第5章 设备状态监测常用传感器

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第五章
传感器
设备状态监测常用传感器
传感器是一种转换装置, 传感器是一种转换装置,它的作用是借助检测元 件把被测对象的力,位移,速度,加速度,温度,压 件把被测对象的力,位移,速度,加速度,温度, 力等参数转换为可以检测,传输,处理的信号( 力等参数转换为可以检测,传输,处理的信号(如电 压信号,电流信号等).因此, ).因此 压信号,电流信号等).因此,也被称为变换器或检 测器,在声学里也称换能器, 测器,在声学里也称换能器,测量振动的传感器又称 拾振器. 拾振器. 传感器的分类方法很多,目前常用的有两种, 传感器的分类方法很多,目前常用的有两种,一 种是按传感器输入量性质来划分, 种是按传感器输入量性质来划分,另一种是按传感器 变换原理来划分. 变换原理来划分.
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第五章
设备状态监测常用传感器
振荡器的振荡幅度U 会随探头与被测间距d改变 改变. 振荡器的振荡幅度 x会随探头与被测间距 改变. Ux经检波滤波,放大,非线性修正后输出电压 0, U0 经检波滤波,放大,非线性修正后输出电压U 的关系曲线如图所示. 与d的关系曲线如图所示. 的关系曲线如图所示 可以看出该曲线呈 " S"形 , 即在线性区中 形 点 d0 处 ( 对应输出电压 U0 ) 线性最好 , 其斜率 线性最好, 即灵敏度) 较大; ( 即灵敏度 ) 较大 ; 在 线性区两端, 斜率( 线性区两端 , 斜率 ( 灵 敏度) 逐渐下降, 敏度 ) 逐渐下降 , 线性 变 差 . (d1 , U1) 为 线 性 起点, 起点 , (d2 , U2)为线性 为线性 末点. 末点.
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4,稳定性 , 稳定性表示传感器经过长期使用后, 稳定性表示传感器经过长期使用后,其输出特性 不发生变化的性能. 不发生变化的性能.工程实际应用往往对稳定性有严 格要求. 格要求. 5,频响特性 , 频响特性是指在所测频率范围内, 频响特性是指在所测频率范围内,传感器的输出 能够真正反映被测参数而不失真. 能够真正反映被测参数而不失真.应根据被测对象及 其故障性质适当选择. 其故障性质适当选择. 6,测量方式与使用场合 , 测量方式,测量对象和使用场合的不同,所采用 测量方式,测量对象和使用场合的不同, 的传感器也往往不同. 的传感器也往往不同. 7,其他因素 , 实际应用中还要兼顾结构,体积,重量, 实际应用中还要兼顾结构,体积,重量,价格和 易于更换等因素. 易于更换等因素.
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(2)测量结构 ) 测量电路原理图中C 为压力敏感电容, 测量电路原理图中 x为压力敏感电容,Co是一个参考 电容,交流激励电压V 通过耦合电容Cc,进入由D 电容,交流激励电压 e通过耦合电容 ,进入由 1-D4构成 的二极管桥路.在无压力的初始状态下, 的二极管桥路.在无压力的初始状态下,使Cx=Co,电路平 在工作状态下, 不等, 衡;在工作状态下,Cx与Co不等,输出端将有一个表达压 力变化的电压信号E 力变化的电压信号 p.这种电容集成压力传感器的灵敏度 很高,约为10V/mmHg. 很高,约为 .
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2,系统组成与传感器结构: ,系统组成与传感器结构:
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(1)探头 ) 线圈是探头的核心, 线圈是探头的核心,其物理尺寸和电气参数决定传 感器系统的线性量程以及探头的电气参数稳定性. 感器系统的线性量程以及探头的电气参数稳定性. 通常 用头部直径来分类和表征各型号探头, 用头部直径来分类和表征各型号探头,一般情况下电涡 流位移传感器系统的线性量程大致是探头头部直径的 1/4～ 1/2. 常用传感器的头部直径有 ～ . 常用传感器的头部直径有ф5mm, ф8mm, , , ф11mm,ф25mm几种. 几种. , 几种 (2)前置放大器 ) 前置放大器简称前置器, 前置放大器简称前置器,它实际上是一个电子信号 处理器:一方面前置器为探头线圈提供高频交流电源. 处理器:一方面前置器为探头线圈提供高频交流电源. 另一方面, 另一方面,前置器感受探头前面由于金属导体靠近引起 探头参数的变化, 探头参数的变化,产生随探头端面与被测金属导体间隙 线性变化的输出电压或电流信号. 线性变化的输出电压或电流信号.
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2,固态压阻式 , 压力传感器 固态压阻式 压力传感器是将 压力变化转换为 某些单晶半导体 材料的电阻率变 化的一种传感器. 化的一种传感器.
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六,传感器的选用原则 1,灵敏度 , 从一定角度上讲,灵敏度越高越好. 从一定角度上讲,灵敏度越高越好.但是过高的 灵敏度容易从外界引进干扰噪声, 灵敏度容易从外界引进干扰噪声,同时也会影响其适 用的测量范围. 用的测量范围. 2,精确度 , 从一定角度上讲,精确度越高越好.但应考虑经 从一定角度上讲,精确度越高越好. 济性.一般要求精度达到1.5%左右即可. 左右即可. 济性.一般要求精度达到 左右即可 3,线性范围 , 传感器在线性区内工作, 传感器在线性区内工作,是保证测量精度的基本 条件.在某些情况下, 条件.在某些情况下,在许可限度内也可以取其近似 线性区域. 线性区域.
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(2)半导体热电阻 ) Rt=Rt0eB(1/t-1/t0) 公式适用于温度在-100~300°C ° 公式适用于温度在 3,热电阻温度传感器的测量电路 , 热电阻温度传感器的测量 电路均采用平衡电桥. 电路均采用平衡电桥.
