1、共99頁第1頁 共99頁第2頁 第一節第一節 儀器儀表的技術進展儀器儀表的技術進展 第二節第二節 傳感器傳感器 第三節第三節 執行器執行器 第四節第四節 虛擬儀器虛擬儀器 第五節第五節 智能儀器儀表智能儀器儀表 第六節第六節 多傳感器數據融合技術多傳感器數據融合技術 共99頁第3頁 第一節第一節 儀器儀表的技術進展儀器儀表的技術進展 儀器儀表分類儀器儀表分類 儀器儀表的發展儀器儀表的發展 共99頁第4頁 傳感器的地位和作用傳感器的地位和作用 1 1傳感器技術是信息技術的基礎與支柱傳感器技術是信息技術的基礎與支柱 信息采集信息采集 信息傳輸信息傳輸 信息處理信息處理 第二節第二節 傳感器傳感器

2、第二節 傳感器 共99頁第5頁 2 2傳感器技術已經廣泛應用于各個學科領域傳感器技術已經廣泛應用于各個學科領域 第二節 傳感器 共99頁第6頁 工、農業自動化化工、農業自動化化 應用領域應用領域 第二節 傳感器 共99頁第7頁 航天技術航天技術 軍事領域軍事領域 應用領域應用領域 第二節 傳感器 共99頁第8頁 機器人技術機器人技術 資源開發資源開發 應用領域應用領域 第二節 傳感器 共99頁第9頁 環境監測環境監測 海洋探測海洋探測 安全保衛安全保衛 應用領域應用領域 第二節 傳感器 共99頁第10頁 醫療診斷醫療診斷 交通運輸交通運輸家用電器家用電器 應用領域應用領域 第二節 傳感器 共9

3、9頁第11頁 傳感器的定義及構成傳感器的定義及構成 被測信息被測信息 敏感元件敏感元件轉換元件轉換元件 輔助電路輔助電路 信號調理電路信號調理電路 輸出信息輸出信息 傳感器傳感器(Transducer/Sensor)(Transducer/Sensor)的定義的定義 傳感器的組成部分傳感器的組成部分 第二節 傳感器 共99頁第12頁 傳感器的分類傳感器的分類 傳感器的輸入、輸出特性傳感器的輸入、輸出特性 作圖法求靈敏度過程作圖法求靈敏度過程 第二節 傳感器 共99頁第13頁 壓力傳感器壓力傳感器 壓力傳感器的發展歷史壓力傳感器的發展歷史 壓力傳感器的發展趨勢壓力傳感器的發展趨勢 第二節 傳感器

4、 共99頁第14頁 壓力測量的理論基礎簡述壓力測量的理論基礎簡述 壓力的定義壓力的定義 氣體和液體的壓力氣體和液體的壓力 壓力的單位壓力的單位 壓力的形式壓力的形式 第二節 傳感器 共99頁第15頁 壓壓 力力 作作 用 用 膜片形變（應變）膜片形變（應變） 應變片電阻改變應變片電阻改變 敏感元件敏感元件 轉換元件轉換元件 單晶硅膜片 (受壓面) A、基本測量原理、基本測量原理 第二節 傳感器 共99頁第16頁 第二節 傳感器 共99頁第17頁 24V 420mA 1mA 0.5mA 3.519.5mA 0.5mA 319mA 采樣電阻 （一般為250歐 姆標準電阻） 電量接受端 壓力變送端

5、L 0 2 2 f 1 1 2 第二節 傳感器 共99頁第18頁 (a) 絕對壓力測量絕對壓力測量 應變膜片 孔 應變膜片 孔 1 2 氣孔壓力 參考真空室 密封 應變膜片 (b) 表壓力測量表壓力測量 (c) 差壓測量差壓測量 B、壓力傳感器三種測量方式的結構、壓力傳感器三種測量方式的結構 第二節 傳感器 共99頁第19頁 C、各種壓力傳感器、各種壓力傳感器 第二節 傳感器 共99頁第20頁 溫度傳感器溫度傳感器 溫度測量的基本概念溫度測量的基本概念 溫度測量的基本概念溫度測量的基本概念 溫溫 標標 溫度傳感器的分類溫度傳感器的分類 第二節 傳感器 共99頁第21頁 A、基本測量原理、基本測

