传感器及检测技术培训.ppt

项目一 传感器及检测技术认识,Contents,传感器概述,我国国家标准（GB/T76652005）对传感器的定义是： “传感器是能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。”,传感器的组成,按照定义传感器由敏感元件和转换元件组成。 其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。由于传感器的输出信号一般都很微弱，因此需要有信号调理与转换电路对其进行放大、运算调制等。,传感器的应用,1在工业自动化生产中的应用 2在机器人上的应用 3在航空航天中的应用 4军事上的应用 5在汽车工业中的应用 6在智能家居中的应用 7通信电子产品中的应用 8医疗卫生中的应用,自动检测系统的组成,在自动检测系统中各部分的功能如下： 传感器：把被测非电量转换成为与之有确定对应关系，且便于应用的某些物理量（主要是电量）的测量装置。 测量电路：把传感器输出的变量变换成电压或电流信号，使之能在输出单元的指示仪上指示或记录仪上记录；或者能够作为控制系统的检测或反馈信号。 输出单元：指示仪、记录仪、累加器、报警器、数据处理电路等。,测量过程,测量过程是一个比较的过程。测量就是被测变量与其相应的标准单位进行比较，从而获得一个确定的量值。检测系统中的传感器就是对自动控制系统中的温度、压力、液位、流量、机械量等参数与其相应的测量单位进行比较的工具。,误差的基本概念,在测量过程中，由于测量仪器本身不可能绝对准确，以及测量方法和测量条件限制等方面的原因，都会使测量结果存在一定的差距，这种测量值与被测参数真实值之间的差异就称为测量误差。由于被测参数的真实值实际上是测不到的，所以一切测量都具有误差，误差自始至终存在于所有测量之中。,测量误差的分类,按照测量误差产生的原因以及误差的性质分类 : 系统误差（又称规律误差） 偶然误差（又称随机误差） 疏忽误差 （又称粗大误差） 按照测量误差的表示方法 : 绝对误差 相对误差 引用误差,传感器的基本特性,传感器的静态特性 传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出输入关系。只考虑传感器的静态特性时，输入量与输出量之间的关系式中不含有时间变量。衡量静态特性的重要指标是精度、线性度、灵敏度，迟滞和重复性等。 传感器的动态特性 传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性。当被测量随时间变化，是时间的函数时，则传感器的输出量也是时间的函数，其间的关系要用动态特性来表示。,项目小结,主要知识点归纳如下： 1传感器是能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器 件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。 2根据传感器的功能要求，它一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分 组成。 3检测技术就是以研究检测与控制系统中信息的提取、信息转换及处理的理 论和技术为主要内容的一门应用技术学科。 4自动检测系统主要由传感器、测量电路和输出单元组成。 5测量值与被测参数真实值之间的差异就称为测量误差。由于被测参数的真 实值实际上是测不到的，所以一切测量都具有误差，误差自始至终存在于 所有测量之中。 6按照测量误差产生的原因以及误差的性质可以分为系统误差、偶然误差和 疏忽误差三类。 7误差的表示方法有三种，分别是绝对误差、相对误差和引用误差。 8传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出输入关系。衡量 静态特性的重要指标是精度、线性度、灵敏度，迟滞和重复性等。,项目二 化工生产过程中传感 器的应用,Contents,任务一 传感器在温度检测系统中的应用,1了解温度测量的主要方法和分类 ； 2掌握热电偶温度计的结构和原理； 3掌握热电阻温度计的结构和原理； 4了解温度变送器的特点； 5会温度传感器的选用和安装。,温度传感器,热电偶,热电偶是工程上应用最广泛的温度计之一，在温度测量中占有重要的地位。它构造简单，使用方便，具有较高的准确度、稳定性及复现性，温度测量范围宽，常用的热电偶从-501600均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269，最高可达2800。,热电偶的安装 （1）为使热电偶能正常工作，满足热电偶结构要求； （2）引线与外接线连接要牢固； （3）对于管道安装通常使工作端处于管道中心线管道直径区域内； （4）管道较细，宜采用斜插，管径小于80的管道可以采用扩大管； （5）测量炉膛温度时，应避免热电偶与火焰直接接触，避免安装在炉门旁或 与加热物体距离过近之处。在高温设备上测温时，为防止保护套管弯曲 变形，应尽量垂直安装。 （6）热电偶的接线盒引出线孔应向下，以防因密封不良而使水汽、灰尘等落 入接线盒中，影响测量。 （7）为减少测温滞后，可在保护外套管与保护管之间加装传热良好的填充物。,热电偶典型安装方法,热电阻传感器,热电阻传感器分为金属热电阻和半导体热电阻两大类，一般把金属热电阻称为热电阻，而把半导体热电阻称为热敏电阻。热电阻广泛用来测量-200850范围内的温度，少数情况下，低温可测量至1K，高温达1000。热电阻测温电路由热电阻、连接导线及显示传感器组成。