自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)全書(shū)課件整本書(shū)電子教案

自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)

目錄第1章檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)第2章溫度檢測(cè)第3章壓力及力檢測(cè)第4章

流量檢測(cè)第5章

物位及厚度檢測(cè)第6章位移、檢測(cè)第7章

速度、加速度、氣體及濕度檢測(cè)第8章

無(wú)損檢測(cè)第9章

光電檢測(cè)第10章抗干擾技術(shù)第1章

檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)

本章主要介紹檢測(cè)技術(shù)的基本知識(shí)：檢測(cè)技術(shù)、檢測(cè)系統(tǒng)、傳感器的組成和分類(lèi)；測(cè)量誤差、誤差的分類(lèi)及處理方法；傳感器的基本特性以及傳感器的選用。

1.1

檢測(cè)技術(shù)的基本概念

1.1.1

檢測(cè)技術(shù)

檢測(cè)技術(shù)：以研究自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中的信息提取、信息轉(zhuǎn)換以及信息處理的理論和技術(shù)為主要內(nèi)容的一門(mén)應(yīng)用技術(shù)學(xué)科。

任務(wù)：尋找與自然信息具有對(duì)應(yīng)關(guān)系的種種表現(xiàn)形式的信號(hào)，以及確定二者間的定性、定量關(guān)系；從反映某一信息的多種信號(hào)表現(xiàn)中挑選出在所處條件下最為合適的表現(xiàn)形式，以及尋求最佳的采集、變換、處理、傳輸、存儲(chǔ)、顯示等的方法和相應(yīng)的設(shè)備。

1.1

檢測(cè)技術(shù)的基本概念1.1.2

自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)

自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)是自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)計(jì)量、自動(dòng)保護(hù)、自動(dòng)診斷、自動(dòng)信號(hào)等諸系統(tǒng)的總稱(chēng)。它的組成如圖1.1.1

所示。

圖1.1.1自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)框圖1.1

檢測(cè)技術(shù)的基本概念

1.1.3

傳感器

定義：是一種以一定的精確度把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種物理量的測(cè)量裝置。

含義:

（1）傳感器是測(cè)量裝置，能完成信號(hào)的獲取任務(wù)；

（2）它的輸入量是某一被測(cè)量；（3）它的輸出量是某種物理量，這種物理量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等；

（4）輸出輸入有對(duì)應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確程度。傳感器的組成

功用是一感二傳，即感受被測(cè)信息，并傳送出去。一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路三部分組成。

傳感器的分類(lèi)

1.1

檢測(cè)技術(shù)的基本概念

傳感器分類(lèi)表

傳感器分類(lèi)表轉(zhuǎn)換原理傳感器名稱(chēng)典型應(yīng)用轉(zhuǎn)換形式中間參量電參數(shù)電阻移動(dòng)電位器觸點(diǎn)改變電阻電位器傳感器位移改變電阻絲或電阻片的尺寸電阻絲應(yīng)變傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器微應(yīng)用、力、負(fù)荷利用電阻的溫度效應(yīng)（電阻溫度系數(shù)）熱絲傳感器氣流速度、液體流量電阻溫度傳感器溫度、輻射熱熱敏電阻傳感器溫度利用電阻的光敏效應(yīng)光敏電阻傳感器光強(qiáng)利用電阻的濕度效應(yīng)濕敏電阻傳感器濕度電容改變電容的幾何尺寸電容傳感器力、壓力、負(fù)荷、位移改變電容的介電常數(shù)液位、厚度、含水量電感改變磁路的幾何尺寸、導(dǎo)磁體位置電感傳感器位移渦流去磁效應(yīng)渦流傳感器位移、厚度、硬度利用壓磁效應(yīng)壓磁傳感器力、壓力改變互感差分傳感器位移自整角機(jī)位移旋轉(zhuǎn)變壓器位移頻率改變諧振回路中固有參數(shù)振弦式傳感器壓力、力振筒式傳感器氣壓石英諧振傳感器力、溫度等計(jì)數(shù)利用莫爾條紋光柵大角位移、大直線位移改變互感感應(yīng)同步器利用拾磁信號(hào)磁柵數(shù)字利用數(shù)字編碼角度編碼器大角位移電量電動(dòng)勢(shì)溫差電動(dòng)勢(shì)熱電偶溫度、熱流霍爾效應(yīng)霍爾傳感器磁通、電流電磁感應(yīng)磁電傳感器速度、加速度光電效應(yīng)光電池光強(qiáng)電荷輻射電離電離室離子計(jì)數(shù)、放射性強(qiáng)度壓電效應(yīng)壓電傳感器動(dòng)態(tài)力、加速度1.2測(cè)量誤差及修正

1.2.1

誤差的基本概念及表達(dá)式1.絕對(duì)誤差

2.相對(duì)誤差

通常用于衡量測(cè)量的準(zhǔn)確程度，相對(duì)誤差越小，準(zhǔn)確程度越高。3.引用誤差

我國(guó)電工儀表分七級(jí)：0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，及5.0。工業(yè)自動(dòng)化儀表的精度等級(jí)一般在0．2～4．0級(jí)之間。選用儀表時(shí)，一般使其最好能工作在不小于滿刻度值2/3的區(qū)域。

1.2測(cè)量誤差及修正1.2.2

誤差的分類(lèi)與來(lái)源1.系統(tǒng)誤差：在相同的條件下多次測(cè)量同一量時(shí)，誤差的絕對(duì)值和符號(hào)保持恒定或在條件改變時(shí)，與某一個(gè)或幾個(gè)因素成函數(shù)關(guān)系的有規(guī)律的誤差，稱(chēng)為系統(tǒng)誤差。它產(chǎn)生的主要原因是儀表制造、安裝或使用方法不正確，也可能是測(cè)量人員一些不良的讀數(shù)習(xí)慣等。2.隨機(jī)誤差：服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律的誤差稱(chēng)隨機(jī)誤差，又稱(chēng)偶然誤差。誤差產(chǎn)生的原因很復(fù)雜，所以不能用修正或采取某種技術(shù)措施的辦法來(lái)消除。注意：在任何一次測(cè)量中，系統(tǒng)誤差與隨機(jī)誤差一般都是同時(shí)存在的，而且兩者之間并不存在絕對(duì)的界限。3.粗大誤差：是一種顯然與實(shí)際值不符的誤差。

1.2測(cè)量誤差及修正1.2.3系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的表達(dá)式

ε＝A-L0

δi＝xi-A

ε+δi＝（A-L0）+（xi-A）=xi-L0=△x

n次算術(shù)平均值N趨近無(wú)窮大系統(tǒng)誤差隨機(jī)誤差系統(tǒng)絕對(duì)誤差

1.2.4

基本誤差和附加誤差1.基本誤差簡(jiǎn)單地說(shuō)，測(cè)量?jī)x器在額定條件下工作時(shí)所具有的誤差，稱(chēng)為基本誤差。如電源電壓、溫度、濕度等。2.附加誤差當(dāng)使用條件偏離標(biāo)準(zhǔn)條件時(shí)，傳感器和儀表必然在基本誤差的基礎(chǔ)上增加了新的系統(tǒng)誤差，稱(chēng)為附加誤差。如溫度附加誤差、電源電壓波動(dòng)附加誤差等。1.2.5

測(cè)量誤差的發(fā)現(xiàn)與校正測(cè)量誤差：包括系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，由于它們的性質(zhì)不同，對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響及處理的方法也不同。1.2測(cè)量誤差及修正1.2測(cè)量誤差及修正1.2.6.系統(tǒng)誤差的發(fā)現(xiàn)與判別

1.發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差的常用方法如下：

（1）

實(shí)驗(yàn)對(duì)比法

（2）剩余誤差觀察法

（3）不同公式計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)誤差比較法

（4）計(jì)算數(shù)據(jù)比較法

2.系統(tǒng)誤差的校正

（1）補(bǔ)償法

（2）差分法

（3）比值補(bǔ)償法

（4）測(cè)量數(shù)據(jù)的修正

1.3傳感器的基本特性

1.3.1

傳感器的靜態(tài)特性

1.精確度用精密度、準(zhǔn)確度和精確度三個(gè)指標(biāo)來(lái)描述。

(1)精密度精密度是隨機(jī)誤差大小的標(biāo)志，精密度高，意味著隨機(jī)誤差小。

(2)準(zhǔn)確度它說(shuō)明傳感器輸出值與真值的偏離程度。準(zhǔn)確度是系統(tǒng)誤差大小的標(biāo)志，準(zhǔn)確度高意味著系統(tǒng)誤差?。煌瑯訙?zhǔn)確度高不一定精密度高。

(3)精確度它是精密度和準(zhǔn)確度兩者的總和，精確度高表示精密度準(zhǔn)確度都比較高。1.3傳感器的基本特性以射擊為例，加深對(duì)三個(gè)概念的理解。

（a）準(zhǔn)確度高，精密度低（b）準(zhǔn)確度低，精密度高（c）精度高1.3傳感器的基本特性2.穩(wěn)定性

（1）穩(wěn)定度指在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，測(cè)量條件不變的情況下，由于傳感器中隨機(jī)性變動(dòng)、周期性變動(dòng)和漂移等引起輸出值的變化。一般用精密度和觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)短表示。（2）影響量測(cè)量傳感器由外界環(huán)境變化引起輸出值變化的量，稱(chēng)為影響量。它是由溫度、濕度、氣壓、振動(dòng)、電源電壓及電源頻率等一些外加環(huán)境影響所引起的。說(shuō)明影響量時(shí)，必須將影響因素與輸出值偏差同時(shí)表示。1.3傳感器的基本特性3.傳感器的靜態(tài)輸入—輸出特性靜態(tài)特性是指輸入的被測(cè)參數(shù)不隨時(shí)間而變化或隨時(shí)間變化很緩慢時(shí)，傳感器的輸出量與輸入量的關(guān)系。（1）線性度通常用相對(duì)誤差δL來(lái)表示，即（2）靈敏度靈敏度表示傳感器的輸入增量△x與由它引起的輸出增量△y之間的函數(shù)關(guān)系。即靈敏度

