传感器在机械工程测试中的应用研究

机电工程学院 2014-2015 学年第1学期期末考试科 目： 机械工程测试论文 学 号： 1101111084 姓 名： 杜希元 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 2011级本科三班 授课：XXX传感器在机械工程测试中的应用研究摘要：在工业生产过程及工程检测中, 为了对各种工业参数（如压力、温度、流量、物位、位移等）进行检测与控制, 首先要把这些参数转换成便于传送的信息, 这就要用到各种传感器, 把传感器与其它装置组合起来, 组成一个检测系统或调节系统, 完成对工业参数的检测与控制。 本文主要介绍传感器在机械工程测试中的应用，包括温度测量、压力测量、流量测量、物位测量等。关键词：传感器 温度测量 压力测量 流量测量 物位测量1. 温度测量1.1温度概述温度是工业生产和科学实验中一个非常重要的参数。 物体的许多物理现象和化学性质都与温度有关。许多生产过程都是在一定的温度范围内进行的, 需要测量温度和控制温度。 随着科学技术的发展, 对温度的测量越来越普遍, 而且对温度测量的准确度也有更高的要求。 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, 即温标。 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, 当前世界通用的国际温标。热力学温标确定的温度数值为热力学温度（符号为T）, 单位为开尔文（符号为K）, 1 K等于水三相点热力学温度的 1/273.16。热力学温度是国际上公认的最基本温度, 国际温标最终以它为准而不断完善。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）构成液体膨胀式温度计。常用的有水银玻璃温度计和电接点式温度计, 这种温度计远不能算传感器, 授课：XXX它只能就地指示温度。电接点式温度计可对设定的某一温度发出开关信号或进行位式控制, 有固定式和可调式两种。（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。螺旋形双金属片一端固定, 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-80600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。 （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 1 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。图1压力式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, 充气体或蒸汽可达60m。 2. 压力测量2.1压力概述压力是重要的工业参数之一, 正确测量和控制压力对保证生产工艺过程的安全性和经济性有重要意义。压力及差压的测量还广泛地应用在流量和液位的测量中。 工程技术上所称的“压力”实质上就是物理学里的“压强”, 定义为均匀而垂直作用于单位面积上的力。 其表达式为P=FxA 式中 P-为压力; F-为作用力; 授课：XXX A-为作用面积。 国际单位制（SI）中定义: 1牛顿力垂直均匀地作用在1平方米面上, 形成的压力为1“帕斯卡”, 简称“帕”, 符号为Pa。过去采用的压力单位“工程大气压”（即kgf/cm2）、 “毫米汞柱”（即mmHg）、 “毫米水柱”（即mmH2O）、物理大气压（即atm）等均应改为法定计量单位帕, 其换算关系如下: 1 kgf/cm2=0.9807105Pa 1mmH2O=0.980710Pa 1mmHg=1.332102Pa 1atm=1.01325105Pa压力有几种不同表示方法(1)绝对压力 指作用于物体表面积上的全部压力, 其零点以绝对真空为基准, 又称总压力或全压力, 一般用大写符号P表示(2)大气压力指地球表面上的空气柱重量所产生的压力, 以P0表示。 (3)表压力 绝对压力与大气压力之差, 一般用p表示。 测压仪表一般指示的压力都是表压力, 表压力又称相对压力。