机车检测与故障诊断技术

1、1第四章 传感器技术(jsh)传感器概述(i sh)温度传感器湿度传感器压力传感器转速传感器加速度传感器电压/电流传感器共四十二页24.1 传感器概述(i sh)传感器的组成(z chn)：传感器是指能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器是信息检测的必要工具，是生产自动化、科学测试、计算核算、监测诊断等系统中必不可少的基础环节。传感器由敏感元件、转换元件和其他辅助部件组成。敏感元件是指传感器中能直接感受（或响应）与检测出被测对象的待测信息的元件；转换元件是指传感器中能将敏感元件所感受（或响应）的信息直接转换成电信号的部分；辅助器件通常包括电源。共四十二页3传感器

2、的分类(fn li)：按信号变换的特征分：有物性传感器和结构传感器。物性传感器是指依靠敏感元件材料本身的物理变化来实现信号的变换。结构传感器是依靠传感器结构参数的变化来实现信号的转换。按用途不同：有温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移(wiy)传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、速度传感器、加速度传感器、转矩传感器等。按工作原理不同：有电学式传感器、磁学式传感器、光电式传感器、电势型传感器、电荷传感器、半导体传感器、谐振式传感器、电化学式传感器等。共四十二页4按能量关系不同：分为有源传感器和无源传感器。有源传感器能将非电能量转换为电能量，它通常配有电压测量和放大(fngd)电路。无源

3、传感器本身不能换能，被测非电量公对传感器中的能量起控制或调节作用，通常使用的测量电路有电桥和谐振电路。按测量方式不同：有接触式传感器和非接触式传感器。接触式传感器与被测物体接触，而非接触式传感器与被测物体不接触。按输出信号的不同：有的模拟式传感器和数字式传感器。模拟式传感器的输出信号是连续变化的模拟量，数字式传感器的输出信号是数字量。共四十二页5传感器的性能指标：精确度：表示传感器精确度的指标有精密度、正确度和精确度。精密度反映了测量结果的分散性。正确度反映了测量结果偏离真值的程度，也就是指所测数值与真值的符合程度。精确度含有(hn yu)精密度与正确度两者之和的意思，即测量的综合优良程度。共

4、四十二页6稳定性：表示传感器稳定性的指标有稳定度和影响系数。稳定度一般是指时间上的稳定性。它反映了传感器和测量仪表中随机性变动、周期性变动、漂移等引起示值变化(binhu)的程度。室温、大气压、振动等外部环境状态变化对传感器和测量仪表示值的影响，以及电源电压、频率等仪表工作条件变化对传感器和测量仪表示值的影响，统称环境影响，可用影响系数来表示。共四十二页7输入/输出特性：反映传感器输入/输出的指标输出有灵敏度、分辨率、线性度、重复性、滞环、动态特性。灵敏度是指达到稳定工作状态时，输出变化量与引起此变化的输入变化量之比。分辨率是指让传感器示值发生可察觉的极微小变化时被测量的最小变化值。线性度（也

5、称非线性误差）用来说明输出量与输入量的实际关系曲线偏离直线的程度。重复性是指在同一工作条件下，输入量按同一方向在全测量范围内连续变动(bindng)多次所得到的特性曲线的不一致性。共四十二页8滞环说明了一个传感器的正向（上升）特性和反向(fn xin)（下降）特性不一致的程度。动态特性是指传感器对于(duy)随时间变化的输入量的响应特性。共四十二页4.2 温度传感器共四十二页10热电阻温度传感器热电阻温度传感器主要用于中、低温度（-2000C+6500C或+8500C）范围(fnwi)的温度测量，常用的工业标准化热电阻有铂热、铜热和镍热电阻。共四十二页11热电阻温度传感器的结构：一般由测温元件

6、（电阻体）、保护管和接线盒三部分组成。热电阻传感器的测量线路(xinl)一般使用电桥。铠装热电阻：由金属保护管、绝缘材料和感温元件组成。这种热电阻热惰性小、响应速度快；具有良好的机械性能，可以耐强烈振动和冲击，适合于高压设备测温、有振动的场合和恶劣环境中使用。薄膜型及厚膜型铂热电阻：一般用于平面物体的表面温度和动态温度检测。共四十二页12集成(j chn)温度传感器测温范围：一般为-500C+1500C，主要用于环境空间温度的检测与控制，以及家用电器(ji yn din q)的测试检测、控制和补偿。结构：是一种将感温元件、放大电路、温度补偿电路等功能集成在一块极小芯片上的温度传感器。特点：是发

7、展的方向。具有线性度好、灵敏度高、体积小、稳定性好、输出信号大且规范化等优点。类型：根据其输出形式不同可分为电压输出型和电流输出型两种。共四十二页13共四十二页14智能(zh nn)温度传感器智能温度传感器：属于智能化集成温度传感器。结构：适配各种微控制器（MCU），包括微处理器（P）和单片机 （C），是研制和开发具有高性价比的新一代温度测量(cling)系统所必不可少的核心器件。特点：采用数字化技术，能以数字形式直接输出被测温度值，被测误差小、分辨力高、抗干扰能力强，能够远程传输数据，带串行总线接口等。共四十二页15共四十二页164.3 湿度(shd)传感器分类：按其使用(shyng)的材料

