动力工程测控技术

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1、动力工程测控技术 热工程研究所 章立新3.3.动力工程基本量测量技术动力工程基本量测量技术3.1 测量仪表的静态特性和动态特性3.1 测量仪表的静态特性和动态特性z3.1.1 3.1.1 静态特性静态特性z静态特性曲线静态特性曲线理论设计时希望理论设计时希望 y=a1x 为线性特性，并且为线性特性，并且a0=0，无无零点偏移零点偏移。 静态校准：静态校准：在标准条件下，用高于被校系统在标准条件下，用高于被校系统35倍倍精度的校准设备，对系统重复（不少于精度的校准设备，对系统重复（不少于3次）进行次）进行全量程逐级地加载（正行程）和卸载（反行程）测全量程逐级地加载（正行程）和卸载（反行程）测试，

2、从而确定输入和输出关系的过程。试，从而确定输入和输出关系的过程。理论特性曲线：理论特性曲线：3.1 测量仪表的静态特性和动态特性静态校准条件：静态校准条件：环境温度为环境温度为205，湿度不大于，湿度不大于85%，大气压力为，大气压力为101.38Kpa，没有振动和冲击（除非这没有振动和冲击（除非这些参数本身是被测物理量）。些参数本身是被测物理量）。静态校准曲线：静态校准曲线：由各次校准数据的平均值拟合得到的由各次校准数据的平均值拟合得到的曲线。如用线性拟合，也称为工作直线，对应的方程曲线。如用线性拟合，也称为工作直线，对应的方程称为拟合方程。称为拟合方程。3.1 测量仪表的静态特性和动态特性

3、z量程和刻度范围量程和刻度范围z准确度（精度）准确度（精度） 最大输入量与最小输入量区间称为量程；仪表刻最大输入量与最小输入量区间称为量程；仪表刻度终值与始值区间称为刻度范围。两者相差仪表的基度终值与始值区间称为刻度范围。两者相差仪表的基本误差和倍率。本误差和倍率。 仪表的最大绝对误差折合到仪表标尺范围的百分仪表的最大绝对误差折合到仪表标尺范围的百分数，按此将仪表精度分级，常用有数，按此将仪表精度分级，常用有0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0七个等级。注意对同一量程和七个等级。注意对同一量程和准确度的仪表，其绝对误差与被测参数的大小无关；准确度的仪表，其绝对误差与被测参数的

4、大小无关；对同一准确度的仪表，量程越大，绝对误差也越大。对同一准确度的仪表，量程越大，绝对误差也越大。3.1 测量仪表的静态特性和动态特性 因此，在满足被测量数值范围的前提下，尽可能选因此，在满足被测量数值范围的前提下，尽可能选择量程小的仪表，对稳态测量值选在仪表满刻度的三分择量程小的仪表，对稳态测量值选在仪表满刻度的三分之二左右。之二左右。例：被测温度例：被测温度4040左右左右 ，要求，要求-0.5-0.5t0.5t0.5，请请选择合适的温度计。选择合适的温度计。（1 1）0 05050 （2 2）0 0100100 （3 3）5050100100 ， 1.01.0级级（4 4）0 050

5、50 ， （5 5）0 0100100 ， 0.5 0.5级级精度满足要求，精度满足要求，测点位置合适。测点位置合适。精度不满足要求，精度不满足要求，测点不位置合适。测点不位置合适。精度满足要求，测点位置不合精度满足要求，测点位置不合适，与（适，与（1）比不经济。）比不经济。测点位置合适，精度高于要测点位置合适，精度高于要求，与（求，与（1）比不经济。）比不经济。量程范围不对量程范围不对3.1 测量仪表的静态特性和动态特性z线性度线性度 反映实际输入、输出与理想直线的偏离程度。反映实际输入、输出与理想直线的偏离程度。3.1 测量仪表的静态特性和动态特性z迟滞性迟滞性 反映测量装置正、反行程校准

6、曲线在同一校准级上反映测量装置正、反行程校准曲线在同一校准级上输出值不一致的程度，也称为变差。输出值不一致的程度，也称为变差。3.1 测量仪表的静态特性和动态特性z重复性重复性 反映在规定的同一校准条件下对测量装置按同一反映在规定的同一校准条件下对测量装置按同一方向在全量程范围内多次重复校准得到的各次校准曲方向在全量程范围内多次重复校准得到的各次校准曲线的不一致性。线的不一致性。t为置信系数，一般取为置信系数，一般取95%置信置信度的度的t分布值；分布值；maxmax为正、反行程各校准级上为正、反行程各校准级上标准偏差标准偏差vjvj的最大值：的最大值：反行程第反行程第j-aj-a校准级（校校

7、准级（校准准n n次）次）正行程第正行程第j j校校准级（校准准级（校准n n次）次）3.1 测量仪表的静态特性和动态特性z灵敏度灵敏度 静态测量时，输出量变化值静态测量时，输出量变化值yy 与与输入量变化值输入量变化值xx 之之比比 。对一台线性仪表，。对一台线性仪表，S S为常数，但表达为常数，但表达的方式和含义不完全一致。如：的方式和含义不完全一致。如： 5 5mV/mV/MpaMpa表示某压力传感器的输入每变化表示某压力传感器的输入每变化1 1MpaMpa有有5 5mVmV的的变化输出。变化输出。 1.5 1.5mV/VmV/V表示某压力传感器在额定压力作用下，当电表示某压力传感器在额

