第 四 节 传 感 器 与 变 送 器
反 馈 控 制 系 统 传 递 方 框 图控 制单 元 执 行单 元 控 制对 象测 量单 元p(t) q(t) y(t)b(t)r(t) e(t)+- d(t)测 量 单 元 的 作 用 是 检 测 被 控 量 的 实 际 值 ， 并 把 它 转 换 成 统 一 的 标 准 信 号 。测 量 单 元 ＝ 测 量 传 感 器 ＋ 信 号 变 送 器
一 、 船 舶 机 舱 常 用 传 感 器1、 温 度 传 感 器 （ 1） 、 热 电 阻 式 温 度 传 感 器 由 热 电 阻 和 测 量 桥 路 组 成 的 热 电 阻 式 温 度 传 感 器 如 图 4-1-1所 示 。
4-1-1
（ 2） 、 热 电 偶 式 温 度 传 感 器 热 电 偶 的 冷 端 温 度 补 偿 原 理 如 图 4-1-2所 示 。
4-1-2
2、 压 力 传 感 器 （ 1） 、 电 阻 式 压 力 传 感 器 电 阻 式 压 力 传 感 器 结 构 和 工 作 原 理 如 图 4-1-3所 示 。 （ 2） 、 金 属 应 变 片 式 压 力 传 感 器 金 属 应 变 片 式 压 力 传 感 器 原 理 如 图 4-1-4所 示 。
4-1-3 4-1-4
（ 3） .电 磁 感 应 压 力 检 测 器 如 图 4-1-5所 示
图 4-1-5 电 磁 感 应 压 力 传 感 器 原 理 图
3液 位 传 感 器（ 1） .变 浮 力 式 液 位 传 感 器 如 图 4-1-6所 示
图 4-1-6 变 浮 力 液 位 传 感 器 原 理 图
（ 2） .吹 气 式 液 位 传 感 器如 图 4-1-7所 示
图 4-1-7 吹 气 式 液 位 传 感 器
4.流 量 传 感 器（ 1） .容 积 式 流 量 传 感 器 如 图 4-1-8所 示 容 积 式 容 量 传 感 器 主 要 用 来 检 测 油 和 水 的 流 量 ， 它 由 检 测 齿 轮 1、 转 轴 2、 永 久磁 铁 3和 干 簧 继 电 器 4组 成 ， 如 图 4-1-8所 示 。 当 流 体 自 下 向 上 流 过 时 ， 由 于 磨 擦 力存 在 ， 因 此 有 压 力 损 失 ， 使 进 口 流 体 压 力 p1大 于 出 口 流 体 压 力 p2， 检 测 齿 轮 在 压力 差 的 作 用 下 ， 产 生 作 用 力 矩 而 转 动 ， 通 过 的 流 量 越 大 ， 齿 轮 转 速 越 快 。 齿 轮 转动 经 轴 2上 端 的 永 久 磁 铁 3来 驱 动 干 簧 继 电 器 4， 使 其 触 点 闭 合 与 断 开 ， 从 而 输 出反 映 流 量 大 小 的 电 脉 冲 信 号 。
图 4-1-8 容 积 式 流 量 传 感 器 原 理 图
（ 2） 、 电 磁 式 流 量 传 感 器 电 磁 式 流 量 传 感 器 是 根 据 电 磁 感 应 原 理 来 检 测 流 量 的 ， 所 以 只 适 用 于 测 量 导 体电 液 体 的 流 量 。 它 主 要 由 一 对 磁 极 、 一 对 电 极 和 检 测 放 大 电 路 组 成 ， 如 图 5-2-9所 示 。 一 对 磁 极 置 于 管 道 两 测 ， 以 产 生 一 磁 场 ， 导 电 液 体 在 磁 场 中 垂 直 于 磁 通 方向 流 动 时 ， 切 割 磁 力 线 ， 于 是 在 两 个 电 极 上 产 生 感 应 电 势 ， 其 电 势 的 大 小 与 液 体的 体 积 流 量 成 比 例 ， 感 应 电 势 经 放 大 后 输 出 。
