CH14參數(shù)檢測傳感器與檢測技術(shù)第2版胡向東授課教案

第14章參數(shù)檢測（知識點）知識點1參數(shù)檢測的基本看法（1）測量測量（Measurement）就是以確定被檢測值(被測量)為目的的一系列操作，即利用物質(zhì)的物理的、化學(xué)的或生物的特點，對被測對象的信息進行提取、變換以及辦理，獲得定性或定量結(jié)果的過程。測量平常包括兩個過程：一是能量形式的一次或多次變換過程；二是將被測量與其相應(yīng)的標準量（或測量單位）進行比較，從而確定被測量對標準量的倍數(shù)。經(jīng)測量過程所獲得的被測量的量值稱為測量結(jié)果。測量結(jié)果有多種表示方式，如數(shù)值、曲線或圖形等。依照式（）可知：無論采用何種表示方式，測量結(jié)果應(yīng)包括兩個部分：比值和測量單位（嚴格地說，還應(yīng)包括測量誤差或測量精度，以表示測量結(jié)果的可信程度）。（2）測量方法的分類測量方法就是將被測量與標準量進行比較，從而得出比值的方法。很明顯，不相同的事物，有不相同的性質(zhì)和不相同的胸襟標準，因此對應(yīng)的測量方法也就各不相同。必定依照詳細的測量任務(wù)確定合適的測量方法。測量方法的分類：1）依照測量方式的不相同可分為：直接測量、間接測量和組合測量2）依照測量方法的不相同可分為：誤差式測量、零位式測量和微差式測量3）依照測量精度要求的不相同可分為：等精度測量和非等精度測量4）依照被測量變化的快慢可分為：靜態(tài)測量和動向測量5）依照測量敏感元件可否與被測介質(zhì)接觸可分為：接觸式測量和非接觸式測量（3）測量系統(tǒng)）測量系統(tǒng)的構(gòu)造測量系統(tǒng)就是由傳感器與數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)、數(shù)據(jù)辦理環(huán)節(jié)和數(shù)據(jù)顯示環(huán)節(jié)等組合在一起，為了完成信號測量目標所形成的一個有機整體。典型的測量系統(tǒng)以下列圖。數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)被測對象被測量傳感器數(shù)據(jù)辦理環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)顯示環(huán)節(jié)測量結(jié)果圖測量系統(tǒng)的構(gòu)造）測量系統(tǒng)的基本種類依照測量系統(tǒng)可否存在反響通道，或信號在測量系統(tǒng)中的傳達狀況，能夠?qū)y量系統(tǒng)分為開環(huán)測量系統(tǒng)與閉環(huán)測量系統(tǒng)兩種基本種類。①開環(huán)測量系統(tǒng)若是測量系統(tǒng)沒有反響通道，全部信息的變換只沿著一個方向進行，這樣的測量系統(tǒng)稱為開環(huán)測量系統(tǒng)。②閉環(huán)測量系統(tǒng)閉環(huán)測量系統(tǒng)有兩個通道：一個正向通道，一個反響通道。知識點2參數(shù)測量的一般方法參數(shù)的測量是以自然規(guī)律（包括守恒定律、場的定律、物質(zhì)定律、統(tǒng)計法規(guī)以及各種效應(yīng)）為基礎(chǔ)，利用敏感元件特有的物理、化學(xué)或生物等效應(yīng)，把被測量的變化變換為敏感元件的某一物理量（化學(xué)量，或生物量）的變化。不相同的敏感元件，其實現(xiàn)參數(shù)測量的方法一般也不相同，主要包括：力學(xué)法也稱機械法。一般是利用敏感元件把被測變量變換成機械位移、變形等。