检测技术及仪表课件

思考题思考题请说明基于生物效应的传感技术。进一请说明基于生物效应的传感技术。进一步举例说明其应用步举例说明其应用思考题请说明基于生物效应的传感技术。进一步举例说明其应用检测仪表的构成和设计方法检测仪表的构成和设计方法一、检测仪表的组成种类：流量、压力、温度等；功能：输出信号、显示方式、温、压补偿等；性能：量程、精度、功耗、灵敏度、可靠性等敏感元件转换元件信号处理数据传输显示非线性 校正被测参数一、检测仪表的组成种类：流量、压力、温度等；敏感元件转换元件一体化仪表一般比较简单；一般比较简单；以本地显示为主。以本地显示为主。一体化仪表一般比较简单；组合型：几种热电偶温度检测仪表的结构形式 检测点热电偶热电极集中监控室热电偶温度显示表信号线现场安装点热电偶温度变送器(b)带显示的现场温度变送器检测点热电偶热电极集中监控室热电偶温度显示表信号线热电偶温度变送器（a）不带显示的现场温度变送器检测点热电偶热电极集中监控室热电偶温度显示表（c）现场不设温度变送器现场安装点组合型：几种热电偶温度检测仪表的结构形式 检测点热电偶热电极二、检测仪表的设计方法二、检测仪表的设计方法 信号变换信号变换信号变换按结构形式来分主要有四类：信号变换按结构形式来分主要有四类：简单直接式变换简单直接式变换差动式变换差动式变换参比式变换参比式变换平衡（反馈）式变换平衡（反馈）式变换 二、检测仪表的设计方法 信号变换信号变换按结构形式来分主1、简单直接变换的结构形式、简单直接变换的结构形式敏感元件能将被测量转换成电学量敏感元件把被测参数转换成某种可利用的中间物理量；再通过转换元件把中间物理量转换成电学量中间物理量主要有位移、光量和热量等转换元件有应变片、电感、电容、霍尔元件、光电器件和热敏元件等；1、简单直接变换的结构形式敏感元件能将被测量转换成电学量敏感简单直接式变换仪表的特点简单直接式变换仪表的特点?结构简单、工作可靠；结构简单、工作可靠；开环仪表结构，准确度低；开环仪表结构，准确度低；线性度一般较差；线性度一般较差；检测元件与转换电路之间需要阻抗匹配。检测元件与转换电路之间需要阻抗匹配。简单直接式变换仪表的特点?结构简单、工作可靠；2.差动式差动式常用于检测仪表信号转换模块的设计；常用于检测仪表信号转换模块的设计；用用两个性能完全相同的转换元件两个性能完全相同的转换元件，感受，感受敏感元件的输出量，并把它转换成两个敏感元件的输出量，并把它转换成两个性质相同但性质相同但沿反方向变化的物理量；沿反方向变化的物理量；可提高检测仪表（系统）的可提高检测仪表（系统）的灵敏度灵敏度和和线线性度性度，减小或消除环境等因素的影响。，减小或消除环境等因素的影响。2.差动式常用于检测仪表信号转换模块的设计；差动变换形式差动变换形式差动变换形式 差动式变压器 差动式电容器 差动式变压器 差动式电差动式变换的特性分析差动式变换的特性分析 X1:转换元件的输入量X2:干扰量转换元件的输出特性差动式直接式差动式变换的特性分析 X1:转换元件的输入量X2:干扰量转换差动式变换的特点差动式变换的特点灵敏度灵敏度更高更高线性度线性度较高较高如果转换元件的输入量和干扰量相互独如果转换元件的输入量和干扰量相互独立，则可以完全消除干扰量的影响立，则可以完全消除干扰量的影响差动式变换的特点灵敏度更高3.参比式变换参比式变换参比参比法也称为法也称为补偿补偿法；法；可以减小或消除环境条件变化（温度变化、电源可以减小或消除环境条件变化（温度变化、电源波动等）对测量的影响波动等）对测量的影响3.