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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,检测技术与检测元件,一个检测系统主要由,敏感元件,、,变换,(,处理）,和,显示,各部分组成，其中,敏感元件,是检测系统的,关键,，它决定被测量的可测范围、测量准确度等,检测元件直接感受被测量，并把被测量转换成其他形式的物理量，以便于信号的传输、处理和显示,物质定律,物质定律是关于各种物质内在性质的定律、法则和规律。物质的内在性质通常以这种物质所固有的物理量加以描述，它与物质的材料密切相关,物质的电阻是最常见的物理量之一，由于它易测量，准确度高，在检测技术中经常利用材料的电阻与被测量之间的关系实现参数检测，金属导体和许多非金属半导体在受压、受热、受光照等情况下，电阻值有明显变化,参数检测的一般方法,参数的检测是以自然规律为基础，利用敏感元件特有的物理、化学和生物等效应，把被测量的变化转换为敏感元件某一物理量的变化,根据敏感元件的不同，参数检测一般可分为以下几种方法：,磁学法,压磁效应、霍尔效应、电磁感应原理,射线法,放射线穿过介质时部分能量会被物质吸收,化学法,利用化学反应原理,吸附效应、光化学效应、热化学效应,生物反应法,生物活性物质能识别被测物质，并发生生物学反应，产生物理、化学等现象，或产生新的化学物质。,生物学反应：酶反应、微生物反应、免疫反应,对于同一参数的检测，可以用不同的方法，使用不同的敏感元件来实现。,由于被测对象是千差万别的，敏感元件的特性也不一样，在选择时敏感元件时要考虑有着相应的参考要素：,（,1,）敏感元件的,适用范围,：使用的环境温度、压力、外加电源电压（电流）等都有要求,（,2,）敏感元件的,参数测量范围,：被测量不超过敏感元件规定的测量范围，否则，敏感元件的输出不能与被测量的变化相对应，甚至会损坏敏感元件,（,3,）敏感元件的,输出特性,：自然界许多材料都具有对某个（些）参数敏感的功能，但作为用于参数检测的敏感元件，一般要求其输出与被测量之间有明确的单调上升或下降的关系，而且要求该函数关系受其他参数的影响小，重复性好,机械式检测元件,机械式检测元件是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、湿度,等参数的测量,最常用的机械式检测元件包括,弹性式,检测元件和,振动式,检测元件,变形固体及其基本假设,任何固体在外力作用下都将发生形变，形变可分为两种：,弹性变形和塑性变形,（永久变形）。,弹性变形：外力去除后可消除的变形。,塑性变形：外力去除后不可消除的变形。这种特性又称为挠性。,应力和应变,材料在,弹性变形,阶段，其,应力,和应变成正比例关系（即符合,胡克定律,），其比例系数称为弹性模量。“弹性模量”是描述物质弹性的一个物理量,一般地讲，对弹性体施加一个外界作用（称为“,应力,”）后，弹性体会发生形状的改变（称为“应变”）,弹性模量,泊松比,在弹性范围内，金属丝沿长度方向伸长时，径向尺寸缩小，反之亦然。即轴向,应变,与径向应变存在下列关系：,弹性式检测元件,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，此种变形就称为弹性变形。弹性元件就是基于弹性变形原理的一种敏感元件,弹性元件直接感受被测量的变化，并以变形或应变响应，其输出还可经转换元件变为电信号，可用于测量力、力矩、压力及温度等参数,弹性元件的基本性能,1,、弹性特性,是指弹性元件的输入量（力、力矩、压力、温度等）与由它引起的输出量（应变、位移或转角）之间的关系,(1).,刚度,弹性元件产生单位变形所需要的外加作用力，即,F,为作用在弹性元件上的外力，,x,为弹性元件上产生的变形,(2).,灵敏度,灵敏度,S,定义为单位输入量所引起的输出量，弹性元件的灵敏度是指单位作用力所引起的弹性元件