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1、检测技术及仪器T&M Technology and InstrumentsCISTBUCT 2010M&T,I 检测元件与检测技术l检测元件的基本概念、分类方法l传感技术l自然规律 守恒定律、场的定律、物质定律、统计法则l基础效应l检测仪表的一般信号变换结构l简单变换、差动变换、参比变换、 平衡变换反馈变换第部分 基础知识第二章 检测元件 与检测技术 电阻型检测元件 电容型检测元件M&T,I 检测元件与检测技术l在传感器中，有一大类是通过电阻参数变化来 实现非电量测量的目的。它们统称为电阻式传 感器。l各种电阻材料，受被测量的作用，将产生电阻 参数的变化。l位移、应变、压力、光、热等l电阻式传
2、感器l电位计式、热电阻式、应变式、压阻式和光电式等M&T,I 检测元件与检测技术l电阻式检测元件l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“”表示。l电阻是一个线性元件。 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 即它是符合欧姆 定律：M&T,I 检测元件与检测技术l电阻式检测元件l一段长为 l（m），截面积为 A（mm2），电阻率 为 （mm2m-1）的导体（如金属丝），其电阻 为l电阻式检测元件分类l变 l 型 位移l变 型 温度、成份等l变变 (l, A, ) 型 应变M&T,I 检测元件与检测技术l电阻型检测元件l电位器l线位移l角位移
3、M&T,I 检测元件与检测技术l电阻型检测元件l电位器l当 A 恒定时， 与 l 为线性关系l适合于较大位移的测量l应用l电力传输线的故障检测l电阻触摸屏M&T,I 检测元件与检测技术l电阻型检测元件l热电阻l纯金属具有正的温度系数，可以作为测温元件l作为测温用的热电阻应具有下列要求 电阻温度系数大，以获得较高的灵敏度； 电阻率高，元件尺寸可以小； 电阻值随温度变化尽量是线性关系； 在测温范围内，物理、化学性能稳定； 材料质纯、加工方便和价格便宜等。M&T,I 检测元件与检测技术l电阻型检测元件l热电阻l铂、铜、铁和镍是常用的热电阻材料M&T,I 检测元件与检测技术l电阻型检测元件l热电阻l金
4、属热电阻l半导体材料的电阻率也随温度变化而变化。用半导体 材料制成的测温元件称为“热敏电阻”。M&T,I 检测元件与检测技术l电阻型检测元件l热电阻l标称值 Pt100，0时电阻值为100 Cu50，0时电阻值为50 Cu100，0时电阻值为100 l温度系数l响应时间 一般铂热电阻的时间常数为几秒至几十秒M&T,I 检测元件与检测技术l电阻型检测元件l金属材料的应变电阻效应l1856 年，英国物理学家发现金属丝的电阻随它所受机 械变形（拉伸或压缩）的大小发生变化即电阻的应变效 应。2rl2(r-dr)l+dlFFM&T,I 检测元件与检测技术l电阻型检测元件l金属材料的应变电阻效应l应力（s
5、tress）l连续体内部截面的一侧施于另一侧上单位面积的作用力 。l应力矢量沿它所作用的微元平面的法向投影称为法向应 力或正应力。pFFN连续体SFN S上所受的合力PN=FN /SM&T,I 检测元件与检测技术l电阻型检测元件l金属材料的应变电阻效应l应变（strain）l连续体在体内应力作用下发生的形状和大小的相对变化 。l三种最简单的应变 线应变 即物体内任一点处单位长度的长度增加量。线应变又称 为相对伸长； 角应变 体应变M&T,I 检测元件与检测技术l电阻型检测元件l金属材料的应变电阻效应l应变（strain）l连续体在体内应力作用下发生的形状和大小的相对变化 。l三种最简单的应变
