《电子测量技术》课件-第10章

第10章非电量的测量10.1距离与位移的测量10.2速度、转速与加速度测量10.3温、湿度测量10.4压力测量10.5流量测量

一个完整的非电量测量系统一般包括信息的获取、转换、显示处理等几个部分,其组成如图10.1所示。图10.1非电量电测系统的组成

非电量检测的方法依据传感器转换原理的不同而有不同的分类。归纳起来,主要划分为以下几类:

(1)电磁检测:包括电阻式、电感式、电容式、磁电式、热电式、压电式、谐振式等。

(2)光学检测:包括光电式、激光式、红外式、光栅式、光纤维式、光学编码器等。

(3)超声波检测。

(4)同位素检测。

(5)微波检测。

(6)电化学检测。

10.1距离与位移的测量

距离是指(两物体)在空间或时间上相隔的长度。位移测量是线位移和角位移测量的统称,实际上就是长度或距离以及角度的测量。

10.1.1距离与位移的测量方法

位移是矢量,它表示物体上某一点在一定方向上的位置变化。对位移的度量,应使测量方向与位移方向重合,这样才能真实地测量出位移量的大小。位移测量的方法多种多样,常用的方法有以下几种:

(1)积分法:测量运动体的速度或加速度,经过积分或二次积分求得运动体的位移。

(2)相关测距法:利用相关函数的时延性质,向某被测物发射信号,将发射信号与经被测物反射的返回信号做相关处理,求得时延τ,若发射信号的速度已知,则可求得发射点与被测物之间的距离。

(3)回波法:从测量起始点到被测面是一种介质,被测面以后是另一种介质,利用介质分界面对波的反射原理测位移。

(4)线位移和角位移相互转换测量法:被测量是线位移,若检测角位移更方便,则可用间接方法,先测角位移再换算成线位移。同样,被测量是角位移时,也可先测线位移再进行转换。

(5)位移传感器法:通过位移传感器,将被测位移量的变化转换成电量(电压、电流、阻抗等)、流量、光通量、磁通量等的变化,间接测位移。根据传感器的转换结果,可分为两类:一类是将位移量转换为模拟量,如电感式位移传感器、电容式位移传感器;另一类是将位移量转换为数字量,如光栅位移传感器等。

10.1.2常见的位移传感器

表10.1给出了常见位移传感器的主要特点和性能。

10.1.3超声波测距仪简介

超声波测距是一种非接触式的测量方式。超声波的指向性强,能量消耗缓慢,在介质中传播的距离较远。与电磁或光学方法相比,超声波测距技术不受光线、被测对象颜色等的影响,具有在黑暗、灰尘、电磁干扰等恶劣环境下正常工作的能力,因此在液位、机械控制、导航、物体识别等方面有着广泛应用。

1.超声波测距原理

超声波是指振动频率大于20kHz的机械波。通过超声波发射装置发出超声波,根据接收器接到超声波时的收发时间差就可以知道超声波发射端到被测物之间的距离,这与雷达测距原理相似。超声波测距的原理如图10.2所示。

图10.2超声波测距原理

已知声速为v,若能测出第一个回波到达时刻与发射时刻间的时间差Δt,利用公式

即可算得传感器与反射点间的距离s,测量距离为

当超声波发射器与接收器距离很近,即s≫h时,则d≈s。当收发传感器同体时,h=0,则

常温常压下,空气近似为理想气体。超声波在理想气体中的传播速度为

超声波测距的误差为

2.超声波测距仪结构

超声波测距仪由超声波发射传感器、发射驱动电路、超声波接收传感器、接收处理电路、回波信号处理电路和单片机控制电路等部分组成,系统框图如图10.3所示。

图10.3超声波测距系统框图

10.1.4激光雷达

基于回波法的测量原理,超声波可用于距离测量。基于同样的原理,无线电波(以毫米波为主)、激光也被广泛应用于雷达探测中,实现对目标距离、方位、高度、速度、姿态、形状等参数的测量,其测量距离更远、分辨率和精度更高。

激光雷达采用了频率更高、波束很窄的激光束作发射信号源,因此带来了很多优点,主要有:

(1)分辨率高。

(2)隐蔽性好、抗有源干扰能力强。

(3)低空探测性能好。

(4)探测进度快、可同时跟踪多个目标。

(5)体积小、质量轻。

激光雷达也存在着一定的不足,主要是工作时受天气和大气影响较大。

10.2速度、转速与加速度测量

速度检测分为线速度检测和角速度检测。线速度的单位为m/s;角速度检测又分为转速检测和角速率检测。转速的单位常用r/min,而角速率的单位常用°/s或°/h。位移、速度和加速度之间存在内在联系,因此物体的瞬时速度也可以通过位移的微分或加速度的积分方法获得。物体运动可分为匀速运动和非匀速运动。非匀速运动的运动规律通常比较复杂,进行速度检测时只能测定其在某段时间内的平均速度。

