检测技术与检测元件.ppt

2 检测技术与检测元件,本章以敏感元件为主线，介绍敏感元件的特性及基于各种敏感元件的检测原理和方法。基本内容：检测技术有关的主要自然规律；参数检测的一般原理和方法；各种检测元件相应的检测原理、应用范围等。,2.1 检测技术的原理与方法2.1.1 自然规律与检测应用自然规律是参数检测的基础 检测过程是应用自然规律（定律、法则、效应）认识自然的过程。与检测技术有关的主要自然定律 守恒定律 场的定律 物质定律 统计法则,1）守恒定律 守恒定律是自然界最基本的定律，它包括质量、能量、动量和电荷量等守恒定律。(查守恒定律在测量中的应用)守恒定律在流量测量中的应用：毕托管流量计 节流式流量计 均速管流量计等,例：毕托管 流量计构成：毕托管是由弯成直角的同心套管构成。测量时，毕托管的内管口正对流体流动方向（如图）。测量原理：根据流体的总压与静压之差测量流体的流速。守恒定律应用：点2处的总能量应与点1处的总能量相等,计算：设在毕托管前一小段距离的点1处流速为v1，静压为p1，而管口(点2)处，因内管中充满被测流体，流速为零，静压p2。,流体流速：,能量守恒式：,静压,总压,2）场定律 关于场定律主要有：运动定律、电磁感应定律、光干涉定律等常见的主要应用：利用静电场定律的电容式传感器例：平板电容,：介电常数，A：平行板面积，d：极板距离主要应用：物位测量、界面测量、位移测量以及混合比测量（介电常数不同）,描述式：,利用电磁感应定律的电磁流量计原理图：,e：感应电势，B：磁感应强度，l：导体长度（管直径）v：移动速度,原理式：,注意：基于场的定律的参数检测，其敏感元件的形状、尺寸等参数决定了检测系统的量程、灵敏度等性能。具有较大的设计自由度、选择材料的限制较小。体积一般较大，不易集成，环境干扰对敏感元件的输出影响较大。,3）依据物质特性的固有规律原理：利用某物质固有物理量的变化实现参数检测。（物质的固有规律与物质的材料密切相关，反映了物质的内在性质）例如：金属，特别是许多半导体物质在受压、受热、受光照等情况下，表现出其电阻值或电学量有明显的变化，根据物质的这一特性，可分别进行压力、温度和光强等参数的检测。特点：基于物质固有定律的参数检测具有敏感元件体积小、无可动部件、反应快、灵敏度高、稳定性好、易集成等优点，在检测技术中有广阔的应用前景。,2.1.2 信号转换基础效应、元件与应用 参数检测中敏感元件常依据基础效应、按照一定的原理把被测变量的信息转换成一种可进一步处理或表示的信息。检测技术中常应用的基础效应：,光电效应热电效应电磁效应压电效应应变效应霍尔效应,光电子发射效应光导效应光生伏特效应,常用基础效应,2.1.3 参数检测的一般方法 参数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，把被测变量的变化转换为敏感元件某一物理(化学)量的变化。主要内容：方法分类、敏感元件选择,1）检测原理分类 根据敏感原件的不同，参数检测一般可分为：光学法 利用光的发射、透射、折射和反射定律或性质。利用光强度等光学参数来表示被测变量的大小，通过光电元件接收光信号实现检测目的。例：辐射式温度计、红外式气体成分分析仪力学（机械）法 利用敏感元件把被测变量转换成机械位移、变形等，通过对位移或变形状态的变换实现检测目的。例：弹性元件，节流件,热学法 根据被测介质的热物理量(参数)的差异以及热平衡原理进行参数的检测。例：热线风速仪 根据流体流动时带走的热量测定流体的流量（流速）。电学法 利用敏感元件把被测变量转换成电压、电阻、电容等电学量。例：热敏电阻、热电偶等,声学法 利用超声波在介质中的传播以及在介质间界面处的反射等性质进行参数的检测。应用例：超声波物位仪利用测量从超声波发射到接收到界面反射波的时间实现检测物位。超声波流量计利用超声波在流体中沿顺流和逆流方向传播的速度差检测流体的流速。磁学法 利用被测介质有关磁性参数的差异及被测介质或敏感元件在磁场中表现出的特性，检测被测变量。应用例：电磁流量计，磁氧分析仪,射线法 利用放射线穿过介质时部分能量会被物质吸收的特性实现参数测量的方法。吸收程度与射线所穿过的物质层厚度、物质的密度等性质有关。例如利用射线法可实现物位检测，也可以用来检测混合物中某一组分的浓度。,2.2 敏感元件简介 敏感元件（检测元件）：一种能够灵敏地感受被测参数，并将被测参数的变化转换成另一种物理量变化的元件。敏感元件选择 同一参数可以使用不同的敏感元件，应用不同的方法来测量。选择敏感元件时要考虑以下因素。