第6章 電氣測量與檢測

1、共99頁第1頁共99頁第2頁第一節(jié)第一節(jié) 儀器儀表的技術進展儀器儀表的技術進展第二節(jié)第二節(jié) 傳感器傳感器第三節(jié)第三節(jié) 執(zhí)行器執(zhí)行器第四節(jié)第四節(jié) 虛擬儀器虛擬儀器第五節(jié)第五節(jié) 智能儀器儀表智能儀器儀表第六節(jié)第六節(jié) 多傳感器數據融合技術多傳感器數據融合技術共99頁第3頁第一節(jié)第一節(jié) 儀器儀表的技術進展儀器儀表的技術進展儀器儀表分類儀器儀表分類儀器儀表的發(fā)展儀器儀表的發(fā)展共99頁第4頁傳感器的地位和作用傳感器的地位和作用1 1傳感器技術是信息技術的基礎與支柱傳感器技術是信息技術的基礎與支柱 信息采集信息采集 信息傳輸信息傳輸 信息處理信息處理 第二節(jié)第二節(jié) 傳感器傳感器第二節(jié) 傳感器共99頁第5頁2

2、 2傳感器技術已經廣泛應用于各個學科領域傳感器技術已經廣泛應用于各個學科領域 第二節(jié) 傳感器共99頁第6頁工、農業(yè)自動化化工、農業(yè)自動化化應用領域應用領域第二節(jié) 傳感器共99頁第7頁航天技術航天技術軍事領域軍事領域應用領域應用領域第二節(jié) 傳感器共99頁第8頁機器人技術機器人技術資源開發(fā)資源開發(fā)應用領域應用領域第二節(jié) 傳感器共99頁第9頁環(huán)境監(jiān)測環(huán)境監(jiān)測海洋探測海洋探測安全保衛(wèi)安全保衛(wèi)應用領域應用領域第二節(jié) 傳感器共99頁第10頁醫(yī)療診斷醫(yī)療診斷交通運輸交通運輸家用電器家用電器應用領域應用領域第二節(jié) 傳感器共99頁第11頁傳感器的定義及構成傳感器的定義及構成 被測信息被測信息敏感元件敏感元件轉換

3、元件轉換元件輔助電路輔助電路信號調理電路信號調理電路輸出信息輸出信息 傳感器傳感器(Transducer/Sensor)(Transducer/Sensor)的定義的定義 傳感器的組成部分傳感器的組成部分第二節(jié) 傳感器共99頁第12頁 傳感器的分類傳感器的分類 傳感器的輸入、輸出特性傳感器的輸入、輸出特性作圖法求靈敏度過程作圖法求靈敏度過程 第二節(jié) 傳感器共99頁第13頁壓力傳感器壓力傳感器 壓力傳感器的發(fā)展歷史壓力傳感器的發(fā)展歷史 壓力傳感器的發(fā)展趨勢壓力傳感器的發(fā)展趨勢 第二節(jié) 傳感器共99頁第14頁壓力測量的理論基礎簡述壓力測量的理論基礎簡述 壓力的定義壓力的定義 氣體和液體的壓力氣體和

4、液體的壓力 壓力的單位壓力的單位 壓力的形式壓力的形式第二節(jié) 傳感器共99頁第15頁 壓壓 力力 作作 用用 膜片形變（應變）膜片形變（應變） 應變片電阻改變應變片電阻改變 敏感元件敏感元件轉換元件轉換元件單晶硅膜片(受壓面)A、基本測量原理、基本測量原理第二節(jié) 傳感器共99頁第16頁第二節(jié) 傳感器共99頁第17頁24V420mA1mA0.5mA3.519.5mA0.5mA319mA采樣電阻（一般為250歐姆標準電阻）電量接受端壓力變送端L022f112 第二節(jié) 傳感器共99頁第18頁 (a) 絕對壓力測量絕對壓力測量應變膜片孔應變膜片孔12氣孔壓力參考真空室密封應變膜片(b) 表壓力測量表壓

5、力測量 (c) 差壓測量差壓測量 B、壓力傳感器三種測量方式的結構、壓力傳感器三種測量方式的結構第二節(jié) 傳感器共99頁第19頁C、各種壓力傳感器、各種壓力傳感器第二節(jié) 傳感器共99頁第20頁溫度傳感器溫度傳感器 溫度測量的基本概念溫度測量的基本概念 溫度測量的基本概念溫度測量的基本概念 溫溫 標標 溫度傳感器的分類溫度傳感器的分類第二節(jié) 傳感器共99頁第21頁A、基本測量原理、基本測量原理 熱電效應熱電效應 熱電偶原理圖熱電偶原理圖 EAB（T，T0）= fAB（t） 第二節(jié) 傳感器共99頁第22頁幾種常用熱電偶的熱電極幾種常用熱電偶的熱電極 分度號分度號正正 極極 （GradeGrade）負

