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检测技术基础第一节 绪言检测：门捷列也夫：检测是认识自然界的主要手段西门子：检测就是去认识从信息论角度：检测就是信息获取所以检测是人类日常生活、科学研究、工农业生产、军事等领域必不可少的过程举例：人通过感觉器官获取信息，认识世界自动控制系统中的检测，反弹导导弹系统 第一节 绪言 检测与测量的关系： 后者确定被测对象量值；前者可能是确定量值，也可以是判定被测参数的“ 有” 或“ 无” ，也可以是一种预报、故障分析检测技术： 研究如何获取被测参数信息的信息，涉及众多学科，随这些学科的发展而发展 第一节 绪言定义： 用敏感元件（电子技术、数字技术）将被测参数的信息转换成另一种形式的信息，通过显示或其他形式被人们所认识 第二节 检测仪表一、检测仪表 检测仪表 检测仪表组成 第二节 检测仪表检测系统： 由若干个检测仪表实现一个或多个参数的测量 第二节 检测仪表检测装置： 检测仪表或系统和必需的辅助设备所构成的总体二、术语 敏感元件（sensor ） 传感器（transducer ） 变送器（transmitter ） 被测参数（measured) 第二节 检测仪表待测参数（parameter to be measured）直接测量（direct measurement）间接测量（indirect measurement）三、检测仪表的分类按参数分类按响应形式分类按使用的能源分类第二节 检测仪表按是否具有信号远传功能分类按信号的输出形式分类按应用的领域场所分类按仪表结构分类 开环结构仪表 第二节 检测仪表 闭环结构仪表第二节 检测仪表四、检测仪表的基本性能测量范围和量程仪表能正常工作（满足准确度要求）的可测的被测量的下限和下限的范围，它们之间的代数差为量程 输入输出特性 灵敏度 死区 第二节 检测仪表回差线性度稳定性 ： 一是时间稳定性，它表示在工作条件保持恒定时，仪表输出值在一段时间内随机变动量的大小；二是使用条件变化稳定性，它表示仪表在规定的使用条件内某个条件的变化对仪表输出的影响 第二节 检测仪表重复性： 再现性 ： （与重复性不同处）相对较长时间，从两个方向可靠性： 长时间工作不出现故障 第二节 检测仪表误差 绝对误差 相对误差 引用误差 仪表基本误差 仪表满刻度相对误差 准确度 仪表给出接近于真值的响应能力 检测技术基础第一节 绪言检测： 门捷列也夫：检测是认识自然界的主要手段 西门子：检测就是去认识 从信息论角度：检测就是信息获取 所以检测是人类日常生活、科学研究、工农业 生产、军事等领域必不可少的过程 举例：人通过感觉器官获取信息，认识世界 自动控制系统中的检测，反弹导导弹系统 第一节 绪言 检测与测量的关系：后者确定被测对象量值；前者可能是确定量值，也可以是判定被测参数的“有”或“无”，也可以是一种预报、故障分析检测技术：研究如何获取被测参数信息的信息，涉及众多学科，随这些学科的发展而发展第一节 绪言定义： 用敏感元件（电子技术、数字技术）将被测参数的信息转换成另一种形式的信息，通过显示或其他形式被人们所认识第二节 检测仪表一、检测仪表检测仪表检测仪表组成 第二节 检测仪表检测系统：由若干个检测仪表实现一个或多个参数的测量第二节 检测仪表检测装置：检测仪表或系统和必需的辅助设备所构成的总体二、术语敏感元件（sensor）传感器（transducer）变送器（transmitter）被测参数（measured)第二节 检测仪表待测参数（parameter to be measured）直接测量（direct measurement）间接测量（indirect measurement）三、检测仪表的分类按参数分类按响应形式分类按使用的能源分类第二节 检测仪表按是否具有信号远传功能分类按信号的输出形式分类按应用的领域场所分类按仪表结构分类开环结构仪表第二节 检测仪表 闭环结构仪表第二节 检测仪表四、检测仪表的基本性能测量范围和量程仪表能正常工作（满足准确度要求）的可测的被测量的下限和下限的范围，它们之间的代数差为量程 输入输出特性灵敏度死区第二节 检测仪表回差线性度稳定性：一是时间稳定性，它表示在工作条件保持恒定时，仪表输出值在一段时间内随机变动量的大小；二是使用条件变化稳定性，它表示仪表在规定的使用条件内某个条件的变化对仪表输出的影响 第二节 检测仪表重复性：在相同条件下，从单个方向仪表多次测量，输出值相互接近的能力 再现性 ： （与重复性不同处）相对较长时间，从两个方向可靠性： 长时间工作不出现故障 第二节 检测仪表误差绝对误差相对误差引用误差仪表基本误差仪表满刻度相对误差准确度第二节 检测仪表仪表给出接近于真值的响应能力 。