实验测试技术复习市公开课金奖市赛课一等奖课件.pptx

试验测试技术试验测试技术复习复习1第1页第1页1.测量办法及检测系统构成测量办法及检测系统构成uu测量基本概念测量基本概念在科学试验和工业生产中，为了及时理解在科学试验和工业生产中，为了及时理解试验进展试验进展情况、情况、生产过程生产过程情况以及情况以及它们结果它们结果，人们需要经常对一些物理量，人们需要经常对一些物理量，如电流、电压、温度、压力、速度、流量、液位等参数进行如电流、电压、温度、压力、速度、流量、液位等参数进行测量，这时人们就要选择测量，这时人们就要选择适当测量装置适当测量装置，采用一定检测办法，采用一定检测办法进行测量。进行测量。测量是人们借助于专门设备，通过一定办法，对被测对测量是人们借助于专门设备，通过一定办法，对被测对象搜集信息、取得数据过程。象搜集信息、取得数据过程。测量“三要素”测量单位测量办法测量仪器与设备2第2页第2页测量结果能够表现为数值，也能够表现为一条曲线或某种图形等。测量结果能够表现为数值，也能够表现为一条曲线或某种图形等。但无论以什么形式表现，测量结果总包括数值（大小和符号）和单位但无论以什么形式表现，测量结果总包括数值（大小和符号）和单位两部分。两部分。比如，测得某一电流为比如，测得某一电流为20A20A，表明该被测量数值为，表明该被测量数值为2020，单位为，单位为A A（安培）（安培）。3第3页第3页 伴随科学技术和生产力发展，测量过程除了老式比较过伴随科学技术和生产力发展，测量过程除了老式比较过程外，还必须进行变换，把不容易直接测量量变换为容易测程外，还必须进行变换，把不容易直接测量量变换为容易测量量，把静态测量变为动态测量。量量，把静态测量变为动态测量。人们常把前面提到简朴比较过程称为狭义测量，而把能人们常把前面提到简朴比较过程称为狭义测量，而把能完毕对被测量进行检出、变换、分析、处理、存储、控制和完毕对被测量进行检出、变换、分析、处理、存储、控制和显示等功效综合过程称为广义测量。显示等功效综合过程称为广义测量。4第4页第4页测量办法n n测量方法是指实现测量过程所采取详细方法。在测量过程中，因为测量对象、测量环境、测量参数不同，因而采取各种各样测量仪表和测量方法。针对不同测量任务进行详细分析，以找出切实可行测量方法，这对测量工作是十分主要。5第5页第5页测量办法分类测量办法分类n n 对于测量方法，从不同角度有不同分类方法。取得测量值办法取得测量值办法直接测量间接测量组合测量测量精度情况测量精度情况等精度测量等精度测量非等精度测量非等精度测量测量办法测量办法偏差式测量零位式测量微差式测量测量改变快慢测量改变快慢静态测量静态测量动态测量动态测量测量元件与被测测量元件与被测介质接触情况介质接触情况接触测量接触测量非接触测量非接触测量测量系统是否向被测量系统是否向被测对象施加能量测对象施加能量积极式测量积极式测量被动式测量被动式测量6第6页第6页检测系统构成在自动检测系统中，各个构成部分是以信息流过程来划分。检测时，在自动检测系统中，各个构成部分是以信息流过程来划分。检测时，首先获取被测量信息，并通过信息转换把取得信息变换为电量，然后进行首先获取被测量信息，并通过信息转换把取得信息变换为电量，然后进行一系列处理，再用批示仪或显示仪将信息输出，或由计算机对数据进行处一系列处理，再用批示仪或显示仪将信息输出，或由计算机对数据进行处理，最后把信息输送给执行机构。理，最后把信息输送给执行机构。因此一个检测系统主要分为信息取得、信息转换、信息处理和信息输因此一个检测系统主要分为信息取得、信息转换、信息处理和信息输出等几种部分。要完毕这些功效主要依托传感器、信号处理电路、显示装出等几种部分。要完毕这些功效主要依托传感器、信号处理电路、显示装置、数据处理装置和执行机构等。其详细构成框图如图所表示。置、数据处理装置和执行机构等。其详细构成框图如图所表示。7第7页第7页传感器传感器传感器是把被测量（如物理量、化学量、生物量等）传感器是把被测量（如物理量、化学量、生物量等）变换为另一个与之有拟定相应关系，并且容易测量量变换为另一个与之有拟定相应关系，并且容易测量量（通常为电学量）装置。它是一个取得信息主要手段，（通常为电学量）装置。它是一个取得信息主要手段，它所取得信息正确是否，关系到整个检测系统精度，它所取得信息正确是否，关系到整个检测系统精度，因而在非电量检测系统中占有主要地位。因而在非电量检测系统中占有主要地位。8第8页第8页信号处理电路信号处理电路n n 通常传感器输出信号是微弱，需要由信号处理电路加以放大、调制、解调、滤波、运算以及数字化处理等。