6、負 極極 （GradeGrade）N N鎳鉻硅（鎳鉻硅（Ni-Cr-SiNi-Cr-Si）鎳硅（鎳硅（Ni-SiNi-Si）K K鎳鉻（鎳鉻（Ni-CrNi-Cr）鎳鉻（鋁）（鎳鉻（鋁）（Ni-CrNi-Cr （AIAI）E E鎳鉻鎳鉻 （Ni-CrNi-Cr）銅鎳（康銅）（銅鎳（康銅）（Cu-NiCu-Ni（ConstantanConstantan）J J鐵（鐵（FeFe）銅鎳（康銅）（銅鎳（康銅）（Cu-NiCu-Ni（ConstantanConstantan）T T銅（銅（CuCu）銅鎳銅鎳( (康銅康銅) ) （Cu-Ni( Constantan)Cu-Ni( Constantan)）

7、S S鉑銠（鉑銠（PtPt（RhRh 10 10）鉑（鉑（PtPt）R R鉑銠（鉑銠（PtPt（RhRh 13 13）鉑（鉑（PtPt）B B鉑銠（鉑銠（PtPt（RhRh 30 30）鉑（鉑（PtPt（RhRh 10 10）第二節(jié) 傳感器共99頁第23頁 測溫熱電阻傳感器測溫熱電阻傳感器 熱敏電阻熱敏電阻材料材料溫度溫度(t/)(t/)電阻率電阻率/(10/(10-8-8m)m)電阻溫度系數電阻溫度系數0 0/-1-1銀銀20201.5861.5860.0038(20)0.0038(20)銅銅20201.6781.6780.00393(20)0.00393(20)金金20202.402.40

8、0.00324(20)0.00324(20)鎳鎳20206.846.840.0069(0100)0.0069(0100)鉑鉑202010.610.60.00324(0100)0.00324(0100)第二節(jié) 傳感器共99頁第24頁 B、常用溫度測量接口電路常用溫度測量接口電路 第二節(jié) 傳感器共99頁第25頁第二節(jié) 傳感器共99頁第26頁在線式紅外測溫儀在線式紅外測溫儀熱敏電阻熱敏電阻 C、溫度測量傳感器溫度測量傳感器 紅外體溫儀紅外體溫儀空調溫度傳感器空調溫度傳感器 微小的溫度傳感器微小的溫度傳感器 鎧裝熱電偶熱電阻鎧裝熱電偶熱電阻第二節(jié) 傳感器共99頁第27頁信號調理電路的作用信號調理電路的

9、作用 較高的精度較高的精度 噪聲抑制噪聲抑制/ /隔離隔離 系統(tǒng)靈活性系統(tǒng)靈活性/ /自診斷性自診斷性 降低成本降低成本第二節(jié) 傳感器共99頁第28頁濕度傳感器濕度傳感器 濕度的危害濕度的危害 濕敏電阻的原理濕敏電阻的原理 干濕球濕度計測量相對濕度的原理干濕球濕度計測量相對濕度的原理濕度對儀器影響示意圖濕度對儀器影響示意圖 干濕球濕度計原理圖干濕球濕度計原理圖第二節(jié) 傳感器共99頁第29頁物位傳感器物位傳感器 超聲波檢測技術超聲波檢測技術 測量原理測量原理 特點特點 適用范圍適用范圍第二節(jié) 傳感器共99頁第30頁第二節(jié) 傳感器共99頁第31頁B、實際應用電路、實際應用電路第二節(jié) 傳感器共99頁

10、第32頁測厚儀測厚儀物位檢測儀物位檢測儀無損探測無損探測測距儀測距儀液位儀液位儀B 超超接近開關接近開關C、各種應用、各種應用第二節(jié) 傳感器共99頁第33頁雷達檢測技術雷達檢測技術 時域發(fā)射技術時域發(fā)射技術第二節(jié) 傳感器共99頁第34頁 調頻連續(xù)波技術調頻連續(xù)波技術頻率控制回路原理方框圖頻率控制回路原理方框圖 FMCWFMCW雷達測量原理圖雷達測量原理圖第二節(jié) 傳感器共99頁第35頁流量傳感器流量傳感器 流量測量方法流量測量方法 節(jié)流裝置節(jié)流裝置文丘里噴嘴在管道中的位置文丘里噴嘴在管道中的位置 第二節(jié) 傳感器共99頁第36頁浮子流量計浮子流量計 圖3 金屬管浮子流量計結構1-轉換部分；2-傳感

