传感器原理讲稿-.ppt

安全监测自动化系统常见监测仪器原理 直线型混凝土坝水平位移 引张线 垂线 真空或大气激光准直曲线型混凝土坝水平位移 正 倒垂线及垂线坐标仪 电容式 光电式 混凝土坝坝体挠度 正 倒垂线及垂线坐标仪 电容式 光电式 坝体坝基垂直位移 静力水准 双金属管标土石坝内部水平位移 引张线式钢丝位移计土石坝内部沉降 水管式沉降仪地下洞室围岩位移 振弦式 电位器式多点位移计混凝土应力 差阻式 振弦式应变计组及无应力计钢筋 钢板应力 差阻式 振弦式钢筋计 钢板计面板堆石坝周边缝 3DM电位器式测缝计接缝变形 差阻式 电位器式测缝计扬压力 渗透压力 振弦式 差阻式渗压计 常见监测项目和监测仪器 仪器参数基本概念 1 非线性度线性度又称非线性 是表征传感器输出 输入校准曲线与所选定的拟合直线 作为工作直线 之间的吻合 或偏离 程度的指标 通常用相对误差来表示非线性度 即式中 lmax 输出平均值与拟合直线间的最大偏差 yF S 理论满量程输出值 仪器参数基本概念 2 滞后滞后是反映传感器在正 输入量增大 反 输入量减小 行程过程中输出 输入曲线的不重合程度的指标 通常用正反行程输出的最大差值 Hmax计算 即式中 Hmax 正反行程输出的最大差值 yF S 理论满量程输出值 仪器参数基本概念 3 不重复性不重复性是衡量传感器在相同工作条件下 输入量从同一方向作满量程变化 所得特性曲线间一致程度的指标 各条特性曲线越靠近 重复性越好 4 分辨力分辨力是传感器在测量范围内所能检测出被测输入量的最小变化量 有时用该值相对满量程输入值之百分数表示 称为分辨力 5 长期稳定性传感器在相当长时间内仍保持其性能的能力 稳定性一般以室温条件下经过一规定的时间间隔后 传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异来表示 一般仪器稳定度用一段时间内传感器输出变化对满量程的百分比表示 如 0 5 F S 年 仪器参数基本概念 6 综合误差该误差实际反映传感器准确度 表示传感器测值接近真值的程度 一般根据非线性 滞后 重复性误差来计算综合误差 即7 仪器的精度问题大坝安全监测所使用的仪器设备有一些是典型意义上的传感器 如应变计 渗压计 测缝计等 还有一些是由传感器和配套设备组合的测量系统 如由坐标仪和垂线组成的正倒垂系统 由引张线仪和引张线构成的引张线测量系统 对于该系统中的某个仪器的精度进行现场测试和检验时 除因现场环境与室内标定时的差异造成误差外 监测系统结构本身也存在误差 例如引张线线体的张力 浮船和液体的迟滞等 因此监测系统中仪器的引用精度指标应较仪器的标称精度低 仪器参数基本概念 6 综合误差该误差实际反映传感器准确度 表示传感器测值接近真值的程度 一般根据非线性 滞后 重复性误差来计算综合误差 即7 仪器的精度问题大坝安全监测所使用的仪器设备有一些是典型意义上的传感器 如应变计 渗压计 测缝计等 还有一些是由传感器和配套设备组合的测量系统 如由坐标仪和垂线组成的正倒垂系统 由引张线仪和引张线构成的引张线测量系统 对于该系统中的某个仪器的精度进行现场测试和检验时 除因现场环境与室内标定时的差异造成误差外 监测系统结构本身也存在误差 例如引张线线体的张力 浮船和液体的迟滞等 因此监测系统中仪器的引用精度指标应较仪器的标称精度低 常用仪器类型及原理 1 1 差动电阻式传感器差动电阻式传感器习惯上又称卡尔逊式仪器 这种仪器利用张紧在仪器内部的弹性钢丝作为传感元件 将仪器受到的物理量转变为模拟量 当钢丝受到拉力作用而产生弹性变形 其变形与电阻变化之间有如下关系式 R R