工业传感器原理与应用

工业传感器原理与应用第一页，共59页。三个阶段状态监测分析诊断决策处理信号采集、数据显示设备传感器分析处理、状态识别故障诊断、决策治理防治监护运行停机检修状态监测分析诊断决策处理巡回监测第二页，共59页。传感器的分类传感器的选用原则传感器的安装第三页，共59页。传感器的定义传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。物理量电量第四页，共59页。传感器的构成传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。dV第五页，共59页。按被测物理量分类机械量：长度,厚度位移,速度,加速度旋转角,转速,质量,重量,力压力,扭矩,风速,流速,流量;声音:声压,噪声温度:温度,热量,比热光谱：亮度，色彩第六页，共59页。按被测物理量分类机械量：长度,厚度位移,速度,加速度旋转角,转速,质量,重量,力压力,扭矩,风速,流速,流量;声音:声压,噪声温度:温度,热量,比热光谱：亮度，色彩安放在机场跑道上的麦克风阵列麦克风阵列第七页，共59页。按被测物理量分类机械量：长度,厚度位移,速度,加速度旋转角,转速,质量,重量,力压力,扭矩,风速,流速,流量;声音:声压,噪声温度:温度,热量,比热光谱：亮度，色彩等离子体激光器光导纤维样品光谱仪410415420425430435440

波长(nm)发射强度第八页，共59页。按信号变换特征分类能量转换型直接由被测对象输入能量使其工作.例如:热电偶温度计.能量控制型从外部供给能量，并由被测量控制外部供给能量的变化.例如:电阻应变片、ICP型加速度传感器按信号的输出方式分类模拟型传感器数字型传感器第九页，共59页。按敏感元件与被测对象的关系分类物性型依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.如:水银温度计.结构型依靠传感器结构参数的变化实现信号转变.例如:电容式和电感式传感器听筒的工作原理图第十页，共59页。传感器的分类传感器的选用原则传感器的安装第十一页，共59页。传感器的静态特性传感器的动态特性第十二页，共59页。静态测量：如果测量时，测试装置的输入、输出信号不随时间而变化。静态响应特性：静态测量时，测试装置表现出的响应特性，主要指标：灵敏度非线性度回程误差测量范围稳定性可靠性第十三页，共59页。灵敏度当测试装置的输入x有一增量△x,引起输出y发生相应变化△y时,定义:S=△y/△xyx△x△y第十四页，共59页。非线性度实际曲线与拟合直线的偏离程度就是非线性度。非线性度=B/A×100%yxB实际的拟合的A第十五页，共59页。回程误差在输入量由小增大和由大减小的测试过程中，测量得到的两条输出曲线之间差值最大的地方则为hmax，则定义回程误差为:(hmax/A)×100%yxhmaxA第十六页，共59页。精度用于评价测试装置产生的测量误差大小分辨力指能引起输出量发生变化时输入量的最小变化量，表明测试装置分辨输入量微小变化的能力测量范围指测试装置能正常测量最小输入量和最大输入量之间的范围。第十七页，共59页。传感器的静态特性灵敏度精度非线性度回程误差分辩力测量范围x△x△yxBAyxhmaxAyyx~yy

~y*第十八页，共59页。传感器的静态特性传感器的动态特性第十九页，共59页。频率响应特性：频率响应通过输入信号与测量所得信号之间的关系对于一个已知的包含所有频率的输入信号，在理想情况下，其曲线应该是平直的实际上存在一个低频限制，在某个频率范围内响应曲线为平滑曲线，而在高频区域，响应线会出现下滑第二十页，共59页。频率响应特性如果分析数据的频率不在“线性区域”内，就可能会遇到一些不该出现的重复性、精确度和相位漂移方面的问题备注：测量冲击脉冲（SPM）、共振解调等方法时，应使用在传感器线性范围外的高频数据第二十一页，共59页。选用原则根据测量对象与测量环境确定传感器的类型

