《傳感器與檢測技術(shù)》 教案全套（張佑春）第1-11章 緒論- 現(xiàn)代傳感器與虛擬儀器技術(shù)

《傳感器與檢測技術(shù)》

授課教案課程性質(zhì)：班級名稱：學(xué)生人數(shù)：授課教師：課題：1.1檢測技術(shù)概述課時安排：2授課類型：理論重難點(diǎn)重點(diǎn)檢測與測量的基本知識難點(diǎn)測量誤差的分類和處理教學(xué)目的和要求1.了解檢測系統(tǒng)的組成和檢測方法的分類；2.掌握誤差定義、誤差分類和誤差的處理方法；3．熟悉現(xiàn)代檢測與測量的基本知識。采用教學(xué)方法和實(shí)施步驟講授、課堂討論、分析教具：QSCGQ-ZX型系列傳感器與檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺教學(xué)內(nèi)容1.1檢測技術(shù)概述1.1.1檢測技術(shù)基礎(chǔ)檢測，即檢驗(yàn)和測試生產(chǎn)過程中的物理量。檢測的任務(wù)，其一是對成品或半成品進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)和測量，以檢驗(yàn)其是否達(dá)到了成品的規(guī)格和要求，即是否合格；其二是隨時監(jiān)測生產(chǎn)過程中各種參量的大小及變化等情況，以達(dá)到監(jiān)督和控制整個生產(chǎn)過程的目的。檢測技術(shù)，是人們?yōu)榱藢Ρ粶y對象所包含的信息進(jìn)行定性檢查和定量測量所采取的一系列技術(shù)措施，是利用各種物理化學(xué)效應(yīng)，選擇合適的方法和裝置，將生產(chǎn)、科研、生活中的有關(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，它是產(chǎn)品檢驗(yàn)和質(zhì)量控制的重要手段。1.1.2檢測系統(tǒng)的組成檢測工作的全過程一般包括：信號采集、信號處理、信號顯示、信號輸出等。一個完整的檢測系統(tǒng)或裝置通常是由傳感器、信號處理電路和輸出環(huán)節(jié)組成，輸出環(huán)節(jié)包括顯示和打印記錄裝置、數(shù)據(jù)處理裝置和控制裝置等。檢測系統(tǒng)可以采用如圖1-1的方式表示。圖1-1檢測系統(tǒng)的組成框圖1.1.3測量方法分類1．直接測量、間接測量與組合測量2．偏差法、零位法、微差法3．開環(huán)測量與閉環(huán)測量4．等精度測量和非等精度測量5．靜態(tài)測量和動態(tài)測量6．接觸測量和非接觸測量1.1.4測量誤差不同場合的測量，對其結(jié)果的可靠性和精度要求也不相同，因此，測量的準(zhǔn)確程度要兼顧技術(shù)與經(jīng)濟(jì)。1．測量誤差的基本概念測量誤差是指測量結(jié)果與其真值之間的差異。真值，是指被測量的絕對準(zhǔn)確值，是一個理論概念，實(shí)際中永遠(yuǎn)無法測得。相對真值，是指利用高一等級精度的儀器或裝置得到的測量結(jié)果，作為近似真值，用來代替真值。2．測量誤差的表示方法（1）絕對誤差絕對誤差可以為正也可以為負(fù)，且是一個有單位的物理量。式中：Δx–測量誤差，x–測量結(jié)果，x0–真值。（2）相對誤差相對誤差為絕對誤差與真值之比，因測量值與真值接近，所以也可以使用絕對誤差與測量值的比值近似作為相對誤差γ0，一般用百分比來表示，即：（3）引用誤差為了方便計(jì)算和劃分精確度等級，通常采用引用誤差γf，它是從相對誤差演變過來的，定義為絕對誤差與測量儀表量程之比，用百分?jǐn)?shù)表示，即：儀表的精度等級是根據(jù)最大引用誤差γfmax來確定的，即：上式中的S即為精度等級，表示該儀表在規(guī)定的工作條件下使用時，最大引用誤差的數(shù)值。我國電工儀表的精度等級可分為：0.1、0.2、0.5，1.0，1.5，2.5，5.0共七級。數(shù)字越小表示精確度越高。3．測量誤差的來源（1）原理誤差原理誤差是指測量原理和方法本身存在缺陷和偏差。（2）裝置誤差裝置誤差是指測量儀器、設(shè)備、裝置導(dǎo)致的測量誤差。（3）環(huán)境誤差環(huán)境誤差是指測量環(huán)境、條件引起的測量誤差。（4）使用誤差使用誤差是指讀數(shù)誤差、違規(guī)操作等人為因素造成的誤差。4．測量誤差的分類根據(jù)測量數(shù)據(jù)中的誤差所呈現(xiàn)的規(guī)律及產(chǎn)生的原因，測量誤差可分為系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差三類。（1）系統(tǒng)誤差在同一測量條件下，對同一被測量進(jìn)行多次重復(fù)測量時，其絕對值和符號保持不變或按一定規(guī)律變化的誤差，稱為系統(tǒng)誤差。（2）隨機(jī)誤差在同一測量條件下，對同一被測量進(jìn)行多次重復(fù)測量時，其絕對值和符號以不可預(yù)測的方式變化的誤差，稱為隨機(jī)誤差。（3）粗大誤差超出在規(guī)定條件下預(yù)期的誤差稱為粗大誤差。數(shù)據(jù)處理時，含有粗大誤差的測量值稱為壞值，可直接剔除。作業(yè)布置P161-1、1-2、1-3

