1、安全监测与监控,安全检测技术.黄仁东，刘敦文主编.化学工业出版社. 安全检测技术.张乃禄等.西安电子科技大学出版社. 现代安全检测技术.赵建华.中国科技大学出版社. 安全检测原理与技术.董文庚等.海洋出版社. 安全检测与控制技术.陈海群等.中国石化出版社.,第一章 绪论,主要内容和课时安排 安全监测的意义、目的和任务 安全监测技术的发展概况 安全监测技术的实例,3,第章 绪 论,1.1 本课程的主要内容和课时安排 安全技术及工程专业本科生的基础课之一，多学科交叉 常见的、与安全相关的工程量的检测上，介绍其原理、方法。,4,“温度”:国际单位制中七个基本物理量之一重要工艺参数(七个基本单位：长度
2、m，时间s，质量kg，热力学温度（Kelvin温度）K，电流单位A，光强度单位cd（坎德拉），物质量mol)设备运行状态的一个重要指标 物体的许多物理现象和化学性质都与温度有关，很多生产工艺过程都是在一定的温度范围内进行的。 因此，温度和温度监测问题是工业生产、状态监测和科学研究中经常遇到和要解决的问题。,5,人们往往以为温度监测方法很简单，其实要准确地监测温度是很困难的。 温度监测方法一、传统方法（接触法）膨胀式温度计、热电阻温度计、热电偶温度计、感温片二、现代方法（非接触法）红外非接触测温技术、红外热像仪测温技术（温度场测量）、基于彩色CCD三基色测温技术、分布式光纤测温技术,6,总学时数
3、：48其中：讲授 46学时，复习2学时； 本课程共包括6章重点阐述安全监测的技术基础,绪论，主要阐述安全监测的意义、目的和任务以及安全监测技术的发展概况。 检测技术的基础知识，主要介绍误差理论基础、检测系统的基本特性以及信号分析基础,7,安全监测常用传感器 生产工艺参数的检测温度、 压力、 流量、 物位 环境与灾害参数检测气体、粉尘、噪声、振动、泄漏、火灾 无损检测技术超声、红外、磁粉、渗透、射线,8,第章 绪 论,1.2 安全监测的意义、目的和任务 1.2.1 安全监测的意义 随着现代工业生产的发展和科学技术的进步，现代生产装置的结构越来越复杂，功能越来越完善，自动化程度也越来越高，相应的安
4、全问题便日益严重，导致灾难性事故不断发生，如国内外曾经发生的各种空难、海难、煤矿透水、瓦斯爆炸、天然气井喷和火灾等恶性事故，其造成的人员伤亡、经济损失和社会影响都十分惊人。,9,19852009年世界部分国家发生的特大事故及其后果,10,1.2.1 安全监测的意义,这些特大灾难性事故的后果令人触目惊心，不但造成巨大的经济损失，而且造成很大的人员伤亡和环境污染，在社会上引起了强烈的反响，严重影响全球经济的可持续发展和社会稳定。,11,2001.9.11 美国纽约世贸中心倒塌图片,世贸中心原貌,世贸中心被撞击,12,1.2.1 安全监测的意义,2002年4月15日，中国国际航空公司的一架波音767
5、客机，执行CA129次航班的任务，从北京飞往韩国釜山，在韩国釜山机场附近坠毁，机上有155名乘客和11名机组人员，仅有38人幸存，死亡122人，失踪6人。 2002年5月7日，北方航空公司的一架MD-82飞机，执行 CJ 6136次航班的任务，从北京起飞，飞往大连，在大连机场东侧约20公里的海面失事，机上103名乘客和9名机组人员，全部遇难。,13,2002.4.15 国航客机在韩国釜山坠毁图片,坠毁地点示意图,失事现场,14,2002.4.15 国航客机在韩国釜山坠毁图片,飞机残骸,发动机残骸,失事飞机波音-767,15,2002.5.7 北航客机在大连坠毁图片,坠毁地点示意图,失事飞机MD