的变形，即：,式中，,F,为作用在弹性元件上的外力，,x,为弹性元件上产生的变形,刚度和灵敏度为倒数关系,2,、滞弹性,效应,弹性元件的滞弹性效应是指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现象,弹性滞后,弹性后效,应力松弛,弹性滞后,弹性元件在加载和卸载的正反行程中应力和应变,曲线不重合的现象称为弹性滞后,，由特性曲线可以看出，当应力不同时，弹性滞后是不同的,一般用最大相对滞后的百分数来表示，即,弹性后效,在弹性变形范围内，应变不但是应力的函数，而且与时间有关，在应力保持不变的情况下，,应变随时间的延续而缓慢变化,，直到最后达到平衡应变值，这一现象称为,弹性后效，也称蠕变,弹性后效常常需要延续很长时间，一般采用应力保持,15min,作参考值。弹性后效可表示为：,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，,应力随时间的延续而逐渐降低的现象称应力松弛,。其应力松弛率为：,3,、热弹性,效应,（,1,）弹性模量的温度系数,当温度变化时，会引起材料的弹性模量,E,的变化，弹性模量的温度系数为：,（,2,）频率温度系数,当温度变化时，还会引起材料的谐振频率的变化，频率的温度系数表示谐振频率随温度变化的情况,（,3,）膨胀系数,当温度发生变化时材料会发生热膨胀现象，通常用线膨胀系数表示温度每升高,1,时，单位长度的相对变化量,4,、弹性,元件的固有频率,弹性元件本身具有质量，具有弹性，且具有弹性后效，它们共同决定了弹性元件的固有频率,弹性元件的动态特性即对动态变化的输入量的响应以及变换时的滞后现象与它的固有频率都是密切相关的。固有频率越高，则弹性元件响应越快,大多数弹性元件为,金属及其合金材料,制成，但也有非金属弹性元件，如,石英、陶瓷及半导体硅,等，作为敏感元件的弹性材料应具有以下性能：,（,1,）具有良好的,机械性能,及良好的机械加工及,热处理性能,，便于加工和处理,（,2,）具有良好的,弹性特性,，如稳定的输入,-,输出关系，很小的滞弹性效应,（,3,）具有良好的,温度特性,，如弹性模量的温度系数小，且稳定,（,4,）有较强的,化学性能，抗腐蚀性和抗氧化性,3,、弹性元件的材料和种类,马氏体弥散硬化不锈钢,高弹性、耐久性、耐松弛、焊接性能好、无磁性、抗腐蚀,Ni,（镍）基弥散硬化恒弹性合金,高弹性、滞弹性小、漂移小、耐腐蚀性差、弱磁性,Nb,（铌）恒弹性合金,无,磁性、耐腐蚀、,弹性模量低、弹性极限高、耐高温,铍青铜,弹性好、高强度、,蠕变小、,滞后小，抗磁、耐疲劳,石英晶体,高强度,、机械性能,稳定、抗微,塑变形能力好、机械和电气损耗小、滞后及蠕变小,半导体硅材料,电学性质好、机械性能好、抗微塑变形能力,好、动态响应快,陶瓷材料,热稳定性、机械性能、化学稳定性好，温度范围,宽，综合性能仅次于石英和硅,弹性元件的种类,弹性元件有,弹簧管、波纹管、膜片、膜盒、薄壁圆筒,等类型,弹簧管,大多是由,截面为椭圆形或扁圆形的,弯曲成一定弧度的空心管所构成，主要用于压力检测。弹簧管的一端封闭，作为自由端，另一端开口，供被测压力进入，并作为固定端,结构原理图,在压力作用下，管截面将趋于变成圆形，从而使管子趋于伸直，其结果使弹簧管的自由端产生位移,位移大小与输入压力有一定的关系，可表示为：,弹簧管压力表,螺旋弹簧管、盘簧管,弹性压力计的组成框图,在弹性元件与指示机构之间的变换放大机构，,其作用是将弹性元件的变形进行变换和放大，,指示机构如指针与刻度标尺，用于给出压力,示值，调整机构用于调整仪表的零点和量程,弹簧管压力表结构简单，测量范围宽，应用广泛，仪表的准确度等级最高为,0.1,级,被测介质的性质和被测介质的压力高低决定了弹簧管的材料。对于普通介质，当,p20MPa,时，则采用不锈钢或合金钢,对于腐蚀性介质，一方面可采用隔离膜或隔离液，另一方面也可采用耐腐蚀材料,薄壁圆筒,其壁厚一般是筒径的,0.05,倍,以下。