《自动检测技术与装置》电子课件
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第二章 检测技术与检测元件第一节检测技术的一般原理一、参数检测的一般方法一、参数检测的一般方法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。第一节检测技术的一般原理第一节检测技术的一般原理 8.化学法化学法利用化学反应原理，检测利用化学反应原理，检测混合物中某特定物质的浓混合物中某特定物质的浓度度 9.生物反生物反应法应法生物活性物质能识别某种生物活性物质能识别某种被测物质。酶反应、微生被测物质。酶反应、微生物反应、免疫反应等物反应、免疫反应等吸附效应吸附效应气敏传感器，湿敏传感器气敏传感器，湿敏传感器光化学效应光化学效应光纤化学传感器光纤化学传感器热化学效应热化学效应热化学传感器，用于可燃性热化学传感器，用于可燃性气体的成分检测气体的成分检测生物效应生物效应利用生物效应制成的传感器利用生物效应制成的传感器能精确识别某物质的存在及能精确识别某物质的存在及浓度浓度第一节检测技术的一般原理二、对敏感元件的要求二、对敏感元件的要求 适用范围参数测量范围输出特性此外，满足动静态要求下，价格、易复制性、安全性和易安装性等。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 弹性式检测元件、振动式检测元件第二节 机械式检测元件一、弹性式检测元件一、弹性式检测元件 弹性变形：弹性变形：在外力作用下，物体的形状和尺寸会发生变化，若去掉外力，物体能在外力作用下，物体的形状和尺寸会发生变化，若去掉外力，物体能恢复原来的形状和尺寸。恢复原来的形状和尺寸。注：弹性元件可以直接感受被测量变化，以变形或者应变响应，其输出可转换成电信号。可以测量力、力矩、压力以及温度等等。第二节 机械式检测元件弹性元件的基本性能弹性特性弹性元件的输入量与由它引起的输出量之间的关系。主要包括：灵敏度：单位作用力所引起的弹性元件的变形。刚度：弹性元件产生单位变形所需要的外加作用力。第二节 机械式检测元件滞弹性效应滞弹性效应 材料在弹性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现象。弹性滞后：弹性元件在加载或卸载的正反行程中应力或应变曲线不重合的现象。第二节 机械式检测元件滞弹性效应滞弹性效应弹性后效弹性后效：也称蠕变。在弹性变形范围内，应变由应力决定，而且随施加应力的时间有关。在应力保持不变后，应变随时间的延续而缓慢增加，直至最后达到平衡应变值。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，材料内部应力随时间的延续而逐渐降低的现象称应力松弛。第二节 机械式检测元件弹性元件的热弹性效应 当工作温度发生变化时，弹性元件的几何尺寸和材料的弹性模量也会随之变化，引起温度误差。当工作温度发生变化时，弹性元件的几何尺寸和材料的弹性模量也会随之变化，引起温度误差。弹性模量的温度系数频率温度系数 线膨胀系数 第二节 机械式检测元件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。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。第二节 机械式检测元件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 第二节 机械式检测元件弹性元件的种类 弹簧管 结构原理图弹簧管压力表螺旋弹簧管、盘簧管第二节 机械式检测元件薄壁圆筒 薄壁圆筒受力示意图 第二节 机械式检测元件波纹管 波纹管双波纹管压力表波纹管示意图 第二节 机械式检测元件膜片 金属膜片膜盒压力表膜片压力表第二节 机械式检测元件二、其他机械式检测元件其他机械式检测元件 振动式振动检测元件是较为新型的机械式检测元件，它将被测量（如力、压力、密度等）的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 第二节 机械式检测元件振弦式数字压力表振弦式数字压力表振弦式土压计振弦式土压计振筒式气压振筒式气压传感器传感器第二节 机械式检测元件振弦式检测元件振弦式检测元件 第二节 机械式检测元件振弦式检测元件 第二节 机械式检测元件振筒式检测元件第二节 机械式检测元件结构特点：大致分五个部分 1 振动圆筒振动圆筒 为传感器的敏感元件，通和常为是只壁厚仅为0.08mm左右的薄壁圆筒。改变筒壁的厚度，可以获得不同的测压范围。圆筒材料必须是能够构成闭环磁路的磁性材料，应具有很底的弹性温度系数。2 激振线圈激振线圈 3 拾振线圈拾振线圈 激振线圈和拾振线圈在筒内相隔一定距离成十字交叉排列，以防止或尽量减少两只线圈的耦合作用。4 基座基座 基座上安装有振动筒和线圈组件，并有通入被测压力的进气孔。5 屏蔽与外壳屏蔽与外壳 避免外界电磁场的干扰，要加屏蔽，有时外壳也可代替屏蔽。第二节 机械式检测元件第二节 机械式检测元件振筒式密度传感器在这种传感器中，筒内靠近筒壁的介质（如气体）和筒一起组成有效振动质量。当介质密度发生变化时,有效振动质量也发生变化,从而使筒振动的固有频率发生变化。在测量电路中对所测信号的非线性进行校正后，可使测量精度达0.01%。振筒是采用低温度系数的铁镍合金材料，经冷挤压和热处理等特殊工艺加工制成的薄壁管，它的两端用固定块固定。激振器、振筒、拾振器和放大振荡电路构成一个反馈振荡系统（图1）。工作时,给用磁铁线圈构成的激振器通以交变电流，磁性振筒在交变磁场的激励下起振，而拾振器则完成相反的电磁感应过程，将筒的振动信号反馈到振荡电路去。由于振筒具有高品质因数，整个振荡系统以振筒的固有频率振动。当被测介质流过振筒内时,振筒的有效振动质量增加,使振动频率发生变化，测量电路就可取出与介质密度成一定关系的频率信号。振动频率 f与被测介质密度 的关系为：式中f0为筒内处于真空状态时筒的固有振动频率；0为与振筒的截面积、内腔截面和材料密度有关的常数。为改善固定块随筒一起振动而产生的频率不稳定性，常采用双筒式结构，使双筒的振动频率相同而振动方向相反。这种结构不会引起固定块振动，从而提高了振动频率的稳定性。
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