溫度測量與熱敏傳感器課件

1、學(xué)習(xí)目標(biāo)與任務(wù) 1.了解溫度測量的基本概念和方法； 2.了解熱電偶的工作原理與結(jié)構(gòu)類型； 3.掌握熱電偶的型號構(gòu)成及選用方法； 4.學(xué)會用其進行溫度測量； 5.了解常見熱電偶測溫系統(tǒng)的組成與功能；溫度測量與熱電偶傳感器第一節(jié) 溫度測量的基本概念 一、溫度測量的基本概念 溫度標(biāo)志著物質(zhì)內(nèi)部大量分子無規(guī)則運動的劇烈程度。溫度越高，表示物體內(nèi)部分子熱運動越劇烈。 模擬圖：在一個密閉的空間里，氣體分子在高溫時的運動速度比低溫時快！低溫高溫二、溫標(biāo) 1、溫度的數(shù)值表示方法稱為溫標(biāo)。它規(guī)定了溫度的讀數(shù)的起點（即零點）以及溫度的單位。各類溫度計的刻度均由溫標(biāo)確定。 2、國際上規(guī)定的溫標(biāo)有：攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)

2、、熱力學(xué)溫標(biāo)等。 第一節(jié) 溫度測量的基本概念 幾種溫標(biāo)的對比 正常體溫為37 C ，相當(dāng)于華氏溫度多少度？二、溫標(biāo) 第一節(jié) 溫度測量的基本概念 熱力學(xué)溫標(biāo)（K） 熱力學(xué)溫標(biāo)是建立在熱力學(xué)第二定律基礎(chǔ)上的最科學(xué)的溫標(biāo)，是由開爾文（Kelvin）根據(jù)熱力學(xué)定律提出來的，因此又稱開氏溫標(biāo)。它的符號是T，單位是開爾文（K） 。威廉湯姆遜開爾文勛爵像二、溫標(biāo) 第一節(jié) 溫度測量的基本概念 1990國際溫標(biāo)(ITS-90) 從1990年1月1日開始在全世界范圍內(nèi)采用1990年國際溫標(biāo)，簡稱ITS-90。它定義了一系列溫度的固定點，測量和重現(xiàn)這些固定點的標(biāo)準(zhǔn)儀器以及計算公式，例如水的三相點為273.16K（0

3、.01C）等。 二、溫標(biāo) 第一節(jié) 溫度測量的基本概念 按照用途可分為基準(zhǔn)溫度計和工業(yè)溫度計； 按照測量方法又可分為接觸式和非接觸式； 按工作原理又可分為膨脹式、電阻式、熱電式、輻射式等等； 按輸出方式分，有自發(fā)電型、非電測型等。 三、溫度測量及傳感器分類第一節(jié) 溫度測量的基本概念 介紹幾種溫度測量方法 示溫涂料（變色涂料）裝滿熱水后圖案變得清晰可辨三、溫度測量及傳感器分類第一節(jié) 溫度測量的基本概念 變色涂料在電腦內(nèi)部溫度中的示溫作用CPU散熱風(fēng)扇低溫時顯示藍色溫度升高后變?yōu)榧t色三、溫度測量及傳感器分類第一節(jié) 溫度測量的基本概念 不需要電源，耐用；但感溫部件體積較大。 氣體的體積與熱力學(xué)溫度成正

4、比 體積熱膨脹式 三、溫度測量及傳感器分類第一節(jié) 溫度測量的基本概念 紅外溫度計三、溫度測量及傳感器分類第一節(jié) 溫度測量的基本概念 熱電偶測溫的主要優(yōu)點:1、它屬于自發(fā)電型傳感器：測量時可以不需外加電源，可直接驅(qū)動動圈式儀表；2、測溫范圍廣：下限可達-270C ，上限可達2800C以上；3、各溫區(qū)中的熱電勢均符合國際計量委員會的標(biāo)準(zhǔn)。三、溫度測量及傳感器分類第一節(jié) 溫度測量的基本概念 熱電極A右端稱為：自由端（參考端、冷端） 第二節(jié) 熱電偶的工作原理 左端稱為：測量端（工作端、熱端） 熱電極B熱電勢AB先看一個實驗熱電偶工作原理演示結(jié)論： 當(dāng)兩個結(jié)點溫度不相同時，回路中將產(chǎn)生電動勢。一、熱電效

