《電子測量技術(shù)》課件-第10章

第10章非電量的測量10.1距離與位移的測量10.2速度、轉(zhuǎn)速與加速度測量10.3溫、濕度測量10.4壓力測量10.5流量測量

一個(gè)完整的非電量測量系統(tǒng)一般包括信息的獲取、轉(zhuǎn)換、顯示處理等幾個(gè)部分,其組成如圖10.1所示。圖10.1非電量電測系統(tǒng)的組成

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。歸納起來,主要?jiǎng)澐譃橐韵聨最?

(1)電磁檢測:包括電阻式、電感式、電容式、磁電式、熱電式、壓電式、諧振式等。

(2)光學(xué)檢測:包括光電式、激光式、紅外式、光柵式、光纖維式、光學(xué)編碼器等。

(3)超聲波檢測。

(4)同位素檢測。

(5)微波檢測。

(6)電化學(xué)檢測。

10.1距離與位移的測量

距離是指(兩物體)在空間或時(shí)間上相隔的長度。位移測量是線位移和角位移測量的統(tǒng)稱,實(shí)際上就是長度或距離以及角度的測量。

10.1.1距離與位移的測量方法

位移是矢量,它表示物體上某一點(diǎn)在一定方向上的位置變化。對位移的度量,應(yīng)使測量方向與位移方向重合,這樣才能真實(shí)地測量出位移量的大小。位移測量的方法多種多樣,常用的方法有以下幾種:

(1)積分法:測量運(yùn)動體的速度或加速度,經(jīng)過積分或二次積分求得運(yùn)動體的位移。

(2)相關(guān)測距法:利用相關(guān)函數(shù)的時(shí)延性質(zhì),向某被測物發(fā)射信號,將發(fā)射信號與經(jīng)被測物反射的返回信號做相關(guān)處理,求得時(shí)延τ,若發(fā)射信號的速度已知,則可求得發(fā)射點(diǎn)與被測物之間的距離。

(3)回波法:從測量起始點(diǎn)到被測面是一種介質(zhì),被測面以后是另一種介質(zhì),利用介質(zhì)分界面對波的反射原理測位移。

(4)線位移和角位移相互轉(zhuǎn)換測量法:被測量是線位移,若檢測角位移更方便,則可用間接方法,先測角位移再換算成線位移。同樣,被測量是角位移時(shí),也可先測線位移再進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

(5)位移傳感器法:通過位移傳感器,將被測位移量的變化轉(zhuǎn)換成電量(電壓、電流、阻抗等)、流量、光通量、磁通量等的變化,間接測位移。根據(jù)傳感器的轉(zhuǎn)換結(jié)果,可分為兩類:一類是將位移量轉(zhuǎn)換為模擬量,如電感式位移傳感器、電容式位移傳感器;另一類是將位移量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,如光柵位移傳感器等。

10.1.2常見的位移傳感器

表10.1給出了常見位移傳感器的主要特點(diǎn)和性能。

10.1.3超聲波測距儀簡介

超聲波測距是一種非接觸式的測量方式。超聲波的指向性強(qiáng),能量消耗緩慢,在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)。與電磁或光學(xué)方法相比,超聲波測距技術(shù)不受光線、被測對象顏色等的影響,具有在黑暗、灰塵、電磁干擾等惡劣環(huán)境下正常工作的能力,因此在液位、機(jī)械控制、導(dǎo)航、物體識別等方面有著廣泛應(yīng)用。

1.超聲波測距原理

超聲波是指振動頻率大于20kHz的機(jī)械波。通過超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波,根據(jù)接收器接到超聲波時(shí)的收發(fā)時(shí)間差就可以知道超聲波發(fā)射端到被測物之間的距離,這與雷達(dá)測距原理相似。超聲波測距的原理如圖10.2所示。

圖10.2超聲波測距原理

已知聲速為v,若能測出第一個(gè)回波到達(dá)時(shí)刻與發(fā)射時(shí)刻間的時(shí)間差Δt,利用公式

即可算得傳感器與反射點(diǎn)間的距離s,測量距離為

當(dāng)超聲波發(fā)射器與接收器距離很近,即s?h時(shí),則d≈s。當(dāng)收發(fā)傳感器同體時(shí),h=0,則

常溫常壓下,空氣近似為理想氣體。超聲波在理想氣體中的傳播速度為

超聲波測距的誤差為

2.超聲波測距儀結(jié)構(gòu)

