传感器和检测工作技术应用流量检测工作
传感器与检测技术1
第1章 传感器与检测技术基础检测技术是人们认识和改造世界的一种必不可少的重要技术手段。
而传感器是科学实验和工业生产等活动中对信息资源的开发获取、传输与处理的一种重要手段。
我们已经知道，对于电量参数的测量具有测量精度高、反应速度快、能自动连续地进行测量、可以进行遥测、便于自动记录、可以与计算机方便地连接进行数据处理、也可采用微处理器做成智能仪表、能实现自动检测与转换等一系列优点。
但是在工程上和实际的测量中，所需要测量的参数往往有相当大的部分为非电量，例如温度、位移、压力、流量等，所以通常就把将这些非电量转换为电信号输出的装置或设备称为传感器。
传感器与检测技术是一门随着现代科学技术发展而迅猛发展的综合性技术学科，广泛应用于人类的社会生产和科学研究中，起着越来越重要的作用，成为国民经济发展和社会进步的一项必不可少的重要技术。
检测的基本任务就是获取有用的信息，通过借助专门的仪器、设备，设计合理的实验方法以及进行必要的信号分析与数据处理，从而获得与被测对象有关的信息，最后将结果提供显示或输入其他信息处理装置、控制系统。
因此，传感器与检测技术属于信息科学范畴，它与通信技术、计算机技术一起分别构成信息技术系统的“感官”、“神经”和“大脑”，是信息技术的三大支柱(传感技术、通信技术和计算机技术)之一。
检测技术的发展与生产和科学技术的发展是紧密相关的，它们互相依赖、相互促进。
现代科技的发展不断地向检测技术提出新的要求，推动了检测技术的发展。
与此同时，检测技术迅速吸取各个科技领域(如材料科学、微电子学、计算机科学等)的新成果，开发出新的检测方法和先进的检测仪器，同时又给科学研究提供了有力的工具和先进的手段，从而促进了科学技术的发展。
在各种现代机械设备的设计和制造中，检测技术的成本已达到设备系统总成本的50%～70%。
据资料统计：一辆汽车需要30～100余种传感器及配套检测仪表用以检测车速、方位、转矩、振动、油压、油量、温度等；而一架飞机需要3600余种传感器及配套检测仪表用来监测飞机各部位的参数(压力、应力、温度等)和发动机的参数(转速、振动等)等。
《传感器与检测技术》课程标准
《传感器与检测技术》课程标准1.刖百1.1课程性质在高职机电一体化技术专业课程体系中，《传感器及检测技术》课程是一门理实结合紧密的专业必修课，课程任务是使学生掌握不同类型的传感器应用实例、测量原理、测量电路，具备自动检测技术方面的基本知识和基本技能，能解决生产中传感器的选型、安装、调试、排除故障等方面的问题，初步形成解决生产实际问题的能力，同时深化学生团队协作能力、沟通交流能力、组织协调能力，提高学生的专业素养，并为后续课程深入学习和应用打好基础。
本课程主要培养学生以下几个方面的基础职业技能和能力：（1）知道控制系统中各种传感器的特点和应用；（2）能读懂传感器相关电路原理图；（3）能读懂控制系统各种传感器的说明书；（4）会使用常用电工工具和检测仪器仪表安装、调试常见传感器；（5）会诊断和处理常见传感器故障；（6）会应用常用传感器设计控制系统；（7）会分析解决问题，具有团队协作、组织协调的社会能力。
学生在学习此课程之前，已完成了前置课程《电工电子技术》的学习，获得了电路分析理论知识的储备，具备了初步的专业实践能力，为本课程的学习奠定了一定的专业和职业能力基础。
同时，本课程作为重要的专业课，为后续专业课程《可编程控制器技术》、《单片机原理及应用》、《机器人与柔性制造系统》、《机电设备安装与调试》、《机电设备故障诊断与维护》及《现代设备管理》等课程起到重要支撑作用。
1.2设计思路本课程标准以就业为导向，针对满足机电一体化技术专业毕业生的典型工作岗位（中级冶金机电设备点检员）的工作流程和内容设计。
课程设计运用了质量管理中产品设计的方法和步骤（DMADV）,基于以顾客为中心，充分满足顾客需求的设计原则，对照《高等职业学校机电一体化技术专业教学标准》、《职业院校机电一体化技术（机电技术应用）专业中高职衔接教学标准》、《高等职业学校机电一体化专业仪器设备装备规范》、《中华人民共和国职'也分类大典》中的课程相关教学标准和专业核心岗位的要求，导出教学目标。
