第6章电气测量与检测.ppt

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1、电气测量与检测第六章第六章2021/9/151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2021/9/152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2021/9/153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

2、第二节传感器2021/9/1542 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2021/9/155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2021/9/156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2021/9/157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2021/9/158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2021/9/159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2021/9/1510传感器的定义及构成

3、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构成框图传感器构成框图传感器构成框图传感器构成框图 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2021/9/1511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2021/9/1512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

4、传感器2021/9/1513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2021/9/1514敏感元件和转换元件敏感元件和转换元件敏感元件和转换元件敏感元件和转换元件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A、基本测量原理、基本测量原理第二节传感器2021/9/1515压力传感器结构示意图压力传感器结构示意图压力传感器结构示意图压力传感器结构示意图惠斯顿电桥惠斯顿电桥惠斯顿电桥惠斯顿电桥第二节传感器2021/9/1516常用

5、常用常用常用型两线制压力变送器电原理图型两线制压力变送器电原理图型两线制压力变送器电原理图型两线制压力变送器电原理图第二节传感器2021/9/1517(a)绝对压力测量绝对压力测量(b)表压力测量表压力测量(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2021/9/1518C、各种压力传感器、各种压力传感器第二节传感器2021/9/1519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2021/9/1520A、基本测量原理、基本测量原理

6、热电效应热电效应 铠装热电偶铠装热电偶铠装热电偶铠装热电偶热电偶原理图热电偶原理图 EAB（T，T0）=fAB（t）第二节传感器2021/9/1521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

7、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)）S S铂铑（铂铑（PtPt（Rh 10Rh 10）铂（铂（PtPt）R R铂铑（铂铑（PtPt（Rh 13Rh 13）铂（铂（PtPt）B B铂铑（铂铑（PtPt（Rh 30Rh 30）铂（铂（PtPt（Rh 10Rh 10）第二节传感器2021/9/1522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

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20202.402.400.00324(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2021/9/1523利用热敏电阻测量温度的典型电路利用热敏电阻测量温度的典型电路利用热敏电阻测量温度的典型电路利用热敏电阻测量温度的典型电路B、常用温度测量接

9、口电路常用温度测量接口电路 第二节传感器2021/9/1524利用热电偶测量温度的典型电路利用热电偶测量温度的典型电路第二节传感器2021/9/1525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2021/9/1526信号调理电路的作用信号调理电路的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2021/9/1527湿度传感器湿度传感器湿度的危害湿度的危害湿敏

10、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2021/9/1528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2021/9/1529第二节传感器2021/9/1530超声波物体检测器电路板和探头超声波物体检测器电路板和探头B、实际应用电路、实际应用电路第二节传感器2021/9/1531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

11、节传感器2021/9/1532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2021/9/1533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2021/9/1534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2021/9/1535浮子流量计浮子流量计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-传感器部分；3-导杆；4-浮子；5-锥形管部分；第二节传感器2021/9/1536浮子流量计工作原理浮子流

12、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2021/9/1537椭圆齿轮流量计工作原理椭圆齿轮流量计工作原理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2021/9/1538结构图结构图 齿轮流量计齿轮流量计 第二节传感器2021/9/1539涡轮流量计涡轮流量计第二节传感器2021/9/1540内部结构内部结构涡轮流量计涡轮流量计第二节传感器2021/9/1541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超声波流量计超声波流量计 第二节传感器2021/9/1542时间差

13、法测量流量原理时间差法测量流量原理第二节传感器2021/9/1543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2021/9/1544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2021/9/1545电磁流量计电磁流量计 测量原理测量原理 电磁流量计电磁流量计 第二节传感器2021/9/1546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2021/9/1547电磁传感器电磁传感器 磁传感器是最古老的传感器，指南

14、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2021/9/1548一款电磁传感器的外形一款电磁传感器的外形电磁接近开关电磁接近开关指指南南针针第二节传感器2021/9/1549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2021/9/1550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

15、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2021/9/1551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2021/9/1552电磁传感器的应用（一）电磁传感器的应用（一）第二节传感器2021/9/1553电磁传感器的应用（二）电磁传感器的应用（二）第二节传感器2021/9/1554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2021/9/1555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2021/9/1556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

16、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 6N+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 10 10P P型基区型基区 11 11N N型发射区型发射区 12 12发射结发射结第二节传感器2021/9/1557（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

17、介质 的的激光作为探测光源，应用国际先进的激光传感技激光作为探测光源，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、锅炉术而可广泛适用于石油、化工、冶金、锅炉 等行等行业、领域的一种新型的非接触式智能测量仪表。业、领域的一种新型的非接触式智能测量仪表。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 监测仪监测仪表之不足，不受介质温度、密度、压力等物理、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 范围内的范围内的所有的液体介质液位，其输出的数字信号可直接所有的液体介质液位，其输出的数字信号可直接进入

