教案8(船用自动检测传感器)

一、船用温度传感器二、船用压力传感器三、船用液位传感器课题八、船用自动检测传感器传感器是船舶机舱监测报警系统的信号探测器。通常散装在机舱中各种机器上．来监测各机器设备的运行状态。因此传感器是监测报警系统的最重要元件之一。一般来说传感器是由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成。敏感元件是泛指能直接感受、获取被被测量量并能输出与被测量有确定函数关系的其他物理量的元件，它是整个传感器的核心元件；转换元件的作用是把输人非电量转换成与输入有确定关系的其他物理量的输出，它是传感器不可缺少的重要组成部分；测量电路的作用是把转换元件（或敏感元件）输出的电信导转换成便于测量、显示、记录、控制和处理的电信号再输出。船用的参数有：压力、温度、流量、液位和转速等。传感器有各种输出形式以适应各种用途。一、温度传感器一、温度传感器1、热电阻温度传感器

热电阻＝电阻体（最主要部分）＋绝缘套管＋接线盒 作为热电阻的材料要求： 电阻温度系数要大，以提高热电阻的灵敏度； 电阻率尽可能大，以便减小电阻体尺寸； 热容量要小，以便提高热电阻的响应速度； 在测量范围内，应具有稳定的物理和化学性能； 电阻与温度的关系最好接近于线性； 应有良好的可加工性，且价格便宜。 使用最广泛的热电阻材料是铂和铜①铂热电阻 主要作为标准电阻温度计，广泛应用于温度基准、标准的传递。②铜热电阻 测量精度要求不高且温度较低的场合，测量范围一般为―50～150℃。⑴铂热电阻（目前最好材料）长时间稳定的复现性可达10-4K，是目前测温复现性最好的一种温度计。铂电阻的精度与铂的提纯程度有关

百度电阻比W（100）越高，表示铂丝纯度越高，国际实用温标规定，作为基准器的铂电阻，W（100）≥1.3925目前技术水平已达到W（100）＝1.3930，工业用铂电阻的纯度W（100）为1.387～1.390。

⑵铜热电阻应用：测量精度要求不高且温度较低的场合 测量范围：―50～150℃优点： 温度范围内线性关系好，灵敏度比铂电阻高，容易提纯、加工，价格便宜，复制性能好。缺点： 易于氧化，一般只用于150℃以下的低温测量和没有水分及无侵蚀性介质的温度测量。 与铂相比，铜的电阻率低，所以铜电阻的体积较大。铜电阻的阻值与温度之间的关系为工业上使用的标准化铜热电阻的R0按国内统一设计取50Ω和100Ω两种，分度号分别为Cu50和Cu100，相应的分度表可查阅相关资料。（3）热电阻的结构普通工业用热电阻式温度传感器铜热电阻结构示意图铂热电阻结构示意图（1）WZ系列装配式热电阻装配式热电阻温度传感器与显示仪表配套，测量-200℃~600℃范围内的液体、气体介质以及固体表面等的温度，广泛用于石油、化工、机械、冶金、电力、轻纺、食品、原子能、宇航等工

业部门和科技领域。

装配式热电阻通常由感温元件、安装固定装置和接线盒等主要部件组成。（2）铠装热电阻铠装热电阻温度传感器通常和显示仪表、记录仪表、电子计算机等配套使用。直接测量各种生产过程中的-200℃～500℃范围内液体，蒸汽和气体介质以及固体表面温度。特点热响应时间少，减小动态误差；

直径小，长度不受限制；

测量精度高；

进口薄膜电阻元件，性能可靠稳定；（3）防爆热电阻通常和显示仪表、记录仪表、电子计算机等配套使用。直接测量生产现场存在碳氢化合物等爆炸的0～500℃范围内液体、蒸汽和气体介质以及固体表面温度。特点

压簧式感温元件，抗振性能好；

测量范围大；

毋须补偿导线，节省费用；

进口薄膜电阻元件，性能可靠稳定。工作原理

防爆热电阻利用间隙隔爆原理，设计具有足够强度的接线盒等部件，将所有会产生火花、电弧和危险温度的零部件都密封在接线盒腔内，当腔内发生爆炸时，能通过接合面间隙熄火和冷却，使爆炸后的火焰和温度传不到腔外，从而进行测温。（4）轴承热电阻应用合于电厂带有轴承设备的轴承及其它须防震场合测温。（5）隔爆铂电阻工业用隔爆铂电阻是一种温度传感器。在工业自控系统中应用极广，通过温度传感器，可将控制对象的温度参数变成电信号,传递给显示、记录和调节仪表,对系统实行检测、调节和控制。

