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測試與感測技術

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1 測試與感測技術 -圖書信息1

  作 者:侯國章 編著

  出 版 社:哈爾濱工業大學出版社

  出版時間:2009-1-1

  版 次:3頁 數:274字 數:396000印刷時間:2009-1-1開 本:16開紙 張:膠版紙印 次:5I S B N:9787560313610包 裝:平裝

測試與感測技術

2 測試與感測技術 -內容簡介

  本書內容是以數、理、化為基礎,集機、電、光知識於一體的一門綜合性應用技術。全書共分12個章節,主要以集成化物性型感測器為重點,詳細介紹了各類物理量測試系統,具體內容包括電阻式感測器、壓電式感測器、光感測器、超聲感測器等。它對培養學生的實踐能力十分重要。

3 測試與感測技術 -目錄

  緒論

  第一章 敏感材料

  第一節 敏感材料轉換功能

  第二節 半導體敏感材料

  第三節 陶瓷敏感材料

  第四節 有機敏感材料

  第二章 電阻式感測器

  第一節 金屬應變片

  第二節 應變式力感測器

  第三節 壓阻式感測器

  第三章 電容式感測器

  第一節 電容式感測器

  第二節 電容式感測器輸出電路

  第三節 電容式壓力感測器

  第四章 電感式感測器

  第一節 自感式感測器

  第二節 差動變壓器式感測器

  第三節 感應同步器

  第四節 壓磁式感測器

  第五章 壓電式感測器

  第一節 壓電轉換器件

  第二節 壓電式感測器輸出電路

  第三節 壓電式力學量感測器

  第六章 磁電式感測器

  第一節 磁電感應式感測器

  第二節 強磁性金屬磁敏器件

  第三節 磁頭與磁柵

  第四節 霍爾感測器

  第五節 半導體磁阻器件

  第七章 光感測器

  第一節 內光電效應器件

  第二節 光量子型紅外感測器

  第三節 電荷耦合器件(CCD)

  第四節 光柵

  第五節 光電碼盤

  第八章 溫度感測器

  第一節 熱電偶

  第二節 熱敏電阻

  第三節 半導體溫度感測器

  第四節 熱電型紅外感測器

  第九章 超聲感測器

  第一節 超聲換能器

  第二節 超聲流量感測器

  第三節 超聲位移感測器

  第四節 超聲溫度感測器

  第五節 超聲探傷感測器

  第六節 超聲感測器電路

  第十章 光纖感測器

  第一節 光導纖維

  第二節 光纖位移感測器

  第三節 光纖壓力感測器

  第四節 光纖溫度感測器

  第十一章 觸覺感測器

  第一節 指端應變式觸覺感測器

  第二節 多功能觸覺感測器

  第三節 壓阻式陣列觸覺感測器

  第四節 PVDF觸覺感測器

  第五節 人工皮膚觸覺

  第六節 接近覺感測器

  第十二章 信號轉換電路

  第一節 A/D轉換器

  第二節 U/F轉換器

  第三節 D/A轉換器

  第四節 頻率電壓轉換

  第五節 邏輯電平轉換

  第六節 電壓電流轉換

  參考書目

4 測試與感測技術 -圖書信息2

  書名:測試與感測技術

測試與感測技術



  書號:9787302245247

  作者:沈艷

  定價:26元

  出版日期:2011-2-1

  出版社:清華大學出版社

5 測試與感測技術 -內容簡介

  本書以測試流程為主線,著重介紹測試系統的基本知識,內容主要包括測試系統的組成及基本特性、常用感測器以及一些新型感測器的原理及應用、信號變換與調理、信號分析與處理、現代測試技術以及測試技術在工程中的應用。

  本書文字簡練,條理清晰,列舉大量的實例,避免了繁雜的數學推導,便於教學和自學。

  本書可作為機械類、儀器儀錶類、機電類等相關專業的教材,也可供高等學校相關專業教師和從事測試技術工作的工程技術人員參考。

6 測試與感測技術 -前言

  以社會市場對人才的需求為導向,實際工程為背景,工程技術為主線,緊跟測控領域的最新發展趨勢,以培養具有理論基礎紮實和工程實踐能力強的人才為目標,在貫徹「拓寬學科基礎」、「夯實專業基礎」以及「理論與實踐緊密結合」的原則下,作者總結了多年的教學經驗,參考了國內外有關書籍和文獻,編寫了本教材。本教材收錄了一定數量的工程實例以及運用Matlab軟體研究測試的方法,在內容編排上力求精練嚴謹、循序漸進,在敘述方法上,力求深入淺出、突出重點,便於讀者更好地掌握本課程的基本理論和學習方法。

