安全监测监控技术及应用1

1、安全监测监控技术及应用资源及环境科学学院重要性安全第一！课程体系第一章：测试系统第二章：传感器技术第三章：信号及信号处理第四章：常用的安全检测方法第五章：安全监测技术在工程中的应用1.1：结构组成爆破震动监测实例问题：1监测目的2监测内容3监测方法第一章：测试系统地震波监测系统检波器信号放大器数据采集器信号处理系统输出控制系统信号获取决策控制第一章：测试系统1.2测试系统主要性能指标我们构建/购买一个测试系统应考虑哪些问题？第一章：测试系统1）精度和误差精度：系统测量值与真实值的接近程度。 用误差来表示精度的高低。第一章：测试系统绝对误差：相对误差：引用误差：测量结果的准确性。测量仪器的精度等

2、级。最大引用误差：2)稳定性第一章：测试系统时间稳定性环境稳定性稳定度影响系数温度影响系数压力影响系数电压影响系数湿度影响系数单位/时间3)量程系统正常工作时所能测量的最大值范围。第一章：测试系统4）分辨率系统可能检测到的被测量的最小变化值。第一章：测试系统5）信躁比信号功率与噪声功率之比。信号电压与噪声电压之比。第一章：测试系统6）传递特性系统输入与输出对应关系的性能。第一章：测试系统动态测试静态测试传递特性动态传递特性7）其它第一章：测试系统1.3线性系统及其主要性质第一章：测试系统h(t)输入/激励x(t)输出/响应y(t)测试系统的传递特性/转换特性线性系统/定常系统1）叠加性第一章：

3、测试系统若：，则：2）比例性第一章：测试系统若：则：3）微分特性第一章：测试系统若：则：4）积分特性第一章：测试系统若：则：5）频率保持特性第一章：测试系统若：则：1.4静态传递特性及其主要参数第一章：测试系统静态测量：均为常量，不随时间变化而变化。那么：静态传递特性方程（静态方程）标定因子第一章：测试系统标定曲线：标定方法：用系列高出标定系统精度一个数量级的标准信号输入，测出相 应的输出，用数学方法拟合出输入输出曲线（标定曲线）。1）灵敏度第一章：测试系统单位？2）线性度第一章：测试系统标定曲线和理想曲线的接近程度。BxyA3）回程误差第一章：测试系统相同测试条件下和全量程范围内，输入由小增

4、大再由大减小的行程中，对于同一输入值所得到的2个输出值之间的最大差值与量程的比值。xyA1.5动态传递特性及其测定第一章：测试系统动态测量：输入输出随时间变化而变化。时间响应频率响应时间域、频率域第一章：测试系统h(t)输入/激励x(t)输出/响应y(t)测试系统的传递特性/转换特性线性系统/定常系统1）传递函数第一章：测试系统令：传递函数1）H(s)与输入无关；2）H(s)只反映系统的响应特性与具体的物理结构无关。第一章：测试系统2）系统的串联和并联H1(s)H2(s)X(s)Y(s)Z(s)H(s)N个串联：串联：第一章：测试系统N个并联：Y1(s)H(s)H1(s)H2(s)X(s)Y(

5、s)Y2(s)并联：第一章：测试系统当输入一系列正弦波，只考虑稳态（ ），则传递函数：傅立叶变换称为频率响应函数。3）频率响应函数第一章：测试系统幅频特性：相频特性：幅频特性曲线相频特性曲线第一章：测试系统4）一阶系统灵敏度s时间常数令：传递函数：第一章：测试系统频率响应函数：幅频特性：相频特性：低通特性第一章：测试系统第一章：测试系统第一章：测试系统5）二阶系统令：传递函数：第一章：测试系统令：系统固有频率系统阻尼系数第一章：测试系统频率响应函数：幅频特性：相频特性：第一章：测试系统第一章：测试系统第一章：测试系统6）不失真传递第一章：测试系统A0第一章：测试系统7）测试系统的负载效应 测试

6、元件总要从被测对象中吸取一些能量，会或多或少的改变被测值，这种效应称为系统的负载效应。输入阻抗Z：（功率）越大越好第一章：测试系统8）测试系统特性参数的测定方法静态特性参数的测定动态特性参数的测定一阶跃函数法：第一章：测试系统第一章：测试系统二阶跃函数法：第一章：测试系统在出现峰值M1可得：则，MiMi+ntiti+n 测量过程中，除待测量信号外，各种不可见的、随机的信号可能出现在测量系统中。这些信号与有用信号叠加在一起，严重扭曲测量结果。 9 测量系统的抗干扰 测量系统信道干扰电磁干扰电源干扰1)电磁干扰:干扰以电磁波辐射方式经空间串入测 量系统。2)信道干扰：信号在传输过程中，通道中各元件