超聲波測距儀由超聲波發(fā)射傳感器、發(fā)射驅(qū)動電路、超聲波接收傳感器、接收處理電路、回波信號處理電路和單片機(jī)控制電路等部分組成,系統(tǒng)框圖如圖10.3所示。

圖10.3超聲波測距系統(tǒng)框圖

10.1.4激光雷達(dá)

基于回波法的測量原理,超聲波可用于距離測量?；谕瑯拥脑?無線電波(以毫米波為主)、激光也被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)探測中,實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)距離、方位、高度、速度、姿態(tài)、形狀等參數(shù)的測量,其測量距離更遠(yuǎn)、分辨率和精度更高。

激光雷達(dá)采用了頻率更高、波束很窄的激光束作發(fā)射信號源,因此帶來了很多優(yōu)點(diǎn),主要有:

(1)分辨率高。

(2)隱蔽性好、抗有源干擾能力強(qiáng)。

(3)低空探測性能好。

(4)探測進(jìn)度快、可同時(shí)跟蹤多個(gè)目標(biāo)。

(5)體積小、質(zhì)量輕。

激光雷達(dá)也存在著一定的不足,主要是工作時(shí)受天氣和大氣影響較大。

10.2速度、轉(zhuǎn)速與加速度測量

速度檢測分為線速度檢測和角速度檢測。線速度的單位為m/s;角速度檢測又分為轉(zhuǎn)速檢測和角速率檢測。轉(zhuǎn)速的單位常用r/min,而角速率的單位常用°/s或°/h。位移、速度和加速度之間存在內(nèi)在聯(lián)系,因此物體的瞬時(shí)速度也可以通過位移的微分或加速度的積分方法獲得。物體運(yùn)動可分為勻速運(yùn)動和非勻速運(yùn)動。非勻速運(yùn)動的運(yùn)動規(guī)律通常比較復(fù)雜,進(jìn)行速度檢測時(shí)只能測定其在某段時(shí)間內(nèi)的平均速度。

10.2.1常用的速度測量方法

(1)加速度積分法和位移微分法:對運(yùn)動體的加速度信號進(jìn)行積分運(yùn)算,即可得到運(yùn)動體的運(yùn)動速度,或者對運(yùn)動體的位移信號進(jìn)行微分也可以得到其速度。

(2)線速度和角速率相互轉(zhuǎn)換測速法:與線位移和角位移在同一運(yùn)動體上有固定關(guān)系一樣,線速度和角速率在同一個(gè)運(yùn)動體上也有固定關(guān)系,可采取互換的方法測量。

(3)速度傳感器法:利用各種速度傳感器,將速度信號轉(zhuǎn)換為電信號、光信號等易測信號進(jìn)行測量。速度傳感器法是最常用的一種方法。

(4)時(shí)間、位移計(jì)算測速法:這種方法是根據(jù)速度的定義測量速度,即通過測量距離和走過距離的時(shí)間,然后求得平均速度。測量時(shí)間越短,測得的平均速度越接近瞬時(shí)速度。根據(jù)這種測量原理,在固定的距離內(nèi)利用數(shù)學(xué)方法和相應(yīng)器件又延伸出很多測速方法,如相關(guān)法測量線速度,是利用隨機(jī)過程互相關(guān)函數(shù)的方法進(jìn)行的,其原理如圖10.4所示。

圖10.4相關(guān)測速原理圖

10.2.2常用的速度測量裝置

1.離心式轉(zhuǎn)速計(jì)

離心式轉(zhuǎn)速計(jì)是利用旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的離心力與旋轉(zhuǎn)角度速度成比例的原理來測量被測轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速,并用轉(zhuǎn)速單位連續(xù)指示在刻度盤上。

2.磁電式轉(zhuǎn)速傳感器

磁電式轉(zhuǎn)速傳感器是以磁電感應(yīng)為基本原理來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量的。

3.光電式轉(zhuǎn)速傳感器

光電式測速屬于計(jì)數(shù)式測量方法,傳感器可以采用霍爾元件,也可以采用各種光電傳感器。光電式轉(zhuǎn)速傳感器分為投射式和反射式兩類。

4.激光多普勒測速儀

當(dāng)波源或接收波的觀測者相對于傳播質(zhì)子運(yùn)動時(shí),觀測者所測得的波的頻率不僅取決于波源發(fā)出的振動頻率,還取決于波源相對于觀測者運(yùn)動速度的大小和方向,這種現(xiàn)象稱

