1、材料成形测试技术第一章 绪论目 录材料成形测试技术概述材料成形测试技术概述测量方法测量方法测量仪表和测量系统测量仪表和测量系统测试技术在轧制中的应用测试技术在轧制中的应用41235本课程的内容和要求本课程的内容和要求1.1 材料成形测试技术概述材料成形测试技术概述 测试技术是一门随现代科学技术发展而迅速崛起的科学技术。现代科学技术的发展离不开测试技术，并不断提出新要求，刺激着测试技术不断向前发展。另一方面各种科学领域的新进展(新材料、微电子学和计算机技术等)也常常首先在测试方法和测试仪器的改进中得到反映。测试技术总是从其它相关科学中吸取营养而得到发展。1.1 材料成形测试技术概述材料成形测试技
2、术概述 测试技术就是人们为了对自然现象能够进行定性了解和定量掌握所从事的一系列技术措施。测试技术包括两个方面的含义：一方面是对物理现象的定性了解，如检查设备外壳是否带电?电机运转时是否发热等；另一方面，是对物理现象的定量掌握，如热加工时测量材料的加工温度是多少?变形力有多大等。1.2 测量方法测量方法 测量就是在某一特定条件下，通过实验的方法，将被测的物理量与所规定的标准量进行比较的过程。如测量轧件长度，就是用米尺与轧件比较，得到轧件长度的数值。测量过程中，会遇到许多被测物理量和它的标准量不能直观看到，也不容易将它们放在一起进行比较，这就需要采用比较复杂的方法进行转换。1.2.1 测量方法的分
3、类测量方法的分类 从不同的角度出发，有不同的分类方法。按测量的方式分有：直接测量、间接测量、联立测量。按测量的读数分有：偏差式测量、零位式测量、微差式测量。除此以外还有许多其它的分类方法，例如，接触式测量和非接触式测量；静态测量和动态测量；主动式测量和被动式测量等。1.2.1.1 按测量的方式分按测量的方式分A 直接测量 被测的物理量可直接与标准量进行比较的测量方式称为直接测量。B 间接测量 被测的物理量不能够或不易于直接与标准量进行比较，但它与几个有关变量呈函数关系，可对这几个变量直接测量，然后再代入函数式中，求出被测的物理量。C 联立测量(组合测量)若被测物理量必须经过求解联立方程组，才能
4、得到最后结果，则称这样的测量为联立测量。1.2.1.2 按测量的读数方式分按测量的读数方式分A 偏差式测量(直读法)它是以测量仪表指针的偏转或位移量读出被测物理量的数值(如电流表)。B 零位式测量(零读法)它是在测量仪表中用已知的标准量与被测量比较并调节平衡，使仪表指针指零位，并由该已知的标准量读出测量值(如用平衡电桥测量电阻)。C 微差式测量 微差式测量综合了偏差式测量和零位式测量的优点，而提出的测量方法。这种方法是将被测的未知量与已知量进行比较得出差值，然后用偏差法测得比差值。因此，在测量过程中不需要调整标准量，而只需测量两者的差值。1.3 测量仪表和测量系统测量仪表和测量系统广义上的测量
5、仪表包括敏感器、传感器、变换器、运算器、显示器、数据处理器装置等。测量仪表的好坏直接影响测量结果的可信性。了解测量仪表的功能和构成原理，有助于正确选用仪表。测量系统是测量仪表的有机组合，对于比较简单的测量工作只需一台仪表就可以解决问题。但是，对于比较复杂的、要求比较高的测量工作，往往需要使用多台测量仪表，并且按一定规则：将它们组合起来，构成一个有机整体测量系统。1.3.1 测量仪表的功能与特性测量仪表的功能与特性 测量过程中测量仪表要完成的主要任务有：物理变换功能、信号的传输和测量结果的显示。1.3.1.11.3.1.1变换功能变换功能 在生产和科学实验中经常会碰到各种各样的物理量，其中大多数
6、是非电量。对于这些物理量想通过与其对应的标准量直接进行比较，一步得到测量结果，往往非常困难，有时甚至是不可能实现的。为了解决实际测量中的这种困难，在工程上解决的办法是依据一定的物理定律，将难于直接同标准量“并列”比较的被测物理量经过一次或多次的信号能量转换，变换成便于处理、传输和测量的信号能量形式。1.3.1.1 变换功能变换功能变换功能分为二类：A 单形态能量变换 这种变换的特点是变换时所需要的能量，取自被测介质，不需外界补充能量，但要求变换器中消耗的能量尽量少。B 双形态能量变换 这种变换的特点是变换时所需要的能量，不是从被测对象取得的而是从附加的能源(参比电流源)取得。1.3.1.2 传
7、输功能传输功能 被测量经变换的信号，要经过一定距离的传输后，才能进行测量，显示出最后结果。即仪表在测量过程中完成的第二功能就是将信号进行一定距离的传输。1.3.1.3 显示功能显示功能 测量的最终目的之一是将测量的结果用于人眼观察的形式表示出来，这就要求测量仪表能完成显示功能。仪表的显示方式概括为模拟显示和数字显示二类。模拟显示有：指针显示和记录曲线；数字显示有：数码显示和数字式打印记录等。1.3.1.4 测量仪表的特性测量仪表的特性测量仪表的特性，一般分为静特性和动特性两种。当测量仪表进行测量的参数不随时间而变化或随时间变化很慢、可不必考虑仪表输入量与输出量之间的动态关系而只需考虑输入量与输
