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1、2018/9/25,1,安全测试技术与仪表,主讲人: 戴广龙,安全测试技术与仪表,2018/9/25,2,第一讲 非电量检测技术基础,一、本章主要内容 1 非电量检测技术及特点-非电量分类，检测技术，特点 2 非电量检测系统的基本构成及功能-组成，功能 3 非电量检测系统的分类及特性分析-主动式，被动式，开环式和闭环式等特性分析 4 测量方法及分类-直接测量、间接测量、联立测量 5 测量误差及分析技术-测量误差分类，分析 6 测试数据的处理-可疑数据的处理和测试数据表示方法 二、重点与难点： 1、开环式和闭环式等特性分析(包括误差分析) 三、本章讲课学时 4个学时,2018/9/25,3,1、
2、非电量：无论是在科学技术的发展中，还是在工业生产的过程中，都存在着各种各样需要进行测控的参量。这些参量绝大多数是非电量，而且在种类和数量上远比电量数量多。这些量有大有小，有强有弱；有些不随时间而变化，有些随时间而变化；有些是标量，有些是矢量；有些是离散的，有些是连续的；这些量涉及到机械、热工、化学、光学和声学等不同领域。在科学技术的研究、工业生产应用的过程中，对这些量往往不仅要进行测量，而且要对其进行控制、变换、传输、显示、记录、存储等。2、非电量电测技术：在实践的过程中，人们逐步认识到电量具有易测等许多优点，而且大多非电量可以精确地转化为相应的电量，于是非电量就可用电量的测量技术对其测量，这
3、就是所谓的非电量检测技术，或称非电量电测技术。,2018/9/25,4,第一节 非电量检测技术及特点,一、非电量的分类 众多的非电量，主要可归纳为以下四类： 1热工量：温度、热量、比热、热流、热分布；压力、压强、压差、真空度；流量、流速、风速；物位、液位、界面等。,2018/9/25,5,2机械量：位移、尺寸、形状、形变；力、应力、力矩、扭矩；重量、质量；转速、线速度；振动、加速度、噪声。 3物性和成分量：气、液体化学成分、酸碱度、盐度、 浓度、粘度、硬度； 密度、比重。 4状态量：颜色、透明度、磨损量、裂纹、缺陷、泄 漏、开关等。,2018/9/25,6,二、非电量检测技术及应用,非电量的检
4、测技术：用电测技术的方法对非电量进行测量，即非电量电测或称非电量电测量。它首先把非电参量转换成电信号，然后对其进行测量。1、非电量检测分类：非电量检测的方法依据传感器转换原理的不同而有不同的分类，归纳起来主要可分为以下几类： (1)电磁检测 电阻式电位计式、应变片式、压阻式；电感式自感式、互感式(差动变压器)、电涡流式、压磁式、感应同步器； 电容式电容式（电容式压差传感器）、容栅式；磁电式磁电感应式、磁栅式、磁敏式(霍尔式）热电式热电偶、热电阻、热敏电阻；压电式正压电式、声表面波式；振频式振弦式、振筒式、振片式。,2018/9/25,7,(2)光学检测光电式、激光式、红外式、光栅式、光导纤维式
5、、光学编码器式等。 (3)超声波检测。 (4)同位素检测。 (5)微波检测。 (6)电化学检测。,2018/9/25,8,2、非电量电测技术的主要优点(1)便于实现连续测量由于电子技术及微电子技术的发展，使得对电量的测量准确度高、灵敏度高、反应速度快。因此，能够实现非电量的连续测量。 （KJ66瓦斯监测）(2)便于实现远距离测量和集中控制（嫦娥一号北京控制中心）(3)便于实现静动测量随着传感器、测量电路响应速度的不断提高，信号数值分析和数据处理速度提高，不但能实现对静态或稳态下的性能参数进行很好地测量，而且对于动态特性参数的实时测量也能容易地实现。 （月球轨道参数计算1S）,2018/9/25
6、,9,(4)便于实现大范围测量由于电子技术的发展，测量装置的量程很容易实现多量程，测量装置的频带可达到很宽，因此，很容易实现大范围的测量。（多路开关：压力、CH4）(5)便于实现计算机辅助检测计算机技术的发展及其在检测中的应用，使得检测系统的校正功能、信息变换功能、分析处理的功能、人机交互功能大大提高，从而使检测系统的性能得以极大地改善。,2018/9/25,10,3、非电量检测技术的应用概述非电量的检测技术被广泛地应用于工农业生产、科学研究等部门。 1)在工程结构和机械设计过程中若仅凭已有的理论公式或经验公式计算，往往还不够准确，特别是对许多复杂的结构和特殊条件还没有理论或经验公式可依据时，