課程性質(zhì)：班級名稱：學(xué)生人數(shù)：授課教師：課題：1.2傳感器技術(shù)概述課時安排：2授課類型：理論重難點(diǎn)重點(diǎn)傳感器的定義、組成、種類、基體特性難點(diǎn)傳感器的特性參數(shù)教學(xué)目的和要求1.掌握傳感器的定義、組成和作用；2了解傳感器的分類；3掌握傳感器的基本特性；4掌握傳感器的命名和圖形符號；5了解傳感器的發(fā)展趨勢。采用教學(xué)方法和實(shí)施步驟講授、課堂討論、分析教具：QSCGQ-ZX型系列傳感器與檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺教學(xué)內(nèi)容第一章緒論1.2傳感器技術(shù)概述1.2.1傳感器的作用和地位人與機(jī)器的技能對應(yīng)關(guān)系如圖1-6所示。圖1-6人機(jī)系統(tǒng)的機(jī)能對應(yīng)關(guān)系人體系統(tǒng)靠五官從外界獲取信息，神經(jīng)系統(tǒng)將獲取到的信息傳遞給大腦，大腦分析信息并做出決策之后發(fā)出指令來指導(dǎo)人的行為活動；而計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，由傳感器從外界獲取信息，電路系統(tǒng)將傳感器獲得的信息傳送給控制器（計(jì)算機(jī)），由控制器分析、處理信息、決策、并發(fā)出指令來指導(dǎo)執(zhí)行機(jī)構(gòu)做出相應(yīng)的處理，從而達(dá)到自動控制的目的。由此可見，傳感器可以看作是人類五官的延伸，用來獲取信息，又稱為“機(jī)電五官”。1.2.2傳感器的定義、組成和分類1．傳感器的定義傳感器，即“感”受信號，并“傳”輸信號的裝置。根據(jù)我國的國家標(biāo)準(zhǔn)，傳感器的定義是：能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。由于目前信號傳輸和處理的裝置絕大多數(shù)都是電子設(shè)備，因此，這里的“可用輸出信號”指的就是電信號。簡單地說，傳感器就是把被測的非電量轉(zhuǎn)換成電量的一種裝置。2．傳感器的組成一般來說，傳感器是由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、測量電路和輔助電源四個部分組成的，如圖1-7所示。圖1-7傳感器的組成3．傳感器的分類（1）按照傳感器的輸入量（被測量）分類，可分為：溫度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、加速度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、濕度傳感器、氣體傳感器等。傳感器以被測物理量命名。（2）按照傳感器的工作原理分類，可分為：應(yīng)變式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、壓電式傳感器、熱電式傳感器、光電式傳感器、磁電式傳感器等。傳感器其以工作原理命名。（3）按照傳感器的輸出量分類，可分為：模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器。模擬傳感器的輸出量為模擬信號，數(shù)字傳感器的輸出量為數(shù)字信號。（4）按照傳感器轉(zhuǎn)換能量的情況分類，可分為：能量轉(zhuǎn)換型傳感器和能量控制型傳感器。1.2.3傳感器的命名和代號1．傳感器的命名傳感器的全稱應(yīng)由“主題詞+四級修飾語”組成，即：主題詞——傳感器一級修飾語——被測量。二級修飾語——轉(zhuǎn)換原理。三級修飾語——特征描述。四級修飾語——主要技術(shù)指標(biāo)。2．傳感器的代號一般情況下，傳感器的代號應(yīng)包括以下四部分：a—主稱(傳感器)，b—被測量，c—轉(zhuǎn)換原理，d—序號，如圖1-8所示。圖1-8傳感器產(chǎn)品代號的編制格式3．傳感器的圖形符號按GB/T14479—93《傳感器圖用圖形符號》規(guī)定，傳感器的圖形符號由符號要素正方形和等邊三角形組成，其中，正方形表示轉(zhuǎn)換器件，三角形表示敏感器件。如圖1-9所示，x表示被測量，*表示轉(zhuǎn)換原理。圖1-9傳感器的圖形符號1.2.4傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展趨勢1．傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域（1）航空航天領(lǐng)域（2）軍事技術(shù)領(lǐng)域（3）工業(yè)制造領(lǐng)域（4）農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域（5）醫(yī)學(xué)領(lǐng)域（6）民用領(lǐng)域（7）其它領(lǐng)域2．