數(shù)字電子技術(shù).ppt

1、檢測(cè)技術(shù)與檢測(cè)元件,一個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)主要由敏感元件、變換(處理）和顯示各部分組成，其中敏感元件是檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，它決定被測(cè)量的可測(cè)范圍、測(cè)量準(zhǔn)確度等 檢測(cè)元件直接感受被測(cè)量，并把被測(cè)量轉(zhuǎn)換成其他形式的物理量，以便于信號(hào)的傳輸、處理和顯示,物質(zhì)定律 物質(zhì)定律是關(guān)于各種物質(zhì)內(nèi)在性質(zhì)的定律、法則和規(guī)律。物質(zhì)的內(nèi)在性質(zhì)通常以這種物質(zhì)所固有的物理量加以描述，它與物質(zhì)的材料密切相關(guān) 物質(zhì)的電阻是最常見的物理量之一，由于它易測(cè)量，準(zhǔn)確度高，在檢測(cè)技術(shù)中經(jīng)常利用材料的電阻與被測(cè)量之間的關(guān)系實(shí)現(xiàn)參數(shù)檢測(cè)，金屬導(dǎo)體和許多非金屬半導(dǎo)體在受壓、受熱、受光照等情況下，電阻值有明顯變化,參數(shù)檢測(cè)的一般方法,參數(shù)的檢測(cè)是以自然

2、規(guī)律為基礎(chǔ)，利用敏感元件特有的物理、化學(xué)和生物等效應(yīng)，把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為敏感元件某一物理量的變化 根據(jù)敏感元件的不同，參數(shù)檢測(cè)一般可分為以下幾種方法：,磁學(xué)法 壓磁效應(yīng)、霍爾效應(yīng)、電磁感應(yīng)原理 射線法 放射線穿過介質(zhì)時(shí)部分能量會(huì)被物質(zhì)吸收 化學(xué)法 利用化學(xué)反應(yīng)原理 吸附效應(yīng)、光化學(xué)效應(yīng)、熱化學(xué)效應(yīng) 生物反應(yīng)法 生物活性物質(zhì)能識(shí)別被測(cè)物質(zhì)，并發(fā)生生物學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生物理、化學(xué)等現(xiàn)象，或產(chǎn)生新的化學(xué)物質(zhì)。生物學(xué)反應(yīng)：酶反應(yīng)、微生物反應(yīng)、免疫反應(yīng),對(duì)于同一參數(shù)的檢測(cè)，可以用不同的方法，使用不同的敏感元件來實(shí)現(xiàn)。由于被測(cè)對(duì)象是千差萬別的，敏感元件的特性也不一樣，在選擇時(shí)敏感元件時(shí)要考慮有著相應(yīng)的參考要素

3、：,（1）敏感元件的適用范圍：使用的環(huán)境溫度、壓力、外加電源電壓（電流）等都有要求 （2）敏感元件的參數(shù)測(cè)量范圍：被測(cè)量不超過敏感元件規(guī)定的測(cè)量范圍，否則，敏感元件的輸出不能與被測(cè)量的變化相對(duì)應(yīng)，甚至?xí)p壞敏感元件 （3）敏感元件的輸出特性：自然界許多材料都具有對(duì)某個(gè)（些）參數(shù)敏感的功能，但作為用于參數(shù)檢測(cè)的敏感元件，一般要求其輸出與被測(cè)量之間有明確的單調(diào)上升或下降的關(guān)系，而且要求該函數(shù)關(guān)系受其他參數(shù)的影響小，重復(fù)性好,機(jī)械式檢測(cè)元件,機(jī)械式檢測(cè)元件是將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為機(jī)械量信號(hào)（通常是位移、振動(dòng)頻率、轉(zhuǎn)角等）輸出，可用于壓力、力、加速度、濕度等參數(shù)的測(cè)量 最常用的機(jī)械式檢測(cè)元件包括彈性式檢測(cè)元件

4、和振動(dòng)式檢測(cè)元件,變形固體及其基本假設(shè) 任何固體在外力作用下都將發(fā)生形變，形變可分為兩種：彈性變形和塑性變形（永久變形）。 彈性變形：外力去除后可消除的變形。 塑性變形：外力去除后不可消除的變形。這種特性又稱為撓性。,應(yīng)力和應(yīng)變,材料在彈性變形階段，其應(yīng)力和應(yīng)變成正比例關(guān)系（即符合胡克定律），其比例系數(shù)稱為彈性模量。 “彈性模量”是描述物質(zhì)彈性的一個(gè)物理量 一般地講，對(duì)彈性體施加一個(gè)外界作用（稱為“應(yīng)力”）后，彈性體會(huì)發(fā)生形狀的改變（稱為“應(yīng)變”）,彈性模量,泊松比,在彈性范圍內(nèi)，金屬絲沿長(zhǎng)度方向伸長(zhǎng)時(shí)，徑向尺寸縮小，反之亦然。即軸向應(yīng)變與徑向應(yīng)變存在下列關(guān)系：,彈性式檢測(cè)元件,在外力作用下，

