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安全监测与监控 安全检测技术 黄仁东 刘敦文主编 化学工业出版社 安全检测技术 张乃禄等 西安电子科技大学出版社 现代安全检测技术 赵建华 中国科技大学出版社 安全检测原理与技术 董文庚等 海洋出版社 安全检测与控制技术 陈海群等 中国石化出版社 第一章绪论 主要内容和课时安排安全监测的意义 目的和任务安全监测技术的发展概况安全监测技术的实例 3 第 章绪论 1 1本课程的主要内容和课时安排安全技术及工程专业本科生的基础课之一 多学科交叉常见的 与安全相关的工程量的检测上 介绍其原理 方法 4 温度 国际单位制中七个基本物理量之一重要工艺参数 七个基本单位 长度m 时间s 质量kg 热力学温度 Kelvin温度 K 电流单位A 光强度单位cd 坎德拉 物质量mol 设备运行状态的一个重要指标物体的许多物理现象和化学性质都与温度有关 很多生产工艺过程都是在一定的温度范围内进行的 因此 温度和温度监测问题是工业生产 状态监测和科学研究中经常遇到和要解决的问题 5 人们往往以为温度监测方法很简单 其实要准确地监测温度是很困难的 温度监测方法一 传统方法 接触法 膨胀式温度计 热电阻温度计 热电偶温度计 感温片二 现代方法 非接触法 红外非接触测温技术 红外热像仪测温技术 温度场测量 基于彩色CCD三基色测温技术 分布式光纤测温技术 6 总学时数 48其中 讲授46学时 复习2学时 本课程共包括6章重点阐述安全监测的技术基础 绪论 主要阐述安全监测的意义 目的和任务以及安全监测技术的发展概况 检测技术的基础知识 主要介绍误差理论基础 检测系统的基本特性以及信号分析基础 7 安全监测常用传感器生产工艺参数的检测温度 压力 流量 物位环境与灾害参数检测气体 粉尘 噪声 振动 泄漏 火灾无损检测技术超声 红外 磁粉 渗透 射线 8 第 章绪论 1 2安全监测的意义 目的和任务1 2 1安全监测的意义随着现代工业生产的发展和科学技术的进步 现代生产装置的结构越来越复杂 功能越来越完善 自动化程度也越来越高 相应的安全问题便日益严重 导致灾难性事故不断发生 如国内外曾经发生的各种空难 海难 煤矿透水 瓦斯爆炸 天然气井喷和火灾等恶性事故 其造成的人员伤亡 经济损失和社会影响都十分惊人 9 1985 2009年世界部分国家发生的特大事故及其后果 10 1 2 1安全监测的意义 这些特大灾难性事故的后果令人触目惊心 不但造成巨大的经济损失 而且造成很大的人员伤亡和环境污染 在社会上引起了强烈的反响 严重影响全球经济的可持续发展和社会稳定 11 2001 9 11美国纽约世贸中心倒塌图片 世贸中心原貌 世贸中心被撞击 12 1 2 1安全监测的意义 2002年4月15日 中国国际航空公司的一架波音767客机 执行CA129次航班的任务 从北京飞往韩国釜山 在韩国釜山机场附近坠毁 机上有155名乘客和11名机组人员 仅有38人幸存 死亡122人 失踪6人 2002年5月7日 北方航空公司的一架MD 82飞机 执行CJ6136次航班的任务 从北京起飞 飞往大连 在大连机场东侧约20公里的海面失事 机上103名乘客和9名机组人员 全部遇难 13 2002 4 15国航客机在韩国釜山坠毁图片 坠毁地点示意图 失事现场 14 2002 4 15国航客机在韩国釜山坠毁图片 飞机残骸 发动机残骸 失事飞机波音 767 15 2002 5 7北航客机在大连坠毁图片 坠毁地点示意图 失事飞机MD 82 打捞出的最大残骸 16 2002 5 7北航客机在大连坠毁图片 打捞出的飞机残骸和遇难者遗物 飞机驾驶内舱打捞出水 飞机机头打捞出水 17 1 2 1安全监测的意义 2003年11月3日凌晨 湖南省衡阳市珠晖区一栋八层四合院商住楼发生特大火灾 由于当地消防官兵全力扑救 该楼96户共412名居民均安全撤离 无一人伤亡 但因为部分楼房突然倒塌 导致20名消防官兵不幸遇难 包括4名新闻记者在内的16人受伤 衡阳特大火灾火场 18 1 2 1安全监测的意义 衡阳特大火灾火场 19 1 2 1安全监测的意义 2004年8月24日 俄罗斯发生 9 11 式空难 两架从莫斯科 托莫杰托沃 国际机场起飞的俄罗斯客机在一天里相继失事 先是一架图 134客机在莫斯科南部约200公里的图拉地区坠毁 紧接着约3分钟后另一架图 154客机又在莫斯科南部约960公里的罗斯托夫地区附近步其后尘 两架客机上的106名乘客和机组人员全部遇难 20 2004 8 24俄罗斯两架客机相继坠毁图片 坠毁地点示意图图拉距莫斯科约200公里罗斯托夫距莫斯科约960公里 失事飞机图 154 失事飞机图 134 21 1 2 1安全监测的意义 2005年2月14日15时左右 辽宁省阜新矿业集团孙家湾煤矿发生特别重大瓦斯爆炸事故 造成214人死亡 30人受伤 直接经济损失4968 9万元 22 1 2 1安全监测的意义 发生事故的井口 23 1 2 1安全监测的意义 2006年12月29日下午16时48分 北京时间30日3点48分 巴西GOL航空公司一架载有154人的波音737 800型客机与一架小型商务机相撞后从雷达上消失 这架飞机原本应在巴西利亚暂作停留后飞往里约热内卢 预定在里约热内卢的降落时间是18时10分 这架客机在亚马孙一个农场坠毁 机上人员全部遇难 