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英才学院传感器与检测技术教案第8章典型非电参量的测试方法

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1、第8章典型非电参量的测试方法教学要求1了解各种非电量的测量方法。2熟悉测量各种非电量的传感器。教学课时 10学时教学内容：8.1 应变的测量8.1.1 简单受力状态的应变测量简单受力状态主要是指只受单向拉伸（压缩）、只受纯弯曲或只受纯扭矩的状态。1单向拉伸（压缩）时的应变测量2纯弯曲时的应变测量3只受扭矩时的应变测量8.1.2 复杂受力情况下单向应力应变测量1受弯曲与拉伸（压缩）时的组合应变测量2受扭矩、拉伸（压缩）和弯曲时的组合应变测量8.1.3 平面应力状态的应力测量1.主应力方向已知的平面应力测量2主应力方向未知的平面应力测量8.2 力及压力的测量力的测量方法从大的方面将可分为之间比较法和通过采用传感器的间接比较法两类。本节主要介绍间接比较法。根据传感器的工作原理，常用的力传感器主要有弹性式、电阻应变式力、电容式和电感式等。8.2.1 弹性力传感器弹性力传感器主要用于压力测量。常用的测力弹性元件主要有布尔登管、膜片和波纹管三类。1布尔登管波登管又叫弹簧管，它是弯成各种形状的空心管子，一般为C形，弯成270一端固定，一端自由，截面多为扁圆形或椭圆形。当这种弹性管一侧通入流

2、体有一定压力时，由于内外侧的压差（外侧一般为大气压力），迫使管子的椭圆截面产生趋于变圆的变形，这种变形导致C形、螺线形和螺旋形波登管的自由端产生变位；对于扭转形波登管，输出运动则是自由端的角位移。2膜片悬链型膜片是一种受温度影响较小的膜片结构。平膜片（等截面薄板）是周边固定的圆薄板，当它的上下两面受到均匀分布的压力时，薄板弯向压力低的一面，并在薄板表面产生应力，从而把均布压力变为薄板的位移或应变。将应变片贴在薄板表面，可以组成电阻应变式压力传感器，利用薄板的位移可以组成电容式、霍尔式压力传感器。3波纹管可在较低压力下得到较大的变位。它可测的压力较低，对于小直径的黄铜波纹管，最大允许压力约为1.5兆帕。8.2.2 电阻应变式力传感器电阻应变式力传感器是根据应变效应设计制作的力传感器。应变式力传感器的测量范围大，可以从1Pa到几Mpa，且能获得很高的测量精度。常见的结构形式有筒式、膜片式和组合式等。1筒式压力传感器2膜片式压力传感器3组合式压力传感器8.2.3 其他力传感器1电容式力传感器电容式力传感器就是把力转换成微小位移量的变化，通过测量由于移量变化引起的电容量变化的大小，从而计算出被

3、测力的大小。2电感式力传感器电感式力传感器利用磁性材料和空气导磁率不同，当压力作用在膜片上靠膜片改变空气气隙大小，去改变固定线圈的电感，通过测量电路把电感的变化转变为相应的电压或电流输出，通过测量电压或电流从而计算出测量力的大小。电感式力传感器按磁路特性主要分为变磁阻式和变磁导式两种8.3 位移的测量常用位移的测量方法：机械法、光测法、电测法。电测法：利用各种传感器将位移量变换为电量或电参数，再经后接测量仪器进一步变换完成对位移检测的一种方法。电测法测量位移常用的传感器有电阻式、电容式、涡流式、压电式、感应同步式、磁栅式、光电式等。位移测试传感系统由传感器、变换电路、显示装置或记录仪器三部分组成。8.3.1 电阻式位移传感器电阻式位移传感器是把被测位移转换成电阻变化，通过测量电阻值达到测量位移目的的一种传感器。从上式可见，若导体的三个参数(电阻率、长度L或截面积S)中的一个或数个发生变化，则电阻值随着变化，因此可利用此原理来构成传感器。电位计和应变片就是根据这一原理制成的。例如，若改变长度L，则可制成电位计；改变L、S则可制成电阻应变式8.3.2 电涡流式位移传感器根据法拉第定律，当传

4、感器线圈通以正弦交变电流I1时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1，使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流I2，I2又产生新的交变磁场H2。根据愣次定律，H2的作用将反抗原磁场H1，由于磁场H2的作用，涡流要消耗一部分能量，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。一般讲，线圈的阻抗变化与导体的电导率、磁导率、几何形状、线圈的几何参数、激励电流频率以及线圈到被测导体间的距离有关。如果保持某些参数不变，而只改变一个参数，传感器线圈阻抗Z就仅仅是这个参数的单值函数。通过与传感器配用的测量电路测出阻抗Z的变化量，即可实现对该参数的测量。用于测量位移的电涡流式传感器有变间隙型、变面积型和螺管型。变间隙型电涡流传感器变面积型电涡流传感器螺管型电涡流传感器8.3.3 其他位移传感器电容式位移传感器、电感式位移传感器、感应同步器、光栅传感器、磁栅传感器和激光干涉仪等，它们主要用于大量程、精密位移的检测，可实现动态测量、自动测量和数字显示。差动变压器式位移传感器具有良好的环境适应性，使用寿命长，灵敏度高和分辨率高的特点，是目前位移测量中应用最广的一种互感式传感

5、器。8.4 振动的测量振动的测量一般分为两类：一类是测量机器和设备运行过程中存在的振动，另一类是对设备施加某种激励，使其产生受迫振动，然后对它的振动状况做检测。8.4.1 测振传感器1磁电式速度传感器2电感式振动传感器3激光速度传感器8.4.2 激振方式振动激励的方式主要有三类：稳态正弦激振、随机激振和瞬间激振。1稳态正弦激振：用激振器对被测对象施加一个稳定的单一频率的稳态正弦激振力。2随机激振：是一种宽带激振方法。3瞬间激振8.4.3 激振器1电动式激振器2电磁式激振器3电液式激振器8.5 流量的测量8.5.1 差压流量传感器8.5.2 涡轮流量计：是比较精确的一种流量检测装置，当被测流体通过装在管道内的涡轮叶片时，涡轮受流体的作用而旋转，并将流量转换成涡轮的转数。8.5.3 电磁流量计1电磁流量计的工作原理2电磁流量计的结构形式电磁流量计的结构形式主要有两种，一种为线圈管道式，一种是插入式。（1）管道式电磁流量计（2）插入式电磁流量计8.5.4 超声波流量计超声波的传播波型主要可分为纵波、横波、表面波等几种。超声波传感器在工业上最常用的主要有两种，一种是传播时间差式，一种是多普勒式。 1时间差式超声波流量计 2频率差式超声波流量计8.5.5 流量传感器的选用选用流量计时一般应考虑以下几个方面：（1）确定流体的类型（2）确定工艺过程的操作条件、温度和压力的界限值。（3）流量计的安装条件（4）考虑到仪表的性能和流量测量方面的要求。4

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