传感器与检测技术流量检测
6.2.2.4 靶式流量计
靶：管流中垂直于流动方向安装的圆盘形阻挡件
流体经过时对靶产生作用力，此
作用力与流速有一定关系。
以直径比 d / D
表示流量公式：
1 qV ka D 2
F
靶式流量计结构原理 1—力平衡转换器；2—密封膜片； 3—杠杆；4—靶；5—测量导管
6.2.2.5 浮子流量计
1）测量原理及结构
浮子的力平衡公式：
p Af V f f g
Af ：浮子截面积；V f ：浮子体积
f ：浮子密度
代入节流流量方程式得：
浮子流量计测量原理
qV A0
2 gV f f
Af
A0为环隙面积，与浮子高度h对应
K s qm 4 r
：扭角；K s：扭转弹性系数；
：振动角速度；r：U形管跨度半径
KS 2r sin 2r t ; qm 2 t; vp L 8r
6.3.2.2 热式质量流量计
原理：利用外热源对被测流体加热，测量因流体 流动造成的温度场变化，从而测得流体的质量流量。 流量方程式：
流出系数C： CE，渐进速度系数E：E
1 1 4
；
qV KCE d
2
p
；qm KCE d 2 p
ห้องสมุดไป่ตู้
标准节流装置示意
节流装置取压方式
法兰取压 角接取压
6.2.2.2 均速管流量计
流体流经均速管产生与流量有确定关系的差压信号。
均速管的实用流量方程式：
qV
4
Dv
椭圆齿轮 流量计
腰轮流量 计
《传感器与检测技术》课件——第10章 流量传感器及其应用
2．流量检测中常用的物理量 （1）密度 ：表示单位体积中物质的量，其数学表达式为 对于液体，在常温常压下，压力变化对其容积影响甚微，所以工程上通常将液体视为不可压缩流体，即可不考虑压力变化对液体密度的影响，而只考虑温度对其密度的影响。对于气体，温度、压力对单位质量气体的体积影响很大，因此在表示气体密度时，必须指明气体的工作状态（温度和压力）。 （2）黏度：是表征流体流动时内摩擦黏滞力大小的物理量，有动力黏度和运动黏度。 二者之间的关系为：v =h/r。 （3）雷诺数Re：是表征流体情况的特征数。其计算公式为 式中， 为管径； 为流速；r为流体密度；h为动力黏度； 为运动黏度。
（2）管道条件。 ① 安装节流装置的管道应该是直的圆形管道，管道直度用目测法测量。上下游直管段的圆度按流量测量节流装置的国家标准规定进行检验，管道的圆度要求是在节流件上游至少2D（实际测量）长度范围内，管道应是圆的。在离节流件上游端面至少2D 范围内的下游直管段上，管道内径与节流件上游的管道平均直径D 相比，其偏差应在±3%之内。 ② 管道内表面上不能有凸出物和明显的粗糙不平现象，至少在节流件上游10D 和下游4D 的范围内应清洁、无积垢和其他杂质，并满足有关粗糙度的规定。 ③ 节流件前后应有足够长的直管段，在不同局部阻力情况下所需要的最小直管段长度。
10.2 容积式流量传感器
传感器及检测技术(1)
4~20mA
4~20mA二线制数显表外形及计算
在上一张图中,若取样电阻RL =500.0,则对应于4~20mA的输出电流,输出电压Uo为2~10V.
本章作业
习题 P62 第1题、3题,4、 5题〔选做〕
休息一下
2.6 电涡流式传感器
电涡流在用电中是有害的,应尽量避免,如电机、变压器的铁心用相互绝缘的硅钢片叠成,以切断电涡流的通路；而在电加热方面却有着广泛应用,如金属热加工的400Hz中频炉、表面淬火的2MHz高频炉、烹饪用的电磁炉等.在检测领域,电涡流式传感器结构简单,其最大特点是可以实现非接触测量,因此在工业检测中得到了越来越广泛的应用.例如位移、厚度、振动、速度、流量和硬度等,都可以使用电涡流式传感器来测量.
上图中的RP是用来微调电路平衡的, VD1~VD4、VD5~VD8组成普通桥式整流电路, Ｃ3、Ｃ4、Ｒ3、Ｒ4组成低通滤波电路,Ａ1及Ｒ21、Ｒ22、Ｒf、Ｒ23组成差动减法放大器,用于克服a、b两点的对地共模电压.
