船舶機(jī)艙自動(dòng)化3.1 常用傳感器

第3章船舶監(jiān)視報(bào)警系統(tǒng)3.1常用傳感器

（1）定義：傳感器又稱換能器或變換器，根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB7665-87)，傳感器（transducer/sensor）是指：能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。（2）組成：傳感器一般由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。敏感元件(sensingelement)傳感器中能直接感受（或響應(yīng)）被測(cè)量的部分。轉(zhuǎn)換元件(transduction)指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性惺埽ɑ蝽憫?yīng)）的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)部分。舉例：應(yīng)變式壓力傳感器的彈性膜片就是敏感元件，作用是將壓力轉(zhuǎn)換成彈性膜片的變形；應(yīng)變片就是轉(zhuǎn)換元件，作用是將彈性膜片的變形轉(zhuǎn)換成電阻值的變化。注意：并不是所有的傳感器都必須含有敏感元件和轉(zhuǎn)換元件。如果敏感元件直接輸出的是電信號(hào)，它就同時(shí)兼為轉(zhuǎn)換元件，如壓電傳感器、熱電偶、熱敏電阻、光電器件等。（3）作用：傳感器是實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)與自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)，如果沒有傳感器對(duì)原始信息進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的捕獲和轉(zhuǎn)換，一切準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)和控制將無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

傳感器在船舶上的應(yīng)用十分廣泛，船舶設(shè)備的正常運(yùn)行、船舶航行等都離不開傳感器，如機(jī)艙內(nèi)各種設(shè)備運(yùn)行的溫度、壓力、液位、轉(zhuǎn)速、流量、黏度等信號(hào)都是通過不同的傳感器獲得的。3.1.1傳感器的分類及靜態(tài)參數(shù)（1）分類一種傳感器可用來(lái)測(cè)量多種被測(cè)量，例如熱電阻傳感器的電阻值隨著溫度變化而變化，因而可以用它來(lái)測(cè)量溫度；氣體的壓力和流速會(huì)影響到散熱效果進(jìn)而影響到溫度，因此熱電阻傳感器還可用來(lái)測(cè)量氣體壓力、流量乃至氣體含量等。一種被測(cè)量也可用多種不同的傳感器來(lái)測(cè)量，例如溫度可以用熱電阻傳感器、熱電偶傳感器、壓力傳感器等方法測(cè)量。1）按工作原理分類序號(hào)工作原理序號(hào)工作原理1電阻式8光電式(包括紅外式、光纖式)2電感式9諧振式3電容式10超聲式4阻抗式(電渦流式)11霍爾式(電磁式)5磁電式12同位素式表3-l按工作原理分類舉例：電感式傳感器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理將被測(cè)量如位移、壓力、振動(dòng)、流量等的變化轉(zhuǎn)換成線圈自感系數(shù)L或互感系數(shù)M的變化，再經(jīng)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電壓或電流的變化量輸出，從而實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換和測(cè)量。2）按能量的傳遞方式分類能量變換式傳感器將非電能量轉(zhuǎn)換為電能量，又稱有源型傳感器。傳感器將從被測(cè)對(duì)象獲取的信息能量直接轉(zhuǎn)換成輸出信號(hào)能量，主要由能量變換元件構(gòu)成，不需要外電源。能量控制式傳感器本身并不是一個(gè)換能器，在信息變化過程中，傳感器將從被測(cè)對(duì)象獲取的信息能量用于調(diào)制或控制外部激勵(lì)源，使外部激勵(lì)源的部分能量載運(yùn)信息而形成輸出信號(hào)。表3-2按能量傳遞方式分類能量變換能量控制(或調(diào)制)壓電式、電動(dòng)式、電磁式、熱電偶、光電式、磁致伸縮式、電致伸縮式、靜電式、電化學(xué)式電阻式、電容式、電感式、熱敏電阻式、光敏電阻式、磁敏電阻式、濕敏電阻式、放射性吸收式、光游離式3）按被測(cè)物理量分類這種分類方法實(shí)際上是按傳感器的用途分類，即將工作原理互不相同但作用相同的傳感器歸為一類。如溫度傳感器、壓力傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器等。（2）傳感器的靜態(tài)參數(shù)測(cè)量信號(hào)（傳感器所感受的信號(hào)）穩(wěn)態(tài)信號(hào)(即不隨時(shí)間變化或隨時(shí)間變化極其緩慢)動(dòng)態(tài)信號(hào)(即隨時(shí)間迅速變化)傳感器的特性與被測(cè)量的性質(zhì)有關(guān)，當(dāng)被測(cè)量處于不變或緩變情況下，輸出與輸入之間的關(guān)系稱為傳感器的靜態(tài)特性；當(dāng)被測(cè)量隨時(shí)間變化時(shí)，輸出與輸入之間的關(guān)系稱為傳感器的動(dòng)態(tài)特性。在生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)研究中，為了能夠準(zhǔn)確地測(cè)量被測(cè)量的信息，希望傳感器能夠按照確定的規(guī)律將輸入的待測(cè)量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)輸出。因此，需要研究傳感器的輸出與輸入之間的關(guān)系，即傳感器的基本特性。沖擊與振動(dòng)傳感器輸入與輸出相互作用穩(wěn)定性(零漂)傳感器溫度供電各種干擾穩(wěn)定性溫漂分辨力電磁場(chǎng)線性滯后重復(fù)性靈敏度輸入誤差因素外界影響輸出取決于傳感器本身，通過傳感器本身的改善來(lái)加以抑制，也可以對(duì)外界條件加以限制。衡量傳感器特性的主要技術(shù)指標(biāo)傳感器的輸入輸出間絕對(duì)的線性關(guān)系是不存在的，大多數(shù)情況下都是非線性關(guān)系，只是局部近似線性，如圖3-1所示。在非線性誤差不太大的情況下，通常采用直線擬合的方法來(lái)線性化。

線性化方法：切線或割線擬合、過零旋轉(zhuǎn)擬合、端點(diǎn)擬合、端點(diǎn)平移擬合、最小二乘法擬合（常用）等。

yyFS擬合直線實(shí)際關(guān)系曲線ΔymaxxFSx圖3-1傳感器的靜態(tài)特性1）線性度（linearity）1）線性度（linearity）

線性度是用來(lái)表征傳感器的輸出與輸入能否像理想系統(tǒng)那樣保持比例關(guān)系（線性關(guān)系）的一種度量，又稱線性誤差，通常用相對(duì)誤差來(lái)表示。Δymax—輸出信號(hào)和輸入信號(hào)（被測(cè)量）之間實(shí)際關(guān)系曲線與擬合直線之間的最大偏差量，即最大非線性誤差。yF.S

—

理論滿量程輸出值（FullScale）。2）靈敏度（sensitivity）靈敏度表示傳感器的輸出增量Δy與輸入變化量Δx之比。它是傳感器在穩(wěn)態(tài)輸入-輸出特性曲線上各點(diǎn)的斜率，常用Sn表示。

對(duì)于線性傳感器，其靈敏度就是其靜態(tài)特性曲線的斜率；對(duì)于非線性傳感器，其靈敏度隨輸入量不同而變化，常用微分dy/dx來(lái)表示它在某工作點(diǎn)的靈敏度。在實(shí)際應(yīng)用中，由于無(wú)源傳感器的輸出量與供給傳感器的電源電壓有關(guān)，其靈敏度的表示還可能包含電壓因素。如某位移傳感器，當(dāng)電壓為1V時(shí)，每1mm的位移變化引起輸出電壓變化100mV，其靈敏度Sn就表示為100[mV/(mm.V)]。分辨力是指?jìng)鞲衅髂軌蚋兄驒z測(cè)到的被測(cè)量的最小變化量。傳感器零點(diǎn)處的分辨力也稱為閾值，即死區(qū)。3）分辨力（resolution）說(shuō)明：1、分辨力—絕對(duì)數(shù)值，如0.01mm，0.1

mg；2、分辨率—相對(duì)數(shù)值：能檢測(cè)的最小被測(cè)量的變換量相對(duì)于滿量程的百分?jǐn)?shù)，如：0.1

%，0.02%。重復(fù)性表示傳感器在相同測(cè)量條件下，對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行連續(xù)多次測(cè)量所得結(jié)果之間的一致性。實(shí)際特性曲線不重復(fù)的原因是多種多樣的，如傳感器的機(jī)械部分的磨損、間隙、振動(dòng)、部件間的摩擦、積塵及輔助電路老化、漂移等。傳感器的重復(fù)性是其隨機(jī)誤差的極限值，一般采用輸出最大不重復(fù)誤差ΔRmax與滿量程輸出yFS的百分比表示，即其反映的是測(cè)量結(jié)果偶然誤差的大小。4）重復(fù)性（repeatability）15遲滯現(xiàn)象是反映傳感器在正向(輸入量增大)行程和反向(輸入量減小)行程期問，輸出輸入特性曲線不重合的程度。正向行程輸出yi與反向行程輸出yd之間的差值叫滯環(huán)誤差。遲滯常用最大滯環(huán)誤差ΔHmax（正反行程校準(zhǔn)曲線間最大差值）與滿量程輸出yFS之百分比表示，即5）遲滯（hysteresis）6）精確度（accuracy）傳感器的精確度簡(jiǎn)稱精度，與精密度和準(zhǔn)確度有關(guān)。（1）精密度：說(shuō)明傳感器輸出值的分散性，是隨機(jī)誤差大小的標(biāo)志。精密度高，意味著隨機(jī)誤差小，但不一定準(zhǔn)確度高。（2）準(zhǔn)（正）確度：說(shuō)明傳感器輸出值與真值的偏離程度，是系統(tǒng)誤差大小的標(biāo)志。準(zhǔn)確度高意味著系統(tǒng)誤差?。粶?zhǔn)確度高不一定精密度高。（3）精確度（精度）：它是精密度和準(zhǔn)確度兩者的總和，精確度高表示精密度、準(zhǔn)確度都比較高。實(shí)測(cè)值真實(shí)值實(shí)測(cè)值真實(shí)值實(shí)測(cè)值真實(shí)值（a）精密度高，準(zhǔn)確度低（b）精密度低，準(zhǔn)確度高（c）精度高傳感器的精度表示傳感器在規(guī)定條件下允許的最大絕對(duì)誤差相對(duì)于傳感器滿量程輸出的百分比，可表示為：工程技術(shù)中為了簡(jiǎn)化傳感器精度的表示方法，引用了精度等級(jí)的概念。精度等級(jí)以一系列標(biāo)準(zhǔn)百分?jǐn)?shù)值分檔表示，代表傳感器測(cè)量的最大允許誤差（相對(duì)誤差）。我國(guó)電工儀表的精度等級(jí)分為0.1/0.2/0.5/1.0/1.5/2.5和5.0共七級(jí)，數(shù)字越小，儀表精確度越高。7）漂移（drift）漂移是指?jìng)鞲衅髟谳斎肓坎蛔兊那闆r下，輸出量隨時(shí)間變化的現(xiàn)象；漂移將影響傳感器的穩(wěn)定性/可靠性。產(chǎn)生漂移的原因主要有兩個(gè)：一是傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生老化，如零點(diǎn)漂移（簡(jiǎn)稱零漂）；二是在測(cè)試過程中周圍環(huán)境（如溫度、濕度、壓力等）發(fā)生變化，這種情況最常見的是溫度漂移（簡(jiǎn)稱溫漂）。3.1.2變送器概念及標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)類型傳感器輸出電信號(hào)形式、大小多樣，不便于顯示和處理，因此廣義上的傳感器還包含信號(hào)調(diào)理電路，使輸出為規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。這種包含了傳感器和調(diào)節(jié)電路且能輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的裝置稱為變送器（transmitter）。傳感器的組成溫度變送器Pt100Pt100熱電阻調(diào)理電路