K等于傳感器輸出增量與被測(cè)增量之比，它是傳感器在穩(wěn)態(tài)輸出輸入特性曲線上各點(diǎn)的斜率，用下式表示：

1.3傳感器的基本特性靈敏度表示單位被測(cè)量的變化所引起傳感器輸出值的變化量。K值越高表示傳感器越靈敏。從靈敏度的定義可知，靈敏度是刻度特性的導(dǎo)數(shù)，因此它是一個(gè)有單位的量。

1.3傳感器的基本特性靈敏度的三種情況如圖:

(a)靈敏度K保持為常數(shù)，即靈敏度K不隨被測(cè)量變化；(b)靈敏度K隨被測(cè)輸入量增加而增加；(c)靈敏度K隨被測(cè)輸入量增加而減小。1.3傳感器的基本特性（3）靈敏度域與分辨力靈敏度域是指?jìng)鞲衅髯钚∷軌騾^(qū)別的讀數(shù)變化量。分辨力是指數(shù)字式儀表指示數(shù)字值的最后一位數(shù)字所代表的值，當(dāng)被測(cè)量的變化量小于分辨力時(shí)，儀表的最后一位數(shù)不變，仍指示原值。靈敏度域或分辨力都是有單位的量，它的單位與被測(cè)量的單位相同。對(duì)于一般傳感器的要求是，靈敏度應(yīng)該大，而靈敏度域應(yīng)該小。但也不是靈敏度域越小越好，因?yàn)殪`敏度域越小，干擾的影響越顯著，給測(cè)量的平衡過(guò)程造成困難，而且費(fèi)時(shí)、費(fèi)錢(qián)。因此，選擇的靈敏度域只要小于允許測(cè)量絕對(duì)誤差的三分之一即可。靈敏度是廣義的增益，而靈敏度域則是死區(qū)或不靈敏區(qū)。

1.3傳感器的基本特性

（4）遲滯：傳感器在正反行程中輸出—輸入特性曲線不重合程度稱(chēng)為遲滯。遲滯特性如圖所示：遲滯誤差大小用下式表達(dá)：

1.3傳感器的基本特性（5）重復(fù)性重復(fù)性是指?jìng)鞲衅鞯妮斎朐诎赐环较蜃兓瘯r(shí)，在全量程內(nèi)連續(xù)進(jìn)行重復(fù)測(cè)試時(shí)，所得到的各特性曲線的重復(fù)程度如下圖所示：

重復(fù)特性用下式表示：1.3傳感器的基本特性1.3.2

傳感器的動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鲗?duì)于隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。只要輸入量是時(shí)間的函數(shù)，則其輸出量也將是時(shí)間的函數(shù)。研究動(dòng)態(tài)特性是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)輸入特性來(lái)考慮傳感器的響應(yīng)特性。標(biāo)準(zhǔn)輸入有三種：呈正弦變化的輸入、階躍變化的輸入和線性輸入。

1.3傳感器的基本特性1.動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)描述2.傳遞函數(shù)3.動(dòng)態(tài)響應(yīng)1.4傳感器的標(biāo)定1.4.1

靜態(tài)標(biāo)定

1、標(biāo)定條件及儀器精度

（1）靜態(tài)標(biāo)定條件

靜態(tài)標(biāo)定條件是沒(méi)有加速度、振動(dòng)、沖擊（除非這些參數(shù)本身就是被測(cè)量），環(huán)境溫度為20℃±5℃，相對(duì)濕度不大于85%，大氣壓力為101.32±7.998kPa的情況。

（2）標(biāo)定儀器設(shè)備精度等級(jí)的確定按照規(guī)定，在對(duì)傳感器標(biāo)定時(shí)，所用的標(biāo)準(zhǔn)儀器及設(shè)備至少要比被標(biāo)定傳感器的精度高一個(gè)等級(jí)，為保證標(biāo)定數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，必須選用與被標(biāo)定傳感器精度相適應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)器具。只有這樣標(biāo)定出的傳感器性能指標(biāo)才是可信的，并可以在實(shí)際中應(yīng)用。1.4傳感器的標(biāo)定

2、標(biāo)定方法

第一步：確定標(biāo)定儀器精度及靜態(tài)條件第二步：確定標(biāo)定點(diǎn)第三步：給定輸入，讀出輸出，列表畫(huà)曲線第四步：對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)處理，確定相關(guān)指標(biāo)。1.4傳感器的標(biāo)定1.4.2

動(dòng)態(tài)標(biāo)定

1.靈敏度的標(biāo)定傳感器輸出的電信號(hào)（電壓或電荷）與相應(yīng)輸入的加速度之比叫靈敏度。其標(biāo)定大多數(shù)是在振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行，而且是在單頻（例如100Hz）下標(biāo)定的，振動(dòng)臺(tái)的加速度不大于10g。

2.頻率響應(yīng)的標(biāo)定

（1）幅頻（2）相頻

1.4傳感器的標(biāo)定3、諧振頻率的標(biāo)定

諧振頻率的標(biāo)定分兩種情況進(jìn)行。第一種是諧振頻率不超過(guò)50KHz時(shí)，使用高頻振動(dòng)臺(tái)作正弦激振，確定最大靈敏度所在的頻率即為諧振頻率。第二種情況是加速度傳感器的諧振頻率超過(guò)50KHz，此時(shí)采用沖擊激振法標(biāo)定，即將加速度傳感器安裝在鋼砧上，沖擊鋼砧，使含有豐富諧波的沖擊加速度激發(fā)起傳感器諧振。4、電阻抗的檢測(cè)1.5

傳感器的選用1.5.1

傳感器的指標(biāo)及選用原則

1、靈敏度一般來(lái)說(shuō)，傳感器靈敏度越高越好。靈敏度越高說(shuō)明傳感器能檢測(cè)到的變化量越小，這隨之帶來(lái)了外界噪聲信號(hào)進(jìn)入檢測(cè)系統(tǒng)形成干擾的問(wèn)題。因?yàn)樵肼曅盘?hào)一般情況下都是較微弱的，只有高靈敏度的傳感器才能感知到。同時(shí)靈敏度越高，穩(wěn)定性越差，所以對(duì)于實(shí)際測(cè)量對(duì)象而言，選擇能夠滿足測(cè)量要求的靈敏度指標(biāo)即可。

1.5

傳感器的選用2、精度傳感器的精度表示傳感器的輸出與被測(cè)量真值的一致性程度。精度越高所測(cè)的量值與真值的誤差越小。

3、可靠性可靠性是指?jìng)鞲衅髟谝?guī)定工作條件下和規(guī)定工作時(shí)間內(nèi)，保持原有技術(shù)性能的能力。為了保證傳感器在應(yīng)用中具有較高的可靠性，在選用時(shí)必須考慮那些設(shè)計(jì)、制造良好、使用條件適宜的傳感器。1.5

傳感器的選用4、線性范圍

任何傳感器都有一定的線性范圍，在線性范圍內(nèi)輸出與輸入成比例關(guān)系。線性范圍越寬，說(shuō)明傳感器的工作量程越大。

5、頻率響應(yīng)頻率響應(yīng)主要有兩項(xiàng)指標(biāo)，一是響應(yīng)時(shí)間，它表示傳感器能否迅速反應(yīng)輸入信號(hào)變化的一個(gè)指標(biāo)。另一個(gè)是頻率響應(yīng)范圍，它表征傳感器能夠通過(guò)多寬的頻帶。實(shí)際上傳感器響應(yīng)總有一定的延遲，通過(guò)的頻帶寬度也是有限的。但對(duì)于使用者來(lái)說(shuō)，總是希望響應(yīng)時(shí)間越短越好，通過(guò)頻帶越寬越好。

1.5

傳感器的選用6、穩(wěn)定性作為長(zhǎng)期使用的測(cè)量傳感器，其工作穩(wěn)定性顯得特別重要。穩(wěn)定性好的傳感器在長(zhǎng)時(shí)間工作下，對(duì)同一被測(cè)量輸出量發(fā)生變化很小。另一種情況是當(dāng)傳感器受到擾動(dòng)后，能夠迅速回復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)。

1.5

傳感器的選用1.5.2

選用條件要求

1、抗干擾能力2、補(bǔ)償與校正功能選用傳感器的要求第一是測(cè)量條件要求，主要包括測(cè)量目的、被測(cè)量的選擇、測(cè)量范圍、超標(biāo)準(zhǔn)過(guò)大的輸入信號(hào)產(chǎn)生的頻度、輸入信號(hào)的頻寬以及測(cè)量精度，測(cè)量所需的時(shí)間等。第二是傳感器自身性能要求，主要包括精度、穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、輸出量類(lèi)別（模擬信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)）、對(duì)被測(cè)對(duì)象產(chǎn)生的負(fù)載效應(yīng)、校正周期、輸入端保護(hù)等。第三是使用條件要求，主要包括設(shè)置場(chǎng)地的環(huán)境條件（如溫度、濕度、振動(dòng)等）、所需功率容量、與其它設(shè)備的連接匹配、備件與維修服務(wù)等。第2章溫度檢測(cè)

溫度是表征物體或系統(tǒng)的冷熱程度的物理量。溫度單位是國(guó)際單位制中七個(gè)基本單位之一。本章在簡(jiǎn)單介紹溫標(biāo)及測(cè)溫方法的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹膨脹式溫度測(cè)量、電阻式溫度傳感與測(cè)試、熱電偶溫度計(jì)、輻射式溫度計(jì)、光導(dǎo)纖維溫度計(jì)、集成溫度傳感技術(shù)等測(cè)溫原理及方法。2.1

溫標(biāo)及測(cè)溫方法

2.1.1

溫標(biāo)

