现代监测技术.第二章(二)

接口总线存储显示分析监控判断决策信号检出┇信号检出信号检出信号转换信号转换信号转换处理显示处理显示处理显示信号检出：功能---将被测信号的转换为电信号的变化器件---传感器（sensor,transducer）信号转换：功能---将传感器的输出信号转换为便于处理的形式器件---信号调理电路（signalconditioningcircuit）处理显示：功能---分析、处理、显示通讯接口/总线接口(RS232、RS485、GPIB、PCI、······)其它环节：存储、监控、决策四、监测系统的构成1、信号检出部分----传感器（Sensor）特点：1）输出量为电压、电流、频率2）输出的电信号一般较微弱：电压----毫伏级、微伏级；电流----毫安级、纳安级3）输出信号与噪声混杂在一起----传感器内部噪声传感器的信噪比小、输出信号弱----信号淹没在噪声中4）传感器的输出特性呈线性或非线性选择：测量精度要求、被测量变化范围、被测对象所处的环境条件以及对传感器体积和整个检测系统的成本等的限制电阻、电容、电感两种：数字量、模拟量5）外界环境的变化会影响传感器的输出特性传感器是监测系统中形式最多样、与被测对象关联最密切的部分2、信号变换部分检出信号适合于分析和处理的信号信号调理电路阻抗变换----输出阻抗很高时；电压/电流（V/A）转换----需要电流输出时；目的：4）简化后续系统的组成2）消除或抑制传感器输出量中的无用信号3）提高测量、分析的准确度信号放大----输出信号微弱时；噪声抑制----信号淹没在噪声中；模拟/数字（A/D）转换----需要输出数字信号时1）对传感器的输出量变换成易于传输处理的量3、分析处理部分功能：管理不同系统之间的数据、状态和控制信息的传输和交换不断注入新内容----检测系统的研究中心通用标准接口---不同的系统尤其是不同厂家的产品能够互联4、通信接口与总线部分计算机系统----强大问题分析能力、复杂系统的实时控制自动化、智能化USB、IEEE-488、RS-232（串行）、并行总线：传送数字信号的公共通道----信号线的集合RS-232C、VXI、Centronics（并行）（硬件系统）（规范、结构形式）接口---分系统和上位机之间/分系统之间交换信息力位移

速度

加速度

压力流量温度电阻式电容式电感式压电式热电式光电式磁电式电桥

放大器滤波器调制器解调器运算器

阻抗变换器

笔式记录仪光线示波器磁带记录仪电子示波器半导体存储器显示器磁卡数据处理器

频谱分析仪

FFT

实时信号分析仪

电子计算机

被测对象

传感器

中间变换测量装置

显示及记录装置

实验结果处理装置

激发装置

五、监测技术的发展趋势[数字电压、欧姆表]

将量程切换到2V时，最小显示值为1μV1、提高测量精度2、提高可靠性

承受剧烈振动

3.应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域月球车火星车安全检查4.发展集成化、功能化的传感器

可拍照的手机5.采用计算机技术，使检测技术智能化

面部识别技术

6.发展网络化传感器及检测系统2.2温度传感器温度分类:应用:测温接触测温非接触测温热辐射测温热传导测温压电效应热阻效应热电势效应金属热电阻半导体热敏电阻热电偶温度传感器压电陶瓷（热释电效应）→敏感元件→电参数光电效应红外温度传感器、光纤温度传感器热电阻电涡流传感器PN结热电效应热敏二极管/三极管、集成温度传感器工作原理：2.2.1膨胀式温度传感器1.液体膨胀式温度传感器这是应用最早的一种温度传感器。由液体储存器、毛细管和标尺组成。液体玻璃温度计的测温上限取决于所用液体汽化点的温度，下限受液体凝点温度的限制．为了防止毛细管中液注出现断续现象，并提高测温液体的沸点温度，常在毛细管中液体上部充以一定压力的气体。2、固体膨胀式温度传感器这种温度计是利用两种不同膨胀系数的材料制成。双金属感温元件是由膨胀系数不同的两种金属片牢固结合在一起而制成，一端固定，另一端为自由端。当温度变化时，由于两种材料的膨胀系数不同而使双金属片的曲率发生变化，自由端产生位移，经传动放大机构带动指针指示温度值。3、气体膨胀式温度传感器2.2.2热电偶

