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1、自动检测技术及仪表自动检测技术及仪表Test & Measurement Technologyand Automatic InstrumentationCISTBUCT20111第第部分部分基础知识基础知识第二章检测元件第二章检测元件与检测技术与检测技术传感技术基础原理传感技术基础原理电阻型检测元件电阻型检测元件2M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l检测元件检测元件l检测元件的分类、命名和表示检测元件的分类、命名和表示l传感技术传感技术l自然规律、基础效应自然规律、基础效应3M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l检测元件检测元件l检测元件是指传感器中能直接感受（或
2、响应）被检测元件是指传感器中能直接感受（或响应）被测量对象的部分。测量对象的部分。 l在完成非电量到电量的变换时，并非所有的非电在完成非电量到电量的变换时，并非所有的非电量都能利用现有手段直接转换成电量，往往是将量都能利用现有手段直接转换成电量，往往是将被测量先变换为另一种易于变成电量的非电量，被测量先变换为另一种易于变成电量的非电量，然后再转换成电量。然后再转换成电量。4M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l检测元件检测元件l检测元件是仪表、检测系统的关键，决定了可测参检测元件是仪表、检测系统的关键，决定了可测参数、被测量的可测范围、测量准确度、仪表的使用数、被测量的可测范围、
3、测量准确度、仪表的使用条件等。条件等。l 敏感性：对被测量的敏感性敏感性：对被测量的敏感性l 适用范围：环境温度、压力、外加电源等适用范围：环境温度、压力、外加电源等 l 测量范围：被测量不超过敏感元件规定的测量范围测量范围：被测量不超过敏感元件规定的测量范围l 输出特性：输出与被测量之间有明确的单调关系输出特性：输出与被测量之间有明确的单调关系l 其它：价格、易复制性、安全性、易安装等其它：价格、易复制性、安全性、易安装等 5M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l检测元件检测元件l特性特性6M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l检测元件的分类检测元件的分类l按输入
4、量（被测对象）分类按输入量（被测对象）分类l按转换原理分类按转换原理分类l按输出信号的形式分类按输出信号的形式分类l按输入和输出的特性分类按输入和输出的特性分类l按能量转换的方式分类按能量转换的方式分类l按材料分类按材料分类7M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l检测元件的分类检测元件的分类 l按输入量（被测对象）分类按输入量（被测对象）分类l物理量传感器、化学量传感器和生物量传感器物理量传感器、化学量传感器和生物量传感器l物理量传感器又可分为：温度传感器、压力传感器、物理量传感器又可分为：温度传感器、压力传感器、位移传感器、位移传感器、 等等。等等。l这种分类方法给使用者提供了
5、方便，容易根据被测这种分类方法给使用者提供了方便，容易根据被测对象选择所需要的传感器。对象选择所需要的传感器。 8M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l检测元件的分类检测元件的分类l按转换原理分类按转换原理分类l结构型传感器结构型传感器利用机械构件（如金属膜片等）在动力场或电磁场的利用机械构件（如金属膜片等）在动力场或电磁场的作用下产生变形或位移，将外界被测参数转换成相应作用下产生变形或位移，将外界被测参数转换成相应的电阻、电感、电容等物理量，它是利用物理学运动的电阻、电感、电容等物理量，它是利用物理学运动定律或电磁定律实现转换的。定律或电磁定律实现转换的。l物性型传感器物性型传
6、感器l复合型传感器复合型传感器9M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l检测元件的分类检测元件的分类l按转换原理分类按转换原理分类l结构型传感器结构型传感器l物性型传感器物性型传感器利用材料的固态物理特性及其各种物理、化学效应（即利用材料的固态物理特性及其各种物理、化学效应（即物质定律，如虎克定律、欧姆物质定律，如虎克定律、欧姆定律等）来实现非电量转换的。定律等）来实现非电量转换的。它是以半导体、电介质、铁电它是以半导体、电介质、铁电体等作为敏感材料的固态器件。体等作为敏感材料的固态器件。l复合型传感器复合型传感器10M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l检测元件的分
7、类检测元件的分类l按转换原理分类按转换原理分类l结构型传感器结构型传感器l物性型传感器物性型传感器l复合型传感器复合型传感器由结构型传感器和物性型传由结构型传感器和物性型传感器组合而成的，兼有两者感器组合而成的，兼有两者的特征。例如，电阻式、电的特征。例如，电阻式、电感式、电容式、压电式、光感式、电容式、压电式、光电式、热敏、气敏、湿敏、电式、热敏、气敏、湿敏、磁敏传感器等等。磁敏传感器等等。 11M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l检测元件的分类检测元件的分类l按转换原理分类按转换原理分类l结构型传感器结构型传感器l物性型传感器物性型传感器l复合型传感器复合型传感器l这种分类
