传感与检测 ¶

检测技术基础 ¶

基本概念 ¶

检测是一种获得信息的过程。

检测的过程就是用敏感元件将被测参数的信息转换成另一种形式的信息

检测仪表 ¶

检测仪表的定义 ¶

检测的过程就是用敏感元件将被测参数的信息转换成另一种形式的信息 , 通过显示或其他形式被人们所认识

一台检测仪表是一个相对独立使用的整体 , 它能实现某个参数的检测。

检测系统和检测装置：检测仪表和检测系统之间没有明显的界限。

• 检测装置：检测仪表或检测系统及其必需的辅助设备所构成的总体，称为检测装置。
• 利用若干个检测仪表实现某一个或多个参数测量所构成的系统称为检测系统。

变换电路不一定有，可以通过控制器进行变换

相关术语：

①敏感元件 (sensing element)

②传感器 (sensor)

③变送器 (transmitter)

④被测参数 (measured parameter) 也称被测量 , 是指敏感元件直接感受的测量参数。

⑤待测参数 (parameter to be measured) 也称待测量 , 是指需要获取的测量参数。在大多数情况下 , 被测参数就是待测参数 , 例如用铜电阻测量温度 , 温度既是被测参数 , 也是待测参数。但在间接测量中 , 两者就有不同的含义。

⑥直接测量 (direct measurement)

⑦间接测量 (indirect measurement) 通过测量与待测参数有函数关系 ( 甚至没有函数关系 ) 的其他量 , 经一定的数学处理才能得到待测参数的量值。在这种情况下 , 被测参数一般就不是待测参数。例如 , 通过测量长度确定矩形面积 , 长度是被测量 , 面积是待测量 , 这种通过用长度测量来获得面积的方法称为间接测量。

检测仪表的分类 ¶

①按被测参数分类

• 温度检测仪表 ( 简称温度仪表 )
• 压力检测仪表
• 流量检测仪表
• 物位检测仪表

②按对被测参数的响应形式分类

• 连续式检测仪表
• 开关式检测仪表

③按仪表中使用的能源和主要信息的类型分类

• 机械式仪表–一般不需要外部能源，带动机械结构，就地指示 / 现场指示居多
• 电式仪表–绝大部分
• 气式仪表—安全防爆，信号滞后，衰减（检测仪表气动的少了）
• 光式仪表—光电结合，优点较多

④按是否具有远传功能分类

• 就地显示仪表
• 远传式仪表

⑤按信号的输出 ( 显示 ) 形式分类

• 模拟式仪表（有指针的表）
• 数字式仪表（以及带模拟显示的数字仪表）

⑥按应用的场所 , 检测仪表也有各种分类方法

• 根据安装场所有无易燃易爆气体及危险程度 , 检测仪表有普通型、隔爆型及本安型。
• 根据使用的领域 , 检测仪表有民用的、工业用的和军事用的。

⑦按仪表的结构形式分类

• 开环结构仪表

整体的测量准确程度：只有每个环节的准确度都很高 , 抗干扰能力较强时 , 整个仪表的测量准确度才能得到保证。

应用场合：简易仪表，准确程度较低

误差的累积：各环节误差累加 : \(\delta = \delta_{K1}+ \delta_{K2}+...+ \delta_{Kn}=\sum_{i=1}^{n}\delta_{Ki}\)

灵敏度：原理上没有被损失

稳定性：总体上较好

• 闭环结构仪表

闭环传递函数：\(y = \frac{K_0}{\beta(\frac{1}{K\beta}+1)}x\)

式中 \(K = \prod_{i=1}^{n} K_i\), 为正向通道的总传递函数 ;

\(K_0\) 为检测元件的传递函数

\(\beta = \prod_{i=1}^{n} \beta_i\), 为反馈通道的总传递函数。

当 \(K_\beta >>\)1 时 , 有 \(y = \frac{K_0}{\beta}x\)

因此闭环结构仪表的相对误差 \(\delta\) 为 \(\delta = \delta_{K_0}-\delta_\beta\)

闭环结构的仪表虽然可获得较高的准确度和灵敏度 , 但如果仪表设计不当 , 易产生输出的不稳定。

\(\star \star \star \star \star \star\)

检测仪表地的基本性能 ¶

(1) 测量范围和量程（静态指标：量程、误差、准确度等级）

• 测量范围
• 测量上限、测量下限——量程
• 准确度
• 准确度等级——通常有规定的系列

(2) 输入 - 输出特性

• 灵敏度——仪表输入 - 输出特性曲线的斜率：\(\frac{\Delta X}{\Delta Y}\)；灵敏度和准确度两者有区别；变送器的灵敏度
• 死区——检测仪表输入量的变化不致引起输出量可察觉变化的有限区间；也叫不灵敏区
• 线性度——仪表的线性度是表示仪表的输入 - 输出特性曲线对相应理论直线的偏离程度；非线性误差
• 回差——检测仪表在全量程范围内对于同一被测量在其上升和下降时对应输出值间的最大误差

(3) 误差

• 绝对误差仪表输出值与被测参数真值之间的差值
• 相对误差仪表的绝对误差与约定真值比的百分数 ,
• 引用误差仪表的绝对误差与仪表的量程比的百分数
• 仪表基本误差在标准条件下 , 仪表全量程范围内各输出值误差中最大的绝对误差称为仪表的基本误差。(仪表给定，则只有一个基本误差)
• 仪表满刻度相对误差仪表 : 基本误差与仪表量程比的百分数。它在数值上就是仪表的准确度。
• 允许误差这是仪表制造单位为仪表设定的一个误差限值 , 其大小稍大于仪表基本误差。仪表在正常使用时误差不应超过仪表的允许误差。为了合理地显示检测仪表的输出 , 通常规定仪表标尺的最小分格值或数字显示值不能小于仪表允许误差绝对值。

(4) 准确度与准确度等级

• 准确度：仪表给出接近于真值的响应能力，通常是用仪表满刻度相对误差的大小来衡量。准确度常常也称精度或精确度。
• 准确度等级：…,0.05, 0.1, 0.25, 0.35 ,0.5, 1.0, 1.5, 2.5 , 4.0,…越小，表示精度越高

(5) 动态响应特性（K、T、\(\tau\)）

仪表的动态响应特性则反映仪表输出值跟随被测量随时间变化的能力。

准确度和动态响应特性之间有一定的矛盾 , 二者不能兼得

时间称仪表的响应时间 , 也称仪表的时间常数 T；。如果规定仪表输出值变化量达到稳定值的 63.2%, 则所需要的时间称仪表的响应时间。时间越短，动态响应越好。

滞后时间 (\(\tau\))

(6) 稳定性

①时间稳定性它表示在工作条件保持恒定时 , 仪表输出值在一段时间内随机变动量的大小。

②工作条件稳定性它表示仪表在规定的工作条件内某个条件的变化对仪表输出的影响。

(7) 重复性与再现性

①重复性在相同的测量条件下 , 对同一被测量 , 按同一方向 ( 由小到大或由大到小 ) 多次测量时 , 检测仪表提供相近输出值的能力称为检测仪表的重复性。

②再现性是指在相同的测量条件下 , 在规定的相对较长的时间内 , 对同一被测量从两个方向 ( 由小到大以及由大到小 ) 上重复测量时，检测仪表的各输出值之间的一致程度。

• 重复性和再现性的优良只是保证仪表准确度的必要条件
• 重复性不包括回差 , 它是衡量仪表不受随机干扰的能力 , 而再现性包括了回差 , 也包括了重复性

(8) 可靠性

衡量检测仪表的可靠性 , 目前主要有三个指标来描述 , 保险期、有效性和狭义可靠性。

① 保险期 仪表使用后能有效地完成规定任务的期限 , 超过了这一期限可靠性就逐渐降低。

② 有效性 仪表在规定时间内能正常工作的概率。概率的大小取决于系统故障率的高低、发现故障的快慢和故障修复时间的长短。

③ 狭义可靠性 由结构可靠性和性能可靠性两部分组成。前者指仪表在工作时不出故障的概率 , 后者指仪表能满足原定要求的概率。

定量描述检测仪表可靠性的度量指标有可靠度、故障率、平均无故障工作时间、平均故障修复时间等。

可靠度 R(t)是指仪表在规定工作时间内无故障的概率。如有 100 台同样的仪表 , 工作了 1000h 后只坏了一台 , 就可以说这批仪表在 1000h 后的可靠度是 99%。反之这批仪表的不可靠度 F(t) 就是 1%。显然 R(t)=1-F(t)

故障率 λ 是指仪表工作到 t 时刻时单位时间内发生故障的概率。可靠度和故障率的关系是 R(t)=\(e^{-λt}\)

平均无故障工作时间是仪表在相邻两次故障间隔内有效工作时的平均时间 , 用 MTBF(Mean Time between Failure) 来代表。

对于不可修复的产品来说 , 把从开始工作到发生故障前的平均工作时间用 MTTF (MeanTimeto Failure) 代表

平均寿命：MTBF MTTF 统称为平均寿命，它的倒数就是故障率

平均故障修复时间MTTR (Mean Time to Repair) 是仪表出现故障到恢复工作时的平均时间。

测量误差 ¶

获取约定真值的方法 ¶

标准表法：所谓准确度等级较高是指该标准表的基本误差应小于被检定检测仪表的基本误差 ( 或被测参数允许绝对误差 ) 的⅓

计量器具法：计量器具是用来测量并能得到被测对象精确值的一种技术工具或装置。

平均值法：在没有标准表及计量器具的情况下 , 可用等精度测量条件下多次重复测量的平均值作为约定真值。（对于随机误差较大的情况，比较适用）

测量误差的分类 ¶

系统误差

在同一条件下 , 对同一被测参数进行多次重复测量时 , 所出现的数值、符号都相同的 , 或者按一定规律变化的误差称为系统误差。

分为恒值系统误差、变值系统误差

产生原因：

• 测量原理或测量方法的不完善
• 标准量值的不准确
• 仪表本身的缺陷等引起的误差

是否能消除系统误差

• 规律较明确：修正、甚至消除
• 不太明确：可以补偿，难以消除

随机误差：

在同一测量条件下 , 多次重复测量同一被测量时 , 其绝对值和符号以不可预定的方式变化 , 即具有随机性的误差称为随机误差

产生原因：偶然因素引起

仪表中传动部件的间隙和摩擦、连接件的弹性形变、使用的环境条件 , 如温度、湿度、气压、振动、电磁场等的波动、各种噪声等都会对测量系统产生影响

随机误差的特点：

虽然就每次测量而言 , 测量误差是没有规律的 , 以随机方式出现 , 但在多次重复测量中其总体是符合统计规律的。当测量次数为无限多 , 误差的算术平均值趋近于零

粗大误差

超出在规定条件下预期的误差。此误差值较大 , 明显表现为测量结果异常

产生原因

• 主观原因主要是指测量人员的操作失误、错误读数、指示或记录等 ;
• 客观原因主要是指测量条件或工作环境意外发生变化 , 例如突然的机械冲击、偶发的剧烈震动 ( 或电磁干扰 ) 等

含粗大误差的测量结果毫无意义应该剔除

基本误差

指仪表在规定的标准 ( 额定 ) 条件下所产生的误差。（准确度等级由基本误差来决定的）

附加误差

当仪表的使用条件偏离标准 ( 额定 ) 工作条件 , 就会出现附加误差。

测量误差与测量不确定度 ¶

误差的估计和评价处理方法 ¶

粗大误差的判别

格拉布斯法：n 较小时，不必 3 倍，为 2.5 或者 2，6

系统误差的估计与判别

误差的合成

消除和减少误差的方法 ¶

随机误差

系统误差

粗大误差

检测技术与检测元件 ¶

检测技术的一般原理 ¶

一个检测系统主要由敏感元件、变换（处理）和显示各部分组成，其中，敏感元件是检测系统的关键。

机械式检测元件 ¶

弹性式检测元件 ¶

滞弹性效应

弹性滞后：施加压力过一段时间才会出现形变；加载、卸载中应力 σ 和应变 E 曲线不重合

弹性后效：σ( 应力 ) 不变时，ε( 应变 ) 随时间延续缓慢增大，一般取应力保持 15min 作为参考值

应力松弛：ε 不变时，σ 随时间延续逐渐降低

热弹性效应

材料

良 好 的 机 械 性 能 及 机 械 加 工 、 热 处 理 性 能性

良 好 的 温弹性特性：( 稳 定 的 输 入 输 出 关 系 、 很小 的 滞 弹 性 效 应 )

良 好 的 温 度 特 性：( 弹 性 模 量 的 温 度 系 数 小 且 稳 定 )

良 好 的 化 学 性 能：( 较 强 的 抗 氧 化 性 和 抗 腐 蚀 性 )

即要求：

• 适用 范 围宽
• 参 数 测 量 范 围宽
• 输 入 / 出 特 性稳定、线性
• 价格 、 易 复 制 性、 安 全 性

振动式检测元件 ¶

振弦式检测元件 ¶

• 2：钢弦

• 3：永久磁铁——产生磁场，钢弦振动的时候会切割磁感线产生电流

• 4：膜片

感应电动势的频率与所加的力有关，因此可以用于动态称重

力变换式振弦称重传感器

准确度达到 0.1%FS～0.5%FS

可满足动态称重要求

优点：
- ✔ 具有很强的抗震动、抗电磁干扰能力
- ✔ 长期稳定性好
- ✔ 良好的过载能力
- ✔ 传感器内无电子元器件，工作可靠，寿命长达10年以上
- ✔ 不怕水，可浸在水中工作