經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo):1.攝氏溫標(biāo);2.華氏溫標(biāo);3.列氏溫標(biāo)。攝氏、華氏、列氏溫度之間的換算關(guān)系為

C=(5/9)*(F-32)=(5/4)R

熱力學(xué)溫標(biāo):1848年威廉.湯姆首先提出以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)建立起來(lái)的溫度僅與熱量有關(guān)而與物質(zhì)無(wú)關(guān)的熱力學(xué)溫標(biāo)。因是開(kāi)爾文總結(jié)出來(lái)的故又稱(chēng)為開(kāi)爾文溫標(biāo)，用符號(hào)K表示。國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)

為了解決國(guó)際上溫度標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一及實(shí)用問(wèn)題，國(guó)際上協(xié)商決定，建立一種既能體現(xiàn)熱力學(xué)溫度（即能保證一定的準(zhǔn)確度），又使用方便、容易實(shí)現(xiàn)的溫標(biāo)，這就是國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)，又稱(chēng)國(guó)際溫標(biāo)。2.1

溫標(biāo)及測(cè)溫方法2.1.2溫度檢測(cè)的主要方法及分類(lèi)

溫度檢測(cè)方法一般可以分為兩大類(lèi)，即接觸測(cè)量法和非接觸測(cè)量法。常用的測(cè)溫方法、類(lèi)型及特點(diǎn)如表2.1.1所示。2.2

電阻式溫度傳感器

熱電阻溫度傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻率隨溫度的變化而變化的原理制成的，實(shí)現(xiàn)了將溫度的變化轉(zhuǎn)化為元件電阻的變化。有金屬（鉑、銅和鎳）熱電阻及半導(dǎo)體熱電阻（稱(chēng)為熱敏電阻）。2.2.1

金屬熱電阻傳感器1、熱電阻類(lèi)型:金屬熱電阻主要有鉑電阻、銅電阻和鎳電阻等,其中鉑電阻和銅電阻最為常見(jiàn)。

(1)鉑熱電阻：在-200～0℃的范圍內(nèi)在0～850℃的范圍內(nèi)

(2)銅熱電阻：可表示為

2.2

電阻式溫度傳感器2、熱電阻的結(jié)構(gòu):熱電阻主要由電阻體、絕緣套管和接線盒等組成。電阻體由電阻絲、引出線、骨架等組成。2.2

電阻式溫度傳感器3、熱電阻傳感器的測(cè)量電路

(1)三線制(2)四線制2.2

電阻式溫度傳感器

2.2.2

半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器

熱敏電阻是利用半導(dǎo)體材料的電阻率隨溫度變化而變化的性質(zhì)制成的。1、特性：溫度特性和伏安特性

NTC型、PTC型、CTR型三類(lèi)熱敏電阻的特性曲線如圖2.2

電阻式溫度傳感器2、熱敏電阻的主要參數(shù)

標(biāo)稱(chēng)電阻值RH：

是指環(huán)境溫度為25℃±0.2℃時(shí)測(cè)得的電阻值，又稱(chēng)冷電阻，單位為Ω。

耗散系數(shù)H：

是指熱敏電阻的溫度變化與周?chē)橘|(zhì)的溫度相差1℃時(shí)，熱敏電阻所耗散的功率，單位為W℃-1。

電阻溫度系數(shù)α：熱敏電阻的溫度變化1℃時(shí)，阻值的變化率。通常指溫標(biāo)為20℃時(shí)的溫度系數(shù)，單位為（%）℃-1。

2.2

電阻式溫度傳感器熱容量C：

熱敏電阻的溫度變化1℃時(shí)，所需吸收或釋放的能量，單位為J℃-1。

時(shí)間常數(shù)τ：是指溫度為T(mén)0的熱敏電阻，在忽略其通過(guò)電流所產(chǎn)生熱量的作用下，突然置于溫度為T(mén)的介質(zhì)中，熱敏電阻的溫度增量達(dá)到ΔT=0.63（T-T0）時(shí)所需時(shí)間，它與電容C和耗散系數(shù)H之間的關(guān)系如下：2.2

電阻式溫度傳感器3、熱敏電阻的特點(diǎn):

靈敏度高,體積小、熱貫性小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，化學(xué)穩(wěn)定性好，機(jī)械性能強(qiáng)，價(jià)格低廉，壽命長(zhǎng)，熱敏電阻的缺點(diǎn)是復(fù)現(xiàn)性和互換性差，非線性嚴(yán)重，測(cè)溫范圍較窄，目前只能達(dá)到-50～300℃。

4、熱敏電阻的應(yīng)用:

（1）溫度測(cè)量（2）溫度補(bǔ)償

2.2

電阻式溫度傳感器2.2

電阻式溫度傳感器（3）溫度控制：用熱敏電阻與一個(gè)電阻相串聯(lián)，并加上恒定的電壓，當(dāng)周?chē)橘|(zhì)溫度升到某一數(shù)值時(shí)，電路中的電流可以由十分之幾毫安突變?yōu)閹资涟?。因此可以用繼電器的繞阻代替不隨溫度變化的電阻。當(dāng)溫度升高到一定值時(shí)，繼電器動(dòng)作，繼電器的動(dòng)作反應(yīng)溫度的大小，所以熱敏電阻可用作溫度控制。

（4）過(guò)熱保護(hù)2.3

薄膜熱傳感器薄膜熱傳感器是隨著人們對(duì)溫度信息獲取的手段要求越來(lái)越高，對(duì)溫度傳感器的超小型化的要求越來(lái)越迫切而產(chǎn)生的。由于薄膜熱電阻的性能優(yōu)良，可以替代傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)型熱傳感器，適用于物體表面、快速和小間隙場(chǎng)所的溫度測(cè)量，因而被廣泛地應(yīng)用于冶金、化工、能源、交通、機(jī)電、儀器儀表和科學(xué)實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域。

2.3.1

金屬薄膜熱電阻

1、薄膜熱傳感器的結(jié)構(gòu)基片敏感膜引線WL2.3

薄膜熱傳感器2、薄膜熱電阻的測(cè)溫機(jī)理鉑熱電阻在－200～0℃范圍內(nèi)的電阻與溫度的關(guān)系近似地表示，即2.3

薄膜熱傳感器2.3.2

多晶硅薄膜熱電阻

1、結(jié)構(gòu)

2、測(cè)溫機(jī)理2.4

熱電偶傳感器2.4.1

熱電偶測(cè)溫原理

1、熱電偶的特點(diǎn)

測(cè)量范圍寬、性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確可靠、信號(hào)可以遠(yuǎn)傳和記錄。2、熱電偶的分類(lèi)（1）熱電偶材料分：貴金屬、廉價(jià)金屬、難熔金屬和非金屬。（2）按用途和結(jié)構(gòu)分：普通工業(yè)用（直形、角形和錐形）和專(zhuān)用（鋼水消耗、多點(diǎn)式和表面測(cè)溫）。2.4

熱電偶傳感器3、熱電偶的測(cè)溫原理:

熱電偶測(cè)溫是基于熱電效應(yīng)，在兩種不同的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）A和B組成的閉合回路中，如果它們兩個(gè)接點(diǎn)的溫度不同，則回路中產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)，通常我們稱(chēng)這種現(xiàn)象為熱電勢(shì)，這種現(xiàn)象就是熱電效應(yīng)。

接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)。2.4

熱電偶傳感器當(dāng)熱電偶材料一定時(shí)，熱電偶的總電勢(shì)成為溫度T和T0的函數(shù)差。即如果使冷端溫度T0固定,則對(duì)一定材料的熱電偶，其總電勢(shì)就只與溫度T成單值函數(shù)關(guān)系，即

2.4

熱電偶傳感器由此可得有關(guān)熱電偶的幾個(gè)結(jié)論

(1)熱電偶必須采用兩種不同材料作為電極，否則無(wú)論熱電偶兩端溫度如何，熱電偶回路總熱電勢(shì)為零。

(2)盡管采用兩種不同的金屬，若熱電偶兩接點(diǎn)溫度相等，即T=T0，回路總電勢(shì)為零。

(3)熱電勢(shì)只與結(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)，與中間各處溫度無(wú)關(guān)。

2.4

熱電偶傳感器4、熱電偶基本定律

（1）均質(zhì)導(dǎo)體定律

由一種均質(zhì)導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成的閉合回路，不論其截面、長(zhǎng)度如何以及各處的溫度如何分布，都不會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)。即熱電偶必須采用兩種不同材料作為電極。

（2）中間導(dǎo)體定律

在熱電偶回路中，接入第三種導(dǎo)體C，只要這第三種導(dǎo)體兩端溫度相同，則熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)保持不變。即第三種導(dǎo)體C的引入對(duì)熱電偶回路的總電動(dòng)勢(shì)沒(méi)有影響。

2.4

熱電偶傳感器（3）中間溫度定律

在熱電偶回路中，兩結(jié)點(diǎn)溫度為T(mén)、T0時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)，等于該熱電偶在結(jié)點(diǎn)溫度為T(mén)、Ta和Ta、T0時(shí)熱電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和，即（4）標(biāo)準(zhǔn)電極定律當(dāng)溫度為T(mén)、T0時(shí)，用導(dǎo)體A、B組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)等于AC熱電偶和CB熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)之代數(shù)和，即導(dǎo)體C稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)電極，故把這一定律稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)電極定律。2.4

熱電偶傳感器2.4.2

熱電極材料及常用熱電偶

1、熱電極材料

（1）在測(cè)溫范圍內(nèi)，熱電性質(zhì)穩(wěn)定，不隨時(shí)間和被測(cè)介質(zhì)變化，物理化學(xué)性能穩(wěn)定，不易氧化或腐蝕。（2）導(dǎo)電率要高，并且電阻溫度系數(shù)要小。（3）它們組成的熱電偶，熱電動(dòng)勢(shì)隨溫度的變化率要大，并且希望該變化率在測(cè)溫范圍內(nèi)接近常數(shù)。（4）材料的機(jī)械強(qiáng)度要高，復(fù)制性要好，復(fù)制工藝要簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。2.4

