检测技术与原理

检测技术基本概念

检测技术基础

什么是检测
用专门的技术工具，依靠实验和计算获得所关心参数（被测参数)的特性和数值的过程
检测仪表的基本性能

检测系统基本构成及概念

构成单元及各单元功能

传感器： 检测系统与被测对象直接发生联系的器件或装置
信号调理电路：为方便检测系统后续环节处理或显示，完成对检测系统组成框图
传感器输出的微弱信号进行检波、转换、滤波、放 大等处理的功能电路。
数据采集及信号处理：对连续模拟信号作离散化处理
输出、显示：显示被测信号的瞬时值、累积值及变化状态
标准输出信号：
0～100KPa气动信号；
4～20 mA的电流信号；
1～5 V电压信号；数字信号及开关量信号等多种形式
显示方式  指示式显示又称模拟式显示  数字式显示  屏幕式显示
动力源 气动仪表 140KPa压缩空气 电动仪表 220V AC; 24V DC

测量参数与测量方法

测量参数

a. 被测参数：敏感元件直接感受的变量参数 b. 待测参数：需要获取的变量参数

测量方法

a. 直接测量：直接测量待测参数的测量方法。待测 参数为被测参数。
b. 间接测量：通过测量与待测参数有关系的其他参 数，并通过数学处理获取待测参数的测量方法

检测仪表分类

参量

可分为：电工量，热工量，机械量，物性和成分量，光学量，状态量

检测方法

有源式和无源式：有源式如热电阻测温；无源式如热电偶测温
接触式和非接触式

仪表应用能源

机械式，电动式，气动仪表，光电式仪表

转换方法

电、磁转换
光电转换等

仪表使用性质

①国家标准规定，测量指示仪表的精度等级G分为
0.005, 0.02, 0.05, 0.1, 0.2, 0.35, 1.0, 1.5, 2.5, 4 , 5.0等
标准表： 各级计量部门专门用于精确计量、校准送检样品 和样机的标准仪表，一般精度等级高于0.1级
实验室仪表： 主要用于各类实验室中，一般精度等级高于0.1级
工业仪表：工业用仪表精度等级为：0.1, 0.2, 0.35, 1.0, 1.5, 2.5, 5.0

显示方式

 模拟仪表：一般指针式仪表
 数字仪表：以数字形式显示参数量

仪表构成

开环结构和闭环结构

仪表简要发展过程

检测仪表的基本性能

检测范围和量程

测量范围：仪表上限值和下线值范围
量程：仪表测量上限值与下限值的代数差

输入输出特性

灵敏度和分辨率

灵敏度：
$s=\frac{\Delta y}{\Delta x}$
△y：达到稳态时仪表输出的变化量（指针的直
线位移或转角）
△x：被测变量的变化值
分辨率：在仪表测量范围内，能检测出的被测变量的最小变化量

死区

输入信号的变化量不能引起输出量发生可观察变 化的有限区间

变差

$变差=\frac{{\Delta }_{max}}{测量上限-测量下限}\ast 100$%
在测量范围内正反特性间指示值的 最大绝对误差与仪表量程之 比的百分数

线性度

实际值与理论值之间的绝对误差的 最大值与仪表量程之比的 百分数

稳定性

时间稳定性

表示在工作条件保持恒定时，在规定时间内仪表输 出值与标称值之间的最大误差

条件变化稳定性

表示仪表在规定的使用条件内，某个条件的变化对 仪表输出的影响

重复性与再现性

重复性 （随机性） 在相同测量条件下，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 提供相近输出值的一致程度
再现性（稳定性） 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。

可靠性

可靠度R(t)：仪表在规定工作时间内无故障的概率
不可靠度F(t)：仪表在规定工作时间内有故障的概率
故障率λ： 仪表工作到 t 时刻时，单位时间内发生故障的概率
有$R(t)=e^{-\lambda t}$
元件串联可靠度：单个元件可靠度相乘
平均无故障工作时间MTBF：仪表在相邻两次故障间隔内有效工作时的平均时间。 它的倒数就是故障率。

误差

检测相关值

真值：严格定义理论值，如三角形内角和180
约定真值：根据国际计量委员会通过并发布的各种物理参量
单位的定义，利用当今最先进科学技术复现这些实 物单位基准
相对真值 如果高一级检测仪器(计量器具)的误差仅为低一级检 测仪器误差的1／3～1／10，则可认为前者是后者的相 对真值

实际值： 高精度仪表有限次测量的算术平均值
标称值 计量或测量器具上标注的量值，称为标称值
示值：由检测仪器(或系统)指示或显示的被测参量的数值

绝对误差

检测系统的测量值(即示值) X 与被测量的真值X0 之间的代数差值△X 称为检测系统测量值的绝对 误差。（可正可负）

相对误差

检测系统测量值的绝对误差△X 与被测参量真值
X0 的比值，称为检测系统测量(示值)的相对误差 δ， 常用百分数表示

相对百分误差 (引用误差)

检测系统测量值的绝对误差△X 与系统量程L 比的 百分数称为检测系统测量值的相对百分误差(引用误 差) δ百。

最大相对百分误差 (最大引用误差)

