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传感器与检测技术 复习 2018/11/26 第1章 绪论 传感器的定义: 传感器（Transducer/Sensor）：根据中华人民共和国国家标 准（GB7665-87）传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律 转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件 组成。 传感器组成方块图 2018/11/26 1. 有关测量技术中的部分名词 （1）等精度测量： 在同一条件下所进行的一系列重复测量称为等精度测量。 （2）非等精度测量： 在多次测量中，如对测量结果精度有影响的一切条件不能完全 维持不变的测量称为非等精度测量。 （3）真值：指一定的时间及空间条件下，某物理量体现的真 实数值。真值是客观存在，但不可测量的，是一个理想的概 念。在测量中，一方面无法获得真值，而另一方面又往往需 要运用真值。因此，在实际计量和测量工作中，经常使用“约 定真值”和“相对真值”。 第1章 绪论 2018/11/26 （4）实际值： 测量次数无限多，其测量结果的算术平均值接近于真值，由于系 统误差不可能完全排除，因此把精度更高一级的标准器所测量的 值作为真值，为了强调它并非真值，故称为实际值。 （5）标称值： 测量器具上所标出的数值。 （6）示值： 由测量器具上所指示出来的被测量值。 （7）测量误差： 测量的目的是希望通过测量求取被测未知量的真实值。由于种种 原因，造成被测参数的测量值与其实值并不一致，即存在测量误 差。 1. 有关测量技术中的部分名词 第1章 绪论 2018/11/26 2. 误差的分类 按照误差出现的规律，可把误差分为系统误差、随机误差、粗大误差 （1）系统误差 在同一条件下，多次测量同一量值时绝对值的符号保持不变，或 在条件改变时按一定规律变化的误差称为系统误差。 （2）随机误差 在同一条件下，多次测量同一量值时绝对值的符号以不可预见的 方式变化着的误差称为随机误差。 （3）粗大误差 超出规定条件下预期的误差称为粗大误差。 第1章 绪论 2018/11/26 最大允许误差 指示仪表的最大满度误差不许超过该仪表准确度等级的百 分数，即 当示值为x时可能产生的最大相对误差为 用仪表测量示值为x的被测量时，比值越大，测量结果的 相对误差越大。选用仪表时要考虑被测量的大小越接近 仪表上限越好。被测量的值应大于其测量上限的2/3。 第1章 绪论 误差的综合计算： 利用绝对误差、相对误差判断仪表或传感器是否合格 2018/11/26 第1章 绪论 传感器的特性是指传感器所特有性质的总称。而传感器的输入 输出特性是其基本特性，输入输出特性是传感器的外部特性， 即输入量和输出量的对应关系。 | 线性度：输入输出的线性程度 | 迟滞：传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出与输 入曲线不重合时称为迟滞。 | 重复性：传感器在输入按同一方向作全量程连续多次变动时所得特性 曲线不一致的程度。 | 灵敏度：传感器输出的变化量与引起该变化量的输入变化量之比。 传感器的静态特性 2018/11/26 静特性指标 线线性度 灵敏度 迟迟滞 重复性 零点漂移 温度漂移 2018/11/26 1、线性度 静特性 输 出 量 输 入 量 零点输出 理论灵敏度 非线性项系数 直线拟合线性化 非线性误差或线性度 最大非线性误差 满量程输出 线性度：传感器的输出与输入之间的线性程度 2018/11/26 直线拟合线性化 出发点 获得最小的非线性误差 拟合方法拟合方法： 理论拟合； 过零旋转拟合； 端点连线拟合； 端点连线平移拟合； 最小二乘拟合； 最小包容拟合 2018/11/26 2、灵敏度 传感器输出的变化量与引起该变化量的输 入变化量之比即为其静态灵敏度 表征传感器对输入量变化的反应能力 2018/11/26 稳定性：传感器在长时间工作情况是输出量发生的变化。 