安全監測與監控 安全檢測技術 黃仁東 劉敦文主編 化學工業出版社 安全檢測技術 張乃祿等 西安電子科技大學出版社 現代安全檢測技術 趙建華 中國科技大學出版社 安全檢測原理與技術 董文庚等 海洋出版社 安全檢測與控制技術 陳海群等 中國石化出版社 第一章緒論 主要內容和課時安排安全監測的意義 目的和任務安全監測技術的發展概況安全監測技術的實例 3 第 章緒論 1 1本課程的主要內容和課時安排安全技術及工程專業本科生的基礎課之一 多學科交叉常見的 與安全相關的工程量的檢測上 介紹其原理 方法 4 溫度 國際單位制中七個基本物理量之一重要工藝參數 七個基本單位 長度m 時間s 質量kg 熱力學溫度 Kelvin溫度 K 電流單位A 光強度單位cd 坎德拉 物質量mol 設備運行狀態的一個重要指標物體的許多物理現象和化學性質都與溫度有關 很多生產工藝過程都是在一定的溫度范圍內進行的 因此 溫度和溫度監測問題是工業生產 狀態監測和科學研究中經常遇到和要解決的問題 5 人們往往以為溫度監測方法很簡單 其實要準確地監測溫度是很困難的 溫度監測方法一 傳統方法 接觸法 膨脹式溫度計 熱電阻溫度計 熱電偶溫度計 感溫片二 現代方法 非接觸法 紅外非接觸測溫技術 紅外熱像儀測溫技術 溫度場測量 基于彩色CCD三基色測溫技術 分布式光纖測溫技術 6 總學時數 48其中 講授46學時 復習2學時 本課程共包括6章重點闡述安全監測的技術基礎 緒論 主要闡述安全監測的意義 目的和任務以及安全監測技術的發展概況 檢測技術的基礎知識 主要介紹誤差理論基礎 檢測系統的基本特性以及信號分析基礎 7 安全監測常用傳感器生產工藝參數的檢測溫度 壓力 流量 物位環境與災害參數檢測氣體 粉塵 噪聲 振動 泄漏 火災無損檢測技術超聲 紅外 磁粉 滲透 射線 8 第 章緒論 1 2安全監測的意義 目的和任務1 2 1安全監測的意義隨著現代工業生產的發展和科學技術的進步 現代生產裝置的結構越來越復雜 功能越來越完善 自動化程度也越來越高 相應的安全問題便日益嚴重 導致災難性事故不斷發生 如國內外曾經發生的各種空難 海難 煤礦透水 瓦斯爆炸 天然氣井噴和火災等惡性事故 其造成的人員傷亡 經濟損失和社會影響都十分驚人 9 1985 2009年世界部分國家發生的特大事故及其后果 10 1 2 1安全監測的意義 這些特大災難性事故的后果令人觸目驚心 不但造成巨大的經濟損失 而且造成很大的人員傷亡和環境污染 在社會上引起了強烈的反響 嚴重影響全球經濟的可持續發展和社會穩定 11 2001 9 11美國紐約世貿中心倒塌圖片 世貿中心原貌 世貿中心被撞擊 12 1 2 1安全監測的意義 2002年4月15日 中國國際航空公司的一架波音767客機 執行CA129次航班的任務 從北京飛往韓國釜山 在韓國釜山機場附近墜毀 機上有155名乘客和11名機組人員 僅有38人幸存 死亡122人 失蹤6人 2002年5月7日 北方航空公司的一架MD 82飛機 執行CJ6136次航班的任務 從北京起飛 飛往大連 在大連機場東側約20公里的海面失事 機上103名乘客和9名機組人員 全部遇難 13 2002 4 15國航客機在韓國釜山墜毀圖片 墜毀地點示意圖 失事現場 14 2002 4 15國航客機在韓國釜山墜毀圖片 飛機殘骸 發動機殘骸 失事飛機波音 767 15 2002 5 7北航客機在大連墜毀圖片 墜毀地點示意圖 失事飛機MD 82 打撈出的最大殘骸 16 2002 5 7北航客機在大連墜毀圖片 打撈出的飛機殘骸和遇難者遺物 飛機駕駛內艙打撈出水 飛機機頭打撈出水 17 1 2 1安全監測的意義 2003年11月3日凌晨 湖南省衡陽市珠暉區一棟八層四合院商住樓發生特大火災 由于當地消防官兵全力撲救 該樓96戶共412名居民均安全撤離 無一人傷亡 但因為部分樓房突然倒塌 導致20名消防官兵不幸遇難 包括4名新聞記者在內的16人受傷 衡陽特大火災火場 18 1 2 1安全監測的意義 衡陽特大火災火場 19 1 2 1安全監測的意義 2004年8月24日 俄羅斯發生 9 11 式空難 兩架從莫斯科 托莫杰托沃 國際機場起飛的俄羅斯客機在一天里相繼失事 先是一架圖 134客機在莫斯科南部約200公里的圖拉地區墜毀 緊接著約3分鐘后另一架圖 154客機又在莫斯科南部約960公里的羅斯托夫地區附近步其后塵 兩架客機上的106名乘客和機組人員全部遇難 20 2004 8 24俄羅斯兩架客機相繼墜毀圖片 墜毀地點示意圖圖拉距莫斯科約200公里羅斯托夫距莫斯科約960公里 失事飛機圖 154 失事飛機圖 134 21 1 2 1安全監測的意義 2005年2月14日15時左右 遼寧省阜新礦業集團孫家灣煤礦發生特別重大瓦斯爆炸事故 造成214人死亡 30人受傷 直接經濟損失4968 9萬元 22 1 2 1安全監測的意義 發生事故的井口 23 1 2 1安全監測的意義 2006年12月29日下午16時48分 北京時間30日3點48分 巴西GOL航空公司一架載有154人的波音737 800型客機與一架小型商務機相撞后從雷達上消失 這架飛機原本應在巴西利亞暫作停留后飛往里約熱內盧 預定在里約熱內盧的降落時間是18時10分 這架客機在亞馬孫一個農場墜毀 機上人員全部遇難 與其相撞的小飛機機翼受損但成功降落 24 1 2 1安全監測的意義 