现代检测技术基础第三章-非电量测量技术-彭兵

1、现代检测技术基础 曾林锁、夏加宽、马少华 编,主讲：彭兵 沈阳工业大学电气工程学院,沈阳工业大学自编教材,信息科学技术,2,3.1 引言,第三章、非电量测量技术,3.2 温度检测,3.3 运动量的测量,3.4 力与转矩的测量,3.5 流量的测量,3.6 磁性测量,3.7 其他量的测量,3.8 例题,3,3.1 引言,早期的非电量测量方法主要采用非电的技术手段。 这种方法不适合高速、准确的自动化测量。也不适合计算机的自动识别和分析处理。,水银温度计测温,比色法测量PH值,4,3.1 引言,非电量的电测方法用电测技术手段去测量非电量,非电量电测技 术的主要特点,应用某些材料的基础效应实现非电量电量

2、信号变换。 电信号容易传输和处理，便于实现自动巡回检测、遥测以及实时数据分析。 可以以较快的速度对被测量进行连续和准确的测量。 与计算机配合可进行数据误差的自动修正或补偿，实现智能化测量和控制。 可完成用非电量测量方法无法完成的检测任务。,5,3.1 引言,典型非电量电测系统的功能框图如下：,敏感元件直接感受被测非电量，其输出信号大小取决于被测量和敏感元件的灵敏度。,变换元件与敏感元件配合, 实现某种其它非电信号到电量的转换。,信号调理元件主要是实现信号的放大，滤波等功能。,信号处理元件包括信号的A/D变换、调制传输及计算分析等。,非电量电测技术的关键是传感技术，传感方式决定着后续电路的组成以

3、及整个测量系统的品质。,6,3.1 引言,电机转速测量系统,调制码盘是变换元件, 与光电管配合实现电机转速的测量。,输出频率反映了电机的转速,有一光电式转速测量系统，码盘开有100个孔，现将该码盘与电机同轴连接。已知计数器在0.2秒内共计了1200个脉冲，问该电机的实际转速为每分钟多少转？,7,3.1 引言,本章着重介绍几种典型非电量电测系统的组成技术,温度检测,运动量测量,力测量,流量测量,第二节,第三节,第四节,第五节,磁性测量,第六节,8,热力学温标 开尔文(Ketvin)在1848年提出的，热力学温标是国际单位制中七个基本物理单位之一。 热力学温标为了在分度上和摄氏温标相一致，把理想气

4、体压力为零时对应的温度绝对零度与水的三相点温度分为273.16份，每份为1 K (Kelvin) 。把绝对零度修订为-273.15,3.2 温度检测,华氏温标 1714年德国人法勒海特(Fahrenheit)以水银为测温介质，制成玻璃水银温度计。 按照华氏温标，则水的冰点为32，沸点为212。,摄氏温标 1740年瑞典人摄氏(Celsius)提出在标准大气压下，把水的冰点规定为0度，水的沸点规定为100度。 摄氏温度和华氏温度的关系为 = t*9/5 + 32 式中 华氏温度值; t摄氏温度值。,9,3.2 温度检测,温度的测量在日常生活和工程实践中是很常见的。 热膨胀法测温是比较常见的方法，

5、如：水银温度计。,本节主要介绍适合于电测的几种温度传感器。热电阻、热敏电阻、热电偶、集成温度传感器的基本原理和方法。,10,3.2 温度检测,3.2.1 热电阻 1. 工作原理及结构 金属原子最外层的电子能自由运动，当加上电压后，这些原本无规则运动的电子就按一定的方向流动，形成电流。 随着温度的增加，电子的热运动加剧，电子之间、电子与振动着的金属离子之间的碰撞机会就不断增加，因此电子的定向移动将受到阻碍，金属的电阻也随之增大。,玻璃或陶瓷骨架,玻璃或陶瓷敷层,铂电阻丝,引出线,11,3.2 温度检测,3.2.1 热电阻,电阻/温度关系曲线,工业上常用的热电阻材料有： 铂（Pt ） 铜（Cu）,

6、大多数金属材料的体电阻可表示为：,灵敏度,12,3.2 温度检测,3.2.1 热电阻,铂电阻(IEC)的电阻率较大，电阻温度关系呈非线性，但测温范围广，精度高，且材料易提纯，复现性好；在氧化性介质中，甚至高温下，其物理、化学性质都很稳定。 目前工业用铂电阻分度号为Pt100和Pt10，其中Pt100更为常用。 当 时 当时,13,3.2 温度检测,3.2.1 热电阻,铜电阻 铜电阻(WZC)的电阻值与温度的关系几乎呈线性，其材料易提纯，价格低廉；但因其电阻率较低（仅为铂的1/2左右）而体积较大，热响应慢；另因铜在250以上温度本身易于氧化，故通常工业用铜热电阻（分度号分别为Cu50和Cul00

