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1、会计学1检测技术检测技术(jsh)与检测元件与检测元件第一页，共147页。1）守恒定律）守恒定律 守恒定律是自然界最基本的定守恒定律是自然界最基本的定律，它包括质量、能量律，它包括质量、能量(nngling)、动量和电荷量等守、动量和电荷量等守恒定律。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)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 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第1页/共146页第二页，共147页。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
2、套管构成。测量时，毕托管是由弯成直角的同心套管构成。测量时，毕托管是由弯成直角的同心套管构成。测量时，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）。毕托管的内管口正对流体流动方向（如图）。毕托管的内管口正对流体流动方向（如图）。毕托管的内管口正对流体流动方向（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流速。根据流体的总压与静压之差测量流体的流速。根据流体的总压与静压之差测量流体的流速。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：守恒定律应用：守恒定律应用：守恒定律应用：点点点点2 2处的总能量处的总能量处的总
3、能量处的总能量(nngling)(nngling)应与点应与点应与点应与点1 1处的总能量处的总能量处的总能量处的总能量(nngling)(nngling)相等相等相等相等计算：计算：计算：计算：设在毕托管前一小设在毕托管前一小设在毕托管前一小设在毕托管前一小(y xio)(y xio)段距离的点段距离的点段距离的点段距离的点1 1处流速为处流速为处流速为处流速为v1v1，静压为，静压为，静压为，静压为p1p1，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
4、体，流速为零，静压p2p2。流体流体(lit)流流速：速：能量守恒式：能量守恒式：能量守恒式：能量守恒式：静压总压第2页/共146页第三页，共147页。2）场定律）场定律 关于关于(guny)场定律主要有：运动定律、电磁感应定律、光干涉场定律主要有：运动定律、电磁感应定律、光干涉定律等定律等常见的主要应用：常见的主要应用：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 ：介电常数，：介电常数，A：平行板面积，：平行板面积，d：极板距离：极板距离主要应用：主要应用：物位测量、界面测量、位移物位测量、界面测量、位移(wiy)测量以及混合比测量（介电常数不测量以及混
5、合比测量（介电常数不同）同）描述描述(mio sh)式：式：第3页/共146页第四页，共147页。n n利用电磁感应定律利用电磁感应定律利用电磁感应定律利用电磁感应定律(dngl(dngl)的电磁流量计的电磁流量计的电磁流量计的电磁流量计n n原理图：原理图：原理图：原理图：e e：感应电势：感应电势：感应电势：感应电势(dinsh)(dinsh)，B B：磁感应强度，：磁感应强度，：磁感应强度，：磁感应强度，l l：导体长度（管直径）：导体长度（管直径）：导体长度（管直径）：导体长度（管直径）v v：移动速度：移动速度：移动速度：移动速度原理原理(yunl)式：式：第4页/共146页第五页，
6、共147页。注意：注意：注意：注意：基于场的定律的参数检测，其敏感元件的形状、尺寸等基于场的定律的参数检测，其敏感元件的形状、尺寸等基于场的定律的参数检测，其敏感元件的形状、尺寸等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参数决定了检测系统参数决定了检测系统参数决定了检测系统(xtng)(xtng)的量程、灵敏度等性能。的量程、灵敏度等性能。的量程、灵敏度等性能。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。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。具有较大的设计自由度、选择材料的限制较小。体积一般较大，不易集
7、成，环境干扰对敏感元件的输出体积一般较大，不易集成，环境干扰对敏感元件的输出体积一般较大，不易集成，环境干扰对敏感元件的输出体积一般较大，不易集成，环境干扰对敏感元件的输出影响较大。影响较大。影响较大。影响较大。第5页/共146页第六页，共147页。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原理：原理：原理：原理：利用某物质固有物理量的变化利用某物质固有物理量的变化利用某物质固有物理量的变化利用某物质固有物理量的变化(binhu)(binhu)实现参数检测。实现参数检测。实现参数检测。实现参数检测。（物质的固有规律与物质的材料密切相关
