第一節(jié)　參數(shù)檢測(cè)的一般方法和原理

一、自然規(guī)律與檢測(cè)方法

一個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)之所以能正確傳遞信息，進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的檢測(cè)，是因?yàn)樗昧俗匀灰?guī)律中的各種定律、法則和效應(yīng)。或者說這些自然規(guī)律是參數(shù)檢測(cè)的基礎(chǔ)。與檢測(cè)技術(shù)有關(guān)的自然規(guī)律可歸納為四個(gè)方面，守恒定律、場的定律、物質(zhì)定律和統(tǒng)計(jì)法則。下面將討論這些定律和法則與檢測(cè)技術(shù)的關(guān)系以及它們?cè)跈z測(cè)技術(shù)中的應(yīng)用。

1.守恒定律

守恒定律是自然界最基本的定律，它包括能量、動(dòng)量和電荷量等守恒定律。

守恒定律在流量檢測(cè)中有一定的應(yīng)用，例如比托管流量計(jì)、節(jié)流式流量計(jì)和均速管流量計(jì)等都利用了能量守恒定律。圖2-1是比托管測(cè)速原理圖，它是根據(jù)流體的總壓與靜壓之間的差來測(cè)量流體的流速。比托管是由兩根彎成直角的同心套管構(gòu)成。測(cè)量時(shí)，比托管的內(nèi)管口正對(duì)流體流動(dòng)方向。設(shè)在比托管前一小段距離的點(diǎn)1處流速為v1，靜壓為p1，當(dāng)流體流至比托管管口點(diǎn)2處，因管內(nèi)充滿被測(cè)流體，故流速變?yōu)榱悖瑒?dòng)能轉(zhuǎn)化為靜壓能，使靜壓增至p2。因此在點(diǎn)2內(nèi)管所測(cè)得的為靜壓能和動(dòng)能之和，即

　　 （2-1）

而外管只在壁面周圍開孔，孔的軸向與流體流動(dòng)方向垂直，因此由外管上測(cè)壓孔測(cè)得的只是流體的靜壓能。當(dāng)比托管的內(nèi)管外管的另一末端分別接到差壓計(jì)的正負(fù)壓室，則差壓計(jì)的讀數(shù)反映了流體的流速

　　 （2-2）

2.場的定律

場的定律是關(guān)于物質(zhì)作用的定律，如動(dòng)力場的運(yùn)動(dòng)定律、電磁場的感應(yīng)定律和光的電磁場的干涉現(xiàn)象等。

電容式傳感器是利用靜電場有關(guān)定律的一個(gè)典型例子，最簡單的平行板電容器如圖2-2所示，電容器的電容量C為

　　 （2-3）

式中，ε為兩平行板之間物質(zhì)的介電常數(shù)；S為平行板的面積；d為兩平行板之間的距離。當(dāng)ε和S一定時(shí)，改變兩極板之間的距離d將改變電容量C。如果把一個(gè)極板固定，另一個(gè)極板與可產(chǎn)生位移的敏感元件相連，則利用上述性質(zhì)，可以將敏感元件的位移轉(zhuǎn)換成電容量的大小。當(dāng)S和d保持不變，兩極板間為具有明確分界面的兩種物質(zhì)，則電容量取決于這兩種物質(zhì)的介電常數(shù)和界面的高低。根據(jù)這個(gè)原理，可以用電容器測(cè)量液體的液面、顆粒物料的料面以及兩種液體間的界面。如果在兩極板之間的兩種物質(zhì)是均勻分布的，而且它們的介電常數(shù)不同，那么電容量與這兩種物質(zhì)的混合比例有關(guān)。

電磁流量計(jì)是利用電磁感應(yīng)定律和運(yùn)動(dòng)定律。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)長度為l的導(dǎo)體以速度v作垂直于磁場運(yùn)動(dòng)時(shí)，若磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，則運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為

e=Blv　　 （2-4）

當(dāng)導(dǎo)電性的流體流過該磁場時(shí)，在有效長度l兩端也同樣能產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，由此可測(cè)得流體的流速v。