当筒内腔与被测介质接通并感受压力时，筒壁不发生弯曲变形，只是均匀向外扩散,筒壁的每一单元面积都将在轴向和径向产生拉伸压力和应变,薄壁圆筒受力示意图,相应的轴向拉伸应力和径向拉伸应力为：,轴向应力和径向应力相互垂直，根据虎克定律可得相应的应变为：,薄壁圆筒的固有频率为,这种弹性元件,只能把压力转换成应变,，多用于电阻应变片式检测元件,波纹管,也是金属制成的薄壁管状的弹性元件，可感受管内压力或管外所加集中力而产生高度方向的形变（拉伸或压缩）,波纹管的特点是,线性好,，,弹性位移大,波纹管的下端固定在基座上，则波纹管的轴向形变和轴向集中力的关系可表示为：,波纹管,波纹管示意图,当被测介质接入波纹管，承受压力,p,时，波纹管上端会升高，设波纹管的有效面积为,A,，由于,F,pA,，则：,膜片,是一种有挠性的薄片，当它受到不平衡力作用后，其中心将沿垂直于膜片方向移动,将两个膜片的外边缘密封焊接，则由此形成的弹性元件称为膜盒,膜片和膜盒广泛地用于测量压力,边缘固定的圆形平膜片，在材料的弹性范围内，当一面受压力,p,作用时，膜片中心处的位移,d,与膜片各参数的关系可用下式表示,在实际使用中，膜片中心都加装有圆形硬芯，以便安装传动机构,膜盒有更大的中心位移和更高的灵敏度,当膜盒外处于环境大气压力时，被测压力接到盒内，膜盒内由于受压而使膜片产生变形，其中心的位移反映被测压力值，即表压,（压力与大气压之差）,若将膜盒抽成真空，当外界大气压力变化时，膜盒中心位移就反映大气压力绝对值,金属膜片,膜盒压力表,膜片压力表,机械式振动检测元件,机械式振动检测元件将被测量（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,较常用的有,振弦式,和,振筒式,。,振弦式检测元件利用弹性元件在力或压力作用下，使其固有频率发生变化，将作用力转换为频率信号输出,振弦式检测元件由钢弦、支撑、膜片和永久磁铁所组成。钢弦的一端固定在支撑上，另一端固定在膜片上，整个钢弦处在永久磁铁形成的磁场之中。当膜片的下部受到力的作用时，钢弦的原始张力发生变化，从而导致钢弦的固有频率变化,振弦式检测元件的结构原理,钢弦激振后，按固有频率振动。由于振动而切割它周围由永久磁铁形成的磁力线，从而在振弦上产生交变的感应电势，此电势的频率等于钢弦的振动频率,钢弦的长度和密度可视为常数，感应电势的频率与所加的力或应力有关,振筒式检测元件原理,机械式检测元件的应用,机械时检测元件能将一些难以直接测量的物理量（如压力）转换成便于测量的长度、角度等参量，应用非常广泛,弹性膜盒,主要是,作为压力传感器,使用，利用膜盒的压力,-,位移特性曲线，通过一定的放大机构对膜盒的微小位移进行放大，将膜盒内部的压力变化采用指针或数字的方式显示出来，这就是膜盒压力表基本原理,振弦式传感器,利用其振动频率与所承受的压力有关这一特性,可用于车辆动态称重,，在高速公路的超载检测中获得了成功应用，准确度达到,0.1%FS0.5%FS,FS,：,full scale,电阻式检测元件,电阻式检测元件的类型很多，在检测技术领域有着广泛的应用,其基本,原理,是将被测物理量转换成电阻值的变化，然后利用测量电路测出电阻的变化值，从而达到对被测物理量检测的目的,常用电阻材料有,导体、半导体,等，可用于多种参数的检测，如,位移、形变、加速度、压力及温度等,常见电阻检测元件有,电阻应变片、热电阻、湿敏电阻和气敏电阻等。,应变式检测元件,电阻应变片是将作用在检测元件上的应变转换成电阻变化的敏感元件,电阻应变片粘贴在各种弹性元件上，如膜片、薄壁圆筒等,当被测物理量（如力、压力、位移）作用在弹性元件，使其产生应变，粘贴在弹性元件上的应变片感受同样的应变，并转换成应变片的电阻变化,应变片检测元件,优点,：,1,、测量范围宽、准确度；,2,、测量响应速度快；,3,、使用寿命长；,4,、价格便宜；,5,、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使用。