实验测试技术复习.ppt

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1、实验测试技术实验测试技术复习复习11.测量方法及检测系统的组成测量方法及检测系统的组成uu测量的基本概念测量的基本概念在科学实验和工业生产中，为了及时了解在科学实验和工业生产中，为了及时了解实验进展实验进展情况、情况、生产过程生产过程情况以及情况以及它们的结果它们的结果，人们需要经常对一些物理量，人们需要经常对一些物理量，如电流、电压、温度、压力、速度、流量、液位等参数进行如电流、电压、温度、压力、速度、流量、液位等参数进行测量，这时人们就要选择测量，这时人们就要选择合适的测量装置合适的测量装置，采用一定的检测，采用一定的检测方法进行测量。方法进行测量。测量是人们借助于专门的设备，通过一定的方

2、法，对被测量是人们借助于专门的设备，通过一定的方法，对被测对象收集信息、取得数据的过程。测对象收集信息、取得数据的过程。测量的“三要素”测量单位测量方法测量仪器与设备2测量的结果可以表现为数值，也可以表现为一条曲线或某种图形等。测量的结果可以表现为数值，也可以表现为一条曲线或某种图形等。但不管以什么形式表现，测量结果总包含数值（大小和符号）和单位但不管以什么形式表现，测量结果总包含数值（大小和符号）和单位两部分。两部分。例如，测得某一电流为例如，测得某一电流为20A20A，表明该被测量的数值为，表明该被测量的数值为2020，单位为，单位为A A（安（安培）。培）。3 随着科学技术和生产力的发展

3、，测量过程除了传统的比随着科学技术和生产力的发展，测量过程除了传统的比较过程外，还必须进行变换，把不容易直接测量的量变换为较过程外，还必须进行变换，把不容易直接测量的量变换为容易测量的量，把静态测量变为动态测量。容易测量的量，把静态测量变为动态测量。人们常把前面提到的简单的比较过程称为狭义的测量，人们常把前面提到的简单的比较过程称为狭义的测量，而把能完成对被测量进行检出、变换、分析、处理、存储、而把能完成对被测量进行检出、变换、分析、处理、存储、控制和显示等功能的综合过程称为广义测量。控制和显示等功能的综合过程称为广义测量。4测量方法测量方法是指实现测量过程所采用的具体方法。测量方法是指实现测

4、量过程所采用的具体方法。在测量过程中，由于测量对象、测量环境、测量参数在测量过程中，由于测量对象、测量环境、测量参数的不同，因而采用各种各样的测量仪表和测量方法。的不同，因而采用各种各样的测量仪表和测量方法。针对不同的测量任务进行具体分析，以找出切实可行针对不同的测量任务进行具体分析，以找出切实可行的测量方法，这对测量工作是十分重要的。的测量方法，这对测量工作是十分重要的。5测量方法的分类测量方法的分类 对于测量方法，从不同的角度有不同的分类方法。对于测量方法，从不同的角度有不同的分类方法。获得测量值的方法获得测量值的方法直接测量间接测量组合测量测量的精度情况测量的精度情况等精度测量等精度测量

5、非等精度测量非等精度测量测量方法测量方法偏差式测量零位式测量微差式测量测量变化快慢测量变化快慢静态测量静态测量动态测量动态测量测量元件与被测测量元件与被测介质的接触情况介质的接触情况接触测量接触测量非接触测量非接触测量测量系统是否向被测量系统是否向被测对象施加能量测对象施加能量主动式测量主动式测量被动式测量被动式测量6检测系统的组成在自动检测系统中，各个组成部分是以信息流的过程来划分的。检测在自动检测系统中，各个组成部分是以信息流的过程来划分的。检测时，首先获取被测量的信息，并通过信息的转换把获得的信息变换为电量，时，首先获取被测量的信息，并通过信息的转换把获得的信息变换为电量，然后进行一系列

6、的处理，再用指示仪或显示仪将信息输出，或由计算机对然后进行一系列的处理，再用指示仪或显示仪将信息输出，或由计算机对数据进行处理，最后把信息输送给执行机构。数据进行处理，最后把信息输送给执行机构。所以一个检测系统主要分为信息的获得、信息的转换、信息的处理和所以一个检测系统主要分为信息的获得、信息的转换、信息的处理和信息的输出等几个部分。要完成这些功能主要依靠传感器、信号处理电路、信息的输出等几个部分。要完成这些功能主要依靠传感器、信号处理电路、显示装置、数据处理装置和执行机构等。其具体组成框图如图所示。显示装置、数据处理装置和执行机构等。其具体组成框图如图所示。7传感器传感器传感器是把被测量（如