5、應(yīng) 1821年，德國物理學(xué)家賽貝克用兩種不同金屬組成閉合回路，并用酒精燈加熱其中一個接觸點（稱為結(jié)點），發(fā)現(xiàn)放在回路中的指南針發(fā)生偏轉(zhuǎn)（說明什么？），如果用兩盞酒精燈對兩個結(jié)點同時加熱，指南針的偏轉(zhuǎn)角反而減小（又說明什么？） 。 顯然，指南針的偏轉(zhuǎn)說明回路中有電動勢產(chǎn)生并有電流在回路中流動，電流的強弱與兩個結(jié)點的溫差有關(guān)。 從實驗到理論：熱電效應(yīng)第二節(jié) 熱電偶的工作原理 一、熱電效應(yīng) 自由電子ABeAB（ T ）T結(jié)點產(chǎn)生熱電勢的微觀解釋及圖形符號 兩種不同的金屬互相接觸時，由于不同金屬內(nèi)自由電子的密度不同，在兩金屬A和B的接觸點處會發(fā)生自由電子的擴散現(xiàn)象。自由電子將從密度大的金屬A擴散到密度

6、小的金屬B，使A失去電子帶正電，B得到電子帶負(fù)電，從而產(chǎn)生熱電勢。 從實驗到理論：熱電效應(yīng)第二節(jié) 熱電偶的工作原理 一、熱電效應(yīng) 熱電效應(yīng)的定義： 將兩種不同材料的導(dǎo)體A和B串接成一個閉合回路，當(dāng)兩個接點溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)生熱電勢，形成電流，此現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。第二節(jié) 熱電偶的工作原理 一、熱電效應(yīng) ABTT0k玻耳茲曼常數(shù)，e電子電荷量，T接觸處的溫度，NA，NB分別為導(dǎo)體A和B的自由電子密度。 接觸電動勢不同材料之間: 節(jié)點處電子的擴散所致第二節(jié) 熱電偶的工作原理 二、熱電勢 （接觸電動勢和溫差電動勢） 溫差電動勢A，B湯姆遜溫度系數(shù)。同種材料： 兩端溫度不同電子運動速度不同回路中

7、總電動勢：第二節(jié) 熱電偶的工作原理 二、熱電勢 （接觸電動勢和溫差電動勢）ABTT02)中間導(dǎo)體定律 在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只要其兩端的溫度相等，該導(dǎo)體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢。TT0V1)均質(zhì)導(dǎo)體定律 由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論導(dǎo)體的橫截面積、長度以及溫度分布如何均不產(chǎn)生熱電動勢。第二節(jié) 熱電偶的工作原理 三、熱電偶測溫基本定律ABTT0=ACTT0CBTT03)參考電極定律 兩種導(dǎo)體A,B分別與參考電極C組成熱電偶，如果他們所產(chǎn)生的熱電動勢為已知，A和B兩極配對后的熱電動勢可用下式求得：4)中間溫度定律 熱電偶在兩接點溫度t、t0時的熱電動勢等于該熱電偶

8、在接點溫度為t、tn和tn、t0時的相應(yīng)熱電動勢的代數(shù)和。中間溫度定律可以用下式表示：中間溫度定律為補償導(dǎo)線的使用提供了理論依據(jù)。第二節(jié) 熱電偶的工作原理 三、熱電偶測溫基本定律 根據(jù)金屬的熱電效應(yīng)原理，任意兩種不同材料的導(dǎo)體都可以作為熱電極組成熱電偶。 在實際應(yīng)用中，用作熱電極的材料應(yīng)具備如下幾方面的條件：(1)溫度測量范圍廣；(2)性能穩(wěn)定； (3)物理化學(xué)性能好；第三節(jié) 熱電偶的材料、結(jié)構(gòu)及種類1、熱電偶的材料1）普通工業(yè)裝配式熱電偶的結(jié)構(gòu) 熱電偶通常由熱電極、絕緣管、保護套管和接線盒等幾個主要部分組成。2、熱電偶的結(jié)構(gòu)第三節(jié) 熱電偶的材料、結(jié)構(gòu)及種類2）鎧裝熱電偶的結(jié)構(gòu)2、熱電偶的結(jié)構(gòu)

