第二章 初級傳感器-2019ppt課件

1、第二章 初級傳感器Primary sensor ） 本章目的：本章目的：掌握溫度測量有關(guān)概念及初級溫度傳感器一般原理；掌握溫度測量有關(guān)概念及初級溫度傳感器一般原理；掌握壓力有關(guān)概念及初級壓力傳感器一般原理；掌握壓力有關(guān)概念及初級壓力傳感器一般原理；掌握流體有關(guān)概念及流量傳感器一般原理。掌握流體有關(guān)概念及流量傳感器一般原理。本章重點：本章重點：有關(guān)溫度、壓力、流量的基本概念。有關(guān)溫度、壓力、流量的基本概念。1.溫度溫度2.1.12.1.1溫度及溫標(biāo)溫度及溫標(biāo)Temperature and scaleTemperature and scale）2.溫標(biāo)：華氏溫標(biāo)、攝氏溫標(biāo)、熱力學(xué)溫標(biāo)、國際溫標(biāo)。溫

2、標(biāo)：華氏溫標(biāo)、攝氏溫標(biāo)、熱力學(xué)溫標(biāo)、國際溫標(biāo)。華氏溫標(biāo)華氏溫標(biāo)Fahrenheit）：單位為）：單位為“oF”。攝氏溫標(biāo)攝氏溫標(biāo)Celsius）：單位為）：單位為“oC”2.1 溫度傳感器溫度傳感器Temperature ）華氏溫標(biāo)與攝氏溫標(biāo)的關(guān)系：華氏溫標(biāo)與攝氏溫標(biāo)的關(guān)系：9325oot Ft C熱力學(xué)溫標(biāo)熱力學(xué)溫標(biāo)Kelvin）：絕對溫標(biāo)，單位為）：絕對溫標(biāo)，單位為“K” 規(guī)定分子運動停止時的溫度為絕對零度；水的三相點，即液體、固體、氣體狀態(tài)的水同時存在的溫度，為273.16K； 定義國際開爾文溫度定義國際開爾文溫度T90和國際攝氏溫度和國際攝氏溫度t90） 水的三相點熱力學(xué)溫度為水的三相

3、點熱力學(xué)溫度為273.16K； 攝氏溫標(biāo)與開氏溫標(biāo)之間簡單關(guān)系式為：攝氏溫標(biāo)與開氏溫標(biāo)之間簡單關(guān)系式為：國際計量委員會在國際計量委員會在1989年年7月批準(zhǔn)新的國際溫標(biāo)月批準(zhǔn)新的國際溫標(biāo)ITS-90，我國，我國1994年開始全面推行年開始全面推行ITS-90新溫標(biāo)。新溫標(biāo)。內(nèi)容：內(nèi)容：國際溫標(biāo)：國際溫標(biāo)：指導(dǎo)思想：盡可能地接近熱力學(xué)溫標(biāo)，復(fù)現(xiàn)精度要指導(dǎo)思想：盡可能地接近熱力學(xué)溫標(biāo)，復(fù)現(xiàn)精度要高，制作較容易，性能穩(wěn)定，使用方便。高，制作較容易，性能穩(wěn)定，使用方便。CTto15.2739090 整個溫標(biāo)分成四個溫區(qū)，都有其相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)儀器。整個溫標(biāo)分成四個溫區(qū)，都有其相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)儀器。1) 0.65-

4、5.0K1) 0.65-5.0K，用，用3He3He和和4He4He蒸汽溫度計；蒸汽溫度計；2) 3.0-24.5561K2) 3.0-24.5561K氦三相點），用氦氣體溫度計；氦三相點），用氦氣體溫度計；3) 13.803K-961.783) 13.803K-961.78，用基準(zhǔn)鉑電阻溫度計；，用基準(zhǔn)鉑電阻溫度計；4) 961.784) 961.78以上，用單色輻射或光電高溫計。以上，用單色輻射或光電高溫計。作業(yè)作業(yè)1：常用溫度單位換算：常用溫度單位換算：l人體溫度36.5攝氏度，相當(dāng)于多少華氏度？相當(dāng)于多少開式溫度？2.1.2 測溫方法及測溫儀表(Temperature measurem