8、方法清楚地指明了传感器的原理，便于学习这种分类方法清楚地指明了传感器的原理，便于学习和研究。和研究。 12M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l检测元件的分类检测元件的分类l按能量转换的方式分类按能量转换的方式分类l有源型和无源型有源型和无源型l有源型：有源型：也称能量转换型或发电型，它把非电量直接也称能量转换型或发电型，它把非电量直接变成电压量、电流量、电荷量等，如磁电式、压电式、变成电压量、电流量、电荷量等，如磁电式、压电式、光电池、热电偶等。光电池、热电偶等。 l无源型：无源型：也称能量控制型、能量传输型或参数型，它也称能量控制型、能量传输型或参数型，它把非电量变成电抗（电
9、阻、电容、电感）等，或将被把非电量变成电抗（电阻、电容、电感）等，或将被测电量传输至检测装置。测电量传输至检测装置。 13M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l检测元件的分类检测元件的分类l按输出信号的形式分类按输出信号的形式分类l开关式、开关式、 模拟式和数字式模拟式和数字式l按输入和输出的特性分类按输入和输出的特性分类l线性和非线性线性和非线性14M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l检测元件的分类检测元件的分类l按材料分类按材料分类l无机材料检测元件无机材料检测元件l半导体材料检测元件半导体材料检测元件l陶瓷材料检测元件陶瓷材料检测元件l高分子材料检测元件高分
10、子材料检测元件l纳米材料检测元件纳米材料检测元件l智能材料检测元件智能材料检测元件15l检测元件检测元件l无机材料检测元件无机材料检测元件M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术16M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l检测元件检测元件l半导体检测元件半导体检测元件17M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l检测元件检测元件l半导体检测元件半导体检测元件18M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l检测元件检测元件l陶瓷材料检测元件陶瓷材料检测元件19M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l检测元件检测元件l陶瓷材料检测元件陶瓷材料检测
11、元件20M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l检测元件检测元件l高分子材料检测元件高分子材料检测元件21M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l检测元件检测元件l高分子材料检测元件高分子材料检测元件22M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l检测元件检测元件l高分子材料检测元件高分子材料检测元件23M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l检测元件的分类检测元件的分类l按材料分类按材料分类l纳米材料检测元件纳米材料检测元件气敏材料气敏材料24M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l检测元件检测元件l智能材料检测元件智能材料检测元件25
12、M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l检测元件的分类检测元件的分类l按材料分类按材料分类l智能材料检测元件智能材料检测元件记忆合金记忆合金压电材料压电材料26M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l检测元件的分类检测元件的分类l按材料分类按材料分类l智能材料检测元件智能材料检测元件记忆合金记忆合金压电材料压电材料光纤传感器光纤传感器MEMS/MOEMSMEMS/MOEMS27M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l检测元件的命名检测元件的命名l国标国标 GB7666 GB7666l由由“主题词四级修饰语主题词四级修饰语”组成，即主题词组成，即主题词传感器。
13、传感器。l一级修饰语一级修饰语被测量，被测量， 包括修饰被测量的定语。包括修饰被测量的定语。 l二级修饰语二级修饰语转换原理，转换原理， 一般可后续以一般可后续以“式式”字。字。l三级修饰语三级修饰语特征描述，指必须强调的传感器结构、特征描述，指必须强调的传感器结构、性能、材料特征、敏感元件以及其它必要的性能特征，性能、材料特征、敏感元件以及其它必要的性能特征，一般可后续以一般可后续以“型型”字。字。 l四级修饰语四级修饰语主要技术指标，如量程、精确度、灵敏主要技术指标，如量程、精确度、灵敏度范围等。度范围等。 28M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l检测元件的命名检测元件的命
