《自动检测技术与装置》电子课件

《自动检测技术与装置》电子课件,自动检测技术与装置,自动检测,技术,装置,电子,课件 第二章 检测技术与检测元件第一节检测技术的一般原理一、参数检测的一般方法一、参数检测的一般方法参数的检测是利用敏感元件把被测参数的信息转换为另一种形式的信息，便于进一步进行信息处理（变换）或显示。第一节检测技术的一般原理第一节检测技术的一般原理 8.化学法化学法利用化学反应原理，检测利用化学反应原理，检测混合物中某特定物质的浓混合物中某特定物质的浓度度 9.生物反生物反应法应法生物活性物质能识别某种生物活性物质能识别某种被测物质。酶反应、微生被测物质。酶反应、微生物反应、免疫反应等物反应、免疫反应等吸附效应吸附效应气敏传感器，湿敏传感器气敏传感器，湿敏传感器光化学效应光化学效应光纤化学传感器光纤化学传感器热化学效应热化学效应热化学传感器，用于可燃性热化学传感器，用于可燃性气体的成分检测气体的成分检测生物效应生物效应利用生物效应制成的传感器利用生物效应制成的传感器能精确识别某物质的存在及能精确识别某物质的存在及浓度浓度第一节检测技术的一般原理二、对敏感元件的要求二、对敏感元件的要求 适用范围参数测量范围输出特性此外，满足动静态要求下，价格、易复制性、安全性和易安装性等。第二节 机械式检测元件机械式检测元件机械式检测元件 将被测量转换为机械量信号（通常是位移、振动频率、转角等）输出，可用于压力、力、加速度、温度等参数的测量，具有结构简单、使用安全可靠、抗干扰能力强等特点。最常用的机械式检测元件 弹性式检测元件、振动式检测元件第二节 机械式检测元件一、弹性式检测元件一、弹性式检测元件 弹性变形：弹性变形：在外力作用下，物体的形状和尺寸会发生变化，若去掉外力，物体能在外力作用下，物体的形状和尺寸会发生变化，若去掉外力，物体能恢复原来的形状和尺寸。恢复原来的形状和尺寸。注：弹性元件可以直接感受被测量变化，以变形或者应变响应，其输出可转换成电信号。可以测量力、力矩、压力以及温度等等。第二节 机械式检测元件弹性元件的基本性能弹性特性弹性元件的输入量与由它引起的输出量之间的关系。主要包括：灵敏度：单位作用力所引起的弹性元件的变形。刚度：弹性元件产生单位变形所需要的外加作用力。第二节 机械式检测元件滞弹性效应滞弹性效应 材料在弹性变化范围内同时伴有微塑性变形，使应力和应变不遵循虎克定律而产生非线性的现象。弹性滞后：弹性元件在加载或卸载的正反行程中应力或应变曲线不重合的现象。第二节 机械式检测元件滞弹性效应滞弹性效应弹性后效弹性后效：也称蠕变。在弹性变形范围内，应变由应力决定，而且随施加应力的时间有关。在应力保持不变后，应变随时间的延续而缓慢增加，直至最后达到平衡应变值。应力松弛应力松弛：材料在高温下工作，受应力的作用而产生应变。当其总的应变量在恒定情况下，材料内部应力随时间的延续而逐渐降低的现象称应力松弛。第二节 机械式检测元件弹性元件的热弹性效应 当工作温度发生变化时，弹性元件的几何尺寸和材料的弹性模量也会随之变化，引起温度误差。当工作温度发生变化时，弹性元件的几何尺寸和材料的弹性模量也会随之变化，引起温度误差。弹性模量的温度系数频率温度系数 线膨胀系数 第二节 机械式检测元件弹性元件的固有频率 弹性元件的质量、弹性、弹性后效共同决定了其固有频率。弹性元件的动态特性与它的固有频率是密切相关的。固有频率越高则弹性元件响应越快。第二节 机械式检测元件弹性元件的材料及种类弹性元件的材料 马氏体弥散硬化不锈钢 NI基弥散硬化恒弹性合金 NB恒弹性合金 铍青铜 石英晶体 半导体硅材料陶瓷材料 第二节 机械式检测元件弹性元件的种类 弹簧管 结构原理图弹簧管压力表螺旋弹簧管、盘簧管第二节 机械式检测元件薄壁圆筒 薄壁圆筒受力示意图 第二节 机械式检测元件波纹管 波纹管双波纹管压力表波纹管示意图 第二节 机械式检测元件膜片 金属膜片膜盒压力表膜片压力表第二节 机械式检测元件二、其他机械式检测元件其他机械式检测元件 振动式振动检测元件是较为新型的机械式检测元件，它将被测量（如力、压力、密度等）的变化转换为谐振元件的固有频率的变化，利用谐振技术完成参数的检测.目前较为常用的有振弦式、振筒式 第二节 机械式检测元件振弦式数字压力表振弦式数字压力表振弦式土压计振弦式土压计振筒式气压振筒式气压传感器传感器第二节 机械式检测元件振弦式检测元件振弦式检测元件 第二节 机械式检测元件振弦式检测元件 第二节 机械式检测元件振筒式检测元件第二节 机械式检测元件结构特点：大致分五个部分 1 振动圆筒振动圆筒 为传感器的敏感元件，通和常为是只壁厚仅为0.08mm左右的薄壁圆筒。改变筒壁的厚度，可以获得不同的测压范围。圆筒材料必须是能够构成闭环磁路的磁性材料，应具有很底的弹性温度系数。2 激振线圈激振线圈 3 拾振线圈拾振线圈 激振线圈和拾振线圈在筒内相隔一定距离成十字交叉排列，以防止或尽量减少两只线圈的耦合作用。4 基座基座 基座上安装有振动筒和线圈组件，并有通入被测压力的进气孔。5 屏蔽与外壳屏蔽与外壳 避免外界电磁场的干扰，要加屏蔽，有时外壳也可代替屏蔽。