n n 信号处理电路主要作用就是把传感器输出电学量变成含有一定功率模拟电压（或电流）信号或数字信号，以推进后级输出显示或统计设备、数据处理装置及执行机构。n n 依据测量对象和显示方法不同，信号处理电路能够是简朴传输电缆，也能够是由许多电子元件组成数据采集卡，甚至包含计算机在内装置。9第9页第9页显示装置 测量目的是使人们理解被测量数值，因此必须有显示装置。显示装置主要作用就是使人们理解检测数值大小或改变过程。当前惯用显示方式：pp模拟显示pp数字显示pp图像显示10第10页第10页（1 1）模拟显示是利用指针对标尺相对位置来表示被测）模拟显示是利用指针对标尺相对位置来表示被测量数值大小，如毫伏表、毫安表等。量数值大小，如毫伏表、毫安表等。特点：读数以便、直观，结构简朴，价格低廉，在检测特点：读数以便、直观，结构简朴，价格低廉，在检测系统中始终被大量使用。系统中始终被大量使用。缺点：显示方式精度受标尺最小分度限制，并且读数时缺点：显示方式精度受标尺最小分度限制，并且读数时易引入主观误差。易引入主观误差。11第11页第11页（2）数字显示是指用数字形式来显示测量值，目 前大多采用LED发光数码管或液晶显示器等，如数字电压表。这类检测仪器还可附加打印机，打印统计测量数值，并易于计算机联机，使数据处理愈加以便。低噪声数字万用表12第12页第12页（3 3）图像显示是指用屏幕显示（）图像显示是指用屏幕显示（CRTCRT）读数或被测参数改变曲线，主要用）读数或被测参数改变曲线，主要用于计算机自动检测系统中。于计算机自动检测系统中。假如被测量处于动态改变中，用普通显示仪表读数就十分困难，这假如被测量处于动态改变中，用普通显示仪表读数就十分困难，这时可将输出信号送给计算机进行图像显示或送至统计仪，从而描绘出被时可将输出信号送给计算机进行图像显示或送至统计仪，从而描绘出被测量随时间改变曲线，并以之作为检测结果，供分析使用。测量随时间改变曲线，并以之作为检测结果，供分析使用。惯用自动统计仪器有笔式统计仪、光线示波器、磁带统计仪和计算惯用自动统计仪器有笔式统计仪、光线示波器、磁带统计仪和计算机等。机等。13第13页第13页数据处理装置和执行机构 数据处理装置就是利用微机技术，对被测结果进行处数据处理装置就是利用微机技术，对被测结果进行处理、运算、分析，对动态测试结果进行频谱、幅值和能量谱理、运算、分析，对动态测试结果进行频谱、幅值和能量谱分析等。分析等。在自动测控系统中，经信号处理电路输出与被测量相应在自动测控系统中，经信号处理电路输出与被测量相应电压或电流信号还能够驱动一些执行机构动作，为自动控制电压或电流信号还能够驱动一些执行机构动作，为自动控制系统提供控制信号。系统提供控制信号。伴随计算机技术奔腾发展，微机在自动检测系统中已得伴随计算机技术奔腾发展，微机在自动检测系统中已得到了非常广泛应用。微机在检测技术分支领域中应用主要有：到了非常广泛应用。微机在检测技术分支领域中应用主要有：自动测试仪器及系统、智能仪器仪表和虚拟仪器等。微机自自动测试仪器及系统、智能仪器仪表和虚拟仪器等。微机自动测控系统主要由微机基本子系统（包括动测控系统主要由微机基本子系统（包括CPUCPU、RAMRAM、ROMROM、EPROMEPROM等）、数据采集子系统及接口、数据通信子系统及接口、等）、数据采集子系统及接口、数据通信子系统及接口、数据分派子系统及接口和基本数据分派子系统及接口和基本I/OI/O子系统及接口构成。子系统及接口构成。14第14页第14页2误差基本概念在检测过程中，无论采用什么样测量方式和办法，也在检测过程中，无论采用什么样测量方式和办法，也无论采用什么样测量仪表，由于测量仪表本身不够准确，无论采用什么样测量仪表，由于测量仪表本身不够准确，测量办法不够完善，以及测量者本人经验不足，人感觉器测量办法不够完善，以及测量者本人经验不足，人感觉器官受到局限等原因，都会使测量结果与被测量真值之间存官受到局限等原因，都会使测量结果与被测量真值之间存在着差别，这个差值就称为测量误差。在着差别，这个差值就称为测量误差。测量误差主要起源能够概括为工具误差（又称仪器误测量误差主要起源能够概括为工具误差（又称仪器误差）、环境误差、办法误差和人员误差等。差）、环境误差、办法误差和人员误差等。15第15页第15页测量误差表示形式1 1绝对误差与相对误差绝对误差与相对误差（1 1）绝对误差。绝对误差是指）绝对误差。