8、出量之间的静态关系时，联系输入量与输出量之间的关系式是代数方程，不含时间变量，这就是所谓的静特性。当测量随时间变化很快，必须考虑测量仪表输入量与输出量之间的动态时间关系时，联系输入量与输出量的关系是微分方程，含有时间变量，这就是所谓的动特性。1.3.2 测量系统的组成与特点测量系统的组成与特点“测量系统”是测试技术发展到一定阶段的产物。随着科技和生产的发展，当生产中面临着只有用多台测量仪表有机组合才能完成检测任务时，测量系统便初步形成了，尤其是自动化生产出现以后，要求生产过程参数的检测能自动进行，这时就产生了自动检测系统。1.3.2.1 测量系统的组成测量系统的组成1.3.2.2 非电量电测法
9、的特点非电量电测法的特点 A 灵敏度高 B 精度高 C 尺寸小、重量轻 D 频率响应快 E 测量范围广 F 能多点、远距离、连续测量和记录1.3.3 测量系统的主要技术指标测量系统的主要技术指标 A 仪表的量程 B 准确度 C 灵敏度 D 噪音 E 稳定性 F 重复性 G 响应时间 H 平均无故障间隔时间1.4 测试技术在材料成形中的应用测试技术在材料成形中的应用1.4.1材料成形测试材料成形测试技术的任务技术的任务A 摸清现有材料成形设备的负荷水平，在保证设备安全运转条件下，充分发挥现有设备潜力，以达到高产、优质、低成本之目的；B 通过对现有设备和新安装设备主要部件的受力状态、运动规律的测试
10、，从而判断该设备的性能是否符合设计要求；C 利用现代的测试手段研究和鉴别生产过程中发生的物理现象，以对现有工艺、设备、产品质量等进行剖析，明确进一步改进的方向；1.4.1 轧制测试技术的任务轧制测试技术的任务D 通过对测试结果的综合分析，可为科研人员验证现有理论和建立新理论，设计人员确定最佳设计方案，工艺人员确定最佳工艺参数等提供科学依据；E 在自动化生产过程中，通过对力能参数的检测来调节和控制生产过程；F 在材料成形过程中进行质量检测，可以及时纠正轧制缺陷的继续产生；材料成形成品的检测，可以真实而准确地检查出成品是否合格，杜绝废品出厂。1.4.2 轧制测试技术经常测试的参数轧制测试技术经常测
11、试的参数A 力参数力、力矩、张力等；B 工艺参数轧件宽度、长度、厚度和温度等；C 电参数电流、电压和电功率等；D 运动参数设备及轧件运行速度、加速度和位置等；E 检测产品有无缺陷、并确定其位置、性质以及尺寸大小等。1.5 本课程的内容和要求本课程的内容和要求A 本门课程是一门综合性的应用科学，它除了与专业有密切联系之外，还涉及到数学、物理学、电学：光学和化学等方面的基础知识，要注意复习这些基础知识。B 本门课程又是一门实践性很强的应用科学，除了学习基本理论之外，还必须重视实验技能的训练。实验课在本课程中占有极重要的地位，必须予以充分重视。C 本课程侧重于测试方法，而把测试仪器当做工具，但正确使
12、用仪器，可以减小测量误差，提高测量精度。材料成形测试技术第二章常用传感器及其变换原理目 录概概 述述电阻式传感器电阻式传感器电容式传感器电容式传感器电感式传感器电感式传感器41235压磁式传感器压磁式传感器6压电式传感器压电式传感器目 录磁电式传感器磁电式传感器热电偶式传感器热电偶式传感器光电式传感器光电式传感器霍尔元件传感器霍尔元件传感器1078911激光式传感器激光式传感器12 CCD图像传感器图像传感器2.1 概述概述传感器（Sensor）是一种常见的却又很重要的器件，它是感受规定的被测量的各种量并按一定规律将其转换为有用信号的器件或装置。通常，传感器接收到的信号都有微弱的低频信号，外界
13、的干扰有的时候的幅度能够超过被测量的信号，因此消除串入的噪声就成为了一项关键的传感器技术。以电子技术、计算机技术为基础的各种电量和非电量的测量是现代测试最重要的测试方法，它的发展水平是衡量一个国家科技水平的重要标志之一。2.1.1 传感器的定义传感器的定义 定义（国家标准GB7665-1987传感器通用术语）：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号输出的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。定义（国际电工委员会(IEC:International Electrotechnical Committee)）：传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号。2.1.
