1、礦用傳感器第1頁，共47頁，2022年，5月20日，9點43分，星期五2.1 傳感器概述一、非電量電測量二、傳感器的組成和分類三、傳感器的基本特性第2頁，共47頁，2022年，5月20日，9點43分，星期五一、非電量電測量非電量： 各種非電物理和化學量，如溫度、位移、風速、壓力、甲烷濃度、化學成份等。非電量電測量技術： 將各種被測的非電量參數轉換成電量參數進行測量的技術，包括傳感器技術和電子技術。非電量電測量的優點： 便于信號的傳輸、存儲、處理；易于實現遙測、自動檢測及生產過程自動控制等；第3頁，共47頁，2022年，5月20日，9點43分，星期五一、非電量電測量傳感器 將被測量轉換為電量，并

2、把它傳送到信號調節器中的部件。傳感器又稱為變換器、轉換器、探頭。其中，電量是電壓、電流、或電參量（電阻、電感、電容）傳感器信號調節器顯示記錄器電源非電量數字量模擬量非電量電測量系統組成框圖第4頁，共47頁，2022年，5月20日，9點43分，星期五一、非電量電測量信號調節器 傳感器輸出的電信號或電參數 記錄顯示器所需的標準電壓、電流信號。 其內部電路主要有： 電橋電路、放大電路、濾波電路、相敏檢波電路、諧振電路、阻抗變換電路、調制解調電路等，以匹配不同類型的傳感器和顯示記錄器。傳感器信號調節器顯示記錄器電源非電量數字量模擬量非電量電測量系統組成框圖第5頁，共47頁，2022年，5月20日，9點

3、43分，星期五一、非電量電測量顯示記錄器模擬顯示：如指針指示數字顯示：直接顯示數字圖形顯示：如示波器另外，對于動態過程的變化無法用顯示儀及時顯示的應該用自動記錄器記錄下來，而后用打印機或繪圖儀打印結果。傳感器信號調節器顯示記錄器電源非電量數字量模擬量非電量電測量系統組成框圖第6頁，共47頁，2022年，5月20日，9點43分，星期五二、傳感器的組成和分類敏感元件： 直接感受被測量，通常是先轉換為一種易于轉換成電量的非電量。轉換元件：將非電量轉換為電量。將非電量直接轉換為電量的傳感器稱為直接轉換型傳感器，如熱電偶、壓電傳感器等。經二次或多次轉換為電量的傳感器稱為間接轉換型傳感器，如瓦斯傳感器、壓

4、力傳感器等。測量電路：放大、變換和處理，以輸出標準信號。敏感元件轉換元件非電量電量測量電路電源第7頁，共47頁，2022年，5月20日，9點43分，星期五二、傳感器的組成和分類應變式磁電式熱電式電容式電感式工作原理被測物理量壓力溫度位移振動傳感器分類：傳感器命名：正序：傳感器，壓力， 應變式，10kPa倒序：10kPa，應變式，壓力，傳感器倒序：10mm，磁電式，位移，傳感器第8頁，共47頁，2022年，5月20日，9點43分，星期五三、傳感器的基本特性測量系統可以看作是一個信息通道，通常把被測物理量作為測量系統的輸入信號，稱為激勵；把測量系統的輸出信號稱為響應。傳感器可以看作是：具有兩個輸入

5、端和兩個輸出端的二端口網絡；并具有相應的輸入輸出外部特性。兩種被測量1、不變或變化很緩慢的量2、變化迅速的量兩種特性1、靜態特性2、動態特性第9頁，共47頁，2022年，5月20日，9點43分，星期五三、傳感器的基本特性靜態特性： 表示被測物理量處于穩定狀態或緩慢變化時，傳感器的輸入量與輸出量之間的關系。靜態特性曲線理論特性曲線：設計部門或用戶給定的靜態特性曲線。實際特性曲線(靜態校準曲線)：靜態標準條件下，一定標準精度等級，重復進行全量程逐級加載和卸載測試而獲得的曲線。主要靜態指標： 線性度、靈敏度、遲滯性、重復性、分辯力、量程、漂移等。第10頁，共47頁，2022年，5月20日，9點43分

