《試驗測試技術(shù)》

復習1第1頁第1頁1.測量辦法及檢測系統(tǒng)構(gòu)成測量基本概念在科學試驗和工業(yè)生產(chǎn)中，為了及時理解試驗進展情況、生產(chǎn)過程情況以及它們結(jié)果，人們需要經(jīng)常對一些物理量，如電流、電壓、溫度、壓力、速度、流量、液位等參數(shù)進行測量，這時人們就要選擇適當測量裝置，采用一定檢測辦法進行測量。測量是人們借助于專門設(shè)備，通過一定辦法，對被測對象搜集信息、取得數(shù)據(jù)過程。測量“三要素”測量單位測量辦法測量儀器與設(shè)備2第2頁第2頁測量結(jié)果能夠表現(xiàn)為數(shù)值，也能夠表現(xiàn)為一條曲線或某種圖形等。但無論以什么形式表現(xiàn)，測量結(jié)果總包括數(shù)值（大小和符號）和單位兩部分。比如，測得某一電流為20A，表明該被測量數(shù)值為20，單位為A（安培）。3第3頁第3頁伴隨科學技術(shù)和生產(chǎn)力發(fā)展，測量過程除了老式比較過程外，還必須進行變換，把不容易直接測量量變換為容易測量量，把靜態(tài)測量變?yōu)閯討B(tài)測量。人們常把前面提到簡樸比較過程稱為狹義測量，而把能完畢對被測量進行檢出、變換、分析、處理、存儲、控制和顯示等功效綜合過程稱為廣義測量。4第4頁第4頁測量辦法測量方法是指實現(xiàn)測量過程所采取詳細方法。在測量過程中，因為測量對象、測量環(huán)境、測量參數(shù)不同，因而采取各種各樣測量儀表和測量方法。針對不同測量任務(wù)進行詳細分析，以找出切實可行測量方法，這對測量工作是十分主要。5第5頁第5頁測量辦法分類對于測量方法，從不同角度有不同分類方法。取得測量值辦法直接測量間接測量組合測量測量精度情況等精度測量非等精度測量測量辦法偏差式測量零位式測量微差式測量測量改變快慢靜態(tài)測量動態(tài)測量測量元件與被測介質(zhì)接觸情況接觸測量非接觸測量測量系統(tǒng)是否向被測對象施加能量積極式測量被動式測量6第6頁第6頁檢測系統(tǒng)構(gòu)成在自動檢測系統(tǒng)中，各個構(gòu)成部分是以信息流過程來劃分。檢測時，首先獲取被測量信息，并通過信息轉(zhuǎn)換把取得信息變換為電量，然后進行一系列處理，再用批示儀或顯示儀將信息輸出，或由計算機對數(shù)據(jù)進行處理，最后把信息輸送給執(zhí)行機構(gòu)。因此一個檢測系統(tǒng)主要分為信息取得、信息轉(zhuǎn)換、信息處理和信息輸出等幾種部分。要完畢這些功效主要依托傳感器、信號處理電路、顯示裝置、數(shù)據(jù)處理裝置和執(zhí)行機構(gòu)等。其詳細構(gòu)成框圖如圖所表示。7第7頁第7頁傳感器

傳感器是把被測量（如物理量、化學量、生物量等）變換為另一個與之有擬定相應(yīng)關(guān)系，并且容易測量量（通常為電學量）裝置。它是一個取得信息主要手段，它所取得信息正確是否，關(guān)系到整個檢測系統(tǒng)精度，因而在非電量檢測系統(tǒng)中占有主要地位。8第8頁第8頁信號處理電路通常傳感器輸出信號是微弱，需要由信號處理電路加以放大、調(diào)制、解調(diào)、濾波、運算以及數(shù)字化處理等。信號處理電路主要作用就是把傳感器輸出電學量變成含有一定功率模擬電壓（或電流）信號或數(shù)字信號，以推進后級輸出顯示或統(tǒng)計設(shè)備、數(shù)據(jù)處理裝置及執(zhí)行機構(gòu)。依據(jù)測量對象和顯示方法不同，信號處理電路能夠是簡樸傳輸電纜，也能夠是由許多電子元件組成數(shù)據(jù)采集卡，甚至包含計算機在內(nèi)裝置。9第9頁第9頁顯示裝置測量目的是使人們理解被測量數(shù)值，因此必須有顯示裝置。顯示裝置主要作用就是使人們理解檢測數(shù)值大小或改變過程。當前慣用顯示方式：模擬顯示數(shù)字顯示圖像顯示10第10頁第10頁（1）模擬顯示是利用指針對標尺相對位置來表示被測量數(shù)值大小，如毫伏表、毫安表等。特點：讀數(shù)以便、直觀，結(jié)構(gòu)簡樸，價格低廉，在檢測系統(tǒng)中始終被大量使用。缺點：顯示方式精度受標尺最小分度限制，并且讀數(shù)時易引入主觀誤差。11第11頁第11頁（2）數(shù)字顯示是指用數(shù)字形式來顯示測量值，目前大多采用LED發(fā)光數(shù)碼管或液晶顯示器等，如數(shù)字電壓表。這類檢測儀器還可附加打印機，打印統(tǒng)計測量數(shù)值，并易于計算機聯(lián)機，使數(shù)據(jù)處理愈加以便。低噪聲數(shù)字萬用表12第12頁第12頁（3）圖像顯示是指用屏幕顯示（CRT）讀數(shù)或被測參數(shù)改變曲線，主要用于計算機自動檢測系統(tǒng)中。假如被測量處于動態(tài)改變中，用普通顯示儀表讀數(shù)就十分困難，這時可將輸出信號送給計算機進行圖像顯示或送至統(tǒng)計儀，從而描繪出被測量隨時間改變曲線，并以之作為檢測結(jié)果，供分析使用。慣用自動統(tǒng)計儀器有筆式統(tǒng)計儀、光線示波器、磁帶統(tǒng)計儀和計算機等。13第13頁第13頁數(shù)據(jù)處理裝置和執(zhí)行機構(gòu)數(shù)據(jù)處理裝置就是利用微機技術(shù)，對被測結(jié)果進行處理、運算、分析，對動態(tài)測試結(jié)果進行頻譜、幅值和能量譜分析等。在自動測控系統(tǒng)中，經(jīng)信號處理電路輸出與被測量相應(yīng)電壓或電流信號還能夠驅(qū)動一些執(zhí)行機構(gòu)動作，為自動控制系統(tǒng)提供控制信號。伴隨計算機技術(shù)奔騰發(fā)展，微機在自動檢測系統(tǒng)中已得到了非常廣泛應(yīng)用。微機在檢測技術(shù)分支領(lǐng)域中應(yīng)用主要有：自動測試儀器及系統(tǒng)、智能儀器儀表和虛擬儀器等。微機自動測控系統(tǒng)主要由微機基本子系統(tǒng)（包括CPU、RAM、ROM、EPROM等）、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)及接口、數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)及接口、數(shù)據(jù)分派子系統(tǒng)及接口和基本I/O子系統(tǒng)及接口構(gòu)成。14第14頁第14頁誤差基本概念在檢測過程中，無論采用什么樣測量方式和辦法，也無論采用什么樣測量儀表，由于測量儀表本身不夠準確，測量辦法不夠完善，以及測量者本人經(jīng)驗不足，人感覺器官受到局限等原因，都會使測量結(jié)果與被測量真值之間存在著差別，這個差值就稱為測量誤差。測量誤差主要起源能夠概括為工具誤差（又稱儀器誤差）、環(huán)境誤差、辦法誤差和人員誤差等。15第15頁第15頁測量誤差表示形式1．絕對誤差與相對誤差（1）絕對誤差。絕對誤差是指測量值A(chǔ)x與被測量真值A(chǔ)0之間差值，用