参比式变换参比法也称为补偿法；参比法压力测量应变式压力传感器的电桥电路，其中R为固定电阻，R1为工作应变片，粘贴在弹性元件上，R2是补偿用的应变片参比法压力测量应变式压力传感器的电桥电路，其中R为固定电阻，参比式特性分析参比式特性分析无损压力检测温度影响的消除-参比法无损压力检测温度影响的消除-参比法无损压力检测温度影响的消除-参比法测量位置无损压力检测温度影响的消除-参比法测量位置参比式变换的特点参比式变换的特点能够消除能够消除环境变化（如温度）环境变化（如温度）引起的误引起的误差，但差，但要根据干扰量相对于被测量的作用效果，来确定两个检测元件输出信号的处理形式（相减或相除）；不能克服敏感元件的非线性；不能克服敏感元件的非线性；两个检测元件的性能要求完全一致，否两个检测元件的性能要求完全一致，否则会引起附加误差则会引起附加误差参比式变换的特点能够消除环境变化（如温度）引起的误差，但要根4.平衡（反馈）式变换平衡（反馈）式变换平衡式变换也称反馈式变换，是指信号变换环节（包括转换元件和转换电路）为闭环结构4.平衡（反馈）式变换平衡式变换也称反馈式变换，是指信号变平衡式仪表分类按输入信号的不同力平衡式/力矩平衡式电压平衡式/电流平衡式按输入信号与反馈信号之间是否有差值有差随动式无差随动式平衡式仪表分类按输入信号的不同差压式变送器差压式变送器有差随动式变换的特性分析有差随动式变换的特性分析灵敏度？动态特性？前向通道放大倍数的合理选取有差随动式变换的特性分析灵敏度？有差随动式变换的特性分析有差随动式变换的特性分析有差随动式变换的特性分析无差随动变换无差随动变换可逆电机可逆电机M的传递函数可表示为的传递函数可表示为K/s,即相当于一个即相当于一个积分积分环节，从而消除闭环负反馈的余差；环节，从而消除闭环负反馈的余差；区分无差随动和有差随动的标准是前向通道是否包含区分无差随动和有差随动的标准是前向通道是否包含积分环节积分环节。无差随动变换无差随动式变换的特性分析无差随动式变换的特性分析思考题为什么在仪表的设计中需要引入差动式、参比式或者反馈式，意义是什么？思考题为什么在仪表的设计中需要引入差动式、参比式或者反馈式，三、检测仪表中常见的信号变换方法三、检测仪表中常见的信号变换方法 敏感元件将被测参数转换成敏感元件将被测参数转换成位移、电阻、电荷、电位移、电阻、电荷、电容、电感、光强容、电感、光强等物理量等物理量；而检测仪表的输出通常为而检测仪表的输出通常为电压或电流信号电压或电流信号，电压、电压、电流信号也易于传输，电流信号也易于传输，为此需要通过转换元件、转为此需要通过转换元件、转换电路实现信号间的变换换电路实现信号间的变换；位移位移-电信号电信号电阻电阻-电压电压电容电容-电压电压电流电流-电压电压三、检测仪表中常见的信号变换方法 敏感元件将被测参数转换成位1.位移与电信号的变换位移与电信号的变换霍尔元件霍尔元件微位移转化为电压信号微位移转化为电压信号电容式检测元件电容式检测元件位移转变成电容变化，位移量很小，如膜片位移转变成电容变化，位移量很小，如膜片差动变压器差动变压器利用互感原理把位移转换成电信号利用互感原理把位移转换成电信号其它其它电感器电感器光纤式光纤式1.位移与电信号的变换霍尔元件检测技术及仪表课件变面积式变面积式变极距式变极距式变面积式变极距式差动式变压器差动式变压器利用互感原理实现位移检测，变压器的原边由交流电源供电，铁心与产生位移信号的敏感元件相连；当铁心在中间位置时，上下两段副边线圈产生的感应电动势e1和e2大小相等，输出为0；铁心在敏感元件的带动下向上移动时，则e1增大，而e2减小，使差值增大，差值的大小与铁心的位移成正比。