热电阻也可与温度变送器连接，转换为标准电流信号输出。,热电阻结构,热电阻的安装方法,（1）首先应测量好热电阻法兰或者螺纹螺牙的尺寸，加工配套好法兰或者螺纹底座。 （2）要根据法兰或者螺纹底座的尺寸，在需要测量的管道上开孔。 （3）焊接法兰或者螺纹座时，把法兰座或者螺纹底座插入已开好孔内，把法兰座或者螺纹底座与被测量的管道焊接好。 （4）把热电阻用螺栓紧固或者螺纹旋进已焊接好的螺纹底座。 （5）按照接线图将热电偶或热电阻的接线盒接好线，并与表盘上相对应的显示传感器连接，注意接线盒不可与被测介质管道的管壁相接触，保证接线盒内的温度不超过100范围。接线盒的出线孔应防因密封不良，水汽灰尘等沉积造成接线端子短路。 （6）安装的位置，应考虑检修和维护方便。,温度变送器,温度变送器是将热电偶、热电阻等测温元件检测到的热电势、电阻等信号，经过稳压滤波、运算放大、非线性较正、V/I转换、恒流及反向保护等变换电路，转换成与温度成线性关系的420 DC或15V DC标准信号输出的传感器。,任务小结,主要知识点归纳如下： 1温度是表征物体冷热程度的物理量，温标是表示温度数值的标尺。 2温度传感器可分为两大类，即接触法测温传感器和非接触法测温 传感器。 3必需由两种不同材料才能构成热电偶；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，温差越大，热电动势越大。 4热电偶产生热电势的条件是两热电极材料不同，两接点温度不同。 热电动势的大小只与材料和结点温度有关，与热电偶的尺寸形状 无关。 5使用热电偶时要采用补偿导线，当冷端温度不是0时，为了保证 测量精度，需要进行冷端温度补偿。 6热电阻常用的材料为铂和铜，使用热电阻时为了避免导线电阻的 影响，一般要采用三线制接法。 7温度变送器是将测温元件检测的信号，变换为420 DC或15 DC标准信号输出的传感器。,任务二 传感器在压力检测系统中的应用,1了解压力单位及测压仪表分类； 2掌握弹簧管压力表的结构和原理； 3掌握常用差压变送器的结构和原理； 4了解智能差压变送器的特点； 5会使用典型压力计； 6会差压变送器的选用和安装。,作用力,作用面积,压力的产生,压力是指均匀垂直的作用在单位面积上的力，压力在工业中用字母P表示。压力可以表示为：,根据国际单位制（SI）规定，压力的单位为帕斯卡，简称帕（Pa），1帕为1牛顿每平方米。 即：1Pa=1N/m2。 帕所代表的压力较小，工程上经常使用千帕（KPa）和兆帕（MPa）。 1MPa=1106Pa,压力传感器,1液柱式压力传感器 2弹性式压力传感器 3电气式压力传感器 4活塞式压力传感器,液柱式压力传感器,U型管液柱式压力传感器,液柱式压力计是以流体静力学原理来测量压力的仪表。一般采用水银或水为工作液， 用U型管、斜管或单管进行测量，常用于低压、负压或压力差的测量。,弹性式压力传感器,弹簧管压力表结构和外形,弹性式压力计是将被测压力转换成弹性元件变形的位移进行测量的仪表，常用的有弹簧管式、膜片式、膜盒式和波纹管式等压力计。具有结构简单、使用可靠、读数清楚、价格低廉、测量范围广等优点。,弹性式压力计测压的敏感元件为弹性元件，它也经常用来作为气动单元组合仪表的基本组成元件。,弹性元件,被测压力由接头通入，迫使弹簧管的自由端产生位移， 通过拉杆使扇形齿轮作逆时针偏转，同时指针通过同轴的中心齿轮的带动而作顺时针偏转，在面板的刻度标尺上显示出被测压力的数值。游丝用来克服因扇形齿轮和中心齿轮间的传动间隙而产生的仪表变差。改变调整螺钉的位置（即改变机械传动的放大系统），可以实现压力表量程的调整。,弹簧管压力表结构,差压变送器,智能式差压变送器,电容式差压变送器,扩散硅差压变送器,3,1,2,1、电容式差压变送器,电容式差压变送器包括差动电容传感器和变送器电路两部分，变送器电路包括高频振荡器、振荡控制电路、放大器及量程调整电路等。,电容式压力传感器的测量原理是将弹性元件的位移转换为电容量的变化。以测压膜片作为电容器的可动极板，它与固定极板组成可变电容器。当被测压力变化时，测压膜片产生位移而改变两极板间的距离，测量相应的电容量变化，可知被测压力值。,电容式差压变送器工作原理,硅杯压阻传感器结构图,2、扩散硅差压变送器,扩散硅差压变送器采用硅杯压阻传感器作为敏感元件，它具有体积小、重量轻、结构简单和稳定性好的优点，精度也很高。,3、智能式差压变送器,智能式差压变送器是由压力传感器和微处理器（微机）相结合而成的。它充分利用了微处理器的运算和存储能力，可对检测的数据进行处理，包括对测量信号的调理（如滤波、放大、A/D转换等）、数据显示、自动校正和自动补偿等。,压力计选用,仪表类型,量程范围,选用,仪表精度,仪表型号,压力计安装,测压点的选择,引压管的敷设,加装隔离装置,加装缓冲器,加装减振装置及固定装置,安装,任务小结,主要知识点归纳如下： 1.压力传感器简称为压力计，按照其转换原理的不同，大致可分为四 大类：液柱式压力传感器、弹性式压力传感器、电气式压力传感器、 活塞式压力传感器。 2.弹性式压力传感器测压的敏感元件为弹性元件。弹性元件主要有膜 片、膜盒、波纹管和弹簧管。 3.弹簧管压力表是利用弹簧管将压力信号转换为位移信号测量的。如 果再加入霍尔元件，还可以将位移信号转换为电势信号。 4.电容式差压变送器采用差动电容作为检测元件，将输入差压作用于 差动电容的电极板，使其产生位移，从而使差动电容器的电容量发 生变化。 5.扩散硅差压变送器是采用硅杯压阻传感器作为敏感元件，它利用压 力使硅片电阻发生变化而检测压力差值。 6.通过压力表检验的实训练习了解压力表在使用中的校验方法。