温度稳定性：又称为温度漂移。它是指传感器在外界温度变化情况 下输出量发生的变化。 静态误差：传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论输出值的 偏离程度。 2018/11/26 第二章 电阻式传感器原理与应用 2.1.1 工作原理 电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应，即导体在外界作用下产生机械 变形（拉伸或压缩）时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为电阻应变效 应。 只要测出R /R 或R的数值，即可获知试件受力的大小 2018/11/26 2.2 应变片式传感器 R1+R1 R2 R4 R3 U IL RL 测量电路：电桥 单臂电桥 单臂电桥输出 近似为 当R1R2R3R4=R 2018/11/26 2.2 应变片式传感器 测量电路：电桥 U0 R1R1 R4 R3 U R2R2 双臂电桥（半桥） 双臂电桥（半桥）输出 当R1R2R3R4=R 2018/11/26 2.2 应变片式传感器 测量电路：电桥 双臂电桥（全桥） 全电桥输出 U0 R1R1 U R2R2 R4R4 R3R3 当R1R2R3R4=R 2018/11/26 感受应变的 应变片数 线路连接 输入输出关系 性能 1片 非线性 2片 非线性 2片 线性 2片 非线性 4片 线性 表2-1 列出了电阻应变片连接方式、输入输出关系及性能 2018/11/26 温度误差及其补偿 温度误差：应变片由于温度变化引起电阻值发生变化所产生的误 差。 1、敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。当环境温度变化时， 引起的电阻相对变化为 2、试件材料的线膨胀引起的误差。当温度变化时，应变丝受 热膨胀，粘贴在试件上的应变丝膨胀，因试件材料和敏感栅材 料的线膨胀系数不同，应变片将产生附加拉长（或压缩），引 起的电阻相对变化 。 2018/11/26 温度补偿 单丝自补偿法 自补偿法 组合式自补偿法 线路补偿法电桥补偿法、热敏电阻 温度补偿 2018/11/26 第三章 变阻抗式传感器原理与应用 电感式传感器：是利用线圈自感或互感的变化来实现测量的 一种装置。可以用来测量位移、振动、压力、流量、重量、力 矩、应变等多种物理量。 电感式传感器的核心部分是可变自感或可变互感，在被测 量转换成线圈自感或互感的变化时。一般要利用磁场作为媒介 或利用铁磁体的某些现象。这类传感器的主要特征是具有线圈 绕组。 3.1 自感式传感器 自感式传感器的工作原理：是利用线圈自感的变化来实现测量的 一种装置，将被测参数的变化转换成自感的变化。 变S0、变l0 使的L变化 2018/11/26 |自感式传感器测量电路： | 自感式传感器实现了把被测量的变化转变为电 感量的变化。为了测出电感量的变化，同时也为了 送入下级电路进行放大和处理。就要用转换电路把 电感变化转换成电压(或电流)变化。把传感器电感 接入不同的转换电路后，原则上可将电感变化转换 成电压(或电流)的幅值、频率、相位的变化，它们 分别称为调幅、调频、调相电路。 | 2018/11/26 us Zi Zx uo 阻抗型传感器测量电路 电阻式传感器 电容式传感器 电感式传感器 （1）阻抗型传感器通用测量电路 2018/11/26 (2) 相敏检波电路 + - 2018/11/26 非相敏整流和相敏整流电路输出电压比较 (a) 非相敏整流电路；（b） 相敏整流电路 使用相敏整流，输出电压U0不仅能反映衔铁位移的大小和方向， 而且还消除零点残余电压的影响， 2018/11/26 3.2 差动变压器 工作原理： 变压器式传感器是将非电量转换为线圈间互感M的一种磁电机构， 很象变压器的工作原理，因此常称变压器式传感器。