2安全监测监控原理与仪表

第2章安全监测系统[主要内容]（1）传感器的定义、组成及分类；（2）主要传感器的工作原理。（3）传感器的主要技术性能指标和传感器的选用原则。[要求]（1）基本掌握传感器的基本工作原理和组成；（2）熟练掌握气体检测传感器的工作原理和传感器主要技术性能指标，明确传感器的选用原则。2.1传感器概述2.1.1传感器的定义1）广义定义：传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。2）国际电工委员会定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。传感器系统的原理框图于图2-1所示，进入传感器的信号幅度是很小的，而且混杂有干扰信号和噪声。为了方便随后的处理过程，首先要将信号整形成具有最佳特性的波形，有时还需要将信号线性化，该工作是由放大器、滤波器以及其他一些模拟电路完成的。在某些情况下，这些电路的一部分是和传感器部件直接相邻的。成形后的信号随后转换成数字信号，并输入到微处理器。图2-1传感器系统的原理框图3）传感器的基本要求（1）高灵敏度：抗干扰的稳定性(对噪声不敏感)；（2）线性：容易调节(校准简易)（3）高精度：高可靠性；（4）无迟滞性：工作寿命长(耐用性)；（5）可重复性：抗老化；（6）高响应速率：抗环境影响(热、振动、酸、碱、空气、水、尘埃)的能力；（7）选择性：安全性(传感器应是无污染的)；（8）互换性：低成本；（9）宽测量范围：小尺寸、重量轻和高强度。2.1.2传感器的组成（1）敏感元件(预变换器)直接感受被测量(一般为非电量)并将其转换为与被测量有确定关系的易变成电量(包括电量)的其它量的元件。（2）转换元件(变换器)它能将物理量直接转换为有确定关系的电量的元件。（3）测量电路(变换电路)把转换元件输出的电信号变为便于处理、显示、记录、控制的可用电信号的电路。（4）辅助电源供给转换能量。非电量敏感元件测量电路辅助电源电量图2-3传感器的组成框图转换元件图2-4按传感器工作原理的分类2.1.3传感器的分类1）根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类，其分类示于图2-4。2）按照其用途，传感器可分为：（1）压力敏和力敏传感器；（2）位置传感器；（3）液面传感器；（4）能耗传感器；（5）速度传感器；（6）热敏传感器；（7）加速度传感器；（8）射线辐射传感器；（9）振动传感器；（10）湿敏传感器；（11）磁敏传感器；（12）气敏传感器；（13）真空度传感器；（14）生物传感器等。3）以其输出信号为标准可将传感器分为：（1）模拟传感器：将被测量的非电学量转换成模拟电信号。（2）数字传感器：将被测量的非电学量转换成数字输出信号(包括直接和间接转换)。（3）膺数字传感器：将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出(包括直接或间接转换)。（4）开关传感器：当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。4）从所应用的材料观点出发可将传感器分成下列几类：（1）按照其所用材料的类别分：金属、聚合物、陶瓷、混合物；（2）按材料的物理性质分：导体、绝缘体、半导体、磁性材料；（3）按材料的晶体结构分：单晶、多晶、非晶材料。5）按照其制造工艺，可以将传感器区分为：（1）集成传感器：是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。通常还将用于初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上。（2）薄膜传感器：则是通过沉积在介质衬底(基板)上的，相应敏感材料的薄膜形成的。使用混合工艺时，同样可将部分电路制造在此基板上。（3）厚膜传感器：是利用相应材料的浆料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后进行热处理，使厚膜成形。