巴西波音737 800客機失事示意圖 25 1 2 1安全監測的意義 2007年7月29日8時40分 肆虐的洪水沿河南省三門峽支建鐵爐溝河暴漲 造成位于河床中心的原中國鋁業公司廢棄的鋁土礦坑塌陷 洪水通過礦井上部老巷泄入陜縣支建礦業有限公司東風井 造成淹井事件 經過76個小時的全力搶救 被困的69名礦工在8月1日12時50分全部脫困 26 1 2 1安全監測的意義 被困的首名礦工在救護隊員摻扶下走出井口 27 1 2 1安全監測的意義 被困的最后一名礦工抬出井口 28 1 2 1安全監測的意義 2008年9月20日22時49分 廣東省深圳市龍崗區舞王俱樂部發生特別重大火災 造成44人死亡 58人受傷 直接經濟損失1589萬元 事發現場外圍滿了人 29 1 2 1安全監測的意義 火災現場 30 1 2 1安全監測的意義 火災現場一片狼藉 31 1 2 1安全監測的意義 2009年2月9日晚20時27分 北京中央電視臺新大樓北配樓發生特大火災 大火燃燒了近6個小時 火勢兇猛 附近千人被疏散 造成1人死亡 7人受傷 估計損失達7億元 火災現場 32 1 2 1安全監測的意義 火災現場 33 1 2 1安全監測的意義 火災現場外圍滿了人 34 1 2 1安全監測的意義 在我國 煤礦透水 天然氣井噴 瓦斯爆炸和飛機墜毀等惡性傷亡事故已引起國際社會的關注 提高安全監測技術水平 對有效減少事故隱患 預防和控制重特大事故的發生 遏制群死群傷 重大經濟損失和保障國家經濟與社會的發展具有重大現實意義 35 1 2 2安全監測的目的 安全監測的目的 1 能及時地 正確地對運行設備的運行參數和運行狀況作出全面監測 預防和消除事故隱患 2 對設備的運行進行必要的指導 提高設備運行的安全性 可靠性和有效性 以期把運行設備發生事故的概率降低到最低水平 將事故造成的損失減低到最低程度 3 通過對運行設備進行監測 隱患分析和性能評估等 為設備的結構修改 設計優化和安全運行提供數據和信息 36 1 2 2安全監測的目的 總起來說 進行安全監測的目的就是確保設備的安全運行 預防和消除事故隱患 避免事故發生 尤其是避免重特大事故的發生 遏制群死群傷和重大經濟損失 事實上 如果加強運行設備的安全監測 有許多事故是可以防患于未然的 下面是一些事故增加的原因 也正是安全監測所要解決的問題 37 1 2 2安全監測的目的 1 現代生產設備向大型化 連續化 快速化和自動化方向發展 一方面在提高勞動生產率 降低生產成本 節約資源和人力等方面帶來很大好處 但另一方面 由于設備故障率增加 而導致由事故所造成的損失 卻在成百倍地增長 2 高新技術采用現代設備 特別是航天 航空 航海和核工業等部門對安全性 可靠性提出了越來越高的要求 多年來航天 航空 核電站的多次災難性事故 更說明了進行安全監測的迫切性 38 1 2 2安全監測的目的 3 現有大量生產設備的老化 要求加強對其進行安全監測 許多老設備 老裝置 服役已接近其壽命期 進入 損耗故障期 故障率增大 有的甚至超期服役 全部更新的話經濟負擔很重 此時如對其加強安全監測 將能延長設備的使用壽命 39 1 2 3安全監測的任務 監測設備的運行狀態 判斷其是否正常 進行安全預測和診斷 指導設備的管理和維修監測工作環境的安全狀況 判斷是否符合國家相關安全標準 指導安全設備的設計和維護生產工藝參數的檢測溫度 壓力 流量 物位環境與災害參數檢測氣體 粉塵 噪聲 振動 泄漏 火災無損檢測技術超聲 紅外 磁粉 滲透 射線 40 監測設備的運行狀態I 運行狀態監測正常狀態 沒有缺陷 或雖有缺陷但在允許的限度內異常狀態 缺陷擴展 性能劣化 仍能維持工作故障狀態 不能正常工作 1 2 3安全監測的任務 41 II 安全預測和診斷設備運行狀態監測所獲得的信息已知的結構特性和參數以及環境條件該設備的運行歷史對設備可能要發生的或已經發生的故障進行預報 分析和判斷 確定故障的性質 類別 程度 原因和部位 指出故障發生和發展的趨勢及其后果 提出控制故障繼續發展和消除故障的調整 維修和治理的對策措施 并加以實施 最終使設備復原到正常狀態 1 2 3安全監測的任務 42 III 指導設備的管理和維修事后維修方式 Run to BreakdownMaintenance 定期預防維修方式 Time basedPreventiveMaintenance 視情維修 Condition basedMaintenance 1 2 3安全監測的任務 43 視情維修是一種更科學 更合理的維修方式 但要能做到視情維修 其條件是有賴于完善的安全監測技術的發展和實施 1 2 3安全監測的任務 44 第 章緒論 1 3安全監測技術的發展概況對于安全監測技術 實際上自有工業生產以來就已存在 I 早期人們依據對觸摸 觀察 對聲音 振動等狀態特征的感受 憑借個人的經驗 可以判斷某些故障的存在 并提出修復的措施 II 依靠簡單的工具 例如 1815年 安全燈 英國 瓦斯在燈焰周圍燃燒 火焰高度 瓦斯含量III 安全監測技術作為一門學科 則是20世紀60年代以后才發展起來的 45 20世紀70年代過程系統在線故障監測與安全診斷技術隨著生產和科學技術的發展迅速得到發展 這是動態系統的故障監測與診斷問題 是應用現代控制理論 數理統計等方法來分析處理非正常工況下系統特性的結果 所謂 故障監測 診斷和預報系統 