上海交通大学机械综合项目工程测试关键技术期末大作业.docx

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上海交通大学机械综合项目工程测试关键技术期末大作业

上海交通大学机械工程测试技术期末大作业

惯用传感器在工程测试中应用与研究

学生：

赵文文

学号：

7

专业：

机械设计及自动化

导师：

林昕

学校代码：

10248

上海交通大学继续教诲学院

二Ｏ一七年十二月

传感器在机械工程测试中应用研究

摘要

在工业生产过程及工程检测中，为了对各种工业参数（如压力、温度、流量、物位、位移等）进行检测与控制，一方面要把这些参数转换成便于传送信息，这就要用到各种传感器，把传感器与其他装置组合起来，构成一种检测系统或调节系统，完毕对工业参数检测与控制。

本文重要简介传感器在机械工程测试中应用，涉及温度测量、压力测量、流量测量、物位测量等。

核心词：

传感器温度测量压力测量流量测量物位测量

APPLICATIONOFSENSORINMECHANICALENGINEERINGTEST

ABSTRACT

Intheprocessofindustrialproductionandengineeringtesting，inordertovariousindustrialparameters（suchaspressure，temperature，flow，level，displacementetc.）todetectandcontrol，firsttaketheseparametersintoconvenientdeliveryinformation，itisnecessarytouseavarietyofsensors，thesensoranditsdevicecombination，adetectionsystemorcontrolsystem，completethedetectionandcontrolofindustrialparameters。

Thispapermainlyintroducestheapplicationofsensorsinmechanicalengineeringtesting，includingtemperaturemeasurement，pressuremeasurement，flowmeasurement，andlocationmeasurement.

Keywords：

sensor/temperaturemeasurement/pressuremeasurement/flowmeasurement/objectpositionmeasurement

1.温度测量---------------------------------------------------------------------------------------------------------4

1.1温度概述---------------------------------------------------------------------------------------------------4

1.2膨胀式温度传感器--------------------------------------------------------------------------------------4

2.压力测量---------------------------------------------------------------------------------------------------------5

2.1压力概述--------------------------------------------------------------------------------------------------5

2.2液柱式压力计--------------------------------------------------------------------------------------------6

3.流量测量--------------------------------------------------------------------------------------------------------7

3.1流量概述--------------------------------------------------------------------------------------------------7

3.2电磁流量传感器----------------------------------------------------------------------------------------8

4.物位测量--------------------------------------------------------------------------------------------------------9

4.1物位概述--------------------------------------------------------------------------------------------------9

4.2浮力式液位传感器-------------------------------------------------------------------------------------9

总结----------------------------------------------------------------------------------------------------------------10

重要参照文献---------------------------------------------------------------------------------------------------10