按我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)“過程控制系統(tǒng)用模擬信號(hào)”GB3369-2008和IEC60381的標(biāo)準(zhǔn)，通常的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)（直流電流和直流電壓）有4~20mA、0~5V、0~10V、1~5V,-10~+10V（雙極性）等。當(dāng)模擬信號(hào)需要傳輸較遠(yuǎn)的距離時(shí)，一般采用電流信號(hào)而不是電壓信號(hào)，因?yàn)殡娏餍盘?hào)抗干擾能力強(qiáng)，信號(hào)線電阻不會(huì)導(dǎo)致信號(hào)損失。當(dāng)模擬信號(hào)需要傳輸給多個(gè)儀器儀表或控制對(duì)象時(shí)，一般采用直流電壓信號(hào)而不是直流電流信號(hào)。需要注意的是，直流電壓傳導(dǎo)只適用于傳輸距離較近的場(chǎng)合。對(duì)于采用4~20mA電流傳輸?shù)南到y(tǒng)，只需采用250Ω電阻就可將其變換為直流電壓信號(hào)1~5V（常用的模擬信號(hào)形式之一），1V以下的電壓值表示信號(hào)電路或供電有故障。隨著工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展，越來(lái)越多的變送器可輸出數(shù)字信號(hào)，直接與通信總線相連。3.1.3溫度傳感器常見的溫度傳感器有兩種，一是利用電阻隨溫度變化的特性制成的傳感器叫熱電阻傳感器，如金屬熱電阻溫度傳感器；二是利用熱電效應(yīng)，即兩種不同的金屬導(dǎo)體在兩個(gè)端點(diǎn)上相互接觸，當(dāng)其兩個(gè)接點(diǎn)溫度不同時(shí)，回路中就產(chǎn)生熱電勢(shì)，如熱電偶。（1）熱電阻溫度傳感器按熱電阻的性質(zhì)來(lái)分，可分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻兩種，前者通常稱為熱電阻，后者通常稱為熱敏電阻。熱電阻溫度傳感器（ResistanceTemperatureDetectorRTD）是利用金屬電阻阻值隨溫度變化的原理制成的。。熱電阻通常和顯示儀表、記錄儀表以及電子調(diào)節(jié)器配套使用，它可以直接測(cè)量各種生產(chǎn)過程中-200~+850℃范圍內(nèi)的液體、蒸氣、氣體介質(zhì)以及固體表面的溫度。對(duì)用于制造熱電阻材料的要求：電阻溫度系數(shù)、電阻值要大，熱容量要??；電阻值隨溫度的變化關(guān)系最好呈線性整個(gè)測(cè)溫范圍內(nèi)應(yīng)具有較穩(wěn)定的物理、化學(xué)性質(zhì)和良好的復(fù)制性；適合以上要求的材料有鉑、銅、鐵和鎳等，目前工業(yè)上大量使用的材料為鉑和銅，此外，現(xiàn)在已開始采用鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。目前最常見的熱電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻。

熱電阻組成：感溫元件、絕緣體、保護(hù)套管、接線盒。感溫元件常用銅絲或鉑絲均勻地雙繞在絕緣材料制成的骨架上。1）鉑電阻金屬鉑容易提純，在氧化介質(zhì)中其在高溫下的物理化學(xué)性質(zhì)都非常穩(wěn)定，但在還原性介質(zhì)中在高溫下很容易被污染，并改變溫度與電阻的關(guān)系。標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)是作為復(fù)現(xiàn)國(guó)際溫標(biāo)的基準(zhǔn)儀器（-259.34~+630.74℃）。鉑電阻與溫度的近似關(guān)系可用下式表示：式中

Rt—溫度為t℃時(shí)的電阻值

R0—溫度為0℃時(shí)的電阻值

A—常數(shù)，A=3.908×10-3/℃B—常數(shù)，B=-5.802×10-7/℃C—常數(shù)，C=-4.274×10-12/℃

要確定Rt—t的關(guān)系，首先應(yīng)確定R0的大小，不同的R0，其Rt—t曲線不一樣。Pt100表示R0（溫度為0℃時(shí)的阻值）為100.00Ω。Pt100常用于檢測(cè)船舶機(jī)艙內(nèi)各種油、水溫度等，如主機(jī)滑油進(jìn)出口溫度、冷卻水溫度、燃油溫度等，溫度范圍是0~150℃。在此常見溫度范圍內(nèi)，在100Ω的基礎(chǔ)上可用增加1Ω對(duì)應(yīng)2.5℃來(lái)粗略估計(jì)溫度或阻值，以檢查儀表是否正常。也有少數(shù)船舶上用Pt100來(lái)測(cè)量主機(jī)排煙溫度。目前我國(guó)規(guī)定工業(yè)鉑熱電阻有R0=10Ω和R0=100Ω兩種，并將Rt與溫度t的關(guān)系統(tǒng)一列成表格，稱為鉑電阻的分度表。

R0=10Ω和R0=100Ω對(duì)應(yīng)的分度號(hào)分別為Pt10和Pt100.

溫度°C0123456789電阻值/Ω0100.000100.391100.781101.172101.562101.953102.343102.733103.123103.51310103.903104.292104.682105.071105.460105.849106.238106.627107.016107.40520107.794108.182108.570108.959109.347109.735110.123110.510110.898111.28630111.673112.060112.447112.835113.221113.608113.995114.382114.768115.15540115.541115.927116.313116.699117.085117.470117.856118.241118.627119.01250119.397119.782120.167120.552120.936121.321121.705122.090122.474122.85860123.242123.626124.009124.393124.777125.160125.543125.926126.309126.69270127.075127.458127.840128.223128.605128.987129.370129.752130.133130.51580130.897131.278131.660132.041132.422132.803133.184133.565133.946134.32690134.707135.087135.468135.848136.228136.608136.987137.367137.747138.126100138.506138.885139.264139.643140.022140.400140.779141.158141.536141.914鉑電阻Pt100部分分度表(0-109℃)

2）銅電阻鉑熱電阻雖然優(yōu)點(diǎn)多，但價(jià)格昂貴，在測(cè)量精度要求不高且溫度較低的場(chǎng)合，銅熱電阻得到廣泛應(yīng)用。銅加工提純?nèi)菀?，價(jià)格便宜，電阻與溫度呈線性關(guān)系，在低溫范圍內(nèi)穩(wěn)定性好。但其溫度超過150℃后易被氧化而失去良好的線性特性。在-50～150℃溫度范圍，銅電阻與溫度的關(guān)系近似可用下式表示：式中

Rt—溫度為t℃時(shí)的電阻值

R0—溫度為0℃時(shí)的電阻值

α=4.289×10-3/℃工業(yè)上用的銅電阻有兩種，一種是R0=50Ω，對(duì)應(yīng)的分度號(hào)為Cu50；另一種是R0=100Ω，對(duì)應(yīng)的分度號(hào)為Cu100。銅熱電阻的電阻溫度系數(shù)較大、線性度好、價(jià)格便宜。但缺點(diǎn)是電阻率較低，要做成一定阻值時(shí)，銅電阻絲或者要細(xì)，導(dǎo)致機(jī)械強(qiáng)度不高；或者要長(zhǎng)，導(dǎo)致體積大、熱慣性大。穩(wěn)定性較差，在100℃以上時(shí)容易氧化，因此只能用于低溫及沒有侵蝕性的介質(zhì)中。

3）熱電阻的測(cè)量電路熱電阻的測(cè)量電路通常有3種連接方式，即兩線制、三線制、四線制。

熱電阻的阻值不高，工業(yè)用熱電阻安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，離控制室較遠(yuǎn)，因此，熱電阻的引線電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果有較大的影響。

2線制這種引線方式簡(jiǎn)單、費(fèi)用低，適于引線不長(zhǎng)、測(cè)溫精度要求較低的場(chǎng)合。顯然，導(dǎo)線電阻和導(dǎo)線電阻的變化會(huì)帶來(lái)附加誤差。