為光或聲的多普勒效應(yīng),無線電波也具有此特性。

圖10.5典型的光學(xué)多普勒測速系統(tǒng)

10.2.3數(shù)字三軸加速度傳感器應(yīng)用

陀螺儀的基本功能是測量角位移和角速度,在航空、航海、航天、兵器以及其他一些領(lǐng)域中有著十分廣泛和重要的應(yīng)用。

1.加速度傳感器ADXL345

ADXL345是ADI公司的一款三軸、數(shù)字輸出的加速度傳感器。ADXL345具有+/-2g、+/-4g、+/-8g、+/-16g可變的測量范圍,最高13bit分辨率,固定的4mg/LSB靈敏度,3mm×5mm×1mm超小封裝,40~145μA超低功耗,標(biāo)準(zhǔn)的I2C或SPI數(shù)字接口,32級FIFO存儲,以及內(nèi)部多種運(yùn)動狀態(tài)檢測和靈活的中斷方式等特性。ADXL345系統(tǒng)框圖與管腳定義如圖10.6所示。

圖10.6ADXL345系統(tǒng)框圖與管腳定義

2.ADXL345在跌倒檢測中的應(yīng)用

ADXL345具有兩個(gè)可編程的中斷管腳INT1和INT2,以及Data_Ready、Single_Tap、Double_Tap、Activity、Inactivity、Free_Fall、Watermark和Overrun共計(jì)8個(gè)中斷

源。每個(gè)中斷源可以獨(dú)立地使能或禁用,還可以靈活地選擇是否映射到INT1或INT2中斷管腳。對跌倒檢測原理的研究主要是找到人體在跌倒過程中的加速度變化特征。

假設(shè)跌倒檢測器被固定在被測的人體上。圖10.7給出了人在不同運(yùn)動過程中加速度的變化曲線,包括(a)步行上樓、(b)步行下樓、(c)坐下、(d)起立。

圖10.7人在不同運(yùn)動過程中的加速度變化曲線

由于老年人的運(yùn)動相對比較慢,因此在普通的步行過程中,加速度變化不會很大。最明顯的加速度變化就是在坐下動作中Y軸加速度(和加速度矢量和)上有一個(gè)超過3g的尖峰,這個(gè)尖峰是由于身體與椅子接觸而產(chǎn)生的。而跌倒過程中的加速度變化則完全不同。圖10.8給出的是人體意外跌倒過程中的加速度變化曲線。通過對圖10.7和圖10.8的比較,可以發(fā)現(xiàn)跌倒過程中的加速度變化有4個(gè)主要狀態(tài)特征(圖中用1~4表示),這可以作為跌倒檢測的準(zhǔn)則。

圖10.8人跌倒過程中的加速度變化曲線

通過ADXL345的不同狀態(tài)的特征對比可形成整個(gè)的跌倒檢測算法,可以對跌倒?fàn)顟B(tài)給出報(bào)警。ADXL345和微控制器之間的電路連接非常簡單,可工作于I2C或SPI模式下,如圖10.9所示。

圖10.9ADXL345和微控制器連接框圖

10.3溫、濕度測量

10.3.1常見溫、濕度傳感器1.熱電阻溫度傳感器導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變化而變化,因此可以通過測量其阻值推算出被測物體的溫度,利用此原理構(gòu)成的傳感器就是電阻溫度傳感器,主要用于-200~500℃范圍內(nèi)的溫度測量。目前國內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計(jì)的工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻的阻值一般有100Ω和10Ω兩種。將電阻值Rt與溫度t的相應(yīng)關(guān)系統(tǒng)一列成表格,該表稱為鉑電阻的分度表,如表10.2所示。

PT100鉑電阻橋式測溫典型應(yīng)用電路如圖10.10所示。圖10.10鉑電阻橋式測溫典型應(yīng)用電路

輸出端電壓為

2.熱電偶溫度傳感器

熱電偶是根據(jù)熱電效應(yīng)測量溫度的傳感器,是溫度測量儀表中常用的測溫元件。兩種不同導(dǎo)體或半導(dǎo)體的組合稱為熱電偶。利用熱電偶的熱電勢與溫度差的相關(guān)特性可做成溫

