第6章 电气测量与检测

1、共99页第1页共99页第2页第一节第一节 仪器仪表的技术进展仪器仪表的技术进展第二节第二节 传感器传感器第三节第三节 执行器执行器第四节第四节 虚拟仪器虚拟仪器第五节第五节 智能仪器仪表智能仪器仪表第六节第六节 多传感器数据融合技术多传感器数据融合技术共99页第3页第一节第一节 仪器仪表的技术进展仪器仪表的技术进展仪器仪表分类仪器仪表分类仪器仪表的发展仪器仪表的发展共99页第4页传感器的地位和作用传感器的地位和作用1 1传感器技术是信息技术的基础与支柱传感器技术是信息技术的基础与支柱 信息采集信息采集 信息传输信息传输 信息处理信息处理 第二节第二节 传感器传感器第二节 传感器共99页第5页2

2、 2传感器技术已经广泛应用于各个学科领域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、农业自动化化工、农业自动化化应用领域应用领域第二节 传感器共99页第7页航天技术航天技术军事领域军事领域应用领域应用领域第二节 传感器共99页第8页机器人技术机器人技术资源开发资源开发应用领域应用领域第二节 传感器共99页第9页环境监测环境监测海洋探测海洋探测安全保卫安全保卫应用领域应用领域第二节 传感器共99页第10页医疗诊断医疗诊断交通运输交通运输家用电器家用电器应用领域应用领域第二节 传感器共99页第11页传感器的定义及构成传感器的定义及构成 被测信息被测信息敏感元件敏感元件转换

3、元件转换元件辅助电路辅助电路信号调理电路信号调理电路输出信息输出信息 传感器传感器(Transducer/Sensor)(Transducer/Sensor)的定义的定义 传感器的组成部分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分类 传感器的输入、输出特性传感器的输入、输出特性作图法求灵敏度过程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 压力传感器的发展历史压力传感器的发展历史 压力传感器的发展趋势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测量的理论基础简述 压力的定义压力的定义 气体和液体的压力气体和

4、液体的压力 压力的单位压力的单位 压力的形式压力的形式第二节 传感器共99页第15页 压压 力力 作作 用用 膜片形变（应变）膜片形变（应变） 应变片电阻改变应变片电阻改变 敏感元件敏感元件转换元件转换元件单晶硅膜片(受压面)A、基本测量原理、基本测量原理第二节 传感器共99页第16页第二节 传感器共99页第17页24V420mA1mA0.5mA3.519.5mA0.5mA319mA采样电阻（一般为250欧姆标准电阻）电量接受端压力变送端L022f112 第二节 传感器共99页第18页 (a) 绝对压力测量绝对压力测量应变膜片孔应变膜片孔12气孔压力参考真空室密封应变膜片(b) 表压力测量表压

5、力测量 (c) 差压测量差压测量 B、压力传感器三种测量方式的结构、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、各种压力传感器第二节 传感器共99页第20页温度传感器温度传感器 温度测量的基本概念温度测量的基本概念 温度测量的基本概念温度测量的基本概念 温温 标标 温度传感器的分类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、基本测量原理 热电效应热电效应 热电偶原理图热电偶原理图 EAB（T，T0）= fAB（t） 第二节 传感器共99页第22页几种常用热电偶的热电极几种常用热电偶的热电极 分度号分度号正正 极极 （GradeGrade）负

6、负 极极 （GradeGrade）N N镍铬硅（镍铬硅（Ni-Cr-SiNi-Cr-Si）镍硅（镍硅（Ni-SiNi-Si）K K镍铬（镍铬（Ni-CrNi-Cr）镍铬（铝）（镍铬（铝）（Ni-CrNi-Cr （AIAI）E E镍铬镍铬 （Ni-CrNi-Cr）铜镍（康铜）（铜镍（康铜）（Cu-NiCu-Ni（ConstantanConstantan）J J铁（铁（FeFe）铜镍（康铜）（铜镍（康铜）（Cu-NiCu-Ni（ConstantanConstantan）T T铜（铜（CuCu）铜镍铜镍( (康铜康铜) ) （Cu-Ni( Constantan)Cu-Ni( Constantan)）

7、S S铂铑（铂铑（PtPt（RhRh 10 10）铂（铂（PtPt）R R铂铑（铂铑（PtPt（RhRh 13 13）铂（铂（PtPt）B B铂铑（铂铑（PtPt（RhRh 30 30）铂（铂（PtPt（RhRh 10 10）第二节 传感器共99页第23页 测温热电阻传感器测温热电阻传感器 热敏电阻热敏电阻材料材料温度温度(t/)(t/)电阻率电阻率/(10/(10-8-8m)m)电阻温度系数电阻温度系数0 0/-1-1银银20201.5861.5860.0038(20)0.0038(20)铜铜20201.6781.6780.00393(20)0.00393(20)金金20202.402.40