在规定的工作条件下，当被测量平稳增加或减少时， 检测系统全量程所有测量值中最大绝对误差与量程 之比的百分数

允许误差

仪表生产厂家设定的，在规定使用条件下可能产生的最大误差范围，是衡量检测仪器的最重要的质量指 标之一。

工作误差

检测仪器在规定工作条件下正常工作时可能产生的最大误差(往往偏大）

固有误差

当环境和各种试验条件均处于基准条件下时，检测仪器所反映的误差称固有误差

影响误差 仅有一个参量处在检测仪器规定工作范围内，而

其他所有参量均处在基准条件时检测仪器所具有的 误差。

稳定性误差

指仪表工作条件保持不变的情况下，在规定的
时间内，检测仪器各测量值与其标称值之间的最 大偏差。

动态响应特性

指检测系统受外部扰动作用后，被测变量处于变动状态下仪表示值与参数实际值之间的差异，衡量各种运动惯性的大小，以及能量传递的快慢常 采用时间常数T 和传递滞后时间(纯滞后时间) τ 两个 参数表示

精度与精度等级

工业检测仪表以其最大相对百分误差作为判断仪表精度等级的尺度
工业测量指示仪表的精度等级G分为 0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0 七个等级

仪表精度与量程选用

①确定仪表精度时，选数值上最接近又比准确 度大的准确度等级作为该仪表的准确度等级
②仪表的精度等级选择应保证利用该仪表进行测量所 引入的误差小于测量上要求的允许测量误差

测量误差的理论基础

误差产生原因

1.检测系统误差
2.环境误差
3.方法误差
4.人员误差（粗大误差）

测量误差分类

按误差量纲分

a.绝对误差
b.相对误差
1.相对误差
2.相对百分误差
3.最大相对百分误差

按误差性质分

a.系统误差：在相同条件下，多次重复测量同一被测参量时，其 测量误差的大小和符号保持不变;或在条件改变时，多次重复测量同一被测参量时，其 测量误差按某一确定的规律变化
b.随机误差：在相同条件下多次重复测量同一被测参量时，测 量误差的大小与符号均无规律变化
c.缓变误差 经过一段时间使用后，仪表输出表现出在数值上随时间缓慢单调变化的误差
d. 疏忽（粗大）误差 指明显不合理且无任何规律可循的误差

误差估计和评价处理方法

随机误差的估计和统计处理

随机误差基本符合正态分布规律

随机误差分析处理

系统误差判定与处理

系统误差估计与判定

系统误差：

相对误差：

系统误差的确定方法：
恒差系统误差确定：
实验比对法：1.标准器件法2.标准仪器法
变差系统误差确定：
残差观察法：
马尔科夫准则：马利科夫准则适用于判断、发现和确定线性系统误差。

系统误差处理

1.消除产生系统误差的主要原因
2.误差修正
3.系统误差的综合与分配
 误差综合： 根据各环节系统误差分量求取总系统误差。 用于现有检测仪表（系统）分析。
 误差分配： 将总系统误差分配给系统的各环节。 主要用于检测仪表（系统）设计和制造。
系统误差综合：

由系统误差描述式得。
实际应用中误差分量不可能同时出现，常常用统计特征值来描述

误差分配:已知规定系统误差总量求各环节系统误差分量
①求解测量值的误差式，得到测量误差和各误差分量的关系

②定性分析：通常使系数最大的误差最小

③定量计算：各误差分量的具体数值按统计特征进行计算

根据计算得出各相对百分误差大小
④依据求得的误差分配计算式子外的误差分量

仪表误差的缩减和补偿

a.计算修正法：事先计算出或给出系统误差的关系式，并利用其对测量值 进行修正的方法
b.比较法测量：用准确度较高的，不含或含很小系统误差的检测装置与被测 量进行完全或部分比较，以消除或减少测量中的系统误差
零示法：用可调标准量完全平衡被测量
微差法：将被测量与同它只有微小误差的已知标准量相比 较（总量比较，微量测量）
c. 差动（差分结构）法 原理：
利用结构上的对称性使测量信号反对称的发生作用。干扰信 号的影响则对称的发生，通过对比计算，加强特定信号值， 从而排除干扰
d. 相互抵消法 原理：
将影响因素信号同时引入敏感元件的正负端，消除干扰影响

检测技术与检测元件

介绍敏感元件的特性 及基于各种敏感元件的检测原理和方法

检测技术的原理与方法

自然规律与检测应用

主要自然定律：守恒定律，场的定律，物质定律，统计法则

守恒定律

质量，能量，动量，电荷等守恒
例子：毕托管流量计：


②场的定律：运动定律，电磁感应定律，光的干涉定率等
③基于物质特性的固定规律

参数检测

参数检测是以自然规律为基础，利用敏感元件特有的物理、化学和生物等效应，把被 测变量的变化转换为敏感元件某一物理(化学) 量的变化。
检测原理分类：光学法，力学法，热学法，电学法，声学法，磁学法，射线法

敏感元件简介

敏感元件： 一种能够灵敏地感受被测参数，并将被测参数的变化转换成另一种物理量变化的元件。
敏感元件分类：
机械式检测元件； 电阻式检测元件 ；电容式检测元件 ；热电式检测元件 ；压电式检测元件； 光电式检测元件； 磁电式检测元件； 核辐射式检测元件；