通常有兩種涵義 一是指某些專用儀器 如對于汽輪發電機組等旋轉機械設備 就有 轉速測量儀 旋轉機械振動檢測儀 和 頻譜分析儀 等 可以檢測出這類機械設備的 46 運轉是否正常 另一種是指計算機數據采集分析系統 它可以采集生產過程的有關數據 完成工況分析 對設備是否正常 是什么原因引起故障 故障的程度有多大 工況的趨勢是否安全等問題進行分析 判斷 得出結論 近年來在線故障監測與安全診斷技術的研究十分活躍 如紅外監測技術 包括紅外測溫 紅外氣體分析和紅外氣體泄漏監測 聲發射監測技術 智能安全監測系統等 其工程應用也日益廣泛 47 發達國家安全監測技術研究起步較早 研究投入較多 安全監測技術這一領域的理論 方法 技術 裝備等已遍及諸多行業 如航天 航空 核工業 石油 化工 電力 采礦 林業 建筑等各種社會支柱產業中 在我國 安全監測技術的發展 在國家經濟建設中發揮了越來越大的作用 也取得了十分明顯的社會經濟效益 煙氣連續排放在線檢測系統 1 4安全監測的實例 主梁內力和溫度 橋塔內力和溫度 伸縮縫位移進行長期監測 包括多臺高性能光纖光柵動態數據采集儀和數百只各類光纖光柵傳感器 EF VS360視覺識別 字符識別 OCR OCV 檢測系統設備圖 檢測人員正在鑄造廠房內進行粉塵采樣 檢測人員正在對隧道進行風速檢測分析 美國舊金山國際機場 NECSmartCatch 通風機在線監測與控制系統 煤礦井下環境氣體中的瓦斯濃度 溫度 連軸溫度 壓力 風量 第二章檢測技術的基礎知識 誤差理論信號分析基礎檢測系統的基本特征可靠性技術 2 1誤差理論 定義特點產生原因分類誤差的處理 2 1 1測量誤差 測量儀器 測量方法 測量人員 參數的計算及測量數據處理沒有誤差的測量是不存在的誤差和測量有著密切的關系 測量數據與真值之差 測量誤差 測得值 真值 客觀真實值 未知 1m 1650763 73 約定真值 世界各國公認的幾何量和物理量的最高基準 最高精度 的量值 相對真值 標準儀器的測得值或用來作為測量標準用的標準器的值 如 米 公制長度基準 氪 86的2p10 5d5能級間躍遷在真空中的輻射波長 絕對誤差 x x x0 理論真值 設計時給定或用數學 物理公式計算出的給定值 光在真空中1s時間內傳播距離的1 299792485 相對誤差 絕對誤差與真值之比 測量效果 被測量的大小不同 允許的絕對誤差不同被測量的量值小 允許的測量絕對誤差也越小 例 質量G1 50g 誤差 1 2g 質量G2 2kg 誤差 2 50g G2的測量效果較好 2 1 2誤差的特點 普遍性 所有的測量數據都存在誤差 不可避免的最高基準的測量傳遞手段 測量儀器 測量方法 不絕對準確 減小誤差的影響 提高測量精度 對測量結果的可靠性給出評定 精確度的估計 研究誤差的目的 2 1 3產生原因 測量過程中測量五要素 觀測者 測量對象 測量儀器 測量方法及測量條件 1 理論與方法誤差檢測方法 采樣方法 測量重復次數 取樣時間 測量過程中數據處理時 2 檢測系統各環節所使用的材料性能和制造技術引起的誤差 3 組成檢測系統各環節的傳遞特性方面產生的誤差 4 檢測系統器件特性變化引起的誤差 偏離設定值 5 檢測系統各環節動力源的變化引起的誤差電流 電壓 氣壓 液壓等 6 檢測環境引起的誤差環境條件 溫度 濕度 氣壓等 差異器件的性能 7 檢測人員造成的誤差 主觀誤差 人員視覺 讀數誤差 經驗 熟練程度 精神方面原因 1 有效數字的化整誤差 有效位數 3 近似計算例 2 數學常數 例如圓周率 4 物理常數 例密度 粘度 導熱系數 電阻率等 實驗 誤差 2 數據處理時 2 1 4誤差的分類 按誤差來源 裝置誤差 環境誤差 方法誤差 人員誤差 按特性規律 系統誤差 隨機誤差 粗大誤差 按儀器使用條件 基本誤差 標準條件 國家或企業規定 附加誤差 1 系統誤差 Systemerror 重復測量時 確定的規律 定值 變值 如線性 周期 其他 系統誤差的發現校準和對比2 數據分析 系統誤差比隨機誤差大很多時 殘差變化規律 1 修正值實驗或計算 系統誤差的具體數值和變化規律修正表格 修正曲線 修正公式例 環境誤差 干擾很大而又無法消除 測量信號為零 讀數減去干擾指示值 條件 測量中干擾的影響相同 II 系統誤差的消除 可調的標準器具代替被測量接入檢測系統調整標準器具 使檢測系統的指示值與被測量接入時相同標準器具的數值 被測量 2 替代法 2 隨機誤差 Randomerror 偶然誤差 多次重復測量 大小和符號均無規律變化因許多不確定性因素而隨機發生例 儀器的元器件性能不穩定 溫度 濕度的變化 空中電磁波的干擾等服從某種統計規律 如正態分布 均勻分布等通過大量檢驗 大多數隨機誤差服從正態分布 高斯分布 李雅普諾夫定理 a 單峰性 絕對值小的出現概率大b 對稱性 絕對值相等的正負誤差出現概率相等c 有界性 絕對值不會超過某個限度d 抵償性 當測量次數增加時 隨機誤差的代數和趨于零測量次數增加 算術平均值逐漸接近真值 概率密度曲線 曲線下面包含的面積是對應不同區間x出現的概率 2 2信號分析基礎 信號的分類信號的時域分析信號的頻域分析 為深入了解信號的物理實質 將其進行分類研究是非常必要的 從不同角度觀察信號 可分為 2 2 1Classificationofsignals 信號描述 I 確定性信號與隨機信號deterministicvs