精品课件-电子测量技术(第二版)(田华)-第10章

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。其结构原理为一圆锥形离心式转速计，借离心力使 重块外甩并带动滑块移动，同时带动杠杆齿轮，通过指针可直 接读出所测转速。测量时要求转速计的小轴与被测轴保持在同 一直线上，也不宜压得过紧，以免损坏转速计。这种转速计属 于接触式测量仪器，结构简单，使用方便，在各工业领域中有
第10章 非电量的测量
2. 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。磁电式转速传感器由铁芯、磁钢、感应线圈等部件组成。 磁电式转速传感器的线圈内产生有磁力线，测量对象转动时， 齿轮转动会切割磁力线，磁路由于磁阻变化，在感应线圈内产 生电动势。感应电势产生的电压大小和被测对象转速有关，被 测物体的转速越快，输出的电压也就越大，也就是说输出电压 和转速成正比，通过换算可测出被测对象的转速。但是在被测 物体的转速超过磁电式转速传感器的测量范围时，磁路损耗会
第10章 非电量的测量
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
第10章 非电量的测量
在科学研究和工农业生产实践过程中，存在着很多非电量 的测量需求。非电量无论在种类上还是在数量上都比电量和磁 量多，如机械量(距离、位移、风速)、热工量(温/湿度、 压力)、化工量(浓度、成分、pH值)等。针对这些非电量存在 非电和电测两类测量方法。非电量的电测法就是用传感器将非 电量转换成电量(电流、电压或频率)，再通过测量电量(电流 或电压)
第10章 非电量的测量 (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
(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
第10章 非电量的测量
近年来，各种新型传感器，如光导纤维传感器、电荷耦合 器(CCD)传感器等均发展十分迅速，给位移的测量提供了不少 新的方法。根据传感器的变换原理，常用的位移测量传感器类 型有电阻式、电感式、电容式、霍尔元件、光栅和角度编码器 及电动千分表等。随着数字技术的发展，出现了各式各样的数 字式位移传感器。常用的数字位移传感器有计量光栅、磁尺、 编码器和感应同步器等。表10.1给出了常见位移传感器的主
第10章 非电量的测量
4. 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 波源或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。不论是波源运动，或者 观测者运动，或者是两者都运动，只要是两者互相接近，接收 到的频率就高于原来波源的频率；如果是两者相互远离，接收 到的频率就低于原来波源的频率。由多普勒效应引起的频率变 化数值称做多普勒频移值。 光波的多普勒效应是一种物理现象。设波源的频率为f1， 波长为λ，当相对运动速度v1=0时，波在介质中传播速
第10章 非电量的测量
(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。 如激光测距仪、超声波液位计都是利用分界面对激光、超声波 的反射测量位移的。在回波法中常用相位差法，用于大位移量 的测量，相位差法测量的载体是光波或电磁波。
(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。例如汽车的里程表，是通过测量车轮转数再乘以周长而得
图10.1 非电量电测系统的组成
第10章 非电量的测量 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
(1) 电磁检测：包括电阻式、电感式、电容式、磁电式、
(2) 光学检测：包括光电式、激光式、红外式、光栅式、
(3) (4) (5) (6)
第10章 非电量的测量
应用传感器进行非电量的电测量有很多优点，例如：测量 范围宽、速度快；便于实现远距离测量和集中控制；便于实现 静态和动态测量；方便利用计算机进行信号的处理和记录等。 随着传感技术的发展，应用电测技术手段去测量非电物理和化
第10章 非电量的测量 图10.3 超声波测距系统框图
第10章 非电量的测量 10.2 10.2.1 (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
(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 运动体上有固定关系，可采取互换的方法测量。例如测量汽车 行驶速度时，直接测线速度不方便，可先测量车轮的转速，然
第10章 非电量的测量 图10.5 典型的光学多普勒测速系统
第10章 非电量的测量
