自动化技术与仪表检测技术与检测元件.pptx

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1、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、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、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、磁弹性式检测元件的检测原理与应用。第1页/共53页概述概述检测技术：研究如何获取被测参数信息的一门学科，涉及众多学科。检测元件：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转换成其他形式的物理量，以便于信号的传输、处理和显示。第2页/共53页第一节第一节 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

2、技术守恒定律 场的定律物质定律统计法则 第3页/共53页二、基础效应压阻效应 压电效应压磁效应热电效应霍尔效应光导效应光生伏特效应 光电子发射效应第4页/共53页三、参数检测的一般方法1.参数的检测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，参数检测一般可分为7种检测方法：第5页/共53页光学法：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第6页/共53页力学法：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

3、形变形弹簧秤弹簧秤第7页/共53页热学法：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第8页/共53页电学法：电学法：利用敏感元件把被测变量转换成电压、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热敏电阻热敏电阻第9页/共53页声学法：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第10页/共53页磁

4、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第11页/共53页射线法：射线法：放射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射线探伤射线探伤第12页/共53页3.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

5、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第13页/共53页第二节第二节 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、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：包括弹性式检测元件以及振动式检测元件

6、第14页/共53页2.2.1、弹性式检测元件J变形:物体在外力作用下改变原来的尺寸或形状的现象。J弹性变形: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。J弹性元件:具有弹性变形特性的一种敏感元件。其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应变或位移，然后配合其它各种形式的传感元件，将被测力、力矩或压力转换成电量。第15页/共53页2.2.1.1弹性元件的基本性能1.弹性特性 指弹性元件的输入量（力、力矩、压力、温度等）与由它引起的输出量（应变、位移式转角）之间的关系。弹性特性可由刚度或灵敏度来表示。第16页/共53页（1 1）刚度：）刚度：弹性元件产生单位变形所需要的

7、外弹性元件产生单位变形所需要的外加作用力。加作用力。F F 作用在弹性元件作用在弹性元件上的外力；上的外力；x x 弹性元件产生的弹性元件产生的变形。变形。v刚度：刚度：反映元件抵抗反映元件抵抗弹性变形能力的强弱。弹性变形能力的强弱。第17页/共53页（2 2）灵敏度）灵敏度灵敏度就是单位力作用下产生变形的大小。m m 并联或串联弹性敏感元件的数目；SnSni i 第i i个弹性敏感元件的灵敏度。并联：并联：并联：并联：串联：串联：串联：串联：与电阻的串、并联计算方法类似！与电阻的串、并联计算方法类似！第18页/共53页2.2.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性变形，使

8、应力和应变不遵循虎克定律而产生非线性的现象。其表现形式很多，如弹性滞后、弹性后效（蠕变）、应力松弛等 。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。第19页/共53页(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，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，这种现象称为弹性滞后。z弹性变形之差，叫做弹性敏感元件的滞后误差。z曲线1 1、2 2所包围的范围称为滞环。思考思考1：与检测

9、仪表的哪个特性类似呢？与检测仪表的哪个特性类似呢？第20页/共53页(2)(2)弹性后效弹性后效 弹性元件上载荷或下载荷停止改变时，相应的变形往往不能立即完成，而是在一个时间间隔内逐渐完成，这种现象称为弹性后效,也称蠕变。第21页/共53页（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。第22页/共53页3.弹性元件的热弹性效应 弹性模量的温度系数 频率温度系数膨胀系数 第23页/共53页4.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 其固有频率。固有频率的计算比较复杂，只有少数规则形状的弹

10、性元件具有理论解，所以实际中常常通过实验来确定。弹性元件的动态特性与它的固有频率是密切相关的。固有频率越高则弹性元件响应越快。第24页/共53页2.2.1.2 弹性元件的材料及种类弹性元件的材料 马氏体弥散硬化不锈钢 Ni基弥散硬化恒弹性合金 Nb恒弹性合金 铍青铜 石英晶体 半导体硅材料陶瓷材料 第25页/共53页弹性元件的种类 弹簧管 结构原理图结构原理图第26页/共53页弹簧管第27页/共53页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、盘簧管第28页/共53页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1/201/20。内腔与被测压力相通，内壁均匀受压，薄壁不受弯曲变形

11、，只是均匀地向外扩张。第29页/共53页 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。第30页/共53页波纹管波纹管 波纹管示意图波纹管示意图 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。第31页/共53页波纹管波纹管 力力 位移位移第32页/共53页波纹管压力表波纹管压力表第33页/共53页 膜片与膜盒膜片与膜盒c圆形膜片分为平面膜片和波纹膜片两种。c在相同压力情况下，波纹膜片可产生较大的挠度。c膜盒是将两个膜片

12、对焊在一起具有腔体的盒状元件。c测量气体的压力。c主要介绍圆形平膜片。第34页/共53页 平膜片在设计计算中所采用的假设归纳如下：（1 1）圆形平膜片，周边固定；（2 2）平膜片的最大挠度不大于1/31/3膜厚，因而属小挠度理论范围；（3 3）被测压力均匀作用于平膜片表面。第35页/共53页圆形平膜片所受压力圆形平膜片所受压力p与圆心处位移与圆心处位移d0的关系的关系第36页/共53页金属膜片金属膜片带波纹的圆膜片第37页/共53页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

13、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第38页/共53页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第39页/共53页补充：压力弹性敏感元件弹簧管。波纹膜片和膜盒。平膜片薄壁圆筒第40页/共53页第41页/共53页2.2.2 其他机械式检测元件 机械式振动检测元件将被测量（如力、压力、密度等）的

14、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检测。目前较为常用的有振弦式、振筒式 第42页/共53页振弦式检测元件 振筒式检测元件第43页/共53页2.2.2 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 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第44页/共53页 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。第45页/共53页 在上图中的各种弹性元件也能将压力转在上图中的各种弹性元件也能将压力转换为角位移或直线位移。换为角

15、位移或直线位移。第46页/共53页压力传感器的压力传感器的外形及内部结构外形及内部结构第47页/共53页被测量通过敏感元件转换后，再经传感元件转换成电参量 在右图中，电位器为传感元件，它将角位移转换为电参量-电阻的变化（R）第48页/共53页 360360度圆盘形电位器度圆盘形电位器 右图所示的360度圆盘形电位器的中间焊片为滑动片，右边焊片接地，左边焊片接电源。接地接地第49页/共53页 测量转换电路的作用是将传感元件输出的电参量转换成易于处理的电压、电流或频率量。在左图中，当电位器的两端加上电源后，电位器就组成分压比电路，它的输出量是与压力成一定关系的电压Uo。第50页/共53页分压比电路的计算公式如下分压比电路的计算公式如下：直滑电位器式传感器的输出电压Uo与滑动触点C的位移量x成正比：对圆盘式电位器来说，对圆盘式电位器来说，Uo与滑动臂的旋转角度成正比：与滑动臂的旋转角度成正比：第51页/共53页学习下一节第52页/共53页感谢您的观看！第53页/共53页