也称精度，精确度准确度等级：0.1，0.25，0.35，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0动态响应特性第三节 测量误差的理论基础 测量的目的 ： 得到被测参数的真实值（真值） 研究误差目的 ： 认识和掌握误差规律 评价检测装置和测量结果 提高测量的准确度 “ 约定真值” 的得到： 第三节 测量误差的理论基础计量基准准确度高一级等级仪表等精度测量条件下有限次测量的平均值一、测量误差的分类及产生原因 测量误差分类 按误差本身因次分类 ： 绝对误差 相对误差 第三节 测量误差的理论基础按误差出现的规律分类 系统误差随机误差粗大误差 按使用的工作条件分类 基本误差 附加误差 第三节 测量误差的理论基础按误差的特性分类 静态误差动态误差 误差产生原因 系统误差 环境误差 人员误差 第三节 测量误差的理论基础二、误差的估计和评价处理方法 粗大误差是人为造成的，可以通过加强责任感避免，也可以通过某些判据发现并剔除 随机误差表现出单次测量的随机性与测量总体误差分布的规律性特征，因此可通过统计处理的方法对误差进行最可信估计 系统误差存在与否的检验是系统误差分析与评价的核心问题，因为系统误差的规律性决定其处理与补偿的有效性。 第三节 测量误差的理论基础随机误差的估计与统计处理 n 次重复测量 ，各个测量误差出现的概率密度分布服从正态分布，即 为测量值与约定真值之间的误差 第三节 测量误差的理论基础特点： 误差的对称性 误差的单峰性 误差的有界性 误差的抵偿性 第三节 测量误差的理论基础标准差的计算n趋于无穷大 n为有限时第三节 测量误差的理论基础粗大误差的判别 拉依达（ ）法 （只能用于n 30) 格拉布斯（Grubbs ）法 系统误差 实验对比法 残余误差观察法 标准差判据 第三节 测量误差的理论基础误差的合成 系统误差的合成 设检测系统的待测参数为 第三节 测量误差的理论基础随机误差的合成 在间接测量情况下，设间接测量量（待测参数） 误差的总合成第三节 测量误差的理论基础三、消除和减少误差的一般方法 减小随机误差的方法 提高检测系统准确度 抑制噪声干扰 对测量结果的统计处理 第三节 测量误差的理论基础减小和消除系统误差的方法 消除误差源法 引入修正值法 比较法 替代法 对照法 第三节 电阻式检测元件电阻式检测元件基本原理是将被测物理量转换成电阻值的变化，然后，利用测量电路测出电阻的变化值，从而达到对被测物理量检测的目的常见的电阻检测元件有电阻应变元件、热电阻、湿敏电阻和气敏电阻等 第三节 电阻式检测元件一、应变式检测元件 电阻应变片是将作用在检测件上的应变 变化转换成电阻变化的敏感元件 电阻应变元件的工作原理 导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形 其阻值将发生变化，这种现象成为“ 应变效应” 电阻应变片就是基于应变效应工作的 第三节 电阻式检测元件设有一根长度为 ，截面积为 ，电阻率为 的电阻丝，其电阻初值可表示为： 若导体受到外力的作用被拉伸或压缩，则 会引起 、 、 的变化从而引起电阻的变化 第三节 电阻式检测元件应变片的结构及种类 金属应变片 丝式 第三节 电阻式检测元件箔式应变片 第三节 电阻式检测元件半导体应变片 半导体应变片主要有三种类型，体型半导体应变片，薄膜型半导体应变片和扩散型半导体应变片 第三节 电阻式检测元件应变片的主要特性 灵敏系数 绝缘电阻 绝缘电阻是指已安装的应变计的敏感栅和引线 与被测件之间的电阻值 第三节 电阻式检测元件横向效应 直的线材绕成敏感栅后，即使总长度相同，应变状态一样，应变敏感栅的电阻变化仍要小一些，从而导致灵敏系数 的改变，这种现象称为横向效应 机械滞后 应变片贴在试件上后，在一定温度下，进行循环的加载和卸载，加载和卸载时的输入-输出特性曲线不重合的现象称机械滞后 