14、1 传感器的定义传感器的定义从传感器的定义可知：1)传感器是测量装置,能完成检测任务；2)它的输入量是某一被测量,可能是物理量(如长、热、力、电、时间、频率等),也可能是化学量、生物量等；3)它的输出量是某种物理量,这种量要便于传输、转换、处理、显示等,可以是气、光、电量,但主要是电量；4）输出与输入有一定的对应关系,且应有一定的精确度。可见，传感器是获取被测信息的手段，是实现自动检测和自动控制的首要环节。2.1.1 传感器的定义传感器的定义2.1.1 传感器的定义传感器的定义 敏感元件：直接感受被测量并按照一定的规律转换成为与被测量有确定关系的容易测得的量。转换元件：将敏感元件的输出转换成可
15、用电量信号的元件又称变换器。转换电路：就是把转换元件输出的电量信号转换为便于处理、显示、记录或控制的有用的电信号的电路。2.1.2 传感器的分类传感器的分类2.1.2.1按被测量分类按被测量分类1、热工量传感器：温度、热量、比热容、热流、热分布；压力压差、真空度；流量、流速、风速、物位等传感器。2、机械量传感器：位移、尺寸（长度、宽度、厚度、角度）、形状；力、力矩、应力、重量、质量；转速、线速度、振动、加速度、噪声等传感器。3、状态传感器：颜色、透明度、磨损量、裂纹、缺陷、泄露、表面质量等传感器。4、物性传感器和成分量传感器：成分量（化学成分、浓度等）；酸碱度、盐度、浓度、黏度；密度等传感器。
16、2.1.2.2 按传感器的原理分类按传感器的原理分类1、物理型传感器：利用某些变换元件的物理性质以及某些功能材料的特殊物理性能制成的传感器。如电阻传感器、电感传感器、压电传感器、光电传感器、射线式传感器等。2、化学传感器：利用电化学反应原理的传感器，如气敏传感器、湿度传感器和离子传感器等。3、生物传感器：一种利用生物活性物质选择性的识别和测定生物化学物质的传感器，如酶传感器、免疫传感器等。2.1.2.3 按传感器输出信号的性质分类按传感器输出信号的性质分类1、开关型传感器：输出为开关量（“1”和“0”或“开”和“关”）。2、模拟型传感器：输出为模拟量。3、数字型传感器：输出为脉冲或代码。有时也
17、把传感器分为机械式传感器等，常见机械式传感器如测力计、压力计、温度计等。2.1.3 传感器的命名法传感器的命名法2.1.3.1 传感器的命名传感器的命名根据国家标准，任意一种传感器的名称，命名由主题词+四级修饰语构成：1、主题词：传感器；2、第一级修饰语：被测量，包括修饰被测量的语言；3、第二级修饰语：转换原理，一般可后续以“式”字；4、第三级修饰语：特征描述，指必须强调的传感器结构、性能、材料特征、敏感元件及其它必要的性能特征，一般可后续以“型”字；2.1.3.1 传感器的命名传感器的命名5、第四级修饰语：主要技术指标（量程、精确度、灵敏度等）。在有关传感器的统计表格、图书索引、检索以及计算
18、机汉字处理等特殊场合，应采用上述的正序排列，如：传感器，位移，应变计式，100mm。但在技术文件、产品样本、学术论文、教材及书刊的陈述句子中，作为产品名称应采用与上述相反的顺序，如：10mm 应变式位移传感器。2.1.3.2 传感器的代号传感器的代号传感器代号：主称（传感器）被测量转换原理序号。1、主称传感器 代号C；2、被测量用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记；3、转换原理用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记；。4、序号用一个阿拉伯数字标记，厂家自定，用来表征产品设计特性、性能参数、产品系列等。如：应变式位移传感器：C WY-YB-20；光纤压力传感器：C Y-GQ-2。2.1.4
19、 对传感器性能的要求对传感器性能的要求 1、灵敏度高，输入和输出之间应具有较好的线性关系；2、噪声小，并且具有抗外部噪声的性能；3、滞后、漂移误差小；4、动态特性良好；5、在接入测量系统时，对被测量不产生影响；6、功耗小，复现性好，有互换性；7、防水及抗腐蚀等性能好，能长期使用；8、结构简单，容易维修和校正；9、低成本、通用性强。2.1.5 传感器的发展趋势传感器的发展趋势 1、采用新原理、开发新型传感器；2、大力开发物性型传感器(因为靠结构型有些满足不了要求)；3、传感器的集成化；4、传感器的多功能化；5、传感器的智能化(Smart Sensor)；6、研究生物感官，开发仿生传感器。2.2