基于場的定律的參數(shù)檢測(cè)，其敏感元件的形狀、尺寸等參數(shù)決定了檢測(cè)系統(tǒng)的量程、靈敏度等性能，它具有較大的設(shè)計(jì)自由度、選擇材料的限制較小等優(yōu)點(diǎn)，但體積一般較大，不易集成，環(huán)境干擾對(duì)敏感元件的輸出影響較大。

3.物質(zhì)定律

物質(zhì)定律是關(guān)于各種物質(zhì)本身內(nèi)在性質(zhì)的定律、法則和規(guī)律。物質(zhì)的內(nèi)在性質(zhì)通常以這種物質(zhì)所固有的物理量加以描述，它與物質(zhì)的材料密切相關(guān)。

物質(zhì)的電阻是最常見的物理量之一，由于它易測(cè)量，準(zhǔn)確度高，在檢測(cè)技術(shù)中經(jīng)常利用材料的電阻與被檢測(cè)量之間的關(guān)系進(jìn)行參數(shù)檢測(cè)。例如，金屬導(dǎo)體特別是許多半導(dǎo)體物質(zhì)在受壓、受熱、受光照等情況下，表現(xiàn)出其電阻值有明顯的變化，根據(jù)物質(zhì)的這一特性，可分別進(jìn)行壓力、溫度和光強(qiáng)等參數(shù)的檢測(cè)。

基于物質(zhì)定律的參數(shù)檢測(cè)具有敏感元件體積小、無可動(dòng)部件、反應(yīng)快、靈敏度高、穩(wěn)定性好、易集成等優(yōu)點(diǎn)，因此在檢測(cè)技術(shù)中有廣闊的應(yīng)用前景。

4.統(tǒng)計(jì)法則

統(tǒng)計(jì)法則是利用統(tǒng)計(jì)方法把微觀系統(tǒng)與宏觀系統(tǒng)聯(lián)系起來的物理法則。

奈奎斯特定理是統(tǒng)計(jì)法在檢測(cè)技術(shù)中應(yīng)用的一個(gè)例子。由統(tǒng)計(jì)物理可知，電子熱運(yùn)動(dòng)的漲落，在電阻R的兩端產(chǎn)生熱噪聲的電壓波動(dòng)。奈奎斯特定理指出，電阻R兩端的熱噪聲電壓un的方均值為

　　 （2-5）

式中，κ為玻爾茲曼常數(shù)；Δf為熱噪聲的頻帶寬度；T為熱力學(xué)溫度。由此可見，利用熱噪聲電壓和熱力學(xué)溫度的關(guān)系可以構(gòu)成熱噪聲型熱敏電阻，從而進(jìn)行熱力學(xué)溫度的檢測(cè)。

雖然從理論上講應(yīng)用這種熱噪聲型溫度檢測(cè)方法具有測(cè)溫范圍寬，精度高（與敏感元件的材料無關(guān)）等優(yōu)點(diǎn)，但熱噪聲電壓un極小，直接測(cè)量困難較大。另外，有關(guān)統(tǒng)計(jì)法則在檢測(cè)技術(shù)中的應(yīng)用理論尚待深入，因此基于統(tǒng)計(jì)法則的參數(shù)檢測(cè)目前應(yīng)用還較少。

二、基礎(chǔ)效應(yīng)

參數(shù)的檢測(cè)離不開敏感元件，敏感元件是按照一定的原理把被測(cè)量的信息轉(zhuǎn)換成另一種可進(jìn)一步進(jìn)行處理或表示的信息。這個(gè)轉(zhuǎn)換過程一般利用諸多的效應(yīng)（包括物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)和生物效應(yīng)）和物理現(xiàn)象，其中基于物質(zhì)定律的敏感元件更是如此。因此，檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展與新型物性材料的開發(fā)、新原理和新效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)密切相關(guān)。為了便于后續(xù)學(xué)習(xí)，表2-1給出了一些與檢測(cè)技術(shù)有關(guān)的常見的基礎(chǔ)效應(yīng)。除了表中所列的效應(yīng)外，還有很多物理效應(yīng)，如約瑟夫森（Josephson）效應(yīng)、光彈性效應(yīng)、應(yīng)變效應(yīng)、多普勒（Doppler）效應(yīng)，以及化學(xué)效應(yīng)，如飽和效應(yīng)、電泳效應(yīng)、彼得（Budde）效應(yīng)，也常常被用于各種參數(shù)檢測(cè)。