涉及十一种敏感元件(机械、电阻、电容、热电、压电、光电、磁电、磁弹、核辐射、红外、超声)，五种基本检测仪器(温度、压力、物位、流量、气体成分)，以及各种检测技术基础知识

传感与检测

1 检测技术基础

1.1 检测技术基本概念

检测:使用专门的工具,通过实验和计算,进行比较,找出被测参数的量值或判定被测参数的有无。可能是一个具体的量值，可能是“有”或“无”

测量:完全以确定被测对象量值为目的的操作。（“检测”和“测量”基本可以通用）

检测技术:研究如何获取被测参数信息的一门科学,涉及数学、物理、化学、生物、材料、机械、电子、信号处理和计算机等很多学科。

1.2 检测仪表基本概念

1.2.1 定义

检测仪表：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。所以敏感元件和显示装置构成了检测仪表的基本组成部分。一般来说，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。“–对应”关系。当然，也有“多参数检测仪表”(集成化的专用检测系统)

检测系统：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。
一台检测仪表，可能是一个检测系统;也可以是检测系统的一个环节。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,

相关术语：

① 敏感元件(sensing element)
② 传感器(sensor)仪器/仪表(Instrument)
③变送器(transmitter)标准信号输出
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。

1.2.2 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–绝大部分气动仪表一安全防爆，信号滞后，衰减(检测仪表气动的少了)
光式仪表一光电结合
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、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：有普通型、隔爆型及本安型。
根据使用的领域：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、闭环结构仪表

开环结构：

闭环结构：

1.2.3 检测仪表的基本性能

1.2.3.1 测量范围和量程

测量范围
测量上限、测量下限是量程（量程范围是区间，量程是值，现在不怎么提了）

要选定可测范围，要根据测量仪器的元器件关于输入的输出曲线，可测范围一定是单调的，另外该怎么选则要根据各个范围的线性程度以及放大倍数选择。

1.2.3.2 输入-输出特性

灵敏度：仪表输入-输出特性曲线的斜率;灵敏度和准确度的关系;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（压力表，弹性元件，温度计）

1.2.3.3 误差

①绝对误差：仪表输出值与被测参数真值之间的差值

②相对误差：仪表的绝对误差与约定真值比的百分数，

③引用误差：仪表的绝对误差与仪表的量程比的百分数

④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。（绝对值最大）(给定的仪表，1个基本误差) （**最大误差绝对值，但是有正负吗？**最大误差绝对值定义一个误差上限）

⑤ 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。

⑥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。

⑦分辨率：最小可测输入变化

因为检测仪表在应用时被测量不宜过小,一般希望接近于仪表的上限值，

1.2.3.4 准确度与准确性等级

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

准确度只有等级没有值，等级越小精度越高，准确度是衡量仪表性能的重要指标之一

如果是给仪表定级：算出来仪表满刻度相对误差后应该向上取最近的，如0.8取1

如果是选表：算出来所需的相对误差上限后应该向下取最近的，如0.8取0.5

量程乘准确度等级%确定误差上限

1.2.3.5 动态响应特性

稳态(静态)特性：量程、误差、准确度等级等
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。一般用被测量初始值为零作单位阶跃变化时,仪表输出值达到或接近稳定值的时间进行评价。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,也称仪表的时间常数T。3T对应95.0%,5T对应99.3%。这个时间短,说明仪表的动态响应特性好。

一般不会产生动态误差。

1.2.3.6 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。以仪表的供电电压影响为例,如果仪表规定的使用电源电压为(220+20)VAC,则实际电压在200~240VAC内可用电源每变化1V 时仪表输出值的变化量来表示仪表对电源电压的稳定性。

1.2.3.7 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

1.2.3.8 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

①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)
②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
$$
R(t)=e^{-\lambda t}
$$
③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 Timebetween 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(MeanTime toFailure)代表
④平均寿命:MTBF MTTF统称为平均寿命，它的倒数就是故障率
⑤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,

评价一个仪表最重要指标灵敏度、准确度、可靠性。

1.2.4 误差

研究被测参数的测量值与真值的不一致程度,并给予恰当的估计,于是就产生了“测量误差”这个基本概念。

但是真值只是一个理想概念。于是用约定真值

约定真值的获取方法：

①标准表法：用准确度等级较高的标准表测得的值。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13。

②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

③平均值法（数学期望）：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)

1.2.4.1 误差分析要点1

测量：对一个各态历经（与抽样获得的曲线无关）平稳（与抽样时间无关）随机过程的抽样

工程上采样定理一般要大于3-5倍。

随机误差统计特性：
①有界性：随机误差的绝对值是有界的。
②对称性：绝对值相等的正、负随机误差出现的概率几乎相等
③单峰性：绝对值越小的随机误差在测量中出现的概率越大。
④抵偿性：随测量次数N的增加，随机误差的代数和趋向于零，即当N→∞时，
$$
\Sigma^N_{i=1}e_i→0
$$
可以用数理统计的方法对随机误差进行分析和处理

1.2.4.2 误差分析要点2

科学实验和工程实践都证明，大多数随机误差服从正态分布规律，其分布概率密度函数p(e)可表为:
$$
p(e)=\frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma}exp({-\frac{e^2}{2\sigma^2}})
$$
式中，e=x-μ，为测量值与真值之间的随机误差。σ为标准差(也常称为标准偏差或均方根误差)。

相应地，测量值x的分布也服从正态分布，其概率密度函数为:
$$
p(e)=\frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma}exp({-\frac{(x-\mu)^2}{2\sigma^2}})
$$
随机误差分析的两个关键统计量：真值(均值/数学期望)μ和标准差σ

1.3 误差基本概念

1.3.1 测量误差分类与测量不确定度

没有第三方提供真值时不谈系统误差，只随机误差。

①按误差不能说因次分类：决定误差，相对误差

②按误差出现的规律分类：

1. 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 和 变值系统误差

   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

   规律较明确：修正、甚至消除。不太明确:可以补偿，难以消除

2. 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。

   随机误差的产生：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。

3. 粗大误差：超出在规定条件下预期的误差称为粗大误差。此误差值较大,明显表现为测量结果异常。

   导致粗大误差的原因: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。

③按使用的工作条件分类：基本误差，附加误差
基本误差：仪表在标准(额定)条件下所产生的误差。(准确度等级由基本误差来决定)
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(在估计测量误差时需都考虑)

④按误差的特性分类：静态误差(稳态)，动态误差

测量不确定度：估计误差可能变动的区间，估计误差限。表征合理地赋予被测量之值的分散性，与测量结构相联系的参数。是评定测量结果质量高低的一个重要指标。

测量误差与测量不确定度：
①相同点：评定测量结果的准确度
②不同点：测量误差是基础，不确定度是补充

分类：A类不确定度，B类不确定度

1.3.2 误差的估计和评价处理方法

1.3.2.1 随机误差的估计与统计处理

测量列，如不包含系统、粗大误差，概率密度分布

服从正态分布：误差的单峰性、对称性、有界性、抵偿性，次数越大理论上算数平均值趋于0。

三σ原则：
$$
P(\Delta \leq \sigma)=68.26%,P(\Delta \leq 2\sigma)=95.44%,P(\Delta \leq 3\sigma)=99.73%
$$
，3σ作为极限误差

1.3.2.2 粗大误差的判别

判别：给定一个显著性水平，按一定的分布确定临界值,凡超过临界值的误差 就判定为粗大误差,应予剔除

①拉依达法：计算实验标准差；在测量列中，发现有大于3σ的残余误差的测量值被认为含有粗大误差；删除后重新计算，直到未发现为止；n>30时用之

②格拉布斯法：计算实验标准差；|残差|>λ(α，n)×σ则认为含有粗大误差；剔除后重新计算；n较小时也可用，Xσ的X是变的，更具一般性

1.3.2.3 系统误差估计与判别

产生原因：检测装置方面的因素；测量环境、测量方法、测量人员等各方面的因素

判别方法：
(1)实验对比法：用“标准表”来比对；或相同等级仪表来比对。适合于发现恒值误差
(2)残余误差观察法：根据测量列中各数据残余误差大小和符号的变化规律,直接由误差数掘或误差曲线来判断是否存在系统误差。适合于发现有规律变化的“变值系统误差
(3)标准差判据：在工程实际中,对等精度测量的测量列,可用不同的公式计算其标准差σ，如贝赛尔公式，Peters公式。看两者之间的相对变化量[(σ2-σ1)/σ1]。如大于一定的值，则怀疑

1.3.2.4 误差的合成

误差合成：从各分项误差对所研究的被测量的误差总和进行最可信估计。分析和综合各种误差因素,研究单项误差与所构成的总项误差的关系,并正确表述这些误差的综合影响，

意义：减小测量误差，保证测量准确度。

(1)系统误差合成：

(2)随机误差合成：相同条件下重复实验，得m各标准差，求综合随机误差。

(3)误差的总合成：随机误差表示法：极限误差；总合成误差=sqrt(系统误差平方+随机误差平方)

1.3.3 消除和减少误差的一般方法

1.3.3.1 减少随机误差方法

来源不可完全预知性和不可克服性,是不可以消除的；服从统计规律,具有抵偿性,是它最本质的特征；提高检测系统准确度、抑制干扰和统计处理等方法来减少

(1)提高检测系统准确度：从检测系统的原理、设计和结构上考虑；尽量逝免采用存在摩擦的可动部分、减少可动部分器件的重量；采用负反馈结构的平衡式测量和应用无间隙传动链等

(2)对测量结果统计处理：估计随机误差影响的可能变化区间；提高测量次数,可提高算术平均值和标准差的估计准确度

(3)抑制噪声干扰：屏蔽、接地、选频、去耦、隔离传输和滤波；中值滤波,低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器以及自适应滤波器等

1.3.3.2 减少和消除系统误差方法

恒值或者一定规律变化的误差

(1)消除误差源法：适用于明确误差来源

(2)引入修正值法：适用于只知道分布规律。根据误差表或误差曲线，分析分布规律，进行校正；是最常用的方法
计算机程序:将获得的系统误差规律和相应的修正值(修正值、修正曲线和修正图表等)存入微机存储器
难以完全补偿，残余系统误差，可视为随机误差进行抑制

1.3.3.3 减少和消除粗大误差的方法

特点：在规定条件下明显超出预期的误差,表现为测量结果显著异常；如不处理，可能会导致相应控制系统的剧烈震荡甚至失效

办法：
(1)如果由主观原因引起：提高操作人员责任心，减少人为因素的失误；辅以报警系统来提示

(2)如果由客观因素引起：有不可预测性、偶发性、时效性

软测量模型：根据已有数据计算获得一个预测测量值；如果不是粗大误差则存入，如果是就不用该测量值而用软测量值来代替。

软测量模型：

2 检测技术与检测元件

2.1 检测技术一般原理

典型的检测系统：敏感元件、转换元件、显示装置（可测范围、测量准确度、使用条件、使用场合等）

敏感元件选择：同一方法可以测量不同的参数，同一参数可以用不同的方法测量。适用范围、测量范围、输出特性、静/动态误差

2.2 机械式检测元件

将被测量转换为机械量信号输出具有结构简单、使用安全可靠、抗干扰能力强等特点。

2.2.1 弹性式检测元件

弹性变形：在外力作用下，物体的形状和尺寸会发生变化，若去掉外力，物体能恢复原来的形状和尺寸，这种变形就称为弹性变形。

2.2.1.1 弹性特性

弹性元件输出与输入量的关系

①刚度：产生单位形变所需的外加作用力
$$
k=\frac{dF}{dx}
$$
②灵敏度：单位输入量所引起的输出量
$$
S=\frac{dx}{dF}
$$
，希望k和S为常数

2.2.1.2 弹性效应

(1)滞弹性效应：微塑性变形时胡可定律不满足

①弹性滞后：加载和卸载时应力σ和应变ε曲线不重合，最大相对滞后百分数
$$
r=\frac{\Delta \epsilon_{max}}{\epsilon_{max}}\times 100%
$$

②弹性后效：σ不变时。ε随时间延续缓慢变化，弹性后效值
$$
N_{15}=\frac{\epsilon_{15}-\epsilon_0}{\epsilon_0}
$$
，其中ε15为应力保持15min后的应变

③应力松弛：ε不变时，σ随时间延续逐渐降低，应力松弛率
$$
r_{\sigma}=\frac{\sigma_0-\sigma_t}{\sigma_0}\times 100%
$$
(2)热弹性效应：弹性模量温度系数，谐振频率温度系数，线膨胀系数

(3)固有频率：弹性元件本身具有质量，具有弹性和弹性后效，它们共同决定了弹性元件的固有频率。

弹性元件的动态特性，即输出对动态变化输入量的响应与它的固有频率是密切相关的。固有频率越高，则弹性元件响应越快。

2.2.1.3 材料

• 良好的机械性能及机械加工、热处理性能
• 良好的弹性特性：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

材料有：

1. 马氏体弥散硬化不锈钢：高弹性、耐久性、抗微塑变形能力，焊接性能好，无磁性，并对很多种介质有很强的抗腐蚀能力。
2. Ni基弥散硬化恒弹性合金：弹性高、弹性和漂移小；恒弹性温度范围一般在-60~80℃。
3. Nb恒弹性合金：高温恒弹性合金，无磁、耐蚀、弹性模量低、弹性极限高，适合于制造高温、高灵敏度的精密弹性敏感元件
4. 铍青铜：抗磁、耐疲劳、加工和焊接性能好等优点，但适用温度范围较窄(150°C以下)，弹性模量温度系数较大。
5. 石英晶体：很高的机械强度和稳定的机械性能，抗微塑变形能力极强滞后和蠕变极小，是一种理想的弹性敏感元件材料。
6. 半导体硅材料：硅具有非常好的电学性质、机械性能，抗微塑变形能力强，滞后和蠕变极小，并且动态响应快。
7. 陶瓷材料：良好的热稳定性、机械性能、化学稳定性较好、使用温度范围宽，其综合性能略次于石英和硅。

2.2.1.4 种类

(1)弹簧管：

(2)薄壁圆管

$$
\sigma_x=\frac{r_0}{2h}p \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \epsilon_x=\frac{r_0}{2Eh}(1-2\mu)p\
\sigma_{\tau}=\frac{r_0}{h}p \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \epsilon_{\tau}=\frac{r_0}{2Eh}(2-\mu)p\
$$
(3)波纹管

$$
d=pA(\frac{1-\mu^2}{Eh_0})\frac{n}{A_0-\alpha A_1+\alpha^2 A_2+B_0\frac{h_0^2}{R_B^2}}
$$
(4)膜片、膜盒

2.2.2 振动式检测元件

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
由于输出信号为频率信号，因此易于直接与数字式检测系统配套使用
具有体积小、重量轻、分辨率高、精度高，便于信号的传输和处理等特点。

