现代检测技术-李英顺-电子教案-第11章.ppt
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《现代检测技术及仪表》孙传友高教出版社电子教案第11章
《现代检测技术及仪表》孙传友高教出版社电子教案第11章第一篇：《现代检测技术及仪表》孙传友高教出版社电子教案第11章第11章成分与含量的电测法11.1 水分和湿度电测法11.1.1水分和湿度的定义及表示方法一、气体的湿度1、绝对湿度在一定湿度及压力条件下，每单位体积混合气体中所含的水蒸气量，其单位为g/m3。
2、相对湿度单位体积混合气体中所含的水蒸气量与同温度下饱和水蒸气量的比值的百分数，一般用符号%RH表示。
3、露(霜)点温度当空气的温度下降到某一温度时, 空气中的水蒸汽就凝结成露珠（或凝结成霜），这一特定温度称为空气的露点温度（或霜点温度）。
已测知空气的露点为Ta，待测空气所处温度为Tw，通过查表求得温度为Ta和Tw时水的饱和水蒸汽压，二者之比即为待测空气的相对湿度。
二、固体的湿度固体的湿度也称为含水量(或称水分)，通常以物质中所含水分质量(或重量)与总质量(或总重量)之比的百分数来表示。
11.1.2固体水分电测法一、红外式用易被水吸收和不被水吸收的两种波长的红外辐射轮流交替地透过被测固体，取其透过被测固体的辐射强度之比值来测定被测固体的水分。
二、电阻式图11-1-1 利用固体物质的电阻值随含水量的不同而不同的特性，可以测量其湿度。
三、电容式图11-1-2 根据物料介电常数与水分的关系，通过测量以物料为电介质的电容器的电容值即可确定物料的水分。
11.1.3气体湿度电测法一、测温式——干湿球湿度计图11-1-3 原理：根据所测得干球温度T1和湿球温度T2之差，确定空气的相对湿度。
1、传统方法――用水银温度计测量干湿球温度，查相应的表，确定气体的湿度。
2、用两个热电偶或两个热电阻测量干湿球温度差图10-2-10图10-2-113、“电子干湿式”湿度传感器图11-1-4二、电阻式通过测量湿敏电阻受湿度影响后的阻值即可测得相应的湿度。
(详见4.1.5节)三、电容式高分子湿敏电容的电容值与气体中相对湿度之间成线性关系。
现代检测技术系统PPT学习教案
1.4.1静态特性
静态特性是检测系统在稳态信号作用下的 输入-输出关系。静态特性所描述的输入-输 出关系式中不含时间变量
衡量静态特性的主要指标包括线性度、灵 敏度、分辨率、迟滞、重复性、测量范围 与量程、漂移等
第15页/共48页
(1)线性度
线性度是指检测系统的输出与输入间成线性关系的程度
y YF.S.
第2页/共48页
1.1 概述
自古以来，检测技术就渗透到人类的生产活动、科学实验、日常生活的各个 方面
现在，测量科学对促进生产力发展与社会进步起到举足轻重的作用 要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相应的检测技术的支撑和检
测仪器仪表的利用是不可能的 目前，世界上许多国家将传感器与检测技术作为本国优先和重点发展的高技
随机误差
对同一被测量进行多次重复测量时，误差的绝对值和符号不可预 知地随机变化，但总体满足一定的统计规律性
是由测量过程中独立、微小、偶然的因素引起
粗大误差
明显偏离测量结果的误差 测量者粗心大意或环境突然急剧变化引起 粗大误差必须避免
第28页/共48页
29
误差的表示
绝对误差 相对误差 引用误差 基本误差 附加误差
的部分
第4页/共48页
传感器的组成
基本部分
弱
被测量
敏感元件
信 号 转换元件
信号调理电路
输出
辅助电源
图1.2 传感器的组成
信号调理电路：常见有放大器、电桥、振荡器、电荷放大器等 作用：
把来自传感器的信号进行转换和放大（将各种电信号转换成电压、电流 或频率等）；
进行信号处理（滤波、调制与解调、衰减、运算、数字化等）
共七个等级
第31页/共48页
现代检测技术-李英顺-电子教案-第1章
直接测量 在使用仪表进行测量时，对仪表
读数不需要经过任何运算就能直接表 示测量所需要的结果，称为直接测量。
例如，用磁电式电流表测量电路 的支路电流。用弹簧管式压力表测量 锅炉压力等。
间接测量 有的被测量无法或不便于直接测量，这就