7、产 生的噪声或非线性畸变所造成的干扰。2)电源干扰：这是由于供电电源波动对测量电路引 起的干扰。 一般说来，良好的屏蔽及正确的接地可去除大部分的电磁波干扰。使用交流稳压器、隔离稳压器可减小供电电源波动的影响。信道干扰是测量装置内部的干扰，可以在设计时选用低噪声的元器件，印刷电路板设计时元件合理排放等方式来增强信道的抗干扰性。 1.6测试系统的选择原则第一章：测试系统测试目的和要求技术上合理、经济上节约灵敏度准确度稳定性响应特性线性范围测量方式各特性参数之间的配合第二章：传感器技术各种传感器的分类；各种常用传感器的基本原理；各种传感器的性能指标及其标定方法。第二章：传感器技术传感器的命名及代号（

8、GB766687）由主题（传感器）前面加四级修饰词。主要性能指标特征描述变换原理被测量必不可少例：100mm大量程应变式位移传感器第二章：传感器技术1）按被测量：2.1传感器分类a.结构型速度、位移、加速度、应力、应变、温度2）按原理b.物性型电阻电感电容频率压电磁电热电光电第二章：传感器技术2.2结构型传感器1）电阻式变阻器式传感器单位长度的电阻原理：第二章：传感器技术2.2结构型传感器单位角度的电阻第二章：传感器技术2.2结构型传感器第二章：传感器技术2.2结构型传感器读数电路：第二章：传感器技术2.2结构型传感器线性(或曲线的一致性); 分辨率; 3) 整个电阻值的偏差; 4) 移动或旋

9、转角度范围; 5) 电阻温度系数;6) 寿命。性能参数:第二章：传感器技术2.2结构型传感器类型:第二章：传感器技术2.2结构型传感器第二章：传感器技术2.2结构型传感器结构简单；性能较稳定；使用方便。分辨率低；噪声大。检测较大的线位移或角位移。特点：电阻器 制作 特点 绕线式 直径0.012-0.1mm的镍铬合金的精密电阻丝绕在绝缘的薄膜铜丝或绝缘胶木板等卷芯上而制作 电阻温度系数非常好，为5-20*10-6/0C;精度,稳定性,重复性比薄模式好,分辨力低于薄模式. 金属陶瓷式 电阻胶印在陶瓷基板上,并用高温烧制而成. 分辨力高,环境适应性强前, 电阻温度系数,为200*10-6/0C左右.

10、 导电-塑料式 将基板的树脂与电阻墨制成一体,获将电阻胶涂于薄膜基片上. 分辨力,寿命,高速现响应特性好,电阻温度系数为400*10-6/0C 混合式 导电性树脂涂于限绕式电阻元件上 兼有绕线式和导电-塑料式的优点，电阻温度系数为：150*10-6/0C 应用:第二章：传感器技术2.2结构型传感器应用:第二章：传感器技术2.2结构型传感器第二章：传感器技术2.2结构型传感器1）电阻式电阻应变片式传感器电阻应变式传感器金属丝式半导体式丝式箔式第二章：传感器技术2.2结构型传感器1）电阻式电阻应变片式传感器原理:第二章：传感器技术2.2结构型传感器1）电阻式电阻应变片式传感器第二章：传感器技术2.

11、2结构型传感器1）电阻式电阻应变片式传感器轴向/纵向应变径向/横向应变泊松比压阻系数弹性模量第二章：传感器技术2.2结构型传感器1）电阻式电阻应变片式传感器第二章：传感器技术2.2结构型传感器1）电阻式电阻应变片式传感器主要参数： 1）几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用bL 表示。 2）电阻值：应变计的原始电阻值。 3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。 4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、 蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。 第二章：传感器技术2.2结构型传感器1）电阻式电阻应变片式传感器优点：缺点：体积小、重量轻、动态响应快、精度高、使用简便、灵敏度高、频响范围

12、宽、测量范围大热稳定性差、灵敏度系数分散度大、大应变时非线性误差大用途：应变、应力、位移、加速度、速度、扭矩等的高精度测量特点：应变片的工作特性：应变片的电阻值：初始状态，室温测得的电阻值。机械滞后量：恒温加载，各应力水平下应变片指示应变的最大差值。零点漂移和蠕变：恒温、试件不受力，应变片指示应变随时间的变化； 恒温，试件受恒定机械应变，应变片指示应变随时间的变化。应变片的工作特性：第二章：传感器技术2.2结构型传感器1）电阻式应变片的工作特性：应变极限：室温，对试件逐渐加载，应变片应变与机械应变相对误差达到 规定值。绝缘电阻：敏感栅及引线与被测试件之间的电阻。最大工作电流：允许通过应变片而不

