數(shù)字電子技術(shù)

數(shù)字電子技術(shù)第1頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月物質(zhì)定律物質(zhì)定律是關(guān)于各種物質(zhì)內(nèi)在性質(zhì)的定律、法則和規(guī)律。物質(zhì)的內(nèi)在性質(zhì)通常以這種物質(zhì)所固有的物理量加以描述，它與物質(zhì)的材料密切相關(guān)物質(zhì)的電阻是最常見的物理量之一，由于它易測量，準確度高，在檢測技術(shù)中經(jīng)常利用材料的電阻與被測量之間的關(guān)系實現(xiàn)參數(shù)檢測，金屬導體和許多非金屬半導體在受壓、受熱、受光照等情況下，電阻值有明顯變化第2頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月參數(shù)檢測的一般方法參數(shù)的檢測是以自然規(guī)律為基礎(chǔ)，利用敏感元件特有的物理、化學和生物等效應，把被測量的變化轉(zhuǎn)換為敏感元件某一物理量的變化根據(jù)敏感元件的不同，參數(shù)檢測一般可分為以下幾種方法：第3頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月第4頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月磁學法壓磁效應、霍爾效應、電磁感應原理射線法

放射線穿過介質(zhì)時部分能量會被物質(zhì)吸收化學法

利用化學反應原理

吸附效應、光化學效應、熱化學效應生物反應法

生物活性物質(zhì)能識別被測物質(zhì)，并發(fā)生生物學反應，產(chǎn)生物理、化學等現(xiàn)象，或產(chǎn)生新的化學物質(zhì)。

生物學反應：酶反應、微生物反應、免疫反應第5頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月對于同一參數(shù)的檢測，可以用不同的方法，使用不同的敏感元件來實現(xiàn)。

由于被測對象是千差萬別的，敏感元件的特性也不一樣，在選擇時敏感元件時要考慮有著相應的參考要素：第6頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）敏感元件的適用范圍：使用的環(huán)境溫度、壓力、外加電源電壓（電流）等都有要求（2）敏感元件的參數(shù)測量范圍：被測量不超過敏感元件規(guī)定的測量范圍，否則，敏感元件的輸出不能與被測量的變化相對應，甚至會損壞敏感元件（3）敏感元件的輸出特性：自然界許多材料都具有對某個（些）參數(shù)敏感的功能，但作為用于參數(shù)檢測的敏感元件，一般要求其輸出與被測量之間有明確的單調(diào)上升或下降的關(guān)系，而且要求該函數(shù)關(guān)系受其他參數(shù)的影響小，重復性好第7頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月機械式檢測元件機械式檢測元件是將被測量轉(zhuǎn)換為機械量信號（通常是位移、振動頻率、轉(zhuǎn)角等）輸出，可用于壓力、力、加速度、濕度等參數(shù)的測量最常用的機械式檢測元件包括彈性式檢測元件和振動式檢測元件第8頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月