表示，即：（1-2）由式（1-2）可知，絕對誤差單位與被測量單位相同，且有正負之分。用絕對誤差表示儀表誤差大小也比較直觀，它被用來闡明測量結(jié)果靠近被測量真值程度。在實際使用中被測量真值A(chǔ)0是得不到，普通用理論真值或計量學商定真值X0來代替A0。則式（1-2）可寫成：

（1-3）

16第16頁第16頁絕對誤差不能作為衡量測量準確度原則，比如用一個電壓表測量200V電壓，絕對誤差為+1V，而用另一個電壓表測量10V電壓，絕對誤差為+0.5V，前者絕對誤差即使不小于后者，但誤差值相對于被測量值卻是后者不小于前者，即兩者測量準確度相差較大，為此人們引入了相對誤差。（2）相對誤差。所謂相對誤差（用表示）是指絕對誤差

與被測量真值X0百分比。即：在上面例子中，因此，相對誤差比絕對誤差能更加好地闡明測量準確程度。17第17頁第17頁普通情況下，使用相對誤差來說明不同測量結(jié)果準確程度，即用來評定某一測量值準確度，但不適合用于衡量測量儀表本身質(zhì)量。因為同一臺儀表能夠用來測量許多不同真值被測量，在整個測量范圍內(nèi)相對誤差不是一個定值。伴隨被測量減小，相對誤差變大。為了更合理地評價儀表質(zhì)量，采取了引用誤差概念。18第18頁第18頁（3）引用誤差。引用誤差是絕對誤差

與儀表量程L比值，通常以百分數(shù)表示，即：

假如以測量儀表整個量程中，也許出現(xiàn)絕對誤差最大值m代替

，則可得到最大引用誤差

0m，即：

對一臺擬定儀表或檢測系統(tǒng)，出現(xiàn)絕對誤差最大值是一個定值，因此其最大引用誤差就是一個定值，由儀表本身性能所決定。普通用最大引用誤差來擬定測量儀表精度等級。工業(yè)儀表常見精度等級有0.1級、0.2級、0.5級、1.0級、1.5級、2.0級、2.5級、5.0級等。19第19頁第19頁在詳細測量某一個值時，其相對誤差能夠依據(jù)儀表允許最大絕對誤差和儀表批示值進行計算。比如，2.0級儀表，量程為100，在使用時它最大引用誤差不超出±2.0%，也就是說，在整個量程內(nèi)，它絕對誤差最大值不會超出其量程±2.0%，即為±2.0。用它測量真值為80測量值時，其相對誤差最大為±2.0/80×100%=±2.5%（示值相對誤差）。測量真值為10測量值時，其相對誤差最大為±2.0/10×100%=±20%。由此可見，精度等級已知測量儀表只有在被測量值靠近滿量程時，才干發(fā)揮它測量精度。因此選取測量儀表時，應(yīng)當依據(jù)被測量大小和測量精度要求，合理地選擇儀表量程和精度等級，只能這樣才干提升測量精度，做到最好性價比。20第20頁第20頁測量誤差種類系統(tǒng)誤差隨機誤差粗大誤差21第21頁第21頁溫度傳感器分類非接觸式接觸式膨脹式溫度傳感器熱電偶溫度傳感器熱電阻溫度傳感器熱敏電阻溫度傳感器22第22頁第22頁1．慣用熱電阻范圍：-260～＋850℃；精度：0.001℃。改進后可連續(xù)工作2000h，失效率小于1％，有效期為。2．管纜熱電阻測溫范圍為-20～＋500℃，最高上限為1000℃，精度為0.5級。接觸式溫度傳感器分類3．陶瓷熱電阻測量范圍為–200～+500℃，精度為0.3、0.15級。4．超低溫熱電阻兩種碳電阻，可分別測量–268.8～253℃、-272.9～272.99℃溫度。5．熱敏電阻器適于在高靈敏度微小溫度測量場合使用。經(jīng)濟性好、價格廉價。23第23頁第23頁l．輻射高溫計用來測量1000℃以上高溫。分四種：光學高溫計、比色高溫計、輻射高溫計和光電高溫計。2．光譜高溫計前蘇聯(lián)研制YCI—I型自動測溫通用光譜高溫計,其測量范圍為400～6000℃,它是采用電子化自動跟蹤系統(tǒng),確保有足夠準確精度進行自動測量。