7、物理量、化学量、生物量等）传感器是把被测量（如物理量、化学量、生物量等）变换为另一种与之有确定对应关系，并且容易测量的变换为另一种与之有确定对应关系，并且容易测量的量（通常为电学量）的装置。它是一种获得信息的重量（通常为电学量）的装置。它是一种获得信息的重要手段，它所获得信息的正确与否，关系到整个检测要手段，它所获得信息的正确与否，关系到整个检测系统的精度，因而在非电量检测系统中占有重要的地系统的精度，因而在非电量检测系统中占有重要的地位。位。8信号处理电路信号处理电路 通常传感器输出信号是微弱的，需要由信号处理电路加以放大、调制、解调、滤波、运算以及数字化处理等。信号处理电路的主要作用就是把

8、传感器输出的电学量变成具有一定功率的模拟电压（或电流）信号或数字信号，以推动后级的输出显示或记录设备、数据处理装置及执行机构。根据测量对象和显示方法的不同，信号处理电路可以是简单的传输电缆，也可以是由许多电子元件组成的数据采集卡，甚至包括计算机在内的装置。9显示装置 测量的目的是使人们了解被测量的数值，所以必须有显示装置。显示装置的主要作用就是使人们了解检测数值的大小或变化的过程。目前常用的显示方式：pp模拟显示pp数字显示pp图像显示10（1 1）模拟显示是利用指针对标尺的相对位置来表示被）模拟显示是利用指针对标尺的相对位置来表示被测量数值的大小，如毫伏表、毫安表等。测量数值的大小，如毫伏表

9、、毫安表等。特点：读数方便、直观，结构简单，价格低廉，在检测特点：读数方便、直观，结构简单，价格低廉，在检测系统中一直被大量使用。系统中一直被大量使用。缺点：显示方式的精度受标尺最小分度限制，而且读数缺点：显示方式的精度受标尺最小分度限制，而且读数时易引入主观误差。时易引入主观误差。11（2）数字显示是指用数字形式来显示测量值，目 前大多采用LED发光数码管或液晶显示屏等，如数字电压表。这类检测仪器还可附加打印机，打印记录测量数值，并易于计算机联机，使数据处理更加方便。低噪声数字万用表12（3 3）图像显示是指用屏幕显示（）图像显示是指用屏幕显示（CRTCRT）读数或被测参数变化的曲线，主要）

10、读数或被测参数变化的曲线，主要用于计算机自动检测系统中。用于计算机自动检测系统中。如果被测量处于动态变化中，用一般的显示仪表读数就十分困难，如果被测量处于动态变化中，用一般的显示仪表读数就十分困难，这时可将输出信号送给计算机进行图像显示或送至记录仪，从而描绘出这时可将输出信号送给计算机进行图像显示或送至记录仪，从而描绘出被测量随时间变化的曲线，并以之作为检测结果，供分析使用。被测量随时间变化的曲线，并以之作为检测结果，供分析使用。常用的自动记录仪器有笔式记录仪、光线示波器、磁带记录仪和计常用的自动记录仪器有笔式记录仪、光线示波器、磁带记录仪和计算机等。算机等。13数据处理装置和执行机构 数据处

11、理装置就是利用微机技术，对被测结果进行处数据处理装置就是利用微机技术，对被测结果进行处理、运算、分析，对动态测试结果进行频谱、幅值和能量谱理、运算、分析，对动态测试结果进行频谱、幅值和能量谱分析等。分析等。在自动测控系统中，经信号处理电路输出的与被测量对在自动测控系统中，经信号处理电路输出的与被测量对应的电压或电流信号还可以驱动某些执行机构动作，为自动应的电压或电流信号还可以驱动某些执行机构动作，为自动控制系统提供控制信号。控制系统提供控制信号。随着计算机技术的飞跃发展，微机在自动检测系统中已随着计算机技术的飞跃发展，微机在自动检测系统中已得到了非常广泛的应用。微机在检测技术分支领域中的应用得

12、到了非常广泛的应用。微机在检测技术分支领域中的应用主要有：自动测试仪器及系统、智能仪器仪表和虚拟仪器等。主要有：自动测试仪器及系统、智能仪器仪表和虚拟仪器等。微机自动测控系统主要由微机基本子系统（包括微机自动测控系统主要由微机基本子系统（包括CPUCPU、RAMRAM、ROMROM、EPROMEPROM等）、数据采集子系统及接口、数据通信子系统等）、数据采集子系统及接口、数据通信子系统及接口、数据分配子系统及接口和基本及接口、数据分配子系统及接口和基本I/OI/O子系统及接口组成。子系统及接口组成。142误差的基本概念2 2在检测过程中，不论采用什么样的测量方式和方法，在检测过程中，不论采用什