如應(yīng)變式傳感器利用彈性元件把壓力或力變換為彈性元件的位移。熱學(xué)法依照被測介質(zhì)的熱物理量的差異以及熱平衡原理進行參數(shù)的測量。如熱線風(fēng)速儀是依照流體流速的大小與熱線在流體中被帶走的熱量有關(guān)這一原理制成的，只要測出為保證熱線溫度恒定需供應(yīng)的熱量（加熱電流量）或測出熱線的溫度（假定熱線的供電電流恒定）即可獲得流體的流速。電學(xué)法一般是利用敏感元件把被測變量變換成電壓、電阻、電容等電學(xué)量。如利用熱敏電阻的阻值變化測量溫度；依照熱電偶的熱電效應(yīng)實現(xiàn)溫度的測量。聲學(xué)法大多是利用超聲波在介質(zhì)中的流傳以及在介質(zhì)間界面處的反射等性質(zhì)進行參數(shù)的測量。如超聲波流量計利用了超聲波在流體中沿順流和逆流方向流傳的速度差來測量流體的流速。光學(xué)法利用光的直線流傳、透射、折射和反射等性質(zhì)，經(jīng)過光電元件接收光信號，用光強度（或光波長）等光學(xué)量參數(shù)來表示被測量的大小。如利用光電開關(guān)實現(xiàn)產(chǎn)品計數(shù)、利用紅外氣體成份解析儀實現(xiàn)氣體成份的測量等。磁學(xué)法利用被測介質(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)出來的特點實現(xiàn)對被測量的測量。如電磁流量計就是依照導(dǎo)電流體流經(jīng)磁場時，由于切割磁力線使流體兩端面產(chǎn)生感覺電勢，其大小與流體的流速成正比這一原理制成的。射線法射線穿過介質(zhì)時部分能量會被物質(zhì)吸取，吸取程度與射線所穿過的物質(zhì)厚度、物質(zhì)的密度等性質(zhì)有關(guān)。利用這類方法可實現(xiàn)物位的測量，或測量混雜物中某一成份的含量或濃度。生物法利用生物免疫原理、酶的催化反響原理等將被測量轉(zhuǎn)變成電學(xué)量的測量方法。知識點3過程參數(shù)檢測1）溫度檢測常用溫度測量方法及其使用的傳感器性能比較分別如表、表所示。表溫度測量方法及其使用的傳感器測量方法測溫原理溫度傳感器固體熱膨脹雙金屬溫度計體積變化液體熱膨脹玻璃管液體溫度計氣體熱膨脹氣體溫度計、充氣式壓力溫度計電阻變化金屬熱電阻、半導(dǎo)體熱敏電阻接觸式測量熱電效應(yīng)熱電偶頻率變化石英晶體溫度傳感器光學(xué)特點光纖溫度傳感器、液晶溫度傳感器聲學(xué)特點超聲波溫度傳感器亮度法光學(xué)溫度計、光電亮度溫度計全輻射法全輻射溫度計熱輻射非接觸式比色法比色溫度計紅外法紅外溫度傳感器氣流變化射流溫度傳感器表溫度測量用各種傳感器性能比較傳感器測量范精度分辨率響應(yīng)時特點種類圍/℃/℃間/s熱膨脹－185～～構(gòu)造簡單、緊湊，牢固可靠，測溫范圍較寬，耐振動，型650%精度較低鉑熱電阻在氧化性介質(zhì)中，即使在高溫下其物理、化－200～學(xué)性能牢固，但在還原性介質(zhì)中，特別是高溫下易被1～5℃～51～50熱電阻2400沾污變脆。鉑電阻精度高、牢固性好、性能可靠。銅電阻溫度系數(shù)大，易氧化，電阻率較小，機械強度較差有負溫度系數(shù)，其矯捷度遠高于金屬熱電阻、熱電偶熱敏電－280～～～105～15及其他熱敏元件，體積小、熱慣性小，合適快速測量；阻130010℃電阻值高，過載能力強，工作溫度范圍廣，壽命長，價格低價，但互換性差，測量范圍窄－270～構(gòu)造簡單，感溫部分熱容量小，相對滯后小，可對變～10～50熱電偶化較快的溫度進行連續(xù)測量，矯捷度比熱電阻低，2800500℃以下精度及牢固性差石英晶－80～℃±～±<5分辨率高，牢固性好，輸出的頻率便于數(shù)字化，機械體溫度250強度差傳感器光纖溫－40～±1～±度傳感微秒級器25005℃光學(xué)溫700～14～<10度計3～106000150℃全輻射700～1～10<5溫度計3000紅外溫－50～%～～度傳感器35002%25s

