《检测技术与检测元》PPT课件.ppt

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1、2 检测技术与检测元件l l本章以敏感元件为主线，介绍敏感元件的特性及本章以敏感元件为主线，介绍敏感元件的特性及本章以敏感元件为主线，介绍敏感元件的特性及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。基于各种敏感元件的检测原理和方法。基于各种敏感元件的检测原理和方法。基于各种敏感元件的检测原理和方法。l l基本内容：基本内容：基本内容：基本内容：检测技术有关的主要自然规律；检测技术有关的主要自然规律；检测技术有关的主要自然规律；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；参数检测的一般原理和方法；参数检测的一般原理和方法；参数检测的一般原理和方法；各种检

2、测元件相应的检测原理、应用范围等。各种检测元件相应的检测原理、应用范围等。各种检测元件相应的检测原理、应用范围等。各种检测元件相应的检测原理、应用范围等。2.1 2.1 检测技术的原理与方法检测技术的原理与方法检测技术的原理与方法检测技术的原理与方法2.1.1 2.1.1 自然规律与检测应用自然规律与检测应用自然规律与检测应用自然规律与检测应用l l自然规律是参数检测的基础自然规律是参数检测的基础自然规律是参数检测的基础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）认检测过程是应用自然规律（定律、法则、效应）认检测过程是应用自然规律（定律、法则、效应）认检测过程是应用自然

3、规律（定律、法则、效应）认识自然的过程。识自然的过程。识自然的过程。识自然的过程。l l与检测技术有关的主要自然定律与检测技术有关的主要自然定律与检测技术有关的主要自然定律与检测技术有关的主要自然定律 守恒定律守恒定律守恒定律守恒定律 场的定律场的定律场的定律场的定律 物质定律物质定律物质定律物质定律 统计法则统计法则统计法则统计法则 1 1）守恒定律）守恒定律）守恒定律）守恒定律 守恒定律是自然界最基本的定律，它包括质量、守恒定律是自然界最基本的定律，它包括质量、守恒定律是自然界最基本的定律，它包括质量、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。能量、动量和电荷

4、量等守恒定律。能量、动量和电荷量等守恒定律。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查守恒定律在测量中的应用查守恒定律在测量中的应用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：守恒定律在流量测量中的应用：守恒定律在流量测量中的应用：守恒定律在流量测量中的应用：毕托管流量计毕托管流量计毕托管流量计毕托管流量计 节流式流量计节流式流量计节流式流量计节流式流量计 均速管流量计等均速管流量计等均速管流量计等均速管流量计等例：毕托管例：毕托管例：毕托管例：毕托管 流量计流量计流量计流量计构成：构成：构成：构成：毕托管是由弯成直角的同心套管构成。毕托管是由弯成直角的同心套管构成。

5、毕托管是由弯成直角的同心套管构成。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测量时，毕托管的内管口正对流体流动测量时，毕托管的内管口正对流体流动测量时，毕托管的内管口正对流体流动方向（如图）。方向（如图）。方向（如图）。方向（如图）。测量原理：测量原理：测量原理：测量原理：根据流体的总压与静压之差测量流体的根据流体的总压与静压之差测量流体的根据流体的总压与静压之差测量流体的根据流体的总压与静压之差测量流体的流速。流速。流速。流速。守恒定律应用：守恒定律应用：守恒定律应用：守恒定律应用：点点点点2 2处的总能量应与点处的总能量应与点处的总能量应与点处的总能量应与点1 1

6、处的总能量相等处的总能量相等处的总能量相等处的总能量相等计算：计算：计算：计算：设在毕托管前一小段距离的点设在毕托管前一小段距离的点设在毕托管前一小段距离的点设在毕托管前一小段距离的点1 1处流速为处流速为处流速为处流速为v v1 1，静压为，静压为，静压为，静压为p p1 1，而管口而管口而管口而管口(点点点点2)2)处，因内管中充满被测流体，流速为零，静压处，因内管中充满被测流体，流速为零，静压处，因内管中充满被测流体，流速为零，静压处，因内管中充满被测流体，流速为零，静压p p2 2。流体流速：流体流速：能量守恒式：能量守恒式：能量守恒式：能量守恒式：静压总压2 2）场定律）场定律）场定

