《检测技术与检测元》ppt课件

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1、2 检测技术与检测元件,本章以敏感元件为主线，介绍敏感元件的特性及基于各种敏感元件的检测原理和方法。 基本内容： 检测技术有关的主要自然规律； 参数检测的一般原理和方法； 各种检测元件相应的检测原理、应用范围等。,2.1 检测技术的原理与方法 2.1.1 自然规律与检测应用 自然规律是参数检测的基础 检测过程是应用自然规律（定律、法则、效应）认识自然的过程。 与检测技术有关的主要自然定律 守恒定律 场的定律 物质定律 统计法则,1）守恒定律 守恒定律是自然界最基本的定律，它包括质量、能量、动量和电荷量等守恒定律。 (查守恒定律在测量中的应用) 守恒定律在流量测量中的应用： 毕托管流量计 节流式

2、流量计 均速管流量计等,例：毕托管 流量计 构成： 毕托管是由弯成直角的同心套管构成。测量时，毕托管的内管口正对流体流动方向（如图）。 测量原理： 根据流体的总压与静压之差测量流体的流速。 守恒定律应用： 点2处的总能量应与点1处的总能量相等,计算： 设在毕托管前一小段距离的点1处流速为v1，静压为p1， 而管口(点2)处，因内管中充满被测流体，流速为零，静压p2。,流体流速：,能量守恒式：,静压,总压,2）场定律 关于场定律主要有：运动定律、电磁感应定律、光干涉定律等 常见的主要应用： 利用静电场定律的电容式传感器 例：平板电容,：介电常数，A：平行板面积， d：极板距离 主要应用： 物位测

3、量、界面测量、位移测量以及混合比测量（介电常数不同）,描述式：,利用电磁感应定律的电磁流量计 原理图：,e：感应电势， B：磁感应强度， l ：导体长度（管直径） v：移动速度,原理式：,注意： 基于场的定律的参数检测，其敏感元件的形状、尺寸等参数决定了检测系统的量程、灵敏度等性能。 具有较大的设计自由度、选择材料的限制较小。 体积一般较大，不易集成，环境干扰对敏感元件的输出影响较大。,3）依据物质特性的固有规律 原理： 利用某物质固有物理量的变化实现参数检测。 （物质的固有规律与物质的材料密切相关，反映了物质的内在性质） 例如： 金属，特别是许多半导体物质在受压、受热、受光照等情况下，表现出

4、其电阻值或电学量有明显的变化，根据物质的这一特性，可分别进行压力、温度和光强等参数的检测。 特点： 基于物质固有定律的参数检测具有敏感元件体积小、无可动部件、反应快、灵敏度高、稳定性好、易集成等优点，在检测技术中有广阔的应用前景。,2.1.2 信号转换基础效应、元件与应用 参数检测中敏感元件常依据基础效应、按照一定的原理把被测变量的信息转换成一种可进一步处理或表示的信息。 检测技术中常应用的基础效应：,光电效应 热电效应 电磁效应 压电效应 应变效应 霍尔效应,光电子发射效应 光导效应 光生伏特效应,常用基础效应,2.1.3 参数检测的一般方法 参数检测是以自然规律为基础，利用敏感元件特有的物

5、理、化学和生物等效应，把被测变量的变化转换为敏感元件某一物理(化学)量的变化。 主要内容： 方法分类、 敏感元件选择,1）检测原理分类 根据敏感原件的不同，参数检测一般可分为： 光学法 利用光的发射、透射、折射和反射定律或性质。利用光强度等光学参数来表示被测变量的大小，通过光电元件接收光信号实现检测目的。 例：辐射式温度计、红外式气体成分分析仪 力学（机械）法 利用敏感元件把被测变量转换成机械位移、变形等，通过对位移或变形状态的变换实现检测目的。 例：弹性元件，节流件,热学法 根据被测介质的热物理量(参数)的差异以及热平衡原理进行参数的检测。 例：热线风速仪 根据流体流动时带走的热量测定流体的

