非电量检测技术第三章
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2+非电量检测技术基础
2014-5-5
第二章 非电量检测技术基础
6/86
3、非电量检测技术的应用概述(工农业生产、科学研究 )
1)在工程结构和机械设计过程中
若仅凭已有的理论公式或经验公式计算，往往还不够准确， 2)在许多科学研究过程中
特别是对许多复杂的结构和特殊条件还没有理论或经验公式可 2013 年2月19日10时46分，云南省昭通市巧家县、四川省凉 “地震预警”并非“地震预报”，两者不属同一概念。地 地震学家、中国工程院院士许绍燮坦言，对于绝大多数地 地震预警系统的工作原理就在于可以探测到地震发生最初时发 非电量检测也占有很重要的位置。例如，航空和宇 美国地质勘探局明确表示，他们不预测地震，而只做长期 地震预警系统是指实现地震预警的配套设施。按照系统响 依据时，就更需要进行实地的测试。同时，在现代化的设计工 山彝族自治州宁南县交界发生 4.9级地震。而在 10 时 46 分59 秒， 震预报是对尚未发生、但有可能发生的地震事件事先发出通告； 震，地震预警能够提供的有效预警时间不超过 30 秒。日本是世 射出来的无破坏性的地震波（纵波即 P波， primary wave ）， 概率预报，对地震灾害做出评估。例如， 应的顺序可包括：地震监测台网、地震参数快速判测系统、警 2012 年 4 月，美国地质 航技术中的风洞实验要涉及大量的机械量的检测；新型 作中，通常都要先作模拟实验，通过模拟实验来寻找或判断最 安装在云南省昭通市防震减灾局工作人员手机和计算机上的地 而“地震预报”是指突发性大震已发生、抢在严重灾害尚未形 界上第一个建立向公众发布地震警报的地震预警系统的国家， 而破坏性的地震波（横波即 S-波，secondary wave）由于传播 勘探局评估说，在未来 报信息快速发布系统和预警信息接受终端。整套系统的特点是 30年内加州发生 6.7级以上的地震概率为 建筑材料、机械构件的研制以及桥梁的架设等，均需要 佳条件，而这些模拟实验是离不开非电量检测的。（月球、火 震预警信息接收终端发出了地震预警倒计时警报，并显示地震 成之前发出警告并采取措施的行动，也称作“震时预警”。 2011 年“3.11”大地震发生时，东京预警就为人们紧急避险提 速度相对较慢则会延后 10～30秒到达地表。深入地下的地震探 99.7 高度集成、实时监控、飞速响应，尤其是飞速响应这一点至关 ％，但是不能预测地震发生的具体地点和时间。 星） 进行种类繁多的非电量检测后，才能得到可靠的研究数 预警信息：“云南巧家 10时47 分05秒发生 5.0级地震……”该地 地震预警（ 供了几十秒钟的时间。但在此后的多次余震中，预警发布则显 earthquake warning ），不是地震预测或预报。 测仪器检测到纵波（ P-early 波）后传给计算机，即刻计算出震级、 重要。因为地震预警系统其实就是在和地震波赛跑，多跑赢一 据，取得应有的成果。（地震预测） 震预警信息也通过手机、计算机、专用接收终端、微博等进行 地震预警是指在地震发生以后，抢在地震波传播到设防地区前， 得有些混乱。 烈度、震源、震中位，于是预警系统抢先在横波（ S-波）到达 秒，就能多获得一秒的应对时间，用分秒必争来形容最为恰当 了同步发布。很快，地震如期而至。据悉，该地震预警系统还 向设防地区提前几秒至数十秒发出警报，以减小当地的损失。 一般来说，对面向公众的预警而言，地震预警系统只对距 地面前 10～30秒通过电视和广播发出警报。并且，由于电磁波 不过。 对随后的多次地震进行了成功预警，包括当天宜宾市境内发生 离震源50公里至200公里的范围有效。对于 50公里以内的地区， 比地震波传播得更快，预警也可能赶在 P波之前到达。 的 4.5级地震。 即使发出预警也可能来不及反应，而对于三四百公里以外的地 区，地震产生的破坏可能又并不严重，没有必要发出预警。
非电量电测
2. 温差电势：单一导体的两端温度不同产生电势。
U ,
T
T0 Adt
T
T0 Bdt
T
T0 ( A B )dt
总电势等于接触电势+温差电势
σA,σB：两种导体的 汤姆逊系数
E
U
U
,
k e
(T
T0 ) ln
nA nB
T
T0 ( A B )dt
f (T ) F(T0 ) F(T )
热电偶示意图
➢ 热电偶条件：两种材料、有温差（热端T和冷端T0 ） ➢ 常用的热电偶有：铜—康铜、镍铬—铬、铂铑—铂等 ➢ 热电偶测量温度范围宽、电势低、输出非线性
热电势
热电势来源于两类电势： 1. 接触电势：结点处因自由电子密度不同而产生的电势差.
