機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)

1、1.傳感器的發(fā)展 人類為了從外界獲取信息, 必須借助于感覺器官。 人類依靠這些器官接受來自外界的刺激,再通過大腦分析判斷, 發(fā)出命令而動(dòng)作。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人類社會(huì)的進(jìn)步, 人類為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)自然和改造自然, 只靠這些感覺器官就顯得很不夠了。 于是, 一系列代替、 補(bǔ)充、 延伸人的感覺器官功能的各種手段就應(yīng)運(yùn)而生, 從而出現(xiàn)了各種用途的傳感器。 傳感器的歷史可以追溯到遠(yuǎn)古時(shí)代, 公元前1000年左右, 中國(guó)的指南針已開始使用。 埃及王朝時(shí)代開始使用的天平, 一直延用到現(xiàn)在。 利用液體膨脹進(jìn)行溫度測(cè)量在16世紀(jì)前后就已出現(xiàn)。 19 世紀(jì)建立了電磁學(xué)的基礎(chǔ), 當(dāng)時(shí)建立的物理法則直到現(xiàn)在作為各

2、種傳感器的工作原理仍在應(yīng)用著。 以電量作為輸出的傳感器， 其發(fā)展歷史最短, 但是隨著真空管和半導(dǎo)體等有源元件的可靠性的提高,這種傳感器得到飛速發(fā)展。目前只要提到傳感器, 一般是指具有電輸出的裝置。 由于集成電路技術(shù)和半導(dǎo)體應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展, 研究開發(fā)了性能更好的傳感器。 隨著電子設(shè)備水平不斷提高以及功能不斷加強(qiáng), 傳感器也越來越顯得重要。 世界各國(guó)都將傳感器技術(shù)列為重點(diǎn)發(fā)展的高新技術(shù), 傳感器技術(shù)已成為高新技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的核心技術(shù)之一, 并且發(fā)展十分迅速。 2傳感器作用： 直接作用于被測(cè)量，并把它轉(zhuǎn)換成與之相應(yīng)的、容易檢測(cè)、傳輸或處理的信號(hào)的裝置。傳感器是人類感官的延伸a視覺與光傳感器；b聽覺與聲壓傳

3、感器;c觸覺與溫度和壓力傳感器；d嗅覺與氣敏傳感器； 是現(xiàn)代測(cè)控系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。敏感元件轉(zhuǎn)換元件基本轉(zhuǎn)換電路被測(cè)量電量R L C3傳感器的基本組成：輸入P大氣壓殼體膜盒電感線圈磁芯基本轉(zhuǎn)換電路敏感元件轉(zhuǎn)換元件例：壓力傳感器：第一節(jié) 常用傳感器的分類 結(jié)構(gòu)型：依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化而實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)變的（電容，電感傳感器）物性型： 依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化而實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)變的（壓電，半導(dǎo)體傳感器）能量轉(zhuǎn)換型（無源傳感器）：直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使其工作的（壓電，磁電，光電）能量控制型（有源傳感器）：外部供給能量使傳感器工作的， 并且由被測(cè)量來控制外部供給能量的變化。（電阻，電容，電感）位移速度

4、加速度 力溫度.1.2.3.第二節(jié) 機(jī)械式傳感器敏感元件（彈性體）機(jī)械放大指示系統(tǒng)輸入量輸出量彈性變形輸出力壓力溫度.組成典型應(yīng)用及特點(diǎn)：圖3-3 圖3-4 測(cè)力計(jì) ; 壓力計(jì)； 溫度計(jì)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便；價(jià)格低廉，讀數(shù)直觀。機(jī)械式放大，指示系統(tǒng)使其慣性大，固有頻率低，故多用于靜態(tài)量或低頻變化量的測(cè)量。彈性元件的蠕變，彈性后效現(xiàn)象會(huì)影響輸入，輸出的關(guān)系。第三節(jié) 電阻式傳感器)(AlR),(lAfR)(lfR 變阻器式傳感器金屬電阻應(yīng)變式電阻應(yīng)變式傳感器半導(dǎo)體應(yīng)變式(固態(tài)壓阻式)基本原理：將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化。一變阻器式傳感器：1工作原理：即 。當(dāng)電阻絲直徑A與材質(zhì)一定時(shí)， 的

5、單值函數(shù)。2直線位移型變阻器式傳感器：設(shè)電位計(jì)觸頭移動(dòng)x，其相應(yīng)電阻值變化R，則：（常量）傳感器的靈敏度：AbaxRS)(2常量）(2ArxRS)(xfRx3角位移型： 同理，可得：4非線性電位計(jì)：成線性關(guān)系。與輸入（位移）傳感器的輸出（電阻） 5電阻分壓電路：bdxdRAhAhbdxdR)(2)(2xxuuRRxxRRxxuupypLpLppy00)1 (時(shí)：當(dāng)6特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，使用方便。分辨力低，噪聲大。二電阻應(yīng)變式傳感器 AlRdrdrldlRdRdrdrldlRdrldrrldlrdRrA2)2(22322金屬電阻應(yīng)變式半導(dǎo)體應(yīng)變式1電阻應(yīng)變效應(yīng)： 電阻絲在外力的作用下發(fā)生變