6、流量（流速）。 电学法 利用敏感元件把被测变量转换成电压、电阻、电容等电学量。 例：热敏电阻、热电偶等,声学法 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。 应用例： 超声波物位仪利用测量从超声波发射到接收到界面反射波的时间实现检测物位。 超声波流量计利用超声波在流体中沿顺流和逆流方向传播的速度差检测流体的流速。 磁学法 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，检测被测变量。 应用例：电磁流量计，磁氧分析仪,射线法 利用放射线穿过介质时部分能量会被物质吸收的特性实现参数测量的方法。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。

7、 例如利用射线法可实现物位检测，也可以用来检测混合物中某一组分的浓度。,2.2 敏感元件简介 敏感元件（检测元件）： 一种能够灵敏地感受被测参数，并将被测参数的变化转换成另一种物理量变化的元件。 敏感元件选择 同一参数可以使用不同的敏感元件，应用不同的方法来测量。 选择敏感元件时要考虑以下因素。 a. 敏感元件的适用环境 要保证敏感元件能正常工作，一般对它使用的环境温度、压力、外加电源电压(电流)等都有要求。 例如，用压阻元件测量压力一般要求被测介质的温度不超过150。,b. 敏感元件的参数测量范围 保证工作在其适用范围之内，被测变量不超过敏感元件规定的测量范围 例如，对于弹性元件，当外力作用

8、超过极限值后，弹性元件将产生永久性变形，甚至产生断裂或破损。 c. 敏感元件的输出特性 要求其输出与被测变量之间有明确的单调上升或下降的关系，最好是线性关系，而且要求该函数关系受其他参数(因素)的影响小，重复性要好。 d. 其他 在满足静态和动态精度的要求下，还要考虑敏感元件的价格、易复制性以及使用时的易安装性等因素。,敏感元件分类： 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 压电式检测元件 光电式检测元件 磁电式检测元件 核辐射式检测元件,2.2.1 机械式检测元件 原理、特点： 机械式检测元件是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，具有结构简单

9、、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： 弹性式检测元件： 依据弹性变形原理，将被测参数（外力）变化转换为弹性元件的变形，位移，应力等物理量输出。 振动式检测元件： 将被测参数（力、密度）变化转换成谐振元件的固有频率变化的输出,2.2.1.1 弹性式检测元件 弹性元件是基于弹性变形原理的一种敏感元件。 1）弹性元件的基本性能 弹性特性 描述弹性元件的输入量与由它引起的输出量之间的关系。 弹性特性主要由刚度和灵敏度描述。 a. 刚度 弹性元件产生单位变形所需要的外加作用力。 描述式（虎克定律）：,式中， k：弹性元件材料的刚度； F：作用在弹性元件上的外力； x：弹性元件上

10、产生的变形。,A：弹性元件的有效面积,则有：,注意： 弹性材料刚性越强，或者A/k 越小，则测量适应范围越大。 弹性元件的有效面积 A和刚度系数 k与弹性元件的性能、加 工过程和热处理等有较大关系。位移量较小时，它们均可视为常数。 压力与位移成线性关系。,b. 灵敏度 刚度的倒数，定义为单位输入量所引起的输出量，即,注意： 弹性元件的刚度与灵敏度是一对矛盾。, 弹性元件的滞弹性 弹性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虎克定律而产生非线性的特性。 其表现形式主要有弹性滞后、弹性后效(蠕变)、应力松弛等。 a. 弹性滞后 弹性元件在外力加载和卸载的正反行程中应力()和应变(

11、)曲线不重合的现象称为弹性滞后，如图,弹性滞后一般用最大相对滞后的百分数来表示，即,max: 最大的应变滞后, max: 最大载荷下的总应变,b. 弹性后效 弹性变形范围内，应力保持不变的情况下，应变 随时间的延续而缓慢增加，直到最后达到平衡应变值的现象称为弹性后效，也称蠕变。,OA曲线：弹性元件外力加载时的输出与输入特性， 应变量：1=OD。 AB曲线：应力不变情况下，弹性元件继续产生变形的结果， 后效应变量：2=DE； 应变曲线如图 BC曲线：应力释放特性曲线。 应变量： 3=EC CO曲线：应力释放后的弹性后效 应变曲线如图,AB段蠕变时间曲线,CO段蠕变时间曲线,注意： 弹性后效的衰减