第三节 电感式传感器的应用
一、位移测量
轴向式电感 测微器的外形
图3-7 相敏检波输出特性曲线
a〕非相敏检波 b〕相敏检波 1—理想特性曲线 2—实际特性曲线
第二节 差动变压器式传感器
电源中用到的"单相变压器"有一个一次线圈〔又称为初级线圈〕,有若干个二次线圈〔又称次级线圈〕.当一次线圈加上交流激磁电压Ui后,将在二次线圈中产生感应电压UO.在全波整流电路中,两个二次线圈串联,总电压等于两个二次线圈的电压之和.
差动电感传感器的特点
请分析：灵敏度、 线性度有何变化
曲线1、2为L1、L2 的特性,3为差动特性
传感器技术及应用：检测技术及传感器的基本概念
检测技术及传感器的基本概念
3. 显示装置 (1) 模拟显示是利用指针对标尺的相对位置来表示被测 量数值的大小，如毫伏表、毫安表等，其特点是读数方便、 直观，结构简单，价格低廉，在检测系统中一直被大量使用。 但这种显示方式的精度要受标尺最小分度的限制，而且读数 时易引入主观误差。 (2) 数字显示是指用数字形式来显示测量值，目前大多 采用LED发光数码管或液晶显示屏等，如数字电压表。这类 检测仪器还可附加打印机，打印记录测量数值，并易于计算 机联机，使数据处理更加方便。
在t1 时刻，RX上的电压为
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检测技术及传感器的基本概念
1. 绝对测量、相对误差和引用误差 1) 绝对误差 绝对误差是指测量值AX 与被测量真值 A0之间的差值， 用δ 表示，即
(1-2)
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检测技术及传感器的基本概念
由式(1-2)可知，绝对误差的单位与被测量的单位相同， 且有正负之分。用绝对误差表示仪表的误差大小也比较直观， 它被用来说明测量结果接近被测量真值的程度。在实来代替 A0，则式(1-2)可写成
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检测技术及传感器的基本概念
4. 数据处理装置和执行机构 数据处理装置就是利用微机技术，对被测结果进行处理、 运算、分析，对动态测试结果进行频谱、幅值和能量谱分析 等。 在自动测控系统中，经信号处理电路输出的与被测量对 应的电压或电流信号还可以驱动某些执行机构动作，为自动 控制系统提供控制信号。
36
检测技术及传感器的基本概念 37
检测技术及传感器的基本概念
测量结构为
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检测技术及传感器的基本概念
2. 粗大误差的判别与坏值的舍弃 在重复测量得到的一系列测量值中，首先应将含有粗大 误差的坏值剔除后，才可进行有关的数据处理。但是也应当 防止无根据地随意丢掉一些误差大的测量值。对怀疑为坏值 的数据，应当加以分析，尽可能找出产生坏值的明确原因， 然后再决定取舍。实在找不出产生坏值的原因，或不能确定 哪个测量值是坏值时，可以按照统计学的异常数据处理法则， 判别坏值并加以舍弃。
传感器与检测技术重点知识点总结
传感器与检测技术重点知识点总结传感器是一种能够感知、收集并转换物理量或化学量等信息的装置。
它广泛应用于各个行业和领域，如工业生产、环境监测、医疗设备、汽车等。
以下是传感器与检测技术的一些重点知识点总结。
1.传感器的基本原理-传感器是通过感知或测量物理量或化学量等信息，并将其转化为可用的电信号输出。
-常见的物理量包括温度、压力、湿度、光照强度、流量等；化学量包括气体浓度、pH值等。
-传感器的工作原理包括电学、热学、光学、化学以及机械等不同的原理。
-传感器的输出信号可以是电压、电流、频率、电阻等形式。
2.传感器的分类-按照感知的物理量或化学量的不同，传感器可以分为温度传感器、压力传感器、光敏传感器、流量传感器等。
-按照测量原理的不同，传感器可以分为电阻传感器、电容传感器、电感传感器、化学传感器等。
-按照输出信号类型的不同，传感器可以分为模拟输出传感器和数字输出传感器。
3.传感器的特性与参数-灵敏度：传感器响应物理量变化的能力，它决定了传感器的测量范围和分辨率。
-精度：传感器测量值与真实值之间的偏差，包括系统误差、随机误差等。
-响应时间：传感器从感知到输出响应所需的时间。
-可靠性：传感器在一定环境条件下长时间稳定工作的能力。
-线性度：传感器输出信号与输入物理量之间的线性关系。