6、形，其電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象。 當(dāng)受到外力F作用，其R的變化：dRdAARdllRdR設(shè)一根電阻絲，未受力時(shí)的原始電阻值： 變引起的。是由電阻絲電阻率的改改變引起的；是由電阻絲幾何尺寸的其中，（E)21常量21)21 (RdRSRdR（縱向應(yīng)變）ldl為泊松系數(shù)）（橫向應(yīng)變r(jià)dr為材料彈性摸量。）為正應(yīng)力；為壓阻系數(shù)；（EEdERdR22金屬電阻應(yīng)變片： 工作原理：電阻相對(duì)變化率與應(yīng)變成正比 結(jié)構(gòu)：絲式箔式a絲式：四個(gè)基本部分組成：敏感柵（電阻絲）基片覆蓋層引出線b箔式： 特點(diǎn)：光刻技術(shù)，應(yīng)變花；橫向效應(yīng)??；散熱條件好；疲勞壽命長(zhǎng)；生產(chǎn)率高。 ERdRSERdR材料： 見表3-2。3半導(dǎo)體應(yīng)變片

7、：工作原理：“壓阻效應(yīng)” ：?jiǎn)尉О雽?dǎo)體材料在沿某一軸向受到外力作用時(shí)，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。特點(diǎn)：（1）靈敏度高；機(jī)械滯后小，橫向效應(yīng)??；（2）溫度穩(wěn)定性差；靈敏度離散度大；在較大應(yīng)力作用下，非線性誤差大等。 膠膜襯底半導(dǎo)體敏感柵內(nèi)引線焊接端外引線結(jié)構(gòu)：材料： 見表3-3。 P型硅單晶4. 應(yīng)變計(jì)的靈敏度系數(shù)金屬電阻絲的電阻相對(duì)變化與它所感受的應(yīng)變之間具有線性關(guān)系, 金屬絲做成應(yīng)變計(jì)后, 由于基片、粘合劑以及敏感柵的橫向效應(yīng), 電阻應(yīng)變特性與單根金屬絲將有所不同, 必須重新用實(shí)驗(yàn)來測(cè)定。 實(shí)驗(yàn)是按規(guī)定的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的。電阻應(yīng)變計(jì)貼在一維力作用下的試件上, 例如受軸向拉壓的直桿、純彎梁等。實(shí)驗(yàn)

8、證明, 電阻應(yīng)變計(jì)的電阻相對(duì)變化R/R與應(yīng)變l/l=之間在很大范圍內(nèi)是線性的, 即 RRK/ 式中, k為電阻應(yīng)變計(jì)的靈敏度系數(shù)。 因一般應(yīng)變計(jì)粘貼到試件上后不能取下再用, 只能在每批產(chǎn)品中提取一定百分比（如 5%）的產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)定, 取其平均值作為這一批產(chǎn)品的靈敏度系數(shù)。這就是產(chǎn)品包裝盒上注明的靈敏度系數(shù), 或稱“標(biāo)稱靈敏度系數(shù)”。 5. 橫向效應(yīng) 實(shí)驗(yàn)表明, 應(yīng)變計(jì)的靈敏度k恒小于金屬線材的靈敏度系數(shù)k0。其原因除了粘合劑、基片傳遞變形失真外, 主要是由于存在橫向效應(yīng)。 敏感柵由許多直線及圓角組成, 如下圖所示。 拉伸被測(cè)試件時(shí), 粘貼在試件上的應(yīng)變計(jì), 被沿應(yīng)變計(jì)長(zhǎng)度方向拉伸, 產(chǎn)生縱向拉

9、伸應(yīng)變x, 應(yīng)變計(jì)直線段電阻將增加。 但是在圓弧段上, 沿各微段（圓弧的切向）的應(yīng)變并不是x, 與直線段上同樣長(zhǎng)的微段所產(chǎn)生的電阻變化不同。最明顯的是在=/2 垂直方向的微段, 按泊松比關(guān)系產(chǎn)生壓應(yīng)變-y。該微段電阻不僅不增加, 反而減少。在圓弧的其他各微段上, 感受的應(yīng)變是由+x變化到- y的。這樣, 圓弧段的電阻變化, 顯然將小于同樣長(zhǎng)度沿x方向的直線段的電阻變化。lxy因此, 將同樣長(zhǎng)的金屬線材做成敏感柵后, 對(duì)同樣應(yīng)變, 應(yīng)變計(jì)敏感柵的電阻變化較小, 靈敏度有所降低。 這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變計(jì)的橫向效應(yīng)。6.7.電阻應(yīng)變儀電阻應(yīng)變儀是最早應(yīng)用的,以應(yīng)變計(jì)作為傳感元件的測(cè)量應(yīng)力的專用儀器。電阻應(yīng)變儀將電橋的微小輸出電壓放大、記錄和處理,從而得到待測(cè)應(yīng)變值。其種類和型號(hào)很多,但基本原理相似,通常包括測(cè)量電橋、讀數(shù)電橋、放大器、相敏檢波器、濾波器、顯示器、穩(wěn)壓電源及振蕩器等部分。其方框圖如圖（3-11）所示。 以阻值R120，靈敏度S2的電阻應(yīng)變片與阻值為120的固定電阻組成電橋，供橋電壓為3V，并假定負(fù)載無窮大，當(dāng)應(yīng)變片的應(yīng)變?yōu)?和2000時(shí)，分別求出單臂和雙臂電橋的輸出電壓，并比較兩種情況下的靈敏度。 在材料為鋼的實(shí)心圓柱試件上，沿軸線和圓周方向各貼一片電阻為1