11、器部分；3-導桿；4-浮子；5-錐形管部分；第二節(jié) 傳感器共99頁第37頁浮子流量計工作原理浮子流量計工作原理浮子流量計工作原理浮子流量計工作原理1-1-錐形管錐形管 2-2-浮子浮子 3-3-流通環(huán)隙流通環(huán)隙第二節(jié) 傳感器共99頁第38頁容積式流量計的工作原理容積式流量計的工作原理第二節(jié) 傳感器共99頁第39頁 第二節(jié) 傳感器共99頁第40頁渦輪流量計渦輪流量計第二節(jié) 傳感器共99頁第41頁第二節(jié) 傳感器共99頁第42頁超聲波流量計超聲波流量計測量原理測量原理測量流量原理分類測量流量原理分類 第二節(jié) 傳感器共99頁第43頁時間差法測量流量原理時間差法測量流量原理 第二節(jié) 傳感器共99頁第44

12、頁頻率差法測量流量原理圖頻率差法測量流量原理圖a a） 異側異側 b b） 同側同側第二節(jié) 傳感器共99頁第45頁光纖傳感器流量計光纖傳感器流量計光纖傳感器檢測透明的有色物體光纖傳感器檢測透明的有色物體第二節(jié) 傳感器共99頁第46頁電磁流量計電磁流量計 測量原理測量原理 第二節(jié) 傳感器共99頁第47頁其它常用的流量計其它常用的流量計渦街流量計渦街流量計差壓式流量計差壓式流量計明渠流量儀明渠流量儀刮板流量計刮板流量計第二節(jié) 傳感器共99頁第48頁電磁傳感器電磁傳感器 磁傳感器是最古老的傳感器，指南針是磁傳感器是最古老的傳感器，指南針是磁傳感器的最早的一種應用。磁傳感器的最早的一種應用。 磁旋轉傳

13、感器主要組成部分。磁旋轉傳感器主要組成部分。第二節(jié) 傳感器共99頁第49頁第二節(jié) 傳感器共99頁第50頁霍爾轉速表霍爾轉速表 霍爾轉速表原理霍爾轉速表原理a) a) 齒未對準霍爾元件時磁力線分散的情況齒未對準霍爾元件時磁力線分散的情況 b) b) 齒對準霍爾元件時磁力線集中的情況齒對準霍爾元件時磁力線集中的情況第二節(jié) 傳感器共99頁第51頁接近開關接近開關 常用的接近開關分類常用的接近開關分類 接近開關的特點接近開關的特點 接近開關的主要性能指標接近開關的主要性能指標第二節(jié) 傳感器共99頁第52頁電渦流接近開關原理框圖電渦流接近開關原理框圖 第二節(jié) 傳感器共99頁第53頁電磁傳感器的應用（一）

14、電磁傳感器的應用（一）第二節(jié) 傳感器共99頁第54頁電磁傳感器的應用（二）電磁傳感器的應用（二）第二節(jié) 傳感器共99頁第55頁磁光效應傳感器的原理磁光效應傳感器的原理光電效應光電效應外光電效應外光電效應磁光效應傳感器磁光效應傳感器第二節(jié) 傳感器共99頁第56頁磁光效應傳感器的結構磁光效應傳感器的結構第二節(jié) 傳感器共99頁第57頁常用磁光傳感器常用磁光傳感器光敏晶體管內部結構光敏晶體管內部結構a)a) 內部組成內部組成 b)b)管芯結構管芯結構 c c）結構簡化圖）結構簡化圖1 1集電極引腳集電極引腳 2 2管芯管芯 3 3外殼外殼 4 4玻璃聚光鏡玻璃聚光鏡 5 5發(fā)射極引腳發(fā)射極引腳 6 6

15、N+N+襯底襯底 7 7N N型集電區(qū)型集電區(qū) 8 8SiO2SiO2保護圈保護圈 9 9集電結集電結 1010P P型基區(qū)型基區(qū) 1111N N型發(fā)射區(qū)型發(fā)射區(qū) 1212發(fā)射結發(fā)射結第二節(jié) 傳感器共99頁第58頁（8）激光傳感器）激光傳感器 激光智能感測器是激光學領域地最新成果，激光智能感測器是激光學領域地最新成果，采用功率安全可靠且不足以引爆任何油晶介質采用功率安全可靠且不足以引爆任何油晶介質 的激光作為探測光源，應用國際先進的激光傳感的激光作為探測光源，應用國際先進的激光傳感技術而可廣泛適用于石油、化工、冶金、鍋爐技術而可廣泛適用于石油、化工、冶金、鍋爐 等行業(yè)、領域的一種新型的非接觸式