7、）一般其工作温度范围为-40120。其电阻值与温度的关系为：,14,3.2 温度检测,3.2.1 热电阻,2. 测量与应用,温度,电阻,电压,测量电路1,测量电路2,U01,U02,VCC,15,3.2 温度检测,3.2.1 热电阻,2. 测量与应用,脉动激励电压技术,可以在不造成明显加温的情况下，较大的瞬时电流通过 Rt(电桥相应有较大的峰值输出电压),采用电桥测量时，电流不能过大，否则因I2R使Rt自热。,16,3.2 温度检测,3.2.1 热电阻,2. 测量与应用,消除导线电阻的影响,热电阻安装的地方离仪表很远，环境温度的变化将影响到连接导线的电阻，造成测量误差。为了克服导线电阻的影响，

8、可采用三线法和四线法电路。,导线电阻影响示意图,当R1=R3，Rt在0时等于R2， Rt=R2+R平衡时,17,3.2 温度检测,3.2.1 热电阻,2. 测量与应用,消除导线电阻的影响,四线制消除导线电阻影响示意图,三线制消除导线电阻影响示意图,18,3.2 温度检测,3.2.2 热敏电阻,工作原理,热敏电阻是利用某种半导体材料的电阻率随温度变化的性质制成的。由于热敏电阻性能的不断改进，稳定性已大为提高，在许多场合下（-40350）热敏电阻已逐渐取代传统的温度传感器。,NTC热敏电阻,PTC热敏电阻,19,3.2 温度检测,3.2.2 热敏电阻,温度T/C,热敏电阻的种类很多，分类方法也不相

9、同。按热敏电阻的阻值与温度关系这一重要特性可分为：,负温度系数热敏电阻（NTC）,正温度系数热敏电阻（PTC）,热敏电阻电阻-温度特性曲线 1-2 NTC； 3-4 PTC,20,3.2 温度检测,3.2.2 热敏电阻,负温度系数热敏电阻的静态特性,或,热敏电阻的灵敏度,温度系数,在室温25时，约为-4.5x10-2K-1约为铂电阻温度 系数的11.45倍。,21,3.2 温度检测,3.2.2 热敏电阻,正温度系数热敏电阻的静态特性,或,热敏电阻的灵敏度,温度系数,22,3.2 温度检测,3.2.2 热敏电阻,热敏电阻电阻-温度特性,NTC热敏电阻,PTC热敏电阻,23,3.2 温度检测,3.

10、2.2 热敏电阻,热敏电阻器的伏安特性（UI）,PTC热敏电阻的静态伏安特性,24,3.2 温度检测,3.2.3 热电偶,3.2.3.1 热电效应 定义：将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个节点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应(塞贝克电势)。 （1）这样的两种不同导体的组合称为热电偶； （2）相应的电动势和电流称为热电动势和热电流 （3）导体A、B 称为热电极 （4）置于被测温度（T）的一端称为工作端(热端) 另一端（T 0）称为参考端(冷端)。,热电势是由两种导体的接触电势和单一导体的温差电势组成,25,3.2 温度检测,3.2.3 热电偶,3

11、.2.3.1 热电效应 1. 接触电势（珀尔帖效应） 当两种不同性质的导体或半导体材料相互接触时，由于内部电子密度不同，当扩散力和电场力达到平衡时，材料A和B之间就建立起一个固定的电动势。 接触电势的大小与方向主要取决于两种材料的性质和接点温度的高低。温度越高，接触电势越大，两种材料电子密度比值越大，接触电势也越大。,T0,k玻耳兹曼常数， e电子电荷量， T接触处的温度 NA，NB分别为导体A和B的自由电子密度。,26,3.2 温度检测,3.2.3 热电偶,3.2.3.1 热电效应 2. 温差电势（汤姆逊效应） 因材料两端温度不同，则两端电子所具有的能量不同，温度较高的一端电子具有较高的能量

12、，其电子将向温度较低的一端运动，于是在材料两端之间形成一个由高温端向低温端的静电场，这个电场将吸引电子从温度低的一端移向温度高的一端，最后达到动态平衡。,T0,温差电势的方向是由低温端指向高温端，其大小与材料两端温度和材料性质有关。,为汤姆逊系数，与金属材料有关,27,3.2 温度检测,3.2.3 热电偶,3.2.3.1 热电效应 3.热电偶回路中总电势 导体A和B组成的热电偶闭合电路在两个接点处有两个接触电势eAB(T)与eAB(T 0)，又因为TT 0，在导体A和B中还各有一个温差电势。所以闭合回路总热电动势EAB(T,T 0)应为接触电动势和温差电势的代数和，即：,热电偶的热电势只与组成

