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安全監(jiān)測監(jiān)控原理與儀表

		點擊數：	更新時間： 2022年08月27日
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第2章 安全監(jiān)測系統(tǒng)
[主要內容]
    （1）傳感器的定義、組成及分類；
  （2）主要傳感器的工作原理。
  （3）傳感器的主要技術性能指標和傳感器的選用原則。                 
[要求]
  （1）基本掌握傳感器的基本工作原理和組成；
 （2）熟練掌握氣體檢測傳感器的工作原理和傳感器主要技術性能指標，明確傳感器的選用原則。
2.1 傳感器概述
2.1.1 傳感器的定義
1）廣義定義：傳感器是一種能把物理量或化學量轉變成便于利用的電信號的器件。
2）國際電工委員會定義為：“傳感器是測量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉換成可供測量的信號”。傳感器是傳感器系統(tǒng)的一個組成部分，它是被測量信號輸入的第一道關口。
   傳感器系統(tǒng)的原理框圖于圖2-1所示，進入傳感器的信號幅度是很小的，而且混雜有干擾信號和噪聲。為了方便隨后的處理過程，首先要將信號整形成具有最佳特性的波形，有時還需要將信號線性化，該工作是由放大器、濾波器以及其他一些模擬電路完成的。在某些情況下，這些電路的一部分是和傳感器部件直接相鄰的。成形后的信號隨后轉換成數字信號，并輸入到微處理器。
圖2-1 傳感器系統(tǒng)的原理框圖

3）傳感器的基本要求
（1）高靈敏度：抗干擾的穩(wěn)定性(對噪聲不敏感)；
（2）線性：容易調節(jié)(校準簡易)
（3）高精度：高可靠性；
（4）無遲滯性：工作壽命長(耐用性)；
（5）可重復性：抗老化；
（6）高響應速率：抗環(huán)境影響(熱、振動、酸、堿、空氣、水、塵埃)的能力；
（7）選擇性：安全性(傳感器應是無污染的)；
（8）互換性：低成本；
（9）寬測量范圍：小尺寸、重量輕和高強度。

2.1.2 傳感器的組成
（1）敏感元件(預變換器) 直接感受被測量(一般為非電量)并將其轉換為與被測量有確定關系的易變成電量(包括電量)的其它量的元件。
（2）轉換元件(變換器) 它能將物理量直接轉換為有確定關系的電量的元件。
（3）測量電路(變換電路) 把轉換元件輸出的電信號變?yōu)楸阌谔幚?、顯示、記錄、控制的可用電信號的電路。
（4）輔助電源 供給轉換能量。
 
 
 
非電量
 
 
敏感元件
 
測量電路
 
輔助電源
 
電量
 
圖2-3 傳感器的組成框圖
 
轉換元件
 
圖2-4 按傳感器工作原理的分類
2.1.3 傳感器的分類
1）根據傳感器工作原理，可分為物理傳感器和化學傳感器二大類，其分類示于圖2-4。
2）按照其用途，傳感器可分為：
（1）壓力敏和力敏傳感器；（2）位置傳感器；
（3）液面?zhèn)鞲衅鳎?       （4）能耗傳感器；
（5）速度傳感器；        （6）熱敏傳感器；
（7）加速度傳感器；      （8）射線輻射傳感器；
（9）振動傳感器；        （10）濕敏傳感器；
（11）磁敏傳感器；       （12）氣敏傳感器；
（13）真空度傳感器；     （14）生物傳感器等。
3）以其輸出信號為標準可將傳感器分為：
（1）模擬傳感器：將被測量的非電學量轉換成模擬電信號。
（2）數字傳感器：將被測量的非電學量轉換成數字輸出信號(包括直接和間接轉換)。
（3）膺數字傳感器：將被測量的信號量轉換成頻率信號或短周期信號的輸出(包括直接或間接轉換)。
（4）開關傳感器：當一個被測量的信號達到某個特定的閾值時，傳感器相應地輸出一個設定的低電平或高電平信號。

