情境一 設(shè)計(jì)電子稱

2023/2/61機(jī)械工業(yè)出版社

高等職業(yè)教育電氣類規(guī)劃教材

《自動檢測技術(shù)及應(yīng)用》

2023/2/62

情境一設(shè)計(jì)電子秤

任務(wù)一：認(rèn)識檢測系統(tǒng)

任務(wù)目的:1.了解檢測技術(shù)的概念及作用2.掌握檢測系統(tǒng)的組成;3.了解檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢,并知道如何查資料.2023/2/63一、檢測技術(shù)的基本概念

什么叫做“自動檢測技術(shù)”：利用各種物理、化學(xué)效應(yīng)，選擇合適的方法與裝置，將生產(chǎn)、科研、生活等各方面的有關(guān)信息通過檢查與測量的方法，賦予定性或定量結(jié)果的過程稱為檢測技術(shù)。能夠自動地完成整個檢測處理過程的技術(shù)稱為自動檢測技術(shù)。例：曹沖稱象方法：比較法；裝置：船、石頭、小秤；檢查、測量，從而得到：定性、定量的結(jié)果。二、檢測技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的作用

神舟六號回收過程：測控技術(shù)檢測技術(shù)在衛(wèi)星中的應(yīng)用紅外掃描區(qū)域人造衛(wèi)星2023/2/68北京天安門金水橋北京天安門金水橋、檢測技術(shù)在海嘯預(yù)報(bào)中的應(yīng)用海浪振動檢測系統(tǒng)浮標(biāo)深海地溝2023/2/610四川地震中的生命探測儀及其使用2023/2/611奧運(yùn)會中的電子報(bào)靶

提高了射擊比賽結(jié)果的可靠性

2023/2/612檢測技術(shù)在飛機(jī)安全檢查中的應(yīng)用三、工業(yè)檢測技術(shù)涉及的內(nèi)容：熱工量：溫度t（℃、K、℉）例：0℃相當(dāng)于32℉，20℃相當(dāng)于68℉，

100℃相當(dāng)于212℉

壓力（壓強(qiáng)）p（Pa）、壓差Δp

、真空度、流速v（m/s）、流量q（t、m3

）、物位、液位h（m）工業(yè)檢測技術(shù)涉及的內(nèi)容（續(xù)）機(jī)械量：直線位移x（m）、角位移α、速度、加速度a（m/s2）、振動、噪聲、轉(zhuǎn)速n（r/min）、力F、力矩T（Nm）、應(yīng)變ε（m/m）、質(zhì)量（重量）m（kg、t）幾何量長度、厚度、角度、直徑、間距、形狀、粗糙度、硬度、材料缺陷等工業(yè)檢測涉及的內(nèi)容（續(xù)）物體的性質(zhì)和成分量：空氣的濕度（絕對、相對）、氣體的化學(xué)成分、濃度、液體的粘度、濁度、透明度、物體的顏色狀態(tài)量：工作機(jī)械的運(yùn)動狀態(tài)（啟停等）、生產(chǎn)設(shè)備的異常狀態(tài)（超溫、過載、泄漏、變形、磨損、堵塞、斷裂等）電工量：

U、I、f、R、Z、E、B……

絕大多數(shù)已在電工、電子等課程中講授，

不屬于本課程的范圍。四、自動檢測系統(tǒng)的組成

不帶微處理器時自動檢測技術(shù)系統(tǒng)原理框圖

所謂系統(tǒng)原理框圖，就是將系統(tǒng)中的主要功能或電路的名稱畫在方框內(nèi)，按信號的流程，將幾個方框用箭頭聯(lián)系起來，有時還可以在箭頭上方標(biāo)出信號的名稱。

2023/2/617人體信息測控過程與自動檢測系統(tǒng)的比較2023/2/618自動檢測系統(tǒng)與

人體信息測控過程的

比較人眼——傳感器大腦——計(jì)算機(jī)人手——

執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳感器：在本教材中是指一個能將被測的非電量變換成電量的器件

玻璃溫度計(jì)是一種傳感器，但不屬于本教材所講授的傳感器范圍。2023/2/620

例如：能將溫度轉(zhuǎn)換為電壓的傳感器—熱電偶

信號處理電路:作用是把傳感器輸出的電量變成具有一定驅(qū)動和傳輸能力的電壓、電流或頻率信號等，以推動后級的顯示器、數(shù)據(jù)處理裝置及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。2023/2/6212023/2/622目前常用的顯示器有四類：模擬顯示、數(shù)字顯示、圖象顯示及記錄儀等

