第10章非電量的測量10.1距離與位移的測量10.2速度、轉速與加速度測量10.3溫、濕度測量10.4壓力測量10.5流量測量

一個完整的非電量測量系統一般包括信息的獲取、轉換、顯示處理等幾個部分,其組成如圖10.1所示。圖10.1非電量電測系統的組成

非電量檢測的方法依據傳感器轉換原理的不同而有不同的分類。歸納起來,主要劃分為以下幾類:

(1)電磁檢測:包括電阻式、電感式、電容式、磁電式、熱電式、壓電式、諧振式等。

(2)光學檢測:包括光電式、激光式、紅外式、光柵式、光纖維式、光學編碼器等。

(3)超聲波檢測。

(4)同位素檢測。

(5)微波檢測。

(6)電化學檢測。

10.1距離與位移的測量

距離是指(兩物體)在空間或時間上相隔的長度。位移測量是線位移和角位移測量的統稱,實際上就是長度或距離以及角度的測量。

10.1.1距離與位移的測量方法

位移是矢量,它表示物體上某一點在一定方向上的位置變化。對位移的度量,應使測量方向與位移方向重合,這樣才能真實地測量出位移量的大小。位移測量的方法多種多樣,常用的方法有以下幾種:

(1)積分法:測量運動體的速度或加速度,經過積分或二次積分求得運動體的位移。

(2)相關測距法:利用相關函數的時延性質,向某被測物發射信號,將發射信號與經被測物反射的返回信號做相關處理,求得時延τ,若發射信號的速度已知,則可求得發射點與被測物之間的距離。

(3)回波法:從測量起始點到被測面是一種介質,被測面以后是另一種介質,利用介質分界面對波的反射原理測位移。

(4)線位移和角位移相互轉換測量法:被測量是線位移,若檢測角位移更方便,則可用間接方法,先測角位移再換算成線位移。同樣,被測量是角位移時,也可先測線位移再進行轉換。

(5)位移傳感器法:通過位移傳感器,將被測位移量的變化轉換成電量(電壓、電流、阻抗等)、流量、光通量、磁通量等的變化,間接測位移。根據傳感器的轉換結果,可分為兩類:一類是將位移量轉換為模擬量,如電感式位移傳感器、電容式位移傳感器;另一類是將位移量轉換為數字量,如光柵位移傳感器等。

10.1.2常見的位移傳感器

表10.1給出了常見位移傳感器的主要特點和性能。

10.1.3超聲波測距儀簡介

超聲波測距是一種非接觸式的測量方式。超聲波的指向性強,能量消耗緩慢,在介質中傳播的距離較遠。與電磁或光學方法相比,超聲波測距技術不受光線、被測對象顏色等的影響,具有在黑暗、灰塵、電磁干擾等惡劣環境下正常工作的能力,因此在液位、機械控制、導航、物體識別等方面有著廣泛應用。

1.超聲波測距原理

超聲波是指振動頻率大于20kHz的機械波。通過超聲波發射裝置發出超聲波,根據接收器接到超聲波時的收發時間差就可以知道超聲波發射端到被測物之間的距離,這與雷達測距原理相似。超聲波測距的原理如圖10.2所示。

圖10.2超聲波測距原理

已知聲速為v,若能測出第一個回波到達時刻與發射時刻間的時間差Δt,利用公式

即可算得傳感器與反射點間的距離s,測量距離為

當超聲波發射器與接收器距離很近,即s?h時,則d≈s。當收發傳感器同體時,h=0,則

常溫常壓下,空氣近似為理想氣體。超聲波在理想氣體中的傳播速度為

超聲波測距的誤差為

2.超聲波測距儀結構

超聲波測距儀由超聲波發射傳感器、發射驅動電路、超聲波接收傳感器、接收處理電路、回波信號處理電路和單片機控制電路等部分組成,系統框圖如圖10.3所示。

圖10.3超聲波測距系統框圖

10.1.4激光雷達

基于回波法的測量原理,超聲波可用于距離測量。基于同樣的原理,無線電波(以毫米波為主)、激光也被廣泛應用于雷達探測中,實現對目標距離、方位、高度、速度、姿態、形狀等參數的測量,其測量距離更遠、分辨率和精度更高。