18、现场控制系统。进入现场控制系统。第二节传感器2021/9/1558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2021/9/1559电量变送器电量变送器 电量变送器的用途、分类电量变送器的用途、分类 霍尔元件的原理霍尔元件的原理第二节传感器2021/9/1560B、应用、应用UZJGUZJG型激光型激光型激光型激光智能液位感测器智能液位感测器智能液位感测器智能液位感测器区域检测传感器能区域检测传感器能区域检测传感器能区域检测传感器能稳定且高精度地检测稳定且高精度地检测稳定且高精度地检测稳定且高精度地检测检测光亮背景检测光亮背景检测光亮背景检测光亮背景前的瓶子前的瓶子

19、前的瓶子前的瓶子第二节传感器2021/9/1561（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2021/9/1562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理仿生传感器，是一种采用新的检测原理的新型传感器。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2021/9/1563各种仿生传感器各种仿生传感器各种仿生传感器各种仿生传感器 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密切的联系，

20、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2021/9/1564 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。气动执行器气动执行器气动执行器气动执行器电动执行器电动执行器电动执行器电动执行器角行程角行程角行程角行程直行程直行程直行程直行程液动执行器液动执行器液动执行器液动执行器第三节执行器第三节第三节 执行器执行器2021/9/1565A、气动执行器工作原理、气动执行器工作原理气动执行机构气动执行机构气动执行机构气动执行机构第三节执行器2021/9/1566 执行机构执

21、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薄膜式薄膜式薄膜式薄膜式活塞式活塞式活塞式活塞式第三节执行器2021/9/1567B、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2021/9/1568C、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2021/9/1569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

22、芯；铁芯；10-放大器放大器第三节执行器2021/9/1570电电-气转换器工作过程气转换器工作过程第三节执行器2021/9/1571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2021/9/1572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

23、执行器2021/9/1573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2021/9/1574第四节虚拟仪器虚虚拟仪拟仪器器传统仪传统仪器器开放性、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

24、术更新周期长（510年）2021/9/1575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2021/9/1576虚拟仪器VirtualInstrumentation二、构成二、构成 硬件硬件 软件软件第四节虚拟仪器2021/9/1577三、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 2021/9/1578LabVIEW LabVIEW 图形化编程语言图形化编程语言

25、 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2021/9/1579Demo:LabVIEW VI第四节虚拟仪器2021/9/1580LabVIEW LabVIEW 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2021/9/1581仪器控制架构仪器控制架构GPIB Extenders2km2km1Hub2GPIB/SerialEnet to GPIB/Serial3Ethernet-based Instrument4第四节虚拟仪器2021/9/1582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

26、连接附件连接附件传感器传感器第四节虚拟仪器2021/9/1583数据采集卡数据采集卡MultifunctionAnalog I/O,Digital I/O,Counter/Timer第四节虚拟仪器2021/9/1584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2021/9/1585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

27、vision applicationsCreate LabVIEW VIs可可编程软件编程软件(IMAQ Vision)More than 150 image processing functionsFunctions compatible with LabVIEW,C,C+,and Visual BasicReducedDevelopmentTime第四节虚拟仪器2021/9/1586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/O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2021/9/1587 应用应

28、用 1 1、在仪器计量系统方面、在仪器计量系统方面 2 2、在专用测量系统方面、在专用测量系统方面 第四节虚拟仪器2021/9/1588第五节第五节 智能仪器仪表智能仪器仪表智能仪表的性能特点智能仪表的性能特点 一定程度的人工智能一定程度的人工智能 多敏感功能多敏感功能 精度高、测量范围宽精度高、测量范围宽 通信功能通信功能第五节智能仪器仪表2021/9/1589硬件功能软件化硬件功能软件化集成化、模块化集成化、模块化参数整定与修改实时化参数整定与修改实时化硬件平台通用化硬件平台通用化第五节智能仪器仪表2021/9/1590智能仪表的通用模型智能仪表的通用模型 只具有数字通信接口的智能仪表功能

29、模型只具有数字通信接口的智能仪表功能模型a a）智能传感器）智能传感器 b b）开环智能执行器）开环智能执行器 c c）闭环智能执行器）闭环智能执行器第五节智能仪器仪表2021/9/1591 智能传感器功能模型智能传感器功能模型第五节智能仪器仪表2021/9/1592智能执行器功能模型图智能执行器功能模型图第五节智能仪器仪表2021/9/1593智能仪表硬件结构智能仪表硬件结构第五节智能仪器仪表2021/9/1594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一、数据融合技术的内容一、数据融合技术的内容 1.1.信息融合的层次信息融合的层次 原始数据融合原始数据融合 目标级融合目标级融合 决策级的信息融合决策级的信息融合2021/9/15952.2.信息融合的步骤信息融合的步骤 信息采集信息采集 信息辨识信息辨识 相关处理相关处理 融合处理融合处理2021/9/15963.3.数据融合技术的基本原理数据融合技术的基本原理多传感器数据融合过程多传感器数据融合过程 2021/9/1597多传感器数据融合的三个层次多传感器数据融合的三个层次 像素级融合像素级融合 特征集融合特征集融合 决策级融合决策级融合英国双波段热像仪中的融合处理英国双波段热像仪中的融合处理 2021/9/15982021/9/1599