14、名l运用命名法时应注意运用命名法时应注意 l使用场合不同，修饰语的排序亦不同使用场合不同，修饰语的排序亦不同在有关传感器的统计报表、图书检索及计算机文字在有关传感器的统计报表、图书检索及计算机文字处理等场合，传感器名称应采用正序排列。处理等场合，传感器名称应采用正序排列。传感器传感器一级修饰语一级修饰语二级修饰语二级修饰语三级修饰语三级修饰语四级修饰语。四级修饰语。示例：示例：“传感器、位移、应变计式、传感器、位移、应变计式、100 mm”100 mm”29M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l检测元件的命名检测元件的命名l运用命名法时应注意运用命名法时应注意 l使用场合不同，修
15、饰语的排序亦不同使用场合不同，修饰语的排序亦不同在技术文件、产品说明书、学术论文、教材、书刊在技术文件、产品说明书、学术论文、教材、书刊等的陈述句中，传感器名称应采用反序排列等的陈述句中，传感器名称应采用反序排列四级修饰语四级修饰语三级修饰语三级修饰语二级修饰语二级修饰语一级修饰一级修饰语语传感器传感器示例：示例：“100mm“100mm应变计式位移传感器应变计式位移传感器”“100“100160dB160dB电容式声压传感器电容式声压传感器” ” 30M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l检测元件的命名检测元件的命名l运用命名法时应注意运用命名法时应注意 l使用场合不同，修饰语
16、的排序亦不同使用场合不同，修饰语的排序亦不同l传感器（主称）传感器（主称） 四级修饰语组成全称。四级修饰语组成全称。在实际运用中，可根据产品具体情况省略任何一级在实际运用中，可根据产品具体情况省略任何一级修饰语。但国标规定，传感器作为商品出售时，第修饰语。但国标规定，传感器作为商品出售时，第一级修饰语不得省略。一级修饰语不得省略。 31M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l检测元件的表示检测元件的表示l从电路角度考虑，敏感元件就是信号从电路角度考虑，敏感元件就是信号( (或信息或信息) )源。源。l对于大多数传感器，它都可以用具有两端口或四端对于大多数传感器，它都可以用具有两端口
17、或四端口特征的电气元件足够精确地进行描述。口特征的电气元件足够精确地进行描述。32M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l检测元件的表示检测元件的表示l与传统的信息技术中常见的两端口或四端口元件相与传统的信息技术中常见的两端口或四端口元件相比，唯一的区别是敏感元件的特性依赖于物理的或比，唯一的区别是敏感元件的特性依赖于物理的或化学的环境变量。化学的环境变量。33M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l传感技术基础传感技术基础l自然规律自然规律l守恒定律、场的定律、物质定律、统计法则守恒定律、场的定律、物质定律、统计法则l基础效应基础效应 l热电效应、光磁电效应、磁效应、
18、压电效应、应变热电效应、光磁电效应、磁效应、压电效应、应变效应、电涡流效应、超导效应、集肤效应、多普勒效应、电涡流效应、超导效应、集肤效应、多普勒效应、物理现象等效应、物理现象等34M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l传感技术基础传感技术基础l自然规律自然规律l守恒定律守恒定律 包括能量、动量、电荷量等守恒定律。包括能量、动量、电荷量等守恒定律。这些定律是分析、研制新型传感这些定律是分析、研制新型传感器时必须严格遵守的基本法则。器时必须严格遵守的基本法则。35M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l传感技术基础传感技术基础l自然规律自然规律l场的定律场的定律动力场的
19、运动定律、电磁场的感应定律等，其作动力场的运动定律、电磁场的感应定律等，其作用与物体在空间的位置及分布状态有关。用与物体在空间的位置及分布状态有关。一般可由物理方程给出，这些方程可作为许多传一般可由物理方程给出，这些方程可作为许多传感器工作的数学模型。例如，利用静电场制成的感器工作的数学模型。例如，利用静电场制成的电容式传感器，利用电磁感应定律可制成的电感电容式传感器，利用电磁感应定律可制成的电感（自感或互感）式传感器等等。（自感或互感）式传感器等等。利用场的定律制成，可统称为结构型传感器。利用场的定律制成，可统称为结构型传感器。36M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l传感技术
