安全检测与监测

1. 安全检测与监测 (北京) 熊毅

2. 第1章 安全检测技术原理 1.2.1 电阻效应 1.2.2 电感效应 1.2.3 压磁效应 1.2.4 电容效应 1.2.5压电效应 1.2.6 磁电效应 1.2.7 光电效应 1.2.8 气敏检测技术

3. 第1章 安全检测技术原理 1.2.1 电阻效应 利用电阻效应，将被测物理量的变化转换为电阻变化，实现目标测量。在工作原理上，主要有： 1、金属材料的电阻应变效应。电阻应变传感器 2、半导体材料的压阻效应。压阻式传感器 3、电阻丝的电位效应。变阻式传感器 此外，还有利用温度效应的热电阻，利用光电效应的光电阻等。

4. 第1章 安全检测技术原理 金属导体在受到外力作用而发生机械变形时，其电阻值随着机械变形的变化而发生变化。 设金属丝的长度为L，截面积为A,电阻率为，在未受力时的电阻为R,即： 若金属丝沿轴向受拉力作用而变形，L变化dL，A变化dA,电阻率变化d，相应的R变化dR，有：

5. p dA 2 rdr dr 2 因： = p = = A r , 2 故： A A r dr 因： = e dL / L , 为轴向应变 为径向应变，故： r dr dL = - n = - ne n ，其中 为泊松比，为此： r L dA = - ne 2 A 第1章 安全检测技术原理

6. r dR d = + n e + ( 1 2 ) , 或 r R r r dR / R d / = = + n + S ( 1 2 ) 0 e e = e dR / R S 0 后项远小于前项，故金属丝灵敏度系数近似为常数,大量实验证明，在拉伸比例极限范围内：电阻相对变化率与其轴向变化率成正比:

7. 第1章 安全检测技术原理 结构及分类

8. 1、应变片基本结构 敏感栅：采用直径0.025mm的高电阻率电阻丝排列成栅状，作为敏感元件。 应变片规格表示：栅宽栅长，电阻值 3mm 20mm，120 第1章 安全检测技术原理

9. 2、应变片分类及材料： 第1章 安全检测技术原理

10. 第1章 安全检测技术原理

11. 第1章 安全检测技术原理 应 用 • 可测量位移、加速度、力、力矩、压力等 • 特点： • 精度高，测量范围宽； • 使用寿命长，性能稳定可靠； • 结构简单、体积小、重量轻； • 频率响应好，既可静态测量，也可动态测量 • 价格低 • 用途广 在测量应力时，应根据实际应力场的性质，选择应变片的结构形式。

12. 第1章 安全检测技术原理 应 用 原理 将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。 案例：力传感器

13. 第1章 安全检测技术原理 应 用 案例：加速度传感器

14. = + n e + r r » r r dR / R ( 1 2 ) d / d / r r = p s = p e d / E 由半导体理论： L L dR = e = p S / E 半导体的灵敏度系数： 0 L R p 式中， — 半导体材料压阻系数 L s L — 沿某晶向 的应力 E — 半导体材料的弹性模量 第1章 安全检测技术原理 压阻效应 半导体材料也具有电阻应变效应，在所不同是,在此情况下，电阻率相对变化对电阻相对变化的贡献远远大于轴向应变的贡献，因此：

15. - 11 2 p = ´ 40 ~ 80 10 m / N 对半导体硅， （ ） ， L 11 2 = ´ = p = E 1 . 67 10 m / N , S E 50 ~ 100 故 。 0 L = S 1 . 67 ~ 4 . 6 ; 而普通电阻丝的 0 显然，半导体的灵敏度 系数远高于金属丝 第1章 安全检测技术原理 最常用半导体电阻材料为硅和锗，半导体的压阻效应与于掺杂度、温度、材料类型和半导体的晶向有关。

16. 第1章 安全检测技术原理 1.2.2 电感效应 利用电磁感应，将被测物理量如位移等转换为电感量变化，实现目标测量。依据转换方式不同，可分为： 1、自感式 可变磁阻式 涡流式 2、互感式（差动变压器）

