船舶机舱自动化3.1 常用传感器

第3章船舶监视报警系统3.1常用传感器

（1）定义：传感器又称换能器或变换器，根据中华人民共和国国家标准(GB7665-87)，传感器（transducer/sensor）是指：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。（2）组成：传感器一般由敏感元件和转换元件组成。敏感元件(sensingelement)传感器中能直接感受（或响应）被测量的部分。转换元件(transduction)指传感器中能将敏感元件感受（或响应）的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。举例：应变式压力传感器的弹性膜片就是敏感元件，作用是将压力转换成弹性膜片的变形；应变片就是转换元件，作用是将弹性膜片的变形转换成电阻值的变化。注意：并不是所有的传感器都必须含有敏感元件和转换元件。如果敏感元件直接输出的是电信号，它就同时兼为转换元件，如压电传感器、热电偶、热敏电阻、光电器件等。（3）作用：传感器是实现监测与自动控制的首要环节，如果没有传感器对原始信息进行准确可靠的捕获和转换，一切准确的监测和控制将无法实现。

传感器在船舶上的应用十分广泛，船舶设备的正常运行、船舶航行等都离不开传感器，如机舱内各种设备运行的温度、压力、液位、转速、流量、黏度等信号都是通过不同的传感器获得的。3.1.1传感器的分类及静态参数（1）分类一种传感器可用来测量多种被测量，例如热电阻传感器的电阻值随着温度变化而变化，因而可以用它来测量温度；气体的压力和流速会影响到散热效果进而影响到温度，因此热电阻传感器还可用来测量气体压力、流量乃至气体含量等。一种被测量也可用多种不同的传感器来测量，例如温度可以用热电阻传感器、热电偶传感器、压力传感器等方法测量。1）按工作原理分类序号工作原理序号工作原理1电阻式8光电式(包括红外式、光纤式)2电感式9谐振式3电容式10超声式4阻抗式(电涡流式)11霍尔式(电磁式)5磁电式12同位素式表3-l按工作原理分类举例：电感式传感器是根据电磁感应原理将被测量如位移、压力、振动、流量等的变化转换成线圈自感系数L或互感系数M的变化，再经测量电路转换为相应电压或电流的变化量输出，从而实现非电量到电量的转换和测量。2）按能量的传递方式分类能量变换式传感器将非电能量转换为电能量，又称有源型传感器。传感器将从被测对象获取的信息能量直接转换成输出信号能量，主要由能量变换元件构成，不需要外电源。能量控制式传感器本身并不是一个换能器，在信息变化过程中，传感器将从被测对象获取的信息能量用于调制或控制外部激励源，使外部激励源的部分能量载运信息而形成输出信号。表3-2按能量传递方式分类能量变换能量控制(或调制)压电式、电动式、电磁式、热电偶、光电式、磁致伸缩式、电致伸缩式、静电式、电化学式电阻式、电容式、电感式、热敏电阻式、光敏电阻式、磁敏电阻式、湿敏电阻式、放射性吸收式、光游离式3）按被测物理量分类这种分类方法实际上是按传感器的用途分类，即将工作原理互不相同但作用相同的传感器归为一类。如温度传感器、压力传感器、转速传感器等。（2）传感器的静态参数测量信号（传感器所感受的信号）稳态信号(即不随时间变化或随时间变化极其缓慢)动态信号(即随时间迅速变化)传感器的特性与被测量的性质有关，当被测量处于不变或缓变情况下，输出与输入之间的关系称为传感器的静态特性；当被测量随时间变化时，输出与输入之间的关系称为传感器的动态特性。在生产实践和科学研究中，为了能够准确地测量被测量的信息，希望传感器能够按照确定的规律将输入的待测量转换为相应的电信号输出。因此，需要研究传感器的输出与输入之间的关系，即传感器的基本特性。冲击与振动传感器输入与输出相互作用稳定性(零漂)传感器温度供电各种干扰稳定性温漂分辨力电磁场线性滞后重复性灵敏度输入误差因素外界影响输出取决于传感器本身，通过传感器本身的改善来加以抑制，也可以对外界条件加以限制。衡量传感器特性的主要技术指标传感器的输入输出间绝对的线性关系是不存在的，大多数情况下都是非线性关系，只是局部近似线性，如图3-1所示。在非线性误差不太大的情况下，通常采用直线拟合的方法来线性化。

线性化方法：切线或割线拟合、过零旋转拟合、端点拟合、端点平移拟合、最小二乘法拟合（常用）等。

yyFS拟合直线实际关系曲线ΔymaxxFSx图3-1传感器的静态特性1）线性度（linearity）1）线性度（linearity）

线性度是用来表征传感器的输出与输入能否像理想系统那样保持比例关系（线性关系）的一种度量，又称线性误差，通常用相对误差来表示。Δymax—输出信号和输入信号（被测量）之间实际关系曲线与拟合直线之间的最大偏差量，即最大非线性误差。yF.S

—

理论满量程输出值（FullScale）。2）灵敏度（sensitivity）灵敏度表示传感器的输出增量Δy与输入变化量Δx之比。它是传感器在稳态输入-输出特性曲线上各点的斜率，常用Sn表示。

对于线性传感器，其灵敏度就是其静态特性曲线的斜率；对于非线性传感器，其灵敏度随输入量不同而变化，常用微分dy/dx来表示它在某工作点的灵敏度。在实际应用中，由于无源传感器的输出量与供给传感器的电源电压有关，其灵敏度的表示还可能包含电压因素。如某位移传感器，当电压为1V时，每1mm的位移变化引起输出电压变化100mV，其灵敏度Sn就表示为100[mV/(mm.V)]。分辨力是指传感器能够感知或检测到的被测量的最小变化量。传感器零点处的分辨力也称为阈值，即死区。3）分辨力（resolution）说明：1、分辨力—绝对数值，如0.01mm，0.1

