電子測量技術(shù) 課件 ch11非電量測量

非電量測量第十一章電子測量技術(shù)（第四版）十二五普通高等教育本科國家級規(guī)劃教材高等學(xué)校電于信息類精品教材01非電量及其檢測的分類非電量及其檢測的分類電子測量可以測量電量，還能測量非電量。非電量的測量是通過傳感器將非電量轉(zhuǎn)換成電量來實現(xiàn)的。本章重點介紹非電量及其測量的分類、基本工作原理，傳感器的分類、特性，集成傳感器和智能傳感器的性能特點等。重點闡述非電量的應(yīng)用，單線智能傳感器的工作原理與應(yīng)用。介紹1概述電子測量除測量電量、磁量以外，還能完成非電量的測量。非電量無論是在種類上還是在數(shù)量上都比電量和磁量數(shù)量多。這些量有大有小、有強有弱；有些不隨時間而變化，有些隨時間而變化；有些是標(biāo)量，有些是矢量；有些是離散的，有些是連續(xù)的；這些量涉及到機械、熱工、化學(xué)、光學(xué)和聲學(xué)等不同領(lǐng)域。在科學(xué)技術(shù)研究及工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用的過程中，對這些量不僅要進(jìn)行測量，而且要對其進(jìn)行控制、變換、傳輸、顯示、記錄、存儲等。非電量測量是通過傳感器將非電量轉(zhuǎn)換成電量（電流I或電壓U），再通過測量電量（電流I或電壓U）的方法和措施呈現(xiàn)出非電量的數(shù)值的。大多數(shù)非電量可以精確地轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電量，于是非電量就可用電量的測量技術(shù)對其進(jìn)行測量，這就是所謂的非電量檢測技術(shù)，或稱非電量電測技術(shù)。介紹1非電量及其檢測的分類非電量主要歸納為以下四類：①熱工量：溫度、熱量、比熱、熱流、熱分布；壓力、壓強、壓差、真空度；流量、流速、風(fēng)速；物位、液位、界面等。②機械量：位移、尺寸、形狀、形變；力、應(yīng)力、力矩、扭矩；重量、質(zhì)量；轉(zhuǎn)速、線速度；振動、加速度、噪聲。③物理和成分量：氣、液體化學(xué)成分、酸堿度、鹽度、濃度、粘度、硬度；密度、比重。④狀態(tài)量：顏色、透明度、磨損量、裂紋、缺陷、泄漏等。非電量的分類2非電量及其檢測的分類用電測技術(shù)的方法對非電量進(jìn)行測量，稱為非電量的檢測技術(shù)，即非電量電測或稱非電量測量。它首先把非電量轉(zhuǎn)換成電信號，然后對其進(jìn)行測量。非電量檢測的方法依據(jù)傳感器轉(zhuǎn)換原理的不同而有不同的分類方法。歸納起來，主要劃分為以下幾類：①電磁檢測。包括：電阻式——電位計式、應(yīng)變片式、壓阻式；電感式——自感式、互感式（差動變壓器）、電渦流式、壓磁式、感應(yīng)同步式；電容式——電容式、容柵式；磁電式——磁電感應(yīng)式、磁柵式、磁敏式（霍爾式）；非電量檢測的分類3非電量及其檢測的分類熱電式——熱電偶、熱電阻、熱敏電阻；壓電式——正壓電式、聲表面波式；諧振式一一振弦式、振筒式、振片式。②光學(xué)檢測。包括：光電式，激光式，紅外線式，光柵式，光導(dǎo)纖維式，光學(xué)編碼器式等。③超聲波檢測。④同位素檢測。⑤微波檢測。⑥電化學(xué)檢測。非電量檢測的分類3非電量及其檢測的分類其優(yōu)點如下。①便于實現(xiàn)連續(xù)測量。②便于實現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量和集中控制。③便于實現(xiàn)靜態(tài)和動態(tài)測量。④便于實現(xiàn)大范圍測量。非電量檢測的主要優(yōu)點402非電量測量的組成與基本工作原理非電量測量的組成與基本工作原理非電量測量的組成和工作原理方框圖如圖11.2.1所示。一個完整的非電量測量系統(tǒng)一般包括信息的獲得、轉(zhuǎn)換、顯示和處理等幾個部分。首先要獲得被測量的非電量信息，它是通過傳感器來實現(xiàn)的。傳感器是非電量測量系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件，它是一種能感應(yīng)被測參量功能的轉(zhuǎn)換元件（或裝置），它能將光、磁、熱、力、超聲、氣體、射線和酶等物理學(xué)、化學(xué)、光學(xué)、生物學(xué)等的非電量轉(zhuǎn)換成與之有對應(yīng)關(guān)系或容易精確處理的電量和其他形式的信號。 