图 4-1-9 电 磁 式 流 量 传 感 器
（ 3） 差 压 式 流 量 传 感 器 如 图 4-1-10所 示
图 4-1-10 差 压 式 流 量 传 感 器
5.转 速 传 感 器（ 1） .测 速 发 电 机 测 速 发 电 机 有 直 流 和 交 流 两 种 形 式 。测 速 发 电 机 测 得 的 转 速 信 号 可 送 至 转 速 表 来 指 示 主 机 的 转 速 和 转 向 ,但 作 为 控 制 系统 中 的 转 速 反 馈 和 转 速 逻 辑 鉴 别 信 号 ,因 不 能 使 用 电 压 ,故 必 须 经 过 整 流 把 倒 车 负极 性 电 压 信 号 转 换 成 正 极 性 电 压 信 号 ,如 图 4-1-11所 示 :
图 4-1-11 整 流 后 主 、 倒 车 转 速 对 应 的 电 压 值
1.测 速 发 电 机测 速 发 电 机 利 用 导 体 切 割 磁 力 线 所 产 生 的 感 应 电 势 与 转 速 成 比 例 的 原 理 ,把 转 速 变换 成 相 应 的 感 应 电 势 。U=K·n,式 中 k为 比 例 系 数 。 U的 大 小 反 映 了 主 机 转 速 的 高 低 ， U的 极 性 反 映 了 主 机的 转 向 。（ 2） 交 流 测 速 发 电 机 由 于 直 流 发 电 机 存 在 电 刷 等 部 件 易 引 起 故 障 ， 故 在 新 型 船 舶 中 多 采 用 交 流 测 速发 电 机 。 其 电 压 信 号 是 交 变 的 ， 需 要 对 它 进 行 相 敏 整 流 、 滤 波 后 变 成 直 流 电 压 信 号 。 测 速 发 电 机 测 得 的 转 速 信 号 可 送 至 转 速 表 来 指 示 主 机 的 转 速 和 转 向 ， 但 作 为 控 制 系 统中 的 转 速 反 馈 和 转 速 逻 辑 鉴 别 信 号 ， 因 不 能 使 用 负 电 压 的 转 速 信 号 ， 故 必 须 经 过 整 流 把 倒车 负 极 性 电 压 信 号 转 换 成 正 极 性 电 压 信 号 ， 如 图 4-1-11所 示 。
图 4-1-11 整 流 后 主 、 倒 车 转 速 对 应 的 电 压 值
（ 2） 、 磁 脉 冲 式 转 速 传 感 器 磁 脉 冲 式 转 速 传 感 器 的 磁 头 结 构 原 理 图 如 图 4-1-12所 示 。 磁 头 是 产 生 脉 冲 信 号 的 部 件 ， 它 由 永 久 磁 铁 1、 软 磁 芯 2、 线 圈 3及 非 导 磁 性 外壳 4组 成 。 脉 冲 频 率 可 表 示 为 ： 式 中 ， f为 脉 冲 频 率 ， Z为 齿 轮 的 齿 数 ， n为转 速 。 当 齿 轮 的 齿 数 等 于 60时 ， f=n。 因 此 ， 可 用 脉 冲 频 率 来 表 示 转 速 的 高 低 ，脉 冲 频 率 越 高 则 转 速 越 高 。 磁 头 所 输 出 的 感 应 电 势 脉 冲信 号 较 弱 ， 其 波 形 也 不 理 想 ，所 以 要 把 脉 冲 信 号 送 入 整 形 放大 电 路 ， 使 其 转 换 成 同 频 率 的
有 较 大 幅 值 的 矩 形 波 。 然 后 ，把 矩 形 波 送 入 频 率 /电 压 转 换 电路 变 换 成 电 压 信 号 ， 该 电 压 信 图 4-1-12 磁 脉 冲 传 感 器 结 构 原 理 图号 的 大 小 反 映 了 转 速 的 高 低 。 )(60 HznZf ??
