第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法4.1力、壓力和轉(zhuǎn)矩的測(cè)量4.2位移、物位和厚度的測(cè)量4.3速度、加速度與振動(dòng)的測(cè)量4.4轉(zhuǎn)速的測(cè)量4.5噪聲測(cè)量4.6溫度的測(cè)量4.7流量的測(cè)量4.8成分量的測(cè)量第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法4.1力、壓力和轉(zhuǎn)矩的測(cè)量4.1.1力的測(cè)量一、測(cè)量原理

力是物質(zhì)之間的一種相互作用。力可以使物體產(chǎn)生變形，在物體內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力；也可以改變物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，或改變物體所具有的動(dòng)能和勢(shì)能。力值測(cè)量所依據(jù)的原理是力的靜力效應(yīng)和動(dòng)力效應(yīng)。

力的靜力效應(yīng)是指彈性物體受力作用后產(chǎn)生相應(yīng)變形的物理現(xiàn)象。利用靜力效應(yīng)測(cè)力的特征是間接測(cè)量測(cè)力傳感器中“彈性元件”的變形量。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法

力的動(dòng)力效應(yīng)是指具有一定質(zhì)量的物體受到力的作用時(shí)，其動(dòng)量將發(fā)生變化，從而產(chǎn)生相應(yīng)的加速度的物理現(xiàn)象。只需測(cè)出物體的加速度，就可間接測(cè)得力值。即利用動(dòng)力效應(yīng)測(cè)力的特點(diǎn)是通過(guò)測(cè)量力傳感器中質(zhì)量塊的加速度而間接獲得力值。

測(cè)力傳感器可以是位移型、加速度型或物性型。按其工作原理則可以分為：彈性式、電阻應(yīng)變式、電感式、電容式、壓電式、壓磁式等。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法二、彈性變形式的力傳感器該類(lèi)傳感器的測(cè)量基礎(chǔ)是彈性元件的彈性變形和作用力成正比的現(xiàn)象。1、應(yīng)變片式力傳感器

電阻應(yīng)變片的工作原理是電阻應(yīng)變效應(yīng)，即導(dǎo)體的電阻隨著機(jī)械變形而發(fā)生變化的現(xiàn)象。

當(dāng)受外力作用時(shí)，金屬的長(zhǎng)度和截面積都要發(fā)生變化，從而改變了其電阻值。當(dāng)受外力伸長(zhǎng)時(shí)，長(zhǎng)度增加，截面積減小，電阻值增大；當(dāng)受壓力縮短時(shí)，長(zhǎng)度減小，截面積增大，電阻值減小。因此，只要能測(cè)出電阻的變化，便可得知金屬絲的應(yīng)變情況。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法

在實(shí)際應(yīng)用中，將金屬電阻應(yīng)變片粘貼在傳感器彈性元件或被測(cè)零件的表面。圖4.2是一種用于測(cè)量壓縮力的應(yīng)變片式測(cè)力頭（拄式）的典型構(gòu)造。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法

圖4.3是測(cè)量拉壓力的傳感器的典型彈性元件。為了獲得較大的靈敏度，采用梁式結(jié)構(gòu)。如果結(jié)構(gòu)和粘貼都對(duì)稱(chēng)，應(yīng)變片參數(shù)又相同，則這種傳感器除了具有較高的靈敏度外，并能實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償和消除x和y方向力的干擾。圖4.3貼應(yīng)變片梁式力傳感器第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法

事實(shí)上，大多數(shù)位移傳感器只要在結(jié)構(gòu)上作點(diǎn)變化，就可改為測(cè)力傳感器。如差動(dòng)變壓器式、電容式、電感式等等。圖4.4所示即為差動(dòng)變壓器式測(cè)力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。該傳感器采用一個(gè)薄壁圓筒作彈性元件1，在其上固定鐵心2，下部固定線圈座5和線圈4，彈性圓筒受力發(fā)生變形時(shí)，則帶動(dòng)鐵心在線圈中移動(dòng)，兩者的相對(duì)位移量即反映了被測(cè)力的大小。即是說(shuō)它是通過(guò)彈性元件來(lái)實(shí)現(xiàn)力和位移間的轉(zhuǎn)換。圖4.4差動(dòng)變壓器式測(cè)力傳感器

1—彈性元件2—鐵心3—球面墊4—感應(yīng)線圈5—線圈座2、差動(dòng)變壓器式力傳感器第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法3、壓磁式測(cè)力傳感器

某些鐵磁材料（如正磁致伸縮材料）受機(jī)械力F作用后，其內(nèi)部產(chǎn)生機(jī)械力，從而引起其磁導(dǎo)率（或磁阻）發(fā)生變化，這種物理現(xiàn)象稱(chēng)為“壓磁效應(yīng)”。

受壓縮時(shí)，沿應(yīng)力方向其導(dǎo)磁率會(huì)下降，而沿著與應(yīng)力垂直的方向則增加；若受拉時(shí)，導(dǎo)磁率變化正好相反。具有壓磁效應(yīng)的磁彈性體叫做壓磁元件，是構(gòu)成壓磁式傳感器的核心。壓磁元件受力作用后，磁彈性體的磁阻（或磁導(dǎo)率）發(fā)生與作用力成正比的變化，測(cè)出磁阻變化即間接測(cè)定了力值。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法圖4.5壓磁元件及其工作原理圖（a）結(jié)構(gòu)示意（b）無(wú)外力作用時(shí)（c）有外力作用時(shí)

壓磁元件的結(jié)構(gòu)和工作原理如圖4.5所示。它是由若干形狀相同的硅鋼片疊合而成，在其中間部分開(kāi)有四個(gè)對(duì)稱(chēng)的小圓孔1、2、3和4，并分別繞組。孔1、2間的繞組稱(chēng)勵(lì)磁繞組或一次側(cè)繞組，用于接入勵(lì)磁電源；孔3、4間的繞組用于產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，叫二次側(cè)繞組。令各孔間為A、B、C、D四個(gè)區(qū)域。當(dāng)在中通以交變電流時(shí)，鐵心中將產(chǎn)生磁場(chǎng)。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法4、壓電式測(cè)力傳感器

壓電式測(cè)力傳感器的工作原理和壓電式加速度傳感器類(lèi)同，主要是利用某些具有壓電效應(yīng)的材料如石英、鈦酸鋇等，當(dāng)受到外力作用發(fā)生變形時(shí)，其內(nèi)部將發(fā)生極化，從而在其表面上有電荷出現(xiàn)，形成電場(chǎng)。當(dāng)外力去掉時(shí)，這些物質(zhì)又重新回復(fù)到原來(lái)的不帶電狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱(chēng)為正壓電效應(yīng)。壓電式傳感器就是應(yīng)用正壓電效應(yīng)，將機(jī)械量（力）轉(zhuǎn)換成電量。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法

拉、壓型單向測(cè)力傳感器根據(jù)垂直于電軸型的切片便可制成拉（壓）型單向測(cè)力傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖4.7所示。在該傳感器中使用了兩片壓電石英晶片反向疊在一起，這樣可使靈敏度提高一倍。對(duì)于小力值傳感器，還可采用多只壓電晶片重疊在一起的方式，來(lái)進(jìn)一步提高其靈敏度。圖4.7單向壓電式測(cè)力傳感器1—?dú)んw2—彈性墊3—壓電晶體4—電極5—絕緣套6—引出導(dǎo)線1）單向測(cè)力傳感器第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法

雙向測(cè)力傳感器如采用兩對(duì)不同切型（型和型）的石英晶片組成傳感器元件，即可構(gòu)成雙向測(cè)力傳感器（如圖4.8）。兩對(duì)壓電晶片分別感受兩個(gè)方向（x向和y向）的作用力，并由各自的引線分別輸出。2）雙向測(cè)力傳感器圖4.8雙向壓電式測(cè)力傳感器第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法圖4.9三向測(cè)力的傳感元件組合圖

三向測(cè)力傳感器圖4.9所示為壓電式三向測(cè)力傳感器元件組合方式的示意圖，其結(jié)構(gòu)與雙向式類(lèi)同。它的傳感元件由三對(duì)不同切型的壓電石英晶片組成。其中一對(duì)為型切片，具有縱向壓電效應(yīng)，用它測(cè)量z向力，另外兩對(duì)為型切片，具有橫向壓電效應(yīng)，兩者互成安裝，用以分別測(cè)Y向力和X向力。此種傳感器可以同時(shí)測(cè)出空間任意方向的作用力在x、y、z三個(gè)方向上的分力。多向測(cè)力傳感器的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化了測(cè)力儀的結(jié)構(gòu)，同時(shí)又提高了測(cè)力系統(tǒng)的剛度。3）三向測(cè)力傳感器第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法4.1.2壓力的測(cè)量

在測(cè)量上所稱(chēng)的壓力就是物理學(xué)中的壓強(qiáng)，它是反映物質(zhì)狀態(tài)的一個(gè)參數(shù)。

壓力是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的重要參數(shù)之一，它直接影響產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，又是生產(chǎn)過(guò)程的一個(gè)重要的安全指標(biāo)。因此壓力的測(cè)量與控制在工業(yè)生產(chǎn)中具有特殊的地位和意義。

由于壓力可以轉(zhuǎn)變?yōu)樽饔迷谝阎娣e上的力，故壓力的測(cè)量方法與力的測(cè)量方法基本上相同。根據(jù)測(cè)壓原理測(cè)壓儀表可分為四大類(lèi)：液體式壓力計(jì)、彈性式壓力計(jì)、負(fù)荷式活塞壓力計(jì)和電氣式壓力計(jì)。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法壓力單位轉(zhuǎn)換對(duì)照表第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法(2)大氣壓力：由地球表面空氣柱的重力所形成的壓力，稱(chēng)為大氣壓力。它隨地理緯度、海拔高度及氣象條件而變化。

