現(xiàn)代檢測技術(shù)教案

1、緒論Ø 教學(xué)要求1掌握檢測等基本概念。2了解工業(yè)檢測技術(shù)涉及的內(nèi)容。3掌握自動檢測系統(tǒng)的組成。4明確本課程的任務(wù)。5了解檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢。Ø 教學(xué)手段 多媒體課件，實物演示Ø 教學(xué)課時 1學(xué)時Ø 教學(xué)內(nèi)容一檢測（Detection）的定義（聯(lián)系具體、日常生活的例子，如舉“操沖秤象”的例子過程來說明檢測的定義）檢測是利用各種物理、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。能夠自動地完成整個檢測處理過程的技術(shù)稱為自動檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)。二檢測技術(shù)在國民經(jīng)濟中的地位和作用舉例說明：檢測技術(shù)是

2、現(xiàn)代化領(lǐng)域中很有發(fā)展前途的技術(shù)，它在國民經(jīng)濟中起著極其重要的作用。 三工業(yè)檢測技術(shù)的內(nèi)容（了解）工業(yè)檢測涉及的內(nèi)容被測量類型測量被測量類型測量熱工量 溫度、熱量、比熱容、熱流、熱分布、壓力（壓強）、壓差、真空度、流量、流速、物位、液位、界面 物體的性質(zhì)和成分量 氣體、液體、固體的化學(xué)成分、濃度、粘度、濕度、密度、酸堿度、濁度、透明度、顏色機械量 直線位移、角位移、速度、加速度、轉(zhuǎn)速、應(yīng)力、應(yīng)變、力矩、振動、噪聲、質(zhì)量（重量）狀態(tài)量 工作機械的運動狀態(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）幾何量 長度、厚度、角度、直徑、間距、形狀、平行度、同軸度、粗糙度、硬

3、度、材料缺陷電工量 電壓、電流、功率、電阻、阻抗、頻率、脈寬、相位、波形、頻譜、磁場強度、電場強度、材料的磁性能 四自動檢測系統(tǒng)的組成（掌握）1. 系統(tǒng)框圖 (0-1) 2. 傳感器（Transducer）及定義3. 顯示器 4. 數(shù)據(jù)處理裝置 5. 執(zhí)行機構(gòu) 6. 自動檢測系統(tǒng)舉例(0-2)五檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢（舉例介紹）當(dāng)前，檢測技術(shù)的發(fā)展主要表現(xiàn)在以下幾個方面：1.不斷提高檢測系統(tǒng)的測量精度、量程范圍、延長使用壽命、提高可靠性 2.應(yīng)用新技術(shù)和新的物理效應(yīng)，擴大檢測領(lǐng)域 3.發(fā)展集成化、功能化的傳感器 4.采用計算機技術(shù)，使檢測技術(shù)智能化 5.發(fā)展網(wǎng)絡(luò)化傳感器及檢測系統(tǒng) 六本課程的任務(wù)和

4、學(xué)習(xí)方法     本課程的任務(wù)是：在闡明測量基本原理的基礎(chǔ)上，逐一分析各種傳感器是如何將非電量轉(zhuǎn)換為電量的，并介紹相應(yīng)的測量轉(zhuǎn)換電路、信號處理電路及各種傳感器在工業(yè)中的應(yīng)用。本課程的學(xué)習(xí)方法是：要理論聯(lián)系實際，要舉一反三（演示光電開關(guān)，提問和討論可以哪有幾種用途，啟發(fā)?。?，富于聯(lián)想，善于借鑒，關(guān)心和觀察周圍的各種機械、電氣等設(shè)備，重視實驗和實訓(xùn)，這樣才能學(xué)得活、學(xué)得好，才有利于提高今后解決實際問題的能力。留一個問題給學(xué)生回去思考：舉出課堂上演示過的光電開關(guān)共有哪幾種用途，第二次上課時，回答得越多越好。第一章 檢測技術(shù)的基本概念Ø 教學(xué)要求1掌握

5、測量的基本概念和測量方法。2熟悉測量誤差的分類和基本概念。3了解測量結(jié)果的數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理。4掌握傳感器的組成。5熟悉傳感器分類。6掌握傳感器基本特性Ø 教學(xué)手段 多媒體課件、壓力表演示Ø 教學(xué)課時 2學(xué)時Ø 教學(xué)內(nèi)容第一節(jié) 測量的一般概念及方法對于測量方法，從不同的角度出發(fā)，有不同的分類方法。（須舉例說明）：1. 靜態(tài)測量和動態(tài)測量2. 直接測量和間接測量3. 模擬式測量和數(shù)字式測量4. 接觸式測量和非接觸式測量5. 在線測量和離線測量第二節(jié) 測量誤差及分類測量值與真值之間的差值稱為測量誤差（Measuring error）。測量誤差可其不同特征進行分類。一、絕對誤