a.敏感元件的适用环境 要保证敏感元件能正常工作，一般对它使用的环境温度、压力、外加电源电压(电流)等都有要求。例如，用压阻元件测量压力一般要求被测介质的温度不超过150。,b.敏感元件的参数测量范围 保证工作在其适用范围之内，被测变量不超过敏感元件规定的测量范围 例如，对于弹性元件，当外力作用超过极限值后，弹性元件将产生永久性变形，甚至产生断裂或破损。c.敏感元件的输出特性 要求其输出与被测变量之间有明确的单调上升或下降的关系，最好是线性关系，而且要求该函数关系受其他参数(因素)的影响小，重复性要好。d.其他 在满足静态和动态精度的要求下，还要考虑敏感元件的价格、易复制性以及使用时的易安装性等因素。,敏感元件分类：机械式检测元件 电阻式检测元件 电容式检测元件 热电式检测元件 压电式检测元件 光电式检测元件 磁电式检测元件 核辐射式检测元件,2.2.1 机械式检测元件原理、特点：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，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：依据弹性变形原理，将被测参数（外力）变化转换为弹性元件的变形，位移，应力等物理量输出。振动式检测元件：将被测参数（力、密度）变化转换成谐振元件的固有频率变化的输出,2.2.1.1 弹性式检测元件 弹性元件是基于弹性变形原理的一种敏感元件。1）弹性元件的基本性能 弹性特性 描述弹性元件的输入量与由它引起的输出量之间的关系。弹性特性主要由刚度和灵敏度描述。a.刚度 弹性元件产生单位变形所需要的外加作用力。描述式（虎克定律）：,式中，k：弹性元件材料的刚度；F：作用在弹性元件上的外力；x：弹性元件上产生的变形。,A：弹性元件的有效面积,则有：,注意：弹性材料刚性越强，或者A/k 越小，则测量适应范围越大。弹性元件的有效面积 A和刚度系数 k与弹性元件的性能、加 工过程和热处理等有较大关系。位移量较小时，它们均可视为常数。压力与位移成线性关系。,b.灵敏度 刚度的倒数，定义为单位输入量所引起的输出量，即,注意：弹性元件的刚度与灵敏度是一对矛盾。,弹性元件的滞弹性 弹性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特性。其表现形式主要有弹性滞后、弹性后效(蠕变)、应力松弛等。a.弹性滞后 弹性元件在外力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，如图,弹性滞后一般用最大相对滞后的百分数来表示，即,max:最大的应变滞后,max:最大载荷下的总应变,b.弹性后效 弹性变形范围内，应力保持不变的情况下，应变 随时间的延续而缓慢增加，直到最后达到平衡应变值的现象称为弹性后效，也称蠕变。,OA曲线：弹性元件外力加载时的输出与输入特性，应变量：1=OD。AB曲线：应力不变情况下，弹性元件继续产生变形的结果，后效应变量：2=DE；应变曲线如图BC曲线：应力释放特性曲线。应变量：3=ECCO曲线：应力释放后的弹性后效 应变曲线如图,AB段蠕变时间曲线,CO段蠕变时间曲线,注意：弹性后效的衰减常常需要延续很长时间，一般采用应力保持15min作参考值。弹性后效描述式,式中：N（15）：为弹性后效值；(15)=(15)-0（15）：施加应力保持15min后对应的应变值；0：施加应力恒定时刻对应的应变值；E：材料的弹性模量；E=/0(应力与应变之比)：材料的正应力。,c.应力松弛 总应变量恒定情况下，应力随时间的延续而逐渐降低的现象。表达式：,式中：r:应力松弛率；0:初始应力；t:经过 t时间后的应力。一般要求弹性元件应具有高的抗松弛能力。,弹性元件的热弹性效应a.弹性模量的温度系数 温度变化引起材料的弹性模量E的变化。通常采用弹性模量的温度系数 E来表示弹性模量随温度变化的情况。,式中 E0：温度为 t0时材料的弹性模量 E：温度为 t时材料的弹性模量。,b.频率温度系数 通常采用频率的温度系数 f表示谐振频率随温度变化的情况。,式中 f0:温度为T0时弹性元件的谐振频率；f:温度为T时弹性元件的谐振频率。,c.膨胀系数 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。,式中 l0：温度为T0时材料的长度；l：温度为T时材料的长度。温度影响特点：温度升高弹性材料刚度降低、,弹性元件的固有频率 弹性元件本身质量、弹性、弹性后效等决定了弹性元件的固有频率。