第2章 微机测控系统主要检测参数及及传感器

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第,2,章 微机测控系统主要检测参数及传感器,主要内容,2.1,微机测控系统中主要检测参数,2.2,传感器技术,2.1,微机测控系统中主要检测参数,1.,机车车辆参数检测的分类与目的,2.,机车车辆中常测量参数,1.,机车车辆参数检测的分类与目的,分类,用途,目的,主要检测参数,方式,性能参数检测,性能分析、监视、保护、性能控制,实现预期性能，保护监视,机车，柴油机：温度（水、油、排气管）、压力（燃油、机油、燃气）、转速（曲轴、涡轮）；传动：电流、电压,(,牵引发电机、励磁机、辅助发电机等,),及主整功率；车辆：发电机电流、电压，轴温,在线检测,运行参数检测,运行安全监控,实现规定的运行方式、保证安全,走行：速度、距离、加速度、时分、制动力、牵引力及区间信号等,在线检测,状态监测,工作过程监测、分析、辩识记录,预测事故发展及潜在危险,故障特征参数，如油耗率、主发电机功率、振动、噪声、轴温、铁谱、烟度、明火等，记录其变化情况,在线检测,综合参数检测设备状态分析,预防修理故障处理,机车车辆全面综合检测，如压力、温度、油耗、转速、烟火、电量、磨耗等等,离线进行,智能故障诊断,判断设备状态找出故障原因及部位,预测寿命状态修理,综合参数检测、信号分析、专家知识、故障机理，状态信息处理、知识信息处理等智能诊断方法,离线进行,2.,机车车辆中常测量参数,（,1,）机车状态参数,主发电机轴承温度,20,150,；,牵引电机轴承温度,-20,150,；,增压压力,0,2.0kgf/cm,2,；,静液压马达转速,20 000r/min,；,柴油机转速,0,2 000r/min;,滑油压力,0,8.0kgf/cm2;,燃油压力,0,5.0kgf/cm2;,水温,0,150,；,2.,机车车辆中常测量参数,油温,0,150,；,牵引电机电流,工作电压,0,75mV,代表,0,1 000A,总管温度,0,1 000,；,进油,0,27L/min;,回油,0,25L/min;,主发电机电流,0,10A,代表,0,10 000A,或,0,75mV,代表,0,8 000A,；,主发电机电压,0,1 000V,；,火情报警,温度、烟度、明火；,时间,年、月、日、时、分、秒、,1/100,秒；,（,2,）机车运行参数,机车速度,0,250km/h,；,距离前方信号机距离,0,50 000m,；,列车管压力,0,500,（,600,）,kPa,信号机颜色,红、黄、绿、红黄、双黄、白等,时间,年、月、日、时、分、秒、,1/100,秒；,2.2,传感器技术,在测控系统中，被控对象的状态信息经由输入通道进入单片机系统，在单片机作必要处理之后，通过输出通道送至外部控制元件，实现对被控对象的控制作用和外部显示等处理。许多状态信息参量，如流量、压力、温度、位移、速度、气体成份、声音和光谱等都是非电参量，而目前单片机内部只能处理电参量。因此，将这些非电参量转换成电参量就成为单片机测控系统运作之必需。将非电参量转换成电参量是一个非常重要的技术课题。完成这种转换的器件就是我们要讨论的传感器,。,2.2,传感器技术,传感器亦称换能器或变换器，它能将被测的某一物理量按一定规律转换成与其对应的另一种（或同种）物理量。通常所指的传感器是指能将被测量的非电物理量如压力、温度、流量、转速等转换成与之对应的、易于精确处理的电量或电参量（如电流、电压、电阻、频率等）的一种输出装置。,2.2,传感器技术,2.2.1,温度传感器,2.2.2,压力传感器,2.2.3,转速及线速度传感器,2.2.4,振动传感器,2.2.5,烟度（气敏）传感器,2.2.6,光电（明火）传感器,2.2.7,电流、电压传感器,2.2.8,流量传感器,2.2.9 CCD,图像传感器,2.2.10,倾角传感器,2.2.11,位移传感器,2.2.12,激光测距传感器,2.2.1,温度传感器,1.,热电偶,2.,热电阻,3.,半导体集成温度传感器,4.,单总线数字式温度传感器,DS1820,5.,其他温度传感器,1.,热电偶,热电偶是温度测量领域应用最广泛的传感器之一，测量温区宽，在,-180,2800,范围内均可使用；测量的精确度和灵敏度都较高，尤其在高温区范围内使用，有比其他类型传感器更高的测量精度。在一般的测量和控制系统中，常用热电偶作为中高温区的测温传感器。,1.,热电偶,（,1,）热电效应,两种不同导体构成一个闭合回路时，如果两节点,a,、,b,存在温差，则回路中就会有电流产生，如图,2-1-A,所示。