,任务三 传感器在流量检测系统中的应用,1了解流量的概念和流量计的分类； 2掌握差压式流量计的结构及特点； 3理解常用流量计的结构及特点。 4. 会差压式流量计的选型与安装方法； 5. 会使用常用流量计。,流量检测,流量的基本概念,单位时间内流过管道某一截面的流体数量，称为瞬时流量。 在某一段时间间隔内流过管道某一截面的流体量的总和，即瞬时流量在某一段时间内的累积值，称为总量或累积流量。 工程上讲的流量常指瞬时流量。,流量,瞬时流量,累积流量,体积流量,质量流量,流量,体积流量Q：单位时间内通过某截面的流体的体积，单位为m3/s； 质量流量M：单位时间内通过某截面的流体的质量，单位为Kg/s； 如果流体的密度为，则质量流量和体积流量的关系为： M=Q 如以t表示时间，则流量和总量之间的关系是 :,流量的基本概念,流量计分类,速度式流量计,容积式流量计,质量式流量计,1,2,3,速度式流量计是通过测量流体在管路内已知截面流过的流速大小实现流量测量的。它是利用管道中流量敏感元件（如孔板、转子、涡轮、靶子、非线性物体等）把流体的流速变换成压差、位移、转速、冲力、频率等对应的信号来间接测量流量的。差压式、转子、涡轮、电磁、涡街和超声波等流量计都属于速度式流量计。,速度式流量计,容积式流量计相当于一个容器，根据已知容积的容室在单位时间内所排出流体的体积来测量流体的瞬时流量和总量。常用的有椭圆齿轮、旋转活塞式和刮板等流量计。,容积式流量计,质量流量计是以测量流体流过的质量为依据的流量计。质量流量计分直接式和间接式两种。间接质量流量计是根据质量流量与体积流量的关系，测出体积流量再乘被测流体的密度，如工程上常用的采取温度、压力自动补偿的补偿式质量流量计。直接式质量流量计是直接测量流体质量流量的流量计，如热式、惯性力式、动量矩式质量流量计等。直接法测量具有不受流体的压力、温度、粘度等变化影响的优点。,质量式流量计,流量计原理与应用,差压式流量计,差压式流量计又称节流式流量计，是基于流体流动的节流原理，利用管路内的节流装置，将管道中流体的瞬时流量转换成节流装置前后的压力差。,流体在有节流装置（节流装置中间有个圆孔，孔径比管道内径小）的管道中流动时，在节流装置前后的管壁处，流体的静压力产生差异的现象称为节流现象。,节流现象,差压式流量计的安装包括节流装置的安装、引压管的安装和三阀组的安装，当测量腐蚀性（或因易凝固不适宜直接进入差压计）的介质流量时，还需要安装隔离罐。,差压式流量计的安装,转子流量计,转子流量计是变面积式流量计的一种。一般分为玻璃和金属转子流量计。金属转子流量计是工业上最常用的，对于小管径腐蚀性介质通常用玻璃材质。,转子流量计由从下向上逐渐扩大的垂直锥形管和转子组成。被测流体从锥形管下端流入，流体的流动冲击着转子，并对它产生一个作用力（这个力的大小随流量大小而变化）；当被测流体流动时对转子的作用力，正好等于转子在流体中的重量时,转子受力处于平衡状态而停留在某一高度。转子在锥形管中的位置高度，与所通过的流量有着相互对应的关系。,测量原理,垂直安装,保证足够的直管段,介质含有杂质要加过滤器,高温或结晶介质要加夹套保温,测量气体要保证足够的管道压力,安装,电磁流量计,电磁流量计是用来测量导电液体体积流量的仪表。由于其独特的优点，电磁流量计目前已广泛地被应用于工业过程中各种导电液体的流量测量，如各种酸、碱、盐等腐蚀性介质；电磁流量计各种浆液流量测量，形成了独特的应用领域。,电磁流量计是根据法拉弟电磁感应定律测量导电性液体的流量。在电磁流量计中的管道外面上下两端的两个电磁线圈产生恒定磁场。当有一定电导率的流体在管道中流动时就切割磁力线。产生的感应电动势与流量成线性关系，便可通过测量感应电动势来间接测量被测流体的流量。,电磁流量计测量原理,涡街流量计,涡街流量计主要用于工业管道介质流体的流量测量，如气体、液体、蒸气等多种介质。涡街流量计有模拟标准信号，也有数字脉冲信号输出，容易与计算机等数字系统配套使用，是一种比较先进、理想的流量计。,涡街流量计是根据卡门涡街原理测量流量的流量计。在流体中设置非流线型漩涡发生体，则从漩涡发生体两侧交替地产生有规则的漩涡，流量与漩涡产生的频率成正比，只要测得漩涡频率就可以得到流量。,涡街流量计测量原理,管道口径,介质性质,选型,工作压力,工作温度,远离振动源和电磁干扰,保证足够的直管段,介质流向与箭头一致,尽量采用竖直安装,密封圈中心位于管道中心,安装,涡轮流量计,涡轮流量计具有安装方便、测量精度高、可耐高压、反应快、可测脉动流量、刻度线性及量程宽等特点，输出信号为电频率信号，便于远传，不受干扰，且便于数字显示，可直接与计算机配合进行流量积算和控制。它广泛应用于石油、化工、电力等行业。,当流体通过管道时，冲击涡轮叶片，对涡轮产生驱动力矩，使涡轮克服摩擦力矩和流体阻力矩而产生旋转。涡轮的旋转角速度与流体流速成正比。,涡轮流量计测量原理,1涡轮； 2导流器； 3磁电感应转换器； 4外壳； 5前置放大器,变送器的电源线采用金属屏蔽线,保证足够的前后直管段,介质流向与箭头一致,磁感应部分不能碰撞,介质不洁净时，要加过滤器,安装,超声波流量计,超声波流量计具有不阻碍流体流动的特点，可测流体种类很多，不论是非导电的流体、高粘度的流体、浆状流体，只要能传输超声波的流体都可以进行测量。超声波流量计可用来对自来水、工业用水、农业用水、化工生产管道流量等进行测量。,超声波在流体中传输时，在静止流体和流动流体中的传输速度是不同的，利用这一特点可以求出流体的速度，再根据管道流体的截面积，便可知道流体的流量。