20、电阻式传感器电阻式传感器 电阻式传感器就是利用一定的方式将被测量的变化转化为敏感元件电阻值的变化，进而通过电路变成电压或电流信号输出的一类传感器。可用于各种机械量和热工量的检测，它结构简单，性能稳定，成本低廉，因此，在许多行业得到了广泛应用。2.2.1 电阻应变片电阻应变片电阻应变片是利用电阻应变效应原理制成的，应用最为广泛的电阻式传感器，主要用于机械量的检测中，如力、压力等物理量的检测。2.2.1.1 电阻应变效应导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形时，它的电阻值也相应地发生变化，这一物理现象称为电阻应变效应。2.2.1.1 电阻应变效应电阻应变效应电阻的应变灵敏系数：设有一段长为 ，横
21、截面积为A，电阻率为 的导体，根据电阻的定义，它具有的电阻为:（2-1）式中 电阻率；电阻丝长度；A 电阻丝横截面积。2.2.1.1 电阻应变效应电阻应变效应当它受到轴向力F而被拉伸（或压缩）时，其 l 、A和 均发生变化，当有变化量、l、A时，导体的电阻随之发生变化。通过对式（2-1）两边取对数后再作微分，即可求得其相对变化率为：（2-2）2.2.1.1 电阻应变效应电阻应变效应引进力学中的泊松比最后得：（2-3）2.2.1.2 应变片的结构与材料应变片的结构与材料 常见的金属电阻应变片有丝式、膜式两种，其典型结构如图2-2所示。它由敏感栅、引线、基底和覆盖层组成。2.2.1.3 电阻应变片
22、的类型及常用材料电阻应变片的类型及常用材料 根据应变片的质地，主要有金属电阻应变片和半导体应变片两大类。一、金属电阻应变片 此类应变片的结构形式有丝式、箔式和薄膜式三种。（一）丝式应变片 如图2-3a所示，它是将金属丝按图示形状弯曲后用粘合剂贴在衬底上而成，基底可分为纸基、胶基和纸浸胶基等。电阻丝两端焊有引出线，使用时只要将应变片贴于弹性体上就可构成应变式传感器。它结构简单，价格低，强度高，但允许通过的电流较小，测量精度较低，适用于测量要求不很高的场合使用。2.2.1.3 电阻应变片的类型及常用材料电阻应变片的类型及常用材料（二）箔式应变片 该类应变片的敏感栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成。箔栅厚
23、度一般在0.003-0.01mm之间，它的结构如图2-3b所示。箔式应变片与丝式应变片比较其面积大，散热性好，允许通过较大的电流。由于它的厚度薄，因此具有较好的可绕性，灵敏度系数较高。箔式应变片还可以根据需要制成任意形状，适合批量生产。2.2.1.3 电阻应变片的类型及常用材料电阻应变片的类型及常用材料（三）金属薄膜应变片 它是采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法，在薄的基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜以形成应变片。这种应变片有较高的灵敏度系数，允许电流密度大，工作温度范围较广。二、半导体应变片 半导体应变片是利用半导体材料的压阻效应而制成的一种纯电阻性元件。对一块半导体材料的某一轴向施加一定
24、的载荷而产生应力时，它的电阻率会发生变化，这种物理现象称为半导体的压阻效应。2.2.1.3 电阻应变片的类型及常用材料电阻应变片的类型及常用材料（一）体型半导体应变片 这是一种将半导体材料硅或锗晶体按一定方向切割成的片状小条，经腐蚀压焊粘贴在基片上而成的应变片。（二）薄膜型半导体应变片 这种应变片是利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带有绝缘层的试件上而制成，其结构示意图见图2-4。（三）扩散型半导体应变片 这种应变片是将P型杂质扩散到N型硅单晶基底上，形成一层极薄的P型导电层，再通过超声波和热压焊法接上引出线就形成了扩散型半导体应变片。图2-5为扩散型半导体应变片示意图。这是一种应用很广的半导
25、体应变片。2.2.1.3 电阻应变片的类型及常用材料电阻应变片的类型及常用材料2.2.1.4 应变片的主要性能参数应变片的主要性能参数1、灵敏度系数2、横向效应3、应变极限4、温度特性5、允许电流及电阻值6、机械滞后2.2.1.5 应变片的常用材料及粘贴技术应变片的常用材料及粘贴技术一、常用材料4YC3是Fe-Cr-Al系550高应变电阻合金，其电阻率高，电阻温度系数低，热稳定性好，主要用于工作温度550的电阻应变计。4YC4是Fe-Cr-Al系750高温应变电阻合金，其电阻率高、电阻温度系数低，尤其是在600以上有较好的热输入和重现性低的零飘。YC8是铜镍锰钴合金精密箔材，专用于高精度箔式电