  本書按照典型的測試系統所完成的測試過程安排內容,共7章,第1章簡要介紹測試技術與感測器技術的適用範圍及發展趨勢;第2章討論測試系統的基本特性;第3章介紹常用感測器以及一些新型感測器的原理及應用;第4章介紹信號的變換及調理;第5章介紹信號的分析與處理;第6章介紹現代測試技術;第7章介紹了振動、溫度和雜訊的具體測試方法以及測量系統的方案選擇與調試,此章可以看作是測試與感測器技術基礎知識的應用舉例。

  本書由沈艷編寫第2、3、4、5章和7.1節、7.2節,郭兵編寫第6章,楊平編寫第1章、7.3節、7.4節及附錄,由沈艷統稿。本書由巨輝教授主審,他仔細審閱了書稿,提出了許多建設性意見和寶貴的建議,在此向他表示誠摯的謝意!

  本教材在編寫過程中,得到了古天祥教授、姚伯威教授、習友寶教授、陳亮老師、梁巍老師的指導和幫助,為本書提出了很好的建議。同時,本書吸取了許多兄弟院校測試與感測技術教材的優點,得到了許多老師的幫助,在此致以衷心的感謝!

  限於編者水平,書中難免存在錯誤與不妥之處,殷切希望廣大讀者及同行批評指正。

  編 者

  2010年12月

7 測試與感測技術 -目錄

  目 錄CONTENTS第1章 緒論1

  1.1 測試的含義1

  1.2 測試基本原理及過程2

  1.3 測試技術的典型應用3

  1.4 測試技術的發展動向4

  1.5 課程的性質和任務5

  小結6

  習題6

  第2章 測試系統的基本特性7

  2.1 測試系統概述7

  2.2 測試系統的靜態特性9

  2.3 測試系統的動態特性13

  2.3.1 傳遞函數14

  2.3.2 頻率響應函數14

  2.3.3 脈衝響應函數17

  2.3.4 動態特性參數的測定18

  2.4 測試系統不失真測試條件及分析22

  2.4.1 不失真測試條件22

  2.4.2 不失真測試分析23

  2.5 Matlab編程實驗25

  小結26

  習題26

  第3章 感測器及其應用28

  3.1 概述28

  3.2 電阻感測器30

  3.2.1 電位器30

  3.2.2 電阻應變式感測器31

  3.2.3 熱電阻式感測器35測試與感測技術目 錄3.2.4 光敏電阻感測器37

  3.2.5 濕敏電阻感測器38

  3.2.6 氣敏電阻感測器38

  3.3 電容感測器39

  3.3.1 電容感測器的工作原理和分類39

  3.3.2 電容感測器應用實例42

  3.4 電感感測器43

  3.4.1 自感式感測器43

  3.4.2 差動變壓器式電感感測器46

  3.4.3 渦流式電感感測器46

  3.4.4 電感感測器應用實例49

  3.5 磁電感測器50

  3.5.1 動圈式磁電感測器51

  3.5.2 磁阻式磁電感測器52

  3.5.3 磁電感測器應用實例52

  3.6 壓電感測器54

  3.6.1 壓電效應54

  3.6.2 壓電元件及其等效電路56

  3.6.3 壓電感測器應用實例60

  3.7 光電感測器61

  3.7.1 光電效應61

  3.7.2 光電池62

  3.7.3 光敏二極體和光敏三極體62

  3.7.4 光電感測器應用實例63

  3.8 熱電感測器64

  3.8.1 工作原理65

  3.8.2 基本定律66

  3.8.3 熱電偶的冷端溫度處理67

  3.8.4 熱電偶應用實例69

  3.9 磁敏感測器70

  3.9.1 霍爾感測器70

  3.9.2 磁敏電阻感測器71

  3.9.3 磁敏感測器應用實例72

  3.10 其他新型感測器73

  3.10.1 光柵感測器73

  3.10.2 編碼式感測器79

  3.10.3 CCD感測器81