12、常常需要延续很长时间，一般采用应力保持15min作参考值。 弹性后效描述式,式中： N（15）： 为弹性后效值； (15) = (15) - 0 （15） ： 施加应力保持15min后对应的应变值； 0： 施加应力恒定时刻对应的应变值； E： 材料的弹性模量；E= / 0(应力与应变之比) ： 材料的正应力。,c. 应力松弛 总应变量恒定情况下，应力随时间的延续而逐渐降低的现象。 表达式：,式中： r: 应力松弛率； 0: 初始应力； t: 经过 t时间后的应力。 一般要求弹性元件应具有高的抗松弛能力。, 弹性元件的热弹性效应 a. 弹性模量的温度系数 温度变化引起材料的弹性模量E的变化。通常

13、采用弹性模量的温度系数 E来表示弹性模量随温度变化的情况。,式中 E0：温度为 t0时材料的弹性模量 E： 温度为 t时材料的弹性模量。,b. 频率温度系数 通常采用频率的温度系数 f表示谐振频率随温度变化的情况。,式中 f0: 温度为T0时弹性元件的谐振频率； f : 温度为T时弹性元件的谐振频率。,c. 膨胀系数 用线膨胀系数 表示温度每升高1时，单位长度的相对变化量。,式中 l0：温度为T0时材料的长度； l：温度为T时材料的长度。 温度影响特点：温度升高弹性材料刚度降低、, 弹性元件的固有频率 弹性元件本身质量、弹性、弹性后效等决定了弹性元件的固有频率。 弹性元件的动态特性与它的固有频

14、率密切相关。 影响特点： 固有频率越高，则弹性元件响应越快。,2）弹性元件的材料性能及种类 弹性元件的材料性能 弹性敏感元件的材料：金属材料或非金属材料。 作为敏感元件弹性材料应具有以下性能或特性。 a. 具有良好的机械性能及良好的机械加工及热处理性能，便于加工和处理。 b. 具有良好的弹性特性，如稳定的输入一输出关系，很小的滞弹性效应。 c. 具有良好的温度特性，如弹性模量的温度系数小，而且稳定。 d. 具有良好的化学性能，有较强的抗氧化性和抗腐蚀性。,弹性元件的种类 弹性元件主要有： 弹簧管、波纹管、 弹性膜片、膜盒、 薄壁圆筒等类型。 本课程仅以常用的弹簧管、薄壁圆筒、波纹管和膜片为例，

15、介绍弹性元件的检测原理及其特性。,a. 弹簧管,弹簧管是由横截面呈非圆形(椭圆形或扁圆形)弹性材料管弯成圆弧状(中心角常为270度)构成（如图）。 被测压力介质从开口端进入并充满弹簧管的整个内腔， 由于弹簧管的非圆横截面，使它有变成圆形并伴有伸直的趋势而产生力矩，其结果使弹簧管的自由端产生位移，同时改变其中心角。,弹簧管,封闭端 （自由端）,开口端 （固定端）,被测压力,弹簧管自由端位移量(中心角改变量)和所加压力关系：,式中： 0：弹簧管中心角的初始角 ： 受压后中心角的改变量 d： 自由端位移量 R： 弹簧管弯曲圆弧的外半径 h： 管壁厚度 a、b：弹簧管椭圆形截面的长、短半轴；,扁平管：

16、,椭圆管：,：几何参数； 、：与比值有关的参数； ：泊松系数， E：弹性模数。,注意：该式仅适用于薄壁(hb0.70.8)弹簧管,弹簧管特性： 在一定压力范围内，弹簧管具有线性弹性特性。 如果a=b，则=0（或1-b2/a2=0），这说明具有均匀壁厚的圆形弹簧管不能用作压力检测的敏感元件,对于单圈弹簧管，中心角变化量 (或位移量)一般较小。要提高输出量（，d），可采用多圈弹簧管，圈数一般为2.59。 应用： 弹簧管可以通过传动机构直接指示被测压力，也可以用适当的转换元件把弹簧管自由端的位移变换成电信号输出。,b. 薄壁圆筒,特点： 壁厚(h)一般是筒径的0.05倍以下。 工作时，筒壁不发生弯曲变形，而是均匀向外扩散， 筒壁的每一单元面积都将在轴向和径向产生拉伸应力和应变。其受力情况如图所示。 注意： 这种弹性检测元件只能将压力转换成应变，多用于电阻应变片式检测元件中