第14章參數檢測傳感器與檢測技術（第2版）PAGE362PAGE361第14章參數檢測（知識點）知識點1參數檢測的基本概念（1）測量測量（Measurement）就是以確定被檢測值(被測量)為目的的一系列操作，即利用物質的物理的、化學的或生物的特性，對被測對象的信息進行提取、轉換以及處理，獲得定性或定量結果的過程。測量通常包括兩個過程：一是能量形式的一次或多次轉換過程；二是將被測量與其相應的標準量（或測量單位）進行比較，從而確定被測量對標準量的倍數。經測量過程所獲得的被測量的量值稱為測量結果。測量結果有多種表示方式，如數值、曲線或圖形等。根據式（14.1）可知：無論采用何種表示方式，測量結果應包括兩個部分：比值和測量單位（嚴格地說，還應包括測量誤差或測量精度，以表明測量結果的可信程度）。（2）測量方法的分類測量方法就是將被測量與標準量進行比較，從而得出比值的方法。很明顯，不同的事物，有不同的性質和不同的度量標準，因此對應的測量方法也就各不相同。必須根據具體的測量任務確定合適的測量方法。測量方法的分類：1）根據測量方式的不同可分為：直接測量、間接測量和組合測量2）根據測量方法的不同可分為：偏差式測量、零位式測量和微差式測量3）根據測量精度要求的不同可分為：等精度測量和非等精度測量4）根據被測量變化的快慢可分為：靜態測量和動態測量5）根據測量敏感元件是否與被測介質接觸可分為：接觸式測量和非接觸式測量（3）測量系統1）測量系統的結構測量系統就是由傳感器與數據傳輸環節、數據處理環節和數據顯示環節等組合在一起，為了完成信號測量目標所形成的一個有機整體。典型的測量系統如圖14.1所示。圖14.1測量系統的結構2）測量系統的基本類型根據測量系統是否存在反饋通道，或信號在測量系統中的傳遞情況，可以將測量系統分為開環測量系統與閉環測量系統兩種基本類型。①開環測量系統如果測量系統沒有反饋通道，全部信息的變換只沿著一個方向進行，這樣的測量系統稱為開環測量系統。②閉環測量系統閉環測量系統有兩個通道：一個正向通道，一個反饋通道。知識點2參數測量的一般方法參數的測量是以自然規律（包括守恒定律、場的定律、物質定律、統計法則以及各種效應）為基礎，利用敏感元件特有的物理、化學或生物等效應，把被測量的變化轉換為敏感元件的某一物理量（化學量，或生物量）的變化。不同的敏感元件，其實現參數測量的方法一般也不同，主要包括：力學法也稱機械法。一般是利用敏感元件把被測變量轉換成機械位移、變形等。如應變式傳感器利用彈性元件把壓力或力轉換為彈性元件的位移。熱學法根據被測介質的熱物理量的差異以及熱平衡原理進行參數的測量。如熱線風速儀是根據流體流速的大小與熱線在流體中被帶走的熱量有關這一原理制成的，只要測出為保證熱線溫度恒定需提供的熱量（加熱電流量）或測出熱線的溫度（假定熱線的供電電流恒定）就可獲得流體的流速。電學法一般是利用敏感元件把被測變量轉換成電壓、電阻、電容等電學量。如利用熱敏電阻的阻值變化測量溫度；根據熱電偶的熱電效應實現溫度的測量。聲學法大多是利用超聲波在介質中的傳播以及在介質間界面處的反射等性質進行參數的測量。如超聲波流量計利用了超聲波在流體中沿順流和逆流方向傳播的速度差來測量流體的流速。光學法利用光的直線傳播、透射、折射和反射等性質，通過光電元件接收光信號，用光強度（或光波長）等光學量參數來表示被測量的大小。如利用光電開關實現產品計數、利用紅外氣體成份分析儀實現氣體成份的測量等。磁學法利用被測介質有關磁性參數的差異及被測介質或敏感元件在磁場中表現出來的特性實現對被測量的測量。如電磁流量計就是根據導電流體流經磁場時，由于切割磁力線使流體兩端面產生感應電勢，其大小與流體的流速成正比這一原理制成的。