数字电子技术

数字电子技术第1页，课件共131页，创作于2023年2月物质定律物质定律是关于各种物质内在性质的定律、法则和规律。物质的内在性质通常以这种物质所固有的物理量加以描述，它与物质的材料密切相关物质的电阻是最常见的物理量之一，由于它易测量，准确度高，在检测技术中经常利用材料的电阻与被测量之间的关系实现参数检测，金属导体和许多非金属半导体在受压、受热、受光照等情况下，电阻值有明显变化第2页，课件共131页，创作于2023年2月参数检测的一般方法参数的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，把被测量的变化转换为敏感元件某一物理量的变化根据敏感元件的不同，参数检测一般可分为以下几种方法：第3页，课件共131页，创作于2023年2月第4页，课件共131页，创作于2023年2月磁学法压磁效应、霍尔效应、电磁感应原理射线法

放射线穿过介质时部分能量会被物质吸收化学法

利用化学反应原理

吸附效应、光化学效应、热化学效应生物反应法

生物活性物质能识别被测物质，并发生生物学反应，产生物理、化学等现象，或产生新的化学物质。

生物学反应：酶反应、微生物反应、免疫反应第5页，课件共131页，创作于2023年2月对于同一参数的检测，可以用不同的方法，使用不同的敏感元件来实现。

由于被测对象是千差万别的，敏感元件的特性也不一样，在选择时敏感元件时要考虑有着相应的参考要素：第6页，课件共131页，创作于2023年2月（1）敏感元件的适用范围：使用的环境温度、压力、外加电源电压（电流）等都有要求（2）敏感元件的参数测量范围：被测量不超过敏感元件规定的测量范围，否则，敏感元件的输出不能与被测量的变化相对应，甚至会损坏敏感元件（3）敏感元件的输出特性：自然界许多材料都具有对某个（些）参数敏感的功能，但作为用于参数检测的敏感元件，一般要求其输出与被测量之间有明确的单调上升或下降的关系，而且要求该函数关系受其他参数的影响小，重复性好第7页，课件共131页，创作于2023年2月机械式检测元件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，可用于压力、力、加速度、湿度等参数的测量最常用的机械式检测元件包括弹性式检测元件和振动式检测元件第8页，课件共131页，创作于2023年2月

变形固体及其基本假设任何固体在外力作用下都将发生形变，形变可分为两种：弹性变形和塑性变形（永久变形）。弹性变形：外力去除后可消除的变形。塑性变形：外力去除后不可消除的变形。这种特性又称为挠性。第9页，课件共131页，创作于2023年2月应力和应变材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系（即符合胡克定律），其比例系数称为弹性模量。“弹性模量”是描述物质弹性的一个物理量一般地讲，对弹性体施加一个外界作用（称为“应力”）后，弹性体会发生形状的改变（称为“应变”）第10页，课件共131页，创作于2023年2月弹性模量第11页，课件共131页，创作于2023年2月泊松比在弹性范围内，金属丝沿长度方向伸长时，径向尺寸缩小，反之亦然。即轴向应变与径向应变存在下列关系：第12页，课件共131页，创作于2023年2月弹性式检测元件在外力作用下，物体的形状和尺寸会发生变化，若去掉外力，物体能恢复原来的形状和尺寸，此种变形就称为弹性变形。弹性元件就是基于弹性变形原理的一种敏感元件弹性元件直接感受被测量的变化，并以变形或应变响应，其输出还可经转换元件变为电信号，可用于测量力、力矩、压力及温度等参数第13页，课件共131页，创作于2023年2月弹性元件的基本性能1、弹性特性是指弹性元件的输入量（力、力矩、压力、温度等）与由它引起的输出量（应变、位移或转角）之间的关系(1).刚度弹性元件产生单位变形所需要的外加作用力，即F为作用在弹性元件上的外力，x为弹性元件上产生的变形第14页，课件共131页，创作于2023年2月(2).灵敏度灵敏度S定义为单位输入量所引起的输出量，弹性元件的灵敏度是指单位作用力所引起的弹性元件的变形，即：式中，F为作用在弹性元件上的外力，x为弹性元件上产生的变形刚度和灵敏度为倒数关系第15页，课件共131页，创作于2023年2月2、滞弹性效应弹性元件的滞弹性效应是指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现象弹性滞后弹性后效应力松弛第16页，课件共131页，创作于2023年2月弹性滞后弹性元件在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，由特性曲线可以看出，当应力不同时，弹性滞后是不同的一般用最大相对滞后的百分数来表示，即第17页，课件共131页，创作于2023年2月第18页，课件共131页，创作于2023年2月弹性后效在弹性变形范围内，应变不但是应力的函数，而且与时间有关，在应力保持不变的情况下，应变随时间的延续而缓慢变化，直到最后达到平衡应变值，这一现象称为弹性后效，也称蠕变第19页，课件共131页，创作于2023年2月弹性后效常常需要延续很长时间，一般采用应力保持15min作参考值。弹性后效可表示为：第20页，课件共131页，创作于2023年2月应力松弛材料在高温下工作，受应力的作用而产生应变。当其总的应变量在恒定情况下，应力随时间的延续而逐渐降低的现象称应力松弛。其应力松弛率为：第21页，课件共131页，创作于2023年2月3、热弹性效应（1）弹性模量的温度系数