在化工厂、生产现场常伴有各种易燃、易爆等化学气体、蒸气，如果使用普通的铂电阻非常不安全，极易引起环境气体爆炸。因此，在这些场合必须使用隔爆热电偶作温度传感器。原理结构

隔爆热电阻和装配式热电阻的结构、原理基本相同，所区别的是，隔爆产品的接线盒（外壳）在设计上采用防爆特殊的结构，接线盒用高强度铝合金压铸而成，并具有足够的内部空间、壁厚和机械强度，橡胶密封圈的热稳定性符合国家防爆标准。所以，当接线盒内部的爆炸性混合气体发生爆炸时，其内压不会破坏接线盒，而由此产生的热能不能向外扩散传爆。（6）高精度温度传感器高精度温度传感器其形为薄膜铂电阻，是用真空沉积的薄膜技术把膜溅射在陶瓷基片上。膜厚在2um以内，用玻璃烧结料把Ni（或Pd）引线固定，经激光调阻制成的薄膜元件。2、半导体热敏电阻利用半导体的电阻值随温度显著变化的特性制成由金属氧化物和化合物按不同的配方比例烧结优点：

(1)热敏电阻的温度系数比金属大（4～9倍）

(2)电阻率大，体积小，热惯性小，适于测量点温、表面温度及快速变化的温度。

(3)结构简单、机械性能好。缺点：线性度较差，复现性和互换性较差。热敏电阻分类：正温度系数(PTC)负温度系数(NTC)临界温度系数(CTR)热敏电阻典型特性

PTC热敏电阻－正温度系数钛酸钡掺合稀土元素烧结而成用途：彩电消磁，各种电器设备的过热保护，发热源的定温控制，限流元件。

CTR热敏电阻－负温度系数 以三氧化二钒与钡、硅等氧化物，在磷、硅氧化物的弱还原气氛中混合烧结而成用途：温度开关。

NTC热敏电阻－很高的负电阻温度系数 主要由Mn、Co、Ni、Fe、Cu等过渡金属氧化物混合烧结而成应用：点温、表面温度、温差、温场等测量自动控制及电子线路的热补偿线路（1）智能型PTC热敏电阻智能型PTC热敏电阻是由一个PTC热敏电阻Rt和一个压敏电阻Rv串联而成的复合元件。启动时，电压高于Rv压敏电压，Rv处于导通状态，其预热启动过程基本是由Rt来独立完成的。灯管启动点亮处于正常工作状态后，Rv端电压迅速降低到其压敏电压以下，Rv跃居高阻态，断开Rt，从而使零功耗，零温升预热启动得以实现。

（2）有机高分子PTC热敏电阻有机PTC是由聚合物与导电粒子等所构成,在经过特殊加工后,导电粒子在聚合物中构成链状导电通路。当正常工作电流通过时，有机PTC呈低阻状态；当电路中有异常过电流通过时，大电流产生的热量使聚合物迅速膨胀，切断导电粒子构成的导电通路，有机PTC呈高阻状态;当电路中过电流消失后，聚合物冷却，体积恢复正常，其中导电粒子又重新构成导电通路，有机PTC又呈低阻状态。故有机PTC又俗称自复保险丝。