mg；2、分辨率—相对数值：能检测的最小被测量的变换量相对于满量程的百分数，如：0.1

%，0.02%。重复性表示传感器在相同测量条件下，对同一被测量进行连续多次测量所得结果之间的一致性。实际特性曲线不重复的原因是多种多样的，如传感器的机械部分的磨损、间隙、振动、部件间的摩擦、积尘及辅助电路老化、漂移等。传感器的重复性是其随机误差的极限值，一般采用输出最大不重复误差ΔRmax与满量程输出yFS的百分比表示，即其反映的是测量结果偶然误差的大小。4）重复性（repeatability）15迟滞现象是反映传感器在正向(输入量增大)行程和反向(输入量减小)行程期问，输出输入特性曲线不重合的程度。正向行程输出yi与反向行程输出yd之间的差值叫滞环误差。迟滞常用最大滞环误差ΔHmax（正反行程校准曲线间最大差值）与满量程输出yFS之百分比表示，即5）迟滞（hysteresis）6）精确度（accuracy）传感器的精确度简称精度，与精密度和准确度有关。（1）精密度：说明传感器输出值的分散性，是随机误差大小的标志。精密度高，意味着随机误差小，但不一定准确度高。（2）准（正）确度：说明传感器输出值与真值的偏离程度，是系统误差大小的标志。准确度高意味着系统误差小；准确度高不一定精密度高。（3）精确度（精度）：它是精密度和准确度两者的总和，精确度高表示精密度、准确度都比较高。实测值真实值实测值真实值实测值真实值（a）精密度高，准确度低（b）精密度低，准确度高（c）精度高传感器的精度表示传感器在规定条件下允许的最大绝对误差相对于传感器满量程输出的百分比，可表示为：工程技术中为了简化传感器精度的表示方法，引用了精度等级的概念。精度等级以一系列标准百分数值分档表示，代表传感器测量的最大允许误差（相对误差）。我国电工仪表的精度等级分为0.1/0.2/0.5/1.0/1.5/2.5和5.0共七级，数字越小，仪表精确度越高。7）漂移（drift）漂移是指传感器在输入量不变的情况下，输出量随时间变化的现象；漂移将影响传感器的稳定性/可靠性。产生漂移的原因主要有两个：一是传感器自身结构参数发生老化，如零点漂移（简称零漂）；二是在测试过程中周围环境（如温度、湿度、压力等）发生变化，这种情况最常见的是温度漂移（简称温漂）。3.1.2变送器概念及标准信号类型传感器输出电信号形式、大小多样，不便于显示和处理，因此广义上的传感器还包含信号调理电路，使输出为规定的标准信号。这种包含了传感器和调节电路且能输出标准信号的装置称为变送器（transmitter）。传感器的组成温度变送器Pt100Pt100热电阻调理电路

按我国国家标准“过程控制系统用模拟信号”GB3369-2008和IEC60381的标准，通常的标准电信号（直流电流和直流电压）有4~20mA、0~5V、0~10V、1~5V,-10~+10V（双极性）等。当模拟信号需要传输较远的距离时，一般采用电流信号而不是电压信号，因为电流信号抗干扰能力强，信号线电阻不会导致信号损失。当模拟信号需要传输给多个仪器仪表或控制对象时，一般采用直流电压信号而不是直流电流信号。需要注意的是，直流电压传导只适用于传输距离较近的场合。对于采用4~20mA电流传输的系统，只需采用250Ω电阻就可将其变换为直流电压信号1~5V（常用的模拟信号形式之一），1V以下的电压值表示信号电路或供电有故障。随着工业控制网络和现场总线的发展，越来越多的变送器可输出数字信号，直接与通信总线相连。3.1.3温度传感器常见的温度传感器有两种，一是利用电阻随温度变化的特性制成的传感器叫热电阻传感器，如金属热电阻温度传感器；二是利用热电效应，即两种不同的金属导体在两个端点上相互接触，当其两个接点温度不同时，回路中就产生热电势，如热电偶。（1）热电阻温度传感器按热电阻的性质来分，可分为金属热电阻和半导体热电阻两种，前者通常称为热电阻，后者通常称为热敏电阻。热电阻温度传感器（ResistanceTemperatureDetectorRTD）是利用金属电阻阻值随温度变化的原理制成的。。热电阻通常和显示仪表、记录仪表以及电子调节器配套使用，它可以直接测量各种生产过程中-200~+850℃范围内的液体、蒸气、气体介质以及固体表面的温度。对用于制造热电阻材料的要求：电阻温度系数、电阻值要大，热容量要小；电阻值随温度的变化关系最好呈线性整个测温范围内应具有较稳定的物理、化学性质和良好的复制性；适合以上要求的材料有铂、铜、铁和镍等，目前工业上大量使用的材料为铂和铜，此外，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。目前最常见的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。

热电阻组成：感温元件、绝缘体、保护套管、接线盒。感温元件常用铜丝或铂丝均匀地双绕在绝缘材料制成的骨架上。1）铂电阻金属铂容易提纯，在氧化介质中其在高温下的物理化学性质都非常稳定，但在还原性介质中在高温下很容易被污染，并改变温度与电阻的关系。标准铂电阻温度计是作为复现国际温标的基准仪器（-259.34~+630.74℃）。铂电阻与温度的近似关系可用下式表示：式中

Rt—温度为t℃时的电阻值

R0—温度为0℃时的电阻值

A—常数，A=3.908×10-3/℃B—常数，B=-5.802×10-7/℃C—常数，C=-4.274×10-12/℃

要确定Rt—t的关系，首先应确定R0的大小，不同的R0，其Rt—t曲线不一样。Pt100表示R0（温度为0℃时的阻值）为100.00Ω。Pt100常用于检测船舶机舱内各种油、水温度等，如主机滑油进出口温度、冷却水温度、燃油温度等，温度范围是0~150℃。在此常见温度范围内，在100Ω的基础上可用增加1Ω对应2.5℃来粗略估计温度或阻值，以检查仪表是否正常。也有少数船舶上用Pt100来测量主机排烟温度。目前我国规定工业铂热电阻有R0=10Ω和R0=100Ω两种，并将Rt与温度t的关系统一列成表格，称为铂电阻的分度表。

R0=10Ω和R0=100Ω对应的分度号分别为Pt10和Pt100.

温度°C0123456789电阻值/Ω0100.000100.391100.781101.172101.562101.953102.343102.733103.123103.51310103.903104.292104.682105.071105.460105.849106.238106.627107.016107.40520107.794108.182108.570108.959109.347109.735110.123110.510110.898111.28630111.673112.060112.447112.835113.221113.608113.995114.382114.768115.15540115.541115.927116.313116.699117.085117.470117.856118.241118.627119.01250119.397119.782120.167120.552120.936121.321121.705122.090122.474122.85860123.242123.626124.009124.393124.777125.160125.543125.926126.309126.69270127.075127.458127.840128.223128.605128.987129.370129.752130.133130.51580130.897131.278131.660132.041132.422132.803133.184133.565133.946134.32690134.707135.087135.468135.848136.228136.608136.987137.367137.747138.126100138.506138.885139.264139.643140.022140.400140.779141.158141.536141.914铂电阻Pt100部分分度表(0-109℃)

2）铜电阻铂热电阻虽然优点多，但价格昂贵，在测量精度要求不高且温度较低的场合，铜热电阻得到广泛应用。铜加工提纯容易，价格便宜，电阻与温度呈线性关系，在低温范围内稳定性好。但其温度超过150℃后易被氧化而失去良好的线性特性。在-50～150℃温度范围，铜电阻与温度的关系近似可用下式表示：式中

Rt—温度为t℃时的电阻值

R0—温度为0℃时的电阻值

α=4.289×10-3/℃工业上用的铜电阻有两种，一种是R0=50Ω，对应的分度号为Cu50；另一种是R0=100Ω，对应的分度号为Cu100。铜热电阻的电阻温度系数较大、线性度好、价格便宜。但缺点是电阻率较低，要做成一定阻值时，铜电阻丝或者要细，导致机械强度不高；或者要长，导致体积大、热惯性大。稳定性较差，在100℃以上时容易氧化，因此只能用于低温及没有侵蚀性的介质中。