8、定压力作用下，当电桥输入电压为桥输入电压为1 1V V时，电桥输出电压为时，电桥输出电压为1.51.5mVmV。3.1 测量仪表的静态特性和动态特性z分辨力和分辨率分辨力和分辨率z环境误差环境误差 分辨力指能引起输出量发生变化的最小输入量分辨力指能引起输出量发生变化的最小输入量xx 。 分辨率用全量程范围内最大的分辨率用全量程范围内最大的xx 与测量系统满量程与测量系统满量程输出值之比表示输出值之比表示 。 仪表特性随温度等环境条件的变化而变化。如：仪表特性随温度等环境条件的变化而变化。如：3.1 测量仪表的静态特性和动态特性z输入阻抗与输出阻抗输入阻抗与输出阻抗 输入阻抗是指仪表在输出端接有

9、额定负载时，输输入阻抗是指仪表在输出端接有额定负载时，输入端所表现出来阻抗。输入阻抗越大，信号源衰减程入端所表现出来阻抗。输入阻抗越大，信号源衰减程度越小。度越小。 输出阻抗是指仪表在输入端接有信号源时，输出端输出阻抗是指仪表在输入端接有信号源时，输出端所表现出来阻抗。输出阻抗小，信号衰减程度也小。所表现出来阻抗。输出阻抗小，信号衰减程度也小。3.1 测量仪表的静态特性和动态特性z3.1.2 3.1.2 动态特性动态特性z线性系统动态特性的数学模型线性系统动态特性的数学模型 动态特性是指仪表对随时间变化的被测量的响应特动态特性是指仪表对随时间变化的被测量的响应特性。动态特性好，其输出量随时间变

10、化的曲线与被测性。动态特性好，其输出量随时间变化的曲线与被测量随同一时间变化的曲线一致或者比较接近。量随同一时间变化的曲线一致或者比较接近。3.1 测量仪表的静态特性和动态特性z传递函数传递函数 为简化计算，对上述微分方程通过拉氏变换：为简化计算，对上述微分方程通过拉氏变换： ，将初始条件为零时输出与输入的，将初始条件为零时输出与输入的拉氏变换之比定义为传递函数拉氏变换之比定义为传递函数： H H（s s）和输入无关，它只反映测量系统本身的特和输入无关，它只反映测量系统本身的特性，包含瞬态、稳态时间响应和频率响应的全部信息，性，包含瞬态、稳态时间响应和频率响应的全部信息，并且与具体的物理结构也

11、无关，如弹簧并且与具体的物理结构也无关，如弹簧- -阻尼系统和阻尼系统和RCRC电路同是一阶系统（电路同是一阶系统（n=1n=1）。）。3.1 测量仪表的静态特性和动态特性z频率响应函数频率响应函数 输入信号为正弦函数时，测量系统的响应称为输入信号为正弦函数时，测量系统的响应称为频率响应。传递函数也称为线性系统的频率响应函频率响应。传递函数也称为线性系统的频率响应函数，它等于在初始条件为零时输出与输入的傅氏变数，它等于在初始条件为零时输出与输入的傅氏变换（换（ ）之比：）之比：3.1 测量仪表的静态特性和动态特性 从物理意义上说，通过傅氏变换可将满足一定条件从物理意义上说，通过傅氏变换可将满足

12、一定条件的任意信号分解成不同频率的正弦信号之和，其实质的任意信号分解成不同频率的正弦信号之和，其实质是将由时间域变换到频率域来描述，是将由时间域变换到频率域来描述，H H（jwjw）反映一个反映一个系统对正弦输入的稳态响应。系统对正弦输入的稳态响应。 如果输入一个标准正弦信号：如果输入一个标准正弦信号： 其稳态输出将是与输入同频率的正弦信号：其稳态输出将是与输入同频率的正弦信号： 则：则：3.1 测量仪表的静态特性和动态特性z测量系统的频率响应测量系统的频率响应z一阶系统的频率响应一阶系统的频率响应 常见的一阶系统有常见的一阶系统有弹簧弹簧- -阻尼、阻尼、RCRC电路、电路、 RLRL电路、

13、电路、液体温度计等，这些装置均可以用一阶微分方程来表液体温度计等，这些装置均可以用一阶微分方程来表示它们的输入与输出关系。示它们的输入与输出关系。3.1 测量仪表的静态特性和动态特性 对对弹簧弹簧- -阻尼系统，根据力学平衡：阻尼系统，根据力学平衡： 3.1 测量仪表的静态特性和动态特性 对不同物理结构的测量系统，传递函数形式相同，对不同物理结构的测量系统，传递函数形式相同，参数参数 有所不同，如有所不同，如RCRC电路，电路， 。对对一阶系统的频率响应特性：一阶系统的频率响应特性：其幅频特性（设其幅频特性（设K=1）：）： 相频特性：相频特性：3.1 测量仪表的静态特性和动态特性1、一阶系统

14、在正弦激励下，稳态输出时响应幅值和位相差取决一阶系统在正弦激励下，稳态输出时响应幅值和位相差取决于输入信号的频率于输入信号的频率和系统的时间常数和系统的时间常数。2 2、响应幅值随响应幅值随的增大而减小，位相差随的增大而减小，位相差随的增大而增大。的增大而增大。3 3、频率响应还与、频率响应还与有关。当有关。当 0.3 0.3 时，振幅与相位失真时，振幅与相位失真都比较小，说明都比较小，说明小，工作频率范围就可以大一些。小，工作频率范围就可以大一些。3.1 测量仪表的静态特性和动态特性z二阶系统的频率响应二阶系统的频率响应 典型的二阶系统有典型的二阶系统有弹簧弹簧- -质量质量- -阻尼、阻尼

15、、RLCRLC电路等。电路等。 这些装置均可以用二阶微分方程来表示它们的输入与这些装置均可以用二阶微分方程来表示它们的输入与输出关系。输出关系。3.1 测量仪表的静态特性和动态特性对对弹簧弹簧- -质量质量- -阻尼系统，根据力学平衡：阻尼系统，根据力学平衡：3.1 测量仪表的静态特性和动态特性设设K=1对对二阶系统的频率响应特性：二阶系统的频率响应特性：其幅频特性和相频特性分别为：其幅频特性和相频特性分别为：3.1 测量仪表的静态特性和动态特性3.1 测量仪表的静态特性和动态特性z测量系统的阶跃响应测量系统的阶跃响应z一阶系统的阶跃响应一阶系统的阶跃响应3.1 测量仪表的静态特性和动态特性z

