测量学全书.ppt

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测量的基础知识,项目,一,测量的基本概念及误差理论分析,【学习目标】,（1）掌握测量的基本概念和测量方法。,（2）了解测量误差的分类和基本概念。,（3）掌握误差理论的分析方法。,（4）了解测量结果的数据统计处理。,【知识准备】,一、测量的基本概念,测量是人们借助专门的技术和设备，通过实验的方法取得某一客观事物量值的认识过程，即将被测量与一个同性质的、作为测量单位的标准进行比较，从而确定被测量是标准的若干倍或几分之几的比较过程,用天平测量物体的质量就是一个比较典型的例子。,测量结果可以表现为一定的数字，也可表现为一条曲线或显示成某种图形等，测量结果总包含有数值（大小和符号）以及单位。,例如测量人的身高h，先选定测量单位为cm，然后用cm去度量人的身高，若确定h是测量单位cm的165倍，则测量结果就表示为h=165cm。,二、测量的基本方法,根据测量的手段的不同，可分为直接测量与间接测量。,用标定的仪表直接读取被测量的结果，该方法称为直接测量。例如，用万用表测量电流、电压、电阻的大小。,间接测量的过程比较复杂。首先要对几个与被测量有确定函数关系的量进行直接测量将测量值带入函数关系式，经过计算测得被测量。例如：为了求圆的面积，我们必须测得它的半径r，然后根据它的公式。,1.,直接测量,直接测量的误差较小。,图为利用光栅传感器测量数控机床工作台位移量的现场照片。,工作台,光栅,工作台运动方向,2.间接测量,在间接测量中，多使用旋转式位置传感器。测量到的回转运动参数仅仅是中间值，但可由这中间值再推算出与之关联的移动部件的直线位移间接测量须使用丝杠-螺母、齿轮-齿条等传动机构。,工作台,丝杠,编码器,进给电机,x,根据测量的具体手段来分，又分为偏差式测量、零位测量和微差式测量。,1.偏差式测量,在测量过程中，被测量作用于仪表的比较装置，使该比较装置产生偏移量，直接以仪表的偏移量表示被测量的测量方式称为偏差式测量。在这种测量方式中，必须事先用标准量具对仪表刻度进行校正。显然，采用偏差式测量的仪表不包括标准量具。偏差式测量易产生灵敏度漂移和零点漂移。,2.零位式测量,在测量过程中，被测量作用于仪表的比较装置，并被比较装置中的标准量所抵消，当测量系统达到平衡时，用已知标准量的值决定被测量的值，这种测量方式为零位式测量。在零位式测量仪表中，标准量具是装在测量仪表内的。用调整标准量来进行平衡作过程，当两者相等时，用指零仪表的零位来指示测量系统额的平衡状态。,3.微差式测量,微差式测量是检测技术中运用较多的测量方式，它综合了偏差式测量迅速和零位式测量精度高的优点。测量时，被测量作用于仪表的比较装置，被测量的大部分被比较装置中的标准量所抵消，然后再用类似于偏差式的方法来测出上述两者比较结果的剩余差值。,三、真值,真值过去的定义：当某量能被完善地确定并能排除测量上的缺陷时，通过测量所得到的量值。当对某量的测量不完善时，通常就不能获得真值。从测量的角度讲，真值不可能确切获知。一个量的真值，是在被观测时本身所具有的真实大小，它是一个理想的概念。,最新国家标准真值的定义：与给定的特定量的定义一致的值。同时强调了3点：,（1）量的真值只有通过完善的测量才有可能获得；,（2）真值按其本性是不确定的；,（3）与给定的特定量的定义一致的值不一定只有一个。,新旧定义的共同点是：,真值只有通过完善的测量才有可能获得，实际测量是不完善的,从测量的角度讲,真值不可能确切获知”。,新旧定义的区别有两点：,（1）新定义强调了在被观测时本身所具有的真实大小的真值按其本性是不确定的，真值按其本性是不确定的论点，符合当今人们对微观物质世界的认识和量子力学的原理（如海森伯的不确定关系、玻恩对波函数的统计解释等）.,（2）虽然通过测量不能获得真值，但是，通过定义使量值符合定义则是可能的。例如在国际单位制中，定义保存在巴黎国际计量局的铂-铱合金的国际千克原器的质量为1kg，定义光在真空中（1/299792458）s时间间隔内所经路径的长度为1m，水的三相点的热力学温度为273.16K，这些与定义一致的值就是真值,其误差为零。还有一种真值是理论真值，如平面三角形三内角之和恒为180，此值也可表述为rad。,四、测量误差的表示方法,1绝对误差,绝对误差是指测量值（A,X,）与被测量真实值（即真值：A,0,）之间的差值，用表示：,=AXA,0,修正值与绝对误差的绝对值大小相等，但符号相反的量值，用C表示：,C=A,0,A,X,2.