3）热电阻的测量电路热电阻的测量电路通常有3种连接方式，即两线制、三线制、四线制。

热电阻的阻值不高，工业用热电阻安装在生产现场，离控制室较远，因此，热电阻的引线电阻对测量结果有较大的影响。

2线制这种引线方式简单、费用低，适于引线不长、测温精度要求较低的场合。显然，导线电阻和导线电阻的变化会带来附加误差。

在热电阻根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线。热电阻3线制连接

电路中，图中Rt

为热电阻，其三根引出导线相同，阻值都是r。其中一根与电桥电源相串联，它对电桥的平衡没有影响；另外两根分别与电桥的相邻两臂串联，当电桥平衡时，可得3线制如果使R1=R2，此种接法导线电阻r对热电阻的测量毫无影响。3线制广泛用于工业测量，精度一般。4线制图中I为恒流源，测量仪表V一般用直流电位差计，热电阻上引出电阻值各为r1、r4

和r2、r3

的四根导线，分别接在电流和电压回路，电流导线上r1、r4

引起的电压降，不在测量范围内；而电压导线上虽有电阻但无电流（认为内阻无穷大，测量时没有电流流过电位差计），所以四根导线的电阻对测量都没有影响。实验室用，高精度测量①热电阻本身在测量时总要消耗一定的电流，产生热量，这必然会造成电阻值的变化。因此使用中应尽量减少自身热量的影响，通常流过的电流不得超过6mA。②实际应用时热电阻传感器通常安装在现场，而测量和显示装置离现场有一定的距离，中间导线电阻的影响不可忽视。例如Pt50，1Ω的导线电阻会导致5℃的误差，因此通常采用三线制或四线制的办法解决。③大量标准化的检测仪（如显示仪表、记录仪表、PLC和电子调节器等）配套使用热电阻传感器，虽然热电阻互换性较强，也应注意不同的分度号及其它要求。对于应用最广泛的三线制接法，在实际接线时，一定要注意标示为“B”的是补偿端，应引出2根线分别接到仪表的两个B端，否则无法消除引线误差。3）热电阻使用注意事项④为了减少电磁干扰，热电阻与仪表间通常是由带屏蔽线的电缆连接，注意一般情况下此种电缆的屏蔽线只是一端接地，以避免因地电位不同而影响测量结果。⑤为保证测量准确，测温电阻应与被测物体充分接触，并在其时间常数5~7倍后再开始测量，热电阻带有金属保护管时，要有足够的插入深度（气体介质25倍管径以上，液体15倍以上）。⑥引线和绝缘体表面上附着水滴或灰尘时，将使测量结果不稳定并产生误差，因此应注意热电阻的防护性能。

（2）热敏电阻温度传感器半导体热敏电阻种类繁多，样式各异。按阻值温度系数分：热敏电阻正温度系数PTC(PositiveTemperaturecoefficient)负温度系数NTC(NegativeTemperaturecoefficient)临界温度系数CTR(CriticalTemperatureResistor)热敏电阻测温优势：电阻温度系数大、灵敏度高；结构简单、体积小（测量点温）；热惯性小、响应速度快（适用于快速变化的测量场合）；寿命长；易于实现远距离测量。但互换性差；稳定性较差；非线性严重；不能在高温下使用。在机舱中常用于轴承的温度监测。

电阻/Ω温度℃04080120160200106104102100PTCCTRNTC三种热敏电阻的特性曲线PTC是电阻值随温度升高而增大的热敏电阻，主要用途是各种电器设备的过热保护、发热源的定温控制，限流元件等。电热毯、电蚊香加热盘就可采用PTC元件制成，具有自动恒温、限流、只发热不发火等特性。而NTC是电阻随温度升高而变小的热敏电阻，同时灵敏度也下降，所以只适用于-100~300℃之间的测温，同时也广泛用于自动控制及电子线路温度补偿线路中。CTR在某个温度上其电阻值急剧变化，主要用途是作为温度开关元件。热敏电阻的温度特性PTC，温度控制，限流元件；NTC，温度测量，补偿元件；CTR，温度开关元件热敏电阻的伏安特性当电流增大到一定值时，流过NTC热敏电阻的电流使之加热，本身温度升高，出现负阻特性。因电阻减小，即使电流增大，端电压反而下降。当电流和周围介质温度一定时，热敏电阻的电阻值取决于介质的流速、流量、密度等散热条件。根据这个原理可用它测量流体的流速和介质的密度。在稳态下，通过NTC热敏电阻的电流与其两端之间电压的关系，称为热敏电阻的伏安特性。由图可见，当流过热敏电阻的电流很小时，不足以使之加热，电阻值只决定于环境温度，伏安特性是直线，遵循欧姆定律，主要用来测温，电流不宜过大。热电偶是将温度量转换为电势大小的热电式传感器，可测温度范围100～l300℃。

在船上主机、副机的排烟温度通常就是用热电偶来检测得。

热电偶具有结构简单、使用方便、精度高、热惯性小、可测局部温度和便于远距离传送与集中检测、自动记录等特点。

（3）热电偶温度传感器热电效应

热电效应是在1823年由德国物理学家塞贝克发现的。

在两种不同的导体或半导体所组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中就会产生热电动势，这种现象称为热电效应。由两种导体的组合并将温度转换成热电势的传感器称为热电偶。把A和B导体称为热电极。两个结点，一个称为热端，又称为工作端；另一个称为冷端，又称为参考端。

热电偶产生的热电动势来源于两种导体的接触电动势（帕尔贴电动势）和单一导体的温差电动势（汤姆逊电动势）。帕尔贴效应（接触效应）原理：帕尔帖效应也称为接触效应。将相同温度的两种不同的金属材料互相接触，因为自由电子密度不同，在结点处就会发生电子扩散。+-+-+-AB接触电势

接触电势（帕尔贴电势，两种导体）设节点处温度为T时，导体A、B的接触电动势eAB(T)可用下式表示式中，k为玻耳兹曼常数(1.38×10-23J/K)；T为接触处的绝对温度；e为电子电量(1.60×10-19C)；nA、nB分别为A、B的自由电子密度。由于两种不同金属导体自由电子浓度不同，而在其接触处形成的电动势。

汤姆逊效应原理：对于单一导体，如果两端温度不同，在两端间会产生电动势，即单一导体的温差电动势，这是由于导体内自由电子在高温端具有较大的动能，因而向低温端扩散的结果。高温端因失去电子而带正电，低温端由于获得电子而带负电，在高低温端之间形成一个电位差。温差电势

温差电势（汤姆逊电势，单一导体）温差电动势的大小与导体的性质和两端的温差有关，可表示为式中eA（T,T0）——导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势；T、T0——导体A两端的绝对温度；σA——汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为1℃时所产生的温差电动势，例如在0℃时，铜的σ=2μV/℃。

综合上两式，得热电偶回路总热电势为：

接触电动势的数量级约为10-3～10-2V，温差电动势的数量级约为10-5V，因此热电偶回路的总电动势主要由接触电动势引起。由此可见，热电偶总电动势与两种材料的电子密度以及两接点的温度有关，可得出以下结论：1）如果构成热电偶的两个热电极为材料相同的均质导体，即σA=σB，nA=nB，则无论两结点温度如何，热电偶回路内的总热电动势为零。因此热电偶必须采用两种不同的材料作为热电极。2）如果热电偶两结点温度相等，即T=T0，则尽管导体A、B的材料不同，热电偶回路内的总电动势也为零。3）热电偶的热电动势与A、B材料的中间温度无关，只与结点温度有关。