,应变片检测元件,缺点,：,输出信号微弱，抗干扰能力较差，使用时需要采取屏蔽措施；,受温度等环境因素影响；,在大应变状态下有较大的非线性。,电阻应变片工作原理,电阻应变片主要分为,金属电阻应变片,和,半导体应变片,两类,导体或半导体材料在外力作用下（如压力或拉力）产生机械变形，其阻值将发生变化，这种现象称为“,应变效应,”。电阻应变片就是基于应变效应工作的,电阻应变片的工作原理,电阻应变元件的工作原理,的电阻丝，其电阻初值,R,可表示为：,电阻率为,设有一根长度为,L,，截面积为,A,，,若导体受到外力的作用被拉伸或压缩，则会,引起,L,、,A,、的变化，从而引起电阻,R,的变,化，其电阻相对变化量可表示为：,对半径为,r,的圆形截面电阻丝,电阻丝的径向和轴向的变化的关系为：,K,为电阻的应变灵敏系数，,它的物理意义是单,位应变所引起的电阻相对变化量,，,对于大多数的,金属应变片,，由于材料的电阻率受应变的影响很少，对,K,起主要作用，,而,半导体材料,却刚好相反，起主导作用,金属应变片,金属应变片一般分为丝式和箔式两种,丝式应变片的敏感栅通常用高电阻率，直径为,0.0150.05mm,的金属丝密密排列成栅状形式而成，通过黏结剂固定在绝缘基底及盖片之间,丝式应变片结构图,黏结剂：有机和无机两类,有机黏结剂,用于低温、常温和中温环境。常用的有聚丙烯酸酯、有机硅树脂、聚酰亚胺等。,无机黏结剂,用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸盐、硼酸盐等。,箔式应变片,箔式应变片是用极薄的厚度为,310m,康铜,或,镍铬,金属片腐蚀而成的,(a),单应力,(b),扭矩,(c),压力,箔式应变片由于采用先进的制造技术，能保证敏感栅尺寸准确、线条均匀，易于大批量生产,应变片与构件接触面积大，粘贴牢固，机械滞后小，散热性能良好，允许通过较大的工作电流，从而增大了输出信号,箔式应变片的诸多优点使它获得了日益广泛的应用,半导体应变片,金属丝应变片,性能稳定,，,准确度高,，缺点是其,应变灵敏系数,K,较小,，对,粘贴工艺要求严格,，不利于生产和使用。,20,世纪,50,年代出现了半导体应变片，它是以,单晶膜片为敏感元件制成的。半导体应变片,的主要优点是灵敏系数高，,比金属应变片高,50-80,倍,，且尺寸小，滞后小，动态特性好。但其温度稳定性差，在测量较大应变时非线性严重,式中，,为压阻系数，与半导体种类以及应力方向和晶轴方向之间的夹角有关，,E,为材料的弹性模量，,为应变量,当对半导体应变片施加以,应力时，则电阻率的相对变化为：,半导体应变片主要有三种类型：,体型、薄膜型和扩散型,体型半导体是将原材料按所需晶向切割成片或条粘贴在弹性元件上使用,薄膜型应变片的厚度一般在,0.1,微米以下，可将薄膜直接蒸镀在传感器的弹性元件上，从而去掉了粘贴工艺，提高了稳定性,扩散型半导体应变片用硅支持片作为弹性元件，在它上面直接扩散,P,型或,N,型半导体，制成整体式传感器,硅压阻式压力传感器有外壳、硅膜片和引线等组成。硅膜片是核心部分，在硅膜片上，用半导体工艺中的扩散掺杂法做成四个相等的电阻，接成惠斯登电桥再用压焊法与外引线相连,膜片的一侧是和被测介质相连接的高压腔，另一侧是低压腔，通常和大气相连，也有做成真空的。当膜片两边存在压力差时，膜片发生变形，产生应力应变，从而使扩散电阻的电阻值发生变化，电桥失去平衡，输出电压的大小就反映了膜片所受压力差值,扩散硅压力传感器结构图,半导体应变片,特点,：,体积小、机械滞后小，蠕变小，稳定性好，应用普遍,。,应变片主要性能指标举例,上表中，哪几个型号是半导体应变片？依据是什么？,应变片的主要特性,（,1,）应变片的电阻值,应变片在没有受到应力前，在室温下测定的电阻值称为初始电阻值。一般有,60,、,120,、,250,、,3500,、,10,K,。以,120,最常见。