9、 鎧裝熱電偶的制造工藝：把熱電極材料與高溫絕緣材料預(yù)置在金屬保護管中、運用同比例壓縮延伸工藝、將這三者合為一體，制成各種直徑、規(guī)格的鎧裝偶體，再截取適當(dāng)長度、將工作端焊接密封、配置接線盒即成為柔軟、細(xì)長的鎧裝熱電偶。 鎧裝熱電偶特點：內(nèi)部的熱電偶絲與外界空氣隔絕，有著良好的抗高溫氧化、抗低溫水蒸氣冷凝、抗機械外力沖擊的特性。鎧裝熱電偶可以制作得很細(xì)，能解決微小、狹窄場合的測溫問題，且具有抗震、可彎曲、超長等優(yōu)點。第三節(jié) 熱電偶的材料、結(jié)構(gòu)及種類鎧裝熱電偶結(jié)構(gòu)鎧裝型熱電偶外形法蘭鎧裝型熱電偶可 長達上百米薄壁金屬 保護套管（鎧體） BA絕緣 材料鎧裝型熱電偶橫截面2、熱電偶的結(jié)構(gòu)3）隔爆型熱電偶

10、 結(jié)構(gòu)特點：隔爆熱電偶的接線盒在設(shè)計時采用防爆的特殊結(jié)構(gòu)，它的接線盒是經(jīng)過壓鑄而成的，有一定的厚度、隔爆空間，機構(gòu)強度較高；采用螺紋隔爆接合面，并采用密封圈進行密封，因此，當(dāng)接線盒內(nèi)一旦放弧時，不會與外界環(huán)境的危險氣體傳爆，能達到預(yù)期的防爆、隔爆效果。 使用場合：工業(yè)用的隔爆型熱電偶多用于化學(xué)工業(yè)自控系統(tǒng)中（由于在化工生產(chǎn)廠、生產(chǎn)現(xiàn)場常伴有各種易燃、易爆等化學(xué)氣體或蒸汽，如果用普通熱電偶則非常不安全、很容易引起環(huán)境氣體爆炸）。第三節(jié) 熱電偶的材料、結(jié)構(gòu)及種類隔爆型熱電偶外形厚壁保護管壓鑄的接線盒電纜線其他熱電偶外形小形K型熱電偶1）標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶2）非標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶 非標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶包括鉑銠系、銥銠

11、系及鎢錸系熱電偶等。 主要有：鉑銠30-鉑銠6熱電偶， 分度號“B”； 鉑銠10-鉑熱電偶，分度號“S”； 鎳鉻-鎳硅熱電偶 ，分度號“K”； 鎳鉻-康銅熱電偶 ，分度號“E”； 鐵-康銅熱電偶，分度號“J”； 銅-康銅熱電偶，分度號“T”。第三節(jié) 熱電偶的材料、結(jié)構(gòu)及種類3、熱電偶的種類K熱電偶的分度表 比較查出的3個熱電勢，可以看出熱電勢是否線性？ 設(shè)冷端為0C，根據(jù)以下電路中的毫伏表的示值及K熱電偶的分度表，查出熱端的溫度tx 。如何由熱電偶的熱電勢查熱端溫度值4.型號表示第三節(jié) 熱電偶的材料、結(jié)構(gòu)及種類5、冷端補償 由于熱電偶產(chǎn)生的電勢與兩端溫度有關(guān)，只有將冷端溫度保持恒定才能使熱電勢

12、正確反映熱端的被測溫度。 由于很難保證冷端溫度在恒定0故常采取一些冷端補償措施，主要有： 冷端恒溫法 、 補償導(dǎo)線法 、 計算修正法、 橋補償法等幾種。第三節(jié) 熱電偶的材料、結(jié)構(gòu)及種類5、冷端補償（冷端恒溫法 、補償導(dǎo)線法 、計算修正法 和電橋補償法）冷端恒溫法0恒溫器 將熱電偶的冷端置于溫度為0的恒溫器內(nèi)。用于實驗室或精密的溫度測量。 （冰浴法）其他恒溫器 將熱電偶的冷端置于各種恒溫器內(nèi)，使之保持溫度恒定，避免由于環(huán)境溫度的波動而引入誤差。這類恒溫器的溫度不為0，需對熱電偶進行冷端溫度修正。冰浴法接線圖 1被測流體管道 2熱電偶 3接線盒 4補償導(dǎo)線 5銅質(zhì)導(dǎo)線 6毫伏表 7冰瓶 8冰水混合

