第6章电气测量与检测

共99页第1页电气测量与检测第六章共99页第2页第一节仪器仪表的技术进展第二节传感器第三节执行器第四节虚拟仪器第五节智能仪器仪表第六节多传感器数据融合技术共99页第3页第一节仪器仪表的技术进展仪器仪表分类仪器仪表的发展共99页第4页传感器的地位和作用1．传感器技术是信息技术的基础与支柱①信息采集②信息传输③信息处理第二节传感器第二节传感器共99页第5页2．传感器技术已经广泛应用于各个学科领域第二节传感器共99页第6页工、农业自动化化应用领域第二节传感器共99页第7页航天技术军事领域应用领域第二节传感器共99页第8页机器人技术资源开发应用领域第二节传感器共99页第9页环境监测海洋探测安全保卫应用领域第二节传感器共99页第10页医疗诊断交通运输家用电器应用领域第二节传感器共99页第11页传感器的定义及构成被测信息敏感元件转换元件辅助电路信号调理电路输出信息传感器构成框图传感器(Transducer/Sensor)的定义传感器的组成部分第二节传感器共99页第12页•传感器的分类•传感器的输入、输出特性yKxxyy1xmaxxx切点传感器特性曲线O作图法求灵敏度过程第二节传感器共99页第13页压力传感器压力传感器的发展历史压力传感器的发展趋势第二节传感器共99页第14页压力测量的理论基础简述•压力的定义•气体和液体的压力•压力的单位•压力的形式第二节传感器共99页第15页敏感元件和转换元件压力作用膜片形变（应变）应变片电阻改变敏感元件转换元件单晶硅膜片Ｐ(受压面)ＲA、基本测量原理第二节传感器共99页第16页压力传感器结构示意图惠斯顿电桥第二节传感器共99页第17页常用Ⅲ型两线制压力变送器电原理图24V4～20mA1mA0.5mA3.5～19.5mA0.5mA3～19mAＲＩＲＲ采样电阻（一般为250欧姆标准电阻）电量接受端压力变送端L02Ｒ2'fＲ'1Ｒ1Ｒ2第二节传感器共99页第18页(a)绝对压力测量应变膜片Ｐ孔应变膜片ＰＰ孔12气孔压力Ｐ参考真空室密封应变膜片(b)表压力测量(c)差压测量B、压力传感器三种测量方式的结构第二节传感器共99页第19页C、各种压力传感器第二节传感器共99页第20页温度传感器•温度测量的基本概念温度测量的基本概念温标•温度传感器的分类第二节传感器共99页第21页A、基本测量原理热电效应铠装热电偶热电偶原理图EAB（T，T0）=fAB（Δt）第二节传感器共99页第22页几种常用热电偶的热电极分度号正极（Grade）负极（Grade）N镍铬硅（Ni-Cr-Si）镍硅（Ni-Si）K镍铬（Ni-Cr）镍铬（铝）（Ni-Cr（AI））E镍铬（Ni-Cr）铜镍（康铜）（Cu-Ni（Constantan））J铁（Fe）铜镍（康铜）（Cu-Ni（Constantan））T铜（Cu）铜镍(康铜)（Cu-Ni(Constantan)）S铂铑（Pt（Rh10））铂（Pt）R铂铑（Pt（Rh13））铂（Pt）B铂铑（Pt（Rh30））铂（Pt（Rh10））第二节传感器共99页第23页•测温热电阻传感器•热敏电阻材料温度(t/℃)电阻率ρ/(10-8Ωm)电阻温度系数α0/℃-1银201.5860.0038(20℃)铜201.6780.00393(20℃)金202.400.00324(20℃)镍206.840.0069(0~100℃)铂2010.60.00324(0~100℃)第二节传感器共99页第24页利用热敏电阻测量温度的典型电路B、常用温度测量接口电路第二节传感器共99页第25页利用热电偶测量温度的典型电路第二节传感器共99页第26页在线式红外测温仪热敏电阻C、温度测量传感器红外体温仪空调温度传感器微小的温度传感器铠装热电偶热电阻第二节传感器共99页第27页信号调理电路的作用•较高的精度•噪声抑制/隔离•系统灵活性/自诊断性•降低成本第二节传感器共99页第28页湿度传感器•湿度的危害•湿敏电阻的原理•干湿球湿度计测量相对湿度的原理湿度对仪器影