檢測技術主編鄭華耀第一章檢測技術理論基礎第一節(jié)緒言

第二節(jié)測量與誤差

第三節(jié)測量誤差的處理

第四節(jié)檢測系統(tǒng)的構成與發(fā)展第一節(jié)緒言一、檢測的基本知識

二、被測參數(shù)的分類

三、檢測設備的基本性能一、檢測的基本知識與一般的測量相比，檢測技術含義更廣泛，它包括：尋找與自然信息具有對應關系的種種表現(xiàn)形式的信號，確定被測量與顯示量兩者間的定性、定量關系，并為進一步提高測量精度、改進實驗方法及測量裝置性能提供可行依據(jù)的整個過程。二、被測參數(shù)的分類被測參數(shù)主要有電工量、熱工量、機械量、物性和成分量、狀態(tài)量等。其中，電工量包括：電壓、電流、電功率、電阻、電感、電容、頻率、磁場強度、磁通密度等被測量；熱工量包括：溫度、熱量、比熱容、熱流、熱分布，壓力、壓差、真空度，流量、流速、風速，物位、液位、界面等被測量；機械量包括：位移、形狀，力、應力、力矩，重量、質量，轉速、線速度，振動、加速度、噪聲等被測量；物性和成分量包括：氣體成分、液體成分、固體成分，酸堿度、鹽度、濃度、粘度、密度等被測量；狀態(tài)量包括：顏色、透明度、磨損量、裂紋、缺陷、泄漏、表面粗糙度等被測量。三、檢測設備的基本性能1.精確度

2.穩(wěn)定性

3.輸入輸出特性1.精確度日常描述精確度的指標有精密度、準確度和精確度。精密度描述儀表和設備指示值的分散性，準確度描述檢測設備指示值與真值的偏離程度，精確度則是精密度和準確度的綜合反映。精確度通常以測量誤差的相對值表示。2.穩(wěn)定性檢測設備的穩(wěn)定性指標有兩個：一是設備指示值隨時間的穩(wěn)定性，以穩(wěn)定度表示，如某儀表電壓指示值變化為0.1mV/h；二是設備外部環(huán)境和工作條件變化(如溫度、濕度、氣壓、振動、電源波動)影響到設備指示值的穩(wěn)定性，用影響量表示。說明影響量時必須將影響量與示值偏差同時表示，若某儀表由于電源電壓變化±10%而引起其示值變化0.03mA，則應寫成0.03mA/(U±10%U)。3.輸入輸出特性檢測設備的輸入與輸出特性有靜態(tài)特性和動態(tài)特性兩大類。所謂靜態(tài)特性是指檢測設備的輸入量(被測參數(shù))不隨時間變化或隨時間變化很緩慢時輸出與輸入的關系。討論靜態(tài)特性時，輸出與輸入的關系式是不含時間變量的代數(shù)方程。動態(tài)特性是指當輸入量隨時間快速變化時檢測設備輸出與輸入的關系，此時的關系式是含有時間變量的微分方程。第二節(jié)測量與誤差一、測量、量值、約定真值

二、測量誤差的性質與分類

三、測量誤差的來源一、測量、量值、約定真值(一)測量方法及分類

(二)量值的概念(一)測量方法及分類1.按測量的方式分類

2.按測量的方法分類1.按測量的方式分類(1)直接測量用預先按已標定的測量儀器對某一未知量進行測量，測量結果可以直接從實驗數(shù)據(jù)獲得的方法稱為直接測量。

(2)間接測量通過與被測量有確切函數(shù)關系的量(一個或幾個)的直接測量結果，運用函數(shù)解析式、函數(shù)曲線或表格求出該被測量值的方法，稱為間接測量。

(3)聯(lián)立測量又稱組合測量。2.按測量的方法分類(1)偏差式測量法測量過程中，用儀表指針的位移(偏差)表示被測量的測量方法，稱為偏差式測量法。

(2)零位式測量法又稱平衡法或零值法。

(3)微差式測量法在零位式測量法中，標準量不可能都是連續(xù)可調的，因而難以與被測量完全平衡，實際測量時必定存在著差值。(二)量值的概念1.量和量值

2.真值、約定真值和實際值

3.標稱值和指示值1.量和量值量是指物體和物質可以定性區(qū)別和定量確定的一種屬性。由一個數(shù)和合適的計量單位表示的量稱為量值。例如：體溫37°C、蒸汽壓力0.69MPa等，是分別由數(shù)值為37和計量單位為°C及數(shù)值為0.69、計量單位為MPa兩部分組成的量。2.真值、約定真值和實際值真值是在理想情況下表征一個物理量真實的值，它客觀存在卻不能測量得到。隨著科技的發(fā)展，測量結果的數(shù)值會不斷接近真值，因而在實際工作中，經常使用的是“約定真值”和“相對真值”。約定真值是按照國際公認的單位定義，利用科技發(fā)展的最高水平所復現(xiàn)的單位基準約定，與真值相近似并可供使用的值。相對真值也稱實際值，是在滿足規(guī)定準確度時用以代替真值使用的值。3.標稱值和指示值標稱值是計量或測量器具上標注的量值，如標準砝碼上標出的1kg。因受制造、測量及環(huán)境條件變化的影響，標稱值并不一定等于它的實際值，通常在給出標稱值的同時也應給出它的誤差范圍或精度等級。指示值是測量儀表或量具給出或提供的量值，也稱測量值。二、測量誤差的性質與分類(一)誤差的概念

(二)誤差的表示

(三)誤差的分類(一)誤差的概念“一切測量都具有誤差，誤差自始至終存在于所有科學實驗的過程之中”。任何測量結果與被測物理量的真值之間都存在誤差。任何一個描述和表征測量結果的數(shù)據(jù)，若不知其可信程度，則該數(shù)據(jù)是無價值和無意義的。通過研究誤差的來源、性質和傳遞規(guī)律，掌握如何消除、減小、固定和估計誤差對測量結果的影響，得到可靠的、真實反映事物本質的結果，這就是誤差理論研究的目的。(二)誤差的表示1.絕對誤差

2.相對誤差1.絕對誤差2.相對誤差(1)相對誤差

(2)示值相對誤差

(3)引用誤差(滿度相對誤差)引用誤差是一種簡化、實用的相對誤差表示方法，用來表示儀器儀表的準確程度。(三)誤差的分類1.系統(tǒng)誤差

2.隨機誤差

3.粗大誤差1.系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差是指在一定的條件下，其數(shù)值遵循某一確切函數(shù)規(guī)律的誤差。在相同條件下多次測量同一物理量時，其誤差的絕對值和符號保持恒定；當條件改變時，它又按某一確定的規(guī)律變化。了解系統(tǒng)誤差的成因即其規(guī)律性，可以幫助消除和減少它，如不平衡的零電位、溫濕度、電磁干擾引起的誤差。2.隨機誤差在極力消除或改正一切明顯的系統(tǒng)誤差的因素之后，相同條件下多次重復測量同一物理量時，測量結果仍出現(xiàn)一些時大時小、雜亂變化的誤差，這種隨機性的無規(guī)律變化歸因于隨機誤差。3.粗大誤差粗大誤差是指顯然與事實不符、無規(guī)律的誤差。由于它明顯超出預期的誤差,也稱為粗差。它往往是由外界重大干擾或儀器故障、不正確的操作等造成的，對這類誤差必須采取剔除的方法。三、測量誤差的來源(1)原理性誤差又稱方法誤差。

(2)構造誤差又稱設備誤差。

(3)環(huán)境誤差設備外部環(huán)境和工作條件變化(如溫度、濕度、振動、電源波動)引起的誤差。

(4)人員誤差是指人員的心理素質、固有習慣、工作責任心以及測量的技術水平等引起的誤差。第三節(jié)測量誤差的處理一、系統(tǒng)誤差的處理

二、隨機誤差的處理

三、粗大誤差的處理

四、函數(shù)誤差和測量結果的處理一、系統(tǒng)誤差的處理(一)系統(tǒng)誤差的發(fā)現(xiàn)

(二)系統(tǒng)誤差的一般處理原則(一)系統(tǒng)誤差的發(fā)現(xiàn)例1-2

解R2兩端壓降的測量值UX為(一)系統(tǒng)誤差的發(fā)現(xiàn)圖1-1檢測儀表引

入系統(tǒng)誤差(二)系統(tǒng)誤差的一般處理原則1.替代法

2.零位式測量法

3.差值法(微差法)

4.補償法

5.引入修正值法

6.其他方法(二)系統(tǒng)誤差的一般處理原則圖1-2替代測量法

原理圖1.替代法替代法是在測量條件不變的情況下，選擇一個同種的已知量(通常為可調的標準量)代替被測量，并通過調節(jié)使兩者對測量儀器的效應相同的方法。由于測量裝置的狀態(tài)和示值在替換前后保持不變，測量裝置只起辨別兩者有無差異的作用，所以測量裝置本身的誤差和其他造成系統(tǒng)誤差的因素對測量結果基本上沒有影響。2.零位式測量法圖1-3零位式測量電壓原理圖3.差值法(微差法)圖1-4差值法測量原理圖4.補償法圖1-5補償法測量原理圖5.引入修正值法如果測量儀表經過校正，已經獲得了儀表的修正值，則將測量結果的指示值加上修正值，就得到被測量的實際值。由于修正值本身存在誤差，系統(tǒng)誤差不能說完全消除，而是大大被削弱了。修正值法也可用于削弱環(huán)境誤差。6.其他方法(1)對稱觀測法在測量時設法獲得對稱數(shù)據(jù)，并利用測量數(shù)據(jù)的對稱關系進行適當處理，從而消除系統(tǒng)誤差的方法。

