检测技术与仪表-大连理工大学

1、检测技术与仪表课程小结检测技术与仪表课程小结 1. 知识要点知识要点 1.1检测技术与检测仪表检测技术与检测仪表 检测过程检测过程:能量转换能量转换+与标准单位比较与标准单位比较 检测系统的构成检测系统的构成(方框图方框图)。 1.2检测仪表的基本性能检测仪表的基本性能 概念及描述式概念及描述式 准确度与精度等级准确度与精度等级 仪表的准确度通常用仪表满刻度相对百分误差略仪表的准确度通常用仪表满刻度相对百分误差略 去百分号来表示，也称精度或精确度。去百分号来表示，也称精度或精确度。 精度等级的数值越小，仪表的准确度越高，或者精度等级的数值越小，仪表的准确度越高，或者 说仪表的测量误差越小。说仪

2、表的测量误差越小。 灵敏度灵敏度 S 检测仪表对被测量变化的灵敏程度，即在被测量检测仪表对被测量变化的灵敏程度，即在被测量 改变时，经过足够时间检测仪表输出值达到稳定改变时，经过足够时间检测仪表输出值达到稳定 状态后，仪表输出变化量匀与引起此变化的输人状态后，仪表输出变化量匀与引起此变化的输人 变化量酝之比变化量酝之比; 回差回差(变差变差) 反映检测仪表对于同一被测量在其上升和下降时反映检测仪表对于同一被测量在其上升和下降时 对应输出值之间的差值。对应输出值之间的差值。 线性度线性度 衡量检测仪表实际输入一输出特性偏离线性的程衡量检测仪表实际输入一输出特性偏离线性的程 度，用非线性误差来表示

3、，它是实际值与理论值度，用非线性误差来表示，它是实际值与理论值 之间的绝对误差的最大值之间的绝对误差的最大值. 1.3 测量误差的理论基础测量误差的理论基础 （1）误差定义、分类及产生原因）误差定义、分类及产生原因 误差分类（表示法）：误差分类（表示法）： 绝对误差；相对误差等绝对误差；相对误差等 系统误差、随机误差和粗大误差。系统误差、随机误差和粗大误差。 系统误差系统误差 在同一条件下，对同一被测参数进行多次重复测在同一条件下，对同一被测参数进行多次重复测 量时，所出现的数值、符号都相同，或者按一定量时，所出现的数值、符号都相同，或者按一定 规律变化的误差称为系统误差，前者称为恒值系规律变

4、化的误差称为系统误差，前者称为恒值系 统误差，后者称为变值系统误差。统误差，后者称为变值系统误差。 产生系统误差的主要原因产生系统误差的主要原因 测量原理或测量方法的不完善、测量原理或测量方法的不完善、 标准量值的不准确、标准量值的不准确、 仪表本身的缺陷及环境条件的变化等。仪表本身的缺陷及环境条件的变化等。 系统误差是可以通过修正来补偿，但不能完全系统误差是可以通过修正来补偿，但不能完全 排除。排除。 随机误差随机误差 在同一测量条件下，多次重复测量同一被测量时，在同一测量条件下，多次重复测量同一被测量时， 其绝对值和符号以不可预定的随机性的方式变化其绝对值和符号以不可预定的随机性的方式变化

5、 称为随机误差。称为随机误差。 随机误差的产生可能是由于人们尚未认识的原因，随机误差的产生可能是由于人们尚未认识的原因， 或目前尚无法控制的某些因素（如电子线路中的或目前尚无法控制的某些因素（如电子线路中的 噪声）的影响，即偶然因素所引起的。噪声）的影响，即偶然因素所引起的。 随机误差不能随机误差不能 通过修正方式消除，只能利用统通过修正方式消除，只能利用统 计方式估计。计方式估计。 最大随机误差最大随机误差: 3 粗大误差粗大误差 超出在规定条件下预期的误差称为粗大误差。此超出在规定条件下预期的误差称为粗大误差。此 误差值较大，明显表现为测量结果异常。误差值较大，明显表现为测量结果异常。 产