与其相撞的小飞机机翼受损但成功降落 24 1 2 1安全监测的意义 巴西波音737 800客机失事示意图 25 1 2 1安全监测的意义 2007年7月29日8时40分 肆虐的洪水沿河南省三门峡支建铁炉沟河暴涨 造成位于河床中心的原中国铝业公司废弃的铝土矿坑塌陷 洪水通过矿井上部老巷泄入陕县支建矿业有限公司东风井 造成淹井事件 经过76个小时的全力抢救 被困的69名矿工在8月1日12时50分全部脱困 26 1 2 1安全监测的意义 被困的首名矿工在救护队员掺扶下走出井口 27 1 2 1安全监测的意义 被困的最后一名矿工抬出井口 28 1 2 1安全监测的意义 2008年9月20日22时49分 广东省深圳市龙岗区舞王俱乐部发生特别重大火灾 造成44人死亡 58人受伤 直接经济损失1589万元 事发现场外围满了人 29 1 2 1安全监测的意义 火灾现场 30 1 2 1安全监测的意义 火灾现场一片狼藉 31 1 2 1安全监测的意义 2009年2月9日晚20时27分 北京中央电视台新大楼北配楼发生特大火灾 大火燃烧了近6个小时 火势凶猛 附近千人被疏散 造成1人死亡 7人受伤 估计损失达7亿元 火灾现场 32 1 2 1安全监测的意义 火灾现场 33 1 2 1安全监测的意义 火灾现场外围满了人 34 1 2 1安全监测的意义 在我国 煤矿透水 天然气井喷 瓦斯爆炸和飞机坠毁等恶性伤亡事故已引起国际社会的关注 提高安全监测技术水平 对有效减少事故隐患 预防和控制重特大事故的发生 遏制群死群伤 重大经济损失和保障国家经济与社会的发展具有重大现实意义 35 1 2 2安全监测的目的 安全监测的目的 1 能及时地 正确地对运行设备的运行参数和运行状况作出全面监测 预防和消除事故隐患 2 对设备的运行进行必要的指导 提高设备运行的安全性 可靠性和有效性 以期把运行设备发生事故的概率降低到最低水平 将事故造成的损失减低到最低程度 3 通过对运行设备进行监测 隐患分析和性能评估等 为设备的结构修改 设计优化和安全运行提供数据和信息 36 1 2 2安全监测的目的 总起来说 进行安全监测的目的就是确保设备的安全运行 预防和消除事故隐患 避免事故发生 尤其是避免重特大事故的发生 遏制群死群伤和重大经济损失 事实上 如果加强运行设备的安全监测 有许多事故是可以防患于未然的 下面是一些事故增加的原因 也正是安全监测所要解决的问题 37 1 2 2安全监测的目的 1 现代生产设备向大型化 连续化 快速化和自动化方向发展 一方面在提高劳动生产率 降低生产成本 节约资源和人力等方面带来很大好处 但另一方面 由于设备故障率增加 而导致由事故所造成的损失 却在成百倍地增长 2 高新技术采用现代设备 特别是航天 航空 航海和核工业等部门对安全性 可靠性提出了越来越高的要求 多年来航天 航空 核电站的多次灾难性事故 更说明了进行安全监测的迫切性 38 1 2 2安全监测的目的 3 现有大量生产设备的老化 要求加强对其进行安全监测 许多老设备 老装置 服役已接近其寿命期 进入 损耗故障期 故障率增大 有的甚至超期服役 全部更新的话经济负担很重 此时如对其加强安全监测 将能延长设备的使用寿命 39 1 2 3安全监测的任务 监测设备的运行状态 判断其是否正常 进行安全预测和诊断 指导设备的管理和维修监测工作环境的安全状况 判断是否符合国家相关安全标准 指导安全设备的设计和维护生产工艺参数的检测温度 压力 流量 物位环境与灾害参数检测气体 粉尘 噪声 振动 泄漏 火灾无损检测技术超声 红外 磁粉 渗透 射线 40 监测设备的运行状态I 运行状态监测正常状态 没有缺陷 或虽有缺陷但在允许的限度内异常状态 缺陷扩展 性能劣化 仍能维持工作故障状态 不能正常工作 1 2 3安全监测的任务 41 II 安全预测和诊断设备运行状态监测所获得的信息已知的结构特性和参数以及环境条件该设备的运行历史对设备可能要发生的或已经发生的故障进行预报 分析和判断 确定故障的性质 类别 程度 原因和部位 指出故障发生和发展的趋势及其后果 提出控制故障继续发展和消除故障的调整 维修和治理的对策措施 并加以实施 最终使设备复原到正常状态 1 2 3安全监测的任务 42 III 指导设备的管理和维修事后维修方式 Run to BreakdownMaintenance 定期预防维修方式 Time basedPreventiveMaintenance 视情维修 Condition basedMaintenance 1 2 3安全监测的任务 43 视情维修是一种更科学 更合理的维修方式 但要能做到视情维修 其条件是有赖于完善的安全监测技术的发展和实施 1 2 3安全监测的任务 44 第 章绪论 1 3安全监测技术的发展概况对于安全监测技术 实际上自有工业生产以来就已存在 I 早期人们依据对触摸 观察 对声音 振动等状态特征的感受 凭借个人的经验 可以判断某些故障的存在 并提出修复的措施 II 依靠简单的工具 例如 1815年 安全灯 英国 瓦斯在灯焰周围燃烧 火焰高度 瓦斯含量III 安全监测技术作为一门学科 则是20世纪60年代以后才发展起来的 45 20世纪70年代过程系统在线故障监测与安全诊断技术随着生产和科学技术的发展迅速得到发展 这是动态系统的故障监测与诊断问题 是应用现代控制理论 数理统计等方法来分析处理非正常工况下系统特性的结果 所谓 故障监测 诊断和预报系统 