5、ent method and instrument )測測溫溫方方式式溫度計種類溫度計種類常用測溫常用測溫范圍（范圍（）優(yōu)點優(yōu)點缺點缺點非非接接觸觸式式測測溫溫儀儀表表輻射輻射式式輻射式輻射式400-2000400-2000 測溫時，不測溫時，不破壞被測溫破壞被測溫度場度場 低溫段測量低溫段測量不準(zhǔn)，環(huán)境不準(zhǔn)，環(huán)境條件會影響條件會影響測溫準(zhǔn)確度測溫準(zhǔn)確度光學(xué)式光學(xué)式700-3200700-3200比色式比色式900-1700900-1700紅外紅外線線熱敏探測熱敏探測-50-3200-50-3200測溫時，不測溫時，不能破壞被測能破壞被測溫度場，響溫度場，響應(yīng)快，測溫應(yīng)快，測溫范圍大，適范圍大

6、，適于測溫度分于測溫度分布布易受外界干易受外界干擾，標(biāo)定困擾，標(biāo)定困難難光電探測光電探測0-35000-3500熱電探測熱電探測200-2000200-2000測測溫溫方方式式溫度計種類溫度計種類測溫范測溫范圍（圍（）優(yōu)點優(yōu)點缺點缺點接接觸觸式式測測溫溫儀儀表表膨膨脹脹式式玻璃液體玻璃液體-50-600-50-600結(jié)構(gòu)簡單，使結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，測量用方便，測量準(zhǔn)確，價格低準(zhǔn)確，價格低廉廉量上限和精度量上限和精度受玻璃質(zhì)量的受玻璃質(zhì)量的限制，易碎，限制，易碎，不能記錄和遠(yuǎn)不能記錄和遠(yuǎn)傳傳雙金屬雙金屬 -80-600-80-600結(jié)構(gòu)緊湊，牢結(jié)構(gòu)緊湊，牢固固精度低，量程精度低，量程和使用有限和

7、使用有限壓壓力力式式液體液體-30-600-30-600 耐震，堅固，耐震，堅固，防爆，價格低防爆，價格低廉廉精度低，測溫精度低，測溫距離短，滯后距離短，滯后大大氣體氣體-20-350-20-350蒸汽蒸汽0-2500-250 測測溫溫方方式式溫度計種類溫度計種類測溫范測溫范圍（圍（）優(yōu)點優(yōu)點缺點缺點接接觸觸式式測測溫溫儀儀表表熱熱電電偶偶鉑銠鉑銠- -鉑鉑0-16000-1600測溫范圍廣，測溫范圍廣，精度高，便于精度高，便于遠(yuǎn)距離、多點、遠(yuǎn)距離、多點、集中測量和自集中測量和自動控制動控制需冷端溫度補(bǔ)需冷端溫度補(bǔ)償償, ,在低溫段測在低溫段測量精度較低量精度較低鎳鉻鎳鉻- -鎳鎳鋁鋁0-90

8、00-900鎳鉻鎳鉻- -考考銅銅0-6000-600 熱熱電電阻阻鉑鉑-200-200-500500測溫精度高，測溫精度高，便于遠(yuǎn)距離、便于遠(yuǎn)距離、多點、集中測多點、集中測量和自動控制量和自動控制不能測高溫不能測高溫, ,須須注意環(huán)境溫度注意環(huán)境溫度的影響的影響銅銅-50-150-50-150熱敏熱敏-50-300-50-300溫度測量儀表的精度等級 儀表名稱精度等級雙金屬溫度計1，1.5，2.5壓力式溫度計1，1.5，2.5玻璃液體溫度計0.5-2.5熱電阻0.5-3熱電偶0.5-1光學(xué)高溫計1-1.5輻射溫度計（熱電堆）1.5部分輻射溫度計1-1.5比色溫度計1-1.52.1.4 膨脹式

9、溫度計Dilator-thermometer） 氣體膨脹式、液體膨脹式和固體膨脹式三類 固體膨脹式溫度計雙金屬溫度計）:熱膨脹系數(shù)大的材料為主動層，熱膨脹系數(shù)小的為被動層。一 原理: 固體受熱膨脹原理2123()()ABtrTTt金屬片的曲率半徑 t是雙金屬片的總厚度二 資料: 膨脹系數(shù)不同的金屬材料雙金屬敏感元件材料 (1)高錳合金錳、鎳、銅的合金(含Mn 72，Ni 10，Cu 18)，材料受熱膨脹十分明顯，在2 51 5 0間,線膨脹系數(shù)約為2 7.51 0-6/ ，即溫度每上升1將伸長原尺寸的百萬分之2 7.5。 (2)殷鋼鐵和鎳的合金(含F(xiàn)e 64，Ni 3 6 %)，合金線膨脹系數(shù)

