自動檢測技術(shù)復習課件(湖南工程學院)

第一章檢測技術(shù)的基本概念

第二章電阻傳感器

第三章電感傳感器

第四章電渦流傳感器

第五章電容傳感器

第六章壓電傳感器

第七章超聲波傳感器

第八章霍爾傳感器

第九章熱電偶傳感器

第十章光電傳感器

第十二章抗干擾技術(shù)三、自動檢測系統(tǒng)的組成

不帶微處理器時自動檢測技術(shù)系統(tǒng)原理框圖所謂系統(tǒng)原理框圖，就是將系統(tǒng)中的主要功能或電路的名稱畫在方框內(nèi)，按信號的流程，將幾個方框用箭頭聯(lián)系起來，有時還可以在箭頭上方標出信號的名稱。

測量分類對于測量方法，從不同的角度出發(fā)，有不同的分類方法。根據(jù)被測量是否隨時間變化，可分為靜態(tài)測量和動態(tài)測量。根據(jù)測量的手段不同，可分為直接測量、間接測量和組合測量。根據(jù)測量結(jié)果的顯示方式，可分為模擬式測量和數(shù)字式測量。根據(jù)測量時是否與被測對象接觸，可分為接觸式測量和非接觸式測量。為了監(jiān)視生產(chǎn)過程，或在生產(chǎn)流水線上監(jiān)測產(chǎn)品質(zhì)量的測量稱為在線測量，反之，則稱為離線測量。根據(jù)測量的具體手段來分，又可分為偏位式測量、零位式測量和微差式測量。誤差產(chǎn)生的因素：1.粗大誤差

2023/2/34

明顯偏離真值的誤差稱為粗大誤差，也叫過失誤差。粗大誤差主要是由于測量人員的粗心大意及電子測量儀器受到突然而強大的干擾所引起的。如測錯、讀錯、記錯、外界過電壓尖峰干擾等造成的誤差。就數(shù)值大小而言，粗大誤差明顯超過正常條件下的誤差。當發(fā)現(xiàn)粗大誤差時，應(yīng)予以剔除。

2.系統(tǒng)誤差：2023/2/35

系統(tǒng)誤差也稱裝置誤差，它反映了測量值偏離真值的程度。凡誤差的數(shù)值固定或按一定規(guī)律變化者，均屬于系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差是有規(guī)律性的，因此可以通過實驗的方法或引入修正值的方法計算修正，也可以重新調(diào)整測量儀表的有關(guān)部件予以消除。

3.隨機誤差

在同一條件下，多次測量同一被測量，有時會發(fā)現(xiàn)測量值時大時小，誤差的絕對值及正、負以不可預見的方式變化，該誤差稱為隨機誤差，也稱偶然誤差，它反映了測量值離散性的大小。隨機誤差是測量過程中許多獨立的、微小的、偶然的因素引起的綜合結(jié)果。存在隨機誤差的測量結(jié)果中，雖然單個測量值誤差的出現(xiàn)是隨機的，既不能用實驗的方法消除，也不能修正，但是就誤差的整體而言，多數(shù)隨機誤差都服從正態(tài)分布規(guī)律。2023/2/36隨機誤差的正態(tài)分布規(guī)律2023/2/37長度相對測量值次數(shù)統(tǒng)計第一章檢測技術(shù)的基本概念

第二章電阻傳感器

第三章電感傳感器

第四章電渦流傳感器

第五章電容傳感器

第六章壓電傳感器

第七章超聲波傳感器

第八章霍爾傳感器

第九章熱電偶傳感器

第十章光電傳感器

第十二章抗干擾技術(shù)第一節(jié)電阻應(yīng)變傳感器

導體或半導體材料在外界力的作用下，會產(chǎn)生機械變形，其電阻值也將隨著發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。電阻應(yīng)變傳感器主要由電阻應(yīng)變片、彈性元件及測量轉(zhuǎn)換電橋電路等組成。應(yīng)變片的應(yīng)用：P31應(yīng)變力式傳感器、應(yīng)變扭矩傳感器、應(yīng)變式荷重傳感器第二節(jié)測溫熱電阻傳感器

一、金屬熱電阻的正溫度系數(shù)溫度升高，金屬內(nèi)部原子晶格的振動加劇，從而使金屬內(nèi)部的自由電子通過金屬導體時的阻礙增大，宏觀上表現(xiàn)出電阻率變大，電阻值增加，稱其為正溫度系數(shù)，即電阻值與溫度的變化趨勢相同。