L L式中R 钢丝电阻 R 钢丝电阻变化量 L 钢丝长度 L 钢丝长度变化量 钢丝电阻应变灵敏系数 差动电阻式传感器 1 1仪器原理差动电阻式仪器的内部均绕着电阻值相近的细电阻钢丝R1和R2 受外力作用前受外力作用后电阻比的变化量为仪器电阻值随温度而变化 一般在 50 100 范围内 差动电阻式传感器 1 2仪器结构差动电阻式传感器利用弹性钢丝在力的作用和温度变化下的特性设计而成 当仪器受到外力变形时 一组钢丝受拉 一组钢丝受压 两组钢丝电阻R1 R2 分别用黑 红 白三芯电缆引出 差动电阻式传感器 1 3仪器测量差动电阻式传感器的内阻较低 一般在60 80 之间 仪器电缆的芯线电阻或芯线接触电阻变差等会给测量带来较大误差 因此 通常采用恒流源技术用五芯电缆接法测量仪器电阻 电阻比的方法 消除了电缆引线电阻及其变化对测值的影响 五芯仪器四芯仪器四芯温度计三芯温度计 差动电阻式传感器 1 4仪器特点仪器长期稳定可靠 并能兼测温度 在高水压下也可以长期可靠的工作等优点 通过五芯测量技术 解决了长电缆测量中的电缆电阻及接线电阻变差等影响 使得差阻式系列传感器可方便的接入自动化采集系统 差动电阻式传感器内的高强钢丝很细 钢丝工作在高应力状态 所以该类仪器超载能力差 不耐震 更不能跌撞 在仪器率定及安装埋设过程中尤其需要注意 否则极易造成仪器钢丝损坏而失效 另外 现场仪器电缆接长时接头处理不好或电缆绝缘下降都会对测量结果造成影响 差动电阻式传感器 1 5故障排除由仪器的原理及结够可知 差动电阻式传感器内部实为两个电阻 通过一根5芯电缆引至观测站 当仪器测量故障时 可通过万用表逐个测试各芯线间的电阻值 可判断出故障原因 常用仪器类型及原理 2 2 振弦式传感器振弦式仪器中的关键部件为一张紧的钢弦 它与传感器受力部件连接固定 利用钢弦的自振频率与钢弦所受到的外加张力关系式测得各种物理量 钢弦自振频率与钢弦所受应力的关系式为 f 式中 f 钢弦自振频率 L 钢弦长度 夹线器 钢弦 电磁铁 钢弦所受的应力 钢弦材料的密度 其中 E 式中 E 钢弦材料的弹性模量 钢弦的应变 振弦式传感器 2 1仪器原理当仪器的材料 钢丝长度确定后 仪器钢弦所受应力与弦的自振频率的平方成线性关系 4L2 f2振弦式传感器的钢弦是在一定初始应力下张紧的 其初始自振频率为f0 发生应力变化后的自振频率为f 可得出下式 K f2 f02 为方便读数及计算 一般用频率模数F f2 1000表示输出量 振弦式传感器 2 2仪器结构振弦式应变计 主要由左右端座 保护管 信号传输电缆 振弦及激振拾振电磁线圈等组成 1 左端座2 保护管3 激振拾振线圈4 电缆5 右端座 振弦式传感器 2 2仪器结构振弦式钢筋计 主要由钢套 连接杆 弦式敏感部件及激振拾振电磁线圈等组成 1 钢套2 电缆3 热敏电阻4 线圈5 紧定螺钉6 弦式敏感件7 连接杆 振弦式传感器 2 2仪器结构振弦式位移计 主要由振弦式敏感部件 拉杆 弹簧及激振拾振电磁线圈等组成 1 电缆2 弦式敏感件3 线圈4 钢弦5 拉簧6 保护管7 滑杆8 销子 振弦式传感器 2 2仪器结构振弦式水位计 主要由顶盖 振弦敏感部件 浮筒 和安装调节支架组成 振弦式传感器 2 2仪器结构振弦式渗压计 渗压计的感应部件由透水石 感应板组成 感应板上接振弦传感部件 振弦感应组件由振动钢弦和电磁线圈构成 振弦式传感器 2 3仪器测量振弦式仪器的测量采用扫频激振技术 当激振频率和传感器振弦的固有频率接近时 振弦能迅速达到共振状态 当激振信号撤去后 弦由于惯性作用仍然作衰减震荡 振动产生的感应信号通过检测电路滤波 放大 整形成脉冲信号送到微控制器 