在熱電阻根部的一端連接一根引線，另一端連接兩根引線。熱電阻3線制連接

電路中，圖中Rt

為熱電阻，其三根引出導(dǎo)線相同，阻值都是r。其中一根與電橋電源相串聯(lián)，它對(duì)電橋的平衡沒有影響；另外兩根分別與電橋的相鄰兩臂串聯(lián)，當(dāng)電橋平衡時(shí)，可得3線制如果使R1=R2，此種接法導(dǎo)線電阻r對(duì)熱電阻的測(cè)量毫無(wú)影響。3線制廣泛用于工業(yè)測(cè)量，精度一般。4線制圖中I為恒流源，測(cè)量?jī)x表V一般用直流電位差計(jì)，熱電阻上引出電阻值各為r1、r4

和r2、r3

的四根導(dǎo)線，分別接在電流和電壓回路，電流導(dǎo)線上r1、r4

引起的電壓降，不在測(cè)量范圍內(nèi)；而電壓導(dǎo)線上雖有電阻但無(wú)電流（認(rèn)為內(nèi)阻無(wú)窮大，測(cè)量時(shí)沒有電流流過電位差計(jì)），所以四根導(dǎo)線的電阻對(duì)測(cè)量都沒有影響。實(shí)驗(yàn)室用，高精度測(cè)量①熱電阻本身在測(cè)量時(shí)總要消耗一定的電流，產(chǎn)生熱量，這必然會(huì)造成電阻值的變化。因此使用中應(yīng)盡量減少自身熱量的影響，通常流過的電流不得超過6mA。②實(shí)際應(yīng)用時(shí)熱電阻傳感器通常安裝在現(xiàn)場(chǎng)，而測(cè)量和顯示裝置離現(xiàn)場(chǎng)有一定的距離，中間導(dǎo)線電阻的影響不可忽視。例如Pt50，1Ω的導(dǎo)線電阻會(huì)導(dǎo)致5℃的誤差，因此通常采用三線制或四線制的辦法解決。③大量標(biāo)準(zhǔn)化的檢測(cè)儀（如顯示儀表、記錄儀表、PLC和電子調(diào)節(jié)器等）配套使用熱電阻傳感器，雖然熱電阻互換性較強(qiáng)，也應(yīng)注意不同的分度號(hào)及其它要求。對(duì)于應(yīng)用最廣泛的三線制接法，在實(shí)際接線時(shí)，一定要注意標(biāo)示為“B”的是補(bǔ)償端，應(yīng)引出2根線分別接到儀表的兩個(gè)B端，否則無(wú)法消除引線誤差。3）熱電阻使用注意事項(xiàng)④為了減少電磁干擾，熱電阻與儀表間通常是由帶屏蔽線的電纜連接，注意一般情況下此種電纜的屏蔽線只是一端接地，以避免因地電位不同而影響測(cè)量結(jié)果。⑤為保證測(cè)量準(zhǔn)確，測(cè)溫電阻應(yīng)與被測(cè)物體充分接觸，并在其時(shí)間常數(shù)5~7倍后再開始測(cè)量，熱電阻帶有金屬保護(hù)管時(shí)，要有足夠的插入深度（氣體介質(zhì)25倍管徑以上，液體15倍以上）。⑥引線和絕緣體表面上附著水滴或灰塵時(shí)，將使測(cè)量結(jié)果不穩(wěn)定并產(chǎn)生誤差，因此應(yīng)注意熱電阻的防護(hù)性能。

（2）熱敏電阻溫度傳感器半導(dǎo)體熱敏電阻種類繁多，樣式各異。按阻值溫度系數(shù)分：熱敏電阻正溫度系數(shù)PTC(PositiveTemperaturecoefficient)負(fù)溫度系數(shù)NTC(NegativeTemperaturecoefficient)臨界溫度系數(shù)CTR(CriticalTemperatureResistor)熱敏電阻測(cè)溫優(yōu)勢(shì)：電阻溫度系數(shù)大、靈敏度高；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積?。y(cè)量點(diǎn)溫）；熱慣性小、響應(yīng)速度快（適用于快速變化的測(cè)量場(chǎng)合）；壽命長(zhǎng)；易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量。但互換性差；穩(wěn)定性較差；非線性嚴(yán)重；不能在高溫下使用。在機(jī)艙中常用于軸承的溫度監(jiān)測(cè)。

電阻/Ω溫度℃04080120160200106104102100PTCCTRNTC三種熱敏電阻的特性曲線PTC是電阻值隨溫度升高而增大的熱敏電阻，主要用途是各種電器設(shè)備的過熱保護(hù)、發(fā)熱源的定溫控制，限流元件等。電熱毯、電蚊香加熱盤就可采用PTC元件制成，具有自動(dòng)恒溫、限流、只發(fā)熱不發(fā)火等特性。而NTC是電阻隨溫度升高而變小的熱敏電阻，同時(shí)靈敏度也下降，所以只適用于-100~300℃之間的測(cè)溫，同時(shí)也廣泛用于自動(dòng)控制及電子線路溫度補(bǔ)償線路中。CTR在某個(gè)溫度上其電阻值急劇變化，主要用途是作為溫度開關(guān)元件。熱敏電阻的溫度特性PTC，溫度控制，限流元件；NTC，溫度測(cè)量，補(bǔ)償元件；CTR，溫度開關(guān)元件熱敏電阻的伏安特性當(dāng)電流增大到一定值時(shí)，流過NTC熱敏電阻的電流使之加熱，本身溫度升高，出現(xiàn)負(fù)阻特性。因電阻減小，即使電流增大，端電壓反而下降。當(dāng)電流和周圍介質(zhì)溫度一定時(shí)，熱敏電阻的電阻值取決于介質(zhì)的流速、流量、密度等散熱條件。根據(jù)這個(gè)原理可用它測(cè)量流體的流速和介質(zhì)的密度。在穩(wěn)態(tài)下，通過NTC熱敏電阻的電流與其兩端之間電壓的關(guān)系，稱為熱敏電阻的伏安特性。由圖可見，當(dāng)流過熱敏電阻的電流很小時(shí)，不足以使之加熱，電阻值只決定于環(huán)境溫度，伏安特性是直線，遵循歐姆定律，主要用來(lái)測(cè)溫，電流不宜過大。熱電偶是將溫度量轉(zhuǎn)換為電勢(shì)大小的熱電式傳感器，可測(cè)溫度范圍100～l300℃。

在船上主機(jī)、副機(jī)的排煙溫度通常就是用熱電偶來(lái)檢測(cè)得。

熱電偶具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、精度高、熱慣性小、可測(cè)局部溫度和便于遠(yuǎn)距離傳送與集中檢測(cè)、自動(dòng)記錄等特點(diǎn)。

（3）熱電偶溫度傳感器熱電效應(yīng)

熱電效應(yīng)是在1823年由德國(guó)物理學(xué)家塞貝克發(fā)現(xiàn)的。

在兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體所組成的閉合回路中，當(dāng)兩接觸處的溫度不同時(shí)，回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。由兩種導(dǎo)體的組合并將溫度轉(zhuǎn)換成熱電勢(shì)的傳感器稱為熱電偶。把A和B導(dǎo)體稱為熱電極。兩個(gè)結(jié)點(diǎn)，一個(gè)稱為熱端，又稱為工作端；另一個(gè)稱為冷端，又稱為參考端。

熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)來(lái)源于兩種導(dǎo)體的接觸電動(dòng)勢(shì)（帕爾貼電動(dòng)勢(shì)）和單一導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)（湯姆遜電動(dòng)勢(shì)）。帕爾貼效應(yīng)（接觸效應(yīng)）原理：帕爾帖效應(yīng)也稱為接觸效應(yīng)。將相同溫度的兩種不同的金屬材料互相接觸，因?yàn)樽杂呻娮用芏炔煌?，在結(jié)點(diǎn)處就會(huì)發(fā)生電子擴(kuò)散。+-+-+-AB接觸電勢(shì)

接觸電勢(shì)（帕爾貼電勢(shì)，兩種導(dǎo)體）設(shè)節(jié)點(diǎn)處溫度為T時(shí)，導(dǎo)體A、B的接觸電動(dòng)勢(shì)eAB(T)可用下式表示式中，k為玻耳茲曼常數(shù)(1.38×10-23J/K)；T為接觸處的絕對(duì)溫度；e為電子電量(1.60×10-19C)；nA、nB分別為A、B的自由電子密度。由于兩種不同金屬導(dǎo)體自由電子濃度不同，而在其接觸處形成的電動(dòng)勢(shì)。

湯姆遜效應(yīng)原理：對(duì)于單一導(dǎo)體，如果兩端溫度不同，在兩端間會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，即單一導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)，這是由于導(dǎo)體內(nèi)自由電子在高溫端具有較大的動(dòng)能，因而向低溫端擴(kuò)散的結(jié)果。高溫端因失去電子而帶正電，低溫端由于獲得電子而帶負(fù)電，在高低溫端之間形成一個(gè)電位差。溫差電勢(shì)

溫差電勢(shì)（湯姆遜電勢(shì)，單一導(dǎo)體）溫差電動(dòng)勢(shì)的大小與導(dǎo)體的性質(zhì)和兩端的溫差有關(guān)，可表示為式中eA（T,T0）——導(dǎo)體A兩端溫度為T、T0時(shí)形成的溫差電動(dòng)勢(shì)；T、T0——導(dǎo)體A兩端的絕對(duì)溫度；σA——湯姆遜系數(shù)，表示導(dǎo)體A兩端的溫度差為1℃時(shí)所產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)，例如在0℃時(shí)，銅的σ=2μV/℃。

