工程测量技术-第章测量系统

工程测试技术2测量系统的组成及基本特性2.1测量系统的构成和分类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。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。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、阻抗匹配电路、放大电路、运算电路等组成。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。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。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。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，幅值谱分析，能量谱分析等。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。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，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

传感器的作用及分类传感器的作用：

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。

物理量电量传感器的作用及分类物理量、化学量、生物量/其他便于处理和传输的信号人的五官：眼睛耳朵鼻子舌头皮肤视觉、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。敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。dV测量系统各组组成部分的工工作原理、特特性和使用方方法传感器感受被被测信号，并并将它变换成成电压（或电电流）信号或或电路参数（（电阻、电容容、电感等））信号输出。。具有敏感功能能及非电量变变换到电量的的功能。它的功能主要要依赖于构成成传感器的传传感元件的物物理效应（例例如光电效应、压电效应、热电效应等）和物理原原理（例如电感原理、电容原理、电阻原理等）把信息进进行转换的。。传感器是测试试系统的重要要环节，在工工程测试中，，它把诸如温温度、压力、、流量、和力力、应变、位位移、速度、、加速度等信信息转换成电电压（或电流流）信号或电电路参数（如如电阻、电容容、电感等）），然后进行行变换、记录录。传感器的分类类1)按被测物物理量分类常见的被测物物理量机械量:长度度,厚度,位位移,速度,加速度,旋转角,转数数,质量,重重量,力,压力,真空度度,力矩,风风速,流速,流量;声:声声压,噪声声.磁:磁磁通,磁场场.温度:温温度,热量,比热.光：亮亮度，色彩传感器的分类类2)按敏感元元件与被测对对象之间的能能量关系:物性型::依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.如:水银温度计.结构型::依靠传感器结构参数的变化实现信号转变.例如:电容式和电感式传感器.传感器的分类类能量转换型和能量控制型.3)按信号变换特征:能量转换型:直接由被测对对象输入能量量使其工作.例如:热电偶温度计计,压电式加加速度计.能量控制型:从外部供给能能量并由’被被测’量控制制外部供给能量的变变化.例如: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、……）传感器的性能能要求灵敏度高，输入和输出出应具有较好好的线性关系。噪声小，并且具有抗抗外部噪声的的性能。滞后、漂移误差小。动态特性良好好。接入测量系统统时对‘被测测’量产生影响小。功耗小，复现性好，，有互换性。。防水及抗腐蚀等性能好，能能长期使用。。结构简单，容容易维修和校校正。低成本，通用用性强。发展趋势与选选用原则传感器的发展展趋势新原理、物性性型、集成化化、多功能化化、智能化、、仿生传感器。传感器选用原原则灵敏度高、线性范围宽、响应特性好、稳定性强、精确度（精密度+准准确度）适中。电阻式传感器器根据电阻定律而设计的传感感器，它能将将被测物理量量（如位移、、力等）的变变化转换为电电阻的变化输输出。按照引起传感感器电阻变化化的参数不同同可以将传感感器分为电位计（器）式传传感器和电阻应变式传感器两大类类。