由于參照點(diǎn)不同，壓力的表示方法有三種：絕對(duì)壓力、表壓力、真空度/負(fù)壓

。壓力的表示方法:(1)絕對(duì)壓力：被測(cè)介質(zhì)作用于物體表面上的全部壓力，即以真空為起點(diǎn)得到的壓力，稱(chēng)為絕對(duì)壓力。(3)表壓力：絕對(duì)壓力與當(dāng)?shù)卮髿鈮褐罘Q(chēng)為表壓力。通常壓力測(cè)量?jī)x表總是處于大氣之中，其測(cè)得的壓力值均是表壓力,即壓力表上的讀數(shù)。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法(4)真空度(負(fù)壓)：當(dāng)絕對(duì)壓力小于大氣壓力時(shí)，表壓力為負(fù)值(負(fù)壓力)，其絕對(duì)值稱(chēng)為真空度，即表示接近真空的程度。(5)差壓(壓差)：任意兩個(gè)壓力p1、p2之差稱(chēng)為差壓：各種壓力之間的關(guān)系第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法一、液體式壓力計(jì)

它是利用液體靜力平衡原理，將被測(cè)壓力與一定高度的工作液體產(chǎn)生的重力相平衡，采用液柱的高度差來(lái)測(cè)量壓力的儀器。其型式可以有U形管壓力計(jì)、單管壓力計(jì)、傾斜微壓計(jì)、補(bǔ)償微壓計(jì)和自動(dòng)液柱式壓力計(jì)等。液體式壓力計(jì)中所使用的液體有水銀、蒸餾水和乙醇等。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法U形壓力真空計(jì)第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法二、彈性式壓力計(jì)

它是基于彈性元件（單圈或多圈彈簧管、膜盒、膜片、波紋管等）受壓后產(chǎn)生的位移與被測(cè)壓力呈一定函數(shù)關(guān)系的原理制成的。

彈性式壓力檢測(cè)儀表是用彈性元件作為壓力敏感元件，把壓力轉(zhuǎn)換成彈性元件的位移，并經(jīng)適當(dāng)?shù)臋C(jī)械傳動(dòng)和放大機(jī)構(gòu)，通過(guò)指針指示被測(cè)壓力大小的一種壓力表。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法用途：普通彈簧管壓力計(jì)，氨氣用壓力表、氧氣壓力表等。

1—彈簧管；2—拉桿；3—扇形齒輪；4—中心齒輪；5—指針；6—面板；7—游絲；8—調(diào)整螺絲；9—接頭彈簧管壓力計(jì)第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法

圖4.11為最常用的油壓活塞式壓力計(jì)。其工作原理是：轉(zhuǎn)動(dòng)手輪9，使油壓系統(tǒng)壓力升高，直至活塞2被頂起，這時(shí)壓力表的指示值應(yīng)等于砝碼重力W和砝碼盤(pán)及活塞重力的總重力除以活塞有效面積A，即壓力p為：三、負(fù)荷式壓力計(jì)

它是基于靜力平衡原理進(jìn)行壓力測(cè)量的，通常有活塞式、浮球式和鐘罩式三大類(lèi)。圖4.11油壓活塞式壓力計(jì)

1—活塞筒2—活塞3—砝碼托盤(pán)4—砝碼5—油環(huán)6—被測(cè)壓力表座7、8、11、12—手閥9—加壓手輪10—加壓絲桿13—被校準(zhǔn)的壓力表（主要用途）第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法四、電氣式壓力計(jì)

電氣式壓力計(jì)一般由壓力傳感器和電子測(cè)量線路或壓力變送器構(gòu)成。壓力傳感器用于感受被測(cè)壓力并將壓力信息轉(zhuǎn)換為電氣信號(hào)輸出，供信號(hào)處理、顯示控制用。

它通?？煞譃榛诹γ粼砗突趬毫?位移轉(zhuǎn)換原理兩大類(lèi)。常包括有：電阻式、電感式、電容式、振頻式、霍爾式、超聲式、石英諧振式、光電式、激光式等多種類(lèi)型。組成

電氣式壓力檢測(cè)一般用壓力敏感元件將壓力轉(zhuǎn)換成電阻、電荷量等。主要壓敏元件有壓電材料、應(yīng)變片、壓阻材料。電氣式壓力計(jì)組成方框圖第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法1、壓力傳感器1)應(yīng)變式壓力傳感器

應(yīng)變式壓力傳感器常用的有圓桶式和平膜片式兩種結(jié)構(gòu)。前者應(yīng)變片沿圓桶環(huán)向粘貼；后者應(yīng)變片沿平膜片的徑向和切向粘貼。在測(cè)量橋路中，一般多采用熱敏電阻元件來(lái)補(bǔ)償材料彈性模量受溫度影響的變化。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法2)壓阻式壓力傳感器

壓阻式壓力傳感器也有兩種不同類(lèi)型：粘貼型和擴(kuò)散型。這種傳感器具有體積小、重量輕、靈敏度高、重復(fù)性好、頻帶較寬等優(yōu)點(diǎn)，已得到廣泛應(yīng)用。特別是利用微機(jī)加工技術(shù)，可制成微型壓力傳感器，可用于人體生理上的壓力測(cè)量。其缺點(diǎn)是壓阻系數(shù)和體電阻值都有較大的溫度系數(shù)易產(chǎn)生溫漂。

通常有：表壓、絕壓、差壓和密封壓幾種類(lèi)型，因此它即可以用于測(cè)量微壓又可用于測(cè)量高壓，現(xiàn)已廣泛用于工業(yè)過(guò)程檢測(cè)及汽車(chē)、醫(yī)療等領(lǐng)域。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法

下圖為一種壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，硅膜片在圓形硅杯的底部，其兩邊有兩個(gè)壓力腔，分別輸入被測(cè)差壓或被測(cè)壓力與參考?jí)毫?。髙壓腔接被測(cè)壓力，低壓腔與大氣連通或接參考?jí)毫Α?/p>

膜片上的兩對(duì)電阻中，一對(duì)位于受壓壓力區(qū)，另一對(duì)位于受拉應(yīng)力區(qū)，當(dāng)壓力差使膜片變形，膜片上的兩對(duì)電阻阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，輸出電壓與壓差成比例。壓阻式壓力傳感器第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法圖4.12電容式壓力傳感器

電容式壓力傳感器是利用檢測(cè)電容的方法測(cè)量壓力，它具有靈敏度高、測(cè)量精度高、測(cè)量范圍大、抗振性能好、可靠耐用的特點(diǎn)。被測(cè)的壓力與膜片間電容的相對(duì)變化量度成正比。因此，只要通過(guò)適當(dāng)?shù)碾娙輽z測(cè)電路即可獲得被測(cè)壓力的量值。3)電容式壓力傳感器第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法2、壓力變送器

一般用壓力表傳遞壓力信息的距離不能很遠(yuǎn)。為此，往往是將彈性測(cè)壓元件與電氣傳感器相結(jié)合構(gòu)成壓力變送器，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。通常將壓力變送器分為力平衡式和位移式兩大類(lèi)。

力平衡式壓力變送器是采用力矩平衡原理，通過(guò)負(fù)反饋將彈性元件測(cè)壓產(chǎn)生的力矩與輸出信號(hào)的反饋力矩相平衡，有效地減小彈性模數(shù)隨溫度變化、彈性滯后及變形非線性的影響，提高了測(cè)量精度。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法圖4.13所示為一典型力平衡式壓力變送器結(jié)構(gòu)示意圖。通常包括測(cè)量和轉(zhuǎn)換兩部分，前者由差壓測(cè)量室、彈性測(cè)壓元件和測(cè)量杠桿組成；后者由主杠桿、矢量機(jī)構(gòu)、副杠桿、電磁反饋裝置、差動(dòng)變壓器、位移檢測(cè)放大器及調(diào)零裝置等組成。圖4.13力平衡式差壓變送器結(jié)構(gòu)示意圖第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法

位移式壓力變送器是將彈性測(cè)壓元件的位移變換為電感、電容、電阻等電學(xué)量，再經(jīng)測(cè)量橋路、放大電路轉(zhuǎn)換最后輸出壓力值。其精度均超過(guò)力平衡式，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便。利用該原理可構(gòu)成新型的電容式差壓變送器。它是由測(cè)壓部分、轉(zhuǎn)換電路和放大輸出電路組成。圖4.14（a）為該變送器測(cè)壓部分的基本結(jié)構(gòu)圖，是由正負(fù)測(cè)壓室、隔離膜和差動(dòng)電容敏感元件組成。圖4.14（b）為該變送器原理線路圖。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法圖4.14電容式差壓變送器第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法4.1.3轉(zhuǎn)矩測(cè)量（自學(xué)）4.1.4力、壓力和轉(zhuǎn)矩的測(cè)量的應(yīng)用（自學(xué)）第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法4.2位移、物位和厚度的測(cè)量

位移是指物體上某一點(diǎn)在一定方向上的位置變動(dòng)，為一個(gè)向量，包括線位移和角位移。位移測(cè)量一般在位移方向上測(cè)量物體的絕對(duì)位置或相對(duì)位置的變動(dòng)量。位移測(cè)量包括線位移和角位移的測(cè)量。

位移測(cè)量在工程中應(yīng)用很廣。其中，一類(lèi)是直接檢測(cè)物體的移動(dòng)量或轉(zhuǎn)動(dòng)量，如檢測(cè)機(jī)床工作臺(tái)的位移和位置、振動(dòng)的振幅、回轉(zhuǎn)軸的徑向和軸向運(yùn)動(dòng)誤差、物體的變形量等；另一類(lèi)是通過(guò)位移測(cè)量，特別是微位移的測(cè)量來(lái)反映其他物理量的大小，如力、壓力、扭矩、應(yīng)變、速度、加速度、溫度等。此外，物位、厚度、距離等長(zhǎng)度參數(shù)也可以通過(guò)位移測(cè)量的方法來(lái)獲取，所以位移測(cè)量也是非電量電測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法4.2.1位移測(cè)量