6、，星期五三、傳感器的基本特性線性度：又稱非線性 是指傳感器的輸出與輸入之間數量關系的線性程度，一般用校準曲線與擬合直線之間的最大偏差與滿量程輸出的百分比表示。它反映了實際輸入輸出與理想直線的偏離程度。說明：為了標定和數據處理的方便，通常進行線性化處理以使傳感器的輸入輸出關系為線性或接近線性；但同時也帶來了非線性誤差。第11頁，共47頁，2022年，5月20日，9點43分，星期五三、傳感器的基本特性靈敏度： 是指傳感器的輸出量變化值y與輸入量變化值X之比，即 S=y/X；可見靈敏度表示單位輸入量的變化所引起傳感器輸出量的變化。線性系統的靈敏度是一個常數，而非線性測量裝置的靈敏度隨輸入量的變化而變

7、化。靈敏度的量綱為輸出量與輸入量量綱之比，如某壓力傳感器的S為5mV/MPa。第12頁，共47頁，2022年，5月20日，9點43分，星期五三、傳感器的基本特性遲滯性：滯后或回程誤差 表示在規定的同一校準條件下，測量裝置在同一校準級上正、反行程輸出值的不一致程度。用各校準級中的最大遲滯偏差與滿量程輸出值的百分比表示。第13頁，共47頁，2022年，5月20日，9點43分，星期五三、傳感器的基本特性重復性誤差：表示在規定的同一校準條件下，測量裝置在同一方向在全量程范圍內多次重復校準，各次校準曲線之間的不一致性，用各校準級上正、反行程最大標準偏差的t倍與滿量程輸出值的百分比表示。第14頁，共47頁

8、，2022年，5月20日，9點43分，星期五三、傳感器的基本特性分辨力： 是指測量系統能測到的最小輸入量變化x的能力。因全量程范圍內各測量區的x不完全相同，常用量程內的最大x與滿量程輸出值的百分比k表示，稱為分辨率；量程：測量系統能測量的最小輸入量至最大輸入量之間的范圍。如光學瓦斯檢定器(AQG-1型)的測定范圍為0.0110%CH4。說明：超過儀器的測量范圍或者儀器的分辨力不夠，則儀器不能正常工作，甚至損壞儀表，造成災害。第15頁，共47頁，2022年，5月20日，9點43分，星期五三、傳感器的基本特性漂移：是指在輸入量不變的情況下，傳感器輸出量隨著時間變化的現象。漂移的原因：傳感器自身結構

9、參數和工作環境的變化。最常見的漂移是溫度漂移：主要表現為溫度零點漂移和溫度靈敏度漂移。穩定性：通常用靈敏度對時間的變化率dS/dt表示檢測儀表的穩定性。變化率愈小，穩定性愈高。安全儀表要保證檢測數據的準確性，必須要有很高的穩定性。第16頁，共47頁，2022年，5月20日，9點43分，星期五三、傳感器的基本特性動態特性 是指被測對象隨時間變化時傳感器輸入與輸出間的關系，即傳感器的響應特性。動態測量時，由于傳感器的慣性和滯后，傳感器的輸出處于動態過渡過程之中，因此傳感器的輸出量不僅是輸入量也是時間的函數。通常輸出信號與輸入信號具有不同的時間函數，而引起輸出與輸入間的差異，即動態誤差。動態特性就是