  3.10.4 光纖感測器83

  3.10.5 超聲感測器85

  3.10.6 集成感測器及智能感測器87

  小結88

  習題88

  第4章 信號變換及調理90

  4.1 電橋90

  4.1.1 直流電橋90

  4.1.2 交流電橋92

  4.1.3 變壓器式電橋93

  4.2 調製與解調94

  4.2.1 調幅與解調95

  4.2.2 調頻與解調101

  4.3 濾波器103

  4.3.1 濾波器的分類103

  4.3.2 濾波器特性及參數104

  4.3.3 實際濾波器的應用110

  4.4 A/D轉換114

  4.4.1 採樣114

  4.4.2 量化和量化誤差117

  4.4.3 編碼119

  4.4.4 常用A/D轉換器轉換原理119

  4.4.5 A/D轉換器主要技術指標120

  4.5 MATLAB編程實驗121

  小結122

  習題123

  第5章 信號分析與處理124

  5.1 信號的分類與描述124

  5.1.1 信號的分類124

  5.1.2 信號的描述129

  5.2 周期信號130

  5.2.1 周期信號的時域描述130

  5.2.2 周期信號的頻域描述130

  5.2.3 周期信號的強度表述137

  5.3 非周期信號138

  5.3.1 非周期信號的時域描述138

  5.3.2 非周期信號的頻域描述139

  5.4 隨機信號146

  5.4.1 隨機信號的主要特徵參數146

  5.4.2 隨機信號的強度特徵146

  5.4.3 概率密度函數147

  5.4.4 隨機信號的相關分析148

  5.4.5 隨機信號的功率譜分析154

  5.5 數字信號處理基礎159

  5.5.1 截斷、泄漏和窗函數159

  5.5.2 快速傅里葉變換163

  5.6 MATLAB編程實驗170

  小結172

  習題172

  第6章 現代測試技術174

  6.1 概述174

  6.2 現代測試系統的概念和特點174

  6.3 測試匯流排與介面技術177

  6.4 虛擬儀器179

  6.4.1 虛擬儀器的特點179

  6.4.2 虛擬儀器的組成180

  6.4.3 虛擬儀器開發平台183

  6.4.4 虛擬儀器的應用184

  小結186

  習題186

  第7章 測試技術在工程中的應用187

  7.1 振動測試187

  7.2 溫度測試195

  7.3 雜訊測試198

  7.4 測量系統的選擇與調試202

  小結209

  習題209

  附錄 常見信號分析210

  參考文獻213

8 測試與感測技術 -部分章節

  第3章 感測器及其應用 感測器是一種獲取被測信號的裝置,是測試系統的首要環節。感測器性能的優劣將直接影響整個測試系統的工作特性,從而影響整個測試任務的完成。感測器的種類很多,而且不同類型感測器的性能特點、測量範圍以及工作要求不同。本章主要討論常用感測器以及一些新型感測器的原理及應用。3.1 概 述人體有眼、耳、舌、鼻、手5種感覺器官,它們分別用來感知外部世界的變化。眼用於看,耳用於聽,舌用於品嘗,鼻用於聞,手用於觸摸。這5種感覺器官是人類獲取信息的主要途徑,在人類活動中起著至關重要的作用。感測器是生物體感官的工程模擬物,是人類感官的延伸,藉助感測器,人們可探索無法用感官器官獲取的信息。例如,用超聲波探測器探測海水的深度,用紅外遙感器從高空探測地球上的植被和污染情況等。美國參聯會副主席歐文斯上將曾經指出: "……改變那種認為軍事力量主要是軍艦、坦克和飛機的概念,把我們的注意力放在思考信息和電信技術所能提供的軍事力量上來。這場軍事革命標誌著一種轉變,即從重視軍艦、坦克和飛機,轉為重視諸如感測器這類東西的作用。