工程测量技术第21章测量系统

1、工程测试技术2 测量系统的组成及基本特性测量系统的组成及基本特性2.1 测量系统的构成和分类n一个具体的测试系统，总是由传感器、变换及测量装置、记录及显示装置和实验结果的分析处理装置组成。有时还有试验激发装置2.1 测量系统的构成和分类n传感器，是一种能把某种信息从被测对象中检拾出来，并将它转换成电信号的装置。它是一种获得信息的手段。n变换及测量装置，作用是把传感器送来的电信号变换成具有一定功率的电压或电流信号，以推动下一级的记录和显示装置。n测量的主要过程是比较，即是把要测的量与某一标准量进行比较（校准的刻度方程），获得被测的量为标准量若干倍的数量概念。这部分常有电桥电路、调制电路、解调电路

2、、阻抗匹配电路、放大电路、运算电路等组成。n记录与显示装置，它的作用是把变换及测量装置送来的电压或电流信号不失真地记录下来和显示出来。n记录和显示这两个功能有时可以在一个装置中实现，如光线示波器。有的装置只具有一个功能，如电子示波器，它只能显示而不能记录，又如磁带记录器，它只能记录而不能显示。n记录和显示的方式一般有模拟和数字两种。前者记录的是一条或一组曲线，后者则是一组数字或代码。n数据处理装置，它是用以对测试所得的实验结果（曲线或数据）进行处理、运算、分析。2.1 测量系统的构成和分类2.1 测量系统的构成和分类n如大量数据的数理统计分析，实验曲线的拟合，特别是对动态测试结果的频谱分析，幅

3、值谱分析，能量谱分析等。n试验激发装置，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。n如用激振器来模拟各种不同条件的振动，在将激振器作用在机械或构件上后，把机械或结构产生的振动幅度、应力变化等信息激发出来，以便检测后对它在振动中的状态和抗振能力进行研究分析。2.1 测量系统的构成和分类n 测量系统的分类 静态测量系统，其输入量与输出量是一一对应的数值，是以输出的量值估计输入量值，也就是说测量的结果正确地反映出被测物理量的量值。 动态测试系统，测试系统的输入与输出都是随时间变化的信号，动态测试是以输出的信号去估计输入信号，也就是说通过测试系统所获得的信号显示或记录的波形

4、，来反映被测物理量随时间变化的历程。2.2 测量系统各组成部分的工作原理、特性和使用方法n 传感器的作用及分类n传感器的作用： 传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。 物理量物理量电量电量传感器的作用及分类物理量、化学量、生物量物理量、化学量、生物量/其他其他便于处理和传输的信号便于处理和传输的信号人的五官：人的五官： 眼睛眼睛 耳朵耳朵 鼻子鼻子 舌头舌头 皮肤皮肤视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉传感器的作用及分类 传感器由敏感器件与辅助器件组成。传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件敏感器件的作用是的作用是感感受受被测物理量，并对信号进行被测

5、物理量，并对信号进行转换转换输出。输出。辅助器件辅助器件则是对敏感器则是对敏感器件输出的电信号进行件输出的电信号进行放大、阻抗匹配放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。，以便于后续仪表接入。 dV测量系统各组成部分的工作原理、特性和使用方法n传感器感受被测信号，并将它变换成电压（或电流）信号或电路参数（电阻、电容、电感等）信号输出。n具有敏感功能及非电量变换到电量的功能。n它的功能主要依赖于构成传感器的传感元件的物理效应（例如光电效应、压电效应、热电效应等）和物理原理（例如电感原理、电容原理、电阻原理等）把信息进行转换的。n传感器是测试系统的重要环节，在工程测试中，它把诸如温度、压力、流量、和力