6、线应变 角应变 即物体内任一点处两互相垂直方向的角度减小量。角应 变又称为切应变或剪切应变。 体应变M&T,I 检测元件与检测技术l电阻型检测元件l金属材料的应变电阻效应l应变（strain）l连续体在体内应力作用下发生的形状和大小的相对变化 。l三种最简单的应变 线应变 角应变 体应变 即物体内任一点处单位体积的体积增加量；M&T,I 检测元件与检测技术l电阻型检测元件l金属丝的应变电阻效应l当它受到轴向力 F 拉伸或压缩时，其 A、l、 均发生变 化，导体的电阻也随之发生变化令 x = dl/l 导体轴向 应变，y = dr/r 导体 径向应变。2rl2(r-dr)l+dlFFM&T,I
7、检测元件与检测技术l电阻型检测元件l金属丝的应变电阻效应l由材料力学知道，在金属丝弹性范围内，沿其长度 方向拉伸时，轴向应力 x 与径向应力 y 之间存在关系y = x l勃底特兹明（）通过试验研究发现，金属材 料的电阻率相对变化与其体积相对变化之间有关系d/ = CdV/V l金属材料电阻率的相对变化与应力的关系M&T,I 检测元件与检测技术l电阻型检测元件l金属丝的应变电阻效应l金属材料的电阻相对变化与其轴向应变成正比。这就是 金属材料的应变效应。lKm 称为金属材料的应变灵敏度系数(简称灵敏系数)l金属丝材料的应变电阻效应以尺寸变化为主，一般 Km = 1.84.8M&T,I 检测元件与
8、检测技术l电阻型检测元件l金属丝电阻应变片l敏感栅、基底、引线、盖片、粘合剂l敏感栅通常是由轴向纵栅（检测应变方向） 和圆弧横栅两部分组成。盖片敏感栅金属丝 基底引线M&T,I 检测元件与检测技术l电阻型检测元件l金属丝电阻应变片l敏感栅、基底、引线、盖片、粘合剂M&T,I 检测元件与检测技术l电阻型检测元件l金属丝电阻应变片l横向效应和横向效应系数 H纵栅 l0横栅 r横栅 ry 横向应变yx x 轴向应变xxyyryM&T,I 检测元件与检测技术l电阻型检测元件l金属丝电阻应变片l横向效应和横向效应系数 H 应变片承受单向应力时，其表面处于平面应变状态中， 即轴向（拉伸）和横向（收缩），其
9、纵栅和横栅各自 主要感受横向应变和轴向应变，从而引起应变片总电 阻的变化。M&T,I 检测元件与检测技术l电阻型检测元件l金属丝电阻应变片l横向效应和横向效应系数 H 在单位应力、双向应变情况下，横向应变总是起着抵消 轴向应变的作用。应变片即感受轴向应变，又同时受横 向应变影响使灵敏系数及相对电阻比都减少的现象，称 为横向效应。l = y/x 双向应变比，H = Ky/Kx 双向应变灵敏系数比， 称为横向效应系数。M&T,I 检测元件与检测技术l电阻型检测元件l金属丝电阻应变片l温度效应 应变片电阻相对变化与其材料的电阻温度系数、线膨胀 系数有关，由温度变化引起的应变片电阻变化的现象。上式为应
10、变片（无应力作用时）的温度效应；用应变形 式表示，称为相对的热输出，即M&T,I 检测元件与检测技术l电阻型检测元件l金属丝电阻应变片l温度效应 应变片电阻相对变化与其材料的电阻温度系数、线膨胀 系数有关，由温度变化引起的应变片电阻变化的现象。 热输出前部分为热阻效应所造成，后部分为敏感栅与试件热膨 胀失配所引起。M&T,I 检测元件与检测技术l电阻型检测元件l半导体材料的应变电阻效应l史密斯(C. S. Smith)等学者很早就发现，对半导体施加 应力时，半导体的电阻率会发生改变，这种现象称为压 阻效应。l半导体压阻效应一个很重要的特点 是效应的各向异性。l当单晶硅受到一定的应力时，其电 阻
11、率随应力变化具有线性关系。M&T,I 检测元件与检测技术l电阻型检测元件l应变片的静态特性l灵敏系数（灵敏度指标）l横向效应和横向效应系数 Hl机械滞后l蠕变和零漂l应变极限l频率响应（工作频率）l响应时间（时间常数）l疲劳寿命 NM&T,I 检测元件与检测技术l电阻型检测元件l应变片的静态特性l蠕变和零漂 应变片在恒温恒载条件下，输入信号恒定时，应变片指 示应变值随时间单向变化的特性称为蠕变。 试件空载（无输入信号）时，应变片指示应变值仍随时 间变化的现象称为零漂。M&T,I 检测元件与检测技术l电阻型检测元件l应变片的静态特性l应变极限 应变片的线性特性，只有在一定的应变限度范围内才能 保
