傳感器原理講稿-.ppt

安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)常見(jiàn)監(jiān)測(cè)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(zhǔn)直曲線型混凝土壩水平位移正、倒垂線及垂線坐標(biāo)儀（電容式、光電式）混凝土壩壩體撓度正、倒垂線及垂線坐標(biāo)儀（電容式、光電式）壩體壩基垂直位移靜力水準(zhǔn)、雙金屬管標(biāo)土石壩內(nèi)部水平位移引張線式鋼絲位移計(jì)土石壩內(nèi)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(diǎn)位移計(jì)混凝土應(yīng)力差阻式、振弦式應(yīng)變計(jì)組及無(wú)應(yīng)力計(jì)鋼筋、鋼板應(yīng)力差阻式、振弦式鋼筋計(jì)、鋼板計(jì)面板堆石壩周邊縫3DM電位器式測(cè)縫計(jì)接縫變形差阻式、電位器式測(cè)縫計(jì)揚(yáng)壓力、滲透壓力振弦式、差阻式滲壓計(jì),常見(jiàn)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和監(jiān)測(cè)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(zhǔn)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(biāo)。通常用相對(duì)誤差來(lái)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?。┬谐踢^(guò)程中輸出-輸入曲線的不重合程度的指標(biāo)。通常用正反行程輸出的最大差值Hmax計(jì)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(fù)性不重復(fù)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(biāo)。各條特性曲線越靠近，重復(fù)性越好。4、分辨力分辨力是傳感器在測(cè)量范圍內(nèi)所能檢測(cè)出被測(cè)輸入量的最小變化量。有時(shí)用該值相對(duì)滿量程輸入值之百分?jǐn)?shù)表示，稱為分辨力。5、長(zhǎng)期穩(wěn)定性傳感器在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍保持其性能的能力。穩(wěn)定性一般以室溫條件下經(jīng)過(guò)一規(guī)定的時(shí)間間隔后，傳感器的輸出與起始標(biāo)定時(shí)的輸出之間的差異來(lái)表示。一般儀器穩(wěn)定度用一段時(shí)間內(nèi)傳感器輸出變化對(duì)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(shí)際反映傳感器準(zhǔn)確度，表示傳感器測(cè)值接近真值的程度。一般根據(jù)非線性、滯后、重復(fù)性誤差來(lái)計(jì)算綜合誤差，即7、儀器的精度問(wèn)題大壩安全監(jiān)測(cè)所使用的儀器設(shè)備有一些是典型意義上的傳感器，如應(yīng)變計(jì)、滲壓計(jì)、測(cè)縫計(jì)等；還有一些是由傳感器和配套設(shè)備組合的測(cè)量系統(tǒng)，如由坐標(biāo)儀和垂線組成的正倒垂系統(tǒng)、由引張線儀和引張線構(gòu)成的引張線測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)于該系統(tǒng)中的某個(gè)儀器的精度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和檢驗(yàn)時(shí)，除因現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境與室內(nèi)標(biāo)定時(shí)的差異造成誤差外，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(cè)系統(tǒng)中儀器的引用精度指標(biāo)應(yīng)較儀器的標(biāo)稱精度低。,儀器參數(shù)基本概念,6、綜合誤差該誤差實(shí)際反映傳感器準(zhǔn)確度，表示傳感器測(cè)值接近真值的程度。一般根據(jù)非線性、滯后、重復(fù)性誤差來(lái)計(jì)算綜合誤差，即7、儀器的精度問(wèn)題大壩安全監(jiān)測(cè)所使用的儀器設(shè)備有一些是典型意義上的傳感器，如應(yīng)變計(jì)、滲壓計(jì)、測(cè)縫計(jì)等；還有一些是由傳感器和配套設(shè)備組合的測(cè)量系統(tǒng)，如由坐標(biāo)儀和垂線組成的正倒垂系統(tǒng)、由引張線儀和引張線構(gòu)成的引張線測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)于該系統(tǒng)中的某個(gè)儀器的精度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和檢驗(yàn)時(shí)，除因現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境與室內(nèi)標(biāo)定時(shí)的差異造成誤差外，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(cè)系統(tǒng)中儀器的引用精度指標(biāo)應(yīng)較儀器的標(biāo)稱精度低。,常用儀器類型及原理-1,1、差動(dòng)電阻式傳感器差動(dòng)電阻式傳感器習(xí)慣上又稱卡爾遜式儀器。這種儀器利用張緊在儀器內(nèi)部的彈性鋼絲作為傳感元件，將儀器受到的物理量轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量。