在工程應(yīng)用中,一般將位移測(cè)量分為模擬式測(cè)量和數(shù)字式測(cè)量?jī)纱箢?lèi)。

在模擬式測(cè)量中，需要采用能將位移量轉(zhuǎn)換為電量的傳感器。常見(jiàn)的有：電阻式傳感器(電位器式和應(yīng)變式)、電感式傳感器(差動(dòng)電感式和差動(dòng)變壓器式)、電容式傳感器(變極距式、變面積式和變介質(zhì)式)、電渦流式傳感器、光電式傳感器及光導(dǎo)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(yīng)的測(cè)量電路結(jié)合在一起，即組成工程中常用的測(cè)量?jī)x器和儀表，如電阻式位移計(jì)、電感測(cè)微儀、電容測(cè)微儀、電渦流測(cè)微儀、光電角度檢測(cè)器、電容液位計(jì)等。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法

數(shù)字式測(cè)量方法主要是指在精密數(shù)控裝置如數(shù)控機(jī)床和三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x等設(shè)備中，將直線位移或角位移轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)輸出的測(cè)量方法。常用的轉(zhuǎn)換裝置有感應(yīng)同步器(直線型、圓型)、旋轉(zhuǎn)變壓器（感應(yīng)同步器）、磁尺(帶狀、線狀、圓型)、光柵(直線型、圓型)和各種脈沖編碼器等。

根據(jù)傳感器原理和使用方法的不同，位移測(cè)量可分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量?jī)煞N方式。根據(jù)作用機(jī)理的不同還可分為主動(dòng)式測(cè)量和被動(dòng)式測(cè)量等方式。P230，表4－4，各種位移傳感器。P231，測(cè)量位移應(yīng)用電路第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法4.2.2物位測(cè)量(P232)

物位是指各種容器設(shè)備中液體介質(zhì)液面的高低、兩種不相溶的液體介質(zhì)的分界面的高低和固體粉末狀物料的堆積高度等的總稱(chēng)。

在制造業(yè)中，常常需要對(duì)生產(chǎn)的固體（包括塊料、顆?；蚍哿系龋?、液體所具有的體積或在容器內(nèi)的相對(duì)高度進(jìn)行了解和掌握，以利于生產(chǎn)的正常運(yùn)行和進(jìn)行必要的經(jīng)濟(jì)核算，從而達(dá)到經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的目的。

常把容器中的液體所積存的相對(duì)高度或自然界中江、河、湖、水庫(kù)的表面稱(chēng)為液位；在各種容器中或倉(cāng)庫(kù)、場(chǎng)地上堆積的固體物的相對(duì)高度或表面位置稱(chēng)為料位。在同一容器中由于兩種密度不同且互不相溶的液體間或液體與固體之間的分界面(相界面)位置稱(chēng)為界位。液位、料位和界位總稱(chēng)為物位。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法一、物位傳感器概述

對(duì)物位進(jìn)行測(cè)量的傳感器形式有許多種，簡(jiǎn)單的有直讀式或直接顯示的裝置；復(fù)雜的有利用通過(guò)敏感元件將物位轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏枯敵龅碾姕y(cè)儀表，以及建立在多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)和智能識(shí)別與控制基礎(chǔ)上的檢測(cè)與控制系統(tǒng)。也有應(yīng)用于特殊要求和測(cè)量場(chǎng)合的聲、光、電轉(zhuǎn)換原理的傳感器表等。二、物位測(cè)量1、浮力式液位傳感器圖4.35恒浮力式液位測(cè)量

浮力式液位傳感器是利用液體浮力來(lái)測(cè)量液位的。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，是目前應(yīng)用較廣泛的一種液位傳感器。根據(jù)測(cè)量原理，分為恒浮力式和變浮力式兩大類(lèi)型。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法變浮力式物位檢測(cè)

當(dāng)浮筒的重力、簧的彈力、浮力達(dá)到平衡時(shí)，浮筒才停止移動(dòng)。液位改變量：

浮筒式液位計(jì)屬于變浮力液位計(jì)，當(dāng)被測(cè)液面位置變化時(shí)，浮筒浸沒(méi)體積變化，所受浮力也變化，通過(guò)測(cè)量浮力變化確定出液位的變化量。圖為浮筒式液位計(jì)原理圖。原液位液位變化前浮筒的初始位置差動(dòng)變壓器第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法2、超聲波物位傳感器

超聲波物位傳感器是利用超聲波在兩種介質(zhì)的分界面上的反射特性而制成的。如果從發(fā)射超聲脈沖開(kāi)始，到接收換能器接收到反射波為止的這個(gè)時(shí)間間隔為已知，就可以求出分界面的位置，利用這種方法可以對(duì)物位進(jìn)行測(cè)量。圖4.37超聲波物位傳感器結(jié)構(gòu)示意圖第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法3、電容式物位計(jì)原理

電容式物位計(jì)使根據(jù)圓筒電容器原理進(jìn)行工作的。其結(jié)構(gòu)形式如圖所示，當(dāng)中間所充介質(zhì)的介電常數(shù)為ε1時(shí)，則兩圓筒間的電容量為：

如果兩圓筒形電極間的一部分被介電常數(shù)為ε2的液體(非導(dǎo)電性的)所浸沒(méi)時(shí)，則必然會(huì)有電容量的增量ΔC

產(chǎn)生：第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法1）測(cè)量導(dǎo)電液體的電容式物位傳感器（變面積式）

右圖為用來(lái)測(cè)量導(dǎo)電介質(zhì)的單電極電容液位計(jì)，它只用一根電極作為電容器的內(nèi)電極，一般用紫銅或不銹鋼，外套聚四氟乙烯塑料管或涂搪瓷作為絕緣層，而導(dǎo)電液體和容器壁構(gòu)成電容器的外電極。當(dāng)液位高度為H時(shí)，電容增量為：第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法2）測(cè)量非導(dǎo)電液體的電容式物位傳感器（變電介質(zhì)式）電容增量△C與液面H成正比。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法4.6溫度的測(cè)量（P277）4.6.1溫度的概念和測(cè)量方法一、溫度與溫標(biāo)

溫度是表征物體冷熱程度的物理量，是物體內(nèi)部分子無(wú)規(guī)則劇烈運(yùn)動(dòng)程度的標(biāo)志。

為了定量地描述溫度，引入一個(gè)概念——溫標(biāo)。溫標(biāo)就是溫度的數(shù)值表示的標(biāo)尺，是溫度的單位制。常用的三種溫標(biāo)：經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)（攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)）、熱力學(xué)溫標(biāo)、國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法1、攝氏溫標(biāo)

規(guī)定：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，水的冰點(diǎn)為零攝氏度，水的沸點(diǎn)為100攝氏度。0℃～100℃之間進(jìn)行100等分，每一等分為1℃。2、華氏溫標(biāo)

規(guī)定：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，水的冰點(diǎn)為32度，水的沸點(diǎn)為212度。中間劃分為180等分，每一等分為一華氏度，單位是℉。攝氏溫度t（oC）和華氏溫度θ（oF）之間的關(guān)系為第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法3、熱力學(xué)溫標(biāo)

規(guī)定：又稱(chēng)開(kāi)爾文溫標(biāo)，單位為K。熱力學(xué)溫度（國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)）T與攝氏溫度t的關(guān)系：式中，T0表示水的冰點(diǎn)溫度273.15K。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法二、溫度測(cè)量的主要方法

溫度測(cè)量方法按照感溫元件是否與被測(cè)介質(zhì)接觸，可以分為接觸式與非接觸式兩大類(lèi)。

接觸式測(cè)溫的方法就是使溫度敏感元件與被測(cè)溫度對(duì)象相接觸，之間進(jìn)行充分的熱交換，當(dāng)熱交換平衡時(shí)，溫度敏感元件與被測(cè)溫度對(duì)象的溫度相等，測(cè)溫傳感器的輸出大小即反映了被測(cè)溫度的高低。常用的接觸式測(cè)溫的溫度傳感器主要有熱膨脹式溫度傳感器、熱電偶、熱電阻、熱敏電阻和溫敏晶體管等。這類(lèi)傳感器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好、價(jià)格低；缺點(diǎn)是有較大的滯后現(xiàn)象（測(cè)溫時(shí)由于要進(jìn)行充分的熱交換），不方便于運(yùn)動(dòng)物體的溫度測(cè)量，被測(cè)對(duì)象的溫度場(chǎng)易受傳感器接觸的影響，測(cè)溫范圍受感穩(wěn)元件材料性質(zhì)的限制等。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法

非接觸式測(cè)溫的方法就是利用被測(cè)溫度對(duì)象的熱輻射能量隨其溫度的變化而變化的原理，通過(guò)測(cè)量與被測(cè)溫度對(duì)象有一定距離處被測(cè)物體發(fā)出的熱輻射強(qiáng)度來(lái)測(cè)得被測(cè)溫度對(duì)象的溫度。常見(jiàn)非接觸式測(cè)溫的溫度傳感器主要有光電高溫傳感器、紅外輻射溫度傳感器等。這類(lèi)傳感器的優(yōu)點(diǎn)是不存在測(cè)量滯后和溫度范圍的限制，可測(cè)高溫、腐蝕、有毒、運(yùn)動(dòng)物體及固體、液體表面的溫度，不影響被測(cè)溫度，缺點(diǎn)是受被測(cè)溫度對(duì)象熱輻射率的影響，測(cè)量精度低，使用中測(cè)量距離和中間介質(zhì)對(duì)測(cè)量結(jié)果有影響等。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法4.6.2接觸式溫度測(cè)量