13、物 9試管 10新的冷端 補償導(dǎo)線法 由于受到材料價格的限制不可能做很長，而要使其冷端不受測溫對象的溫度影響，必須使冷端遠(yuǎn)離溫度對象，采用補償導(dǎo)線可以做到這一點。所謂補償導(dǎo)線，實際上是一對材料化學(xué)成分不同的導(dǎo)線，在0150溫度范圍內(nèi)與配接的熱電偶有一致的熱電特性，但價格相對要便宜。型號配用熱電偶正-負(fù)導(dǎo)線外皮顏色 正-負(fù)SC鉑銠10-鉑紅-綠KC鎳鉻 - 鎳硅紅-藍WC5/26鎢錸5-鎢錸26 紅-橙補償導(dǎo)線在0150C范圍內(nèi)的熱電勢與配套的熱電偶的熱電勢相等，所以不影響測量精度。第三節(jié) 熱電偶的材料、結(jié)構(gòu)及種類5、冷端補償（冷端恒溫法 、補償導(dǎo)線法 、計算修正法 和電橋補償法）第三節(jié) 熱電偶

14、的材料、結(jié)構(gòu)及種類5、冷端補償（冷端恒溫法 、補償導(dǎo)線法 、計算修正法 和電橋補償法）補償導(dǎo)線法 實質(zhì)是相當(dāng)于將熱電極延長。根據(jù)中間溫度定律，只要熱電偶和補償導(dǎo)線的二個接點溫度一致，是不會影響熱電動勢輸出的。下面以爐溫測量為例說明補償導(dǎo)線的作用。如采用鎳鉻-鎳硅熱電偶測爐溫，熱端為800 ，冷端為50 ，儀表室為20 。先分別查表得： E（800,0）=33.277mV、 E(50,0)=2.022mV、 E(20,0)=0.798mV。則不補償時輸入儀表的熱電勢為： E(800,50)=33.277-2.022=31.255mV（相當(dāng)于751 ），采用補償導(dǎo)線后則為： E(800,20)=3

15、3.277-0.798=32.479mV（相當(dāng)于781 ）， 第三節(jié) 熱電偶的材料、結(jié)構(gòu)及種類5、冷端補償（冷端恒溫法 、補償導(dǎo)線法 、計算修正法 和電橋補償法）計算修正法 測量值再加上冷端溫度到0 的熱電勢，現(xiàn)可利用計算機進行自動計算補償。例用型熱電偶測溫度，冷端為40 ，測得的熱電勢為29.188(mV)，求被測溫度T。解：已知 e(t,40)=29.188(mV) 查 E(40,0)=1.611(mV) 故 E(t,0)=29.188+1.611=30.799(mV) 查K型分度表得：T=740 第三節(jié) 熱電偶的材料、結(jié)構(gòu)及種類5、冷端補償（冷端恒溫法 、補償導(dǎo)線法 、計算修正法 和電橋

16、補償法）電橋補償法熱電偶的電勢與溫度為非線性關(guān)系；而電阻與溫度的關(guān)系是線性的，故是近似關(guān)系。補償原理見下圖：圖中R1與R2阻值遠(yuǎn)大于其它電阻，使橋路具有恒流性質(zhì)，并使I1=I2=0.5mA；因此，其輸出電壓： U=e+URCMUR5利用e與URCM的相反變化來補償熱電偶冷端溫度的改變，自動補償?shù)臈l件為：e= I1RCMt 電橋補償法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓來自動補償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢變化值，可購買與被補償熱電偶對應(yīng)型號的補償電橋。 第三節(jié) 熱電偶的材料、結(jié)構(gòu)及種類5、冷端補償（冷端恒溫法 、補償導(dǎo)線法 、計算修正法 和電橋補償法）電橋補償法 XT-WBC熱電偶 冷端補償