6、差和相對誤差 重要公式：1絕對誤差（Absolute Error）=Ax02相對誤差（Relative Error）（掌握基本概念?。?1) 示值（標(biāo)稱）相對誤差gx(2)滿度（引用）相對誤差g我國模擬儀表有下列七種等級：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0。表1-1 儀表的準(zhǔn)確度等級和基本誤差 等級0.1 0.2 0.5 1.0 1.5 2.5 5.0 基本誤差±0.1% ±0.2% ±0.5% ±1.0% ±1.5% ±2.5% ±5.0% 討論：上表說明什么？在正常工作條件下，可以

7、認(rèn)為儀表的最大絕對誤差是不變的，而示值相對誤差gx隨示值的減小而增大。與同學(xué)一起做：例1-1：分析討論儀表精度等級與量程范圍及示值相對誤差之間的關(guān)系。二、粗大誤差、系統(tǒng)誤差和隨機誤差（掌握基本概念）1粗大誤差（舉例）2系統(tǒng)誤差（舉例）3隨機誤差（舉例）分析正態(tài)分布的規(guī)律：（舉例）（1）有界性（）對稱性（3）集中性三、靜態(tài)誤差和動態(tài)誤差1靜態(tài)誤差（Static Error）（舉例）2動態(tài)誤差（Dynamic Error）（舉例）第三節(jié) 傳感器及基本特性 討論傳感器的組成及框圖：傳感器由敏感元件，傳感元件及測量轉(zhuǎn)換電路三部分組成。分析：圖1-3：傳感器的組成框圖 結(jié)合電位器式壓力傳感器的工作原理，

8、可將圖1-4方框中的內(nèi)容具體化。圖1-5：電位器式壓力傳感器原理框圖（演示該傳感器）二、傳感器分類1）按被測量分類2）按測量原理分類三、傳感器基本特性1.靈敏度（是否越大越好？）分析：圖1-6，用作圖法求取傳感器的靈敏度（先看多媒體動畫）2.分辨力（舉例）3.線性度（數(shù)值大好還是小好？）圖1-7：傳感器線性度作圖（先看多媒體動畫）4.穩(wěn)定性（Regulation）（舉例說明重要性）5.電磁兼容性（EMC）（舉例說明重要性）6.可靠性（Reliability）(1)故障平均間隔時間（MTBF）(2)平均修復(fù)時間（MTTR）(3)故障率或失效率（l）圖1-8：故障率變化曲線。故障率的變化大體上可分

9、成三個階段：（以人的一生說明）1）初期失效期2）偶然失效期3）衰老失效期作業(yè)P1437,課堂討論：8第二章 電阻傳感器Ø 教學(xué)要求1了解應(yīng)變效應(yīng)的原理。2了解應(yīng)變片的類型、結(jié)構(gòu)及其測量轉(zhuǎn)換電路。3掌握應(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)用。4了解熱電阻的工作原理及結(jié)構(gòu)。5掌握熱敏電阻的類型、特性和應(yīng)用。6了解氣敏電阻傳感器的種類和工作原理。7了解大氣的溫度與露點的概念。8了解測量濕度的傳感器的種類和特點。Ø 教學(xué)手段 多媒體課件、應(yīng)變演示及熱敏電阻、氣敏電阻、濕敏電阻的演示Ø 教學(xué)課時 4學(xué)時Ø 教學(xué)內(nèi)容第一節(jié) 電阻應(yīng)變式傳感器從電阻絲的拉伸實驗入手，觀察電阻絲拉長時的阻值變化

10、規(guī)律，討論如何將這種原理用于測量應(yīng)力、應(yīng)變、力以及質(zhì)量等非電量。討論電阻應(yīng)變式傳感器的組成。一、工作原理應(yīng)變效應(yīng)：導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下，會產(chǎn)生機械變形，其電阻值也將隨著發(fā)生變化。重要公式：（21）電阻絲及應(yīng)變片的電阻相對變化量DR ¤ R與材料力學(xué)中的軸向應(yīng)變ex的關(guān)系式：（21），分析它在應(yīng)用中的意義。DR /R與所受的力及電阻絲的橫截面面積、材料的關(guān)系式：（22），分析它在電子秤中的意義。二、應(yīng)變片的種類結(jié)構(gòu)與粘貼1.應(yīng)變片的類型與結(jié)構(gòu)表2-1列出了一些應(yīng)變片的主要技術(shù)參數(shù)。（引導(dǎo)學(xué)生怎樣看參數(shù)表）表2-1 應(yīng)變片主要技術(shù)指標(biāo)參數(shù)名稱電阻值 /W靈敏度電阻溫度系數(shù) /

11、 （1/°C）極限工作溫度 / °C最大工作電流 / mAPZ-120型PJ-120型BX-200型BA-120型BB-350型PBD-1K型PBD-120型1201202001203501000+10%120+10%1.92.11.92.11.92.21.92.21.92.2140+5%120+5%20´10-620´10-6<0.4%<0.2%-1040-1040-3060-30200-30170<60<60202025252515252.應(yīng)變片的粘貼（粘貼工藝簡述，做示范）：1）試件的表面處理 2）確定貼片位置3）粘貼4）固