16、二阶系统的阶跃响应二阶系统的阶跃响应3.1 测量仪表的静态特性和动态特性二阶系统的时域性能指标二阶系统的时域性能指标3.1 测量仪表的静态特性和动态特性z测量系统动态特性参数的测定测量系统动态特性参数的测定z一阶测量系统时间常数一阶测量系统时间常数的测定的测定z二阶系统阻尼比二阶系统阻尼比和固有频率和固有频率n的测定的测定3.1 测量仪表的静态特性和动态特性z例：某一阶压力传感器的时间常数为例：某一阶压力传感器的时间常数为0.5s，如果如果阶跃压力从阶跃压力从25MPa降到降到5MPa，试求试求2倍时间常倍时间常数的压力和数的压力和2s 后的压力。后的压力。3.1 测量仪表的静态特性和动态特性

17、z例：某二阶力传感器，固有频率为例：某二阶力传感器，固有频率为1KHz ，阻尼比等于阻尼比等于0.7，设灵敏度为，设灵敏度为1，求测量频率分别为，求测量频率分别为600Hz和和400Hz的正弦交变力的输出与输入的幅值比和相位差。的正弦交变力的输出与输入的幅值比和相位差。作 业z某温度传感器的时间常数为某温度传感器的时间常数为3s，当传感器受突变温当传感器受突变温度作用后，求传感器指示出温度差的度作用后，求传感器指示出温度差的1/3和和1/2所所需时间。需时间。z某一阶测量系统，在某一阶测量系统，在t=0时，输出为时，输出为10mV；在稳在稳定后，输出为定后，输出为100mV；在在t=5s 时，

18、输出为时，输出为50mV；求该测量系统的时间常数。求该测量系统的时间常数。z某力传感器为二阶系统，已知固有频率为某力传感器为二阶系统，已知固有频率为10KHz，阻尼比为阻尼比为0.6，如果要求其幅值误差不大于，如果要求其幅值误差不大于10%，问其可测的频率范围有多大？问其可测的频率范围有多大？3.2 传感器z3.2.13.2.1传感器传感器z传感器的作用传感器的作用z传感器命名法传感器命名法 传感器（传感器（TransducerTransducer或者或者SensorSensor）是将非电量转换是将非电量转换成与之有确定对应关系的电量或电参量的装置。成与之有确定对应关系的电量或电参量的装置。

19、1 1、敏感作用：完成信号的拾取；、敏感作用：完成信号的拾取；2 2、转换作用：完、转换作用：完成非电量到电量的转换。成非电量到电量的转换。主题词主题词+被测量被测量+转换原理或特征描述转换原理或特征描述+主要技术指标主要技术指标传感器，压力，应变式，传感器，压力，应变式，10KPa传感器，位移，磁电式，传感器，位移，磁电式，10mm3.2 传感器z传感器的分类传感器的分类z电阻式传感器：金属应变式；半导体压阻式电阻式传感器：金属应变式；半导体压阻式z电容式传感器：变面积式；变介电常数式；变间隙式电容式传感器：变面积式；变介电常数式；变间隙式z电感式传感器：自感型可变磁阻式；互感型差动变压器式

20、电感式传感器：自感型可变磁阻式；互感型差动变压器式z电涡流式传感器：高频发射式；低频发射式电涡流式传感器：高频发射式；低频发射式z磁电式传感器：动圈式；磁阻式；霍尔式磁电式传感器：动圈式；磁阻式；霍尔式z压电式传感器：压电式传感器：z热电式传感器：热电偶；热电阻热电式传感器：热电偶；热电阻z光电式传感器：光敏电阻；光电池；光敏晶体管光电式传感器：光敏电阻；光电池；光敏晶体管z光纤传感器：功能型；非功能型；拾光型光纤传感器：功能型；非功能型；拾光型3.2 传感器z3.2.2 3.2.2 电阻式传感器电阻式传感器z金属应变式传感器金属应变式传感器 将物理量的变化转换为敏感元件应力的变化致使电阻将物

21、理量的变化转换为敏感元件应力的变化致使电阻值改变，再通过转换电路变为相应的电信号输出。值改变，再通过转换电路变为相应的电信号输出。工作原理：工作原理：3.2 传感器应变片构造与分类：应变片构造与分类：3.2 传感器弹性敏感元件弹性敏感元件基本特性：非线性度、弹性滞后、弹性后效、固有频率基本特性：非线性度、弹性滞后、弹性后效、固有频率3.2 传感器测量电路测量电路 常用电桥电路，按电源性质不同，有直流电桥和交流电桥。常用电桥电路，按电源性质不同，有直流电桥和交流电桥。应变片布置有单臂、双臂和全桥等形式。应变片布置有单臂、双臂和全桥等形式。温度误差及补偿温度误差及补偿 温度误差的补偿有桥路补偿法和

22、组合式自补偿法。温度误差的补偿有桥路补偿法和组合式自补偿法。金属电阻应变式传感器的特点金属电阻应变式传感器的特点 性能稳定，精度高（性能稳定，精度高（0.05%0.05%0.015%）；测量范围宽；测量范围宽（0.030.031000MPa）；）；结构简单，使用方便；对环境适应能力强。结构简单，使用方便；对环境适应能力强。 3.2 传感器z半导体压阻式传感器半导体压阻式传感器金属电阻应变式传感器的应用金属电阻应变式传感器的应用 应变片可直接贴于被测试件上，也可贴于各种弹性敏感元应变片可直接贴于被测试件上，也可贴于各种弹性敏感元件上，构成测量各种物理量的传感器，再接入测量电桥，常用件上，构成测量