-温度影响：传感器在不同温度下性能的稳定性。
-零点漂移：在长时间使用过程中，传感器输出信号发生的零点偏移。
-跨度漂移：在长时间使用过程中，传感器输出信号的量程偏移。
-电磁兼容性：传感器在干扰条件下的工作能力。
4.传感器的应用领域-工业生产：用于监测和控制工艺过程中的温度、压力、流量等参数，提高生产效率和质量。
-环境监测：用于监测大气污染、水质污染、噪声等环境参数，保护生态平衡和人类健康。
-汽车行业：用于汽车发动机的温度、压力、氧气浓度等参数的监测和控制，提高汽车性能和安全性。
-医疗设备：用于监测病人的体温、心率、血压等生理参数，辅助医疗诊断和治疗。
3.3(流量) 检测仪表与传感器解析
②当要求压力损失较小时,可采用喷嘴、文丘里管等。
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过程装备控制技术
3.3、流量检测及仪表 3.3.2 差压式流量计
③在测量某些易使节流装置腐蚀、沾污、磨损、变形的 介质流量时,采用喷嘴较采用孔板为好。 ④在流量值与压差值都相同的条件下,使用喷嘴有较高的 测量精度,而且所需的直管长度也较短。
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过程装备控制技术
3.3、流量检测及仪表 3.3.2 差压式流量计
（2）测量气体流量时，上述的这些基本原则仍然适用。 ①取压点应在节流装置的上半部。 ②引压导管最好垂直向上，至少亦应向上倾斜一定的坡度， 以使引压导管中不滞留液体。 ③如果差压计必须装在节流装置之下，则需加装贮液罐和 排放阀， （3）测量蒸汽的流量时，要实现上述的基本原则，必须解决 蒸汽冷凝液的等液位问题，以消除冷凝液液位的高低对测量 精度的影响。常见的接法见图3-6所示。
差压计阀组安装示意图 1，2—切断阀；3—平衡阀 隔离罐的两种形式
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过程装备控制技术
3.3、流量检测及仪表
3.3.3 转子流量计 一、 工作原理
当测量流体的流量时，被测流体从锥 形管下端流入，流体的流动冲击着转子， 并对它产生一个作用力（这个力的大小随 流量大小而变 化）。当流量足够大时，所 产生的作用力将转子托起，并使之升高。 同时，被测流体流经转子与锥形管壁间的 环形断面，从上端流出。当被测流 体流动 时对转子的作用力，正好等于转子在流体 中的重量时（称为显示重量），转子受力 处于平衡状态而停留在某一高度。
3
过程装备控制技术
3.3、流量检测及仪表 3.3.1 概述
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传感器和检测工作技术应用流量检 测工作
6.1 流量检测基本概念
6.2 体积流量检测方法
6.3 质量流量检测方法
6.4 流量标准装置
传感器和检测工作技术应用流量检 测工作
6.1 流量检测基本概念
6.1.1 流量的概念和单位
定义：短暂时间内流过某一流通截面的流体数量与 通过时间之比。
体积流量－用流体的体积来表示（qv）
6.2.2.4 靶式流量计
p
，
2
密
度
2
传感器和检测工作技术应用流量检 测工作
由 于 节 流 件 很 短 ， 假 定 流 体 密 度 在 流 经 节 流 件 时 没 有 变 化
即 1 2 ；
用节流件开孔面积A0 4d2代替最小收缩截面面积A2； 节流装置的直径比d/D A0 /A1
流 体 流 经 孔 板 时 的 平 均 流 速 v 21 14 2 p 1 p 2
传感器和检测工作技术应用流量检 测工作
6.2.2 差压式流量计
一、基本原理 在流通管道上设置流动阻力件，流体通过阻力件时将
产生压力差，此压力差与流体流量之间有确定的数值关系， 通过测量差压值可以求得流体流量。 二、组成
传感器和检测工作技术应用流量检 测工作
6.2.2.1 节流式流量计
节流装置：产生差压，主体是一个局部收缩阻力件，改 变流体流通截面，从而在节流元件前后形成压力差。
传感器和检测工作技术应用流量检 测工作
根据伯努利方程， 对截面I—I、Ⅱ—Ⅱ处沿管中心的 流体有以下能量关系：
p1 v12 p2 v22
1 2 2 2
根据流体的连续性方程得：
A 1v11A 2v2 2
节流件入口处：
流 速 v1， 静 压 p1， 密 度 1 最小收缩截面处：
流
速
v
，
2
静
压
qV
dVvA(m3/s) dt