變形固體及其基本假設(shè)任何固體在外力作用下都將發(fā)生形變，形變可分為兩種：彈性變形和塑性變形（永久變形）。彈性變形：外力去除后可消除的變形。塑性變形：外力去除后不可消除的變形。這種特性又稱為撓性。第9頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月應力和應變材料在彈性變形階段，其應力和應變成正比例關(guān)系（即符合胡克定律），其比例系數(shù)稱為彈性模量。“彈性模量”是描述物質(zhì)彈性的一個物理量一般地講，對彈性體施加一個外界作用（稱為“應力”）后，彈性體會發(fā)生形狀的改變（稱為“應變”）第10頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月彈性模量第11頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月泊松比在彈性范圍內(nèi)，金屬絲沿長度方向伸長時，徑向尺寸縮小，反之亦然。即軸向應變與徑向應變存在下列關(guān)系：第12頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月彈性式檢測元件在外力作用下，物體的形狀和尺寸會發(fā)生變化，若去掉外力，物體能恢復原來的形狀和尺寸，此種變形就稱為彈性變形。彈性元件就是基于彈性變形原理的一種敏感元件彈性元件直接感受被測量的變化，并以變形或應變響應，其輸出還可經(jīng)轉(zhuǎn)換元件變?yōu)殡娦盘?，可用于測量力、力矩、壓力及溫度等參數(shù)第13頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月彈性元件的基本性能1、彈性特性是指彈性元件的輸入量（力、力矩、壓力、溫度等）與由它引起的輸出量（應變、位移或轉(zhuǎn)角）之間的關(guān)系(1).剛度彈性元件產(chǎn)生單位變形所需要的外加作用力，即F為作用在彈性元件上的外力，x為彈性元件上產(chǎn)生的變形第14頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月(2).靈敏度靈敏度S定義為單位輸入量所引起的輸出量，彈性元件的靈敏度是指單位作用力所引起的彈性元件的變形，即：式中，F(xiàn)為作用在彈性元件上的外力，x為彈性元件上產(chǎn)生的變形剛度和靈敏度為倒數(shù)關(guān)系第15頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月2、滯彈性效應彈性元件的滯彈性效應是指材料在彈性變化范圍內(nèi)同時伴有微塑性變形，使應力和應變不遵循虎克定律而產(chǎn)生非線性現(xiàn)象彈性滯后彈性后效應力松弛第16頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月彈性滯后彈性元件在加載和卸載的正反行程中應力和應變曲線不重合的現(xiàn)象稱為彈性滯后，由特性曲線可以看出，當應力不同時，彈性滯后是不同的一般用最大相對滯后的百分數(shù)來表示，即第17頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月第18頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月彈性后效在彈性變形范圍內(nèi)，應變不但是應力的函數(shù)，而且與時間有關(guān)，在應力保持不變的情況下，應變隨時間的延續(xù)而緩慢變化，直到最后達到平衡應變值，這一現(xiàn)象稱為彈性后效，也稱蠕變第19頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月彈性后效常常需要延續(xù)很長時間，一般采用應力保持15min作參考值。彈性后效可表示為：第20頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月應力松弛材料在高溫下工作，受應力的作用而產(chǎn)生應變。當其總的應變量在恒定情況下，應力隨時間的延續(xù)而逐漸降低的現(xiàn)象稱應力松弛。其應力松弛率為：第21頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月3、熱彈性效應（1）彈性模量的溫度系數(shù)

當溫度變化時，會引起材料的彈性模量E的變化，彈性模量的溫度系數(shù)為：第22頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）頻率溫度系數(shù)當溫度變化時，還會引起材料的諧振頻率的變化，頻率的溫度系數(shù)表示諧振頻率隨溫度變化的情況第23頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）膨脹系數(shù)當溫度發(fā)生變化時材料會發(fā)生熱膨脹現(xiàn)象，通常用線膨脹系數(shù)表示溫度每升高1℃時，單位長度的相對變化量第24頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月4、彈性元件的固有頻率彈性元件本身具有質(zhì)量，具有彈性，且具有彈性后效，它們共同決定了彈性元件的固有頻率彈性元件的動態(tài)特性即對動態(tài)變化的輸入量的響應以及變換時的滯后現(xiàn)象與它的固有頻率都是密切相關(guān)的。固有頻率越高，則彈性元件響應越快第25頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月大多數(shù)彈性元件為金屬及其合金材料制成，但也有非金屬彈性元件，如石英、陶瓷及半導體硅等，作為敏感元件的彈性材料應具有以下性能：（1）具有良好的機械性能及良好的機械加工及熱處理性能，便于加工和處理（2）具有良好的彈性特性，如穩(wěn)定的輸入-輸出關(guān)系，很小的滯彈性效應（3）具有良好的溫度特性，如彈性模量的溫度系數(shù)小，且穩(wěn)定（4）有較強的化學性能，抗腐蝕性和抗氧化性3、彈性元件的材料和種類第26頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月馬氏體彌散硬化不銹鋼高彈性、耐久性、耐松弛、焊接性能好、無磁性、抗腐蝕Ni（鎳）基彌散硬化恒彈性合金高彈性、滯彈性小、漂移小、耐腐蝕性差、弱磁性Nb（鈮）恒彈性合金無磁性、耐腐蝕、彈性模量低、彈性極限高、耐高溫鈹青銅彈性好、高強度、蠕變小、滯后小，抗磁、耐疲勞石英晶體高強度、機械性能穩(wěn)定、抗微塑變形能力好、機械和電氣損耗小、滯后及蠕變小半導體硅材料電學性質(zhì)好、機械性能好、抗微塑變形能力好、動態(tài)響應快陶瓷材料熱穩(wěn)定性、機械性能、化學穩(wěn)定性好，溫度范圍寬，綜合性能僅次于石英和硅第27頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月彈性元件的種類彈性元件有彈簧管、波紋管、膜片、膜盒、薄壁圓筒等類型彈簧管大多是由截面為橢圓形或扁圓形的彎曲成一定弧度的空心管所構(gòu)成，主要用于壓力檢測。彈簧管的一端封閉，作為自由端，另一端開口，供被測壓力進入，并作為固定端第28頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)構(gòu)原理圖第29頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月在壓力作用下，管截面將趨于變成圓形，從而使管子趨于伸直，其結(jié)果使彈簧管的自由端產(chǎn)生位移位移大小與輸入壓力有一定的關(guān)系，可表示為：第30頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月彈簧管壓力表

