传感与测控课4.ppt

电力设备测量传感与测控技术,上篇传感器技术非电物理量传感器,一、热敏传感器二、流速和流量传感器三、压力、振动与位移传感器,内容提要,一、热敏传感器,一、热敏传感器,电力设备检测中经常需要测量电力设备各部件的温度，如发电机定子和转子的温度变压器的油温开关柜内部温度等等根据不同需要，不同场合采用不同温度传感器温度传感器的种类很多，诸如热敏电阻热电偶辐射高温传感器光纤温度传感器等等,一、热敏传感器,热电式和电阻式温度传感器热电式温度传感器热电式温度传感器是利用不同金属材料之间的温度差转换成电势的原理制成当两种不同的金属串接成闭合回路时，如果它们的两个结点处于不同的温度环境下，导体在回路中产生电动势，这种温差电动势由两部分组成，即两种金属的接触电势和单一金属的温差电势若令参照端的温度为0℃，测量端测得的回路中热电偶的总温差电势值即为温度T的单值函数，仅与测量端温度有关,一、热敏传感器,热电式和电阻式温度传感器热电式温度传感器典型的热电式温度传感器热电偶用于热电偶的材料必须具有良好的物理化学稳定性、温差特性显著且重复性好、电阻温度系数小、导电率高、材质均匀等特性为了增强温差电效应，可将多个温差热电偶相互串联成温差电堆,一、热敏传感器,热电式和电阻式温度传感器热电式温度传感器热电偶的冷端温度补偿保持冷端温度为0℃。当不能保证温度稳定时，则需要采取冷端温度补偿器进行温度补偿可用冷端补偿导线代替部分热电偶丝作为热电偶的延长部分，使冷端可以移到被测物体较远处补偿导线的热电特性与所取代的热电偶的特性一样,一、热敏传感器,热电式和电阻式温度传感器热电式温度传感器热电偶的冷端温度补偿,,一、热敏传感器,热电式和电阻式温度传感器热电式温度传感器铂铑-铂热电偶最常见的标准化热电偶其正极为铂铑合金丝（铂90，铑10），负极为铂丝可用于较高温度的测量，短期可达1600℃，长期达1300℃其物理性能稳定，测量精度高，可用于精密温度测量和作基准热电偶铂铑-铂热电偶与温度的关系近似为,一、热敏传感器,热电式和电阻式温度传感器热电式温度传感器镍铬-镍铝或镍铬-镍硅热电偶以镍铬为正极，镍铝（或镍硅）为负极化学稳定性好，产生的热电势大（是铂铑-铂热电偶的4～5倍）且其线性特性和重复特性好镍铝电极长期在较高温度下易氧化镍硅电极抗氧化及热电势性能均比镍铝强工业上检定用的三等标准热电偶,一、热敏传感器,热电式和电阻式温度传感器热电式温度传感器铜-康铜热电偶铜-康铜热电偶是非标准分度的热电偶中应用较多的一种测温范围-200℃～200℃，在低温下具有较好的稳定性，广泛用于低温测量常温下使用时铜的极性为正，康铜为负（其成分为60％铜，40％镍）。在低于0℃的低温下使用时，则极性相反。康铜丝的热电性能复现性较差，在进行精密测量时需要对每一对热电偶分别进行标定。,一、热敏传感器,热电式和电阻式温度传感器电阻式温度传感器电阻式温度传感器是利用导体（或半导体）的电阻值随温度变化而变化的特性来测量温度的。,一、热敏传感器,热电式和电阻式温度传感器电阻式温度传感器电阻式温度传感器分热电阻和热敏电阻两类电阻式温度传感器测温范围-200500℃电阻式温度传感器准确度较高、输出信号强、灵敏度高、稳定性好，有利于实现远距离集中检测热电阻体积较大、热惯性大，不宜做动态和点温度测量用。