13、么样的测量方式和方法，也不论采用什么样的测量仪表，由于测量仪表本身不够准也不论采用什么样的测量仪表，由于测量仪表本身不够准确，测量方法不够完善，以及测量者本人经验不足，人的确，测量方法不够完善，以及测量者本人经验不足，人的感觉器官受到局限等原因，都会使测量结果与被测量的真感觉器官受到局限等原因，都会使测量结果与被测量的真值之间存在着差异，这个差值就称为测量误差。值之间存在着差异，这个差值就称为测量误差。3 3测量误差的主要来源可以概括为工具误差（又称仪器测量误差的主要来源可以概括为工具误差（又称仪器误差）、环境误差、方法误差和人员误差等。误差）、环境误差、方法误差和人员误差等。15测量误差的表

14、示形式1 1绝对误差与相对误差绝对误差与相对误差（1 1）绝对误差。绝对误差是指）绝对误差。绝对误差是指测量值测量值AAx x与被测量真值与被测量真值AA0 0之间的差值，用之间的差值，用 表示，即：表示，即：（1-21-2）由式（由式（1-21-2）可知，绝对误差的单位与被测量的单位相同，）可知，绝对误差的单位与被测量的单位相同，且有正负之分。用绝对误差表示仪表的误差大小也比较直观，且有正负之分。用绝对误差表示仪表的误差大小也比较直观，它被用来说明测量结果接近被测量真值的程度。它被用来说明测量结果接近被测量真值的程度。在实际使用中被测量真值在实际使用中被测量真值AA0 0是得不到的，一般用是

15、得不到的，一般用理论真值理论真值或计量学约定真值或计量学约定真值X X0 0来代替来代替AA0 0。则式（。则式（1-21-2）可写成：）可写成：（1-31-3）16绝对误差不能作为衡量测量精确度的标准，例如用一个电压表测量200V电压，绝对误差为+1V，而用另一个电压表测量10V电压，绝对误差为+0.5V，前者的绝对误差虽然大于后者，但误差值相对于被测量值却是后者大于前者，即两者的测量精确度相差较大，为此人们引入了相对误差。（2）相对误差。所谓相对误差（用 表示）是指绝对误差 与被测量真值X0的百分比。即：在上面的例子中，所以，相对误差比绝对误差能更好地说明测量的精确程度。17一般情况下，使

16、用相对误差来说明不同测量结果的准一般情况下，使用相对误差来说明不同测量结果的准确程度，即用来评定某一测量值的精确度，但不适用于衡确程度，即用来评定某一测量值的精确度，但不适用于衡量测量仪表本身的质量。量测量仪表本身的质量。因为同一台仪表可以用来测量许多不同真值的被测量，因为同一台仪表可以用来测量许多不同真值的被测量，在整个测量范围内的相对误差不是一个定值。随着被测量在整个测量范围内的相对误差不是一个定值。随着被测量的减小，相对误差变大。的减小，相对误差变大。为了更合理地评价仪表质量，采用了引用误差的概念。为了更合理地评价仪表质量，采用了引用误差的概念。18u（3）引用误差。引用误差是绝对误差

17、与仪表量程L的比值，通常以百分数表示，即：如果以测量仪表整个量程中，可能出现的绝对误差最大值m代替，则可得到最大引用误差 0m，即：对一台确定的仪表或检测系统，出现的绝对误差最大值是一个定值，所以其最大引用误差就是一个定值，由仪表本身性能所决定。一般用最大引用误差来确定测量仪表的精度等级。工业仪表常见的精度等级有0.1级、0.2级、0.5级、1.0级、1.5级、2.0级、2.5级、5.0级等。19在具体测量某一个值时，其相对误差可以根据仪表允许的最大绝对误差和在具体测量某一个值时，其相对误差可以根据仪表允许的最大绝对误差和仪表指示值进行计算。仪表指示值进行计算。例如，例如，2.02.0级的仪表

18、，量程为级的仪表，量程为100100，在使用时它的最大引用误，在使用时它的最大引用误差不超过差不超过2.0%2.0%，也就是说，在整个量程内，它的绝对误差最大，也就是说，在整个量程内，它的绝对误差最大值不会超过其量程的值不会超过其量程的2.0%2.0%，即为，即为2.02.0。用它测量真值为用它测量真值为8080的测量值时，其相对误差最大为的测量值时，其相对误差最大为2.0/80100%=2.0/80100%=2.5%2.5%（示值相对误差）（示值相对误差）。测量真值为测量真值为1010的测量值时，其相对误差最大为的测量值时，其相对误差最大为2.0/10100%=2.0/10100%=20%2