,（,2,）灵敏系数,K,当应变片安装在试件表面时，在其轴线方向的单向应力作用下，应变片的阻值相对变化与试件上主应力方向的应变之比，即为灵敏系数,K,值的准确度直接影响测量结果，一般要求,K,值尽量大且稳定,，试验表明,K,在很大应变范围内是常数,（,3,）绝缘电阻,绝缘电阻一般是指已安装的应变计的敏感栅和引线与被测件之间的电阻值，一般在,500-5000M,之间,（,4,）横向效应,在各直线段上，电阻丝只感受轴向拉伸应变，故各微段电阻值是增加的，但在弯曲的圆弧处，应变片不但承受轴向的拉伸应变，同时在与轴向相垂直方向产生横向应变,横向效应系数,H2%,由于横向应变的影响，圆弧段的电阻变化必然小于其等长电阻沿轴向的电阻变化,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,K,的改变，这种现象称为横向效应,（,5,）机械滞后,应变片贴在试件上以后，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输出特性曲线不重合的现象称机械滞后,产生机械滞后的主要原因是,敏感栅、基底、黏结剂在承受机械应变后留下的残余变形,。为减少机械滞后对测量的影响，在正常使用之前，,预先加载卸载若干次,（,6,）零漂和蠕变,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。其主要原因是由于绝缘电阻过低以及通过电流产生的热电势造成的。,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。,零漂,和,蠕变,都是衡量应变片对,时间稳定性,的重要指标。,（,7,）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,它与应变片的尺寸、黏结剂、试件材料和尺寸及环境有关。要根据具体情况进行计算，在实际使用中，,静态,测量时允许电流为,25mA,，,动态,测量时可达,75100mA,（,8,）应变极限,理想情况下，应变片电阻相对变化与所承受的轴向应变成正比，即灵敏系数为常数，这种情况只能在一定范围内才能保持,当试件表面的应变超过某一数值时，它们的比例关系不再保持，应变计的输出将出现非线性,图中纵坐标表示应变片的,指示应变，横坐标表示真,实应变,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,10%,时的最大真实应变值,当应变片承受超过极限应变时，真实应变不能全部作用在敏感栅上，测得的值就不真实,应变极限是衡量应变片的测量范围和过载能力的指标,（,9,）温度效应及补偿,如果敏感栅材料的线膨胀系数与构件材料膨胀系数不同，当温度改变时，敏感栅与构件的伸长量不同，敏感栅上会受到附加的拉伸，引起敏感值的变化，这种现象称为温度效应。,普通应变片在使用时，用胶粘贴在弹性元件上，利用电桥测出阻值以获得应变或压力,电阻应变片会受到环境和温度的影响,，其原因，一是应变片电阻具有电阻温度系数；二是弹性元件与应变片电阻两者的线膨胀系数不同，即使无外力作用，由于环境温度的变化也会引起应变片电阻值的改变，从而产生测量误差，,必须采取适当的温度补偿措施,应变片的温度效应补偿,半桥单臂温度补偿接法,将两个完全相同的工作应变片贴在弹性元件的不同部位，使得在外力作用下，其中一片受压，一片受拉，一个作为工作应变片，另一个作为补偿应变片，然后把这两片接在电桥的相邻桥臂里，另两个桥臂接固定电阻,温度升降将使相邻的两桥臂的阻值同时增减，不影响平衡。在外力作用下，相邻两桥臂的阻值会一增一减，灵敏度会更高,半桥双臂接法,全桥接法,热电阻检测元件,热电阻效应,物质的电阻率随温度的变化而变化的特性称为,热电阻效应,，利用热电阻效应制成的检测元件称为热电阻,热电阻主要用于工业测温，它具有,灵敏度高，稳定性好，互换性好等优点,。但它,需要外加电源，测量温度不能太高，主要用于中、低温的测量,。