(2)正負誤差補償法在不同的實驗條件下進行兩次測量，使系統(tǒng)誤差對讀數(shù)的影響一次為正、一次為負，則兩次讀數(shù)的平均值可將系統(tǒng)誤差消除掉。二、隨機誤差的處理(一)隨機誤差的正態(tài)分布特性

(二)置信度

(三)隨機誤差的處理方法(一)隨機誤差的正態(tài)分布特性(1)集中性(Centrality)大量重復測量時得到的數(shù)值，均集中在其平均值附近，換言之，在平均值附近出現(xiàn)的機會最多，較小的誤差出現(xiàn)的概率大。

(2)有界性(Limitary)很大的誤差出現(xiàn)的概率近于零；即使在有限次的測量中，誤差的絕對值不超過一定的范圍。

(3)對稱性(Symmetry)當測量次數(shù)足夠多時，符號相反、絕對值相等的誤差出現(xiàn)的概率大致相同；正、負誤差的分布具有對稱性。

(4)抵償性(Cancellation)從對稱性可以推論，當測量次數(shù)趨于無窮多時，測量的隨機誤差的代數(shù)和趨于零。(一)隨機誤差的正態(tài)分布特性(一)隨機誤差的正態(tài)分布特性圖1-6隨機誤差的概率分布曲線(一)隨機誤差的正態(tài)分布特性(一)隨機誤差的正態(tài)分布特性圖1-7不同標準偏差值的正態(tài)分布(二)置信度圖1-8置信區(qū)間(二)置信度(三)隨機誤差的處理方法1.算術平均值

2.方均根誤差σ

1.算術平均值2.方均根誤差σ三、粗大誤差的處理(一)拉依達準則(3σ準則)

(二)肖維涅(Chauvenet)準則(一)拉依達準則(3σ準則)拉依達準則是根據(jù)經典誤差理論中隨機誤差不會超過標準誤差的3倍的結論給出的。在一組等精度測量結果中，凡是數(shù)據(jù)的殘差大于3σ的測量值，即認定為是壞值，應從數(shù)據(jù)列中予以剔除。剔除后的數(shù)據(jù)列要重新計算平均值和標準差。由于拉依達準則是以隨機誤差的正態(tài)分布(N→∞)規(guī)律為依據(jù)的，當測量次數(shù)N值較小時，以3σ為判據(jù)并不很可靠。(二)肖維涅(Chauvenet)準則若在一列n次等精度測量中，有某個測得值xn，其殘差的絕對值|δi|大于a的次數(shù)為m次，當n足夠大時可用頻率m/n表示概率P{|δi|>a},即P{|δi|＞a}＝mn(1-13)如果|δi|大于a為不可能發(fā)生的事件(即δi不是統(tǒng)計規(guī)律范圍內的隨機誤差而是粗差),應有(二)肖維涅(Chauvenet)準則表1-1肖維涅準則數(shù)據(jù)表四、函數(shù)誤差和測量結果的處理(一)函數(shù)誤差的基本問題及一般關系

(二)有效數(shù)字及運算規(guī)則(一)函數(shù)誤差的基本問題及一般關系1.函數(shù)誤差的基本關系

2.幾種常見的函數(shù)誤差的綜合誤差1.函數(shù)誤差的基本關系1.函數(shù)誤差的基本關系2.幾種常見的函數(shù)誤差的綜合誤差(1)和差函數(shù)的綜合誤差

(2)積商函數(shù)的綜合誤差(1)和差函數(shù)的綜合誤差若Y=A1X1+A2X2+…+AmXm則ΔY＝∑mi=1AiΔi(1-17)(2)積商函數(shù)的綜合誤差例1-3測電阻R消耗的功率，采用間接測阻值R、電阻上的電壓U、流過電阻的電流I，再用不同方案計算功率。設電阻、電壓、電流測量的相對誤差為γR=±1.0%,γU=γI=±2.5%,試比較確定誤差最小的測量方案。

解有三種方案,各方案的功率的相對誤差如下:(二)有效數(shù)字及運算規(guī)則1.有效數(shù)字2.數(shù)據(jù)修約規(guī)則3.有效數(shù)字的運算規(guī)則1.有效數(shù)字測量結果通常表示為一定的數(shù)值，如何確定測量結果的數(shù)字位數(shù)，稱為測量結果的有效數(shù)字處理。在一個數(shù)據(jù)中，從左邊第一個非零的數(shù)算起至右邊最末一位數(shù)為止，均為有效位數(shù)。例如數(shù)0.34，第一位有效數(shù)字為3，第二位有效數(shù)字為4，總共只有兩位有效數(shù)字。測量結果的有效數(shù)字的位數(shù)取決于測量儀表的準確度。2.數(shù)據(jù)修約規(guī)則數(shù)據(jù)修約規(guī)則規(guī)定，以所要保留數(shù)字的末位單位為單位，衡量擬舍去數(shù)字的數(shù)值情況；數(shù)據(jù)處理的原則有：四舍、六入、五商量。當擬舍去的數(shù)字的數(shù)值大于0.5單位者，末位加1；數(shù)值小于0.5單位者，末位不變；數(shù)值剛好等于0.5單位者,則使所要保留數(shù)字的末位湊成偶數(shù)(即:所要保留數(shù)字末位為偶數(shù)時末位不變，若為奇數(shù)時則加1)。由修約帶來的誤差不會超過末位的1/2。3.有效數(shù)字的運算規(guī)則(1)常數(shù)常數(shù)的有效數(shù)字不受限制。

(2)加減運算

(3)乘除運算以有效數(shù)位數(shù)最少的數(shù)為基準數(shù)，將其他各數(shù)修約到比基準數(shù)多一位有效數(shù)(與小數(shù)點的位置無關)；進行乘除運算后，對結果進行舍入處理，使有效數(shù)位數(shù)與基準數(shù)相同。

(4)乘方與開方運算計算結果的有效數(shù)字位數(shù)應與原數(shù)據(jù)相同或多保留一位。五、測量曲線的擬合上述討論測量誤差時圍繞著測量數(shù)據(jù)的處理，求取被測量的真值和估算出所帶誤差的大小。檢測技術中還有異類處理，是在測量數(shù)據(jù)中尋找出有不確定關系的隨機變量之間的相互關系，這就是回歸分析。第四節(jié)檢測系統(tǒng)的構成與發(fā)展一、典型的檢測系統(tǒng)

二、檢測技術的發(fā)展一、典型的檢測系統(tǒng)一個完整的檢測系統(tǒng)或檢測裝置通常由傳感器、測量電路和顯示記錄裝置以及電源和傳輸通道等部分組成，分別完成信息獲取、轉換、顯示和處理等功能。新型的檢測系統(tǒng)通常采用微處理器或微機進行采集控制，詳見第十二章。二、檢測技術的發(fā)展科學技術的迅猛發(fā)展，為檢測技術的現(xiàn)代化創(chuàng)造了條件：第一，傳感器水平的提高。新原理、新材料和新工藝所取得的成果產生了更多品質優(yōu)良的新型傳感器，以往難以檢測的項目現(xiàn)在可以實現(xiàn)了,如各種仿生傳感器和檢測超高溫、超高壓、微差壓(幾十帕)、超低溫和超高真空等極端參數(shù)的新型傳感器已經問世，而且有多種方式可供選擇。目前傳感器正向高精度、智能化和集成化方向發(fā)展，其速度相當驚人。習題與思考題1.為什么測量結果都帶有誤差？研究測量誤差有何意義？

2.簡述直接測量法、間接測量法、組合測量法的差別。

3.直接測量主要包括哪些具體的測量方法？各有什么特點？

4.系統(tǒng)誤差、隨機誤差和粗大誤差各有什么特點？如何減弱和消除它們的影響？

5.測量的結果如何處理?