响示意图干湿球湿度计原理图第二节传感器共99页第29页物位传感器•超声波检测技术测量原理特点适用范围第二节传感器共99页第30页第二节传感器共99页第31页超声波物体检测器电路板和探头B、实际应用电路第二节传感器共99页第32页测厚仪物位检测仪无损探测测距仪液位仪B超接近开关C、各种应用第二节传感器共99页第33页雷达检测技术•时域发射技术第二节传感器共99页第34页•调频连续波技术微波振荡器相位检测器回路滤波器微处理器参考振荡器天线频率控制回路原理方框图FMCW雷达测量原理图第二节传感器共99页第35页流量传感器•流量测量方法•节流装置文丘里喷嘴在管道中的位置第二节传感器共99页第36页浮子流量计浮子流量计图3金属管浮子流量计结构1-转换部分；2-传感器部分；3-导杆；4-浮子；5-锥形管部分；第二节传感器共99页第37页浮子流量计工作原理浮子流量计工作原理1-锥形管2-浮子3-流通环隙第二节传感器共99页第38页椭圆齿轮流量计工作原理容积式流量计的工作原理第二节传感器共99页第39页结构图齿轮流量计第二节传感器共99页第40页涡轮流量计第二节传感器共99页第41页内部结构涡轮流量计第二节传感器共99页第42页超声波流量计测量原理测量流量原理分类超声波流量计第二节传感器共99页第43页时间差法测量流量原理第二节传感器共99页第44页频率差法测量流量原理图a）异侧b）同侧第二节传感器共99页第45页光纤传感器流量计光纤传感器检测透明的有色物体第二节传感器共99页第46页电磁流量计测量原理电磁流量计第二节传感器共99页第47页其它常用的流量计涡街流量计差压式流量计明渠流量仪刮板流量计第二节传感器共99页第48页电磁传感器磁传感器是最古老的传感器，指南针是磁传感器的最早的一种应用。磁旋转传感器主要组成部分。第二节传感器共99页第49页一款电磁传感器的外形电磁接近开关指南针第二节传感器共99页第50页霍尔转速表霍尔转速表原理a)齿未对准霍尔元件时磁力线分散的情况b)齿对准霍尔元件时磁力线集中的情况第二节传感器共99页第51页接近开关•常用的接近开关分类•接近开关的特点•接近开关的主要性能指标第二节传感器共99页第52页电涡流接近开关原理框图第二节传感器共99页第53页电磁传感器的应用（一）第二节传感器共99页第54页电磁传感器的应用（二）第二节传感器共99页第55页磁光效应传感器的原理光电效应外光电效应磁光效应传感器第二节传感器共99页第56页磁光效应传感器的结构第二节传感器共99页第57页常用磁光传感器光敏晶体管内部结构a)内部组成b)管芯结构c）结构简化图1－集电极引脚2－管芯3－外壳4－玻璃聚光镜5－发射极引脚6－N+衬底7－N型集电区8－SiO2保护圈9－集电结10－P型基区11－N型发射区12－发射结第二节传感器共99页第58页（8）激光传感器激光智能感测器是激光学领域地最新成果，采用功率安全可靠且不足以引爆任何油晶介质的激光作为探测光源，应用国际先进的激光传感技术而可广泛适用于石油、化工、冶金、锅炉等行业、领域的一种新型的非接触式智能测量仪表。它彻底解决了以前所应用的各种液位监测仪表之不足，不受介质温度、密度、压力等物理、化学性质的影响，可以测量本产晶温度范围内的所有的液体介质液位，其输出的数字信号可直接进入现场控制系统。第二节传感器共99页第59页激光传感器测量原理图激光传感器第二节传感器共99页第60页电量变送器电量变送器的用途、分类霍尔元件的原理第二节传感器共99页第61页B、应用UZJG型激光智能液位感测器区域检测传感器能稳定且高精度地检测检测光亮背景前的瓶子第二节传感器共99页第62页（9）其他传感器红外传感系统分类红外传感器工作原理目标大气衰减光学接收器光学调制器探测器信号处理探测器制冷设备显示第二节传感器共99页第63页仿生传感器仿生传感器，是一种采用新的检测原理的新型传感器。