6675，它是一个集成了热电偶放大器、 冷端补偿、A/D 转换器及 SPI 串口的热电偶放大器与数字转 换器，可以直接与单片机接口，大大简化系统的设计，保 证了温度测量的快速、准确。 1.4.2. MAX6675 工作原理 MAX6675 是一复杂的单片热电偶数字转换器。主要包括： 低噪声电压放大器 A1、电压跟随器 A2、冷端温度补偿二极 管、基准电压源、12 位 AD 转换器、SPI 串行接口、模拟开 关及数字控制器。 其工作原理如下：K 型热电偶产生的热电势，经过低噪 声电压放大器 A1 和电压跟随器 A2 放大、缓冲后，得到热 电势信号 U1，再经过 S4 送至 ADC。对于 K 型热电偶，电压 变化率为(41V/)，电压可由如下公式来近似热电偶的 特性。 U1=(41V/)(T-T0) 上式中，U1 为热电偶输出电压，T 是测量点温度；T0 是周围温度。 在将温度电压值转换为相应的温度值之前，对热电偶 的冷端温度进行补偿，冷端温度即是 MAX6675 周围温度与 0实际参考值之间的差值。通过冷端温度补偿二极管，产 生补偿电压 U2 经 S4 输入 ADC 转换器。 U2=(41V/)T0 在数字控制器的控制下，ADC 首先将 U1、U2 转换成数字量,即获得输出电压 U0 的数据，该数据就代表 测量点的实际温度值 T。这就是 MAX6675 进行冷端温度补偿 和测量温度的原理。 2. 射线传感器在钢铁生产过程中的应用 2.1. 射线感应器在钢铁冶炼过程中的作用 冶炼过程是将固体原料熔炼成高温钢铁液,并通过反应 控制得到相应的成分含量，物料量、温度、成分等是冶炼 过程中重要的检测参数。此过程除了精确控制温度以取得 材料的强度特性等,精确的尺寸和钢材外形控制也是轧钢过 程检测的特点之一。产品与程控对于检测的速度和精度要 求以及参数的多样化都是检测技术的要点。钢液渣层检测 在转炉冶炼、精炼等过程中也有很高要求。射线感应技术 被应用于钢液或渣检测以取得控制浇钢过程夹渣量的效果。 在线非接触尺寸测量技术和装置在开发之前,轧钢过程 的高速自动化只是奢望。而当射线感应技术相继应用于轧 钢过程测量,解决了各种钢材轧制工艺的测量控制要求,并 且使生产过程高速、高精度成为现实。现在的冷板材轧制 中厚度精度可以达到千分之一的精度等级,薄板材厚度控制 在 10m 以内。 2.2. 涉嫌传感器的种类 射线式传感器通常有两种主要形式，一种是测量天然 或自然的放射线，例如测量天然放射性的 U、Th、K 和这三 个量的总量；另一种方式是利用放射性同位素测量非放射 性物质，根据被测物质对辐射线的吸收、反射进行检测， 或者利用射线对被测物质的电离激发作用。后者射线式传 感器主要由放射源和探测器组成。 3. 超声波传感器在钢铁生产过程中的应用 3.1. 超声波感应器的概念 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。 超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能芯片在 电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、 绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播 等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在 阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰 到杂质或分接口会产生显著反射形成反射成回波，碰到活 动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工 业、国防、生物医学等方面。 以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声 波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为 超声换能器，或者超声探头。 超声波探头主要由压电芯片组成，既可以发射超声波， 也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有 许多不同的结构，可分直探头、斜探头、表面波探头、兰 姆波探头、双探头等。 超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块 压电芯片。构成芯片的材料可以有许多种。芯片的大小， 如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的， 我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要 性能指针包括： 工作频率。工作频率就是压电芯片的共振频率。当加 到它两端的交流电压的频率和芯片的共振频率相等时，输 出的能量最大，灵敏度也最高。 工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别 时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低， 可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比 较高，需要单独的制冷设备。 灵敏度。主要取决于制造芯片本身。机电耦合系数大， 灵敏度高；反之，灵敏度低。 超声波传感技术应用在生产实践的不同方面，而医学 应用是其最主要的应用之一，下面以医学为例子说明超声 波传感技术的应用。超声波在医学上的应用主要是诊断疾 病，它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。超声 波诊断的优点是：对受检者无痛苦、无损害、方法简便、 显像清晰、诊断的准确率高等。因而推广容易，受到医务 工作者和患者的欢迎。超声波诊断可以基于不同的医学原 理，我们来看看其中有代表性的一种所谓的 A 型方法。这 个方法是利用超声波的反射。当超声波在人体组织中传播 遇到两层声阻抗不同的介质接口是，在该接口就产生反射 回声。每遇到一个反射面时，回声在示波器的屏幕上显示 出来，而两个接口的阻抗差值也决定了回声的振幅的高低。 在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤 和超声波测厚两种。过去，许多技术因为无法探测到物体 组织内部而受到阻碍，超声波传感技术的出现改变了这种 状况。当然更多的超声波传感器是固定地安装在不同的装 置上，“悄无声息”地探测人们所需要的信号。在未来的 应用中，超声波将与信息技术、新材料技术结合起来，将 出现更多的智慧化、高灵敏度的超声波传感器。 3.2. 超声波传感器的基本原理 超声波传感器是用双压电陶瓷芯片制成，在压电陶瓷 芯片加上大小和方向不断变化的交流电压时，根据压电效 应，就会使压电陶瓷芯片产生机械变形，并产生机械波， 这种机械波的大小和方向，是与外加电压的大小和方向成 正比的。与此相反，如果在压电陶瓷芯片上有机械波作用， 则将会使其产生机械变形并进而产生电压信号。超声波在 空气中传播时，如果遇到其它媒介，则因两种媒介的声阻 抗不同而产生反射。因此，向前方路面障碍物发射超声波， 检测反射波并进行分析，便可判断并获知前方路面的状况。 另外，超声波传感器信息处理简单快速，环境适应性强， 价格便宜，因此适于在履带车辆主动悬挂系统中应用。 3.3. 超声波传感器信息的采集与处理 由超声波传感器探测近距离路面障碍物信息，并采用 单片机进行信号分析与处理。系统硬件部分由超声波发射 接收电路和单片机控制系统组成。在履带车辆主动悬挂 系统中，采用 80C196PLC 单片机，作动器采用磁流变液 这种新型智能材料，由磁流变阻尼器产生主动控制力，达 到减振缓冲的目的。 在履带车辆主动悬挂系统的传感部分，采用多超声波 传感器，按一定的位置关系在每侧履带设置四个超声波发 射器和一个超声波接收器，对履带前方路面的凸堆和凹坑 进行探测，确定障碍物的距离、方位和高度等信息。但超 声波传感器也有一定的局限性，表现在探测波束角过大， 而且使用单一的超声波传感器，其系统稳定性有时也不理 想。如果采用其它传感器来补偿，或采用多传感器融合技 术提高检测精度等，其性能可以得到很好的改善。在这里， 加入红外线传感器和微波雷达，将这三种传感器集成在一 起，进行信息融合。为了有效利用传感器信息，需要采用 一种信息