中间温度定律

中间温度定律又称为传递性定律，指热电偶在接点温度T、T0时的热电势等于该热电偶在接点温度为T、Tc和Tc、T0时相应热电势的代数和，即应用：

中间温度定律是制定热电偶分度表的基础，所谓分度表就是热电偶冷端温度为0℃时，热电偶热端温度与输出热电动势之间的对应关系的表格。根据中间温度定律，自由端温度为T0时的热电动势可表示为：在利用热电偶测量温度时，只需要根据测得的eAB（T，T0）和从分度表查的eAB（T0，0）就可以推算出热端的实际温度T。

我国常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。

标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差，并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。

非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。热电偶的种类及分度按IEC国际标准主要有8种标准热电偶，表中是我国采用符合IEC标准的六种热电偶的主要性能和特点。工业上常用的四种标准化热电偶为B型、S型、K型和E型。

为了适应不同测量对象的测温条件和要求，热电偶的结构形式有按结构型式，热电偶一般可分为普通型、铠装型、表面型和快速型4种。①普通热电偶普通热电偶通常由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等几个主要部分组成，是工业上使用最多的热电偶。②铠装热电偶铠装热电偶是将热电极、绝缘材料和保护套管一起经过复合拉制而成的坚实组合体。铠装热电偶具有反应速度快，使用方便，可弯曲，气密性好，不怕振、耐高压等优点。普通热电偶

③表面热电偶表面热电偶通常利用真空镀膜法把两热敏材料蒸镀在绝缘基底上，专门用来测量物体表面的温度，其特点是反应速度极快、热惯性极小。④快速热电偶快速热电偶是测量高温熔融物体的一种专用热电偶，整个热电偶元件的尺寸很小，称为消耗式热电偶。表面型热电偶热电偶的补偿导线由于热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时），因此热电偶不宜做得太长，即热电偶的热端和冷端很可能相距较近，因此冷端温度不能固定且受热端及环境影响比较大。为了解决这个问题，通常采用专用导线把热电偶的冷端延伸到温度比较稳定的控制室内仪表端子上。这种导线叫补偿导线，它与所连接的热电偶具有相似的热电特性，本身又是廉价金属。补偿导线中间温度定律，只要热电偶和补偿导线的两个接触点温度一致，就不会影响热电动势的输出。

补偿导线作用(1)用廉价的补偿导线作为贵金属热电偶的延长导线，以节约贵金属热电偶；(2)将热电偶的参比端迁移至离被测对象较远且环境温度较恒定的地方，有利于参考端温度的修正和测量误差的减少；(3)用粗直径和导电系数大的补偿导线作为热电偶的延长线，可减小热电偶回路电阻，以利于动圈式仪表的正常工作。补偿导线的使用(1)各种补偿导线只能与相应型号的热电偶用；(2)使用时必须注意极性，切勿将其极性接反；(3)热电偶和补偿导线连接点的温度不能超过规定的使用温度范围,规定为0~100℃及0~150℃两种。

补偿导线类型配用热电偶的分度号补偿导线材料补偿导线颜色正极负极正极负极SCSSPC（铜）SNC（铜镍）红绿KCKKPC（铜）KNC（铜镍）红蓝KXKKPX（镍铬）KNX（铜硅）红黑EXEEPX（镍铬）ENX（铜镍）红综JXJJPX（铁）JNX（铜镍）红紫TXTTPX（铜）TNX（铜镍）红白注意：热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。表3-3常用补偿导线

由热电偶的测温原理可以知道，热电偶产生的热电动势大小与两端温度有关，热电偶的输出电动势只有在冷端温度不变的条件下，才与工作端温度成单值函数关系。而且热电偶的分度表都是冷端温度为0℃时测得的，只有冷端温度为0℃时才可查分度表从而得到热端温度。冷端温度补偿方法有如下几种：计算修正法

其基本原理是：在冷端设置另一种温度传感器（如Pt100），测出冷端的实际温度；测得热电偶的电势后，再根据热电偶的中间温度定律，e(T,0)=e(T,Tn)+e(Tn,0)，查分度表进行修正计算，就可得到实际温度。热电偶的冷端温度补偿

冷端恒温法T冰水溶液试管补偿导线热电偶mVBB'C'铜导线其它恒温器：将热电偶的冷端置于各种恒温器内，使其温度保持恒定，然后也要利用中间温度定律，查表修正后得到实际温度。恒温器可以是盛有变压器油（其热惰性性大）的容器，也可能是电加温的恒温器。冰点槽补偿方式0℃恒温器：将热电偶的冷端置于温度为0℃的恒温介质（如冰水混合物）中，如图所示。这种方法有其优缺点，通常用于实验室或科学研究中。

补偿电桥法补偿电桥自动补偿法也称电桥补偿法，它是在热电偶与仪表间加上一个补偿电桥，当热电偶冷端温度升高，导致回路总电动势降低时，这个电桥感受自由端温度的变化，产生一个电位差，其数值刚好与热电偶降低的电动势相同，两者互相补偿。这样，测量仪表上所测得的电动势将不随自由端温度而变化。自动补偿法解决了冷端温度校正法不适合连续测温的问题。①热电偶的分度号必须与要求相一致。②为减少电磁干扰，热电偶的安装位置应尽可能远离强电磁场，避开动力电缆。③在取出或插入热电偶时，注意不能急冷急热，防止保护管断裂。④应定期检查电极和保护管的状态，确保保护管表面洁净无腐蚀。定期检查密封，防止冷空气进入保护管而影响测量精度。⑤热电偶不能长期工作在最高允许温度，否则容易造成热电偶材质变化，引起过大的测量误差。⑥热电偶应定期校验以保证测量精度。热电偶的使用注意事项

（4）温度传感器的测试1）实效测试法实效测试法检测温度也是实验室常用的一种检测方法。温度的实效测试法要求配置必需的检测设备，如电热容器（俗称电热槽）、标准温度计等。在电热槽中盛以水或油，把温度计及被拆卸的温度传感器安装在电热槽内，逐步加温，并使电热槽内的温度比较均匀。加温到传感器输出信号达到报警值，读取报警时的温度值。另一方面读取标准温度计的读数，就可以对测试结果进行比较，得出准确结论。该方法适用于温度检测范围在0~800℃的任何模拟量和开关量传感器，对该检测通道的各相关功能环节均能进行有效的测试，但测试时间比较长，工作量比较大。2）直接测试法对于热电偶温度传感器，其输出信号为毫伏级电压信号，因此可直接用直流电位差计测量其各种温度下的输出电压，然后再与该型传感器的“温度一毫伏”特性曲线（分度表）进行比较，进而判断该传感器的测量是否准确。3）可变电阻或电位器的取代测试法对于Pt100温度传感器或热敏电阻温度传感器，可以采用替代的办法，即以可调电阻器来替代温度传感器，把原先接在Pt100的接线连到可调电阻器上去，然后根据电阻值与温度之间的对应关系作出记录，据此查看该通道的温度显示值，直至系统发出报警为止。然后通过查分度表作出测试结论，找出对应的报警温度准确值，并记入周期表中。4）暂时改变警报设定值的相对测试法在传感器进入正常状态以后，把传感器的报警设定值暂时调低(对高限报警)或暂时调高(对低限报警)，使系统发出报警信号，以试验报警系统的可靠性。但此法无法测得报警时的准确值，测试后务必把报警设定值调回到原先位置。5）开关量温度传感器的模拟测试法对于开关量传感器可以采取断开或短接温度开关线头，又或直接拨动温度开关使其发出报警信号，以试验传感器以外的测试通道是否正常。此法只是用于以上方法难于实现的场合。3.1.4压力传感器压力传感器在船舶上的应用十分广泛，机舱各种设备的油、水、气的压力检测都是通过压力传感器实现的。压力测量范围很宽，测量条件和精度要求各异，测量方法十分丰富，因此压力传感器的种类很多。