6、量原理 熱電效應熱電效應 熱電偶原理圖熱電偶原理圖 EAB（T，T0）= fAB（t） 第二節 傳感器 共99頁第22頁 幾種常用熱電偶的熱電極幾種常用熱電偶的熱電極 分度號分度號正正 極極 （GradeGrade）負負 極極 （GradeGrade） N N鎳鉻硅（鎳鉻硅（Ni-Cr-SiNi-Cr-Si）鎳硅（鎳硅（Ni-SiNi-Si） K K鎳鉻（鎳鉻（Ni-CrNi-Cr）鎳鉻（鋁）（鎳鉻（鋁）（Ni-CrNi-Cr （AIAI） E E鎳鉻鎳鉻 （Ni-CrNi-Cr）銅鎳（康銅）（銅鎳（康銅）（Cu-NiCu-Ni（ConstantanConstantan） J J鐵（鐵（FeF

7、e）銅鎳（康銅）（銅鎳（康銅）（Cu-NiCu-Ni（ConstantanConstantan） T T銅（銅（CuCu）銅鎳銅鎳( (康銅康銅) ) （Cu-Ni( Constantan)Cu-Ni( Constantan)） S S鉑銠（鉑銠（PtPt（RhRh 10 10）鉑（鉑（PtPt） R R鉑銠（鉑銠（PtPt（RhRh 13 13）鉑（鉑（PtPt） B B鉑銠（鉑銠（PtPt（RhRh 30 30）鉑（鉑（PtPt（RhRh 10 10） 第二節 傳感器 共99頁第23頁 測溫熱電阻傳感器測溫熱電阻傳感器 熱敏電阻熱敏電阻 材料材料 溫度溫度 (t/)(t/) 電阻率電阻率

8、/(10/(10-8 -8m) m) 電阻溫度系數電阻溫度系數 0 0/-1 -1 銀銀20201.5861.5860.0038(20)0.0038(20) 銅銅20201.6781.6780.00393(20)0.00393(20) 金金20202.402.400.00324(20)0.00324(20) 鎳鎳20206.846.840.0069(0100)0.0069(0100) 鉑鉑202010.610.60.00324(0100)0.00324(0100) 第二節 傳感器 共99頁第24頁 B、常用溫度測量接口電路常用溫度測量接口電路 第二節 傳感器 共99頁第25頁 第二節 傳感器

9、共99頁第26頁 在線式紅外測溫儀在線式紅外測溫儀 熱敏電阻熱敏電阻 C、溫度測量傳感器溫度測量傳感器 紅外體溫儀紅外體溫儀 空調溫度傳感器空調溫度傳感器 微小的溫度傳感器微小的溫度傳感器 鎧裝熱電偶熱電阻鎧裝熱電偶熱電阻 第二節 傳感器 共99頁第27頁 信號調理電路的作用信號調理電路的作用 較高的精度較高的精度 噪聲抑制噪聲抑制/ /隔離隔離 系統靈活性系統靈活性/ /自診斷性自診斷性 降低成本降低成本 第二節 傳感器 共99頁第28頁 濕度傳感器濕度傳感器 濕度的危害濕度的危害 濕敏電阻的原理濕敏電阻的原理 干濕球濕度計測量相對濕度的原理干濕球濕度計測量相對濕度的原理 濕度對儀器影響示意

10、圖濕度對儀器影響示意圖 干濕球濕度計原理圖干濕球濕度計原理圖 第二節 傳感器 共99頁第29頁 物位傳感器物位傳感器 超聲波檢測技術超聲波檢測技術 測量原理測量原理 特點特點 適用范圍適用范圍 第二節 傳感器 共99頁第30頁 第二節 傳感器 共99頁第31頁 B、實際應用電路、實際應用電路 第二節 傳感器 共99頁第32頁 測厚儀測厚儀 物位檢測儀物位檢測儀 無損探測無損探測 測距儀測距儀液位儀液位儀 B 超超 接近開關接近開關 C、各種應用、各種應用 第二節 傳感器 共99頁第33頁 雷達檢測技術雷達檢測技術 時域發射技術時域發射技術 第二節 傳感器 共99頁第34頁 調頻連續波技術調頻連