4）從所應用的材料觀點出發(fā)可將傳感器分成下列幾類：
（1）按照其所用材料的類別分：金屬、聚合物、陶瓷、混合物；
（2）按材料的物理性質分：導體、絕緣體、半導體、磁性材料；
（3）按材料的晶體結構分：單晶、多晶、非晶材料。
5）按照其制造工藝，可以將傳感器區(qū)分為：
（1）集成傳感器：是用標準的生產硅基半導體集成電路的工藝技術制造的。通常還將用于初步處理被測信號的部分電路也集成在同一芯片上。
（2）薄膜傳感器：則是通過沉積在介質襯底(基板)上的，相應敏感材料的薄膜形成的。使用混合工藝時，同樣可將部分電路制造在此基板上。
（3）厚膜傳感器：是利用相應材料的漿料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后進行熱處理，使厚膜成形。
（4）陶瓷傳感器：采用標準的陶瓷工藝或其某種變種工藝(溶膠-凝膠等)生產。
    
  電阻應變式傳感器是一種由電阻應變片(計)和彈性敏感元件組合起來的傳感器。
  主要優(yōu)點：
（1）結構簡單，使用方便，性能穩(wěn)定可靠；
（2）易于實現檢測過程自動化和多點同步測量、遠距離測量和遙測；
（3）靈敏度高，測量速度快，適合靜態(tài)動態(tài)測量；
（4）可以測量多種物理量。
2.2 電阻應變式傳感器
2.2.1 電阻應變式傳感器的理論基礎
1）金屬導體的電阻定律
    金屬導體的電阻值與其導線長度l成正比而與導線截面積S成反比，即:          
2）金屬材料的應變電阻效應
    金屬材料的電阻率的相對變化與其體積的相對變化成正比，即:                
 式中，c為由一定材料和加工方式決定的常數。
3）材料的泊松比定律
    在彈性限度內金屬絲沿長度方向伸長時，徑向尺寸縮小，反之亦然。即軸向應變εt 與徑向應變εr有下面的關系成立εr=-μεt 
4）半導體材料的壓阻效應
    對于半導體材料施加應力(外力)時，除了產生變形外，材料的電阻率也隨著變化。這種由于應力的作用而使材料的電阻率改變的現象稱為“壓阻效應”，有下式關系成立 
2.2.2電阻應變式傳感器的數學模型
    設有一長為l0的、截面積為S、電阻率為ρ的導電金屬絲，它具有的電阻
    當它受到軸向力被拉伸(或壓縮)時，其l、S和ρ均將發(fā)生變化，因而導體的電阻也隨之發(fā)生變化。利用數學求導的方法可求得電阻的相對變化量。將上式兩邊取對數，再對兩邊取微分得                式中，   為電阻的相對變化；         為材料的軸向線應變。
    又由式由線應變定義(徑向應變)和面積公式求導并代入得                         式中μ為泊松比。
 
 
2.2.3 電阻應變式傳感器的主要應用 
(1)將應變片粘貼于被測構件上，直接用來測定構件的應變和應力。 
(2)將應變片貼于彈性元件上，與彈性元件一起構成應變式傳感器。這種傳感器常用來測量力、位移、加速度等物理參數。在這種情況下，彈性元件將得到與被測量成正比的應變，再通過應變片轉換為電阻變化的輸出。

2.3.1 電容式傳感器的理論基礎
    電容式傳感器是以靜電場有關定律為其理論基礎:
1）兩塊無窮大的平行導電板(面電荷密度分別為+σ和-σ)的電場強度定律為:
    極間電場強度為               
    板外電場強度為     E=0
   電場方向：垂直于導電板由正電荷指向負電荷。
2）電場強度與電位的關系定律
對均強電場：             對非均強電場：               
3）電場能量定律 
2.3 電容式傳感器
 
 
2.3.2 電容式傳感器的數學模型
1）平行板電容器式傳感器的數學模型 
假設：它們的表面積均為S；內表面間距離為δ；極板面的線長度遠大于它們這間的距離，此時相當于極板為無窮大，所以除了邊緣外，兩極板內表面帶電均勻，極板間電場也是均勻的；兩極板A、B的帶電量分別為q。則:
2）圓柱形電容式傳感器的數學模型
（1）同軸圓柱形電容式傳感器的數學模型
 設A、B為兩個同軸圓柱形導體，A導體的半徑為r ,B導體的半徑為R，且R>r，L為導體的長度，則