相对误差,相对误差就是绝对误差除以被测量的真值（约定真值），用Y,0,表示：,Y,0,=100%,示值误差是绝对误差除以被测量的AX百分比，用,Y,X,表示：,Y,X,=100%,满度相对误差是用测量仪表的绝对误差与仪器量程A,M,的百分比，Y,M,用表示：Y,M,=100%,3.准确度,准确度是最大绝对误差与满度量程的比值的百分数，用A表示：,A =100%,仪表的准确度在工程中也称为“精度”。,当,取仪表的最大绝对误差值,m,时的引用误差常被用来确定仪表的准确度等级，用S表示，即,S=100,准确度等级习惯上称为精度等级。常用的精确度等级档次为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0、5.0。,五、测量误差的分类,（一）按误差性质分类,1.粗大误差,明显偏离真值的误差称为粗大误差。粗大误差主要是由于测量人员的粗心大意及电子测量仪器受到突然而强大的干扰所引起的。,2.系统误差,在一定条件下，误差数值的大小和正负号或者固定不变或者按一定规律变化的误差就是系统误差。,3.随机误差,在同一条件下，多次测量同一被测量，有时会发现测量值时大时小，误差的绝对值及正、负以不可预见的方式变化，该误差称为随机误差。,（二）从测量的静态特性和动态特性来分类,1.静态误差,在被测量不随时间变化时所产生的误差称为静态误差。我们前面讨论的误差多属于静态误差。,2.动态误差,当被测量随时间速度变化时，系统的输出量在时间上不能与被测量的变化精确吻合，这种误差称为动态误差。,作业布置,任务一 测量的基础知识,项目二,传感器及其基本特性,【学习目标】,（1）了解传感器的定义。,（2）了解传感器的组成和分类。,（3）掌握传感器基本特性。,【知识准备】,一、测量的基本概念,测量是人们借助专门的技术和设备，通过实验的方法取得某一客观事物量值的认识过程，即将被测量与一个同性质的、作为测量单位的标准进行比较，从而确定被测量是标准的若干倍或几分之几的比较过程,用天平测量物体的质量就是一个比较典型的例子。,一、传感器的定义及组成,传感器由敏感元件、传感元件及测量转换电路三部分组成，有时还需要加辅助电源。,敏感元件：往往是将被测非电量预先变换为另一种易于变换成电量的非电量，然后再变换成电量。能够完成预变换的器件称为敏感元件，又称预变换器。,转换元件：将感受到的非电量直接转换为电量的器件称为转换元件，例如压电材料、热电偶等。,测量电路：将转换元件输出的电量变成便于显示、记录、控制和处理的有用电信号的电路称为测量电路。,二、传感器的发展趋势,（一）改善传感器的性能的技术途径,1差动技术,差动技术是传感器中普遍采用的技术。它的应用可显著地减小温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响，抵消了共模误差，减小非线性误差等。不少传感器由于采用了差动技术，还可使灵敏度增大。,2平均技术,在传感器中普遍采用平均技术可产生平均效应，其原理是利用若干个传感单元同时感受被测量，其输出则是这些单元输出的平均值，若将每个单元可能带来的误差均可看作随机误差且服从正态分布，根据误差理论，将总的误差减小。,3补偿与修正技术,补偿与修正技术的运用大致针对两种情况：,（1）针对传感器本身特性。,（2）针对传感器的工作条件或外界环境。,对于传感器特性，找出误差的变化规律，或者测出其大小和方向，采用适当的方法加以补偿或修正。,针对传感器工作条件或外界环境进行误差补偿，也是提高传感器精度的有力技术措施。,4屏蔽、隔离与干扰抑制,传感器大都要在现场工作，现场的条件往往是难以充分预料的。各种外界因素要影响传感器的精度与各有关性能。为了减小测量误差，保证其原有性能，就应设法削弱或消除外界因素对传感器的影响。,其方法有：,（1）减小传感器对影响因素的灵敏度。,（2）降低外界因素对传感器实际作用的程度。,5稳定性处理,传感器作为长期测量或反复使用的器件，其稳定性显得特别重要，其重要性甚至胜过精度指标，尤其是对那些很难或无法定期标定的场合。,造成传感器性能不稳定的原因是：随着时间的推移和环境条件的变化，构成传感器的各种材料与元器件性能将发生变化。,（二）传感器的发展动向,1开发新型传感器,新型传感器包括：,采用新原理；,填补传感器空白；,仿生传感器等方面。