U
k e
(T
T0 ) ln
nA nB
K：为玻耳兹曼常数，e：电子当量， nA ，nB：金属A和B的自由电子密度
UJ36 电位差计使用
因温差电动势较低，在实验中用电位差计测量
测量方法
1. 将热电偶的电压端接到电位差计的“未知”端。注意极性 2. 三个调零：
机械调零：将K调到X1档，调节调零旋钮，使检流计指“0” 电流调零：功能开关K1调至“标准”，调节“电流调节”旋
钮，使检流计指“0” 电势调零：将K1拨至“未知”，调节读数盘，使检流计指
炉温测定记录：列出标准测温仪和 铜电阻温度计的测量结果，进行分 析讨论。铜电阻温度计最小分度为 5℃。
2. 热电偶标定 ： 列表记录标定数据。 以温度t为横坐标，电势E为纵坐标做E-t图即标定曲线.
注意事项
1. 注意电阻温度计接线和电源正负 2. 热电偶不要乱拔 3. 使用NKJ智能温控辐射式加热器进行标定时，仔细阅读说
《检测技术》习题及答案
答：电涡流传感器结构简单、频率响应宽、灵敏度高、测量范围大，抗干扰能力强，特别是由于其非接触测量式的特点，在工业生产和科学技术的各个领域中得到了广泛的应用。
11.什么事霍尔效应？霍尔电势与哪些参数有关？
答：①将导体或半导体置于磁场中并通入电流，若电流方向与磁场方向正交，则在与磁场和电流两者都垂直的方向上会出现一个电势差，这种现象称为霍尔效应。②与霍尔灵敏度系数、控制电流和磁感应强度有关。
检测技术
第一章
1.为什么测量结果都带有误差？研究测量误差有和意义？
答：①一切测量都具有误差，误差自始至终存在于所有科学实验的过程中。任何测量结果与被测物理量的真值之间都存在误差。②任何一个描述和表征测量结果的数据，若不知其可信程度，则该数据是无价值和无意义的。通过研究误差的来源，性质，和传递规律，掌握如何消除减小固定和估计误差对测量结果的影响买得到可靠的真实反映事物本质的结果，这就是误差理论研究的目的。
1.5%=±9℃ X1=±15÷500×100%=±3% X2=±12÷500×100%=±2.4% X3=±9÷500×100%=±1.8% 可供选择为第二台和第三台，因第二台经济合理，所以选择第二台，即等级精度为2.0的
第二章
1.何谓传感器？它由哪几部分组成？
答：①传感器是一种能把特定的被测非电量信息按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置。②它一般由敏感元件、转换原件和变换电路三部分组成。
3.什么事传感器的动态特性？
答：传感器的动态特性是指对于随时间变化的输入量的响应特性，在研究动态特性时通常根据“标准”输入信号来考虑传感器的响应特性。
第三章
1.经验温标主要有哪些？它们是如何定义的？
答：①华氏温标、摄氏温标②华氏温标：以水银为测温介质，制成玻璃水银温度计，选取氯化铵和冰水的混合物为温度计的零度，人体的温度为温度计的100度，根据温度计的体膨胀距离分成100份，每一份为1华氏度，记作1 °F。摄氏温度：在标准大气压下，把水的冰点定为0度，水的沸点定为100度，根据水的这两个固定温度点作100等分，每一份称为1摄氏度，记作1℃
吕国泰《电子技术》第9章-非电量电侧技术精选全文
18
第二节 温度传感器
2.伏安特性U ＝ƒ（Ⅰ）
在稳定状态下，通过热敏电阻的电流I与其 两端之间的电压U的关系。
19
第二节 温度传感器
注意：当热敏电阻的电流很小时其伏安特性 符合欧姆定律，是曲线的线性上升段；当电流 增大到一定值时，引起热敏电阻自身温度升高， 出现了负阻特性，即虽电流增大电阻却减小， 端电压反而下降。因此，在具体使用中，应尽 量减小通过热敏电阻的电流，以减小自热效应 的影响。
输入特性 基本性能：
输出特性
（一）静态特性
静态特性 动态特性 静态特性 动态特性
1.定义—— 被测量的各个值处于稳态或随
时间非常缓慢地变化的状态下，传感器输出 与输入信号之间的关系。
2.表示方式：曲线、数学表达式、表格。
7
第一节 非电量电侧技术概述
3.衡量静态特性的主要参数
(1)测量范围：各种传感器都有一定测量范围， 超过规定的测量范围，测量结果会有较大的误 差或造成传感器的损坏。
＋
E
－
第二节 温度传感器
R1
b E1
R5 RCu
R2
A a＋
R3
－
R1、R2、R3是用电阻温度系数极小的锰铜线 B
