2安全监测监控原理与仪表.pptx

第2章 安全监测系统;; 传感器系统的原理框图于图2-1所示，进入传感器的信号幅度是很小的，而且混杂有干扰信号和噪声。为了方便随后的处理过程，首先要将信号整形成具有最佳特性的波形，有时还需要将信号线性化，该工作是由放大器、滤波器以及其他一些模拟电路完成的。在某些情况下，这些电路的一部分是和传感器部件直接相邻的。成形后的信号随后转换成数字信号，并输入到微处理器。;;;;2）按照其用途，传感器可分为： （1）压力敏和力敏传感器；（2）位置传感器； （3）液面传感器； （4）能耗传感器； （5）速度传感器； （6）热敏传感器； （7）加速度传感器； （8）射线辐射传感器； （9）振动传感器； （10）湿敏传感器； （11）磁敏传感器； （12）气敏传感器； （13）真空度传感器； （14）生物传感器等。;3）以其输出信号为标准可将传感器分为： （1）模拟传感器：将被测量的非电学量转换成模拟电信号。 （2）数字传感器：将被测量的非电学量转换成数字输出信号(包括直接和间接转换)。 （3）膺数字传感器：将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出(包括直接或间接转换)。 （4）开关传感器：当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。 ; 4）从所应用的材料观点出发可将传感器分成下列几类： （1）按照其所用材料的类别分：金属、聚合物、陶瓷、混合物； （2）按材料的物理性质分：导体、绝缘体、半导体、磁性材料； （3）按材料的晶体结构分：单晶、多晶、非晶材料。;5）按照其制造工艺，可以将传感器区分为： （1）集成传感器：是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。通常还将用于初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上。 （2）薄膜传感器：则是通过沉积在介质衬底(基板)上的，相应敏感材料的薄膜形成的。使用混合工艺时，同样可将部分电路制造在此基板上。 （3）厚膜传感器：是利用相应材料的浆料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后进行热处理，使厚膜成形。 （4）陶瓷传感器：采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺(溶胶-凝胶等)生产。 ; 电阻应变式传感器是一种由电阻应变片(计)和弹性敏感元件组合起来的传感器。 主要优点： （1）结构简单，使用方便，性能稳定可靠； （2）易于实现检测过程自动化和多点同步测量、远距离测量和遥测； （3）灵敏度高，测量速度快，适合静态动态测量； （4）可以测量多种物理量。;2.2.1 电阻应变式传感器的理论基础 1）金属导体的电阻定律 金属导体的电阻值与其导线长度l成正比而与导线截面积S成反比，即: 2）金属材料的应变电阻效应 金属材料的电阻率的相对变化与其体积的相对变化成正比，即: 式中，c为由一定材料和加工方式决定的常数。;3）材料的泊松比定律 在弹性限度内金属丝沿长度方向伸长时，径向尺寸缩小，反之亦然。即轴向应变εt 与径向应变εr有下面的关系成立εr=-μεt 4）半导体材料的压阻效应 对于半导体材料施加应力(外力)时，除了产生变形外，材料的电阻率也随着变化。这种由于应力的作用而使材料的电阻率改变的现象称为“压阻效应”，有下式关系成立 ;2.2.2电阻应变式传感器的数学模型 设有一长为l0的、截面积为S、电阻率为ρ的导电金属丝，它具有的电阻 当它受到轴向力被拉伸(或压缩)时，其l、S和ρ均将发生变化，因而导体的电阻也随之发生变化。利用数学求导的方法可求得电阻的相对变化量。将上式两边取对数，再对两边取微分得 式中， 为电阻的相对变化； 为材料的轴向线应变。 又由式由线应变定义(径向应变)和面积公式求导并代入得 式中μ为泊松比。;2.2.3 电阻应变式传感器的主要应用 (1)将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应变和应力。 (2)将应变片贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器。这种传感器常用来测量力、位移、加速度等物理参数。在这种情况下，弹性元件将得到与被测量成正比的应变，再通过应变片转换为电阻变化的输出。 ;2.3.1 电容式传感器的理论基础 电容式传感器是以静电场有关定律为其理论基础: 1）两块无穷大的平行导电板(面电荷密度分别为+σ和-σ)的电场强度定律为: 极间电场强度为 板外电场强度为 E=0 电场方向：垂直于导电板由正电荷指向负电荷。 2）电场强度与电位的关系