,2开发新材料,传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学的进步，可任意控制它们的成分，从而设计制造出用于各种传感器的功能材料。用复杂材料来制造性能更加良好的传感器是今后的发展方向之一。,（1）半导体敏感材料。,（2）陶瓷材料。,（3）磁性材料。,（4）智能材料。,3新工艺的采用,在发展新型传感器中，离不开新工艺的采用。新工艺的含义范围很广，这里主要指与发展新型传感器联系特别密切的微细加工技术。该技术又称微机械加工技术，是近年来随着集成电路工艺发展起来的，它是离子束、电子束、分子束、激光束和化学刻蚀等用于微电子加工的技术，目前已越来越多地用于传感器领域。,4集成化、多功能化,为同时测量几种不同被测参数，可将几种不同的传感器元件复合在一起，做成集成块。例如一种温、气、湿三功能陶瓷传感器已经研制成功。,5智能化,对外界信息具有检测、数据处理、逻辑判断、自诊断和自适应能力的集成一体化多功能传感器，这种传感器具有与主机互相对话的功能，可以自行选择最佳方案，能将已获得的大量数据进行分割处理，实现远距离、高速度、高精度传输等。,三、传感器的分类,传感器的种类很多，分类也不尽相同，一般常采用的分类方法有：,1.按被测量分类,可分为位移、力、力矩、转速、振动、加速度、温度、压力、流量、流速等传感器。,2.按结构型和物性型分类,结构型传感器是通过机械结构的几何形状或尺寸的变化，将外界被测参数转换成相应的电阻、电感、电容等物理量的变化，从而检测出被测信号。,3.按测量原理分类,可分为电阻、电容、电感、光栅、热电偶、超声波、激光、红外、光纤维等传感器。,4.按输出信号的性质分类,根据传感器输出信号的性质，可将其分为模拟传感器和数字传感器两大类。前者输出模拟信号，如果要与计算机连接，则需要引入模-数转换环节，而后者则不需要。数字传感器一般将被测量转换成脉冲、频率或二进制码输出，抗干扰能力强。,四、传感器的基本特性,传感器的特性分为静态特性和动态特性。静态特性是指被测物理量不随时间变化或随时间变化极其缓慢时，传感器输出与其输入之间的关系。在静态测试中，这种关系一般是一一对应的，通常可将其描述为,理想,（一）静态特性指标,1.测量范围,传感器所能测量到的最小输入量与最大输入量之间的范围称为传感器的测量范围。,2.灵敏度,传感器的灵敏度是输出变化量与相应的输入变化量之比，或者说是单位输入下所得到的输出。此处，输入量的变化必须很慢且不致引起输出量的动态响应。如果有动态响应则必须采用达到稳态后的输出量。,灵敏度,4.精度,传感器的精度是指测量结果的可靠程度，是测量中各类误差的综合反映。工程技术中简化传感器精度的表示方法，引起了精度等级的概念。精度等级以一系列标准百分比数值分档表示，代表传感器测量的最大允许误差，即相对误差。,5.线性度,所谓传感器的线性度，是指传感器的输出量与输入量之间的关系曲线偏离理想直线的程度。在非线性误差不太大的情况下，通常采用直线拟合的方法来线性化。这样，线性度就用输入-输出关系曲线与拟合直线之间最大偏差与满量程输出的百分比表示,6.分辨力和阈值,分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量。有些传感器,当输入量连续变化时,输出量只作阶梯变化,则分辨力就是输出量的每个“阶梯”所代表的输入量的大小。分辨力用绝对值表示,用其与满量程的百分数表示时称为分辨率。在传感器输入零点附近的分辨力称为阈值。,7.迟滞,传感器在正(输入量增大)反（输入量减小）行程期间其输出输入特性曲线不重合的现象称为迟滞。也就是说，对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等。各种材料的物理性质是产生迟滞现象的原因。,8.重复性,重复性是指在同一个工作条件下，输入量按同一方向在全测量范围内连续变动多次所得特性曲线的不一致性。在数值上用各测量值正，反行程标准偏差最大值的两倍或三倍与满量程Yfs的百分比表示,9.稳定性,稳定性表示传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力。稳定性一般以温室条件下经过一段时间间隔后，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异来表示，称为稳定性误差。稳定性误差可用相对误差表示，也可用绝对误差表示。,10.漂移,传感器的漂移是指在外界的干扰下，在一定时间间隔内，传感器输出量发生与输入量无关的或不需要的变化。