（2）變介質式圓柱形電容傳感器的數學模型
  C=a+ s1x       
由上式可知，輸出電容與液面高度變化x成線性關系
2.3.3 電容式傳感器的測量電路
  將電容量轉換成電量 (電壓或電流)的電路稱作電容式傳感器的轉換電路。
  1）電橋電路 
  下圖所示為電容式傳感器的電橋測量電路。通常采用電阻、電容或電感、電容組成交流電橋，該圖所示為一種電感、電容組成的電橋。由電容變化轉換為電橋的電壓輸出，經放大、相敏檢波、濾波后，再推動顯示、記錄儀器。
   2）諧振電路
   下圖所示為諧振式電路的原理框圖，電容傳感器的電容C3作為諧振回路(L2、C2、C3)調諧電容的一部分。諧振回路通過電感藕合，從穩(wěn)定的高頻振蕩器取得振蕩電壓。當傳感器電容發(fā)生變化時，使得諧振回路的阻抗發(fā)生相應的變化，而這個變化被轉換為電壓或電流，再經過放大、檢波即可得到相應的輸出。

說明：
為了獲得較好的線性關系，一般諧振電路的工作點選在諧振曲線的線性區(qū)域內，最大振幅70%附近的地方，且工作范圍選在BC段內。這種電路的優(yōu)點是比較靈活;其缺點是工作點不易選好，變化范圍也較窄，傳感器連接電纜的雜散電容對電路的影響較大，同時為了提高測量精度，要求振蕩器的頻率具有很高的穩(wěn)定性。
3）運算放大器電路
  采用比例運算放大器電路，可以使輸出電壓約與位移的關系轉換為線性關系。如下圖所示，反饋回路中的Cx為極距變化型電容式傳感器的輸入電路，采用固定電容C0，u0為穩(wěn)定的工作電壓。由于放大器的高輸入阻抗和高增益特性，比例器的運算關系為：

由上式可知，輸出電壓與電容傳感器的間隙成線性關系。
 2.4 氣體檢測傳感器

可燃氣體檢測報警器多采用基于熱化學反應的接觸燃燒原理。其構成原理如下圖所示。

元件C、D為傳感元件，其中是C補償元件，D為接觸燃燒元件。
2.4.1 氣體傳感器
氣體傳感器能直接接受被測參數的有關數據(信息)，并
能將所接受的物理量信息按一定規(guī)律轉變成同種或別種
物理信息。
為保證氣體檢測儀檢測的精度，氣體傳感器必須滿足下
列條件：
（1）能夠檢測可燃氣體的允許濃度和其它基準設定濃度，并能及時給出報警、顯示和控制信號；
（2）對被測氣體以外的共存氣體或物質不敏感；
（3）響應迅速，重復性好；
（4）維護方便，價格便宜等。
1）催化型可燃氣體傳感器 
催化型可燃氣體傳感器的主要特性如下：
（1）它是一種通用的傳感器，適用于大多數檢測烴氣體的便攜式儀器和連續(xù)穩(wěn)態(tài)儀器。
（2）壽命1～2年。
（3）有些化學品會使催化劑中毒，致使傳感器無響應。例如，曝露于硅的化合物、硫的化合物和氯等化學品時就會出現這種情況。
（4）最常用于檢測甲烷。為檢測和精確測量其它氣體必須進行系數校正。
（5）不同廠商的產品質量是不一致的。
2）固態(tài)傳感器
固體傳感器的重要特性如下：
（1）它是所有通用傳感器中檢測范圍最寬的，能檢測低到PPm量級或易燃范圍的各種氣體，而且通過改變金屬氧化物材料、加工技術和工作溫度，可以獲得不同的響應特性。因此，它能在很寬的范圍檢測數百種氣體。
（2）結構簡單使其可靠壽命達10～25年。具有魯棒性，耐沖擊和振動，并有防爆結構。
（3）其選擇性有限，并對可能造成誤觸發(fā)報警的干擾和背景氣體敏感。
3）紅外氣體傳感器
紅外傳感器的主要特性如下：
（1）它不與被測氣體相接觸。光學器件保護傳感器的主要元件不受氣體本身影響，因此這種傳感器能在高濃度場合可長期有效使用。
（2）由于無需曝露于氣體，所以沒有傳感器中毒、燒壞或疲勞問題，容易實現滿足防爆要求的結構。
（3）元件故障造成的信號丟失將關閉報警。但只要保持零氣體讀數校準，則傳感器就有良好的響應和測量準確度。
（4）它是高濃度可燃碳氫化合物氣體的理想傳感器，也是極有效的監(jiān)測器。
2.4.2 氣體傳感器的分類
1）按原理分類 
（1）利用物理化學性質的氣體傳感器：如半導體式(表面控制型、體積控制型、表面電位型)、催化燃燒式、固體熱導式等。
（2）利用物理性質的氣體傳感器：如熱傳導式、光干涉式、紅外吸收式等。
（3）利用電化學性質的氣體傳感器：如定電位電解式、迦伐尼電池式、隔膜離子電極式、固定電解質式等。
2.按結構分類 氣體傳感器從結構上可區(qū)分為干式和濕式兩大類。凡構成氣體傳感器的材料為固體者均稱為干式氣體傳感器；凡利用水溶液或電解液感知待測氣體濃度的稱為濕式氣體傳感器。圖2-9為氣體傳感器的分類情況：

