31(机舱自动化)(2)

课件第三章传感器与监视报警第一节船舶常用传感器第二节火灾报警系统第三节机舱监视与报警系统课件3.1船舶常用传感器3.1.1传感器的分类及静态参数3.1.2变送器概念及标准信号类型3.1.3温度传感器3.1.3.1热电阻温度传感器（PT100和Cu50）3.1.3.2热电偶温度传感器3.1.3.3半导体温度传感器（NTC、PTC与CTR）3.1.4压力传感器3.1.4.1硅压力传感器基本原理3.1.4.2压电效应基本知识3.1.4.3电阻应变效应及应用3.1.4.4霍尔式传感器的基本原理3.1.4.5电感式传感器基本原理3.1.4.6电容式压力传感器的基本原理3.1.4.7涡流式压力传感器的基本原理3.1考试大纲课件3.1.1传感器的分类及静态参数传感器（Transducer/sensor）（换能器或变换器）“能感受（或响应）规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。----《传感器通用术语》(GB7665-87)§3-1船舶常用传感器课件敏感元件（Sensitiveelement）：能直接感受（或响应）被测量的部分，并输出与被测量成确定关系的可用非电量的元件。如：应变式压力传感器的弹性膜片，其作用将压力转换为弹性膜片的变形。转换元件（Transductionelement）：又称传感元件，指传感器中能将直接感受或响应的被测量转换成适于传输和测量的电信号部分。如：应变式压力传感器中的应变片，其作用将弹性膜片的变形转换为电阻的变化。有些传感器将敏感元件和转换元件合二为一，例如：压电、热电偶、热敏电阻、光电器件等。课件按工作原理分类容易判断采用的原理，电阻式、电感式、电容式、压电式、光电式、光纤、磁敏式、激光、超声波等传感器。按被测物理量分类将原理不同但作用相同的归为一类，如温度传感器、压力传感器，液位传感器……按能量的传递方式分类能量变换型（有源传感器）：传感器直接由被测对象输入能量使其工作。一般附有力学系统。能量控制型（无源传感器）：传感器从外部获得能量使其工作，由被测量的变化控制外部供给能量的变化。一般不可逆，无力学系统。3.1.1.1传感器的分类课件课件传感器的基本特性：传感器的输入－输出关系特性。是传感器内部结构参数作用关系的外部表现输入信号分为：稳态、动态对应传感器特性：静态特性、动态特性一般表示方法：数学表达式、特性曲线、表格；响应时间传感器的一般特性：静态特性动态特性3.1.1.2传感器的静态参数课件静态特性：当被测信息处于稳定状态时，若输入量维持不变或发生较为缓慢的变化，则输入量与输出量之间的关系。衡量静态特性的重要指标是线性度、灵敏度、分辨力（率）、重复性、迟滞（回差滞环）、准确度/精度、正确度、精密度等。它们是衡量传感器优劣的指标。课件线性度（Linearity）（非线性误差）传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系能否像理想系统那样保持的线性关系的一种度量。传感器非线性大小评定方法静态特性曲线可通过实际测试获得。首先在标准工作状态下，用标准仪器设备对传感器进行标定（测试），得到其输入输出实测曲线，即校准(标定)曲线，然后作一条理想直线，即拟合直线，校准曲线与拟合直线之间的最大偏差与传感器满量程输出之比，称为传感器的非线性误差（或线性度）课件在采用直线拟合线性化时，传感器的输出输入校正曲线与其拟合曲线间最大偏差与满量程输出值的百分比称为线性度或非线性误差，通常用相对误差表示。max..100%FSY非线性误差传感器满量程输出的平均值校准曲线与拟合直线间最大偏差非线性误差/线性度..FSYmax课件xyS灵敏度(sensitivity)灵敏度指输出的增量与输入的增量之比，即：重复性（repeatability）重复性指在同一工作条件下，输入量按同一方向在全测量范围内多次测试所得输出特性曲线的不一致性程度。