智能傳感器檢測與應(yīng)用技術(shù) 課件 項(xiàng)目3、4力和壓力的檢測、氣體和濕度的檢測

智能傳感器檢測與應(yīng)用技術(shù)主編楊杰忠葉光顯鄒火軍主編楊杰忠葉光顯鄒火軍副主編黃浩兵林雙媚韋玉秋

參編農(nóng)晴晴莫小軍李仁芝秦文芳王棟平

韋文杰楊天明韋克寧黃旭張國峰唐國永陳軍主編黃浩兵林雙媚韋玉秋

參編農(nóng)晴晴莫小軍李仁芝秦文芳王棟平

韋文杰楊天明韋克寧黃旭張國峰唐國永陳軍“十四五”職業(yè)教育智能制造技術(shù)應(yīng)用專業(yè)系列教材項(xiàng)目3力和壓力的檢測1．掌握電阻應(yīng)變式傳感器和壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)、特性及工作原理。2．理解電阻應(yīng)變式傳感器和壓電式傳感器的典型應(yīng)用電路3．掌握電阻應(yīng)變片的粘貼方法。4．熟悉電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償原理，掌握補(bǔ)償方法。5．熟悉電阻應(yīng)變式傳感器和壓電式傳感器的應(yīng)用。知識(shí)目標(biāo)：1．能正確粘貼電阻應(yīng)變片。2．會(huì)應(yīng)變片單臂電橋及壓電效應(yīng)性能測試的方法和步驟。能力目標(biāo)：

本項(xiàng)目主要包括：應(yīng)變電橋的性能測試、電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測試2個(gè)任務(wù)，要求學(xué)生通過這2個(gè)任務(wù)的學(xué)習(xí)，進(jìn)一步掌握電阻應(yīng)變式傳感器、壓電式傳感器等常用的力傳感器的工作原理及使用方法，以及在工業(yè)生產(chǎn)中力和壓力的檢測方法及應(yīng)用。項(xiàng)目描述目標(biāo)與描述知識(shí)目標(biāo)1．理解應(yīng)變效應(yīng)。2．掌握電阻應(yīng)變式傳感器的結(jié)構(gòu)、特性及工作原理。3．掌握電橋測量電路的工作原理及溫度補(bǔ)償方法。4．理解電阻應(yīng)變式傳感器典型應(yīng)用電路的工作原理。5．掌握應(yīng)變片單臂電橋性能測試的方法及步驟。能力目標(biāo)能完成應(yīng)變片單臂電橋的性能測試。工作任務(wù)

本任務(wù)的主要內(nèi)容是：通過學(xué)習(xí)，掌握電阻應(yīng)變式傳感器的結(jié)構(gòu)、特性及工作原理，并能完成應(yīng)變片單臂電橋的性能測試。項(xiàng)目3力和壓力的檢測任務(wù)1應(yīng)變電橋的性能測試任務(wù)1測量工具的使用一、應(yīng)變效應(yīng)和電阻應(yīng)變片

1．應(yīng)變效應(yīng)及其原理金屬或半導(dǎo)體電阻在外力的作用下發(fā)生機(jī)械變形（拉伸或壓縮）時(shí)，其阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為電阻的應(yīng)變效應(yīng)。由電工學(xué)可知，當(dāng)金屬絲的長度為l，橫截面積為S，半徑為r，電阻率為ρ，且金屬絲未受外力作用時(shí)，它的阻值為項(xiàng)目3力和壓力的檢測任務(wù)1測量工具的使用一、應(yīng)變效應(yīng)和電阻應(yīng)變片

1．應(yīng)變效應(yīng)及其原理在沿金屬絲的長度方向施加均勻力時(shí)，式（3-1-1）中的ρ、l、r都將發(fā)生變化，導(dǎo)致阻值發(fā)生變化，即當(dāng)金屬絲受外力作用而伸長時(shí)，長度增加，而橫截面積減少，阻值增大；當(dāng)金屬絲受外力作用而壓縮時(shí)，長度減小，而橫截面積增加，阻值減小。這樣，只要測量出金屬絲阻值的大小，就可以反映外界作用力的大小，其關(guān)系可以表示為項(xiàng)目3力和壓力的檢測任務(wù)1測量工具的使用一、應(yīng)變效應(yīng)和電阻應(yīng)變片

2．電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片就是利用電阻的應(yīng)變效應(yīng)制成的敏感元件，它可以把其機(jī)械變形轉(zhuǎn)換成阻值的變化。電阻應(yīng)變片由敏感柵（電阻絲）、引線、基底、覆蓋層、黏合劑等組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖3-1-1所示。圖3-1-1中，l為敏感柵沿軸向測量變形的有效長度（電阻應(yīng)變片的標(biāo)距），b為敏感柵的寬度（電阻應(yīng)變片的基寬）。敏感柵是電阻應(yīng)變片的主要組成部分，應(yīng)變-電阻的變換就是由它完成的。項(xiàng)目3力和壓力的檢測圖3-1-1電阻應(yīng)變片基本結(jié)構(gòu)任務(wù)1測量工具的使用一、應(yīng)變效應(yīng)和電阻應(yīng)變片

2．電阻應(yīng)變片對敏感柵的金屬材料有如下要求。（1）靈敏度系數(shù)要大，并在所測應(yīng)變范圍內(nèi)保持不變；（2）電阻率要高而穩(wěn)定，以便縮短敏感柵長度；（3）抗氧化、耐腐蝕性好，電阻溫度系數(shù)要?。唬?）機(jī)械強(qiáng)度高，具有良好的機(jī)械加工和焊接性能。項(xiàng)目3力和壓力的檢測任務(wù)1測量工具的使用一、應(yīng)變效應(yīng)和電阻應(yīng)變片

2．電阻應(yīng)變片基底用于保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對位置，覆蓋層既保持敏感柵和引線的形狀和相對位置，還可保護(hù)敏感柵?；撞牧贤ǔＳ屑埢湍z基兩種。膠基由環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂和聚酰亞胺等制成膠膜，厚度為0.03～0.05mm。黏合劑用于將敏感柵固定于基底上，并將覆蓋層與基底粘貼在一起。引線是從電阻應(yīng)變片的敏感柵中引出的細(xì)金屬線。要求引線材料的電阻率低，電阻溫度系數(shù)小、抗氧化性能好，易于焊接。通常敏感柵材料都可以制作引線。項(xiàng)目3力和壓力的檢測任務(wù)1測量工具的使用一、應(yīng)變效應(yīng)和電阻應(yīng)變片

3．電阻應(yīng)變片的分類電阻應(yīng)變片的品種繁多，形式多樣，常用的電阻應(yīng)變片有金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類。1）金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片又分為金屬絲式、金屬箔式和金屬薄膜式三種結(jié)構(gòu)。圖3-1-2所示為幾種不同類型的電阻應(yīng)變片。金屬絲式應(yīng)變片是將直徑極細(xì)的電阻絲彎曲成若干個(gè)回紋形狀后黏固在絕緣基板上制成的應(yīng)變片。金屬絲式應(yīng)變片是最早使用的，有紙基型、膠基型兩種類型。金屬絲式應(yīng)變片的蠕變較大，金屬絲易脫落，但其價(jià)格便宜，廣泛用于一次性、低精度的應(yīng)變、應(yīng)力實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)在這類金屬絲式應(yīng)變片逐漸被性能更好的金屬箔式應(yīng)變片代替。項(xiàng)目3力和壓力的檢測任務(wù)1測量工具的使用一、應(yīng)變效應(yīng)和電阻應(yīng)變片

3．電阻應(yīng)變片的分類電阻應(yīng)變片的品種繁多，形式多樣，常用的電阻應(yīng)變片有金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類。1）金屬電阻應(yīng)變片

項(xiàng)目3力和壓力的檢測（a）金屬絲式應(yīng)變片（b）金屬箔式應(yīng)變片 （c）金屬薄膜式應(yīng)變片圖3-1-2幾種不同類型的電阻應(yīng)變片任務(wù)1測量工具的使用一、應(yīng)變效應(yīng)和電阻應(yīng)變片

3．電阻應(yīng)變片的分類電阻應(yīng)變片的品種繁多，形式多樣，常用的電阻應(yīng)變片有金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類。1）金屬電阻應(yīng)變片金屬箔式應(yīng)變片是將數(shù)微米厚的金屬膜黏固在環(huán)氧樹脂基片上，再通過光刻、腐蝕等工藝制成的應(yīng)變片。金屬箔式應(yīng)變片的金屬膜厚度通常為0.003～0.01mm，其面積比金屬絲式應(yīng)變片的面積大得多，所以散熱效果好、允許通過的電流大、橫向效應(yīng)小、靈敏度系數(shù)較大、柔性好、壽命長、工藝成熟且適于大批量生產(chǎn)而得到廣泛使用。金屬薄膜式應(yīng)變片是采用真空蒸鍍或真空沉淀等方法，在薄膜的絕緣基片上形成0.1μm以下的金屬電阻薄膜敏感柵，最后加上保護(hù)層制成的應(yīng)變片。它的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度系數(shù)較大，允許電流密度大，工作溫度范圍較廣，可在核輻射等惡劣環(huán)境下工作。

項(xiàng)目3力和壓力的檢測任務(wù)1測量工具的使用一、應(yīng)變效應(yīng)和電阻應(yīng)變片

3．電阻應(yīng)變片的分類電阻應(yīng)變片的品種繁多，形式多樣，常用的電阻應(yīng)變片有金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類。2）半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片是利用半導(dǎo)體單晶硅的壓阻效應(yīng)制成的一種敏感元件（壓阻效應(yīng)是半導(dǎo)體晶體材料在某一方向受力產(chǎn)生變形時(shí)其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象），如圖3-1-3所示。半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度高（一般比金屬絲式應(yīng)變片、金屬箔式應(yīng)變片高幾十倍），橫向效應(yīng)小，故它的應(yīng)用日趨廣泛。項(xiàng)目3力和壓力的檢測圖3-1-3半導(dǎo)體應(yīng)變片任務(wù)1測量工具的使用一、應(yīng)變效應(yīng)和電阻應(yīng)變片