模擬顯示的特點(diǎn)：直觀、穩(wěn)定，但不夠準(zhǔn)確。數(shù)字式儀表

數(shù)字式儀表的特點(diǎn)：準(zhǔn)確，但最后一位經(jīng)常跳動不止。熱敏電阻2023/2/624LED亮度高、耐振動；

LED、LCD顯示的比較：LCD耗電省、集成度高，但不利于夜間觀察。2023/2/625帶背光板的LCD可以在夜間觀看

圖像顯示

特點(diǎn)——能顯示復(fù)雜的圖形和曲線，但價格比數(shù)字顯示昂貴。帶RS-232接口（或USB接口）的萬用表及實(shí)時圖像顯示特點(diǎn)——

能將測量到的波形及數(shù)據(jù)存儲到計(jì)算機(jī)中，可隨時重放，價格適中。記錄儀

主要用來記錄和存儲被檢測對象的動態(tài)變化過程。

存儲數(shù)據(jù)的大小由硬盤容量決定。數(shù)據(jù)處理裝置

數(shù)據(jù)處理裝置主要是指計(jì)算機(jī)。例如對振動進(jìn)行頻譜分析等。執(zhí)行機(jī)構(gòu)繼電器及插座

所謂執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常是指各種繼電器，電磁鐵、電磁閥門、電磁調(diào)節(jié)閥、伺服電動機(jī)等，它們在電路中起通斷、控制、調(diào)節(jié)、保護(hù)等作用。2023/2/631各種繼電器汽車?yán)^電器中間繼電器2023/2/632各種繼電器（焊接型）2023/2/633各種繼電器及插座2023/2/634

電磁鐵——能產(chǎn)生機(jī)械力

電磁閥門

電磁閥門——

只有通斷兩種狀態(tài)。

流體2023/2/636電磁閥門的控制線圈

加上額定電壓后，電磁閥門導(dǎo)通，被控對象可以是液體或氣體。電磁調(diào)節(jié)閥——用于控制流量的大小

加上控制信號，電磁調(diào)節(jié)閥在電動機(jī)的控制下，可以逐漸開合。2023/2/638小型電磁調(diào)節(jié)閥

單向使用一種電磁調(diào)節(jié)閥

的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

和工作過程計(jì)算機(jī)控制與電磁調(diào)節(jié)閥同軸的電動機(jī)的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而控制電磁調(diào)節(jié)閥的開合度。2023/2/640電磁調(diào)節(jié)閥的解剖及工作原理

利用電動力調(diào)節(jié)球閥的角度，從而控制閥門的通流能力。出水口球閥伺服電動機(jī)

可以正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、快轉(zhuǎn)、慢轉(zhuǎn)伺服型雷達(dá)天線五、檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢：1.不斷提高檢測系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確度、量程范圍、延長使用壽命、提高可靠性。近年來，人們研制出許多高精度和寬量程的檢測儀器以滿足各種需要。人們還對傳感器的可靠性和故障率的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了大量的研究，使得檢測系統(tǒng)的可靠性及壽命大幅度提高?，F(xiàn)在，許多檢測系統(tǒng)可以在極其惡劣的環(huán)境下連續(xù)工作數(shù)十萬小時。目前，人們正在不斷努力進(jìn)一步提高檢測系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)。提高測量精度數(shù)字式電壓表、歐姆表

該儀器的量程切換到2V時，分辨力仍可達(dá)到10μV提高可靠性

火箭內(nèi)的儀器必須能承受巨大的加速度。提高可靠性（續(xù)）

設(shè)想中的月球基地儀器設(shè)備必須能承受巨大的溫差和輻射。2023/2/6462.應(yīng)用新技術(shù)和新的物理效應(yīng)，擴(kuò)大檢測領(lǐng)域月球車2023/2/647應(yīng)用新技術(shù)和新的物理效應(yīng)，擴(kuò)大檢測領(lǐng)域(續(xù))

勇氣號火星車2023/2/648應(yīng)用新技術(shù)和新的物理效應(yīng)，擴(kuò)大檢測領(lǐng)域（續(xù)）“惠更斯”號登陸土衛(wèi)六時拍攝的照片土衛(wèi)六表面2023/2/649哈勃天文望遠(yuǎn)鏡拍攝的星云照片2023/2/650哈勃天文望遠(yuǎn)鏡拍攝的馬頭座星云照片2023/2/651

應(yīng)用新技術(shù)和新的物理效應(yīng)，擴(kuò)大檢測領(lǐng)域（續(xù)）

毒品檢查2023/2/6523.發(fā)展集成化、功能化的傳感器

利用壓電片調(diào)焦的拍照手機(jī)2023/2/6534.采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，使檢測技術(shù)智能化