圖2-9 氣體傳感器的分類
2.5.1 靜態(tài)特性的性能指標
1）精確度、精密度和準確度
精確度的含義是：傳感器反映的信號值與被測物理量真值
(約定)的一致程度。
精密度指的是在一定條件下進行多次測量時，在測量結果
比較集中和儀器分辨率較高的條件下，隨機誤差的大小。
準確度是指在規(guī)定條件下，測量結果的正確程度。
 
 
2.5 傳感器主要技術性能指標
2）測量范圍與量程 
測量范圍指被測物理量可以按規(guī)定的精確度進行測量的范圍。
量程是指測量范圍的上限值與下限值的代數差。即： 
3）線性度誤差度
理想情況下，傳感器的輸入和輸出是線性關系，其圖形是
一條理想直線。而實際測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性則是按下面的
多項式規(guī)律變化的：

由上式可知，輸出量的變化除按線項外，還有多項高次分
量的影響，所以，輸入—輸出特性應是一條變化程度不同
的曲線(稱校準曲線)。
                     
線性度誤差就是指校準曲線與規(guī)定直線的最大偏差，通常用百分數來表示。這個百分數就是表示輸入——輸出特性的非線性度，或稱線性度誤差(見下圖)。
從圖中可知，最大偏差為         ，通常用量程的百分數表示，即：
4）靈敏度
靈敏度反映傳感器對被測物理量的變化程度。靈敏度用輸
出變化值    除以輸入變化值    ，即：

可見，線性系統(tǒng)的靈敏度就是特性曲線的斜率，且靈敏度
為一常數。非線性系統(tǒng)，其靈敏度是特性曲線某點處的切
線斜率，隨輸入量的變化而變化。
靈敏度可用百分數或絕對值表示，一定用途的傳感器要限
定其范圍。
5）回差
      回差也稱變差。在測量全范圍內，同一個輸入信號所對應的上、下行程輸出之間的最大差值稱回差。

回差包括滯后誤差和死區(qū)，回差以輸出量程的百分數表示：

式中    測量全范圍內，上、下行程輸出的最大差值。
（1）死區(qū)
輸入變量變化時，輸出變量幾乎毫無變化的有限區(qū)間，
稱死區(qū)。見圖2-12。死區(qū)用輸入量程的百分數表示：

圖2-12 死區(qū)
（2）滯后誤差
在全范圍內的被測值上、下行程均得校準曲線，兩曲線
間的最大偏差       ，減去死區(qū)值后的輸出增量為
稱之為滯后誤差。其曲線如圖2-13所示。滯后誤差同樣用
百分數表示為：

