第一篇：《現(xiàn)代檢測技術(shù)及儀表》孫傳友高教出版社電子教案第11章

第11章 成分與含量的電測法

11.1 水分和濕度電測法

11.1.1水分和濕度的定義及表示方法

一、氣體的濕度

1、絕對濕度

在一定濕度及壓力條件下，每單位體積混合氣體中所含的水蒸氣量，其單位為g/m3。

2、相對濕度

單位體積混合氣體中所含的水蒸氣量與同溫度下飽和水蒸氣量的比值的百分?jǐn)?shù)，一般用 符號%RH表示。

3、露(霜)點溫度

當(dāng)空氣的溫度下降到某一溫度時, 空氣中的水蒸汽就凝結(jié)成露珠（或凝結(jié)成霜），這一 特定溫度稱為空氣的露點溫度（或霜點溫度）。已測知空氣的露點為Ta，待測空氣所處溫度為Tw，通過查表求得溫度為Ta和Tw時水的飽和水蒸汽壓，二者之比即為待測空氣的相對濕度。

二、固體的濕度 固體的濕度也稱為含水量(或稱水分)，通常以物質(zhì)中所含水分質(zhì)量(或重量)與總質(zhì)量(或總重量)之比的百分?jǐn)?shù)來表示。

11.1.2固體水分電測法

一、紅外式

用易被水吸收和不被水吸收的兩種波長的紅外輻射輪流交替地透過被測固體，取其透過被測固體的輻射強度之比值來測定被測固體的水分。

二、電阻式 圖11-1-1 利用固體物質(zhì)的電阻值隨含水量的不同而不同的特性，可以測量其濕度。

三、電容式圖11-1-2 根據(jù)物料介電常數(shù)與水分的關(guān)系，通過測量以物料為電介質(zhì)的電容器的電容值即可確定物料的水分。

11.1.3氣體濕度電測法

一、測溫式——干濕球濕度計

圖11-1-3 原理：根據(jù)所測得干球溫度T1和濕球溫度T2之差，確定空氣的相對濕度。

1、傳統(tǒng)方法――用水銀溫度計測量干濕球溫度，查相應(yīng)的表，確定氣體的濕度。

2、用兩個熱電偶或兩個熱電阻測量干濕球溫度差

圖10-2-10圖10-2-11

3、“電子干濕式”濕度傳感器

圖11-1-4

二、電阻式

通過測量濕敏電阻受濕度影響后的阻值即可測得相應(yīng)的濕度。(詳見4.1.5節(jié))

三、電容式

高分子濕敏電容的電容值與氣體中相對濕度之間成線性關(guān)系。

四、石英振動式

在石英晶片的表面涂敷高分子膜，當(dāng)膜吸濕時，石英晶片振蕩頻率發(fā)生變化，不同的頻率就代表不同程度的濕度。

五、多孔Al2O3濕度傳感器

Al2O3濕敏傳感器可等效為電容Cp與電阻Rp的并聯(lián)。隨著相對濕度增大，Cp也增大，但Rp卻減小。通過測定Cp、Rp可測定環(huán)境的濕度。

11.2密度和濃度電測法

11.2.1 密度電測法

一、固體密度的測量(一)經(jīng)典法 ?＝mm?m????

(???h)(二)射線法

I?I0exp?

二、流體密度的測量(一)振筒式 6.3.2節(jié)

(二)鏈條平衡式 圖11-2-1 當(dāng)液體密度增加時，浮力增大，浮子上升。測量浮子位置可測出液體密度。

（三）差壓法

在被測液體液面下方的容器壁上，設(shè)置兩個垂直距離為定值H的取壓孔，用差壓傳感器測出這兩個取壓孔的差壓?P，即可測出液體的密度? ???PgH

11.2.2 濃度電測法

若總體積為V的溶液中溶質(zhì)B的質(zhì)量為m(B),則溶質(zhì)B的質(zhì)量濃度表示為：

?(B)?m(B)V

一、電導(dǎo)式

測量低濃度區(qū)域和高濃度區(qū)域(不能測量中間一段濃度)溶液的電導(dǎo)率，可以得知對應(yīng)的溶液濃度C。

１、電導(dǎo)池

測量溶液電導(dǎo)的線路圖11-2-2

2、電磁感應(yīng)式

圖11-2-3 用被測溶液構(gòu)成一個短路線圈，將兩個變壓器T1和T2耦合起來。T1為激勵變壓器，其初級通以交流電壓時，通過對i2的測量可以得到溶液的電導(dǎo)，從而得出相應(yīng)的濃度。