常見(jiàn)的接觸式測(cè)溫的溫度傳感器主要有將溫度轉(zhuǎn)化為非電量和溫度轉(zhuǎn)化為電量?jī)纱箢?lèi)。而轉(zhuǎn)化為非電量的溫度傳感器主要是熱膨脹式溫度傳感器；轉(zhuǎn)化為電量的溫度傳感器主要是熱電偶、熱電阻、熱敏電阻和集成溫度傳感器等。一、熱膨脹式溫度傳感器

熱膨脹式溫度傳感器是基于液體、固體、氣體受熱時(shí)產(chǎn)生熱膨脹的工作原理而制成的，因而這類(lèi)溫度傳感器有液體膨脹式、固體膨脹式和氣體膨脹式三大類(lèi)。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法

日常生活中常用的酒精溫度計(jì)、水銀溫度計(jì)就是液體膨脹式溫度傳感器。它是在有刻度而又透明的細(xì)玻璃管內(nèi)充入液體（酒精、水銀），當(dāng)液體受到溫度的變化而在玻璃管內(nèi)伸縮變化，通過(guò)讀取液體表面對(duì)應(yīng)的刻度值而獲取溫度。

固體膨脹式溫度傳感器是由兩片具有不同線膨脹系數(shù)的熱敏金屬緊固結(jié)合在一起而成雙金屬片構(gòu)成的，為了提高靈敏度，雙金屬片常常作成螺旋型。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法

氣體膨脹式溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

氣體膨脹式溫度傳感器是基于封閉在密封容器中的氣體壓力隨溫度變化而變化這一原理來(lái)進(jìn)行測(cè)溫的，利用這一原理制作的溫度傳感器常常又稱(chēng)為壓力式溫度傳感器。如圖所示，當(dāng)溫度變化時(shí)，溫包內(nèi)的氣體壓力也會(huì)隨著改變，氣壓通過(guò)毛細(xì)管的傳遞，帶動(dòng)彈簧管運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而改變指針在刻度盤(pán)上所指位置，從而測(cè)得溫包所處的溫度，即被測(cè)溫度。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法二、集成溫度傳感器

由于晶體管PN結(jié)的正向電壓降都是以大約-2mV/oC的斜率隨溫度變化而變化，而且比較穩(wěn)定，同時(shí)晶體管的基極發(fā)射極電壓與溫度基本上成線性關(guān)系，故可利用這些特性來(lái)對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量。1、集成溫度傳感器的基本工作原理

把測(cè)溫晶體管和激勵(lì)電路、放大電路等集成在一個(gè)小硅片上，就構(gòu)成了集成溫度傳感器。與其他溫度傳感器相比較，它具有線性度高（非線性誤差約為0.5%）、精度高、體積小、響應(yīng)快、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是測(cè)溫范圍窄，一般為-50~150oC。集成溫度傳感器的輸出有電壓型和電流型兩種，其中電流型應(yīng)用比較廣泛。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法2、電流型集成溫度傳感器AD590

利用晶體管P-N結(jié)其正向壓降隨溫度升高而降低的特性，可把晶體管P-N結(jié)作為-55℃～150℃范圍的感溫元件用。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，美國(guó)AD公司于70年代末率先推出體積僅同一只小功率高頻晶體管大小的集成化半導(dǎo)體溫度傳感器AD590。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法AD590主要特性：1）流過(guò)器件的電流（uA）等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開(kāi)爾文）度數(shù)。2）AD590的測(cè)溫范圍為-55℃～+150℃。

I=KT·TK

I為一恒流值輸出，I∝Tk，即KT——標(biāo)定因子，AD590的標(biāo)定因子為1μA/K3）AD590的電源電壓范圍為4V～30V。

4）AD590為二端元件，電壓輸入，電流輸出。

5）精度高。AD590共有I、J、K、L、M五檔，其中M檔精度最高，在-55℃～+150℃范圍內(nèi)，非線性誤差為±0.3℃。

第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法4V30V0I/μAU/VAD590伏安特性曲線-55℃+25℃+150℃218.15298.15423.15實(shí)物圖AD590的管腳圖及元件符號(hào)如下圖所示：

第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法

－550150

273.15μAI/μATC/oCAD590溫度特性曲線

其輸出電流是以絕對(duì)溫度零度（-273.15℃）為基準(zhǔn)，每增加1℃，它會(huì)增加1μA輸出電流，因此在室溫25℃時(shí)，其輸出電流Iout=（273.15+25）=298.15μA。當(dāng)溫度為0℃時(shí)，輸出電流為273.15μA。

第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法①基本測(cè)溫電路如圖所示，是一個(gè)AD590集成溫度傳感器測(cè)溫的基本電路，它將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)輸出，獲得與溫度成正比的電壓輸出，其靈敏度為1mV/K。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法②幾點(diǎn)最低溫度及平均溫度測(cè)量將幾塊AD590串聯(lián)使用，可測(cè)量幾個(gè)被測(cè)點(diǎn)的最低溫度；當(dāng)將幾塊AD590并聯(lián)使用時(shí)，可用來(lái)測(cè)量幾個(gè)點(diǎn)的平均溫度。分別如圖4.95a、b所示。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法AD590實(shí)際應(yīng)用電路：第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法電路分析：

1、

AD590的輸出電流I=（273+T）μA（T為攝氏溫度），因此測(cè)量的電壓V為（273+T）μA×10K=（2.73+T/100）V。為了將電壓測(cè)量出來(lái)又務(wù)須使輸出電流I不分流出來(lái)，我們使用電壓跟隨器其輸出電壓V2等于輸入電壓V。

2、

由于一般電源供應(yīng)教多器件之后，電源是帶雜波的，因此我們使用齊納二極管作為穩(wěn)壓元件，再利用可變電阻分壓，其輸出電壓V1需調(diào)整至2.73V。3、

接下來(lái)使用差動(dòng)放大器其輸出Vo為（100K/10K）×（V2-V1）=T/10，如果現(xiàn)在為攝氏28℃，輸出電壓為2.8V，輸出電壓接AD轉(zhuǎn)換器，那么AD轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字量就和攝氏溫度成線形比例關(guān)系。

第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法4.7流量的測(cè)量

4.7.1流量概述和測(cè)量方法1、流量概述

單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)管道某一截面的體積數(shù)或質(zhì)量數(shù)稱(chēng)為流體的瞬時(shí)流量，而在一段時(shí)間范圍內(nèi)通過(guò)管道某一截面的體積數(shù)或質(zhì)量數(shù)的總和稱(chēng)為流體的累積流量。流量可分為體積流量和質(zhì)量流量。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法1）體積流量

體積流量可分為瞬時(shí)體積流量和累積體積流量，分別用公式表示為：

式中

—流體流過(guò)的管道的某截面面積（m2）；

—流體的速度（m/s）；

—流體流過(guò)某截面的時(shí)間范圍（s）。2）質(zhì)量流量

質(zhì)量流量可分為瞬時(shí)質(zhì)量流量和累積質(zhì)量流量，分別用公式表示為：式中

—流體的密度（kg/m3）；第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法2、流量的測(cè)量方法

在目前應(yīng)用較多的測(cè)量流量的傳感器中，常常將流量測(cè)量轉(zhuǎn)換成其他非電量的測(cè)量，如：轉(zhuǎn)速（速度）、位移、壓差、頻率、時(shí)間、溫度等。然后再在檢測(cè)儀表中把這些非電量轉(zhuǎn)化為電量，最后計(jì)算出流體的流量。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法4.7.2轉(zhuǎn)速（速度）法測(cè)量流量

轉(zhuǎn)速（速度）法測(cè)量流量是應(yīng)用較多的流量測(cè)量方法，目前常見(jiàn)的利用轉(zhuǎn)速（速度）法測(cè)量流量的流量傳感器主要有：渦輪流量傳感器、電磁流量傳感器。1、渦輪流量傳感器

當(dāng)管道內(nèi)有流體流過(guò)時(shí)，流體沖擊渦輪使其旋轉(zhuǎn)。在渦輪旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，高導(dǎo)磁性的渦輪葉片也周期性的改變磁電系統(tǒng)的磁阻，使通過(guò)線圈的磁通量發(fā)生周期性的變化，因而在線圈的兩端產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，該電勢(shì)經(jīng)過(guò)放大、整形，便得到足以測(cè)出頻率的方波脈沖，從而可獲得流體的流量。

流量越大、流速越高，則渦輪的旋轉(zhuǎn)速度也就越大；當(dāng)流量減小，流速降低，則渦輪的旋轉(zhuǎn)速度就減小。因而測(cè)量出渦輪的轉(zhuǎn)速就可測(cè)出流過(guò)管道流體的瞬時(shí)流量和總流量。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法磁電式渦輪流量傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖1—渦輪

2—前導(dǎo)流架

3—后導(dǎo)流架

4—?dú)んw

5—磁鋼

6—線圈

渦輪葉片及流體的速度第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法電磁流量傳感器結(jié)構(gòu)示意圖2、電磁流量傳感器

電磁流量傳感器是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理而設(shè)計(jì)的一種用來(lái)測(cè)量導(dǎo)電流體流量的傳感器。如圖所示，它由均勻磁場(chǎng)、不導(dǎo)磁不導(dǎo)電材料的管道、管道截面上的導(dǎo)電電極和測(cè)量?jī)x表四部分構(gòu)成。其中磁場(chǎng)方向、電極連線和管道軸線在空間上互相垂直。