8、，反映了物质（物质的固有规律与物质的材料密切相关，反映了物质（物质的固有规律与物质的材料密切相关，反映了物质（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）的内在性质）的内在性质）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、受光照等金属，特别是许多半导体物质在受压、受热、受光照等金属，特别是许多半导体物质在受压、受热、受光照等金属，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变化情况下，表现出其电阻值或电学量有明显的变化情况下，表现出其电阻值或电学量有明显的变化情况下，表现出其电阻值或电学量有明显的变化(binhu
9、)(binhu)，根据物质的这一特性，可分别进行压力、，根据物质的这一特性，可分别进行压力、，根据物质的这一特性，可分别进行压力、，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。温度和光强等参数的检测。温度和光强等参数的检测。温度和光强等参数的检测。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小、无基于物质固有定律的参数检测具有敏感元件体积小、无基于物质固有定律的参数检测具有敏感元件体积小、无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、易集成等可动部件、反应快、灵敏度高、稳定性好、易集成等可动部件、反应快、灵敏度高、
10、稳定性好、易集成等可动部件、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。优点，在检测技术中有广阔的应用前景。优点，在检测技术中有广阔的应用前景。优点，在检测技术中有广阔的应用前景。第6页/共146页第七页，共147页。信号转换基础效应、元件与应用信号转换基础效应、元件与应用信号转换基础效应、元件与应用信号转换基础效应、元件与应用 参数检测中敏感元件常依据基础效应、按照一定的原理把参数检测中敏感元件常依据基础效应、按照一定的原理把参数检测中敏感元件常依据基础效应、按照一定的原理把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被测变量的信息转
11、换成一种被测变量的信息转换成一种被测变量的信息转换成一种(y zhn)(y zhn)可进一步处理或表示的可进一步处理或表示的可进一步处理或表示的可进一步处理或表示的信息。信息。信息。信息。检测技术中常应用的基础效应：检测技术中常应用的基础效应：检测技术中常应用的基础效应：检测技术中常应用的基础效应：光电效应光电效应热电效应热电效应电磁电磁(dinc)效应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光生(un shn)伏特效应伏特效应常用基常用基础效应础效应第7页/共146页第八页，共147页。效应名称效应名称原原 理理输出量输出量检测元件
12、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
13、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
14、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
15、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第8页/共146页第九页，共147页。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，利用敏感元件特有参数检测是以自然规律为基础，利用敏感元件特有参数检测是以自然规律为基础，利用敏感元件特有参数检测是以自然规律为基础，利用敏感元件特有(t(t yu)yu)的物理、化学和生物等效应，把被测变量的变化转的物理、化学和生物等效应，把被测变量的变化转的物理、化学和生物等效
16、应，把被测变量的变化转的物理、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换为敏感元件某一物理换为敏感元件某一物理换为敏感元件某一物理(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第9页/共146页第十页，共147页。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：光学
17、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。利用利用光的发射、透射、折射和反射定律或性质。利用利用光的发射、透射、折射和反射定律或性质。利用利用光的发射、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光强度等光学参数来表示被测变量的大小光强度等光学参数来表示被测变量的大小光强度等光学参数来表示被测变量的大小(dxi(dxi o)o)，通过光电元件接收光信号实现检测目的。通过光电元件接收光信号实现检测目的。通过光电元件接收光信号实现检测目的。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例：辐射式温度计、红外式气体成分分析仪例
18、：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、变形等，利用敏感元件把被测变量转换成机械位移、变形等，利用敏感元件把被测变量转换成机械位移、变形等，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。通过对位移或变形状态的变换实现检测目的。通过对位移或变形状态的变换实现检测目的。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，节流件第10页/共146页第十一页，共147页。n