这种传感器 多采用差动形式。 气隙型差动变压器式传感器 截面积型差动变压器式传感器 2018/11/26 差动变压器式传感器测量电路 1、相敏检测电路：如果在输出电压送到指示仪前，经过一个能判别相 位的检波电路，则不但可以反映位移的大小（的幅值），还可以反映位 移的方向（的相位）。这种检波电路称为相敏检波电路。 2、差分整流电路 可以不考虑相位调整和零点残余电压的影响 3、零点残余电压的电路 电感式传感器应用：可以用来测量位移、振动、压力、流量、重量、力矩、 应变等多种物理量。 差分整流电路 2018/11/26 3.3 电容式传感器 工作原理： 由物理学可知，两个平行金属极板组成的电容器，如果 不考虑其边缘效应，其电容为C= s /d 由上式可知，改变电容C的方法有三种，其一为改变介质的介 电常数；其二为改变形成电容的有效面积；其三为改变两 个极板间的距离。而得到电参数的输出为电容值的增量C， 这就成了电容式传感器。 测量电路：一般归结为两大类型 1、调制型（调频、调幅、电桥等） 2、脉冲型(或称为电容充放电器) 应用：测量力、压力、压差、物位等。 2018/11/26 电容式传感器测量电路 (1) 电桥电路 (2) 运算放大器电路 (3) 脉宽调制电路 (4) 调频电路 (5) 双T型电桥电路 2018/11/26 运算放大器式电路 最大特点最大特点：能克服变极距型电容传感器的非线性 Cx是传感器电容 C是固定电容 u0是输出电压信号 运算放大器式电路原理图 u C -A Cx u0 2018/11/26 差动脉冲调宽电路原理图差动脉冲调宽电路原理图 2018/11/26 典型测量电路：二极管双T型电路 电源为正半周 VD1短路 VD2开路， 电容C1被充电 影响不予考虑， 电容C2的电压 初始值为UE 2018/11/26 3.4 涡流式传感器 工作原理： 金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流 ，称之为电涡流或涡流。这种现象称为涡流效应。涡流式传感 器就是在这种涡流效应的基础上建立起来的。 当电涡流线圈与金属板的距离x 减小时，电涡流线圈的等 效电感L 减小，等效电阻R 增大。感抗XL 的变化比 R 的变化 大 得 多，流过电涡流线圈的电流 i1 增大。 2018/11/26 涡流式传感器的测量电路： 被测量数变化可以转换成传感器线圈的品质因素Q、等效阻抗Z 和等效电感L的变化。转换电路的任务是把这些种参数转换为电 压或电流输出。 一、桥路 二、谐振调幅电路 三、谐振调频电路 应用：测量振动、位移、转速、测厚及探伤等 2018/11/26 工作原理： 压磁效应: 某些铁磁物质在外界机械力的作用下，其内部产 生机械应力，从而引起磁导率的改变。 磁致伸缩: 某些铁磁物质在外界磁场的作用下会产生变形， 有些伸长，有些则压缩。 3.5 压磁式传感器 2018/11/26 单位机械应力, 所引起的磁导率相对变化 压磁传感器: 用来测量压力、拉力、弯矩、扭转力(或力矩) 变换链 压力应力磁导率磁阻阻抗或感生电势 2018/11/26 传感器的形式 用一个方向磁导导率的变变化 A b c与自感式传传感器相似 d e 与互感式传传感器相似 2 用两个方向上磁导率的改变 3 维捷曼效应 2018/11/26 第4章 光电式传感器原理与应用 工作原理： 光电式传感器是将光通量转换为电量的一种传感器。光电式 传感器的基础是光电转换元件的光电效应。 光电效应：由于物体吸收了能量为E的光后产生的电效应。 外光电效应: 指在光的照射下，材料中的电子逸出表面的现象。光电管及光电倍 增管均属这一类。 内光电效应: 指在光的照射下，材料的电阻率发生改变的现象。光敏电阻即属此 类。 光生伏特效应: 在光的照射下，物体内部产生一定方向的电势。如光电池、光敏晶 体管等 4.1 光电效应和光电器件 2018/11/26 光电器件 光电管与光电倍增管：受光照射后产生电流 光敏电阻：受光照射后电阻率发生改变 光敏二极管和光敏三极管：受光照射后PN结电流增大，光敏二极管 工作是加反向电压 光电池：受光照射后产生电压 测量电路： 根据不同的光电器件、不同的用途采用不同的电路。 