傳感器在機械工程測試中的應用研究

1、機電工程學院 2014-2015 學年第1學期期末考試科 目： 機械工程測試論文 學 號： 1101111084 姓 名： 杜希元 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 班 級： 2011級本科三班 傳感器在機械工程測試中的應用研究摘要：在工業(yè)生產(chǎn)過程及工程檢測中, 為了對各種工業(yè)參數(shù)（如壓力、溫度、流量、物位、位移等）進行檢測與控制, 首先要把這些參數(shù)轉換成便于傳送的信息, 這就要用到各種傳感器, 把傳感器與其它裝置組合起來, 組成一個檢測系統(tǒng)或調(diào)節(jié)系統(tǒng), 完成對工業(yè)參數(shù)的檢測與控制。 本文主要介紹傳感器在機械工程測試中的應用，包括溫度測量、壓力測量、流量測量、物位測量等。關鍵詞：傳感器 溫度測

2、量 壓力測量 流量測量 物位測量1. 溫度測量1.1溫度概述溫度是工業(yè)生產(chǎn)和科學實驗中一個非常重要的參數(shù)。 物體的許多物理現(xiàn)象和化學性質都與溫度有關。許多生產(chǎn)過程都是在一定的溫度范圍內(nèi)進行的, 需要測量溫度和控制溫度。 隨著科學技術的發(fā)展, 對溫度的測量越來越普遍, 而且對溫度測量的準確度也有更高的要求。 溫度是表征物體冷熱程度的物理量。溫度不能直接加以測量, 只能借助于冷熱不同的物體之間的熱交換, 以及物體的某些物理性質隨著冷熱程度不同而變化的特性間接測量。 為了定量地描述溫度的高低, 必須建立溫度標尺, 即溫標。 溫標就是溫度的數(shù)值表示。各種溫度計和溫度傳感器的溫度數(shù)值均由溫標確定。歷史上

3、提出過多種溫標, 如早期的經(jīng)驗溫標（攝氏溫標和華氏溫標）, 理論上的熱力學溫標, 當前世界通用的國際溫標。熱力學溫標確定的溫度數(shù)值為熱力學溫度（符號為T）, 單位為開爾文（符號為K）, 1 K等于水三相點熱力學溫度的 1/273.16。熱力學溫度是國際上公認的最基本溫度, 國際溫標最終以它為準而不斷完善。1.2膨脹式溫度傳感器根據(jù)液體、 固體、 氣體受熱時產(chǎn)生熱膨脹的原理, 這類溫度傳感器有液體膨脹式、 固體膨脹式和氣體膨脹式。 （1） 液體膨脹式在有刻度的細玻璃管里充入液體（稱為工作液, 如水銀、 酒精等）構成液體膨脹式溫度計。常用的有水銀玻璃溫度計和電接點式溫度計, 這種溫度計遠不能算傳感

4、器, 它只能就地指示溫度。電接點式溫度計可對設定的某一溫度發(fā)出開關信號或進行位式控制, 有固定式和可調(diào)式兩種。（2）固體膨脹式固體膨脹式是以雙金屬元件作為溫度敏感元件受熱而產(chǎn)生膨脹變形來測溫的。 它由兩種線膨脹系數(shù)不同的金屬緊固結合而成雙金屬片, 為提高靈敏度常作成螺旋形。螺旋形雙金屬片一端固定, 另一端連接指針軸, 當溫度變化時, 雙金屬片彎曲變形, 通過指針軸帶動指針偏轉顯示溫度。它常用于測量-80600范圍的溫度, 抗震性能好，讀數(shù)方便, 但精度不太高, 用于工業(yè)過程測溫、 上下限報警和控制。  （3）氣體膨脹式氣體膨脹式是利用封閉容器中的氣體壓力隨溫度升高而升高的原理來測溫的