19、 n热学法热学法热学法热学法 n n 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)的差异以及热平衡原的差异以及热平衡原的差异以及热平衡原的差异以及热平衡原理进行理进行理进行理进行(jnxng)(jnxng)参数的检测。参数的检测。参数的检测。参数的检测。n n 例：热线风速仪例：热线风速仪例：热线风速仪例：热线风速仪n n 根据流体流动时带走的热量测定流体的流量（流速）。根据流体流动时带走的热量测定流体的流量（流速）。根据流体流动时带走的热量测定流体的流量（流速）。根据流体流动时带走的热量测定流体的流量（流速）。n n电学法电学法
20、电学法电学法 n n 利用敏感元件把被测变量转换成电压、电阻、电容等利用敏感元件把被测变量转换成电压、电阻、电容等利用敏感元件把被测变量转换成电压、电阻、电容等利用敏感元件把被测变量转换成电压、电阻、电容等电学量。电学量。电学量。电学量。n n 例：热敏电阻、热电偶等例：热敏电阻、热电偶等例：热敏电阻、热电偶等例：热敏电阻、热电偶等第11页/共146页第十二页，共147页。n n声学法声学法声学法声学法 n n 利用超声波在介质中的传播以及在介质间界面处的利用超声波在介质中的传播以及在介质间界面处的利用超声波在介质中的传播以及在介质间界面处的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
21、质进行参数的检测。反射等性质进行参数的检测。反射等性质进行参数的检测。反射等性质进行参数的检测。n n 应用例：应用例：应用例：应用例：n n 超声波物位仪利用测量从超声波发射到接收到界面超声波物位仪利用测量从超声波发射到接收到界面超声波物位仪利用测量从超声波发射到接收到界面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反射波的时间反射波的时间反射波的时间(shjin)(shjin)实现检测物位。实现检测物位。实现检测物位。实现检测物位。n n 超声波流量计利用超声波在流体中沿顺流和逆流方超声波流量计利用超声波在流体中沿顺流和逆流方超声波流量计利用超声波在流体中沿顺流和逆流方超声波流
22、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。向传播的速度差检测流体的流速。向传播的速度差检测流体的流速。向传播的速度差检测流体的流速。n n磁学法磁学法磁学法磁学法 n n 利用被测介质有关磁性参数的差异及被测介质或敏感利用被测介质有关磁性参数的差异及被测介质或敏感利用被测介质有关磁性参数的差异及被测介质或敏感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。元件在磁场中表现出的特性，检测被测变量。元件在磁场中表现出的特性，检测被测变量。元件在磁场中表现出的特性，检测被测变量。n n 应用例：电磁流量计，磁氧分析仪应用例：电磁流量计，磁
23、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，磁氧分析仪第12页/共146页第十三页，共147页。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
24、、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测混合物中某一组分测混合物中某一组分测混合物中某一组分(z(z fn)fn)的浓度。的浓度。的浓度。的浓度。第13页/共146页第十四页，共147页。2.2 2.2 敏感元件简介敏感元件简介敏感元件简介敏感元件简介 敏感元件（检测元件）：敏感元件（检测元件）：敏感元件（检测元件）：敏感元件（检测元件）：一种能够灵敏地感受被测参数，并将被测参数的变一种能够灵敏地感受被测参数，并将被测参数的
25、变一种能够灵敏地感受被测参数，并将被测参数的变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。化转换成另一种物理量变化的元件。化转换成另一种物理量变化的元件。化转换成另一种物理量变化的元件。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，应用不同的同一参数可以使用不同的敏感元件，应用不同的同一参数可以使用不同的敏感元件，应用不同的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。方法来测量。方法来测量。方法来测量。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。选择敏感元件时要考虑以下因
26、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，一般对它使用的环要保证敏感元件能正常工作，一般对它使用的环要保证敏感元件能正常工作，一般对它使用的环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、外加电源境温度、压力、外加电源境温度、压力、外加电源境温度、压力、外加电源(dinyun)(dinyun)电压电压电压电压(电流电流电流电流)等等等等都有要求。都有要求。都有要求。都有要求。例如，用压阻元件测量压力一般要求被测介质的例如，用压阻元件测量压力一般要求被测介质的例如，用压阻元件测量压力一般要求被测介质的例如，用压阻元件