11、續波技術 頻率控制回路原理方框圖頻率控制回路原理方框圖 FMCWFMCW雷達測量原理圖雷達測量原理圖 第二節 傳感器 共99頁第35頁 流量傳感器流量傳感器 流量測量方法流量測量方法 節流裝置節流裝置 文丘里噴嘴在管道中的位置文丘里噴嘴在管道中的位置 第二節 傳感器 共99頁第36頁 浮子流量計浮子流量計 圖3 金屬管浮子流量計結構 1-轉換部分；2-傳感器部分；3-導桿； 4-浮子；5-錐形管部分； 第二節 傳感器 共99頁第37頁 浮子流量計工作原理浮子流量計工作原理 浮子流量計工作原理浮子流量計工作原理 1-1-錐形管錐形管 2-2-浮子浮子 3-3-流通環隙流通環隙 第二節 傳感器 共

12、99頁第38頁 容積式流量計的工作原理容積式流量計的工作原理 第二節 傳感器 共99頁第39頁 第二節 傳感器 共99頁第40頁 渦輪流量計渦輪流量計 第二節 傳感器 共99頁第41頁 第二節 傳感器 共99頁第42頁 超聲波流量計超聲波流量計 測量原理測量原理 測量流量原理分類測量流量原理分類 第二節 傳感器 共99頁第43頁 時間差法測量流量原理時間差法測量流量原理 第二節 傳感器 共99頁第44頁 頻率差法測量流量原理圖頻率差法測量流量原理圖 a a） 異側異側 b b） 同側同側 第二節 傳感器 共99頁第45頁 光纖傳感器流量計光纖傳感器流量計 光纖傳感器檢測透明的有色物體光纖傳感器

13、檢測透明的有色物體 第二節 傳感器 共99頁第46頁 電磁流量計電磁流量計 測量原理測量原理 第二節 傳感器 共99頁第47頁 其它常用的流量計其它常用的流量計 渦街流量計渦街流量計 差壓式流量計差壓式流量計 明渠流量儀明渠流量儀 刮板流量計刮板流量計 第二節 傳感器 共99頁第48頁 電磁傳感器電磁傳感器 磁傳感器是最古老的傳感器，指南針是磁傳感器是最古老的傳感器，指南針是 磁傳感器的最早的一種應用。磁傳感器的最早的一種應用。 磁旋轉傳感器主要組成部分。磁旋轉傳感器主要組成部分。 第二節 傳感器 共99頁第49頁 第二節 傳感器 共99頁第50頁 霍爾轉速表霍爾轉速表 霍爾轉速表原理霍爾轉速

14、表原理 a) a) 齒未對準霍爾元件時磁力線分散的情況齒未對準霍爾元件時磁力線分散的情況 b) b) 齒對準霍爾元件時磁力線集中的情況齒對準霍爾元件時磁力線集中的情況 第二節 傳感器 共99頁第51頁 接近開關接近開關 常用的接近開關分類常用的接近開關分類 接近開關的特點接近開關的特點 接近開關的主要性能指標接近開關的主要性能指標 第二節 傳感器 共99頁第52頁 電渦流接近開關原理框圖電渦流接近開關原理框圖 第二節 傳感器 共99頁第53頁 電磁傳感器的應用（一）電磁傳感器的應用（一） 第二節 傳感器 共99頁第54頁 電磁傳感器的應用（二）電磁傳感器的應用（二） 第二節 傳感器 共99頁第

15、55頁 磁光效應傳感器的原理磁光效應傳感器的原理 光電效應光電效應 外光電效應外光電效應 磁光效應傳感器磁光效應傳感器 第二節 傳感器 共99頁第56頁 磁光效應傳感器的結構磁光效應傳感器的結構 第二節 傳感器 共99頁第57頁 常用磁光傳感器常用磁光傳感器 光敏晶體管內部結構光敏晶體管內部結構 a)a) 內部組成內部組成 b)b)管芯結構管芯結構 c c）結構簡化圖）結構簡化圖 1 1集電極引腳集電極引腳 2 2管芯管芯 3 3外殼外殼 4 4玻璃聚光鏡玻璃聚光鏡 5 5發射極引腳發射極引腳 6 6N+N+襯底襯底 7 7N N型集電區型集電區 8 8SiO2SiO2保護圈保護圈 9 9集電