通常有两种涵义 一是指某些专用仪器 如对于汽轮发电机组等旋转机械设备 就有 转速测量仪 旋转机械振动检测仪 和 频谱分析仪 等 可以检测出这类机械设备的 46 运转是否正常 另一种是指计算机数据采集分析系统 它可以采集生产过程的有关数据 完成工况分析 对设备是否正常 是什么原因引起故障 故障的程度有多大 工况的趋势是否安全等问题进行分析 判断 得出结论 近年来在线故障监测与安全诊断技术的研究十分活跃 如红外监测技术 包括红外测温 红外气体分析和红外气体泄漏监测 声发射监测技术 智能安全监测系统等 其工程应用也日益广泛 47 发达国家安全监测技术研究起步较早 研究投入较多 安全监测技术这一领域的理论 方法 技术 装备等已遍及诸多行业 如航天 航空 核工业 石油 化工 电力 采矿 林业 建筑等各种社会支柱产业中 在我国 安全监测技术的发展 在国家经济建设中发挥了越来越大的作用 也取得了十分明显的社会经济效益 烟气连续排放在线检测系统 1 4安全监测的实例 主梁内力和温度 桥塔内力和温度 伸缩缝位移进行长期监测 包括多台高性能光纤光栅动态数据采集仪和数百只各类光纤光栅传感器 EF VS360视觉识别 字符识别 OCR OCV 检测系统设备图 检测人员正在铸造厂房内进行粉尘采样 检测人员正在对隧道进行风速检测分析 美国旧金山国际机场 NECSmartCatch 通风机在线监测与控制系统 煤矿井下环境气体中的瓦斯浓度 温度 连轴温度 压力 风量 第二章检测技术的基础知识 误差理论信号分析基础检测系统的基本特征可靠性技术 2 1误差理论 定义特点产生原因分类误差的处理 2 1 1测量误差 测量仪器 测量方法 测量人员 参数的计算及测量数据处理没有误差的测量是不存在的误差和测量有着密切的关系 测量数据与真值之差 测量误差 测得值 真值 客观真实值 未知 1m 1650763 73 约定真值 世界各国公认的几何量和物理量的最高基准 最高精度 的量值 相对真值 标准仪器的测得值或用来作为测量标准用的标准器的值 如 米 公制长度基准 氪 86的2p10 5d5能级间跃迁在真空中的辐射波长 绝对误差 x x x0 理论真值 设计时给定或用数学 物理公式计算出的给定值 光在真空中1s时间内传播距离的1 299792485 相对误差 绝对误差与真值之比 测量效果 被测量的大小不同 允许的绝对误差不同被测量的量值小 允许的测量绝对误差也越小 例 质量G1 50g 误差 1 2g 质量G2 2kg 误差 2 50g G2的测量效果较好 2 1 2误差的特点 普遍性 所有的测量数据都存在误差 不可避免的最高基准的测量传递手段 测量仪器 测量方法 不绝对准确 减小误差的影响 提高测量精度 对测量结果的可靠性给出评定 精确度的估计 研究误差的目的 2 1 3产生原因 测量过程中测量五要素 观测者 测量对象 测量仪器 测量方法及测量条件 1 理论与方法误差检测方法 采样方法 测量重复次数 取样时间 测量过程中数据处理时 2 检测系统各环节所使用的材料性能和制造技术引起的误差 3 组成检测系统各环节的传递特性方面产生的误差 4 检测系统器件特性变化引起的误差 偏离设定值 5 检测系统各环节动力源的变化引起的误差电流 电压 气压 液压等 6 检测环境引起的误差环境条件 温度 湿度 气压等 差异器件的性能 7 检测人员造成的误差 主观误差 人员视觉 读数误差 经验 熟练程度 精神方面原因 1 有效数字的化整误差 有效位数 3 近似计算例 2 数学常数 例如圆周率 4 物理常数 例密度 粘度 导热系数 电阻率等 实验 误差 2 数据处理时 2 1 4误差的分类 按误差来源 装置误差 环境误差 方法误差 人员误差 按特性规律 系统误差 随机误差 粗大误差 按仪器使用条件 基本误差 标准条件 国家或企业规定 附加误差 1 系统误差 Systemerror 重复测量时 确定的规律 定值 变值 如线性 周期 其他 系统误差的发现校准和对比2 数据分析 系统误差比随机误差大很多时 残差变化规律 1 修正值实验或计算 系统误差的具体数值和变化规律修正表格 修正曲线 修正公式例 环境误差 干扰很大而又无法消除 测量信号为零 读数减去干扰指示值 条件 测量中干扰的影响相同 II 系统误差的消除 可调的标准器具代替被测量接入检测系统调整标准器具 使检测系统的指示值与被测量接入时相同标准器具的数值 被测量 2 替代法 2 随机误差 Randomerror 偶然误差 多次重复测量 大小和符号均无规律变化因许多不确定性因素而随机发生例 仪器的元器件性能不稳定 温度 湿度的变化 空中电磁波的干扰等服从某种统计规律 如正态分布 均匀分布等通过大量检验 大多数随机误差服从正态分布 高斯分布 李雅普诺夫定理 a 单峰性 绝对值小的出现概率大b 对称性 绝对值相等的正负误差出现概率相等c 有界性 绝对值不会超过某个限度d 抵偿性 当测量次数增加时 随机误差的代数和趋于零测量次数增加 算术平均值逐渐接近真值 概率密度曲线 曲线下面包含的面积是对应不同区间x出现的概率 2 2信号分析基础 信号的分类信号的时域分析信号的频域分析 为深入了解信号的物理实质 将其进行分类研究是非常必要的 从不同角度观察信号 可分为 2 2 1Classificationofsignals 信号描述 I 确定性信号与随机信号deterministicvs random 