7、律）场定律 关于场定律主要有：运动定律、电磁感应定律、光干涉定律等关于场定律主要有：运动定律、电磁感应定律、光干涉定律等关于场定律主要有：运动定律、电磁感应定律、光干涉定律等关于场定律主要有：运动定律、电磁感应定律、光干涉定律等常见的主要应用：常见的主要应用：常见的主要应用：常见的主要应用：l l利用静电场定律的电容式传感器利用静电场定律的电容式传感器利用静电场定律的电容式传感器利用静电场定律的电容式传感器例：平板电容例：平板电容例：平板电容例：平板电容 ：介：介：介：介电电电电常数，常数，常数，常数，A A：平行板面：平行板面：平行板面：平行板面积积积积，d d：极板距离：极板距离：极板距离

8、：极板距离l l主要主要主要主要应应应应用：用：用：用：l l物位物位物位物位测测测测量、界面量、界面量、界面量、界面测测测测量、位移量、位移量、位移量、位移测测测测量以及混合比量以及混合比量以及混合比量以及混合比测测测测量（介量（介量（介量（介电电电电常数常数常数常数不同）不同）不同）不同）描述式：描述式：l l利用电磁感应定律的电磁流量计利用电磁感应定律的电磁流量计利用电磁感应定律的电磁流量计利用电磁感应定律的电磁流量计原理图：原理图：原理图：原理图：e e：感：感：感：感应电势应电势应电势应电势，B B：磁感：磁感：磁感：磁感应应应应强强强强度，度，度，度，l l：导导导导体体体体长长长

9、长度（管直径）度（管直径）度（管直径）度（管直径）v v：移：移：移：移动动动动速度速度速度速度原理式：原理式：注意：注意：注意：注意：l l基于场的定律的参数检测，其敏感元件的形状、基于场的定律的参数检测，其敏感元件的形状、基于场的定律的参数检测，其敏感元件的形状、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、灵敏度等性尺寸等参数决定了检测系统的量程、灵敏度等性尺寸等参数决定了检测系统的量程、灵敏度等性尺寸等参数决定了检测系统的量程、灵敏度等性能。能。能。能。l l具有较大的设计自由度、选择材料的限制较小。具有较大的设计自由度、选择材料的限制较小。具有较大的设计自

10、由度、选择材料的限制较小。具有较大的设计自由度、选择材料的限制较小。l l体积一般较大，不易集成，环境干扰对敏感元件体积一般较大，不易集成，环境干扰对敏感元件体积一般较大，不易集成，环境干扰对敏感元件体积一般较大，不易集成，环境干扰对敏感元件的输出影响较大。的输出影响较大。的输出影响较大。的输出影响较大。3 3）依据物质特性的固有规律）依据物质特性的固有规律）依据物质特性的固有规律）依据物质特性的固有规律l l原理：原理：原理：原理：利用某物质固有物理量的变化实现参数检测。利用某物质固有物理量的变化实现参数检测。利用某物质固有物理量的变化实现参数检测。利用某物质固有物理量的变化实现参数检测。（

11、物质的固有规律与物质的材料密切相关，反映（物质的固有规律与物质的材料密切相关，反映（物质的固有规律与物质的材料密切相关，反映（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）了物质的内在性质）了物质的内在性质）了物质的内在性质）例如：例如：例如：例如：金属，特别是许多半导体物质在受压、受热、受金属，特别是许多半导体物质在受压、受热、受金属，特别是许多半导体物质在受压、受热、受金属，特别是许多半导体物质在受压、受热、受光照等情况下，表现出其电阻值或电学量有明显的光照等情况下，表现出其电阻值或电学量有明显的光照等情况下，表现出其电阻值或电学量有明显的光照等情况下，表现出其电阻值或电学量有

12、明显的变化，根据物质的这一特性，可分别进行压力、温变化，根据物质的这一特性，可分别进行压力、温变化，根据物质的这一特性，可分别进行压力、温变化，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。度和光强等参数的检测。度和光强等参数的检测。度和光强等参数的检测。l l特点：特点：特点：特点：基于物质固有定律的参数检测具有敏感元件体积基于物质固有定律的参数检测具有敏感元件体积基于物质固有定律的参数检测具有敏感元件体积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、小、无可动部件、反应快、灵敏度高、稳定性好、小、无可动部件、反应快、灵敏度高、稳定性好、

13、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。易集成等优点，在检测技术中有广阔的应用前景。易集成等优点，在检测技术中有广阔的应用前景。易集成等优点，在检测技术中有广阔的应用前景。2.1.2 2.1.2 信号信号信号信号转换转换转换转换基基基基础础础础效效效效应应应应、元件与、元件与、元件与、元件与应应应应用用用用 参数参数参数参数检测检测检测检测中敏感元件常依据基中敏感元件常依据基中敏感元件常依据基中敏感元件常依据基础础础础效效效效应应应应、按照一定的原、按照一定的原、按照一定的原、按照一定的原理把被理把被理把被理把被测变测变测变测变量的信息量的信息量