綜合上兩式，得熱電偶回路總熱電勢(shì)為：

接觸電動(dòng)勢(shì)的數(shù)量級(jí)約為10-3～10-2V，溫差電動(dòng)勢(shì)的數(shù)量級(jí)約為10-5V，因此熱電偶回路的總電動(dòng)勢(shì)主要由接觸電動(dòng)勢(shì)引起。由此可見，熱電偶總電動(dòng)勢(shì)與兩種材料的電子密度以及兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)，可得出以下結(jié)論：1）如果構(gòu)成熱電偶的兩個(gè)熱電極為材料相同的均質(zhì)導(dǎo)體，即σA=σB，nA=nB，則無(wú)論兩結(jié)點(diǎn)溫度如何，熱電偶回路內(nèi)的總熱電動(dòng)勢(shì)為零。因此熱電偶必須采用兩種不同的材料作為熱電極。2）如果熱電偶兩結(jié)點(diǎn)溫度相等，即T=T0，則盡管導(dǎo)體A、B的材料不同，熱電偶回路內(nèi)的總電動(dòng)勢(shì)也為零。3）熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)與A、B材料的中間溫度無(wú)關(guān)，只與結(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)。

中間溫度定律

中間溫度定律又稱為傳遞性定律，指熱電偶在接點(diǎn)溫度T、T0時(shí)的熱電勢(shì)等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度為T、Tc和Tc、T0時(shí)相應(yīng)熱電勢(shì)的代數(shù)和，即應(yīng)用：

中間溫度定律是制定熱電偶分度表的基礎(chǔ)，所謂分度表就是熱電偶冷端溫度為0℃時(shí)，熱電偶熱端溫度與輸出熱電動(dòng)勢(shì)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系的表格。根據(jù)中間溫度定律，自由端溫度為T0時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)可表示為：在利用熱電偶測(cè)量溫度時(shí)，只需要根據(jù)測(cè)得的eAB（T，T0）和從分度表查的eAB（T0，0）就可以推算出熱端的實(shí)際溫度T。

我國(guó)常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。

標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系、允許誤差，并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。

非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級(jí)上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場(chǎng)合的測(cè)量。熱電偶的種類及分度按IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)主要有8種標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，表中是我國(guó)采用符合IEC標(biāo)準(zhǔn)的六種熱電偶的主要性能和特點(diǎn)。工業(yè)上常用的四種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為B型、S型、K型和E型。

為了適應(yīng)不同測(cè)量對(duì)象的測(cè)溫條件和要求，熱電偶的結(jié)構(gòu)形式有按結(jié)構(gòu)型式，熱電偶一般可分為普通型、鎧裝型、表面型和快速型4種。①普通熱電偶普通熱電偶通常由熱電極、絕緣管、保護(hù)套管和接線盒等幾個(gè)主要部分組成，是工業(yè)上使用最多的熱電偶。②鎧裝熱電偶鎧裝熱電偶是將熱電極、絕緣材料和保護(hù)套管一起經(jīng)過復(fù)合拉制而成的堅(jiān)實(shí)組合體。鎧裝熱電偶具有反應(yīng)速度快，使用方便，可彎曲，氣密性好，不怕振、耐高壓等優(yōu)點(diǎn)。普通熱電偶

③表面熱電偶表面熱電偶通常利用真空鍍膜法把兩熱敏材料蒸鍍?cè)诮^緣基底上，專門用來(lái)測(cè)量物體表面的溫度，其特點(diǎn)是反應(yīng)速度極快、熱慣性極小。④快速熱電偶快速熱電偶是測(cè)量高溫熔融物體的一種專用熱電偶，整個(gè)熱電偶元件的尺寸很小，稱為消耗式熱電偶。表面型熱電偶熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線由于熱電偶的材料一般都比較貴重（特別是采用貴金屬時(shí)），因此熱電偶不宜做得太長(zhǎng)，即熱電偶的熱端和冷端很可能相距較近，因此冷端溫度不能固定且受熱端及環(huán)境影響比較大。為了解決這個(gè)問題，通常采用專用導(dǎo)線把熱電偶的冷端延伸到溫度比較穩(wěn)定的控制室內(nèi)儀表端子上。這種導(dǎo)線叫補(bǔ)償導(dǎo)線，它與所連接的熱電偶具有相似的熱電特性，本身又是廉價(jià)金屬。補(bǔ)償導(dǎo)線中間溫度定律，只要熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線的兩個(gè)接觸點(diǎn)溫度一致，就不會(huì)影響熱電動(dòng)勢(shì)的輸出。

補(bǔ)償導(dǎo)線作用(1)用廉價(jià)的補(bǔ)償導(dǎo)線作為貴金屬熱電偶的延長(zhǎng)導(dǎo)線，以節(jié)約貴金屬熱電偶；(2)將熱電偶的參比端遷移至離被測(cè)對(duì)象較遠(yuǎn)且環(huán)境溫度較恒定的地方，有利于參考端溫度的修正和測(cè)量誤差的減少；(3)用粗直徑和導(dǎo)電系數(shù)大的補(bǔ)償導(dǎo)線作為熱電偶的延長(zhǎng)線，可減小熱電偶回路電阻，以利于動(dòng)圈式儀表的正常工作。補(bǔ)償導(dǎo)線的使用(1)各種補(bǔ)償導(dǎo)線只能與相應(yīng)型號(hào)的熱電偶用；(2)使用時(shí)必須注意極性，切勿將其極性接反；(3)熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線連接點(diǎn)的溫度不能超過規(guī)定的使用溫度范圍,規(guī)定為0~100℃及0~150℃兩種。

補(bǔ)償導(dǎo)線類型配用熱電偶的分度號(hào)補(bǔ)償導(dǎo)線材料補(bǔ)償導(dǎo)線顏色正極負(fù)極正極負(fù)極SCSSPC（銅）SNC（銅鎳）紅綠KCKKPC（銅）KNC（銅鎳）紅藍(lán)KXKKPX（鎳鉻）KNX（銅硅）紅黑EXEEPX（鎳鉻）ENX（銅鎳）紅綜JXJJPX（鐵）JNX（銅鎳）紅紫TXTTPX（銅）TNX（銅鎳）紅白注意：熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的作用只起延伸熱電極，使熱電偶的冷端移動(dòng)到控制室的儀表端子上，它本身并不能消除冷端溫度變化對(duì)測(cè)溫的影響，不起補(bǔ)償作用。表3-3常用補(bǔ)償導(dǎo)線

由熱電偶的測(cè)溫原理可以知道，熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)大小與兩端溫度有關(guān)，熱電偶的輸出電動(dòng)勢(shì)只有在冷端溫度不變的條件下，才與工作端溫度成單值函數(shù)關(guān)系。而且熱電偶的分度表都是冷端溫度為0℃時(shí)測(cè)得的，只有冷端溫度為0℃時(shí)才可查分度表從而得到熱端溫度。冷端溫度補(bǔ)償方法有如下幾種：計(jì)算修正法

其基本原理是：在冷端設(shè)置另一種溫度傳感器（如Pt100），測(cè)出冷端的實(shí)際溫度；測(cè)得熱電偶的電勢(shì)后，再根據(jù)熱電偶的中間溫度定律，e(T,0)=e(T,Tn)+e(Tn,0)，查分度表進(jìn)行修正計(jì)算，就可得到實(shí)際溫度。熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償

冷端恒溫法T冰水溶液試管補(bǔ)償導(dǎo)線熱電偶mVBB'C'銅導(dǎo)線其它恒溫器：將熱電偶的冷端置于各種恒溫器內(nèi)，使其溫度保持恒定，然后也要利用中間溫度定律，查表修正后得到實(shí)際溫度。恒溫器可以是盛有變壓器油（其熱惰性性大）的容器，也可能是電加溫的恒溫器。冰點(diǎn)槽補(bǔ)償方式0℃恒溫器：將熱電偶的冷端置于溫度為0℃的恒溫介質(zhì)（如冰水混合物）中，如圖所示。這種方法有其優(yōu)缺點(diǎn)，通常用于實(shí)驗(yàn)室或科學(xué)研究中。

補(bǔ)償電橋法補(bǔ)償電橋自動(dòng)補(bǔ)償法也稱電橋補(bǔ)償法，它是在熱電偶與儀表間加上一個(gè)補(bǔ)償電橋，當(dāng)熱電偶冷端溫度升高，導(dǎo)致回路總電動(dòng)勢(shì)降低時(shí)，這個(gè)電橋感受自由端溫度的變化，產(chǎn)生一個(gè)電位差，其數(shù)值剛好與熱電偶降低的電動(dòng)勢(shì)相同，兩者互相補(bǔ)償。這樣，測(cè)量?jī)x表上所測(cè)得的電動(dòng)勢(shì)將不隨自由端溫度而變化。自動(dòng)補(bǔ)償法解決了冷端溫度校正法不適合連續(xù)測(cè)溫的問題。①熱電偶的分度號(hào)必須與要求相一致。②為減少電磁干擾，熱電偶的安裝位置應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離強(qiáng)電磁場(chǎng)，避開動(dòng)力電纜。③在取出或插入熱電偶時(shí)，注意不能急冷急熱，防止保護(hù)管斷裂。④應(yīng)定期檢查電極和保護(hù)管的狀態(tài)，確保保護(hù)管表面潔凈無(wú)腐蝕。定期檢查密封，防止冷空氣進(jìn)入保護(hù)管而影響測(cè)量精度。⑤熱電偶不能長(zhǎng)期工作在最高允許溫度，否則容易造成熱電偶材質(zhì)變化，引起過大的測(cè)量誤差。⑥熱電偶應(yīng)定期校驗(yàn)以保證測(cè)量精度。熱電偶的使用注意事項(xiàng)

