矿用监控系统传感器教学PPT负压传感器.ppt

5.5 5.5 负压传感器负压传感器 （1 1））矿矿井井的的风风压压是是矿矿井井通通风风的的一一个个重重要要参参数数，，通通过过对对风风压压的的连连续续监监测测，，可可为为矿矿井井的的通通风风管管理理、、风风量的调配等通风安全工作及时提供必要的数据量的调配等通风安全工作及时提供必要的数据 （（2 2））在在矿矿井井均均压压灭灭火火技技术术中中，，密密闭闭空空间间内内外外的的压压力力是是灭灭火火工工作作中中最最主主要要的的一一个个参参数数，，它它的的连连续续监监测对防灭火工作是十分必要的测对防灭火工作是十分必要的 （（3 3））煤煤矿矿中中还还需需监监测测瓦瓦斯斯抽抽放放泵泵的的工工作作压压力力、、井井下下主主要要风风门门两两端端的的压压力力等等，，这这时时均均需需使使用用负负压压传传感器FFLL+dL2r2(r-dr)›ρ:ρ:电阻系数电阻系数›l:l:金属导线长度金属导线长度›S:S:金属导线截面积金属导线截面积一、电阻应变效应一、电阻应变效应当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象称为金属的变化，这种现象称为金属的电阻应变效应电阻应变效应。

1 1    应变式传感器应变式传感器                     ——电阻的相对变化；电阻的相对变化；                        ——电阻率的相对变化；电阻率的相对变化；                               ——金属丝长度相对变化，用金属丝长度相对变化，用ε表示，表示， ε=          称为金属丝长度方向上的应变或轴向应变；称为金属丝长度方向上的应变或轴向应变；                            ——截面积的相对变化截面积的相对变化dr/r为金属丝半径的相对变化，即径向应变为为金属丝半径的相对变化，即径向应变为εrS=π r 2dS /S=2·dr/rεr= –με—μ为泊松比为泊松比由材料力学知由材料力学知将微分将微分dR、、dρ改写成增量改写成增量ΔR、、Δρ，则，则金属丝电阻的相对变化与金属丝的伸长或缩短之间存在比例关系金属丝电阻的相对变化与金属丝的伸长或缩短之间存在比例关系比例系数比例系数KS称为金属丝的应变灵敏系数称为金属丝的应变灵敏系数物理意义物理意义：单位应变引起的电阻相对变化。

单位应变引起的电阻相对变化KS由两部分组成：由两部分组成：前一部分是（前一部分是（1+2μ），由材料的几何尺寸变化引起，一），由材料的几何尺寸变化引起，一般金属般金属μ≈0.3，因此（，因此（1+2μ））≈1.6；；后一部分为后一部分为               ，电阻率随应变而引起的（称，电阻率随应变而引起的（称“压阻压阻效应效应”）对金属材料，以前者为主对金属材料，以前者为主，则，则KS≈ 1+2μ；；对半导体，对半导体， KS值主要由电阻率相对变化所决定值主要由电阻率相对变化所决定实验表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与实验表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成正比通常轴向应变成正比通常KS在在1.8～～3.6范围内二、二、  压阻效应压阻效应     半半导导体体晶晶体体材材料料在在受受到到应应力力作作用用后后，，其其电电阻阻率率发发生生明明显显变变化化，，这种现象被称为这种现象被称为“压阻效应压阻效应”对半导体材料对半导体材料对金属材料对金属材料电阻相对变化量电阻相对变化量由由于于πσ一一般般都都比比(1+2μ)ε大大几几十十倍倍甚甚至至上上百百倍倍，，因因此此引引起起半半导导体体材材料料电电阻阻相相对对变变化化的的主主要要原原因因是是压压阻阻效效应应，，所以上式可近似写成所以上式可近似写成                                    上式表明压阻传感器的工作原理是基于压阻效应。

