检测技术与检测元件.pptx

2 检测技术与检测元件
本章以敏感元件为主线，介绍敏感元件的特性及基于各种敏感元件的检测原理和方法。
基本内容：
检测技术有关的主要自然规律；
参数检测的一般原理和方法；
各种检测元件相应的检测原理、应用范围等。
检测技术的原理与方法
自然规律与检测应用
自然规律是参数检测的基础
检测过程是应用自然规律（定律、法则、效应）认识自然的过程。
与检测技术有关的主要自然定律
守恒定律
场的定律
物质定律
统计法则
1）守恒定律
守恒定律是自然界最基本的定律，它包括质量、能量、动量和电荷量等守恒定律。

(查守恒定律在测量中的应用)
守恒定律在流量测量中的应用：
毕托管流量计
节流式流量计
均速管流量计等
例：毕托管 流量计
构成：
毕托管是由弯成直角的同心套管构成。测量时，毕托管的内管口正对流体流动方向（如图）。
测量原理：
根据流体的总压与静压之差测量流体的流速。
守恒定律应用：
点2处的总能量应与点1处的总能量相等
计算：
设在毕托管前一小段距离的点1处流速为v1，静压为p1，
而管口(点2)处，因内管中充满被测流体，流速为零，静压p2。
流体流速：
能量守恒式：
静压
总压
2）场定律
关于场定律主要有：运动定律、电磁感应定律、光干涉定律等
常见的主要应用：
利用静电场定律的电容式传感器
例：平板电容
ε：介电常数，A：平行板面积， d：极板距离
主要应用：
物位测量、界面测量、位移测量以及混合比测量（介电常数不同）
描述式：
利用电磁感应定律的电磁流量计
原理图：
e：感应电势，
B：磁感应强度，
l ：导体长度（管直径）
v：移动速度
原理式：
注意：
基于场的定律的参数检测，其敏感元件的形状、尺寸等参数决定了检测系统的量程、灵敏度等性能。
具有较大的设计自由度、选择材料的限制较小。
体积一般较大，不易集成，环境干扰对敏感元件的输出影响较大。
3）依据物质特性的固有规律
原理：
利用某物质固有物理量的变化实现参数检测。
（物质的固有规律与物质的材料密切相关，反映了物质的内在性质）
例如：
金属，特别是许多半导体物质在受压、受热、受光照等情况下，表现出其电阻值或电学量有明显的变化，根据物质的这一特性，可分别进行压力、温度和光强等参数的检测。
特点：
基于物质固有定律的参数检测具有敏感元件体积小、无可动部件、反应快、灵敏度高、稳定性好、易集成等优点，在检测技术中有广阔的应用前景。
信号转换基础效应、元件与应用
参数检测中敏感元件常依据基础效应、按照一定的原理把被测变量的信息转换成一种可进一步处理或表示的信息。
检测技术中常应用的基础效应：
光电效应
热电效应
电磁效应
压电效应
应变效应
霍尔效应
光电子发射效应
光导效应
光生伏特效应
常用基础效应
效应名称
原 理
输出量
检测元件及应用
光导效应
物体受光照射，其内部原子释放的电子留
在内部而使物体的导电性增加，电阻值下降
电阻
光敏电阻，
测量光强
光生伏特效应
半导体在光的照射下能产生一定方向的电动势
电压
电流
光电池、光敏二极管、光敏三极管
光电子发射效应
金属在光照射下，释放的光电子逸出金属表面
电流
光电管、光电倍增管．
检测徽弱光信号
压阻效应
半导体材料受到外力或应力作用时，其电阻率发生变化，从而引起电阻值的变化
电阻
扩散硅传感器，
测量力、压力等
压电效应
某些电介质沿一定方向受外力作用而变形时，在其特定的两个表面上产生异号电荷
电压
(电荷)
压电晶体、压电陶瓷
测量力、压力等
应变效应
某些材料在受力产生变形后其电阻值发生变化
电阻
导体（半导体）应变片
测量力、力矩、加速度
压磁效应
磁致伸缩材料在外力(应力或应变)作用下
其材料的磁化强度和磁导率发生相应变化
感抗
压磁元件，
测量力、扭力、转矩等
热电效应
两种不同材辩串接成一团合回路，当它们的两个结点处于不同温度时。回路内将产生电动势
电压
热电偶，
测量温度
霍尔效应
当电流垂直于外磁场方向通过导体或半导体薄片时，在薄片垂直于电流和磁场方向的两个侧表面之间产生电位差
电压
霍尔传感器。
测量位移、压力、磁场和电流等