螺旋彈簧管、盤簧管第31頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月彈性壓力計的組成框圖

在彈性元件與指示機構(gòu)之間的變換放大機構(gòu)，其作用是將彈性元件的變形進行變換和放大，指示機構(gòu)如指針與刻度標尺，用于給出壓力示值，調(diào)整機構(gòu)用于調(diào)整儀表的零點和量程

第32頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月彈簧管壓力表結(jié)構(gòu)簡單，測量范圍寬，應用廣泛，儀表的準確度等級最高為0.1級被測介質(zhì)的性質(zhì)和被測介質(zhì)的壓力高低決定了彈簧管的材料。對于普通介質(zhì)，當p<20MPa時，彈簧管采用磷銅，當p>20MPa時，則采用不銹鋼或合金鋼對于腐蝕性介質(zhì)，一方面可采用隔離膜或隔離液，另一方面也可采用耐腐蝕材料第33頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月薄壁圓筒

其壁厚一般是筒徑的0.05倍以下。當筒內(nèi)腔與被測介質(zhì)接通并感受壓力時，筒壁不發(fā)生彎曲變形，只是均勻向外擴散筒壁的每一單元面積都將在軸向和徑向產(chǎn)生拉伸壓力和應變第34頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月

薄壁圓筒受力示意圖

第35頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月相應的軸向拉伸應力和徑向拉伸應力為：軸向應力和徑向應力相互垂直，根據(jù)虎克定律可得相應的應變?yōu)椋旱?6頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月薄壁圓筒的固有頻率為這種彈性元件只能把壓力轉(zhuǎn)換成應變，多用于電阻應變片式檢測元件第37頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月波紋管也是金屬制成的薄壁管狀的彈性元件，可感受管內(nèi)壓力或管外所加集中力而產(chǎn)生高度方向的形變（拉伸或壓縮）波紋管的特點是線性好，彈性位移大第38頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月波紋管的下端固定在基座上，則波紋管的軸向形變和軸向集中力的關(guān)系可表示為：第39頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月波紋管波紋管示意圖

第40頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月當被測介質(zhì)接入波紋管，承受壓力p時，波紋管上端會升高，設(shè)波紋管的有效面積為A，由于F＝pA，則：第41頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月膜片是一種有撓性的薄片，當它受到不平衡力作用后，其中心將沿垂直于膜片方向移動將兩個膜片的外邊緣密封焊接，則由此形成的彈性元件稱為膜盒膜片和膜盒廣泛地用于測量壓力第42頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月邊緣固定的圓形平膜片，在材料的彈性范圍內(nèi)，當一面受壓力p作用時，膜片中心處的位移d與膜片各參數(shù)的關(guān)系可用下式表示第43頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月在實際使用中，膜片中心都加裝有圓形硬芯，以便安裝傳動機構(gòu)膜盒有更大的中心位移和更高的靈敏度當膜盒外處于環(huán)境大氣壓力時，被測壓力接到盒內(nèi)，膜盒內(nèi)由于受壓而使膜片產(chǎn)生變形，其中心的位移反映被測壓力值，即表壓（壓力與大氣壓之差）若將膜盒抽成真空，當外界大氣壓力變化時，膜盒中心位移就反映大氣壓力絕對值第44頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月

金屬膜片膜盒壓力表膜片壓力表第45頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月機械式振動檢測元件機械式振動檢測元件將被測量（如力、壓力、密度等）的變化轉(zhuǎn)換為諧振元件的固有頻率的變化，利用諧振技術(shù)完成參數(shù)的檢測較常用的有振弦式和振筒式。第46頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月振弦式檢測元件利用彈性元件在力或壓力作用下，使其固有頻率發(fā)生變化，將作用力轉(zhuǎn)換為頻率信號輸出振弦式檢測元件由鋼弦、支撐、膜片和永久磁鐵所組成。鋼弦的一端固定在支撐上，另一端固定在膜片上，整個鋼弦處在永久磁鐵形成的磁場之中。當膜片的下部受到力的作用時，鋼弦的原始張力發(fā)生變化，從而導致鋼弦的固有頻率變化第47頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月振弦式檢測元件的結(jié)構(gòu)原理第48頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月第49頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月鋼弦激振后，按固有頻率振動。由于振動而切割它周圍由永久磁鐵形成的磁力線，從而在振弦上產(chǎn)生交變的感應電勢，此電勢的頻率等于鋼弦的振動頻率鋼弦的長度和密度可視為常數(shù)，感應電勢的頻率與所加的力或應力有關(guān)第50頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月振筒式檢測元件原理第51頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月機械式檢測元件的應用機械時檢測元件能將一些難以直接測量的物理量（如壓力）轉(zhuǎn)換成便于測量的長度、角度等參量，應用非常廣泛彈性膜盒主要是作為壓力傳感器使用，利用膜盒的壓力-位移特性曲線，通過一定的放大機構(gòu)對膜盒的微小位移進行放大，將膜盒內(nèi)部的壓力變化采用指針或數(shù)字的方式顯示出來，這就是膜盒壓力表基本原理第52頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月振弦式傳感器利用其振動頻率與所承受的壓力有關(guān)這一特性可用于車輛動態(tài)稱重，在高速公路的超載檢測中獲得了成功應用，準確度達到0.1%FS~0.5%FS