熱電偶傳感器2、標(biāo)準(zhǔn)熱電偶

（1）鉑銠10-鉑熱電偶(S型)

（2）鉑銠30-鉑銠6熱電偶(B型)

（3）鎳鉻-鎳硅(鎳鉻-鎳鋁)熱電偶(K型)

（4）鎳鉻-考銅熱電偶（E型）3、非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶

（1）鎢錸系：通常用于測(cè)量300℃～2000℃，分度誤差為±1%的溫度，短時(shí)間測(cè)量可達(dá)3000℃。

（2）銥銠系：在中性介質(zhì)和真空中測(cè)溫可長(zhǎng)期使用到2000℃左右。

（3）鎳鈷-鎳鋁：測(cè)溫范圍為300℃～1000℃。

2.4

熱電偶傳感器2.4.3

熱電偶的結(jié)構(gòu)

1、普通型熱電偶:通常都是由熱電極、絕緣材料、保護(hù)套管和接線盒等主要部分組成。

2、鎧裝熱電偶:鎧裝熱電偶是由熱電極、絕緣材料和金屬套管經(jīng)拉伸加工而成的組合體，其結(jié)構(gòu)分單芯和雙芯兩種。

2.4

熱電偶傳感器2.4.4

熱電偶冷端溫度補(bǔ)償

由熱電偶的作用原理可知，熱電偶熱電動(dòng)勢(shì)的大小，不僅與測(cè)量端的溫度有關(guān)，而且與冷端的溫度有關(guān)，是測(cè)量端溫度t和冷端溫度t0的函數(shù)差。

1、補(bǔ)償導(dǎo)線法:常用熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線參見(jiàn)表2.4.2。在使用補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)必須注意以下問(wèn)題:

（1）補(bǔ)償導(dǎo)線只能在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)(一般為0～100℃)與熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)相等或相近。（2）不同型號(hào)的熱電偶有不同的補(bǔ)償導(dǎo)線。（3）熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線的兩個(gè)接點(diǎn)處要保持同溫度。（4）補(bǔ)償導(dǎo)線有正、負(fù)極，與熱電偶的正、負(fù)極相連。（5）補(bǔ)償導(dǎo)線的作用只是延伸熱電偶的自由端，當(dāng)自由端t0≠0時(shí)，還需進(jìn)行其他補(bǔ)償與修正。2.4

熱電偶傳感器2、計(jì)算法：3、冰浴法：把熱電偶的冷端置于冰水混合物的容器里，保證使

t0=0℃。這種辦法最為妥善，然而不夠方便，所以僅限于科學(xué)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用。

2.4

熱電偶傳感器4、補(bǔ)償電橋法:補(bǔ)償電橋法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢(shì)來(lái)補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢(shì)變化值，如圖所示。5、軟件處理法2.4

熱電偶傳感器2.4.5

熱電偶常用測(cè)溫線路

1、測(cè)量某點(diǎn)溫度的基本電路

2、測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間溫度差的測(cè)溫電路

2.4

熱電偶傳感器3、測(cè)量多點(diǎn)的測(cè)溫線路

多個(gè)被測(cè)溫度用多支熱電偶分別測(cè)量，但多個(gè)熱電偶共用一臺(tái)顯示儀表，它們是通過(guò)專(zhuān)用的切換開(kāi)關(guān)來(lái)進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量的。2.4

熱電偶傳感器4、測(cè)量平均溫度的測(cè)溫線路:其缺點(diǎn)是當(dāng)某一熱電偶燒斷時(shí)，不能很快地覺(jué)察出來(lái)。

5、測(cè)量幾點(diǎn)溫度之和的測(cè)溫線路:優(yōu)點(diǎn)是熱電偶燒壞時(shí)可立即知道，還可獲得較大的熱電動(dòng)勢(shì)。2.5

輻射式溫度傳感器與接觸式測(cè)溫相比較：

1.傳感器和被測(cè)對(duì)象不接觸，不會(huì)破壞被測(cè)對(duì)象的溫度場(chǎng)，故可測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度并可進(jìn)行遙測(cè)。

2.由于傳感器或熱輻射探測(cè)器不必達(dá)到與被測(cè)對(duì)象同樣的溫度，故儀表的測(cè)溫上限不受傳感器材料熔點(diǎn)的限制，從理論上說(shuō)儀表無(wú)測(cè)溫上限。

3.在檢測(cè)過(guò)程中傳感器不必和被測(cè)對(duì)象達(dá)到熱平衡，故檢測(cè)速度快，響應(yīng)時(shí)間短，適于快速測(cè)溫。2.5.1

輻射測(cè)溫的物理基礎(chǔ)

輻射式溫度傳感器是利用物體的輻射能隨溫度變化的原理制成的。

2.5輻射式溫度傳感器1、熱輻射:物體受熱，激勵(lì)了原子中帶電粒子，使一部分熱能以電磁波的形式向空間傳播，它不需要任何物質(zhì)作媒介（即在真空條件下也能傳播），將熱能傳遞給對(duì)方，這種能量的傳播方式稱(chēng)為熱輻射（簡(jiǎn)稱(chēng)輻射），傳播的能量叫輻射能。輻射能量的大小與波長(zhǎng)、溫度有關(guān)。

2、黑體:所謂黑體是指能對(duì)落在它上面的輻射能量全部吸收的物體。在某個(gè)給定溫度下，對(duì)應(yīng)不同波長(zhǎng)的黑體輻射能量是不相同的，在不同溫度下對(duì)應(yīng)全波長(zhǎng)（λ：0～∞）范圍總的輻射能量也是不相同的。2.5

輻射式溫度傳感器

3、輻射基本定律（1）普朗克定律:普朗克定律揭示了在各種不同溫度下黑體輻射能量按波長(zhǎng)分布的規(guī)律，其關(guān)系式

（2）斯忒藩-波耳茲曼定律:斯忒藩--波耳茲曼定律確定了黑體的全輻射與溫度的關(guān)系如上。此式表明，黑體的全輻射能是和它的絕對(duì)溫度的四次方成正比，所以這一定律又稱(chēng)為四次方定律。把灰體全輻射能E與同一溫度下黑體全輻射能E0相比較，得到物體的另一個(gè)特征量ε2.5

輻射式溫度傳感器2.5.2

輻射測(cè)溫方法1.亮度法:是指被測(cè)對(duì)象投射到檢測(cè)元件上的是被限制在某一特定波長(zhǎng)的光譜輻射能量，而能量的大小與被測(cè)對(duì)象溫度之間的關(guān)系是普朗克公式所描述的一種輻射測(cè)溫方法，即比較被測(cè)物體與參考源在同一波長(zhǎng)下的光譜亮度，并使二者的亮度相等，從而確定被測(cè)物體的溫度，典型測(cè)溫傳感器是光學(xué)高溫計(jì)。

2.5

輻射式溫度傳感器2.全輻射法:全輻射法是指被測(cè)對(duì)象投射到檢測(cè)元件上的是對(duì)應(yīng)全波長(zhǎng)范圍的輻射能量，而能量的大小與被測(cè)對(duì)象溫度之間的關(guān)系是由斯忒藩—波耳茲曼所描述的一種輻射測(cè)溫方法，典型測(cè)溫傳感器是輻射溫度計(jì)（熱電堆）。2.5

輻射式溫度傳感器3.比色法:被測(cè)對(duì)象的兩個(gè)不同波長(zhǎng)的光譜輻射能量投射到一個(gè)檢測(cè)元件上，或同時(shí)投射到兩個(gè)檢測(cè)元件上，根據(jù)它們的比值與被測(cè)對(duì)象溫度之間的關(guān)系實(shí)現(xiàn)輻射測(cè)溫的方法，比值與溫度之間的關(guān)系由兩個(gè)不同波長(zhǎng)下普朗克公式之比表示，典型測(cè)溫傳感器是比色溫度計(jì)。2.6

石英晶體測(cè)溫傳感器石英晶體諧振器的等效電路溫度與頻率的關(guān)系

2.6

石英晶體測(cè)溫傳感器石英晶體數(shù)字溫度計(jì)的原理框圖如圖晶體探頭晶體基準(zhǔn)振蕩器振蕩器混頻器低通濾波器數(shù)字顯示計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)間隔f

－f

0f±f

0f

2.7

光纖傳感器2.7.1

光纖傳感原理

1、光纖結(jié)構(gòu):光纖為玻璃光纖，其結(jié)構(gòu)如圖所示，它由導(dǎo)光的纖芯及其周?chē)陌鼘咏M成，包層的外面常有塑料或橡膠等保護(hù)套。包層折射率n1略小于纖芯折射率n2，它們的相對(duì)折射率差Δ

通常Δ為0.005～0.14這樣的構(gòu)造可以保證入射到光纖內(nèi)的光波集中在芯子內(nèi)傳播。2.7

光纖傳感器2、工作原理:光纖工作的基礎(chǔ)是光的全反射。當(dāng)端面入射的光滿足全反射條件時(shí)

即使用時(shí)應(yīng)使入射光處于2θc的光錐角內(nèi)，光纖才能理想地導(dǎo)光。否則，這些光線便從包層中逸出而產(chǎn)生漏光。

3、光纖分類(lèi):按傳輸?shù)哪Ｊ椒譃閱文：投嗄深?lèi)。2.7

光纖傳感器2.7.2

光纖溫度傳感器

光纖溫度傳感器按其工作原理可分兩大類(lèi)：功能型和非功能型。1、功能型:功能型也稱(chēng)物性型或傳感型，是利用其某種參數(shù)隨溫度變化的特性作為傳感器的主體，即將其作為敏感元件進(jìn)行測(cè)溫。

