电磁测量第15章 非电量测量
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非电量的电测量
非电量的电测量
用传感技术和电磁方法对电量以外的各种量，进行的测量。
测量范围宽，测量速度快和适用频率范围宽，测量准确度高，可实现远距离测量，便于应用微机系统对信号进行各种运算和处理，实现多点巡回检测、控制、智能化测量等。
利用传感技术和电磁方法对电量以外的各种量，如机械量、热工量、化工量、声学量、光学量、放射性量以及与生物医学有关的量等进行的测量。
测量仪器由传感器、测量电路和输出装置三部分组成。
传感器是一种变换器，它利用物质的物理、化学及生物等的效应、反应或机理，将各种非电信息直接或间接转换为具有一定量值关系的电学量，如电压、电流、电荷、电阻、电容、电感、相位和频率等。
表中列出了各种非电量和常用的由其转换成的电学量（相应格内画符号○）。
测量电路对传感器输出的电信号进行加工和处理，如放大、衰减、补偿、线性化、滤波、调制和解调、运算、数字化等。
输出装置用于显示、记录或存储被测非电量的数据和信息，常用指针或数字显示器、屏幕显示器、波形记录仪、打印机、磁带机等。
非电量的电测量。
非电量的电测法
非电量的电测法非电量的电测法就是将各种非电量（如温度、压力、速度、位移、应变、流量、液位等）变换为电量，而后进行测量的方法。
非电量的电测仪器，主要由以下几个主要部分组成:(1) 传感器：将被测非电量变换为与其成一定比例关系的电量。
(2) 测量电路：将传感器输出的电信号开展处理，使之适合于显示、记录及和微型计算机的联接。
(3) 测录装置：各种电工测量仪表、示波器、自动记录仪、数据处理器及控制电机等。
一、应变电阻传感器1. 金属电阻丝应变片电阻丝由直径为0.02~0.04mm 的康铜或镍铬合金绕成。
2. 工作原理试件发生的应变通过胶层和纸片传给电阻丝，将电阻丝拉长或缩短，从而改变了它的电阻。
就将机械应变变换为电阻的变化。
二、电感传感器电感传感器能将非电量的变化变换为线圈电感的变化，再由测量电路转换为电压或电流信号。
1. 差动电感传感器两只线圈完全一样，且上下对称排列。
当衔铁在中间位置时，两线圈的电感一样，当衔铁受非电量的作用上下移动时，两个线圈的电感一增一减，发生变化，此即为差动。
2. 工作原理三、电容传感器电容传感器能将非电量的变化变换为电容器电容的变化。
1. 平板电容传感器可见，只要改变e ，S ，d 三者之一，都可使电容改变。
将上极板固定，下极板与被测物体相接触，当运动物体上、下位移（改变d ）或左、右位移（改变S ）时，将引起电容的改变。
2. 工作原理四、热电传感器热电传感器能将温度的变化变换为电动势或电阻的变化。
1. 热电偶热电偶由两根不同的金属丝或合金丝组成。
如果在两根金属丝相联的一端加热，则产生热电动势E t2. 热电阻热电阻传感器将温度的变化转换为电阻的变化。
电阻温度计中的热电阻传感器是绕在云母、石英或塑料骨架上的金属电阻丝。
金属电阻丝的电阻随温度变化的关系为对铜丝：A = 4 ＊10 -3 (1/ oC) ，B = 0 ；铂丝：A =3.98 ＊10 -3 (1/ oC) ，B = –5.84 ＊10 -3 (1/ oC)2 。
传感技术与电子测量复习要点(电量测量与非电量测量)
•
•
在测量周期时，被测信号经放大整形后作为 时间闸门的控制信号(简称门控信号)，因此，噪声 将影响门控信号的准确性，造成所谓触发误差。 • 触发误差产生： • 1）无噪声干扰时：主门开启时间正好为周期Tx • 2）当有噪声干扰时，触发电路会提前或滞后触 发，产生误差△T1 ，△T2 。
U X U m sin x t n(t )
Tx N Tx Ts N Ts
计数法测量周期原理框图
石英振荡器 ①
整形电路
③
④
闸门 ② 计数器
Tx B输入 ① ②
脉冲形成电路
门控电路
③
④
三、测量周期的误差分析 N Tx NTs fs
dTx dN dTs dTx Ts dN NdTs NTs N Ts Tx N Ts Tx N Ts dTs df s 1 Ts fs Ts fs Ts N 1 1 又 N N Tx f s Tx 1 Tx f s Tx fs N 1 f s fT f s s x
fs
f x f s 1 ( ) fx Tf x fs 要提高频率测量的准确度， 应采取如下措施：
