自动检测技术复习课件(湖南工程学院)

第一章检测技术的基本概念

第二章电阻传感器

第三章电感传感器

第四章电涡流传感器

第五章电容传感器

第六章压电传感器

第七章超声波传感器

第八章霍尔传感器

第九章热电偶传感器

第十章光电传感器

第十二章抗干扰技术三、自动检测系统的组成

不带微处理器时自动检测技术系统原理框图所谓系统原理框图，就是将系统中的主要功能或电路的名称画在方框内，按信号的流程，将几个方框用箭头联系起来，有时还可以在箭头上方标出信号的名称。

测量分类对于测量方法，从不同的角度出发，有不同的分类方法。根据被测量是否随时间变化，可分为静态测量和动态测量。根据测量的手段不同，可分为直接测量、间接测量和组合测量。根据测量结果的显示方式，可分为模拟式测量和数字式测量。根据测量时是否与被测对象接触，可分为接触式测量和非接触式测量。为了监视生产过程，或在生产流水线上监测产品质量的测量称为在线测量，反之，则称为离线测量。根据测量的具体手段来分，又可分为偏位式测量、零位式测量和微差式测量。误差产生的因素：1.粗大误差

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明显偏离真值的误差称为粗大误差，也叫过失误差。粗大误差主要是由于测量人员的粗心大意及电子测量仪器受到突然而强大的干扰所引起的。如测错、读错、记错、外界过电压尖峰干扰等造成的误差。就数值大小而言，粗大误差明显超过正常条件下的误差。当发现粗大误差时，应予以剔除。

2.系统误差：2023/2/35

系统误差也称装置误差，它反映了测量值偏离真值的程度。凡误差的数值固定或按一定规律变化者，均属于系统误差。系统误差是有规律性的，因此可以通过实验的方法或引入修正值的方法计算修正，也可以重新调整测量仪表的有关部件予以消除。

3.随机误差

在同一条件下，多次测量同一被测量，有时会发现测量值时大时小，误差的绝对值及正、负以不可预见的方式变化，该误差称为随机误差，也称偶然误差，它反映了测量值离散性的大小。随机误差是测量过程中许多独立的、微小的、偶然的因素引起的综合结果。存在随机误差的测量结果中，虽然单个测量值误差的出现是随机的，既不能用实验的方法消除，也不能修正，但是就误差的整体而言，多数随机误差都服从正态分布规律。2023/2/36随机误差的正态分布规律2023/2/37长度相对测量值次数统计第一章检测技术的基本概念

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第十二章抗干扰技术第一节电阻应变传感器

导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，这种现象称为应变效应。电阻应变传感器主要由电阻应变片、弹性元件及测量转换电桥电路等组成。应变片的应用：P31应变力式传感器、应变扭矩传感器、应变式荷重传感器第二节测温热电阻传感器

一、金属热电阻的正温度系数温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。

热电阻效应——金属或半导体的电阻随温度的变化而变化。测温热电阻可分为金属和半导体两大类。P36金属热电阻材料的主要技术性能

二、热敏电阻传感器（简称热敏电阻）

热敏电阻分类：负温度系数（NTC，NegativeTemperatureCoefficient）、正温度系数（PTC，PositiveTemperatureCoefficient）之分。

NTC又可分为两大类：第一类的电阻值与温度之间呈严格的负指数关系，因此可用于测量温度：

第二类为突变型（CTR）。当温度上升到某临界点时，其电阻值突然下降，可用于控制温度或抑制浪涌电流。第一章检测技术的基本概念

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第十二章抗干扰技术第一节自感传感器

电感传感器可分为自感式和互感式两大类。电感式传感器通常是指自感传感器。自感系数常用L来表示，简称自感或电感。线圈的自感与线圈的直径、长短、匝数等因素有关。线圈面积越大、线圈越长、单位长度匝数越密，它的自感就越大。有铁芯的线圈的自感比没有铁芯时大很多。自感的单位是亨利,简称亨,符号是H。常用的较小的单位有毫亨(mH)和微亨(μH)。自感传感器的数值多为mH数量级。

电感传感器的基本工作原理演示气隙减小，电感变大，电流变小F自感式电感传感器常见的形式

a）变隙式b）变截面角位移式c）螺线管式1－绕组2－铁心3－衔铁4－测杆

5－导轨6－工件7－转轴4~20mA二线制输出方式

所谓二线制仪表是指仪表与外界的联系只需两根导线。多数情况下，其中一根（红色）为+24V电源线，另一根（黑色）既作为电源负极引线，又作为信号传输线。在信号传输线的末端通过一只标准负载电阻（也称取样电阻）接地（也就是电源负极），将电流信号转变成电压信号。

2023/2/3174~20mA二线制仪表接线方法P742023/2/3184~20mA4~20mA二线制数显表外形及计算2023/2/319

在上一张图中，若取样电阻RL=500.0，则对应于4~20mA的输出电流，输出电压Uo为2~10V。

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第三章电感传感器

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第十二章抗干扰技术第一节电容式传感器的工作原理及结构形式

改变A、d、三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电容量C改变。固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器。

2023/2/321电容传感器的基本理想公式为一、变面积式电容传感器

图a是平板形直线位移式结构，其中极板1可以左右移动，称为动极板。极板2固定不动，称为定极板。图b是同心圆筒形变面积式传感器。外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。图c是一个角位移式的结构。极板2的轴由被测物体带动而旋转一个角位移