FS：fullscale第53頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月電阻式檢測元件電阻式檢測元件的類型很多，在檢測技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應用其基本原理是將被測物理量轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，然后利用測量電路測出電阻的變化值，從而達到對被測物理量檢測的目的常用電阻材料有導體、半導體等，可用于多種參數(shù)的檢測，如位移、形變、加速度、壓力及溫度等常見電阻檢測元件有電阻應變片、熱電阻、濕敏電阻和氣敏電阻等。第54頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月應變式檢測元件電阻應變片是將作用在檢測元件上的應變轉(zhuǎn)換成電阻變化的敏感元件電阻應變片粘貼在各種彈性元件上，如膜片、薄壁圓筒等當被測物理量（如力、壓力、位移）作用在彈性元件，使其產(chǎn)生應變，粘貼在彈性元件上的應變片感受同樣的應變，并轉(zhuǎn)換成應變片的電阻變化第55頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月應變片檢測元件優(yōu)點：

1、測量范圍寬、準確度；

2、測量響應速度快；

3、使用壽命長；

4、價格便宜；

5、可在高低溫、高速、高壓、強振動、強磁場、核輻射和化學腐蝕性強等惡劣環(huán)境下使用。應變片檢測元件缺點：

輸出信號微弱，抗干擾能力較差，使用時需要采取屏蔽措施；

受溫度等環(huán)境因素影響；

在大應變狀態(tài)下有較大的非線性。第56頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月電阻應變片工作原理電阻應變片主要分為金屬電阻應變片和半導體應變片兩類導體或半導體材料在外力作用下（如壓力或拉力）產(chǎn)生機械變形，其阻值將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為“應變效應”。電阻應變片就是基于應變效應工作的第57頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月電阻應變片的工作原理

電阻應變元件的工作原理的電阻絲，其電阻初值R可表示為：電阻率為設(shè)有一根長度為L，截面積為A，第58頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月若導體受到外力的作用被拉伸或壓縮，則會引起L、A、的變化，從而引起電阻R的變化，其電阻相對變化量可表示為：

對半徑為r的圓形截面電阻絲電阻絲的徑向和軸向的變化的關(guān)系為：

第59頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月K為電阻的應變靈敏系數(shù)，它的物理意義是單位應變所引起的電阻相對變化量，

對于大多數(shù)的金屬應變片，由于材料的電阻率受應變的影響很少，對K起主要作用，

而半導體材料卻剛好相反，起主導作用第60頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬應變片金屬應變片一般分為絲式和箔式兩種絲式應變片的敏感柵通常用高電阻率，直徑為0.015~0.05mm的金屬絲密密排列成柵狀形式而成，通過黏結(jié)劑固定在絕緣基底及蓋片之間第61頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月絲式應變片結(jié)構(gòu)圖

第62頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月黏結(jié)劑：有機和無機兩類有機黏結(jié)劑用于低溫、常溫和中溫環(huán)境。常用的有聚丙烯酸酯、有機硅樹脂、聚酰亞胺等。無機黏結(jié)劑用于高溫，常用的有磷酸鹽、硅酸鹽、硼酸鹽等。第63頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月箔式應變片箔式應變片是用極薄的厚度為3~10μm康銅或鎳鉻金屬片腐蝕而成的

(a)單應力(b)扭矩(c)壓力第64頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月箔式應變片由于采用先進的制造技術(shù)，能保證敏感柵尺寸準確、線條均勻，易于大批量生產(chǎn)應變片與構(gòu)件接觸面積大，粘貼牢固，機械滯后小，散熱性能良好，允許通過較大的工作電流，從而增大了輸出信號箔式應變片的諸多優(yōu)點使它獲得了日益廣泛的應用第65頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月半導體應變片

