儀表自動(dòng)化-第三章檢測(cè)儀表與傳感器1

1、控制裝置執(zhí)行器過程檢測(cè)元件、變送器r(t)比較機(jī)構(gòu)-e(t)u(t)q(t)y(t)f(t)c(t)擾動(dòng)廣義對(duì)象被控變量測(cè)量值控制器設(shè)定值簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)構(gòu)成回顧：簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)構(gòu)成回顧：簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的方塊圖簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的方塊圖 本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容：3.1 概述概述3.2 壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)3.3 流量檢測(cè)流量檢測(cè)3.4 物位檢測(cè)物位檢測(cè)3.5 溫度檢測(cè)溫度檢測(cè)3.6 成分分析成分分析3.1 3.1 概概 述述3.1.0 檢測(cè)變送的重要性檢測(cè)變送的重要性3.1.1 測(cè)量誤差測(cè)量誤差3.1.2 儀表性能指標(biāo)儀表性能指標(biāo)3.1.3 過程參數(shù)的一般測(cè)量原理過程參數(shù)的一般測(cè)量原理 在過程自動(dòng)化中要通過

2、檢測(cè)元件獲取生產(chǎn)工藝變?cè)谶^程自動(dòng)化中要通過檢測(cè)元件獲取生產(chǎn)工藝變量，最常見變量是量，最常見變量是溫度、壓力、流量、物位（四大參溫度、壓力、流量、物位（四大參數(shù)）數(shù)）。 檢測(cè)元件又稱為敏感元件、傳感器，它直接響應(yīng)檢測(cè)元件又稱為敏感元件、傳感器，它直接響應(yīng)工藝變量，并轉(zhuǎn)化成一個(gè)與之成對(duì)應(yīng)關(guān)系的輸出信號(hào)。工藝變量，并轉(zhuǎn)化成一個(gè)與之成對(duì)應(yīng)關(guān)系的輸出信號(hào)。這些輸出信號(hào)包括這些輸出信號(hào)包括位移、電壓、電流、電阻、頻率、位移、電壓、電流、電阻、頻率、氣壓氣壓等。等。 3.1.0 3.1.0 檢測(cè)變送的重要性檢測(cè)變送的重要性 由于檢測(cè)元件的輸出信號(hào)種類繁多，且信號(hào)較弱不易由于檢測(cè)元件的輸出信號(hào)種類繁多，且信號(hào)

3、較弱不易察覺，一般都需要將其經(jīng)過變送器處理，察覺，一般都需要將其經(jīng)過變送器處理，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的電氣信號(hào)（如的電氣信號(hào)（如4 42020mA mA 或或 0 01010mAmA直流電流信號(hào)直流電流信號(hào) ,20 ,20100100KPaKPa氣壓信號(hào)）送往顯示儀表，指示或記錄工藝變量，氣壓信號(hào)）送往顯示儀表，指示或記錄工藝變量，或同時(shí)送往控制器對(duì)被控變量進(jìn)行控制?；蛲瑫r(shí)送往控制器對(duì)被控變量進(jìn)行控制。有時(shí)將檢測(cè)元件、有時(shí)將檢測(cè)元件、變送器及顯示裝置統(tǒng)稱為檢測(cè)儀表變送器及顯示裝置統(tǒng)稱為檢測(cè)儀表, , 或者將檢測(cè)元件稱為或者將檢測(cè)元件稱為一次儀表，將變送器和顯示裝置稱為二次儀表。一次儀表

4、，將變送器和顯示裝置稱為二次儀表。檢測(cè)檢測(cè)實(shí)施正確控制的第一步實(shí)施正確控制的第一步變送變送將檢測(cè)元件輸出的各種信號(hào)、微弱信號(hào)轉(zhuǎn)化成將檢測(cè)元件輸出的各種信號(hào)、微弱信號(hào)轉(zhuǎn)化成統(tǒng)一統(tǒng)一(標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn))的電氣信號(hào)的電氣信號(hào)。 靜態(tài)：靜態(tài)：正確正確y(t)正確反映正確反映c(t)的值的值 可靠可靠長(zhǎng)期工作長(zhǎng)期工作動(dòng)態(tài)：動(dòng)態(tài)：迅速迅速y(t)迅速反映迅速反映c(t)的變化的變化過程控制對(duì)檢測(cè)儀表要求：過程控制對(duì)檢測(cè)儀表要求：被測(cè)變量傳感器參數(shù)檢測(cè)的基本過程被測(cè)對(duì)象變送器顯示裝置itxx 0ixx 0ixx 1100%tx20100%x3maxmin100%xxmaxmaxmin100%xx最大絕對(duì)誤差量程1.