26、阻应变计，其温度自补偿性能及其它技术指标符合电阻应变计标准规定的A级产品质量要求。4YC9是Ni-Mo系500自补偿应变电阻合金，它的值高，电阻温度系数小，热输出、热稳定性好，适用于制作在500工作的自补偿电阻应变计。2.2.1.5 应变片的常用材料及粘贴技术应变片的常用材料及粘贴技术二、应变片的粘贴工艺步骤1、应变片的检查与选择；2、试件的表面处理；3、底层处理；4、贴片；5、固化；6、粘贴质量检查；7、引线焊接与组桥连线。2.2.1.6 电阻应变计的型号及选用电阻应变计的型号及选用一、型号的编排规则电阻应变计型号的编排规则如下：类别、基底材料种类、标准电阻-敏感栅长度、敏感栅结构形式、极限
27、工作温度、自补偿代号（温度和蠕变补偿）及接线方式。如B F 350-3 AA 80（23）N6 X的含义是：1、B:表示应变计类别(B:箔式；T:特殊用途；Z:专用(特指卡玛箔)；2、F:表示基底材料种类(B:玻璃纤维增强合成树脂；F:改性酚醛；A:聚酰亚胺；E:酚醛-缩醛；Q:纸浸胶；J:聚氨酯)；2.2.1.6 电阻应变计的型号及选用电阻应变计的型号及选用 3、350:表示应变计标准电阻；4、3表示敏感栅长度（mm）；5、AA表示敏感栅结构形式；6、80表示极限工作温度（）；7、23表示温度自补偿或弹性模量自补偿代号(9:用于钛合金；M23:用于铝合金；11:用于合金钢、马氏体不锈钢和沉淀
28、硬化型不锈钢；16:用于奥氏体不锈钢和铜基材料；23:用于铝合金；27:用于镁合金)；8、N6表示蠕变自补偿标号(蠕变标号:T8，T6，T4，T2，T0，T1,T3,T5,N2，N4，N6，N8，N0，N1，N3，N5，N7，N9)；2.2.1.6 电阻应变计的型号及选用电阻应变计的型号及选用 9、X表示接线方式(X:标准引线焊接方式；D:点焊点；C:焊端敞开式；U:完全敞开式，焊引线；F:完全敞开式，不焊引线；X*:特殊要求焊圆引线，*表示引线长度；BX*：特殊要求焊扁引线，*表示引线长度；Q*:焊接漆包线，*表示引线长度；G*:焊接高温引线，*表示引线长度)。2.2.1.6 电阻应变计的型
29、号及选用电阻应变计的型号及选用二、应变计的自动补偿及其选用（一）温度补偿及选用；（二）蠕变自补偿及选用；（三）弹性模量自补偿及选用；2.2.1.7 应变电阻传感器的应用应变电阻传感器的应用 电阻应变片除可测量试件应力之外，还可制造成各种应变式传感器用于测量力、荷重、扭矩、加速度、位移、压力等多种物理量。2.2.2 热电阻及热敏电阻热电阻及热敏电阻2.2.2.1 热电阻热电阻 热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。一、热电阻测温原理及材料 热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温
30、度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。2.2.2.1 热电阻热电阻二、热电阻的类型 1、普通型热电阻；2、铠装热电阻；3、端面热电阻；4、隔爆型热电阻。2.2.2.1 热电阻热电阻三、铂电阻 铂易于提纯，物理化学性质稳定，电阻率较大，能耐较高的温度；因此用铂电阻作为复现温标的基准器。铂电阻的电阻值与温度之间的关系可用下式表示 (2-5)式中，Rt为温度为t时的电阻值；R0为温度为0时的电阻值；A、B、C均为常数，A=3.96847；B=5.847；C=4.22。2.2.2.1 热电阻热电阻四、
31、铜电阻 铂是贵重金属，因此在一些测量精度要求不高，测温范围较小(-50150)的情况下，普遍采用铜电阻。铜电阻具有较大的电阻温度系数，材料容易提纯，铜电阻的阻值与温度之间接近线性关系，铜的价格比较便宜，所以铜电阻在工业上得到广泛应用。铜电阻的缺点是电阻率较小，稳定性也较差，容易氧化。(2-6)式中，Rt为温度t时的电阻值；R0为温度为0时的电阻值；a为温度为0时的电阻温度系数。2.2.2.1 热电阻热电阻五、热电阻的应用 1、热电阻温度计2.2.2.1 热电阻热电阻五、热电阻的应用 2、热电阻式流量计2.2.2.2 热敏电阻热敏电阻 一、半导体热敏电阻的工作原理 热敏电阻是一种利用半导体制成的
32、敏感元件，其特点是电阻率随温度而显著变化。热敏电阻因其电阻温度系数大，灵敏度高；热惯性小，反应速度快；体积小，结构简单；使用方便，寿命长，易于实现远距离测量等特点得到广泛地应用。热敏电阻的缺点是互换性较差，同一型号的产品特性参数有较大差别。再就是其热电特性是非线性的，这给使用带来一定不便。尽管如此，热敏电阻灵敏度高、便于远距离控制、成本低适合批量生产等突出的优点使得它的应用范围越来越广泛。2.2.2.2 热敏电阻热敏电阻 热敏电阻的热电特性曲线如图2-9所示。根据电阻值的温度特性，热敏电阻有正温度系数、负温度系数和临界热敏电阻几种类型。热敏电阻的结构可以分为柱状、片状、珠状和薄膜状等形式。2.