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移等。,（二）传感器的动态特性,传感器的动态特性是指传感器的输出对随时间变化的输入量的响应特性。例如用阶跃函数作为输入来研究其动态特性，这种方法称为阶跃响应法。表征阶跃响应特性的主要技术指标有：时间常数、延迟时间、上升时间、峰值时间、最大超调量、响应时间等。,各指标定义如下：,（1）上升时间tr：输出由稳态值的10%变化到稳态值的90%所用的时间。,（2）响应时间ts：系统从阶跃输入开始到输出值进入稳态值所规定的范围内所需要的时间。,（3）峰值时间tp：阶跃响应曲线达到第一个峰值所需时间。,（4）超调量：传感器输出超过稳态值的最大值A，常用相对于稳态值的百分比表示。,作业布置,任务二 电阻式传感器的原理及应用,项目一 数字式电子秤的原理与设计,【学习目标】,（1）掌握应变效应的原理。,（2）了解应变片的结构与材料。,（3）理解应变片的测量转换电路。,【,知识准备,】,一、工作原理,1.应变效应电阻丝,导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生,机械变形，其电阻值也将随着发生变化，这种,现象称为应变效应,图 2-1,电阻丝应变效,应,2.应变片的类型,应变片可分为金属应变片及半导体应变片两类,前者可分成金属丝、箔式、薄膜式三种,图2-,2,电阻应变片,（a）金属丝式（b）金属箔式,图2-3,箔,式应变片,优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，,工作范围广，易实现工业化生产,问题：难控制电阻与温度和时间的变化关系,二、应变片的结构与材料,应变片是由敏感栅、基底、,盖,片和粘结剂等组成,1,基底；,2-,敏感栅；,3-,盖片；,4-,引线,图2-4,金属电阻丝应,变片,的基本结构,三、电阻应变片测量电路,图,2-,5,电阻电桥,电路,电桥平衡时,直流电桥的平衡条件为,双臂半桥形式电桥电路,R1、R2为应变片R3、R4为普通电阻。R1,、,R2两个应变片，一个感受拉应变、一个感受压应变，接在电桥的相邻两个臂，输出电压表示为：,单臂半桥形式电桥电路,R1为应变片R2、R3、R4为普通电阻，输出电压表示为：,全桥式电桥电路,R,1,、,R,2,、,R,3,、,R,4,均为应变片。,按对臂同性,的原则（同为拉应变或同为压应变）连接。,四、测量电路的温度误差及补偿,1温度误差产生的原因,一是温度变化引起应变片敏感栅的电阻变化及附加形变；,二是试件材料的线膨胀系数的不同，使应变片产生附加应变,2温度补偿方法,（1）自补偿,利用自身具有补偿作用的应变片（称之为温度自补偿应变片）来补偿的。,（2）桥路补偿,优点：简单、方便，在常温下补偿效果好,。,缺点：在温度变化梯度较大的条件下，很难做到片,工作,与补偿片处于温度完全一致的情况，因而影响补偿效果。,（3）调零电路,调节RP可使 R1与(RP/2+R5)、R2与(RP/2+R5)的并联结果之比R1/R2等于R4/R3，电桥趋于平衡，U0被预调到零位。图中的R5是用于减小调节范围的限流电阻。,图,2-,6,调零电路,数字电子秤系统结构,图,2-,7,数字,电子秤,系统方框图,任务一 测量的基础知识,项目二 瓦斯报警器的原理与设计,【,学习目标,】,（1）了解气体传感器的主要特性。,（2）了解气体传感器的工作原理。,（3）熟悉常见气体传感器的应用电路。,【,知识准备,】,一、还原性气体传感器,所谓还原性气体就是在化学反应中能给出电子，化学价升高的气体。还原性气体多数属于可燃性气体，例如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。,测量还原性气体的气敏电阻一般是用SnO2、ZnO或Fe2O3等金属氧化物粉料添加少量铂催化剂、激活剂及其它添加剂，按一定比例烧结而成的半导体器件。,图2-,8,还原性气体传感器,a）气敏烧结体 b）气敏电阻外形 c）基本测量转换电路,1引脚 2塑料底座 3烧结体 4不锈钢网罩5加热电极 6工作电极 7加热回路电源 8测量回路电源,几种气敏电阻的外形如图,图9,酒精传感器,图10,可燃性气体传感器,酒精测试仪,几种国产气敏电阻的主要特性,二、二氧化钛氧浓度传感器,半导体材料二氧化钛（TiO2）属于N型半导体，对氧气十分敏感。