通常压力传感器可大致分成两类：一类是基于压力位移转换原理，压力经弹性元件转换成位移，在此基础上附加一些变换装置，把弹性元件的位移转换为某种电量的变化，如电位器式、电容式、电感式、霍尔式等；另一类是力敏元件制成的传感器，如压电式、应变式、压阻式、蓝宝石压力传感器等。（1）弹性测量元件弹性测压元件有膜片、膜盒、弹簧管、波纹管。XP膜片弹性元件压力-位移特性膜片特点：膜片一般用金属片(青铜或不锈钢)，也有用非金属材料的。为了使压力-位移特性的直线线性范围大，多在金属圆形膜片上压制出数个同心圆的波纹，使其工作压力达0.2MPa，位移极限±0.3mm。膜片主要用于低压测量、微压及粘滞性介质的压力测量。XP膜片弹性元件XP压力-位移特性XP膜盒弹性元件

膜盒特点：膜盒由两片带纹的金属膜片焊接在一起，用来增加膜片的中心位移，提高压力表的灵敏度，工作压力一般在0.02～0.1MPa。膜盒弹性元件压力-位移特性弹簧管弹性元件弹簧管特点：为了使自由端有较大位移，一般制成多圈弹簧管，适用于测量范围为0.6MPa以上。XP弹簧管弹性元件压力-位移特性波纹管弹性元件PXXP波纹管特点：波纹管是周围为波纹状的薄壁金属筒体。它的固定端通入被测压力P，在其作用下，波纹管变形伸长，其自由端则产生向外位移，适用于测量范围为0-0.3MPa。波纹管弹性元件压电式传感器以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，电介质的表面上产生电荷，从而实现力到电荷的转换。因此，压电式传感器可以测量那些最终能转换为力（动态）的物理量，如压力、应力、加速度、扭矩、位移、振动等。压电传感器由于具有灵敏度高、信噪比高、结构简单、体积小、重量轻、功耗小、寿命长、工作可靠等优点。（2）压电式传感器正压电效应（顺压电效应）：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，同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。电能机械能正压电效应逆压电效应具有压电效应的物体称为压电材料或压电元件，如天然的石英晶体，人工制造的压电陶瓷、锆钛酸铅等。利用压电效应很容易做成压电式压力传感器。压电材料产生的电荷很小，容易泄漏。一般应用电荷放大器放大后转换为电压或电流输出。压电式压力传感器在船上的应用可能有：柴油机示功器中的压力测量、进排气管的动态压力等。压电式压力传感器的主要特点是：①体积小、结构简单、重量轻、工作可靠、温度达250℃以上；②灵敏度高、线性度好，测量准确度多为0.5和1.0级；③测量范围宽，可测100MPa以下所有压力；④动态响应频带宽，可达30kHz，动态误差小；⑤电荷小，消失快，只能测动态和脉冲压力，不宜测量缓慢变化的压力；⑥压电式传感器是有源传感器，可避免外加电源带来的噪声；⑦压电元件内阻高，要求二次仪表的输入阻抗高；1）应变效应金属导体在外界力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，这种现象称为金属电阻的应变效应。2）应变式压力传感器通过金属电阻应变片将应变转换为电阻变化可以制成应变式压力传感器。金属应变片常见的有丝式、箔式、薄膜式三种，图中给出了丝式和箔式两种。材料有康铜、铜镍合金、镍铬合金、镍铬铝合金等。（3）应变式压力传感器应变式压力传感器的优点是：结构简单、使用方便、工艺成熟、价格便宜、性能稳定、可靠性高、测量速度快，适合动态和静态测量。但应变电阻易受温度影响，测量时需加以补偿修正。另外，由于应变片需粘贴在弹性元件上，那么可能会存在敏感层与基片形变传递、零点漂移、机械滞后、蠕变等问题。3）测量电路应变式压力传感器通常采用桥式测量电路。为了提高电压灵敏度，通常采用全桥式测量电路，即电桥中四个电阻均为应变电阻。而且应变电阻粘贴在不同部位，使得弹性元件受力时，分别感受横向和纵向的应变，形成差动输出。通常用半导体应变片做成压阻式压力传感器。半导体应变片有体型、薄膜型和扩散型三种。因硅的压阻效应较大，半导体材料常采用硅，故通常又称为硅压力传感器。（4）压阻式压力传感器半导体应变片有体型、薄膜型和扩散型三种。体型：需将其粘贴在弹性元件上，容易蠕变和断裂。薄膜型：利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带有绝缘层的试件上而制成的。薄膜压力传感器的敏感元件直接镀在弹性基片上，相对粘贴式而言，应变传递性能得到改善，几乎没有蠕变，具有稳定性好、可靠性高、成本低等优点。扩散型：P型杂质扩散到N型硅单晶体基底上，形成一层极薄的P型导电层，装上引线接点后，即形成扩散型半导体应变片。若在圆形硅膜片上扩散出四个P型电阻，构成惠斯登电桥的四个臂，这样的敏感器件通常称为固态压阻器件。其核心部分是一块圆形的单晶硅膜片，它既是力敏元件又是弹性元件。扩散型压阻式传感器膜片用硅环固定，将高低压腔分开。当膜片两端存在压差时，膜片产生应力和形变，从而使扩散阻值发生变化，电桥不平衡，产生不平衡电压输出。如果忽略材料几何尺寸对扩散电阻阻值的影响，则不平衡电压与膜片两边的压力差成正比。为了补偿温度效应的影响，一般还在膜片上沿对压力不敏感的径向生成电阻。优点：灵敏度高，比金属丝式高50~70倍、尺寸小，横向效应小，动态响应好、精度高、易于微型化和集成化等。缺点：温度系数大，应变时非线性比较严重，稳定性和可重复性不如金属应变片；温漂，温度过高失去压阻效应，一般不能超过150℃；温度补偿和线性补偿79通常用半导体应变片做成压阻式压力传感器。半导体应变片有体型、薄膜型和扩散型三种。因硅的压阻效应较大，半导体材料常采用硅，故通常又称为硅压力传感器。（5）霍尔式压力传感器半导体应变片有体型、薄膜型和扩散型三种。体型：需将其粘贴在弹性元件上，容易蠕变和断裂。薄膜型：利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带有绝缘层的试件上而制成的。薄膜压力传感器的敏感元件直接镀在弹性基片上，相对粘贴式而言，应变传递性能得到改善，几乎没有蠕变，具有稳定性好、可靠性高、成本低等优点。扩散型：P型杂质扩散到N型硅单晶体基底上，形成一层极薄的P型导电层，装上引线接点后，即形成扩散型半导体应变片。霍尔效应原理图