这种由于温度不同而产生电势的现象称为热电效应（赛贝克效应），这两种不同导体的组合称为热电偶，其中节点,a,通常焊在一起，置于被测温区，称测温端或工作端；另一端如节点,b,则要求恒定在某一温度，称参考端或自由端。当热电偶的自由端和工作端温度相同时，其热电势为零。,1.,热电偶,（,2,）基本定律,1,）均质导体定律：由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的截面和长度如何，均不产生热电势。,2,）中间导体定律：如果中间导体两端温度相等，则不会改变回路总电势。,3,）连接导体定律和中间温度定律。,1.,热电偶,（,3,）常用热电偶,常见的热电偶其形状一般为棒形，整体主要由热电极、绝缘管、保护管、接线盒等各部分组成，其中热电极是测温的敏感器件，因而热电偶常以热电极的材料来命名，如铂铑,铂热电偶、镍铬,镍硅热电偶、铜,铜镍热电偶等，而习惯由常利用热电偶的分度号来称呼，如,K,偶、,J,偶等。,2.,热电阻,热电阻在常温区和较低温区范围内有比热电偶更高的灵敏度，因此在,-200,+650,范围内的温度测量，常用热电阻作为温度传感器。热电阻阻值随温度变化而变化，,按其制作的材料来分，可分为铂电阻、铜电阻、半导体热敏电阻等几种。,3.,半导体集成温度传感器,前面介绍的热电偶由于热电势小，灵敏度低，在常温区温度测量精度不高；热敏电阻尽管反应灵敏，但非线性太大而影响测量精度，并且上述传感器其温度的变化一般表现为电压的变化，因而不宜在有强电磁干扰环境中实现信号传送；如果采用温度变送器，价格又很昂贵。,3.,半导体集成温度传感器,AD590,是一种两端式的集成温度传感器，封装型式为,TO-2,其特点是：,（,1,）体积小重量轻；,（,2,）线性度好，,1,A/K,；,（,3,）性能稳定；,（,4,）测温范围,-50,+150,；,（,5,）温度,电流变换，适于远距离测量；,（,6,）精度可达,0.5,；,（,7,）电源电压范围,4V,30V,，电阻采用激光修刻工艺，,+25,（,298.2K,）时，输出电流,298.2,A,；,（,8,）成本低，实用性强。,4.,单总线数字式温度传感器,DS1820,DS1820,（,DS18B20,）是,DALLAS,公司的新一代单总线数字温度传感器，测温范围在,-55,125,，,DS1820,的测量精度为,0.5,，,DS18B20,的测量精度为,0.0625,。其内部有集成的,A/D,转换部分，输出即为数字信号，无需增加,A/D,变换的芯片。其最大 的优点是一线制结构，所有的信号可以共用同一条总线。,1. DS1820,硬件电路,1,）,DS1820,（,DS18B20,）的管脚定义如图,2-3,所示。,1-GND, 2-DATA, 3-VCC,。,1 2 3,图,2-3 DS1820,管脚图,1. DS1820,硬件电路,2,）,DS1820,（,DS18B20,）采用,5V,电源供电，其电路连接如图,2-4,所示。,2.,多点测温原理,多点测温时，总线上同时挂接了多个,DS1820,（,DS18B20,），系统之所以能够识别出每个,DS1820,（,DS18B20,），主要是根据每个,DS1820,（,DS18B20,）中存有的全球唯一的地址码。,在进行温度测量时，先要启动所有的,DS1820,（,DS18B20,）作温度转换，等其转换完毕后，再向总线上发送某个,DS1820,（,DS18B20,）的地址码，然后就可以从总线上读出该,DS1820,（,DS18B20,）测量出的温度值。,多点测温时必须清楚每个测量点处,DS1820,（,DS18B20,）的地址码，所以在测温前一个很重要的工作就是读出所有测量点处,DS1820,（,DS18B20,）的地址码，即对所有传感器进行编码。,3.,读码方式,这里采用的是单独读码方式，总线上只挂接一个,DS1820,（,DS18B20,），由单片机读出码值后，单片机将得到的码值存到非易失,RAM,相应的位置，读温度时，再到指定的位置处取码。读码流程如图,2-5,所示。,5.,其他温度传感器,（,1,）热辐射温度传感器,（,2,）,光导纤维温度传感器,（,1,）热辐射温度传感器,这类传感器是利用测量高温物体的热辐射而获得其温度值，常用的有光学高温计、光电比色高温计、红外高温计等。其温度采集主要是利用光学方法，通过光学准直系统采集和传送被测温区的辐射能，利用亮度比较、色度比较等方法确定被测物体的温度。这类测量仪器主要用于高温的测量中。,（,2,）,光导纤维温度传感器,其测量原理基本上与辐射式高温计相同，只是利用光纤取代光学聚光系统，入射辐射光滤波后进入光电转换器变成电信号输出。由于光纤不仅具有抗振动、抗电磁干扰、轻便价廉等特点，而且较容易地靠近被测物体，因此精度也较一般的辐射式高温计高。