12、化5）粘貼質(zhì)量檢查6）引線的焊接與防護三、測量轉(zhuǎn)換電路分析為什么要采用橋路：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，必須使用電橋電路。例2-1：求金屬箔式應(yīng)變片受拉后應(yīng)變片的阻值R。復(fù)習(xí)：電橋的結(jié)點、電橋的平衡條件、調(diào)零的方法，演示調(diào)零過程。圖2-4：橋式測量轉(zhuǎn)換電路根據(jù)不同的要求，分析和比較應(yīng)變電橋的三種不同的工作方式：1）單臂半橋工作方式2）雙臂半橋工作方式3）全橋工作方式電橋的輸出電壓公式：（23）（說明什么）當(dāng)各橋臂應(yīng)變片的靈敏度K都相同時的輸出電壓公式：（24）（討論有何意義）討論：從溫度自補償和溫漂的角度來分析采用雙臂半橋或全橋的好處

13、。四、應(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)用1.應(yīng)變式傳感器（演示）（1）應(yīng)變式力傳感器（2）應(yīng)變式扭矩（轉(zhuǎn)矩）傳感器（3）應(yīng)變式加速度傳感器（4）應(yīng)變式荷重傳感器（5）壓阻式固態(tài)壓力傳感器（6）壓阻式壓力傳感器在液位測量中的應(yīng)用第二節(jié) 測溫?zé)犭娮鑲鞲衅饕?、熱電?.熱電阻的工作原理及結(jié)構(gòu)從用萬用表測量燈泡的冷態(tài)阻值實驗入手，比較熱態(tài)電阻值與冷態(tài)電阻值，分析電阻不同的原因，再從熱電阻傳感器的微觀角度來分析其工作原理。2.熱電阻的測量轉(zhuǎn)換電路：引導(dǎo)學(xué)生想到也可以采用：圖2-4的不平衡電橋二、熱敏電阻1熱敏電阻的類型及特性(1)NTC熱敏電阻NTC的分類：通過演示，來觀察兩種熱敏電阻的在火焰加熱時的阻值變化，總結(jié)：第一類

14、用于測量溫度，它的電阻值與溫度之間呈嚴(yán)格的負(fù)指數(shù)關(guān)系。第二類為突變型，又稱臨界溫度型（CTR）。當(dāng)溫度上升到某臨界點時，其電阻值突然下降。（2）PTC熱敏電阻與學(xué)生一起分析：在不同的場合怎樣選用不同的熱敏電阻。2.熱敏電阻的應(yīng)用（1）熱敏電阻測溫（2）熱敏電阻用于溫度補償（3）熱敏電阻用于溫度控制及過熱保護（4）熱敏電阻用于液面的測量第三節(jié) 氣敏電阻演示酒精傳感器，再討論氣敏電阻的分類，以及如何把某種氣體的成分、濃度等參數(shù)轉(zhuǎn)換成電阻變化量，再轉(zhuǎn)換為電流、電壓信號。重點介紹：一、還原性氣體傳感器二、二氧化鈦氧濃度傳感器第四節(jié) 濕敏電阻傳感器一、大氣的溫度與露點1.絕對濕度與相對濕度（與學(xué)生一起討

15、論悶熱天氣的原因）2.露點（與學(xué)生一起討論結(jié)露的原因）二、測量濕度的傳感器1.金屬氧化物陶瓷濕度傳感器2.金屬氧化物膜型濕度傳感器3.高分子濕敏電阻傳感器（拆開，讓學(xué)生看內(nèi)部結(jié)構(gòu)）作業(yè) ：P39:25，課堂討論：9、11第三章 電感式傳感器 Ø 教學(xué)要求1了解幾種電感式傳感器的基本概念和工作原理。2熟悉電感式傳感器的分類及測量對象。3掌握差動變壓器式傳感器的工作原理及主要性能。4掌握電感式傳感器的應(yīng)用。Ø 教學(xué)手段 多媒體課件Ø 教學(xué)課時 4學(xué)時Ø 教學(xué)內(nèi)容第一節(jié) 自感式傳感器從流過電感線圈的交流電流與氣隙的關(guān)系演示實驗入手，向?qū)W生說明電感傳感

16、器的基本工作原理：與公式（31）聯(lián)系起來自感式電感傳感器分類：變隙式、變截面式和螺線管式等三種，一、變隙式電感傳感器的有關(guān)公式：（32）討論變隙式電感傳感器的電感L與氣隙厚度d的反比關(guān)系、輸入輸出的非線性關(guān)系、d與靈敏度的關(guān)系等，分析為何只能用于微小位移的測量。二、變截面式電感傳感器論述變截面式電感傳感器的電感量L與氣隙截面積A的正比關(guān)系、輸入輸出的線性關(guān)系以及線性區(qū)較小、靈敏度較低的原因。三、螺線管式電感傳感器四、差動電感傳感器（一）結(jié)構(gòu)特點（拆開差動電感，讓學(xué)生看內(nèi)部結(jié)構(gòu)）差動式電感傳感器的結(jié)構(gòu)特點：兩個導(dǎo)磁體的幾何尺寸完全相同，材料性能完全相同；兩個線圈的電氣參數(shù)（如電感、匝數(shù)、直流電阻