①在不使计数器产生计数溢出现象的前提下，扩大闸门时 间T或倍频被测信号的频率以减小量化误差。②采取防干扰措 施以及稳定触发器的触发电平，使标准时间的误差小至可以忽 略。③提高晶振频率的准确度和稳定度，至少比被测频率要求 的精度高一个数量级，以减小闸门时间误差。④被测信号频率 fx较高时， 闸门时间误差较小， 说明计数测频的误差较小；被
与晶振分频系数无关
f x N T s fx N Ts
N ：计数器累计脉冲数相对误差，叫量化误差 N f s T s , fs Ts ：标准时间相对误差，“+”，“-”由误差的传递公式决
微波测量——非电量测量
原理是利用介质在微波场中，水的储能因 子和耗能因子都比较大，则当水的介电特 性发生变化时，被测物料的介电特性将发 生明显变化，以此为依据，可以测得物料 的水分。 微波法测量精度高，测量范围宽，其水分 测量范围可达0~100%，并且可以实现水分 的在线测量，是一种理想的水分测量方法。 其测试方法包含衰减法，相位法，谐振法 等。
优点有：
微波透射法
微波谐振腔法
谐振腔空载和有载状态下的谐振曲线
f
1 2
1 C ( 2 2 ) C1 L C0 C1C2 2 22 2 2 C2 ( ) 2C1C2 C1
(3-2)
1 f 2
h1 , h2 f , Q
功率 A
B
谐振频率
半功率带宽△fdB 谐振腔谐振特性曲线
频率
测量系统实物图
采用120MHz高纯频谱晶体振荡器作为时钟基准的 DDS锁相环微波信号源提供了1MHz的步进频率。由 微处理器分别调节两个锁相倍频器，使它们之间的 输出频率之差为10MHz。 A1信号在经过水分传感器之前与A2信号完全相同， 这样在测量功率变化时，A2信号作为A1信号的参考 信号。为了准确地测量幅值(功率)变化，对微波段 的信号进行混频。两个参数尽量一致的微波混频器， 本振输入信号都为B，即另一个锁相倍频器产生信 号与测量信号拥有10MHz频差。 C1和C2信号为10MHz的测量信号和参考信号，其 对于幅值的检测仍然略高。使用9.9MHz的本振信号， 对其再一次混频，输出的E1和E2为100K信号。对于 此信号进行必要的处理，使之变为直流信号。 F1和F2处的直流信号分别经过A/D转换器，将数 字量送入微处理器，此微处理器专门计算直流信号 对应的功率，并使用本文提出的九点频率法计算出 谐振频率和品质因数，进而计算得到物料水分初值。 最终使用不同物种校正曲线对初值进行必要的校正， 从而得到测量结果。
非电量测试技术的基础知识
1
n
2
2 j
1
n
A( )
1
n
2 2
2
n
2
1 2
( ) arctg 2
n
1
n
2
频率响应特性指标
工作频带 传感器增益保持在一定值内的频率范围，
即对数幅频特性曲线上幅值衰减3dB时所 对应的频率范围，称为传感器的工作频 带，对应有上、下截止频率。
传感器无输入时，每隔一段时间进行读 数，其输出偏离零值，即为零点漂移。
零漂＝ Y0 100% YFS
Y0 : 最大零点偏差
6. 温漂
温漂表示温度变化时，传感器输出值的 偏离程度。一般以温度变化1℃，输出最 大偏差与满量程的百分比 :
温漂＝
max 100% YFS T
max : 输出最大偏差 T：温度变化范围
传感器分类
按能量转换情况，分为能量控制型、能量转换型。
✓ 能量控制型传感器在信息变换过程中，其能量需外电源供给。 如电阻、电感、电容等电路参量传感器。
✓ 能量转换型传感器，主要是由能量变换元件构成，它不需要 外电源。如基于压电效应、热电效应、光电效应等原理构成 的传感器。
按物理原理，可分为电参量式传感器（包括电阻式、 电感式、电容式等基本型式）、磁电式传感器（包 括磁电感应式、霍尔式、磁栅式等）、压电式传感 器、光电式传感器、气电式传感器、波式传感器 （包括超声波式、微波式等）射线式传感器、半导 体式传感器、其它原理的传感器（如振弦式和振筒 式传感器等）。
一阶传感器的单位阶跃响应
设x ( t )和y ( t ) 分别为传感器的输入量和输出量，均是 时间的函数，则一阶传感器的传递函数为
dy(t) y(t) kx(t)
第一讲 非电量电测量
理解：关于真值
真值是个理想化的概念，按其本性是不能 最终确定的。 真值与特定量的定义相关，可不断逼近， 满足测量实际的需要。 真值是指某一被测量在一定条件下客观存 在的、实际具有的量值。