傳感器的發(fā)展趨勢（1）發(fā)現(xiàn)利用新現(xiàn)象、新效應(yīng)，拓展新的應(yīng)用領(lǐng)域（2）利用新材料開發(fā)新產(chǎn)品（3）傳感器的微型化（4）傳感器的多功能化（5）傳感器的智能化（6）傳感器的網(wǎng)絡(luò)化。1.2.5傳感器的特性傳感器的特性是指傳感器系統(tǒng)的輸出信號y(t)和輸入信號（被測量）x(t)之間的對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)傳感器的輸入信號為常量或變化極慢時，即被測量處于穩(wěn)定狀態(tài)，其輸入輸出的關(guān)系特性稱為靜態(tài)特性；當(dāng)輸入信號隨時間變化較快時，傳感器的響應(yīng)特性稱為動態(tài)特性。傳感器的靜態(tài)特性：1．測量范圍傳感器所能檢測到的最小輸入量與最大輸入量之間的范圍稱為傳感器的測量范圍。2．量程傳感器測量范圍的上限值與下限值的代數(shù)差，稱為量程。3．精度傳感器的精度是指測量結(jié)果的可靠程度，是測量中各類誤差的綜合反映。4．靈敏度靈敏度是指傳感器的輸出變化量與引起該輸出變化量的輸入變化量之比。一般情況下，靈敏度用字母K或S來表示：5．線性度傳感器的線性度是指傳感器輸出與輸入之間關(guān)系的線性程度，即輸出量與輸入量之間的關(guān)系曲線偏離理想直線的程度。在非線性誤差不太大的情況下，可采用一條直線（切線或割線）近似地代表實(shí)際曲線的一段，使傳感器的輸出輸入特性線性化。所采用的直線稱為擬合直線，實(shí)際特性曲線與擬合直線之間的最大偏差稱為傳感器的非線性誤差（或線性度），通常使用相對誤差γL來表示，即：式中：ΔLmax—最大非線性絕對誤差；yFS—滿量程輸出。6．分辨力和分辨率傳感器的分辨力是指在規(guī)定的測量范圍內(nèi)所能檢測出的被測量的最小變化量，即分辨能力，又稱為分辨率。7．重復(fù)性重復(fù)性是指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變化時，所得特性曲線間不一致的程度。8．遲滯傳感器的輸入量在正向（由小到大）和反向（由大到?。┬谐讨?，其輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象稱為遲滯特性。9．穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指傳感器在較長一段時間內(nèi)保持其性能參數(shù)的能力。10．漂移漂移是指在外界的干擾下，一定時間間隔內(nèi)，傳感器的輸出量發(fā)生與輸入量無關(guān)的或不需要的變化。零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移根據(jù)其產(chǎn)生的原因又可分為時間漂移（時漂）和溫度漂移（溫漂）。作業(yè)布置P171-4、1-5、1-6、1-7《傳感器與檢測技術(shù)》

授課教案課程性質(zhì)：班級名稱：學(xué)生人數(shù)：授課教師：課題：2.1電位器式傳感器課時安排：2授課類型：理論重難點(diǎn)重點(diǎn)電位器式傳感器的結(jié)構(gòu)、工作原理。難點(diǎn)電位器式傳感器的工作原理。教學(xué)目的和要求1.掌握電位器式傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理；2.了解電位器式傳感器的典型應(yīng)用。采用教學(xué)方法和實(shí)施步驟講授、課堂討論、分析教學(xué)內(nèi)容2.1電位器式傳感器電位器通常是由電阻體與轉(zhuǎn)動或滑動系統(tǒng)組成，具有三個引出端，靠一個動觸點(diǎn)在電阻體上的移動而改變其阻值，獲得不同的輸出電壓。作為傳感元件，它可以把位移輸入量轉(zhuǎn)換為與它成一定函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出。它除了用于線位移和角位移測量外，還廣泛應(yīng)用于測量壓力、加速度、液位等物理量。電位器式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，體積小，質(zhì)量輕，價格低廉，性能穩(wěn)定，對環(huán)境條件要求不高，輸出信號較大，并容易實(shí)現(xiàn)函數(shù)關(guān)系的轉(zhuǎn)換。但由于電阻體與電刷之間存在摩擦、且分辨率有限，故其測量精度一般不高、動態(tài)響應(yīng)較差，主要適于測量變化緩慢的信號。2.1.1電位器式傳感器的結(jié)構(gòu)電位器式傳感器一般由電阻體、骨架和可移動的電刷組成，如圖2-1所示。當(dāng)電刷沿電阻體移動時，在輸出端即獲得與位移量成一定關(guān)系的電阻值或電壓輸出。