6、生原因：测量时读错、记错仪表指示值，仪表产生原因：测量时读错、记错仪表指示值，仪表 操作失误，测量数据计算错误等。操作失误，测量数据计算错误等。 含粗大误差的测量结果毫无意义，应该剔除。含粗大误差的测量结果毫无意义，应该剔除。 （2）系统误差的合成）系统误差的合成 考虑测量模型考虑测量模型 Xi为被测参数或外界影响因素。当函数关系明确，为被测参数或外界影响因素。当函数关系明确， 各个影响量的测量误差各个影响量的测量误差 x i已知，则待测量已知，则待测量 y 的的 总误差总误差 y 为，为， 第第2章章 检测技术与检测元件检测技术与检测元件 （2）电阻式检测元件）电阻式检测元件 电阻式检测元件

7、的基本原理是将被测物理量转换电阻式检测元件的基本原理是将被测物理量转换 成元件的电阻值的变化。常用的检测元件有电阻成元件的电阻值的变化。常用的检测元件有电阻 应变元件、热电阻等。应变元件、热电阻等。 l应变式检测元件（电阻应变片）应变式检测元件（电阻应变片） 电阻应变片是基于电阻应变片是基于“应变效应应变效应”工作的，即导体工作的，即导体 或半导体材料在外力作用下产生机械变形，引起或半导体材料在外力作用下产生机械变形，引起 其电阻值的改变。其电阻值的改变。 l热电阻式检测元件热电阻式检测元件 物质的电阻率随温度的变化而变化的特性称为热物质的电阻率随温度的变化而变化的特性称为热 电阻效应，利用热

8、电阻效应制成的检测元件称为电阻效应，利用热电阻效应制成的检测元件称为 热电阻。热电阻分为金属热电阻和半导体热敏电热电阻。热电阻分为金属热电阻和半导体热敏电 阻两大类。阻两大类。 金属热电阻金属热电阻 常用的金属热电阻有铂电阻和铜电阻等。常用的金属热电阻有铂电阻和铜电阻等。 a .铂电阻铂电阻 铂电阻有很好的化学稳定性，且复现性好，可作铂电阻有很好的化学稳定性，且复现性好，可作 为基准电阻和标准热电阻，为基准电阻和标准热电阻， 温度测量范围为温度测量范围为-200 850 。 b .铜电阻铜电阻 铜电阻具有电阻温度系数大，易加工，线性好等铜电阻具有电阻温度系数大，易加工，线性好等 优点。但易被氧

9、化，优点。但易被氧化， 测量范围一般为测量范围一般为 -50150 。 热敏电阻热敏电阻 热敏电阻是由金属氧化物或半导体材料制成的热热敏电阻是由金属氧化物或半导体材料制成的热 敏元件。敏元件。 种类：种类： 负温度系数（负温度系数（ NTC ）热敏电阻、）热敏电阻、 正温度系数正温度系数 ( P TC ）热敏电阻、）热敏电阻、 临界温度（临界温度（ CTR ）热敏电阻三种。）热敏电阻三种。 热敏电阻的电阻值高，且电阻温度系数大，化学热敏电阻的电阻值高，且电阻温度系数大，化学 稳定性好，稳定性好， 测温范围在测温范围在 -100300 之间。之间。 （3） 电容式检测元件电容式检测元件 电容式检

10、测元件实际上是一种可变电容器，它能将电容式检测元件实际上是一种可变电容器，它能将 被测量的变化转换为电容量的变化。被测量的变化转换为电容量的变化。 变极距式电容器变极距式电容器 变面积式电容器变面积式电容器 变介电常数式电容器变介电常数式电容器 l利用电容式检测元件可测量压力、差压、物位等参利用电容式检测元件可测量压力、差压、物位等参 数。数。 l在构成检测仪表时要注意温度和寄生电容等的影响，在构成检测仪表时要注意温度和寄生电容等的影响， 并采取必要的补偿和抗干扰措施，以提高测量准确并采取必要的补偿和抗干扰措施，以提高测量准确 度。度。 （4） 热电式检测元件热电式检测元件 热电偶检测元件热电