上式表明压阻传感器的工作原理是基于压阻效应         2341电阻应变片结构示意图电阻应变片结构示意图bl三三、应变片的结构与材料、应变片的结构与材料        由由敏感栅敏感栅1、基底、基底2、盖片、盖片3、引线、引线4和粘结剂和粘结剂等组成这些等组成这些部分所选用的材料将直接影响应变片的性能因此，应根据使部分所选用的材料将直接影响应变片的性能因此，应根据使用条件和要求合理地加以选择用条件和要求合理地加以选择 （（1）） 敏感栅敏感栅        由由金金属属细细丝丝绕绕成成栅栅形形电电阻阻应应变变片片的的电电阻阻值值为为60Ω、、120Ω、、200Ω等等多多种种规规格格，，以以120Ω最最为为常常用用应应变变片片栅栅长长大大小小关关系系到到所所测测应应变变的的准准确确度度，，应应变变片片测测得得的的应应变变大大小小是是应应变变片片栅栅长长和和栅栅宽宽所所在在面积内的平均轴向应变量面积内的平均轴向应变量栅长栅长栅宽栅宽对敏感栅的材料的要求：对敏感栅的材料的要求：①①应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；②②电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；③③电阻温度系数要小；电阻温度系数要小；④④抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；⑤⑤在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；⑥⑥加工性能良好加工性能良好, ,易于拉制成丝或轧压成箔材；易于拉制成丝或轧压成箔材；⑦⑦易于焊接，对引线材料的热电势小。

易于焊接，对引线材料的热电势小对应变片要求必须根据实际使用情况，合理选择对应变片要求必须根据实际使用情况，合理选择2 2）） 基底和盖片基底和盖片 基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，盖片既基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅基底的基底的全长称为基底长，其宽度称为基底宽全长称为基底长，其宽度称为基底宽（（3）） 引线引线      是是从从应应变变片片的的敏敏感感栅栅中中引引出出的的细细金金属属线线对对引引线线材材料料的的性性能能要要求求：：电电阻阻率率低低、、电电阻阻温温度度系系数数小小、、抗抗氧氧化化性性能能好、易于焊接好、易于焊接4）） 粘结剂粘结剂      用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基在一起使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方向和位置上以便将构件受力底粘贴在构件表面某个方向和位置上以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和敏感后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。

栅                测测量量应应变变时时，，使使用用两两个个应应变变片片，，一一片片贴贴在在被被测测试试件件的的表表面面，，图图中中R R1 1称称为为工工作作应应变变片片另另一一片片贴贴在在与与被被测测试试件件材材料料相相同同的的补补偿偿块上块上，图中，图中R R2 2，称为，称为补偿应变片补偿应变片 在在工工作作过过程程中中补补偿偿块块不不承承受受应应变变，，仅仅随随温温度度发发生生变变形形由由于于R R1 1与与R R2 2接接入入电电桥桥相相邻邻臂臂上上，，造造成成ΔΔR R1t1t与与ΔΔR R2t2t相相同同，，根根据据电电桥桥理理论论可可知知，，其其输输出出电电压压U USCSC与与温温度度无无关关当当工工作作应应变变片片感感受受应应变变时时，，电电桥将产生相应输出电压桥将产生相应输出电压补偿应变片粘贴示意图补偿应变片粘贴示意图R1R2USCR2R4R1R3E桥路补偿法桥路补偿法          根根据据被被测测试试件件承承受受应应变变的的情情况况，，可可以以不不另另加加专专门门的的补补偿偿块块，，而而是是将将补补偿偿片片贴贴在在被被测测试试件件上上，，这这样样既既能能起起到到温温度度补补偿偿作作用用，，又又能提高输出的灵敏度，如图所示的贴法。