27、测量压力一般要求被测介质的温度不超过温度不超过温度不超过温度不超过150150。第14页/共146页第十五页，共147页。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元件保证工作在其适用范围之内，被测变量不超过敏感元件保证工作在其适用范围之内，被测变量不超过敏感元件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规定的测量范围规定的测量范围规定的测量范围 例如，对于弹性元件，当外力作用超过极限值后，弹性例如，对于弹性元件，当外力作用超过极限值后，弹性例如，对于弹性元件，当外力作用超过
28、极限值后，弹性例如，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元件将产生永久性变形元件将产生永久性变形元件将产生永久性变形(bin xng)(bin xng)，甚至产生断裂或破损。，甚至产生断裂或破损。，甚至产生断裂或破损。，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降的要求其输出与被测变量之间有明确的单调上升或下降的要求其输出与被测变量之间有明确的单调上升或下降的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关系，最好
29、是线性关系，而且要求该函数关系受其他参数关系，最好是线性关系，而且要求该函数关系受其他参数关系，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，还要考虑敏感元件的在满足静态和动态精度的要求下，还要考虑敏感元件的在满足静态和动态精度的要求下，还要考虑敏感元件的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。价格、易复制性以及使用时的易安装性等因素。价格、易复制性以及使用时的易安装性等因素。价格、易
30、复制性以及使用时的易安装性等因素。第15页/共146页第十六页，共147页。敏感元件分类敏感元件分类敏感元件分类敏感元件分类(fn li)(fn li)：机械式检测元件机械式检测元件机械式检测元件机械式检测元件 电阻式检测元件电阻式检测元件电阻式检测元件电阻式检测元件 电容式检测元件电容式检测元件电容式检测元件电容式检测元件 热电式检测元件热电式检测元件热电式检测元件热电式检测元件 压电式检测元件压电式检测元件压电式检测元件压电式检测元件 光电式检测元件光电式检测元件光电式检测元件光电式检测元件 磁电式检测元件磁电式检测元件磁电式检测元件磁电式检测元件 核辐射式检测元件核辐射式检测元件核辐射式
31、检测元件核辐射式检测元件第16页/共146页第十七页，共147页。机械式检测元件机械式检测元件机械式检测元件机械式检测元件原理、特点：原理、特点：原理、特点：原理、特点：机械式检测元件是将被测量转换为机械量信号机械式检测元件是将被测量转换为机械量信号机械式检测元件是将被测量转换为机械量信号机械式检测元件是将被测量转换为机械量信号(通常是位通常是位通常是位通常是位移移移移(wiy)(wiy)、振动频率、转角等、振动频率、转角等、振动频率、转角等、振动频率、转角等)输出，具有结构简单、输出，具有结构简单、输出，具有结构简单、输出，具有结构简单、使用安全可靠、抗干扰能力强等特点。使用安全可靠、抗干扰
32、能力强等特点。使用安全可靠、抗干扰能力强等特点。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：最常用的机械式检测元件：最常用的机械式检测元件：最常用的机械式检测元件：弹性式检测元件：弹性式检测元件：弹性式检测元件：弹性式检测元件：依据弹性变形原理，将被测参数（外力）变化转换为弹依据弹性变形原理，将被测参数（外力）变化转换为弹依据弹性变形原理，将被测参数（外力）变化转换为弹依据弹性变形原理，将被测参数（外力）变化转换为弹性元件的变形，位移性元件的变形，位移性元件的变形，位移性元件的变形，位移(wiy)(wiy)，应力等物理量输出。，应力等物理量输出。，应力等物理量输出。，应力等物理量
33、输出。振动式检测元件：振动式检测元件：振动式检测元件：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将被测参数（力、密度）变化转换成谐振元件的固有频将被测参数（力、密度）变化转换成谐振元件的固有频将被测参数（力、密度）变化转换成谐振元件的固有频率变化的输出率变化的输出率变化的输出率变化的输出 第17页/共146页第十八页，共147页。弹性式检测元件弹性式检测元件(yunjin)弹性元件弹性元件(yunjin)是基于弹性是基于弹性变形原理的一种敏感元件变形原理的一种敏感元件(yunjin)。1）弹性元件）弹性元件(yunjin)的基本性能的基本性能 弹性特性弹性特性 描述弹性元
34、件描述弹性元件(yunjin)的输入的输入量与由它引起的输出量之间的关量与由它引起的输出量之间的关系。系。弹性特性主要由刚度和灵敏度描弹性特性主要由刚度和灵敏度描述。述。a.刚度刚度 弹性元件弹性元件(yunjin)产生单位变产生单位变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）：式中，式中，式中，式中，k k：弹性元件材料的刚度；：弹性元件材料的刚度；：弹性元件材料的刚度；：弹性元件材料的刚度；F F：作用：作用：作用：作用(zuyng)(zuyng)在弹性元件上的外力；在弹性元件上的外力；在弹性元件上的外力；在弹性元件上的外力；x x：弹性元件上产生的