20、基础传感技术基础l自然规律自然规律l物质定律物质定律表示各种物质本身内在性质的定律（如虎克定律、表示各种物质本身内在性质的定律（如虎克定律、欧姆定律），通常以这种物质所固有的物理常数欧姆定律），通常以这种物质所固有的物理常数加以描述，其大小决定着传感器的主要性能。加以描述，其大小决定着传感器的主要性能。半导体物质法则：压阻、热阻、光阻、湿阻等效半导体物质法则：压阻、热阻、光阻、湿阻等效应，可分别制成压敏、热敏、光敏、湿敏等传感应，可分别制成压敏、热敏、光敏、湿敏等传感器件；器件；压电晶体物质法则：压电效应，可制成压电式传压电晶体物质法则：压电效应，可制成压电式传感器等等。感器等等。37M&T,
21、AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l传感技术基础传感技术基础l自然规律自然规律l统计法则统计法则将微观系统与宏观系统联系起来的物理法则，这将微观系统与宏观系统联系起来的物理法则，这些法则常常与传感器的工作状态有关。些法则常常与传感器的工作状态有关。 38M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l传感技术基础传感技术基础l基础效应基础效应 l热电效应热电效应塞贝克效应：热电势（温度塞贝克效应：热电势（温度电），热电偶电），热电偶珀尔帖效应：接触电势（温度珀尔帖效应：接触电势（温度电），半导体制冷电），半导体制冷汤姆逊效应：温差电势（温差汤姆逊效应：温差电势（温差电）电）热电子发
22、射效应：热热电子发射效应：热电子，红外成像电子，红外成像39M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l传感技术基础传感技术基础l基础效应基础效应 l光磁电效应光磁电效应光电子发射效应：外光电效应光电子发射效应：外光电效应（光（光电），光电二极管、光电），光电二极管、光电倍增管及紫外线传感器等。电倍增管及紫外线传感器等。光电导效应：内光电效应（光光电导效应：内光电效应（光电阻），光敏电阻。电阻），光敏电阻。光伏特效应：内光电效应（光光伏特效应：内光电效应（光电），光电池、光敏二极管、电），光电池、光敏二极管、光敏三极管和光敏晶闸管等。光敏三极管和光敏晶闸管等。40M&T,AI 检测元件
23、与检测技术检测元件与检测技术l传感技术基础传感技术基础l基础效应基础效应 l光磁电效应光磁电效应光的热电效应：热释电（热光的热电效应：热释电（热电），红外人体传感器电），红外人体传感器塞曼效应：光通过磁场时光塞曼效应：光通过磁场时光谱离散（光磁谱离散（光磁光谱）光谱）拉曼效应：单色光照射物质拉曼效应：单色光照射物质时发出不同光谱（光时发出不同光谱（光光）光）泡克尔斯效应：光通过压电泡克尔斯效应：光通过压电晶体时分成正常和异常光线晶体时分成正常和异常光线（光电（光电光）光）41M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l传感技术基础传感技术基础l基础效应基础效应 l光磁电效应光磁电效应克
24、尔效应：光通过各种同性物质并在垂直方向加克尔效应：光通过各种同性物质并在垂直方向加电压时分成正常和异常光线（光电电压时分成正常和异常光线（光电光）光）法拉第效应：线偏振光通过磁性物质时偏振面旋法拉第效应：线偏振光通过磁性物质时偏振面旋转（光磁转（光磁电）电）42M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l传感技术基础传感技术基础l基础效应基础效应 l磁效应磁效应霍尔效应：电流流过导体并在与电流垂直的方向加霍尔效应：电流流过导体并在与电流垂直的方向加磁场时在垂直方向产生电势的现象（磁电磁场时在垂直方向产生电势的现象（磁电电），电），磁敏二极管、磁敏三极管等。磁敏二极管、磁敏三极管等。磁阻
25、效应：导体在磁场中电阻磁阻效应：导体在磁场中电阻增加的现象（磁电增加的现象（磁电电阻），电阻），磁敏电阻、磁头等。磁敏电阻、磁头等。磁致伸缩效应：强磁体加磁磁致伸缩效应：强磁体加磁场时产生变形（磁场时产生变形（磁机械）机械）43M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l传感技术基础传感技术基础l基础效应基础效应 l压电效应压电效应压电效应是指强介质加压力时的极化现象，可产压电效应是指强介质加压力时的极化现象，可产生电位差（压力生电位差（压力电），超声波换能器。电），超声波换能器。l多普勒效应多普勒效应当声源、光源及微波等波源与观测者之间有相对当声源、光源及微波等波源与观测者之间有相对
26、运动时，观测到的频率发生谱移的现象运动时，观测到的频率发生谱移的现象（运动（运动频率）频率）44M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l传感技术基础传感技术基础l基础效应基础效应 l物理现象物理现象热传导现象：热力学第一定律（热热传导现象：热力学第一定律（热物性），热物性），热敏电阻气体传感器、干湿球湿度传感器等。敏电阻气体传感器、干湿球湿度传感器等。热辐射现象：物体温度升高时产生光（电磁波）热辐射现象：物体温度升高时产生光（电磁波）辐射的现象（温度辐射的现象（温度光），辐射高温计、红外探光），辐射高温计、红外探测等。测等。45M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l传