4．電阻應(yīng)變片的粘貼技術(shù)電阻應(yīng)變片在使用時(shí)通常是用黏合劑貼在彈性元件或試件上，正確的粘貼工藝對保證粘貼質(zhì)量、提高測試精度起著重要的作用。因此電阻應(yīng)變片在粘貼時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按粘貼工藝要求進(jìn)行。1）電阻應(yīng)變片的檢查對所選用的電阻應(yīng)變片進(jìn)行外觀和電阻的檢查。觀察敏感柵的排列是否整齊、均勻，片內(nèi)是否夾有氣泡，是否有銹蝕及短路、斷路和折彎現(xiàn)象。測量電阻應(yīng)變片的電阻值，檢查電阻值、精度是否符合要求，對于橋臂配對用的電阻應(yīng)變片，其電阻值要盡量一致。項(xiàng)目3力和壓力的檢測任務(wù)1測量工具的使用一、應(yīng)變效應(yīng)和電阻應(yīng)變片

4．電阻應(yīng)變片的粘貼技術(shù)2）試件的表面處理為了保證一定的黏合強(qiáng)度，必須將試件待貼表面進(jìn)行打磨，除去銹斑、氧化皮、油污等覆蓋層，再用直尺、鋼針畫出應(yīng)變片定位線，最后用脫脂棉球酒精或丙酮清洗待貼表面以除去油脂、灰塵等，保持待貼表面平整、光滑。項(xiàng)目3力和壓力的檢測任務(wù)1測量工具的使用一、應(yīng)變效應(yīng)和電阻應(yīng)變片

4．電阻應(yīng)變片的粘貼技術(shù)3）確定貼片位置在電阻應(yīng)變片上標(biāo)出敏感柵的縱、橫向中心線，粘貼時(shí)應(yīng)使電阻應(yīng)變片的中心線與試件的定位線對準(zhǔn)。4）粘貼電阻應(yīng)變片將清洗干凈的電阻應(yīng)變片表面涂上黏合劑，輕輕地粘貼到試件的表面，然后在電阻應(yīng)變片上蓋上一片玻璃紙或透明的塑料薄膜，并用手輕輕滾動(dòng)擠壓，將多余的黏合劑和氣泡排出。項(xiàng)目3力和壓力的檢測任務(wù)1測量工具的使用一、應(yīng)變效應(yīng)和電阻應(yīng)變片

4．電阻應(yīng)變片的粘貼技術(shù)5）固化處理貼片后可根據(jù)使用的黏合劑的固化工藝進(jìn)行固化處理。6）粘貼質(zhì)量檢查檢查粘貼位置是否正確，電阻應(yīng)變片的電阻值有無較大變化。電阻應(yīng)變片與試件之間的絕緣電阻值應(yīng)大于200MΩ。7）引線的固定將粘貼好的電阻應(yīng)變片的兩根導(dǎo)線的引線焊接在接線端子上，再將導(dǎo)線由接線端子引出。項(xiàng)目3力和壓力的檢測任務(wù)1測量工具的使用一、應(yīng)變效應(yīng)和電阻應(yīng)變片

4．電阻應(yīng)變片的粘貼技術(shù)8）引線的保護(hù)為防止電阻應(yīng)變片的電阻絲和引線被拉斷，需用膠布將導(dǎo)線固定在試件表面，且要處理好導(dǎo)線與試件之間的絕緣問題。9）防潮防濕處理為防止因潮濕引起絕緣電阻黏合強(qiáng)度下降，因腐蝕而損壞電阻應(yīng)變片，應(yīng)在電阻應(yīng)變片上涂一層硅橡膠、石蠟、蜂蠟、環(huán)氧樹脂等防潮、防腐材料，固化后用萬用表測量，電阻應(yīng)變片的電阻值應(yīng)無明顯變化。項(xiàng)目3力和壓力的檢測任務(wù)1測量工具的使用一、應(yīng)變效應(yīng)和電阻應(yīng)變片

5．電阻應(yīng)變片的參數(shù)1）標(biāo)準(zhǔn)電阻值標(biāo)準(zhǔn)電阻值是指在室溫條件下，未安裝的電阻應(yīng)變片不受外力作用時(shí)測定的電阻值，也稱為初始電阻值。主要規(guī)格有60Ω、90Ω、120Ω、150Ω、350Ω、600Ω、1000Ω等，其中，120Ω最為常用。2）絕緣電阻值絕緣電阻值是指敏感柵和基底之間的電阻值，一般應(yīng)大于10MΩ。項(xiàng)目3力和壓力的檢測任務(wù)1測量工具的使用一、應(yīng)變效應(yīng)和電阻應(yīng)變片

5．電阻應(yīng)變片的參數(shù)3）靈敏度系數(shù)K靈敏度系數(shù)是指電阻應(yīng)變片安裝到被測物體表面后，在其軸線方向上的單向應(yīng)力作用下，電阻應(yīng)變片的電阻值的相對變化與被測物體表面上安裝電阻應(yīng)變片區(qū)域的軸向應(yīng)變之比。靈敏度系數(shù)是衡量電阻應(yīng)變片質(zhì)量優(yōu)劣的主要指標(biāo)，它的準(zhǔn)確性直接影響測量精度，因而要求靈敏度系數(shù)的值盡量大而且穩(wěn)定。項(xiàng)目3力和壓力的檢測任務(wù)1測量工具的使用一、應(yīng)變效應(yīng)和電阻應(yīng)變片

5．電阻應(yīng)變片的參數(shù)4）應(yīng)變極限應(yīng)變極限是指電阻應(yīng)變片所能承受的最大應(yīng)變值。在一定溫度下，對電阻應(yīng)變片緩慢施加拉伸負(fù)荷，傳感器的指標(biāo)應(yīng)變值對真實(shí)應(yīng)變值的相對誤差大于10%時(shí)的真實(shí)應(yīng)變值為電阻應(yīng)變片的應(yīng)變極限。5）允許電流允許電流是指電阻應(yīng)變片允許通過的最大電流。項(xiàng)目3力和壓力的檢測任務(wù)1測量工具的使用一、應(yīng)變效應(yīng)和電阻應(yīng)變片

5．電阻應(yīng)變片的參數(shù)6）機(jī)械滯后機(jī)械滯后是指所粘貼的電阻應(yīng)變片在溫度一定時(shí)，其加載特性與卸載特性不重合。產(chǎn)生機(jī)械滯后的原因主要是敏感柵、基底和黏合劑在承受機(jī)械應(yīng)變后所留下的殘余變形造成的。為了減小機(jī)械滯后，除選用合適的黏合劑外，最好在安裝電阻應(yīng)變片后，做三次以上的加卸載循環(huán)后再正式測量。項(xiàng)目3力和壓力的檢測任務(wù)1測量工具的使用一、應(yīng)變效應(yīng)和電阻應(yīng)變片

5．電阻應(yīng)變片的參數(shù)7）零點(diǎn)漂移和蠕變（1）零點(diǎn)漂移：對于粘貼好的電阻應(yīng)變片，當(dāng)溫度恒定且不承受應(yīng)變時(shí)，其電阻值隨時(shí)間增加而變化的特性稱為電阻應(yīng)變片的零點(diǎn)漂移。產(chǎn)生原因：①敏感柵通電后的溫度效應(yīng)；②電阻應(yīng)變片的內(nèi)應(yīng)力逐漸變化；③黏合劑固化不充分等。（2）蠕變：如果在一定溫度下，使電阻應(yīng)變片承受恒定的機(jī)械應(yīng)變，其電阻值隨時(shí)間增加而變化的特性稱為蠕變。一般蠕變的方向與原應(yīng)變的方向相反。產(chǎn)生原因：電阻應(yīng)變片在制造過程中所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力、絲材、黏合劑、基底等的變化是造成電阻應(yīng)變片蠕變的原因。這兩項(xiàng)指標(biāo)都是用來衡量電阻應(yīng)變片特性對時(shí)間的穩(wěn)定性的。項(xiàng)目3力和壓力的檢測任務(wù)1測量工具的使用二、電阻應(yīng)變片的測量電路

1．應(yīng)變電橋電阻應(yīng)變片的機(jī)械應(yīng)變一般都很小，引起的電阻值變化也很微小，一般為5×10-4～1×10-1Ω，因此，要精確地測量出微小電阻值的變化量，就需要有專用的測量電路，將電阻應(yīng)變片電阻值的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，再由儀表顯示輸出。這種測量電路常被稱為應(yīng)變電橋。應(yīng)變電橋一般可分為直流電橋和交流電橋兩種，由于直流電橋的輸出信號(hào)在進(jìn)一步放大時(shí)易產(chǎn)生零漂，故交流電橋的應(yīng)用更為廣泛。直流電橋只用于較大應(yīng)變的測量，交流電橋可用于各種應(yīng)變的測量。但直流電橋結(jié)構(gòu)簡單，與交流電橋的工作原理相似，所以這里以直流電橋?yàn)槔M(jìn)行分析。項(xiàng)目3力和壓力的檢測任務(wù)1測量工具的使用二、電阻應(yīng)變片的測量電路

1．應(yīng)變電橋1）電橋結(jié)構(gòu)與熱電阻電橋測量線路相同，把電阻應(yīng)變片接入電路橋臂即構(gòu)成應(yīng)變電橋，如圖3-1-4所示。電橋平衡條件：，，即電路輸出為零。當(dāng)其中某一應(yīng)變電阻發(fā)生變化時(shí)，電橋平衡被打破，有電壓輸出，輸出電壓與被測量的變化成比例，因而達(dá)到測量被測量的目的。項(xiàng)目3力和壓力的檢測圖3-1-4電橋電路任務(wù)1測量工具的使用二、電阻應(yīng)變片的測量電路

1．應(yīng)變電橋1）電橋結(jié)構(gòu)在實(shí)際使用時(shí)，即使在平衡狀態(tài)，電橋輸出也不一定為零，因此，一般電橋測量電路都設(shè)有調(diào)零裝置，如圖3-1-5所示。項(xiàng)目3力和壓力的檢測圖3-1-5設(shè)有調(diào)零裝置的電橋電路任務(wù)1測量工具的使用二、電阻應(yīng)變片的測量電路