熱電阻效應(yīng)——金屬或半導體的電阻隨溫度的變化而變化。測溫熱電阻可分為金屬和半導體兩大類。P36金屬熱電阻材料的主要技術(shù)性能

二、熱敏電阻傳感器（簡稱熱敏電阻）

熱敏電阻分類：負溫度系數(shù)（NTC，NegativeTemperatureCoefficient）、正溫度系數(shù)（PTC，PositiveTemperatureCoefficient）之分。

NTC又可分為兩大類：第一類的電阻值與溫度之間呈嚴格的負指數(shù)關(guān)系，因此可用于測量溫度：

第二類為突變型（CTR）。當溫度上升到某臨界點時，其電阻值突然下降，可用于控制溫度或抑制浪涌電流。第一章檢測技術(shù)的基本概念

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第三章電感傳感器

第四章電渦流傳感器

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第六章壓電傳感器

第七章超聲波傳感器

第八章霍爾傳感器

第九章熱電偶傳感器

第十章光電傳感器

第十二章抗干擾技術(shù)第一節(jié)自感傳感器

電感傳感器可分為自感式和互感式兩大類。電感式傳感器通常是指自感傳感器。自感系數(shù)常用L來表示，簡稱自感或電感。線圈的自感與線圈的直徑、長短、匝數(shù)等因素有關(guān)。線圈面積越大、線圈越長、單位長度匝數(shù)越密，它的自感就越大。有鐵芯的線圈的自感比沒有鐵芯時大很多。自感的單位是亨利,簡稱亨,符號是H。常用的較小的單位有毫亨(mH)和微亨(μH)。自感傳感器的數(shù)值多為mH數(shù)量級。

電感傳感器的基本工作原理演示氣隙減小，電感變大，電流變小F自感式電感傳感器常見的形式

a）變隙式b）變截面角位移式c）螺線管式1－繞組2－鐵心3－銜鐵4－測桿

5－導軌6－工件7－轉(zhuǎn)軸4~20mA二線制輸出方式

所謂二線制儀表是指儀表與外界的聯(lián)系只需兩根導線。多數(shù)情況下，其中一根（紅色）為+24V電源線，另一根（黑色）既作為電源負極引線，又作為信號傳輸線。在信號傳輸線的末端通過一只標準負載電阻（也稱取樣電阻）接地（也就是電源負極），將電流信號轉(zhuǎn)變成電壓信號。

2023/2/3174~20mA二線制儀表接線方法P742023/2/3184~20mA4~20mA二線制數(shù)顯表外形及計算2023/2/319

在上一張圖中，若取樣電阻RL=500.0，則對應(yīng)于4~20mA的輸出電流，輸出電壓Uo為2~10V。

第一章檢測技術(shù)的基本概念

第二章電阻傳感器

第三章電感傳感器

第四章電渦流傳感器

第五章電容傳感器

第六章壓電傳感器

第七章超聲波傳感器

第八章霍爾傳感器

第九章熱電偶傳感器

第十章光電傳感器

第十二章抗干擾技術(shù)第一節(jié)電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式

改變A、d、三個參量中的任意一個量，均可使平板電容的電容量C改變。固定三個參量中的兩個，可以做成三種類型的電容傳感器。

2023/2/321電容傳感器的基本理想公式為一、變面積式電容傳感器

圖a是平板形直線位移式結(jié)構(gòu)，其中極板1可以左右移動，稱為動極板。極板2固定不動，稱為定極板。圖b是同心圓筒形變面積式傳感器。外圓筒不動，內(nèi)圓筒在外圓筒內(nèi)作上、下直線運動。圖c是一個角位移式的結(jié)構(gòu)。極板2的軸由被測物體帶動而旋轉(zhuǎn)一個角位移

度時，兩極板的遮蓋面積A就減小，因而電容量也隨之減小。2023/2/322二、變極距式電容傳感器

當動極板受被測物體作用引起位移時，改變了兩極板之間的距離d，從而使電容量發(fā)生變化。

2023/2/323

實際使用時，總是使初始極距d0盡量小些，以提高靈敏度，但這也帶來了變極距式電容器的行程較小的缺點。變極距式電容傳感器的特性曲線

從圖中可以看到，為了提高靈敏度，應(yīng)使當d0小些還是大些？當變極距式電容傳感器的初始極距d0較小時，它的測量范圍變大還是變??？2023/2/324a）

