《傳感器與檢測系統(tǒng)》課件

傳感器與檢測系統(tǒng)傳感器是用于感知和測量各種物理參量的重要設(shè)備,是現(xiàn)代測控技術(shù)的基礎(chǔ)。檢測系統(tǒng)則利用這些傳感器來精確監(jiān)測和分析各種過程,為工業(yè)、科研等領(lǐng)域提供可靠的數(shù)據(jù)支持。課程大綱課程概述本課程將全面介紹各類傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域。檢測系統(tǒng)構(gòu)成課程還將探討檢測系統(tǒng)的核心組件,如傳感器、信號(hào)調(diào)理電路和微處理器。應(yīng)用案例分析通過具體的應(yīng)用案例,幫助學(xué)生深入理解傳感器和檢測系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用。傳感器概述了解傳感器的定義、功能及其在現(xiàn)代技術(shù)中的重要性。我們將深入探討傳感器的基本概念和分類,為后續(xù)課程奠定基礎(chǔ)。傳感器的定義和功能傳感器的定義傳感器是一種能將物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置,用于檢測和測量環(huán)境信息。傳感器的功能傳感器的主要功能是感受被測量的物理量,并將其轉(zhuǎn)換為易于處理的電信號(hào)輸出。傳感器應(yīng)用廣泛傳感器廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療設(shè)備、消費(fèi)電子等領(lǐng)域,是現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。傳感器的分類和特性傳感器分類傳感器可以根據(jù)檢測物理量的不同分為溫度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、流量傳感器等多種類型。每種類型的傳感器都有其獨(dú)特的工作原理和性能特點(diǎn)。性能特性傳感器的性能指標(biāo)包括量程、靈敏度、線性度、響應(yīng)時(shí)間等。合理選擇符合應(yīng)用需求的傳感器特性很重要。信號(hào)轉(zhuǎn)換大多數(shù)傳感器都需要將檢測量轉(zhuǎn)換為電氣信號(hào)。傳感器的輸出信號(hào)可以是電壓、電流、電阻等形式，需要適當(dāng)?shù)男盘?hào)調(diào)理電路。溫度傳感器溫度傳感器是一類能夠感知和測量溫度變化的電子設(shè)備,廣泛應(yīng)用于工業(yè)、生活和科研等領(lǐng)域。主要包括熱電偶、熱電阻和熱敏電阻三種常見類型。熱電偶基本原理熱電偶利用熱電效應(yīng),當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體接觸并受到溫度差時(shí),會(huì)產(chǎn)生電勢差。不同金屬的熱電能系數(shù)不同,這是熱電偶的工作原理。測量范圍廣熱電偶可測量從-270°C到2000°C的溫度范圍,覆蓋了絕大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用所需的溫度測量范圍。穩(wěn)定性好熱電偶可靠性高,適合長期穩(wěn)定工作,是溫度測量領(lǐng)域廣泛使用的傳感器之一。熱電阻溫度測量原理熱電阻利用金屬或半導(dǎo)體材料電阻值隨溫度變化的特性來實(shí)現(xiàn)溫度測量。它的電阻值隨溫度升高而增大，可通過測量電阻值變化來反映溫度變化。常見材料常用的熱電阻材料包括鉑、鎳、銅等金屬或氧化物半導(dǎo)體。其中鉑電阻器是應(yīng)用最廣泛的,具有良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性。熱敏電阻特性熱敏電阻是一種溫度敏感電阻器,其電阻值隨溫度變化而變化。具有高靈敏度和快速響應(yīng)的特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于溫度檢測與控制。工作原理熱敏電阻利用溫度引起的半導(dǎo)體材料載流子濃度變化而產(chǎn)生電阻值變化的特性來實(shí)現(xiàn)溫度檢測。電阻值隨溫度呈非線性變化。壓力傳感器壓力傳感器是用于測量壓力的重要設(shè)備,廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、醫(yī)療診斷、航天航海等領(lǐng)域。電阻式壓力傳感器1基本原理電阻式壓力傳感器利用壓力引起材料電阻值變化的原理進(jìn)行壓力檢測。2主要結(jié)構(gòu)由一塊硅片和一個(gè)位于硅片上的壓阻式變阻器組成。3工作特點(diǎn)體積小、重量輕、耐高溫、響應(yīng)快、靈敏度高、可靠性好。4應(yīng)用領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、醫(yī)療、汽車等領(lǐng)域的壓力測量。電容式壓力傳感器原理及結(jié)構(gòu)電容式壓力傳感器由兩個(gè)平行的金屬板組成,當(dāng)施加壓力時(shí)兩金屬板間的距離會(huì)發(fā)生變化,從而引起電容值的變化,實(shí)現(xiàn)壓力檢測。