第三节 电阻式检测元件零漂和蠕变 粘贴在试件上的应变片，在恒定温度下，不承受机械应变时指示应变值随时间变化的特性称为应变片的零漂 在恒定温度下，使应变片承受一恒定的机械应变，指示应变值随时间变化的特性称应变片的蠕变 允许电流 允许电流是指应变片不因电流产生的热量而影响测量准确度所允许通过的最大电流 第三节 电阻式检测元件应变极限 应变片的应变极限是指在规定的使用条件下，指示应变与真实应变的相对误差不超过规定值（一般为10%）时的最大真实应变值 第三节 电阻式检测元件二、热电阻式检测元件 原理：基于导体或半导体的电阻随温度变化的性质热电阻式检测元件分为两大类，一是金属热电阻，二是半导体热敏电阻 第三节 电阻式检测元件金属热电阻 金属热电阻需考虑问题 R0 （t 0 的R ）的大小 综合考虑常用的R0 50 和R0 100 电阻丝的粗细 综合考虑： 铂电阻 d 0.03 0.07mm 铜电阻 d 0.1m第三节 电阻式检测元件一般的金属的电阻值都随温度的升高而升高。但作为测温的导体，应具有一定的条件，同时也要标准化。目前常用的金属热电阻有铂、铜 铂电阻： 铜电阻： 第三节 电阻式检测元件热敏电阻 热敏电阻是由金属氧化物或半导体材料制成的 热敏元件 特点：体积小、灵敏度高、结构简单、使用寿命长 ；但呼唤性差、测量范围不宽 负温度系数（NTC ）热敏电阻 呈现负的温度系数 ，主要由Mn 、Cn 、Ni 、Fe 等金属氧化物烧结而成 第三节 电阻式检测元件正温度系数（PTC）热敏电阻 呈现正温度系数特性 ，是用BaTiO3掺如稀土元素使之半导体化而制成的临界温度（CTR）热敏电阻 是一种具有负的温度系数的开关型热敏电阻 。具有很好的开关特性，常作为温度控制元件 第三节 电阻式检测元件第三节 电阻式检测元件三、其它电阻式检测元件 湿敏电阻 工作原理 它是由感湿膜与 保护膜1 、电极2 和基片3 组成 第三节 电阻式检测元件湿敏电阻的特性 湿敏电阻的阻值随湿度增 加而减小，而且湿敏电阻 的特性与温度有关，所以 在使用中，要采用温度补 偿措施 第三节 电阻式检测元件第三节 电阻式检测元件气敏电阻 气敏电阻是由某些半导体材料制成，它是利用半导体与特定气体接触时，其电阻值发生变化的效应进行测量的。 第三节 电阻式检测元件电位器式检测元件 电位器式检测元件主要用来测量位移。通过与其他敏感元件 的联合使用，也可 测量压力、加速度 等物理量 第四节 电容式检测元件电容式检测元件可以将某些物理量的变化转变为电容量的变化一、电容检测元件的工作原理 电容检测元件实际上是各种类型的可变电容器，它能将被测量的改变转换为电容量的变化第四节 电容式检测元件平板型电容器 当忽略该电容器的边缘效应时，其电容量C为 为极板面积； 为两极板间 的距离； 为极板间介质的介电常数； 为真空介电常数； 为介质相对真空的相对介电常数。第四节 电容式检测元件圆筒形电容器 其电容量C为 为圆筒长度；R为外圆筒内半径；r为内圆筒外半径；其他符号上式相同 第四节 电容式检测元件二、电容元件的结构和特性变极距式电容器 第四节 电容式检测元件 改变极板间的距离，导 致电容量的变化，其相 对变化可近似为： 灵敏度： 第四节 电容式检测元件变面积式电容器第四节 电容式检测元件 当可动极板在被测量的作用下发生位移，使两极板相对有效面积改变 ，则会导致电容器的电容量的变化 灵敏度 第四节 电容式检测元件变介电常数式电容器 当两极板间介质的介电常数 变化 ，由此 引起的电容改变量为第四节 电容式检测元件等效电路 在低频率或在高温高湿条件下 ，电容的等效电路为第四节 电容式检测元件三、电容式检测元件的温度补偿及 抗干扰问题电容式检测元件的温度补偿 消除寄生电容的影响第五节 热电式检测元件热电式检测元件是利用敏感元件将温度变化转换为电量的变化，从而达到测量温度的目的 一、热电偶检测元件热电效应及测温原理第五节 热电式检测元件 将热电极A、B的两个接点分别置于温度为T 及 （设T ）的热源中，则在该回路内 就会产生热电动势。这种现象称之为热电 效应。 温度高的接点称为热端（或工作端），温 温度低的接点称为冷端（或自由端）第五节 热电式检测元件接触电势 两者电子密度不同，扩散速度不同 第五节 热电式检测元件温差电势 导体内自由电子在高温端具有较大的动能，因而向低温端扩散 ，当达到动态平衡时，在导体的两端便产生一个相应的电位差。