27、感技术基础传感技术基础l基础效应基础效应46第第部分部分基础知识基础知识第二章检测元件第二章检测元件与检测技术与检测技术传感技术基础原理传感技术基础原理电阻型检测元件电阻型检测元件47M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l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化来电阻参数变化来实现非电量测量实现非电量测量的目的。它们统称为的目的。它们统称为电阻式传电阻式传感器感器。l各种电阻材料，受被测量的作用，将产生电阻各种电阻材料，受被测量的作用，将产生电阻参数的变化。参数的变化。l位移、应变、压力、光、热等位移、应变、压力、光、热等l电阻式传感器电阻式传感器l电位计
28、式、热电阻式、应变式、压阻式和光电式等电位计式、热电阻式、应变式、压阻式和光电式等48M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻式检测元件电阻式检测元件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，用符号是欧姆，用符号“”表示。表示。l电阻是一个线性元件。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流与电阻两端的电压成正比 即它是符合欧姆即它是符合欧姆定律：定律：49M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻式检测元件电阻式检测
29、元件l一段长为一段长为 l（m），截面积为），截面积为 A（mm2），电阻率），电阻率为为 （mm2 m-1）的导体（如金属丝），其电阻的导体（如金属丝），其电阻为为l电阻式检测元件分类电阻式检测元件分类l变变 l 型型 位移位移l变变 型型 温度、成份等温度、成份等l变 (l, A, ) 型型 应变应变50M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l电位器电位器l线位移线位移l角位移角位移51M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l电位器电位器l当当 A 恒定时，恒定时， 与与 l 为线性关系为线性关系l适合于较
30、大位移的测量适合于较大位移的测量l应用应用l电力传输线的故障检测电力传输线的故障检测l电阻触摸屏电阻触摸屏52M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l热电阻热电阻l纯金属具有正的温度系数，可以作为测温元件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；电阻率高，元件尺寸可以小；电阻值随温度变化尽量是线性关系；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；在测温范围内，物理、化学性
31、能稳定；材料质纯、加工方便和价格便宜等。材料质纯、加工方便和价格便宜等。53M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l热电阻热电阻l铂、铜、铁和镍是常用的热电阻材料铂、铜、铁和镍是常用的热电阻材料54M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l热电阻热电阻l金属热电阻金属热电阻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材料制成的测温元件称为“热敏电阻热敏电阻”。55M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件
32、l热电阻热电阻l标称值标称值Pt100，0时电阻值为时电阻值为100Cu50，0时电阻值为时电阻值为50 Cu100，0时电阻值为时电阻值为100 l温度系数温度系数l响应时间响应时间一般铂热电阻的时间常数为几秒至几十秒一般铂热电阻的时间常数为几秒至几十秒56M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l金属材料的应变电阻效应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械变形（拉伸或压缩）的大小发生变化即电阻的应变效应变效应应。2rl2(r-d
33、r)l+dlFF57M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l金属材料的应变电阻效应金属材料的应变电阻效应l应力（应力（stress）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。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。力或正应力。pFFN连续体连续体SFNS上所受的合力上所受的合力PN=FN /S58M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l金属材料的应变电阻效应金属材料的应变电阻效应l应