,超声波流量计测量原理,椭圆齿轮流量计,椭圆齿轮流量计是直读累积式仪表，它属于容积式流量计，用于精密的连续或间断的测量管道中液体的体积流量。椭圆齿轮流量计的测量精度较高，压力损失较小，安装使用也较方便。它特别适合于重油、聚乙烯醇、树脂等粘度较高介质的流量测量。,当流体从一侧流入椭圆齿轮流量计时，流体推动椭圆齿轮转动 ，椭圆齿轮每转一周所排出的被测介质量为固定值，只要测出椭圆齿轮的旋转速度 ，便可知道被测介质的流量 。,椭圆齿轮流量计测量原理,质量流量计,质量流量是指单位时间内，流经封闭管道截面处流体的质量。用来测量质量流量的仪表统称为质量流量计。质量流量计的主要特点是可直接测量质量流量，与被测介质的温度、压力、粘度、密度变化无关。,科氏力流量计是一种利用流体在振动管中流动而产生与质量流量成正比的科里奥利力的原理来直接测量流量的仪表。电磁驱动器使传感器以其固有频率振动，而流量的导入使U形传感器在科里奥利的作用下产生一种扭曲，在它的左右两侧产生一个相位差，根据科里奥利效应，该相位差与质量流量成正比。,科氏力质量流量计测量原理,U形管测量原理图,安装,质量流量计可安装在水平或垂直管道上。安装方向取决于应用场合。一些几何形状的质量流量计（直管除外）在某种安装方向下会聚集一些固体物或气相物。如果必须垂直安装且流体自上而下流动，必须采取措施保证气体不能从传感器入口管道进入传感器。,主要知识点归纳如下： 1差压式流量计是利用节流现象进行流量测量的，常用的节流元件有孔板、喷嘴和文丘里管。当孔板使用日久，入口边缘被磨损后，会引起传感器指示值偏低。 2利用浮子静止的高度与流量之间的关系进行测量的流量计，可以分为玻璃转子流量计和金属转子流量计。 3涡轮流量计是一种将流量转换为电脉冲信号输出的流量计。 4电磁流量计是利用电磁感应原理进行测量的。电磁流量计的测量导管内没有可动部件和节流元件，因而压力损失很小，但导电率低的介质，如气体、蒸汽等流量不能用电磁流量计进行测量。 5涡街流量计是根据卡曼涡街原理测量流量的流量计。漩涡频率的检测方法有热敏检测法、电容检测法、应力检测法、超声检测法等方法。它没有移动部件，也没有污垢问题。 6超声波流量计具有不阻碍流体流动的特点，可测流体种类很多，不论是非导电的流体、高粘度的流体、浆状流体，只要能传输超声波的流体都可以进行测量。 7椭圆齿轮流量计是一种容积式流量计，它对被测流体的粘度变化不敏感，特别适合于测量高粘度的流体，并且测量精度较高，压力损失较小。 8质量流量计是以测量流体流过的质量为依据的流量计。质量流量计分直接式和间接式两种。,任务小结,任务四 传感器在液位检测系统中的应用,1了解物位的概念及物位传感器分类 ； 2掌握差压式液位计的结构及特点； 3理解电容式物位计的结构及特点； 4理解超声波液位计的结构及特点； 5. 理解雷达液位计的结构及特点。,物位的基本概念,物位是液位、料位和界面的总称。液位指各种容器设备中液体介质液面的高低；料位指固体或颗粒状物料的堆积高度；界面指两种不溶液体介质的分界面的高低。根据具体用途分为液位计、料位计和界面计。,液位、料位和界位示意图,物位传感器主要类型,(1)直读式 (2)浮力式 (3)差压式 (4)电学式 (5)核辐射式 (6)声学式 (7)其它形式 如微波式（雷达液位计）、 激光式、 射 流式、 光学式等。,差压式液位计,利用容器中的液位改变时，液柱产生的差压也相应变化。利用压力或差压变送器可以很方便地测量液位，而且能输出标准电流信号。,差压式液位计测量原理,差压式液位计原理图,法兰式差压变送器,在实际应用中，如果被测介质具有腐蚀性或者含有结晶颗粒以及黏度大、易凝结时，为了防止变送器引压管被堵塞或腐蚀，一般要采用法兰式差压变送器 。,法兰式差压变送器原理图,电容式物位计,电容式液位计 电容两极板之间的介质发生变化时，电容量的大小也会发生变化。因此，可通过在电容两个极板之间介质高度的变化，引起电容量变化的现象来测量液位、料位和两种不同液体的分界面。电容式液位计是根据圆筒电容器原理进行工作的。,电容式液位计测量原理图,如果被测介质为导电性液体时，电极要用绝缘物（如聚乙烯）覆盖作为中间介质，而液体和外圆筒一起作为外电极。导电液体的液位测量如图所示。在液体中插入一根带绝缘套管的电极。由于液体是导电的，容器和液体可视为电容器的一个电极，插入的金属电极作为另一电极，绝缘套管为中间介质，三者组成圆筒形电容器。,电容式料位计,用电容式料位计可以测量固体块状颗粒体及粉料的料位。当罐内放入被测物料时，由于被测物料介电常数的影响，传感器的电容量将发生变化， 电容量变化的大小与被测物料在罐内高度有关，且成比例变化。检测出这种电容量的变化就可测定物料在罐内的高度。,超声波液位计,超声波液位计是由微处理器控制的数字物位传感器。在测量中脉冲超声波由传感器（换能器）发出，声波经物体表面反射后被同一传感器接收，转换成电信号。并由声波的发射和接收之间的时间来计算传感器到被测物体的距离。,单换能器超声波液位计结构示意图,双换能器超声波液位计结构示意图,雷达液位计,雷达液位计和超声波液位计一样，也是采用非接触式测量方法。雷达液位计和超声波液位计的主要区别是：超声波液位计用的是声波，雷达液位计用的是电磁波。相比于超声波，微波传播具有：定向传播、准光学特性、传输特性好、对微波吸收与介质的介电常数成比例的特点。,雷达液位计工作原理,雷达液位计的基本工作原理是：发射反射接收。雷达液位计的天线以波束的形式发射极窄的微波脉冲（电磁波信号），这些以光速运行的电磁波经被测对象表面反射回来的回波信号仍由天线接收，电磁波从发射到接收的时间与到液面的距离成正比 。,雷达液位计的安装注意事项,（1）雷达液位计天线的轴线应与液位的反射表面垂直。