2.2.2.1 振弦式

差动式振弦传感器，可用于车辆动态称重

2.2.2.2 振筒式

机械式检测元件能将难以直接测量的物理量(如压力流量、温度等)转换成便于测量的长度、角度、频率等参量，应用非常广泛。

2.3 电阻式检测元件

通过电阻参数的变化来实现物理量测量的传感器统称为电阻式传感器

2.3.1 应变式检测元件

导体材料在外界拉力或压力作用下会发生机械形变，导致电阻率和几何因子发生改变，从而引起电阻阻值变化，这种现象称为“应变效应“
$$
R=\rho\frac{l}{A}\
dR=\frac{l}{A}d\rho+\frac{\rho}{A}dl-\frac{\rho l}{A^2}dA\
\frac{dA}{A}=\frac{2dr}{r}\
\frac{\Delta R}{R}=\frac{\Delta\rho}{\rho}+\frac{\Delta l}{l}-2\frac{\Delta r}{r}
$$
轴向应变
$$
\frac{\Delta l}{l}=\epsilon
$$
，径向应变
$$
\frac{\Delta r}{r}=-\mu \frac{\Delta l}{l}=-\mu\epsilon
$$
，其中μ是泊松比，对大多数金属位于0.3~0.5
$$
\frac{\Delta R}{R}=(1+2\mu)\epsilon+\frac{\Delta\rho}{\rho}\
灵敏度K=\frac{\Delta R/R}{\epsilon}=(1+2\mu)+\frac{\Delta \rho/\rho}{\epsilon}
$$

2.3.1.1 应变片种类与结构

(1)金属应变片

金属材料的电阻率相对变化正比于体积的相对变化
$$
\frac{\Delta \rho}{\rho}=C\frac{dV}{V}=C\frac{d(lA)}{lA}=C(1-2\mu)\epsilon
$$
C是与金属导体晶格结构相关的比例系数，由材料和加工方式决定
$$
\frac{\Delta R}{R}=[(1+2\mu)+C(1-2\mu)]\epsilon=K_m\epsilon\
$$
对于康铜μ=0.33，C=1

①丝式应变片

②箔式应变片

③膜式应变片

(2)半导体应变片

半导体材料在某一方向受到作用力时，电阻率会发生明显变化，这种现象称为压阻效应
$$
\frac{\Delta \rho}{\rho}=\pi \sigma=\pi E\epsilon,\pi为压阻系数\
\frac{\Delta R}{R}=[(1+2\mu)+\pi E]\epsilon=K_s\epsilon\
\pi=(40\to 80)\times 10^{-11}m^2/N\ \ \ \ \ \ \ \ \ E=1.87\times 10^{11}N/m^2
$$

2.3.1.2 测量电路

2.3.1.2.1 单臂工作电桥

$$
U_0 = U_I\left(\frac{R_1 + \Delta R_1}{R_1 + \Delta R_1 + R_2} - \frac{R_4}{R_3 + R_4}\right)= U_I\frac{\Delta R_1 R_3}{(R_1 + \Delta R_1 + R_2)(R_3 + R_4)}\
U_0 = U_I\frac{\frac{\Delta R_1}{R_1}}{\left(1 + \frac{\Delta R_1}{R_1} + \frac{R_2}{R_1}\right)\left(1 + \frac{R_4}{R_3}\right)}
$$
设桥臂比
$$
R_2/R_1=R_3/R_4=n
$$
，由于
$$
\Delta R_1<<R_1
$$
可以忽略它
$$
U_0 = U_I\frac{\frac{\Delta R_1}{R_1}}{\left(1 + \frac{\Delta R_1}{R_1} + \frac{R_2}{R_1}\right)\left(1 + \frac{R_4}{R_3}\right)}=U_I\frac{n}{(1+n)^2}\frac{\Delta R_1}{R_1}=K_u\frac{\Delta R_1}{R_1}\
K_u=\frac{U_I}{4}\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ U_o=\frac{U_I}{4}K_{\epsilon}
$$

$$
U_0’ = U_I\frac{\frac{\Delta R_1}{R_1}}{\left(1 + n + \frac{\Delta R_1}{R_1}\right)\left(1 + \frac{1}{n}\right)} = U_I\frac{\frac{\Delta R_1}{R_1} \cdot n}{\left(1 + n + \frac{\Delta R_1}{R_1}\right)\left(1 + n\right)}
$$
非线性误差为：
$$
\gamma = \frac{U_0 - U_0’}{U_0} = \frac{\frac{\Delta R_1}{R_1}}{\left(1 + n + \frac{\Delta R_1}{R_1}\right)}
$$
当$ n = 1 $时
$$
\gamma = \frac{\frac{\Delta R_1}{R_1}}{\left(2 + \frac{\Delta R_1}{R_1}\right)}
$$

2.3.1.2.2 双臂工作电桥

两个完全相同的应变片，在外力作用下其中一片受压，而另一片受拉。
$$
U_O = U_I\left(\frac{R_1 + \Delta R_1}{R_1 + \Delta R_1 + R_2 - \Delta R_2} - \frac{R_4}{R_3 + R_4}\right)
$$
对于等臂电桥，
$$
( R_1 = R_2 = R_3 = R_4 )
$$
，且
$$
( \Delta R_1 = \Delta R_2 )
$$
时：
$$
U_O = \frac{U_I}{2} \cdot \frac{\Delta R_1}{R_1} = \frac{U_I}{2}K\varepsilon
$$

2.3.1.2.3 全臂工作电桥

2.3.1.3 温度补偿效应

2.3.1.4 应变片主要特性

• 电阻值：测量电路应与电阻值的大小相配合(60、120、200……Ω)
• 灵敏系数：
  $$
  K=\frac{\Delta R/R}{\Delta l/ l}
  $$
  ，康铜K=1.92.1，铁铬铝合金K=2.42.6
• 绝缘电阻：应变计的敏感栅和引线与被测件之间的电阻(500-5000MΩ)
• 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：应变片不因电流放热而影响测量所允许的最大电流
• 应变极限：
  $$
  \delta=\frac{|真实应变-指示应变|}{真实应变}\times 100%
  $$
  ，应变极限是
  $$
  \delta\leq 10%
  $$
  时的最大真实应变

2.3.1.5 应用

位移传感器

力传感器：悬臂梁型，轮辐型

压力传感器

加速度传感器

2.3.2 热电阻检测元件

原理：热电阻效应，导体或半导体的电阻率随温度变化

应用：工业测温，灵敏度高，稳定性、互换性好，精度高;中、低温度(-200~650℃)范围

类型：正的电阻温度系数，今每升高1℃电阻约增加0.4%0.6%；负温度系数，温度每升高1℃，电阻约减小2%6%

2.3.2.1 金属热电阻

• 电阻温度系数大，温度增加时，其电阻值有明显变化
• 物理和化学性能稳定，不易被介质腐蚀
• 较高的电阻率，以减小尺寸、减小热惯性
• 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。

(1)铂电阻

• 优点：物理化学性能非常稳定，耐氧化性，电阻率较高、复现性好、精度高;高精度温度测量;基准电阻和标准热电阻
• 不足：电阻温度系数较小，在还原性介质中工作易于变脆，贵金属，价格较高
• 范围：-200℃~850℃;在高温下，只适合在氧化气氛中使用，真空和还原气氛会导致电阻值与温度的关系改变。
• 纯度：标准器>1.3925;工业1.3900~1.3920

温度特性：非线性
$$
R_t=R_0(1+At+Bt^2)\ \ \ \ \ \ \ (0<t<850°C)\
R_t=R_0{1+At+Bt^2+C[t^3(t-100)]}\ \ \ \ \ \ \ (-200<C<0°C)
$$
电阻比
$$
W_{100}=\frac{R_{100}}{R_{0}}，R_{100}是t=100°C时电阻值,R_0同理
$$
(2)铜电阻

• 优点：电阻温度系数大，易加工和提纯，线性较好，价格便宜
• 不足：易被氧化(超过100℃)，电阻率小，体积大，热性大
• 范围：-50~150℃
  $$
  R_t=R_0(1+At+Bt^2+Ct^3)
  $$
  

热电阻优点：可远传信号灵敏度高、精度高稳定性强互换性、准确性好

热电阻缺点：需要电源激励、温度不能太高、不能瞬时测量温度变化

测量误差：

• 自热误差
  • 金属热电阻组成测量电路时，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

2.3.2.2 热敏电阻

• 原理：半导体材料的电阻率随温度显著变化
• 优点：灵敏度高(金属热电阻的十几倍)、阻值高(数千欧姆以上)、体积小、热惯性小、连接导线影响小;制作简单、价格低廉、使用方便、易于大批量生产
• 缺点：互换性差、热电特性为非线性
• 范围：-50~350℃℃，温度控制、精度要求不太高的温度测量

负温度系数热敏电阻NTC，正温度系数热敏电阻PTC

NTC：
$$
R_T=R_{T_0}exp[B(\frac{1}{T}-\frac{1}{T_0})]
$$

PTC：
$$
R_T=R_{T_0}exp[B_p(T-T_0)]
$$

2.3.3 湿敏电阻

• 湿度：表示空气中水蒸气含量的物理量
• 绝对湿度：一定温度及压力条件下，每单位体积的混合气体中所含水蒸汽的质量(g/m3)
• 相对湿度(RH)：指气体的绝对湿度与同一温度下达到饱和状态的绝对湿度的比值(%)

应用最为广泛的湿度检测元件，原理简单、易于实现：感湿膜

感湿膜具有微型孔状结构，易吸收空气中的水分，引起其电阻率或电导率的变化，通过测量电阻或电导就可以达到
测量湿度的目的。

2.3.4 气敏电阻

• 原理：某些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。主要用于测量可燃性气体的浓度
• 特点：灵敏度高，响应快
• 材料：氧化锡(SnO2)、氧化锌(ZnO)、三氧化二铁(Fe2O3)和五氧化二钒(V2O5)等

2.3.4.1 氧化锡SnO2

N型半导体，构成形式包括:

• 烧结体型：以多孔质陶瓷为基本材料、添加不同的物质烧结而成
• 薄膜型：采用淀积、溅射等工艺在绝缘衬底上涂一层半导体薄膜
• 厚膜型：一般是把氧化物材料粉末、添加剂、粘合剂以及载体配成浆料然后再将浆料印刷在基片上而成

2.3.4.2 氧化锌ZnO

应用：CO气体传感器，CH4气体传感器

2.4 电容式检测元件

将待测物理量转变为电容量变化的一类传感器

• 优点：结构简单、功耗低、动态特性好、非接触测量
• 缺点：初始电容、变化量小，受寄生电容及外界干扰影响

2.4.1 工作原理

$$
C=\epsilon\frac{A}{d}=\epsilon_0\epsilon_r\frac{A}{d}\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ C=\frac{2\pi\epsilon_0\epsilon_rl}{ln\frac{R}{r}}
$$

2.4.1.1 变极距式d

$$
C = C_0 + \Delta C = \varepsilon \frac{A}{d_0 - \Delta d} = \varepsilon \frac{A}{d_0} \cdot \frac{1}{1 - \frac{\Delta d}{d_0}} = C_0 \left[ \frac{1}{1 - \frac{\Delta d}{d_0}} \right]\\Delta C = C - C_0 = C_0 \left[ \frac{\frac{\Delta d}{d_0}}{1 - \frac{\Delta d}{d_0}} \right]
$$

灵敏度：经幂级数展开有
$$
\frac{\Delta C}{C_0}=\frac{\Delta d}{d_0}\K_C=\frac{\Delta C}{\Delta d}=\frac{C_0}{d_0}=\frac{\epsilon A}{d^2}\
\delta = \frac{\Delta C - \Delta C’}{\Delta C} = -\left[ \frac{\Delta d}{d_0} + \left( \frac{\Delta d}{d_0} \right)^2 + \left( \frac{\Delta d}{d_0} \right)^3 + \cdots \right]
$$
但是这种计算方法的近似存在非线性误差，用差动式电容可以减小此误差

▲C可由电容串联推理得到。
$$
\frac{\Delta C}{C_0}=2\frac{\Delta d}{d_0}\
K_C=\frac{\Delta C}{\Delta d}=2\frac{C_0}{d_0}\
\delta = \frac{\Delta C - \Delta C’}{\Delta C} = -\left[ \left( \frac{\Delta d}{d_0} \right)^2 + \left( \frac{\Delta d}{d_0} \right)^4 + \left( \frac{\Delta d}{d_0} \right)^6 + \cdots \right]
$$
灵敏度上升，非线性误差和环境影响下降。

上面的是近似后的相对变化率，中间的是实际的相对变化率，δ是两者之间的非线性误差：上面×(1+δ)=中间

记住变化后C公式，▲C公式以及近似的相对变化率。

2.4.1.2 变面积式

线位移测量：

$$
\Delta C=C_0-C=\frac{2\pi\epsilon_0}{ln\frac{R}{r}}\Delta l
$$
角位移测量：

$$
A=A_0-\theta r^2/2\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ A_0=\pi r^2/2\
A=A_0(1-\frac{\theta}{\pi})\
\Delta A=A_0\frac{\theta}{\pi}\
\Delta C=\frac{\epsilon_0}{d}\Delta A=\frac{\epsilon_0}{d}A_0\frac{\theta}{\pi}=C_0\frac{\theta}{\pi}\
K_C=\frac{\Delta C}{\theta}=\frac{1}{\pi}C_0
$$

2.4.1.3 变介电常数

$$
\Delta C=\frac{A}{d}\Delta \epsilon
$$
，直接测定：介电常数、厚度、位移；间接测定：温度、湿度

(1)串联结构

$$
C_0=\epsilon_0\frac{A}{d_0}\
C=\frac{C_1C_2}{C_1+C_2}=\frac{\epsilon_{r1}\epsilon_0A}{d_1+\epsilon_{r1}(d_0-d_1)}\
\Delta C=C_0\frac{\epsilon_{r1}-1}{1+\epsilon_{r1}\frac{d_0-d_1}{d_1}}
$$
(2)并联结构

$$
C_0 = \varepsilon_0 \frac{A_1 + A_2}{d_0}\

C = C_1 + C_2 = \frac{\varepsilon_{r1}\varepsilon_0 A_1}{d_0} + \frac{\varepsilon_0 A_2}{d_0}\

\Delta C = C - C_0 = C_0 \frac{\varepsilon_0 A_1 (\varepsilon_{r1} - 1)}{d_0}\

A_1 = wl\
$$
(3)串并联结构

$$
C = \frac{C_1 C_2}{C_1 + C_2} + C_3 = \frac{\varepsilon_{r1} \varepsilon_0 w l}{d_1 + \varepsilon_{r1}(d_0 - d_1)} + \frac{\varepsilon_0 w (L - l)}{d_0}
$$

2.4.2 等效电路

• C为电容式传感器
• Rp为并联损耗，包括极板间泄漏电阻和介质损耗等;
• Rs为串联损耗，包括引线电阻、极板电阻和金属支架电阻
• L由电容器自身电感和引线电感组成，与电容器的结构形式及引线长度有关;
• Cp为寄生电容

2.4.2.1 有效电容

对于任一谐振频率以下的频率，由于L的存在，检测元件的有效电容Ce在忽略Rp、Rs的影响时，可表示为
$$
C_e=\frac{C}{1-\omega^2LC}\
\frac{\Delta C_e}{C_e}=\frac{\Delta C}{C}[\frac{C}{1-\omega^2LC}]
$$
测量时必须与校准时处于相同条件；改变激励频率或者更换电缆时，都要重新进行标定

2.4.3 温度与寄生电容影响

消除温度对电容的影响：

消除寄生电容的影响

2.4.4 应用

位移传感器、压力传感器、重量传感器、主轴回转精度传感器、指纹传感器、电容式键盘、液位传感器、湿度传感器

2.5 热电式检测元件

利用敏感元件将温度变化转换为电量的变化，从而达到测量温度的目的

优点：结构简单、使用方便、测量准确度高、测量范围宽

2.5.1 热电效应

将热电极A、B的两个接点分别置于温度为T和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（工作端、测量端）
温度低的接点称为冷端（自由端、参考端）