金屬絲應變片性能穩(wěn)定，準確度高，缺點是其應變靈敏系數(shù)K較小，對粘貼工藝要求嚴格，不利于生產(chǎn)和使用。20世紀50年代出現(xiàn)了半導體應變片，它是以單晶膜片為敏感元件制成的。半導體應變片的主要優(yōu)點是靈敏系數(shù)高，比金屬應變片高50-80倍，且尺寸小，滯后小，動態(tài)特性好。但其溫度穩(wěn)定性差，在測量較大應變時非線性嚴重

第66頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月式中，π為壓阻系數(shù)，與半導體種類以及應力方向和晶軸方向之間的夾角有關(guān)，E為材料的彈性模量，ε為應變量當對半導體應變片施加以σ應力時，則電阻率的相對變化為：第67頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月半導體應變片主要有三種類型：體型、薄膜型和擴散型體型半導體是將原材料按所需晶向切割成片或條粘貼在彈性元件上使用薄膜型應變片的厚度一般在0.1微米以下，可將薄膜直接蒸鍍在傳感器的彈性元件上，從而去掉了粘貼工藝，提高了穩(wěn)定性擴散型半導體應變片用硅支持片作為彈性元件，在它上面直接擴散P型或N型半導體，制成整體式傳感器第68頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月硅壓阻式壓力傳感器有外殼、硅膜片和引線等組成。硅膜片是核心部分，在硅膜片上，用半導體工藝中的擴散摻雜法做成四個相等的電阻，接成惠斯登電橋再用壓焊法與外引線相連膜片的一側(cè)是和被測介質(zhì)相連接的高壓腔，另一側(cè)是低壓腔，通常和大氣相連，也有做成真空的。當膜片兩邊存在壓力差時，膜片發(fā)生變形，產(chǎn)生應力應變，從而使擴散電阻的電阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，輸出電壓的大小就反映了膜片所受壓力差值第69頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月擴散硅壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖

半導體應變片特點：體積小、機械滯后小，蠕變小，穩(wěn)定性好，應用普遍。第70頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月應變片主要性能指標舉例

上表中，哪幾個型號是半導體應變片？依據(jù)是什么？

第71頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月應變片的主要特性（1）應變片的電阻值

應變片在沒有受到應力前，在室溫下測定的電阻值稱為初始電阻值。一般有60、120、250、3500、10KΩ。以120Ω最常見。（2）靈敏系數(shù)K當應變片安裝在試件表面時，在其軸線方向的單向應力作用下，應變片的阻值相對變化與試件上主應力方向的應變之比，即為靈敏系數(shù)K值的準確度直接影響測量結(jié)果，一般要求K值盡量大且穩(wěn)定，試驗表明K在很大應變范圍內(nèi)是常數(shù)第72頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）絕緣電阻絕緣電阻一般是指已安裝的應變計的敏感柵和引線與被測件之間的電阻值，一般在500-5000MΩ之間（4）橫向效應在各直線段上，電阻絲只感受軸向拉伸應變，故各微段電阻值是增加的，但在彎曲的圓弧處，應變片不但承受軸向的拉伸應變，同時在與軸向相垂直方向產(chǎn)生橫向應變