振筒式检测元件 ¶

主要用来测量气体的压力和密度

电阻式检测元件 ¶

电阻应变片 ¶

应变片在受到压力或拉力作用时会产生机械变形，其阻值将发生变化，这种现象称为“应变效应”。电阻应变片就是基于应变效应工作的。

相对变化量： \(\frac{\Delta R}{R} = \frac{\Delta \rho}{\rho} +\frac{\Delta l}{l} -\frac{\Delta A}{A}\)

应变片种类

📚 应变片的主要特性

📖 灵敏系数

\(K = \frac{\Delta R / R}{\Delta l / l}\)

康铜 \(K = 1.9 \sim 2.1\)

铁铬铝合金 \(K = 2.4 \sim 2.6\)

📖 绝缘电阻

应变计的 敏感栅和引线 与 被测件 之间的电阻

📖 零漂和蠕变
- 零漂：不承受机械应变时，指示应变值随时间变化
- 蠕变：承受恒定的应变时，指示应变值随时间变化

📖 允许电流

应变片不因电流发热而影响测量所允许的最大电流

📖 应变极限

\(\delta = \frac{|真应变 - 指示应变|}{真应变} \times 100\%\)

应变极限 \(\varepsilon_{\text{lim}}\) ： \(\delta \leq 10\%\) 时的最大真应变

电阻应变片的温度补偿

• 应变片电阻具有电阻温度系数

• 弹性元件与应变片电阻两者的线膨胀系数不同，即使无外力作用，即无应变现象，由于环境温度的变化也会引起应变片电阻值的改变，从而产生测量误差。

电容式检测元件 ¶

原理 ¶

变极距式

灵敏度：\(K_c\)

变面积式

变介电常数式

消除误差 ¶

温度系数小：热涨冷缩不明显

• 驱动电缆技术：电容器与电路之间内外双层屏蔽，消除引线与屏蔽层之间的寄生电容
• 屏蔽接地技术：将电容器、电路、引线放在一个金属壳体整体屏蔽，良好接地

热电阻检测元件 ¶

基本概念 ¶

原理（热电阻效应）

• 导体或半导体的 电阻率 随温度变化

两类热电阻式检测元件
- 金属热电阻：
1. 正的电阻温度系数，一般温度每升高 1℃ 电阻约增加 0.4% ～ 0.6%
2. 电阻率随温度增加而增大，电阻值也上升 - 半导体热敏电阻：
1. 大多具有负温度系数，温度每升高 1℃，电阻约减小 2% ～ 6%

金属热电阻的材料要求

• 电阻温度系数大，温度增加时，其电阻值有明显增大
• 物理和化学性能稳定，不易被介质腐蚀
• 电阻随温度变化保持单值函数，最好是线性关系
• 易于得到高纯物质，复现性好，价格便宜

较高的电阻率，以减少尺寸，减小热惯性

金属热电阻的温度特性

元件分类 ¶

金属热电阻的测量误差

自热误差

• 金属热电阻组成测量电路时，由于通电会发热引起电阻值变化
• 限制电流，规定其值应不超过6mA。

引线电阻引入的误差

• 连接金属热电阻的导线有一定长度，金属热电阻自身的电阻值较小，所以引线的电阻值及其变化就不能忽略
• 采用三线制或四线制接法。

热敏电阻 ¶

由金属氧化物或半导体材料制成的热敏元件

测温范围 (-100～300℃)

分类

• 负温度系数 (NTC) 热敏电阻
• 正温度系数 (PTC) 热敏电阻
• 临界温度 (CTR) 热敏电阻：具有很好的开关特性，常作为温度控制元件——在某一个温度点变化很大

金属热电阻

• 正温度系数，0.4% ～ 0.6% / ℃
• 一致性好（可互换）
• 测量范围宽
• 采用三线制接法可减少引线电阻影响

热敏电阻

• 负温度系数，-2% ～ -6% / ℃
• 一致性差
• 测量温度范围较窄
• 测量电路简单
• 热惯性小（体积小）
• 灵敏度高（电阻温度系数大，是金属热电阻的十几倍）

湿敏电阻 ¶

湿敏电阻的阻值随湿度增加而减小

湿敏电阻的特性与温度有关，在使用中要采用温度补偿措施

气敏电阻 ¶

主要用于测量可燃性气体的浓度

原理：半导体与特定气体接触时，其电阻值发生变化，变化量与气体浓度有关由某些半导体材料制成

氧化锡（SnO₂）

• 测量 \(O₂\) 或 \(NO_x\) 等 氧化性气体 时，其电阻值随浓度增加而 增大。
• 测量 \(H₂\)、\(CO\) 等 还原性气体 时电阻值随浓度上升而 减少。

氧化锌（ZnO）

• 加入适当的催化剂可提高元件的选择性。
• 在 \(ZnO\)-\(Cr₂O₃\) 构成的元件中，使用 \(In_2O_3\) 作为催化剂时：
• 对 乙烷、丙烷、异丁烷 相当敏感；

• 对 氢气、一氧化碳、甲烷 不敏感。

• 加入 \(Pd\) 作催化剂时：

• 特性反应 好相反，可提高对 氢气、一氧化碳、甲烷 敏感度；
• 而对 乙烷、丙烷、异丁烷 不敏感。

热电偶检测元件 ¶

检测原理 ¶

• 热电效应

热电偶结构图

• 将热电极 \(A\)、\(B\) 的两个接点分别置于温度为 \(T\) 及 \(T₀\)（设 \(T > T₀\)）的热源中，则在该回路内就会产生热电动势。
• 温度高的接点称为 热端（或 工作端）。
• 温度低的接点称为 冷端（或 自由端）。

接触电势与温差电势

回路热电势推导

工作的两个必要条件

• 两种导体
• 两个温度

与材料的粗细无关

与材料的长度无关

与温度的分布无关

基本定律 ¶

1、均质导体定律

同种导体构成的回路不产生热电势

2、中间导体定律

中间导体定律的应用

• 在热电偶实际测温应用中，常采用热端焊接、冷端开路的形式，冷端经连接导线与显示仪表连接构成测温系统
• 根据该定律，导线与热电偶连接处产生的接触电势不会使测量产生附加误差 !

3、中间温度定律

4、标准导体定律

已知两种导体分别对于第三种导体的热电动势，则前两种导体之间的热电动势可求

\(E_{AB}（T，T_0）= E_{AC}（T，T_0）- E_{BC}（T，T_0）\)

铂的物理、化学性质稳定，熔点高，易提纯，所以，通常选用高纯铂丝作为标准电极

理论上任何两种导体都可组成热电偶，但作为测温的热电偶需满足

• 物理、化学性质稳定
• 电极的电阻小，电阻的温度系数小
• 热电动势值大，随温度单调上升，最好线性
• 材料易获得，复制性好，价格低

5、等值替代定律

如果热电偶 AB 在某一温度范围内所产生的热电势与热电偶 CD 在同一温度范围内所产生的热电势相等，即 EAB(T,T0)=ECD(T,T0) 则在该温度范围内可以互相替换，即作为补偿导线

标准热电偶 ¶

• E：中低温测量
• K：中高温测量
• 加了铂的测量温度高

不同金属组成的热电偶，温度与热电动势之间有不同的函数关系，一般通过实验的方法来确定，并将不同温度下测得的结果列成表格，编制出热电势与温度的对照表，即分度表。

表中没有的中间数值采用内插法计算

\(t_M = t_L+\frac{E_M-E_L}{E_H-E_L}\cdot (t_H-t_L)\)

热电偶自由端温度的处理

• 用热电偶测温时，要求热电偶的自由端的温度保持恒定 ( 最好为 0℃)
• 热电偶安装位置与集中控制室距离较长。由于热电偶一般是贵金属做成，直接把电极拉长引至控制室成本太高
• 一般选用一种价格比较便宜，而热电势与热电偶的电势相近的特殊导线来代替。这种导线为“补偿导线”

使用补偿导线的注意事项

• · 补偿导线只能在规定的温度范围内 ( 一般为 0～100℃) 与热电偶的热电势相等或相近；
• · 不同型号的热电偶需要用不同的补偿导线；
• · 热电偶和补偿导线的两个接点要保持同温；
• · 补偿导线有正负极，分别与热电偶的正负极相连

自由端温度补偿 ¶

• 计算修正

冷端温度不为 0，但已知温度，利用中间温度定律计算实际热电势

\(E(t,0)=E(t,t_0)+E(t_0,0)\)

• 恒温法，保持 \(t_0=0\)

在工业应用时，一般把补偿导线的末端 ( 即热电偶的自由端 ) 引至恒温器中，使其维持在某一恒定的温度。
通常一个恒温器可供多支热电偶同时使用。
在实验室及精密测量中，通常把自由端放在盛有绝缘油的试管中，然后再将其放入装满冰水混合物的容器中，以使自由端温度保持为 0℃, 这种方法称为冰浴法

• 电桥自动补偿

结构 ¶

热电偶分类 ¶

凯装热电偶 ¶

铠装热电偶又称缆式热电偶，是由热电极、绝缘材料 ( 通常为电熔氧化镁 ) 和金属保护管三者经拉伸结合而成一个坚实的整体。

露头型、接壳型和绝缘型三种基本形式。

铠装热电偶动态响应快，机械强度高，挠性好，适用于结构复杂的装置。

薄膜热电偶 ¶

特点是热容量小，响应速度快，适合于测量微小面积上的瞬变温度。

热电偶与热电阻的区别 ¶

晶体管温度检测元件 ¶

根据半导体原理，晶体管的 PN 结的伏安特性与温度有关，利用这一特性可构成温度检测元件

◆二极管温度检测元件 ◆三极管温度检测元件 ◆集成式温度检测元件

PN 结温度检测元件 ¶

• 利用二极管 PN 结的正向压降随温度变化的特性而制成
• 在低温测量方面 (-50~200℃温区 ), 有体积小、响应快、线性好和使用方便等优点
• 电子电路中的过热和过载保护、工业自动控制领域的温度控制、医疗卫生的温度测量等 Ea

热电偶与晶体管进行比较 ¶

压电式检测元件 ¶

检测元件机理 ¶

压电效应

• 某些电介质沿 一定方向 受外力（压力或拉力）作用时，其内部产生 极化现象，同时在两个相对表面上出现 正负相反的电荷。
• 作用力 方向改变，电荷的 极性 也随之改变。
• 作用力越大，机械变形越大，产生电荷量越多。
• 外力去掉后，恢复为 不带电 的状态。

逆压电效应

• 在电介质极化的方向上施加电场，则这些电介质也会发生变形
• 电场去掉，电介质变形随之消失
• 或称电致伸缩

压电效应机理¶

• 一些离子型晶体的电介质 ( 如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等 ) 在电场或机械力作用下，会产生极化现象
• 在这些电介质的一定方向上施加机械力而产生变形时，就会引起它内部正负电荷中心相对转移，从而导致其两个相对表面 ( 极化面 ) 上出现符号相反的束缚电荷 ( 正压电效应 )
• 若对上述电介质施加电场作用时，同样会引起电介质内部正负电荷中心的相对位移而导致电介质产生变形和应力 (逆压电效应或称电致伸缩)。

压电材料

压电晶体的电荷计算方式¶

压电陶瓷的压电效应¶

• 多晶铁电体，具有电畴 ( 分子自发形成的电场区域 ) 结构的压电材料
• 正常状态下对外不呈现电荷

• 在一定温度下，对压电陶瓷加强电场进行极化处理，内部电畴的排列被人为地规则化，当强电场撤消后，压电陶瓷就具有了压电特性。

• 极化处理后陶瓷材料内部存在有很强的剩余极化

• 当陶瓷材料受到外力作用时，电畴的界限发生移动，电畴发生偏转，从而引起剩余极化强度的变化，因而在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。
• 这种因受力而产生的由机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能的现象，就是压电陶瓷的正压电效应。电荷量的大小与外力成如下的正比关系：

电荷计算

X 轴受力无变化

压电薄膜传感器 ¶

PVDF( 聚偏二氟乙烯 ) 压电薄膜

• 一种新型的高分子压电材料
• 既具有压电性又有薄膜柔软的机械性能
• 制作压力传感器，具有设计精巧、使用方便、灵敏度高、频带宽、与人体接触安全舒适，能紧贴体壁，以及声阻抗与人体组织声阻抗十分接近等一系列特点，可用于脉搏心音等人体信号的检测
• 脉搏心音信号携带有人体重要的生理参数信息，可为医生提供可靠的诊断依据。

压电加速器 ¶

压电加速度计是以压电晶体做敏感件。体积小、重量轻、输出信号大，固有频率高，可用于测量振动、冲击等信号。

压电式检测元件的等效电路 ¶

• 压电元件受外力作用，电极表面产生电荷，相当于一个电荷源 ( 静电发生器 )
• 压电元件的电极表面聚集电荷时，相当于一个以压电材料为电介质的电容器
• 成立条件：自身理想绝缘、无泄漏、输出端开路 ( 绝缘电阻很大 )
• 压电元件输出信号微弱，通过前端放大器放大：

下面两种方式均可

• 压电器件是一个有源电容器，存在与电容传感器相同的应用弱点——高内阻、小功率问题，必须进行前置放大，前置阻抗变换。
• 压电传感器的测量电路有两种形式：电压放大器和电荷放大器。

在压电式传感器中，常用两片或多片组合在一起使用。由于压电材料是有极性的，因此接法也有两种，串联和并联

引起的误差

温度引起的误差

• 温度上限为材料居里温度的 ½
• 居里温度：磁性材料自发磁化强度降到 0 时的温度
• 选择瞬变温度影响小的元件 / 隔热片 / 温度补偿片

电缆噪声

• 电缆受到振动或弯曲会由于摩擦引入感应电荷 ( 低噪声电缆、紧固电缆 )
• 阻抗变换器

灵敏度变化

• 随时间延续而变化
• 每半年进行一次校正 ( 石英晶体稳定性好 )