5、51.0被測(cè)變量?jī)x表輸出理論實(shí)際maxmax100f測(cè)量范圍上限測(cè)量范圍下限被測(cè)變量?jī)x表輸出下行程上行程maxmax100測(cè)量范圍上限測(cè)量范圍下限變差dSCdt0tAB001()ttRRttlRA檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成被測(cè)參數(shù)敏感元件信號(hào)變換信號(hào)傳輸信號(hào)測(cè)量顯示記錄控制+-A/DPLCpa絕對(duì)壓力零線pphpa大氣壓p01.01325105Pa0appp0happpp1 p2p1 p2h(a)(b)21pppgh 測(cè)量原理： P=G/S 所以 G=PS 精確度高 常用作標(biāo)準(zhǔn)儀表，檢驗(yàn)其它壓力計(jì)xpxpxpxpxpxxxxx 平薄膜 波紋膜 波紋管 單圈彈簧管 多圈彈簧管222220)1 (1abbhR

6、EP0P1彈簧管 2拉桿 3扇形齒輪4中心齒輪 5指針 6面板7游絲 8調(diào)節(jié)螺釘 9接頭圖3-18 彈簧管壓力表工作原理：力矩平衡工作原理：力矩平衡 檢測(cè)元件檢測(cè)元件膜盒或膜片膜盒或膜片 杠桿系統(tǒng)則有單杠桿、雙杠桿和矢量機(jī)構(gòu)杠桿系統(tǒng)則有單杠桿、雙杠桿和矢量機(jī)構(gòu) 膜盒式差壓變送器構(gòu)成膜盒式差壓變送器構(gòu)成 檢測(cè)檢測(cè)部分部分: P 輸入力輸入力Fi 杠桿系統(tǒng)杠桿系統(tǒng): 力的傳遞和力矩比較，生成位移信號(hào)力的傳遞和力矩比較，生成位移信號(hào) 位移檢測(cè)放大器位移檢測(cè)放大器: 位移位移 輸出輸出Io電磁反饋裝置電磁反饋裝置: : 輸出輸出反饋力反饋力Ff1.變送器的輸出電流變送器的輸出電流I0和輸入信號(hào)和輸入信

7、號(hào)P之間呈線性關(guān)系之間呈線性關(guān)系 2.調(diào)整調(diào)零彈簧可以使變送器輸出電流調(diào)整調(diào)零彈簧可以使變送器輸出電流I0在輸入信號(hào)范圍下限時(shí)在輸入信號(hào)范圍下限時(shí)為為4mA 。 3.改變改變tg或或Kf可以調(diào)整變送器的量程可以調(diào)整變送器的量程 4.零點(diǎn)和量程要反復(fù)調(diào)整零點(diǎn)和量程要反復(fù)調(diào)整 zffzffdFKllPKlllltgAI2310Io mAPminPmax420P電容式電容式差壓變送器采用差動(dòng)差壓變送器采用差動(dòng)電容作為檢測(cè)元件電容作為檢測(cè)元件主要包括測(cè)量部件和轉(zhuǎn)換放大電路兩部分：主要包括測(cè)量部件和轉(zhuǎn)換放大電路兩部分： 差壓電容膜盒電容-電流轉(zhuǎn)換電路調(diào)零、零遷電路電流放大器反饋電路pCIiIfIzIoP

8、=0 Ci1=Ci2=15pF P0 Ci1的電容量減小的電容量減小 Ci2的電容量增大的電容量增大 差動(dòng)差動(dòng)電容測(cè)量原理電容測(cè)量原理電容式壓力變送器，目前電容式壓力變送器，目前在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛用非常廣泛，其輸出信號(hào)也是標(biāo)準(zhǔn)，其輸出信號(hào)也是標(biāo)準(zhǔn)4 20mADC電流信號(hào)。電流信號(hào)。電容式壓力變送器是先將壓力的變化轉(zhuǎn)換電容式壓力變送器是先將壓力的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，然后進(jìn)行測(cè)量的。為電容量的變化，然后進(jìn)行測(cè)量的。電容式差壓變送器的原理圖可見傳感器有左右固定極板，在兩個(gè)電容式差壓變送器的原理圖可見傳感器有左右固定極板，在兩個(gè)固定極板之間是彈性材料制成的測(cè)量膜片，作為電容的中

