上海交通大學(xué)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)期末大作業(yè).doc

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上海交通大學(xué)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)期末大作業(yè) 常用傳感器在工程測(cè)試中的應(yīng)用與研究 學(xué) 生：趙文文 學(xué) 號(hào)：716140010006 專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化 導(dǎo) 師：林昕 學(xué)校代碼：10248 上海交通大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院 二Ｏ一七年十二月 傳感器在機(jī)械工程測(cè)試中的應(yīng)用研究 摘要 在工業(yè)生產(chǎn)過程及工程檢測(cè)中, 為了對(duì)各種工業(yè)參數(shù)（如壓力、溫度、流量、物位、位移等）進(jìn)行檢測(cè)與控制, 首先要把這些參數(shù)轉(zhuǎn)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(gè)檢測(cè)系統(tǒng)或調(diào)節(jié)系統(tǒng), 完成對(duì)工業(yè)參數(shù)的檢測(cè)與控制。  本文主要介紹傳感器在機(jī)械工程測(cè)試中的應(yīng)用，包括溫度測(cè)量、壓力測(cè)量、流量測(cè)量、物位測(cè)量等。 關(guān)鍵詞：傳感器 溫度測(cè)量 壓力測(cè)量 流量測(cè)量 物位測(cè)量 APPLICATION OF SENSOR IN MECHANICAL ENGINEERING TEST ABSTRACT In the process of industrial production and engineering testing, in order to various industrial parameters (such as pressure, temperature, flow, level, displacement etc.) to detect and control, first take these parameters into convenient delivery information, it is necessary to use a variety of sensors, the sensor and its device combination, a detection system or control system, complete the detection and control of industrial parameters。 This paper mainly introduces the application of sensors in mechanical engineering testing, including temperature measurement, pressure measurement, flow measurement, and location measurement. Key words: sensor /temperature measurement /pressure measurement /flow measurement /object position measurement 目 錄 1.溫度測(cè)量---------------------------------------------------------------------------------------------------------4 1.1溫度概述---------------------------------------------------------------------------------------------------4 1.2膨脹式溫度傳感器--------------------------------------------------------------------------------------4 2.壓力測(cè)量---------------------------------------------------------------------------------------------------------5 2.1 壓力概述--------------------------------------------------------------------------------------------------5 2.2液柱式壓力計(jì)--------------------------------------------------------------------------------------------6 3.流量測(cè)量--------------------------------------------------------------------------------------------------------7 3.1 流量概述--------------------------------------------------------------------------------------------------7 3.2電磁流量傳感器----------------------------------------------------------------------------------------8 4.物位測(cè)量--------------------------------------------------------------------------------------------------------9 4.1物位概述--------------------------------------------------------------------------------------------------9 4.2浮力式液位傳感器-------------------------------------------------------------------------------------9 總結(jié)----------------------------------------------------------------------------------------------------------------10 主要參考文獻(xiàn)---------------------------------------------------------------------------------------------------10 1. 