石大机械工程测试技术讲义03非电量电测法

非电量电测法(讲稿)李江全石河子大学机电学院电气工程教研室目录一、"非电量电测法"的含义和工作原理1、含义2、基本工作原理3、对非电量的测量采用非电测量法的局限性二、非电量电测系统的组成1、三个环节和三个功能模块2、电测系统各部分的作用3、几种电测系统4、三个环节所遵循的基本原则三、非电量电测法的优点四、非电量电测技术的发展五、非电量电测技术在各个领域的应用1、在机械工程领域中的应用2、在工业生产过程中的应用3、在现代农业中的应用4、在家电领域中的应用5、在安全保护、防盗报警、环境保护中的应用补充问题：1、“电五官”2、常见的信号调理电路3、常用的显示记录方式及相应的仪器4、机械制造业的三个发展阶段5、手动控制与自动控制的比较一、"非电量电测法"的含义和工作原理1、含义具体地讲：先将待测的非电量转换为电量，通过测量该电量来达到间接测量非电量的一种测量方法称为非电量电测法。简单地讲：用电子仪器来测量非电量的一种方法。简称“电测法”非电量的电测法通常包括以下几个部分：首先用传感器感受如温度，湿度，流量等非电量的变化并将其变换为电量，然后用电测仪器如电桥、电位差计等对相应的电量变化进行测量，最后用显示器如电磁仪表，示波器等显示出测量结果。非电量电测法涉及两个基本问题：一是怎样用传感器将非电量转换为电量，二是怎样对电量进行测量。因此非电量电测法同传感器技术、电子测量技术是紧密联系不可分割的。2、“电测法”的基本工作原理用传感器将所需测定的非电量转换为电量，然后通过一定的测量电路及仪表对此电量进行测量，测得了电量，就可知与之成比例的非电量。“电测”法的测量系统由传感器、中间转换电路、显示或记录仪表、电源等组成。对非电量的测量采用电测法是为了克服非电测量方法的一些局限性。3、对非电量的测量采用非电测量法的局限性对非电量的测量采用机械、液压、光学等非电测量法应用非常广泛，但随着生产技术、社会的发展，在很多场合显示出一定的局限性，甚至有时无法采用。这些局限性是：1）准确度、灵敏度低，反应速度慢，测量范围窄；2）无法进行动态，尤其是瞬态测量；3）无法实现运距离、集中测量；4）测量信号（数据）无法自动保存，无法实现自动化测量；5）对环境的适应性差，如在高温、腐蚀性、有毒环境下无法进行测量。二、非电量电测系统的组成完成非电信号的检测与转换以及对信号的各种处理，最后显示出被测量数值的系统称为非电量电测系统（自动检测系统）。最简单的非电量测试系统是什么？如果所要测量的非电量正好是某传感器能转换的那种非电量，而该传感器转换出来的电量又正好能为后面的显示记录电路所利用，那么，由传感器和显示仪表便可构成一个最简单的非电量测量系统。例如热电偶测温度时产生的热电势可以驱动动圈式毫伏计，那么热电偶、导线、毫伏电压表就构成了一个最简单的温度测试系统。一个完整的检测系统或检测装置通常是由传感器、调理电路和显示记录装置等部分组成，分别完成信息获取，转换，显示和处理等功能。当然其中还包括电源和传输通道等不可缺少的部分。举例：电子称、容器液位测量1、三个环节检测单元检测单元转换单元输出单元结果非电信号电信号电信号三个功能模块传感器传感器调理电路显示记录仪结果非电信号电信号电信号2、电测系统各部分的作用1）传感器：从广义上讲，传感器就是能感受外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置；从狭义上讲，传感器就是能将外界信息转换成电信号的装置。作用：实现信号的检测与转换。功能：（a）能感受非电量；（b）可将非电量转换为电量；传感器是检测系统与被测对象直接发生联系的部分。它是获得信息的手段，在整个测试系统中占有首要地位。它处于被测对象和检测系统的接口位置，构成了信息输入的主要窗口，为检测系统提供必需的原始信息。它是整个检测系统关键环节，检测系统获取信息的质量往往是由传感器的性能一次性确定的，因为检测系统的其它环节无法添加新的检测信息并且不易消除传感器所引入的误差。