（3）玻璃型NTC热敏电阻耐温可达到300度，感温精确主要应用：家用电器，如空调，微波炉，电磁炉等。（4）NTC温度补偿型热敏电阻

特点：体积小，阻值范围宽，响应速度快主要应用：家用电器等（5）MF52E型热敏电阻器特点：环氧封装、小型化、高精度可靠性高、响应时间快应用范围：充电电池、充电器、电子体温计、微波治疗仪、温控仪表、电子盥洗设备。（6）NTC功率型热敏电阻使用在开关电源、电机、变压器等设备，开机瞬间具有很高的浪涌电流，部分元件可能因此而损伤甚至失效，在电路中串入MF71型NTC热敏电阻器，可就以用很低的成本有效抑制浪涌电流。开机瞬间，热敏电阻处于“冷”态具有较高的阻值，对浪涌电流进行有效抑制。随后由于负载电流的作用使热敏电阻自身发热，阻值骤降10～100倍，消耗功率减少。当下次开机时，热敏电阻器又自恢复成“冷态”，重复上述过程。3、热电偶热电偶是把两种不同的金属一端焊接在一起放在被测量处，另一端两根开口称为“参比端”，放在外面，接电压表。当测量端与参比端的温度不一样，即存在温差，参比端两金属端产生电势，电势因热产生称为热电势。柴油机排气温度采用热电偶。热电极和金属线外用绝缘套管包覆，再加金属保护管保护伸入测量处。接线端有接线盒封闭，电缆从填料函进入，打开接线盒盖接线。热电偶传感器和热电阻传感器传递出的是对应温度变化的模拟量。可以用来显示测量点的温度，也可以用来检测某一设定的限值。两种不同的导体或半导体A和B组合成如图所示闭合回路，若导体A和B的连接处温度不同（设T＞T0），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。这种现象早在1821年首先由西拜克（See－back）发现,所以又称西拜克效应。热电偶原理图TT0AB(1)热电偶的工作原理回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部分组成，即温差电势和接触电势。热端冷端①

普通型装配式结构（a）1—接线柱；2—接线座；3—绝缘套管；4—热电极（b）1—测量端；2—热电极；3绝缘套管；4—保护管；5—接线盒②柔性安装型铠装结构测量端的热容量小，响应速度快，绕性好，可弯曲，可以安装在狭窄或结构复杂的测量场合，耐压、耐振、耐冲击③热电偶安装注意事项1.插入深度要求 测量端应有足够的插入深度，应使保护套管的测量端超过管道中心线5~10mm。2.注意保温 为防止传导散热产生测温附加误差，保护套管露在设备外部的长度应尽量短，并加保温层。3.防止变形 应尽量垂直安装。在有流速的管道中必须倾斜安装，若需水平安装时，则应有支架支撑。（1）装配热电偶工业用装配式热电偶作为测量温度的变送器通常和显示仪表、记录仪表和电子调节器配套使用.它可以直接测量各种生产过程中从0℃到1800℃范围的液体、蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。

（2）铠装热电偶铠装热电偶具有能弯曲、耐高压、热响应时间快和坚固耐用等许多优点，它和工业用装配式热电偶一样，作为测量温度的变送器，通常和显示仪表、记录仪表和电子调节器配套使用，同时亦可作为装配式热电偶的感温元件。它可以直接测量名种生产过程中从0~800℃范围内的液体、蒸汽和气体介质以及固体表面的温度。

铠装热电偶的工作原理是种不同成份的导体两端经焊接，形成回路，直接测温端叫工作端，接线端子端叫冷端，也称参比端。当工作端和参比端存在温差时，就会在回路中产生热电流，接上显示仪表，仪表上就会指示出热电偶所产生的热电动势的对应温度值。

铠装热电偶的热电动势将随着测量端温度升高而增长，热电动势的大小只和热电偶导体材质以及两端温差有关，和热电极的长度、直径无关

。

铠装热电偶的结构原理是是由导体、高绝缘氧化镁、不锈钢保护管，经多次一体拉制而成。铠装热电偶产品主要由接线盒、接线端子和铠装热电偶组成基本结构，并配以各种安装固定装置组成。

铠装热电偶分绝缘式和接壳式两种。（3）耐磨热电偶在某些特殊场合，如化工厂、冶炼厂、发电厂、水泥厂等，用普通热电偶、热电阻就极易损坏。因此，在这些场合就必须采用耐磨热电偶（阻）。该热电偶（阻）特别适用硫化床、磨煤机出口，一次，二次风煤及水泥行业测温。（4）防爆热电偶

工业用隔爆热电偶是一种温度传感器，在化学工业自控系统中应用极广，通过温度传感器，可将控制对象的温度参数变成电信号，传递给显示、记录和调节仪，对系统施行检测、调节和控制。