13、热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。,只有当热电偶两端温度不同,热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生。,如果使eAB(T0)=常数，则回路热电势eAB(T，T0)就只与温度T 有关，而且是T 的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。,28,3.2 温度检测,3.2.3 热电偶,3.2.3.1 热电效应,若A，B为常数,实际上A，B并不为常数，下式更符合实际,对于铜/康铜热电偶,29,3.2 温度检测,3.2.3 热电偶,3.2.3.2 热电偶特性定律,1. 均质导体定律：由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。,热电偶的热电

14、势不受中间温度的影响，可以毫无问题地放在某一未知的或可变的温度环境中。,30,3.2 温度检测,3.2.3 热电偶,3.2.3.2 热电偶特性定律,2. 中间导体定律：在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。,31,3.2 温度检测,3.2.3 热电偶,3.2.3.2 热电偶特性定律,2. 中间导体定律：,根据上述原理，可以在热电偶回路中接入电位计E，只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，就不会影响回路中原来的热电势，接入的方式见下图所示。,32,3.2 温度检测,3.2.3 热电偶,3.2.3.2 热电偶特性定律,2. 中

15、间导体定律：证明,作业：什么叫中间导体定律？试证明？应用举例？,33,3.2 温度检测,3.2.3 热电偶 3. 参考电极定律,3.2.3.2 热电偶特性定律,如果金属丝A和C的热电势为EA，C，金属丝B和C的热电势为EC，B，则金属丝A和B的热电势为,该定律表明，各种金属都可和一种标准金属(通常为铂)配对并进行标定，各种可能配对的金属不必都进行自身的标定。,各种热电极材料和铂配成的热电偶，在热端温度为100，冷端温度为0时所产生的热电动势列于表3-1中，根据此表可以求出任意两种材料相配合的热电动势。,EAB (T，T0) = EAC (T，T 0) EBC (T，T 0),34,3.2 温度

16、检测,3.2.3 热电偶 3. 参考电极定律证明,3.2.3.2 热电偶特性定律,=,A,C,T,T0,+,C,B,T,T0,35,3.2 温度检测,3.2.3 热电偶 3. 参考电极 定律证明,3.2.3.2 热电偶特性定律,36,3.2 温度检测,3.2.3 热电偶 4. 中间温度定律,3.2.3.2 热电偶特性定律,如果不同的两种导体材料组成热电偶回路,其接点温度分别为T1、T2 时,则其热电势为eAB(T1, T2)；当接点温度为T2、T3时，其热电势为eAB(T2, T3)；当接点温度为T1、T3时，其热电势为eAB(T1, T3)。,热电偶的热电势仅取决于热电偶的材料和两个接点的温

17、度，与温度沿热电极的分布及热电极的形状无关,37,3.2 温度检测,已知用镍铬-镍硅（K型）热电偶测温，热电偶参比（考）端温度为30，测得的热电势为28mv，求热端温度。,查分度表得E（30,0）= 1.203mv 由于E（T, 30）= 28mv 根据中间温度定律 E（T, 0）= 28+1.203=29.203mv 查K型热电偶分度表得：T=701.5,38,3.2 温度检测,根据上述原理，当在热电偶回路中分别引入与导体材料A、B同样热电特性的材料A、B, eAA(T2)=eBB(T2) ），即引入所谓补偿导线时，只要T1、T0不变，接入AB后不管接点温度T2如何变化，都不影响总热电势。这

18、便是引入补偿导线原理。,39,3.2 温度检测,热电偶结构与安装,40,3.2 温度检测,3.2.3.3 正确使用热电偶,冰点槽法,41,3.2 温度检测,3.2.3.3 正确使用热电偶,冷端补偿,电桥法冷端自动补偿,42,3.2 温度检测,3.2.3.3 正确使用热电偶,计算修正法,用普通室温计算出参比端实际温度TH，利用公式计算,例 用铜-康铜热电偶测某一温度T，参比端在室温环境TH中，测得热电动势eAB(T，TH)=1.999mV，又用室温计测出TH=21,查此种热电偶的分度表可知，eAB(21,0)=0.832mV，故得 eAB(T，0)=eAB(T，21)+eAB(21，T0) =1

19、.999+0.832 =2.831(mV) 再次查分度表，与2.831mV对应的热端温度T=68。,注意: 既不能只按1.999mV查表，认为T=49，也不能把49加上21，认为T=70。,43,3.2 温度检测,3.2 .4 AD 590集成温度传感器,AD590属于电流型温度传感器，它会将温度转换为电流，体积很小，且具有互换性好、线性度好、信号可长线传输、抗电压干扰能力强、长期稳定性高、配用电路简单等优点。 1、度每增加1，它会增加1A输出电流 2、可测量范围-55至150 3、供电电压范围+4V至+30V,44,3.2 温度检测,AD 590的电压范围4V-30V,AD590输出电流值说

