几种发动机试验用传感器

浅谈几种发动机实验用传感器
从事发动机实验的人都知道，要使发动机在实验室能正常运转，要使运转后的各项参数能准确的返回，就需要通过各型传感器来采集信号以送到控制室进行分析，进而对各类实验设备进行控制。

所以在发动机实验中传感器起到了举足轻重的作用。

在此，仅就我公司常用的几种传感器做一个简单的介绍。

一温度传感器
在实验中，用的最多的就数温度传感器了，工业上用的最多的主要有三种：热电偶、辐射高温计和热电阻。

下面主要讲讲热电偶和热电阻。

一、热电偶
热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。

其优点是：
①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。

②测量范围广。

常用的热电偶从-50~+1600℃均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到 -269℃<如金铁镍铬），最高可达+2800℃<如钨-铼）。

③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．热电偶测温基本原理：
把两种不同材料导体的一端连接在一起，当连接点的温度和导体另一端的温度不同时，因为电子热运动的差异，会在导体内部产生热电势<塞贝克效应）。

热电偶就是利用这个现象做成的把温度差量转化成电势量的温度传感器。

如图1－1所示。

在输出端<冷端）温度恒定的情况下，热电偶的输出电势随着感温端的温度增高而增大，热电势的大小只与二支电极的材料及热电偶两端的温差有关，而与热电极的长度、直径、气压和空气温度等无关。

图1－1
2．热电偶的种类及结构形式：
<1）热电偶的种类
常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。

所谓标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。

非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。

标准化热电偶我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种，标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。

<2）热电偶的结构形式
为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下：
①组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；
②两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；
③补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；
④保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。

3．热电偶在实验中的用途及校定
在发动机实验中热电偶主要用于检定高温，如发动机排气管内的气体温度，因其温度高达上千摄氏度，所以一般选用K型热电偶，其特性如下表：
K型热电偶测量端温度(℃>与输出电势(mV>关系表：
K型热电偶实物图：
K型热电偶用于发动机排气管上的位置图：
4．热电偶冷端的温度补偿
因为热电偶的材料一般都比较贵重<特别是采用贵金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷端<自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。

必须指出，热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。

因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t0≠0℃时对测温的影响。

在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100℃。

5．补偿导线
补偿导线是特种导线，用于热电偶和二次<基地）仪表间的信号传输,能够消除热电偶冷端温度变化引起的测量误差，保证仪表对介质温度的精确测量，适用于电力、冶金、石油、化工、轻纺等工业及国防、科研部门自动化测温仪表的单点或多点连接。

见图1-2：
型号热电偶分度号配用热电偶
补偿导线合金丝绝缘层着色正极负极正极负极
BC B 铂铑30-铂铑6 铜铜红灰SC S 铂铑10-铂SPC(铜> SNC(铜镍0.6> 红绿RC R 铂铑13-铂RPC(铜> RNC(铜镍0.6> 红绿
KCA
K镍铬-镍硅KPCA(铁> KNCA((铜镍22> 红兰
KCB KPCB(铜> KNCB(铜镍40> 红兰KX KPX(镍铬10> KNX(镍硅3> 红黑
NC
N 镍铬硅-镍硅NPC(铁> NNC(铜镍18> 红灰
NX NPX(镍铬14硅> NNX(镍硅4> 红灰EX E 镍硅-铜镍EPX(镍铬10> ENX(铜镍45> 红棕JX J 铁-铜镍JPX(铁> JNX(铜镍45> 红紫TX T 铜-铜镍TPX(铜> TNX(铜镍45> 红白WC3/25 WRe3-WRe25 钨铼3-钨铼25 WPC3/25 WNC3/25 红黄WC5/26 WRe5-WRe26 钨铼5-钨铼26 WPC5/26 WNC5/26 红橙主要结构材料及代号:
项目代号代号含义项目代号代号含义
阻燃特性
/ 非阻燃(省略>
绝缘材料
V 聚氯乙烯
ZC 普通阻燃 F FEP或PFA氟塑料ZL 低烟低卤阻燃VD 低烟低卤聚氯乙烯ZW 低烟无卤阻燃
护套材料
V 聚氯乙烯
系列代号 C 补偿电缆VB 低烟低卤聚氯乙烯
使用分类G 一般用(100℃> D 无碱玻璃丝
H 耐热级(200℃>
屏蔽材料
/ 无屏蔽
精度等级/ 普通级P 铜丝编织屏蔽S 精密级P1 镀锡铜丝编织屏蔽
耐热等级70 最高使用温度为70℃P2 铜带或铜塑复合带绕包屏蔽100 最高使用温度为105℃P3 铝带或铝塑复合带绕包屏蔽200 最高使用温度为205℃铠装材料22/23 钢丝/细钢丝铠装260 最高使用温度为260℃导体种类R 多股绞合导体
1-2 补偿导线与传感器的连接实图
二、热电阻
热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。