5、物體的形狀和尺寸會(huì)發(fā)生變化，若去掉外力，物體能恢復(fù)原來的形狀和尺寸，此種變形就稱為彈性變形。彈性元件就是基于彈性變形原理的一種敏感元件 彈性元件直接感受被測(cè)量的變化，并以變形或應(yīng)變響應(yīng)，其輸出還可經(jīng)轉(zhuǎn)換元件變?yōu)殡娦盘?hào)，可用于測(cè)量力、力矩、壓力及溫度等參數(shù),彈性元件的基本性能,1、彈性特性是指彈性元件的輸入量（力、力矩、壓力、溫度等）與由它引起的輸出量（應(yīng)變、位移或轉(zhuǎn)角）之間的關(guān)系 (1). 剛度 彈性元件產(chǎn)生單位變形所需要的外加作用力，即 F為作用在彈性元件上的外力，x為彈性元件上產(chǎn)生的變形,(2). 靈敏度 靈敏度S定義為單位輸入量所引起的輸出量，彈性元件的靈敏度是指單位作用力所引起的彈性元

6、件的變形，即： 式中，F(xiàn)為作用在彈性元件上的外力，x為彈性元件上產(chǎn)生的變形 剛度和靈敏度為倒數(shù)關(guān)系,2、滯彈性效應(yīng),彈性元件的滯彈性效應(yīng)是指材料在彈性變化范圍內(nèi)同時(shí)伴有微塑性變形，使應(yīng)力和應(yīng)變不遵循虎克定律而產(chǎn)生非線性現(xiàn)象 彈性滯后 彈性后效 應(yīng)力松弛,彈性滯后,彈性元件在加載和卸載的正反行程中應(yīng)力和應(yīng)變曲線不重合的現(xiàn)象稱為彈性滯后，由特性曲線可以看出，當(dāng)應(yīng)力不同時(shí)，彈性滯后是不同的 一般用最大相對(duì)滯后的百分?jǐn)?shù)來表示，即,彈性后效,在彈性變形范圍內(nèi)，應(yīng)變不但是應(yīng)力的函數(shù)，而且與時(shí)間有關(guān)， 在應(yīng)力保持不變的情況下，應(yīng)變隨時(shí)間的延續(xù)而緩慢變化，直到最后達(dá)到平衡應(yīng)變值，這一現(xiàn)象稱為彈性后效，也稱蠕變

7、,彈性后效常常需要延續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，一般采用應(yīng)力保持15min作參考值。彈性后效可表示為：,應(yīng)力松弛,材料在高溫下工作，受應(yīng)力的作用而產(chǎn)生應(yīng)變。當(dāng)其總的應(yīng)變量在恒定情況下，應(yīng)力隨時(shí)間的延續(xù)而逐漸降低的現(xiàn)象稱應(yīng)力松弛。其應(yīng)力松弛率為：,3、熱彈性效應(yīng),（1）彈性模量的溫度系數(shù)當(dāng)溫度變化時(shí)，會(huì)引起材料的彈性模量E的變化，彈性模量的溫度系數(shù)為：,（2）頻率溫度系數(shù) 當(dāng)溫度變化時(shí)，還會(huì)引起材料的諧振頻率的變化，頻率的溫度系數(shù)表示諧振頻率隨溫度變化的情況,（3）膨脹系數(shù) 當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)材料會(huì)發(fā)生熱膨脹現(xiàn)象，通常用線膨脹系數(shù)表示溫度每升高1時(shí)，單位長(zhǎng)度的相對(duì)變化量,4、彈性元件的固有頻率 彈性元件本身具有質(zhì)

8、量，具有彈性，且具有彈性后效，它們共同決定了彈性元件的固有頻率 彈性元件的動(dòng)態(tài)特性即對(duì)動(dòng)態(tài)變化的輸入量的響應(yīng)以及變換時(shí)的滯后現(xiàn)象與它的固有頻率都是密切相關(guān)的。固有頻率越高，則彈性元件響應(yīng)越快,大多數(shù)彈性元件為金屬及其合金材料制成，但也有非金屬?gòu)椥栽?，如石英、陶瓷及半?dǎo)體硅等，作為敏感元件的彈性材料應(yīng)具有以下性能： （1）具有良好的機(jī)械性能及良好的機(jī)械加工及熱處理性能，便于加工和處理 （2）具有良好的彈性特性，如穩(wěn)定的輸入-輸出關(guān)系，很小的滯彈性效應(yīng) （3）具有良好的溫度特性，如彈性模量的溫度系數(shù)小，且穩(wěn)定 （4）有較強(qiáng)的化學(xué)性能，抗腐蝕性和抗氧化性,3、彈性元件的材料和種類,馬氏體彌散硬化不

9、銹鋼 高彈性、耐久性、耐松弛、焊接性能好、無磁性、抗腐蝕 Ni（鎳）基彌散硬化恒彈性合金 高彈性、滯彈性小、漂移小、耐腐蝕性差、弱磁性 Nb（鈮）恒彈性合金 無磁性、耐腐蝕、彈性模量低、彈性極限高、耐高溫 鈹青銅 彈性好、高強(qiáng)度、蠕變小、滯后小，抗磁、耐疲勞 石英晶體 高強(qiáng)度、機(jī)械性能穩(wěn)定、抗微塑變形能力好、機(jī)械和電氣損耗小、滯后及蠕變小 半導(dǎo)體硅材料 電學(xué)性質(zhì)好、機(jī)械性能好、抗微塑變形能力好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快 陶瓷材料 熱穩(wěn)定性、機(jī)械性能、化學(xué)穩(wěn)定性好，溫度范圍寬，綜合性能僅次于石英和硅,彈性元件的種類,彈性元件有彈簧管、波紋管、膜片、膜盒、薄壁圓筒等類型 彈簧管大多是由截面為橢圓形或扁圓形的彎曲