結(jié)構(gòu)示意圖b）電容量與極板距離的關(guān)系1—定極板

2—動極板

三、變介電常數(shù)式

因為各種介質(zhì)的相對介電常數(shù)不同，所以在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)時，電容器的電容量也就不同。2023/2/325表5-1幾種介質(zhì)的相對介電常數(shù)在電容器兩極板間插入干的紙和潮濕的紙時，哪一種情況下的電容量大？第一章檢測技術(shù)的基本概念

第二章電阻傳感器

第三章電感傳感器

第四章電渦流傳感器

第五章電容傳感器

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第七章超聲波傳感器

第八章霍爾傳感器

第九章熱電偶傳感器

第十章光電傳感器

第十二章抗干擾技術(shù)第一節(jié)壓電傳感器的工作原理壓電式傳感器的特點：是一種自發(fā)電式傳感器。它以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)電量電測的目的。壓電傳感元件是力敏感元件，它可以測量最終能變換為力的那些非電物理量，例如動態(tài)力、振動、加速度等，但不能用于靜態(tài)參數(shù)的測量。

一、壓電效應(yīng)天然結(jié)構(gòu)的石英晶體呈六角形晶柱，用金剛石刀具切割出一片正方形薄片。當晶體薄片受到壓力時，晶格產(chǎn)生變形，表面產(chǎn)生電荷，電荷Q與所施加的力F成正比，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。還有一些人造材料也具有壓電效應(yīng)。若在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電壓，它就會產(chǎn)生機械變形。當去掉外加電場時，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）。第一章檢測技術(shù)的基本概念

第二章電阻傳感器

第三章電感傳感器

第四章電渦流傳感器

第五章電容傳感器

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第七章超聲波傳感器

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第九章熱電偶傳感器

第十章光電傳感器

第十二章抗干擾技術(shù)第一節(jié)超聲波物理基礎(chǔ)

頻率高于20kHz的機械振動波稱為超聲波。它的指向性很好，能量集中，因此穿透本領(lǐng)大，能穿透幾米厚的鋼板，而能量損失不大。在遇到兩種介質(zhì)的分界面（例如鋼板與空氣的交界面）時，能產(chǎn)生明顯的反射和折射現(xiàn)象，超聲波的頻率越高，其聲場指向性就愈好。2023/2/330超聲波液位計原理P1681—液面2—直管3—空氣超聲探頭4—反射小板5—電子開關(guān)2023/2/3第一章檢測技術(shù)的基本概念

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第十二章抗干擾技術(shù)第一節(jié)霍爾元件的結(jié)構(gòu)及工作原理

霍爾效應(yīng):半導體薄片置于磁感應(yīng)強度為B的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當有電流I流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢EH，導電薄膜越薄，靈敏度就越高。

第二節(jié)霍爾集成電路

霍爾集成電路可分為線性型和開關(guān)型兩大類。

線性型集成電路是將霍爾元件和恒流源、線性差動放大器等做在一個芯片上，輸出電壓為伏級，比直接使用霍爾元件方便得多。較典型的線性型霍爾器件如UGN3501等。線性型三端霍爾集成電路第一章檢測技術(shù)的基本概念

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第十二章抗干擾技術(shù)熱電偶工作原理演示

結(jié)論：當兩個結(jié)點溫度不相同時，回路中將產(chǎn)生電動勢。

熱電極A右端稱為：自由端（參考端、冷端）

第二節(jié)熱電偶的工作原理

左端稱為：測量端（工作端、熱端）

熱電極B熱電動勢AB有關(guān)熱電動勢的幾個結(jié)論1）如果熱電偶兩根電極材料相同，即使兩端溫度不同（t≠t0），但總輸出熱電動勢仍為零。因此必須由兩種不同材料才能構(gòu)成熱電偶。

2）如果熱電偶兩結(jié)點溫度相同，則回路總的熱電動勢必然等于零。兩結(jié)點溫差越大，熱電動勢越大。

3）式中未包含與熱電偶的尺寸形狀有關(guān)的參數(shù)，所以熱電動勢的大小只與材料和結(jié)點溫度有關(guān)。

熱電偶的兩個熱電極必須是不同材料的均質(zhì)導體，產(chǎn)生的熱電勢僅僅與兩結(jié)點溫度有關(guān)，與中間溫度無關(guān)，與熱電偶的形狀和尺寸無關(guān)。第四節(jié)熱電偶冷端的延長