（a）線性電位器式傳感器（線位移）（b）非線性電位器式傳感器（角位移）圖2-1電位器式傳感器結(jié)構(gòu)2.1.2電位器式傳感器的工作原理如圖2-1（a），假定xm、Rm、Um分別表示電位器的全長、總的電阻、總的電壓；x、Rx、Ux分別表示電刷的位移量、位移量對應(yīng)的電阻、電壓，根據(jù)分壓原理可得：式中，Ku—電壓靈敏度，KR—電阻靈敏度。如圖2-1（b），對角位移式電位器來說，Uа與滑動臂的旋轉(zhuǎn)角度成正比，即：2.1.3電位器式傳感器的典型應(yīng)用1．電位器式壓力傳感器圖2-2電位器式壓力傳感器原理框圖圖2-3電位器式壓力傳感器（a）單圈彈簧管（b）多圈彈簧管（c）電位器式壓力傳感器實(shí)物圖圖2-4電位器式壓力傳感器電位器式位移傳感器1-測桿；2-滑線電阻；3-電刷；4-彈簧；5-滑塊；6-導(dǎo)軌；7-外殼；8-無感電阻。圖2-5電位器式位移傳感器作業(yè)布置

課程性質(zhì)：班級名稱：學(xué)生人數(shù)：授課教師：課題：2.2電阻應(yīng)變式傳感器課時安排：2授課類型：理論重難點(diǎn)重點(diǎn)應(yīng)變式電阻傳感器的工作原理、特性。難點(diǎn)應(yīng)變式電阻傳感器的工作原理。教學(xué)目的和要求1.掌握應(yīng)變式電阻傳感器的基本原理和類型；2.掌握應(yīng)變式電阻傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理、特性。采用教學(xué)方法和實(shí)施步驟講授、課堂討論、分析教具：QSCGQ-ZX型系列傳感器與檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺教學(xué)內(nèi)容2.2電阻應(yīng)變式傳感器2.2.1應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變，是指結(jié)構(gòu)尺寸的相對變化量，一般用ε表示，比如長度的相對變化量ΔL/L。應(yīng)變效應(yīng)，是指導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料受到外力作用時，將產(chǎn)生機(jī)械變形，從而導(dǎo)致其電阻值發(fā)生改變的現(xiàn)象。2.2.2金屬電阻應(yīng)變片1．金屬電阻應(yīng)變片的工作原理設(shè)金屬單絲的長度為L、截面積為A、半徑為r、電阻率為ρ，則它的電阻值R為：當(dāng)有拉力F沿軸向作用于金屬絲，L、A、ρ均發(fā)生變化：?L、?A、?ρ，如圖2圖2-6金屬單絲受到拉力時產(chǎn)生應(yīng)變的示意圖當(dāng)金屬絲受到拉力F作用時，其長度將伸長?L，橫截面積相應(yīng)減小?A，電阻率因其材料晶格發(fā)生變形等因素的影響而改變?ρ，從而引起電阻值的相對變化?R電阻應(yīng)變效應(yīng)的表達(dá)式：εx—金屬絲的縱向應(yīng)變，μ—電阻絲材料的泊松系數(shù)，又稱泊松比,它是一個常數(shù).單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化量，稱為電阻絲的應(yīng)變靈敏系數(shù)，用K表示。由上式可知，電阻絲的應(yīng)變靈敏系數(shù)受兩個因素的影響：一是因電阻絲的幾何尺寸產(chǎn)生應(yīng)變而引起的，即（1+2μ）項(xiàng)，往往稱之為幾何效應(yīng)；二是因受力后電阻絲的電阻率發(fā)生變化而引起的，即后面的一項(xiàng)，往往稱之為壓阻效應(yīng)。對于金屬材料而言，產(chǎn)生應(yīng)變時電阻值的相對變化量主要是由結(jié)構(gòu)尺寸的變化（長度L和面積A）引起的，電阻率的變化很小，可以忽略不計(jì)，因此有：上中Ks稱為金屬電阻絲的應(yīng)變靈敏系數(shù)，大多數(shù)金屬材料Ks的數(shù)值在1.6～3.6之間，如：康銅Ks＝2.0，鎳鉻合金，Ks＝2.1～2.3。（1+2μ）是常數(shù)，故金屬應(yīng)變片的輸出電阻值dR/R與應(yīng)變量εx之間的關(guān)系是線性的。2．金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)以金屬絲式應(yīng)變片為例進(jìn)行說明，如圖2-7所示，由金屬電阻材料制成的敏感柵粘貼在絕緣的基底上，敏感柵的兩端焊接有引出導(dǎo)線，敏感柵上面粘貼有覆蓋層。圖2-7金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)3．金屬電阻應(yīng)變片的類別（1）金屬絲式應(yīng)變片金屬絲式應(yīng)變片的敏感柵由電阻絲繞制而成，是使用最早的應(yīng)變片。這種應(yīng)變片由于其圓弧部份參與變形而會產(chǎn)生較大的橫向效應(yīng)，蠕變較大，且金屬絲易脫膠，有逐漸被箔式應(yīng)變片所取代的趨勢。但因其具有制造簡單、性能穩(wěn)定、價格便宜、易于粘貼等優(yōu)點(diǎn)，多用于應(yīng)變、應(yīng)力的大批量、一次性試驗(yàn)。