能提高输出的灵敏度，如图所示的贴法          梁受弯曲应变时，应变片梁受弯曲应变时，应变片R1和和R2的变形方向相反，上面受拉，的变形方向相反，上面受拉，下面受压，应变绝对值相等，符号相反，将它们接入电桥的相邻下面受压，应变绝对值相等，符号相反，将它们接入电桥的相邻臂后，可使输出电压变化当温度变化时，应变片臂后，可使输出电压变化当温度变化时，应变片R1和和R2的阻值的阻值变化的符号相同，大小相等，电桥不产生输出，达到了补偿的目变化的符号相同，大小相等，电桥不产生输出，达到了补偿的目的R1R2F构件受弯构件受弯曲应力曲应力2 2 电容传感器电容传感器n电容式传感器的工作原理可以用平板电容器来电容式传感器的工作原理可以用平板电容器来说明平板电容器是由两个金属极板、中间夹说明平板电容器是由两个金属极板、中间夹一层电介质构成当忽略边缘效应时，其电容一层电介质构成当忽略边缘效应时，其电容器的电容量为器的电容量为 n电容传感器分为三种类型：电容传感器分为三种类型：变极距型、变面积变极距型、变面积型、变介电常数型型、变介电常数型 一、工作原理一、工作原理二、结构形式二、结构形式n1. 变极距型电容传感器n2. 变面积型传感器n3. 变介电常数型传感器n 如果在电容器两极板间插入不同介质，电容器的电容量就会不同，利用这种原理制作的电容传感器称为变介电常数型电容传感器，常被用来测量液体的液位和材料的厚度。

被用来测量液体的液位和材料的厚度n顺压电效应顺压电效应：一些电介质，在受到一定方向的外力作用而变：一些电介质，在受到一定方向的外力作用而变形时，内部产生形时，内部产生极化现象极化现象，而在其表面，而在其表面产生电荷产生电荷，当去掉外，当去掉外力后，又重新回到不带电状态，这种将力后，又重新回到不带电状态，这种将机械能转换成电能机械能转换成电能的的现象，称为现象，称为顺压电效应顺压电效应，又称为，又称为压电效应压电效应n逆压电效应逆压电效应：当在电介质极化方向施加电场时，电介质在一：当在电介质极化方向施加电场时，电介质在一定方向上产生机械变形，内部出现机械应力，这种将定方向上产生机械变形，内部出现机械应力，这种将电能转电能转换成机械能换成机械能的现象称的现象称““逆压电效应逆压电效应””, ,又称为又称为电致伸缩效应电致伸缩效应F FF F极化面极化面Q Q压电介质压电介质机械能机械能｛｛电能电能｝｝正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应压电效应及可逆性压电效应及可逆性3 3 压电式传感器压电式传感器一、两个物理概念一、两个物理概念石英晶体的压电效应演示石英晶体的压电效应演示             当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。

荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失  各种小巧的压力传感器各种小巧的压力传感器  压电传感器的外形压电传感器的外形                          压力变送器部压力变送器部件件     压力变送器压力变送器  二、压电材料二、压电材料种类种类：：n压电晶体，如石英等；压电晶体，如石英等；n压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等；压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等；n压电半导体，如硫化锌、碲化镉等压电半导体，如硫化锌、碲化镉等        对压电材料特性要求：对压电材料特性要求： ① ①转换性能转换性能要求具有较大压电常数要求具有较大压电常数 ②②机机械械性性能能压压电电元元件件作作为为受受力力元元件件，，希希望望它它的的机机械械强强度度高高、、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率        ③③电电性性能能希希望望具具有有高高电电阻阻率率和和大大介介电电常常数数，，以以减减弱弱外外部部分分布电容的影响并获得良好的低频特性布电容的影响并获得良好的低频特性        ④④环境适应性强环境适应性强。