第二节 机械式检测元件第二节 机械式检测元件振筒式密度传感器在这种传感器中，筒内靠近筒壁的介质（如气体）和筒一起组成有效振动质量。当介质密度发生变化时,有效振动质量也发生变化,从而使筒振动的固有频率发生变化。在测量电路中对所测信号的非线性进行校正后，可使测量精度达0.01%。振筒是采用低温度系数的铁镍合金材料，经冷挤压和热处理等特殊工艺加工制成的薄壁管，它的两端用固定块固定。激振器、振筒、拾振器和放大振荡电路构成一个反馈振荡系统（图1）。工作时,给用磁铁线圈构成的激振器通以交变电流，磁性振筒在交变磁场的激励下起振，而拾振器则完成相反的电磁感应过程，将筒的振动信号反馈到振荡电路去。由于振筒具有高品质因数，整个振荡系统以振筒的固有频率振动。当被测介质流过振筒内时,振筒的有效振动质量增加,使振动频率发生变化，测量电路就可取出与介质密度成一定关系的频率信号。振动频率 f与被测介质密度 的关系为：式中f0为筒内处于真空状态时筒的固有振动频率；0为与振筒的截面积、内腔截面和材料密度有关的常数。为改善固定块随筒一起振动而产生的频率不稳定性，常采用双筒式结构，使双筒的振动频率相同而振动方向相反。这种结构不会引起固定块振动，从而提高了振动频率的稳定性。 原理：原理：基于核辐射粒子的电离作用、穿透能力、物体吸基于核辐射粒子的电离作用、穿透能力、物体吸收、散射、反射等物理性质。收、散射、反射等物理性质。应用：应用：测量物质的密度、厚度；分析气体成分；探测物测量物质的密度、厚度；分析气体成分；探测物体内部结构。体内部结构。定义：定义：将入射核辐射（粒子）的全部或部分能量转化将入射核辐射（粒子）的全部或部分能量转化为可观测的信号（如电流、电压信号）的装置。为可观测的信号（如电流、电压信号）的装置。第十节 核辐射式检测元件第十节 核辐射式检测元件n优点优点：非接触式测量，适合于腐蚀、高温、剧毒、爆炸性等恶劣环境n核辐射式检测元件的组成：n放射源n检测器及转换电路 基本术语基本术语同位素：同位素：具有相同的核电荷数而有不同的质子数具有相同的核电荷数而有不同的质子数的原子所构成的元素。的原子所构成的元素。核核辐辐射射：假假设设某某种种同同位位素素的的原原子子核核在在没没有有外外力力作作用用下下，自自动动发发生生衰衰变变，衰衰变变中中释释放放出出射射线线、射射线线、射射线线、X X射射线线等等，这这种种现现象象称称为为核核辐辐射射。而而放放出出射线的同位素称为放射性同位素，又称放射源。射线的同位素称为放射性同位素，又称放射源。衰变：衰变：某种物质，在没有任何外界作用时，原子核某种物质，在没有任何外界作用时，原子核向外辐射出某种射线而变成另外一种元素。向外辐射出某种射线而变成另外一种元素。核辐射的种类：核辐射的种类：，和中子辐射 常用的放射性同位素n钴(C060)：和x射线 n锶(Sr90)：粒子 n铯(CS134)：粒子及射线 1.1.射线射线核辐射的种类核辐射的种类质量质量为为4.002 775u(4.002 775u(原子质量单位原子质量单位)；带有带有正电荷正电荷，即，即氦原子核氦原子核；具有具有4 49MeV9MeV的能量；的能量；平均寿命为几微秒到平均寿命为几微秒到10101010年；年；从核内射出从核内射出速度为速度为20km/s20km/s；射程长度在空气中为射程长度在空气中为几厘米到十几厘米几厘米到十几厘米。衰变衰变 2.2.射线射线 质量质量为为0.000 549 u0.000 549 u；带有带有一个单位的电荷一个单位的电荷；能量一般小于能量一般小于2 2兆电子伏特；兆电子伏特；运运动动速速度度较较粒粒子子高高很很多多，约约200200km/skm/s；在气体中的射程可达在气体中的射程可达20m20m。-衰变衰变+衰变衰变核辐射的种类核辐射的种类 3.3.射线射线4.X4.X射线射线 原子核外的内层电子被激发射出来的电磁波能量。原子核外的内层电子被激发射出来的电磁波能量。原原子子核核从从不不稳稳定定的的高高能能激激发发态态跃跃迁迁到到稳稳定定的的基基态态或或较较稳稳定定的的低低能能态态，并并且且不不改改变变其其组组成成过过程程称称为为衰衰变变（或称（或称跃迁），发生跃迁），发生跃迁时所放射出的射线称跃迁时所放射出的射线称射线或射线或光子，是光子，是以光以光速运动的光子流，不带电。速运动的光子流，不带电。衰变衰变核辐射的种类核辐射的种类粒子的性质 带电量带电量质量质量速度速度电离电离能力能力贯穿贯穿能力能力粒子粒子 2e2e4u4u20km/s20km/s很强很强 很弱很弱粒子粒子 -e-e0.00055u0.00055u200km/s200km/s较弱较弱 较强较强射线射线 0 00 0光速光速极弱极弱 极强极强放射源的强度衰减特性衰变规律：放射源的辐射强度随时间按指数定律而衰减，即I0：开始时的放射源强度；I：经过时间t后放射源强度；为放射性衰变常数，与外界条件无关；半衰期：半衰期：指放射性同位素的原子核数衰变到一半所需要的时间，指放射性同位素的原子核数衰变到一半所需要的时间，又称为放射性同位素的寿命。又称为放射性同位素的寿命。射线与物质的作用n带电粒子和物质的作用n射线和物质的作用带电粒子和物质的作用n电离电离：当入射粒子靠近原子时和物质中的原子发生静电作用，使原子中的束缚电子产生加速运动而变为自由电子。