现代检测技术课件.ppt

现代检测技术,非电量测量技术：将除电量以外的物理量（化学量）如；温度、压力、振动、化学成分、位移等用各种手段变换为电量，从而进行准确测量的技术。 现代检测技术近50年发展起来，具有很多技术上的优点（1）它的反应速度快（2）可以测量微弱信号，并将转换的电信号进行长距离传输，便于远距离操作与控制。（3）测量精度高，能自动连续地进行测量（4）可输出的电信号易与计算机连接、记录和处理数据。,电炉控制系统,电 炉 TS,加热器控制装置,控制用计算机系统,绘 图 机,显 示 屏,加热器,检测与控制系统框图,测 控 对 象,传 感 器,测量电路,显 示 器,记 录 器,报 警 器,控制电路,执 行 器,单 片 微 机,框图各部分作用,传感器：直接感受被测物理量，并把其转换成与被测物理量有一定函数关系的电压、电流或电路参量（电阻、电容、电感）再输出给其他仪表。 测量电路：也称检测电路。分为模拟检测电路和数字检测电路。 模拟检测电路：,传感器,放大器,解调,滤波,运算,变换,数字检测电路,传 感 器,信号调理,多 路 开 关,主 放 大 器,采样保持器,模/数转换器,检测技术的发展趋势,1、不断扩大测量范围，提高可靠性和精度 用热电偶场时间连续测量高温介质的温度达25003000 体温计测温精度为0.011；工业ICT 2、开发集成化、一体化、多功能的传感器 传感器与信号调节电路集成化一体化,日本产多离子传感器.用一滴血液可同时快速检测出Na、K、H的浓度。 3、非接触测量技术 红外线测温、电涡流测金属材料厚度 4、利用计算机使测量智能化 完成自校准、自调零、自动测试、修正测试结果,温度传感器,1、热电偶温度传感器 热电偶：将温度变化转换为电势变化的传感器。 由两种不同材料的导体（或半导体）焊接而成，焊接端为热端，与导线连接端为冷端。 热电偶的工作原理：两种不同的导体（或半导体)成闭合回路，两接点温度分别为T、T0（TT0）回路中就会产生电动势，接在回路中的毫伏计就会偏转。两接点温差越大指针偏转越大。 热电偶分度表：使热电偶冷端温度保持不变，将另一端与被测物体接触，可以通过测量热电势来确定温度数值，把热电偶的热电势与工作端温度之间的关系制成表格。,常用热电偶种类,贵金属（1）铂铑10-铂热电偶（S）长期测温可测1300，短期可测温1600 （2）铂铑13铂（R）（3）铂铑30铂铑6 廉金属：1、铜康铜（T）2、铁康铜（J）3、镍铬铜镍（E） 快速消耗微型热电偶：铂铑30-铂铑6 热电偶结构：由热电极、绝缘子、保护管、接线盒 与热电偶配套的测量仪表：用高精度数字电压表直接测量其输出，通过查分度表得到温度值。现在多采用一体化的温度变送器处理后，直接送到普通显示记录仪。,热电阻传感器,电阻温度计:将温度的变化转化为电阻值的变化，通过测量电桥转换成电压信号，然后送到显示仪表指示或记录被测温度。 热电阻测温线路：工业热电阻多采用三线制接法。热电阻RT构成电桥一臂，当被测,R1,R2,R3,R,R,R,RT,E,介 质 温 度 变 化 时，热 电 阻 RT 阻 值 随着 变 化，使 测 量电 桥 失 去 平 衡，电 桥输 出 端 则 有 信 号 输 出，此 信 号 反 映了 温 度 变 化。,半导体热敏电阻,特点：灵敏度高、体积小、反应快 半导体热敏电阻分为三种类型（1）NTC热敏电阻（负温度系数）（2）CTR热敏电阻（负）（3）PTC热敏电阻（正） 集成温度传感器：在一块极小的半导体芯片上集成了包括敏感器件、信号放大电路、温度补偿电路、基准电源电路等在内的各个单元它使传感器和集成电路融为一体。