弹性元件的动态特性与它的固有频率密切相关。影响特点：固有频率越高，则弹性元件响应越快。,2）弹性元件的材料性能及种类 弹性元件的材料性能 弹性敏感元件的材料：金属材料或非金属材料。作为敏感元件弹性材料应具有以下性能或特性。a.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。b.具有良好的弹性特性，如稳定的输入一输出关系，很小的滞弹性效应。c.具有良好的温度特性，如弹性模量的温度系数小，而且稳定。d.具有良好的化学性能，有较强的抗氧化性和抗腐蚀性。,弹性元件的种类 弹性元件主要有：弹簧管、波纹管、弹性膜片、膜盒、薄壁圆筒等类型。本课程仅以常用的弹簧管、薄壁圆筒、波纹管和膜片为例，介绍弹性元件的检测原理及其特性。,a.弹簧管,弹簧管是由横截面呈非圆形(椭圆形或扁圆形)弹性材料管弯成圆弧状(中心角常为270度)构成（如图）。被测压力介质从开口端进入并充满弹簧管的整个内腔，由于弹簧管的非圆横截面，使它有变成圆形并伴有伸直的趋势而产生力矩，其结果使弹簧管的自由端产生位移，同时改变其中心角。,弹簧管,封闭端（自由端）,开口端（固定端）,被测压力,弹簧管自由端位移量(中心角改变量)和所加压力关系：,式中：0：弹簧管中心角的初始角：受压后中心角的改变量 d：自由端位移量 R：弹簧管弯曲圆弧的外半径 h：管壁厚度 a、b：弹簧管椭圆形截面的长、短半轴；,扁平管：,椭圆管：,：几何参数；、：与比值有关的参数；：泊松系数，E：弹性模数。,注意：该式仅适用于薄壁(hb0.70.8)弹簧管,弹簧管特性：在一定压力范围内，弹簧管具有线性弹性特性。如果a=b，则=0（或1-b2/a2=0），这说明具有均匀壁厚的圆形弹簧管不能用作压力检测的敏感元件,对于单圈弹簧管，中心角变化量(或位移量)一般较小。要提高输出量（，d），可采用多圈弹簧管，圈数一般为2.59。应用：弹簧管可以通过传动机构直接指示被测压力，也可以用适当的转换元件把弹簧管自由端的位移变换成电信号输出。,b.薄壁圆筒,特点：壁厚(h)一般是筒径的0.05倍以下。工作时，筒壁不发生弯曲变形，而是均匀向外扩散，筒壁的每一单元面积都将在轴向和径向产生拉伸应力和应变。其受力情况如图所示。注意：这种弹性检测元件只能将压力转换成应变，多用于电阻应变片式检测元件中。,数学描述 相应的轴向拉伸应力x和径向拉伸应力:,应变 x和(根据虎克定律可得),轴向拉伸应力,径向拉伸应力,注意：r0:薄壁圆筒内半径。轴向应力x和径向应力相互垂直,轴向应变,径向应变,式中，E、分别为圆筒材料的弹性模量和泊松比。在相同压力下，薄壁圆筒的径向应变大于其轴向应变。,c.波纹管 波纹管是一种具有等间距同轴环状波纹，能够依据管内或管外所加轴向集中力沿轴向伸缩的测压弹性元件。,受力与位移关系式：,固定端（压力导入）,自由端,F：轴向集中力；A：波纹管有效面积：泊松系数；E：弹性模数；h0：非波纹部分的壁厚；n：完全工作的波纹数；：波纹平面部分的倾斜角；RB：波纹管的内半径；A0、A1、A2和B0：与材料有关的系数。,特点：由于波纹管的位移相对较大，故一般可在其顶端安装传动机构，带动指针直接读数。波纹管的特点是灵敏度高(特别是在低压区)；常用于检测较低的压力(1.0106Pa)，波纹管迟滞误差较大，精度一般只能达到1.5级。,d.膜片 膜片是一种沿外缘固定的片状形测压弹性元件，按剖面形状分为平膜片和波纹膜片。,波纹膜片是一种压有环状同心波纹的圆形薄膜，其波纹的数目、形状、尺寸和分布情况与压力测量范围有关，也与线性度有关。将两块膜片沿周边对焊起来，则构成一薄膜盒子，称为膜盒。真空膜盒常用来测量大气的绝对压力。,膜片常用的材料：锡锌青铜、磷青铜、铍青铜、高弹性合金、恒弹性合金、碳素铜、不锈钢等。膜片的厚度：一般在0.050.3mm。,作用方式及特性描述：其特性一般用中心的位移和被测压力的关系来表征。,p：被测压力；R1：膜片自由变形部分的外半径；E：膜片弹性模量；：膜片材料的泊松比；d：默片中心位移 a、b、c：取决于波纹形状、波纹峰峰值和波纹条数的系数。,平板膜片：,波纹膜片：,弹性膜片特点及应用：膜片中心位移与不平衡力之间存在非线性关系。当膜片的位移很小时，它们之间有良好的线性关系。由于膜片的位移较小，灵敏度低，指示精度也不高，一般为2.5级。,膜片在测量中的应用：膜片一般是与其他转换元件结合应用，通过膜片和转换元件把压力转换成电信号。例：a.电容式压力传感器,膜片受压产生位移时，改变极板与膜片间的距离，从而改变电容器的电容值。