35、变形。：弹性元件上产生的变形。：弹性元件上产生的变形。：弹性元件上产生的变形。第18页/共146页第十九页，共147页。A：弹性元件的有：弹性元件的有效效(yuxio)面积面积则有：则有：注意：注意：弹性材料刚性越强，或者弹性材料刚性越强，或者A/k 越小，则测量适应范围越大。越小，则测量适应范围越大。弹性元件的有效面积弹性元件的有效面积 A和刚度系数和刚度系数 k与弹性元件的性能、加与弹性元件的性能、加 工过程工过程(guchng)和热处理等有较大关系。位移量较小时，和热处理等有较大关系。位移量较小时，它们均可视为常数。它们均可视为常数。压力与位移成线性关系。压力与位移成线性关系。第19页/
36、共146页第二十页，共147页。b.灵敏度灵敏度 刚度的倒数，定义为单位刚度的倒数，定义为单位(dnwi)输入量所引起的输出量，输入量所引起的输出量，即即注意：注意：弹性元件的刚度与灵敏度是弹性元件的刚度与灵敏度是一对一对(y du)矛盾。矛盾。第20页/共146页第二十一页，共147页。弹性弹性(tnxng)元件的滞弹性元件的滞弹性(tnxng)弹性弹性(tnxng)材料在弹性材料在弹性(tnxng)变化范围内同时伴有微塑性变形，使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。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其表现形式主要有弹性(
37、tnxng)滞后、弹性滞后、弹性(tnxng)后效后效(蠕变蠕变)、应力松、应力松弛等。弛等。a.弹性弹性(tnxng)滞后滞后 弹性弹性(tnxng)元件在外力加载和卸载的正反行程中应力元件在外力加载和卸载的正反行程中应力()和应变和应变()曲线曲线不重合的现象称为弹性不重合的现象称为弹性(tnxng)滞后，如图滞后，如图弹性弹性(tnxng)滞后一般用最大相滞后一般用最大相对滞后的百分数来表示，即对滞后的百分数来表示，即max:最大的应变滞后最大的应变滞后(zh hu),max:最大载荷下的总应变最大载荷下的总应变第21页/共146页第二十二页，共147页。b.b.弹性后效弹性后效弹性后效
38、弹性后效 弹性变形范围内，应力保持不变的情况下，应变弹性变形范围内，应力保持不变的情况下，应变弹性变形范围内，应力保持不变的情况下，应变弹性变形范围内，应力保持不变的情况下，应变 随时间的延续而缓慢随时间的延续而缓慢随时间的延续而缓慢随时间的延续而缓慢(hunmn)(hunmn)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。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
39、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=OD1=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元件继续产生变形元件继续产生变形元件继续产生变形(bin xng)(bin xng)的结果，的结果，的结果，的结果，后效应变量：后效应变量：后效应变量：后效应变量：2=DE2=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。
40、应变量：应变量：应变量：应变量：3=EC3=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段蠕变时间段蠕变时间(shjin)曲线曲线CO段蠕变时间曲线段蠕变时间曲线第22页/共146页第二十三页，共147页。注意注意(zh y)：弹性后效的衰减常常需要延续很弹性后效的衰减常常需要延续很长时间，一般采用应力保持长时间，一般采用应力保持15min作参考值。作参考值。弹性后效描述式弹性后效描述式式中：式中：N（15）：）：为弹性后效值；为弹性后效值；(15)=(15)-0 （1
41、5）：施加应力施加应力(yngl)保持保持15min后对应的应变值；后对应的应变值；0：施加应力施加应力(yngl)恒定时刻对应的应变值；恒定时刻对应的应变值；E：材料的弹性模量；材料的弹性模量；E=/0(应力应力(yngl)与应变之比与应变之比)：材料的正应力材料的正应力(yngl)。第23页/共146页第二十四页，共147页。c.应力松弛应力松弛 总应变量恒定情况下，应力随总应变量恒定情况下，应力随时间的延续而逐渐时间的延续而逐渐(zhjin)降低降低的现象。的现象。表达式：表达式：式中：式中：r:应力松弛率；应力松弛率；0:初始应力；初始应力；t:经过经过(jnggu)t时间后的应力。时
42、间后的应力。一般要求弹性元件应具有高的抗松弛能力。一般要求弹性元件应具有高的抗松弛能力。第24页/共146页第二十五页，共147页。弹性元件的热弹性效应弹性元件的热弹性效应a.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E的变化。通常采用弹性模量的温的变化。通常采用弹性模量的温度系数度系数 E来表示来表示(biosh)弹性弹性模量随温度变化的情况。模量随温度变化的情况。式中式中 E0：温度：温度(wnd)为为 t0时材料的弹性模量时材料的弹性模量 E：温度温度(wnd)为为 t时材料的弹性模量。时材料的弹性模量。第25页/共146页第二十六页，共1