當(dāng)被測(cè)導(dǎo)電流體在管道里流動(dòng)時(shí)，即其在切割磁力線運(yùn)動(dòng)，于是就會(huì)在磁場(chǎng)和流動(dòng)方向相垂直的方向上產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，由設(shè)置在管道截面的導(dǎo)電電極導(dǎo)出。感應(yīng)電勢(shì)的大小與方向?yàn)椋嚎傻脤?dǎo)電流體的體積流量為：第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法4.7.3差壓（力）法測(cè)量流量

差壓（力）法測(cè)量流量的傳感器是根據(jù)通過(guò)測(cè)量流體在管道內(nèi)流動(dòng)而產(chǎn)生的差壓或力來(lái)測(cè)得流體的流量，主要有節(jié)流式流量傳感器、靶式流量傳感器、轉(zhuǎn)子流量傳感器等。1、節(jié)流式流量傳感器

節(jié)流流量傳感器由節(jié)流裝置、測(cè)量靜壓差裝置和測(cè)量?jī)x表三部分構(gòu)成。

作為流量測(cè)量的節(jié)流裝置有標(biāo)準(zhǔn)孔板、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴、標(biāo)準(zhǔn)文丘里管。節(jié)流流量傳感器工作原理示意圖第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法

標(biāo)準(zhǔn)孔板是用不銹鋼或其它金屬材料制造的薄板，它具有圓形開(kāi)孔并與管道同心，其直角入口邊緣非常銳利，且相對(duì)于開(kāi)孔軸線是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法

標(biāo)準(zhǔn)噴嘴是一個(gè)以管道喉部開(kāi)孔軸線為中心線的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)體，由兩個(gè)圓弧曲面構(gòu)成的入口收縮部分及與之相接的圓筒形喉部所組成．第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)文丘利管第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法節(jié)流裝置的工作原理

流體流經(jīng)節(jié)流裝置（如孔板）時(shí)的節(jié)流現(xiàn)象如圖所示。節(jié)流裝置的作用造成流束的局部收縮，使流速加快、靜壓力降低，從而產(chǎn)生壓差。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法

在水平管道裝有標(biāo)準(zhǔn)孔板，當(dāng)流體流經(jīng)孔板時(shí)的流束及壓力分布情況如圖所示。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法從圖中分析可得如下兩點(diǎn)結(jié)論：1）流束收縮

沿管道軸向連續(xù)向前流動(dòng)的流體，當(dāng)遇到節(jié)流裝置的阻擋時(shí)，近管壁處的流體受到的節(jié)流裝置的阻擋最大，促使流體一部分動(dòng)壓力轉(zhuǎn)換為靜壓力，使節(jié)流裝置入口端面近管壁處的流體靜壓p1升高，而且比管道中心處的靜壓要大，產(chǎn)生徑向壓差，從而產(chǎn)生附加加速度，形成了流束的收縮運(yùn)動(dòng)。由于慣性，流束收縮最小截面積不在節(jié)流孔中，而位于節(jié)流孔之后，并隨著流量大小而變，此時(shí)流體速度也達(dá)到最大。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法2）靜壓差Δp產(chǎn)生

在流束截面積最小處，流體速度也達(dá)到最大。由流體力學(xué)理論可知，在截面積最小處流體的速度最大，靜壓力最小。所以，節(jié)流裝置入口處的靜壓力p1比出口流體截面積最小處的靜壓力p2大，并且流量越大，壓差就越大。利用差壓計(jì)測(cè)出壓差就可得到流體流過(guò)的流量，這就是節(jié)流裝置的工作原理。

然后，流束擴(kuò)張，流體速度逐漸降低，靜壓力逐漸升高。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法

只要能測(cè)得節(jié)流裝置前后的靜壓差則可測(cè)得流體的體積流量。這就是節(jié)流式流量傳感器測(cè)流量的測(cè)量原理。節(jié)流式流量傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、使用方便的優(yōu)點(diǎn)，故是目前工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最多的一種流量傳感器，幾乎占到工業(yè)中使用的流量傳感器（計(jì)）的70%；但同時(shí)也存在線性易受流體密度的影響，管道中有壓力損失，只適于潔凈流體的測(cè)量等缺陷。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法4.7.5時(shí)差法流量測(cè)量

時(shí)差流量測(cè)量方法就是把對(duì)流量的測(cè)量轉(zhuǎn)換為對(duì)兩點(diǎn)之間時(shí)差的測(cè)量方法。這里只介紹超聲波流量傳感器。

如圖所示為超聲波流量傳感器的工作原理示意圖。其中T1和T2為兩超聲波發(fā)射器，R1和R2為分別對(duì)應(yīng)的超聲波接收器。其中發(fā)射器和接收器與管道內(nèi)流體流動(dòng)方向之間的夾角為，流體流動(dòng)速度為，方向如圖中所示。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法

根據(jù)相關(guān)理論，從發(fā)射器T1發(fā)射聲波脈沖開(kāi)始到接收器R1接收聲波脈沖為止，這其間所需的時(shí)間（順流時(shí)間）為：式中

—超聲波發(fā)射器與接收器之間的直線距離；

—聲波聲速；

—超聲波發(fā)射器與接收器之間在流速方向上的垂直距離。

同理，從發(fā)射器T2發(fā)射聲波脈沖開(kāi)始到接收器R2接收聲波脈沖為止，這其間所需的時(shí)間（逆流時(shí)間）為

第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法則聲波順流與逆流時(shí)間之差為：

由于，故

因此，只要測(cè)量出順流與逆流之間的時(shí)間差，就可測(cè)得流體的平均速度，從而得到流體的體積流量式中

—流體管道的橫截面面積。

第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法此方法盡管Δt仍然小，但較大，有利于提高測(cè)量精度，但c的影響仍較大。相位差法：

換能器發(fā)射連續(xù)超聲脈沖或者周期較長(zhǎng)的脈沖波列，測(cè)量順流和逆流發(fā)射時(shí)所接收到信號(hào)之間的相位差。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法頻率差法：

它是通過(guò)測(cè)量順流和逆流時(shí)超聲脈沖的重復(fù)頻率差來(lái)測(cè)量流量的。超聲波換能器既可發(fā)送又可接收。

發(fā)射器T發(fā)出一個(gè)超聲脈沖，經(jīng)過(guò)流體由接收器R接收此信號(hào)，進(jìn)行放大后再送到發(fā)射器T產(chǎn)生第二個(gè)脈沖，這樣反復(fù)來(lái)往，其頻率為：雖然Δf～v關(guān)系式中包含了c，則由于τcsinθ/D<<1，故與前兩種方法比較，聲速變化所產(chǎn)生的誤差影響小。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法超聲波流量計(jì)第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法4.3速度、加速度與振動(dòng)的測(cè)量

速度、加速度與振動(dòng)是物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)的重要參數(shù)。物體運(yùn)動(dòng)時(shí)單位時(shí)間內(nèi)的位移增量就是速度，當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)的速度不變時(shí)稱(chēng)為等速運(yùn)動(dòng)。如果物體運(yùn)動(dòng)的速度是變化的，則單位時(shí)間內(nèi)速度的增量就是加速度。加速度不變的運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為等加速度運(yùn)動(dòng)。

在工程技術(shù)和日常生活中常常遇到物體的振動(dòng)。物體的機(jī)械振動(dòng)是指物體在其平衡位置附近作來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng)。大多數(shù)情況下，機(jī)械振動(dòng)是有害的。它破壞了機(jī)械設(shè)備的政常工作，甚至于導(dǎo)致?lián)p壞造成事故。但是振動(dòng)也可以被利用的一面，可用來(lái)制成振動(dòng)機(jī)械。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法

從物體運(yùn)動(dòng)的形式來(lái)看，速度的測(cè)量分為線速度測(cè)量和角速度測(cè)量；從運(yùn)動(dòng)速度的參考基準(zhǔn)來(lái)看分為絕對(duì)速度測(cè)量和相對(duì)速度的測(cè)量；從速度的數(shù)值特征來(lái)看分為平均速度測(cè)量和瞬時(shí)速度測(cè)量；從獲取物體運(yùn)動(dòng)速度的方式來(lái)看分為直接速度測(cè)量和間接速度測(cè)量。4.3.1速度的測(cè)量

線速度的計(jì)量單位通常用m/s；工程上通常用km/s。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法一、速度的測(cè)量方法1、速度的測(cè)量方法1）時(shí)間、位移計(jì)算方法

這種方法是根據(jù)速度的定義測(cè)量速度，即通過(guò)測(cè)量距離和行走該距離的時(shí)間，然后求得平均速度。時(shí)間取得越小，則求得速度越接近運(yùn)動(dòng)體的瞬時(shí)速度。由此原理，可以延伸出多種測(cè)速度方法，如：相關(guān)測(cè)速法和空間濾波器測(cè)速法。

所謂相關(guān)測(cè)速法是利用求隨機(jī)過(guò)程互相關(guān)函數(shù)極值的方法來(lái)測(cè)量速度。

所謂空間濾波器測(cè)速法是利用可選擇一定空間頻率段的空間濾波器件與被測(cè)物體同步運(yùn)動(dòng)，然后在單位空間內(nèi)測(cè)量相應(yīng)的時(shí)間頻率，求得運(yùn)動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)速度。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法圖4.40空間濾波器工作原理圖

第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法

測(cè)量到運(yùn)動(dòng)體的加速度信號(hào)，并對(duì)時(shí)間積分，就可得到運(yùn)動(dòng)體的速度；測(cè)量運(yùn)動(dòng)體的位移信號(hào)，并將其對(duì)時(shí)間微分，也可以得到速度，這兩種方法完全相同。2）加速度積分法和位移微分測(cè)量法

利用該方法典型實(shí)例是振動(dòng)測(cè)量中，利用加速度計(jì)測(cè)量振動(dòng)體的加速度振動(dòng)信號(hào)經(jīng)電路積分獲得振動(dòng)速度；應(yīng)用振幅計(jì)測(cè)量振動(dòng)體位移信號(hào)再進(jìn)行微分得到振動(dòng)的速度。3）利用物理參數(shù)測(cè)量速度

