自动化技术与仪表 第二章检测技术与检测元件 第21-22节

1、2 检测技术与检测元件 2.检测技术与检测元件2 检测技术与检测元件 教学内容与要求教学内容与要求 了解检测技术的原理与方法、基础效应、了解检测技术的原理与方法、基础效应、参数检测的一般方法；参数检测的一般方法； 掌握机械式检测元件、电阻式检测元件、掌握机械式检测元件、电阻式检测元件、电容式检测元件、热电式检测元件、压电电容式检测元件、热电式检测元件、压电式检测元件、光电式检测元件、磁电式检式检测元件、光电式检测元件、磁电式检测元件、磁弹性式检测元件的检测原理与测元件、磁弹性式检测元件的检测原理与应用。应用。 2 检测技术与检测元件 概述 检测技术：检测技术：研究如何获取被测参数信息的一研究如

2、何获取被测参数信息的一门学科，涉及众多学科。门学科，涉及众多学科。 检测元件：检测元件：是敏感元件和转换元件的总称。是敏感元件和转换元件的总称。一种敏感元件，即能直接感受被测量，并把一种敏感元件，即能直接感受被测量，并把被测量转换成另一种信息；被测量转换成另一种信息；一种转换元件，把敏感元件的输出量进一步一种转换元件，把敏感元件的输出量进一步转换成其他形式的物理量，以便于信号的传转换成其他形式的物理量，以便于信号的传输、处理和显示。输、处理和显示。2 检测技术与检测元件 第一节第一节 检测技术的原理与方法检测技术的原理与方法 一、自然规律与检测技术一、自然规律与检测技术 守恒定律守恒定律 场的

3、定律场的定律 物质定律物质定律 统计法则统计法则 2 检测技术与检测元件 二、基础效应二、基础效应 压阻效应压阻效应 压电效应压电效应 压磁效应压磁效应 热电效应热电效应 霍尔效应霍尔效应 光导效应光导效应 光生伏特效应光生伏特效应 光电子发射效应光电子发射效应2 检测技术与检测元件 三、参数检测的一般方法三、参数检测的一般方法1.参数的检测参数的检测是利用敏感元件把被测参数的是利用敏感元件把被测参数的信息转换为另一种形式的信息，便于进一信息转换为另一种形式的信息，便于进一步进行信息处理（变换）或显示。步进行信息处理（变换）或显示。2.根据敏感元件的不同，参数检测一般可分根据敏感元件的不同，参

4、数检测一般可分为为7种检测方法：种检测方法：2 检测技术与检测元件 光学法：光学法：利用光的散射、透射、折射和反射定律或性利用光的散射、透射、折射和反射定律或性质进行检测质进行检测红外测温仪红外测温仪2 检测技术与检测元件 力学法：力学法：利用敏感元件把被测量转变成机械位移、利用敏感元件把被测量转变成机械位移、变形变形弹簧秤弹簧秤2 检测技术与检测元件 热学法：热学法：根据被测介质的热物理量根据被测介质的热物理量( (参数参数) )的差异的差异以及热平衡原理进行参数的检测以及热平衡原理进行参数的检测 热线风速仪热线风速仪2 检测技术与检测元件 电学法：电学法：利用敏感元件把被测变量转换成电压、

5、利用敏感元件把被测变量转换成电压、电阻、电容等电学量电阻、电容等电学量 电子体温计用电子体温计用NTCNTC热敏电阻热敏电阻2 检测技术与检测元件 声学法：声学法：利用超声波在介质中的传播以及在介质利用超声波在介质中的传播以及在介质间界面处的反射等性质进行参数的检测间界面处的反射等性质进行参数的检测 超声波流量计超声波流量计2 检测技术与检测元件 磁学法：磁学法：利用被测介质有关磁性参数的差异及被利用被测介质有关磁性参数的差异及被测介质或敏感元件在磁场中表现出的特性，检测测介质或敏感元件在磁场中表现出的特性，检测被测变量被测变量 电磁流量计电磁流量计2 检测技术与检测元件 射线法：射线法：放射

