矿用传感器精品课件

1、矿用传感器第1页，共47页，2022年，5月20日，9点43分，星期五2.1 传感器概述一、非电量电测量二、传感器的组成和分类三、传感器的基本特性第2页，共47页，2022年，5月20日，9点43分，星期五一、非电量电测量非电量： 各种非电物理和化学量，如温度、位移、风速、压力、甲烷浓度、化学成份等。非电量电测量技术： 将各种被测的非电量参数转换成电量参数进行测量的技术，包括传感器技术和电子技术。非电量电测量的优点： 便于信号的传输、存储、处理；易于实现遥测、自动检测及生产过程自动控制等；第3页，共47页，2022年，5月20日，9点43分，星期五一、非电量电测量传感器 将被测量转换为电量，并

2、把它传送到信号调节器中的部件。传感器又称为变换器、转换器、探头。其中，电量是电压、电流、或电参量（电阻、电感、电容）传感器信号调节器显示记录器电源非电量数字量模拟量非电量电测量系统组成框图第4页，共47页，2022年，5月20日，9点43分，星期五一、非电量电测量信号调节器 传感器输出的电信号或电参数 记录显示器所需的标准电压、电流信号。 其内部电路主要有： 电桥电路、放大电路、滤波电路、相敏检波电路、谐振电路、阻抗变换电路、调制解调电路等，以匹配不同类型的传感器和显示记录器。传感器信号调节器显示记录器电源非电量数字量模拟量非电量电测量系统组成框图第5页，共47页，2022年，5月20日，9点

3、43分，星期五一、非电量电测量显示记录器模拟显示：如指针指示数字显示：直接显示数字图形显示：如示波器另外，对于动态过程的变化无法用显示仪及时显示的应该用自动记录器记录下来，而后用打印机或绘图仪打印结果。传感器信号调节器显示记录器电源非电量数字量模拟量非电量电测量系统组成框图第6页，共47页，2022年，5月20日，9点43分，星期五二、传感器的组成和分类敏感元件： 直接感受被测量，通常是先转换为一种易于转换成电量的非电量。转换元件：将非电量转换为电量。将非电量直接转换为电量的传感器称为直接转换型传感器，如热电偶、压电传感器等。经二次或多次转换为电量的传感器称为间接转换型传感器，如瓦斯传感器、压

4、力传感器等。测量电路：放大、变换和处理，以输出标准信号。敏感元件转换元件非电量电量测量电路电源第7页，共47页，2022年，5月20日，9点43分，星期五二、传感器的组成和分类应变式磁电式热电式电容式电感式工作原理被测物理量压力温度位移振动传感器分类：传感器命名：正序：传感器，压力， 应变式，10kPa倒序：10kPa，应变式，压力，传感器倒序：10mm，磁电式，位移，传感器第8页，共47页，2022年，5月20日，9点43分，星期五三、传感器的基本特性测量系统可以看作是一个信息通道，通常把被测物理量作为测量系统的输入信号，称为激励；把测量系统的输出信号称为响应。传感器可以看作是：具有两个输入

5、端和两个输出端的二端口网络；并具有相应的输入输出外部特性。两种被测量1、不变或变化很缓慢的量2、变化迅速的量两种特性1、静态特性2、动态特性第9页，共47页，2022年，5月20日，9点43分，星期五三、传感器的基本特性静态特性： 表示被测物理量处于稳定状态或缓慢变化时，传感器的输入量与输出量之间的关系。静态特性曲线理论特性曲线：设计部门或用户给定的静态特性曲线。实际特性曲线(静态校准曲线)：静态标准条件下，一定标准精度等级，重复进行全量程逐级加载和卸载测试而获得的曲线。主要静态指标： 线性度、灵敏度、迟滞性、重复性、分辩力、量程、漂移等。第10页，共47页，2022年，5月20日，9点43分

6、，星期五三、传感器的基本特性线性度：又称非线性 是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度，一般用校准曲线与拟合直线之间的最大偏差与满量程输出的百分比表示。它反映了实际输入输出与理想直线的偏离程度。说明：为了标定和数据处理的方便，通常进行线性化处理以使传感器的输入输出关系为线性或接近线性；但同时也带来了非线性误差。第11页，共47页，2022年，5月20日，9点43分，星期五三、传感器的基本特性灵敏度： 是指传感器的输出量变化值y与输入量变化值X之比，即 S=y/X；可见灵敏度表示单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化。线性系统的灵敏度是一个常数，而非线性测量装置的灵敏度随输入量的变化而变