n激发激发：若入射粒子距原子远，束缚电子所获得的能量还不够使它逃逸出来时，则原子核由低能级跃迁到高能级而处于激发状态。n散射散射：带电粒子穿过物质因受原子核的电场作用而改变运动方向称为散射。射线射线与与被测物质被测物质的相互作用的相互作用激发激发电离电离散射散射吸收吸收吸收n当射线穿过物质时，会发生电离、激发和散射等现象，其结果就表现为对射线的吸收。n当一平行射线穿过物质层时，其强度衰减规律可表示为n式中I I为穿过厚度为x x的物质后的辐射强度；I0为射入物质前的辐射强度；为物质的吸收系数；为物质的密度。射线和物质的作用n光电效应光电效应：光子穿过物质时和物质中的原子发生碰撞，把自己的能量交给原子核外的一个电子使其成为自由电子，而光子本身被吸收。n康普顿效应：康普顿效应：随着入射光子能量的增加，入射光子和物质中的电子发生弹性碰撞，光子偏离它原来的运动方向，失去一部分能量，然后将能量转移给了电子。使电子从原子内部冲出来。n电子对的生成：电子对的生成：当光子的能量大于所形成的电子对的静止能量，就在物质中转化成一个正电子和一个负电子，而光子则消失 射线通过物质时强度衰减n 为物质对射线的吸收系数。n吸收系数随吸收物质的材料和射线的能量而改变，它是三种效应的综合结果n n式中为 光电吸收系数；为康普顿吸收系数；为电子对生成吸收系数。核辐射检测器探测器将核辐射信号转换成电信号，检测射线强度的变化，实现被测参数的检测。探测器按照探测介质类型分为：n气体探测器n闪烁探测器n半导体探测器气体探测器电离曲线n段是复合区，电流与电压成正比；n段是电流饱和区，其值取决于电离作用所产生的电子离子对数目，即与射线的强度有关（工作区工作区）；n段是正比区，电子能量很大使气体进一步电离NM*N0，M随电压增大；n段是自放电区。电离曲线正比计数器工作原理正比计数器工作原理使气体原子电离初级射线高压1.1.电流电离室电流电离室 1收集电极收集电极2高压电极高压电极3保护电极保护电极4绝缘层绝缘层射线的多电极电离室1、2端子；3、4圆柱电极；5、6圆柱电极 2.2.盖革盖革-弥勒计数管弥勒计数管v盖格计数管也称气体放电计数器。一个密封玻璃管，中间是阳极用钨丝材料制作，玻璃管内壁涂一层导电物质或是一个金属圆管作阴极，内部抽真空充惰性气体（氖、氦）、卤族气体。射线入射使产生比正比计数管激烈的气体放大，在射线入射使产生比正比计数管激烈的气体放大，在管内产生大量的电子正离子对，这些电子正离子对在计管内产生大量的电子正离子对，这些电子正离子对在计数管两极间电场的作用下，分别向正负两极运动。数管两极间电场的作用下，分别向正负两极运动。在盖革在盖革-弥勒计数管中，阴极和阳极间施加比计数管弥勒计数管中，阴极和阳极间施加比计数管高的电压。一般是几百至一千多伏的高压。这样就在两高的电压。一般是几百至一千多伏的高压。这样就在两极板间产生一个柱对称电场，越靠近阳极，电场越强。极板间产生一个柱对称电场，越靠近阳极，电场越强。2.2.盖革盖革-弥勒计数管弥勒计数管 电子在电场作用下加速向阳极运动，并在很短时间内电子在电场作用下加速向阳极运动，并在很短时间内获得很大动能，这些电子又会与气体分子碰撞引起气体获得很大动能，这些电子又会与气体分子碰撞引起气体分子的电离，产生新的电子正离子对，使电子繁殖。电分子的电离，产生新的电子正离子对，使电子繁殖。电子的这种链式繁殖会很快地相继发展，从而引起电子在子的这种链式繁殖会很快地相继发展，从而引起电子在阳极附近的极小区域内产生爆发性增殖称为阳极附近的极小区域内产生爆发性增殖称为电子雪崩电子雪崩。2.2.盖革盖革-弥勒计数管弥勒计数管雪崩：雪崩：被加速的原电离电子在电离碰撞中逐次倍增形成电子雪崩；被加速的原电离电子在电离碰撞中逐次倍增形成电子雪崩；除除次级电离次级电离外，能引起雪崩的其他因素包括：外，能引起雪崩的其他因素包括：光子的作用：光子的作用：雪崩形成大量的电离和大量的激发，伴随着雪崩过程，雪崩形成大量的电离和大量的激发，伴随着雪崩过程，退激产生大退激产生大量的光子量的光子。光子与气体和器壁作用，打出光子与气体和器壁作用，打出光电子光电子，光电子又可以引起新的雪崩。，光电子又可以引起新的雪崩。二次电子发射：二次电子发射：雪崩区产生的正离子到达器壁，可能在器壁上打出雪崩区产生的正离子到达器壁，可能在器壁上打出二次电子二次电子。二次。二次电子又可以引起新的雪崩。电子又可以引起新的雪崩。2.2.盖革盖革-弥勒计数管弥勒计数管 经过多次雪崩后，在阳极丝附近产生大量的离子对，经过多次雪崩后，在阳极丝附近产生大量的离子对，由于电子漂移速度很快，很快地被收集，由于电子漂移速度很快，很快地被收集，于是在中央于是在中央丝极周围形成一层正离子，称为正离子鞘。正离子鞘的丝极周围形成一层正离子，称为正离子鞘。正离子鞘的形成使阳极附近的电场变弱，直到不再能产生离子的增形成使阳极附近的电场变弱，直到不再能产生离子的增殖，此时原始电离的放大过程就停止。殖，此时原始电离的放大过程就停止。2.2.