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高且響應(yīng)速度快。廣泛應(yīng)用電容式壓力傳感器廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)控制、醫(yī)療設(shè)備、航空航天等領(lǐng)域,可測量氣體、液體和固體的壓力。以其小型化、高精度、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)而備受青睞。傳感器特性體積小、重量輕抗振動(dòng)、抗沖擊測量范圍廣、線性度好輸出信號(hào)強(qiáng)、噪聲小3.3壓電式壓力傳感器壓電效應(yīng)壓電式壓力傳感器利用壓電材料產(chǎn)生的電信號(hào)來測量壓力變化。當(dāng)壓電材料受到壓力時(shí)會(huì)產(chǎn)生電壓，通過測量這個(gè)電壓變化可以得到壓力值。壓電晶體常見的壓電材料包括石英晶體、鈦酸鋇晶體等。這些材料在受到壓力時(shí)會(huì)產(chǎn)生電荷，從而轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。應(yīng)力測量壓電式壓力傳感器可以精確測量靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓力，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域的壓力檢測。變位傳感器變位傳感器用于檢測和測量物體的線性或角度位移。它們廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、機(jī)械設(shè)計(jì)和其他領(lǐng)域。電阻式位移傳感器工作原理電阻式位移傳感器利用變阻電路的電阻值隨位移變化的特性來檢測位移信號(hào)。通過改變電阻值即可獲得相應(yīng)的位移信息。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)由滑動(dòng)電阻器、電機(jī)或電感等組成,采用直線或旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu),可實(shí)現(xiàn)高精度、廣量程的位移檢測。應(yīng)用領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備、工業(yè)儀表、機(jī)器人等領(lǐng)域,測量線性或角位移,提供反饋信號(hào)以進(jìn)行精密控制。電容式位移傳感器工作原理利用兩個(gè)金屬板之間的電容變化來測量位移量。當(dāng)物體移動(dòng)時(shí)會(huì)改變兩板之間的距離，從而導(dǎo)致電容值變化。優(yōu)點(diǎn)測量精度高、響應(yīng)快、受環(huán)境影響小、成本較低。適合測量微小位移。應(yīng)用廣泛應(yīng)用于機(jī)械位移測量、振動(dòng)監(jiān)測、壓力檢測等領(lǐng)域。磁阻式位移傳感器1原理磁阻式位移傳感器利用磁性材料電阻隨磁場變化的特性來測量位移。當(dāng)位置改變時(shí)，磁場強(qiáng)度發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致電阻發(fā)生變化。2結(jié)構(gòu)由磁性元件、線圈和電子電路組成。磁性元件隨位移變化產(chǎn)生磁場變化，線圈將磁場變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。3優(yōu)勢具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于機(jī)械、汽車、航空等領(lǐng)域的位移測量。流量傳感器流量傳感器用于精確測量流體的體積或質(zhì)量流量。常見的流量傳感器包括浮子流量計(jì)、孔板流量計(jì)和渦街流量計(jì)等。這些傳感器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測管道中流體的流動(dòng)情況,為工藝控制和流量管理提供關(guān)鍵的數(shù)據(jù)支撐。浮子流量計(jì)原理浮子流量計(jì)利用流體對(duì)浮子的浮力來測量流量。它由流體通過的管道、浮子和位移傳感裝置組成。優(yōu)點(diǎn)浮子流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高、維護(hù)方便、適用于大口徑管道，能夠精確測量氣體和液體流量。應(yīng)用廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、給排水等行業(yè)的流量測量，可用于測量水、油、氣等各種流體的流量。局限性由于受管道尺寸和流體粘度的影響,浮子流量計(jì)存在量程局限、抗沖擊能力差等缺點(diǎn)?？装辶髁坑?jì)原理孔板流量計(jì)利用流體在經(jīng)過孔板時(shí)壓力降低的原理來測量流量。