9、央動(dòng)極固定極板之間是彈性材料制成的測(cè)量膜片，作為電容的中央動(dòng)極板，在板，在測(cè)量膜片兩側(cè)的空腔中充滿硅油測(cè)量膜片兩側(cè)的空腔中充滿硅油。電容式差壓變送器的結(jié)構(gòu)可以有效地保護(hù)測(cè)量膜片，當(dāng)差壓過大電容式差壓變送器的結(jié)構(gòu)可以有效地保護(hù)測(cè)量膜片，當(dāng)差壓過大并超過允許測(cè)量范圍時(shí)，測(cè)量膜片將平滑地貼靠在玻璃凹球面上，并超過允許測(cè)量范圍時(shí)，測(cè)量膜片將平滑地貼靠在玻璃凹球面上，因此不易損壞，與力矩平衡式相比，電容式?jīng)]有杠桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，因此不易損壞，與力矩平衡式相比，電容式?jīng)]有杠桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，因而尺寸緊湊，密封性與抗振性好，測(cè)量精度相應(yīng)提高，可達(dá)因而尺寸緊湊，密封性與抗振性好，測(cè)量精度相應(yīng)提高，可達(dá)0.2級(jí)級(jí)。 r1r

10、2123P(a)傳感器1外殼 2彈性筒 3膜片UiEr1r2R3R4AB(b)測(cè)量電橋313412() U0 RrUERRrr ，不受壓時(shí)0122011212010201201() 24224rrrrrrrrrUEEEPrrrrrrrr 霍爾壓力變送器（霍爾壓力變送器（YSHYSH型）型）ZYX壓力變化壓力變化位移變化位移變化霍爾電勢(shì)霍爾電勢(shì)VHVH變化。變化。Z Z方向，有恒定的非均勻的磁場(chǎng)方向，有恒定的非均勻的磁場(chǎng)B BY Y方向，有恒定的電流方向，有恒定的電流I I通過通過由于受電磁力的作用，電子運(yùn)動(dòng)的軌跡發(fā)由于受電磁力的作用，電子運(yùn)動(dòng)的軌跡發(fā)生偏移，造成霍爾片的一個(gè)端面電子積累，另生偏

11、移，造成霍爾片的一個(gè)端面電子積累，另一端面正電荷過剩，這樣在一端面正電荷過剩，這樣在X X方向上形成一個(gè)方向上形成一個(gè)電位差（電位差（VHVH），這一電位差稱為霍爾電勢(shì)。這一），這一電位差稱為霍爾電勢(shì)。這一物理現(xiàn)象稱為物理現(xiàn)象稱為“霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)”。VH=KHVH=KHIB/dIB/df(L/b)=RHf(L/b)=RHBIBIVHVH與與B B、I I均有關(guān)均有關(guān)VH:VH:霍爾電勢(shì)，霍爾電勢(shì)，d:d:霍爾片的厚度，霍爾片的厚度，b:b:霍爾片的電流通入端寬度霍爾片的電流通入端寬度L L：霍爾片的電勢(shì)導(dǎo)出端的長(zhǎng)度，：霍爾片的電勢(shì)導(dǎo)出端的長(zhǎng)度，f(L/b)f(L/b)：霍爾片的形狀系數(shù)：霍爾

12、片的形狀系數(shù)RHRH：霍爾常數(shù)，：霍爾常數(shù)，RH=KH/dRH=KH/df(L/b)f(L/b)，單位：，單位：mV/mA(mV/mA(千高斯千高斯) )I I：3-20mA3-20mAB:B:幾千高斯幾千高斯VHVH：幾十：幾十mVmV導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)比半導(dǎo)體小得多，因而霍爾片用半導(dǎo)體做比較多。導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)比半導(dǎo)體小得多，因而霍爾片用半導(dǎo)體做比較多?；魻柶c彈簧管自由端連在一起，壓力變化，彈簧管自由端產(chǎn)生位移，霍爾片在非均勻霍爾片與彈簧管自由端連在一起，壓力變化，彈簧管自由端產(chǎn)生位移，霍爾片在非均勻磁場(chǎng)中的位置改變（相當(dāng)于磁場(chǎng)中的位置改變（相當(dāng)于B B會(huì)改變），進(jìn)而會(huì)改變），進(jìn)而VHVH改變