2.7

光纖傳感器2、非功能型:非功能型也稱(chēng)結(jié)構(gòu)型或傳光型，光纖在這類(lèi)傳感器中只是作傳光的媒質(zhì)，還須要加上其它的敏感元件才能構(gòu)成傳感器。

2.8

集成數(shù)字溫度傳感器

集成溫度傳感器是利用晶體管PN結(jié)的電流與電壓特性與溫度的關(guān)系，把敏感元件、放大電路和補(bǔ)償電路等部分集成化，并把它們裝封在同一殼體里的一種一體化溫度檢測(cè)元件。一般只能用來(lái)測(cè)50℃以下的溫度。2.8.1

集成溫度傳感器工作原理及分類(lèi)

1、工作原理2.8

集成數(shù)字溫度傳感器2、分類(lèi)電壓型、電流型、數(shù)字輸出型，典型的電壓型集成電路溫度傳感器有μPC616A／C，LM135，AN670l等；典型的電流型集成電路溫度傳感器為AD590，LM134；典型的數(shù)字輸出型傳感器有DS1B820，ETC-800等。2.8

集成數(shù)字溫度傳感器2.8.2電壓型集成溫度傳感器μPC616A／C

四端電壓輸出型傳感器框圖:它由PTAT核心電路、參考電壓源和運(yùn)算放大器三部分組成，其四個(gè)端子分別為U+、U-、輸入和輸出。該類(lèi)型傳感器的最大工作溫度范圍是-40℃～125℃，靈敏度是10mV／K，線性偏差為0.5%～2%，長(zhǎng)期穩(wěn)定性和重復(fù)性為0.3%，精度為±4K。2.8

集成數(shù)字溫度傳感器基本應(yīng)用電路2.8

集成數(shù)字溫度傳感器溫度檢測(cè)電路2.8

集成數(shù)字溫度傳感器2.8.3電流型集成溫度傳感器AD590

1、性能特點(diǎn)①線性電流輸出：1μA／K。②工作溫度范圍：-55℃～155℃。③兩端器件：電壓輸入,電流輸出。④激光微調(diào)使定標(biāo)精度達(dá)±0.5℃。⑤整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)非線性誤差小于±0.5℃。⑥工作電壓范圍：4V～30V。⑦器件本身與外殼絕緣。2.8

集成數(shù)字溫度傳感器2、簡(jiǎn)單應(yīng)用：溫度測(cè)量和溫差測(cè)量2.8

集成數(shù)字溫度傳感器多點(diǎn)溫度測(cè)量2.8

集成數(shù)字溫度傳感器2.8.4

數(shù)字輸出型傳感器DS18201、DS1820的主要特性(1)適應(yīng)電壓范圍3.0～5.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電；(2)獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時(shí)，僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊；(3)DS18B20支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測(cè)溫；(4)DS18B20在使用中，不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)；(5)測(cè)溫范圍－55℃～＋125℃，在－10℃～+85℃時(shí)精度為±0.5℃；(6)可編程的分辨率為9～12位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫；2.8

集成數(shù)字溫度傳感器(7)在9位分辨率時(shí)，最多在93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字；12位分辨率時(shí)，最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快；(8)測(cè)量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以“一線總線“串行傳送給CPU，同時(shí)可傳送CRC校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力；(9)負(fù)壓特性，電源極性接反時(shí)，芯片不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。2.8

集成數(shù)字溫度傳感器2、DS1820的結(jié)構(gòu)

內(nèi)部結(jié)構(gòu)：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器HT和HL、配置寄存器。

2.8

集成數(shù)字溫度傳感器3、DS1820

工作原理2.8

集成數(shù)字溫度傳感器4、DS18B20使用中注意事項(xiàng)(1)較小的硬件開(kāi)銷(xiāo)需要相對(duì)復(fù)雜的軟件進(jìn)行補(bǔ)償，由于DS1820與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對(duì)DS1820進(jìn)行讀寫(xiě)編程時(shí)，必須嚴(yán)格地保證讀寫(xiě)時(shí)序，否則將無(wú)法讀取測(cè)溫結(jié)果。在使用VC等高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)DS1820操作部分仍要采用匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。(2)連接DS1820的總線電纜是有長(zhǎng)度限制的。試驗(yàn)中，當(dāng)采用普通信號(hào)電纜傳輸長(zhǎng)度超過(guò)50m時(shí)，讀取的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)將發(fā)生錯(cuò)誤；當(dāng)將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時(shí)，正常通訊距離可達(dá)150m；當(dāng)采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時(shí)，正常通訊距離進(jìn)一步加長(zhǎng)，這種情況主要是由總線分布電容使信號(hào)波形產(chǎn)生畸變?cè)斐傻摹Ｒ虼?，在用DS1820進(jìn)行長(zhǎng)距離測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問(wèn)題。(3)在DS1820測(cè)溫程序設(shè)計(jì)中，向DS1820發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待DS1820的返回信號(hào)，一旦某個(gè)DS1820接觸不好或斷線，當(dāng)程序讀該DS1820時(shí)，將沒(méi)有返回信號(hào)，程序?qū)⑦M(jìn)入死循環(huán)，這一點(diǎn)在進(jìn)行DS1820硬件連接和軟件設(shè)計(jì)時(shí)也要給予一定的重視。

第3章

壓力檢測(cè)

在測(cè)量上所稱(chēng)的壓力就是物理學(xué)中的壓強(qiáng)，它是反映物質(zhì)狀態(tài)的一個(gè)參數(shù)；在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中是重要工藝參數(shù)之一。本章簡(jiǎn)單介紹壓力的概念及單位，重點(diǎn)講解應(yīng)變式壓力計(jì)、壓電式壓力傳感器、電容式壓力傳感器和霍爾式壓力計(jì)等的測(cè)量原理及測(cè)壓方法。

3.1

壓力的概念及單位1、壓力的概念:壓力是垂直而均勻地作用在單位面積上的力。大小由受力面積和垂直作用力的大小兩個(gè)因素決定。表達(dá)式為：2、壓力的單位

（1）工程大氣壓（2）標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（3）約定毫米汞柱（4）約定毫米水柱常用的幾種壓力單位與帕斯卡的換算關(guān)系見(jiàn)表3.1.1所示。3.1

壓力的概念及單位3、壓力的分類(lèi)

(1).絕對(duì)壓力

(2).環(huán)境大氣壓力

(3).表壓力

(4).真空度

(5).差壓

上述各種壓力的相互關(guān)系見(jiàn)圖。

3.2

應(yīng)變式壓力計(jì)

3.2.1電阻應(yīng)變效應(yīng)

電阻絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械形變時(shí)，其電阻值發(fā)生變化，稱(chēng)為電阻應(yīng)變效應(yīng)。

設(shè)有一根長(zhǎng)度為L(zhǎng)，截面積為S，電阻率為ρ的電阻絲，未受力時(shí)的電阻值為：受力后：

3.2

應(yīng)變式壓力計(jì)令電阻絲的軸向應(yīng)變?yōu)棣?△l/l，徑向應(yīng)變?yōu)椤鱮/r，由材料力學(xué)可知△r/r=-μ(△l/l)=-με，μ為電阻絲材料的泊松系數(shù)，經(jīng)整理可得令3.2

應(yīng)變式壓力計(jì)3.2.2電阻應(yīng)變片

1、金屬電阻應(yīng)變片

金屬電阻應(yīng)變片分為金屬絲式和箔式，圖所示為金屬絲式和金屬箔式電阻應(yīng)變片。常用的電阻應(yīng)變絲的材料是康銅絲和鎳鉻合絲，用薄紙作為基底的應(yīng)變片稱(chēng)為紙基應(yīng)變片；用有機(jī)聚合物作為基底的應(yīng)變片稱(chēng)為膠基應(yīng)變片。

3.2

應(yīng)變式壓力計(jì)電阻應(yīng)變片1、應(yīng)變絲2、基底3、引線4、金屬膜引線3.2

應(yīng)變式壓力計(jì)2、半導(dǎo)體應(yīng)變片

半導(dǎo)體受力時(shí)，電阻率發(fā)生變化，電阻率隨應(yīng)力變化的關(guān)系稱(chēng)為半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體應(yīng)變片電阻的變化主要是電阻率變化引起的，表示為

由于彈性系數(shù)E=σ/ε，上式又可寫(xiě)為

為提高靈敏度半導(dǎo)體應(yīng)變片還有制成柵形的。

3.2

應(yīng)變式壓力計(jì)3.2.3

電阻應(yīng)變片的粘貼及溫度補(bǔ)償

1、應(yīng)變片的粘貼：粘貼工藝包括被測(cè)試件表面處理，貼片，質(zhì)量檢查，焊接引線以及防護(hù)與屏蔽等。

2、溫度誤差及其補(bǔ)償

（1）溫度誤差：溫度誤差是指環(huán)境溫度變化引起應(yīng)變片電阻變化。原因有兩方面：一方面是應(yīng)變片電阻絲的溫度系數(shù)，另一方面是電阻絲材料與試件材料的線膨脹系數(shù)不同。（2）溫度補(bǔ)償

電橋補(bǔ)償法如圖。

3.2

應(yīng)變式壓力計(jì)3.2.4

轉(zhuǎn)換電路當(dāng)RL=∞時(shí)，電橋輸出電壓為：Uo=0時(shí)，有3.2

應(yīng)變式壓力計(jì)單臂電橋輸出電壓和電壓靈敏度為

雙臂電橋電路，一般接成差動(dòng)電橋。其輸出電壓為電橋四臂同時(shí)接入工作應(yīng)變片，則構(gòu)成全橋電路。其輸出電壓為

3.2

應(yīng)變式壓力計(jì)3.2

應(yīng)變式壓力計(jì)3.2.5

應(yīng)變式壓力傳感器

1、膜式應(yīng)變傳感器

圖是一種簡(jiǎn)單的平膜壓力傳感器，應(yīng)變片貼在膜片的內(nèi)表面。膜片感受壓力時(shí)產(chǎn)生應(yīng)變，使應(yīng)變片有一定的電阻輸出。