（4）溫度傳感器的測(cè)試1）實(shí)效測(cè)試法實(shí)效測(cè)試法檢測(cè)溫度也是實(shí)驗(yàn)室常用的一種檢測(cè)方法。溫度的實(shí)效測(cè)試法要求配置必需的檢測(cè)設(shè)備，如電熱容器（俗稱電熱槽）、標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)等。在電熱槽中盛以水或油，把溫度計(jì)及被拆卸的溫度傳感器安裝在電熱槽內(nèi)，逐步加溫，并使電熱槽內(nèi)的溫度比較均勻。加溫到傳感器輸出信號(hào)達(dá)到報(bào)警值，讀取報(bào)警時(shí)的溫度值。另一方面讀取標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)的讀數(shù)，就可以對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較，得出準(zhǔn)確結(jié)論。該方法適用于溫度檢測(cè)范圍在0~800℃的任何模擬量和開關(guān)量傳感器，對(duì)該檢測(cè)通道的各相關(guān)功能環(huán)節(jié)均能進(jìn)行有效的測(cè)試，但測(cè)試時(shí)間比較長(zhǎng)，工作量比較大。2）直接測(cè)試法對(duì)于熱電偶溫度傳感器，其輸出信號(hào)為毫伏級(jí)電壓信號(hào)，因此可直接用直流電位差計(jì)測(cè)量其各種溫度下的輸出電壓，然后再與該型傳感器的“溫度一毫伏”特性曲線（分度表）進(jìn)行比較，進(jìn)而判斷該傳感器的測(cè)量是否準(zhǔn)確。3）可變電阻或電位器的取代測(cè)試法對(duì)于Pt100溫度傳感器或熱敏電阻溫度傳感器，可以采用替代的辦法，即以可調(diào)電阻器來(lái)替代溫度傳感器，把原先接在Pt100的接線連到可調(diào)電阻器上去，然后根據(jù)電阻值與溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系作出記錄，據(jù)此查看該通道的溫度顯示值，直至系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警為止。然后通過查分度表作出測(cè)試結(jié)論，找出對(duì)應(yīng)的報(bào)警溫度準(zhǔn)確值，并記入周期表中。4）暫時(shí)改變警報(bào)設(shè)定值的相對(duì)測(cè)試法在傳感器進(jìn)入正常狀態(tài)以后，把傳感器的報(bào)警設(shè)定值暫時(shí)調(diào)低(對(duì)高限報(bào)警)或暫時(shí)調(diào)高(對(duì)低限報(bào)警)，使系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，以試驗(yàn)報(bào)警系統(tǒng)的可靠性。但此法無(wú)法測(cè)得報(bào)警時(shí)的準(zhǔn)確值，測(cè)試后務(wù)必把報(bào)警設(shè)定值調(diào)回到原先位置。5）開關(guān)量溫度傳感器的模擬測(cè)試法對(duì)于開關(guān)量傳感器可以采取斷開或短接溫度開關(guān)線頭，又或直接撥動(dòng)溫度開關(guān)使其發(fā)出報(bào)警信號(hào)，以試驗(yàn)傳感器以外的測(cè)試通道是否正常。此法只是用于以上方法難于實(shí)現(xiàn)的場(chǎng)合。3.1.4壓力傳感器壓力傳感器在船舶上的應(yīng)用十分廣泛，機(jī)艙各種設(shè)備的油、水、氣的壓力檢測(cè)都是通過壓力傳感器實(shí)現(xiàn)的。壓力測(cè)量范圍很寬，測(cè)量條件和精度要求各異，測(cè)量方法十分豐富，因此壓力傳感器的種類很多。

通常壓力傳感器可大致分成兩類：一類是基于壓力位移轉(zhuǎn)換原理，壓力經(jīng)彈性元件轉(zhuǎn)換成位移，在此基礎(chǔ)上附加一些變換裝置，把彈性元件的位移轉(zhuǎn)換為某種電量的變化，如電位器式、電容式、電感式、霍爾式等；另一類是力敏元件制成的傳感器，如壓電式、應(yīng)變式、壓阻式、藍(lán)寶石壓力傳感器等。（1）彈性測(cè)量元件彈性測(cè)壓元件有膜片、膜盒、彈簧管、波紋管。XP膜片彈性元件壓力-位移特性膜片特點(diǎn)：膜片一般用金屬片(青銅或不銹鋼)，也有用非金屬材料的。為了使壓力-位移特性的直線線性范圍大，多在金屬圓形膜片上壓制出數(shù)個(gè)同心圓的波紋，使其工作壓力達(dá)0.2MPa，位移極限±0.3mm。膜片主要用于低壓測(cè)量、微壓及粘滯性介質(zhì)的壓力測(cè)量。XP膜片彈性元件XP壓力-位移特性XP膜盒彈性元件

膜盒特點(diǎn)：膜盒由兩片帶紋的金屬膜片焊接在一起，用來(lái)增加膜片的中心位移，提高壓力表的靈敏度，工作壓力一般在0.02～0.1MPa。膜盒彈性元件壓力-位移特性彈簧管彈性元件彈簧管特點(diǎn)：為了使自由端有較大位移，一般制成多圈彈簧管，適用于測(cè)量范圍為0.6MPa以上。XP彈簧管彈性元件壓力-位移特性波紋管彈性元件PXXP波紋管特點(diǎn)：波紋管是周圍為波紋狀的薄壁金屬筒體。它的固定端通入被測(cè)壓力P，在其作用下，波紋管變形伸長(zhǎng)，其自由端則產(chǎn)生向外位移，適用于測(cè)量范圍為0-0.3MPa。波紋管彈性元件壓電式傳感器以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)力到電荷的轉(zhuǎn)換。因此，壓電式傳感器可以測(cè)量那些最終能轉(zhuǎn)換為力（動(dòng)態(tài)）的物理量，如壓力、應(yīng)力、加速度、扭矩、位移、振動(dòng)等。壓電傳感器由于具有靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、功耗小、壽命長(zhǎng)、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。（2）壓電式傳感器正壓電效應(yīng)（順壓電效應(yīng)）：壓電效應(yīng)某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的一定表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷極性也隨著改變。逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）：當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械壓力，當(dāng)外加電場(chǎng)撤去時(shí)，這些變形或應(yīng)力也隨之消失的現(xiàn)象。電能機(jī)械能正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)具有壓電效應(yīng)的物體稱為壓電材料或壓電元件，如天然的石英晶體，人工制造的壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛等。利用壓電效應(yīng)很容易做成壓電式壓力傳感器。壓電材料產(chǎn)生的電荷很小，容易泄漏。一般應(yīng)用電荷放大器放大后轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出。壓電式壓力傳感器在船上的應(yīng)用可能有：柴油機(jī)示功器中的壓力測(cè)量、進(jìn)排氣管的動(dòng)態(tài)壓力等。壓電式壓力傳感器的主要特點(diǎn)是：①體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、工作可靠、溫度達(dá)250℃以上；②靈敏度高、線性度好，測(cè)量準(zhǔn)確度多為0.5和1.0級(jí)；③測(cè)量范圍寬，可測(cè)100MPa以下所有壓力；④動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻帶寬，可達(dá)30kHz，動(dòng)態(tài)誤差小；⑤電荷小，消失快，只能測(cè)動(dòng)態(tài)和脈沖壓力，不宜測(cè)量緩慢變化的壓力；⑥壓電式傳感器是有源傳感器，可避免外加電源帶來(lái)的噪聲；⑦壓電元件內(nèi)阻高，要求二次儀表的輸入阻抗高；1）應(yīng)變效應(yīng)金屬導(dǎo)體在外界力的作用下，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，其電阻值也將隨著發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為金屬電阻的應(yīng)變效應(yīng)。2）應(yīng)變式壓力傳感器通過金屬電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化可以制成應(yīng)變式壓力傳感器。金屬應(yīng)變片常見的有絲式、箔式、薄膜式三種，圖中給出了絲式和箔式兩種。材料有康銅、銅鎳合金、鎳鉻合金、鎳鉻鋁合金等。（3）應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、工藝成熟、價(jià)格便宜、性能穩(wěn)定、可靠性高、測(cè)量速度快，適合動(dòng)態(tài)和靜態(tài)測(cè)量。但應(yīng)變電阻易受溫度影響，測(cè)量時(shí)需加以補(bǔ)償修正。另外，由于應(yīng)變片需粘貼在彈性元件上，那么可能會(huì)存在敏感層與基片形變傳遞、零點(diǎn)漂移、機(jī)械滯后、蠕變等問題。3）測(cè)量電路應(yīng)變式壓力傳感器通常采用橋式測(cè)量電路。為了提高電壓靈敏度，通常采用全橋式測(cè)量電路，即電橋中四個(gè)電阻均為應(yīng)變電阻。而且應(yīng)變電阻粘貼在不同部位，使得彈性元件受力時(shí)，分別感受橫向和縱向的應(yīng)變，形成差動(dòng)輸出。通常用半導(dǎo)體應(yīng)變片做成壓阻式壓力傳感器。半導(dǎo)體應(yīng)變片有體型、薄膜型和擴(kuò)散型三種。因硅的壓阻效應(yīng)較大，半導(dǎo)體材料常采用硅，故通常又稱為硅壓力傳感器。（4）壓阻式壓力傳感器半導(dǎo)體應(yīng)變片有體型、薄膜型和擴(kuò)散型三種。體型：需將其粘貼在彈性元件上，容易蠕變和斷裂。薄膜型：利用真空沉積技術(shù)將半導(dǎo)體材料沉積在帶有絕緣層的試件上而制成的。薄膜壓力傳感器的敏感元件直接鍍?cè)趶椥曰?，相?duì)粘貼式而言，應(yīng)變傳遞性能得到改善，幾乎沒有蠕變，具有穩(wěn)定性好、可靠性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。擴(kuò)散型：P型雜質(zhì)擴(kuò)散到N型硅單晶體基底上，形成一層極薄的P型導(dǎo)電層，裝上引線接點(diǎn)后，即形成擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片。若在圓形硅膜片上擴(kuò)散出四個(gè)P型電阻，構(gòu)成惠斯登電橋的四個(gè)臂，這樣的敏感器件通常稱為固態(tài)壓阻器件。其核心部分是一塊圓形的單晶硅膜片，它既是力敏元件又是彈性元件。擴(kuò)散型壓阻式傳感器膜片用硅環(huán)固定，將高低壓腔分開。當(dāng)膜片兩端存在壓差時(shí)，膜片產(chǎn)生應(yīng)力和形變，從而使擴(kuò)散阻值發(fā)生變化，電橋不平衡，產(chǎn)生不平衡電壓輸出。如果忽略材料幾何尺寸對(duì)擴(kuò)散電阻阻值的影響，則不平衡電壓與膜片兩邊的壓力差成正比。為了補(bǔ)償溫度效應(yīng)的影響，一般還在膜片上沿對(duì)壓力不敏感的徑向生成電阻。優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，比金屬絲式高50~70倍、尺寸小，橫向效應(yīng)小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、精度高、易于微型化和集成化等。缺點(diǎn)：溫度系數(shù)大，應(yīng)變時(shí)非線性比較嚴(yán)重，穩(wěn)定性和可重復(fù)性不如金屬應(yīng)變片；溫漂，溫度過高失去壓阻效應(yīng)，一般不能超過150℃；溫度補(bǔ)償和線性補(bǔ)償79通常用半導(dǎo)體應(yīng)變片做成壓阻式壓力傳感器。半導(dǎo)體應(yīng)變片有體型、薄膜型和擴(kuò)散型三種。因硅的壓阻效應(yīng)較大，半導(dǎo)體材料常采用硅，故通常又稱為硅壓力傳感器。（5）霍爾式壓力傳感器半導(dǎo)體應(yīng)變片有體型、薄膜型和擴(kuò)散型三種。體型：需將其粘貼在彈性元件上，容易蠕變和斷裂。薄膜型：利用真空沉積技術(shù)將半導(dǎo)體材料沉積在帶有絕緣層的試件上而制成的。薄膜壓力傳感器的敏感元件直接鍍?cè)趶椥曰?，相?duì)粘貼式而言，應(yīng)變傳遞性能得到改善，幾乎沒有蠕變，具有穩(wěn)定性好、可靠性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。擴(kuò)散型：P型雜質(zhì)擴(kuò)散到N型硅單晶體基底上，形成一層極薄的P型導(dǎo)電層，裝上引線接點(diǎn)后，即形成擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片?；魻栃?yīng)原理圖