激光雷達采用了頻率更高、波束很窄的激光束作發射信號源,因此帶來了很多優點,主要有:

(1)分辨率高。

(2)隱蔽性好、抗有源干擾能力強。

(3)低空探測性能好。

(4)探測進度快、可同時跟蹤多個目標。

(5)體積小、質量輕。

激光雷達也存在著一定的不足,主要是工作時受天氣和大氣影響較大。

10.2速度、轉速與加速度測量

速度檢測分為線速度檢測和角速度檢測。線速度的單位為m/s;角速度檢測又分為轉速檢測和角速率檢測。轉速的單位常用r/min,而角速率的單位常用°/s或°/h。位移、速度和加速度之間存在內在聯系,因此物體的瞬時速度也可以通過位移的微分或加速度的積分方法獲得。物體運動可分為勻速運動和非勻速運動。非勻速運動的運動規律通常比較復雜,進行速度檢測時只能測定其在某段時間內的平均速度。

10.2.1常用的速度測量方法

(1)加速度積分法和位移微分法:對運動體的加速度信號進行積分運算,即可得到運動體的運動速度,或者對運動體的位移信號進行微分也可以得到其速度。

(2)線速度和角速率相互轉換測速法:與線位移和角位移在同一運動體上有固定關系一樣,線速度和角速率在同一個運動體上也有固定關系,可采取互換的方法測量。

(3)速度傳感器法:利用各種速度傳感器,將速度信號轉換為電信號、光信號等易測信號進行測量。速度傳感器法是最常用的一種方法。

(4)時間、位移計算測速法:這種方法是根據速度的定義測量速度,即通過測量距離和走過距離的時間,然后求得平均速度。測量時間越短,測得的平均速度越接近瞬時速度。根據這種測量原理,在固定的距離內利用數學方法和相應器件又延伸出很多測速方法,如相關法測量線速度,是利用隨機過程互相關函數的方法進行的,其原理如圖10.4所示。

圖10.4相關測速原理圖

10.2.2常用的速度測量裝置

1.離心式轉速計

離心式轉速計是利用旋轉質量的離心力與旋轉角度速度成比例的原理來測量被測轉軸的轉速,并用轉速單位連續指示在刻度盤上。

2.磁電式轉速傳感器

磁電式轉速傳感器是以磁電感應為基本原理來實現轉速測量的。

3.光電式轉速傳感器

光電式測速屬于計數式測量方法,傳感器可以采用霍爾元件,也可以采用各種光電傳感器。光電式轉速傳感器分為投射式和反射式兩類。

4.激光多普勒測速儀

當波源或接收波的觀測者相對于傳播質子運動時,觀測者所測得的波的頻率不僅取決于波源發出的振動頻率,還取決于波源相對于觀測者運動速度的大小和方向,這種現象稱

為光或聲的多普勒效應,無線電波也具有此特性。

圖10.5典型的光學多普勒測速系統

10.2.3數字三軸加速度傳感器應用

陀螺儀的基本功能是測量角位移和角速度,在航空、航海、航天、兵器以及其他一些領域中有著十分廣泛和重要的應用。

1.加速度傳感器ADXL345

ADXL345是ADI公司的一款三軸、數字輸出的加速度傳感器。ADXL345具有+/-2g、+/-4g、+/-8g、+/-16g可變的測量范圍,最高13bit分辨率,固定的4mg/LSB靈敏度,3mm×5mm×1mm超小封裝,40~145μA超低功耗,標準的I2C或SPI數字接口,32級FIFO存儲,以及內部多種運動狀態檢測和靈活的中斷方式等特性。ADXL345系統框圖與管腳定義如圖10.6所示。

圖10.6ADXL345系統框圖與管腳定義

2.ADXL345在跌倒檢測中的應用

ADXL345具有兩個可編程的中斷管腳INT1和INT2,以及Data_Ready、Single_Tap、Double_Tap、Activity、Inactivity、Free_Fall、Watermark和Overrun共計8個中斷