14、的信息量的信息转换转换转换转换成一种可成一种可成一种可成一种可进进进进一步一步一步一步处处处处理或表示的理或表示的理或表示的理或表示的信息。信息。信息。信息。检测检测检测检测技技技技术术术术中常中常中常中常应应应应用的基用的基用的基用的基础础础础效效效效应应应应：光电效应光电效应热电效应热电效应电磁效应电磁效应压电效应压电效应应变效应应变效应霍尔效应霍尔效应光电子发射效应光电子发射效应光导效应光导效应光生伏特效应光生伏特效应常用基常用基础效应础效应效应名称效应名称原原 理理输出量输出量检测元件及应用检测元件及应用光导效应光导效应物体受光照射，其内部原子释放的电子留物体受光照射，其内部原子释放的

15、电子留在内部而使物体的导电性增加，电阻值下降在内部而使物体的导电性增加，电阻值下降电阻电阻光敏电阻，光敏电阻，测量光强测量光强光生伏特效应光生伏特效应半导体在光的照射下能产生一定方向的电动势半导体在光的照射下能产生一定方向的电动势电压电压电流电流光电池、光敏二极管、光电池、光敏二极管、光敏三极管光敏三极管光电子发射效应光电子发射效应金属在光照射下，释放的光电子逸出金属表面金属在光照射下，释放的光电子逸出金属表面电流电流光电管、光电倍增管光电管、光电倍增管检测徽弱光信号检测徽弱光信号压阻效应压阻效应半导体材料受到外力或应力作用时，其电阻率半导体材料受到外力或应力作用时，其电阻率发生变化，从而引起

16、电阻值的变化发生变化，从而引起电阻值的变化电阻电阻扩散硅传感器，扩散硅传感器，测量力、压力等测量力、压力等压电效应压电效应某些电介质沿一定方向受外力作用而变形时，某些电介质沿一定方向受外力作用而变形时，在其特定的两个表面上产生异号电荷在其特定的两个表面上产生异号电荷电压电压(电荷电荷)压电晶体、压电陶瓷压电晶体、压电陶瓷测量力、压力等测量力、压力等应变效应应变效应某些材料在受力产生变形后其电阻值发生变化某些材料在受力产生变形后其电阻值发生变化电阻电阻导体（半导体）应变片导体（半导体）应变片测量力、力矩、加速度测量力、力矩、加速度压磁效应压磁效应磁致伸缩材料在外力磁致伸缩材料在外力(应力或应变应

17、力或应变)作用下作用下其材料的磁化强度和磁导率发生相应变化其材料的磁化强度和磁导率发生相应变化感抗感抗压磁元件，压磁元件，测量力、扭力、转矩等测量力、扭力、转矩等热电效应热电效应两种不同材辩串接成一团合回路，当它们的两两种不同材辩串接成一团合回路，当它们的两个结点处于不同温度时。回路内将产生电动势个结点处于不同温度时。回路内将产生电动势电压电压热电偶，热电偶，测量温度测量温度霍尔效应霍尔效应当电流垂直于外磁场方向通过导体或半导体薄当电流垂直于外磁场方向通过导体或半导体薄片时，在薄片垂直于电流和磁场方向的两个侧片时，在薄片垂直于电流和磁场方向的两个侧表面之间产生电位差表面之间产生电位差电压电压霍

18、尔传感器。霍尔传感器。测量位移、压力、磁场测量位移、压力、磁场和电流等和电流等2.1.3 2.1.3 参数检测的一般方法参数检测的一般方法参数检测的一般方法参数检测的一般方法 参数检测是以自然规律为基础，利用敏感元件特参数检测是以自然规律为基础，利用敏感元件特参数检测是以自然规律为基础，利用敏感元件特参数检测是以自然规律为基础，利用敏感元件特有的物理、化学和生物等效应，把被测变量的变有的物理、化学和生物等效应，把被测变量的变有的物理、化学和生物等效应，把被测变量的变有的物理、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转换为敏感元件某一物理化转换为敏感元件某一物理化转换为敏感元件

19、某一物理(化学化学化学化学)量的变化。量的变化。量的变化。量的变化。主要内容：主要内容：主要内容：主要内容：方法分类、方法分类、方法分类、方法分类、敏感元件选择敏感元件选择敏感元件选择敏感元件选择1 1）检测原理分类）检测原理分类）检测原理分类）检测原理分类 根据敏感原件的不同，参数检测一般可分为：根据敏感原件的不同，参数检测一般可分为：根据敏感原件的不同，参数检测一般可分为：根据敏感原件的不同，参数检测一般可分为：l l光学法光学法光学法光学法 利用光的发射、透射、折射和反射定律或性质。利利用光的发射、透射、折射和反射定律或性质。利利用光的发射、透射、折射和反射定律或性质。利利用光的发射、透