它的主要特点是测量精度高，性能稳定。

其中铂<PT）热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。

1．热电阻测温原理及材料
热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。

热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用甸、镍、锰和
铑等材料制造热电阻。

2．热电阻的结构
<1）精通型热电阻从热电阻的测温原理可知，被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来测量的，因此，热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。

为消除引线电阻的影响一般采用三线制或四线制。

<2）铠装型热电阻铠装热电阻是由感温元件<电阻体）、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体，如图1－３所示，它的外径一般为φ2~φ8mm。

与普通型热电阻相比，它有下
列优点：①体积小，内部无空气隙，热惯性上，测量滞后小；②机械性能好、耐振，抗冲击；③能弯曲，便于安装④使用寿命长。

1－３铠装ＰT100热电阻<3）端面型热电阻端面热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕制，紧贴在温度计端面。

它与一般轴向热电阻相比，能更正确和快速地反映被测端面的实际温度，适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度
<4）隔爆型热电阻隔爆型热电阻通过特殊结构的接线盒，把其外壳内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线盒内，生产现场不会引超爆炸。

隔爆型热电阻可用于Bla~B3c级区内具有爆炸危险场所的温度测量。

3．热电阻测温系统的组成
热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线和显示仪表等组成。

必须注意以下两点：
①热电阻和显示仪表的分度号必须一致
②为了消除连接导线电阻变化的影响，必须采用三线制接法。

见图1－４
图 1－４
电阻体的断路修理必然要改变电阻丝的长短而影响电阻值，为此更换新的电阻体为好，若采用焊接修理，焊后要校验合格后才能使用。

4．热电阻在实验中的用途及校定
在实验中用于测量水、油等的温度常常用到热电阻，因为要求精度较高，且有一定的抗机械性，所以常选用铠装ＰT100热电阻。

实图如下：
ＰT100热电阻特性如下表：
PT100热电阻所处温度(℃>与其电阻值(Ω>关系表：
三、温度传感器的选择
在大多数情况下，对温度传感器的选用，需考虑以下几个方面的问题：
<1）被测对象的温度是否需记录、报警和自动控制，是否需要远距离测量和传送。

<2）测温范围的大小和精度要求。

<3）测温元件大小是否适当。

<4）在被测对象温度随时间变化的场合，测温元件的滞后能否适应测温要求。

<5）被测对象的环境条件对测温元件是否有损害。

<6）价格如何，使用是否方便。

温度传感器的选择主要是根据测量范围。

当测量范围预计在总量程之内，可选用铂电阻传感器。

较窄的量程通常要求传感器必须具有相当高的基本电阻，以便获得足够大的电阻变化。

热敏电阻所提供的足够大的电阻变化使得这些敏感元件非常适用于窄的测量范围。

如果测量范围相当大时，热电偶更适用。

最好将冰点也包括在此范围内，因为热电偶的分度表是以此温度为
基准的。

已知范围内的传感器线性也可作为选择传感器的附加条件。

响应时间通常用时间常数表示，它是选择传感器的另一个基本依据。

当要监视贮槽中温度时，时间常数不那么重要。

然而当使用过程中必须测量振动管中的温度时，时间常数就成为选择传感器的决定因素。

珠型热敏电阻和铠装露头型热电偶的时间常数相当小，而浸入式探头，特别是带有保护套管的热电偶，时间常数比较大。

动态温度的测量比较复杂，只有通过反复测试，尽量接近地模拟出传感器使用中经常发生的条件，才能获得传感器动态性能的合理近似
四、温度传感器的安装使用
热电偶传感器的温度感知区域在端部约5－20mm处，热电阻传感器的温度感知区域在端部约5－70mm处，如图1－５所示。

