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1、检 测 技 术 基 础,检测就是去认识科学家西门子（）,非电量检测技术,在生产过程中，检测技术研究的对象大多数是非电量的测量技术。常见的测量对象如：,热工量：压力，温度，流量；,机械量：位移，压力，长度，物位，速度，加速度，振动；,学习非电量检测技术，首先需要学习传感技术。传感技术对国民经济的重要性是无可低估的，没有性能好的传感器，就不会有良好的检测技术的发展。国内传感器共分10大类，24小类，6000个品种，而国外品种更多，如美国约有17000种传感器，所以发展传感器品种的领域很宽广。,化工量：浓度，成份，PH值，黏度；,一、电阻应变式传感器,电阻式传感器,利用敏感体受到某种物理状态的变化，
2、其电阻也随之变化的特性，把这种电阻变化通过测量电路的转换，形成电能形式（电压，电流，频率等）的信号变化，经传递、放大、处理，最终变成显示值。常见的有：电位器式传感器，热电阻式传感器，热敏电阻传感器，气敏传感器，湿敏传感器，应变片传感器等。,说明:(1)电阻式传感器将电阻变化量转换成电能信号,如电压,电流,才可以在仪表系统里进行传递和处理。(2)电阻式传感器的电阻变化量R通常很小,所以转换的信号是微弱的,需要经过调理放大后驱动显示。,应变片传感器,用途:压力,荷重,扭矩,加速度等的测量。特点:体积小,性能稳定,精度高,结构简单,测量范围大,抗干扰能力强等.目前主要有两种:金属电阻丝应变片,半导体
3、应变片。下图为金属电阻丝应变片的外形结构.,应变效应金属丝,金属电阻丝的电阻关系:,当电阻丝受到外力作用发生形变,影响电阻变化的三个参数（电阻率、长度、截面积）:,全微分方程:,应变效应金属丝,电阻相对变化量:,对于截面积变化量转换为直径变化:,根据材料力学横向收缩和纵向伸长关系:,整理:,:泊松系数,=0.30.5;和 分别为纵向应变（长度相对变化量）和横向应变（横向相对变化量）,半导体应变片,将半导体材料用特殊工艺在基片上涂膜形成扩散硅。当扩散硅受外力作用后两端电阻也发生变化,也可以用金属电阻丝应变片表达式:,金属-半导体区别,(1)对于金属电阻丝应变片的电阻率受力后变化甚微,故可以忽略不
4、计:为电阻丝灵敏系数，在，所以K为。(2)对于半导体应变片是根据压阻效应工作的电阻率的变化要比前两项大得多.其中:r压阻系数;沿纵向的应变;E材料的弹性模量;K灵敏系数。K=50-70远比金属电阻丝应变片的灵敏度高。,灵敏系数k-补充,当具有初始电阻值的应变计粘贴于试件表面时，试件受力引起的表面应变，将传递给应变计的敏感栅，使其产生电阻相对变化。实验证明，在一定的应变范围内，有下列关系：式中：为应变计轴向应变；为应变计的灵敏系数。,两种应变片的特性小结,1.灵敏度 金属电阻丝:K=1+2,为金属材料的泊松系数,=0.3-0.5.所以,应变片灵敏系数最大为K=2.半导体材料:K=5070，可测微
5、小应变（600微应变，长度相对变化量为10-6为1微应变）2.线性度:金属电阻丝:非线性误差小,在较大测量范围内应变片灵敏系 数基本不变。半导体材料:非线性误差严重,测量范围小。3.动态特性:金属电阻丝:响应速度在低频时较好,但随频率提高,响应速度 有可能跟不上而导致失真.半导体材料:因体积小,保证响应速度良好的频率范围较宽.4.其他特性:半导体材料的横向效应,机械滞后小于金属电阻丝.,测量原理,金属应变的类型,金属丝式金属箔式金属薄膜式,金属丝式,金属箔式应变片,在绝缘基底上，将厚度为0.0030.01mm电阻箔材，利用照相制板或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状。,（1）尺寸准确，线
6、条均匀，适应不同的测量要求;（2）可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅;（3）与被测试件接触面积大，粘结性能好。散热条件好，允许电流大，灵敏度提高;（4）横向效应可以忽略;（5）蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。,金属薄膜应变片,采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1m以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，再加上保护层，易实现工业化批量生产;优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，易实现工业化生产;问题：难控制电阻与温度和时间的变化关系。,金属电阻丝应变片的横向效应,1.实际灵敏系数,上述讨论的灵敏系数 K=1+2,指的是一根金属导体,但是当金属丝绕制成栅状片时,增加了多处的