盖革盖革-弥勒计数管弥勒计数管 放大过程停止后，在电场作用下，正放大过程停止后，在电场作用下，正离子鞘向阴极移动，给出一个与正离子鞘的离子鞘向阴极移动，给出一个与正离子鞘的总电荷有关，而与原始电离无关的脉冲输出。总电荷有关，而与原始电离无关的脉冲输出。注意：在第一次放大过程停止以及电压注意：在第一次放大过程停止以及电压脉冲出现后，脉冲出现后，计数管并不回到原始的状态。计数管并不回到原始的状态。2.2.盖革盖革-弥勒计数管弥勒计数管 注意：在第一次放大过程停止以及电压脉冲出现后，注意：在第一次放大过程停止以及电压脉冲出现后，计数管并不回到原始的状态。计数管并不回到原始的状态。随着正离子鞘向阴极移动，阳极附近的电场逐渐恢复，随着正离子鞘向阴极移动，阳极附近的电场逐渐恢复，正离子达到阴极时，具有一定的动能，能从阴极打出电正离子达到阴极时，具有一定的动能，能从阴极打出电子，电子又在高电场作用下产生新的链式雪崩，从而又子，电子又在高电场作用下产生新的链式雪崩，从而又会输出一个脉冲。会输出一个脉冲。！从而出现一个入射粒子产生一连串的脉冲信号，！从而出现一个入射粒子产生一连串的脉冲信号，不能起到计数的作用。不能起到计数的作用。克克服服这这个个问问题题必必须须采采取取特特殊殊的的方方法法使使放放电电猝猝灭灭。猝猝灭灭放电的方法有两种：放电的方法有两种：一一种种方方法法是是采采用用猝猝灭灭电电路路，用用来来降降低低中中央央丝丝极极的的电电压压，使其降低到发生碰撞电离所需电压以下；使其降低到发生碰撞电离所需电压以下；另一种方法是在计数管中放入少量猝灭性气体。另一种方法是在计数管中放入少量猝灭性气体。这这种种自自猝猝灭灭型型计计数数管管又又可可分分为为两两种种：一一种种是是充充惰惰性性气气体体和和少少量量酒酒精精、乙乙醚醚或或石石油油醚醚的的蒸蒸气气，称称为为有有机机管管；另一种是管内充惰性气体和卤素气体，另一种是管内充惰性气体和卤素气体，称为卤素管。称为卤素管。2.2.盖革盖革-弥勒计数管弥勒计数管 3.3.闪烁计数器闪烁计数器 物物质质受受放放射射线线的的作作用用而而被被激激发发，在在由由激激发发态态跃跃迁迁到到基基态态的的过过程程中中，发发射射出出脉脉冲冲状状的的光光的的现现象象称称为为闪闪烁烁现现象象。能能产产生生这这样样发发光光现现象象的的物物质质称称为为闪闪烁烁体体。闪闪烁烁计计数数器器先先将将辐辐射射能能变变为为光光能能，然然后后再再将将光光能能变变为为电电能能而进行探测，它由闪烁体和光电倍增管两部分组成。而进行探测，它由闪烁体和光电倍增管两部分组成。3.闪烁计数器 当闪烁体受到辐射时闪烁体的原子受激发光，光透过闪烁体射到光电倍增管的阴极上激发出电子，在光电倍增管中倍增，在阳极上形成电流。半导体探测器半导体探测器 荷电粒子一入射到固体中就与固体中的电子产生相荷电粒子一入射到固体中就与固体中的电子产生相互作用并失去能量而停止。入射到半导体中的荷电粒子互作用并失去能量而停止。入射到半导体中的荷电粒子在此过程产生电子和空穴对。而在此过程产生电子和空穴对。而X X射线或射线或射线由于光射线由于光电效应、康普顿散射、电子对生成等而产生二次电子，电效应、康普顿散射、电子对生成等而产生二次电子，此高速的二次电子经过与荷电粒子的情况相同的过程而此高速的二次电子经过与荷电粒子的情况相同的过程而产生电子和空穴。若取出这些生成的电荷，可以将放射产生电子和空穴。若取出这些生成的电荷，可以将放射线变为电信号。线变为电信号。主要使用的是主要使用的是SiSi和和GeGe，对，对GaAsGaAs、CdTeCdTe等材料。等材料。开开发的半导体传感器有发的半导体传感器有PNPN结型传感器、结型传感器、表面势垒型传感表面势垒型传感器、锂漂移型传感器、非晶硅传感器等。器、锂漂移型传感器、非晶硅传感器等。射线可实现气体分析，如气体压力、流量测量；射线可实现气体分析，如气体压力、流量测量；射线可进行带材厚度、密度检测；射线可进行带材厚度、密度检测；射线可探测材料缺陷、位置、密度与厚度测量。射线可探测材料缺陷、位置、密度与厚度测量。核辐射传感器的应用核辐射传感器的应用（1）测厚 透射式测厚透射式测厚常用闪烁探测器，闪烁探测器记录穿透物体的射线的强度，其输出电流与辐射强度成正比。在辐射穿过物质时，由于物体吸收作用损失部分强度，强度按指数规律变化：透透射射式式厚厚度度计计1.1.核辐射厚度计核辐射厚度计（2）物位测量 利用介质对射线的吸收作用，不同介质对射线的吸收能力不同，固体吸收能力最强，液体居中，气体最弱。辐射源与被测介质一定，被测介质高度H与穿过被测介质的射线强度I成正比关系。辐射式物位计辐射式物位计(射线射线)图图 (a)(a)定定点点测测量量:将将射射线线源源I0I0与与探探测测器器安安装装在在同同一一平平面面上上，由由于于气气体体对对射射线线的的吸吸收收能能力力远远比比液液体体或或固固体体弱弱，因因而而当当物物位位超超过过和和低低于于此此平平面面时时，探探测测器器接接收收到到的的射射线线强强度度发发生生急急剧剧变变化化。可可见见，这这种种方方法法不不能能进进行行物物位位的的连连续续测测量。量。图图 (b)(b)将将射射线线源源和和探探测测器器分分别别安安装装在在容容器器的的下下部部和和上上部部，射射线线穿穿过过容容器器中中的的被被测测介介质质和和介介质质上上方方的的气气体体后后到到达达探探测测器器。