random 可以用明確數學關系式描述的信號稱為確定性信號 不能用數學關系式描述的信號稱為隨機信號 deterministicsignalx t x t0 isanumber nouncertainity randomsignalx t x t0 isarandomvariable withsomeprobabilityspecification x t randomsignal randomprocess stochasticprocess 位移信號x t 可以寫為 式中 A為振幅 最大值 k為彈簧剛度 m為質量 0為初始相位 在此圖中 0 0 x t t曲線表示為位移x t 隨時間t的變化情況 確定性信號舉例 Periodicsignalsaresuchthatx t T x t forallt ThesmallestvalueofTthatsatisfiesthedefinitioniscalledtheperiod 1 周期信號 經過一定時間重復出現的信號 2 T 2 N iscalledthefundamentalfrequency radsec ofx t x n 簡單周期信號 T PI f 1 pi T 2PI 3 f 3 2pi T 2PI f 1 2pi 復雜周期信號 由基波的整數倍波形疊加而成 b 非周期信號 確定信號 但不是周期信號 準周期信號 由多個周期信號合成 但各信號頻率不成公倍數 如 x t sin t sin 2 t 瞬態信號 持續時間有限的信號 如x t e Bt Asin 2 pi f t c 隨機信號 不能用數學式描述 其幅值 相位變化不可預知 所描述物理現象是一種隨機過程 對隨機信號按時間歷程所做的各次長時間觀測記錄稱為樣本函數 記作xi t 在同樣的條件下 不同時間段的各樣本函數的集合稱為總體 記作 xi t II 連續時間信號與離散時間信號 a 連續時間信號 在所有時間點上有定義 b 離散時間信號 在若干時間點上有定義 2 2 2信號的時域分析 信號的時域分析是對信號的幅值進行分析 內容 確定性信號幅值隨時間的變化關系 隨機信號幅值的統計特性 相關分析 I 周期信號的幅值分析 有限離散數字信號序列的均值 均值 反映了信號變化的中心位置 也稱之為直流分量 a 均值 b 絕對均值 c 均方值和均方根植 d Peakvalue XP瞬時最大作用強度 e 雙峰值Pp p 信號幅值的變化范圍 a均值 在實際測試中 均值 x可以取樣本在足夠長時間內的積分平均作為其估計值 記作 II 隨機信號的幅值分析 b 均方值 方差 反映了信號繞均值的波動程度 c 方差 d 概率分布函數distributionfunction 對于實軸上任何一點x 隨機變量X的分布函數F x 在x點的值為隨機變量X小于x這個事件發生的概率 分布函數是單調非降的右連續函數 在負無窮大時為0 在正無窮大時為1 e 概率密度函數 如果存在函數p x 使得 則p x 為概率密度函數 概率密度函數是概率分布函數的導數 各種可能出現的幅值概率之和等于1 概率密度函數圖上為x1左邊部分p x 曲線下的面積概率分布函數圖上為x1縱坐標的高度P x1 幅值 x1的概率 1波形變量相關的概念 相關函數 如果所研究的變量x y是與時間有關的函數 即x t 與y t x t y t III 信號的相關分析 相關函數反映了二個信號在時間上的相關性 互相關函數Rxy 如果x t y t 則Rxx Rxy 為自相關函數 使兩個信號之間產生時差 再相乘再積分 即可得到此時差兩個信號的相關性連續變化此時差 就可得到相關函數曲線 計算過程 圖例 相關函數曲線 2 相關函數的性質 相關函數描述了兩個信號間或信號自身不同時刻的相似程度 通過相關分析可以發現信號中許多有規律的東西 1 自相關函數是 的偶函數 RX Rx 互相關函數既不是偶函數 也不是奇函數 2 當 0時 自相關函數具有最大值 3 周期信號的自相關函數仍然是同頻率的周期信號 但不保留原信號的相位信息 5 兩同頻率周期信號的互相關函數仍然是同頻率的周期信號 且保留原了信號的相位信息 6 兩個非同頻率的周期信號互不相關 4 隨機噪聲信號的自相關函數將隨 的增大快速衰減 IV 時域分析的工程應用 案例 汽車速度測量 案例 旅游索道鋼纜檢測 機械加工表面粗糙度自相關分析 被測工件 相關分析 性質3 性質4 自相關測轉速 理想信號 干擾信號 實測信號 自相關系數 性質3 性質4 提取周期性轉速成分 工程中常用兩個間隔一定距離的傳感器進行非接觸測量運動物體的速度 熱軋鋼帶的運動速度 2 2 3信號的頻域分析 信號頻域分析是采用傅立葉變換將時域信號x t 變換為頻域信號X f 從而幫助人們從另一個角度來了解信號的特征 周期信號的傅立葉級數非周期信號的傅立葉積分頻譜分析的應用 信號頻譜X f 代表了信號在不同頻率分量成分的大小 能夠提供比時域信號波形更直觀 豐富的信息 時域分析與頻域分析的關系 時域分析只能反映信號的幅值隨時間的變化情況 除單頻率分量的簡諧波外 很難明確揭示信號的頻率組成和各頻率分量大小 圖例 受噪聲干擾的多頻率成分信號 大型空氣壓縮機傳動裝置故障診斷 傅里葉級數 I周期信號的傅立葉級數展開 T 周期 0 2 T 圓頻率 例 周期三角波的傅里葉級數 基波 基頻 三次諧波 五次諧波 3 