光电式检测元件 ¶

检测系统 ¶

结构简单、非接触、高可靠性、高精度和反应快

光源¶

• 照度要求：足够亮度、光通量，保证信噪比和灵敏度
• 均匀要求：视场亮度均匀、无阴影，避免测量误差
• 投影要求：控制光的方向、透射、反射、散射
• 发热要求：热光源、冷光源，减小发热对测量结果的影响
• 光谱要求：光波频率、波长：紫外→可见光→红外

热辐射光源 ¶

• 高温物体→光辐射，温度高→辐射能大
• 白炽灯—钨丝
• 卤钨灯—钨丝 + 卤素 ( 碘 )
• 特点：谱线丰富，可见光 + 红外光，峰值在近红外区；发光效率低，15% 在可见光；发热大，>80% 能量转化为热能；寿命短 (1000 小时 ), 易碎，电压高，有危险。
• 应用：可见光源—宽光谱 ( 滤色片→窄带光谱 ) 、近红外光源—红外检测

气体放电光源 ¶

气体分子激发→放电→发光

弧光灯—碳弧灯；钠弧灯；氙弧灯；水银弧灯 ( 汞灯 ); 金卤灯荧光灯—气体放电 + 荧光粉，波长更长

• 日光灯：光谱接近日光
• 节能灯：压缩荧光灯

特点：效率高，省电；功率大，光色接近日光；紫外线丰富，有辐射；废弃物有汞污染、易碎，对人眼有损害

应用：强光、色温要求接近日光

发光二极管 ¶

• 半导体，电致发光，
• 单色 LED: 红色、绿色、黄色、橙色、蓝色
• 白色 LED:2001, 美国波士顿大学光学研究中心；光谱丰富—( 蓝 + 黄 )I( 蓝 + 绿 + 红 ); 亮度高—荧光灯 5 倍，白炽灯的 25 倍
• 特点：体积小，可平面封装，固体光源，无辐射，绿色光源；功耗低 ( 白炽灯⅛, 荧光灯 ½)、发热少寿命长 (10 万小时，是荧光灯的 10 倍 )、耐振动响应快 ( 毫秒级 )、供电电压低、易于数字控制；价格较白炽灯贵，功率低，亮度小
• 应用：指示灯、背光源；仪器光源、室内照明

激光光源 ¶

特点

• 方向性好：发散角很小，约 0.18°，比普通光小 2~3 数量
• 亮度高：能量高度集中，亮度比普通光高几百万倍
• 单色性好：光谱范围小，频率单一
• 相干性好：受激辐射，传播方向 / 振动方向 / 频率 / 相位一致 时间相干性、空间相干性均好

分类

• 固体激光器：体积小、坚固、功率高
• 气体激光器：小巧、单色性好、能连续工作
• 半导体激光器：效率高、体积小、重量轻、结构简单、功率小、非线性

概念

• 辐射能 ( 焦耳 ): 光源所发出的能量；
• 辐射通量 ( 瓦 ): 每秒所发出的辐射能；
• 光通量 ( 流明 ): 辐射通量 × 发光效率，影响人眼视觉明暗；
• 照度 (Ix): 单位面积上的光通量

光电效应 ¶

因光照而引起物体电学特性改变的现象

• 电学特性变化是指光照射物体时，物体发射电子、电导率、电位、电流等发生变化或产生光电动势等。

光电效应大致可归纳为两大类：

• 外光电效应——物质受到光照后向外发射电子的现象，这种效应多发生于金属和金属氧化物；
• 内光电效应——物质受到光照后所产生的光电子只在物质内部运动，而不会逸出物质外部的现象，这种效应多发生于半导体内。内光电效应又可以分为光电导效应和光生伏特效应。

分类 ¶

外光电效应

• · 真空光电管
• · 光电倍增管

内光电效应

• 光电导效应（电阻发生变化）：光敏电阻

• 光生伏特效应（产生电动势）：光电池、光敏二极管、光敏三极管

光电器件的基本特性 ¶

光电管、光电倍增管 ¶

光电管 ¶

利用外光电效应

要使光电管中的自由电子逸出，频率不能太低，波长也不能太长。

存在入射光波长上限，也被称为红限 \(\lambda_m = \frac{c\cdot h}{A}\)

特点：

• 结构简单
• 灵敏度较高
• 暗电流小
• 体积比较大、工作电压高、玻壳易破碎

光电倍增管 ¶

• 光电倍增管具有放大光电子电流的能力。
• 光电倍增管一般有 9-11 级倍增电极，电位依次升高，使得阴极因接受光能而发射的电子逐级加速，且受光电子的数量逐级增多，形成较大的光电流。可用于微光测量。

光电倍增管测量电路

一般情况下，直流供电，各级电压均相等，50-100V, 总电压 1000-2500V

并联电容：避免阳极脉动电流引起极间电压发生大的变化

光敏电阻 ¶

• 光敏电阻是利用光电导效应的原理工作的
• 无光照射时，光敏电阻呈高阻态，回路中仅有微弱的暗电流流过 ( 暗电阻 1-100MQ);
• 有光照射下，半导体吸收光能，内部载流子增加，回路中有较强的亮电流流过，从而加强了导电性能，其阻值降低 ( 亮电阻 KΩ 级 );
• 光电流 (KΩ 级 )：亮电流与暗电流之差。
• 光照越强，阻值变得越小，亮电流越大；光照停止后，电阻恢复原值。

特点：灵敏度高，体积小，重量轻，性能稳定；批量生产，价格便宜；

光电池 ¶

• 利用光生伏特效应
• 直接将光能转换为电能
• 光生伏特效应

光电池的种类很多，有硅光电池、硒光电池、锗光电池、砷化镓光电池、氧化亚铜光电池等

最受人们重视的是硅光电池。因为它具有性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、转换效率高、能耐高温辐射、价格便宜、寿命长等特点。它不仅广泛应用于人造卫星和宇宙飞船作为太阳能电池，而且也广泛应用于自动检测和其它测试系统中

硒光电池由于其光谱峰值位于人眼的视觉范围，所以在很多分析仪器、测量仪表中也常常用到

光敏晶体管 ¶

光敏二极管

• 在无光照时，处于截止状态，反向饱和电流极小；
• 当受到光照时，产生光生载流子，反向饱和电流增加约 1000 倍；
• 光生反向饱和电流随入射光照度线性变化
• 应用：线性转换元件，开关元件

光电三极管

• 入射光在基极与发射极之间的 PN 结附近产生光电流 ( 相当于三极管的基极电流 )
• 集电极电流是光电流的 β 倍，比光敏二极管具有更高的灵敏度
• 光电三极管的伏安特性与普通晶体管相似。

雪崩光电二极管

阵列式结型光电器件

位置敏感器件

磁电式检测元件 ¶

分类 ¶

磁通量 Φ 的变化有三种方式：

• · 磁铁与线圈之间做相对运动 ( 恒磁阻式 );
• · 磁路中磁阻的变化 ( 变磁阻式 );
• · 恒定磁场中线圈面积的变化 .

直接应用：测定速度

• 在信号调节电路中接积分电路，或微分电路，磁电式传感器就可以用来测量位移或加速度

恒磁阻式检测元件 ¶

动圈式磁电传感器 ¶

\(E= NBLv\), 由于 NBL 均不变，因此根据 E 的大小就可以求出 v 的大小

动铁式磁电传感器 ¶

线圈不动，磁铁连着弹簧动‘

变磁阻式磁电传感器 ¶

线圈和磁铁部分都是静止的，与被测物连接而运动的部分是用导磁材料制成的，在运动中，它们改变磁路的磁阻，因而改变贯穿线圈的磁通量，在线圈中产生感应电动势。

用来测量转速，线圈中产生感应电动势的频率作为输出，而感应电动势的频率取决于磁通变化的频率。

结构：开磁路、闭磁路

• 变磁阻式检测元件的线圈与磁铁之间没有相对运动；
• 由运动着的被测物体 ( 一般是导磁材料 ) 来改变磁路的磁阻，引起磁通量变化。
• 感应电势是一交变信号，变化的频率与转速有关 ( 转速测量 )
• 用来测量转速，线圈中产生感应电动势的频率作为输出，而感应电动势的频率取决于磁通变化的频率。
• 结构：开磁路、闭磁路

检测元件的灵敏度 ¶

误差来源 ¶

温度是最主要的影响因素

• 磁感应强度的温度系数为负
• 线圈长度的温度系数为正
• 负载电阻的温度系数为正

解决方法：温度补偿

• 具有负温度系数的热磁合金材料加在磁路系统的两个极靴上
• 在正常温度下，热磁分流器将空气隙磁通分路一部分
• 当温度升高时，热磁分流器的磁导率显著下降，经它分流掉的磁通占总磁通的比例较正常温度下显著降低，从而保持空气隙中的工作磁通不随温度变化。

永久磁铁的时间非稳定性

当测量电路满足 Ri<<R₂时，电磁感应式检测元件的电压灵敏度可近似为 Sv=NBL

一般线圈长度具有较好的时间稳定性，而经磁化的永久磁铁的磁性一般会随时间而发生变化

解决办法：永磁材料在充磁前先进行退火处理，以消除内应力。充磁后再进行老化处理。

电磁感应引入的非线性

感应电流会产生磁场，该磁场会削弱永久磁铁所产生的磁场，从而使磁电式检测元件的实际磁通量减少，引起严重的非线性；

解决办法：补偿线圈

霍尔检测元件 ¶

霍尔效应 ¶

\(\frac{e}{a}U = evB \quad \text{和} \quad I = -nevad\)

\(U = -\frac{1}{ned}IB\)

• 灵敏度：
  \(K_H = \frac{1}{ned}\)

• 霍尔系数：
  \(R_H = \frac{1}{ne}\)

\(I\) 恒定 \(\Rightarrow U\sim B\) 在一定范围内呈线性（\(B<0.5T\)）

\(B\) 交变 \(\Rightarrow U\) 交变

\(B\) 恒定 \(\Rightarrow U\sim I\) 呈线性

\(|B|\uparrow\Rightarrow\) 霍尔元件内阻 \(\uparrow\)

​ === " 如何用集成开关式霍尔器件实现电机转向和转速的测量 " ​ 在转子上装上磁铁，每次磁铁经过霍尔传感器时，都会产生一个脉冲信号
​ 测量转速：通过计算单位时间内产生的脉冲数量，可以确定电机的转速。这种方法被称为测频法，适用于高速旋转的测量。如果电机转速较慢，可以使用测周法，即测量电机转一圈所需的时间来间接测量转速。
​ 确定转向：为了测量电机的转向，可以使用两个霍尔传感器，它们相对于电机转轴呈90度角布置。这样，根据两个传感器接收到的脉冲信号的先后顺序，可以判断电机是顺时针还是逆时针旋转。如果第一个传感器（A）先于第二个传感器（B）接收到脉冲信号，则电机可能在顺时针旋转；反之则为逆时针旋转。

磁弹性式检测元件 ¶

也称为了压磁式检测元件（压磁元件）：力 \(\rightarrow\) 磁阻 / 磁导率的变化

原理：磁弹性效应

优点：
- 输出功率大，线性好
- 抗干扰能力及过载能力强
- 便于制造、经济实用、寿命长
- 能在恶劣条件下长期使用

缺点：
- 精度不高（约为1%）
- 反应速度慢

铁磁材料

磁弹性效应：受外力作用时产生内应力\(\sigma\)，进而磁导率 \(\mu\) 发生变化。

• 磁致伸缩效应

• \(l\) 变，\(V\) 不变

• 磁致伸缩系数 \(\lambda=\frac{\Delta l}{l}\)

正磁致伸缩：

• 正拉力，磁化方向转为拉应力方向，加强拉应力方向的磁化，该方向磁导率增强
• 负拉力，磁化方向转为垂直于拉应力方向，削弱拉应力方向的磁化，该方向磁导率减小

负磁致伸缩：与上相反

• 压磁效应

• 产生 \(\sigma\)，\(\mu\) 变

• 相对磁导率变化 \(\frac{\Delta \mu}{\mu}=\frac{2\lambda}{B^2}\sigma\)

误差分析 ¶

• 磁场强度

不同磁场强度输出特性曲线不同

• 激励频率
• 激励电流对灵敏度
• 温度
• 其他：电源波动、铁心材料的磁滞效应、弹性滞后

核辐射式检测元件 ¶

原理：射线穿过介质时会由于散射、反射表现为介质对射线的吸收；射线会引起介质的电离。

• 被测参数与吸收强度有关
• 被测参数与电离作用的强弱有关

检测参数：厚度、物位、密度、成分等参数。

优点：非接触式测量，适合于腐蚀、高温、剧毒、爆炸性等恶劣环境。

核辐射式检测元件的组成：
- 放射源
- 探测器
- 转换电路

放射源（放射性同位素：原子质子数目相同，但中子数目不同）

\(^{10}_6C,\ ^{11}_6C,\ ^{12}_6C,\ ^{13}_6C,\ ^{14}_6C\)