6、-82,打捞出的最大残骸,16,2002.5.7 北航客机在大连坠毁图片,打捞出的飞机残骸和遇难者遗物,飞机驾驶内舱打捞出水,飞机机头打捞出水,17,1.2.1 安全监测的意义,2003年11月3日凌晨，湖南省衡阳市珠晖区一栋八层四合院商住楼发生特大火灾。由于当地消防官兵全力扑救，该楼96户共412名居民均安全撤离，无一人伤亡。但因为部分楼房突然倒塌，导致20名消防官兵不幸遇难，包括4名新闻记者在内的16人受伤。,衡阳特大火灾火场,18,1.2.1 安全监测的意义,衡阳特大火灾火场,19,1.2.1 安全监测的意义,2004年8月24日，俄罗斯发生“9.11”式空难，两架从莫斯科“托莫杰托沃”
7、国际机场起飞的俄罗斯客机在一天里相继失事。 先是一架图-134客机在莫斯科南部约200公里的图拉地区坠毁，紧接着约3分钟后另一架图-154客机又在莫斯科南部约960公里的罗斯托夫地区附近步其后尘。 两架客机上的106名乘客和机组人员全部遇难。,20,2004.8.24 俄罗斯两架客机相继坠毁图片,坠毁地点示意图 图拉距莫斯科约200公里 罗斯托夫距莫斯科约960公里,失事飞机图-154,失事飞机图-134,21,1.2.1 安全监测的意义,2005年2月14日15时左右，辽宁省阜新矿业集团孙家湾煤矿发生特别重大瓦斯爆炸事故，造成214人死亡，30人受伤，直接经济损失4968.9万元。,22,1
8、.2.1 安全监测的意义,发生事故的井口,23,1.2.1 安全监测的意义,2006年12月29日下午16时48分(北京时间30日3点48分)，巴西GOL航空公司一架载有154人的 波音737-800型客机与一架小型商务机相撞后从雷达上消失。 这架飞机原本应在巴西利亚暂作停留后飞往里约热内卢，预定在里约热内卢的降落时间是18时10分。 这架客机在亚马孙一个农场坠毁，机上人员全部遇难，与其相撞的小飞机机翼受损但成功降落。,24,1.2.1 安全监测的意义,巴西波音737-800客机失事示意图,25,1.2.1 安全监测的意义,2007年7月29日8时40分，肆虐的洪水沿河南省三门峡支建铁炉沟河暴
9、涨，造成位于河床中心的原中国铝业公司废弃的铝土矿坑塌陷，洪水通过矿井上部老巷泄入陕县支建矿业有限公司东风井，造成淹井事件。经过76个小时的全力抢救，被困的69名矿工在8月1日12时50分全部脱困。,26,1.2.1 安全监测的意义,被困的首名矿工在救护队员掺扶下走出井口,27,1.2.1 安全监测的意义,被困的最后一名矿工抬出井口,28,1.2.1 安全监测的意义,2008年9月20日22时49分，广东省深圳市龙岗区舞王俱乐部发生特别重大火灾，造成44人死亡，58人受伤，直接经济损失1589万元。,事发现场外围满了人,29,1.2.1 安全监测的意义,火灾现场,30,1.2.1 安全监测的意义
10、,火灾现场一片狼藉,31,1.2.1 安全监测的意义,2009年2月9日晚20时27分，北京中央电视台新大楼北配楼发生特大火灾，大火燃烧了近6个小时，火势凶猛，附近千人被疏散，造成1人死亡，7人受伤，估计损失达7亿元。,火灾现场,32,1.2.1 安全监测的意义,火灾现场,33,1.2.1 安全监测的意义,火灾现场外围满了人,34,1.2.1 安全监测的意义,在我国，煤矿透水、天然气井喷、瓦斯爆炸和飞机坠毁等恶性伤亡事故已引起国际社会的关注。 提高安全监测技术水平，对有效减少事故隐患，预防和控制重特大事故的发生，遏制群死群伤、重大经济损失和保障国家经济与社会的发展具有重大现实意义。,35,1.