頻譜圖既方便又明白的表示一個信號中包含有哪些頻率分量 各分量所占的比重如何每一條譜線代表一個基波或一個諧波分量 譜線高度代表這一正弦分量的振幅 譜線橫坐標代表這一正弦分量的頻率 幅值頻譜An w 相位頻譜 n w 功率譜 周期三角波的頻譜圖 實頻譜圖的特點 1 由不連續的線條組成 每一條線代表一個正弦分量 2 頻譜的每條譜線 都只能出現在基波頻率的整數倍的頻率上 頻譜中不可能存在任何具有頻率為基波頻率非整數倍的分量 3 各條譜線的高度 即各次諧波的振幅 總的趨勢是隨著諧波次數的增高而逐漸減小的 當諧波次數無限增高時 諧波分量的振幅就無限趨小 頻譜的離散性 諧波性 收斂性 II 非周期信號的傅立葉積分 與周期信號相似 非周期信號也可以分解為許多不同頻率分量的諧波和非周期信號的周期T 基頻f df包含了從零到無窮大的所有頻率分量 或 非周期信號的譜線出現在0 fmax的各連續頻率值上 這種頻譜稱為連續譜 III 頻譜分析的應用 案例 在齒輪箱故障診斷通過齒輪箱振動信號頻譜分析 確定最大頻率分量 然后根據機床轉速和傳動鏈 找出故障齒輪 fr 旋轉頻率n 60fm 嚙合頻率nZ 60 2 3檢測系統的基本特性靜態特性和動態特性靜態檢測 檢測系統的輸入 輸出信號不隨時間變化或變化很緩慢 靜態響應特性 靜態檢測時系統表現出的響應特性指標 測量范圍 靈敏度 非線性度 回程誤差等 II 靈敏度靈敏度指輸出的增量與輸入的增量之比 即 線性系統的靈敏度S為常數 即輸入輸出關系直線的斜率 非線性系統的靈敏度S是變量 是輸入輸出關系曲線的斜率 輸入量不同 靈敏度就不同 通常用擬合直線的斜率表示系統的平均靈敏度 I 測量范圍檢測系統能正常測量的最小輸入量和最大輸入量之間的范圍 III 非線性度標定曲線與擬合直線的偏離程度就是非線性度 如果在全量程A輸出范圍內 標定曲線偏離擬合直線的最大偏差為B 則定義非線性度為 IV 回程誤差也稱為滯后或變差 實際測量系統在相同的測量條件下 當輸入量由小增大 或由大減小時 對于同一輸入量所得到的兩個輸出量存在差值 則定義回程誤差為 V 漂移漂移指檢測系統隨時間的慢變化 零點漂移 例 檢測流量 當管道中的介質為靜止時 可設置為零點 即此刻流量為零 2 F S 6h 這個指標指的是在通入零點氣穩定后 6個小時內數值漂移量不大于量程的2 儀表指標就算合格 第三章安全檢測常用傳感器 Asensorisadevicetodetectchangesintheenvironmentsuchasenergy heat light magnet supersonic etc andconvertthemtoelectricsignals 3 1introduction 1Whatisasensor Temperaturetoavoltage Pressuretoavoltage 輸出與輸入有一定的對應關系 且應有一定的精確度 2傳感器的構成 敏感元件 直接感受被測量 輸出與被測量成確定關系 轉換元件 敏感元件的輸出就是轉換元件的輸入 它把輸入轉換成電量參量 轉換電路 把轉換元件輸出的電量信號轉換為便于處理 顯示 記錄或控制的有用的電信號的電路 膜盒就是敏感元件 其外部與大氣壓pa相通 內部感受被測壓力p 當p變化時 引起膜盒上半部移動 即輸出相應的位移量 可變電感3是轉化元件 它把輸入的位移量轉換成電感的變化 5即為轉換電路 由一個敏感元件 兼轉換元件 組成 它感受被測量時直接輸出電量 3分類a Thevaluetobeestimated velocity temperature andsoon 常見的被測物理量 機械量 長度 厚度 位移 速度 加速度 旋轉角 轉數 質量 重量 力 壓力 真空度 力矩 風速 流速 流量 聲 聲壓 噪聲 磁 磁通 磁場 溫度 溫度 熱量 比熱 光 亮度 色彩 有源型和無源型 有源型 也稱能量轉換型或發電型 把非電量直接轉換成電壓 電流或電荷 例如 熱電偶溫度計 壓電式加速度計 無源型 也稱能量控制型或參數型 把非電量變成電阻 電容 電感等 b 能量轉換的方式 c 按輸入和輸出的特性分類按輸入 輸出特性 傳感器可分為線性和非線性兩類 3 2常用傳感器 按檢測原理 長度為l 截面積為A 電阻率為 的金屬絲 3 2 1電阻式傳感器 thequantitytobemeasured thechangeofresistance 1Rheostat 電位器式傳感器組成 線圈 骨架和滑動觸頭原理 如果電阻絲直徑與材質一定時 則電阻R隨導線長度L而變化 線圈繞于骨架上 觸頭可在繞線上滑動 當滑動觸頭在繞線上的位置改變時 將位移變化轉換為電阻變化線位移或角位移 電阻 電壓可測參數 線位移或角位移可以轉換為位移的參數 壓力 加速度等 resistance voltage 電阻分壓電路 測量電路 特點 結構簡單 尺寸小 重量輕 價格低廉且性能穩定 受環境因素 如溫度 濕度 電磁場干擾等 影響小 輸出信號大 一般不需放大磨損 降低測量精度 分辨力較低 動態響應較差適合于測量變化較緩慢的量 變阻器式傳感器的性能參數 測量范圍 分辨率 電阻溫度系數 整個電阻值的偏差 壽命 變阻器式傳感器的分類 按測量類型 單圈電位器 多圈電位器 直線滑動式電位器 按制作方式 線繞電位器 案例 重量的自動檢測 配料設備 原理 彈簧 力 位移 電位器 電阻 案例 