通过测量电容的变化量可间接获得被测压力的大小。基于该原理的压力检测仪表称电容式压力传感器(有时也称变送器)。,b.光纤式压力传感器,其核心是采用光纤及其调制机构实现位移一光强的转换，如图所示。接收光强I1和I2分别是x1和 x2以及光纤至膜片间的距离 d的函数。选取适当的比值x2x1，则光强比值I1I2随被测压力线性下降，如图。,2.2.1.2 振动式检测元件 机械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。特点：输出信号为振动频率信号，易于直接与计算机等数字式检测系统配套使用。体积小、重量轻、分辨率高、精度高，便于信号的传输和处理。主要应用元件:振弦式、振筒式。,1）振弦式检测元件 构成原理图：,工作原理：钢弦激振后，按固有频率振动。,钢弦振动切割磁力线，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。钢弦受力不同改变其振动频率。钢弦的长度和密度可视为常数，感应电势的频率仅与外加力或应力有关。,式中 l：钢弦长度；：钢弦所受应力；T：钢弦所受张力；：钢弦材料密度；：钢弦的线密度，即单位弦长的质量。,2.2.2 电阻式检测元件基本原理 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。常见的电阻检测元件 电阻应变元件、热电阻、湿敏电阻和气敏电阻等。,应变片的结构及种类 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。a.金属应变片 金属电阻应变片主要有丝式应变片和箔式应变片两种结构。丝式应变片 丝式应变片由金属丝栅(敏感栅)、基底、引线、保护膜等组成。,1）应变式检测元件,敏感栅：高电阻率,直径0.0150.05 mm金属丝，,基底：厚0.020.04 mm的纸或胶膜,引线：直径0.10.2 mm低阻镀锡铜线，,箔式应变片,箔式应变片的敏感栅是用厚度为0.0030.01 mm的金属箔经光刻、腐蚀等工艺制成的。特点：表面积与截面积之比大，散热条件好，能承受较大电流和较高电压；因而输出灵敏度高；并可制成各种需要的形状，便于大批量生产。由于上述优点，它已逐渐取代丝式应变式。,常见箔式应变片,电阻应变元件的工作原理及特点 应变式检测元件基于导体和半导体的“应变效应”进行工作。a.应变效应：当导体和半导体材料发生机械变形时，其电阻值随之发生变化的现象。应变推导：金属导体或半导体材料制成的电阻体，有欧姆定律,电阻体受外力作用时，其电阻阻值相对变化量,由材料力学，电阻丝的长度、截面积以及电阻率变化具有如下关系,式中为材料的泊松系数；为压阻系数；E为弹性模量。材料轴向长度的相对变化量称为应变，用表示，有,电阻的相对变化量：,材料电阻变化的两个因素 尺寸变化引起的阻值相对变化(1+2)，称为应变效应 电阻率变化引起的阻值相对变化(E)，称为压阻效应,金属材料的影响主项,半导体材料的影响主项,简化归纳：电阻值的相对变化与应变有以下关系：,式中，为材料的应变（轴向长度的相对变化量，）；K为材料的电阻应变系数，即单位应变引起的电阻相对变化量。金属材料应变元件的 K 值约为26，半导体材料应变元件的 K 值可达60180。,b.应变式检测元件特点测量范围宽、准确度高。力的测量范围从几牛顿至几兆牛顿准确度可达0.005F.S；压力测量范围从几百帕到几百兆帕准确度可达0.05F.S；位移测量范围从微米级到厘米级。测量速度快，适合静态和动态测量使用寿命长、性能稳定可靠；价格便宜、品种繁多，可以测量多种物理量可在高低温、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。输出信号微弱，抗干扰能力较差，需要采取屏蔽措施；在大应变状态下具有较大的非线性,应用方法 应变片一般依附于弹性元件（如膜片、薄壁圆筒、悬臂梁等）一同作为检测元件。即，在弹性元件受压变形时粘贴在弹性元件上的应变片随弹性元件产生形变，应变片发生应变，其电阻值发生相应的改变。例如：图示为与弹性膜片结合的应变片工作状态图,常见弹性元件和应变式压力传感器的结构形式,注意：由于金属材料有电阻温度系数，特别是弹性元件和应变片两者的膨胀系数不等，会造成应变片的电阻值随环境温度而变，即 应变式压力传感器仍有比较明显的温漂和时漂。因此，这种压力传感器较多地用于一般要求的动态压力检测。金属丝或箔式应变片性能稳定，准确度高，但其应变灵敏系数K较小，对粘贴工艺要求严格，不利于生产和使用。