射線法射線穿過介質時部分能量會被物質吸收，吸收程度與射線所穿過的物質厚度、物質的密度等性質有關。利用這種方法可實現物位的測量，或測量混合物中某一成份的含量或濃度。生物法利用生物免疫原理、酶的催化反應原理等將被測量轉化為電學量的測量方法。知識點3過程參數檢測（1）溫度檢測常用溫度測量方法及其使用的傳感器性能比較分別如表14.3、表14.4所示。表14.3溫度測量方法及其使用的傳感器測量方法測溫原理溫度傳感器接觸式測量體積變化固體熱膨脹雙金屬溫度計液體熱膨脹玻璃管液體溫度計氣體熱膨脹氣體溫度計、充氣式壓力溫度計電阻變化金屬熱電阻、半導體熱敏電阻熱電效應熱電偶頻率變化石英晶體溫度傳感器光學特性光纖溫度傳感器、液晶溫度傳感器聲學特性超聲波溫度傳感器非接觸式熱輻射亮度法光學溫度計、光電亮度溫度計全輻射法全輻射溫度計比色法比色溫度計紅外法紅外溫度傳感器氣流變化射流溫度傳感器表14.4溫度測量用各種傳感器性能比較傳感器類型測量范圍/℃精度分辨率/℃響應時間/s特點熱膨脹型－185～650(0.1～2.5)%結構簡單、緊湊，牢固可靠，測溫范圍較寬，耐振動，精度較低熱電阻－200～24001～5℃0.01～51～50鉑熱電阻在氧化性介質中，即使在高溫下其物理、化學性能穩定，但在還原性介質中，特別是高溫下易被沾污變脆。鉑電阻精度高、穩定性好、性能可靠。銅電阻溫度系數大，易氧化，電阻率較小，機械強度較差熱敏電阻－280～13000.5～10℃0.001～105～15有負溫度系數，其靈敏度遠高于金屬熱電阻、熱電偶及其他熱敏元件，體積小、熱慣性小，適合快速測量；電阻值高，過載能力強，工作溫度范圍廣，壽命長，價格便宜，但互換性差，測量范圍窄熱電偶－270～28000.20.5～102.5～50構造簡單，感溫部分熱容量小，相對滯后小，可對變化較快的溫度進行連續測量，靈敏度比熱電阻低，500℃以下精度及穩定性差石英晶體溫度傳感器－80～2500.05℃±0.04～±0.07<5分辨率高，穩定性好，輸出的頻率便于數字化，機械強度差光纖溫度傳感器－40～2500±1～±5℃微秒級半導體吸收型探頭體積小、靈敏度高，工作可靠，適用于高壓電力系統的高溫測量，測量范圍－10～300℃。光纖輻射高溫型可用于監視大型電氣設備內部溫度，測溫范圍800～2500℃，誤差為±1.5%，響應時間＜1s。光纖熒光溫度傳感器精度很高，連續測量的偏差很小，但測溫范圍窄，為0～70℃。偏振態調制型的尺寸小，與電磁場相互作用小，但測量范圍窄。光學溫度計700～600014～150℃3～10<10結構簡單，量程比較寬，精度較高，使用方便，人為誤差大，必須手動。不能遠距離測量全輻射溫度計700～30001～10<5結構簡單，性能穩定，使用方便，可自動記錄和遠距離傳送信號，非接觸式測量。只能測高溫，環境影響測溫精度，連續測高溫時須冷卻。需已知測量對象的輻射率并保持一定的狀態紅外溫度傳感器－50～35000.5%～2%1.5ms～25s非接觸測量，適用于遠距離要求不接觸的目標，響應速度快，分辨率高，測溫范圍廣，受水氣、煙霧、塵埃等影響大，受光波段影響大（2）壓力檢測表14.6壓力測量方法及其使用的傳感器測量方法測量原理壓力計形式測壓范圍/kPa輸出信號性能特點液壓法液體靜力平衡原理，使被測壓力與一定高度的工作液體產生的重力相平衡，利用液柱的高位差來測量壓力U型管-10～10水柱高度實驗室低、微壓測量補償式-2.5～2.5旋轉刻度用作微壓基準儀器自動液柱式-102～102自動計數用光、電信號自動跟蹤液面，用作壓力基準儀器彈性變形法彈性元件受力產生變形原理，使受壓后產生的位移與被測壓力成一定函數關系彈簧管-102～106位移、轉角或力直接安裝，就地測量或校驗膜片-102～103用于腐蝕性、高粘度介質測量膜盒-102～102用于微壓的測量與控制波紋管0～102用于生產過程低壓的測控負荷法靜力平衡原理活塞式0～106砝碼負荷結構簡單，堅實，精確度極高。