绝对误差是指测量值测量值AAx x与被测量真值与被测量真值AA0 0之间差值，用之间差值，用 表示，即：表示，即：（1-21-2）由式（由式（1-21-2）可知，绝对误差单位与被测量单位相同，且）可知，绝对误差单位与被测量单位相同，且有正负之分。用绝对误差表示仪表误差大小也比较直观，它被有正负之分。用绝对误差表示仪表误差大小也比较直观，它被用来阐明测量结果靠近被测量真值程度。用来阐明测量结果靠近被测量真值程度。在实际使用中被测量真值在实际使用中被测量真值AA0 0是得不到，普通用是得不到，普通用理论真值或理论真值或计量学商定真值计量学商定真值X X0 0来代替来代替AA0 0。则式（。则式（1-21-2）可写成：）可写成：（1-31-3）16第16页第16页绝对误差不能作为衡量测量准确度原则，比如用一个电压表测量200V电压，绝对误差为+1V，而用另一个电压表测量10V电压，绝对误差为+0.5V，前者绝对误差即使不小于后者，但误差值相对于被测量值却是后者不小于前者，即两者测量准确度相差较大，为此人们引入了相对误差。（2）相对误差。所谓相对误差（用 表示）是指绝对误差 与被测量真值X0百分比。即：在上面例子中，因此，相对误差比绝对误差能更加好地阐明测量准确程度。17第17页第17页n n普通情况下，使用相对误差来说明不同测量结果准确程度，即用来评定某一测量值准确度，但不适合用于衡量测量仪表本身质量。n n因为同一台仪表能够用来测量许多不同真值被测量，在整个测量范围内相对误差不是一个定值。伴随被测量减小，相对误差变大。n n为了更合理地评价仪表质量，采取了引用误差概念。18第18页第18页u（3）引用误差。引用误差是绝对误差 与仪表量程L比值，通常以百分数表示，即：假如以测量仪表整个量程中，也许出现绝对误差最大值m代替，则可得到最大引用误差 0m，即：对一台拟定仪表或检测系统，出现绝对误差最大值是一个定值，因此其最大引用误差就是一个定值，由仪表本身性能所决定。普通用最大引用误差来拟定测量仪表精度等级。工业仪表常见精度等级有0.1级、0.2级、0.5级、1.0级、1.5级、2.0级、2.5级、5.0级等。19第19页第19页在详细测量某一个值时，其相对误差能够依据仪表允许最大绝对误差和仪在详细测量某一个值时，其相对误差能够依据仪表允许最大绝对误差和仪表批示值进行计算。表批示值进行计算。比如，比如，2.02.0级仪表，量程为级仪表，量程为100100，在使用时它最大引用误差不，在使用时它最大引用误差不超出超出2.0%2.0%，也就是说，在整个量程内，它绝对误差最大值不会，也就是说，在整个量程内，它绝对误差最大值不会超出其量程超出其量程2.0%2.0%，即为，即为2.02.0。用它测量真值为用它测量真值为8080测量值时，其相对误差最大为测量值时，其相对误差最大为2.0/80100%=2.0/80100%=2.5%2.5%（示值相对误差）（示值相对误差）。测量真值为测量真值为1010测量值时，其相对误差最大为测量值时，其相对误差最大为2.0/10100%=2.0/10100%=20%20%。由此可见，精度等级已知测量仪表只有在被测量值靠近满量程时，才干发由此可见，精度等级已知测量仪表只有在被测量值靠近满量程时，才干发挥它测量精度。挥它测量精度。因此选取测量仪表时，应当依据被测量大小和测量精度要求，合理地选择因此选取测量仪表时，应当依据被测量大小和测量精度要求，合理地选择仪表量程和精度等级，只能这样才干提升测量精度，做到最好性价比。仪表量程和精度等级，只能这样才干提升测量精度，做到最好性价比。20第20页第20页测量误差种类测量误差种类n n系统误差n n随机误差n n粗大误差21第21页第21页温度传感器分类温度传感器分类非接触式接触式p膨胀式温度传感器p热电偶温度传感器p热电阻温度传感器p热敏电阻温度传感器22第22页第22页1惯用热电阻范围：-260850；精度：0.001。改进后可连续工作2000h，失效率小于1，有效期为。2管缆热电阻测温范围为-20500，最高上限为1000，精度为0.5级。接触式温度传感器分类3陶瓷热电阻 测量范围为200+500，精度为0.3、0.15级。4超低温热电阻 两种碳电阻，可分别测量268.8253、-272.9272.99温度。5热敏电阻器 适于在高灵敏度微小温度测量场合使用。经济性好、价格廉价。23第23页第23页l l辐辐射射高高温温计计 用来测量 1000以上高温。分四种：光学高温计、比色高温计、辐射高温计和光电高温计。2 2光光谱谱高高温温计计 前苏联研制YCII型自动测温通用光谱高温计,其测量范围为4006000,它是采用电子化自动跟踪系统,确保有足够准确精度进行自动测量。