第三章-參數(shù)檢測一般原理和方法

1、火電廠參數(shù)檢測劉林仙2016年04月15日內(nèi)容內(nèi)容溫度、壓力溫度、壓力過程檢測技術(shù)基礎(chǔ)過程檢測技術(shù)基礎(chǔ)測量誤差和不確定度測量誤差和不確定度 參數(shù)檢測技術(shù)參數(shù)檢測技術(shù)流量、物位檢測流量、物位檢測第三章第三章 參數(shù)檢測一般原理和方法參數(shù)檢測一般原理和方法u 熱工生產(chǎn)的五大參數(shù)：溫度、壓力、流量、物位、成分。 這些參數(shù)在生產(chǎn)過程檢測任務(wù)中占有重要地位，本章主要著重介紹這些參數(shù)的檢測原理及方法。首先，介紹檢測工作所遵循的自然規(guī)律和常用的檢測方法。 3.1 參數(shù)檢測的一般原理和方法一、自然規(guī)律和檢測方法 與檢測技術(shù)有關(guān)的自然規(guī)律：守恒定律、場定律、物質(zhì)定律以、統(tǒng)計法則。p守恒定律（能量守恒 動量守恒 電

2、荷守恒等） 流量測量中，守恒定律的應(yīng)用較為典型。例：1）節(jié)流式流量計 節(jié)流變壓降流量計工作原理：基于節(jié)流效應(yīng)，即在充滿流體的管道內(nèi)固定放置一個流通面積小于管道截面積的節(jié)流件，當(dāng)流體流經(jīng)節(jié)流件時由于流束收縮，在收縮處， 流速增加，靜壓力降低，則在節(jié)流件的前后產(chǎn)生靜壓力差，利用壓差與流速的關(guān)系可進一步測出流量。第三章第三章 參數(shù)檢測一般原理和方法參數(shù)檢測一般原理和方法流量公式： 流體連續(xù)性方程-質(zhì)量守恒 伯努利方程-能量守恒2124mABqqqdP2222AABBPP2244ABDd第三章第三章 參數(shù)檢測一般原理和方法參數(shù)檢測一般原理和方法例：2）皮托管測流速 工作原理：皮托管正對流動方向，1點處

3、流速為1，靜壓為P1,皮托管的阻流作用，使得2=0，靜壓為P2，（能量守恒，動能轉(zhuǎn)換為靜壓能 P2 P1 ）伯努利方程 21122PP2112 PP第三章第三章 參數(shù)檢測一般原理和方法參數(shù)檢測一般原理和方法p場的定律 場的定律是物質(zhì)作用的定律，如運動場的運動定律，電磁場的感應(yīng)定律，光電的干涉等。例：1）電容位移（物位）傳感器靜電場有關(guān)定律（回憶電容傳感器）S,一定，d變化 C變化，C反應(yīng)d; d一定，S,變化 C變化，C反應(yīng)物位高低，填充物的混合比例。例：2）電磁流量計電磁感應(yīng)定律，運動定律 法拉第電磁感應(yīng)定律：長度為l的導(dǎo)體以速度v作垂直于磁場運動時，運動道題產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為 SCdeBl

4、v 第三章第三章 參數(shù)檢測一般原理和方法參數(shù)檢測一般原理和方法p物質(zhì)定律 物質(zhì)定律是關(guān)于物質(zhì)本身內(nèi)在的性質(zhì)、法則和規(guī)律，物質(zhì)的內(nèi)在屬性通?？梢酝ㄟ^其特有的物理量進行描述，如電阻，電勢。如壓阻式傳感器。p統(tǒng)計法則 利用統(tǒng)計方法把圍觀系統(tǒng)和宏觀系統(tǒng)聯(lián)系起來。例：電阻兩端熱噪聲電壓均方值的計算。第三章第三章 參數(shù)檢測一般原理和方法參數(shù)檢測一般原理和方法二、基礎(chǔ)效應(yīng)與檢測方法 檢測過程的第一步即將被測量轉(zhuǎn)換成為另一種可以進一步進行處理和表示的信息（傳感元件，一次敏感元件），這一轉(zhuǎn)換過程是物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、生物效應(yīng)和許多物理現(xiàn)象的外在表現(xiàn)，這些效應(yīng)和現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)是開發(fā)轉(zhuǎn)型元件，發(fā)展檢測技術(shù)的重要途徑。下

5、面介紹檢測中所用到的基礎(chǔ)效應(yīng)。p光電效應(yīng)光電效應(yīng)：光照射在物體上可看成是一連串具有能量為E的光子轟擊物體,如果光子的能量足夠大，物質(zhì)內(nèi)部電子在吸收光子后就會擺脫內(nèi)部力的束縛，成為自由電子，自由電子可能從物質(zhì)表面逸出，也可能參與物質(zhì)內(nèi)部的導(dǎo)電過程，這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。 即：物質(zhì)在光的作用下釋放電子的現(xiàn)象，被釋放的電子在外電場中運動形成光電流，光通量（或光強）與光電流之間的關(guān)系稱為光電特性。主要取決于入射光的強度，波長及所使用的光電材料光信號電信號，檢測光信號。第三章第三章 參數(shù)檢測一般原理和方法參數(shù)檢測一般原理和方法光電效應(yīng)的種類：（1）外光電效應(yīng)：在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外