利用速度大小與某些物理量間的已知關(guān)系間接地測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)的速度。如：電動(dòng)式速度傳感器和電磁式速度傳感器。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法4）多普勒效應(yīng)測(cè)速①多普勒效應(yīng)

假若發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離發(fā)生變化（有相對(duì)運(yùn)動(dòng)），則發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)的頻率與接收機(jī)收到信號(hào)的頻率就不同，此現(xiàn)象稱(chēng)為多普勒效應(yīng)。式中——發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)的頻率；

——被物體的運(yùn)動(dòng)速度；

——發(fā)射信號(hào)波長(zhǎng)，，為電磁波的傳播速度。如果將作為反射波向接收機(jī)發(fā)射信號(hào)，如圖4.44（b）所示。接收機(jī)接收到的信號(hào)頻率為：第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法由于被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于電磁波的傳播速度，則可認(rèn)為，即（4.36）由多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的頻率之差稱(chēng)為多普勒頻率，即（4.37）由此可見(jiàn)，被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)速度可以用多普勒頻率來(lái)描述。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法圖4.44多普勒效應(yīng)示意圖第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法②多普勒雷達(dá)測(cè)速多普勒雷達(dá)的電路原理框圖如圖4.45所示。它由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、混頻器、檢波器、放大器及處理電路等組成。當(dāng)發(fā)射信號(hào)和接收到的回波信號(hào)經(jīng)混頻器混頻后，兩者產(chǎn)生差頻現(xiàn)象，差頻的頻率正好為多普勒頻率。利用多普勒雷達(dá)可以對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行線速度和轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量。圖4.46是檢測(cè)線速度的工作原理圖。多普勒雷達(dá)產(chǎn)生的多普勒頻率為：第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法圖4.45多普勒雷達(dá)的電路原理框圖第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法

物體的機(jī)械振動(dòng)是指物體在其平衡位置附近作來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng)。凡能夠測(cè)量位移和速度的檢測(cè)原理都可以用于加速度與振動(dòng)測(cè)量。用電測(cè)方法測(cè)量振動(dòng)的裝置稱(chēng)為振動(dòng)傳感器（或測(cè)振傳感器）。振動(dòng)測(cè)量種類(lèi)較多，根據(jù)被測(cè)振動(dòng)參數(shù)來(lái)分有：振動(dòng)位移傳感器、振動(dòng)速度傳感器和振動(dòng)加速度傳感器；根據(jù)所采用的傳感器工作原理不同可分為：應(yīng)變式、壓電式、電渦電流式、電容式、差動(dòng)變壓器式、電感式、磁電式、光電式等；根據(jù)選定的運(yùn)動(dòng)參照點(diǎn)來(lái)分有：相對(duì)振動(dòng)傳感器和絕對(duì)振動(dòng)傳感器。4.3.2加速度與振動(dòng)測(cè)量第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法（1）相對(duì)振動(dòng)與絕對(duì)振動(dòng)電測(cè)法1）相對(duì)振動(dòng)電測(cè)法根據(jù)振動(dòng)的定義，相對(duì)振動(dòng)實(shí)際上是物體相對(duì)于其平衡位置或者說(shuō)以其平衡位置為參考點(diǎn)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。一般的結(jié)構(gòu)型傳感器都包含固定部分和可動(dòng)部分，讓固定部分與振動(dòng)的平衡位置即參考點(diǎn)保持相對(duì)靜止，可動(dòng)部分隨被測(cè)振動(dòng)物體一起運(yùn)動(dòng)。這樣，利用各種位移傳感器可構(gòu)成各種不同的相對(duì)振動(dòng)傳感器。相對(duì)振動(dòng)傳感器的可動(dòng)部分與被測(cè)物體的關(guān)聯(lián)方式如圖4.53所示兩種方式。其中圖4.53（a）是采用傳感器可動(dòng)部分與被測(cè)物體固定在一起成為一個(gè)整體，傳感器可動(dòng)部分相對(duì)其固定部分的運(yùn)動(dòng)即為被測(cè)物體相對(duì)其平衡位置的運(yùn)動(dòng)。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法

圖4.53（b）是采用傳感器可動(dòng)部分由安裝在固定部分的彈簧緊壓在被測(cè)物體上，被測(cè)物體與傳感器可動(dòng)部分并不是固接在一起，而只是碰觸在一起，在被測(cè)物體壓力和彈簧反力的作用下，傳感器可動(dòng)部分跟隨被測(cè)物體一起運(yùn)動(dòng)；為了傳感器可動(dòng)部分跟隨被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)，就必須使被測(cè)物體與可動(dòng)部分始終保持接觸而不分離，這就要求可動(dòng)部分對(duì)被測(cè)物體的壓力大于零，即：（4.45）式中——被測(cè)物體的加速度幅值；

——傳感器可動(dòng)部分及頂桿的質(zhì)量；

——彈簧力。，為彈簧的彈性系數(shù)；為彈簧的初壓縮量。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法圖4.53相對(duì)振動(dòng)傳感器的關(guān)聯(lián)方式第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法若被測(cè)振動(dòng)是簡(jiǎn)諧振動(dòng)，則振動(dòng)加速度幅值為：（4.46）式中——簡(jiǎn)諧振動(dòng)角頻率；

——簡(jiǎn)諧振動(dòng)的振幅。綜合以上情況可得傳感器可動(dòng)部分跟隨被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)的條件為：（4.47）式中——簡(jiǎn)諧振動(dòng)固有振動(dòng)角頻率。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法

由上式可知：如果在使用中，彈簧的初始?jí)嚎s量不夠大，或者被測(cè)物體的振動(dòng)頻率過(guò)高或振幅過(guò)大，都會(huì)使上述跟隨條件得不到滿足，從而使頂桿與被測(cè)物體發(fā)生脫離或撞擊，故該方式只能在一定的頻率和振幅范圍內(nèi)工作。2）絕對(duì)振動(dòng)電測(cè)法被測(cè)物體相對(duì)大地或慣性空間的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，稱(chēng)為絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。絕對(duì)振動(dòng)傳感器的工作原理如圖4.54（a）所示。整個(gè)傳感器被固定在被測(cè)物體上，傳感器中的固定部分與被測(cè)物體一起運(yùn)動(dòng)。它的構(gòu)成系統(tǒng)稱(chēng)為彈簧質(zhì)量系統(tǒng)。由牛頓運(yùn)動(dòng)方程可知，加速度和力是通過(guò)質(zhì)量聯(lián)系在一起的?？梢詫椈少|(zhì)量系統(tǒng)作為傳感器，使之與被測(cè)系統(tǒng)直接連在一起，當(dāng)從系統(tǒng)框架外部施加振動(dòng)位移或加速度時(shí)，設(shè)檢測(cè)系統(tǒng)外殼與第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法質(zhì)量之間的相對(duì)位移為，支點(diǎn)位移為，那么質(zhì)量的絕對(duì)位移為：彈簧力和阻尼力都與相對(duì)位移有關(guān)，其運(yùn)動(dòng)方程式為：（4.48）式中——彈簧系數(shù)；

——阻尼系數(shù)。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法振動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式為：（4.49）此式表明：支點(diǎn)位移為的振動(dòng)系統(tǒng)等價(jià)于支點(diǎn)靜止，受外力為沖擊的加速度系統(tǒng)。其運(yùn)動(dòng)方程解為：（4.50）其中：第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法

由此可知：根據(jù)彈簧質(zhì)量系的固有角振動(dòng)頻率與支點(diǎn)的角振動(dòng)頻率的關(guān)系，測(cè)量支點(diǎn)與質(zhì)量的相對(duì)位移不僅可以求出支點(diǎn)的位移變化即振動(dòng)幅值，而且可以求出支點(diǎn)的加速度及速度；其關(guān)系式是以下3種絕對(duì)振動(dòng)電測(cè)法的理論基礎(chǔ)。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法圖4.54絕對(duì)振動(dòng)傳感器的工作原理(a)第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法圖4.54絕對(duì)振動(dòng)傳感器的工作原理(b)第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法（2）加速度測(cè)量原理1）支點(diǎn)位移測(cè)量（的情況）當(dāng)固有角振動(dòng)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于支點(diǎn)的角振動(dòng)頻率時(shí)，即。由上式可得：即：

也就是說(shuō)：相對(duì)位移的振幅與支點(diǎn)位移的振幅A大小相等、方向相反。這種振動(dòng)測(cè)量稱(chēng)為位移測(cè)量。通常要使用大質(zhì)量和低彈性彈簧。此時(shí)絕對(duì)位移，即位移測(cè)量時(shí)的質(zhì)量基本靜止不動(dòng)。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法2）支點(diǎn)加速度測(cè)量（的情況）當(dāng)固有角振動(dòng)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于支點(diǎn)的角振動(dòng)頻率時(shí)，即。由上式得：即：

也就是說(shuō)：相對(duì)位移的幅值與支點(diǎn)加速度成正比。這種振動(dòng)測(cè)量稱(chēng)為加速度測(cè)量。它要用小質(zhì)量和高彈簧性彈簧，并且在的范圍內(nèi)，時(shí)可以得到高精度的加速度測(cè)量結(jié)果，圖4.54（b）中的虛線表示了加速度與的關(guān)系。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法3）支點(diǎn)速度測(cè)量（的情況）