廣泛用作壓力基準器浮球式0～104壓電法將被測壓力轉換成電阻量、電感量、電容量、頻率量等電學量電阻式-102～104電壓、電流結構簡單，耐振動性差電感式0～105毫伏、毫安環境要求低，信號處理靈活電容式0～104伏、毫安動態響應快，靈敏度高，易受干擾壓阻式0～105毫伏、毫安性能穩定可靠，結構簡單壓電式0～104伏響應速度極快，限于動態測量應變式-102～104毫伏沖擊、溫濕度影響小，電路復雜振頻式0～104頻率性能穩定，精度高霍爾式0～104毫伏靈敏度高，易受外界干擾（3）流量檢測流量定義為單位時間內流過管道某一截面的體積或質量數，因此，流量分為體積流量和質量流量。生產過程中各種流體的性質各不相同，流體的工作狀態和流體的黏度、腐蝕性、導電性等也不相同，某些場合還受到高溫、高壓或氣液、液固等混合流體的影響，因此，很難用一種原理或方法測量不同流體的流量。目前，流量測量的方法一般可分為三類：1）速度式流量檢測方法2）容積式流量檢測方法3）質量式流量檢測方法流量檢測用各種傳感器的性能比較如表14.7所示。表14.7流量檢測用各種傳感器性能比較傳感器類型測量范圍/(m3·h-1)被測介質工作壓力/MPa工作溫度/℃精度/%F.S口（管）徑/mm特點轉子式波動式0.001～1000液體、氣體1.61201～2.54～100壓力損失小，測量范圍大，結構簡單，使用方便。只能安裝在垂直流動的管子上使用，對被測液體介質的黏度或溫度非常敏感，并有較嚴重的非線性金屬管0.012～3000液體、氣體6.4150215～150渦輪式0.04～6000液體、氣體6.4-20～5400.1～1.54～500精度高，量程寬，耐高壓，慣性小，壓損小，流體中的懸浮物或機械雜質影響測量精度，甚至損壞機件，必須水平安裝電磁式6～28500導電液體0.025～6.410000.2～1.51～1200不受被測液體密度和黏度的影響，無壓力損失，可水平或垂直安裝在管路上，要求被測介質的電導率＞10－5S/cm，要求管道材料不導磁不導電，不適于測量氣體、蒸氣以及含有大量氣體的液體超聲波式3～250000或0.03～10m/s液體、氣體-20～2600.5～56～2000非接觸測量，無壓力損失，可測任何液體的流量，特別是腐蝕性、高黏度、非導電流體的流量。液體中所含粒子過大、過多會影響測量的精度渦街式0.4～70m/s液體、氣體、蒸氣1.6～2.5-50～3000.1～2.525～1000非接觸測量，耐磨損，結構簡單，牢固，測量范圍寬，精度高，適合高壓氣體的測量。輸出信號不受液體的溫度、壓力、成分、密度和黏度等參數的影響，但受流速分布情況及脈動流的影響（4）物位檢測物位是指存于各種容器內的液體表面高度及所在的位置（液位），或固體顆粒、粉料、塊料堆積的高度或表面所在位置（料位），或兩種密度不同且互不相溶的液體間或液體與固體間的分界面高度（界位）。物位測量方法根據可利用的物位傳感器分為以下幾種：1）直讀式：它根據流體的連通性原理來測量液位；2）浮力式：它根據浮子高度隨液位高低而改變（恒浮力式）或液體對沉浸在其中的浮筒的浮力隨液位高度變化而變化（變浮力式）的原理來測量液位。3）差壓式：它根據液柱或物料堆積高度變化對某點上產生的靜（差）壓的變化的原理測量物位。4）電學式：它根據把物位變化轉換成各種電量變化的原理來測量物位，如電容式液位傳感器。5）核輻射式：它根據同位素射線的核輻射透過物料時，其強度隨物質層的厚度變化而變化的原理來測量物位。