8、0.00324(20)0.00324(20)镍镍20206.846.840.0069(0100)0.0069(0100)铂铂202010.610.60.00324(0100)0.00324(0100)第二节 传感器共99页第24页 B、常用温度测量接口电路常用温度测量接口电路 第二节 传感器共99页第25页第二节 传感器共99页第26页在线式红外测温仪在线式红外测温仪热敏电阻热敏电阻 C、温度测量传感器温度测量传感器 红外体温仪红外体温仪空调温度传感器空调温度传感器 微小的温度传感器微小的温度传感器 铠装热电偶热电阻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信号调理电路的

9、作用 较高的精度较高的精度 噪声抑制噪声抑制/ /隔离隔离 系统灵活性系统灵活性/ /自诊断性自诊断性 降低成本降低成本第二节 传感器共99页第28页湿度传感器湿度传感器 湿度的危害湿度的危害 湿敏电阻的原理湿敏电阻的原理 干湿球湿度计测量相对湿度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湿度对仪器影响示意图 干湿球湿度计原理图干湿球湿度计原理图第二节 传感器共99页第29页物位传感器物位传感器 超声波检测技术超声波检测技术 测量原理测量原理 特点特点 适用范围适用范围第二节 传感器共99页第30页第二节 传感器共99页第31页B、实际应用电路、实际应用电路第二节 传感器共99页

10、第32页测厚仪测厚仪物位检测仪物位检测仪无损探测无损探测测距仪测距仪液位仪液位仪B 超超接近开关接近开关C、各种应用、各种应用第二节 传感器共99页第33页雷达检测技术雷达检测技术 时域发射技术时域发射技术第二节 传感器共99页第34页 调频连续波技术调频连续波技术频率控制回路原理方框图频率控制回路原理方框图 FMCWFMCW雷达测量原理图雷达测量原理图第二节 传感器共99页第35页流量传感器流量传感器 流量测量方法流量测量方法 节流装置节流装置文丘里喷嘴在管道中的位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

11、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浮子流量计工作原理浮子流量计工作原理1-1-锥形管锥形管 2-2-浮子浮子 3-3-流通环隙流通环隙第二节 传感器共99页第38页容积式流量计的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 第二节 传感器共99页第40页涡轮流量计涡轮流量计第二节 传感器共99页第41页第二节 传感器共99页第42页超声波流量计超声波流量计测量原理测量原理测量流量原理分类测量流量原理分类 第二节 传感器共99页第43页时间差法测量流量原理时间差法测量流量原理 第二节 传感器共99页第44

12、页频率差法测量流量原理图频率差法测量流量原理图a a） 异侧异侧 b b） 同侧同侧第二节 传感器共99页第45页光纤传感器流量计光纤传感器流量计光纤传感器检测透明的有色物体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页电磁流量计电磁流量计 测量原理测量原理 第二节 传感器共99页第47页其它常用的流量计其它常用的流量计涡街流量计涡街流量计差压式流量计差压式流量计明渠流量仪明渠流量仪刮板流量计刮板流量计第二节 传感器共99页第48页电磁传感器电磁传感器 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。磁传感器的最早的一种应用。 磁旋转传

13、感器主要组成部分。磁旋转传感器主要组成部分。第二节 传感器共99页第49页第二节 传感器共99页第50页霍尔转速表霍尔转速表 霍尔转速表原理霍尔转速表原理a) a) 齿未对准霍尔元件时磁力线分散的情况齿未对准霍尔元件时磁力线分散的情况 b) b) 齿对准霍尔元件时磁力线集中的情况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页接近开关接近开关 常用的接近开关分类常用的接近开关分类 接近开关的特点接近开关的特点 接近开关的主要性能指标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）

14、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）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磁光效应传感器的原理光电效应光电效应外光电效应外光电效应磁光效应传感器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页常用磁光传感器常用磁光传感器光敏晶体管内部结构光敏晶体管内部结构a)a) 内部组成内部组成 b)b)管芯结构管芯结构 c c）结构简化图）结构简化图1 1集电极引脚集电极引脚 2 2管芯管芯 3 3外壳外壳 4 4玻璃聚光镜玻璃聚光镜 5 5发射极引脚发射极引脚 6 6

15、N+N+衬底衬底 7 7N N型集电区型集电区 8 8SiO2SiO2保护圈保护圈 9 9集电结集电结 1010P P型基区型基区 1111N N型发射区型发射区 1212发射结发射结第二节 传感器共99页第58页（8）激光传感器）激光传感器 激光智能感测器是激光学领域地最新成果，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

16、智能测量仪等行业、领域的一种新型的非接触式智能测量仪表。表。 它彻底解决了以前所应用的各种液位它彻底解决了以前所应用的各种液位 监测监测仪表之不足，不受介质温度、密度、压力等物理、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化学性质的影响，可以测量本产晶温度 范围内范围内的所有的液体介质液位，其输出的数字信号可直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。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测量原理图 激光传感器激光传感器第二节 传感器共99页第60页电量变送器电量变送器 电量变送器的用途、分类电量