一块长为l、宽为b、厚为d的半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场(磁场方向垂直于薄片)中，当有电流I流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势UH。这种现象称为霍尔效应。霍尔式传感器是由霍尔元件所组成。（5）霍尔式压力传感器1）霍尔效应霍尔电动势UH可表示为：RH：霍尔系数，它反应了元件霍尔效应的强弱，是由元件本身的性质决定的。半导体材料锗、硅、锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs）、砷化镓（GaAs）等都可用来制作霍尔元件；kH：霍尔灵敏度，表征了一个霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电动势的大小，kH=-1/ned，与载流子浓度成反比。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，引出4根引线。1、1′两根引线加激励电压或电流，称为激励电极；2、2′引线为霍尔输出引线，称为霍尔电极。霍尔元件壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。在电路中霍尔元件可用两种符号表示。2）霍尔元件——由霍尔片、引线和壳体组成,如图所示。霍尔元件的外形、结构和电路符号线性集成电路：将霍尔元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便很多。较典型的线性霍尔器件如UGN3501等。霍尔元件的线性特性开关型霍尔集成电路：将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。外加磁场超过一定值时，OC门由高阻态变为导通状态；反之亦然。较典型的开关型霍尔器件如UGN3020等。霍尔电势是关于控制电流I和磁感应强度B的函数，即UH=KHIB，因此可形成三种应用方式。1.当输入电流恒定不变时，传感器的输出正比于磁感应强度凡是能转换为磁感应强度变化的物理量均可以进行测量和控制，如位移、角度、转速及加速度等。2.当磁感应强度恒定不变时，传感器的输出正比于电流的变化凡能转换为电流变化的物理量均可进行测量和控制。可组成微波电路中的环行器和隔离器等3.能转换为电流与磁感应强度乘积的物理量由于霍尔电势正比于电流与磁感应强度的乘积，所以凡是能转换为乘法的物理量都可以进行测量，如功率。3）霍尔传感器的应用及霍尔式压力传感器霍尔式压力传感器：如果再经过二次或多次转换，用于非磁量的测量，霍尔元件的应用领域就更广泛了，如转速、加速度、压力、振动、流量、液位等。例如通过测量弹性压力元件的位移来得到压力，实际上就是利用霍尔元件测量微位移。用霍尔元件测量位移有惯性小、频率响应快、工作可靠、寿命长等优点。（6）电感式压力传感器电感式压力传感器将因压力产生的位移变换为电感量的变化，从而测量压力。电感式传感器主要优有：结构简单、工作可靠；灵敏度高，能分辨0.01μm的位移变化；测量精度高、零点稳定、输出功率较大。主要缺点有：灵敏度、线性度和测量范围相互制约；传感器自身频率响应低，不适用于快速动态测量。电感式压力传感器是利用电感的电磁感应原理将被测的压力变化转换为线圈的自感系数L或互感系数M的变化，并通过测量电路将L或M的变化转换为电压或电流的变化，从而实现压力的测量。电感式自感式（利用自感原理）互感式（利用互感原理）电涡流式（利用涡流效应）1）电感式压力传感器的工作原理互感式电感传感器在实际应用中较多，它将被测量的变化转换为线圈互感系数的变化。变压器的初级线圈输入交流电压，次级线圈通常接成差动形式，故通常又称为差动变压器(LVDT，linearvariabledifferentialtransformer)式传感器。差动变压器电感式压力传感器的结构形式有变隙式、变面积式和螺线管式等，但它们的工作原理基本一样，都是基于线圈互感量的变化来进行测量的。实际应用最多的是螺线管式差动变压器，具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。

当初级绕组加以激励电压

时,根据变压器的工作原理,在两个次级绕组中便会产生感应电势

和

。如果工艺上保证变压器结构完全对称,则当活动衔铁处于初始平衡位置时,必然会使两互感系数M1=M2。根据电磁感应原理,将有。由于变压器两次级绕组反相串联,因而差动变压器输出电压为0（）。

当活动衔铁向上移动时，由于磁阻的影响，W2a中磁通将大于W2b，使M1>M2，因而

增加，而

减小。反之，

增加，

减小。因为，所以当

、

随着衔铁位移Δx变化时，也必将随Δx而变化。

当铁芯处于螺管中间时，接成差动形式的电桥输出电压不为零，而是一个很小的数值，这个值称为零点残余电压。零点残余电压零点残余电压形成的原因：传感器的两个二次绕组的电气参数与几何尺寸不对称，导致它们产生的感应电动势幅值不等、相位不同，构成了零点残余电压的基波；由于磁性材料磁化曲线的非线性（磁饱和、磁滞），产生了零点残余电压的谐波（主要是三次谐波）；励磁电压本身含谐波。危害：灵敏度↓非线性误差↑放大器饱和零点残余电压的消除：提高线圈及其骨架的对称性；减少电源中的谐波成分；选择理想的磁性材料，适当降低线圈的激励电流，使衔铁尽可能工作在磁化曲线的线性区；采用适当的采用适当的测量电路，如差动整流电路。2）测量电路为了达到能消除零点残余电压和辨别移动方向的目的，实际测量时，常采用差动整流电路和相敏检波电路。问题：（1）差动变压器的输出是交流电压(用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，不能反映位移的方向);（2）测量值中将包含零点残余电压。（7）电容式压力传感器电容式传感器利用了将非电量的变化转换为电容量的变化来实现对物理量的测量。利用电容式传感器将被测力/压力转换成与之有一定关系的电量输出的压力传感器称为电容式压力传感器。电容式传感器广泛用于压力、位移、振动、角度、加速度，以及压力、差压、液面（料位或物位）、成分含量等的测量。工作原理两平行板组成的电容，如不考虑边缘效应，其电容量为ε--两个极板间介质的介电常数；εr