陸軍、海軍、空軍都將只不過是歷史的產物……你也許將成立一個把所有的圖3.1 人體系統與機器系統的關係感測器放在一起的軍種(可稱為感測器軍)用於觀察戰場……" 。因此,感測器不僅是現代測量與自動控制的首要環節,而且其發展水平是衡量一個國家綜合實力的重要標誌,也是判斷一個國家科學技術現代化程度與生產水平高低的重要依據。人體系統與機器系統的關係如圖3.1所示。 1. 感測器的定義根據國家標準(GB/T 7665-1987)《感測器通用術語》,感測器的定義為: 「能感受規定的被測量,並按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或者裝置」. 感測器的定義包括4層含義: (1) 感測器是測量裝置,能完成檢測任務。 (2) 從感測器的輸入端看,一個指定的感測器只能感受或響應規定的被測量,被測量既可以是電量也可以是非電量。 (3) 按一定規律轉換成易於傳輸和處理的信號,而且這種規律是可復現的。 (4) 從感測器的輸出端看,感測器的輸出信號中不僅承載著待測的原始信號,而且是能夠被傳輸並成為便於後繼檢測環節接收和進一步處理的信號形式,例如氣、光、電信號,主要是電信號。2. 感測器的組成感測器通常由敏感元件、轉換元件和信號調節和轉換電路組成,如圖3.2所示。敏感元件指感測器中能直接感受或響應被測量的部分;轉換元件指感測器中能將敏感元件感受或響應的被測量轉換成適於傳輸和測量的電信號部分;信號調節和轉換電路可以對微弱電信號進行放大、運算調製等。此外,信號調節和轉換電路在工作時必須有輔助電源。測試與感測技術第3章 感測器及其應用圖3.2 感測器組成框圖隨著集成電路製造技術的發展,信號調節和轉換電路可安裝在感測器殼體里或與敏感元件一起集成在同一晶元上,構成集成式感測器,甚至與微處理器的結合,形成智能感測器。3. 感測器的分類由於被測物理量的多樣性,測量範圍廣,感測技術藉以變換的物理現象和定律很多,所處的工作環境又有很大的不同,所以感測器的品種、規格十分繁雜。同時,具有不同功能、結構、特性和用途的新型感測器被不斷地研究出來,每年以上千種新的類型出現。為了便於研究、開發和選用,必須對感測器進行科學分類,其分類方法如表3.1所示。當前,感測器技術發展的速度很快。隨著各行各業對測量任務的需求不斷增長,新的感測器層出不窮。同時,新材料、微型加工技術和計算機技術的飛速發展,使感測器朝小型化、集成化和智能化的方向發展。感測器已經不再是傳統概念上的感測器。近年來出現的智能感測器是一種帶有微處理器併兼有監測和信息處理功能的感測器,感測器智能化是當前感測器技術的主要發展方向之一。感測器技術和智能化技術的結合,使感測器由單一功能、單一檢測對象向多功能和多變數檢測發展,也使感測器由被動進行信號轉換向主動控制感測器特性和主動進行信息處理髮展,使感測器由孤立的元器件向系統化、網路化方向發展。表3.1 感測器分類方法分 類 方 法說 明示 例按被測物理量該分類方法體現感測器的功能,便於實際使用者選用,但該分類方法把用途相同而變換原理不同的感測器歸為一類,因此,要研究一種用途的感測器,必須研究多種感測元件和感測機理溫度、位移、加速度、流量感測器等按感測器工作原理這種分類方法是基於各種物理的、化學的以及生物的現象或效應,便於學習和研究電阻、電感、電容感測器等按能量傳遞方式能量控制型也稱電參量式感測器,依靠外部輔助電源,在感受被測量以後,改變自身的電參數(如電阻、電感、電容等),並將電參數進一步轉換成電量(如電壓或電流)。這類感測器本身不起換能的作用,但能對感測器提供的能量起控制作用電阻、電感、電容感測器等能量轉換型也稱發電式感測器,直接將被測的物理量(如速度、加速度等)轉換成電量(如電流或電壓)輸出,而不需藉助外加輔助電源磁電式、壓電式、熱電式感測器等按內部物理結構結構型通過感測器本身內部結構參數的變化來實現信號轉換電容式感測器、電感式感測器物性型利用敏感元件材料本身物理性質的變化來實現信號轉換熱電阻、光電感測器按輸出信號特徵模擬式感測器和數字式感測器。