傳感器及檢測技術 教學PPT課件

傳感器及檢測技術 教學PPT課件,傳感器及檢測技術,教學PPT課件,傳感器,檢測,技術,教學,PPT,課件 PPT模板下載： 液位檢測目錄1 1任務一 汽車油箱的液位檢測2 2任務二 高壓密閉容器的液位檢測 項目六 液位檢測學習目標能掌握電容式傳感器三種類型的工作原理及特性。能理解電容式傳感器的幾種測量電路。能掌握超聲波的概念和傳播特性等。能理解超聲波傳感器的工作原理。能理解電容式傳感器和超聲波傳感器的應用電路。任務一 汽車油箱的液位檢測任務提出 各種汽車、飛機的儀表盤上都有油箱油量的指示表，它是駕駛員要掌握的重要參數(shù)之一。檢測油箱液位的高低就要用到液位傳感器，通常采用電容式液位傳感器來測量油箱液位。任務一 汽車油箱的液位檢測相關知識 電容式傳感器是把被測非電量轉換為電容量變化的一種傳感器。它具有高阻抗、小功率、動態(tài)范圍大、響應速度快、幾乎沒有零漂、結構簡單、適應性強、可在惡劣的環(huán)境下使用等優(yōu)點，但它具有分布電容影響嚴重的缺點。任務一 汽車油箱的液位檢測一、電容式液位傳感器的外形電容式液位傳感器的外形如圖6-1所示，主要有棒式和纜式兩種。任務一 汽車油箱的液位檢測二、各種電容式傳感器的結構各種電容式傳感器的結構示意圖如圖6-2所示。任務一 汽車油箱的液位檢測三、電容式傳感器的工作原理 平板式電容器是由兩個金屬極板、中間夾一層電介質構成的。若在兩極板間加上電壓，電極上就儲存有電荷，所以電容器是一種儲存電場能量的元件。任務一 汽車油箱的液位檢測三、電容式傳感器的工作原理 變間隙式電容傳感器如圖6-3所示，兩塊極板中的一塊為定極板，另一塊為動極板，當動極板受被測量作用產生位移d時，改變了兩極板間的距離d，從而使電容量C發(fā)生變化。這種傳感器可以用來測量微小位移，測量范圍為001m01mm之間。（一）變間隙式電容傳感器任務一 汽車油箱的液位檢測三、電容式傳感器的工作原理 變面積式電容傳感器的兩塊極板也是一塊為定極板，另一塊為動極板，當動極板受被測量作用產生位移時，它改變了兩極板相互覆蓋的有效面積，從而使電容量C發(fā)生變化。這種傳感器可以用來測量厘米數(shù)量級的位移和測量角位移。（二）變面積式電容傳感器任務一 汽車油箱的液位檢測三、電容式傳感器的工作原理1.直線位移型電容傳感器直線位移型變面積式電容傳感器如圖6-4所示。（二）變面積式電容傳感器任務一 汽車油箱的液位檢測三、電容式傳感器的工作原理2.角位移型電容傳感器角位移型電容傳感器如圖6-5所示。（二）變面積式電容傳感器任務一 汽車油箱的液位檢測三、電容式傳感器的工作原理3.齒形極板型電容傳感器（二）變面積式電容傳感器任務一 汽車油箱的液位檢測三、電容式傳感器的工作原理 變介電常數(shù)式電容傳感器如圖6-6所示。這種傳感器可以用來測量濕度、物位和密度等。（三）變介電常數(shù)式電容傳感器任務一 汽車油箱的液位檢測四、電容式傳感器的測量電路1.普通交流電橋 普通交流電橋要求提供幅值、頻率穩(wěn)定的交流電源，電源頻率為被測信號最高頻率的510倍，如圖6-7所示。初始狀態(tài)下，電橋平衡，輸出電壓為零。當電容Co有增量C時，電橋失去平衡，輸出電壓的幅值隨C變化。（一）交流電橋電路任務一 汽車油箱的液位檢測四、電容式傳感器的測量電路2.變壓器電橋變壓器電橋如圖6-8所示。（一）交流電橋電路任務一 汽車油箱的液位檢測四、電容式傳感器的測量電路運算放大器式測量電路如圖6-9所示。