11、偶检测元件 热电偶的热电势主要由接触电势产生，所以闭合热电偶的热电势主要由接触电势产生，所以闭合 回路的总电势可表示为回路的总电势可表示为 00 , ABABAB ET TeTeT 热电偶基本定律，热电偶基本定律， 均质导体定律均质导体定律 热电势与导体的几何尺寸、接点以热电势与导体的几何尺寸、接点以 外处的温度无外处的温度无 关。关。 中间导体定律中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种导体，只要该导体两在热电偶回路中接入第三种导体，只要该导体两 端温度相同，则该导体的接入不会改变原热电偶端温度相同，则该导体的接入不会改变原热电偶 回路的总电势。回路的总电势。 中间温度定律中间温度定律 设在热

12、电偶两接点设在热电偶两接点 A 、 B 间有一点间有一点 C ，则存在，则存在 00 , ABABCABC ET TET TETT l热电偶回路电势同时与两点温度热电偶回路电势同时与两点温度 T,T0 有关，所有关，所 以在使用时以在使用时 T0 必须保持恒定或进行补偿，使得必须保持恒定或进行补偿，使得 热电势只与被测温度有关。热电势只与被测温度有关。 晶体管温度检测元件晶体管温度检测元件 晶体二极管的晶体二极管的 PN 结正向电压结正向电压 Ud 和晶体三极管和晶体三极管 的基极、发射极间的电压的基极、发射极间的电压 Ube 与温度与温度 T 有关，有关， 利用这个原理可制成晶体管温度检测元

13、件利用这个原理可制成晶体管温度检测元件。 (5)压电式检测元件压电式检测元件 l某些材料在沿一定方向受外力作用时，在特定两某些材料在沿一定方向受外力作用时，在特定两 个相对表面上产生符号相反，数值相等的电荷现个相对表面上产生符号相反，数值相等的电荷现 象称为正压电效应。电荷量与所受作用力成正比。象称为正压电效应。电荷量与所受作用力成正比。 压电式检测元件就是基于压电效应利用压电材料压电式检测元件就是基于压电效应利用压电材料 作为敏感元件来实现参数测量的。作为敏感元件来实现参数测量的。 (6)光电式检测元件光电式检测元件 光电效应分为外光电效应和内光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应。

14、l外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。在光线作用下，使其内部电子逸出物体表面的现象。 基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管。 l内光电效应内光电效应 物体在光线作用下，其内部的原子释放电子，从而物体在光线作用下，其内部的原子释放电子，从而 导致物体的电阻率发生变化或产生电动势的现象称为导致物体的电阻率发生变化或产生电动势的现象称为 内光电效应。内光电效应。 基于该效应的光电器件有光敏电阻、光电池、光敏基于该效应的光电器件有光敏电阻、光电池、光敏 二极管、光敏三极管等。二极管、光敏三极管等。 （7）霍尔检测元件

15、）霍尔检测元件 霍尔检测元件是一种基于霍尔效应的检测元件，霍尔检测元件是一种基于霍尔效应的检测元件， 它可将被测量，如电流、磁场、位移、压力等转它可将被测量，如电流、磁场、位移、压力等转 换成霍尔电压。换成霍尔电压。 （8）核辐射式检测元件）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、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散射、反射或射线对被测物质的电离作用而工作 的，当射线通过物质时，因能量被吸收其强度逐的，当射线通过物质时，因能量被吸收其强度逐 渐减弱，通过厚度为渐减弱，通过厚度为 x 的物质后的辐射强度的物质后的辐射强度

16、 I 可可 表示：表示： 0 x II e 第第3章章.检测仪表的设计方法检测仪表的设计方法 1. 知识要点知识要点 1.1检测仪表的信号变换检测仪表的信号变换 信号变换按结构形式来分主要有简单直接式变换、差动信号变换按结构形式来分主要有简单直接式变换、差动 式变换、参比式变换和平衡（反馈）式变换。式变换、参比式变换和平衡（反馈）式变换。 简单直接式变换简单直接式变换 简单直接式的特点简单直接式的特点 简单直接式变换仪表是一种开环式仪表，结构简单，工作可简单直接式变换仪表是一种开环式仪表，结构简单，工作可 靠，但仪表的准确度较低，信息能量传递效率较低。靠，但仪表的准确度较低，信息能量传递效率较