前者是以連續變化信號作輸出量,後者是以數字量作為輸出量3.2 電阻感測器電阻感測器是根據歐姆定律,將被測物理量的變化轉化為電阻元件的電阻值變化的裝置。電阻感測器種類繁多,應用廣泛,主要有電位器式、電阻應變式、熱敏電阻式、光敏式、氣敏式以及濕敏式感測器等,如圖3.3所示。圖3.3 電阻感測器3.2.1 電位器電位器又稱為變阻器式感測器,它通過改變電位器觸頭位置,將位移轉換為電阻的變化。傳統的滑線式電阻器使用電阻材料導線覆以絕緣塗層後排繞而成,在工作表面上磨去絕緣層。彈性導體製成的電刷在工作表面上滑動,隨著電刷位移的變化而引起電阻值的變化。常用的變阻器式感測器有直線位移型、角位移型以及非線性型等,其結構如圖3.4所示。可調電位器在輸入量變化時,其電阻值可由零變化到一個相當於原電阻值很大百分比的值,甚至可在全部阻值範圍內變化。圖3.4 電位器變阻器式感測器後接電路一般採用分壓電路,如圖3.5所示。考慮負載效應后,感測器的輸出電壓可按圖3.5所示的電阻分圖3.5 電阻分壓電路壓關係確定,即??e??o?=e??i?x??p?x+R??p?R??L?1-xx??p???式中,R??p?為變阻器總電阻;x??p?為變阻器總長度;R??L?為負載電阻,應使R??L??R??p?. 變阻器式感測器結構簡單,性能穩定,使用方便。但因受電阻絲直徑的限制,解析度很難優於20?μm。觸點和電阻絲由於接觸表面磨損、塵埃附著等原因,將使觸點移動中的接觸電阻發生不規則的變化,產生雜訊。3.2.2 電阻應變式感測器1. 工作原理--應變效應 所謂「應變效應」是指金屬導體或半導體在外力作用下產生機械變形而引起導體或半導體的電阻值發生變化的物理現象。電阻應變片感測器的敏感元件是電阻應變片。電阻應變片的工作原理基於應變效應,完成「力→應變→電阻變化」三個基本轉換環節。圖3.6 軸向和橫向的應變的定義根據歐姆定律,導體的電阻R與其電阻率ρ及長度l成正比,與截面積A成反比的關係,即??R=ρlA (3-1)?? 當應變片隨彈性結構受力變形后,如圖3.6所示,應變片的長度l、截面積A以及電阻率ρ都發生變化。l, A, ρ三個因素的變化必然導致電阻值R的變化,設其變化為?d?R。設電阻絲是半徑為r,則圓形截面A=?π?r?2,則???d?R=?R?l?d?l+?R?A?d?A+?R?ρ?d?ρ=ρ?π?r?2?d?l-2ρ?l?π?r?3?d?r+l?π?r?2?d?ρ=R?d?ll-2?d?rr+?d?ρρ??電阻的相對變化量為???d?RR=?d?ll-2?d?rr+?d?ρρ (3-2)??式中,?d?ll=ε為導體軸向相對變形,稱為軸嚮應變,即單位長度上的變化量;?d?rr為導體徑向相對變形,稱為徑嚮應變。當導體軸向伸長時,其徑向必然縮小,它們之間的關係為???d?rr=-v?d?ll=-v?ε??式中,v為泊桑係數;?d?ρρ為導體電阻率相對變化,與導體所受的軸向正應力有關。???d?ρρ=λ?σ=λEε??式中,E為導線材料的彈性模量;λ為壓阻係數,與材質有關。則式(3-2)可改寫成???d?RR=ε+2v?ε+λEε=(1+2v+λE)ε??上式中,(1+2v)ε是由於電阻絲的幾何尺寸變化而引起的電阻相對變化量;λE項是由於電阻絲材料導電率因材料變形而引起電阻的相對變化。通常定義應變片的靈敏度為??S=?d?R/Rε=(1+2v+λE)??2. 應變片的結構和種類應變片主要分為金屬電阻應變片和半導體應變片兩類。1) 金屬電阻應變片常用的金屬電阻應變片有絲式、箔式和薄膜式三種。前兩種為粘接式應變片,如圖3.7所示。它由絕緣的基片、覆蓋層和具有高電阻係數的金屬敏感柵及引出線4部分組成。圖3.7 粘接式應變片金屬絲式應變片使用最早,有紙基、膠基之分。