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1、检测技术与传感器检测技术与传感器检测技术与传感器检测技术与传感器 Measurement Technology and SensorsMeasurement Technology and Sensors 信息科学与技术学院信息科学与技术学院信息科学与技术学院信息科学与技术学院 College of Information Science and TechnologyCollege of Information Science and Technology 王建林王建林王建林王建林 教授教授教授教授 博士生导师博士生导师博士生导师博士生导师 Prof. Jianlin WangProf. Jia
2、nlin Wang E E- - mail:wangjl mail:wangjl 第三章 电参数传感器第三章 电参数传感器 重点内容重点内容 ?电阻型传感器电阻型传感器 ?电容型传感器电容型传感器 ?电感型（自感电感型（自感/互感）互感） 传感器传感器 检测元件检测元件 ?有源检测元件（释能型检测元件）有源检测元件（释能型检测元件） 电信号：电压、电流、电荷电信号：电压、电流、电荷 光信号：强度光信号：强度 磁信号磁信号 ?无源检测元件（耗能型检测元件）无源检测元件（耗能型检测元件） 电参数：电阻、电容、电感（自感、互感）电参数：电阻、电容、电感（自感、互感） 光参数：强度、频率、相位、偏振光
3、参数：强度、频率、相位、偏振 传输型检测元件传输型检测元件 第三章 电参数传感器第三章 电参数传感器 检测装置检测装置 ?一般信号变换结构一般信号变换结构 简单变换简单变换 差动变换差动变换 开环结构仪表 开环结构仪表 参比变换参比变换 平衡反馈变换 闭环结构仪表平衡反馈变换 闭环结构仪表 第三章 电参数传感器第三章 电参数传感器 在传感器中，有一大类是通过在传感器中，有一大类是通过电阻参数变电阻参数变 化来实现非电量测量化来实现非电量测量。它们统称为。它们统称为电阻式电阻式 传感器传感器。 各种电阻材料，受被测量的作用，将产生各种电阻材料，受被测量的作用，将产生 电阻参数的变化。电阻参数的变
4、化。 ?位移、应变、压力、光、热等位移、应变、压力、光、热等 电阻式传感器电阻式传感器 ?电位计式、热电阻式、应变式、压阻式和光电电位计式、热电阻式、应变式、压阻式和光电 式等式等 第三章 电参数传感器第三章 电参数传感器 电阻式传感器电阻式传感器 ?电阻是介质阻挡电流流动能力的大小。电阻的电阻是介质阻挡电流流动能力的大小。电阻的 单位是欧姆，用符号单位是欧姆，用符号“”表示。表示。 ?电阻是一电阻是一个线性个线性元件。元件。 通过实验发现，在一定条件下，流经一个电阻通过实验发现，在一定条件下，流经一个电阻 的电流与电阻两端的电压成正比的电流与电阻两端的电压成正比 即它是符即它是符 合欧姆定律
5、：合欧姆定律： R = U I 第三章 电参数传感器第三章 电参数传感器 电阻式传感器电阻式传感器 ?一一段长段长为为 l（m），），截面积截面积为为 A（mm2），电阻），电阻 率率为为 （mm2m- 1）的）的导体导体（如金属丝如金属丝），），其其 电阻为电阻为 ?电阻式传感器电阻式传感器分分类类 变变l 型型位移位移 变变型型温度、成份等温度、成份等 变变(l, A, ) 型型应变应变 R = l A 第三章 电参数传感器第三章 电参数传感器 电阻型传感器电阻型传感器 ?电位器电位器 线位移线位移 角位移角位移 R = l + l A = R0(1 + l l ) = R0(1 + R
