《检测与仪表V》PPT课件.ppt

2 传感器与检测技术 历史时代 手工化 机械化 自动化 信息化 生产方式 人与简单工具 动力机与机械 自动测量控制 智能机械装置 检测的地位和作用1 信息化是科学技术发展的必然 2 1检测技术概述 2 信息流是客观世界的一个主流 物料流能流信息流 客观世界 检测的地位和作用 信息流组成 信息流 获取 传输 处理 控制 信息获取是信息流的一环 获取信息是仪器科学的基本任务仪器仪表是信息产业的重要组成部分仪器仪表是信息工业的源头 检测的地位和作用 3检测仪器仪表的作用 工业生产倍增器 科学研究先行官 社会物化法官 军事战斗力 检测的地位和作用 工业生产倍增器 检测技术是带动国民经济增长的一个关键领域在美国 检测技术占4 拉动经济增长66 检测技术在工业生产领域的应用 检测的地位和作用 在线检测 零件尺寸 产品缺陷 装配定位 检测技术的作用和地位 检测技术在工业生产领域的应用离线检测 零件参数 尺寸与形位公差 品质参数作用 现代工程装备中 检测环节的成本约占50 70 检测技术在汽车中的应用日新月异 检测技术的作用和地位 发动机 向发动机的电子控制单元 ECU 提供发动机的工作状况信息 对发动机工作状况进行精确控制温度 压力 位置 转速 流量 气体浓度和爆震传感器等 汽车传感器 汽车电子控制系统的信息源 关键部件 核心技术内容 普通轿车 约安装几十到近百只传感器 豪华轿车 传感器数量可多达二百余只 底盘 控制变速器系统 悬架系统 动力转向系统 制动防抱死系统等车速 踏板 加速度 节气门 发动机转速 水温 油温 车身 提高汽车的安全性 可靠性和舒适性等温度 湿度 风量 日照 加速度 车速 测距 图象等 检测技术在日常生活中的应用与日俱增 检测技术的作用和地位 家用电器 数码相机 数码摄像机 自动对焦 红外测距传感器 数字体温计 接触式 热敏电阻 非接触式 红外传感器 自动感应灯 亮度检测 光敏电阻 空调 冰箱 电饭煲 温度检测 热敏电阻 热电偶 电话 麦克风 话音转换 驻极电容传感器 遥控接收 红外检测 光敏二极管 光敏三极管 办公商务 可视对讲 可视电话 图像获取 面阵CCD 扫描仪 文档扫描 线阵CCD 红外传输数据 红外检测 光敏二极管 光敏三极管 医疗卫生 电子血压计 血压检测 压力传感器 血糖测试仪 胆固醇检测仪 离子传感器 检测技术的作用和地位 科学研究的先行官 诺贝尔奖获得者R R Ernst说 现代科学的进步越来越依靠尖端仪器的发展 俄国化学家门捷列夫指出 科学是从测量开始的 近80年来 与科学仪器密切相关的诺贝尔奖获得者达38人 检测技术的作用和地位 军事战斗力 1991年海湾战争精确制导炸弹和导弹占8 2003年伊拉克战争90 1994年美国防部建立自动测试系统执行局 立体作战 检测技术的作用和地位 检测技术在军事上的应用 美军研制的未来单兵作战武器 OICW 夜视瞄准机系统 非冷却红外传感器技术 激光测距仪 可精确的定位目标 在发射20毫米高爆弹时 激光测距仪可将目标的距离信息自动传输至高爆弹的爆炸引信 以便精确的设定引爆时间 美国国家导弹防御计划 NMD 检测技术的作用和地位 检测技术在国防领域的应用 监测系统 探测和发现敌人导弹的发射并追踪导弹的飞行轨道 拦截器 能识别真假弹头 敌友方 检测技术的作用和地位 阿波罗10 火箭部分 2077个传感器 飞船部分 1218个传感器 检测参数 加速度 温度 压力 振动 流量 应变 声学 神州飞船 185台 套 仪器装置 检测技术在航天领域举足轻重 飞行器测控 检测飞行器姿态 发电机工况 控制与操纵 火箭测控 检测火箭状况 姿态 轨迹 检测技术的作用和地位 物化法官 检查产品质量 监测环境污染 识别指纹假钞 查服违禁药物 侦破刑事案件 教学实验 气象预报 