（二）非接觸式溫度傳感器3．超聲波溫度傳感器特點是響應(yīng)快(約為10ms左右)，方向性強。當前國外有可測到5000℉產(chǎn)品。4．激光溫度傳感器適合用于遠程和特殊環(huán)境下溫度測量。如NBS公司用氦氖激光源激光做光反射計可測很高溫度，精度為1％。美國麻省理工學院正在研制一個激光溫度計，最高溫度可達8000℃，專門用于核聚變研究。瑞士BrowaBorer研究中心用激光溫度傳感器可測幾千開(K)高溫。

24第24頁第24頁25第25頁第25頁熱電偶溫度傳感器溫差熱電偶（簡稱熱電偶）是當前溫度測量中使用最普遍傳感元件之一。它除含有結(jié)構(gòu)簡樸，測量范圍寬、準確度高、熱慣性小，輸出信號為電信號便于遠傳或信號轉(zhuǎn)換等長處外，還能用來測量流體溫度、測量固體以及固體壁面溫度。微型熱電偶還可用于快速及動態(tài)溫度測量?！餆犭娕脊ぷ髟怼餆犭娕蓟芈沸再|(zhì)★熱電偶慣用材料與結(jié)構(gòu)★冷端處理及補償★熱電偶選擇、安裝使用和校驗26第26頁第26頁兩種不同導體或半導體A和B組合成如圖所表示閉合回路，若導體A和B連接處溫度不同（設(shè)T＞T0），則在此閉合回路中就有電流產(chǎn)生，也就是說回路中有電動勢存在，這種現(xiàn)象叫做熱電效應(yīng)。這種現(xiàn)象早在18首先由西拜克（See－back）發(fā)覺,因此又稱西拜克效應(yīng)。

熱電偶原理圖TT0AB一、工作原理回路中所產(chǎn)生電動勢，稱作熱電勢。熱電勢由兩部分構(gòu)成，即溫差電勢和接觸電勢。熱端冷端27第27頁第27頁1.接觸電勢接觸電勢原理圖+ABTeAB(T)-eAB(T)——導體A、B結(jié)點在溫度T時形成接觸電動勢；e——單位電荷，e=1.6×10-19C；

k——波爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J/K

；NA、NB

——導體A、B在溫度為T時電子密度。接觸電勢大小與溫度高下及導體中電子密度相關(guān)。在兩種導體或半導體接觸面上，自由電子由電子密度大一方朝密度小方向擴散，直至動態(tài)平衡時形成穩(wěn)定電動勢。28第28頁第28頁eA(T，T0)——導體A兩端溫度為T、T0時形成溫差電動勢；T，T0——高下端絕對溫度；σA——湯姆遜系數(shù)，表示導體A兩端溫度差為1℃時所產(chǎn)生溫差電動勢，比如在0℃時，銅σ=2μV/℃。2.溫差電勢AeA(T,To)ToT溫差電勢原理圖自由電子在高溫下含有較大動能而向低溫端擴散形成溫差電勢。29第29頁第29頁接觸電動勢或溫差電動勢都是與溫度相關(guān)電動勢，熱電偶測量熱電動勢是兩者合成。在回路中，電子密度大熱電極A稱為正極，電子密度小熱電極B稱為負極。在熱電材料一定期，回路電視成為兩端溫度差函數(shù)。假如冷端溫度保持恒定，則熱電動勢成為熱端溫度單值函數(shù)。熱電偶原理圖TT0A+B-30第30頁第30頁熱電偶工作原理演示試驗