圖2-13 滯后誤差
6）分辨率：儀器能夠檢測出被測信號的最小增量，稱為
該儀器的分辨率。如：某一溫度傳感器的量程是-50℃～
99.9℃，其分辨率應是0.1℃。
7）閾值：能引起傳感器(儀器)輸出的被測物理量最小變
化值，稱作傳感器的閾值。
8）重復性：在同一工作條件下，傳感器對同一輸入，并
按同一方向連續(xù)多次檢測時，其輸出值相互間的一致程
度，稱傳感器的重復性。有時用重復誤差來表示重復性。
9）過載：在不致引起規(guī)定性能指標永久改變的前提下，允許傳感器超過測量范圍的能力，稱過載。過載能力可用下式表示：

10）飄移：傳感器輸入—輸出特性，隨某一外界因素的影響而出現緩慢變化的現象，稱飄移。對于采用電橋電路的傳感器，零點飄移是儀器主要性能指標之一。
靜態(tài)特性是從靜態(tài)角度考察傳感器測量精度的指標，為了獲取準確的輸出信號，要求傳感器應具備靜態(tài)響應良好的綜合性能。為此，就應盡量獲取合適的測量范圍和量程，具備足夠的靈敏度、分辯力和重復性，以及盡量小的閾值、線性度誤差、回差和飄移。
2.5.2 動態(tài)特性
   傳感器動態(tài)特性，是指傳感器對于隨著時間變化的輸入信號的響應性能，一般用響應時間來表示。
因為被測參數在輸入—輸出過程中，存在一定的運動慣性
和能量傳遞時間，必然引起輸入與輸出之間出現一定的差
值。這一誤差稱作動態(tài)誤差。
衡量動態(tài)誤差(響應時間)，常用時間常數T和傳遞滯后時間  (又稱時滯或死區(qū))表示：
（1）時間常數T 值越大，響應時間越長，動態(tài)誤差存在的時間也越長，動態(tài)誤差的數值也越大，反之，誤差數值就小T值越小越好。
（2）傳遞滯后時間(時滯) 從輸入信號產生變化的瞬間開始到所引起的輸出量變化瞬間為止，這段時間間隔叫時滯。在時滯階段，動態(tài)誤差最大，并一直持續(xù)到時滯結束，所以，我們希望時滯越小越好。