20、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，通过用光强度等光学参数来表示被测变量的大小，通过用光强度等光学参数来表示被测变量的大小，通过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。光电元件接收光信号实现检测目的。光电元件接收光信号实现检测目的。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例：辐射式温度计、红外式气体成分分析仪例：辐射式温度计、红外式气体成分分析仪例：辐射式温度计、红外式气体成分分析仪l l力学（机械）法力学（机械）法力学（机械）法力学（机械）法 利用敏感元件把被测变量转换成机械位移、变形利用敏感元

21、件把被测变量转换成机械位移、变形利用敏感元件把被测变量转换成机械位移、变形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。等，通过对位移或变形状态的变换实现检测目的。等，通过对位移或变形状态的变换实现检测目的。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，节流件例：弹性元件，节流件例：弹性元件，节流件例：弹性元件，节流件l l热学法热学法热学法热学法 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(参数参数参数参数)的差异以及热平的差异以及热平的差异以及热平的差异以及热平衡原理进行参数的检测。衡原理进行

22、参数的检测。衡原理进行参数的检测。衡原理进行参数的检测。例：热线风速仪例：热线风速仪例：热线风速仪例：热线风速仪 根据流体流动时带走的热量测定流体的流量（流根据流体流动时带走的热量测定流体的流量（流根据流体流动时带走的热量测定流体的流量（流根据流体流动时带走的热量测定流体的流量（流速）。速）。速）。速）。l l电学法电学法电学法电学法 利用敏感元件把被测变量转换成电压、电阻、利用敏感元件把被测变量转换成电压、电阻、利用敏感元件把被测变量转换成电压、电阻、利用敏感元件把被测变量转换成电压、电阻、电容等电学量。电容等电学量。电容等电学量。电容等电学量。例：热敏电阻、热电偶等例：热敏电阻、热电偶等例

23、：热敏电阻、热电偶等例：热敏电阻、热电偶等l l声学法声学法声学法声学法 利用超声波在介质中的传播以及在介质间界面利用超声波在介质中的传播以及在介质间界面利用超声波在介质中的传播以及在介质间界面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。处的反射等性质进行参数的检测。处的反射等性质进行参数的检测。处的反射等性质进行参数的检测。应用例：应用例：应用例：应用例：超声波物位仪利用测量从超声波发射到接收到超声波物位仪利用测量从超声波发射到接收到超声波物位仪利用测量从超声波发射到接收到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。界面反射波的时间实现检测

24、物位。界面反射波的时间实现检测物位。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超声波流量计利用超声波在流体中沿顺流和逆超声波流量计利用超声波在流体中沿顺流和逆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。流方向传播的速度差检测流体的流速。流方向传播的速度差检测流体的流速。流方向传播的速度差检测流体的流速。l l磁学法磁学法磁学法磁学法 利用被测介质有关磁性参数的差异及被测介质或利用被测介质有关磁性参数的差异及被测介质或利用被测介质有关磁性参数的差异及被测介质或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

25、变量。敏感元件在磁场中表现出的特性，检测被测变量。敏感元件在磁场中表现出的特性，检测被测变量。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，磁氧分析仪应用例：电磁流量计，磁氧分析仪应用例：电磁流量计，磁氧分析仪应用例：电磁流量计，磁氧分析仪l l射线法射线法射线法射线法 利用放射线穿过介质时部分能量会被物质吸收的利用放射线穿过介质时部分能量会被物质吸收的利用放射线穿过介质时部分能量会被物质吸收的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特性实现参数测量的方法。吸收程度与射线所穿特性实现参数测量的方法。吸收程度与射线所穿特性实现参数测量

26、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。过的物质层厚度、物质的密度等性质有关。过的物质层厚度、物质的密度等性质有关。过的物质层厚度、物质的密度等性质有关。例如利用射线法可实现物位检测，也可以用来检例如利用射线法可实现物位检测，也可以用来检例如利用射线法可实现物位检测，也可以用来检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。测混合物中某一组分的浓度。测混合物中某一组分的浓度。测混合物中某一组分的浓度。2.2 2.2 敏感元件敏感元件敏感元件敏感元件简简简简介介介介l l 敏感元件（敏感元件（敏感元件（敏感元件（检测检测检测检测元件）：元件）：元件）