1．應(yīng)變電橋2）電橋形式根據(jù)電阻應(yīng)變片接入電橋工作橋臂的形式不同，應(yīng)變電橋可分為以下3種形式。（1）單臂電橋：電橋4個(gè)橋臂中只有一個(gè)電阻應(yīng)變片。其輸出電壓為項(xiàng)目3力和壓力的檢測（2）雙臂電橋（又稱為差動(dòng)半橋）：電橋中相鄰兩個(gè)橋臂為電阻應(yīng)變片。其輸出電壓為任務(wù)1測量工具的使用二、電阻應(yīng)變片的測量電路

1．應(yīng)變電橋2）電橋形式根據(jù)電阻應(yīng)變片接入電橋工作橋臂的形式不同，應(yīng)變電橋可分為以下3種形式。（3）差動(dòng)全橋：電橋4個(gè)橋臂均為電阻應(yīng)變片。其輸出電壓為項(xiàng)目3力和壓力的檢測注意：①上述各式中的為電阻應(yīng)變片的電阻值變化量，電橋4個(gè)橋臂的電阻值R均相同。②接入同一電橋各橋臂的電阻應(yīng)變片的電阻值、靈敏度系數(shù)和電阻溫度系數(shù)均應(yīng)相同。任務(wù)1測量工具的使用二、電阻應(yīng)變片的測量電路

2．應(yīng)變電橋的溫度補(bǔ)償在實(shí)際測量中，電阻應(yīng)變片的電阻值不僅隨機(jī)械應(yīng)變而變化，其敏感柵的金屬絲的電阻值也會(huì)隨環(huán)境溫度的變化而變化，這種由于環(huán)境溫度的改變而給測量帶來的附加誤差，稱為電阻應(yīng)變片的溫度誤差。產(chǎn)生誤差的原因：一是電阻應(yīng)變片的電阻溫度系數(shù)不一致；二是應(yīng)變材料與被測試件材料的線膨脹系數(shù)不同，而使應(yīng)變片產(chǎn)生附加應(yīng)變。因此，為了提高測量精度，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。常用的溫度補(bǔ)償方法有電橋補(bǔ)償法和應(yīng)變片自補(bǔ)償法兩種。項(xiàng)目3力和壓力的檢測任務(wù)1測量工具的使用二、電阻應(yīng)變片的測量電路

2．應(yīng)變電橋的溫度補(bǔ)償1）電橋補(bǔ)償法電橋補(bǔ)償法，又稱為補(bǔ)償片法，是最常用且效果較好的線路補(bǔ)償方法，一般應(yīng)用于單臂電橋。接法一：如圖3-1-6所示，在被測試件上安裝一個(gè)工作應(yīng)變片（工作片），在另一個(gè)與被測試件的材料相同但不受力的補(bǔ)償件上安裝一個(gè)補(bǔ)償應(yīng)變片（補(bǔ)償片）。測量時(shí)，把兩者接入電橋的相鄰兩橋臂上。項(xiàng)目3力和壓力的檢測圖3-1-6電橋補(bǔ)償法接法一任務(wù)1測量工具的使用二、電阻應(yīng)變片的測量電路

2．應(yīng)變電橋的溫度補(bǔ)償1）電橋補(bǔ)償法由于補(bǔ)償片與工作片完全相同，都貼在同樣材料的試件上，且處于相同的環(huán)境溫度中，因此因溫度變化而使工作片所產(chǎn)生的電阻值變化和補(bǔ)償片的電阻值變化相等，電橋仍處于平衡狀態(tài)，輸出不受溫度影響，從而補(bǔ)償了應(yīng)變電橋的溫度誤差。項(xiàng)目3力和壓力的檢測圖3-1-6電橋補(bǔ)償法接法一任務(wù)1測量工具的使用二、電阻應(yīng)變片的測量電路

2．應(yīng)變電橋的溫度補(bǔ)償1）電橋補(bǔ)償法接法二：如圖3-1-7所示，將工作片和補(bǔ)償片分別貼在試件的上下兩側(cè)，當(dāng)試件受力彎曲時(shí)，上面的電阻應(yīng)變片受到拉應(yīng)變，下面的電阻應(yīng)變片受到壓應(yīng)變，兩者大小相等，方向相反。如果把工作片和補(bǔ)償片接入應(yīng)變電橋的相鄰橋臂中，那么就會(huì)使電橋的輸出電壓增加一倍。此時(shí)補(bǔ)償片既能起到溫度補(bǔ)償作用，又能提高測量靈敏度。項(xiàng)目3力和壓力的檢測圖3-1-7電橋補(bǔ)償法接法二任務(wù)1測量工具的使用二、電阻應(yīng)變片的測量電路

2．應(yīng)變電橋的溫度補(bǔ)償2）應(yīng)變片自補(bǔ)償法所謂溫度自補(bǔ)償，就是當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，利用電阻應(yīng)變片的自身特性，在使用溫度范圍內(nèi)，使電阻應(yīng)變片的虛假輸出為零或在某一規(guī)定的允許范圍內(nèi)。自補(bǔ)償?shù)碾娮钁?yīng)變片制造簡單，成本較低，但必須在特定的構(gòu)件材料上才能使用，不同材料的試件必須采用不同的電阻應(yīng)變片。項(xiàng)目3力和壓力的檢測任務(wù)1測量工具的使用三、電阻應(yīng)變式傳感器

電阻應(yīng)變式傳感器是利用應(yīng)變效應(yīng)制成的一種測量微小機(jī)械變化量的傳感器。它可將拉力、壓力、扭矩、加速度、振動(dòng)等非電量轉(zhuǎn)換成電量，是目前應(yīng)用最廣泛的力傳感器之一。1．結(jié)構(gòu)組成及外形如圖3-1-8所示，電阻應(yīng)變式傳感器主要由彈性元件、電阻應(yīng)變片和外殼組成，核心元件是電阻應(yīng)變片，但電阻應(yīng)變片不能直接承受力，力只能作用在彈性元件上。所謂彈性元件，就是一種在力的作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力撤掉后又能完全恢復(fù)其原來狀態(tài)的元件。實(shí)踐中要求其具有良好的彈性、足夠的精度，以及良好的穩(wěn)定性和抗腐蝕性等。項(xiàng)目3力和壓力的檢測圖3-1-8電阻應(yīng)變式傳感器的組成框圖任務(wù)1測量工具的使用三、電阻應(yīng)變式傳感器

電阻應(yīng)變式傳感器是利用應(yīng)變效應(yīng)制成的一種測量微小機(jī)械變化量的傳感器。它可將拉力、壓力、扭矩、加速度、振動(dòng)等非電量轉(zhuǎn)換成電量，是目前應(yīng)用最廣泛的力傳感器之一。1．結(jié)構(gòu)組成及外形常用的材料有特種鋼、合金等。圖3-1-9所示為幾種電阻應(yīng)變式傳感器的外形圖。項(xiàng)目3力和壓力的檢測圖3-1-9幾種電阻應(yīng)變式傳感器的外形圖任務(wù)1測量工具的使用三、電阻應(yīng)變式傳感器

2．工作原理應(yīng)用電阻應(yīng)變式傳感器時(shí)，可將應(yīng)變片粘貼于彈性元件表面或者直接將應(yīng)變片粘貼于被測試件上。彈性元件或試件的變形通過基底和黏合劑傳遞給敏感柵，使得其電阻值也發(fā)生相應(yīng)的變化，然后經(jīng)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，再通過顯示記錄儀表將數(shù)值顯示出來，就可以知道彈性元件受力的大小，實(shí)現(xiàn)力的測量。項(xiàng)目3力和壓力的檢測任務(wù)1測量工具的使用三、電阻應(yīng)變式傳感器

3．電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用1）制作偏差檢測器圖3-1-10所示為物體尺寸偏差檢測器的原理圖，它主要用于檢測被測物體尺寸與標(biāo)準(zhǔn)體尺寸的偏差。項(xiàng)目3力和壓力的檢測圖3-1-10物體尺寸偏差檢測器的原理圖任務(wù)1測量工具的使用三、電阻應(yīng)變式傳感器

3．電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用1）制作偏差檢測器在回火鋼板的內(nèi)、外兩側(cè)分別粘貼電阻應(yīng)變片和，并將其接入電橋電路的相鄰兩個(gè)橋臂中。當(dāng)被測物體尺寸大于標(biāo)準(zhǔn)體尺寸時(shí)，回火鋼板的彎曲程度增加，使電阻應(yīng)變片受到壓力，其電阻值減?。皇闺娮钁?yīng)變片受到拉力，其電阻值增大，橋路平衡被打破，測量電路產(chǎn)生輸出電壓。當(dāng)被測物體尺寸小于標(biāo)準(zhǔn)體尺寸時(shí)，則情況剛好相反。由此，根據(jù)輸出電壓的變化量，即可求得被測物體與標(biāo)準(zhǔn)體的尺寸偏差情況。項(xiàng)目3力和壓力的檢測任務(wù)1測量工具的使用三、電阻應(yīng)變式傳感器

3．電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用2）電阻應(yīng)變式稱重傳感器的應(yīng)用圖3-1-11所示為電阻應(yīng)變式稱重傳感器的原理圖。它是在金屬板簧上粘貼兩個(gè)電阻應(yīng)變片，并將電阻應(yīng)變片接入如圖3-1-11所示的電橋電路的兩個(gè)相鄰的橋臂中。如果沒有重量，則電橋平衡，輸出電壓。當(dāng)測定物體的重量時(shí)，彈簧產(chǎn)生撓度，電阻應(yīng)變片的電阻值發(fā)生變化，使電橋失去平衡，產(chǎn)生輸出電壓，從而測出物體的重量。項(xiàng)目3力和壓力的檢測圖3-1-11電阻應(yīng)變式稱重傳感器的原理圖任務(wù)1測量工具的使用三、電阻應(yīng)變式傳感器