机械式检测元件

机械式检测元件是将被测量转换为机械量信号(通
常是位移、振动频率、转角等)输出，具有结构简单、 使用安全可靠、抗干扰能力强等特点。

弹性式检测元件

依据弹性变形原理，将被测参数（外力）变化转换为弹性元件的变形、位移、应力等物理量输出

弹性元件的基本特性

①弹性特性

刚度：弹性元件产生单位变形所需要的外加作用力。

灵敏度： 单位输入量引起输出量变化，对于弹性元件来说是刚度的倒数

弹性元件的滞弹性

弹性滞后：弹性元件在外力加载和卸载的正反行程中，应力(σ)和应
变(ε)曲线不重合的现象称为弹性滞后，如图

弹性后效：弹性变形范围内，应力保持不变的情况下，应变 ε随时间的延续而缓慢增加，直到最后达到平衡应变值的现象称为 弹性后效，也称蠕变。


应力松弛：总应变量恒定情况下，应力随时间的延续而逐渐降低的现象

弹性元件的热弹效应

弹性模量的温度系数：单位时间弹性模量的变化率

频率的温度系数：单位时间频率的变化率

线膨胀系数：单位时间线长度变化率

弹性元件的固有频率

固有频率越高，则弹性元件响应越快

弹性元件的种类

弹簧管

在一定压力范围内，弹簧管具有线性弹性特性

薄壁圆筒

工作时，筒壁的每一单元面积都将在轴向和径向产生拉伸应 力和应变

波纹管

一种具有等间距同轴环状波纹，能够依据管内或管外所 加轴向集中力沿轴向伸缩的测压弹性元件
波纹管的特点是灵敏度高(特别是在低压区)；常用 于检测较低的压力(1.0～106Pa)，
波纹管迟滞误差较大，精度一般只能达到1.5级。

膜片

用中心的位移d和被测压力p的关系来表征其关系
由于膜片的位移较小，灵敏度低，指示精度也不高， 一般为2.5级。
膜片一般是与其他转换元件结合应用，通过膜片和 转换元件把压力转换成电信号。
有
电容式压力传感器

光纤式压力传感器

光强比值 I1／I2随被测压 力线性下降

振动式检测元件

振动检测元件是较为新型的机械式检测元件，它将 被测量(如力、压力、密度等)的变化转换为谐振元件 的固有频率的变化，利用谐振技术完成参数的检测

电阻式检测元件

将被测物理量转换成电阻值的变化，然后，利用测量电路测出电阻的变化值，从而达到对被测物理 量检测的目的

电阻应变片

由其变形可导致自身电阻变化的检测元件

丝式应变片

箔式应变片

表面积与截面积之比大，散热条件好，能承受较大 电流和较高电压，因而输出灵敏度高；
可制成各种需要的形状，便于大批量生产。
由于上述优点，它已逐渐取代丝式应变式。

应变元件工作原理

由欧姆定律可以推得
：
由应变=长度相对变化量得到0

尺寸变化引起的阻值相对变化(1+2μ)ε，称为几何尺寸效应
电阻率变化引起的阻值相对变化(πEε)，称为压阻效应
也可写成

其中K称作电阻应变系数

应变式元件特点

1.测量范围宽、准确度高
2.测量速度快，适合静态和动态测量；
3.使用寿命长、性能稳定可靠
4. 价格便宜、品种繁多，可以测量多种物理量；
5. 可在高低温、高速、高压、强振动、强磁场、核辐射 和化学腐蚀性强等恶劣环境下工作
6. 输出信号微弱，抗干扰能力较差，需要采取屏蔽措施；
7. 在大应变状态下具有较大的非线性。

半导体应变片

半导体应变片的影响主项为：

热电阻式检测元件

热电阻是利用电阻的热效应(金属导体或半导体的电阻 值随温度变化)实现温度检测的元件

金属热电阻

目前使用的金属热电阻材料有铂、铜、镍、铁等，
其中应用最为广泛的是铂、铜材料，并已实现了标 准化生产，具有较高的稳定性和准确度
电阻温度系数定义为：

铂热电阻特性：电阻与温度为非线性关系；温度越高，电阻 的变化率越小
铜热电阻温度计特点：温度系数大，而且几乎不随温度而变，铜热 电阻的特性比较接近直线

两线制，三线制，四线制区别

两线制接线：
有导线电阻影响，不适用于高精度测温
三线制接线：
引线电阻的变化同时引进电 桥相邻的两臂，可以消除引线电阻 的影响，测量精度高于两线制
四线制接线：

其中两 根引线为热电阻提供恒流源，在 热电阻上产生的压降U= Rt I, 通过 另两根引线引至电位差计进行测 量。因此，它完全能消除引线电 阻对测量的影响。

热敏电阻

利用金属氧化物或某些半导体材料的电阻值随 温度的升高而减小(或升高)的特性制成的。
 NTC型热敏电阻：负温度系数热敏电阻
 PTC型热敏电阻：正温度系数热敏电阻
 CTR 型热敏电阻：负温度系数临界温度热 敏电阻
a. NTC热电阻