1）合理選擇結構、材料與參數 
決定傳感器性能的技術指標很多，因此根據實際的需要與
可能，在確保主要指標實現的基礎上，放寬對次要指標的
要求，以求得高的性能價格比。在設計、制造傳感器時合
理選擇結構、材料與參數是保證具有良好性能價格比的前
提。
由于傳感器種類繁多，國內外采用羅列若干基本參數和比
較重要的環(huán)境參數的方法來作為檢驗、使用和評價傳感器
的依據。
基本參數指標、環(huán)境參數指標、可靠性指標、其它指標量
程指標
2）采用線性化技術 
要求傳感器具有線性輸出特性的優(yōu)越性在于：
（1）可簡化理論分析和設計計算；
（2）便于標定和數據處理；
（3）便于刻度、制作、安裝調試，并能提高精度水平；
（4）可不用非線性補償環(huán)節(jié)。只有當傳感器的輸入與輸出具有線性關系時，才能保證無失真的復現。但實際上傳感器的線性特性很難做到。所以，人們要通過各種方法來完成輸入－輸出特性的線性化，以改善傳感器的性能。
3）平均技術   
    通用的平均技術有誤差平均處理和數據平均處理。
（1）誤差平均處理
    是利用n個傳感器單元同時感受被測量，因而其輸出是這些單元輸出的總和，假如將每一個單元可能帶來的誤差δ0均視為隨機誤差，根據誤差理論，總的誤差將減小為           。
     誤差平均對由于工藝缺陷造成的隨機誤差有較好的彌補作用。
（2）數據平均處理
    在相同條件下和測量重復n次或進行n 次采樣，然后進行數據處理，隨機誤差也將按上式減小   倍。對于帶有微機芯片的智能化傳感器尤為方便。
4）采用補償與校正技術
    有時傳感器的誤差規(guī)律過于復雜，采用一定的技術措施后仍難以滿足要求，或雖然可以滿足要求，但因價格昂貴或技術過分復雜而無現實意義。這時可以找出誤差的方向和數值，采用修正的方法加以補償和校正。
5）采用屏蔽、隔離與抑制干擾措施 
    傳感器可以視為一個復雜的輸入系統(tǒng)，除能敏感有用信號外，還能敏感外界其它無用信號，即干擾信號而造成誤差。消除或削弱干擾有方法可以從以下兩個方面著手：
    （1）減小傳感器對干擾的靈敏度；
    （2）降低外界干擾對傳感器作用的實際功率。
2.6 傳感器的選用原則
2.6.1 靈敏度
1) 要求傳感器本身的噪聲小，而且不易從外界引進干擾噪聲。
2)與靈敏度緊密相關的是量程范圍。當傳感器的線性工作范圍一定時，傳感器的靈敏度越高，干擾噪聲越大，則難以保證傳感器的輸入在線性區(qū)域內工作。
3)當被測量是一個向量時，并且是一個單向量時，就要求傳感器單向靈敏度愈高愈好，而橫向靈敏度愈小愈好;如果被測量是二維或三維的向量，那么還應要求傳感器的交叉靈敏度愈小愈好。
2.6.2 響應特性
    傳感器的響應特性是指在所測頻率范圍內，保持不失真的測量條件。
2.6.3 線性范圍
    任何傳感器都有一定的線性工作范圍。在線性范圍內輸出與輸入成比例關系，線性范圍愈寬，則表明傳感器的工作量程愈大。傳感器工作在線性區(qū)域內，是保證測量精度的基本條件。
2.6.4 穩(wěn)定性
    穩(wěn)定性是表示傳感器經過長期使用以后，其輸出特性不發(fā)生變化的性能。
    影響傳感器穩(wěn)定性的因素是時間與環(huán)境。
    為了保證穩(wěn)定性，在選擇傳感器時，一般應注意兩個問題。
    1）根據環(huán)境條件選擇傳感器。
    2）要創(chuàng)造或保持一個良好的環(huán)境，在要求傳感器長期地工作而不需經常地更換或校準的情況下，應對傳感器的穩(wěn)定性有嚴格的要求。
2.6.5 精確度
1）傳感器的精確度是表示傳感器的輸出與被測量的對應程度。
2）在實際中也并非要求傳感器的精確度愈高愈好，這還需要考慮到測量目的，同時還需要考慮到經濟性。
3）在選擇時，應了解測試目的，判斷是定性分析還是定量分析。如果是相對比較性的試驗研究，只需獲得相對比較值即可，那么應要求傳感器的重復精度高，而不要求測試的絕對量值準確。如果是定量分析，那么必須獲得精確量值。
2.6.6 測量方式
1）傳感器在實際條件下的工作方式，也是選擇傳感器時應考慮的重要因素。
2）在機械系統(tǒng)中，對運動部件的被測參數(例如回轉軸的誤差、振動、扭力矩)，往往采用非接觸測量方式。因為對運動部件采用接觸測量時，有許多實際困難，諸如測量頭的磨損、接觸狀態(tài)的變動、信號的采集等問題，都不易妥善解決，容易造成測量誤差。這種情況下采用電容式、渦流式、光電式等非接觸式傳感器很方便，若選用電阻應變片，則需配以遙測應變儀。
3）在某些條件下，可以運用試件進行模擬實驗，這時可進行破壞性檢驗。然而有時無法用試件模擬，因被測對象本身就是產品或構件，這時宜采用非破壞性檢驗方法。
4）在線測試是與實際情況保持一致的測試方法。特別是對自動化過程的控制與檢測系統(tǒng)，往往要求信號真實與可靠，必須在現場條件下才能達到檢測要求。實現在線檢測是比較困難的，對傳感器與測試系統(tǒng)都有一定的特殊要求。
5）盡可能兼顧結構簡單、體積小。重量輕、價格便宜、易于維修、易于更換等條件。

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