在化工厂，生产现场常伴有各种易燃、易爆等化学气体、蒸汽，如果使用普通的热电偶非常不安全，极易引起环境气体爆炸。因此，在这些场合必须使用隔爆热电偶作温度传感器。4、热膨胀式温度传感器玻璃液体温度计简称玻璃温度计，是一种直读式仪表。水银是玻璃温度计最常用的液体，其凝固点为-38.9℃、测温上限为538℃。玻璃温度计特点：结构简单，制作容易，价格低廉，测温范围较广，安装使用方便，现场直接读数，一般无需能源，易破损，测温值难自动远传记录。WTG-100-CZ船用抗震水银压力式温度计1、使用前应进行校验(可以采用标准液温多支比较法进行校验或采用精度更高级的温度计校验)。2、不允许使用温度超过该种温度计的最大刻度值的测量值。3、温度计有热惯性，应在温度计达到稳定状态后读数。读数时应在温度凸形弯月面的最高切线方向读取，目光直视。4、水银温度计应与被测工质流动方向相垂直或呈倾斜状。5、水银温度计常常发生水银柱断裂的情况。二、压力传感器压力传感器的检测敏感元件主要是弹性元件，例如弹簧管、波纹管和膜片等。在压力的作用下弹性元件产生位移，再将位移转换成电信号。

1、常用压力检测仪表（1）弹性压力计

当被测压力作用于弹性元件时，弹性元件便产生相应的弹性变形(即机械位移)。根据变形量的大小，可以测得被测压力的数值。弹性压力计的组成环节如图所示:

弹性元件是核心部分，其作用是感受压力并产生弹性变形，弹性元件采用何种形式要根据测量要求选择和设计；在弹性元件与指示机构之间是变换放大机构，其作用是将弹性元件的变形进行变换和放大；指示机构(如指针与刻度标尺)用于给出压力示值；调整机构用于调整零点和量程。1、弹性元件

同样的压力下，不同结构、不同材料的弹性元件会产生不同的弹性变形。常用的弹性元件有弹簧管、波纹管、薄膜等，如表3-2所示。其中波纹膜片和波纹管多用于微压和低压测量；单圈和多圈弹簧管可用于高、中、低压或真空度的测量。类别名称示意图压力测量范围kPa输出特性动态性质最小最大时间常数/s自振频率/Hz薄膜式平薄膜0～100～10510-5～10-210～104波纹膜0～10-30～10310-2～10-110～102挠性膜0～10-50～10210-2～11～102波纹管式波纹管0～10-30～10310-2～10-110～102弹簧管式单圈弹簧管0～10-10～106－102～103多圈弹簧管0～10-20～105－10～102

弹性元件常用的材料有铜合金、弹性合金、不锈钢等，各适用于不同的测压范围和被测介质。通过各种传动放大机构直接指示被测压力值。这类直读式测压仪表有弹簧管压力计、波纹管差压计、膜盒式压力计等。

2、压电式压力传感器 压电效应某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。压电材料受力变形，在表面产生电荷——正压电效应压电材料通电压，材料变形——逆压电效应压电材料压电晶体压电陶瓷石英晶体的压电机理分析石英的晶体结构为六方晶体系，化学式为SiO2。定义：x：两平行柱面内夹角等分线，垂直此轴压电效应最强。称为电轴。y：垂直于平行柱面，在电场作用下变形最大，称为机械轴。z：无压电效应，中心轴，也称光轴。它的介电常数和压电常数的温度稳定性很好；工作温度范围很宽；机械强度高，可承受108Pa的压力；在冲击作用下，漂移也很小；弹性系数较大。石英晶体优点：当石英晶体未受外力作用时,正、负离子正好分布在正六边形的顶角上,形成三个互成120°夹角的电偶极矩P1、P2、P3,P1+P2+P3=0,所以晶体表面不产生电荷,即呈中性。当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时,晶体沿x方向将产生压缩变形,正负电荷重心不再重合,在x轴的正方向出现正电荷,电偶极矩在y方向上的分量仍为零,不出现电荷.当晶体受到沿y轴方向的压力作用时,在x轴上出现电荷,它的极性为x轴正向为负电荷。在y轴方向上不出现电荷。如果沿z轴方向施加作用力,因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同,所以正负电荷重心保持重合,电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力,晶体不会产生压电效应。压电陶瓷压电晶体与压电陶瓷的比较：相同点：都是具有压电效应的压电材料。不同点：石英的优点是它的介电和压电常数的温度稳定性好，适合做工作温度范围很宽的传感器。极化后的压电陶瓷，当受外力变形后，由于电极矩的重新定位而产生电荷，压电陶瓷的压电系数是石英的几十倍甚至几百倍，但稳定性不如石英好，居里点也低。压电式传感器的等效电路压电式传感器是有源器件；聚集正负电荷的两表面够成电容。实际使用时还要考虑连接电缆的等效电容，后续电路中放大器的输入电阻，输入电容以及压电传感器的泄漏电阻。压电式传感器的特点：高阻抗，低能量。接入高输入阻抗前置放大器的作用：把传感器的高输出阻抗变换为低输出阻抗。压电式传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号。电压放大器电荷放大器3、电容式压力传感器 电容式压力传感器采用变电容测量原理，将由被测压力引起的弹性元件的位移变形转变为电容的变化，用测量电容的方法测出电容量，便可知道被测压力的大小。根据平行板电容器的电容量表达式