17、低。 差动式变换差动式变换 差动式变换是采用两个转换元件同差动式变换是采用两个转换元件同 时感受敏感元件的输出量，并把它转时感受敏感元件的输出量，并把它转 换成两个性质相同，但沿反方向变化换成两个性质相同，但沿反方向变化 的物理量（一般为电学量），如右上的物理量（一般为电学量），如右上 图图 所示。通过转换电路进行差动放所示。通过转换电路进行差动放 大。右下图大。右下图 是两个典型的应用实例。是两个典型的应用实例。 差动式变换特点：差动式变换特点： l有效输出信号提高一倍，信噪比得有效输出信号提高一倍，信噪比得 到改善；到改善； l非线性误差减小；非线性误差减小； l易于实现初始状态（易于实现

18、初始状态（“零零”输人）输人） 的零输出；的零输出； l能消除部分环境因素的影响。能消除部分环境因素的影响。 参比式变换参比式变换 l参比式变换中采用两个性能参比式变换中采用两个性能 完全相同的检测元件，它们完全相同的检测元件，它们 同时感受环境条件量，但只同时感受环境条件量，但只 有一个感受被测量。有一个感受被测量。 l采用参比式变换可以较好地采用参比式变换可以较好地 消除干扰来源明确的环境条消除干扰来源明确的环境条 件量的影响。件量的影响。 平衡（反馈）式变换平衡（反馈）式变换 l 变换环节的信号输人、输出关系可近似为反馈系变换环节的信号输人、输出关系可近似为反馈系 数的倒数。当反馈系数比

19、较稳定时，整个变换环数的倒数。当反馈系数比较稳定时，整个变换环 节就可以达到比较高的准确度。节就可以达到比较高的准确度。 l 根据平衡时比较器的输入信号根据平衡时比较器的输入信号 xi 和和 xf 之间是否之间是否 有差值，有无差随动式变换和有差随动式变换之有差值，有无差随动式变换和有差随动式变换之 分。分。 （2） 检测仪表中常见的信号变换方法检测仪表中常见的信号变换方法 位移与电信号的变换位移与电信号的变换 常用的转换元件如下。常用的转换元件如下。 .霍尔元件霍尔元件: 将霍尔元件置于非匀强磁场中（一般为将霍尔元件置于非匀强磁场中（一般为 线性的），并与敏感元件自由端（产生位移端）相线性的

20、），并与敏感元件自由端（产生位移端）相 连。当敏感元件的自由端产生位移，并带动霍尔元连。当敏感元件的自由端产生位移，并带动霍尔元 件时，由于霍尔元件所受磁场强度的变化而改变霍件时，由于霍尔元件所受磁场强度的变化而改变霍 尔电势。尔电势。 .电容器电容器: 电容器由固定极板和动极板组成，当动极电容器由固定极板和动极板组成，当动极 板随敏感元件自由端变化时，电容器的电容量随之板随敏感元件自由端变化时，电容器的电容量随之 而变，从而把位移转换成电容量。而变，从而把位移转换成电容量。 .差动变压器差动变压器: 将敏感元件自由端与位于差动变压器将敏感元件自由端与位于差动变压器 骨架中间的铁芯相连，敏感元

21、件自由端（也就是铁骨架中间的铁芯相连，敏感元件自由端（也就是铁 芯）的位移变化改变变压器的互感系数，使变压器芯）的位移变化改变变压器的互感系数，使变压器 副边线圈的感应电动势发生变化。副边线圈的感应电动势发生变化。 电阻与电压的变换电阻与电压的变换 l电阻是一种很常见的敏电阻是一种很常见的敏 感元件，电阻与电压的感元件，电阻与电压的 变换较多地采用电桥变换较多地采用电桥. l根据初始状态下各桥臂的根据初始状态下各桥臂的 阻值是否相等，不平衡电阻值是否相等，不平衡电 桥分等臂电桥和不等臂电桥分等臂电桥和不等臂电 桥。根据桥臂的工作方式桥。根据桥臂的工作方式 则有单臂工作、双臂工作则有单臂工作、双