要求在使用仪表进行测量时，首先对与被测物 理量有确定函数关系的几个量进行测量，然后 将测量值带入函数关系式，经过计算得到所需 的结果，这种方法称为间接测量。
确计量、校准送检样品和样机的标准仪表。 “实验室表”多用于各类实验室中，它
的使用环境条件较好，往往具有特殊的防水、 防尘措施。
“工业用表”是长期使用于实际工业生 产现场的检测仪表与检测系统。
按是否接触被测介质分类
接触式检测仪表的检测元件与被测介质 直接接触，感受被测量的作用或变化，从而 获得测量信号。
1.3.3检测系统的分类
按被测参数分类 电气参数：电能、电功率、电压、电流、频率、电
阻、电容、磁场强度、磁通密度等； 机械参数：质量、位移、振动、力、应力、力矩、
转速、线速度、加速度、噪声、缺陷检查、故障诊断等； 过程参数：主要是热工参数，通常可细分为温度、
压力、流量、物位、成分分析等。
按被测参量的检测转换方法分类 电磁转换：电阻式、应变式、压阻式、热阻式、
严格把控质量关，让生产更加有保障 。2020年10月 上午1时 57分20.10.2201:57Oc tober 22, 2020
作业标准记得牢，驾轻就熟除烦恼。2020年10月22日星期 四1时57分19秒 01:57:1922 October 2020
好的事情马上就会到来，一切都是最 好的安 排。上 午1时57分19秒 上午1时57分01:57:1920.10.22
现代检测技术PPT精品课件
现代检测技术
• 非电量测量技术：将除电量以外的物理量（化学 量）如；温度、压力、振动、化学成分、位移等
用各种手段变换为电量，从而进行准确测量的技 术。
• 现代检测技术近50年发展起来，具有很多技术上 的优点（1）它的反应速度快（2）可以测量微弱
信号，并将转换的电信号进行长距离传输，便于 远距离操作与控制。（3）测量精度高，能自动 连续地进行测量（4）可输出的电信号易与计算 机连接、记录和处理数据。
• 热电偶分度表：使热电偶冷端温度保持不变，将另一端与 被测物体接触，可以通过测量热电势来确定温度数值，把 热电偶的热电势与工作端温度之间的关系制成表格。
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常用热电偶种类
• 贵13金00属℃（，1短）期铂可铑测10-温--铂16热0电0℃偶（S）长期测温可测 （2）铂铑13—铂（R）（3）铂铑30—铂铑6 廉金属：1、铜—康铜（T）2、铁—康铜（J）3、镍铬—
• 压磁元件受力作用后，磁弹性体的磁阻（或磁导率）发生与 作用力成正比的变化，测出磁阻变化即间接测定了力值。
• 压磁元件及工作原理：
2021/3/1
15
• 由若干形状相同的硅钢片叠合而成,孔1、2间的绕 组W12为励磁绕组，用于接入励磁电源；孔3、4 间的绕组W34用于产生感应电势。当压磁元件无外 力作用时，由于铁心磁性的各相同性，四个区域的 磁导率相同，磁力线呈轴对称分布，绕1、2孔闭 合，不与绕组W34交链， W34不会产生感应电动 势，输出为零。当压磁元件受外力F作用时，A、 B区域受到较大应压力，磁导率下降，磁阻增大； C、D区域基本处于自由状态，磁导率基本不变， 此时部分磁力线不再通过A、B区域，而是绕过C、 D区域闭合，并与绕组W34交链，从而在二次侧绕 组中感应出电动势E。作用力F越大。转移磁通越 多，E也越大，F和电流I或电压U呈线性关系
• 非电量测量技术：将除电量以外的物理量（化学 量）如；温度、压力、振动、化学成分、位移等
用各种手段变换为电量，从而进行准确测量的技 术。
• 现代检测技术近50年发展起来，具有很多技术上 的优点（1）它的反应速度快（2）可以测量微弱
信号，并将转换的电信号进行长距离传输，便于 远距离操作与控制。（3）测量精度高，能自动 连续地进行测量（4）可输出的电信号易与计算 机连接、记录和处理数据。
• 热电偶分度表：使热电偶冷端温度保持不变，将另一端与 被测物体接触，可以通过测量热电势来确定温度数值，把 热电偶的热电势与工作端温度之间的关系制成表格。
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常用热电偶种类