7、就更需要进行实地的测试。同时，在现代化的设计工作中，通常都要先作模拟实验，通过模拟实验来寻找或判断最佳条件，而这些模拟实验是离不开非电量检测的。（月球、火星）2)在许多科学研究过程中非电量检测也占有很重要的位置。例如，航空和宇航技术中的风洞实验要涉及大量的机械量的检测；新型建筑材料、机械构件的研制以及桥梁的架设等，均需要进行种类繁多的非电量检测后，才能得到可靠的研究数据，取得应有的成果。,2018/9/25,11,3)在工业生产中发电厂锅炉的进水量、压力、温度、蒸汽消耗量等都必须进行自动检测以及实时监控； （缺水、满水）又如，工业锅炉在出厂前必须对焊缝的缺陷(如裂缝、灰渣、气泡、未焊透和表面缺
8、陷等)进行严格检查，其检测结果将作为技术档案随锅炉出厂。总之，工业生产中，各种材料、器材的质量鉴定和监督都离不开非电量的检测。 （ 40年前小裂纹）工厂自动化中的柔性制造系统或计算机集成制造系统、不同用途的机器人等均需配置高精度传感检测系统，用以检测各种工况参数，以达到运行监控的目的。 （轧钢的压轧力、土木材料变形量检测）,2018/9/25,12,4)在航空航天一架飞机从设计到样机试飞所需要检测的非电量是相当繁多的。为研究飞机的静强度。要贴上数百只电阻应变计。机上有关点的压力、振动、温度和机内管路中的压力、流量、温度以及油箱的液位和液温等这些非电量的检测均需自动地进行。5)在军事上（地对空导
9、弹，1m）6)在农业生产中（大棚种植温度、湿度监测控制）,2018/9/25,13,第二节 非电量检测系统的基本构成及功能,一、非电量检测系统组成为实现非电量的电测量，首先需要解决的是从非电量到电量的变换，这一变换主要靠传感器来完成。传感器输出的电信号需要经过测量电路进行加工和处理，如衰减、放大、调制和解调、滤波、运算和数字化等。测量结果由输出电路显示或记录，为了显示被测量的变化过程，可以采用光线示滤波器、笔录仪、屏幕显示器、打字机和磁带等输出设备。,2018/9/25,14,一、非电量检测系统组成,主要是由三个基本部分一一传感器、测量电路和输出电路所组成。一般也称传感器部分为一次仪表，而称测
10、量电路和输出电路（数显计重仪）为二次仪表。当然，根据传感器输出的测量信号的形式不同以及测量系统的功能不同，非电量检测系统的具体构成也相应地有所不同，也会在相应三个基本部分的基础上有所增加如图3一1所示的非电量计算机辅助检测系统主要由传感器、转换电路、信号预处理电路、微机辅助处理、输出等环节组成。其中基本转换电路和信号预处理电路可统称为测量电路。现以该系统为例，简述各部分功能及特点。,3-1 非电量检测系统构成,2018/9/25,15,二、非电量检测系统各部分功能,1、传感器非电量检测系统中的关键元件是传感器。传感器是一种能敏锐感知被测参量功能转换的元件(或装置)。它能把光、磁、热、力、超声、
11、射线和酶等物理学、化学、生物学等的非电参量转换成与之有对应关系和易于精确处理的电的或其它形式的信号。 （温度计、热电阻、热电偶）2、测量电路测量电路的功能是将传感器输出的电信号经过必要的转换或(和)信号处理，使之便于驱动显示、记录执行机构或进行微机数据处理。测量电路的组成与传感器输出测量信号的形式有关，与测量系统(或仪器)的功能要求有关，因此，可根据输出信号的形式和系统的功能要求决定测量电路的类型。,2018/9/25,16,1）开关电测电路传感器的输出信号为开关信号，如电触点或光线的通断信号，测量电路的实质为功率放大器。图3一2所示为触点S接通便继电器K吸合的电路。,2018/9/25,17
