第五章第四節(jié)傳感器與變送器

第四節(jié)傳感器與變送器

反饋控制系統(tǒng)傳遞方框圖控制單元執(zhí)行單元控制對(duì)象測量單元p(t)q(t)y(t)b(t)r(t)e(t)+-d(t)測量單元的作用是檢測被控量的實(shí)際值，并把它轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。

測量單元＝測量傳感器＋信號(hào)變送器一、船舶機(jī)艙常用傳感器1、溫度傳感器

（1）、熱電阻式溫度傳感器

由熱電阻和測量橋路組成的熱電阻式溫度傳感器如圖4-1-1所示。4-1-1

（

2）、熱電偶式溫度傳感器熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償原理如圖4-1-2所示。4-1-22、壓力傳感器

（1）、電阻式壓力傳感器電阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)和工作原理如圖4-1-3所示。

（2）、金屬應(yīng)變片式壓力傳感器金屬應(yīng)變片式壓力傳感器原理如圖4-1-4所示。

4-1-34-1-4（3）.電磁感應(yīng)壓力檢測器如圖4-1-5所示

圖4-1-5電磁感應(yīng)壓力傳感器原理圖

3液位傳感器（1）.變浮力式液位傳感器如圖4-1-6所示

圖4-1-6變浮力液位傳感器原理圖（2）.吹氣式液位傳感器如圖4-1-7所示

圖4-1-7吹氣式液位傳感器

4.流量傳感器（1）.容積式流量傳感器如圖4-1-8所示容積式容量傳感器主要用來檢測油和水的流量，它由檢測齒輪1、轉(zhuǎn)軸2、永久磁鐵3和干簧繼電器4組成，如圖4-1-8所示。當(dāng)流體自下向上流過時(shí)，由于磨擦力存在，因此有壓力損失，使進(jìn)口流體壓力p1大于出口流體壓力p2，檢測齒輪在壓力差的作用下，產(chǎn)生作用力矩而轉(zhuǎn)動(dòng)，通過的流量越大，齒輪轉(zhuǎn)速越快。齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)軸2上端的永久磁鐵3來驅(qū)動(dòng)干簧繼電器4，使其觸點(diǎn)閉合與斷開，從而輸出反映流量大小的電脈沖信號(hào)。

圖4-1-8容積式流量傳感器原理圖

（

2）、電磁式流量傳感器

電磁式流量傳感器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理來檢測流量的，所以只適用于測量導(dǎo)體電液體的流量。它主要由一對(duì)磁極、一對(duì)電極和檢測放大電路組成，如圖5-2-9所示。一對(duì)磁極置于管道兩測，以產(chǎn)生一磁場，導(dǎo)電液體在磁場中垂直于磁通方向流動(dòng)時(shí)，切割磁力線，于是在兩個(gè)電極上產(chǎn)生感應(yīng)電勢，其電勢的大小與液體的體積流量成比例，感應(yīng)電勢經(jīng)放大后輸出。圖4-1-9電磁式流量傳感器（3）差壓式流量傳感器如圖4-1-10所示