6、、应变、位移、速度、加速度等信息转换成电压（或电流）信号或电路参数（如电阻、电容、电感等），然后进行变换、记录。传感器的分类1)1)按被测物理量分类按被测物理量分类常见的被测物理量常见的被测物理量机械量机械量: :长度长度, ,厚度厚度, ,位移位移, ,速度速度, ,加速度加速度, , 旋转角旋转角, ,转数转数, ,质量质量, ,重量重量, ,力力, , 压力压力, ,真空度真空度, ,力矩力矩, ,风速风速, ,流速流速, , 流量流量; ;声声: : 声压声压, ,噪声噪声. .磁磁: : 磁通磁通, ,磁场磁场. .温度温度: : 温度温度, ,热量热量, ,比热比热. .光：光：

7、亮度，色彩亮度，色彩传感器的分类2)2)按敏感元件与被测对象之间的能量关系按敏感元件与被测对象之间的能量关系: :物性物性型型: : :依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换实现信号变换. .如如: :水银温度计水银温度计. .结构结构型型: : :依靠传感器结构参数的变化实现信号转变依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. . 例如例如: :电容式电容式和电感式和电感式传感器传感器. .传感器的分类能量转换型和能量控制型能量转换型和能量控制型. .3)3)按信号变换特征按信号变换特征: :能量转换型能量转换型: :直接由被测对象输入能量使其工作直接

8、由被测对象输入能量使其工作. . 例如例如: :热电偶温度计热电偶温度计, ,压电式加速度计压电式加速度计. .能量控制型能量控制型: :从外部供给能量并由从外部供给能量并由被测被测量控制外量控制外部部 供给能量的变化供给能量的变化. .例如例如: :电阻应变片电阻应变片. .分类法型式说 明按基本效应分类物理型化学型生物型采用物理效应进行转换采用化学效应进行转换采用生物效应进行转换按构成原理分类结构型物性型以转换元件结构参数变化实现信号转换以转换元件物理特性变化实现信号转换按能量关系分类能量转换型能量控制型传感器输出量直接由被测量能量转换而来传感器输出量能量由外部能源提供，但受输入量控制按工

9、作原理分电阻式电容式电感式压电式磁电式热电式光电式光纤式利用电阻参数变化实现信号转换利用电容参数变化实现信号转换利用电感参数变化实现信号转换利用压电效应实现信号转换利用电磁感应原理实现信号转换利用热电效应实现信号转换利用光电效应实现信号转换利用光纤特性参数变化实现信号转换按输入量分类长度、角度、振动、位移、压力、温度、流量、距离、速度等以被测量命名（即按用途分类）按输出量分类模拟式数字式输出量为模拟信号（电压、电流、）输出量为数字信号（脉冲、编码、）传感器的性能要求n灵敏度高，输入和输出应具有较好的线性关系。n噪声小，并且具有抗外部噪声的性能。n滞后、漂移误差小。n动态特性良好。n接入测量系统

10、时对被测量产生影响小。n功耗小，复现性好，有互换性。n防水及抗腐蚀等性能好，能长期使用。n结构简单，容易维修和校正。n低成本，通用性强。发展趋势与选用原则n传感器的发展趋势 新原理、物性型、集成化、多功能化、智能化、仿生传感器。n传感器选用原则 灵敏度高、线性范围宽、响应特性好、稳定性强、精确度（精密度+准确度）适中。电阻式传感器n 根据电阻定律而设计的传感器，它能将被测物理量（如位移、力等）的变化转换为电阻的变化输出。n 按照引起传感器电阻变化的参数不同可以将传感器分为电位计（器）式传感器和电阻应变式传感器两大类。直线位移型、角位移型和非线性型等。 电阻式传感器 变阻器式传感器的性能参数变阻

11、器式传感器的性能参数: : 1)线性(或曲线的一致性); 4)移动或旋转角度范围; 2)分辨率; 5)电阻温度系数; 3)整个电阻值的偏差; 6)寿命;测测位移位移电阻式传感器 电阻电阻应变应变式传感器式传感器-应变片应变片 电阻应变片工作原理是基于电阻应变片工作原理是基于金属导体金属导体的的应变效应应变效应，即金属导，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，体在外力作用下发生机械变形时，其其电阻值电阻值随着所受随着所受机械变形机械变形( (伸长伸长或缩短或缩短) )的变化而发生变化象。的变化而发生变化象。 电阻式传感器典型箔式应变片a 单丝栅式b 双丝栅式 c 三丝栅式d 多丝栅式 金属丝应变