二、光電式

1、用光電折光儀測量溶液的折射率可間接測量溶液的濃度。

2、利用光電自動旋光計測量溶液的旋光度，可求得溶液的濃度。

三、石英晶體微量天平

待測氣體樣品與壓電振子的表面涂層相接觸時，氣體濃度越高，被吸收到涂層內(nèi)的氣體分子越多，因此壓電振子的振動頻率的變化當(dāng)與待測的氣體濃度成正比。

11.3氣體分析與檢測

11.3.1氣體分析

一、熱導(dǎo)式氣體分析儀

1、原理：設(shè)導(dǎo)熱系數(shù)為λ1和λ2的兩種氣體混合，λ1和λ的導(dǎo)熱系數(shù)λc，則可求得兩種氣體的百分?jǐn)?shù)含量α1和α2：

?1??c??2?1??2

2已知，若測得該混合氣體

?2?1??1

2、熱導(dǎo)池

圖11-3-1(a)――將混合氣體導(dǎo)熱系數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為熱電阻阻值變化的部件。

3、熱導(dǎo)式氣體分析儀

圖11-3-1(b)分析室Rk1和Rk2為參考室，室內(nèi)充入潔凈的空氣，分析室Rx1和Rx2充入被分析的混合氣體，四個分析室組成橋路。電橋輸出是混合氣體組分的函數(shù)。

二、磁式氧量分析儀

1、原理：是基于對氧的順磁性的測量。

混合氣體的體積磁化率

k?Ck1?(1?C)k2

式中：k1為氧氣的體積磁化率；

k2為混合氣體中除氧外，各成分氣體的體積磁化率平均值； C為氧氣含量

結(jié)論：根據(jù)混合氣體體積磁化率的大小，就可以確定氧氣含量C。

2、熱磁式對流檢測器

圖11-3-2 被分析的氣體含氧量越高，磁風(fēng)就越強，兩熱絲元件的溫差越大，相應(yīng)阻值變化就越大。電橋輸出電壓可以用來表示被分析氣體中所含氧氣的濃度。

三、光學(xué)吸收式氣體分析儀

(一)工作原理

當(dāng)物質(zhì)吸收特征波長的光輻射時，透射光能量與入射光能量之間關(guān)系為：

W?W010?abc

式中 W為透射光能量，W0為入射光能量；a為吸收率；b為光程長度；c為試樣中吸光物質(zhì)的濃度。若a、b為已知數(shù)值，則通過測量透射光與入射光能量的比值，就可以確定吸光物質(zhì)的濃度。

(二)CO2紅外線氣體分析儀 圖11-3-3 測量時，被測氣體通過樣品室，參比室充滿沒有CO2的大氣。經(jīng)過標(biāo)定，就可以從輸出信號的大小確定CO2的含量。

（三）光電比色計 圖11-3-4 左半部分為參比介質(zhì)光路。比色皿盛放的是不含被測成分的某種液體(或氣體)，對光束波長沒有吸收作用，右半部分為被測介質(zhì)的測量光路，比色皿中盛放的是被測樣品，對光束波長有一定的吸收作用.。

兩路光學(xué)系統(tǒng)檢測元件的輸出就不一樣，通過比較放大后顯示出被測介質(zhì)的含量。

11.3.2 實用氣體檢測器

一、有害氣體檢測與排氣控制電路 圖11-3-5 當(dāng)HQ—1氣敏元件檢測到有害氣體濃度超過安全值時，電路發(fā)出報警，同時開啟排氣扇。

二、防止酒后開車控制器

圖11-3-6 若司機酗酒，氣敏器件的阻值急劇下降，繼電器線圈通電，其常開觸頭閉合，發(fā)光二 極管導(dǎo)通，發(fā)紅光，以示警告，同時繼電器常閉觸點斷開，使司機無法起動發(fā)動機。

三、實用瓦斯報警器 圖11-3-7 當(dāng)周圍空氣中有瓦斯氣體時，氣敏元件的電阻迅速減小，555集成電路4腳變?yōu)楦唠娖?，振蕩器電路起振，揚聲器發(fā)出報警聲，提醒人們采取相應(yīng)的措施，以防事故的發(fā)生。

