检测与传感技术绪论.ppt

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1、1,检测与传感技术绪论,主讲：宁耀斌2007年4月,2,本课程的研究内容及性质,传感技术,检测技术,3,本课程的地位,传感器技术已成为现代信息技术的重要支柱之一。什么是传感器？传感器是怎样发展的呢？,4,传感器的发展和作用,人类从外界获取信息，必须借助于感觉器官。使用传感器的历史可以追溯到远古时代中国的指南针古埃及的天平16世纪利用液体膨胀测量温度19世纪以电磁学为基础建立的物理测量法则以电量作为输出的传感器，其发展历史最短，但发展最为迅猛。,5,指 南 车 复 原 模 型,6,铜壶滴漏,7,候风地动仪图,8,以电量作为传感器输出的优越性,可以灵活地改变测量仪器的灵敏度，有利于扩大量程。较宽的

2、频带便于远距离传输。便于信息的数字化、微型化、智能化。,9,10,11,12,13,14,传感器技术能够迅速发展的原因,电子工业和信息技术的促进。政府的产业导向和扶植。国防、空间技术和民用产品的市场需求。许多高新技术为开发新型传感器提供了理论基础和生产工艺。,15,自动防空火力控制系统,在第二次世界大战期间，为了防空火力控制系统和飞机自动导航系统等军事技术问题，各国科学家设计出各种精密的自动调节装置，开创了防空火力系统和控制这一新的科学领域。,16,“伽利略”号木星探测器,17,RQ-1“捕食者”无人机,18,19,20,21,南航无人机院ck无人机,22,远望号,23,什么是传感器,传感器是

3、与人的感觉器官相对应的元件。能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可输出信号的器件或装置。传感器通常由敏感元件和转换元件组成。,检出器,测量环境,狭义传感器,输入匹配,放大变换,输出,信号处理部分,24,传感器的数学描述,设测量信号为x，传感器输出为 y,比例系数为 k 则有：y=kx(理想状态）考虑非线性、零位：y=f(x)设环境因素为N 则：y=(x,N)由于环境对输出的影响为：,25,传感元件的输出形式,热电偶、pH电极等输出直流电压。光电二极管输出直流电流。差动变压器输出交流电压。热敏电阻等输出电阻值。电感式传感器输出电感量的变化。晶体传感器输出为振动频率的变化。电容式传感器输出电

4、容值的变化。而测量仪器输出要求为420mA或010V,26,检测系统的基本构成,非电量,测量电路,模拟显示仪表,控制器,传感器,非电量,测量电路,传感器,A/D转换电路,微计算机,控制器,记录器,显示器,27,信号处理（1）差动法,当x=0时 V0=0,满足,28,信号处理（2）零位法,仅当 RvRs 时VAB 才能代替 Vs,测量电压从滑线电阻器刻度读出,当Vs与Vr平衡时，I=0，内阻不影响测量结果,一般而言，零位法测量不从信号源获取能量，从而可与实现高精度测量,29,信号处理（3）信号放大,传感器的输出电压一般都很小，往往是毫伏级。,30,信号处理（4）交流信号变为直流信号,二极管压降问

5、题,31,信号处理（5）数字式输出,计数器式A/D转换,计数器,D/A,比较器,ui,启动,时钟,数字输出,特点：简单、便宜、速度慢、很少采用,32,信号处理（5）数字式输出,双积分式A/D转换,计数器,基准电压,ui,特点：速度慢、抗干扰能力强,33,信号处理（5）数字式输出,逐次逼近式A/D转换,首先置最高位当前位置当前位为1 后续位为0若uoui,则清零若uoui,则保持后移一位当前位重复操作对半搜索过程,特点：速度较快,34,信号处理（5）数字式输出,并行A/D转换,处理速度快在完成位数较多时器件数量急剧增加价格高,35,现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对