3. 测量误差
观测值 ≠ 真值
测量误差
评价测量结果的好坏或测量装置质量的高低
3.1 测量误差的分类—造成误差的特征不同
式中：τ— 时间常数，τ=a1 / a0； k — 静态灵敏度或放大系数，k =b0 / a0。 时间常数τ具有时间的量纲，它反映系统的 惯性的大小，静态灵敏度则说明其静态特性。 不带套管热电偶测温系统、电路中常用的 阻容滤波器等均可看作为一阶系统。
3） 二阶系统
二阶系统的微分方程为
d y (t ) dy(t ) a2 a1 a0 y (t ) b0 x(t ) 2 dt dt 通常改写为：
2.2 电测量系统的动态特性 （1）概念 指在动态测量时，输出量与随时间变化的输 入量之间的关系。（P14） 动态测量时，输出量不仅受静态特性的影响 ，也受动态特性的影响。 动态特性是测量系统能够不失真地再现变化 着的输入量的能力反映。
例：热电偶动态测温问题
t /℃ t1 动态误差
t0 o
1.2 电测量系统的组成和分类
非电量 传感器
信号调节器
显示记录器
非电量电测量系统组成
(1)传感器 将被测非电物理量转换为电参量，并把它 传送到信号调节器中的部件。传感器又称为变 换器、转换器、探头。 电量是电压、电流、或电参量（电阻、电感、 电容）
非电量
传感器
信号调节器
显示记录器
非电量电测量系统组成
电子测量技术(第二版)第10章非电量的测量
第10章 非电量的测量
第10章
10.1 10.2 10.3 10.4 10.5
非电量的测量
距离与位移的测量 速度、转速与加速度测量 温、湿度测量 压力测量 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) 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
点与被测物之间的距离。例如红外测距就是应用这一原理。
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
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，在机床加工、精密检测仪表等行业得到日益广
第10章
10.1 10.2 10.3 10.4 10.5
非电量的测量
距离与位移的测量 速度、转速与加速度测量 温、湿度测量 压力测量 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) 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
点与被测物之间的距离。例如红外测距就是应用这一原理。
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
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，在机床加工、精密检测仪表等行业得到日益广
第13章非电量的测量(传感器)简介
第13章 非电量的测量（传感器）简介
13.1 传感器概述
13.1.1传感器 传感器是一种能感受规定的被测量，并以一 定的精度按照一定规律将被测量转换为易于处理 和测量的某种输出信号（一般为电信号）的器件 或装置。 有人把计算机比喻为人的大脑的延续，称之 为“电脑”；而把传感器比喻为人的五官的延续， 称之为“电五官”。传感器是自动控制系统的感 受器官，是实现自动控制、自动调节的关键环节。
图13-2 等截面轴弹性元件
第13章 非电量的测量（传感器）简介
梁式弹性是一端固定另一端自由的弹性元件， 又称悬臂梁。按其截面形状又可分为等截面悬臂 梁和变截面悬臂梁。如图13-3所示。其主要特点 是结构简单，灵敏度高，适用于小载荷(1103N） 测量。
F
F
(a)
(b)
图13-3 悬臂梁式弹性敏感元件
第13章 非电量的测量（传感器）简介
２．测温方法 测温方法一般分为两大类：接触测温法和非接触 测温法。接触测温法是将测温传感器与被测对象接触， 两者充分热交换，最后达到热平衡后，两者温度相同， 由仪表将温度示出。非接触测量就是利用特制的透镜 将被测物体发出的热辐射能量积聚，再将它转换成电 量，从而来测量被测物体的温度。 目前对温度的测量仍主要在于对平衡状态的接触 测量，对于流体温度、动态介质温度的非接触测量技 术有待进一步研究和发展。