3．電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用3）電阻應(yīng)變式加速度傳感器電阻應(yīng)變式加速度傳感器由質(zhì)量塊、貼有電阻應(yīng)變片的彈性元件（懸臂梁）和外殼組成，其結(jié)構(gòu)如圖3-1-12所示。實(shí)際使用時(shí)，傳感器與被測物體固定在一起，當(dāng)被測物體以加速度a運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊受到一個(gè)與加速度方向相反的慣性作用，使懸臂梁變形，電阻應(yīng)變片感受到應(yīng)變并使其電阻值發(fā)生變化。電阻值的變化引起由電阻應(yīng)變片組成的測量電橋的不平衡，橋路的輸出電壓即反映出加速度a的大小。項(xiàng)目3力和壓力的檢測圖3-1-12電阻應(yīng)變式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)知識(shí)目標(biāo)1．了解石英晶體及壓電陶瓷的壓電效應(yīng)及特點(diǎn)。2．理解壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)、特性及工作原理。3．掌握壓電式傳感器典型應(yīng)用電路的原理。4．掌握壓電材料壓電效應(yīng)的簡易測試方法。能力目標(biāo)能完成電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測試。工作任務(wù)

本任務(wù)的主要內(nèi)容是：通過學(xué)習(xí)，理解壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)、特性及工作原理，掌握壓電材料壓電效應(yīng)的簡易測試方法，并能完成電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測試。項(xiàng)目3力和壓力的檢測任務(wù)2

電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測試任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測試一、壓電式傳感器壓電式傳感器是一種典型的有源傳感器，它是利用某些電介質(zhì)受力后產(chǎn)生的壓電效應(yīng)而制成的傳感器。壓電式傳感器是力敏感元件，可以對各種動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊和振動(dòng)進(jìn)行測量，在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、導(dǎo)航等方面都得到了廣泛的應(yīng)用。壓電式傳感器的外形如圖3-2-1所示。項(xiàng)目3力和壓力的檢測任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測試一、壓電式傳感器

項(xiàng)目3力和壓力的檢測圖3-2-1壓電式傳感器的外形任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測試二、壓電材料及性能參數(shù)具有明顯壓電效應(yīng)的敏感功能材料稱為壓電材料。1．壓電效應(yīng)某些電介質(zhì)在沿一定方向受到外力的作用而變形時(shí)，由于內(nèi)部電荷的極化現(xiàn)象，相應(yīng)地會(huì)在其表面產(chǎn)生極性相反的電荷，當(dāng)外力作用消失時(shí)，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，當(dāng)外力方向改變時(shí)，電荷極性也隨之改變，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)是把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的過程。相反，在電介質(zhì)極化方向施加電場時(shí)，這些電介質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生機(jī)械形變，當(dāng)去掉外加電場時(shí)，電介質(zhì)變形也隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)或電致伸縮效應(yīng)。與壓電效應(yīng)相反，逆壓電效應(yīng)的過程是把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過程，所以壓電效應(yīng)也稱為正壓電效應(yīng)。壓電式傳感器是利用壓電材料的壓電效應(yīng)工作的。項(xiàng)目3力和壓力的檢測任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測試二、壓電材料及性能參數(shù)具有明顯壓電效應(yīng)的敏感功能材料稱為壓電材料。2．壓電材料可用于壓電式傳感器中的壓電材料一般有三類：壓電晶體、經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷和新型壓電材料。壓電材料實(shí)物圖如圖3-2-2所示。項(xiàng)目3力和壓力的檢測圖3-2-2壓電材料實(shí)物圖任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測試二、壓電材料及性能參數(shù)2．壓電材料1）壓電晶體壓電式傳感器中用得最多的是壓電多晶體中的壓電陶瓷和壓電單晶體中的石英晶體、酒石酸鉀鈉等。其他壓電單晶體還有適用于高溫輻射環(huán)境的鈮酸鋰，以及鉭酸鋰、鎵酸鋰、鍺酸鉍等。（1）天然石英晶體（SiO2）［見圖3-2-2（a）］是一種良好的壓電晶體，壓電效應(yīng)就是在這種晶體中被發(fā)現(xiàn)的。石英晶體的居里溫度為537℃，且性能非常穩(wěn)定，介電常數(shù)與壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性特別好，具有機(jī)械強(qiáng)度高、性能穩(wěn)定、絕緣性能好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、線性范圍寬、遲滯小等優(yōu)點(diǎn)。但石英晶體的壓電系數(shù)小、靈敏度低，且價(jià)格較貴，所以它只能在標(biāo)準(zhǔn)傳感器、高精度傳感器或高溫環(huán)境下工作的傳感器中作為壓電元件使用。項(xiàng)目3力和壓力的檢測任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測試二、壓電材料及性能參數(shù)2．壓電材料1）壓電晶體壓電式傳感器中用得最多的是壓電多晶體中的壓電陶瓷和壓電單晶體中的石英晶體、酒石酸鉀鈉等。其他壓電單晶體還有適用于高溫輻射環(huán)境的鈮酸鋰，以及鉭酸鋰、鎵酸鋰、鍺酸鉍等。（2）酒石酸鉀鈉是水溶性壓電晶體，具有很高的靈敏度和很大的介電常數(shù)，但容易受潮，機(jī)械強(qiáng)度也較低，只適用于室溫和濕度比較低的環(huán)境。（3）鈮酸鋰是一種透明的單晶體，其居里溫度為1200℃，具有良好的壓電性能和時(shí)間穩(wěn)定性，主要應(yīng)用于高溫環(huán)境。項(xiàng)目3力和壓力的檢測任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測試二、壓電材料及性能參數(shù)2．壓電材料2）壓電陶瓷壓電陶瓷如圖3-2-2（b）所示。壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料，與石英晶體相比，壓電陶瓷的壓電系數(shù)很高，是石英晶體的50倍。它具有燒制方便、耐濕、耐高溫、易于成形等特點(diǎn)，制造成本很低。因此，在實(shí)際應(yīng)用中的壓電式傳感器大多采用壓電陶瓷。其優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，但性能沒有石英晶體穩(wěn)定，工作溫度也較低，最高只有70℃。項(xiàng)目3力和壓力的檢測任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測試二、壓電材料及性能參數(shù)2．壓電材料2）壓電陶瓷常用的壓電陶瓷有以下幾種。（1）鈦酸鋇（BaTiO3）由BaCO3和TiO2在高溫下燒結(jié)而成，有較大的壓電系數(shù)和介電常數(shù)，但機(jī)械強(qiáng)度不高，較少使用。（2）鋯鈦酸鉛（PZT）是目前使用較多的壓電材料，性能穩(wěn)定，靈敏度高，有較大的壓電系數(shù)和介電常數(shù)，居里溫度在300℃以上。（3）鈮鎂酸鉛（PMN）有較大的壓電系數(shù)和較高的工作溫度，而且能承受較大的壓力，適合作為高溫下的力傳感器。項(xiàng)目3力和壓力的檢測任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測試二、壓電材料及性能參數(shù)2．壓電材料3）新型壓電材料（1）壓電半導(dǎo)體如圖3-2-2（c）所示。有些晶體既具有半導(dǎo)體特性又同時(shí)具有壓電特性，如氧化鋅（ZnO）、硫化鋅（ZnS）、碲化鎘（CdTe）、硫化鎘（CdS）、碲化鋅（ZnTe）和砷化鎵（CaAs）等。因此既可利用它們的壓電特性研制傳感器，又可利用它們的半導(dǎo)體特性制作電子器件。兩者結(jié)合起來，就出現(xiàn)了集轉(zhuǎn)換元件和電子線路于一體的新型傳感器，應(yīng)用前景廣闊。項(xiàng)目3力和壓力的檢測任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測試二、壓電材料及性能參數(shù)2．壓電材料3）新型壓電材料（2）有機(jī)高分子壓電材料如圖3-2-2（d）所示。有機(jī)高分子壓電薄膜是一種新型壓電材料，它是將某些高分子聚合物薄膜拉伸并極化后制成的。這種壓電材料具有質(zhì)輕柔軟、耐沖擊、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，因此常用于防盜、振動(dòng)等小壓力的測量方面。其主要產(chǎn)品有聚偏二氟乙烯（PVF2）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、聚氯乙烯（PVC）等。目前，人們?yōu)榱私鉀Q石英晶體和壓電陶瓷易碎、不易加工等問題，將壓電陶瓷粉末加入高分子化合物中，制成高分子壓電陶瓷薄膜。這樣，高分子壓電陶瓷薄膜既具有壓電陶瓷的優(yōu)點(diǎn)，又具有高分子壓電薄膜的柔軟性，已廣泛應(yīng)用于報(bào)警系統(tǒng)和各類數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)。