17、、分布電容等）和幾何尺寸也完全相同。（討論為什么需要相等） （二）工作原理和特性采用差動式結(jié)構(gòu)的好處：可以改善線性、提高靈敏度外，對外界影響，如溫度的變化、電源頻率的變化等也基本上可以互相抵消，銜鐵承受的電磁吸力也較小，從而減小了測量誤差。五、測量轉(zhuǎn)換電路電感式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路：采用電橋電路。轉(zhuǎn)換電路的作用：是將電感量的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號，以便送入放大器進行放大，然后用儀表指示出來或記錄下來。（一）變壓器電橋電路（二）相敏檢波電路第二節(jié) 差動變壓器式傳感器本節(jié)討論差動變壓器式傳感器（Differential Transformer Transducer）的工作原理及結(jié)構(gòu)型式（螺線管式

18、差動變壓器）主要性能。重點在：性能和應(yīng)用。一、工作原理（演示工作過程）二、主要性能1.靈敏度影響差動變壓器靈敏度的因素：行程越小，靈敏度越高。還與哪些因素有關(guān)：激勵源電壓和頻率；差動變壓器一、二次線圈的匝數(shù)比；銜鐵直徑與長度，材料質(zhì)量；環(huán)境溫度；負(fù)載電阻等。2.線性范圍討論差動變壓器線性范圍與線圈骨架長度以及與測量范圍之間的關(guān)系。三、測量電路（簡介）第三節(jié) 電感式傳感器的應(yīng)用自感式電感傳感器和差動變壓器式傳感器主要用途：位移測量以及能轉(zhuǎn)換成位移變化的參數(shù)，如力、壓力、壓差、加速度、振動、工件尺寸等。一、位移測量（演示，以下同）二、電感式滾柱直徑分選裝置（多媒體動畫）三、電感傳感器在仿形機床中的

19、應(yīng)用四、電感式圓度計五、壓力測量圖3-17：給出一次儀表的概念。一次儀表的輸出信號：可以是電壓，也可以是電流。論述為什么：一次儀表中多采用電流輸出型。新的國家標(biāo)準(zhǔn)：420mA；電壓輸出為15V(舊國標(biāo)為010mA或02V)。4mA的用途：對應(yīng)于零輸入，論述不讓信號占有04mA這一范圍的原因。介紹兩線制儀表的接線（動手）：其中一根為+24V電源線，另一根既作為電源負(fù)極引線，又作為信號傳輸線。在信號傳輸線的末端通過一只標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電阻（也稱取樣電阻）接地（也就是電源負(fù)極），將電流信號轉(zhuǎn)變成電壓信號。接線方法如圖3-18所示。 分析例3-1 作業(yè)：P56：3、4、9；課堂分析：7、8第四章 電渦流式傳感

20、器Ø 教學(xué)要求1了解電渦流效應(yīng)和等效阻抗分析。2熟悉電渦流探頭結(jié)構(gòu)和被測體材料、形狀和大小對靈敏度的影響。3熟悉電渦流式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路。4掌握電渦流式傳感器的應(yīng)用。5掌握接近開關(guān)的分類和特點。Ø 教學(xué)手段 多媒體課件、各種電渦流傳感器演示Ø 教學(xué)課時 3學(xué)時Ø 教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié) 電渦流傳感器工作原理  一、電渦流效應(yīng)（演示） 從金屬探測器的探測過程導(dǎo)出電渦流傳感器的電渦流效應(yīng)。從金屬探測器的結(jié)構(gòu)來說明圖4-1電渦流傳感器工作原理。二、等效阻抗分析圖4-1中的電感線圈稱為電渦流線圈。分析它的等效電路：一個電阻R和一個電感L串聯(lián)的回

21、路。電渦流線圈受電渦流影響時的等效阻抗Z的函數(shù)表達式（分析其實際價值）Z=R+jL=f（i1、f、m、s、r、x） （4-1）結(jié)論：電渦流線圈的阻抗與m、s、r、x之間的關(guān)系均是非線性關(guān)系，解決方法：必須由微機進行線性化糾正。第二節(jié) 電渦流傳感器結(jié)構(gòu)及特性 一、電渦流探頭結(jié)構(gòu)（實物演示）電渦流傳感器的傳感元件是一只線圈，俗稱為電渦流探頭。線圈結(jié)構(gòu)：用多股較細的絞扭漆包線（能提高Q值）繞制而成，置于探頭的端部，外部用聚四氟乙烯等高品質(zhì)因數(shù)塑料密封，（圖4-2）。CZF-1系列電渦流探頭的性能： 表4-1 CZF-1系列傳感器的性能 型號線性范圍/mm線圈外徑/mm分