3.2

應(yīng)變式壓力計(jì)2、測(cè)力式應(yīng)變傳感器

右圖為一種帶水冷的測(cè)力計(jì)式壓力傳感器。

3、擴(kuò)散硅型壓力傳感器

圖(a)是一個(gè)杯型組合式測(cè)量元件

圖(b)是膜片一個(gè)截面示意圖

1-應(yīng)變片；2-外殼；3-墊片；4-冷卻水管；5-密封墊；6-墊片；7-接線柱；8-電纜；9-壓帽；10-定位銷(xiāo)；11-墊片；12-應(yīng)變筒；13-墊片；14-保護(hù)帽3.3薄膜應(yīng)變片

薄膜應(yīng)變片是用濺射或蒸發(fā)的方法將半導(dǎo)體或金屬敏感材料鍍?cè)趶椥曰系?。?yōu)點(diǎn)：

1、穩(wěn)定性好

2、使用壽命長(zhǎng)

3、靈敏度高

4、溫度系數(shù)小

5、工作溫度范圍寬

6、量程大

7、成本低。

3.3薄膜應(yīng)變片3.3.1薄膜應(yīng)變片原理

電阻為：

設(shè)其應(yīng)變?yōu)棣?，電阻相?duì)變化為：

對(duì)于半導(dǎo)體材料，上式可寫(xiě)為：

3.3

薄膜應(yīng)變片

3.3.2

薄膜應(yīng)變片的制作及應(yīng)用

1、濺射薄膜應(yīng)變片

主要成膜工藝有真空濺射和真空蒸鍍。真空濺射工藝大致流程為：基片預(yù)處理、濺射介質(zhì)層、濺射敏感層、蒸發(fā)Au、光刻電極、形成電橋、完成全部電連接、沉積鈍化膜。

2、蒸發(fā)薄膜應(yīng)變片

用真空蒸發(fā)工藝制作的薄膜應(yīng)變片其結(jié)構(gòu)同濺射應(yīng)變片基本相同。

3.4

壓電式壓力傳感器

3.4.1

壓電效應(yīng)

某些電介質(zhì)物體在某方向受壓力或拉力作用產(chǎn)生形變時(shí)，表面會(huì)產(chǎn)生電荷。外力撤消后，又回到不帶電狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的物體稱(chēng)為壓電材料，如天然的石英晶體，人造壓電陶瓷等。

1、石英晶體的壓電效應(yīng)

圖為天然結(jié)構(gòu)的石英晶體外形和石英晶體切片

3.4

壓電式壓力傳感器當(dāng)切片在沿X軸的方向上受到壓力Fx作用時(shí)，晶體切片將產(chǎn)生厚度變形，并在與X軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷Qx，它的大小為：

3.4

壓電式壓力傳感器電荷的極性見(jiàn)圖

3.4

壓電式壓力傳感器2、壓電效應(yīng)的物理解釋如圖所示。

3.4

壓電式壓力傳感器3.4.2

壓電材料

1、壓電晶體

（1）石英晶體：石英晶體即二氧化硅（SiO2），有天然的和人工培育的兩種。壓電系數(shù)d11=2.31×10-12C/N，在幾百攝氏度的溫度范圍內(nèi)，壓電系數(shù)幾乎不隨溫度而變。到575℃時(shí)，它完全失去了壓電性質(zhì)，這就是它的居里點(diǎn)。石英的熔點(diǎn)為1750℃，密度為2.65×103kg/m3，有很大的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定的機(jī)械性質(zhì)，可承受高達(dá)6.8×107～9.8×107Pa的應(yīng)力，在沖擊力作用下漂移較小。

3.4

壓電式壓力傳感器（2）水溶性壓電晶體：最早發(fā)現(xiàn)的是酒石酸鉀鈉（NaKC4H4O6.4H2O），它有很大的壓電靈敏度和高的介電常數(shù)，壓電系數(shù)d11=3×10-9C/N。但是酒石酸鉀鈉易于受潮，它的機(jī)械強(qiáng)度低，電阻率也低，因此，只限于在室溫（＜45℃）和濕度低的環(huán)境下應(yīng)用。

（3）鈮酸鋰晶體：人工提拉法制成了鈮酸鋰的大晶塊，穩(wěn)定性遠(yuǎn)比多晶體的壓電陶瓷好。它是一種壓電性能良好的電聲換能材料，它的居里溫度為1200℃左右，遠(yuǎn)比石英和壓電陶瓷高，3.4

壓電式壓力傳感器2、壓電陶瓷

（1）鈦酸鋇壓電陶瓷（2）鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（3）鈮酸鹽系壓電陶瓷（4）鈮鎂酸鉛壓電陶瓷3、壓電半導(dǎo)體壓電半導(dǎo)體如硫化鋅(ZnS)、碲化鎘(CdTe)、氧化鋅(ZnO)、硫化鎘(CdS)、碲化鋅(ZnTe)和砷化鎵(CaAs)等。這些材料的顯著特點(diǎn)是：既具有壓電特性，又具有半導(dǎo)體特性，有利于將元件和線路集成于一體，從而研制出新型的集成壓電傳感器的測(cè)試系統(tǒng)。3.4

壓電式壓力傳感器3.4.3

測(cè)量電路把壓電晶體等效成一個(gè)電荷源與電容并聯(lián)的等效電路。由于電容器上的電壓Ua，電荷量Q，電容Ca的關(guān)系為Ua=Q/Ca，壓電晶體也可等效為一個(gè)電壓源和一個(gè)電容器的串聯(lián)電路。實(shí)際壓電傳感器輸出信號(hào)很微弱，且內(nèi)阻很高，需用前置放大器。前置放大器有兩個(gè)作用：一是放大壓電傳感器輸出的微弱信號(hào)，另一個(gè)是把高阻抗輸出轉(zhuǎn)換為低阻抗輸出。

3.4

壓電式壓力傳感器1、電壓放大器

圖示的是壓電傳感器接到電壓放大器的等效電路。

3.4

壓電式壓力傳感器2、電荷放大器

電荷放大器是有反饋電容的高增益運(yùn)算放大器，它的輸入信號(hào)是壓電傳感器產(chǎn)生的電荷。當(dāng)略去泄露電阻，且放大器輸入電阻趨于無(wú)窮大時(shí)，它的等效電路如圖所示。3.4

壓電式壓力傳感器3.4.4

壓電壓力及力傳感器

1、壓電式三維測(cè)力傳感器：一種壓電式三維測(cè)力傳感器的三組晶體切片的組合情況，可同時(shí)測(cè)量三個(gè)互相垂直的FX、FY、FZ力分量。

2、壓電式單向測(cè)力傳感器

3.4

壓電式壓力傳感器3、壓電式測(cè)量均勻壓力傳感器

4、消除振動(dòng)加速度影響的壓電傳感器3.5

電容式壓力傳感器

電容式壓力及力傳感器是將被測(cè)量（如尺寸、壓力等）的變化轉(zhuǎn)換成電容量的變化的一種傳感器。實(shí)際上，它本身就是一個(gè)可變電容器。目前，從工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化應(yīng)用來(lái)說(shuō)，有壓力、差壓、絕對(duì)壓力、帶開(kāi)方的差壓（用于測(cè)流量）等品種及高差壓、微差壓、高靜壓等規(guī)格。3.5

電容式壓力傳感器

3.5.1

電容式傳感器的工作原理

電容式傳感器有三種基本類(lèi)型：變極距型、變面積型、變介電常數(shù)型。

1、變極距型電容傳感器3.5

電容式壓力傳感器

2、變面積型電容傳感器

3、變介電常數(shù)型電容傳感器

3.5

電容式壓力傳感器

3.5.2

差動(dòng)電容傳感器在實(shí)際壓力測(cè)量中，常使用差動(dòng)點(diǎn)電容傳感器，不但提高了靈敏度，也改善了非線性。

3.5

電容式壓力傳感器

3.5.3

測(cè)量電路

電橋電路、調(diào)頻電路、脈沖調(diào)寬電路和運(yùn)算放大器式電路等。

1、橋式電路

空載電壓為：3.5

電容式壓力傳感器

2、緊耦合電橋電路緊耦合電橋理論可得此狀態(tài)下輸出電壓在兩L0非耦合情況下，輸出電壓為：

3.5

電容式壓力傳感器

3、差分脈沖調(diào)寬電路差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路屬脈沖調(diào)制電路。它利用對(duì)傳感器電容充放電使輸出脈沖的寬度隨電容量的變化而變化，再經(jīng)低通濾波器可得對(duì)應(yīng)被測(cè)量變化的直流信號(hào)。輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比。

3.5

電容式壓力傳感器差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路各點(diǎn)電壓波形圖如示3.5

電容式壓力傳感器4、調(diào)頻電路將電容式傳感器接入高頻振蕩器的LC回路中，當(dāng)被測(cè)量使電容變化時(shí)，振蕩頻率也相應(yīng)變化，故稱(chēng)為調(diào)頻電路。圖所示為調(diào)頻電路原理圖

3.5

電容式壓力傳感器5、運(yùn)算放大器

將電容式傳感器接入運(yùn)算放大器中，作為電路的反饋元件構(gòu)成的測(cè)量電路如圖所示。

以Cx=εS/d代入，可得：上式表明，輸出電壓與d是線性關(guān)系。3.5

電容式壓力傳感器3.5.4

電容式壓力傳感器1、電容式差壓傳感器將左右對(duì)稱(chēng)的不銹鋼基座2和3的外側(cè)加工成環(huán)狀波紋溝槽，并焊上波紋隔離膜片1和4。基座內(nèi)側(cè)有玻璃層5，基座和玻璃層中央都有孔。玻璃內(nèi)表面磨成凹球面，球面除邊緣部分外鍍以金屬膜6，此金屬膜層為電容的定極板并有導(dǎo)線通往外部。左右對(duì)稱(chēng)的上述結(jié)構(gòu)中央夾入并焊接彈性平膜片，即測(cè)量膜片7，為電容的中央動(dòng)極板。測(cè)量膜片左右空間被分隔成兩個(gè)室，故有兩室之稱(chēng)。3.5