33、2.2.2 热敏电阻热敏电阻 二、常用材料 按温度特性热敏电阻可分为两类，随温度上升电阻增加的为正温度系数热敏电阻，反之为负温度系数热敏电阻。（一）正温度系数热敏电阻的常用材料 此种热敏电阻以钛酸钡（BaTiO3）为基本材料，再掺入适量的稀土元素，利用陶瓷工艺高温烧结尔成。（二）负温度系数热敏电阻的常用材料 负温度系数热敏电阻是以氧化锰、氧化钴、氧化镍、氧化铜和氧化铝等金属氧化物为主要原料，采用陶瓷工艺制造而成。2.2.2.2 热敏电阻热敏电阻 三、热敏电阻的型号表示 我国产热敏电阻是按部颁标准SJ1155-82来制定型号，由四部分组成。第一部分：主称，用字母M表示 敏感元件。第二部分：类别，
34、用字母Z表示正温度系数热敏电阻器，或者用字母F表示负温度系数热敏电阻器。第三部分：用途或特征，用一位数字（0-9）表示。第四部分：序号，也由数字表示，代表规格、性能。往往厂家出于区别本系列产品的特殊需要，在序号后加派生序号，由字母、数字和-号组合而成。例：M Z 1 1表示序号为1的正温度系数型普通用途热敏电阻敏感元件。2.2.2.2 热敏电阻热敏电阻 四、热敏电阻器的主要参数 各种热敏电阻器的工作条件一定要在其出厂参数允许范围之内。热敏电阻的主要参数有十余项：标称电阻值、使用环境温度（最高工作温度）、测量功率、额定功率、标称电压（最大工作电压）、工作电流、温度系数、材料常数、时间常数等。例如
35、：MZ73A-1（消磁用正温度系数热敏电阻器）M敏感电阻器Z正温度系数热敏电阻器7消磁用 3A-1序号2.2.2.2 热敏电阻热敏电阻 五、热敏电阻选择 首选普通用途负温度系数热敏电阻，因它随温度变化一般比正温度系数热敏电阻易观察，电阻值连续下降明显。若选正温度系数热敏电阻，温度应在该元件居里点温度附近。六、热敏电阻的应用 热敏电阻与简单的放大电路结合，就可检测千分之一度的温度变化，所以和电子仪表组成测温计，能完成高精度的温度测量。普通用途热敏电阻工作温度为-55+315，特殊低温热敏电阻的工作温度低于-55，可达-273。热敏电阻几乎在每一个部门都有使用，如家用电器、制造工业、医疗设备、运输
36、、通信、保护报警装置和科研等。2.2.2.3 集成压阻式传感器集成压阻式传感器 固态压阻式传感器是利用硅的压阻效应和集成电路技术制成的新型传感器。它具有灵敏度高、动态响应快、测量精度高、稳定性好、工作温度范围宽、体积小和便于批量生产等特点，因此得到了广泛的应用。由于它克服了半导体应变片存在的问题并能将电阻条、补偿线路、信号转换电路集成在一块硅片上，甚至将计算处理电路与传感器集成在一起，制成了智能型传感器，这是一种具有发展前途的传感器。2.2.2.3 集成压阻式传感器集成压阻式传感器一、压敏电阻的工作原理 单晶硅材料在受到力的作用后，其电阻率将随作用力而变化这种物理现象称为固态压阻式传感器。半导
37、体材料电阻的变化率RR主要由引起，即取决于半导体材料的压阻效应，所以可以用下式表示 (2-8)2.2.2.3 集成压阻式传感器集成压阻式传感器 在弹性变形限度内，硅的压阻效应是可逆的，即在应力作用下硅的电阻发生变化，而当应力除去时，硅的电阻又恢复到原来的数值。硅的压阻效应因晶体的取向不同而不同。固态压阻式传感器的核心是硅膜片。图2-10是硅膜片芯体的结构图。将芯片封接在传感器的壳体内，再联接出电极引线就制成了典型的压阻式传感器。2.2.2.3 集成压阻式传感器二、压敏电阻的型号 压敏电阻的型号由四部分组成，第一部分用字母“M”表示主称为敏感电阻器。第二部分用字母“Y”表示敏感电阻器为压敏电阻器
38、。第三部分用字母表示压敏电阻器的用途的特征。第四部分用数字表示序号，有的在序号的后面还标有标称电压、通流容量或电阻体直径、电压误差、标称电压等。例如：MYL1-1（防雷用压敏电阻器）M敏感电阻器 Y压敏电阻器 L防雷用 1-1序号2.2.2.3 集成压阻式传感器集成压阻式传感器三、压敏电阻的应用 由于压敏电阻具有频率响应高、体积小、精度高、灵敏度高等优点，所以它在航空、航海、石油、化工、动力机械、兵器工业以及医学等方面得到了广泛的应用。在机械工业中，可用于测量冷冻机、空调机、空气压缩机的压力和气流流速，以监测机器的工作状态。在航空工业上，用来测量飞机发动机的中心压力。在兵器工业上，测量枪炮膛内