一塊長(zhǎng)為l、寬為b、厚為d的半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)(磁場(chǎng)方向垂直于薄片)中，當(dāng)有電流I流過時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)UH。這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)?；魻柺絺鞲衅魇怯苫魻栐M成。（5）霍爾式壓力傳感器1）霍爾效應(yīng)霍爾電動(dòng)勢(shì)UH可表示為：RH：霍爾系數(shù)，它反應(yīng)了元件霍爾效應(yīng)的強(qiáng)弱，是由元件本身的性質(zhì)決定的。半導(dǎo)體材料鍺、硅、銻化銦（InSb）、砷化銦（InAs）、砷化鎵（GaAs）等都可用來(lái)制作霍爾元件；kH：霍爾靈敏度，表征了一個(gè)霍爾元件在單位控制電流和單位磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生的霍爾電動(dòng)勢(shì)的大小，kH=-1/ned，與載流子濃度成反比?；魻柶且粔K矩形半導(dǎo)體單晶薄片，引出4根引線。1、1′兩根引線加激勵(lì)電壓或電流，稱為激勵(lì)電極；2、2′引線為霍爾輸出引線，稱為霍爾電極?；魻栐んw由非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝而成。在電路中霍爾元件可用兩種符號(hào)表示。2）霍爾元件——由霍爾片、引線和殼體組成,如圖所示?；魻栐耐庑?、結(jié)構(gòu)和電路符號(hào)線性集成電路：將霍爾元件和恒流源、線性差動(dòng)放大器等做在一個(gè)芯片上，輸出電壓為伏級(jí)，比直接使用霍爾元件方便很多。較典型的線性霍爾器件如UGN3501等。霍爾元件的線性特性開關(guān)型霍爾集成電路：將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門（集電極開路輸出門）等電路做在同一個(gè)芯片上。外加磁場(chǎng)超過一定值時(shí)，OC門由高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)；反之亦然。較典型的開關(guān)型霍爾器件如UGN3020等?；魻栯妱?shì)是關(guān)于控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的函數(shù)，即UH=KHIB，因此可形成三種應(yīng)用方式。1.當(dāng)輸入電流恒定不變時(shí)，傳感器的輸出正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度凡是能轉(zhuǎn)換為磁感應(yīng)強(qiáng)度變化的物理量均可以進(jìn)行測(cè)量和控制，如位移、角度、轉(zhuǎn)速及加速度等。2.當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度恒定不變時(shí)，傳感器的輸出正比于電流的變化凡能轉(zhuǎn)換為電流變化的物理量均可進(jìn)行測(cè)量和控制?？山M成微波電路中的環(huán)行器和隔離器等3.能轉(zhuǎn)換為電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度乘積的物理量由于霍爾電勢(shì)正比于電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度的乘積，所以凡是能轉(zhuǎn)換為乘法的物理量都可以進(jìn)行測(cè)量，如功率。3）霍爾傳感器的應(yīng)用及霍爾式壓力傳感器霍爾式壓力傳感器：如果再經(jīng)過二次或多次轉(zhuǎn)換，用于非磁量的測(cè)量，霍爾元件的應(yīng)用領(lǐng)域就更廣泛了，如轉(zhuǎn)速、加速度、壓力、振動(dòng)、流量、液位等。例如通過測(cè)量彈性壓力元件的位移來(lái)得到壓力，實(shí)際上就是利用霍爾元件測(cè)量微位移。用霍爾元件測(cè)量位移有慣性小、頻率響應(yīng)快、工作可靠、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。（6）電感式壓力傳感器電感式壓力傳感器將因壓力產(chǎn)生的位移變換為電感量的變化，從而測(cè)量壓力。電感式傳感器主要優(yōu)有：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠；靈敏度高，能分辨0.01μm的位移變化；測(cè)量精度高、零點(diǎn)穩(wěn)定、輸出功率較大。主要缺點(diǎn)有：靈敏度、線性度和測(cè)量范圍相互制約；傳感器自身頻率響應(yīng)低，不適用于快速動(dòng)態(tài)測(cè)量。電感式壓力傳感器是利用電感的電磁感應(yīng)原理將被測(cè)的壓力變化轉(zhuǎn)換為線圈的自感系數(shù)L或互感系數(shù)M的變化，并通過測(cè)量電路將L或M的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，從而實(shí)現(xiàn)壓力的測(cè)量。電感式自感式（利用自感原理）互感式（利用互感原理）電渦流式（利用渦流效應(yīng)）1）電感式壓力傳感器的工作原理互感式電感傳感器在實(shí)際應(yīng)用中較多，它將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為線圈互感系數(shù)的變化。變壓器的初級(jí)線圈輸入交流電壓，次級(jí)線圈通常接成差動(dòng)形式，故通常又稱為差動(dòng)變壓器(LVDT，linearvariabledifferentialtransformer)式傳感器。差動(dòng)變壓器電感式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)形式有變隙式、變面積式和螺線管式等，但它們的工作原理基本一樣，都是基于線圈互感量的變化來(lái)進(jìn)行測(cè)量的。實(shí)際應(yīng)用最多的是螺線管式差動(dòng)變壓器，具有測(cè)量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。

當(dāng)初級(jí)繞組加以激勵(lì)電壓

時(shí),根據(jù)變壓器的工作原理,在兩個(gè)次級(jí)繞組中便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)

和

。如果工藝上保證變壓器結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱,則當(dāng)活動(dòng)銜鐵處于初始平衡位置時(shí),必然會(huì)使兩互感系數(shù)M1=M2。根據(jù)電磁感應(yīng)原理,將有。由于變壓器兩次級(jí)繞組反相串聯(lián),因而差動(dòng)變壓器輸出電壓為0（）。

當(dāng)活動(dòng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí)，由于磁阻的影響，W2a中磁通將大于W2b，使M1>M2，因而

增加，而

減小。反之，

增加，

減小。因?yàn)?，所以?dāng)

、

隨著銜鐵位移Δx變化時(shí)，也必將隨Δx而變化。

當(dāng)鐵芯處于螺管中間時(shí)，接成差動(dòng)形式的電橋輸出電壓不為零，而是一個(gè)很小的數(shù)值，這個(gè)值稱為零點(diǎn)殘余電壓。零點(diǎn)殘余電壓零點(diǎn)殘余電壓形成的原因：傳感器的兩個(gè)二次繞組的電氣參數(shù)與幾何尺寸不對(duì)稱，導(dǎo)致它們產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值不等、相位不同，構(gòu)成了零點(diǎn)殘余電壓的基波；由于磁性材料磁化曲線的非線性（磁飽和、磁滯），產(chǎn)生了零點(diǎn)殘余電壓的諧波（主要是三次諧波）；勵(lì)磁電壓本身含諧波。危害：靈敏度↓非線性誤差↑放大器飽和零點(diǎn)殘余電壓的消除：提高線圈及其骨架的對(duì)稱性；減少電源中的諧波成分；選擇理想的磁性材料，適當(dāng)降低線圈的激勵(lì)電流，使銜鐵盡可能工作在磁化曲線的線性區(qū)；采用適當(dāng)?shù)牟捎眠m當(dāng)?shù)臏y(cè)量電路，如差動(dòng)整流電路。2）測(cè)量電路為了達(dá)到能消除零點(diǎn)殘余電壓和辨別移動(dòng)方向的目的，實(shí)際測(cè)量時(shí)，常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路。問題：（1）差動(dòng)變壓器的輸出是交流電壓(用交流電壓表測(cè)量，只能反映銜鐵位移的大小，不能反映位移的方向);（2）測(cè)量值中將包含零點(diǎn)殘余電壓。（7）電容式壓力傳感器電容式傳感器利用了將非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)物理量的測(cè)量。利用電容式傳感器將被測(cè)力/壓力轉(zhuǎn)換成與之有一定關(guān)系的電量輸出的壓力傳感器稱為電容式壓力傳感器。電容式傳感器廣泛用于壓力、位移、振動(dòng)、角度、加速度，以及壓力、差壓、液面（料位或物位）、成分含量等的測(cè)量。工作原理兩平行板組成的電容，如不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為ε--兩個(gè)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；εr

