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传感器与变送器

更新时间:2014-05-12      浏览次数:605

现代工业生产中,随着自动化程度的日益提高,越来越多的生产工艺参数需要进行测量 和控制,如温度、压力、流量、液位、成分等典型的过程参数。此外,还有自动化生产线上 需要控制的机械量,如位移,角度,转速等参数。那么如何将需要检测的这些非电量转换成电量,以便于控制,便成为控制系统中必须解决的问题。

对于这些过程参数和机械量参数而言,多数不能直接测量,一般是要借助于一些物质的 物理、化学性质的关联性(如热电效应、电阻应变效应、压电效应等)把需检测的参数转 变为其他便于测量的相关量,并且将转换后的信息传递出去,以间接得出被测参数的数值, 实现对被测参数的控制。那么能够完成这些检测任务的工具称为检测仪表。将被测参数转换 为便于传送信号的仪表叫传感器,能完成过程参数检测并输出标准信号的传感器称为变送 器。

传感器是借助于敏感元件,接收物理量形式的信息,并按照一定规律将其转换成同种或 另一种物理量形式信息的仪表。变送器是从传感器发展而来的,它除了能对温度、压力、流 量、液位、成分等物理量进行测量并转换外,还具有一定的放大作用,并转换成统一的标准 信号。两者的本质区别在于:传感器是一个信号发生源,变送器则是用于信号变换。如 DDZ-m型变送器是把输入的各类信号转换为DC4〜20mA的标准信号。

从以往观点看,传感器与变送器是两种不同的功能块。近几年来,随着工业技术的更 新,特别是半导体技术、微电子技术的发展,使变送器制造技术出现了巨大的变化,采用微 机械加工技术(MEMS)和微电子技术,从传统的结构设计转向微机械加工工艺结构设计, 使敏感元件与信号调理电路一体化,传感与变送功能合一,并出现了多参数变送器,这是今 后智能变送器的又一发展趋势。

—、传感器

传感器一般处于研究对象或检测控制系统的zui前端,是感知、获取与检测信息的窗口, 它所获得和转换的信息正确与否,直接关系到整个测控系统的性能好坏,所以它是检测与控 制系统的首要环节。从广义角度看,传感器应该是指能够检测待定的物理量,并将其转换为 相应的其他物理量(一般为电信号)的装置(设备或器件)。

1.传感器的定义及组成

传感器是与人的感觉器官相对应的元件,按照国家标准GB/T 7665—2005中的规定,定 义传感器为:能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换为可用输出信号的器件或装 置,通常由敏感元件和转换元件组成。常用传感器获取的信息可以为各种物理量、化学量和 生物量,而转换后的信息多为易处理的电量,如电压、电流、频率等。

传感器的组成按其定义一般由敏感元件、传感元件(转换元件)、测量转换电路(又称 信号调理转换电路)三部分组成,如图2-11所示。其中,敏感元件是指传感器中能直接感 受或响应被测量的部分;转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适 合于传输或测量的电信号部分。由于传感器输出信号一般都很微弱,因此传感器输出的信号 一般需要进行信号调理与转换、放大、运算与调制之后才能进行显示和参与控制。此外,测 量转换电路以及传感器工作时还需要还要有电源供电,所以常将测量转换电路以及所需电源也看做是传感器组成的一部分。

需要注意的是,有些传感器并不能明显区分敏感元件和转换元件两部分,而是两者合为 一体(如热电偶),直接将被测量转换成电信号。

图2-12所示为一台测量压力用的电位器式压力传感器结构简图。当被测压力P增大时, 弹簧管撑直,通过齿条带动齿轮转动,从而带动电位器的电刷产生角位移。电位器电阻的变 化量反映了被测压力P值的变化。在这个传感器中,弹簧管为敏感元件,它将压力转换成 角位移a。电位器为传感元件,它将角位移转换为电参量,即电阻的变化A/?。当电位器的 两端加上电源后,电位器就组成分压比电路,它的输出量是与压力成一定关系的电压"。。 故在这个例子中,电位器又属于分压比式测量转换电路。

2. 传感器的分类

一般情况下,对某一物理量的测量可以使用不同的传感器,而同一传感器又往往可以测 量不同的多种物理量。所以,传感器从不同的角度有许多分类方法。目前一般采用两种分类 方法:一种是按被测参数分类,如对温度、压力、流量、液位、位移、速度等的测量,相应 的有温度传感器、压力传感器、流量传感器、液位传感器、位移传感器、速度传感器等;另 一种是按传感器的工作原理分类,如按应变原理工作式、按电容原理工作式、按压电原理工 作式、按磁电原理工作式、按光电效应原理工作式等,相应的有应变式传感器、电容式传感 器、压电式传感器、磁电式传感器、光电式传感器等。

3. 传感器的选用原则

现代传感器在原理与结构上千差万别,如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器,是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后,与 之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果在很大程度上取决于传感器的选 用是否合理。

传感器的品种很多,对于同一种被测物理量,可选用不同的传感器。例如被测物理量是 位移,可以选用电阻应变式传感器、电容式传感器、电感式传感器、数字式传感器等。当 然,选用传感器时应考虑的因素很多,但选用时不一定能满足所有要求,应根据被测参数的 变化范围、传感器的性能指标、环境等要求选用。通常,选用传感器应从以下几个方面考虑:

1) 测试条件:主要包括测量目的、被测试物理量特性、测量范围、输人信号zui大值和 频带宽度、测量准确度要求、测量所需时间要求等。

2) 传感器性能:主要包括准确度、稳定性、响应速度、输出量(模拟量还是数7量>、 对被测物体产生的负载效应、校正周期、输入端保护等。

3) 使用条件:主要包括设置场地的环境条件(温度、湿度、振动等)、测量时间、所 需功率容量、与其他设备的连接、备件与维修服务等。此外,还应从以下几个方面考虑。

(1) 根据测量对象与测量环境确定传感器的类型

要进行一次具体的测量工作,首先要考虑采用何种原理的传感器,这需要分析多方面的 因素之后才能确定。因为,即使是测量同一物理量,也有多种原理的传感器可供选用,究竟 哪一种原理的传感器更为合适,则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些 具体问题:量程的大小;被测位置对传感器体积的要求;测量方式为接触式还是非接触式; 信号的引出方法,有线或是无线测量;传感器的来源,国产还是进口,价格能否承受,还是 自行研制。在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器,然后再考虑传感器的具体 性能指标。

(2) 灵敏度的选择

通常,在传感器的线性范围内,希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时, 与被测量变化对应的输出信号的值才比较大,有利于信号处理。但要注意的是,传感器的灵 敏度高,与被测量无关的外界噪声也容易混人,也会被系统放大,影响测量准确度。因此, 要求传感器本身应具有较高的信噪比,尽量减少从外界弓I入干扰信号。

传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单矢量,而且对其方向性要求较高,则应选 择其他方向灵敏度小的传感器;如果被测量是多维矢量,则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。

(3) 频率响应特性

传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围,必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件,实际上传感器的响应总有一定延迟,希望延迟时间越短越好。

传感器的频率响应高,可测的信号频率范围就宽,而由于受到结构特性的影响,机械系 统的惯性较大,因此频率低的传感器可测信号的频率较低。

在动态测量中,应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性,以免产生过大 的误差。

(4) 线性范围

传感器的线性范围是指输出与输入成直线关系的范围。从理论上讲,在此范围内,灵敏 度保持定值。传感器的线性范围越宽,则其量程越大,并且能保证一定的测量准确度。在选 择传感器时,当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。

但实际上,任何传感器都木能保证的线性,其线性度也是相对的。当所要求测量准 确度比较低时,在一定的范围内,可将非线性误差较小的传感器近似看做是线性的,这会给

测量带来极大的方便。

(5) 稳定性

传感器使用一段时间后,其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外,主要是传感器的使用环境。因此’要使传感器具有良好的稳定性,传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前,应对其使用环境进行调查,并根据具体的使用环境选择合适的传感器,或采取适当的措施,减小环境的影响。传感器的稳定性有定量的指标,在超过使用期后,在使用前应重新进行标定,以确定传感器的性能是否发生变化。在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合’所选用的传感器稳定性要求更严格,要能够经受住长时间的考验。

(6) 准确度

准确度是传感器的一个重要的性能指标,它是关系到整个测量系统测量准确度的厂个重 要环节。传感器的准确度越高,其价格越昂贵。因此,传感器的准确度只要满足整个测量系 统的准确度要求就可以,不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。如果测量的目的是定性分析,选用重复准确度高的传感器即可,不宜选用量值准确 度高的;如果是为了定量分析,必须获得的测量值,就需选用准确度等级能满足要求的传感器。

为了提高测量准确度,平时正常显示值要在满刻度的50%左右来选定测量范围(或刻度范围)。总之,应从传感器的基本工作原理出发,注意被测对象可能产生的负载效应:所选择的传感器,应既能适应被测物理量,又能满足量程、测量结果的准确度要求,同时还要具有可靠性高、通用性强,有尽可能高的静态性能和动态性能以及较强的适应环境的能力,而又具有较高的性价比和良好的经济性。

二、变送器

如前所述,传感器的作用主要是基于各种自然规律和基础效应’把被测变量转化为便于 传送的信号,如电压、电流、电阻、电容、位移、力等。由于传感器的输出信号种类多且比 较微弱,所以必须由变送器将其转换为统一标准信号。本节主要讨论变送器的构成原理和共 同性问题,使用的差压变送器和温度变送器我们将在后续章节具体介绍。

.变送器的种类和用途 、

变送器在自动检测和控制系统中的作用,是将各种被测工艺变量,一如压力:$量、液 位、温度等物理量变换成相应的统一标准信号,并传送到指示记录仪、运算器和调节器,供 指示、记录和控制。无论是由模拟仪表构成的系统,还是由计算机控制装置构成的系统,变 送器都是首要环节和重要组成部分,只有获得和可靠的被控参数,才能进行准确的数据处理,进而才能获得高质量的控制效果。

变送器种类也很多,按照目前的技术水平,变送器可分为两类:一类是按传递信号分为 模拟式变送器、数字式(亦称智能式)变送器;另一类是按照被测参数名称分类,主要有 差压变送器、压力变送器、猛度变送器、液位变送器和流量变送器等。

 

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