10.2.1常用的速度测量方法

(1)加速度积分法和位移微分法:对运动体的加速度信号进行积分运算,即可得到运动体的运动速度,或者对运动体的位移信号进行微分也可以得到其速度。

(2)线速度和角速率相互转换测速法:与线位移和角位移在同一运动体上有固定关系一样,线速度和角速率在同一个运动体上也有固定关系,可采取互换的方法测量。

(3)速度传感器法:利用各种速度传感器,将速度信号转换为电信号、光信号等易测信号进行测量。速度传感器法是最常用的一种方法。

(4)时间、位移计算测速法:这种方法是根据速度的定义测量速度,即通过测量距离和走过距离的时间,然后求得平均速度。测量时间越短,测得的平均速度越接近瞬时速度。根据这种测量原理,在固定的距离内利用数学方法和相应器件又延伸出很多测速方法,如相关法测量线速度,是利用随机过程互相关函数的方法进行的,其原理如图10.4所示。

图10.4相关测速原理图

10.2.2常用的速度测量装置

1.离心式转速计

离心式转速计是利用旋转质量的离心力与旋转角度速度成比例的原理来测量被测转轴的转速,并用转速单位连续指示在刻度盘上。

2.磁电式转速传感器

磁电式转速传感器是以磁电感应为基本原理来实现转速测量的。

3.光电式转速传感器

光电式测速属于计数式测量方法,传感器可以采用霍尔元件,也可以采用各种光电传感器。光电式转速传感器分为投射式和反射式两类。

4.激光多普勒测速仪

当波源或接收波的观测者相对于传播质子运动时,观测者所测得的波的频率不仅取决于波源发出的振动频率,还取决于波源相对于观测者运动速度的大小和方向,这种现象称

为光或声的多普勒效应,无线电波也具有此特性。

图10.5典型的光学多普勒测速系统

10.2.3数字三轴加速度传感器应用

陀螺仪的基本功能是测量角位移和角速度,在航空、航海、航天、兵器以及其他一些领域中有着十分广泛和重要的应用。

1.加速度传感器ADXL345

ADXL345是ADI公司的一款三轴、数字输出的加速度传感器。ADXL345具有+/-2g、+/-4g、+/-8g、+/-16g可变的测量范围,最高13bit分辨率,固定的4mg/LSB灵敏度,3mm×5mm×1mm超小封装,40~145μA超低功耗,标准的I2C或SPI数字接口,32级FIFO存储,以及内部多种运动状态检测和灵活的中断方式等特性。ADXL345系统框图与管脚定义如图10.6所示。

图10.6ADXL345系统框图与管脚定义

2.ADXL345在跌倒检测中的应用

ADXL345具有两个可编程的中断管脚INT1和INT2,以及Data_Ready、Single_Tap、Double_Tap、Activity、Inactivity、Free_Fall、Watermark和Overrun共计8个中断

源。每个中断源可以独立地使能或禁用,还可以灵活地选择是否映射到INT1或INT2中断管脚。对跌倒检测原理的研究主要是找到人体在跌倒过程中的加速度变化特征。

假设跌倒检测器被固定在被测的人体上。图10.7给出了人在不同运动过程中加速度的变化曲线,包括(a)步行上楼、(b)步行下楼、(c)坐下、(d)起立。

图10.7人在不同运动过程中的加速度变化曲线

由于老年人的运动相对比较慢,因此在普通的步行过程中,加速度变化不会很大。最明显的加速度变化就是在坐下动作中Y轴加速度(和加速度矢量和)上有一个超过3g的尖峰,这个尖峰是由于身体与椅子接触而产生的。而跌倒过程中的加速度变化则完全不同。图10.8给出的是人体意外跌倒过程中的加速度变化曲线。通过对图10.7和图10.8的比较,可以发现跌倒过程中的加速度变化有4个主要状态特征(图中用1~4表示),这可以作为跌倒检测的准则。

图10.8人跌倒过程中的加速度变化曲线

通过ADXL345的不同状态的特征对比可形成整个的跌倒检测算法,可以对跌倒状态给出报警。ADXL345和微控制器之间的电路连接非常简单,可工作于I2C或SPI模式下,如图10.9所示。