半導(dǎo)體吸取型探頭體積小、矯捷度高，工作可靠，適用于高壓電力系統(tǒng)的高溫測量，測量范圍－10～300℃。光纖輻射高溫型可用于監(jiān)察大型電氣設(shè)施內(nèi)部溫度，測溫范圍800～2500℃，誤差為±%，響應(yīng)時間＜1s。光纖熒光溫度傳感器精度很高，連續(xù)測量的誤差很小，但測溫范圍窄，為0～70℃。偏振態(tài)調(diào)制型的尺寸小，與電磁場相互作用小，但測量范圍窄。構(gòu)造簡單，量程比較寬，精度較高，使用方便，人為誤差大，必定手動。不能夠遠距離測量構(gòu)造簡單，性能牢固，使用方便，可自動記錄和遠距離傳達信號，非接觸式測量。只能測高溫，環(huán)境影響測溫精度，連續(xù)測高溫時須冷卻。需已知測量對象的輻射率并保持必然的狀態(tài)非接觸測量，適用于遠距離要求不接觸的目標，響應(yīng)速度快，分辨率高，測溫范圍廣，受水氣、煙霧、塵埃等影響大，受光波段影響大（2）壓力檢測表壓力測量方法及其使用的傳感器測量測量原理方法液體靜力平衡原理，使被測壓力與必然高度液壓的工作液體產(chǎn)生的重法力相平衡，利用液柱的高位差來測量壓力彈性元件受力產(chǎn)生變彈性形原理，使受壓后產(chǎn)生變形的位移與被測壓力成法必然函數(shù)關(guān)系負荷靜力平衡原理法將被測壓力變換成電阻量、電感量、電容量、頻率量等電學(xué)量壓電法

壓力計測壓范圍輸出信號性能特點形式/kPaU型管-10～10水柱高度實驗室低、微壓測量補償式～旋轉(zhuǎn)刻度用作微壓基準儀器自動液-102～102用光、電信號自動追蹤液面，用自動計數(shù)柱式作壓力基準儀器彈簧管-102～106直接安裝，就地測量或校驗?zāi)て?102～103位移、轉(zhuǎn)角或用于腐化性、高粘度介質(zhì)測量膜盒-102～102力用于微壓的測量與控制漣漪管0～102用于生產(chǎn)過程低壓的測控活塞式0～106砝碼負荷構(gòu)造簡單，牢固，精確度極高。浮球式0～104廣泛用作壓力基準器電阻式-102～104電壓、電流構(gòu)造簡單，耐振動性差電感式0～105毫伏、毫安環(huán)境要求低，信號辦理靈便電容式0～104伏、毫安動向響應(yīng)快，矯捷度高，易受干擾壓阻式0～105毫伏、毫安性能牢固可靠，構(gòu)造簡單壓電式0～104伏響應(yīng)速度極快，限于動向測量應(yīng)變式-102～104毫伏沖擊、溫濕度影響小，電路復(fù)雜振頻式0～104頻率性能牢固，精度高霍爾式0～104毫伏矯捷度高，易受外界攪亂（3）流量檢測流量定義為單位時間內(nèi)流過管道某一截面的體積或質(zhì)量數(shù)，因此，流量分為體積流量和質(zhì)量流量。生產(chǎn)過程中各種流體的性質(zhì)各不相同，流體的工作狀態(tài)和流體的黏度、腐化性、導(dǎo)電性等也不相同，某些場合還碰到高溫、高壓或氣液、液固等混雜流體的影響，因此，很難用一種原理或方法測量不相同流體的流量。目前，流量測量的方法一般可分為三類：1）速度式流量檢測方法2）容積式流量檢測方法3）質(zhì)量式流量檢測方法流量檢測用各種傳感器的性能比較如表所示。表流量檢測用各種傳感器性能比較傳感器測量范圍被測工作壓工作口溫度精度/%（管）特點種類/(m3·h-1)介質(zhì)力/MPa/℃徑/mm波液體、4～動～1000120壓力損失小，測量范圍大，構(gòu)造簡單，使1～轉(zhuǎn)氣體100式用方便。