當(dāng)固有角振動(dòng)頻率等于支點(diǎn)的角振動(dòng)頻率時(shí)，即。由上式可得：即：也就是說(shuō)：相對(duì)位移的幅值與支點(diǎn)速度成正比，這種振動(dòng)測(cè)量稱(chēng)之為速度測(cè)量。但由于是在共振動(dòng)狀態(tài)下使用，振幅過(guò)大時(shí)會(huì)破壞彈簧等測(cè)量裝置元件，很難實(shí)用化。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法（3）典型測(cè)振傳感器測(cè)振傳感器種類(lèi)較多，應(yīng)用范圍極廣?，F(xiàn)將工程實(shí)際中常用的測(cè)振動(dòng)傳感器介紹如下：

1）磁電式速度傳感器磁電式速度傳感器是利用電磁感應(yīng)原理將傳感器的質(zhì)量與殼體的相對(duì)速度轉(zhuǎn)換成電壓輸出。圖4.55為磁電式相對(duì)速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖，它用于測(cè)量?jī)蓚€(gè)試件之間的相對(duì)速度。殼體6固定在一個(gè)試件上，頂桿1頂住另一個(gè)構(gòu)件，磁鐵3通過(guò)殼體構(gòu)成磁回路，線圈4置于回路的縫隙中，兩試件之間的相對(duì)振動(dòng)速度通過(guò)頂桿使線圈在磁場(chǎng)氣隙中運(yùn)動(dòng)，線圈因切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其大小與線圈運(yùn)動(dòng)的線速度成正比。如果頂桿運(yùn)動(dòng)符合前述的跟隨條件，則線圈的運(yùn)動(dòng)速度就是被測(cè)物體的相對(duì)振動(dòng)速度，因而輸出電壓與被測(cè)物體的相對(duì)振動(dòng)速度成正比關(guān)系。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法

圖4.55磁電式相對(duì)速度傳感器1—頂桿2—彈簧片3—磁鐵4—線圈5—引出線6—?dú)んw第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法

圖4.56為磁電式絕對(duì)速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖。磁鐵4與殼體2形成磁回路，裝在芯軸6上的線圈5和阻尼環(huán)3組成慣性系統(tǒng)的質(zhì)量塊在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)。彈簧片1徑向剛度很大，軸向剛度很小，使慣性系統(tǒng)既可得到可靠的徑向支承，又可保證有很低的軸向固有頻率。銅制的阻尼環(huán)3一方面可增加慣性系統(tǒng)質(zhì)量、降低固有頻率；另一方面又利用閉合銅環(huán)在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的磁阻尼力使振動(dòng)系統(tǒng)具有適當(dāng)?shù)淖枘?，以減小共振對(duì)測(cè)量精度的影響，并能擴(kuò)大速度傳感器的工作頻率范圍，有助于衰減干擾引起的自由振動(dòng)和沖擊。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法圖4.56磁電式絕對(duì)速度傳感器第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法當(dāng)速度傳感器承受沿其軸向的振動(dòng)時(shí)，包括線圈在內(nèi)的質(zhì)量塊與殼體發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，線圈在殼體與磁鐵之間的氣隙中切割磁力線，產(chǎn)生磁感應(yīng)電勢(shì)（其大小與相對(duì)速度成正比）。當(dāng)時(shí)，相對(duì)速度可以看成是殼體的絕對(duì)速度，因此輸出電壓也就與殼體的絕對(duì)速度成正比。當(dāng)，時(shí)，用這類(lèi)傳感器來(lái)測(cè)量低頻振動(dòng)（），就只能保證幅值精度，無(wú)法保證相位精度。因?yàn)樵诘皖l范圍內(nèi)絕對(duì)速度傳感器的相頻特性很差，在涉及相位測(cè)量的情況下（如機(jī)械阻抗試驗(yàn)）要特別注意。2）壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器是利用壓電晶體的正壓電效應(yīng)來(lái)測(cè)量加速度的。圖4.57所示是一種壓縮式壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法

圖中壓電元件由兩片壓電片組成，采用并聯(lián)接法，一根引線接至兩片壓電片中間的金片上，另一端直接與基座相連。壓電片通常采用壓電陶瓷制成。壓電片上放一塊重金屬制成的質(zhì)量塊，用一彈簧壓緊，對(duì)壓電元件施加預(yù)負(fù)載。整個(gè)組件裝在一個(gè)有厚基座的金屬殼體中，殼體和基座約占整個(gè)傳感器重量的一半。測(cè)量時(shí)，通過(guò)基座底部螺孔將傳感器與試件剛性地固定在一起，傳感器感受與試件相同頻率的振動(dòng)。由于彈簧的剛度很大，因此質(zhì)量塊也感受與試件相同的振動(dòng)。質(zhì)量塊就有一正比于加速度的交變力作用在壓電片上，由于壓電效應(yīng)，在壓電片兩個(gè)表面上就有電荷產(chǎn)生。傳感器的輸出電荷（或電壓）與作用力成正比，亦即與試件的加速度成正比。這種結(jié)構(gòu)諧振頻率高，頻響范圍寬，靈敏度高，而且結(jié)構(gòu)中的敏感元件（彈簧、質(zhì)量塊和壓電元件）不與外殼直接接觸，受環(huán)境影響小。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法圖4.57壓縮式壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖1—基座2—壓電片3—質(zhì)量塊4—彈簧5—?dú)んw第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法

圖4.58所示是壓電加速度傳感器的另一種結(jié)構(gòu)形式，它是利用壓電元件的切變效應(yīng)。壓電元件是一個(gè)壓電陶瓷圓筒，它在組裝前先在與圓筒軸向垂直的平面上涂上預(yù)備電極，使圓筒沿軸向極化，極化后磨去預(yù)備電極，將圓筒套在傳感器底座的圓柱上；壓電元件外面再套上慣性質(zhì)量環(huán)。傳感器受到振動(dòng)時(shí)，質(zhì)量環(huán)的振動(dòng)由于慣性有一滯后，這樣在壓電元件上就出現(xiàn)剪切應(yīng)力，產(chǎn)生剪切形變，從而在壓電元件的內(nèi)表面上產(chǎn)生電荷，其電場(chǎng)方向垂直于極化方向。這種結(jié)構(gòu)有很高的靈敏度，而且橫向靈敏度小，受環(huán)境的影響也比較小。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法圖4.58利用壓電元件的切變效應(yīng)加速度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖1—基座2—壓電陶瓷圓筒3—質(zhì)量環(huán)4—引線第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法

圖4.59所示為彎曲型壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，它是由特殊壓電懸臂梁構(gòu)成。它具有很高的靈敏度和很低的頻率響應(yīng)，主要用于醫(yī)學(xué)上和其他低頻響應(yīng)的領(lǐng)域（如地殼和建筑物的振動(dòng)等）。圖4.59彎曲型壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖1—金屬片2—質(zhì)量塊3—壓電片第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法

圖4.60所示為差動(dòng)式壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。在測(cè)量加速度時(shí)，兩組壓電元件組成差分輸出，而在橫向效應(yīng)作用時(shí)它們是同相輸出，因此相互低消了，環(huán)境的影響也就大大削弱。圖4.60差動(dòng)式壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖1—?dú)んw2—彈簧環(huán)3—壓電元件4—質(zhì)量塊第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法3）電阻應(yīng)變式、壓阻式加速度傳感器圖4.61所示是應(yīng)變式度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，懸臂梁1作為彈性元件，一端固定在殼體3的基座上，另一端裝有質(zhì)量塊2，懸臂梁根部粘貼應(yīng)變片4連接成差動(dòng)電橋。可用于測(cè)量垂直方向加速度。圖4.62所示是壓阻式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，與上圖相似，只不過(guò)是直接用單晶硅作懸臂梁，并在梁的根部擴(kuò)散4個(gè)電阻組成差動(dòng)電橋，梁的自由端仍裝有慣性質(zhì)量塊。全部結(jié)構(gòu)被密封在一個(gè)充有硅油的外殼內(nèi)。傳感器可以工作在上下或左右振動(dòng)狀態(tài)下。當(dāng)懸臂梁自由端的慣性質(zhì)量受到振動(dòng)產(chǎn)生加速度時(shí)，梁受彎曲而產(chǎn)生應(yīng)力，使4個(gè)電阻阻值發(fā)生變化。其應(yīng)力大小為：第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法（4.51）式中——慣性質(zhì)量；

——梁的寬度和厚度；

——質(zhì)量中心至梁根部的距離；

——加速度。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法圖4.61應(yīng)變式度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖1—等強(qiáng)度梁2—質(zhì)量塊3—?dú)んw4—應(yīng)變片第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法圖4.62壓阻式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法

