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1、矿用传感器本讲稿第一页，共四十七页2.1 传感器概述传感器概述一、非电量电测量二、传感器的组成和分类三、传感器的基本特性本讲稿第二页，共四十七页一、非电量电测量一、非电量电测量n非电量：非电量：各种非电物理和化学量，如温度、位移、风速、压力、甲烷浓度、化学成份等。n非电量电测量技术：非电量电测量技术：将各种被测的非电量参数转换成电量参数进行测量的技术，包括传感器技术和电子技术。n非电量电测量的优点：非电量电测量的优点：便于信号的传输、存储、处理；易于实现遥测、自动检测及生产过程自动控制等；本讲稿第三页，共四十七页一、非电量电测量一、非电量电测量n传感器传感器 将被测量转换为电量，并把它传送到信
2、号调节器中的部件。传感器又称为变换器、转换器、探头。其中，电量是电压、电流、或电参量（电阻、电感、电容）其中，电量是电压、电流、或电参量（电阻、电感、电容）传感器信号调节器显示记录器电源非电量非电量数字量模拟量非电量电测量系统组成框图非电量电测量系统组成框图本讲稿第四页，共四十七页一、非电量电测量一、非电量电测量n信号调节器信号调节器 传感器输出的电信号或电参数 记录显示器所需的标准电压、电流信号。其内部电路主要有：其内部电路主要有：电桥电路、放大电路、滤波电路、相敏检波电路、谐振电路、阻抗变换电路、调制解调电路等，以匹配不同类型的传感器和显示记录器。传感器信号调节器显示记录器电源非电量非电量
3、数字量模拟量非电量电测量系统组成框图非电量电测量系统组成框图本讲稿第五页，共四十七页一、非电量电测量一、非电量电测量n显示记录器显示记录器模拟显示：如指针指示数字显示：直接显示数字图形显示：如示波器另外，对于动态过程的变化无法用显示仪及时显示的应该用自动记录器记录下来，而后用打印机或绘图仪打印结果。传感器信号调节器显示记录器电源非电量非电量数字量模拟量非电量电测量系统组成框图非电量电测量系统组成框图本讲稿第六页，共四十七页二、传感器的组成和分类二、传感器的组成和分类n敏感元件：敏感元件：直接感受被测量，通常是先转换为一种易于转换成电量的非电量。n转换元件：转换元件：将非电量转换为电量。n将非电
4、量直接转换为电量的传感器称为直接转换型传感器，如热电偶、压电传感器等。n经二次或多次转换为电量的传感器称为间接转换型传感器，如瓦斯传感器、压力传感器等。n测量电路：测量电路：放大、变换和处理，以输出标准信号。敏感元件转换元件非电量非电量电量电量测量电路电源本讲稿第七页，共四十七页二、传感器的组成和分类二、传感器的组成和分类应变式应变式磁电式磁电式热电式热电式电容式电容式电感式电感式工工作作原原理理被被测测物物理理量量压力压力温度温度位移位移振动振动n传感器分类：传感器分类：n传感器命名：传感器命名：正序：传感器，压力，应变式，10kPa倒序：10kPa，应变式，压力，传感器倒序：10mm，磁电
5、式，位移，传感器本讲稿第八页，共四十七页三、传感器的基本特性三、传感器的基本特性n测量系统可以看作是一个信息通道，通常把被测物理量作为测量系统的输入信号，称为激励；把测量系统的输出信号称为响应。n传感器可以看作是：具有两个输入端和两个输出端的二端口网络；并具有相应的输入输出外部特性。n两种被测量两种被测量1 1、不变或变化很缓慢的量2 2、变化迅速的量n两种特性两种特性1 1、静态特性2 2、动态特性本讲稿第九页，共四十七页三、传感器的基本特性三、传感器的基本特性n静态特性：静态特性：表示被测物理量处于稳定状态或缓慢变化时，传感器的输入量与输出量之间的关系。n静态特性曲线静态特性曲线理论特性曲
6、线：设计部门或用户给定的静态特性曲线。实际特性曲线(静态校准曲线)：静态标准条件下，一定标准精度等级，重复进行全量程逐级加载和卸载测试而获得的曲线。n主要静态指标：主要静态指标：线性度、灵敏度、迟滞性、重复性、分辩力、量程、漂移等。线性度、灵敏度、迟滞性、重复性、分辩力、量程、漂移等。本讲稿第十页，共四十七页三、传感器的基本特性三、传感器的基本特性n线性度：线性度：又称非线性又称非线性 是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度，一般用校准曲线与拟合直线之间的最大偏差与满量程输出的百分比表示。它反映了实际输入输出与理想直线的偏离程度。n说明：说明：为了标定和数据处理的方便，通常进行线性化处理