--介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；

ε0

--真空介電常數(shù)（ε0=8.85×10-12F/m）；A--兩個(gè)極板相對(duì)有效面積；d--兩個(gè)極板間的距離圓筒電容在不考慮邊緣效應(yīng)的情況下，其電容量為l--內(nèi)外極板所覆蓋的高度；R--外極板的內(nèi)半徑；

r--內(nèi)極板的外半徑；ε0

--真空介電常數(shù)；εr

--極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)

當(dāng)被測(cè)量（如壓力導(dǎo)致的位移）的變化使平板電容式傳感器d、A或ε任一參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，電容量也隨之發(fā)生變化。電容式變極距型變面積型變介電常數(shù)型

用空氣作為電介質(zhì)，其在極寬的頻率范圍內(nèi)介電常數(shù)幾乎不變，溫度穩(wěn)定性好，損耗極小，因而壓力傳感器中多用變極距型、變面積型。特點(diǎn)

用電容做壓力傳感器，具有很多優(yōu)點(diǎn)，它需要的能量低、測(cè)量范圍大、能在惡劣條件下工作可靠耐用、本身發(fā)熱小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、靈敏度高、測(cè)量精度高、抗震性好等優(yōu)點(diǎn)，但也有輸出特性非線性、分散電容的影響等缺點(diǎn)。變極距式彈性膜片在均勻壓力P的作用下產(chǎn)生位移，此時(shí)固定極板與膜片即構(gòu)成了變極距式電容測(cè)壓器。電容式傳感器在壓力作用下相對(duì)變化量為：<<1,按泰勒級(jí)數(shù)展開簡(jiǎn)化近似直線關(guān)系如果極板間距改變很小因此變極距型電容傳感器一般用來(lái)對(duì)微小位移或壓力進(jìn)行測(cè)量對(duì)于同樣的極板間距的變化Δd，較小的d0可獲得更大的電容量變化，從而提高傳感器的靈敏度，但d0過小，容易引起電容器擊穿或短路，因此，可在極板間加入高介電常數(shù)的材料，如云母。差動(dòng)結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高靈敏度，減小非線性，減少電源電壓、環(huán)境溫度等外界影響，變極距型電容傳感器一般采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)，可測(cè)量壓差、真空度和微小絕對(duì)壓力。靈敏度提高近1倍。差動(dòng)電容式壓力傳感器變面積型外界壓力作用于膜片上使膜片發(fā)生位移（一般不超過0.3mm），帶動(dòng)金屬同心多層圓筒，使交錯(cuò)的兩電極重疊部分面積發(fā)生變化，因而電容發(fā)生變化。該傳感器不僅可作為一般壓力測(cè)量，還可用于敞口容器的液位測(cè)量。6789543211—膜片；2—支撐彈簧片；3—可動(dòng)電極；4—固定電極；5—外殼；6—引線；7—中心柱；8—絕緣支架；9—擋塊變面積電容式傳感器結(jié)構(gòu)原理圖注意事項(xiàng)①加云母片提高靈敏度從電容容量的表達(dá)式中可以看出，當(dāng)極板距離d小時(shí)可以使電容量加大，靈敏度增加，但d過小容易引起電容擊穿，一般可以在極板間放置云母片來(lái)改善。云母的介電系數(shù)為空氣的7倍，云母的擊穿電壓大于103kV/mm（空氣的僅為3kV/mm）。因此在云母片的作用下，極板的起始距離可大大減少，還可使得電容的輸出特性得到改善。②傳感器受分布電容影響大，必須采取相應(yīng)措施減少影響。③電容值的測(cè)量有很多種方法，如電橋法、振蕩器法、移相器法、諧振法、C/T法等，市面上也有檢測(cè)電容的集成電路，如CAV414。（8）電渦流式壓力傳感器根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中做切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過導(dǎo)體的磁通將發(fā)生變化，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)在導(dǎo)體表面形成電流并自行閉合，形狀類似水中的渦流，稱為電渦流。電渦流的大小與金屬的電阻率、導(dǎo)磁率、厚度及金屬與線圈的距離、線圈的激磁電流頻率等參數(shù)有關(guān)。電渦流傳感器能對(duì)位移、厚度、表面溫度、振動(dòng)、速度、材料損傷等進(jìn)行非接觸式連續(xù)測(cè)量。討論電渦流傳感器時(shí)，可以把產(chǎn)生電渦流的金屬導(dǎo)體等效成一個(gè)短路環(huán)，即假設(shè)電渦流只分布在環(huán)體內(nèi)。由基爾霍夫電壓定律有電渦流傳感器原理式中，ω為線圈勵(lì)磁電流的角頻率；R1、L1為線圈的電阻和電感；R2、L2為短路環(huán)的等效電阻和等效電感；M為線圈與金屬導(dǎo)體間的互感系數(shù)。則發(fā)生電渦流效應(yīng)后的等效阻抗為式中，Req和Leq為產(chǎn)生電渦流效應(yīng)后線圈的等效電阻和等效電感。電渦流傳感器的等效電氣參數(shù)都是互感系數(shù)M2的函數(shù)。通?？偸抢闷涞刃щ姼械淖兓M成測(cè)量電路，因此，電渦流傳感器屬于電感式傳感器（互感式）。當(dāng)金屬板的厚度遠(yuǎn)大于渦流的貫穿深度時(shí)，表面感應(yīng)的電渦流幾乎只取決于線圈與金屬板之間的距離x，而與金屬板的厚度以及電阻率的變化無(wú)關(guān)。因此，高頻反射式電渦流傳感器可以測(cè)量位移量，也可以測(cè)量厚度、振幅、轉(zhuǎn)速等能轉(zhuǎn)換成x的各種被測(cè)量。電渦流傳感器根據(jù)激勵(lì)電源頻率的高低，可以分為高頻反射式和低頻透射式兩大類。1234561線圈2框架3襯套4支架5電纜6插頭高頻反射式電渦流傳感器低頻透射式電渦流傳感器發(fā)射線圈L1和接收線圈L2，分別位于金屬板M的上、下方。發(fā)射線圈L1通以低頻電壓信號(hào)，在其周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。如果兩線圈中不存在金屬板，線圈L1的磁場(chǎng)將直接貫穿L2，在L2上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E。在L1和L2之間放置金屬板M后，則在M中產(chǎn)生渦流。這個(gè)渦流損耗了磁場(chǎng)的能量，使L2處的磁場(chǎng)強(qiáng)度減小，從而引起感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E的減小。渦流的大小取決于金屬板的厚度h，h越大，渦流損耗越大，E就越小。這就是渦流傳感器測(cè)厚的原理。3.1.5液位傳感器液體介質(zhì)在容器中的高低稱為液位，液位傳感器在船舶上特別是機(jī)艙中應(yīng)用廣泛，如測(cè)量油艙、水艙液位。按與被測(cè)介質(zhì)是否接觸，液位傳感器通常可以分為兩類，一類是接觸式，如靜壓式液位傳感器、電容式液位傳感器；另一類是非接觸式，如超聲波液位傳感器、雷達(dá)液位傳感器。（1）靜壓式液位傳感器靜壓式液位傳感器是利用容器內(nèi)液體介質(zhì)的液位與液柱高度產(chǎn)生的靜壓力成正比的原理來(lái)測(cè)量液位的。首先采用壓力傳感器測(cè)量靜壓，然后根據(jù)液位與靜壓的關(guān)系得到液位。容器不同，測(cè)量液位的方法也有所不同。1）敞口容器液位測(cè)量敞口容器上端與大氣連通，壓力傳感器位于容器底部。根據(jù)安裝方式的不同，常用的敞口容器液位測(cè)量又可分為投入式和法蘭式，其液位測(cè)量方法如圖所示。顯示儀表壓力傳感器HH壓力傳感器ρρpp（a）投入式（b）法蘭式敞口容器液位測(cè)量根據(jù)流體靜力學(xué)原理，所測(cè)靜壓力與液位的關(guān)系為式中，H為液位高度；p為液柱產(chǎn)生的靜壓力；ρ為液體介質(zhì)的密度；g為重力加速度。通過合適的壓力傳感器測(cè)得液柱靜壓力后，經(jīng)計(jì)算就可以得到液位高度H。2）密閉容器液位測(cè)量密閉容器上端與大氣隔絕，容器上部空間壓力可能是變化的，并且一般與大氣壓力不等，所以采用壓差傳感器來(lái)測(cè)量液位，液位測(cè)量方法如圖所示。密閉容器液位測(cè)量假定容器上部空間為干燥氣體，壓力為p0，則壓差傳感器高低壓側(cè)所受到的壓力分別為圓筒結(jié)構(gòu)變介質(zhì)型電容式傳感器液位測(cè)量原理圖電容式液位傳感器主要采用變介電常數(shù)的方式測(cè)量液位。液體液位為0時(shí)液體液位為h時(shí)在實(shí)際應(yīng)用中，若被測(cè)介質(zhì)黏度過大，液位降低時(shí)，電極表面仍會(huì)附著被測(cè)介質(zhì)，影響介電常數(shù)，產(chǎn)生測(cè)量誤差。電容增量與被測(cè)液位的高度成線性關(guān)系（2）電容式液位傳感器超聲波具有定向、波長(zhǎng)短、反射、聚束等特性，當(dāng)其從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí)，在兩種介質(zhì)的分界面上會(huì)產(chǎn)生反射。測(cè)量中脈沖超聲波由傳感器（換能器）發(fā)出，聲波經(jīng)物體表面反射后被同一傳感器接收，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。并由聲波的發(fā)射和接收之間的時(shí)間來(lái)計(jì)算傳感器到被測(cè)物體的距離。聲波傳輸距離S與聲速C、聲傳輸時(shí)間T的關(guān)系可用公式表示：S=C×T/2。超聲波探頭安裝在容器的上部如圖所示。日常維護(hù)修理方便，但超聲波在空氣中衰減嚴(yán)重，因此有時(shí)也會(huì)將超聲波探頭安裝在容器的底部。（3）超聲波液位傳感器3.1.6轉(zhuǎn)速傳感器船舶上很多系統(tǒng)因顯示、控制、安保等需要，要求對(duì)一些旋轉(zhuǎn)機(jī)械如柴油機(jī)、增壓器等進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量。測(cè)量轉(zhuǎn)速的傳感器多種多樣，如利用電磁感應(yīng)定律的磁電式轉(zhuǎn)速傳感器、利用霍爾效應(yīng)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器、利用電渦流效應(yīng)的電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器、利用光電效應(yīng)的光電式轉(zhuǎn)速傳感器等。（1）磁電式轉(zhuǎn)速傳感器