当温度变化时，会引起材料的弹性模量E的变化，弹性模量的温度系数为：第22页，课件共131页，创作于2023年2月（2）频率温度系数当温度变化时，还会引起材料的谐振频率的变化，频率的温度系数表示谐振频率随温度变化的情况第23页，课件共131页，创作于2023年2月（3）膨胀系数当温度发生变化时材料会发生热膨胀现象，通常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第24页，课件共131页，创作于2023年2月4、弹性元件的固有频率弹性元件本身具有质量，具有弹性，且具有弹性后效，它们共同决定了弹性元件的固有频率弹性元件的动态特性即对动态变化的输入量的响应以及变换时的滞后现象与它的固有频率都是密切相关的。固有频率越高，则弹性元件响应越快第25页，课件共131页，创作于2023年2月大多数弹性元件为金属及其合金材料制成，但也有非金属弹性元件，如石英、陶瓷及半导体硅等，作为敏感元件的弹性材料应具有以下性能：（1）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（2）具有良好的弹性特性，如稳定的输入-输出关系，很小的滞弹性效应（3）具有良好的温度特性，如弹性模量的温度系数小，且稳定（4）有较强的化学性能，抗腐蚀性和抗氧化性3、弹性元件的材料和种类第26页，课件共131页，创作于2023年2月马氏体弥散硬化不锈钢高弹性、耐久性、耐松弛、焊接性能好、无磁性、抗腐蚀Ni（镍）基弥散硬化恒弹性合金高弹性、滞弹性小、漂移小、耐腐蚀性差、弱磁性Nb（铌）恒弹性合金无磁性、耐腐蚀、弹性模量低、弹性极限高、耐高温铍青铜弹性好、高强度、蠕变小、滞后小，抗磁、耐疲劳石英晶体高强度、机械性能稳定、抗微塑变形能力好、机械和电气损耗小、滞后及蠕变小半导体硅材料电学性质好、机械性能好、抗微塑变形能力好、动态响应快陶瓷材料热稳定性、机械性能、化学稳定性好，温度范围宽，综合性能仅次于石英和硅第27页，课件共131页，创作于2023年2月弹性元件的种类弹性元件有弹簧管、波纹管、膜片、膜盒、薄壁圆筒等类型弹簧管大多是由截面为椭圆形或扁圆形的弯曲成一定弧度的空心管所构成，主要用于压力检测。弹簧管的一端封闭，作为自由端，另一端开口，供被测压力进入，并作为固定端第28页，课件共131页，创作于2023年2月结构原理图第29页，课件共131页，创作于2023年2月在压力作用下，管截面将趋于变成圆形，从而使管子趋于伸直，其结果使弹簧管的自由端产生位移位移大小与输入压力有一定的关系，可表示为：第30页，课件共131页，创作于2023年2月弹簧管压力表