圖4.63所示是張絲式加速度傳感器，質(zhì)量塊3由彈性支承1支承在基座4上，電阻絲2連在活動(dòng)質(zhì)量塊與基座之間，作為“

”系統(tǒng)中彈簧的一部分，感受質(zhì)量塊的位移。當(dāng)質(zhì)量塊相對(duì)于基座橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)，一組電阻絲被拉伸，另一組電阻絲被壓縮，電阻相對(duì)變化通過(guò)電橋轉(zhuǎn)換成電壓輸出。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法圖4.63張絲式加速度傳感器1—彈性支承2—電阻絲3—質(zhì)量塊4—機(jī)座第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法4）電容式加速度傳感器圖4.64所示是電容式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。質(zhì)量塊4由兩根簧片3支承置于充滿空氣的殼體2內(nèi)。當(dāng)測(cè)量垂直方向上的直線加速度時(shí)，傳感器殼體固定在被測(cè)振動(dòng)體上，振動(dòng)體的振動(dòng)使殼體相對(duì)質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)，因而與殼體2固定的在一起的兩固定極板1、5相對(duì)質(zhì)量塊4運(yùn)動(dòng)，致使上固定極板5與質(zhì)量塊4的A面（磨平拋光）組成的電容值以及下固定極板1與質(zhì)量塊4的B面（磨平拋光）組成的電容值隨之改變，一個(gè)增大，一個(gè)減小，它們的差值正比于被測(cè)加速度。由于采用空氣阻尼，氣體粘度的溫度系數(shù)比液體小得多，因此這種加速度傳感器的精度較高、頻率響應(yīng)范圍寬、量程大、可用于較高加速度值的測(cè)量。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法圖4.64電容式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖1、5—固定極板2—?dú)んw3—簧片4—質(zhì)量塊5—絕緣體第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法5）差動(dòng)變壓器式加速度傳感器圖4.65所示是兩種差動(dòng)變壓器式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，圖（a）為變氣隙式，活動(dòng)銜鐵2兼做質(zhì)量塊，由兩片彈簧片1支撐，可測(cè)量水平方向振動(dòng)加速度。圖（b）為螺管式，活動(dòng)銜鐵2也是兼做質(zhì)量塊，由上下彈簧1支承，用以測(cè)量垂直方向振動(dòng)加速度，其基本要求。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法圖4.65差動(dòng)變壓器式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖（a）為變氣隙式（b）為螺管式第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法6）光纖式加速度傳感器圖4.66所示是光纖式傳感器原理圖?？嚲o的光纖1和6分別固定于殼體上端蓋2與質(zhì)量塊4與底座3之間，并且兩根光纖分別熔接在干涉儀的兩條臂上。當(dāng)被薄膜片5支承的質(zhì)量塊受到垂直方向上的加速度作用時(shí)，兩根光纖中一根軸向應(yīng)變?cè)鰪?qiáng)，另一根則減弱，從而使傳播的光束相位發(fā)生變化。光相位的變化與被測(cè)加速度成正比，即（4.52）式中——光相位的變化；

——光纖芯折射率；

第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法——光纖長(zhǎng)度；——質(zhì)量塊的質(zhì)量；——光纖材料的楊氏模量；——光波的波長(zhǎng)；——光纖的直徑；——被測(cè)加速度。

圖4.66光纖式傳感器原理圖

光相位變化使干涉條紋發(fā)生變化，利用光波干涉測(cè)量技術(shù)就可以測(cè)量出加速度。其最大優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)傳輸采用光纖，它不受電磁感應(yīng)的影響，具有優(yōu)越的安全防爆性能。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法圖4.67霍爾式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法7）霍爾式加速度傳感器圖4.67所示是霍爾式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。彈簧片S的一端固定在傳感器外殼上，中部裝有質(zhì)量塊，末端裝有霍爾元件H，在霍爾元件上下方裝有一對(duì)永久磁鐵，它們同極性相對(duì)安裝在傳感器外殼上。傳感器外殼固定在被測(cè)振動(dòng)體上，當(dāng)被測(cè)物體作垂直方向振動(dòng)時(shí)，其振動(dòng)加速度轉(zhuǎn)換為霍爾元件在磁場(chǎng)中的位移而產(chǎn)生相應(yīng)的霍爾電勢(shì)，由霍爾電勢(shì)值可求得加速度。加速度在范圍內(nèi)，輸出霍爾電勢(shì)與加速度之間有較好的線性關(guān)系。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法8）伺服式加速度傳感器上面介紹的加速度傳感器是在開(kāi)環(huán)狀態(tài)下工作，傳感器把振動(dòng)參數(shù)直接轉(zhuǎn)變成電量輸出。開(kāi)環(huán)型拾振器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其特性參數(shù)和靈敏度依賴(lài)于系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，動(dòng)態(tài)范圍有限，有較大的非線性。采用伺服式加速度傳感器可有效地克服上述缺點(diǎn)。圖4.68所示是伺服式加速度傳感器的工作原理圖。傳感器的振動(dòng)系統(tǒng)由“

”系統(tǒng)組成，與一般加速度計(jì)相同，但質(zhì)量上還接著一個(gè)電磁線圈3，當(dāng)基座有加速度輸入時(shí)，質(zhì)量塊偏離平衡位置，由位移傳感器檢測(cè)，并經(jīng)伺服放大后輸出電流，此電流流過(guò)電磁線圈3。在永久磁鐵6的磁場(chǎng)中產(chǎn)生電磁恢復(fù)力，力圖使質(zhì)量塊保持在儀表殼體中的原來(lái)平衡位置上。所以，伺服加速度傳感器在閉環(huán)狀態(tài)下工作。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法圖4.68伺服式加速度傳感器的工作原理圖1—質(zhì)量塊及位移傳感器2—彈簧3—線圈4—?dú)んw5—被測(cè)物6—永久磁鐵7—伺服放大器第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法（4）常用振動(dòng)測(cè)試儀1）振動(dòng)測(cè)試儀本測(cè)試儀可用于測(cè)量機(jī)器、車(chē)、船、飛機(jī)等振動(dòng)物體的振動(dòng)加速度、速度和振動(dòng)位移。①傳感器選用伺服加速度傳感器TA-25型或5511型（國(guó)產(chǎn)）作為敏感元件。TA-25的性能如表4.5所示。它可以測(cè)量機(jī)器、車(chē)、船、飛機(jī)等振動(dòng)和傾斜。TA-25輸出每達(dá)到1~5V電壓，輸出電壓的大小和加速度成正比。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法項(xiàng)目性能動(dòng)態(tài)范圍分辨率線性度輸出電壓

頻率響應(yīng)(）零點(diǎn)溫度系數(shù)溫度范圍機(jī)殼定位方向電源電壓重量

該振動(dòng)測(cè)試儀要求測(cè)量振動(dòng)頻率為1~50Hz左右的振動(dòng)，最大動(dòng)態(tài)范圍為。表4.5伺服加速度傳感器TA-25的性能第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法②測(cè)量電路測(cè)量電路由濾波器、交流積分器、A/D轉(zhuǎn)換器等組成，如圖4.69所示。傳感器用于振動(dòng)使其輸出左右的場(chǎng)合，其滿度為。傳感器的輸出為加速度，經(jīng)積分電路轉(zhuǎn)換為速度輸出，再經(jīng)積分電路轉(zhuǎn)換為位移輸出。按照我國(guó)重力加速度定為，應(yīng)通過(guò)電位器RP1調(diào)整IC1的輸出為。

IC1和IC2分別組成二階低通濾波器和二階高通濾波器。IC3和IC4組成一個(gè)交流積分器，也是一個(gè)低通交流放大器。IC5與IC6同IC3和IC4的結(jié)構(gòu)。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法

將加速度、速度、位移的輸出通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)根據(jù)需要接模擬儀表或數(shù)字電壓表，從而制成一臺(tái)振動(dòng)測(cè)試儀。

3521為高輸入阻抗的FET場(chǎng)效應(yīng)晶體管輸入級(jí)的低漂移運(yùn)算放大器，可用CA3130，DL503，F(xiàn)G0042等替代圖4.69中三刀轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)S說(shuō)明測(cè)量項(xiàng)目（加速度、速度、位移）的轉(zhuǎn)換，未標(biāo)阻值的三個(gè)串聯(lián)分壓器，應(yīng)根據(jù)需要設(shè)計(jì)選擇參數(shù)。對(duì)于加速度、速度、位移的數(shù)字測(cè)量，輸出電壓小的應(yīng)加以放大，輸出電壓的應(yīng)予以衰減，以適應(yīng)于同一片MC14433芯片。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法圖4.69振動(dòng)測(cè)試儀電路圖第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法2）微振動(dòng)測(cè)試儀微振動(dòng)測(cè)試儀用于各種大型構(gòu)件、橋梁、水壩、高層建筑、船舶、海流等的晃動(dòng)測(cè)量；精密機(jī)械制造和超大規(guī)模集成電路的生產(chǎn)，為了保證成品的精度，要求生產(chǎn)環(huán)境的振動(dòng)位移限制在幾微米到百微米之間（振動(dòng)頻率在1~10Hz），也就是說(shuō)它的加速度值在幾到幾百之間，相當(dāng)于級(jí)的振動(dòng)，對(duì)這種環(huán)境也需要微振測(cè)試儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)。①傳感器使用PV-96型壓電加速度傳感器進(jìn)行測(cè)量，其靈敏度為10000PC/g，傳感器主要性能如表4.6所示。PV-96型采取剪切型結(jié)構(gòu)，它不受周?chē)h(huán)境溫度的影響，外型為圓柱體，重量較大。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法表4.6PV-96型壓電傳感器特性電荷靈敏度靜電容振動(dòng)頻率最高工作溫度絕緣電阻外殼材料不銹鋼第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法②測(cè)量電路測(cè)量電路如圖4.69所示。圖中的模擬測(cè)量電路由兩級(jí)放大器組成。

IC1組成一個(gè)電荷放大器，它的輸入為電荷，輸出為電壓，也是一個(gè)Q/V轉(zhuǎn)換器。電荷放大器的頻率響應(yīng)由反饋電容和反饋電阻確定。

IC2是一個(gè)反相放大器，實(shí)際上是一個(gè)低功耗可編程運(yùn)算放大器。若要求測(cè)量電路的輸出靈敏度更高，應(yīng)提高IC2的反饋電阻。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法4.4轉(zhuǎn)速的測(cè)量

旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速測(cè)量在工程上經(jīng)常遇到，以每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)來(lái)表達(dá)，即。測(cè)量轉(zhuǎn)速的儀表統(tǒng)稱(chēng)為轉(zhuǎn)速儀。轉(zhuǎn)速儀的種類(lèi)繁多，按測(cè)量原理可分為模擬法、計(jì)數(shù)法和同步法；按變換方式又可分為機(jī)械式、電氣式、光電式和頻閃式等。轉(zhuǎn)速的測(cè)量方法及其特點(diǎn)如表4.7所示。下面介紹幾種常用的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法。第4章常見(jiàn)非電參數(shù)的檢測(cè)方法表4.7轉(zhuǎn)速