• 贵13金00属℃（，1短）期铂可铑测10-温--铂16热0电0℃偶（S）长期测温可测 （2）铂铑13—铂（R）（3）铂铑30—铂铑6 廉金属：1、铜—康铜（T）2、铁—康铜（J）3、镍铬—
• 压磁元件受力作用后，磁弹性体的磁阻（或磁导率）发生与 作用力成正比的变化，测出磁阻变化即间接测定了力值。
• 压磁元件及工作原理：
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• 由若干形状相同的硅钢片叠合而成,孔1、2间的绕 组W12为励磁绕组，用于接入励磁电源；孔3、4 间的绕组W34用于产生感应电势。当压磁元件无外 力作用时，由于铁心磁性的各相同性，四个区域的 磁导率相同，磁力线呈轴对称分布，绕1、2孔闭 合，不与绕组W34交链， W34不会产生感应电动 势，输出为零。当压磁元件受外力F作用时，A、 B区域受到较大应压力，磁导率下降，磁阻增大； C、D区域基本处于自由状态，磁导率基本不变， 此时部分磁力线不再通过A、B区域，而是绕过C、 D区域闭合，并与绕组W34交链，从而在二次侧绕 组中感应出电动势E。作用力F越大。转移磁通越 多，E也越大，F和电流I或电压U呈线性关系
(2) 现代检测技术课件
电炉控制系统
电
炉 TS
加热器 控制用计算 机系统
显 示屏
绘 图
机
加热器控制 装置
检测与控制系统框图
测 单 测 控 片 对 微 机 象 控制
框图各部分作用
• 传感器：直接感受被测物理量，并把其转 换成与被测物理量有一定函数关系的电压、 电流或电路参量（电阻、电容、电感）再 输出给其他仪表。 • 测量电路：也称检测电路。分为模拟检测 电路和数字检测电路。 • 模拟检测电路：
• 由若干形状相同的硅钢片叠合而成,孔1、2间的绕 组W12为励磁绕组，用于接入励磁电源；孔3、4 间的绕组W34用于产生感应电势。当压磁元件无外 力作用时，由于铁心磁性的各相同性，四个区域的 磁导率相同，磁力线呈轴对称分布，绕1、2孔闭 合，不与绕组W34交链， W34不会产生感应电动 势，输出为零。当压磁元件受外力F作用时，A、 F A B区域受到较大应压力，磁导率下降，磁阻增大； B C、D区域基本处于自由状态，磁导率基本不变， 此时部分磁力线不再通过A、B区域，而是绕过C、 D区域闭合，并与绕组W34交链，从而在二次侧绕 组中感应出电动势E。作用力F越大。转移磁通越 多，E也越大，F和电流I或电压U呈线性关系
热电阻传感器
• 电阻温度计:将温度的变化转化为电阻值的 变化，通过测量电桥转换成电压信号，然 后送到显示仪表指示或记录被测温度。 • 热电阻测温线路：工业热电阻多采用三线 制接法。热电阻RT构成电桥一臂，当被测
E R2 R3 R R RT R1
介 质 温 度 变 化 时，热 电 阻 RT 阻 值 随着 变 化，使 测 量电 桥 失 去 平 衡，电 桥输 出 端 则 有 信 号 输 出，此 信 号 反 映了 R 温 度 变 化。
现代检测技术PPT.
特点： 简单实用， 需要大量的样本(数据)，对测量误差较为敏感。 所建立的模型具有一定的应用范围限制(外延性不好)。
以最小二乘原理为基础的一元和多元线性回归技术目 前已相当成熟，常用于线性模型的拟合。
③ 基于神经网络方法
基于人工神经网络的软测量是近年来研究最多、发展Biblioteka 快和应用范围很广泛的一种软测量技术。
3）测量数据处理 软测量结果的可靠性在很大程度上依赖于测量数据的准
确性和有效性，因此，数据处理是软测量技术应用的一个 重要方面。 基本内容：数据校正、数据变换 ①数据校正 a. 随机误差处理 常用方法： 滤波法：
高通、低通，数据平滑。 数据协调技术
基于平衡关系建立以估计值与测量值的方差为最小的优 化估计模型，为测量数据提供一个最优估计，并据此检测 数据误差。
现代检测技术
优选现代检测技术
技术基础 硬件基础：
新材料、新传感器件的开发。 精密机械、微电子技术的发展。 基础理论和技术： 应用物理、应用化学、材料科学、生物科学领域的基本 理论及科研成果； 软件基础： 包括微处理器系统在内的微电子技术、通信技术、数据 处理技术、计算机软件技术、参数估计和识别技术，数 据融合技术。 应用方法： 基于测量机理或模型辨识的传感器模型的求取； 测量公式、神经元网络，或知识库形式的表达。 基于信号（数据）分析与处理的参数预估和识别。