7、以使传感器的输入输出关系为线性或接近线性；但同时也带来了非线性误差。本讲稿第十一页，共四十七页三、传感器的基本特性三、传感器的基本特性n灵敏度：灵敏度：是指传感器的输出量变化值y与输入量变化值X之比，即 S=y/X；可见灵敏度表示单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化。n线性系统的灵敏度是一个常数，而非线性测量装置的灵敏度随输入量的变化而变化。n灵敏度的量纲为输出量与输入量量纲之比，如某压力传感器的S为5mV/MPa。本讲稿第十二页，共四十七页三、传感器的基本特性三、传感器的基本特性n迟滞性：迟滞性：滞后或回程误差滞后或回程误差 表示在规定的同一校准条件下，测量装置在同一校准级上正、反行程输
8、出值的不一致程度。用各校准级中的最大迟滞用各校准级中的最大迟滞偏差与满量程输出值的百偏差与满量程输出值的百分比表示。分比表示。本讲稿第十三页，共四十七页三、传感器的基本特性三、传感器的基本特性n重复性误差：重复性误差：表示在规定的同一校准条件下，测量装置在同一方向在全量程范围内多次重复校准，各次校准曲线之间的不一致性，用各校准级上正、反行程最大标准偏差的t倍与满量程输出值的百分比表示。本讲稿第十四页，共四十七页三、传感器的基本特性三、传感器的基本特性n分辨力：分辨力：是指测量系统能测到的最小输入量变化x的能力。因全量程范围内各测量区的x不完全相同，常用量程内的最大x与满量程输出值的百分比k表示
9、，称为分辨率；n量程：量程：测量系统能测量的最小输入量至最大输入量之间的范围。如光学瓦斯检定器(AQG-1型)的测定范围为0.0110%CH4。n说明：说明：超过仪器的测量范围或者仪器的分辨力不够，则仪器不能正常工作，甚至损坏仪表，造成灾害。本讲稿第十五页，共四十七页三、传感器的基本特性三、传感器的基本特性n漂移：漂移：是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化的现象。n漂移的原因：漂移的原因：传感器自身结构参数和工作环境的变化。n最常见的漂移是温度漂移：主要表现为温度零点漂移和温度灵敏度漂移。n稳定性：稳定性：通常用灵敏度对时间的变化率dS/dt表示检测仪表的稳定性。变化率愈小，稳定
10、性愈高。安全仪表要保证检测数据的准确性，必须要有很高的稳定性。本讲稿第十六页，共四十七页三、传感器的基本特性三、传感器的基本特性n动态特性动态特性 是指被测对象随时间变化时传感器输入与输出间的关系，即传感器的响应特性。n动态测量时，由于传感器的惯性和滞后，传感器的输出处于动态过渡过程之中，因此传感器的输出量不仅是输入量也是时间的函数。n通常输出信号与输入信号具有不同的时间函数，而引起输出与输入间的差异，即动态误差。动态特性就是测量系统能够不失真地再现变化着的输入量的能力的反映。n动态特性指标动态特性指标 频域指标：频域指标：固有角频率、工作频带、相位角等。时域指标：时域指标：时间常数、上升时间
11、、响应时间等。本讲稿第十七页，共四十七页2.2 甲烷传感器甲烷传感器一、热催化式甲烷传感器二、热导式甲烷传感器本讲稿第十八页，共四十七页一、热催化式甲烷传感器一、热催化式甲烷传感器n煤矿瓦斯煤矿瓦斯 主要是甲烷（CH4）；CO、CO2、NO2、H2S、H2、SO2、NH3等。nCH4无色、无味、无毒，对空气的比重为0.558nCH4可燃，516可爆，9.5爆炸力最强。本讲稿第十九页，共四十七页一、热催化式甲烷传感器一、热催化式甲烷传感器n检测原理检测原理敏感元件催化作用敏感元件催化作用甲烷无焰燃烧生热甲烷无焰燃烧生热元件温度变化元件温度变化元件电阻变化元件电阻变化测量电路测量电路指示甲烷浓度指