16、智能測量儀等行業(yè)、領域的一種新型的非接觸式智能測量儀表。表。 它徹底解決了以前所應用的各種液位它徹底解決了以前所應用的各種液位 監(jiān)測監(jiān)測儀表之不足，不受介質溫度、密度、壓力等物理、儀表之不足，不受介質溫度、密度、壓力等物理、化學性質的影響，可以測量本產晶溫度化學性質的影響，可以測量本產晶溫度 范圍內范圍內的所有的液體介質液位，其輸出的數字信號可直的所有的液體介質液位，其輸出的數字信號可直接進入現場控制系統(tǒng)。接進入現場控制系統(tǒng)。第二節(jié) 傳感器共99頁第59頁激光傳感器測量原理圖激光傳感器測量原理圖 激光傳感器激光傳感器第二節(jié) 傳感器共99頁第60頁電量變送器電量變送器 電量變送器的用途、分類電量

17、變送器的用途、分類 霍爾元件的原理霍爾元件的原理第二節(jié) 傳感器共99頁第61頁B、應用、應用 第二節(jié) 傳感器共99頁第62頁（9）其他傳感器）其他傳感器 紅外傳感系統(tǒng)分類紅外傳感系統(tǒng)分類 紅外傳感器工作原理紅外傳感器工作原理第二節(jié) 傳感器共99頁第63頁仿生傳感器仿生傳感器 仿生傳感器，是一種采用新的檢測原仿生傳感器，是一種采用新的檢測原理的新型傳感器。理的新型傳感器。 仿生傳感器原理仿生傳感器原理 仿生傳感器分類仿生傳感器分類第二節(jié) 傳感器共99頁第64頁 在圖中我們可以看到，仿生傳感器和生物學在圖中我們可以看到，仿生傳感器和生物學理論的方方面面都有密切的聯系，是生物學理論理論的方方面面都有

18、密切的聯系，是生物學理論發(fā)展的直接成果。發(fā)展的直接成果。第二節(jié) 傳感器共99頁第65頁 執(zhí)行器按其能源形式分為氣動，電動執(zhí)行器按其能源形式分為氣動，電動和液動三大類，它們各有特點，適用于不和液動三大類，它們各有特點，適用于不同的場合。同的場合。第三節(jié) 執(zhí)行器第三節(jié)第三節(jié) 執(zhí)行器執(zhí)行器共99頁第66頁A、氣動執(zhí)行器工作原理、氣動執(zhí)行器工作原理第三節(jié) 執(zhí)行器共99頁第67頁 執(zhí)行機構執(zhí)行機構 氣動執(zhí)行機構分類氣動執(zhí)行機構分類 正作用形式正作用形式 反作用形式反作用形式第三節(jié) 執(zhí)行器共99頁第68頁B、電動執(zhí)行器工作原理、電動執(zhí)行器工作原理第三節(jié) 執(zhí)行器電動執(zhí)行器組成方塊圖電動執(zhí)行器組成方塊圖共99

19、頁第69頁C、電、電-氣轉換器氣轉換器 電電- -氣轉換器的作用氣轉換器的作用第三節(jié) 執(zhí)行器共99頁第70頁電-氣轉換器原理結構圖1- 噴嘴擋板；噴嘴擋板； 2- 調零彈簧；調零彈簧； 3- 負反饋波紋管；負反饋波紋管； 4- 十字彈簧；十字彈簧； 5- 正反饋波紋管；正反饋波紋管； 6- 杠桿；杠桿； 7- 測量線圈；測量線圈； 8- 磁鋼；磁鋼； 9- 鐵芯；鐵芯； 10- 放大器放大器第三節(jié) 執(zhí)行器共99頁第71頁電電-氣轉換器工作過程氣轉換器工作過程第三節(jié) 執(zhí)行器共99頁第72頁電電-氣閥門定位器原理結構圖氣閥門定位器原理結構圖1- 力矩馬達力矩馬達; 2- 主杠桿主杠桿; 3- 平衡