11、2.2 安全监测的目的,安全监测的目的 (1)能及时地、正确地对运行设备的运行参数和运行状况作出全面监测，预防和消除事故隐患。 (2)对设备的运行进行必要的指导，提高设备运行的安全性、可靠性和有效性，以期把运行设备发生事故的概率降低到最低水平，将事故造成的损失减低到最低程度。 (3)通过对运行设备进行监测、隐患分析和性能评估等，为设备的结构修改、设计优化和安全运行提供数据和信息。,36,1.2.2 安全监测的目的,总起来说，进行安全监测的目的就是确保设备的安全运行，预防和消除事故隐患，避免事故发生，尤其是避免重特大事故的发生，遏制群死群伤和重大经济损失。 事实上，如果加强运行设备的安全监测，有
12、许多事故是可以防患于未然的，下面是一些事故增加的原因，也正是安全监测所要解决的问题：,37,1.2.2 安全监测的目的,(1)现代生产设备向大型化、连续化、快速化和自动化方向发展。一方面在提高劳动生产率、降低生产成本、节约资源和人力等方面带来很大好处；但另一方面，由于设备故障率增加，而导致由事故所造成的损失，却在成百倍地增长。 (2)高新技术采用现代设备，特别是航天、航空、航海和核工业等部门对安全性、可靠性提出了越来越高的要求，多年来航天、航空、核电站的多次灾难性事故，更说明了进行安全监测的迫切性。,38,1.2.2 安全监测的目的,(3)现有大量生产设备的老化，要求加强对其进行安全监测。许多
13、老设备、老装置，服役已接近其寿命期，进入“损耗故障期”，故障率增大，有的甚至超期服役。全部更新的话经济负担很重，此时如对其加强安全监测，将能延长设备的使用寿命。,39,1.2.3 安全监测的任务,监测设备的运行状态，判断其是否正常；进行安全预测和诊断；指导设备的管理和维修 监测工作环境的安全状况，判断是否符合国家相关安全标准；指导安全设备的设计和维护生产工艺参数的检测温度、 压力、 流量、 物位环境与灾害参数检测气体、粉尘、噪声、振动、泄漏、火灾无损检测技术超声、红外、磁粉、渗透、射线,40,监测设备的运行状态I.运行状态监测正常状态：没有缺陷，或虽有缺陷但在允许的限度内 异常状态:缺陷扩展，
14、性能劣化，仍能维持工作故障状态:不能正常工作,1.2.3 安全监测的任务,41,II.安全预测和诊断 设备运行状态监测所获得的信息 已知的结构特性和参数以及环境条件 该设备的运行历史对设备可能要发生的或已经发生的故障进行预报、分析和判断，确定故障的性质、类别、程度、原因和部位，指出故障发生和发展的趋势及其后果，提出控制故障继续发展和消除故障的调整、维修和治理的对策措施，并加以实施，最终使设备复原到正常状态。,1.2.3 安全监测的任务,42,III.指导设备的管理和维修 事后维修方式（Run-to-Breakdown Maintenance） 定期预防维修方式（Time-based Preve
15、ntive Maintenance） 视情维修（Condition-based Maintenance）,1.2.3 安全监测的任务,43,视情维修是一种更科学、更合理的维修方式。但要能做到视情维修，其条件是有赖于完善的安全监测技术的发展和实施。,1.2.3 安全监测的任务,44,第章 绪 论,1.3 安全监测技术的发展概况 对于安全监测技术，实际上自有工业生产以来就已存在。I. 早期人们依据对触摸、观察，对声音、振动等状态特征的感受，凭借个人的经验，可以判断某些故障的存在，并提出修复的措施。 II.依靠简单的工具，例如：1815年，安全灯(英国)-瓦斯在灯焰周围燃烧，火焰高度:瓦斯含量 II
16、I.安全监测技术作为一门学科，则是20世纪60年代以后才发展起来的。,45,20世纪70年代过程系统在线故障监测与安全诊断技术随着生产和科学技术的发展迅速得到发展。这是动态系统的故障监测与诊断问题，是应用现代控制理论、数理统计等方法来分析处理非正常工况下系统特性的结果。 所谓“故障监测、诊断和预报系统”，通常有两种涵义，一是指某些专用仪器，如对于汽轮发电机组等旋转机械设备，就有“转速测量仪”、“旋转机械振动检测仪”和“频谱分析仪”等，可以检测出这类机械设备的,46,运转是否正常。另一种是指计算机数据采集分析系统，它可以采集生产过程的有关数据，完成工况分析，对设备是否正常？是什么原因引起故障？故
17、障的程度有多大？工况的趋势是否安全等问题进行分析、判断、得出结论。 近年来在线故障监测与安全诊断技术的研究十分活跃，如红外监测技术（包括红外测温、红外气体分析和红外气体泄漏监测）、声发射监测技术、智能安全监测系统等，其工程应用也日益广泛。,47,发达国家安全监测技术研究起步较早、研究投入较多，安全监测技术这一领域的理论、方法、技术、装备等已遍及诸多行业，如航天、航空、核工业、石油、化工、电力、采矿、林业、建筑等各种社会支柱产业中。 在我国，安全监测技术的发展，在国家经济建设中发挥了越来越大的作用，也取得了十分明显的社会经济效益。,烟气连续排放在线检测系统,1.4 安全监测的实例,主梁内力和温度