,大多数金属具有正的电阻温度系数，温度越高电阻值越大，一般温度每升高,1,，电阻约增加,0.4%0.6%,。由半导体制成的热敏电阻大多具有负温度系数，温度每升高,1,，电阻值约减小,2%6%,绝大部分金属的电阻值与温度有关，但作为温度敏感元件的金属材料应满足的要求：,（,1,）电阻温度系数大，温度增加时，其电阻值有明显增大,（,2,）物理和化学性能稳定，不易被腐蚀,（,2,）较高的电阻率，以便制成小尺寸元件，减小热惯性,（,3,）电阻随温度变化保持单值函数，最好是线性关系,（,4,）易得到高纯物质，复现性好，价格便宜,目前使用的金属热电阻材料有,铂、铜、镍、,铁,等，其中应用最为广泛的是铂、铜材料，,并已实现了标准化生产,金属热电阻检测元件通常由电阻体、保护套管和接线盒等部件组成。热电阻丝绕在骨架上，骨架采用石英、云母、陶瓷、塑料等材料制成,金属热电阻结构图,（,1,）铂电阻,铂电阻的,物理化学性能非常稳定,，,耐氧化性,强，且,电阻率较高、复现性好,。可用作基准电阻和标准热电阻。但铂电阻的电阻温度系数较小，在还原性介质中工作容易变脆。,铂电阻的温度测量范围为,-200850,，作为热,电阻的铂丝，一般要求有尽可能高的化学纯度，铂丝纯度一般用电阻比（,W,100,=R,100,/R,0,）来表示。铂丝线的直径一般为,0.030.07mm,铂的纯度通常用百度电阻比表示，即：,W,100,越高，则其纯度越高，目前技术水平已提纯到,W,100,=1.3930,，其相应的铂纯度为,99.9995%,铂电阻阻值与温度之间关系,由于热电阻在温度,t,时的电阻值与,R,0,有关，所以对,R,0,的允许误差有严格的要求，,R,0,越大，则电阻体体积增大，耗费材料多且产生热量增加，但引线电阻及其变化的影响变小，,R,0,越小，情况与上述相反，因此，需要综合考虑选用合适的,R,0,目前，我国规定工业用铂电阻温度计有,R,0,=10,（欧姆）,R,0,=100,（欧姆）它们的分度号分别为,Pt,10,和,Pt,100,（,2,）铜电阻,铜电阻具有,电阻温度系数大,，容易,加工和提纯,，,线性较好,，,价格便宜,等优点，其缺点是当温度超过,100,时,容易被氧化,，电阻率较小，因而体积较大，热惯性较大，其测量范围一般为,-50150,铜电阻的电阻值和温度的关系可以表示为：,铜电阻有,R,0,=50,（,Cu,50,）和,R,0,=100,（,Cu,100,）,例题,一支分度号为,Cu,50,的热电阻，它在,0,0,C,时的电阻,R,0,=50,欧，在,200,0,C,时，它的电阻值,R,t,是多少欧？,解：如精确计算，根据公式,若近似计算，则可根据公式,例题,现场某测温点，采用分度号为,Cu,50,的铜电,阻，已测得电阻,R,t,为,80,欧，试估算该处温度,是多少？（不查分度表）,解：由公式,R,t,=R,0,(1+At),把,R,t,=80,欧，,R,0,=50,欧，,A=0.00428/,0,C,代入，,可求得：,金属热电阻的,特点,是,精度高,，但使用时要注意电阻体自身发热以及引线电阻对测量精度的影响,（,1,）自热误差,在用金属热电阻组成测量电路时，电阻中总要流过一定的电流并消耗一定的电功率，通电后的发热同样会造成电阻值的变化，使用中应限制电流,（,6mA,）以减小自热误差,（,2,）引线电阻的影响,测量金属热电阻总要有连接导线，为减小引线电阻值及其变化的影响，采用,三（四）线式接法,热敏电阻,热敏电阻是,利用半导体材料的电阻率随温度变化较显著的特点,制成的一种敏感元件,热敏电阻是由金属氧化物或半导体材料制成的热敏元件。