17、变送器的用途、分类 霍尔元件的原理霍尔元件的原理第二节 传感器共99页第61页B、应用、应用 第二节 传感器共99页第62页（9）其他传感器）其他传感器 红外传感系统分类红外传感系统分类 红外传感器工作原理红外传感器工作原理第二节 传感器共99页第63页仿生传感器仿生传感器 仿生传感器，是一种采用新的检测原仿生传感器，是一种采用新的检测原理的新型传感器。理的新型传感器。 仿生传感器原理仿生传感器原理 仿生传感器分类仿生传感器分类第二节 传感器共99页第64页 在图中我们可以看到，仿生传感器和生物学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，是生物学理论理论的方方面面都有

18、密切的联系，是生物学理论发展的直接成果。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，适用于不和液动三大类，它们各有特点，适用于不同的场合。同的场合。第三节 执行器第三节第三节 执行器执行器共99页第66页A、气动执行器工作原理、气动执行器工作原理第三节 执行器共99页第67页 执行机构执行机构 气动执行机构分类气动执行机构分类 正作用形式正作用形式 反作用形式反作用形式第三节 执行器共99页第68页B、电动执行器工作原理、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电动执行器组成方块图共99

19、页第69页C、电、电-气转换器气转换器 电电- -气转换器的作用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；喷嘴挡板； 2- 调零弹簧；调零弹簧； 3- 负反馈波纹管；负反馈波纹管； 4- 十字弹簧；十字弹簧； 5- 正反馈波纹管；正反馈波纹管； 6- 杠杆；杠杆； 7- 测量线圈；测量线圈； 8- 磁钢；磁钢； 9- 铁芯；铁芯； 10- 放大器放大器第三节 执行器共99页第71页电电-气转换器工作过程气转换器工作过程第三节 执行器共99页第72页电电-气阀门定位器原理结构图气阀门定位器原理结构图1- 力矩马达力矩马达; 2- 主杠杆主杠杆; 3- 平衡

20、弹簧平衡弹簧;4- 反馈凸轮支点反馈凸轮支点;5- 反馈凸轮反馈凸轮; 6- 负杠杆负杠杆; 7- 负杠杆支点负杠杆支点;8- 薄膜执行机构薄膜执行机构;9- 反馈杆反馈杆; 10- 滚轮滚轮; 11- 反馈弹簧反馈弹簧; 12- 调零弹簧调零弹簧; 13- 挡板挡板; 14- 喷嘴喷嘴; 15- 主杠杆支点主杠杆支点 第三节 执行器共99页第73页电电-气阀门定位器工作过程气阀门定位器工作过程第三节 执行器共99页第74页第四节第四节 虚拟仪器虚拟仪器一、概述一、概述 虚拟仪器中虚拟仪器中“虚拟虚拟”两字的含义两字的含义第四节 虚拟仪器共99页第75页仪器和测试技术发展仪器和测试技术发展第四

21、节 虚拟仪器虚拟仪器虚拟仪器传统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（12年）技术更新周期长（510年）共99页第76页客户定义的基于客户定义的基于PC的测试测量和自的测试测量和自动化的最终解决方案动化的最终解决方案传统的仪器厂商所定义传统的仪器

22、厂商所定义的仪器的仪器处理器处理器RAMROM显示器显示器电源电源硬盘硬盘第四节 虚拟仪器共99页第77页虚拟仪器 Virtual Instrumentation二、构成二、构成 硬件硬件 软件软件第四节 虚拟仪器共99页第78页三、基于计算机的测试系统三、基于计算机的测试系统第四节 虚拟仪器虚拟仪器测试系统工作流程虚拟仪器测试系统工作流程 共99页第79页LabVIEWLabVIEW 图形化编程语言图形化编程语言 可以编译的图形化编程语言环境可以编译的图形化编程语言环境 提高开发效率提高开发效率 第四节 虚拟仪器共99页第80页Demo: LabVIEW VI第四节 虚拟仪器共99页第81页

23、LabVIEWLabVIEW 开发测试系统开发测试系统采集采集 分析分析 显示显示第四节 虚拟仪器共99页第82页仪器控制架构仪器控制架构GPIB Extenders1Hub2GPIB/SerialEnet to GPIB/Serial3Ethernet-based Instrument4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系统结构 数据采集卡数据采集卡 信号调理信号调理 连接附件连接附件 传感器传感器第四节 虚拟仪器共99页第84页数据采集卡数据采集卡 Multifunction Analog I/O, Digital I/O, Counter/Timer第四节 虚拟仪器

24、共99页第85页视频和运动系统组件视频和运动系统组件Motor Drive/AmplifierMotor or Actuator and FeedbackIMAQ CameraMotion ControllerIMAQ Board第四节 虚拟仪器共99页第86页图像分析软件图像分析软件图像开发模块图像开发模块 配置软件配置软件 (Vision Builder) Quickly prototype vision applications Create LabVIEW VIs 可编程软件可编程软件 (IMAQ Vision) More than 150 image processing functions Functions compatible with LabVIEW, C, C+, and Visual BasicReducedDevelopmentTime第四节 虚拟仪器共99页第87页运动控制系统运动控制系统反馈信号反馈信号Limit/Home/Index开关开关, I/OControl PanelFlowPressure Alarm ConditionsSTOPTemperature运动控制卡运动控制卡运动控制软件运动控制软件驱动驱动器器 / / 放大器放大器马达马达第四节 虚拟仪器共99页第88页 应用应用