显显然然，探探测测器器接接收收到到的的射射线线强强弱弱与与物物位位的的高高度度有有关关。这这种种方方法法可可对对物物位位进进行行连连续续测测量量，但但是是测测量量 范范 围围 比比 较较 窄窄(一一 般般 为为300500 300500 mm)mm)，测测量量准准确确度度较低。较低。辐射式物位计辐射式物位计(射线射线)（3）流量计（气体）在气流管中装两个电极（电极电位不同）放射源S的射线使气体电离，工作状态相当于一个电离室。当被测气体被电离时，离子被带出电离室，室内电流减小，气体流速增加带出的离子增多电离室电流进一步减小，由电流的变化检测气流流速和流量。放射源电极电极气流EA（4）探伤 探测器与放射源放在管道内，沿焊接缝同步探测器与放射源放在管道内，沿焊接缝同步移动，当焊缝存在问题时，穿透管道的移动，当焊缝存在问题时，穿透管道的射线会射线会产生突变，正常时输出曲线趋于直线。产生突变，正常时输出曲线趋于直线。第三节 电阻式检测元件n基本原理基本原理 将将被测物理量的变化被测物理量的变化转换成转换成电阻值的变化电阻值的变化n可以测量位移、形变、加速度、力、力矩、压力、可以测量位移、形变、加速度、力、力矩、压力、温度等。温度等。n常见的电阻检测元件：常见的电阻检测元件：电阻应变片、热电阻、湿敏电阻和气敏电阻等电阻应变片、热电阻、湿敏电阻和气敏电阻等第三节 电阻式检测元件一、应变式检测元件应变式检测元件 电阻应变片：是将作用在检测件上的电阻应变片：是将作用在检测件上的应变变化应变变化转换转换成成电阻变化电阻变化的敏感元件。的敏感元件。n电阻应变片根据材料不同分：金属应变片和半导体应电阻应变片根据材料不同分：金属应变片和半导体应变片。变片。n按工作温度分：常温、中温、高温和低温应变片。按工作温度分：常温、中温、高温和低温应变片。第三节 电阻式检测元件n电阻应变片电阻应变片优点优点：1.测量范围宽、准确度高；测量范围宽、准确度高；2.测量响应速度快；测量响应速度快；3.使用寿命长、性能稳定可靠；使用寿命长、性能稳定可靠；4.价格便宜、品种多；价格便宜、品种多；5.可在高低温、高速、高压、强振动、强磁场、核辐射和化可在高低温、高速、高压、强振动、强磁场、核辐射和化学腐蚀性强等恶劣环境下工作。学腐蚀性强等恶劣环境下工作。n缺点缺点：输出信号微弱，抗干扰能力弱，使用时需采取屏蔽措施；输出信号微弱，抗干扰能力弱，使用时需采取屏蔽措施；易受温度等环境因素影响。在大应变状态下非线性明显。易受温度等环境因素影响。在大应变状态下非线性明显。电阻应变片工作原理：电阻应变片工作原理：应变效应应变效应即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形受机械变形(伸长或缩短伸长或缩短)的变化而发生变化现象。的变化而发生变化现象。第三节 电阻式检测元件工作原理工作原理上述任何一个参数变换均会引起电阻变化上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数求导数金属应变片的电阻金属应变片的电阻R R为：为：代入代入第三节 电阻式检测元件有：有：金属丝：金属丝：金属丝体积不变：金属丝体积不变：第三节 电阻式检测元件有：有：金属应变片：金属应变片：第三节 电阻式检测元件应变计金属应变片：一般有丝式、箔式和薄膜式金属应变片：一般有丝式、箔式和薄膜式第三节 电阻式检测元件丝式应变片丝式应变片根据基底材料不同分根据基底材料不同分为纸基、胶基、纸浸胶基和金为纸基、胶基、纸浸胶基和金属基等。敏感栅由金属丝绕制属基等。敏感栅由金属丝绕制而成。丝式应变片的电阻丝直而成。丝式应变片的电阻丝直径为径为0.015mm0.05mm，常用，常用的为的为0.025mm。基底很薄，一。基底很薄，一般在般在0.02mm0.04mm，保证有，保证有效地传递变形。制作简单、性效地传递变形。制作简单、性能稳定、价格便宜等，但是横能稳定、价格便宜等，但是横向效应大、散热性差。向效应大、散热性差。应变计金属应变片：一般有丝式、箔式和薄膜式金属应变片：一般有丝式、箔式和薄膜式第三节 电阻式检测元件箔式应变片：箔式应变片：利用照相制版或光刻腐蚀法，将电阻箔材在绝缘基利用照相制版或光刻腐蚀法，将电阻箔材在绝缘基底上制成各种敏感栅图案形成的应变片。其箔栅厚度在底上制成各种敏感栅图案形成的应变片。其箔栅厚度在0.0030.01mm之间。之间。金属箔式应变片工作原理与金属丝式应变片完全相同，只是其敏感栅由很薄的金属箔式应变片工作原理与金属丝式应变片完全相同，只是其敏感栅由很薄的金属箔片制成，采用了金属箔片制成，采用了光刻、腐蚀光刻、腐蚀等工序，其基底为胶底，有更多优点：等工序，其基底为胶底，有更多优点：1.工艺保证线栅尺寸正确、线条均匀，大批量生产时，阻值离散程度小；工艺保证线栅尺寸正确、线条均匀，大批量生产时，阻值离散程度小；2.可根据需要制成任意形状的箔式应变片，尺寸下很小，如微型小基长（如基可根据需要制成任意形状的箔式应变片，尺寸下很小，如微型小基长（如基长为长为0.1mm）的应变片；）的应变片；3.