10、成一定弧度的空心管所構(gòu)成，主要用于壓力檢測(cè)。彈簧管的一端封閉，作為自由端，另一端開口，供被測(cè)壓力進(jìn)入，并作為固定端,結(jié)構(gòu)原理圖,在壓力作用下，管截面將趨于變成圓形，從而使管子趨于伸直，其結(jié)果使彈簧管的自由端產(chǎn)生位移 位移大小與輸入壓力有一定的關(guān)系，可表示為：,彈簧管壓力表,螺旋彈簧管、盤簧管,彈性壓力計(jì)的組成框圖,在彈性元件與指示機(jī)構(gòu)之間的變換放大機(jī)構(gòu)， 其作用是將彈性元件的變形進(jìn)行變換和放大， 指示機(jī)構(gòu)如指針與刻度標(biāo)尺，用于給出壓力 示值，調(diào)整機(jī)構(gòu)用于調(diào)整儀表的零點(diǎn)和量程,彈簧管壓力表結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量范圍寬，應(yīng)用廣泛，儀表的準(zhǔn)確度等級(jí)最高為0.1級(jí) 被測(cè)介質(zhì)的性質(zhì)和被測(cè)介質(zhì)的壓力高低決定了彈簧

11、管的材料。對(duì)于普通介質(zhì)，當(dāng)p20MPa時(shí)，則采用不銹鋼或合金鋼 對(duì)于腐蝕性介質(zhì)，一方面可采用隔離膜或隔離液，另一方面也可采用耐腐蝕材料,薄壁圓筒 其壁厚一般是筒徑的0.05倍以下。當(dāng)筒內(nèi)腔與被測(cè)介質(zhì)接通并感受壓力時(shí)，筒壁不發(fā)生彎曲變形，只是均勻向外擴(kuò)散 筒壁的每一單元面積都將在軸向和徑向產(chǎn)生拉伸壓力和應(yīng)變,薄壁圓筒受力示意圖,相應(yīng)的軸向拉伸應(yīng)力和徑向拉伸應(yīng)力為： 軸向應(yīng)力和徑向應(yīng)力相互垂直，根據(jù)虎克定律可得相應(yīng)的應(yīng)變?yōu)椋?薄壁圓筒的固有頻率為 這種彈性元件只能把壓力轉(zhuǎn)換成應(yīng)變，多用于電阻應(yīng)變片式檢測(cè)元件,波紋管 也是金屬制成的薄壁管狀的彈性元件，可感受管內(nèi)壓力或管外所加集中力而產(chǎn)生高度方向的形

12、變（拉伸或壓縮） 波紋管的特點(diǎn)是線性好，彈性位移大,波紋管的下端固定在基座上，則波紋管的軸向形變和軸向集中力的關(guān)系可表示為：,波紋管,波紋管示意圖,當(dāng)被測(cè)介質(zhì)接入波紋管，承受壓力p時(shí)，波紋管上端會(huì)升高，設(shè)波紋管的有效面積為A，由于FpA，則：,膜片 是一種有撓性的薄片，當(dāng)它受到不平衡力作用后，其中心將沿垂直于膜片方向移動(dòng) 將兩個(gè)膜片的外邊緣密封焊接，則由此形成的彈性元件稱為膜盒 膜片和膜盒廣泛地用于測(cè)量壓力,邊緣固定的圓形平膜片，在材料的彈性范圍內(nèi)，當(dāng)一面受壓力p作用時(shí)，膜片中心處的位移d與膜片各參數(shù)的關(guān)系可用下式表示,在實(shí)際使用中，膜片中心都加裝有圓形硬芯，以便安裝傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 膜盒有更大的中心

13、位移和更高的靈敏度 當(dāng)膜盒外處于環(huán)境大氣壓力時(shí)，被測(cè)壓力接到盒內(nèi)，膜盒內(nèi)由于受壓而使膜片產(chǎn)生變形，其中心的位移反映被測(cè)壓力值，即表壓（壓力與大氣壓之差） 若將膜盒抽成真空，當(dāng)外界大氣壓力變化時(shí)，膜盒中心位移就反映大氣壓力絕對(duì)值,機(jī)械式振動(dòng)檢測(cè)元件 機(jī)械式振動(dòng)檢測(cè)元件將被測(cè)量（如力、壓力、密度等）的變化轉(zhuǎn)換為諧振元件的固有頻率的變化，利用諧振技術(shù)完成參數(shù)的檢測(cè) 較常用的有振弦式 和 振筒式。,振弦式檢測(cè)元件利用彈性元件在力或壓力作用下，使其固有頻率發(fā)生變化，將作用力轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)輸出 振弦式檢測(cè)元件由鋼弦、支撐、膜片和永久磁鐵所組成。鋼弦的一端固定在支撐上，另一端固定在膜片上，整個(gè)鋼弦處在永久磁