10.2.3 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+/－2 g、+/－4 g、+/－8 g、+/－16 g可 变的测量范围，最高13 bit分辨率，固定的4 mg/LSB灵敏度， 3 mm×5 mm×1 mm超小封装，40 μA～145 μA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
第10章 非电量的测量
10.1.2 在很多情况下，位移可以通过位移传感器直接测得。能够
测量位移的传感器很多，如因位移引起传感器电感量变化的电 感式位移传感器、将位移量变化转化为电容量变化的电容式位 移传感器、利用莫尔条纹原理制成的光栅线位移和角位移的光 栅传感器等。其中光栅传感器因具有易实现数字化、精度高、 抗干扰能力强、无人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，
y(t)=x(t－t0)
第10章 非电量的测量 因此
(10-1) 其物理含义是x(t)延迟t0后成x(t－t0)，其波形将和y(t)几乎 重叠，因此互相关函数有最大值。因此求得v=L/t0
利用激光、雷达或卫星导航测量运动物体速度的方法也广
第10章 非电量的测量
10.2.2 1. 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
第10章 非电量的测量 图10.2 超声波测距原理
第10章 非电量的测量 首先超声波传感器向空气中发射超声波脉冲，超声波脉冲 遇到被测物体反射回来，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
第10章 非电量的测量 表10.1 常用位移传感器
第10章 非电量的测量
10.1.3 1 超声波是指振动频率大于20 kHz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。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同 时开始计时，超声波在空气中传播，在途中碰到障碍物就立刻 反射，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波测距 的原理如图10.2
由于位移是与物体在运动过程中的移动有关的量，所以位 移的测量方法所涉及的范围是相当广泛的。微小位移通常用应 变式、电感式等传感器来检测，大的位移常用感应同步器、光
第10章 非电量的测量 10.1.1
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
(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。例如在惯性导航中，就是通过测
(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。例如红外测距就是应用这一原理。
本章中非电量的测量主要讨论电测法，并且只讨论距离与 位移、速度、转速与加速度、温/湿度、压力、流量等几种常 见非电量的电测法。非电量的电测量技术关键在于如何将非电 量转换成电压、电流或频率等电信号量。传感器解决
第10章 非电量的测量 了从非电量到电量的信息形态的转换，在非电量测量系统中发
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。首先是获得被 测量的非电量信息，它是通过传感器来实现的。基本转换电路 的功能是将传感器的参数变化转换为电量输出。测量电路的作 用是对传感器输出的电量进行阻抗变换、放大、滤波，方便后 续的模拟和数字的传输和处理。显示和处理电路完成测量数据 的显示、存储等。
第1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。投射式光电转速传感器的读数盘和测量盘有 间隔相同的缝隙。测量盘随被测物体转动，每转过一条缝隙， 从光源投射到光敏元件上的光线产生一次明暗变化,光敏元件 即输出电流脉冲信号。反射式光电转速传感器在被测转轴上设 有反射记号，由光源发出的光线通过透镜和半透膜入射到被测 转轴上。转轴转动时，反射记号对投射光点的反射率发生变化。 反射率变大时，反射光线经透镜投射到光敏元件上即输出一个 脉冲信号；反射率变小时，光敏元件输出则变化。在一定时间
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。
第10章 非电量的测量 图10.4 相关测速原理图
第10章 非电量的测量
被测物体以速度v行进，在靠近行进物体处安装两个相距L 的相同的传感器(如光电传感器、超声波传感器等)。传感器检 测易于从被测物体上检测到的参量(如表面粗糙度、表面缺陷 等)，例如对被测物体发射光，由于被测物表面的差异及传感 器等受随机因素的影响。传感器得到的反射光信号是经随机噪 声调制过的。图10.4中传感器2得到的信号x(t)是由于物体A 点进入传感器2的检测区得到的。当物体A点运动到传感器1的 检测区时，传感器1输出信号y(t)。当随机过程是平稳随机过 程时，y(t)的波形和x(t)是相似的，只是时间上推迟了t0=L/v， 即