该电位差就称为温差电势。可表示为： 第五节 热电式检测元件热电偶回路热电势 对于由导体A、B组成的热电偶闭合回路，当温度为 T ， 时，闭合回路总的热电势为 第五节 热电式检测元件热电偶的基本定律 均质导体定律 由一种导体组成的闭合回路，不论导体的截面积和长度如何，也不论各处的温度如何都不产生热电势 中间导体定律 在A、B 构成的热电偶接入 第三种导体C ，并使AC 和 BC 接触的温度均为t0 第五节 热电式检测元件中间温度定律 热电偶A、B在接点温度为T， 时的热电势等于 热电偶A、B在接点温度为 和 的热电 势 和 的代数和，即：第五节 热电式检测元件热电偶的误差 分度引起的误差 冷端温度引起的误差 测量线路及仪表误差 干扰和漏电引起的误差 第五节 热电式检测元件二、晶体管温度检测元件 PN结温度检测元件 根据半导体原理，晶体管的PN结的伏安特 性与温度有关，利用这一特性可构成温度 检测元件第五节 热电式检测元件 下式表明了PN结的正向电压与温度的关系 第五节 热电式检测元件晶体三极管温度检测元件 当发射结处于正向偏置时，其发射极电流 Ie与基极发射极间的电压Vbe的关系可表示为第五节 热电式检测元件第六节 压电式检测元件压电式检测元件是利用压电材料作为敏感元件，以其受外力的作用时在晶体表面产生电荷的压电效应为基础来实现参数测量的。它可以把力、压力、加速度和扭矩等物理量转换成电信号输出最常用的压电材料是石英晶体和压电陶瓷 第六节 压电式检测元件一、压电效应与压电材料压电效应 某些材料在沿一定方向受外力作用时，不仅几何尺寸变化而发生变形，而且材料内部电荷分布发生变化,从而使得在其一定的两个相对表面上产生符号相反，数值相等的电荷，当外力去掉后，它们又恢复到不带电状态。这种现象称“正压电效应 ”第六节 压电式检测元件 压电效应是可逆的，即在特定的面上施加电场后，则会在相应的面上产生形变和应力；去掉电场后，形变和应力消失。这称之为“逆压电效应” 第六节 压电式检测元件石英晶体为六棱形。它 有三个互相垂直的轴。 其中x轴称为电气轴，y 轴称为机械轴，z轴称为 光学轴。从棱柱中割出 一个各面与轴平行的小块。第六节 压电式检测元件当沿着x轴方向有力作用时，则在垂直于x轴的两个面上，就会出现大小相等符号相反的电荷，其电荷量为： K压电常数 Ax作用面积 这种压电效应称纵向压电效应如果在y轴方向上施以压力，在垂直于x轴的两个界面上也会出现电荷，其电荷量为： 这种压电效应称横向压电效应第六节 压电式检测元件压电材料 常用的压电材料有压电晶体、压电陶瓷、高分子材料 最典型的压电晶体是石英晶体 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料 第六节 压电式检测元件二、压电式检测元件的等效电路压电式检测元件等效为一个电荷源和一个电容相并联；或为一个电压源和一个电容串联的等效电路，如下图第六节 压电式检测元件三、压电式检测元件的误差 温度引起的误差电缆噪声第七节 光电式检测元件光电式检测元件是一种将光信号转换为电信号的元件，其物理基础是光电效应 测量时，被测量的变化转换成光信号的变化，从而引起电信号的相应变化 第七节 光电式检测元件一、光电效应 光电效应是指光照射到物质上引起其电特性（电子发射、电导率、电位、电流等）发生变化的现象。光电效应分为外光电效应和内光电效应 外光电效应 在光线作用下，使其内部电子逸出物体表面的现象称为外光电效应 第七节 光电式检测元件内光电效应 物体在光线作用下，其内部的原子释放电子，但这些电子并不逸出物体表面，而仍然留在内部，从而导致物体的电阻率发生变化或产生电动势，这种现象称为内光电效应 第七节 光电式检测元件二、光电器件的基本特性光谱灵敏度 光电器件对单色辐射通量的反应称为光谱灵敏度 为光电器件输出光电流； 为入射辐射通量 第七节 光电式检测元件相对光谱灵敏度 积分灵敏度 光电器件对连续光通量的反应称为积分灵敏度 第七节 光电式检测元件光照特性 当光电器件加上一定的外加电压时，其输出光电流或端电压与入射光照度之间的关系成为光照特性 有时也表示为光电器件的积分或光谱灵敏度与入射光照度的关系 第七节 光电式检测元件频率特性 光电器件的相对光谱灵敏度或输出光电流（或端电压）的振幅随入射光通量的调制频率变化的关系成为光电器件的频率特性 或第七节 光电式检测元件温度特性 环境温度变化后，光电器件的光学性质也随之变化，这种现象称为光电器件的温度特性。