14、鐵形成的磁場(chǎng)之中。當(dāng)膜片的下部受到力的作用時(shí)，鋼弦的原始張力發(fā)生變化，從而導(dǎo)致鋼弦的固有頻率變化,振弦式檢測(cè)元件的結(jié)構(gòu)原理,鋼弦激振后，按固有頻率振動(dòng)。由于振動(dòng)而切割它周圍由永久磁鐵形成的磁力線，從而在振弦上產(chǎn)生交變的感應(yīng)電勢(shì)，此電勢(shì)的頻率等于鋼弦的振動(dòng)頻率 鋼弦的長(zhǎng)度和密度可視為常數(shù)，感應(yīng)電勢(shì)的頻率與所加的力或應(yīng)力有關(guān),振筒式檢測(cè)元件原理,機(jī)械式檢測(cè)元件的應(yīng)用 機(jī)械時(shí)檢測(cè)元件能將一些難以直接測(cè)量的物理量（如壓力）轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的長(zhǎng)度、角度等參量，應(yīng)用非常廣泛 彈性膜盒主要是作為壓力傳感器使用，利用膜盒的壓力-位移特性曲線，通過一定的放大機(jī)構(gòu)對(duì)膜盒的微小位移進(jìn)行放大，將膜盒內(nèi)部的壓力變化采用指

15、針或數(shù)字的方式顯示出來，這就是膜盒壓力表基本原理,振弦式傳感器利用其振動(dòng)頻率與所承受的壓力有關(guān)這一特性可用于車輛動(dòng)態(tài)稱重，在高速公路的超載檢測(cè)中獲得了成功應(yīng)用，準(zhǔn)確度達(dá)到0.1%FS0.5%FSFS： full scale,電阻式檢測(cè)元件,電阻式檢測(cè)元件的類型很多，在檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用 其基本原理是將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，然后利用測(cè)量電路測(cè)出電阻的變化值，從而達(dá)到對(duì)被測(cè)物理量檢測(cè)的目的 常用電阻材料有導(dǎo)體、半導(dǎo)體等，可用于多種參數(shù)的檢測(cè)，如位移、形變、加速度、壓力及溫度等 常見電阻檢測(cè)元件有電阻應(yīng)變片、熱電阻、濕敏電阻和氣敏電阻等。,應(yīng)變式檢測(cè)元件,電阻應(yīng)變片是將作用在檢測(cè)元件

16、上的應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻變化的敏感元件 電阻應(yīng)變片粘貼在各種彈性元件上，如膜片、 薄壁圓筒等 當(dāng)被測(cè)物理量（如力、壓力、位移）作用在彈性元件，使其產(chǎn)生應(yīng)變，粘貼在彈性元件上的應(yīng)變片感受同樣的應(yīng)變，并轉(zhuǎn)換成應(yīng)變片的電阻變化,應(yīng)變片檢測(cè)元件優(yōu)點(diǎn)：1、測(cè)量范圍寬、準(zhǔn)確度；2、測(cè)量響應(yīng)速度快；3、使用壽命長(zhǎng)；4、價(jià)格便宜；5、可在高低溫、高速、高壓、強(qiáng)振動(dòng)、強(qiáng)磁場(chǎng)、核輻射和化學(xué)腐蝕性強(qiáng)等惡劣環(huán)境下使用。 應(yīng)變片檢測(cè)元件缺點(diǎn)：輸出信號(hào)微弱，抗干擾能力較差，使用時(shí)需要采取屏蔽措施；受溫度等環(huán)境因素影響；在大應(yīng)變狀態(tài)下有較大的非線性。,電阻應(yīng)變片工作原理,電阻應(yīng)變片主要分為金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩類 導(dǎo)體或

17、半導(dǎo)體材料在外力作用下（如壓力或拉力）產(chǎn)生機(jī)械變形，其阻值將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。電阻應(yīng)變片就是基于應(yīng)變效應(yīng)工作的,電阻應(yīng)變片的工作原理,電阻應(yīng)變?cè)墓ぷ髟?的電阻絲，其電阻初值R可表示為：,若導(dǎo)體受到外力的作用被拉伸或壓縮，則會(huì) 引起L、A、 的變化，從而引起電阻R的變 化，其電阻相對(duì)變化量可表示為： 對(duì)半徑為r的圓形截面電阻絲 電阻絲的徑向和軸向的變化的關(guān)系為：,K為電阻的應(yīng)變靈敏系數(shù)，它的物理意義是單 位應(yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化量，對(duì)于大多數(shù)的金屬應(yīng)變片，由于材料的電阻率受應(yīng)變的影響很少， 對(duì)K起主要作用，而半導(dǎo)體材料卻剛好相反， 起主導(dǎo)作用,金屬應(yīng)變片,金屬應(yīng)變片一般

18、分為絲式和箔式兩種 絲式應(yīng)變片的敏感柵通常用高電阻率，直徑為0.0150.05mm的金屬絲密密排列成柵狀形式而成，通過黏結(jié)劑固定在絕緣基底及蓋片之間,絲式應(yīng)變片結(jié)構(gòu)圖,黏結(jié)劑：有機(jī)和無機(jī)兩類 有機(jī)黏結(jié)劑用于低溫、常溫和中溫環(huán)境。常用的有聚丙烯酸酯、有機(jī)硅樹脂、聚酰亞胺等。 無機(jī)黏結(jié)劑用于高溫，常用的有磷酸鹽、硅酸鹽、硼酸鹽等。,箔式應(yīng)變片 箔式應(yīng)變片是用極薄的厚度為310m康銅或鎳鉻金屬片腐蝕而成的 (a) 單應(yīng)力 (b) 扭矩 (c) 壓力,箔式應(yīng)變片由于采用先進(jìn)的制造技術(shù)，能保證敏感柵尺寸準(zhǔn)確、線條均勻，易于大批量生產(chǎn) 應(yīng)變片與構(gòu)件接觸面積大，粘貼牢固，機(jī)械滯后小，散熱性能良好，允許通過較