非電量測量的組成與基本工作原理非電量測量的組成與基本工作原理基本轉(zhuǎn)換電路的功能是將傳感器的參數(shù)變化轉(zhuǎn)換為電量輸出。例如，傳感器為電參量式的，即被測信號的變化引起傳感器的電阻、電感或電容等參數(shù)的變化，傳感器輸出為電路參數(shù)R、L、C，則通過基本轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換為容易測量的電量（如電壓、電流或電荷等）。若傳感器的輸出已是電量，則不需要基本轉(zhuǎn)換電路。測量電路包括放大器、衰減器、調(diào)制與解調(diào)電路、濾波器、振蕩器、運算器等電路，測量電路的作用是把傳感器輸出的信號進(jìn)行阻抗變換、放大、濾波、電平轉(zhuǎn)換、隔離屏蔽、調(diào)制解調(diào)、模擬和數(shù)字計算等功能的傳輸與處理。測量電路的種類通常由傳感器的類型決定，同時還需要考慮信號在傳送過程中可能受到的影響，如噪聲、溫度、工作環(huán)境等。要釆取不同的措施處理不同的被測對象。非電量測量的組成與基本工作原理從傳感器到運算電路處理的都是模擬信號，而計算機處理的都是數(shù)字量。如果被測模擬量要通過計算機處理，則必須把模擬量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字量，此工作由模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換電路來完成。若需推動控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件或模擬顯示、記錄儀器，則要將計算機處理輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，即進(jìn)行必要的數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換，此工作由數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換電路來完成。03傳感器的分類傳感器的分類傳感器種類繁多，功能各異。由于同一被測量可用不同轉(zhuǎn)換原理實現(xiàn)探測，利用同一種物理法則、化學(xué)反應(yīng)或生物效應(yīng)設(shè)計制作出檢測不同被測量的傳感器，而功能大同小異的同一類傳感器應(yīng)用于不同的技術(shù)領(lǐng)域，故傳感器有不同的分類法。(1)根據(jù)傳感器感應(yīng)外界信息所依據(jù)的基本效應(yīng)，將傳感器劃分成三大類：基于物理效應(yīng)，如光、電、聲、磁、熱效應(yīng)等進(jìn)行工作的物理傳感器；基于化學(xué)反應(yīng)，如化學(xué)吸附、選擇性化學(xué)反應(yīng)等進(jìn)行工作的化學(xué)傳感器；基于酶、抗體、激素等分子識別功能的生物傳感器。(2)按工作原理分類，劃分為應(yīng)變式、電容式、電感式、電磁式、壓電式、熱電式等傳感器。傳感器的分類(3)根據(jù)傳感器使用的敏感材料分類，劃分為半導(dǎo)體傳感器、光纖傳感器、陶瓷傳感器、金屬傳感器、高分子材料傳感器、復(fù)合材料傳感器等。(4)按照被測量分類，劃分為力學(xué)量傳感器、熱量傳感器、磁傳感器、光傳感器、放射線傳感器、氣體成分傳感器、液體成分傳感器、離子傳感器和真空傳感器等。(5)按能量關(guān)系分類，劃分為能量控制型和能量轉(zhuǎn)換型兩大類。所謂能量控制型是指其變換的能量是由外部電源供給的，而外界的變化只起到控制的作用。如用電橋測量電阻溫度變化時，溫度的變化改變了熱敏電阻的阻值，從而使電橋的輸出發(fā)生變化。而能量轉(zhuǎn)換型是由傳感器輸入量的變化直接引起能量的變化。如熱電效應(yīng)中的熱電偶，當(dāng)溫度變化時，直接引起輸出電熱改變。再如，傳聲器直接將聲音信號轉(zhuǎn)化成電信號輸出。傳感器的分類(6)按傳感器是利用場的定律還是利用物質(zhì)的定律，劃分為結(jié)構(gòu)型傳感器和物理型傳感器。二者組合兼有兩者特征的傳感器稱為復(fù)合型傳感器。場的定律是關(guān)于物質(zhì)作用的定律，例如動力場的運動定律、電磁場的感應(yīng)定律、光的干涉現(xiàn)象等。利用場的定律做成的傳感器，如電動式傳感器、電容式傳感器、激光檢測器等。物質(zhì)的定律是指物質(zhì)本身內(nèi)在性質(zhì)的規(guī)律，例如彈性體遵從的虎克定律，晶體的壓電性，半導(dǎo)體材料的壓阻、熱阻、光阻、濕阻、霍爾效應(yīng)等。