安全监测监控原理及仪表02.ppt

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1、第2章安全监测系统[主要内容]（1）传感器的定义、组成及分类；（2）主要传感器的工作原理。（3）传感器的主要技术性能指标和传感器的选用原则。[要求]（1）基本掌握传感器的基本工作原理和组成；（2）熟练掌握气体检测传感器的工作原理和传感器主要技术性能指标，明确传感器的选用原则。2.1传感器概述2.1.1传感器的定义1）广义定义：传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。2）国际电工委员会定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被

2、测量信号输入的第一道关口。传感器系统的原理框图于图2-1所示，进入传感器的信号幅度是很小的，而且混杂有干扰信号和噪声。为了方便随后的处理过程，首先要将信号整形成具有最佳特性的波形，有时还需要将信号线性化，该工作是由放大器、滤波器以及其他一些模拟电路完成的。在某些情况下，这些电路的一部分是和传感器部件直接相邻的。成形后的信号随后转换成数字信号，并输入到微处理器。图2-1传感器系统的原理框图3）传感器的基本要求（1）高灵敏度：抗干扰的稳定性(对噪声不敏感)；（2）线性：容易调节(校准简易)（3）高精度：高可靠性；（4）无迟滞

3、性：工作寿命长(耐用性)；（5）可重复性：抗老化；（6）高响应速率：抗环境影响(热、振动、酸、碱、空气、水、尘埃)的能力；（7）选择性：安全性(传感器应是无污染的)；（8）互换性：低成本；（9）宽测量范围：小尺寸、重量轻和高强度。2.1.2传感器的组成（1）敏感元件(预变换器)直接感受被测量(一般为非电量)并将其转换为与被测量有确定关系的易变成电量(包括电量)的其它量的元件。（2）转换元件(变换器)它能将物理量直接转换为有确定关系的电量的元件。（3）测量电路(变换电路)把转换元件输出的电信号变为便于处理、显示、记录、控制

4、的可用电信号的电路。（4）辅助电源供给转换能量。非电量敏感元件测量电路辅助电源电量图2-3传感器的组成框图转换元件图2-4按传感器工作原理的分类2.1.3传感器的分类1）根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类，其分类示于图2-4。2）按照其用途，传感器可分为：（1）压力敏和力敏传感器；（2）位置传感器；（3）液面传感器；（4）能耗传感器；（5）速度传感器；（6）热敏传感器；（7）加速度传感器；（8）射线辐射传感器；（9）振动传感器；（10）湿敏传感器；（11）磁敏传感器；（12）气敏传感器；（13）真空度

5、传感器；（14）生物传感器等。3）以其输出信号为标准可将传感器分为：（1）模拟传感器：将被测量的非电学量转换成模拟电信号。（2）数字传感器：将被测量的非电学量转换成数字输出信号(包括直接和间接转换)。（3）膺数字传感器：将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出(包括直接或间接转换)。（4）开关传感器：当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。4）从所应用的材料观点出发可将传感器分成下列几类：（1）按照其所用材料的类别分：金属、聚合物、陶瓷、混合物；（2）按材料的物理性质

6、分：导体、绝缘体、半导体、磁性材料；（3）按材料的晶体结构分：单晶、多晶、非晶材料。5）按照其制造工艺，可以将传感器区分为：（1）集成传感器：是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。通常还将用于初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上。（2）薄膜传感器：则是通过沉积在介质衬底(基板)上的，相应敏感材料的薄膜形成的。使用混合工艺时，同样可将部分电路制造在此基板上。（3）厚膜传感器：是利用相应材料的浆料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后进行热处理，使厚膜成形。（4）陶瓷传感器：采用标准的

7、陶瓷工艺或其某种变种工艺(溶胶-凝胶等)生产。电阻应变式传感器是一种由电阻应变片(计)和弹性敏感元件组合起来的传感器。主要优点：（1）结构简单，使用方便，性能稳定可靠；（2）易于实现检测过程自动化和多点同步测量、远距离测量和遥测；（3）灵敏度高，测量速度快，适合静态动态测量；（4）可以测量多种物理量。2.2电阻应变式传感器2.2.1电阻应变式传感器的理论基础1）金属导体的电阻定律金属导体的电阻值与其导线长度l成正比而与导线截面积S成反比，即:2）金属材料的应变电阻效应金属材料的电阻率的相对变化与其体积的相对变化成正比，即

8、:式中，c为由一定材料和加工方式决定的常数。3）材料的泊松比定律在弹性限度内金属丝沿长度方向伸长时，径向尺寸缩小，反之亦然。即轴向应变εt与径向应变εr有下面的关系成立εr=-μεt4）半导体材料的压阻效应对于半导体材料施加应力(外力)时，除了产生变形外，材料的电阻率也随着变化。这种由于应力的作用而使材料的电阻率改变