微机测控系统主要检测参数及及传感器.ppt

第2章微机测控系统主要检测参数及传感器,主要内容2.1微机测控系统中主要检测参数2.2传感器技术,2.1微机测控系统中主要检测参数,1.机车车辆参数检测的分类与目的2.机车车辆中常测量参数,1.机车车辆参数检测的分类与目的,2.机车车辆中常测量参数,（1）机车状态参数主发电机轴承温度20150；牵引电机轴承温度-20150；增压压力02.0kgf/cm2；静液压马达转速20000r/min；柴油机转速02000r/min;滑油压力08.0kgf/cm2;燃油压力05.0kgf/cm2;水温0150；,2.机车车辆中常测量参数,油温0150；牵引电机电流工作电压075mV代表01000A总管温度01000；进油027L/min;回油025L/min;主发电机电流010A代表010000A或075mV代表08000A；主发电机电压01000V；火情报警温度、烟度、明火；时间年、月、日、时、分、秒、1/100秒；,（2）机车运行参数,机车速度0250km/h；距离前方信号机距离050000m；列车管压力0500（600）kPa信号机颜色红、黄、绿、红黄、双黄、白等时间年、月、日、时、分、秒、1/100秒；,2.2传感器技术,在测控系统中，被控对象的状态信息经由输入通道进入单片机系统，在单片机作必要处理之后，通过输出通道送至外部控制元件，实现对被控对象的控制作用和外部显示等处理。许多状态信息参量，如流量、压力、温度、位移、速度、气体成份、声音和光谱等都是非电参量，而目前单片机内部只能处理电参量。因此，将这些非电参量转换成电参量就成为单片机测控系统运作之必需。将非电参量转换成电参量是一个非常重要的技术课题。完成这种转换的器件就是我们要讨论的传感器。,2.2传感器技术,传感器亦称换能器或变换器，它能将被测的某一物理量按一定规律转换成与其对应的另一种（或同种）物理量。通常所指的传感器是指能将被测量的非电物理量如压力、温度、流量、转速等转换成与之对应的、易于精确处理的电量或电参量（如电流、电压、电阻、频率等）的一种输出装置。,2.2传感器技术,2.2.1温度传感器2.2.2压力传感器2.2.3转速及线速度传感器2.2.4振动传感器2.2.5烟度（气敏）传感器2.2.6光电（明火）传感器,2.2.7电流、电压传感器2.2.8流量传感器2.2.9CCD图像传感器2.2.10倾角传感器2.2.11位移传感器2.2.12激光测距传感器,2.2.1温度传感器,1.热电偶2.热电阻3.半导体集成温度传感器4.单总线数字式温度传感器DS18205.其他温度传感器,1.热电偶,热电偶是温度测量领域应用最广泛的传感器之一，测量温区宽，在-1802800范围内均可使用；测量的精确度和灵敏度都较高，尤其在高温区范围内使用，有比其他类型传感器更高的测量精度。在一般的测量和控制系统中，常用热电偶作为中高温区的测温传感器。,1.热电偶,（1）热电效应两种不同导体构成一个闭合回路时，如果两节点a、b存在温差，则回路中就会有电流产生，如图2-1-A所示。这种由于温度不同而产生电势的现象称为热电效应（赛贝克效应），这两种不同导体的组合称为热电偶，其中节点a通常焊在一起，置于被测温区，称测温端或工作端；另一端如节点b则要求恒定在某一温度，称参考端或自由端。当热电偶的自由端和工作端温度相同时，其热电势为零。,1.热电偶,（2）基本定律1）均质导体定律：由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的截面和长度如何，均不产生热电势。2）中间导体定律：如果中间导体两端温度相等，则不会改变回路总电势。3）连接导体定律和中间温度定律。,1.