可以用明确数学关系式描述的信号称为确定性信号 不能用数学关系式描述的信号称为随机信号 deterministicsignalx t x t0 isanumber nouncertainity randomsignalx t x t0 isarandomvariable withsomeprobabilityspecification x t randomsignal randomprocess stochasticprocess 位移信号x t 可以写为 式中 A为振幅 最大值 k为弹簧刚度 m为质量 0为初始相位 在此图中 0 0 x t t曲线表示为位移x t 随时间t的变化情况 确定性信号举例 Periodicsignalsaresuchthatx t T x t forallt ThesmallestvalueofTthatsatisfiesthedefinitioniscalledtheperiod 1 周期信号 经过一定时间重复出现的信号 2 T 2 N iscalledthefundamentalfrequency radsec ofx t x n 简单周期信号 T PI f 1 pi T 2PI 3 f 3 2pi T 2PI f 1 2pi 复杂周期信号 由基波的整数倍波形叠加而成 b 非周期信号 确定信号 但不是周期信号 准周期信号 由多个周期信号合成 但各信号频率不成公倍数 如 x t sin t sin 2 t 瞬态信号 持续时间有限的信号 如x t e Bt Asin 2 pi f t c 随机信号 不能用数学式描述 其幅值 相位变化不可预知 所描述物理现象是一种随机过程 对随机信号按时间历程所做的各次长时间观测记录称为样本函数 记作xi t 在同样的条件下 不同时间段的各样本函数的集合称为总体 记作 xi t II 连续时间信号与离散时间信号 a 连续时间信号 在所有时间点上有定义 b 离散时间信号 在若干时间点上有定义 2 2 2信号的时域分析 信号的时域分析是对信号的幅值进行分析 内容 确定性信号幅值随时间的变化关系 随机信号幅值的统计特性 相关分析 I 周期信号的幅值分析 有限离散数字信号序列的均值 均值 反映了信号变化的中心位置 也称之为直流分量 a 均值 b 绝对均值 c 均方值和均方根植 d Peakvalue XP瞬时最大作用强度 e 双峰值Pp p 信号幅值的变化范围 a均值 在实际测试中 均值 x可以取样本在足够长时间内的积分平均作为其估计值 记作 II 随机信号的幅值分析 b 均方值 方差 反映了信号绕均值的波动程度 c 方差 d 概率分布函数distributionfunction 对于实轴上任何一点x 随机变量X的分布函数F x 在x点的值为随机变量X小于x这个事件发生的概率 分布函数是单调非降的右连续函数 在负无穷大时为0 在正无穷大时为1 e 概率密度函数 如果存在函数p x 使得 则p x 为概率密度函数 概率密度函数是概率分布函数的导数 各种可能出现的幅值概率之和等于1 概率密度函数图上为x1左边部分p x 曲线下的面积概率分布函数图上为x1纵坐标的高度P x1 幅值 x1的概率 1波形变量相关的概念 相关函数 如果所研究的变量x y是与时间有关的函数 即x t 与y t x t y t III 信号的相关分析 相关函数反映了二个信号在时间上的相关性 互相关函数Rxy 如果x t y t 则Rxx Rxy 为自相关函数 使两个信号之间产生时差 再相乘再积分 即可得到此时差两个信号的相关性连续变化此时差 就可得到相关函数曲线 计算过程 图例 相关函数曲线 2 相关函数的性质 相关函数描述了两个信号间或信号自身不同时刻的相似程度 通过相关分析可以发现信号中许多有规律的东西 1 自相关函数是 的偶函数 RX Rx 互相关函数既不是偶函数 也不是奇函数 2 当 0时 自相关函数具有最大值 3 周期信号的自相关函数仍然是同频率的周期信号 但不保留原信号的相位信息 5 两同频率周期信号的互相关函数仍然是同频率的周期信号 且保留原了信号的相位信息 6 两个非同频率的周期信号互不相关 4 随机噪声信号的自相关函数将随 的增大快速衰减 IV 时域分析的工程应用 案例 汽车速度测量 案例 旅游索道钢缆检测 机械加工表面粗糙度自相关分析 被测工件 相关分析 性质3 性质4 自相关测转速 理想信号 干扰信号 实测信号 自相关系数 性质3 性质4 提取周期性转速成分 工程中常用两个间隔一定距离的传感器进行非接触测量运动物体的速度 热轧钢带的运动速度 2 2 3信号的频域分析 信号频域分析是采用傅立叶变换将时域信号x t 变换为频域信号X f 从而帮助人们从另一个角度来了解信号的特征 周期信号的傅立叶级数非周期信号的傅立叶积分频谱分析的应用 信号频谱X f 代表了信号在不同频率分量成分的大小 能够提供比时域信号波形更直观 丰富的信息 时域分析与频域分析的关系 时域分析只能反映信号的幅值随时间的变化情况 除单频率分量的简谐波外 很难明确揭示信号的频率组成和各频率分量大小 图例 受噪声干扰的多频率成分信号 大型空气压缩机传动装置故障诊断 傅里叶级数 I周期信号的傅立叶级数展开 T 周期 0 2 T 圆频率 例 周期三角波的傅里叶级数 基波 基频 三次谐波 五次谐波 3 频谱图既方便又明白的表示一个信号中包含有哪些频率分量 各分量所占的比重如何每一条谱线代表一个基波或一个谐波分量 