其电阻值的大小取决于周围环境的氧气浓度。当周围氧气浓度较大时，氧原子进入二氧化钛晶格，改变了半导体的电阻率，使其电阻值增大。,当氧气含量减小时，RTiO2的阻值减小，U0增大。,图,11,TiO,2,氧浓度传感器结构及测量转换电路,三、半导体气敏元件的特性参数,1.气敏元件的电阻值,将电阻型气敏元件在常温下洁净空气中的电阻值，称为气敏元件(电阻型)的固有电阻值，表示为Ra。一般其固有电阻值在(103105)范围。,2.气敏元件的灵敏度,（1）电阻比灵敏度K,R,a,气敏元件在洁净空气中的电阻值；,R,g,气敏元件在规定,浓度,的被测气体中的电阻值。,（2）气体分离度,R,C1,气敏元件在浓,度为,C,1,的被测气体中的阻值；,R,2,气敏元件在浓度为,C2,的被测气体中的阻值,；,通常，,C,1,C,2,。,（3）输出电压比灵敏度K,V,V,a气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的电压输出；,Vg气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻的电压输,出。,3.,气,敏元件的分辨率,表示气敏元件对被测气体的识别（选择）以及对干扰气体的抑制能力。气敏元件分辨率S表示为,式中,Va气敏元件在洁净空气中工作时，,负载电阻上的输出电压；,Vg气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻上的电压；,Vgi气敏元件在i种气体浓度为规定值中工作时，负载电阻的电压。,（4）气敏元件的响应时间,表示在工作温度下，气敏元件对被测气体的响应速度。一般从气敏,元件与一定浓度的被测气体接触时开始计时，直到气敏元件的阻值达到在此浓度下的稳定电阻值的63时为止，所需时间称为气敏元件在此浓度下的被测气体中的响应时间。,（5）气敏元件的加热电阻和加热,功率,气敏,元件正常工作所需的加热电路功率，称为加热功率，用PH表示。一般在(0.52.0)W范围。,（6）气,敏元件的恢复时间,表示在工作温度下，被测气体由该元件上解吸的速度，一般从气敏元件脱离被测气体时开始计时，直到其阻值恢复到在洁净空气中阻值的63时所需时间。,任务三 热电式传感器的原理及应用,项目一 空调温控开关的原理与设计,【,学习目标,】,（1）掌握金属热电阻的工作原理。,（2）掌握热敏电阻的工作原理。,（3）了解热敏电阻的应用。,【,知识准备,】,温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。,一、热电阻,(,一）热电阻的分类,1.铂热电阻,2.铜热电阻,3.镍热电阻,金属电阻率及其温度系数,(,二,）热电,阻,的特性,（1）电阻值与温度变化具有良好的线性关系。,（2）电阻温度系数大，便于精确测量。,（3）电阻率高，热容量小，反应速度快。,（4）在测温范围内具有稳定的物理性质和化学性质。,（5）材料质量纯，容易加工复制，价格便宜。,（三）热电阻,传感器的结,构,1.普通热电阻,热电阻传感器一般由测温元件（电阻体）、保护管、引线和接线盒等组成,2,.,铠装热电阻,铠装热电阻由金属保护管、绝缘材料和感温元件组成,3.,薄膜及厚膜型铂热电阻,(,四）热电阻传感器的测量线路,热电阻测温电桥电路,二、热敏电阻,（一）热敏电阻的结构,热敏电阻主要由热敏探头、引线、壳体等构成，热敏电阻一般做成二端器件，但也可做成三端或四端的器件二端和三端器件为直热式，即热敏电阻直接由连接的电路中获得功率。,a）圆片型热敏电阻,b,）柱型热敏电阻,c,）珠型热敏电阻,d）铠装型,e,）厚膜型,f,）图形符号,几种常见的热敏电阻,（二,）热敏电阻的分类,热敏电阻有负温度系数（NTC）和正温度系数（PTC）之分。NTC又可分为两大类：,第一类用于测量温度，它的电阻值与温度之间呈严格的负指数关系；,第二类为突变型（CTR）。,各,种热敏电阻的特性曲线,1为突变型,NTC,，,2,为,NTC,，,3,为,PTC,，,4,为突变型,PT,C,（三）热敏电阻的应用,1.热敏电阻测温,热敏电阻,体温,表原理图,2.热敏电阻用于温度补偿,热敏电阻可在一定范围内对某些元件进行温度补偿。例如，由铜线绕制而成的动圈式仪表表头中的动圈，当温度升高时，电阻增大，引起测量误差。如果在动圈回路中串接负温度系数的热敏电阻，则可以抵消由于温度变化所产生的测量误差。,3.