電容式壓力傳感器2、變面積式壓力傳感器測(cè)壓力作用在金屬膜片1上，通過(guò)中心柱2、支撐簧片3使可動(dòng)電極4隨膜片中心位移而動(dòng)作。

3.6

霍爾式壓力計(jì)

霍爾式壓力計(jì)是利用霍爾元件測(cè)量彈性元件變形的一種電測(cè)壓力計(jì)，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，頻率響應(yīng)寬，動(dòng)態(tài)范圍(輸出電動(dòng)勢(shì)的變化)大，可靠性高，易于微型化和集成電路化。但信號(hào)轉(zhuǎn)換效率低，溫度影響大，使用于要求轉(zhuǎn)換精度高的場(chǎng)合必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

3.6.1

霍爾效應(yīng)3.6

霍爾式壓力計(jì)霍爾元件的特性常用靈敏度KH表示，即此時(shí)

可見(jiàn)，霍爾電動(dòng)勢(shì)的大小正比于控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的乘積及靈敏度KH。當(dāng)控制電流的方向或磁場(chǎng)的方向改變時(shí)，輸出電動(dòng)勢(shì)的方向也將改變。但當(dāng)磁場(chǎng)與電流同時(shí)改變方向時(shí)，霍爾電動(dòng)勢(shì)并不改變?cè)瓉?lái)的方向。3.6

霍爾式壓力計(jì)3.6.2

霍爾式壓力計(jì)工作原理

3.6

霍爾式壓力計(jì)3.6.3霍爾式壓力計(jì)的誤差及補(bǔ)償霍爾式壓力計(jì)的誤差有兩部分，一是彈性元件的變換誤差；一是霍爾元件的變換誤差。

1、不等位電勢(shì)及補(bǔ)償

不等位電勢(shì)的產(chǎn)生有兩個(gè)原因，如圖所示。3.6

霍爾式壓力計(jì)幾種補(bǔ)償電路

3.6

霍爾式壓力計(jì)2、霍爾電勢(shì)的溫度系數(shù)

主要是溫差電勢(shì)和靈敏度系數(shù)隨溫度變化兩種情況。

3、溫度對(duì)內(nèi)阻的影響3.6

霍爾式壓力計(jì)4、溫度補(bǔ)償

霍爾元件輸入電阻和霍爾電勢(shì)的溫度系數(shù)均為正的效果較好的補(bǔ)償電路圖。實(shí)際測(cè)量中，要求較高時(shí)，常采用恒溫方法。3.6

霍爾式壓力計(jì)3.6.4

霍爾式壓力計(jì)

由兩部分組成：一部分是彈性元件，用它來(lái)感受壓力，并把壓力轉(zhuǎn)換成位移量；另一部分是霍爾元件與磁系統(tǒng)。

3.7

電子稱(chēng)

3.7.1

電子稱(chēng)的原理

電子稱(chēng)的核心部件是稱(chēng)重傳感器。稱(chēng)重傳感器把機(jī)械力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)放大處理后，或顯示，或輸入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。圖是一個(gè)比較簡(jiǎn)單稱(chēng)重系統(tǒng)框圖。

3.7

電子稱(chēng)3.7.2

稱(chēng)重傳感器原理秤重傳感器根據(jù)制作原理不同可以分為感應(yīng)式、電容式、壓磁式、振弦式和應(yīng)變式等，而壓磁式、振弦式和應(yīng)變式傳感器在電子稱(chēng)系統(tǒng)中都得到了廣泛地應(yīng)用。

圖是振弦式稱(chēng)重傳感器的工作原理圖。3.7

電子稱(chēng)3.7.3電子稱(chēng)的應(yīng)用

ICS-XXX-T系列電子皮帶配料稱(chēng)，適用于陶瓷、精細(xì)化工、煙草等對(duì)配料精度要求較高的場(chǎng)所。分類(lèi)如下表。3.7

電子稱(chēng)表3.7.1電子秤的分類(lèi)與應(yīng)用類(lèi)別應(yīng)用靜態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)汽車(chē)衡、軌道衡、廢鋼秤、吊車(chē)秤汽車(chē)、火車(chē)、飛機(jī)等的重量，貨物重量以及確定板坯、鋼錠的重量動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)軌道衡、駝峰稱(chēng)重、軌道液體罐車(chē)、雙秤臺(tái)系統(tǒng)鐵路車(chē)輛、卡車(chē)、拖車(chē)等在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下稱(chēng)重配料稱(chēng)重系統(tǒng)多種原料組分裝入一個(gè)稱(chēng)重斗的微機(jī)配料系統(tǒng)；多種原料組分裝入幾個(gè)稱(chēng)重斗的微機(jī)配料系統(tǒng)塑料工業(yè)、洗滌劑生產(chǎn)、食品工業(yè)、鑄造工業(yè)、玻璃生產(chǎn)、煉鋼等方面其它稱(chēng)重系統(tǒng)皮帶秤、重量檢驗(yàn)秤、計(jì)數(shù)秤控制物料流量、檢驗(yàn)欠重、超重以及對(duì)庫(kù)房中的零件、元件的進(jìn)貨和發(fā)貨等進(jìn)行計(jì)數(shù)3.8集成壓敏傳感器集成壓敏傳感器依照敏感元件的不同可分為兩類(lèi)，硅電容式集成壓敏傳感器和擴(kuò)散硅集成壓敏傳感器，硅電容式集成壓敏傳感器的敏感元件是電容式壓敏元件，擴(kuò)散硅集成壓敏傳感器采用的是電阻式壓敏元件。

3.8.1

硅電容式集成傳感器

1、硅敏感電容器的工作原理

3.8集成壓敏傳感器2、硅敏感電容器的測(cè)量電路3.8集成壓敏傳感器3.8.2擴(kuò)散硅壓敏傳感器擴(kuò)散硅壓敏傳感器將補(bǔ)償電路與硅壓敏元件構(gòu)成的全橋電路集成在一起，溫度補(bǔ)償效果很好。帶溫度補(bǔ)償電路的集成壓力敏感器件如圖。3.9

數(shù)字式壓力計(jì)壓力傳感器將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，如果將該電信號(hào)放大，然后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，就可以實(shí)現(xiàn)由LED或LCD數(shù)字顯示。

3.9.1MPX壓力傳感器

MPX2000系列壓力傳感器和結(jié)構(gòu)如圖所示。3.9

數(shù)字式壓力計(jì)3.9.2測(cè)量電路

由溫度補(bǔ)償、放大和A/D轉(zhuǎn)換組成3.9

數(shù)字式壓力計(jì)1、溫度補(bǔ)償電路：由于輸出電壓受環(huán)境溫度影響，因此要進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏囟妊a(bǔ)償。在傳感器與電源之間串聯(lián)電阻。2、放大電路：傳感器輸出的模擬電壓在滿量程700kPa時(shí)才達(dá)到60mV，所以需要放大。放大電路作用有兩個(gè)，一是將傳感器輸出電壓放大以驅(qū)動(dòng)后續(xù)電路，另一是提供零電壓時(shí)傳感器零點(diǎn)調(diào)整電壓。3、A/D轉(zhuǎn)換電路：A/D轉(zhuǎn)換電路采用了位A/D轉(zhuǎn)換芯片ICL7106，它將被運(yùn)算放大器放大了的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量。A/D轉(zhuǎn)換器ICL7106內(nèi)含7段數(shù)字譯碼器、顯示驅(qū)動(dòng)電路、底板頻率發(fā)生器、參考電壓和時(shí)鐘電路，芯片和直接驅(qū)動(dòng)LCD顯示器。思考題與習(xí)題

1.什么是金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)？電阻應(yīng)變片由哪幾部分組成？各部分的作用是什么？2.試舉例說(shuō)明電阻應(yīng)變式測(cè)力傳感器的應(yīng)用。3.用壓電敏感元件和電荷放大器組成的壓力測(cè)量系統(tǒng)能否用于靜態(tài)測(cè)量？對(duì)被測(cè)力信號(hào)的變化速度有何限制？這種限制由哪些因素組成？4.分析壓磁效應(yīng)與壓電陶瓷產(chǎn)生壓電效應(yīng)的相似性。5.霍爾式壓力計(jì)有何特點(diǎn)？可以測(cè)量哪些對(duì)象？6.簡(jiǎn)述差動(dòng)電容式傳感器測(cè)力時(shí)的特點(diǎn)。

第4章流量檢測(cè)

流量是指單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)管道某截面流體的體積或質(zhì)量。前者稱(chēng)為體積流量，后者稱(chēng)為質(zhì)量流量。在一段時(shí)間內(nèi)流過(guò)的流體的量稱(chēng)總量，即瞬時(shí)流量對(duì)時(shí)間的累積。