一般由灵敏度或暗（光）电流与T的关系来表示 第七节 光电式检测元件三、光敏元件及特性 光敏电阻及特性光敏电阻的工作原理和结构 光敏电阻是利用光电导效应的原理工作的 光敏电阻的主要参数及基本特性 主要参数 暗电阻和暗电流、亮电阻与亮电流 、光电流 第七节 光电式检测元件 基本特性 光照特性、伏安特性 、光谱特性 、温度特性 第七节 光电式检测元件第七节 光电式检测元件光电池及特性光电池的工作原理和结构 光电池是一种直接将光能转换为电能的光敏元件 第七节 光电式检测元件光电池的基本特性 光照特性 、光谱特性 、频率特性 、温度特性 第七节 光电式检测元件第七节 光电式检测元件光敏晶体管光敏二极管 光电二极管的反向饱和电流随入射光照度的变化而成比例的变化 ，具有极好的线性 光电三极管 它有两个PN 结，由入射光在发射极与基极之间的PN 结附近产生的光电流 第七节 光电式检测元件光电管真空光电管 有一个阴极和一个阳极构成，共同封装在一个真空玻璃泡内，管内形成电场，当光照射到阴极时，电子便从阴极逸出，在电场作用下，被阳极收集，形成电流 。该电流及负载电阻上的电压随光照强弱而变化，从而实现了光电信号的转换 第七节 光电式检测元件第七节 光电式检测元件光电倍增管 在光电管的阴极K和阳极A之间安装若干个倍增极D1 D2 DN ,就构成了光电倍增管 与普通光电管相比，光电倍增管的灵敏度获得了很大的提高 第八节 磁电式检测元件 磁电式检测元件是通过电磁原理将被测物理量转换成电信号的一种检测元件一、磁电感应式检测元件 利用电磁感应定律，将被测量转变成感应电动势而进行测量 线圈中感应电动势e 的大小，取决于匝数N和穿过线圈的磁通变化率 第八节 磁电式检测元件 磁通变化率是由磁场强 度、磁路磁阻及线圈的 运动速度决定的 恒磁阻式检测元件 由线圈1、运动部件2和永久磁铁3所成 第八节 磁电式检测元件线速度型 角速度型感应电势与线圈对磁场的相对运动的线速度或线圈相对磁场的角速度成正比 第八节 磁电式检测元件变磁阻式检测元件 变磁阻式检测元件的线圈与磁铁之间没有相对运动，由运动着的被测物体(一般是导磁材料)来改变磁路的磁阻，引起磁通量变化,从而在线圈中产生感应电动势。变磁阻式检测元件一般做成转速式，产生的感应电势的频率作为输出 第八节 磁电式检测元件开磁路式 开磁路转速检测元件主要由永久磁铁1、衔铁2和感应线圈3组成 第八节 磁电式检测元件闭磁路式 它是由安装在转轴1上的内齿轮2和永久磁铁5、外齿轮3a、3b及线圈4构成 第八节 磁电式检测元件磁电感应式检测元件的误差及补偿 磁电感应式检测元件相当于一个电源 第八节 磁电式检测元件磁电感应式检测元件的输出电流iO以及在负载电阻RL上的电压uO为 Ri为磁电感应式检测 元件的内阻，RL为负 载电阻 第八节 磁电式检测元件检测元件的电流灵敏度Si和电压灵敏度Sv为： 第八节 磁电式检测元件当磁电感应式检测元件工作温度发生变化，或受到外磁场干扰，或受到机械振动或冲击时，其灵敏度都将发生变化而产生测量误差，其相对误差为 第八节 磁电式检测元件温度误差第八节 磁电式检测元件永久磁铁不稳定误差 当测量电路满足Ri RL时，电磁感应式检测元件的电压灵敏度可近似为 则灵敏度的相对误差为 第八节 磁电式检测元件非线性误差 当线圈内有电流i通过时，将产生一定的交变的磁通 ，此交变磁通叠加在永久磁铁的工作磁通上，从而使实际磁通量减少，由磁电感应式检测元件的工作原理可知，其线圈相对于永久磁铁的运动速度越大v，产生的电动势e越大，则电流也越大，对永久磁场的削弱作用就越强。