圖4-1-10差壓式流量傳感器5.轉(zhuǎn)速傳感器（1）.測速發(fā)電機(jī)測速發(fā)電機(jī)有直流和交流兩種形式。測速發(fā)電機(jī)測得的轉(zhuǎn)速信號(hào)可送至轉(zhuǎn)速表來指示主機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向,但作為控制系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速反饋和轉(zhuǎn)速邏輯鑒別信號(hào),因不能使用電壓,故必須經(jīng)過整流把倒車負(fù)極性電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成正極性電壓信號(hào),如圖4-1-11所示:圖4-1-11整流后主、倒車轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的電壓值1.測速發(fā)電機(jī)測速發(fā)電機(jī)利用導(dǎo)體切割磁力線所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢與轉(zhuǎn)速成比例的原理,把轉(zhuǎn)速變換成相應(yīng)的感應(yīng)電勢。U=K·n,式中k為比例系數(shù)。U的大小反映了主機(jī)轉(zhuǎn)速的高低，U的極性反映了主機(jī)的轉(zhuǎn)向。（2）交流測速發(fā)電機(jī)由于直流發(fā)電機(jī)存在電刷等部件易引起故障，故在新型船舶中多采用交流測速發(fā)電機(jī)。其電壓信號(hào)是交變的，需要對(duì)它進(jìn)行相敏整流、濾波后變成直流電壓信號(hào)。測速發(fā)電機(jī)測得的轉(zhuǎn)速信號(hào)可送至轉(zhuǎn)速表來指示主機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，但作為控制系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速反饋和轉(zhuǎn)速邏輯鑒別信號(hào)，因不能使用負(fù)電壓的轉(zhuǎn)速信號(hào)，故必須經(jīng)過整流把倒車負(fù)極性電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成正極性電壓信號(hào)，如圖4-1-11所示。

圖4-1-11整流后主、倒車轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的電壓值

（2）、磁脈沖式轉(zhuǎn)速傳感器磁脈沖式轉(zhuǎn)速傳感器的磁頭結(jié)構(gòu)原理圖如圖4-1-12所示。磁頭是產(chǎn)生脈沖信號(hào)的部件，它由永久磁鐵1、軟磁芯2、線圈3及非導(dǎo)磁性外殼4組成。脈沖頻率可表示為：式中，f為脈沖頻率，Z為齒輪的齒數(shù)，n為轉(zhuǎn)速。當(dāng)齒輪的齒數(shù)等于60時(shí)，f=n。因此，可用脈沖頻率來表示轉(zhuǎn)速的高低，脈沖頻率越高則轉(zhuǎn)速越高。磁頭所輸出的感應(yīng)電勢脈沖信號(hào)較弱，其波形也不理想，所以要把脈沖信號(hào)送入整形放大電路，使其轉(zhuǎn)換成同頻率的有較大幅值的矩形波。然后，把矩形波送入頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路變換成電壓信號(hào)，該電壓信圖4-1-12磁脈沖傳感器結(jié)構(gòu)原理圖號(hào)的大小反映了轉(zhuǎn)速的高低。為了檢測主機(jī)的轉(zhuǎn)向，需安裝兩個(gè)磁頭，且它們之間錯(cuò)位1/4齒距，使兩個(gè)磁頭所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)在相應(yīng)位上相差1/4周期。這兩個(gè)磁頭輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)整形放大后分別送至D觸發(fā)器的D端和CP端，由其輸出端Q是1或0來判斷主機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，其原理圖如圖4-1-13所示。當(dāng)齒輪正車方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，D觸發(fā)器D端的正脈沖總比CP端超前1/4周期，即CP端在脈沖上升沿時(shí)，D端總是1信號(hào)，所以輸出端Q保持1信號(hào)，表示主機(jī)在正車方向運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)齒輪倒車方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，D觸發(fā)器CP端的正脈沖總比D端超前1/4周期，即CP端在脈沖上升沿時(shí)，D端總是0信號(hào)，所以輸出端Q保持0信號(hào),而端保持1信號(hào)，表示主機(jī)在倒車運(yùn)轉(zhuǎn)。圖4-1-13磁脈沖傳感器檢測主機(jī)轉(zhuǎn)向的原理圖6.轉(zhuǎn)矩傳感器如圖4-1-14所示:圖4-1-14相位差式扭矩傳感器二、變送器1、變送器的構(gòu)成原理（1）.變送器構(gòu)成原理如圖4-2-1所示:

圖4-2-1變送器的組成框圖（2）.變送器的零點(diǎn)調(diào)整、量程調(diào)整和零點(diǎn)遷移1).零點(diǎn)調(diào)整零點(diǎn)調(diào)整的目的,是使變送器輸出信號(hào)的下限值ymin與測量信號(hào)的下限值xmin相對(duì)應(yīng)。零點(diǎn)調(diào)整的方法是在負(fù)反饋放大器的輸入端加上一個(gè)零點(diǎn)調(diào)整信號(hào)z0,參見圖4-2-1。只要調(diào)整的大小,總可以使得當(dāng)x=xmin時(shí)y=ymin。2).量程調(diào)整量程調(diào)整的目的是使變送器的輸出信號(hào)的上限值ymin與測量范圍的上限值相對(duì)應(yīng)。量程調(diào)整的方法,通常是改變反饋部分的反饋系數(shù)F。F越大,量程就越大;F越小,量程就越小。有些變送器也可用改變測量轉(zhuǎn)換部分的轉(zhuǎn)換系數(shù)D來調(diào)整圖4-2-2為變送器量程調(diào)整前后的輸入輸出特性。

圖4-2-2變送器輸入輸出特性圖

3)零點(diǎn)遷移如圖4-2-3、4-2-4所示

圖4-2-3變送器量程調(diào)整前后的輸入輸出特性圖圖4-2-4變送器零點(diǎn)遷移前后的輸入輸出特性圖作用：測量被控量，并把被控量的變化量按比例的轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，輸出至調(diào)節(jié)器和顯示儀表。氣動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)：19.6KPa~98.1Kpa0.02MPa~0.1Mpa0.2kg/cm2~1.0kg/cm22.氣動(dòng)差壓變送器1）測量部分—把被控量變化轉(zhuǎn)換為軸向推力?！鱬→q測＝△p·F膜（1）.氣動(dòng)差壓變送器的結(jié)構(gòu)和工作原理圖4-2-5氣動(dòng)差壓變送器結(jié)構(gòu)原理圖1-氣動(dòng)功率放大器;2,11-鎖緊螺母;3-調(diào)零螺釘;4-頂桿;5-頂針架;6-噴嘴;7擋板;8-調(diào)零、遷移彈簧;9-主杠桿;10-反饋波紋管;12-靜壓誤差調(diào)整螺母;13-彈性支點(diǎn);14-支架;15-正壓室;16-測量膜盒;17-負(fù)壓室;18-鎖緊螺母;19-底板圖4-2-6測量部分結(jié)構(gòu)原理圖1-基體;2-基座;3-金屬片;4-硬芯;5-單向過載保護(hù)圈;6、9-主杠桿;7-密封圈;8-彈性支點(diǎn);10-彈簧片;11-硅油M測＝△p·F膜·l1M反＝p出·F波·l2M測＝M反2）氣動(dòng)轉(zhuǎn)換部分—把測量部分輸出的軸向推力轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的氣壓信號(hào)作為差壓變送器的輸出。（1）.氣動(dòng)差壓變送器的結(jié)構(gòu)和工作原理圖4-2-7單杠桿差壓變送器原理圖在K單中，F(xiàn)膜、F波和l1都是固定不變的，唯一可調(diào)的是l2?！答伈y管→l2↑→

K單↓→

量程

↑；↓反饋波紋管→l2↓→

K單↑→

量程

↓。要得到較大的量程，就必然使l2增長。為不使變送器體積過于龐大，將大量程變送器制作成雙杠桿式變送器。（1）.氣動(dòng)差壓變送器的結(jié)構(gòu)和工作原理△p·F膜·l1＝q反·l2M測＝M反q'反·l4=p出·F波·l3（1）.氣動(dòng)差壓變送器的結(jié)構(gòu)和工作原理2）氣動(dòng)轉(zhuǎn)換部分（雙杠桿）3）差壓變送器調(diào)零和調(diào)量程假定⊿p的最大變化范圍是0～1000mmH201.讓正負(fù)壓室均通大氣，使⊿p=0，觀察變送器輸出壓力是否為0.02MPa，若不是，擰動(dòng)遷移（調(diào)零）彈簧，使p出=0.02M