16、結集電結 1010P P型基區型基區 1111N N型發射區型發射區 1212發射結發射結 第二節 傳感器 共99頁第58頁 （8）激光傳感器）激光傳感器 激光智能感測器是激光學領域地最新成果，激光智能感測器是激光學領域地最新成果， 采用功率安全可靠且不足以引爆任何油晶介質采用功率安全可靠且不足以引爆任何油晶介質 的激光作為探測光源，應用國際先進的激光傳感的激光作為探測光源，應用國際先進的激光傳感 技術而可廣泛適用于石油、化工、冶金、鍋爐技術而可廣泛適用于石油、化工、冶金、鍋爐 等行業、領域的一種新型的非接觸式智能測量儀等行業、領域的一種新型的非接觸式智能測量儀 表。表。 它徹底解決了以前所應

17、用的各種液位它徹底解決了以前所應用的各種液位 監測監測 儀表之不足，不受介質溫度、密度、壓力等物理、儀表之不足，不受介質溫度、密度、壓力等物理、 化學性質的影響，可以測量本產晶溫度化學性質的影響，可以測量本產晶溫度 范圍內范圍內 的所有的液體介質液位，其輸出的數字信號可直的所有的液體介質液位，其輸出的數字信號可直 接進入現場控制系統。接進入現場控制系統。 第二節 傳感器 共99頁第59頁 激光傳感器測量原理圖激光傳感器測量原理圖 激光傳感器激光傳感器 第二節 傳感器 共99頁第60頁 電量變送器電量變送器 電量變送器的用途、分類電量變送器的用途、分類 霍爾元件的原理霍爾元件的原理 第二節 傳感

18、器 共99頁第61頁 B、應用、應用 第二節 傳感器 共99頁第62頁 （9）其他傳感器）其他傳感器 紅外傳感系統分類紅外傳感系統分類 紅外傳感器工作原理紅外傳感器工作原理 第二節 傳感器 共99頁第63頁 仿生傳感器仿生傳感器 仿生傳感器，是一種采用新的檢測原仿生傳感器，是一種采用新的檢測原 理的新型傳感器。理的新型傳感器。 仿生傳感器原理仿生傳感器原理 仿生傳感器分類仿生傳感器分類 第二節 傳感器 共99頁第64頁 在圖中我們可以看到，仿生傳感器和生物學在圖中我們可以看到，仿生傳感器和生物學 理論的方方面面都有密切的聯系，是生物學理論理論的方方面面都有密切的聯系，是生物學理論 發展的直接成

19、果。發展的直接成果。 第二節 傳感器 共99頁第65頁 執行器按其能源形式分為氣動，電動執行器按其能源形式分為氣動，電動 和液動三大類，它們各有特點，適用于不和液動三大類，它們各有特點，適用于不 同的場合。同的場合。 第三節 執行器 第三節第三節 執行器執行器 共99頁第66頁 A、氣動執行器工作原理、氣動執行器工作原理 第三節 執行器 共99頁第67頁 執行機構執行機構 氣動執行機構分類氣動執行機構分類 正作用形式正作用形式 反作用形式反作用形式 第三節 執行器 共99頁第68頁 B、電動執行器工作原理、電動執行器工作原理 第三節 執行器 電動執行器組成方塊圖電動執行器組成方塊圖 共99頁第

20、69頁 C、電、電-氣轉換器氣轉換器 電電- -氣轉換器的作用氣轉換器的作用 第三節 執行器 共99頁第70頁 電-氣轉換器原理結構圖 1- 噴嘴擋板；噴嘴擋板； 2- 調零彈簧；調零彈簧； 3- 負反饋波紋管；負反饋波紋管； 4- 十字彈簧；十字彈簧； 5- 正反饋波紋管；正反饋波紋管； 6- 杠桿；杠桿； 7- 測量線圈；測量線圈； 8- 磁鋼；磁鋼； 9- 鐵芯；鐵芯； 10- 放大器放大器 第三節 執行器 共99頁第71頁 電電-氣轉換器工作過程氣轉換器工作過程 第三節 執行器 共99頁第72頁 電電-氣閥門定位器原理結構圖氣閥門定位器原理結構圖 1- 力矩馬達力矩馬達; 2- 主杠桿