6）聲學式：它根據物位變化引起聲阻抗和反射距離變化來測量物位，如超聲波物位傳感器。7）其它形式：其它形式的物位傳感器有微波式、激光式、射流式、光纖式等傳感器。物位測量用各種傳感器的性能比較如表14.8所示。表14.8物位測量用各種傳感器的性能比較傳感器類型測量范圍/m被測介質精度/%F.S工作溫度/℃壓力/MPa響應時間/特點浮力式0～50液體±1<200<1安裝方便，性能可靠，可連續測量，耐高溫、高壓，液面湍流泡沫對浮體或平衡浮子無大影響，結垢和沉積物對其性能有影響，對干或粘稠介質不適用，需經常保養和維修差壓式液體、固體1探頭-40～1202精度高，重復性好，安裝簡單，壽命長，密度變化將影響測量結果電阻式0～3液體、固體、粘滯介質±1.5mm探頭-40～360<12.5結構及電路簡單，可進行遠傳、控制和報警，適用于導電液體及沒有防爆要求的液體測量，電極表面接觸狀況的改變會引起測量誤差電容式30液體、固體、粘滯介質0.5～2.5探頭-230～5401.610結構簡單，使用方便，既可測定散裝物料，又能測定液體和相界面，動態響應快，易受環境條件的影響，不適用于高精度的導電液體超聲波式液體50料位30液體、固體、粘滯介質±1-20～1000.0005～0.005Pa30可非接觸測量，界面聲阻抗不高的液體、粉末、塊狀體和物位都可測量，壽命長，不受環境影響，使用溫度受限，不適用于測量有氣泡或懸浮物的液體，電路復雜核輻射式15液體±1～5-10～100非接觸測量，可對高溫高壓容器內的介質，對高溫熔液態金屬、劇毒、腐蝕、爆炸性和粘滯性都強的介質的物位進行測量，放射線對人體有害，所測介質不能是放射性物質微波式0.02～12有良好的定向輻射特性，可在環境惡劣的條件下使用，檢測范圍寬，性能穩定光纖式20液體±1mm<1能用于易燃、易爆等設施中，敏感元件尺寸小，可用于檢測微量流體，響應時間短，抗化學腐蝕，能檢測兩種液體界面光電式0～30液體±2mm-40～80普通光電式光束擴散角較大，單色性差，易受其他光干擾。激光式精度高，不易受外來光線的干擾（5）成分分析與物性檢測 1）氣體成分檢測氣體成分或含量對質量、環境、安全等具有相當重要的作用。由于被測氣體的種類繁多，性質也各不相同，因此，對氣體成分或含量的分析也取決于待測氣體的種類、濃度、成分和用途等因素。目前，常用的氣敏傳感器如表14.9所示。表14.9常用氣敏傳感器大類子類工作原理干式（構成氣敏傳感器的敏感材料為固體）半導體氣敏傳感器利用金屬氧化物半導體敏感元件表面吸附有被測氣體時，其接觸面的導電電子比例會發生改變，使氣敏元件的電阻值隨被測氣體的成分含量的變化而變化接觸燃燒式氣體成分傳感器可燃氣體燃燒導致鉑絲線圈的電阻值發生變化，電阻變化與氣體濃度成正比熱導率變化式氣敏傳感器每種氣體都有固定的熱導率，混合氣體的熱導率利用空氣作為基準中被測氣體進行比較而得到。熱導率變化式氣敏傳感器的測量電路與接觸燃燒式氣體成分傳感器相同紅外線氣體成分分析儀利用許多化合物的分子在紅外波段都有吸收帶，氣體種類不同，吸收帶所在的波長和吸收的強弱也各不相同濕式（敏感材料為電解質溶液）原電池式當被測氣體通過隔膜擴散到電解液中后，不同氣體會在不同固定電壓（由原電池提供）作用下發生電解，通過測量電流的大小，即可測得被測氣體參數極譜式當被測氣體通過隔膜擴散到電解液中后，不同氣體會在不同固定電壓（由外部提供）作用下發生電解，通過測量電流的大小，即可測得被測氣體參數2）濃度的檢測這里著重就液體的濃度測量進行介紹。電導法是進行液體濃度測量的一種常用方法，它是基于電解質溶液的成分以及濃度的不同可引起不同的導電率的原理來進行測量的。