图10.9ADXL345和微控制器连接框图

10.3温、湿度测量

10.3.1常见温、湿度传感器1.热电阻温度传感器导体的电阻值随温度的变化而变化,因此可以通过测量其阻值推算出被测物体的温度,利用此原理构成的传感器就是电阻温度传感器,主要用于-200~500℃范围内的温度测量。目前国内统一设计的工业用标准铂电阻的阻值一般有100Ω和10Ω两种。将电阻值Rt与温度t的相应关系统一列成表格,该表称为铂电阻的分度表,如表10.2所示。

PT100铂电阻桥式测温典型应用电路如图10.10所示。图10.10铂电阻桥式测温典型应用电路

输出端电压为

2.热电偶温度传感器

热电偶是根据热电效应测量温度的传感器,是温度测量仪表中常用的测温元件。两种不同导体或半导体的组合称为热电偶。利用热电偶的热电势与温度差的相关特性可做成温

度传感器。各种热电偶的外形通常极不相同,但是它们的基本结构大致相同,通常由热电极、绝缘套保护管和接线盒等主要部分组成,常和显示仪表、记录仪表及电子调节器配套

使用。

3.热敏电阻温度传感器

热敏电阻是开发早、种类多、发展较成熟的温度敏感器件。热敏电阻由半导体陶瓷材料制成,其工作原理是温度会引起半导体热电阻变化。半导体热电阻温度系数要比金属大

10~100倍以上,能检测出10-6℃的温度变化,而且电阻值可在0.1~100kΩ间任意选择。热敏电阻阻值随温度变化的曲线呈非线性,而且相同型号热敏电阻的温度特性曲线的线性度也不一样,测温范围比较小。热敏电阻有正温度系数型(PTC)、负温度系数型(NTC)和临界温度系数型(CTR)三种,它们的温度特性曲线如图10.11所示。

图10.11各种热敏电阻的温度特性曲线

4.PN结温度传感器

在正向恒流供电条件下,PN结的正向电压与温度之间具有很好的线性关系。理想半导体PN结的正向电流和压降存在如下近似关系:

则

只要通过PN结的正向电流保持恒定,PN结上的正向压降UF与温度T的线性关系就只受方向饱和电流的影响,而IS是温度的缓变函数,可近似认为在一定温度范围内IS为近似常数,因此

式中:q为电子电荷;k为玻尔兹曼常数;T为绝对温度;IS为反向饱和电流。

5.光纤传感器

光纤传感器的测温方法有全辐射测温法、单辐射测温法、双波长测温法、多波长测温法等。光纤传感器测温的特点是光纤挠性好,透光谱段宽,传输损耗低,无论是就地使用还是远距离传输均十分方便,而且光纤直径小,可以单根、成束或阵列方式使用,结构布置简单;缺点是难以实现较高精度,工艺比较复杂,造价高。

6.红外温度传感器

红外温度传感器用于非接触测温时将被测对象发出的不可见红外辐射转换为电信号,供后续电路进行处理,是非接触测温装置的核心单元。目前红外温度传感器有光子型、热释电型、热电堆型、热敏电阻型、电荷耦合型、红外电真空器件型、非制冷红外焦平面探测器等类型。

1)热电堆型红外传感器

热电堆型传感器是一种能把温差转换成电能的半导体器件,它由两个或多个热电偶串联组成。当热电堆的两边出现温差时就会产生电势,相互串联的热电偶输出的热电势串联

叠加,这样在使用热电堆测量温度时,可以克服因单个热电偶产生的电势差太小而难以测量的缺点,从而避免使用昂贵的高精度运算放大器。

热电堆结构示意图如图10.12所示,其辐射接收面分为若干块,每块接一个热电偶,然后串联起来形成热电堆。

图10.12热电堆结构示意图

2)非制冷红外焦平面探测器

非制冷红外焦平面探测器是一种工作在室温附近、可将被测对象的入射红外辐射转换为视频图像信号的阵列传感器,是非制冷红外热成像仪的核心。类似于数码相机中的CCD/CMOS图像传感器,这种探测器的焦平面上排列着感光元件阵列,被测对象辐射的红外线经过光学系统成像在系统焦平面的这些感光元件上,这些感光元件将其转换为电信

号并进行积分放大、采样与数据处理、缓冲输出,形成被测对象表面温度分布的视频图像。根据工作原理的不同,这种探测器可分为热释电型、热电堆型、热敏二极管型以及热敏电阻型等类型。