绕成，RCu是用电阻温度系数较大的铜导线绕
成，其特性与所配
27
第二节 温度传感器
在200C时，电桥平衡无需进行补偿。 当冷端温度升高时，RCu的阻值随之增大，Uab 增大；而热电偶的电动势E却减小。若Uab增加 量与E减小量相等，则热电偶输出的电压UAB的 大小将不随冷端温度变化而变化。 若冷端温度降低时，则RCu阻值减小，而E则 增大，也可使UAB的大小与冷端温度无关。 此外，还有热电偶补偿法、湿度修正法、热电 动势修正法等补偿和修正方法。
4常见非电量检测
在沿着偏心方向上，条纹近似地平行于栅线，称纵向莫尔条纹 其他位置上上，称为斜向莫尔条纹
(b) 切向光栅 --- 环形莫尔条纹
光栅：两块，切向刻线，切向相同，栅距角相同， 基圆半径不同，栅线面相对同心叠合， 条纹：是以光栅中心为圆心的同心圆簇， 宽度也不是定值，随位置不同而不同。 特点：具有全光栅平均效应，用于高精度角度测量和分度。 (c) 环形光栅 --- 辐射形莫尔条纹 光栅：两块完全相同，环形刻线，偏心叠合， 条纹：近似直线并成辐射方向，称为辐射形莫尔条纹。
nz f 60
r 1齿 （s ）
60 齿 （
r
min ）
一、测频法 测定在预定的标准时间内进入计数器的待测信号脉冲的个数从 而得到转速。 · （首先）将频率为 f 的电脉冲放大整形，传输到主门的输入端 ·由晶体（石英）振荡器产生标准频率 f 信号，经时基分频器产 生可调波宽的低频方波信号（即标准时基 t （0.1s,1s,10s 等）
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。
接触式与非接触式测温特点比较
方 式 测量 条件 接 触 式 感温元件要与被测对象良好接触；感温元件 的加入几乎不改变对象的温度；被测温度不 超过感温元件能承受的上限温度;被测对象不 对感温元件产生腐蚀 特别适合1200℃以下、热容大、无腐蚀性 对象的连续在线测温，对高于l 300℃以上 的温度测量较困难 工业用表通常为1.0、0.5、0.2及0.1级， 实验室用表可达0.01级 慢，通常为几十秒到几分钟 非 接 触 式 需准确知道被测对象表面发射率；被测对 象的辐射能充分照射到检测元件上
(6) 流量检测
一. 流量的概念 流体在单位时间内流经某一有效截面的体积或质量，前 者称体积流量（m3/s)，后者称质量流量(kg/s)。
朱明zhubob-电气测试技术3章非电量检测技术4.5.6传感器
6
变面积式电容传感器
朱明工作室 zhubob
位移式结构
角位移式 变面积式
图a是平板形直线位移式结构，其中极板1可以左右移动， 称为动极板。极板2固定不动，称为定极板。图b是同心圆筒形 变面积式传感器。外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直 线运动。图c是一个角位移式的结构。极板1的轴由被测物体带
动而旋转一个角位移 度时，两极板的遮盖面积A就减小，因
d d 3 d 5 C C1 C 2 2C 0 ( ( ) ( ) ) d0 d0 d0
12
朱明工作室 zhubob
三、测量电路-p88
电容式传感器的测量电路较多，通常采用的包括电 桥电路、调频电路、差动脉冲调宽电路以及运算放大 器电路等。
13
1、电桥电路-p88
2
3.4电容式传感器
一、基本工作原理
朱明工作室 zhubob
电容式传感器是一个具有可变参数的电容器。忽略 边缘效应，可得到平板电容器的电容为：
C
r 0 A
d
A
d
0
r
A
C
d
-------------------------
平行板间介质的相对介电常数 真空介电常数 平行板间介质的介电常数 两平行板所覆盖的面积 两平行板之间的距离 电容量
而电容量也随之减小。
7
二、电容式传感器的结构类型及主要特性朱明工作室 -p85 zhubob
1、变气隙型电容传感器特性-p85 r 0 A
电容的电容量： 电容的相对变化量：
C
d
A
d
(3-70)
传感器的灵敏度为：
C d C d C d k C d
变面积式电容传感器
朱明工作室 zhubob
位移式结构
角位移式 变面积式