因此检测元件的灵敏度随被测速度数值的增加而降低，引起严重的非线性 第八节 磁电式检测元件非线性误差一般采用补偿线圈来补偿 第八节 磁电式检测元件二、霍尔检测元件 霍尔检测元件是以霍尔效应作为理论基础 以霍尔元件为核心部件的磁敏式检测元件霍尔效应 在z 轴加恒定磁场B ；y 轴通以恒定电流，则在x 轴方向出现电位差 第八节 磁电式检测元件 此电势为 称为霍尔系数 d为霍尔元件厚度第八节 磁电式检测元件霍尔元件及其特性 目前最常用的霍尔元件是由锗、硅、锑化铟和砷化铟等半导体材料制成的 霍尔元件的几何形状为长方形，长宽比为2 ：1 霍尔元件的壳体是非导磁金属陶瓷或环氧树脂封装 霍尔电压与B 、I 的关系 第八节 磁电式检测元件第八节 磁电式检测元件霍尔集成器件 霍尔集成器件是将霍尔元件、放大器、施密特触发器以及输出电路通过集成化制作工艺构成独立器件 霍尔线性集成器件 霍尔开关器件 第九节 磁弹性式检测元件磁弹性式检测元件也称为压磁式检测元件，简称压磁元件，是一种新型的检测元件。它是基于铁磁材料的磁弹性效应工作的一、磁弹性效应第九节 磁弹性式检测元件磁致伸缩效应 指铁磁材料在外磁场作用下其磁化矢量发 生转动，而使其形状发生变化, 但体积保持 不变的现象 磁致伸缩系数 式中 为伸缩比 第九节 磁弹性式检测元件压磁效应 当铁磁材料因磁化而引起伸缩或受到外部施加的作用力时，它的内部发生应变，进一步会产生应力 ，从而导致材料的磁导率 发生变化，这种现象称为压磁效应 铁磁材料的相对磁导率变化与应力 的关系可表示为 式中B 为磁感应强度 第九节 磁弹性式检测元件二、磁弹性式检测元件的结构及工 作原理磁弹性式检测元件的工作原理 压磁元件是由磁性材料构成,作为敏感元件产生压磁效应。弹性元件是由弹簧钢制成的第九节 磁弹性式检测元件第九节 磁弹性式检测元件磁弹性式检测元件的误差分析 场强度的影响 第九节 磁弹性式检测元件激励频率的影响第九节 磁弹性式检测元件激励电流的影响第九节 磁弹性式检测元件预加载荷的影响第九节 磁弹性式检测元件温度的影响第九节 磁弹性式检测元件第九节 磁弹性式检测元件此外，由于铁心材料的磁滞特性与弹性滞后、弹性后效、电源的性能参数及环境温度的波动都会对铁磁材料的磁化特性产生影响，从而造成检测元件的测量误差 第十节 核辐射式检测元件核辐射式检测元件是利用被测物质对射线的吸收、散射、反射或射线对被测物质的电离作用而工作的，可用来检测厚度、物位、密度、成分等各种参数，还可用于金属探伤等 核辐射式检测元件主要由放射源、检测器及转换电路组成 第十节 核辐射式检测元件一、放射源 在检测仪表中，采用的放射源是放射性同位素，放射性同位素的原子核是不稳定的原子核，在无任何外因作用下，它会自动衰变，同时会放出粒子或射线而变为另外的同位素，这种现象称为核衰变 第十节 核辐射式检测元件放射源的强度随时间按指数定律而衰减，即式中 为开始时的放射源强度； 为经过时间t后放射源强度； 为放射性衰变常数，与外界条件和时间无关 第十节 核辐射式检测元件二、探测器 射线和物质的作用是探测射线存在和强弱 的基础，探测器就是以射线和物质的相互 作用为基础而设计的射线与物质的作用第十节 核辐射式检测元件带电粒子和物质的作用电离和激发散射 吸收 射线和物质的作用 光电效应 康普顿效应 电子对的生成 第十节 核辐射式检测元件核辐射检测器 核辐射检测器又称核辐射接收器，它的主 要用途是将核辐射信号转换成电信号，以 检测出射线强度的变化 电流电离室 闪烁计数器 第十节 核辐射式检测元件三、核辐射式检测元件的误差辐射源强度误差 在时间t内，强度衰减为 ，所以由辐射源本身核衰变引起的相对误差为 第十节 核辐射式检测元件核衰变的统计特性引起的误差 由于核衰变产生的粒子数是随机的，它服从于统计规律，检测器测量到的粒子数的相对误差可按下式计算 式中 为测量时间； 为射入检 测元件的粒子的平均频率；为 检测元件的效率 检测仪表第一节检测仪表的构成和设计方法 一、检测仪表的组成和检测系统的 结构形式第一节检测仪表的构成和设计方法 二、检测仪表的设计方法 信号变换按结构形式来分主要有四类，即简单直接式变换、差动式变换、参比式变换和平衡（反馈）式变换 简单直接式变换 第一节检测仪表的构成和设计方法 简单直接变换的结构形式有两种。两种形式如下图所示 第一节检测仪表的构成和设计方法 图（a ）是一种只有转换电路的信号变换。这种信号变换形式最为简单，它要求敏感元件能将被测量转换成电学量 第一节检测仪表的构成和设计方法图（b）是一种既有转换元件又有转换电路的信号变换。