傳感器原理講稿-.ppt

安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)常見監(jiān)測儀器原理,直線型混凝土壩水平位移引張線、垂線、真空或大氣激光準直曲線型混凝土壩水平位移正、倒垂線及垂線坐標儀（電容式、光電式）混凝土壩壩體撓度正、倒垂線及垂線坐標儀（電容式、光電式）壩體壩基垂直位移靜力水準、雙金屬管標土石壩內部水平位移引張線式鋼絲位移計土石壩內部沉降水管式沉降儀地下洞室圍巖位移振弦式、電位器式多點位移計混凝土應力差阻式、振弦式應變計組及無應力計鋼筋、鋼板應力差阻式、振弦式鋼筋計、鋼板計面板堆石壩周邊縫3DM電位器式測縫計接縫變形差阻式、電位器式測縫計揚壓力、滲透壓力振弦式、差阻式滲壓計,常見監(jiān)測項目和監(jiān)測儀器,儀器參數(shù)基本概念,1、非線性度線性度又稱非線性，是表征傳感器輸出輸入校準曲線與所選定的擬合直線（作為工作直線）之間的吻合（或偏離）程度的指標。通常用相對誤差來表示非線性度，即式中l(wèi)max輸出平均值與擬合直線間的最大偏差；yFS.理論滿量程輸出值。,儀器參數(shù)基本概念,2、滯后滯后是反映傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減小）行程過程中輸出-輸入曲線的不重合程度的指標。通常用正反行程輸出的最大差值Hmax計算，即式中Hmax正反行程輸出的最大差值；yFS.理論滿量程輸出值。,儀器參數(shù)基本概念,3、不重復性不重復性是衡量傳感器在相同工作條件下，輸入量從同一方向作滿量程變化，所得特性曲線間一致程度的指標。各條特性曲線越靠近，重復性越好。4、分辨力分辨力是傳感器在測量范圍內所能檢測出被測輸入量的最小變化量。有時用該值相對滿量程輸入值之百分數(shù)表示，稱為分辨力。5、長期穩(wěn)定性傳感器在相當長時間內仍保持其性能的能力。穩(wěn)定性一般以室溫條件下經(jīng)過一規(guī)定的時間間隔后，傳感器的輸出與起始標定時的輸出之間的差異來表示。一般儀器穩(wěn)定度用一段時間內傳感器輸出變化對滿量程的百分比表示，如“0.5%FS/年”。,儀器參數(shù)基本概念,6、綜合誤差該誤差實際反映傳感器準確度，表示傳感器測值接近真值的程度。一般根據(jù)非線性、滯后、重復性誤差來計算綜合誤差，即7、儀器的精度問題大壩安全監(jiān)測所使用的儀器設備有一些是典型意義上的傳感器，如應變計、滲壓計、測縫計等；還有一些是由傳感器和配套設備組合的測量系統(tǒng)，如由坐標儀和垂線組成的正倒垂系統(tǒng)、由引張線儀和引張線構成的引張線測量系統(tǒng)，對于該系統(tǒng)中的某個儀器的精度進行現(xiàn)場測試和檢驗時，除因現(xiàn)場環(huán)境與室內標定時的差異造成誤差外，監(jiān)測系統(tǒng)結構本身也存在誤差，例如引張線線體的張力、浮船和液體的遲滯等，因此監(jiān)測系統(tǒng)中儀器的引用精度指標應較儀器的標稱精度低。,儀器參數(shù)基本概念,6、綜合誤差該誤差實際反映傳感器準確度，表示傳感器測值接近真值的程度。一般根據(jù)非線性、滯后、重復性誤差來計算綜合誤差，即7、儀器的精度問題大壩安全監(jiān)測所使用的儀器設備有一些是典型意義上的傳感器，如應變計、滲壓計、測縫計等；還有一些是由傳感器和配套設備組合的測量系統(tǒng)，如由坐標儀和垂線組成的正倒垂系統(tǒng)、由引張線儀和引張線構成的引張線測量系統(tǒng)，對于該系統(tǒng)中的某個儀器的精度進行現(xiàn)場測試和檢驗時，除因現(xiàn)場環(huán)境與室內標定時的差異造成誤差外，監(jiān)測系統(tǒng)結構本身也存在誤差，例如引張線線體的張力、浮船和液體的遲滯等，因此監(jiān)測系統(tǒng)中儀器的引用精度指標應較儀器的標稱精度低。,常用儀器類型及原理-1,1、差動電阻式傳感器差動電阻式傳感器習慣上又稱卡爾遜式儀器。