热敏电阻灵敏度高、体积小，可以用于动态和点温度测量,一、热敏传感器,热电式和电阻式温度传感器电阻式温度传感器热电阻铂电阻在氧化介质中，甚至在高温下的化学和物理性能均很稳定，具有准确度高、性能稳定等优点，在-259.34630.74℃的温度范围内被作为基准温度计热电阻铜电阻在-50150℃范围内，电阻值与温度间的关系呈近似线性关系铜电阻率小，需要将铜丝拉的细而长，导致机械强度下降铜易氧化，只能使用在较低的温度条件下和无侵蚀介质中,一、热敏传感器,热电式和电阻式温度传感器电阻式温度传感器热电阻铟电阻用99.999高纯度的铟绕制而成，用于室温到4.2K温度范围在4.215K范围内灵敏度比铂高10倍，但材质软、复制性能差热电阻锰电阻锰电阻随温度变化大，可用在632K范围内的温度测量灵敏度高，但材料脆，难以拉制成丝热电阻碳电阻适合作液氦温域的温度测量，但热稳定性较差，价格低廉，对磁场不敏感,一、热敏传感器,热电式和电阻式温度传感器电阻式温度传感器热敏电阻陶瓷热敏电阻陶瓷热敏电阻是一种热线性元件，输出量很大陶瓷热敏电阻可作为直读式温度计、温差计和快速响应的精密温控传感器用热线形陶瓷热敏电阻构成的温度检测装置和补偿电路，可获得高可靠性和快速响应为了使热敏陶瓷的指数函数特性线性化，可将固定电阻与陶瓷热敏电阻并联,一、热敏传感器,热电式和电阻式温度传感器电阻式温度传感器热敏电阻负温度系数半导体热敏电阻负温度系数半导体热敏电阻具有电阻温度系数大，灵敏度高易于制成各种不同形状、尺寸极小的敏感元件，可满足不同的测量对象的要求，特别适合于测量动态温度及点温度但半导体热敏电阻的电阻值与温度间的关系是非线性的，性能不稳定，互换性差，精度低,一、热敏传感器,光纤温度传感器传感型光纤温度传感器,光振幅,光偏振面旋转,一、热敏传感器,光纤温度传感器传感型光纤温度传感器,光相位,光相位,一、热敏传感器,光纤温度传感器传输型光纤温度传感器,一、热敏传感器,光纤温度传感器传输型光纤温度传感器,液晶光纤温度传感器,一、热敏传感器,光纤温度传感器分布式光纤温度传感器,一、热敏传感器,光纤温度传感器分布式光纤温度传感器,一、热敏传感器,红外温度传感器红外光波长范围0.751000m，属于不可见光红外光具有光热效应，能够辐射热量，是光谱中最大光热效应区自然界任何物体，在绝对零度以上，都能产生红外光辐射红外光的光热效应对于不同物体不同，热能强度不同黑体、镜体、透明体、灰体,一、热敏传感器,红外温度传感器,一、热敏传感器,红外温度传感器,一、热敏传感器,红外温度传感器,一、热敏传感器,红外温度传感器,一、热敏传感器,红外温度传感器,一、热敏传感器,红外温度传感器希尔霍夫定律一个物体向周围辐射热能的同时也吸收周围物体的辐射能斯蒂芬－玻尔兹曼定律物体温度越高，辐射出来的能量越大维恩位移定律物体峰值辐射波长m与自身的绝对温度T成反比,一、热敏传感器,红外温度传感器大气窗口红外辐射电磁波在大气中传播受大气的吸收而使辐射的能量衰减，空间的大气、烟云对红外辐射的吸收程度与红外辐射波长有关在13m、3.55m、814m的三个区域红外线穿透能力较强，称之为红外辐射的“大气窗口”“大气窗口”以外的红外辐射在传播过程中由于大气烟云中存在的CO2、O3和H2O等具有强烈吸收作用而被迅速衰减,一、热敏传感器,红外温度传感器红外光电传感器红外光电传感器是利用物体的光电效应制成物体的许多光电性质都是由它内部原子结构及电子运动状态所决定的，当红外辐射