螺旋弹簧管、盘簧管第31页，课件共131页，创作于2023年2月弹性压力计的组成框图

在弹性元件与指示机构之间的变换放大机构，其作用是将弹性元件的变形进行变换和放大，指示机构如指针与刻度标尺，用于给出压力示值，调整机构用于调整仪表的零点和量程

第32页，课件共131页，创作于2023年2月弹簧管压力表结构简单，测量范围宽，应用广泛，仪表的准确度等级最高为0.1级被测介质的性质和被测介质的压力高低决定了弹簧管的材料。对于普通介质，当p<20MPa时，弹簧管采用磷铜，当p>20MPa时，则采用不锈钢或合金钢对于腐蚀性介质，一方面可采用隔离膜或隔离液，另一方面也可采用耐腐蚀材料第33页，课件共131页，创作于2023年2月薄壁圆筒

其壁厚一般是筒径的0.05倍以下。当筒内腔与被测介质接通并感受压力时，筒壁不发生弯曲变形，只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压力和应变第34页，课件共131页，创作于2023年2月

薄壁圆筒受力示意图

第35页，课件共131页，创作于2023年2月相应的轴向拉伸应力和径向拉伸应力为：轴向应力和径向应力相互垂直，根据虎克定律可得相应的应变为：第36页，课件共131页，创作于2023年2月薄壁圆筒的固有频率为这种弹性元件只能把压力转换成应变，多用于电阻应变片式检测元件第37页，课件共131页，创作于2023年2月波纹管也是金属制成的薄壁管状的弹性元件，可感受管内压力或管外所加集中力而产生高度方向的形变（拉伸或压缩）波纹管的特点是线性好，弹性位移大第38页，课件共131页，创作于2023年2月波纹管的下端固定在基座上，则波纹管的轴向形变和轴向集中力的关系可表示为：第39页，课件共131页，创作于2023年2月波纹管波纹管示意图

第40页，课件共131页，创作于2023年2月当被测介质接入波纹管，承受压力p时，波纹管上端会升高，设波纹管的有效面积为A，由于F＝pA，则：第41页，课件共131页，创作于2023年2月膜片是一种有挠性的薄片，当它受到不平衡力作用后，其中心将沿垂直于膜片方向移动将两个膜片的外边缘密封焊接，则由此形成的弹性元件称为膜盒膜片和膜盒广泛地用于测量压力第42页，课件共131页，创作于2023年2月边缘固定的圆形平膜片，在材料的弹性范围内，当一面受压力p作用时，膜片中心处的位移d与膜片各参数的关系可用下式表示第43页，课件共131页，创作于2023年2月在实际使用中，膜片中心都加装有圆形硬芯，以便安装传动机构膜盒有更大的中心位移和更高的灵敏度当膜盒外处于环境大气压力时，被测压力接到盒内，膜盒内由于受压而使膜片产生变形，其中心的位移反映被测压力值，即表压（压力与大气压之差）若将膜盒抽成真空，当外界大气压力变化时，膜盒中心位移就反映大气压力绝对值第44页，课件共131页，创作于2023年2月

金属膜片膜盒压力表膜片压力表第45页，课件共131页，创作于2023年2月机械式振动检测元件机械式振动检测元件将被测量（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较常用的有振弦式和振筒式。第46页，课件共131页，创作于2023年2月振弦式检测元件利用弹性元件在力或压力作用下，使其固有频率发生变化，将作用力转换为频率信号输出振弦式检测元件由钢弦、支撑、膜片和永久磁铁所组成。钢弦的一端固定在支撑上，另一端固定在膜片上，整个钢弦处在永久磁铁形成的磁场之中。当膜片的下部受到力的作用时，钢弦的原始张力发生变化，从而导致钢弦的固有频率变化第47页，课件共131页，创作于2023年2月振弦式检测元件的结构原理第48页，课件共131页，创作于2023年2月第49页，课件共131页，创作于2023年2月钢弦激振后，按固有频率振动。由于振动而切割它周围由永久磁铁形成的磁力线，从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的长度和密度可视为常数，感应电势的频率与所加的力或应力有关第50页，课件共131页，创作于2023年2月振筒式检测元件原理第51页，课件共131页，创作于2023年2月机械式检测元件的应用机械时检测元件能将一些难以直接测量的物理量（如压力）转换成便于测量的长度、角度等参量，应用非常广泛弹性膜盒主要是作为压力传感器使用，利用膜盒的压力-位移特性曲线，通过一定的放大机构对膜盒的微小位移进行放大，将膜盒内部的压力变化采用指针或数字的方式显示出来，这就是膜盒压力表基本原理第52页，课件共131页，创作于2023年2月振弦式传感器利用其振动频率与所承受的压力有关这一特性可用于车辆动态称重，在高速公路的超载检测中获得了成功应用，准确度达到0.1%FS~0.5%FS