第13章 非电量的测量（传感器）简介
13.3.2 霍尔式传感器 1.霍尔效应 霍尔式传感器是一种应用比较广泛的半导体磁 电传感器，其工作原理基于霍尔效应。什么是霍尔效 应呢？将半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中， 如图13.3.2所示，当片内沿L方向有电流I流过时，在 垂直于I和B的方向便会产生电压UH(称霍尔电压)，这 种物理现象称为霍尔效应。霍尔电压UH的大小为： UH=KHIB 式中：KH——霍尔元件的灵敏度
13.1 传感器概述
13.1.1传感器 传感器是一种能感受规定的被测量，并以一 定的精度按照一定规律将被测量转换为易于处理 和测量的某种输出信号（一般为电信号）的器件 或装置。 有人把计算机比喻为人的大脑的延续，称之 为“电脑”；而把传感器比喻为人的五官的延续， 称之为“电五官”。传感器是自动控制系统的感 受器官，是实现自动控制、自动调节的关键环节。
图13-2 等截面轴弹性元件
第13章 非电量的测量（传感器）简介
梁式弹性是一端固定另一端自由的弹性元件， 又称悬臂梁。按其截面形状又可分为等截面悬臂 梁和变截面悬臂梁。如图13-3所示。其主要特点 是结构简单，灵敏度高，适用于小载荷(1103N） 测量。
F
F
(a)
(b)
图13-3 悬臂梁式弹性敏感元件
第13章 非电量的测量（传感器）简介
２．测温方法 测温方法一般分为两大类：接触测温法和非接触 测温法。接触测温法是将测温传感器与被测对象接触， 两者充分热交换，最后达到热平衡后，两者温度相同， 由仪表将温度示出。非接触测量就是利用特制的透镜 将被测物体发出的热辐射能量积聚，再将它转换成电 量，从而来测量被测物体的温度。 目前对温度的测量仍主要在于对平衡状态的接触 测量，对于流体温度、动态介质温度的非接触测量技 术有待进一步研究和发展。
第13章 非电量的测量（传感器）简介
13.3.2 霍尔式传感器 1.霍尔效应 霍尔式传感器是一种应用比较广泛的半导体磁 电传感器，其工作原理基于霍尔效应。什么是霍尔效 应呢？将半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中， 如图13.3.2所示，当片内沿L方向有电流I流过时，在 垂直于I和B的方向便会产生电压UH(称霍尔电压)，这 种物理现象称为霍尔效应。霍尔电压UH的大小为： UH=KHIB 式中：KH——霍尔元件的灵敏度
资料：《非电量测量技术(小学期)》教学大纲
《非电量测量技术》课程代码：04000131课程名称：（非电量测量技术）（Sensor Technology）学分：2 学时：3周（小学期）（理论教学学时：18；实验学时：6）先修课程：大学物理，电工学一、目的与任务课程目的学生在学习《电工学》的基础上，通过本课程的课堂学习和实验操作，了解和掌握生产和生活中（特别是材料加工行业）常用传感器的基本结构和工作原理，使学生对科学研究或工程中的检测技术问题，能提出合理的方案和选择合适的传感器。
课程任务掌握非电量电测技术的基本原理和应用，特别是常用传感器的工作原理、基本结构以及测量电路，能对科研工作或工程中的检测技术问题提出合理方案，并具有选择合适传感器的能力。
二、教学内容及学时分配作为实验技术课，课堂和实验教学是两大重要教学环节。
课程以研究机械量的常用电测技术为主，着重学习常用传感器的结构原理、基本特性、测量电路和应用举列。
学时分配课堂教学（12学时）第一章非电量电测技术概述（共1学时）1--1 非电量电测技术在国民经济中的意义1--2 非电量电测技术的基本概念1--3 测量误差第二章电阻式传感器（共2学时）2--1 电位器式传感器2--2 电阻应变式传感器2--3 压阻式传感器第三章电容式传感器（共1学时）3--1 电容式传感器的结构及原理3--2 电容式传感器的灵敏度和非线性3--3 电容式传感器的测量电路3--4 电容式传感器的应用3--5 使用电容式传感器的注意事项第四章电感式传感器（共3学时）4--1 自感式传感器4--2 差动变压器4--3 涡流式传感器4--4 差动变压器式涡流式传感器4--3 应用第五章磁电式传感器（共3学时）5--1 电磁效应5--2 磁电感应式传感器5—3 电磁流量计5—4 