通過測量孔板前后的壓力差并進(jìn)行計(jì)算即可得到流量值。結(jié)構(gòu)孔板流量計(jì)由孔板、壓力傳感器等部件組成?？装灏惭b在管道中央,可精確測量管道內(nèi)流體的流量。應(yīng)用孔板流量計(jì)廣泛應(yīng)用于石油、化工、制藥等行業(yè)的流量測量,以確保生產(chǎn)過程的準(zhǔn)確性和安全性。渦街流量計(jì)工作原理渦街流量計(jì)利用流體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的渦街原理來測量流量。當(dāng)流體流過一個(gè)棒狀物體時(shí),會(huì)在下游產(chǎn)生周期性的渦街,測量渦街的頻率即可得到流量。特點(diǎn)渦街流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、測量范圍廣、抗振性好、測量精度高,適用于工業(yè)領(lǐng)域的多種介質(zhì)流量測量。應(yīng)用領(lǐng)域渦街流量計(jì)廣泛應(yīng)用于石油、化工、食品、給排水等行業(yè)的流量測量,是一種常見的工業(yè)流量計(jì)。物位傳感器物位傳感器是用于測量液體或固體的液面高度或儲(chǔ)罐內(nèi)容物的高度的檢測設(shè)備。常見的物位傳感器包括浮球式、導(dǎo)波雷達(dá)和超聲波等類型。浮球式物位計(jì)工作原理浮球式物位計(jì)采用浮球隨物料液位升降的原理來檢測液位高度。浮球通過機(jī)械或電磁傳感裝置將液位變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測量和顯示。特點(diǎn)優(yōu)勢浮球式物位計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、安裝維護(hù)方便、測量精度高、適用于多種介質(zhì)。適用于水、油、化工等液體的液位檢測和控制。導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)基本原理導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)通過發(fā)射電磁波并測量反射時(shí)間來精確測量介質(zhì)表面的高度。它能夠在惡劣環(huán)境下提供可靠的非接觸式測量。廣泛應(yīng)用這種物位計(jì)廣泛應(yīng)用于化工、石油、環(huán)保等領(lǐng)域的液體、粉體、顆粒物料的測量,具有高精度、抗干擾、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。優(yōu)勢特點(diǎn)與傳統(tǒng)的浮球和超聲波物位計(jì)相比,導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)無需接觸介質(zhì),不會(huì)受到介質(zhì)性質(zhì)變化的影響,測量精度高且可靠性強(qiáng)。超聲波物位計(jì)測量原理超聲波物位計(jì)通過測量從探頭發(fā)出的超聲波脈沖到達(dá)液位表面的時(shí)間來計(jì)算液位高度。優(yōu)點(diǎn)無需物料接觸、非接觸測量、布線安裝簡單、抗腐蝕性強(qiáng)。適用于各種液體和固體物料。應(yīng)用場景化工、石油、電力、制藥等行業(yè)的液位測量和固體物料測量。廣泛應(yīng)用于工廠、倉庫和儲(chǔ)罐等。檢測系統(tǒng)組成檢測系統(tǒng)由多個(gè)關(guān)鍵組件組成,包括傳感器、信號(hào)調(diào)理電路和微處理器,共同實(shí)現(xiàn)對(duì)物理量的采集、分析和處理。傳感器類型多樣溫度、壓力、流量、位移等各種類型的傳感器可用于檢測系統(tǒng)中。信號(hào)轉(zhuǎn)換傳感器可將物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào),以便后續(xù)的電路分析和處理。精度要求高傳感器需要達(dá)到高精度和穩(wěn)定性,以確保檢測系統(tǒng)的可靠性。信號(hào)調(diào)理電路放大和過濾信號(hào)調(diào)理電路負(fù)責(zé)放大微弱的傳感器信號(hào),并過濾掉噪音和干擾,提高信號(hào)質(zhì)量。信號(hào)轉(zhuǎn)換將不同類型的傳感器信號(hào),如電壓、電流或電阻值,轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字或模擬量信號(hào)?？垢蓴_設(shè)計(jì)通過屏蔽、接地等措施,可以有效降低信號(hào)中的噪音和干擾,提高測量精度。微處理器強(qiáng)大的計(jì)算能力微處理器是檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分,它擁有強(qiáng)大的計(jì)算和處理能力,能夠快速分析傳感器采集的數(shù)據(jù),做出準(zhǔn)確的判斷和控制決策。靈活的編程微處理器可通過編程實(shí)現(xiàn)各種復(fù)