這種儀器利用張緊在儀器內部的彈性鋼絲作為傳感元件，將儀器受到的物理量轉變?yōu)槟M量。當鋼絲受到拉力作用而產(chǎn)生彈性變形，其變形與電阻變化之間有如下關系式：R/R=L/L式中R鋼絲電阻；R鋼絲電阻變化量；L鋼絲長度；L鋼絲長度變化量；鋼絲電阻應變靈敏系數(shù)。,差動電阻式傳感器,1.1儀器原理差動電阻式儀器的內部均繞著電阻值相近的細電阻鋼絲R1和R2。受外力作用前受外力作用后電阻比的變化量為儀器電阻值隨溫度而變化，一般在-50100范圍內。,差動電阻式傳感器,1.2儀器結構差動電阻式傳感器利用彈性鋼絲在力的作用和溫度變化下的特性設計而成。當儀器受到外力變形時，一組鋼絲受拉，一組鋼絲受壓，兩組鋼絲電阻R1、R2，分別用黑、紅、白三芯電纜引出。,差動電阻式傳感器,1.3儀器測量差動電阻式傳感器的內阻較低，一般在6080之間。儀器電纜的芯線電阻或芯線接觸電阻變差等會給測量帶來較大誤差。，因此，通常采用恒流源技術用五芯電纜接法測量儀器電阻、電阻比的方法，消除了電纜引線電阻及其變化對測值的影響。五芯儀器四芯儀器四芯溫度計三芯溫度計,差動電阻式傳感器,1.4儀器特點儀器長期穩(wěn)定可靠，并能兼測溫度，在高水壓下也可以長期可靠的工作等優(yōu)點，通過五芯測量技術，解決了長電纜測量中的電纜電阻及接線電阻變差等影響，使得差阻式系列傳感器可方便的接入自動化采集系統(tǒng)。差動電阻式傳感器內的高強鋼絲很細，鋼絲工作在高應力狀態(tài)，所以該類儀器超載能力差，不耐震，更不能跌撞，在儀器率定及安裝埋設過程中尤其需要注意，否則極易造成儀器鋼絲損壞而失效。另外，現(xiàn)場儀器電纜接長時接頭處理不好或電纜絕緣下降都會對測量結果造成影響。,差動電阻式傳感器,1.5故障排除由儀器的原理及結夠可知，差動電阻式傳感器內部實為兩個電阻，通過一根5芯電纜引至觀測站，當儀器測量故障時，可通過萬用表逐個測試各芯線間的電阻值，可判斷出故障原因。,常用儀器類型及原理-2,2、振弦式傳感器振弦式儀器中的關鍵部件為一張緊的鋼弦，它與傳感器受力部件連接固定，利用鋼弦的自振頻率與鋼弦所受到的外加張力關系式測得各種物理量。鋼弦自振頻率與鋼弦所受應力的關系式為：f=式中：f鋼弦自振頻率；L鋼弦長度；-夾線器；-鋼弦；-電磁鐵鋼弦所受的應力；鋼弦材料的密度。其中=E*式中：E鋼弦材料的彈性模量；鋼弦的應變；,振弦式傳感器,2.1儀器原理當儀器的材料、鋼絲長度確定后，儀器鋼弦所受應力與弦的自振頻率的平方成線性關系。=4L2*f2振弦式傳感器的鋼弦是在一定初始應力下張緊的，其初始自振頻率為f0，發(fā)生應力變化后的自振頻率為f，可得出下式：K(f2-f02)為方便讀數(shù)及計算，一般用頻率模數(shù)F=f2/1000表示輸出量。,振弦式傳感器,2.2儀器結構振弦式應變計-主要由左右端座、保護管、信號傳輸電纜、振弦及激振拾振電磁線圈等組成。1.左端座2.保護管3.激振拾振線圈4.電纜5.右端座,振弦式傳感器,2.2儀器結構振弦式鋼筋計-主要由鋼套、連接桿、弦式敏感部件及激振拾振電磁線圈等組成。1.鋼套2.電纜3.熱敏電阻4.線圈5.緊定螺釘6.弦式敏感件7.連接桿,振弦式傳感器,2.2儀器結構振弦式位移計-主要由振弦式敏感部件、拉桿、彈簧及激振拾振電磁線圈等組成。1.電纜2.弦式敏感件3.線圈4.鋼弦5.拉簧6.保護管7.滑桿8.銷子,振弦式傳感器,2.2儀器結構振弦式水位計-主要由頂蓋、振弦敏感部件、浮筒、和安裝調節(jié)支架組成。,振弦式傳感器,2.2儀器結構振弦式滲壓計-滲壓計的感應部件由透水石、感應板組成。感應板上接振弦傳感部件，振弦感應組件由振動鋼弦和電磁線圈構成。,振弦式傳感器,2.3儀器測量振弦式儀器的測量采用掃頻激振技術，當激振頻率和傳感器振弦的固有頻率接近時，振弦能迅速達到共振狀態(tài)。當激振信號撤去后，弦由于慣性作用仍然作衰減震蕩。