6.已知某儀表的最大讀數(shù)誤差為5°C，其測量范圍為0～1000°C，試問該儀表的精確度等級是多

7.有兩臺測溫儀表約為500°C，其測量范圍分別是0～800°C和600～1100°C，已知它們最大絕對誤差均為±6°C，試分別確定它們的精度等級。

8.某設備的溫度為500°C左右，現(xiàn)有兩支溫度計，一支測量溫度范圍為0～600°C，精度為2.5級,另一支為0～1200°C，精度為1.5級。二、檢測技術的發(fā)展9.有三臺測溫儀表，量程均為0～600°C，精度等級分別為2.5、2.0和1.5級，現(xiàn)要測量500°C的溫度，要求相對誤差不超過2.5%，選哪一臺儀表合理？第二章傳感器技術基礎第一節(jié)傳感器概論

第二節(jié)傳感器的特性

第三節(jié)系統(tǒng)相似與機電模擬第一節(jié)傳感器概論一、傳感器及其組成

二、傳感器的作用與地位

三、傳感器的分類

四、傳感器的發(fā)展趨勢一、傳感器及其組成圖2-1傳感器的組成框圖二、傳感器的作用與地位(1)信息的收集科學研究中的計量測試、產品制造與銷售中所需的計量等，都須由測量獲得準確的定量數(shù)據(jù)。

(2)信息數(shù)據(jù)的交換把文字、符號、代碼、圖形等多種信息記錄在紙、膠片、盤片、磁卡或其他載體上的信號數(shù)據(jù)轉換成計算機、傳真機等易處理的信號數(shù)據(jù)，或讀出記錄在各種媒介體上的信息并進行轉換，例如磁盤與光盤的信息讀出磁頭就是一種傳感器。

(3)控制信息的采集檢測控制系統(tǒng)處于某種狀態(tài)的信息，并由此控制系統(tǒng)的狀態(tài)或者跟蹤系統(tǒng)變化的目標值。三、傳感器的分類表2-1傳感器的分類四、傳感器的發(fā)展趨勢(一)微型傳感器(Micro

Sensor)

(二)智能化傳感器(Smart

Sensor)

(三)多功能傳感器(Multifunction

Sensor)(一)微型傳感器(Micro

Sensor)微型傳感器是以MEMS(Microelectro-mechanicalSystem)技術為基礎的，目前的制作技術，可達到光的波長級(0.5μm)。微型傳感器具有體積小、重量輕、反應快、靈敏度高以及成本低等優(yōu)點。比較成熟的微型傳感器有壓力傳感器、加速度傳感器等。(二)智能化傳感器(Smart

Sensor)智能化傳感器是一種涉及多學科的新型傳感器系統(tǒng)。此類傳感器系統(tǒng)在20世紀80年代末一經問世即受到科研界的普遍重視，尤其在探測應用領域，如分布式實時探測、網絡探測和多信號探測方面深受歡迎。(三)多功能傳感器(Multifunction

Sensor)由若干種敏感元件組成的多功能傳感器應運而生，它是一種體積小巧兼?zhèn)涠喾N功能的新一代探測系統(tǒng)，借助于敏感元件中不同的物理結構或化學物質及其各不相同的表征方式，多種功能集成于一個傳感器系統(tǒng)中。第二節(jié)傳感器的特性一、傳感器的靜態(tài)特性與指標

二、傳感器的動態(tài)特性與指標一、傳感器的靜態(tài)特性與指標(一)線性度

(二)遲滯(滯后)

(三)重復性

(四)靈敏度(一)線性度1.非線性形式

2.常用的線性度(一)線性度1.非線性形式(1)理想線性

(2)在原點附近一定范圍內輸出／輸入特性基本成線性

(3)輸出／輸入特性曲線不對稱

(4)普遍情況其表達式就是式(2-1)，對應的特性曲線如圖2-2d所示。1.非線性形式圖2-2傳感器的靜態(tài)特性(1)理想線性(2)在原點附近一定范圍內輸出／輸入特性基本成線性(3)輸出／輸入特性曲線不對稱(4)普遍情況其表達式就是式(2-1)，對應的特性曲線如圖2-2d所示。2.常用的線性度(1)理論線性度理論線性度又稱絕對線性度，表示傳感器的實際輸出校準曲線與理論直線之間的偏差程度。

(2)端基線性度把傳感器校準數(shù)據(jù)的零點輸出平均值和滿量程輸出平均值連成直線，作為傳感器的擬合直線。

(3)獨立線性度選擇擬合直線的一個簡單方法是在校準曲線循環(huán)中找出一條最佳平均直線，并使實際輸出特性相對于所選擬合直線的最大正偏差等于最大負偏差，并且最小，如圖2-3c所示。

(4)平均選點線性度將測得的試驗點分成數(shù)目相等的兩組：前半部n/2個試驗點為一組，后半部n/2個試驗點為另一組。

(5)最小二乘法線性度圖2-3幾種不同的擬合方法

a)理論直線法b)端點線法c)“最佳直線法”圖2-4遲滯(滯后)特性(二)遲滯(滯后)遲滯特性表明傳感器在正(輸入量增大)反(輸入量減小)行程期間輸出—輸入曲線不重合的程度，也就是說，對應于同一大小的輸入信號，傳感器的正反行程的輸出信號大小不相等，如圖2-4所示。(三)重復性(1)標準法

(2)極差法所謂極差是指某一測量點校準數(shù)據(jù)的最大值xmax與最小值xmin之差。(三)重復性圖2-5重復特性示意圖(三)重復性圖2-5重復特性示意圖重復性表示傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變動時所得特性曲線的不一致的程度，參見圖2-5。傳感器特性曲線一致，重復性就好，誤差也小。表2-2極差系數(shù)(四)靈敏度靈敏度是傳感器輸出量增量與被測輸入量增量之比。線性傳感器的靈敏度就是擬合直線的斜率，即k=Δy/Δx(2-18)非線性傳感器的靈敏度不是常數(shù)，是輸入的函數(shù)，應以dy/dx表示。二、傳感器的動態(tài)特性與指標(一)動態(tài)特性的一般數(shù)學模型

(二)傳遞函數(shù)

(三)動態(tài)響應(一)動態(tài)特性的一般數(shù)學模型為了便于分析和處理傳感器的動態(tài)特性，建立的數(shù)學模型必須為動態(tài)模型。在研究傳感器的動態(tài)響應特性時，一般都忽略傳感器的非線性和隨機變化等復雜因素，將傳感器作為線性定常系統(tǒng)來考慮，因而其動態(tài)模型可以用線性常系數(shù)微分方程來表示：(二)傳遞函數(shù)圖2-6框圖表示法(二)傳遞函數(shù)(三)動態(tài)響應1.頻率響應

2.階躍響應

3.傳感器典型環(huán)節(jié)的動態(tài)響應(三)動態(tài)響應圖2-7串聯(lián)系統(tǒng)與并聯(lián)系統(tǒng)

a)串聯(lián)系統(tǒng)b)并聯(lián)系統(tǒng)1.頻率響應1.頻率響應2.階躍響應(1)時間常數(shù)τ為傳感器輸出值上升到穩(wěn)態(tài)值yc的63.2%所需的時間。

(2)上升時間Tr為傳感器輸出值由穩(wěn)態(tài)值的10%上升到90%所需的時間，但有時也規(guī)定其他百分數(shù)。

(3)調節(jié)時間Ts為輸出值達到并一直保持在允許誤差范圍±Δ%所需的時間。

(4)超調量a1為輸出最大值與輸出穩(wěn)態(tài)值的相對誤差，即用a1=［(ymax-yc)/yc］×100%表示。

(5)振蕩次數(shù)μ為在調節(jié)時間內，輸出量于穩(wěn)態(tài)值附近上下波動的次數(shù)。

(6)穩(wěn)態(tài)誤差ess為無限長時間后傳感器的穩(wěn)態(tài)輸出值與目標值之間偏差δss的相對值，ess＝(δss/yc)×100%。2.階躍響應2.階躍響應圖2-8階躍響應曲線3.傳感器典型環(huán)節(jié)的動態(tài)響應(1)零階環(huán)節(jié)的微分方程和傳遞函數(shù)分別為

(2)一階環(huán)節(jié)的微分方程為

(3)二階環(huán)節(jié)的微分方程為圖2-9一階環(huán)節(jié)的伯德圖圖2-10二階環(huán)節(jié)的幅頻特性與相頻特性(3)二階環(huán)節(jié)的微分方程為圖2-11二階環(huán)節(jié)的階躍響應第三節(jié)系統(tǒng)相似與機電模擬一、系統(tǒng)相似

二、機電模擬

三、機械阻抗一、系統(tǒng)相似在非電量測量中，位移、速度、加速度、力等機械量占有很重要的地位。為了測量這些機械量，必須采用能將機械量轉換為電量的傳感器。這不僅需要研究機和電兩個方面，而且要從機電耦合角度去研究傳感器。就是說不僅研究傳感器電系統(tǒng)的輸出特性和機械系統(tǒng)的輸入特性，而且還要研究機和電之間的變換特性。二、機電模擬表2-3力—電壓模擬與力—電流模擬三、機械阻抗(一)基本元件的機械阻抗

(二)機械系統(tǒng)的機械阻抗圖2-12阻尼器、彈簧和質量塊的力學模型表2-4基本元件的機械阻抗與機械導納(二)機械系統(tǒng)的機械阻抗1.并聯(lián)系統(tǒng)的機械阻抗

2.串聯(lián)系統(tǒng)的機械阻抗

1.何謂傳感器?它由哪幾部分組成?它們的作用及相互關系如何?

2.什么是傳感器的靜態(tài)特性?它有哪些性能指標?如何用公式表征這些性能指標?

3.什么是傳感器的動態(tài)特性?其分析方法有哪幾種?