热敏电阻应用,在空调、电热水器、自动保温电饭锅、冰箱等家用电器中，热敏电阻常用于温度控制。,热敏电阻在电冰箱温度控制中的应用,C,PU,的温度测量,热敏电阻体温表,任务三 热电式传感器的原理及应用,项目二 智能热电偶测温系统的设计,【,学习目标,】,（1）掌握热电偶工作原理。,（2）了解热电偶的基本定律、,热电偶材料与结构形式。,（3）理解热电偶的冷端补偿。,【,知识准备,】,一、热电偶的工作原理,1.热电效应,当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。这种物理现象称为热电效应。两种不同材料的导体所组成的回路称为“热电偶”，组成热电偶的导体称为“热电极”，热电偶所产生的电动势称为热电动势（以下简称热电势）。,热电偶原理图,2.接触电动势,3温差电动势,4热电偶回路的总电势,结论：,（1）如果热电偶两电极材料相同，即使两端温度不同（tt0），但总输出热电势仍为零。因此必须由两种不同材料才能构成热电偶。,（2）如果热电偶两结点温度相同，则回路总的热电势必然等于零。两结点温差越大，热电势越大。,二、热电偶的基本定律,1均质导体定律,2中间导体定律,3标准电极定律,4中间温度定律,三、热电偶材料,根据金属的热电效应原理，组成热电偶的热电极可以是任意的金属材料，但在实际应用中，用作热电极的材料应具备如下几方面的条件：,（1）测量范围广。,（2）性能稳定。,（3）化学性能好。,通用热电偶特性表,铂铑30,表示该合金含,70%,的铂及,30%,的铑，以下类推,四、热电偶的结构形式,1普通型热电偶（工业装配式热电偶）,1测量端；2热电极；3绝缘食管；4保护管；5接线盒,2铠装式热电偶（缆式热电偶）,铠装热电偶的,结构及外形,3薄膜热电偶,1,工作端；,2,薄膜热电极；,3,绝缘基板；,4,引脚接头；,5,引,出线（材质,与,热电极相同）,4表面热电偶,主要用于测量各种固体表面（如金属块、炉壁、涡轮叶片等）的温度。,5.浸入式热电偶（消耗型热电偶或快速热电偶）,主要用于测量钢水、铝水以及其他熔融金属的温度。,五、热电偶的冷端补偿,1冷浴法,2补偿导线法,3.补偿电桥法,4.显示仪表零位调整法,5.计算修正法,在实际应用中，热电偶的参比端往往不是，而是环境温度，这时测量出的回路热电势要小，因此必须加上环境温度与冰点之间温差所产生的热电势后才能符合热电偶分度表的要求。,EAB（t，0）=EAB（t，t0）+EAB（t0，0）,六、热电偶冷端的延长,六、热电偶的选择、安装使用和校验,1.热电偶的选择、安装使用,图3-21热电偶安装图,2.热电偶的定期校验,7,8,5,6,4,3,2,1,220V,稳压电源,工业热电偶允许偏差,任务四 压电式传感器的原理及应用,项目 玻璃打碎报警装置的原理与设计干扰技术,【学习目标】,（1）了解压电传感器的工作原理。,（2）了解压电材料的分类及特性。,（3）了解玻璃打碎报警装置的原理。,（4）了解加速度计的原理。,【知识准备】,一、压电效应,科学研究中发现，某些电介质在沿一定的方向受到外力作用变形时，由于内部电荷的极化现象，会在其表面产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。这种现象称作压电效应。,压电效应,图（,a,）是在,X,轴方向受压力，图（,b,）是在,X,轴方向受拉力，图（,c,）是在,Y,轴方向受压力，图（,d,）是在,Y,轴方向受拉力。从图中可以看出，改变压电材料的变形方向，可以改变其产生电荷的极性。,实验证明，压电元件上产生的电荷量,Q,与施加的外力,F,成正比，即,二、压电材料的分类,常见的压电材料可分为三大类：压电晶体、压电陶瓷与新型高分子压电材料。,1,、,压电晶体,石英（SiO2）是一种具有良好压电特性的压电晶体。其介电常数和压电系数的温度稳定性相当好，在常温范围内这两个参数几乎不随温度变化，如图所示。,石英的压电系数相对于20的温度变化特性,石英在高温下相对介电常数的温度特性,天然形成的石英晶体外形,2、,压电陶瓷,压电,陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的,压电灵敏度高得多,，而制造,成本却较低,，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷。常用的压电陶瓷材料有,锆钛酸铅系列压电陶瓷（,PZT,）,及,非铅系压电陶瓷,（如,BaTiO,3,等）,。