敏感栅截面积为矩形，表面积大敏感栅截面积为矩形，表面积大，散热性好，在相同截面情况下能允许通过，散热性好，在相同截面情况下能允许通过较大的电流，提高灵敏度；较大的电流，提高灵敏度；4.厚度薄，具有较好的可挠性，其扁平状箔栅（与粘合层）有利于形变的传递；厚度薄，具有较好的可挠性，其扁平状箔栅（与粘合层）有利于形变的传递；5.疲劳寿命长，蠕变小，机械滞后小；疲劳寿命长，蠕变小，机械滞后小；6.箔式应变片的横向部分特别粗，可大大减小横向效应。箔式应变片的横向部分特别粗，可大大减小横向效应。7.便于批量生产，生产效率高，成本低。便于批量生产，生产效率高，成本低。应变计第三节 电阻式检测元件金属应变片：一般有丝式、箔式和薄膜式金属应变片：一般有丝式、箔式和薄膜式采用采用真空溅射或真空沉积真空溅射或真空沉积等镀膜技术制成的。将产生应变的金属或合等镀膜技术制成的。将产生应变的金属或合金直接沉积在弹性元件上而不用粘合剂。制成各种各样的敏感栅薄膜金直接沉积在弹性元件上而不用粘合剂。制成各种各样的敏感栅薄膜（薄膜厚度在零点几纳米到几百纳米），再加上保护层形成应变片。（薄膜厚度在零点几纳米到几百纳米），再加上保护层形成应变片。优点：优点：滞后和蠕变很小；灵敏度高，易实现工业化生产；工作温度范滞后和蠕变很小；灵敏度高，易实现工业化生产；工作温度范围广，围广，-197+317，也可用于核辐射等特殊情况；可以直接制作在，也可用于核辐射等特殊情况；可以直接制作在弹性敏感元件上，形成测量元件或者传感器，免去了应变片的粘贴工弹性敏感元件上，形成测量元件或者传感器，免去了应变片的粘贴工艺过程。是一种很有前途的新型应变片，适合于制作高内阻、小型化、艺过程。是一种很有前途的新型应变片，适合于制作高内阻、小型化、高精度和高稳定性的力敏器件。高精度和高稳定性的力敏器件。半导体应变片半导体应变片简化为：简化为：优点：灵敏度大优点：灵敏度大;体积小体积小;缺点：缺点：温度稳定性和可重复性温度稳定性和可重复性不如金属应变片。不如金属应变片。第三节 电阻式检测元件对半导体材料，前面两项影响很小可视为不变对半导体材料，前面两项影响很小可视为不变：第三节电阻式检测元件n半导体应变片半导体应变片 半导体应变片应用较普遍的有体型、薄膜型、扩散半导体应变片应用较普遍的有体型、薄膜型、扩散型和外延型等。型和外延型等。扩散硅压力传感器结构图半导体应变片半导体应变片第三节 电阻式检测元件体型半导体体型半导体应变片是将晶片按一定取向切片、研磨、再切应变片是将晶片按一定取向切片、研磨、再切割成细条，粘贴于基片上制作而成。割成细条，粘贴于基片上制作而成。薄膜型半导体薄膜型半导体应变片是利益能够真空沉积技术将半导体材应变片是利益能够真空沉积技术将半导体材料沉积于绝缘体或蓝宝石基片上制成。料沉积于绝缘体或蓝宝石基片上制成。扩散型半导体扩散型半导体应变片是将应变片是将P型杂质扩散到高阻的型杂质扩散到高阻的N型硅片上，型硅片上，形成一层极薄的敏感层制成。形成一层极薄的敏感层制成。外延型半导体外延型半导体应变片是在多晶硅或蓝宝石基片上外延一层应变片是在多晶硅或蓝宝石基片上外延一层单晶硅制成。单晶硅制成。半导体应变片与金属丝应变片和箔式应变片相比较，半导体应变片与金属丝应变片和箔式应变片相比较，第三节 电阻式检测元件优点优点：1.灵敏系数高。比金属应变片的灵敏度系数大灵敏系数高。比金属应变片的灵敏度系数大50100倍。解决倍。解决了处理微弱小信号的困难，大大简化了线路。工作时不必用放大器就了处理微弱小信号的困难，大大简化了线路。工作时不必用放大器就可用电压表或者示波器等简单仪器记录测量结果。可用电压表或者示波器等简单仪器记录测量结果。2.体积小，耗电量体积小，耗电量少。少。3.机械滞后小，动态特性好。机械滞后小，动态特性好。缺点缺点：半导体应变片的电阻温度系数大（温度稳定性差），测量较大半导体应变片的电阻温度系数大（温度稳定性差），测量较大应变时非线性严重，灵敏度分散性大。但是半导体集成电路工艺发展应变时非线性严重，灵敏度分散性大。但是半导体集成电路工艺发展迅速，扩散型、外延型和薄膜型，使其缺陷得到一定改善。例如迅速，扩散型、外延型和薄膜型，使其缺陷得到一定改善。例如扩散扩散型半导体应变片型半导体应变片是在感压硅膜上采用集成工艺扩散技术形成力敏电阻，是在感压硅膜上采用集成工艺扩散技术形成力敏电阻，将膜片和力敏电阻做成一体，不需要粘贴，精度高，容易实现小型化，将膜片和力敏电阻做成一体，不需要粘贴，精度高，容易实现小型化，抗振和耐冲击能力强，是国外目前应用最普遍的一种类型。抗振和耐冲击能力强，是国外目前应用最普遍的一种类型。电阻应变式传感器的应用：测力电阻应变式传感器的应用：测力第三节电阻式检测元件标准产品标准产品第三节电阻式检测元件案例：案例：桥梁固有频率测量桥梁固有频率测量第三节电阻式检测元件案例：案例：电子称电子称原理原理将物品重量通过悬臂梁转化结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构变形再通过应变片转化为电量输出。量输出。