27、：元件）：一种能一种能一种能一种能够够够够灵敏地感受被灵敏地感受被灵敏地感受被灵敏地感受被测测测测参数，并将被参数，并将被参数，并将被参数，并将被测测测测参数的参数的参数的参数的变变变变化化化化转换转换转换转换成另一种物理量成另一种物理量成另一种物理量成另一种物理量变变变变化的元件。化的元件。化的元件。化的元件。l l敏感元件选择敏感元件选择敏感元件选择敏感元件选择 同一参数可以使用不同的敏感元件，应用不同同一参数可以使用不同的敏感元件，应用不同同一参数可以使用不同的敏感元件，应用不同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。的方法来测量。的方法来测量。的方法来测量。选择敏感元件时

28、要考虑以下因素。选择敏感元件时要考虑以下因素。选择敏感元件时要考虑以下因素。选择敏感元件时要考虑以下因素。a.a.敏感元件的适用环境敏感元件的适用环境敏感元件的适用环境敏感元件的适用环境 要保证敏感元件能正常工作，一般对它使用的要保证敏感元件能正常工作，一般对它使用的要保证敏感元件能正常工作，一般对它使用的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、外加电源电压环境温度、压力、外加电源电压环境温度、压力、外加电源电压环境温度、压力、外加电源电压(电流电流电流电流)等都有要求。等都有要求。等都有要求。等都有要求。例如，用压阻元件测量压力一般要求被测介质例如，用压阻元件测量压力一般要求

29、被测介质例如，用压阻元件测量压力一般要求被测介质例如，用压阻元件测量压力一般要求被测介质的温度不超过的温度不超过的温度不超过的温度不超过150150。b.b.敏感元件的参数测量范围敏感元件的参数测量范围敏感元件的参数测量范围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保证工作在其适用范围之内，被测变量不超过敏感保证工作在其适用范围之内，被测变量不超过敏感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元件规定的测量范围元件规定的测量范围元件规定的测量范围 例如，对于弹性元件，当外力作用超过极限值后，例如，对于弹性元件，当外力作用超过极限值后，例如，对于弹性

30、元件，当外力作用超过极限值后，例如，对于弹性元件，当外力作用超过极限值后，弹性元件将产生永久性变形，甚至产生断裂或破损。弹性元件将产生永久性变形，甚至产生断裂或破损。弹性元件将产生永久性变形，甚至产生断裂或破损。弹性元件将产生永久性变形，甚至产生断裂或破损。c.c.敏感元件的输出特性敏感元件的输出特性敏感元件的输出特性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要求其输出与被测变量之间有明确的单调上升或下要求其输出与被测变量之间有明确的单调上升或下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降的关系，最好是线性关系，而且要求该函

31、数关系受降的关系，最好是线性关系，而且要求该函数关系受降的关系，最好是线性关系，而且要求该函数关系受其他参数其他参数其他参数其他参数(因素因素因素因素)的影响小，重复性要好。的影响小，重复性要好。的影响小，重复性要好。的影响小，重复性要好。d.d.其他其他其他其他 在满足静态和动态精度的要求下，还要考虑敏感元在满足静态和动态精度的要求下，还要考虑敏感元在满足静态和动态精度的要求下，还要考虑敏感元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。件的价格、易复制性以及使用时的易安装性等因素。件的价格、易复制性以及使用时的易安装性等因素。件的价格、易复制性以

32、及使用时的易安装性等因素。敏感元件分敏感元件分敏感元件分敏感元件分类类类类：机械式机械式机械式机械式检测检测检测检测元件元件元件元件 电电电电阻式阻式阻式阻式检测检测检测检测元件元件元件元件 电电电电容式容式容式容式检测检测检测检测元件元件元件元件 热电热电热电热电式式式式检测检测检测检测元件元件元件元件 压电压电压电压电式式式式检测检测检测检测元件元件元件元件 光光光光电电电电式式式式检测检测检测检测元件元件元件元件 磁磁磁磁电电电电式式式式检测检测检测检测元件元件元件元件 核核核核辐辐辐辐射式射式射式射式检测检测检测检测元件元件元件元件2.2.1 2.2.1 机械式机械式机械式机械式检测检

33、测检测检测元件元件元件元件原理、特点：原理、特点：原理、特点：原理、特点：机械式机械式机械式机械式检测检测检测检测元件是将被元件是将被元件是将被元件是将被测测测测量量量量转换为转换为转换为转换为机械量信号机械量信号机械量信号机械量信号(通常通常通常通常是位移、振是位移、振是位移、振是位移、振动频动频动频动频率、率、率、率、转转转转角等角等角等角等)输输输输出，具有出，具有出，具有出，具有结结结结构构构构简单简单简单简单、使用安全可靠、抗干使用安全可靠、抗干使用安全可靠、抗干使用安全可靠、抗干扰扰扰扰能力能力能力能力强强强强等特点。等特点。等特点。等特点。最常用的机械式最常用的机械式最常用的机械