谱线高度代表这一正弦分量的振幅 谱线横坐标代表这一正弦分量的频率 幅值频谱An w 相位频谱 n w 功率谱 周期三角波的频谱图 实频谱图的特点 1 由不连续的线条组成 每一条线代表一个正弦分量 2 频谱的每条谱线 都只能出现在基波频率的整数倍的频率上 频谱中不可能存在任何具有频率为基波频率非整数倍的分量 3 各条谱线的高度 即各次谐波的振幅 总的趋势是随着谐波次数的增高而逐渐减小的 当谐波次数无限增高时 谐波分量的振幅就无限趋小 频谱的离散性 谐波性 收敛性 II 非周期信号的傅立叶积分 与周期信号相似 非周期信号也可以分解为许多不同频率分量的谐波和非周期信号的周期T 基频f df包含了从零到无穷大的所有频率分量 或 非周期信号的谱线出现在0 fmax的各连续频率值上 这种频谱称为连续谱 III 频谱分析的应用 案例 在齿轮箱故障诊断通过齿轮箱振动信号频谱分析 确定最大频率分量 然后根据机床转速和传动链 找出故障齿轮 fr 旋转频率n 60fm 啮合频率nZ 60 2 3检测系统的基本特性静态特性和动态特性静态检测 检测系统的输入 输出信号不随时间变化或变化很缓慢 静态响应特性 静态检测时系统表现出的响应特性指标 测量范围 灵敏度 非线性度 回程误差等 II 灵敏度灵敏度指输出的增量与输入的增量之比 即 线性系统的灵敏度S为常数 即输入输出关系直线的斜率 非线性系统的灵敏度S是变量 是输入输出关系曲线的斜率 输入量不同 灵敏度就不同 通常用拟合直线的斜率表示系统的平均灵敏度 I 测量范围检测系统能正常测量的最小输入量和最大输入量之间的范围 III 非线性度标定曲线与拟合直线的偏离程度就是非线性度 如果在全量程A输出范围内 标定曲线偏离拟合直线的最大偏差为B 则定义非线性度为 IV 回程误差也称为滞后或变差 实际测量系统在相同的测量条件下 当输入量由小增大 或由大减小时 对于同一输入量所得到的两个输出量存在差值 则定义回程误差为 V 漂移漂移指检测系统随时间的慢变化 零点漂移 例 检测流量 当管道中的介质为静止时 可设置为零点 即此刻流量为零 2 F S 6h 这个指标指的是在通入零点气稳定后 6个小时内数值漂移量不大于量程的2 仪表指标就算合格 第三章安全检测常用传感器 Asensorisadevicetodetectchangesintheenvironmentsuchasenergy heat light magnet supersonic etc andconvertthemtoelectricsignals 3 1introduction 1Whatisasensor Temperaturetoavoltage Pressuretoavoltage 输出与输入有一定的对应关系 且应有一定的精确度 2传感器的构成 敏感元件 直接感受被测量 输出与被测量成确定关系 转换元件 敏感元件的输出就是转换元件的输入 它把输入转换成电量参量 转换电路 把转换元件输出的电量信号转换为便于处理 显示 记录或控制的有用的电信号的电路 膜盒就是敏感元件 其外部与大气压pa相通 内部感受被测压力p 当p变化时 引起膜盒上半部移动 即输出相应的位移量 可变电感3是转化元件 它把输入的位移量转换成电感的变化 5即为转换电路 由一个敏感元件 兼转换元件 组成 它感受被测量时直接输出电量 3分类a Thevaluetobeestimated velocity temperature andsoon 常见的被测物理量 机械量 长度 厚度 位移 速度 加速度 旋转角 转数 质量 重量 力 压力 真空度 力矩 风速 流速 流量 声 声压 噪声 磁 磁通 磁场 温度 温度 热量 比热 光 亮度 色彩 有源型和无源型 有源型 也称能量转换型或发电型 把非电量直接转换成电压 电流或电荷 例如 热电偶温度计 压电式加速度计 无源型 也称能量控制型或参数型 把非电量变成电阻 电容 电感等 b 能量转换的方式 c 按输入和输出的特性分类按输入 输出特性 传感器可分为线性和非线性两类 3 2常用传感器 按检测原理 长度为l 截面积为A 电阻率为 的金属丝 3 2 1电阻式传感器 thequantitytobemeasured thechangeofresistance 1Rheostat 电位器式传感器组成 线圈 骨架和滑动触头原理 如果电阻丝直径与材质一定时 则电阻R随导线长度L而变化 线圈绕于骨架上 触头可在绕线上滑动 当滑动触头在绕线上的位置改变时 将位移变化转换为电阻变化线位移或角位移 电阻 电压可测参数 线位移或角位移可以转换为位移的参数 压力 加速度等 resistance voltage 电阻分压电路 测量电路 特点 结构简单 尺寸小 重量轻 价格低廉且性能稳定 受环境因素 如温度 湿度 电磁场干扰等 影响小 输出信号大 一般不需放大磨损 降低测量精度 分辨力较低 动态响应较差适合于测量变化较缓慢的量 变阻器式传感器的性能参数 测量范围 分辨率 电阻温度系数 整个电阻值的偏差 寿命 变阻器式传感器的分类 按测量类型 单圈电位器 多圈电位器 直线滑动式电位器 按制作方式 线绕电位器 案例 重量的自动检测 配料设备 原理 弹簧 力 位移 电位器 电阻 案例 煤气包储量检测 原理 钢丝 收线圈数 电位器 电阻 案例 玩具机器人 广州中鸣数码 原理 电机 转角 电位器 电阻 2电阻应变片 基于金属导体的应变效应 