熱電極A右端稱為：參考端、冷端

左端稱為：工作端、熱端熱電極BAB31第31頁第31頁二、熱電偶基本定律等值定律：熱電偶回路熱電勢只與構(gòu)成熱電偶材料及兩端溫度相關(guān)；與熱電偶長度、粗細無關(guān)。32第32頁第32頁中間溫度定律：兩種均質(zhì)材料A、B構(gòu)成熱電偶，接點溫度分別為T、T0，假如有一個中間溫度Tn，那么熱電偶回路總熱電勢不受中間溫度影響。33第33頁第33頁辦法冰點槽法計算修正法補正系數(shù)法零點遷移法冷端補償器法軟件處理法四、冷端處理及補償原因熱電偶熱電勢大小是熱端溫度和冷端函數(shù)差，為確保輸出熱電勢是被測溫度單值函數(shù)，必須使冷端溫度保持恒定；熱電偶分度表給出熱電勢是以冷端溫度0℃為依據(jù)，不然會產(chǎn)生誤差。34第34頁第34頁1.冰點槽法把熱電偶參比端置于冰水混合物容器里，使T0=0℃。這種辦法僅限于科學試驗中使用。為了避免冰水導電引起兩個連接點短路，必須把連接點分別置于兩個玻璃試管里，浸入同一冰點槽，使互相絕緣。mVABA’B’TCC’儀表銅導線試管補償導線熱電偶冰點槽冰水溶液四、冷端處理及補償T035第35頁第35頁2.計算修正法用普通室溫計算出參比端實際溫度TH，利用公式計算例用銅-康銅熱電偶測某一溫度T，參比端在室溫環(huán)境TH中，測得熱電動勢EAB(T，TH)=1.999mV，又用室溫計測出TH=21℃,查此種熱電偶分度表可知，EAB(21,0)=0.832mV，故得EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，T0)=1.999+0.832=2.831(mV)再次查分度表，與2.831mV相應(yīng)熱端溫度T=68℃。注意:既不能只按1.999mV查表，認為T=49℃，也不能把49℃加上21℃，認為T=70℃。EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)36第36頁第36頁3.補正系數(shù)法把參比端實際溫度TH乘上系數(shù)k，加到由EAB(T，TH)查分度表所得溫度上，成為被測溫度T。用公式表示即

式中：T——為未知被測溫度；T′——為參比端在室溫下熱電偶電勢與分度表上相應(yīng)某個溫度；TH——室溫；k——為補正系數(shù)，其它參數(shù)見下表。例用鉑銠10－鉑熱電偶測溫，已知冷端溫度TH=35℃，這時熱電動勢為11.348mV．查S型熱電偶分度表，得出與此相應(yīng)溫度T′=1150℃。再從下表中查出，相應(yīng)于1150℃補正系數(shù)k=0.53。于是，被測溫度

T=1150+0.53×35=1168.3（℃）用這種辦法稍稍簡樸一些，比計算修正法誤差也許大一點，但誤差小于0.14％。T＝

T′＋

kTH37第37頁第37頁溫度T′/℃補正系數(shù)k鉑銠10-鉑(S)鎳鉻-鎳硅（K）1000.821.002000.721.003000.690.984000.660.985000.631.006000.620.967000.601.008000.591.009000.561.0010000.551.0711000.531.1112000.53—13000.52—14000.52—15000.53—16000.53—熱電偶補正系數(shù)38第38頁第38頁例用動圈儀表配合熱電偶測溫時，假如把儀表機械零點調(diào)到室溫TH刻度上,在熱電動勢為零時，指針批示溫度值并不是0℃而是TH。而熱電偶冷端溫度已是TH,則只有當熱端溫度T=TH時，才干使EAB(T,TH)=0，這樣，批示值就和熱端實際溫度一致了。這種辦法非常簡便，并且一勞永逸，只要冷端溫度總保持在TH不變，批示值就永遠正確。4.零點遷移法應(yīng)用領(lǐng)域：假如冷端不是0℃，但十分穩(wěn)定（如恒溫車間或有空調(diào)場合）。實質(zhì)：在測量結(jié)果中人為地加一個恒定值，由于冷端溫度穩(wěn)定不變，電動勢EAB(TH,0)是常數(shù)，利用批示儀表上調(diào)整零點辦法，加大某個適當值而實現(xiàn)補償。39第39頁第39頁5.冷端補償器法利用不平衡電橋產(chǎn)生熱電勢補償熱電偶因冷端溫度改變而引起熱電勢改變值。不平衡電橋由R1、R2、R3(錳銅絲繞制)、RCu(銅絲繞制)四個橋臂和橋路電源構(gòu)成。設(shè)計時，在0℃下使電橋平衡(R1=R2=R3=RCu)，此時Uab=0，電橋?qū)x表讀數(shù)無影響。

冷端補償器作用注意：橋臂RCu必須和熱電偶冷端靠近，使處于同一溫度之下。

mVEAB(T,T0)T0T0TAB++-abUUabRCuR1R2R3RT0UaUabEAB(T,T0)供電4V直流，在0～40℃或-20～20℃范圍起賠償作用。注意，不同材質(zhì)熱電偶所配冷端賠償器，其中限流電阻R不同，互換時必須重新調(diào)整。40第40頁第40頁6.軟件處理法對于計算機系統(tǒng)，不必全靠硬件進行熱電偶冷端處理。比如冷端溫度恒定但不為0℃情況，只需在采樣后加一個與冷端溫度相應(yīng)常數(shù)即可。對于T0經(jīng)常波動情況，可利用熱敏電阻或其它傳感器把T0信號輸入計算機，按照運算公式設(shè)計一些程序，便能自動修正。后一個情況必須考慮輸入采樣通道中除了熱電動勢之外還應(yīng)當有冷端溫度信號，假如多個熱電偶冷端溫度不相同，還要分別采樣，若占用通道數(shù)太多，宜利用補償導線把所有冷端接到同一溫度處，只用一個冷端溫度傳感器和一個修正T0輸入通道就能夠了。冷端集中，對于提升多點巡檢速度也很有利。