4.某壓力傳感器的校驗數(shù)據(jù)如下表所示，試用最小二乘法求非線性誤差，并計算遲滯和重復性誤差。1.并聯(lián)系統(tǒng)的機械阻抗圖2-13彈簧和阻

尼器并聯(lián)系統(tǒng)例2-1

解對于圖2-15a，這是并聯(lián)系統(tǒng)，根據(jù)式(2-47)及查表2-4，得2.串聯(lián)系統(tǒng)的機械阻圖2-14彈簧和阻尼器串聯(lián)系統(tǒng)圖2-15系統(tǒng)的機械阻抗分析圖例表格第三章溫度的測量第一節(jié)溫標及其傳遞

第二節(jié)常用溫度傳感器

第三節(jié)晶體管與集成溫度傳感器

第四節(jié)輻射式溫度計

第五節(jié)其他溫度傳感器

第六節(jié)某些溫度測量的方式第一節(jié)溫標及其傳遞一、溫標

二、溫度量值的傳遞

三、溫度傳感器的種類一、溫標(一)經驗溫標

(二)熱力學溫標

(三)國際溫標(InternationalTemperatureScale)(一)經驗溫標為了確定地描述溫度的數(shù)值，通常以兩個特征溫度為基準點建立溫標。早期溫標大多基于經驗公式或人為的規(guī)定，由一定的實驗方法確定，稱為經驗溫標。(二)熱力學溫標1848年英國科學家開爾文(Kelvin)提出以卡諾循環(huán)為基礎建立熱力學溫標。他根據(jù)熱力學理論，認為物質有一個最低溫度點存在，定為0開(0K)，把水的三相點溫度273.16K(相當0.01℃)選作唯一的參考點,在該溫標中不會出現(xiàn)負溫度值，熱力學溫度的單位為“K”。(三)國際溫標(InternationalTemperatureScale)國際溫標是用來復現(xiàn)熱力學溫標的，其指導思想是采用氣體溫度計測出一系列標準固定溫度(相平衡點)，以它們?yōu)橐罁?jù)在固定點中間規(guī)定傳遞的儀器及溫度值的內插公式。二、溫度量值的傳遞對溫度計的標定有標準值法和標準表法兩種方法。標準值法就是用適當?shù)姆椒ń⒁幌盗袊H溫標定義的固定溫度點作標準值，把被標定溫度計或傳感器依次置于這些標準溫度值之下，記錄下溫度計的相應示值(或傳感器的輸出)，并根據(jù)國際溫標規(guī)定的內插公式對溫度計或傳感器的分度進行對比記錄，從而完成對溫度計的標定；被標定后的溫度計可作為標準溫度計。三、溫度傳感器的種類表3-1溫度傳感器的種類、特征及其應用范圍三、溫度傳感器的種類表3-1溫度傳感器的種類、特征及其應用范圍第二節(jié)常用溫度傳感器一、膨脹式溫度傳感器

二、熱電偶溫度傳感器

三、熱電阻溫度計

四、熱敏電阻溫度傳感器一、膨脹式溫度傳感器(一)液體膨脹式

(二)固體膨脹式

(三)壓力式溫度計(一)液體膨脹式圖3-1電觸點式水銀溫度計

1—調整螺母2—給定指示值3—螺

旋軸4—標尺5—圓玻璃管6—鉑

絲接觸點7—扇形玻璃管8—玻璃溫包

9—水銀柱10—銅絲11—鉑絲

12—鎢絲13—導線(二)固體膨脹式圖3-2固體膨脹式刻度盤

1—指針2—緊固裝置—自由端3—保護套管4—細軸

5—感溫元件6—固定端7—自由端8—緊固裝置(三)壓力式溫度計圖3-3壓力式溫度計(三)壓力式溫度計圖3-4調溫閥的工作原理二、熱電偶溫度傳感器(一)熱電效應

(二)熱電偶的種類

(三)熱電偶的應用技術(一)熱電效應(1)等值定律熱電偶熱電動勢的大小和方向由熱電偶材料以及工作端與自由端的溫差決定，而與導線的尺寸、沿導線長度方向的溫度分布及熱電動勢測量點在電路中所處的位置無關。

(2)中間溫度定律兩端溫度為TH、TL的熱電偶的熱電動勢等于同種熱電偶在兩端溫度分別為TH、Tm和Tm、TL時的兩個熱電偶熱電動勢之和，Tm為TH和TL間插入的任一溫度。

(3)疊加定律當熱電偶回路中有多種導線材料相接構成多個熱電偶時，回路總的熱電動勢等于以各結點為工作端、以各結點兩邊導線為熱電偶電極對同一冷端的熱電動勢的代數(shù)和。

(4)交換定律當熱電偶回路中有多個熱電偶串接時，若各熱電偶兩端溫度相等，各熱電偶的正極與正極、負極與負極之間可互換，回路總的熱電動勢不變。(一)熱電效應圖3-5塞貝克效應

a)電偶回路b)接觸電動勢c)溫差電動勢(二)熱電偶的種類(1)金屬套管熱電偶熱電偶使用時，如不加金屬保護套管，壽命就會縮短。

(2)鎧裝熱電偶鎧裝熱電偶有接地型、非接地型和裸露型。

(3)薄膜熱電偶用真空蒸鍍的方法，將熱電偶材料沉積在絕緣基板上而成的熱電偶，熱電極和基板材料的選擇則視被測溫度范圍而定，見圖3-7。(二)熱電偶的種類表3-2熱電偶的種類圖3-6鎧裝熱電偶圖3-7薄膜熱電偶(三)熱電偶的應用技術1.補償導線

2.基準結點的補償電路

3.熱電偶的串并聯(lián)

4.保護管使用要點1.補償導線圖3-8補償導線的連接方式

a)不正確的連接方法b)正確的連接方法

1—熱電偶2—測溫結點3—補償結點4—基準結點5—補償導線2.基準結點的補償電路(1)冷端恒溫法熱電偶的輸出是測溫結點和基準結點(冷結點)溫度差的函數(shù)，使用時基準結點溫度必須保持恒定。

(2)基準結點的溫度校正法——通過計算補正引入電動勢修正量

(3)冷端溫度自動補償法在熱電偶與儀表之間接入一個補償裝置，圖3-11所示為補償電橋電路，R4為銅電阻，感受熱電偶冷端的同樣溫度，銅電阻受溫度的變化引起補償量Ucd大小的變化，實現(xiàn)了自動補償。圖3-9熱電偶與測溫計的連接

a)熱電偶b)熱電偶+補償導線

1—熱電偶2—基準結點3—補償導線(2)基準結點的溫度校正法——通過計算補正引入電動勢修正量表3-3幾種熱電偶的近似補正系數(shù)圖3-10K型熱電偶在常溫時的輸出特性圖3-11溫度補償器工作原理3.熱電偶的串并聯(lián)(1)熱電偶的串聯(lián)同極性串聯(lián)：總熱電動勢為單個熱電偶的倍數(shù)，它可以增強輸入信號，也可以檢測多個測點的平均溫度。

(2)熱電偶的并聯(lián)同極性并聯(lián)，目的也是測平均溫度，但要求各熱電偶的電阻及時間常數(shù)相等。4.保護管使用要點熱電偶多用于高溫、潮濕等惡劣環(huán)境中，使用時要加保護套管，熱電偶的保護管要求在使用溫度條件下有良好的耐熱沖擊性，耐化學腐蝕性，高溫下密封性，抗機械振動及應力或壓力，熱電偶釋放的有害物質也不起化學反應等。要根據(jù)使用目的不同來選擇保護管的材料。三、熱電阻溫度計(一)熱電阻材料的特性

(二)鉑電阻

(三)銅電阻

(四)接線方式(一)熱電阻材料的特性導體的電阻值隨溫度變化而改變，通過其阻值的測量可以推算出被測物體的溫度，利用此原理構成的傳感器就是電阻溫度傳感器。熱電阻的主要制造材料是純金屬，如鉑絲和銅絲，也有采用銠鐵及鉑鈷合金等。熱電阻溫度計按結構分為線繞型、薄膜型和厚膜型；按準確度等級分為標準電阻溫度計和工業(yè)熱電阻計。在工業(yè)中應用最廣的熱電阻材料是鉑和銅。(二)鉑電阻圖3-12熱電阻溫度計結構圖

1—電阻體2—不銹鋼套管3—安裝固定件4—接線盒5—引線口

6—瓷絕緣套管7—芯柱8—電阻絲9—保護膜10—引線端(二)鉑電阻(三)銅電阻圖3-13WZCM—001表面銅熱電阻

a)螺管固定結構b)螺釘固定結構

1—銅熱電阻2—彈簧3—M8×0.75螺母4—M8×0.75螺管

5—三芯屏蔽線6—接線片7—襯套8—墊片

9—固定板10—M3螺釘(四)接線方式1)變送器小型化，可以直接放入通用的熱電偶或熱電阻接線盒內，不需另配其他配件。

2)二線制變送器直接輸出4～20mA直流信號(一般電源的額定工作電壓為直流24V)。

3)對于熱電偶，省去了昂貴的補償導線(模塊自身有參比端的溫度補償)；對于熱電阻，減少了引線電阻誤差的影響。

4)輸出阻抗高，輸出信號大，抗干擾能力強。

5)變送器部件精確度高、功耗低、工作穩(wěn)定。(四)接線方式圖3-14三線制接線方法(四)接線方式圖3-15四線制接線方法(四)接線方式圖3-16一體化溫度變送器四、熱敏電阻溫度傳感器(一)概述