• 核衰变：

放射性同位素的原子核是不稳定的，在无任何外因作用下，原子核会自动衰变为另外的同位素，同时释放出粒子或射线。

• 核辐射：

核衰变中放出的不同的带有一定能量的粒子或射线的放射性现象。

核辐射的种类：\(\alpha\)、\(\beta\)、\(\gamma\) 和中子辐射。

放射性核衰变 ¶

放射性原子核数目 ¶

$ N = N_0 e^{-lambda t} $¶

放射性核的数目随时间按指数规律减少（核衰变）。

组成核辐射检测器时，某个时刻放射源中还存在多少个放射性原子核没有衰变并不重要，重要的是单位时间内有多少个核发生衰变。在给定时刻，单位时间内的核衰变数称为放射性活度 \( A \)（也称为放射性强度）。

$A = -frac{dN}{dt} = lambda N_0 e^{-lambda t} = A_0 e^{-lambda t} $

表明放射性活度随时间按指数规律衰减一校准。

放射源的强度衰减特性 ¶

放射源的辐射强度随时间按指数规律衰减，即 $ I = I_0 e^{-lambda t} $

• $ I_0 $：开始时的放射源强度
• $ I $：经过时间 \( t \) 后放射源强度
• $ lambda $：放射性衰变常数，与外界条件无关
• $ T_{0.5} $：半衰期，放射性同位素的原子核数衰减到一半时所需时间
• $ lambda = frac{ln 2}{T_{0.5}} $

射线与物质的作用 ¶

带电粒子和物质的作用 ¶

两者之间有相互作用

当射线穿过物质时，会发生电离、激发和散射等现象，其结果就表现为对射线的吸收。当一平行射线穿过物质层时，其强度衰减规律可表示为

\(I =I_0 e^{- \mu_m \rho x}\)

γ 射线和物质的作用 ¶

• 光电效应：γ 光子穿过物质时和物质中的原子发生碰撞，把自己的能量交给原子核外的一个电子使其成为自由电子（光电子），而 γ 光子本身被吸收。

• 康普顿效应：随着入射 γ 光子能量的增加，入射 γ 光子和物质中的电子发生弹性碰撞，γ 光子偏离它原来的运动方向，失去一部分能量，然后将能量转移给了电子。使电子（康普顿电子）从原子内部冲出来。

• 电子对的生成：当 γ 光子的能量大于所形成的电子对的静止能量，就在物质中转化成一个正电子和一个负电子，而 γ 光子则消失。

$ hv = E_{e^+} + E_{e^-} + 2m_0c^2 $

核辐射检测器 ¶

将核辐射信号转换成电信号，检测射线强度的变化，实现被测参数的检测。

电离曲线 ¶

• 电流电离室

有 \(\alpha\) 射线电流电离室、\(\beta\) 射线的多电极电离室

• 闪烁计数器

射线进入闪烁体时，使闪烁体的原子被电离和激发，受激原子退激时会发光；

光透过闪烁体照射到光电倍增管的阴极上，经过光电倍增管的倍增，在其阳极上形成电流脉冲；

• 盖格计数器

半导体探测器 ¶

核辐射式流量计 ¶

核辐射流量计可以检测气体在管道中的流量。在气流管壁上装两个活动电极，其一的内侧面涂覆有放射性物质构成的电离室。

射线式测厚仪 ¶

核辐射式液位计 ¶

不同物质对同位素射线的吸收能力不同，一般固体最强，液体次之，气体最差。

通过测量射线在穿过液体时强度的变化量来实现测液位

误差 ¶

辐射源强度误差 ¶

辐射源本身核衰变导致的相对误差

核衰变的统计特性引起的误差 ¶

核衰变产生的粒子数是随机的，服从统计规律，因此检测到的粒子数的相对误差

红外传感器 ¶

红外辐射 ¶

红外线是特定区段的电磁波，范围在 0.76~1000μm 之间

红外辐射分为四个区域：即近红外区、中红外区、远红外区及极远红外区

大气层中有三个波段的红外辐射透过率高，这三个波段分别在 2 ~ 2.6um、3~ 5um、8~14pm 处，统称为“大气窗口”。红外探测器一般都工作在这三个大气窗口内。

• 红外辐射的物理本质是热辐射
• 任何物体，只要其温度高于绝对零度，就会向周围空间辐射红外线。物体的温度越高，辐射出的红外线越多，红外辐射的能量就越强
• 太阳光谱中各种单色光的热效应从紫色到红色是逐渐增强的，最强热效应出现在红外频率范围
• 红外辐射被物体吸收后可以转化为热能，引起物体温度的升高。
• 红外辐射作为电磁波的一种形式可以以波的形式在空间直线传播，具有电磁波的一般特性，如反射、折射、散射、干涉和吸收等

红外传感器 ¶

红外辐射能转换为电能

热电红外传感器 ¶

利用红外辐射的热电效应原理工作

• 当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象就是热电效应
• 如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘肽等

探测元件

• 探测并吸收红外辐射→自身温度升高→有关物理参数 ( 如阻值 ) 变化
• 通过测量该物理参数的变化来确定探测器所吸收的红外辐射常用的热电探测器有
• 热敏电阻型、热电偶型、高莱气动型及热释电型

常用的热电探测器有

• 热敏电阻型、热电偶型、高莱气动型及热释电型
• 热敏材料的热效应需要一定的平衡时间，因此，热敏电阴型、热电偶型和高莱气动型热电探测器的响应速度慢，响应时间较长

主要优点是

• 响应波段宽，响应范围可扩展到整个红外区域
• 可在常温下工作，使用方便，应用相当广泛

热释电红外传感器 ¶

• 主要的热电红外传感器
• 热释电效应是指由于温度的变化，某些材料，如热释电晶体和压电陶瓷等，会出现结构上的正负电荷中心发生相对位移，使得自发极化强度发生变化，从而在相对的两个面上产生极性相反的束缚电荷的现象
• 由于热释电信号正比于器件温升的时间变化率，无热平衡过程，响应速度快，探测率高，而且频率响应范围宽
• 不适合测量恒定的红外辐射信号。因为探测元件前面加机械式的周期遮光装置
• 硫酸三甘肽系列水溶性晶体

光电红外传感器 ¶

利用红外辐射的光电效应原理

核心是光电元件，主要有红外二极管、红外三极管等半导体器件，也可以是电真空器件，如光电管、光电倍增管。

当入射辐射波的频率大于某一特定频率时，入射辐射波的光子能量被光电元件吸收，从而改变光电元件电子的能量状态，使得其电量发生改变，经测量电路转变成微弱的电压信号，放大后向外输出

特点：

灵敏度高，响应速度快，具有较宽的响应频率

探测波段较窄，一般需在低温下工作，光电红外传感器的灵敏度是依赖于传感器自身的温度。要得到较高的灵敏度，就必须将光电红外传感器冷却至较低的温度。通常采用的冷却剂为液氮

热电红外传感器通常灵敏度比光电红外传感器低，但在室温下也能较好地工作，同时响应频段较宽，响应范围能扩展到整个红外区域。

分类

• 内光电传感器：光电导传感器、光生伏特传感器、光磁电传感器
• 外光电传感器：只适宜工作在近红外辐射区域

基本特性 ¶

超声波传感器 ¶

• 超声波是指频率高于20 kHz以上的声波
• 超声波是一种弹性机械波
• 可在气体、液体和固体中传播

按照声波在介质中传播过程中，质点的振动方向与波传播方向的关系，超声波一般可分为

• 纵波：振动方向与波传播方向一致或平行的一类波
• 横波：振动方向与波传播方向是垂直的，不能在液体或气体介质中传播
• 表面波：半无限大固体介质与气体介质的交界面产生，不能在液体或气体介质中传播
• 板波：在板厚与波长相当的薄板中传播，可用于检测板厚、分层和裂纹等缺陷

传播特性 ¶

声场参量

• 超声波在介质中传播就会引起内部压强的变化，形成超声场
• 声压：某一点的瞬时压强与没有声波时该点的静压强之差
• 声强：在垂直于声波传播方向上，单位面积上在单位时间内所通过的声能量
• 声阻抗：介质密度和介质中声速乘积

折射与反射

工作原理 ¶

在不同介质中的传播速度是不同的

• 超声波纵波在气体中的传播速度最低，液体次之，固体最高
• 在固体中，横波声速为纵波的一半，表面波声速为横波声速的 90%
• 可用于测量工件的厚度、液体的液位、管道中流体的流速、日标物的距离等

误差影响 ¶

在空气中传播受温度的影响

可以采用温度补偿进行矫正

应用 ¶

液位检测、移动机器人测距和避障、材料厚度测量、汽车倒车雷达等

流体流速和流量的测量

检查零件的内部缺陷

检测仪表 ¶

敏感元件和显示装置是必不可少的基本功能模块

• 敏感元件：信号弱、强但无显示装置、非标准信号

气动单元组合：QDZ

电动单元组合：DDZ

检测仪表的设计方法 ¶

开环 ¶

• 直接串联

• 差动式

共模干扰是在信号线与地之间传输，属于非对称性干扰。

共模干扰好比两个人同时向前或者向后推你，与此相对的差模干扰则是一前一后在拉你。

𝑓(𝑥1 + ∆𝑥1, 𝑥2 + ∆𝑥2) − 𝑓(𝑥1 − ∆𝑥1, 𝑥2 + ∆𝑥2)：泰勒多项式展开 当 x1 和 x2 独立时，理论上，可消除 x2 的影响。但往往会有互相影响，所以干扰量被“抑制”

• 参比式

X1：测量环境量与测量量

X2：测量环境量

两者相减或者相除可以做到抑制环境变化影响，理论上可以做到完全补偿环境影响，但不能完全消除非线性误差

闭环 ¶

是否在前向通道中有起积分作用的环节是区分无差随动式仪表和有差随动式仪表的根本标志

检测仪表中的信号变换方法 ¶

检测仪表常用的非线性补偿方法 ¶

检测仪表常用的信号传输方式和标准 ¶

显示装置与仪表 ¶

温度检测仪表 ¶

概述 ¶

温度：描述系统不同自由度之间能量分布状况的基本物理量，决定一系统是否与其它系统处于热平衡的宏观性质

温标：温度的数值表示方法，标尺

①经验温标

• 借助于某一种物质的物理量与温度变化的关系，用实验方法或经验公式所确定的温标
• 根据液体（水银）受热后体积膨胀的性质
• 摄氏温标（℃）- 中国暂时使用 - 标准大气压下，冰点和沸点（0-100，100 等分）
• 华氏温标（℉）- 中国已不用 -（32-212，180 等分）
• θ/ ℉ =(1.8t/℃+32)
• t /℃ =(θ/ ℉ -32)/1.8

②热力学温标

• 开尔文温标（Kelvin，K）
• 以热力学第二定律为基础的理论温标，被采纳为国际统一基准温标
• 绝对零度
• 不与温度计、不与测温物质的性质相联系（纯理论）

③国际实用温标（国际温标）

• 温标基准点：选择了一些固定点（可复现的平衡态） 温度作为温标基准点
• 基准仪器：规定了不同温度范围内的基准仪器
• 内插公式：标准仪器示值与国际温标数值间的关系

• →越来越接近热力学温标

• ITS-27（第一个国际温标） ITS-48 ITS-68 ITS-90

分类 ¶

接触式

• 膨胀式 （体积 / 长度 - 温度）
• 热电阻式 （电阻值 - 温度）
• 热电偶 （热电效应）

非接触式

• 主要是利用物体的热辐射特性与温度之间的对应关系（普朗克定律 E(λ,T)—能量（波长，温度））

两者的比较

接触式

• 被测物体温度↓，若被测物体热容量较小→测量精度较低
• 要准确：被测物体的热容量↑

非接触式

• 利用被测物体热辐射而发出红外线
• 制造成本较高，测量精度却较低

• 优点：

• 可进行遥测

• 不从被测物体上吸收热量
• 不会干扰被测对象的温度场
• 连续测量不会产生消耗
• 反应快等

主要检测方法与特点

工业上少用玻璃液体、压力式与半导体热敏电阻

• 压力式：防爆选他
• 膨胀式的话工业可以选择双金属
• 半导体热敏电阻：灵敏度高，一般不用于工业，但可以用于温度补偿

热电偶温度计 ¶

• 使用最普遍的传感元件之一
• 结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号便于远传或信号转换
• 测量流体、固体、固体壁面的温度
• 微型热电偶还可测快速及动态温度变化

接触电势 ¶

温差电势

基本定律各解决什么问题？

均质导体定律

• 由一种导体组成的闭合回路，不论导体的截面积和长度如何，也不论各处的温度如何都不产生热电势。
• 跟面积和长度无关

中间导体定律

• 在热电偶回路中接入第三种导体，只要中间导体两端温度相同，那么中间接入导体对热电

偶回路总热电势没有影响

• 应用：引入各种检测仪表、各种连线，不影响测量中间温度定律
• 只要列出热电势在冷端温度为 0℃的分度表，就可以求出冷端在其它温度时的热电势值。

等值替代定律

• 如果热电偶 AB 在某一温度范围内所产生的热电势与热电偶 CD 在同一温度范围内所产生的热电势相等，即 EAB(T,T0)=ECD(T,T0) 则在该温度范围内可以互相替换
• 补偿导线

热电偶自由端温度的处理 ¶

1、补偿导线法

• 用较廉价的导体来加长热电偶
• 若自由端不为 0，仍需修正

注意事项

• 补偿导线只能在一定温度范围内与热电偶特性相近
• 不同型号 - 不同型号
• t0’处的两个点，温度需一致
• ± 接 ±
• 补偿导线的作用只是延伸自由端，当自由端温度不为 0 时，仍需进行其他补偿与修正