度傳感器。各種熱電偶的外形通常極不相同,但是它們的基本結(jié)構(gòu)大致相同,通常由熱電極、絕緣套保護(hù)管和接線盒等主要部分組成,常和顯示儀表、記錄儀表及電子調(diào)節(jié)器配套

使用。

3.熱敏電阻溫度傳感器

熱敏電阻是開發(fā)早、種類多、發(fā)展較成熟的溫度敏感器件。熱敏電阻由半導(dǎo)體陶瓷材料制成,其工作原理是溫度會引起半導(dǎo)體熱電阻變化。半導(dǎo)體熱電阻溫度系數(shù)要比金屬大

10~100倍以上,能檢測出10-6℃的溫度變化,而且電阻值可在0.1~100kΩ間任意選擇。熱敏電阻阻值隨溫度變化的曲線呈非線性,而且相同型號熱敏電阻的溫度特性曲線的線性度也不一樣,測溫范圍比較小。熱敏電阻有正溫度系數(shù)型(PTC)、負(fù)溫度系數(shù)型(NTC)和臨界溫度系數(shù)型(CTR)三種,它們的溫度特性曲線如圖10.11所示。

圖10.11各種熱敏電阻的溫度特性曲線

4.PN結(jié)溫度傳感器

在正向恒流供電條件下,PN結(jié)的正向電壓與溫度之間具有很好的線性關(guān)系。理想半導(dǎo)體PN結(jié)的正向電流和壓降存在如下近似關(guān)系:

則

只要通過PN結(jié)的正向電流保持恒定,PN結(jié)上的正向壓降UF與溫度T的線性關(guān)系就只受方向飽和電流的影響,而IS是溫度的緩變函數(shù),可近似認(rèn)為在一定溫度范圍內(nèi)IS為近似常數(shù),因此

式中:q為電子電荷;k為玻爾茲曼常數(shù);T為絕對溫度;IS為反向飽和電流。

5.光纖傳感器

光纖傳感器的測溫方法有全輻射測溫法、單輻射測溫法、雙波長測溫法、多波長測溫法等。光纖傳感器測溫的特點(diǎn)是光纖撓性好,透光譜段寬,傳輸損耗低,無論是就地使用還是遠(yuǎn)距離傳輸均十分方便,而且光纖直徑小,可以單根、成束或陣列方式使用,結(jié)構(gòu)布置簡單;缺點(diǎn)是難以實(shí)現(xiàn)較高精度,工藝比較復(fù)雜,造價(jià)高。

6.紅外溫度傳感器

紅外溫度傳感器用于非接觸測溫時(shí)將被測對象發(fā)出的不可見紅外輻射轉(zhuǎn)換為電信號,供后續(xù)電路進(jìn)行處理,是非接觸測溫裝置的核心單元。目前紅外溫度傳感器有光子型、熱釋電型、熱電堆型、熱敏電阻型、電荷耦合型、紅外電真空器件型、非制冷紅外焦平面探測器等類型。

1)熱電堆型紅外傳感器

熱電堆型傳感器是一種能把溫差轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件,它由兩個(gè)或多個(gè)熱電偶串聯(lián)組成。當(dāng)熱電堆的兩邊出現(xiàn)溫差時(shí)就會產(chǎn)生電勢,相互串聯(lián)的熱電偶輸出的熱電勢串聯(lián)

疊加,這樣在使用熱電堆測量溫度時(shí),可以克服因單個(gè)熱電偶產(chǎn)生的電勢差太小而難以測量的缺點(diǎn),從而避免使用昂貴的高精度運(yùn)算放大器。

熱電堆結(jié)構(gòu)示意圖如圖10.12所示,其輻射接收面分為若干塊,每塊接一個(gè)熱電偶,然后串聯(lián)起來形成熱電堆。

圖10.12熱電堆結(jié)構(gòu)示意圖

2)非制冷紅外焦平面探測器

非制冷紅外焦平面探測器是一種工作在室溫附近、可將被測對象的入射紅外輻射轉(zhuǎn)換為視頻圖像信號的陣列傳感器,是非制冷紅外熱成像儀的核心。類似于數(shù)碼相機(jī)中的CCD/CMOS圖像傳感器,這種探測器的焦平面上排列著感光元件陣列,被測對象輻射的紅外線經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)成像在系統(tǒng)焦平面的這些感光元件上,這些感光元件將其轉(zhuǎn)換為電信