天线平行于测量槽壁，利于微波的传播。 （2）槽内的搅拌阀、槽壁的黏附物和阶梯等物体，如果在雷达液位计的信号范围内，会产生干扰的反射波，影响液位测量。在安装时要选择合适的安装位置，以避免这些因素的干扰。安装位置距槽壁距离应大于30，以免将槽壁上的虚假信号误做回波信号。 （3）喇叭型的雷达液位计的喇叭口要超过安装孔的内表面一定的距离（10 ）。棒式液位计的天线要伸出安装孔，安装孔的长度不能超过100 。对于圆型或椭圆型的容器，应装在离中心为（为容器半径）距离的位置，不可装在圆型或椭圆型的容器顶的中心处，否则雷达波在容器壁的多重反射后，汇集于容器顶的中心处，形成很强的干扰波，会影响准确测量。 （4）对液位波动较大的容器的液位测量，可采用附带旁通管的液位计，以减少液位波动的影响。 （5）接管直径应小于或等于屏蔽管长度（100或250）。,主要知识点归纳如下： 1物位测量包括液位、料位和界面的测量。物位检测传感器种类很多，按照工作原理可以分为直读式、浮力式、差压式、电学式、辐射式、声学式、微波式、光学式等几种类型。 2差压式液位计是利用差压变送器构成液位显示和控制系统，应用时要考虑零点迁移的问题。 3为了解决测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及黏度大、易凝固等液体液位时引压管线被腐蚀、被堵塞的问题，应使用在导压管入口处加隔离膜盒的法兰式差压变送器。法兰式差压变送器按结构形式可以分为单法兰和双法兰两种。 4利用物料介电常数恒定时，极间电容正比于物位的原理，可构成电容式物位计。其特点时无可动部件，与物料密度无关，但要求物料的与空气的介电常数差别很大，且需用高频电路。 5雷达液位计和超声波液位计都采用非接触式测量方法。雷达液位计和超声波液位计的主要区别是：超声波液位计用的是声波，雷达液位计用的是电磁波。,任务小结,项目三 自动化生产线中传感器的应用,Contents,光电式传感器及其应用,光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。 光电效应和光电器件 光电器件是将光能转换为电能的一种传感器件，它是构成光电式传感器最主要的部件。 光电效应是指光照在某些物质上时，物质的电子吸收光子的能量而发生相应的电效应现象。,光电效应和光电器件,1光电管 当光电管的阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子，电子被带正电位的阳极所吸引，在光电管内就有电子流，在外电路中便产生了电流。 光电管和光电倍增管的结构,光电效应和光电器件,2光敏电阻 光敏电阻又称光导管，它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。 光敏电阻的结构 光敏电阻的工作原理图,光电效应和光电器件,光敏电阻的基本特性 （1）伏安特性 在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。 光敏电阻的伏安特性,光电效应和光电器件,光敏电阻的基本特性 （2）光谱特性 光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光谱特性， 亦称为光谱响应。 光敏电阻的光谱特性,光电效应和光电器件,光敏电阻的基本特性 （3）温度特性 温度变化影响光敏电阻的光谱响应，同时，光敏电阻的灵敏度和暗电阻都要改变，尤其是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。 光敏电阻的光谱温度特性,光电效应和光电器件,3.光敏二极管和光敏三极管 光敏二极管的结构与一般二极管相似。它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管的顶部， 可以直接受到光照射。 光敏三极管也成为光敏晶体管，它与一般晶体管结构很相似，具有两个PN结，只是它的发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积。 光敏二极管结构示意图和符号 光敏三极管的结构示意图和基本电路,光电效应和光电器件,光敏二极管和光敏三极管的基本特性 （1）伏安特性 图为硅光敏管在不同照度下的伏安特性曲线。可见， 光敏三极管的光电流比相同管型的二极管大上百倍。,光电效应和光电器件,光敏二极管和光敏三极管的基本特性 （2）光谱特性 光敏二极管和光敏三极管的光谱特性曲线如图所示。可以看出，硅的峰值波长约为0.9m，锗的峰值波长约为1.5m，此时灵敏度最大，而当入射光的波长增加或缩短时，相对灵敏度也下降。,光电效应和光电器件,光敏二极管和光敏三极管的基本特性 （3）温度特性 光敏三极管的温度特性是指其暗电流及光电流与温度的关系。光敏三极管的温度特性曲线如图所示。,光电效应和光电器件,4.光电池 光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池的工作原理是基于光生伏特效应。 光电池工作原理,光电效应和光电器件,光电池的基本特性 （1）光谱特性 光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。图为硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线。从图中可知，不同材料的光电池，光谱响应峰值所对应的入射光波长是不同的。可见硅光电池可以在很宽的波长范围内得到应用。