2、计算修正法

需查表、计算，难进行连续测量

3、自由端恒温法

自由端引至电加热的恒温器中（如冰浴法）

4、自动补偿法

• 采用补偿电桥，补偿自由端温度变化导致的热电势
• 自由端温度补偿器

热电阻 ¶

外引线接线方法 ¶

二线制：两根引线的电阻没有被消除

三线制：两根引线的电阻被抵消了

区别

其他接触式温度检测仪表 ¶

一般不具备远传功能，作为现场指示用途

• 玻璃管温度计：水银、酒精等为工作液
• 压力式温度计：受热体积膨胀或压力增大的原理
• 双金属温度计：两种膨胀系数不同的金属元件来测量温度，-80℃~600℃
• 集成温度传感器

非接触式 ¶

主要是辐射式：物体的辐射能随温度而变化

优点：非接触，运动，不破坏温度场

温度检测仪表的使用 ¶

接触式和非接触式

• 目前 工业应用大部分是接触式
• 非接触：接触式不能胜任之处，选之，比如炉膛火焰温度检测
• 热电偶、金属热电阻 比如铂电阻可做标准仪器
• 工业现场就地指示
• 半导体热敏电阻和集成温度传感器

接触式温度检测仪表使用

• 测温位置
• 尽可能缩小温度敏感元件和保护套管的体积

总结 ¶

• 工业现场就地指示：一般用膨胀式温度仪表 （要双金属，不要玻璃管式）
• 工业集中显示、记录和控制用的温度检测：热电偶、热电阻
• 非工业生产过程领域：半导体热敏电阻和集成温度传感器
• 接触式注意事项：缩小温度敏感元件的体积（热平衡时间↓）； 保护套管（抗腐蚀、机械强度）

压力检测仪表 ¶

概述 ¶

• 1 巴（bar） ≈ 1 标准大气压（atm）=1 公斤 / 平方厘米 =100 千帕（kPa)=0.1 兆帕（MPa）
• 国家统一规定的仪表准确度等级：…，0.05，0.1，0.25，0.35，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0
• 仪表的最大允许误差 =±（ （测量范围的上限值 - 下限值） × 准确度等级 ÷ 100 ）
• 目前我国出厂的压力（包括差压）检测仪表的统一量程系列（P166）1kPa、1.6kPa、2.5kPa、4.0kPa、6.0kPa以及它们的 \(10^n\) 倍数（n 为整数）。

压力表示方法

• 绝对压力 \(p_a\)

• 表压力 \(p=p_a -p_0\)

• 真空度或负压 \(p_h=p_0 -p_a\)

• 差压 \(△p=p_2 -p_1\)

• 大气压 \(p_0\)

◆ 工程上，一般用表压和真空度来表示压力 ( 相对大气压 )

分类 ¶

根据敏感元件和转换原理的不同，一般分为四类：

(1) 液柱式：充水或水银等的玻璃 U 形管或单管

(2) 弹性式：根据弹性元件受力变形的原理，将压力转换成位移 如：弹簧管、膜片和波纹管等

(3) 电远传式：将与被测压力成正比的敏感元件（弹性元件）的位移转换为电信号输出，实现信号的远距离传输。如力平衡式、电容式、霍尔式。

(4) 物性型：在压力的作用下，敏感元件的某些物理特性发生变化。应变式、压阻式、压电式等。均有电远传功能。

(5) 活塞式：根据液压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞面积上所加平衡砝码的质量来进行测量。（测量精度较高，0.05％～0.02％，一般用作标准表）

液体压力计 ¶

误差分析

• 温度误差：温度对于液体密度的影响
• 安装误差：安装不垂直导致。可以测量倾角进行修正
• 重力加速度误差：可以通过测量当地加速度修正
• 传压介质误差：工作液产上方的传压介质的压力；温度对传压介质密度的影响；对于液体，不能溶解和化学反应
• 读数误差：毛细现象，附加的升高或降低作用

注意事项

• 重力加速度
• 垂直安装：否则修正
• 工作液选择：相溶或发生化学反应；P↑密度大的
• 瞬时工作压力不可超过量程

特点：直观、可靠、准确度较高等，只能测量较低的压力或差压，易破损，只能进行现场指示

\(\Delta p = p_2 -p_1 = \rho gh\)

因此：工作液体密度上升，泽良范围提高，但是灵敏度下降

弹性压力检测仪表——现场指示 ¶

用弹性元件作为压力敏感元件把压力转换成弹性元件的位移，并经适当的机械传动和放大机构，通过指针指示被测压力大小的一种压力表，统称弹性式压力表

弹簧管式压力表 ¶

• 弹簧管：简单、方便、便宜，测量范围宽，可以测量负 / 微 / 低 / 中 / 高压，应用十分广泛。根据制造的要求，仪表精度最高可达 0.15 级
• 膜片：可直接带指示机构，更多是和其他转换元件结合把压力转换成电信号。
• 波纹管：位移相对较大，特点是灵敏高（特别是在低压区），常用于检测较低的压力（1.0～106 Pa），迟滞误差较大，精度一般只能达到 1.5 级。
• 只能测压力，不能测差压

注意上图右边材料的选取

单圈弹簧管压力表是最普遍的就地指示式压力检测仪表（也有电接点输出）

波纹管差压计 ¶

量程弹簧 + 波纹管的弹性：与差压作用力平衡；调量程

高压波纹管 + 补偿波纹管：补偿液体因温度变化产生的体积膨胀

也可测压力；测量范围较小，0～0.4MPa，准确度 1.5～2.5 级。

对比 ¶

弹簧管：简单、方便、便宜，测量范围宽，可以测量负 / 微 / 低 / 中 / 高压，应用十分广泛。根据制造的要求，仪表精度最高可达 0.1 级。

波纹管：位移相对较大，特点是灵敏高（特别是低压区），常用于检测较低的压力，迟滞误差较大，精度一般只能达到 1.5 级。

膜 片：可直接带指示机构，更多是和其他转换元件结合把压力转换成电信号。

电远传式压力检测仪表 ¶

• 电远传式压力检测仪表：将弹性元件的位移转换为电信号输出，实现信号的远传
• 常称为压力（差压）传感器

力平衡式压力变送器 ¶

• 工作原理：力矩平衡
• 检测元件：膜盒（膜片）
• 杠杆系统：有单杠杆、双杠杆和矢量机构

电容式差压变送器结构 ¶

• 传感器有左右固定极板，在两个固定极板之间是由弹性材料制成的测量膜片，作为电容的中央动极板，在空腔中充满硅油
• 与被测差压 ΔP 成线性关系，与灌充液的介电常数无关
• 电容式差压变送器没有机械结构，因而尺寸紧凑，密封性与抗振性好，测量精度相应提高，可达 0.2 级。

推导：

\(c=\frac{\varepsilon A}{s}\)

谐振式压力传感器 ¶

依靠被测压力改变弹性元件或振动元件的谐振频率，经过适当的电路输出脉冲频率信号或电流（电压）信号

根据谐振原理的不同：振弦式、振膜式、振筒式

霍尔压力传感器 ¶

原理：弹簧管位移，霍尔元件

霍尔元件输出：mV，电压放大，显示时需二次仪表

电感式压力传感器 ¶

原理：弹性元件位移，线圈自感或互感系数变化

物性型压力传感器 ¶

测量原理

• 基于物质定律基础上，敏感元件感受被测压力，并将压力的大小转换成敏感元件的某个物理量输出

分类

• 应变式
• 压阻式
• 压电式

应变式 ¶

利用金属或半导体材料制成的电阻体的阻值可表示为

\(R = \rho \frac{l}{S}\)

当电阻体受外力作用时，电阻体的长度 ( l )、截面积 ( S ) 或电阻率 ( \(\rho\) ) 会发生变化，即其阻值也会发生变化。

这种因尺寸 (l、S) 变化引起阻值变化称为应变效应。

• 此时的电阻体称为应变片。

• 应变片多以金属材料为主，一般和弹性元件一起使用。

因电阻率变化 ( \(\rho\) ) 引起阻值变化称为压阻效应。

应变片式压检测仪表（多属于中低档产品）

• 具有较大的测量范围，被测压力可达几百 MPa
• 具有良好的动态性能，适用于快速变化的压力测量
• 虽有温度补偿，仍有比较明显的温漂和时漂，
• 测量精度一般在 0.5～1.0％左右。

压阻式 ¶

• 因电阻率变化引起阻值变化称为压阻效应
• 半导体材料的压阻效应比较明显
• 传感器基片材料主要为 硅片 和 锗片

结论

• 体积小，结构简单，精度一般比应变片式仪表高
• 灵敏系数是金属应变片的几十倍，能直接测量出微小的压力变化。
• 良好的动态响应，迟滞小，可用来测量几千赫兹乃至更高的脉动压力。
• 也存在温度效应，容易受环境温度的影响，但比应变片式仪表好
• 集成压力传感器：主流压力检测仪表之一

压电式 ¶

结构简单、紧凑，小巧轻便，工作可靠，具有线性度好，频率响应高，量程范围大等优点。

一般不用于稳态测量，主要用于快速变化的动态压力测量，例如内燃机燃烧室内压力测量等

压力检测仪表的使用 ¶

原则：根据生产工艺对压力检测的要求、被测介质的特性、现场使用环境等条件，本着节约的原则，合理的考虑仪表的量程、准确度等级和类型

两个注意事项

1. 压力仪表的选用

2. 取压点及引压管路的设计

3. 取压口

4. 引压管路
5. 常用附件
6. 特殊介质的取压方式

仪表的选用 ¶

取压点及引压管路的设计 ¶

取压口

1. 代表性
2. 方便安装与维护

3. 原则

4. 被测介质直线流动处，避开阻力件和死角

5. 垂直、与内壁平齐，保证测取的是流体的静压信号
6. 水平管道和水平安装的设备：
7. 液体—中下；气体—上部

引压管路

1. 应保证压力传递的实时、可靠和准确

2. 引压管路敷设原则

3. 内径一般为 6～10mm，长度不得超过 50m。粘度、长度↑，内径 ↑

4. 若水平敷设 1：10～1：20 的倾斜度 。液：下倾斜；气：上倾斜。
5. 当被测介质为易冷凝易结晶易凝固流体时，引压管路需有保温伴热措施。
6. 测量小信号的时候应避免管道热力学因素的影响，一般不能直接选择管道最顶部

保温伴热措施：酒精和氨

引压管路中常用的一些附件

• 截止阀：工作和检修
• 隔离罐：被测介质腐蚀性较强
• 集气器：被测介质为液体
• 集液器：被测介质为湿气体
• 冷凝器：被测介质为蒸汽

一些特殊的取压方式

气固两相流介质：过滤网和反吹

气液两相流介质：在引压管路中需增加分离罐

高粘度、易结晶介质：隔离罐、采用夹套方式用蒸汽加热或保温、法兰式压力 ( 差压 ) 变送器、 反吹热液

总结 ¶

物位检测仪表 ¶

基本概念 ¶

作用

① 确定容器中被测介质的储存量，以保证生产过程的物料平衡，也为经济核算提供可靠依据；

② 通过物位检测并加以控制可以使物位维持在规定的范围内，保证产品的产量和质量，保证安全生产

③ 对物位上下极限位置进行报警，保证安全生产。

定义

“物位”一词统指设备和容器中液体或固体物料的表面位置

对应不同性质的物料又有以下的定义：

• 液位指设备和容器中液体介质表面的高低。
• 料位指设备和容器中所储存的块状、颗粒或粉末状固体物料的堆积高度。
• 界面指相界面位置。容器中两种互不相溶的液体，因其重度不同而形成分界面，为液 - 液相界面；容器中互不相溶的液体和固体之间的分界面，为液 - 固相界面。液 - 液、液 - 固相界面的位置简称界面

物位是液位、料位、界位的总称。对物位进行测量、指示和控制的仪表，称物位检测仪表

物位检测仪表按测量方式可分为连续测量和定点测量两大类。

• 连续测量方式能持续测量物位的变化。
• 定点测量方式则只检测物位是否达到上限、下限或某个特定位置，定点测量仪表一般称为物位开关。

分类

直读式

间接式：静压式、浮力式、电气式、声学式、射线式等

直接式物位检测 ¶

直读式：在容器上开一些窗口（称为视镜）进行观测。直接显示容器中物位的高度。

连通玻璃管（玻璃板）式：液位检测。

特点：可靠、结果准确；用于压力不高、现场指示的场合。

静压式物位计 ¶

根据流体静力学原理，静止介质内某一点的静压力与介质上方自由空间压力之差与该点上方的介质高度成正比，因此当被测介质密度不变时，可利用差压来检测液位。

应用：这种方法一般只用在液位的检测，腐蚀性，含有结晶颗粒，粘度大、易凝固的液体介质，引压导管易被腐蚀或堵塞，影响测量准确度，甚至不能测量

这类仪表有压力式、吹气式和差压式等型式

压力仪表与取压点（零液位）不在同一水平位置时，应对其位置高差而引起的固定压力进行修正

量程迁移 ¶

对压力（差压）变送器进行零点调整，使它在只受附加静压（静压差）时输出为“零”，这种方法称为量程迁移

1. 无迁移

2、正迁移

为使 H = 0 时，差压变送器输出 I =４mA，就要设法消去 C 的作用，这称为量程迁移。由于要迁移的量为正值，因此称正迁移，正迁移量为 C

相当于将差压变送器的零点向正方向移动

对于 DDZ-III：

当 \(\Delta p = C\) 时，输出电流为 \(I =４mA\) （调零点）

当 \(\Delta p = H_{max}\rho_1 g+C\) 时，输出电流为 \(I =20mA\) （调量程）

3、负迁移

为使 H = 0 时，差压变送器输出 I =４mA，就要设法消去 -B 的作用，这称为量程迁移。由于要迁移的量为负值，因此称负迁移，负迁移量为 B

相当于将差压变送器的零点向负方向移动

对于 DDZ-III：

当 \(\Delta p = -B\) 时，输出电流为 \(I =４mA\) （调零点）

当 \(\Delta p = H_{max}\rho_1 g-B\) 时，输出电流为 \(I =20mA\) （调量程）

注意：正负迁移的实质是通过迁移弹簧改变差压变送器的零点，它的作用是同时改变测量范围的上、下限，而不改变量程的大小

浮力式物位计 ¶

分为恒浮力式液位计和变浮力式液位计

• 恒浮力式液位计：测量漂浮于被测液面上的浮子 ( 也称浮标 ) 随液面变化而产生的位移

• 变浮力式液位计 ：利用沉浸在被测液体中的浮筒 ( 也称沉筒 ) 所受的浮力与液面位置的关系

变浮力式液位计：

电容式物位计 ¶

检测原理：利用敏感元件直接把物位变化转换为电容量的变化。

电容器的电容量或电容的增量随液位的升高而线性增加

影响因素

• 当圆筒形电容器的几何尺寸 L、R 和 r 保持不变，且介电常数也不变时
• (\(ε_2 - ε_1\)) 越大，\(\Delta C\) 越大，相对灵敏度越高。