12、持。在恒温条件下，使非线性误差达到 10% 时的真 实应变值，称为应变极限 lim。M&T,I 检测元件与检测技术l电阻型检测元件l应变片的静态特性l疲劳寿命 N 疲劳寿命 N 是指粘贴在试件上的应变片，在恒幅交变 应力作用下，连续工作直至疲劳损坏时的循环次数。 疲劳寿命和应变片的取材、工艺和焊接、粘贴质量等因 素有关，一般要求 N = 105107 次。M&T,I 检测元件与检测技术l静态与动态特性M&T,I 检测元件与检测技术l电阻型检测元件l应变片的热输出补偿方法l热输出的补偿方法就是消除 t 对测量应变的干扰。l温度自补偿法 通过精心选配敏感栅材料与结构参数来实现热输出补偿 - 单丝自
13、补偿应变片- 双丝自补偿应变片l桥路补偿法M&T,I 检测元件与检测技术l电阻型检测元件l应变片的热输出补偿方法l热输出的补偿方法就是消除 t 对测量应变的干扰。l温度自补偿法 通过精心选配敏感栅材料与结构参数来实现热输出补偿 - 单丝自补偿应变片 - 双丝自补偿应变片l桥路补偿法M&T,I 检测元件与检测技术l电阻型检测元件l应变片的热输出补偿方法l热输出的补偿方法就是消除 t 对测量应变的干扰。l温度自补偿法 通过精心选配敏感栅材料与结构参数来实现热输出补偿 - 单丝自补偿应变片 - 双丝自补偿应变片 只能在选定的试件上使用l桥路补偿法M&T,I 检测元件与检测技术l电阻型检测元件l应变片
14、的热输出补偿方法l热输出的补偿方法就是消除 t 对测量应变的干扰。l温度自补偿法l桥路补偿法 利用电桥的两边臂上电压和、差原理来达到补偿 - 双丝半桥式- 补偿块法M&T,I 检测元件与检测技术l电阻型检测元件l应变片的热输出补偿方法l热输出的补偿方法就是消除 t 对测量应变的干扰。l温度自补偿法l桥路补偿法 利用电桥的两边臂上电压和、差原 理来达到补偿 - 双丝半桥式 - 补偿块法DdPM&T,I 检测元件与检测技术l电阻型检测元件l应变片的应用l不仅取决于应变计本身的质量, 而且取决于应变计 的正确使用。l压力检测中，视其弹性体的结构形式分为 单一式：应变片直接粘贴在受压弹性膜片或筒上。
15、组合式：由受压弹性元件（膜 片、膜盒或波纹管）和应变弹 性元件组合而成。M&T,I 检测元件与检测技术l电阻型检测元件l应变片的应用l组合式M&T,I 检测元件与检测技术l电阻型检测元件l应变片的应用l应用和测量范围广。用应变计可制成测量各种机械 量传感器，如：力传感器（可测 10-2107 N），压 力传感器（可测 103108 Pa），加速度传感器（可 测 103 m/s2）l分辨率和灵敏度高。半导体应变计灵敏度达几十 mV/N；精度达 13%，高精度达 0.10.01%。l结构小、使用方便。M&T,I 检测元件与检测技术l电阻型检测元件l应变片的应用M&T,I 检测元件与检测技术l电阻型检测元件l应变片的应用M&T,I 检测元件与检测技术l电阻型检测元件l应变片的应用l标称阻值，应变片在常温（20）常压（1个大气 压）时的阻值。l一般情况选用 120 阻值；l为提高灵敏度，应采用较高的供桥电压和较小的工 作电流，则选用较高的标称阻值，如：350、 500 或 1000 阻值。第部分 基础知识第二章 检测元件 与检测技术 电阻型检测元件 电容型检测元件M&T,I 检测元件与检测技术l电容型检测元件l电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量 变化的一种传感器。l结构简单、高分辨力、可非接触测量，并能在高温 、辐射和强烈振动等恶劣条件