23、各种物理量的传感器，再接入测量电桥，常用于力、压力、位移、加速度和扭矩的测量。于力、压力、位移、加速度和扭矩的测量。工作原理工作原理压阻式传感器的典型结构压阻式传感器的典型结构3.2 传感器压阻式传感器的特点及应用压阻式传感器的特点及应用 灵敏度高；固有频率高，响应快；结构简单，可方便地实灵敏度高；固有频率高，响应快；结构简单，可方便地实现微型化，易于批量生产；精度高；工作可靠，抗振、抗干现微型化，易于批量生产；精度高；工作可靠，抗振、抗干扰能力强。扰能力强。 电阻和灵敏系数的热稳定性差，使用温度范围受到一定的电阻和灵敏系数的热稳定性差，使用温度范围受到一定的限制，在温度变化大的环境中使用时，

24、必须进行温度补偿；限制，在温度变化大的环境中使用时，必须进行温度补偿；量程小，在测量大应变时，非线性较严重；受腐蚀性气体影量程小，在测量大应变时，非线性较严重；受腐蚀性气体影响大、工艺复杂、要求严格、成本较高。响大、工艺复杂、要求严格、成本较高。 这类传感器在航空、航天及风洞等方面得到广泛应用。这类传感器在航空、航天及风洞等方面得到广泛应用。 3.2 传感器z3.2.33.2.3电容式传感器电容式传感器z变面积式电容传感器变面积式电容传感器3.2 传感器z变介电常数式电容传感器变介电常数式电容传感器3.2 传感器z变间隙式电容传感器变间隙式电容传感器3.2 传感器z差动电容传感器差动电容传感器

25、3.2 传感器 有电桥电路、运算放大器电路、调频电路、二极管环型检有电桥电路、运算放大器电路、调频电路、二极管环型检波波电电路、脉宽调制电路等。路、脉宽调制电路等。运算放大器电路原理运算放大器电路原理z测量电路测量电路3.2 传感器z电容传感器的特点及应用电容传感器的特点及应用特点：特点： 1 1、输入能量小，灵敏度高；、输入能量小，灵敏度高； 2 2、动态特性好；、动态特性好； 3 3、结构简单，环境适应性好；、结构简单，环境适应性好； 4 4、非线性较大；、非线性较大； 5 5、外界电容影响大。、外界电容影响大。应用：应用：1 1、可直接测量直线位移，角位移和介质的几何、可直接测量直线位移

26、，角位移和介质的几何尺寸以及动态的直线振动和角振动；尺寸以及动态的直线振动和角振动；2 2、单极式变间隙、单极式变间隙电容传感器常用于金属表面状况、距离尺寸、振幅等测电容传感器常用于金属表面状况、距离尺寸、振幅等测量；量；3 3、用于力、压力测量时，要用弹性元件先将压力、用于力、压力测量时，要用弹性元件先将压力转换成电容间距的变化；转换成电容间距的变化；4 4、可、可变介电常数式变介电常数式电容传感电容传感器常用于液位测量和温度湿度测量。器常用于液位测量和温度湿度测量。3.2 传感器z3.2.4 3.2.4 电感式传感器电感式传感器z自感型自感型可变磁阻式传感器可变磁阻式传感器 利用电磁感应原

27、理，把位移、振动、压力、流量利用电磁感应原理，把位移、振动、压力、流量等转换为电感线圈电感量变化的一种装置。等转换为电感线圈电感量变化的一种装置。传感器灵敏度：传感器灵敏度：S=LS=L/，一般取一般取/0 00.10.1， =0.001 =0.0011mm1mm3.2 传感器z互感型互感型差动变压器式传感器差动变压器式传感器常用可变磁阻式传感器的典型结构常用可变磁阻式传感器的典型结构可变导磁面积型可变导磁面积型 变气隙差动型变气隙差动型 单螺管线圈型单螺管线圈型 双螺管线圈差动型双螺管线圈差动型ie1=-M1(di/dt)e2=-M2(di/dt)3.2 传感器测量电路测量电路 衔铁移动使互

28、感系数衔铁移动使互感系数M M1 1和和M M2 2变化，从而输出变化，从而输出e e0 0。差动变压差动变压器式传感器的后接电路，需要采用即能反映衔铁位移的大小器式传感器的后接电路，需要采用即能反映衔铁位移的大小和方向，又能补偿零点残余电压的相敏检波输出电路。和方向，又能补偿零点残余电压的相敏检波输出电路。3.2 传感器差动变压式传感器的特点差动变压式传感器的特点3.2 传感器z3.2.5 3.2.5 电涡流式传感器电涡流式传感器z高频反射式电涡流传感器高频反射式电涡流传感器线圈的阻抗线圈的阻抗 Z=F(d,I,r,)Z=F(d,I,r,)d：距离；距离； r：尺寸因子；尺寸因子； I I、

29、 ：激励电流强度和频率；激励电流强度和频率；、：金属材料电导率和磁导率金属材料电导率和磁导率 高频磁场不能透过一定厚度的金高频磁场不能透过一定厚度的金属板，表面涡电流反作用于线圈，属板，表面涡电流反作用于线圈，导致线圈电感的变化。常用于测量导致线圈电感的变化。常用于测量探头与金属板之间距离的变化。探头与金属板之间距离的变化。3.2 传感器z低频透射式电涡流传感器低频透射式电涡流传感器 低频激励贯穿深度大，金属材料的厚度低频激励贯穿深度大，金属材料的厚度和电阻率，影响低频激励的贯穿深度，从和电阻率，影响低频激励的贯穿深度，从而影响感生交变电势而影响感生交变电势u u2 2，因此低频激励适因此低频