直线位移移型、角位移移型和非线性性型等。电阻式传感器器变阻器式传感感器的性能参参数:1)线性(或或曲线的一致致性);4)移动或或旋转角度范范围;2)分辨率;5)电阻阻温度系数;3)整个电阻阻值的偏差;6)寿命命;测位移电阻式传感器器电阻应变式传感器--应变片电阻应变片工工作原理是基基于金属导体的应变效应，即金属导体体在外力作用用下发生机械械变形时，其其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短短)的变化而而发生变化象象。电阻式传感器器典型箔式应变片a单丝栅式式b双丝栅式式c三丝栅式式d多丝栅式式金属丝应变片1-覆盖层2-基底3-敏感栅（（电阻丝）4-粘接剂5-引线金属丝电阻应变片结构：主要由用具具有高电阻率率的金属丝绕绕成的敏感栅栅、基底、覆覆盖层和引出出线组成。金属箔式电阻应变片结结构：敏感栅是用栅状金金属箔片制成成，由于采用用光刻技术制制造，所以性性能好，使用用广泛。电阻式传感器器电阻应变式传传感器应用很很广，可概括括为以下两个个方面。（1）将应变变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件件的应力或应变。（2）将应变变片粘贴于弹性元件上，与弹性元元件一起构成成应变式传感感器。这种传传感器常用来来测量力、位移、压压力、加速度度等物理参数。。电阻式传感器器电阻应变式传传感器的应用用电阻式传感器器将物品重量通通过悬臂梁转转化结构变形形再通过应变变片转化为电电量输出。电子称-测力电容式传感器器变换原理:将将被测量的变变化转化为电电容量变化两平行极板组成的电容器器+++Aδ、A或ε发发生变化时，，都会引起电电容的变化。。电容式传感器器++++++a)极距δ变变化型电容式传感器器b)面积变化化型角位移型+++电容式传感器器平面线位移型型柱面线位移型型.电容式传感器器c)介质变变化型电容式传感器器电容式接近开开关-位移振荡电路被测物体感应电极被测电容测量头构成电电容器的一个个极板，另一一个极板是物物体本身，当当物体移向接接近开关时，，使得和测量量头相连的电电路状态也随随之发生变化化.接近开关关的检测物体，并不限于金属属导体，也可可以是绝缘的的液体或粉状状物体。电容式传感器器电容式传感器器的应用电容式传感器器具有结构简单，灵敏度高，精度高，静电引力小，动态特性良好好，可用于接触式和非接触式测量等优点。。可用于位移移、振动、角角度、速度、、厚度等机械械量的精密测测量。电容式测厚仪仪的工作原理：：工作极板与与带材之间形形成两个电容容，即C1、、C2，其总总电容为C=C1+C2。电容式传感器器电容式转速传传感器齿轮外沿面为为电容器的动动极板，当电电容器定极板板与齿顶相对时，电容量最大，而与齿隙相相对时，则电电容量最小。。当齿轮转动动时，电容量发生周期性变化，通过测量电电路转换为脉脉冲信号，则则频率计显示的频率率代表转速大大小。电感式传感器器—能量控制型电感式传感器器是基于电磁感应原理，它是把把被测量转化化为电感量的的一种装置。。分类:电感式传感器自感型可变磁阻型涡流式互感型电感式传感器器1自感型--可变磁阻式可变导磁面积型差动型原理:电磁感感应自感系数L，，匝数，磁导导率，截面面面积，距离电感式传感器2涡流式（位移）原理:涡流效效应电感式传感器器电感式式传感感器无损探探伤原理裂纹检检测，，缺陷陷造成成涡流流变化化。油管检测电感式式传感感器互感型型--差动动变压压器-测位位移WW1W2工作原理:互感时差动电压不同反应位移.EwEout磁电式式传感感器——能量量转换型1.变变换原原理:磁电式传感感器是是把被被测量量的物物理量量转换换为感应电电动势势的一种种转换换器。。感应线线圈的的感应应电动动势e为磁通变变化率率与磁场强强度、磁阻、线圈运运动速速度有关，，改变变其中中一个个因素素，都都会改改变感感应电电动势势。磁电式式传感感器2分分类N磁电式动圈式式线速度度型角速度度型磁阻式式磁电式式传感感器动圈式式传感感器线速度型