图a是平板形直线位移式结构，其中极板1可以左右移动， 称为动极板。极板2固定不动，称为定极板。图b是同心圆筒形 变面积式传感器。外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直 线运动。图c是一个角位移式的结构。极板1的轴由被测物体带
动而旋转一个角位移 度时，两极板的遮盖面积A就减小，因
d d 3 d 5 C C1 C 2 2C 0 ( ( ) ( ) ) d0 d0 d0
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朱明工作室 zhubob
三、测量电路-p88
电容式传感器的测量电路较多，通常采用的包括电 桥电路、调频电路、差动脉冲调宽电路以及运算放大 器电路等。
13
1、电桥电路-p88
2
3.4电容式传感器
一、基本工作原理
朱明工作室 zhubob
电容式传感器是一个具有可变参数的电容器。忽略 边缘效应，可得到平板电容器的电容为：
C
r 0 A
d
A
d
0
r
A
C
d
-------------------------
平行板间介质的相对介电常数 真空介电常数 平行板间介质的介电常数 两平行板所覆盖的面积 两平行板之间的距离 电容量
而电容量也随之减小。
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二、电容式传感器的结构类型及主要特性朱明工作室 -p85 zhubob
1、变气隙型电容传感器特性-p85 r 0 A
电容的电容量： 电容的相对变化量：
C
d
A
d
(3-70)
传感器的灵敏度为：
C d C d C d k C d
《非电量测量技术》 总结 (2)
总结一、传感器按照工作原理分类1.电阻式（电位器式，应变式，压阻式）传感器2.电容式3.自感式（变磁阻式）4.差动变压器式5.涡流式（高频反射式，低频透射式）6.差动变压器式涡流式7.磁电式（磁电感应式——线速度型动圈式、动铁式、动衔铁式，角速度型…；电磁流量计；霍尔传感器）8.热电式（热电偶，热电阻，热敏电阻）9.压电式（压电晶体，压电陶瓷）10.光电式（光电管、光电阻、光电池、光敏二极管、光敏三极管）二、传感器敏感元件材料1.电阻式（电位器式，应变式--，压阻式—硅基，氧化锌基）传感器2.电容式3.自感式（变磁阻式）4.差动变压器式5.涡流式（高频反射式，低频透射式）6.差动变压器式涡流式7.磁电式（磁电感应式—线速度型动圈式、动铁式、动衔铁式，角速度型…；电磁流量计；霍尔传感器—N型半导体（N型锗，锑化铟），磁敏电阻—同霍尔片）8.热电式（热电偶—NiCr-NiSi，热电阻—铂，铜，热敏电阻—NTC钛酸钡（BaTiO3）为基本材料，再掺入适量的稀土元素，利用陶瓷工艺高温烧结而成；PTC：以氧化锰、氧化钴、氧化镍、氧化铜和氧化铝等金属氧化物为主要原料，采用陶瓷工艺制造而成）9.压电式（压电晶体—石英，铌酸锂，压电陶瓷--钛酸钡，锆钛酸铅）10.光电式（光电管—氧化铯、光敏电阻--硫化镉、硫化铋、光电池—硅、光敏二极管、光敏三极管）三、传感器转换元件：波尔铜管（波尔登规，波登管，弹簧管，C形弹簧管）：气体压力→位移波纹管：气体压力→位移膜盒：气体压力→位移弹性元件（弹性悬臂梁，弹簧）：力→位移、应变质量块：加速度→力双金属片：温度→位移涡轮：流速→转速浮块：位移→液位曲柄：角位移→线位移，线位移→角位移；角速度→线速度（振动），线速度→角速度温包：温度→压力四、传感器按照被测量分类1.位移（线位移，角位移，距离）传感器电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器.2.速度传感器（线速度型）：汽车速度检测，船，飞机。
非电量检测技术
30
在生产过程和科学实验中, 要对各种各样的参数进行检测和控 制, 就要求传感器能感受被测非电量的变化并将其不失真地变换成 相应的电量, 这取决于传感器的基本特性, 即输出—输入特性。 如果把传感器看作二端口网络, 即有两个输入端和两个输出端, 那么 传感器的输出-输入特性是与其内部结构参数有关的外部特性。 传感器的基本特性可用静态特性和动态特性来描述。 传感器的静态特性 一、 传感器的静态特性 传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出输入 关系。只考虑传感器的静态特性时, 输入量与输出量之间的关系式 中不含有时间变量。衡量静态特性的重要指标是线性度、 灵敏度, 迟滞和重复性等。