(二)負溫度系數(shù)熱敏電阻NTC

(三)正溫度系數(shù)熱敏電阻PTC

(四)臨界溫度電阻CTR(一)概述圖3-17熱敏電阻結構形式(一)概述圖3-18熱敏電阻的特性曲線(一)概述表3-4熱敏電阻的使用溫度范圍(二)負溫度系數(shù)熱敏電阻NTC1.熱敏電阻的靈敏度

2.熱敏電阻的伏安特性1.熱敏電阻的靈敏度圖3-19熱敏電阻的伏安特性2.熱敏電阻的伏安特性表3-5部分國產精密型NTC溫度傳感器(四)臨界溫度電阻CTR圖3-20熱敏電阻溫控電路

a)電加熱器的溫度控制電路b)冰箱的溫度控制電路第三節(jié)晶體管與集成溫度傳感器一、晶體管溫度傳感器

二、集成溫度傳感器一、晶體管溫度傳感器(一)熱敏二極管溫度傳感器

(二)熱敏晶體三極管溫度傳感器

(三)熱敏晶閘管溫度傳感器(二)熱敏晶體三極管溫度傳感器3M21.TIF(二)熱敏晶體三極管溫度傳感器3M22.TIF(二)熱敏晶體三極管溫度傳感器圖3-23晶體管溫度傳感器蠕變實例(三)熱敏晶閘管溫度傳感器圖3-24熱敏晶閘管的溫度控制電路二、集成溫度傳感器(一)AD590型集成溫度傳感器

(二)AD592型集成溫度傳感器

(三)LM35集成溫度傳感器(一)AD590型集成溫度傳感器1.性能特點

2.典型應用1.性能特點圖3-25AD590的外形及符號

a)TO-52封裝的外形b)符號1.性能特點表3-6AD590系列產品的主要技術指標2.典型應用圖3-26AD590構筑的溫度計(二)AD592型集成溫度傳感器圖3-27AD590的應用實例(二)AD592型集成溫度傳感器圖3-28AD592的兩種電壓輸出(二)AD592型集成溫度傳感器(二)AD592型集成溫度傳感器(二)AD592型集成溫度傳感器圖3-29AD592構成的熱電偶冷端補償(二)AD592型集成溫度傳感器(二)AD592型集成溫度傳感器圖3-30溫度-電流變送器電路(三)LM35集成溫度傳感器圖3-31兩種簡易型攝氏溫度傳感器電路(三)LM35集成溫度傳感器圖3-32LM35構成的數(shù)字溫度計電路(三)LM35集成溫度傳感器表3-7新型溫度集成傳感器的特性參數(shù)第四節(jié)輻射式溫度計一、輻射溫度計

二、光學高溫計

三、紅外輻射溫度計一、輻射溫度計一、輻射溫度計圖3-33輻射溫度計的光學系統(tǒng)二、光學高溫計光學高溫計是發(fā)展最早的非接觸式溫度計，結構簡單，適合于1000～3500K范圍的溫度測量，其精度通常為1.0級和1.5級，廣泛用于高溫溶體、高溫窯爐的溫度測量。三、紅外輻射溫度計圖3-34熱釋電傳感器原理圖三、紅外輻射溫度計圖3-35溫度與自發(fā)極化強度關系三、紅外輻射溫度計圖3-36熱釋電傳感器結構

1—FET2—熱電元件3—硅窗4—地電極

5—壓環(huán)6—環(huán)形電極7—彈簧8—絕緣環(huán)三、紅外輻射溫度計圖3-37紅外測溫儀框圖

1—紅外探測器2—步進電動機3—溫度傳感器4—調制盤5—濾光片6—透鏡第五節(jié)其他溫度傳感器一、電容溫度傳感器

二、光纖溫度傳感器一、電容溫度傳感器圖3-38(BaSr)Ti系列陶瓷電一、電容溫度傳感器圖3-39電容溫度傳感器應用實例二、光纖溫度傳感器圖3-40波長與相對發(fā)光強度的關系二、光纖溫度傳感器3M41.TIF第六節(jié)某些溫度測量的方式一、表面溫度的測量

二、流管內介質溫度的測量

三、氣體溫度的測量一、表面溫度的測量準確測量物體表面的溫度雖然簡單，但實際的麻煩很多。特別是用接觸法測量熱傳導系數(shù)小的物質或者較小物體的表面溫度時，誤差超出預期值很多。因此，掌握產生誤差的原因非常重要。二、流管內介質溫度的測量圖3-42不同安裝方法引起的測量誤差二、流管內介質溫度的測量圖3-43管內溫度的測量氣體溫度的測量是溫度測量中較麻煩的工作，特別是在有熱輻射的場合，正確測量氣體的溫度，除了用超聲波溫度計以外，其他方法在原理上是不可能實現(xiàn)的。這種測量需要豐富的經驗和周詳?shù)目紤]。溫度是分子運動能量的量度，一定容積內的分子數(shù)越少，能量就越少。三、氣體溫度的測量習題與思考題1.經驗溫標主要有哪些？它們是如何定義的？

2.溫度測量的方法有哪兩類？各有什么特點？

3.簡述熱電偶與熱電阻的測溫原理。

4.為什么有的熱電阻會有三根引線？如何應用？

5.熱敏電阻有什么優(yōu)缺點？使用時有哪些克服缺點的相應措施？

6.試從原理、測溫系統(tǒng)組成和應用場合三方面比較熱電偶測溫與熱電阻測溫有什么不同？

7.用熱電偶測溫時，為什么要進行冷端補償？冷端補償?shù)姆椒ㄓ心膸追N？

8.將一靈敏度為0.08mV/℃的熱電偶與電壓表相連接，電壓表接線端是50℃，若電位計讀數(shù)是60mV，熱電偶的熱端溫度是多少？

9.半導體溫度傳感器在應用上有什么特點？

10.選擇溫度傳感器主要應考慮哪些問題？

11.紅外檢測主要依據(jù)的物理原理是什么？12.試述紅外探測器與光敏元件和熱敏電阻傳感元件的異同點。第四章壓力的測量第一節(jié)壓力的基本概念

第二節(jié)傳統(tǒng)壓力測量方法

第三節(jié)壓力傳感器第一節(jié)壓力的基本概念一、壓力和差壓的概念

二、壓力的單位一、壓力和差壓的概念(1)絕對壓力指作用于物體表面上的全部壓力，其零點以絕對真空為基準，又稱總壓力或全壓力，一般用小寫字母p表示。

(2)大氣壓力指地球表面上的空氣柱重量所產生的壓力，以p0表示。

(3)相對壓力指絕對壓力與大氣壓力之差，一般用p表示。

(4)差壓任意兩個壓力之差稱為差壓。二、壓力的單位表4-1壓力單位換算表二、壓力的單位表4-1壓力單位換算表第二節(jié)傳統(tǒng)壓力測量方法一、液柱式壓力計

二、彈性式壓力表

三、差動變壓器一、液柱式壓力計圖4-1U形玻璃管壓力測量原理圖一、液柱式壓力計圖4-2液柱式壓力計二、彈性式壓力表(一)彈性元件

(二)彈簧管壓力表(一)彈性元件1.彈簧管(又稱波登管)

2.波紋管

3.薄膜(一)彈性元件圖4-3彈性元件示意圖1.彈簧管(又稱波登管)它是一端封閉并且彎成圓弧形的管子，管子的截面為扁圓形或橢圓形。當被測壓力從固定端輸入后，它的自由端會產生彈性位移，通過位移大小進行測壓。彈簧管式壓力計測量范圍最高可達109Pa，在工業(yè)上應用普遍。這一類壓力計的彈簧管又有單圈管和多圈管之分，多圈彈簧管自由端的位移量較大，測量靈敏度較單圈彈簧管高。2.波紋管這是一種表面上有多個同心環(huán)形狀波紋的薄壁筒體，用金屬薄管制成。當輸入壓力時，其自由端產生伸縮變形，借此測取壓力大小。波紋管對壓力靈敏度較高，可以用來測量較低的壓力或壓差。3.薄膜膜片由金屬薄片或橡皮膜做成，在外力作用下膜片中心產生一定的位移，反映外力的大小。薄膜式壓力計的膜片又分為平膜片、波紋膜片和撓性膜片，其中平膜片可以承受較大被測壓力，平膜片變形量較小，靈敏度不高，一般在測量較大的壓力而且要求變形不很大的場合使用。(二)彈簧管壓力表(二)彈簧管壓力表圖4-4單圈彈簧管結構(二)彈簧管壓力表圖4-5彈簧管壓力計三、差動變壓器三、差動變壓器圖4-6差動變壓器等效電路三、差動變壓器4M7.TIF第三節(jié)壓力傳感器一、電阻應變式傳感器