面部識別技術(shù)2023/2/6544.采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，使檢測技術(shù)智能化（續(xù)）

單片機(jī)芯片2023/2/6555.發(fā)展網(wǎng)絡(luò)化傳感器及檢測系統(tǒng)

上網(wǎng)或通過其他渠道檢索資料，學(xué)習(xí)最新的知識。五、本課程的任務(wù)和學(xué)習(xí)方法

2023/2/657

課后作業(yè)上網(wǎng)搜索有關(guān)：“洗衣機(jī)”、“電冰箱”、“家用空調(diào)”或“中央空調(diào)”、“電飯煲”、“抽水馬桶的水位控制”等常用設(shè)備的資料。上網(wǎng)搜索的方法如下：2023/2/658原理框圖舉例洗衣機(jī)原理框圖2023/2/659原理框圖舉例電飯煲原理框圖2023/2/660原理框圖舉例電視發(fā)射機(jī)原理框圖2023/2/661原理框圖舉例電冰箱原理框圖2023/2/662原理框圖舉例基于單片機(jī)的空調(diào)控制原理框圖2023/2/663

“洗衣機(jī)原理”的網(wǎng)頁搜索界面2023/2/664

關(guān)鍵詞僅用“洗衣機(jī)”三個字的網(wǎng)頁搜索結(jié)果

僅是一些廣告！。2023/2/665

百度的“文檔搜索”的步驟1→

“更多”。2023/2/666

百度的“文檔搜索”的步驟2→“文檔”。2023/2/667

百度的“文檔搜索”的步驟1→“所有”。2023/2/668

百度的“文檔搜索”的步驟4→“關(guān)鍵詞”。2023/2/669

“洗衣機(jī)原理”的“知道搜索”2023/2/670

“洗衣機(jī)原理”的“谷歌”的網(wǎng)頁搜索結(jié)果2023/2/671

洗衣機(jī)原理的“谷歌”的“學(xué)術(shù)搜索”步驟2023/2/672

洗衣機(jī)原理的“谷歌”的“學(xué)術(shù)搜索”步驟2

/schhp?hl=zh-CN2023/2/673

洗衣機(jī)原理的“谷歌”的“學(xué)術(shù)搜索”步驟想一想:1.測量的方法有哪些?2.測量的誤差有哪些?3.如何克服誤差?2023/2/6742023/2/675休息一下2023/2/676任務(wù)二認(rèn)識檢測系統(tǒng)和傳感器

在這一任務(wù)里，給大家講一講測量的方法有哪些；測量誤差有哪些；如何克服誤差。還將與大家一起來學(xué)習(xí)如何讀懂傳感器的“特性參數(shù)表”。2023/2/677

檢測技術(shù)的基本概念

一.測量的分類

1.什么是靜態(tài)測量和動態(tài)？

測量是借助專門的技術(shù)和儀表設(shè)備，采用一定的方法取得某一客觀事物定量數(shù)據(jù)資料的實(shí)踐過程。2023/2/678

對緩慢變化的對象進(jìn)行測量亦屬于靜態(tài)測量。

最高、最低溫度計(jì)2023/2/679

什么是動態(tài)

測量？

地震測量振動波形2023/2/6802.什么是直接測量和間接測量？電子卡尺2023/2/681間接測量

對多個被測量進(jìn)行測量，經(jīng)過計(jì)算求得被測量。

（阿基米德測量皇冠的比重）2023/2/6823.什么是接觸式測量和非接觸測量？2023/2/683非接觸式測量

例：雷達(dá)測速

利用紅外線輻射測量供電變壓器的表面溫度車載雷達(dá)測速2023/2/6844.什么是在線測量和離線測量？

在流水線上，邊加工，邊檢驗(yàn)，可提高產(chǎn)品的一致性和加工精度。2023/2/685離線測量

批量產(chǎn)品的質(zhì)量“人工”離線測量二測量誤差及分類

1絕對誤差：

Δ=Ax－Ａ0Ax:

測量值Ａ0

:

真值

某采購員分別在三家商店購買100kg大米、10kg蘋果、1kg巧克力，發(fā)現(xiàn)均缺少約0.5kg，但該采購員對賣哪種商品的商店意見最大，是何原因？2相對誤差及精度等級

幾個重要公式：示值相對誤差滿度相對誤差（引用誤差）準(zhǔn)確度（精度）例：用同一臺磅秤測量三個不同重量物體的示值相對誤差的比較，請得出結(jié)論！滿度相對誤差相等，示值相對誤差的差別很大2023/2/689儀表的準(zhǔn)確度等級和基本誤差

