电测法原理(10)

电化学检测原理电化学检测（Electrochemical Analysis）是一种基于电化学原理的分析方法，通过测量电化学信号来定量或定性地检测化学物质的特性。

本文将介绍电化学检测的原理和常用的电化学检测技术。

一、电化学检测原理概述电化学检测是利用化学反应引起的电流或电位变化来检测分析物质的含量或性质的一种方法。

它基于电化学的基本原理，即在电解质溶液中，电流与溶液中电离物种的浓度成正比，电位则与氧化还原反应的进行有关。

二、电化学检测技术分类根据电化学过程的特点和检测目标的不同，电化学检测技术可以分为以下几种：1. 电化学传感器：通过一种特殊的电极与被检测物质之间的电化学反应，将被检测物质的浓度转化为电信号输出，实现对物质的定量或定性检测。

2. 电解池法：利用溶液中的电性参数，如电导率、电阻率等的变化，以及电极上的电位或电流的变化，来检测分析物质的含量或性质。

3. 循环伏安法（Cyclic voltammetry）：在一个电极电位可以反复变化的条件下，测量在电位变化过程中所产生的电流，结合电化学反应的特性，得到分析物质的信息。

4. 安培法（Amperometry）：通过施加恒定的电位，在电解质溶液中测量电流的变化，以化学反应的速率来推测分析物质的浓度。

5. 多重脉冲伏安法（Multiple pulse amperometry）：利用多个脉冲电位来激发电化学反应，并测量所产生的电流信号，以获得更多的信息。

6. 阻抗法（Impedance Spectroscopy）：通过测量电感、电阻、电容等电性参数的变化，来检测分析物质的性质和浓度。

三、电化学检测的优点和应用电化学检测具有以下优点：1. 灵敏度高：电化学检测可以实现对微量物质的检测，达到ppb（亿分之一）乃至ppm（百万分之一）级的灵敏度。

2. 快速实时性：电化学检测响应速度快，通常在几秒钟或几分钟内即可完成检测。

3. 无需标记：相比于其他传统的分析方法，电化学检测可以直接反映分析物质的化学特性，无需额外的标记物。

应力应变测试原理电阻应变测量方法是将应变转换成电信号进行测量的方法，简称电测法。

电测法的基本原理是：将电阻应变片（简称应变片）粘贴在被测构件的表面，当构件发生变形时，应变片随着构件一起变形，应变片的电阻值将发生相应的变化，通过电阻应变测量仪器（简称电阻应变仪），可测量出应变片中电阻值的变化，并换算成应变值，或输出与应变成正比的模拟电信号（电压或电流），用记录仪记录下来，也可用计算机按预定的要求进行数据处理，得到所需要的应变或应力值。

其工作过程如下所示：应变——电阻变化——电压（或电流）变化——放大——记录——数据处理电测法具有灵敏度高的特点，应变片重量轻、体积小且可在高（低）温、高压等特殊环境下使用，测量过程中的输出量为电信号，便于实现自动化和数字化，并能进行远距离测量及无线遥测。

(R=ρL/A)在使用应变片测量应变时，必须用适当的办法测量其电阻值的微小变化。

为此，一般是把应变片接入某种电路，让其电阻值的变化对电路进行某种控制，使电路输出一个能模拟该电阻值变化的信号，然后，只要对这个电信号进行相应的处理就行了。

常规电测法使用的电阻应变仪的输入回路叫做应变电桥，它是以应变片作为其部分或全部桥臂的四臂电桥。

它能把应变片电阻值的微小变化转化成输出电压的变化。

在此，仅以直流电压电桥为例加以说明。

一、电桥的输出电压电阻应变仪中的电桥线路如图A -4所示，它是以应变片或电阻元件作为电桥桥臂。

可取1R 为应变片、1R 和2R 为应变片或1R ～4R 均为应变片等几种形式。

A 、C 和B 、D 分别为电桥的输入端和输出端。

根据电工学原理，可导出当输入端加有电压I U 时，电桥的输出电压为()()I43214231O U R R R R R R R R U ++-=当0O =U 时，电桥处于平衡状态。

因此，电桥的平衡条件为4231R R R R =。

当处于平衡的电桥中各桥臂的电阻值分别有1R ∆、2R ∆、3R ∆和4R ∆的变化时，可近似地求得电桥的输出电压为⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆-∆+∆-∆≈44332211I O 4R R R R R R R R U U 由此可见，应变电桥有一个重要的性质：应变电桥的输出电压与相邻两桥臂的电阻变化率之差、相对两桥臂电阻变化率之和成正比。