號并進(jìn)行積分放大、采樣與數(shù)據(jù)處理、緩沖輸出,形成被測對象表面溫度分布的視頻圖像。根據(jù)工作原理的不同,這種探測器可分為熱釋電型、熱電堆型、熱敏二極管型以及熱敏電阻型等類型。

7.濕敏電阻傳感器

濕敏電阻傳感器是利用濕敏元件的電氣特性(如電阻值)隨濕度的變化而變化的原理進(jìn)行濕度測量的傳感器。濕敏元件一般是在絕緣物上浸漬吸濕性物質(zhì),或者通過蒸發(fā)、涂覆

等工藝制成一層金屬、半導(dǎo)體、高分子薄膜或粉末狀顆粒而形成的。在濕敏元件的吸濕和脫濕過程中,水分子分解出的H+離子的傳導(dǎo)狀態(tài)發(fā)生變化,從而使元件的電阻值隨濕度

而變化。

8.半導(dǎo)體陶瓷濕敏傳感器

半導(dǎo)體陶瓷濕敏傳感器通常是用兩種以上金屬氧化物半導(dǎo)體材料混合燒結(jié)而成的多孔陶瓷。電阻率隨濕度增加而下降的稱為負(fù)特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷;電阻率隨濕度增加而增大

的稱為正特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷。

表10.3給出了常見濕度測量方法的比較。

9.集成溫/濕度傳感器

集成溫度傳感器是將測溫器件與放大電路等集成在同一芯片上所構(gòu)成的溫度傳感器。它利用晶體管的b－e結(jié)壓降的不飽和值UBE、熱力學(xué)溫度T和發(fā)射極電流I之間的確定

關(guān)系實(shí)現(xiàn)對溫度的檢測。

1)AD590單片集成兩端感溫電流源

AD590是美國模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源,它的主要特性如下:

(1)流過器件的電流(μA)等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度(開爾文)度數(shù),即

式中:Ir是流過器件(AD590)的電流,單位為μA;T是熱力學(xué)溫度,單位為K。

(2)AD590的測溫范圍為-55~+150℃。

(3)AD590的電源電壓范圍為4~30V。

(4)精度高。

AD590的封裝及基本應(yīng)用電路如圖10.13所示。

圖10.13AD590的封裝及基本應(yīng)用電路

2)DS18B20數(shù)字溫度傳感器

DS18B20具有以下特性:

(1)單線接口,只需一根線與單片機(jī)進(jìn)行連接。

(2)不需要外部元件,可直接由數(shù)據(jù)線供電。

(3)支持多點(diǎn)組網(wǎng),多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在相同的三線連接(+5V、地、數(shù)據(jù)線)上。

(4)通過編程可實(shí)現(xiàn)1/2,1/4,1/8,1/16的四級精度轉(zhuǎn)換。

(5)測量結(jié)果以9~12位數(shù)字量串行輸出。

(6)芯片本身帶有命令集和存儲器。

DS18B20的功能結(jié)構(gòu)圖如圖10.14所示。

圖10.14DS18B20的功能結(jié)構(gòu)圖

3)SHT1x/SHT7x系列集成溫、濕度傳感器

SHTxx系列集成溫、濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫、濕度復(fù)合傳感器,其內(nèi)部組成框圖如圖10.15所示。圖10.15SHT1x/SHT7x內(nèi)部組成框圖

SHT1x/SHT7x集成溫、濕度傳感器與微處理器連接的方式非常簡單,典型應(yīng)用電路如圖10.16所示。圖10.16SHT1x/SHT7x典型應(yīng)用電路

10.3.2非接觸式溫度測量

1.非接觸式溫度測量原理

在自然界中,一切溫度高于絕對零度(-273.15℃)的物體,其內(nèi)部存在分子/原子熱運(yùn)動,都會不斷地向四周輻射電磁波(也稱熱輻射、熱射線)。

由于被測對象、測量范圍和使用場合不同,因此紅外測溫裝置的外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)不盡相同,但其基本結(jié)構(gòu)大體相似。紅外測溫裝置的簡要原理框圖如圖10.17所示。

圖10.17紅外測溫裝置的簡要原理框圖

2.非接觸式溫度測量的特點(diǎn)

非接觸式溫度測量具有如下優(yōu)點(diǎn):