22、辨力/mm線性誤差（%）使用溫度/°CCZF1-1000 1000 f7 1 <3 -15+80 CZF1-30003000 f153<3 -15+80CZF1-50005000f28 5 <3 -15+80提問：請同學(xué)由上表分析得出結(jié)論：探頭的直徑越大，測量范圍就越大，但分辨力就越差，靈敏度也降低。二、被測體材料、形狀和大小對靈敏度的影響線圈阻抗變化與哪些因素有關(guān)：金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率等。第三節(jié) 測量轉(zhuǎn)換電路（簡單介紹調(diào)幅式和調(diào)頻式測量轉(zhuǎn)換電路。）一、調(diào)幅式電路調(diào)幅式：以輸出高頻信號的幅度來反映電渦流探頭與被測金屬導(dǎo)體之間的關(guān)系。圖4-3：高頻調(diào)幅式電路的原理

23、框圖。調(diào)幅式缺點：電壓放大器的放大倍數(shù)的漂移會影響測量精度，必須采取各種溫度補償措施。二、調(diào)頻式電路 聯(lián)系收音機，說明所謂調(diào)頻式就是將探頭線圈的電感量L與微調(diào)電容C0構(gòu)成LC振蕩器，以振蕩器的頻率f作為輸出量。（復(fù)習(xí)并聯(lián)諧振回路的諧振頻率公式分析)圖4-5：調(diào)頻式測量轉(zhuǎn)換電路原理框圖,圖4-6：用調(diào)頻式測量銅板與電渦流探頭間距x時的特性曲線（說明什么）。第四節(jié) 電渦流傳感器的應(yīng)用一、位移的測量介紹某些旋轉(zhuǎn)機械的軸向位移測量。利用電渦流原理還可以測量諸如汽輪機主軸的軸向位移、電動機軸向竄動、磨床換向閥、先導(dǎo)閥的位移和金屬試件的熱膨脹系數(shù)等。圖4-7：軸向位移的監(jiān)測二、振動的測量電渦流式傳感器可以

24、無接觸地測量各種振動的振幅、頻譜分布等參數(shù)。介紹：在汽輪機、空氣壓縮機中用電渦流式傳感器來監(jiān)控主軸的徑向、軸向振動，測量發(fā)動機渦流葉片的振幅等方法。圖4-8：振幅測量（演示）三、轉(zhuǎn)速測量 動畫演示、計算：轉(zhuǎn)軸上開z個槽(或齒)，頻率計的讀數(shù)為f（單位為Hz），轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速n（單位為r/min）的計算公式。四、鍍層厚度測量 用電渦流傳感器測量塑料表面金屬鍍層的厚度，以及印刷線路板銅箔的厚度等。五、電渦流式通道安全檢查門（舉例：安檢門）出/入口檢測系統(tǒng)，可有效地探測出槍支、匕首等金屬武器及其它大件金屬物品。分析：機場、海關(guān)、錢幣廠、監(jiān)獄等重要場所的門禁。六、電渦流表面探傷 利用電渦流傳感器檢查金屬表

25、面（已涂防銹漆）的裂紋以及焊接處的缺陷等。第五節(jié) 接近開關(guān)簡介接近開關(guān)定義：它能在一定的距離（幾毫米至幾十毫米）內(nèi)檢測有無物體靠近。接近開關(guān)的核心部分是“感辨頭”，它必須對正在接近的物體有很高的感辨能力一、常用的接近開關(guān)分類（實物介紹） 1）自感式、差動變壓器式 它們只對導(dǎo)磁物體起作用；2）電渦流式（俗稱電感接近開關(guān)） 它只對導(dǎo)電良好的金屬起作用；3）電容式 它對接地的金屬或地電位的導(dǎo)電物體起作用，對非地電位的導(dǎo)電物體靈敏度稍差（將在下一章介紹）；4）磁性干簧開關(guān)（也叫干簧管） 它只對磁性較強的物體起作用（將在第十四章介紹）；5）霍爾式 它只對磁性物體起作用（將在第八章介紹）。二、接近開關(guān)的特

26、點非接觸檢測，不影響被測物的運行工況；不產(chǎn)生機械磨損和疲勞損傷，工作壽命長；響應(yīng)快，一般響應(yīng)時間可達幾毫秒或十幾毫秒；采用全密封結(jié)構(gòu)，防潮、防塵性能較好，工作可靠性強；無觸點、無火花、無噪聲，所以適用于要求防爆的場合（防爆型）；輸出信號大，易于與計算機或可編程控制器（PLC）等接口；體積小，安裝、調(diào)整方便。它的缺點是觸點容量較小，輸出短路時易燒毀。三.接近開關(guān)的主要特性1額定動作距離（用卡尺測量實際距離） 2.工作距離 3.動作滯差 4.重復(fù)定位精度（重復(fù)性） 5.動作頻率作業(yè)：P75：2、6、7；課堂討論：5、8第五章 電容式傳感器Ø 教學(xué)要求1掌握各種電容式傳感器的結(jié)構(gòu)、工作原理