煤氣包儲量檢測 原理 鋼絲 收線圈數 電位器 電阻 案例 玩具機器人 廣州中鳴數碼 原理 電機 轉角 電位器 電阻 2電阻應變片 基于金屬導體的應變效應 金屬導體在外力作用下發生機械變形時 其電阻值隨著所受機械變形 伸長或縮短 的變化而發生變化的現象 1 原理 種類 使用方法 原理 對金屬材料 電阻率基本不變 受力后材料的幾何尺寸變化受力后材料的電阻率變化 金屬電阻絲的電阻相對變化與軸向應變成正比 按工藝可分為絲式箔式金屬薄膜式 II種類 按使用溫度可分為 低溫應變片 30 以下 常溫應變片 30 60 中溫應變片 60 350 高溫應變片 350 以上 按基底材料可分為 紙質應變片 膠基應變片 金屬基底應變片 浸膠基應變片 按安裝方式可分為 粘貼式應變片 焊接式應變片 噴涂式應變片 埋入式應變片 按用途可分為 一般用途應變片 特殊用途應變片 水 疲勞壽命 抗磁感應 裂縫擴展等 按敏感柵結構可分為 單軸應變片和多軸應變片 a絲式 敏感柵 基底 覆蓋層 引線 b箔式 光刻技術厚約為0 003 0 01mm的金屬箔片制成敏感柵優點 可制成多種復雜形狀 尺寸準確的敏感柵 其柵長最小可做到0 2mm 以適應不同的測量要求 生產效率高 便于實現自動化生產金屬箔的材料常用康銅和鎳鉻合金等 c金屬薄膜應變片真空蒸發或真空沉積薄的絕緣基片形成厚度在0 1 m以下的金屬電阻材料薄膜的敏感柵 最后再加上保護層 它的優點是應變靈敏度大 允許電流密度大 工作范圍廣 可達 197 317 2 Semiconductor 壓阻效應對半導體材料的某一軸向施加一定的載荷而產生應力時 它的電阻率會發生變化 半導體應變片與金屬電阻應變片相比其靈敏度高50 70倍溫度穩定性差 3 應變片的選用 4 電阻應變片的粘貼技術 應變片粘貼工藝主要包含 應變片阻值檢測 結構表面打磨 應變片定位 結構表面清潔 涂膠粘貼 連接應變片引線和導線 絕緣檢查 應變片表面防護等步驟 1 外觀檢查可憑肉眼或借助放大鏡進行敏感柵有無銹斑 缺陷是否排列整齊基底和覆蓋層有無損壞引線是否完好 2 應變片電阻值的檢測為保證使用的應變片的電阻誤差不超過允許范圍 這個范圍通常在 0 5 用精度較高的歐姆表 1 應變片準備 3 檢查應變片上是否標有中心線無 在其覆蓋層上用鉛筆標出中心線以便貼片時定位 4 打磨表面對于鋼鐵等金屬構件 首先是清除表面油漆 氧化層和污垢 然后磨平或銼平 并用細砂布磨光 通常稱此工藝為 打磨 對非常光滑的構件 則需用細砂布沿45 方向交叉磨出一些紋路 以增強粘結力 打磨面積約為應變計面積的3 5倍左右 5 打磨完畢后 用劃針輕輕劃出貼片的準確方位 劃線深度要適中 6 表面處理的最后一道工序是清洗 即用潔凈棉紗或脫脂棉球蘸丙酮或其它揮發性溶劑對貼片部位進行反復擦洗 直至棉球上見不到污垢為止 此時勿用手觸摸清洗后的表面 7 用透明膠帶將應變片與構件臨時固定移動膠帶位置使應變片達到正確定位 8 一手捏住應變片引出線 一手拿粘合劑小瓶 將瓶口向下在應變片基底底面涂抹一層 一滴即可 粘合劑 一般宜薄不宜厚 涂粘合劑后立即將應變片底面向下平放在試件貼片部位上 并使應變片底基準線與試件上的定位線對齊 貼片工藝隨所用粘結劑不同而異 9 將一小片玻璃紙 包應變片的袋 聚四氯乙烯薄膜 蓋在應變片上 用手指按壓擠出多余粘合劑 手指保持不動約一分鐘再放開 輕輕掀開玻璃紙膜 檢查有無氣泡 翹曲 脫膠現象 再將玻璃紙蓋在應變片上 一手指按壓在應變片引出線端上 另一手指捏住引出線輕輕提起使之與試件脫離 引線如粘在構件上需小心操作 在緊連應變片的下部用膠水粘接一片連接片 在應變片的引出線附近粘貼一片接線片 同時在引出線下面粘貼一層絕緣膠布 為了使膠水快速固化 可用電吹風加熱處理 注意距離 在接線片端子上上好焊錫 用鑷子輕輕將應變片引出線與接線端子靠近 再用電烙鐵把引出線焊在端子上 焊接要迅速 時間不能過長 焊點要求光滑 不能虛焊 多余的引出線可剪斷 將連接應變儀的導線焊接在接線片上 注意焊接質量 把導線用絕緣膠帶固定在構件上 再一次檢查應變片質量 對已充分干燥 固化 并已焊好導線的應變計 應立即涂上防護層 常用室溫防護劑有 1 凡士林 2 蜂蠟 3 石蠟 炮油和松香混合物 4 環氧樹脂 用萬用表測量 應變片阻值應無明顯變化 用兆歐表檢查應變片與試件之間的絕緣電阻 一般測量電阻應大于100M 絕緣電阻是最重要的受檢指標 絕緣好壞取決于應變計的基底 粘貼不良或固化不充分的應變計往往絕緣電阻低 電阻應變式傳感器的應用 測力 組成 彈性元件 應變片 外殼彈性元件 被測量 應變量應變片 應變量 電阻量的變化 承載能力大彈性元件中部的外側面上 輪輻式 懸臂梁式 靈敏度高 小載荷高精度測量 固有頻率高 可承受大載荷重型載荷的電子秤 環式 中小載荷 穩定性好 案例 橋梁固有頻率測量 固有頻率改變 結構改變 結構安全檢查重要橋梁通常每年進行一次用載重20噸 30噸 的卡車以每小時40公里 80公里的速度通過大橋在橋梁中部的橋面上設置一個三角枕木障礙 當前進中的汽車遇到障礙時對橋梁形成一個沖擊力 激起橋梁的脈沖響應振動 應變信號 橋梁的固有頻率 案例 電子稱 原理將物品重量通過懸臂梁轉化結構變形再通過應變片轉化為電量輸出 案例 沖床生產記數和生產過程監測 案例 振動式地音入侵探測器 適合于金庫 倉庫 古建筑的防范 挖墻 打洞 