（4）陶瓷传感器：采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺(溶胶-凝胶等)生产。电阻应变式传感器是一种由电阻应变片(计)和弹性敏感元件组合起来的传感器。主要优点：（1）结构简单，使用方便，性能稳定可靠；（2）易于实现检测过程自动化和多点同步测量、远距离测量和遥测；（3）灵敏度高，测量速度快，适合静态动态测量；（4）可以测量多种物理量。2.2电阻应变式传感器2.2.1电阻应变式传感器的理论基础1）金属导体的电阻定律金属导体的电阻值与其导线长度l成正比而与导线截面积S成反比，即:2）金属材料的应变电阻效应金属材料的电阻率的相对变化与其体积的相对变化成正比，即:式中，c为由一定材料和加工方式决定的常数。SlρRVdVcd3）材料的泊松比定律在弹性限度内金属丝沿长度方向伸长时，径向尺寸缩小，反之亦然。即轴向应变εt与径向应变εr有下面的关系成立εr=-μεt4）半导体材料的压阻效应对于半导体材料施加应力(外力)时，除了产生变形外，材料的电阻率也随着变化。这种由于应力的作用而使材料的电阻率改变的现象称为“压阻效应”，有下式关系成立tEd2.2.2电阻应变式传感器的数学模型设有一长为l0的、截面积为S、电阻率为ρ的导电金属丝，它具有的电阻当它受到轴向力被拉伸(或压缩)时，其l、S和ρ均将发生变化，因而导体的电阻也随之发生变化。利用数学求导的方法可求得电阻的相对变化量。将上式两边取对数，再对两边取微分得式中，为电阻的相对变化；为材料的轴向线应变。又由式由线应变定义(径向应变)和面积公式求导并代入得式中μ为泊松比。SlR0SdSldldRdR0RdR0ldldRdR)21(2.2.3电阻应变式传感器的主要应用(1)将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应变和应力。(2)将应变片贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器。这种传感器常用来测量力、位移、加速度等物理参数。在这种情况下，弹性元件将得到与被测量成正比的应变，再通过应变片转换为电阻变化的输出。2.3.1电容式传感器的理论基础电容式传感器是以静电场有关定律为其理论基础:1）两块无穷大的平行导电板(面电荷密度分别为+σ和-σ)的电场强度定律为:极间电场强度为板外电场强度为E=0电场方向：垂直于导电板由正电荷指向负电荷。2）电场强度与电位的关系定律对均强电场：对非均强电场：3）电场能量定律2.3电容式传感器0EdUEdEdlE0CQCUQUWe22121222.3.2电容式传感器的数学模型1）平行板电容器式传感器的数学模型假设：它们的表面积均为S；内表面间距离为δ；极板面的线长度远大于它们这间的距离，此时相当于极板为无穷大，所以除了边缘外，两极板内表面带电均匀，极板间电场也是均匀的；两极板A、B的带电量分别为q。则:SSCCrAB02）圆柱形电容式传感器的数学模型（1）同轴圆柱形电容式传感器的数学模型设A、B为两个同轴圆柱形导体，A导体的半径为r,B导体的半径为R，且Rr，L为导体的长度，则（2）变介质式圆柱形电容传感器的数学模型C=a+s1x由上式可知，输出电容与液面高度变化x成线性关系RrLRrLUqCABln22ln002.3.3电容式传感器的测量电路将电容量转换成电量(电压或电流)的电路称作电容式传感器的转换电路。1）电桥电路下图所示为电容式传感器的电桥测量电路。通常采用电阻、电容或电感、电容组成交流电桥，该图所示为一种电感、电容组成的电桥。由电容变化转换为电桥的电压输出，经放大、相敏检波、滤波后，再推动显示、记录仪器。2）谐振电路下图所示为谐振式电路的原理框图，电容传感器的电容C3作为谐振回路(L2、C2、C3)调谐电容的一部分。谐振回路通过电感藕合，从稳定的高频振荡器取得振荡电压。当传感器电容发生变化时，使得谐振回路的阻抗发生相应的变化，而这个变化被转换为电压或电流，再经过放大、检波即可得到相应的输出。