非电量电测技术

绪论………………………………………………j

  §O一1非电量电测技术在国民经济中

    的作用…………………………………1

  §O一2非电量电测系统的组成………………2

  §O一3传感器在科学技术中的地位…………3

  §O一4非电量电测技术的发展趋势…………4

  §O一5本课程内容以及与其它课程的

    关系……………………………………5

第一章  非电量电测技术的基本

    知识…………………………………7

  §1—1测量的概念和测量方法………………7

  §1—2测量误差及其分类……………………8

  §1—3测量系统的静态特性…………………10

  §1—4测量系统的静态误差…………………14

  §1—5测量系统的动态特性…………………18

  §1—6机电模拟和变量分类…………………25

第二章  电阻式传感器……………………30

  §2—1电阻应变式传感器……………………30

  §2-2半导体应变片及压阻传感器…………52

  §2—3 电位计式传感器………………………56

第三章  电感式传感器……………………58

  §3—1电感式传感器…………………………58

  §3 2差动变压器……………………………74

  §3—3电感式传感器的应用…………………83

第四章电涡流式传感器…………………86

  §4—1电涡流式传感器的工作原理…………86

  §4—2电涡流的形成范围……………………88

  §4—3电涡流式传感器的设计………………91

  §4-4被测体材料形状和大小对传感

    器灵敏度的影响………………………95

  §4—5测量电路………………………………96

  §4—6其它形式的电涡流式传感器…………99

  §4—7电涡流式传感器的应用……………100

第五章  电容式传感器……………………102

  §5—1电容式传感器的工作原理

    及结构………………………………102

  §5—2电容式传感器的静态特性…………103

  §5 3  电容式传感器的等效电路…………109

  §5—4  电容式传感器的结构与特点………109

  §5—5  则照电路……………………………112

  §5—6  电容式传感器的应用………………11 7

  §5 7静电式传感器………………………120

第六章压电式传感器……………………121

  §6—1  压电式传感器的工作原理…………121

  §6—2压电材料和它的主要特性…………126

  §6 3压电元件常用的结构形式…………127

  §6—4测量电路……………………………128

  §6—5压电式传感器的应用………………131

第七章磁电式传感器……………………134

  §7-1  基本原理和结构……………………134

  §7 2磁电式传感器设计中的几个

    问题…………………………………135

  §7-3磁电式传感器的应用………………137

  §7—4双向传感器统一理论………………139

第八章  光电式传感器……………………149

  §8 1  基本工作原理………………………149

  §8 2光电传感器的基本元件……………149

  §8—3新型光电元器件……………………159

  §8—4  光电传感器的应用…………………168

第九章热电式传感器…………………“1 73

  §9—1  热电阻………………………………1 73

  §9 2热敏电阻……………………………1 75

  §9 3 P N结型温度传感器………………1 77

  §9 4热电偶………………………………1 79

  §9—5辐射式温度传感器…………………185

第十章磁弹性式传感器………………“190

  §10一l  压磁效应……………………………190

  §10 2磁弹性式传感器的工作原理………191

  §10 3磁弹性式传感器的结构和制造

    工艺…………………………………192

  §10 4  磁弹性式传感器的特性……………795

第十一章磁敏元件及其传感器……．．J9，

  §l】一1霍尔元件及其传感器………………19，

  §11 2磁敏电阻……………………………2D7

  §11—3结型磁敏管…………………………211

第十二章  频率式传感器………………“220

  §12—1振筒式频率传感器…………………220

  §12—2振膜式频率传感器…………………224

  §12 3振弦式频率传感器…………………225

  §12—4  石英晶体频率传感器………………231

第十三章数字式传感器………………“234

  §13—1感应同步器…………………………234

  §13—2计量光栅……………………………247

  §1 3—3磁栅…………………………………259

  §13 4角数字编码器………………………262

第十四章  力平衡式传感器…………一266

  §14-1)~i馈测量系统………………………266

  §14—2力平衡式差压变送器……………·266

  §14—3力平衡式加速度传感器……………272

第十五章其它的传感器及检测

    技术……………………………276

  §15—1超声波检测…………………………276

  §1 5—2同位素检测…………………………287

  §15 3微波检测……………………………294

  §15—4激光检测……………………………297

  §1 5—5生物传感器…………………………300

第十六章  非电量电测系统……………3D3

  §16—1信号处理电路………………………．304

  §1 6—2信号的传输…………………………329

  §16-3终端设备……………………………，333

  §1 6—4微处理机和微型计算机

  ．    的应用………………………………33 7’

  §1 6-5标定…………………………………339

    第一章非电量电测技术的基本知识

    §1—1  测量的概念和测量方法

  一、测量的概念和定义

  测量是人们借助于专门的设备，通过实验的方法，对被测对象收集信息、取得数量概念的过程。它也是一个比较过程，即将被测量与和它同性质的标准量进行比较，获得被测量为标准量的若干倍的数量概念(标准量应该为国际或国内所公认的性能稳定的量)。