（2）如果摔伤后，在四肢部位有大血管破裂，出血量很能多，应马上找些橡皮管、布带、绷带作为止血带在大腿根部上肢腋窝处勒紧 止血。
4）软测量模型的建立 构造软仪表的本质就是建立数学模型（软测量模型） 问题。是软仪表的核心。
软测量模型： 表征辅助变量和主导变量之间的数学关系。
注意：与一般系统数学模型的区别： 一般数学模型：描述系统的动态或静态特征，用于系
以最小二乘原理为基础的一元和多元线性回归技术目 前已相当成熟，常用于线性模型的拟合。
③ 基于神经网络方法
基于人工神经网络的软测量是近年来研究最多、发展Biblioteka 快和应用范围很广泛的一种软测量技术。
3）测量数据处理 软测量结果的可靠性在很大程度上依赖于测量数据的准
确性和有效性，因此，数据处理是软测量技术应用的一个 重要方面。 基本内容：数据校正、数据变换 ①数据校正 a. 随机误差处理 常用方法： 滤波法：
高通、低通，数据平滑。 数据协调技术
基于平衡关系建立以估计值与测量值的方差为最小的优 化估计模型，为测量数据提供一个最优估计，并据此检测 数据误差。
现代检测技术
优选现代检测技术
技术基础 硬件基础：
新材料、新传感器件的开发。 精密机械、微电子技术的发展。 基础理论和技术： 应用物理、应用化学、材料科学、生物科学领域的基本 理论及科研成果； 软件基础： 包括微处理器系统在内的微电子技术、通信技术、数据 处理技术、计算机软件技术、参数估计和识别技术，数 据融合技术。 应用方法： 基于测量机理或模型辨识的传感器模型的求取； 测量公式、神经元网络，或知识库形式的表达。 基于信号（数据）分析与处理的参数预估和识别。
（2）如果摔伤后，在四肢部位有大血管破裂，出血量很能多，应马上找些橡皮管、布带、绷带作为止血带在大腿根部上肢腋窝处勒紧 止血。
4）软测量模型的建立 构造软仪表的本质就是建立数学模型（软测量模型） 问题。是软仪表的核心。
软测量模型： 表征辅助变量和主导变量之间的数学关系。
注意：与一般系统数学模型的区别： 一般数学模型：描述系统的动态或静态特征，用于系
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11.1概述
⑵非接触式测温 非接触式温度测量的特点是感温元件不与被测对象直接
接触，而是通过接受被测物体的热辐射能实现热交换，据此 测出被测对象的温度。
非接触式测温具有不改变被测物体的温度分布，热惯性 小，测温上限可设计得很高，便于测量运动物体的温度和快 速变化的温度等优点。
为了保证温度量值的准确并利于传递，需要建立一个衡 量温度的统一尺度，即温标。它规定了温度的读数起点（零 点）和测量温度的基本单位。
11.1概述
⒋国际温标
根据国际温标规定：热力学温度是基本温度，用符
号T表示，单位是开，记为K。它规定水的三相点热力
学温度（即固态、液态、气态三相共存时的平衡温度）
为273.16K，定义1K（开尔文1度）等于水的三相点热
力学温度的1/273.16。通常将比水的三相点温度低
0.01K的温度规定为摄氏零度，它与摄氏温度之间的关
②具有较高的准确度。
③测量范围宽，常用的热电偶，低温可测到
，
高温可50测C达到
左右1，6配0C以0特殊材料的热电极，
最低可测
，最高1可80C 达
的温度28。0C0
④具有良好的敏感度。
⑤使用方便。
11.2热电偶
11.2.1热电效应 两种不同材料的导体或半导体A、B串接成一个闭 合回路，并使结点1和2处于不同的温度 TT0、 ，那么
11.1概述
11.1.1温度测量方法
⑴接触式测温 接触式温度测量的特点是感温元件直接与被测对象 相接触，两者进行充分的热交换，最后达到热平衡，此 时温度计的示值就是被测对象的温度。 以接触式方法测温的常用温度计有玻璃温度计、压 力温度计、双金属温度计、热电偶以及热电阻等接触式 温度测量特别适合 120 C 0 以下，热容大，无腐蚀性对 象的连续在线测温。
类。按温度范围范围，可分为超低温、低温、中
高温和超高温温度测量。超低温一般是指0-10K
，低温指10-800K ，中温指50 ~ 1 06 C 00 ，高温