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教学目的: 教学目的: 1,掌握常用传感器的工作原理 , 2,掌握传感器的选用原则 , 内容提要: 内容提要: 1,常用传感器的组成,工作原理和应用 ,常用传感器的组成, 2,传感器的选用原则 ,
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教学重点: 教学重点: 1,压电式加速度传感器的工作原理 , 2,磁电式速度传感器的工作原理 , 3,电涡流位移传感器的工作原理 , 4,常用温度传感器的种类及其工作原理 , 5,常用压力传感器的种类及其工作原理 , 教学难点: 教学难点: 传感器的选用原则
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(3)幅频特性 ) 图为压电加速度传感器的幅值灵敏度随频率变化的 图为压电加速度传感器的幅值灵敏度随频率变化的 情况,即传感器的幅频特性. 情况,即传感器的幅频特性.通常传感器仅使用频响特 性的直线部分, 性的直线部分,即测量的上限频率取传感器固有频率的 1/3,这时测得的振动值误差不大于12%(约1dB). ,这时测得的振动值误差不大于 %(约 ). %(
五,压力传感器
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1,电容式压力传感器 , (1)工作原理 ) 电容式压力传感器是将压力变化转换为电容变化 的一种传感器. 的一种传感器.
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测量压力的传 感器多采用极距变 化型. 化型.极距变化型 传感器电容的变化 与极距δ的变化呈非 与极距 的变化呈非 线性(双曲线) 线性(双曲线)关 如图所示, 系,如图所示,当 极距有一微小变化, 极距有一微小变化, 引起电容变化. 引起电容变化.
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2,热电阻温度传感器 , 热电阻式温度计利用材料电阻率随温度变化而变 化的特性将温度按一定函数关系转换为电量. 化的特性将温度按一定函数关系转换为电量. (1)金属热电阻及其温度特性 ) 铂热电阻 Rt=R0(1+At+Bt2) 公式适用于温度在0~650°C ° 公式适用于温度在 铜热电阻 Rt=R0(1+At+Bt2+Ct3) 公式适用于温度在-50~150°C ° 公式适用于温度在
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1,工作原理 ,
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三,电涡流位移传感器 线圈的阻抗可用如下函数 来表示: 来表示:
Z = F ( , δ , r, d , I , f )
对于特定的传感器,线圈的 对于特定的传感器, 尺寸因子r, 尺寸因子 ,线圈的激励电流 强度I和频率 恒定不变; 强度 和频率 f 恒定不变;对于 特定的测试对象, 特定的测试对象,金属导体的 磁导率 电导率δ恒定不变 恒定不变, 磁导率 ,电导率 恒定不变, 那么阻抗Z就成为距离 的单值 那么阻抗 就成为距离d的单值 就成为距离 函数. 函数.
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2,结构型式 ,
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3,性能指标 , (1)灵敏度 ) 电压灵敏度定义为传感器输出电压与所承受的加速 度之比,一般为0.04~1000mv/(m/s2); 度之比,一般为 ; 电荷灵敏度定义为传感器输出电荷与所承受的加速 度之比,一般为0.1~500pC/ (m/s2). 度之比,一般为 . (2)横向灵敏度 ) 横向灵敏度是与加速度传感器轴向成直角方向的振 动所输出的电压或电荷量. 动所输出的电压或电荷量. 横向灵敏度通常用传感器主轴方向灵敏度的百分数 来表示,并且要求尽可能地小. 来表示,并且要求尽可能地小.一般加速度传感器的最 大横向灵敏度应小于主轴方向灵敏度的3% 大横向灵敏度应小于主轴方向灵敏度的 % .
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设备状态监测常用传感器
1,按测量参数分类 ,
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第五章
设备状态监测常用传感器
2,按工作原理分类 ,
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一,压电式加速度传感器 压电式加速度传感器是利用某些晶体材料的压电效 应制成的,它的输出电量正比于被测物体的振动加速度. 应制成的,它的输出电量正比于被测物体的振动加速度. 1,压电效应 , 具有压电效应的材料称为压电材料, 具有压电效应的材料称为压电材料,常见的压电材 料有两类,即压电单晶体和多晶压电陶瓷. 料有两类,即压电单晶体和多晶压电陶瓷. 在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀, 在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀,形成金 属膜,构成两个电极.当晶片受到外力作用时, 属膜,构成两个电极.当晶片受到外力作用时,在两个 极板上积聚数量相等而极性相反的电荷,形成了电场. 极板上积聚数量相等而极性相反的电荷,形成了电场. 因此压电传感器可以看作是一个电荷发生器,也是一个 因此压电传感器可以看作是一个电荷发生器, 电容器. 电容器.
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3,安装 , (1)各探头间的距离 )
(2)探头与安装面之间的距离 )
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四,温度传感器
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1,热电偶温度传感器 , 当两种不同材料的导体组成一个闭合回路时, 当两种不同材料的导体组成一个闭合回路时,两 者之间电动势的大小与两种材料的性质和结点温度有 关.在热电偶材料一定的情况下,根据所测得热电势 在热电偶材料一定的情况下, 的大小,便可确定被测温度值. 的大小,便可确定被测温度值.
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第五章
4,传感器的安装 ,
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二,磁电式速度传感器 磁电式速度传感器是把被测物体的振动速度转换 为感应电动势的一种传感器,它的输出电压与被测对 为感应电动势的一种传感器, 象的振动速度成正比. 象的振动速度成正比.常用的磁电式速度传感器按其 运动部件来分有动圈式和动磁式, 运动部件来分有动圈式和动磁式,按其测量方式采分 有惯性式和相对式. 有惯性式和相对式.
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