应用

非导电液体液位

固体颗粒料位

电容式物位计的特点：

可测量液位、粉状料位、也可测界面，具有结构简单，安装要求低等特点。

但当被测介质粘度较大时，液位下降后，电极表面仍会粘附一层被测介质，从而造成虚假液位示值，严重影响测量精度。

被测介质的温度、湿度等变化都能影响测量精度，当精度要求较高时，应采用修正措施。

超声波物位计 ¶

次声波 (<20Hz)，闻声波 (20~20kHz)、超声波 (>20kHz)

性质：

• 速度：与介质、介质所处的状态(如温度)有关
• 衰减：介质（气体吸收最强而衰减最大，液体其次，固体吸收最小而衰减最小）、声波频率↑，衰减↑
• 方向性：频率↑方向性↑。超声波：直线传播
• 反射和折射：介质密度、传播速度不同导致

通过测量声波从发射至接收到被物位界面所反射的回波的时间间隔来确定物位的高低：\(H= 0.5 vt\)

实现方式 ¶

超声波液位计按传声介质不同，可分为气介式、液介式和固介式三种

按探头的工作方式可分为

• 自发自收的单探头方式（发射与接收时间相互错开 ）
• 收发分开的双探头方式

超声波的接收与发射 ¶

原理 1: 基于压电晶体的压电和逆压电效应

• 接收：压电效应
• 发射：逆压电效应

具有压电效应的压电晶体在受到声波声压的作用时，晶体两端将会产生与声压变化同步的电荷，从而把声波 ( 机械能 ) 转换成电能。反之，如果将交变电压加在晶体两个端面的电极上，沿着晶体厚度方向将产生与所加交变电压同频率的机械振动，向外发射声波，实现了电能与机械能的转换。（换能器）

原理 2: 磁致伸缩材料的磁致伸缩和逆磁致伸缩（压磁）效应

• 接收：压磁效应
• 发射：磁致伸缩

超声检测中超声波能量的选择 ¶

温度补偿 ¶

速度易受介质温度、成分等变化的影响

- 温度补偿：如已知温度与声速的关系，加装温度传感器进行温度补偿。

- 设置校正具 ( 测量声速 )：固定型 ( 声速各向相同 ); 活动型 ( 声速沿高度发生变化 )

特点 ¶

无可动部件，换能器的振幅小，寿命长，可实现非接触式测量；

不受介质粘度的影响，并与介质的介电常数、电导率、热导率等无关；

适合强腐蚀、高压、有毒、高粘度液体的测量；不适宜被测液体中有气泡和悬浮物，而且液面不能有很大的波动；

测量精度受声速的影响 ( 声速受温度影响 )。

微波物位计 ¶

微波：电磁波，波长为 1-1000mm

• 具有良好的定向辐射性能，在各种障碍物上产生良好的反射；
• 在传输过程中受到粉尘、烟雾、火焰及强光的影响小，具有很强的环境适应能力 具有无盲区、非接触测量、几乎不受被测介质物理特性变化的影响等优点
• 物位测量中占据着越来越重要的地位：石化、冶金、化工等领域广泛应用
• 尤其是在槽罐中温度高、蒸汽大、介质腐蚀性强等恶劣的测量条件下，更显示出其优越的性能，在生产中发挥着不可替代的作用

在一定条件下，微波传播速度是一定的，所以可以通过测量微波从传感器传播至物料表面并返回到传感器所用的时间来计算出所测量的物位。\(L = 0.5 ct\)

时间测量困难，可以采用复合脉冲雷达技术 (如连续调频式微波物位计)

连续调频式微波物位计：\(L = \frac{C\Delta f}{4F\Delta f_0}\)

控制级微波物位计：其准确度一般在 10mm 左右；

计量级微波物位计：它可用于贸易估算，准确度达 1mm。

特点

• 测量准确：微波物位计与介质表面无接触，不受温度、压力、气体的影响，可快速且精确的测量不同介质的物位，无论是腐蚀性化学品，钢水，还是高温的焦炭，易结疤、粘稠度高的料浆。
• 可靠性强、寿命长：通过使用高级材料，微波物位计对于极复杂的化学和物理条件都很耐用，它可以提供准确可靠且长期稳定的模拟量或数字量物位信号。
• 几乎可以测量所有介质：微波信号与可见光相似，可以穿透空间，其反射功率取决于两个因素：被测介质的导电性，被测介质的介电常数。介电常数越大，回波信号的反射效果越好。
• 安全节能：传感器发射功率很小，可以不受任何限制的应用于各种场合，微波的发射功率非常小，可被金属容器外壁静电屏蔽。它可以在高温高压下进行测量。

微波物位计与超声波物位计比较

射线式物位计 ¶

由于射线的可穿透性，它们常被用于情况特殊或环境条件恶劣的场合实现各种参数的非接触式检测，如位移、材料的厚度及成分、流体密度、流量、物位等。物位检测是其中一个典型的应用示例

射线式物位计的探测器

作用：是将其接收到的射线强度转变成电信号，并输给下一级电子线路。

常用的探测器：闪烁计数管、电离室、盖革 - 弥勒计数管

特点

• 属于非接触测量，可用于高温高压、真空密封等各种容器中液体或固体物料的物位测量。
• 可以适应腐蚀、有毒、高粘度、爆炸性等各种困难介质和高温、高湿、多粉尘、强干扰等恶劣的工作条件。
• 其放射性安全防护措施需按有关规范操作。

磁致伸缩液位计 ¶

磁致伸缩效应：可定义为铁磁材料或亚铁磁材料在居里点温度以下，由于其磁状态的变化而使物质在形状和尺寸上变化的现象。

微观解释：当有外磁场作用时，材料内部磁场平衡受到破坏，所有磁畴的磁场方向与外磁场平行，由于在磁化过程中磁畴的界限发生移动，晶体产生形变，因而导致材料产生机械变形。

倾斜度：惯例上，在磁致伸缩液位计中把传播速度 v 的倒数称为倾斜度。

特点

• 测量精确度极高，可达 0.05%F.S; 分辨率和重复度优于 0.002%F.S。(F.S. 值全量程 Full Scales)
• 波导线温度稳定性佳，温度系数为 5.4 ppm/C 或更佳。
• 同一传感器上可装配多个活动磁铁：可降低成本。
• 本质安全：传感器所需电量非常低，它在易爆环境中可释放的能量有限且低于燃烧点很多，故称之为本质安全 ( 必须加上认可安全栅以符合国际标准要求，如美国 FM)。
• 本质安全传感器在油类计量、储存、采矿业及印刷业应用尤为普遍。

其他物位检测仪表 ¶

电阻式液位计

电感式液位计

热电式物位计

热磁感应式物位计

光学式液位计

物位检测仪表的使用 ¶

定点测量 ¶

物位检测方法的特性参数和补偿

物位检测的特点是敏感元件所接收到的信号一般与被测介质的某一特性参数有关。

静压式和浮力式液位计与介质的密度有关。

电容式物位计与介质的介电常数有关。

超声波物位计与声波在介质中的传播速度有关。

射线式物位计与介质对射线的线性吸收系数有关。

当被测介质的温度、组分等改变时，这些参数可能也要变化，从而影响测量准确度；另外，大型容器会出现各处温度、密度和组分等的不均匀，引起特性参数在容器内的不均匀，同样也会影响测量准确度。因此，当工况变化比较大时，必须对有关的参数进行补偿或修正。如：超声波物位检测速度补偿。

流量检测仪表 ¶

基本定义 ¶

流量定义

• 指单位时间内流动介质 ( 气体、液体或固体颗粒等 ) 流经管道 ( 或通道，统称流道 ) 中某截面的数量（可以指体积或者质量），又称瞬时流量
• 在某段时间内流过的流体的总和，即瞬时流量在某段时间内的累积值，称为累积流量

体积流量

单位时间内流过某截面的流体的体积 ( \(q_v\))：

\(q_v = \int_A v dA\)

\(q_v = \lim_{\Delta t \to 0} \frac{\Delta V}{\Delta t} = \frac{dV}{dt} = \overline{v} A\)

\(q_v = v A\)

质量流量

单位时间内流过某截面的流体的质量 ( \(q_m\))：

\(q_m = \int_A \rho v dA\)

\(q_m = \rho v A = \rho q_v\)

\(q_m = \lim_{\Delta t \to 0} \frac{\Delta M}{\Delta t} = \frac{dM}{dt} = \overline{\rho v} A\)

累积流量

体积累积流量 ( \(Q_v\) ) 和质量累积流量 ( \(Q_m\))：

\(Q_v = \int q_v dt\)

\(Q_m = \int q_m dt\)

单位

• \(\text{m}^3/\text{s}\)（ \(\text{m}^3/\text{s}\) ） 、千克 / 秒（ \(\text{kg}/\text{s}\) ）；
• \(\text{m}^3\) （ \(\text{m}^3\) ）、千克（ \(\text{kg}\) ）。

工程上还使用的流量计量单位有： - \(\text{m}^3/\text{h}\)（ \(\text{m}^3/\text{h}\) ）； - 升/分（ \(\text{l}/\text{min}\) ）、升（ \(\text{l}\) ）； - 吨/小时（ \(\text{t}/\text{h}\) ）、吨（ \(\text{t}\) ）； - \(\text{m}^3/\text{day}\)（ \(\text{m}^3/\text{day}\) ）。

流体的密度

• \(\rho\) (\(\text{kg}/\text{m}^3\))

流体粘度

• 流体的粘性是指在流体运动时，流体内部各微团或流层之间由于具有相对运动而产生内摩擦力以阻止流体做相对运动的性质。
• 流体动力粘度是使单位距离的单位面积液层，产生单位流速所需之力，记作 \(\eta\) (\(\text{Pa} \cdot \text{s}\))。
• 流体的动力粘度与流体密度的比值称为运动粘度，记作 \(\nu\) (\(\text{m}^2/\text{s}\))。

流体的可压缩性系数和可膨胀性系数

• 可压缩性：在一定的温度下，流体体积随压力增大而缩小的特性称为流体的压缩性。
• 可膨胀性：在一定压力下，流体的体积随温度升高而增大的特性称为流体的膨胀性。

可压缩性系数 ($ 1/ text{Pa} $)： \(k = -\frac{1}{V} \cdot \frac{\Delta V}{\Delta P}\)

可膨胀性系数 ($ 1/^circ text{C} $)： \(\varepsilon = \frac{1}{V} \cdot \frac{\Delta V}{\Delta T}\)

雷诺数

• 雷诺数是流体流动的惯性力与粘滞力之比。

\(\text{Re} = \frac{Dv\rho}{\eta}\)

其中：

• \(D\) 为管道内径
• \(v\) 为流体的平均流速
• \(\rho\) 为流体密度
• \(\eta\) 为流体粘度

相关概念

单相流和多相流

• 管道中只有一种均匀状态的流体流动称为单相流；两种以上不同相流体同时在管道中流动称为多相流。
• 多相流：可乐

可压缩和不可压缩流体的流动

• 流体可分为可压缩流体和不可压缩流体，所以流体的流动也可分为可压缩流体流动和不可压缩流体流动两种。
• 液体可压缩不大，认为是不可压缩流动，即 $ rho $ 为定常

稳定流和不稳定流

• 当流体流动时，若其各处的速度和压力仅和流体质点所处的位置有关，而与时间无关，则流体的这种流动称为稳定流；
• 若其各处的速度和压力不仅和流体质点所处的位置有关，而且与时间也有关，则流体的这种流动称为不稳定流。

层流与湍流（充分发展）

层流中流体沿轴向作分层平行流动，各流层质点没有垂直于主流方向的横向运动，互不混杂，有规则的流线。
湍(紊)流状态管内流体不仅有轴向运动，而且还有剧烈的无规则的横向运动。

相关概念

流速分布与平均流速

• 流体有粘性，当它在管内流动时，即使是在同一管路截面上，流速也因其流经的位置不同而不同。越接近管壁，由于管壁与流体的粘滞作用，流速越低；管中心部分的流速最快。流体流动状态不同将呈现不同的流速分布。

层流：\(u_x = u_{\text{max}} \left(1 - \frac{r_x}{R} \right)^2\)

湍流：\(u_x = u_{\text{max}} \left(1 - \frac{r_x}{R} \right)^{1/n}\)