,b.半导体应变片（压阻元件）半导体应变片是以单晶膜片为敏感元件制成的。依据：半导体材料在发生形变时其电导率将出现较大变化 对半导体应变片施加以一应力时，电阻率的相对变化为,式中，：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：材料的弹性模量；：应变,电阻变化：,半导体应变片构成：最常用的半导体应变片材料有硅和锗，在其中掺杂可形成P型或N型半导体。P型半导体的及K是正值，N型半导体及K为负值。半导体应变片主要类型：体型半导体应变片：将原材料按所需晶向切割成片和条粘贴在弹性元件上使用。薄膜型半导体应变片：用真空蒸镀的方法将锗敷在绝缘的支持片上形成扩散型半导体应变片：在电阻率很大的单晶硅支持片上直接扩散一层P型或N型杂质，形成一层极薄的P型或N型导电层，然后在它上面装上电极,扩散硅压力传感器结构示意图,核心部分是一块圆形的单晶硅膜片。在膜片上布置四个扩散电阻，如图所示，组成一个全桥测量电路。膜片用一个圆形硅环固定，将两个气腔隔开。一端接被测压力，另一端接参考压力。当存在压差时，膜片产生变形，使两对电阻的阻值发生变化，电桥失去平衡，其输出电压与膜片承受的压差成比例。,扩散硅压力传感器的主要优点：体积小，结构比较简单，其核心部分就是一个单晶硅膜片，它既是压敏元件又是弹性元件。扩散电阻的灵敏系数是金属应变片的灵敏系数的50100倍，能直接反应出微小的压力变化，能测出十几帕斯卡的微压。动态响应好。可用来测量高达数千赫兹乃至更高的脉动压力，是一种比较理想，目前发展迅速和应用较广的压力传感器。主要缺点：敏感元件易受温度的影响，从而影响压阻系数的大小。,.测量电路 采用接入电桥桥臂方法测量电阻值的变化，电桥输出信号可以反映被测压力的大小。为了提高测量灵敏度，通常采用两对应变片，并使相对桥臂的应变片分别处于接受拉应力和压应力的位置。电路示意图,2）热电阻式检测元件 热电阻是利用电阻的热效应（金属导体或半导体的电阻值随温度变化）实现温度检测的元件。热电阻式检测元件的类别与主要特点：热电阻式检测元件主要类别金属热电阻：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0.40.6。半导体热敏电阻：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，电阻约减少26。热电阻测温主要特点优点：信号灵敏度高，易于连续测量，无须参比温度；金属热电阻稳定性高，互换性好，精度高。缺点：需要电源激励，有自热现象，测量温度不能太高。,金属热电阻 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具有较高的稳定性和准确度。热电阻温度系数 热电阻阻值随温度的变化可以用电阻温度系数来表示，其定义为：,式中，R0和R100分别为0和100时热电阻的电阻值。,a.铂热电阻分度号：Pt10：R0=10 Pt100：R0=100温度-阻值分度式：-2000：Rt=R01+At+Bt2+C(t-100)t3 0850：Rt=R0(1+At+Bt2)式中Rt 和 R0分别为t和0时铂电阻的电阻值；A、B和C为常数。常数规定（ITS一90）：A=3.908310-3/B=5.77510-7/2 C=4.18310-12/4测温范围：工业用铂电阻温度计的使用范围是-200850。,铂热电阻特性：精度高，稳定性好，性能可靠；电阻与温度为非线性关系；温度越高，电阻的变化率越小；铂在还原性介质中，特别是在高温下很容易被从氧化物中还原出来的蒸气所沾污，使铂丝变脆，并改变它的电阻与温度间的关系。（550以上只适合在氧化环境中使用，真空和还原性介质将导致电阻值迅速漂移）,b.铜电阻测温范围：工业用铜电阻温度计的使用范围是一50150（线性区域）铜电阻分度号 Cu50：R0=50 Cu100：R0=100温度-阻值分度式：Rt=R0(1+At+Bt2+Ct3)或 Rt=R0(1+t)式中:A=4.28899103/B=-2.133107/2 C=1.233109/3=4.28103/,铜热电阻温度计特点：温度系数大，而且几乎不随温度而变，铜热电阻的特性比较接近直线铜容易加工和提纯，价格便宜，温度测量范围较窄。（高于250电阻本身易于氧化）,c.热电阻的结构型式 工业用热电阻主要由感温体、保护套管和接线盒等部分组成；结构如图所示：,感温体是由细铂丝或铜丝绕在支架上构成。