瞬时质量流量－用流量的质量来表示（qm），简称质
量流量
dM
qm dt
vA(kg/s) 传感器和检测工作技术应用流量检 测工作
累积流量：一段时间内流体体积流量或质量 流量的累积值。
累积体积流量
tV Biblioteka vdt0累积质量流量
t
m q m dt
0
传感器和检测工作技术应用流量检 测工作
标准节流装置示意
传感器和检测工作技术应用流量检 测工作
节流装置取压方式
角接取压
法兰取压
传感器和检测工作技术应用流量检 测工作
6.2.2.2 均速管流量计
流体流经均速管产生与流量有确定关系的差压信号。 均速管的实用流量方程式：
qV4D2v4D2k
2p
D为管道内径。
k为均速管流量系数，由实验确定。
传感器和检测工作技术应用流量检
均速管流量测工计作结构图
6.2.2.3 弯管流量计
流体通过管道弯头时，受到角加速的作用而产生 的离心力会在弯头的外半径侧与内半径侧之间形成 差压，此差压的平方根与 流体流量成正比。
弯管流量计的流量方程式：
qV
4
D2k
2 p
传感器和检测工作技术应用流量检
弯管测流工量作计示意
速度式流量计 涡轮流量计、涡街流量计、电磁流量计、超声波流量计等
推导式质量流量计 质量流量计
直接式质量流量计
体积流量经密度补偿或温度、压力补偿求得质量流量等
传感器和检测工作技术应用流量检
科里奥利流量计、热式流量计、冲测量工式作流量计等
6.1.2.2 流量计的测量特性
1）粘性
衡量流体粘性大小的物理量称为粘度。
6.1.2 流量检测方法及流量计分类
6.1.2.1 流量检测方法及流量计分类 – 检测方法：体积流量检测，质量流量检测。 – 流量计：由流量传感器和二次仪表构成。
类别
仪表名称
容积式流量计
椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、皮膜式流量计等
体积流量计
差压式流量计
节流式流量计、均速管流量计、弯管流量计、靶式流量计、 浮子流量计等
体 积 流 量 qVA0v2
A0
14
2p
质 量 流 量 qmA 0v2
A 0 14
2 p 传感器和检测工作技术应用流量检
测工作
对流量的修正
流 量 系 数 ： 与 节 流 件 形 式 、 直 径 比 、 取 压 方 式 、 流 动 雷
诺 数 R e 及 管 道 粗 糙 度 等 多 种 因 素 有 关 。
雷诺数
雷诺数是表征流体流动时惯性力与粘性力之 比。
利用细管直径d，可求出雷诺数Rd：
Rd
vd
vd
Rd＜2320时为层流，Rd＞2320时为紊流。
传感器和检测工作技术应用流量检 测工作
3）流体流动的连续性方程
流体在管道内作稳定流动的情况：
1v1S1 2v2S2 常数， 若：1＝2
则：vS=常数
F Sv / y F y (单位 : p)
S v
,称 为 运 动 粘 度 ， 单 位 是 ： m2/s 传感器和检测工作技术应用流量检 测工作
2）层流和紊流
层流：流体在细管中流动的流线平行于管轴时的流 动。
紊流：流体在细管中流动的流线相对混乱的流动。
利用雷诺数可以判断流动 的形式。
在层流流动状态时，流量与压力降成正比； 在紊流流动状态时，流量与压力降传的感平器和方检测根测工成工作作技正术应比用流。量检
即流体在稳定流动，且不可压缩时，流过各截面流体 的体积为常量。因此利用上式，很方便的求出流体流过 管道不同截面时的流速。
传感器和检测工作技术应用流量检 测工作
4）流量范围及范围度
指可测最大流量和最小流量所限定的范围。在这 个范围内，仪表在正常使用条件下示值误差不超过最 大允许误差。
5）测量精确度和误差 6）压力损失
可 膨 胀 系 数 ： 因 流 体 密 度 改 变 引 起 流 量 系 数 变 化 的 修 正 1 ， 与 节 流 件 形 式 、 值 、 p /p 1 及 气 体 熵 指 数 有 关 。
流 出 系 数 C ： C E ， 渐 进 速 度 系 数 E ： E 1； 1 4
qVK C Ed2 p； qmK C E 传感d器2和检测 工作p 技术应用流量检 测工作
传感器和检测工作技术应用流量检 测工作
6.2 体积流量检测方法
6.2.1 容积式流量计
一定时间间隔测量体积总量： QnV
构成：测量室、运动部件、传动和显示部件
容积式计量表
椭圆齿轮 流量计
腰轮流量 计
活塞式 括板式流
流量计
量计
传感器和检测工作技术应用流量检
测工作
腰轮流量计
流体总量: Q4nV0 传感器和检测工作技术应用流量检 测工作