温度和湿度稳定性要好温度和湿度稳定性要好 ⑤ ⑤时间稳定性时间稳定性要求压电性能不随时间变化要求压电性能不随时间变化 三、三、压电传感器的特点压电传感器的特点n力敏传感器，可测如力、压力、加速度等力敏传感器，可测如力、压力、加速度等n双向有源传感器双向有源传感器n体积小、重量轻体积小、重量轻n结构简单、工作可靠结构简单、工作可靠n频响宽频响宽 5.2 KG4003A 5.2 KG4003A型负压传感器型负压传感器 KG4003AKG4003A型型矿矿井井负负压压传传感感器器为为“六六五五”期期间间国国家家科科技攻关项目配套研制的，可与多种监控系统配套使用技攻关项目配套研制的，可与多种监控系统配套使用 能能实实现现对对矿矿井井风风压压、、风风门门、、密密闭闭通通风风巷巷道道等等的的差差压压监测 1 1．主要技术指标．主要技术指标 1)1)测量范围：测量范围：0 0～～500500Pa(Pa(或或0 0～～5.05.0kPakPa) ) 2) 2)精度精度: : 满量程的满量程的±2 2％％ 3) 3)输出信号：输出信号：1 1～～5 5mAmA DC DC 200 200～～1000Hz 1000Hz 5 5～～1 5Hz1 5Hz 4)4)供电电源：本安型，供电电源：本安型，1212-24V (DC)-24V (DC) 5) 5)最大工作电流：最大工作电流：100100mAmA 6) 6)使用环境使用环境: : 温度：温度：0 0 - 40℃- 40℃ 相对湿度：相对湿度：≤95≤95％％ 7) 7)显示方式：显示方式：3 3位位LEDLED数字显示数字显示 8) 8)分辨率：分辨率：l0Pal0Pa 9) 9)防爆标志：防爆标志：ExibExib I IKG4003AKG4003A型负压传感器型负压传感器 1 1．主要技术指标．主要技术指标 2 2．． KG4003AKG4003A型负压传感器的组成型负压传感器的组成 KG4003AKG4003A型负压传感器的组成型负压传感器的组成 图图5 5－－2020差动变压器的组成差动变压器的组成l l一差压膜盒：一差压膜盒：2 2一铁芯；一铁芯；3 3一差动变压器一差动变压器 差动变压器差动变压器差动变压器差动变压器结构结构结构结构1  1 初级线圈初级线圈初级线圈初级线圈;2.3;2.3次级线圈次级线圈次级线圈次级线圈;4;4衔铁衔铁衔铁衔铁1243(a)气隙型气隙型123(b)螺管型螺管型4当没有位移时，衔铁当没有位移时，衔铁C C处于初始平衡位置，处于初始平衡位置，它与两个铁芯的间隙为它与两个铁芯的间隙为δδ2 2 =δ =δ3 3=δ=δ两个次级绕组的互感电势相等，即两个次级绕组的互感电势相等，即U U2 2=U=U3 3。

由于次级绕组反向串联，因此，差动变压器输出电压由于次级绕组反向串联，因此，差动变压器输出电压工作原理当被测体有位移时，与被测体相连的衔铁的位置将当被测体有位移时，与被测体相连的衔铁的位置将发生相应的变化，使发生相应的变化，使δδ2 2≠δ≠δ3 3，两次级绕组的互感，两次级绕组的互感电势电势U U2 2≠U≠U3 3，输出电压，输出电压 电压的大小反映了被测位移的大小；电压的大小反映了被测位移的大小；通过用相敏检波等电路处理，使最终输出电压的极通过用相敏检波等电路处理，使最终输出电压的极性反映位移的方向性反映位移的方向工作原理ＵＵ００e21e22差动变压器输出差动变压器输出电势电势ＵＵ００与衔铁与衔铁位移位移x x的关系其的关系其中中x x表示衔铁偏离表示衔铁偏离中心位置的距离中心位置的距离 0xＵＵ００　差动变压器输出特性　差动变压器输出特性 4. 4. 负压传感器的校验负压传感器的校验 在使用前或使用后一段时间后应进行在使用前或使用后一段时间后应进行校验，方法校验，方法：： 1)1)零零点点调调整整通通电电之之后后，，在在传传感感器器两两个个压压力力孔孔无无外外加加压力时，其显示为零，输出应为压力时，其显示为零，输出应为lmAlmA或或5 5HzHz或或200200HzHz。

2)2)在在显显示示与与输输出出零零点点调调整整之之后后，，从从正正加加压压孔孔加加压压5.005.00kPakPa 3) 3)先调整先调整R18R18使输出电流为使输出电流为5 5mAmA、、15Hz15Hz或或10001000HzHz 4) 4)后调整使显示为后调整使显示为5.005.00kPakPa 仪仪器器按按照照上上述述步步骤骤调调试试完完毕毕，，即即可可进进行行误误差差测测定定，，将将压压力力从从零零开开始始，，以以1.01.0kPakPa直直至至5.005.00kPakPa ，，记记录录其其显显示示值值与与输出值，然后根据有关数据计算误差输出值，然后根据有关数据计算误差。