实验七 金属材料泊松比测定一、实验的意义在工程中设计中，可以查机械设计手册利用泊松比粗略设计零件使其达到相应的应力要求，但是此时的泊松比只是一个范围，需要对其泊松比进行反算和修正。

例如：一个梁，选定材料后按照相应的泊松比设计出尺寸，但是做拉伸试验时发现其应力不满足要求，这时便需要对设计出的材料的泊松比进行精确测定，进行反算，设计出符合要求的梁。

二、实验设备及工具1、应变片、加力机构。

三、电测法原理1、应变片测试原理电测法是工程上常用的对实际构件进行应力分析实验的方法之一。

它是通过贴在构件被测点处的电阻应变片(以下简称应变片)，将被测点的应变值转换为应变片的电阻变化，再利用电阻应变仪测出应变片的电阻变量，并直接转换输出应变值，然后依据虎克定律计算出构件被测点的应力值的大小。

在电测法中，主要设备是电阻应变片和电阻应变仪。

其中，电阻应变片是将应变变化量转变成电阻变化量的转换组件。

应变电测发具有感受元件重量轻，体积小；量测系统信号传递迅速、灵敏度高、可遥感，便于与计算机连用及实现自动化等优点。

它的工作原理很简单，是依据金属丝的电阻R 与其本身长度L 成正比，与其横截面积A 成反比这一物理学定律而得，用公式表示其电阻即为：R=ρL/A当电阻丝受到轴向拉伸或压缩时，上式中的L 、A 、ρ均将发生变化。

若此时对上式两端同取对数，即有：ln ln ln ln R L A ρ=+- 对其进行数学求导，有：////dR R d dL L dA A ρρ=+-因为金属电阻线受轴向拉伸(或压缩)作用时，式中：所以上式可写成：并令 式中：u --电阻丝材料的泊松比 K 。