第二篇：《現(xiàn)代檢測技術(shù)及儀表》孫傳友高教出版社電子教案第2章

第２章 檢測系統(tǒng)的基本特性

2.1 檢測系統(tǒng)的靜態(tài)特性及指標(biāo) 2.1.1檢測系統(tǒng)的靜態(tài)特性

一、靜態(tài)測量和靜態(tài)特性 靜態(tài)測量：測量過程中被測量保持恒定不變（即dx/dt=0系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)）時的測量。靜態(tài)特性（標(biāo)度特性）：在靜態(tài)測量中，檢測系統(tǒng)的輸出－輸入特性。

y?a0?a1x?a2x?a3x???anx

23n例如：理想的線性檢測系統(tǒng)： y?a1x 如圖2-1-1(a)所示

帶有零位值的線性檢測系統(tǒng)：y?a0?a1x

如圖2-1-1(b)所示

二、靜態(tài)特性的校準(zhǔn)（標(biāo)定）條件――靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件。

2.1.2檢測系統(tǒng)的靜態(tài)性能指標(biāo)

一、測量范圍和量程

1、測量范圍：（xmin，xmax）

xmin――檢測系統(tǒng)所能測量到的最小被測輸入量（下限）xmax――檢測系統(tǒng)所能測量到的最大被測輸入量（上限）。

2、量程：

L?xmax?xmin

二、靈敏度S

S?lim(?x?0?y?x)?dydx

串接系統(tǒng)的總靈敏度為各組成環(huán)節(jié)靈敏度的連乘積

S?S1S2S3

三、分辨力與分辨率

1、分辨力：能引起輸出量發(fā)生變化時輸入量的最小變化量?xmin。

2、分辨率：全量程中最大的?xmin即?xmin

四、精度（見第三章）

五、線性度eL

eL???LmaxyF.S.?100%

max與滿量程L之比的百分?jǐn)?shù)。

?Lmax――檢測系統(tǒng)實際測得的輸出－輸入特性曲線（稱為標(biāo)定曲線）與其擬合直線之間的最大偏差

yF.S.――滿量程（F.S.）輸出

注意：線性度和直線擬合方法有關(guān)。

最常用的求解擬合直線的方法：端點法

最小二乘法

圖2-1-3線性度

a.端基線性度；b.最小二乘線性度

四、遲滯eH

eH??HmaxyF.S.?100%

回程誤差――檢測系統(tǒng)的輸入量由小增大（正行程），繼而自大減小（反行程）的測試過程中，對應(yīng)于同一輸入量，輸出量的差值。

ΔHmax――輸出值在正反行程的最大差值即回程誤差最大值。

遲滯特性

五、穩(wěn)定性與漂移

穩(wěn)定性：在一定工作條件下，保持輸入信號不變時，輸出信號隨時間或溫度的變化而出現(xiàn)緩慢變化的程度。時漂：

在輸入信號不變的情況下，檢測系統(tǒng)的輸出隨著時間變化的現(xiàn)象。溫漂：

隨著環(huán)境溫度變化的現(xiàn)象（通常包括零位溫漂、靈敏度溫漂）。

2.2 檢測系統(tǒng)的動態(tài)特性及指標(biāo)

動態(tài)測量：測量過程中被測量隨時間變化時的測量。動態(tài)特性――檢測系統(tǒng)動態(tài)測量時的輸出－輸入特性。常用實驗的方法：

頻率響應(yīng)分析法――以正弦信號作為系統(tǒng)的輸入； 瞬態(tài)響應(yīng)分析法――以階躍信號作為系統(tǒng)的輸入。2.2.1 檢測系統(tǒng)的傳遞函數(shù)

線性系統(tǒng)的微分方程（數(shù)學(xué)模型表達(dá)式）andydtnn?an?1dn?1ydtn?1???a1dydt?a0y?bmdxdtmm?bm?1dm?1xdtm?1???b1dxdt?b0x

線性系統(tǒng)的傳遞函數(shù)

H(s)?Y(s)X(s)?bmsmn?bm?1sm?1n?1???b1s?b0???a1s?a0ans?an?1s

令s?j?可得到檢測系統(tǒng)的頻率特性H(j?)：

s?j?H(s)?H(j?)?K(?)?ej?(?)

一、零階系統(tǒng)

1、系統(tǒng)方程：

a0y?b0x或y?K0x

2、傳遞函數(shù)：

H(s)?K0

3、頻率特性：

H(j?)?K0

幅頻特性：

K(?)?K0 相頻特性：

?(?)?0

零階系統(tǒng)是一個與時間和頻率無關(guān)的系統(tǒng)，輸出量的幅值與輸入量的幅值成確定的比例關(guān)系，通常稱為比例系統(tǒng)或無慣性系統(tǒng)。

二、一階系統(tǒng) 微分方程：

a1dydt?a0y?b0x或?K01???sdydt?y?K0x

傳遞函數(shù)： H(s)?