二、壓電式傳感器

三、電容式傳感器

四、擴散硅壓阻式傳感器一、電阻應變式傳感器(一)應變片結構

(二)應變片原理

(三)應變計的主要特性

(四)應變計的溫度效應及其補償

(五)測量電路

(六)應變計式傳感器(一)應變片結構1.敏感柵

2.基底和蓋片

3.粘結劑

4.引線(一)應變片結構圖4-8電阻應變計結構圖

1—基底2—敏感柵3—蓋片4—引線1.敏感柵它是實現(xiàn)應變——電阻轉換的敏感元件，由直徑為0.015～0.05mm的金屬細絲繞成柵狀或用金屬箔腐蝕成柵狀。電阻應變片的電阻值為60Ω、120Ω、200Ω等各種規(guī)格，以120Ω最為常用。敏感柵在縱軸方向的長度稱為柵長，用L表示。在與應變片軸線垂直的方向上，敏感柵外側之間的距離稱為柵寬，用B表示。應變片柵長的大小關系到所測應變的準確度，應變片測得的應變大小實際上是應變片使用面積(內柵長×柵寬)內所測得的平均應變。柵長有100mm、200mm及1mm、0.5mm、0.2mm等規(guī)格，分別適應于不同的用途。2.基底和蓋片基底用于保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對位置，蓋片既保持敏感柵和引線的形狀和相對位置，還可保護敏感柵。最早的基底和蓋片多用專門的薄紙制成，基底厚度一般為0.02～0.04mm，基底的全長稱為基長，其寬度稱為基寬。3.粘結劑它用來將蓋片和敏感柵固結于基底上，同時用于將應變片基底粘貼在試件表面某個方向和位置上，也起著傳遞應變的作用。常用的粘結劑分為有機和無機兩大類。有機粘結劑用于低溫、常溫和中溫，常用的有聚丙烯酸酯、酚醛樹脂、有機硅樹脂、聚酰亞胺等；無機粘結劑用于高溫，常用的有磷酸鹽、硅酸鹽、硼酸鹽等。4.引線它是從應變片的敏感柵中引出的細金屬線，常用直徑約為0.1～0.15mm的鍍錫銅線或扁帶形的其他金屬材料制成。對引線材料的性能要求為：電阻率低、電阻溫度系數(shù)小、抗氧化性能好、易于焊接。大多數(shù)敏感柵材料都可制作引線。(二)應變片原理1.金屬材料的應變電阻效應

2.半導體材料的應變電阻效應(三)應變計的主要特性1.靈敏系數(shù)

2.橫向效應

3.機械滯后(Zj)

4.蠕變(θ)和零漂(P0)

5.應變極限(εlim)

6.動態(tài)特性1.靈敏系數(shù)2.橫向效應1)在標定條件下

2)在非標定條件下(標定的三個條件至少有一個不滿足)，若仍用標稱靈敏系數(shù)為K的應變片進行測試，將會產生較大的測量誤差。2.橫向效應3.機械滯后(Zj)應變片粘貼在試件上，在一定的溫度下，增(加載)和減(卸載)試件應變的過程中，兩條特性曲線不重合，如圖4-9所示。對應同一機械應變所指示應變量(輸出)有差值，這一現(xiàn)象稱為應變片的機械滯后，在室溫條件下，要求最大差值Zj<10με。4.蠕變(θ)和零漂(P0)圖4-9應變計的機械滯后特性4.蠕變(θ)和零漂(P0)圖4-10應變計的蠕變和零漂特性5.應變極限(εlim)在恒溫條件下，使非線性誤差達到10%時的真實應變值，稱為應變極限εlim，如圖4-11所示。應變極限是衡量應變計測量范圍和過載能力的指標，通常要求εlim≥8000με。6.動態(tài)特性(1)對正弦應變的響應應變計對正弦應變波的響應是在其柵長l范圍內所感受應變量的平均值。

(2)對階躍應變波的響應當輸入為階躍應變波時，如圖4-13所示，只有當應變波通過柵長以后，應變片才能反映波的最大值。

(3)疲勞壽命(N)它是指粘貼在試件上的應變計在恒幅交變應力作用下連續(xù)工作直至疲勞損壞時的循環(huán)次數(shù)，一般要求N=105～107次。(1)對正弦應變的響應圖4-11應變計的應變極限特性(1)對正弦應變的響應圖4-12應變計對正弦應變波的響應(1)對正弦應變的響應(1)對正弦應變的響應圖4-13應變計對階躍應變波的響應(2)對階躍應變波的響應

當輸入為階躍應變波時，如圖4-13所示，只有當應變波通過柵長以后，應變片才能反映波的最大值。(3)疲勞壽命(N)它是指粘貼在試件上的應變計在恒幅交變應力作用下連續(xù)工作直至疲勞損壞時的循環(huán)次數(shù)，一般要求N=105～107次。

(四)應變計的溫度效應及其補償1.溫度誤差

2.溫度補償1.溫度誤差2.溫度補償(1)溫度自補償利用選擇自身結構參數(shù)達到消除溫度影響的作用。

(2)橋路補償法橋路補償法是利用選取橋路電阻的工作計和補償計兩電阻值相等、材料相同，并處于同一溫度場，但對輸出電壓作用方向相反的原理來完成溫度補償?shù)姆椒ā?/p>

(3)其他補償方法根據(jù)被測試件承受應變的情況，可不必另加專門的補償塊，而是將補償計也貼在被測試件上，這樣既能起到補償作用，又能提高輸出的靈敏度，如圖4-16所示的粘貼法。(1)溫度自補償1)單絲自補償應變計。

2)雙絲自補償應變計。4M14.TIF(2)橋路補償法橋路補償法是利用選取橋路電阻的工作計和補償計兩電阻值相等、材料相同，并處于同一溫度場，但對輸出電壓作用方向相反的原理來完成溫度補償?shù)姆椒ā?/p>

(3)其他補償方法圖4-15補償塊半橋熱補償應變計(3)其他補償方法圖4-16溫度補償方法(五)測量電路1.電阻應變儀

2.應變電橋及其輸出特性1.電阻應變儀圖4-17電阻應變儀框圖1.電阻應變儀圖4-18直流電橋2.應變電橋及其輸出特性(六)應變計式傳感器1.筒式壓力傳感器

2.組合式壓力傳感器1.筒式壓力傳感器筒式壓力傳感器的彈性元件如圖4-19所示，一端盲孔，另一端有法蘭與被測系統(tǒng)連接。當應變管內腔與被測壓力相通時，圓筒部分周向應變?yōu)棣牛絧(2-μ)E(D2/d2-1)(4-21)式中，p為被測壓力；D為圓筒外徑；d為圓筒內徑。2.組合式壓力傳感器圖4-19筒式壓力傳感器的彈性元件2.組合式壓力傳感器圖4-20組合式壓力傳感器二、壓電式傳感器(一)壓電效應

(二)壓電材料

(三)壓電效應的表示

(四)等效電路和測量電路

(五)壓電式傳感器的應用(一)壓電效應1)某些電介質沿一定方向受外力作用產生變形時，會引起它內部正負電荷中心相對轉移而產生電的極化，并導致其兩個相對表面(極化面)上出現(xiàn)符號相反的束縛電荷Q，當外力消失，又恢復不帶電狀態(tài)；當外力變向，電荷極性隨之改變。

2)在電介質的極化方向上施加電場，同樣會引起電介質內部正負電荷中心的相對位移而導致電介質在一定方向上產生機械變形，內部產生機械應力；當外電場撤消后，變形或應力隨之消失。(二)壓電材料1.壓電晶體

2.壓電陶瓷

3.新型壓電材料1.壓電晶體石英晶體是典型而常用的壓電晶體。石英晶體俗稱水晶，即二氧化硅(SiO2)，有天然和人工之分。它的主要特點是：壓電常數(shù)小，工作時間穩(wěn)定性極好、其壓電溫度系數(shù)很??；機械強度和品質因素高，且剛度大，固有頻率高，動態(tài)特性好；無熱釋電性，且絕緣性、重復性均好。天然石英的上述性能尤佳，但資源少，常用于精度和穩(wěn)定性要求高的場合和制作標準傳感器。2.壓電陶瓷它是一種經極化處理的人工多晶鐵電體。所謂“多晶”，是由無數(shù)細微的單晶組成；陶瓷燒結后有自發(fā)的電偶極矩形成微小的極化區(qū)域，稱為“電疇”。原始的電疇無序排列，經人工極化處理才趨向規(guī)則排列，從而具有很強的壓電效應。3.新型壓電材料(1)壓電半導體壓電半導體有硫化鋅(ZnS)、碲化鎘(CdTe)、氧化鋅(ZnO)、硫化鎘(CdS)、碲化鋅(ZnTe)和砷化鎵(GaAs)等。

(2)有機高分子壓電材料某些合成高分子聚合物，經延展拉伸和電極化后具有了壓電性高分子壓電薄膜，如PVF、PVF2、PVC。(2)有機高分子壓電材料圖4-21石英晶體切片(三)壓電效應的表示(1)縱向壓電效應沿x軸施加作用力，產生電荷的現(xiàn)象。