17. 第1章 安全检测技术原理 自感式传感器 一、可变磁阻式传感器 1、工作原理：

18. = L W / R m W 式中： — 线圈匝数 在空气隙d较小,且不考虑磁路铁损时，磁路总磁阻为： R — 磁路总磁阻 m l 2 d + R = m H / m — 铁芯磁导率， m 其中，l -铁芯长度，m m A m A 0 0 2 = ´ A m A a b — 铁芯导磁横截面积， ， d m m — 空气隙长度， H / m — 空气隙磁导率， 0 2 A m — 空气隙导磁横截面积， 0 d 2 m >> m » , R 由于 故： 0 m m A 0 0 2 m W A 0 0 因而： = L d 2 第1章 安全检测技术原理 2

19. 2 m W A dL 0 0 - = = S d d 2 2 d 第1章 安全检测技术原理 传感器的灵敏度： 由上式可有如下结论： 1、自感L与空气隙成反比，与气隙横截面积成正比，可以有两种途径达到改变自感的目的：a,改变空气隙长度，b，改变空气隙横截面积； 2、传感器的灵敏度与空气隙长度成双曲线关系，空气隙长度越小，灵敏度越高； 实际上，为减小非线性误差，一般取空气隙相对变化率<=0.1，这类传感器适合于小位移测量（0.001-1mm)

20. 第1章 安全检测技术原理 2、类型及应用特点 （1）可变导磁面积型，灵敏度较低 （2）差动型，采用电桥连接，灵敏度可提高一倍 （3）单螺旋管线圈型，灵敏度低，适合大位移测量 （4）双螺旋管线圈型，灵敏度高，可用于电感测微仪（范围0-300m，最小分辨力0.5 m)

21. 第1章 安全检测技术原理 双螺旋管线圈的电桥电路及输出特性曲线

22. 第1章 安全检测技术原理 二、涡流式传感器 1、工作原理： 当金属板置于变化磁场中或在磁场中运动时，在金属板中会产生闭合的感应电流，即涡流。产生涡流的大小与金属板的电阻率、磁导率、厚度、金属板与线圈距离、激励电流、角频率等参数有关。 因此，若固定其它参数，仅改变其中某一参数，就可以依据涡流大小测定该参数。 2、分类及结构 （1）高频反射式涡流传感器 （2）低频透射式涡流传感器

23. 第1章 安全检测技术原理 高频反射式涡流传感器 将高频（数兆赫兹）激励电流施加于邻近金属板的线圈上，致使线圈产生作用于金属板表面的高频电磁场，从而在金属板表面薄层内产生涡流。涡流又产生反向磁场，反作用于线圈上。由此引起线圈自感或阻抗的变化。

24. 第1章 安全检测技术原理 线圈阻抗的变化程度取决于线圈与金属板的距离、金属板的电阻率、磁导率、激励电流的幅值与角频率等； 在被测位移发生的变化引起线圈与金属板间距离的变化，导致线圈阻抗的变化，由阻抗转换电路，可测定位移变化。 高频反射式涡流传感器主要用于位移测量。

25. 第1章 安全检测技术原理 低频透射式涡流传感器： 低频电压施加于发射线圈两端，在周围空间产生交变磁场，并在被测材料上产生涡流，由于涡流损耗部分能量，导致贯穿接收线圈的磁力线减少，从而使其产生的感应电动势减小.接收线圈感应电动势的大小与材料厚度及性质有关。 理论和实验证明，接收线圈感应电动势随材料厚度增加按负指数规律减小。因此依据该电动势的变化可测定材料的厚度。

26. 第1章 安全检测技术原理 3、应用特点： (1)用于非接触动态测量，测量范围0-2mm，分辨力达1m; (2)结构简单、安装方便，灵敏度高，抗干扰和介质影响强。4、用途： （1）以位移x为变换量，可用作位移、厚度、振动、转速传感器，也可用作接近开关、计数器； （2）以材料电阻率为变换量，可用作温度、材质判别传感器（3）以材料磁导率为变换量，可作为应力、硬度等传感器； （4）利用磁导率、电阻率和位移的综合影响，可用作探伤装置。

27. 第1章 安全检测技术原理 涡流式传感器的应用

28. 第1章 安全检测技术原理 互感型传感器 一、结构与工作原理：差动变压器 • 利用电磁感应中的互感现象，将被测位移量转换成线圈互感的变化。 • 变压器结构： • 初级线圈：接入交流电源 • 次级线圈：为感应线圈 • 一般采用差动变压器结构: 一个初级线圈+两个次级线圈组成差动形式