例：某指針式電壓表的準(zhǔn)確度為2.5級，用它來測量電壓時可能產(chǎn)生的最大滿度相對誤差為2.5%。2023/2/690

例：用指針式萬用表的10V量程測量一只1.5V干電池的電壓，示值如圖所示，問：選擇該量程合理嗎？2023/2/691

用2.5V量程測量同一只1.5V干電池的電壓，與上圖比較，問示值相對誤差哪一個大？1.已知被測電壓的準(zhǔn)確值為220V，請觀察并計(jì)算圖1-4所示的電壓表上的準(zhǔn)確度等級S、滿度值A(chǔ)m、最大絕對誤差Δm、示值A(chǔ)x、與220V正確值的誤差Δ、示值相對誤差x以及引用誤差m。2.示值相對誤差有沒有可能小于引用誤差？在儀表絕對誤差不變的情況下，被測電壓降為22V，示值相對誤差x將變大了？還是變小了？算一算

算出來啦1.從圖1-4可知，準(zhǔn)確度等級S＝5.0級，滿度值A(chǔ)m＝300V。最大絕對誤差Δm＝300V×5.0÷100＝15V，示值A(chǔ)x＝230V。用更高級別的檢驗(yàn)儀表測得被測電壓（220V）與示值值的誤差Δ＝10V，示值相對誤差x＝4.3%。引用誤差m＝（10/300）×100%＝3.3%，小于出廠時所標(biāo)定的5.0%。2.若絕對誤差

仍為10V，當(dāng)示值A(chǔ)x為22V，示值相對誤差x＝（10/22）×100%=45%。與測量220V時相比，示值相對誤差大多啦！

2023/2/6943誤差產(chǎn)生的因素：

(1).粗大誤差

明顯偏離真值的誤差稱為粗大誤差，也叫過失誤差。粗大誤差主要是由于測量人員的粗心大意及電子測量儀器受到突然而強(qiáng)大的干擾所引起的。如測錯、讀錯、記錯、外界過電壓尖峰干擾等造成的誤差。就數(shù)值大小而言，粗大誤差明顯超過正常條件下的誤差。當(dāng)發(fā)現(xiàn)粗大誤差時，應(yīng)予以剔除。

2023/2/695產(chǎn)生粗大誤差的一個例子

在重復(fù)性條件下，對同一被測量進(jìn)行無限多次測量所得結(jié)果的平均值與被測量的真值之差，稱為系統(tǒng)誤差。凡誤差的數(shù)值固定或按一定規(guī)律變化者，均屬于系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差是有規(guī)律性的，因此可以通過實(shí)驗(yàn)的方法或引入修正值的方法計(jì)算修正，也可以重新調(diào)整測量儀表的有關(guān)部件予以消除。

(2).系統(tǒng)誤差：夏天擺鐘變慢的原因是什么？T=2π√(L/G)(3).隨機(jī)誤差

測量結(jié)果與在重復(fù)條件下，對同一被測量進(jìn)行無限多次測量所得結(jié)果的平均值之差稱為隨機(jī)誤差。也可以采用如下的表達(dá)：在同一條件下，多次測量同一被測量，有時會發(fā)現(xiàn)測量值時大時小，誤差的絕對值及正、負(fù)以不可預(yù)見的方式變化，該誤差稱為隨機(jī)誤差。

存在隨機(jī)誤差的測量結(jié)果中，雖然單個測量值誤差的出現(xiàn)是隨機(jī)的，既不能用實(shí)驗(yàn)的方法消除，也不能修正，但是就誤差的整體而言，多數(shù)隨機(jī)誤差都服從正態(tài)分布規(guī)律。2023/2/698

隨機(jī)事件與隨機(jī)誤差有區(qū)別，并不一定符合正態(tài)分布規(guī)律。

彩票搖獎（無規(guī)律可循，不可預(yù)測）2023/2/699隨機(jī)誤差的正態(tài)分布規(guī)律長度相對測量值次數(shù)統(tǒng)計(jì)2023/2/6100隨機(jī)誤差的正態(tài)分布規(guī)律長度相對測量值次數(shù)統(tǒng)計(jì)2023/2/6101(4).動態(tài)誤差