大地测绘 灾情预报 交通指挥 涵盖吃穿用 农轻重 海陆空 检测技术是实验科学的一部分 主要研究各种物理量的测量原理和测量信号分析处理方法 检测技术是进行各种科学实验研究和生产过程参数测量必不可少的手段 起着人的感官的作用 简单的测试系统可以只有一个模块 如玻璃管温度计 它直接将被温度变化转化液面示值 没有电量转换和分析电路 很简单 但精度底 无法实现测量自动化 为提高测量精度和自动化程度 以便于和其它环节一起构成自动化装置 通常先将被测物理量转换为电量 再对电信号进行处理和输出 如图所示的声级计 2 1检测的基本概念 检测与测量 测量 以确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作 检测 检测过程 测量 信号检出 极为重要 信息提取 信号转换存储与传输 显示记录 分析处理 检测技术 检测方法 检测结构 检测信号处理 检测是意义更为广泛的测量 综合性技术 计量 主要任务是建立统一的基准单位 使测量有客观标准 测试 基本任务是获取有用信息 通常包含了测量 计量 计算 检验 判断等多层含义 测试的范畴 将被测量与标准量进行比较 获得被测对象的数值结果 将被测量与设定值进行比较 获得被测对象在性能 参数 质量 功能等方面的评价 对测试数据进行各种处理 根据测试要求不同 处理的结果可形成各种信息 也可去执行各种操作 2 检测的分类 按被测量值的物理属性分类 电量 非电量 按检测原理分类 物理的 化学的 生物学的 按检测方法分类 主动和被动 直接与间接 接触式与非接触式 动态和静态 电磁法 光学法 微波法 超声法 核辐射法 电化学分析 色谱分析 质谱分析等 3 测量单位 被测量基准量 国际单位制 SI 长度质量时间电流热力学温度物质的量光量 实物单位 千克标准原器 米 光在真空中1s时间内传播距离的1 299792485 能量 J 力 距离 大得多 小得多 词头 mm m nm 10 9m kHz MHz 106Hz GHz 109Hz 单位 测量 SI基本单位 倍数 结果 SI组合单位 七个物理量单位 相互独立 由基本单位导出 质量 加速度 距离 J kg m s2 m m2 kg s2 能量 焦 耳 长度 质量 时间 m kg s A K mol cd 科学家 2 2检测方法分类 1 直接测量 绝对测量 相对测量 间接测量2 开环测量与闭环测量3 偏差法 零位法 微差法 1 直接测量与间接测量 直接测量 直接将被测量与标准量进行比较 标准量 标准计量单位 如米尺 光栅尺 激光 绝对测量 定值标准量 如某一固定尺寸 相对测量 2 2检测方法分类 绝对测量 采用仪器 设备 手段测量被测量 直接得到测量值 测量结果 20 1mm 相对测量 将被测量直接与基准量比较 得到偏差值 特点 简单 直观 明了 测量精度不高 基准量 20 00mm 测量值 0 08mm 结果 20 08mm 特点 精度高 复杂 成本高 要求高 间接测量 如测导线的导电率 测量与被测量有一定函数关系的参量 被测量由计算获得 2 开环测量与闭环测量 开环测量 反馈测量 特点 简单 直观 明了 测量精度不高 特点 精度高 复杂 成本高 要求高 3 偏差法 零位法和微差法 偏差法 零位法 利用测量仪表的指针相对于刻度的偏差位移直接表示测量的数值 利用指零机构的作用 使用被测量和已知标准量两者达到平衡 根据指零机构示值为零来确定被测量等于标准量值 微差法 偏差法和零位法的结合 2 3检测仪表组成 1 检测仪表检测仪表检测仪表组成 检测仪表由传感器 中间变换装置 变送器 和显示记录装置三部分组成 传感器 transducer 将被测物理量 如温度 检出并转换为电量 变送器 transmitter 对接收到的电信号用硬件电路进行分析处理或经A