2018/11/26 4.4 光纤传感器 1、光导纤维的结构和导光原理 光纤的种类：按传输模式、按折射变化 2、光导纤维的主要参数 数值孔径（NA）、光纤模式、传播损耗、 3、光纤传感器结构原理 把被测量的状态转变为可测的光信号的装置 4、光纤传感器的分类 光纤在传感器中的作用（功能型、非功能型、拾光型） 光受被测量调制的形式（ 强度调制型、偏振调制、 频率 调制、 相位调制） 光纤传感器中对光信号的检测方法不同 5、光纤传感器的特点 电绝缘、抗电磁干扰、非侵入性、高灵敏度、容易实 现对被测信号的远距离监控 6、光纤传感器的应用 2018/11/26 4.5 光栅式传感器 工作原理：（测量位移或角度） （角度） （角度） （转动） 2018/11/26 莫尔条纹： 均匀刻线 主光栅 指示光栅 夹角 明暗相间条纹莫尔条纹移动 2018/11/26 横向莫尔条纹重要特性: 莫尔条纹运动与光栅运动具有对应关系 莫尔条纹具有位移放大作用 莫尔条纹具有平均光栅误差作用 特例：当 =0, w1=w2 莫尔条纹间距B= 光闸莫尔条纹 当 =0, w1w2 纵向莫尔条纹 方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时 与光栅移动方向垂直 同步性：光栅移动一个栅距 莫尔条纹移动一个间距一方向对应 放大性：夹角很小 BW 光学放大 提高灵敏度 可调性：夹角 条纹间距B 灵活 准确性：大量刻线 误差平均效应 克服个别/局部误差 提高精度 2018/11/26 光栅的光电信号转换原理 光栅输出电压信号的幅值为光栅位移量x的函数，即 将该电压信号放大、整形使其变为方波，经微分电路转换成脉冲信 号，再经过辨向电路和可逆计数器计数，则可在显示器上以数字形 式实时地显示出位移量的大小。位移量为脉冲数与栅距的乘积。当 栅距为单位长度时，所显示的脉冲数则直接表示出位移量的大小。 辨向原理：在物体正向移动时，将得到的脉冲数累加，而物体反 向移动时就从已累加的脉冲数中减去反向移动所得的脉冲数，这 样就能得到正确的测量结果。完成这样一个辨向任务的电路就是 辨向电路。 细分电路 ：辨向逻辑电路的分辨力为一个光栅极距W，为了提高分 辨力，可以增大刻线密度来减小栅距，但这种办法受到制造工艺的 限制。另一种方法是采用细分技术，使光栅每移动一个栅距时输出 均匀分布的几个脉冲，从而使分辨率提高到Wn。 应用：测量位移、角度。 2018/11/26 磁电式传感器是通过磁电作用将被测量(如振动、位移、转速等 )转换成电信号的一种传感器。 第5章 电动式传感器原理与应用 5.1 磁电感应式传感器 工作原理：磁电感应式传感器也称为电动式传感器，或感应式传 感器。它是利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应 电势的。因此它是一种机一电能量换型传感器，不需供电电源， 是直接从被测物体吸取机械能量并转换成电信号输出。 若线圈相对磁场运动为速度v或角转度时， e-WBlv 或 e-WBs (5-2) 在传感器中，当结构参数确定后即B、l、W、s均为定值，那 么感应电势e与线圈相对磁场的运动速度(v或)成正比。 根据上 述原理。人们设计了两种类型的结构：一种是变磁通式；另一种 是恒定磁通式。 2018/11/26 磁电感应式传感器只适用于测量动态物理量，因此动态特性是这种传 感器的主要性能。 磁电感应式传感器测量电路方框图 应用：磁电感应式传感器主要用来测量振动、频率、速度 2018/11/26 5.2 霍尔式传感器 霍尔式传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量 、如电流、磁场、位移、压力等转换成电动势输出的一种传感器 。 