（2）金屬箔式應(yīng)變片箔柵是金屬箔經(jīng)過光刻、腐蝕等工藝制成的很薄的金屬薄柵（一般厚度0.003～0.01mm）。箔的材料多為電阻率高、熱穩(wěn)定性好的銅鎳合金。箔式應(yīng)變片與片基的接觸面積大得多，散熱條件較好，相同截面下能通過較大電流；厚度薄，扁平狀箔柵有利于形變的傳遞；橫向效應(yīng)小，長時間測量時的蠕變較小，使用壽命長；一致性較好，適合于批量生產(chǎn)。（3）薄膜式應(yīng)變片薄膜式應(yīng)變片的敏感柵是由蒸鍍或?yàn)R射法沉積的金屬、合金薄膜制成的，其厚度一般在0.1μm以下。由于薄膜式應(yīng)變片與傳感器的彈性體之間只有一層超薄絕緣層（厚度僅為幾個納米），很容易通過彈性體散熱，因此允許通過比其他種類應(yīng)變片更大的電流，靈敏度高，工作溫度范圍廣，并可以獲得更高的輸出和更佳的穩(wěn)定性。目前只限于小型稱重傳感器。2.2.3半導(dǎo)體應(yīng)變片1．半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理半導(dǎo)體材料的電阻應(yīng)變效應(yīng)主要是基于壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體沿某一軸向施加壓力時，除了產(chǎn)生一定應(yīng)變外，材料的電阻率也要發(fā)生變化，從而導(dǎo)致阻值發(fā)生變化，稱為半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)。式中，E—半導(dǎo)體材料的彈性模數(shù)。（1+2μ）項(xiàng)是幾何形狀變化對電阻相對變化量的影響，其值約為1～2；后面一項(xiàng)即為壓阻效應(yīng)的影響，其值遠(yuǎn)大于前面一項(xiàng)，約為50～150。故可略去（1+2μ）項(xiàng)，因此半導(dǎo)體材料的靈敏度系數(shù)可表示為：半導(dǎo)體材料的應(yīng)變靈敏度系數(shù)遠(yuǎn)大于金屬材料的應(yīng)變度靈敏系數(shù)。由于πE不是常量，故半導(dǎo)體應(yīng)變片的應(yīng)變與輸出電阻值之間的關(guān)系是非線性的。2．半導(dǎo)體應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和類型（1）體型半導(dǎo)體應(yīng)變片早期的半導(dǎo)體應(yīng)變片采用機(jī)械加工、化學(xué)腐蝕等方法制成，稱為體型半導(dǎo)體應(yīng)變片。（2）外延型半導(dǎo)體應(yīng)變片這種應(yīng)變片是在多晶硅或藍(lán)寶石的襯底上外延一層單晶硅而制成的。它的優(yōu)點(diǎn)是取消了P-N結(jié)隔離，使工作溫度大為提高(可達(dá)300℃以上)。（3）擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片是將P型雜質(zhì)擴(kuò)散到一個高電阻N型硅基底上，形成一層極薄的P型導(dǎo)電層，然后用超聲波或熱壓焊法焊接引線而制成。（4）薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片是利用真空沉積技術(shù)將半導(dǎo)體材料沉積在帶有絕緣層的試件上或藍(lán)寶石上制成的。半導(dǎo)體應(yīng)變片的特點(diǎn)與金屬電阻應(yīng)變片相比，半導(dǎo)體應(yīng)變片最突出的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，機(jī)械滯后小、橫向效應(yīng)極小以及體積小。缺點(diǎn)是溫度穩(wěn)定性差、靈敏度離散程度大(由于晶向、雜質(zhì)等因素的影響)以及在較大應(yīng)變作用下非線性誤差大等。2.2.4電阻應(yīng)變片的主要特性和性能指標(biāo)1．電阻應(yīng)變片的特性（1）橫向效應(yīng)當(dāng)應(yīng)變片受到縱向的拉伸力時，敏感柵的直線段沿縱向產(chǎn)生拉伸的應(yīng)變εx，使其電阻值增大，而圓弧段則沿橫向產(chǎn)生壓縮的應(yīng)變εy，即產(chǎn)生反方向的應(yīng)變，引起負(fù)的電阻變化（電阻值減?。?，因而降低了應(yīng)變片的靈敏度。（2）溫度效應(yīng)當(dāng)環(huán)境溫度變化時，引起應(yīng)變片電阻值的相對變化，從而產(chǎn)生虛假應(yīng)變，對測量結(jié)果造成影響。（3）蠕變和零漂零漂：是指溫度保持恒定，試件不受載荷（即沒有機(jī)械應(yīng)變）的情況下，粘貼在試件上的應(yīng)變片的阻值隨時間變化的特性。蠕變：是指溫度保持恒定，試件在某一恒定機(jī)械應(yīng)變長時間作用下，粘貼在試件上的應(yīng)變片的阻值隨時間變化的特性。應(yīng)變片在工作時，蠕變和零漂是同時存在的。