18、、桥塔内力和温度、伸缩缝位移进行长期监测，包括多台高性能光纤光栅动态数据采集仪和数百只各类光纤光栅传感器。,EF-VS360视觉识别-字符识别（OCR/OCV）检测系统设备图,检测人员正在铸造厂房内进行粉尘采样,检测人员正在对隧道进行风速检测分析,美国旧金山国际机场_NEC Smart Catch,通风机在线监测与控制系统,煤矿井下环境气体中的瓦斯浓度,温度、连轴温度、压力、风量,第二章 检测技术的基础知识,误差理论 信号分析基础 检测系统的基本特征 可靠性技术,2.1 误差理论,定义 特点 产生原因 分类 误差的处理,2.1.1测量误差?,测量仪器,测量方法，测量人员，参数的计算及测量数据处
19、理没有误差的测量是不存在的误差和测量有着密切的关系,测量数据与真值之差,测量误差 = 测得值 - 真值 （客观真实值：未知）,1m = 1650763.73 , 约定真值：世界各国公认的几何量和物理量的最高基准(最高精度)的量值, 相对真值：标准仪器的测得值或用来作为测量标准用的标准器的值,如：米 - 公制长度基准, - 氪-86的2p10-5d5能级间跃迁在真空中的辐射波长,绝对误差,x = x x0, 理论真值：设计时给定或用数学、物理公式计算出的给定值,光在真空中1s时间内传播距离的1/299792485,相对误差,绝对误差与真值之比,测量效果：被测量的大小不同 - 允许的绝对误差不同
20、被测量的量值小 - 允许的测量绝对误差也越小,例： 质量G1=50g，误差1=2g； 质量G2=2kg，误差2=50g,G2的测量效果较好,2.1.2 误差的特点？,普遍性,所有的测量数据都存在误差 - 不可避免的 最高基准的测量传递手段（测量仪器/测量方法）- 不绝对准确, 减小误差的影响，提高测量精度 对测量结果的可靠性给出评定 （精确度的估计）,研究误差的目的：,2.1.3 产生原因？,测量过程中 测量五要素-观测者、测量对象、测量仪器、 测量方法及测量条件（1） 理论与方法误差 检测方法、采样方法、测量重复次数、取样时间,测量过程中 数据处理时,（2）检测系统各环节所使用的材料性能和制
21、造技术引起的误差 （3）组成检测系统各环节的传递特性方面产生的误差 （4）检测系统器件特性变化引起的误差 - 偏离设定值 （5）检测系统各环节动力源的变化引起的误差 电流、电压、气压、液压等（6）检测环境引起的误差 环境条件（温度、湿度、气压等）差异 器件的性能（7）检测人员造成的误差（主观误差） 人员视觉、读数误差、经验、熟练程度、精神方面原因,（1）有效数字的化整误差：有效位数,（3）近似计算例：,（2）数学常数：例如圆周率,（4）物理常数：例密度/粘度/导热系数/电阻率等（实验误差）,2.数据处理时,2.1.4 误差的分类,按误差来源：装置误差、环境误差、方法误差、人员误差,按特性规律：
22、系统误差、随机误差、粗大误差,按仪器使用条件：基本误差（标准条件：国家或企业规定）、附加误差,（1）系统误差（System error）,重复测量时， 确定的规律（定值；变值：如线性、周期、其他),系统误差的发现校准和对比2) 数据分析： 系统误差比随机误差大很多时，残差变化规律,1) 修正值 实验 或计算- 系统误差的具体数值和变化规律 修正表格、修正曲线、修正公式例: 环境误差：干扰很大而又无法消除，测量信号为零，读数减去干扰指示值 （条件：测量中干扰的影响相同）,II. 系统误差的消除,可调的标准器具代替被测量接入检测系统 调整标准器具， 使检测系统的指示值与被测量接入时相同 标准器具的
23、数值=被测量,2）替代法,（2）随机误差（Random error）（偶然误差）,多次重复测量：大小和符号均无规律变化 因许多不确定性因素而随机发生 例：仪器的元器件性能不稳定；温度、湿度的变化；空中电磁波的干扰等服从某种统计规律，如正态分布、均匀分布等通过大量检验，大多数随机误差服从正态分布（高斯分布） 李雅普诺夫定理：,a.单峰性：绝对值小的出现概率大 b.对称性：绝对值相等的正负误差出现概率相等 c.有界性：绝对值不会超过某个限度 d.抵偿性：当测量次数增加时，随机误差的代数和趋于零 测量次数增加算术平均值逐渐接近真值,概率密度曲线,曲线下面包含的面积是对应不同区间x出现的概率,2.2