在计算插入深度时应考虑到这点区别。

图1－５
传感器应尽可能要安装在置放工件的位置上，避免安装在炉门旁边或与加热物体距离过近处。

其插入深度须按实际需要决定。

传感器的安装位置应尽可能保持垂直，但在有流速的情况下则必须使测量头逆向倾斜安装。

如果需要固定传感器，可在容器壁上开一个比传感器的安装螺纹外径略大的固定用孔。

用所附的螺帽把传感器安装固定在容器上。

二压力传感器
一、压力传感器
力敏传感器是使用最广泛的一种传感器，它是检测气体、液体、固体等所有物质间作用力能量的总称，也包括测量高于大气压的压力计以及测量低于大气压的真空计。

力敏传感器的种类甚多，传统的测量方法是利用弹性元件的形变和位移来表示，但它的体积大、笨重、输出非线性。

随着微电子技术的发展，利用半导体材料的压阻效应和良好的弹性，研制出半导体力敏传感器，主要有硅压阻式和电容式两种，它们具有体积小、重量轻、灵敏度高等优点，因此半导体力敏传感器得到广泛应用。

1、压阻式力敏传感器工作原理
当对一块半导体在某一晶向上施加应力时，其电阻率会产生一定的变化这种导体电阻率变化和应力之间的相互关系称为半导体压阻效应，利用此效应制成的力学量传感器称为压阻式力敏传感器。

2、压阻式力敏传感器分类及特点
它有两种类型，一类是将半导体应变计粘贴在弹性元件上制成的传感器，称为粘贴型压阻式传感器，另一类是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻，使应变计与硅衬底形成同一整体的传感器，称为扩散型压阻式传感器。

1）粘贴型压阻式力敏传感器由四只半导体应变片接成全桥形式，用粘合剂贴在弹性元件上构成，它具有很高的应变灵敏系数，一般为20～200，因此输出高，输出灵敏度一般为15～0mV/V，但易发生零点漂移与蠕变，同时还存在半导体应变片和弹性元件热膨胀所带来的温度漂移等影响。

2）扩散型压阻式力敏传感器大都采用单晶硅和半导体平面工艺制成的。

一般以N 型硅为衬底，采用氧化、扩散等工艺将硼原子沿给定的晶向扩散到n 型硅衬底材料中，形成P 型扩散层。

结果硼扩散区便形成应变电阻，并用衬底形成一个整体，当它受到压力作用时，应变电阻发生变化，从而使输出发生变化。

压阻式力敏传感器有灵敏度高、精度高、体积小、重量轻、工作频率高、结构简单、工作可靠、寿命长等特点。

3、电容式力敏传感器
电容式力敏传感器近来得到了迅速发展，这种传感器的核心部分是对压力敏感的电容器。

力敏电容器的电容量是由电极面积和两个电极间的距离决定。

当硅膜片两边存在压力差时，硅膜片产生形变，电容器极板间的间距发生变化，从而引起电容量的变化。

这样，电容变化量与压差有关，因此，就可作为力敏传感器。

它与压阻式力敏传感器相比，具有灵敏度高、温度稳定性好、压力量程大等特点。

二、压力变送器
压力变送器也称差变送器，主要由测压元件传感器、模块电路、显示表头、表壳和过程连接件等组成。

它能将接收的气体、液体等压力信号转变成标准的电流电压信号，以供给指示报警仪、记录
仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节。

1、压力变送器的测量原理
压力变送器的测量原理图如图2－１所示。

图２－１
其测量原理是：流程压力和参考压力分别作用于集成硅压力敏感元件的两端，其差压使硅片变形<位移很小，仅μm级），以使硅片上用半导体技术制成的全动态惠斯登电桥在外部电流源驱动下输出正比于压力的mV级电压信号。

因为硅材料的强性极佳，所以输出信号的线性度及变差指标均很高。

工作时，压力变送器将被测物理量转换成mV级的电压信号，并送往放大倍数很高而又可以互相抵消温度漂移的差动式放大器。

放大后的信号经电压电流转换变换成相应的电流信号，再经过非线性校正，最后产生与输入压力成线性对应关系的标准电流电
压信号。

压力变送器根据测压范围可分成一般压力变送器<0.001MPa～20MP3）和微差压变送器<0～
30kPa）两种。

我公司主要使用的是KYB18型压力变送器。

实物图如下：
在发动机实验中的应用如下图２－２、２－３、２－４：
图 2－2
图 2－３
图 2－４
2、压力变送器的安装使用
压力变送器的安装可分两种：一种是通过引压管接于摆臂箱内，如下左图；一种是直接安装在被测物体上，如下右图。