NTC型热敏电阻的 温度系数αT为：
b. PTC型热敏电阻

分为开关型和缓变型
缓变型：
c. CTR热敏电阻
具有负的温度系数的开关型热敏电阻。

电容式检测元件

电容式检测元件实际上是各种类型的可变电容器，
它能将被测量的改变转换为电容量的变化。通过一 定的测量线路，将电容变化量进一步转换为电压、 电流、频率等电信号

电容描述式

平板电容器

圆筒电容器

电容元件的极距和特性

变极距式电容器

被测量变化引起极板的位移，从而改变极板间 的距离d，导致电容量C的变化

单极板

差动变极距式

在单极板基础上提高了灵敏度

变面积式

变面积式电容元件的输入—输出关系在理论上 是线性的。

变介电常数式

热电势检测元件

热电偶

热电效应

将两种不同的导体或半导体A、B连接成闭环回路，并将两个接点分别置于温度为T及T0的热源中，则在该 回路内将产生电动势的现象称为热电效应

接触电势和温差电势

 接触电势：由于两种材料的电子密度不同引起的在 接触面上发生材料间电子转移而产生的电动势。
 温差电势：单一材料由于两端温度不同引起内部电子 转移而产生的电动势
温差电势比接触电势小很多，可忽 略不计，热电偶的电势可表示为
接触电势：

热电偶基本定律

① 均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的
截面如何以及各处的温度分布如何，都不能产生热 电势。
② 中间导体定律 断开热电偶回路，接入第三种导体C，若导体C两端的 温度相等，则接入导体C后对热电偶回路中的总电势没 有影响。
根据热电偶的这一性质，可以在热电偶回路中引入各种仪表、连接导线等实现对温度的测量。
③ 中间温度定律 热电偶AB在接点温度为T、T0时的热电势EAB(T，T0)等于热电偶AB在接点温度为T，TC和TC，T0的热电势 EAB(T，TC)和EAB(TC，T0)的代数和
根据这一定律，只需列出热电偶在参比端温度为0℃的分度表，既可以求出参比端在其他温度时的热电偶的 热电势。
④ 等值替代定律 如果使热电偶AB在某一温度范围内所产生的热电势
等于热电偶CD在同一温度范围内所产生的热电势， 即
EAB(T，T0)===ECD(T，T0) 则这两支热电偶在该温度范围内可以互相代用。
此定理提供了补偿导线应用的依据。

热电偶冷端温度补偿

a.补偿导线法
b.计算修正法
c. 冰浴法(实验室应用)、自由端恒温法(工业应用)
d.补偿电桥法

晶体管温度检测元件

PN结温度检测元件

测温原理：依据PN结伏安特性与温度关系

晶体三极管温度检测元件

压电式检测元件

压电式检测元件以其受外力作用时在晶体表面产生电荷的压 电效应为基础实现参数测量

压电效应

正压电效应:
压电材料在沿一定方向受外力(压力或拉力)作用时，其 几何尺寸变化而发生变形，同时导致材料内部电荷分布发 生变化，从而使在其一定的两个相对表面上产生符号相反、 数值相等的电荷；当外力去掉后它们又恢复到不带电状 态的现象称为正压电效
逆压电效应：
在压电材料的特定面上施加电场，会在相应的面上产生 形变和应力，去掉电场后，材料的形变和应力消失的现象
常用的压电材料：石英晶体、压电陶瓷

压电响应

沿电轴的压电响应：

沿机械轴（y轴）方向施加作用力：

沿机械轴方向的力作用在晶体上产生的电荷大小与晶体 切片的几何尺寸有关

等效元件

等效成电容

光电式检测元件

光电效应

外光电效应

物体在光线作用下，其内部电子逸出物体表面的现象 称为外光电效应，亦称为光电发射效应（光电管、光电倍增管）

内光电效应

物体在光线作用下，其内部的原子释放电子，但这 些电子并不逸出物体表面，而仍然留在内部，从而 导致物体的电阻率发生变化或产生电动势，这种现 象称为内光电效应
光电导效应（使电阻率发生变化）：光敏电阻
光生伏特效应（产生电动势）：光电池，光敏二极管，三极管

电磁式检测元件

霍尔元件

霍尔效应

半导体薄片垂直放置于磁场中，当有电流通过时，在垂直于电流和磁场方向将产生电动 势的现象称为霍尔效应。

检测仪表

在敏感元件的基础上配上适当的转换元件或转换
电路后能直接显示被测量的大小，或能输出易于被 常规仪表（装置）接收的信号的装置。

检测仪表的构成和信号变化的方法

检测仪表的组成和结构方式

组成

结构形式

一体化型仪表

敏感元件、信号变换和显示装置等为一个整体，使用时不能分开。大部分的现场指示型仪表属于这一类。
玻璃管温度计，弹簧管压力表、U形管压力计等

组合型仪表

敏感元件、信号变换以及显示装置等是分开的，可以单独使用，也可以根据需要组合使用。组合使用时实际 上构成了检测系统。此类仪表多为信号远传式测量仪表

检测仪表的信号变换

将敏感元件输出物理量经转换元件及转换电路变换成统一的标准信号
转换元件： 能将敏感元件输出的非电物理量，如位移、应变、光强等转换为电学量，如电流、电压及其他电路参数量 (如电阻、电容、电感等)的元件。
转换电路(变送器) ：
 将敏感元件或转换元件输出的电路参数量转换成便于 测量的电学量，
将非标准的电流、电压转换成统一的标准信号。
信号变换的方式有：
 简单直接式变换  差动式变换  参比式变换  平衡(反馈)式变换