,热电偶、热电阻的典型应用,金属表面温度的测量 热电偶炉温控制系统 钢水漏钢预报系统 采用集成温度传感器的数字式温度计 电动机保护器,热电偶炉温控制系统,热电偶,Mv定值器,电阻炉,v放大器,PID调节器,触发器,执行器,接触器,XCT,220V,控制信号,电动机保护器电路图,KM,k1,k,VT1,VS2,R3,RT3,380V,KM1KM3,c1,VD1VD3,KM4,24V,S2,S1,R4,R5,压力传感器,弹性式压力传感器：当被测压力作用于弹性元件时，弹性元件就产生相应变形，根据变形的大小，可以知道被测压力的数值。如：弹簧管式压力表。霍尔片式远传压力传感器。 应变片式压力传感器：当弹性敏感元件受压力作用产生变形，贴在上面的应变片也随着发生相应变形，从而使应变片阻值也随着变化，将应变片接入电桥电路中，就可将阻值变化转变为电压或电流的变化，由此反映压力变化。,压磁式测力传感器,压磁效应：某些铁磁材料受机械力F作用后，内部产生机械力，引起其磁导率（或磁阻）发生变化。受压缩时，沿应力方向其磁导率下降，沿着与应力垂直的方向则增加；若受拉，磁导率变化正好相反。 压磁元件受力作用后，磁弹性体的磁阻（或磁导率）发生与作用力成正比的变化，测出磁阻变化即间接测定了力值。 压磁元件及工作原理：,由若干形状相同的硅钢片叠合而成,孔1、2间的绕组W12为励磁绕组，用于接入励磁电源；孔3、4间的绕组W34用于产生感应电势。当压磁元件无外力作用时，由于铁心磁性的各相同性，四个区域的磁导率相同，磁力线呈轴对称分布，绕1、2孔闭合，不与绕组W34交链， W34不会产生感应电动势，输出为零。当压磁元件受外力F作用时，A、B区域受到较大应压力，磁导率下降，磁阻增大；C、D区域基本处于自由状态，磁导率基本不变，此时部分磁力线不再通过A、B区域，而是绕过C、D区域闭合，并与绕组W34交链，从而在二次侧绕组中感应出电动势E。作用力F越大。转移磁通越多，E也越大，F和电流I或电压U呈线性关系,液位测量,超生波式液位计：利用回声测距的方法对液位进行连续测量。,H,探头,容器,探头既可发出超声波又可接收超声波，当超声波达到液体与气体的分界面时，由于两种介质的密度相差悬殊，声波几乎全部被反射，如果超声波探头从发射到接收超声波所经过时间T，超声波在介质中传播速度为v，则探头到液面的距离为H=(1/2)vt 特点：非接触测量，可测范围广，探头寿命长，探头本身不能承受高温、声速受到介质的温度、压力影响，造价高。,电容式液位计,将液位的变化转换成电容量的变化，通过测量电容量的大小，来间接测量液位高低的液位测量仪表。,电极,绝缘套管,容器,在液体中插入一根带绝缘套管的电极，金属电极作为一个电极，容器和液体可视为另一个电极，绝缘套管为中间介质，三者组成圆筒形电容器 C=2L/Ln(D/d) C与L成正比。 当液位变化时，电容器两极被浸没的长度也随着变化，液位越高，电极被浸没的就越多,相应的电容量越大.,光纤液位传感器,基本结构,发光器件,受光器件,显示电路,光纤,敏感元件,发光器件射出来的光通过传输光纤送到敏感元件,在敏感元件的球面上,一部分光透过,其余的被反射回来, 敏感元件与液体相接触,光透射量增大,反射量减少,由反射量可知道敏感元件是否接触液体. 反射光量决定于被测定物质的折射率,折射率越大,反射光量越小. 来自敏感元件的反射光通过光纤由受光器件的光电晶体管进行光电转换后输出. 