为 了 检 测 主 机 的 转 向 ， 需 安 装 两 个 磁 头 ， 且 它 们 之 间 错 位 1/4齿 距 ， 使 两 个磁 头 所 产 生 的 脉 冲 信 号 在 相 应 位 上 相 差 1/4周 期 。 这 两 个 磁 头 输 出 的 脉 冲 信 号 经整形 放 大 后 分 别 送 至 D触 发 器 的 D端 和 CP端 ， 由 其 输 出 端 Q是 1或 0来 判 断 主 机 正 转或 反 转 ， 其 原 理 图 如 图 4-1-13所 示 。 当 齿 轮 正 车 方 向 转 动 时 ， D触 发 器 D端 的 正 脉 冲 总 比 CP端 超 前 1/4周 期 ， 即CP端 在 脉 冲 上 升 沿 时 ， D端 总 是 1信 号 ， 所 以 输 出 端 Q保 持 1信 号 ， 表 示 主 机 在 正车 方 向 运 转 。 当 齿 轮 倒 车 方 向 转 动 时 ， D触 发 器 CP端 的 正 脉 冲 总 比 D端 超 前 1/4周期 ， 即 CP端 在 脉 冲 上 升 沿 时 ， D端 总 是 0信 号 ， 所 以 输 出 端 Q保 持 0信 号 ,而 端 保 持1信 号 ， 表 示 主 机 在 倒 车 运 转 。
图 4-1-13 磁 脉 冲 传 感 器 检 测 主 机 转 向 的 原 理 图
6.转 矩 传 感 器如 图 4-1-14所 示 :
图 4-1-14 相 位 差 式 扭 矩 传 感 器
二 、 变 送 器1、 变 送 器 的 构 成 原 理（ 1） .变 送 器 构 成 原 理 如 图 4-2-1所 示 :
图 4-2-1 变 送 器 的 组 成 框 图
（ 2） .变 送 器 的 零 点 调 整 、 量 程 调 整 和 零 点 迁 移 1).零 点 调 整 零 点 调 整 的 目 的 ,是 使 变 送 器 输 出 信 号 的 下 限 值 ymin与 测 量 信 号 的 下 限 值xmin相 对 应 。 零 点 调 整 的 方 法 是 在 负 反 馈 放 大 器 的 输 入 端 加 上 一 个 零 点 调 整 信号 z0, 参 见 图 4-2-1。 只 要 调 整 的 大 小 ,总 可 以 使 得 当 x= xmin时 y= ymin 。 2).量 程 调 整 量 程 调 整 的 目 的 是 使 变 送 器 的 输 出 信 号 的 上 限 值 ymin与 测 量 范 围 的 上 限 值相 对 应 。 量 程 调 整 的 方 法 ,通 常 是 改 变 反 馈 部 分 的 反 馈 系 数 F。 F越 大 ,量 程就 越 大 ;F越 小 ,量 程 就 越 小 。 有 些 变 送 器 也 可 用 改 变 测 量 转 换 部 分 的 转 换 系 数D来 调 整 图 4-2-2为 变 送 器 量 程 调 整 前 后 的 输 入 输 出 特 性 。
图 4-2-2 变 送 器 输 入 输 出 特 性 图
3)零 点 迁 移 如 图 4-2-3、 4-2-4所 示 图 4-2-3 变 送 器 量 程 调 整 前 后 的 输 入 输 出 特 性 图
图 4-2-4 变 送 器 零 点 迁 移 前 后 的 输 入 输 出 特 性 图
作 用 ： 测 量 被 控 量 ， 并 把 被 控 量 的 变 化 量 按 比 例的 转 变 成 标 准 信 号 ， 输 出 至 调 节 器 和 显 示 仪 表 。气 动 标 准 信 号 ： 19.6 KPa ~ 98.1 Kpa 0.02MPa ~ 0.1 Mpa 0.2kg/cm2~1.0kg/cm22.气 动 差 压 变 送 器
1） 测 量 部 分 —把 被 控 量 变 化 转 换 为 轴 向 推 力 。△ p → q测 ＝ △ p ·F膜（ 1） .气 动 差 压 变 送 器 的 结 构 和 工 作 原 理