7、化。灵敏度的量纲为输出量与输入量量纲之比，如某压力传感器的S为5mV/MPa。第12页，共47页，2022年，5月20日，9点43分，星期五三、传感器的基本特性迟滞性：滞后或回程误差 表示在规定的同一校准条件下，测量装置在同一校准级上正、反行程输出值的不一致程度。用各校准级中的最大迟滞偏差与满量程输出值的百分比表示。第13页，共47页，2022年，5月20日，9点43分，星期五三、传感器的基本特性重复性误差：表示在规定的同一校准条件下，测量装置在同一方向在全量程范围内多次重复校准，各次校准曲线之间的不一致性，用各校准级上正、反行程最大标准偏差的t倍与满量程输出值的百分比表示。第14页，共47页

8、，2022年，5月20日，9点43分，星期五三、传感器的基本特性分辨力： 是指测量系统能测到的最小输入量变化x的能力。因全量程范围内各测量区的x不完全相同，常用量程内的最大x与满量程输出值的百分比k表示，称为分辨率；量程：测量系统能测量的最小输入量至最大输入量之间的范围。如光学瓦斯检定器(AQG-1型)的测定范围为0.0110%CH4。说明：超过仪器的测量范围或者仪器的分辨力不够，则仪器不能正常工作，甚至损坏仪表，造成灾害。第15页，共47页，2022年，5月20日，9点43分，星期五三、传感器的基本特性漂移：是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化的现象。漂移的原因：传感器自身结构

9、参数和工作环境的变化。最常见的漂移是温度漂移：主要表现为温度零点漂移和温度灵敏度漂移。稳定性：通常用灵敏度对时间的变化率dS/dt表示检测仪表的稳定性。变化率愈小，稳定性愈高。安全仪表要保证检测数据的准确性，必须要有很高的稳定性。第16页，共47页，2022年，5月20日，9点43分，星期五三、传感器的基本特性动态特性 是指被测对象随时间变化时传感器输入与输出间的关系，即传感器的响应特性。动态测量时，由于传感器的惯性和滞后，传感器的输出处于动态过渡过程之中，因此传感器的输出量不仅是输入量也是时间的函数。通常输出信号与输入信号具有不同的时间函数，而引起输出与输入间的差异，即动态误差。动态特性就是

10、测量系统能够不失真地再现变化着的输入量的能力的反映。动态特性指标 频域指标：固有角频率、工作频带、相位角等。 时域指标：时间常数、上升时间、响应时间等。第17页，共47页，2022年，5月20日，9点43分，星期五2.2 甲烷传感器一、热催化式甲烷传感器二、热导式甲烷传感器第18页，共47页，2022年，5月20日，9点43分，星期五一、热催化式甲烷传感器煤矿瓦斯 主要是甲烷（CH4）； CO、CO2、NO2、H2S、H2、SO2、NH3等。CH4无色、无味、无毒，对空气的比重为0.558CH4可燃，516可爆，9.5爆炸力最强。第19页，共47页，2022年，5月20日，9点43分，星期五一

11、、热催化式甲烷传感器检测原理敏感元件催化作用甲烷无焰燃烧生热元件温度变化元件电阻变化测量电路指示甲烷浓度第20页，共47页，2022年，5月20日，9点43分，星期五一、热催化式甲烷传感器热电阻效应 即导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的现象，二者有确定的函数关系，通常阻值随温度的变化基本上呈线性关系。金属热电阻一般称为热电阻，其电阻温度系数大多为：0.40.6/；半导体热电阻一般称为热敏电阻，其电阻温度系数大多为：36/；铂热电阻 0850时，Rt=R0(1+At+Bt2)； -2000时，Rt=R01+At+Bt2)+Ct3(t-100)； 其中Rt和R0分别表示t和0时铂热电阻的电阻值

12、； A=3.908310-3/；B=-5.775 10-7/2；C=-4.18310-12/4第21页，共47页，2022年，5月20日，9点43分，星期五一、热催化式甲烷传感器铂热电阻 我国规定工业用铂热电阻有R010和R0100两种，即分度号为Pt10和Pt100；不同分度号的铂热电阻有相应的分度表，即Rt-t的关系表。金属纯度越高温度系数越大，通常用R100/R0表示铂的纯度，一般要求R100/R01.385。目前可达1.3930，对应的铂纯度为99.9995铜热电阻 -50150时，Rt=R0(1+t)； 0.428/ 铜热电阻有两种分度号：Cu50和Cu100第22页，共47页，20

13、22年，5月20日，9点43分，星期五一、热催化式甲烷传感器铂丝催化元件 高纯度铂丝绕制的螺旋线圈（d2570m，200500 m）构成的铂热电阻。铂丝既是催化剂，又是加热器，同时又是感温元件。优点：结构简单；稳定性较好；受硫化物中毒影响小。缺点：催化活性低；工作温度高,升华严重；寿命短；零点漂移。第23页，共47页，2022年，5月20日，9点43分，星期五一、热催化式甲烷传感器载体催化元件铂丝：加热； 感温；载体：固定铂丝； 传热； 附载催化剂；催化剂：Pt,Pd,Th 催化作用，降低甲烷燃烧 温度（300400）；优点：对灵敏度、稳定性、功耗、寿命有很大改善（a）黑元件图2-1 载体催化