橫向效應系數(shù)H<2%第73頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月由于橫向應變的影響，圓弧段的電阻變化必然小于其等長電阻沿軸向的電阻變化直的線材繞成敏感柵后，即使總長度相同，應變狀態(tài)一樣，應變敏感柵的電阻變化仍要小一些，從而導致靈敏系數(shù)K的改變，這種現(xiàn)象稱為橫向效應第74頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月（5）機械滯后應變片貼在試件上以后，在一定溫度下，進行循環(huán)的加載和卸載，加載和卸載時的輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象稱機械滯后產(chǎn)生機械滯后的主要原因是敏感柵、基底、黏結(jié)劑在承受機械應變后留下的殘余變形。為減少機械滯后對測量的影響，在正常使用之前，預先加載卸載若干次第75頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月（6）零漂和蠕變粘貼在試件上的應變片，在恒定溫度下，不承受機械應變時，指示應變值隨時間變化的特性稱為應變片的零漂。其主要原因是由于絕緣電阻過低以及通過電流產(chǎn)生的熱電勢造成的。在恒定溫度下，使應變片承受一恒定的機械應變，指示應變值隨時間變化的特性稱應變片的蠕變。零漂和蠕變都是衡量應變片對時間穩(wěn)定性的重要指標。第76頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月（7）允許電流是指應變片不因電流產(chǎn)生的熱量而影響測量準確度所允許通過的最大電流它與應變片的尺寸、黏結(jié)劑、試件材料和尺寸及環(huán)境有關(guān)。要根據(jù)具體情況進行計算，在實際使用中，靜態(tài)測量時允許電流為25mA，動態(tài)測量時可達75~100mA第77頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月（8）應變極限理想情況下，應變片電阻相對變化與所承受的軸向應變成正比，即靈敏系數(shù)為常數(shù)，這種情況只能在一定范圍內(nèi)才能保持當試件表面的應變超過某一數(shù)值時，它們的比例關(guān)系不再保持，應變計的輸出將出現(xiàn)非線性圖中縱坐標表示應變片的指示應變，橫坐標表示真實應變第78頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月應變片的應變極限是指在規(guī)定的使用條件下，指示應變與真實應變的相對誤差不超過10%時的最大真實應變值當應變片承受超過極限應變時，真實應變不能全部作用在敏感柵上，測得的值就不真實應變極限是衡量應變片的測量范圍和過載能力的指標第79頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月（9）溫度效應及補償如果敏感柵材料的線膨脹系數(shù)與構(gòu)件材料膨脹系數(shù)不同，當溫度改變時，敏感柵與構(gòu)件的伸長量不同，敏感柵上會受到附加的拉伸，引起敏感值的變化，這種現(xiàn)象稱為溫度效應。第80頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月普通應變片在使用時，用膠粘貼在彈性元件上，利用電橋測出阻值以獲得應變或壓力電阻應變片會受到環(huán)境和溫度的影響，其原因，一是應變片電阻具有電阻溫度系數(shù)；二是彈性元件與應變片電阻兩者的線膨脹系數(shù)不同，即使無外力作用，由于環(huán)境溫度的變化也會引起應變片電阻值的改變，從而產(chǎn)生測量誤差，必須采取適當?shù)臏囟妊a償措施應變片的溫度效應補償?shù)?1頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月半橋單臂溫度補償接法第82頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月將兩個完全相同的工作應變片貼在彈性元件的不同部位，使得在外力作用下，其中一片受壓，一片受拉，一個作為工作應變片，另一個作為補償應變片，然后把這兩片接在電橋的相鄰橋臂里，另兩個橋臂接固定電阻溫度升降將使相鄰的兩橋臂的阻值同時增減，不影響平衡。在外力作用下，相鄰兩橋臂的阻值會一增一減，靈敏度會更高第83頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月半橋雙臂接法第84頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月全橋接法第85頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月熱電阻檢測元件熱電阻效應物質(zhì)的電阻率隨溫度的變化而變化的特性稱為熱電阻效應，利用熱電阻效應制成的檢測元件稱為熱電阻熱電阻主要用于工業(yè)測溫，它具有靈敏度高，穩(wěn)定性好，互換性好等優(yōu)點。但它需要外加電源，測量溫度不能太高，主要用于中、低溫的測量。大多數(shù)金屬具有正的電阻溫度系數(shù)，溫度越高電阻值越大，一般溫度每升高1℃，電阻約增加0.4%~0.6%。由半導體制成的熱敏電阻大多具有負溫度系數(shù)，溫度每升高1℃，電阻值約減小2%~6%第86頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月絕大部分金屬的電阻值與溫度有關(guān)，但作為溫度敏感元件的金屬材料應滿足的要求：（1）電阻溫度系數(shù)大，溫度增加時，其電阻值有明顯增大（2）物理和化學性能穩(wěn)定，不易被腐蝕（2）較高的電阻率，以便制成小尺寸元件，減小熱慣性（3）電阻隨溫度變化保持單值函數(shù)，最好是線性關(guān)系（4）易得到高純物質(zhì)，復現(xiàn)性好，價格便宜第87頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月目前使用的金屬熱電阻材料有鉑、銅、鎳、鐵等，其中應用最為廣泛的是鉑、銅材料，并已實現(xiàn)了標準化生產(chǎn)金屬熱電阻檢測元件通常由電阻體、保護套管和接線盒等部件組成。熱電阻絲繞在骨架上，骨架采用石英、云母、陶瓷、塑料等材料制成第88頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬熱電阻結(jié)構(gòu)圖第89頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）鉑電阻鉑電阻的物理化學性能非常穩(wěn)定，耐氧化性強，且電阻率較高、復現(xiàn)性好?？捎米骰鶞孰娮韬蜆藴薀犭娮琛５K電阻的電阻溫度系數(shù)較小，在還原性介質(zhì)中工作容易變脆。鉑電阻的溫度測量范圍為-200~850℃，作為熱電阻的鉑絲，一般要求有盡可能高的化學純度，鉑絲純度一般用電阻比（W100=R100/R0）來表示。鉑絲線的直徑一般為0.03~0.07mm第90頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月鉑的純度通常用百度電阻比表示，即：W100越高，則其純度越高，目前技術(shù)水平已提純到W100=1.3930，其相應的鉑純度為99.9995%第91頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月鉑電阻阻值與溫度之間關(guān)系第92頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月由于熱電阻在溫度t時的電阻值與R0有關(guān)，所以對R0的允許誤差有嚴格的要求，R0越大，則電阻體體積增大，耗費材料多且產(chǎn)生熱量增加，但引線電阻及其變化的影響變小，R0越小，情況與上述相反，因此，需要綜合考慮選用合適的R0目前，我國規(guī)定工業(yè)用鉑電阻溫度計有R0=10（歐姆）R0=100（歐姆）它們的分度號分別為Pt10和Pt100第93頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）銅電阻銅電阻具有電阻溫度系數(shù)大，容易加工和提純，線性較好，價格便宜等優(yōu)點，其缺點是當溫度超過100℃時容易被氧化，電阻率較小，因而體積較大，熱慣性較大，其測量范圍一般為-50~150℃第94頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月銅電阻的電阻值和溫度的關(guān)系可以表示為：銅電阻有R0=50（Cu50）和R0=100（Cu100）第95頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月例題