可对水和油等进行物质判别,能检测两种液体界面.,核辐射式液(物)位计,放射源,探测器,位置放大,接收器,整形,计数器,指示,显示仪表,电信号,核辐射式液(物)位计,放射性同位素的原子核在核衰变中放出各种带有一定能量的粒子或射线的现象-核辐射 同位素放射源所产生的射线能够穿透物质层,射线在穿透物质层时有一部分被吸收掉,其透射强度随物质的厚度而变,I=I0e-，、射入介质前和通过介质后的射线强度,为介质对射线的吸收系数,H为介质厚度,I0、为常数，只要能测知穿过介质后的射线强度I，那么介质的厚度即物位的高度，可求出。放射源和接收器放置在被测容器旁，由放射源放射出的射线强度I0 穿过设备和被测介质，由探测器接收并把探测出的射线强度I转换成电信号，经放大器放大送入显示仪表进行显示,油箱油量检测系统,电机,传感器,CX,C0,R1,RP,R2,U,显示装置,减速器,放大器,流量检测,差压流量传感器:在工业过程测量与控制中,应用最广泛的是差压式流量计,在所有测量液体气体和蒸汽流量的场合,多采用差压流量计.这种流量计是用节流装置或其他检测元件与差压计配套使用来测量流量, 具有结构简单,使用寿命长,适应性强和价格较低等优点. 产生差压的装置有:孔板、文丘里管、喷嘴、靶式流量计、皮托管和均速管等。这些节流装置在我国和国际上都已标准化，完全符合国家已定的设计安装和使用规程的各项条件时，流量和差压之间的关系可不经个别校准，而在规定的误差范围内，直接用计算方法确定。当流体通过设置在管道中的节流件时，造成流束局部收缩，其流速提高，压力减少，这个节流件两侧的压差与通过的流量有关，流量越大，压差越大，利用此压差来测量流量。,孔板及取压装置,孔板是一片带有圆孔的薄板，孔的中心位于管子的中心线上，K(P1-P2) 孔板一般用于测量干净的液体、气体和低速蒸汽,在50MM以上的管线上,同心孔板是最普通的节流件. 孔板用不锈钢制造,孔板安装时,必须垂直于管道轴线,其不垂直度不得大于1度. 根据上下游取压的位置,孔板流量计的取压方式:角接取压、法兰取压、缩流取压、环室取压。,电磁流量计,是一种测量导电液体体积流量的仪表,E,N,S,V,在管内壁上设置相对两个电极，沿垂直于连接两电极的直线和液体流动方向加上磁场。 E=BVD 体积流量Q=ED/ 4B 内部结构：测量管上下装有励磁线圈；一对电极装在测量管内壁与液体接触，引出感应电势；测量导管处于磁场中；绝缘衬里：保证感应电势引起的信号电极间的电位差不被金属导管所短路。 适用范围：测量含有固体颗粒或纤维的液固两相流体，如矿桨、泥浆、污水等。对于大管径供水管道最为合适。,电涡流式传感器,工业中可以测量位移、厚度、振动等。,i1,H1,H2,x,线圈中通以高频正弦交流电流i1,在线圈周围产生一个交变磁场H1若被测导体置与于该磁场范围内，则在导体内产生电涡流i2，此涡流将产生一个新的磁场H2， H2与H1方向相反。 涡流传感器在金属体中产生的涡流，其渗透深度与传感器线圈的励磁电流的频率有关，分为高频反射式低频透射式,电缆,线圈,探头,高频信号施加于电感线圈,产生高频磁场,作用于被测金属体,在表面形成电涡流,此涡流产生电磁场反作用线圈,改变电感的大小,L主要决定于线圈与金属板距离. X L f U,低频透射式电涡流传感器,正弦波振荡器产生的低频电压u1加到发射线,L1,u2,u1,圈L1两端,产生一个交变磁场,若两线圈间无被测材料,此磁场直接贯穿L2,感生交变电势u2.如果线圈匝数、结构、两者相对距离，u2是一个确定值。 当在之间放一金属板后，L产生的磁力线穿过金属板，并产生涡流，使达到L的磁场减弱，使u2减小。 