材料加工测试技术-03-检测转换原理解析.ppt

材料加工测试技术 张占领 河南科技大学材料学院 学习要求： 1.了解传感器的分类 2.掌握常用传感器测量原理 3.了解传感器测量电路 3.1 概述 检测需要把非电量转换成电量，必须用传感器。 传感器：借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。 传感器由敏感器件和辅助器件组成。敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。 传感器分类： 1. 转换原理分：物理型，化学型，生物型 2. 构成原理分：结构型(依靠传感器结构参数的变化实现信号转变，例如电容式和电感式传感器)；物性型(依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换，如水银温度计) 3. 转换结果量值性质：模拟量，数字量 4. 用途：过程量(压力，温度，流量，料位)，机械量(尺寸、位移、速度、加速度、力、转矩等)，物性(粘度、密度)，成分(酸碱度、盐度、浓度)，状态量(颜色、透明度、粗糙度) 5. 转换成的电量类型：电路参数(电阻，电容，电感)，电参数(电荷，电流，电压，电势)。 除电量转换外，微波、超声、红外、激光、核辐射等也用于检测转换，并构成相应的传感器。 根据第五种分类，依次介绍电阻式，电容式，电感式，电势式传感器。 3.2 电阻式传感器 把被测量转换为电阻变化的一种传感器。 按工作的原理可分为：变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式。 转换方法： 1. 导电溶液：导电溶液浓度变化，导致电阻变化， 2. 热敏电阻：电阻阻值随温度变化， 3. 气敏电阻：气体的种类和浓度影响阻值， 4. 磁敏电阻：磁场强度影响阻值， 5. 光敏电阻：光电效应， 6. 金属热电阻：电阻随结构参数、电阻率变化：R=ρ?l/S ※ 主要讲金属热电阻、半导体热敏电阻，金属和半导体应变片。 3.2.1 金属热电阻和半导体热敏电阻 1）金属热电阻 （1）原理 金属导体的电阻率随温度变化：ρ=A+Bt+Ct2 铂、铜，镍、铁。 （2）特性 a）铂热电阻 适用温度范围：13.8K~962℃ 温度特性： （3-1） Rt为温度t时的阻值，R0为0℃时的阻值，我国标准有46Ω，100Ω，300Ω三种。 温度系数：α=(R100－R0)／(R0×100)=0.003850 （1/℃） b）铜热电阻 电阻率小；温度系数大：4.28×10－3? ℃－1 c）镍、铁热电阻 电阻率、温度系数较高， d）低温用热电阻 铂-钴（0.5%）合金，铟、锰金属等材料。 （3）结构和工作方式 结构：线绕型，铠装型 ※ 注意：热电阻的引出导线的电阻也会受温度的影响。 引出线的连接方式： a：两引线，引线的阻值变化直接影响测温灵敏度和准确度。 b：电桥线路配合的三引线方式，R11、R12引出线电阻变化的影响相互抵消，R13对桥路平衡无影响。 c：四引线方式，电压表的读数即为被测电阻上的电压。 工作方式： 小电流，最大限度减小自身发热引起的阻值变化； 大电流，自身发热程度与被测量的物性、运动等有关。 2）半导体热敏电阻 （1）工作原理 半导体材料的电阻率随温度而变，分正温度系数PTC和负温度系数NTC （2）特性 温度特性 正温度系数PTC，负温度系数NTC； PTC分：4缓变型（电阻温度系数0.5-0.8%） 3开关型（电阻温度系数10-60%）。 NTC分：1缓变型NTC （电阻温度系数1-6%） 2临界型CTR。 伏安特性: 热电阻上所加的电功率和其向外耗散的功率相平衡时，电阻两端的电压与通过的电流之间的关系。非线性 原因：电阻随温度而变。 负温度系数热敏电阻： NTC型特性，a点之后：电流增大，温度升高，电阻降低，电压降低 正温度系数热敏电阻： PTC型特性，a点之后：电流增大，温度升高，电阻增大，电压升高 （3）选用 选用：考虑热敏电阻的特性； 问题：稳定性，非线性，参数分散性； 应用：检测元件，电路元件（补偿元件）。 主要用于温度探测、测量，电路中的补偿元件。 3.2.2 应变式电阻传感器 1）原理 (1)金属导体应变电阻工作原理： 即：金属导线受力发生变形，其电阻发生的变化包含3项。 泊松比：纵向应变与横向应变之比 应变效应表达式： 金属应变计： (2)半导体应变电阻的工作原理 沿一定晶向切割出的半导体材料所构成的电阻，有明显的压阻效应：电阻受力后内部产生变化，导致电阻率变化：