43、47页。b.频率温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 f表表示示(biosh)谐振频率随温度变化谐振频率随温度变化的情况。的情况。式中式中 f0:温度温度(wnd)为为T0时弹时弹性元件的谐振频率；性元件的谐振频率；f:温度温度(wnd)为为T时弹性时弹性元件的谐振频率。元件的谐振频率。第26页/共146页第二十七页，共147页。c.膨胀系数膨胀系数 用线膨胀系数用线膨胀系数 表示温度每升表示温度每升高高(shn o)1时，单位长度时，单位长度的相对变化量。的相对变化量。式中式中 l0：温度为：温度为T0时材料的长时材料的长度；度；l：温度为：温度为T时材料的长度
44、。时材料的长度。温度影响温度影响(yngxing)特点：温度升特点：温度升高弹性材料刚度降低、高弹性材料刚度降低、第27页/共146页第二十八页，共147页。弹性元件的固有频率弹性元件的固有频率弹性元件的固有频率弹性元件的固有频率 弹性元件本身质量、弹性、弹性后效弹性元件本身质量、弹性、弹性后效弹性元件本身质量、弹性、弹性后效弹性元件本身质量、弹性、弹性后效(huxio)(huxio)等等等等决定了弹性元件的固有频率。决定了弹性元件的固有频率。决定了弹性元件的固有频率。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
45、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，则弹性元件响应越快。第28页/共146页第二十九页，共147页。2）弹性元件的材料性能及种类）弹性元件的材料性能及种类 弹性元件的材料性能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。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。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
46、，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。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。的滞弹性效应。c.具有良好的温度特性，如弹性模量具有良好的温度特性，如弹性模量(tn xn m lin)的的温度系数小，而且稳定。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。具有良好的化学性能，有较强的抗氧化性和抗腐蚀性。第29页/共146页第三十页，共147页。弹性弹性弹性弹性(tnxng)(tnxng)元件的元件的元件的元件的种类种类种类种类 弹性弹性弹性弹性(tnx
47、ng)(tnxng)元件主要元件主要元件主要元件主要有：有：有：有：弹簧管、波纹管、弹簧管、波纹管、弹簧管、波纹管、弹簧管、波纹管、弹性弹性弹性弹性(tnxng)(tnxng)膜片、膜片、膜片、膜片、膜盒、膜盒、膜盒、膜盒、薄壁圆筒等类型。薄壁圆筒等类型。薄壁圆筒等类型。薄壁圆筒等类型。本课程仅以常用的弹本课程仅以常用的弹本课程仅以常用的弹本课程仅以常用的弹簧管、薄壁圆筒、波纹簧管、薄壁圆筒、波纹簧管、薄壁圆筒、波纹簧管、薄壁圆筒、波纹管和膜片为例，介绍弹管和膜片为例，介绍弹管和膜片为例，介绍弹管和膜片为例，介绍弹性性性性(tnxng)(tnxng)元件的检测元件的检测元件的检测元件的检测原理
48、及其特性。原理及其特性。原理及其特性。原理及其特性。第30页/共146页第三十一页，共147页。a.a.弹簧弹簧弹簧弹簧(tnhung)(tnhung)管管管管n n弹簧管是由横截面呈非圆形弹簧管是由横截面呈非圆形弹簧管是由横截面呈非圆形弹簧管是由横截面呈非圆形(椭圆形或扁圆形椭圆形或扁圆形椭圆形或扁圆形椭圆形或扁圆形)弹性材料管弯成圆弹性材料管弯成圆弹性材料管弯成圆弹性材料管弯成圆弧状弧状弧状弧状(中心角常为中心角常为中心角常为中心角常为270270度度度度)构成（如图）。构成（如图）。构成（如图）。构成（如图）。n n被测压力介质从开口端进入并充满弹簧管的整个内腔，被测压力介质从开口端进入
49、并充满弹簧管的整个内腔，被测压力介质从开口端进入并充满弹簧管的整个内腔，被测压力介质从开口端进入并充满弹簧管的整个内腔，n n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产生产生产生(chnshng)(chnshng)力矩，其结果使弹簧管的自由端产生力矩，其结果使弹簧管的自由端产生力矩，其结果使弹簧管的自由端产生力矩，其结果使弹簧管的自由端产生(chnshng)(chnshng)位移，同时改变其中心角。位移，同时
50、改变其中心角。位移，同时改变其中心角。位移，同时改变其中心角。弹簧弹簧(tnhung)管管封闭端封闭端（自由端）（自由端）开口端开口端（固定端）（固定端）被测压力被测压力第31页/共146页第三十二页，共147页。弹簧管自由端位移弹簧管自由端位移弹簧管自由端位移弹簧管自由端位移(wiy)(wiy)量量量量(中心角改变量中心角改变量中心角改变量中心角改变量)和所加压力关系：和所加压力关系：和所加压力关系：和所加压力关系：式中：式中：0：弹簧：弹簧(tnhung)管中心角的管中心角的初始角初始角：受压后中心角的改变量受压后中心角的改变量 d：自由端位移量自由端位移量 R：弹簧弹簧(tnhung)管