有人把计算机比喻为人的大脑的延续，称之为电脑；而把传感器比喻为人的感觉器官的延续，称之为“电五官”（视、听、味、嗅、触）。没有“电五官”就不能实现自动化，没有检测与转换技术就不能有自动保护、自动报警和自动诊断系统，就不能组成自动控制系统，就不能实现自动计量和自动管理。近来，随着测量、控制及信息技术的发展，传感器作为这些领域里的一个重要构成因素，被视为90年代的关键技术之一受到了普遍重视。深入研究传感器的原理和应用，研制新型传感器，对于社会生产、经济交往、科学技术和日常生活中自动测量和自动控制的发展，以及人类观测研究自然界的深度和广度都具有重要的实际意义。一个国家的现代化水平是用自动化水平来衡量的，而自动化水平是用采用传感器的种类多少和数量来衡量的。由此可见传感器的重要地位和作用。2）信号调理电路作用：对传感器输出的电信号进行加工和处理，转换成便于输送、显示和记录的电信号（电压或电流）。根据变换及测量装置的类型和测量结果的要求不同，有时进行必要的信号变换，如传感器输出信号是微弱的，就需要由调理电路加以放大，以满足显示记录装置的要求；低频信号或近似直流信号，为了传输方便，需要将其调制成高频信号；有时为了与计算机接口方便，将模拟信号变换成数字信号或其它形式；根据需要调理电路还能进行阻抗匹配、微分、积分，线性化补偿等信号处理工作。应当指出调理电路的种类和构成是由传感器的类型决定的，不同的传感器所要求配用的调理电路经常具有自己的特色。常见的信号调理（转换）电路有：电桥电路、调制、解调电路、滤波电路、放大电路、线性化电路、A/D转换电路等。3）显示记录仪：作用：显示所测量的参数数值及变化的波形，记录动态测试过程中的变化信号，供人们观测和分析。显示记录装置是检测人员和检测系统联系的主要环节，主要作用是使人们了解检测数值的大小或变化的过程。另：激励装置——它的作用是人为地模拟某种条件，把被测系统中的某种信息激发出来，以便检测，如用激励器作用在机械装置上，然后把机械结构产生的振动幅值、应力变化等信息激发出来，由后序装置检测后对它的性能进行分析研究。测试与传感的全过程相当于人通过五官接收外界信号，并将信号传给大脑；经大脑分析思考，驱使肌体完成相应的动作，对接收的信号作出恰当准确的反应。3、几种电测系统对于电测系统，输出环节（单元）不同，则构成不同的系统：如果输出单元是显示器或记录器，则该系统叫做自动测量系统；如果输出单元是计数器或累加器，则该系统叫做自动计量系统；如果输出单元是声、光报警器，则该系统叫做自动保护系统或自动诊断系统；如果输出单元是处理电路（如计算机），则该系统叫做自动控制系统同样，若采用不同的检测单元（传感器），对于报警系统来说，又可分别组成温度报警系统、压力报警系统、有害气体报警系统等。4、三个环节所遵循的基本原则理想的测试系统应该具有单值的、确定的输入——输出关系。即对应每一输入量，都应只有单一的输出量与之对应。知道其中的一个量就可确定另一个量。其中以输出与输入成线性关系为最佳。应该指出：一些实际的测试装置无法在较大的工作范围内满足这种要求，而只能在较小工作范围内和在一定误差允许范围内满足这项要求。原则：电测系统各环节的输出量与输入量之间应保持一一对应和尽量不失真的关系，并尽可能地减小或消除各种干扰。举例：卡拉OK系统（麦克风——传感器，功放——调理电路，音响——显示记录）三、非电量电测法的优点就被测对象而言，工业上需要测试或检测的量有电量和非电量两大类，非电量种类比电量的种类多得多。非电量早期多用非电的方法测量，例如用尺测量长度，用水银温度计测量温度。但是随着科学技术的发展，对测量的精确度、速度都提出了新的要求，尤其对动态变化的物理过程进行测量，以及对物理量的远距离测量，用非电的方法已经不能满足要求了，（见前述对非电量的测量采用非电测量法的局限性）必须采用电测法。电测法就是把非电量转换为电量来测量，同非电的方法相比，电测法具有无可比拟的优越性：1、电子仪器具有较高的灵敏度和精确度，测量范围广。