利用物質(zhì)的定律做成的傳感器，如壓電式傳感器、熱敏電阻、光敏電阻、光電管等。傳感器的分類(7)按是否依靠外加能源工作，劃分為有源傳感器和無源傳感器。有源傳感器敏感元件工作需要外加電源，無源傳感器工作不需外加電源。(8)按輸出量是模擬量還是數(shù)字量，劃分為模擬量傳感器和數(shù)字量傳感器。(9)按內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工藝分類，劃分為分立元件傳感器和集成傳感器。集成傳感器又包含智能傳感器，它是集成傳感器與計算機通信技術(shù)的結(jié)晶。目前，傳感器正從分立式向集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和系統(tǒng)化的方向發(fā)展。04傳感器的特性傳感器的特性傳感器的特性分為靜態(tài)特性和動態(tài)特性兩種，傳感器的各種特性主要是根據(jù)輸出量與輸入量之間的關(guān)系進(jìn)行描述的。傳感器在穩(wěn)態(tài)(輸入量為常量或變化極為緩慢的狀態(tài))信號作用下，輸入和輸岀的對應(yīng)關(guān)系稱為靜態(tài)特性；在動態(tài)(輸入信號隨時間作快速變化的狀態(tài))信號作用下，輸入和輸出的對應(yīng)關(guān)系稱為動態(tài)特性。理想傳感器的輸出與輸入呈線性關(guān)系。然而，實際的傳感器即使在量程范圍內(nèi)，其輸出與輸入的線性關(guān)系并不是理想的線性關(guān)系，總存在一定的非線性。線性度是評價非線性程度的參數(shù)。其定義為：傳感器的輸出-輸入校準(zhǔn)曲線與理論擬合直線之間的最大偏差與傳感器滿量程輸出之比，稱為該傳感器的“非線性誤差”或稱“線性度”，也稱“非線性度”。傳感器的靜態(tài)特性1傳感器的特性傳感器的輸出量對于隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性稱為傳感器的動態(tài)特性。傳感器的動態(tài)特性取決于傳感器本身及輸入信號的形式。因此，工程上常用正弦函數(shù)和單位階躍函數(shù)作為“標(biāo)準(zhǔn)”信號函數(shù)，對傳感器的動態(tài)特性進(jìn)行分析，據(jù)此確立評定傳感器動態(tài)特性的指標(biāo)。幅頻特性：頻率特性，即輸出與輸入的幅值比。以c為自變量，以A(a>)為因變量的曲線稱為幅頻特性曲線。相頻特性：頻率特性，即輸出與輸入的相角差。以3為自變量，因變量的曲線稱為相頻特性曲線。傳感器的動態(tài)特性2傳感器的特性（1）集成傳感器集成傳感器是指采用專門的設(shè)計與集成工藝，把構(gòu)成傳感器的敏感元件、晶體管、二極管、電阻、電容等基本元器件制作在一個芯片上，能完成信號檢測及信號處理的集成電路。因此，集成傳感器亦稱做傳感器集成電路。（2）智能傳感器智能傳感器是集成傳感器與計算機、通信技術(shù)的結(jié)晶。所謂智能傳感器，就是帶微處理器、兼有信息檢測和信息處理功能的傳感器。（3）集成化智能傳感器集成化智能傳感器主要有以下特點①高精度②寬量程③多功能④自適應(yīng)能力強⑤可靠性高、壽命長，具有自檢與自校準(zhǔn)功能⑥微功耗⑦高信噪比集成傳感器的性能特點305非電量測量的應(yīng)用非電量測量的應(yīng)用溫度和濕度測量電路1DS18B20是可組網(wǎng)的單線智能溫度傳感器芯片，具有耐磨耐碰、體積小、使用方便、封裝形式多樣等優(yōu)點。其特點如下：①獨特的單線總線接口方式。②內(nèi)含64位經(jīng)過激光修正的只讀存儲器。③在使用時不需要外接任何元件。④測溫范圍：-55弋~+125乞。⑤溫度分辨力可編程。⑥溫度以9?12位數(shù)字量讀出。⑦供電電壓范圍：+3.0V?+5.5V，內(nèi)含寄生電源⑧用戶可分別設(shè)定各路溫度的上限和下限。⑨內(nèi)含電源反接保護電路。阻抗測量方法濕度傳感器HS11012HS1101是電容式濕敏元件，當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生變化時，濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，濕敏電容的主要優(yōu)點是產(chǎn)品互換性好、響應(yīng)速度快、靈敏度高、濕度的滯后量小、便于制造、容易實現(xiàn)小型化和集成化。其特點如下：①濕度范圍：（0?100%）RH。②具有良好的互換性。③響應(yīng)速度快，恢復(fù)時間短。④便于組成