∆Rmax rR = ± ×100% YFS
（2-5）
22
1 ∆Rmax rR = ± × 100% 2 YFS
（2-6）
23
• 5.分辨率
• 分辨率是指传感器能检测到的最小的输入增量. • 有些传感器，如电位器式传感器，当输入量
• 连续变化时，输出量只做阶梯变化，则分辨 率就是输出量的每’一个“阶梯”所代表的 输入量的大小。 • 分辨率可用绝对值表示，也可用与满量程的 百分比表示
20
1 ∆Η max rΗ = ± × 100% 2 YFS
（2-4）
式中: ∆Hmax——正反行程输出值间的最大差值。
21
4. 重复性 重复性 重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连 续多次变化时, 所得特性曲线不一致的程度, 如图 2 - 5 所 示。 重复性误差属于随机误差, 可用正反行程中的最大偏 差表示(或标准偏差表示), 即
10
传感器的分类
一、按工作原理分类 结构型 电容式压力传感器 物理型
传 感 器
在生产过程和科学实验中, 要对各种各样的参数进行检测和控 制, 就要求传感器能感受被测非电量的变化并将其不失真地变换成 相应的电量, 这取决于传感器的基本特性, 即输出—输入特性。 如果把传感器看作二端口网络, 即有两个输入端和两个输出端, 那么 传感器的输出-输入特性是与其内部结构参数有关的外部特性。 传感器的基本特性可用静态特性和动态特性来描述。 传感器的静态特性 一、 传感器的静态特性 传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出输入 关系。只考虑传感器的静态特性时, 输入量与输出量之间的关系式 中不含有时间变量。衡量静态特性的重要指标是线性度、 灵敏度, 迟滞和重复性等。
∆Rmax rR = ± ×100% YFS
（2-5）
22
1 ∆Rmax rR = ± × 100% 2 YFS
（2-6）
23
• 5.分辨率
• 分辨率是指传感器能检测到的最小的输入增量. • 有些传感器，如电位器式传感器，当输入量
• 连续变化时，输出量只做阶梯变化，则分辨 率就是输出量的每’一个“阶梯”所代表的 输入量的大小。 • 分辨率可用绝对值表示，也可用与满量程的 百分比表示
20
1 ∆Η max rΗ = ± × 100% 2 YFS
（2-4）
式中: ∆Hmax——正反行程输出值间的最大差值。
21
4. 重复性 重复性 重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连 续多次变化时, 所得特性曲线不一致的程度, 如图 2 - 5 所 示。 重复性误差属于随机误差, 可用正反行程中的最大偏 差表示(或标准偏差表示), 即
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传感器的分类
一、按工作原理分类 结构型 电容式压力传感器 物理型
传 感 器
传感器与检测技术第2版课件第3章
• 当活动铁心向线圈的另一个方向移动时，用上述分析方法同样可以证明，无论
在Ui的正半周还是负半周，电桥输出电压U0均为负值，即
综上所述可知，采用带相敏整 流的交流电桥，其输出电压既 能反映位移量的大小，又能反 映位移的方向，所以应用较为 广泛。
3.1.3自感式传感器应用实例
• 1. 自感式压力传感器
1）尽可能保证传感器尺寸、线圈电气参数和磁路对称。 2）选用合适的测量电路。 3）采用补偿线路减小零点残余电压。
3.2.2测量电路
• 1. 差动整流电路
• 采用差动整流电路后，不但可以用 0 值居中的直流电表指示输 出电压或电流的大小和极性，还可以有效地消除残余电压，同时 可使线性工作范围得到一定的扩展。
• 2.带相敏整流的交流电桥
为了既能判别衔铁位移的大小，又能判断出衔铁位移的方向，通常 在交流测量电桥中引入相敏整流电路，把测量桥的交流输出转换为 直流输出
图中电桥的两个臂Z1、Z2分别为差动式传感器中 的电感线圈，另两个臂为平衡阻抗Z3、Z4（Z3= Z4 = Z0 ） , VD1、VD2、VD3、VD4四只二极管组成