例如用应变片可测出5微应变的变形量，对于钢材，相当于10公斤／厘米2的应力。采用电子技术，用放大和衰减的办法灵活地改变测量仪器的灵敏度，从而大大扩展仪器的测量幅值范围(量程)。2、电子装置频率响应好，可进行动态、瞬态测量。电子测量仪器具有极小的惯性，既能测量缓慢变化的量（静态量），也可测量快速变化的量（动态量，频率可高达数百兆赫）。这是一般机械式仪器不可能达到的。因此采用电测技术将具有很宽的测量频率范围(频带)。3、把非电量变成电信号后，易于传递、放大，可遥测，便于远距离传送和控制，这样就可实现远距离的自动测量和集中监控；4、把非电量转换为数字电信号，不仅能实现测量结果的数字显示，而且更重要的是能与计算机技术相结合，可实现自动测量，数据存储、自动处理，生产过程的自动监控，从而实现测量的微机化和智能化。5、电测传感器的尺寸小，重量轻，这在测量技术上有着突出的优越性。例如测量过程中有许多待测的部位，由于结构的限制，没有足够的空间来安装一般的测量仪器，而“电测法”则往往不受此种限制。6、便于多线测量，同步多参数测量，连续测量，以利分析比较。如悬挂机组的耕深，耕宽、机组前进速度等参数共需十来线，而犁架．拖拉机大梁的应力测量等，有时多达几十至上百线。7、环境适应性强。电子仪器的通用性、适应性强，一般只需作少许的改变，即可对不同的物理量进行测量：对不同的环境条件（即使是非常恶劣的环境）亦能较好地适应。四、非电量电测技术的发展主要在技术方法的发展如遥测技术、CAT技术和仪器设备的发展如传感器、信号调理电路、显示记录仪两个方面。1、人们研究新原理、新材料和新工艺所取得的成果将产生更多品质优良的新型传感器。例如光纤传感器、液晶传感器，以高分子有机材料为敏感元件的压敏传感器、微生物传感器等。另外，代替视觉、嗅觉、味觉和听觉的各种仿生传感器和检测超高温、超高压、超低温和超高真空等极端参数的新型传感器也是今后传感器技术研究和发展的重要方向．由于物理学、化学、材料学，特别是半导体材料学、微电子学等方面的新成就，使传感器向着精确度高、灵敏度高、测量范围大而体积小的方向发展。微电子技术的发展使得有可能把某些电路乃至微处理器和传感、测量部分做成一个整体，使传感器本身具有检测，放大、判断和一定的信号处理功能。在医学领域用于探测人体内部功能的传感器必须是微型传感器。如美国航天技术中的微电子技术在医疗领域中应用的“温度药丸”，它包括石英晶体温度敏感器，微型电池和遥测系统，1．9cm长的温度药丸可插入或咽入人体消化系统中，可把三天内身体中心部位的体温数据发送到一个外部接收机。在机器人工程的发展中，需要研制灵敏度高的新型视觉，触觉、听觉，嗅觉传感器等。在一般的测量中，对传感器的外型尺寸重量没有特殊的要求。但在航空，宇航，生物医学工程中就要求使用的传感器尺寸要尽量小、重量要尽量轻．如苏联目前最大的运载火箭一能源号运载火箭的指挥控制系统就由几千个传感器组成，如果传感器不实现小型化或微型化，它是不可能应用的。可以说传感器的小型化与智能化已经成为当代科学技术发展的标志，也是测试技术发展的明显趋势。2、参数测量与数据处理向自动化发展一个产品的大型，综合性试验，准备时间长，待测的参数多，少则几十，多则几百个数据通道，光靠人工去检查一遍，就要耗费很长时间。众多的数据依靠手工去处理，不仅精度低，周期也太长。电子计算机技术的发展使测试技术发生了根本变化，在很多情况下可以利用电子计算机做后续处理工作，直接显示出所需要的结果。电子计算机技术在测试技术中的应用还突出地表现在整个测试工作可在计算机控制下，自动按照给定的测试实验程序进行，直接给出测试结果，构成了自动测试系统。其它诸如数据采集、波形存储、非线性校正和系统误差的消除、数字滤波，参数估计等方面也都是电子计算机技术在测试领域中应用的重要成果。以计算机为核心的多通道自动测试系统，该系统能实现自动校准、自动修正，故障诊断，信号调制，多路采集，自动分析，处理，并打印与绘图。这些功能是通过计算机预定的程序来控制和完成的。实现多参数的自动测量与处理，可大大提高测量精度，缩短试验周期，加速产品的更新与开发。