27、和特性。2了解幾種常用氣體、液體、固體介質(zhì)的相對介電常數(shù)。3熟悉電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路。熟悉電容式傳感器的應(yīng)用。4熟悉電容式傳感器的應(yīng)用。5了解壓力和流量的測量。Ø 教學(xué)手段 多媒體課件、實物演示Ø 教學(xué)課時 3學(xué)時Ø 教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié) 電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式（演示）電容式傳感器的工作原理說明：圖5-1所示的平板電容器來說明（用電容表測量）。結(jié)論：電容量與介電常數(shù)、面積成正比（舉收音機調(diào)諧電臺的可變電容器為例），與極距成反比。 一、變面積式變面積式電容傳感器的輸出特性是線性的，靈敏度是常數(shù)。變面積式電容傳感器的其他形式。這一類傳感器用途：檢測直線位移

28、、角位移、尺寸等參量。二、變極距式 圖5-3：變極距式電容傳感器：可用微機來計算修正。為了提高傳感器的靈敏度，減小非線性，常常把傳感器做成差動形式。圖5-4：差動變極距式電容傳感器的示意圖。三、變介電常數(shù)式表5-1列出了幾種常用氣體、液體、固體介質(zhì)的相對介電常數(shù)。表5-1 幾種介質(zhì)的相對介電常數(shù) 介質(zhì)名稱相對介電常數(shù)er 介質(zhì)名稱相對介電常數(shù)er 真空 1 玻璃釉 35 空氣略大于1 SiO2 38 其他氣體11.2 云母58 變壓器油 24 干的紙24 硅油23.5 干的谷物 35 聚丙烯22.2 環(huán)氧樹脂310 聚苯乙烯 2.42.6 高頻陶瓷 10160聚四氟乙烯 2.0 低頻

29、陶瓷、壓電陶瓷100010000聚偏二氟乙烯  35  純凈的水  80  討論：從上表可以看出幾個問題？圖5-5是變介電常數(shù)式電容傳感器的原理圖。第二節(jié) 電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路一、橋式電路（與應(yīng)變電橋比較）電容C1、C2、C3、Cx構(gòu)成電橋的四臂，Cx為電容傳感器，介紹交流電橋平衡條件。二、調(diào)頻電路（與電渦流調(diào)頻電路比較）介紹電路特點：將電容式傳感器作為LC振蕩器諧振回路的一部分，或作為晶體振蕩器中的石英晶體的負(fù)載電容。圖5-8為LC振蕩器調(diào)頻電路框圖。復(fù)習(xí)電子學(xué)中的調(diào)頻振蕩器的頻率公式，分析式中的參數(shù)： L0和C哪個固定？哪個是變量？與電渦流電路

30、的區(qū)別？第三節(jié) 電容式傳感器的應(yīng)用電容器的容量受三個因素影響：極距x、相對面積A和極間介電常數(shù)e 。一、電容測厚儀（演示）電容測厚儀可以用來測量金屬帶材在軋制過程中的厚度，分析工作原理：圖5-9所示。二、電容加速度傳感器（演示）介紹某公司生產(chǎn)的電容式加速度傳感器，它的體積、封裝、外形等。三、濕敏電容（演示）分析濕敏電容的原理，與濕敏電阻的區(qū)別：具有很大吸濕性的絕緣材料作為電容傳感器的介質(zhì)，在其兩側(cè)面鍍上多孔性電極的作用。 目前，成品濕敏電容主要使用以下兩種吸濕性介質(zhì)：多孔性氧化鋁、高分子吸濕膜。四、電容式油量表分析：圖5-16為電容式油量，用途：測量油箱中的油位（討論傾斜有無影響）。五、電容式

31、接近開關(guān)（演示在水杯外壁測量水杯中的水位） 1.結(jié)構(gòu) 電容式接近開關(guān)的核心是以電容極板作為檢測端的電容器2.工作原理 分析：圖5-18（調(diào)幅式測量轉(zhuǎn)換電路）。組成：LC高頻振蕩電路、檢波器、直流電壓放大器等。3.電容式接近開關(guān)特性（演示）當(dāng)被測物是導(dǎo)電物體時，LC回路很容易停振，所以靈敏度最高。討論電容式接近開關(guān)使用注意事項：必須遠離金屬物體。即使是絕緣體對它仍有一定的影響。它對高頻電場也十分敏感，因此兩只電容式接近開關(guān)也不能靠得太近，以免相互影響。 4.電容式接近開關(guān)的使用 圖5-20：利用電容式接近開關(guān)測量谷物高度（物位）（動畫演示以及實物演示）。第四節(jié) 壓力和流量的測量（簡介壓力的基本概