• 由上式可知，这时电桥输出电压，电桥处于平衡状态。
• 当铁芯向一边移动时，Z1= Z0 + ∆Z， Z2= Z0﹣∆Z，代入上式得
当传感器线圈为高Q值时，可得到输出电压的值为
同理，当活动铁心向另一边（反方向）移动时，则有
综合以上两式可得知电桥输出电压
差动式自感传感器采用变压器交流电桥为测量电路时，电桥输出电压 既能反映被测体位移量的大小，又能反映位移量的方向，且输出电压与 电感变化量呈线性关系。
1~100mm范围内的机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、 性能可靠等优点。
在Ui的正半周还是负半周，电桥输出电压U0均为负值，即
综上所述可知，采用带相敏整 流的交流电桥，其输出电压既 能反映位移量的大小，又能反 映位移的方向，所以应用较为 广泛。
3.1.3自感式传感器应用实例
• 1. 自感式压力传感器
1）尽可能保证传感器尺寸、线圈电气参数和磁路对称。 2）选用合适的测量电路。 3）采用补偿线路减小零点残余电压。
3.2.2测量电路
• 1. 差动整流电路
• 采用差动整流电路后，不但可以用 0 值居中的直流电表指示输 出电压或电流的大小和极性，还可以有效地消除残余电压，同时 可使线性工作范围得到一定的扩展。
• 2.带相敏整流的交流电桥
为了既能判别衔铁位移的大小，又能判断出衔铁位移的方向，通常 在交流测量电桥中引入相敏整流电路，把测量桥的交流输出转换为 直流输出
图中电桥的两个臂Z1、Z2分别为差动式传感器中 的电感线圈，另两个臂为平衡阻抗Z3、Z4（Z3= Z4 = Z0 ） , VD1、VD2、VD3、VD4四只二极管组成
• 由上式可知，这时电桥输出电压，电桥处于平衡状态。
• 当铁芯向一边移动时，Z1= Z0 + ∆Z， Z2= Z0﹣∆Z，代入上式得
当传感器线圈为高Q值时，可得到输出电压的值为
同理，当活动铁心向另一边（反方向）移动时，则有
综合以上两式可得知电桥输出电压
差动式自感传感器采用变压器交流电桥为测量电路时，电桥输出电压 既能反映被测体位移量的大小，又能反映位移量的方向，且输出电压与 电感变化量呈线性关系。
1~100mm范围内的机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、 性能可靠等优点。
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
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》
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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？
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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。
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温水槽中（插入时间忽略不计） , 这时热电偶测量的介质温度从
t0℃突然上升到t, 而热电偶反映出来的温度从t0℃变化到t ℃需要经 历一段时间, 即有一段过渡过程, 如图 2 - 6 所示。热电偶反映出来 的温度与介质温度的差值就称为动态误差。
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造成热电偶输出波形失真和产生动态误差的原因, 是因为温度传 感器有热惯性（由传感器的比热容和质量大小决定）和传热热阻, 使 得在动态测温时传感器输出总是滞后于被测介质的温度变化。 如带有套管的热电偶的热惯性要比裸热电偶大得多。 这种热惯性是 热电偶固有的, 这种热惯性决定了热电偶测量快速温度变化时会产生 动态误差。 影响动态特性的“固有因素”任何传感器都有, 只不过它们的表现形 式和作用程度不同而已。
性来表示。
一个动态特性好的传感器, 其输出将再现输入量的变化