FS：fullscale第53页，课件共131页，创作于2023年2月电阻式检测元件电阻式检测元件的类型很多，在检测技术领域有着广泛的应用其基本原理是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用电阻材料有导体、半导体等，可用于多种参数的检测，如位移、形变、加速度、压力及温度等常见电阻检测元件有电阻应变片、热电阻、湿敏电阻和气敏电阻等。第54页，课件共131页，创作于2023年2月应变式检测元件电阻应变片是将作用在检测元件上的应变转换成电阻变化的敏感元件电阻应变片粘贴在各种弹性元件上，如膜片、薄壁圆筒等当被测物理量（如力、压力、位移）作用在弹性元件，使其产生应变，粘贴在弹性元件上的应变片感受同样的应变，并转换成应变片的电阻变化第55页，课件共131页，创作于2023年2月应变片检测元件优点：

1、测量范围宽、准确度；

2、测量响应速度快；

3、使用寿命长；

4、价格便宜；

5、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使用。应变片检测元件缺点：

输出信号微弱，抗干扰能力较差，使用时需要采取屏蔽措施；

受温度等环境因素影响；

在大应变状态下有较大的非线性。第56页，课件共131页，创作于2023年2月电阻应变片工作原理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导体或半导体材料在外力作用下（如压力或拉力）产生机械变形，其阻值将发生变化，这种现象称为“应变效应”。电阻应变片就是基于应变效应工作的第57页，课件共131页，创作于2023年2月电阻应变片的工作原理

电阻应变元件的工作原理的电阻丝，其电阻初值R可表示为：电阻率为设有一根长度为L，截面积为A，第58页，课件共131页，创作于2023年2月若导体受到外力的作用被拉伸或压缩，则会引起L、A、的变化，从而引起电阻R的变化，其电阻相对变化量可表示为：

对半径为r的圆形截面电阻丝电阻丝的径向和轴向的变化的关系为：

第59页，课件共131页，创作于2023年2月K为电阻的应变灵敏系数，它的物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量，

对于大多数的金属应变片，由于材料的电阻率受应变的影响很少，对K起主要作用，

而半导体材料却刚好相反，起主导作用第60页，课件共131页，创作于2023年2月金属应变片金属应变片一般分为丝式和箔式两种丝式应变片的敏感栅通常用高电阻率，直径为0.015~0.05mm的金属丝密密排列成栅状形式而成，通过黏结剂固定在绝缘基底及盖片之间第61页，课件共131页，创作于2023年2月丝式应变片结构图

第62页，课件共131页，创作于2023年2月黏结剂：有机和无机两类有机黏结剂用于低温、常温和中温环境。常用的有聚丙烯酸酯、有机硅树脂、聚酰亚胺等。无机黏结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸盐、硼酸盐等。第63页，课件共131页，创作于2023年2月箔式应变片箔式应变片是用极薄的厚度为3~10μm康铜或镍铬金属片腐蚀而成的

(a)单应力(b)扭矩(c)压力第64页，课件共131页，创作于2023年2月箔式应变片由于采用先进的制造技术，能保证敏感栅尺寸准确、线条均匀，易于大批量生产应变片与构件接触面积大，粘贴牢固，机械滞后小，散热性能良好，允许通过较大的工作电流，从而增大了输出信号箔式应变片的诸多优点使它获得了日益广泛的应用第65页，课件共131页，创作于2023年2月半导体应变片

金属丝应变片性能稳定，准确度高，缺点是其应变灵敏系数K较小，对粘贴工艺要求严格，不利于生产和使用。20世纪50年代出现了半导体应变片，它是以单晶膜片为敏感元件制成的。半导体应变片的主要优点是灵敏系数高，比金属应变片高50-80倍，且尺寸小，滞后小，动态特性好。但其温度稳定性差，在测量较大应变时非线性严重