金属导体在外力作用下发生机械变形时 其电阻值随着所受机械变形 伸长或缩短 的变化而发生变化的现象 1 原理 种类 使用方法 原理 对金属材料 电阻率基本不变 受力后材料的几何尺寸变化受力后材料的电阻率变化 金属电阻丝的电阻相对变化与轴向应变成正比 按工艺可分为丝式箔式金属薄膜式 II种类 按使用温度可分为 低温应变片 30 以下 常温应变片 30 60 中温应变片 60 350 高温应变片 350 以上 按基底材料可分为 纸质应变片 胶基应变片 金属基底应变片 浸胶基应变片 按安装方式可分为 粘贴式应变片 焊接式应变片 喷涂式应变片 埋入式应变片 按用途可分为 一般用途应变片 特殊用途应变片 水 疲劳寿命 抗磁感应 裂缝扩展等 按敏感栅结构可分为 单轴应变片和多轴应变片 a丝式 敏感栅 基底 覆盖层 引线 b箔式 光刻技术厚约为0 003 0 01mm的金属箔片制成敏感栅优点 可制成多种复杂形状 尺寸准确的敏感栅 其栅长最小可做到0 2mm 以适应不同的测量要求 生产效率高 便于实现自动化生产金属箔的材料常用康铜和镍铬合金等 c金属薄膜应变片真空蒸发或真空沉积薄的绝缘基片形成厚度在0 1 m以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅 最后再加上保护层 它的优点是应变灵敏度大 允许电流密度大 工作范围广 可达 197 317 2 Semiconductor 压阻效应对半导体材料的某一轴向施加一定的载荷而产生应力时 它的电阻率会发生变化 半导体应变片与金属电阻应变片相比其灵敏度高50 70倍温度稳定性差 3 应变片的选用 4 电阻应变片的粘贴技术 应变片粘贴工艺主要包含 应变片阻值检测 结构表面打磨 应变片定位 结构表面清洁 涂胶粘贴 连接应变片引线和导线 绝缘检查 应变片表面防护等步骤 1 外观检查可凭肉眼或借助放大镜进行敏感栅有无锈斑 缺陷是否排列整齐基底和覆盖层有无损坏引线是否完好 2 应变片电阻值的检测为保证使用的应变片的电阻误差不超过允许范围 这个范围通常在 0 5 用精度较高的欧姆表 1 应变片准备 3 检查应变片上是否标有中心线无 在其覆盖层上用铅笔标出中心线以便贴片时定位 4 打磨表面对于钢铁等金属构件 首先是清除表面油漆 氧化层和污垢 然后磨平或锉平 并用细砂布磨光 通常称此工艺为 打磨 对非常光滑的构件 则需用细砂布沿45 方向交叉磨出一些纹路 以增强粘结力 打磨面积约为应变计面积的3 5倍左右 5 打磨完毕后 用划针轻轻划出贴片的准确方位 划线深度要适中 6 表面处理的最后一道工序是清洗 即用洁净棉纱或脱脂棉球蘸丙酮或其它挥发性溶剂对贴片部位进行反复擦洗 直至棉球上见不到污垢为止 此时勿用手触摸清洗后的表面 7 用透明胶带将应变片与构件临时固定移动胶带位置使应变片达到正确定位 8 一手捏住应变片引出线 一手拿粘合剂小瓶 将瓶口向下在应变片基底底面涂抹一层 一滴即可 粘合剂 一般宜薄不宜厚 涂粘合剂后立即将应变片底面向下平放在试件贴片部位上 并使应变片底基准线与试件上的定位线对齐 贴片工艺随所用粘结剂不同而异 9 将一小片玻璃纸 包应变片的袋 聚四氯乙烯薄膜 盖在应变片上 用手指按压挤出多余粘合剂 手指保持不动约一分钟再放开 轻轻掀开玻璃纸膜 检查有无气泡 翘曲 脱胶现象 再将玻璃纸盖在应变片上 一手指按压在应变片引出线端上 另一手指捏住引出线轻轻提起使之与试件脱离 引线如粘在构件上需小心操作 在紧连应变片的下部用胶水粘接一片连接片 在应变片的引出线附近粘贴一片接线片 同时在引出线下面粘贴一层绝缘胶布 为了使胶水快速固化 可用电吹风加热处理 注意距离 在接线片端子上上好焊锡 用镊子轻轻将应变片引出线与接线端子靠近 再用电烙铁把引出线焊在端子上 焊接要迅速 时间不能过长 焊点要求光滑 不能虚焊 多余的引出线可剪断 将连接应变仪的导线焊接在接线片上 注意焊接质量 把导线用绝缘胶带固定在构件上 再一次检查应变片质量 对已充分干燥 固化 并已焊好导线的应变计 应立即涂上防护层 常用室温防护剂有 1 凡士林 2 蜂蜡 3 石蜡 炮油和松香混合物 4 环氧树脂 用万用表测量 应变片阻值应无明显变化 用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘电阻 一般测量电阻应大于100M 绝缘电阻是最重要的受检指标 绝缘好坏取决于应变计的基底 粘贴不良或固化不充分的应变计往往绝缘电阻低 电阻应变式传感器的应用 测力 组成 弹性元件 应变片 外壳弹性元件 被测量 应变量应变片 应变量 电阻量的变化 承载能力大弹性元件中部的外侧面上 轮辐式 悬臂梁式 灵敏度高 小载荷高精度测量 固有频率高 可承受大载荷重型载荷的电子秤 环式 中小载荷 稳定性好 案例 桥梁固有频率测量 固有频率改变 结构改变 结构安全检查重要桥梁通常每年进行一次用载重20吨 30吨 的卡车以每小时40公里 80公里的速度通过大桥在桥梁中部的桥面上设置一个三角枕木障碍 当前进中的汽车遇到障碍时对桥梁形成一个冲击力 激起桥梁的脉冲响应振动 应变信号 桥梁的固有频率 案例 电子称 原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出 案例 冲床生产记数和生产过程监测 案例 振动式地音入侵探测器 适合于金库 仓库 古建筑的防范 挖墙 打洞 爆破等破坏行为均可及时发现 