由心電圖儀放大器帶寬不夠引起的動態(tài)誤差

當(dāng)被測量隨時間迅速變化時，系統(tǒng)的輸出量在時間上不能與被測量的變化精確吻合，這種誤差稱為動態(tài)誤差。

2023/2/6102休息一下2023/2/6103三傳感器及基本特性

1、傳感器的組成敏感元件(sensingelement)：直接感受被測量的變化，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件，它是傳感器的核心。傳感元件(transductionelement)：將敏感元件輸出的物理量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量電信號的元件。測量轉(zhuǎn)換電路(measuringcircuit)：將轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號進(jìn)行進(jìn)一步轉(zhuǎn)換和處理的部分，如放大、濾波、線性化、補(bǔ)償?shù)龋垣@得更好的品質(zhì)特性，便于后續(xù)電路實(shí)現(xiàn)顯示、記錄、處理及控制等功能。2023/2/61041-彈簧管2-電位器結(jié)合上述工作原理，能否將上圖方框圖中的內(nèi)容具體化？舉例：測量壓力的電位器式壓力傳感器

2023/2/6105電位器式壓力傳感器原理框圖畫出的電位器式壓力傳感器原理框圖如圖所示。

畫一畫2023/2/6106彈性敏感元件（彈簧管）

敏感元件在傳感器中直接感受被測量，并轉(zhuǎn)換成與被測量有確定關(guān)系、更易于轉(zhuǎn)換的非電量。2023/2/6107彈簧管放大圖

當(dāng)被測壓力p增大時，彈簧管撐直，通過齒條帶動齒輪轉(zhuǎn)動，從而帶動電位器的電刷產(chǎn)生角位移。2023/2/6108壓力傳感器的外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)2023/2/6109被測量通過敏感元件轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)傳感元件轉(zhuǎn)換成電參量

在右圖中，電位器為傳感元件，它將角位移轉(zhuǎn)換為電參量——電阻的變化（ΔR）2．傳感器的分類（1）按照其工作原理，傳感器可分為電參數(shù)式(如電阻式、電感式和電容式)傳感器、壓電式傳感器、光電式傳感器及熱電式傳感器等。（2）按照其被測量對象，傳感器可分為力、位移、速度、加速度傳感器等。常見的被測物理量有機(jī)械量、聲、磁、溫度和光等。（3）按照其結(jié)構(gòu)，傳感器可分為結(jié)構(gòu)型、物性型和復(fù)合型傳感器。物性型傳感器是依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來實(shí)現(xiàn)信號變換，如：水銀溫度計(jì)。結(jié)構(gòu)型傳感器是依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)信號變換，如：電容式傳感器。2023/2/61102023/2/61113、傳感器的基本特性傳感器的特性很多，簡單地給大家介紹幾種常用的特性，如：靈敏度、分辨力、分辨率、線性度、穩(wěn)定性、電磁兼容性（EMC）以及可靠性等。2023/2/6112(1).靈敏度：

靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)下輸出變化值與輸入變化值之比，用K來表示：

對線性傳感器而言，靈敏度為一常數(shù)。對非線性傳感器而言，隨輸入量的變化而變化。2023/2/6113作圖法求曲線上某一指定點(diǎn)的靈敏度過程xyx1ΔxΔy0切點(diǎn)傳感器特性曲線曲線越陡，靈敏度越高。(2).分辨力：指傳感器能檢出被測信號的最小變化量，有量綱的數(shù)。當(dāng)被測量的變化小于分辨力時，傳感器對輸入量的變化無任何反應(yīng)。對數(shù)字儀表而言，如果沒有其他附加說明，可以認(rèn)為該表的最后一位所表示的數(shù)值就是它的分辨力。一般地說，分辨力的數(shù)值小于儀表的最大絕對誤差。右表的分辨力為多少？

2023/2/6115分辨率：將分辨力除以儀表的滿量程就是儀表的分辨率，分辨率常以百分比或幾分之一表示，是量綱為1的數(shù)。

右表的滿量程為199.9A，問：該表的分辨率為多少？

2023/2/6116(3).線性關(guān)系：人們總是希望傳感器的輸入與輸出的關(guān)系成正比，即線性關(guān)系。這樣可使顯示儀表的刻度均勻，在整個測量范圍內(nèi)具有相同的靈敏度。如果傳感器的輸入與輸出的關(guān)系為非線性關(guān)系，可以用計(jì)算機(jī)予以糾正。2023/2/6117傳感器輸入輸出的線性關(guān)系與

非線性關(guān)系的比較2023/2/6118(4).遲滯現(xiàn)象遲滯是指傳感器正向特性和反向特性的不一致程度，用計(jì)算機(jī)逐點(diǎn)測量得到的某傳感器遲滯特性示意圖如圖1-12所示。