D变换后用软件进行信号分析 显示记录装置 将测量结果显示出来 提供给观察者或其它自动控制装置 检测系统 由若干个检测仪表实现一个或多个参数的测量 现代检测系统构成 信号检出部分 信号变换部分 分析处理部分 通信接口及总线 1 信号检出部分 传感器 Sensor 检出功能的器件 信号提取 被测量 传输 信号变换部分 2 信号变换部分 检出信号 适合于分析和处理的信号 作用 对传感器输出的微弱信号进行检波 滤波 放大等作用以方便后续环节处理或显示 信号调理电路 阻抗变换 输出阻抗很高时 电压 电流 V A 转换 需要电流输出时 信号放大 输出信号微弱时 噪声抑制 信号淹没在噪声中 模拟 数字 A D 转换 需要输出数字信号时 数据采集 作用 对调理后的连续模拟信号进行离散化并转换成与模拟信号幅度相对应的数字信号 同时传给微处理器 主要包括 A D D 转换器 模拟多路开关 采样 保持器输入缓冲器 输出锁存器等 3 分析处理部分 不断注入新内容 检测系统的研究中心 计算机系统 强大问题分析能力 复杂系统的实时控制 自动化 智能化 信号处理模块 核心是单片机 微处理器 对高频信号和复杂信号增加高速数据处理器 DSP 或采用工业控制计算机 功能 管理不同系统之间的数据 状态和控制信息的传输和变换 通用标准接口 不同的系统尤其是不同厂家的产品能够互联 4 通信接口与总线部分 USB IEEE 488 RS 232 串行 并行 总线 传送数字信号的公共通道 信号线的集合 RS 232C VXI Centronics 并行 硬件系统 规范 结构形式 接口 分系统和上位机之间 分系统之间交换信息 2 4检测仪表的主要性能指标 静态性能指标动态性能指标 不必考虑仪表输入量与输出量之间的动态关系而只需考虑静态关系 联系输入量与输出量之间的关系式中不含有时间变量 是测量仪表在动态工作过程中所呈现出的特性 其反映测量仪表对随时间变化的被测量所响应的性能 通常采用时域特性与频域特性等来表征 仅就静态性能指标进行介绍 测量范围与量程 测量范围 测量量程 指在正常工作条件下 检测系统或仪表能够测量的被测量值的总范围 测量范围用下限值至上限值来表示a b 测量范围上限a与下限b的代数差 2 准确度 定义 准确度也称精确度 是指测量结果与实际值相一致的程度 其是测量的一个基本特征 仪表所允许的误差界限 即允许误差 a和b 分别为仪表测量范围的上限值与下限值 2 准确度 准确度等级 精度等级 仪表的精度等级按国家规定的允许误差的大小划分为若干等级 我国自动化仪表准确度等级0 005 0 02 0 1 0 35 标准仪表 0 5 1 0 1 5 2 5 4 工业仪表 2 准确度 某压力表的量程为10MPa 测量值的允许误差为0 03MPa 则仪表的准确度等级为 解 0 03 10 100 0 3 精度等级中没有0 3级仪表 仪表的准确度等级为0 35级 实例 2 5检测仪表的分类 按被测参数分类电气参数机械参数过程参数 电能 电流 电压 频率等 重量 距离 振动 缺陷检查 故障诊断等 主要指热工参数 包括温度 压力 流量 物位 成份分析等 按使用性质分类实用型范型标准型 用于实际测量 包括工业用表与实验用表 用于复现和保持计量单位 或用于对实用仪表进行校准和刻度 具有更高准确度的范型仪表 用以保持和传递国家计量标准 并用于对范型仪表的定期检定 2 5检测仪表的分类 2 6检测技术的发展趋势 检测技术 相关学科 物理 化学 数学 生物学 材料科学等等 新的检测理论 方法和技术手段 1 传感器水平的提高 光纤传感器 液晶传感器 压敏传感器 以高分子有机材料为敏感元件 化学传感器 微生物传感器 仿生传感器 代替视觉 嗅觉 味觉和听觉 以及检测超高温 超高压 超低温和超高真空等极端参数的新型传感器 