12、片1-覆盖层 2-基底 3-敏感栅（电阻丝） 4-粘接剂 5-引线n金属丝电阻应变片结构：主要由用具有高电阻率的金属丝绕成的敏感栅、基底、覆盖层和引出线组成。n金属箔式电阻应变片结构：敏感栅是用栅状金属箔片制成，由于采用光刻技术制造，所以性能好，使用广泛。电阻式传感器n电阻应变式传感器应用很广，可概括为以下两个方面。（1）将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应力或应变。（2）将应变片粘贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器。这种传感器常用来测量力、位移、压力、加速度等物理参数。电阻式传感器电阻应变式传感器的应用电阻应变式传感器的应用电阻式传感器将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再

13、通过应变片转化为电量输出。电子称电子称-测测力力电容式传感器变换原理变换原理: :将被测量的变化转化为电容量变化将被测量的变化转化为电容量变化两平行极板两平行极板组成的电容器组成的电容器+ A 、A A或或发生变发生变化时，都会引起化时，都会引起电容的变化。电容的变化。AC 电容式传感器+a)a)极距极距变化型变化型AC 电容式传感器b)b)面积变化型面积变化型AC 角位移型角位移型+电容式传感器平面线位移型平面线位移型柱面线位移型柱面线位移型. .电容式传感器c) c) 介质变化型介质变化型AC 电容式传感器电容式接近开关电容式接近开关-位移位移振荡电振荡电路路被测物体被测物体 感应电极感应

14、电极 被测电容被测电容测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，使得和测量头相连的电路状态当物体移向接近开关时，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化也随之发生变化. .接近开关的接近开关的检测物体检测物体，并不限于金属并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。电容式传感器电容式传感器的应用电容式传感器具有结构简单，灵敏度高，精度高，静电引力小，动态特性良好，可用于接触式和非接触式测量等优点。可用于位移、振动、角度、速度、厚度等机械量的精密测量。电容式测厚仪的工作原理：工

15、作极板与带材之间形成两个电容，即C1、C2，其总电容为C=C1+C2电容式传感器 电容式转速传感器 齿轮外沿面为电容器的动极板，当电容器定极板与齿顶相对时，电容量最大，而与齿隙相对时，则电容量最小。当齿轮转动时，电容量发生周期性变化，通过测量电路转换为脉冲信号，则频率计显示的频率代表转速大小。电感式传感器能量控制型 电感式传感器是基于电感式传感器是基于电磁感应电磁感应原理，它是原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。把被测量转化为电感量的一种装置。分类分类: :电感式传电感式传感器感器自感型自感型可变磁阻型可变磁阻型涡流涡流式式互感互感型型电感式传感器1 1 自感型自感型-可变磁阻式可变磁阻

16、式可变导磁面积型可变导磁面积型差动型差动型2002ANL原理原理: :电磁感应电磁感应自感系数自感系数L，匝，匝数，磁导率，截数，磁导率，截面面积，距离面面积，距离电感式传感器2 2 涡流式涡流式（位移）（位移）原理原理: :涡流效应涡流效应电感式传感器电感式传感器无损探伤无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。油管油管检测检测电感式传感器 互感型互感型-差动变压器差动变压器- -测位移测位移WW1W2工作原理工作原理: :互感时差动电压不同反应位移互感时差动电压不同反应位移.EwEout磁电式传感器能量转换型1.1.变换原理变换原理: : 磁电磁电式传感器是把被测量的物理量转换式传感器是把被