敏感元件首先把被测参数转换成某种可利用的中间物理量，再通过转换元件把中间物理量转换成电学量，最后通过转换电路使输出的电压或电流信号与被测参数相对应 在参数检测中，常用到的中间物理量主要有位移、光量和热量等，相应的转换元件有应变片、电感、电容、霍尔元件、光电器件和热敏元件等 第一节检测仪表的构成和设计方法第一节检测仪表的构成和设计方法转换电路的信息能量传递简单直接变换式仪表的特点第一节检测仪表的构成和设计方法差动式变换 为了提高检测仪表（系统）的灵敏度和线性度，减小或消除环境等因素的影响，信号变换常采用差动式结构 ，即用两个性能完全相同的转换元件，感受敏感元件的输出量，并把它转换成两个性质相同但沿反方向变化的物理量（常见的是电路参数量） 第一节检测仪表的构成和设计方法差动变换形式图如下 第一节检测仪表的构成和设计方法下图1为差动式变压器，图2为差动式电容器第一节检测仪表的构成和设计方法差动式变换的特性分析 特点 不能克服敏感元件受环境的影响 灵敏度较高 线性度较高 第一节检测仪表的构成和设计方法参比式变换 参比式变换也称补偿式变换。 采用这种变换的 目的是为了消除条件变化 对敏感元件的影响，解决 在上述差动式变 换中所出 现的问题 结构形式 第一节检测仪表的构成和设计方法如果环境条件量主要作用在转换元件上，则和差动式变换类似，参比式变换可以只用一个敏感元件和两个转换元件，其中一个转换元件既感受敏感元件的输出， 又感受环境条件量，另 一个只感受环境条件量。 第一节检测仪表的构成和设计方法参比式变换的特性分析 特点 能够克服环境变化引起的误差 不能克服非线性 两个检测元件的性能要求完全一致，否则会引起附加误差 第一节检测仪表的构成和设计方法平衡（反馈）式变换 结构形式 平衡式变换也称反馈式变换，是指信号变换环节（包括转换元件和转换电路）为闭环式结构 第一节检测仪表的构成和设计方法有差随动变换无差随动变换 图中仪表之所以为无差平衡，关键在于采用了可逆电机M 。可逆电机用传递函数可表示为K/s, 即相当于一个积分环节 第一节检测仪表的构成和设计方法平衡式变换的特性分析 有差随动式变换 第一节检测仪表的构成和设计方法无差随动式变换第一节检测仪表的构成和设计方法三、检测仪表中常见的信号变换方法 位移与电信号的变换 温度测量中 双金属片 t x压力测量中 弹性元件 p x物位测量中 浮筒 H（f） x流量测量中 转子流量计 q x 第一节检测仪表的构成和设计方法位移转变成电容 位移量很小，如膜片 利用霍尔元件 利用差动变压器 差动变压器是利用互感原理把位移转换成电信号的一种常用的转换元件 第一节检测仪表的构成和设计方法 变压器的原边由交流供 电。当铁心在中间位置 时，上下两段副边线圈 产生的感应电动势e1 和 e2 大小相等 第一节检测仪表的构成和设计方法其他转换元件或方法 电感器 利用线圈自感原理把位移转换 成电感量的变化 光学法 首先将位移量转换成光强的变 化，进一步用光敏元件把光信 号转换成电信号 第一节检测仪表的构成和设计方法电阻与电压的变换 把电阻信号转换电压（或电流）主要有两种方法：一是外加电源，并和被测电阻一起构成回路，测量回路中的电流或某一固定电阻上的压降，这是典型的串联式转换电路；另一种方法是利用电桥进行转换 第一节检测仪表的构成和设计方法不平衡电桥的电压灵敏度第一节检测仪表的构成和设计方法电容电压的变换 桥式电路 单臂接法 时平衡 第一节检测仪表的构成和设计方法差动接法 第一节检测仪表的构成和设计方法电压电流转换 电压电流的转换 由上图可得 输出电流与 输入电压之 间的关系为： 第一节检测仪表的构成和设计方法图是一个最常见的电压电流转换电路。 当输入电 压为 时 输出电流 为：第二节 温度检测仪表 一、概述 温度是描述系统不同自由度之间能量分布状况的基本物理量，是决定一系统是否与其他系统处于热平衡的宏观性质，一切互为热平衡的系统都具有相同的温度 。温度是与大量分子的平均动能相联系，它反映了物体内部分子无规则运动的剧烈程度 第二节 温度检测仪表温标温度：表征物体或系统的冷热程度温标：温度的数值表示热力学温标第二节 温度检测仪表国际实用温标自从1927年建立国际实用温标以来，先后作了多次修改，由于科学技术的提高，每次更接近热力学温标，准确度更高。1968年曾经作过一次较大的修改，最近一次是1990年。根据1990国际实用温标规定：热力学温度是基本温度，用符号T表示。温度单位是开尔文，符号为K。第二节 温度检测仪表1K等于水三相点热力学温度的1/273.16。