振動產(chǎn)生的感應信號通過檢測電路濾波、放大、整形成脈沖信號送到微控制器，微控制器通過測量脈沖信號的周期或頻率，即可測得傳感器的振動頻率。,振弦式傳感器,2.4故障排除1）儀器無讀數(shù)振弦式儀器的線圈電阻一般為200左右，可通過萬用表測試兩根線間的電阻值（一般為紅黑）來判斷：a、電阻非常大（幾K）或無窮大（M）：電纜已斷路或線圈損壞，一般應先排查電纜是否存在斷裂；b、電阻非常低（小于100）：電纜短路，應檢查接線接頭是否碰線，電纜絕緣層受損。c、鋼弦故障。,振弦式傳感器,2.4故障排除2）儀器讀數(shù)不穩(wěn)定a、測量檔位選擇：儀器出廠時一般都標有頻率范圍，測量時需選擇相應的激振頻率范圍；b、儀器讀數(shù)超量程；c、存在干擾：儀器及信號傳輸線路附件是否存在馬達、發(fā)動機、交流動力電纜?？蓪⑿盘栯娎|屏蔽線接地來改善信號質量；d、讀數(shù)儀本身是否正常？可嘗試換用其他儀表進行測量；e、儀器絕緣度降低：由于電纜接續(xù)接頭處理不當或電纜老化、受損，導致電纜進水。,常用儀器類型及原理-3,3電位器式傳感器（位移計）3.1儀器原理該類儀器實質上為一個滑動變阻器，采用先進的精密導電塑料電位器生產(chǎn)工藝制造，可基本作到電阻值沿精密導電塑料長度均勻分布，滑竿的位移量與電阻比成線性關系。電位器式傳感器的精度可作到萬分之幾。計算公式：=Kf*(Ri-Ro)式中：-位移量mmRo-初始位置電阻比Ri：測量位置電阻比Kf：儀器靈敏度系數(shù),電位器式傳感器,3.2儀器測量電位器測量采用了恒壓源激勵比值測量方法來精確確定電位器中間抽頭的位置，并可消除溫度及電壓源穩(wěn)定性對測量的影響。為了消除傳感器長導線電阻的影響，采用了五芯測量方法。,常用儀器類型及原理-4,4電容式傳感器4.1儀器原理電容式傳感器是指能將被測物理量轉化為電容變化的一種傳感元件。電容器的電容是構成電容器的兩極板形狀、大小、相互位置、電介質的介電常數(shù)的函數(shù)。對于最簡單的平板電容器而言，其電容量C為：C=*/其中，介質的介電常數(shù)；S極板的面積；極板間距離。,電容式傳感器,4.1儀器原理如將一側極片固定，另一側極片與被測物體相連，當被測物體發(fā)生位移時，將改變兩極片間電容的大小。通過一定測量線路將電容轉換為電信號輸出，即可測定物體位移的大小。將兩個結構完全相同的電容式傳感器共用一個活動電極，即組成差動電容傳感器。,電容式傳感器,4.2儀器結構電容式儀器的分為變極板距離和變正對面積兩種結構方式。1）變極板距離方式測量,電容式傳感器,4.2儀器結構2）變面積方式測量,電容式傳感器,4.3儀器測量電容式傳感器的輸出電容值很小，并且其絕對值隨溫度、濕度等各種環(huán)境因素的影響，測量極為困難。因此采用新型的技術和方法：1）采用相關檢測技術，使得傳感器在保證高測量精度和強抗干擾能力的同時具有極高的穩(wěn)定性。2）激勵信號由微處理控制器控制產(chǎn)生幅值或頻率可程控調節(jié)的正弦信號以改變整個測量回路的增益，使得測量電路能夠適應各種不同容量大小的電容傳感器的測量。3）采用比值測量方法，使測量結果不受溫度、濕度等環(huán)境因素的影響。由激勵信號源輸出一定幅值和頻率的正弦激勵信號至電容傳感器的兩個極板，通過共用電極將信號耦合至前置放大器，進行信號調理后進行模數(shù)轉換后輸入微處理器。由于采用了相關檢測法，因此測量結果具有很高的信噪比。,電容式傳感器,4.4儀器特點電容傳感器具有結構簡單（傳感器無任何電子元件）、靈敏度高、動態(tài)響應快、極板經(jīng)處理后可在高溫高濕度等惡劣環(huán)境下長期穩(wěn)定工作的特點。電容式傳感器能夠在相對濕度95%的環(huán)境下長期可靠工作，但這并不意味著這類精密儀器能夠在水等經(jīng)常流入坐標儀的情況下還給出準確的測值，因此必須采取措施防止水進入儀器內。,電容式傳感器,4.5故障排除1）讀數(shù)異常（error），一般可通過測量模塊的自檢功能來獲得大概的故障提示：a、引