6、象以及测量环境合理地选用传感器。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。,36,传感器选用要点,1)根据测量对象与测量环境确定传感器的类型2)灵敏度的选择3)频率响应特性4)线性范围5)稳定性6)精度,37,测量系统实例介绍,具有丰富科学内容的THz频段开发电涡流位移传感器在空预器间隙控制系统中的应用板形检测技术研究红外测温在铸坯表面温度检测中的应用绝缘子污秽度检测方法,38,电磁波应用的频段,39,103,106,109,1012,1015,1018,1021,1024,100,MF,HF,VHF,UHF,SHF,EHF,microwaves,visible,kilo,meg

7、a,giga,tera,peta,exa,zetta,yotta,x-ray,g-ray,THz,电子学,光子学,Hz,Frequency(Hz),THz：具有丰富科学内容而尚未开发应用的频段,位于红外线和微波之间的THz电磁波段，占居了整个电磁波谱相当大的范围；正如可见光可用于拍照，听不见的无线电波可用于传输音乐语言信息，看不见的辐射线可用于透视一样，THz电磁波谱同样可用于传输图象和通信信息。,40,对每一印刷页THz脉冲有一定的时间延迟,用THz脉冲计算纸张数目,41,THz超宽带反隐形雷达的关键技术,THz电磁脉冲的产生THz电磁脉冲的发射THz电磁脉冲的接收和超宽带信号的处理设计稳定

8、可靠的光导开关产生THz电磁脉冲、设计高效偶极子天线发射和接收THz脉冲以及超宽带信号的处理技术,THz电磁脉冲的产生,42,功能和特点,超宽带雷达的空间分辨率可达厘米级超宽带信号对树叶、地面和墙壁等障碍物有更强的穿透能力借助于距离选通技术而获得的抗杂波、降低多路干涉能力使超宽带冲击雷达在探测杂波背景中的目标方面比扩频雷达更具优势,43,THz(1012Hz)的超宽带电磁脉冲,当用超短激光脉冲照射直流偏置的半导体光导开关时，在皮秒级（10-12秒）的时间范围内迅速由高电阻变到低电阻，从而可以让瞬态电流通过。这种电流能够产生上升和持续时间都非常短的电磁脉冲，这种电磁脉冲正是反隐形冲击雷达系统理想

9、的信号源。,44,THz电磁波可以穿透芯片的封装外壳，将其内部结构以图象反映出来,摩托罗拉公司IC芯片的THz图象,成像技术,45,可用于介电常数分布或厚度分布的测量，例如纸币水印图象的成像。,共焦面 THz 成像,46,电涡流位移传感器在空预器间隙控制系统中的应用,47,容克式空气预热器,48,径向漏风上部径向漏风下部径向漏风周向漏风携带漏风,容克式空气预热器的漏风问题,49,如果不采取措施，满负荷下将有大约60%的漏风是通过上部径向变形间隙泄露的。,空预器上部漏风的减小可明显减小单位千瓦的燃煤消耗。,50,间隙控制系统的结构,51,52,高温电涡流位移检测装置,空预器密封间隙控制系统中的关

10、键问题是预热器变形量的测量问题。它的难点在于发生变形的预热器转子是运动的而且空预器内的温度接近摄氏400度同时其内部还有大量的煤灰和腐蚀性气体。由理工大学信控中心研制的高温型电涡流位移测量装置填补了国内在此领域的空白，在国外也未发现同类型的产品。其成果获国家三等奖。,53,54,间隙测量装置的主要性能指标：1.间隙测量范围 0-10mm2.分辨率 0.1mm3.频率响应 50HZ4.间隙测量探头耐温4205.信号变送器耐温 656.输出信号标准 0-10mA与4-20mA 可设置,55,智能型间隙程控装置,1.高可靠性 系统内部设计了完善的故障自动诊断功能和故障报警功能。系统可以自动检测多种内