20、明如下： 1.其输出电流是以绝对温度零度（-273）为基准，每增加1，它会增加1A输出电流，因此在室温25时，其输出电流Iout=（273+25）=298A。 2. Vo=Io10K，以室温25而言，输出值为10K298A=2.98V 。 3. 测量Vo时，不可分出任何电流，否则测量值会不准,AD 590电流电压关系,45,3.2 温度检测,两点温度调整电路 及误差曲线,46,3.2 温度检测,AD 590应用举例一,电路分析： 1、AD590的输出电流I=（273+T）A（T为摄氏温度），因此测量的电压V为（273+T）A10K=（2.73+T/100）V。为了将电压测量出来又务须使输出电流

21、I不分流出来，我们使用电压跟随器其输出电压V2等于输入电压V。2、由于一般电源供应较多器件之后，电源是带杂波的，因此我们使用齐纳二极管作为稳压元件，再利用可变电阻分压，其输出电压V1需调整至2.73V3、接下来我们使用差动放大器其输出Vo为（100K/10K）（V2-V1）=T/10，如果现在为摄氏28，输出电压为2.8V，输出电压接AD转换器，那么AD转换输出的数字量就和摄氏温度成线形比例关系。,47,3.2 温度检测,AD 590应用举例一,0-100温度计,48,3.2 温度检测,AD 590应用举例二,说明：在反馈电阻为10k的情况下，设1#和2# AD590处的温度分别为T1（）和T

22、2（） 1.由基尔霍夫电流定律： (1) 2.由运特性知： I3=0 (2) 3.A点电压VA=0 （3） 4.调节R，使I4=0 （4） 5.由（1）、（2）、（4）可得：I1=I+I2 I=I1-I2 6.V0=10k(I1-I2)=(T2-T1)10mv/,49,3.2 温度检测,AD 590应用举例三,平均温度测量,最低温度测量,50,3.2 温度检测,AD 590应用举例四,单设定点温度控制,LM3113（-），2（+）,51,3.2 温度检测,AD 590应用举例五,J型热电偶温度补偿,52,3.2 温度检测,作业：采用AD590温度传感器的控温电路见下图。设AD590温度传感器的

23、输入与输出关系为 T为摄氏温度。1） 叙述该电路的控温原理。2） 若使恒温箱内温度控制在100，电阻R为何值？,53,3.2 温度检测,1）比较器+端接入恒温箱给定温度，通过改变R的大小，调节给定温度的高低。温度传感器AD590作为测温元件置于恒温箱内，当恒温箱温度低于给定温度时，则V-端电压低于V+端电压，比较器输出高电平，加热器工作，使恒温箱增温。当恒温箱温度高于给定温度时，则V-端电压高于V+端电压，比较器输出低电平，加热器不工作，使恒温箱维持温度。,54,3.2 温度检测,习题,说明热电效应的意义及表达式。 证明热电偶中间导体定律、参考电极定律、 中间温度定律。 画图并说明热电偶补偿电

24、桥法。,55,3.3 运动量检测,运动量是描述物体运动的量，包括位移、速度和加速度。运动量是最基本的量，运动量检测是最基本、最常见的检测，它是许多物理量，如力、压力、温度、振动等测量的前提，也是惯性导航、制导技术的基础,运动量,位移或角位移,速度或转速,加速度或角加速度,本节主要介绍适合于用于运动量测量的几种典型的位移传感器、速度传感器、加速度传感器的基本原理和实际应用。,56,3.3 运动量检测,3.3.1 直线位移和转动位移的测量方法,3.3.1.1 变阻式位移传感器： 通过改变电路中电阻值的大小，将物体的位移转换为电阻的变化。可以测线位移和角位移。,电位器由具有可动触头的电阻元件构成，触

25、头的运动可以是直动、转动，或者二者的结合（如多圈旋转式电位器中的螺旋运动），因而它可以用来测量直线位移和转动位移。,电位器式传感器,线绕电位器式传感器,非线绕电位器式传感器,合成膜电位器,导电塑料电位器,导电塑料电位器,导电玻璃釉电位器,光电电位器式传感器,57,3.3 运动量检测,3.3.1 直线位移和转动位移的测量方法,线绕电位器的电阻体由电阻丝缠绕在绝缘物上构成。 电阻丝的材料是根据电位器的结构、容纳电阻丝的空间、电阻 值和温度系数来选择的。 电阻丝越细，在给定空间内越获得较大的电阻值和分辨率。但 电阻丝太细，在使用过程中容易断开，影响传感器的寿命。,线绕电位器式传感器,58,3.3 运

