电子测量技术(第二版)第10章非电量的测量
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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 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
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
第10章 非电量的测量
10.1
距离是指(两物体)在空间或时间上相隔的长度。本章所 讲的距离测量主要针对空间上的间隔测量。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。距离与位移测量在工程中应用很广，这不仅因为机械
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
工程中常要求精确地测量零部件的位移、位置和尺寸，而且
许多机械量的测量往往可以先通过适当地转换变成位移的测
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
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， (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 (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
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பைடு நூலகம்的不同而有不同
(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
第10章 非电量的测量
(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，
第10章 非电量的测量
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
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
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 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
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
第10章 非电量的测量
10.1
距离是指(两物体)在空间或时间上相隔的长度。本章所 讲的距离测量主要针对空间上的间隔测量。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。距离与位移测量在工程中应用很广，这不仅因为机械
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
工程中常要求精确地测量零部件的位移、位置和尺寸，而且
许多机械量的测量往往可以先通过适当地转换变成位移的测
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
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， (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 (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
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பைடு நூலகம்的不同而有不同
(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
第10章 非电量的测量
(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，
第10章 非电量的测量
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
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
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。