19、大的工作電流，從而增大了輸出信號(hào) 箔式應(yīng)變片的諸多優(yōu)點(diǎn)使它獲得了日益廣泛的應(yīng)用,半導(dǎo)體應(yīng)變片 金屬絲應(yīng)變片性能穩(wěn)定，準(zhǔn)確度高，缺點(diǎn)是其應(yīng)變靈敏系數(shù)K較小，對(duì)粘貼工藝要求嚴(yán)格，不利于生產(chǎn)和使用。 20世紀(jì)50年代出現(xiàn)了半導(dǎo)體應(yīng)變片，它是以 單晶膜片為敏感元件制成的。半導(dǎo)體應(yīng)變片 的主要優(yōu)點(diǎn)是靈敏系數(shù)高，比金屬應(yīng)變片高 50-80倍，且尺寸小，滯后小，動(dòng)態(tài)特性好。但其溫度穩(wěn)定性差，在測(cè)量較大應(yīng)變時(shí)非線性嚴(yán)重,式中， 為壓阻系數(shù)，與半導(dǎo)體種類以及應(yīng)力方向和晶軸方向之間的夾角有關(guān)，E為材料的彈性模量， 為應(yīng)變量,當(dāng)對(duì)半導(dǎo)體應(yīng)變片施加以 應(yīng)力時(shí)，則電阻率的相對(duì)變化為：,半導(dǎo)體應(yīng)變片主要有三種類型：體型、

20、薄膜型和擴(kuò)散型 體型半導(dǎo)體是將原材料按所需晶向切割成片或條粘貼在彈性元件上使用 薄膜型應(yīng)變片的厚度一般在0.1微米以下，可將薄膜直接蒸鍍?cè)趥鞲衅鞯膹椥栽?，從而去掉了粘貼工藝，提高了穩(wěn)定性 擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片用硅支持片作為彈性元件，在它上面直接擴(kuò)散P型或N型半導(dǎo)體，制成整體式傳感器,硅壓阻式壓力傳感器有外殼、硅膜片和引線等組成。硅膜片是核心部分，在硅膜片上，用半導(dǎo)體工藝中的擴(kuò)散摻雜法做成四個(gè)相等的電阻，接成惠斯登電橋再用壓焊法與外引線相連 膜片的一側(cè)是和被測(cè)介質(zhì)相連接的高壓腔，另一側(cè)是低壓腔，通常和大氣相連，也有做成真空的。當(dāng)膜片兩邊存在壓力差時(shí)，膜片發(fā)生變形，產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變，從而使擴(kuò)散電阻的

21、電阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，輸出電壓的大小就反映了膜片所受壓力差值,擴(kuò)散硅壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖 半導(dǎo)體應(yīng)變片特點(diǎn)：體積小、機(jī)械滯后小，蠕變小，穩(wěn)定性好，應(yīng)用普遍。,應(yīng)變片主要性能指標(biāo)舉例,上表中，哪幾個(gè)型號(hào)是半導(dǎo)體應(yīng)變片？依據(jù)是什么？,應(yīng)變片的主要特性,（1）應(yīng)變片的電阻值應(yīng)變片在沒有受到應(yīng)力前，在室溫下測(cè)定的電阻值稱為初始電阻值。一般有60、120、250、3500、10K。以120最常見。 （2）靈敏系數(shù)K 當(dāng)應(yīng)變片安裝在試件表面時(shí)，在其軸線方向的單向應(yīng)力作用下，應(yīng)變片的阻值相對(duì)變化與試件上主應(yīng)力方向的應(yīng)變之比，即為靈敏系數(shù) K值的準(zhǔn)確度直接影響測(cè)量結(jié)果，一般要求K值盡量大且穩(wěn)定，試驗(yàn)表明K

22、在很大應(yīng)變范圍內(nèi)是常數(shù),（3）絕緣電阻 絕緣電阻一般是指已安裝的應(yīng)變計(jì)的敏感柵和引線與被測(cè)件之間的電阻值，一般在500-5000M之間 （4）橫向效應(yīng) 在各直線段上，電阻絲只感受軸向拉伸應(yīng)變，故各微段電阻值是增加的，但在彎曲的圓弧處，應(yīng)變片不但承受軸向的拉伸應(yīng)變，同時(shí)在與軸向相垂直方向產(chǎn)生橫向應(yīng)變橫向效應(yīng)系數(shù)H2%,由于橫向應(yīng)變的影響，圓弧段的電阻變化必然小于其等長(zhǎng)電阻沿軸向的電阻變化 直的線材繞成敏感柵后，即使總長(zhǎng)度相同，應(yīng)變狀態(tài)一樣，應(yīng)變敏感柵的電阻變化仍要小一些，從而導(dǎo)致靈敏系數(shù)K的改變，這種現(xiàn)象稱為橫向效應(yīng),（5）機(jī)械滯后 應(yīng)變片貼在試件上以后，在一定溫度下，進(jìn)行循環(huán)的加載和卸載，加載