采用相對廉價的補償導線，可延長熱電偶的冷端，使之遠離高溫區(qū)；可節(jié)約大量貴金屬；易彎曲，便于敷設(shè)。

補償導線在0～100℃范圍內(nèi)的熱電動勢與配套的熱電偶的熱電動勢相等，所以不影響測量準確度。第一章檢測技術(shù)的基本概念

第二章電阻傳感器

第三章電感傳感器

第四章電渦流傳感器

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第十章光電傳感器

第十二章抗干擾技術(shù)光電效應(yīng)的分類第一類：在光線的作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，基于外光電效應(yīng)的光電元件有光電管、光電倍增管、光電攝像管等。第二類：在光線的作用下能使物體的電阻率改變的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)，也稱為光電導效應(yīng)?；趦?nèi)光電效應(yīng)的光電元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏晶體管及光敏晶閘管等。第三類：在光線的作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)，基于光生伏特效應(yīng)的光電元件有光電池等。第一類光電元件屬于玻璃真空管元件，第二、三類屬于半導體元件。光敏三極管光控繼電器電路

當無光照時，V1截止，IΦ=0，則V2處于什么狀態(tài)？繼電器KA吸合還是釋放？如果將V1與Rb2位置上下對調(diào)，其結(jié)果如何？

P232

2023/2/341第一章檢測技術(shù)的基本概念

第二章電阻傳感器

第三章電感傳感器

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第七章超聲波傳感器

第八章霍爾傳感器

第九章熱電偶傳感器

第十章光電傳感器

第十二章抗干擾技術(shù)噪聲源及干擾源1.機械騷擾機械振動或沖擊使電子檢測裝置中的元件發(fā)生振動，改變了系統(tǒng)的電氣參數(shù)，造成可逆或不可逆的影響。對于機械騷擾，可選用專用減振彈簧-橡膠墊腳或吸振橡膠海綿墊來降低系統(tǒng)的諧振頻率，吸收振動的能量，從而減小系統(tǒng)的振幅。

橡膠海綿軟墊橡膠墊腳及彈簧2.濕度及化學騷擾

當環(huán)境相對濕度增加時，物體表面就會附著一層水膜，并滲入材料內(nèi)部，降低了絕緣強度，造成了漏電、擊穿和短路現(xiàn)象；潮濕還會產(chǎn)生原電池電化學干擾電壓。某些化學物品如酸、堿、鹽、各種腐蝕性氣體以及沿海地區(qū)的鹽霧也會造成與潮濕類似的漏電腐蝕現(xiàn)象，必須采取以下措施來加以保護：浸漆、密封、定期通電加熱驅(qū)潮等。用絕緣漆浸漬過的控制變壓器浸漆可防止水分進入線圈內(nèi)部3.熱騷擾

熱量，特別是溫度波動以及不均勻的溫度場對檢測裝置的干擾主要體現(xiàn)在以下幾個方面：元件參數(shù)的變化（溫漂）、接觸熱電勢干擾、元器件長期在高溫下工作時，引起壽命和耐壓等級降低等?？朔岣蓴_的防護措施有：選用低溫漂元件，采取軟、硬件溫度補償措施，選用低功耗、低發(fā)熱元件，提高元器件規(guī)格余量，儀器的前置輸入級遠離發(fā)熱元件，加強散熱、采用熱屏蔽等。4.固有噪聲騷擾

在電路中，電子元件本身產(chǎn)生的、具有隨機性、寬頻帶的噪聲稱為固有噪聲。最重要的固有噪聲源是電阻熱噪聲、半導體散粒噪聲和接觸噪聲等。固有噪聲可以從喇叭或耳機中反映出來，但更多的時候是反映在輸出電壓的無規(guī)律跳變上。5.電、磁噪聲騷擾

電磁波可以通過電網(wǎng)以及直接輻射的形式傳播到離這些噪聲源很遠的檢測裝置中。在工頻輸電線附近也存在強大的交變電場，在強電流輸電線附近存在干擾磁場，他們將對靈敏的檢測裝置造成干擾。由于這些干擾源功率強大，要消除他們的影響較為困難，必須采取多種措施來防護，見下述。

第三節(jié)幾種電磁兼容控制技術(shù)抗電磁干擾技術(shù)有