一支分度號為Cu50的熱電阻，它在00C時的電阻R0=50歐，在2000C時，它的電阻值Rt是多少歐？解：如精確計算，根據(jù)公式

若近似計算，則可根據(jù)公式

第96頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月例題現(xiàn)場某測溫點，采用分度號為Cu50的銅電阻，已測得電阻Rt為80歐，試估算該處溫度是多少？（不查分度表）解：由公式Rt=R0(1+At)把Rt=80歐，R0=50歐，A=0.00428/0C代入，可求得：第97頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬熱電阻的特點是精度高，但使用時要注意電阻體自身發(fā)熱以及引線電阻對測量精度的影響（1）自熱誤差在用金屬熱電阻組成測量電路時，電阻中總要流過一定的電流并消耗一定的電功率，通電后的發(fā)熱同樣會造成電阻值的變化，使用中應限制電流（＜6mA）以減小自熱誤差（2）引線電阻的影響測量金屬熱電阻總要有連接導線，為減小引線電阻值及其變化的影響，采用三（四）線式接法第98頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月熱敏電阻熱敏電阻是利用半導體材料的電阻率隨溫度變化較顯著的特點制成的一種敏感元件熱敏電阻是由金屬氧化物或半導體材料制成的熱敏元件。一般測溫范圍在-50~350℃之間主要有負溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻、正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻和臨界溫度（CTR）熱敏電阻三種

第99頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月NTC型熱敏電阻主要由Mn、Cn、Ni、Fe等金屬氧化物燒結(jié)而成，通過不同的材質(zhì)組合，能得到不同的電阻值（在T0時）及不同的溫度特性NTC型熱敏電阻的阻值與溫度的關(guān)系近似表示為：RT和RT0分別為溫度為T時和T0時熱敏電阻的電阻值；B為熱敏電阻的材料常數(shù)

第100頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月熱敏電阻的溫度系數(shù)為熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)是溫度T的非線性函數(shù)，且低溫段比高溫段更靈敏，常用NTC型熱敏電阻的B在1500~6000K之間第101頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月負突變型熱敏電阻是一種具有負的溫度系數(shù)的開關(guān)型熱敏電阻，它是在某一溫度點附近電阻發(fā)生突變，且在極度小溫區(qū)內(nèi)隨溫度的增加電阻降低3、4個數(shù)量級，具有很好的開關(guān)特性，常作為溫度控制元件第102頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月第103頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月PTC熱敏電阻呈現(xiàn)正溫度系數(shù)特性，是用BaTiO3鈦酸鋇摻入稀土元素使之半導體化而制成的正溫度系數(shù)的熱敏電阻工作范圍較窄，在溫度較低時其靈敏度低，而溫度高時靈敏度迅速增加工作范圍內(nèi)，其電阻和溫度的關(guān)系可近似為第104頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月半導體熱敏電阻優(yōu)缺點