6、线穿过介质时部分能量会被物质吸放射线穿过介质时部分能量会被物质吸收，吸收程度与射线所穿过的物质层厚度、物质收，吸收程度与射线所穿过的物质层厚度、物质的密度等性质有关的密度等性质有关 X X射线探伤射线探伤2 检测技术与检测元件 3.对敏感元件的要求对敏感元件的要求 对于同一参数的检测，可以用不同的敏感元件来对于同一参数的检测，可以用不同的敏感元件来实现，但由于被测对象是千差万别的，敏感元件的实现，但由于被测对象是千差万别的，敏感元件的特性也不一样，因此在选择敏感元件时要考虑以下特性也不一样，因此在选择敏感元件时要考虑以下因素：因素： （1 1）敏感元件的适用范围）敏感元件的适用范围（2 2）敏

7、感元件的参数测量范围）敏感元件的参数测量范围 （3 3）敏感元件的输出特性）敏感元件的输出特性2 检测技术与检测元件 第二节 机械式检测元件 机械式检测元件机械式检测元件：将被测量转换为机械量信号（通：将被测量转换为机械量信号（通常是位移、振动频率、转角等）输出，可用于压力、常是位移、振动频率、转角等）输出，可用于压力、力、加速度、温度等参数的测量，具有结构简单、力、加速度、温度等参数的测量，具有结构简单、使用安全可靠、抗干扰能力强等特点。使用安全可靠、抗干扰能力强等特点。 最常用的机械式检测元件：最常用的机械式检测元件：包括包括弹性式弹性式检测元件以检测元件以及及振动式振动式检测元件检测元件

8、2 检测技术与检测元件 2.2.1、弹性式检测元件、弹性式检测元件J变形变形: :物体在外力作用下改变原来的尺寸或形状的物体在外力作用下改变原来的尺寸或形状的现象。现象。J弹性变形弹性变形: :如果外力去掉后物体能够完全恢复原来如果外力去掉后物体能够完全恢复原来的尺寸和形状的变形。的尺寸和形状的变形。J弹性元件弹性元件: :具有弹性变形特性的一种具有弹性变形特性的一种敏感元件敏感元件。其。其通过物体弹性变形这一特性，把力、力矩或压力转通过物体弹性变形这一特性，把力、力矩或压力转换成为相应的换成为相应的应变应变或或位移位移，然后配合其它各种形式，然后配合其它各种形式的传感元件，将被测力、力矩或压

9、力转换成电量。的传感元件，将被测力、力矩或压力转换成电量。2 检测技术与检测元件 2.2.1.1弹性元件的基本性能弹性元件的基本性能1.弹性特性弹性特性 指弹性元件的输入量（指弹性元件的输入量（力、力矩、压力、力、力矩、压力、温度等温度等）与由它引起的输出量（应变、）与由它引起的输出量（应变、位移式转角）之间的关系。位移式转角）之间的关系。弹性特性可由弹性特性可由刚度刚度或或灵敏度灵敏度来表示。来表示。2 检测技术与检测元件 （1 1）刚度：）刚度：弹性元件产生单位变形所需要的外加弹性元件产生单位变形所需要的外加作用力。作用力。F F 作用在弹性元件上作用在弹性元件上的外力；的外力；x x 弹

10、性元件产生的变弹性元件产生的变形。形。v刚度：刚度：反映元件抵抗弹反映元件抵抗弹性变形能力的强弱。性变形能力的强弱。xFxFkxddlim00 x F 3 1 1 2 3 A2 检测技术与检测元件 （2 2）灵敏度）灵敏度 灵敏度就是灵敏度就是单位力作用单位力作用下产生变形的大小。下产生变形的大小。 m m 并联或串联弹性敏感元件的数目；并联或串联弹性敏感元件的数目；SnSni i 第第i i个弹性敏感元件的灵敏度。个弹性敏感元件的灵敏度。FxSddnmiiSS1nn11miiSS1nn2 检测技术与检测元件 2.2.弹性元件的滞弹性效应弹性元件的滞弹性效应 指材料在弹性变化范围内同时伴有微塑

11、性指材料在弹性变化范围内同时伴有微塑性变形，使应力和应变不遵循变形，使应力和应变不遵循虎克定律虎克定律而而产生非线性的现象。产生非线性的现象。 其表现形式很多，如其表现形式很多，如弹性滞后弹性滞后、弹性后效弹性后效（蠕变）、（蠕变）、应力松弛应力松弛等等 。虎克定律虎克定律是力学基本定律之一。适用于一切固体是力学基本定律之一。适用于一切固体材料的弹性定律，它指出：在弹性限度内，物体材料的弹性定律，它指出：在弹性限度内，物体的形变跟引起形变的外力成正比。的形变跟引起形变的外力成正比。 2 检测技术与检测元件 (1)(1)弹性滞后弹性滞后z对弹性元件进行加载，可绘制一条弹性特性曲线，对弹性元件进行