说明：为了获得较好的线性关系，一般谐振电路的工作点选在谐振曲线的线性区域内，最大振幅70%附近的地方，且工作范围选在BC段内。这种电路的优点是比较灵活;其缺点是工作点不易选好，变化范围也较窄，传感器连接电缆的杂散电容对电路的影响较大，同时为了提高测量精度，要求振荡器的频率具有很高的稳定性。3）运算放大器电路采用比例运算放大器电路，可以使输出电压约与位移的关系转换为线性关系。如下图所示，反馈回路中的Cx为极距变化型电容式传感器的输入电路，采用固定电容C0，u0为稳定的工作电压。由于放大器的高输入阻抗和高增益特性，比例器的运算关系为：由上式可知，输出电压与电容传感器的间隙成线性关系。2.4气体检测传感器可燃气体检测报警器多采用基于热化学反应的接触燃烧原理。其构成原理如下图所示。元件C、D为传感元件，其中是C补偿元件，D为接触燃烧元件。2.4.1气体传感器气体传感器能直接接受被测参数的有关数据(信息)，并能将所接受的物理量信息按一定规律转变成同种或别种物理信息。为保证气体检测仪检测的精度，气体传感器必须满足下列条件：（1）能够检测可燃气体的允许浓度和其它基准设定浓度，并能及时给出报警、显示和控制信号；（2）对被测气体以外的共存气体或物质不敏感；（3）响应迅速，重复性好；（4）维护方便，价格便宜等。1）催化型可燃气体传感器催化型可燃气体传感器的主要特性如下：（1）它是一种通用的传感器，适用于大多数检测烃气体的便携式仪器和连续稳态仪器。（2）寿命1～2年。（3）有些化学品会使催化剂中毒，致使传感器无响应。例如，曝露于硅的化合物、硫的化合物和氯等化学品时就会出现这种情况。（4）最常用于检测甲烷。为检测和精确测量其它气体必须进行系数校正。（5）不同厂商的产品质量是不一致的。2）固态传感器固体传感器的重要特性如下：（1）它是所有通用传感器中检测范围最宽的，能检测低到PPm量级或易燃范围的各种气体，而且通过改变金属氧化物材料、加工技术和工作温度，可以获得不同的响应特性。因此，它能在很宽的范围检测数百种气体。（2）结构简单使其可靠寿命达10～25年。具有鲁棒性，耐冲击和振动，并有防爆结构。（3）其选择性有限，并对可能造成误触发报警的干扰和背景气体敏感。3）红外气体传感器红外传感器的主要特性如下：（1）它不与被测气体相接触。光学器件保护传感器的主要元件不受气体本身影响，因此这种传感器能在高浓度场合可长期有效使用。（2）由于无需曝露于气体，所以没有传感器中毒、烧坏或疲劳问题，容易实现满足防爆要求的结构。（3）元件故障造成的信号丢失将关闭报警。但只要保持零气体读数校准，则传感器就有良好的响应和测量准确度。（4）它是高浓度可燃碳氢化合物气体的理想传感器，也是极有效的监测器。2.4.2气体传感器的分类1）按原理分类（1）利用物理化学性质的气体传感器：如半导体式(表面控制型、体积控制型、表面电位型)、催化燃烧式、固体热导式等。（2）利用物理性质的气体传感器：如热传导式、光干涉式、红外吸收式等。（3）利用电化学性质的气体传感器：如定电位电解式、迦伐尼电池式、隔膜离子电极式、固定电解质式等。2.按结构分类气体传感器从结构上可区分为干式和湿式两大类。凡构成气体传感器的材料为固体者均称为干式气体传感器；凡利用水溶液或电解液感知待测气体浓度的称为湿式气体传感器。图2-9为气体传感器的分类情况：图2-9气体传感器的分类2.5.1静态特性的性能指标1）精确度、精密度和准确度精确度的含义是：传感器反映的信号值与被测物理量真值(约定)的一致程度。精密度指的是在一定条件下进行多次测量时，在测量结果比较集中和仪器分辨率较高的条件下，随机误差的大小。准确度是指在规定条件下，测量结果的正确程度。2.5传感器主要技术性能指标minmaxYY量程2）测量范围与量程测量范围指被测物理量可以按规定的精确度进行测量的范围。量程是指测量范围的上限值与下限值的代数差。即：3）线性度误差度理想情况下，传感器的输入和输出是线性关系，其图形是一条理想直线。而实际测量系统的静态特性则是按下面的多项式规律变化的：由上式可知，输出量的变化除按线项外，还有多项高次分量的影响，所以，输入—输出特性应是一条变化程度不同的曲线(称校准曲线)。nnxaxaxaaY