度时，两极板的遮盖面积A就减小，因而电容量也随之减小。2023/2/322二、变极距式电容传感器

当动极板受被测物体作用引起位移时，改变了两极板之间的距离d，从而使电容量发生变化。

2023/2/323

实际使用时，总是使初始极距d0尽量小些，以提高灵敏度，但这也带来了变极距式电容器的行程较小的缺点。变极距式电容传感器的特性曲线

从图中可以看到，为了提高灵敏度，应使当d0小些还是大些？当变极距式电容传感器的初始极距d0较小时，它的测量范围变大还是变小？2023/2/324a）

结构示意图b）电容量与极板距离的关系1—定极板

2—动极板

三、变介电常数式

因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。2023/2/325表5-1几种介质的相对介电常数在电容器两极板间插入干的纸和潮湿的纸时，哪一种情况下的电容量大？第一章检测技术的基本概念

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第十二章抗干扰技术第一节压电传感器的工作原理压电式传感器的特点：是一种自发电式传感器。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现电量电测的目的。压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量，例如动态力、振动、加速度等，但不能用于静态参数的测量。

一、压电效应天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到压力时，晶格产生变形，表面产生电荷，电荷Q与所施加的力F成正比，这种现象称为压电效应。还有一些人造材料也具有压电效应。若在电介质的极化方向上施加交变电压，它就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。第一章检测技术的基本概念

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第十二章抗干扰技术第一节超声波物理基础

频率高于20kHz的机械振动波称为超声波。它的指向性很好，能量集中，因此穿透本领大，能穿透几米厚的钢板，而能量损失不大。在遇到两种介质的分界面（例如钢板与空气的交界面）时，能产生明显的反射和折射现象，超声波的频率越高，其声场指向性就愈好。2023/2/330超声波液位计原理P1681—液面2—直管3—空气超声探头4—反射小板5—电子开关2023/2/3第一章检测技术的基本概念

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第十二章抗干扰技术第一节霍尔元件的结构及工作原理

霍尔效应:半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，导电薄膜越薄，灵敏度就越高。

第二节霍尔集成电路

霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。

线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件如UGN3501等。线性型三端霍尔集成电路第一章检测技术的基本概念

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第十二章抗干扰技术热电偶工作原理演示

结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。

热电极A右端称为：自由端（参考端、冷端）

第二节热电偶的工作原理

左端称为：测量端（工作端、热端）

热电极B热电动势AB有关热电动势的几个结论1）如果热电偶两根电极材料相同，即使两端温度不同（t≠t0），但总输出热电动势仍为零。因此必须由两种不同材料才能构成热电偶。

2）如果热电偶两结点温度相同，则回路总的热电动势必然等于零。两结点温差越大，热电动势越大。

3）式中未包含与热电偶的尺寸形状有关的参数，所以热电动势的大小只与材料和结点温度有关。

热电偶的两个热电极必须是不同材料的均质导体，产生的热电势仅仅与两结点温度有关，与中间温度无关，与热电偶的形状和尺寸无关。第四节热电偶冷端的延长

采用相对廉价的补偿导线，可延长热电偶的冷端，使之远离高温区；可节约大量贵金属；易弯曲，便于敷设。

补偿导线在0～100℃范围内的热电动势与配套的热电偶的热电动势相等，所以不影响测量准确度。第一章检测技术的基本概念

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第十二章抗干扰技术光电效应的分类第一类：在光线的作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管、光电摄像管等。第二类：在光线的作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应，也称为光电导效应。基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管及光敏晶闸管等。第三类：在光线的作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应，基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。第一类光电元件属于玻璃真空管元件，第二、三类属于半导体元件。光敏三极管光控继电器电路

当无光照时，V1截止，IΦ=0，则V2处于什么状态？继电器KA吸合还是释放？如果将V1与Rb2位置上下对调，其结果如何？

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2023/2/341第一章检测技术的基本概念

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第十二章抗干扰技术噪声源及干扰源1.机械骚扰机械振动或冲击使电子检测装置中的元件发生振动，改变了系统的电气参数，造成可逆或不可逆的影响。对于机械骚扰，可选用专用减振弹簧-橡胶垫脚或吸振橡胶海绵垫来降低系统的谐振频率，吸收振动的能量，从而减小系统的振幅。

橡胶海绵软垫橡胶垫脚及弹簧2.湿度及化学骚扰

当环境相对湿度增加时，物体表面就会附着一层水膜，并渗入材料内部，降低了绝缘强度，造成了漏电、击穿和短路现象；潮湿还会产生原电池电化学干扰电压。某些化学物品如酸、碱、盐、各种腐蚀性气体以及沿海地区的盐雾也会造成与潮湿类似的漏电腐蚀现象，必须采取以下措施来加以保护：浸漆、密封、定期通电加热驱潮等。用绝缘漆浸渍过的控制变压器浸漆可防止水分进入线圈内部3.热骚扰

热量，特别是温度波动以及不均匀的温度场对检测装置的干扰主要体现在以下几个方面：元件参数的变化（温漂）、接触热电势干扰、元器件长期在高温下工作时，引起寿命和耐压等级降低等。克服热干扰的防护措施有：选用低温漂元件，采取软、硬件温度补偿措施，选用低功耗、低发热元件，提高元器件规格余量，仪器的前置输入级远离发热元件，加强散热、采用热屏蔽等。4.固有噪声骚扰

在电路中，电子元件本身产生的、具有随机性、宽频带的噪声称为固有噪声。最重要的固有噪声源是电阻热噪声、半导体散粒噪声和接触噪声等。固有噪声可以从喇叭或耳机中反映出来，但更多的时候是反映在输出电压的无规律跳变上。5.电、磁噪声骚扰

电磁波可以通过电网以及直接辐射的形式传播到离这些噪声源很远的检测装置中。在工频输电线附近也存在强大的交变电场，在强电流输电线附近存在干扰磁场，他们将对灵敏的检测装置造成干扰。由于这些干扰源功率强大，要消除他们的影响较为困难，必须采取多种措施来防护，见下述。

第三节几种电磁兼容控制技术抗电磁干扰技术有