入射物体内部时，物体内部的电子接受辐射能量，从而改变了运动状态，使物体的电学性质发生变化红外光电探测器利用光电导效应原理和光伏效应原理,一、热敏传感器,红外温度传感器红外光电传感器光电导效应当红外照射半导体，其内部的电子接受了能量处于激发状态，形成了自由电子及空穴载流子，使电导率明显增大的效应基于光电导效应的红外传感器硫化铅传感器、硒化铅传感器、锑化铟传感器及锗掺杂的传感器光电导探测器当光照射在探测器上时，其阻值发生变化，从而使流过电路的电流发生变化在电路中相当于一个可变电阻器,一、热敏传感器,红外温度传感器红外光电传感器光伏效应红外辐射到PN结的一个面时，则PN结两边的P区和N区之间便产生一定的电压的效应基于光伏效应制成的红外传感器砷化铟传感器、碲镉汞传感器和光伏型锑化铟传感器光伏探测器光伏探测器理论最高探测率比光电导探测器大40光伏探测器它是一个自生偏压装置，不需要偏压电源，可降低电路的复杂性碲镉汞所做成的光伏探测器其响应波长可达1214m,一、热敏传感器,红外温度传感器红外热传感器红外热传感器目前主要有热敏传感器、温差电偶、热电探测器等热敏电阻红外传感器是根据物体受热后电阻发生变化的性质而制成温差电堆传感器是利用两种不同材料之间的温差电动势组成温差电偶串联起来的热释电传感器是利用压电晶体的自发极化现象，实现对红外辐射的探测,一、热敏传感器,红外温度传感器红外热传感器热敏电阻热探测器当半导体薄膜吸收入射红外辐射时，其温度升高，从而改变薄膜的电阻，造成输出电压的改变，输出电压所达到的稳定值反映了入射辐射功率的大小为了降低探测器的噪声和漂移，热敏电阻探测器一般是用两个相同的热敏电阻封装在同一壳体内，其中一个加以屏蔽，用作补偿周围环境温度的影响，称作补偿热敏电阻，另一个接收辐射，称作受辐射热敏电阻,一、热敏传感器,红外温度传感器红外热传感器温差电偶和温差电堆温差电偶和温差电堆的热探测器是利用连接成一个闭合回路产生温差电流的电动势所制成的探测器常用铋-银或铋-锑、铋-锡、铜-康铜等合金制成大多数温差电偶的电阻值很低（110）一般用变压器耦合，把几个温差电偶串联起来，组成温差电堆。通常采用真空镀膜和光刻技术制作薄膜温差电堆，其阻抗为250，薄膜温差电堆的一个突出优点是长期稳定性极好,一、热敏传感器,红外温度传感器红外热传感器热电探测器用真空镀膜法在垂直于晶体极化强度的两个面上镀上电极，并将受辐照表面黑化，然后焊上引线即成热电探测器用来制作热释电传感器的铁电体有硫酸三甘肽、一氧化物单晶、陶瓷（锆钛酸铅、钛酸铅等）、聚合物（聚氟乙烯、聚二氟乙烯等）。热释电材料可以制成薄片，作为红外传感器的敏感元件热电探测器与热敏电阻及温差电堆相比具有响应率高和响应速度快的优点,一、热敏传感器,红外温度传感器电压响应率Rv当红外辐射照射到传感器的敏感元件时，传感器的输出电压与输入红外辐射功率之比响应波长范围（光谱响应）表示传感器的电压响应率与入射的红外辐射波长之间的关系,一、热敏传感器,红外温度传感器噪声等效功率若投射到红外传感器敏感元件的辐射功率产生的输出电压正好等于传感器本身的噪声电压，则此辐射功率称为“噪声等效功率”探测率,一、热敏传感器,红外温度传感器时间常数表示红外传感器输出信号随射入红外辐射变化的速率比探测率当传感器的敏感元件的面积为单位面积1cm1cm，放大器的带宽为Δf＝1Hz时，单位功率的辐射所获得的信号电压