30、激励适用于测金属材料的厚度。激励频率较低用于测金属材料的厚度。激励频率较低（1 1KHzKHz）时，线性好，测量范围大，但灵时，线性好，测量范围大，但灵敏度低。如金属材料的厚度较小时，采用敏度低。如金属材料的厚度较小时，采用较高的激励频率以提高灵敏度。另外，金较高的激励频率以提高灵敏度。另外，金属材料的电阻率较小时，用较低的激励频属材料的电阻率较小时，用较低的激励频率率（0.50.5KHzKHz），），而而电阻率较大时，用较高电阻率较大时，用较高的激励频率的激励频率（2 2KHzKHz）。）。3.2 传感器测量电路测量电路1.1.电桥电路：可以把线圈的阻抗作为电桥的一个桥臂，但通电桥电路：可以

31、把线圈的阻抗作为电桥的一个桥臂，但通常用两个相同的电涡流线圈组成差动传感器。常用两个相同的电涡流线圈组成差动传感器。2.2.谐振电路：通常采用一个电容与电涡流线圈并联，构成并谐振电路：通常采用一个电容与电涡流线圈并联，构成并联谐振联谐振LCLC回路。回路。3.2 传感器被测体的材料、形状和大小对测量的影响被测体的材料、形状和大小对测量的影响 被测体是非磁性材料时，传感器的灵敏度较高；被测体被测体是非磁性材料时，传感器的灵敏度较高；被测体是磁性材料时，磁导率将影响电涡流线圈的感抗和等效品是磁性材料时，磁导率将影响电涡流线圈的感抗和等效品质因数，灵敏度要根据具体情况而定。质因数，灵敏度要根据具体情

32、况而定。 一般情况下，被测体电导率越高，灵敏度越高，在相同一般情况下，被测体电导率越高，灵敏度越高，在相同量程下，其线性范围越宽。量程下，其线性范围越宽。 被测体面积比传感器检测线圈大得多时，灵敏度基本不被测体面积比传感器检测线圈大得多时，灵敏度基本不变，被测体面积比传感器检测线圈小时，灵敏度下降。变，被测体面积比传感器检测线圈小时，灵敏度下降。 被测体厚度一般需要在被测体厚度一般需要在0.20.2mmmm以上。以上。 测量时要尽量避开其它导体。测量时要尽量避开其它导体。3.2 传感器电涡流传感器的应用电涡流传感器的应用1.1.位移测量位移测量2.2.振幅测量振幅测量3.3.转速测量转速测量4

33、.4.涡流探伤测量涡流探伤测量3.2 传感器z3.2.6 3.2.6 磁磁电式传感器电式传感器z磁电感应式传感器之一磁电感应式传感器之一动圈式动圈式 通过磁电作用把被测物理量的变化转换为感应电通过磁电作用把被测物理量的变化转换为感应电动势动势e的变化。的变化。1.1.线速度型：线速度型：e = NBLvsin（常用作速度计）常用作速度计）N：在均匀磁场内参与切割磁力线的线圈匝数；在均匀磁场内参与切割磁力线的线圈匝数；L：单匝线圈有效长度；单匝线圈有效长度； v：线圈与磁场的相对运动速度；线圈与磁场的相对运动速度； B：磁感应强度；磁感应强度；：线圈运动方向与磁场方向的夹角。线圈运动方向与磁场方

34、向的夹角。2.2.角速度型：角速度型：e = kNBA （常用作转速计）常用作转速计）k：依赖于结构的系数依赖于结构的系数 A：单匝线圈截面积单匝线圈截面积 ：角频率角频率3.2 传感器z磁电感应式传感器之一磁电感应式传感器之一磁阻式磁阻式 线圈与磁铁不动，有运动着的物体（导磁材料）改变磁路线圈与磁铁不动，有运动着的物体（导磁材料）改变磁路的磁阻的磁阻 ，引起磁力线增强或者减弱，使线圈产生感生电动势。，引起磁力线增强或者减弱，使线圈产生感生电动势。3.2 传感器z霍尔传感器霍尔传感器霍霍 尔尔效效 应应3.2 传感器霍霍 尔尔元元 件件霍尔元件结构霍尔元件结构霍尔元件的两种符号霍尔元件的两种符

35、号霍尔元件的基本电路霍尔元件的基本电路半导体材料：半导体材料：N N型锗（型锗（GeGe）锑化铟（锑化铟（InSbInSb）砷化铟（砷化铟（InAsInAs）3.2 传感器霍尔元件的主要参数霍尔元件的主要参数3.2 传感器3.2 传感器霍尔器件的误差与补偿霍尔器件的误差与补偿（1）温度误差与补偿）温度误差与补偿3.2 传感器（2）不等位电势与补偿）不等位电势与补偿3.2 传感器霍尔元件的特点及应用霍尔元件的特点及应用微位移测量微位移测量转速测量转速测量3.2 传感器z3.2.7 3.2.7 压压电式传感器电式传感器压电效应压电效应3.2 传感器3.2 传感器压电材料的性能压电材料的性能主要特性

36、参数主要特性参数性能要求性能要求3.2 传感器压电式传感器的输出与测量电路压电式传感器的输出与测量电路 为了提高输出灵敏度，通常将为了提高输出灵敏度，通常将n n片压电晶体叠合使用。片压电晶体叠合使用。 对并联法，有对并联法，有Q=Q=nqnq，U=uU=u，C=CC=C0 0。由于输出电荷量大，通由于输出电荷量大，通常以电荷输出，又因其电容量大，时间常数也大，故适用于常以电荷输出，又因其电容量大，时间常数也大，故适用于测量慢变信号；测量慢变信号；对串联法，有对串联法，有Q=qQ=q，U=U=nunu，C=CC=C0 0/n/n。由于输出由于输出电压量大，通常以电压输出，又因其电容量小，时间常