11、部故障并将这些故障分为两类，对于危及系统安全的故障以闪光报警的方式提醒运行人员注意,同时在计算机屏幕以汉字显示故障种类。对于一般性的故障系统将其记录在故障报警画面里等待维护人员在条件许可时再处理。2.高自动投入率 系统采用连续调节规律使密封间隙始终维持在最小值，消除了间歇式调节的“假自动”现象。同时系统可以自动修正测量探头的漂移，防止了信号漂移引起的自动解除，进一步提高了自动投入率。3.简单的使用与维护 由于采用智能控制方法和良好的人机界面使使用户能够很方便地根据提示进行操作，而且系统的故障分析和记录功能使设备维护工作简单易行。,56,板形检测技术研究,57,板形检测,作为带材重要的质量指标之

12、一，板形已越来越受到生产厂商与用户的重视，其好坏直接影响到带材对市场的占有率。板形检测与板形控制的发展越来越受到国内外同行的广泛重视。在国内，由于尚无完善的板形检测仪，因此对于板形控制目前还属于空白，实际应用的板形仪 60%进口于瑞典的ABB公司，目前国内宽带钢冷轧机从国外成套引进的板形自动控制（AFC）系统，分别由ABB、AEG、SIEMENS、CLECIM及日本三菱和川崎设计。,58,板形及其表示方法,为了说明金属纵向变形不均的程度，引入了板形这个概念。所谓板形，直观说来，是指板材的翘曲程度；就其实质而言，是指带钢内部残余应力的分布。板形的定量表示，即板形的表示方法，常见的表示方法主要为相

13、对长度差表示法和波形表示法。,59,相对长度表示法,将轧后翘曲的带钢裁成若干纵条并铺平，则可清楚的看出横向各点的不同延伸相对长度差也称为板形指数。,60,61,62,波形表示法,在翘曲的钢板上测量相对长度来求出相对长度差很不方便，所以人们采用了更为直观的方法，即以翘曲波形来表示板形，称之为翘曲度。将带材切取一段置于平台之上，如将其最短纵条视为一直线，最长纵条视为一正弦波。这种方法直观、易于测量，所以在许多实际工作中也常采用这种方法表示板形。只要测出带钢波形，就可以求出相对长度差。,63,64,板形检测方法分类,板形检测装置形式繁多，按带钢和板形检测装置的关系划分，有接触式和非接触式。按其工作原

14、理，还可进一步分类，如：张力计法、测距法、电磁法、测振法、光学法、测厚法、测温法、激振测频法等。,65,接触式板形检测方法,原理是基于板形缺陷产生的原因是带材在其宽度方向上内应力分布不均，因此可以通过测定带材宽度方向上的内应力分布来判断板形缺陷的类型和大小。,66,67,68,检测元件,接触式板形仪的检测元件均为压力传感器，目前比较常用的有两种类型：磁弹性测压传感器与压电晶体传感器。,69,数据采集与传输,70,供电方法,71,红外测温在铸坯表面温度检测中的应用,72,项目来源,本项目是国家“九五”重点科技项目（攻关）计划子专题，其应用领域主要是钢铁行业的方坯、板坯连铸机。,73,板坯连铸机简

15、介,74,国内外同类研究发展动态,本项目研制成功之前，国内各大钢厂的连铸生产线上尚无实际应用的同类产品；国外的钢铁企业。,75,76,板坯连铸机测温装置的安装,77,鉴 定 意 见,该成果具有以下特点：水冷式红外温度传感探测器具有测量范围大、测量精度高、适用于复杂现场的高温环境的特点。在光学、电子学设计上考虑了本成果的应用场合，具有独创性。采用了风帘发生器，能调节气压适应不同测量需要形成圆壳柱形风帘，有效地克服烟雾、水汽对红外测温的影响。根据相关文献检索表明，为国内外首创。采用人工智能方法及系统冗余、容错设计，能够剔除伪信号，并连续、实时显示温度场的变化及历史记录。铸坯表面温度测定装置的研究成