13、。這樣就實(shí)現(xiàn)了把壓力轉(zhuǎn)變成位移再轉(zhuǎn)改變。這樣就實(shí)現(xiàn)了把壓力轉(zhuǎn)變成位移再轉(zhuǎn)變成變成VHVH的變化。的變化。ZYX氣動(dòng)壓力變送器的主要元件：氣阻（可變、固定）、氣容（可變、固定）。它們氣動(dòng)壓力變送器的主要元件：氣阻（可變、固定）、氣容（可變、固定）。它們組合在一起，可形成比例氣路、積分氣路、微分氣路。組合在一起，可形成比例氣路、積分氣路、微分氣路。P3R2P2R1P1比例：比例：若若P3=0P3=0（大氣壓），則：（大氣壓），則：P2P2=P1=P1R2/R2/（R1+R2R1+R2）+P3+P3R1/R1/（R1+R2R1+R2）=P1=P1R2/R2/（R1+R2R1+R2）=Kp=KpP1P

14、1CP2RP1積分：積分：M=（P1-P2P1-P2）/R/R，M=C=CdP2/dtdP2/dtRCRCdP2/dt+P2=P1dP2/dt+P2=P1令令T=RCT=RC則：則：T TdP2/dt+P2=P1dP2/dt+P2=P1所以：所以：P2=P1P2=P1（1-e1-e-t/T-t/T）P2_+CRP1微分：微分：P2=P1-P1/P2=P1-P1/（RCS+1RCS+1） 因因電阻率變化引起阻值變化電阻率變化引起阻值變化稱為稱為壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)比較明顯。半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)比較明顯。用作壓阻式傳感器的基片材料主要為硅片和鍺片，由于單晶硅材料純、功耗小、滯后用

15、作壓阻式傳感器的基片材料主要為硅片和鍺片，由于單晶硅材料純、功耗小、滯后和蠕變極小、機(jī)械穩(wěn)定性好，而且傳感器的制造工藝和硅集成電路工藝有很好的兼容和蠕變極小、機(jī)械穩(wěn)定性好，而且傳感器的制造工藝和硅集成電路工藝有很好的兼容性，以擴(kuò)散硅壓阻傳感器作為檢測(cè)元件的壓力檢測(cè)儀表得到了廣泛的使用。性，以擴(kuò)散硅壓阻傳感器作為檢測(cè)元件的壓力檢測(cè)儀表得到了廣泛的使用。 p2p1硅杯圖3-30 壓阻式傳感器示意圖正壓側(cè)隔離膜片引出線負(fù)壓側(cè)隔離膜片硅油把被測(cè)差壓把被測(cè)差壓P成比例地轉(zhuǎn)換為不平衡電壓成比例地轉(zhuǎn)換為不平衡電壓US 1.負(fù)壓室負(fù)壓室 2.正壓室正壓室 3.硅杯硅杯4.引線引線 5.硅片硅片Ri1Ri2Ri

16、3Ri4Ri1Ri2Ri3Ri4Ri1Ri2Ri3Ri4IS不受壓時(shí)：不受壓時(shí)：Ri1Ri2Ri3Ri4RRi1Ri2Ri3Ri4IS受壓時(shí)：受壓時(shí)：Ri1Ri4r1Ri2Ri3r224()2iiSSRRIU21()2Srr I受壓時(shí)，流經(jīng)受壓時(shí)，流經(jīng)2橋臂的電流始終相等橋臂的電流始終相等P1K P結(jié)論：結(jié)論：壓阻式壓力傳感器的主要壓阻式壓力傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其核心部分就是一個(gè)既是彈性元件又是壓敏元件的單晶硅膜片。其核心部分就是一個(gè)既是彈性元件又是壓敏元件的單晶硅膜片。擴(kuò)散電阻的靈敏系數(shù)是金屬應(yīng)變片的幾十倍，能直接測(cè)量出微小的壓力變化。擴(kuò)散電阻的靈敏系數(shù)是金屬應(yīng)變片的幾十倍，能直接測(cè)量出微小的壓力變化。此外，壓阻式壓力傳感器還具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，遲滯小，可用來(lái)測(cè)量幾千赫茲乃至更高此外，壓阻式壓力傳感器還具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，遲滯小，可用來(lái)測(cè)量幾千赫茲乃至更高的脈動(dòng)壓力。的脈動(dòng)壓力。因此，這是一種發(fā)展比較迅速，應(yīng)用十分廣泛的一類