传感器原理与使用方法(20040225).doc

1、传感器原理与使用方法深圳市中兴通讯股份有限公司本资料著作权属深圳市中兴通讯股份有限公司所有，未经著作权人同意，不得摘录、复制、翻译、注释、编辑，侵权必究。传感器使用说明策 划用户服务中心工程部本部事业部监控系统部责任编辑 DDD封面设计 DDD* * * *深圳市中兴通讯股份有限公司深圳莲塘鹏基工业区 713 栋 3 层电话：0755-5739300-2167传真：0755-5737266邮编：518004* * * *年 月 第 版， 年 月第 次印刷开本：8891194mm 1/16 印张：字数： 千字 印数：1- 册ZX22传感器的原理与使用方法1 概述 在监控系统中，测量范围广泛，包括

2、高低压配电设备、柴油发电机组、空调设备的交流电量：交流电压、交流电流、有功功率、功率因数、频率等；整流器、直流配电设备、蓄电池组的直流量：直流电压、直流电流；机房环境的各种物理量：温度、湿度、红外、烟感、水浸、门禁等；同时还有表示各种物理状态的开关量。由于监控系统数据采集设备的输入电量范围只能是一些小电压、小电流，而上述各种测量量却是一些非电量、强电量，因此必须用一种信号变换装置将它们转换成 4 一 20mA 或 0 一 5V 的标准直流或交流信号。传感器、变送器就是这样一种信号变换装置，它们把一种形式的信号变换成另外一种形式的信号（传感器） ，或把同一种信号变换成不同大小或不同形式的信号（变

3、送器） 。因此，传感器和变送器在监控系统中得到了广泛应用，是监控系统中必不可少的组成单元。一般地，传感器是把各种物理量变换成另外一种大小、形式的物理量输出，以便于观察、测量或处理的装置，在监控系统中，传感器是把各种物理量变换成一定形式电量输出，以便于进行测量和数据采集的装置。电量变送器则是把各种形式的电量变换成标准电量输出的装置。输出的标准电量一般为：4-20mA 或 0-20mA 的标准直流电流信号和 0 一 5V 的标准直流或交流电压信号。在监控系统中，电量变送器一般用于各种交流电量的变换，这些交流电量包括：交流电压、交流电流、有功功率、功率因数和频率等。交流电量的表示方法有多种，常用的有

4、：瞬时值，有效值，平均值。由于监控系统中各种要测量的电量和非电量种类繁多，相应的传感器和变送器也各种各样，但根据它们转换后的输出信号性质，可分为分为模拟和数字两种。在我公司的监控系统中，各类传感器、变送器有如下几种：数字信号传感器（变送器）：1. 离子感烟探测器，用于探测烟雾浓度。当烟雾达到一定的浓度时，给出对应的数字量报警信号。2. 微波双鉴被动式红外探测器 XC-1、单红外探测器 XP-5，当其探测范围内，有人体侵入时，提供对应的继电器触点信号输出，给出对应的数字量报警信号。3. 玻璃破碎传感器，当玻璃被击碎时，提供对应的继电器触点信号输出，给出对应的数字量报警信号。4. 水淹传感器，当传

5、感器被水淹住时，输出一个标准的 TTL 低电平信号。5. 门磁开关，当门被打开时提供对应的继电器触点信号输出，给出对应的数字量报警信号。6. 手动报警开关，串接入供电电源，可给出对应手动报警信号（类似继电器触点信号输出） 。模拟信号传感器（变送器）有如下几种：1. TRHU 温湿度变送器单元，可测量环境温湿度，输出与环境温湿度呈线性关系的直流电压信号。2. 改进型 TRHU 温湿度变送器单元，测量环境温湿度，输出与环境温湿度呈线性关系的直流电流信号。3. 诺金温湿度变送器，测试环境温湿度，输出与环境温湿度呈线性关系的直流电流信号。 。4. 电量变送器，监测动力设备的各种运行参数，通常可测量高低

6、压配电屏、油机的交流电压、交流电流、交流频率、功率、功率因素等信号，直流电压、直流电流等信号。通过电量变送器进行转换，可将电压、电流等强电信号转换成标准的420mA 直流信号输出。其中，我们现在采用的电量变送器有西南自动化公司的、浙江海盐公司的、河源雅达公司的。5. 直流电流互感器，采用霍尔原理对直流电流进行非接触测量，输出 04V/5V 直流信号。6. HC6000 表，是用来测量交流电压、交流电流、频率、功率、功率因素的智能表，可以通过 PCU、MISU 直接纳入到我们的系统中来，以省去传感器、变送器及采集模块。上述各类变送器、探测器、互感器的输出信号，可以用以下监控监控模块采集：多功能一