热电偶,（3）常用热电偶常见的热电偶其形状一般为棒形，整体主要由热电极、绝缘管、保护管、接线盒等各部分组成，其中热电极是测温的敏感器件，因而热电偶常以热电极的材料来命名，如铂铑铂热电偶、镍铬镍硅热电偶、铜铜镍热电偶等，而习惯由常利用热电偶的分度号来称呼，如K偶、J偶等。,2.热电阻,热电阻在常温区和较低温区范围内有比热电偶更高的灵敏度，因此在-200+650范围内的温度测量，常用热电阻作为温度传感器。热电阻阻值随温度变化而变化，按其制作的材料来分，可分为铂电阻、铜电阻、半导体热敏电阻等几种。,3.半导体集成温度传感器,前面介绍的热电偶由于热电势小，灵敏度低，在常温区温度测量精度不高；热敏电阻尽管反应灵敏，但非线性太大而影响测量精度，并且上述传感器其温度的变化一般表现为电压的变化，因而不宜在有强电磁干扰环境中实现信号传送；如果采用温度变送器，价格又很昂贵。,3.半导体集成温度传感器,AD590是一种两端式的集成温度传感器，封装型式为TO-2,其特点是：（1）体积小重量轻；（2）线性度好，1A/K；（3）性能稳定；（4）测温范围-50+150；（5）温度电流变换，适于远距离测量；（6）精度可达0.5；（7）电源电压范围4V30V，电阻采用激光修刻工艺，+25（298.2K）时，输出电流298.2A；（8）成本低，实用性强。,4.单总线数字式温度传感器DS1820,DS1820（DS18B20）是DALLAS公司的新一代单总线数字温度传感器，测温范围在-55125，DS1820的测量精度为0.5，DS18B20的测量精度为0.0625。其内部有集成的A/D转换部分，输出即为数字信号，无需增加A/D变换的芯片。其最大的优点是一线制结构，所有的信号可以共用同一条总线。,1.DS1820硬件电路,1）DS1820（DS18B20）的管脚定义如图2-3所示。1-GND,2-DATA,3-VCC。,1.DS1820硬件电路,2）DS1820（DS18B20）采用5V电源供电，其电路连接如图2-4所示。,2.多点测温原理,多点测温时，总线上同时挂接了多个DS1820（DS18B20），系统之所以能够识别出每个DS1820（DS18B20），主要是根据每个DS1820（DS18B20）中存有的全球唯一的地址码。在进行温度测量时，先要启动所有的DS1820（DS18B20）作温度转换，等其转换完毕后，再向总线上发送某个DS1820（DS18B20）的地址码，然后就可以从总线上读出该DS1820（DS18B20）测量出的温度值。多点测温时必须清楚每个测量点处DS1820（DS18B20）的地址码，所以在测温前一个很重要的工作就是读出所有测量点处DS1820（DS18B20）的地址码，即对所有传感器进行编码。,3.读码方式,这里采用的是单独读码方式，总线上只挂接一个DS1820（DS18B20），由单片机读出码值后，单片机将得到的码值存到非易失RAM相应的位置，读温度时，再到指定的位置处取码。读码流程如图2-5所示。,5.其他温度传感器,（1）热辐射温度传感器（2）光导纤维温度传感器,（1）热辐射温度传感器,这类传感器是利用测量高温物体的热辐射而获得其温度值，常用的有光学高温计、光电比色高温计、红外高温计等。其温度采集主要是利用光学方法，通过光学准直系统采集和传送被测温区的辐射能，利用亮度比较、色度比较等方法确定被测物体的温度。这类测量仪器主要用于高温的测量中。,（2）光导纤维温度传感器,其测量原理基本上与辐射式高温计相同，只是利用光纤取代光学聚光系统，入射辐射光滤波后进入光电转换器变成电信号输出。由于光纤不仅具有抗振动、抗电磁干扰、轻便价廉等特点，而且较容易地靠近被测物体，因此精度也较一般的辐射式高温计高。目前在高温非接触测量和控制领域已有广泛的应用。