1.温度测量

1.1温度概述

温度是工业生产和科学实验中一种非常重要参数。

物体许多物理现象和化学性质都与温度关于。

许多生产过程都是在一定温度范畴内进行，需要测量温度和控制温度。

随着科学技术发展，对温度测量越来越普遍，并且对温度测量精确度也有更高规定。

温度是表征物体冷热限度物理量。

温度不能直接加以测量，只能借助于冷热不同物体之间热互换，以及物体某些物理性质随着冷热限度不同而变化特性间接测量。

为了定量地描述温度高低，必要建立温度标尺，即温标。

温标就是温度数值表达。

各种温度计和温度传感器温度数值均由温标拟定。

历史上提出过各种温标，如初期经验温标（摄氏温标和华氏温标），理论上热力学温标，当前世界通用国际温标。

热力学温标拟定温度数值为热力学温度（符号为T），单位为开尔文（符号为K），1K等于水三相点热力学温度1/273.16。

热力学温度是国际上公认最基本温度，国际温标最后以它为准而不断完善。

1.2膨胀式温度传感器

依照液体、固体、气体受热时产生热膨胀原理，此类温度传感器有液体膨胀式、固体膨胀式和气体膨胀式。

（1）液体膨胀式

在有刻度细玻璃管里充入液体（称为工作液，如水银、酒精等）构成液体膨胀式温度计。

惯用有水银玻璃温度计和电接点式温度计，这种温度计远不能算传感器，它只能就地批示温度。

电接点式温度计可对设定某一温度发出开关信号或进行位式控制，有固定式和可调式两种。

（2）固体膨胀式

固体膨胀式是以双金属元件作为温度敏感元件受热而产生膨胀变形来测温。

它由两种线膨胀系数不同金属紧固结合而成双金属片，为提高敏捷度常作成螺旋形。

螺旋形双金属片一端固定，另一端连接指针轴，当温度变化时，双金属片弯曲变形，通过指针轴带动指针偏转显示温度。

它惯用于测量-80℃～600℃范畴温度，抗震性能好，读数以便，但精度不太高，用于工业过程测温、上下限报警和控制。

（3）气体膨胀式

气体膨胀式是运用封闭容器中气体压力随温度升高而升高原理来测温，运用这种原理测温温度计又称压力计式温度计，如图1所示。

温包、毛细管和弹簧管三者内腔构成一种封闭容器，其中布满工作物质（如气体常为氮气），工作物质压力经毛细管传给弹簧管，使弹簧管产生变形，并由传动机构带动指针，批示出被测温度数值。

图1压力式温度计

压力温度计构造简朴、抗振及耐腐蚀性能好，与微动开关组合可作温度控制器用，但它测量距离受毛细管长度限制，普通充液体可达20m，充气体或蒸汽可达60m。

2.压力测量

2.1压力概述

压力是重要工业参数之一，对的测量和控制压力对保证生产工艺过程安全性和经济性有重要意义。

压力及差压测量还广泛地应用在流量和液位测量中。

工程技术上所称“压力”实质上就是物理学里“压强”，定义为均匀而垂直作用于单位面积上力。

其表达式为P=FxA

式中P--为压力;

F--为作用力；

A--为作用面积。

国际单位制（SI）中定义：

1牛顿力垂直均匀地作用在1平方米面上，形成压力为1“帕斯卡”，简称“帕”，符号为Pa。

过去采用压力单位“工程大气压”（即kgf/cm2）、“毫米汞柱”（即mmHg）、“毫米水柱”（即mmH2O）、物理大气压（即atm）等均应改为法定计量单位帕，其换算关系如下:

