传感器在工程检测中的应用

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1、第15章传感器在工程检测中的应用15.1温度测量15.2压力测量15.3流量测量15.4物位测量15.1温度测量15.1.1温度概述1.温度与温标温度是表征物体冷热程度的物理量。温度不能直接加以测量，只能借助于冷热不同的物体之间的热交换，以及物体的某些物理性质随着冷热程度不同而变化的特性间接测量。为了定量地描述温度的高低，必须建立温度标尺(温标)，温标就是温度的数值表示。各种温度计和温度传感器的温度数值均由温标确定。历史上提出过多种温标，如早期的经验温标（摄氏温标和华氏温标），理论上的热力学温标，当前世界通用的是国际温标。热力学温标是以热力学第二定律为基础的一种理论温标，热力学温标确定的温

2、度数值为热力学温度（符号为T），单位为开尔文（符号为K）。国际温标是一个国际协议性温标，是既能体现热力学温标（即保证较高的准确度），使用方便，又容易实现的温标。国际温标自1927年拟定以来几经修改而不断完善，目前实行的是1990年国际温标（ITS—90），取代了早先推行的IPTS—68。国际温标规定仍以热力学温度作为基本温度，1K等于水三相点热力学温度的1/273.16。它同时定义国际开尔文温度（符号T90）和国际摄氏温度（符号t90），T90和t90之间的关系为t90/℃=T90/K-273.16(15-1)2.温度测量的主要方法和分类(1)温度传感器的组成在工程中无论是简单的还是复杂的

3、测温传感器，就测量系统的功能而言，通常由现场的感温元件和控制室的显示装置两部分组成，如图15-1所示。简单的温度传感器往往是把温度传感器和显示器组成一体的，对这样一种传感器一般在现场使用。图15–1温度传感器组成框图(2)温度测量方法及分类测量方法按感温元件是否与被测介质接触，可以分成接触式测温与非接触式测温两大类。接触式测温是使温度敏感元件和被测介质相接触，当被测介质与感温元件达到热平衡时，温度敏感元件与被测介质的温度相等。这类温度传感器具有结构简单、工作可靠、精度高、稳定性好、价格低廉等优点，是目前应用最多的一类。非接触式测温方法是应用物体的热辐射能量随温度的变化而变化的原理。众所周知

4、，物体辐射能的大小与温度有关，并且以电磁波形式向四周辐射，当选择合适的接收检测装置时，便可测得被测对象发出的热辐射能量并且转换成可测量和显示的各种信号，实现温度的测量。非接触式温度传感器理论上不存在接触式温度传感器的测量滞后和应用范围上的限制，可测高温、腐蚀、有毒、运动物体及固体、液体表面的温度，不干扰被测温度场，但精度较低，使用不太方便。表15–1温度测量方法及其传感器表15–1温度测量方法及其传感器15.1.2膨胀式温度传感器根据液体、固体、气体受热时产生热膨胀的原理,这类温度传感器有液体膨胀式、固体膨胀式和气体膨胀式。1.液体膨胀式液体膨胀式是利用液体受热后体积膨胀的原理来测量温度

5、的。在有刻度的细玻璃管里充入液体（称为工作液，如水银、酒精等）就构成了液体膨胀式温度计（又称玻璃管液体温度计），如图15-2所示。玻璃管液体温度计结构简单，使用方便，精确度高，价格低廉。这种温度计远不能算传感器，它只能就地指示温度。图15–2玻璃管液体温度计(a)外标尺式；(b)内标尺式图15–3工业用玻璃管液体温度计(a)外标尺式；(b)内标尺式图15–4电接点式温度计结构示意图2.固体膨胀式固体膨胀式是以双金属元件作为温度敏感元件受热而产生膨胀变形来测温的。它由两种线膨胀系数不同的金属紧固结合而成双金属片，为提高灵敏度常作成螺旋形。图15-5为双金属温度计的结构示意图，螺旋形双金属片一端

6、固定，另一端连接指针轴，当温度变化时，双金属片弯曲变形，通过指针轴带动指针偏转显示温度。它常用于测量-80～600℃范围的温度，抗震性能好，读数方便，但精度不太高，用于工业过程测温、上下限报警和控制。图15–5双金属温度计结构示意图3.气体膨胀式气体膨胀式是利用封闭容器中的气体压力随温度升高而升高的原理来测温的，利用这种原理测温的温度计又称压力计式温度计，如图15-6所示。温包、毛细管和弹簧管三者的内腔构成一个封闭容器，其中充满工作物质（如气体常为氮气），工作物质的压力经毛细管传给弹簧管，使弹簧管产生变形，并由传动机构带动指针，指示出被测温度的数值。温包内的工作物质也可以是液体（如甲醇、二甲

7、苯、甘油等）或低沸点液体的饱和蒸气（如乙醚、氯乙烷、丙酮等），温度变化时，温包内液体受热膨胀使液体或饱和蒸气压力发生变化，属液体膨胀式的压力温度计。压力温度计结构简单，抗振及耐腐蚀性能好，与微动开关组合可作温度控制器用，但它的测量距离受毛细管长度限制，一般充液体可达20m，充气体或蒸气可达60m。图15–6压力式温度计结构示意图15.1.3热电偶传感器1.热电偶测温原理两种不同材料的导体（或半导体）组成一个