当绝对压力小于大气压力, 则表压力为负压, 负压又可用真空度表示, 负压的绝对值称为真空度。如测炉膛和烟道气的压力均是负压。 (4)差压 任意两个压力之差称为差压。 如静压式液位计和差压式流量计就是利用测量差压的大小知道液位和流体流量的大小。 测量压力的传感器很多, 如应变式、电容式、差动变压器、霍尔、压电等传感器等都能用来测量压力。2.2液柱式压力计液柱式压力计是以流体静力学原理来测量压力的。它们一般采用水银或水为工作液, 用U型管或单管进行测量, 常用于低压、负压或压力差的测量。 图 2所示的U形管内装有一定数量的液体, U形管一侧通压力p1, 另一侧通压力p2。当p1= p2时, 左右两管的液体高度相等。 当p1 p2时, 两边管内液面便会产生高度差。 根据液体静力学原理可知: p=p1-p1=g h 式中为U形管内液体的密度。 如把压力p1一侧改为通大气P0, 则式（12-2）可改 写为p2=g h 图2授课：XXX如果把U形管的一个管换成大直径的杯, 即可变成如图3所示的单管或斜管。测压原理与U形管相同, 只是因为杯径比管径大得多, 杯内液位变化可略去不计, 使计算及读数更为简易。 图33. 流量测量3.1流量概述流量是工业生产中一个重要参数。工业生产过程中, 很多原料、半成品、成品是以流体状态出现的。流体的流量就成为决定产品成分和质量的关键, 也是生产成本核算和合理使用能源的重要依据。因此流量的测量和控制是生产过程自动化的重要环节。 单位时间内流过管道某一截面的流体数量, 称为瞬时流量。 而在某一段时间间隔内流过管道某一截面的流体量的总和, 即瞬时流量在某一段时间内的累积值, 称为总量或累积流量。 瞬时流量有体积流量和质量流量之分。 （1）体积流量qv单位时间内通过某截面的流体的体积, 单位为m3/s。 根据定义, 体积流量可用下式表示: qv= 式中V为截面A中某一面积元dA上的流速。 如果用流体的平均流束V表示, 则体积流量可写成 qv = vA （2）质量流量qm单位时间内通过某截面的流体的质量, 单位为kg/s。根据定义, 质量流量可用下式表示: qm= 若用平均流速表示, 则可简写为授课：XXX 工程上讲的流量常指瞬时流量, 下面若无特别说明均指瞬时流量。 生产过程中各种流体的性质各不相同, 流体的工作状态（如介质的温度、 压力等）及流体的粘度、腐蚀性、导电性也不同, 很难用一种原理或方法测量不同流体的流量。尤其工业生产过程的情况复杂, 某些场合的流体是高温、高压, 有时是气液两相或液固两相的混合流体。所以目前流量测量的方法很多, 测量原理和流量传感器（或称流量计）也各不相同, 从测量方法上一般可分为三大类。 （1）速度式速度式流量传感器大多是通过测量流体在管路内已知截面流过的流速大小实现流量测量的。它是利用管道中流量敏感元件（如孔板、转子、涡轮、靶子、非线性物体等）把流体的流速变换成压差、位移、转速、冲力、频率等对应的信号来间接测量流量的。差压式、转子、涡轮、 电磁、旋涡和超声波等流量传感器都属于此类。 （2）容积式 根据已知容积的容室在单位时间内所排出流体的次数来测量流体的瞬时流量和总量的。常用的有椭圆齿轮、 旋转活塞式和刮板等流量传感器。 （3）质量式质量流量传感器有两种。一种是根据质量流量与体积流量的关系, 测出体积流量再乘被测流体的密度的间接质量流量传感器, 如工程上常用的采取温度、 压力自动补偿的补偿式质量流量传感器。另一种是直接测量流体质量流量的直接式质量流量传感器, 如热式、惯性力式、动量矩式质量流量传感器等。直接法测量具有不受流体的压力、温度、粘度等变化影响的优点, 是一种正在发展中的质量流量传感器。3.2电磁流量传感器电磁流量传感器是根据法拉第电磁感应定律测量导电性液体的流量。 如图 4所示, 在磁场中安置一段不导磁、 不导电的管道, 管道外面安装一对磁级,当有一定电导率的流体在管道中流动时就切割磁力线。与金属导体在磁场中的运动一样, 在导体（流动介质）的两端也会产生感应电动势, 由设置在管道上的电极导出。该感应电势大小与磁感应强度、 管径大小、 流体流速大小有关。 即授课：XXX图4 式中B-为磁感应强度（T）; D-为管道内径, 相当于垂直切割磁力线的导体长度, m; V-为导体的运动速度, 即流体的流速, m/s; E-为感应电动势, v。 