19、0%。由此可见，精度等级已知的测量仪表只有在被测量值接近满量程时，才能由此可见，精度等级已知的测量仪表只有在被测量值接近满量程时，才能发挥它的测量精度。发挥它的测量精度。因此选用测量仪表时，应当根据被测量的大小和测量精度要求，合理地选因此选用测量仪表时，应当根据被测量的大小和测量精度要求，合理地选择仪表量程和精度等级，只能这样才能提高测量精度，做到最好的性价比。择仪表量程和精度等级，只能这样才能提高测量精度，做到最好的性价比。20测量误差的种类测量误差的种类n n系统误差n n随机误差n n粗大误差21温度传感器的分类温度传感器的分类非接触式接触式p膨胀式温度传感器p热电偶温度传感器p热电阻温

20、度传感器p热敏电阻温度传感器221常用热电阻 范围：-260850；精度：0.001。改进后可连续工作2000h，失效率小于1，使用期为10年。2管缆热电阻 测温范围为-20500，最高上限为1000，精度为0.5级。接触式温度传感器分类3陶瓷热电阻 测量范围为200+500，精度为0.3、0.15级。4超低温热电阻 两种碳电阻，可分别测量268.8253、-272.9272.99的温度。5热敏电阻器 适于在高灵敏度的微小温度测量场合使用。经济性好、价格便宜。23l l辐辐射射高高温温计计 用来测量 1000以上高温。分四种：光学高温计、比色高温计、辐射高温计和光电高温计。2 2光光谱谱高高温

21、温计计 前苏联研制的YCII型自动测温通用光谱高温计,其测量范围为4006000,它是采用电子化自动跟踪系统,保证有足够准确的精度进行自动测量。（二）非接触式温度传感器3 3超超声声波波温温度度传传感感器器 特点是响应快(约为10ms左右)，方向性强。目前国外有可测到5000的产品。4 4激激光光温温度度传传感感器器 适用于远程和特殊环境下的温度测量。如NBS公司用氦氖激光源的激光做光反射计可测很高的温度，精度为1。美国麻省理工学院正在研制一种激光温度计，最高温度可达8000，专门用于核聚变研究。瑞士Browa Borer研究中心用激光温度传感器可测几千开(K)的高温。2425热电偶温度传感器

22、温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。它除具有结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号便于远传或信号转换等优点外，还能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。热电偶的工作原理热电偶的工作原理热电偶回路的性质热电偶回路的性质热电偶的常用材料与结构热电偶的常用材料与结构冷端处理及补偿冷端处理及补偿热电偶的选择、安装使用和校验热电偶的选择、安装使用和校验26 两种不同的导体或半导体A和B组合成如图所示闭合回路，若导体A和B的连接处温度不同（设TT0），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在

23、，这种现象叫做热热电电效效应应。这种现象早在1821年首先由西拜克（Seeback）发现,所以又称西拜克效应。热电偶原理图TT0AB一、工作原理回回路路中中所所产产生生的的电电动动势势，称称作作热热电电势势。热热电电势势由由两两部部分分组组成成，即即温温差差电电势势和和接触电势。接触电势。热端冷端271.接触电势接触电势原理图+ABTeAB(T)-eAB(T)导体A、B结点在温度T 时形成的接触电动势；e单位电荷，e=1.610-19C；k波尔兹曼常数，k=1.3810-23J/K；NA、NB 导体A、B在温度为T 时的电子密度。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。接触电势的大小与

24、温度高低及导体中的电子密度有关。在两种导体或半导体接触面上，自由电子由电子密度大的一方朝密度小的方向扩散，直至动态平衡时形成稳定的电动势。28eA(T，T0)导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势；T，T0高低端的绝对温度；A汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为1时所产生的温差电动势，例如在0时，铜的=2V/。2.温差电势AeA(T,To)ToT温差电势原理图自由电子在高温下具有较大的动能而向低温端扩散形成温差电势。29 接触电动势或温差电动势都是与温度有关的电动势，热电偶测量的热电动势是二者的合成。在回路中，电子密度大的热电极A称为正极，电子密度小的热电极B称为负极。在热电材料一定时，回