1）電磁感應(yīng)定律由法拉第電磁感應(yīng)定律可知，當(dāng)變化的磁通通過閉合的線圈時(shí)，會(huì)在線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e，其大小和通過線圈的磁通變化率有關(guān)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為

式中，N為線圈匝數(shù)，Φ為通過線圈的磁通。可以看出，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)取決于線圈匝數(shù)和通過線圈的磁通變化率。因此，可以通過改變磁通進(jìn)而改變感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的測(cè)量。當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒的凸凹引起磁路磁阻的變化，使通過線圈的磁通量變化，在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其頻率f等于齒輪的齒數(shù)Z和轉(zhuǎn)速n的乘積，即由此可知，通過測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率就可以測(cè)得被測(cè)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速。此種測(cè)量方法是通過改變磁路磁阻來(lái)改變磁通的，所以這種傳感器又稱為變磁阻式磁電轉(zhuǎn)速傳感器。如果在測(cè)量電路中加入積分電路，那么就可以用來(lái)測(cè)量角位移；如果在測(cè)量電路中加入微分電路，那么就可以用來(lái)測(cè)量角加速度。2）變磁通式磁電轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量齒輪感應(yīng)線圈永久磁鐵

軟鐵被測(cè)轉(zhuǎn)軸NS變磁通式磁電轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)示意圖式中，f為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)頻率；z為測(cè)量齒輪的個(gè)數(shù)；n為被測(cè)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速。當(dāng)控制電流不變，使傳感器處于磁場(chǎng)中，霍爾傳感器輸出與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比的電壓?；魻栐潭ㄔ诖判赞D(zhuǎn)盤附近，永久磁鐵安裝在磁性轉(zhuǎn)盤上，輸入軸與被測(cè)轉(zhuǎn)軸相連。當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每當(dāng)永久磁鐵經(jīng)過霍爾元件時(shí)，霍爾元件上的磁場(chǎng)就發(fā)生改變，霍爾電勢(shì)也就跟隨變化，形成脈沖信號(hào)。因此只要檢測(cè)出單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)，便可知道被測(cè)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速。增加磁性轉(zhuǎn)盤上永久磁鐵的個(gè)數(shù)，能夠提高霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)速的分辨率。輸入軸磁性轉(zhuǎn)盤霍爾元件永久磁鐵霍爾轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)示意圖（2）霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)速測(cè)量方法如圖3-31所示，轉(zhuǎn)盤與被測(cè)轉(zhuǎn)軸相連，轉(zhuǎn)盤上有一個(gè)或多個(gè)鍵槽，電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器固定在轉(zhuǎn)盤附近。當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)盤的鍵槽與傳感器間的距離發(fā)生周期性變化。由于電渦流效應(yīng)，電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器線圈的阻抗也周期性的變化，其變化頻率與被測(cè)轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)速度成正比。線圈阻抗變化頻率f與被測(cè)轉(zhuǎn)速n的關(guān)系為（3）電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)換電路傳感器轉(zhuǎn)盤電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)速測(cè)量（4）光電式轉(zhuǎn)速傳感器光電效應(yīng)一般分為外光電效應(yīng)（也稱光電子發(fā)射效應(yīng)）、內(nèi)光電效應(yīng)兩類。內(nèi)光電效應(yīng)包括光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。1）光電效應(yīng)光可以被看作是由一連串具有一定能量的粒子（稱為光子）所構(gòu)成，每個(gè)光子具有的能量正比于光的頻率。當(dāng)光照射在物體上使物體發(fā)射電子、或電導(dǎo)率發(fā)生變化、或產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)等，這種因光照而引起物體電學(xué)特性的改變現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。外光電效應(yīng)在光線作用下，電子獲得光子的能量從而脫離正電荷的束縛，使電子逸出物體表面，這種效應(yīng)稱為外光電效應(yīng)，這種現(xiàn)象稱為光電發(fā)射。

常見的基于外光電效應(yīng)的光電器件有光電管和光電倍增管等。內(nèi)光電效應(yīng)物體受光照射后，其原子的外層電子脫離原子核的束縛成為自由電子，這些自由電子仍留在物體內(nèi)部，但會(huì)使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)。這種現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。光電導(dǎo)效應(yīng)是在光照作用下，物體電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象，基于此效應(yīng)的典型器件是光敏電阻。光生伏特效應(yīng)是在光照作用下，物體中產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象，基于此效應(yīng)的典型器件有光電池、光敏二極管和光敏晶體管等。2）光電式轉(zhuǎn)速傳感器光電式傳感器主要由光源、光學(xué)通路、光電器件三部分組成。被測(cè)量通過影響光源或光學(xué)通路，將被測(cè)信息反應(yīng)到光波上，如改變光波的空間分布、強(qiáng)度等，光電器件的作用是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)量的測(cè)量。光電式傳感器輸出信號(hào)分為模擬量和開關(guān)量?jī)煞N，光電式轉(zhuǎn)速傳感器屬于開關(guān)量光電式傳感器，即將被測(cè)量轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為斷續(xù)變化的光電流。發(fā)光元件測(cè)量孔光電器件轉(zhuǎn)盤被測(cè)轉(zhuǎn)軸光電式轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)速測(cè)量如圖所示，轉(zhuǎn)盤與被測(cè)轉(zhuǎn)軸相連，轉(zhuǎn)盤上有一個(gè)或多個(gè)測(cè)量孔，發(fā)光元件和光電器件分別固定在轉(zhuǎn)盤兩側(cè)，且在同一直線上，保證光電器件能夠接收到發(fā)光元件發(fā)射的光。測(cè)量時(shí)，轉(zhuǎn)盤隨轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)量孔周期性的將發(fā)光元件的光照射到光電器件上。當(dāng)測(cè)量孔與發(fā)光元件、光電器件在同一直線上時(shí)，光路通暢，為“1”狀態(tài)；當(dāng)測(cè)量孔與發(fā)光元件、光電器件在不在同一直線上時(shí)，光路被切斷，為“0”狀態(tài)。所形成的電脈沖信號(hào)頻率f與被測(cè)量轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系為式中，z為測(cè)量孔的個(gè)數(shù)?？梢钥闯觯裟軌驕y(cè)得電脈沖信號(hào)頻率便可得到被測(cè)轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)速度。3.1.7流量傳感器船舶上需要用到流量測(cè)量的場(chǎng)合很多。加油船給船舶加油時(shí)，加油量的多少；船舶柴油機(jī)輕重油轉(zhuǎn)換是否完成，可以根據(jù)操作轉(zhuǎn)換閥后總流量來(lái)確定；根據(jù)進(jìn)油瞬時(shí)流量，可以判斷鍋爐負(fù)荷是否正常，風(fēng)油比是否合適。

流量指單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)某一截面的流體的量，該量用流體體積表示，稱為體積流量，計(jì)量單位有m3/h,L/min；若用流體質(zhì)量表示，則稱為質(zhì)量流量，計(jì)量單位有t/h,kg/s。通常，流量指體積流量。

不同的流體其黏度、導(dǎo)電性、工作狀態(tài)等可能是不同的，那么就需要選用不同的流量測(cè)量方法來(lái)進(jìn)行測(cè)量。一般來(lái)說(shuō)，流量傳感器可以分為速度式、容積式和質(zhì)量式。速度式流量傳感器主要是測(cè)量流體在已知截面的速度大小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量的。根據(jù)測(cè)量流體速度的方式不同，速度式流量傳感器又可分為壓差式流量傳感器、電磁式流量傳感器、超聲波流量傳感器等。 （1）壓差式流量傳感器

當(dāng)被測(cè)液體流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流元件（常見的有孔板、噴嘴等）時(shí)，會(huì)形成局部收縮，導(dǎo)致流速增加，壓力減小，進(jìn)而在節(jié)流元件前后形成了壓差。流量越大，所產(chǎn)生的壓差越大。壓差式流量傳感器通過測(cè)量節(jié)流元件前后壓差實(shí)現(xiàn)對(duì)液體流量的測(cè)量。以孔板作為節(jié)流元件為例，壓差式流量傳感器測(cè)量方法如圖所示。管道流量QVpH節(jié)流元件壓差變送器ΔppL壓差式流量傳感器流量測(cè)量（1）壓差式流量傳感器

當(dāng)被測(cè)液體流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流元件（常見的有孔板、噴嘴等）時(shí)，會(huì)形成局部收縮，導(dǎo)致流速增加，壓力減小，進(jìn)而在節(jié)流元件前后形成了壓差。流量越大，所產(chǎn)生的壓差越大。壓差式流量傳感器通過測(cè)量節(jié)流元件前后壓差實(shí)現(xiàn)對(duì)液體流量的測(cè)量。以孔板作為節(jié)流元件為例，壓差式流量傳感器測(cè)量方法如圖所示。管道流量QVpH節(jié)流元件壓差變送器ΔppL壓差式流量傳感器流量測(cè)量123節(jié)流原理流動(dòng)流體的能量有兩種形式：靜壓能和動(dòng)能。流體由于有壓力而具有靜壓能，又由于有流動(dòng)速度而具有動(dòng)能，這兩種形式的能量在一定條件下是可以相互轉(zhuǎn)化的。流速靜壓根據(jù)質(zhì)量守恒定律（流動(dòng)連續(xù)性方程）和能量守恒定律（伯努利方程）再經(jīng)過修正后可得式中，Q為體積流量；α為流量系數(shù)；S0為節(jié)流元件開孔截面積；Δp為