溫度測(cè)量 1.1溫度概述 溫度是工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中一個(gè)非常重要的參數(shù)。 物體的許多物理現(xiàn)象和化學(xué)性質(zhì)都與溫度有關(guān)。許多生產(chǎn)過程都是在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的, 需要測(cè)量溫度和控制溫度。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 對(duì)溫度的測(cè)量越來越普遍, 而且對(duì)溫度測(cè)量的準(zhǔn)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(cè)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(zhì)隨著冷熱程度不同而變化的特性間接測(cè)量。 為了定量地描述溫度的高低, 必須建立溫度標(biāo)尺, 即溫標(biāo)。 溫標(biāo)就是溫度的數(shù)值表示。各種溫度計(jì)和溫度傳感器的溫度數(shù)值均由溫標(biāo)確定。歷史上提出過多種溫標(biāo), 如早期的經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)（攝氏溫標(biāo)和華氏溫標(biāo)）, 理論上的熱力學(xué)溫標(biāo), 當(dāng)前世界通用的國(guó)際溫標(biāo)。熱力學(xué)溫標(biāo)確定的溫度數(shù)值為熱力學(xué)溫度（符號(hào)為T）, 單位為開爾文（符號(hào)為K）, 1 K等于水三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度的 1/273.16。熱力學(xué)溫度是國(guó)際上公認(rèn)的最基本溫度, 國(guó)際溫標(biāo)最終以它為準(zhǔn)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(shí)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(xì)玻璃管里充入液體（稱為工作液, 如水銀、 酒精等）構(gòu)成液體膨脹式溫度計(jì)。常用的有水銀玻璃溫度計(jì)和電接點(diǎn)式溫度計(jì), 這種溫度計(jì)遠(yuǎn)不能算傳感器, 它只能就地指示溫度。 電接點(diǎn)式溫度計(jì)可對(duì)設(shè)定的某一溫度發(fā)出開關(guān)信號(hào)或進(jìn)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(cè)溫的。 它由兩種線膨脹系數(shù)不同的金屬緊固結(jié)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(dāng)溫度變化時(shí), 雙金屬片彎曲變形, 通過指針軸帶動(dòng)指針偏轉(zhuǎn)顯示溫度。它常用于測(cè)量-80℃～600℃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(cè)溫、 上下限報(bào)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(cè)溫的, 利用這種原理測(cè)溫的溫度計(jì)又稱壓力計(jì)式溫度計(jì), 如圖 1 所示。溫包、毛細(xì)管和彈簧管三者的內(nèi)腔構(gòu)成一個(gè)封閉容器, 其中充滿工作物質(zhì)（如氣體常為氮?dú)猓? 工作物質(zhì)的壓力經(jīng)毛細(xì)管傳給彈簧管, 使彈簧管產(chǎn)生變形, 并由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)指針, 指示出被測(cè)溫度的數(shù)值。 圖1壓力式溫度計(jì) 壓力溫度計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗振及耐腐蝕性能好, 與微動(dòng)開關(guān)組合可作溫度控制器用, 但它的測(cè)量距離受毛細(xì)管長(zhǎng)度限制, 一般充液體可達(dá)20m, 充氣體或蒸汽可達(dá)60m。  2. 壓力測(cè)量 2.1壓力概述 壓力是重要的工業(yè)參數(shù)之一, 正確測(cè)量和控制壓力對(duì)保證生產(chǎn)工藝過程的安全性和經(jīng)濟(jì)性有重要意義。壓力及差壓的測(cè)量還廣泛地應(yīng)用在流量和液位的測(cè)量中。  工程技術(shù)上所稱的“壓力”實(shí)質(zhì)上就是物理學(xué)里的“壓強(qiáng)”, 定義為均勻而垂直作用于單位面積上的力。 其表達(dá)式為P=FxA 式中 P--為壓力; F--為作用力; A--為作用面積。  國(guó)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(jiǎn)稱“帕”, 符號(hào)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(yīng)改為法定計(jì)量單位帕, 其換算關(guān)系如下: 1 kgf/cm2=0.9807105Pa 1mmH2O=0.980710Pa 1mmHg=1.332102Pa 1atm=1.01325105Pa 壓力有幾種不同表示方法 (1)絕對(duì)壓力 指作用于物體表面積上的全部壓力, 其零點(diǎn)以絕對(duì)真空為基準(zhǔn), 又稱總壓力或全壓力, 一般用大寫符號(hào)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(duì)壓力與大氣壓力之差, 一般用p表示。 測(cè)壓儀表一般指示的壓力都是表壓力, 表壓力又稱相對(duì)壓力。當(dāng)絕對(duì)壓力小于大氣壓力, 則表壓力為負(fù)壓, 負(fù)壓又可用真空度表示, 負(fù)壓的絕對(duì)值稱為真空度。如測(cè)爐膛和煙道氣的壓力均是負(fù)壓。  (4)差壓 任意兩個(gè)壓力之差稱為差壓。 