遲滯會引起重復(fù)性、分辨力變差，或造成測量盲區(qū)，一般希望遲滯越小越好。2023/2/6119(5).穩(wěn)定性穩(wěn)定性包括時間穩(wěn)定度和環(huán)境影響量。一般以儀表的示值變化量與時間的長短之比來表示穩(wěn)定度。例如，某儀表輸出電壓值在8h內(nèi)的最大變化量為1.2mV，則表示為1.2mV/(8h)。環(huán)境影響量僅指由外界環(huán)境變化而引起的示值變化量。示值的變化由兩個因素構(gòu)成。一是零漂，二是靈敏度漂移。造成環(huán)境影響量的因素有溫度、濕度、氣壓、電源電壓、電源頻率等。(6).EMC所謂EMC是指電磁兼容性，即電子設(shè)備在規(guī)定的電磁干擾環(huán)境中能正常工作，而且也不干擾其他設(shè)備的能力。2023/2/6121(7).可靠性：可靠性是反映檢測系統(tǒng)在規(guī)定的條件下，在規(guī)定的時間內(nèi)是否耐用的一種綜合性的質(zhì)量指標(biāo)。

浴盆曲線磨合期又稱早期失效期穩(wěn)定期又稱偶然失效期失效期又稱衰老失效期期2023/2/6122

“老化”試驗(yàn)：在檢測設(shè)備通電的情況下，將之放置于高溫環(huán)境

低溫環(huán)境

高溫環(huán)境……反復(fù)循環(huán)。老化之后的系統(tǒng)在現(xiàn)場使用時，故障率大為降低。小結(jié):1.理解測量誤差并會計(jì)算;2.記住傳感器的組成,理解傳感器的基本特性。2023/2/6123想一想：做一個實(shí)驗(yàn)。用力拉電阻絲時，電阻絲的阻值如何變化？2023/2/6124休息一下任務(wù)三電阻傳感器

電阻傳感器包括電位器、電阻應(yīng)變片、測溫?zé)犭娮?、氣敏電阻、濕敏電阻及磁敏電阻等。它們的基本原理都是將各種被測非電量的變化轉(zhuǎn)換成電阻的變化量，然后通過對電阻變化量的測量，達(dá)到非電量電測的目的。利用電阻傳感器可以測量角位移、直線位移、應(yīng)變、力、加速度、重量、轉(zhuǎn)矩、溫度、濕度、氣體成分及濃度、磁場強(qiáng)度等。在這一任務(wù)里，給大家主要介紹電阻應(yīng)變片和測溫?zé)犭娮?。任?wù)目的:1.電阻應(yīng)變傳感器的工作原理及粘貼；2.測量轉(zhuǎn)換電路;3.應(yīng)變片的應(yīng)用。2023/2/6126一電阻應(yīng)變傳感器

導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下，會產(chǎn)生機(jī)械變形，其電阻值也將隨著發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。電阻應(yīng)變傳感器主要由電阻應(yīng)變片及測量轉(zhuǎn)換電路等組成。

導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下，會產(chǎn)生機(jī)械變形，其電阻值也將隨著發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。在工業(yè)中，將試材受力后所產(chǎn)生的長度相對變化量εx＝Δl/l，稱為縱向應(yīng)變,也稱為軸向應(yīng)變。1、應(yīng)變原理演示

金屬絲受拉時，l變長、r變小，導(dǎo)致R變大。2、應(yīng)變片的工作原理

設(shè)有一長度為、截面積為A、半徑為r、電阻率為的金屬單絲，它的電阻值R可表示為

K—電阻應(yīng)變片的靈敏度

當(dāng)沿金屬絲的長度方向作用均勻拉力（或壓力）時，上式中、r、l都將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電阻值R發(fā)生變化。當(dāng)金屬絲受拉時，l將變長、r變小，均導(dǎo)致R變大；某些半導(dǎo)體受拉時，將變大，導(dǎo)致R變大。電阻絲及應(yīng)變片的電阻相對變化量R

R與材料力學(xué)中的軸向應(yīng)變x的關(guān)系在很大范圍內(nèi)是線性的，即

微應(yīng)變(με)

對于不同的金屬材料，K略微不同，一般為2左右。而對半導(dǎo)體材料而言，由于其感受到應(yīng)變時，電阻率會產(chǎn)生很大的變化，所以靈敏度比金屬材料大幾十倍。