（二）非接触式温度传感器3 3超超声声波波温温度度传传感感器器 特点是响应快(约为10ms左右)，方向性强。当前国外有可测到5000产品。4 4激激光光温温度度传传感感器器 适合用于远程和特殊环境下温度测量。如NBS公司用氦氖激光源激光做光反射计可测很高温度，精度为1。美国麻省理工学院正在研制一个激光温度计，最高温度可达8000，专门用于核聚变研究。瑞士Browa Borer研究中心用激光温度传感器可测几千开(K)高温。24第24页第24页25第25页第25页热电偶温度传感器温差热电偶（简称热电偶）是当前温度测量中使用最普遍传感元件之一。它除含有结构简朴，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号便于远传或信号转换等长处外，还能用来测量流体温度、测量固体以及固体壁面温度。微型热电偶还可用于快速及动态温度测量。热电偶工作原理热电偶工作原理热电偶回路性质热电偶回路性质热电偶惯用材料与结构热电偶惯用材料与结构冷端处理及补偿冷端处理及补偿热电偶选择、安装使用和校验热电偶选择、安装使用和校验26第26页第26页两种不同导体或半导体A和B组合成如图所表示闭合回路，若导体A和B连接处温度不同（设TT0），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。这种现象早在18首先由西拜克（Seeback）发觉,因此又称西拜克效应。热电偶原理图TT0AB一、工作原理回回路路中中所所产产生生电电动动势势，称称作作热热电电势势。热热电电势势由由两两部部分分构构成成，即即温温差差电电势势和和接接触电势。触电势。热端冷端27第27页第27页1.接触电势接触电势原理图+ABTeAB(T)-eAB(T)导体A、B结点在温度T 时形成接触电动势；e单位电荷，e=1.610-19C；k波尔兹曼常数，k=1.3810-23J/K；NA、NB 导体A、B在温度为T 时电子密度。接触电势大小与温度高下及导体中电子密度相关。接触电势大小与温度高下及导体中电子密度相关。在两种导体或半导体接触面上，自由电子由电子密度大一方朝密度小方向扩散，直至动态平衡时形成稳定电动势。28第28页第28页eA(T，T0)导体A两端温度为T、T0时形成温差电动势；T，T0高下端绝对温度；A汤姆逊系数，表示导体A两端温度差为1时所产生温差电动势，比如在0时，铜=2V/。2.温差电势AeA(T,To)ToT温差电势原理图自由电子在高温下含有较大动能而向低温端扩散形成温差电势。29第29页第29页 接触电动势或温差电动势都是与温度相关电动势，热电偶测量热电动势是两者合成。在回路中，电子密度大热电极A称为正极，电子密度小热电极B称为负极。在热电材料一定期，回路电视成为两端温度差函数。假如冷端温度保持恒定，则热电动势成为热端温度单值函数。热电偶原理图TT0A+B-30第30页第30页热电偶工作原理演示试验热电偶工作原理演示试验 热电极热电极A A右端称为：右端称为：参考端、参考端、冷端冷端左端称为：左端称为：工作端、工作端、热端热端热电极热电极B BAB3131第31页第31页二、热电偶基本定律p等值定律：热电偶回路热电势只与构成热电偶材料及两端温度相关；与热电偶长度、粗细无关。32第32页第32页p中间温度定律：两种均质材料A、B构成热电偶，接点温度分别为T、T0，假如有一个中间温度Tn，那么热电偶回路总热电势不受中间温度影响。33第33页第33页办法u 冰点槽法u 计算修正法u 补正系数法u 零点迁移法u 冷端补偿器法u 软件处理法四、冷端处理及补偿原因l热电偶热电势大小是热端温度和冷端函数差，为确保输出热电势是被测温度单值函数，必须使冷端温度保持恒定；l热电偶分度表给出热电势是以冷端温度0为依据，不然会产生误差。34第34页第34页1.冰点槽法把热电偶参比端置于冰水混合物容器里，使T0=0。这种办法仅限于科学试验中使用。为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使互相绝缘。mVABABTCC仪表铜导线试管补偿导线热电偶冰点槽冰水溶液四、冷端处理及补偿T035第35页第35页2.计算修正法用普通室温计算出参比端实际温度TH，利用公式计算例例 用用铜铜-康康铜铜热热电电偶偶测测某某一一温温度度T T，参参比比端端在在室室温温环环境境T TH H中中，测测得得热热电电动动势势E EABAB(T T，T TH H)=1.999mV1.999mV，又又用用室室温温计计测测出出T TH H=21,=21,查查此此种热电偶分度表可知，种热电偶分度表可知，E EABAB(21,0)=0.832mV(21,0)=0.832mV，故得，故得EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，T0)=1.999+0.832=2.831(mV)再次查分度表，与2.831mV相应热端温度T=68。