34、变（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。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三种最简单的应变三种最简单的应变线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；为相对伸长；角应变角应变体应变体应变59M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l金属材料的应变电阻效应金属材料的应变电阻效应l应变（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。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三种最简单的应变三种最
35、简单的应变线应变线应变角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。变又称为切应变或剪切应变。体应变体应变60M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l金属材料的应变电阻效应金属材料的应变电阻效应l应变（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。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三种最简单的应变三种最简单的应变线应变线应变角应变角应变体应变体应变即物体内任一点处单位体积的体积增加量；即物体内任一点处单位体积的体积增加量；
36、61M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l金属丝的应变电阻效应金属丝的应变电阻效应l当它受到轴向力当它受到轴向力 F 拉伸或压缩时，其拉伸或压缩时，其 A、l、 均发生均发生变化，导体的电阻也随之发生变化变化，导体的电阻也随之发生变化令令 x = dl/l 导体轴向导体轴向应变，应变， y = dr/r 导体导体径向应变。径向应变。2rl2(r-dr)l+dlFF62M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l金属丝的应变电阻效应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，沿其长度由材料力学知道，在
37、金属丝弹性范围内，沿其长度方向拉伸时，轴向应力方向拉伸时，轴向应力 x 与径向应力与径向应力 y 之间存在关系之间存在关系 y = x l勃底特兹明（勃底特兹明（）通过试验研究发现，金属材）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金属材料电阻率的相对变化与应力的关系63M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l金属丝的应变电阻效应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。这就是金属材料的电阻相对变化与
38、其轴向应变成正比。这就是金属材料的应变效应。金属材料的应变效应。lKm 称为金属材料的应变灵敏度系数称为金属材料的应变灵敏度系数(简称灵敏系数简称灵敏系数)l金属丝材料的应变电阻效应以尺寸变化为主，一般金属丝材料的应变电阻效应以尺寸变化为主，一般 Km = 1.84.864M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l金属丝电阻应变片金属丝电阻应变片l敏感栅、基底、引线、盖片、粘合剂敏感栅、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）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。和圆弧横栅两部分组成。盖片盖片敏感栅金属丝敏感
39、栅金属丝基底基底引线引线65M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l金属丝电阻应变片金属丝电阻应变片l敏感栅、基底、引线、盖片、粘合剂敏感栅、基底、引线、盖片、粘合剂66M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l金属丝电阻应变片金属丝电阻应变片l横向效应横向效应和横向效应系数和横向效应系数 H纵栅 l0横栅 r横栅 r y 横向应变横向应变 y x x轴向应变轴向应变 x x y yr y67M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l金属丝电阻应变片金属丝电阻应变片l横向效
40、应横向效应和横向效应系数和横向效应系数 H应变片承受单向应力时，其表面处于平面应变状态中，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），其纵栅和横栅各自即轴向（拉伸）和横向（收缩），其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。阻的变化。68M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l金属丝电阻应变片金属丝电阻应变片l横向效应横向效应和横向效应系数和横向效应系数 H在单位应力、双向应变情况下，横向应变总是起着抵消在单位应力、双向应变情况下，横向应变总是起