32、念）復(fù)習(xí)：物理學(xué)中的“壓強”在檢測領(lǐng)域和工業(yè)中稱為“壓力”，用p表示。它等于垂直作用于一定面積A上的力（稱為壓向力）除以面積A，即p= /A。壓力的國際單位為“帕斯卡”，簡稱“帕”。討論：絕對壓力、相對壓力、表壓的區(qū)別，用3只不同的表演示。作業(yè)：P93：2、5；課堂討論：3、6。第六章 壓電式傳感器Ø 教學(xué)要求1掌握壓電效應(yīng)的基本概念。2熟悉壓電材料的分類及特性。3了解壓電元件的等效電路。4熟悉壓電傳感器的應(yīng)用。 5掌握振動的基本概念和測振傳感器分類6熟悉壓電式振動加速度傳感器的結(jié)構(gòu)和性能指標(biāo)7了解振動的頻譜分析Ø 教學(xué)手段 多媒體課件、實物演示Ø 教學(xué)課時 3學(xué)

33、時Ø 教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié) 壓電式傳感器的工作原理一、壓電效應(yīng)（舉敦煌鳴沙山的例子）在晶體的彈性限度內(nèi)，壓電材料受力后，其表面產(chǎn)生的電荷Q與所施加的力F成正比，公式的實際應(yīng)用的意義： Q=dFx （6-1）式中 d 的意義：壓電常數(shù)。圖 6-1 ：壓電效應(yīng)的示意圖（動畫）。二、壓電材料的分類及特性壓電式傳感器中的壓電元件材料分類：一類是壓電晶體（單晶體）；另一類是經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷（多晶體）；第三類是高分子壓電材料。（一）石英晶體石英晶體特點：性能非常穩(wěn)定（討論石英手表）、自振頻率高、動態(tài)響應(yīng)好、機械強度高、絕緣性能好、遲滯小、重復(fù)性好、線性范圍寬等。（二）壓電陶瓷壓電陶瓷是人工制造

34、的多晶壓電材料，它由無數(shù)細微的電疇組成。常用的壓電陶瓷材料主要有以下幾種：（觀看實物）1.鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT） 2. 非鉛系壓電陶瓷（三）高分子壓電材料： 高分子壓電材料是一種柔軟的壓電材料?？筛鶕?jù)需要制成壓電薄膜或壓電電纜套管（實物）等形狀。經(jīng)極化處理后就顯現(xiàn)出電壓特性。討論特點：不易破碎，具有防水性，可以大量連續(xù)拉制。討論使用場合：在一些不要求測量精度的場合，例如水聲測量，防盜、振動測量等領(lǐng)域中獲得應(yīng)用。第二節(jié) 壓電式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路一、壓電元件的等效電路（了解） 壓電元件在承受沿敏感軸方向的外力作用時，就產(chǎn)生電荷，因此它相當(dāng)于一個電荷發(fā)生器，當(dāng)壓電元件表面聚集電荷時，它又相

35、當(dāng)于一個以壓電材料為介質(zhì)的電容器，兩電極板間的電容為Ca。分析;圖6-2 壓電元件等效電路.二、電荷放大器壓電式傳感器輸出信號的前置放大器分類:電壓前置放大器和電荷放大器兩種形式。 便攜式測振儀（內(nèi)部包括電荷放大器）的外形:圖6-5（實物）。電荷放大器的輸出電壓分析。第三節(jié) 壓電傳感器的應(yīng)用石英晶體用途：精密測量，多作為實驗室基準(zhǔn)傳感器；壓電陶瓷用途：靈敏度較高，機械強度稍低，多用作測力和振動；高分子壓電材料用途：定性測量。一、高分子壓電材料的應(yīng)用 1.玻璃打碎報警裝置（演示）玻璃破碎時的振動應(yīng)用：將高分子壓電薄膜粘貼在玻璃上，可以感受到這一振動，并將電壓信號傳送給集中報警系統(tǒng)。圖6-6：深圳

36、精星電子公司生產(chǎn)的高分子壓電薄膜振動感應(yīng)片示意圖。2壓電式周界報警系統(tǒng) （線控報警系統(tǒng)）警戒區(qū)域的討論：當(dāng)入侵者進入防范區(qū)之內(nèi)時，系統(tǒng)就會發(fā)出報警信號。3.交通監(jiān)測 將高分子壓電電纜埋在公路上，可以判定車速、載荷分布、車型等。圖6-8：三軸重載卡車載荷分布圖。（多媒體演示，計算車速，討論如何用于判斷汽車超載？）二、壓電陶瓷傳感器的應(yīng)用1.壓電式動態(tài)力傳感器 壓電式單向動態(tài)力傳感器的測力范圍：一片直徑為18mm、厚度為7mm的壓電晶片可承受5kN的力，固有振動頻率可達數(shù)十千赫茲。2.單向動態(tài)力傳感器的應(yīng)用（實物） 切削過程中，車刀在切削力的作用下，上下劇烈顫動，將脈動力傳遞給單向動態(tài)力傳感器。傳