注意:既不能只按1.999mV查表，认为T=49，也不能把49加上21，认为T=70。EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)36第36页第36页3.补正系数法把参比端实际温度TH乘上系数k，加到由EAB(T，TH)查分度表所得温度上，成为被测温度T。用公式表示即 式中：T为未知被测温度；T为参比端在室温下热电偶电势与分度表上相应某个温度；TH室温；k为补正系数，其它参数见下表。例 用铂铑10铂热电偶测温，已知冷端温度TH=35，这时热电动势为11.348mV查S型热电偶分度表，得出与此相应温度T=1150。再从下表中查出，相应于1150补正系数k=0.53。于是，被测温度 T=1150+0.5335=1168.3（）用这种办法稍稍简朴一些，比计算修正法误差也许大一点，但误差小于0.14。T T k T H37第37页第37页温度T/补正系数k铂铑10-铂(S)镍铬-镍硅（K）1000.821.002000.721.003000.690.984000.660.985000.631.006000.620.967000.601.008000.591.009000.561.0010000.551.0711000.531.1112000.5313000.5214000.5215000.5316000.53热电偶补正系数38第38页第38页例用动圈仪表配合热电偶测温时，假如把仪表机械零点调到室温TH刻度上,在热电动势为零时，指针批示温度值并不是0而是TH。而热电偶冷端温度已是TH,则只有当热端温度T=TH时，才干使EAB(T,TH)=0，这样，批示值就和热端实际温度一致了。这种办法非常简便，并且一劳永逸，只要冷端温度总保持在TH不变，批示值就永远正确。4.零点迁移法应用领域：假如冷端不是0，但十分稳定（如恒温车间或有空调场合）。实质：在测量结果中人为地加一个恒定值在测量结果中人为地加一个恒定值，由于冷端温度稳定不变，电动势EAB(TH,0)是常数，利用批示仪表上调整零点办法，加大某个适当值而实现补偿。39第39页第39页5.冷端补偿器法利用不平衡电桥产生热电势补偿热电偶因冷端温度改变而引起热电势改变值。不平衡电桥由R1、R2、R3(锰铜丝绕制)、RCu(铜丝绕制)四个桥臂和桥路电源构成。设计时，在0下使电桥平衡(R1=R2=R3=RCu)，此时Uab=0，电桥对仪表读数无影响。冷端补偿器作用注意：桥臂RCu必须和热电偶冷端靠近，使处于同一温度之下。mVEAB(T,T0)T0T0TAB+-abUUabRCuR1R2R3RT0Ua Uab EAB(T,T0)供电4V直流，在040或-2020范围起赔偿作用。注意，不同材质热电偶所配冷端赔偿器，其中限流电阻R不同，互换时必须重新调整。40第40页第40页6.软件处理法 对于计算机系统，不必全靠硬件进行热电偶冷端处理。比如冷端温度恒定但不为0情况，只需在采样后加一个与冷端温度相应常数即可。对于T0经常波动情况，可利用热敏电阻或其它传感器把T0信号输入计算机，按照运算公式设计一些程序，便能自动修正。后一个情况必须考虑输入采样通道中除了热电动势之外还应当有冷端温度信号，假如多个热电偶冷端温度不相同，还要分别采样，若占用通道数太多，宜利用补偿导线把所有冷端接到同一温度处，只用一个冷端温度传感器和一个修正T0输入通道就能够了。冷端集中，对于提升多点巡检速度也很有利。41第41页第41页1.1.热电偶选择、安装使用热电偶选择、安装使用热电偶选取应当依据被测介质温度、压力、介质性质、测温时间长短来选择热电偶和保护套管。其安装地点要有代表性，安装办法要正确，图3.2-17是安装在管道上惯用两种办法。在工业生产中，热电偶常与毫伏计连用（XCZ型动圈式仪表）或与电子电位差计联用，后者精度较高，且能自动统计。另外也可图3.2-17热电偶安装图通过与温度变送器经放大后再接批示仪表，或作为控制用信号。五、热电偶选择、安装使用和校验42第42页第42页热电偶分度号校验温度/热电偶允许偏差/温度偏差温度偏差LB3600，800，1000，120006002.4600占所测热电势0.4%EU2400，600，800，10004004400占所测热电势0.75%EA2300，400，60003004300占所测热电势1%2.2.