第五章第四节传感器与变送器

第四节传感器与变送器

反馈控制系统传递方框图控制单元执行单元控制对象测量单元p(t)q(t)y(t)b(t)r(t)e(t)+-d(t)测量单元的作用是检测被控量的实际值，并把它转换成统一的标准信号。

测量单元＝测量传感器＋信号变送器一、船舶机舱常用传感器1、温度传感器

（1）、热电阻式温度传感器

由热电阻和测量桥路组成的热电阻式温度传感器如图4-1-1所示。4-1-1

（

2）、热电偶式温度传感器热电偶的冷端温度补偿原理如图4-1-2所示。4-1-22、压力传感器

（1）、电阻式压力传感器电阻式压力传感器结构和工作原理如图4-1-3所示。

（2）、金属应变片式压力传感器金属应变片式压力传感器原理如图4-1-4所示。

4-1-34-1-4（3）.电磁感应压力检测器如图4-1-5所示

图4-1-5电磁感应压力传感器原理图

3液位传感器（1）.变浮力式液位传感器如图4-1-6所示

图4-1-6变浮力液位传感器原理图（2）.吹气式液位传感器如图4-1-7所示

图4-1-7吹气式液位传感器

4.流量传感器（1）.容积式流量传感器如图4-1-8所示容积式容量传感器主要用来检测油和水的流量，它由检测齿轮1、转轴2、永久磁铁3和干簧继电器4组成，如图4-1-8所示。当流体自下向上流过时，由于磨擦力存在，因此有压力损失，使进口流体压力p1大于出口流体压力p2，检测齿轮在压力差的作用下，产生作用力矩而转动，通过的流量越大，齿轮转速越快。齿轮转动经轴2上端的永久磁铁3来驱动干簧继电器4，使其触点闭合与断开，从而输出反映流量大小的电脉冲信号。

图4-1-8容积式流量传感器原理图

（

2）、电磁式流量传感器

电磁式流量传感器是根据电磁感应原理来检测流量的，所以只适用于测量导体电液体的流量。它主要由一对磁极、一对电极和检测放大电路组成，如图5-2-9所示。一对磁极置于管道两测，以产生一磁场，导电液体在磁场中垂直于磁通方向流动时，切割磁力线，于是在两个电极上产生感应电势，其电势的大小与液体的体积流量成比例，感应电势经放大后输出。图4-1-9电磁式流量传感器（3）差压式流量传感器如图4-1-10所示

图4-1-10差压式流量传感器5.转速传感器（1）.测速发电机测速发电机有直流和交流两种形式。测速发电机测得的转速信号可送至转速表来指示主机的转速和转向,但作为控制系统中的转速反馈和转速逻辑鉴别信号,因不能使用电压,故必须经过整流把倒车负极性电压信号转换成正极性电压信号,如图4-1-11所示:图4-1-11整流后主、倒车转速对应的电压值1.测速发电机测速发电机利用导体切割磁力线所产生的感应电势与转速成比例的原理,把转速变换成相应的感应电势。U=K·n,式中k为比例系数。U的大小反映了主机转速的高低，U的极性反映了主机的转向。（2）交流测速发电机由于直流发电机存在电刷等部件易引起故障，故在新型船舶中多采用交流测速发电机。其电压信号是交变的，需要对它进行相敏整流、滤波后变成直流电压信号。测速发电机测得的转速信号可送至转速表来指示主机的转速和转向，但作为控制系统中的转速反馈和转速逻辑鉴别信号，因不能使用负电压的转速信号，故必须经过整流把倒车负极性电压信号转换成正极性电压信号，如图4-1-11所示。