体积流量qv预留量流速v关系为 可得: 式中K为仪表常数, 磁感应强度B及管道内径D固定不变, 则K为常数, 两电极间的感应电动势E与流量qV成线性关系, 便可通过测量感应电动势E来间接测量被测流体的流量qV值。 电磁流量传感器产生的感应电动势信号是很微小的, 须通过电磁流量转换器来显示流量。常用的电磁流量转换器能把传感器的输出感应电动势信号放大并转换成标准电流（010 mA或420 mA）信号或一定频率的脉冲信号, 配合单元组合仪表或计算机对流量进行显示、记录、运算、报警和控制等。 磁流量传感器只能测量导电介质的流体流量。适用于测量各种腐蚀性酸、碱、盐溶液, 固体颗粒悬浮物, 粘性介质（如泥浆、纸浆、化学纤维、矿浆）等溶液; 也可用于各种有卫生要求的医药、食品等部门的流量测量（如血浆、牛奶、 果汁、卤水、酒类等）, 还可用于大型管道自来水和污水处理厂流量测量以及脉动流量测量等。 4. 物位测量4.1物位概述物位是指各种容器设备中液体介质液面的高低、 两种不溶液体介质的分界面的高低和固体粉末状颗粒物料的堆积高度等的总称。根据具体用途分为液位、料位、界位传感器。工业上通过物位测量能正确获取各种容器和设备中所储的物质的体积量和质量, 能迅速正确反映某一特定基准面上物料的相对变化, 监视或连续控制容器设备中的介质物位, 或对物位上下极限位置进行报警。 物位传感器种类较多, 按其工作原理可分为下列几种类型: (1)直读式 根据流体的连通性原理测量液位。 (2)浮力式 根据浮子高度随液位高低而改变或液体对浸沉在液体中的浮子（或称沉筒）的浮力随液位高度变化而变化的原理测量液位。 授课：XXX(3)差压式 根据液柱或物料堆积高度变化对某点上产生的静（差）压力的变化的原理测量物位。 (4)电学式 把物位变化转换成各种电量变化而测量物位。 (5)核辐射式 根据同位素射线的核辐射透过物料时, 其强度随物质层的厚度变化而变化的原理测量液位。 (6)声学式根据物位变化引起声阻抗和反射距离变化而测量物位。 (7)其它形式 如微波式、 激光式、 射流式、 光纤维式传感器等等。 4.2浮力式液位传感器浮力式液位传感器是利用液体浮力测量液位。它结构简单, 使用方便, 是目前应用较广泛的一种液位传感器。最原始的浮力式液位传感器, 是将一个浮子置于液体中, 它受到浮力的作用漂浮在液面上,当液面变化时, 浮子随之同步移动, 其位置就反映了液面的高低。水塔里的水位常用这种方法指示, 图 5是水塔水位测量示意图。 液面上的浮子由绳索经滑轮与塔外的重锤相连, 重锤上的指针位置便可反映水位, 但与直观印象相反, 标尺下端代表水位高, 若使指针动作方向与水位变化方向一致, 应增加滑轮数目, 但引起摩擦阻力增加, 误差也会增大。 图5如把浮子换成浮球, 测量从容器内移到容器外, 用杠杆直接连接浮球, 可直接显示罐内液位的变化。如图 6 所示。 这种液位传感器适合测量温度较高、 粘度较大的液体介质, 但量程范围较窄。如在该液位传感器基础上增加机电信号变换装置, 当液位变化时, 浮球的上下移动通过磁钢变换成电触点4的上下位移。当液位高于（或低于）极限位置时, 触点4与报警电路的上下限静触点接通, 报警电路发出液位报警信号, 若将浮球控制器输出与贮罐进料或出料的电磁阀门执行机构配合, 可实现阀门的自动启停, 进行液位的自动控制。 如图 7所示。 图6 图7授课：XXX总结在本次论文设计过程中，从中学到了很多很多知识，从开始的懵懂到现在的了解，从开始的陌生到现在的熟悉，使我对传感器有了不一般的认识。为了此次撰写传感器论文，我在图书馆借阅了一些资料，同时也在互联网上进行了相关知识的搜索，借此我了解到了很多以前完全未曾涉及到的传感器知识，通过对这些知识的探索，使我更进一步加深了对传感器知识的认识理解，对在其社会上的所取的重要性也有了一个初步的认识，也加深了对本专业知识的认识，同时也对那些从未闻其名的传感器由了一定的了解，而这些对以后的工作和学习都是一笔不菲的财富，真的受益匪浅。主要参考文献 1张宏润.传感器技术大全M.北京：北京航空航天出版社，2010，6.2樊尚春.传感器技术及应用M.北京：北京航空航天出版社，2008，9. （注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!） 授课：XXX