检测技术的基础知识课件

1、检测技术的基础知识课件检测技术的基础知识课件2.1 弹性敏感元件 物体在外力作用下改变原来尺寸或形状的现象称为变形。若外力去掉后物体又能完全恢复其原来的尺寸和形状，这种变形称为弹性变形。具有弹性变形特性的物体称为弹性元件。 弹性元件在传感器技术中占有极其重要的地位。它首先把力、力矩或压力转换成相应的应变或位移，然后配合各种形式的传感元件，将被测力、力矩或压力变换成电量。 根据弹性元件在传感器中的作用，它基本上可以分为两种类型：弹性敏感元件和弹性支承。前者感受力、力矩、压力等被测参数，并通过它将被测量变换为应变、位移等，也就是通过它把被测参数由一种物理状态转换为另一种所需要的相应物理状态。它直接

2、起到测量的作用，故称为弹性敏感元件。 第2章 电阻式传感器2.1 弹性敏感元件 物体在外力作用下改变原2.1 弹性敏感元件 2.1.1 弹性敏感材料的弹性特性 作用在弹性敏感元件上的外力与由该外力所引起的相应变形（应变、位移或转角）之间的关系称为弹性元件的弹性特性。 1.刚度 刚度是弹性敏感元件在外力作用下抵抗变形的能力 。 2.灵敏度 灵敏度是刚度的倒数。 与刚度相似，如果元件弹性特性是线性的，则灵敏度为常数；若弹性特性是非线性的，则灵敏度为变数。 第2章 电阻式传感器2.1 弹性敏感元件 2.1.1 弹性敏感材料的弹性特性 第 3.弹性滞后 弹性元件在弹性变形范围内，弹性特性的加载曲线与卸

3、载曲线不重合的现象称为弹性滞后现象 。 4.弹性后效 弹性敏感元件所加载荷改变后，不是立即完成相应的变形，而是在一定时间间隔中逐渐完成变形的现象称为弹性后效现象。由于弹性后效存在，弹性敏感元件的变形不能迅速地随作用力的改变而改变，引起测量误差。图2.1 弹性特性 图2.2 弹性滞后现象 第2章 电阻式传感器 3.弹性滞后图2.1 弹性特性 图2.2 弹性滞后现象2.1.2 弹性敏感元件的材料及其基本要求 具有良好的机械特性（强度高、抗冲击、韧性好、疲劳强度高等）和良好的机械加工及热处理性能； 良好的弹性特性（弹性极限高、弹性滞后和弹性后效小等）； 弹性模量的温度系数小且稳定，材料的线膨胀系数小

4、且稳定； 抗氧化性和抗腐蚀性等化学性能良好。2.1.3 弹性敏感元件的变换原理 1弹性圆柱 柱式弹性元件具有结构简单的特点，可承受很大的载荷，根据截面形状可分为圆筒形与圆柱形两种，如图2.3所示。 轴向应力的应变量 横向应力的应变量 图2.3 弹性圆柱 第2章 电阻式传感器2.1.2 弹性敏感元件的材料及其基本要求 图2.3 弹性圆 2.悬臂梁 （1）等截面梁。一端固定，另一端自由，且截面为矩形的梁称为等截面悬臂梁。等截面悬臂梁所受作用力 F 与某一位置处的应变关系可按下式计算： （2）等强度梁。等截面梁的不同部位所产生的应变是不相等的，当作用力 F 加在梁的两斜边的交汇点处时，等强度梁各点的

5、应变值为： 图2.4 等截面悬臂梁 图2.5 等强度悬臂梁 第2章 电阻式传感器 2.悬臂梁 图2.4 等截面悬臂梁 图2.5 等强度3薄壁圆筒 薄壁圆筒与弹簧管等弹性元件可将气体压力转换为应变。筒壁的每一单元将在轴线方向和圆周方向产生拉伸应力， 轴向应力sx与周向应力st相互垂直， 应用虎克定律，可求得这种弹性敏感元件 压力-应变关系式： 它的应变与圆筒的长度无关，而仅取决于圆筒的半径 r0、厚度 h 和弹性模量 E，而且轴线方向应变与圆周方向应变不相等。 图2.6 薄壁圆筒受力分忻 第2章 电阻式传感器3薄壁圆筒 图2.6 薄壁圆筒受力分忻 第2章 电阻式传 4弹簧管 弹簧管的截面形状为椭