图4-1-11整流后主、倒车转速对应的电压值

（2）、磁脉冲式转速传感器磁脉冲式转速传感器的磁头结构原理图如图4-1-12所示。磁头是产生脉冲信号的部件，它由永久磁铁1、软磁芯2、线圈3及非导磁性外壳4组成。脉冲频率可表示为：式中，f为脉冲频率，Z为齿轮的齿数，n为转速。当齿轮的齿数等于60时，f=n。因此，可用脉冲频率来表示转速的高低，脉冲频率越高则转速越高。磁头所输出的感应电势脉冲信号较弱，其波形也不理想，所以要把脉冲信号送入整形放大电路，使其转换成同频率的有较大幅值的矩形波。然后，把矩形波送入频率/电压转换电路变换成电压信号，该电压信图4-1-12磁脉冲传感器结构原理图号的大小反映了转速的高低。为了检测主机的转向，需安装两个磁头，且它们之间错位1/4齿距，使两个磁头所产生的脉冲信号在相应位上相差1/4周期。这两个磁头输出的脉冲信号经整形放大后分别送至D触发器的D端和CP端，由其输出端Q是1或0来判断主机正转或反转，其原理图如图4-1-13所示。当齿轮正车方向转动时，D触发器D端的正脉冲总比CP端超前1/4周期，即CP端在脉冲上升沿时，D端总是1信号，所以输出端Q保持1信号，表示主机在正车方向运转。当齿轮倒车方向转动时，D触发器CP端的正脉冲总比D端超前1/4周期，即CP端在脉冲上升沿时，D端总是0信号，所以输出端Q保持0信号,而端保持1信号，表示主机在倒车运转。图4-1-13磁脉冲传感器检测主机转向的原理图6.转矩传感器如图4-1-14所示:图4-1-14相位差式扭矩传感器二、变送器1、变送器的构成原理（1）.变送器构成原理如图4-2-1所示:

图4-2-1变送器的组成框图（2）.变送器的零点调整、量程调整和零点迁移1).零点调整零点调整的目的,是使变送器输出信号的下限值ymin与测量信号的下限值xmin相对应。零点调整的方法是在负反馈放大器的输入端加上一个零点调整信号z0,参见图4-2-1。只要调整的大小,总可以使得当x=xmin时y=ymin。2).量程调整量程调整的目的是使变送器的输出信号的上限值ymin与测量范围的上限值相对应。量程调整的方法,通常是改变反馈部分的反馈系数F。F越大,量程就越大;F越小,量程就越小。有些变送器也可用改变测量转换部分的转换系数D来调整图4-2-2为变送器量程调整前后的输入输出特性。

图4-2-2变送器输入输出特性图

3)零点迁移如图4-2-3、4-2-4所示

图4-2-3变送器量程调整前后的输入输出特性图图4-2-4变送器零点迁移前后的输入输出特性图作用：测量被控量，并把被控量的变化量按比例的转变成标准信号，输出至调节器和显示仪表。气动标准信号：19.6KPa~98.1Kpa0.02MPa~0.1Mpa0.2kg/cm2~1.0kg/cm22.气动差压变送器1）测量部分—把被控量变化转换为轴向推力。△p→q测＝△p·F膜（1）.气动差压变送器的结构和工作原理图4-2-5气动差压变送器结构原理图1-气动功率放大器;2,11-锁紧螺母;3-调零螺钉;4-顶杆;5-顶针架;6-喷嘴;7挡板;8-调零、迁移弹簧;9-主杠杆;10-反馈波纹管;12-静压误差调整螺母;13-弹性支点;14-支架;15-正压室;16-测量膜盒;17-负压室;18-锁紧螺母;19-底板图4-2-6测量部分结构原理图1-基体;2-基座;3-金属片;4-硬芯;5-单向过载保护圈;6、9-主杠杆;7-密封圈;8-弹性支点;10-弹簧片;11-硅油M测＝△p·F膜·l1M反＝p出·F波·l2M测＝M反2）气动转换部分—把测量部分输出的轴向推力转换成标准的气压信号作为差压变送器的输出。（1）.气动差压变送器的结构和工作原理图4-2-7单杠杆差压变送器原理图在K单中，F膜、F波和l1都是固定不变的，唯一可调的是l2。↑反馈波纹管→l2↑→

K单↓→

量程

↑；↓反馈波纹管→l2↓→

K单↑→

量程

↓。要得到较大的量程，就必然使l2增长。为不使变送器体积过于庞大，将大量程变送器制作成双杠杆式变送器。（1）.气动差压变送器的结构和工作原理△p·F膜·l1＝q反·l2M测＝M反q'反·l4=p出·F波·l3（1）.气动差压变送器的结构和工作原理2）气动转换部分（双杠杆）3）差压变送器调零和调量程假定⊿p的最大变化范围是0～1000mmH201.让正负压室均通大气，使⊿p=0，观察变送器输出压力是否为0.02MPa，若不是，拧动迁移（调零）弹簧，使p出=0.02M