5、, 利用這種原理測溫的溫度計又稱壓力計式溫度計, 如圖 1 所示。溫包、毛細管和彈簧管三者的內(nèi)腔構成一個封閉容器, 其中充滿工作物質（如氣體常為氮氣）, 工作物質的壓力經(jīng)毛細管傳給彈簧管, 使彈簧管產(chǎn)生變形, 并由傳動機構帶動指針, 指示出被測溫度的數(shù)值。圖1壓力式溫度計壓力溫度計結構簡單、抗振及耐腐蝕性能好, 與微動開關組合可作溫度控制器用, 但它的測量距離受毛細管長度限制, 一般充液體可達20m, 充氣體或蒸汽可達60m。 2. 壓力測量2.1壓力概述壓力是重要的工業(yè)參數(shù)之一, 正確測量和控制壓力對保證生產(chǎn)工藝過程的安全性和經(jīng)濟性有重要意義。壓力及差壓的測量還廣泛地應用在流量和液位的測量中

6、。 工程技術上所稱的“壓力”實質上就是物理學里的“壓強”, 定義為均勻而垂直作用于單位面積上的力。 其表達式為P=FxA 式中 P-為壓力; F-為作用力; A-為作用面積。 國際單位制（SI）中定義: 1牛頓力垂直均勻地作用在1平方米面上, 形成的壓力為1“帕斯卡”, 簡稱“帕”, 符號為Pa。過去采用的壓力單位“工程大氣壓”（即kgf/cm2）、 “毫米汞柱”（即mmHg）、 “毫米水柱”（即mmH2O）、物理大氣壓（即atm）等均應改為法定計量單位帕, 其換算關系如下: 1 kgf/cm2=0.9807×105Pa 1mmH2O=0.9807×10Pa 1mmHg=1

7、.332×102Pa 1atm=1.01325×105Pa壓力有幾種不同表示方法(1)絕對壓力 指作用于物體表面積上的全部壓力, 其零點以絕對真空為基準, 又稱總壓力或全壓力, 一般用大寫符號P表示(2)大氣壓力指地球表面上的空氣柱重量所產(chǎn)生的壓力, 以P0表示。 (3)表壓力 絕對壓力與大氣壓力之差, 一般用p表示。 測壓儀表一般指示的壓力都是表壓力, 表壓力又稱相對壓力。當絕對壓力小于大氣壓力, 則表壓力為負壓, 負壓又可用真空度表示, 負壓的絕對值稱為真空度。如測爐膛和煙道氣的壓力均是負壓。 (4)差壓 任意兩個壓力之差稱為差壓。 如靜壓式液位計和差壓式流量計就是利用

8、測量差壓的大小知道液位和流體流量的大小。 測量壓力的傳感器很多, 如應變式、電容式、差動變壓器、霍爾、壓電等傳感器等都能用來測量壓力。2.2液柱式壓力計液柱式壓力計是以流體靜力學原理來測量壓力的。它們一般采用水銀或水為工作液, 用U型管或單管進行測量, 常用于低壓、負壓或壓力差的測量。 圖 2所示的U形管內(nèi)裝有一定數(shù)量的液體, U形管一側通壓力p1, 另一側通壓力p2。當p1= p2時, 左右兩管的液體高度相等。 當p1< p2時, 兩邊管內(nèi)液面便會產(chǎn)生高度差。 根據(jù)液體靜力學原理可知: p=p1-p1=g h 式中為U形管內(nèi)液體的密度。 如把壓力p1一側改為通大氣P0, 則式（12-2

9、）可改 寫為p2=g h 圖2如果把U形管的一個管換成大直徑的杯, 即可變成如圖3所示的單管或斜管。測壓原理與U形管相同, 只是因為杯徑比管徑大得多, 杯內(nèi)液位變化可略去不計, 使計算及讀數(shù)更為簡易。 圖33. 流量測量3.1流量概述流量是工業(yè)生產(chǎn)中一個重要參數(shù)。工業(yè)生產(chǎn)過程中, 很多原料、半成品、成品是以流體狀態(tài)出現(xiàn)的。流體的流量就成為決定產(chǎn)品成分和質量的關鍵, 也是生產(chǎn)成本核算和合理使用能源的重要依據(jù)。因此流量的測量和控制是生產(chǎn)過程自動化的重要環(huán)節(jié)。 單位時間內(nèi)流過管道某一截面的流體數(shù)量, 稱為瞬時流量。 而在某一段時間間隔內(nèi)流過管道某一截面的流體量的總和, 即瞬時流量在某一段時間內(nèi)的累積