34、式最常用的机械式检测检测检测检测元件：元件：元件：元件：l l弹弹弹弹性式性式性式性式检测检测检测检测元件：元件：元件：元件：依据依据依据依据弹弹弹弹性性性性变变变变形原理，将被形原理，将被形原理，将被形原理，将被测测测测参数（外力）参数（外力）参数（外力）参数（外力）变变变变化化化化转换转换转换转换为弹为弹为弹为弹性元件的性元件的性元件的性元件的变变变变形，位移，形，位移，形，位移，形，位移，应应应应力等物理量力等物理量力等物理量力等物理量输输输输出。出。出。出。l l振振振振动动动动式式式式检测检测检测检测元件：元件：元件：元件：将被将被将被将被测测测测参数（力、密度）参数（力、密度）参数

35、（力、密度）参数（力、密度）变变变变化化化化转换转换转换转换成成成成谐谐谐谐振元件的固振元件的固振元件的固振元件的固有有有有频频频频率率率率变变变变化的化的化的化的输输输输出出出出 2.2.1.1 2.2.1.1 弹弹弹弹性式性式性式性式检测检测检测检测元件元件元件元件 弹弹弹弹性元件是基于性元件是基于性元件是基于性元件是基于弹弹弹弹性性性性变变变变形原理的一种敏感元件。形原理的一种敏感元件。形原理的一种敏感元件。形原理的一种敏感元件。1 1）弹弹弹弹性元件的基本性能性元件的基本性能性元件的基本性能性元件的基本性能 弹弹弹弹性特性性特性性特性性特性 描述描述描述描述弹弹弹弹性元件的性元件的性元

36、件的性元件的输输输输入量与由它引起的入量与由它引起的入量与由它引起的入量与由它引起的输输输输出量之出量之出量之出量之间间间间的的的的关系。关系。关系。关系。弹弹弹弹性特性主要由性特性主要由性特性主要由性特性主要由刚刚刚刚度和灵敏度描述。度和灵敏度描述。度和灵敏度描述。度和灵敏度描述。a.a.刚刚刚刚度度度度 弹弹弹弹性元件性元件性元件性元件产产产产生生生生单单单单位位位位变变变变形所需要的外加作用力。形所需要的外加作用力。形所需要的外加作用力。形所需要的外加作用力。描述式（虎克定律）：描述式（虎克定律）：描述式（虎克定律）：描述式（虎克定律）：式中，式中，式中，式中，k k：弹弹弹弹性元件材料

37、的性元件材料的性元件材料的性元件材料的刚刚刚刚度；度；度；度；F F：作用在：作用在：作用在：作用在弹弹弹弹性元件上的外力；性元件上的外力；性元件上的外力；性元件上的外力；x x：弹弹弹弹性元件上性元件上性元件上性元件上产产产产生的生的生的生的变变变变形。形。形。形。A A：弹性元件的有效面积：弹性元件的有效面积：弹性元件的有效面积：弹性元件的有效面积则有：则有：则有：则有：注意：注意：n弹性材料刚性越强，或者弹性材料刚性越强，或者A/k 越小，则测量适应范越小，则测量适应范围越大。围越大。n n弹性元件的有效面积弹性元件的有效面积弹性元件的有效面积弹性元件的有效面积 A A和刚度系数和刚度系

38、数和刚度系数和刚度系数 k k与弹性元件的与弹性元件的与弹性元件的与弹性元件的性能、加性能、加性能、加性能、加 工过程和热处理等有较大关系。工过程和热处理等有较大关系。工过程和热处理等有较大关系。工过程和热处理等有较大关系。位移量位移量位移量位移量较小时，它们均可视为常数。较小时，它们均可视为常数。较小时，它们均可视为常数。较小时，它们均可视为常数。n n压力与位移成线性关系。压力与位移成线性关系。压力与位移成线性关系。压力与位移成线性关系。b.b.灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度 刚度的倒数，定义为单位输入量所引起的输出量，刚度的倒数，定义为单位输入量所引起的输出量，刚度的倒数，定义为单位输入量所引