传感器的量程：测量范围传感器的体积：被测位置对传感器体积的要求测量方式：接触式、非接触式工作温度：常温、高温电源供电方式：有源、无源信号引出方式：有线、无线传感器的来源：国产、进口（价格因素）

工业传感器第二十二页，共59页。灵敏度精度非线性度回程误差分辩力测量范围(线性范围)体积测量方式信号引出方式……传感器的分类传感器的选用原则传感器的安装第二十三页，共59页。不同监测方法在设备状态劣化过程中的灵敏度第二十四页，共59页。

位移是质量块在运动过程中离开平衡位置的距离振动速度是质量块在振荡过程中运动快慢的度量振动加速度是振动速度的变化率第二十五页，共59页。振动位移(Displacement)速度(Velocity)加速度(Acceleration)

振动位移、速度、加速度之间的关系

位移、速度、加速度都是同频率的简谐波。三者的幅值相应为A、A、A2。相位关系：加速度领先速度90º;速度领先位移90º。第二十六页，共59页。位移/速度/加速度和转速的关系位移转速速度转速加速度位移：相同能量值情况下，转速越高，故障越严重速度：相同能量值情况下，不受转速的影响加速度：相同能量值情况下，转速越低，故障越严重第二十七页，共59页。选择不同监测量的标准是什么？第二十八页，共59页。第二十九页，共59页。振动加速度的测量传感器电信号非电量压电式加速度传感器加速度a电荷Q、电压V，电流I压电传感器电信号非电量加速度a电荷Q压电效应非电量力F=ma线性变换第三十页，共59页。压电效应某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形内部会产生极化现象，在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。外力去掉后，会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。压电材料石英晶体、压电陶瓷第三十一页，共59页。石英晶体Z轴：光轴，光线沿z轴通过晶体，不产生折射，沿z轴方向作用力，不产生压电效应X轴：电轴，Y轴：机械轴，力轴光轴电轴机械轴第三十二页，共59页。石英晶体的压电效应第三十三页，共59页。石英晶体的压电效应机理在无外力作用时，硅离子所带的正电荷等效中心与氧离子所带负电荷的等效中心是重合的，整个晶胞不呈现带电现象。1——正电荷等效中心，2——负电荷等效中心。第三十四页，共59页。石英晶体压电效应的机理当晶体的机械轴方向受到压力时，产生晶格变形O2-的负电荷中心上移，在上表面产生负电荷，Si+的正电荷中心下移，在下表面产生正电荷。1——正电荷等效中心，2——负电荷等效中心。第三十五页，共59页。石英晶体压电效应的机理1——正电荷等效中心，2——负电荷等效中心。当晶体的电轴方向受到压力时，也会产生晶格变形，Si+的正电荷中心上移，上表面产生正电荷O2-的负电荷中心下移，下表面产生负电荷。第三十六页，共59页。压电式加速度传感器压电式加速度传感器：以压电效应作为机电变换器而制成的加速度传感器。

传感器结构图1—基座2—引出电极3—压电晶片4—质量块5—弹簧6—壳体7—固定螺孔第三十七页，共59页。压电加速度传感器的结构++++++++++++--------------预紧力可以增大刚度，提高动态响应范围温度的变化会对测量带来影响基座的变形会对测量带来影响第三十八页，共59页。压电加速度传感器的结构+++++++--------无预紧力，动态响应范围低环境温度变化主要以幅射方式使晶体产生热变形，变形方向与测量方向垂直基座的变形在支点附近被有效地抵消了第三十九页，共59页。压电加速度传感器的结构+++++-----+++++-----温度瞬变过程导致的变形方向与测量方向垂直基座的变形被支柱有效地吸收第四十页，共59页。如何提高传感器的灵敏度F=Ma从原理图可以看出，增加压力就可以增大晶体的电荷量。要增大压力，可以通过增加质量块的质量来实现。增大质量块加大质量块密度第四十一页，共59页。如何提高传感器的灵敏度压电片并联