39、的压力，也可对爆炸压力及冲击波进行测量。2.2.2.4 气敏电阻气敏电阻 气敏电阻是一种半导体敏感器件，它是利用气体的吸附而使半导体本身的电导率发生变化这一机理来进行检测的。人们发现某些氧化物半导体材料如SnO2、ZnO、Fe2O3、MgO、NiO、BaTiO3等都具有气敏效应。常用的主要有接触燃烧式气体传感器、电化学气敏传感器和半导体气敏传感器等。2.2.2.5光敏电阻光敏电阻 一、工作原理 光敏电阻的结构如图2-11所示。它是采用半导体材料制作，利用内光电效应工作的光电元件。它在光线的作用下其阻值往往变小，这种现象称为光导效应，因此，光敏电阻又称光导管。2.2.2.5光敏电阻光敏电阻 二、
40、光敏电阻器型号命名方法 光敏电阻器的型号命名分为三个部分，第一部分用字母表示主称。第二部分用数字表示用途或特征。第三部分用数字表示产品序号。例如：MG45-14（可见光敏电阻器）：M敏感电阻器；G光敏电阻器；4可见光；5-14序号。2.2.2.5光敏电阻光敏电阻 三、光敏电阻的应用 光敏电阻可广泛应用于各种光控电路，如对灯光的调控等场合，也可用于光控开关。2.3 电容式传感器电容式传感器 电容式传感器是将被测量（如尺寸、压力等）的变化转换成电容量变化的一种传感器。2.3.1 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理 电容式传感器的工作原理可以平板电容器来说明，如图2-12所示。当忽略边缘效
41、应时，其电容量与面积、介电常数成正比，与极距成反比。2.3 电容式传感器电容式传感器下表2-1列出了几种常用气体、液体、固体介质的相对介电常数。2.3.2 电容式传感器的测量转换电路电容式传感器的测量转换电路 电容传感器的电容值一般都很小（几皮法到几十皮法），这样微小的电容不便直接显示、记录和传输，必须借助测量电路将其转换成电压、电流或频率信号。常用的电容传感器的测量电路有：电桥电路、调频（谐振）电路、脉冲宽度调制电路和运算放大电路。2.3.3 电容传感器特点电容传感器特点 电容传感器主要优点是输人能量小而灵敏度高，电参量相对变化大，动态特性好，能量损耗小，结构简单，适应性好。电容传感器主要缺
42、点是非线性大，电缆分布电容影响大。一般的解决办法是利用测量电路，电容转换成电压变化也是非线性的。因此，输出与输人之间的关系出现较大的非线性。采用差动式结构非线性可以得到适当改善，但不能完全消除。输出电压 与电容传感器间隙 成线性关系。2.3.4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 电容式传感器广泛应用在位移、压力、流量、液位等的测试中。（一）电容式测厚仪 2.3.4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用（二）电容式转速传感器 2.4 电感式传感器电感式传感器2.4.1工作原理工作原理 电感式传感器的工作原理是电磁感应。它是把被测量如位移等，转换为电感量变化的一种装置。按照转换方式的不同，可分
43、为自感式（包括可变磁阻式与涡流式）和互感式（差动变压器式）两种。电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化实现测量的一种装置。电感式传感器的核心部分是可变自感或可变互感，在将被测量转换成线圈自感或线圈互感的变化时，一般要利用磁场作为媒介或利用铁磁体的某些现象。这类传感器的主要特征是具有电感绕组。2.4.1 工作原理工作原理 电感式传感器具有以下优点：结构简单可靠、输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力强、对工作环境要求不高、分辨力较小（如在测量长度时一般可达0.1um）、示值误差一般为示值范围的0.10.5%稳定性好。它的缺点是频率响应低，不宜用于快速测量。此外，利用电涡流原理的电涡流式传感器，利用压
44、磁原理的压磁式传感器，利用平面绕组互感原理的感应同步器等，亦属此类。2.4.1 工作原理工作原理互感式传感器的工作原理如图2-15所示。2.4.2 电感计算及特性分析电感计算及特性分析2.4.2 电感计算及特性分析电感计算及特性分析 螺管型自感传感器的灵敏度比截面型的更低，但示值范围大，线性也较好，同时还具备自由行程可任意按排、制造装配方便等优点。此外。螺管型与截面型相比，批量生产中的互换性好。即截面型传感器往往要和仪器电箱配合使用，不易互换，而螺管传感器较能保证其特性大体一致，这对装配、调试、使用都带来方便，尤其在使用两个（和差测量）或多个（多点测量）传感器时，这一点更为重要。由于具有上述优