流量测量方法

流量检测：

• 对在一定通道内流动流体的流量进行测量。

流量检测的任务： - 根据测量目的、被测流体的种类、状态、测量场所等条件，研究各种相应的测量方法，并保证流量量值的正确传递。

复杂、多样、要求高

相关概念

流量测量基本方法

流量测量方法大致可以归纳为以下几类： - 利用伯努利方程、力平衡原理等，将流量转换成其它物理量（差压式，守恒定律）； - 利用标准小容积来连续测量流量的容积式测量（直接度量）； - 通过直接测量流体流速来得出流量的速度式流量测量法； - 以测量流体质量流量为目的的质量流量测量法。

利用多个原理、规律，实现组合式测量

场的定律
动力场运动定律、电磁场感应定律、光的干涉

测量方法 ¶

伯努利方程

• 丹尼尔 · 伯努利在 1726 年提出了“伯努利原理”，其实质是流体的机械能守恒。即：动能 + 重力势能 + 压力势能 = 常数。

• 该式称为伯努利方程。式中 \(P\) 为流体中某点的压强，\(v\) 为流体该点的流速，\(\rho\) 为流体密度，\(g\) 为重力加速度，\(z\) 为该点所在高度，\(C\) 是常量。
• 其最为著名的推论为：等高流动时，流速大，压力就小。

• 仅适用于粘度可以忽略、不可被压缩的理想流体。

流量测量方法大致可以归纳为以下几类：

体积流量： - 直接法：容积式 - 间接法：节流、转子、涡街、涡轮、电磁、超声……

质量流量：

• 直接法：科里奥利力流量计、热式
• 间接法

流量仪表的主要技术参数

• 流量范围
  流量范围指流量计可测的最大流量与最小流量的范围。

• 量程和量程比
  流量范围内最大流量与最小流量值之差称为流量计的量程。最大流量与最小流量的比值称为量程比，亦称流量计的范围度。

• 精度等级
  精度等级有：0.02、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5……

• 压力损失

节流式流量计 ¶

节流式流量计基于流体在通过设置于流通管道上的流动阻力件时产生的压力差与流体流量之间的确定关系，通过测量差压值求得流体流量。

按检测件的作用原理，属于差压式流量计： - 节流式 - 动压头式 - 水力阻力式 - 离心式 - 动压增益式和射流式等几大类。

节流式和动压头式应用最为广泛。

流量与压力差的二次方根成正比，\(\alpha\) 可以直接查表、

• 考虑实际取压方式，引入流量系数 $ alpha $，流量公式表示为：

\(q_v = \alpha A_0 \sqrt{\frac{2}{\rho} \Delta p}\)

\(q_m = \alpha A_0 \sqrt{2 \rho \Delta p}\)

• 考虑可压缩性流体，引入膨胀系数 $ varepsilon $，则可得可压缩性流体流量与差压的关系：

\(q_v = \alpha \varepsilon \frac{\pi}{4} d^2 \sqrt{\frac{2}{\rho} \Delta p}\)

\(q_m = \alpha \varepsilon \frac{\pi}{4} d^2 \sqrt{2 \rho \Delta p}\)

• 实际应用时，流量系数 $ alpha $ 常用流出系数 $ C $ 来表示，其中 $ beta $ 为直径比，\(\beta = d / D\)，

\(C = \alpha \sqrt{1 - \beta^4}\)

流量公式为：

\(q_v = \frac{C \varepsilon A_0}{\sqrt{1 - \beta^4}} \sqrt{\frac{2}{\rho} \Delta p}\)

\(q_m = \frac{C \varepsilon A_0}{\sqrt{1 - \beta^4}} \sqrt{2 \rho \Delta p}\)

节流装置

• 标准节流装置
  按照标准文件设计、制造、安装和使用，无须经实流校准即可确定其流量值并估算流量测量误差。

• 非标准节流装置
  成熟程度较差，尚未列入标准文件的检测件。

节流装置的取压方式

根据节流装置取压口位置可将取压方式分为理论取压、角接取压、法兰取压、径距（D-D/2 取压）取压与损失取压五种。

量程比通常在 3：1

管道条件的要求

管壁粗糙度

• 流量系数与实验管道内壁的粗糙程度有关，必须注意在节流装置前后的管道粗糙度应符合有关规定。

• 光滑管：

在实际应用时，孔板上游 10D 之内的管表面相对平均粗糙度应满足限值要求。

直接采用经验公式进行流量系数的计算。

• 粗糙管：

流量系数有误差。

足够长的直管段长度

• 节流件的上下游需要有一定长度的直管段

(1) 标准节流装置：¶

特点

结构简单、便于制造、工作可靠、使用寿命长、适应性强；几乎能测量各种工况下的介质；对于标准节流装置，只要严格按照有关规定和规程设计、加工和安装，流量计不需进行标定

压力损失大；刻度非线性；流量测量范围窄，正常量程比 3:1; 不能测量直径在 50mm 以下的小口径和大于 1000mm 的大口径的流量；不能测量脏污介质和粘度较大的介质的流量；要求流体的雷诺数大于某个临界值

(2)V 锥型流量计 ¶

计算与孔板、喷嘴等类似，差压△P 的平方根与流量成正比

特点

• 前后直管段要求较短，一般上游只需 0 至 3D, 下游只需 0 至 1D
• 典型的范围度 ( 量程比 ) 为 15:1
• 精度高，差压输出值可实现 ±0.1% 的重复性
• 压损小，仅为孔板的 ½-⅓。
• V 锥体后缘产生旋涡小，差压输出稳定，波动小
• V 锥体受到流体的冲刷，无杂物滞留
• dV 锥流量计尚未达到标准化的程度，需要实流校准

(3) 皮托管 ¶

皮托管主要应用于 HVAC( 制热、通风与空调控制 ), 洁净空间和空气处理领域。

可以测量温度较高的气体和有颗粒的气体，还可测量较高风速。

(4) 均速管流量计 ¶

原理与皮托管相同

(5) 靶式流量计 ¶

靶式流量计是一种适用于测量高粘度、低雷诺数流体流量的流量测量仪表，

(6) 弯管流量计 ¶

弯管流量计是一种可用于任何工艺管道流量测量的装置。

转子流量计 ¶

原理

• 利用在下窄上宽的锥形管中的浮子所受的力平衡原理工作
• 流量不同，浮子的高度不同，形成的流通面积随流量发生变化
• 浮子的重力与所受浮力和流通阻力的平衡关系进行流量的检测
• 浮子前后的压降是一定的，又称恒压降式流量检测方法

特点

• 适用于中小管径、较低雷诺数的中小流量的检测
• 结构简单，使用方便，工作可靠，对直管段长度要求不高
• 基本误差为 ±1%-±2%, 量程比可达 10:1
• 测量准确度易受被测介质密度、粘度、温度、压力、纯净度和安装质量的影响

涡街流量计 ¶

通过检测涡街的频率来判断流量 \(q_v = \frac{f}{K}\)

特点

• 涡街流量计的特点是管道内无可动部件，使用寿命较长，压力损失较小
• 测量准确度高( 约为 ±0.5%-1%), 量程比一般为 10:1, 最高可达 30:1
• 在一定的雷诺数范围内，几乎不受流体的温度、压力、密度、粘度等变化的影响，故用水或空气标定的涡街流量计可用于其他液体和气体的流量测量而不需标定，尤其适用于大口径管道的流量测量
• 但是流量计安装时要求有足够的直管段长度，上游和下游的直管段分别要求不少于 20D 和 5D, 漩涡发生体的轴线应与管路轴线垂直。另外现有漩涡频率的检测方法易受流体介质特性及外部条件 ( 如振动) 等的影响，还有待完善

涡轮流量计 ¶

结构：壳体、导向体、涡轮、轴与轴承、信号检测器

特点

• 涡轮流量计的测量准确度较高，可达到 0.5 级以上 (±0.15%R)
• 反应迅速，可测脉动流量
• 流量与涡轮转速之间形成线性关系，量程比一般为 10:1, 主要用于中小口径的流量检测
• 涡轮流量计仅适用洁净的被测介质，通常在涡轮前要安装过滤装置
• 流量计前后需有一定的直管段长度，一般上游侧和下游侧的直管段长度要求在10D 和 5D 以上
• 流量计的转换系数一般是在常温下用水标定的，当介质的密度和粘度发生变化时需重新标定或进行补偿
• 难以长期保持校准特性，需要定期校验

电磁流量计 ¶

利用流量与导电液体在磁场中产生的电动势的关系测量

\(q_v = \frac{\pi D}{4B}E_x\)

主要由磁路系统、测量管、电极、衬里、外壳以及转换电路等部分组成

• 磁路系统：产生均匀的直流或交流磁场
• 转换电路：放大感应电动势、抑制主要的干扰信号

性质

• 大口径：给排水工程
• 中小口：可用于固液双相流等难测流体或高要求场所
• 小口径 & 微小口径：：医药工业、食品工业、生物工程等有卫生要求的场所
• 精度：一般优于 0.5%
• 口径：1~3000 mm
• 液体电导率：通用型电磁流量计的下限阈值在 10-⁴-(5×10-6)S/cm 之间

特点

• 测量管内无可动部件或突出于管道内部的部件，因而几乎无压力损失；
• 只要是导电的，被测流体可以是含有颗粒、悬浮物等，也可以是酸、碱、盐等腐蚀性介质，有宽广的适用范围；
• 流量计的输出与体积流量成线性关系，并且不受液体的温度、压力、密度、粘度等参数的影响；
• 电磁流量计的量程比一般为 10:1, 有的量程比可达 100:1; 测量口径范围大，可以从 1mm 到 2m 以上，特别适用于 1m 以上口径的水流量测量；测量准确度一般优于 0.5%;
• 电磁流量计反应迅速，可以测量脉动流量；
• 电磁流量计的主要缺点有：被测流体必须是导电的，不能测量气体、蒸汽和石油制品等的流量；由于衬里材料的限制，一般使用温度为 0-200℃; 因电极是嵌装在测量管上的，这也使最高工作压力受到一定限制，一般为 2.5MPa

超声波流量计 ¶

原理：传播速度法、多普勒法、波束偏移法、噪声法、相关法、流速 - 液面法等多种方法

传播速度法 ¶

通过测量超声波脉冲在顺流和逆流传播过程中的速度之差来得到到被测流体的流速

测量速度的方法：时差法、相差法和频差法

多普勒法 ¶

由于用的是反射，液体中需要有悬浮颗粒或气泡等杂志

容积式流量计 ¶

直接式流量测量方法，让被测液体充满具有一定容积的空间，然后再把这部分流体从出口排出，根据单位时间内排出的流体体积可直接确定体积流量，根据一段时间内排出的总体积数可确定流体的体积总量。

常见的容积式流量计：

椭圆齿轮流量计

活塞式流量计

腰轮流量计

湿式流量计

刮板流量计

皮囊式流量计

特点

• 测量准确度高，可达 ±(0.2%-0.5%), 能达到 0.1%, 量程比为 10:1
• 适于测量较高粘度的液体流量，在正常工作范围内，压力和温度对测量结果影响很小
• 安装方便，对仪表前后直管段长度没有严格要求对仪表制造、安装精度要求高，传动机构较复杂
• 要求被测介质干净，不含固体颗粒，流量计前要装过滤器
• 常用的测量口径为10-150mm左右，当测量口径大时，成本高，质量和体积大，维护不方便

质量流量计 ¶

直接式质量流量计：检测元件的输出可直接反映出质量流量

间接式质量流量计：同时检测出体积流量和流体的密度，或同时用两个不同的检测元件检测出两个与体积流量和密度有关的信号，通过运算得到反映质量流量的信号

补偿式：同时检测出体积流量和流体的温度、压力，应用有关公式求出流体的密度或将被测流体的体积流量自动地换算成标准状态下的体积流量，从而间接地确定质量流量

直接式质量流量计 ¶

分为科里奥利力式、热式、差压式 ( 孔板 + 定量泵 )、角动量式

科里奥利力式 ¶

利用流体在直线运动的同时处于一旋转系中，产生与质量流量成正比的科里奥利力原理制成的一种直接式质量流量仪表

\(\Delta F_c = 2 \omega q_m \Delta x\)

特点

• 精度高、量程比大、动态特性好
• 可测量流体范围广泛，包括高粘度液的各种液体、含有固形物的浆液等
• 流体密度变化对测量值得值的影响微小
• 对外界振动干扰较为敏感，为防止管道振动影响，大部分型号的流量传感器安装固定要求较高
• 不能用于较大管径，目前尚局限于 150(200)mm 以下
• 大部分型号重量和体积较大
• 价格昂贵。约为同口径电磁流量计的 2-8 倍

热式 ¶

测量 \(\Delta T\) 与流量直接存在关系

间接式质量流量计 ¶

两个不同类型的体积流量计组合

选型原则 ¶

流量计选型是指按照生产要求，从仪表产品供应的实际情况出发，综合地考虑测量的安全、准确和经济性，并根据被测流体的性质及流动情况确定流量取样装置的方式和测量仪表的型式和规格

安全可靠

准确性和节能性

正确地选择仪表的规格

• 没有一种测量方式或流量计对各种流体及流动情况都能适应
• 不同的测量方式和结构，要求不同的测量操作、使用方法和使用条件 . 每种型式都有它特有的优缺点
• 因此，应在对各种测量方式和仪表特性作全面比较的基础上选择适于生产要求的，既安生可靠又经济耐用的最佳型式

气体检测仪表 ¶

概述 ¶

电子探针

电子探针又称微区 X 射线光谱分析仪、X 射线显微分析仪。其原理是利用聚焦的高能电子束轰击固体表面，使被轰击的元素激发出特征 X 射线，按其波长及强度对固体表面微区进行定性及定量化学分析。广泛应用于地质、冶金材料、水泥熟料研究等部门。