霍尔传感器5—5 磁阻式传感器5—6 力平衡式传感器第六章压电式传感器（共2学时）6--1 压电效应6--2 压电式传感器的常用结构形式和等效电路 6--3 压电式传感器的测量电路6--4 压电式传感器的应用第七章热电式传感器（共2学时）7--1 热电偶7--2 热电阻7--3 热敏电阻第八章光电传感器（共2学时）8--1 光电效应8--2 光敏元件：光敏电阻与光电管和光电倍增管 8--3 应用第九章物理效应及其在传感器技术中的应用综述（共1学时）9--1 物理效应9--2 传感功能材料第十章按被测物理量分类的各传感器综述（共1学时）10--1 位移传感器10--2 力传感器10--3 加速度传感器10--4 速度传感器10--5 温度传感器实验教学（除标明外，每个实验约1学时，共12学时。
电气测量课件基础知识 测感技术：电量和非电量的测量
1.1.2 计量的基本概念
1. 计量的定义和意义 计量的意义： 为使在不同的地方，用不同的手段测量同一量时，所得的结 果一致 计量的定义： 计量是一种特殊形式的测量，它把被测量与国家计量部门作 为基准或标准的同类单位量进行比较，以确定合格与否，并 给出具有法律效力的《检定证书》。 计量是利用技术和法制手段实现单位统一和量值准确可靠的 测量。 计量的三个主要特征： 统一性、准确性和法制性。
《电子测量技术》
第1页
课程简介
测感技术：电量和非电量的测量 三部分内容： ◆电子测量基础知识 ◆电量测量 基本电参量测量 电子测量显示技术 线性系统测量 测量技术新进展（简介） ◆非电量测量 传感器的基础知识 结构型传感器 物性型传感器 其它传感器（超声波、微波、核辐射与红外传感器、热电式） 传感器应用技术 ◆考核 期末成绩参考平时成绩（考勤、作业、实验、平时的小论文）
1.1.3 测量误差的基本概念
1.测量误差的定义
测量的目的: 获得被测量的真值。 真值: 在一定的时间和空间环境条件下，被测量本 身所具有的真实数值。 测量误差 :
x x A
所有测量结果都带有误差 。
从广州到北京的距离如何测？
第20页
1.1.3 测量误差的基本概念
2 测量误差的来源
应对措施：
应采取适当的控制措施，尽量减少由于环境影响而产生的误差。 恒温、恒湿、稳压和防震。 抗干扰、防噪声的措施，如接地、屏蔽、隔离、滤波等。
仪器应能尽量适应恶劣环境和大范围变化环境。 第10页
仪器以工作环境条件的不同要求分为三组：
I 组：良好的环境条件，温度 +10 ～ +35 o C ，相对湿度 80%（在35oC上），只允许有轻微的振动。 II组：一般的环境条件，温度－10～+40oC，相对湿度 80%（在40oC上），允许一般的振动和冲击。 III组：恶劣的环境条件，温度－40～+55oC，相对湿度 90% （在 35 o C 上），允许频繁的搬动和运输中受到较 大的冲击和振动。
非电量测试传感器
第六章
非电量测量
在现代检测技术中，对于各种类型的被测量 的测量，大多数都是直接或通过各种传感器、 电路转换为与被测量相关的电压、电流等电学 基本参量后进行监测和处理的，这样既便于对 被测量的检测、处理、记录和控制，又能提高 测量的精度，因此，了解和掌握这些非电量的 测量方法是十分重要的。
第一节 长度及线位移测量 一、 光栅位移传感器
A B M B
相位检 测电路
转矩信号
A
驱动侧
负载侧
图6-27 无触点力矩测量原理
传动轴的两端安装上磁分度圆盘A，分别用磁头B检测 两圆盘之间的转角差，用转角差与负荷M成比例的关系， 即可测量负荷力矩的大小。
6.5 温度测量 温度是国际单位制给出的基本物理量之一，它是工农 业生产和科学试验中需要经常测量和控制的主要参数。 温度传感器是实现温度检测和控制的重要器件。在种 类繁多的传感器中，温度传感器是应用最广泛、发展 最快的传感器之一。
3. 莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。莫尔条纹是由一系列 刻线的交点组成，它反映了形成条纹的光栅刻线的平均位置， 对各栅距误差起了平均作用，减弱了光栅制造中的局部误差 和短周期误差对检测精度的影响。 通过光电元件，可将莫尔条纹移动时光强的变化转换为近似 正弦变化的电信号,将此电压信号放大、整形变换为方波， 经微分转换为脉冲信号，再经辨向电路和可逆计数器计数， 则可用数字形式显示出位移量，位移量等于脉冲与栅距乘积。 测量分辨率等于栅距。 提高测量分辨率的常用方法是细分，且电子细分应用较广。 这样可在光栅相对移动一个栅距的位移（即电压波形在一个 周期内）时，得到4个计数脉冲，将分辨率提高4倍，这就 是通常说的电子4倍频细分。