如靜壓式液位計(jì)和差壓式流量計(jì)就是利用測(cè)量差壓的大小知道液位和流體流量的大小。 測(cè)量壓力的傳感器很多, 如應(yīng)變式、電容式、差動(dòng)變壓器、霍爾、壓電等傳感器等都能用來測(cè)量壓力。 2.2液柱式壓力計(jì) 液柱式壓力計(jì)是以流體靜力學(xué)原理來測(cè)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(jìn)行測(cè)量, 常用于低壓、負(fù)壓或壓力差的測(cè)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(cè)通壓力p1, 另一側(cè)通壓力p2。當(dāng)p1= p2時(shí), 左右兩管的液體高度相等。 當(dāng)p1< p2時(shí), 兩邊管內(nèi)液面便會(huì)產(chǎn)生高度差。 根據(jù)液體靜力學(xué)原理可知:  Δp=p1-p1=ρg h 式中ρ為U形管內(nèi)液體的密度。  如把壓力p1一側(cè)改為通大氣P0, 則式（12-2）可改 寫為p2=ρg h 圖2 如果把U形管的一個(gè)管換成大直徑的杯, 即可變成如圖3所示的單管或斜管。測(cè)壓原理與U形管相同, 只是因?yàn)楸瓘奖裙軓酱蟮枚? 杯內(nèi)液位變化可略去不計(jì), 使計(jì)算及讀數(shù)更為簡(jiǎn)易。  圖3 3.流量測(cè)量 3.1流量概述 流量是工業(yè)生產(chǎn)中一個(gè)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(zhì)量的關(guān)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(cè)量和控制是生產(chǎn)過程自動(dòng)化的重要環(huán)節(jié)。  單位時(shí)間內(nèi)流過管道某一截面的流體數(shù)量, 稱為瞬時(shí)流量。 而在某一段時(shí)間間隔內(nèi)流過管道某一截面的流體量的總和, 即瞬時(shí)流量在某一段時(shí)間內(nèi)的累積值, 稱為總量或累積流量。 瞬時(shí)流量有體積流量和質(zhì)量流量之分。 （1）體積流量qv單位時(shí)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(zhì)量流量qm單位時(shí)間內(nèi)通過某截面的流體的質(zhì)量, 單位為kg/s。根據(jù)定義, 質(zhì)量流量可用下式表示:  qm=  若用平均流速表示, 則可簡(jiǎn)寫為  工程上講的流量常指瞬時(shí)流量, 下面若無特別說明均指瞬時(shí)流量。  生產(chǎn)過程中各種流體的性質(zhì)各不相同, 流體的工作狀態(tài)（如介質(zhì)的溫度、 壓力等）及流體的粘度、腐蝕性、導(dǎo)電性也不同, 很難用一種原理或方法測(cè)量不同流體的流量。尤其工業(yè)生產(chǎn)過程的情況復(fù)雜, 某些場(chǎng)合的流體是高溫、高壓, 有時(shí)是氣液兩相或液固兩相的混合流體。所以目前流量測(cè)量的方法很多, 測(cè)量原理和流量傳感器（或稱流量計(jì)）也各不相同, 從測(cè)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(cè)量流體在管路內(nèi)已知截面流過的流速大小實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量的。它是利用管道中流量敏感元件（如孔板、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速、沖力、頻率等對(duì)應(yīng)的信號(hào)來間接測(cè)量流量的。差壓式、轉(zhuǎn)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(shí)間內(nèi)所排出流體的次數(shù)來測(cè)量流體的瞬時(shí)流量和總量的。常用的有橢圓齒輪、 旋轉(zhuǎn)活塞式和刮板等流量傳感器。  （3）質(zhì)量式質(zhì)量流量傳感器有兩種。一種是根據(jù)質(zhì)量流量與體積流量的關(guān)系, 測(cè)出體積流量再乘被測(cè)流體的密度的間接質(zhì)量流量傳感器, 如工程上常用的采取溫度、 壓力自動(dòng)補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償式質(zhì)量流量傳感器。另一種是直接測(cè)量流體質(zhì)量流量的直接式質(zhì)量流量傳感器, 如熱式、慣性力式、動(dòng)量矩式質(zhì)量流量傳感器等。直接法測(cè)量具有不受流體的壓力、溫度、粘度等變化影響的優(yōu)點(diǎn), 是一種正在發(fā)展中的質(zhì)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(yīng)定律測(cè)量導(dǎo)電性液體的流量。 如圖 4所示, 在磁場(chǎng)中安置一段不導(dǎo)磁、 不導(dǎo)電的管道, 管道外面安裝一對(duì)磁級(jí),當(dāng)有一定電導(dǎo)率的流體在管道中流動(dòng)時(shí)就切割磁力線。與金屬導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)一樣, 在導(dǎo)體（流動(dòng)介質(zhì)）的兩端也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì), 由設(shè)置在管道上的電極導(dǎo)出。該感應(yīng)電勢(shì)大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度、 管徑大小、 流體流速大小有關(guān)。 即 圖4 式中B-為磁感應(yīng)強(qiáng)度（T）; D-為管道內(nèi)徑, 相當(dāng)于垂直切割磁力線的導(dǎo)體長(zhǎng)度, m; V-為導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)速度, 即流體的流速, m/s; E-為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì), v。 