3、测试技术已经成为自动控制系统中一个重要组成部分众所周知，宇宙空间站的建立，航天飞机的发射和返回，人造地球卫星的发射和回收，都是自动控制技术的重要成果。生产过程自动化已经成为当今工业生产实现高精度，高效率的重要手段。而一切自动控制过程都离不开自动检测技术，利用测试得到的信息，自动调整整个运行状态，使生产，控制过程在预定的理想状态下进行。实现“以信息流控制物质和能量流”的自动控制过程。4、测量仪器向高精度、智能化发展测量仪器及整个测量系统精度的提高，使测得数据的可信度也相应提高。在产品研制过程中要进行大量试验，测量某些性能参数，然后对所测数据进行统计分析。在相同条件下要试验若干次，所测参数才具有一定的可信度。试验次数的多少与测试仪器的精度有关。仪器精度的提高，可减少试验次数，从而缩短研制周期，减少试验经费，降低产品成本。检测系统或检测装置目前正迅速地由模拟式，数字式向智能化方向发展。带有微处理机的各种智能化仪表已经出现，这类仪表选用微处理机做控制单元，利用计算机可编程的特点，使仪表内的各个环节自动地协调工作，并且具有数据处理和故障诊断功能，成为一代崭新仪表，把检测技术自动化推进到一个新水平。5、新技术的不断应用在测量技术中几乎利用了所有的近代新技术和新理论,如激光、半导体技术、光导纤维、声学、计算技术、通信技术、遥感技术、自动化技术以及近代物理、数理统计、控制论、信息论等等都广泛应用于非电量测量技术。测量技术还迅速地运用了现代各种先进工具，如微型计算机、人造地球卫星等五、非电量电测技术在各个领域的应用1、在机械工程领域中的应用（1）机械加工自动化与传统机械工业的自动化改造（2）典型机电一体化产品：数控机床（3）典型智能化机电产品：机器人（4）其它应用：（a）零部件性能试验研究；（b）产品的质量检验；（c）生产过程监测；（d）生产过程控制；（e）机器故障诊断；（f）生产安全保护等。2、在工业生产过程中的应用应用：工业过程自动化工业过程通常是指完成一个或一系列物理或化学变换的一组操作。从广义上讲，也可以把工业过程理解为从原料的投入一直到成品产出的整个生产过程。所谓工业过程自动化，就是利用自动化仪表和计算机等技术工具，自动获取各过程变量值的信息，并对影响过程状况的变量进行自动调节或操纵，以达到提高经济效益和劳动生产率，节约能源，减少污染和安全生产等目的。3、在现代农业中的应用（1）对农田小气候参量的观测，如温室大棚、工厂式育苗对温湿度的测定；（2）在农副产品储藏中温度，湿度测定，如大型粮仓、水果蔬菜冷藏；（3）现代化农业机械，如精密播种机中对排种的监测、藩茄收获机对颜色的识别等；（4）遥感技术用于测定作物分布、植物生长情况、受灾情况和土壤条件等；（5）在农业科学中，许多生物学和化学实验要在一定的温、湿条件下进行，这就要求对温，湿等进行自动控制。4、在家电领域中的应用（1）电话、麦克风等的拾音器；（2）冰箱、空调、计算机CPU等对温湿度的检测控制；（3）抽油烟机、燃气热水器等对煤气泄漏的监测；（4）录音、录像机等对声音、图像的录制；（5）楼道电灯的光控开关；5、在安全保护、防盗报警、环境保护中的应用（1）火灾报警；（2）汽车防盗、电子开关（司机酗酒监测）；（3）交警用于对汽车司机饮酒、汽车尾气的检测；（4）重要场所如博物馆、银行的安全保卫；（5）环保部门对噪音、大气污染的监测；附加问题1、“电五官”传感器技术是现代信息技术的主要内容之一。信息技术包括计算机技术、通信技术和传感器技术等，计算机相当于人的大脑，通信相当于人的神经，而传感器就相当于人的感官。传感器与人的感官一一对应，它能够把自然界的各种物理量和化学量等精确地变换为电信号，再经电子电路或计算机进行处理，从而对这些量进行监测或控制。举例来说，相当于人眼(视觉)的是光敏传感器，如CCD传感器、光敏晶体管、光电倍增管等；相当于人耳(听觉)的是力敏传感器，如电容式话筒、陶瓷传感器、电动式话筒等；相当于人皮肤(触觉)的是力敏传感器和温敏传感器，力敏传感器有应变仪、压敏电阻等，温敏传感器有热敏电阻、热电偶等；相当于人鼻子(嗅觉)的是气敏传感器，如半导体气敏传感器、燃烧式传感器；相当于人舌头(味觉)的是味觉传感器，如离子传感器。