  上述定义用数学公式表示，则为

    A={A}[A]    (1 1)式中^——被测量；

  ∽]——所选被测量的单位；

  {A}——在所选单位下被测量的数值。

  测量的结果可以表现为一定的数字．也可以表现为一条曲线或者显示成某种图形等。但无论其表现形式如何，测量结果总包含有两个部分：其一是数值的大小及其符号(正、负)，其二是相应的单位。表示测量结果时．不注明单位，该结果将无意义。

    一切测量过程包括比较、示差、平衡和读数。

    测量过程的核心是比较，但在近代测量中，大量遇到的除了比较过程外，还必须进行各种变换。变换的目的有二：其一，由于人的感官能直接给出定量概念的被测量不多，极大多数被测量都要变换为某个中间变量，然后才能给出定量的概念。例如．人的感官对温度只能给出定性的冷暖概念。为了得到定量的概念．可以利用物质热涨冷缩的原理，把温度量变换为中间变量——长度，然后进行比较和测量。在这种情况下，变换是实现测量的必要手段，是为了有效地进行测量。其二，随着生产和科学技术的发展，对测量的要求愈来愈高，不仅要能够进行静态测量，还要求进行动态测量，在线测量，对测量精度的要求也不断提高。因此，传统的测量方法往往不能满足这些新的要求。例如，机械式的传递系统(如压力弹簧管)，由于它固有的惯性，不适用于快速的动态测量。又如模拟量的表示方法很难分辨出1／1 r)()或更小的差异。因此，在近代测量系统中，愈来愈多的把非电量变换为电量，把模拟量变换成数字量，然后进行测量；或者采用电子示波器或磁带记录仪来测量动态参数。

    变换更是非电量电测技术的核心。非电量电测技术就是将各种非电量的被测量变换为电参量，然后进行测量的技术，使这些被测量具有快速、直观、遥测以及自动测量等优点。

  二、测量方法

  (一)直接测量和间接测量

  1．直接测量  用事先经标定有分度‘的仪表对被测量进行测量，从而得出被测量的数值，这种测量称为直接测量。直接测量既可采用直接比较法，把同属一种物理量的被测量与标准量直接比较；也可采用间接比较法，把被测量变换为能与标准量直接比较的物理量，然后再进行比较。电测技术中有许多采用直接比较法的例子。非电量电测技术中几乎非用间接比较法不可。例如应变式测力仪中．先由弹性体把力变换为形变，再用应变计将形变变换为电阻值的变化，然后与标准电阻相比较。测量时应由标准测力计标定分度。

    2．间接测量  间接测量是对几个与被测量有确定函数关系的物理量进行直接测量，然后通过代表该函数关系的公式、曲线或表格求出未知量，这类测量称为间接测量。现代测量中，通过检测元件检出被测量，然后通过信息分析处理部件(运算放大器或微处理机)进行数据分析处理，最终得到未知被测量值。间接测量随着测量技术的进步应用愈来愈广泛。

    (二)偏差法  零位法和微差法

    1．偏差法、利用测量仪表的指针相对于刻度的偏差位移直接表示被测量的数值，称为偏差法。由于刻度的精确度不能做得很高，其测量精度一般不高于0．5％。

    2．零位法  利用指零机构的作用，使被测量和已知标准量两者达到平衡，根据指零机构示值为零来确定被测量等于该已知的标准量值。这种方法中测量结果的误差主要取决于标准量的误差，因此测量精度比偏差法高。

    3．微差法微差法是偏差法和零位法的综合应用。被测量的大部分用零位法和标准量相平衡抵消，其剩余部分，即两者的差值再用偏差来测量。微差法的典型例子就是用不平衡电桥来测量电阻。

    §1—2测量误差及其分类

    测量不可避免地总有误差．这是因为测量设备、仪表、测量对象、测量方法、测量者本身都不同程度受到本身和周围各种因素的影响，并且这些影响因素也在经常不断地变化着。其次，被测量对仪器施加作用，才能使仪器给出测量结果。但是测量对象和测量仪器之间的作用是相互的，测量仪器对测量对象的反作用不可避免地会改变被测对象的原有状态。例如，在测量电压或电流时，测量仪表的接入就改变了信号源的负载状态。在温度测量时，热量可以通过温度传感器从被测量物体上传导出来，从而使其温度下降。因此测量结果所反映的并不是被测对象的本来面貌，而只是一种近似。所以测量结果不可能准确地等于被测量的真值。所谓真值，是指在一定的时间及窄问条件下，某物理量所体现的真实数值。因此测量的目的是为了求得被测量的真值的逼近值。在合理的前提下，这个值愈逼近真值愈好。误差分类如下......

　 本书阐明了非电量电测系统各个环节，包括信息的获得，信号的传输、转换和处理，以及它们相互之间的关系。着重论述了各类传感器，包括结构型传感器、物性型传感器和数字式传感器的基本原理和典型应用。以及信号传输、转换和处理过程中的设计原则和方法。全书共十六章。第一章为基本知识，第二章到第十五章为各类传感器，第十六章为非电量电测系统。 本书为电磁测量技术及仪表专业教材，也可供其它专业根据需要选用，并可作为有关工程技术人员的参考书。