項(xiàng)目3力和壓力的檢測任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測試二、壓電材料及性能參數(shù)2．壓電材料（2）圖3-2-3所示為由高分子壓電材料制作的報(bào)警器。項(xiàng)目3力和壓力的檢測圖3-2-3由高分子壓電材料制作的報(bào)警器任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測試二、壓電材料及性能參數(shù)3．壓電材料的特性參數(shù)衡量壓電材料性能的特性參數(shù)主要有壓電系數(shù)、介電常數(shù)、居里溫度等。（1）壓電系數(shù)：是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)。（2）介電常數(shù)：是表示物質(zhì)絕緣能力特性的一個(gè)系數(shù)，會(huì)影響壓電式傳感器的頻率下限。（3）居里溫度：是壓電材料開始喪失壓電特性的溫度。（4）機(jī)械耦合系數(shù)：是在壓電效應(yīng)中，轉(zhuǎn)換輸出能量（電能）與輸入能量（機(jī)械能）之比的平方根，是衡量壓電材料機(jī)-電轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要參數(shù)。（5）彈性常數(shù)：決定壓電材料的固有頻率和動(dòng)態(tài)特性。（6）電阻：壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄漏，從而改善壓電式傳感器的低頻特性。項(xiàng)目3力和壓力的檢測任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測試二、壓電材料及性能參數(shù)4．壓電材料的選擇選擇壓電材料一般考慮以下因素。（1）機(jī)-電轉(zhuǎn)換性能：要具有大的壓電系數(shù)。（2）機(jī)械性能：機(jī)械強(qiáng)度高、剛度大，以獲得較寬的線性范圍和較高的固有振動(dòng)頻率。（3）電性能：要具有高的電阻率和大的介電常數(shù)，以期減少電荷的泄漏及外部分布電容的影響。（4）溫度和濕度穩(wěn)定性良好，要具有較高的居里溫度，以期得到較寬的工作溫度范圍。（5）時(shí)間穩(wěn)定性：壓電特性不隨時(shí)間改變。項(xiàng)目3力和壓力的檢測任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測試三、壓電式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路壓電式傳感器中的壓電元件在外力的作用下發(fā)生變形，表面產(chǎn)生電荷，只要測得其產(chǎn)生的電荷量，就可以得到作用力的大小。但是壓電式傳感器自身的內(nèi)阻抗很高，輸出的電信號(hào)又比較微弱，一般不能直接接測量儀表，需要把它輸出的電信號(hào)接到前置放大器，進(jìn)行放大處理后再進(jìn)行測量和顯示。所以，為了與壓電式傳感器高的內(nèi)阻抗相匹配，要求前置放大器的輸入阻抗要高。這樣高輸入阻抗的前置放大器就有兩個(gè)作用：一是把壓電式傳感器的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗；二是把傳感器輸出的微弱電信號(hào)進(jìn)行放大。項(xiàng)目3力和壓力的檢測任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測試三、壓電式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路1．壓電元件的等效電路壓電式傳感器中的壓電元件就是將能產(chǎn)生電荷的兩個(gè)壓電晶片表面封上金屬電極后構(gòu)成的。當(dāng)壓電元件受力時(shí)，就會(huì)在兩個(gè)電極上產(chǎn)生電荷，因此壓電元件相當(dāng)于一個(gè)電荷源；兩個(gè)電極之間是絕緣的壓電介質(zhì)，因此壓電元件又相當(dāng)于一個(gè)以壓電材料為介質(zhì)的電容，其電容值為項(xiàng)目3力和壓力的檢測任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測試三、壓電式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路1．壓電元件的等效電路因此，可以把壓電元件等效為一個(gè)電荷源與一個(gè)電容相并聯(lián)的等效電路，也可以等效為一個(gè)電荷源與一個(gè)電容相串聯(lián)的等效電路，如圖3-2-4所示。項(xiàng)目3力和壓力的檢測圖3-2-4壓電元件的等效電路任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測試三、壓電式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路1．壓電元件的等效電路由于外力作用在壓電元件上所產(chǎn)生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，即需要測量回路具有無限大的內(nèi)阻抗，這實(shí)際上是達(dá)不到的，所以壓電式傳感器不能用于靜態(tài)參數(shù)測量。壓電元件只有在交變力的作用下，電荷才能源源不斷地產(chǎn)生，可以供給測量回路一定的電流，故壓電式傳感器只適用于動(dòng)態(tài)測量。項(xiàng)目3力和壓力的檢測任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測試三、壓電式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路2．壓電式傳感器測量電路壓電式傳感器的輸出可以是電荷信號(hào)，也可以是電壓信號(hào)，因此，對應(yīng)的前置放大器（測量電路）就有兩種形式：電荷放大器和電壓放大器。由于電壓放大器的輸出電壓與電纜電容有關(guān)，更換電纜會(huì)引入測量誤差，所以目前多采用電荷放大器。電荷放大器的等效電路如圖3-2-5所示。圖3-2-5中，為傳感器的泄漏電阻，為放大器的輸入電阻，為反饋電阻，為電纜電容，為放大器的輸入電容。當(dāng)放大器開環(huán)增益A、輸入電阻和反饋電阻足夠大時(shí)，放大器的輸出電壓可近似為項(xiàng)目3力和壓力的檢測任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測試三、壓電式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路2．壓電式傳感器測量電路電荷放大器的輸出電壓與電纜電容無關(guān)，取決于輸入電荷和反饋電容，且與輸入電荷成正比，這正是電荷放大器的突出優(yōu)點(diǎn)。項(xiàng)目3力和壓力的檢測圖3-2-5電荷放大器的等效電路任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測試三、壓電式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路2．壓電式傳感器測量電路電荷放大器實(shí)際上是一個(gè)具有負(fù)反饋電容的高增益運(yùn)算放大電路，反饋電容越小，靈敏度越高。反饋電阻并聯(lián)在反饋電容的兩端，形成直流負(fù)反饋，用于穩(wěn)定直流工作點(diǎn)，防止放大器直流飽和，減小零漂。項(xiàng)目3力和壓力的檢測任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測試四、壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用1．壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中為提高靈敏度，使壓電元件表面有足夠的電荷，常把兩片或四片壓電元件組合在一起使用。由于壓電材料有極性，因此存在并聯(lián)、串聯(lián)兩種結(jié)構(gòu)形式，如圖3-2-6所示。項(xiàng)目3力和壓力的檢測（a）串聯(lián)（b）并聯(lián)圖3-2-6壓電元件的兩種連接方法任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測試四、壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用1．壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)單片壓電元件的電容為C，電荷量為Q，電壓為U。在串聯(lián)方式下，正電荷集中在上極板，負(fù)電荷集中在下極板，中間極板的上片產(chǎn)生的負(fù)電荷與下片產(chǎn)生的正電荷相互抵消，其輸出為項(xiàng)目3力和壓力的檢測在并聯(lián)方式下，片上的負(fù)電荷集中在中間極板上，相當(dāng)于兩只電容并聯(lián)，其輸出為任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測試四、壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用1．壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)并聯(lián)方式輸出電荷大，適用于測量緩慢變化的信號(hào)，并且適用于測量以電荷為輸出量的場合。而串聯(lián)方式輸出電壓大，本身電容小，適用于測量以電壓為輸出并且測量電路輸入阻抗較高的場合。項(xiàng)目3力和壓力的檢測任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測試四、壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用2．壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器是一種自發(fā)電式傳感器，具有體積小、質(zhì)量小、靈敏度高、工作頻帶寬及測量精度高等特點(diǎn)，因其內(nèi)部沒有運(yùn)動(dòng)部件，所以它的結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠性和穩(wěn)定性高，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、軍事科技、醫(yī)學(xué)及日常生活。例如：利用壓電陶瓷的壓電效應(yīng)可生產(chǎn)出不用火石的壓電打火機(jī)、煤氣灶自動(dòng)點(diǎn)火開關(guān)及炮彈觸發(fā)引信等；用壓電陶瓷制作的醫(yī)學(xué)探頭可幫助醫(yī)生了解人體的內(nèi)部情況，進(jìn)行有效的診斷和治療；還可用壓電陶瓷制作壓電地震儀，對細(xì)微振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測，以獲得精確的震源方位和強(qiáng)度，從而預(yù)測地震，減少損失。項(xiàng)目3力和壓力的檢測任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測試四、壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用2．壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器主要應(yīng)用于加速度、壓力和力等的測量。1）壓電式加速度傳感器利用公式F

=

ma（a為加速度，m為質(zhì)量塊質(zhì)量），可將加速度轉(zhuǎn)換成力來測量。圖3-2-7所示為壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖。壓電元件由兩片壓電片（石英晶體壓電片或陶瓷壓電片）組成，在壓電片的兩個(gè)表面上鍍銀并焊接輸出引線。在壓電元件上，以一定的預(yù)緊力安裝一個(gè)慣性質(zhì)量塊，整個(gè)組件裝在一個(gè)厚基座的金屬殼體中。項(xiàng)目3力和壓力的檢測圖3-2-7壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測試四、壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用2．壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器主要應(yīng)用于加速度、壓力和力等的測量。1）壓電式加速度傳感器測量時(shí)，通過基座底部的螺孔將傳感器與試件剛性地固定在一起，傳感器感受與試件相同頻率的振動(dòng)。由于壓緊在質(zhì)量塊上的彈簧剛度很大，質(zhì)量塊的質(zhì)量相對較小，可認(rèn)為質(zhì)量塊的慣性很小，所以質(zhì)量塊也感受與試件相同頻率的振動(dòng)。質(zhì)量塊以正比于加速度的交變力作用在壓電元件上，壓電元件的兩個(gè)表面就有交變電荷產(chǎn)生，傳感器的輸出電荷（或電壓）與作用力成正比，即與試件的加速度成正比。項(xiàng)目3力和壓力的檢測任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測試四、壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用2．壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器主要應(yīng)用于加速度、壓力和力等的測量。2）壓電式力傳感器圖3-2-8所示為壓電式單向測力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，其主要由石英晶體壓電片、絕緣套、傳力上蓋、電極、基座和插座等組成。項(xiàng)目3力和壓力的檢測圖3-2-8壓電式單向測力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測試四、壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用2．壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器主要應(yīng)用于加速度、壓力和力等的測量。3）壓電式玻璃破碎報(bào)警器壓電式玻璃破碎報(bào)警器是利用壓電元件對振動(dòng)敏感的特性而制成的。使用報(bào)警器時(shí)，把傳感器用膠粘貼在玻璃上，然后通過電線和報(bào)警電路相連，如圖3-2-9所示。

項(xiàng)目3力和壓力的檢測圖3-2-9壓電式玻璃破碎報(bào)警器任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測試四、壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用2．壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器主要應(yīng)用于加速度、壓力和力等的測量。3）壓電式玻璃破碎報(bào)警器當(dāng)玻璃受到撞擊或破碎時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)波，傳感器可感知振動(dòng)波，并將其轉(zhuǎn)換成輸出電壓，輸出電壓經(jīng)過放大、濾波、比較等處理后輸送給報(bào)警系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)報(bào)警執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。壓電式玻璃破碎報(bào)警器可廣泛用于文物保管、貴重物品保管及其他商品柜臺(tái)保管等場合。項(xiàng)目3力和壓力的檢測任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測試四、壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用2．壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器主要應(yīng)用于加速度、壓力和力等的測量。4）壓電式壓力傳感器利用公式F