简单直接式变换

(a) 只有转换电路的信号变换

(b) 转换元件+转换电路形式

a. 有源检测元件与转换电路连接

b. 无源检测元件与转换电路连接


特点：
开环式仪表，精度较低，线性度差，信息能量传递效率低，但结构简单，结果可靠

差动式变换

采用两个完全对称且性能相同的 转换元件；当被测变量变化时， 能使两元件相应的变换输出在数 值上相同，但方向相反的变换方 式称为差动式变换

1.差动式变换比简单直接式变换的有效输出信号提高了一倍， 信噪比得到改善。
2.消除了非线性项(△x1)2，改善了检测仪表的非线性。
3.若x1与x2的关系为算术叠加，即f(x1,x2)=a1f1(x1)±a2f2(x2)，差动变换式的二次项为零，干扰量x2的 影响可以完全消除
但是，若外界干扰使两转换元件输出按比例变化，此类干扰仍然影响变换输出，且 不能克服敏感元件存在的非线性

参比式变换

消除环境条件变化(如温度变化，电源电压 波动等)对敏感元件的影响；解决在差动式变换中所出 现的问题
如果干扰量的作用效果是相加的：

干扰量的作用效果是相乘的：

 与差动式变换一样，两个检测元件的性能要求完全一致， 否则会引起附加误差。
 应用参比式变换方法时，应根据干扰量相对被测量的作用 效果确定两个检测元件输出信号的处理形式，以达到对环 境条件量的完全补偿。
 这种补偿方式不能改善检测元件的非线性

平衡式变换

平衡式变换也称反馈式变换，是指信号变换环节(包括转换元件和转换电路)为闭环式结构。具有平衡式变换环 节的仪表称为平衡式仪表

根据平衡时比较器的输入信号xi和xf之间的差值关系，
平衡式变换可分为有差随动式变换和无差随动式变换

有差随动式变换

这种闭环结构式仪表较开环结构式仪表的时间响应快 (1+K1β)倍，但是，同时对输入信号的灵敏度下降(1+K1β)倍。
 处理方法：可用增加放大器的放大倍数来补救灵敏度的下降

无差随动式变换

由于无差随动变换式仪表的显示装置是由电机直接 驱动的，利用电机转角φ显示被测量，因此，仪表的输出 在反馈环节后（图中y处），而不是在y’处
无差随动式变换仪表是典型的二阶系统，仪表的稳定性和精度取决于ξ。
处理方法：  选择适当的K1K2β值，在保证仪表具有一定的稳定性的条件下， 尽可能使仪表有较快的响应速度和较高的精度；
 加校正环节，即在不降低仪表精度(保证K1K2β值)的条件下， 通过在回路中加入适当的校正环节，使ξ达到0.7左右，保证仪 表具有足够的稳定裕度

常见信号间的转换

位移转换电信号

霍尔元件

电容器

差动变压器

电感器和光学器件

敏感元件带动衔铁移动改变与铁
心之间的气隙长度δ，从而改变线 圈的感抗。

光学法：

电阻-电压变换

串联式检测电路

利用电桥转换

不平衡电桥的电压灵敏度

初始状态下，R10R40 = R20R30，电桥平衡，输出电压uAC=0。
1.等臂电桥：初始状态时电桥四臂 的电阻均相等
单臂工作：只有R1为敏感元件， R1=R10+△R
RL足够大甚至无穷：

2. 第一对称：R10=R20，R30=R40，
单臂电阻： R1=R10+△R1

在单臂工作下第一对称和等臂电桥输出电压完全一样
3.等臂电桥： R10=R20=R30=R40=R
双臂工作：R1=R10+△R1，R2=R20-△R2

双臂工作电桥输出约为单臂工作电桥输出的二倍，且没有非线性误差
4.等臂电桥：R10=R20=R30=R40=R，
四臂工作：R1=R10+△R1，R2=R20-△R2， R3=R30-△R3，R4=R40+△R4

四臂工作电桥输出电压是单臂工作电桥输出电压的四倍，且没有非线性误差

不平衡电桥的电流灵敏度

主要考虑电桥输出接至磁电式仪表(如动圈式仪表)作直接显示 时，由于仪表的内阻较小，其驱动动圈的力矩与电流值有关
根据戴维南定理，电桥部分的等效电路为：

按照信息能量传递效率最高原则，负载电阻RL必须与等效 电阻RTH匹配，即 RL=RTH0
1.等臂电桥单臂工作：

2. 第一对称，单臂工作:

3.等臂电桥，双臂工作

4.等臂电桥，四臂工作：

电桥设计

电桥设计的任务是确定电桥所需的电源电压、电桥的工作方 式和电桥各桥臂上的电阻值。
提高电阻的相对变化量ε会使非线性误差上升；
提高电源电压E虽然不影响非线性，但受到元件允许耗散功率 的限制。
1.电源选择：

2.电桥工作方式
从提高灵敏度和减小非线性考虑，电桥最好采用多臂工作，如 双臂工作或四臂工作方式。
 若用单臂工作方式，要选择电桥形式。 如等臂电桥、第一对称或是第二对称等
3.电阻选择：
设计电桥电阻时只要根据敏感元件的R10大小，选R20=R10； R30和R40的选择在理论上没有任何约束条件。一般适当选大一些，可以减小电源的功耗