热电偶定期校验热电偶定期校验校验办法是用原则热电偶与被校验热电偶装在同一校验炉中进行对比，误差超出要求允许值为不合格。图为热电偶校验装置示意图，最佳校验办法可由查阅相关原则取得。工业热电偶允许偏差，见下表。工业热电偶允许偏差工业热电偶允许偏差43第43页第43页78564321稳压电源220V热电偶校验图1-调压变压器；2-管式电炉；3原则热电偶；4-被校热电偶；5-冰瓶；6-切换开关；7-测试仪表；8-试管44第44页第44页压力传感器 压力传感器是一个将压力转换成电流或电压器件，用于测量压力、位移等物理量。压力传感器有应变式、电容式、差动变压器式、霍尔式、压电式等。45第45页第45页1.电阻应变式传感器 电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻改变传感器,传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。当被测物理量作用在弹性元件上时,弹性元件变形引起应变敏感元件阻值改变,通过转换电路将其转变成电量输出,电量改变大小反应了被测物理量大小。应变式电阻传感器是当前测量力、力矩、压力、加速度、重量等参数应用最广泛传感器。46第46页第46页电阻应变式传感器工作原理电阻应变片特性电阻应变片温度补偿办法电阻应变片粘贴技术电阻应变片测量电路电阻应变式传感器47第47页第47页1.1 工作原理 电阻应变片工作原理是基于应变效应,即在导体产生机械变形时,它电阻值相应发生改变。一根金属电阻丝,在其未受力时,原始电阻值为R=（3-1）式中:电阻丝电阻率;L电阻丝长度;S电阻丝截面积。48第48页第48页 当电阻丝受到拉力F作用时,将伸长L,横截面积相应减小S,电阻率将因晶格发生变形等原因而改变,故引起电阻值相对改变量为 式中，L/L是长度相对改变量,用应变表示：S/S为圆形电阻丝截面积相对改变量,即：（3-2）49第49页第49页 由材料力学可知,在弹性范围内,金属丝受拉力时,沿轴向伸长,沿径向缩短,那么轴向应变和径向应变关系可表示为：式中:电阻丝材料泊松比,负号表示应变方向相反。从而可得：或（3-6）（3-7）50第50页第50页 通常把单位应变能引起电阻值改变称为电阻丝灵敏度系数。其物理意义是单位应变所引起电阻相对改变量,其表示式为：（3-8）灵敏度系数受两个原因影响:一个是受力后材料几何尺寸改变,即（1+2）;另一个是受力后材料电阻率发生改变,即（/）/。对金属材料电阻丝来说,灵敏度系数表示式中（1+2）值要比（/）/）大得多,而半导体材料（/）/）项值比（1+2）大得多。大量试验证实,在电阻丝拉伸极限内,电阻相对变化与应变成正比,即K为常数。51第51页第51页 用应变片测量应变或应力时,依据上述特点,在外力作用下,被测对象产生微小机械变形,应变片伴随发生相同改变,同时应变片电阻值也发生相应改变。当测得应变片电阻值改变量R时,便可得到被测对象应变值。依据应力与应变关系,得到应力值为=E 式中:试件应力;试件应变;E试件材料弹性模量。由此可知,应力值正比于应变,而试件应变正比于电阻值改变,因此应力正比于电阻值改变,这就是利用应变片测量应力基本原理。52第52页第52页1.2 电阻应变片特性一、一、电阻应变片种类电阻应变片种类 电阻应变片品种繁多,形式多样。但惯用应变片可分为两类:金属电阻应变片和半导体电阻应变片。金属应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分构成。敏感栅是应变片关键部分,它粘贴在绝缘基片上,其上再粘贴起保护作用覆盖层,两端焊接引出导线。金属电阻应变片敏感栅有丝式、箔式和薄膜式三种。53第53页第53页 箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成一个很薄金属箔栅,其厚度普通在0.0030.01mm。其长处是散热条件好,允许通过电流较大,可制成各种所需形状,便于批量生产。薄膜应变片是采用真空蒸发或真空沉淀等办法在薄绝缘基片上形成0.1m下列金属电阻薄膜敏感栅,最后再加上保护层。它长处是应变灵敏度系数大,允许电流密度大,工作范围广。半导体应变片是用半导体材料制成,其工作原理是基于半导体材料压阻效应。所谓压阻效应，是指半导体材料在某一轴向受外力作用时,其电阻率发生改变现象。54第54页第54页（3-10）式中/为半导体应变片电阻率相对改变量,其值与半导体敏感元件在轴向所受应变力关系为（3-11）式中:半导体材料压阻系数。