17、器第四節(jié) 熱電偶的應(yīng)用及配套儀表 由于我國生產(chǎn)的熱電偶均符合ITS-90國際溫標(biāo)所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，其一致性非常好，所以國家又規(guī)定了與每一種標(biāo)準(zhǔn)熱電偶配套的儀表，它們的顯示值為溫度，而且均已線性化。國家標(biāo)準(zhǔn)的動圈式顯示儀表命名為XC系列。有指示型（XCZ）和指示調(diào)節(jié)型（XCT）等系列品種。與K型熱電偶配套的動圈儀表型號為XCZ-101或XCT-101等。數(shù)字式儀表也有指示型（XMZ）和指示調(diào)節(jié)型（XMT）等幾種系列品種。 XCZ系列指針式顯示儀表 XC系列動圈式儀表測量機構(gòu)的核心部件是一個磁電式毫伏計。動圈式儀表與熱電偶配套測溫時，熱電偶、連接導(dǎo)線（補償導(dǎo)線）、調(diào)整電阻和顯示儀表組成了一個閉合回路。

18、 1熱電偶 2補償導(dǎo)線 3冷端補償器 4外接調(diào)整電阻 5銅導(dǎo)線 6動圈 7張絲 8磁鋼（極靴） 9指針 10刻度面板 XMZ系列智能數(shù)字顯示儀表 特點： 1、帶冷端溫度自動補償； 2、單片機智能化設(shè)計，儀表零點、量程等全部參數(shù)可按鍵設(shè)定； 3、具有軟件校驗功能，可通過按鍵對儀表進行校準(zhǔn)； 4、具有超量程指示、斷線指示等故障自診斷功能； 5、采用開關(guān)電源，電壓適應(yīng)范圍寬，儀表體積小、重量輕。 6、220VAC或24VDC供電電源。XMT系列熱電偶智能數(shù)字顯示控制儀表的特點帶冷端溫度自動補償； 具有超量程指示、斷線指示等故障自診斷功能； 雙屏顯示、副屏顯示內(nèi)容可設(shè)定； 最多可帶4路報警控制繼電器輸

19、出； 每個報警控制點的回差可設(shè)定； 每個報警控制點的報警方式（上限報警或下限報警）可分別設(shè)定。DDZ型電動單元組合儀表中的變送單元之一： 軌裝式溫度變送器 它能將熱電偶（或熱電阻）的輸入信號線性地轉(zhuǎn)換成與溫度成比例的電流（電壓）信號，供給顯示、控制儀表及計算機集散系統(tǒng)，廣泛用于冶金、石油化工、熱電站、紡織、造紙等行業(yè)的測溫控制系統(tǒng)中。 壓力測量與壓力傳感器 在測量上所稱的壓力就是物理學(xué)中的壓強，它是反映物質(zhì)狀態(tài)的一個參數(shù)；在工業(yè)自動化生產(chǎn)過程中是重要工藝參數(shù)之一。 本章簡單介紹壓力的概念及單位，重點講解應(yīng)變式壓力計、壓電式壓力傳感器、電容式壓力傳感器和霍爾式壓力計等的測量原理及測壓方法。 3.

20、1 壓力的概念及單位1、壓力的概念: 壓力是垂直而均勻地作用在單位面積上的力。大小由受力面積和垂直作用力的大小兩個因素決定。表達式為：2、 壓力的單位 （1）工程大氣壓 （2）標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 （3）約定毫米汞柱 （4）約定毫米水柱 壓力的概念及單位壓力的分類 (1).絕對壓力 (2).環(huán)境大氣壓力 (3).表壓力 (4).真空度 (5).差 壓 應(yīng)變式壓力計 電阻應(yīng)變效應(yīng) 電阻絲在外力作用下發(fā)生機械形變時，其電阻值發(fā)生變化，稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。 設(shè)有一根長度為L，截面積為S，電阻率為的電阻絲，未受力時的電阻值為： 受力后： 電阻應(yīng)變片式傳感器的核心元件是電阻應(yīng)變片，是將被測試件（彈性元件）上的應(yīng)變轉(zhuǎn)