由於金屬絲式應變片蠕變較大,金屬絲易脫膠,逐漸被金屬箔式應變片所取代,但其價格便宜,多用於要求不高的應變、應力的大批量、一次性試驗。圖3.8 應變花金屬箔式應變片的箔柵採用光刻、腐蝕等工藝製成,這種工藝適合於大量生產。其厚度一般為0.001~0.005?mm。由於薄而面積大,有利於散熱,因此穩定性好,因此,目前大多使用金屬箔式應變片。圖3.8是用來測量兩個方向、三個方向以至多個方嚮應變的應變片,常稱應變花。隨著光刻工藝的發展,不斷有更新的圖樣或分層,或更為微小的結構問世,以適應不同行業的需要。金屬薄膜式應變片是採用真空鍍膜(如蒸發或沉積等)方式,將金屬材料在基底材料上製成一層膜厚在0.1?μm以下的敏感電阻而構成的一種應變片。其優點是應變靈敏度係數高,允許電流密度大,易於實現工業化生產,是一種很有前途的新型應變片。2) 半導體應變片半導體應變片的工作原理是基於半導體材料的壓阻效應。所謂壓阻效應是指單晶半導體材料在沿某一軸向受到外力作用時,其電阻率隨之發生變化的現象。 半導體應變片主要有體型、薄膜型和擴散型。體型是利用半導體材料的體電阻製成粘貼式應變片;薄膜型是利用真空沉積技術將半導體材料沉積在帶有絕緣層的基底上而製成的;擴散型是在半導體材料的基片上用集成電路工藝製成擴散電阻,作為測量感測元件。半導體應變片的結構和使用方法與金屬應變片相同,即粘貼在彈性元件或被測物體上,隨被測試件的變形器電阻發生相應變化。半導體應變片的優點是體積小,靈敏度高,靈敏度在100~175之間,較之金屬應變片要大數十倍,頻率響應範圍寬。其缺點是應變靈敏度隨溫度變化較大,大應變下的非線性以及安裝不方便等,因此其使用範圍受到一定限制。3. 應變片的測量電路常用的測量電路是電橋電路,其電阻的相對變化轉換為電壓或電流的變化。可採用電橋的一個橋臂為一片金屬應變片,其他橋臂為固定電阻的方法;也可以採用在電橋上用2片或4片金屬應變片組成的橋路結構,或採用具有溫度補償功能的金屬應變片,提高感測器的測量精度。關於電橋電路的輸出特性詳見第4章。4. 應用實例電阻應變式感測器,可以用於測力、扭矩、壓力、位移、加速度等。這類感測器主要有兩種應用方式: 一種是直接用於測定被測物體的應力或應變;另一種是將應變片貼於彈性元件上進行測量。 在生產實際中,為了對機械裝置、橋樑、建築物等結構件進行工作狀態下的受力、變形等情況分析,提供實驗數據或診斷信息,常採用第一種方式,即直接將應變片貼在結構件受力變形的位置,以測得其所受力、力矩、應變等參數。如圖3.9所示,其中(a)圖為水壓機立柱壓力測試;(b)圖為橋樑構件應力測試。圖3.9 構件應力測試電阻應變式感測器多採用第二種方式,即將應變片貼於彈性元件進行測量。常用的彈性元件有柱(筒)式、梁式、環式等,如圖3.10所示。在工作時,彈性元件隨被測量的變化而產生不同的應變,貼於彈性元件上的應變片也隨之發生應變,並轉換為電阻的變化。典型應用如圖3.11所示。圖3.10 彈性元件結構圖3.11 應變式電阻感測器應用舉例應變式加速度感測器的結構如圖3.11(?a?)所示,由端部固定並帶有慣性質量塊m的懸臂樑及貼在梁根部的應變片、基座及外殼等組成。測量時,根據所測振動體加速度的方向,把感測器基座固定在振動體上。當被測點的加速度沿圖中箭頭所示方向時,振動加速度使質量塊產生慣性力,向箭頭相反的方向相對於基座運動,懸臂樑的自由端受質量塊的慣性力F=ma的作用而產生彎曲變形,應變片電阻也發生相應的變化,產生輸出信號,輸出信號的大小與加速度成正比。圖(?b?)是質量感測器: 質量引起金屬盒的彈性變形,貼在盒上的應變片也隨之變形,從而引起其電阻變化。圖(?c?)是壓力感測器: 被測外力通過螺紋作用在彈性圓筒上,圓筒變形,應變片電阻變化,接線座將信號引出,其電阻的變化與被測外力成正比。圖(?d?)是位移感測器: 將應變片貼在懸臂樑(彈性元件)上,當被測物移動,測桿移動,彈簧伸長,使懸臂樑變形,從而引起應變片電阻變化。