仿生传感器原理仿生传感器分类第二节传感器共99页第64页各种仿生传感器在图中我们可以看到，仿生传感器和生物学理论的方方面面都有密切的联系，是生物学理论发展的直接成果。第二节传感器共99页第65页执行器按其能源形式分为气动，电动和液动三大类，它们各有特点，适用于不同的场合。气动执行器电动执行器角行程直行程液动执行器第三节执行器第三节执行器共99页第66页A、气动执行器工作原理气动执行机构第三节执行器共99页第67页执行机构气动执行机构分类正作用形式反作用形式薄膜式活塞式第三节执行器共99页第68页B、电动执行器工作原理第三节执行器电动执行器组成方块图共99页第69页C、电-气转换器电-气转换器的作用第三节执行器共99页第70页电-气转换器原理结构图1-喷嘴挡板；2-调零弹簧；3-负反馈波纹管；4-十字弹簧；5-正反馈波纹管；6-杠杆；7-测量线圈；8-磁钢；9-铁芯；10-放大器第三节执行器共99页第71页电-气转换器工作过程第三节执行器共99页第72页电-气阀门定位器原理结构图1-力矩马达;2-主杠杆;3-平衡弹簧;4-反馈凸轮支点;5-反馈凸轮;6-负杠杆;7-负杠杆支点;8-薄膜执行机构;9-反馈杆;10-滚轮;11-反馈弹簧;12-调零弹簧;13-挡板;14-喷嘴;15-主杠杆支点第三节执行器共99页第73页电-气阀门定位器工作过程第三节执行器共99页第74页第四节虚拟仪器一、概述虚拟仪器中“虚拟”两字的含义第四节虚拟仪器共99页第75页仪器和测试技术发展第四节虚拟仪器虚拟仪器传统仪器开放性、灵活，可与计算机技术保持同步发展封闭性、仪器间配合较差关键是软件，系统性能升级方便，通过网络下载升级程序即可关键是硬件，升级成本较高，且升级必须上门服务价格低廉，仪器间资源可重复利用率高价格昂贵，仪器间一般无法相互利用用户可定义仪器功能只有厂家能定义仪器功能可以与网络及周边设备方便连接功能单一，只能连接有限的独立设备开发与维护费用降至最低开发与维护开销高技术更新周期短（1～2年）技术更新周期长（5～10年）共99页第76页客户定义的基于PC的测试测量和自动化的最终解决方案传统的仪器厂商所定义的仪器处理器RAMROM显示器电源硬盘第四节虚拟仪器共99页第77页虚拟仪器VirtualInstrumentation二、构成硬件软件第四节虚拟仪器共99页第78页三、基于计算机的测试系统第四节虚拟仪器电量传感器非电量传感器其他传感器信号处理器数据采集卡设备驱动程序虚拟仪器面板应用程序LabWindows/CVI函数LabWindows/CVI平台计算机虚拟仪器测试系统工作流程共99页第79页LabVIEW－图形化编程语言•可以编译的图形化编程语言环境•提高开发效率第四节虚拟仪器共99页第80页Demo:LabVIEWVI第四节虚拟仪器共99页第81页LabVIEW开发测试系统采集分析显示第四节虚拟仪器共99页第82页仪器控制架构GPIBExtenders2km1Hub2GPIB/SerialEnettoGPIB/Serial3Ethernet-basedInstrument4第四节虚拟仪器共99页第83页数据采集系统结构•数据采集卡•信号调理•连接附件•传感器第四节虚拟仪器共99页第84页数据采集卡•Multifunction–AnalogI/O,DigitalI/O,Counter/Timer第四节虚拟仪器共99页第85页视频和运动系统组件MotorDrive/AmplifierMotororActuatorandFeedbackIMAQCameraMotionControllerIMAQBoard第四节虚拟仪器共99页第86页图像分析软件图像开发模块•配置软件(VisionBuilder)–Quicklyprototypevisionapplications–CreateLabVIEWVIs•可编程软件(IMAQVision)–Morethan150imageprocessingfunctions–FunctionscompatiblewithLabVIEW,C,C+