—单丝灵敏系数。

则对大多数电阻丝而言，K 0为常量，对丝栅状应变片或箔式应变片，考虑到已不是单根丝，故改用灵敏系数K 代替代。

可见，应变片的电阻变化率与应变值呈线性关系。

当把应变片牢固粘贴于试件上，使之与试同步变形时，便可由式(中的电量—非电量转换关系调得试件的应变。

电测法的原理及应用1. 电测法的概述电测法（Electrical Measurement）是一种用电流、电压或电阻等电学参数来对物体进行测量的技术方法。

它广泛应用于科学研究、工程技术和工业生产等领域，以实现对物体电性质、电特性和电参数的测量、分析和控制。

2. 电测法的原理电测法主要基于以下几个原理进行测量：2.1 电流测量原理电测法通过测量电流来了解物体的电性质。

电流测量可以通过感应法、位移法、霍尔元件和锁相放大器等方式进行。

2.2 电压测量原理电压测量是电测法中常用的测量方法之一。

电压测量可以通过电压表、差动放大器和信号调理电路等设备进行。

2.3 电阻测量原理电阻测量通过测量电阻来判断物体的电导率和电阻率等电学特性。

电阻测量可以通过电桥、电阻表和四引线阻抗测量等方法进行。

2.4 电导测量原理电导测量是衡量物体导电性能的常用方法之一。

电导测量可以通过电导计和电流源等设备进行。

3. 电测法的应用3.1 科学研究领域•在物理学领域，电测法用于测量材料的电导率、磁性和热性等特性。

•在化学科学领域，电测法用于测量化学反应在不同电位下的反应速率和电化学性质。

•在生物医学领域，电测法用于测量人体的生物电信号，如心电图、脑电图和肌电图等。

3.2 工程技术领域•在电力系统中，电测法用于测量电网电流和电压，以实现对电网的监测和控制。

•在电子电路领域，电测法用于测量电路的电压、电流和功率等电参数，以验证电路的性能和正确性。

•在通信领域，电测法用于测量信号的幅度、频率和相位等特性，以实现对通信设备的调试和维护。

3.3 工业生产领域•在能源行业，电测法用于测量石油、天然气和水的电导率和电阻率等参数，以实现对资源的开发和利用。

•在材料加工领域，电测法用于测量材料的电导率、电阻率和磁化率等特性，以实现对材料加工过程的监测和控制。

•在制造业中，电测法用于测量产品的电气性能和安全性能，以确保产品符合相关的标准和要求。

4. 总结电测法作为一种电学测量技术，具有广泛的应用领域和重要的意义。

1、电学性质表征参数电阻率R 电导率σ 介电常数ε 磁导率μ2、各种测井方法的频率范围自然电位测井--直流 侧向测井--30-300Hz 感应测井--10-40kHz介电测井--几十MHz 电磁波传播--1.1GHz 普通电阻率--方波(<15Hz)3、岩石电阻率、介电常数的频率特性频率↑→导电率↑→电阻率↓介电常数ε →反映介质极化能力的宏观物理量E P 0)1(εε-= P ——极化强度E ——外加电场强度★干岩样不存在频散，饱和油的岩样也不存在频散★饱和水的岩样有明显频散现象频率增高↑→介电常数↓★频散特性分三段：低于100kHz →频散剧烈；100kHz ～100MHz →频散较明显；高于100MHz →频散很弱；超高频（UHF ）段，即200MHz ～3000MHz 基本无频散4、影响岩石电阻率的大小的主要因素不同岩石电阻率不同，岩石电阻率的大小主要取决于下列因素：★岩石的组织结构——岩性★岩石孔隙内地层水的盐类的化学成分、浓度、温度★岩石孔隙度★岩石含水饱和度5、岩石电阻率与岩性、地层水、孔隙度、饱和度的关系沉积岩岩石的电阻率主要取决于岩石孔隙中地层水的电阻率——地层水电阻率↑→地层岩石电阻率↑含油饱和度↑→地层电阻率↑6、阿尔奇公式及其实验过程1、自然电位、静自然电位的概念在相当厚的砂岩和泥岩接触面处的自然电位幅度基本上是产生自然电场的总电动势SSP ，也称静自然电位2、扩散电动势及其产生机理扩散现象→受渗透压力作用高浓度→低浓度→氯离子迁移率>钠离子迁移率→低(高)浓度→氯（钠）离子富集→接触面正负离子迁移速度相同时→电荷富集停止→离子还在继续扩散→动平衡→动平衡时，电动势保持一定值——扩散电动势Ed3、扩散吸附电动势及其产生机理将两种不同浓度的NaCl 溶液用泥岩隔膜分开，浓度大的一方富集了负电荷，浓度小的一方富集了正电荷，这种现象起因是泥岩的特殊性质。

泥岩颗粒由含硅或铝的晶体组成。

非电量的电测法非电量的电测法就是将各种非电量（如温度、压力、速度、位移、应变、流量、液位等）变换为电量，而后进行测量的方法。

非电量的电测仪器，主要由下列几个主要部分组成:(1) 传感器：将被测非电量变换为与其成肯定比例关系的电量。

(2) 测量电路：将传感器输出的电信号进行处理，使之适合于显示、记录及和微型计算机的联接。

(3) 测录装置：各种电工测量仪表、示波器、自动记录仪、数据处理器及掌握电机等。

一、应变电阻传感器1. 金属电阻丝应变片电阻丝由直径为0.02~0.04mm 的康铜或镍铬合金绕成。

2. 工作原理试件发生的应变通过胶层和纸片传给电阻丝，将电阻丝拉长或缩短，从而转变了它的电阻。

就将机械应变变换为电阻的变化。

二、电感传感器电感传感器能将非电量的变化变换为线圈电感的变化，再由测量电路转换为电压或电流信号。

1. 差动电感传感器两只线圈完全相同，且上下对称排列。

当衔铁在中间位置时，两线圈的电感相同，当衔铁受非电量的作用上下移动时，两个线圈的电感一增一减，发生变化，此即为差动。

2. 工作原理三、电容传感器电容传感器能将非电量的变化变换为电容器电容的变化。

1. 平板电容传感器可见，只要转变e ，S ，d 三者之一，都可使电容转变。

将上极板固定，下极板与被测物体相接触，当运动物体上、下位移（转变d ）或左、右位移（转变S ）时，将引起电容的转变。

2. 工作原理四、热电传感器热电传感器能将温度的变化变换为电动势或电阻的变化。

1. 热电偶热电偶由两根不同的金属丝或合金丝组成。

假如在两根金属丝相联的一端加热，则产生热电动势E t2. 热电阻热电阻传感器将温度的变化转换为电阻的变化。

电阻温度计中的热电阻传感器是绕在云母、石英或塑料骨架上的金属电阻丝。

金属电阻丝的电阻随温度变化的关系为对铜丝：A = 4 ＊10 -3 (1/ oC) ，B = 0 ；铂丝：A =3.98 ＊10 -3 (1/ oC) ，B = –5.84 ＊10 -3 (1/ oC)2 。