6、發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。向外發(fā)射的電子叫做光電子。 常見元件：光電管、光電倍增管等。 結(jié)構(gòu)示例：真空光電管 在一個抽成真空或充以惰性氣體的玻璃泡內(nèi)裝有兩個電極：光電陰極2和光電陽極1。光電陰極通常是用逸出功小的光敏材料（如銫）涂敷在玻璃泡內(nèi)壁上做成，其感光面對準(zhǔn)光的照射孔。當(dāng)光線照射到光敏材料上，光子的能量傳遞給陰極表面的電子，當(dāng)電子獲得的能量足夠大時，就有可能克服金屬表面對電子的束縛（逸出功）而逸出金屬表面形成電子發(fā)射，這種電子稱為光電子。當(dāng)光電管陽極加上適當(dāng)電壓時，從陰極表面逸出的電子被具有正電壓的陽極所吸引，在光電管中形成電流，稱為光電流，在外電路產(chǎn)生電流。如果在外電路中串入一只適當(dāng)阻

7、值的電阻，則電路中的電流便轉(zhuǎn)換為電阻上的電壓。這電流或電壓的變化與光強成一定函數(shù)關(guān)系，從而實現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換。第三章第三章 參數(shù)檢測一般原理和方法參數(shù)檢測一般原理和方法特性： 光電管的光電特性取決于光電陰極材料，不同的陰極材料對同一波長的光有不同的靈敏度；同一陰極材料對不同波長的光有不同的靈敏度，光電流的大小除了與光通量有關(guān)，還與光電管上的電壓，入射光譜有關(guān)。 （2）內(nèi)光電效應(yīng)：當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，它多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)光電效應(yīng)分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)兩類。 1）光電導(dǎo)效應(yīng)：半導(dǎo)體在光線作用下，其電阻值往往變小，導(dǎo)

8、電性增強，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。高電阻率半導(dǎo)體材料都具有光導(dǎo)效應(yīng)。 常用元件：光敏電阻。 常用材料：硫化鉛、硫化鎘等 2）光生伏特效應(yīng)：半導(dǎo)體器件受到光照射時會產(chǎn)生一定方向的電動勢，而不需要外部電源。光電伏特型光電器件能將入射光能量轉(zhuǎn)換成電壓和電流。 常用元件：硅光電池、硒光電池。 特性：光電動勢與光照強度對數(shù)稱正比，光電流與入社光強度成正比，光電池在無外接電源下工作時，光敏管在反向偏壓下工作。第三章第三章 參數(shù)檢測一般原理和方法參數(shù)檢測一般原理和方法p熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)：將兩根不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體（A和B）聯(lián)接起來構(gòu)成一個回路，如果兩個接合點處的溫度不同（T0T1），則在兩導(dǎo)體向產(chǎn)生熱電勢

9、，并在回路中有一定大小的電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電偶，溫度測量 熱電動勢有兩部分組成： （1）接觸電動勢： 由于不同的金屬材料所具有的自由電子密度不同，當(dāng)兩種不同的金屬導(dǎo)體接觸時，在接觸面上就會發(fā)生電子擴散，自由電子密度大的一側(cè)向密度小的一側(cè)擴散，直至動態(tài)平衡。設(shè)導(dǎo)體A和B的自由電子密度為NA和NB，且有NANB，電子擴散的結(jié)果使導(dǎo)體A失去電子而帶正電，導(dǎo)體B則因獲得電子而帶負(fù)電，在接觸面形成電場。這個電場阻礙了電子繼續(xù)擴散，達到動態(tài)平衡時，在接觸區(qū)形成一個穩(wěn)定的電位差，即接觸電動勢。大?。悍较颍好芏刃∫粋?cè)指向密度大一側(cè)T0TBA( )AABBNKTTlneNK波爾茲曼常數(shù) e 電子電荷

10、量 第三章第三章 參數(shù)檢測一般原理和方法參數(shù)檢測一般原理和方法（2）溫差電動勢 同一導(dǎo)體中的，如果兩端溫度不同，在兩端間會產(chǎn)生電動勢，即產(chǎn)生單一導(dǎo)體的溫差電動勢，這是由于導(dǎo)體內(nèi)自由電子在高溫端具有較大的動能，因而向低溫端擴散的結(jié)果。高溫端因失去電子而帶正電，低溫端由于獲得電子而帶負(fù)電，在高低溫端之間形成一個電位差，該電場阻止電子從高溫端跑向低溫端，最后達到動態(tài)平衡，動態(tài)平衡時導(dǎo)體兩端產(chǎn)生的電位差稱之為溫差電動勢。溫差電動勢的大小與導(dǎo)體的性質(zhì)和兩端的溫差有關(guān)，表示為： A A材料的湯姆遜系數(shù)。 （表示導(dǎo)體A兩端的溫度差為1時所產(chǎn)生的溫差電動勢） 方向：低溫端指向高溫端00( ,)TAATe T