25、路电视成为两端温度差的函数。如果冷端温度保持恒定，则热电动势成为热端温度的单值函数。热电偶原理图TT0A+B-30热电偶工作原理演示实验热电偶工作原理演示实验 热电极热电极A A右端称为：右端称为：参考端、参考端、冷端冷端左端称为：左端称为：工作端、工作端、热端热端热电极热电极B BAB3131二、热电偶的基本定律p等值定律：热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。32p中间温度定律：两种均质材料A、B构成热电偶，接点温度分别为T、T0，如果有一个中间温度Tn，那么热电偶回路的总热电势不受中间温度的影响。33方法u 冰点槽法u 计算修正法u 补正系数法u

26、零点迁移法u 冷端补偿器法u 软件处理法四、冷端处理及补偿原因l热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定；l热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0为依据，否则会产生误差。341.冰点槽法把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里，使T0=0。这种办法仅限于科学实验中使用。为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。mVABABTCC仪表铜导线试管补偿导线热电偶冰点槽冰水溶液四、冷端处理及补偿T0352.计算修正法用普通室温计算出参比端实际温度TH，利用公式计算例例 用用铜铜-康康铜

27、铜热热电电偶偶测测某某一一温温度度T T，参参比比端端在在室室温温环环境境T TH H中中，测测得得热热电电动动势势E EABAB(T T，T TH H)=1.999mV1.999mV，又又用用室室温温计计测测出出T TH H=21,=21,查查此此种热电偶的分度表可知，种热电偶的分度表可知，E EABAB(21,0)=0.832mV(21,0)=0.832mV，故得，故得EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，T0)=1.999+0.832=2.831(mV)再次查分度表，与2.831mV对应的热端温度T=68。注意:既不能只按1.999mV查表，认为T=49，也不能把49加上2

28、1，认为T=70。EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)363.补正系数法把参比端实际温度TH乘上系数k，加到由EAB(T，TH)查分度表所得的温度上，成为被测温度T。用公式表达即 式中：T为未知的被测温度；T为参比端在室温下热电偶电势与分度表上对应的某个温度；TH室温；k为补正系数，其它参数见下表。例 用铂铑10铂热电偶测温，已知冷端温度TH=35，这时热电动势为11.348mV查S型热电偶的分度表，得出与此相应的温度T=1150。再从下表中查出，对应于1150的补正系数k=0.53。于是，被测温度 T=1150+0.5335=1168.3（）用这种办法稍稍简单一些，比

29、计算修正法误差可能大一点，但误差不大于0.14。T T k T H37温度T/补正系数k铂铑10-铂(S)镍铬-镍硅（K）1000.821.002000.721.003000.690.984000.660.985000.631.006000.620.967000.601.008000.591.009000.561.0010000.551.0711000.531.1112000.5313000.5214000.5215000.5316000.53热电偶补正系数38例用动圈仪表配合热电偶测温时，如果把仪表的机械零点调到室温TH的刻度上,在热电动势为零时，指针指示的温度值并不是0而是TH。而热电偶的

30、冷端温度已是TH,则只有当热端温度T=TH时，才能使EAB(T,TH)=0，这样，指示值就和热端的实际温度一致了。这种办法非常简便，而且一劳永逸，只要冷端温度总保持在TH不变，指示值就永远正确。4.零点迁移法应用领域：如果冷端不是0，但十分稳定（如恒温车间或有空调的场所）。实质：在测量结果中人为地加一个恒定值在测量结果中人为地加一个恒定值，因为冷端温度稳定不变，电动势EAB(TH,0)是常数，利用指示仪表上调整零点的办法，加大某个适当的值而实现补偿。395.冷端补偿器法利用不平衡电桥产生热电势补偿热电偶因冷端温度变化而引起热电势的变化值。不平衡电桥由R1、R2、R3(锰铜丝绕制)、RCu(铜丝

31、绕制)四个桥臂和桥路电源组成。设计时，在0下使电桥平衡(R1=R2=R3=RCu)，此时Uab=0，电桥对仪表读数无影响。冷端补偿器的作用注意：桥臂RCu必须和热电偶的冷端靠近，使处于同一温度之下。mVEAB(T,T0)T0T0TAB+-abUUabRCuR1R2R3RT0Ua Uab EAB(T,T0)供电4V直流，在040或-2020的范围起补偿作用。注意，不同材质的热电偶所配的冷端补偿器，其中的限流电阻R不一样，互换时必须重新调整。406.软件处理法 对于计算机系统，不必全靠硬件进行热电偶冷端处理。例如冷端温度恒定但不为0的情况，只需在采样后加一个与冷端温度对应的常数即可。对于T0经常波