实验三电测法测定材料的弹性模量和泊松比弹性模量E 和泊松比μ是各种材料的基本力学参数，测试工作十分重要，测试方法也很多，如杠杆引伸仪法、电测法、自动检测法，本次实验用的是电测法。

一、 实验目的在比例极限内，验证胡克定律，用应变电测法测定材料的弹性模量E 和泊松比μ。

二、 实验仪器设备和试样1. 材料力学多功能实验台2. 静态电阻应变仪3. 游标卡尺4. 矩形长方体扁试件三、 预习要求1. 预习本节实验内容和材料力学书上的相关内容。

2. 阅读并熟悉电测法基本原理和电阻应变仪的使用操作。

四、实验原理和方法材料在比例极限范围内，正应力σ和线应ε变呈线性关系，即：εσE = 比例系数E 称为材料的弹性模量，可由式3－1计算，即：εσ=E （3－1） 设试件的初始横截面面积为o A ，在轴向拉力F 作用下，横截面上的正应力为： oA F =σ 把上式代入式（3－1）中可得： εo A FE =（3－2） 只要测得试件所受的荷载F 和与之对应的应变ε，就可由式（3－2）算出弹性模量E 。

受拉试件轴向伸长，必然引起横向收缩。

设轴向应变为ε，横向应变为ε'。

试验表明，在弹性范围内，两者之比为一常数。

该常数称为横向变形系数或泊松比，用μ表示，即：εεμ'=轴向应变ε和横向应变ε'的测试方法如下图所示。

在板试件中央前后的两面沿着试件轴线方向粘贴应变片1R 和'1R ，沿着试件横向粘贴应变片2R 和'2R 。

为了消除试件初曲率和加载可能存在偏心引起的弯曲影响，采用全桥接线法。

分别是测量轴向应变ε和横向应变ε'的测量电桥。

根据应变电测法原理基础，试件的轴向应变和横向应变是每台应变仪应变值读数的一半，即：r εε21= '='r εε21实验时，为了验证胡克定律，采用等量逐级加载法，分别测量在相同荷载增量F ∆作用下的轴向应变增量ε∆和横向应变增量ε'∆。

1.应变片电测法
测量原理
应变片电测法是用电阻应变计测量结构的表面应变，再根据应变—应力关系确定构件表面应力状态的一种试验应力分析方法。

测量时，将电阻应变片粘贴在零件被测点的表面，当零件在载荷作用下产生应变时，电阻应变计发生相应的电阻变化，用应变仪测出这个变化，即可以计算被测点的应变和应力。

电阻应变片测试方法特点
电阻应变片法是一种在技术上非常成熟的的表面应力逐点测量方法已经有多年的历史。

应用范围涉及各种行业领域，具有如下优点：
（1）测量精度和灵敏度高，常温测量时精度可达到量程大；
（2）最高可达尺寸小应变计栅长度最小为0.178mm；
（3）可以实现梯度较大的应变测量，技术成熟，应用广泛但是应变片的测量原理也决定了它的技术缺点属于接触式测量只能测量构件表面的应变不能测量构件内部应变不能进行，应变测量应变计测出的应变值是应变计栅长度范围内的平均应变值属于电测法，一个应变片需有两根导线构成测量回路，并且需要采取特殊的措施增强系统的抗电磁干扰能力。

2.光纤bragg光栅测试法(简称光纤光栅法)
光纤光栅传感器测试原理
裸光纤光栅传感器是一种未经封装的传感元件，它以裸光纤为载体，通常由纤芯和外面的保护层组成。

其中纤芯的直径仅为0.125mm，光线在其内部进行全反射传播当芯层折射率受到周期性调制后，即成为光栅bragg。

光栅会对入射的宽带光进行选择性反
射反射一个中心波长与芯层折射率调制相位相匹
配的窄带光此中心波长称之为波长。