2.5.1.1 接触电势

两种导体同一种温度

$$
e_{AB}(T)=\frac{kT}{e}ln\frac{N_A}{N_B}
$$
电子数多的导体为正电势

2.5.1.2 温差电势

同一导体不同温度

$$
e_A(T,T_0)=\int^T_{T_0}\sigma_AdT
$$
温度高的部分为正电势

2.5.1.3 回路热电势

$$
E_{AB}(T,T_0)=[e_{AB}(T)-e_{AB}(T_0)]+[-e_A(T,T_0)+e_B(T,T_0)]\
=\frac{kT}{e}ln\frac{N_{AT}}{N_{BT}}-\frac{kT_0}{e}ln\frac{N_{AT_0}}{N_{BT_0}}+\int^T_{T_0}(\sigma_B-\sigma_A)dT
$$
当A=B时
$$
E_{AB}(T,T_0)=0
$$
，当A≠B且T=T0时也为0

故热电偶工作的两个必要条件：两种导体，两个温度

与材料的粗细、长度、分布无关

2.5.1.4 测温原理

热电极材料确定后，热电势的大小只与T、T0有关；若保持T0一致，则电偶回路总热电势就可看作是温度的单值函数

2.5.3 热电偶的基本原理

2.5.3.1 均值导体定律

同种导体产生的回路不产生热电势

2.5.3.2 中间导体定律

回路中接入两端温度相同的第三种导体，不影响热电势的值。

$$
E_{ABC}(T,T_0) = e_{AB}(T) + e_{BC}(T_0) + e_{CA}(T_0) - \int_{T_0}^{T} \sigma_A dT + \int_{T_0}^{T} \sigma_B dT\
\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ = \frac{kT}{e} \ln \frac{N_{AT}}{N_{BT}} + \frac{kT_0}{e} \ln \frac{N_{BT_0}}{N_{CT_0}} + \frac{kT_0}{e} \ln \frac{N_{CT_0}}{N_{AT_0}} + \int_{T_0}^{T} (\sigma_B - \sigma_A) dT\
\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ = \frac{kT}{e} \ln \frac{N_{AT}}{N_{BT}} - \frac{kT_0}{e} \ln \frac{N_{AT_0}}{N_{BT_0}} + \int_{T_0}^{T} (\sigma_B - \sigma_A) dT\
\ \ \ \ \ \ \ = e_{AB}(T) - e_{AB}(T_0) + \int_{T_0}^{T} (\sigma_B - \sigma_A) dT =E_{AB}
$$

中间导体定律的应用

在热电偶回路中接入中间导体(第三导体)，只要中间导体两端温度相同，中间导体的引入对热电偶回路总电势没有影响

2.5.3.3 中间温度定律

热电偶A、B在接点温度为T，T0时的热电势等于热电偶A、B在接点温度为T、Tc和Tc、T的热电势
$$
E_{AB}(T,T_C)
$$
和
$$
E_{AB}(T_C,T_0)
$$
的代数和，即:
$$
E_{AB}(T,T_0)=E_{AB}(T,T_C)+E_{AB}(T_C,T_0)
$$

因此只要列出热电势在冷端温度为0°C的分度表，就可求出冷端在其他温度时的热电势值，如例题

2.5.3.4 标准电极定律

**如果已知两种导体分别对第三种导体的热电势，则前两种导体之间的热电动势可求。**如例题
$$
E_{AB}(T,T_0)+E_{BC}(T,T_0)=E_{AC}(T,T_0)
$$

纯金属的种类很多，而合金类型更多。因此，要得出这些金属之间组合而成的热电偶的电动势，其工作量是极大的

由于铂的物理、化学性质稳定，熔点高，易提纯，所以，我们通常选用高纯铂丝作为标准电极，只要测得各种金属与纯铂组成的热电偶的热电动势，则各种金属之间相互组合而成的热电偶的热电动势可根据该定律直接计算出来。

称为标准化热电偶。

2.5.4 热电偶的材料

作为测温的热电偶需要满足：

• 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

共有8种材料作为标准化热电偶

2.5.5 分度表

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。

供查阅使用，每10℃分档。中间值按内插法计算。
$$
t_M=t_L+\frac{E_M-E_L}{E_H-E_L}(t_H-t_L)
$$
利用中间温度定律测温：

以冷端为0°C，建立热端温度与热电动势之间的关系表E(t，0)

1. 测量工作时的热电动势值E(t，t1)
2. 根据已知t1，查表得到E(t1，0)
3. 利用中间温度定律计算
   $$
   E(t,0)=E(t,t_1)+E(t_1,0)
   $$
4. 查表得到被测温度t

2.5.6 冷端温度补偿

• 根据热电偶测温原理，只有当热电偶的冷端的温度保持不变时，热电动势才是被测温度的单值函数。
• 经常使用的分度表及显示仪表，都是以热电偶冷端的温度为0℃为先决条件的。
• 实际使用中，因热电偶长度受到一定限制，冷端温度直接受到被测介质与环境温度的影响，不仅难于保持0而且往往是波动的。
• 因此，要对热电偶冷端进行温度补偿。

2.5.7 热电偶的误差

1. 分度引起的误差：工业上常用的热电偶分度都用标准分度表进行
2. 冷端温度引起的误差：冷端温度通常不为零，从而会引入误差，温度补偿措施
3. 测量线路及仪表误差：与热电偶配套的测量电路和仪表，合适的仪表量程
4. 干扰和漏电引起的误差：周围电磁场的影响可能会使得热电偶回路产生附加电势；绝缘不好造成热电势分流，或把被测对象电源泄漏到热电偶中

2.5.8 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：有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

2.5.8.1 二极管温度检测元件

$$
V_D=V_{g0}-\frac{KV}{q}(ln\frac{B}{I_d}+lnT^{\eta})
$$

如Id为常数，即流过PN结的电则正向偏压仅随温度变化,对于通常的硅PN结材料来说，在-50~150℃的温度区间内，其非线性项很小，可以忽略

在-40~100℃的温度范围内，其PN结电压与温度具有较好的线性关系。与热电偶相比具有较高的灵敏度。

2.5.8.2 三极管温度检测元件

$$
V_{be}=\frac{KT}{q}ln\frac{I_e}{I_{se}}
$$

热电偶：结构简单、使用方便；准确度高；测温范围宽；需要考虑冷端补偿；输出信号小

晶体管：测温灵敏度高；具有良好的线性；时间常数小；功耗低；抗干扰能力强；便于集成

2.6 压电式检测元件

压电式敏感元件是利用压电材料的压电效应工作的。当其受到外力作用时，压电材料的表面将产生电荷，因而是一种典型的有源器件

2.6.1 压电效应

正压电效应：某些电介质在沿一定方向受外力(压力或拉力)时，其内部正负电荷中心会发生相对位移产生极化现象，从而在它的两个相对的表面上集聚正负相反的电荷

• 作用力越大，则机械变形越大，所产生的电荷量越多
• 作用力去掉后，恢复到不带电的状态;动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失
• 作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变;输出电压的频率与动态力的频率相同

逆压电效应：当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。

压电效应是可逆的。

2.6.2 压电材料

2.6.2.1 石英晶体SiO2

目前传感器中使用的均是以居里点为573℃，晶体的结构为六角晶系的α-石英，呈六角棱柱体。

压电效应机理：当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布在正六边形的顶角上，每两个相对顶点上的电荷形成一个电偶极矩P1、P2、P3，夹角为120°，它们的矢量和为零。

• 压电常数小，但时间和温度稳定性极好，常温下几乎不变，在20~200℃范围内其温度变化率仅为-0.016%/℃
• 机械强度和品质因素高。许用应力高达(6.8~9.8)x10^7Pa，且刚度大，固有频率高，动态特性好;
• 居里点573℃，无热释电性，且绝缘性、重复性均好

常用于精度和稳定性要求高的场合和制作标准传感器

2.6.2.2 压电陶瓷

具有与磁畴材料磁畴结构类似的电畴结构

2.6.2.3 其他压电材料

压电高分子材料、压电半导体、复合压电材料、压电涂层

2.6.3 等效电路

当压电元件受外力作用时，会在一个极板上聚集正电荷，另一个极板上聚集等量的负电荷，因此它相当于一个电荷源(静电发生器)

当压电元件电极表面聚集电荷时，它又相当于一个以压电材料为电介质的电容器。

压电传感器不适合静态测量。

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。

• 从作用力看，元件是串接的，因而每片受到的作用力相同，产生的变形和电荷数量大小都与单片时相同。
• 并联接法类似两个电容的并联，外力作用下正负电极上的电荷量增加了1倍，电容量也增加了1倍，输出电压与单片时相同。
• 串联接法两压电片中间粘接处正负电荷中和，上、下极板的电荷量与单片时相同，总电容量为单片的一半，输出电压增大了1倍。

2.6.4 压电检测元件的误差

2.6.4.1 温度引起误差

压电系数、介电常数、体电阻和弹性模量等参数发生变化

瞬态环境温度变化对检测元件也会产生较大影响：

• 选用灵敏度随温度变化较小的检测元件。
• 受瞬变温度影响较小的检测元件
• 采用隔热片，以减少温度的影响;
• 采用温度补偿片，通过它的的热膨胀变形来起抵消壳体等部件变形的作用
• 压电材料的温度上限为1/2居里温度。超过有效温度会引起较大测量误差。

2.6.4.2 噪声变化

元件受振动引起的噪声

电缆受到振动和弯曲会由于摩擦引入感应电荷：

• 隔离基座，独立外壳
• 低噪声电缆、紧固电缆
• 阻抗变换器

2.6.4.3 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)

2.6.4.4 安装差异

安装面具有较高的平行度、平直度和较低的粗糙度
事先给压电片有一定的预应力

2.6.5 应用

加速度传感器（安全气囊）、力和压力传感器（血压传感器、压电式纵跳训练装置、水深测量、刀具切削力传感器）、振动传感器（地震、玻璃打碎预警）、点火器、超声波产生与接收。

2.7 光电式传感元件

光电式检测元件是将光信号转换为电信号的元件，物理基础是光电效应

2.7.1 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

2.7.1.1 热辐射光源

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

2.7.1.2 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

2.7.1.3 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：光谱丰富—(蓝+黄)/(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1/8，荧光灯1/2)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
应用:指示灯、背光源；仪器光源、室内照明

2.7.1.4 激光光源

主要特点：

• 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，比普通光高几百万倍
• 单色性好：光谱范围极小，He-Ne激光：λ=632.8nm、
  $$
  \Delta \lambda=10^{-6}nm
  $$
• 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

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、功率小;高光束质量、高稳定性、长寿命、低噪音、经济

半导体激光器：效率高、体积小、重量轻、结构简单、功率高、非线性

2.7.1.5 基本概念

• 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x发光效率，影响人眼视觉明暗;
• 照度(Ix)：单位面积上的光通量

2.7.2 光电效应

电子发射、电位、电导率、电流

2.7.2.1 外光电效应

物质受到光照后，内部电子逸出物体表面的现象，也称为光电发射效应，多发生于金属和金属氧化物：光电管、光电倍增管

外光电效应的规律：

• 光谱成分不变时，光电流的大小与入射光的强度成正比
• 入射光子的能量E大于该物质的表面逸出功A0
  $$
  E=hv=\frac{1}{2}mv_0^2+A_0(光电子最大动能)\
  \lambda_0=\frac{hc}{A_0}(红限波长)
  $$

2.7.2.2 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。多发生于半导体内

光电导效应：某些物体受到光照时，其内部原子释放的电子留在物体内部而使得物体的导电性增加，电阻值下降（光敏电阻）

光生伏特效应：某些物体受到光照时，会产生一定方向的电动势（光电池、光敏二极管、光敏三极管）

2.7.3 光电器件的基本特性

2.7.4 光敏元件

2.7.4.1 外光电效应——真空光电管

光电管由一个阴极和一个阳极构成，密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。

伏安特性：在一定的光照射下，才对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。它是应用光电传感器参数的主要依据

光照特性：当外加电压一定时，光电流与光通量之间的关系，称为光电管的光照特性。
光照特性曲线的斜率称为光电管的灵敏度

光谱特性：光电阴极材料对不同波长的光具有不同的灵敏度，这就是光电管的光谱特性。银氧铯阴极和锑铯阴极的响应范围分别在近红外和可见光区域

2.7.4.2 外光电效应——光电倍增管

当入射光很弱时，光电管产生的光电流很弱(零点几μA)，不易检测，误差也大。

2.7.4.3 内光电效应——光敏电阻

光敏电阻是利用光电导效应原理工作的

• 在无光照时，光敏电阻呈高阻态(MΩ级)，回路中仅有微弱的电流。
• 在有光照时，内部电子从价带越过禁带跃迁到导带，并在价带留下空穴，从而使得载流子(电子-空穴对)浓度增加，导电性能增强，电阻值下降(kΩ级)。
• 利用检流计可以检测到电流随光照强度的变化(或者测量负载电阻的压降)，即，光照越强，光敏电阻的阻值越小，回路中的电流越大。

种类很多：如硫化镉、硫化铅、硫化铊、硒化镉、硒化铅等。由于材料、工艺不同，其光电性能也相差很大

(1)暗电阻、暗电流：光敏电阻在无光照时所测得的电阻值称为暗电阻，此时在给定工作电压下流过的电流称为暗电流。
(2)亮电阻、亮电流：光敏电阻在有光照时的电阻值称为亮电阻，此时在给定工作电压下流过的电流称为亮电流。
(3)光电流：亮电流与暗电流之差称为光电流。

• 光敏电阻的暗电阻越大，亮电阻越小，即暗电流小而亮电流大，因而其灵敏度越高。
• 实际用的光敏电阻，其暗电阻一般为1~100MQ，而亮电阻则在几千欧以下，可见光敏电阻的灵敏度是相当高的。

伏安特性：

• 在一定光照下，光敏电阻的光电流与两端所加电压的关系
• 光电流随外加电压线性增加，且没有饱和现象，但实际上电压不可能无限增大，一般不允许超过额定功耗线。

光照特性：

• 在一定电压下，光敏电阻的光电流与光照强度的关系
• 不同光敏电阻的光照特性不同，且大多数情况是非线性的，一般用于控制系统的开关信号，不宜作为线性测量元件。

光谱特性：

• 光敏电阻对不同波长的光具有不同的灵敏度
• 不同材料的光敏电阻，其光谱响应范围是不同的，这也决定了它们的使用范围不一样

频率特性：

• 光敏电阻的光电流不能随着光照强度改变而立即变化，这是此类器件的缺点之一
• 硫化铅的频率响应范围最宽，而其他光敏电阻的响应范围则都比较窄

温度特性：

• 光敏电阻受温度影响很大。随着温度升高，光敏电阻的暗电流增加，灵敏度降低，因此这类元件宜用于低温环境。
• 硫化铅光敏电阻的峰值波长会随着温度升高而蓝移

2.7.4.4 内光电效应——光电池

• 利用光生伏特效应直接将光能转换为电能
• 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
• 短路电流、负载电压、开路电压

光电池基本特性：

应用:宇航飞行仪器，仪表电源，便携仪表(计算器)开关测量(开路电压输出)，线性检测(短路电流输出)

2.7.4.5 光敏晶体管

2.7.4.5.1 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;
• 极好的线性，更好的频率特性

2.7.4.5.2 光敏三极管

当光照射到集电极(c)和基极(b)的PN结时，产生的光电子在反向偏压下流向集电极，空穴流向基极，形成由集电极到发射极的电流(相当于普通三极管的基极电流Ib)，同时使发射极和基极之间的正向偏压升高，于是便有大量电子经基极流向集电极，形成集电极电流Ic。结果表现为，基极电流被放大了，因而光敏三极管比光敏二极管具有更高的灵敏度。