24、信号分析基础,信号的分类 信号的时域分析 信号的频域分析,为深入了解信号的物理实质，将其进行分类研究是非常必要的，从不同角度观察信号，可分为：,2.2.1 Classification of signals,信号描述,I.确定性信号与随机信号deterministic vs. random,可以用明确数学关系式描述的信号称为确定性信号。不能用数学关系式描述的信号称为随机信号。, deterministic signal x(t) x(t0) is a number, no uncertainity random signal x(t) x(t0)is a random variable (wi
25、th some probability specification) x(t) = random signal = random process = stochastic process,位移信号x (t) 可以写为,式中：A为振幅(最大值)；k为弹簧刚度；m为质量；0为初始相位。在此图中，0=0。 x(t)-t曲线表示为位移x(t)随时间t的变化情况。,确定性信号举例,Periodic signals are such that x(t+T) = x(t) for all t. The smallest value of T that satisfies the definition is
26、called the period.,1)周期信号：经过一定时间重复出现的信号,2/T( 2/N) is called the fundamental frequency ( rad sec) of x(t) (xn).,简单周期信号,T=PI,f=1/pi,T=2PI/3,f=3/2pi,T=2PI,f=1/2pi,复杂周期信号：由基波的整数倍波形叠加而成。,b) 非周期信号：确定信号，但不是周期信号,准周期信号:由多个周期信号合成，但各信号频率不成公倍数。如：x(t) = sin(t)+sin(2.t),瞬态信号:持续时间有限的信号，如 x(t)= e-Bt . Asin(2*pi*f*t
27、),c)随机信号：不能用数学式描述，其幅值、相位变化不可预知，所描述物理现象是一种随机过程。,对随机信号按时间历程所做的各次长时间观测记录称为样本函数，记作xi(t)。 在同样的条件下，不同时间段的各样本函数的集合称为总体，记作xi(t),II. 连续时间信号与离散时间信号,a) 连续时间信号:在所有时间点上有定义,b)离散时间信号:在若干时间点上有定义,2.2.2 信号的时域分析,信号的时域分析是对信号的幅值进行分析。 内容：确定性信号幅值随时间的变化关系；随机信号幅值的统计特性、相关分析,I. 周期信号的幅值分析,有限离散数字信号序列的均值,均值：反映了信号变化的中心位置，也称之为直流分量
28、。,a.均值,b.绝对均值,c.均方值和均方根植,d.Peak value:XP瞬时最大作用强度,e.双峰值Pp-p:信号幅值的变化范围,a 均值,在实际测试中，均值x可以取样本在足够长时间内的积分平均作为其估计值，记作：,II. 随机信号的幅值分析,b.均方值,方差：反映了信号绕均值的波动程度。,c.方差,d.概率分布函数distribution function,对于实轴上任何一点x，随机变量X的分布函数F（x）在x点的值 为随机变量X小于x这个事件发生的概率。,分布函数是单调非降的右连续函数，在负无穷大时为0，在正无穷大时为1。,e.概率密度函数,如果存在函数p(x),使得,则p(x)为
29、概率密度函数,概率密度函数是概率分布函数的导数,各种可能出现的幅值概率之和等于1,概率密度函数图上为x1左边部分p(x)曲线下的面积概率分布函数图上为x1纵坐标的高度P(x1),幅值x1 的概率:,1 波形变量相关的概念（相关函数 ）,如果所研究的变量x, y是与时间有关的函数，即x(t)与y(t)：,x(t),y(t),III. 信号的相关分析,相关函数反映了二个信号在时间上的相关性,互相关函数Rxy(),如果x(t)=y(t)，则Rxx ()= Rxy()为自相关函数,使两个信号之间产生时差， 再相乘 再积分， 即可得到此时差两个信号的相关性 连续变化此时差，就可得到相关函数曲线,计算过程
30、,*,图例,相关函数曲线：,2.相关函数的性质,相关函数描述了两个信号间或信号自身不同时刻的相似程度，通过相关分析可以发现信号中许多有规律的东西。,（1）自相关函数是 的偶函数，RX()=Rx(- )； 互相关函数既不是偶函数，也不是奇函数。,（2）当 =0 时，自相关函数具有最大值。,（3）周期信号的自相关函数仍然是同频率的周期信号，但不保留原信号的相位信息。,（5）两同频率周期信号的互相关函数仍然是同频率的周期信号，且保留原了信号的相位信息。,（6）两个非同频率的周期信号互不相关。,（4）随机噪声信号的自相关函数将随 的增大快速衰减。,IV. 时域分析的工程应用,案例：汽车速度测量:,案例