与噪声电压之比,一、热敏传感器,红外温度传感器红外测量的视场,一、热敏传感器,红外温度传感器影响传感器的可靠性和精度因素分析探测距离的影响不影响电力设备绝缘的前提下，尽量缩短传感器与被测点间的距离外界干扰热源的影响采用热源屏蔽筒屏蔽外界热源干扰被测物体表面情况的影响在被测处涂特殊材料，增强被测金属部分的发射率，消除由于表面状况变化导致的温度偏差通过红外传感器不能得到体内温度热场的数值计算,一、热敏传感器,红外温度传感器红外测温仪红外测温仪主要由滤光片、红外传感器、环境温度补偿电路组成滤光片是红外探测的窗口，它的作用是和传感共同限制仪器的工作波长范围，减少散射和背景辐射的影响，分出具有特定波长范围的红外辐射红外传感器采用光电红外传感器，在用于电力设备检测的红外测温仪中常采用热电堆（工作波长225m，测量温度大于-50℃）、钽酸锂（工作波长225m，测量温度范围-50℃400℃）等环境补偿电路是对探测器的辐射及探测器本身的温度系数和信号处理电路的温飘进行补偿,一、热敏传感器,红外温度传感器红外热电视红外热电视是根据热释电效应通过热释电摄像管（PEV）接收被测目标物体的表面红外辐射，并把目标表面热辐射分布的不可见热图像转变成视频信号红外热电视由透镜、靶面和电子枪三部分组成，对35m及814m有较好的频率响应,一、热敏传感器,红外温度传感器红外热像仪红外热像仪是由红外传感器、光学成像物镜和光机扫描系统或焦平面组成光学系统收集被测目标的红外辐射能，经过光谱滤波、空间滤波使聚焦的红外辐射能量分布图形反映到红外传感器的光敏元上，在光学系统和红外传感器之间，有一个光机扫描机构对被测物体的红外热像进行扫描，并聚焦在单元或多元探测器上，由探测器将红外辐射能转换成电信号，经放大处理转换成标准视频信号红外探测器必须在低温下工作才能满足灵敏度要求，常用的制冷器工作方式有液氮或氩气等气体制冷、热电制冷等方式,二、流速和流量传感器,二、流速和流量传感器,流速传感器光电式流速传感器光电式流速传感器由光源、光敏元件、光纤、带反光镜的叶轮、转轴、轴承、测杆等组成,二、流速和流量传感器,流速传感器电磁式流速传感器电磁式流速传感器是利用导体在磁场中作切割磁力线运动时，导体上产生感应电动势的原理制成,二、流速和流量传感器,流速传感器光纤流速传感器流体流动使光纤发生机械应变，从而使光纤中传播的各模式的光相位差发生变化，光纤中射出的发射光强出现强弱变化，其振幅与流速成正比,二、流速和流量传感器,超声波流量传感器超声波多普勒法当超声波声源和反射界面或散射体之间存在相对运动时，被反射或散射的超声波信号的频率将产生变化，该频率与声源超声波的频率之间的频率差值与相对运动的速度成正比。接受信号的频率与声源的频率之差称为多普勒频移，相应的频差信号称为多普勒信号。当流体中存在可供反射或散射超声的跟随粒子，例如微气泡、固体粒子等，便可利用多普勒信号确定流体的速度与流量,二、流速和流量传感器,超声波流量传感器超声波多普勒法,二、流速和流量传感器,超声波流量传感器超声波多普勒法超声波换能器安装在管道外，由超声波发射换能器1发出频率为f1的超声波束以入射角1进入流体后，被跟随流体运动着的颗粒或气泡反射或散射后产生频移，其频率变为f2，沿角度2的方向被超声波接收换能器接收，假设管道内流速均匀，且粒子完全跟随流体，流体中音速为c，可以证明多普勒频移f1-f2与流体速度v成正比,二、流速和流量传感器,超声波流量传感器超声波多普勒法超声多普勒流量计包括超声波发射及接收换能器、发射和接收换能器电路、信号处理电路及流量显示记录电路,,二、流速和流量传感器,超声波流量传感器时差法时差法测量是在直径为D的管道两侧安装压电晶体超声波换能器A和B，设为发射角，主控振荡器以一定频率控制切换电路，使换能器A和B以一定频率交替发射和接收脉冲超声信号。