23、和卸載時(shí)的輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象稱機(jī)械滯后 產(chǎn)生機(jī)械滯后的主要原因是敏感柵、基底、黏結(jié)劑在承受機(jī)械應(yīng)變后留下的殘余變形。為減少機(jī)械滯后對(duì)測(cè)量的影響，在正常使用之前，預(yù)先加載卸載若干次,（6）零漂和蠕變 粘貼在試件上的應(yīng)變片，在恒定溫度下，不承受機(jī)械應(yīng)變時(shí)，指示應(yīng)變值隨時(shí)間變化的特性稱為應(yīng)變片的零漂。其主要原因是由于絕緣電阻過低以及通過電流產(chǎn)生的熱電勢(shì)造成的。 在恒定溫度下，使應(yīng)變片承受一恒定的機(jī)械應(yīng)變，指示應(yīng)變值隨時(shí)間變化的特性稱應(yīng)變片的蠕變。 零漂和蠕變都是衡量應(yīng)變片對(duì)時(shí)間穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。,（7）允許電流 是指應(yīng)變片不因電流產(chǎn)生的熱量而影響測(cè)量準(zhǔn)確度所允許通過的最大電流 它與應(yīng)變片的

24、尺寸、黏結(jié)劑、試件材料和尺寸及環(huán)境有關(guān)。要根據(jù)具體情況進(jìn)行計(jì)算，在實(shí)際使用中，靜態(tài)測(cè)量時(shí)允許電流為25mA，動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)可達(dá)75100mA,（8）應(yīng)變極限 理想情況下，應(yīng)變片電阻相對(duì)變化與所承受的軸向應(yīng)變成正比，即靈敏系數(shù)為常數(shù)，這種情況只能在一定范圍內(nèi)才能保持 當(dāng)試件表面的應(yīng)變超過某一數(shù)值時(shí)，它們的比例關(guān)系不再保持，應(yīng)變計(jì)的輸出將出現(xiàn)非線性,圖中縱坐標(biāo)表示應(yīng)變片的 指示應(yīng)變，橫坐標(biāo)表示真 實(shí)應(yīng)變,應(yīng)變片的應(yīng)變極限是指在規(guī)定的使用條件下，指示應(yīng)變與真實(shí)應(yīng)變的相對(duì)誤差不超過10%時(shí)的最大真實(shí)應(yīng)變值 當(dāng)應(yīng)變片承受超過極限應(yīng)變時(shí)，真實(shí)應(yīng)變不能全部作用在敏感柵上，測(cè)得的值就不真實(shí) 應(yīng)變極限是衡量應(yīng)變片的

25、測(cè)量范圍和過載能力的指標(biāo),（9）溫度效應(yīng)及補(bǔ)償 如果敏感柵材料的線膨脹系數(shù)與構(gòu)件材料膨脹系數(shù)不同，當(dāng)溫度改變時(shí)，敏感柵與構(gòu)件的伸長(zhǎng)量不同，敏感柵上會(huì)受到附加的拉伸，引起敏感值的變化，這種現(xiàn)象稱為溫度效應(yīng)。,普通應(yīng)變片在使用時(shí)，用膠粘貼在彈性元件上，利用電橋測(cè)出阻值以獲得應(yīng)變或壓力 電阻應(yīng)變片會(huì)受到環(huán)境和溫度的影響，其原因，一是應(yīng)變片電阻具有電阻溫度系數(shù)；二是彈性元件與應(yīng)變片電阻兩者的線膨脹系數(shù)不同，即使無外力作用，由于環(huán)境溫度的變化也會(huì)引起應(yīng)變片電阻值的改變，從而產(chǎn)生測(cè)量誤差，必須采取適當(dāng)?shù)臏囟妊a(bǔ)償措施,應(yīng)變片的溫度效應(yīng)補(bǔ)償,半橋單臂溫度補(bǔ)償接法,將兩個(gè)完全相同的工作應(yīng)變片貼在彈性元件的不同部

26、位，使得在外力作用下，其中一片受壓，一片受拉，一個(gè)作為工作應(yīng)變片，另一個(gè)作為補(bǔ)償應(yīng)變片，然后把這兩片接在電橋的相鄰橋臂里，另兩個(gè)橋臂接固定電阻 溫度升降將使相鄰的兩橋臂的阻值同時(shí)增減，不影響平衡。在外力作用下，相鄰兩橋臂的阻值會(huì)一增一減，靈敏度會(huì)更高,半橋雙臂接法,全橋接法,熱電阻檢測(cè)元件,熱電阻效應(yīng) 物質(zhì)的電阻率隨溫度的變化而變化的特性稱為熱電阻效應(yīng)，利用熱電阻效應(yīng)制成的檢測(cè)元件稱為熱電阻 熱電阻主要用于工業(yè)測(cè)溫，它具有靈敏度高，穩(wěn)定性好，互換性好等優(yōu)點(diǎn)。但它需要外加電源，測(cè)量溫度不能太高，主要用于中、低溫的測(cè)量。 大多數(shù)金屬具有正的電阻溫度系數(shù)，溫度越高電阻值越大，一般溫度每升高1 ，電阻

27、約增加0.4%0.6%。由半導(dǎo)體制成的熱敏電阻大多具有負(fù)溫度系數(shù)，溫度每升高1 ，電阻值約減小2%6%,絕大部分金屬的電阻值與溫度有關(guān)，但作為溫度敏感元件的金屬材料應(yīng)滿足的要求： （1）電阻溫度系數(shù)大，溫度增加時(shí)，其電阻值有明顯增大 （2）物理和化學(xué)性能穩(wěn)定，不易被腐蝕 （2）較高的電阻率，以便制成小尺寸元件，減小熱慣性 （3）電阻隨溫度變化保持單值函數(shù)，最好是線性關(guān)系 （4）易得到高純物質(zhì)，復(fù)現(xiàn)性好，價(jià)格便宜,目前使用的金屬熱電阻材料有鉑、銅、鎳、 鐵等，其中應(yīng)用最為廣泛的是鉑、銅材料， 并已實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn) 金屬熱電阻檢測(cè)元件通常由電阻體、保護(hù)套管和接線盒等部件組成。熱電阻絲繞在骨架上，骨