金属板厚度越大，电涡流消耗越大，则u2越小，u2的大小间接反映了金属板的厚度。,L2,微波测厚仪,微波在传播过程中遇到被测物金属表面时被反射，且反射的波长与速度都不变的特性进行厚度测量。 在被测金属物体上下表面各安装一个终端器。微波信号源发出的微波，经过环行器A由传输波导管传输到上终端器，再由上终端器发射到被测物体上表面上，微波在被测物上表面全反射后回到,上终端器，再经过传输波导管、环行器A、下传输波导管传送到下终端器。由下终端器发射到被测物下表面的微波，经全反射后又回到下终端器，再经过传输波导管回到环行器A，被测物的厚度与微波传输过程中的行程长度有密切关系。 当被测厚度增加时，微波传输的行程减小。 微波传输行程作为测量臂，完全模拟测量臂设置参考臂，若测量臂与参考臂行程完全相同，则反相叠加的微波经检波器C检波后，输出为零， 若两臂行程长度不同，则反射回来的微波相位角不同，经反射叠加后不相互抵消，再经检波器检波后就有不平衡信号输出。此差值信号经过放大后控制可逆电机旋转，带动补偿短路器产生位移，从而改变补偿短路器的长度，两臂直到行程长度完全相同，放大器输出为零，可逆电机停止转动。 补偿短路器的位移与被测物厚度增加量之间的关系 S=LB-（LA-LB）=LB-（LA-h)=h,X射线测厚仪,当X射线穿透物质时，它的强度减少，这是由于钢板吸收了射线的能量，被吸收的数量取决于被测物体厚度，因此如果能测得被吸收后的射线的强度，就可以利用公式计算被测物体的厚度射线穿透物质能量衰减的规律以下式表示： I=I0*- 为厚度 I0，I分别为通过物质前后的强度，为吸收系数，通过物质的厚度。 同一能量的射线，穿透密度大的物质射程小，穿透密度小的物质射程大,射线和射线一样，均显电磁波从产生机构上来说，射线是从原子核内部放出的射线，而射线则是由原子核外产生的射线强度的大小可以靠改变加在射线管上的高电压来选择所以，射线和射线一样，可以测量厚度较厚的带钢，而且射线的防护问题比射线简单得多 穿透式测厚仪表的放射源和检测器分别置于被测带材的上下方，如图当射线穿过被测材料时，一部分射线被材料吸收；另一部分则穿过被测材料进入检测器，为检测器接收,放射源,对于窄束入射线，在其穿透被测材料以后，射线强度的衰减规律，如下式： I=I0*-x 所以，如果测出就可以知道质量厚度值,测量数据的后期处理 仪表计算出钢板厚度后，还要进行温度补偿和合金补偿计算。通过上位机传送的带钢的化学成分及其含量，仪表计算机计算出补偿系数（AI）。测量数据通过计算机处理后所得数值乘以AI，就是经过合金补偿的厚度值。 测厚仪测量厚度是在终轧温度800900时测量的，仪表输出的是冷态（20）下带钢的厚度值，带钢有热胀冷缩特性，所以就要进行温度补偿。测厚仪本身有一测温仪，专用于温度补偿。仪表中存有14条温度补偿曲线，根据上位机选择的温度补偿曲线号，仪表计算机在表中查得测量温度的温度补偿系数。经过合金补偿的厚度值乘以温度补偿系数就是输出的厚度值。,磁栅位移传感器结构,在非磁体的平整表面镀一层0.02mm的Ni-co-p磁性薄膜,并用录音磁头沿长度方向,按一定的激光波长,录上磁性刻度线-磁尺 在磁尺录上相等节距的磁化信息而形成磁栅,相当于一个个小磁铁,按NS、SN、NS-排列，在磁尺上磁场强度呈周期性变化。 磁栅位移传感器的结构:磁尺、磁头、检测电路。 磁头：动态磁头、静态磁头。 动态磁头只有一个输出绕组，静态磁头有两个绕组。一个是激励绕组，另一输出绕组。 