41第41頁第41頁1.熱電偶選擇、安裝使用熱電偶選取應(yīng)當依據(jù)被測介質(zhì)溫度、壓力、介質(zhì)性質(zhì)、測溫時間長短來選擇熱電偶和保護套管。其安裝地點要有代表性，安裝辦法要正確，圖3.2-17是安裝在管道上慣用兩種辦法。在工業(yè)生產(chǎn)中，熱電偶常與毫伏計連用（XCZ型動圈式儀表）或與電子電位差計聯(lián)用，后者精度較高，且能自動統(tǒng)計。另外也可圖3.2-17熱電偶安裝圖通過與溫度變送器經(jīng)放大后再接批示儀表，或作為控制用信號。五、熱電偶選擇、安裝使用和校驗42第42頁第42頁熱電偶分度號校驗溫度/℃熱電偶允許偏差/℃溫度偏差溫度偏差LB–3600，800，1000，12000～600±2.4>600占所測熱電勢±0.4%EU–2400，600，800，1000～400±4>400占所測熱電勢±0.75%EA–2300，400，6000～300±4>300占所測熱電勢±1%2.熱電偶定期校驗

校驗辦法是用原則熱電偶與被校驗熱電偶裝在同一校驗爐中進行對比，誤差超出要求允許值為不合格。圖為熱電偶校驗裝置示意圖，最佳校驗辦法可由查閱相關(guān)原則取得。工業(yè)熱電偶允許偏差，見下表。工業(yè)熱電偶允許偏差43第43頁第43頁78564321穩(wěn)壓電源220V熱電偶校驗圖

1-調(diào)壓變壓器；2-管式電爐；3原則熱電偶；4-被校熱電偶；5-冰瓶；6-切換開關(guān)；7-測試儀表；8-試管44第44頁第44頁壓力傳感器壓力傳感器是一個將壓力轉(zhuǎn)換成電流或電壓器件，用于測量壓力、位移等物理量。壓力傳感器有應(yīng)變式、電容式、差動變壓器式、霍爾式、壓電式等。45第45頁第45頁電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻改變傳感器,傳感器由在彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變敏感元件構(gòu)成。當被測物理量作用在彈性元件上時,彈性元件變形引起應(yīng)變敏感元件阻值改變,通過轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)變成電量輸出,電量改變大小反應(yīng)了被測物理量大小。應(yīng)變式電阻傳感器是當前測量力、力矩、壓力、加速度、重量等參數(shù)應(yīng)用最廣泛傳感器。

46第46頁第46頁電阻應(yīng)變式傳感器工作原理電阻應(yīng)變片特性電阻應(yīng)變片溫度補償辦法電阻應(yīng)變片粘貼技術(shù)電阻應(yīng)變片測量電路電阻應(yīng)變式傳感器47第47頁第47頁1.1工作原理電阻應(yīng)變片工作原理是基于應(yīng)變效應(yīng),即在導體產(chǎn)生機械變形時,它電阻值相應(yīng)發(fā)生改變。

一根金屬電阻絲,在其未受力時,原始電阻值為

R=（3-1）式中:ρ——電阻絲電阻率;L——電阻絲長度;S——電阻絲截面積。48第48頁第48頁當電阻絲受到拉力F作用時,將伸長ΔL,橫截面積相應(yīng)減小ΔS,電阻率將因晶格發(fā)生變形等原因而改變Δρ,故引起電阻值相對改變量為式中，ΔL/L是長度相對改變量,用應(yīng)變ε表示：

ΔS/S為圓形電阻絲截面積相對改變量,即：

（3-2）49第49頁第49頁由材料力學可知,在彈性范圍內(nèi),金屬絲受拉力時,沿軸向伸長,沿徑向縮短,那么軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變關(guān)系可表示為：式中:μ——電阻絲材料泊松比,負號表示應(yīng)變方向相反。從而可得：

或（3-6）（3-7）50第50頁第50頁通常把單位應(yīng)變能引起電阻值改變稱為電阻絲靈敏度系數(shù)。其物理意義是單位應(yīng)變所引起電阻相對改變量,其表示式為：（3-8）靈敏度系數(shù)受兩個原因影響:一個是受力后材料幾何尺寸改變,即（1+2μ）;另一個是受力后材料電阻率發(fā)生改變,即（Δρ/ρ）/ε。對金屬材料電阻絲來說,靈敏度系數(shù)表示式中（1+2μ）值要比（（Δρ/ρ）/ε）大得多,而半導體材料（（Δρ/ρ）/ε）項值比（1+2μ）大得多。大量試驗證實,在電阻絲拉伸極限內(nèi),電阻相對變化與應(yīng)變成正比,即K為常數(shù)。

51第51頁第51頁用應(yīng)變片測量應(yīng)變或應(yīng)力時,依據(jù)上述特點,在外力作用下,被測對象產(chǎn)生微小機械變形,應(yīng)變片伴隨發(fā)生相同改變,同時應(yīng)變片電阻值也發(fā)生相應(yīng)改變。當測得應(yīng)變片電阻值改變量ΔR時,便可得到被測對象應(yīng)變值。依據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系,得到應(yīng)力值σ為

σ=E·ε

式中:σ——試件應(yīng)力;ε——試件應(yīng)變;E——試件材料彈性模量。由此可知,應(yīng)力值σ正比于應(yīng)變ε,而試件應(yīng)變ε正比于電阻值改變,因此應(yīng)力σ正比于電阻值改變,這就是利用應(yīng)變片測量應(yīng)力基本原理。