（4）機(jī)械滯后應(yīng)變片安裝在試件上，對于同一機(jī)械應(yīng)變量，加載和卸載過程的特性曲線并不重合，卸載時的指示應(yīng)變高于加載時的指示應(yīng)變，從而造成讀數(shù)不準(zhǔn)確，這種現(xiàn)象稱為機(jī)械滯后。2．電阻應(yīng)變片的性能指標(biāo)（1）應(yīng)變片的電阻值，是指應(yīng)變片在未經(jīng)安裝也不受外力情況下，于室溫下測得的電阻值。應(yīng)變片的標(biāo)稱電阻值一般有100Ω、120Ω、200Ω、350Ω、600Ω、1000Ω等，其中以120Ω最為常用。（2）允許電流，指應(yīng)變片不允許超過的最大電流。否則會引起應(yīng)變片靈敏度變化，零漂和蠕變增加，甚至燒毀。（3）絕緣電阻，引線與試件的絕緣電阻通常為50Ω~100MΩ。作業(yè)布置P352-1、2-2、2-3

課程性質(zhì)：班級名稱：學(xué)生人數(shù)：授課教師：課題：2.2電阻應(yīng)變式傳感器測量電路和典型應(yīng)用課時安排：2授課類型：理論重難點(diǎn)重點(diǎn)應(yīng)變式電阻傳感器的測量電路和典型應(yīng)用難點(diǎn)應(yīng)變式電阻傳感器的測量電路教學(xué)目的和要求1.掌握應(yīng)變式電阻傳感器的溫度補(bǔ)償電路；2.掌握應(yīng)變式電阻傳感器的測量電路；3.了解應(yīng)變式電阻傳感器的典型應(yīng)用。采用教學(xué)方法和實(shí)施步驟講授、課堂討論、分析教具：QSCGQ-ZX型系列傳感器與檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺教學(xué)內(nèi)容2.2.5應(yīng)變式傳感器的溫度誤差和補(bǔ)償1．溫度誤差粘貼在測試件上的應(yīng)變片，由于環(huán)境溫度的變化，會引起應(yīng)變片的電阻值隨之發(fā)生變化，稱為溫度誤差。2．溫度誤差的補(bǔ)償（1）自補(bǔ)償法通過選擇應(yīng)變片或使用特殊的應(yīng)變片，使溫度變化時應(yīng)變片的電阻值不隨溫度變化（溫度系數(shù)和線膨脹系數(shù)不同造成的誤差相互抵消），從而不產(chǎn)生溫度誤差。這種方法的缺點(diǎn)是：金屬絲材料較難選擇，往往某種材料的應(yīng)變片只能用于一種確定材料的測試件，使用局限性很大，一般只用于高溫測量。（2）線路補(bǔ)償法將兩個特性相同的應(yīng)變片，用同樣的方法分別粘貼在測試件上和同樣材質(zhì)的補(bǔ)償塊上，再將它們置于相同的溫度環(huán)境中，利用電橋電路的對稱性，將溫度產(chǎn)生的誤差抵消掉。如圖2-13所示，應(yīng)變片R1承受被測應(yīng)變，稱為工作應(yīng)變片；應(yīng)變片R2不承受應(yīng)變，稱為補(bǔ)償應(yīng)變片。圖2-13線路補(bǔ)償法2.2.6應(yīng)變式傳感器的測量電路測量電路的作用，是將電阻值的相對變化量ΔR/R轉(zhuǎn)換為電壓U或電流I輸出。常用的測量電路是電橋電路。一般情況下，電橋接成等臂電橋（即：R1=R2=R3=R4），電橋達(dá)到平衡時，輸出電壓Uo=0。任意一個橋臂上的電阻值發(fā)生變化時，電橋都會失去平衡，輸出不再為零。電橋的工作方式有：單臂電橋、雙臂電橋（半橋）和全橋三種，如圖2-15所示。圖2-15電橋的三種工作方式（1）單臂電橋單臂電橋是將一個應(yīng)變片接入電橋的一個橋臂，如圖2-15（a），這種方式得到的電壓靈敏度KU=Ui/4，且存在非線性誤差。（2）雙臂電橋雙臂電橋是安裝兩個工作應(yīng)變片，一個受拉，一個受壓，接入電橋相鄰兩個橋臂，稱為雙臂電橋（半橋）差動電路，如圖2-15（b）。電壓靈敏度為KU=Ui/2，是單臂時的兩倍，差動電橋輸出電壓Uo與ΔR/R成線性關(guān)系，沒有非線性誤差，且具有溫度補(bǔ)償作用。（3）全橋全橋是將電橋的四個臂接入四片應(yīng)變片，兩個受拉應(yīng)變，兩個受壓應(yīng)變，構(gòu)成差動全橋電路，注意，相鄰兩個臂應(yīng)變片的應(yīng)變符號相反，如圖2-15（c）。電壓靈敏度為KU=Ui，是單片時的4倍，沒有非線性誤差，同樣具有溫度補(bǔ)償作用。2.2.7應(yīng)變式傳感器的典型應(yīng)用1．金屬電阻應(yīng)變式力傳感器金屬電阻應(yīng)變式力傳感器，主要用作各種電子秤與測力儀表的測力元件。應(yīng)變式力傳感器的彈性敏感元件有多種類型，常用的有：等截面柱、懸臂梁、薄壁圓環(huán)等。（1）等截面柱等截面柱外形為柱狀，如圖2-17所示。圖2-17等截面柱應(yīng)用時，應(yīng)適當(dāng)選擇應(yīng)變片的數(shù)量，并將應(yīng)變片對稱地貼在圓柱表面的中間部分，再將應(yīng)變片接入測量電橋。等截面柱的特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單，可承受很大的載荷。等截面柱在外力作用下所產(chǎn)生的變形很小，一般用于測量較大的力。