机舱中常用的传感器.docx

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机舱中常用的传感器

机舱中常用的传感器

一、温度传感器

⏹较低温度场合——用热电阻或热敏电阻式（用半导体材料制成，具有负的电阻温度系数），如冷却水、滑油温度、主轴承温度等。

较高温度场合——热电偶式，如主机排气温度。

1．热电阻式温度传感器

热电阻常由铜丝或铂丝用双线并绕在绝缘骨架上，再插入护套内组成。

其电阻与温度成正比（正的电阻温度系数）。

铜热电阻——测温范围-500C～+1200C。

铂热电阻——测温范围-1200C～+8000C

（监视系统多用铂电阻）

热电阻测温电桥

Rt：

热电阻；R0：

调零（调迁移）电位器

W：

调桥臂电流（调量程）电位器；

R1=R2为固定电阻（R1>>Rt，R2>>R0）

i1=i2=i主要取决于R1、R2的大小。

设Rt=起始电阻Rt0+随温度变化电阻ΔRt，则输出电压：

Uab=Ua--Ub=iRt--iR0=i（Rt0+ΔRt）--iR0

当t=00C时，ΔRt=0，则Rt=R0，这时可调整R0使Uab=0（调零）。

如果起始温度为TL，对应热电阻起始电阻为RL，可调整R0=RL，同样可使Uab=0，即将测温始点迁移到TL。

当温度在TL的基础上升时，Rt增大ΔRt，此时Ua↑,而Ub不变，Uab↑，即：

Uab=Ua--Ub=i（Rt0+ΔRt）--iR0=iΔRt

可见电桥输出Uab与热电阻随测量温度而变化的阻值ΔRt成正比，此即热电阻的温度检测原理。

其量程可由W改变电流值来调整，即t=tmax时，使Uab=Uabmax

热电阻的温度修正——热电阻三线制接法

热电阻插入需检测的监视点，与测量电桥之间用铜丝线连接，铜丝线的阻值也会随温度而变化，引起测量误差。

实际测量电桥中采用热电阻“三线制”连接法来实现环境温度的补偿，即增加一根电源线LC，将热电阻的两根导线La和Lb分别接在测量桥臂和调零桥臂上

Uab=Ua--Ub=i（Rt+Ra）--i（R0+Rb）=i（Rt--R0）+i（Ra--Rb）

只要Ra恒等于Rb，则Uab与环境温度无关。

要求La和Lb用同样材料，同样截面积，同样长度以及同一路径，温度变化时，Ra和Rb的变化量相等，两者相互抵消。

2．热电偶式温度传感器

结构：

由两种导电率不同的金属导体或半导体材料焊接而成，并插于护套内。

原理：

焊接端（热端）插入测温点，与导线连接端（冷端）置于室温中，当冷热两温度不同时，热电偶回路产生的热电动势e的大小与两端温差成正比。

若冷端温度保持不变，则e与热端（测量温度）温度成正比。

冷端补偿电桥：

当环境温度变化时，冷端温度会变化，影响测量精度，用冷端补偿电桥解决。

R0、R1、R2是阻值恒定的锰铜丝电阻。

Rt是用于温度补偿的铜热电阻，当温度t↑→Rt↑→Ubc↑（同时e↓），则

Uab=e-Ucb

当环境温度变化时，只要e的减少量与Ucb的增加量相同，则Uab保持不变。

类型：

铂铑—铂热电偶。

镍铬—镍热电偶

后者多用于机舱排烟温度测量。

二、压力传感器

1．电阻式压力传感器

原理：

压力信号经弹簧管变化位移信号，再经传动放大机构转成电阻信号，经测量电桥变成电压信号。

若测量压力↑→弹簧管变形位移↑→扇形齿逆转→滑针顺转→Rf1↓,Rf2↑→Ua↑,Ub不变→Uab↑。

由于弹簧管弹性敏感

元件存在弹性滞后效应，

因此这种传感器不适用

于测量瞬时变化的动态

压力，多用于测量压力

2．金属应变片式压力传感器

RP——金属应变片阻值。

Rt——温度补偿电阻。

金属应变片的结构：

铜镍或镍铬合金绕成栅状，粘贴在上、下两层绝缘基片间制成。

使用时，将应变片牢固粘贴于受压容器上。

当测量压力为零时，调整测量电桥，使Uab=0。

当测量压力↑→应变片弯曲变形→栅形金属丝被拉长→RP↑→Ub↓,Ua不变→Uab↑。

由于RP的阻值会随温度而变，为保证测量精度，设有一温度补偿电阻Rt，Rt与RP的材料和阻值相同，当温度↑，RP↑→Ub↓，Rt↑→Ua↓，因ΔRt=ΔRP，故ΔUb=ΔUa，保持Uab不变。