科学研究 利用新发现的材料和新发现的生物 物理 化学效应开发出的新型传感器 光纤流速传感器 荧光材料制作的电子鼻传感器 生物酶血样分析传感器 3 传感器向着高精度小型化和集成化方向发展 微电子技术 多个同类型传感器集成在一个芯片或阵列上 一体化 将传感器和后续的处理电路集成一体 例 电荷耦合器件 CCD 光敏元阵列 数码相机 多功能传感 不同功能的传感器集成化 集成化 特点 一个传感器可以同时测量不同种类的多个参数 例 测量血液中各种成分的多功能传感器 特点 减少干扰 提高灵敏度 方便使用 可实现实时数据处理 传感器和数据处理电路集成 2 检测系统由模拟式 数字式向智能化方向发展 传感器 嵌入式计算机 智能传感器 振动网络传感器 嵌入式计算机 智能压力网络传感器 智能倾角RS232传感器 IC总线数字温度传感器 3 不断拓展测量范围 努力提高检测精度和可靠性 4 重视非接触式检测技术研究 5 采用新型信息处理方法 数据融合技术 模糊信息处理技术 神经网络技术 光电式传感器 电涡流式传感器 超声波检测仪表 核辐射检测仪表 系统资源与数据共享 便于现代测试仪器分散使用与大范围联网使用 6 网络化 通用化与标准化 测量信号处理方面 计算机虚拟仪器技术 用PC机 仪器板卡 代替传统仪器用计算机软件 代替硬件分析电路 优点 我们的工作 主要传感器和测试仪器生产厂商 3 测量分析仪器 2 7现代检测技术的发展趋势 检测技术 相关学科 物理 化学 数学 生物学 材料科学等等 新的检测理论 方法和技术手段 1 传感器水平的提高 光纤传感器 液晶传感器 压敏传感器 以高分子有机材料为敏感元件 化学传感器 微生物传感器 仿生传感器 代替视觉 嗅觉 味觉和听觉 以及检测超高温 超高压 超低温和超高真空等极端参数的新型传感器 科学研究 利用新发现的材料和新发现的生物 物理 化学效应开发出的新型传感器 光纤流速传感器 荧光材料制作的电子鼻传感器 生物酶血样分析传感器 3 传感器向着高精度小型化和集成化方向发展 微电子技术 多个同类型传感器集成在一个芯片或阵列上 一体化 将传感器和后续的处理电路集成一体 例 电荷耦合器件 CCD 光敏元阵列 数码相机 多功能传感 不同功能的传感器集成化 集成化 特点 一个传感器可以同时测量不同种类的多个参数 例 测量血液中各种成分的多功能传感器 特点 减少干扰 提高灵敏度 方便使用 可实现实时数据处理 传感器和数据处理电路集成 2 检测系统由模拟式 数字式向智能化方向发展 传感器 嵌入式计算机 智能传感器 振动网络传感器 嵌入式计算机 智能压力网络传感器 智能倾角RS232传感器 IC总线数字温度传感器 3 不断拓展测量范围 努力提高检测精度和可靠性 4 重视非接触式检测技术研究 5 采用新型信息处理方法 数据融合技术 模糊信息处理技术 神经网络技术 光电式传感器 电涡流式传感器 超声波检测仪表 核辐射检测仪表 系统资源与数据共享 便于现代测试仪器分散使用与大范围联网使用 6 网络化 通用化与标准化 4 1 1检测系统的组成 1 把各种非电量信息转换为电信号 这就是传感器的功能 传感器又称为一次仪表 2 对转换后的电信号进行测量 并进行放大 运算 转换 记录 指示 显示等处理 这叫作电信号处理系统 通常被称为二次仪表 图4 1非电量检测系统的结构形式 1 传感器的构成 传感器一般由敏感元件 传感元件和转换电路三部分组成 如图4 2所示 图4 2传感器的组成框图 2 8传感器的概念及基本特性 1 敏感元件 是一种能够将被测量转换成易于测量的物理量的预变换装置 其输入 输出间具有确定的数学关系 最好为线性 如弹性敏感元件将力转换为位移或应变输出 2 传感元件 将敏感元件输出的非电物理量转换成电信号 如电阻 电感 电容等 形式 3 基本转换电路 