微控制器通过测量脉冲信号的周期或频率 即可测得传感器的振动频率 振弦式传感器 2 4故障排除1 仪器无读数振弦式仪器的线圈电阻一般为200 左右 可通过万用表测试两根线间的电阻值 一般为红黑 来判断 a 电阻非常大 几K 或无穷大 M 电缆已断路或线圈损坏 一般应先排查电缆是否存在断裂 b 电阻非常低 小于100 电缆短路 应检查接线接头是否碰线 电缆绝缘层受损 c 钢弦故障 振弦式传感器 2 4故障排除2 仪器读数不稳定a 测量档位选择 仪器出厂时一般都标有频率范围 测量时需选择相应的激振频率范围 b 仪器读数超量程 c 存在干扰 仪器及信号传输线路附件是否存在马达 发动机 交流动力电缆 可将信号电缆屏蔽线接地来改善信号质量 d 读数仪本身是否正常 可尝试换用其他仪表进行测量 e 仪器绝缘度降低 由于电缆接续接头处理不当或电缆老化 受损 导致电缆进水 常用仪器类型及原理 3 3电位器式传感器 位移计 3 1仪器原理该类仪器实质上为一个滑动变阻器 采用先进的精密导电塑料电位器生产工艺制造 可基本作到电阻值沿精密导电塑料长度均匀分布 滑竿的位移量与电阻比成线性关系 电位器式传感器的精度可作到万分之几 计算公式 Kf Ri Ro 式中 位移量mmRo 初始位置电阻比Ri 测量位置电阻比Kf 仪器灵敏度系数 电位器式传感器 3 2仪器测量电位器测量采用了恒压源激励比值测量方法来精确确定电位器中间抽头的位置 并可消除温度及电压源稳定性对测量的影响 为了消除传感器长导线电阻的影响 采用了五芯测量方法 常用仪器类型及原理 4 4电容式传感器4 1仪器原理电容式传感器是指能将被测物理量转化为电容变化的一种传感元件 电容器的电容是构成电容器的两极板形状 大小 相互位置 电介质的介电常数的函数 对于最简单的平板电容器而言 其电容量C为 C 其中 介质的介电常数 S 极板的面积 极板间距离 电容式传感器 4 1仪器原理如将一侧极片固定 另一侧极片与被测物体相连 当被测物体发生位移时 将改变两极片间电容的大小 通过一定测量线路将电容转换为电信号输出 即可测定物体位移的大小 将两个结构完全相同的电容式传感器共用一个活动电极 即组成差动电容传感器 电容式传感器 4 2仪器结构电容式仪器的分为变极板距离和变正对面积两种结构方式 1 变极板距离方式测量 电容式传感器 4 2仪器结构2 变面积方式测量 电容式传感器 4 3仪器测量电容式传感器的输出电容值很小 并且其绝对值随温度 湿度等各种环境因素的影响 测量极为困难 因此采用新型的技术和方法 1 采用相关检测技术 使得传感器在保证高测量精度和强抗干扰能力的同时具有极高的稳定性 2 激励信号由微处理控制器控制产生幅值或频率可程控调节的正弦信号以改变整个测量回路的增益 使得测量电路能够适应各种不同容量大小的电容传感器的测量 3 采用比值测量方法 使测量结果不受温度 湿度等环境因素的影响 由激励信号源输出一定幅值和频率的正弦激励信号至电容传感器的两个极板 通过共用电极将信号耦合至前置放大器 进行信号调理后进行模数转换后输入微处理器 由于采用了相关检测法 因此测量结果具有很高的信噪比 电容式传感器 4 4仪器特点电容传感器具有结构简单 传感器无任何电子元件 灵敏度高 动态响应快 极板经处理后可在高温高湿度等恶劣环境下长期稳定工作的特点 电容式传感器能够在相对湿度95 的环境下长期可靠工作 但这并不意味着这类精密仪器能够在水等经常流入坐标仪的情况下还给出准确的测值 因此必须采取措施防止水进入仪器内 电容式传感器 4 5故障排除1 读数异常 error 一般可通过测量模块的自检功能来获得大概的故障提示