12、加载，可绘制一条弹性特性曲线，然后卸载，可绘制另一条弹性特性曲线。两条曲线然后卸载，可绘制另一条弹性特性曲线。两条曲线往往并不重合，这种现象称为往往并不重合，这种现象称为弹性滞后弹性滞后。z弹性变形之差，叫做弹性敏感元件的弹性变形之差，叫做弹性敏感元件的滞后误差滞后误差。 z曲线曲线1 1、2 2所包围的范围称为所包围的范围称为滞环滞环。 0 x x 1 2 F F思考思考1：与检测仪表的哪个特性类似呢？与检测仪表的哪个特性类似呢？2 检测技术与检测元件 (2)(2)弹性后效弹性后效 弹性元件弹性元件上载荷上载荷或或下载荷下载荷停止改变时，相应的变停止改变时，相应的变形往往不能立即完成，而是在

13、一个时间间隔内逐渐形往往不能立即完成，而是在一个时间间隔内逐渐完成，这种现象称为完成，这种现象称为弹性后效弹性后效, ,也称也称蠕变蠕变。 x 0 x2 x1 x0 F0 F2 检测技术与检测元件 （3 3）应力松弛）应力松弛 材料在高温下工作，受应力的作用而产生材料在高温下工作，受应力的作用而产生应变。当其总的应变量在恒定情况下，应应变。当其总的应变量在恒定情况下，应力随时间的延续而逐渐降低的现象。力随时间的延续而逐渐降低的现象。2 检测技术与检测元件 3.弹性元件的热弹性效应弹性元件的热弹性效应 弹性模量的温度系数弹性模量的温度系数 频率温度系数频率温度系数 膨胀系数膨胀系数 tEEttE

14、EEE0000)(tllttllll0000)(tffttffff0000)(2 检测技术与检测元件 4.弹性元件的固有频率弹性元件的固有频率 弹性元件的质量、弹性、弹性后效共同决定了弹性元件的质量、弹性、弹性后效共同决定了 其固有频率。其固有频率。 固有频率的计算比较复杂，只有少数规则形状固有频率的计算比较复杂，只有少数规则形状的弹性元件具有理论解，所以实际中常常通过的弹性元件具有理论解，所以实际中常常通过实验来确定。实验来确定。 弹性元件的动态特性与它的固有频率是密切相弹性元件的动态特性与它的固有频率是密切相关的。关的。 固有频率越高则弹性元件响应越快。固有频率越高则弹性元件响应越快。2

15、检测技术与检测元件 2.2.1.2 弹性元件的材料及种类弹性元件的材料及种类弹性元件的材料弹性元件的材料 马氏体弥散硬化不锈钢马氏体弥散硬化不锈钢 Ni基弥散硬化恒弹性合金基弥散硬化恒弹性合金 Nb恒弹性合金恒弹性合金 铍青铜铍青铜 石英晶体石英晶体 半导体硅材料半导体硅材料 陶瓷材料陶瓷材料 2 检测技术与检测元件 弹性元件的种类弹性元件的种类 弹簧管弹簧管 结构原理图结构原理图2 检测技术与检测元件 弹簧管弹簧管2 检测技术与检测元件 弹簧管压力表弹簧管压力表螺旋弹簧管、盘簧管螺旋弹簧管、盘簧管2 检测技术与检测元件 l薄壁圆筒薄壁圆筒 薄壁圆筒壁厚一般都小于圆筒直径的薄壁圆筒壁厚一般都小

16、于圆筒直径的1/201/20。 内腔与被测压力相通，内壁均匀受压，薄壁内腔与被测压力相通，内壁均匀受压，薄壁不受弯曲变形，只是均匀地向外扩张。不受弯曲变形，只是均匀地向外扩张。 p l xx xx r r r r2 检测技术与检测元件 筒壁的每一单元在轴线方向和筒壁的每一单元在轴线方向和圆周方向的拉伸应力分别为圆周方向的拉伸应力分别为phr20 xphr0rpEhr2120 xpEhr210r p l xx xx r r r r薄壁圆筒能将压力转换成应变，多用于电阻应变式检薄壁圆筒能将压力转换成应变，多用于电阻应变式检测元件中。测元件中。2 检测技术与检测元件 波纹管波纹管 波纹管示意图波纹管