两片压电片并联在一起可以增大输出电荷,提高灵敏度。Q//=2Q压电片串联

两片压电片串联在一起可以增大输出电压,总电荷量不变。Q//=QU//=2U注：并联连接：适用于测量缓变信号和以电荷为输出的场合。串联连接：适用于要求以电压为输出的场合。

第四十二页，共59页。压电式加速度传感器的测量压电式传感器可以看作一个电荷发生器。同时，它也是一个电容器，晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质等效于一种介质若要减少电荷泄露，测量电路需要有很高的输入阻抗压电式传感器适用于静态测量或准静态测量吗？第四十三页，共59页。概述正确安装传感器，对于获取正确的测量结果是非常重要的永久式传感器的安装便携式传感器的安装振动传感器安装注意事项选择的安装位置必须能够保证使用数据采集器时的工作安全在振源和传感器之间必须要有一个良好的机械传输路径，传感器安装时应选择振源和传感器间的最短路径确保没有将传感器安装到自身会受到机器振动激励的部件上，如：风扇罩、联轴器防护盖等不宜放置传感器的部件

工业传感器第四十四页，共59页。1234检测轴承的振动，传感器安装在什么位置合适？测量径向振动，在承载区最合适测量轴向振动，路径最短最合适××？第四十五页，共59页。如何正确安装传感器传感器必须直接与机器的表面相接触，传感器与设备的连接越可靠，测量结果越准确机器表面必须保持光滑和平坦，不能有油漆、铁锈或粗砂，否则会严重影响传感器的频率响应常规的便携式安装时，传感器被暂时安装在设备表面；进行连续监控时，传感器则是永久式安装安装方式螺栓连接焊接磁座粘接

工业传感器第四十六页，共59页。暂时安装所使用的方法应具有良好的可重复性振动探针磁铁快速连接装置振动探针安装仅用于难以接近的测点和铝制表面，不能测量低于10HZ的振动，共振频率范围800-1500HZ工业传感器

传感器的安装第四十七页，共59页。磁铁固定可以在有微小曲面的机器表面安装机器表面和磁性必须保持清洁和良好的维护，所有沙粒、金属颗粒、毛刺都必须去除黄油、蜂蜡等耦合剂经常与有平坦底部的磁体一起使用注意磁铁安装座具有很强的磁性，当把它安装到机器上时，应先放在设备的边缘上然后慢慢移动到目标位置，否则由于巨大的磁性冲击力作用可能会导致传感器的损坏分类两极磁铁：用于不规则表面或曲面平面磁铁：用于平坦表面工业传感器

传感器的安装？第四十八页，共59页。永久螺栓固定通过在设备外壳上钻螺纹孔，用双头螺栓与设备直接连接，能获得最高的频率范围可以用环氧树脂粘合垫子来代替钻孔，将传感器安装到垫子上，如果安装合理的话，也能达到接近双头螺栓安装的效果工业传感器

传感器的安装双头螺栓固定粘合垫子第四十九页，共59页。安装方式目前最好的安装方式采用双头螺栓直接将传感器与机器表面连接起来，其它安装方式会引入安装共振。工业传感器

传感器的安装第五十页，共59页。传感器类型的选择传感器安装位置的选择传感器安装方式的选择测量系统的抗干扰设计第五十一页，共59页。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。测量系统电磁干扰信道干扰电源干扰第五十二页，共59页。电磁干扰干扰以电磁波辐射方式经空间串入测量系统良好的屏蔽及正确的接地可去除大部分的电磁波干扰信道干扰测量电路中的信号多用电缆进行传输。当电缆抖动、弯折时，若在介质中产生机械力，就会引起压电效应干扰选用铠装电缆，在绝缘层的两侧涂有石墨，去除感应电荷电源