为了减小非线性误差，电桥采用第二对称方式， 即：
R10=R30, R20=R40

双电桥

双电桥式测量在单电桥的基础上增加一个参比电桥的 参比式测量方法

电容-电压变换

将电容作为一个阻抗元件，按照电阻—电压转换的 方式进行交换，其中电源采用交流电

桥式电路

单臂接法

差动桥式接法

脉宽调制电路

电压-电流转换

温度检测仪表

温标

温标是用来量度物体温度高低的标尺，是温度的 一种数值表示
温标主要包括内容：
 温度数值化的规则和方法，例如规定温度的读数 零点；
 温度的测量单位

常用温标

a. 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
摄氏温标(℃)：将标准大气压下水的冰点定为零度，水的沸点定为100度的一种温标。在零度到100度之间划分100等分， 每一等分为一摄氏度。
华氏温标(F)： 规定氯化铵和冰水混合物的温度为零度，人体温度
为100度，在零度到100度之间划分100等分，每一等 分为一华氏度。按照华氏温标，标准大气压下水的冰 点为32度，水的沸点为212度。
华氏温度与摄氏温度的关系式：

注意：超过了这个温区，摄氏温标将不能进 行温度标定。

b. 热力学温标(开尔文温标，K)

该温标为了在分度上和摄氏温标相一致，把理想 气体压力为零时对应的温度——绝对零度(在实验 中无法达到的理论温度，低于0 K的温度不可能 存在) 与水的三相点温度分成273.16份，每份为1 K(Kelvin)。

c. 国际实用温标

由国际上协商决定，建立的一种既能体现热力学温 度(即能保证较高的准确度)，又使用方便、容易实 现的温标，又称国际温标
使用温标单位为K，1K等于水的三相点温度值的 1/237.16。
把水的三相点温度值定义为0.01℃(摄氏度)，同 时相应地把绝对零度修订为-273.15℃

温度检测方法分类

接触式温度检测

热膨胀式测温方法

①玻璃（液体）温度计
结构简单，制作容易，价格低廉，测温范围较广， 安装使用方便，现场直接读数，一般无需能源
②压力温度计

该压力经毛细管传递给弹簧 管并使其产生形变，带动指 针转动，指示相应的温度
③双金属温度计

热电偶测温

常用标准化热电偶

a. 铂铑10—铂热电偶(分度号：S)（贵金属）
b. 铂铑30 —铂铑6热电偶(B型)（贵金属）
c. 镍铬—镍硅热电偶(K型)(贱金属）
d. 镍铬—铜镍合金热电偶(E型) (镍铬—康铜热电偶)(贱金属）

热电偶的热电势曲线及相应结论

在所有标准化热电 偶中，B型热电偶的热电势 为最小，E型热电偶为最大，且一般呈现非线性关系

热电偶自由端处理

a. 补偿导线的应用：在一定温度范围内，具有与所匹配的热电偶的热电势标称 值相同的一对带绝缘包覆的导线
b. 自由端(冷端)温度补偿：
 计算修正法
 自由端恒温法
 补偿电桥法

补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的电势来补偿热 电偶因自由端温度变化而引起的热电势的变化值

热电偶应用注意事项

a. 补偿导线应用错误的影响
正负接反：热电势相加变成相减
型号选错：热电势大型号用小型号，电势比原来小，显示温度小；反之，电势比原来大，显示温度大
显示仪表匹配：热电势大型号使用小型号，显示温度变大，反之显示温度变小

热电偶结构形式

a. 普通装热电偶

b. 铠装热电偶

由热电偶丝、绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工 而成的柔软坚实组合体。在使用中可以随测量需要 任意弯曲

热电阻测温

集成温度传感器

把敏感元件、放大电 路和补偿电路等部分集成 化，并把它们封装在同一 壳体里的一种一体化温度 检测元件

非接触式温度检测

辐射式温度计
光电温度计
比色温度计

压力检测仪表

压力单位

国际单位制：帕斯卡
工程单位：工程大气压、物理大气压、巴、毫米汞柱和毫米水柱等
压力表示方式：
绝对压力(Pa) ：物体所受的实际压力
表压力§：高于大气压的绝对压力与大气 压力P0之差
真空度(Ph)：大气压与低于大气压的绝对压 力之差，有时也称负

压力检测的基本方法

a. 重力平衡方法：例如液柱式压力计和活塞式压力计。
b. 弹性力平衡方法
c. 机械力平衡方法
d. 物性测量方法：应变式、压电式、电容式压力传感器等。

常用压力检测仪表

①液柱式压力检测

a. U形管压力计

b. 单管压力计

c. 斜管压力计

误差来源

温度 误差： 标尺长度随温度的变化；  工作液密度随温度的变化
安装误差：U形管安装不垂直
重力加速度误差
传压介质误差，读数误差

②弹性式压力检测

a. 弹簧管压力表
b. 波纹管压力计

③电远传式压力检测仪表(压力传感器、压力变送器）

利用弹性元件作为敏感元件， 在仪表中增加了转换元件和转换电路，将弹性元 件的位移转换为电信号输出，实现信号远传
利用弹性元件作为敏感元件， 在仪表中增加了转换元件和转换电路，将弹性元 件的位移转换为电信号输出，实现信号远传