检测电路：供给磁头激励电压；把检测到的信号转换为脉冲信号输出。,磁栅位移传感器工作原理,NS,当磁尺与磁头产生相对运动，磁头的铁芯使磁尺的磁通有效地通过输出绕组，在绕组中产生感应电压，该电压随磁尺磁场强度周期的变化而变化，从而将位移量转换成电信号输出，磁头输出信号经检测电路转换成电脉冲信号，并以数字形式显示。 允许最高工作速度为12m/min,系统的精度可达0。01mm/m,最小指示值0。001mm。 主要用于大型机床和精密机床作为位置或位移的检测元件。 结构简单，使用方便，动态范围大（120m)，磁信号可以重新录制，需要屏蔽和防尘,磁电式转速传感器,由电永久磁铁、感应线圈、磁盘组成,转轴,磁盘与转轴一起旋转，磁盘的凹凸齿形将引起磁盘与永久磁铁间气隙大小变化，使永久磁铁组成的磁路中磁通量随之变化,磁路通过感应线圈,当磁通量发生突变,感应线圈会感应出一定幅度的脉冲电势,其频率为:f= z n (z为磁轮的齿数 n为磁轮转数) 测定脉冲频率,可得知被测物体的转数. 如果磁电式转速传感器接上数字电路,组成数字式转速测量仪,直接读出被测物体的转速. 测量转速下限50r/s、上限数十万r/s,霍尔式传感器,霍尔效应：把一块载流子导体置于磁场中，当载流子导体中有电流通过时，在垂直于电流方向上产生电动势。,I,B,霍尔电势UH=RHBI/h RH:霍尔系数 h: 霍尔片厚度,霍尔元件结构：由霍尔片、引线和壳体三部分组成,1,3,4,2,1、3 激励电流或激励电压引线 2、4 霍尔电势输出引线霍尔电极,霍尔传感器组成：霍尔元件、激励电源、产生磁场的装置和输出测量电路构成。 霍尔元件基本电路：,I,U0,RL,1,3,2,4,B或I或B、I的乘积作为输入信号， U0正比于B或I或BI。,霍尔转速测量装置：,N,S,霍尔开关,待测物体,待测物体上粘贴一对或多对小磁钢，霍尔开关固定在小磁钢附近，待测物体以角速度旋转时，当小磁钢转过霍尔开关集成电路时，霍尔开关产生一个相应的脉冲，检测出单位时间的脉冲数，即确定待测物的转数。 设频率计频率为f,磁钢数为Z，转数n=60f/Z,接近传感器,是一种具有感知物体接近能力的器件，利用位移传感器对所接近的物体具有的敏感特性来识别物体的接近，并输出相应开关信号，也叫接近开关。 （1）电容式接近传感器 以电极为检测端的静电电容式接近开关，,电容式接近传感器原理,平时检测电极与大地之间存在一定的电容量,成为振荡电路一个组成部分,当被检测物体接近检测电极时,由于检测电极加有电压,检测物体受到静电感应产生极化现象,被测物体越靠近检测电极,检测电极的电荷就越多,检测电极的静电电容为C=Q/V,电荷的增多,使检测电极电容增大,近而又使振荡电路的振荡减弱甚至停止振荡.振荡电路的振荡与停振这两种状态被检测电路转换为开关信号向外输出.,电感式接近传感器,振荡电路,检波电路,放大电路,整形电路,输出电路,U,用敏感元件为检测线圈,是振荡电路的一个组成部分,在检测线圈的工作面上存在一个交变磁场,当金属物体接近检测线圈时,金属物体就会产生涡流,而吸收振荡能量,使振荡减弱以至停振.振荡与停振这两种状态经检测电路开关信,高频振荡型接近开关,R1,R2,L3,L2,L1,C,T1,T2,T3,+12V,KA,高频振荡型接近开关原理,L1,L2,L3,(1)LC振荡电路 振荡线圈L2输出线圈L3、反馈线圈L1绕在同一铁心上， 构成感应头，它固定在某物体上，当无金属体接近时， 维持振荡，当有金属体接近时，金属体内感应产生涡流。 涡流的去磁作用减弱线圈间的磁耦合，L1上反馈电压显著降低。