--介质的相对介电常数；

ε0

--真空介电常数（ε0=8.85×10-12F/m）；A--两个极板相对有效面积；d--两个极板间的距离圆筒电容在不考虑边缘效应的情况下，其电容量为l--内外极板所覆盖的高度；R--外极板的内半径；

r--内极板的外半径；ε0

--真空介电常数；εr

--极板间介质的相对介电常数

当被测量（如压力导致的位移）的变化使平板电容式传感器d、A或ε任一参数发生变化时，电容量也随之发生变化。电容式变极距型变面积型变介电常数型

用空气作为电介质，其在极宽的频率范围内介电常数几乎不变，温度稳定性好，损耗极小，因而压力传感器中多用变极距型、变面积型。特点

用电容做压力传感器，具有很多优点，它需要的能量低、测量范围大、能在恶劣条件下工作可靠耐用、本身发热小、动态响应快、灵敏度高、测量精度高、抗震性好等优点，但也有输出特性非线性、分散电容的影响等缺点。变极距式弹性膜片在均匀压力P的作用下产生位移，此时固定极板与膜片即构成了变极距式电容测压器。电容式传感器在压力作用下相对变化量为：<<1,按泰勒级数展开简化近似直线关系如果极板间距改变很小因此变极距型电容传感器一般用来对微小位移或压力进行测量对于同样的极板间距的变化Δd，较小的d0可获得更大的电容量变化，从而提高传感器的灵敏度，但d0过小，容易引起电容器击穿或短路，因此，可在极板间加入高介电常数的材料，如云母。差动结构在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性，减少电源电压、环境温度等外界影响，变极距型电容传感器一般采用差动结构，可测量压差、真空度和微小绝对压力。灵敏度提高近1倍。差动电容式压力传感器变面积型外界压力作用于膜片上使膜片发生位移（一般不超过0.3mm），带动金属同心多层圆筒，使交错的两电极重叠部分面积发生变化，因而电容发生变化。该传感器不仅可作为一般压力测量，还可用于敞口容器的液位测量。6789543211—膜片；2—支撑弹簧片；3—可动电极；4—固定电极；5—外壳；6—引线；7—中心柱；8—绝缘支架；9—挡块变面积电容式传感器结构原理图注意事项①加云母片提高灵敏度从电容容量的表达式中可以看出，当极板距离d小时可以使电容量加大，灵敏度增加，但d过小容易引起电容击穿，一般可以在极板间放置云母片来改善。云母的介电系数为空气的7倍，云母的击穿电压大于103kV/mm（空气的仅为3kV/mm）。因此在云母片的作用下，极板的起始距离可大大减少，还可使得电容的输出特性得到改善。②传感器受分布电容影响大，必须采取相应措施减少影响。③电容值的测量有很多种方法，如电桥法、振荡器法、移相器法、谐振法、C/T法等，市面上也有检测电容的集成电路，如CAV414。（8）电涡流式压力传感器根据法拉第电磁感应定律，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中做切割磁力线运动时，通过导体的磁通将发生变化，产生感应电动势，该电动势在导体表面形成电流并自行闭合，形状类似水中的涡流，称为电涡流。电涡流的大小与金属的电阻率、导磁率、厚度及金属与线圈的距离、线圈的激磁电流频率等参数有关。电涡流传感器能对位移、厚度、表面温度、振动、速度、材料损伤等进行非接触式连续测量。讨论电涡流传感器时，可以把产生电涡流的金属导体等效成一个短路环，即假设电涡流只分布在环体内。由基尔霍夫电压定律有电涡流传感器原理式中，ω为线圈励磁电流的角频率；R1、L1为线圈的电阻和电感；R2、L2为短路环的等效电阻和等效电感；M为线圈与金属导体间的互感系数。则发生电涡流效应后的等效阻抗为式中，Req和Leq为产生电涡流效应后线圈的等效电阻和等效电感。电涡流传感器的等效电气参数都是互感系数M2的函数。通常总是利用其等效电感的变化组成测量电路，因此，电涡流传感器属于电感式传感器（互感式）。当金属板的厚度远大于涡流的贯穿深度时，表面感应的电涡流几乎只取决于线圈与金属板之间的距离x，而与金属板的厚度以及电阻率的变化无关。因此，高频反射式电涡流传感器可以测量位移量，也可以测量厚度、振幅、转速等能转换成x的各种被测量。电涡流传感器根据激励电源频率的高低，可以分为高频反射式和低频透射式两大类。1234561线圈2框架3衬套4支架5电缆6插头高频反射式电涡流传感器低频透射式电涡流传感器发射线圈L1和接收线圈L2，分别位于金属板M的上、下方。发射线圈L1通以低频电压信号，在其周围产生交变磁场。如果两线圈中不存在金属板，线圈L1的磁场将直接贯穿L2，在L2上产生感应电动势E。在L1和L2之间放置金属板M后，则在M中产生涡流。这个涡流损耗了磁场的能量，使L2处的磁场强度减小，从而引起感应电动势E的减小。涡流的大小取决于金属板的厚度h，h越大，涡流损耗越大，E就越小。这就是涡流传感器测厚的原理。3.1.5液位传感器液体介质在容器中的高低称为液位，液位传感器在船舶上特别是机舱中应用广泛，如测量油舱、水舱液位。按与被测介质是否接触，液位传感器通常可以分为两类，一类是接触式，如静压式液位传感器、电容式液位传感器；另一类是非接触式，如超声波液位传感器、雷达液位传感器。（1）静压式液位传感器静压式液位传感器是利用容器内液体介质的液位与液柱高度产生的静压力成正比的原理来测量液位的。首先采用压力传感器测量静压，然后根据液位与静压的关系得到液位。容器不同，测量液位的方法也有所不同。1）敞口容器液位测量敞口容器上端与大气连通，压力传感器位于容器底部。根据安装方式的不同，常用的敞口容器液位测量又可分为投入式和法兰式，其液位测量方法如图所示。显示仪表压力传感器HH压力传感器ρρpp（a）投入式（b）法兰式敞口容器液位测量根据流体静力学原理，所测静压力与液位的关系为式中，H为液位高度；p为液柱产生的静压力；ρ为液体介质的密度；g为重力加速度。通过合适的压力传感器测得液柱静压力后，经计算就可以得到液位高度H。2）密闭容器液位测量密闭容器上端与大气隔绝，容器上部空间压力可能是变化的，并且一般与大气压力不等，所以采用压差传感器来测量液位，液位测量方法如图所示。密闭容器液位测量假定容器上部空间为干燥气体，压力为p0，则压差传感器高低压侧所受到的压力分别为圆筒结构变介质型电容式传感器液位测量原理图电容式液位传感器主要采用变介电常数的方式测量液位。液体液位为0时液体液位为h时在实际应用中，若被测介质黏度过大，液位降低时，电极表面仍会附着被测介质，影响介电常数，产生测量误差。电容增量与被测液位的高度成线性关系（2）电容式液位传感器超声波具有定向、波长短、反射、聚束等特性，当其从一种介质传播到另一种介质时，在两种介质的分界面上会产生反射。测量中脉冲超声波由传感器（换能器）发出，声波经物体表面反射后被同一传感器接收，转换成电信号。并由声波的发射和接收之间的时间来计算传感器到被测物体的距离。声波传输距离S与声速C、声传输时间T的关系可用公式表示：S=C×T/2。超声波探头安装在容器的上部如图所示。日常维护修理方便，但超声波在空气中衰减严重，因此有时也会将超声波探头安装在容器的底部。（3）超声波液位传感器3.1.6转速传感器船舶上很多系统因显示、控制、安保等需要，要求对一些旋转机械如柴油机、增压器等进行转速测量。测量转速的传感器多种多样，如利用电磁感应定律的磁电式转速传感器、利用霍尔效应的霍尔式转速传感器、利用电涡流效应的电涡流式转速传感器、利用光电效应的光电式转速传感器等。（1）磁电式转速传感器