第三节电阻式检测元件案例：冲床生产记数案例：冲床生产记数 和生产过程监测和生产过程监测第三节电阻式检测元件案例：机器人握力测量案例：机器人握力测量第三节电阻式检测元件案例：案例：振动式地音入侵探测器振动式地音入侵探测器 适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。洞、爆破等破坏行为均可及时发现。第三节电阻式检测元件第三节电阻式检测元件第三节电阻式检测元件n应变片的主要特性应变片的主要特性n应变片的电阻值应变片的电阻值 应变片在没有受到应力和产生变形前，应变片在没有受到应力和产生变形前，在室温下测定的电阻值称为初始电阻值。在室温下测定的电阻值称为初始电阻值。n灵敏系数灵敏系数 n绝缘电阻绝缘电阻 绝缘电阻是指已安装的应变计的敏感栅和引线与被测构件绝缘电阻是指已安装的应变计的敏感栅和引线与被测构件之间的电阻值。之间的电阻值。第三节电阻式检测元件n横向效应横向效应 直的线材绕成敏感栅后，即使总长度相同，应变状态一样，直的线材绕成敏感栅后，即使总长度相同，应变状态一样，应变敏感栅的电阻变化仍要小一些，从而导致灵敏系数应变敏感栅的电阻变化仍要小一些，从而导致灵敏系数 的的改变，这种现象称为横向效应改变，这种现象称为横向效应。n机械滞后机械滞后 应变片贴在试件上后，在一定温度下，进行循环的加载和卸应变片贴在试件上后，在一定温度下，进行循环的加载和卸载，加载和卸载时的输入载，加载和卸载时的输入-输出特性曲线不重合的现象称机械输出特性曲线不重合的现象称机械滞后滞后。第三节电阻式检测元件n零漂和蠕变零漂和蠕变 n粘贴在试件上的应变片，在恒定温度下，不承受机械应变粘贴在试件上的应变片，在恒定温度下，不承受机械应变时指示应变值随时间变化的特性称为应变片的零漂时指示应变值随时间变化的特性称为应变片的零漂 n在恒定温度下，使应变片承受一恒定的机械应变，指示应在恒定温度下，使应变片承受一恒定的机械应变，指示应变值随时间变化的特性称应变片的蠕变变值随时间变化的特性称应变片的蠕变 n允许电流允许电流 允许电流是指应变片不因电流产生的热量而影响测量准确度允许电流是指应变片不因电流产生的热量而影响测量准确度所允许通过的最大电流所允许通过的最大电流 第三节电阻式检测元件n应变极限应变极限 应变片的应变极限是指在规定的使用条件下，指示应变与应变片的应变极限是指在规定的使用条件下，指示应变与真实应变的相对误差不超过规定值真实应变的相对误差不超过规定值 （一般为（一般为10%10%）时的最）时的最大真实应变值大真实应变值第三节电阻式检测元件二、热电阻式检测元件热电阻式检测元件n原理：热电阻效应，物质的电阻率随温度变化。原理：热电阻效应，物质的电阻率随温度变化。n热电阻式检测元件分为两大类，一是金属热电阻，二是半导热电阻式检测元件分为两大类，一是金属热电阻，二是半导体热敏电阻体热敏电阻 n金属热电阻大多具有正温度系数；半导体热敏电阻大多为负金属热电阻大多具有正温度系数；半导体热敏电阻大多为负温度系数。温度系数。一、金属热电阻一、金属热电阻金属热电阻丝材料一般应满足如下要求：金属热电阻丝材料一般应满足如下要求：电阻温度系数要大，以便提高热电阻的灵敏度。电阻温度系数要大，以便提高热电阻的灵敏度。电阻率尽可能大，以便在相同灵敏度下减少热电阻体尺寸。电阻率尽可能大，以便在相同灵敏度下减少热电阻体尺寸。在整个测量温度范围内，物理化学性能稳定。在整个测量温度范围内，物理化学性能稳定。应有良好的可加工性、复现性好、价格便宜等。应有良好的可加工性、复现性好、价格便宜等。目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。第三节电阻式检测元件第三节电阻式检测元件n金属热电阻金属热电阻 金属热电阻需考虑问题nR0（t0的R）的大小综合考虑常用R050R0100n电阻丝的粗细综合考虑常用铂电阻d0.030.07mm铜电阻d0.1mm热电阻丝铂电阻分度表铂电阻分度表 第三节电阻式检测元件第三节电阻式检测元件n一般的金属的电阻值都随温度的升高而升高。但作为测一般的金属的电阻值都随温度的升高而升高。但作为测温的导体，应具有一定的条件，同时也要标准化。目前温的导体，应具有一定的条件，同时也要标准化。目前常用的金属热电阻有铂、铜常用的金属热电阻有铂、铜n铂电阻：铂电阻：n铜电阻：铜电阻：第三节电阻式检测元件n铂热电阻的特点铂热电阻的特点：精度高、稳定性好、性能可靠。因为铂在氧化性介质中，甚至在高温下物理化学性质都非常稳定。但在还原介质中，特别是在高温下容易被从氧化中还原出来的蒸汽沾污，使铂丝变脆，并改变其温度系数，所以采用铂热电阻测量温度的范围是有限的。一般为-200850 。n铜热电阻的优点：铜热电阻的优点：1）价格便宜；2）铜的电阻与温度几乎是线性的；3）电阻温度系数较大；n铜热电阻的缺点：铜热电阻的缺点：1）电阻率较小，体积较大；2）易氧化，使用环境要求高；3）测量温度范围小-50150 。第三节电阻式检测元件n金属热电阻特点：精度高。要注意金属热电阻特点：精度高。要注意自热误差和引线电阻自热误差和引线电阻的影响的影响n自热误差：自热误差：通电流有功耗，发热导致电阻值发生变化。