此外，还有检测位移量的差动变压器，检测转速的编码器，磁敏传感器等等。传感器也可以认为是人类感官的延伸，因为借助传感器可以去探索那些人们无法用感官直接测量的事物，例如，用热电偶可以测得炽热物体的温度；用超声波探测器可以测量海水深度；用红外遥感器可从高空探测地面上的植被和污染情况，等等。因此，可以说传感器是人们认识自然界的有力工具，是测量仪器与被测事物之间的接口。2、常见的信号调理电路作为信号调理电路（中间变换器），主要有下列类型。1）放大器：将传感器所得到的电信号进行电压或功率放大以适应后面环节的需要，和尽量减小测试系统对被测信号的影响。某些放大器还包括有必要的计算电路，如测振仪放大器中包括有微分，积分电路。2）电桥:传感器所转换成的电阻、电容、电感等参数有时利用电桥将它变换成电压或电流输出。它的电路简单，灵敏度高。如电阻应变仪都采用电桥作为其组成部分。3）滤波器:其基本作用是使信号中规定的频率成分通过，而不允许或大大地衰减了其他频率的成分，这样便可对规定频率的成分进行测试，如振动和噪声频谱分析仪器中就有应用滤波器的例子。4）调制与解调:有些被测物理量经传感器变换后，得到的是一些缓慢变化的电信号，这些接近于直流的电信号要得到高质量的放大是困难的，若把这缓慢变化的电信号调制成适宜于用交流放大器的一定频率区间的信号，放大后再解调为与原来一样频率的信号，这样就易于得到高质量的放大信号。如电阻应变仪中载波桥压电源和相敏检波器就是调制和解调的组成部分。5）模拟量—数字量转换器:一般传感器所输出的信号都是模拟于被测物理量在测量时间的连续变化量．当需要进行数字显示或将模拟量输入电子数字计算机进行数据处理和控制时就需要将这些模拟量转换为数字信号.完成这种功能的装置称为模—数(A／D)转换器，而由数字量转变为模拟量(如数字式电子计算机计算出的数字结果转换为电流或电压信号)的装置称为数—模(D／A)转换器。3、常用的显示记录方式及相应的仪器a）模拟（指针）式：利用指针对标尺的相对位置表示被测量数值的大小。如各种指针式电气测量仪表（万用表，毫伏表、温度压力表），其特点是读数方便、直观，结构简单、价格低廉，在检测系统中一直被大量应用。但这种显示方式的精度受标尺最小分度限制，而且读数时易引入主观误差．b）数字式：数字式显示则直接以十进制数字形式来显示读数，实际上是专用的数字电压表，它可以附加打印机，打印记录测量数值，并且易于和计算机联机，使数据处理更加方便。这种方式有利于消除读数的主观误差。如数字电压表、频率计、转速表等；c）图像、图形显示记录：如果被测量处于动态变化之中，用显示仪表读数就十分困难，这时可以将输出信号送至记录仪，从而描绘出被测量随时间变化的曲线，做为检测结果，供分析使用。常用的自动记录仪器有笔式记录仪（将电的信号变成笔的运动从而在记录纸上记录下电信号的图形）、电子示波器（在荧光屏上显示被测信号的图形）、光线示波器（电流信号使处在恒磁场中的动框线圈偏转，经光学系统将偏转变为光线信号来显示和记录）等。d）磁记录方式：如磁带记录器（将电的信号记录于磁带中而使之可以重现。）、录音机、录像机、电子计算机等；e）其他形式：声音和光线等4、机械制造业的三个发展阶段1）人工化制造加工阶段操作加工操作加工人简单工具简单机械零件（铁锤等）（刀、农具）2）机械化制造加工阶段操作加工操作加工人复杂工具复杂机械零件（机床）（齿轮）3）自动化制造加工阶段加工操作控制加工操作控制人高级工具复杂工具复杂精密机械零件（电脑）（机床）（凸轮轴）人工加工机械零件框图：零件量具零件量具人机床人机床自动化加工机械零件框图：零件零件传感器机床调理器电脑人人5、手动控制与自动控制的比较任何工业过程都必须按照一定的工艺要求在预期的工况下进行。然而，实际生产中总会遇到各种因素的干扰和影响，使实际运行工况偏