17、测量的物理量转换为为感应电动势感应电动势的一种转换器。的一种转换器。dtdWe感应线圈的感应电动势感应线圈的感应电动势e e为为磁通变化率与磁通变化率与磁场强度磁场强度、磁阻磁阻、线圈运动速度线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变感应电动有关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。势。 磁电式传感器2 2 分类分类 N磁磁电电式式动圈式动圈式线速度型线速度型角速度型角速度型磁阻式磁阻式磁电式传感器动圈式传感器动圈式传感器 线速度型线速度型 磁电式传感器角速度型角速度型测速电机测速电机磁电式传感器磁阻式传感器磁阻式传感器 磁电式车速磁电式车速传感器传感器压电式传感器1.1.变换原理变换原理

18、: :压电效应压电效应 某些物质，如某些物质，如石英石英，受到，受到外力作用外力作用时，不仅几何尺寸会发生时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被变化，而且内部会被极化极化，表面产生电荷；当，表面产生电荷；当外力去掉外力去掉时，又重时，又重新新回到回到原来的原来的状态状态，这种现象称为，这种现象称为压电效应压电效应。+并联并联+串联串联F+q=DF压电式传感器图示为天然石英晶体，其结构形状为一个六角形晶柱。其中，纵轴z称为光轴，x轴称为电轴，y轴称为机械轴。 压电式传感器压电式传感器产品产品加速度加速度计计力传感力传感器器 压电式传感器压电式传感器常用于测量加速度、振动、力以及压力等。 基座固

19、定在被测物体上，基座振动使质量块产生与振动加速度方向相反的惯性力，惯性力作用在压电晶片上，使两片压电晶片的表面产生交变电压输出，这个输出电压即与加速度成正比，经测量电路处理后，即可得到加速度的信息。压电式传感器 图示为压缩式压电传感器来测量汽车安全系统异常振动的装置。 该传感器主要由压电元件（即压电晶片）、质量块和弹簧所组成。质量块通过弹簧压在压电晶片上，当汽车处于正常状态工作时，质量块振动使压电晶片有一个正常状态的电荷（电压）输出。若汽车负载运行，则会引起异常振动或由其他噪音引起的振动，从而引起质量块的异常振动，再经测量系统至显示系统获得这种异常振动的电信号。1.1.双金属温度计双金属温度计

20、 把两种膨胀系数不同的金属薄片焊接在把两种膨胀系数不同的金属薄片焊接在一起制成的。它是一种固体膨胀温度计，可一起制成的。它是一种固体膨胀温度计，可将将温度温度变化转换成变化转换成机械量机械量变化。变化。优点：优点：结构简单结构简单牢固牢固可靠可靠防爆防爆 测温热电传感器2. 2. 热电温度计热电温度计( (热电偶热电偶) ) 热电效应热电效应 将两种将两种不同材料不同材料的导体的导体A A和和B B串接成一个串接成一个闭合闭合回路，当两个回路，当两个接点接点温度不同时温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。象称为热电效应。热电传

21、感器热电偶测温基本定律热电偶测温基本定律1)1)均质导体均质导体定律定律 由由一种一种均质均质导体组成的闭合回路，不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。何均不产生热电动势。TT02)中间导体中间导体定律定律 在热电偶回路中接入在热电偶回路中接入第三种第三种材料的导材料的导体，只要其体，只要其两端两端的的温度温度相等，该导体的接相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。入就不会影响热电偶回路的总热电动势。TT0V热电传感器3) 中间温度中间温度定律定律n热电偶A、B在接点温度为T、T0时的热电势EAB（T,T

22、0）等于接点温度为T，Tn时的热电势EAB（T,Tn）和EAB（Tn,T0）的代数和nEAB（T,T0）= EAB （T,Tn）+ EAB（Tn,T0）热电传感器热敏传感器3 3 热敏电阻传感器热敏电阻传感器 半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、钻、铁等半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、钻、铁等金属金属氧化物氧化物按一定比例混合烧结而成的按一定比例混合烧结而成的半导体半导体，它具有负的电阻温度，它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降。系数，随温度上升而阻值下降。 )11(00TTeRRRT热敏传感器还广泛应用于空调、暖气、电子体温还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等计等热敏传感