maxx..100%FSEY分辨力分辨力是用来表示检测系统或仪表装置能够检测被测量最小变化量的能力。通常是以最小量程的单位值来表示。课件yYFShmax0xFS迟滞（回程误差、滞后、变差）（hysteresis）是指传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合的现象。其数值用最大偏差与满量程输出值的百分比表示max..100%FShY回程误差迟滞现象反应了传感器机械结构和制造工艺上的缺陷，（如轴承摩擦，间隙，螺钉松动，元件腐蚀及灰尘等）hmax——输出值在正反行程间的最大差值。课件准确度/精度(accuracy)反映测量结果与被测量真实值之间的一致程度，工程领域俗称精（确）度。系差和随差的综合。（非线性误差、迟滞误差、重复误差）正确度(correctness)反映测量结果与被测量真实值之间的偏离程度，反映了系统误差的大小。精密度(precision)反映测量中所测数值重复一致的程度，说明了在等精度测量中，所得结果彼此之间符合到什么程度。反映了随机误差的大小。课件绝对误差相对误差实际相对误差示值相对误差引用相对误差最大引用误差（AbsoluteError）x＝x－u（RelativeError）100%uxE实100%xEx标100%FSxExmaxmax100%FSxEx仪表的准确度习惯称精度，准确度等级称精度等级。根据仪表的等级可以确定测量的最大引用误差和最大绝对误差。我国生产仪表精确度度等级有0.005、0.02、0.05、0.1、0.2、0.35、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0、5.0等，并标志在仪表刻度标尺或铭牌上。3.1.1.3传感器的误差表示课件变送器（transmitter）包含传感器和调节电路能输出标准信号的装置称为变送器。直流电流信号：4~20mA(0~10mA逐渐淘汰)抗干扰强，适合远传直流电压信号：1~5V(0~5V,0~10V,-10V~+10V)多个对象，近距传输3.1.2变送器概念及标准信号类型课件常用的温度传感器有:热电阻温度传感器(ResistanceTemperatureDetector,RTD)热电偶温度传感器(Thermocouple)热敏电阻温度传感器(Thermistor)3.1.3温度传感器课件原理：热电阻材料的电阻随温度的增加而增加，监测范围内线性度良好。构造：金属丝双线并绕在绝缘骨架上，然后插入护套内而制成。测温范围：－200℃～＋850℃范围内的液体、蒸汽和气体介质及固体表面温度。材料：铂、铜、镍、锰、铑一．热电阻温度传感器(ResistanceTemperatureDetector,RTD)课件铂电阻（PlatinumResistance）特点：(1)在高温和氧化介质中性能极为稳定，在还原性气体中，容易被污染，导致铂丝变脆，并改变电阻与温度间的关系。(2)-29.34~630.74℃，标准温度计，测温装置基准器)1(20BtAtRRt0~630.74℃])100(1[320ttCBtAtRRt-190℃~0℃其中，Rt、R0——温度为t℃和0℃时的电阻；A、B、C为常数：A=3.968×10-3/℃B=-5.84×10-7/℃C=-4.22×10-12/℃分度公式：课件分度表（referencetable/graduatedtable）：用表格的形式来描述Rt——t之间的关系称为分度表。并用相应的分度号表示。必须首先确定R0的大小，不同的R0，其Rt——t曲线不同。百度电阻比：铂电阻的精度与铂的提纯程度有关0100RR)100(WW（100）越高，表示铂丝纯度越高，国际实用温标规定，作为基准器的铂电阻，W（100）≥1.3925目前技术水平已达到W（100）＝1.3930，工业用铂电阻的纯度W（100）不低于1.385，通常为1.387～1.390。