13、影响其工作特性的最大电流。疲劳寿命：在恒定加载幅值交变应力作用下，应变片疲劳损坏的加载次数。第二章：传感器技术2.2结构型传感器1）电阻式惠根斯直流电桥ABCDR1R2R4R3V可有效测量10 10 数量级的微小电阻变化率36第二章：传感器技术2.2结构型传感器1）电阻式惠根斯直流电桥ABCDR1R2R4R3UDB当：，等臂电桥假设阻值有变化输出电压与应变在一定范围内成线性关系第二章：传感器技术2.2结构型传感器1）电阻式惠根斯直流电桥ABCDR1R2R4R3UDB假设阻值分别有的变化第二章：传感器技术2.2结构型传感器1）电阻式惠根斯直流电桥ABCDR1R2R4R3UDB讨论：全等臂电桥输入

14、对称电桥电源对称电桥令：有：第二章：传感器技术2.2结构型传感器1）电阻式惠根斯直流电桥ABCDR1R2R4R3UDB电桥的加减特性：相邻桥臂应变极性如果一致，则输出电压为2者之差；如果极性不一致，则输出电压为2者之和第二章：传感器技术2.2结构型传感器1）电阻式电桥平衡电阻串联平衡法ABCDR1R2R4R3UDB第二章：传感器技术2.2结构型传感器1）电阻式电桥平衡电阻并联平衡法ABCDR1R2R4R3UDB第二章：传感器技术2.2结构型传感器1）电阻式电桥平衡电阻无触点平衡法ABCDR1R2R4R3UDB案例：桥梁固有频率测量原理在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车碍时的冲击对桥梁进行激励，

15、再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。应用案例：电子称原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。第二章：传感器技术2.2结构型传感器2）电容式相对介电常数真空介电常数极板面积极板间距+A第二章：传感器技术2.2结构型传感器2）电容式间歇变化很小，优点：灵敏度高，对被测系统影响小；缺点：测量范围受限，测量精度受杂散电容影响，电路要求高；应用：非接触测量、小位移测量（0.01微米数百微米）。极距变化差动式极距变化型传感器灵敏度可提高一倍，而非线性可大大减小。第二章：传感器技术2.2结构型传感器2）电容式面积变化第二章：传感器技术2.2结构型传感器2）电容式面积变化定

16、板动板第二章：传感器技术2.2结构型传感器2）电容式面积变化Dd输入输出成线性关系，适用于测量较大的直线位移和角位移。第二章：传感器技术2.2结构型传感器2）电容式测量电路e0eyC0Cx运算放大器式电路第二章：传感器技术2.2结构型传感器2）电容式测量电路电桥电路谐振电路4 应用案例：电容传声器 案例:液面高度测量广泛应用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，而且逐步地扩大应用于压力、差压、液面、成分含量等。第二章：传感器技术2.2结构型传感器3）电感式被测量电感自感互感可变磁阻涡流式电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。第二章：传感器技术2.2结构型传

17、感器3）电感式可变磁阻电感式传感器线圈铁心衔铁L空气导磁率空气隙导磁横截面积第二章：传感器技术2.2结构型传感器3）电感式改变空气隙优点：灵敏度高；缺点：测量范围受限；应用：小位移测量（1微米1毫米）。间歇变化很小，可变磁阻电感式传感器第二章：传感器技术2.2结构型传感器3）电感式优点：结构简单、使用方便可靠；缺点：测量范围受限；应用：小位移测量（1微米1500微米）， 非接触测量。电涡流式传感器线圈电感互感系数金属板等效电感电流频率金属板等效电阻应用：位移、力、振动测量，NDT，测厚,材质判别案例： 连续油管的椭圆度测量Coiled TubeEddy Sensor Reference Cir

18、cle原理：案例： 测厚案例： 零件计数第二章：传感器技术2.2结构型传感器3）电感式优点：分辨率高（0.1微米）、线性范围大（250mm）、稳定性好；应用：直线位移、大量程测量。差动变压器式电感传感器双螺管线圈差动型传感器及测量电路交流电桥应用: 厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,压缩,垂直度; 压力,流量,液位;张力,重力,负荷量;扭矩, 应力,动力;气压,温度;振动,速度,加速度;等.案例：板的厚度测量 案例：张力测量第二章：传感器技术2.2结构型传感器3）钢弦式传感器第二章：传感器技术2.2结构型传感器3）钢弦式传感器原理 磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。 感应