一般测温范围在,-50350,之间,主要有,负温度系数（,NTC,）,热敏电阻、,正温度系数（,PTC,）,热敏电阻和临界温度,（,CTR,）热敏电阻三种,NTC,型热敏电阻主要由,Mn,、,Cn,、,Ni,、,Fe,等金属氧化物烧结而成，通过不同的材质组合，能得到不同的电阻值（在,T,0,时）及不同的温度特性,NTC,型热敏电阻的阻值与温度的关系近似表示为：,R,T,和,R,T0,分别为温度为,T,时和,T,0,时热敏电阻的,电阻值；,B,为热敏电阻的材料常数,热敏电阻的温度系数为,热敏电阻的电阻温度系数是温度,T,的非线性函数，且低温段比高温段更灵敏，常用,NTC,型热敏电阻的,B,在,15006000K,之间,负突变型热敏电阻是一种具有负的温度系数的开关型热敏电阻，它是在某一温度点附近电阻发生突变，且在极度小温区内随温度的增加电阻降低,3,、,4,个数量级，具有很好的开关特性，,常作为温度控制元件,PTC,热敏电阻,呈现正温度系数特性，是用,BaTiO,3,钛酸钡掺入稀土元素使之半导体化而制成的,正温度系数的热敏电阻工作范围较窄，在温,度较低时其灵敏度低，而温度高时灵敏度迅,速增加,工作范围内，其电阻和温度的关系可近似为,半导体热敏电阻优缺点,优点：,电阻温度系数大，是金属电阻的十几,倍，故灵敏度高,热敏电阻的电阻值高，通常在常温下为数千,欧姆以上，所以引线电阻对测量的影响可以,忽略不计,缺点：,互换性差，,测量范围较窄,湿敏电阻,湿度是表示空气中水蒸气含量的物理量，常用绝对湿度和相对湿度来表示。,绝对湿度,是指在一定温度及压力条件下，每单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量。其单位为,g/m,3,相对湿度,是指气体的绝对湿度与同一温度下达到饱和状态的绝对湿度的比值，记作,RH,，单位用,%,表示,湿敏电阻的工作原理,湿敏电阻是应用最为广泛的湿度检测元件，具有,原理简单、易于实现的特点,其基片为不吸水且耐高温的绝缘材料，如聚碳酸酯板、氧化铝瓷等,将感湿膜高分子溶液涂在带有电极的基片上，经过烘干、老化后形成微型孔状结构的感湿膜，它极易吸收其周围空气中的水分，在吸收水分后，感湿膜中的水分子含量增多，从而引起其电阻变化，通过测量电阻就可以达到测量湿度的目的,湿敏电阻工作原理,它是由感湿膜与,保护膜,1,、电极,2,和基片,3,组成,湿敏元件结构原理图,湿敏电阻的特性,湿敏电阻的特性是指其输出（电阻）与输入（被测湿度）之间的关系曲线,从曲线可知，这种高分子湿敏电阻的阻值随湿度增加而减小。这种湿敏电阻的测量范围较宽，,RH,值下限达,1%,，上限达,100%,，响应时间短（可小至几秒）,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，当湿敏电阻,的使用环境温度与标定的温度不同时，会造成测量误差。所以在使用中，要采用温度补偿措施,高分子湿敏电阻,高分子湿敏电阻,湿敏电阻,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。,主要,检测可燃性气体的含量,，具有,灵敏度高，响应快,等特点。,常见材料有氧化锡、氧化锌、三氧化二铁、五氧化三钒等,气敏电阻均含有,加热器,，作用是,烧去附在元件表面上的油污和尘埃，以加速气体的吸附，提高元件的灵敏度和响应速度,。加热温度一般在,200-400,。,电容式检测元件,电容式检测元件可以将某些物理量的变化转变为电容量的变化，可广泛应用于,位移、角位移、加速度等机械量以及压力、差压、物位,等生产过程参数的检测。,优点：,结构简单，低功耗，动态特性好，非接触式测量。,容易受寄生式电容以及外界各种干扰影响，必须采取良好的屏蔽和绝缘措施,按检测形状，电容式检测元件通常有,平板和圆筒,两种,电容式检测元件,平板型电容器,当忽略该电容器的边缘效应时，其电容量,C,为,介质中电场与原外加电场（真空中）的比值即为,相对介电常数,(permittivity,不,规范称,dielectric,constant),圆筒形电容器,其电容量,C,为,L,为圆筒长度；,R,为外圆筒内半径；,r,为内圆筒外半径,电容式检测元件,电容检测元件的工作原理,电容检测元件实际上是各种类型的可变电容器，它能