(2)橫向壓電效應沿y軸施加作用力，產生電荷的現(xiàn)象。

(3)沿z軸拉力或壓縮力均不會產生電荷。(3)沿z軸拉力或壓縮力均不會產生電荷。圖4-22晶片上電荷符號與受力符號的關系

a)在x軸方向受壓力b)在x軸方向受拉力c)在y軸方向受壓力d)在y軸方向受拉力(四)等效電路和測量電路1.等效電路

2.測量電路1.等效電路壓電式傳感器的壓電敏感元件在受力后，某一方向上的兩個表面分別產生等量異號電荷，于是可把壓電傳感器視為一個電荷源，同理當壓電元件的表面聚集不同極性的正、負電荷時，則也可將其視為一個有源電容器，它的絕緣電阻Ra≥1010Ω。Ca=ε0εrA/t(4-27)式中，A為極化面積；t為壓電片厚度。1.等效電路圖4-23壓電傳感器等效電路和測量電路

a)等效電路b)測量電路2.測量電路(1)電壓放大器把壓電器件高輸出阻抗變換為低輸出阻抗，輸入電壓信號作比例放大。

(2)電荷放大器把壓電器件高內阻的電荷源變換為低內阻的電壓源，實現(xiàn)阻抗匹配，其輸出電壓與輸入電荷成正比，且傳感器的靈敏度不受電纜變化的影響。(五)壓電式傳感器的應用1.壓電元件的連接方式

2.壓電式壓力傳感器1.壓電元件的連接方式表4-2壓電片串、并聯(lián)組合的特點1.壓電元件的連接方式表4-2壓電片串、并聯(lián)組合的特點2.壓電式壓力傳感器圖4-24壓電式壓力傳感器

a)一種壓電式傳感器結構b)壓電血壓傳感器

1—壓電晶體2—膜片3—彈簧4—外殼1—敏感振膜2—塑料塊3—雙晶片

5—絕緣體6—引線4—環(huán)氧樹脂5—定位螺釘三、電容式傳感器(一)工作原理

(二)一般特性

(三)測量電路

(四)電容式傳感器應用(一)工作原理1.變極距型電容傳感器

2.變面積型電容傳感器

3.變介質型電容傳感器(一)工作原理電容式傳感器是將被測非電量轉換成電容量變化的一種傳感器，其工作基于靜電場的有關定律。以平板電容器為例，當忽略邊緣效應影響時，其電容量與真空介電常數(shù)ε0(8.854×10-12F·m-1)、極板間介質的相對介電常數(shù)εr、極板的有效面積A以及兩極板間的距離δ有關，即C=ε0εrAδ(4-41)式中，δ、A、εr三個參量中任意一個發(fā)生變化時，都會引起電容量的變化，因此電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介質型三種類型。1.變極距型電容傳感器(1)近似線性處理

(2)近似非線性處理1.變極距型電容傳感器圖4-25變極距型電容傳感器原理圖1.變極距型電容傳感器1.變極距型電容傳感器1.變極距型電容傳感器圖4-26C=f(δ)特性曲線1.變極距型電容傳感器(2)近似非線性處理4M27.TIF(2)近似非線性處理圖4-28變極距型電容傳感器差動式結構3.變介質型電容傳感器圖4-29變面積型電容傳感器3.變介質型電容傳感器圖4-30變介質型電容傳感器(二)一般特性1.等效電路

2.靜電引力

3.寄生電容

4.溫度影響1.等效電路圖4-31電容傳感器的等效電路2.靜電引力電容兩極板間存在靜電場，它產生靜電引力作用于動極板，使動極板產生附加位移，造成測量誤差。在被測力較小時，要考慮靜電引力的影響。靜電引力的大小與極板間的工作電壓、介電常數(shù)、極間距離有關。靜電引力造成的測量誤差，可采用差動結構來消除。3.寄生電容圖4-32驅動電纜法原理圖4.溫度影響(1)溫度對結構尺寸的影響環(huán)境溫度的改變將引起電容式傳感器各零件幾何尺寸和相互之間幾何位置的變化，從而導致溫度附加誤差，這個誤差在改變間隙的電容傳感器中更顯得嚴重，因為它的初始間隙很小。

(2)溫度對介質的影響傳感器的電容值與介質的介電常數(shù)成正比，如果介質介電常數(shù)的溫度系數(shù)不為零，必然要引起傳感器電容值的改變，造成溫度附加誤差。4.溫度影響圖4-33電容式傳感器的溫度誤差(三)測量電路1.變壓器電橋

2.脈沖調寬電路

3.運算放大器電路(三)測量電路圖4-34變壓器電橋2.脈沖調寬電路圖4-35差動脈沖寬度調制電路2.脈沖調寬電路圖4-36各點電壓波形2.脈沖調寬電路圖4-37運算放大器電路(四)電容式傳感器應用1.電容式壓力傳感器

2.膜片電極式壓力傳感器1.電容式壓力傳感器圖4-38電容式壓力傳感器1.電容式壓力傳感器圖4-39膜片式壓力傳感器四、擴散硅壓阻式傳感器(一)基本原理

(二)壓阻式壓力傳感器習題與思考題1.何謂金屬的電阻應變效應?金屬絲的應變靈敏系數(shù)的物理意義是什么?

2.什么是金屬應變片的靈敏度系數(shù)?它與金屬絲的靈敏度系數(shù)有何區(qū)別?試予解釋。

3.運用應變片進行測量為什么要進行溫度補償?常采用的溫度補償方法有哪幾種?

4.何謂半導體的壓阻效應?半導體應變片靈敏度系數(shù)有何特點?

5.如果將100Ω應變片貼在彈性試件上，若試件截面積S=0.5×10-4m2，彈性模量E=2×1011N／m2，若由5×104N的拉力引起應變計電阻變化為1Ω，試求該應變片的靈敏度系數(shù)?

6.已知：平板電容傳感器極板間介質為空氣，極板面積S=a×a=(2×2)cm2，間隙d0=0.1mm。

7.已知：差動式電容傳感器的初始電容C1=C2=100pF，交流信號源電壓有效值U=6V，頻率f=100kHz。(二)壓阻式壓力傳感器8.何謂壓電效應?用正壓電效應傳感器能否測量靜態(tài)和變化緩慢的信號？為什么？

9.石英晶體的壓電效應有何特點?何謂石英晶體的縱向、橫向壓電效應?

10.壓電式傳感器的前置放大器作用是什么?比較電壓式和電荷式前置放大器各有何特點?

11.壓電元件在使用時常采用多片串接或并接的結構形式，試述在不同接法下輸出電壓、電荷、電容的關系，它們分別適用于何種應用場合?

12.何謂電壓靈敏度和電荷靈敏度?并說明兩者之間關系。(二)壓阻式壓力傳感器圖4-40壓阻式傳感器結構

1—低壓腔2—高壓腔3—硅杯

4—引線5—硅膜片(二)壓阻式壓力傳感器圖4-41硅膜片上的應力分布(二)壓阻式壓力傳感器圖4-42硅膜片示意圖第五章流量的測量第一節(jié)流量及流量計的分類

第二節(jié)差壓式流量計

第三節(jié)電磁流量計

第四節(jié)其他流量計第一節(jié)流量及流量計的分類一、流量的概念

二、流量計的分類一、流量的概念(一)體積流量

(二)質量流量二、流量計的分類測量過程中流體的性質多種多樣，有氣體、液體、固體，有時還可能由其中某兩種混合而成，如氣-液、固-液、氣-固混合形成兩相流，甚至還有多相流，如氣-固-液三相流。檢測條件也可能有不同，為了測量不同條件下不同的測量對象，至今所使用的流量計已有百余種，其測量原理、結構特性、適用范圍及使用方法等也各不相同，按不同的分類方法，大致有以下幾種分類。第二節(jié)差壓式流量計一、概述

二、差壓式流量計的測量原理

三、節(jié)流裝置

四、其他差壓式流量計一、概述圖5-1差壓流量計組成二、差壓式流量計的測量原理圖5-2差壓式流量計的測量原理圖二、差壓式流量計的測量原理三、節(jié)流裝置圖5-3節(jié)流元件的基本形式

a)孔板式b)噴嘴式c)文丘里管四、其他差壓式流量計(一)楔形流量計

(二)皮托管流量計(一)楔形流量計1.結構原理

2.特點1.結構原理圖5-4楔形流量計2.特點楔形流量計的優(yōu)點是：可測量高粘度流體和懸浮液的流量，不易造成管道堵塞；可用于低管道雷諾數(shù)測量情況，相比孔板流量計其測量的最低雷諾數(shù)范圍寬多了；測量精度高；結構簡單，安裝、使用和維修方便；可用于測量腐蝕性介質。(二)皮托管流量計1.皮托管

2.均速管流量計1.皮托管圖5-5皮托管結構2.均速管流量計均速管流量計又被稱為阿紐巴(Annubar),它是一種根據(jù)皮托管原理發(fā)展起來的一種比較新型的差壓式流量計，也可通過測量流體的總壓和靜壓得到流體的流速，常用于測量氣體、液體和蒸汽的流量。與皮托管不同的是均速管流量計測量管道中流體的平均總壓p0，在下游管道上測量流體的靜壓p，它們之間的壓差為Δp，再根據(jù)Δp計算被測流體流量。第三節(jié)電磁流量計一、概述

二、測量原理

三、電磁流量計的結構

四、電磁流量計的選用和安裝一、概述1)屬于非接觸性儀表，測量管段是光滑直管，管內沒有任何阻礙流體流動的節(jié)流元件，不會引起額外的壓力損失，節(jié)能效果好，可用于測量各種粘度的液體，特別適于測量含固體顆粒的液固混合流，如紙漿、泥漿、污水等。