通电流有功耗，发热导致电阻值发生变化。解决办法是限制电流，不超过解决办法是限制电流，不超过6mA;n引线电阻的影响：引线电阻的影响：热电阻本身电阻值较小，引线电阻不热电阻本身电阻值较小，引线电阻不能忽略。通常采用三线制或者四线制接法避免。能忽略。通常采用三线制或者四线制接法避免。热电阻传感器 热电阻传感器的组成热电阻传感器的组成由热电阻、连接导线及显示仪表组成由热电阻、连接导线及显示仪表组成第三节电阻式检测元件用用热热电电阻阻传传感感器器进进行行测测温温时时，测测量量电电路路经经常常采采用用电电桥桥电电路路。热热电电阻阻与与检检测测仪仪表表相相隔隔一一段段距距离离，因因此此热热电电阻阻的的引线对测量结果有较大的影响。引线对测量结果有较大的影响。热电阻内部引线方式有二线制、三线制和四线制三种。热电阻内部引线方式有二线制、三线制和四线制三种。第三节电阻式检测元件内部引线方式 第三节电阻式检测元件两线制n这种引线方式简单、费用低，但是引线电阻以及这种引线方式简单、费用低，但是引线电阻以及引线电阻的变化会带来附加误差。引线电阻的变化会带来附加误差。n两线制适于引线不长、测温精度要求较低的场合两线制适于引线不长、测温精度要求较低的场合。第三节电阻式检测元件三线制用于工业测量，一般精度第三节电阻式检测元件四线制实验室用，高精度测量第三节电阻式检测元件热敏电阻n热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度显著变化这一热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度显著变化这一特性制成的一种热敏元件，其特点是电阻率随温度而特性制成的一种热敏元件，其特点是电阻率随温度而显著变化显著变化。第三节电阻式检测元件热敏电阻热敏电阻n金属的电阻值随温度的升高而增大，半导体相反：它金属的电阻值随温度的升高而增大，半导体相反：它的阻值随温度的升高而急剧减小，并呈现非线性。一的阻值随温度的升高而急剧减小，并呈现非线性。一般来说，般来说，半导体比金属具有更大的电阻温度系数半导体比金属具有更大的电阻温度系数。在。在温度变化相同时，热敏电阻的阻值变化约为铂热电阻温度变化相同时，热敏电阻的阻值变化约为铂热电阻的的10倍，因此可用来测量倍，因此可用来测量0.01 或者更小的温度差异。或者更小的温度差异。n半导体的这种温度特性源于半导体的半导体的这种温度特性源于半导体的导电方式导电方式是载流是载流子（电子、空穴）导电，由于半导体中载流子的数目子（电子、空穴）导电，由于半导体中载流子的数目远比金属中的自由电子少的多，所以它的电阻率很大。远比金属中的自由电子少的多，所以它的电阻率很大。随着温度的升高，半导体中参加导电的载流子数目就随着温度的升高，半导体中参加导电的载流子数目就会增多，半导体电导率增加，它的电阻率也就降低。会增多，半导体电导率增加，它的电阻率也就降低。第三节电阻式检测元件热敏电阻的电阻温度特性热敏电阻的电阻温度特性nNTC热敏电阻：负温度系数。热敏电阻在不同值时的热敏电阻：负温度系数。热敏电阻在不同值时的电阻温度特性，温度越高，阻值越小，且有明显的电阻温度特性，温度越高，阻值越小，且有明显的非线性。非线性。NTC热敏电阻具有很高的负电阻温度系数，热敏电阻具有很高的负电阻温度系数，特别适用于：特别适用于：50300之间测温。之间测温。nPTC热敏电阻的阻值随温度升高而增大，且有斜率最热敏电阻的阻值随温度升高而增大，且有斜率最大的区域，当温度超过某一数值时，其电阻值朝正的大的区域，当温度超过某一数值时，其电阻值朝正的方向快速变化。其用途主要是彩电消磁、各种电器设方向快速变化。其用途主要是彩电消磁、各种电器设备的过热保护等。备的过热保护等。nCTR也具有负温度系数，但在某个温度范围内电阻值也具有负温度系数，但在某个温度范围内电阻值急剧下降，曲线斜率在此区段特别陡，灵敏度极高。急剧下降，曲线斜率在此区段特别陡，灵敏度极高。主要用作温度开关。主要用作温度开关。n各种热敏电阻的阻值在常温下很大，不必采用三线制各种热敏电阻的阻值在常温下很大，不必采用三线制或四线制接法，给使用带来方便。或四线制接法，给使用带来方便。第三节电阻式检测元件热敏电阻的电阻温度特性曲线第三节电阻式检测元件第三节电阻式检测元件工业热电阻铠装式热电阻辐射式温度计.第三节电阻式检测元件三、其它电阻式检测元件三、其它电阻式检测元件湿敏元件结构原理图湿敏电阻工作过程：湿敏电阻工作过程：水分子极易吸附于固水分子极易吸附于固体表面体表面渗透到固体渗透到固体内部内部半导体的电阻半导体的电阻值降低值降低第三节电阻式检测元件n湿敏电阻的特性湿敏电阻的阻值随湿度增加而减小，而且湿敏电阻的特性与温度有关，所以在使用中，要采用温度补偿措施湿敏电阻特性曲线第三节电阻式检测元件高分子湿敏电阻高分子湿敏电阻湿敏电阻第三节电阻式检测元件n气敏电阻气敏电阻是由某些半导体材料制成，它是利用半导体与特定气体接触时，其电阻值发生变化的效应进行测量的。第三节电阻式检测元件n醉驾手持数字酒精测试仪手持数字酒精测试仪呼气管呼气管家庭用液化气报警器家庭用液化气报警器一氧化碳检测仪一氧化碳检测仪