32、动的情况，可利用热敏电阻或其它传感器把T0信号输入计算机，按照运算公式设计一些程序，便能自动修正。后一种情况必须考虑输入的采样通道中除了热电动势之外还应该有冷端温度信号，如果多个热电偶的冷端温度不相同，还要分别采样，若占用的通道数太多，宜利用补偿导线把所有的冷端接到同一温度处，只用一个冷端温度传感器和一个修正T0的输入通道就可以了。冷端集中，对于提高多点巡检的速度也很有利。411.1.热电偶的选择、安装使用热电偶的选择、安装使用热电偶的选用应该根据被测介质的温度、压力、介质性质、测温时间长短来选择热电偶和保护套管。其安装地点要有代表性，安装方法要正确，图3.2-17是安装在管道上常用的两种方法

33、。在工业生产中，热电偶常与毫伏计连用（XCZ型动圈式仪表）或与电子电位差计联用，后者精度较高，且能自动记录。另外也可图3.2-17热电偶安装图通过与温度变送器经放大后再接指示仪表，或作为控制用的信号。五、热电偶的选择、安装使用和校验42热电偶分度号校验温度/热电偶允许偏差/温度偏差温度偏差LB3600，800，1000，120006002.4600占所测热电势的0.4%EU2400，600，800，10004004400占所测热电势的0.75%EA2300，400，60003004300占所测热电势的1%2.2.热电偶的定期校验热电偶的定期校验校验的方法是用标准热电偶与被校验热电偶装在同一校验

34、炉中进行对比，误差超过规定允许值为不合格。图为热电偶校验装置示意图，最佳校验方法可由查阅有关标准获得。工业热电偶的允许偏差，见下表。工业热电偶允许偏差工业热电偶允许偏差4378564321稳压电源220V热电偶校验图1-调压变压器；2-管式电炉；3标准热电偶；4-被校热电偶；5-冰瓶；6-切换开关；7-测试仪表；8-试管44压力传感器 压力传感器是一种将压力转换成电流或电压的器件，用于测量压力、位移等物理量。压力传感器有应变式、电容式、差动变压器式、霍尔式、压电式等。451.电阻应变式传感器 电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器,传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件

35、构成。当被测物理量作用在弹性元件上时,弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化,通过转换电路将其转变成电量输出,电量变化的大小反映了被测物理量的大小。应变式电阻传感器是目前测量力、力矩、压力、加速度、重量等参数应用最广泛的传感器。46电阻应变式传感器工作原理电阻应变片的特性电阻应变片的温度补偿方法电阻应变片的粘贴技术电阻应变片的测量电路电阻应变式传感器471.1 工作原理 电阻应变片的工作原理是基于应变效应,即在导体产生机械变形时,它的电阻值相应发生变化。一根金属电阻丝,在其未受力时,原始电阻值为R=（3-1）式中:电阻丝的电阻率;L电阻丝的长度;S电阻丝的截面积。48 当电阻丝受到拉力F作用

36、时,将伸长L,横截面积相应减小S,电阻率将因晶格发生变形等因素而改变,故引起电阻值相对变化量为 式中，L/L是长度相对变化量,用应变表示：S/S为圆形电阻丝的截面积相对变化量,即：（3-2）49 由材料力学可知,在弹性范围内,金属丝受拉力时,沿轴向伸长,沿径向缩短,那么轴向应变和径向应变的关系可表示为：式中:电阻丝材料的泊松比,负号表示应变方向相反。从而可得：或（3-6）（3-7）50 通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏度系数。其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量,其表达式为：（3-8）灵敏度系数受两个因素影响:一个是受力后材料几何尺寸的变化,即（1+2）;另 一 个 是

37、受 力 后 材 料 的 电 阻 率 发 生 的 变 化,即（/）/。对金属材料电阻丝来说,灵敏度系数表达式中（1+2）的值要比（/）/）大得多,而半导体材料的（/）/）项的值比（1+2）大得多。大量实验证明,在电阻丝拉伸极限内,电阻的相对变化与应变成正比,即K为常数。51 用应变片测量应变或应力时,根据上述特点,在外力作用下,被测对象产生微小机械变形,应变片随着发生相同的变化,同时应变片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量R时,便可得到被测对象的应变值。根据应力与应变的关系,得到应力值为=E 式中:试件的应力;试件的应变;E试件材料的弹性模量。由此可知,应力值正比于应变,而试件应变正