将电信号量转换成便于测量的电量 如电压 电流 频率等 1 线性度 传感器的静态特性是在静态标准条件下 利用一定等级的标准设备 对传感器进行往复循环测试 得到的输入 输出特性 列表或画曲线 通常希望这个特性 曲线 为线性 这对标定和数据处理带来方便 但实际的输出与输入特性只能接近线性 与理论直线有偏差 如图4 3所示 图4 3传感器的线性度示意图 线性度可用下式计算 4 1 2 灵敏度 传感器在静态标准条件下 输出变化对输入变化的比值称为灵敏度 用S0表示 即 式中 L 线性度 非线性误差 max 最大非线性绝对误差 yFS 输出满度值 4 2 对于线性传感器来说 它的灵敏度S0是个常数 3 迟滞 传感器在正 输入量增大 反 输入量减小 行程中输出 输入特性曲线的不重合程度称为迟滞 迟滞误差一般以满量程输出yFS的百分数表示 4 3 式中 Hm 输出值在正 反行程间的最大差值 迟滞特性一般由实验方法确定 如图4 4所示 图4 4迟滞特性 4 重复特性 传感器在同一条件下 被测输入量按同一方向作全量程连续多次重复测量时 所得的输出 输入曲线不一致的程度 称为重复特性 如图4 5所示 重复特性误差用满量程输出的百分数表示 即 4 4 式中 Rm 最大重复性误差 重复特性也由实验方法确定 常用绝对误差表示 如图4 5所示 图4 5重复特性 5 分辨力 6 漂移 由于传感器内部因素或在外界干扰的情况下 传感器的输出发生的变化称为漂移 7 精度 精度表示测量结果和被测的 真值 的靠近程度 3 传感器的动态特性 动态特性是指传感器测量动态信号时 输出对输入的响应特性 2信号传输与处理电路 传感器信号处理电路内容的选择所要考虑的问题主要包括 1 传感器输出信号形式 如是模拟信号还是数字信号 是电压还是电流 2 传感器输出电路形式 是单端输出还是差动输出 3 传感器电路的输出能力 是电压还是功率 输出阻抗的大小如何等 4 传感器的特性 如线性度 信噪比 分辨率 3位移检测 模拟式位移传感器1 可变磁阻式电感传感器 典型的可变磁阻式电感传感器的结构如图4 6所示 它主要由线圈 铁心和活动衔铁组成 图4 6可变磁阻式电感传感器 当线圈通以激磁电流时 其自感L与磁路的总磁阻Rm有关 即 4 6 式中 W 线圈匝数 Rm 总磁阻 如果空气隙 较小 而且不考虑磁路的损失 则总磁阻为 4 5 式中 L 铁心导磁长度 m 铁心导磁率 H m A 铁心导磁截面积 m2 A a b 空气隙 m 0 0 空气磁导率 H m 0 2 10 7 A0 空气隙导磁截面积 m2 由于铁心的磁阻与空气隙的磁阻相比是很小的 因此计算时铁心的磁阻可以忽略不计 故 4 8 将式 4 7 代入式 4 5 得 4 7 式 4 8 表明 自感L与空气隙 的大小成反比 与空气隙导磁截面积A0成正比 当A0固定不变而改变 时 L与 成非线性关系 此时传感器的灵敏度为 4 9 图4 7为差动型磁阻式传感器 它由两个相同的线圈 铁心及活动衔铁组成 当活动衔铁接于中间位置 位移为零 时 两线圈的自感L相等 输出为零 当衔铁有位移 时 两个线圈的间隙为 0 0 这表明一个线圈的自感增加 而另一个线圈的自感减小 图4 7可变磁阻差动式传感器 图4 8可变磁阻面积型电感传感器 如图4 9所示 在可变磁阻螺管线圈中插入一个活动衔铁 当活动衔铁在线圈中运动时 磁阻将变化 导致自感L的变化 图4 9可变磁阻螺管型传感器 2 涡流式传感器 涡流式传感器的变换原理 是金属导体在交流磁场中的涡电流效应 1 高频反射式涡流传感器 如图4 10所示 高频 1MHz 激励电流i0产生的高频磁场作用于金属板的表面 由于集肤效应 在金属板表面将形成涡电流 1 低频透射式涡流传感器 图4 11低频透射式涡流传感器 图4 10高频反射式涡流传感器 3 