39、起的输出量，刚度的倒数，定义为单位输入量所引起的输出量，即即即即注意：注意：注意：注意：弹性元件的刚度与灵敏度是一对矛盾。弹性元件的刚度与灵敏度是一对矛盾。弹性元件的刚度与灵敏度是一对矛盾。弹性元件的刚度与灵敏度是一对矛盾。弹弹弹弹性元件的滞性元件的滞性元件的滞性元件的滞弹弹弹弹性性性性 弹弹弹弹性材料在性材料在性材料在性材料在弹弹弹弹性性性性变变变变化范化范化范化范围围围围内同内同内同内同时时时时伴有微塑性伴有微塑性伴有微塑性伴有微塑性变变变变形，使形，使形，使形，使应应应应力力力力和和和和应变应变应变应变不遵循虎克定律而不遵循虎克定律而不遵循虎克定律而不遵循虎克定律而产产产产生非生非生非生

40、非线线线线性的特性。性的特性。性的特性。性的特性。其表其表其表其表现现现现形式主要有形式主要有形式主要有形式主要有弹弹弹弹性滞后、性滞后、性滞后、性滞后、弹弹弹弹性后效性后效性后效性后效(蠕蠕蠕蠕变变变变)、应应应应力松弛等。力松弛等。力松弛等。力松弛等。a.a.弹弹弹弹性滞后性滞后性滞后性滞后 弹弹弹弹性元件在外力加性元件在外力加性元件在外力加性元件在外力加载载载载和卸和卸和卸和卸载载载载的正反行程中的正反行程中的正反行程中的正反行程中应应应应力力力力()()和和和和应变应变应变应变()()曲曲曲曲线线线线不重合的不重合的不重合的不重合的现现现现象称象称象称象称为弹为弹为弹为弹性滞后，如性滞

41、后，如性滞后，如性滞后，如图图图图弹性滞后一般用最大相对滞后的弹性滞后一般用最大相对滞后的弹性滞后一般用最大相对滞后的弹性滞后一般用最大相对滞后的百分数来表示，即百分数来表示，即百分数来表示，即百分数来表示，即max:最大的应变滞后最大的应变滞后,max:最大载荷下的总应变最大载荷下的总应变b.b.弹弹弹弹性后效性后效性后效性后效 弹弹弹弹性性性性变变变变形范形范形范形范围围围围内，内，内，内，应应应应力保持不力保持不力保持不力保持不变变变变的情况下，的情况下，的情况下，的情况下，应变应变应变应变 随随随随时间时间时间时间的延的延的延的延续续续续而而而而缓缓缓缓慢增加，直到最后达到平衡慢增加，

42、直到最后达到平衡慢增加，直到最后达到平衡慢增加，直到最后达到平衡应变值应变值应变值应变值的的的的现现现现象称象称象称象称为弹为弹为弹为弹性后效，性后效，性后效，性后效，也称蠕也称蠕也称蠕也称蠕变变变变。OAOA曲线：弹性元件外力加载时的曲线：弹性元件外力加载时的曲线：弹性元件外力加载时的曲线：弹性元件外力加载时的输出与输入特性，输出与输入特性，输出与输入特性，输出与输入特性，应变量：应变量：应变量：应变量：1 1=OD=OD。ABAB曲线：应力不变情况下，弹性曲线：应力不变情况下，弹性曲线：应力不变情况下，弹性曲线：应力不变情况下，弹性元件继续产生变形的结果，元件继续产生变形的结果，元件继续产

43、生变形的结果，元件继续产生变形的结果，后效应变量：后效应变量：后效应变量：后效应变量：2 2=DE=DE；应变曲线如图应变曲线如图应变曲线如图应变曲线如图BCBC曲线：应力释放特性曲线。曲线：应力释放特性曲线。曲线：应力释放特性曲线。曲线：应力释放特性曲线。应变量：应变量：应变量：应变量：3 3=EC=ECCOCO曲线：应力释放后的弹性后效曲线：应力释放后的弹性后效曲线：应力释放后的弹性后效曲线：应力释放后的弹性后效 应变曲线如图应变曲线如图应变曲线如图应变曲线如图AB段蠕变段蠕变时间曲线时间曲线CO段蠕变段蠕变时间曲线时间曲线注意：注意：注意：注意：弹性后效的衰减常常需要延续很长时间，一般采

44、用弹性后效的衰减常常需要延续很长时间，一般采用弹性后效的衰减常常需要延续很长时间，一般采用弹性后效的衰减常常需要延续很长时间，一般采用应力保持应力保持应力保持应力保持15min15min作参考值。作参考值。作参考值。作参考值。弹性后效描述式弹性后效描述式弹性后效描述式弹性后效描述式式中：式中：式中：式中：N N（1515）：）：）：）：为弹为弹为弹为弹性后效性后效性后效性后效值值值值；(15)=(15)-(15)=(15)-0 0 （1515）：施加施加施加施加应应应应力保持力保持力保持力保持15min15min后后后后对应对应对应对应的的的的应变值应变值应变值应变值；0 0：施加施加施加施加