52第52頁第52頁1.2電阻應(yīng)變片特性一、電阻應(yīng)變片種類電阻應(yīng)變片品種繁多,形式多樣。但慣用應(yīng)變片可分為兩類:金屬電阻應(yīng)變片和半導體電阻應(yīng)變片。金屬應(yīng)變片由敏感柵、基片、覆蓋層和引線等部分構(gòu)成。敏感柵是應(yīng)變片關(guān)鍵部分,它粘貼在絕緣基片上,其上再粘貼起保護作用覆蓋層,兩端焊接引出導線。金屬電阻應(yīng)變片敏感柵有絲式、箔式和薄膜式三種。53第53頁第53頁箔式應(yīng)變片是利用光刻、腐蝕等工藝制成一個很薄金屬箔柵,其厚度普通在0.003～0.01mm。其長處是散熱條件好,允許通過電流較大,可制成各種所需形狀,便于批量生產(chǎn)。薄膜應(yīng)變片是采用真空蒸發(fā)或真空沉淀等辦法在薄絕緣基片上形成0.1μm下列金屬電阻薄膜敏感柵,最后再加上保護層。它長處是應(yīng)變靈敏度系數(shù)大,允許電流密度大,工作范圍廣。半導體應(yīng)變片是用半導體材料制成,其工作原理是基于半導體材料壓阻效應(yīng)。所謂壓阻效應(yīng)，是指半導體材料在某一軸向受外力作用時,其電阻率ρ發(fā)生改變現(xiàn)象。

54第54頁第54頁（3-10）式中Δρ/ρ為半導體應(yīng)變片電阻率相對改變量,其值與半導體敏感元件在軸向所受應(yīng)變力關(guān)系為（3-11）式中:π——半導體材料壓阻系數(shù)。將式（3-11）代入式（3-10）中得（3-12）半導體應(yīng)變片受軸向力作用時,其電阻相對改變?yōu)?5第55頁第55頁試驗證實,πE比（1+2μ）大上百倍,因此（1+2μ）能夠忽略,因而半導體應(yīng)變片靈敏系數(shù)為

Ks=（3-13）半導體應(yīng)變片突出長處是靈敏度高,比金屬絲式高50～80倍,尺寸小、橫向效應(yīng)小、動態(tài)響應(yīng)好。但它有溫度系數(shù)大,應(yīng)變時非線性比較嚴重等缺點。56第56頁第56頁

二、橫向效應(yīng)

粘貼在受單向拉伸試件上應(yīng)變片，其敏感柵由軸向縱柵和圓弧橫柵構(gòu)成，在單向拉伸力作用下，分別產(chǎn)生軸向拉伸應(yīng)變和橫向收縮應(yīng)變。在測量縱向應(yīng)變時，圓弧部分產(chǎn)生了一個負值電阻改變，從而減少了應(yīng)變片靈敏度，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變片橫向效應(yīng)。對金屬絲式應(yīng)變片，縱柵越長、橫柵圓弧半徑越小，則橫向效應(yīng)越小。為了減小橫向效應(yīng)產(chǎn)生誤差，普通采用金屬箔式應(yīng)變片。lεyεxεy57第57頁第57頁1.應(yīng)變片溫度誤差由于測量現(xiàn)場環(huán)境溫度改變而給測量帶來附加誤差,稱為應(yīng)變片溫度誤差。產(chǎn)生應(yīng)變片溫度誤差主要原因有:電阻溫度系數(shù)影響試件材料和電阻絲材料線膨脹系數(shù)影響三、應(yīng)變片溫度誤差及補償58第58頁第58頁1)電阻溫度系數(shù)影響敏感柵電阻絲阻值隨溫度改變關(guān)系可用下式表示：

Rt=R0（1+α0Δt）式中:Rt——溫度為t℃時電阻值;R0——溫度為t0℃時電阻值;

α0——金屬絲電阻溫度系數(shù);

Δt——溫度改變值,Δt=t-t0。當溫度改變Δt時,電阻絲電阻改變值為

ΔRt=Rt-R0=R0α0Δt59第59頁第59頁2)試件材料和電阻絲材料線膨脹系數(shù)影響當試件與電阻絲材料線膨脹系數(shù)相同時,不論環(huán)境溫度怎樣改變,電阻絲變形仍和自由狀態(tài)一樣,不會產(chǎn)生附加變形。當試件和電阻絲線膨脹系數(shù)不同時,因為環(huán)境溫度改變,電阻絲會產(chǎn)生附加變形,從而產(chǎn)生附加電阻。設(shè)電阻絲和試件在溫度為0℃時長度均為L0，它們線膨脹系數(shù)分別為βs和βg,若二者不粘貼,則它們長度分別為Ls=L0（1+βsΔt）Lg=L0（1+βgΔt）60第60頁第60頁當兩者粘貼在一起時,電阻絲產(chǎn)生附加變形ΔL,附加應(yīng)變εβ和附加電阻改變ΔRβ分別為ΔL=Lg-Ls=（βg-βs）L0Δtεβ=ΔLL0=（βg-βs）ΔtΔRβ=K0R0εβ=K0R0(βg-βs)Δt61第61頁第61頁可得由于溫度改變而引起應(yīng)變片總電阻相對改變量為折合成附加應(yīng)變量或虛假應(yīng)變εt,有因環(huán)境溫度改變而引起附加電阻相對改變量,除了與環(huán)境溫度相關(guān)外,還與應(yīng)變片本身性能參數(shù)（K0，α0，βs）以及被測試件線膨脹系數(shù)βg相關(guān)。62第62頁第62頁1.3電阻應(yīng)變片溫度補償辦法溫度自補償（1）單絲自補償應(yīng)變計：

（2）雙絲自補償應(yīng)變計：由電阻溫度系數(shù)為一正一負兩種合金絲串接而成。當被測試件線膨脹系數(shù)βg已知時,假如合理選擇敏感柵材料,使其電阻溫度系數(shù)α0、靈敏系數(shù)K0和線膨脹系數(shù)βs,滿足：α0=-K0(βg-βs),