在材料力學(xué)中，x=l/l稱為電阻絲的軸向應(yīng)變，也稱縱向應(yīng)變。

x通常很小。例如，當(dāng)

x為0.000001（10-6

）時，在工程中常表示為1m/m或1微應(yīng)變(1με)。對金屬材料而言，當(dāng)它受力之后所產(chǎn)生的軸向應(yīng)變最好不要大于110-3，即1000m/m，否則有可能超過材料的極限強(qiáng)度而導(dǎo)致非線性或斷裂。

應(yīng)變片用于測量力F的計(jì)算公式

由材料力學(xué)可知，x=F/(AE)，所以R/R又可表示為

如果應(yīng)變片的靈敏度K和試件的橫截面積A以及彈性模量Ｅ均為已知，則只要設(shè)法測出R/R的數(shù)值，即可獲知試件受力Ｆ的大小，可用于電子秤的稱重和測量拉力等。應(yīng)變片的應(yīng)用將應(yīng)變片粘貼在斜拉繩表面，可測量斜拉繩所受的拉力

應(yīng)變片可用于電子秤3、應(yīng)變片的種類與結(jié)構(gòu)

應(yīng)變片可分為金屬應(yīng)變片及半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類。金屬絲式應(yīng)變片蠕變較大，金屬絲易脫膠，逐漸被箔式所取代。但金屬絲式應(yīng)變片價格便宜，多用于大批量、一次性試驗(yàn)。箔式應(yīng)變片中的箔柵是金屬箔通過光刻、腐蝕等工藝制成的。箔式應(yīng)變片與片基的接觸面積大得多，散熱條件較好，在長時間測量時的蠕變較小，一致性較好，目前廣泛用于各種應(yīng)變式傳感器中。金屬材料長期在不變的溫度和不變的應(yīng)力作用下，發(fā)生緩慢的塑性變形的現(xiàn)象，稱為蠕變。對于一般金屬，蠕變現(xiàn)象只有在高溫條件下才明顯表現(xiàn)出來。但是，某些金屬，如鉛、錫及它們的合金，在常溫條件下，也能表現(xiàn)出蠕變現(xiàn)象。產(chǎn)生蠕變所需的應(yīng)力，甚至可以小于材料的彈性極限。蠕變現(xiàn)象的產(chǎn)生，是由三個方面的因素構(gòu)成：溫度、應(yīng)力和時間。塑性形變：任何物體在外力作用下都會發(fā)生形變，當(dāng)形變不超過某一限度時，撤走外力之后，形變能隨之消失，這種形變稱為彈性形變。如果外力較大，當(dāng)它的作用停止時，所引起的形變并不完全消失，而有剩余形變，稱為塑性形變。2023/2/6135金屬絲式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體應(yīng)變片

半導(dǎo)體應(yīng)變片的主要優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高；缺點(diǎn)是：靈敏度的一致性差、溫漂大、電阻與應(yīng)變間非線性嚴(yán)重。在使用時，需采用半橋、全橋溫度補(bǔ)償及非線性補(bǔ)償措施。

箔式應(yīng)變片的外形應(yīng)變片主要性能指標(biāo)舉例

上表中，哪幾個型號是半導(dǎo)體應(yīng)變片？依據(jù)是什么？

4.應(yīng)變片的粘貼：

1.去污：采用手持砂輪工具除去構(gòu)件表面的油污、漆、銹斑等，并用細(xì)紗布交叉打磨出細(xì)紋以增加粘貼力，用浸有酒精或丙酮的紗布片或脫脂棉球擦洗。

2.貼片：在應(yīng)變片的表面和處理過的粘貼表面上，各涂一層均勻的粘貼膠，用鑷子將應(yīng)變片放上去，并調(diào)好位置，然后蓋上塑料薄膜，用手指揉和滾壓，排出下面的氣泡。3.測量：從分開的端子處，預(yù)先用萬用表測量應(yīng)變片的電阻，發(fā)現(xiàn)端子折斷和壞的應(yīng)變片。

4.焊接：

將引線和端子用烙鐵焊接起來，注意不要把端子扯斷。

5.固定：焊接后用膠布將引線和被測對象固定在一起，防止損壞引線和應(yīng)變片。

二、測量轉(zhuǎn)換電路——不平衡電橋

金屬應(yīng)變片的電阻變化范圍很小，如果直接用歐姆表測量其電阻值的變化將十分困難，且誤差很大。例：金屬箔式應(yīng)變片的標(biāo)稱阻值R0為100，靈敏度K=2，粘貼在橫截面積為9.8mm2的鋼質(zhì)圓柱體上，鋼的彈性模量E=21011N/m2，所受拉力F=0.2t，受拉后應(yīng)變片的阻值R的變化量僅為0.2。