41、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。为横向效应。l = y/ x 双向应变比，双向应变比，H = Ky/Kx 双向应变灵敏系数比，双向应变灵敏系数比，称为横向效应系数。称为横向效应系数。69M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l金属丝电阻应变片金属丝电阻应变片l温度效应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
42、，由温度变化引起的应变片电阻变化的现象。系数有关，由温度变化引起的应变片电阻变化的现象。上式为应变片（无应力作用时）的温度效应；用应变形上式为应变片（无应力作用时）的温度效应；用应变形式表示，称为相对的式表示，称为相对的热输出热输出，即，即70M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l金属丝电阻应变片金属丝电阻应变片l温度效应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。系数有关，由温度变化引起的应变片电阻变化的现象。热输出热输出前部分为热阻效应所造
43、成，后部分为敏感栅与试件热膨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。胀失配所引起。71M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l半导体材料的应变电阻效应半导体材料的应变电阻效应l史密斯史密斯( (C. S. Smith) )等学者很早就发现，对半导体施加等学者很早就发现，对半导体施加应力时，半导体的电阻率会发生改变，这种现象称为应力时，半导体的电阻率会发生改变，这种现象称为压压阻效应阻效应。l半导体压阻效应一个很重要的特点半导体压阻效应一个很重要的特点是效应的各向异性。是效应的各向异性。l当单晶硅受到一定的应力时，其电当单晶硅受到一
44、定的应力时，其电阻率随应力变化具有线性关系。阻率随应力变化具有线性关系。72M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l应变片的应变片的静态特性静态特性l灵敏系数（灵敏度指标）灵敏系数（灵敏度指标）l横向效应横向效应和横向效应系数和横向效应系数 Hl机械滞后机械滞后l蠕变和零漂蠕变和零漂l应变极限应变极限l频率响应（工作频率）频率响应（工作频率）l响应时间（时间常数）响应时间（时间常数）l疲劳寿命疲劳寿命 N73M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l应变片的应变片的静态特性静态特性l蠕变和零漂蠕变和零漂应变片在恒
45、温恒载条件下，输入信号恒定时，应变片指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。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。间变化的现象称为零漂。74M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l应变片的应变片的静态特性静态特性l应变极限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应变片的线性特性，只有在一定的应变限度范围内才能保持。在恒温条件下，使非线性误差达到保持。在恒温条件下，使非线性误
46、差达到 10% 时的真时的真实应变值，称为应变极限实应变值，称为应变极限 lim。75M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l应变片的应变片的静态特性静态特性l疲劳寿命疲劳寿命 N疲劳寿命疲劳寿命 N 是指粘贴在试件上的应变片，在恒幅交变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。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，一般要求素有关，一般要求 N = 105107 次。次。76M&T,AI 检测元件与检测
47、技术检测元件与检测技术l静态与动态特性静态与动态特性77M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l应变片的应变片的热输出补偿方法热输出补偿方法l热输出的补偿方法就是消除热输出的补偿方法就是消除 t 对测量应变的干扰。对测量应变的干扰。l温度自补偿法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- 单丝自补偿应变片单丝自补偿应变片- 双丝自补偿应变片双丝自补偿应变片l桥路补偿法桥路补偿法78M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l应变片的应变片的热输出补