应变片式压力传感器可用于测量静态压力和动态压力

三、液位传感器

浮子式

电容式——只能测量非导电液体

电极式——测导电液体

类型电阻式

超声波式——用于测量精度要求较高的场合。

1．变浮力式液位传感器

原理：

液位信号—经浮筒—→浮力信号—经差动变压器→交流电压信号—经整流→直流电压信号。

差动变压器：

组成：

初级线圈+两个对称

的次级线圈+铁芯

基本原理：

初级线圈与次级线圈间的互感系数随铁芯的位置移动而变化。

两次级线圈反相串联，当铁芯在中间时，两次级线输出感应电动势相等，U0=U1-U2=0；若铁芯偏离中间位置向上移动时，则U1>U2，U0增大，位移越大，则U0越大。

当测量液位处于下限值时，铁芯在中间位置U0=0，当液位↑→浮筒排开液体体积↑→浮力↑→弹簧反力↑→平衡时铁芯上移量一定→U1↑，U2↓→U0↑

调平衡弹簧的圈数可改变液位测量的灵

敏度，圈数↑→灵敏度↑。

2．吹气式液位传感器

减压阀1——用来提供稳定的工作气压

节流阀2——调整吹气流量，保证导压管的微量气泡逸出

浮子式流量计6——用来观察吹气流量

导压管7——将液体静压变换成气压后传递至差压变送器

切换阀3——用来控制冲洗导压管，以免堵塞

安全阀4——保证当有导压管堵塞等故障时，使输入至差

变送器的气压不会超过其所能承受的压力

差压变送器5——用来将导压管内的气压转换成4~20mA的

标准电流信号

吹气式液位传感器基本原理——液体静压原理

即当导压管排气口有微量气泡逸出时，排气口处的气压与该处液位的静压近似相等，将液位高低变成气压信号，再由差压变送器变成标准电流信号。

保证测量准确性的条件：

保持导压管内有微量气泡逸出。

调整方法是：

当测量液位处于上限值时，调整节流阀使浮子流量计的浮子处于中间位置，且导压管排出口有微量气泡逸出。

注意：

对不同液体，其密度不同，同液位时静压不同，故测量结果必须进行相对密度校正。

船上应用：

用于测量压载舱水位

四、流量传感器

容积式——用于检测油和水的流量；

电磁式——用于检测导电液体流量。

1．容积式流量传感器

流量↑→压差↑→检测齿轮1转速↑→永久磁铁3控制干簧4继电器的通断频率↑→输出电脉冲信号的频率↑。

2．电磁式流量传感器

它根据电磁感应原理来检测流量大小。

测量管道置于一对磁极之间，液体流过管道时，因切割磁力线在两电极上产生感应电动势，将流量信号成比例换变成感应电动势大小，感应电动势经检测放大后输出4~20mA电流信号

五、转速传感器

测速发电机——用于较低转速测量（如主机转速）

磁脉冲传感器——用于较高转速测量（如发电原动

机转速、增压器转速）

1．测速发电机——分直流和交流两种

直流测速发电机利用电磁感应原理使其输出的直流电压U与主机转速n成比例，即U=kn，U的大小和极性反映主机转速的大小和转向。

当测速信号作为电子调速器的转速反馈信号或作为转速逻辑鉴别信号时，测速信号必须是恒极性的，故必须经过整流把倒车时的负电压信号转换成正电压信号，经保证电子调速器在正车或倒车时都是负反馈。

特点：

电路简单，但存在电刷等元件易引起故障，新型船舶控制系统中多采用交流测速发电机

交流测速发电机输出的是交流电压，必须采用相敏整流，其目的是判断主机的转向，使整流后的测速信号会随主机转向而改变极性，在作为控制系统的转速反馈或转速逻辑鉴别信号时，仍需再次整流使之在主机正反转时测速信号极性不变。