第66页，课件共131页，创作于2023年2月式中，π为压阻系数，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为材料的弹性模量，ε为应变量当对半导体应变片施加以σ应力时，则电阻率的相对变化为：第67页，课件共131页，创作于2023年2月半导体应变片主要有三种类型：体型、薄膜型和扩散型体型半导体是将原材料按所需晶向切割成片或条粘贴在弹性元件上使用薄膜型应变片的厚度一般在0.1微米以下，可将薄膜直接蒸镀在传感器的弹性元件上，从而去掉了粘贴工艺，提高了稳定性扩散型半导体应变片用硅支持片作为弹性元件，在它上面直接扩散P型或N型半导体，制成整体式传感器第68页，课件共131页，创作于2023年2月硅压阻式压力传感器有外壳、硅膜片和引线等组成。硅膜片是核心部分，在硅膜片上，用半导体工艺中的扩散掺杂法做成四个相等的电阻，接成惠斯登电桥再用压焊法与外引线相连膜片的一侧是和被测介质相连接的高压腔，另一侧是低压腔，通常和大气相连，也有做成真空的。当膜片两边存在压力差时，膜片发生变形，产生应力应变，从而使扩散电阻的电阻值发生变化，电桥失去平衡，输出电压的大小就反映了膜片所受压力差值第69页，课件共131页，创作于2023年2月扩散硅压力传感器结构图

半导体应变片特点：体积小、机械滞后小，蠕变小，稳定性好，应用普遍。第70页，课件共131页，创作于2023年2月应变片主要性能指标举例

上表中，哪几个型号是半导体应变片？依据是什么？

第71页，课件共131页，创作于2023年2月应变片的主要特性（1）应变片的电阻值

应变片在没有受到应力前，在室温下测定的电阻值称为初始电阻值。一般有60、120、250、3500、10KΩ。以120Ω最常见。（2）灵敏系数K当应变片安装在试件表面时，在其轴线方向的单向应力作用下，应变片的阻值相对变化与试件上主应力方向的应变之比，即为灵敏系数K值的准确度直接影响测量结果，一般要求K值尽量大且稳定，试验表明K在很大应变范围内是常数第72页，课件共131页，创作于2023年2月（3）绝缘电阻绝缘电阻一般是指已安装的应变计的敏感栅和引线与被测件之间的电阻值，一般在500-5000MΩ之间（4）横向效应在各直线段上，电阻丝只感受轴向拉伸应变，故各微段电阻值是增加的，但在弯曲的圆弧处，应变片不但承受轴向的拉伸应变，同时在与轴向相垂直方向产生横向应变