45、点，而灵敏度低的问题可在放大电路方面加以解决，目前螺管型传感器的应用越来越多。2.4.3 测量电路和传感器灵敏度测量电路和传感器灵敏度 传感器实现了把被测量的变化转变为自感和互感量的变化。为了测出自感或互感量的变化，同时也为了送入下级电路进行放大和处理，就要用转换电路把自感变化转换成电压（或电流）变化。把传感器自感接入不同的转换电路后，原则上可将自感变化抟换成电压（电流）的幅值、频率、相位的变化，它们分别称为调幅、调频、调相电路。在自感式传感器中，调幅电路用得较多，调频、调相电路用得较少。调幅电路的一种主要形式是交流电桥，另一种是谐振式调幅电路。2.4.4 零点残余电压零点残余电压2.4.4
46、零点残余电压零点残余电压2.5 压磁式传感器压磁式传感器 压磁式(又称磁弹式)传感器是一种力电转换传感器。其基本原理是利用某些铁磁材料的压磁效应。2.5.1 压磁效应 铁磁材料具有结晶体的构造，在晶体形成的过程中也就形成了磁畴。各个磁畴的磁化强度矢量是随机的。在没有外磁场作用时，各个磁畴互相均衡，材料总的磁化强度为零，当有外磁场作用时，磁畴的磁化强度矢量向外磁场方向产生转动，材料呈现磁化。当外磁场很强时，各个磁畴的磁化强度矢量都转向与外磁场平行，这时材料呈现磁饱和现象。如图2-27所示。2.5.1 压磁效应压磁效应 在磁化过程中，各磁畴之间的界限发生移动，因而产生机械变形，这种现象称为磁致伸缩
47、效应。铁磁材料在外力的作用下，引起内部发生形变，产生应力，使各磁畴之间的界限发生移动，使磁畴磁化强度矢量转动，从而也使材料的磁化强度发生相应的变化。这种应力使铁磁材料的磁性质变化的现象，称为压磁效应。2.5.1 压磁效应压磁效应 压磁式传感器（又称为磁弹性传感器）是由压磁元件、弹性支架、传力钢球组成。如图所示。2.5.2 压磁传感器压磁传感器 压磁传感器结构简图2.5.2 压磁传感器压磁传感器 2.5.2 压磁传感器压磁传感器 压磁元件 压磁式传感器的核心是压磁元件，它实际上是一个力电转换元件。压磁元件常用的材料有硅钢片、坡莫合金和一些铁氧体。最常用的材料是硅钢片。为了减小涡流损耗，压磁元件的
48、铁心大都采用薄片的铁磁材料叠合而成。2.5.2 压磁传感器压磁传感器 压磁元件可采用的材料有硅钢片、坡莫合金和一些铁氧体。坡莫合金是理想的压磁材料，它具有很高的相对灵敏度，但价格较贵。铁氧体也有很高的相对灵敏度，但由于它较脆而不常采用。在压磁式传感感器中大多采用硅钢片，虽然灵敏度比坡莫合金低一些，但在许多实际应用中已经可以满足要求。2.5.2 压磁传感器压磁传感器 压磁传感器的应用 压磁式传感器具有输出功率大、抗干扰能力强、过载性能好、结构和电路简单、能在恶劣环境下工作、寿命长等一系列优点。目前，这种传感器已成功地用在冶金、矿山、造纸、印刷、运输等各个工业部门。例如用来测量轧钢的轧制力、钢带的
49、张力、纸张的张力，吊车提物的自动测量、配料的称量、金属切削过程的切削力以及电梯安全保护等。2.5.2 压磁传感器压磁传感器 2.5.3 冲片形状冲片形状 为了减小涡流损耗，压磁元件的铁心大都采用薄片的铁磁材料叠合而成。冲片形状大致上有四种。四孔圆弧形冲片 六孔圆弧形冲片 中字形冲片 田字形冲片2.5.4 激励安匝数的选择激励安匝数的选择 压磁元件输出电压的灵敏度和线性度在很大程度上决定于铁材料的磁场强度，而磁场强度取决于激励安匝数。激励过小或过大都会产生严重的非线性和灵敏度降低，这是因为在压磁式传感器中，铁磁材料的磁化现象不仅与外磁场的作用有关，还与各个磁畴内部磁矩的总和以及外作用力在材料内部
50、引起的应力有关。最佳条件是外加作用力所产生的磁能与外磁场及磁畴磁能之和接近相等，而且工作在磁化曲线（B-H曲线）的线性段，这样可以获得较好的灵敏度和线性度。2.6 压电式传感器压电式传感器 压电式传感器的工作原理是以某些物质的压电效应为基础，它具有自发电和可逆两种重要特性。2.6.1 压电效应与压电材料 某些物质，当沿着一定方向对其加力而使其变形时，在一定表面上将产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电状态，这种现象称为压电效应。明显呈现压电效应的敏感功能材料叫压电材料。2.6.1 压电效应与压电材料压电效应与压电材料 常用的压电材料有：压电单晶体，如石英、酒石酸钾钠等；多晶压电陶瓷，如钛酸钡