磁电式式传感感器角速度度型测速电机磁电式式传感感器磁阻式式传感感器磁电式车速传感器压电式式传感感器1.变变换原原理:压电效效应某些物物质，，如石英，受到到外力作作用时，不不仅几几何尺尺寸会会发生生变化化，而而且内内部会会被极化，表面面产生生电荷荷；当当外力去去掉时，又又重新新回到原来的的状态，这种种现象象称为为压电效效应。+并联+串联F+q=DF压电式式传感感器图示为为天然然石英英晶体体，其其结构构形状状为一一个六六角形形晶柱柱。其其中，，纵轴z称为光轴，x轴称为为电轴，y轴称为为机械轴轴。压电式式传感感器压电式式传感感器产品加速度计力传感器压电式式传感感器压电式式传感感器常常用于于测量量加速度度、振动、力以及压力等。基座固固定在在被测测物体体上，，基座振振动使质量量块产产生与与振动动加速速度方方向相相反的的惯性力力，惯性性力作作用在在压电晶片上上，使使两片片压电电晶片片的表表面产产生交交变电电压输输出，，这个个输出电电压即与加速速度成成正比比，经测测量电电路处处理后后，即即可得得到加加速度度的信信息。。压电式式传感感器图示为为压缩缩式压压电传传感器器来测量汽汽车安安全系系统异异常振振动的装置置。该传感感器主主要由由压电元元件（即压压电晶晶片））、质量块块和弹簧所组成成。质量块块通过过弹簧簧压在在压电电晶片片上，当汽汽车处处于正正常状状态工工作时时，质质量块块振动动使压压电晶晶片有有一个个正常常状态态的电电荷（（电压压）输输出。。若汽汽车负负载运运行，，则会会引起起异常常振动动或由由其他他噪音音引起起的振振动，，从而而引起起质量量块的的异常振振动，再经经测量量系统统至显显示系系统获获得这这种异异常振振动的的电信信号。。1.双双金属属温度度计把两种种膨胀胀系数数不同同的金金属薄薄片焊焊接在在一起起制成成的。。它是是一种种固体体膨胀胀温度度计，，可将将温度变化转转换成成机械量量变化。。优点：：结构简简单牢固可靠防爆测温热电传传感器器2.热热电电温度度计(热电电偶)热电效效应将两种种不同材材料的导体体A和和B串串接成成一个个闭合回路，，当两两个接接点温度不不同时时，在回回路中中就会会产生生热电电势，，形成成电流流，此此现象象称为为热电电效应应。热电传传感器器热电偶偶测温温基本本定律律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。TT02)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。TT0V热电传传感器器3)中间温温度定律热电偶偶A、、B在在接点点温度度为T、T0时的热热电势势EAB（T,T0）等于于接点点温度度为T，Tn时的热热电势势EAB（T,Tn）和EAB（Tn,T0）的代代数和和EAB（T,T0）=EAB（T,Tn）+EAB（Tn,T0）热电传传感器器热敏传传感器器3热热敏电电阻传传感器器半导体体热敏敏电阻阻的材材料是是一种种由锰锰、镍镍、铜铜、钻钻、铁铁等金属氧氧化物物按一定定比例例混合合烧结结而成成的半导体体，它具具有负负的电电阻温温度系系数，，随温温度上上升而而阻值值下降降。RT热敏传传感器器还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等热敏传传感器器光电传传感器器光电传传感器器通常常是指指能敏敏感到到由紫紫外线线到红红外线线光的的光能能量，，并能能将光能转化成成电信号号的器件件。其其工作作原理理是基基于一一些物物质的的光电效效应。外光电效效应在光线作作用下能使使物体体的电子逸逸出表面的的现象象如：光电管管、光电倍倍增管管内光电效效应1）光线作作用下能使使物体体电阻率率改变的的现象象，如：光敏电电阻、光敏二二极管管2)阻挡层层光电效效应在光线线作用用下能能使物物体产生生一定定方向向的电动势势的现象象，也称光生伏特效应如：光电池池实例：：CCD-感光二二极管管-电电荷、光电鼠鼠标-发光-图像像处理理光电传传感器器光敏电电阻是利用用半导体体材料料的光导导效应应即由由于光光照强弱而导致致半导体体阻值值变化的的现象象而工工作的的，这这种具具有光导效效应的半导体体材料料就称为为光敏电电阻。说明：1，光光敏电电阻就就像一一个电阻元元件，只是是阻值值随光光照变变化2，无光照照时，暗电阻阻很大，，电流流很小小优点：：具有很很高的灵敏度度，很好好的光光谱特特性，，光谱谱响应应从紫紫外区区到红红外区区，体积小，重量轻轻，性能稳定定，价格便便宜。光电传感感器光敏电阻阻常用的的半导体体材料有有硫化镉和硒化镉。光电传感感器照相机自自动测光光光电传感感器光电池光生伏特特效应指半导体体材料P-N结结受到光光照后产产生一定定方向的的电动势势的效应应。以可见光作光源的的光电池是常用的的光生伏伏特型器器件。+++---PN特点：灵敏度低低，稳定性好好，频响较慢慢，受光光面积积大，不需外加加电源，频率特性性差。光电传感感器应用光电传感感器在工工业上的的应用可可归纳为为辐射式式(直射式)、吸收式、遮光式、、反射式式四四种基本形式式。