霍尔效应 ： 一块长为l、宽为b、厚为d的 半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场(磁 场方向垂直于薄片)中，当有电流I流过时， 在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动 势UH。这种现象称为霍尔效应。霍尔式传 感器是由霍尔元件所组成。 应用： 位移测量、力、压力、应变、机械振动、加速度 测量电路： 不等位电势： 2018/11/26 压电式传感器是一种有源的双向机电传感器。它的工作原理是基 于压电材料的压电效应。 5.3 压电式传感器 压电效应：某些晶体或多晶陶瓷，当沿着一定方向受到外力作用 时，内部就产生极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的 电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电状态；当作用力方向改变 时，电荷的极性也随着改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的 大小成正比。上述现象称为正压电效应。反之，如对晶体施加一 定变电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离，变形也随着 消失，称为逆压电效应。 当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率 与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面 漏电而很快泄漏、消失。 压电式传感器只能用于动态测量! 2018/11/26 压电材料：压电传感器中的压电元件材料一般有三类： 一类是压 电晶体（如石英晶体）； 另一类是 经过极化处理的 压电陶瓷 ；第三类是高分子压电材料。 测量电路： 电压放大器：其输出电压与输入电压(压电元件的输出电压)成正比 。 电荷放大器：其输出电压与输入电荷成正比。 应用：压电元件是一种典型的力敏感元件。可用来测量最终能转换 为力的多种物理量。（动态量） 在检测技术中，常用来测量力、振动和加速度。 2018/11/26 第6章 温度检测 反映了物体冷热的程度，与自然界中的各种物理 和化学过程相联系。 温度概念的建立及测量：以热平衡为基础的， 温度最本质的性质：当两个冷热程度不同的物 体接触后就会产生导热换热，换热结束后两物 体处于热平衡状态，则它们具有相同的温度。 测量方法：接触式测温和非接触式测温 热电式传感器的定义：热电式传感器是将温度变化转换为电量变化 的装置，它利用敏感元件的电磁参数随温度变化而变化的特性来达 到测量目的。 2018/11/26 第6章 温度检测 由特定的测温质和测温量所确定的温标 华氏温标 1714年德国人华伦海特(Fahrenheit)在沸点和冰点之间等分为180份，每份 为华氏1度(10F) 。 摄氏温标 1742年瑞典人摄尔塞斯(Celsius)规定水的冰点沸点之间等分为100份，每份 为1度(10C) 。 热热力学温标标 1848年物理学家开尔文(Kelvin)首先提出 确定的温度数值：热力学温度，绝对温度，用符号T表示，单位为开尔文 ，用K表示。 热力学温度的起点为绝对零度，所以它不可能为负值，且冰点是273.15K，沸 点是373.15K。请注意水的冰点和三相点是不一样的，两者相差0.01K。 6.1 温标的概念 2018/11/26 第6章 温度检测 热电式传感器的定义：热电式传感器是将温度变化转换为电量变化 的装置，它利用敏感元件的电磁参数随温度变化而变化的特性来达 到测量目的。 6.2 .1 热电阻 | 热电阻测温的原理：电阻率随温度升高而增大，具有正的温度系 数 | 测温范围:-200+5000C | 特点: 精度高，适宜于测低温 热电阻的材料：金属材料制成。铂电阻、铜电阻 热电阻温度计最常用的测量电路是电桥电路 热电阻测温电桥采用三线制接法，线路电阻变化不会影响测量精 度，即不会产生温度误差。 