一、 测力传感器
P P
B R4 R3 R2 R3 R1 R1 A R3 R3 D P
非电量测量
在现代检测技术中，对于各种类型的被测量 的测量，大多数都是直接或通过各种传感器、 电路转换为与被测量相关的电压、电流等电学 基本参量后进行监测和处理的，这样既便于对 被测量的检测、处理、记录和控制，又能提高 测量的精度，因此，了解和掌握这些非电量的 测量方法是十分重要的。
第一节 长度及线位移测量 一、 光栅位移传感器
A B M B
相位检 测电路
转矩信号
A
驱动侧
负载侧
图6-27 无触点力矩测量原理
传动轴的两端安装上磁分度圆盘A，分别用磁头B检测 两圆盘之间的转角差，用转角差与负荷M成比例的关系， 即可测量负荷力矩的大小。
6.5 温度测量 温度是国际单位制给出的基本物理量之一，它是工农 业生产和科学试验中需要经常测量和控制的主要参数。 温度传感器是实现温度检测和控制的重要器件。在种 类繁多的传感器中，温度传感器是应用最广泛、发展 最快的传感器之一。
3. 莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。莫尔条纹是由一系列 刻线的交点组成，它反映了形成条纹的光栅刻线的平均位置， 对各栅距误差起了平均作用，减弱了光栅制造中的局部误差 和短周期误差对检测精度的影响。 通过光电元件，可将莫尔条纹移动时光强的变化转换为近似 正弦变化的电信号,将此电压信号放大、整形变换为方波， 经微分转换为脉冲信号，再经辨向电路和可逆计数器计数， 则可用数字形式显示出位移量，位移量等于脉冲与栅距乘积。 测量分辨率等于栅距。 提高测量分辨率的常用方法是细分，且电子细分应用较广。 这样可在光栅相对移动一个栅距的位移（即电压波形在一个 周期内）时，得到4个计数脉冲，将分辨率提高4倍，这就 是通常说的电子4倍频细分。
一、 测力传感器
P P
B R4 R3 R2 R3 R1 R1 A R3 R3 D P
课件：非电量测量-讲义04-热电式
电子的富集而产生。于是，
等价的问题是：什么样的力
驱动自由电子的富集？
T0
答案是：扩散驱动力（“化学 力”）自由电子在不同位置的化
学势不同而产生的力。
备注
影响自由电子在材料中的化学势的因素
回顾：影响物质在理想混气体中化学势的因素
A (xA ,T ) A, RT ln( xA )
A的 A的 体系 化学 摩尔 温度 势 浓度
然后加上毫伏表测出的热电势值EAB(Tx,T0），得出热电势值EAB(Tx,0℃），然
后在分度表上查出该热电势值对应的Tx值。
备注：测温步骤
四、 热电偶材料
• 要求：热电势变化量尽量大，热电势与T关系尽量接近线性关系等等。 国际电工委员会（IEC）推荐的几种标准化热电偶
热电偶名称 分度号 适用温度，℃
参考状态 （这里是 XA=1）下A 的化学势
可以类推，自由电子在材料中的化学势与自由电子 的浓度与温度有关。温度高，浓度高，化学势高。
不同导体中，自由电子的浓度是不同的。
再回头看看A和B导体形成的闭合回路
A
自由电子 浓度高
T
问题：在A和B刚接触时，比
+-
较自由电子在回路中各处的
化学势？
B
自由电子 浓度低
特点
铜-铜镍
T
-40 ~ 350
精度高，稳定性好，低温 时灵敏度高，价格低廉。
镍铬-铜镍
E
-40 ~ 800
稳定性好，灵敏度高，价 格低廉
铁-铜镍
J
-40 ~ 750
稳定性好，灵敏度高，价 格低廉
镍铬-镍硅
K
-40 ~ 1000 氧化性与中性气氛中适用
铂铑10-铂
非电量测量-讲义00-1-前言
一、什么是传感器？
传感器是一种什么东东？（干什么用的？） 是一种测量设备。
传感器是一种以一定的精确度把被测非
电（学）量转换为与之有确定对应关系的、 便于应用的电学量的测量装置或系统。
位移、角位移
V
速度、角速度
R
加速度
C
力、重量、压力
温度
L
传感器例：
电阻、电容、电感 → 阻抗量（电参量） 电压、电流 → 电量
传感器在规定测量范围内所能检测出被测输入量的 最小变化值。仪器最小分度值的1/2~1/5。数字显示 的情况，最小有效数字表示的单位值。