6、圆形、卵形或更复杂的形状。它主要在流体压力测量中作为压力敏感元件，将压力转换为弹簧管端部的位移。 图2.7 C形弹簧管的结构与截面示意图 图2.8 螺旋形弹簧管 图2.9 特性曲线 对于椭圆形截面的薄壁弹簧管，管壁厚与短半轴之比应不超过0.70.8。在一定范围内，其自由端位移 d 和所受压力 p之间的关系呈线性特性，如图2.9所示。当压力超过某一压力值 p 时，特性曲线将偏离直线而上翘。 第2章 电阻式传感器 4弹簧管 图2.7 C形弹簧管的结构与截面示意图 图2 5膜片 （1）圆形平膜片 在压力均匀分布的情况下，圆形平膜片各点对应的纵向应力和横向应力（切向应力） 。 在圆膜的中心处，r =

7、0，具有最大的正应力（拉应力），且sr=st； 在圆膜的边缘处，r = r0，纵向应力sr为最大的负应力（压应力）； 当 r0，为正应力（拉应力）； 当 r=0.635r0 时，纵向应力sr=0； 当 r0.635r0 时，纵向应力sr0，为负应力（压应力）； 当 r=0.812r0 时，横向应力st=0，但纵向应力sr0。图2.10 圆形平膜片应力分布 第2章 电阻式传感器 5膜片 图2.10 圆形平膜片应力分布 第2章 电阻 （2）波纹膜片 波纹膜片的形状可以做成多种形式，通常采用正弦形、梯形、锯齿形波形。在一定的压力作用下，正弦形波纹膜片给出最大的挠度；锯齿形波纹膜片给出最小的挠度，但它

8、的特性比较接近于直线；梯形波纹膜片的特性介于上述二者之间。 6波纹管 金属波纹管的轴向容易变形，即灵敏度非常好，在变形量允许的情况下，压力或轴向力的变化与伸缩量是成比例的，所以利用它可把压力或轴向力转换为位移。图2.13 波纹管外形 图2.11 膜片的轴向截面 图2.12 波纹形状与膜片特性的关系 第2章 电阻式传感器 （2）波纹膜片图2.13 波纹管外形 图2.11 电位式传感器可以测量位移、压力、加速度、容量、高度等多种物理量。 2.2.1 线性电位器 线性电位器由绕于骨架上的电阻丝线圈和沿电位器滑动的滑臂，以及安装在滑臂上的电刷组成。线绕电位器传感元件有直线式、旋转式或两者相结合的形式。

9、线性线绕电位器骨架的截面处处相等，由材料和截面均匀的电阻丝等节距绕制而成。 2.2 电位式传感器 图2.14 直线位移电位式传感器示意图 图2.15 电位器式角度传感器 第2章 电阻式传感器 电位式传感器可以测量位移、压力、加速度、容量 线绕电位器的阶梯特性如图2.16所示。 对理想阶梯特性的线绕电位器，在电刷行程内，电位器输出电压阶梯的最大值与最大输出电压之比的百分数，称为电位器的电压分辨率，其公式为 线性电位器误差的大小可由下式计算： 由图2.18可见，无论m为何值，X=0和X=1，即电刷分别在起始位置和最终位置时，负载误差都为0；当X=1/2时，负载误差最大，且增大负载系数时，负载误差也