只能安裝在垂直流動的管子上使子用，對被測液體介質(zhì)的黏度或溫度特別敏金液體、15～式～3000150屬2感，并有較嚴重的非線性管氣體150液體、-20～4～精度高，量程寬，耐高壓，慣性小，壓損～6000渦輪式540～小，流體中的懸浮物或機械雜質(zhì)影響測量氣體500精度，甚至損壞機件，必定水安全裝不受被測液體密度和黏度的影響，無壓力6～導(dǎo)電1～損失，可水平或垂直安裝在管路上，要求1000被測介質(zhì)的電導(dǎo)率＞10－5S/cm，要求管道電磁式28500液體～～1200資料不導(dǎo)磁不導(dǎo)電，不適于測量氣體、蒸氣以及含有大量氣體的液體3～非接觸測量，無壓力損失，可測任何液體超聲波250000液體、-20～6～的流量，特別是腐化性、高黏度、非導(dǎo)電式或～氣體260～5流體的流量。液體中所含粒子過大、過多200010m/s會影響測量的精度非接觸測量，耐磨損，構(gòu)造簡單，牢固，液體、-50～25～測量范圍寬，精度高，合適高壓氣體的測～70m/s渦街式氣體、～300～量。輸出信號不受液體的溫度、壓力、成蒸氣1000分、密度和黏度等參數(shù)的影響，但受流速分布狀況及脈動流的影響（4）物位檢測物位是指存于各種容器內(nèi)的液體表面高度及所在的地址（液位），或固體顆粒、粉料、塊料積聚的高度或表面所在地址（料位），或兩種密度不相同且互不相溶的液體間或液體與固體間的分界面高度（界位）。物位測量方法依照可利用的物位傳感器分為以下幾種：1）直讀式：它依照流體的連通性原理來測量液位；2）浮力式：它依照浮子高度隨液位高低而改變（恒浮力式）或液體對陶醉在其中的浮筒的浮力隨液位高度變化而變化（變浮力式）的原理來測量液位。3）差壓式：它依照液柱或物料積聚高度變化對某點上產(chǎn)生的靜（差）壓的變化的原理測量物位。4）電學(xué)式：它依照把物位變化變換成各種電量變化的原理來測量物位，如電容式液位傳感器。5）核輻射式：它依照同位素射線的核輻射透過物料時，其強度隨物質(zhì)層的厚度變化而變化的原理來測量物位。6）聲學(xué)式：它依照物位變化引起聲阻抗和反射距離變化來測量物位，如超聲波物位傳感器。7）其他形式：其他形式的物位傳感器有微波式、激光式、射流式、光纖式等傳感器。物位測量用各種傳感器的性能比較如表所示。表物位測量用各種傳感器的性能比較傳測量感被測器范圍類介質(zhì)/m型浮力0～50液體式差液體、壓固體式液體、電固體、阻0～3式粘滯介質(zhì)液體、電固體、容30式粘滯介質(zhì)超液體液體、聲50固體、波料位粘滯式30介質(zhì)核15液體輻

精度工作壓力響應(yīng)溫度時間特點/%/MPa/℃/μs安裝方便，性能可靠，可連續(xù)測量，耐高溫、±1<200<1高壓，液面湍流泡沫對浮體或平衡浮子無大影響，結(jié)垢和積聚物對其性能有影響，對干或粘稠介質(zhì)不適用，需經(jīng)常保養(yǎng)和維修探頭精度高，重復(fù)性好，安裝簡單，壽命長，密度1-40～2變化將影響測量結(jié)果120±探頭構(gòu)造及電路簡單，可進行遠傳、控制和報警，-40～<適用于導(dǎo)電液體及沒有防爆要求的液體測量，mm360電極表面接觸狀況的改變會引起測量誤差探頭構(gòu)造簡單，使用方便，既可測定散裝物料，又～-23010能測定液體和相界面，動向響應(yīng)快，易受環(huán)境～540條件的影響，不適用于高精度的導(dǎo)電液體可非接觸測量，界面聲阻抗不高的液體、粉末、±1-20～～30塊狀體和物位都可測量，壽命長，不受環(huán)境影100響，使用溫度受限，不適用于測量有氣泡或懸浮物的液體，電路復(fù)雜±1～-10～非接觸測量，可對高溫高壓容器內(nèi)的介