3 2 2电容式传感器 变换原理 将被测量的变化转化为电容量变化 两平行极板组成的电容器 它的电容量为 改变 A或 中的一个 极距变化型面积变化型介质变化型 a 极距变化型 变间隙型 改变间距 灵敏度高 微米数量级改变A 厘米数量级 传感器的输出特性C f 不是线性关系 C 测量微小变化量 0 01m到几个毫米 灵敏度 输出量的增量与输入量增量的比值与极距平方成反比 极距愈小 灵敏度愈高 增加云母片提高灵敏度 式中 g 云母的相对介电常数 g 6 8 5 0 空气的介电常数 0 1 g 云母片的厚度 0 空气隙厚度 云母片击穿电压 1000kV mm空气击穿电压 3kV mm 减小极距 高灵敏度 但容易击穿 一般 起始电容在20 100pF极板间距离 25 200 m最大位移应小于间距的1 10在微位移测量中应用最广 提高传感器的灵敏度 克服外界条件 如电源电压 环境温度等 的变化对测量精度的影响 差动变极距型 b 面积变化型 平面线位移型 柱面线位移型 圆柱形结构受极板径向变化的影响很小 成为实际中最常采用的结构 电容量C变化 谐振频率也随之改变从550kHz逐渐增加到1650kHz 就可以从一个电台转换到另一个电台 c 介质变化型 大多用于测量电介质的厚度 位移 液位极板间介质的介电常数随温度 湿度改变测量温度 湿度 电容式液位传感器 液位计 料位计 电容式液位传感器 液位计 料位计 式中 k 比例常数 s 被测物料的相对介电常数 0 空气的相对介电常数 D 储罐的内径 d 测定电极的直径 h 被测物料的高度 两种介质常数差别越大或极径D与d相差愈小传感器灵敏度就愈高 电容式油量表 特点 动态特性好活动零件少 质量小 自振频率高尤其适合测量高频振动振幅 精密轴系回转精度 加速度等机械量结构简单 适应性好两块金属板 绝缘材料 振动 辐射 高温非接触式测量不能受力 高速运动 表面不允许划伤 电缆分布电容影响大连接电缆 屏蔽线的电容最小的l米也有几个PF 最大的可达上百个PF电缆本身放置的位置和形状不同 或因振动等原因 都会引起电缆本身电容的较大变化 陶瓷电容压力传感器 液体压力作用在陶瓷膜片的表面 使膜片产生位移 应用 当被测压力或压力差作用于膜片并使之产生位移时 形成的两个电容器的电容量 一个增大 一个减小 该电容值的变化经测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化 1 电容式压力传感器 一个膜片动电极和两个在凹形玻璃上电镀成的固定电极组成的差动电容器 2 电容式加速度传感器 电容式键盘 常规的键盘有机械式按键和电容式按键两种 电容式键盘是基于电容式开关的键盘 原理是通过按键改变电极间的距离产生电容量的变化 暂时形成震荡脉冲允许通过的条件 理论上这种开关是无触点非接触式的 磨损率极小甚至可以忽略不计 也没有接触不良的隐患 具有噪音小 容易控制手感 可以制造出高质量的键盘 但工艺较机械结构复杂 电容传声器 传声器 Microphone 俗称话筒 音译作麦克风 是一种声 电换能器件 可分电动和静电两类 目前广播 电视和娱乐等方面使用的传声器 绝大多数是动圈式和电容式 电容传声器以振膜与后极板间的电容量变化通过前置放大器变换为输出电压 它能提供非常高的音响质量 频率响应宽而平坦 是高性能传声器 但这种传声器制造工艺复杂 价格高 需外加60 200V的极化电压源 一般在专业领域使用较多 驻极体电容传声器 大膜片电容传声器 指纹识别 电容式传感器 第二代指纹识别系统体积小 成本低 成像精度高 而且耗电量很小 因此非常适合在消费类电子产品中使用 右图为指纹经过处理后的成像图 指纹识别所需电容传感器包含一个大约有数万个金属导体的阵列 其外面是一层绝缘的表面 当用户的手指放在上面时 金属导体阵列 绝缘物 皮肤就构成了相应的小电容器阵列 它们的电容值随着脊 近的 和沟 远的 与金属导体之间的距离不同而变化 湿度测量 湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的 常用的高分子材料有聚苯乙烯 聚酰亚胺 酪酸醋酸纤维等 当环境湿度发生改变时 湿敏电容的介电常数发生变化 使其电容量也发生变化 其电容变化量与相对湿度成正比 湿敏电容的主要优点是灵敏度高 产品互换性好 响应速度快 湿度的滞后量小 便于制造 容易实现小型化和集成化 其精度一般比湿敏电阻要低一些 HM1500湿度传感器 在工农业生产 气象 环保 国防 科研 航天等部门 经常需要对环境湿度进行测量及控制 当齿轮转动时 电容量发生周期性变化 通过测量电路转换为脉冲信号 则频率计显示的频率代表转速大小 设齿数为z 频率为f 则转速为 安装在汽车座位里以控制气囊配置和安全带预紧装置 在洗碗机和干燥机中以校正旋转桶的状态 冰箱使用其来控制自动去冰过程 3 2 3电感式传感器 当导体中的电流发生变化时 它周围的磁场就随着变化 并由此产生磁通量的变化 因而在导体中就产生感应电动势这个电动势总是阻碍导体中原来电流的变化 此电动势即自感电动势自感现象自感系数 电流变化率感应电动势线圈的匝数 形状 面积 周围介质的电导率 自感和互感现象 当一线圈中的电流发生变化时 在临近的另一线圈中产生感应电动势 叫做互感现象有两个临近的回路 1 和 2 载有电流I1 I2 则由I1产生的磁场穿过 2 的回路磁通量 21 M21 I1由I2产生的磁场穿过 