(1)不需要接觸到被測對象的內(nèi)部或表面,因而可以對難以接觸到或運(yùn)動著的對象進(jìn)行溫度測量;可以對很小的被測物體進(jìn)行測溫,避免接觸式測量時(shí)由于傳感器與被測物體間的熱傳導(dǎo)而造成的很大測量誤差。

(2)無須經(jīng)過熱傳導(dǎo)達(dá)到傳感器與被測物體間的熱平衡,因而測量速度快,支持快速連續(xù)測量。

(3)測溫范圍廣,測量設(shè)備壽命長?？梢詼y量3000℃的高溫被測對象,而不用擔(dān)心傳感器的耐高溫問題,特別適用于具有腐蝕性的化學(xué)物或敏感物的表面溫度測量。

(4)測量人員可與處于危險(xiǎn)、傳染或污染區(qū)域的被測對象在空間上隔離,使用安全。

(5)可以同時(shí)對多個(gè)被測對象進(jìn)行快速溫度測量,用圖表示出被測對象表面的溫度分布,與相應(yīng)的算法配合,可以快速篩查異常情況,如車站、機(jī)場出入口的熱成像式紅外篩檢儀。

紅外測溫屬于非接觸式溫度測量,自然具有以上優(yōu)點(diǎn)。

紅外測溫的測量精度與很多因素有關(guān),如目標(biāo)特性、儀器本身的特性、測量距離、環(huán)境溫度與清晰度等,測量中需避開水汽、煙塵環(huán)境,選擇合適的測量距離(視場),并采用

現(xiàn)場比對校準(zhǔn)的方法來盡量消除上述因素對測量精度的影響。

3.紅外測溫裝置的分類

1)按產(chǎn)品形態(tài)分

按產(chǎn)品形態(tài),紅外測溫裝置可分為便攜式和固定式。

2)按輸出信息形式分

按輸出信息的形式,紅外測溫裝置可分為點(diǎn)源型和成像型。點(diǎn)源型設(shè)備視被測對象為點(diǎn)輻射源,測量其表面的平均溫度,最終輸出結(jié)果是數(shù)字形式的被測對象的溫度值。

紅外熱成像技術(shù)具有以下特點(diǎn):

(1)被動式非接觸檢測與識別,隱蔽性好,安全、有效。

(2)探測能力強(qiáng),作用距離遠(yuǎn)。

(3)能真正實(shí)現(xiàn)24小時(shí)全天候監(jiān)測。

(4)可直觀地顯示物體表面的溫度場,不受樹木、草叢、偽裝物等遮擋物影響,不受強(qiáng)光影響地進(jìn)行監(jiān)測、識別,如圖10.18所示。

圖10.18紅外熱成像儀識別出隱藏于樹林中的人員

3)按工作方式分

按工作方式,紅外測溫裝置可分為掃描和非掃描型。僅進(jìn)行溫度測量的點(diǎn)源型設(shè)備通常無須進(jìn)行掃描,屬非掃描型;熱成像設(shè)備有掃描型和非掃描型之分。掃描型采用單個(gè)或

多個(gè)紅外探測器單元,通過對被測對象表面進(jìn)行掃描來獲得其表面溫度分布的圖像。其按掃描方式具體又可分為光機(jī)掃描和電子掃描。掃描型熱成像設(shè)備的顯著不足是成像響應(yīng)時(shí)

間長。非掃描型熱成像系統(tǒng)采用紅外焦平面陣列(IRFPA)探測器凝視成像。

4)按是否需要制冷分

按是否需要制冷,紅外測溫裝置可分為制冷型和非制冷型。制冷型是指設(shè)備內(nèi)置制冷部件,通過該部件將紅外探測器元件冷卻至低溫或深低溫狀態(tài)。這樣做的目的主要有兩

點(diǎn):一是通過制冷形成一個(gè)合適的低溫恒溫環(huán)境,以提高探測器件的靈敏度,增加探測距離,并保證需要在低溫下工作的電子器件或系統(tǒng)其功能正常;二是屏蔽或減小來自熱成像系統(tǒng)的濾光片、擋板及光學(xué)系統(tǒng)等帶來的內(nèi)部熱噪聲干擾,提升對遠(yuǎn)距離、微弱輻射探測的信噪比。

5)按測量波長分

按測量波長分,紅外測溫裝置可分為長波型和短波型。物體的溫度與其輻射的紅外線波長成反比,因而長波型設(shè)計(jì)用于對低溫對象的測量,短波型設(shè)計(jì)用于對高溫對象的測量。