4．量程
检测系统示值范围（示值的上、下限之差）。
5．变差（迟滞）
外界环境条件不变，用同一仪表对被测参量进行正 反行程（逐渐由小到大，然后由大到下）检测时， 对相同的被测参数值，仪表的示值却不相同。这种 不同由变差来表征：
ymax
仪表示值Y
y
变差 = （Δymax/ ymax）×100%
Δymax
输入x相对误差；标准误差；引用误差；变差； 量程；分辨力；线形度；灵敏度
思考题
说说身边的传感器。想象它们的工作原理。
“征服了传感器就等于征服了科学技术”。 “如果没有传感器检测各种信息，那么支撑现代文明 的科学技术，就不可能发展”。 “唯有模仿人脑的计算机和传感器的协调发展，才能 决定技术的将来”。
五 传感器的应用
1 机器人领域 2 兵器领域 3 民用领域
引信 导弹 战场侦察传感器 兵器测试
六 有关测量的基本概念
例：应变片，压电片
转换元件：非电量1 →非电量2 例：双金属片
转换电路是将传感元件输出的电参量 转换成电量（电压、电流或频率） 。
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由 dR K dl 知，电阻丝的应变与电阻的相对变化具有
线性关系。R
l
系数K由统一的标准进行实验测定。
dR
K0
R
x
x 为轴向应变。K0为电阻丝应变片的灵敏度系数。
3. 电阻应变仪 电阻应变仪是与应变片配用的测量仪器。
将应变片接入电桥线 路中，电阻的相对变化即 可转换为电压的相对变化。
RW
x x0
2
x x0
3
...
S
y0 x0
1
x x0
x x0
2
x x0
3
...
为减小灵敏度的非线性，常采用差动形式
y
y
y0 x0
x 1
S
r
由材料力学， dr dl
r
l
dR
d
1 2 dl
l
d
1
2
dl
R
l dl
l
l d
K 1 2 称为金属丝应变灵敏度系数。
dl
对于金属材料，d 相对较小，其灵敏度主要取决于1+2项。
非电量电测技术：用电测技术的方法测量非电的物理量。
二、非电量电测技术的主要特点
1. 应用了已较为成熟和完善的电磁测量技术、理论和方法。 因此，非电量电测技术的关键是研究如何将非电量变换为 电磁量的技术——传感器技术。
2. 便于实现连续测量。 3. 电信号容易传输、转换、记录、存储和处理。因而便于实现
传感器的结构：
非电量变换
预
输入
变 换
器
非电量/电量变换
基本变换器
逆变换器
电量变换
电 变 输出 换 器
§15-2 传感器的静态特性和动态特性
一、传感器的静态特性
1. 线性度
线性的输入/输出特性 y kx b
优点： • 简化理论分析； • 输出量处理简便； • 便于被测量直读
y ymax ymin
水的相对介电常数r=81，因此，绝缘体的介电常数会
随着它的含水量的增加而急剧增大。
利用此性质，可测量绝缘固体材料(如粮食、纺织品、 木材)的含水量。
空气的相对湿度与某些特殊塑料水分子的吸收有对应关 系，由此可构成空气湿度的测量传感器。
2. 两种介质构成的电容串联形式的传感器
C
0A
d1 d2
非电量电量 系统组成框图
传感 元件
信号 调理
信号 处理
数据 输出
称重系统 组成框图
应变片
电桥
放大器
A/D
四、传感器的定义和结构
传感器(Transducer 、Sensor、 )的定义： 为测量的目的，将感受的物理量(一般为非电量)按照相应
的关系转换成另一物理量(一般为电量)输出的装置。 传感器是一种用于测量目的完成信息变换任务的装置。
x
2
d 2z dt 2
所以，振动体系的平衡方程为
m
d 2z dt 2
d2x dt 2
C
dz dt
kz
0
被测加速度
或
d 2z dt 2
C m
dz dt
k m
z
d2x dt 2
Ax
令
0
k, m
C h
2m 0
第14章 非电量测量
• 概述 • 传感器的静态与动态特性 • 电阻式传感器 • 电容式传感器 • 电感式传感器 • 压电式传感器 • 光电式传感器 • 半导体压阻式传感器 • 光纤传感器
§15-1 概述
一、问题的提出
非电量有多种。早期多采用非电的测量方法。随着科学技 术的发展，对测量速度、测量准确度、测量自动化等要求不断 提高，非电的测量方法已不能满足要求。
x x0
2
x x0
4
....