31、：旅游索道钢缆检测,机械加工表面粗糙度自相关分析,被测工件,相关分析,性质3,性质4,自相关测转速,理想信号,干扰信号,实测信号,自相关系数,性质3，性质4：提取周期性转速成分。,工程中常用两个间隔一定距离的传感器进行非接触测量运动物体的速度,热轧钢带的运动速度,2.2.3 信号的频域分析,信号频域分析是采用傅立叶变换将时域信号x(t)变换为频域信号X(f)，从而帮助人们从另一个角度来了解信号的特征。,周期信号的傅立叶级数 非周期信号的傅立叶积分 频谱分析的应用,信号频谱X(f)代表了信号在不同频率分量成分的大小，能够提供比时域信号波形更直观，丰富的信息。,时域分析与频域分析的关系,时域分析只
32、能反映信号的幅值随时间的变化情况，除单频率分量的简谐波外，很难明确揭示信号的频率组成和各频率分量大小。,图例：受噪声干扰的多频率成分信号,大型空气压缩机传动装置故障诊断,傅里叶级数：,I 周期信号的傅立叶级数展开,T周期 0=2/T，圆频率,例：周期三角波的傅里叶级数,基波（基频）,三次谐波,五次谐波,(3)频谱图既方便又明白的表示一个信号中包含有哪些频率分量，各分量所占的比重如何每一条谱线代表一个基波或一个谐波分量，谱线高度代表这一正弦分量的振幅，谱线横坐标代表这一正弦分量的频率,幅值频谱 An-w,相位频谱 n-w,功率谱,周期三角波的频谱图,实频谱图的特点： 1. 由不连续的线条组成，每
33、一条线代表一个正弦分量。 2. 频谱的每条谱线，都只能出现在基波频率的整数倍的频率上，频谱中不可能存在任何具有频率为基波频率非整数倍的分量。 3. 各条谱线的高度，即各次谐波的振幅，总的趋势是随着谐波次数的增高而逐渐减小的；当谐波次数无限增高时，谐波分量的振幅就无限趋小。 频谱的离散性、谐波性、收敛性,II. 非周期信号的傅立叶积分,与周期信号相似，非周期信号也可以分解为许多不同频率分量的谐波和非周期信号的周期T，基频fdf包含了从零到无穷大的所有频率分量,或,非周期信号的谱线出现在0,fmax的各连续频率值上，这种频谱称为连续谱。,III. 频谱分析的应用,案例：在齿轮箱故障诊断 通过齿轮箱
34、振动信号频谱分析，确定最大频率分量，然后根据机床转速和传动链，找出故障齿轮。,fr：旋转频率 n/60 fm：啮合频率 nZ/60,2.3 检测系统的基本特性 静态特性和动态特性静态检测：检测系统的输入、输出信号不随时间变化或变化很缓慢。 静态响应特性：静态检测时系统表现出的响应特性指标:测量范围、灵敏度、非线性度、回程误差等。,II. 灵敏度灵敏度指输出的增量 与输入的增量之比，即：线性系统的灵敏度S为常数，即输入输出关系直线的斜率。非线性系统的灵敏度S是变量，是输入输出关系曲线的斜率，输入量不同，灵敏度就不同，通常用拟合直线的斜率表示系统的平均灵敏度。,I. 测量范围 检测系统能正常测量的
35、最小输入量和最大输入量之间的范围。,III. 非线性度 标定曲线与拟合直线的偏离程度就是非线性度。如果在全量程A输出范围内，标定曲线偏离拟合直线的最大偏差为B，则定义非线性度为：IV. 回程误差 也称为滞后或变差。实际测量系统在相同的测量条件下，当输入量由小增大，或由大减小时，对于同一输入量所得到的两个输出量存在差值，则定义回程误差为：,V. 漂移 漂移指检测系统随时间的慢变化。零点漂移：例：检测流量，当管道中的介质为静止时，可设置为零点，即此刻流量为零。2%（F.S）/6h，这个指标指的是在通入零点气稳定后，6个小时内数值漂移量不大于量程的2%，仪表指标就算合格。,第三章 安全检测常用传感器
36、,A sensor is a device to detect changes in the environment such as energy, heat, light, magnet,supersonic, etc. and convert them to electric signals.,3.1 introduction,1 What is a sensor?,Temperature to a voltage. Pressure to a voltage.,输出与输入有一定的对应关系,且应有一定的精确度。,2 传感器的构成,敏感元件：直接感受被测量,输出与被测量成确定关系。 转换元件