测量液体体、气体体的透明度、浑浊度，气体成成分分析析等光电高温温计、红红外侦察察和红外遥感感，防火报警警等光电传感感器长度、厚厚度、线位移、角位移移、振动等的测量量零件的表表面粗糙度、表面缺缺陷、表面位移移等的测量量光电传感感器气敏电阻阻传感器器对气体的检检测已经是保保护和改改善生态态居住环环境不可可缺少的的手段，，气敏传感感器发挥着极极其重要要的作用用。如生活环环境中一一氧化碳碳浓度达达0.8～1.15ml/L时，，就会出出现呼吸吸急促，，脉搏加加快，甚甚至晕厥厥。还有有易燃、、易爆气气体、酒酒精等的的探测。。烟雾报警器酒精传感器二氧化碳传感器气敏电阻传传感器气敏传感器器是利用气敏半导体体材料，如氧化锡、氧氧化锰。当它们吸吸收了气体体烟雾，如如一氧化碳碳、醇等时时，电阻发生变化。。从而使气敏元件电电阻值随被测气体体的浓度改变而变化化。超声波检测测传感器1)声波及及其分类(1)次声声波，振动动频率低于于l6Hz的机械波。。(2)声波波:振动频频率在16Hz――20KHz之间的机械械波。(3)超声声波:高于于20KHz的机械波。。2）超声波波的物理性性质超声波与声声波比，振振动频率高高，波长短短，具有束束射特性，，方向性强，可以定向向传播，其其能量远远大大于振幅相相同的声波波，并具有很很高的穿透能力。超声波检测测传感器超声波发射原理是把铁磁材料置于交变磁场中中，产生机械械振动，发发射出超声声波。接收原理是是当超声波波作用在磁磁致材料上上时，使磁磁滞材料磁磁场变化，，使线圈产生感感应电势输出。超声波检测测传感器超声波检测测传感器光纤传感器器物性型光纤纤传感器是是利用光纤对环境变化化的敏感性，将输入物物理量变换换为调制的的光信号。。1）物性型型光纤传感感器光纤传感器器结构型光纤纤传感器是是由光检测元件件与光纤传输回回路及测量电路所组成的测测量系统。。其中光纤仅作为光的传播媒质，所以以又称为传光型或非非功能型光光纤传感器器。2）结构型型光纤传感感器智能传感器器传感器一般般指能够感感知某种物物理量（如如电、光、、磁等）、、化学量（（如浓度、、PH值等等）、生物物量（如细细菌等）等等的信息，，并将该信信息转化为为电信息的的装置。智能传感器器是将传感感器与微型型计算机集集成在一块块芯片上，，其主要特特征是将敏感技术和信息处理技技术相结合，使使其除了具具有感知的本能外，，还具有认知能力。智能传感器器嵌入式计算机智能倾角RS232传感器9、静夜四无邻邻，荒居旧业业贫。。12月-2212月-22Thursday,December29,202210、雨中黄黄叶树，，灯下白白头人。。。13:06:3313:06:3313:0612/29/20221:06:33PM11、以我独独沈久，，愧君相相见频。。。12月-2213:06:3313:06Dec-2229-Dec-2212、故人江海海别，几度度隔山川。。。13:06:3313:06:3313:06Thursday,December29,202213、乍乍见见翻翻疑疑梦梦，，相相悲悲各各问问年年。。。。12月月-2212月月-2213:06:3313:06:33December29,202214、他乡生白发发，旧国见青青山。。29十二月月20221:06:33下午13:06:3312月-2215、比比不不了了得得就就不不比比，，得得不不到到的的就就不不要要。。。。。十二二月月221:06下下午午12月月-2213:06December29,202216、行动出成果果，工作出财财富。。2022/12/2913:06:3413:06:3429December202217、做前，能能够环视四四周；做时时，你只能能或者最好好沿着以脚脚为起点的的射线向前前。。1:06:34下下午1:06下下午13:06:3412月-229、没有有失败败，只只有暂暂时停停止成成功！！。12月月-2212月月-22Thursday,December29,202210、很多事情情努力了未未必有结果果，但是不不努力却什什么改变也也没有。。。13:06:3413:06:3413:0612/29/20221:06:34PM11、成功就是是日复一日日那一点点点小小努力力的积累。。。12月-2213:06:3413:06Dec-2229-Dec-2212、世间间成事事，不不求其其绝对对圆满满，留留一份份不足足，可可得无无限完完美。。。13:06:3413:06:3413:06Thursday,December29,202213、不知香积积寺，数里里入云峰。。。12月-2212月-2213:06:3413:06:34December29,202214、意志坚强强的人能把把世界放在在手中像泥泥块一样任任意揉捏。。29十二二月20221:06:3