规律, 即具有相同的时间函数。实际上除了具有理想的比
例特性外, 输出信号将不会与输入信号具有相同的时间函 数,这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。
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为了说明传感器的动态特性, 下面简要介绍动态测温的问题。
如把一支热电偶从温度为 t0℃环境中迅速插入一个温度为 t℃的恒
核心：敏感原件。它是研究、设计、制作传感器的关键， 更是我们学习的重点。
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传感器的分类
一、按工作原理分类 结构型 电容式压力传感器 物理型
传 感 器
物性型 压电式压力传感器 化学型 生物型 离子敏传感器 荧光生物传感器
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传感器的分类
二、按被测量分类 温度 压力 流量 位移
传 感 器
……Leabharlann 速度 湿度131. 传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。
输出与输入关系可分为线性特性和非线性特性。 从传感器的性能
看, 希望具有线性关系, 即具有理想的输出输入关系。但实际遇到的 传感器大多为非线性,如果不考虑迟滞和蠕变等因素, 传感器的输出 与输入关系可用一个多项式表示： y=a0+a1x+a2x2+…+anxn (2 - 1)
迟滞大小通常由实验确定。迟滞误差γH可由下式计算:
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1 max r 100% 2 YFS
（2-4）
式中: ΔHmax——正反行程输出值间的最大差值。
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4. 重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连 续多次变化时, 所得特性曲线不一致的程度, 如图 2 - 5 所 示。 重复性误差属于随机误差, 可用正反行程中的最大偏 差表示(或标准偏差表示), 即
动态特性除了与传感器的固有因素有关之外, 还与传感器输入量 的变化形式有关。也就是说,我们在研究传感器动特性时, 通常是根据 不同输入变化规律来考察传感器的响应的。
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虽然传感器的种类和形式很多, 但它们一般可以简化 为一阶或二阶系统（高阶可以分解成若干个低阶环节）,
因此一阶和二阶传感器是最基本的。
式中: a0——输入量x为零时的输出量;
a1, a2, …, an——非线性项系数。
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各项系数不同, 决定了特性曲线的具体形式各不相同。
静态特性曲线可通过实际测试获得。在实际使用中, 为了标定 和数据处理的方便, 希望得到线性关系, 因此引入各种非线性补偿环 节。 如采用非线性补偿电路或计算机软件进行线性化处理, 从而使传感
Lmax rL 100% YFS
式中: ΔLmax——最大非线性绝对误差; YFS ——满量程输出。
（2-2）
从图 2 - 2 中可见, 即使是同类传感器, 拟合直线不同, 其线性 度也是不同的。 选取拟合直线的方法很多, 用最小二乘法求取的 拟合直线的拟合精度最高。 2． 灵敏度 灵敏度S是指传感器的输出量增量 Δy 与引起输出量增量Δy 的输入量增量Δx的比值, 即 S=Δy/Δx （2 - 3）
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• 理论拟合:拟合直线为传感器的理论特性,与 测试值无关. • 过零旋转拟合:常用于校正曲线过零的传感器. • 端点拟合:把校正曲线两端点的连线作为拟合 直线. • 端点平移拟合:端点拟合的直线进行平移,最 大误差减半.