體積流量qv預(yù)留量流速v關(guān)系為 可得: 式中K為儀表常數(shù), 磁感應(yīng)強(qiáng)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(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與流量qV成線性關(guān)系, 便可通過測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E來間接測(cè)量被測(cè)流體的流量qV值。  電磁流量傳感器產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)是很微小的, 須通過電磁流量轉(zhuǎn)換器來顯示流量。常用的電磁流量轉(zhuǎn)換器能把傳感器的輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)放大并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流（0~10 mA或4~20 mA）信號(hào)或一定頻率的脈沖信號(hào), 配合單元組合儀表或計(jì)算機(jī)對(duì)流量進(jìn)行顯示、記錄、運(yùn)算、報(bào)警和控制等。 磁流量傳感器只能測(cè)量導(dǎo)電介質(zhì)的流體流量。適用于測(cè)量各種腐蝕性酸、堿、鹽溶液, 固體顆粒懸浮物, 粘性介質(zhì)（如泥漿、紙漿、化學(xué)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(cè)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(cè)量以及脈動(dòng)流量測(cè)量等。  3. 物位測(cè)量 4.1物位概述 物位是指各種容器設(shè)備中液體介質(zhì)液面的高低、 兩種不溶液體介質(zhì)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(cè)量能正確獲取各種容器和設(shè)備中所儲(chǔ)的物質(zhì)的體積量和質(zhì)量, 能迅速正確反映某一特定基準(zhǔn)面上物料的相對(duì)變化, 監(jiān)視或連續(xù)控制容器設(shè)備中的介質(zhì)物位, 或?qū)ξ镂簧舷聵O限位置進(jìn)行報(bào)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(cè)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(duì)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原理測(cè)量液位。 (3)差壓式 根據(jù)液柱或物料堆積高度變化對(duì)某點(diǎn)上產(chǎn)生的靜（差）壓力的變化的原理測(cè)量物位。  (4)電學(xué)式 把物位變化轉(zhuǎn)換成各種電量變化而測(cè)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(shí), 其強(qiáng)度隨物質(zhì)層的厚度變化而變化的原理測(cè)量液位。  (6)聲學(xué)式根據(jù)物位變化引起聲阻抗和反射距離變化而測(cè)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(cè)量液位。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 使用方便, 是目前應(yīng)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(gè)浮子置于液體中, 它受到浮力的作用漂浮在液面上,當(dāng)液面變化時(shí), 浮子隨之同步移動(dòng), 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(cè)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(biāo)尺下端代表水位高, 若使指針動(dòng)作方向與水位變化方向一致, 應(yīng)增加滑輪數(shù)目, 但引起摩擦阻力增加, 誤差也會(huì)增大。  圖5 如把浮子換成浮球, 測(cè)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(cè)量溫度較高、 粘度較大的液體介質(zhì), 但量程范圍較窄。如在該液位傳感器基礎(chǔ)上增加機(jī)電信號(hào)變換裝置, 當(dāng)液位變化時(shí), 浮球的上下移動(dòng)通過磁鋼變換成電觸點(diǎn)4的上下位移。當(dāng)液位高于（或低于）極限位置時(shí), 觸點(diǎn)4與報(bào)警電路的上下限靜觸點(diǎn)接通, 報(bào)警電路發(fā)出液位報(bào)警信號(hào), 若將浮球控制器輸出與貯罐進(jìn)料或出料的電磁閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)配合, 可實(shí)現(xiàn)閥門的自動(dòng)啟停, 進(jìn)行液位的自動(dòng)控制。 如圖 7所示。  圖6 圖7 總結(jié) 在本次論文設(shè)計(jì)過程中，從中學(xué)到了很多很多知識(shí)，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(duì)傳感器有了不一般的認(rèn)識(shí)。為了此次撰寫傳感器論文，我在圖書館借閱了一些資料，同時(shí)也在互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行了相關(guān)知識(shí)的搜索，借此我了解到了很多以前完全未曾涉及到的傳感器知識(shí)，通過對(duì)這些知識(shí)的探索，使我更進(jìn)一步加深了對(duì)傳感器知識(shí)的認(rèn)識(shí)理解，對(duì)在其社會(huì)上的所取的重要性也有了一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)，也加深了對(duì)本專業(yè)知識(shí)的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也對(duì)那些從未聞其名的傳感器由了一定的了解，而這些對(duì)以后的工作和學(xué)習(xí)都是一筆不菲的財(cái)富，真的受益匪淺。 主要參考文獻(xiàn) [1]張宏潤(rùn).傳感器技術(shù)大全[M].北京：北京航空航天出版社，2010，6. 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