7、弯角,金属丝无论是在拉伸还是压缩,直线部分与弯角部分的应变不相同。,金属丝受外力后,直线部分仅受到纵向应变,而弯角部分将同时受到纵向和横向两个方向的应变.使弯角部分的电阻变化减少。这就是横向效应。,2.横向效应的缺点：（1）灵敏系数减小，（2）电阻与应变的关系存在非线性。,减少横向效应的几种措施,敏感栅的纵栅愈窄、愈长，而横栅愈宽、愈短，则横向效应的影响愈小。,（1）减少弯角横向长度：,（2）加粗弯角宽度：,（3）弯角采用良导体材料：,应变片电阻值,应变片在未经安装也不受外力情况下，于室温下 测得的电阻值电阻系列：60、120、200、350、500、1000,金属电阻丝应变片的温度误差及补偿
8、,使用应变片测量应变时，总希望应变片电阻仅同受力应变有关,不受其他因素影响。但实际上环境温度变化必然会导致应变片产生附加误差。,电阻温度系数的影响：,敏感栅的电阻丝随温度变化的关系式如下：,Ra：温度t时的电阻值；Ro：温度to时的电阻值；：参考温度to时的电阻温度系数。,其中：R=Rot表示温度变化后产生的电阻变化量，这是在测量应变时温度变化引起的误差之一。,工件材料与电阻丝材料的线膨胀系数的影响,设金属丝的线胀系数为s，工件弹性体的线胀系数为g，当温度变化后各自自由伸长。实际使用时，应变片基片与工件（弹性体）是采用特殊粘结剂作刚性连接，受力后两者之间不产生滑动。如果两者的线胀系数相同，则金
9、属丝的变形处于自由状态，不会产生附加形变。否则两者因线胀量不一致，导致相互牵扯而引起附加形变。,电阻丝：工件弹性体：,总的附加电阻：,附加电阻：,附加应变：,附加伸长：,折合成附加应变：,3.组合自补偿法：适当选择材料的温度系数和线胀系数，满足下式：,2.补偿片法：利用电桥电路的差动特性，消除温度影响。,1.热敏元件法：在测量电路中增加负温度系数电阻。,温度补偿方法：,上述结果表明：环境温度的变化一定会引起附加测量应变的误差，是不能忽略的，温度变化越大，则所引起的误差越大，有必要在设计中加以考虑补偿的方法。,电阻应变片的温度补偿方法,初始状态Uo=A（R1 R4-RB R3）=0,温度变化后U
10、o=A（R1+R1t）R4-(RB+RBt)R3=0,R1=RBR3=R4,补偿了温度,温度引起的误差可由半桥和全桥补偿,优点：简单、方便，在常温下补偿效果较好缺点：在温度变化梯度较大的条件下，很难做到工作片与补偿片处于温度完全一致的情况，因而影响补偿效果。,弹性模量E的温度补偿,弹性模量E随温度上升而减小，导致应变阻值减小，产生误差。,金属丝电阻应变片的表示方法,横向应变与纵向应变的关系:,用长方形符号表示电阻应变片.图(a)受到的是压力,纵向受力电阻减小,横向受力电阻增加;图(b)受到的是拉力,纵向受力电阻增加,横向受力电阻减小;,测量电桥,测量电桥大致分直流电桥,交流电桥两种.,直流电桥
11、:工作电源是直流电源,桥臂元件为纯电阻.,交流电桥:工作电源是交流电源,桥臂元件为电阻,电感,电容及其组合件.,测量电桥的优点:结构简单灵敏度高具备测量零位可以反映被测量的变化方向.,应变片电阻测量,简单电路将受力形变后的应变片电阻变化量转化为电压信号:图中R1为固定电阻,R2为应变片电阻.,输出电压:(1)应变片受力形变前:,(2)应变片受力形变后:,不足：输入输出信号不一致:受力为0时,输出电压不为0;不能反映受力方向:应变片无论拉伸还是压缩输出电压总是正电压.,直流电桥,平衡条件,电桥输出电压,平衡条件,对电桥输出电压:,若R1-R4受到应变作用阻值=Ri+Ri。若，负载电阻无穷大，输出
12、电压可近似为：,Ri=R,(1)单臂电桥,R1-R4只有一个为工作的应变片(如R1),其余为固定电阻.则:R1=R2=R3=R4;R1=R，R2-4=0,提高电压U或选用灵敏度系数高的应变片能提高桥路的电压灵敏度。由于应变片有功率限制，因此桥路电压有上限。,(2)对称电桥:,通常只有两个桥臂为工作的应变片(如R1,R2),其余为固定电阻.,若R1纵向应变,R2横向应变,若R1,R3均为纵向应变,(3)非对称电桥:,a=?使输出最大?,R1和R4产生不同的应变,a=1,令t=a+1,变换后求导。,对称电桥是非对称电桥的特例，其优点是非线性误差较小。,（4）全桥电路（4个电阻都是应变电阻）:,欲使