當(dāng)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(guān)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(zhǎng)度；L鋼絲長(zhǎng)度變化量；鋼絲電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)。,差動(dòng)電阻式傳感器,1.1儀器原理差動(dòng)電阻式儀器的內(nèi)部均繞著電阻值相近的細(xì)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(nèi)。,差動(dòng)電阻式傳感器,1.2儀器結(jié)構(gòu)差動(dòng)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(shè)計(jì)而成。當(dāng)儀器受到外力變形時(shí)，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(dòng)電阻式傳感器,1.3儀器測(cè)量差動(dòng)電阻式傳感器的內(nèi)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(huì)給測(cè)量帶來(lái)較大誤差。，因此，通常采用恒流源技術(shù)用五芯電纜接法測(cè)量?jī)x器電阻、電阻比的方法，消除了電纜引線電阻及其變化對(duì)測(cè)值的影響。五芯儀器四芯儀器四芯溫度計(jì)三芯溫度計(jì),差動(dòng)電阻式傳感器,1.4儀器特點(diǎn)儀器長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠，并能兼測(cè)溫度，在高水壓下也可以長(zhǎng)期可靠的工作等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)五芯測(cè)量技術(shù)，解決了長(zhǎng)電纜測(cè)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(dòng)化采集系統(tǒng)。差動(dòng)電阻式傳感器內(nèi)的高強(qiáng)鋼絲很細(xì)，鋼絲工作在高應(yīng)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(shè)過(guò)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(chǎng)儀器電纜接長(zhǎng)時(shí)接頭處理不好或電纜絕緣下降都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響。,差動(dòng)電阻式傳感器,1.5故障排除由儀器的原理及結(jié)夠可知，差動(dòng)電阻式傳感器內(nèi)部實(shí)為兩個(gè)電阻，通過(guò)一根5芯電纜引至觀測(cè)站，當(dāng)儀器測(cè)量故障時(shí)，可通過(guò)萬(wàn)用表逐個(gè)測(cè)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(guān)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(guān)系式測(cè)得各種物理量。鋼弦自振頻率與鋼弦所受應(yīng)力的關(guān)系式為：f=式中：f鋼弦自振頻率；L鋼弦長(zhǎng)度；-夾線器；-鋼弦；-電磁鐵鋼弦所受的應(yīng)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(yīng)變；,振弦式傳感器,2.1儀器原理當(dāng)儀器的材料、鋼絲長(zhǎng)度確定后，儀器鋼弦所受應(yīng)力與弦的自振頻率的平方成線性關(guān)系。=4L2*f2振弦式傳感器的鋼弦是在一定初始應(yīng)力下張緊的，其初始自振頻率為f0，發(fā)生應(yīng)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(jì)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(jié)構(gòu)振弦式應(yīng)變計(jì)-主要由左右端座、保護(hù)管、信號(hào)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(hù)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(jié)構(gòu)振弦式鋼筋計(jì)-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(jié)構(gòu)振弦式位移計(jì)-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(hù)管7.滑桿8.銷子,振弦式傳感器,2.2儀器結(jié)構(gòu)振弦式水位計(jì)-主要由頂蓋、振弦敏感部件、浮筒、和安裝調(diào)節(jié)支架組成。,振弦式傳感器,2.2儀器結(jié)構(gòu)振弦式滲壓計(jì)-滲壓計(jì)的感應(yīng)部件由透水石、感應(yīng)板組成。感應(yīng)板上接振弦傳感部件，振弦感應(yīng)組件由振動(dòng)鋼弦和電磁線圈構(gòu)成。,振弦式傳感器,2.3儀器測(cè)量振弦式儀器的測(cè)量采用掃頻激振技術(shù)，當(dāng)激振頻率和傳感器振弦的固有頻率接近時(shí)，振弦能迅速達(dá)到共振狀態(tài)。當(dāng)激振信號(hào)撤去后，弦由于慣性作用仍然作衰減震蕩。振動(dòng)產(chǎn)生的感應(yīng)信號(hào)通過(guò)檢測(cè)電路濾波、放大、整形成脈沖信號(hào)送到微控制器，微控制器通過(guò)測(cè)量脈沖信號(hào)的周期或頻率，即可測(cè)得傳感器的振動(dòng)頻率。