11、TdT第三章第三章 參數(shù)檢測一般原理和方法參數(shù)檢測一般原理和方法p電磁效應(yīng)置于磁場中的通電導(dǎo)體或半導(dǎo)體所產(chǎn)生的各種物理現(xiàn)象。 主要包括：霍爾效應(yīng)，洛倫茲力 （1）霍爾效應(yīng)： 金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)有電流流過時，在垂直于電流與磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。所產(chǎn)生的電動勢稱為霍爾電勢。 半導(dǎo)體材料的霍爾系數(shù)遠大于金屬的，一般用硅、鍺，砷化錮等半導(dǎo)體材料制作霍爾片。IBkdIBRnedIBUHHHRH霍爾系數(shù)，RH = 1/ (ne)，由載流材料物理性質(zhì)所決定；kH靈敏度系數(shù)，kH = RH /d，它與載流材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)，表示在單位磁感應(yīng)強度和單位控制電流

12、時的霍爾電勢的大小。第三章第三章 參數(shù)檢測一般原理和方法參數(shù)檢測一般原理和方法p壓電效應(yīng) 壓電效應(yīng)：某些材料受力發(fā)生機械變形（壓縮或伸長時），在兩個相對面上產(chǎn)生異號電荷的現(xiàn)象。測力，壓力 常見材料：石英、鈮酸鋰等單晶，鈦酸鋇等多晶壓電陶瓷，聚氯二氟乙烯高分子壓電薄膜。 第三章第三章 參數(shù)檢測一般原理和方法參數(shù)檢測一般原理和方法p應(yīng)變效應(yīng)與壓阻效應(yīng)力、壓力、應(yīng)變、加速度等測量 應(yīng)變效應(yīng)：金屬導(dǎo)體的電阻隨著機械變形（伸長或縮短）的大小發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。 壓阻效應(yīng)：固體受到作用力后，電阻率就要發(fā)生變化，這種效應(yīng)稱為壓阻效應(yīng)。 llrrFFlRS第三章第三章 參數(shù)檢測一般原理和方法

13、參數(shù)檢測一般原理和方法 llRR21llRR21llEell對半導(dǎo)體材料電阻率變化引起電阻變化-壓阻效應(yīng)對金屬材料尺寸引起電阻變化-應(yīng)變效應(yīng) 電阻相對變化量式中 l沿某晶向的壓阻系數(shù)； Ee半導(dǎo)體材料的彈性模量； 應(yīng)力； 泊松比。第三章第三章 參數(shù)檢測一般原理和方法參數(shù)檢測一般原理和方法三、參數(shù)檢測的一般方法 參數(shù)檢測一般分為：光學(xué)法、力學(xué)法、熱學(xué)法、電學(xué)法、聲學(xué)法、磁學(xué)法、射線法。p光學(xué)法 利用光學(xué)原理：光的發(fā)射、透射、折射、反射等特性，用光的強度等參數(shù)表示被測量的大小，通過光電轉(zhuǎn)換接收信號。例：輻射式溫度計，紅外氣體分析儀p力學(xué)法把被測量變?yōu)闄C械位移、形變等。例：壓力、例彈性元件的形變、位

14、移。p熱學(xué)法根據(jù)被測介質(zhì)的熱物理量（參數(shù)）的差異及熱平衡原理進行參數(shù)檢測。例：熱線風(fēng)速儀，提供恒定電流，測熱線溫度；保證熱線恒溫，測供電電流。第三章第三章 參數(shù)檢測一般原理和方法參數(shù)檢測一般原理和方法p電學(xué)法 將被測變量轉(zhuǎn)換成電壓、電流、電容等電量。例：熱電阻測溫，熱電偶測溫p聲學(xué)法利用超聲波在介質(zhì)中傳播以及在介質(zhì)間界面的反射等性質(zhì)進行參數(shù)測量。例：順逆流速度差測流體流速，測物位p磁學(xué)法 被測介質(zhì)有關(guān)磁性參數(shù)的差異及被測介質(zhì)或敏感元件在磁場中表現(xiàn)出的特性檢測。例：電磁流量計，霍爾壓力變送器p射線法 放射線（射線）穿過介質(zhì)時部分能量被物質(zhì)吸收，吸收程度與射線所穿過的物質(zhì)層厚度，物質(zhì)的密度有關(guān)。例：輻射物位計，混合物組分含量第三章第三章 參數(shù)檢測一般原理和方法參數(shù)檢測一般原理和方法 選擇參數(shù)測量方法時可利用所述的物理、化學(xué)、生物效應(yīng)和物理現(xiàn)象，方法很多，不同的方法用不同的敏感元件。下面給出選擇敏感元件時的考慮因素。將被測變量轉(zhuǎn)換成電壓、電流、電容等電量。 （1）適用范圍：環(huán)境溫度、壓力、濕度、外加電源電壓（電流），保證元件正常工作和信息的轉(zhuǎn)換； （2）參數(shù)測量范圍：被測量不超過敏感元件的測量范圍； （3）敏感元件的輸入輸出