檢測(cè)技術(shù)及儀表-浙江大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院

1、思考題,請(qǐng)說明基于生物效應(yīng)的傳感技術(shù)。進(jìn)一步舉例說明其應(yīng)用,檢測(cè)儀表的構(gòu)成和設(shè)計(jì)方法,一、檢測(cè)儀表的組成,種類：流量、壓力、溫度等；功能：輸出信號(hào)、顯示方式、溫、壓補(bǔ)償?shù)?；性能：量程、精度、功耗、靈敏度、可靠性等,,,敏感元件,,,轉(zhuǎn)換元件,,,信號(hào)處理,,,數(shù)據(jù)傳輸,,顯示,,,,,,,,,,,,,,非線性 校正,被測(cè)參數(shù),一體化儀表,一般比較簡(jiǎn)單；以本地顯示為主。,組合型：幾種熱電偶溫度檢測(cè)儀表的結(jié)構(gòu)形式,現(xiàn)場(chǎng)安裝點(diǎn)

2、,二、檢測(cè)儀表的設(shè)計(jì)方法 —信號(hào)變換,信號(hào)變換按結(jié)構(gòu)形式來分主要有四類：簡(jiǎn)單直接式變換差動(dòng)式變換參比式變換平衡（反饋）式變換,1、簡(jiǎn)單直接變換的結(jié)構(gòu)形式,,,敏感元件能將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量,敏感元件把被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換成某種可利用的中間物理量；再通過轉(zhuǎn)換元件把中間物理量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量,中間物理量主要有位移、光量和熱量等轉(zhuǎn)換元件有應(yīng)變片、電感、電容、霍爾元件、光電器件和熱敏元件等；,簡(jiǎn)單直接式變換儀表的特點(diǎn)?,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠；開

3、環(huán)儀表結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確度低；線性度一般較差；檢測(cè)元件與轉(zhuǎn)換電路之間需要阻抗匹配。,2. 差動(dòng)式,常用于檢測(cè)儀表信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)；用兩個(gè)性能完全相同的轉(zhuǎn)換元件，感受敏感元件的輸出量，并把它轉(zhuǎn)換成兩個(gè)性質(zhì)相同但沿反方向變化的物理量；可提高檢測(cè)儀表（系統(tǒng)）的靈敏度和線性度，減小或消除環(huán)境等因素的影響。,差動(dòng)變換形式,,,差動(dòng)式變壓器 差動(dòng)式電容器,差動(dòng)式變換的特性分析,,,,,差動(dòng)式,直接式,差動(dòng)式變換的

4、特點(diǎn),靈敏度更高線性度較高如果轉(zhuǎn)換元件的輸入量和干擾量相互獨(dú)立，則可以完全消除干擾量的影響,,3. 參比式變換,參比法也稱為補(bǔ)償法；可以減小或消除環(huán)境條件變化（溫度變化、電源波動(dòng)等）對(duì)測(cè)量的影響,參比法壓力測(cè)量,應(yīng)變式壓力傳感器的電橋電路，其中R為固定電阻， R1為工作應(yīng)變片，粘貼在彈性元件上， R2是補(bǔ)償用的應(yīng)變片,,,,參比式特性分析,,,,,,,,無損壓力檢測(cè)溫度影響的消除--參比法,無損壓力檢測(cè)溫度影響的消除--參比法

5、,測(cè)量位置,參比式變換的特點(diǎn),能夠消除環(huán)境變化（如溫度）引起的誤差，但要根據(jù)干擾量相對(duì)于被測(cè)量的作用效果，來確定兩個(gè)檢測(cè)元件輸出信號(hào)的處理形式（相減或相除）；不能克服敏感元件的非線性；兩個(gè)檢測(cè)元件的性能要求完全一致，否則會(huì)引起附加誤差,4. 平衡（反饋）式變換,平衡式變換也稱反饋式變換，是指信號(hào)變換環(huán)節(jié)（包括轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)換電路）為閉環(huán)結(jié)構(gòu),,平衡式儀表分類,按輸入信號(hào)的不同力平衡式/力矩平衡式電壓平衡式/電流平衡式按輸入信號(hào)與