對于一種確定成分的電解質溶液，其電導率跟濃度的關系是：在低濃度區域，隨濃度的增大，溶液的電導率也增大，兩者近似為線性關系；在高濃度區域，隨濃度的增大，溶液的電導率減小，兩者也近似成線性關系。因此，電導法較適合于低濃度或高濃度的測量，對中等濃度測量不太適合。3）濕度的檢測濕度測量的基本方法是使被測介質與濕敏傳感器相接觸，保證被測介質中的水分與感濕元件接觸后發生一定的物理、化學變化，導致感濕元件的特征參數發生變化，該變化與被測介質的濕度信息相聯系，基于測量電路反映出被測介質的濕度大小。根據是否具有水分子親和力來分類，目前，應用和發展較成熟的濕敏傳感器分類如表14.10所示。表14.10濕敏傳感器分類類別常見類型特點水分子親和型電解質濕度傳感器響應速度低、可靠性差，不能很好地滿足工業生產和日常生活的使用要求。MOS陶瓷濕度傳感器MOS膜式濕度傳感器高分子濕度傳感器非水分子親和型熱敏電阻式濕度傳感器響應速度快、靈敏度高，正在得到迅猛發展和越來越廣泛的應用。紅外吸收式濕度傳感器微波式濕度傳感器超聲波濕度傳感器知識點4機械量參數檢測（1）位移檢測位移是指物體上某一點在一定方向上的位置變動，位移包括線位移和角位移。位移測量包括線位移和角位移測量。在工程應用中，位移測量分為模擬式測量和數字式測量兩大類。模擬式測量常用的傳感器有電阻式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、電渦流式傳感器、光電式傳感器及光導纖維傳感器、超聲波傳感器、激光及輻射式傳感器、薄膜傳感器等。將上述傳感器與相應的測量電路結合在一起，即組成工程中常用的測量儀器和儀表，如電阻式位移計、電感測微儀、電容測微儀、電容液位計等。各種位移測量儀表的測量范圍和測量精度各不相同，使用時應根據測量任務選擇合適的測量方法和測量儀表。數字式測量主要是指在精密數控裝置如數控機床和三坐標測量儀等設備中，將直線位移或角位移轉換為數字脈沖信號輸出的測量方法。常用的轉換裝置有感應同步器、旋轉變壓器、磁尺、光柵和各種脈沖編碼器等。（2）轉速檢測轉速檢測用于確定物體的轉動速度快慢，以每分鐘的轉數來表達，單位為r/min。按測量原理的不同，可將轉速檢測方法分為模擬法、計數法和同步法三種情形。轉速檢測的方法及其特點如表14.11所示。表14.11轉速檢測方法及其特點測量方法轉速儀測量原理應用范圍(r/min)特點模擬法機械式離心式利用質量塊的離心力與轉速的平方成正比；利用容器中液體的離心力產生的壓力或液面變化30～24000中、低速簡單、價格低廉、應用廣泛，但準確度較低粘液式利用旋轉體在粘液中旋轉時傳遞的扭矩變化測速中、低速簡單，但易受溫度的影響電氣式發電機式利用直流或交流發電機的電壓與轉速成正比關系～1000中、低速可遠距離指示，應用廣，易受溫度影響電容式利用電容充放電回路產生與轉速成正比例的電流中、高速簡單、可遠距離指示電渦流式利用旋轉盤在磁場內使電渦流產生變化測轉速中、高速簡單、價格低廉，多用于機動車計數法機械式齒輪式(鐘表式)通過齒輪轉動數字輪通過齒輪轉動加入計時器中、低速～10000簡單、價格低廉，與秒表并用光電式光電式利用來自旋轉體上的光線，使光電管產生電脈沖中、高速30～48000簡單、沒有扭矩損失電氣式電磁式利用磁、電等轉換器將轉速變化轉換成電脈沖中、高速簡單、數字傳輸同步法機械式目測式轉動帶槽圓盤，目測與旋轉體同步的轉速中、高速簡單、價格低廉頻閃式閃光式利用頻閃光測旋轉體頻率中、高速簡單、可遠距離指示、數字測量(3)速度檢測物體運動時單位時間內的位移增量稱為速度，單位是m/s。速度檢測根據不同的分類標準有多種檢測類型，如根據物體運動的形式可分為線速度測量和角速度測量；根據運動速度的參考基準可分為絕對速