16、果已达到国际先进水平。,78,绝缘子表面污秽在线监测技术,79,课题研制背景,输电线路和变电站的外绝缘要求在大气过电压、内部过电压和长期运行电压下均能可靠运行。但沉积在绝缘子表面上的固体、液体和气体微粒与雾、露、毛毛雨、融冰、融雪等恶劣气象条件的同时作用，将使绝缘子的电气强度大大降低，从而使输电线路和变电站的外绝缘不仅可能在过电压作用下发生闪络，更频繁的是在长期运行电压下发生污秽闪络，造成停电事故。,80,随着污秽程度日益加剧和输电电压等级的不断提高，电网分布的范围也愈来愈扩大。据统计，由于污秽而引起的绝缘闪络事故次数目前在电网的总事故次数中已占第二位，仅次于雷害事故，而污闪事故造成的损失却是

17、雷害事故的10倍。,81,由于污秽微粒的物理化学特性（主要是导电性和吸水性）、污秽层（包括覆冰、覆雪）的厚度及其分布、作用电压的大小以及污秽层受潮（包括融冰、融雪）的气象条件等都因时因地而变化，具有较大的随机性和分散性，这就使得实测和统计工作的工作量极为庞大，绝缘污染和气象条件的模拟极为复杂，给实验研究工作带来较大的困难。,82,国内外变电污秽解决方案,通常采用定期人工清扫、水冲洗等净化绝缘子的方法；在绝缘子表面涂憎水性涂料、以及采用半导体釉绝缘子、合成绝缘子与无机材料构成的一体的绝缘子等，以使绝缘子表面不易形成导电水膜；研制耐污型绝缘子，以增加爬电距离和从造型上抑制电弧的发展。所有这些方法在

18、实际的运行中都不同程度的取得了一定的效果，但是从技术，经济和劳动力和劳动强度上来看，都还存在一定的局限性。,83,分 析,上述方法都存在着一定局限性的原因之一是缺少绝缘子污秽程度的实时信息和有效的研究手段。,84,变电污秽在线监测系统设计思路,研究采用在线绝缘子表面污湿工况。有控制中心通过有线（或无线）发收，自动巡测或点测各监测点的信息，进行微机处理分析，提供绝缘子表面污湿状况和预报警服务。在现场安装传感器采集绝缘子表面的泄漏电流电流脉冲频次传送给主机。主机对各监测点进行自动遥控巡测或点测，接受污秽泄漏电流电流脉冲频次，并采集变电站大气相对湿度温度数据，进行分析统计判断。,85,绝缘子污秽度检

19、测方法,目前，绝缘子在线检测方法主要分为两类：非电量检测法和电量检测法。非电量检测法：超声波检测法，激光多普勒震动法和红外热像仪法。电量测量法包括：电压分布测量法，绝缘电阻法和脉冲电流法。,86,87,88,模糊推理模型,89,研究结果,为了测量大范围内变化的泄漏电流，研制一种高线性度，大带宽的传感器。为了充分利用A/D转换的分辨率，设计了一种具有数据压缩功能的放大电路。采用遗忘式存储方式解决高速采样获得的大量历史数据存储问题。设计了系统数据库，方便操作人员设置初始参数和运行参数。提供历史数据和报警数据查询功能，为进一步研究污闪问题提供了可靠数据。,90,授课内容,测量误差及其分析无源传感器有

20、源传感器半导体传感器数字式传感器新型传感器,温度的测量压力、流量和力矩的测量物位的测量小信号处理技术检测系统的干扰问题,91,教材及参考书,教材：传感器原理及工程应用郁有文 常健 程继红编著，西安：西安电子科技大学出版社，2003参考书：传感器与自动检测技术余程波、胡新宇、赵勇主编，北京：高等教育出版社，2004 感测技术基础孙传友、孙晓斌编著，北京：电子工业出版社，2001,92,思考题（1）,什么叫传感器？以电量作为传感器输出有何优越性？怎样用数学表达式描述传感器？传感器（测量仪器）的输出要求是什么？测量系统由哪些基本环节构成？什么叫差动法？什么叫偏转法？什么叫零位法?交流信号如何变化为直流信号？双积分式A/D转换器有何优缺点，为什么？,93,结 束,