26、动量检测,在电位器A、C两端接上激励电压ex，则当电刷在输入位移驱动下移动时，B、C两端就会有电压输出eo。设电位器为线性，长度为l，总电阻为Rp，电刷位移为x，相应电阻为Rx，负载电阻为RL，根据电路分压原理，电路的输出电压为：,3.3.1直线位移和转动 位移的测量方法,电位器式位移传感器测量原理与电路模型,若负载电阻为RL，则有：,59,3.3 运动量检测,3.3.1直线位移和转动 位移的测量方法,实际后续电路的输入阻抗不是无穷大,后续电路的输入阻抗无穷大时,60,3.3 运动量检测,3.3.1.2 差动变压器式位移传感器,差动变压器式的原理构造图,61,3.3 运动量检测,3.3.1.2

27、 差动变压器式位移传感器,差动变压器式的原理构造图,差动变压器式传感器中两个次级线圈反向串联。当初级绕组加以激励电压 时, 根据变压器的工作原理, 在两个次级绕组中便会产生感应电势e1和e2。如果工艺上保证变压器结构完全对称,则当活动衔铁处于初始平衡位置时,必然会使两互感系数M1=M2。根据电磁感应原理, 将有由于变压器两次级绕组反向串联, 因而e0=e1-e2=0,即差动变压器输出电压为零。 ,62,3.3 运动量检测,3.3.1.2 差动变压器式位移传感器,差动变压器式的原理,活动衔铁向上移动时,由于磁阻的影响, w2a中磁通将大于w2b, 使M1M2, 因而e1增加, 而e2减小。 反之

28、,e2增加, e1减小。因为e0=e1-e2, 所以当 e1、e2随着衔铁位移x变化时,e0也必将随x变化。 差动变压器输出电压与活动衔铁位移x的关系曲线,w2a,w2b,M1,M2,e1,e2,e1- e2,63,3.3 运动量检测,3.3.1.2 差动变压器式位移传感器,差动变压器式的原理,w2a,w2b,64,3.3 运动量检测,3.3.1.2 差动变压器式位移传感器,差动变压器式的原理,注: 付边开路,65,3.3 运动量检测,3.3.1.2 差动变压器式位移传感器,66,3.3 运动量检测,3.3.1.2 差动变压器式位移传感器,当铁心向次级线圈A移动时,次级线圈A的磁阻降低,因而感

29、应的电压较大,同理当铁心向次级线圈B移动时,次级线圈A的磁阻增加,因而感应的电压较小,67,3.3 运动量检测,电路分析1. 当铁心在中间位置时,此时两个次级线圈的输出电压相等,当铁心向次级线圈A移动时,次级线圈A的感应电压变大,同时次级线圈B的感应电压变小。 2. 其后的检波器会检出电压的峰值。由于检波器的电流相当小,为了读取其输出电压又不造成其失真,我们使用电压追随器读取其输出电压。 3. 接着我们使用差动放大器,将两个电压值作相减并放大,之后我们以分压方式调整出我们所需要的电压振幅。 4. Vo的输出值和铁心的位置呈线性的关系,如上图所示。,68,3.3 运动量检测,3.3.1.3 电涡

30、流位移传感器,电涡流传感器的变换原理利用的是金属导体在交流磁场中的涡电流效应，下图为电涡流传感器原理图。,涡电流产生的磁场与线圈磁场方向相反并相互作用，使原线圈阻抗Z发生变化，变化程度与距离有关,69,3.3 运动量检测,3.3.1.3 电涡流位移传感器,将线圈靠近金属板时,减小而线圈与涡流之间的互感M增大。如果涡流回路上电阻为r，电感为L，这时的传感器等效电路,等效电阻,等效电感,70,3.3 运动量检测,3.3.1.3 电涡流位移传感器,因此检测电感值即可获知大小，由此可以看出电涡流传感器的最主要特点就是非接触测量，这对于无损检测是非常有意义的。,等效电感,71,3.3 运动量检测,3.3

31、.1.3 电涡流位移传感器,电涡流传感器信号调理电路调频电路,将传感器与已知电容C0构成一个LC振荡器，当被测导体与传感器线圈的距离发生变化时，线圈的等效电感Lea也随之发生变化，使得振荡器输出信号的频率发生变化，即高频振荡器的输出信号是一个调频波，将被测信号距离通过鉴频器将该调频波的变化转换为电压信号输出,72,3.3 运动量检测,3.3.2 移动相对速度和转动相对速度的测量方法,移动速度传感器(动圈式),73,3.3 运动量检测,3.3.2 移动相对速度和转动相对速度的测量方法,测速发电机,直流发电机(使用永久磁铁或他激磁场)能产生大体上与转速成比例的输出电压。,典型的测速发电机灵敏度：7