29. e e1 e2 e0 o x c）输出特性 第1章 安全检测技术原理 差动式变压器及其输出特性 W—初级线圈，W1、W2参数完全相同、反极性串联的次级线圈 初级线圈接通交流电，若e1=e2，则输出e0=0 当铁芯向上运动， e1>e2, 当铁芯向上运动， e1<e2,铁芯偏离中心越大，输出e0越大

30. 第1章 安全检测技术原理 差动相敏检波电路工作原理 R—调节零点残余电压； 放大器：交流信号放大 相敏检波：实现检波及滤波，输出直流信号 振荡器：提供交流输入及参比相位

31. 第1章 安全检测技术原理 二、应用特点： 1、测量精度高，可达0.1m; 2、线性范围大，可至100mm； 3、稳定性好，使用方便； 4、广泛应用于直线位移测量或可能转换为位移变化的压力、重量等参数的测量

32. 1.2.3 压磁效应 一、压磁效应 1、磁化：铁磁材料在晶格形成时形成了磁畴，各磁畴的磁化强度矢量是随机的。在无外磁场作用时，各磁畴相互均衡，材料总磁场强度为零。当有外磁场作用时，磁畴的磁化强度矢量向外磁场方向转动，材料呈现磁化。当外磁场足够大时，所有磁畴场强矢量均转向与外磁场平行，磁化达到饱和。 2、磁致伸缩效应：在磁化过程中，因磁畴间的界限发生移动而导致材料机械变形的现象。

33. 1.2.3 压磁效应 3、压磁效应：应力作用导致铁磁材料的磁性发生改变的现象。即，外力作用磁材内部变形磁畴界限位移场强矢量方向转动场强改变。 压磁效应工作原理： （1）当材料受压时，作用力方向的磁导率减小，而垂直作用力方向的磁导率略增；受拉时则情况相反； （2）当作用力取消时，材料的磁导率复原； （3）材料的压磁效应与外磁场有关，为保持磁感应强度与应力间的单值关系，必须保证外磁场强度数值一定。

34. 二、压磁传感器工作原理： 利用铁磁材料的压磁效应，在外力作用时因铁磁材料内部产生应力或应力变化而引起材料磁导率变化，进而引起绕在铁磁材料上的二次线圈阻抗变化或线圈间耦合系数的变化，从而使输出电动势发生改变。如此可测量外作用力的大小。

35. 在无外力作用时，A、B、C、D四区域的磁导率相同，由12孔激励绕组引起的合成磁场强度平行与34输出绕组的平面，因磁力线与34绕组不交链而无感应电动势输出在无外力作用时，A、B、C、D四区域的磁导率相同，由12孔激励绕组引起的合成磁场强度平行与34输出绕组的平面，因磁力线与34绕组不交链而无感应电动势输出 在外力F作用下，A、B区域因有应力作用导致磁导率下降，C、D区域磁导率基本不变，由12孔激励绕组引起的合成磁场强度不再与34输出绕组平面平行,部分磁力线与34绕组交链产生感应电动势,F越大，交链磁通越多，感应电动势越大。

36. 三、压磁元件 （1）材料：硅钢片、坡莫合金、铁氧体 （2）结构：冲压片叠合。

37. 四、应用特点 1、输出功率大； 2、抗干扰能力强； 3、过载性能好； 4、结构和电路简单 5、寿命长 6、可在恶劣环境下工作 7、广泛要于测张力、压力、重量、切削力等

38. 1.2.4 电容效应 ——将被测量（尺寸、压力等）的变化转换成电容量的变化的一类传感器； ——广泛用于位移、压力、流量、液面、介质等测试中，适合于恶劣环境。

39. e e A 0 = C ( F ) d 12 - e - = ´ 8 . 854 10 F/m 其中， 真空介电常数， 0 e - e = 1 极板间介质的相对介电 常数，在空气中 2 - A m 极板的覆盖面积， m d - 两极板间的距离， 工作原理 在忽略边缘效应的情况下，平板电容的电容量为： 由此可知，使平板电容发生改变的三种途径为： 1、改变板的极距，极距变化型传感器； 2、改变极板覆盖面积，面积变化型传感器； 3、改变极板间的介电常数，介电常数变化型传感器。