37、数也电压量大，通常以电压输出，又因其电容量小，时间常数也小，故适用于测量瞬变信号。为防止传感器的电荷通过测量小，故适用于测量瞬变信号。为防止传感器的电荷通过测量电路的输入电阻释放掉，相应的有电荷放大器和电压放大器电路的输入电阻释放掉，相应的有电荷放大器和电压放大器两种形式的高阻抗仪器与它配套。两种形式的高阻抗仪器与它配套。3.2 传感器压电式传感器的特点压电式传感器的特点（1 1）属于自源传感器，受力后即有电压输出。）属于自源传感器，受力后即有电压输出。（2 2）固有频率高，适于测量动态力。）固有频率高，适于测量动态力。（3 3）灵敏度高，信噪比大，工作可靠，体积小，重量轻。）灵敏度高，信噪比

38、大，工作可靠，体积小，重量轻。（4 4）多数实用压电材料，刚度大、强度高、工作变形小。）多数实用压电材料，刚度大、强度高、工作变形小。（5 5）对测量电路的阻抗和传输电缆有要求，以防止漏电而）对测量电路的阻抗和传输电缆有要求，以防止漏电而影响测量的精度。影响测量的精度。（6 6）可作为压力、温度等测量的传感器。）可作为压力、温度等测量的传感器。3.2 传感器z3.2.8 3.2.8 热热电式传感器电式传感器z热电偶热电偶 是一种将温度变化转换为电势变化的传感器。是一种将温度变化转换为电势变化的传感器。热电热电效应效应接触电势：接触电势：由不同导体因自由电子密度由不同导体因自由电子密度不同导致扩

39、散产生的电动势，与材料的不同导致扩散产生的电动势，与材料的性质及接触点的温度有关。性质及接触点的温度有关。温差电势：温差电势：由于导体或半导体两端温度由于导体或半导体两端温度不同而产生的一种电动势，与材料的性不同而产生的一种电动势，与材料的性质及导体两端的温差有关。质及导体两端的温差有关。回路总电势：回路总电势：3.2 传感器热电偶的基本定理热电偶的基本定理（1 1）均质导体定律：用均匀导体组成闭合回路，则不论此导）均质导体定律：用均匀导体组成闭合回路，则不论此导体是否存在温度梯度，均不产生电动势。体是否存在温度梯度，均不产生电动势。3.2 传感器（2 2）中间导体定律：在热电偶回路中加入第）

40、中间导体定律：在热电偶回路中加入第3 3种导体材料种导体材料时，如果两接点的温度相同，则对整个回路的热电势无影时，如果两接点的温度相同，则对整个回路的热电势无影响。响。（3 3）中间温度定律：对同一热电偶，当冷端处于恒定的中）中间温度定律：对同一热电偶，当冷端处于恒定的中间温度间温度t t1 1（t t0 0tt1 1t)t)，则有：则有：（4 4）标准热电极定律：任意）标准热电极定律：任意3 3种导体种导体A A，B B，C C组成组成ABAB，CBCB，ACAC三种热电偶，则有：三种热电偶，则有：3.2 传感器热电偶的常用材料热电偶的常用材料（1 1）热电极材料的基本要求）热电极材料的基本

41、要求（2 2）常用热电偶材料）常用热电偶材料 铂铑铂铑10-10-铂热电偶（铂热电偶（S S）；）；镍铬镍铬- -镍硅热电偶（镍硅热电偶（K K）；）； 铂铑铂铑30-30-铂铑铂铑6 6热电偶（热电偶（B B）；）；镍铬镍铬- -康铜热电偶（康铜热电偶（E E）；）； 铜铜- -康铜热电偶（康铜热电偶（MKMK）；）；等等（3 3）非标准化热电偶非标准化热电偶 高温：钨铼热电偶；高温：钨铼热电偶； 低温：金铁低温：金铁- -镍铬热电偶镍铬热电偶3.2 传感器热电偶测温的主要优点热电偶测温的主要优点（1 1）结构简单，使用方便，制造容易，热电偶的大小和）结构简单，使用方便，制造容易，热电偶的大

42、小和形状可按照需要自行配置；形状可按照需要自行配置；（2 2）测量温度范围广，低温用热电偶可达）测量温度范围广，低温用热电偶可达-270-270，高温高温用热电偶可达用热电偶可达30003000；（3 3）测量精确度较高；）测量精确度较高；（4 4）属于自源传感器，无须外加电源；）属于自源传感器，无须外加电源；（5 5）易于实现远距离传输和测量。）易于实现远距离传输和测量。3.2 传感器热电偶结构热电偶结构（1 1）普通热电偶）普通热电偶（2 2）铠装热电偶）铠装热电偶（3 3）快速反应薄膜热电偶）快速反应薄膜热电偶（4 4）快速消耗微型热电偶）快速消耗微型热电偶3.2 传感器冷端补偿冷端补偿

43、（1 1）冷端恒温）冷端恒温（2 2）补偿导线）补偿导线（3 3）冷端补偿器）冷端补偿器热电偶的连接方式热电偶的连接方式（1 1）单点）单点连接连接（2 2）并联）并联连接连接（3 3）串联）串联连接连接（4 4）反）反接接与热电偶配套的测温仪表与热电偶配套的测温仪表直流电位差计、自动电子电位差计、热电偶温度变送器直流电位差计、自动电子电位差计、热电偶温度变送器3.2 传感器3.2 传感器热电偶测温误差热电偶测温误差（1 1）热电偶的分度误差）热电偶的分度误差（2 2）动态响应误差及消除）动态响应误差及消除（3 3）安装误差）安装误差（4 4）导热误差）导热误差（5 5）测量误差：冷端补偿不完