源。每個中斷源可以獨立地使能或禁用,還可以靈活地選擇是否映射到INT1或INT2中斷管腳。對跌倒檢測原理的研究主要是找到人體在跌倒過程中的加速度變化特征。

假設跌倒檢測器被固定在被測的人體上。圖10.7給出了人在不同運動過程中加速度的變化曲線,包括(a)步行上樓、(b)步行下樓、(c)坐下、(d)起立。

圖10.7人在不同運動過程中的加速度變化曲線

由于老年人的運動相對比較慢,因此在普通的步行過程中,加速度變化不會很大。最明顯的加速度變化就是在坐下動作中Y軸加速度(和加速度矢量和)上有一個超過3g的尖峰,這個尖峰是由于身體與椅子接觸而產生的。而跌倒過程中的加速度變化則完全不同。圖10.8給出的是人體意外跌倒過程中的加速度變化曲線。通過對圖10.7和圖10.8的比較,可以發現跌倒過程中的加速度變化有4個主要狀態特征(圖中用1~4表示),這可以作為跌倒檢測的準則。

圖10.8人跌倒過程中的加速度變化曲線

通過ADXL345的不同狀態的特征對比可形成整個的跌倒檢測算法,可以對跌倒狀態給出報警。ADXL345和微控制器之間的電路連接非常簡單,可工作于I2C或SPI模式下,如圖10.9所示。

圖10.9ADXL345和微控制器連接框圖

10.3溫、濕度測量

10.3.1常見溫、濕度傳感器1.熱電阻溫度傳感器導體的電阻值隨溫度的變化而變化,因此可以通過測量其阻值推算出被測物體的溫度,利用此原理構成的傳感器就是電阻溫度傳感器,主要用于-200~500℃范圍內的溫度測量。目前國內統一設計的工業用標準鉑電阻的阻值一般有100Ω和10Ω兩種。將電阻值Rt與溫度t的相應關系統一列成表格,該表稱為鉑電阻的分度表,如表10.2所示。

PT100鉑電阻橋式測溫典型應用電路如圖10.10所示。圖10.10鉑電阻橋式測溫典型應用電路

輸出端電壓為

2.熱電偶溫度傳感器

熱電偶是根據熱電效應測量溫度的傳感器,是溫度測量儀表中常用的測溫元件。兩種不同導體或半導體的組合稱為熱電偶。利用熱電偶的熱電勢與溫度差的相關特性可做成溫

度傳感器。各種熱電偶的外形通常極不相同,但是它們的基本結構大致相同,通常由熱電極、絕緣套保護管和接線盒等主要部分組成,常和顯示儀表、記錄儀表及電子調節器配套

使用。

3.熱敏電阻溫度傳感器

熱敏電阻是開發早、種類多、發展較成熟的溫度敏感器件。熱敏電阻由半導體陶瓷材料制成,其工作原理是溫度會引起半導體熱電阻變化。半導體熱電阻溫度系數要比金屬大

10~100倍以上,能檢測出10-6℃的溫度變化,而且電阻值可在0.1~100kΩ間任意選擇。熱敏電阻阻值隨溫度變化的曲線呈非線性,而且相同型號熱敏電阻的溫度特性曲線的線性度也不一樣,測溫范圍比較小。熱敏電阻有正溫度系數型(PTC)、負溫度系數型(NTC)和臨界溫度系數型(CTR)三種,它們的溫度特性曲線如圖10.11所示。

圖10.11各種熱敏電阻的溫度特性曲線

4.PN結溫度傳感器

在正向恒流供電條件下,PN結的正向電壓與溫度之間具有很好的線性關系。理想半導體PN結的正向電流和壓降存在如下近似關系:

則

只要通過PN結的正向電流保持恒定,PN結上的正向壓降UF與溫度T的線性關系就只受方向飽和電流的影響,而IS是溫度的緩變函數,可近似認為在一定溫度范圍內IS為近似常數,因此

式中:q為電子電荷;k為玻爾茲曼常數;T為絕對溫度;IS為反向飽和電流。

5.光纖傳感器

光纖傳感器的測溫方法有全輻射測溫法、單輻射測溫法、雙波長測溫法、多波長測溫法等。光纖傳感器測溫的特點是光纖撓性好,透光譜段寬,傳輸損耗低,無論是就地使用還是遠距離傳輸均十分方便,而且光纖直徑小,可以單根、成束或陣列方式使用,結構布置簡單;缺點是難以實現較高精度,工藝比較復雜,造價高。