2018/11/26 热电阻测温电桥的三线连接法 C D I1 I2 求出C、D间的开路电压UCD=I1(R3+r3)-I2(Rt+r2+Ra) = I1R3 + I1r3 -I2Rt - I2r2 -I2 Ra 在电路设计时，使I1 = I2； UCD=I1R3-I2(Rt+Ra) 与线路电阻r2、r3无关。 以CD作为电桥的输出，接后续电路，线路电阻变化不影响电桥的输出电压， 即不会产生温度误差。调零时使R3=Rt+Ra；有UCD=0 2018/11/26 6.2.2 半导体热敏电阻 利用半导体的电阻值随温度显著变化的特性制成 由金属氧化物和化合物按不同的配方比例烧结 优 点： (1) 热敏电阻的温度系数比金属大（49倍） (2) 电阻率大，体积小，热惯性小，适于测量点温、表面温度 及快速变化的温度。 (3) 结构简单、机械性能好。 缺点：线性度较差，复现性和互换性较差。 2018/11/26 正温度系数(PTC) 负温度系数(NTC) 临界温度系数(CTR) 热敏电阻典型特性 2018/11/26 6.3 热电偶 工作原理：利用热电效应进行温度测量。 热电效应：两种不同的导体A、B串接成一个闭合回路，使两个接点 处于不同的温度，回路中就会有电势产生，这一现象称为热电效应 。 热电偶的结构：两种不同的导体焊接而成。 对于匀质导体A、B组成的热电偶，其总电势为接触电势与温差电 势之和。 如果热电偶两电极材料相同，则虽两端温度不同(TT0)。但总输 出电势仍为零。因此必须由两种不同的材料才能构成热电偶。 如果热电偶两结点温度相同，则回路中的总电势必等于零。 热电势的大小只与材料和结点温度有关，与热电偶的尺寸、形状 及沿电极温度分布无关。 2018/11/26 1. 匀质导体定律 由一种匀质导体所组成的闭合回路，不论导 体的截面积如何及导体的各处温度分布如何， 都不能产生热电势。 热电偶必须采用两种不用材料的导体组成， 热电偶的热电势仅与两接点的温度有关，而 与沿热电极的温度分布无关。 2018/11/26 2. 中间导体定律 在热电热电 偶回路中接入与另一种导导体称中间间 导导体C，只要中间导间导 体的两端温度相同，热热 电电偶回路总电动势总电动势 不受中间导间导 体接入的影 响。 2018/11/26 连接导体定律和中间温度定律 连接导体定律：在热电偶回路中，如果热电极A、 B分别与连接导线A、B相连接，结点温度分别为 T、Tn、T0 ，那么回路的热电势将等于热电偶的热 电势EAB(T,Tn ) 与连接导线A、B在温度Tn、T0 时 热电势 EAB(T,Tn ) 的代数和，即 EABBA(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0) 3. 连接导体定律 2018/11/26 几种冷端处理方法： 1. 补偿导线法 2. 热电偶冷端温度恒温法 3. 计算修正法 4. 冷端补偿电桥法 2018/11/26 1、冷端延长线法： 被测量点与指示仪表之间往往有很长的距离，热电偶冷端位于生 产现场温度变化较大，热电偶材料较贵，采用冷端延长线将热电 偶的冷端延长到控制室中，温度较稳定，便于补偿。 1000C以下热电偶的热电势与响应补偿导线的热电势近似相等。 在二次仪表中补偿 利用冷端补偿器补偿 2018/11/26 使用补偿导线时注意问题： 补偿导线只能用在规定的温度范围内（0100）； 热电偶和补偿导线的两个接点处要保持温度相同； 不同型号的热电偶配有不同的补偿导线； 补偿导线由正、负极需分别与热电偶正、负极相连； 补偿导线的作用是对热电偶冷端延长。 2018/11/26 2. 计算修正法 在实际应用中，热电偶的参比端往往不是0C，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。 可用室温计测出环境温度T1，从分度表中查出的E(T1,0)值， 然后加上热电偶回路热电势E(T,T1)，得到E(T,0)值， 反查分度表即可得到准确的被测温度值。 