8、不同可分为：电解质型：在绝缘基板上制作一对电极，涂上氯化锂胶模，产生离子导电，随湿度升高而电阻减小。陶瓷型：通过陶瓷工艺把金属氧化物制成一种多孔陶瓷，利用多孔陶瓷的阻值对空气水蒸气的敏感特性而制成。高分子型：在玻璃等绝缘基板上蒸发梳状电极，通过浸渍或涂履，使其附着一层有机高分子感湿膜。单晶半导体型：主要是硅单晶，利用半导体工艺制成二极管或MOSFET湿度第三器件等。其特点是易于和半导体电路集成在一起。共四十二页17湿度(shd)传感器的主要参数：湿度量程：是指技术规范中所规定的感湿范围。用相对湿度（0100）%RH表示，它是湿度传感器工作性能的一项重要指标。感湿特征量相对湿度特征：在规定工作范

9、围内，湿度传感器的电阻（电容）值随环境湿度变化的关系(gun x)特性曲线，简称为阻湿特征。感湿灵敏度：又叫湿度系数，指在某一湿度范围内，相对湿度改变1%时，湿度传感器电参量的变化值或百分率。特征量温度系数：反映了湿度传感器的感湿特征量相对湿度特性曲线随环境温度而变化的特性。共四十二页18感湿温度系数：是反映湿度传感器温度特性的一个比较直观、实用的物理量。它是指在两个规定的温度下，湿度传感器的电阻（电容）值相等时，其对应的相对湿度之差与两个温度变化量之比。响应时间：在一定的温度下，当相对湿度发生跃变时，湿度传感器的电参量达到稳态变化量的规定比例所需要的时间。电压特性：当用湿度传感器测量湿度时，

10、所加的测试电压不能采用直流电压。频率特性：频率特性是指湿度传感器的阻值与外加(wiji)测试电压频率的关系。共四十二页19陶瓷湿度传感器具有许多优点： 测湿范围宽、可实现全湿范围内的湿度测量；工作温度高，工作温度可达8000C；响应时间(shjin)短、精度高、抗污染能力强、工艺简单、成本低廉。陶瓷(toc)湿敏元件的结构：传感器的感湿体是MgCr2O4-TiO2系多孔陶瓷。气孔大部分是粒间气孔，气孔直径随TiO2的添加量的增加而增大。粒间气孔与颗粒大小无关，相当于一种开口毛细管，容易吸附水分。材料的主晶相是MgCr2O4相，此外，还有TiO2相等，感湿体是一个多晶多相的混合物。陶瓷湿度传感器

11、：共四十二页20主要(zhyo)特性与性能：电阻湿度-特性： MgCr2O4-TiO2系陶瓷湿度传感器的电阻-湿度特性随着湿度的增加，电阻值急剧下降，基本呈指数规律。在单对数座标中，电阻-湿度近似呈线性关系。电阻-温度特性：在不同温度下，各条曲线规律基本一致，具有负温度系数。响应时间：依照规定(gudng)，响应时间小于10s。稳定性：制成的MgCr2O4-TiO2系陶瓷类湿度传感器需要进行实验，经过各种试验以后，大多数陶瓷湿度传感器仍能可靠地工作，说明其稳定性比较好。共四十二页21高分子湿度(shd)传感器：用有机高分子材料制成了湿度传感器，主要是利用其吸湿性与胀缩性。某些高分子电介质吸湿后

12、，介电常数明显改变，就可制成电容式湿度传感器。某些高分子电解质吸湿后，电阻明显变化，就可制成电阻式湿度传感器。利用胀缩式高分子（如树脂）材料和导电粒子(lz)在吸湿之后的开关特性，就可制成结露传感器。共四十二页22集成(j chn)湿度传感器：集成湿度传感器是将湿敏电阻与湿度信号调理器集成在一个模块中。由于集成度高，因此不需要外围元件(yunjin)，使用非常方便。单片智能化湿度/温度传感器：瑞士森斯瑞（Sensirion）公司推出的SHT11湿度/温度传感器是一种超小型、高精度、自较准、多功能式智能传感器，可用来测量相对湿度、温度和露点等参数。共四十二页234.4 压力(yl)传感器电容式压

13、力(yl)传感器差动电容式传感器：工作原理：在密封系统内将压力变为微小位移再引起电容的变化，并采用转换电路，将变化的电信号输出。测量电路：差动电容式压力传感器的测量电路采用交流电路，由于检测电路部分装入密封液内，因此就采取措施使电路部分受密封液的电导率变化和杂散电容的影响最小。共四十二页24硅电容式集成(j chn)压力传感器：硅电容式集成压力传感器主要有扩散(kusn)硅压阻式和硅电容式两种形式。由于两者的传感机理不同，硅电容式的许多性能优于扩散硅压阻式，电容式的灵敏度比压阻式的灵敏度高10倍以上，而功耗却低两个数量级。共四十二页25电感式压力(yl)传感器电感式压力传感器是利用磁性材料和空