（2）懸臂梁懸臂梁是一種一端固定另一端自由的彈性敏感元件，它的截面一般為矩形。根據(jù)梁的截面，可分為等截面懸臂梁和等強(qiáng)度懸臂梁，如圖2-19所示。（a）等截面梁（b）等強(qiáng)度梁圖2-19懸臂梁采用等截面梁時，因受力作用各點(diǎn)所產(chǎn)生的應(yīng)變不等，越靠近根部應(yīng)變越大，因此應(yīng)將應(yīng)變片盡可能靠近根部粘貼。而采用等強(qiáng)度梁時，因受力作用各點(diǎn)所產(chǎn)生的應(yīng)變相等，因此應(yīng)變片的粘貼位置不受限制。為提高靈敏度和實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，往往采用四片相同的應(yīng)變片，兩片粘貼在上表面，兩片粘貼在下表面，都是沿軸向粘貼，再將四片應(yīng)變片接成差動全橋。（3）薄壁圓環(huán)圖2-21薄壁圓環(huán)環(huán)型金屬電阻應(yīng)變式力傳感器具有精度較高，穩(wěn)定性好，可拉壓兩用等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種大、中量程的測力和稱重，如：工業(yè)和碼頭用的吊斗電子稱。2．金屬電阻應(yīng)變式壓力傳感器金屬電阻應(yīng)變式壓力傳感器可測量氣、液體的壓力等。所采用的彈性敏感元件有：彈簧管、波紋管、膜片、膜盒、薄壁圓筒等，如圖2-23。（a）彈簧管（b）薄壁圓筒（c）膜片（d）波紋管圖2-23壓力傳感器彈性敏感元件3．金屬電阻應(yīng)變式加速度傳感器圖2-24電阻應(yīng)變式加速度傳感器作業(yè)布置P352-4、2-5、2-6

課程性質(zhì)：班級名稱：學(xué)生人數(shù)：授課教師：課題：實(shí)驗(yàn)一金屬箔式應(yīng)變片性能測試——單臂電橋型課時安排：2授課類型：實(shí)訓(xùn)課重難點(diǎn)重點(diǎn)金屬箔式應(yīng)變片、單臂電橋的工作原理和工作情況。難點(diǎn)金屬箔式應(yīng)變片、單臂電橋的工作原理。教學(xué)目的和要求了解金屬箔式應(yīng)變片、單臂電橋的工作原理和工作情況。采用教學(xué)方法和實(shí)施步驟講授、課堂討論、分析教具：QSCGQ-ZX型系列傳感器與檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺教學(xué)內(nèi)容一、實(shí)驗(yàn)原理電阻絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時，其電阻值發(fā)生變化，這就是電阻應(yīng)變效應(yīng)，描述電阻應(yīng)變效應(yīng)的關(guān)系式為：式中ΔR/R為電阻絲阻值的相對變化，K為應(yīng)變靈敏系數(shù)，ε=Δl/l為電阻絲長度相對變化，即應(yīng)變，金屬箔式應(yīng)變片就是通過光刻、腐蝕等工藝制成的應(yīng)變敏感元件，通過它轉(zhuǎn)換被測部位的受力狀態(tài)變化，電橋的作用是完成電阻到電壓的比例變化，電橋的輸出電壓反映了相應(yīng)的受力狀態(tài)。單臂電橋輸出電壓UO1=EKε/4。二、實(shí)驗(yàn)器材直流穩(wěn)壓電源、電橋、差動變換器Ⅰ、應(yīng)變片傳感器、砝碼、電壓表、電源。直流穩(wěn)壓電源±5V，電壓表20V擋，差動變換器Ⅰ增益最大。應(yīng)變片引出線應(yīng)變片引出線固定墊圈固定螺絲限程螺絲模塊彈性體托盤加熱絲應(yīng)變片圖S1.1應(yīng)變式傳感器安裝示意圖三、實(shí)驗(yàn)步驟1．了解所需單元、部件在實(shí)驗(yàn)儀上的所在位置。2．將差動變換器I調(diào)零：用導(dǎo)線將差動變換器I的Uin1、Uin2、地短接。將差動變換器I的輸出端Uout與電壓表的輸入端正（+）相連，接地端與負(fù)（-）相連；開啟電源，調(diào)節(jié)差動變換器I的增益到接近最大位置，調(diào)整差動變換器I的調(diào)零旋鈕使電壓表顯示為零，關(guān)閉電源。根據(jù)圖S1.2接線，R1=R2=R3=R4=350Ω。R4是應(yīng)變片；將穩(wěn)壓電源調(diào)至±5V，電壓表20V檔。開啟電源，緩慢調(diào)節(jié)電橋平衡網(wǎng)絡(luò)中的RW1，使電壓表顯示為零，然后將電壓表分別置于2V、200mV擋，再調(diào)電橋RW1（慢慢地調(diào)），使電壓表顯示為零(單臂單橋電路由于單個傳感器與電阻結(jié)合，受外部干擾實(shí)驗(yàn)調(diào)零不易，需要通電運(yùn)行2分鐘之后方可穩(wěn)定）。圖S1.2單臂電橋型接線參考圖3．用手輕輕的按一下應(yīng)變片傳感器上的托盤，松開手后觀察差動變換器I輸出是否為0，如果不是，繼續(xù)調(diào)節(jié)RW1，使輸出為0。反復(fù)操作這個步驟2~3遍即可。