12、示甲烷浓度本讲稿第二十页，共四十七页一、热催化式甲烷传感器一、热催化式甲烷传感器n热电阻效应热电阻效应 即导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的现象，二者有确定的函数关系，通常阻值随温度的变化基本上呈线性关系。n金属热电阻一般称为热电阻，其电阻温度系数大多为：0.40.6/；半导体热电阻一般称为热敏电阻，其电阻温度系数大多为：36/；n铂热电阻铂热电阻 0850时，Rt=R0(1+At+Bt2)；-2000时，Rt=R01+At+Bt2)+Ct3(t-100)；其中Rt和R0分别表示t和0时铂热电阻的电阻值；A=3.908310-3/；B=-5.775 10-7/2；C=-4.18310-12
13、/4本讲稿第二十一页，共四十七页一、热催化式甲烷传感器一、热催化式甲烷传感器n铂热电阻铂热电阻 我国规定工业用铂热电阻有R010和R0100两种，即分度号为Pt10和Pt100；不同分度号的铂热电阻有相应的分度表，即Rt-t的关系表。n金属纯度越高温度系数越大，通常用R100/R0表示铂的纯度，一般要求R100/R01.385。目前可达1.3930，对应的铂纯度为99.9995n铜热电阻 -50150时，Rt=R0(1+t)；0.428/铜热电阻有两种分度号：Cu50和Cu100本讲稿第二十二页，共四十七页一、热催化式甲烷传感器一、热催化式甲烷传感器n铂丝催化元件铂丝催化元件 高纯度铂丝绕制的
14、螺旋线圈（d2570m，200500 m）构成的铂热电阻铂热电阻。n铂丝既是催化剂，又是加热器，同时又是感温元件。n优点：结构简单；稳定性较好；受硫化物中毒影响小。n缺点：催化活性低；工作温度高,升华严重；寿命短；零点漂移。本讲稿第二十三页，共四十七页一、热催化式甲烷传感器一、热催化式甲烷传感器n载体催化元件载体催化元件n铂丝：铂丝：加热；感温；n载体：载体：固定铂丝；传热；附载催化剂；n催化剂：催化剂：Pt,Pd,Th 催化作用，降低甲烷燃烧 温度（300400）；n优点：对灵敏度、稳定性、功耗、寿命有很大改善（a）黑元件）黑元件图图2-1 载体催化元件载体催化元件（b）白元件）白元件本讲稿
15、第二十四页，共四十七页一、热催化式甲烷传感器一、热催化式甲烷传感器n载体催化元件的技术特性载体催化元件的技术特性n线性度线性度黑元件热平衡方程：I2R+I2RT+Q =S(T1-To)+1 S(T14-To4)白元件热平衡方程：I2R=S(T2-To)+2 S(T24-To4)其中：-等效热传导系数；12-黑白元件的热发射率；-斯蒂潘常数；T1T2To-黑白元件及环境温度；-铂丝电阻温度系数；n线性度与温度有关，在一定范围内，元件输出与瓦斯浓度呈线性关系；达到一定温度后，温度就很难再随催化生热Q线性增加了。n线性度不一致对测量范围测量范围影响很大，有的测量上限可达5CH4，有的仪器仅为3CH4
16、；且测量上限误差大，下限误差小。本讲稿第二十五页，共四十七页一、热催化式甲烷传感器一、热催化式甲烷传感器n载体催化元件的技术特性载体催化元件的技术特性n灵敏度：灵敏度：一般要15mV/1CH4，当下降50时，报废。n灵敏度的影响因素（1）催化剂老化：-Al2O3逐渐向-Al2O3过渡（2）催化剂中毒：n催化剂中毒：催化剂中毒：催化剂毒物强烈吸附在催化剂上发生反应而使催化剂活性减少或消失的现象。n暂时性中毒：暂时性中毒：硫化物、磷化物、氯化物等；n永久性中毒：永久性中毒：有机硅、铅、锡等；n过滤措施：过滤措施：活性炭,硅胶,分子筛等本讲稿第二十六页，共四十七页一、热催化式甲烷传感器一、热催化式甲
17、烷传感器n载体催化元件的技术特性载体催化元件的技术特性n稳定性：稳定性：工作条件不变时，在规定时间内输出信号保持不变的能力。连续式元件为7天，间断式元件为78h。n稳定性的影响因素：（1）灵敏度（2）激活特性n激活特性激活特性 在低浓度CH4（5.5%）数分钟后元件活性升高，离开高浓度环境后其活性又在数十小时内降到原值附近的现象。n不利影响：不利影响：零点漂移，工作不稳定，测量误差n应用：应用：元件制作时的老化处理；暂时性中毒的激活。本讲稿第二十七页，共四十七页一、热催化式甲烷传感器一、热催化式甲烷传感器n载体催化元件的技术特性载体催化元件的技术特性n响应时间响应时间 是指CH4浓度阶跃变化时