14、气磁导率不同，压力作用在膜片上，靠膜片改变空气气隙大小，去改变固定线圈的电感，电路中这种电感变化就变为相应的电压或电流输出，通过将压力变为电量，达到(d do)测量压力的目的。电感式压力传感器按磁路特性不同分为变磁阻和变磁导两种。它的特点是：灵敏度高、输出较大、结构牢靠、对动态加速度干扰不敏感；但不适合高频动态测量，且测量仪器较笨重。共四十二页26变磁阻式电感(din n)压力传感器：工作(gngzu)原理：铁芯、膜片以及其间的气隙组成了闭合的磁路，而气隙是该磁路的主要部分。当压力施之于膜片上，膜片发生变形，气隙改变，即改变了磁路的磁阻，铁芯上线圈的电感也发生了变化。变磁导式电感压力传感器：工

15、作原理：变磁导式传感器没有铁芯，只有一个小的可沿轴向移动的磁性元件，由于元件位置变化，有效磁导率发生变化，从而在指示仪表中读出读数。这种传感器实质上是一个普通的调感线圈。共四十二页27电阻应变(yngbin)片式压力传感器被测压力作用在弹性元件上，而它的变形又被其上的电阻应变(yngbin)片所感受，按这种原理设计的传感器称为电阻应变(yngbin)片式压力传感器。它分为粘贴式和非粘贴式两种。结构：一般由敏感栅、基底、覆盖层组成。敏感栅：是转换元件，把感受到的应变成电阻变化；基底：是用来将弹性体表面应变准确地传送到敏感栅上，并起到敏感栅与弹性体之间的绝缘作用；覆盖层：起着保护敏感栅的作用。共四

16、十二页28工作原理：工作时，将应变片用粘合剂贴在弹性体上，弹性体受外力作用变形所产生的应变就会传递到应变片上，从而使应变片电阻值发生变化，通过测量阻值的变化，就能得知外力被测量的大小。温度补偿：为消除电阻的温度影响，在测量用应变片的相邻桥臂上，接一个完全相同的应变片作为补偿片，并将其放在同一温度场内，用补偿片的温度效应来抵消测量片的温度效应。全桥连接：一般用四个测量应变片，两片贴在正应变区，并将其接在电桥两个相对的臂上；另两个贴在负应变区，接在另两个相对臂上。一方面补偿温度效应，另一方面还能放大输出(shch)信号。共四十二页29压阻式压力(yl)传感器特点：随着(su zhe)半导体元件的迅

17、速发展，这种传感器受到普遍重视，它结构简单、频响高、体积小、灵敏度高、输出电平大，是当今最引人注目的压力传感器。工作原理：核心部件是一个硅膜片，它是用集成电路工艺在膜上制成四个等值电阻，组成惠斯登电桥。硅片被支承在一个硅环上，当压力施于硅膜片时，由于硅的压阻效应，使四个桥臂阻值发生变化，造成电桥不平衡，即得相应的电压输出。共四十二页30压电式压力(yl)传感器特点：它是一种有源传感器，又称自发电传感器或电势式传感器。其体积小、重量轻、结构(jigu)简单、工作可靠，适用于动态力学的测量。此外它也是典型的机-电转换元件。压电效应：一些晶体结构的材料，当沿着一定的方向受到外力时，内部产生极化现象，

18、同时在两个表面上便产生符号相反的电荷。而当外力去掉后，又恢复到不带电状态。当作用力方向改变时，电荷方向也随着改变，产生的电荷量与外力的大小成正比。共四十二页31压电式传感器的工作(gngzu)原理：共四十二页32智能(zh nn)压力传感器特点：智能(zh nn)压力传感器将差压、静压和温度的多参数传感与智能(zh nn)化的信号调理功能融为一体，彻底打破了传感器与变送器的界限。网络化智能压力传感器特点：网络化智能压力传感器将压敏电阻传感器、A/D转换器、微处理器、存储器（RAM、E2PRAM）和接口电路集于一身，不仅达到了高性能指标，还极大地方便了用户。共四十二页334.5 转速(zhun

19、s)传感器磁电式转速(zhun s)传感器特点：利用磁场变化获得电流的现象叫做电磁感应现象。结构与原理：它由永久磁铁、线圈、磁盘等组成。在磁盘上加工有序齿形凸起，磁盘装在测速转轴上，与转轴一起旋转。当转轴旋转时，磁盘的凸凹齿形将引起磁盘与永久磁铁间气隙的大小变化，从而使永久磁铁组成的磁路中磁通量随之发生变化。有磁路通过的感应线圈，当磁通量发生突变时，会感应出一定幅度的脉冲电势。共四十二页34光电式转速(zhun s)传感器直射(zh sh)式光电转速传感器：共四十二页35反射式光电转速(zhun s)传感器：结构(jigu)：它由红外发射管、红外接收管、光学系统等组成，光学系统由透镜及半透镜组成。共四十二页36光断续(dun x)器式转速传感器共四十二页374