=

PS（P為壓力，S為受壓面積），可將壓力轉(zhuǎn)換成力來測量（動(dòng)態(tài)壓力測量）。壓電式壓力傳感器可以用來測量大的壓力，如子彈在膛中擊發(fā)的一瞬間的膛壓和炮口的沖擊波壓力；也可以用來測量微小的壓力。壓電式壓力傳感器具有體積小、靈敏度高、頻響高、抗應(yīng)變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、抗熱沖擊能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。其產(chǎn)品主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)缸壓爆炸監(jiān)測，高頻動(dòng)態(tài)壓力測量，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)等的管道壓力及燃燒室的壓力檢測等。項(xiàng)目3力和壓力的檢測任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測試四、壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用2．壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器主要應(yīng)用于加速度、壓力和力等的測量。5）壓電陶瓷壓力傳感器圖3-2-10所示為壓電陶瓷壓力傳感器的結(jié)構(gòu)圖，當(dāng)有壓力P作用在壓電陶瓷的測壓面時(shí)，壓力通過測壓面?zhèn)鬟f到壓電陶瓷，從而改變壓電陶瓷的形狀，使壓電陶瓷中的帶電離子脫離壓電陶瓷，從導(dǎo)線傳出?？梢酝ㄟ^測量帶電離子的電量來測量壓力的大小。項(xiàng)目3力和壓力的檢測圖3-2-10壓電陶瓷壓力傳感器的結(jié)構(gòu)圖感謝觀看匯報(bào)人：啟智設(shè)計(jì)項(xiàng)目3力和壓力的檢測智能傳感器檢測與應(yīng)用技術(shù)主編楊杰忠葉光顯鄒火軍主編楊杰忠葉光顯鄒火軍副主編黃浩兵林雙媚韋玉秋

參編農(nóng)晴晴莫小軍李仁芝秦文芳王棟平

韋文杰楊天明韋克寧黃旭張國峰唐國永陳軍主編黃浩兵林雙媚韋玉秋

參編農(nóng)晴晴莫小軍李仁芝秦文芳王棟平

韋文杰楊天明韋克寧黃旭張國峰唐國永陳軍“十四五”職業(yè)教育智能制造技術(shù)應(yīng)用專業(yè)系列教材項(xiàng)目4氣體和濕度的檢測1．了解氣敏傳感器、濕敏傳感器的結(jié)構(gòu)及特性。2．理解氣敏傳感器、濕敏傳感器的工作原理。3．掌握氣敏傳感器的測試和使用方法。4．掌握濕度的測量方法。知識(shí)目標(biāo)：1．能完成可燃?xì)怏w報(bào)警電路的安裝與調(diào)試。2．能完成濕度檢測報(bào)警電路的安裝與調(diào)試。能力目標(biāo)：

本項(xiàng)目主要包括可燃?xì)怏w報(bào)警電路的安裝與調(diào)試、濕度檢測報(bào)警電路的安裝與調(diào)試2個(gè)任務(wù)，要求學(xué)生通過學(xué)習(xí)，進(jìn)一步掌握氣敏傳感器、濕敏傳感器的結(jié)構(gòu)、特性、工作原理，并學(xué)會(huì)它們的測試和使用方法，掌握報(bào)警電路的制作過程，以及氣敏傳感器和濕敏傳感器在實(shí)際生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。項(xiàng)目描述目標(biāo)與描述知識(shí)目標(biāo)1．了解氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)及特性。2．理解氣敏傳感器的工作原理。3．掌握氣敏傳感器的典型應(yīng)用電路。能力目標(biāo)1．會(huì)氣敏傳感器的測試和使用方法。2．能完成可燃?xì)怏w報(bào)警電路的安裝與調(diào)試。3．會(huì)進(jìn)行氣體濃度的測試。工作任務(wù)

石油、化工生產(chǎn)及汽車等的使用而造成的大氣污染日益嚴(yán)重等。因此，需要用氣敏傳感器來檢測氣體的濃度和成分來凈化空氣，提高環(huán)境質(zhì)量。圖4-1-1所示為可燃?xì)怏w報(bào)警電路原理圖，本任務(wù)是通過學(xué)習(xí)，了解氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)、特性、工作原理，掌握氣敏傳感器的測試和使用方法，并能完成可燃?xì)怏w報(bào)警電路的安裝與調(diào)試。項(xiàng)目4氣體和濕度的檢測任務(wù)1可燃?xì)怏w報(bào)警電路的安裝與調(diào)試項(xiàng)目4氣體和濕度的檢測任務(wù)1可燃?xì)怏w報(bào)警電路的安裝與調(diào)試圖4-1-1可燃?xì)怏w報(bào)警電路原理圖任務(wù)1可燃?xì)怏w報(bào)警電路的安裝與調(diào)試一、氣敏傳感器

氣敏傳感器是能感知環(huán)境中某種氣體及其濃度的傳感器。它利用化學(xué)、物理效應(yīng)將氣體的種類及濃度等信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)電路處理后進(jìn)行檢測、監(jiān)控和報(bào)警。圖4-1-2所示為部分氣敏傳感器的實(shí)物外形圖。項(xiàng)目4氣體和濕度的檢測圖4-1-2部分氣敏傳感器的實(shí)物外形圖任務(wù)1可燃?xì)怏w報(bào)警電路的安裝與調(diào)試一、氣敏傳感器

1．氣敏傳感器的性能要求（1）對被測氣體有較高的靈敏度。（2）對被測氣體以外的共存氣體或物質(zhì)不敏感。（3）性能穩(wěn)定。（4）動(dòng)態(tài)特性好，響應(yīng)速度快。（5）使用壽命長。項(xiàng)目4氣體和濕度的檢測任務(wù)1可燃?xì)怏w報(bào)警電路的安裝與調(diào)試一、氣敏傳感器

2．氣敏傳感器的分類氣敏傳感器的分類如表4-1-1所示。項(xiàng)目4氣體和濕度的檢測任務(wù)1可燃?xì)怏w報(bào)警電路的安裝與調(diào)試二、氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理

雖然氣敏傳感器的種類很多，但目前工廠和家庭中最常用的幾種氣敏傳感器以半導(dǎo)體式氣敏傳感器為主。1．半導(dǎo)體式氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體式氣敏傳感器是利用半導(dǎo)體氣敏元件同被測氣體接觸，使得半導(dǎo)體性質(zhì)發(fā)生變化的原理來檢測特定氣體的成分或濃度的傳感器。按半導(dǎo)體的物理特性的不同，半導(dǎo)體式氣敏傳感器又可分為電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器和非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器兩種。項(xiàng)目4氣體和濕度的檢測任務(wù)1可燃?xì)怏w報(bào)警電路的安裝與調(diào)試二、氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理

雖然氣敏傳感器的種類很多，但目前工廠和家庭中最常用的幾種氣敏傳感器以半導(dǎo)體式氣敏傳感器為主。1．半導(dǎo)體式氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)1）電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用氣體吸附使半導(dǎo)體本身的電阻值發(fā)生變化這一特性而制作的傳感器，它由氣敏元件、加熱器、外殼等組成。其中加熱器的作用是加速被測氣體的吸附及脫出過程，燒去氣敏元件的油垢或污物，起清潔作用?？刂撇煌募訜釡囟?，能對不同被測氣體有不同的選擇作用。加熱溫度與元件輸出靈敏度有關(guān)，一般為200～400℃。

項(xiàng)目4氣體和濕度的檢測任務(wù)1可燃?xì)怏w報(bào)警電路的安裝與調(diào)試二、氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理

雖然氣敏傳感器的種類很多，但目前工廠和家庭中最常用的幾種氣敏傳感器以半導(dǎo)體式氣敏傳感器為主。1．半導(dǎo)體式氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)1）電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器氣敏元件常被稱為氣敏電阻，其主要材料為金屬氧化物半導(dǎo)體，合成時(shí)加入敏感材料和催化劑燒結(jié)而成。常用的金屬氧化物半導(dǎo)體有SnO2（氧化錫）、ZnO（氧化鋅）、Fe2O3（氧化鐵）等。SnO2氣敏元件主要用于檢測氧氣、二氧化碳、乙醇等氣體的濃度；Fe2O3氣敏元件對丙烷和異丁烷（液化石油氣的主要成分）的靈敏度較高。項(xiàng)目4氣體和濕度的檢測任務(wù)1可燃?xì)怏w報(bào)警電路的安裝與調(diào)試二、氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理

雖然氣敏傳感器的種類很多，但目前工廠和家庭中最常用的幾種氣敏傳感器以半導(dǎo)體式氣敏傳感器為主。1．半導(dǎo)體式氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)1）電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器氣敏元件種類很多，按制作工藝分，可分為燒結(jié)型氣敏元件、薄膜型氣敏元件和厚膜型氣敏元件三種。（1）燒結(jié)型氣敏元件。燒結(jié)型氣敏元件是將元件的電極和加熱器均埋在金屬氧化物氣敏材料中，經(jīng)加熱成形后低溫?zé)Y(jié)而成的。目前最常用的是SnO2燒結(jié)型氣敏元件，用來測量還原性氣體。它的加熱溫度較低，一般為200～300℃。其加熱方式有直熱式和旁熱式兩種。直熱式SnO2燒結(jié)型氣敏元件在實(shí)際生產(chǎn)中使用較少，目前使用較多的是旁熱式SnO2燒結(jié)型氣敏元件。項(xiàng)目4氣體和濕度的檢測任務(wù)1可燃?xì)怏w報(bào)警電路的安裝與調(diào)試二、氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理

1．半導(dǎo)體式氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)1）電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器（1）燒結(jié)型氣敏元件。旁熱式SnO2燒結(jié)型氣敏元件的結(jié)構(gòu)和圖形符號(hào)如圖4-1-3所示。旁熱式SnO2燒結(jié)型氣敏元件是在一根薄壁陶瓷絕緣管內(nèi)放入一根螺旋形高電阻率金屬絲作為加熱器，在陶瓷絕緣管的外壁涂覆SnO2作為基礎(chǔ)材料的漿料層，經(jīng)燒結(jié)后形成厚膜氣體敏感層，陶瓷絕緣管的兩端設(shè)置一對金電極及鉑-鐵合金絲引線。一般引線有6根，其中，兩個(gè)A和兩個(gè)B分別相連后，成為氣敏元件的引線，f-f為加熱器的引線。項(xiàng)目4氣體和濕度的檢測任務(wù)1可燃?xì)怏w報(bào)警電路的安裝與調(diào)試二、氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理

