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检测技术及仪表 电信学院先进控制技术研究所 第3章 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后能直接显示被测量的大小或能输出易于被常规仪表或装置接收的信号的装置。 主要内容 检测仪表的构成和一般设计方法， 常见的信号变换形式 温度检测仪表 压力检测仪表 流量检测仪表 物位检测仪表 成分检测仪表 相关变送器和显示记录仪表 3.1 检测仪表的构成和信号变化方法 3.1.1 检测仪表的组成和结构形式 组成： 检测仪表的结构形式 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。 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。 例： 一体化检测仪表例 玻璃管温度计。其中玻璃温包中的水银用作敏感元件，水银受温度的升高体积膨胀，并沿毛细管向上，玻璃上的刻度即为显示装置，刻度上的读数代表水银所受温度的大小。 此外，弹簧管压力表、U形管压力计等 组合型检测仪表（系统）例 热电阻的温度检测仪表: 热电阻是敏感元件，它将温度的高低转换为热电阻阻值的大小； 利用电桥等形式的转换电路将电阻转换为电桥的输出电压； 电压表等指示装置显示检测结果。 这样由热电阻、转换电路(电桥)和电压表组成了一个完整的温度检测仪表。 此外 ，热电偶温度检测仪表、差压式（流量、液位）检测仪表等。 3.1.2 检测仪表的信号变换 信号变换目的： 1.将敏感元件输出物理量进行必要的处理（放大、铝箔、线性化等）使之成为后续单元可用的信号。 2.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。 标准信号：0～10mA DC，4～20mA DC，0～5V DC、1～5V DC电信号和20～100kPa气压信号）。 信号变换手段： 依靠转换元件和转换电路 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量，或将非标准的电流、电压转换成统一的标准电流、电压信号的仪器。 信号变换方式分类（按结构形式） 简单直接式变换、 差动式变换、 参比式变换 平衡(反馈)式变换。 1) 简单直接式变换 ① 结构形式 简单直接变换的结构形式主要有图示两种形式 图(a)是一种只有转换电路的信号变换。 图(b)是一种由转换元件和转换电路组合的信号变换方式。 (a) 只有转换电路的信号变换 特点： 敏感元件能将被测量转换成电学量(如热电偶、光电池等)。 转换电路的任务只是信号的放大或是信号间的转换。 如电压一电流转换； 敏感元件输出电路参数量（电阻，电容等）信号。 转换电路两方面任务： 为敏感元件提供能量， 将相应的电路参数量转换成电压或电流输出。 转换电路举例 最典型的转换电路是不平衡电桥 敏感元件是电桥的一部分， RL：后继单元输入电阻 E：供电电源 输出端：AC，输出不平衡电压 (b) 转换元件+转换电路形式 转换过程 首先敏感元件将被测参数转换成某种可利用的中间物理量； 其次，通过转换元件把中间物理量转换成电学量； 最后通过转换电路输出相应的电压或电流标准信号。 例：粘贴式应变压力传感器 敏感元件：膜片。用它把被测压力转换为膜片的位移； 转换元件：贴在膜片上的应变片。它将膜片的位移转换为应变片的电阻变化； 转换电路：电桥及相应的电路。它把应变片的电阻转换成标准电信号。 常见中间物理量及转换元件 注意： 在有些检测系统中，信号变换过程可能需要两个或两个以上的转换元件，这种变换称为多级变换。 ② 转换电路的信息能量传递 本课程中，由于把敏感元件和转换元件统称为检测元件，则简单直接变换包括检测元件及转换电路两部分，其中检测元件输出电学量，这时上图(a)、(b)可简单表示为 检测元件分类 有源检测元件：所产生的输出信号能量直接取自被测对象。如热电偶、压电元件等； 无源检测元件：所产生的输出信号能量不是取自被测对象，而是取自外部能源。如热电阻、电容、电感等。 注意： 由于检测元件的性质不同，相应的转换电路的信息能量传递方式也不一样，分别讨论如下： a. 有源检测元件与转换电路连接 有源检测元件与转换电路连接