38、比于电阻值的变化,所以应力正比于电阻值的变化,这就是利用应变片测量应力的基本原理。521.2 电阻应变片特性一、一、电阻应变片的种类电阻应变片的种类 电阻应变片品种繁多,形式多样。但常用的应变片可分为两类:金属电阻应变片和半导体电阻应变片。金属应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成。敏感栅是应变片的核心部分,它粘贴在绝缘的基片上,其上再粘贴起保护作用的覆盖层,两端焊接引出导线。金属电阻应变片的敏感栅有丝式、箔式和薄膜式三种。53 箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅,其厚度一般在0.0030.01mm。其优点是散热条件好,允许通过的电流较大,可制成各种所需的形状,便于

39、批量生产。薄膜应变片是采用真空蒸发或真空沉淀等方法在薄的绝缘基片上形成0.1m以下的金属电阻薄膜的敏感栅,最后再加上保护层。它的优点是应变灵敏度系数大,允许电流密度大,工作范围广。半导体应变片是用半导体材料制成的,其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。所谓压阻效应，是指半导体材料在某一轴向受外力作用时,其电阻率发生变化的现象。54（3-10）式中/为半导体应变片的电阻率相对变化量,其值与半导体敏感元件在轴向所受的应变力关系为（3-11）式中:半导体材料的压阻系数。将式（3-11）代入式（3-10）中得（3-12）半导体应变片受轴向力作用时,其电阻相对变化为55 实验证明,E比（1+2）大上百倍

40、,所以（1+2）可以忽略,因而半导体应变片的灵敏系数为Ks=（3-13）半导体应变片突出优点是灵敏度高,比金属丝式高5080倍,尺寸小、横向效应小、动态响应好。但它有温度系数大,应变时非线性比较严重等缺点。56二、二、横向效应横向效应 粘贴在受单向拉伸试件上的应变片，其敏感栅由轴向纵栅和圆弧横栅组成，在单向拉伸力的作用下，分别产生轴向拉伸应变和横向收缩应变。在测量纵向应变时，圆弧部分产生了一个负值的电阻变化，从而降低了应变片的灵敏度，这种现象称为应变片的横向效应。对金属丝式应变片，纵栅越长、横栅圆弧半径越小，则横向效应越小。为了减小横向效应产生的误差，一般采用金属箔式应变片。l lyxy571

41、.应变片的温度误差应变片的温度误差 由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差,称为应变片的温度误差。产生应变片温度误差的主要因素有:电阻温度系数的影响试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响三、应变片的温度误差及补偿581)电阻温度系数的影响 敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示：Rt=R0（1+0t）式中:Rt温度为 t 时的电阻值;R0温度为t0时的电阻值;0金属丝的电阻温度系数;t温度变化值,t=t-t0。当温度变化t时,电阻丝电阻的变化值为 Rt=Rt-R0=R00t 59 2)试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时,不论环境温度如何

42、变化,电阻丝的变形仍和自由状态一样,不会产生附加变形。当试件和电阻丝线膨胀系数不同时,由于环境温度的变化,电阻丝会产生附加变形,从而产生附加电阻。设电阻丝和试件在温度为 0 时的长度均为L0，它们的线膨胀系数分别为s和g,若两者不粘贴,则它们的长度分别为Ls=L0（1+st）Lg=L0（1+gt）60当二者粘贴在一起时,电阻丝产生的附加变形L,附加应变和附加电阻变化R分别为L=Lg-Ls=（g-s）L0t=LL0=（g-s）tR=K0R0=K0R0(g-s)t61可得由于温度变化而引起应变片总电阻相对变化量为折合成附加应变量或虚假的应变t,有 因环境温度变化而引起的附加电阻的相对变化量,除了与

43、环境温度有关外,还与应变片自身的性能参数（K0，0，s）以及被测试件线膨胀系数g有关。621.3 电阻应变片的温度补偿方法p温度自补偿（1）单丝自补偿应变计：（2）双丝自补偿应变计：由电阻温度系数为一正一负的两种合金丝串接而成。当被测试件的线膨胀系数g已知时,如果合理选择敏感栅材料,使其电阻温度系数0、灵敏系数K0和线膨胀系数s,满足：0=-K0(g-s),则不论温度如何变化,均有R/R0=0,从而达到温度自补偿的目的。温度变化而引起应变片总电阻相对变化量为:63p桥路补偿法R1为工作应变计，粘贴在试件上，RB为同阻值、同材料的补偿应变计，粘贴在补偿块上，并与R1处于同一温度场，但不受力。补偿