20、彈簧平衡彈簧;4- 反饋凸輪支點反饋凸輪支點;5- 反饋凸輪反饋凸輪; 6- 負杠桿負杠桿; 7- 負杠桿支點負杠桿支點;8- 薄膜執(zhí)行機構薄膜執(zhí)行機構;9- 反饋桿反饋桿; 10- 滾輪滾輪; 11- 反饋彈簧反饋彈簧; 12- 調零彈簧調零彈簧; 13- 擋板擋板; 14- 噴嘴噴嘴; 15- 主杠桿支點主杠桿支點 第三節(jié) 執(zhí)行器共99頁第73頁電電-氣閥門定位器工作過程氣閥門定位器工作過程第三節(jié) 執(zhí)行器共99頁第74頁第四節(jié)第四節(jié) 虛擬儀器虛擬儀器一、概述一、概述 虛擬儀器中虛擬儀器中“虛擬虛擬”兩字的含義兩字的含義第四節(jié) 虛擬儀器共99頁第75頁儀器和測試技術發(fā)展儀器和測試技術發(fā)展第四

21、節(jié) 虛擬儀器虛擬儀器虛擬儀器傳統(tǒng)儀器傳統(tǒng)儀器開放性、靈活，可與計算機技術保持同步發(fā)展封閉性、儀器間配合較差關鍵是軟件，系統(tǒng)性能升級方便，通過網絡下載升級程序即可關鍵是硬件，升級成本較高，且升級必須上門服務價格低廉，儀器間資源可重復利用率高價格昂貴，儀器間一般無法相互利用用戶可定義儀器功能只有廠家能定義儀器功能可以與網絡及周邊設備方便連接功能單一，只能連接有限的獨立設備開發(fā)與維護費用降至最低開發(fā)與維護開銷高技術更新周期短（12年）技術更新周期長（510年）共99頁第76頁客戶定義的基于客戶定義的基于PC的測試測量和自的測試測量和自動化的最終解決方案動化的最終解決方案傳統(tǒng)的儀器廠商所定義傳統(tǒng)的儀器

22、廠商所定義的儀器的儀器處理器處理器RAMROM顯示器顯示器電源電源硬盤硬盤第四節(jié) 虛擬儀器共99頁第77頁虛擬儀器 Virtual Instrumentation二、構成二、構成 硬件硬件 軟件軟件第四節(jié) 虛擬儀器共99頁第78頁三、基于計算機的測試系統(tǒng)三、基于計算機的測試系統(tǒng)第四節(jié) 虛擬儀器虛擬儀器測試系統(tǒng)工作流程虛擬儀器測試系統(tǒng)工作流程 共99頁第79頁LabVIEWLabVIEW 圖形化編程語言圖形化編程語言 可以編譯的圖形化編程語言環(huán)境可以編譯的圖形化編程語言環(huán)境 提高開發(fā)效率提高開發(fā)效率 第四節(jié) 虛擬儀器共99頁第80頁Demo: LabVIEW VI第四節(jié) 虛擬儀器共99頁第81頁

23、LabVIEWLabVIEW 開發(fā)測試系統(tǒng)開發(fā)測試系統(tǒng)采集采集 分析分析 顯示顯示第四節(jié) 虛擬儀器共99頁第82頁儀器控制架構儀器控制架構GPIB Extenders1Hub2GPIB/SerialEnet to GPIB/Serial3Ethernet-based Instrument4第四節(jié) 虛擬儀器共99頁第83頁數據采集系統(tǒng)結構數據采集系統(tǒng)結構 數據采集卡數據采集卡 信號調理信號調理 連接附件連接附件 傳感器傳感器第四節(jié) 虛擬儀器共99頁第84頁數據采集卡數據采集卡 Multifunction Analog I/O, Digital I/O, Counter/Timer第四節(jié) 虛擬儀器

24、共99頁第85頁視頻和運動系統(tǒng)組件視頻和運動系統(tǒng)組件Motor Drive/AmplifierMotor or Actuator and FeedbackIMAQ CameraMotion ControllerIMAQ Board第四節(jié) 虛擬儀器共99頁第86頁圖像分析軟件圖像分析軟件圖像開發(fā)模塊圖像開發(fā)模塊 配置軟件配置軟件 (Vision Builder) Quickly prototype vision applications Create LabVIEW VIs 可編程軟件可編程軟件 (IMAQ Vision) More than 150 image processing functions Functions compatible with LabVIEW, C, C+, and Visual BasicReducedDevelopmentTime第四節(jié) 虛擬儀器共99頁第87頁運動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)反饋信號反饋信號Limit/Home/Index開關開關, I/OControl PanelFlowPressure Alarm ConditionsSTOPTemperature運動控制卡運動控制卡運動控制軟件運動控制軟件驅動驅動器器 / / 放大器放大器馬達馬達第四節(jié) 虛擬儀器共99頁第88頁 應用應用