2)流量計測量過程不受被測介質的溫度、粘度、密度等因素的影響，因此只需一次經水標定后就可用于測量其他導電液體的流量。

3)電磁場的產生是極快的過程，因此電磁流量計反應速度快，無機械慣性，可以測量瞬時流量，還可測水平或垂直管道中兩個軸向的流量。

4)流量計輸出只與被測介質的流速有關，量程范圍寬。

5)應用口徑范圍大，小口徑、微小口徑常用于醫(yī)藥衛(wèi)生等有衛(wèi)生要求的場所，中小口徑常用于高要求或難測場合，如造紙工業(yè)測量紙漿液，大口徑較多用于給排水工程。二、測量原理圖5-6電磁流量計測量原理三、電磁流量計的結構1.測量管組件

2.磁路系統(tǒng)三、電磁流量計的結構圖5-7電磁流量計傳感器結構

1—外殼2—勵磁線圈3—襯里

4—測量管5—鐵心6—電極1.測量管組件1)必須由不導磁材料制成，以使磁力線能進入被測介質；

2)一般應由高阻抗材料構成，如玻璃鋼或不銹鋼，以減小渦電流帶來的損耗；

3)在使用金屬做測量管(如不銹鋼)時，整根測量管的內側應涂有絕緣層或襯墊絕緣套管，以避免流體中的電流被管壁短路。2.磁路系統(tǒng)(1)直流勵磁利用永磁體或者直流電源勵磁產生恒定磁場，簡單可靠，受交流磁場干擾小。

(2)正弦交流勵磁利用正弦交流電給電磁流量傳感器中的勵磁繞組供電，產生交流正弦磁場，能避免直流勵磁所帶來的電極極化問題，缺點是會帶來一系列的磁干擾和噪聲，如串模干擾和共模干擾。

(3)恒電流方波勵磁勵磁電流大小恒定，克服了直流勵磁帶來的電極極化問題，但線路較為復雜。四、電磁流量計的選用和安裝(一)選用

(二)傳感器的安裝(一)選用電磁流量計的選用應綜合考慮使用場合、被測介質、測量要求等因素。一般的化工、冶金、污水處理等行業(yè)可以選用通用型電磁流量計，有爆炸性危險的場合則應選用防爆型，醫(yī)藥衛(wèi)生等行業(yè)則可選用衛(wèi)生型。(二)傳感器的安裝1)避免安裝在周圍有強腐蝕性氣體的場所；避免安裝在周圍有電動機、變壓器等可能帶來電磁場干擾的場合；如果測量對象是兩相或多相流體，應避免可能會使流體相分離的場所；避免安裝在可能被雨水浸沒的場所，避免陽光直射。

2)水平安裝時，電極軸應處于水平，防止流體夾帶氣泡可能引起的電極短時間絕緣；垂直安裝時流動方向應向上，可使較輕顆粒上浮離開傳感電極區(qū)。

3)傳感器應采取接地措施以減小干擾的影響。第四節(jié)其他流量計一、轉子流量計

二、渦街流量計

三、渦輪流量計

四、超聲流量計一、轉子流量計1.測量原理和結構

2.特點1.測量原理和結構圖5-8轉子流量計

測量原理2.特點轉子流量計適合于小管徑、低流速、低雷諾數(shù)的流體測量；刻度線性直觀，量程范圍較寬；精度高，壓損小而恒定；結構簡單、價格低廉、反應快，使用和維護起來較為方便。但它只能適用于垂直管道且流體自下而上的流動情況；測量精確度受被測介質密度、粘度、溫度、壓力等一些參數(shù)的影響，要求介質清潔，如果被測介質和廠家標定介質不同，還需做流量示值修正。二、渦街流量計1.測量原理

2.主要特點1.測量原理圖5-9渦街流量計測量原理2.主要特點渦街流量計的主要優(yōu)點有：結構簡單，管道中無可動部件，運行可靠，安裝、維護方便；輸出脈沖信號，易于和數(shù)字儀表、計算機等配合工作；與差壓式流量計、浮子流量計相比，測量精度較高，其讀數(shù)不受流體物理狀態(tài)如溫度、壓力、密度、粘度計組成成分的影響，非線性誤差不超過最大流量的±1%；壓損較小，測量范圍較大；適用流體種類多，可用于液體、氣體和蒸汽的流量測量；測量精度較高。三、渦輪流量計1.測量原理

2.主要特點1.測量原理渦輪的軸裝在管道的中心線上，流體軸向流過渦輪時推動葉片使渦輪轉動，而實踐表明流量與渦輪轉動角速度成正比。渦輪轉速可以采用機械的、磁感應的、光學的方式檢測，目前多用磁感應方法，如可采用永久磁鐵。2.主要特點1)由于流量計內部有轉動部件，易被流體中的顆粒及污物堵住，因此只能用于清潔流體的流量測量，且流量計前面要加過濾裝置。

2)流量計讀數(shù)易受流體粘度和密度的影響，只能在一定的雷諾數(shù)范圍內保證測量精度，因此不能用于測量高粘度的流體流量。

3)測量液體時切忌有高速氣體進入，因為高速氣體易使葉片高速旋轉，既影響精度，又容易使部件損壞，因此在測量容易氣化的液體或液體中含有氣體時應在流量計前面加消氣器。

4)長期使用時流量計不能保持校準特性。四、超聲流量計1.測量原理

2.主要特點

1.測量原理(1)傳播時間差法根據(jù)兩個超聲波按相反方向傳播所產生的時差與流體流速有關來測量流速，可精確測量河流流速或體積流量，這是較為常用的一種方法。

(2)聲束偏移法根據(jù)一個超聲波沿垂直于流體流動方向傳播所產生的偏移量與流速有關來測量流速。

(3)多普勒法建立在聲波的多普勒效應基礎上，也就是根據(jù)一個聲波束沿流體流動方向傳播的聲波與反向散射的聲波之間的頻差與流速有關來測量流速，適用于醫(yī)學測量，因此在醫(yī)學上可用來測人體深處血管的血流量。1.測量原理(3)多普勒法圖5-10傳播時間

差法的原理第六章物位的測量第一節(jié)概述

第二節(jié)壓力法測量液位

第三節(jié)浮力法測量液位

第四節(jié)電磁法測量液位

第五節(jié)其他液位檢測方式第一節(jié)概述圖6-1玻璃管液位計

a)開口容器液位測量b)密閉容器液位測量

1—觀察管2—標尺3—旋風閥第二節(jié)壓力法測量液位一、壓力的測量方法

二、差壓式液位計一、壓力的測量方法1.壓力表式液位計

2.法蘭式壓力變送器

3.吹氣式液位計1.壓力表式液位計圖6-2壓力式液位計

a)壓力表式液位計b)法蘭式液位變送器c)吹氣式液位計

1—旋塞閥2—引壓管3—壓力表4—法蘭5—壓力變送器2.法蘭式壓力變送器圖6-2b所示的方法是將變送器通過法蘭裝在容器底部的法蘭上，作為敏感元件的金屬膜盒經導壓管與變送器的測量室相連，導壓管內封入沸點高、膨脹系數(shù)小的硅油，使被測介質與測量系統(tǒng)隔離。它可以將液位信號變成電信號或氣動信號，用于液位顯示或控制調節(jié)。由于采用法蘭式連接，且介質不必流經導壓管，因此可用來檢測有腐蝕性、易結晶、粘度大或有色的介質。3.吹氣式液位計如圖6-2c所示，吹氣式液位計原理是測取被測液位靜壓的方法。吹氣管插入被測液體近底部處，通入壓縮空氣，調節(jié)旋塞閥使管中始終保持有少量氣泡從液體中逸出(大約每分鐘150個左右)，由于氣泡量微，可認為容器中液體靜壓與氣泡管內壓力近似相等。二、差壓式液位計圖6-3差壓式液位計原理圖第三節(jié)浮力法測量液位一、鋼帶浮子式液位計

二、浮球式液位計

三、浮筒式液位計

四、磁性浮子式液位計一、鋼帶浮子式液位計圖6-4鋼帶浮子式液位計

1—浮子2—鋼帶3—重錘一、鋼帶浮子式液位計

圖6-5遠傳浮子式液位計

1—重錘2，5—鼓輪3—齒輪

4—自整角機6—浮子7—計數(shù)器二、浮球式液位計圖6-6杠桿式浮球液位計

1—浮球2—浮球臂3—波紋管4—指示機構四、磁性浮子式液位計圖6-7浮筒式液位計

1—鐵心2—差動變壓器

3—平衡彈簧4—浮筒四、磁性浮子式液位計圖6-8磁性浮子式液位計

1—指示翻板2—磁性浮子

3—連通容器第四節(jié)電磁法測量液位一、電阻式液位計

二、電感式液位計

三、電容式液位計一、電阻式液位計圖6-9電阻式液位計

1—電阻棒2—絕緣套3—測量電橋一、電阻式液位計一、電阻式液位計圖6-10電感式液位

控制器

1、3—上下限線圈

2—浮子二、電感式液位計電感式液位計利用電磁感應現(xiàn)象，液位