10、随之增加。 图2.16 线绕电位器的理想阶梯特性 图2.17 带负载的电位器电路 图2.18 线性电位器误差df与m、X的曲线关系 第2章 电阻式传感器 线绕电位器的阶梯特性如图2.16所示。 图2.1 2.2.2 非线性电位器 非线性电位器是指在空载时其输出电压（或电阻）与电刷行程之间具有非线性函数关系的一种电位器，也称函数电位器。它可以实现指数函数、对数函数、三角函数及其他任意函数，因此可满足控制系统的特殊要求，也可满足传感、检测系统最终获得线性输出的要求。常用的非线性线绕电位器有变骨架式、变节距式、分路电阻式及电位给定式四种。 图2.19 变骨架高度式非线性电位器 图2.20 对称变骨架

11、高度式非线性电位器 第2章 电阻式传感器 2.2.2 非线性电位器 图2.19 变骨架高度式非线2.2.3 电位器式传感器应用 1位移传感器 电位器式位移传感器常用于测量几毫米到几十米的位移和几度到360的角度。 电位器传感器结构简单，价格低廉，性能稳定，能承受恶劣环境条件，输出功率大，一般不需要对输出信号放大就可以直接驱动伺服元件和显示仪表。 2电位器式压力传感器 电位器式压力传感器由弹簧管和电位器组成。 电位器被固定在壳体上，电刷与弹簧管的传动机构相连。当被测压力p变化时，弹簧管的自由端产生位移，带动指针偏转，同时带动电刷在线绕电位器上滑动，就能输出与被测压力成正比的电压信号。图2.21

12、推杆式位移传感器 图2.22 电位器式压力传感器 第2章 电阻式传感器2.2.3 电位器式传感器应用 图2.21 推杆式位移传感2.3 电阻应变式传感器 电阻应变式传感器可测量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数，是目前应用最广泛的传感器之一。 2.3.1 电阻应变片的种类与结构 1丝式应变片 2箔式应变片 3薄膜应变片 4半导体应变片 1基底；2电阻丝；3覆盖层；4引线图2.23 电阻丝应变片的基本结构 图2.24 箔式应变片 第2章 电阻式传感器2.3 电阻应变式传感器1基底；2电阻丝；3覆盖层；4 2.3.2 电阻的应变效应 金属的电阻应变效应：金属丝的电阻随着它所受的机械变形（拉伸或

13、压缩）的大小而发生相应变化。 当金属丝受拉时，其长度伸长dl，横截面将相应减小dS，电阻率也将改变dr，这些量的变化，必然引起金属丝电阻改变dR，即 令 金属丝的轴向应变量； 金属丝的径向应变量。 根据材料力学原理，金属丝受拉时，沿轴向伸长，而沿径向缩短，二者之间应变的关系为 第2章 电阻式传感器 2.3.2 电阻的应变效应 第2章 电阻式传感器 令 K 称为金属丝的灵敏系数，表示金属丝产生单位变形时，电阻相对变化的大小。显然，越大，单位变形引起的电阻相对变化越大，故灵敏度越高。 金属丝的灵敏系数 K 受两个因素影响： 第一项（1+2m），它是由于金属丝受拉伸后，材料的几何尺寸发生变化而引起的

14、； 第二项 ，它是由于材料发生变形时，其自由电子的活动能 力和数量均发生变化的缘故，这项可能是正值，也可能为负值，但作为应变片材料都选为正值，否则会降低灵敏度。金属丝电阻的变化主要由材料的几何形变引起。 实验证明，在金属丝变形的弹性范围内，电阻的相对变化dR/R与应变ex是成正比。 第2章 电阻式传感器 令第2章 电阻式传感器2.3.3 应变片测试原理 用应变片测量应变或应力时，是将应变片粘贴于被测对象上的。在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形，粘贴在其表面上的应变片亦随其发生相同的变化，因此应变片的电阻也发生相应的变化。根据应力-应变关系可以得到应力值s。 通过弹性敏感元件转换作用，将