,光电效应和光电器件,光电池的基本特性 （2）光照特性 光电池在不同光照度下，光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照特性。 图为硅光电池的开路电压和短路电流与光照的关系曲线。从图中看出，短路电流与光照强度成线性关系，开路电压与光照度的关系是非线性。因此光把电池作为测量元件时，应把它当作电流源的形式来使用，不能用作电压源。,光电效应和光电器件,光电池的基本特性 （3）温度特性 光电池的温度特性是描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。光电池的温度特性如图所示。从图中看出，开路电压随温度升高而下降的速度较快，而短路电流随温度升高而缓慢增加。由于温度对光电池的工作有很大影响， 因此把它作为测量器件应用时， 最好能保证温度恒定或采取温度补偿措施。,光电效应和光电器件,5.光电耦合器件 光电耦合器件是由发光元件（如发光二极管）和光电接收元件合并使用，以光作为媒介传递信号的光电器件。光电耦合器的发光和接收元件都封装在一个外壳内，一般有金属封装和塑料封装两种。 耦合器常见的组合形式如图所示。,光电效应和光电器件,6.光电传感器应用 （1）光电式接近开关 光电传感器利用光的各种性质检测物体的有无和表面状态的变化等。其中输出形式为开关量的传感器为光电式接近开关。光电式接近开关主要由光发射器和光接收器构成。,光电效应和光电器件,6.光电传感器应用 （2）光电式纬线探测器 光电式纬线探测器是应用于喷气织机上，判断纬线是否断线的一种探测器。图为光电式纬线探测器原理电路图。 （3）烟尘浊度监测仪 （4）条形码扫描笔 （5）产品计数器 （6）测量转速,光电式传感器及其应用,光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。 红外传感器 红外技术是在最近几十年中发展起来的一门新兴技术。它已在科技、国防和工农业生产等领域获得了广泛的应用。,红外传感器,1红外辐射 红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光，由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范围大致在0.761000m，红外线在电磁波谱中的位置如图所示。,红外传感器,2红外探测器 红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显示系统等组成。 红外探测器是红外传感器的核心。 红外探测器种类很多，常见的有两大类：热探测器和光子探测器。,红外传感器,3红外传感器的应用 （1）红外测温仪 红外测温仪是利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度的。当物体的温度低于1000时，它向外辐射的不再是可见光而是红外光了，可用红外探测器检测温度。 红外测温仪原理框图,红外传感器,3红外传感器的应用 （2）红外线气体分析仪 红外线气体分析仪是根据气体对红外线具有选择性的吸收的特性来对气体成分进行分析的。不同气体的吸收波段（吸收带）不同，下图给出了几种气体对红外线的透射光谱。,项目小结,主要知识点归纳如下： 1光电传感器是把光信号转变成为电信号的器件。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。 2光电效应是指光照在某些物质上时，物质的电子吸收光子的能量而发生相应的电效应现象。光电效应可以分为外光电效应、内光电效应和光生伏特效应三种。 3光电管、光电倍增管属于外光电效应类光电器件。光敏电阻属于内光电效应类光电器件。光电池属于光生伏特效应类光电器件。 4红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显示系统等组成。红外探测器常见的有两大类：热探测器和光子探测器。 5光纤传感器可以分为功能型（传感型）传感器和非功能型（传光型）传感器两大类。 6当光线在光纤端面中心的入射角小于临界入射角C时，光线就不会透射出界面，而全部被反射。光在界面上经无数次反射，呈锯齿形状路线在纤芯内向前传播，最后从光纤的另一端传出，这就是光纤的传光原理。 7光纤型传感器由光纤检测头、光纤放大器两部分组成。 8构成CCD的基本单元是MOS电容器，CCD固态图像传感器由感光部分和移位寄存器,光电式传感器及其应用,光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。 光纤传感器 光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一门新技术，它是伴随着光纤及光通信技术的发展而逐步形成的。它能用于温度、压力、应变、位移、速度、加速度、磁、电、声和PH值等各种物理量的测量，具有极为广泛的应用前景。,光纤传感器,1.光纤的结构和传输原理 （1）光纤的结构 光导纤维简称为光纤，目前基本上还是采用石英玻璃，其结构如下图所示。中心的圆柱体叫纤芯（芯子），围绕着纤芯的圆形外层叫做包层。纤芯和包层主要由不同掺杂的石英玻璃制成。光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质，而光纤的机械强度由保护套维持。,光纤传感器,1.光纤的结构和传输原理 （2）光纤的传光原理 光在空间是直线传播的。在光纤中，光的传输限制在光纤中，并随光纤能传送到很远的距离，光纤的传输是基于光的全内反射。