44、全、补偿导线使用不当、测）测量误差：冷端补偿不完全、补偿导线使用不当、测量仪表与测量电路电阻变化引入的误差量仪表与测量电路电阻变化引入的误差（6 6）老化误差）老化误差3.2 传感器z热电阻热电阻热电阻热电阻效应效应 物质电阻率随本身温度变化而变化的物理现物质电阻率随本身温度变化而变化的物理现象称为热电阻效应。象称为热电阻效应。热电阻的常用材料热电阻的常用材料（1 1）热电阻材料的基本要求）热电阻材料的基本要求（2 2）常用热电阻）常用热电阻 铂热电阻；铂热电阻； 铜热电阻；铜热电阻； NTCNTC型热敏电阻型热敏电阻热电阻温度计的测量仪表热电阻温度计的测量仪表直流平衡电桥、自动电子平衡电桥、

45、热电阻温度变送器直流平衡电桥、自动电子平衡电桥、热电阻温度变送器 3.2 传感器热电阻结构形式热电阻结构形式热电阻的接线形式热电阻的接线形式（1 1）二线制）二线制（2 2）三线制）三线制3.2 传感器热电阻的特点热电阻的特点 金属热电阻与热电偶相比，同样温度下输出信号大，容易测金属热电阻与热电偶相比，同样温度下输出信号大，容易测量，测温上限不及热电偶高，但量，测温上限不及热电偶高，但0 0下反应较灵敏，适宜测低温；下反应较灵敏，适宜测低温；热电阻阻值测量必须借助外加电源，但不需冷端补偿；热电阻的热电阻阻值测量必须借助外加电源，但不需冷端补偿；热电阻的感温体结构复杂、体积较大、热惯性大、抗机械

46、冲击和振动性能感温体结构复杂、体积较大、热惯性大、抗机械冲击和振动性能也较差，不也较差，不适宜测体积狭小之处的温度和瞬态变化的温度。适宜测体积狭小之处的温度和瞬态变化的温度。 半导体热敏半导体热敏电阻的主要优点是温度系数大，灵敏度高，电阻电阻的主要优点是温度系数大，灵敏度高，电阻率较大，测量系统简单，体积小，连接导线对测量误差的影响小，率较大，测量系统简单，体积小，连接导线对测量误差的影响小，此外，其结构简单、价格低廉，使用寿命长。主要缺点是性能不此外，其结构简单、价格低廉，使用寿命长。主要缺点是性能不够稳定，互换性差，够稳定，互换性差， 精度低，精度低， 测量范围有限，目前在测量范围有限，目

47、前在-50 -50 300左右，左右，电阻与温度呈非线性。电阻与温度呈非线性。3.2 传感器z3.2.9 3.2.9 光光电式传感器电式传感器光电效应光电效应3.2 传感器光电传感器的主要特性光电传感器的主要特性 光照特性、光谱特性、频率特性、温度特性光照特性、光谱特性、频率特性、温度特性3.2 传感器z3.2.10 3.2.10 光光纤传感器纤传感器3.2 传感器光纤导光原理与分类光纤导光原理与分类 按折射率分阶跃型按折射率分阶跃型光纤和渐变型光纤；光纤和渐变型光纤； 按传输模式分单模按传输模式分单模光纤和多模光纤。光纤和多模光纤。3.2 传感器光纤传感器的分类光纤传感器的分类（1 1）功能

48、型：）功能型： 强度调制型强度调制型 偏振调制型偏振调制型 频率调制型频率调制型 相位调制型相位调制型（2 2）非功能型）非功能型（3 3）拾光型）拾光型3.2 传感器光纤传感器的应用光纤传感器的应用遮光式光纤温度传感器遮光式光纤温度传感器透射型半导体光纤温度传感器透射型半导体光纤温度传感器膜片反射式光纤压力传感器膜片反射式光纤压力传感器3.3 温度测量z温度的物理概念温度的物理概念z温标温标宏观概念：热平衡状态系统的宏观性质。宏观概念：热平衡状态系统的宏观性质。微观概念：分子平均动能大小的量度。微观概念：分子平均动能大小的量度。 摄氏温标摄氏温标 华氏温标华氏温标 热力学温标热力学温标3.3

49、 温度测量z温度测量方法温度测量方法接触式测温方法：接触式测温方法：选择某种物体与被测物体接触使温度达到选择某种物体与被测物体接触使温度达到平衡，利用该物体由于受热程度不同，其物理性质（如线性尺寸、平衡，利用该物体由于受热程度不同，其物理性质（如线性尺寸、容积、压力、电阻、电势、电容、压电晶体的振动频率、铁磁体容积、压力、电阻、电势、电容、压电晶体的振动频率、铁磁体的磁导率和涡流损失、的磁导率和涡流损失、P-NP-N结电压降结电压降等）随着变化的特性来测量等）随着变化的特性来测量温度。如双金属温度计、玻璃管液体温度计、压力式温度计、热温度。如双金属温度计、玻璃管液体温度计、压力式温度计、热电阻

50、、热电偶、电容谐振温度计、石英晶体温度计、电涡流温度电阻、热电偶、电容谐振温度计、石英晶体温度计、电涡流温度计、半导体温度计等。计、半导体温度计等。非接触式测温方法：非接触式测温方法：利用辐射、折射率、声速、光谱等与温利用辐射、折射率、声速、光谱等与温度的关系测量温度。如光学高温计、辐射高温计、比色高温计、度的关系测量温度。如光学高温计、辐射高温计、比色高温计、红外辐射温度计、激光全息干涉测温、光声光偏转测温、喇曼散红外辐射温度计、激光全息干涉测温、光声光偏转测温、喇曼散射测温、激光感生荧光测温等。射测温、激光感生荧光测温等。3.3 温度测量z温度计精度量值传递系统温度计精度量值传递系统z测温