1．半導(dǎo)體式氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)1）電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器（1）燒結(jié)型氣敏元件。

項(xiàng)目4氣體和濕度的檢測（a）結(jié)構(gòu)

（b）圖形符號(hào)圖4-1-3旁熱式SnO2燒結(jié)型氣敏元件的結(jié)構(gòu)和圖形符號(hào)任務(wù)1可燃?xì)怏w報(bào)警電路的安裝與調(diào)試二、氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理

1．半導(dǎo)體式氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)1）電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器（2）薄膜型氣敏元件。薄膜型氣敏元件制作時(shí)采用蒸發(fā)或?yàn)R射的方法，在處理好的石英基片上形成一薄層金屬氧化物薄膜（如SnO2、ZnO等），再引出電極，其結(jié)構(gòu)如圖4-1-4所示。薄膜型氣敏元件的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、響應(yīng)迅速、機(jī)械強(qiáng)度高、互換性好、成本低。項(xiàng)目4氣體和濕度的檢測圖4-1-4薄膜型氣敏元件的結(jié)構(gòu)任務(wù)1可燃?xì)怏w報(bào)警電路的安裝與調(diào)試二、氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理

1．半導(dǎo)體式氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)1）電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器（3）厚膜型氣敏元件。厚膜型氣敏元件是將氣敏材料（SnO2、ZnO等）與一定比例的硅凝膠混合制成能印刷的厚膜膠，再把厚膜膠由絲網(wǎng)印刷到裝有鉑電極的氧化鋁基片上，在400～800℃的溫度下燒結(jié)1～2h而制成的。用厚膜工藝制成的氣敏元件一致性較好，機(jī)械強(qiáng)度高，適合批量生產(chǎn)。項(xiàng)目4氣體和濕度的檢測任務(wù)1可燃?xì)怏w報(bào)警電路的安裝與調(diào)試二、氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理

1．半導(dǎo)體式氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)2）非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用半導(dǎo)體與氣體接觸后，其特性（如二極管的伏安特性）發(fā)生變化來測定氣體的成分或濃度的。項(xiàng)目4氣體和濕度的檢測任務(wù)1可燃?xì)怏w報(bào)警電路的安裝與調(diào)試二、氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理

2．半導(dǎo)體式氣敏傳感器的工作原理金屬氧化物在常溫下是絕緣的，制成半導(dǎo)體后卻顯示氣敏特性。通常氣敏元件工作在空氣中，空氣中的氧氣和二氧化氮這些電子兼容性大的氣體，接收來自半導(dǎo)體材料的電子而吸附負(fù)電荷，形成氧的負(fù)離子吸附，結(jié)果使N型半導(dǎo)體材料的表面空間電荷層區(qū)域的傳導(dǎo)電子減少，使表面電導(dǎo)減小，從而使氣敏元件處于高阻狀態(tài)。一旦氣敏元件與被測還原氣體接觸，就會(huì)與吸附的氧起反應(yīng)，將被氧束縛的電子釋放出來，敏感膜表面電導(dǎo)增加，使氣敏元件電阻值減小。該類氣敏元件通常工作在高溫狀態(tài)（200～450℃），目的是加速上述的氧化還原反應(yīng)。項(xiàng)目4氣體和濕度的檢測任務(wù)1可燃?xì)怏w報(bào)警電路的安裝與調(diào)試二、氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理

3．接觸燃燒式氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理接觸燃燒式氣敏傳感器是基于強(qiáng)催化劑使氣體在其表面燃燒時(shí)產(chǎn)生熱量，從而使貴金屬電極電導(dǎo)隨氣體濃度發(fā)生變化來對氣體進(jìn)行檢測的。典型的接觸燃燒式氣敏傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖4-1-5所示。催化劑中埋設(shè)有鉑等金屬絲，工作時(shí)金屬圈中通電流使溫度保持在300～600℃，當(dāng)可燃?xì)怏w接觸預(yù)先加熱的傳感器表面時(shí)會(huì)燃燒，所產(chǎn)生的熱量使金屬絲溫度進(jìn)一步升高，致使電阻值增大，導(dǎo)致電橋失衡產(chǎn)生輸出。不同種類不同濃度的可燃?xì)怏w燃燒產(chǎn)生的熱量不同，對應(yīng)不同的電量輸出。項(xiàng)目4氣體和濕度的檢測任務(wù)1可燃?xì)怏w報(bào)警電路的安裝與調(diào)試二、氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理

3．接觸燃燒式氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理接觸燃燒式氣敏傳感器是基于強(qiáng)催化劑使氣體在其表面燃燒時(shí)產(chǎn)生熱量，從而使貴金屬電極電導(dǎo)隨氣體濃度發(fā)生變化來對氣體進(jìn)行檢測的。典型的接觸燃燒式氣敏傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖4-1-5所示。催化劑中埋設(shè)有鉑等金屬絲，工作時(shí)金屬圈中通電流使溫度保持在300～600℃，當(dāng)可燃?xì)怏w接觸預(yù)先加熱的傳感器表面時(shí)會(huì)燃燒，所產(chǎn)生的熱量使金屬絲溫度進(jìn)一步升高，致使電阻值增大，導(dǎo)致電橋失衡產(chǎn)生輸出。不同種類不同濃度的可燃?xì)怏w燃燒產(chǎn)生的熱量不同，對應(yīng)不同的電量輸出。項(xiàng)目4氣體和濕度的檢測圖4-1-5典型的接觸燃燒式氣敏傳感器結(jié)構(gòu)圖任務(wù)1可燃?xì)怏w報(bào)警電路的安裝與調(diào)試二、氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理

3．接觸燃燒式氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理接觸燃燒式氣敏傳感器價(jià)廉、精度高，但靈敏度較低，不適合檢測一氧化碳等有毒氣體，一般用于石油化工、造船廠、礦山及隧道等領(lǐng)域，以檢測石油類可燃?xì)怏w的存放情況和防止危險(xiǎn)事故的發(fā)生，其基本工作電路如圖4-1-6所示。項(xiàng)目4氣體和濕度的檢測圖4-1-6接觸燃燒式氣敏傳感器的基本工作電路任務(wù)1可燃?xì)怏w報(bào)警電路的安裝與調(diào)試三、氣敏傳感器的應(yīng)用

氣敏傳感器最早用于可燃?xì)怏w泄漏報(bào)警器，以保證生命安全，后逐漸應(yīng)用于有毒氣體的檢測、容器或管道的檢漏、環(huán)境監(jiān)測、鍋爐的燃燒檢測與控制等方面。近年來，氣敏傳感器走進(jìn)了人們的日常生活，如家庭中煤氣或液化石油氣泄漏報(bào)警和自動(dòng)排氣裝置、汽車尾氣檢測儀器、交警用的酒精測試儀、賓館等公共場合安裝的煙氣報(bào)警裝置等都使用的是氣敏傳感器。項(xiàng)目4氣體和濕度的檢測任務(wù)1可燃?xì)怏w報(bào)警電路的安裝與調(diào)試三、氣敏傳感器的應(yīng)用

表4-1-2列出了氣敏傳感器的主要應(yīng)用實(shí)例。項(xiàng)目4氣體和濕度的檢測任務(wù)1可燃?xì)怏w報(bào)警電路的安裝與調(diào)試三、氣敏傳感器的應(yīng)用

1．酒精測試儀對酒精敏感的傳感器廣泛地應(yīng)用于檢測汽車司機(jī)呼出氣體內(nèi)的酒精濃度，也有時(shí)用于酒廠生產(chǎn)線。酒精測試儀的電路圖如圖4-1-7所示，此電路釆用TGS-812型氣敏傳感器，這種傳感器對酒精有較高的靈敏度，所以，人們用它來制作酒精測試儀。除此之外，TGS-812型氣敏傳感器對一氧化碳也敏感，也常被用于探測汽車尾氣。項(xiàng)目4氣體和濕度的檢測任務(wù)1可燃?xì)怏w報(bào)警電路的安裝與調(diào)試三、氣敏傳感器的應(yīng)用

1．酒精測試儀

項(xiàng)目4氣體和濕度的檢測圖4-1-7酒精測試儀的電路圖任務(wù)1可燃?xì)怏w報(bào)警電路的安裝與調(diào)試三、氣敏傳感器的應(yīng)用

1．酒精測試儀該電路還采用了一個(gè)顯示驅(qū)動(dòng)集成電路LM3914，它共有10個(gè)輸出端，每個(gè)輸出端連接1個(gè)發(fā)光二極管。在10個(gè)發(fā)光二極管中，～為綠色發(fā)光二極管，指示酒精濃度處于安全水平，VD6～VD10為紅色發(fā)光二極管，指示酒精濃度超過安全水平。TGS-812型氣敏傳感器加熱時(shí)的工作電壓為5V，加熱電流約為125mA。它的負(fù)載電阻為R1和RP，其輸出直接接LM3914。當(dāng)氣敏傳感器探測不到酒精氣體時(shí)，傳感器呈高阻狀態(tài)，R1和RP的輸出電壓很低，加在LM3914⑤腳的電平為低電平，10個(gè)發(fā)光二極管都不點(diǎn)亮；當(dāng)氣敏傳感器探測到酒精氣體時(shí)，其內(nèi)阻迅速降低，從而使R1和RP的輸出電壓升高，加在LM3914⑤腳的電平變?yōu)楦唠娖?。氣體中酒精含量越高，⑤腳的電位就越高，則點(diǎn)亮發(fā)光二極管的數(shù)目就越多（先綠色后紅色），由此來判斷被測試者飲酒的程度。

項(xiàng)目4氣體和濕度的檢測任務(wù)1可燃?xì)怏w報(bào)警電路的安裝與調(diào)試三、氣敏傳感器的應(yīng)用

2．有毒氣體報(bào)警器當(dāng)空氣中的一氧化碳、液化石油氣、甲烷、丙烷等有毒氣體達(dá)到一定濃度時(shí)，將會(huì)危及人的健康與安全，圖4-1-8所示為有毒氣體探測報(bào)警電路。該電路線路簡單，靈敏度較高，能對上述有毒氣體進(jìn)行檢測并發(fā)出警報(bào)。項(xiàng)目4氣體和濕度的檢測圖4-1-8有毒氣體探測報(bào)警電路任務(wù)1可燃?xì)怏w報(bào)警電路的安裝與調(diào)試三、氣敏傳感器的應(yīng)用