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实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称为传感器的非线性误差 （或线性度）, 通常用相对误差γL表示, 即
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• 6.稳定性 • 稳定性是指传感器在长时间工作情况下输出 量发生的变化。 • 有时称为长时间工作稳定性或零点漂移。 • 前后两次输出之差即为稳定性误差。 • 稳定性误差可用相对误差表示，也可以用绝 对误差来表示。
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二、 传感器的动态特性 传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入 量的响应特性。 当被测量随时间变化 ,是时间的函数时, 则传感器的输出量也是时间的函数,其间的关系要用动特
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对于线性传感器, 它的灵敏度就是它的静态特性的斜率, 即S=Δy/Δx为常 数, 而非线性传感器的灵敏度为一变量, 用S=dy/dx表示。传感器的灵敏度 如图2 - 3 所示。
灵敏度越高，测 量范围也越小， 稳定性越差。
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3. 传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期 间其输出-输入特性曲线不重合的现象称为迟滞, 如图 2 - 4 所示。 也就是说, 对于同一大小的输入信号, 传 感器的正反行程输出信号大小不相等。产生这种现象的主 要原因是由于传感器敏感元件材料的物理性质和机械零部 件的缺陷所造成的 , 例如弹性敏感元件的弹性滞后、运动 部件摩擦、传动机构的间隙、紧固件松动等。
Rmax rR 100% YFS
（2-5）
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1 Rmax rR 100% 2 YFS
（2-6）
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• 5.分辨率
• 分辨率是指传感器能检测到的最小的输入增量. • 有些传感器，如电位器式传感器，当输入量
• 连续变化时，输出量只做阶梯变化，则分辨 率就是输出量的每’一个“阶梯”所代表的 输入量的大小。 • 分辨率可用绝对值表示，也可用与满量程的 百分比表示
器的输出与输入关系为线性或接近线性。
但如果传感器非线性的方次不高,输入量变化范围较小时, 可用一条 直线（切线或割线）近似地代表实际曲线的一段, 如图 2 - 2 所示, 使 传感器输出—输入特性线性化。所采用的直线称为拟合直线。
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图2-2 (a) 理论拟合； (b) 过零旋转拟合； (c) 端点连线拟合； (d) 端点平移拟合
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常见的非电量
机械量 热工量 化工量 位移、速度等
压力、温度、流量等
浓度、PH值等
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早期非电量的测量
主要采用非电的技术手段
PH值的测量
温度的测量
5
非电技术的缺点
测量准度不高 自动化程度不高 测量速度不快
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传感器技术
传感器技术是信息时代的 三大技术 之一，它是获取准确、可靠信息的重要 手段。
三 大 技 术
计算机技术 通 信技术
大脑 神经
传感器技术
感官
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传感器的基本概念
一、传感器的地位和作用 传感器是科学仪器等测量系统、自动控制系统 中信息获取的首要环节和关键技术。
传感器的作用就是测量。
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传感器的基本概念
二、传感器的定义 传感器是指能够感受规定的被测量并按照一定规 律转换成可用输出信号的器件或装置。
此法最为常见！
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2.2传感器的基本特性
在生产过程和科学实验中 , 要对各种各样的参数进行检测和控 制, 就要求传感器能感受被测非电量的变化并将其不失真地变换成 相应的电量, 这取决于传感器的基本特性, 即输出—输入特性。 如果把传感器看作二端口网络, 即有两个输入端和两个输出端, 那么 传感器的输出-输入特性是与其内部结构参数有关的外部特性。 传感器的基本特性可用静态特性和动态特性来描述。 一、 传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出输入 关系。只考虑传感器的静态特性时, 输入量与输出量之间的关系式 中不含有时间变量。衡量静态特性的重要指标是线性度、 灵敏度, 迟滞和重复性等。
传感器的输入量随时间变化的规律是各种各样的, 下面在
对传感器动态特性进行分析时，采用最典型、最简单、
易实现的正弦信号和阶跃信号作为标准输入信号。 对于正弦输入信号, 传感器的响应称为频率响应或稳态响 应；对于阶跃输入信号, 则称为传感器的阶跃响应或瞬态 响应。
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1、它是测量装置，能完成检测任务。
理 解
2、输入量可以是物理量，也可以是化学量、生物量等。 3、输出量是某种物理量，比如气、光、电物理量，但 主要是电信号。 4、输入输出有对应的关系，且有一定的精度。
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传感器的基本概念
三、传感器的组成 传感器由敏感原件、转换原件、基本转换电路 三部分组成。
传感器组成框图
第三章
非电量检测技术
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3.1 传感器的基础知识 3.2 温度的测量 3.3 压力的测量 3.4 流量的测量 3.5 物位的测量 3.6 位移与位置的测量 3.7 转速的测量 3.8 其他非电量的测量
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地位、作用 基本概念 定义 组成 工作原理 分类 基本特性 被测量
传感器的基础知识
静态 动态 其他非电量测量 湿度测量