（二）運算放大器式測量電路任務一 汽車油箱的液位檢測四、電容式傳感器的測量電路 雙T電路如圖6-10a所示,圖中VD1、VD2為相同特性二極管，R1、R2為阻值相等的固定電阻，RL為負載電阻，C1、C2為差動電容，u為對稱方波高頻電源電壓。（三）雙T電路任務一 汽車油箱的液位檢測四、電容式傳感器的測量電路 脈沖調制電路如圖6-11所示，它利用傳感器電容充放電，使電路輸出脈沖的占空比隨電容量變化而變化，再通過低頻濾波器得到對應于被測量變化的直流信號。各點的輸出波形如圖6-12所示。（四）脈沖調制電路任務一 汽車油箱的液位檢測四、電容式傳感器的測量電路（四）脈沖調制電路任務一 汽車油箱的液位檢測四、電容式傳感器的測量電路 該測量電路把電容式傳感器與一個電感配合，構成一個諧振電路。當傳感器工作時，電容量發(fā)生變化，導致振蕩頻率相應變化。再經(jīng)過鑒頻電路將頻率的變化轉換為振幅的變化，經(jīng)放大器放大后再顯示。其原理框圖如圖6-13所示。（五）調頻電路任務一 汽車油箱的液位檢測任務實施 電容式液位傳感器不僅能測量腐蝕性液體，還能測量粉塵和固體顆粒，可用于制藥、化工、食品等行業(yè)。如啤酒罐裝機酒位測控、奶制品生產線液位測控、制藥廠反應罐、油箱液位測量等。一、合理選擇電容式液位傳感器任務一 汽車油箱的液位檢測一、合理選擇電容式液位傳感器（一）主要技術指標電源：1436V DC。輸出信號：420mA DC。精度：05%FS（標準條件下）。探頭長度：013m（剛性），320m（柔性）。環(huán)境溫度：2085（標準型）。電子艙防護等級：IP66。電纜密封套電纜進線：G1/2。電子艙材料：壓鑄鋁。任務一 汽車油箱的液位檢測一、合理選擇電容式液位傳感器（二）探頭類型及典型應用探頭類型及典型應用如表6-1所示。任務一 汽車油箱的液位檢測一、合理選擇電容式液位傳感器（三）探頭的選擇選用帶同軸接地管全絕緣探頭。任務一 汽車油箱的液位檢測二、正確使用電容式液位傳感器（一）電容式油量表工作原理 電容式油量表原理示意圖如圖6-14所示，它由電橋電路、放大器、兩相電機、指針等部件組成。電容式傳感器CX接入電橋作為一個臂，C0為固定的標準電容器，RP為調整電橋平衡的電位器，其電刷與指針同軸連接，該軸由兩相電機經(jīng)減速器帶動。當油箱無油時，電容傳感器有最小初始電容量CXCX0，此時調RP為零，由于CXC0=R2R1，電橋平衡，無輸出，伺服電機不轉，油量表指針0。任務一 汽車油箱的液位檢測二、正確使用電容式液位傳感器（一）電容式油量表工作原理任務一 汽車油箱的液位檢測其他案例（一）電容式位移傳感器 電容式位移傳感器結構如圖6-15所示，它是差動變面積式結構。當測量桿受被測位移帶動活動電極移動時，改變了動電極與兩定電極的相互遮蓋面積，使兩電容值變化。因變面積型電容傳感器的線性特性，這種傳感器的線性度很好。任務一 汽車油箱的液位檢測其他案例（二）電容式壓力傳感器1.電容式壓力傳感器的結構 電容式壓力傳感器的結構如圖6-16所示，由一個金屬膜片動極板和兩個在凹形玻璃圓盤上電鍍成的定極板組成。它是一種差動變間隙式的結構。任務一 汽車油箱的液位檢測其他案例（二）電容式壓力傳感器2.電容式壓力傳感器的工作原理 電容式壓力傳感器的原理框圖如圖617所示。任務一 汽車油箱的液位檢測其他案例（三）電容式厚度傳感器 在板材軋制過程中，要對金屬板材的厚度進行在線檢測，如圖6-18所示，采用了電容式厚度傳感器來測厚。在被測帶材的上下兩側各放置一塊面積相等且與被測帶材距離相等的極板，并用導線把兩塊極板連接起來作為電容的定極板，被測帶材作為動極板，這樣相當于兩個電容并聯(lián)。