(3-9)

式中ε为电容极板间介质的介电常数；A为两平行板相对面积；d为两平行板间距。

由式(3-9)可知，改变A、d、其中任意一个参数都可以使电容量发生变化。

在实际测量中，大多采用保持其中两个参数不变，而仅改变A或d一个参数的方法，把参数的变化转换为电容量的变化。故有变极距式电容压力传感器和变面积式电容压力传感器。因此，电容量的变化与被测参数的大小成比例。①差动变极距式电容压力传感器

改变电容两平行板间距d的测量方式有较高的灵敏度，但当位移较大时非线性严重。采用差动电容法可以改善非线性、提高灵敏度、并可减小因ε受温度影响引起的不稳定性。若d从d0→d0-Δd,电容量C0→C0+ΔC,则有()当

时，变极距式电容传感器有近似线性关系，此时灵敏度为了获得高灵敏度，一般d0较小，但——d0过小易引起电容器击穿或短路，可放置高介电常数材料如云母片dgd0图5-4放置云母片的电容器一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在20～100pF之间,极板间距离在25～200μm的范围内,最大位移应小于间距的1/10,故在微位移测量中应用最广。对于云母，差动平板式电容传感器目的：提高灵敏度减小非线性误差非线性误差：灵敏度：②变面积式电容压力传感器 图所示为一种变面积式电容压力传感器。被测压力作用在金属膜片上，通过中心柱和支撑簧片，使可动电极随簧片中心位移而动作。可动电极与固定电极均是金属同心多层圆筒，断面呈梳齿形，其电容量由两电极交错重叠部分的面积所决定。固定电极与外壳之间绝缘，可动电极则与外壳导通。压力引起的极间电容变化由中心柱引至适当的变换器电路，转换成反映被测压力的标准电信号输出。变面积型电容传感器变面积型电容传感器图5-5

变面积型电容传感器原理图图5-6

电容式角位移传感器原理图（1）YC型船用压力表

YC型船用压力表适用于在船舶及相关设备上，除具有一般压力表性能外，还具有良好的耐震性能，特别适用于机械震动的船用条件下，测量对铜合金不起腐蚀作用，且不结晶，不沉淀的气体、液体等介质的压力。度盘是主刻度以及指针前端涂有搜是永久性的发光剂。

YC型船用压力表中的弹性敏感元件随着压力的变化而产生弹性变形。压力表是采用了弹簧管（波登管），膜片，膜盒以及波纹管等敏感元件并且按此分类的。我们所测量的压力一般看做是相对的压力。一般的相对点是选为大气压力的。弹性元件是在介质的压力作用下产生的弹性变形，通过了压力表的齿轮传动是机构放大，压力表会显示出相对于大气压的相对值（或高或低）。YC型船用压力表要定期进行检修维护：1、经过一段时间的使用与受压，压力表机芯难免会出现一些变形和磨损，压力表就会产生各种误差和故障。为了能够保证它原有的准确度而不使量值的传递失真，应该及时的更换，以确保指示正确、安全可靠。2、型船用压力表要定期进行清洗。这是因为压力表的内部不够清洁，就可能会增加各机件磨损，从而影响到它的正常工作，严重的会使压力表失灵、报废。3、在测压部位安装的压力表，根据JJG52-1999规定，它的检定周期一般不超过半年。4、测压部位介质波动大，使用频繁，准确度要求较高，以及对安全因素要求较严的，可按具体情况将检定周期适当缩短。