,振弦式傳感器,2.4故障排除1）儀器無(wú)讀數(shù)振弦式儀器的線圈電阻一般為200左右，可通過(guò)萬(wàn)用表測(cè)試兩根線間的電阻值（一般為紅黑）來(lái)判斷：a、電阻非常大（幾K）或無(wú)窮大（M）：電纜已斷路或線圈損壞，一般應(yīng)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(yīng)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(cè)量檔位選擇：儀器出廠時(shí)一般都標(biāo)有頻率范圍，測(cè)量時(shí)需選擇相應(yīng)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(hào)傳輸線路附件是否存在馬達(dá)、發(fā)動(dòng)機(jī)、交流動(dòng)力電纜。可將信號(hào)電纜屏蔽線接地來(lái)改善信號(hào)質(zhì)量；d、讀數(shù)儀本身是否正常？可嘗試換用其他儀表進(jìn)行測(cè)量；e、儀器絕緣度降低：由于電纜接續(xù)接頭處理不當(dāng)或電纜老化、受損，導(dǎo)致電纜進(jìn)水。,常用儀器類型及原理-3,3電位器式傳感器（位移計(jì)）3.1儀器原理該類儀器實(shí)質(zhì)上為一個(gè)滑動(dòng)變阻器，采用先進(jìn)的精密導(dǎo)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(dǎo)電塑料長(zhǎng)度均勻分布，滑竿的位移量與電阻比成線性關(guān)系。電位器式傳感器的精度可作到萬(wàn)分之幾。計(jì)算公式：=Kf*(Ri-Ro)式中：-位移量mmRo-初始位置電阻比Ri：測(cè)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(cè)量電位器測(cè)量采用了恒壓源激勵(lì)比值測(cè)量方法來(lái)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(duì)測(cè)量的影響。為了消除傳感器長(zhǎng)導(dǎo)線電阻的影響，采用了五芯測(cè)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(cè)物理量轉(zhuǎn)化為電容變化的一種傳感元件。電容器的電容是構(gòu)成電容器的兩極板形狀、大小、相互位置、電介質(zhì)的介電常數(shù)的函數(shù)。對(duì)于最簡(jiǎn)單的平板電容器而言，其電容量C為：C=*/其中，介質(zhì)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(cè)極片固定，另一側(cè)極片與被測(cè)物體相連，當(dāng)被測(cè)物體發(fā)生位移時(shí)，將改變兩極片間電容的大小。通過(guò)一定測(cè)量線路將電容轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，即可測(cè)定物體位移的大小。將兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的電容式傳感器共用一個(gè)活動(dòng)電極，即組成差動(dòng)電容傳感器。,電容式傳感器,4.2儀器結(jié)構(gòu)電容式儀器的分為變極板距離和變正對(duì)面積兩種結(jié)構(gòu)方式。1）變極板距離方式測(cè)量,電容式傳感器,4.2儀器結(jié)構(gòu)2）變面積方式測(cè)量,電容式傳感器,4.3儀器測(cè)量電容式傳感器的輸出電容值很小，并且其絕對(duì)值隨溫度、濕度等各種環(huán)境因素的影響，測(cè)量極為困難。因此采用新型的技術(shù)和方法：1）采用相關(guān)檢測(cè)技術(shù)，使得傳感器在保證高測(cè)量精度和強(qiáng)抗干擾能力的同時(shí)具有極高的穩(wěn)定性。2）激勵(lì)信號(hào)由微處理控制器控制產(chǎn)生幅值或頻率可程控調(diào)節(jié)的正弦信號(hào)以改變整個(gè)測(cè)量回路的增益，使得測(cè)量電路能夠適應(yīng)各種不同容量大小的電容傳感器的測(cè)量。3）采用比值測(cè)量方法，使測(cè)量結(jié)果不受溫度、濕度等環(huán)境因素的影響。由激勵(lì)信號(hào)源輸出一定幅值和頻率的正弦激勵(lì)信號(hào)至電容傳感器的兩個(gè)極板，通過(guò)共用電極將信號(hào)耦合至前置放大器，進(jìn)行信號(hào)調(diào)理后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸入微處理器。由于采用了相關(guān)檢測(cè)法，因此測(cè)量結(jié)果具有很高的信噪比。,電容式傳感器,4.4儀器特點(diǎn)電容傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單（傳感器無(wú)任何電子元件）、靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、極板經(jīng)處理后可在高溫高濕度等惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的特點(diǎn)。電容式傳感器能夠在相對(duì)濕度95%的環(huán)境下長(zhǎng)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(biāo)儀的情況下還給出準(zhǔn)確的測(cè)值，因此必須采取措施防止水進(jìn)入儀器內(nèi)。,電容式傳感器,4.5故障排除1）讀數(shù)異常（error），一般可通過(guò)測(cè)量模塊的自檢功能來(lái)獲得大概的故障提示：a、引