1990国际温标修改了基准仪器及温度范围： 0.655.0K 3He和4He蒸气压温度计 3.024.5561K 3He、4He 定容气体温度计 13.80331234.93K 基准铂电阻温度计 1234.96K以上 光学或光电高计第二节 温度检测仪表温度检测仪表的分类 根据敏感元件与被测介质接触与否 接触式 非接触式 第二节 温度检测仪表二、热电偶温度计 热电效应及热电偶 热电势主要由两部分组成：接触电势和温差电势 温差电势：同一导体因两端温度不同而产生的热电势 原因：高温端电子能量向能量小的低温端移动 第二节 温度检测仪表接触电势：两种不同导体接触时产生 原因：两者电子密度不同，扩散速度不同 温差电势比接触电势小的多 只与两种导体材料A 、B 及两端温度t ，t0 有关，与热电极的形状、大小、长短无关第二节 温度检测仪表热电偶基本定律 中间导线定律 在A 、B 构成的热电偶接入第三种导体C ，并使AC 和BC 接触的温度均为t0 标准电极定律 等值替代定律 第二节 温度检测仪表常用的热电偶 任何两种导体都可组成热电偶，但作为测温的热电偶需满足： 电势值大，随温度单调上升，最 好线性 材料易获得，复制性好，价格低 物理、化学性稳定 电极的电阻小，温度系数小 第二节 温度检测仪表常用标准化热电偶第二节 温度检测仪表常用标准化热电偶第二节 温度检测仪表常用标准化热电偶第二节 温度检测仪表常用标准化热电偶第二节 温度检测仪表常用标准化热电偶第二节 温度检测仪表热电偶自由端温度的处理 用热电偶测温时，要求热电偶的自由端的温度保持不变（最好为0 ），热电势才是被测温度的单位函数，另外，热电偶安装位置与集中控制室距离较长。由于热电偶一般是贵金属做成，价格比较昂贵。根据等值替代定理，可用一种价格比较便宜，而热电势与热电偶的电势相近的特殊导线来代替。这种导线为“ 补偿导线” 。 第二节 温度检测仪表补偿导线法 使用补偿导线时必须注意以下问题： 补偿导线只能在规定的温度范围内（一般为0 100 ）与热电偶的热电势相等或相近； 不同型号的热电偶有不同的补偿导线； 热电偶和补偿导线的二个接点要保持 同温； 补偿导线有正负极，分别与热电偶的 正负极相连 第二节 温度检测仪表计算修正法 当用补偿导线把热电偶的自由端延长到处(通常是 环境温度)，只要知道该温度值，并测出热电偶回 路的电势值，通过查表计算的方法，就可以求得 被测实际温度第二节 温度检测仪表自由端恒温法 在工业应用时，一般把补偿导线的末端(即热电偶的自由端)引至电加热的恒温器中，使其维持在某一恒定的温度。通常一个恒温器可供多支热电偶同时使用。在实验室及精密测量中，通常把自由端放在盛有绝缘油的试管中，然后再将其放入装满冰水混合物的容器中，以使自由端温度保持为0，这种方法称为冰浴法第二节 温度检测仪表自动补偿法 自动补偿目前主要采用补偿电桥，它是利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因自由端温度变化而引起的热电势的变化值 第二节 温度检测仪表热电偶的结构型式 普通型热电偶 铠装热电偶 第二节 温度检测仪表薄膜热电偶 第二节 温度检测仪表热电偶温度检测系统 使用热电偶组成一个温度检测系统，主要有二种情况，一是热电偶直接与显示仪表相连，显示仪表显示被测温度值；二是热电偶先接到热电偶温度变送器，变送器输出的标准信号与被测温度成线性对应关系，并送到显示仪表显示温度值第二节 温度检测仪表三、热电阻温度计 热电阻测温原理：基于导体或半导体的电阻随温度变化的性质 金属热电阻的分度号与分度表 一般的金属的电阻值都随温度的升高而升高。但作为测温的导体，应具有一定的条件，同时也要标准化。目前常用的金属热电阻有铂、铜 第二节 温度检测仪表热电阻的结构型式 工业热电阻 铠装热电阻 第二节 温度检测仪表热电阻温度检测系统 为了减小引线电阻的影响，引线可采用三根，其中两根引线来自热电阻的一个引出端。另一根引线接至热电阻的另一个引出端。三根引线分别接到变送器或显示仪表输入电路的电桥的电源和两个桥臂。这种引线方式称为三线制 第二节 温度检测仪表第二节 温度检测仪表四、其它接触式温度检测仪表 玻璃管温度计第二节 温度检测仪表压力式温度计双金属温度计第二节 温度检测仪表集成温度传感器第二节 温度检测仪表五、非接触式温度检测仪表 非接触式温度