28、架采用石英、云母、陶瓷、塑料等材料制成,金屬熱電阻結(jié)構(gòu)圖,（1）鉑電阻 鉑電阻的物理化學(xué)性能非常穩(wěn)定，耐氧化性強(qiáng)，且電阻率較高、復(fù)現(xiàn)性好?？捎米骰鶞?zhǔn)電阻和標(biāo)準(zhǔn)熱電阻。但鉑電阻的電阻溫度系數(shù)較小，在還原性介質(zhì)中工作容易變脆。 鉑電阻的溫度測(cè)量范圍為-200850，作為熱 電阻的鉑絲，一般要求有盡可能高的化學(xué)純度，鉑絲純度一般用電阻比（W100=R100/R0）來表示。鉑絲線的直徑一般為0.030.07mm,鉑的純度通常用百度電阻比表示，即： W100越高，則其純度越高，目前技術(shù)水平已提純到W100=1.3930，其相應(yīng)的鉑純度為99.9995%,鉑電阻阻值與溫度之間關(guān)系,由于熱電阻在溫度t時(shí)的電

29、阻值與R0有關(guān)，所以對(duì)R0的允許誤差有嚴(yán)格的要求， R0越大，則電阻體體積增大，耗費(fèi)材料多且產(chǎn)生熱量增加，但引線電阻及其變化的影響變小， R0越小，情況與上述相反，因此，需要綜合考慮選用合適的R0 目前，我國(guó)規(guī)定工業(yè)用鉑電阻溫度計(jì)有R0=10（歐姆） R0=100（歐姆） 它們的分度號(hào)分別為Pt10和Pt100,（2）銅電阻 銅電阻具有電阻溫度系數(shù)大，容易加工和提純，線性較好，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是當(dāng)溫度超過100時(shí)容易被氧化，電阻率較小，因而體積較大，熱慣性較大，其測(cè)量范圍一般為-50150,銅電阻的電阻值和溫度的關(guān)系可以表示為： 銅電阻有R0=50（Cu50）和R0=100 （Cu100

30、）,例題 一支分度號(hào)為Cu50的熱電阻，它在00C時(shí)的電阻 R0=50歐，在2000C時(shí)，它的電阻值Rt是多少歐？ 解：如精確計(jì)算，根據(jù)公式 若近似計(jì)算，則可根據(jù)公式,例題 現(xiàn)場(chǎng)某測(cè)溫點(diǎn)，采用分度號(hào)為Cu50的銅電 阻，已測(cè)得電阻Rt為80歐，試估算該處溫度 是多少？（不查分度表） 解：由公式Rt=R0(1+At) 把Rt=80歐，R0=50歐，A=0.00428/0C代入， 可求得：,金屬熱電阻的特點(diǎn)是精度高，但使用時(shí)要注意電阻體自身發(fā)熱以及引線電阻對(duì)測(cè)量精度的影響 （1）自熱誤差 在用金屬熱電阻組成測(cè)量電路時(shí)，電阻中總要流過一定的電流并消耗一定的電功率，通電后的發(fā)熱同樣會(huì)造成電阻值的變化，

31、使用中應(yīng)限制電流（6mA）以減小自熱誤差 （2）引線電阻的影響 測(cè)量金屬熱電阻總要有連接導(dǎo)線，為減小引線電阻值及其變化的影響，采用三（四）線式接法,熱敏電阻,熱敏電阻是利用半導(dǎo)體材料的電阻率隨溫度變化較顯著的特點(diǎn)制成的一種敏感元件 熱敏電阻是由金屬氧化物或半導(dǎo)體材料制成的熱敏元件。一般測(cè)溫范圍在-50350之間 主要有負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻、正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻和臨界溫度 （CTR）熱敏電阻三種,NTC型熱敏電阻主要由Mn、Cn、Ni、Fe等金屬氧化物燒結(jié)而成，通過不同的材質(zhì)組合，能得到不同的電阻值（在T0時(shí)）及不同的溫度特性 NTC型熱敏電阻的阻值與溫度的關(guān)系近似表示為：,RT

32、和RT0分別為溫度為T時(shí)和T0時(shí)熱敏電阻的 電阻值；B為熱敏電阻的材料常數(shù),熱敏電阻的溫度系數(shù)為 熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)是溫度T的非線性函數(shù)，且低溫段比高溫段更靈敏，常用NTC型熱敏電阻的B在15006000K之間,負(fù)突變型熱敏電阻是一種具有負(fù)的溫度系數(shù)的開關(guān)型熱敏電阻，它是在某一溫度點(diǎn)附近電阻發(fā)生突變，且在極度小溫區(qū)內(nèi)隨溫度的增加電阻降低3、4個(gè)數(shù)量級(jí)，具有很好的開關(guān)特性，常作為溫度控制元件,PTC熱敏電阻 呈現(xiàn)正溫度系數(shù)特性 ，是用BaTiO3鈦酸鋇摻入稀土元素使之半導(dǎo)體化而制成的 正溫度系數(shù)的熱敏電阻工作范圍較窄，在溫 度較低時(shí)其靈敏度低，而溫度高時(shí)靈敏度迅 速增加 工作范圍內(nèi)，其電阻和