40.  C e e A = - d 0 dC d 2 d C 则传感器的灵敏度为： e e 0 A dC C = = - = - 0 S   0  d d 2 d d 一、极距变化型传感器： 在板间覆盖面积和板间介质不变的情况下，电容量与板极距成双曲线关系，当板极距发生变化时引起电容的变化为： 可见： 1.板极距越小，传感器的灵敏度越高； 2.为减小非线性误差，应使/00.1，使S近似为常数； 3.为提高S,增大线性工作范围,减小环境影响，常用差动结构。

41. e e bx 0 = C d e e dC b 0 常数 = = = S d dx 二、面积变化型传感器： 在被测参数作用下改变极板的有效面积，依结构分为： 1、平面线位移型电容传感器 定板 b 则传感器的灵敏度为： x 动板

42. 2 a r = A 2 定板 2 e ea r 0 = C 2 d 动板 则传感器的灵敏度为： dC e r 2 e 0 = = = S 常数 d 2 a d 2、平面角位移型电容传感器

43. pe e 2 x 0 = C ln( r / r ) 2 1 dC e e 2 0 = = = S 常数 ln( r / r ) dx 2 1 3、圆柱型电容传感器 平板型电容传感器的的精度易受动板沿极距方向位移的影响，故一般情况下，变面积型传感器作成圆柱型。此时： 传感器的灵敏度为： 其中，x -外筒与内筒覆盖部分长度，r1 ，r2-外筒内半径与内筒外半径 显然，变面积型电容传感器的输入与输出成线性关系，但与变极距型传感器相比灵敏度低，适合于较大角位移及直线位移的测量。

44. lb = C d - d e + d e ( ) / / 0 x x 三、介电常数变化型电容传感器 —用于测量电介质的厚度、位移、液位以及温度、湿度和容量等。 若忽略边缘效应，有： 厚度测量时：

45. - b ( l a ) ba x x = + C 位移测量时： d e d - d e + d e ( ) / / / x x 0 0 pe p e - e 2 h 2 ( ) h 0 0 x + 液位测量时： = C ln( r / r ) ln( r / r ) 2 1 2 1 d e h 极间高度及间隙中的空 其中， 、 、 — 两固定极板间的距离、 气介电常数 d e h 、 、 — 被测物的厚度、被测液 面高度及介电常数 x x l b a 、 、 — 固定极板长、宽及被测 物进入两极板中的长度 x r r 、 — 内外圆筒的工作半径 1 2

46. 特点及应用 • 优点： 1、输入能量小、灵敏度高，精度达0.01% 2、电参量相对变化大；C/C100%—200% 3、动态特性好，可用于动态参数测量 4、能耗低，电容变化不产生热量 5、结构简单，适应性好 • 缺点： 1、非线性大—采用差动结构或使用比例放大器 2、电缆分布电容大—测量电路集成于传感器内或采用双屏蔽电缆，适当降低电缆电容的影响

47. Cx C0 uy u0 C C d 0 0 = = - u u u 0 0 y e e A C x 0 使用比例运算放大器电路改善电容传感器的非线性

48. 1.2.5 压电效应 以某些物质的压电效应,进行检测 • 主要特点： • 具有自发电与可逆双重特性 • 体积小、重量轻、结构简单、工作可靠 • 固有频率高 • 灵敏度高、信噪比高 • 应用：敏感元件属于力敏元件，用于 • 力、压力、加速度、机械冲击与振动等； • 广泛应用于机械、声学、医学、航天等领域

49. 压电效应： 对某些物质，当沿着一定方向施加力而使其变形时，在一定表面上将产生电荷，外力去掉后又重新回到不带电状态的现象。 反之，如在这些物质的极化方向施加电场，这些物质又在一定方向上产生机械变形或机械应力，当外电场撤去时这些变形或应力则随之消失，这种现象为逆压电效应或电致伸缩效应。 • 压电材料：具有明显压电效应的一类材料 • 压电单晶体：石英、酒石酸钾钠等 • 多晶压电陶瓷：钛酸钡、锆钛酸铅、铌镁酸铅 • 压电高分子材料：偏聚二氟乙烯（PVDF)

50. 石英晶体结构： 六角形晶柱，两端为一对称的棱锥。 构成六棱柱。 Z-Z:光轴； X-X:电轴； Y-Y:机械轴