光敏晶体管基本特性：

2.7.4.5.3 其他类型光敏元件

(1)PIN结光电二极管（PIN-PD）

结构：PN + I

• I-高电阻率的本征半导体(厚)
• PN结双电层的间距加宽，结电容变小

特点：频带宽，可达10GHz，响应速度快；灵敏度高；线性输出范围宽，线性好；输出电流小(数微安)，电阻很大

应用：用于光通讯，光测量

(2)雪崩光电二极管

雪崩效应：工作电压很高(100~200V)，接近于反向击穿电压。结区内电场极强，光生电子得到极大加速，同时与晶格碰撞，从而产生电离雪崩反应。

特点：有很高的内增益，可达到几百，灵敏度高响应速度特别快，带宽可达100GHz，是目前最快的一种光电二极管噪声大(随机)，线性差

应用：用于光通讯、光编码

(3)阵列式结型光电器件

构成：利用集成电路技术，使几百个光电二极管或光电池排成一行，集成在一块集成电路片子上，即成为阵列式的一维光电器件衬底是共用的，而各光敏元都是独立的，分别有各自的前极引出线

特点:光敏元密集度大，总尺寸小，容易作到各单元多数一致，便于信号处理

应用:可用来辨别光点移动的方向

(4)位置敏感器件

(5)四象限光电池

(6)固态摄像器件(CCD、CMOS)

2.8 磁电式检测元件

利用电磁感应原理，将运动速度转速等物理量变换成感应电势

2.8.1 磁电感应式敏感元件

• 磁电感应式敏感元件是利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电动势进行工作的，因此也被称为感应式或者电动式敏感元件
• 它不需要辅助电源，就能把被测对象的机械能转换成易于测量的电信号，是一种典型的有源器件，有时也称作电动式或感应式传感器。
• 电路简单、输出功率大、性能稳定、适用于运动测量
• 常用于振动、转速、扭矩等参数的测量

2.8.1.1 楞次定律

闭合的导线回路中所出现的感应电流，其感应电流的方向总是试图减小磁通的变化量(右手定则)

2.8.1.2 工作原理

磁通变化率:由磁场强度、磁路电阻、线圈运动速度决定

磁通量 Φ的变化实现办法:

• 磁场强度变化
• 磁路中磁阻的变化 恒磁通(磁阻)式
• 磁铁与线圈之间做相对运动 变磁通(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。

2.8.1.2.1 恒磁阻式检测元件

磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路中的工作气隙固定不变，因而磁路中的磁阻也是恒定不变的，测量线圈中产生感应电动势是由于线圈与永久磁铁间的相对运动切割磁力线导致磁通量发生变化。

2.8.1.2.2 变磁阻式检测元件

线圈和磁铁部分都是静止的，线圈中的感应电动势是通过改变磁路中的气隙大小来改变磁路的磁阻，从而导致磁通发生变化，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

闭磁路式：

2.8.1.3 等效电路

磁电感应式检测元件相当于一个电源

2.8.1.4 灵敏度

以线速度型恒磁阻式检测元件为例

2.8.1.5 误差以及补偿

工作温度发生变化
受到外磁场干扰 → 灵敏度都将发生变化而产生测量误差
受到机械振动或冲击

2.8.1.5.1 温度误差

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是正;
• 负载电阻的温度系数为正

对于铜线，温度每变化1℃

dl/l=0.167x10-4;
dR/R=0.43 x10-2;
dB/B=-0.02x10-2(取决于材料性质)。

补偿方法–热磁分流器

• 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流一部分
• 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。

2.8.1.5.2 永磁铁不稳定误差

• 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。

2.8.1.5.3 非线性误差

• 感应电流会产生磁场，该磁场会削弱/增强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变化引起严重的非线性;
• 解决办法:补偿线圈，补偿线圈的反馈电流为
  $$
  i_k=Ai
  $$
  

2.8.1.6 应用

2.8.2 霍尔传感器

2.8.2.1 基本原理

2.8.2.2 霍尔元件

2.8.2.3 霍尔元件性质

2.8.2.4 霍尔元件误差补偿

2.8.2.4.1 温度误差

半导体材料的载流子浓度、迁移率和电阻率都会发生变化，从而造成霍尔元件的霍尔系数、灵敏度、输入电阻及输出电阻变化

补偿措施：

• 温度系数小的半导体材料
• 采用恒流源供电使
  $$
  U_H
  $$
  保持稳定
• 输入回路中并联一个电阻Rp，起到分流的作用，使
  $$
  K_HI
  $$
  保持恒定

2.8.2.4.2 不等位电势

• 霍尔电极安装不对称
• 半导体材料不均匀造成电阻率不均匀
• 元件几何尺寸不对称
• 激励电极接触不良导致电流不均匀

激励电流I流经不等位电阻r所产生的电压U0

2.8.2.5 霍尔集成器件

将霍尔元件、放大器、施密特触发器及输出电路通过集成化制作工艺构成独立元件

2.8.2.6 应用

• 当激励电流一定时，霍尔电势与磁感应强度成正比。
  • 霍尔式罗盘(或称磁力计)来测量磁场的大小。
  • 非均匀磁场中，霍尔电势的大小还可以反映出位置、角度等变化量，间接地实现位移、角度、转速、压力等物理量的测量。
  • 开关特性，转速测量、磁电编码器、无触点开关、导磁产品计数等应用。霍尔键盘也是基于这一特性工作的。
• 当磁场强度一定时，霍尔电势与激励电流成正比。
  • 利用这一特性，可以直接测量电流的大小以及与电流有关的物理量。
• 当磁感应强度与激励电流都为变量时，霍尔电势与两者的乘积成正比。
  • 利用这一特性，可以测量具有乘法运算关系的物理量，典型的应用包括乘法器、功率计等。

①测量磁场大小和方向

②研究磁性材料③位移传感器：灵敏度高，但是位移量小，适合微位移量以及振动测量④角位移测量

⑤压力传感器(微压力传感器)

⑥加速度传感器

⑦霍尔开关⑧霍尔式接近开关⑨霍尔点火器⑩霍尔式无触电电子点火装置

转速传感器

钢球计数器，电流传感器

2.9 磁弹性式检测元件

基于铁磁材料的磁弹性效应：受外力作用产生内应力σ，引起磁阻或磁导率的变化

磁弹性式检测元件：压磁式检测元件、压磁元件

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、恶劣的条件下长期使用

缺点:测量精度不高(误差约为1%)，反应速度较慢

测力、称重、温度、应力

• 磁畴：铁磁材料内部存在强大的“分子场”，即使无外磁场，内部也有自发磁化的小区域；磁性取向随机，材料整体并不体现出磁性
• 磁化:外加磁场会使本来随机排列的磁畴发生转向
• 剩磁:当外加磁场去除后，材料仍会剩余一些磁场
• 居里温度:当温度很高时，由于无规则热运动的增强，磁性会消失，这个临界温度叫居里温度。

2.9.1 磁弹性效应

铁磁材料：

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：有磁场变长； 负磁致伸缩：有磁场变短

压磁效应：产生σ、μ改变，相对磁导率变化
$$
\frac{\Delta\mu}{\mu}=\frac{2\lambda}{B^2}\sigma\mu
$$
正压磁效应：拉长时磁畴构成磁场；负压磁效应：压缩时磁畴构成磁场

2.9.2 结构与工作原理

承受压力较大、磁导率高、剩磁小、稳定性好；目前常用的材料为硅钢片

压磁元件工作原理：由具有正磁致伸缩效应的硅钢片粘叠而成

2.9.3 误差分析

磁弹性式检测元件具有输出功率大、线性好、寿命长、适应恶劣环境等优点，但由于铁磁材料特性受许多因素影响使测量结果出现误差。降低这些因素的影响，是提高磁弹性式检测元件准确度的有效措施。

2.9.3.1 磁场强度影响

2.9.3.2 激励频率影响

2.9.3.3 激励电流影响

2.9.3.4 预加载荷影响

2.9.3.5 温度影响

2.9.3.6 其他因素

2.10 核辐射式检测元件

利用被测物质对射线的吸收、散射、反射或射线对被测物质的电离作用

厚度、物位、密度、成分、金属探伤

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

2.10.1 放射源

2.10.1.1 放射性同位素

放射性同位素：质子数量相同、中子数量不同

2.10.1.2 核衰变和核辐射

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

核辐射:核衰变中放出不同的带有一定能量的粒子或射线的放射性现象。

核辐射种类：α粒子，β粒子，X射线，γ射线，中子辐射

按辐射本质分类：

• 粒子辐射：组成物质的基本粒子，或由这些粒子组成的原子核。既有能量又有静止质量。粒子辐射是一些高速运动的粒子，消耗自己的动能把能量传给被穿透的物质。粒子辐射包括电子、质子、中子、α粒子、β粒子和带电重离子等。
• 电磁辐射：实质是电磁波，仅有能量，没有静止质量。包括无线电波、微波、可见光、紫外线、X射线和y 射线等。

按与物质的作用能力分类：

• 电离辐射：通过初级和次级过程引起物质电离，如α粒子、β粒子、质子、中子、X射线和γ 射线等，对于X、γ射线，一般当E>10ev时可以引起电离辐射，或当波长λ<100nm时可以引起电离辐射。
• 非电离辐射：与物质作用不产生电离的辐射，如微波、无线电波、红外线等，但现在也不能忽视对人体的长期危害作用。

2.10.1.3 不同电离辐射性质

α粒子:两个中子和两个质子，能量4-9MeV，电离作用最强，主要用于气体成分分析，气体压力及流量测量

β粒子:中子转变为质子过程释放的高速运动电子，能量一般小于2MeV

γ射线:核跃迁或粒子湮灭过程发射的电磁辐射，能量几十 keV到几MeV

2.10.1.4 强度衰减特性

对某一个原子核来说，在何时衰变，完全是偶然的。但是就大量这种原子核作为整体来说，在到 t 到 t+dt 时间内衰变的原子核数 dN 应当和时间间隔 dt 及 t 时刻的放射性原子核数N成正比
$$
-\frac{dN}{N}=\lambda dt
$$
其中λ是衰变常数

放射性原子核数目
$$
N=N_0e^{-\lambda t}
$$
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
$$
A=-\frac{dN}{dt}=\lambda N_0e^{-\lambda t}=A_0e^{-\lambda t}
$$

$$
I=I_0e^{-\lambda t}
$$

I_0 : 开始时的放射源强度:

I : 经过时间 t 后放射源强度;

λ:为放射性衰变常数，与外界条件无关;

放射源的辐射强度随时间按指数定律而衰减——校准

半衰期：放射性同位素的原子核数衰减到一半所用的时间
$$
T_{1/2}=\frac{ln2}{\lambda}=\frac{0.693}{\lambda}
$$
平均寿命:在某特定状态下放射性核数减少到原来的1/e的平均时间，符号?

2.10.1.5 核辐射与物质的作用

2.10.1.5.1 带电粒子与物质的作用

电离：当入射粒子靠近原子时和物质中的原子发生静电作用，使原子中的束缚电子产生加速运动而变为自由电子
激发：若入射粒子距原子远，束缚电子所获得的能量还不够使它逃逸出来时，则原子核由低能级跃迁到高能级而处于激发状态。
散射：带电粒子穿过物质因受原子核的电场作用而改变运动方向称为散射。

当粒子穿过物质时，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：
$$
I=I_0e^{-\mu_m\rho x}
$$
I :穿过物质后的辐射强度;

I_0 : 射入物质前的辐射强度;

μm:为物质的吸收系数;

ρ : 物质的密度。

x : 厚度

2.10.1.5.2 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)，而丫光子本身被吸收。
$$
E=\frac{1}{2}mv^2=h\gamma-A
$$
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碰撞，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

电子对效应：当入射y光子能量足够高，从原子核旁经过时，在核库仑场的作用下，转化为一个正电子和一个负电子，而丫光子则消失
$$
hv=E_{e+}+E_{e-}+2m_0c^2
$$
γ射线通过物质时强度衰减
$$
I=I_0e^{-\mu x}
$$

• μ：物质对射线的吸收系数
• x：材料厚度

吸收系数与材料和γ射线的能量有关，是三种效应的叠加
$$
\mu=\tau+\sigma+\kappa
$$

• $\tau$:光电吸收系数
• $\sigma$:康普顿吸收系数
• $\kappa$:电子对生成吸收系数

2.10.2 核辐射探测器

核辐射检测器又称核辐射接收器，是以射线和物质的相互作用为基础设计的

将核辐射信号转换成电信号，以检测射线强度的变化，进而实现被测参数的检测

气体探测器、闪烁探测器、半导体探测器：电流电离室、盖革计数器(G-M计数器)、正比室

2.10.2.1 气体探测器

Ⅰ段是复合区，电流与电压成正比;
Ⅱ段是电流饱和区，离子对完全收集，与射线的强度有关(电离室);
Ⅲ段是正比区，电子能量很大使气体产生次级电离N=MN0，M随电压增大(正比室)
IV段是*雪崩区(盖革计数器)
V段是放电区一气体击穿

α粒子电离室：

β射线的多电极电离室：

盖革计数器：

2.10.2.2 闪烁探测器

闪烁计数器，先将辐射能转变为光能，再对光信号进行测量
闪烁体、光电倍增管和输出电路

闪烁体：受激发光物质，射线照射到闪烁体时，闪烁体的原子被电离和激发，受激原子退激时会发光。能在大约一微秒或更短的时间内把所吸收的一部分能量以光的形式再发射出来

主要类型：无机闪烁体、有机闪烁体

无机晶体：主要是含杂质或不含杂质的碱金属碘化物；对入射粒子的阻止本领大、发光效率高、有很高的探测效率

有机晶体：都是未取代的或取代的芳香碳氢化合物；发光时间短，必须与分辨性能较高的光电倍增管配合使用

液体闪烁体：液态的有机溶液

• α粒子：无机闪烁晶体，硫化锌
• γ射线：无机闪烁晶体，碘化钠
• β射线：有机闪烁体

闪烁探测器特点：效率高、分辨时间短；不仅能探测γ射线，而且能探测各种带电和不带电的粒子，在核辐射检测中有着广泛的应用。

2.10.2.3 半导体探测器

• 以半导体材料为探测介质:锗、硅
• 辐射与半导体晶体相互作用时产生电子-空穴对，电子-空穴对在外电场的作用下漂移而输出信号
• 能量分辨率高；体积小、重量轻、结构简单、使用方便
• 探测器不能做大做厚，难以测量高能辐射，输出信号小，电子线路复杂

2.10.3 核辐射式检测元件的误差

1、辐射源强度误差

在时间 t 上，强度衰减为
$$
\Delta I=I_0-I
$$
，所以由辐射源本身核衰变引起的相对误差为
$$
r=\frac{\Delta I}{I}=1-e^{-\lambda t}
$$
放射源半衰期长，射线要达到一定强度

2、核衰变的统计特性引起的误差

由于核衰变产生的粒子数是随机的，它服从于统计规律，检测器测量到的粒子数的相对误差可按下式计算
$$
\delta_r=\sqrt{\frac{1}{t_mf_n\eta}}
$$