21、主杠桿; 3- 平衡彈簧平衡彈簧; 4- 反饋凸輪支點反饋凸輪支點; 5- 反饋凸輪反饋凸輪; 6- 負杠桿負杠桿; 7- 負杠桿支點負杠桿支點; 8- 薄膜執行機構薄膜執行機構; 9- 反饋桿反饋桿; 10- 滾輪滾輪; 11- 反饋彈簧反饋彈簧; 12- 調零彈簧調零彈簧; 13- 擋板擋板; 14- 噴嘴噴嘴; 15- 主杠桿支點主杠桿支點 第三節 執行器 共99頁第73頁 電電-氣閥門定位器工作過程氣閥門定位器工作過程 第三節 執行器 共99頁第74頁 第四節第四節 虛擬儀器虛擬儀器 一、概述一、概述 虛擬儀器中虛擬儀器中“虛擬虛擬”兩字的含義兩字的含義 第四節 虛擬儀器 共99頁第7

22、5頁 儀器和測試技術發展儀器和測試技術發展 第四節 虛擬儀器 虛擬儀器虛擬儀器傳統儀器傳統儀器 開放性、靈活，可與計算機技術保持同 步發展 封閉性、儀器間配合較差 關鍵是軟件，系統性能升級方便，通過 網絡下載升級程序即可 關鍵是硬件，升級成本較高，且升級 必須上門服務 價格低廉，儀器間資源可重復利用率高價格昂貴，儀器間一般無法相互利用 用戶可定義儀器功能只有廠家能定義儀器功能 可以與網絡及周邊設備方便連接功能單一，只能連接有限的獨立設備 開發與維護費用降至最低開發與維護開銷高 技術更新周期短（12年）技術更新周期長（510年） 共99頁第76頁 客戶定義的基于客戶定義的基于PC的測試測量和自的

23、測試測量和自 動化的最終解決方案動化的最終解決方案 傳統的儀器廠商所定義傳統的儀器廠商所定義 的儀器的儀器 處理器處理器 RAM ROM 顯示器顯示器 電源電源 硬盤硬盤 第四節 虛擬儀器 共99頁第77頁 虛擬儀器 Virtual Instrumentation 二、構成二、構成 硬件硬件 軟件軟件 第四節 虛擬儀器 共99頁第78頁 三、基于計算機的測試系統三、基于計算機的測試系統 第四節 虛擬儀器 虛擬儀器測試系統工作流程虛擬儀器測試系統工作流程 共99頁第79頁 LabVIEWLabVIEW 圖形化編程語言圖形化編程語言 可以編譯的圖形化編程語言環境可以編譯的圖形化編程語言環境 提高開

24、發效率提高開發效率 第四節 虛擬儀器 共99頁第80頁 Demo: LabVIEW VI 第四節 虛擬儀器 共99頁第81頁 LabVIEWLabVIEW 開發測試系統開發測試系統 采集采集 分析分析 顯示顯示 第四節 虛擬儀器 共99頁第82頁 儀器控制架構儀器控制架構 GPIB Extenders 1 Hub 2 GPIB/Serial Enet to GPIB/Serial 3 Ethernet-based Instrument 4 第四節 虛擬儀器 共99頁第83頁 數據采集系統結構數據采集系統結構 數據采集卡數據采集卡 信號調理信號調理 連接附件連接附件 傳感器傳感器 第四節 虛擬儀

25、器 共99頁第84頁 數據采集卡數據采集卡 Multifunction Analog I/O, Digital I/O, Counter/Timer 第四節 虛擬儀器 共99頁第85頁 視頻和運動系統組件視頻和運動系統組件 Motor Drive/Amplifier Motor or Actuator and Feedback IMAQ Camera Motion Controller IMAQ Board 第四節 虛擬儀器 共99頁第86頁 圖像分析軟件圖像分析軟件 圖像開發模塊圖像開發模塊 配置軟件配置軟件 (Vision Builder) Quickly prototype vision

26、 applications Create LabVIEW VIs 可編程軟件可編程軟件 (IMAQ Vision) More than 150 image processing functions Functions compatible with LabVIEW, C, C+, and Visual Basic Reduced Development Time 第四節 虛擬儀器 共99頁第87頁 運動控制系統運動控制系統 反饋信號反饋信號 Limit/Home/Index 開關開關, I/O Control Panel Flow Pressure Alarm Conditions STOP Temperature 運動控制卡運動控制卡 運動控制軟件運動控制軟件 驅動驅動器器 / / 放大器放大器 馬達馬達 第四節 虛擬