非电量电测技术electrometry technique for nonelectric parameters

利用电测系统将非电物理量转变成电信号进行测量的技术。其特点是测量精度高、反应速度快、测量频带宽、能够自动连续地进行测量或遥测，便于自动记录，可与电子计算机连接进行数据处理，迅速给出结果。
发展简史 最先出现的非电量电测系统是电阻应变测量系统。由电阻应变计或应变计传感器和电阻应变仪、记录器组成。此系统的物理基础是1856年首次发现的电阻应变效应。1938年西蒙斯(E.Simmons)和鲁奇(A.Ruge)研制出了实用的粘贴型纸基电阻应变计(图1)，如将电阻应变计固定在被测构件上，构件受力变形时，应变计的电阻值将发生相应变化，用装有检流计的惠斯登电桥指示相应的电量变化。60年代出现箔式应变计和半导体应变计，并制成尺寸、形状不同的各类应变丛，有的还具备温度自动补偿的功能。随着各种物理效应的广泛应用，可用不同的传感器来传感同一个非电物理量，并各配有与之相应的测量电路和测量仪器。如对线加速度可用应变计式加速度传感器与电阻应变仪、压电式加速度传感器与电荷放大器、磁电式加速度传感器与具有微分和积分功能的测振仪等诸多不同的电测系统进行测量。电测系统还可与微型电子计算机结合，适于田间使用的便携式微机型动态应变测量系统，配合相应传感器能测得多通道的模拟信号，并实时进行数据处理，给出极值、均值、标准偏差和幅度概率密度等统计量。

图1 电阻应变计结构示意图

目前，非电量遥测技术已逐步得到了应用和发展。它可利用应变计或其他类型的传感器，在一个地点进行测量，由遥测仪及发射机将测得的信号发射出去，并在另一地点由接收系统对信号进行放大、显示或记录。农业机械工程应用遥测技术可解决： (1)高速旋转构件中信号的测量，遥测距离较短，为几厘米；(2)水田作业机具和大面积旱地作业机具做生产试验的田间测试，其遥测距离为数百米至几千米，需用较完善的遥测系统。如遥测型电测车（见田间电测车）。
电测系统 不同的非电量测定项目，需选用不同的测量方法和相应的电测系统。非电量电测系统一般由传感器、测量电路、记录分析装置等三部分组成(图2)。

图2 非电量电测系统框图

电测传感器 将非电物理量转换为电信号的器件。从变换过程看，农业机械待测非电物理量可归纳为直接变换和间接变换两种(图3)。前者的检出与转换成电信号的过程是同时进行的，多数是直接由转换敏感元件来完成，如电阻应变计、光敏管（半导体光电二极管）、热敏电阻、湿敏二极管、热电偶及磁敏元件、霍尔元件等都是直接用一些半导体、电介质、磁性和电阻等固体敏感元件的物理特性变化规律来完成转换。间接变换是对一些待测量，如耕作机械中的犁耕阻力、犁的耕深和耕宽等需要先通过预变换（由弹性元件或机构来实现）将待测量变为线位移或角位移等直接变换物理量，然后再经直接变换（由转换敏感元件来实现）变成电信号。图4为耕深传感器的工作原理图，它是将耕深h由地轮等机构变换成转轴的转角，再应用霍尔元件（直接转换敏感元件）将转轴的转角变成电信号。

图3 电测传感器转换过程示意图

图4 犁的耕深传感器工作原理

1. 霍尔元件； 2. 磁钢； 3. 转轴； 4. 地轮；5. 叉架

种类 电测传感器按其工作原理可分为应变式、电压式、电容式、涡流式、差动变压器式等，这样分类有利于传感器的研究和设计工作。按待测物理量分类可分为拉（压）力传感器、扭矩传感器、位移传感器、线加速度传感器等；按能量传递方式可分为有源传感器和无源传感器两大类，见表。

传感器按能量传递方式分类

有源传感器的能量变换原理	无源传感器的能量 控制（或调制）原理
压电式；电动式；电磁式； 热电偶；光电式；磁致伸缩 式；电致伸缩式；静电式； 电化学式等	电阻式；电容式；电感式； 热敏电阻式；光敏电阻 式；磁敏电阻式；湿敏电 阻式；光游离式；放射性 吸收式等