1）电磁感应定律由法拉第电磁感应定律可知，当变化的磁通通过闭合的线圈时，会在线圈内产生感应电动势e，其大小和通过线圈的磁通变化率有关。感应电动势为

式中，N为线圈匝数，Φ为通过线圈的磁通。可以看出，感应电动势取决于线圈匝数和通过线圈的磁通变化率。因此，可以通过改变磁通进而改变感应电动势，实现对转速的测量。当齿轮旋转时，齿的凸凹引起磁路磁阻的变化，使通过线圈的磁通量变化，在线圈中产生感应电动势，其频率f等于齿轮的齿数Z和转速n的乘积，即由此可知，通过测量感应电动势的频率就可以测得被测转轴的转速。此种测量方法是通过改变磁路磁阻来改变磁通的，所以这种传感器又称为变磁阻式磁电转速传感器。如果在测量电路中加入积分电路，那么就可以用来测量角位移；如果在测量电路中加入微分电路，那么就可以用来测量角加速度。2）变磁通式磁电转速传感器测量齿轮感应线圈永久磁铁

软铁被测转轴NS变磁通式磁电转速传感器结构示意图式中，f为感应电动势频率；z为测量齿轮的个数；n为被测转轴的转速。当控制电流不变，使传感器处于磁场中，霍尔传感器输出与磁感应强度成正比的电压。霍尔元件固定在磁性转盘附近，永久磁铁安装在磁性转盘上，输入轴与被测转轴相连。当被测转轴转动时，每当永久磁铁经过霍尔元件时，霍尔元件上的磁场就发生改变，霍尔电势也就跟随变化，形成脉冲信号。因此只要检测出单位时间内的脉冲数，便可知道被测转轴的转速。增加磁性转盘上永久磁铁的个数，能够提高霍尔式转速传感器测速的分辨率。输入轴磁性转盘霍尔元件永久磁铁霍尔转速传感器结构示意图（2）霍尔式转速传感器电涡流式转速传感器转速测量方法如图3-31所示，转盘与被测转轴相连，转盘上有一个或多个键槽，电涡流式转速传感器固定在转盘附近。当被测转轴旋转时，转盘的键槽与传感器间的距离发生周期性变化。由于电涡流效应，电涡流式转速传感器线圈的阻抗也周期性的变化，其变化频率与被测转轴的旋转速度成正比。线圈阻抗变化频率f与被测转速n的关系为（3）电涡流式转速传感器测量转换电路传感器转盘电涡流式转速传感器转速测量（4）光电式转速传感器光电效应一般分为外光电效应（也称光电子发射效应）、内光电效应两类。内光电效应包括光电导效应和光生伏特效应。1）光电效应光可以被看作是由一连串具有一定能量的粒子（称为光子）所构成，每个光子具有的能量正比于光的频率。当光照射在物体上使物体发射电子、或电导率发生变化、或产生光电动势等，这种因光照而引起物体电学特性的改变现象称为光电效应。外光电效应在光线作用下，电子获得光子的能量从而脱离正电荷的束缚，使电子逸出物体表面，这种效应称为外光电效应，这种现象称为光电发射。

常见的基于外光电效应的光电器件有光电管和光电倍增管等。内光电效应物体受光照射后，其原子的外层电子脱离原子核的束缚成为自由电子，这些自由电子仍留在物体内部，但会使物体的电导率发生变化或产生光电动势。这种现象称为内光电效应。内光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应。光电导效应是在光照作用下，物体电阻率发生改变的现象，基于此效应的典型器件是光敏电阻。光生伏特效应是在光照作用下，物体中产生一定方向电动势的现象，基于此效应的典型器件有光电池、光敏二极管和光敏晶体管等。2）光电式转速传感器光电式传感器主要由光源、光学通路、光电器件三部分组成。被测量通过影响光源或光学通路，将被测信息反应到光波上，如改变光波的空间分布、强度等，光电器件的作用是将光信号转换为电信号，实现对被测量的测量。光电式传感器输出信号分为模拟量和开关量两种，光电式转速传感器属于开关量光电式传感器，即将被测量转速转换为断续变化的光电流。发光元件测量孔光电器件转盘被测转轴光电式转速传感器转速测量如图所示，转盘与被测转轴相连，转盘上有一个或多个测量孔，发光元件和光电器件分别固定在转盘两侧，且在同一直线上，保证光电器件能够接收到发光元件发射的光。测量时，转盘随转轴一起转动，测量孔周期性的将发光元件的光照射到光电器件上。当测量孔与发光元件、光电器件在同一直线上时，光路通畅，为“1”状态；当测量孔与发光元件、光电器件在不在同一直线上时，光路被切断，为“0”状态。所形成的电脉冲信号频率f与被测量转速n之间的关系为式中，z为测量孔的个数。可以看出，若能够测得电脉冲信号频率便可得到被测转轴的旋转速度。3.1.7流量传感器船舶上需要用到流量测量的场合很多。加油船给船舶加油时，加油量的多少；船舶柴油机轻重油转换是否完成，可以根据操作转换阀后总流量来确定；根据进油瞬时流量，可以判断锅炉负荷是否正常，风油比是否合适。

流量指单位时间内流经某一截面的流体的量，该量用流体体积表示，称为体积流量，计量单位有m³/h,L/min；若用流体质量表示，则称为质量流量，计量单位有t/h,kg/s。通常，流量指体积流量。

不同的流体其黏度、导电性、工作状态等可能是不同的，那么就需要选用不同的流量测量方法来进行测量。一般来说，流量传感器可以分为速度式、容积式和质量式。速度式流量传感器主要是测量流体在已知截面的速度大小，进而实现流量测量的。根据测量流体速度的方式不同，速度式流量传感器又可分为压差式流量传感器、电磁式流量传感器、超声波流量传感器等。 （1）压差式流量传感器

当被测液体流经管道内的节流元件（常见的有孔板、喷嘴等）时，会形成局部收缩，导致流速增加，压力减小，进而在节流元件前后形成了压差。流量越大，所产生的压差越大。压差式流量传感器通过测量节流元件前后压差实现对液体流量的测量。以孔板作为节流元件为例，压差式流量传感器测量方法如图所示。管道流量QVpH节流元件压差变送器ΔppL压差式流量传感器流量测量（1）压差式流量传感器

当被测液体流经管道内的节流元件（常见的有孔板、喷嘴等）时，会形成局部收缩，导致流速增加，压力减小，进而在节流元件前后形成了压差。流量越大，所产生的压差越大。压差式流量传感器通过测量节流元件前后压差实现对液体流量的测量。以孔板作为节流元件为例，压差式流量传感器测量方法如图所示。管道流量QVpH节流元件压差变送器ΔppL压差式流量传感器流量测量123节流原理流动流体的能量有两种形式：静压能和动能。流体由于有压力而具有静压能，又由于有流动速度而具有动能，这两种形式的能量在一定条件下是可以相互转化的。流速静压根据质量守恒定律（流动连续性方程）和能量守恒定律（伯努利方程）再经过修正后可得式中，Q为体积流量；α为流量系数；S0为节流元件开孔截面积；Δp为