45、应应应应力恒定力恒定力恒定力恒定时时时时刻刻刻刻对应对应对应对应的的的的应变值应变值应变值应变值；E E：材料的材料的材料的材料的弹弹弹弹性模量；性模量；性模量；性模量；E=/E=/0 0(应应应应力与力与力与力与应变应变应变应变之比之比之比之比)：材料的正材料的正材料的正材料的正应应应应力。力。力。力。c.c.应力松弛应力松弛应力松弛应力松弛 总应变量恒定情况下，应力随时间的延续而逐渐总应变量恒定情况下，应力随时间的延续而逐渐总应变量恒定情况下，应力随时间的延续而逐渐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。降低的现象。降低的现象。降低的现象。表达式：表达式：表达式：表达式：式中

46、：式中：式中：式中：r r:应应应应力松弛率；力松弛率；力松弛率；力松弛率；0 0:初始初始初始初始应应应应力；力；力；力；t t:经过经过经过经过 t t时间时间时间时间后的后的后的后的应应应应力。力。力。力。一般要求一般要求一般要求一般要求弹弹弹弹性元件性元件性元件性元件应应应应具有高的抗松弛能力。具有高的抗松弛能力。具有高的抗松弛能力。具有高的抗松弛能力。弹性元件的热弹性效应弹性元件的热弹性效应弹性元件的热弹性效应弹性元件的热弹性效应a.a.弹性模量的温度系数弹性模量的温度系数弹性模量的温度系数弹性模量的温度系数 温度变化引起材料的弹性模量温度变化引起材料的弹性模量温度变化引起材料的弹性

47、模量温度变化引起材料的弹性模量E E的变化。通常采用的变化。通常采用的变化。通常采用的变化。通常采用弹性模量的温度系数弹性模量的温度系数弹性模量的温度系数弹性模量的温度系数 E E来表示弹性模量随温度变化来表示弹性模量随温度变化来表示弹性模量随温度变化来表示弹性模量随温度变化的情况。的情况。的情况。的情况。式中式中式中式中 E E0 0：温度为：温度为：温度为：温度为 t t0 0时材料的弹性模量时材料的弹性模量时材料的弹性模量时材料的弹性模量 E E：温度为温度为温度为温度为 t t时材料的弹性模量。时材料的弹性模量。时材料的弹性模量。时材料的弹性模量。b.b.频率温度系数频率温度系数频率温

48、度系数频率温度系数 通常采用频率的温度系数通常采用频率的温度系数通常采用频率的温度系数通常采用频率的温度系数 f f表示谐振频率随温度表示谐振频率随温度表示谐振频率随温度表示谐振频率随温度变化的情况。变化的情况。变化的情况。变化的情况。式中式中式中式中 f f0 0:温度为温度为温度为温度为T T0 0时弹性元件的谐振频率；时弹性元件的谐振频率；时弹性元件的谐振频率；时弹性元件的谐振频率；f f:温度为温度为温度为温度为T T时弹性元件的谐振频率。时弹性元件的谐振频率。时弹性元件的谐振频率。时弹性元件的谐振频率。c.c.膨膨膨膨胀胀胀胀系数系数系数系数 用用用用线线线线膨膨膨膨胀胀胀胀系数系数

49、系数系数 表示温度每升高表示温度每升高表示温度每升高表示温度每升高1 1时时时时，单单单单位位位位长长长长度度度度的相的相的相的相对变对变对变对变化量。化量。化量。化量。式中式中式中式中 l l0 0：温度为：温度为：温度为：温度为T T0 0时材料的长度；时材料的长度；时材料的长度；时材料的长度；l l：温度为温度为温度为温度为T T时材料的长度。时材料的长度。时材料的长度。时材料的长度。温度影响特点：温度升高弹性材料刚度降低、温度影响特点：温度升高弹性材料刚度降低、温度影响特点：温度升高弹性材料刚度降低、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的固有频率弹性元件的

50、固有频率弹性元件的固有频率 弹性元件本身质量、弹性、弹性后效等决定弹性元件本身质量、弹性、弹性后效等决定弹性元件本身质量、弹性、弹性后效等决定弹性元件本身质量、弹性、弹性后效等决定了弹性元件的固有频率。了弹性元件的固有频率。了弹性元件的固有频率。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率密切相关。弹性元件的动态特性与它的固有频率密切相关。弹性元件的动态特性与它的固有频率密切相关。弹性元件的动态特性与它的固有频率密切相关。影响特点：影响特点：影响特点：影响特点：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。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