1kgf/cm2=0.9807×105Pa

1mmH2O=0.9807×10Pa

1mmHg=1.332×102Pa

1atm=1.01325×105Pa

压力有几种不同表达办法

（1）绝对压力指作用于物体表面积上所有压力，其零点以绝对真空为基准，又称总压力或全压力，普通用大写符号P表达

（2）大气压力指地球表面上空气柱重量所产生压力，以P0表达。

（3）表压力绝对压力与大气压力之差，普通用p表达。

测压仪表普通批示压力都是表压力，表压力又称相对压力。

当绝对压力不大于大气压力，则表压力为负压，负压又可用真空度表达，负压绝对值称为真空度。

如测炉膛和烟道气压力均是负压。

（4）差压任意两个压力之差称为差压。

如静压式液位计和差压式流量计就是运用测量差压大小懂得液位和流体流量大小。

测量压力传感器诸多，如应变式、电容式、差动变压器、霍尔、压电等传感器等都能用来测量压力。

2.2液柱式压力计

液柱式压力计是以流体静力学原理来测量压力。

它们普通采用水银或水为工作液，用U型管或单管进行测量，惯用于低压、负压或压力差测量。

图2所示U形管内装有一定数量液体，U形管一侧通压力p1，另一侧通压力p2。

当p1=p2时，左右两管液体高度相等。

当p1

依照液体静力学原理可知：

Δp=p1-p1=ρgh

式中ρ为U形管内液体密度。

如把压力p1一侧改为通大气P0，则式（12-2）可改写为p2=ρgh

图2

如果把U形管一种管换成大直径杯，即可变成如图3所示单管或斜管。

测压原理与U形管相似，只是由于杯径比管径大得多，杯内液位变化可略去不计，使计算及读数更为简易。

图3

3.流量测量

3.1流量概述

流量是工业生产中一种重要参数。

工业生产过程中，诸多原料、半成品、成品是以流体状态浮现。

流体流量就成为决定产品成分和质量核心，也是生产成本核算和合理使用能源重要根据。

因而流量测量和控制是生产过程自动化重要环节。

单位时间内流过管道某一截面流体数量，称为瞬时流量。

而在某一段时间间隔内流过管道某一截面流体量总和，即瞬时流量在某一段时间内累积值，称为总量或累积流量。

瞬时流量有体积流量和质量流量之分。

（1）体积流量qv单位时间内通过某截面流体体积，单位为m3/s。

依照定义，体积流量可用下式表达：

qv=

式中V为截面A中某一面积元dA上流速。

如果用流体平均流束V表达，则体积流量可写成

qv=vA

（2）质量流量qm单位时间内通过某截面流体质量，单位为kg/s。

依照定义，质量流量可用下式表达：

qm=

若用平均流速表达，则可简写为

工程上讲流量常指瞬时流量，下面若无特别阐明均指瞬时流量。

生产过程中各种流体性质各不相似，流体工作状态（如介质温度、压力等）及流体粘度、腐蚀性、导电性也不同，很难用一种原理或办法测量不同流体流量。

特别工业生产过程状况复杂，某些场合流体是高温、高压，有时是气液两相或液固两相混合流体。

因此当前流量测量办法诸多，测量原理和流量传感器（或称流量计）也各不相似，从测量办法上普通可分为三大类。

（1）速度式速度式流量传感器大多是通过测量流体在管路内已知截面流过流速大小实现流量测量。

它是运用管道中流量敏感元件（如孔板、转子、涡轮、靶子、非线性物体等）把流体流速变换成压差、位移、转速、冲力、频率等相应信号来间接测量流量。

差压式、转子、涡轮、电磁、旋涡和超声波等流量传感器都属于此类。

（2）容积式依照已知容积容室在单位时间内所排出流体次数来测量流体瞬时流量和总量。

惯用有椭圆齿轮、旋转活塞式和刮板等流量传感器。

（3）质量式质量流量传感器有两种。

一种是依照质量流量与体积流量关系，测出体积流量再乘被测流体密度间接质量流量传感器，如工程上惯用采用温度、压力自动补偿补偿式质量流量传感器。

另一种是直接测量流体质量流量直接式质量流量传感器，如热式、惯性力式、动量矩式质量流量传感器等。

直接法测量具备不受流体压力、温度、粘度等变化影响长处，是一种正在发展中质量流量传感器。

3.2电磁流量传感器

电磁流量传感器是依照法拉第电磁感应定律测量导电性液体流量。

如图4所示，在磁场中安顿一段不导磁、不导电管道，管道外面安装一对磁级,当有一定电导率流体在管道中流动时就切割磁力线。

与金属导体在磁场中运动同样，

在导体（流动介质）两端也会产生感应电动势，由设立在管道上电极导出。

该感应电势大小与磁感应强度、管径大小、流体流速大小关于。

即

图4

式中B-为磁感应强度（T）;

D-为管道内径，相称于垂直切割磁力线导体长度，m；

V-为导体运动速度，即流体流速，m/s；

E-为感应电动势，v。

体积流量qv预留量流速v关系为

可得：

式中K为仪表常数，

磁感应强度B及管道内径D固定不变，则K为常数，两电极间感应电动势E与流量qV成线性关系，便可通过测量感应电动势E来间接测量被测流体流量qV值。

电磁流量传感器产生感应电动势信号是很微小，须通过电磁流量转换器来显示流量。

惯用电磁流量转换器能把传感器输出感应电动势信号放大并转换成原则电流（0~10mA或4~20mA）信号或一定频率脉冲信号，配合单元组合仪表或计算机对流量进行显示、记录、运算、报警和控制等。