2．磁脉冲式测速装置

属非接触式传感元件，没有相对摩擦的运动部件，使用寿命长，精度高。

在主机的主轴上安装一个铁磁材料制成的测速齿轮，磁脉冲探头对准齿轮的齿顶固定，并与齿顶间保持一较小的间隙。

当主机带动齿轮转动时，齿顶对准探头时，间隙小，磁阻小，探头线圈的磁通量较强；而当齿槽对准探头时，间隙增大，磁阻增大，探头线圈中的磁通量较弱。

故齿轮转动时，齿顶与齿槽相继对准磁探头，使其线圈感应出一系列的脉动电势，磁脉冲探头产生的脉冲频率可表示为：

磁脉冲测速原理

一般磁探头所得脉冲信号较弱，其波形也不理想，要送整形放大电路，使其成为同频率的幅值较大的矩形波，再将这一矩形波送入f-u变换电路，将它变换成与矩形波频率成正比的直流电压信号来表示主机的转速，其变换过程如下：

矩形波→经微分电路变成同频率尖峰脉冲波→由单稳态

触发电路变成脉冲宽度为tK，周期为T，幅值为Um的矩形波→经滤波电路输出平均电压Un:

这时Un与f成线性正比关系

主机转向的检测

采用两个错位1/4齿距的磁脉冲探头，使两探头的磁脉冲信号f1和f2在相位上相差900（1/4周期），然后根据主机正反转时，两脉冲信号间相位超前或滞后由D触发器来判断，给出相应的主机正反转信号。

f1接D端，f2接CP端，当主机正转时，f1超前f2相位900，因而在CP脉冲上升沿时，D端总是1信号，D触发器保持Q=1，正车，RH=1；当主机反转时，f1滞后f2相位900，因而在CP上升沿时，D端总是0信号，D触发器保持Q=0，反转，RS=1。

六、氧含量传感器

作用：

用来检测油船封舱惰性气体中的氧含量，以防止油船爆炸事故。

热磁式氧含量传感器原理——氧的顺磁性原理。

氧的顺磁性——氧分子遇磁场作用时，要向磁场里面运动且分子的磁极方向顺着磁场方向有序地排列

R1、R2：

铂丝测量电阻

R0：

调零电阻

R3、R4：

固定电阻

当含氧待测气体进入通道时→由于水平管左边靠近两永久磁场产生的不均匀磁场，水平管左端O2的磁化率大于右端O2的磁化率，形成一个从左向右的磁风→电阻R1被冷却的程度大于R2→R1

待测气体含氧量↑→磁风↑→R1和R2相差↑→输出电压↑

七、CO2含量传感器

作用：

①检测锅炉烟气中的CO2含量，以监视锅炉燃烧情况；

②检测冷藏舱中的CO2含量，以防止疏菜腐烂。

船用类型：

热导式CO2含量传感器

R1、R3置于（含CO2的烟气）测量气室中；

R2、R4置于（纯空气）标准气体中。

热导式CO2含量传感器原理

——气体的导热率与CO2含量成反比。

烟气→采样陶瓷过滤器抽出→冷却成常温→经过过滤后进入测量室→R1、R3的散热效果较R2、R4差→R1R3>R2R4→电桥失去平衡→输出相应电压。

CO2含量↑→测量气室导热率↓→R1R3↑（R2R4不变）→Ua↑，Ub↓→Uab↑.