19、线圈的感应电动势e为磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。 第二章：传感器技术2.3物性型传感器1）磁电式面积磁电式动圈式磁阻式线速度型角速度型N第二章：传感器技术分类：1）磁电式动圈式传感器 线速度型 第二章：传感器技术测速电机第二章：传感器技术动圈式传感器 第二章：传感器技术动圈式传感器 磁阻式传感器第二章：传感器技术磁阻式传感器磁电式车速传感器第二章：传感器技术磁阻式传感器第二章：传感器技术优点：电路简单，性能稳定，输出阻抗小灵敏度高，频率响 应范围较宽(一般为152000Hz) ；缺点：尺寸和重量较大 ，只能用于动态测量；应用：适用于振动、

20、转速、扭矩等测量 。第二章：传感器技术2.3物性型传感器1）磁电式2）压电传感器 原理:压电效应 +并联+串联 某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。F+q=DF第二章：传感器技术2.3物性型传感器压电系数2）压电传感器 第二章：传感器技术2.3物性型传感器2）压电传感器 等效电路 第二章：传感器技术2.3物性型传感器压电元件等效为一个电荷源Q和一个电容器C0的等效电路也可等效为一个电压源U和一个电容器C0串联的等效电路 2）压电传感器 压电元件常用的结构形式 第二章：传感器技术2.3

21、物性型传感器 并联连接：两压电元件的负极集中在中间极板上，正极在上下两边并连接在一起，此时电容量大，输出电荷量大，适用于测量缓变信号和以电荷为输出的场合。串联连接：上极板为正极，下极板为负极，在中间是一元件的负极与另一元件的正极相连接，此时传感器本身电容小，输出电压大，适用于要求以电压为输出的场合，并要求测量电路有高的输入阻抗。2）压电传感器 放大电路第二章：传感器技术2.3物性型传感器 压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。 高阻抗电压放大器：输出电压与输入电压成线性关系； 电路简单，成本低；连接电缆分布电

22、容会带来较大误差。电荷放大器：输出电荷与输入电荷成线性关系。 不受分布电容影响，可远距离监测；电路复杂，成本高。产品压力变送器 加速度计力传感器 第二章：传感器技术示例：飞机模态分析第二章：传感器技术3）霍尔式传感器 原理:霍尔效应 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势 ，这种现象称为霍尔效应。第二章：传感器技术2.3物性型传感器霍尔效应原理 霍尔电势可用下式表示: 霍尔灵敏度霍尔系数3）霍尔式传感器 原理:霍尔元件 基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件，霍尔元件多采用N型半导体材料。霍尔元件越薄(d越小)，kH就越大，薄膜霍尔元件厚度只有1m

23、左右 。第二章：传感器技术2.3物性型传感器霍尔元件 目前最常用的霍尔元件材料有锗(Ge)、硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)等半导体材料。 3）霍尔式传感器 示例 1第二章：传感器技术2.3物性型传感器霍尔式位移传感器 从 a端通人电流I，根据霍尔效应，左半部产生霍尔电势VH1，右半部产生露尔电势VH2，其方向相反。因此，c、d两端电势为VH1VH2。如果霍尔元件在初始位置时VH1=VH2，则输出为零；当改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得到输出电压，其大小正比于位移量。 3）霍尔式传感器 示例 2第二章：传感器技术2.3物性型传感器霍尔乘法器 霍尔元件置于由坡莫合金(

24、Ni79Mo4)制成的铁芯气隙中，激磁线圈绕于中间芯柱上，当输入直流激磁电流Im时，形成恒定磁场。如果通入霍尔元件的控制电流为i，则霍尔电势： 即正比于i与了Im的乘积，因此霍尔元件可作为乘法器。 优点：结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽（从直流到微波）、动态范围大（输出电势变化范围可达1000:1）、寿命长等特点应用：用于将位移、力、加速度等量转换为电量的传感器；在计算技术中用于作加、减、乘、除、开方、乘方以及微积分等运算的运算器等。 3）霍尔式传感器 第二章：传感器技术2.3物性型传感器4）光电式 光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于一些物质的光电效应。 a) 光敏电阻 光电导效应是指半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对,使其导电性能增强,光线愈强,阻值愈低,这种光照后电阻率发生变化的现象,称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管。 2.3物性型传感器b)光电池 光生伏特效应指半导体材料P-N结受到光照后产生一定方向的电动势的效应。以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件。+-PNc ) 应用 光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式、反射式、辐射式四种基本形式。 案例：光电鼠标就是利用LED与光