13、输出电压最大，R，R，则让R1、R3产生纵向应变，R2、R4产生横向应变。,电压灵敏度最高，因此是最常用的一种桥路,非线性误差,非线性误差,若R1=R2,R1=R2,R3=R4,则得,Uo与（R1/R1）呈线性关系,差动电桥无非线性误差,而且电桥电压灵敏度KU=E/2,比单臂工作时提高一倍,同时还具有温度补偿作用。,在试件上安装两个工作应变片,一个受拉应变,一个受压应变,接入电桥相邻桥臂,称为半桥差动电路,该电桥输出电压为,结论,对于半桥和全桥,通常采用同性质的敏感元件作为桥臂.那么各自的电桥输出电压如下:,无论哪一种电桥,全桥的灵敏度最高;,全桥工作时:,半桥工作时:,单臂工作时:,结论,选
14、用半桥和全桥测量电路不仅可以提高电桥的灵敏度,还可以克服非线性和温度引起的干扰.为了提高电桥的灵敏度,可以适当提高电源电压.但是电源电压过高会引起电流增加,导致温度对敏感元件的影响而造成附加误差.,电桥调零,制造工艺原因可能是的电桥不受载荷时输出电压不为零，因此必须调零。P107,例题1,如图所示,初始状态R1=R2=R3=R4=120，U=12V,求输出电压U0。(1)只有R1为工作的应变片,k=2,=0.0016;(2)只有R1,R2为工作的应变片,k=2,1=0.0016;2=-0.0016;(3)R1-R4均为工作的应变片,k=2,1=3=0.0016;2=4=-0.0016;,解:(
15、1)只有R1为工作的应变片,k=2,=0.0016,(3)R1-R4均为工作的应变片,k=2,1=3=0.0016;2=4=-0.0016;,(2)只有R1,R2为工作的应变片,k=2,1=0.0016;2=-0.0016;,交流电桥,或者:,交流电桥的参数为阻抗:,1.平衡条件:与直流电桥类似.,阻抗参数也可以用复数形式表示:,交流电桥的平衡条件:,实部相等:虚部相等:,例:如图所示,某个交流电桥,已知Z1=R1+jX1=5+j6,Z2=R2+jX2=4-j2,Z3=R3+jX3=6+j2,为了满足平衡条件,Z4取多少?,虚部相等:,解:交流电桥的平衡条件:实部相等:,联立方程,求得:R4=
16、-1(),X4=11(),联立方程,求得:R4=5.8(),X4=9.4().上述结果说明该交流电桥能达到平衡.,实部相等:虚部相等:,若Z3=R3+jX3=6-j2,则:,上述结果说明该交流电桥不可能达到平衡,常见的电阻应变片传感器的结构,1.悬臂梁,特点：灵敏度高，测量范围小在梁的同一位置的上方与下方各粘贴同性质的应变片,可以得到大小相同方向相反的应变。,F：外部施力；E：梁材料的弹性模量；b:宽度；,受力关系:,续,例题,有一应变式等强度悬臂梁式力传感器,假设悬臂梁的热胀系数相等,R1=R2,构成半桥双臂电路。设悬臂梁的厚度h=0.5mm,固定端宽度b=18mm,l=15mm材料的弹性模
17、量 E=21011 N/m2,应变片灵敏度K=2,桥路的电源电压Ui=2V,若输出电压为1.0mV,计算作用力F.,解:计算作用力F:悬臂梁的应变与外力的关系:,桥路输出电压与电阻变化关系:,计算作用力F:,计算应变:,F为被测力（N）；A为受力面积（m2）；E为材料的弹性模量（N/m2），其测量上限可达107N，对于小负荷103-5N，可用空心筒式结构。,2.圆柱体,筒式压力传感器,机床液压系统的压力（106107Pa），枪炮的膛内压力（108Pa），动态特性和灵敏度主要由材料的E值和尺寸决定,例题：电阻应变片的灵敏度为K=2，沿纵向粘贴于直径为0.05m的圆形钢柱表面,E=21011,=0.3.求钢柱受10t拉力作用时,应变片电阻的相对变化量.又如应变片沿钢柱圆周方向粘贴,受同样拉力作用时,应变片电阻的相对变化量为多少?,解:(1)沿纵向应变片电阻的相对变化量:,(2)沿横向应变片电阻的相对变化量:,3.环式结构,应变关系：,r:环的平均半径b:环的宽度h:环的厚度,注意各应变片电阻在电桥的位置，在外力作用下，各点的应力差别较大,4.扭矩测量:,转轴上沿轴线45角粘贴应变片，应变关系：,T:施加在转轴上转矩（图上的F）;r:转轴半径.,应变式压力传感器,容器内液体重量（液位）传感器,应变式加速度传感器,作业,P216 4-3,