32、V/1000rpm,74,3.3 运动量检测,3.3.2 移动相对速度和转动相对速度的测量方法,测速发电机实物,75,3.3 运动量检测,3.3.2 移动相对速度和转动相对速度的测量方法,涡流杯式转速传感器,动态特性由,决定,磁铁旋转将在涡流杯中感应出电势，从而在杯子材料中产生环行的涡流，涡流和永久磁铁的磁场相互作用，将在杯上产生一个与涡流杯和永久磁铁相对速度成正比的转矩，进而使涡流杯转过角直到线性弹簧的转矩与电磁转矩达到平衡。因而在稳态情况下，转角将正比于输人转速1。如果希望有电信号输出，则可用任何小转矩的位移传感器来测量。其动态工作性能将决定于运动元件的转动惯量，以及弹性刚度、磁铁和涡流杯

33、之间涡流耦合的粘性阻尼作用。由此得到传感器的二阶响应特性为：,76,3.3 运动量检测,3.3.2 移动相对速度和转动相对速度的测量方法,涡流杯式转速传感器,由拉氏变换的终值定理可知,（静态特性）,77,3.3 运动量检测,3.3.2 移动相对速度和转动相对速度的测量方法,光电式转速传感器,78,3.3 运动量检测,3.3.2 移动相对速度和转动相对速度的测量方法,1永久磁铁 3感应线圈 2软铁 4齿轮,结构比较简单，但输出信号较小，当被测轴振动较大时，传感器输出波形失真较大。,开磁路磁组式转速传感器,79,3.3 运动量检测,3.3.3 相对加速度的测量,通过测量加速度来判断机械系统所承受的

34、加速度负荷的大小，防止损坏或提供控制指标 汽车：防撞气囊、警报器 笔记本硬盘保护 加速度鼠标 手机 体感游戏,80,3.3 运动量检测,3.3.3 相对加速度的测量,1） 偏差式加速度计 大多数实际使用的加速度计都具有图2-8所示的形式，所不同的仅细节而已，例如所选用的弹簧不同，所采用的相对位移传感器不同，以及所具有的阻尼方式不同等。该种类型传感器的原理及动态特性已在第二章中做过较详细的分析。,81,3.3 运动量检测,3.3.3 相对加速度的测量,2）零平衡式伺服式加速度计,在伺服加速度计的设计中，机械弹簧已为“电弹簧”所取代。,82,3.3 运动量检测,3.3.3 相对加速度的测量,零平衡

35、式伺服式加速度计,83,3.3 运动量检测,3.3.3 相对加速度的测量,零平衡式伺服式加速度计,通过设计使放大器的增益作得足够大，以使,式中：,84,3.3 运动量检测,3.3.3 相对加速度的测量,零平衡式伺服式加速度计,由拉氏变换的终值定理可知:,动态特性,静态特性,典型伺服加速度计指标: 量程0.5g100g; 谐振频率 50250Hz; 阻尼比0.71.1; 综合误差 0.2%。,85,3.4 力与转矩检测,3.4.1 应变片,机械应变； F静载荷，单位kg; h梁的厚度，单位m； b梁的根部宽度，单位m； E钢材的弹性模数，单位为kgm2,应变,86,3.4 力与转矩检测,3.4.

36、1 应变片,1 应变片的温度补偿,由温度引起的电阻相对变化为10-3数量级，而由应变引起的电阻相对变化为10-210-5数量级，对应变片的温度影响不加以补偿，应变片几乎不能使用。,应变片电阻随温度的变化,梁和应变片变形产生的电阻变化,即,87,3.4 力与转矩检测,3.4.1 应变片,电阻的相对变化,变形引起的电阻相对变化,温度引起的电阻相对变化,式中, 温度为t0时的电阻值,试件材料的线膨胀系数,金属丝的线膨胀系数,应变灵敏度系数,温度变化范围；,金属丝的电阻温度系数,88,3.4 力与转矩检测,3.4.1 应变片,半 桥,差 动 半 桥,全 桥,89,3.4 力与转矩检测,3.4.1 应变

37、片,电阻应变仪方框图,应变的测量电阻应变仪,90,3.4 力与转矩检测,1.谐振频率 如图所示，一根两端固定，长度为l，线密度(单位长度质量m)为的弦，受到张力F作用。其谐振频率(一次振型)为,3.4.2 振弦式力传感器,当振弦一定时，谐振频率f与张力F及长度l有关。将被测物理量转换为F或l的改变量，即可通过测量f而确定被测量的大小。,91,3.4 力与转矩检测,3.4.2 振弦式力传感器,弦的张力增加DF后,将上式两边平方，并令fff0，得,通常，通过选择合适的工作点可使Df/f01，从而可忽略上式中的平方项，得到近似的线性输出输入关系为,92,3.4 力与转矩检测,3.4.2 振弦式力传感