33、溫度的關(guān)系可近似為,半導(dǎo)體熱敏電阻優(yōu)缺點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)：電阻溫度系數(shù)大，是金屬電阻的十幾 倍，故靈敏度高 熱敏電阻的電阻值高，通常在常溫下為數(shù)千 歐姆以上，所以引線電阻對(duì)測(cè)量的影響可以 忽略不計(jì) 缺點(diǎn)：互換性差，測(cè)量范圍較窄,濕敏電阻,濕度是表示空氣中水蒸氣含量的物理量，常用絕對(duì)濕度和相對(duì)濕度來表示。 絕對(duì)濕度是指在一定溫度及壓力條件下，每單位體積的混合氣體中所含水蒸氣的質(zhì)量。其單位為g/m3 相對(duì)濕度是指氣體的絕對(duì)濕度與同一溫度下達(dá)到飽和狀態(tài)的絕對(duì)濕度的比值，記作RH，單位用%表示,濕敏電阻的工作原理,濕敏電阻是應(yīng)用最為廣泛的濕度檢測(cè)元件，具有原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn) 其基片為不吸水且耐高溫的絕緣材

34、料，如聚碳酸酯板、氧化鋁瓷等 將感濕膜高分子溶液涂在帶有電極的基片上，經(jīng)過烘干、老化后形成微型孔狀結(jié)構(gòu)的感濕膜，它極易吸收其周圍空氣中的水分，在吸收水分后，感濕膜中的水分子含量增多，從而引起其電阻變化，通過測(cè)量電阻就可以達(dá)到測(cè)量濕度的目的,濕敏電阻工作原理 它是由感濕膜與 保護(hù)膜1、電極2 和基片3組成,濕敏元件結(jié)構(gòu)原理圖,濕敏電阻的特性 濕敏電阻的特性是指其輸出（電阻）與輸入（被測(cè)濕度）之間的關(guān)系曲線 從曲線可知，這種高分子濕敏電阻的阻值隨濕度增加而減小。這種濕敏電阻的測(cè)量范圍較寬，RH值下限達(dá)1%，上限達(dá)100%，響應(yīng)時(shí)間短（可小至幾秒）,濕敏電阻的阻值隨濕度增加而減小，而且 濕敏電阻的特

35、性與溫度有關(guān)，當(dāng)濕敏電阻 的使用環(huán)境溫度與標(biāo)定的溫度不同時(shí)，會(huì)造成測(cè)量誤差。所以在使用中，要采用溫度補(bǔ)償措施,高分子濕敏電阻,高分子濕敏電阻,濕敏電阻,氣敏電阻,氣敏電阻是由某些半導(dǎo)體材料制成，它是利用半導(dǎo)體與特定氣體接觸時(shí)，其電阻值發(fā)生變化的效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量的。 主要檢測(cè)可燃性氣體的含量，具有靈敏度高，響應(yīng)快等特點(diǎn)。 常見材料有氧化錫、氧化鋅、三氧化二鐵、五氧化三釩等 氣敏電阻均含有加熱器，作用是燒去附在元件表面上的油污和塵埃，以加速氣體的吸附，提高元件的靈敏度和響應(yīng)速度。加熱溫度一般在200-400。,電容式檢測(cè)元件,電容式檢測(cè)元件可以將某些物理量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙萘康淖兓?，可廣泛應(yīng)用于位移、角

36、位移、加速度等機(jī)械量以及壓力、差壓、物位等生產(chǎn)過程參數(shù)的檢測(cè)。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，低功耗，動(dòng)態(tài)特性好，非接觸式測(cè)量。 容易受寄生式電容以及外界各種干擾影響，必須采取良好的屏蔽和絕緣措施 按檢測(cè)形狀，電容式檢測(cè)元件通常有平板和圓筒兩種,電容式檢測(cè)元件,平板型電容器 當(dāng)忽略該電容器的邊緣效應(yīng)時(shí)，其電容量C為,介質(zhì)中電場(chǎng)與原外加電場(chǎng)（真空中）的比值即為相對(duì)介電常數(shù)( permittivity, 不規(guī)范稱 dielectric constant),圓筒形電容器 其電容量C為 L為圓筒長(zhǎng)度；R為外圓筒內(nèi)半徑；r為內(nèi)圓筒外半徑,電容式檢測(cè)元件,電容檢測(cè)元件的工作原理,電容檢測(cè)元件實(shí)際上是各種類型的可變電容器

37、，它能將被測(cè)量的改變轉(zhuǎn)換為電容量的變化 通過一定的測(cè)量線路，電容的變化量進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為電壓、電流、頻率等電信號(hào),電容器根據(jù)其工作原理可分為三種類型：即變極距式，變面積式和變介電常數(shù)式 變極距式和變面積式可以反映位移等機(jī)械量或壓力等過程參數(shù)的變化，變介電常數(shù)式可以反映液位高度、材料溫度和組分含量等的變化,電容式檢測(cè)元件,變極距式電容器,變極距式電容器結(jié)構(gòu)原理圖 1、3-定極板；2動(dòng)極板,圖中1、3為固定極板，2為可動(dòng)極板，當(dāng)某個(gè)被測(cè)量變化時(shí)，會(huì)引起動(dòng)極板2的位移，從而改變極板間的距離d，導(dǎo)致電容量C的變化,變極距式電容傳感器的靈敏度與初始極板間距d0的平方成反比。 因此，提高靈敏度希望d0越小越好。但d0過小，容易引起電容器擊穿或極板間短路。,相對(duì)非線性誤差由省略去的高次項(xiàng)所引起