44、臂产生的热输出与工作臂相同，使电桥总的输出不变，从而起到温度补偿的作用。64工程上,一般按R1=RB=R3=R4选取桥臂电阻。当温度升高或降低t=t-t0时,两个应变片的因温度而引起的电阻变化量相等,电桥仍处于平衡状态,即U0=A（R1+R1t）R4-(RB+RBt)R3=0若此时被测试件有应变的作用,则工作应变片电阻R1又有新的增量R1=R1K,而补偿片因不承受应变,故不产生新的增量,此时电桥输出电压为U0=AR1R4K由上式可知,电桥的输出电压U0仅与被测试件的应变有关,而与环境温度无关。65应当指出,若实现完全补偿,上述分析过程必须满足四个条件:在应变片工作过程中,保证R3=R4。R1和

45、RB两个应变片应具有相同的电阻温度系数,线膨胀系数,应变灵敏度系数K和初始电阻值R0。粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样,两者线膨胀系数相同。两应变片应处于同一温度场。662 压电式传感器 压电式传感器是力敏元件，它能测量一些最终能变换为力的相关物理量，例如压力、应力、加速度等，在工程上有着广泛的应用。压电式传感器是一种有源传感器，亦即发电型传感器。它是以某些材料的压电效应压电效应为基础，在外力作用下，这些材料的表面上产生电荷，从而实现非电量到电量的转换。67压电效应正（顺）压电效应示意图F F F FF FF F 某些材料当沿着一定方向受到作用力时，不但产生机械变形，而

46、且内部极化，表面有电荷出现；当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称为压电效应。68压电效应的可逆性 逆压电效应逆压电效应逆压电效应逆压电效应电能电能电能电能机械能机械能机械能机械能正压电效应正压电效应正压电效应正压电效应 当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在某一方向上产生机机械械变变形形或或机机械械压压力力；当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。这种电能转化为机械能的现象称为“逆压电效应”或“电致伸缩效应”。69石英晶体的压电效应演示石英晶体的压电效应演示 当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而

47、很快泄漏、消失。70（1）单晶压电晶体 单晶压电晶体各向异性，主要有石英、铌酸锂等。石英晶体有天然与人工之分，是最常用的压电材料之一。如图所示，石英晶体的外形呈六面体结构，有三根互相垂直的轴表示其晶轴，其中纵轴z z称为光轴称为光轴，经过正六面体棱线而垂直于光轴的x x轴称为电轴轴称为电轴，而垂直于x轴和z轴的y y轴称为机械轴。轴称为机械轴。2.1 压电材料的种类71 从晶体上沿各轴线切下一片平行六面体切片，当受到力的作用时，其电荷分布在垂直于x轴的平面上，沿x轴受力产生的压电效应称为纵向压电效应纵向压电效应，沿y轴受力产生的压电效应称为横向压电效应横向压电效应，沿切向受力产生的压电效应称为

48、切向压电效应切向压电效应。由纵向压电效应产生的电荷量q为：式中，d11为纵向压电常数；F为作用力。晶体表面产生的电荷与作用力成正比。72 当晶片受到x方向的压力作用时，qx只与作用力F Fx成正比，而与晶片的几何尺寸无关与晶片的几何尺寸无关；沿机械轴y方向向晶片施加压力时，产生的电荷是与与几何尺寸有关的几何尺寸有关的；石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的；晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定 存在逆压电效应；无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度）之间皆呈线性关系。73 石英晶体的压电常数比较低，纵向压电常数 ，但具有良好的机械强度和时间及温度稳定性，常用于精确

49、度和稳定性要求特别高的场合。铌酸锂晶体是人工拉制的，居里点高达1200，适用于做高温传感器，缺点是质地脆，抗冲击性差，价格较贵。742.4 压电式传感器的应用压电式传感器动态特性好，体积小，重量轻，常用来测量脉动力、冲击力和振动加速度等动态参数。由于压电材料特性的不同，石英晶体主要用于精密测量，多作为实验室基准传感器；压电陶瓷灵敏度高，机械强度稍低，多用作测力和振动传感器；而高分子压电材料多用作定性测量。75 压电式单向测力传感器的结构图,它主要由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及基座等组成。传感器上盖为传力元件,它的外缘壁厚为0.10.5mm,当外力作用时,它将产生弹性变形,将力传递到石英晶片上

50、。石英晶片采用xy切型,利用其纵向压电效应,实现力电转换。石英晶片的尺寸为81 mm。该传感器的测力范围为050 N,最小分辨率为0.01,固有频率为5060 kHz,整个传感器重10g。76压电式力传感器。压电式力传感器在直接测量压力时，通常采用双片或多片石英晶体做压电元件，配以适当的放大器即可测量动态或静态力。77加速度传感器78 压电式加速度传感器：主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内,并用螺栓加以固定。当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时,压电元件受质量块惯性力的作用,根据牛顿第二定律,此惯性力是加速度的函数,即 F=ma 式中:F质量块产生的惯性