横向效应系数H<2%第73页，课件共131页，创作于2023年2月由于横向应变的影响，圆弧段的电阻变化必然小于其等长电阻沿轴向的电阻变化直的线材绕成敏感栅后，即使总长度相同，应变状态一样，应变敏感栅的电阻变化仍要小一些，从而导致灵敏系数K的改变，这种现象称为横向效应第74页，课件共131页，创作于2023年2月（5）机械滞后应变片贴在试件上以后，在一定温度下，进行循环的加载和卸载，加载和卸载时的输入输出特性曲线不重合的现象称机械滞后产生机械滞后的主要原因是敏感栅、基底、黏结剂在承受机械应变后留下的残余变形。为减少机械滞后对测量的影响，在正常使用之前，预先加载卸载若干次第75页，课件共131页，创作于2023年2月（6）零漂和蠕变粘贴在试件上的应变片，在恒定温度下，不承受机械应变时，指示应变值随时间变化的特性称为应变片的零漂。其主要原因是由于绝缘电阻过低以及通过电流产生的热电势造成的。在恒定温度下，使应变片承受一恒定的机械应变，指示应变值随时间变化的特性称应变片的蠕变。零漂和蠕变都是衡量应变片对时间稳定性的重要指标。第76页，课件共131页，创作于2023年2月（7）允许电流是指应变片不因电流产生的热量而影响测量准确度所允许通过的最大电流它与应变片的尺寸、黏结剂、试件材料和尺寸及环境有关。要根据具体情况进行计算，在实际使用中，静态测量时允许电流为25mA，动态测量时可达75~100mA第77页，课件共131页，创作于2023年2月（8）应变极限理想情况下，应变片电阻相对变化与所承受的轴向应变成正比，即灵敏系数为常数，这种情况只能在一定范围内才能保持当试件表面的应变超过某一数值时，它们的比例关系不再保持，应变计的输出将出现非线性图中纵坐标表示应变片的指示应变，横坐标表示真实应变第78页，课件共131页，创作于2023年2月应变片的应变极限是指在规定的使用条件下，指示应变与真实应变的相对误差不超过10%时的最大真实应变值当应变片承受超过极限应变时，真实应变不能全部作用在敏感栅上，测得的值就不真实应变极限是衡量应变片的测量范围和过载能力的指标第79页，课件共131页，创作于2023年2月（9）温度效应及补偿如果敏感栅材料的线膨胀系数与构件材料膨胀系数不同，当温度改变时，敏感栅与构件的伸长量不同，敏感栅上会受到附加的拉伸，引起敏感值的变化，这种现象称为温度效应。第80页，课件共131页，创作于2023年2月普通应变片在使用时，用胶粘贴在弹性元件上，利用电桥测出阻值以获得应变或压力电阻应变片会受到环境和温度的影响，其原因，一是应变片电阻具有电阻温度系数；二是弹性元件与应变片电阻两者的线膨胀系数不同，即使无外力作用，由于环境温度的变化也会引起应变片电阻值的改变，从而产生测量误差，必须采取适当的温度补偿措施应变片的温度效应补偿第81页，课件共131页，创作于2023年2月半桥单臂温度补偿接法第82页，课件共131页，创作于2023年2月将两个完全相同的工作应变片贴在弹性元件的不同部位，使得在外力作用下，其中一片受压，一片受拉，一个作为工作应变片，另一个作为补偿应变片，然后把这两片接在电桥的相邻桥臂里，另两个桥臂接固定电阻温度升降将使相邻的两桥臂的阻值同时增减，不影响平衡。在外力作用下，相邻两桥臂的阻值会一增一减，灵敏度会更高第83页，课件共131页，创作于2023年2月半桥双臂接法第84页，课件共131页，创作于2023年2月全桥接法第85页，课件共131页，创作于2023年2月热电阻检测元件热电阻效应物质的电阻率随温度的变化而变化的特性称为热电阻效应，利用热电阻效应制成的检测元件称为热电阻热电阻主要用于工业测温，它具有灵敏度高，稳定性好，互换性好等优点。但它需要外加电源，测量温度不能太高，主要用于中、低温的测量。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0.4%~0.6%。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℃，电阻值约减小2%~6%第86页，课件共131页，创作于2023年2月绝大部分金属的电阻值与温度有关，但作为温度敏感元件的金属材料应满足的要求：（1）电阻温度系数大，温度增加时，其电阻值有明显增大（2）物理和化学性能稳定，不易被腐蚀（2）较高的电阻率，以便制成小尺寸元件，减小热惯性（3）电阻随温度变化保持单值函数，最好是线性关系（4）易得到高纯物质，复现性好，价格便宜第87页，课件共131页，创作于2023年2月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金属热电阻检测元件通常由电阻体、保护套管和接线盒等部件组成。热电阻丝绕在骨架上，骨架采用石英、云母、陶瓷、塑料等材料制成第88页，课件共131页，创作于2023年2月金属热电阻结构图第89页，课件共131页，创作于2023年2月（1）铂电阻铂电阻的物理化学性能非常稳定，耐氧化性强，且电阻率较高、复现性好。可用作基准电阻和标准热电阻。但铂电阻的电阻温度系数较小，在还原性介质中工作容易变脆。铂电阻的温度测量范围为-200~850℃，作为热电阻的铂丝，一般要求有尽可能高的化学纯度，铂丝纯度一般用电阻比（W100=R100/R0）来表示。铂丝线的直径一般为0.03~0.07mm第90页，课件共131页，创作于2023年2月铂的纯度通常用百度电阻比表示，即：W100越高，则其纯度越高，目前技术水平已提纯到W100=1.3930，其相应的铂纯度为99.9995%第91页，课件共131页，创作于2023年2月铂电阻阻值与温度之间关系第92页，课件共131页，创作于2023年2月由于热电阻在温度t时的电阻值与R0有关，所以对R0的允许误差有严格的要求，R0越大，则电阻体体积增大，耗费材料多且产生热量增加，但引线电阻及其变化的影响变小，R0越小，情况与上述相反，因此，需要综合考虑选用合适的R0目前，我国规定工业用铂电阻温度计有R0=10（欧姆）R0=100（欧姆）它们的分度号分别为Pt10和Pt100第93页，课件共131页，创作于2023年2月（2）铜电阻铜电阻具有电阻温度系数大，容易加工和提纯，线性较好，价格便宜等优点，其缺点是当温度超过100℃时容易被氧化，电阻率较小，因而体积较大，热惯性较大，其测量范围一般为-50~150℃第94页，课件共131页，创作于2023年2月铜电阻的电阻值和温度的关系可以表示为：铜电阻有R0=50（Cu50）和R0=100（Cu100）第95页，课件共131页，创作于2023年2月例题