铂电阻率较大，相对机械强度较大，通常选择铂丝的直径在0.05mm以下，铜的机械强度较低，电阻丝的直径需较大，一般为0.1mm注意：为了使电阻感温体没有电感，无论哪种热电阻都必须采用无感绕法，即先将电阻丝对折起来，像上图(b)那样双绕，使两个端头都处于支架的同一端。,d.热电阻的应用及引线形式应用形式 一般应用电桥测取热电阻的阻值变化引线种类：铂热电阻：低温：银丝，高温：镍丝 铜热电阻：铜丝，镍丝引线形式：工业用热电阻安装在生产现场，离控制室较远，因此热电阻的引线对测量结果有较大的影响。热电阻的外引线有两线制、三线制及四线制三种形式。,例：两线制接线,在热电阻感温元件的两端各连一根导线的引线形式为两线制热电阻。两线制热电阻配线简单，安装费用低，但要会引进引线电阻的附加误差。因此，不适用于高精度测温场合使用。并且在使用时引线及导线都不宜过长。,例：三线制热电阻,在热电阻感温元件的一端连接两根引线，另一端连接一根引线，此种引线形式称为三线制热电阻。采用三线制热电阻的测温电桥如图所示，引线电阻的变化同时引进电桥相邻的两臂，可以消除引线电阻的影响，测量精度高于两线制。目前三线制在工业检测中应用最广。一般，在测温范围窄或导线长，导线途中温度易发生变化的场合必须考虑采用三线制热电阻。,例：四线制热电阻,在热电阻感温元件的两端各连两根引线，此种引线形式称为四线制热电阻。四线制引线方式主要用于高精度温度检测。四线制热电阻与电位差计结合的的测温电路如左下图所示。其中两根引线为热电阻提供恒流源，在热电阻上产生的压降U=RtI,通过另两根引线引至电位差计进行测量。因此，它完全能消除引线电阻对测量的影响。,e.金属热电阻的使用特点 输出信号增量较大，易于测量。金属热电偶稳定性高、精度高；互换性好。热电阻的阻值测量必须借助于外加电源，例如用电桥将桥臂上电阻值的变化转换为电压的输出。热电阻的感温体结构复杂、体积较大，热惯性大，不适宜应用于体积狭小场合和温度变化快的过程的温度测量，抗机械冲击与振动性能也较差；热电阻适于低温段测量。,热敏电阻 热敏电阻是利用金属氧化物或某些半导体材料的电阻值随温度的升高而减小(或升高)的特性制成的。一般热敏电阻的测温范围是-100300。一般热敏电阻种类 NTC型热敏电阻：负温度系数热敏电阻 PTC型热敏电阻：正温度系数热敏电阻 CTR 型热敏电阻：负温度系数临界温度热敏电阻,NTC热电阻 NTC型热敏电阻具有负温度系数。阻值与温度的关系：,式中 RT：热敏电阻在温度为T(K)时的阻值；A，B：取决于半导体材料和结构的常数。根据电阻温度系数的定义，NTC型热敏电阻的温度系数T为：,特点：非线性：电阻温度系数随温度T的平方的倒数而减小；低 温段灵敏度高于高温段。一般NTC型热敏电阻的B在15006000K之间；电阻呈负温度系数；,NTC型热敏电阻温度特性曲线,PTC型热敏电阻 PTC热敏电阻呈现正温度系数。特性曲线：,开关型：电阻值在某一温度点处 现阶跃式变化。阻值与温度关系式：,BP为热敏电阻材料常数。适用于做温度开关。,缓变型：在一定温度电阻值与温 度呈线性关系,适用于做温度测量 或温度补偿的敏感元件。,CTR热敏电阻 负温度临界热敏电阻,特点：具有负的温度系数的开关型热敏电阻。在某一温度点附近，电阻发生突变，且在极小温区内随温 度的增加，电阻值能降低34个数量级的热敏元件，具有 很好的开关特性。,半导体热敏电阻具有以下一些优点：灵敏度高。温度系数大。NTC型热敏电阻的电阻温度系数都在-310-2-610-2之间，是金属热电阻的十多倍，因此可大大降低对显示仪表的精度要求；电阻值高。半导体热敏电阻在常温下的阻值很大，通常在数千欧以上，引线电阻几乎对测温没有影响，不必采用三线制或四线制，给使用带来了方便；体积小，热惯性也小，时间常数通常在0.53s；结构简单，价格低廉，化学稳定性好，使用寿命长。半导体热敏电阻的缺点有：互换性较差，虽然近几年有明显的改善，但与金属热电阻相比仍有较大差距；非线性严重；温度测量范围有一定限制，目前只能达到-50300左右。,2.2.3 电容式检测元件 2.2.3.1 工作原理 电容式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，将电容变化量进一步转换为电压、电流、频率等电信号。电容式检测元件通常有平板和圆筒形两种，如图,a.平板形电容器 电容量C描述式,b.圆筒形电容器 电容描述式,l：圆筒长度；R：外圆筒内半径；r：内圆筒外半径；,A：极板面积；d：两极板间的距离；:极板间介质的介电常数；0:真空介电常数(88510一：Fm)；r:介质相对真空的相对介电常数。