37、： 敏感元件的输出就是转换元件的输入,它把输入转换成电量参量。转换电路：把转换元件输出的电量信号转换为便于处理、显示、记录或控制的有用的电信号的电路。,膜盒就是敏感元件,其外部与大气压pa相通,内部感受被测压力p,当p变化时,引起膜盒上半部移动,即输出相应的位移量。可变电感3是转化元件,它把输入的位移量转换成电感的变化。5即为转换电路。,由一个敏感元件(兼转换元件)组成,它感受被测量时直接输出电量,3 分类a. The value to be estimated: velocity,temperature,and so on,常见的被测物理量,机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度,旋转角,转
38、数,质量,重量,力,压力,真空度,力矩,风速,流速,流量; 声: 声压,噪声. 磁: 磁通,磁场. 温度: 温度,热量,比热. 光： 亮度，色彩,有源型和无源型,有源型：也称能量转换型或发电型，把非电量直接转换成电压、电流或电荷， 例如:热电偶温度计,压电式加速度计. 无源型:也称能量控制型或参数型，把非电量变成电阻、电容、电感等,b.能量转换的方式,c. 按输入和输出的特性分类按输入、 输出特性， 传感器可分为 线性和非线性两类。,3.2 常用传感器（按检测原理）,长度为l，截面积为A，电阻率为的金属丝,3.2.1 电阻式传感器 (the quantity to be measuredthe
39、 change of resistance),1 Rheostat,电位器式传感器组成：线圈、骨架和滑动触头 原理：如果电阻丝直径与材质一定时，则电阻R随导线长度L而变化。,线圈绕于骨架上，触头可在绕线上滑动，当滑动触头在绕线上的位置改变时，将位移变化转换为电阻变化 线位移或角位移电阻电压可测参数： 线位移或角位移 可以转换为位移的参数：压力、加速度等,resistancevoltage,电阻分压电路(测量电路),特点：结构简单、尺寸小、重量轻、价格低廉且性能稳定【受环境因素(如温度、湿度、电磁场干扰等)影响小】输出信号大，一般不需放大磨损降低测量精度，分辨力较低；动态响应较差 适合于测量变化
40、较缓慢的量,变阻器式传感器的性能参数: 测量范围、分辨率、电阻温度系数、整个电阻值的偏差、寿命;,变阻器式传感器的分类,按测量类型：,单圈电位器,多圈电位器,直线滑动式电位器,按制作方式：,线绕电位器,案例：重量的自动检测-配料设备,原理：弹簧-力-位移-电位器-电阻,案例：煤气包储量检测,原理：钢丝-收线圈数-电位器-电阻,案例：玩具机器人（广州中鸣数码 ）,原理：电机-转角-电位器-电阻,2 电阻应变片,基于金属导体的应变效应： 金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。,(1) 原理、种类、使用方法,原理：,对金属材料，电阻率基本不
41、变：,受力后材料的几何尺寸变化 受力后材料的电阻率变化,金属电阻丝的电阻相对变化与轴向应变成正比,按工艺可分为 丝式 箔式 金属薄膜式,II 种类,按使用温度可分为：低温应变片(-30以下)、常温应变片(-3060)、中温应变片（60350）、高温应变片（350以上）。,按基底材料可分为：纸质应变片、胶基应变片、金属基底应变片、浸胶基应变片,按安装方式可分为：粘贴式应变片、焊接式应变片、喷涂式应变片、埋入式应变片。 按用途可分为：一般用途应变片、特殊用途应变片（水、疲劳寿命、抗磁感应、裂缝扩展等）。,按敏感栅结构可分为：单轴应变片和多轴应变片。,a 丝式：,敏感栅、基底、覆盖层、引线,b 箔式
42、：,光刻技术 厚约为0.0030.01mm的金属箔片制成敏感栅 优点:可制成多种复杂形状、尺寸准确的敏感栅，其栅长最小可做到0.2mm，以适应不同的测量要求；生产效率高，便于实现自动化生产金属箔的材料常用康铜和镍铬合金等。,c 金属薄膜应变片真空蒸发或真空沉积 薄的绝缘基片形成厚度在0.1m以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。 它的优点是应变灵敏度大，允许电流密度大，工作范围广，可达197317。,(2)Semiconductor,压阻效应对半导体材料的某一轴向施加一定的载荷而产生应力时，它的电阻率会发生变化,半导体应变片与金属电阻应变片相比 其灵敏度高5070倍 温度稳定性差,
43、(3) 应变片的选用,(4)电阻应变片的粘贴技术,应变片粘贴工艺主要包含： 应变片阻值检测、结构表面打磨、应变片定位、结构表面清洁、涂胶粘贴、连接应变片引线和导线、绝缘检查、应变片表面防护等步骤。,(1)外观检查可凭肉眼或借助放大镜进行 敏感栅有无锈斑，缺陷 是否排列整齐 基底和覆盖层有无损坏 引线是否完好 (2)应变片电阻值的检测 为保证使用的应变片的电阻误差不超过允许范围(这个范围通常在05)， 用精度较高的欧姆表,1.应变片准备,(3)检查应变片上是否标有中心线 无在其覆盖层上用铅笔标出中心线以便贴片时定位,（4）打磨表面对于钢铁等金属构件，首先 是清除表面油漆、氧化层和 污垢；然后磨平