• $t_m$:测量时间
• $f_n$:为射入检测元件的粒子的平均频率
• $\eta$:检测元件的效率

2.10.4 辐射式检测元件的应用

核物理、原子分子物理、固体物理、材料化学、化学、生物学、地质、考古、天体物理
成分分析、辐射探伤、测厚、流量、医学诊断

2.10.4.1 核辐射式流量计

核辐射流量计可以检测气体和液体在管道中的流量。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。

2.10.4.2 射线式测厚仪

2.10.4.3 核辐射式液位仪

• 辐射式液位计既可进行连续测量，也可进行定点发送信号和进行控制;
• 射线不受温度、压力、湿度、电磁场的影响，而且可以穿透各种介质，包括固体，因此能实现完全非接触测量
• 辐射式液位计适合于特殊场合或恶劣环境下不常有人之处的液位测量，如高温、高压、强腐蚀、剧毒、有爆炸性、易结晶、沸腾状态介质、高温熔融体等的液位测量。
• 使用时仍要注意控制剂量，作好防护，以防射线泄漏对人体造成伤害。

2.11 红外传感器

利用红外线的物理性质进行参数检测的传感器

2.11.1 红外辐射

• 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

2.11.2 红外传感器

一种能将红外辐射能转换成电能的器件
一般由光学系统、探测器和信号调理电路等部分组成。
按工作原理的不同，可分为：热电红外传感器、光电红外传感器

2.11.2.1 热电红外传感器

利用红外辐射的“热电效应原理”工作

• 探测元件吸收红外辐射 → 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

优点：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

缺点：热敏材料的热效应需要一定的平衡时间，因此，热敏电阻型、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

热释电红外传感器

热释电材料（PZT，铌酸锂、钛酸钡等）自发极化，当光照引起材料温度升高（如红外光）时，由于温度升高而引起极化变弱，束缚电荷减少从而使电极的感生自由电荷减少—电荷释放，产生电流。

• 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。
• 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

2.11.2.2 光电红外传感器

利用红外辐射的光电效应原理

优点：灵敏度高，响应速度快，具有较宽的响应频率

缺点：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。

2.11.3 红外传感器基本特性

• 灵敏度：

  传感器的输出电压与输入红外辐射功率之比（电压响应率）

  

• 响应波长范围/光谱响应：

  传感器的电压响应与入射红外辐射波长之间的关系

  • 热电传感器的电压响应率与波长无关
  • 光电型传感器的电压响应率曲线是一条随波长变化的曲线

  一般将响应率最大值所对应的波长称为峰值波长
  峰值波长两边，响应率下降到最大值的一半所对应的波长称为截止波长
  由两个截止波长所围成的光谱区域表示红外传感器使用的波长范围

• 噪声等效功率：

  信噪比为1时的入射红外辐射功率，也是红外器件探测到的最小辐射功率

  

探测率：

噪声等效功率的倒数

比探测率：

归一化探测率，或者叫探测灵敏度。传感器的敏感元件面积为单位面积，放大器的带宽为1Hz，单位辐射功率所产生的信号电压与噪声电压之比

时间常数/滞后时间：

衡量红外传感器的输出信号响应快慢

2.11.4 基本定律

基尔霍夫定律

斯蒂芬-玻尔兹曼定律

维恩位移定律

2.11.5 红外传感器的结构

红外传感器一般由光学系统、敏感元件、前置放大器和信号调制器组成

根据测量方式可以分为：

• 被动式红外传感器
• 主动式红外传感器
• 根据传感器中光学系统的结构不同可分为
• 透射式红外传感器
• 反射式红外传感器

2.11.6 红外传感器分类

被动式：被测物体本身就是红外辐射源，利用红外敏感元件测量物体的辐射强度/温度，或者进行热成像。
主动式：利用红外辐射源对物体进行照射，使红外辐射被吸收、反射或者透射，从而导致物体自身或者红外光性质发生变化，再利用外敏感元件进行检测。

2.11.7 应用

• 红外测温、红外成像、红外遥感、红外测距、气体检测

  • 辐射计，用于辐射和光谱测量；
  • 搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；
  • 热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像；
  • 红外测距和通信系统；
  • 混合系统，是指以上各类系统中的两个或者多个的组合

• 具有以下特点：

  • 测量过程中不影响被测目标的温度分布，可用于对远距离、带电，以及其他不能直接接触的物体进行温度测量；
  • 响应速度快，可应用于对高速运动物体进行测量；
  • 灵敏度高，能分辨微小的温度变化；
  • 测温范围宽，能测量-10~1300℃之间的温度

2.12 超声波传感器

通过超声波信号的变化来实现物理量测量的传感器

2.12.1 声波的产生与分类

声波的产生就是源于物体的振动，而声波的传播则是介质中质点的振动传递过程。
声波必须通过中间介质（固体、液体和气体）才能传播，

2.12.1.1 频率分类

2.12.1.2 波阵面形状

平面波：波阵面与传播方向垂直且为互相平行的平面声波
球面波：波阵面为同心球面的声波
柱面波：波阵面为同轴圆柱面的声波

2.12.1.3 质点振动方向与波传播方向的关系

纵波，L波：

Ø 质点振动方向与波传播方向一致或平行
Ø 其传播是由于介质中各体元发生压缩和拉伸的变形，并产生使体元回复原状的纵向弹性力而实现的
Ø 在介质中传播时会产生质点稠密和稀疏部分，也称为疏密波
Ø 可在固体、液体和气体中传播
Ø 容易激发和接收，在参数检测中有广泛的应用

横波，S波：

Ø 质点的振动方向与波的传播方向是垂直的
Ø 质点上下振动是可以产生横波，称为垂直偏振横波（SV波）
Ø 水平振动时同样可以产生横波，称为水平偏振横波（SH波）
Ø 横波不能在液体或气体介质中传播。

表面波，瑞利波（Rayleigh波)：

Ø 在半无限大固体介质与气体介质的交界面产生的波
Ø 运动轨迹为椭圆形，可视为纵波和横波的合成
Ø 表面波不能在液体或者气体介质中传播
Ø 表面波常用于材料表面缺陷的检测

板波，兰姆波（Lamb波)：

Ø 在板厚与波长相当的薄板中传播的波
Ø 兰姆波是板波中最重要的一种波
Ø 可看成是两个Rayleigh波在板的上下表面上相互作用的结果
Ø 可用于检测板厚、分层和裂纹等缺陷

2.12.2 声波的传播特性

2.12.2.1 波长频率和声速

波长：在声波的传播方向上，相邻两个振动相位相同的点之间的距离称为波长

2.12.2.2 声场参量

声波在介质中传播就会引起内部压强的变化，形成声场

声压：

Ø 某一点的瞬时压强与没有声波时该点的静压强之差
$p=\rho c v$，ρ是介质密度，c是介质中声速，v是质点振动速度
Ø 声压是个交变量，即同一时刻不同体积单元、以及同一体积单元不同时刻的声压是不同的
Ø 对于简谐声波，设声压的振幅 pa，则有效声压为$p_e=\frac{p_a}{\sqrt{2}}$
Ø 声压的大小反应了声音的强弱
l 人耳对于1 kHz声音的可听阈约为2×10^-5 Pa，
l 微风吹动树叶的声音约为2×10^-4 Pa
l 在房间内高声谈话的声音（相距1 m处）为0.05-0.1 Pa
l 飞机发动机发出的声音（相距5 m处）约200 Pa。

声阻抗：

声阻抗Za是指在波阵面的一定面积上，声压与通过该面积的体积速度的比值$Z_a=\frac{p}{U}$
由于体积速度U的含义是不明确的，因此通常使用质点振动速度v来代替，得到声阻抗率Zs，即介质中某一点的声压与该点的质点振动速度的比值。$Z_s=\frac{p}{v}=\rho c$

声强：

声强是单位时间内通过垂直于声波传播方向的单位面积的声能量。
$I=\overline\varepsilon c=\frac{p_e^2}{\rho c}=\frac{p_a^2}{2\rho c}$

声场参量的级与分贝:

① 声振动的能量范围非常宽，例如，人讲话的声功率只有约10-5 W，而火箭发射的噪声功率却可以高达109 W，两者相差十几个数量级。
②从声音接收的角度，人耳感受到的“响度感觉”并不正比于声音强度的绝对值，而是更接近于与强度的对数成正比。
③在声学以及电子、通讯等领域，人们更感兴趣的是信号的相对比值，而非其绝对值。
基于以上这些原因，在声学领域普遍使用对数标度来表示这些声场参量，并称之为“级”，如声压级、声强级等，单位为分贝（dB）。

声压级与声强级

2.12.2.3 声波的反射、折射与透射

2.12.3 超声波的激发与接收

激发形式：

接收：

2.12.4 探头类型

Ø 直探头（纵波）
Ø 斜探头（横波）
Ø 表面波探头（表面波）
Ø 兰姆波探头（兰姆波）
Ø 可变角探头（纵波、横波、表面波、兰姆波）
Ø 双晶探头（一个探头内含两个晶片，一个用于发射，另一个用于接收）
Ø 聚焦探头（将声波聚集为一细束）

2.12.5 等效电路

频率特性，方向性

2.12.6 超声波传感器工作原理

Ø 在确定的介质中，其传播速度是确定的
• 空 气：344 m/s
• 自来水：1430 m/s
• 海 水：1500 m/s
• 钢 铁：5800 m/s
Ø 超声波纵波在气体中的传播速度最低，液体次之，固体最高
Ø 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%

探头布置方式

误差影响因素

2.12.7 应用

移动机器人测距和避障；汽车雷达；防盗报警；材料厚度、密度、液位；物位传感器；流速、流量；零件内部缺陷

3 检测仪表

3.1 检测仪表的构成和设计方法

3.1.1 检测仪表

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（统称为信号变换）后能直接显示被测量的大小或能输出符合工业检测和控制要求的标准信号。

按检测的参数分类
过程参数：温度、压力、流量、物位、成分等

3.1.2 检测仪表的组成

敏感元件、信号变换、信号处理、信号传输、数据存储仪、显示装置等

结构形式：

• 一体化型仪表：敏感元件、信号变换和显示装置为一个整体；如一体型热电阻温度计、弹性式压力计、玻璃管转子流量计
• 组合型仪表：各个模块在结构上各自分列，可以按需进行组合；如热电偶检测系统

3.1.3 检测仪表的设计方法

3.1.3.1 开环

1）直接串联式/直接变换式

将涉及测量的各个环节直接串联起来以构成功能模块或整个检测仪表。信号变换一般是由转换元件及转换电路来实现

直接串联式仪表特点：
 结构简单、工作可靠、成本低；
 开环仪表结构，仪表稳定性好；
 各个环节的性能均对整个仪表的性能有较大影响；
 开环仪表结构，误差累积，准确度低；
 线性度取决于各个环节的非线性，一般较差；
 检测元件与转换电路之间需要阻抗匹配。

2）差动式

用两个性能完全相同的转换元件，感受敏感元件的输出量，并把它转换成两个性质相同但变化方向相反的物理量，并以这两个物理量的差值作为模块的输出。典型案例: 差动式滑线电位器和差动式变压器。

差动式特性：
 差动式输出信号提高一倍，灵敏度更高
 改善了检测仪表的非线性
 减小干扰量，差动式可大幅度削弱干扰

3）参比式

采用两个性能完全相同的检测组件，其中一个作为主通道感受被测量和环境条件量，另一个作为补偿通道只感受环境条件量。

特性：通过补偿操作可有效消除或削弱环境条件变化对参数检测的影响。

3.1.3.2 闭环

平衡（反馈）式

信号变换环节为闭环结构，存在典型负反馈机构，一些环节串联构成前向通道，另一些环节（反馈元件）构成反馈通道。

1）有差随动式

2）无差随动式

3.1.4 检测仪表常用非线性补偿方法

3.1.4.1 直接串联法

使测量转换部分与检测元件具有相反非线性特性
输入放大器和负反馈放大器的输入/输出特性是线性的

3.1.4.2 非线性负反馈法

反馈环节与检测元件具有相同的非线性特性

3.1.4.3 软件线性化

利用微计算机的存储和计算功能来实现非线性补偿。

3.1.5 常用信号传输方式和标准

模拟：DC 420 mA，15 V；
气动：20～100 kPa；
数字：数字信号的传输采用双向全数字量传输信号，即现场总线通信方式。本质上为数字通讯协议。
混合：目前广泛采用一种过渡方式，即在一条通信电缆中同时传输4～20mA/DC信号和数字信号，这种方式称为HART (Highway Addressable Remote Transducer)协议通信方式。

二线制和四线制：
二线制（电源线和信号线共用）：电源标准为24V直流电源、输出电流标准为420mA直流电流，负载电阻RL为250750Ω。
四线制（电源线和信号线分列）：电源标准为220V交流或24V直流电源，输出电流标准为010mA或420mA直流电流。

现场总线通信方式

3.2 温度检测仪表

3.2.1 概述

3.2.1.1 温度

分子物理学：大量分子的平均动能，物体内部分子无规则运动的剧烈程度

从工程角度：描述系统不同自由度之间能量分布状况的基本物理量，是决定一系统是否与其他系统处于热平衡的宏观性质
• 一切互为热平衡的系统都具有相同的温度
• 许多物理现象和化学性质都与温度有关，同时许多生产过程，特别是化学反应过程，都是在一定的温度范围内进行
• 在工业生产和科学研究中，人们经常会遇到温度和温度检测与控制问题

3.2.1.2 温标

1、经验温标：

用不同温标所确定的温度数值是不同的
用水银作为温度计的测温介质
依附于具体物质，带有任意性
不能严格保证世界各国所采用的基本测温单位完全一致

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，被国际计量大会采纳为国际统一基准温标
• 绝对零度，低于该零度的温度不可能存在
• 不与某一特定的温度计相联系、并与测温物质的性质无关
• 卡诺定理推导而来，用热力学温标所表示的温度被认为是最理想的温度数值

卡诺热机:理想的机器，实际上并不存在;
热力学温标是一种纯理论的温标，无法直接实现

3、国际实用温标

为了实用、方便，国际上决定，建立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。

• 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

随着科学技术的发展，固定点温度的数值和基准仪器的准确度会越来越高，内插公式的精度也会不断提高，因此国际温标在不断更新和完善，准确度会不断提高，并尽可能接近热力学温标。

国际温标简介：(ITS-27，ITS-48，ITS-68，ITS-90)

①固定点：17个

三相点

②标准仪器：4个温区
下限：0.65K 上限：单色辐照的普朗克辐射定律实际可测的最高温度

③内插公式：每种内插标准仪器在n个固定点温度下分度

3.2.1.3 温度检测仪表的分类

根据敏感元件与被测介质接触与否，分为接触式和非接触式两大类

1、接触式：
• 膨胀式:体积膨胀/长度伸缩(水银温度计、双金属温度计)
• 压力式:体积膨胀、压力增大(液体、气体、蒸汽式温度计)
• 热电阻式:导体或半导体电阻值随温度变化(铂电阻、铜电阻)
• 热电式:热电效应(热电偶)

2、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(入,T)一能量(波长，温度))

3.2.2 温度检测仪表

3.2.2.1 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

热电效应：两种不同的导体或半导体A和B组合成闭合回路，如果导体A和B的连接处温度不同(设T>T。)，在此闭合回路中就热电势产生

四个定律：
• 均值导体定律：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。
• 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：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!
• 中间温度定律：$E_{AB}(T,T_0)=E_{AB}(T,T_C)+E_{AB}(T_C,T_0)$
• 标准电极定律：$E_{AB}(T,T_0)=E_{AC}(T,T_0)+E_{CB}(T,T_0)$