10、測量系統能夠不失真地再現變化著的輸入量的能力的反映。動態特性指標 頻域指標：固有角頻率、工作頻帶、相位角等。 時域指標：時間常數、上升時間、響應時間等。第17頁，共47頁，2022年，5月20日，9點43分，星期五2.2 甲烷傳感器一、熱催化式甲烷傳感器二、熱導式甲烷傳感器第18頁，共47頁，2022年，5月20日，9點43分，星期五一、熱催化式甲烷傳感器煤礦瓦斯 主要是甲烷（CH4）； CO、CO2、NO2、H2S、H2、SO2、NH3等。CH4無色、無味、無毒，對空氣的比重為0.558CH4可燃，516可爆，9.5爆炸力最強。第19頁，共47頁，2022年，5月20日，9點43分，星期五一

11、、熱催化式甲烷傳感器檢測原理敏感元件催化作用甲烷無焰燃燒生熱元件溫度變化元件電阻變化測量電路指示甲烷濃度第20頁，共47頁，2022年，5月20日，9點43分，星期五一、熱催化式甲烷傳感器熱電阻效應 即導體或半導體的電阻值隨溫度變化而變化的現象，二者有確定的函數關系，通常阻值隨溫度的變化基本上呈線性關系。金屬熱電阻一般稱為熱電阻，其電阻溫度系數大多為：0.40.6/；半導體熱電阻一般稱為熱敏電阻，其電阻溫度系數大多為：36/；鉑熱電阻 0850時，Rt=R0(1+At+Bt2)； -2000時，Rt=R01+At+Bt2)+Ct3(t-100)； 其中Rt和R0分別表示t和0時鉑熱電阻的電阻值

12、； A=3.908310-3/；B=-5.775 10-7/2；C=-4.18310-12/4第21頁，共47頁，2022年，5月20日，9點43分，星期五一、熱催化式甲烷傳感器鉑熱電阻 我國規定工業用鉑熱電阻有R010和R0100兩種，即分度號為Pt10和Pt100；不同分度號的鉑熱電阻有相應的分度表，即Rt-t的關系表。金屬純度越高溫度系數越大，通常用R100/R0表示鉑的純度，一般要求R100/R01.385。目前可達1.3930，對應的鉑純度為99.9995銅熱電阻 -50150時，Rt=R0(1+t)； 0.428/ 銅熱電阻有兩種分度號：Cu50和Cu100第22頁，共47頁，20

13、22年，5月20日，9點43分，星期五一、熱催化式甲烷傳感器鉑絲催化元件 高純度鉑絲繞制的螺旋線圈（d2570m，200500 m）構成的鉑熱電阻。鉑絲既是催化劑，又是加熱器，同時又是感溫元件。優點：結構簡單；穩定性較好；受硫化物中毒影響小。缺點：催化活性低；工作溫度高,升華嚴重；壽命短；零點漂移。第23頁，共47頁，2022年，5月20日，9點43分，星期五一、熱催化式甲烷傳感器載體催化元件鉑絲：加熱； 感溫；載體：固定鉑絲； 傳熱； 附載催化劑；催化劑：Pt,Pd,Th 催化作用，降低甲烷燃燒 溫度（300400）；優點：對靈敏度、穩定性、功耗、壽命有很大改善（a）黑元件圖2-1 載體催化

14、元件（b）白元件第24頁，共47頁，2022年，5月20日，9點43分，星期五一、熱催化式甲烷傳感器載體催化元件的技術特性線性度黑元件熱平衡方程： I2R+ I2RT +Q = S(T1-To)+ 1 S(T14-To4)白元件熱平衡方程： I2R = S(T2-To) + 2 S(T24-To4) 其中：-等效熱傳導系數；12-黑白元件的熱發射率；-斯蒂潘常數；T1T2To -黑白元件及環境溫度；-鉑絲電阻溫度系數；線性度與溫度有關，在一定范圍內，元件輸出與瓦斯濃度呈線性關系；達到一定溫度后，溫度就很難再隨催化生熱Q線性增加了。線性度不一致對測量范圍影響很大，有的測量上限可達5CH4，有的儀