,2.2.2压力传感器,压力单位一个标准大气压=760mmHg=1.01325105帕一个工程大气压=0.980665105帕=0.00980665Kpa机械式压力计电学式压力传感器,2.2.3转速及线速度传感器,磁电式转速传感器光电式转速传感器直射式光电转速传感器反射式光电转速传感器电涡轮式转速传感器电动式速度传感器霍尔式转速传感器电磁式速度传感器,磁电式转速传感器,直射式光电转速传感器,反射式光电转速传感器,电涡轮式转速传感器,电动式速度传感器,霍尔式转速传感器,电磁式速度传感器,2.2.4振动传感器,机械振动的测量一般有机械方法、光学方法和电测法。在电测振动方法中，涉及振动的频率范围（频谱）、振幅及振动加速度等参数。通过加速度的测量并经过数学运算（积分），可以求出振动的速度及位移（振幅），所以振动传感器一般用的是加速度传感器。常用的振动加速度传感器有压电式、压阻式和电涡流式等。,电荷信号的前向通道,2.2.5烟度（气敏）传感器,2.2.6光电（明火）传感器,光敏电阻光敏二极管和光敏三极管,2.2.7电流、电压传感器,霍尔器件工作原理,LEM模块,2.2.7电流、电压传感器,LEM电流模块,2.2.7电流、电压传感器,LEM电压模块,2.2.8流量传感器,LWGY型涡轮流量传感器，其工作原理是：被测液体流经传感器时，传感器内叶轮借助于液体的动能而旋转。此时，叶轮叶片使检测装置中的磁路磁阻发生周期性变化，因而在检测线圈两端就感应出与流量成正比的电脉冲信号，经前置放大器放大后送至显示仪表。,2.2.8流量传感器,在测量范围内，传感器的流量脉冲频率与体积流量成正比，这个比值即为仪表系数，用K表示：或式中：f流量信号频率（Hz）Q体积流量（m3/h或L/h）N脉冲数V体积总量（m3或L）,2.2.9CCD图像传感器,图像传感器是采用光电转换原理，用来摄取平面光学图像并使其转换为电子图像信号的器件，图像传感器必须具有两个作用：一是具有把光信号转换为电信号的作用；二是具有将平面图像上的像素进行点阵取样，并把这些像素按时间取出的扫描作用,2.2.9CCD图像传感器,2.2.10倾角传感器,倾角传感器是用于姿态检测与控制的传感器，在各个领域都得到了广泛的应用。在工作原理上可分为固体摆式、液体摆式、气体摆、电容式、电感式等。根据测量需要，也有单轴、双轴传感器之分。,2.2.10倾角传感器,T233/T235是一个高精度双轴（X轴、Y轴）重力参考倾角传感器，它由非接触位移传感器、力矩马达、误差、反馈电路和悬臂质量块组成。当整个传感器发生倾斜时，悬臂质量块便离开原来的平衡位置，非接触位移传感器检测出该变化后，将位置信号送入误差和放大电路，一方面传感器输出与倾角成一定比例的模拟信号；,2.2.10倾角传感器,另一方面，该信号经反馈电路送入力矩马达的线圈。此时，力矩马达会产生一个与悬臂质量块运动方向相反、大小相等的力矩，力图使悬臂质量块回到原来的平衡位置。这样经过一定时间后，悬臂质量块就停留在一个新的平衡位置。这时，传感器输出的信号才是真正有效的信号。,2.2.11位移传感器,1.电涡流位移传感器2.光纤位移传感器3.拉线式位移传感器,1.电涡流位移传感器,2.光纤位移传感器,3.拉线式位移传感器,拉线式位移传感器属于接触式测量的位移传感器，它将机械位移量转换成可计量的、成线性比例的电信号。当被测物体产生位移时，拉动与其相连接的传感器绳索，绳索带动传感器传动机构与编码器同步转动；当位移反向移动时，传感器内部的自动回旋装置将自动收回绳索，并在绳索伸收过程中保持其张力不变；从而输出一个与绳索移动量成正比例的电信号。,3.拉线式位移传感器,PT8420是一款可用于防爆等危险场合的中小量程位移传感器。具有测量精度高、可靠性好、防护等级高、寿命长、维护少等特点。拉绳采