6、R ) = R0(1 + ) R = r( + ) 2A 第三章 电参数传感器第三章 电参数传感器 电阻型传感器电阻型传感器 当当A 恒定时，恒定时，与与l 为线性关系为线性关系 适适合合于较大于较大位移的测位移的测量量 ?应用应用 电力传电力传输线输线的的故障故障检测检测 电阻电阻触摸屏触摸屏 第三章 电参数传感器第三章 电参数传感器 电阻型传感器电阻型传感器 ?热电阻热电阻 纯金属具有纯金属具有正的温度系数，正的温度系数，可以作可以作为测温元件为测温元件 作作为测温为测温用用的的热热电阻应电阻应具有具有下下列要求列要求 电阻温度系数电阻温度系数大大，以获得较高以获得较高的的灵敏灵敏度度；
7、电阻率电阻率高高，元件，元件尺寸可以小；尺寸可以小； 电阻电阻值随值随温度变温度变化尽量化尽量是线性关系是线性关系； 在测温在测温范围内范围内，物理物理、化学化学性性能稳能稳定定； 材料质纯材料质纯、加工方便和价格便宜加工方便和价格便宜等等。 第三章 电参数传感器第三章 电参数传感器 电阻型传感器电阻型传感器 ?热电阻热电阻 铂铂、铜铜、铁和镍铁和镍是是常用常用的的热热电阻电阻材料材料 第三章 电参数传感器第三章 电参数传感器 电阻型传感器电阻型传感器 ?热电阻热电阻 金属热金属热电阻电阻 =(t)/(t) 半导体材料半导体材料的电阻率的电阻率也随也随温度变温度变化而化而变变化化(大多大多数数
8、负负 温度温度效效应，温度应，温度升高升高电阻电阻减小减小)。用半导体料制。用半导体料制成的成的 测温元件测温元件称称为为“热敏热敏电阻电阻”。 R = l A (t) = R0 + l A (t) = R0(1 + ) 第三章 电参数传感器第三章 电参数传感器 电阻型传感器电阻型传感器 ?热电阻热电阻 标称值标称值 Pt100，0时电阻时电阻值值为为100 Cu50，0时电阻时电阻值值为为50 Cu100，0时电阻时电阻值值为为100 Rt=R0(1+At+Bt2) (00C- 8500C) Rt=R0(1+At+Bt2+C(t3(t- 100) (- 2000C- 00C) RCu=R0(
9、1+At+Bt2+Ct3) (- 500C- 1500C) 温度系数温度系数 响响应时应时间间 一一般铂热般铂热电阻的时电阻的时间常间常数为数为几秒至几十秒几秒至几十秒 第三章 电参数传感器第三章 电参数传感器 电阻型传感器电阻型传感器 ?应变应变效效应应 金属或半导体材料金属或半导体材料在在外力作用外力作用下下产生机械形产生机械形变，变，其其 阻阻值值变变化化，称称为应变为应变效效应应 1856 年年，英国物理学家英国物理学家发现发现金属丝金属丝的电阻的电阻随随它它所受所受 机械机械变变形形（拉伸或拉伸或压压缩缩）的）的大小大小发发生生变变化化即电阻的即电阻的 应变应变效效应应。 2r l
10、2(r- dr) l+dl FF 第三章 电参数传感器第三章 电参数传感器 电阻型传感器电阻型传感器 ?应变应变效效应应 ?应力（应力（stress） 连续连续体内体内部截面部截面的一的一侧施侧施于于另另一一侧上侧上单位单位面积面积的的作用作用 力。力。 应应力力矢矢量量沿沿它它所作用所作用的的微微元平元平面面的的法向投影法向投影称称为为法向法向 应应力或力或正应正应力。力。 p F FN 连续体连续体 S FN S上所受的合力上所受的合力 PN=FN /S 第三章 电参数传感器第三章 电参数传感器 电阻型传感器电阻型传感器 ?应变应变效效应应 ?应变（应变（strain） 连续连续体体在在体