7、体化监控设备 MISU、通用采集模块 CMU、环境量采集模块 EMU、电池监测模块 BMU、传感器供电模块 TPU。分别简称为 MISU 、CMU、EMU 、BMU 、TPU。此外，在使用、安装传感器、变送器时，需要特别注意它们的特性，否则，可能导致设备损坏或危害人身安全。这些特性包括：1. 是否需要外接电源，电源电压大小，交流还是直流。2. 输入电量的性质及量程范围。3. 输出信号类型及量程范围。2 各类传感器原理及应用2.1 感烟传感器火灾传感器分感烟传感器，感温传感器和火焰传感器，感烟传感器分离子感烟型和光电感烟型；感温传感器分定温感温型和差温感温型。火焰传感器主要用在探测无烟火灾场合，

8、价格高，一般情况下不采用。下面我们主要介绍在监控系统中应用最多的感烟型传感器的工作作原理。离子感烟传感器利用放射性元素产生的射线，使空气电离产生微电流来检测。目前大部分离子感烟传感器采用单源双室工作，即采用一个放射源，2 个工作室，一个为参考室，一个为探测室。没有烟进入探测室时，两室的微电流保持平衡，当烟雾进入探测室时，探测室电流发生变化，破坏平衡，传感器将检测到的信号送到一个正反馈电路，产生报警输出。离子感烟传感器使用注意事项：只有垂直烟才能使其报警，因此烟感应装在房屋的最顶部。灰尘会使感应头的零敏度降低，因此应注意防尘。离子感烟传感器使用放射性元素 Csl37，应避免拆卸传感器，以免危害安

9、全。光电感烟传感器利用烟粒子对光的散射作用来探测烟的存在。在光电感烟传感器的探测室内有一个发光管和一个接收管，发光管发射的光被接收管接收；当烟雾进入探测室时，由于烟粒子对光的散射作用，使得接收管接收的光减弱，从而检测到烟雾的存在。光电感烟传感器的电路及电气特性与离子感烟传感器相似。2.2 红外传感器包括被动式红外传感器和微波、红外双鉴传感器。被动式红外传感器工作原理：目前安全防范领域普遍采用热释电传感器制造的被动式红外传感器。热释电材料包括钻钛酸铅等，当其表面的温度上升或下降，则该表面产生电荷，这种效应称热释电效应。用热释电材料制成的敏感元件上，涂上一层黑色表面，有良好的吸热性，当红外线照射时

10、，热电体温度变化，极片发生变化，电极上产生电荷；当极片重新达到平衡时，电极上电压消失；当红外线撤降时，热电体温度下降，极片向相反方向转化。在制作敏感元件时，把两个极性相反的热释电敏感元件做在同一晶片上，这样由于环境的影影响而使整个晶片产生温度变化时，两个传感元产生的热释电信号相互抵消，起到补偿作用。热释电传感器在实际使用时，前面要安装透镜，通过透镜的外来红外外线只会聚在一个传感元上，产生的电信号不会被抵消。热释电红外传感器作用的透镜采用菲涅尔透镜，实际上是一个透镜组，它上面的的每一个单元透镜一般部只有一个不大的视场角。而相邻的两个单元透镜的视场既不连续，更不交叠，却都相隔一个盲区，这些透镜形成

11、一个总的监视区域，当人体在这一监视区域中运动时，顺次地进入某一单元透镜的视场，又走出这一透镜的视场，热释电传感器对运动的人体一会儿看到，一会儿看不到，再过一会又看到，也就是说，热释电传感器对人体散发的红外线一会儿接收到，一会儿又接收不到，引起热释电传感器的温度不断变化，使它输出一个又一个相应的信号。根据热释电传感器工作原理，只要热释电元件的温度发生变化，就会产生信号输出，因此，任何会导致热释电元件温度变化的困素，都会引起传感器报警，为了提高报警的可靠性，人们采取了多种措施，比如，为了降低环境度变化的影响，采用双元或四元热释电传感器，使环境温度变化产生的输出互相抵消，为了提高白光干扰，采用双层滤

12、光片等。根据热释电传感器特点，为了减少传感器的误报警，在安装热释电被动红外传感器时应注意以下问题：传感器应避免安装在诸如空调出风口附近、暖气片附近等环境温度正常变化的场所。传感器监视区域内应避免有热源。传感器尽量避免对着有强光的窗口。传感器监视区域内应避免出现小动物，如不可避免，应选用防小动物透镜。2.3 微波、红外双鉴传感器微波、红外双鉴传感器是被动式红外传感器和微波传感器的组合，微波传感器根据多普勒效应原理来探测移动物体。传感器发射微波，微波遇到障碍物时被反射回传感器，当障碍物相对传感器运动时，则传感器接收到的反射波频率发生变化：当障碍物朝着传感器运动时，传感器接收到的反射波频率比发射波高