17、示意图 金属制成的薄壁管状的弹性金属制成的薄壁管状的弹性元件，可感受管内压力或管元件，可感受管内压力或管外所加集中力而产生高度方外所加集中力而产生高度方向的变形。向的变形。2200221002)1(BRhBAAAnEhFd2 检测技术与检测元件 波纹管波纹管 力力 位移位移2200221002)1(BRhBAAAnEhFd2 检测技术与检测元件 波纹管压力表波纹管压力表2 检测技术与检测元件 膜片与膜盒膜片与膜盒c圆形膜片分为圆形膜片分为平面膜片平面膜片和和波纹膜片波纹膜片两种。两种。c在相同压力情况下，波纹膜片可产生较大的在相同压力情况下，波纹膜片可产生较大的挠度。挠度。c膜盒是将两个膜片对

18、焊在一起具有腔体的盒膜盒是将两个膜片对焊在一起具有腔体的盒状元件。状元件。c测量气体的压力。测量气体的压力。c主要介绍圆形平膜片。主要介绍圆形平膜片。2 检测技术与检测元件 平膜片在设计计算中所采用的平膜片在设计计算中所采用的假设归纳如下假设归纳如下： （1 1）圆形平膜片，周边固定；）圆形平膜片，周边固定； （2 2）平膜片的最大挠度不大于）平膜片的最大挠度不大于1/31/3膜厚，因而属膜厚，因而属小挠度理论范围；小挠度理论范围； （3 3）被测压力均匀作用于平膜片表面。）被测压力均匀作用于平膜片表面。 a r p2 检测技术与检测元件 圆形平膜片所受压力圆形平膜片所受压力p与圆心处位移与圆

19、心处位移d0的关系的关系43001042430104162 239()43(1)21 13.45()10ddRvpdEvvdRpdE2 检测技术与检测元件 金属膜片金属膜片带波纹的圆膜片带波纹的圆膜片2 检测技术与检测元件 42300014()()()dddRpabcE带波纹的圆膜片带波纹的圆膜片p与圆心处位移与圆心处位移d0的关系的关系一般一般硬心半径硬心半径 R2=（0.10.25）R1硬心对外产生硬心对外产生集中的力集中的力F和被测压力和被测压力p的关系的关系 F=pS （S为有效面积为有效面积）对于外半径对于外半径R1，硬心半径，硬心半径R2的膜片，其的膜片，其有效面积有效面积为为22

20、1122()3SRR RR2 检测技术与检测元件 膜盒的应用膜盒的应用测测表压力表压力（相对压力（相对压力 ）应用于工业自动化仪表，如压力变送器、差压变送器应用于工业自动化仪表，如压力变送器、差压变送器测测大气压力大气压力波纹膜盒波纹膜盒膜盒压力表膜盒压力表膜片压力表膜片压力表2 检测技术与检测元件 补充：压力弹性敏感元件补充：压力弹性敏感元件 弹簧管。弹簧管。 波纹膜片和膜盒。波纹膜片和膜盒。 平膜片平膜片 薄壁圆筒薄壁圆筒2 检测技术与检测元件 2 检测技术与检测元件 2.2.2 其他机械式检测元件其他机械式检测元件 机械式振动检测元件将被测量（如力、压机械式振动检测元件将被测量（如力、压

21、力、密度等）的变化转换为谐振元件的固力、密度等）的变化转换为谐振元件的固有频率的变化，利用谐振技术完成参数的有频率的变化，利用谐振技术完成参数的检测。检测。 目前较为常用的有振弦式、振筒式目前较为常用的有振弦式、振筒式 2 检测技术与检测元件 振弦式检测元件振弦式检测元件 振筒式检测元件振筒式检测元件21210Tllf20121ERf2 检测技术与检测元件 2.2.2 机械式检测元件的应用机械式检测元件的应用 举例：测量压力的电位器式压力传感器举例：测量压力的电位器式压力传感器 1-弹簧管弹簧管 2-电位器电位器传感器组成框图传感器组成框图2 检测技术与检测元件 当被测压力当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。角位移。 2 检测技术与检测元