当光线以各种不同角度入射到光纤纤芯与包层的交界面时，光线在该处有一部分透射，一部分反射。 当光纤的直径比光的波长大很多时， 可以用几何光学的方法来说明光在光纤内的传播。 设有一段圆柱形光纤，如下图所示，它的两个端面均为光滑的平面。,光纤传感器,2.光纤传感器的应用 （1）光纤式光电接近开关 光纤型传感器由光纤检测头、光纤放大器两部分组成，放大器和光纤检测头是分离的两个部分，光纤检测头的尾端部分分成两条光纤，使用时分别插入放大器的两个光纤孔。光纤传感器组件如下图所示。,光纤传感器,2.光纤传感器的应用 （2）光纤加速度传感器 光纤加速度传感器的组成结构如下图所示。它是一种简谐振子的结构形式。激光束通过分光板后分为两束光，透射光作为参考光束，反射光作为测量光束。当传感器感受加速度时，由于质量块M对光纤的作用，从而使光纤被拉伸，引起光程差的改变。相位改变的激光束由单模光纤射出后与参考光束会合产生干涉效应。,光纤传感器,2.光纤传感器的应用 （3）光纤温度传感器 光纤温度传感器是目前仅次于加速度、压力传感器而广泛使用的光纤传感器。下图为光强调制型传感器的结构原理图，它的敏感元件是一个半导体光吸收器，光纤用来传输信号。传感器是由半导体光吸收器、光纤、发射光源和包括光控制器在内的信号处理系统等组成。广泛应用于高压电力装置中的温度测量等特殊场合。,任务小结,主要知识点归纳如下： 1光电传感器是把光信号转变成为电信号的器件。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。 2光电效应是指光照在某些物质上时，物质的电子吸收光子的能量而发生相应的电效应现象。光电效应可以分为外光电效应、内光电效应和光生伏特效应三种。 3光电管、光电倍增管属于外光电效应类光电器件。光敏电阻属于内光电效应类光电器件。光电池属于光生伏特效应类光电器件。 4红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显示系统等组成。红外探测器常见的有两大类：热探测器和光子探测器。 5光纤传感器可以分为功能型（传感型）传感器和非功能型（传光型）传感器两大类。 6当光线在光纤端面中心的入射角小于临界入射角C时，光线就不会透射出界面，而全部被反射。光在界面上经无数次反射，呈锯齿形状路线在纤芯内向前传播，最后从光纤的另一端传出，这就是光纤的传光原理。 7光纤型传感器由光纤检测头、光纤放大器两部分组成。 8构成CCD的基本单元是MOS电容器，CCD固态图像传感器由感光部分和移位寄存器组成。,电感传感器及其应用,电感式传感器利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈自感量L或互感量M的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出的装置。 优点：结构简单，工作可靠，测量精度高，零点稳定，输出功率较大。 缺点：灵敏度、线性度和测量范围相互制约，传感器自身频率响应低，不适用于快速动态测量。,电感传感器及其应用,1. 变磁阻式电感传感器 （1）工作原理 变磁阻式传感器的结构如下图所示。它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为，传感器的运动部分与衔铁相连。,电感传感器及其应用,1. 变磁阻式电感传感器 （3）测量电路 设电感传感器初始气隙为0， 初始电感量为L0， 衔铁位移引起的气隙变化量为， L与之间是非线性关系，特性曲线如下图所示。,电感传感器及其应用,1. 变磁阻式电感传感器 （3）测量电路,交流电桥式测量电路,变压器式交流电桥,谐振式测量电路,电感传感器及其应用,1. 变磁阻式电感传感器 （4）变磁阻式传感器的应用 下图所示是变隙电感式压力传感器的结构图。它由膜盒、铁芯、衔铁及线圈等组成， 衔铁与膜盒的上端连在一起。,变隙电感式压力传感器结构图,变隙式差动电感压力传感器,电感传感器及其应用,2. 差动变压器式传感器 （1）工作原理 螺线管式差动变压器结构如图所示，它由初级线圈，两个次级线圈和插入线圈中央的圆柱形铁芯等组成。,螺线管式差动变压器结构,差动变压器等效电路,电感传感器及其应用,2. 差动变压器式传感器 （2）差动变压器式传感器测量电路 差动整流电路 差动整流电路具有结构简单，不需要考虑相位调整和零点残余电压的影响，分布电容影响小和便于远距离传输等优点，因而获得广泛应用。,电感传感器及其应用,2. 差动变压器式传感器 （2）差动变压器式传感器测量电路 相敏检波电路,电感传感器及其应用,2. 差动变压器式传感器 （3）差动变压式传感器的应用 差动变压器式传感器可以直接用于位移测量，也可以测量与位移有关的任何机械量， 如振动、加速度、应变、比重、张力和厚度等。 图为差动变压器式加速度传感器的结构示意图。它由悬臂梁 1 和差动变压器 2构成。,电感传感器及其应用,3. 电涡流式传感器 （2）电涡流式传感器的应用 低频透射式涡流厚度传感器,透射式涡流厚度传感器原理图,电感传感器及其应用,3. 电涡流式传感器 （2）电涡流式传感器的应用 高频反射式涡流厚度传感器,高频反射式涡流测厚仪原理图,电感传感器及其应用,3. 电涡流式传感器 （2）电涡流式传感器的应用 电涡流式转速传感器,电涡流式转速传感器工作原理图,电感传感器及其应用,3. 电涡流式传感器 （2）电涡流式传感器的应用 电感式接近开关 电感式接近开关是利用电涡流效应制造的传感器。