互感型差动变压器式电感传感器差动变压器式电感传感器是常用的互感型传感器 其结构形式有多种 以螺管型应用较为普遍 其结构及工作原理如图4 12 a b 所示 图4 12差动变压器式电感传感器 a b 工作原理 c 输出特性 图4 13是用于小位移的差动相敏检波电路的工作原理 图4 13差动相敏检波电路的工作原理 图4 14是电感测微仪所用的螺旋差动型位移传感器的结构图 图4 14螺旋差动型传感器的结构图 4 2 2数字式位移传感器光栅由标尺光栅和指示光栅组成 两者的光刻密度相同 但体长相差很多 其结构如图4 15所示 图4 15光栅测量原理 图4 16莫尔条纹示意 光栅莫尔条纹的特点是起放大作用 用W表示条纹宽度 P表示栅距 表示光栅条纹间的夹角 则有 4 10 若P 0 01mm 把莫尔条纹的宽度调成10mm 则放大倍数相当于1000倍 即利用光的干涉现象把光栅间距放大1000倍 因而大大减轻了电子线路的负担 图4 17光栅测量系统 光栅测量系统的基本构成如图4 17所示 图4 18感应同步器原理图 滑尺表面刻有两个绕组 即正弦绕组和余弦绕组 见图4 18 图4 19圆盘式感应同步器 a 定子 b 转子 圆盘式感应同步器如图4 19所示 其转子相当于直线感应同步器的滑尺 定子相当于定尺 而且定子绕组中的两个绕组也错开1 4节距 4速度 加速度检测 直流测速机速度检测图4 21所示为永磁式测速机的原理图 图4 21永磁式测速机的原理图 图4 22直流测速机的输出特性 图4 23光电式转速传感器的结构原理图 光电式转速传感器 光电式转速传感器是一种角位移传感器 由装在被测轴 或与被测轴相连接的输入轴 上的带缝隙圆盘 光源 光电器件和指示缝隙盘组成 如图4 23所示 根据测量单位时间内的脉冲数N 则可测出转速为 4 19 式中 Z 圆盘上的缝隙数 n 转速 r min t 测量时间 s 一般取Zt 60 10m m 0 1 2 利用两组缝隙间距W相同 位置相差 i 2 1 4 W i 0 1 2 的指示缝隙和两个光电器件 就可辨别出圆盘的旋转方向 图4 24应变式加速度传感器 应变式传感器加速度测试原理如图4 24所示 它通过测试惯性力引起弹性敏感元件的变形换算出力的关系 相关原理在后续内容中介绍 图4 25晶体的压电原理 1 压电效应及压电材料图4 25表示晶体切片在z轴和y轴方向受压力和拉力时电荷产生方向的情况 图4 26压电传感器的并联 串联示意图 a 并联 b 串联 2 压电传感器的结构及特性压电传感器一般由两片或多片压电晶体粘合而成 由于压电晶片有电荷极性 因此接法上分成并联和串联两种 如图4 26所示 3 压电传感器的应用压电加速度测试传感器的结构如图4 27所示 图4 27压电加速度传感器的结构 5力 扭矩检测 4 4 1力 力矩检测1 柱形或筒形弹性元件 如图4 28所示 这种弹性元件结构简单 可承受较大的载荷 常用于测量较大力的拉 压 力传感器中 但其抗偏心载荷和测向力的能力差 制成的传感器高度大 应变片在柱形和筒形弹性元件上的粘贴位置及接桥方法如图4 28所示 图4 28柱形和筒形弹性元件组成的测力传感器 若在弹性元件上施加一压力p 则筒形弹性元件的轴向应变 L为 4 20 用电阻应变仪测出的指示应变为 2 1 L 4 21 式中 p 作用于弹性元件上的载荷 E 圆筒材料的弹性模量 圆筒材料的泊松系数 A 筒体截面积 A D1 D2 2 4 其中 D1为筒体外径 D2为筒体内径 悬臂梁式测力传感器示意图 2 梁式弹性元件 1 悬臂梁式弹性元件 它的特点是结构简单 容易加工 粘贴应变片方便 灵敏度较高 适用于测量小载荷的传感器 图4 29所示为一截面悬臂梁弹性元件 在其同一截面正反两面粘贴应变片 组成差动工作形式的电桥输出 若梁的自由端有一被测力p 则应变