,由式可知，当电容器参数d、A(或l)和中任一个发生变化时，电容量C也就随之变化。,电容器根据其工作原理可分为三种类型：变极距式、变面积式、变介质常数式变极距式 变面积式 变极距式和变面积式电容敏感元件主要应用于反映位移等机械量或压力等过程的变化；变介质常数式 变介质常数式电容敏感元件可以应用于反映液位高度、材料温度和组分含量等的变化。,2.2.3.2 电容元件的结构和特性1）变极距式电容器 变极距式电容器构成的结构原理如图所示。,被测量变化引起极板的位移，从而改变极板间的距离d，导致电容量C的变化。,a.单极板 设极板间的介质为空气，即r=1，若极板初始间距为d0，则初始电容量为,KC：电容位移检测灵敏度，反映了单位输入位移变化量d所能引起的电容C的相对变化量。其大小与初始极板间距d0的平方成反比。,当极板间距变化d(dd0)时，,令,略去高次项有：,二固定极板之间设置可移动极板构成二电容对称结构；可移动极板位移变化时，一个电容器的电容量增加，另一个电容器的电容量减小。,结论：差动式电容检测提高了灵敏度，改善了温度等环境因素和静电引力给测量带来的影响。,b.差动变极距式 原理结构：,灵敏度,总电容相对变化,2）变面积式电容器 几种常见的变面积式电容器结构原理,图(a)和(b)：平板式电容；图(c)和(d)：圆筒式电容。,基本思想：将被测变量的变化转换为电容极板相对面积的改变，从而实现参数测量目的。电容变化量：设电容可动极板发生位移引起两极板相对有效面积改变A，导致电容器的电容量变化C，则：,结论：变面积式电容元件的输入一输出关系在理论上是线性的。,灵敏度,3）变介电常数式电容器 改变检测介电物质介电常数的变化实现参数测量。表达式：设两极板间介质的介电常数由变化引起的电容改变量为C，则有：,注意：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、介质厚度或高度、介质组分含量的变化。因此可以用来测量含水量、物位以及介质厚度等物理参数。当电容极板间为导电介质时，极板表面应涂绝缘层，以防止电极间短路。,4）电容式检测元件特点 电容式检测原件被广泛地用于位移、振动、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测量。其优点是：结构简单；需很小的输入力和很低的输入能量；由于检测元件的电容量很小故容抗很高，且自身发热小、损耗小。具有较高的固有频率和良好的动态特性，可在几兆赫的频率下工作；工作适应性强，可进行非接触式测量；缺点：电容的变化量较小；负载能力差容易受寄生式杂散电容以及外界各种干扰的影响，必须采取良好的屏蔽和绝缘措施。温度影响较严重；应选用温度系数较小的材料制作电极板，以及应用温度补偿措施。,2.2.3.3 应用例1）差动变极距式电容压力传感器 电容式差压传感器示意图,外壳：不锈钢基座；内装玻璃绝缘层 内侧凹形球面上除边缘部分外镀有金属膜作为固定电极，中间被夹紧的弹性膜片作为可动测量电极。组成两个电容器。不锈钢基座两边外侧装有波纹密封隔离膜片，测量电极将空间分隔成左、右两个腔室，其中充满硅油。,检测：隔离膜片两侧压力施以不同压力时，差压信号通过硅油作用使膜片产生位移。电容极板间距离的变化引起两侧电容器电容值的改变。电容变化与板间距离变化的关系可表示为,式中，C0为初始电容值；d0为极板间初始距离；d为距离变化量。电容量的变化经过适当的变换电路，可以转换成反映被测差压的标准电信号输出。,特点：结构坚实；灵敏度高：采用差动电容法可以改善非线性，提高灵敏度；过载能力大；稳定性较好：采用差动电容法可减小温度对介电常数的影响；精度高，其精度可达0.250.05；可以测量压力和差压。,2)变面积式电容压力传感器 一种变面积式电容压力传感器示意图,可动电极与固定电极均是金属同心多层圆筒，断面呈梳齿形，其电容量由两电极交错重叠部分的面积所决定。固定电极与外壳之间绝缘，可动电极则与外壳导通。被测压力作用在金属膜片上，通过中心柱和支撑簧片，使可动电极随簧片中心位移而动作。压力引起的极间电容变化由中心柱引至适当的变换器电路，转换成反映被测压力的电信号输出。,3)液位测量 电容式物位检测原理是基于圆筒电容器工作的，其结构形式如图:,描述式,H=0,1：气体（轻组分）介电常数2：液体（重组分）介电常数,H0,2.2.4 热电式检测元件 利用敏感元件将温度变化转换为电量变化的元件。