11、内体内应应力作用力作用下发下发生生的的形形状状和大小和大小的的相相对对 变变化化。 三种最三种最简单的应变简单的应变 线应变线应变 即即物体内物体内任任一一点处点处单位单位长长度的度的长长度度增增加量。加量。线应变线应变 又又称称为相为相对对伸伸长长； 角应变角应变 体体应变应变 z w y v x u , 第三章 电参数传感器第三章 电参数传感器 电阻型传感器电阻型传感器 ?应变应变效效应应 ?应变（应变（strain） 连续连续体体在在体内体内应应力作用力作用下发下发生生的的形形状状和大小和大小的相的相对对 变变化。化。 三种最三种最简单的应变简单的应变 线应变线应变 角应变角应变 即即物
12、体内物体内任任一一点处点处两互相两互相垂直垂直方方向向的角度的角度减小量。减小量。 角应变角应变又又称称为为切切应变应变或或剪切剪切应变应变。 体体应变应变 x v y u z u x w y w z v + + + , 第三章 电参数传感器第三章 电参数传感器 电阻型传感器电阻型传感器 ?应变应变效效应应 ?应变（应变（strain） 连续连续体体在在体内体内应应力作用力作用下发下发生生的的形形状状和大小和大小的相的相对对 变变化。化。 三种最三种最简单的应变简单的应变 线应变线应变 角应变角应变 体体应变应变 即即物体内物体内任任一一点处点处单位单位体体积积的的体体积增积增加量；加量； z
13、 w y v x u + + 第三章 电参数传感器第三章 电参数传感器 电阻型传感器电阻型传感器 ?金属丝金属丝的应变的应变效效应应 当它当它受受到轴向到轴向力力F 拉伸或拉伸或压压缩缩时，时，其其A、l、均均发发 生生变变化化，导体导体的电阻的电阻也随也随之之发发生生变变化化 dA/A=2dr/r(圆圆形形截面截面） 令令x= dl/l 导体导体轴向轴向 应变，应变，y= dr/r导体导体 径向径向应变应变。 2r l 2(r- dr) l+dl FF d A l dA A l dl A dR+= 2 d A dA l dl R dR += 第三章 电参数传感器第三章 电参数传感器 电阻型传
14、感器电阻型传感器 ?金属丝金属丝的应变的应变效效应应 由由材料力学材料力学知道知道，在，在金属丝金属丝弹弹性性范围内范围内，沿沿其其 长长度度方方向向拉伸拉伸时，时，轴向轴向应应力力x与与径向径向应应力力y之之间间存存 在关系在关系y= x，（，（材料材料泊松泊松比，比，=0.3-0.5） 勃底特兹明勃底特兹明（）通过）通过试试验验研究研究发发 现，现，金属材料金属材料的电阻率相的电阻率相对对变变化化与与其体其体积积相相对对变变化化 之之间有间有关系关系 d/ = CdV/V =C(1-2) x（压阻（压阻效效应）应） 金属材料金属材料电阻的相电阻的相对对变变化化与应与应力力的关系的关系 xm
15、x KC R dR =+=)21()21( d A dA l dl R dR += 第三章 电参数传感器第三章 电参数传感器 电阻型传感器电阻型传感器 ?金属丝金属丝的应变的应变效效应应 金属材料金属材料的电阻相的电阻相对对变变化化与与其其轴向轴向应变成正比应变成正比。这这 就就是是金属材料金属材料的应变的应变效效应应。 Km称称为为金属材料金属材料的的应变应变灵敏灵敏度系数度系数(简简称灵敏称灵敏系数系数) 金属丝材料金属丝材料的应变电阻的应变电阻效效应应以以尺寸尺寸变变化化(几几何何尺寸效尺寸效 应）为应）为主主，d/ = CdV/V =C(1-2) x（压阻（压阻效效应）应） 很很小小，半导体材料半导体材料表现在压阻表现在压阻效效应应 一一般般Km= 1.84.8 xmx KC R dR =+=)21()21( 第三章 电参数传感器第三章 电参数传感器 电阻型传感器电阻型传感器 ?金属丝金属丝电阻应变电阻应变片片(丝丝式和式和箔箔式）式） 敏敏感感栅栅、基底基底、引引线、线、盖片盖片、粘粘合合剂剂 敏敏感感栅栅通通常常是是由轴向纵栅由