當帶材軋制過程中，厚度發(fā)生變化時，極板間距（位移）發(fā)生變化，引起兩電容量發(fā)生變化，從而實現(xiàn)在線檢測。任務一 汽車油箱的液位檢測其他案例（三）電容式厚度傳感器任務一 汽車油箱的液位檢測其他案例（四）電容式振動位移傳感器電容式振動位移傳感器如圖6-19所示，它是動態(tài)非接觸式測量振動和位移。任務一 汽車油箱的液位檢測其他案例（五）電容式加速度傳感器 如圖6-20所示為電容式加速度傳感器的示意圖，上下兩個定極板與殼體絕緣，質量塊由彈簧片支撐在殼體內，兩個平整的端面作為動極板分別與兩個定極板構成差動電容C1和C2。測量時，傳感器外殼固定在被測振動體上，隨被測物一起振動，質量塊相對殼體運動，使得電容C1和C2差動變化，電容的變化量正比于質量塊的慣性力，而在一定頻率范圍內，慣性力正比于被測振動加速度。任務一 汽車油箱的液位檢測其他案例（五）電容式加速度傳感器任務一 汽車油箱的液位檢測其他案例（六）電容式料位傳感器 電容式料位傳感器結構如圖6-21所示。檢測物料為非導電介質，電極安裝在罐頂，在電極與管壁之間形成了一個電容器。當罐內注入物料時，電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，從而導致電容量的變化，變化的大小與罐內被測物料的高度成比例關系。這樣只要檢測出電容的變化值就可測得物料的高度了。任務一 汽車油箱的液位檢測其他案例（六）電容式料位傳感器任務一 汽車油箱的液位檢測其他案例（七）電容式荷重傳感器 如圖6-22所示為電容式荷重傳感器的原理結構圖。在澆鑄特性好、彈性極限高的鎳鉻鉬特種鋼塊上，開一排同高度、等間距且平行的圓孔，每個圓孔的內壁用黏結劑固定兩個截面為T形的絕緣體，保持其相對面并留有一定間隙，在此相對面上粘貼銅箔作為電容器的兩個極板。當鋼塊端面承受荷重F而使圓孔變形時，每個電容器極板間的距離變小，電容量增大。在測量電路中將所有電容并聯(lián)，電容總變化量正比于被測平均荷重F。任務一 汽車油箱的液位檢測其他案例（七）電容式荷重傳感器任務一 汽車油箱的液位檢測訓練一下 大家都用過收音機，請你打開收音機后蓋，觀察和思考一下，收音機調節(jié)電臺的旋鈕是調節(jié)了什么器件來改變電臺的呢？它的工作原理是怎樣的呢？任務二 高壓密閉容器的液位檢測任務提出 在工業(yè)生產中，經(jīng)常會使用各種密閉容器來儲存高溫、有毒、易揮發(fā)、易燃、易爆、強腐蝕性等液體介質，對這些容器的液位檢測必須使用非接觸式測量，一般采用超聲波液位傳感器。任務二 高壓密閉容器的液位檢測相關知識 超聲波是一種機械波，它方向性好，穿透力強，遇到雜質或分界面會產生顯著的反射。利用這些物理性質，可把一些非電量轉換成聲學參數(shù)，通過壓電元件轉換成電量。超聲波傳感器就是利用超聲波的特性，將非電量轉換為電量的測量元件。超聲波傳感器又稱為超聲波換能器或超聲波探頭。任務二 高壓密閉容器的液位檢測一、超聲波傳感器的外形、結構和特性（一）超聲波傳感器的外形超聲波傳感器的外形如圖6-25所示。任務二 高壓密閉容器的液位檢測一、超聲波傳感器的外形、結構和特性（二）超聲波傳感器的結構和符號 超聲波傳感器按其工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式和電磁式等，在實際使用中，以壓電式最為常用。壓電式超聲波傳感器的內部結構如圖6-26所示，主要由壓電陶瓷晶片、錐形共振盤、底座、引腳、金屬網(wǎng)和外殼等組成。