10、極小，在01 00間約為(13)1 0-6/ ，在同樣溫度變化幅度之下其膨脹程度僅為高錳合金的二十分之一左右。為提高測溫靈敏度，通常將金屬片制成螺旋卷形狀。螺旋卷的一端固定而另一端與自由轉(zhuǎn)動的指針相連，指針可在一圓形分度標(biāo)尺上指示溫度。 三 結(jié)構(gòu)特點:使用特點：普通雙金屬的厚度范圍從10微米到3毫米，測溫范圍零下75攝氏度至零上540度，大多數(shù)用于零至300度溫度范圍。抗震性好，結(jié)實，讀數(shù)方便，軸向型、徑向型、135型、萬向型等品種齊全，適應(yīng)于各種現(xiàn)場安裝的需要。但精度不高精度級），測溫范圍小。形狀可以制成螺旋線、膜片等。用處：廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、紡織、食品等工業(yè)。溫度指示，也可用于直

11、接斷開或閉合觸點恒溫器、熒光燈啟動器），電路中過流保護(hù)的執(zhí)行器等。 四 應(yīng)用特點:電熨斗原理圖五 雙金屬溫度傳感器的典型應(yīng)用:2. 2 壓力傳感器壓力傳感器Pressure sensor）2.2.1基本概念壓力(pressure):單位面積上的力壓強(qiáng)）aPbPdPgPvPv壓差絕對壓力大氣壓力負(fù)壓力表壓力真空度大氣壓力線絕對壓力線壓力關(guān)系示意圖（Differential pressure）（Absolute pressure）（Atmospheric pressure）（gauge pressure ）（Negative pressure）（vacuum）各種壓力單位換算表 單位牛頓/米2(帕

12、斯卡)巴毫米水柱 4oC 公斤力/米2 牛頓/米2(帕斯卡) 1110-50.1019720.101972巴1105110.197210310197.2毫米水柱4oC0.1019729.8066510-51110-8公斤力/米29.806659.8066510-5110-81公斤力/厘米298.06651030.980665101031104標(biāo)準(zhǔn)大氣壓1.013251051.0132510.332310310332.3毫米水銀柱0oC 133.3220.0013332213.595113.5951磅/英寸6.894761030.0689476703.072703.072作業(yè)作業(yè)2：常用壓力單位

13、換算：常用壓力單位換算：l1工程大氣壓= 千克力/平方厘米= 帕l1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓= 毫米水銀柱= 帕l1毫米水銀柱= 毫米水柱= 帕l1毫米水柱= 千克力/平方米= 帕一 壓力測量范圍超高壓(super-high pressure )：壓力高于6108Pa；高壓(high-pressure) ：壓力在107至6108Pa；低壓(low-pressure) ：壓力在105至107Pa；微壓(micro-pressure) ：壓力在0至105Pa ；真空(vacuum) ：760托(1托=1毫米汞柱=133.32帕斯卡 )以下。2.2.2 壓力測量儀表Pressure gauge）二 壓力測量儀表類

14、別子類別工作原理用途 液柱式壓力計U型管壓力計 流體靜力學(xué)(hydrostatics )原理低微壓測量，高精度者可用作壓力基準(zhǔn)器。常用于靜態(tài)壓力測量 。單管壓力計斜管微壓計補(bǔ)償微壓計自動液柱式壓力計 彈性壓力表彈簧管壓力表胡克定律(Hooke law)（彈性元件受力變形）測量范圍寬、精度差別大、品種多、是最常見的工業(yè)用壓力儀表膜片壓力表膜盒壓力表波紋管壓力表 負(fù)荷式壓力計活塞式壓力計單活塞式靜力平衡（static equilibrium ）原理（壓力轉(zhuǎn)換成砝碼重量）用于靜壓測量，是精密壓力測量基準(zhǔn)器。雙活塞式浮球式壓力計鐘罩式微壓計類別子類別工作原理用途 壓力傳感器電阻應(yīng)變片壓力傳感器應(yīng)變式應(yīng)