将被测量的改变转换为电容量的变化,通过一定的测量线路，电容的变化量进一步转换为电压、电流、频率等电信号,电容器根据其,工作原理,可分为三种类型：即,变极距式，变面积式和变介电常数式,变极距式和变面积式可以反映,位移,等机械量或,压力,等过程参数的变化，,变介电常数式可以反映,液位高度、材料温度和组分含量,等的变化,电容式检测元件,变极距式电容器,变极距式电容器结构原理图,1,、,3-,定极板；,2,动极板,图中,1,、,3,为固定极板，,2,为可动极板，当某个被测量变化时，会引起动极板,2,的位移，从而改变极板间的距离,d,，导致电容量,C,的变化,变极距式电容传感器的灵敏度与初始极板间距,d0,的平方成反比。,因此，提高灵敏度希望,d0,越小越好。但,d0,过小，容易引起电容器击穿或极板间短路。,相对非线性误差由省略去的高次项所引起：,差动变极距式电容位移检测机构，在两个固定极板之间设置可移动极板，使可移动极板位移变化,d,，则其中一个电容器的电容量增加，另一个电容器的电容量减小，即：,最小非线性项为,3,次项，远比,2,次项小，因此,线性度明显改善,。且当温度变化时，上下电容器同时变化，有效的,改善了温度等环境因素和静电引力,给测量带来,的影响,。,变面积式电容器,当可动极板在被测量的作用下发生位移，使两极板间的相对有效面积改变,A,，则,说明变面积式电容器元件的输入,-,输出特性关系在理论上是线性的,变介电常数电容器,当两极板间的介电常数,变化,，会导致电容量发生改变,引起两极板间介质介电常数变化的因素，可以是,介质含水量，也可以是介质厚度或高度，介质组分含量的变化,。因此可用来,测量含水量、物位以及介质厚度,等物理参数。,电容器等效电路,在一般情况下，电容式检测元件可视为一个纯电容。但在必须考虑电容损耗、电感效应、极板间等效电阻的情况下，电容的等效电路为,等效电路中，,R,P,为并联损耗，它包括极板间的泄漏电阻和介质损耗等，,R,S,为串联损耗，包括引线电阻、极板电阻和支架电阻。,L,是由电容器本身的自身电感和引线电感组成，与电容器的结构形式及引线长度有关,由于,L,的存在，检测元件的有效电容在忽略,R,P,、,R,S,的影响时，可表示为：,有效电容的相对变化量为,测量时必须与校准时处于同样条件下，其,电源频率与引线长度,不能改变。,电容式检测元件的温度补偿及抗干扰问题,温度补偿,温度影响电容式检测元件的输出主要表现在两个方面：,（,1,）温度变化能引起检测元件各组成零件的几何尺寸的变化，使电容极板间隙或面积发生改变，从而导致电容的变化，产生附加误差。因此要选用,温度系数小并且稳定的材料,（,2,）温度的变化还能引起极板间介质的介电常数的变化，直接影响电容值，带来测量误差（尤其是液体）。,需要在转换电路中采用补偿措施。,消除寄生电容的影响,电容式检测元件除了极板间的电容外，极板还可能与周围物体之间产生电容联系，该电容为寄生电容。,由于电容式传感器的初始电容量很小，而连接传感器与电子线路的引线电缆电容、电子线路的杂散电容以及传感器内极板与周围导体构成的电容等形成的寄生电容却较大，降低了传感器的灵敏度，甚至使传感器无法工作。,必须设法消除寄生电容对传感器的影响,（,1,）增加初始电容值,减小极片或极筒间间距，增加工作面积或工作长度,（,2,）集成法,将传感器与电子线路的前置级装在一个壳体内,（,3,）驱动电缆技术 双层屏蔽等电位传输技术,内屏蔽线,与信号传输线通过,1,：,1,放大器实现等电位，,消除芯线与内屏蔽线间的电容；外屏蔽线接地用来防止外界电场的干扰,。,缺点是对,1,：,1,放大器要求很高，电路复杂，,但能保证电容值小于,1pF,时也能正常工作。,（,4,）整体屏蔽技术,传感器和转换电路、传输电缆等用一屏蔽壳屏蔽起来，正确选取接地点可减小寄生电容的影响和外界干扰,电容器检测元件的应用,应用广泛，可实现位移、角位移等机械量以及压力、物位等参数的测量。,差压变送器：主要采用电容式差压变送器,