22、臂工作 和四臂工作方式。和四臂工作方式。 L R 解答：解答： 这段导线应用这段导线应用 A 导线代替，并且要求导线代替，并且要求t1 = t2 因为这相当于由因为这相当于由A 和和 B 两种材料组成的热电回路，两种材料组成的热电回路， t 为为 热端，热端， 0 是冷端，加入第三根导线是铜线，在接点处温度是冷端，加入第三根导线是铜线，在接点处温度 t1 = t2时测量回路电势不变，仍为时测量回路电势不变，仍为 EAB ( t , 0 ）。这就是热电）。这就是热电 偶的中间导体定律。偶的中间导体定律。 题题2 用分度号为用分度号为 K 的镍铬一镍硅热电偶测量温度，在的镍铬一镍硅热电偶测量温度，

23、在 没有采取冷端温度补偿的情况下，显示仪表指示没有采取冷端温度补偿的情况下，显示仪表指示 值为值为 500 ，而这时冷端温度为，而这时冷端温度为 60 。试问实。试问实 际温度应为多少？如果热端温度不变，设法使冷际温度应为多少？如果热端温度不变，设法使冷 端温度保持在端温度保持在 20 ，此时显示仪表的指示值应，此时显示仪表的指示值应 为多少？为多少？ 解解 显示仪表指示值为显示仪表指示值为 500 时，查表可得此时显时，查表可得此时显 示仪表的实际输入电势为示仪表的实际输入电势为 20 .644mV , 由于这个由于这个 电势是由热电偶产生的，即电势是由热电偶产生的，即 则则 压力检测仪表压

24、力检测仪表 1.知识要点知识要点 l弹性式压力检测仪表弹性式压力检测仪表 常见的弹性式压力表有弹簧管压力表、波纹管压力常见的弹性式压力表有弹簧管压力表、波纹管压力 表、膜盒（片）压力表等，其中弹簧管压力表是最表、膜盒（片）压力表等，其中弹簧管压力表是最 常用的一种指示式压力检测仪表。常用的一种指示式压力检测仪表。 l电容式差压变送器电容式差压变送器 l应变式压力传感器、压阻式压力传感器（将所感受应变式压力传感器、压阻式压力传感器（将所感受 的应力转换成电阻的变化）的应力转换成电阻的变化） 基于应变效应基于应变效应 l压电式压力传感器（压电元件为敏感元件，将所感压电式压力传感器（压电元件为敏感元

25、件，将所感 受的作用力转换成压电元件的表面电荷）受的作用力转换成压电元件的表面电荷） 基于压电效应基于压电效应 3 A14 21 2 . = .; max max 5% 0.50.025 0.025 100%1.0% 2.5-0 q l静压式液位计静压式液位计 l差压计是液位计的重要组成部分，根据流体静力差压计是液位计的重要组成部分，根据流体静力 学原理，差压计所感受的差压与液位高度学原理，差压计所感受的差压与液位高度 有如下有如下 关系，即关系，即 pHg 特别注意：特别注意： 如果差压计的安装位置不在液位零面水平线上应考虑如果差压计的安装位置不在液位零面水平线上应考虑 应用零点迁移。应用零

26、点迁移。 迁移量：当迁移量：当 H=0 时，差压计感受的差压值。时，差压计感受的差压值。 迁移方向：根据迁移方向：根据 H=0 时差压计所感受差压值的正负，时差压计所感受差压值的正负， 迁移有正迁移和负迁移。迁移有正迁移和负迁移。 浮力式液位计浮力式液位计 浮力式液位计有恒浮力式和变浮力式两种：浮力式液位计有恒浮力式和变浮力式两种： l恒浮力式液位计采用漂浮于液面上的浮子，由浮子恒浮力式液位计采用漂浮于液面上的浮子，由浮子 带动其他显示装置指示液面的高低；带动其他显示装置指示液面的高低； l变浮力式液位计利用沉浸在被测液体中的浮筒所受变浮力式液位计利用沉浸在被测液体中的浮筒所受 的浮力与液面的位置有关检测液位。的浮力与液面的位置有关检测液位。 C Hx Ag 特点：特点： 变浮式液位计能测量液位、界位，测量精度较高。变浮式液位计能测量液位、界位，测量精度较高。 测量值易受介质密度的影响；测量值易受介质密度的影响； 由于浮