2．有毒氣體報(bào)警器工作原理：當(dāng)空氣中不含有毒氣體時(shí)，A、B兩點(diǎn)間的電阻很大，流過RP的電流很小，B點(diǎn)為低電位，達(dá)林頓管U850不導(dǎo)通；空氣中含有上述有毒氣體時(shí)，A、B兩點(diǎn)間的電阻迅速減小，通過RP的電流增大，B點(diǎn)電位升高，向C2充電直至達(dá)到U850導(dǎo)通電位（約1.4V）時(shí)，U850導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)發(fā)聲集成片KD9561發(fā)聲。當(dāng)空氣中有毒氣體濃度下降，使A、B兩點(diǎn)間恢復(fù)高阻時(shí)，B點(diǎn)電位低于1.4V，達(dá)林頓管U850截止，報(bào)警解除。項(xiàng)目4氣體和濕度的檢測任務(wù)1可燃?xì)怏w報(bào)警電路的安裝與調(diào)試四、可燃?xì)怏w報(bào)警器

1．可燃?xì)怏w報(bào)警電路該任務(wù)的可燃?xì)怏w報(bào)警器采用了QM系列氣敏傳感器，它是采用金屬氧化物半導(dǎo)體作為敏感材料的N型半導(dǎo)體氣敏傳感器，具有靈敏度髙、響應(yīng)速度快、輸出信號(hào)大、使用壽命長、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，很適合作氣體報(bào)警器和氣體檢測傳感器，廣泛應(yīng)用于消防、保安及環(huán)保等領(lǐng)域。部分QM系列氣敏傳感器的用途及特點(diǎn)如表4-1-3所示。項(xiàng)目4氣體和濕度的檢測任務(wù)1可燃?xì)怏w報(bào)警電路的安裝與調(diào)試四、可燃?xì)怏w報(bào)警器

1．可燃?xì)怏w報(bào)警電路

項(xiàng)目4氣體和濕度的檢測任務(wù)1可燃?xì)怏w報(bào)警電路的安裝與調(diào)試四、可燃?xì)怏w報(bào)警器

1．可燃?xì)怏w報(bào)警電路NE555時(shí)基集成電路是一種多用途的數(shù)/?；旌霞呻娐罚盟軜O方便地構(gòu)成多諧振蕩器、施密特觸發(fā)器等裝置。NE555時(shí)基集成電路使用靈活、方便，所以它在波形的產(chǎn)生與變換、測量與控制等很多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，故本實(shí)驗(yàn)選擇NE555時(shí)基集成電路構(gòu)成的多諧振蕩器作為脈沖信號(hào)源。多諧振蕩器是一種自激振蕩器，在接通電源以后，不需要外加觸發(fā)信號(hào)，便能自動(dòng)地產(chǎn)生矩形脈沖，由于矩形波中含有豐富的高次諧波分量，所以習(xí)慣上又把矩形波振蕩器稱為多諧振蕩器。項(xiàng)目4氣體和濕度的檢測任務(wù)1可燃?xì)怏w報(bào)警電路的安裝與調(diào)試四、可燃?xì)怏w報(bào)警器

1．可燃?xì)怏w報(bào)警電路NE555時(shí)基集成電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4-1-9所示，它包括兩個(gè)比較器、一個(gè)R-S觸發(fā)器、一個(gè)放電晶體管（開關(guān)）及由三個(gè)5kΩ電阻組成的基準(zhǔn)電壓發(fā)生器。電源電壓VCC通過NE555時(shí)基集成電路內(nèi)部三個(gè)5kΩ電阻分壓，使電路內(nèi)部兩個(gè)電壓比較器構(gòu)成一個(gè)電平觸發(fā)器，其上觸發(fā)電平為VCC，下觸發(fā)電平為VCC。⑤腳控制端外接一個(gè)電壓VCC，可以使上、下觸發(fā)電平發(fā)生變化。項(xiàng)目4氣體和濕度的檢測圖4-1-9NE555時(shí)基集成電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)任務(wù)1可燃?xì)怏w報(bào)警電路的安裝與調(diào)試四、可燃?xì)怏w報(bào)警器

1．可燃?xì)怏w報(bào)警電路NE555時(shí)基集成電路的外部引腳排列圖如圖4-1-10所示。其為塑封雙列直插式封裝，正面印有555字樣，集成電路的左下角為①腳，引腳號(hào)按逆時(shí)針方向排列。項(xiàng)目4氣體和濕度的檢測圖4-1-10NE555時(shí)基集成電路的外部引腳排列圖任務(wù)1可燃?xì)怏w報(bào)警電路的安裝與調(diào)試四、可燃?xì)怏w報(bào)警器

1．可燃?xì)怏w報(bào)警電路各引腳的作用：①腳是公共接地端，為負(fù)極；②腳為低觸發(fā)端TR，低于VCC時(shí)即導(dǎo)通；③腳是輸出端Vo，電流可達(dá)2000mA；④腳是強(qiáng)制復(fù)位端MR，不用時(shí)可與電源正極相連或懸空；⑤腳用來調(diào)節(jié)比較器的基準(zhǔn)電壓，簡稱控制端Vc，不用時(shí)可懸空或通過0.01μF的電容接地；⑥腳為高觸發(fā)端TH，也稱閾值端，高于VCC時(shí)即截止；⑦腳是放電端DIS；⑧腳是電源正極VCC。項(xiàng)目4氣體和濕度的檢測任務(wù)1可燃?xì)怏w報(bào)警電路的安裝與調(diào)試四、可燃?xì)怏w報(bào)警器

2．工作原理可燃?xì)怏w報(bào)警電路原理圖如圖4-1-1所示。其中，氣敏傳感器QM-N5和電位器RP組成氣體檢測電路，時(shí)基集成電路NE555及外圍元器件組成多諧振蕩器。當(dāng)無可燃?xì)怏w或可燃?xì)怏w的濃度較低時(shí)，氣敏傳感器QM-N5的電導(dǎo)率很小，A、B兩點(diǎn)間的電阻值很大，使NE555時(shí)基集成電路的④腳為低電平，NE555時(shí)基集成電路處于強(qiáng)行復(fù)位狀態(tài)，振蕩器不工作，揚(yáng)聲器不發(fā)聲。當(dāng)有可燃?xì)怏w且其濃度升高并超出允許范圍時(shí)，氣敏傳感器QM-N5的電導(dǎo)率增大，A、B兩點(diǎn)間的電阻值迅速減小，B點(diǎn)電位上升，使NE555時(shí)基集成電路的④腳變?yōu)楦唠娖?，振蕩器工作，揚(yáng)聲器發(fā)聲報(bào)警，提醒人們采取措施，以防事故的發(fā)生。項(xiàng)目4氣體和濕度的檢測任務(wù)1可燃?xì)怏w報(bào)警電路的安裝與調(diào)試四、可燃?xì)怏w報(bào)警器2．工作原理可燃?xì)怏w報(bào)警電路原理圖如圖4-1-1所示。其中，氣敏傳感器QM-N5和電位器RP組成氣體檢測電路，時(shí)基集成電路NE555及外圍元器件組成多諧振蕩器。當(dāng)無可燃?xì)怏w或可燃?xì)怏w的濃度較低時(shí)，氣敏傳感器QM-N5的電導(dǎo)率很小，A、B兩點(diǎn)間的電阻值很大，使NE555時(shí)基集成電路的④腳為低電平，NE555時(shí)基集成電路處于強(qiáng)行復(fù)位狀態(tài)，振蕩器不工作，揚(yáng)聲器不發(fā)聲。當(dāng)有可燃?xì)怏w且其濃度升高并超出允許范圍時(shí)，氣敏傳感器QM-N5的電導(dǎo)率增大，A、B兩點(diǎn)間的電阻值迅速減小，B點(diǎn)電位上升，使NE555時(shí)基集成電路的④腳變?yōu)楦唠娖?，振蕩器工作，揚(yáng)聲器發(fā)聲報(bào)警，提醒人們采取措施，以防事故的發(fā)生。項(xiàng)目4氣體和濕度的檢測知識(shí)目標(biāo)1．了解濕敏傳感器的結(jié)構(gòu)及特性。2．理解濕敏傳感器的工作原理。3．掌握濕敏傳感器的典型應(yīng)用電路。能力目標(biāo)1．會(huì)濕敏傳感器的測試和使用方法。2．能完成濕度檢測報(bào)警電路的安裝與調(diào)試。工作任務(wù)

濕度的檢測和控制在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、氣象、醫(yī)療及日常生活中的地位越來越重要，應(yīng)用也越來越廣泛。圖4-2-1所示為濕度檢測報(bào)警電路原理圖，本任務(wù)是通過學(xué)習(xí)，了解濕敏傳感器的結(jié)構(gòu)、特性及工作原理，掌握濕敏傳感器的測試和使用方法，并能完成濕度檢測報(bào)警電路的安裝與調(diào)試。項(xiàng)目4氣體和濕度的檢測任務(wù)2濕度檢測報(bào)警電路的安裝與調(diào)試任務(wù)2

濕度檢測報(bào)警電路的安裝與調(diào)試四、可燃?xì)怏w報(bào)警器

2．工作原理

項(xiàng)目4氣體和濕度的檢測圖4-2-1濕度檢測報(bào)警電路原理圖任務(wù)2

濕度檢測報(bào)警電路的安裝與調(diào)試一、濕敏傳感器

用于檢測環(huán)境濕度的傳感器稱為濕敏傳感器，它是將被測環(huán)境濕度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置，主要由濕敏元件和轉(zhuǎn)換電路兩部分組成。圖4-2-2所示為部分濕敏傳感器的實(shí)物外形。項(xiàng)目4氣體和濕度的檢測圖4-2-2部分濕敏傳感器的實(shí)物外形任務(wù)2

濕度檢測報(bào)警電路的安裝與調(diào)試一、濕敏傳感器

1．濕敏傳感器的分類（1）按工作原理的不