則無論溫度如何改變,都有ΔR/R0=0,從而達到溫度自補償目的。溫度改變而引起應(yīng)變片總電阻相對改變量為:63第63頁第63頁橋路補償法

R1為工作應(yīng)變計，粘貼在試件上，RB為同阻值、同材料補償應(yīng)變計，粘貼在補償塊上，并與R1處于同一溫度場，但不受力。補償臂產(chǎn)生熱輸出與工作臂相同，使電橋總輸出不變，從而起到溫度補償作用。64第64頁第64頁工程上,普通按R1=RB=R3=R4

選取橋臂電阻。當溫度升高或減少Δt=t-t0時,兩個應(yīng)變片因溫度而引起電阻改變量相等,電橋仍處于平衡狀態(tài),即U0=A［（R1+ΔR1t）R4-(RB+ΔRBt)R3］=0若此時被測試件有應(yīng)變ε作用,則工作應(yīng)變片電阻R1又有新增量ΔR1=R1Kε,而補償片因不承受應(yīng)變,故不產(chǎn)生新增量,此時電橋輸出電壓為U0=AR1R4Kε

由上式可知,電橋輸出電壓U0僅與被測試件應(yīng)變ε相關(guān),而與環(huán)境溫度無關(guān)。65第65頁第65頁應(yīng)當指出,若實現(xiàn)完全補償,上述分析過程必須滿足四個條件:①在應(yīng)變片工作過程中,確保R3=R4。②R1和RB兩個應(yīng)變片應(yīng)含有相同電阻溫度系數(shù)α,線膨脹系數(shù)β,應(yīng)變靈敏度系數(shù)K和初始電阻值R0。③粘貼補償片補償塊材料和粘貼工作片被測試件材料必須同樣,兩者線膨脹系數(shù)相同。④兩應(yīng)變片應(yīng)處于同一溫度場。

66第66頁第66頁2壓電式傳感器壓電式傳感器是力敏元件，它能測量一些最后能變換為力相關(guān)物理量，比如壓力、應(yīng)力、加速度等，在工程上有著廣泛應(yīng)用。

壓電式傳感器是一個有源傳感器，亦即發(fā)電型傳感器。

它是以一些材料壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，這些材料表面上產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)非電量到電量轉(zhuǎn)換。67第67頁第67頁壓電效應(yīng)正（順）壓電效應(yīng)示意圖F－－－－－－＋＋＋＋＋＋FFF＋＋＋＋＋＋－－－－－－一些材料當沿著一定方向受到作用力時，不但產(chǎn)生機械變形，并且內(nèi)部極化，表面有電荷出現(xiàn)；當外力去掉后，又重新恢復到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。68第68頁第68頁壓電效應(yīng)可逆性

逆壓電效應(yīng)電能機械能正壓電效應(yīng)當在一些物質(zhì)極化方向上施加電場，這些材料在某一方向上產(chǎn)生機械變形或機械壓力；當外加電場撤去時，這些變形或應(yīng)力也隨之消失。這種電能轉(zhuǎn)化為機械能現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”或“電致伸縮效應(yīng)”。69第69頁第69頁石英晶體壓電效應(yīng)演示當力方向改變時，電荷極性隨之改變，輸出電壓頻率與動態(tài)力頻率相同；當動態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時，電荷將由于表面漏電而不久泄漏、消失。70第70頁第70頁（1）單晶壓電晶體單晶壓電晶體各向異性，主要有石英、鈮酸鋰等。石英晶體有天然與人工之分，是最慣用壓電材料之一。如圖所表示，石英晶體外形呈六面體結(jié)構(gòu)，有三根互相垂直軸表示其晶軸，其中縱軸z稱為光軸，通過正六面體棱線而垂直于光軸x軸稱為電軸，而垂直于x軸和z軸y軸稱為機械軸。2.1壓電材料種類71第71頁第71頁

從晶體上沿各軸線切下一片平行六面體切片，當受到力作用時，其電荷分布在垂直于x軸平面上，沿x軸受力產(chǎn)生壓電效應(yīng)稱為縱向壓電效應(yīng)，沿y軸受力產(chǎn)生壓電效應(yīng)稱為橫向壓電效應(yīng)，沿切向受力產(chǎn)生壓電效應(yīng)稱為切向壓電效應(yīng)。由縱向壓電效應(yīng)產(chǎn)生電荷量q為：

式中，d11為縱向壓電常數(shù)；F為作用力。晶體表面產(chǎn)生電荷與作用力成正比。72第72頁第72頁①當晶片受到x方向壓力作用時，qx只與作用力Fx成正比，而與晶片幾何尺寸無關(guān)；②沿機械軸y方向向晶片施加壓力時，產(chǎn)生電荷是與幾何尺寸相關(guān)；③石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)；④晶體在哪個方向上有正壓電效應(yīng)，則在此方向上一定存在逆壓電效應(yīng)；⑤無論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）與電荷（或電場強度）之間皆呈線性關(guān)系。73第73頁第73頁石英晶體壓電常數(shù)比較低，縱向壓電常數(shù)，但含有良好機械強度和時間及溫度穩(wěn)定性，慣用于準確度和穩(wěn)定性要求尤其高場合。