各个基本定律解决了什么问题：
• 均值导体定律：跟面积、长度、温度无关
• 中间导体定律：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°C的分度表，就可以求出冷端在其它温度时的热电势值。
• 标准电极定律：以铂丝作为标准电极，计算各种金属之间的热电动势
• 等值替代定律：如果$E_{AB}(T,T_0)=E_{CD}(T,T_0)$，则可以互相替换。补偿导线

3.2.2.1.1 标准热电偶

热点偶电极材料要求：
热电性质稳定:不随时间和被测介质变化
物理化学性能稳定:不易氧化或腐蚀导电率要高，并且电阻温度系数要小
热电势随温度的变化率要大，并且希望该变化率在测温范围内接近常数
机械强度要高，复制性要好，复制工艺要简单，价格便宜

标准热电偶：
S：稳定，线性差且价格高，可作为基准热耦合用于精密测量
R：与S几乎相同，只是热电势同比大15%
B：上限高，稳定性好，冷端低于100°C时不用考虑温度补偿问题，热电势小，线性差，价格贵寿命远高于S、R
K：广泛应用于高温测量
N：在1100-1300°C的高温条件下，高温稳定性及使用寿命较K型有成倍提高，价格低于S但是性能相近；在-200-1300°C内有全面代替廉 价金属热电偶和部分S的趋势
T：准确度高，便宜，广泛用于低温测量
E：热电势大，耐磨蚀，价格便宜，广泛用于中低温测量
J ：耐H2和CO2气体腐蚀

3.2.2.1.2 分度表

t0=0°C时，各个热电偶在不同温度下的电势表

3.2.2.1.3 热电偶温度曲线

各种标准热电偶，t=0°C时，热电势为0

3.2.2.1.4 热电偶自由端温度处理

①补偿导线法：

②计算修正法：

③自由端恒温法：

④自动补偿法：

例题1：当补偿导线为普通铜导线时，E补为0

例题2：补偿到$t_c$°C的意思是，电桥产生了$E(t_0，t_c)$的电势

3.2.2.1.5 热电偶结构形式

①普通型热电偶：热电极、绝缘保护、保护套壳、接线盒

②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。
铠装热电偶热容量小，动态响应快，机械强度高，挠性好，适用于结构复杂的装置。

③薄膜型热电偶：

用真空蒸镀的方法将热电极沉积在绝缘基板上而成的热电偶。
很薄(3-6um)、尺寸很小
使用时一般用胶粘剂直接贴附或压在被测物体的表面上
热容量小，响应速度快(10 ms)，适合于测量微小面积上的瞬变温度

3.2.2.1.6 热电偶温度检测系统

3.2.2.1.7 测量两点间温度差

测某一点温度

测两点间温度

3.2.2.2 热电阻温度计

原理：导体或半导体的电阻率随温度变化

3.2.2.2.1 金属热电阻分度号和分度表

热电阻在温度:时的电阻值与R0有关(误差、大小)
R0↑ 材料↑ 时间常数↑ 热量↑ 引线电阻及其变化影响↓
Pt：R0=10Ω；R0=100Ω；分度号$Pt_{10}、Pt_{100}$
Cu：R0=50Ω；R0=100Ω；分度号$Cu_{50}、Cu_{100}$
需要综合考虑选择R0的大小

3.2.2.2.2 结构形式

支架材料：云母、石英玻璃、陶瓷等
1有良好的电绝缘性能;
2热膨胀系数要与热电丝的一致或相近;
3有较高的热导率，较小的比热;
4有稳定的物理、化学性能，不会产生有害物质污染电阻丝;
5有足够的机械强度，有良好的加工性能。

绝缘套管和保护套管的作用与材料与热电偶的类似

内引线：连接电阻体引出端和接线盒之间的线称为内引线
Cu:与电阻丝相同
Pt:接触电势较小，镍丝或银丝,以免产生附加电势
线径应比电阻丝大很多(1mm)，以减少引线电阻的影响

铠装热电阻

3.2.2.2.3 热电阻温度检测系统

热电阻和热电偶温度检测系统的区别：

• 信号形式不同，输入电路形式不同
  • 热电偶→自由端补偿器
  • 热电阻→测量电桥
• 接线盒到变送器或显示仪表的引线不同
  • 热电偶→补偿导线(E接↓，T’一致)
  • 热电阻→可用普通导线(↓R引线、Const；R接、E接)

3.2.2.3 其他接触式温度检测仪表

3.2.2.3.1 玻璃管温度计

膨胀系数越大越灵敏
水银、酒精等为工作液，其中水银工作液较其他液体有许多优点，如不粘玻璃，不易氧化，可测温度高,容易提纯，线性较好，准确度高等
分类：
1、标准玻璃温度计：成套供应的，准确度可达0.05~0.1°C
2、工业用玻璃温度计：罩有金属保护套管，固定连接装置
3、实验室玻璃温度计：形式和标准的相仿，准确度也较高。

3.2.2.3.2 压力式温度计

3.2.2.3.3 双金属温度计

3.2.2.3.4 集成温度传感器

3.2.2.4 非接触式温度检测仪表

辐射式温度计:物体的辐射能随温度而变化

非接触:运动物体及高温物体表面，不破坏温度场

原理:普朗克定律，温度为T的物体对外辐射的能量E

三个表达式：

三种辐射测温方法：

四种辐射温度计：全辐射高温计、光电温度计、比色温度计、红外温度计

3.2.2.5 特点总结

3.2.3 温度检测仪表的使用

接触式:目前工业应用中绝大部分是接触式
非接触:接触式不能胜任之处，比如炉膛火焰温度检测(价格较高、结构复杂、低温测量无优势)

接触式：

1、热电偶、金属热电阻：
• 应用最广泛的主流工业测温仪表
• 可用于集中显示、记录和过程控制
• 相关配套仪表相当完备
• 可解决工业过程的大多数测温问题
• 铂电阻(精度高、性能稳定)可作为标准仪器

2、玻璃管、压力式、双金属：
• 工业现场就地指示
• 结构坚固、耐震、价格低廉

3、热敏电阻、集成温度传感器：
• 非工业生产领域(实验研究)应用广泛，工业应用有限
• 价格低，使用方便;输出信号不标准、测量范围有限

注意事项：
• 测温位置:正确选择
充分体现生产过程工艺装置或管道的温度特性和测量要求
• 尽可能缩小温度敏感元件和保护套管的体积
保护套:结构强度、防腐;体积，响应时间个;影响对象的温度场和工艺操作
• 正确安装:保证被测介质与敏感元件充分热交换
插入深度大于敏感元件长度;逆流或垂直安装;弯头、扩大管

温度变送器：将测温元件感知的温度或温差原始信号转换成为统一标准信号或数字信号
• 近年来得到了较快发展，使温度检测仪表或系统的集成度越来越高，功能也越来越强，为解决工业现场的温度检测和控制问题提供了很大的便利。
• 一体型温度变送器:测温元件和变送器模块集成为一个整体，并输出反映温度测量信息的统一标准信号(一般为4~20mA的标准直流电流信号)。
• 可以直接安装在被测温度的工艺设备上，具有体积小、重量轻、现场安装方便、节省安装费用以及抗干扰能力强，便于远距离传输等优点

智能型温度变送器：可作为单纯的温度变送模块，或集成测温元件以构成一体型的温度检测仪表
• 适用性和通用性强：可与各种热电阻或热电偶的配合使用，量程可调范围很宽，且量程比大。
• 具有各种补偿功能：非线性补偿、引线补偿、热电偶冷端温度补偿等，且补偿精度高;温度测量零点和满量程自校正。
• 标准信号输出和通讯：4~20mA标准直流电流信号;与其它各种智能化仪表以及控制计算机系统实现双向信息通信。
• 操作使用方便灵活且具有自诊断功能：零点和满度值调整、故障监测和报警
• 可实现简单的现场就地控制

3.3 压力检测仪表

3.3.1 概述

3.3.1.1 压力定义

压力:是指均匀而垂直作用于单位面积上的力，用符号p表示

单位:帕斯卡(帕，Pa)，即1牛顿力垂直而均匀地作用在1平方米的面积上所产生的压力称为1帕。1Pa=1N/m2

绝对压力:物体所受的实际压力，$p_a$
表压力:大气压力下的压力检测仪表所测得的压力;高于大气压的绝对压力与大气压力之差，$p=p_a-p_0$
真空度或负压:大气压与低于大气压的绝对压力之差，$p_h=p_0-p_a$。
差压:两个压力之差
大气压:p0

3.3.1.2 分类

• 液柱式：根据流体静力学原理，把被测压力或差压转换成液体高度(差);充水或水银等的玻璃U形管或单管
• 弹性式：根据弹性元件受力变形的原理，将压力转换成弹性元件的位移，并通过机械传动机构直接带动指针指示，如弹簧管、膜片和波纹管等
• 电远传式：通过转换元件(装置)将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，如力平衡式压力变送器、电容式压力变送器、霍尔式压力传感器、电感式压力传感器、谐振式压力传感器。
• 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、压电式等压力传感器。均有电远传功能。

按压力的表示方法：绝压表、真空表、气压计、差压计

有的既可以测量表压，也可以测量差压，还可以测量真空度，有的只能用来测量其中一种形式的压力(应用范围)
统一称为:压力计、压力表、压力传感器、压力变送器等

3.3.2 压力检测仪表

3.3.2.1 液体压力计

误差分析：
• 温度误差：标尺长度、液体密度
水温度10°C→20°C，密度从999.8→998.3kg/m3(0.15%)
• 安装误差:当U形管安装不垂直时将会产生安装误差。
• 重力加速度误差:准确测出当地的重力加速度
• 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，其大小与工作液种类、温度、玻璃管内径等因素有关;内径≥10mm时，误差为1mm。

优点：
直观、数据可靠、准确度较高
表压、差压、负压(科学、实验研究中常用)

缺点：
只能测量较低的压力或差压(020 kPa;0250kPa)
只能进行现场指示
使用不方便、易破损

注意事项：
工作温度、重力加速度修正
垂直安装
工作液选择
测瞬时压力值不可超过测量范围

3.3.2.2 弹性式压力检测仪表

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

3.3.2.2.1 弹簧管压力表

3.3.2.2.2 波纹管差压计

3.3.2.2.3 膜片/膜盒压力表

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0.1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15级。

3.3.2.3 电远传式压力检测仪表

3.3.2.3.1 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

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。

由输出不同可分为气动和电动

DDZ-III

①检测部分

②杠杆系统

③位移检测放大器：

螺线管式差压变送器：

④电磁反馈装置：

⑤整机特性：

输出电流：

3.3.2.3.2 电容式差压变送器

忆往昔差动式电容：

3.3.2.3.3 霍尔压力传感器

霍尔效应:当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差$V_H=K_HIB$

当激励电流一定时，霍尔电势与磁感应强度成正比
非均匀磁场中，霍尔电势的大小还可以反映出位置等变化量，间接地实现位移测量。

3.3.2.3.4 电感式压力传感器

在电感式压力传感器中，首先用弹性元件将被测压力转换成弹性元件的位移，再用电学的方法将位移转换成自感或互感系数的变化，最后由测量电路转换成与被测压力成正比的电流或电压输出。

3.3.2.3.5 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。

3.3.2.4 物性压力传感器

基于物质定律，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
常常是电量信号，也是电远传式的

3.3.2.4.1 应变式压力传感器

应变效应：导体材料在外界拉力或压力作用下会发生机械形变，导致电阻率和几何因子发生改变，从而引起电阻阻值变化

组成：弹性元件、应变片、测量电路
弹性元件：金属膜片、膜盒、弹簧管及其他弹性体
应变片：金属或合金丝、
以粘贴或非粘贴的形式与弹性体连接在一起

膜式应变片压力传感器

柱型应变片压力传感器

温度影响：电阻温度系数，弹性元件和应变片的膨胀系数差异
桥路补偿:四个应变片的静态性能完全相同，它们处在同一电桥的不同桥臂上，温度升降将使这两个电阻同时增减，从而不影响电桥平衡;有压力作用时，相邻两臂的阻值一增一减，使电桥能有较大的输出。
但尽管这样，应变式压力传感器仍有比较明显的温漂和时漂。同时，由于应变式压力传感器的响应速度较快，故这种压力传感器较多地用于一般要求的动态压力检测。

3.3.2.4.2 压阻式压力传感器

压阻效应:半导体材料在某一方向受到作用力时，电阻率会发生明显变化
扩散硅式差压变送器

优点：
• 体积小，结构简单(核心:扩散电阻硅膜片，弹性元件+压敏元件)；
• 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(几十帕斯卡)；
• 动态响应好，迟滞小，可用来测量几千赫兹乃至更高的脉动压力；

缺点：
• 容易受环境温度的影响

解决方法：
• 固态压力传感器、集成压力传感器:将温度补偿电路、放大电路甚至将电源变换电路集成在同一块单晶硅膜片上，从而可以大大提高传感• 器的静态特性和稳定性
• 温度稳定性、可靠性正日益提高，主流压力检测仪表之一

3.3.2.4.3 压电式压力传感器

压电元件被夹在两块弹性膜片之间，当压力作用于膜片，使压电元件受力而产生电荷。电荷量经放大可转换成电压或电流输出，输出信号的大小与输入压力成正比关系。

结构简单、紧凑,小 巧轻便,工作可靠,线性度好，频率响应高，量程范围大。
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

血压传感器：

3.3.3 压力检测仪表的使用

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

3.3.3.1 量程选择

• 一般在被测压力较稳定的情况下，最大工作压力不应超过仪表满量程的3/4;
• 在被测压力波动较大或测脉动压力时，最大工作压力不应超过仪表满量程的2/3
• 为了保证测量准确度，最小工作压力不应低于满量程的1/3
4/3 Pmax<A < 3 Pmin
• 当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
• 目前我国出厂的压力(包括差压)检测仪表有统一的量程系列，它们是1kPa、1.6kPa、2.5kPa、4.0kPa、6.0kPa以及它们的10^n倍数(n为整数)

3.3.3.2 准确度等级选择

要求仪表的基本误差应小于实际被测压力允许的最大绝对误差

选表向下取最近的

另外，在选择时应坚持节约的原则，只要仪表的准确度能满足生产的要求，就不必追求用过高准确度等级的仪表

准确度等级：0.05，0.1，0.25，0.35，0.5，1.0，1 .5，2.5，4.0，….