任務二 高壓密閉容器的液位檢測一、超聲波傳感器的外形、結構和特性（三）超聲波傳感器的特性 超聲波傳感器具有小角度、小盲區(qū)、測量準確、無接觸、防水、防腐蝕、低成本等優(yōu)點，可應用于液位，物位檢測，可保證在液面有泡沫或大的晃動、不易檢測到回波的情況下有穩(wěn)定的輸出。任務二 高壓密閉容器的液位檢測一、超聲波傳感器的外形、結構和特性（三）超聲波傳感器的特性檢測距離：330m不同規(guī)格。盲區(qū)：025m。超聲波工作頻率：75kHz。重復精度：05%。輸出速度：5次/s。波束角（-6DB）：15。工作電壓：1215VDC（紋波200mVpp）。工作電流：100 MA。輸出：420 MA（三線）,儀表阻抗250。工作溫度：-3070（帶溫度補償）。任務二 高壓密閉容器的液位檢測二、超聲波的特性（一）聲波與超聲波 波是振動在彈性介質中的傳播。發(fā)聲體的機械振動會引起周圍彈性介質中質點的振動，并由近及遠地傳播，這就是波。振動頻率在16Hz20kHz之間，能為人耳所聞的機械波稱為聲波；頻率超過20kHz的機械波稱為超聲波；低于16Hz的機械波稱為次聲波。檢測中常用的超聲波頻率范圍為幾十千赫茲到幾十兆赫茲。任務二 高壓密閉容器的液位檢測二、超聲波的特性（二）超聲波的傳播特性超聲波的傳播速度與波長及頻率成正比，即聲速為：任務二 高壓密閉容器的液位檢測二、超聲波的特性（二）超聲波的傳播特性當超聲波通過兩種不同的介質時，產生反射和折射現(xiàn)象。但當它由氣體傳播到液體或固體中，或由固體、液體傳播到氣體中時，由于介質密度相差太大而幾乎全部發(fā)生反射。當超聲波通過同種介質時，隨著傳播距離的增加，其強度因介質吸收能量而衰減。任務二 高壓密閉容器的液位檢測三、超聲波傳感器的工作原理 超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個探頭也可兼有發(fā)射和接收。它是利用壓電效應的原理制作的。所謂壓電效應是當一定方向的外力作用在已極化的壓電陶瓷片上時，在其表面產生電荷的現(xiàn)象，這也稱為正壓電效應。相反，在極化方向上施加電場，它會產生機械變形，外加電場去除，機械變形消失的現(xiàn)象稱為逆壓電效應。任務二 高壓密閉容器的液位檢測四、超聲波探測用耦合劑 超聲波探頭與被測物體接觸時，探頭與被測物體表面間存在一層空氣薄層，空氣將引起三個界面間強烈的雜亂反射波，造成干擾；而且空氣的密度很小，將對超聲波造成很大的衰減。因此，必須將接觸面之間的空氣排擠掉，使超聲波能順利地入射到被測介質中。任務二 高壓密閉容器的液位檢測任務實施一、合理選擇超聲波傳感器的類型 根據(jù)密閉罐的檢測要求，結合超聲波傳感器相關知識，選用超聲波液位傳感器進行檢測。任務二 高壓密閉容器的液位檢測二、正確使用超聲波液位傳感器（一）超聲波液位傳感器的應用條件1.介質純凈度液體中不能充滿密集氣泡。液體中不能懸浮大量固體，如結晶物。容器底部不能沉積大量泥沙及沉淀物。任務二 高壓密閉容器的液位檢測二、正確使用超聲波液位傳感器（一）超聲波液位傳感器的應用條件2.介質黏度 動力黏度10mPas時正常測量。10mPas動力黏度30mPas時不能測量。注：隨溫度升高黏度降低，大部分高黏度的液體受溫度影響更為明顯，所以在測量有黏度液體時需注意液體溫度的影響。任務二 高壓密閉容器的液位檢測二、正確使用超聲波液位傳感器（一）超聲波液位傳感器的應用條件3.被測容器（1）材質安裝測量探頭處的容器壁要求用能夠良好傳遞信號的硬質材料制成，如碳鋼、不銹鋼、各種硬金屬、玻璃鋼、硬質塑料、陶瓷、玻璃、硬橡膠等材料或其復合材料等。（2）壁厚 壁厚為270mm。（3）罐型 罐型為球罐、臥罐、立式罐等。任務二 高壓密閉容器的液位檢測二、正確使用超聲波液位傳感器（二）安裝要求1.