測(cè)量總量的儀表叫作流體計(jì)量表或流量計(jì)。本章介紹差壓式、容積式、速度式、振動(dòng)式和電磁式流量計(jì)。

5.1

流量的檢測(cè)方法

液體和氣體統(tǒng)稱(chēng)為流體。用Qv表示體積流量，用Qm表示質(zhì)量流量，ρ表示流體的密度，則二者之間的關(guān)系為：

在時(shí)間t內(nèi)，流體流過(guò)管道某截面的總體積流量為：總質(zhì)量流量為：

5.1流量的檢測(cè)方法5.1.1

節(jié)流差壓法在管道中安裝一個(gè)直徑比管徑小的節(jié)流件，如孔板、噴嘴、文丘利管等，當(dāng)充滿管道的單相流體流經(jīng)節(jié)流件時(shí)，由于流道截面突然縮小，流速將在節(jié)流件處形成局部收縮，使流速加快。由能量守恒定律可知，動(dòng)壓能和靜壓能在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)換，流速加快必然導(dǎo)致靜壓力降低，于是在節(jié)流件前后產(chǎn)生靜壓差，而靜壓差的大小和流過(guò)的流體流量有一定的函數(shù)關(guān)系，所以通過(guò)流量節(jié)流件前后的壓差即可求得流量。5.1流量的檢測(cè)方法5.1.2容積法應(yīng)用容積法可連續(xù)地測(cè)量密閉管道中流體的流量，它是由殼體和活動(dòng)壁構(gòu)成流體計(jì)量室。當(dāng)流體流經(jīng)該測(cè)量裝置時(shí)，在其入口、出口之間產(chǎn)生壓力差，此流體壓力差推動(dòng)活動(dòng)壁旋轉(zhuǎn)，將流體一份一份地排出，記錄總的排出份數(shù)，則可得出一段時(shí)間內(nèi)的累計(jì)流量。容積式流量計(jì)有橢圓齒輪流量計(jì)、腰輪（羅茨式）流量計(jì)、刮板式流量計(jì)、膜式煤氣表及旋轉(zhuǎn)葉輪式水表等。5.1流量的檢測(cè)方法5.1.3速度法測(cè)出流體的流速，在乘以管道截面積即可得出流量。顯然，對(duì)于給定的管道其截面積是個(gè)常數(shù)。流量的大小僅與流體流速大小有關(guān)，流速大流量大，流速小流量小。由于該方法是根據(jù)流速而來(lái)的，故稱(chēng)為速度法。根據(jù)測(cè)量流速方法的不同，有不同的流量計(jì)，如動(dòng)壓管式、熱量式、電磁式和超聲式等。5.1流量的檢測(cè)方法5.1.4流體阻力法它是利用流體流動(dòng)給設(shè)置在管道中的阻力體以作用力，而作用力大小和流量大小有關(guān)的原理測(cè)流體流量，故稱(chēng)為流體阻力法。常用的靶式流量計(jì)其阻力體是靶，由力平衡傳感器把靶的受力轉(zhuǎn)換為電量，實(shí)現(xiàn)測(cè)量流量的目的。轉(zhuǎn)子流量計(jì)是利用設(shè)置在錐形測(cè)量管中可以自由運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子（浮子）作為阻力體，它受流體自下而上的作用力而懸浮在錐型管道中某個(gè)位置，其位置高低和流量大小有關(guān)。5.1流量的檢測(cè)方法5.1.5流體振動(dòng)法:

這種方法是在管道中設(shè)置特定的流體流動(dòng)條件，使流體流過(guò)后產(chǎn)生振動(dòng)，而振動(dòng)的頻率與流量有確定的函數(shù)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)流體流量的測(cè)量。它分為流體強(qiáng)迫振動(dòng)的旋進(jìn)式和自然振動(dòng)的卡門(mén)渦街式兩種。

1、旋進(jìn)式在測(cè)管入口處裝一組固定的螺旋葉片，使流體流入后產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。葉片后面是一個(gè)先縮后擴(kuò)的管段，旋轉(zhuǎn)流被收縮段加速，在管道軸線上形成一條高速旋轉(zhuǎn)的渦線。該渦線進(jìn)入擴(kuò)張段后，受到從擴(kuò)張段后返回的回流部分流體的作用，使其偏離管道中心，渦線發(fā)生進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，而進(jìn)動(dòng)頻率與流量成正比。利用靈敏的壓力或速度檢測(cè)元件將其頻率測(cè)出，即可測(cè)出流體流量。

5.1流量的檢測(cè)方法2、卡門(mén)渦街式在被測(cè)流體的管道中插入一個(gè)斷面為非流線型的柱狀體，如三角柱體或圓柱體，稱(chēng)為漩渦發(fā)生體。當(dāng)流體流過(guò)柱體兩側(cè)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生兩列交替出現(xiàn)而又有規(guī)則的漩渦列。漩渦分離的頻率與流速成正比，通過(guò)測(cè)量漩渦分離頻率可測(cè)出流體的流速和瞬時(shí)流量。由于漩渦在柱體后部?jī)蓚?cè)產(chǎn)生壓力脈動(dòng)，在柱體后面尾流中安裝測(cè)壓元件，則能測(cè)出壓力的脈動(dòng)頻率，經(jīng)信號(hào)變換即可輸出流量信號(hào)。5.1流量的檢測(cè)方法

5.1.6質(zhì)量流量測(cè)量

質(zhì)量流量測(cè)量間接式和直接式。間接式質(zhì)量流量測(cè)量是在直接測(cè)出體積流量的同時(shí)，再測(cè)出被測(cè)流體的密度或測(cè)出壓力、溫度等參數(shù)求出流體的密度。因此，測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成將由測(cè)量體積流量的流量計(jì)（如節(jié)流差壓式、渦輪式等）和密度計(jì)或帶有溫度、壓力等的補(bǔ)償環(huán)節(jié)組成，其中還有相應(yīng)的計(jì)算環(huán)節(jié)。

5.2

差壓式流量計(jì)

差壓式流量計(jì)又叫節(jié)流式流量計(jì)，主要有兩大部分組成：節(jié)流裝置和差壓計(jì)。

5.2.1

節(jié)流裝置的工作原理

流體流經(jīng)節(jié)流裝置（如孔板）時(shí)的節(jié)流現(xiàn)象如圖所示。

5.2

差壓式流量計(jì)

在水平管道裝有標(biāo)準(zhǔn)孔板，當(dāng)流體流經(jīng)孔板時(shí)的流束及壓力分布情況如圖所示。5.2

差壓式流量計(jì)從圖中分析可得如下兩點(diǎn)結(jié)論：

1.流束收縮沿管道軸向連續(xù)向前流動(dòng)的流體，當(dāng)遇到節(jié)流裝置的阻擋時(shí)，近管壁處的流體受到節(jié)流裝置的阻擋最大，促使流體一部分動(dòng)壓頭轉(zhuǎn)換為靜壓頭，使節(jié)流裝置入口端面近管壁處的流體靜壓力升高，并且比管道中心處的靜壓力要大，即形成節(jié)流裝置入口端面處產(chǎn)生徑向壓差。這一徑向壓差使流體產(chǎn)生徑向附加速度，從而改變流體原來(lái)的流向。在徑向附加速度的影響下，近管壁處的流體質(zhì)點(diǎn)的流向就與管的中心軸線相傾斜，形成了流束的收縮運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，由于流體運(yùn)動(dòng)的慣性，使得流束收縮最小截面的位置不在節(jié)流孔中，而位于節(jié)流孔之后，并隨著流量大小而變。5.2

差壓式流量計(jì)2.靜壓差Δp的產(chǎn)生由于節(jié)流裝置造成流束的局部收縮，同時(shí)流體又保持連續(xù)流動(dòng)狀態(tài)，因此在流束截面積最小處的流速達(dá)到最大。由流體力學(xué)理論可知，在流束截面積最小處的流體靜壓力最低。同理，在孔板出口端面處，由于流速已比原來(lái)增大，因此靜壓力也比原來(lái)低（P2＜P1）。故節(jié)流裝置入口側(cè)的靜壓力比其出口側(cè)的靜壓力大。并且流量愈大，節(jié)流裝置兩端壓差△p也愈大，利用差壓計(jì)測(cè)出壓差即可得到流體流過(guò)的流量，此即節(jié)流裝置的工作原理5.2

差壓式流量計(jì)5.2.2

流量方程對(duì)于不可壓縮流體的體積流量其基本方程式為質(zhì)量流量基本方程式為5.2

差壓式流量計(jì)

對(duì)上述方程處理后，可得到工程上實(shí)用流量方程式5.2.3

流量系數(shù)的確定

主要是流量系數(shù)α，與節(jié)流裝置的形式、取壓方式、雷諾數(shù)、節(jié)流裝置開(kāi)口截面比和管道內(nèi)壁粗糙度等有關(guān)。

5.2

差壓式流量計(jì)圖是標(biāo)準(zhǔn)孔板的流量系數(shù)α，流體雷諾數(shù)Re和孔板截面比m的實(shí)驗(yàn)關(guān)系曲線。圖是標(biāo)準(zhǔn)孔板在雷諾數(shù)大于界限雷諾數(shù)Rek時(shí)的流量系數(shù)隨m值變化的關(guān)系曲線。

5.2

差壓式流量計(jì)5.2.4

標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置全套標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置如圖所示。5.2

差壓式流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)孔板及標(biāo)準(zhǔn)噴嘴的結(jié)構(gòu)如圖所示。

5.2

差壓式流量計(jì)5.2.5

取壓方式

以孔板為例，各種取壓方式的取壓孔位置如圖所示。角接取壓（1-1）、法蘭取壓（2-2）、理論取壓（3-3）、徑距取壓（4-4）、管接取壓（5-5）。

5.2

差壓式流量計(jì)5.2.6

差壓計(jì)1、雙波紋管差壓計(jì)：主要由兩個(gè)波紋管、量程彈簧、扭力管及外殼等部分組成。

1-高壓引入口；2-高壓室波紋管B1；3-溫度補(bǔ)償波紋管；4-阻壓環(huán)；5-連接軸；6-單向保護(hù)閥；7-填充液；8-高壓室；9-阻尼旁路；10-阻尼閥；11-低壓引入口；12-低壓室波紋管B2；13-單向保護(hù)閥；14-微調(diào)量程螺母；15-螺桿；16-量程彈簧；17-量程彈簧支撐板；18-中心基座；19-低壓室；20-排液（氣）針閥；21-阻尼保護(hù)；22-低壓室殼體；23-擋板；24-擺桿；25-高壓室殼體5.2

差壓式流量計(jì)2