④应变片式压力传感器

⑤压阻式压力传感器(固态压力传感器、集成压力传 感器)

压力仪表选择

仪表量程选择：
一般性原则：  被测压力较稳定场合：最大工作压力不应超过仪 表满量程的3/4；
 被测压力波动较大或测脉动压力场合：最大工作 压力不应超过仪表满量程的2/3；
 最小工作压力：不应低于满量程的1/3。
 注意：被测压力变化范围大，最大和最小工作压力 可能不能同时满足上述要求时，选择仪表量程应首 先要满足最大工作压力条件

压力仪表安装

取压口：液体：取压口在设备横截面的中下侧，使 引压管路不积存气体；气体：取压口在设备横截面的上部， 使引压管路不积存液体。

物位检测仪表

物位的定义

液位： 描述设备和容器中液体介质表面的高低。
料位： 描述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。
界位： 描述界面位置。一般指容器中液一液、液一固相
界面的位置。

检测原理及分类

检测原理

基于力学原理：静压式、浮力式和重锤式物位检测等
基于相对变化原理：声学法、微波法和光学法等
基于某强度性物理量随物位的变化而增减的原理：射线的吸收强度，电容器的电容量等。

物位仪表分类

按测量方式分：连续测量和定点测量
按工作原理分：直读式，静压式，浮力式，机械式，电气式

静压式物位检测

敞口容器

密闭容器

注意事项

被测介质含有结晶颗粒，或具有腐蚀性以及粘度 大、易凝固特性时，应注意引压导管易被腐蚀或 堵塞。
 预防措施：应用法兰式压力(差压)变送器。

变送器量程迁移

由于安装和介质特性引入了附加静压，零液位时变送器 感受非零输入，仪表输出非零。
量程迁移作用： 使变送器在只受附加静压(静压差)作用时输出为“零”

量程调整

对于静压式物位测量
①通过液位可变化的范围得到测量压强变化范围，进而确定选用的仪表量程（大于等于压强变化）。
②通过零液位时压力差的正负数值进行量程迁移。
③如果选用的是DDZ-III型差压变送器，其标准输出电流是4-20ma，此时，零液位对应的输出应是4ma。（注意上面的量程迁移的纵轴是电流变化量）
④量程调整：如果①中量程选用的是大于类型的，可以知道当输出电流为20ma时，液位在理论上已经超过了最高液位，需要使最高液位时的输出为20ma，就需要进行量程调整。
如果量程迁移是改变零点位置，量程调整就是改变直线的斜率，使得最高液位输出为20ma

浮力式物位检测

变浮力式液位计

电气式物位检测

电容式物位检测

声学式物位检测

射线式物位检测

γ射线：一种从原子核中发出的电磁波，波 长较短，不带电荷，γ射线在物质中的穿透 能力最强

料位检测

①重锤探测法
①重锤探测法
③声学法(音叉）

流量检测仪表

基本概念

流量

体积流量 单位时间内通过某截面的流体的体积，用符号qv 表示，单位为m3/
如果流体在该截面上的流速处处相等，则可简写为：
质量流量 单位时间内通过某截面的流体的质量，用符号qm 表示，单位为kg/s。
如果流体在该截面上的密度和流速处处相等，则

 流体总量 在某段时间内流体通过的体积或质量总量称为累积流量或流过总量

节流式流量检测仪表

组成

标准节流元件

标准孔板：
结构简单，体积小，加工方便，成 本低。
 测量精度较低，压力损失较大，而 且只能用于清洁的流体。
标准喷嘴：
测量精度较高。
 结构比较复杂，体积大，加工困难，成本较高。  喷嘴具有坚固性，一般选择喷嘴用于高速的蒸 汽流量测量。。
文丘里管：高精度测量的场合。
 它的流道连续变化，所以可以用于脏污流体的流量测量

节流公式

修正公式：

转子（浮子）流量计

转子(浮子)流量计是以浮子在垂直锥形管中随着 流量变化而升降(改变流通面积)方式来进行测量的 体积流量仪表

公式

修正公式：

涡街流量计

它利用流体自然振动的卡门旋涡列原理进行流量 测量（通过测量振动频率获得流量信号

由

得到

涡街流量计的安装

电磁流量计

容积式流量计

椭圆齿轮流量计

腰轮流量计

与椭圆齿轮流量计公式相同，但腰轮流量计的转子线型比较合理，允许测量 含有微小颗粒的流体

涡轮流量计

叶轮的转速正比于流量，叶轮的转数正比于流过的总量


对被测介质的清洁度要求较高。

超声波式流量计

超声波在流体中传播时，受到流体速度的
影响而载有流速信息，通过检测接收到的超 声波信号可以测知流体流速，从而求得流体 流量

① 时差法

依据超声波顺流和逆流的传播时间差测量流量

② 相差法

③ 频差法

频差法是通过测量顺流和逆流时超声脉冲的循环频
率之差检测流量

成分检测仪表

成分检测仪表

成分检测仪表：对物质的成分及性质进行 分析和测量的仪表

检测方法及系统构成

热导式检测技术

热导式气体分析仪是利用各种气体具有不同的导热特
性，通过测量混合气体的导热系数的变化，间接获得待 测组分的含量。

设被测组分的热导率为λ1，其余组分为背景组分，并
假定它们的热导率近似等于λ2：

红外线式成分检测

根据气体对红外线的吸收特性来检测混合气体中某一组分含量的检测仪器
单原子分子气体和无极性的双原子分子气体不吸收 红外线；而具有异核分子的大多数气体对红外线具 有吸收能力