15、變效應(yīng) 用于將壓力轉(zhuǎn)換成電號實現(xiàn)距離監(jiān)測、控制。壓阻式壓阻效應(yīng)壓電式壓力傳感器壓電效應(yīng)電感式壓力傳感器壓力引起磁路磁阻變化造成鐵心線圈等效電感變化電容式壓力傳感受器極距變化式壓力引起電容變化面積變化式介質(zhì)變化式電位器式壓力傳感受器壓力推動電位器滑頭位移霍爾壓力傳感受器霍爾較應(yīng)光纖壓力傳感器用光纖測量由壓力引起的位移變化諧振式壓力傳感受器振弦式壓力改變振體的固有頻率振筒式振膜式 壓力開關(guān)位移式壓力開關(guān)壓力改變彈性元件位移，引起開動作位式報警力平衡式壓力開關(guān)2.2.3 彈性式壓力計spring-tube pressure gauge ）一 壓力敏感元件1.壓力彈簧管Pressure bourdon

16、 spring） 壓力彈簧管又稱為布爾頓管。它是一種管體呈圓弧形，螺旋形，渦線形，麻花形，且截面為橢圓形或扁圓形，用來測量流體壓力的中空管。 測量范圍：0-109Pa 優(yōu)點：靈敏度高、剛度大、過載能力強(qiáng) 基本原理： 均勻壁厚的圓形彈簧管不能作為測壓元件。 C型壓力彈簧管 扭絞型壓力彈簧管 壓力彈簧管的實物圖 壓力彈簧管技術(shù)指標(biāo) 材質(zhì)銅合金、不銹鋼結(jié)構(gòu)形式橢圓管、圓管直徑系列2080mm遲滯1%非線性2%2. 膜片和膜盒Diaphragm and bellows） 膜片是一種可以在垂直于它的撓性面方向移動的力敏元件。它在儀表中的作用是將壓力或壓差轉(zhuǎn)換成膜片的中心位移或中心集中力輸出，傳給指示器或

17、執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 優(yōu)點：具有重量輕、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、輸出位移范圍大、價格低廉。 測量范圍：10-2-108Pa膜片 膜盒 金屬膜片技術(shù)指標(biāo) 材質(zhì)銅合金、不銹鋼、恒彈合金、精密合金 結(jié)構(gòu)形式平面形、斜面形、圓弧形、梯形直徑系列1580mm壓力膜盒技術(shù)指標(biāo)材質(zhì)銅合金、不銹鋼、恒彈合金、精密合金 結(jié)構(gòu)形式平面形、斜面形、圓弧形、梯形工作壓力2mmHg-16.0MPa直徑系列1880mm遲滯1%非線性2%金屬膜片和膜盒實物圖 3. 波紋管Corrugated pipe） 是一種具有一定波紋形狀的薄壁彈性元件。它具有受軸向力、徑向力或彎矩作用下，產(chǎn)生相應(yīng)位移的特點。 優(yōu)點：線性好而且彈性位移大。

18、測量范圍：0-106Pa波紋管的縱斷面 波紋管技術(shù)指標(biāo)材質(zhì)銅合金、不銹鋼、高彈合金、精密合金結(jié)構(gòu)形式環(huán)形、螺旋形直徑系列880mm遲滯1%非線性1.5%金屬波紋管實物圖 1.彈簧管式壓力計： 彈簧管拉桿扇形齒輪游絲指針壓力接頭面板支座小齒輪二 彈性式壓力計2.膜盒、膜片式壓力計： 作業(yè)作業(yè)3：分析彈簧管式壓力計的結(jié)構(gòu)特點和工分析彈簧管式壓力計的結(jié)構(gòu)特點和工作原理。作原理。2.4 2.4 流量傳感器流量傳感器flow sensorflow sensor）2.4.1 基本概念 一 流體與流體計量（ fluid and fluid measurement ）1.流體的類型 液體和氣體；固體流體；氣體

19、和固體的混合流體2.流體的流動性特征 受任何微小的剪切力后，連續(xù)變形直到外力消失3.流量 在單位時間內(nèi)通過管道或設(shè)備中某一截面的流動介質(zhì)的數(shù)量4. 流量的計量方式體積容積流量 ：（單位： ）質(zhì)量流量 ：（單位 ）重量流量 ：（單位 ）累計流量：一段時間內(nèi)，通過通道橫截面的流體的總量。標(biāo)準(zhǔn)容積流量：在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（ ）下的容積流量的數(shù)值，單位：規(guī)范Q33/ ,/min,/cms LmsM/ ,/ , /g s kg h t hG20,760tC PmmHg3/min,/Lmh二 流體測量中常用的物理參數(shù) 1. 粘性viscosity ） 在流體的內(nèi)部流速快的部分要加速與其相接觸的流速慢的部分，而流速