(1)工作原理:两种不同导体构成闭合回路两个节点（1、2）温度不同热电势温差电势：σA-温差系数

T,T0-1、2两节点绝对温度k-波尔兹曼常数e-电子电荷NA,NB-导体AB的自由电子密度→材料T-节点绝对温度接触电势：不同导体→自由电子密度不同→扩散→电势同一导体→两端温度不同→电子迁移（高→低）→电势若两种导体相同：σA=σB→E=0若两端无温差：T=T0→E=0两种情况导体不同两端温差条件(2)常用热电偶材料：材料测温范围特点应用铂铹10纯铂0~1000℃准确性高，成本高工业铱铹10纯铱0~2100℃科学研究铱铹40铂铹400~1900℃氧化、中性气体镍铁镍铜50~500℃<50℃无电势火灾报警镍铬康铜-200~900℃各种场合镍铬镍硅-50~1300℃电势大，线性好各种场合、常用铜康铜-200~400℃各种场合镍铬金铁-270~10℃低温铜金铁-270~-250℃灵敏度高低温(3)热电偶结构：a)普通热电偶：应用：测量气体、蒸汽、液体等介质温度结构：1-热电极2-绝缘套管

3-保护套管4-接线盒b)铠装热电偶：结构：热电极+绝缘材料

+金属保护套特点：细长(1~3mm)，可以弯曲，挠性好，强度高

测端热容量小，动态响应快(0.01s)，应用：适于狭小空间、点温度c)其他热电偶：薄膜热电偶、浸入式热电阻、(4)热电偶的冷端补偿

热电势:a)恒温法：测温:获得T→T0固定→T0=0℃（冷端）冷端：干扰、波动T00误差冷端温度补偿标准大气压下，冷端→冰水混合液（保温容器）b)系数修正法：T0≠0℃→精确计算→修正T：测端温度T0：参考端（冷端）温度Tn：测量温度k：修正系数（表7-5）恒温控制→0℃←实验室（半导体制冷器）冷端温度补偿方法：d)电桥补偿法：全臂电桥：R1,R2,R3---锰铜线绕制电阻（固定电阻）

R4---铜线绕制补偿电阻（热电阻）

R---限流电阻E---电桥电源平衡：调整R4，使得电桥输出Uab=0补偿：冷端温度↑热电偶输出热电势Ex↓R4↑→失衡→Uab↑若Ex↓=Uab↑→输出不变c)延伸电极法：需要长线传输信号热电偶长度1米左右延伸电极(补偿导线)拉大测端与冷短距离方法：延伸电极与热电偶的材质尽可能接近，延伸电极与热电偶的两个节点温度相等1、

热电阻原理与特性:

要求：（1）温度系数、电阻率较高→提高灵敏度，体积小，反应快（2）理化性能稳定→提高稳定性和准确性，复现性好（3）良好的输入-输出特性→线性/接近线性，测量精度高（4）良好的工艺性→批量生产，降低成本材料：纯金属---铂、铜、镍、铁

（5）较大的测温范围→特别是在低温范围2.2.3热电阻原理：热能热电阻电阻值温度热电阻阻值特点：0~+850℃：0~-200℃：应用：(1)在高温和氧化介质中性能极为稳定，易于提纯，工艺性好(2)输入输出特性接近线性(4)贵重金属，成本较高标准温度计，高精度工业测温，高低温测试构成：金属铂丝(0.02~0.07mm)绕制成线圈(3)测量精度高：<0℃:±1℃、