安裝示意圖安裝示意圖如圖6-28所示。任務二 高壓密閉容器的液位檢測二、正確使用超聲波液位傳感器（二）安裝要求2.探頭安裝要求對于鐵質容器可以給探頭工作端面涂上硅脂并用磁性吸盤將其直接貼在容器底部即可；若容器外殼是玻璃等其他材料，可以用膠將探頭粘貼固定或用支架固定于容器底部。探頭指向必須與所測距離在同一直線上。探頭正上方應無盤管等遮擋物。遠離罐底進液口，以避免進液劇烈流動對測量的影響。任務二 高壓密閉容器的液位檢測二、正確使用超聲波液位傳感器（二）安裝要求遠離罐頂進液口下方位置，以避免進液沖擊使液面劇烈波動影響測量。高于出液口或排污口，以避免罐底長期沉積污物對測量的影響，如不滿足條件，則應定期清除罐底污物。液位測量頭用磁性或焊/粘接固定方式安裝時，容器壁上的安裝表面尺寸應不小于80的圓面，表面粗糙度應達到1.6，傾斜度應小于3（旁通管除外）。任務二 高壓密閉容器的液位檢測二、正確使用超聲波液位傳感器（三）工作原理如圖6-29所示，在液罐下方安裝了超聲波發(fā)射器和接收器。任務二 高壓密閉容器的液位檢測其他案例（一）超聲波測厚度 超聲波測厚度常采用脈沖回波法，如圖6-30所示。超聲波探頭與被測物表面接觸，主控制器產生一定頻率的脈沖信號送往發(fā)射電路，經(jīng)電流放大后激勵壓電式探頭產生超聲波脈沖。超聲波傳到被測工件另一面被反射回來，又被同一探頭接收。任務二 高壓密閉容器的液位檢測其他案例（一）超聲波測厚度任務二 高壓密閉容器的液位檢測其他案例（二）超聲波無損探傷 超聲波無損探傷采用超聲直探頭，檢測時將探頭放置在被測工件上，并在工件表面來回移動。探頭發(fā)射出超聲波，以垂直方向在工件內部傳播。如果傳播路徑上沒有缺陷，超聲波到達底部便產生反射，熒光屏上出現(xiàn)始波脈沖T和底部脈沖B，如圖6-31a所示。任務二 高壓密閉容器的液位檢測其他案例（二）超聲波無損探傷任務二 高壓密閉容器的液位檢測其他案例（二）超聲波無損探傷 如果工件有缺陷，一部分脈沖將會在缺陷處產生反射，另一部分則連續(xù)傳播到達工件底部產生反射，因而在熒光屏上除始波脈沖T和底部脈沖B外，還出現(xiàn)缺陷脈沖F，如圖6-31b所示。熒光屏上水平掃描線為時基線，事先調整其長度，使長度與工件的厚度成正比，根據(jù)缺陷脈沖在掃描時基線上的位置便可確定缺陷在工件中的深度。任務二 高壓密閉容器的液位檢測其他案例（三）超聲波測流量 用超聲波測流量對被測流體不產生附加的阻力，測量結果不受流體物理和化學性質的影響。不論是非導電的流體，還是高黏度的流體、漿狀流體，只要能傳輸超聲波的流體都可以測量。任務二 高壓密閉容器的液位檢測訓練一下 讀懂如圖6-33所示超聲波遙控開關電路的工作原理，試著制作此遙控開關。圖6-33a為超聲波發(fā)射電路，VT1、VT2、R1、R2、C1、C2構成自激多諧振蕩器，超聲波發(fā)射器B接在VT1和VT2基極上，B的共振頻率使多諧振動電路觸發(fā)。回路時間常數(shù)由R1、C1和R2、C2確定。任務二 高壓密閉容器的液位檢測訓練一下任務二 高壓密閉容器的液位檢測訓練一下 圖6-33b為接收電路，超聲波接收器B將接收到的超聲波轉換為相應的電壓信號，經(jīng)高輸入阻抗場效應晶體管VF和三極管VT1兩級放大后，由VD1和VD2進行半波整流變?yōu)橹绷餍盘?，?jīng)C4積分后的電壓使三極管VT2導通，其集電極輸出負跳變脈沖觸發(fā)JK觸發(fā)器，使其輸出狀態(tài)翻轉，從而使繼電器線圈KA得電或失電，導致KA的常開觸點K閉合或斷開，達到遙控用電器HL的目的。