课件船上用的最多的铂电阻是Pt100，Pt100即分度号的一种，表示R0为100.00Ω时的阻值，其分度表范围－200℃～＋659℃Pt100常用于检测船舶机舱内各种水、油的温度等，如主机滑油进出口温度，冷却水温度、燃油温度等。量程范围0~150℃。可用100Ω基础上，每增加1Ω对应2.5℃来估计温度或阻值。课件铜电阻（CuResistance）测温范围：－50℃~1500C优点：缺点：上述温度范围内线性关系好，电阻温度系数大，故灵敏度比铂电阻高，容易提纯、加工，价格便宜，复制性能好。易于氧化，一般只用于150℃以下的低温测量和没有水分及无侵蚀性介质的温度测量。与铂相比，铜的电阻率低，所以铜电阻的体积较大。应用：测量精度要求不高且温度较低的场合)1(0tRRt工业上使用的标准化铜热电阻的R0按国内统一设计取50Ω和100Ω两种，分度号分别为Cu50和Cu100，相应的分度表可查阅相关资料。课件热电阻的测温电路：两线制接法中，热电阻和连接导线电阻在一个桥臂中，所以连线电阻对测量影响大，用于测温精度不高的场合；三线制接法中，热电阻和连接导线电阻分布在相邻的两个桥臂中，可以减小连接导线电阻变化对测量结果的影响，测温误差小，工业热电阻通常采用三线制接法；四线制接法主要用于高精度温度检测，它在热电阻的两端各引两根连接导线，其中两根连线为热电阻提供恒定电流I，另两根连线引至电位差计，利用电位差计测量热电阻的阻值，四线制接法可以完全消除连接导线电阻变化对测量的影响。国产热电阻有二线制，三线制，四线制。用热电阻传感器进行测温时，测量电路经常采用电桥电路。课件RiaRib课件自热误差的影响，流过热电阻的电流不能过大，否则热电阻自身会产生较大的热量，从而影响测量精度，原则上流过热电阻的电流一般不宜超过6mA导线电阻的影响，三线制或四限制解决。标准化检测仪配套使用互换时注意补偿端B的接法。屏蔽电磁干扰，需使用带屏蔽层的电缆连接，电缆屏蔽线1端接地。测温电阻与被测介质充分接触，（5~7倍T）足够插入深度（气体25倍管径，液体15倍管径）防尘保护热电阻使用注意事项：热电阻结构：铠装热电阻端面热电阻隔爆型热电阻课件二．热电偶温度传感器(Thermocouple)将温度转换为电动势大小的热电式传感器叫做热电偶。热电偶(thermocouple)是一种有源传感器，测量时不需外加电源，被广泛用于测量100~1300℃范围内的温度，常用于船舶上主机、副机的排烟温度的测量。它的特点是测温范围宽、测量精度高、性能稳定、结构简单，且动态响应较好；输出直接为电信号，可以远传，便于集中检测和自动控制。课件工作原理：热电效应其电势由接触电势(珀尔帖电势)和温差电势(汤姆逊电势)两部分组成。定义：两种不同材料的导体所组成的回路成为热电偶；组成热电偶的导体称为热电极；处于T温度场中的结点称为测量端，又称工作端或热端；处于T0温度场中的结点称为参考端，又称为自由端或冷端。1.两种不同导体（A、B）2.接成闭合回路3.两个接点处温度不同(T≠T0)回路中会产生热电动势。课件•影响因素取决于材料和接点温度，与形状、尺寸等无关•两热电极相同时，总电动势为0•两接点温度相同时，总电动势为0•对于已选定的热电偶，当参考端温度T0恒定时，eAB(T0)=c为常数，则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系，即可见：只要测出EAB（T,T0）的大小，就能得到被测温度T，这就是利用热电偶测温的原理。00(,)()()()()ABEttftftftCt几点结论：课件热电偶种类及分度（graduation）：（1）标准热电偶目前，国际电工委员会（IEC）认证的性能较好的标准化热电偶共有8种，国际上称之为“字母标志热电偶”，即其名称用专用字母表示，这个字母即热电偶型号标志，称为分度号，是各种类型热电偶的一种很方便的缩写形式，热电偶名称由热电极材料命名，正极写在前面，负极写在后面。所谓标准热电偶是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定型批量生产的热电