38、器,2.振动激励方式 为测出谐振频率，须设法激励振子振动。起振后，还需要及时补充能量。给振子补充能量的方式一般有两种：连续激励法和间歇激励法。 (1)连续激励法 是指按振子的振动周期补充能量，使其振幅维持不变。又可分为电流法、电磁法、电荷法和电热法等。 (2)间歇激励法 不是按振动周期，而是按一定的时间间隔(多个振动周期)给振子补充能量。振子在激励脉冲作用下起振后做振幅逐渐衰减的振动，衰减到一定程度后再次激励，使振幅再次达到最大值，重新开始下一轮衰减振动。,93,3.4 力与转矩检测,3.4.2 振弦式力传感器,1.连续激振方法：使用了两个电磁线圈，一个用于连续激励，另一个用于接收振弦的振荡信

39、号。当振弦被激励后，接收线圈2接受感应电势，经放大后，正反馈给激励线圈1以维持振弦的连续振荡。,94,3.4 力与转矩检测,3.4.2 振弦式力传感器,2.间歇激发：当振荡器给出激励脉冲，继电器吸合，电流通过磁铁线圈，使磁铁吸住振弦。脉冲停止后松开振弦，振弦便自由振动，在线圈中产生感应电动势经继电器常闭接点输出。感应电动势的频率即为振弦的固有频率，通过测量感应电动势的频率即可测量振弦张力的大小。,95,3.4 力与转矩检测,3.4.2 振弦式力传感器,振弦式力传感器,96,3.4 力与转矩检测,3.4.2 振弦式力传感器,97,3.4 力与转矩检测,3.4.3 转轴转矩的测量,应变片式转矩传感

40、器,98,3.4 力与转矩检测,相 位 移 式 转 矩 传 感 器,3.4.3 转轴转矩的测量,99,3.4 力与转矩检测,3.4.4 皮带秤的测量原理,电子皮带称 (1) 称重传感器：重力电信号。 (2)速度传感器：皮带运行速度电信号 (3) 两种采集信息的运算处理，显示瞬时流量和累计总量。,q(t)=pi/L传送带单位长度上的物料重量； pi为称量框架上的瞬时荷重； vi为传送带的瞬时速度; L为框架上的皮带有效长度。,100,3.4 力与转矩检测,3.4.4 皮带秤的测量原理,单托辊电子皮带称工作原理图,pi应为传感器输出值的2倍,101,3.5 流量的检测,3.5.1 涡轮式流量计,1

41、. 涡轮是旋转的，旋转速度取决于流体的流量。,2. 由转速测量便可以达到流量测量。,3. 转速的测量一般采用磁电式传感器，定点测量涡轮叶片通过的数目，并输出电脉冲信号。,涡轮流量计是基于流体动量矩守恒原理工作的。当流体通过管道时，冲击涡轮叶片，对涡轮产生驱动力矩，使涡轮克服摩擦力矩和流体阻力矩而产生旋转。 在一定的流量范围内，对一定的流体介质粘度，涡轮的转速与流体的平均流速成正比,4. 将一定时间间隔内的脉冲数径累加后求出总和，即可得流体总量。,102,3.5 流量的检测,3.5.1 涡轮式流量计,103,3.5 流量的检测,3.5.1 涡轮式流量计,LWGYC-80型涡轮流量计（法兰连接）,

42、1.公称通径：4200mm 2.介质温度：标准型（-2080）；高温型（-20120） 3.准 确 度：（特定）0.2%、0.5%、1,104,3.5 流量的检测,3.5.1 涡轮式流量计-思考题,(1)请简述涡轮流量计原理；（2）请选择一种传感器测量4叶片涡轮转速，已知计数器在1秒内共计了40个脉冲，问该叶轮实际转速为每分钟多少转？（60*40/(4*1)=600） ；（3）如何利用电子计数器测量转速传感器输出信号的频率（结合电子计数器的结构框图） （4）涡轮流量计应用场合（15分）,105,3.5 流量的检测,3.5.2 电磁式流量计,电磁流量计目前已广泛地应用于工业过程中各种导电液体(如

43、各种酸、碱、盐等腐蚀性介质以及含有固体颗粒或纤维的液体)的流量测量。 1. 测量原理和结构 电磁流量计是基于 法拉第电磁感应原理制成的 一种流量计,简述电磁流量计原理？设计与使用流量计注意事项？,106,3.5 流量的检测,当被测导电流体在磁场中沿垂直于磁力线方向流动而切割磁力线时，在对称安装在流通管道两侧的电极上将产生感应电势，其方向由右手定则确定。如果磁场方向、电极及管道轴线三者在空间互相垂直，且测量满足以下诸条件： 1)磁场是均匀分布的恒定磁场； 2)管道内被测流体的流速为轴对称分布，管道为非磁性； 3)被测流体是非磁性的、导电的； 4)被测流体的电导率均匀且各向同性。 则感应电势e的大