3.2.3 熱電阻式感測器熱電阻式感測器的工作原理基於熱-電阻效應,即利用導電物體電阻率隨溫度變化而變化的特性。按材料的不同,分為金屬絲熱電阻感測器和熱敏電阻感測器。1. 金屬絲熱電阻感測器金屬絲熱電阻感測器的感測元件採用不同材料的電阻絲,常用的材料有鉑、銅、鎳、銦、錳、鐵等,它們都具有正的溫度係數,即在一定溫度範圍內,其電阻值隨溫度的升高而增加。圖3.12是幾種金屬熱電阻感測器的結構。圖3.12 金屬絲熱電阻感測器結構鉑電阻適於測量較高的溫度,其性能穩定,復現性好,在0~961.78℃範圍內被規定為基準溫度計。鉑電阻的缺點是電阻溫度係數較小,價格昂貴。目前中國規定工業用鉑熱電阻有?R??0=10?Ω和?R??0=100?Ω兩種,它們的分度號分別為Pt?10和Pt?100,其中以Pt?100最為常用。在一些測量精度要求不高且溫度較低的場合,多採用銅電阻進行測溫。銅電阻物理和化學性能穩定,特別在-30~100℃範圍內性能很好,熱阻特性基本成線性關係,測量精度高,成本低。銅熱電阻的缺點是易氧化,不適宜在腐蝕性介質或高溫下工作。銅熱電阻的兩種分度號為Cu?50(?R??0=50?Ω)和Cu?100(?R??0=100?Ω). 圖3.13 熱敏電阻的結構及符號1-熱敏探頭; 2-引線; 3-殼體由於金屬絲熱電阻感測器的電阻絲將溫度(熱量)的變化轉變成電阻的變化。因此它們必須接入信號轉換調理電路中,將電阻的變化轉換成電流或電壓的變化,再進行後續測量。在工業上廣泛應用的金屬絲熱電阻感測器適用於低溫(-200~500℃)測量(測高溫時常用熱電偶感測器,詳見3.8節). 2. 熱敏電阻感測器 熱敏電阻感測器的感測元件是熱敏電阻。它由錳、鎳、銅、鈷、鐵等金屬氧化物粉料按一定配方壓製成形,經1000~1500℃高溫燒結而成,其引出線一般是銀線。熱敏電阻的結構和符號如圖3.13所示,其結構形式如圖3.14所示。圖3.14 熱敏電阻的結構形式根據熱敏電阻溫度特性的不同,可將熱敏電阻分為以下三種類型: (1) 負溫度係數熱敏電阻(NTC),其電阻值隨溫度升高而下降。(2) 正溫度係數熱敏電阻(PTC),其電阻值當溫度超過某一溫度后隨溫度升高而增大。圖3.15 NTC、PTC、CTR熱敏電阻的溫度特性(3) 突變型負溫度係數熱敏電阻(CTR),其電阻值當溫度超過某一溫度后減少。這三種熱敏電阻的溫度特性曲線,如圖3.15所示。熱敏電阻是非線性元件,它的溫度-電阻關係是指數關係,通過熱敏電阻的電流及其兩端的電壓不服從歐姆定律。熱敏電阻的電阻溫度係數大、形小體輕、熱慣性大、結構簡單、價格經濟,同時,熱敏電阻對於特定的溫度點的檢測十分靈敏,因此熱敏電阻可用做檢測元件、電路保護元件等。例如,當熱敏電阻中流過電流時就會發熱,若超過急變的溫度,電阻就變大,電流變小而發熱量減小,用於恆溫器上能保持一定的內部溫度,裝於乾燥器上可起到溫度開關的作用。此外,熱敏電阻被廣泛用作溫度補償元件、限流開關、 溫度報警及定溫加熱器等。3.2.4 光敏電阻感測器光敏電阻感測器的工作原理是基於內光電效應或光導效應,即某些半導體材料受到光線照射時,吸收一部分能量,激發出電子-空穴對,增大了導電性能,電阻降低;光照停止,自由電子與空穴逐漸複合,又恢復原電阻值。圖3.16(a)為金屬封裝的硫化鎘光敏電阻的結構圖。在玻璃底板上均勻地塗上一層薄薄的半導體物質,稱為光導層。半導體的兩端裝有金屬電極,金屬電極與引出線端相連接,光敏電阻通過引出線端接入電路。為了提高靈敏度,光敏電阻的電極一般採用梳狀圖案,如圖3.16(b)所示。圖3.16(c)為光敏電阻的接線圖。 圖3.16 熱敏電阻的連接方法光敏電阻的主要參數有暗電阻、暗電流、亮電阻、亮電流、光電流等。光敏電阻不受光照射時的阻值為暗電阻,此時流過的電流為暗電流;光敏電阻在受到光照射時的阻值為亮電

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