磁流量传感器只能测量导电介质流体流量。

合用于测量各种腐蚀性酸、碱、盐溶液，固体颗粒悬浮物，粘性介质（如泥浆、纸浆、化学纤维、矿浆）等溶液；也可用于各种有卫生规定医药、食品等部门流量测量（如血浆、牛奶、果汁、卤水、酒类等），还可用于大型管道自来水和污水解决厂流量测量以及脉动流量测量等。

3.物位测量

4.1物位概述

物位是指各种容器设备中液体介质液面高低、两种不溶液体介质分界面高低和固体粉末状颗粒物料堆积高度等总称。

依照详细用途分为液位、料位、界位传感器。

工业上通过物位测量能对的获取各种容器和设备中所储物质体积量和质量，能迅速对的反映某一特定基准面上物料相对变化，监视或持续控制容器设备中介质物位，或对物位上下极限位置进行报警。

物位传感器种类较多，按其工作原理可分为下列几种类型：

（1）直读式依照流体连通性原理测量液位。

（2）浮力式依照浮子高度随液位高低而变化或液体对浸沉在液体中浮子（或称沉筒）浮力随液位高度变化而变化原理测量液位。

（3）差压式依照液柱或物料堆积高度变化对某点上产生静（差）压力变化原理测量物位。

（4）电学式把物位变化转换成各种电量变化而测量物位。

（5）核辐射式依照同位素射线核辐射透过物料时，其强度随物质层厚度变化而变化原理测量液位。

（6）声学式依照物位变化引起声阻抗和反射距离变化而测量物位。

（7）其他形式如微波式、激光式、射流式、光纤维式传感器等等。

4.2浮力式液位传感器

浮力式液位传感器是运用液体浮力测量液位。

它构造简朴，使用以便，是当前应用较广泛一种液位传感器。

最原始浮力式液位传感器，是将一种浮子置于液体中，它受到浮力作用漂浮在液面上,当液面变化时，浮子随之同步移动，其位置就反映了液面高低。

水塔里水位惯用这种办法批示，图5是水塔水位测量示意图。

液面上浮子由绳索经滑轮与塔外重锤相连，重锤上指针位置便可反映水位，但与直观印象相反，标尺下端代表水位高，若使指针动作方向与水位变化方向一致，应增长滑轮数目，但引起摩擦阻力增长，误差也会增大。

图5

如把浮子换成浮球，测量从容器内移到容器外，用杠杆直接连接浮球，可直接显示罐内液位变化。

如图6所示。

这种液位传感器适合测量温度较高、粘度较大液体介质，但量程范畴较窄。

如在该液位传感器基本上增长机电信号变换装置，当液位变化时，浮球上下移动通过磁钢变换成电触点4上下位移。

当液位高于（或低于）极限位置时，触点4与报警电路上下限静触点接通，报警电路发出液位报警信号，若将浮球控制器输出与贮罐进料或出料电磁阀门执行机构配合，可实现阀门自动启停，进行液位自动控制。

如图7所示。

图6图7

总结

在本次论文设计过程中，从中学到了诸多诸多知识，从开始懵懂到当前理解，从开始陌生到当前熟悉，使我对传感器有了不普通结识。

为了本次撰写传感器论文，我在图书馆借阅了某些资料，同步也在互联网上进行了有关知识搜索，借此我理解到了诸多此前完全未曾涉及到传感器知识，通过对这些知识摸索，使我更进一步加深了对传感器知识结识理解，对在其社会上所取重要性也有了一种初步结识，也加深了对本专业知识结识，同步也对那些从未闻其名传感器由了一定理解，而这些对后来工作和学习都是一笔不菲财富，真受益匪浅。

重要参照文献

[1]张宏润.传感器技术大全[M].北京：

北京航空航天出版社，，6.

[2]樊尚春.传感器技术及应用[M].北京：

北京航空航天出版社，，9.