结构 电测传感器有开环式、闭环式和综合结构式三种结构。❶开环式。由弹性传感元件（或机构）、敏感元件和测量电路等环节串联组成，在农业机械试验中最常用。
❷闭环式，又称反馈式。在测量电路中由反馈网络把放大器输出的部分电流反馈到激磁线圈，使传感器工作稳定可靠。如振弦式转矩传感器和振弦式土壤压力传感器等，是随着电子技术和微处理机的迅速发展而出现的。
❸综合式。是多输入与多输出的综合测量器，如卧管式或立管式犁体六分量测量传感器，常用于以计算机为中心的测量系统。
测量电路 将传感器输出的电信号进行调整(放大、衰减)、变换，使之适合于显示、记录和处理的电路系统。应与传感器匹配，对于输出量为电阻、电感、电容的传感器，多采用电桥电路。输出量为电压（热电势等）的传感器多采用电位差计等。传感器输出信号一般较弱，所以大多数测量电路备有放大器。有时还使用一些特殊电路，如高阻抗输入电路、脉冲调宽电路等，这些电路需要有特定的电源供电才能工作。农机田间用的非电量电测系统常采用电池（或蓄电池）作为电源。
记录分析装置 包括指示器、记录仪和信号分析仪等。指示器用来显示信号，即把测得的量值信息最终在显示器中显示出来。显示器有模拟显示和数字显示两种。前者可利用指针式仪表如毫伏表、毫安表或电子示波器，后者采用数字电压表、数字频率计等作为显示器。指示器在测试过程中常用来对信号进行监察。记录仪用来记录被测信号的变化过程或时间历程，这对动态参数的测试尤为需要。记录仪分曲线记录仪（如录波器）和磁记录仪（如磁带机）两种。前者将被测信号记在记录带(包括纸带、电火花纸带和感光胶带)上；后者将信号记在磁带上，能使被测信号以电量形式重现，便于利用电子计算机或专用信号分析仪分析测得的信号。信号分析仪（或电子计算机）用来对测得的非电量的电信号进行在线的实时处理或脱机处理，对信号进行幅值域、时域或频域的动态分析(包括信号的传递、相关和功率谱等分析)。从而可在对拖拉机、农机进行振动噪声和构架模态等分析中获得更多的有用信号。
应用 在农机研制、试验、鉴定工作中应用电测技术来测量的主要非电物理量有：机械动力学参量，如构件承受的各种载荷(拉力、压力、扭矩、重力及由此产生的应力等)；运动件的位移（线位移或角位移）、速度（线速度或角速度）、加速度（线加速度或角加速度）；传动轴(脱粒滚筒轴、旋耕机刀齿轴和拖拉机驱动轴、动力输出轴等)的扭矩和转速；流体的压力与流量(如植保机械喷洒部件的工作气压、液压及喷液流量等)；温度、湿度、热量(如谷物烘干机在谷物干燥过程中，各通道的温度、湿度和送入、排出的热量)等；农业机械运动所产生的噪声与振动(如大型联合收割机及各种机动背负式机具的噪声及振动的振幅、频率等参量)。在进行上述测量时，一般可选用已有系列产品的传感器(如应变计式传感器、压电式传感器等)及其电测系统，如采用拉（压）力传感器可测量拖拉机的牵引力或犁的工作阻力（见悬挂测力装置）。采用配置有专用的电阻应变计式传感器的电测系统(图5)，可解决农机部件的力学参量测试问题。

图5 测量犁壁工作面压强及犁铧单位刃长压力的装置示意图

非电量电测技术electric measuring for nonelectric parameters

又称电测技术。将试验中所需测定的非电量转换为电量，然后通过一定的测量电路及仪表进行测量，从而确定与之成比例的非电量值的一门测量技术。非电量有拉力、压力、应力、速度、加速度、位移、转速、温度等；电量有电阻、电压、电感等。该技术准确度及灵敏度高、反应速度快、能连续进行测量、可以进行遥测、便于自动记录、可与电子计算机联接进行处理，也可采用微处理机做成智能仪器，在科技部门得到广泛应用。电测技术的测量系统由传感器（变换器）、测量电路、放大电路、显示或记录仪表、电源等组成。