10、值, 稱為總量或累積流量。 瞬時流量有體積流量和質量流量之分。 （1）體積流量qv單位時間內(nèi)通過某截面的流體的體積, 單位為m3/s。 根據(jù)定義, 體積流量可用下式表示: qv= 式中V為截面A中某一面積元dA上的流速。 如果用流體的平均流束V表示, 則體積流量可寫成 qv = vA （2）質量流量qm單位時間內(nèi)通過某截面的流體的質量, 單位為kg/s。根據(jù)定義, 質量流量可用下式表示: qm= 若用平均流速表示, 則可簡寫為 工程上講的流量常指瞬時流量, 下面若無特別說明均指瞬時流量。 生產(chǎn)過程中各種流體的性質各不相同, 流體的工作狀態(tài)（如介質的溫度、 壓力等）及流體的粘度、腐蝕性、導電性也

11、不同, 很難用一種原理或方法測量不同流體的流量。尤其工業(yè)生產(chǎn)過程的情況復雜, 某些場合的流體是高溫、高壓, 有時是氣液兩相或液固兩相的混合流體。所以目前流量測量的方法很多, 測量原理和流量傳感器（或稱流量計）也各不相同, 從測量方法上一般可分為三大類。 （1）速度式速度式流量傳感器大多是通過測量流體在管路內(nèi)已知截面流過的流速大小實現(xiàn)流量測量的。它是利用管道中流量敏感元件（如孔板、轉子、渦輪、靶子、非線性物體等）把流體的流速變換成壓差、位移、轉速、沖力、頻率等對應的信號來間接測量流量的。差壓式、轉子、渦輪、 電磁、旋渦和超聲波等流量傳感器都屬于此類。 （2）容積式 根據(jù)已知容積的容室在單位時間內(nèi)

12、所排出流體的次數(shù)來測量流體的瞬時流量和總量的。常用的有橢圓齒輪、 旋轉活塞式和刮板等流量傳感器。 （3）質量式質量流量傳感器有兩種。一種是根據(jù)質量流量與體積流量的關系, 測出體積流量再乘被測流體的密度的間接質量流量傳感器, 如工程上常用的采取溫度、 壓力自動補償?shù)难a償式質量流量傳感器。另一種是直接測量流體質量流量的直接式質量流量傳感器, 如熱式、慣性力式、動量矩式質量流量傳感器等。直接法測量具有不受流體的壓力、溫度、粘度等變化影響的優(yōu)點, 是一種正在發(fā)展中的質量流量傳感器。3.2電磁流量傳感器電磁流量傳感器是根據(jù)法拉第電磁感應定律測量導電性液體的流量。 如圖 4所示, 在磁場中安置一段不導磁、

13、 不導電的管道, 管道外面安裝一對磁級,當有一定電導率的流體在管道中流動時就切割磁力線。與金屬導體在磁場中的運動一樣, 在導體（流動介質）的兩端也會產(chǎn)生感應電動勢, 由設置在管道上的電極導出。該感應電勢大小與磁感應強度、 管徑大小、 流體流速大小有關。 即圖4 式中B-為磁感應強度（T）; D-為管道內(nèi)徑, 相當于垂直切割磁力線的導體長度, m; V-為導體的運動速度, 即流體的流速, m/s; E-為感應電動勢, v。 體積流量qv預留量流速v關系為 可得: 式中K為儀表常數(shù), 磁感應強度B及管道內(nèi)徑D固定不變, 則K為常數(shù), 兩電極間的感應電動勢E與流量qV成線性關系, 便可通過測量感應電