20、慢的部分要減小與其相接觸的流速快的部分，流體的這種性質(zhì)，稱為粘性。 粘度degree of viscosity ）用來衡量流體粘性大小的物理量。是溫度和壓力的函數(shù)。溫度升高，液體粘度下降，氣體粘度上升。工程上除水蒸氣及氣體的粘度與壓力關(guān)系密切外，除非在高壓下，一般只考慮溫度對粘度的影響。2. 流體的壓縮性Compressibility of fluid ）： 流體在流場中相對密度的變化。一般液體視為不可壓縮流體，氣體是可壓縮的。3. 雷諾數(shù)Reynolds numberRe ： 是表征流體流動特性的一個重要參數(shù)，表示為：2/gempFvvlvlRpF v l流體的平均速度 流速的定型尺寸 流體

21、的運動粘度 流體密度(fluid density) 慣性力inertia force ） 粘性力viscosity force ） 在層流流動狀態(tài)下，流束分布是以管軸為中心線的軸對稱拋物線分布。在紊流流動狀態(tài)下，管內(nèi)流束同樣是以管中心線軸對稱的分布，但是其分布呈指數(shù)曲線形式。Re 小：流體流動時各質(zhì)點間粘性力占主要地位，流體各支點平行于管道內(nèi)壁有規(guī)則流動，呈層流(laminar flow )流動狀態(tài)；Re 大：流體流動時各質(zhì)點間慣性力占主要地位，流體呈絮狀(floccus flow)流動狀態(tài)；2.4.2 流量計(flowmeter)分類一 按測量原理分類(1)力學(xué)原理：伯努利定理差壓式、轉(zhuǎn)子式

22、；動量定理沖量式、可動管式；牛頓第二定律直接質(zhì)量式；流體動量原理靶式；角動量定理渦輪式等等。(2)電學(xué)原理：電磁式、差動電容式、電感式、應(yīng)變電阻式等。(3)聲學(xué)原理：超聲波式、聲學(xué)式(沖擊波式)等。 (4)熱學(xué)原理：熱量式、直接量熱式、間接量熱式等。(5)光學(xué)原理：激光式、光電式等。(6)物理原理：核磁共振式、核幅射式。二 按流量計結(jié)構(gòu)原理分類1容積式流量計(positive displacement flowmeter )：相當(dāng)于一個標(biāo)準(zhǔn)容積的容器，接連不斷地流動介質(zhì)進(jìn)行度量。適于測量高粘度、低雷諾數(shù)的流體。2葉輪式流量計vane-wheel flowmeter ）：將葉輪置于被測流體中，受

23、流體流動的沖擊而旋轉(zhuǎn)，以葉輪旋轉(zhuǎn)的快慢來反映流量大小。代表：水表。3差壓式流量計differential pressure flowmeter ）：方法歷史悠久，比較成熟，世界各國一般都用在比較重要的場合，約占各種流量測量方式的70。4變面積式流量計variable area flowmeter ）：放在上大下小的錐形流道中的浮子受到自下而上流動的流體的作用力而移動。當(dāng)此作用力與浮子的“顯示重量”(浮子本身的重量減去它所受流體的浮力)相平衡時，浮子即靜止。浮子靜止的高度可作為流量大小的量度。5動量式流量計momentum flowmeter ）：利用測量流體的動量來反映流量大小。6沖量式流量計impulse flowmeter ）：利用沖量定理測量流量，多用于測量顆粒狀固體介質(zhì)流量。7電磁流量計electromagnetic flowmeter ）：是應(yīng)用導(dǎo)電體在磁場中運動產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，而感應(yīng)電動勢又和流量大小成正比，通過測電動勢來反映管道流量。其測量精度和靈敏度都較高。8超聲波流量計ultrasonic flowmeter）：是基于超聲波在流動介質(zhì)中傳播的速度等于被測介質(zhì)的平均流速和聲波本身速度的幾何和的原理而設(shè)計的。是一種很有發(fā)展前途的流量計。9質(zhì)量流量計mass flowmeter）：分直接式和間接式兩種。直接式質(zhì)量流量計