,压电陶瓷外形,3、,高分子压电材料,典型的高分子压电材料有,聚偏二氟乙烯（,PVF,2,或,PVDF,）,、,聚氟乙烯（,PVF,）、,改性聚氯乙烯（,PVC,）,等。它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成,薄膜或电缆套管,等形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较,大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可达,80dB,。,高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆,三、压电式传感器的测量电路,（一）等效电路,当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。可把压电传感器看成一个静电发生器，如图4-12(a)所示。也可把它视为两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器，如图4-12(b)所示。,压电传感器的等效电路,其电容量为,其中,压电元件电极面面积；,压电元件厚度；,压电材料的介电常数；,压电材料的相对介电常数；,真空的介电常数。,（二）测量电路,压电式传感器的前置放大器有两个作用：,（1）把压电式传感器的高输出阻变换成低阻抗输出；,（2）放大压电式传感器输出的弱信号。,前置放大器形式：,（1）电压放大器，其输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比；,（2）电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。,便携式测振仪外形,1,量程选择开关,SC 2,压电传感器输入信号插座 3,多路选择开关,4,带宽选择开关,SR 5,带背光点阵液晶显示器,6,电池盒,7,可变角度支架,任务五 电容传感器的原理及应用,项目一 电容接近开关的原理与设计,【学习目标】,（1）了解电容传感器的原理。,（2）了解电容传感器的主要特性。,（3）掌握电容传感器的应用。,【知识准备】,电容器是电子技术的三大类无源元件(电阻、电感和电容)之一，利用电容器的原理，将非电量转换成电容量,进而实现非电量到电量的转化的器件或装置，称为电容式传感器，它实质上是一个具有可变参数的电容器。,一、电容传感器的工作原理及类型,平板电容器的电容量为,式中,A,两极板有效面积；,d,极距；,介电常数；,r,相对介电常数；,0,真空的介电常数，,0,=8.85,10,-12,(F/m)。,图,变面积型电容传感器的结构及原理,此时电容 为,电容的相对变化量和灵敏度为,式中 a,极板的长度；,b,极板的宽度；,在a方向上的位移。,角位移式电容传感器原理图,图,此时的电容量,为,图,同心圆桶式变面积式传感器,此时的电容量 为,2.变极距式电容传感器,变极距式电容传感器,图,a、结构示意图 b、电容量与极板距离的关系,1定极板 2动极板 3弹性膜片,变极距式电容的基本结构电容的相对变化量,和灵敏度分别为,差动式电容的相对变化量和灵敏度分别为,差动结构的变间隙电容传感器,图,3.变介电常数式,介质名称,相对介电常数r,介质名称,相对介电常数r,真空,1,玻璃釉,35,空气,略大于1,SiO,2,38,其他气体,11.2,云母,58,变压器油,24,干的纸,24,硅油,23.5,干的谷物,35,聚丙烯,22.2,环氧树脂,310,聚苯乙烯,2.42.6,高频陶瓷,10160,聚四氟乙烯,2.0,低频陶瓷、压电陶瓷,100010000,聚偏二氟乙烯,35,纯净的水,80,图,变介电常数式电容传感器,二、电容传感器测量电路,1.桥式电路,电容C,1,、C,2,、C,3,、C,x,构成电桥的四臂，设C,x,的初始电容为C,0,，当电容,传感器没有被测量输入时，,C,x,为电容传感器,当C,x,改变时，U,0,0，有输出电压：,单臂电桥电路,图,双臂电桥,图,为差动传感器的电容，与变压器的副边绕组形成双臂电桥。初始电容为C,0,，有被测量输入时,差动变化，,。,电桥失去平衡。,2.调频电路,图,调频电路,调频振荡器的振荡频率由下式决定：,图,运算放大器式测量电路,【项目描述与分析】,L,2,R,1,2,R,22,2,H,图,圆筒型电容传感器结构,该圆筒型电容传感器的计算公式如下：,式中,未装入物料时传感器的初始电容；,空气的介电常数;L为两电极的长度；,R,2,外电极的半径;R,1,为内电极的半径。