爆破等破壞行為均可及時發現 3 2 2電容式傳感器 變換原理 將被測量的變化轉化為電容量變化 兩平行極板組成的電容器 它的電容量為 改變 A或 中的一個 極距變化型面積變化型介質變化型 a 極距變化型 變間隙型 改變間距 靈敏度高 微米數量級改變A 厘米數量級 傳感器的輸出特性C f 不是線性關系 C 測量微小變化量 0 01m到幾個毫米 靈敏度 輸出量的增量與輸入量增量的比值與極距平方成反比 極距愈小 靈敏度愈高 增加云母片提高靈敏度 式中 g 云母的相對介電常數 g 6 8 5 0 空氣的介電常數 0 1 g 云母片的厚度 0 空氣隙厚度 云母片擊穿電壓 1000kV mm空氣擊穿電壓 3kV mm 減小極距 高靈敏度 但容易擊穿 一般 起始電容在20 100pF極板間距離 25 200 m最大位移應小于間距的1 10在微位移測量中應用最廣 提高傳感器的靈敏度 克服外界條件 如電源電壓 環境溫度等 的變化對測量精度的影響 差動變極距型 b 面積變化型 平面線位移型 柱面線位移型 圓柱形結構受極板徑向變化的影響很小 成為實際中最常采用的結構 電容量C變化 諧振頻率也隨之改變從550kHz逐漸增加到1650kHz 就可以從一個電臺轉換到另一個電臺 c 介質變化型 大多用于測量電介質的厚度 位移 液位極板間介質的介電常數隨溫度 濕度改變測量溫度 濕度 電容式液位傳感器 液位計 料位計 電容式液位傳感器 液位計 料位計 式中 k 比例常數 s 被測物料的相對介電常數 0 空氣的相對介電常數 D 儲罐的內徑 d 測定電極的直徑 h 被測物料的高度 兩種介質常數差別越大或極徑D與d相差愈小傳感器靈敏度就愈高 電容式油量表 特點 動態特性好活動零件少 質量小 自振頻率高尤其適合測量高頻振動振幅 精密軸系回轉精度 加速度等機械量結構簡單 適應性好兩塊金屬板 絕緣材料 振動 輻射 高溫非接觸式測量不能受力 高速運動 表面不允許劃傷 電纜分布電容影響大連接電纜 屏蔽線的電容最小的l米也有幾個PF 最大的可達上百個PF電纜本身放置的位置和形狀不同 或因振動等原因 都會引起電纜本身電容的較大變化 陶瓷電容壓力傳感器 液體壓力作用在陶瓷膜片的表面 使膜片產生位移 應用 當被測壓力或壓力差作用于膜片并使之產生位移時 形成的兩個電容器的電容量 一個增大 一個減小 該電容值的變化經測量電路轉換成與壓力或壓力差相對應的電流或電壓的變化 1 電容式壓力傳感器 一個膜片動電極和兩個在凹形玻璃上電鍍成的固定電極組成的差動電容器 2 電容式加速度傳感器 電容式鍵盤 常規的鍵盤有機械式按鍵和電容式按鍵兩種 電容式鍵盤是基于電容式開關的鍵盤 原理是通過按鍵改變電極間的距離產生電容量的變化 暫時形成震蕩脈沖允許通過的條件 理論上這種開關是無觸點非接觸式的 磨損率極小甚至可以忽略不計 也沒有接觸不良的隱患 具有噪音小 容易控制手感 可以制造出高質量的鍵盤 但工藝較機械結構復雜 電容傳聲器 傳聲器 Microphone 俗稱話筒 音譯作麥克風 是一種聲 電換能器件 可分電動和靜電兩類 目前廣播 電視和娛樂等方面使用的傳聲器 絕大多數是動圈式和電容式 電容傳聲器以振膜與后極板間的電容量變化通過前置放大器變換為輸出電壓 它能提供非常高的音響質量 頻率響應寬而平坦 是高性能傳聲器 但這種傳聲器制造工藝復雜 價格高 需外加60 200V的極化電壓源 一般在專業領域使用較多 駐極體電容傳聲器 大膜片電容傳聲器 指紋識別 電容式傳感器 第二代指紋識別系統體積小 成本低 成像精度高 而且耗電量很小 因此非常適合在消費類電子產品中使用 右圖為指紋經過處理后的成像圖 指紋識別所需電容傳感器包含一個大約有數萬個金屬導體的陣列 其外面是一層絕緣的表面 當用戶的手指放在上面時 金屬導體陣列 絕緣物 皮膚就構成了相應的小電容器陣列 它們的電容值隨著脊 近的 和溝 遠的 與金屬導體之間的距離不同而變化 濕度測量 濕敏電容一般是用高分子薄膜電容制成的 常用的高分子材料有聚苯乙烯 聚酰亞胺 酪酸醋酸纖維等 當環境濕度發生改變時 濕敏電容的介電常數發生變化 使其電容量也發生變化 其電容變化量與相對濕度成正比 濕敏電容的主要優點是靈敏度高 產品互換性好 響應速度快 濕度的滯后量小 便于制造 容易實現小型化和集成化 其精度一般比濕敏電阻要低一些 HM1500濕度傳感器 在工農業生產 氣象 環保 國防 科研 航天等部門 經常需要對環境濕度進行測量及控制 當齒輪轉動時 電容量發生周期性變化 通過測量電路轉換為脈沖信號 則頻率計顯示的頻率代表轉速大小 設齒數為z 頻率為f 則轉速為 安裝在汽車座位里以控制氣囊配置和安全帶預緊裝置 在洗碗機和干燥機中以校正旋轉桶的狀態 冰箱使用其來控制自動去冰過程 3 2 3電感式傳感器 當導體中的電流發生變化時 它周圍的磁場就隨著變化 并由此產生磁通量的變化 因而在導體中就產生感應電動勢這個電動勢總是阻礙導體中原來電流的變化 此電動勢即自感電動勢自感現象自感系數 電流變化率感應電動勢線圈的匝數 形狀 面積 周圍介質的電導率 自感和互感現象 當一線圈中的電流發生變化時 在臨近的另一線圈中產生感應電動勢 叫做互感現象有兩個臨近的回路 1 和 2 載有電流I1 I2 則由I1產生的磁場穿過 2 的回路磁通量 21 M21 I1由I2產生的磁場穿過 1 的回路磁通量 12 M12 I2M12 M21均可稱為互感系數 