12、,2）、模拟量测量电路传感器输出模拟信号。电阻式、电感式、电容式、压电式、磁电式、热电式及某些光电传感器均输出这类信号。模拟量测量电路的基本构成如图3一3所示。 (1)基本转换电路基本转换电路的功能是将传感器的参数变化转换为电量输出。比如传感器为电参量式的，即被测信号的变化引起传感器的电阻、电感或电容等参数的变化，传感器输出为电路参数R、L（负压传感器）、C（电容式压差传感器），则需通过基本转换电路将其转换为易测电量(电压、电流或电荷等)。若传感器的输出已是电量，则不需要基本转换电路。 （数字风表、氢离子监测器）,2018/9/25,18,(2)量程切换电路 （长度多路开关：风速）对于某一传感
13、器，有其一定量程。在测量不同范围的参数时，为了提高测量精度，可以使用传感器线性度最好的范围，因此，为适应不同测量范围的参数需要，常引入量程切换电路。(3)放大器由传感器或基本转换电路送来的测量信号往往很微弱，通常最大为毫伏级，为了后续处理的需要，需要进行放大。因信号微弱，因而对放大器的精度要求很高，要求它能鉴别被测量的微小变化。为此常要求放大器低噪声、高稳定性、低漂移、高抗干扰性能、高输入阻抗。高共模抑制比、高线性度和适宜的频率特性。（北京密云50m，云南昆明40m ）,2018/9/25,19,(4)调制与解调缓变电信号、利用直流放大有零漂等问题。调制是指利用信号来控制和改变高频振荡的某个参
14、数(幅值、频率或相位)，使它随着被测信号作有规律的变化，以利于实现信号的放大与传输。根据被控制量(幅值、频率或相位)的不同，调制分调幅、调频、调相。一般将控制高频振荡的缓变信号称为调制波；载送缓变信号的高频振荡波称为载波；经过调制的高频振荡波称为已调波。解调或检波是对已调波进行鉴别以恢复缓变的被测信号。,2018/9/25,20,调制：缓变信号变成高频交交信号的过程称为，调制也可以称用被测缓变信号对一个标准高频振荡进行控制的过程；调制信号：被测信号；载波：标准高频振荡；已调制波：经过波测信号调制后的载波。幅值调制：调制信号控制高频振荡幅值的调制；频率调制：调制信号控制高频振荡频率的调制；相位调
15、制：调制信号控制高频振荡相位的调制。解调：是从已调制波中不失真地恢复原来缓变信号的过程。,2018/9/25,21,A、幅值调制:使载波信号的幅值随调制信号的变化而线性变化。,调制信号、载波与已调制波,2018/9/25,22,B、频率调制是用低频调制信号控制高频载波信号频率的过程。调频过程中载波的幅值保持不变，仅仅载波频率随调制信号的幅值成正比地改变。所以调频波就是一个随调制信县变化的疏密不等的等幅波。当调制信号幅值增加时，调频波的频率随着增加；当调制信号幅值下降时，调频波的频率也随着下降。,2018/9/25,23,(5)滤波器A、滤波器是一种具有选择频率功能的装置。它使信号中特定的频率成
16、分通过而极大地衰减其它频率成分。B、分类：根据滤波器的选频作用，一般将滤波器分为低通、高通、带通和带阻滤波器四类；根据构成滤波器的元件类型，可将其分为RC、LC或晶体谐振滤波器三类；根据相同滤波器的电路性质，可将其分为有源和无源滤波器两类；根据滤波器处理的信号性质，又可将其分为模拟滤波和数字滤波两类。尽管在模拟测量电路中讨论的均属模拟滤波器范畴，但随着计算机技术在测量系统中的应用，数字滤波技术得到越来越广泛的应用。所谓数字滤波是指通过一定的计算程序对采样信号进行平滑加工、提高其有用信号的比重，消除或减少干扰噪声。,2018/9/25,24,低通滤波器允许信号低频通过而抑制信号高频部分；高通滤波器正好相反，高频信号通过，低频信号被抑制带通滤波器允许信号中某段频率成分通过而抑制其余频率成分；带阻滤波器抑制信号中某段频率成分而允许其余频率成分通过。,2018/9/25,25,(5)滤波器数字滤波法与模拟RC滤波法相比较，具有如下优点：（A）数字滤波无需硬件设备，只是增加一个滤波程序，不存在阻抗匹配问题，尤其是可以对很高的频率和很低的频率进行滤波，这是RC模拟滤波方法难于实现的。（B）便于根据不同传感器的输出特点及环境状况改变滤波参数，选择不同的滤波方法。 常用的数字滤波方法有：限幅滤波法、中位值滤波法、递推平均滤波法、加权递推平均滤波法、算术平均滤波法、一阶滞后滤波法等。,