1 的回路磁通量 12 M12 I2M12 M21均可称为互感系数 简称互感 可以证明M12 M21 M 无论在何处 只要存在两个电流回路 就会有互感 将被测非电量如位移 压力 流量 振动等转换成线圈自感系数或互感系数的变化 再由测量电路转换为电压或电流的变化量的输出变磁阻式传感器 自感式差动变压器式传感器 互感式电涡流式传感器 电涡流式 1变磁阻式传感器 自感式 Rm 磁阻 磁导率 A 变气隙型 B变导磁面积型 特点 灵敏度较低 线性较好 量程比间隙式大 使用较广泛 C螺管线圈型 当铁心在线圈中运动时 将改变磁阻 使线圈自感发生变化 灵敏度低 适用于较大位移 几毫米 测量 输入输出呈线性 螺管中部 灵敏度较低 铁芯尺寸固定 线圈匝数等不变时 电感相对变化量与衔铁插入长度的相对变化量成正比 结构简单 制造容易 使用最广泛 变间隙型灵敏度较高 但非线性误差较大 且制作装配比较困难 变面积型灵敏度较前者小 但线性较好 量程较大使用比较广泛 螺管型灵敏度较低 但量程大 且结构简单易于制作和批量生产 是使用最广泛的一种电感式传感器 传感器由不导磁管子 导磁性浮子及线圈组成 管子与被测容器相连通 管子内的导磁性浮子浮在液面上 当液面高度变化时 浮子随着移动 线圈固定在液位上下限控制点 当浮子随液面移动到控制位置时 引起线圈感应电势变化 以此信号控制继电器动作 可实现上 下液位的报警与控制 2互感型 工作原理 互感现象 本身是一个变压器 其初级线圈接入交流电源 次级为感应线圈 当互感变化时 输出电压将作相应的变化 由于常采用两个次级线圈组成差动式 故又称差动变压器式传感器 螺管式差动变压器 传感器由初级线圈和两个参数完全相同的次级线圈组成 线圈中心插入圆柱形铁芯 次级线圈反极性串联 当初级线圈加上交流电压时 如果e1 e2 则输出电压e0 0 当铁芯向上运动时 e1 e2 当铁芯向下运动时 e1 e2 铁芯偏离中心位置愈大 e0愈大输出电压 位移大小极性 位移方向 差动变压器式传感器的优点是 测量精度高 可达0 1 m 线性范围大 可到 100mm 稳定性好 结构简单 因而被广泛应用于直线位移 或可能转换为位移变化的压力 重量等参数的测量 差动变压器位移传感器 案例 板的厚度测量 案例 张力测量 变磁阻式传感器 自感式差动变压器式传感器 互感式电涡流式传感器 电涡流式 线圈等效阻抗发生变化 L变小 R变大 电涡流效应 块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时 导体内将产生呈涡旋状的感应电流 一般用于测量x 也有用于测量电阻率 磁导率 导体探伤 等 3电涡流式传感器 按照电涡流在导体内的贯穿情况 此传感器可分为高频反射式和低频透射式两类 但从基本工作原理上来说仍是相似的 低频透射式涡流传感器多用于测定材料厚度发射线圈和接收线圈接收线圈产生的感应电势e2减小e2的大小与G的厚度及材料性质有关 高频反射式 1 位移测量 2 振幅测量 无损探伤 原理裂纹检测缺陷造成涡流变化 火车轮检测 油管检测 涡流传感器的应用 涡流传感器的应用 发射线圈金属体位置 大小接收线圈 电涡流安检门 电涡流安检门 转速测量 可实现非接触式测量 抗污染能力很强 可安装在旋转轴近旁长期对被测转速进行监视 最高测量转速可达60万转 min 转 分 接近开关是一种毋需与运动部件进行机械接触而可以操作的位置开关 当物体接近开关的感应面到动作距离时 不需要机械接触及施加任何压力即可使开关动作 电感式接近开关属于一种有开关量输出的位置传感器 它由LC高频振荡器和放大处理电路组成 利用金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时 使物体内部产生涡流 这个涡流反作用于接近开关 使接近开关振荡能力衰减 内部电路的参数发生变化 由此识别出有无金属物体接近 进而控制开关的通或断 这种接近开关所能检测的物体必须是金属物体 被测物理量的变化转变为感应电动势 inducedvoltage 是一种机 电能量变换型传感器穿过导电回路所环绕的面积内的磁通变化时 在该回路中产生电动势当导线切割磁力线时 在导线两端产生电动势 3 2 4感应式传感器 感应线圈的感应电动势 inducedvoltage 磁场强度 磁阻 线圈运动速度 改变其中一个因素 都会改变感应电动势 分类 动圈式 变磁阻式 线速度型 角速度型 动铁式 A动圈式传感器利用永久磁铁产生直流磁场 通过线圈在磁场中的运动而产生相应的感应电动势 线速度型 测速电机 角速度型 在传感器中当结构参数确定后 B l W A均为定值 感应电动势e与线圈相对磁场的运动速度 v或 成正比 所以这类传感器的基本形式是速度传感器 能直接测量线速度或角速度 如果在其测量电路中接入积分电路或微分电路 那么还可以用来测量位移或加速度 B动铁式 C变磁阻式传感器 常用来测量旋转物体的角速度 线圈3和磁铁5静止不动 测量齿轮1 导磁材料制成 每转过一个齿 传感器磁路磁阻变化一次 线圈3产生的感应电动势的变化频率等于测量齿轮1上齿轮的齿数和转速的乘积 应用 磁电式传感器可以安装在车身上的任何位置 只要稍微调整一下某些参数值 使得其能够识别峰值为0 588m s2和时间脉冲为0 20ms的碰撞加速度信号即可 只要碰撞加速度峰值和时间脉冲宽度同时满足条件 就会向气囊发出触发信号 展开气囊 对人体进