簡稱互感 可以證明M12 M21 M 無論在何處 只要存在兩個電流回路 就會有互感 將被測非電量如位移 壓力 流量 振動等轉換成線圈自感系數或互感系數的變化 再由測量電路轉換為電壓或電流的變化量的輸出變磁阻式傳感器 自感式差動變壓器式傳感器 互感式電渦流式傳感器 電渦流式 1變磁阻式傳感器 自感式 Rm 磁阻 磁導率 A 變氣隙型 B變導磁面積型 特點 靈敏度較低 線性較好 量程比間隙式大 使用較廣泛 C螺管線圈型 當鐵心在線圈中運動時 將改變磁阻 使線圈自感發生變化 靈敏度低 適用于較大位移 幾毫米 測量 輸入輸出呈線性 螺管中部 靈敏度較低 鐵芯尺寸固定 線圈匝數等不變時 電感相對變化量與銜鐵插入長度的相對變化量成正比 結構簡單 制造容易 使用最廣泛 變間隙型靈敏度較高 但非線性誤差較大 且制作裝配比較困難 變面積型靈敏度較前者小 但線性較好 量程較大使用比較廣泛 螺管型靈敏度較低 但量程大 且結構簡單易于制作和批量生產 是使用最廣泛的一種電感式傳感器 傳感器由不導磁管子 導磁性浮子及線圈組成 管子與被測容器相連通 管子內的導磁性浮子浮在液面上 當液面高度變化時 浮子隨著移動 線圈固定在液位上下限控制點 當浮子隨液面移動到控制位置時 引起線圈感應電勢變化 以此信號控制繼電器動作 可實現上 下液位的報警與控制 2互感型 工作原理 互感現象 本身是一個變壓器 其初級線圈接入交流電源 次級為感應線圈 當互感變化時 輸出電壓將作相應的變化 由于常采用兩個次級線圈組成差動式 故又稱差動變壓器式傳感器 螺管式差動變壓器 傳感器由初級線圈和兩個參數完全相同的次級線圈組成 線圈中心插入圓柱形鐵芯 次級線圈反極性串聯 當初級線圈加上交流電壓時 如果e1 e2 則輸出電壓e0 0 當鐵芯向上運動時 e1 e2 當鐵芯向下運動時 e1 e2 鐵芯偏離中心位置愈大 e0愈大輸出電壓 位移大小極性 位移方向 差動變壓器式傳感器的優點是 測量精度高 可達0 1 m 線性范圍大 可到 100mm 穩定性好 結構簡單 因而被廣泛應用于直線位移 或可能轉換為位移變化的壓力 重量等參數的測量 差動變壓器位移傳感器 案例 板的厚度測量 案例 張力測量 變磁阻式傳感器 自感式差動變壓器式傳感器 互感式電渦流式傳感器 電渦流式 線圈等效阻抗發生變化 L變小 R變大 電渦流效應 塊狀金屬導體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時 導體內將產生呈渦旋狀的感應電流 一般用于測量x 也有用于測量電阻率 磁導率 導體探傷 等 3電渦流式傳感器 按照電渦流在導體內的貫穿情況 此傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類 但從基本工作原理上來說仍是相似的 低頻透射式渦流傳感器多用于測定材料厚度發射線圈和接收線圈接收線圈產生的感應電勢e2減小e2的大小與G的厚度及材料性質有關 高頻反射式 1 位移測量 2 振幅測量 無損探傷 原理裂紋檢測缺陷造成渦流變化 火車輪檢測 油管檢測 渦流傳感器的應用 渦流傳感器的應用 發射線圈金屬體位置 大小接收線圈 電渦流安檢門 電渦流安檢門 轉速測量 可實現非接觸式測量 抗污染能力很強 可安裝在旋轉軸近旁長期對被測轉速進行監視 最高測量轉速可達60萬轉 min 轉 分 接近開關是一種毋需與運動部件進行機械接觸而可以操作的位置開關 當物體接近開關的感應面到動作距離時 不需要機械接觸及施加任何壓力即可使開關動作 電感式接近開關屬于一種有開關量輸出的位置傳感器 它由LC高頻振蕩器和放大處理電路組成 利用金屬物體在接近這個能產生電磁場的振蕩感應頭時 使物體內部產生渦流 這個渦流反作用于接近開關 使接近開關振蕩能力衰減 內部電路的參數發生變化 由此識別出有無金屬物體接近 進而控制開關的通或斷 這種接近開關所能檢測的物體必須是金屬物體 被測物理量的變化轉變為感應電動勢 inducedvoltage 是一種機 電能量變換型傳感器穿過導電回路所環繞的面積內的磁通變化時 在該回路中產生電動勢當導線切割磁力線時 在導線兩端產生電動勢 3 2 4感應式傳感器 感應線圈的感應電動勢 inducedvoltage 磁場強度 磁阻 線圈運動速度 改變其中一個因素 都會改變感應電動勢 分類 動圈式 變磁阻式 線速度型 角速度型 動鐵式 A動圈式傳感器利用永久磁鐵產生直流磁場 通過線圈在磁場中的運動而產生相應的感應電動勢 線速度型 測速電機 角速度型 在傳感器中當結構參數確定后 B l W A均為定值 感應電動勢e與線圈相對磁場的運動速度 v或 成正比 所以這類傳感器的基本形式是速度傳感器 能直接測量線速度或角速度 如果在其測量電路中接入積分電路或微分電路 那么還可以用來測量位移或加速度 B動鐵式 C變磁阻式傳感器 常用來測量旋轉物體的角速度 線圈3和磁鐵5靜止不動 測量齒輪1 導磁材料制成 每轉過一個齒 傳感器磁路磁阻變化一次 線圈3產生的感應電動勢的變化頻率等于測量齒輪1上齒輪的齒數和轉速的乘積 應用 磁電式傳感器可以安裝在車身上的任何位置 只要稍微調整一下某些參數值 使得其能夠識別峰值為0 588m s2和時間脈沖為0 20ms的碰撞加速度信號即可 只要碰撞加速度峰值和時間脈沖寬度同時滿足條件 就會向氣囊發出觸發信號 展開氣囊 對人體進