21、換為電阻變化的一種傳感器, 由彈性元件和粘貼在其上的電阻應(yīng)變片構(gòu)成。 當(dāng)被測物理量作用在彈性元件上時, 彈性元件的變形引起應(yīng)變片的阻值變化, 通過測量電路將其轉(zhuǎn)變成電壓或電流的輸出, 輸出電量的變化反映了被測物理量的變化。 電阻應(yīng)變片式傳感器 應(yīng)變 物體在外部壓力或拉力作用下發(fā)生形變的現(xiàn)象。 彈性應(yīng)變 當(dāng)外力去除后，物體能夠完全恢復(fù)其尺寸和形狀的應(yīng)變。 彈性元件 具有彈性應(yīng)變特性的物體。 彈性體 應(yīng)變片 電橋電路 力、加速度、荷重等 應(yīng)變 電阻變化 電壓、電流 電阻應(yīng)變式傳感器是目前測量力、力矩、 壓力、加速度、重量等參數(shù)應(yīng)用最廣泛的傳感器。 圖2-1 電阻應(yīng)變式傳感器典型結(jié)構(gòu)與測量原理彈性體

22、應(yīng)變片F(xiàn)電橋（轉(zhuǎn)換）電路電壓或電流輸出 電阻應(yīng)變片：利用金屬絲的電阻應(yīng)變效應(yīng)或半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)制成的一種傳感元件。 電阻應(yīng)變片的分類： 金屬應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片。（一）工作原理應(yīng)變效應(yīng) 導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外力的作用下產(chǎn)生機械變形時，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。一、電阻應(yīng)變片圖2-2 均勻電阻絲的應(yīng)變效應(yīng)l單根均勻電阻絲的阻值是： 電阻的相對變化量為： 當(dāng)電阻絲受到軸向拉力F作用時，將伸長l，橫截面積相應(yīng)減小S，電阻率因材料晶格發(fā)生變形等因素影響而改變了，從而引起電阻值絕對變化量為： 式中：dl/l長度相對變化量，用表示， 稱為軸向應(yīng)變。單位：微應(yīng)變 ， 。 對于半徑為r的圓截面電阻

23、 由材料力學(xué)知：在彈性范圍內(nèi)，金屬絲受拉力時，沿軸向伸長，沿徑向縮短，反之亦然。軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系可表示為 ： 電阻絲材料的泊松比， 負(fù)號表示應(yīng)變方向相反。 故應(yīng)變效應(yīng)表達式為 金屬絲的應(yīng)變效應(yīng)所以應(yīng)變效應(yīng)表達式 也可寫成增量形式式中，Ks金屬絲的應(yīng)變靈敏系數(shù)。物理意義是單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化量。因為 注意： 在金屬絲拉伸極限范圍內(nèi)，同一材料，靈敏系數(shù)為常數(shù)；金屬絲的應(yīng)變效應(yīng)主要取決于幾何尺寸的變化。金屬絲幾何尺寸金屬本身的特性C如康銅，C1， Ks 2.0。其他金屬， Ks一般在1.84.8范圍內(nèi)。金屬絲的靈敏系數(shù)取決于兩部分：金屬絲幾何尺寸的變化，電阻率隨應(yīng)變而引起的變化 康銅

24、是目前應(yīng)用最廣泛的應(yīng)變絲材料，它有很多優(yōu)點：靈敏系數(shù)穩(wěn)定性好，不但在彈性變形范圍內(nèi)能保持為常數(shù)，進入塑性變形范圍內(nèi)也基本上能保持為常數(shù)；康銅的電阻溫度系數(shù)較小且穩(wěn)定，當(dāng)采用合適的熱處理工藝時，可使電阻溫度系數(shù)在5010-6/的范圍內(nèi)；康銅的加工性能好，易于焊接， 因而國內(nèi)外多以康銅作為應(yīng)變絲材料。 半導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng) 半導(dǎo)體應(yīng)變片是用半導(dǎo)體材料制成的, 其工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。 所謂壓阻效應(yīng)，是指半導(dǎo)體材料在某一軸向受外力作用時, 其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。即半導(dǎo)體的d/與其在軸向所受應(yīng)力的關(guān)系為式中： 半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)； 半導(dǎo)體材料所受的軸向應(yīng)力； E半導(dǎo)體材料的彈性模量。 實