44、小与被测液体的流速有确定的关系，即：,3.5.2 电磁式流量计,107,3.5 流量的检测,3.5.2 电磁式流量计,电磁流量计结构图,108,3.5 流量的检测,3.5.3 涡街式流量计,在流动的流体中放进圆柱体时，在其周围就会产生有规矩的旋涡(也称作Karman旋涡)，如图所示。柱体则受到旋涡给予的交变力。此外，在流动方向柱体的后面的流体由于形成旋涡而发生振动，当管流的雷诺数(流体力学的一个量值)超过约104时，振动的频率是稳定的，大小由下式给出:,v是流体流速； d为散发旋涡的柱体尺寸，对圆柱来说就是直径； S称作斯托哈尔(Strouhal)数，它是一个无量纲数，对圆柱体约为0.2，对棱

45、柱体约为0.14。,109,3.5 流量的检测,3.5.3 涡街式流量计,只要检测出旋涡的振动频率f，就可以求出流体流速v的大小，进而可以求出流体流量。振动频率f的检测有多种，常用的有压电法(检测旋涡对柱体产生的周期力)，冷却法(检测旋涡发生体的周围和内部的流体流动的周期性变化)，超声波法等。,110,3.6 磁性检测,磁性测量的任务主要包括以下三个方面： 一、对空间磁场和磁性材料磁性能的测量； 二、分析物质的磁结构、观察物质在磁场中的各种效应； 三、采用磁性测量原理测量其它物理量，即所谓“非磁性的磁测 量法”，例如：磁性探伤、磁性诊断和磁性探矿等 。,111,3.6 磁性检测,3.6.1 空

46、间磁场、磁通的测量 基于电磁感应原理的测量方法 1） 交变磁场测量方法 被测磁场,感应电势,被测磁场； N测量线圈的匝数； U感应电势e的有效值。,磁感应强度的幅值Bm,磁场的幅值Hm,112,3.6 磁性检测,3.6.1 空间磁场、磁通的测量 基于电磁感应原理的测量方法 2） 直流磁场测量方法-制造变化的磁场，产生脉冲感应电势 通过测脉冲感应电势来测量磁场,感应电势,改变穿过测量线圈磁通的方法： 如果被测直流磁场是由通电线圈产生，切断线圈中的电流或突然改变线圈中的电流方向可以使穿过测量线圈中的磁通变化或2； 若被测磁通是由永久磁铁或是地磁场产生的，可以把测量线圈从磁场中迅速地移到磁场为零的地

47、方； 或者把测量线圈在原地转动180，使穿过测量线圈中的磁通变化或2。,113,3.6 磁性检测,3.6.1 空间磁场、磁通的测量 基于电磁感应原理的测量方法 2） 直流磁场测量方法 冲击法和磁通表法测脉冲感应电势,G：冲击检流计 N：测量线圈的匝数,(t1)=1,(t2)=2,i(t1)= i(t2)=0,电量,Cq冲击检流计的电量冲击常数； m 冲击检流计第一次最大偏转角,114,3.6 磁性检测,3.6.1 空间磁场、磁通的测量 基于电磁感应原理的测量方法 2） 直流磁场测量方法 由式（1）和（2）得,C =CqR ：称磁通冲击常数,被测磁场的磁感应强度B和磁场强度H,电流反向，或测量线

48、圈原地转动180，测量线圈中的磁通改变2,115,3.6 磁性检测,3.6.1 空间磁场、磁通的测量 基于电磁感应原理的测量方法 2） 直流磁场测量方法 磁通冲击常数测量,测量前开关K1和K3闭合，K2投向任意一侧,K4投向1侧，调节电阻Rp，改变互感线圈的初级电流，使其达到一个合适的值I，数值用电流表A读出。 调整好电流后，打开开关 K3准备测量。 把开关K2由位置 1迅速投向位置 2，互感器的初级电流由I变到-I，互感线圈中的磁通变化量是，在互感器次级中产生感应电势，该电势使冲击检流计偏转。第一次最大偏转角是 m,116,3.6 磁性检测,3.6.1 空间磁场、磁通的测量 2. 磁通门磁强

49、计测量磁通,磁通门磁强计的主要特点是：灵敏度高、结构简单、运行可靠，体积很小。测量磁场的范围是： 0.08 180 A/m，分辨率为：(12) 10-5 A/m。磁感应强度的测量上限为：0.01 T，分辨可达：10-1810-19 T。,磁通门磁强计探头结构,探头是一个磁传感器，由高导磁、低矫顽力的软磁材料制成，其上绕有励磁线圈N1和N2。励磁线圈N1中流有三角波恒流源励磁电流i1 ， N2是测试线圈,117,3.6 磁性检测,3.6.1 空间磁场、磁通的测量 2. 磁通门磁强计测量磁通,磁通门磁强计探头的工作原理图,铁芯的直流磁化曲线,无外加磁场,外加磁场 H0,H= H0+H,118,3.6 磁性检测,3.6.1 空