,当装入物料位为H时，传感器的电容量C,x,为,式中,被测物体的介电常数。,由上两式可知，当被测物料位置由零增加到H时，,传感器的电容变化量为,显然,，参,数,、,、,均为定值。,因此，圆筒型电容,传感器的电容变化量与料位H是一一对应的关系,即测取传感器的电容量就可确定被测料位。,【项目设计】,图,检测电路,【知识拓展】,图,太阳能热水器水位测量原理框图,任务六 磁电传感器原理及应用,项目一,电感传感器在自动报纸架中的应用,【,学习目标,】,（,1,）了解几种电感传感器的基本概念和工作原理。,（,2,）了解电感传感器的分类及测量对象。,（,3,）掌握差动变压器传感器的工作原理。,（,4,）掌握电感式传感器的应用,【,知识准备,】,一、自感式传感器,自感式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料制成。自感式传感器把被测量的变化换成自感,L,的变化，通过一定的转换电路转换成电压和电流输出。,自感式传感器,a,）变气隙式,b),变截面式,c),螺线管式,d,）螺线管式外形图,1,线圈,2,铁心,3,衔铁,4,测杆,5,导轨,6,工件,7,转转轴,1,变气隙式传感器,线圈的匝数,；,A,气隙的有效面积；,真空磁导率，与空气的磁导率相近,；,气隙厚度。,灵敏度,其灵敏度不是常数，越小灵敏度越高。为提高灵敏度并保证一定的线性度，气隙式传感器只能工作在很小的区域，因而只能用于微小位移的测量，,气隙式传感器特性曲线,2,变截面式传感器,若保持气隙厚度为常数，则电感,L,是气隙截面积,A,的函数，故称这种传感器为变截面式电感传感器。,其灵敏度为：,3.,螺线管式电感传感器,铁芯在开始插入（,x=0,）或几乎离开线圈时的灵敏度，比铁芯插入线圈的,1/2,长度时的灵敏度小得多。这说明只有在线圈中段才有可能获得较高的灵敏度，并且有较好的线性特性,螺线管线圈内磁场分布曲线,螺管式自感传感器的特点：,结构简单，制造装配容易；,由于空气间隙大，磁路的磁阻高，因此灵敏度低，但线性范围大；,由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰；,由于磁阻高，为了达到某一自感量，需要的线圈匝数多，因而线圈分布电容大；,要求线圈框架尺寸和形状必须稳定，否则影响其线性和稳定性。,4.,差动电感传感器,差动式传感器结构和电路图,5,自感式电感传感器的测量电路,电感电桥 电容电桥,二、差动变压器传感器,差动变压器传感器目前多采用螺线管型差动变压器。其基本元件有衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈框架等。初级线圈作为差动变压器激励用，相当于变压器的原边，而次级线圈由结构尺寸和参数相同的两个线圈反相串接而成，相当于变压器的副边,螺管型差动变压器,1,初级线圈；,2.3,次级线圈；,4,衔铁,2,4,1,2,3,1,差动变压器的工作原理,差动变压器像自感传感器一样，也有变气隙式、变面积式和螺管式三种类型，目前应用最广泛的是螺管式差动变压器，,差动传感器结构外形图及等效电路,2.,零点残余电压,（,1,）零点残余电压产生,零点残余电压的输出特性,原因：,基波分量,和,高次谐波,0,0,e2,x,-x,e20,（,2,）消除零点残余电压方法,从设计和工艺上保证结构对称性。,选用合适的测量线路。,4测量电路,相敏检波电路,差动整流电路。,三、电感传感器的应用,1-,接头；,2-,膜盒；,3-,底座；,4-,线路板；,5-,差动,变,压器线圈；,6-,衔铁；,7-,罩壳；,8-,插头；,9-,通孔,微压力传感器示意图,任务六 磁电传感器原理及应用,项目二 电涡流传感器微距测量系统的原理与设计,【,学习目标,】,（1）了解电涡流效应。,（2）掌握电涡流探头结构和被测体材料、形状和大小对灵敏度的影响。,（3）掌握电涡流式传感器的测量转换电路。,（4）掌握电涡流式传感器的应用。,【,知识准备,】,一、电涡流式传感器的工作原理,根据法拉利电磁感应定律，将金属导体置于变化的磁场中，导体表面就会有感应电流产生。电流的流线在金属体内自行闭合，这种由电磁感应原理产生的旋涡状感应电流称为电涡流，这种现象称为电涡流效应。,电涡流传感器的工作原理示意图,当电涡流线