3.3.3.3 仪表类型选择

3.3.3.4 压力检测系统

一个完整的压力检测系统包括:
取压口：在被测对象上开设的专门引出介质压力的孔或装置
引压管路：连接取压口与压力仪表引压入口的管路，使被测压力传递到压力仪表
压力检测仪表

取压口：
• 代表性:能真实地反映被测对象压力的变化
• 位置选择:要方便引压管路和压力仪表的安装与维护

引压管路：
引压管路的敷设应保证压力传递的实时、可靠和准确
• 实时性:不能因为引压管路影响压力传递的速度
• 可靠性:防止杂质进入或由于被测介质本身凝固造成堵塞的措施
• 准确性:引压管路中的介质的特性(即密度)必须稳定

引压管路设原则：
• 内径一般为610mm，长度不得超过50m。粘度、长度↑，内径↑
• 若水平敷设，需保持1:101:20的倾斜度。液:下倾斜；气:上倾斜。
• 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。

引压管路常用辅件：

特殊介质取压方法：

3.3.4 小结

液体压力计：结构简单、使用方便，数据可靠,可用来测量低压、低差压和负压;但测量准确度受工作液的毛细作用、密度及视差等因素的影响。测量范围较窄，若工作液为水，则最大测量范围只有020kPa，，若工作液采用水银，则测量范围可提高到0250kPa左右。

弹簧管压力表：结构简单、使用方便、价格低廉、应用范围广、测量范围宽，因此在工业生产中使用十分普遍;只能测表压和负压，只能就地指示。

电远传式压力检测仪表：力平衡式压力变送器和电容式压力变送器在工业过程中应用比较广泛。

物性型压力传感器：体积小、可远传、频率响应高;压电晶体可达100kHz，压阻元件达10kHz，可测快速变化的压力;灵敏度易受温度的影响，静态漂移较大。

固态压力传感器：敏感元件和补偿电路等集成在一起，较好地克服了温度对压阻元件灵敏度的影响，从而既有很好的动态特性又有较稳定的静态特性，是今后压力检测仪表的发展重点。

3.4 物位检测仪表

3.4.1 概述

3.4.1.1 物位的定义

物位:储存在容器(开口或密封)中物质的高度或位置
-液位:液体液面高度液位计
-界面:液滴界面高度界面计
-料位:固体堆积高度料位计

重要性
-确定容器中被测介质的储存量，保证生产过程的物料平衡，为经济核算提供依据
-监视或控制容器的物位，使它保持在规定的范围内，保证产品产量和质量
-对物位上、下极限位置进行报警，保证安全生产

3.4.1.2 物位检测方法分类

静压式物位计：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;液位检测

浮力式物位计：漂浮于液面上的浮子随液面位置变化(恒浮力法)，或者部分浸没于液体中物体的浮力随液位变化(变浮力法);液位检测

电气式物位计：把敏感元件做成一定形状的电极置于被测介质中，则电极之间的电气参数(电阻、电容)，随物位的变化而改变。液位、料位检测，有时还可用于界面的检测

声学式物位计：利用超声波在介质中的传播速度或在不同相界面之间的反射特性来检测物位。液位、料位检测

射线式物位计：放射性同位素所放出的射线穿过被测介质时，其辐射能量因吸收作用而减弱，衰减程度与物位有关。液位、料位检测,非接触

微波物位计：又称雷达物位仪，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实现物位的测量。液位、料位检测

磁致伸缩物位计：利用磁致伸缩的效应实现物位的测量。液位检测

光学法、重锤法等

间接检测方法分类：

3.4.2 物位检测仪表

3.4.2.1 静压式液位计

检测原理:液位高度变化时，由液柱产生的静压也随之变化，测量静压可得液位高度

3.4.2.1.1 实现方法

敞口容器：

密闭容器：

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

3.4.2.1.2 量程迁移

要求取压口(零液位)与压力(差压)检测仪表的入口在同一水平高度，否则会产生附加静压误差，但在实际安装时不一定能满足这个要求

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”**

三种情况:无迁移、负迁移和正迁移

①无迁移：

差压变送器的正压室与零液位等高
负压室与上取压点之间的引压管路充满相同气体

②负迁移：

特征：正、负压室与取压点之间分别装有隔离罐(和引压管)，并充以隔离液

迁移方法：
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DDZ-III：
当$\Delta p=-B$时，输出电流为$I=4mA$(调零点)
当$\Delta p=H_{max}\rho_1g-B$时，输出电流为$I=20mA$(调量程)

③正迁移：

特征：负压室管路充气体；差压变送器安装在零液位水平线以下

迁移方法：
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DDZ-III：
当$\Delta p=C$时，输出电流为$I=4mA$(调零点)
当$\Delta p=H_{max}\rho_1g+C$时，输出电流为$I=20mA$(调量程)

important例题1：算量程的时候是假设已经迁移好输出只与被测的H有关的，直接$ρgh_{max}$，不要从图上算最大压力什么的

上面这张就按照上下限对应向左平移一下就行了

important例题2：重点就在于用你的初中知识算p+和p-，然后给出Δp和H的表达式；量程变化直接从0-max减就行，相当于把H代入了真实的表达式中得到上下限

important例题3：

3.4.2.2 变浮力式液位计

3.4.2.3 超声波物位计

20-20KHZ为闻声波

超声波性质：

• 速度：气/液/固传播;空气:334m/s;水:1440m/s;钢铁:5000m/s。(与介质、介质所处的状态(如温度)有关)

• 衰减：介质吸收(气体吸收最强而衰减最大，液体其次，固体吸收最小而衰减小)；声波频率 ↑，衰减↑
• 方向性：频率↑方向性↑。超声波:近似直线传播。
• 反射和折射:介质密度、传播速度不同导致

超声波检测原理：利用声波的反射特性，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。$H=\frac{1}{2}vt$

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

超声波接收与发射：

能量↑：传播距离↑(物位检测测量范围↑)，反射量↑(测量准确度↑)
问题：液体介质空化作用，消耗能量大，传播距离减少温升效应，易使介质特性改变，准确度↓
解决办法:采用较高频率的脉冲超声。

优点：减小单位时间内超声波的发射能量(有利于减小空化效应、温升效应等以及节约仪器的能耗)，提高超声脉冲的幅值(提高测量准确度)。

温度补偿

• 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)。

3.4.2.4 微波物位计(雷达物位计)

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

检测原理：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。

调频连续波(FMCW)微波物位计：

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。

与超声波比较：

3.4.2.5 电容式物位计

应用范围：非导电液体液位；固体颗粒料位

3.4.2.6 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。

1、射线源：

2、探测器:

实现方法

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。

3.4.2.7 磁致伸缩液位计

磁致伸缩效应：l变,V不变，磁致伸缩系数$\lambda=\frac{\Delta l}{l}$
压磁效应：产生$\sigma，\mu$变

正磁致伸缩，给磁场伸长；负磁致伸缩，给磁场缩短

正压磁，拉伸磁畴有规律；负压磁，压缩磁畴有规律

磁致伸缩液位计

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。
• 波导线温度稳定性佳，温度系数为5.4ppm/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。
• 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。

3.4.2.8 其他物位检测仪表

电阻式液位计：
基本原理:基于液位变化引起电极间电阻变化，由电阻变化反映液位情况

投入式液位计：
压阻式固态压力传感器用于投入式液位计:进孔用柔性不锈钢隔离膜片隔离，并用硅油传导压力而与液体相通

电感式液位计：
基本原理:利用电磁感应现象，液位变化引起线圈电感变化，感应电流也发生变化

热电式和热磁感应式：
在冶金行业中常遇到高温熔融金属液位的测量

光学法液位计

3.4.3 物位检测仪表的使用

液位检测：静压式、浮力式、磁致伸缩
• 静压式和浮力式，液位检测最常用;结构简单、工作可靠、准确度较高;容器上开孔安装引压管或在介质中插入浮筒，因此不适于高粘度或易燃、易爆介质。
• 磁致伸缩式液位计:机构紧凑，测量精度较高，工业应用越来越广泛，在许多场合已逐步替代传统浮力式和静压式液位计。

液位和料位检测:电容式、声学式、微波式、射线式
• 电容式原理和结构简单，但变化量较小，对电子线路的要求较高，易受介电常数变化影响。
• 超声波物位计:使用范围较广，液位、粉末、块状(只要界面的声阻抗不同);探头不能承受过高温度，声速与介质温度有关，有些介质对声波吸收能力很强
• 微波物位计:在测量精度、测量适用范围和可靠性等方面具有较为显著的优势;系统较复杂，价格也相对较高。
• 射线式特别适用于高温、高压容器的高粘度、高腐蚀性、易燃、易爆等特殊测量介质，不受温度、压力的影响，测量值比较稳定;射线危害作用较大，慎重选用

非接触:超声式，微波式、射线式

定点检测：只要求知道物位是否已到某个规定的高度
检测仪表：浮球式液位计、电学式(电阻/电容/电感)物位计、超声波物位计、射线式物位计、激光物位计、微波物位计、振动式(音叉)物位计
高限检测选用常开触点；低限检测选用常闭触点

与被测介质的特性参数相关：
介质密度：静压式、浮力式液位计
介电常数：电容式物位计
传播速度：超声波物位计
吸收系数：射线式物位计
其他因素：介质温度、组分变化；大型容器(温度、密度和组分不均匀)

当工况变化比较大时，必须对有关的参数进行补偿或修正。超声波物位检测中的速度补偿就是一个典型例子

3.5 流量检测仪表

3.5.1 基本概念

• 流体：流体是流动的物质，也常称为具有流动特性的物质。
• 真实流体：自然界中大致可分为气体、液体和固体等三相，另外有等离子体。
  气体和液体是真实流体。具有流动特性的固体（颗粒）称为拟流体。
• 单相和多相流体：如果流道中流过的流体是单一流体（气体或液体）则称为单相流；如果流体中含有两种或两种以上存在明显界面互不相溶的流体（例如气液、液液、气固、气液固或气液液等），则称为两相/多相流。
• 流量测量涉及装置/系统的运行、质量控制和贸易计量等。

1、流量定义：单位时间内流动介质(气体、液体或固体颗粒等)流经流道(管道或通道)某一截面的数量，称瞬时流量。
流量(截面)/流率(单位面积)
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𝑞𝑣，$q_v=\int_AvdA，q_v=vA$
质量流量：单位时间内流过某截面的流体的质量𝑞𝑚，$q_m=\int_a\rho v dA，q_m=\rho vA=\rho q_v$
累积流量：$Q_v=\int_tq_vdt，Q_m=\int_tq_mdt$
单位：米^3/秒(𝑚^3/𝑠)，千克/秒(kg/𝑠)；常用的工程单位有：米^3/小时 (𝑚^3/ℎ)， 升/分(𝑙/min )，吨/小时 (t/ℎ)， 米^3/天 (𝑚^3/day)

2、流体密度：$\rho(kg/m^3)$

3、流体粘度：
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 ，𝜂(𝑃a/𝑆)
流体的动力粘度与流体密度的比值称为运动粘度，𝜐(𝑚^2/𝑆)
流体可分为：粘性流体和非粘性流体

4、流体的雷诺数：雷诺数是流体流动的惯性力与粘滞力之比$Re=\frac{Dv\rho}{\eta}$

5、流体的可压缩性系数和可膨胀性系数：
流体具有压缩性：可压缩性系数(1/Pa)：$k=-\frac{1}{V}\frac{\Delta V}{\Delta P}$
流体具有膨胀性：可膨胀性系数(1/℃)：$\epsilon=\frac{1}{V}\frac{\Delta V}{\Delta T}$

6、流体可分为可压缩流体和不可压缩流体
一般气体为可压缩流体，液体一般视为不可压缩流体（液压系统例外）

7、其他概念：稳定流和不稳定流、层流与紊流(湍流)、流速分布与平均流速、流体流动的连续性方程和伯努利方程

3.5.2 主要技术参数

量程和量程比：测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。
测量准确度等级
压力损失
直管段要求
安装要求
体积流量/质量流量

3.5.3 流量测量仪表

流量测量仪表大致可以分为：
1、体积流量测量：
1）节流式/差压式流量计
2）转子（浮子）流量计 （垂直安装）
3）容积式流量计（直接式，无直管段要求）
4）涡街流量计
5）涡轮流量计
6）电磁流量计（无压损）
7）超声波流量计（无压损）
2、质量流量测量：
质量流量计：直接式：科里奥利力流量计、热式质量流量计；间接或补偿式

对于大多数应用场合，默认满管、湍流和稳态流动，水平安装。

3.5.3.1 节流式/差压式流量计

——检测原理：
伯努利方程：能量守恒 $\frac{p_1}{\rho_1}+\frac{v^2_{10}}{2}=\frac{p_2}{\rho_2}+\frac{v^2_{20}}{2}$
考虑摩擦损失和平均流速 $\frac{p_1}{\rho_1}+C^2_1\frac{v^2_{10}}{2}=\frac{p_2}{\rho_2}+C^2_2\frac{v^2_{20}}{2}+\frac{\xi}{2}v^2_2$
连续性方程：质量守恒 $A_1v_1\rho=A_2v_2\rho$

——引入流量系数𝛼，流量公式表示为：
体积流量：$q_v=\alpha A_0\sqrt{\frac{2}{\rho}\Delta p}$
质量流量：$q_m=\alpha A_0\sqrt{2\rho\Delta p}$
对于可压缩性流体，流量系数一般还需引入膨胀系数𝜀。

——节流装置（元件）
标准节流装置：按照标准文件设计、制造、安装和使用，无须标定即可确定其流量值并估算流量测量误差。
标准孔板、标准喷嘴、标准文丘里管
非标准节流装置：成熟程度较差，尚未列入标准文件的节流件

特点：
• 结构简单、便于制造、成本低；
• 压力损失大；
• 刻度非线性；
• 流量比窄，正常量程比3:1。
• 直管段要求高。节流件前后均要求有足够的直管段长度。

3.5.3.2 转子（浮子）流量计

检测原理：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的。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力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。原理上要求垂直安装

流体密度校正：液体介质：$q_v’=q_v\sqrt{\frac{(\rho_f-\rho’)\rho}{\rho_f-\rho)\rho’}}$

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，垂直安装；
• 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；
• 使用时，当被测介质为非标准状态下的水或空气时，流量计的指示值要进行修正；
• 须事先知道流体密度，当介质密度发生变化时也要修正其指示值。
• 电远传代价大！

3.5.3.3 容积式流量计

检测原理：直接式流量测量方法，让被测液体充满具有固定容积的空间，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，腰轮流量计，刮板流量计，活塞式流量计，湿式流量计和皮囊式流量计。

特点：
• 测量准确度高，可达±（0.2%−0.5%），甚至达到0.1%，量程比一般为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；
• 要求被测介质洁净，不含固体颗粒，流量计前要装过滤器；
• 常用于中小口径流体流量测量（测量口径一般<150mm，当测量口径大时，成本高，质量和体积大，维护不方便。

3.5.3.4 涡街流量计

检测原理：自然振荡的卡门涡街（涡列）
另：应用强迫振荡的漩涡旋进原理构造的一般称为旋进漩涡流量计。自然界中存在非卡门涡街！

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；
• 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，可用于液体、气体和蒸汽等绝大部分流体的流量测 量；
• 流量计一旦用一种介质标定后，可不经新的标定用于其他液体和气体的流量测量；
• 测量准确度较高（约为±0.5% − 1%），量程比一般为10: 1，最高可超30: 1；
• 流量计安装时要求有足够的直管段长度，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使用条件（如振动）等的影响；
• 测量准确度与漩涡频率的测量准确度相关，如介质的密度和流速较低，漩涡的强度较小，将影响频率的测量。

3.5.3.5 涡轮流量计

检测原理：动量矩守恒原理

特点：
• 涡轮流量计的测量准确度较高，可达到0.5级以上；
• 流量与涡轮转速之间形成线性关系，量程比一般为𝟏𝟏𝟎𝟎︰𝟏𝟏，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。

3.5.3.6 电磁流量计

检测原理: 法拉第电磁感应

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大，量程比可达100︰1以上；测量口径范围大，可实现大口径（>2m）流量测量。测量准确度优于0.5；
• 电磁流量计反应迅速，可以测量脉动流量；
• 被测流体必须是导电的，不能测量气体、蒸汽和非导电石油制品等的流量；
•电磁流量计在安装时应有良好的接地措施,防止电磁干扰影响流量测量精度。

3.5.3.7 超声波流量计

检测原理：超声波在静止流体与流动流体中传播速度的不同。

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/流量。具体实现方法主要有时差法、相位差法和频率差法等。