6、反饋信號(hào)之間是否有差值有差隨動(dòng)式無差隨動(dòng)式,差壓式變送器,,有差隨動(dòng)式變換的特性分析,靈敏度？動(dòng)態(tài)特性？前向通道放大倍數(shù)的合理選取,有差隨動(dòng)式變換的特性分析,,,,,無差隨動(dòng)變換,可逆電機(jī)M的傳遞函數(shù)可表示為K/s,即相當(dāng)于一個(gè)積分環(huán)節(jié)，從而消除閉環(huán)負(fù)反饋的余差；區(qū)分無差隨動(dòng)和有差隨動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)是前向通道是否包含積分環(huán)節(jié)。,無差隨動(dòng)式變換的特性分析,,,思考題,為什么在儀表的設(shè)計(jì)中需要引入差動(dòng)式、參比式或者反饋式，意義是什么？,三

7、、檢測(cè)儀表中常見的信號(hào)變換方法,敏感元件將被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換成位移、電阻、電荷、電容、電感、光強(qiáng)等物理量；而檢測(cè)儀表的輸出通常為電壓或電流信號(hào)，電壓、電流信號(hào)也易于傳輸，為此需要通過轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)間的變換；位移---電信號(hào)電阻---電壓電容---電壓電流---電壓,1. 位移與電信號(hào)的變換,霍爾元件微位移轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)電容式檢測(cè)元件位移轉(zhuǎn)變成電容變化，位移量很小，如膜片差動(dòng)變壓器利用互感原理把位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)

8、其它電感器光纖式,,,,,,差動(dòng)式變壓器,利用互感原理實(shí)現(xiàn)位移檢測(cè)，變壓器的原邊由交流電源供電，鐵心與產(chǎn)生位移信號(hào)的敏感元件相連；當(dāng)鐵心在中間位置時(shí)，上下兩段副邊線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e1和e2大小相等，輸出為0；,鐵心在敏感元件的帶動(dòng)下向上移動(dòng)時(shí)，則e1增大，而e2減小，使差值增大，差值的大小與鐵心的位移成正比。,差動(dòng)變壓器式壓力變送器,,其他轉(zhuǎn)換元件或方法,光學(xué)法 首先將位移量轉(zhuǎn)換成光強(qiáng)的變化，進(jìn)一步用光敏元件把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成

9、電信號(hào),,思考題,你能想到其它位移到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換方法嗎？,2. 電阻與電壓的變換,電阻式檢測(cè)元件應(yīng)用非常廣泛，可用于測(cè)量溫度、應(yīng)力、濕度、光強(qiáng)等很多參數(shù)；比如：應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)力、熱電阻測(cè)量溫度等都把被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換為電阻值變化；電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓（或電流）的主要方法：外加電源，并和被測(cè)電阻一起構(gòu)成回路，測(cè)量回路中的電流；利用電橋進(jìn)行轉(zhuǎn)換,熱導(dǎo)式氣體檢測(cè)儀,測(cè)量氣室通以被測(cè)量的氣體；參比氣室里面充滿空氣；四個(gè)氣室是連體結(jié)構(gòu)，他們所處的

10、環(huán)境條件，如溫度、壓力、流量等，完全一樣；,3. 電容－電壓的變換,電容式檢測(cè)元件能將很多參數(shù)的變化轉(zhuǎn)化為電容值的變化；電容器可以采用不同的形狀，常見的有平行板電容器和圓筒形電容器；電容值檢測(cè)的主要方法：作為一個(gè)阻抗元件，采用交流電源，實(shí)現(xiàn)阻抗—電壓的轉(zhuǎn)換；利用電容的充放電特性。,,橋式電路,單臂接法,,橋式電路,差動(dòng)接法,,,差動(dòng)脈寬調(diào)制電路,,,,,諧振法,,,4. 電壓－電流轉(zhuǎn)換,電壓－電流轉(zhuǎn)換電路 當(dāng)輸入電壓為

11、 時(shí) 輸出電流：,,電壓－電流轉(zhuǎn)換的特性分析,輸出電流與輸入電壓之間的關(guān)系為：,,,有基準(zhǔn)電壓的電壓-電流轉(zhuǎn)換電路,,,,電流—電壓的轉(zhuǎn)換,,,思考題,請(qǐng)舉例說明減小或消除儀表非線性的方法，要求三種以上。,作業(yè)：電阻應(yīng)變片測(cè)量電路,如圖所示為一直流應(yīng)變電橋。圖中Usr=5V，溫度為20℃時(shí)，R1=R2=R3=R4=100Ω，當(dāng)環(huán)境溫度為40℃時(shí)，由于溫度升高而引起的金屬應(yīng)變片阻值增加ΔRt＝1Ω，試求：（1）R1為金屬應(yīng)