鈮酸鋰晶體是人工拉制，居里點高達1200℃，適合用于做高溫傳感器，缺點是質(zhì)地脆，抗沖擊性差，價格較貴。74第74頁第74頁2.4壓電式傳感器應(yīng)用壓電式傳感器動態(tài)特性好，體積小，重量輕，慣用來測量脈動力、沖擊力和振動加速度等動態(tài)參數(shù)。因為壓電材料特性不同，石英晶體主要用于精密測量，多作為試驗室基準傳感器；壓電陶瓷靈敏度高，機械強度稍低，多用作測力和振動傳感器；而高分子壓電材料多用作定性測量。75第75頁第75頁壓電式單向測力傳感器結(jié)構(gòu)圖,它主要由石英晶片、絕緣套、電極、上蓋及基座等構(gòu)成。傳感器上蓋為傳力元件,它外緣壁厚為0.1～0.5mm,當外力作用時,它將產(chǎn)生彈性變形,將力傳遞到石英晶片上。石英晶片采用xy切型,利用其縱向壓電效應(yīng),實現(xiàn)力—電轉(zhuǎn)換。石英晶片尺寸為φ8×1mm。該傳感器測力范圍為0～50N,最小分辨率為0.01,固有頻率為50～60kHz,整個傳感器重10g。76第76頁第76頁壓電式力傳感器。壓電式力傳感器在直接測量壓力時，通常采用雙片或多片石英晶體做壓電元件，配以適當放大器即可測量動態(tài)或靜態(tài)力。77第77頁第77頁加速度傳感器78第78頁第78頁壓電式加速度傳感器：主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預壓彈簧、基座及外殼等構(gòu)成。整個部件裝在外殼內(nèi),并用螺栓加以固定。當加速度傳感器和被測物一起受到?jīng)_擊振動時,壓電元件受質(zhì)量塊慣性力作用,依據(jù)牛頓第二定律,此慣性力是加速度函數(shù),即

F=m·a

式中:F——質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性力;m——質(zhì)量塊質(zhì)量;a——加速度。此時慣性力F作用于壓電元件上,因而產(chǎn)生電荷q,當傳感器選定后,m為常數(shù),則傳感器輸出電荷為q=d11F=d11ma

與加速度a成正比。因此,測得加速度傳感器輸出電荷便可知加速度大小。

壓電式加速度傳感器79第79頁第79頁利用壓電陶瓷傳感器測量刀具切削力：由于壓電陶瓷元件自振頻率高，尤其適合測量改變猛烈載荷。圖中壓電傳感器位于車刀前部下方，當進行切削加工時，切削力通過刀具傳給壓電傳感器，壓電傳感器將切削力轉(zhuǎn)換為電信號輸出，統(tǒng)計下電信號改變便測得切削力改變。壓電式刀具切削力測量示意圖80第80頁第80頁金屬材料無損探傷技術(shù)無損檢查辦法滲入探傷磁粉探傷渦流探傷

超聲波探傷射線探傷

…..81第81頁第81頁1.滲透探傷原理:利用液體流動性和滲透性，借助毛細管作用顯示零料表面上開口性缺點。原理簡樸，操作方便、靈活，適應(yīng)性強，可檢驗各種材料和各種形狀、尺寸零件，對表面裂紋有很高檢測靈敏度。但不能檢測表面非開口性缺點和皮下缺點。按照滲透劑不同有四種方法：煤油白粉法著色探傷熒光探傷滲透檢漏探傷82第82頁第82頁2.磁粉探傷僅適合用于鐵磁性材料1)磁粉探傷原理磁粉探傷是基于鐵磁性材料導磁率高特性來檢查缺點，當表面或近表面存在缺點零件在磁場中被磁化后產(chǎn)生漏磁磁場，漏磁磁場產(chǎn)生磁粉匯集和定向現(xiàn)象,從而顯示出零件表面或近表面缺點大小、形狀和部位。83第83頁第83頁

2)磁粉探傷辦法磁粉探傷辦法主要有：按磁化電流性質(zhì)分為:交流電磁化法和直流電磁化法；按顯示介質(zhì)狀態(tài)和性質(zhì)分為:干粉法、濕粉法、熒光磁粉法;按磁化辦法分為：直接通電法、局部支桿法、心軸法、線圈法和鐵軛法;按磁場方向分為:84第84頁第84頁按磁場方向分:縱向磁化零件磁化后產(chǎn)生平行零件軸線磁力線。能夠探測與零件軸線垂直或成一定角度缺點。采用直流電或交流電通過線圈或鐵軛磁化。周向磁化零件直接通電或使穿過零件心軸通電，使在零件內(nèi)產(chǎn)生垂直零件軸線磁力線，可探測軸向缺點，即平行或近于平行零件軸線缺點。復合磁化零件通電后同時產(chǎn)生縱向和周向磁力線,能夠探測零件上任意方向上缺點。85第85頁第85頁3）磁化電流用于探傷磁化電流可采用直流電或交流電。為了取得強磁場和安全工作,選取低壓大電流，普通電壓在l2V下列，電流則視零件大小校經(jīng)驗公式求得。采用交流電磁化可探測表面下2mm以內(nèi)缺點，采用直流電磁化可探測表面下6mm以內(nèi)缺點。86第86頁第86頁

4)退磁

原因:由于鐵磁性材料頑磁性使經(jīng)探傷零件內(nèi)有剩磁,剩磁會使回轉(zhuǎn)零件吸附鐵屑而加劇磨損和使儀表工作不正常。經(jīng)磁粉探傷零件必須退磁.

退磁后可用袖珍式磁強汁檢測剩磁。

退磁操作:零件磁粉探傷后還要經(jīng)700℃以上熱處理，可不進行退磁。普通用交流電磁化工件，用交流電退磁，退磁時電流強度應(yīng)不小于磁化電流強度，只要把磁化電流強度逐步減少到零工件就退磁了；而用直流電磁化工件就用直流電退磁，退磁電流也要強過磁化電流，只要將退磁電流方