頻率特性： H(j?)?K01?j??（圖２－２－１）

幅頻特性 K(?)?K01?(??)2

相頻特性 ?(ω)=-arctan(ωτ)三、二階系統(tǒng)

1、微分方程：a2dydt22?a1dydt?a0y?b0x或

1?02?dydt22?2?dy?0dt?y?K0x

2、傳遞函數(shù)：H(s)?Y(s)X(s)?K0s22?0?2??s?1K0?02220s?2??0s??

?03、頻率特性：H(j?)?1?(K0??0)?j2?a(K02??0（圖2-2-2）)幅頻特性 K(?)???2?2?21?()?4?()???0??0???2?相頻特性 ?(?)?arctan????()?(0???0???? ?)??2

2.2.2 檢測系統(tǒng)的階躍響應(yīng)和時域動態(tài)性能指標(biāo)

一、檢測系統(tǒng)的階躍響應(yīng) 階躍輸入響應(yīng)y(t)：y(t)?L[

1、零階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)

y(t)?K0A(t?0)――幅值為K0A的階躍信號。

?1As?H(s)]

2、一階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)

y(t)?K0A(1?e?t?)

(t?0)

一階系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出為

t??y(t)?y(?)?K0A

一階系統(tǒng)在階躍輸入下的歸一化（即y(t)/K0A）階躍響應(yīng)曲線（圖2-2-3(a)）：

y(t)y(?)?y(t)K0A?1?e?t?

一階系統(tǒng)在階躍輸入下的相對動態(tài)誤差為

?(t)?y(t)?y(?)y(?)?100%??e?t??100%

一階系統(tǒng)在??0時即變成零階系統(tǒng)，零階系統(tǒng)在階躍輸入下的相對動態(tài)誤差?(t)?0。

3、二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)

（1）當(dāng)??0即無阻尼時，y(t)?K0A?1?cos(?0t)?

特點：輸出量y(t)圍繞穩(wěn)態(tài)值K0A作等幅振蕩，振蕩頻率是系統(tǒng)的固有頻率?0。

?（2）當(dāng)0???1即欠阻尼時，y(t)?K0A?1???e???0t21???sin(?dt??)?

??

特點：輸出信號為衰減振蕩，其振蕩角頻率（阻尼振蕩角頻率）為?d，幅值按指數(shù)衰減。?越大，即阻尼越大，衰減越快。

（3）當(dāng)??1即過阻尼時，2?????1(???y(t)?K0A?1?e2?2??1?2??1)?0t???2??22?1e(?????1)?0t2?1?? ??特點：系統(tǒng)沒有振蕩，是非周期性過渡過程。

??t?

（4）當(dāng)??1即臨界阻尼時，階躍響應(yīng)為：y(t)?K0A?1?(1??t)e0??0特點：輸出量y(t)以指數(shù)規(guī)律逼近穩(wěn)態(tài)值，是欠阻尼狀態(tài)到過阻尼狀態(tài)的轉(zhuǎn)折點。

二、檢測系統(tǒng)的時域動態(tài)性能指標(biāo) 1、響應(yīng)時間ts

在工程上通常規(guī)定系統(tǒng)響應(yīng)的相對動誤差達(dá)到且不超過某一允許值?m，即?(t)??m所需最小時間稱為響應(yīng)時間記為ts。1）一階系統(tǒng)的響應(yīng)時間為

ts??ln(1)?3?

?m?5%?m2）欠阻尼的二階系統(tǒng)的相對動態(tài)誤差為

?(tn)?y(tn)?y(?)y(?)?y(tn)?K0AK0A??e???0tn

3）欠阻尼二階系統(tǒng)的響應(yīng)時間ts令?(tn)??m可得，lnts?tn?1?m?m?5%??0?3??0、峰值時間tp――輸出響應(yīng)達(dá)到第一個正峰值所需要的時間

tp???d?Td2

可見，峰值時間tp等于振蕩周期Td的一半。

3、超調(diào)量?――超調(diào)量指峰值時間對應(yīng)的相對動態(tài)誤差值，記為?：

???(tp)?y(tp)?y(?)y(?)?M1K0A?e???0tp?e???0???d???1??2?e

M1?y(tp)?y(?)?y(tp)?K0A稱為第一次過沖量或最大過沖量。

4、阻尼比系數(shù)?：

??1???1????ln??2?1???1???ln(MKA)10??2

5、二階系統(tǒng)的固有角頻率?0：

?0?