差动式结构使灵敏度提高了一倍，并改善了非线性特性。
3. 迟滞
迟滞特性说明传感器输入量增大和减小，输入-输出特性 曲线不重合的程度。
迟滞现象产生的主要原因是传感器机械部分存在的不可
避免的缺陷(轴承摩擦、间隙、等)。 迟滞大小一般用实验的方法确定
电阻灵敏度
2b h
SR
At
A：导线截面积； b：骨架(矩形截面)的宽度； h：骨架(矩形截面)的高度； t：线绕节距；
：电阻率。
提高 灵敏度
• 选用高电阻率的导线； • 导线截面小； • 骨架尺寸大；
U 0 (r )
电刷行程
t
h
b
电位器式传感器的应用： 在航空仪表中有广泛的应用，可用来测量动量、压力、
d d0
3
差动式结构 的灵敏度
S
2C0 d0
1
d d0
2
d d0
4
二、变面积式电容传感器
灵敏度
C KA
S C 0 r
A
d
C0 C
x
非差动结构
C0 C
x
xmin
实际中的传感器多为非线性特性。
y f x a0 a1x a2 x2 ... an xn
x xmax
y1 x
0
y2 x
0
y3 x
0
y4 x
0
y1 a1x y2 a1x a2 x2 a4 x4 ... y3 a1x a3 x3 a5 x5 ... y4 a1x a2 x2 a3 x3 ...
r2
l
r1 d 0
L
当l
0时，C
C0
0b0l0
d0
若l 0，则C C C0 , 有
C
r2
1 l
C0
L
灵敏度
S
C l
C0
r2 1
L
L为直线位移。此原理可用于测量非导电液体和松散 材料的物位。
四、C、C 的测量电路
常用电桥、振荡电路测量C、C。
也可用脉冲调宽电路将电容值转换为方波脉冲的占空比。
r1 r 2
若第一种介质为空气(r1=1)
C
0A
d0
d2
d2
r2
d0
d1 d2
r1 r2
多层电介质电容
电容值C与介质2的厚度有关。这种传感器可用来测量
纸张、塑料薄膜合成纤维的厚度。
2. 两种介质构成的电容并联形式的传感器
C
0b0
d0
L
l r 2
1
其中b0为极板宽度。
圆柱形差动结构
三、变介质式电容传感器
1.2
C/Co
1.极板间充满一种介质的电容器
1.1
令K 0 A 常 数
d
1.0
灵敏度
则 C K r
C
S
K
r
0 40 80100 某材料电容与(% )
空气湿度的关系
被测的非电量与电容增量间的关系完全取决于被测的
非电量与介电常数的关系。
1. 一阶系统举例
温度传感器
Gs T(s) 1 1
TF (s) 1 m c s 1 s T——传感器温度； kA TF——液体温度； m——传感器质量； c——传感器材料比热； k——液体与传感器间的总传热系数； A——有效传热面积。
t
温度传感器对 阶跃输入的响应
一阶系统由于时间常数的存在，输出跟踪不上输入的快速 变化，从而产生测量误差。
§15-5 电感式传感器
电感式传感器可用来测量位移、压力、振动等多种参数。
一、自感型电感传感器
l
由
Rm
l
S
2l0
0 S0
a
铁心磁阻比气隙磁阻小得多，因此
b
Rm
2l0
0 S0
由L N 2 得,
L N 20 S0 K
Rm
2l0
l0
其中 K N 2 0 S0
2
l0
N
Li
使用中，常用一条直线来 近似表示实际的非线性特性。 采用不同的拟合方式，会有不 同的误差——非线性误差。
非线性误差：
ym max
1
max ym
100 %
端基线法
常用的曲线拟合法： 平均选点法
最小二乘法
ym max
x xm
x xm
2. 灵敏度S
S
输出电量的增量 输入非电量的增量
RC
R4
U
U 4
K 0 x
U
R3
三、热敏电阻
1. 工作机理
对于半导体材料，当温度升高时，半导体电阻随之下降。
热敏电阻： 采用重金属氧化物(锰、钛、钴、镍等)的混合技术，在高
温下烧结成的特殊电子元件。元件可制成球状、片状、圆柱状。
热敏电阻具有负温度系数。
RT
R0
e
xp