23、器光电传感器 光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将外线光的光能量，并能将光能光能转化成转化成电信号电信号的器的器件。其工作原理是基于一些物质的件。其工作原理是基于一些物质的光电效应光电效应。 外外光电效应光电效应 在在光线作用光线作用下能使物体的下能使物体的电子逸出电子逸出表面的现象表面的现象 如：如：光电管光电管、光电倍增管光电倍增管内内光电效应光电效应 1）光线作用光线作用下能使物体下能使物体电阻率电阻率改变的现象，改变的现象， 如：如：光敏电阻光敏电阻、光敏二极管光敏二极管 2)阻挡层阻挡层光电效应光电效应 在光线作用下能使物

24、在光线作用下能使物 体产生一定方向的体产生一定方向的电动势电动势的现象，的现象，也称也称光生光生 伏特伏特效应效应 如：如：光电池光电池实例：实例：CCD-感光二极管感光二极管-电荷电荷、光电鼠标光电鼠标-发光发光-图像处理图像处理光电传感器 光敏电阻是利用半导体材料的光导效应即由于光照强弱而导致半导体阻值变化的现象而工作的，这种具有光导效应的半导体材料就称为光敏电阻。 说明说明 ：1，光敏电阻就像一个，光敏电阻就像一个电阻元件电阻元件，只是，只是阻值随光照变化阻值随光照变化 2，无光照无光照时，时，暗电阻暗电阻很大，电流很小很大，电流很小优点：优点：具有很具有很高高的的灵敏度灵敏度，很好的光

25、谱特性，很好的光谱特性，光谱响应从紫外区到红外区，光谱响应从紫外区到红外区，体积小体积小，重量轻，重量轻，性性能稳定能稳定，价格便宜。，价格便宜。 光电传感器光敏电阻常用的半导体材料有硫化镉和硒化镉。光电传感器照相机自动测光照相机自动测光光电传感器光电池光电池 光生伏特效应光生伏特效应指半导体材料指半导体材料P-NP-N结受到光照后结受到光照后产生一定方向的电动势的效应。以产生一定方向的电动势的效应。以可见光可见光作光作光源的源的光电池光电池是常用的光生伏特型器件。是常用的光生伏特型器件。+-PN特点：特点：灵敏度低灵敏度低，稳定性好稳定性好，频响较慢频响较慢，受受 光面光面积大积大，不需外加

26、电源不需外加电源，频率特性差。频率特性差。 光电传感器应用应用光电传感器在工业上的应用可归纳为辐射式光电传感器在工业上的应用可归纳为辐射式( (直射式直射式) )、吸收式吸收式、遮光式、反射式遮光式、反射式 四种四种基本形式。基本形式。 测量液体、气体的透明度、浑浊度，气体成分分析等光电高温计、红外侦察和红外遥感，防火报警等光电传感器长度、厚度、线位移、角位移、振动等的测量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等的测量光电传感器气敏电阻传感器对对气体的检测气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少的手段，已经是保护和改善生态居住环境不可缺少的手段，气敏传感器气敏传感器发挥着极其重要的作用。发

27、挥着极其重要的作用。 如生活环境中一氧化碳浓度达如生活环境中一氧化碳浓度达0.80.81.15 ml/L1.15 ml/L时，就会出现时，就会出现呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥。还有易燃、易爆气体、酒精等呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥。还有易燃、易爆气体、酒精等的探测。的探测。烟雾报警烟雾报警器器酒精传感酒精传感器器二氧化碳传感二氧化碳传感器器气敏电阻传感器 气敏传感器是利用气敏传感器是利用气敏半导体材料气敏半导体材料，如，如氧氧化锡、氧化锰化锡、氧化锰。当它们。当它们吸收了气体烟雾，如一吸收了气体烟雾，如一氧化碳、醇等时，氧化碳、醇等时，电阻电阻发生变化。发生变化。从而使从而使气敏气敏元件电阻值元件电阻值随被测气体随被测气体的的浓度浓度改变而变化。改变而变化。 超声波检测传感器1)1)声波及其分类声波及其分类(1)(1)次声波，振动