将式（3-11）代入式（3-10）中得（3-12）半导体应变片受轴向力作用时,其电阻相对改变为55第55页第55页 试验证实,E比（1+2）大上百倍,因此（1+2）能够忽略,因而半导体应变片灵敏系数为Ks=（3-13）半导体应变片突出长处是灵敏度高,比金属丝式高5080倍,尺寸小、横向效应小、动态响应好。但它有温度系数大,应变时非线性比较严重等缺点。56第56页第56页二、二、横向效应横向效应 粘贴在受单向拉伸试件上应变片，其敏感栅由轴向纵栅和圆弧横栅构成，在单向拉伸力作用下，分别产生轴向拉伸应变和横向收缩应变。在测量纵向应变时，圆弧部分产生了一个负值电阻改变，从而减少了应变片灵敏度，这种现象称为应变片横向效应。对金属丝式应变片，纵栅越长、横栅圆弧半径越小，则横向效应越小。为了减小横向效应产生误差，普通采用金属箔式应变片。l lyxy57第57页第57页1.应变片温度误差应变片温度误差 由于测量现场环境温度改变而给测量带来附加误差,称为应变片温度误差。产生应变片温度误差主要原因有:电阻温度系数影响试件材料和电阻丝材料线膨胀系数影响三、应变片温度误差及补偿58第58页第58页1)电阻温度系数影响 敏感栅电阻丝阻值随温度改变关系可用下式表示：Rt=R0（1+0t）式中:Rt温度为 t 时电阻值;R0温度为t0时电阻值;0金属丝电阻温度系数;t温度改变值,t=t-t0。当温度改变t时,电阻丝电阻改变值为 Rt=Rt-R0=R00t 59第59页第59页2)试件材料和电阻丝材料线膨胀系数影响当试件与电阻丝材料线膨胀系数相同时,不论环境温度怎样改变,电阻丝变形仍和自由状态一样,不会产生附加变形。当试件和电阻丝线膨胀系数不同时,因为环境温度改变,电阻丝会产生附加变形,从而产生附加电阻。设电阻丝和试件在温度为0时长度均为L0，它们线膨胀系数分别为s和g,若二者不粘贴,则它们长度分别为Ls=L0（1+st）Lg=L0（1+gt）60第60页第60页当两者粘贴在一起时,电阻丝产生附加变形L,附加应变和附加电阻改变R分别为L=Lg-Ls=（g-s）L0t=LL0=（g-s）tR=K0R0=K0R0(g-s)t61第61页第61页可得由于温度改变而引起应变片总电阻相对改变量为折合成附加应变量或虚假应变t,有 因环境温度改变而引起附加电阻相对改变量,除了与环境温度相关外,还与应变片本身性能参数（K0，0，s）以及被测试件线膨胀系数g相关。62第62页第62页1.3 电阻应变片温度补偿办法p温度自补偿（1）单丝自补偿应变计：（2）双丝自补偿应变计：由电阻温度系数为一正一负两种合金丝串接而成。当被测试件线膨胀系数g已知时,假如合理选择敏感栅材料,使其电阻温度系数0、灵敏系数K0和线膨胀系数s,满足：0=-K0(g-s),则无论温度如何改变,都有R/R0=0,从而达到温度自补偿目的。温度改变而引起应变片总电阻相对改变量为:63第63页第63页p桥路补偿法R1为工作应变计，粘贴在试件上，RB为同阻值、同材料补偿应变计，粘贴在补偿块上，并与R1处于同一温度场，但不受力。补偿臂产生热输出与工作臂相同，使电桥总输出不变，从而起到温度补偿作用。64第64页第64页工程上,普通按R1=RB=R3=R4选取桥臂电阻。当温度升高或减少t=t-t0时,两个应变片因温度而引起电阻改变量相等,电桥仍处于平衡状态,即U0=A（R1+R1t）R4-(RB+RBt)R3=0若此时被测试件有应变作用,则工作应变片电阻R1又有新增量R1=R1K,而补偿片因不承受应变,故不产生新增量,此时电桥输出电压为U0=AR1R4K由上式可知,电桥输出电压U0仅与被测试件应变相关,而与环境温度无关。65第65页第65页应当指出,若实现完全补偿,上述分析过程必须满足四个条件:在应变片工作过程中,确保R3=R4。R1和RB两个应变片应含有相同电阻温度系数,线膨胀系数,应变灵敏度系数K和初始电阻值R0。粘贴补偿片补偿块材料和粘贴工作片被测试件材料必须同样,两者线膨胀系数相同。两应变片应处于同一温度场。66第66页第66页2 压电式传感器 压电式传感器是力敏元件，它能测量一些最后能变换为力相关物理量，比如压力、应力、加速度等，在工程上有着广泛应用。压电式传感器是一个有源传感器，亦即发电型传感器。它是以一些材料压电效应压电效应为基础，在外力作用下，这些材料表面上产生电荷，从而实现非电量到电量转换。