离子探针

离子探针 (IMA) 的基本原理是，用高能负氧离子轰击样品表面，测定被飞溅活化出来并发生电离的原子（即离子）的同位素组成，以获得年龄。所测矿物主要为、钛铁矿等含 U、Th 矿物的测年研究受到重视。

质谱仪

用高能电子流等轰击样品分子，使该分子失去电子变为带正电荷的分子离子和碎片离子。这些不同离子具有不同的质量，质量不同的离子在磁场的作用下到达检测器的时间不同，其结果为质谱图。

成分分析仪表 ¶

分析仪表的种类很多，包括气体成分分析，液体成分分析和固体成分分析，有时还包括物性检测仪表

• 电化学式：电导式、电量式、电位式、电解式、pH 计、离子浓度计
• 热学式：如热导式、热化学式等
• 光学式：如红外、紫外等吸收式、光散射、光干涉式等
• 射线式：如 X 射线、γ射线、同位素、微波分析仪等
• 磁学式：如磁性氧气分析器、核磁共振仪等
• 色谱式：如气相色谱仪、液相色谱仪等
• 电子光学式和离子光学式：电子探针、离子探针、质谱仪等

气体成分分析仪表是整个分析仪表的一个分支。

气体成分分析 ¶

• 目的：分析气体混合物中各组分或某一组分的含量。

• 实验室用和工业用区别很大：自动、连续、在线、抗干扰的要求。

• 应用举例：甲醛超标、汽车尾气、电子鼻等

• 气敏传感器能够检测气体的种类及主要检测场所

气体成分分析仪表

工作原理

• 待测组分某一化学或物理性质有较大差别或不同
• 物理式、化学式和物理化学式
• 工业应用中尽量采用物理式

氧含量分析仪 ¶

重要应用：锅炉燃烧系统中，燃烧效率计算，节能 ( 必须测量烟道气中 O₂、CO₂、CO 等气体的含量 )

O₂测量方法：

• 热磁式磁氧仪 ( 氧气的磁化率很高 ) 一结构复杂；使用不便；准确度低。( 以前常用 )
• 氧化锆 (ZrO₂) 测氧仪表一结构简单；性能稳定；反应迅速；测量范围宽；安装维修方便；可在线测量。( 常用 )

氧化锆 (ZrO₂) 测氧仪表工作原理 ¶

遵循电解质浓差电池的原理。仪表的探头由两片多孔铂电极夹一块固体氧化锆组成 ( 也称氧探头 )。

当 ZrO2 两表面存在氧浓度差异（确切地说为氧分压差）时，就会因氧离子空穴的移动而产生电动势，这个电动势称为浓差电势。

\(E = \frac{RT}{nF}ln\frac{P_R}{P_x}\)

其中 E 为浓差电势 (V) ;R 为理想气体常数 8.314J/mol.k ;T 为氧化锆所处温度 (K), n 为迁移一个氧分子的电子数 (n=4),F 为法拉第常数 (96500C)

若参比气体为空气，则 \(P_R = 20.9 \%\)

氧化锆探头和变送器¶

氧化锆氧量仪使用注意事项¶

温度

恒定或补偿
600℃,氧化锆内阻高，难测E;>1200℃,烟气可燃物与氧气迅速化合，E↑

燃烧较完全的烟气

否则易跟氧反应

应保持被测气体和参比气体的压力相等

此时，氧分压之比 = 氧的百分容积容量 ( 即氧浓度 ) 之比

参比和待测烟气有一定流速

因浓差电池有使两侧氧浓度趋于一致的倾向

二次仪表必须具有很高的输入阻抗

因氧化锆材料内阻很高

热导式气体分析仪 ¶

热导率（导热系数）¶

• 反映物质的热传导能力。按傅里叶定律，其定义为单位温度梯度（在 1m 长度内温度降低 1K）在单位时间内经单位导热面所传递的热量（单位截面、长度的材料在单位温差下和单位时间内直接传导的热量）〔W/(m·K)〕。（非金属和气体：温度↑热导率↑）
• 热导率〔W/(m·K)〕的大致范围：金属为 50～415，合金为 12～120，绝热材料为 0.03～0.17，液体为 0.17～0.7，气体为 0.007～0.17。
• 影响因素：一般与压力关系不大，但受温度的影响很大。以及材料密度、含湿量、结构和孔隙度等。

可以用热导率来测氢气，有时也可以测量二氧化硫和二氧化碳

工作原理 ¶

利用混合气体的总导热系数随被测组分的含量而变化的原理制成的自动连续气体分析仪器。

两个前提：被测组分 λ 跟其它组分 λ 差异较大；其它组分 λ 比较一致。（否则，需预处理去除这些气体）

测量方法：四臂电桥法。

混合气体热导率 \(\lambda = \sum_{i=1}^{n} \lambda_i c_i\)

传感器构成 ¶

实际是四个热导池，组成典型的惠斯登四臂电桥

为克服电源电压、环境温度波动的影响，可采用双电桥变换电路

热导式气体分析仪是目前使用较多的一种典型的物理式气体分析仪表

原理结构简单、性能稳定、使用方便、又非常完善成熟

主要用于分析混合气体中的氢气（例如氮肥生产过程），有时也用它来分析二氧化碳和二氧化硫

红外气体分析仪 ¶

红外线及红外检测 ¶

• 一种电磁波，具有折射、反射、散射、干涉和吸收等性质。波长：0.76-1000μm。
• 红外检测技术：在科学研究、生产过程、军事和医疗中广受关注。（举例：红外热成像）
• 原理（两个特点）：红外辐射的吸收性和热效应。

气体分析仪 ¶

大部分有机和无机气体分子在红外波段内有其特征吸收峰，当 \(f_入 = f_振\) 时，红外辐射被吸收，引起辐射衰减。

石油、化工、冶金等行业在线连续自动分析气体成分；CO、CO2、CH4、C2H2、C2H6、C2H4；

• 不同气体具有不同的红外吸收光谱图
• 特定气体只在一定的红外光波段上有吸收
• 单原子分子和无极性双原子气体不吸收红外线
• 水蒸气对所有波段的红外光几乎都有吸收

热效应：气体在吸收红外辐射能后温度上升，对于一定量的气体，吸收的红外辐射越多，温度上升得就越高。

气体对红外线的吸收过程遵循朗伯 - 比尔定律，即红外线通过物质前后能量变化随着待测组分浓度的增加而以指数下降。

分类 ¶

分光型和非分光型
直读式和补偿式
单光束和双光束
正式和负式

直读式红外线气体分析仪 ¶

• 参比室里充满了 \(N_2\)，不吸收红外线
• 滤波室：干扰组分，全部吸收相应波长段上的能量，从而使进入左右检测气室的红外线不会因干扰组分的存在和变化而改变。
• 薄膜电容器变化量的绝对值非常小，直接测量十分困难，一般采用直流极化法间接测量电容量。
• 检测器的阻抗很高，又是超低频信号，因此对放大器的要求特别高。一般要有很高的稳定性、灵敏度，很高的输入阻抗及较强的抗干扰的能力。
• 使用环境条件：要求较高，要防振、防潮、防尘。
• 工业用常量：准确度等级 1～2.5 级，时间常数 <15s；微量：浓度测量范围以 ppm 为单位，准确度等级是 2～5 级，时间常数 <30s。

???note+" 思考题 "

=== "Q1"
    在红外线吸收式气体分析仪中，如果检测器中的杂质沾污了检测气室，则可能会引起仪器输出如何变化？<br>
    指示值漂移，零点升高<br>

=== "Q2"
    在红外线吸收式气体分析仪中，是否一定要有滤波气室？滤波气室的作用是什么？滤波气室中充气的浓度有什么要求？<br>
    不一定；其作用是消除那些红外吸收光谱与待测组分的有重叠光谱段的干扰组分的影响;应充干扰组分的气体，其浓度足够大并使干扰组分完全吸收其对应光谱的红外线能量<br>

色谱仪 ¶

基于色谱法原理构成的分析仪器

色谱法 ¶

是一种分离方法

特点：有两相，固定相与流动相（携带试样混合物的气体或液体），两者作相对运动

当流动相中所携带的混合物流过固定相时，就会和固定相发生作用 ( 吸附、溶解等 )。由于混合物中各组分在性质和结构上有差异，与固定相发生作用的大小也有差异。随着流动相的移动，混合物在两相间经过反复多次的分配平衡，使得各组分被固定相保留的时间不同，从而按一定次序先后流出。与适当的柱后检测方法结合，实现混合物中各组分的分离与检测。

固定相对某一组分的吸收或溶解能力越强，则该组分就不容易被流动相带走，流出色谱柱的时间就越长

色谱图 ¶

气相色谱仪的定性分析 ¶

滞留时间方法

已知所有物质的滞留时间

加纯物质方法

加入后峰会增大

定量分析 ¶

首先测定检测器的灵敏度

• 影响因素：组分性质，操作条件（温度、载气流量等）
• 测定方法：纯物质测定法

1、定量进样法

要求：知道进样量 m，操作条件稳定

2、面积归一化

要求：可分离，已知灵敏度

3、外标法

预先配制好已知浓度的标准样品在色谱仪中测定

4、内标法

色谱分析中一种比较准确的定量方法，尤其在没有标准物对照时，此方法更显其优越性。内标法是将一定重量的纯物质作为内标物加到一定量的被分析样品混合物中，然后对含有内标物的样品进行色谱分析，分别测定内标物和被测组分的峰面积（或峰高）及相对校正因子。

需要内标物。
目标组分和内标物被检测到，就可定量。
可减小进样量的误差对结果的影响。定量结果最为准确
内标物必须准确添加入所有未知样品中。

计算机的应用 ¶

作为其数据处理环节和专家系统，运用其存储的资源，将检测器输出的信号自动快速处理，分析判断，一次测量出样品中的上千种组分及其浓度。

进行测试中的各种补偿并对色谱仪完成自检自诊断。

大大提高分析速度、准确度，增强了色谱仪的分析能力和处理功能

检测器 ¶

一台气相色谱仪都配有多个检测器

1、通用检测器：对很多物质都反应灵敏

2、专用检测器：仅对某一类物质具有很高的灵敏度

3、气相色谱仪：20 多种检测器可用

• 热导式检测器
• 氢火焰电离检测器

比热导式到 1000 倍；
仅对有机碳氢化合物有响应；
碳原子数量个灵敏度个；
对所有惰性气体及CO、CO₂、SO₂等气体无响应；
灵敏、宽、快，科研、石油、化工应用个。

• 电子俘获式检测器

气体分析仪表与其他仪表的区别 ¶

温度、压力、液位、流量检测仪表

可直接安装到被测对象中
在线实时测量、滞后时间短
对工业工程的检测、计量和控制一般不会产生影响

气体成分分析仪：

• 专门的取样系统

过滤、分离、恒温 ( 压 )、稳流

• 预处理：

红外：去除水蒸气
热导检测CO₂:去除H₂,SO₂等。

特点: 实时性、复杂性、可靠性、有效性

特点 ¶

• 测量滞后较大

有采样系统和预处理环节 ( 距离远、反应慢 )

• 温度影响较大

配备恒温系统、温度补偿系统

• 准确度较低、种类少

2.5 级左右或更低

• 复杂、成本高、维护要求高

研发测量精度高、实时性好且可靠耐用的在线气体成分分析仪表仍是目前过程检测领域的难题之一，也是工业过程计量与控制的迫切需求。

期末复习资料 ¶

随堂测试 ¶

第一章随堂测验

第三章随堂测验一

第三章随堂测验二

第三章随堂测验三

第三章随堂测验四

第四章随堂测验

期中测试 ¶

24 年期中测试 1

24 年期中测试 2

23 年期中测试 ( 来自 wpc 学长 )

期末复习课 ¶

判断题 10 分
选择题 10分
填空题 20分
简答题 15分
计算题 15分
设计题 30分

章数占比

第一章 相当高。
第二章 辐射式检测元件基本不做要求；红外和超声要求不高；
第三章 重点。显示仪表不做要求，仅用作反馈的案例；
第四章 过一遍PPT；

第一章 ¶

1、检测仪表的基本性能

书本 6~9 页

准确度：测量仪表测量的精确度，本质上只有等级，数值越小，性能越佳

灵敏度：本质上是仪表的放大倍数

区别：有量纲；本质是放大倍数，与准确度没有太大关系；灵敏度带来了分辨率的问题（分辨率是最小输入可分辨量）

灵敏度高，但不一定准确度高，准确度高的仪表，一般灵敏度好（只是一般）

可靠性：两个指标

不可修复：MMTF
可修复：MTBF

2、判别、消除 / 减少误差的方法

一个分布、两个统计量

系统误差的判断看测量均值与标准表的区别

随机误差与粗大误差的看标准差

标准差有两套公式：如果是别人给出标准值，用 n 如果是测量均值，是 n-1(12 页 )

粗大误差的方法只需要告诉纲要即可：判断与标准误差的倍数，列举检测方法

粗大误差的软测量例子

有差、无差随动可以用 PID 理论进行判断，看前向通路有无积分环节（108~109！！）

第二章 ¶

机械要掌握原理

热电阻三线制接法

压磁反应较慢、压阻频率快慢均可、压电不适合慢的

压电效应考

磁电感应式不需要电源

光电：内外光电效应、分别对应的器件 外光电与频率有关，与强度无关

红外：大气窗口、电磁波

超声波：机械波

第三章 ¶

流量计：就找特殊的：什么的需要垂直安装

超声波：压损为 0

第四章 ¶

机器视觉系统构成

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