主要有：热电偶，半导体PN节2.2.4.1 热电偶1）热电偶测温原理 热电效应：将两种不同的导体或半导体A、B连接成闭环回路，并将他们的两个接点分别置于温度为T及T0的热源中，则在该回路内将产生电动势的现象称为热电效应。,上述有两种不同材料构成的热电变换元件称为热电偶。,热端工作端,冷端自由端,电极,电极,回路热电势构成及描述 接触电势热电势组成 温差电势接触电势：由于两种材料的电子密度不同引起的在接触面上发生材料间电子转移而产生的电动势称为接触电势。,波尔茨曼常数是有关于温度及能量的一个物理常数 k=1.3806505(24)1023 J/K,e=1.6021773310-19,k:波尔茨曼常数，e：电子电荷量,温差电势：单一材料由于两端温度不同引起内部电子转移而产生的电动势称为温差电势。,汤姆逊系数数值非常小，而且与金属材料及其温度有关，如:铜在0时汤姆逊系数只有2V/，铋的系数比较大，常温下也只有10-5 V/左右。,A：汤姆逊系数；表示温差为1度时电动势,回路热电势 回路电势图：,回路热电势（接触电势+温差电势）由描述式：,实验结果表明，温差电势比接触电势小很多，可忽略不计，热电偶的电势可表示为,T0为定值，eAB(T0)=C,结论：冷端温度恒定时，输出电势仅是热端温度的函数,小结：热电偶回路产生热电势的条件：a.两种不同的材料构成回路，,若两种材料相同，则有：NA=NB，EAB（T，T0）=0 b.两端接点处温度不同。热电势大小只与热电材料及两端温度有关，与偶丝长短及粗细无关。热电极材料确定后热电势仅与温度有关。,温度的确定方法 查分度表法：分度表：根据国际温标规定：T0=0时，用实验的方法测出各种不同热电极组合的热电偶在不同的工作温度下所产生的热电势值，列成的表格。参考函数法：用函数式表示温度与热电势的关系，称为参考函数。有关标准热电偶的分度表和参考函数详见附录。,3）热电偶基本定律 均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的截面如何以及各处的温度分布如何，都不能产生热电势。这条定律说明，热电偶必须由两种不同性质的材料构成。,中间导体定律 断开热电偶回路，接入第三种导体C，若导体C两端的温度相等，则接入导体C后对热电偶回路中的总电势没有影响。,证明：由温差电势忽略不计，回路总电势等于各接点接触电势之和，即 EABC(T,T0)=eAB(T)+eBC(T0)+eCA(T0)T=T0时，热电势等于零（EABC(T,T0)=0），即 eAB(T0)+eBC(T0)+eCA(T0)=0 eBC(T0)+eCA(T0)=-eAB(T0)故有：EABC(T,T0)=eAB(T)-eAB(T0)=EAB(T,T0),定理应用：根据热电偶的这一性质，可以在热电偶回路中引入各种仪表、连接导线等实现对温度的测量。,在热电偶的自由端接入一只测量电势的仪表，并保证两个接点的温度一致就可以对热电势进行测量而不影响热电偶的输出。,例:,中间温度定律 热电偶AB在接点温度为T、T0时的热电势EAB(T，T0)等于热电偶AB在接点温度为T，TC和TC，T0的热电势EAB(T，TC)和EAB(TC，T0)的代数和,即：EAB(T，T0)=EAB(T，TC)+EAB(TC，T0)定理应用：根据这一定律，只需列出热电偶在参比端温度为0的分度表，既可以求出参比端在其他温度时的热电偶的热电势。,等值替代定律 如果使热电偶AB在某一温度范围内所产生的热电势等于热电偶CD在同一温度范围内所产生的热电势，即 EAB(T，T0)=ECD(T，T0)则这两支热电偶在该温度范围内可以互相代用。定理应用：此定理提供了补偿导线应用的依据，补偿导线作用：将热电偶冷端延伸到某一恒温点。,4）举例例1 如图，设EAB(tC，t0)=ECD(tC，t0)，证明该回路的总电势为EAB(t，t0)。,证1 由EAB(tC，t0)=ECD(tC，t0)，根据等值替代定律，这两支热电偶可以互相代用，即图(a)与图(b)具有相同的热电势。又根据中间温度定律，热电势为 EAB(t，tC)+EAB(tC，t0)=EAB(t，t0),证2：用代数运算来证明。,对于图(a)，总电势为：EABCD(t,t0)=eAB(t)+eBD(tC)+eDC(t0)+eCA(tC)设：t=tC=t0，有：eAB(tC)+eBD(tC)+eDC(tC)+eCA(tC)=0 则：eBD(tC)+eCA(tC)=-eAB(tC)eDC(tC)代入上式：EABCD(t,t0)=eAB(t)-eAB(tC)+eDC(t0