25、驗證明, E 比（1+2）大上百倍, 所以（1+2）可以忽略, 因而半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為 。可見，半導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)主要取決于壓阻效應(yīng)。所以半導(dǎo)體材料的應(yīng)變效應(yīng)表達式為 式中，Kb半導(dǎo)體材料的應(yīng)變靈敏系數(shù)。 半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)比金屬絲式的高5080倍， 但半導(dǎo)體材料的溫度系數(shù)大，測量應(yīng)變時非線性比較嚴(yán)重， 使它的應(yīng)用范圍受到一定的限制。（二）結(jié)構(gòu)與類型圖 2-3 電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)示意圖1. 結(jié)構(gòu) 金屬應(yīng)變片由敏感柵、 基片、 覆蓋層和引線等部分組成。 敏感柵是應(yīng)變片的核心部分, 它粘貼在絕緣的基片上, 其上再粘貼起保護作用的覆蓋層, 兩端焊接引出導(dǎo)線。 敏感柵 感受應(yīng)變，并將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電

26、阻的變化。 基底（基片） 絕緣及傳遞應(yīng)變。由紙質(zhì)或膠質(zhì)膜等制成。 黏結(jié)劑 敏感柵與基底、基底與試件、基底與覆蓋層間的黏結(jié)。 覆蓋層 保護作用。防潮濕、腐蝕、灰塵等。 引線（低阻易焊） 連接電阻絲與測量電路，輸出電參量。2. 電阻應(yīng)變片的類型金屬電阻應(yīng)變片半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片絲式箔式薄膜式根據(jù)制柵工藝的不同 箔式應(yīng)變片 是利用光刻、腐蝕等工藝制成的一種很薄的金屬箔柵, 其厚度一般在0.0030.01mm。與絲式應(yīng)變片相比較，箔式應(yīng)變片有如下優(yōu)點： 金屬箔柵很薄，所感受的應(yīng)力狀態(tài)與試件表面的應(yīng)力狀態(tài)更為接近；接觸面積大；箔柵端部較寬，橫向效應(yīng)較小，測量精度高。 箔材表面積大，散熱條件好，故允許通過較大

27、電流，可輸出較大信號，提高了測量靈敏度。 箔柵的尺寸準(zhǔn)確、均勻，且能制成任意形狀，特別是為制造應(yīng)變花和小標(biāo)距應(yīng)變片提供了條件，使用范圍大。 便于成批生產(chǎn)。 缺點：電阻值分散性大，有的相差幾十，故需要作阻值調(diào)整；生產(chǎn)工序較為復(fù)雜，因引出線的焊點采用錫焊，不適于高溫環(huán)境下測量；此外價格較貴。 薄膜式應(yīng)變片 是采用真空蒸發(fā)或真空沉淀等方法在薄的絕緣基片上形成0.1m以下的金屬薄膜敏感柵, 然后再加上保護層。它的優(yōu)點是應(yīng)變靈敏度系數(shù)大, 允許電流密度大, 工作范圍廣。缺點溫度穩(wěn)定性較差，非線性較大。 半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片制作從單晶硅或鍺上切下薄片制成。結(jié)構(gòu)組成基片、半導(dǎo)體薄片、引線。優(yōu)點靈敏系數(shù)大，橫向效

28、應(yīng)和機械滯后小。圖 2-4（a） 金屬電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)圖 2-4（b） 半導(dǎo)體應(yīng)變片結(jié)構(gòu) 應(yīng)根據(jù)測量精度、允許工作電流、散熱、體積、是否批量等要求查手冊選擇。 常見金屬應(yīng)變片的初始阻值有：60 、120、350等。 3. 應(yīng)變片的選擇 半導(dǎo)體應(yīng)變片突出優(yōu)點是靈敏度高, 尺寸小, 橫向效應(yīng)小, 動態(tài)響應(yīng)好。但它有溫度系數(shù)大, 應(yīng)變時非線性比較嚴(yán)重等缺點。電阻應(yīng)變式測力、壓力稱重傳感器系列圖2-13 不平衡直流電橋二、測量電路（一）直流電橋 由于機械應(yīng)變一般都很小, 要把微小應(yīng)變引起的電阻變化測量出來, 并把電阻相對變化R/ R轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化, 需要專用測量電路。通常采用電橋電路。C R1R