13、，当障碍物远离传感器运动时，传感器接收到的反射波频率比发射波低，因此，传感器通过比较反射波和发射波的频率来探测是否有移动物体进入。微波只对移动物体响应，红外只对引起红外温度变化的物体响应，微波和红外双鉴传感器只有两者同时响应才会作出报警。因此，大大提高报警可靠性。2.4 水浸传感器水浸传感器为了检测机房是否进水，它一般安装在空调或门窗下面。2.5 门磁开关传感器门磁开关传感器实际上是一个干簧管，干簧管由两个靠得很近的金属弹簧片构成。两个金属片为软磁性材料，当干簧管靠近磁场时，金属片被磁化，相互吸引、接触，当干簧管远离磁场时弹簧片失去磁性，由于弹力的作用两个金属片分开。2.6 玻璃破碎传感器玻璃

14、破碎时会发出特定的声波，玻璃破碎探测器主要根据这点作出报警判断。2.7 温度传感器温度是表示物体冷热程度的物理量。温度传感器是通过一些些物体温度变化而改变某种特性来间接测量的。常用的温度传感器有热电阻，热敏电阻温度传感器，热电偶及集成对管温度传感器等。热电阻是利用物质在温度变化时本身电阻也随着发生变化的特性来测量温度的，主要材料有铂、铜和镍。一般热电阻测温精度高，但测温范围比较小。它们常加上绝缘套管，保护套管和接线盒等组成测温传感器。热电偶测量范围较宽，一般为一 100十 2000。热电偶基本上作原理来自物体的热电效应。两种不同的导体 A 与 B 组成两个接点，形成闭合回路，当两个接点温度不同

15、时，回路将产生电势，该电势的方向和大小取决于两导体的材料及两接点的温度差，而与两导体的粗细、长短无关，由上述两导体组成的回路称为热电偶。集成温度传感器，它的线性度好，灵敏度高、体积小、使用简便。该传感器输出形式分为电压型和电流型两种。一般电压型的灵敏度为 10mV/，电流型的灵敏度为 luA。 注意：温度传感器的输出反应传感器本身的温度，要测量被测物体的温度，必须使传感器与被测物体接触，使之与被测物体的温度相同（如测量蓄电池单体电池的温度时） 。为了正确测量被测对象的温度，要求：传感器本身热容量要小，不会因安装温度传感器而改变被测对象的温传感器与被测对象之间要有良好的导热性。2.8 湿度传感器

16、湿度是表示空气干湿程度的物理量。空气湿度是空气中水蒸汽含量的反映，湿度常用的表示方法有绝对湿度。相对湿度和露点温度。1）绝对湿度绝对湿度表示单位体积内空气里所含水蒸汽的质量，即空气中的水蒸汽密度。单位为 gm 3。2）相对湿度相对湿度是空气中所含水蒸汽分压与同温度下所含最大水蒸汽分压（饱和水蒸汽压力）的比值，用百分比表示，常写成%RH。相对湿度为 100RH 并不表示空气全由水蒸汽构成，而仅仅表示今该温度下水蒸汽压力己达饱和。在一定温度下，空气中所能容纳的水蒸汽含量是有限的，超过这个限度时，多余的水蒸汽就由气态转变成液态，这个限度对应于该温度下的饱和水蒸汽压力。工程上常用的是相对湿度。3）露点

17、湿度保持压力一定，将含水蒸汽的空气冷却，当降到某温度时，空气中的水蒸汽达到饱和状态，开始从气态变成液态，此时的温度称为露点温度（） 。湿度敏感器件是基于所用材料性能与湿度有关的物理效应和化学反应的某础上制造的。通过对湿度有关的电阻。电容等参数的测量，就可将相对湿度测量出来。现简介几种常用的湿度传感器：阻抗型湿敏元件组成的湿度传感器其湿敏材料主要是金属氧化物陶瓷材料，一般采用厚薄膜结构，它们有较宽的工作温度范围，并且有较小响应时间；缺点是阻抗的对数与相对湿度所成的线性度不够好。电容式湿敏元件组成的湿度传感器相对湿度的变化影响到内部电极上聚合物的介电常数，从而改变了元件的电容值，由此引起相关电路输

18、出电量的变化。其线性度好，响应快。热敏电阻式湿度传感器它利用潮湿空气和干燥空气的热传导之差来测定湿度，一般接成电桥式测量电路。2.9 电量变送器对动力设备进行监控，一般需测量交流电压、交流电流、直流电压、直流电流、功率及频率等电参量。采用电量传感器进行转换，可将交流电压、交流电流、直流电压、直流电流、功率及频率等电参量转换成对应的 420MA 的标准直流信号。3 离子感烟探测器离子感烟探测器，由正负 12 伏直流电源供电，其内阻随烟雾浓度的增大而减小，正常时，其内阻值约为 20 K 欧姆。传感器既可单独使用，也可并联使用。注意，实际使用时，要将感烟探测器出厂时接于第 1、5 端之间的导通电阻去掉，以保证烟雾探测的灵敏性。3.1 离子感烟探测器的工程安装和布局离子感烟探测器的安装和布局与探测器的保护面积、建筑的结构、探测器的类别都有关系。一般每个房间至少设置一只探测器，如果房间较大，超出一个探测器保护面积，可以用 1-3 个输 入 接 口 JK1 输 出 接 口 JK2 X-X