18、，输出信号值达到稳定值90的时间。标准规定，连续式为20s，间断式为15s。n响应时间与元件尺寸、制作工艺及气室设计、通风方式有关。n主要因素是：主要因素是：（1）扩散时间：扩散型气室与对流型气室（2）燃烧生热、热交换至热平衡的时间。本讲稿第二十八页，共四十七页一、热催化式甲烷传感器一、热催化式甲烷传感器n载体催化元件的技术特性载体催化元件的技术特性n输出特性的双值性输出特性的双值性（1）05，线性关系；（2）9.5，拐点；（3）10，读数随浓度的升高而下降；图2-2 催化元件的双值性本讲稿第二十九页，共四十七页一、热催化式甲烷传感器一、热催化式甲烷传感器n载体催化元件的技术特性载体催化元件的
19、技术特性n双值性的原因：缺氧双值性的原因：缺氧图2-3 缺氧对催化元件的影响本讲稿第三十页，共四十七页一、热催化式甲烷传感器一、热催化式甲烷传感器nKG9701AKG9701A型智能低浓度甲烷传感器型智能低浓度甲烷传感器n功能用途功能用途（1）瓦斯浓度显示；（2）超限声光报警；（3）就地断电控制；（4）可以连续检测并转换成标准电信号输送给关联设备；图2-4 KG9701A型CH4传感器本讲稿第三十一页，共四十七页一、热催化式甲烷传感器一、热催化式甲烷传感器nKG9701AKG9701A的主要技术指标的主要技术指标n测量范围：0.00CH44.00%CH4n基本误差：（0.001.00）0.1C
20、H4；（1.002.00）0.2CH4；（3.004.00）0.3CH4；n信号输出：电流型1mA5mA，线性对应0.00CH44.00%CH4 频率型2001000Hz，线性对应0.00CH44.00%CH4 n报警点设置：0.00CH44.00%CH4连续可调n断电点设置：0.50CH42.00%CH4连续可调本讲稿第三十二页，共四十七页一、热催化式甲烷传感器一、热催化式甲烷传感器nKG9701AKG9701A的主要技术指标的主要技术指标n显示方式：四位红色数码管，左起第一位为功能显示，后三位显示测量值。功能位显示：1调零，2精度调节，3报警点设置，4断电点设置，5自检；n报警方式：声光报
21、警，声音强度80dB；光能见度20mn响应速度：20s n信号传输距离：2kmn工作稳定性：可连续工作15天；n整机工作电压：924VDC（本安电源）。n安全特征：防爆标志Exibdn使用环境：040，湿度98，80116kPa，风速20m(光强)报警点范围：0.52.5CH4连续可调断电点：0.5%，0.75%，1.0%，1.25%CH4，采样方式：扩散式整机工作电压：924V DC整机工作电流：70mA DC传输距离：2km(供电18V DC使用1.5mm2截面铜芯电缆)输出信号：2001000Hz、15mADC；12002000Hz防爆型式：Exibd矿用本安兼隔爆型本讲稿第四十五页，共
22、四十七页一、热催化式甲烷传感器一、热催化式甲烷传感器nKG900lB传感器的调校传感器的调校n四位红色数码管显示方式：左起第一位为功能显示，后三位显示测量值。功能位显示：1热催化调零，2热催化精度调节，3热导调零，4热导精度调节；5报警点设置，6断电点设置，7自检；零点调节：零点调节：传感器通电工作预热20分钟。按遥控器上的“选择”键使小数码管显示为“1”或“3”。然后按“”或“”键使大数码管显示为0.00，即调零完毕。精度调节：精度调节：在地面新鲜空气中，通入每分钟200毫升的标准气体（如：2.0%CH4）。按遥控器上的“选择”键使小数码管显示为“2”或“4”，再按“”键或“”键使大数码管显示数值与标准气体浓度值一致。本讲稿第四十六页，共四十七页一、热催化式甲烷传感器一、热催化式甲烷传感器nKG900lB传感器的调校传感器的调校 报警点设置：报警点设置：按遥控器上的“选择”键使小数码管显示为“5”，再按“”键或“”键使大数码管显示数值为所要设置的报警值（如掘进工作面放置的瓦斯传感器应设置为1.00）。断电值设置：断电值设置：按遥控器上的“选择”键使小数码管显示为“6”，再按“”键或“”键使大数码管显示数值为所要设置的断电值。本讲稿第四十七页，共四十七页