顺流时间逆流时间,二、流速和流量传感器,超声波流量传感器时差法流速流速正比于时间差t时间差t的数量级很小，通常为微秒级，所以要求测量时差精度为10-8s声速变化是造成测量误差的主要原因,二、流速和流量传感器,超声波流量传感器频差法频差法是通过测量顺流和逆流时超声波脉冲的重复频率差来确定流速在频差法中流速只与顺、逆流的频率差有关，与声速c无关频差法的显著特点超声波流量计多采用频差法,二、流速和流量传感器,超声波流量传感器相差法顺流和逆流超声波传播时也存在着相差如果超声波探头发射的是连续超声脉冲或长周期的脉冲列，则在顺流和逆流发射时所接收到的信号之间产生相位差，f为超声波的频率相差法避免测量微小时差，有利于提高测量精度声速的变化容易影响到流速测量的准确度,,三、压力、振动与位移传感器,三、压力、振动与位移传感器,压力传感器压电式压力传感器压电式压力传感器是利用材料所具有的压电效应来实现压力信号向电信号转换石英晶体（SiO2），20200℃，压电常数变化率0.16‰/℃，固有频率可达几十至几百kHz，压电系数较低（2.3pC/N），故导致灵敏度也较低压电陶瓷钛酸钡（BaTiO3）具有较高的压电系数（190pC/N），居里点温度为120℃；锆酸铅系列压电陶瓷（PZT）压电系数为71590pC/N，居里点温度为350℃,三、压力、振动与位移传感器,压力传感器电容式压力传感器电容式压力传感器是由薄膜硅芯片和一块较厚的玻璃衬底构成，硅和玻璃的温度系数非常接近电容式压力传感器具有高灵敏度和低功耗的特点,三、压力、振动与位移传感器,压力传感器电容式半导体压力传感器电容式半导体压力传感器是采用特制的IC部分的振荡电路将压力引起的电容变化，转换成脉冲间隔信号输出,三、压力、振动与位移传感器,压力传感器压阻式半导体压力传感器压阻式半导体压力传感器是利用硅片电阻值随晶体内的应力而变的现象具有固有频率达几百kHz、体积小、测量精度高、灵敏度高，适合于动态测量，但易受温度变化的影响,三、压力、振动与位移传感器,压力传感器传感型光纤压力传感器传感型光纤压力传感器是利用压力和振动使光纤形变，从而改变光在光纤中的传输特性来进行检测的当压力均匀施加在光纤上时，使光纤折射率、形状和尺寸变化，从而导致光纤的传播速度改变和偏振面旋转如果光纤上受到多点加压，使光纤由于折射率不连续变化导致传播光散乱而增加损耗，采用弯曲形变方法，微小压力变化即能引起很大的传播光损耗变化,三、压力、振动与位移传感器,压力传感器传输型光纤压力传感器,三、压力、振动与位移传感器,振动加速度传感器传输型光纤振动加速度传感器,三、压力、振动与位移传感器,位移传感器电阻式位移传感器,,三、压力、振动与位移传感器,位移传感器电感式位移传感器,,三、压力、振动与位移传感器,位移传感器电容式位移传感器,,三、压力、振动与位移传感器,位移传感器光纤位移传感器,,三、压力、振动与位移传感器,位移传感器电涡流式位移传感器,,谢谢,