一支分度号为Cu50的热电阻，它在00C时的电阻R0=50欧，在2000C时，它的电阻值Rt是多少欧？解：如精确计算，根据公式

若近似计算，则可根据公式

第96页，课件共131页，创作于2023年2月例题现场某测温点，采用分度号为Cu50的铜电阻，已测得电阻Rt为80欧，试估算该处温度是多少？（不查分度表）解：由公式Rt=R0(1+At)把Rt=80欧，R0=50欧，A=0.00428/0C代入，可求得：第97页，课件共131页，创作于2023年2月金属热电阻的特点是精度高，但使用时要注意电阻体自身发热以及引线电阻对测量精度的影响（1）自热误差在用金属热电阻组成测量电路时，电阻中总要流过一定的电流并消耗一定的电功率，通电后的发热同样会造成电阻值的变化，使用中应限制电流（＜6mA）以减小自热误差（2）引线电阻的影响测量金属热电阻总要有连接导线，为减小引线电阻值及其变化的影响，采用三（四）线式接法第98页，课件共131页，创作于2023年2月热敏电阻热敏电阻是利用半导体材料的电阻率随温度变化较显著的特点制成的一种敏感元件热敏电阻是由金属氧化物或半导体材料制成的热敏元件。一般测温范围在-50~350℃之间主要有负温度系数（NTC）热敏电阻、正温度系数（PTC）热敏电阻和临界温度（CTR）热敏电阻三种

第99页，课件共131页，创作于2023年2月NTC型热敏电阻主要由Mn、Cn、Ni、Fe等金属氧化物烧结而成，通过不同的材质组合，能得到不同的电阻值（在T0时）及不同的温度特性NTC型热敏电阻的阻值与温度的关系近似表示为：RT和RT0分别为温度为T时和T0时热敏电阻的电阻值；B为热敏电阻的材料常数

第100页，课件共131页，创作于2023年2月热敏电阻的温度系数为热敏电阻的电阻温度系数是温度T的非线性函数，且低温段比高温段更灵敏，常用NTC型热敏电阻的B在1500~6000K之间第101页，课件共131页，创作于2023年2月负突变型热敏电阻是一种具有负的温度系数的开关型热敏电阻，它是在某一温度点附近电阻发生突变，且在极度小温区内随温度的增加电阻降低3、4个数量级，具有很好的开关特性，常作为温度控制元件第102页，课件共131页，创作于2023年2月第103页，课件共131页，创作于2023年2月PTC热敏电阻呈现正温度系数特性，是用BaTiO3钛酸钡掺入稀土元素使之半导体化而制成的正温度系数的热敏电阻工作范围较窄，在温度较低时其灵敏度低，而温度高时灵敏度迅速增加工作范围内，其电阻和温度的关系可近似为第104页，课件共131页，创作于2023年2月半导体热敏电阻优缺点