優(yōu)點：電阻溫度系數(shù)大，是金屬電阻的十幾倍，故靈敏度高熱敏電阻的電阻值高，通常在常溫下為數(shù)千歐姆以上，所以引線電阻對測量的影響可以忽略不計缺點：互換性差，測量范圍較窄第105頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月濕敏電阻濕度是表示空氣中水蒸氣含量的物理量，常用絕對濕度和相對濕度來表示。絕對濕度是指在一定溫度及壓力條件下，每單位體積的混合氣體中所含水蒸氣的質(zhì)量。其單位為g/m3相對濕度是指氣體的絕對濕度與同一溫度下達到飽和狀態(tài)的絕對濕度的比值，記作RH，單位用%表示第106頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月濕敏電阻的工作原理濕敏電阻是應用最為廣泛的濕度檢測元件，具有原理簡單、易于實現(xiàn)的特點其基片為不吸水且耐高溫的絕緣材料，如聚碳酸酯板、氧化鋁瓷等將感濕膜高分子溶液涂在帶有電極的基片上，經(jīng)過烘干、老化后形成微型孔狀結(jié)構(gòu)的感濕膜，它極易吸收其周圍空氣中的水分，在吸收水分后，感濕膜中的水分子含量增多，從而引起其電阻變化，通過測量電阻就可以達到測量濕度的目的第107頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月濕敏電阻工作原理它是由感濕膜與保護膜1、電極2

和基片3組成

濕敏元件結(jié)構(gòu)原理圖第108頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月濕敏電阻的特性濕敏電阻的特性是指其輸出（電阻）與輸入（被測濕度）之間的關(guān)系曲線從曲線可知，這種高分子濕敏電阻的阻值隨濕度增加而減小。這種濕敏電阻的測量范圍較寬，RH值下限達1%，上限達100%，響應時間短（可小至幾秒）第109頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月

濕敏電阻的阻值隨濕度增加而減小，而且濕敏電阻的特性與溫度有關(guān)，當濕敏電阻的使用環(huán)境溫度與標定的溫度不同時，會造成測量誤差。所以在使用中，要采用溫度補償措施

第110頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月高分子濕敏電阻高分子濕敏電阻濕敏電阻第111頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月氣敏電阻氣敏電阻是由某些半導體材料制成，它是利用半導體與特定氣體接觸時，其電阻值發(fā)生變化的效應進行測量的。主要檢測可燃性氣體的含量，具有靈敏度高，響應快等特點。常見材料有氧化錫、氧化鋅、三氧化二鐵、五氧化三釩等氣敏電阻均含有加熱器，作用是燒去附在元件表面上的油污和塵埃，以加速氣體的吸附，提高元件的靈敏度和響應速度。加熱溫度一般在200-400℃。第112頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月電容式檢測元件電容式檢測元件可以將某些物理量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙萘康淖兓?，可廣泛應用于位移、角位移、加速度等機械量以及壓力、差壓、物位等生產(chǎn)過程參數(shù)的檢測。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，低功耗，動態(tài)特性好，非接觸式測量。容易受寄生式電容以及外界各種干擾影響，必須采取良好的屏蔽和絕緣措施按檢測形狀，電容式檢測元件通常有平板和圓筒兩種第113頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月電容式檢測元件平板型電容器

當忽略該電容器的邊緣效應時，其電容量C為

介質(zhì)中電場與原外加電場（真空中）的比值即為相對介電常數(shù)(permittivity,不規(guī)范稱dielectricconstant)第114頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月圓筒形電容器其電容量C為

L為圓筒長度；R為外圓筒內(nèi)半徑；r為內(nèi)圓筒外半徑電容式檢測元件第115頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月電容檢測元件的工作原理電容檢測元件實際上是各種類型的可變電容器，它能將被測量的改變轉(zhuǎn)換為電容量的變化通過一定的測量線路，電容的變化量進一步轉(zhuǎn)換為電壓、電流、頻率等電信號第116頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月電容器根據(jù)其工作原理可分為三種類型：即變極距式，變面積式和變介電常數(shù)式變極距式和變面積式可以反映位移等機械量或壓力等過程參數(shù)的變化，

變介電常數(shù)式可以反映液位高度、材料溫度和組分含量等的變化第117頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月電容式檢測元件變極距式電容器

變極距式電容器結(jié)構(gòu)原理圖

1、3--定極板；2動極板第118頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月圖中1、3為固定極板，2為可動極板，當某個被測量變化時，會引起動極板2的位移，從而改變極板間的距離d，導致電容量C的變化第119頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月第120頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月變極距式電容傳感器的靈敏度與初始極板間距d0的平方成反比。因此，提高靈敏度