指
16~ 02 050 C0250C 0
，
以上被认为是超高温。
表11-1 常用测温仪表
测
温 方
类别
典型仪表名称
式
测温原理
测量范围 C
双金属温度计
11.1概述
11.1.2温度的单位
1.经验温标 根据某些物质的体积膨胀与温度的关系，用实验方法或
经验公式所确定的温标称为经验温标。 ①华氏温标 华氏温标规定在大气压下纯水的冰点为32度，沸点为212
度，中间划分为180等份，每一等份为1华氏度. ②摄氏温标
摄氏温标将标准大气压下水的冰点定为零度，水的沸点 定为100度，在0-100之间划分了100等份，每一等份为1摄氏 度，用符号t表示。
固体热膨胀变形量随温度 变化
80~600
接 触
膨胀 式
压力式温度计
气体、液体在定容条件下， 10~0500 压力随温度变化
式 测 温
玻璃管液体温 液体热膨胀体积量随温度 10~0600
度计
变化
仪 表
电阻 类
热电阻
金属或半导体电阻值随温 20~0650 度变化
热电 类
热电偶
热电效应
200~1800
测
3.绝对气体温标 从理想气体状态方程入手，复现的热力学温标称为绝
对气体温标，由波义尔定律，有
PVRT （11-3)
式中，为P一定质量的气体的压强；为V该气体的体积 ；为R普适常数；为T热力学温度。
当气体的体积为恒定时，其压强就是温度的单值函数 T 2T 1P 2P 1nV R恒（量 11-4）
这种比值关系与开尔文给出的热力学温标的比值关系 完全类似。因此若用同一固定点（水的三相点）来作参考 点，两种温标在数值上就完全相同。上式就是理想气体的 温标方程。
系为
t90T9027.135
（11-5）
温度量程的分段与内插方程。摄氏温度与热力学温
度之间的关系仍如式（11-5）所示，可记为
tT27.135 （11-6）
11.1概述
11.1.3温度测量仪表的分类
温度测量范围广，测温仪表的种类很多。按
工作原理分，有膨胀式、热电阻、热电偶以及辐
射式等；按测量方式分，有接触式和非接触式两
第11章 温度测量
11.1概述 11.2热电偶 11.3热电数的测量
过程控制系统至少包括被控对象（或称被控 过程）、检测装置（包括传感器和变送器）和控 制器（或调节器）以及执行机构四个基本部分。
检测装置将被测参数如温度、压力、流量、 液位以及成分量等检测出来，并变换成相应的统 一标准信号，系统显示、记录或进行下一步的调 整控制作用。检测装置实际上包括两部分内容， 首先是将被控参数检测出来，然后变送器将其变 换成统一标准信号。
回路中会存在热电E势ABT,T0 ，因而就有电流产生，
这一现象称为热电效应。
图11-1 热电偶回路
11.2热电偶
11.1概述
温度是表征物体冷热程度的一种物理量，是工业生产 和科学实验中最普遍、最重要的热工参数之一。 温度不能 直接进行测量，只能借助于冷热不同的物体之间的热交换 ，以及物体的某些物理性质随冷热程度不同而变化的特性 ，来进行间接的测量。
根据测温的方式可以分为接触式测温法与非接触式测温 法两大类。
温 方
类别
典型仪表名称
式
测温原理
其它 电学 类
石英晶体温度 计
集成温度传感 器
晶体的固有频率随温度变 化
半导体器件的温度效应
非 光电亮度温度传感器 接
物体单色辐射强度及亮度 随温度变化
触 全辐射温度传感器 式
物体全辐射能随温度变化
测 温
部分辐射温度传感器
限于特定部分光谱范围工 作内辐射能随温度变化
仪 表
光电比色温度传感器
两个波长的亮度比随温度 变化
测量范围
C
50~120 50~150 600~2400
700~2000
11.2热电偶
在温度测量中虽有许多不同测量方法，但利用热电
偶作为测温元件应用最为广泛，其主要优点为：
①结构简单，其主体实际上是由两种不同性质的导
体或半导体互相绝缘并将一端焊接在一起而成的。
11.1概述
摄氏温标与华氏温标的关系为 T1.8t32（11-1）
⒉热力学温标 1848年由开尔文提出的以卡诺循环为基础建立的
热力学温标，是一种理想而不能真正实现的理论温 标，它是国际单位制中七个基本物理单位之一。
它与摄氏温度之间的关系为
tT27 .13 （511-2）
单位是开，记为 K 。
11.1概述