图 4-2-5 气 动 差 压 变 送 器 结 构原 理 图1-气 动 功 率 放 大 器 ;2,11-锁 紧 螺母 ;3-调 零 螺 钉 ;4-顶 杆 ;5-顶 针 架 ;6-喷 嘴 ;7挡板 ;8-调 零 、 迁 移 弹 簧 ;9-主 杠 杆 ;10-反 馈 波 纹 管 ;12-静压 误 差 调 整 螺 母 ;13-弹 性 支 点 ;14-支 架 ;15-正 压室 ;16-测 量 膜 盒 ;17-负 压 室 ;18-锁 紧 螺 母 ;19-底板
图 4-2-6 测 量 部 分 结 构 原 理 图1-基 体 ;2-基 座 ;3-金 属 片 ;4-硬 芯 ;5-单 向 过 载 保 护 圈 ;6、 9-主 杠 杆 ;7-密 封 圈 ;8-弹 性 支 点 ;10-弹 簧 片 ;11-硅 油
M测 ＝ △ p ·F膜 ·l1 M反 ＝ p出 ·F波 ·l2M测 ＝ M反 pKplF lFp ?? ????? 单波膜出 ＝ 212） 气 动 转 换 部 分 —把 测 量 部 分 输 出 的 轴 向 推 力转 换 成 标 准 的 气 压 信 号 作 为 差 压 变 送 器 的 输 出 。（ 1） .气 动 差 压 变 送 器 的 结 构 和 工 作 原 理
图 4-2-7 单 杠 杆 差 压 变 送 器 原 理 图
在 K单 中 ， F膜 、 F波 和 l1都 是 固 定 不 变 的 ， 唯一 可 调 的 是 l2。 ↑反 馈 波 纹 管 →l2 ↑ → K单 ↓ → 量 程 ↑； ↓反 馈 波 纹 管 →l2 ↓ → K单 ↑ → 量 程 ↓ 。 要 得 到 较 大 的 量 程 ， 就 必 然 使 l2增 长 。 为 不 使变 送 器 体 积 过 于 庞 大 ， 将 大 量 程 变 送 器 制 作 成双 杠 杆 式 变 送 器 。（ 1） .气 动 差 压 变 送 器 的 结 构 和 工 作 原 理
△ p ·F膜 ·l1＝ q反 ·l2M测 ＝ M反 pKpllF llFp ?? ????? ?? 双波膜出 ＝ 32 41q''反 ·l4 = p出 ·F波 ·l3（ 1） .气 动 差 压 变 送 器 的 结 构 和 工 作 原 理2） 气 动 转 换 部 分 （ 双 杠 杆 ）
3） 差 压 变 送 器 调 零 和 调 量 程假 定 ⊿ p的 最 大 变 化 范 围 是 0～ 1000mmH20 1.让 正 负 压 室 均 通 大 气 ， 使 ⊿ p=0， 观 察 变 送 器 输 出 压力 是 否 为 0.02MPa， 若 不 是 ， 拧 动 迁 移 （ 调 零 ） 弹 簧 ，使 p出 =0.02MPa。 2.逐 渐 增 大 正 压 室 压 力 ， 使 p出 =0.1MPa， 观 察 正 压 室 压力 是 否 为 1000mmH20， 若 小 于 它 ， 说 明 量 程 小 了 ， 则松 开 量 程 支 点 的 锁 紧 螺 母 ， 上 移 支 点 ， 反 之 亦 然 。 3.重 新 调 零 、 调 量 程 ， 直 到 零 点 和 量 程 准 确 为 止 。（ 1） .气 动 差 压 变 送 器 的 结 构 和 工 作 原 理 Fig.1-4-4
图 4-2-8 双 杠 杆 差 压 变 送 器 原 理 图1-负 压 室 ;2-膜 盒 ;3-正 压 室 ;4-弹 簧 片 5-副 杠 杆 ;6-弹 性 支 点 ;7-主 杠 杆 ;8量 程 支 点 ;9支 架 ;10-连 接 杆 ;11-喷 嘴 ;12-挡 板 ;13-放 大 器 ;14-反 馈 波 纹 管 ;15-弹 簧
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