48、偿方法热输出补偿方法l热输出的补偿方法就是消除热输出的补偿方法就是消除 t 对测量应变的干扰。对测量应变的干扰。l温度自补偿法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- 单丝自补偿应变片单丝自补偿应变片- 双丝自补偿应变片双丝自补偿应变片l桥路补偿法桥路补偿法79M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l应变片的应变片的热输出补偿方法热输出补偿方法l热输出的补偿方法就是消除热输出的补偿方法就是消除 t 对测量应变的干扰。对测量应变的干扰。l温度自补偿法温度自补偿法通过精心选配敏感栅材料与
49、结构参数来实现热输出补偿通过精心选配敏感栅材料与结构参数来实现热输出补偿- 单丝自补偿应变片单丝自补偿应变片- 双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只能在选定的试件上使用l桥路补偿法桥路补偿法80M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l应变片的应变片的热输出补偿方法热输出补偿方法l热输出的补偿方法就是消除热输出的补偿方法就是消除 t 对测量应变的干扰。对测量应变的干扰。l温度自补偿法温度自补偿法l桥路补偿法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- 双丝半桥式双丝半桥式- 补偿块法
50、补偿块法81M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l应变片的应变片的热输出补偿方法热输出补偿方法l热输出的补偿方法就是消除热输出的补偿方法就是消除 t 对测量应变的干扰。对测量应变的干扰。l温度自补偿法温度自补偿法l桥路补偿法桥路补偿法利用电桥的两边臂上电压和、差原利用电桥的两边臂上电压和、差原理来达到补偿理来达到补偿- 双丝半桥式双丝半桥式- 补偿块法补偿块法DdP82M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l应变片的应用应变片的应用l不仅取决于应变计本身的质量不仅取决于应变计本身的质量, 而且取决于应变计而且
51、取决于应变计的正确使用。的正确使用。l压力检测中，视其弹性体的结构形式分为压力检测中，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。单一式：应变片直接粘贴在受压弹性膜片或筒上。组合式：由受压弹性元件（膜组合式：由受压弹性元件（膜片、膜盒或波纹管）和应变弹片、膜盒或波纹管）和应变弹性元件组合而成。性元件组合而成。83M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l应变片的应用应变片的应用l组合式组合式84M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l应变片的应用应变片的应用l应用和测量范围广。用应变计可制
52、成测量各种机械应用和测量范围广。用应变计可制成测量各种机械量传感器，如：力传感器量传感器，如：力传感器（可测可测 10-2107 N），压，压力传感器力传感器（可测可测 103108 Pa），加速度传感器，加速度传感器（可可测测 103 m/s2）l分辨分辨率和灵敏度高。半导体应变计灵敏度达几十率和灵敏度高。半导体应变计灵敏度达几十mV/N；精度达精度达 13%，高精度达高精度达 0.10.01%。l结构小、使用方便。结构小、使用方便。85M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l应变片的应用应变片的应用86M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测
53、技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l应变片的应用应变片的应用87M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l应变片的应用应变片的应用l标称阻值，应变片在常温（标称阻值，应变片在常温（20）常压（）常压（1个大气个大气压）时的阻值。压）时的阻值。l一般情况选用一般情况选用 120 阻值；阻值；l为提高灵敏度，应采用较高的供桥电压和较小的工为提高灵敏度，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：作电流，则选用较高的标称阻值，如：350 、500 或或 1000 阻值。阻值。88M&T,AI 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l小结小结l检测元件的基本概念、分类方法检测元件的基本概念、分类方法l传感技术传感技术l自然规律：自然规律：守恒定律、场的定律、物质定律、统计法则守恒定律、场的定律、物质定律、统计法则l基础效应：基础效应：（望文生义）（望文生义）l电阻型检测元件电阻型检测元件l变变 l 型型 电位器电位器l变变 型型 热电阻、热敏电阻热电阻、热敏电阻l变 (l, A, ) 型型 应变片、压敏电阻应变片、压敏电阻89