15、器僅為3CH4；且測量上限誤差大，下限誤差小。第25頁，共47頁，2022年，5月20日，9點43分，星期五一、熱催化式甲烷傳感器載體催化元件的技術特性靈敏度：一般要15mV/1CH4，當下降50時，報廢。靈敏度的影響因素（1）催化劑老化：-Al2O3逐漸向- Al2O3過渡（2）催化劑中毒：催化劑中毒：催化劑毒物強烈吸附在催化劑上發生反應而使催化劑活性減少或消失的現象。暫時性中毒：硫化物、磷化物、氯化物等；永久性中毒：有機硅、鉛、錫等；過濾措施：活性炭,硅膠,分子篩等第26頁，共47頁，2022年，5月20日，9點43分，星期五一、熱催化式甲烷傳感器載體催化元件的技術特性穩定性：工作條件不變

16、時，在規定時間內輸出信號保持不變的能力。連續式元件為7天，間斷式元件為78h。穩定性的影響因素：（1）靈敏度（2）激活特性激活特性 在低濃度CH4（5.5%）數分鐘后元件活性升高，離開高濃度環境后其活性又在數十小時內降到原值附近的現象。不利影響：零點漂移，工作不穩定，測量誤差應用：元件制作時的老化處理；暫時性中毒的激活。第27頁，共47頁，2022年，5月20日，9點43分，星期五一、熱催化式甲烷傳感器載體催化元件的技術特性響應時間 是指CH4濃度階躍變化時，輸出信號值達到穩定值90的時間。標準規定，連續式為20s，間斷式為15s。響應時間與元件尺寸、制作工藝及氣室設計、通風方式有關。主要因素

17、是：（1）擴散時間：擴散型氣室與對流型氣室（2）燃燒生熱、熱交換至熱平衡的時間。第28頁，共47頁，2022年，5月20日，9點43分，星期五一、熱催化式甲烷傳感器載體催化元件的技術特性輸出特性的雙值性（1）05，線性關系；（2）9.5，拐點；（3）10，讀數隨濃度的升高而下降；圖2-2 催化元件的雙值性第29頁，共47頁，2022年，5月20日，9點43分，星期五一、熱催化式甲烷傳感器載體催化元件的技術特性雙值性的原因：缺氧圖2-3 缺氧對催化元件的影響第30頁，共47頁，2022年，5月20日，9點43分，星期五一、熱催化式甲烷傳感器KG9701A型智能低濃度甲烷傳感器功能用途（1）瓦斯濃

18、度顯示；（2）超限聲光報警；（3）就地斷電控制；（4）可以連續檢測并轉換成標準電信號輸送給關聯設備；圖2-4 KG9701A型CH4傳感器第31頁，共47頁，2022年，5月20日，9點43分，星期五一、熱催化式甲烷傳感器KG9701A的主要技術指標測量范圍：0.00CH44.00%CH4基本誤差： （0.001.00）0.1CH4； （1.002.00）0.2CH4； （3.004.00）0.3CH4；信號輸出： 電流型1mA5mA，線性對應0.00CH44.00%CH4 頻率型2001000Hz，線性對應0.00CH44.00%CH4 報警點設置： 0.00CH44.00%CH4連續可調斷

19、電點設置： 0.50CH42.00%CH4連續可調第32頁，共47頁，2022年，5月20日，9點43分，星期五一、熱催化式甲烷傳感器KG9701A的主要技術指標顯示方式：四位紅色數碼管，左起第一位為功能顯示，后三位顯示測量值。功能位顯示：1調零，2精度調節，3報警點設置，4斷電點設置，5自檢；報警方式：聲光報警，聲音強度80dB；光能見度20m響應速度：20s 信號傳輸距離：2km工作穩定性：可連續工作15天；整機工作電壓：924VDC（本安電源）。安全特征：防爆標志Exibd使用環境：040，濕度98，80116kPa，風速20m(光強)報警點范圍：0.52.5CH4連續可調斷電點：0.5%，0.75%，1.0%，1.25%CH4，采樣方式：擴散式整機工作電壓：924V DC整機