八、扭矩传感器

作用：

用来检测主机的轴功率（轴马力）

原理：

主机轴功率计算式

SHP=C·θ·n

C——推力轴刚度

θ——推力轴扭转角

n——推力轴转速。

只要测出推力轴在转速n时的扭转角θ，即可得出SHP

相位差式扭矩传感器

根据电磁感应原理，由两个磁脉冲探头产生脉冲信号f1和f2的相位差来反映扭矩大小。

当主机转动时，若推力轴扭矩为0，因两个探头安装位置一致，f1和f2的相差为0。

若推力轴扭矩↑→两齿轮的齿顶在轴线方向的位置错开，f1、f2间产生相位差，且相位差↑→扭矩↑。

这一相位差经测量

电路的检测与推力轴刚度

C和转速n运算后，输出相

应的轴功率信号

九、主机工况监视传感器

⏹机械工况监视——气缸套磨损情况、气缸套表面和

⏹材料温度、活塞环状态等。

热工工况监视——主机燃烧情况。

1．气缸套磨损监视传感器

传感器安装在气缸壁上，使薄膜电阻随缸壁一起磨损，薄膜电阻的阻值与其长度成正比，与其导电截面积成反比。

在磨损前，薄膜电阻导电截面积的长为L（一般为3mm），对应的起始电阻为R0（500～1000Ω），随缸套磨损L↓→S↓→R↑。

故磨损量x与电阻R间有如下关系：

X=L（1—R0/R）

故只要测得R值，即可知相应的磨损量x，提供对主机的检修预报

．活塞环状态监视传感器

利用磁脉冲传感器的电磁感应原理来检测活塞环状态。

活塞环是导磁性体，正常状态下，活塞环撑开，凸出活塞体，它与探头间的间隙较小，当活塞环上、下运动时，传感器线圈中的磁通量发生变化，感应一系列较大的脉冲电压。

若活塞环卡死在环槽内，活塞环与磁探头的间隙增大，感应出一较小的正向尖峰脉冲（S点）；若活塞环拆断，活塞环会凹入环槽内，磁探头会感应一个较小的负尖峰脉冲（M点）。

3．气缸套表面温度监视传感器

缸套表面油膜破坏时，会引起非正常磨损，甚至引起“拉缸”，致命缸套表面温度上升，测出缸套表面温度的瞬时变化，可反映“拉缸”事态的进展。

传感器原理类似热电偶，也利用热电热来检测温度

由镍铬芯杆和镍衬套组成热电偶，两者之间用绝缘膜隔开。

测表面温度时，热端处于缸套表面略陷位置，热电偶负极接地（接壳体）。

测缸套材料温度时，热端处于壁厚中心线偏内侧处，负极不能接地。

十、火警探测器

船上常用的火警探测器有感温式和感烟式两种。

1．感温式火警探测器

主要用于船上住室、走廊、控制室等舱室较小场所的火警探测，可分为定温式和温升式两种

（1）定温式

根据监视点的温度达到火警设定值时发火警的要求，常用低熔点的金属丝或膨胀系数不同的双金属片制成。

发生火灾时，温度升高，当温度达到火警设定值时，金属丝熔断或双金属片受热弯曲使触点断开而发火警信号

规范要求

在温升速率小于10C/min时，温度<540C，探头不动作；当温度达到780C之前，必须动作，故定温式火警探测器的火警设定值一般为700C左右。

（2）温升式

根据监视点温度升高变化率大小来探测火情，当温升变化率>5.50C/min时，探测器动作报警。

原理：

利用气体温度升高而膨胀与小孔慢放气的特性来检测。

无火灾时，测量气室内气压为大气压，触点断开，发生火警时，监视点温度快速上升，气室内快速膨胀的气体来不及从小孔泄放，其压力升高，波纹膜片下移，触点闭合报警。

2．感烟式火警探测器

有感烟管式和离子式两种，感烟管式主要用于货舱等舱容较大的场合的火警探测，离子式主要用于机舱等处的火警探测。

（1）感烟管式火警探险测器

它利用火灾产生烟雾，且烟雾浓度不同其透光程度不同的原理来检测，或者说利用烟雾的遮光性来检测。

当气体中烟雾浓度↑→不感烟的基准光电池5电压U2不变

感烟的测量光电池的电压U1

下降，检测电路比较后的电压差

（U2-U1）↑→达到设定值时即报警

（2）离子式火警探测器

原理：

根据烟雾颗粒能吸附离子的原理，利用同位素镅241放射α射线所产生的离子流随烟雾浓度增大而减小的特性来探测烟雾。

它有内外电离室FSY1和FSY2，每个电离室放一块镅241和一个电极，镅241会发射α射线使空气电离，外电离室接通气样，进入外电室时，烟雾会吸收一部分离子，达到电极的离子数减少，相当于其等效电阻值增大。

内电离室FSY1是纯空气，等效电阻不变。

故随烟雾浓度↑→UA↑→经场效应管BG1和晶体管BG2两级放大后输出。

当烟雾深度达到一定值时，输出电压相应提高到稳压管DW1的门槛电压，触发可控硅管SCR1使之导通，继电器J通电动作报警

§6-3曲柄箱油雾浓度监视报警器

Mark—5型曲柄箱油雾浓度监视报警器：

★功能

以单片机为核心部件，对曲柄箱油雾浓度进行检测、监视、显示、报警以及对主机进行降速或停车等安全保护。

★特点

采样准确，执行迅速，自检功能强，可靠性高。

★组成

采样切换电磁阀、油雾深度测量单元、显示报警单元及控制电路等，装在一个控制箱中。