44、或锉平，并 用细砂布磨光。通常称此工 艺为“打磨”。对非常光滑的构件，则需用细砂布沿45方向交叉磨出一些纹路，以增强粘结力。打磨面积约为应变计面积的35倍左右。,(5)打磨完毕后，用划针轻轻划出贴片的准确方位，划线深度要适中,（6）表面处理的最后一道工序是清洗。即用洁净棉 纱或脱脂棉球蘸丙酮或其它挥发性溶剂对贴片部位 进行反复擦洗，直至棉球上见不到污垢为止。 此时勿用手触摸清洗后的表面,(7)用透明胶带将应变片与构件临时固定 移动胶带位置使应变片达到正确定位,（8）一手捏住应变片引出线，一手拿粘合 剂小瓶，将瓶口向下在应变片基底底面涂抹一层（一 滴即可）粘合剂(一般宜薄不宜厚)，涂粘合剂后立即
45、将 应变片底面向下平放在试件贴片部位上，并使应变片 底基准线与试件上的定位线对齐,贴片工艺随所用粘结剂不同而异,（9）将一小片 玻璃纸（包应变片的袋聚四氯乙烯薄膜） 盖在应变片上，用手指按压挤出多余粘合剂，手指保持不动约一分钟再放开，轻轻掀开玻璃纸膜，检查有无气泡、翘曲、脱胶现象,再将玻璃纸盖在应变片上，一手指按压在应变片引 出线端上，另一手指捏住引出线轻轻提起使之与试 件脱离。(引线如粘在构件上需小心操作!) 在紧连应变片的下部用胶水粘接一片连接片 (在应变片的 引出线附近粘贴一片接线片，同时在引出线下面粘 贴一层绝缘胶布),为了使胶水快速固化，可用电吹风加热处理（注意距离）,在接线片端子上
46、上好焊锡，用镊子轻轻将应变片引 出线与接线端子靠近，再用电烙铁把引出线焊在端 子上，焊接要迅速，时间不能过长，焊点要求光滑 ，不能虚焊，多余的引出线可剪断,将连接应变仪的导线焊接在接线片上（注意焊接质量） 把导线用绝缘胶带固定在构件上，再一次检查应变片质量,对已充分干燥、固化，并已焊好导线的应变计，应立即涂上防护层。 常用室温防护剂有： 1凡士林；2蜂蜡；3石蜡，炮油和松香混合物；4环氧树脂,用万用表测量，应变片阻值应无明显变化。,用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘电阻， 一般测量电阻应大于100M。绝缘电阻是最重要的受检 指标。绝缘好坏取决于应变计的基底，粘贴不良或固 化不充分的应变计往往绝
47、缘电阻低。,电阻应变式传感器的应用：测力,组成：弹性元件、应变片、外壳 弹性元件：被测量应变量 应变片：应变量电阻量的变化,承载能力大 弹性元件中部的外侧面上,轮辐式,悬臂梁式：灵敏度高，小载荷高精度测量,固有频率高，可承受大载荷 重型载荷的电子秤,环式：中小载荷，稳定性好,案例：桥梁固有频率测量,固有频率改变结构改变结构安全检查 重要桥梁通常每年进行一次用载重20吨、30吨、的卡车以每小时40公里、80公里的速度通过大桥 在桥梁中部的桥面上设置一个三角枕木障碍，当前进中的汽车遇到障碍时对桥梁形成一个冲击力，激起桥梁的脉冲响应振动。 应变信号桥梁的固有频率,案例：电子称,原理 将物品重量通过悬
48、臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。,案例：冲床生产记数和生产过程监测,案例：振动式地音入侵探测器,适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。,3.2.2 电容式传感器,变换原理:将被测量的变化转化为电容量变化,两平行极板组成的电容器,它的电容量为:,改变、A或中的一个,极距变化型 面积变化型 介质变化型,a)极距变化型(变间隙型),改变间距:灵敏度高；微米数量级 改变A：厘米数量级,传感器的输出特性C =f()不是线性关系。,C,测量微小变化量（0.01 m到几个毫米）,灵敏度：输出量的增量与输入量增量的比值 与极距平方成反比，极距愈小，灵敏度愈高,增加
49、云母片提高灵敏度,式中: g云母的相对介电常数, g=68.5; 0空气的介电常数, 0= 1;g云母片的厚度。 0空气隙厚度; ,云母片击穿电压=1000 kV/mm 空气击穿电压：3kV/mm,减小极距高灵敏度,但容易击穿,一般：起始电容在 20100pF 极板间距离：25200m 最大位移应小于间距的1/10在微位移测量中应用最广,提高传感器的灵敏度、克服外界条件（如电源电压、环境温度等）的变化对测量精度的影响,差动变极距型,b)面积变化型,平面线位移型,柱面线位移型.,圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，成为实际中最常采用的结构,电容量C变化，谐振频率也随之改变 从550kHz逐渐增加到1650kHz，就可以从一个电台转换到另一个电台,