,安装距离注意说明,任务小结,主要知识点归纳如下： 1电感式传感器以电和磁为媒介，利用磁场变换引起线圈的自感量或者互感量的变化，把非电量转换为电量的装置。电感式传感器可分为自感式、互感式和电涡流式三种。 2差动变压器式传感器，衔铁位于中心位置时输出电压为零，而实际上差动变压器输出电压不为零，这个不为零的电压称为零点残余电压。 3相敏检波电路可区别差动变压器测量位移时位移方向还可以消除零点残余电压。 4交流电桥的平衡条件为相对桥臂阻抗值乘积相等。半桥电路比单桥电路灵敏度提高一倍，全桥电路是单桥电路灵敏度的4倍。 5把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器称为互感式传感器。 6根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。电涡流传感器可分为高频反射式和低频透射式两类。,电容传感器及其应用,电容式传感器是一种将待测非电量转换成电容变化量的器件，具有体积小，功耗低，灵敏度高等优点，被广泛应用于加速度、角速度、压力等各种非电量的测量。图为常见电容传感器外形图。,电容传感器外形图,电容传感器及其应用,1. 电容式传感器工作原理 （1）变极距型电容传感器 变极距型电容式传感器的和A为常数，当传感器初始极距变化时传感器的输出特性不是线性关系，变极距型电容式传感器只有在极距很小时，才有近似的线性输出。 一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在 20100pF之间，极板间距离在25200m的范围内，最大位移应小于间距的1/10，故在微位移测量中应用最广。,安装距离注意说明,电容传感器及其应用,1. 电容式传感器工作原理 （2）变面积型电容式传感器 变面积型电容传感器原理结构示意图如左图所示。这种形式的传感器其电容量C与水平位移x是线性关系。 右图3.56是电容式角位移传感器原理图。,电容传感器及其应用,1. 电容式传感器工作原理 （3）变介电常数型电容式传感器 左图是一种变极板间介质的电容式传感器用于测量液位高低的结构原理图。右图是一种常用的结构型式。,电容传感器及其应用,2. 电容式传感器的测量电路 （1）调频测量电路 调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分。当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化。调频测量电路原理框图如图所示。,电容传感器及其应用,2. 电容式传感器的测量电路 （2） 运算放大器式电路 调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分。当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化。调频测量电路原理框图如图所示。,电容传感器及其应用,2. 电容式传感器的测量电路 （3）二极管双T型交流电桥 如图所示是二极管双T型交流电桥电路原理图。 e是高频电源，它提供幅值为Ui 的对称方波，VD1、VD2为特性完全相同的两个二极管，R1 = R2 = R，C1、C2为传感器的两个差动电容。当传感器没有输入时，C1 = C2。,电容传感器及其应用,2. 电容式传感器的测量电路 （3）二极管双T型交流电桥 如图所示是二极管双T型交流电桥电路原理图。 e是高频电源，它提供幅值为Ui 的对称方波，VD1、VD2为特性完全相同的两个二极管，R1 = R2 = R，C1、C2为传感器的两个差动电容。当传感器没有输入时，C1 = C2。,电容传感器及其应用,3.电容式传感器的应用 （1）电容式加速度传感器 如图所示为差动式电容加速度传感器结构图。它有两个固定极板（与壳体绝缘），中间有一用弹簧片支撑的质量块，此质量块的两个端面经过磨平抛光后作为可动极板（与壳体电连接）。,电容传感器及其应用,3.电容式传感器的应用 （2）差动式电容测厚传感器 如图所示为频率型差动式电容测厚传感器系统组成框图。将被测电容C1、C2作为各变换振荡器的回路电容，振荡器的其它参数为固定值，等效电路如图右图所示。,电容传感器及其应用,3.电容式传感器的应用 （3）电容式接近开关 电容式接近开关是一种具有开关量输出的位置传感器，其外形如图所示。电容式接近开关不但可以检测金属物体，还可以检测非金属物体、绝缘的液体或粉状物等。电容式接近开关常用于自动化生产线上检测产品流向，控制产品在生产线上的传输。可以检测工件，也可以用于生产线中行程控制和限位保护。,任务小结,主要知识点归纳如下： 1电容式传感器利用了将非电量的变化转换为电容量的变化来实现对物理量的测量。 2电容式传感器可分为变极距型、变面积型、变介电常数型三类。 3电容转换电路有调频电路、运算放大器式电路、二极管双T型交流电桥、脉冲宽度调制电路等。,磁性传感器及其应用,在自动化生产线中经常会用到气缸作为执行机构，但是在生产线工作过程中，需要随时检测气缸活塞的位置，所以需要磁性开关和气缸配合将活塞的位置信息输入给控制器。气缸磁性开关是用来检测气缸活塞位置的，即检测活塞的运动行程的。,磁性传感器及其应用,1.磁控开关 磁控开关由永久磁铁和干簧管两部分组成，如左图所示。干簧管又称舌簧管，其构造是在充满惰性气体的密封玻璃管内封装2个或2个以上金属簧片。 将磁控开关安装在气缸的两端，当随气缸移动的磁环靠近感应开关时，感应开关的两根磁簧片被磁化而使触点闭合，产生电信号；当磁环离开磁性开关后，舌簧片失磁，触点断开，电信号消失。这样可以检测到气缸的活塞位置从而控制相应的电磁阀动作。如