0~100℃:±0.5℃、

100~650℃:±0.5%Pt100：R0：0℃时的温度–标准值(Pt100,Pt500)2、铂电阻(Pt)特点：-50~180℃：应用：(1)易于提纯，在-50~150℃范围内性能稳定，价格低(2)输入输出特性接近线性:(3)电阻率低（为铂电阻的1/6），体积较大(Cu50,Cu100)(4)高温易被氧化，易被腐蚀(5)测量精度低于铂电阻：-50~50℃:±0.5℃、50~150℃:±1%小范围，较低温度，测量精度要求低，无腐蚀性介质。构成：金属铂丝(0.02~0.07mm)绕制成线圈3、铜电阻(Cu)R0：0℃时的温度–标准值材料特点：分类：（1）温度系数大→灵敏度高（为热电阻10~100倍）（2）结构简单，体积小→可以测量点温度（3）电阻率高、热惯性小→适于动态测温（4）易于维护、使用寿命长→适于现场测温（5）互换性差，非线性严重，精度低正温度系数热敏电阻(PTC)负温度系数热敏电阻(NTC)临界温度系数热敏电阻(CTR)半导体---半导体热电阻（6）成本低，应用广泛2.2.4半导体热敏电阻非线性

热敏电阻的应用家用电器电熨斗、电冰箱、电饭煲、洗衣机、电暖壶、烘干机、电烤箱、空调机、电热毯、热水器、热得快、电磁炉汽车电子电子喷油嘴、空调机、发电机防热装置、电热座椅办公设备复印机、传真机、打印机、扫描仪农业园艺温室控制、人工气候箱、烘干系统、医疗器具体温计、人工透析、散热系统工业生产电动机过热保护应用实例：基于热敏电阻的电机过热保护器Rt1Rt2Rt3：热敏电阻(NTC)，安装在三相绕组附近温度低时

：电阻高三极管不导通继电器不吸合电机运行温度高时

：电阻低三极管导通继电器吸合电机停止

2.2.5现代温度监测技术

非接触式测温是指感温元件不与被测对象相接触，通过辐射进行热交换。非接触测温主要是利用光辐射来测量物体温度。任何物体受热后都将有一部分的热能转变为辐射能，温度越高，则发射到周围空间的能量就越多。辐射能以波动形式表现出来，其波长的范围极广，从短波、x光、紫外光、可见光、红外光一直到电磁波。而在温度测量中主要是可见光和红外光，因为此类能量被接收以后，多转变为热能，使物体的温度升高，所以一般就称为热辐射。

非接触式测温具有以下特点：（1）由于被计量物体与计量温度元件不直接接触，所以可用来计量较高温度，理论上辐射计量温度的方法是无上限的。实际上，亮温法、色温法或全辐射法的计量温度上限常在4000K左右。光谱法往往可计量到几万开，甚至几十万开。

（2）间接计量温度方法中常采用光电元件作为接收器，其响应时间可达到毫秒级或微秒级。（3）可对物体温度场进行快速扫描，能给出精细的热图像和物体的温度分布。（4）可计量热容量小的物体，如金属薄片等。间接计量温度的方法不会干扰被计量对象的原来热状态，更不会引起温度场的畸变，因此它的示值能够反应实际热状态。（5）可计量导热系数很小的物体表面温度。如：玻璃、塑料制品等的表面温度。（6）可计量移动物体的温度。如：计量移动着的热钢锭的温度。（7）可计量远距离目标的温度。如：几十米高的高压电线接头处的温度状况。

一、热辐射基本定律

(一)基尔霍夫定律

(二)斯忒潘—玻耳兹曼定律（三）普朗克定律（四）维恩位移定律（一）基尔霍夫定律式中，为照射到物体单位面积上的辐通量(包括有不同波长的辐射)；为被物体吸收的辐通量。光谱吸收比在热平衡时被分析物体向四周的辐射功率等于它吸收的功率，就是温度T时绝对黑体的光谱辐射出射度光谱发射率等于它的光谱吸收率。(二)斯忒潘—玻耳兹曼定律斯式潘根据实验得出结论，物体的总的辐射出射度