37、感器的電荷變化量由電荷放大器轉(zhuǎn)換成電壓，再用記錄儀記錄下切削力的變化量。 第四節(jié) 振動測量及頻譜分析一、振動的基本概念 振動的概念：物體圍繞平衡位置作往復(fù)運動。振動分類：從頻率范圍來分，有高頻振動、低頻振動和超低頻振動等。二、測振傳感器分類測振用的傳感器分類：有接觸式和非接觸式之分。接觸式中又有磁電式、電感式、壓電式等。非接觸式中又有電渦流式、電容式、霍爾式、光電式等。三、壓電式振動加速度傳感器的結(jié)構(gòu)（實物）演示傳感器與被測振動加速度的機件的安裝：緊固在一起后，傳感器受機械運動的振動加速度作用，壓電晶片受到質(zhì)量塊慣性引起的壓力，其方向與振動加速度方向相反，大小由F=ma決定。四、壓電

38、振動加速度傳感器的性能指標(biāo)（討論不同用途如何選用不同指標(biāo)）1.靈敏度K 靈敏度并不是越高越好。靈敏度低的傳感器可用于動態(tài)范圍很寬的振動測量2.頻率范圍 大多數(shù)壓電加速度傳感器的頻率范圍為0.1Hz至10kHz。3.動態(tài)范圍 常用的測量范圍為0.1100g。五、壓電加速度傳感器的安裝及使用（演示）1用于長期監(jiān)測振動機械的壓電加速度傳感器應(yīng)采用雙頭螺栓牢固地固定在監(jiān)視點上2短時間監(jiān)測低頻微弱振動時，可用磁鐵將鋼質(zhì)傳感器底座吸附在監(jiān)測量3測量更微弱的振動時，可以用環(huán)氧樹脂或瞬干膠將傳感器牢牢地膠于監(jiān)測點上4在對許多測試點進行定期巡檢時，也可采用手持探針式加速度傳感器。六、壓電振動加速度傳感器在汽車中

39、的應(yīng)用介紹壓電振動傳感器在汽油發(fā)動機點火時間控制中的作用。七、振動的頻譜分析1.時域圖形 使用示波器看：振動加速度的波形圖（在故障引起的振動中，許多不同頻率分量的相位不停地變化，它們的合成波形基于上述原因而變得雜亂無章，似乎毫無規(guī)律）。2.頻域圖形（使用頻譜儀看）：將時域圖經(jīng)過快速傅里葉變換（FFT），在計算機顯示器上顯示出頻域波形：橫坐標(biāo)為頻率f，縱坐標(biāo)是加速度，也可以是振幅或功率等。3.依靠頻譜分析法進行故障診斷（演示）作業(yè)：P108：2、3、5；課堂討論：4。第十章 光電傳感器Ø 教學(xué)要求1了解光電效應(yīng)的分類。2熟悉光電元件的結(jié)構(gòu)和工作原理及特性。3熟悉光電元件的基本應(yīng)用電路。

40、4掌握光電傳感器的應(yīng)用。5掌握光電開關(guān)的結(jié)構(gòu)和分類。Ø 教學(xué)手段 多媒體課件、多種光電教具演示Ø 教學(xué)課時 4學(xué)時Ø 教學(xué)內(nèi)容本章簡單介紹光電效應(yīng)、光電元件的結(jié)構(gòu)和工作原理及特性，著重介紹光電傳感器的各種應(yīng)用。第一節(jié) 光電效應(yīng)及光電元件光電效應(yīng)的分類： 1）在光線的作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，基于外光電效應(yīng)的光電元件有光電管、光電倍增管、光電攝像管等。 2）在光線的作用下能使物體的電阻率改變的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)，基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管及光敏晶閘管等。 3）在光線的作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏

41、特效應(yīng)，基于光生伏特效應(yīng)的光電元件有光電池等。（討論3類效應(yīng)的特點和原理有何不同） 一、基于外光電效應(yīng)的光電元件電子逸出金屬表面的速度v可由能量守恒定律確定mv2=hfW （10-1）（物理意義） 二、基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電元件 （一）光敏電阻 1工作原理光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。2.光敏電阻的特性和參數(shù)（1） 暗電阻（2） 光電特性（3） 響應(yīng)時間3關(guān)于照度（舉例說明教室和戶外的照度）（二）光敏二極管、光敏三極管（實物接數(shù)字萬用表，測光）1光敏二極管結(jié)構(gòu)及工作原理討論光敏二極管結(jié)構(gòu)與一般二極管不同之處：將光敏二極管的PN結(jié)設(shè)置在透明管殼頂部的正下方，可以直接受到光的照射（為什么？）。目前還研制出幾種新型的光敏二極管，它們都具有優(yōu)異的特性。（1）PIN光敏二極管 （2）APD光敏二極管（雪崩光敏二極管 2光敏三極管結(jié)構(gòu)及工作原理及結(jié)構(gòu)（討論與普通三極管的異同點）光敏三極管有兩個PN結(jié)。有電流增益，光照射在集電區(qū)。（三）光敏晶體管的基本特性1 光譜特性表10-1 幾種光敏材料的光譜峰值波長材料名稱GaAsPGaAsSiHgCdTeGeGaInAsPAlGaSbG