29、2R4R3EABDIoRgUo不平衡直流電橋電路的輸出四個橋臂均為應(yīng)變片時，其電阻變化Ri ，i=14，則當(dāng)Rg時，電橋輸出電壓為 直流電橋的平衡條件當(dāng) 時，則有Io=0 或Uo=0，電橋平衡。R1R4=R2R3或 稱為電橋平衡條件。 這說明欲使電橋平衡, 其相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等, 或相對兩臂電阻的乘積相等。 直流電橋的和差特性若相鄰兩橋臂電阻變化的極性一致，輸出電壓為兩者之差；若極性相反，則輸出電壓為兩者之和。若相對兩橋臂電阻變化的極性一致，輸出電壓為兩者之和；若極性相反，則輸出電壓為兩者之差。 正確利用和差特性，可以提高電橋輸出靈敏度、抑制共模干擾、改善非線性。例3 全橋差動測量 R1

30、、R4R2、R3F圖2-16 懸臂梁應(yīng)變測量及差動全橋測量電路R2-R2EUoR1R1R3-R3R4R43薄膜應(yīng)變片 薄膜應(yīng)變片采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法，將電阻材料在基底上制成一層各種形狀的敏感柵，敏感柵的厚度在0.1m以下。薄膜應(yīng)變片具有靈敏系數(shù)高，易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的特點，是一種很有前途的新型應(yīng)變片。彈性元件的形式幾種應(yīng)變式測量的結(jié)構(gòu)示意應(yīng)變片的測量電路作用：將阻抗參數(shù)變?yōu)殡娏骰螂妷?。R4R3R1R2 UU0膜片PR1R2R3R4rt雙臂應(yīng)變電橋單臂應(yīng)變電橋全臂應(yīng)變電橋工作臂直流電橋：R交流電橋: R、L、C電源應(yīng)變電橋的分類不平衡橋式：偏差測量法（動態(tài)）平衡橋式：零位測量法（靜態(tài)）工作

31、方式應(yīng)變片測量電橋(直流電橋)初始平衡條件：或此時3.3 電容式壓力傳感器 原理：彈性元件的位移轉(zhuǎn)換為電容量的變化。1、工作原理及類型dSS 極板相對覆蓋面積；d 極板間距離；電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。 變面積型電容傳感器當(dāng)動極板相對于定極板沿著長度方向平移時，其電容變化量化為:C與x間呈線性關(guān)系 電容式壓力傳感器 電容式傳感器的工作原理 電容式傳感器有三種基本類型：變極距型、變面積型、變介電常數(shù)型。 1、變極距型電容傳感器 電容式壓力傳感器 2、變面積型電容傳感器 3、變介電常數(shù)型電容傳感器 電容式壓力傳感器 差動電容傳感器 在實際壓力測量中，常使用差動點電容傳感器，不但提高了靈敏度，也改善

32、了非線性。 電容式壓力傳感器 3.5.3 測量電路 電橋電路、調(diào)頻電路、脈沖調(diào)寬電路和運算放大器式電路等。 1、橋式電路 空載電壓為： 電容式壓力傳感器 2、緊耦合電橋電路 緊耦合電橋理論可得此狀態(tài)下輸出電壓在兩L0非耦合情況下， 輸出電壓為： 壓電式壓力傳感器 正壓電效應(yīng)（順壓電效應(yīng)） 逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）壓電效應(yīng)壓電材料 壓電晶體：如石英等； 壓電陶瓷：如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等； 壓電半導(dǎo)體：如硫化鋅、碲化鎘等。壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷的極化等效電路及信號變換電路其電容量為： 電壓大小為：。壓電式傳感器的等效電路 (a)等效為一個電荷源Q與一個電容Ca并聯(lián)的電路 (b)等效成一個電源U = Q/Ca 和一個電容Ca的串聯(lián)電路 壓電式壓力傳感器3.4.2 壓電材