（2）开关电路：振荡时，振荡电路的输出电压经D1和滤波C3后加到晶体管T2的基极，使之饱和导通，；停振时T2截止。（3）输出电路：振荡时，T2导通，T3截止，直流继电器KA的线圈不通电，停振时，T2截止，T3导通，KA通电，以控制其他电路通断。,多普勒效应测速,多普勒效应:如果发射机与接收机之间的距离发生变化,则发射机发射信号的频率与接收机收到信号的频率就不同. 发射机发射出的无线电波向被测物体辐射,被测物体以速度V运动,被测物体作为接收机接收到的频率f1=f0+v/0,接收机,发 射 机,V,f1,f0,0,如果将f1作为反射波向接收机发射信号,接收机接收到的信号频率为f2= f1+v/1,接 收 机,发射机,f2,f1,1,反射波,由于被测物体的运动速度远小于电磁波的传播速度.可认为0=1则f2= f0+2v/0 由多普勒效应产生的频率之差称为多普勒频率Fd= f2-f0=2v/ 0, 被测物体的运动速度V可以用多普勒频率来描述,多普勒雷达测速,发 射 机,接 收 机,混频器,检波器,放大器,处理电路,由发射机、接收机、混频器、检波器、放大器及处理电路组成。当发射信号和接收到的回波信号经混频器混频后，两者产生差频现象，差频的频率正好为多普勒频率,f0,f2,Fd,多普勒雷达检测线速度工作原理,雷达,V,发射波和反射波,被测物体,多普勒雷达产生的多普 频率为Fd=2vcos/0 V-被测物体线速度 -电磁波方向与速度方向的夹角 0-电磁波的波长 Vcos-电磁波方向与被测物体的速度分量,光电式传感器,光电式传感器；以光电器件作为转换元件的传感器，可以将光信号转换为电信号。 （1）光敏电阻：由一两边带有金属电极的光电半导体组成使用时在两电极上加直流或交流工作电压。,光电流,电源,光,无光照时，光敏电阻RG高阻态，回路中只有微弱的暗电流；有光照射时，光敏材料吸收光能量，电阻率变小，这时RG为低组态，回路中有较强的亮电流通过，并且光照越强，阻值越小，亮电流越大。 光敏电阻灵敏度高、体积小、重量轻、性能稳定、制做简单。,由光敏电阻组成的桥路,电桥平衡条件RCdS RC= RA RB 即VA = V B 当有光照 光敏电阻RCdS变化 电桥不平衡有电压输出,RCdS,光敏二极管：安装在透明的玻璃外壳中，P、N结装在管顶，直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般处于反向工作状态。当没有光照时，其反向电阻很大,流过PN结的反向电流很小.当有光照射PN结,在其上形成电子空穴对,形成光电流.,RB,VA V B,RA,RC RC,光电池:是一种有源光电元件,光照射,引起P-N结两端产生一定方向的电动势的效应,这一效应使器件能够像电池那样为外电路提供能量.,P,N,+,_,V,光电耦合器件:利用发光元件与光敏元件封装为一体构成电-光-电转换器件.有信号电压加到光电耦合器的输入端,发光器件发光,光敏管受光照产生光电流,使输出端产生相应的电信号.从而实现电-光-电的传输和转换.,光电耦合器可以分为光电隔离器和光电开关. 光电隔离器:将输入与输出两部分电路的地线分隔开.,光电开关,通过把光的强度变化转变为电信号变化,以此来实现控制的一种电子开关.对金属或非金属都能做出反应,无磨损,无电火花. 可用电子开关在一定距离内检测物体的有无,发光元件,接收元件,K,被测物体,发光元件与接收元件分别安装在被测物体通过路径的两侧，当有检测物体通过时光路被挡，接收元件动作，发出一个开关控制信号,