51、技术测温技术3.3 温度测量国家基准铂电阻温度计国家基准铂电阻温度计 工作工作基准铂电阻温度计基准铂电阻温度计一等标一等标准准铂电阻温度计铂电阻温度计一等标准水银一等标准水银温度计、二温度计、二等标准等标准铂电阻铂电阻温度计、标准数字温度计、标准高温铂电阻温度计、标准温度计、标准数字温度计、标准高温铂电阻温度计、标准体温计、标准贝克曼温度计体温计、标准贝克曼温度计标准铜标准铜- -康铜热电偶、二等标康铜热电偶、二等标准水银准水银温度计、标准温度计、标准水银水银基准温度计基准温度计测量器具测量器具高速气流的温度测量高速气流的温度测量（静温、总温、有效温度，恢复系数，（静温、总温、有效温度，恢复系

52、数， 校准风洞，滞止罩）；校准风洞，滞止罩）；高温气体的温度测量高温气体的温度测量（考虑传感器对周围的辐射，或者传感（考虑传感器对周围的辐射，或者传感器不能承受平衡后高温；零直径外推、双热电偶、遮热器不能承受平衡后高温；零直径外推、双热电偶、遮热罩、罩、抽气热抽气热电偶、气动式高温计、动态电偶、气动式高温计、动态热热电偶法）电偶法）3.3 温度测量壁面温度测量壁面温度测量（考虑热电偶本身导热，注意安装和修正）（考虑热电偶本身导热，注意安装和修正）平均温度测量平均温度测量（注意测点布置及热电偶堆的连接方式）（注意测点布置及热电偶堆的连接方式）温度场测量温度场测量（光测、双热电偶扫描）（光测、双热

53、电偶扫描）转动体温度信号的传送转动体温度信号的传送（无线发射）（无线发射）发射热流量计发射热流量计气体动态温度测量气体动态温度测量z压力及单位换算压力及单位换算3.4 压力测量 液体、气体或蒸汽介质垂直作用于容器单位面液体、气体或蒸汽介质垂直作用于容器单位面积上的力。积上的力。3.4 压力测量z压力仪表分类压力仪表分类液柱式压力计：液柱式压力计：U型管、倾斜式微压计、杯式、补偿型管、倾斜式微压计、杯式、补偿式式活塞式压力计：活塞式压力计：单活塞、双活塞单活塞、双活塞弹簧式压力计：弹簧式压力计：弹簧管式、膜片式、膜盒式、波纹弹簧管式、膜片式、膜盒式、波纹管式、板簧式管式、板簧式压力传感器：压力传

54、感器：电位器式、霍尔式、应变式、电感式、电位器式、霍尔式、应变式、电感式、压阻式、电容式、振频式等压阻式、电容式、振频式等3.4 压力测量z压力标准传递系统压力标准传递系统工作基准活塞压力计工作基准活塞压力计（0.020.02级）一等标准活塞压力级）一等标准活塞压力计计（0.050.05级）二等标准水银压力真空计、二等标准级）二等标准水银压力真空计、二等标准活塞压力真空计、二等标准活塞压力计、二等标准双活塞压力真空计、二等标准活塞压力计、二等标准双活塞压力真空计活塞压力真空计三等标准水银压力真空计、三等标三等标准水银压力真空计、三等标准活塞压力计、三等标准弹簧式真空计、三等标准弹准活塞压力计、

55、三等标准弹簧式真空计、三等标准弹簧式压力计簧式压力计水银压力真空计、弹簧式真空计、弹簧水银压力真空计、弹簧式真空计、弹簧式压力计、弹簧式压力真空计式压力计、弹簧式压力真空计压力传感器校准：压力传感器校准：活塞压力计活塞压力计3.5 流速与流量测量z3.5.1 3.5.1 气流速度的测量气流速度的测量z利用气压法测量气流速度利用气压法测量气流速度静压测量：静压测量：L管，适合低速，安装方向和测压孔径及管，适合低速，安装方向和测压孔径及管对气流的扰动影响测量结果。管对气流的扰动影响测量结果。 壁面静压孔，孔的直径、几何形状和方向壁面静压孔，孔的直径、几何形状和方向影响测量结果。影响测量结果。总压测

56、量：总压测量：总压管，总压管，孔轴线与气流夹角、孔径影响测孔轴线与气流夹角、孔径影响测量结果，端部外形对气流偏角的敏感性不大。量结果，端部外形对气流偏角的敏感性不大。动压测量：动压测量：毕托管毕托管+倾斜式差压微压计倾斜式差压微压计校准风洞：校准风洞：吸入式、射流式、吸入吸入式、射流式、吸入-射流式、正压式射流式、正压式z微风速的测量微风速的测量z多普勒激光测速多普勒激光测速 热线风速仪：热线风速仪： 激光被运动着的微粒所散射，散射光的频率和入射激光被运动着的微粒所散射，散射光的频率和入射光相比较有正比于流体速度的频率偏移，测出该偏移，光相比较有正比于流体速度的频率偏移，测出该偏移，可得到流体

57、速度。可得到流体速度。 电加热热线，热线电阻与热线温度相关，热线温度电加热热线，热线电阻与热线温度相关，热线温度与来流速度有关，由此通过桥路测量热线电阻，从而可与来流速度有关，由此通过桥路测量热线电阻，从而可得到来流速度。得到来流速度。3.5 流速与流量测量z3.5.2 3.5.2 流量测量流量测量分类：分类：速度式：速度式：叶轮式水表、差压式孔板流量计、靶式流叶轮式水表、差压式孔板流量计、靶式流量计、转子流量计、涡轮流量计、超声波流量计、量计、转子流量计、涡轮流量计、超声波流量计、电磁流量计等。电磁流量计等。容积式：容积式：椭圆齿轮流量计，盘式流量计椭圆齿轮流量计，盘式流量计质量式：质量式：涡街流量计，分流旋转翼式蒸汽流量计涡街流量计，分流旋转翼式蒸汽流量计校准：校准：容积法、称重法、比较法容积法、称重法、比较法3.5 流速与流量测量第3章结束，谢谢大家