材料加工测试技术 材料加工测试技术 张占领 河南科技大学材料学院 材料加工测试技术 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 第三章 检测转换原理 材料加工测试技术 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 3.1 概述 材料加工测试技术 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。 3.1 概述 材料加工测试技术 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=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 电阻式传感器 材料加工测试技术 3.2 电阻式传感器 材料加工测试技术 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：=A+Bt+Ct2 铂、铜，镍、铁。 （2）特性 a）铂热电阻 适用温度范围：13.8K962 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46， 100，300三种。 温度系数：=(R100R0)(R0100)=0.003850 （1/） 3.2.1 金属热电阻和半导体热敏电阻 材料加工测试技术 b）铜热电阻 电阻率小；温度系数大：4.28103 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。 3.2.1 金属热电阻和半导体热敏电阻 材料加工测试技术 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。 3.2.1 金属热电阻和半导体热敏电阻 材料加工测试技术 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。 3.2.1 金属热电阻和半导体热敏电阻 材料加工测试技术 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 3.2.1 金属热电阻和半导体热敏电阻 材料加工测试技术 （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。 3.2.1 金属热电阻和半导体热敏电阻 材料加工测试技术 产品： 材料加工测试技术 温控器 水温感应塞还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等 3.1.4 热电阻传感器 材料加工测试技术 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： 3.2.2 应变式电阻传感器 K0为灵敏度系数 范围 1214， 一般1.73.6 L：压阻系数 材料加工测试技术 金属应变计： 3.2.2 应变式电阻传感器 材料加工测试技术 材料加工测试技术 (a)箔式；(b)用于扭矩测量；(c)用于流体压力测量 材料加工测试技术 (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： e为电子电量，Ni为载流子数，ar为平均迁移率。 灵敏度系数： 其中: (1+2)表示几何尺寸变化部分，E是弹性模量，L是半导 体纵向压阻系数。 LE最大可达(1+2)的50 70倍，Kp可达150 210. 一般半导体应变电阻的温度系数：0.001 0.004 -1 优点：灵敏度大，体积小； 缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。 金属导体的灵敏度系数K0比半导体的Kp小，但金属的几乎是常数 ，受温度影响小。 3.2.2 应变式电阻传感器 材料加工测试技术 2）结构形式 金属导体或半导体应变电阻做成尺寸较小的片状，称应变片 。 金属应变片： 丝式：直径0.015-0.05mm的铜镍、铬镍、铂银合金 箔式（d）：0.001-0.01mm金属箔上光刻成栅状。 薄膜式：真空蒸发或沉积法制成0.1um的膜，再刻成栅状。 3.2.2 应变式电阻传感器 材料加工测试技术 半导体应变片： 体型：沿一定晶向切割出小条，简单，灵敏度高，分散性大。 扩散型：将P型杂质扩散到高电阻率的N型硅底层上，形成极薄 的导电敏感层，应用最多。 优点：稳定性好，频率响应高；缺点：PN结受温度影响大 。 薄膜式：真空蒸发或沉积法将半导体扩散到基底材料上，制成 极薄的敏感层，再做出应变电阻。 3.2.2 应变式电阻传感器 材料加工测试技术 3）基本特性 主要有温度特性、横向效应、稳定性、动态特性。 （1）温度特性和温度补偿 一、温度特性 工作温度范围：半导体100，金属高温片350、中温片 80350、常温片-4080，还有低温片。 温度对灵敏度的影响：金属应变片的灵敏度系数K0随温度升高 稍有降低，镍铬、康铜的在100内基本不变； 半导体的L=At-，半导体的灵敏度系数Kp具有负温度系数。 温度变化产生的热输出t ：由于所处环境温度的缓慢变化使应变 片电阻发生变化，由此产生的附加应变量称为热输出t 。 原因：应变电阻敏感材料片线的膨胀系数f和弹性元件线的S不 同导致电阻变化；敏感材料的温度系数不为零产生附加电阻。 t由应变片构成的传感器温度系数 3.2.2 应变式电阻传感器 材料加工测试技术 纯粹由温度t变化导致的应变片电阻变化Rt，相应应的虚假应变应变 ： 二、温度补偿 必须采取补偿措施以克服由于温度变化产生的附加电阻。 电路补偿法：检测到的是电阻变化，通常要转换成电压或电流 ，在测量电路中安排补偿，如不平衡电桥电路。 补偿片Rb不受被测参数影响 补偿片Rb受被测参数影响 3.2.2 应变式电阻传感器 材料加工测试技术 补偿应变片R2和工作应变片R1完全相同。将R2和R1接在电桥 的相邻桥臂，既起到温度补偿作用，又提高电桥灵敏度。 3.2.2 应变式电阻传感器 因工作片所处温度升高而使灵敏度 降低，难以用不平衡电桥电路补偿时 ，可以用热敏电阻法补偿RT（Rp起调 节作用）。 材料加工测试技术 应变片自身补偿： 合理选择应变片敏感材料或进行适当处理，使由应变片构 成的传感器温度系数(3-11)中t=0. 采用金属线栅片，采用温度系数相反的两段金属丝串联。 3.2.2 应变式电阻传感器 (a)两段敏感栅Ra 和Rb的电阻温度系数相反串联接电桥相同臂； (b)两段敏感栅Ra 和Rb的电阻温度系数相同接电桥相邻臂。 温度修正法：检测自由状态的应变片同温度下的热输出关系 曲线t t ，据此对工作片的测量结果进行修正。 材料加工测试技术 （2）横向效应 应变片粘贴在试件或弹性元件上，由于试件的横向变形 H的作 用，使应变片灵敏度系数发生变化。 物理本质：试件拉伸时，应变片轴向伸长，围弯(拐弯处)压缩， 轴向、横向应变对输出电阻的影响相反，导致灵敏度降低。 （3）稳定性 机械滞后、零点漂移、蠕变、疲劳寿命等。与材料绝缘性、弹性 元件材料性能、粘贴工艺有关。 3.2.2 应变式电阻传感器 材料加工测试技术 4）应变片的应用 应变片直接贴在测试件上；与弹性元件配合构成应变式传感器。 （1）应变式传感器 弹性元件的作用是把被测量（力、扭矩、加速度等）转换成应变 量；应变片的作用是把应变量转换为电阻变化。 常用弹性元件形状：柱体，筒体，环，梁，膜片。 固态压阻式半导体应变片：直接在作为弹性元件的半导体上制作 多片应变片，再连接成测量电路。 3.2.2 应变式电阻传感器 材料加工测试技术 3.2.2 应变式电阻传感器 材料加工测试技术 3.2.2 应变式电阻传感器 材料加工测试技术 电子秤 测量原理 将物品重量通过悬臂梁转化 结构变形，再通过电阻应变片和 测量电桥转化为电信号输出。 3.2.2 应变式电阻传感器 材料加工测试技术 冲床生产记数和生产过程监测 3.2.2 应变式电阻传感器 材料加工测试技术 3.2.2 应变式电阻传感器 材料加工测试技术 （2）应变片直接应用 在构件的强度等检测中极为常用，直接把应变片粘贴到测试部位 ，将此处的应变转换成电阻变化，从而得出应变量和应力。使用时 考虑以下因素。 测试环境：温度、湿度、压力等； 试件受力状态：应变性质、应变范围、变化梯度、应力分布等。 被测试件材料性质：弹性模量，均匀性，强度等。 3.2.2 应变式电阻传感器 测频：在桥中设置三角形障碍物，利用汽车路过障碍物时的冲击对桥梁 进行激励，通过应变片测量桥梁的动态变形，从而得到桥梁的固有频率 。 材料加工测试技术 3.2.3 电阻式传感器的测量电路 1）测量电路的概念 第一次转换后输出的原始信号通常不能满足要求，必须作进 一步的处理和分析。这些处理可以是在非电量方面的，但更容 易进行的是在得到的电信号上进行处理。 一、信号变换：将测得的R、L、C等电路参数变换成U，或将U 、E、Q变换成I；信号的交/直、A/D(模/数)、D/A、V/F(电压/ 频率)转换。 二、信号处理：滤波、平滑、隔离、屏蔽、接地等。 三、分析加工：微分、积分、相关分析、谱分析，多传感器信 号综合、融合。 四、特性改善：线性化、零点漂移的补偿、特性曲线变换、提 高灵敏度等。 途径：用测量电路（关联电路），也可以用计算机来处理。 3.2.3 电阻式传感器的测量电路 材料加工测试技术 2）电阻式传感器的测量电路 传感器电路(电阻、电容、电感)直接影响测量电路的工作。 （1）电阻