优点：电阻温度系数大，是金属电阻的十几倍，故灵敏度高热敏电阻的电阻值高，通常在常温下为数千欧姆以上，所以引线电阻对测量的影响可以忽略不计缺点：互换性差，测量范围较窄第105页，课件共131页，创作于2023年2月湿敏电阻湿度是表示空气中水蒸气含量的物理量，常用绝对湿度和相对湿度来表示。绝对湿度是指在一定温度及压力条件下，每单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量。其单位为g/m3相对湿度是指气体的绝对湿度与同一温度下达到饱和状态的绝对湿度的比值，记作RH，单位用%表示第106页，课件共131页，创作于2023年2月湿敏电阻的工作原理湿敏电阻是应用最为广泛的湿度检测元件，具有原理简单、易于实现的特点其基片为不吸水且耐高温的绝缘材料，如聚碳酸酯板、氧化铝瓷等将感湿膜高分子溶液涂在带有电极的基片上，经过烘干、老化后形成微型孔状结构的感湿膜，它极易吸收其周围空气中的水分，在吸收水分后，感湿膜中的水分子含量增多，从而引起其电阻变化，通过测量电阻就可以达到测量湿度的目的第107页，课件共131页，创作于2023年2月湿敏电阻工作原理它是由感湿膜与保护膜1、电极2

和基片3组成

湿敏元件结构原理图第108页，课件共131页，创作于2023年2月湿敏电阻的特性湿敏电阻的特性是指其输出（电阻）与输入（被测湿度）之间的关系曲线从曲线可知，这种高分子湿敏电阻的阻值随湿度增加而减小。这种湿敏电阻的测量范围较宽，RH值下限达1%，上限达100%，响应时间短（可小至几秒）第109页，课件共131页，创作于2023年2月

湿敏电阻的阻值随湿度增加而减小，而且湿敏电阻的特性与温度有关，当湿敏电阻的使用环境温度与标定的温度不同时，会造成测量误差。所以在使用中，要采用温度补偿措施

第110页，课件共131页，创作于2023年2月高分子湿敏电阻高分子湿敏电阻湿敏电阻第111页，课件共131页，创作于2023年2月气敏电阻气敏电阻是由某些半导体材料制成，它是利用半导体与特定气体接触时，其电阻值发生变化的效应进行测量的。主要检测可燃性气体的含量，具有灵敏度高，响应快等特点。常见材料有氧化锡、氧化锌、三氧化二铁、五氧化三钒等气敏电阻均含有加热器，作用是烧去附在元件表面上的油污和尘埃，以加速气体的吸附，提高元件的灵敏度和响应速度。加热温度一般在200-400℃。第112页，课件共131页，创作于2023年2月电容式检测元件电容式检测元件可以将某些物理量的变化转变为电容量的变化，可广泛应用于位移、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检测。优点：结构简单，低功耗，动态特性好，非接触式测量。容易受寄生式电容以及外界各种干扰影响，必须采取良好的屏蔽和绝缘措施按检测形状，电容式检测元件通常有平板和圆筒两种第113页，课件共131页，创作于2023年2月电容式检测元件平板型电容器

当忽略该电容器的边缘效应时，其电容量C为

介质中电场与原外加电场（真空中）的比值即为相对介电常数(permittivity,不规范称dielectricconstant)第114页，课件共131页，创作于2023年2月圆筒形电容器其电容量C为

L为圆筒长度；R为外圆筒内半径；r为内圆筒外半径电容式检测元件第115页，课件共131页，创作于2023年2月电容检测元件的工作原理电容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，电容的变化量进一步转换为电压、电流、频率等电信号第116页，课件共131页，创作于2023年2月电容器根据其工作原理可分为三种类型：即变极距式，变面积式和变介电常数式变极距式和变面积式可以反映位移等机械量或压力等过程参数的变化，

变介电常数式可以反映液位高度、材料温度和组分含量等的变化第117页，课件共131页，创作于2023年2月电容式检测元件变极距式电容器

变极距式电容器结构原理图

1、3--定极板；2动极板第118页，课件共131页，创作于2023年2月图中1、3为固定极板，2为可动极板，当某个被测量变化时，会引起动极板2的位移，从而改变极板间的距离d，导致电容量C的变化第119页，课件共131页，创作于2023年2月第120页，课件共131页，创作于2023年2月变极距式电容传感器的灵敏度与初始极板间距d0的平方成反比。因此，提高灵敏度