6.紅外溫度傳感器

紅外溫度傳感器用于非接觸測溫時將被測對象發出的不可見紅外輻射轉換為電信號,供后續電路進行處理,是非接觸測溫裝置的核心單元。目前紅外溫度傳感器有光子型、熱釋電型、熱電堆型、熱敏電阻型、電荷耦合型、紅外電真空器件型、非制冷紅外焦平面探測器等類型。

1)熱電堆型紅外傳感器

熱電堆型傳感器是一種能把溫差轉換成電能的半導體器件,它由兩個或多個熱電偶串聯組成。當熱電堆的兩邊出現溫差時就會產生電勢,相互串聯的熱電偶輸出的熱電勢串聯

疊加,這樣在使用熱電堆測量溫度時,可以克服因單個熱電偶產生的電勢差太小而難以測量的缺點,從而避免使用昂貴的高精度運算放大器。

熱電堆結構示意圖如圖10.12所示,其輻射接收面分為若干塊,每塊接一個熱電偶,然后串聯起來形成熱電堆。

圖10.12熱電堆結構示意圖

2)非制冷紅外焦平面探測器

非制冷紅外焦平面探測器是一種工作在室溫附近、可將被測對象的入射紅外輻射轉換為視頻圖像信號的陣列傳感器,是非制冷紅外熱成像儀的核心。類似于數碼相機中的CCD/CMOS圖像傳感器,這種探測器的焦平面上排列著感光元件陣列,被測對象輻射的紅外線經過光學系統成像在系統焦平面的這些感光元件上,這些感光元件將其轉換為電信

號并進行積分放大、采樣與數據處理、緩沖輸出,形成被測對象表面溫度分布的視頻圖像。根據工作原理的不同,這種探測器可分為熱釋電型、熱電堆型、熱敏二極管型以及熱敏電阻型等類型。

7.濕敏電阻傳感器

濕敏電阻傳感器是利用濕敏元件的電氣特性(如電阻值)隨濕度的變化而變化的原理進行濕度測量的傳感器。濕敏元件一般是在絕緣物上浸漬吸濕性物質,或者通過蒸發、涂覆

等工藝制成一層金屬、半導體、高分子薄膜或粉末狀顆粒而形成的。在濕敏元件的吸濕和脫濕過程中,水分子分解出的H+離子的傳導狀態發生變化,從而使元件的電阻值隨濕度

而變化。

8.半導體陶瓷濕敏傳感器

半導體陶瓷濕敏傳感器通常是用兩種以上金屬氧化物半導體材料混合燒結而成的多孔陶瓷。電阻率隨濕度增加而下降的稱為負特性濕敏半導體陶瓷;電阻率隨濕度增加而增大

的稱為正特性濕敏半導體陶瓷。

表10.3給出了常見濕度測量方法的比較。

9.集成溫/濕度傳感器

集成溫度傳感器是將測溫器件與放大電路等集成在同一芯片上所構成的溫度傳感器。它利用晶體管的b－e結壓降的不飽和值UBE、熱力學溫度T和發射極電流I之間的確定

關系實現對溫度的檢測。

1)AD590單片集成兩端感溫電流源

AD590是美國模擬器件公司生產的單片集成兩端感溫電流源,它的主要特性如下:

(1)流過器件的電流(μA)等于器件所處環境的熱力學溫度(開爾文)度數,即

式中:Ir是流過器件(AD590)的電流,單位為μA;T是熱力學溫度,單位為K。

(2)AD590的測溫范圍為-55~+150℃。

(3)AD590的電源電壓范圍為4~30V。

(4)精度高。

AD590的封裝及基本應用電路如圖10.13所示。

圖10.13AD590的封裝及基本應用電路

2)DS18B20數字溫度傳感器

DS18B20具有以下特性:

(1)單線接口,只需一根線與單片機進行連接。

(2)不需要外部元件,可直接由數據線供電。

(3)支持多點組網,多個DS18B20可以并聯在相同的三線連接(+5V、地、數據線)上。

(4)通過編程可實現1/2,1/4,1/8,1/16的四級精度轉換。

(5)測量結果以9~12位數字量串行輸出。

(6)芯片本身帶有命令集和存儲器。

DS18B20的功能結構圖如圖10.14所示。

圖10.14DS18B20的功能結構圖

3)SHT1x/SHT7x系列集成溫、濕度傳感器

SHTxx系列集成溫、濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫、濕度復合傳感器,其內部組成框圖如圖10.15所示。圖10.15SHT1x/SHT7x內部組成框圖

SHT1x/SHT7x集成溫、濕度傳感器與微處理器連接的方式非常簡單,典型應用電路如圖10.16所示。圖10.16SHT1x/SHT7x典型應用電路

10.3.2非接觸式溫度測量

1.非接觸式溫度測量原理

在自然界中,一切溫度高于絕對零度(-273.15℃)的物體,其內部存在分子/原子熱運動,都會不斷地向四周輻射電磁波(也稱熱輻射、熱射線)。

由于被測對象、測量范圍和使用場合不同,因此紅外測溫裝置的外觀和內部結構不盡相同,但其基本結構大體相似。紅外測溫裝置的簡要原理框圖如圖10.17所示。

圖10.17紅外測溫裝置的簡要原理框圖

2.非接觸式溫度測量的特點

非接觸式溫度測量具有如下優點:

(1)不需要接觸到被測對象的內部或表面,因而可以對難以接觸到或運動著的對象進行溫度測量;可以對很小的被測物體進行測溫,避免接觸式測量時由于傳感器與被測物體間的熱傳導而造成的很大測量誤差。

(2)無須經過熱傳導達到傳感器與被測物體間的熱平衡,因而測量速度快,支持快速連續測量。

(3)測溫范圍廣,測量設備壽命長。可以測量3000℃的高溫被測對象,而不用擔心傳感器的耐高溫問題,特別適用于具有腐蝕性的化學物或敏感物的表面溫度測量。

(4)測量人員可與處于危險、傳染或污染區域的被測對象在空間上隔離,使用安全。

(5)可以同時對多個被測對象進行快速溫度測量,用圖表示出被測對象表面的溫度分布,與相應的算法配合,可以快速篩查異常情況,如車站、機場出入口的熱成像式紅外篩檢儀。

紅外測溫屬于非接觸式溫度測量,自然具有以上優點。

紅外測溫的測量精度與很多因素有關,如目標特性、儀器本身的特性、測量距離、環境溫度與清晰度等,測量中需避開水汽、煙塵環境,選擇合適的測量距離(視場),并采用

現場比對校準的方法來盡量消除上述因素對測量精度的影響。

3.紅外測溫裝置的分類

1)按產品形態分

按產品形態,紅外測溫裝置可分為便攜式和固定式。

2)按輸出信息形式分

按輸出信息的形式,紅外測溫裝置可分為點源型和成像型。點源型設備視被測對象為點輻射源,測量其表面的平均溫度,最終輸出結果是數字形式的被測對象的溫度值。

紅外熱成像技術具有以下特點:

(1)被動式非接觸檢測與識別,隱蔽性好,安全、有效。

(2)探測能力強,作用距離遠。

(3)能真正實現24小時全天候監測。

(4)可直觀地顯示物體表面的溫度場,不受樹木、草叢、偽裝物等遮擋物影響,不受強光影響地進行監測、識別,如圖10.18所示。

圖10.18紅外熱成像儀識別出隱藏于樹林中的人員

3)按工作方式分

按工作方式,紅外測溫裝置可分為掃描和非掃描型。僅進行溫度測量的點源型設備通常無須進行掃描,屬非掃描型;熱成像設備有掃描型和非掃描型之分。掃描型采用單個或

多個紅外探測器單元,通過對被測對象表面進行掃描來獲得其表面溫度分布的圖像。其按掃描方式具體又可分為光機掃描和電子掃描。掃描型熱成像設備的顯著不足是成像響應時

間長。非掃描型熱成像系統采用紅外焦平面陣列(IRFPA)探測器凝視成像。

4)按是否需要制冷分

按是否需要制冷,紅外測溫裝置可分為制冷型和非制冷型。制冷型是指設備內置制冷部件,通過該部件將紅外探測器元件冷卻至低溫或深低溫狀態。這樣做的目的主要有兩

點:一是通過制冷形成一個合適的低溫恒溫環境,以提高探測器件的靈敏度,增加探測距離,并保證需要在低溫下工作的電子器件或系統其功能正常;二是屏蔽或減小來自熱成像系統的濾光片、擋板及光學系統等帶來的內部熱噪聲干擾,提升對遠距離、微弱輻射探測的信噪比。