目前在高温非接触测量和控制领域已有广泛的应用。,2.2.2,压力传感器,压力单位,一个标准大气压,=760mmHg=1.0132510,5,帕,一个工程大气压,=0.98066510,5,帕,=0.00980665 Kpa,机械式压力计,电学式压力传感器,2.2.3,转速及线速度传感器,磁电式转速传感器,光电式转速传感器,直射式光电转速传感器,反射式光电转速传感器,电涡轮式转速传感器,电动式速度传感器,霍尔式转速传感器,电磁式速度传感器,磁电式转速传感器,直射式光电转速传感器,反射式光电转速传感器,电涡轮式转速传感器,电动式速度传感器,霍尔式转速传感器,电磁式速度传感器,2.2.4,振动传感器,机械振动的测量一般有机械方法、光学方法和电测法。,在电测振动方法中，涉及振动的频率范围（频谱）、振幅及振动加速度等参数。通过加速度的测量并经过数学运算（积分），可以求出振动的速度及位移（振幅），所以振动传感器一般用的是加速度传感器。常用的振动加速度传感器有压电式、压阻式和电涡流式等。,电荷信号的前向通道,2.2.5,烟度,（,气敏,）,传感器,2.2.6,光电（明火）传感器,光敏电阻,光敏二极管和光敏三极管,2.2.7,电流、电压传感器,霍尔器件工作原理,LEM,模块,2.2.7,电流、电压传感器,LEM,电流模块,2.2.7,电流、电压传感器,LEM,电压模块,2.2.8,流量传感器,LWGY,型涡轮流量传感器，其工作原理是：被测液体流经传感器时，传感器内叶轮借助于液体的动能而旋转。此时，叶轮叶片使检测装置中的磁路磁阻发生周期性变化，因而在检测线圈两端就感应出与流量成正比的电脉冲信号，经前置放大器放大后送至显示仪表。,2.2.8,流量传感器,在测量范围内，传感器的流量脉冲频率与体积流量成正比，这个比值即为仪表系数，用,K,表示：,或,式中：,f,流量信号频率（,Hz,）,Q,体积流量（,m,3,/h,或,L/h,）,N,脉冲数,V,体积总量（,m,3,或,L,）,2.2.9 CCD,图像传感器,图像传感器是采用光电转换原理，用来摄取平面光学图像并使其转换为电子图像信号的器件，图像传感器必须具有两个作用：一是具有把光信号转换为电信号的作用；二是具有将平面图像上的像素进行点阵取样，并把这些像素按时间取出的扫描作用,2.2.9 CCD,图像传感器,2.2.10,倾角传感器,倾角传感器是用于姿态检测与控制的传感器，在各个领域都得到了广泛的应用。在工作原理上可分为固体摆式、液体摆式、气体摆、电容式、电感式等。根据测量需要，也有单轴、双轴传感器之分。,2.2.10,倾角传感器,T233/T235,是一个高精度双轴（,X,轴、,Y,轴）重力参考倾角传感器，它由非接触位移传感器、力矩马达、误差、反馈电路和悬臂质量块组成。当整个传感器发生倾斜时，悬臂质量块便离开原来的平衡位置，非接触位移传感器检测出该变化后，将位置信号送入误差和放大电路，一方面传感器输出与倾角成一定比例的模拟信号；,2.2.10,倾角传感器,另一方面，该信号经反馈电路送入力矩马达的线圈。此时，力矩马达会产生一个与悬臂质量块运动方向相反、大小相等的力矩，力图使悬臂质量块回到原来的平衡位置。这样经过一定时间后，悬臂质量块就停留在一个新的平衡位置。这时，传感器输出的信号才是真正有效的信号。,2.2.11,位移传感器,1.,电涡流位移传感器,2.,光纤位移传感器,3.,拉线式位移传感器,1.,电涡流位移传感器,2.,光纤位移传感器,3.,拉线式位移传感器,拉线式位移传感器属于接触式测量的位移传感器，它将机械位移量转换成可计量的、成线性比例的电信号。当被测物体产生位移时，拉动与其相连接的传感器绳索，绳索带动传感器传动机构与编码器同步转动；当位移反向移动时，传感器内部的自动回旋装置将自动收回绳索，并在绳索伸收过程中保持其张力不变；从而输出一个与绳索移动量成正比例的电信号。,3.,拉线式位移传感器,PT8420,是一款可用于防爆等危险场合的中小量程位移传感器。具有测量精度高、可靠性好、防护等级高、寿命长、维护少等特点。拉绳采用高柔性的不锈钢芯，测量范围根据型号不同由,2,英寸到,60,英寸（,50.8mm,1524mm,）。该传感器适合于安装位置狭小的应用场合，并能提供多种类型的高精度位置反馈信号。,2.2.12,激光测距传感器,激光传感器是利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器利用了激光方向性好，单色性好，高功率的特点，其优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。,激光测距的原理一般有两种：脉冲法与相位法,。,德国施克,SICK,室内激光扫描仪,LMS200,