特点：
• 对介质适应性强；
• 无可动部件、非侵入、可实现非接触测量、不干扰流体；
• 精度一般，多用于中大管径流量测量，尤其大口径气体流量测量；
• 主要应用于石油、天然气、污水、农田灌溉等；
• 可用于层流和非满管条件下的流量测量，例如明渠等的流量测量。

3.5.3.8 质量流量计

直接式：流量计的输出可直接反映质量流量。

间接式：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，通过运算获得质量流量。

补偿式：检测出体积流量和流体的温度、压力，应用相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。

3.5.3.8.1 科里奥利力式质量流量计（科氏力式质量流量计）

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

特点：
–精度高、量程比大；
–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；
–目前的技术发展水平，密度一般要求>300kg/m^3,因此难以用于一般气体质量流量的测量；
–对外界振动干扰较为敏感，安装要求较高；–目前尚局限于中小口径管道；
–无直管段要求，有一定压损；
–价格较高！

3.5.3.8.2 热式质量流量计

3.5.3.8.3 间接式质量流量计和补偿式流量计

体积流量计和密度计

两个不同类型的体积流量计组合
（例如节流式流量计与容积式流量计）

工程上常用：温压补偿+体积流量计 （推荐）

3.5.4 流量检测仪表的使用

1、流量检测仪表的选择：

被测流体的性质
被测流体的黏度、腐蚀性、温压条件
管道条件
环境条件
测量准确度要求
被测流量的变化范围
压力损失
整体成本的考量

2、流量检测仪表的使用
——安装：前后直管段、水平/垂直安装、管道中的杂质（过滤器）
——维护：杂质、漂移、生产线上流量测量仪表需定期检定！

3.6 气体成分分析仪表

3.6.1 概述

成分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(密度、粘度等)**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、紫外吸收式、光散射、光干涉式等
射线式:如X射线、y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

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

工作原理：
• 根据待测组分的化学或物理性质与其他组分有较大差别，或在特定环境下所表现出来物化性质不同，来检测待测组分的含量
• 物理式、化学式、物理化学式
• 工业应用中尽量采用物理式

3.6.2 气体成分分析仪表

3.6.2.1 氧量分析仪

重要应用:在锅炉燃烧系统中，为了确定燃烧状况，计算燃烧效率，以实现有效的过程监测和控制(节能、环保)

O2测量方法：
磁性氧分析器(以前常用)：氧气的磁化率很高;结构复杂、使用不便、准确度很低。
氧化锆(ZrO2)测氧仪表(目前广泛使用)：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。

3.6.2.1.1 工作原理

遵循电解质浓差电池原理。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)

3.6.2.1.2 氧化锆探头

3.6.2.1.3 氧量变送器

温度
恒定或补偿
<600°C，氧化锆内阻高，难测E;>1200°C，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
参比和待测烟气要有一定流速
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

3.6.2.2 热导式气体分析仪

热导率λ(导热系数)：
• 反映物质导热能力的物理量，λ↑，导热速率↑
• 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
• 热导率[W/(m×K)]的大致范围：金属为50415，合金为12120，绝热材料为0.030.17，液体为0.170.7，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。
• 非金属和气体：温度↑，热导率↑
• 氢气的λ比其他的气体大得多，可充分利用

工作原理：
• 利用混合气体的总热导率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。非测定组分λ差异大，进行预处理将它们除掉
• 测量方法：四臂电桥法

仪器组成：

传感器原理：

应用领域：
• 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。
• 色谱分析仪检测器

3.6.2.3 红外气体分析仪

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

红外吸收：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。

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。

类型：分光型和非分光型；直读式和补偿式；单光束和双光束；正式和负式等

电容器结构与仪器特性：

• 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。
• 工业用常量:准确度等级12.5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25级，时间常数<30s。
• 使用环境条件:要求较高，要防振、防潮、防尘。

3.6.2.4 色谱仪

3.6.2.4.1 检测原理

色谱法是一种分离方法。
它的特点是:有两相，一是固定相，一是流动相(携带试样混合物的气体或液体)，两相作相对运动
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。

3.6.2.4.2 色谱的分类

3.6.2.4.3 仪器组成

检测器：
• 通用检测器:对很多物质都反应灵敏
• 专用检测器:仅对某一类物质具有很高的灵敏度
• 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
• 灵敏度比热导式高1000倍;
• 仅对有机碳氢化合物有响应;
• 碳原子数量灵敏度;
• 对所有惰性气体及CO、CO2、SO2等气体无响应;
• 灵敏度高、测量范围宽、反应快，科研、石油、化工应用↑
• 电子俘获式检测器

火焰离子化检测器：(FID)

电子俘获检测器：

3.6.2.4.4 色谱图

分辨力：反映两组分分离情况好坏的指标，在色谱图上则体现了两个色谱峰的重叠程度

3.6.2.4.5 定性分析

lost：加纯物质方法

3.6.2.4.5 定量分析

定性分析(是什么)+百分含量(有多少)

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：

②面积归一化法：

③外标法

④内标法：

计算机的应用：

3.6.3 气体成分分析仪表的使用

温度、压力、液位、流量检测仪表：
• 可直接安装到被对象中
• 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:去除水气
• 热导检测CO2：去除H2，SO2等。
• 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

4 现代检测技术

4.1 软测量技术

4.1.1 什么是软测量

传统检测仪表或系统：原理——元件——仪表/传感器——测量系统
特点:单一参数 静态/稳态硬件实现

沿用传统的检测仪表发展思路，通过研制新型的测量仪表以硬件形式实现测量。
采用间接测量的思路，利用易于获取的其它测量信息通过计算来实现待测量的估计：软测量(Soft-sensing)技术是其中代表。

发展历程：间接测量技术→推断控制→McAvoy T J论文

4.1.2 软测量技术特点

软测量技术：也称为软仪表(Soft sensor)技术。利用易测的变量(常称为辅助变量或二次变量)，依据这些易测变量与难以直接测量的待测变量(常称为主导变量)之间的数学关系(称为软测量模型)，通过各种数学计算和估计方法，利用计算机软件实现对待测变量的测量。
• 能够检测目前无法或难以用传感器直接检测的重要的过程参数。
• 打破了传统单输入、单输出的仪表格局。
• 可实现软测量与控制的结合，提高控制性能。
• 系统故障诊断、状态识别。
• 粗大误差处理、数据校正。
• 能够在线获取被测对象微观的二维/三维时空分布信息，以满足许多复杂工业过程中场参数测量的需要。
优势：易于实现、具有通用性、灵活性、成本低

4.1.3 如何构建软测量仪表或系统

软测量实现步骤：
• 机理分析、选择辅助变量
• 数据采集和预处理
• 建立软测量模型
• 设计校正模块
• 在计算机或装置上实现软测量
• 软测量模型评价

影响因素：
• 辅助变量的选择选择
变量的数目、类型、测点位置
• 测量数据的处理
测量误差的处理、测量数据的变换
• 软测量模型的建模
机理建模方法、实验建模方法
• 软仪表的校正
软测量模型结构优化、模型参数修正

软测量模型：
机理建模方法：工艺机理分析。
实验建模方法：回归分析、状态估计、模式识别、人工神经网络、模糊数学、过程层析成像、相关分析和现代非线性信息处理技术等等。

4.2 机器视觉系统及其图像处理技术

4.2.1 计算机视觉系统的构成

光源、镜头、图像传感器、图像采集与传输单元、图像储存设备、计算机主机、以及图像显示和输出设备

4.2.1.1 光源

光源属于辅助成像设备，但光源的设计及其照明技术对成像质量的好坏往往起到至关重要的作用。

• 自然光源:太阳光源，随季节、日期、时间以及气候变化，光源的强度和照射角度都不相同。
• 人造光源:根据发光原理可以分为卤素灯、荧光灯、氙灯、LED灯、激光光源。

LED灯颜色丰富、发光效率高、响应速度快、体积小、发热小、功耗低、发光稳定、寿命长、易于组成不同形状的光源，是重要的光源发展趋势。

光源选择：
• 设计合理的光源照明系统，可以使图像中的目标与背景得到最佳分离，从而大大降低图像处理算法的难度，提高系统的精度，增强系统的可靠性。
• 光源设计时不仅要考虑光源本身的参数，还需要考虑环境因素和被测物的光学属性。
• 光源系统的设计需要考虑的主要参数包括:光源的种类、方向、光谱特征、偏振性、强度、均匀性等。
• 选择光源时，还应该考虑如下系统特性:对比度、亮度、鲁棒性、物体表面、控制反射、表面纹理、表面形状、光源的均匀性等。

正向照明：
①镜面:光线直接反射进入镜头;
②离轴照明:光源在镜头轴线侧面、避开了镜面反射;
③半漫射照明:光照较均匀，如环形光;
④漫射照明:光线来自所有方向，镜面反射最少;
⑤黑场:光线与镜头视线方向垂直。

背光照明：
①漫射式:光源+平板，背面照射;
②凝聚式:使用镜头将光线集中于一个方向;
③黑场:适用于检测透明物体中的裂痕、气泡等。

不同光源与照明技术举例：
1、高角度亮场与低角度暗场
高角度：光照强、较均匀
低角度：光滑表面的文字、伤痕等纹理检测
2、从边上的黑场照明：最适合凹凸不平表面及表面缺陷，缺点是阴影太大。
3、用明视野和暗视野照明对比
4、用碗状照明消除晕眩光
5、用透射光检查物体的有无
6、光源的颜色差异
7、红外线照明
8、紫外线照明
9、偏振光照明

4.2.1.2 镜头

镜头种类：
• 根据焦距:定焦镜头(鱼眼、广角、标准和长焦)和变焦镜头。
• 根据光圈:手动光圈和自动光圈。
• 根据接口:C接口(17.5mm)、CS接口(12.5mm)、F接口、V接口、T2接口、徕卡接口、M42接口和M50接口等。

镜头的选择:四个因素
• 检测物体的类别和特性;
• 景深或焦距;
• 检测距离;
• 运行环境。

工作波长、变焦镜头工作距离和焦距、像面大小和成像质量、光圈和接口一成本和技术成熟程度。

4.2.1.2.1 摄像机光学基础

小孔成像

透镜成像

透视投影

4.2.1.2.2 坐标系

像素坐标

环境坐标系

内参矩阵和外参矩阵

投影矩阵

4.2.1.2.3 摄像机标定

摄像机标定的目的在于为世界坐标系的三维物点和图像坐标系的二维像点之间建立一种映射关系，即，根据已知特征点的图像坐标和世界坐标来求解摄像机的参数。

透视摄像机标定：直接线性标定法和张正友标定法

(1)直接线性标定法

(2)张正友标定法

视差与立体视觉

坐标变换

对应点搜索

4.2.1.3 图像传感器

4.2.1.3.1 CCD图像传感器

Charge Coupled Device,电荷耦合元件；一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。
基本工作原理：信号电荷的产生、信号电荷的存贮、信号电荷的传输、信号电荷的检测

(a)电荷的生成

(b)电荷的存储

(c)电荷的转移

(d)电荷的检测

4.2.1.3.2 CMOS图像传感器

互补金属氧化物半导体；
• 中间的金属电极称为栅极G
• N+型掺杂浓度高的一端称为源极S
• N型掺杂浓度稍低的一端称为漏极D
• 只在源极S与漏极D之间施加电压UDS不会产生电流。
• 当栅极G上施加电压UG，空穴将被排斥走，半导体表面聚集电子，形成N沟道。
• 源、漏极之间的电压Us就会使二者之间有电流通过通过控制栅极电压，就可以有效控制源、漏极之间电流

(1)伏安特性和开关特性

(2)CMOS像素结构

有源像素：

(3)CMOS图像传感器结构

(4)CMOS像素扫描方式

4.2.1.3.3 CCD与CMOS比较

输出信号不同
读出方式不同：CMOS每个像元可以被单独选择读出
像元结构不同：CMOS每个像元都有自己的缓冲放大器，电荷生产、电荷收集、电荷转移、电荷测量四个过程在一个像元内完成
填充因子不同：CMOS填充因子较低

4.2.1.3.4 彩色图像传感器

CCD和CMOS本质上都是单色传感器：
三芯片彩色摄像机、单芯片彩色摄像机

在CCD或者CMOS上加装滤光片：
Bayer滤波器

互补色滤波器

4.2.1.3.5 特性参数

①填充因子

②量子效率

③光谱响应

④分辨率、动态范围、信噪比

⑤尺寸

4.2.1.4 其它设备

图像采集卡:接收来自视频输入端的模拟信号，对该信号进行采集、量化成数字信号，然后压缩编码成数字视频;
数字式摄像机是将数字化转换功能集成在摄像机内，直接输出数字图像信号
图像传输单元:模拟传输(串口标准)和数字传输(IEEE1394、无线传输(WLAN、5G)、USB、Camera Link)
图像存储设备:图像采集卡帧缓存;计算机内存;硬盘、光盘、磁带存储器;闪存计算机主机:PC机、微处理器、工作站(图形处理器GPU)
显示和输出设备:电势监视器、计算机显示器、打印机、传真机

4.2.2 数字图像处理技术

4.2.3 过程层析成像

层析成像(Tomography)：
计算机层析成像(CT)
计算机辅助层析成像(CAT)
是指在不损伤研究对象内部结构的条件下，利用某种探测源，根据从对象外部设备所获得的投影数据，运用一定的数学模型和重建技术，使用计算机生成对象内部的二维/三维图像，重现对象内部特征。

层析成像不同于从”图像到图像”的常规计算机图像处理技术，而是由投影数据重建反映对象内部特征的图像，是一类特殊的图像处理技术，常称为”图像重建”。

过程层析成像PT：常称为流动成像(Flow Imaging)技术，是20世纪80年代中后期开始正式形成和发展起来的，以CT技术为基础的，一种以两相流或多相流为主要对象的过程参数二维或三维分布状况的在线实时检测技术。

PT成像结构

应用：
多相流检测:在不破坏或干扰多相流流体流动的情况下提供有关多相流体流经管道或装置各相组分局部的微观的分布信息，为从根本上解决多相流体各相分布等因素对多相流参数测量的影响问题提供了一条途径，使多相流系统各参数的准确测量成为可能。
①提供各相组分分布直观的实时图像，可用于流型的辨识;
②通过对图像的处理和分析，可得到各相组分的局部浓度分布，进一步处理可得到各分相的浓度;
③与相关流速测量技术等相结合，可实现多相流体总质量流量、分相质量流量以及流体在管截面上流速分布的实时测量;
④为多相流工业设备和装置的机理研究、模型研究、优化设计和改进提供方便的手段;随着在线、实时二维/三维成像的实现，PT技术还
⑤应用于两相流/多相流流体复杂生产过程的监控。

三维成像

4.3 多传感器数据融合技术

信息融合定义：
信息融合是一种多层次、多方面的处理过程，包括对多源数据进行自动化的检测、互联、相关、估计和组合处理(automaticdetection, association, correlation, estimation, andcombination)，从而提高状态和身份估计的精度，以及对战场态势和威胁的重要程度进行有效的评价。
利用计算机技术对按时序获得的若干传感器的观测信息在一定准则下加以自动分析，优化综合以完成所需的决策和估计任务而进行的信息处理过程。
信息融合是组合多源数据或信息，对实体状态进行估计和预报的过程

按模型可分为：1)功能模型 2)结构模型 3)算法模型

1）功能模型

2）结构模型

3）算法模型

信息融合算法：

应用：

局限性：

问题：

主要研究内容：

5 复习课自用