14、動勢E來間接測量被測流體的流量qV值。 電磁流量傳感器產(chǎn)生的感應電動勢信號是很微小的, 須通過電磁流量轉換器來顯示流量。常用的電磁流量轉換器能把傳感器的輸出感應電動勢信號放大并轉換成標準電流（010 mA或420 mA）信號或一定頻率的脈沖信號, 配合單元組合儀表或計算機對流量進行顯示、記錄、運算、報警和控制等。 磁流量傳感器只能測量導電介質的流體流量。適用于測量各種腐蝕性酸、堿、鹽溶液, 固體顆粒懸浮物, 粘性介質（如泥漿、紙漿、化學纖維、礦漿）等溶液; 也可用于各種有衛(wèi)生要求的醫(yī)藥、食品等部門的流量測量（如血漿、牛奶、 果汁、鹵水、酒類等）, 還可用于大型管道自來水和污水處理廠流量測量以及

15、脈動流量測量等。 4. 物位測量4.1物位概述物位是指各種容器設備中液體介質液面的高低、 兩種不溶液體介質的分界面的高低和固體粉末狀顆粒物料的堆積高度等的總稱。根據(jù)具體用途分為液位、料位、界位傳感器。工業(yè)上通過物位測量能正確獲取各種容器和設備中所儲的物質的體積量和質量, 能迅速正確反映某一特定基準面上物料的相對變化, 監(jiān)視或連續(xù)控制容器設備中的介質物位, 或對物位上下極限位置進行報警。 物位傳感器種類較多, 按其工作原理可分為下列幾種類型: (1)直讀式 根據(jù)流體的連通性原理測量液位。 (2)浮力式 根據(jù)浮子高度隨液位高低而改變或液體對浸沉在液體中的浮子（或稱沉筒）的浮力隨液位高度變化而變化的

16、原理測量液位。 (3)差壓式 根據(jù)液柱或物料堆積高度變化對某點上產(chǎn)生的靜（差）壓力的變化的原理測量物位。 (4)電學式 把物位變化轉換成各種電量變化而測量物位。 (5)核輻射式 根據(jù)同位素射線的核輻射透過物料時, 其強度隨物質層的厚度變化而變化的原理測量液位。 (6)聲學式根據(jù)物位變化引起聲阻抗和反射距離變化而測量物位。 (7)其它形式 如微波式、 激光式、 射流式、 光纖維式傳感器等等。 4.2浮力式液位傳感器浮力式液位傳感器是利用液體浮力測量液位。它結構簡單, 使用方便, 是目前應用較廣泛的一種液位傳感器。最原始的浮力式液位傳感器, 是將一個浮子置于液體中, 它受到浮力的作用漂浮在液面上,

17、當液面變化時, 浮子隨之同步移動, 其位置就反映了液面的高低。水塔里的水位常用這種方法指示, 圖 5是水塔水位測量示意圖。 液面上的浮子由繩索經(jīng)滑輪與塔外的重錘相連, 重錘上的指針位置便可反映水位, 但與直觀印象相反, 標尺下端代表水位高, 若使指針動作方向與水位變化方向一致, 應增加滑輪數(shù)目, 但引起摩擦阻力增加, 誤差也會增大。 圖5如把浮子換成浮球, 測量從容器內(nèi)移到容器外, 用杠桿直接連接浮球, 可直接顯示罐內(nèi)液位的變化。如圖 6 所示。 這種液位傳感器適合測量溫度較高、 粘度較大的液體介質, 但量程范圍較窄。如在該液位傳感器基礎上增加機電信號變換裝置, 當液位變化時, 浮球的上下移動通過磁鋼變換成電觸點4的上下位移。當液位高于（或低于）極限位置時, 觸點4與報警電路的上下限靜觸點接通, 報警電路發(fā)出液位報警信號, 若將浮球控制器輸出與貯罐進料或出料的電磁閥門執(zhí)行機構配合, 可實現(xiàn)閥門的自動啟停, 進行液位的自動控制。 如圖 7所示。 圖6 圖7總結在本次論文設計過程中，從中學到了很多很多知識，從開始的懵懂到現(xiàn)在的了解，從開始的陌生到現(xiàn)在的熟悉，使我對傳