中间温度定律 2018/11/26 3. 热电偶冷端温度恒温法（冰浴法） 适用于实验室中的精确测量和检定热电偶时使用。 2018/11/26 4. 冷端补偿电桥法 利用直流不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶冷 端温度变化而引起的热电势的变化值 2018/11/26 6.4 非接触式测温 高温测量中应用最广泛，主要应用行业为冶金、铸造、热处理以 及玻璃、陶瓷和耐火材料等工业生产过程中。 任何物体处于绝对零度以上时，都会以一定波长电磁波的形式向 外辐射能量。辐射式测温仪表就是利用物体的辐射能量随其温 度而变化的原理制成的。测量时，只需把温度计光学接收系统 对准被测物体，而不必与物体接触，因此可以测量运动物体的 温度并不会破坏物体的温度场。此外，由于感温元件只接收辐 射能，不必达到被测物体的实际温度，从理论上讲，它没有上 限，可以测量高温。 非接触测温仪表分类：光学高温计、辐射式温度计 2018/11/26 第7章 流量测量 单位时间内流体通过一定截面积的数量。 体积流量用流体的体积来表示（qv）， 单位为m3/h。 质量流量用流量的质量来表示（qm），简称质量流量，单位 为kg/h。 7.1.1 流量测量的基本概念 按检测量的不同分为： 体积流量 质量流量 2018/11/26 流体在管道内作稳定流动的情况（流场中任意点的流速 不随时间变化的流动 ）： 1 1 连续连续连续连续 性方程性方程(Equation of Continuity) 1 2 截面积：A1 A2 流 速： 密 度：1 2 为为某截面积积上的平均速度 不可压缩的流体在稳定流动时，流 过各截面流体的体积为常量。 2018/11/26 2 2 伯努利方程伯努利方程(Bernoullis Equation) 动能 压力能 势能 + 流体能 2018/11/26 3 3 伯努利方程的构成伯努利方程的构成 势能 Potential energy mgh1mgh2 动能 Kinetic energy 1/2mv121/2mv22 压力能 Pressure energy mp1/1mp2/2 能量守恒： h1 h2 2018/11/26 1. 差压式流量计组成 差压式流量计组成框图 节流装置：安装于管道中产生差压， 节流件前后的差压与流量成开方关系。 引压导管：取节流装置前后产生的差压，传送给差压变送器。 差压变送器：产生的差压转换为标准电信号（4-20mA）。 2018/11/26 测量原理 当流体流经管道内的节流件时，流速将在节流件处形成局部收缩， 因而流速增加，静压力降低，于是在节流件前后便产生了压差。 流体流量愈大，产生的压差愈大，这样可依据压差来衡量流量的 大小。 基础：流体连续性方程（质量守恒定律）和伯努利方程（能量守恒 定律）。 压差影响因素： 流量、节流装置形式、管道内流体的物理性质（密度、粘度） 2018/11/26 设被测流体为不可压缩的理想流体（液体），根据伯努利方程， 对截面II、处沿管中心的流体有以下能量关系： 列截面II和截面处的伯努利方程伯努利方程 根据流体的连续性方程得： 代入上式 对于截面积代入质量流量方程得 2018/11/26 基本原理：法拉第电磁感应定律： 导体在磁场中切割磁力线运动时产生感应电动势。 电磁流量计测量原理 7.3 电磁流量计 导电性液体在垂直于磁场的非磁性测量管内流动， 与流动方向垂直的方向上产生与流量成比例的感应电势 液体的体积流量 2018/11/26 流量测测量的基本概念 体积积流量测测量容积积法、速度法； 质质量流量测测量直接法、间间接法 差压式流量计（工作原理、流量方程的推导、连续性方程伯努 利方程） 电磁流量计（工作原理、流量方程的推导） 涡轮流量计（工作原理） 涡街流量计（工作原理） 超声流量计（传播时间法、多普勒效应法；时差法、声循环法 、工作原理、流速方程） 其它流量计（工作原理） 2018/11/26