色谱分析方法

色谱仪是基于介质中不同的组分相对于某一物质具 有不同的吸附（溶解）力，利用色谱柱实现混合物 各组分的分离，同时按各组分从色谱柱排出的先后 顺序分别测量，并根据各组分出现的时间以及测量 值的大小确定混合物的组成以及各组分的浓度
色谱柱：组分分离元件。
 流动相：携带样品通过色谱柱的气体 (载气) 或液 体 (载液) 。 具有不能被固定相吸附或溶解的性质。
 固定相：色谱柱内填装的不随流动相移动、具有一 定粒度及形状要求的固体颗粒或涂有液体的担体

峰面积：

考虑到峰的底部两边比三角形要扩大些，当要求较精确 计算时可用

分辨率：

定性分析法：
①滞留时间法
各组分的滞留时间是一定的，可根据滞留时间辨别色谱图中的色谱峰是属什 么组分。
② 加入纯物质法
首先作出被测样品的色谱图。  在该样品中加入某种组分的纯物质，再作一个色谱图。  比较两个色谱图：  若后者中某一色谱峰加高，说明在原样品中存在所 加入纯物质的组分；
 若后者出现新的色谱峰，则说明原样品中不含有该 组分
（盲目）
定量分析法：
a. 定量进样法

注意：这种方法需要准确地知道进样量m，要求操作 条件很稳定
b. 面积归一化法

注意：本方法不需要知道进样量m 以及 f、qv、u 等参 数，但必须预先知道样品中所有各组分的灵敏度
c. 外标法
通过配制已知浓度的标准样品的色谱试验，测量各
组分的峰面积(或峰高)，作出峰面积Ai(或峰高hi)与组 分含量ci关系的标准曲线

氧化锆氧量检测仪

将待测气体相对于某一已知氧含量气体的氧浓度差转换成 相应的浓差电势，利用浓差电势描述气体中的氧含量
根据道尔顿分压定律，若被测气体与参比气体的气压相等 (均为P)：

显示仪表

模拟式显示仪表

①直接变换式仪表

②平衡式仪表

a. 有差随动式仪表

b. 无差随动式仪表

自动平衡式电子电位差计

①手动电位差计

② 自动平衡电子电位差计

桥路设计

电桥式自动平衡显示仪表

当被测温度升高时，Rt增大，电桥不平衡，Uab>0，经 过放大器A放大后，驱动可逆电机M，使滑线电阻的 滑动触头a向左移动，使r2减小， r1增大，直到重新恢 复平衡，反之同理

桥路设计

数字式显示仪表

前置放大：把检测元件的输出信号(常见是电阻或毫伏信 号)放大并变换到A／D转换器所需的电压值
A／D转换：主要任务是使连续变化的模拟量转换成断 续的数字量，具体包括采样和量化
标度变换：量纲还原。 数字仪表显示要求用被测变量的形式显示

信号的标准化及标度变换

①模拟量标度变换

② 数字量标度变换

查表法标度变换

检测技术相关习题

1.软测量技术有什么特点（四点）？
2.什么是软测量技术？
3.电子平衡桥的工作原理是什么？当温度升高时，工作状况如何？
4.电子电位差计各电阻的作用？
它是如何进行工作的？
当测量温度上升时，其工作状况？
只改变量程，不改变热电偶分度号，需改变哪几个电阻？
改变量程和热电偶分度号，需改变哪几个电阻？

5.数字显示仪表主要包括哪几部分，各有何作用？
6.简述气相色谱分析仪的测量原理，它的基本组成环节及作用？
7.简述氧化锆氧量分析仪的工作原理及分析仪的基本工作条件？
8.简述红外气体分析仪的测量原理，它的基本环节和作用？
9.简述热导式气体分析仪的工作原理，它对测量条件有何要求？
10.色谱分析气体含量的面积归一法？
11.容积式流量计需要直管段吗？
12.无论是层流还是紊流，电磁流量计和容积式流量计，涡轮流量计都可以使用吗？
13.容积式流量计的工作原理是？
14.容积式流量计可以用于含有固体颗粒的流体吗？
15.电磁流量计的工作公式是？
16.涡轮流量计的计算公式是？
17.椭圆齿轮流量计的计算公式是？
18.节流式流量计和转子流量计受被测流体密度的影响吗？它的密度修正式是？
19.

20超声波物位计测量的原理是？影响超声波物位计测量因素的是？
21.电容式物位计测量导电和非导电介质时，其测量原理有什么不同？
22.请从测温原理和应用方面比较热电偶和热电阻测温方法有何不同？
23.不平衡电桥的非线性误差怎么求？
24.在设计不平衡电桥时应注意那些问题？
25.现用分度号为Cul00的热电阻检测温度，用动圈仪表来显示， 请设计相应的电桥(设热电阻的允许耗散功率为3.6mw)
26.差动式变换和参比式变换各有什么特点？
27.
28.温度变化对电阻应变片的输出有何影响？原因？
29.金属和半导体的电阻应变效应有何不同？
30.