2?Td1??2??tp1??2

2.2.3 檢測系統(tǒng)的正弦響應(yīng)和頻域動態(tài)性能指標(biāo)

一、線性檢測系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)正弦響應(yīng)

若系統(tǒng)輸入正弦信號：

X(t)?Xmsin?t 則穩(wěn)態(tài)輸出為同頻率正弦信號：y(t)?ymsin(?t??)

二者的幅值之比取決于該系統(tǒng)的幅頻特性K(?)在?處的值：

ymXm?K(?)

二者的相位差?取決于該系統(tǒng)的相頻特性?(?)在?處的值

???(?)

因此，改變輸入正弦信號的頻率?觀察穩(wěn)態(tài)輸出響應(yīng)的幅值變化和相位滯后，就可求得系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性。

1、零階系統(tǒng)：

K(?)?K0，?(?)?0，2、一階系統(tǒng)和二階系統(tǒng)：

在直流激勵即??0時，才有K(?)?K(0)?K0，?(?)??(0)?0。在正弦激勵即??0時，K(?)?K(0),K(?)?K0，頻域動態(tài)相對誤差定義為：

?(?)?K(?)?K(0)K(0)?K(?)?K(0)K0?K(?)K0?1

一階系統(tǒng)的頻域動態(tài)相對誤差為： ?(?)?11?(??)2 ?11二階系統(tǒng)的頻域動態(tài)相對誤差為： ?(?)???2?2?1?()?4?()????00??2?1

2二、檢測系統(tǒng)的頻域動態(tài)性能指標(biāo)

1、帶寬頻率?B

定義――幅頻特性K(?)的值下降到頻率為零時的幅頻特性值K(0)?K0的12時所對應(yīng)的頻率，即

K(?B)?K02

1）一階系統(tǒng)的帶寬頻率

?B?1? 2）二階系統(tǒng)的帶寬頻率

?B??0（當(dāng)??12時）

2、工作頻帶?g

定義――頻域動態(tài)相對誤差小于所規(guī)定的允許值?所對應(yīng)的頻率范圍。即

?(?g)??

一階系統(tǒng)的工作頻帶?g為

?g?11?1 ??1???

23、二階系統(tǒng)諧振頻率?r

定義――幅值特性曲線出現(xiàn)峰值即

12dk(?)d??0時的頻率。

只有在0???時，幅頻特性才出現(xiàn)峰值，峰值（諧振）頻率?r為：

?r??01?2?2 該峰值為

K??r??K02?1??2

2.2無失真檢測條件

輸出波形與輸入波形完全相似，只是瞬時值放大了K0倍，時間滯后了τ，即

y(t)?K0x(t??)

一、非線性失真（諧波失真）

給系統(tǒng)輸入單一正弦波時，若系統(tǒng)為線性的，則輸出仍然是一個正弦波，而且頻率也相同。若系統(tǒng)存在非線性，則輸出將包括多個不同頻率的正弦波。

這種由于系統(tǒng)的非線性造成的失真，稱為“非線性失真”或“諧波失真”。通常用諧波失真系數(shù)來衡量系統(tǒng)產(chǎn)生非線性失真的程度。

D?A2?A3??A?A?A??21222322

系統(tǒng)的諧波失真系數(shù)越小，則輸出信號的保真度越高。

諧波失真系數(shù)與輸入幅度之間存在如圖2-2-5所示的關(guān)系。

二、線性系統(tǒng)不失真條件

?j??X(j?)

y(t)?K0x(t??)即Y(j?)?K0e故系統(tǒng)的頻率響應(yīng)H(jω)應(yīng)滿足

H(j?)?Y(j?)X(j?)?K0e?j??

1、K（ω）=｜H(jω)｜=K0即幅頻特性應(yīng)當(dāng)是水平直線，否則產(chǎn)生“幅度失真”

2、Φ（ω）=-ωτ即相頻特性是過原點的負(fù)斜率直線，否則產(chǎn)生“相位失真”

實際的檢測系統(tǒng)，很難在無限頻帶寬度上同時滿足這兩個條件，因此只能根據(jù)實 際需要優(yōu)先保證在被測信號所占的頻段上滿足其中的一個條件（一般情況下多優(yōu)先保證不產(chǎn)生或減小幅度失真）就可以了。