15、位移、力、力矩、加速度、压力等参数转换为应变，因此可以将应变片由测量应变扩展到测量上述参数，从而形成各种电阻应变式传感器。 2.3.4 测量电路 1直流电桥工作原理 输出端电压Uo为 电桥的平衡条件 图2.25 电阻电桥 第2章 电阻式传感器2.3.3 应变片测试原理图2.25 电阻电桥 第2章 2电阻应变片测量电桥 （1）应变片单臂工作直流电桥 （2）应变片双臂直流电桥（半桥）3应变片直流全桥电路 全桥工作时，输出电压最大，检测的灵敏度最高。 图2.26 单臂工作直流电桥 图2.27 双臂直流电桥 图2.28 直流全桥电路 第2章 电阻式传感器2电阻应变片测量电桥图2.26 单臂工作直流电桥

16、 图2. 4应变片的温度误差及其补偿 （1）温度误差:因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素是：一、应变片的电阻丝具有一定的温度系数；二、电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。由温度变化形成的总电阻变化为 电阻的相对变化量为 （2）温度补偿 单丝自补偿应变片 双丝组合式自补偿应变片 桥式电路补偿法 热敏电阻补偿 图2.29 桥式电路补偿电路 图2.30 热敏电阻补偿电路 第2章 电阻式传感器 4应变片的温度误差及其补偿图2.29 桥式电路补偿2.4 电阻应变式传感器的应用 1测力传感器 电阻应变式传感器的最大用武之地是在称重和测力领域。这种测力传感器由应变计、弹性元件、测量电路等组成。根据

17、弹性元件结构形式（柱形、筒形、环形、梁式、轮辐式等）和受载性质（拉、压、弯曲、剪切等）的不同，它们可分为许多种类。 （1）柱式力传感器。圆柱式传感器的弹性元件如图2.31所示。图2.31 应变片粘贴在柱形弹性元件上 第2章 电阻式传感器2.4 电阻应变式传感器的应用 1测力传感器图2.3用柱式力传感器可制成称重式料位计。如图2.32所示。 （2）梁式力传感器：可制成称重电子秤、加速度传感器等。如图2.33所示。 图2.32 称重式料位计 1等强度悬臂梁；2应变片；3质量块图2.33 应变式加速度传感器 第2章 电阻式传感器用柱式力传感器可制成称重式料位计。如图2.32所示。 图2 2压力传感器

18、 压力传感器主要用于测量流体的压力。根据其弹性体的结构形式可分为单一式和组合式两种。 1插座；2基体；3温度补偿应变计；4工作应变计；5应变筒图2.34 筒式应变压力传感器 第2章 电阻式传感器 2压力传感器 1插座；2基体；3温度补偿应 3位移传感器 应变式位移传感器是把被测位移量转变成弹性元件的变形和应变，然后通过应变计和应变电桥，输出正比于被测位移的电量。它可用于近测或远测静态或动态的位移量。 如图2.35（a）所示为国产YW系列应变式位移传感器结构。这种传感器由于采用了悬臂梁-螺旋弹簧串联的组合结构，因此它适用于10100mm位移的测量。其工作原理如图2.35（b）所示。 1测量头；2

19、弹性元件；3弹簧；4外壳；5测量杆；6调整螺母；7应变计图2.35 YW型应变式位移传感器第2章 电阻式传感器 3位移传感器 1测量头；2弹性元件；3弹簧；2.5 压阻式传感器 2.5.1 压阻效应与压阻系数 半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称为压阻效应。常见的半导体应变片采用锗和硅等半导体材料作为敏感栅。根据压阻效应，半导体和金属丝同样可以把应变转换成电阻的变化。 由于半导体材料的各向异性，当硅膜片承受外应力时，同时产生纵向（扩散电阻长度方向）压阻效应和横向（扩散电阻宽度方向）压阻效应。则有 半导体应变片的灵敏系数为2.5.2 测量原理 只要位置合适，可满足 图2.36 膜片上电阻布置图 就可以形成差动效果，通过测量电路，获得最大的电压输出灵敏度。第2章 电阻式传感器2.5 压阻式传感器 2.5.1 压阻效应与压阻系数图2.2.5.3 温度补偿 压阻式传感器受到温度影响后，会引起零位漂移和灵敏度漂移，因而会产生温度误差。 当温度升高，压阻系数减小，则传感器的灵敏度要减小；反之，灵敏度增大。