67第67页第67页压电效应正（顺）压电效应示意图F F F FF FF F 一些材料当沿着一定方向受到作用力时，不但产生机械变形，并且内部极化，表面有电荷出现；当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称为压电效应。68第68页第68页压电效应可逆性 逆压电效应逆压电效应逆压电效应逆压电效应电能电能电能电能机械能机械能机械能机械能正压电效应正压电效应正压电效应正压电效应 当在一些物质极化方向上施加电场，这些材料在某一方向上产生机机械械变变形形或或机机械械压压力力；当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。这种电能转化为机械能现象称为“逆压电效应”或“电致伸缩效应”。69第69页第69页石英晶体压电效应演示石英晶体压电效应演示 当力方向改变时，电荷极性随之改变，输出电压频率与动态力频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而不久泄漏、消失。70第70页第70页（1）单晶压电晶体 单晶压电晶体各向异性，主要有石英、铌酸锂等。石英晶体有天然与人工之分，是最惯用压电材料之一。如图所表示，石英晶体外形呈六面体结构，有三根互相垂直轴表示其晶轴，其中纵轴z z称为光轴称为光轴，通过正六面体棱线而垂直于光轴x x轴称为电轴轴称为电轴，而垂直于x轴和z轴y y轴称为机械轴。轴称为机械轴。2.1 压电材料种类71第71页第71页 从晶体上沿各轴线切下一片平行六面体切片，当受到力作用时，其电荷分布在垂直于x轴平面上，沿x轴受力产生压电效应称为纵向压电效应纵向压电效应，沿y轴受力产生压电效应称为横向压电效应横向压电效应，沿切向受力产生压电效应称为切向压切向压电效应电效应。由纵向压电效应产生电荷量q为：式中，d11为纵向压电常数；F为作用力。晶体表面产生电荷与作用力成正比。72第72页第72页 当晶片受到x方向压力作用时，qx只与作用力F Fx成正比，而与晶片几何尺寸无关与晶片几何尺寸无关；沿机械轴y方向向晶片施加压力时，产生电荷是与几与几何尺寸相关何尺寸相关；石英晶体不是在任何方向都存在压电效应；晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定 存在逆压电效应；无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度）之间皆呈线性关系。73第73页第73页 石英晶体压电常数比较低，纵向压电常数 ，但含有良好机械强度和时间及温度稳定性，惯用于准确度和稳定性要求尤其高场合。铌酸锂晶体是人工拉制，居里点高达1200，适合用于做高温传感器，缺点是质地脆，抗冲击性差，价格较贵。74第74页第74页2.4 压电式传感器应用压电式传感器动态特性好，体积小，重量轻，惯用来测量脉动力、冲击力和振动加速度等动态参数。因为压电材料特性不同，石英晶体主要用于精密测量，多作为试验室基准传感器；压电陶瓷灵敏度高，机械强度稍低，多用作测力和振动传感器；而高分子压电材料多用作定性测量。75第75页第75页 压电式单向测力传感器结构图,它主要由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及基座等构成。传感器上盖为传力元件,它外缘壁厚为0.10.5mm,当外力作用时,它将产生弹性变形,将力传递到石英晶片上。石英晶片采用xy切型,利用其纵向压电效应,实现力电转换。石英晶片尺寸为81 mm。该传感器测力范围为050 N,最小分辨率为0.01,固有频率为5060 kHz,整个传感器重10g。76第76页第76页压电式力传感器。压电式力传感器在直接测量压力时，通常采用双片或多片石英晶体做压电元件，配以适当放大器即可测量动态或静态力。77第77页第77页加速度传感器78第78页第78页 压电式加速度传感器：主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等构成。整个部件装在外壳内,并用螺栓加以固定。当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时,压电元件受质量块惯性力作用,依据牛顿第二定律,此惯性力是加速度函数,即 F=ma 式中:F质量块产生惯性力;m质量块质量;a加速度。此时惯性力F作用于压电元件上,因而产生电荷q,当传感器选定后,m为常数,则传感器输出电荷为 q=d11F=d11ma 与加速度a成正比。因此,测得加速度传感器输出电荷便可知加速度大小。压电式加速度传感器79第79页第79页 利用压电陶瓷传感