差动式变压器利用互感原理实现位移检测，变压器的原边由交流电源差动变压器式压力变送器差动变压器式压力变送器其他转换元件或方法其他转换元件或方法光学法 首先将位移量转换成光强的变化，进一步用光敏元件把光信号转换成电信号 其他转换元件或方法光学法思考题你能想到其它位移到电信号的转换方法吗？思考题你能想到其它位移到电信号的转换方法吗？2.电阻与电压的变换电阻与电压的变换电阻式检测元件应用非常广泛，可用于测量温度、应力、湿度、光强等很多参数；比如：应变片测量应力、热电阻测量温度等都把被测参数转换为电阻值变化；电阻信号转换为电压（或电流）的主要方法：外加电源，并和被测电阻一起构成回路，测量回路中的电流；利用电桥进行转换2.电阻与电压的变换电阻式检测元件应用非常广泛，可用于测量热导式气体检测仪测量气室测量气室通以被测量的通以被测量的气体；气体；参比气室参比气室里面充里面充满空气；满空气；四个气室是连体结构，四个气室是连体结构，他们所处的环境条件，他们所处的环境条件，如如温度、压力、流量温度、压力、流量等，等，完全一样；完全一样；热导式气体检测仪测量气室通以被测量的气体；参比气室里面充满空3.电容电压的变换电容电压的变换电容式检测元件能将很多参数的变化转化为电容值的变化；电容器可以采用不同的形状，常见的有平行板电容器和圆筒形电容器；电容值检测的主要方法：作为一个阻抗元件，采用交流电源，实现阻抗电压的转换；利用电容的充放电特性。3.电容电压的变换电容式检测元件能将很多参数的变化转化为桥式电路桥式电路单臂接法 桥式电路单臂接法桥式电路桥式电路差动接法桥式电路差动接法差动脉宽调制电路差动脉宽调制电路谐振法谐振法4.电压电流转换电压电流转换电压电流转换电路 当输入电压为 时 输出电流：4.电压电流转换电压电流转换电路电压电流转换的特性分析电压电流转换的特性分析输出电流与输入电压之间的关系为：电压电流转换的特性分析输出电流与输入电压之间的关系为：有基准电压的电压有基准电压的电压-电流转换电路电流转换电路有基准电压的电压-电流转换电路电流电压的转换电流电压的转换思考题请举例说明减小或消除仪表非线性的方法，要求三种以上。思考题请举例说明减小或消除仪表非线性的方法，要求三种以上。作业：电阻应变片测量电路作业：电阻应变片测量电路如图所示为一直流应变电桥。图中如图所示为一直流应变电桥。图中Usr=5V，温度为温度为20时，时，R1=R2=R3=R4=100，当环，当环境温度为境温度为40时，由于温度升高而引起的金时，由于温度升高而引起的金属应变片阻值增加属应变片阻值增加Rt1，试求：，试求：（1）R1为金属应变片，其余为外接电阻为金属应变片，其余为外接电阻（阻值不随温度变化，下同）。电桥输出电（阻值不随温度变化，下同）。电桥输出电压压Usc=?（2）R1、R2都是金属应变片，且批号相同，都是金属应变片，且批号相同，其余为外接电阻，如果其余为外接电阻，如果R2与与R1感受应变的极感受应变的极性相反，且由于应变引起的阻值变化为性相反，且由于应变引起的阻值变化为R1=1，R2=1，电桥输出电压，电桥输出电压Usc=?（3）试讨论如何通过对供电电源和应变电桥试讨论如何通过对供电电源和应变电桥作适当改进进一步提高测量电路的灵敏度并作适当改进进一步提高测量电路的灵敏度并彻底消除环境温度对测量结果的影响（假定彻底消除环境温度对测量结果的影响（假定应变片的一致性非常好，温度系数稳定）。应变片的一致性非常好，温度系数稳定）。作业：电阻应变片测量电路如图所示为一直流应变电桥。图中Usr