14、元件（b）白元件第24页，共47页，2022年，5月20日，9点43分，星期五一、热催化式甲烷传感器载体催化元件的技术特性线性度黑元件热平衡方程： I2R+ I2RT +Q = S(T1-To)+ 1 S(T14-To4)白元件热平衡方程： I2R = S(T2-To) + 2 S(T24-To4) 其中：-等效热传导系数；12-黑白元件的热发射率；-斯蒂潘常数；T1T2To -黑白元件及环境温度；-铂丝电阻温度系数；线性度与温度有关，在一定范围内，元件输出与瓦斯浓度呈线性关系；达到一定温度后，温度就很难再随催化生热Q线性增加了。线性度不一致对测量范围影响很大，有的测量上限可达5CH4，有的仪

15、器仅为3CH4；且测量上限误差大，下限误差小。第25页，共47页，2022年，5月20日，9点43分，星期五一、热催化式甲烷传感器载体催化元件的技术特性灵敏度：一般要15mV/1CH4，当下降50时，报废。灵敏度的影响因素（1）催化剂老化：-Al2O3逐渐向- Al2O3过渡（2）催化剂中毒：催化剂中毒：催化剂毒物强烈吸附在催化剂上发生反应而使催化剂活性减少或消失的现象。暂时性中毒：硫化物、磷化物、氯化物等；永久性中毒：有机硅、铅、锡等；过滤措施：活性炭,硅胶,分子筛等第26页，共47页，2022年，5月20日，9点43分，星期五一、热催化式甲烷传感器载体催化元件的技术特性稳定性：工作条件不变

16、时，在规定时间内输出信号保持不变的能力。连续式元件为7天，间断式元件为78h。稳定性的影响因素：（1）灵敏度（2）激活特性激活特性 在低浓度CH4（5.5%）数分钟后元件活性升高，离开高浓度环境后其活性又在数十小时内降到原值附近的现象。不利影响：零点漂移，工作不稳定，测量误差应用：元件制作时的老化处理；暂时性中毒的激活。第27页，共47页，2022年，5月20日，9点43分，星期五一、热催化式甲烷传感器载体催化元件的技术特性响应时间 是指CH4浓度阶跃变化时，输出信号值达到稳定值90的时间。标准规定，连续式为20s，间断式为15s。响应时间与元件尺寸、制作工艺及气室设计、通风方式有关。主要因素

17、是：（1）扩散时间：扩散型气室与对流型气室（2）燃烧生热、热交换至热平衡的时间。第28页，共47页，2022年，5月20日，9点43分，星期五一、热催化式甲烷传感器载体催化元件的技术特性输出特性的双值性（1）05，线性关系；（2）9.5，拐点；（3）10，读数随浓度的升高而下降；图2-2 催化元件的双值性第29页，共47页，2022年，5月20日，9点43分，星期五一、热催化式甲烷传感器载体催化元件的技术特性双值性的原因：缺氧图2-3 缺氧对催化元件的影响第30页，共47页，2022年，5月20日，9点43分，星期五一、热催化式甲烷传感器KG9701A型智能低浓度甲烷传感器功能用途（1）瓦斯浓

18、度显示；（2）超限声光报警；（3）就地断电控制；（4）可以连续检测并转换成标准电信号输送给关联设备；图2-4 KG9701A型CH4传感器第31页，共47页，2022年，5月20日，9点43分，星期五一、热催化式甲烷传感器KG9701A的主要技术指标测量范围：0.00CH44.00%CH4基本误差： （0.001.00）0.1CH4； （1.002.00）0.2CH4； （3.004.00）0.3CH4；信号输出： 电流型1mA5mA，线性对应0.00CH44.00%CH4 频率型2001000Hz，线性对应0.00CH44.00%CH4 报警点设置： 0.00CH44.00%CH4连续可调断

19、电点设置： 0.50CH42.00%CH4连续可调第32页，共47页，2022年，5月20日，9点43分，星期五一、热催化式甲烷传感器KG9701A的主要技术指标显示方式：四位红色数码管，左起第一位为功能显示，后三位显示测量值。功能位显示：1调零，2精度调节，3报警点设置，4断电点设置，5自检；报警方式：声光报警，声音强度80dB；光能见度20m响应速度：20s 信号传输距离：2km工作稳定性：可连续工作15天；整机工作电压：924VDC（本安电源）。安全特征：防爆标志Exibd使用环境：040，湿度98，80116kPa，风速20m(光强)报警点范围：0.52.5CH4连续可调断电点：0.5%，0.75%，1.0%，1.25%CH4，采样方式：扩散式整机工作电压：924V DC整机