5)按測量波長分

按測量波長分,紅外測溫裝置可分為長波型和短波型。物體的溫度與其輻射的紅外線波長成反比,因而長波型設計用于對低溫對象的測量,短波型設計用于對高溫對象的測量。

10.4壓力測量

10.4.1壓力測量垂直作用于單位面積上的力,就是物理學上的壓強,在工程上常稱之為壓力。在國際單位制單位和我國法定計量單位中,壓力的單位是“帕斯卡”,簡稱“帕”,符號為“Pa”。1N(牛頓)的力垂直均勻作用于1m2的面積上所形成的壓力為1Pa。帕的單位值太小,通常采用的是kPa、MPa。由于參照點不同,在工程上壓力有幾種不同的表示方法,如絕對壓力、大氣壓力、表壓力(相對壓力)、真空度、壓差等,各種壓力間的關系如圖10.19所示。

圖10.19各種壓力間的關系

10.4.2常見壓力計

1.液柱式壓力計

液柱式壓力計是利用一定高度的液柱所產生的壓力平衡被測壓力,而用相應的液柱高度去顯示被測壓力的壓力計。這類壓力計結構簡單,顯示直觀,使用方便,精確度較高,價格便宜。

2.彈性式壓力計

彈性式壓力計是生產過程中使用最為廣泛的一類壓力計。它的結構簡單,使用操作方便,性能可靠,價格便宜,可以直接測量氣體、油、水、蒸汽等介質的壓力;其測量范圍很寬,可以從幾十帕到數吉帕;可以測量正壓、負壓和壓差,可分為機械彈性式壓力計和彈性式壓力變送器兩類。

10.4.3血壓測量及血壓計

血壓是指血管內的血液在單位面積上的側壓力,即壓強,習慣以毫米汞柱為單位。測量血壓的儀器稱為血壓計。血壓測量傳統上采用水銀柱式血壓計,目前絕大多數血壓監護儀和自動電子血壓計均采用示波法間接測量血壓。

示波法測量血壓的原理是:繞扎在手臂上的袖帶中的壓力由高到低的變化過程中,手臂肱動脈由阻斷到導通,使得袖帶中的壓力疊加上一系列壓力小脈沖。血壓計感應這些信號,經過一定的運算,求出人體肱動脈的收縮壓和舒張壓。

隨著科技水平的發展,血壓測量正在告別傳統的水銀血壓計,而采用電子血壓計。電子血壓計一般由袖帶、壓力采集系統、充放氣系統、微處理器、鍵盤顯示和電源幾大部分

組成,其原理框圖如圖10.20所示。

充放氣系統首先用電機(或手動)給袖帶加壓,到達一定壓力時阻斷動脈血流,然后在放氣過程中檢測袖帶內的氣體壓力振蕩波。放氣方式包括多閥連續放氣、階梯式放氣、線

性放氣等袖帶內充、放氣功能。由泵氣系統實現充、放氣時都要與壓力傳感器配合。當氣體壓力充到一定閾值時停止充氣;放氣動作則會在以下兩種狀態啟動:一種是在緊急情況下(如壓力過大等);另一種是測量結束時,放氣可將袖帶壓降至大氣壓。

圖10.20電子血壓計原理框圖

10.5流量測量10.5.1壓差流量計壓差流量計是根據安裝于管道中流量檢測件產生的壓差、已知的流體條件和檢測件與管道的幾何尺寸來測量流量的儀表。壓差流量計是歷史悠久、技術成熟、使用廣泛的一類流量計。當充滿管道的流體流經管道內的檢測件時,流速將在節流件處形成局部收縮,因而流速增加,靜壓