7.湿敏电阻传感器

湿敏电阻传感器是利用湿敏元件的电气特性(如电阻值)随湿度的变化而变化的原理进行湿度测量的传感器。湿敏元件一般是在绝缘物上浸渍吸湿性物质,或者通过蒸发、涂覆

等工艺制成一层金属、半导体、高分子薄膜或粉末状颗粒而形成的。在湿敏元件的吸湿和脱湿过程中,水分子分解出的H+离子的传导状态发生变化,从而使元件的电阻值随湿度

而变化。

8.半导体陶瓷湿敏传感器

半导体陶瓷湿敏传感器通常是用两种以上金属氧化物半导体材料混合烧结而成的多孔陶瓷。电阻率随湿度增加而下降的称为负特性湿敏半导体陶瓷;电阻率随湿度增加而增大

的称为正特性湿敏半导体陶瓷。

表10.3给出了常见湿度测量方法的比较。

9.集成温/湿度传感器

集成温度传感器是将测温器件与放大电路等集成在同一芯片上所构成的温度传感器。它利用晶体管的b－e结压降的不饱和值UBE、热力学温度T和发射极电流I之间的确定

关系实现对温度的检测。

1)AD590单片集成两端感温电流源

AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源,它的主要特性如下:

(1)流过器件的电流(μA)等于器件所处环境的热力学温度(开尔文)度数,即

式中:Ir是流过器件(AD590)的电流,单位为μA;T是热力学温度,单位为K。

(2)AD590的测温范围为-55~+150℃。

(3)AD590的电源电压范围为4~30V。

(4)精度高。

AD590的封装及基本应用电路如图10.13所示。

图10.13AD590的封装及基本应用电路

2)DS18B20数字温度传感器

DS18B20具有以下特性:

(1)单线接口,只需一根线与单片机进行连接。

(2)不需要外部元件,可直接由数据线供电。

(3)支持多点组网,多个DS18B20可以并联在相同的三线连接(+5V、地、数据线)上。

(4)通过编程可实现1/2,1/4,1/8,1/16的四级精度转换。

(5)测量结果以9~12位数字量串行输出。

(6)芯片本身带有命令集和存储器。

DS18B20的功能结构图如图10.14所示。

图10.14DS18B20的功能结构图

3)SHT1x/SHT7x系列集成温、湿度传感器

SHTxx系列集成温、湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温、湿度复合传感器,其内部组成框图如图10.15所示。图10.15SHT1x/SHT7x内部组成框图

SHT1x/SHT7x集成温、湿度传感器与微处理器连接的方式非常简单,典型应用电路如图10.16所示。图10.16SHT1x/SHT7x典型应用电路

10.3.2非接触式温度测量

1.非接触式温度测量原理

在自然界中,一切温度高于绝对零度(-273.15℃)的物体,其内部存在分子/原子热运动,都会不断地向四周辐射电磁波(也称热辐射、热射线)。

由于被测对象、测量范围和使用场合不同,因此红外测温装置的外观和内部结构不尽相同,但其基本结构大体相似。红外测温装置的简要原理框图如图10.17所示。

图10.17红外测温装置的简要原理框图

2.非接触式温度测量的特点

非接触式温度测量具有如下优点:

(1)不需要接触到被测对象的内部或表面,因而可以对难以接触到或运动着的对象进行温度测量;可以对很小的被测物体进行测温,避免接触式测量时由于传感器与被测物体间的热传导而造成的很大测量误差。

(2)无须经过热传导达到传感器与被测物体间的热平衡,因而测量速度快,支持快速连续测量。

(3)测温范围广,测量设备寿命长。可以测量3000℃的高温被测对象,而不用担心传感器的耐高温问题,特别适用于具有腐蚀性的化学物或敏感物的表面温度测量。

(4)测量人员可与处于危险、传染或污染区域的被测对象在空间上隔离,使用安全。

(5)可以同时对多个被测对象进行快速温度测量,用图表示出被测对象表面的温度分布,与相应的算法配合,可以快速筛查异常情况,如车站、机场出入口的热成像式红外筛检仪。

红外测温属于非接触式温度测量,自然具有以上优点。

红外测温的测量精度与很多因素有关,如目标特性、仪器本身的特性、测量距离、环境温度与清晰度等,测量中需避开水汽、烟尘环境,选择合适的测量距离(视场),并采用

现场比对校准的方法来尽量消除上述因素对测量精度的影响。

3.红外测温装置的分类

1)按产品形态分

按产品形态,红外测温装置可分为便携式和固定式。

2)按输出信息形式分

按输出信息的形式,红外测温装置可分为点源型和成像型。点源型设备视被测对象为点辐射源,测量其表面的平均温度,最终输出结果是数字形式的被测对象的温度值。

红外热成像技术具有以下特点:

(1)被动式非接触检测与识别,隐蔽性好,安全、有效。

(2)探测能力强,作用距离远。

(3)能真正实现24小时全天候监测。

(4)可直观地显示物体表面的温度场,不受树木、草丛、伪装物等遮挡物影响,不受强光影响地进行监测、识别,如图10.18所示。

图10.18红外热成像仪识别出隐藏于树林中的人员

3)按工作方式分

按工作方式,红外测温装置可分为扫描和非扫描型。仅进行温度测量的点源型设备通常无须进行扫描,属非扫描型;热成像设备有扫描型和非扫描型之分。扫描型采用单个或

多个红外探测器单元,通过对被测对象表面进行扫描来获得其表面温度分布的图像。其按扫描方式具体又可分为光机扫描和电子扫描。扫描型热成像设备的显著不足是成像响应时

间长。非扫描型热成像系统采用红外焦平面阵列(IRFPA)探测器凝视成像。

4)按是否需要制冷分

按是否需要制冷,红外测温装置可分为制冷型和非制冷型。制冷型是指设备内置制冷部件,通过该部件将红外探测器元件冷却至低温或深低温状态。这样做的目的主要有两

点:一是通过制冷形成一个合适的低温恒温环境,以提高探测器件的灵敏度,增加探测距离,并保证需要在低温下工作的电子器件或系统其功能正常;二是屏蔽或减小来自热成像系统的滤光片、挡板及光学系统等带来的内部热噪声干扰,提升对远距离、微弱辐射探测的信噪比。

5)按测量波长分

按测量波长分,红外测温装置可分为长波型和短波型。物体的温度与其辐射的红外线波长成反比,因而长波型设计用于对低温对象的测量,短波型设计用于对高温对象的测量。

10.4压力测量

10.4.1压力测量垂直作用于单位面积上的力,就是物理学上的压强,在工程上常称之为压力。在国际单位制单位和我国法定计量单位中,压力的单位是“帕斯卡”,简称“帕”,符号为“Pa”。1N(牛顿)的力垂直均匀作用于1m2的面积上所形成的压力为1Pa。帕的单位值太小,通常采用的是kPa、MPa。由于参照点不同,在工程上压力有几种不同的表示方法,如绝对压力、大气压力、表压力(相对压力)、真空度、压差等,各种压力间的关系如图10.19所示。

图10.19各种压力间的关系

10.4.2常见压力计

1.液柱式压力计

液柱式压力计是利用一定高度的液柱所产生的压力平衡被测压力,而用相应的液柱高度去显示被测压力的压力计。这类压力计结构简单,显示直观,使用方便,精确度较高,价格便宜。

2.弹性式压力计

弹性式压力计是生产过程中使用最为广泛的一类压力计。它的结构简单,使用操作方便,性能可靠,价格便宜,可以直接测量气体、油、水、蒸汽等介质的压力;其测量范围很宽,可以从几十帕到数吉帕;可以测量正压、负压和压差,可分为机械弹性式压力计和弹性式压力变送器两类。

10.4.3血压测量及血压计

血压是指血管内的血液在单位面积上的侧压力,即压强,习惯以毫米汞柱为单位。测量血压的仪器称为血压计。血压测量传统上采用水银柱式血压计,目前绝大多数血压监护仪和自动电子血压计均采用示波法间接测量血压。

示波法测量血压的原理是:绕扎在手臂上的袖带中的压力由高到低的变化过程中,手臂肱动脉由阻断到导通,使得袖带中的压力叠加上一系列压力小脉冲。血压计感应这些信号,经过一定的运算,求出人体肱动脉的收缩压和舒张压。

随着科技水平的发展,血压测量正在告别传统的水银血压计,而采用电子血压计。电子血压计一般由袖带、压力采集系统、充放气系统、微处理器、键盘显示和电源几大部分

组成,其原理框图如图10.20所示。

充放气系统首先用电机(或手动)给袖带加压,到达一定压力时阻断动脉血流,然后在放气过程中检测袖带内的气体压力振荡波。放气方式包括多阀连续放气、阶梯式放气、线

性放气等袖带内充、放气功能。由泵气系统实现充、放气时都要与压力传感器配合。当气体压力充到一定阈值时停止充气;放气动作则会在以下两种状态启动:一种是在紧急情况下(如压力过大等);另一种是测量结束时,放气可将袖带压降至大气压。

图10.20电子血压计原理框图

10.5流量测量10.5.1压差流量计压差流量计是根据安装于管道中流量检测件产生的压差、已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来测量流量的仪表。压差流量计是历史悠久、技术成熟、使用广泛的一类流量计。当充满管道的流体流经管道内的检测件时,流速将在节流件处形成局部收缩,因而流速增加,静压