質(zhì)，對5100高溫熔液態(tài)金屬、劇毒、腐化、爆炸性和粘滯射性都強的介質(zhì)的物位進行測量，放射線對人體式有害，所測介質(zhì)不能夠是放射性物質(zhì)微有優(yōu)異的定向輻射特點，可在環(huán)境惡劣的條件波～12下使用，檢測范圍寬，性能牢固式光能用于易燃、易爆等設(shè)施中，敏感元件尺寸小，纖20液體±1mm<1可用于檢測微量流體，響應(yīng)時間短，抗化學(xué)腐式蝕，能檢測兩種液體界面光一般光電式光束擴散角較大，單色性差，易受-40～電0～30液體±2mm其他光攪亂。激光式精度高，不易受外來光輝式80的攪亂（5）成分解析與物性檢測1）氣體成分檢測氣體成分或含量對質(zhì)量、環(huán)境、安全等擁有相當(dāng)重要的作用。由于被測氣體的種類眾多，性質(zhì)也各不相同，因此，對氣體成分或含量的解析也取決于待測氣體的種類、濃度、成分和用途等因素。目前，常用的氣敏傳感器如表所示。表常用氣敏傳感器大類子類工作原理利用金屬氧化物半導(dǎo)體敏感元件表面吸附有被測氣體時，其半導(dǎo)體氣敏傳感器接觸面的導(dǎo)電電子比率會發(fā)生改變，賭氣敏元件的電阻值隨被測氣體的成分含量的變化而變化干式（組成氣敏接觸燃燒式氣體成分傳可燃氣體燃燒以致鉑絲線圈的電阻值發(fā)生變化，電阻變化與感器氣體濃度成正比傳感器的敏感材每種氣體都有固定的熱導(dǎo)率，混雜氣體的熱導(dǎo)率利用空氣作料為固體）熱導(dǎo)率變化式氣敏傳感為基準中被測氣體進行比較而獲得。熱導(dǎo)率變化式氣敏傳感器器的測量電路與接觸燃燒式氣體成分傳感器相同紅外線氣體成分解析儀利用好多化合物的分子在紅外波段都有吸取帶，氣體種類不同，吸取帶所在的波長和吸取的強弱也各不相同當(dāng)被測氣體經(jīng)過隔膜擴散到電解液中后，不相同氣領(lǐng)悟在不相同原電池式固定電壓（由原電池供應(yīng)）作用下發(fā)生電解，經(jīng)過測量電流濕式（敏感資料的大小，即可測得被測氣體參數(shù)為電解質(zhì)溶液）當(dāng)被測氣體經(jīng)過隔膜擴散到電解液中后，不相同氣領(lǐng)悟在不相同極譜式固定電壓（由外面供應(yīng)）作用下發(fā)生電解，經(jīng)過測量電流的大小，即可測得被測氣體參數(shù)2）濃度的檢測這里重視就液體的濃度測量進行介紹。電導(dǎo)法是進行液體濃度測量的一種常用方法，它是基于電解質(zhì)溶液的成分以及濃度的不相同可引起不相同的導(dǎo)電率的原理來進行測量的。對于一種確定成分的電解質(zhì)溶液，其電導(dǎo)率跟濃度的關(guān)系是：在低濃度地域，隨濃度的增大，溶液的電導(dǎo)率也增大，兩者近似為線性關(guān)系；在高濃度地域，隨濃度的增大，溶液的電導(dǎo)率減小，兩者也近似成線性關(guān)系。因此，電導(dǎo)法較合適于低濃度或高濃度的測量，對中等濃度測量不太合適。3）濕度的檢測濕度測量的基本方法是使被測介質(zhì)與濕敏傳感器相接觸，保證被測介質(zhì)中的水分與感濕元件接觸后發(fā)生必然的物理、化學(xué)變化，以致感濕元件的特點參數(shù)發(fā)生變化，該變化與被測介質(zhì)的濕度信息相聯(lián)系，基于測量電路反響出被測介質(zhì)的濕度大小。依照可否擁有水分子親和力來分類，目前，應(yīng)用和發(fā)展較成熟的濕敏傳感器分類如表所示。表濕敏傳感器分類種類常有種類特點電解質(zhì)濕度傳感器水分子親和型MOS陶瓷濕度傳感器響應(yīng)速度低、可靠性差，不能夠很好地滿足工業(yè)生產(chǎn)MOS膜式濕度傳感器和平常生活的使用要求。