测量高温介质时，应使用引压管冷却或冷却装置，将温度降至变送器正常使用温度范围内，如图２－３中就使用冷凝管先将温度降低，再用泰氟隆管将压力传至压力变送器。

三、压力传感器和压力变送器的区别
压力传感器是检测系统的最基本单元，仅仅实现将被测量转变成电信号的功能；压力传感器输出的是mv信号，其信息很微弱，配仪表没有互换性。

压力变送器除了有传感器以外，相关的放大和滤波电路都已经具备，其信号是经过放大的，输出为国际通用的4~20mA或者0~5V的标准信号，基本上可以拿来直接配仪表应用。

三湿度传感器
1、湿度的概念
湿度是表示空气中水蒸气的含量的物理量，常用绝对湿度、相对湿度、露点等表示。

所谓绝对湿度就是单位体积空气内所含水蒸气的质量，也就是指空气中水蒸气的密度。

一般用一立方M空气中所含水蒸气的克数表示，即为Ha＝mV/V (6-1>式中，mV 为待测空气中水蒸气质量，V 为待测空气的总体积。

单位为g/m3。

相对湿度是表示空气中实际所含水蒸气的分压(Pw>和同温度下饱和水蒸气的分压(PN>的百分比，即HT＝(Pw/PN>T×100％RH (6-2>通常，用RH％表示相对湿度。

当温度和压力变化时，因饱和水蒸气变化，所以气体中的水蒸气压即使相同，其相对湿度也发生变化。

日常生活中所说的空气湿度，实际上就是指相对湿度而言。

温度高的气体，含水蒸气越多。

若将其气体冷却，即
使其中所含水蒸气量不变，相对湿度将逐渐增加，增到某一个温度时，相对湿度达100％，呈饱和状态，再冷却时，蒸气的一部分凝聚生成露，把这个温度称为露点温度。

即空气在气压不变下为了使其所含水蒸气达饱和状态时所必须冷却到的温度称为露点温度。

气温和露点的差越小，表示空气越接近饱和。

2、湿度的测量
湿度的测量方式有以下几种，即采用伸缩式湿度计、干湿球湿度计、露点计和阻抗式湿度计等。

1> 伸缩式湿度计是利用毛发、纤维素等物质随湿度变化而伸缩的性质，以前多用于自动记录仪、空调的自动控制等，目前用于家庭设备的是把纤维素与约50μm 的金属箔粘合在一起，卷成螺旋状的传感器。

不需要进行温度补偿，但不能转换为电信号。

2> 干湿球温度计是用于气象的湿度计，根据湿球的通风情况测量湿度，精度高。

把湿球的温度换算成湿度，采用微机进行处理，使其达到最佳状态。

这种湿球传感器已有各种类型，但缺点是要给湿球供水。

露点计用于电子冷却系统的冷却，还用于测量镜面结露的温度。

露点计也可以用来作为标准湿度的校正计，这与干湿球湿度计相同。

但装置复杂，为保证镜面结露温度，需要进行控制。

3> 阻抗式湿度计是根据湿敏传感器的阻抗值变化而求得湿度的一种湿度计，因为能简单地转换为电信号，它是广泛采用的一种方法，本节主要介绍这类湿敏传感器及其应用。

湿敏传感器是由湿敏元件和转换电路等组成，它是将环境湿度变换为电信号的装置。

湿敏传感器在工业、农业、气象、医疗以及日常生活等方面都得到了广泛的应用，特别是随着科学技术的发展，对于湿度的检测和控制越来越受到人们的重视并进行了大量的研制工作。

通常，理想的湿敏传感器的特性要求是，适合于在宽温、湿范围内使用，测量精度要高；使用寿命长，稳定性好；响应速度快，湿滞回差小，重现性好；灵敏度高，线形好，温度系数小；制造工艺简单，易于批量生产，转换电路简单，成本低；抗腐蚀，耐低温和高温特性等。

申明：
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