所以必須使用不平衡電橋來測量這一微小的變化量，將R/R轉(zhuǎn)換為輸出電壓Uo。

為什么要使用不平衡電橋

把對某物理量的電阻敏感材料加工成傳感器，作為電橋中的某一臂電阻，或某幾個臂電阻，通過電橋的失衡程度（橋路電流或電壓）來判斷該物理量的大小。如果直接測應(yīng)變片電阻的改變，可能很困難。因?yàn)闇y量一個在很大的基值上附加的一個很小的信號是很困難的。利用電橋可以把這個信號的基值去掉，變成了一個在零值附近的信號，并且可以通過放大電路來增大靈敏度。什么是電橋

不平衡電橋由四個電阻R1、R2、R3、R4組成一個四邊形的回路，每一邊稱作電橋的“橋臂”。有4個結(jié)點(diǎn)。在a、c結(jié)點(diǎn)之間接入電源Ui，而另一對結(jié)點(diǎn)(b、d)之間的電壓差作為輸出電壓端Uo

。b、d的對地電壓相等時稱作“電橋平衡”；反之，稱作“電橋不平衡”。

電橋平衡的條件是：上下橋臂的左右位置電阻比例相等。二、測量轉(zhuǎn)換電路——不平衡電橋

由電工學(xué)可知：若橋路4個橋臂相鄰電阻的電阻值變化趨勢相反，橋路的輸出電壓反而相互疊加。電橋平衡的條件：R1/R2=R4/R3

調(diào)節(jié)RP

，最終可以使R1/R2=R4/R3（R1、R2是R1、R2并聯(lián)RP后的等效電阻），電橋趨于平衡，Uo被預(yù)調(diào)到零位，這一過程稱為調(diào)零。圖中的R5的作用是什么？又稱為

電阻？

單臂電橋單臂半橋的靈敏度最低。計(jì)算公式雙臂電橋

R1、

R2為應(yīng)變片，

R3、R4為固定電阻。應(yīng)變片R1、R2感受到的應(yīng)變1、2以及產(chǎn)生的電阻增量正負(fù)號相間，可以使輸出電壓Uo成倍地增大。四臂全橋

全橋的四個橋臂都為應(yīng)變片，如果設(shè)法使試件受力后，應(yīng)變片R1~

R4產(chǎn)生的電阻增量（或感受到的應(yīng)變1~4）正負(fù)號相間，就可以使輸出電壓Uo成倍地增大。

上述三種工作方式中，哪一種靈敏度最高?哪一種靈敏度最低?

全橋的溫度補(bǔ)償原理

當(dāng)環(huán)境溫度升高時，橋臂上的應(yīng)變片溫度同時升高，溫度引起的電阻值漂移數(shù)值一致，可以相互抵消，所以全橋的溫漂最?。?/p>

采用全橋（或雙臂半橋）能實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償。休息一下三、應(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)用

電阻應(yīng)變片的應(yīng)用可分為兩大類：第一類是將應(yīng)變片粘貼于某些彈性體上，并將其接到測量轉(zhuǎn)換電路，這樣就構(gòu)成測量各種物理量的專用應(yīng)變式傳感器。應(yīng)變式傳感器中，敏感元件一般為各種彈性體。傳感元件就是應(yīng)變片，測量轉(zhuǎn)換電路一般為橋路；

第二類是將應(yīng)變片貼于被測試件上，然后將其接到應(yīng)變儀上就可直接從應(yīng)變儀上讀取被測試件的應(yīng)變量。根據(jù)這兩大類分別介紹它的一些應(yīng)用:

1.應(yīng)變式力傳感器

S型力傳感器

FFFF各種懸臂梁

各種懸臂梁

FF固定點(diǎn)固定點(diǎn)電纜應(yīng)變片在懸臂梁上的粘貼及受力變形2.應(yīng)變式荷重傳感器的外形及應(yīng)變片的粘貼位置FR1R2R4應(yīng)變片粘貼在鋼制圓柱(稱為等截面軸,可以為實(shí)心圓柱,也可以是空心薄壁圓筒)的表面。等截面軸的特點(diǎn)是加工方便，但靈敏度（在相同力作用下產(chǎn)生的應(yīng)變）比懸臂梁低，適用于載荷較大的場合?？招妮S在同樣的截面積下，軸的直徑可加大，可提高軸的轉(zhuǎn)彎能力。2023/2/6161應(yīng)變式荷重傳感器外形及受力位置（續(xù)）FF應(yīng)變式荷重傳感器外形及受力位置（續(xù)）FF荷重傳感器原理演示