高分子濕度傳感器熱敏電阻式濕度傳感器非水分子親和型紅外吸取式濕度傳感器響應(yīng)速度快、矯捷度高，正在獲得迅猛發(fā)展和越來微波式濕度傳感器越廣泛的應(yīng)用。超聲波濕度傳感器知識點4機械量參數(shù)檢測（1）位移檢測位移是指物體上某一點在必然方向上的地址變動，位移包括線位移和角位移。位移測量包括線位移和角位移測量。在工程應(yīng)用中，位移測量分為模擬式測量和數(shù)字式測量兩大類。模擬式測量常用的傳感器有電阻式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、電渦流式傳感器、光電式傳感器及光導(dǎo)纖維傳感器、超聲波傳感器、激光及輻射式傳感器、薄膜傳感器等。將上述傳感器與相應(yīng)的測量電路結(jié)合在一起，即組成工程中常用的測量儀器和儀表，如電阻式位移計、電感測微儀、電容測微儀、電容液位計等。各種位移測量儀表的測量范圍和測量精度各不相同，使用時應(yīng)依照測量任務(wù)選擇合適的測量方法和測量儀表。數(shù)字式測量主若是指在精美數(shù)控裝置如數(shù)控機床和三坐標測量儀等設(shè)施中，將直線位移或角位移變換為數(shù)字脈沖信號輸出的測量方法。常用的變換裝置有感覺同步器、旋轉(zhuǎn)變壓器、磁尺、光柵和各種脈沖編碼器等。（2）轉(zhuǎn)速檢測轉(zhuǎn)速檢測用于確定物體的轉(zhuǎn)動速度快慢，以每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)來表達，單位為r/min。按測量原理的不相同，可將轉(zhuǎn)速檢測方法分為模擬法、計數(shù)法和同步法三種狀況。轉(zhuǎn)速檢測的方法及其特點如表所示。表轉(zhuǎn)速檢測方法及其特點測量方法轉(zhuǎn)速儀測量原理應(yīng)用范圍特點(r/min)模離心式利用質(zhì)量塊的離心力與轉(zhuǎn)速的30～24000簡單、價格廉價、應(yīng)用廣泛，機械式平方成正比；利用容器中液體中、低速但正確度較低擬法的離心力產(chǎn)生的壓力或液面變化粘液式利用旋轉(zhuǎn)體在粘液中旋轉(zhuǎn)時傳中、低速簡單，但易受溫度的影響遞的扭矩變化測速發(fā)電機利用直流或交流發(fā)電機的電壓～1000可遠距離指示，應(yīng)用廣，易式與轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系中、低速受溫度影響電氣式電容式利用電容充放電回路產(chǎn)生與轉(zhuǎn)中、高速簡單、可遠距離指示速成正比率的電流電渦流利用旋轉(zhuǎn)盤在磁場內(nèi)使電渦流中、高速簡單、價格廉價，多用于機式產(chǎn)生變化測轉(zhuǎn)速動車齒輪式經(jīng)過齒輪轉(zhuǎn)動數(shù)字輪中、低速簡單、價格廉價，與秒表并機械式(鐘表經(jīng)過齒輪轉(zhuǎn)動加入計時器～10000用計式)數(shù)光電式光電式利用來自旋轉(zhuǎn)體上的光輝，使中、高速簡單、沒有扭矩損失法光電管產(chǎn)生電脈沖30～48000電氣式電磁式利用磁、電等變換器將轉(zhuǎn)速變中、高速簡單、數(shù)字傳輸化變換成電脈沖同機械式目測式轉(zhuǎn)動帶槽圓盤，目測與旋轉(zhuǎn)體中、高速簡單、價格廉價同步的轉(zhuǎn)速步簡單、可遠距離指示、數(shù)字法頻閃式閃光式利用頻閃光測旋轉(zhuǎn)體頻率中、高速測量速度檢測物體運動時單位時間內(nèi)的位移增量稱為速度，單位是m/s。速度檢測依照不相同的分類標準有多種檢測種類，如依照物體運動的形式可分為線速度測量和角速度測量；依照運動速度的參照基準可分為絕對速度測量和相對速度測量；依照速度的數(shù)值特