10.4壓力測量

10.4.1壓力測量垂直作用于單位面積上的力,就是物理學(xué)上的壓強(qiáng),在工程上常稱之為壓力。在國際單位制單位和我國法定計(jì)量單位中,壓力的單位是“帕斯卡”,簡稱“帕”,符號為“Pa”。1N(牛頓)的力垂直均勻作用于1m2的面積上所形成的壓力為1Pa。帕的單位值太小,通常采用的是kPa、MPa。由于參照點(diǎn)不同,在工程上壓力有幾種不同的表示方法,如絕對壓力、大氣壓力、表壓力(相對壓力)、真空度、壓差等,各種壓力間的關(guān)系如圖10.19所示。

圖10.19各種壓力間的關(guān)系

10.4.2常見壓力計(jì)

1.液柱式壓力計(jì)

液柱式壓力計(jì)是利用一定高度的液柱所產(chǎn)生的壓力平衡被測壓力,而用相應(yīng)的液柱高度去顯示被測壓力的壓力計(jì)。這類壓力計(jì)結(jié)構(gòu)簡單,顯示直觀,使用方便,精確度較高,價(jià)格便宜。

2.彈性式壓力計(jì)

彈性式壓力計(jì)是生產(chǎn)過程中使用最為廣泛的一類壓力計(jì)。它的結(jié)構(gòu)簡單,使用操作方便,性能可靠,價(jià)格便宜,可以直接測量氣體、油、水、蒸汽等介質(zhì)的壓力;其測量范圍很寬,可以從幾十帕到數(shù)吉帕;可以測量正壓、負(fù)壓和壓差,可分為機(jī)械彈性式壓力計(jì)和彈性式壓力變送器兩類。

10.4.3血壓測量及血壓計(jì)

血壓是指血管內(nèi)的血液在單位面積上的側(cè)壓力,即壓強(qiáng),習(xí)慣以毫米汞柱為單位。測量血壓的儀器稱為血壓計(jì)。血壓測量傳統(tǒng)上采用水銀柱式血壓計(jì),目前絕大多數(shù)血壓監(jiān)護(hù)儀和自動電子血壓計(jì)均采用示波法間接測量血壓。

示波法測量血壓的原理是:繞扎在手臂上的袖帶中的壓力由高到低的變化過程中,手臂肱動脈由阻斷到導(dǎo)通,使得袖帶中的壓力疊加上一系列壓力小脈沖。血壓計(jì)感應(yīng)這些信號,經(jīng)過一定的運(yùn)算,求出人體肱動脈的收縮壓和舒張壓。

隨著科技水平的發(fā)展,血壓測量正在告別傳統(tǒng)的水銀血壓計(jì),而采用電子血壓計(jì)。電子血壓計(jì)一般由袖帶、壓力采集系統(tǒng)、充放氣系統(tǒng)、微處理器、鍵盤顯示和電源幾大部分

組成,其原理框圖如圖10.20所示。

充放氣系統(tǒng)首先用電機(jī)(或手動)給袖帶加壓,到達(dá)一定壓力時(shí)阻斷動脈血流,然后在放氣過程中檢測袖帶內(nèi)的氣體壓力振蕩波。放氣方式包括多閥連續(xù)放氣、階梯式放氣、線

性放氣等袖帶內(nèi)充、放氣功能。由泵氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)充、放氣時(shí)都要與壓力傳感器配合。當(dāng)氣體壓力充到一定閾值時(shí)停止充氣;放氣動作則會在以下兩種狀態(tài)啟動:一種是在緊急情況下(如壓力過大等);另一種是測量結(jié)束時(shí),放氣可將袖帶壓降至大氣壓。

圖10.20電子血壓計(jì)原理框圖

10.5流量測量10.5.1壓差流量計(jì)壓差流量計(jì)是根據(jù)安裝于管道中流量檢測件產(chǎn)生的壓差、已知的流體條件和檢測件與管道的幾何尺寸來測量流量的儀表。壓差流量計(jì)是歷史悠久、技術(shù)成熟、使用廣泛的一類流量計(jì)。當(dāng)充滿管道的流體流經(jīng)管道內(nèi)的檢測件時(shí),流速將在節(jié)流件處形成局部收縮,因而流速增加,靜壓