將砝碼逐個輕輕的放在應(yīng)變片傳感器的托盤上，放置砝碼的時候不能碰到導(dǎo)線以及實(shí)驗(yàn)儀的其他部位，每放一個砝碼記下一個數(shù)據(jù)。4．Δm＝20g記一個數(shù)值填入下表：重量（g）020406080100120140160180200電壓（mv）根據(jù)所得結(jié)果計(jì)算靈敏度S＝ΔV／Δm（式中Δm為20g的稱重變化，ΔV為相應(yīng)電壓表顯示的電壓相應(yīng)變化）。5．實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源，所有旋鈕轉(zhuǎn)到初始位置。作業(yè)布置整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

課程性質(zhì)：班級名稱：學(xué)生人數(shù)：授課教師：課題：實(shí)驗(yàn)二金屬箔式應(yīng)變片：單臂、半橋、全橋比較課時安排：2授課類型：實(shí)訓(xùn)課重難點(diǎn)重點(diǎn)單臂、半橋、全橋的性能及相互之間關(guān)系。難點(diǎn)單臂、半橋、全橋的性能及相互之間關(guān)系。教學(xué)目的和要求驗(yàn)證單臂、半橋、全橋的性能及相互之間關(guān)系。采用教學(xué)方法和實(shí)施步驟講授、課堂討論、分析教具：QSCGQ-ZX型系列傳感器與檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺教學(xué)內(nèi)容一、實(shí)驗(yàn)原理全橋測量電路中，將受力性質(zhì)相同的兩應(yīng)變片接入電橋?qū)叄煌慕尤豚忂?，?dāng)應(yīng)變片初始阻值：R1=R2=R3=R4，其變化值ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4時，其橋路輸出電壓Uo3=EKε。其輸出靈敏度比半橋又提高了一倍，非線性誤差和溫度誤差均得到改善。二、實(shí)驗(yàn)器材直流穩(wěn)壓電源、差動變換器I、電橋、電壓表、砝碼、應(yīng)變片傳感器、電源。直流穩(wěn)壓電源±5V，電壓表2V擋，差動變換器I增益最大。三、實(shí)驗(yàn)步驟1．按實(shí)驗(yàn)一的方法將差動變換器I調(diào)零后，關(guān)閉電源。2．按圖S2.1接線，圖中R4接應(yīng)變片。圖S2.1單臂電橋型接線參考圖3．按實(shí)驗(yàn)一的方法進(jìn)行調(diào)節(jié)，使電壓表示數(shù)顯示為零后，在傳感器托盤上放上一只20g的砝碼，記下此時的電壓數(shù)值，然后每增加一只砝碼記下一個數(shù)值，并將這些數(shù)值填入下表。根據(jù)所得結(jié)果計(jì)算系統(tǒng)靈敏度S=Δv／Δm，并作出v-m關(guān)系曲線，ΔV為電壓變化率，Δm為相應(yīng)的重量變化率。重量（g）020406080100120140160180200電壓（mv）4．按圖S2.2接線，保持放大器增益不變，將R3固定電阻換為與R4工作狀態(tài)相反的另一應(yīng)變片即取二片受力方向不同應(yīng)變片，形成半橋，重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟3過程同樣測得讀數(shù)，填入下表：重量（g）020406080100120140160180200電壓（mv）圖S2.2半橋接線參考圖5．按圖2.3接線，保持差動放大器增益不變，將R1，R2兩個固定電阻換成另兩片受力應(yīng)變片，組橋時只要掌握對臂應(yīng)變片的受力方向相同，鄰臂應(yīng)變片的受力方向相反即可，否則相互抵消沒有輸出，重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟3過程將讀出數(shù)據(jù)填入下表：重量（g）020406080100120140160180200電壓（mv）圖S2.3全橋接線參考圖6．在同一坐標(biāo)紙上描出v-m曲線，比較三種接法的靈敏度。作業(yè)布置整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

課程性質(zhì)：班級名稱：學(xué)生人數(shù)：授課教師：課題：實(shí)驗(yàn)三應(yīng)變片的溫度效應(yīng)課時安排：2授課類型：實(shí)訓(xùn)課重難點(diǎn)重點(diǎn)溫度對應(yīng)變測試系統(tǒng)的影響難點(diǎn)溫度對應(yīng)變測試系統(tǒng)的影響教學(xué)目的和要求了解溫度對應(yīng)變測試系統(tǒng)的影響。采用教學(xué)方法和實(shí)施步驟講授、課堂討論、分析教具：QSCGQ-ZX型系列傳感器與檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺教學(xué)內(nèi)容一、實(shí)驗(yàn)原理電阻應(yīng)變片的溫度影響，主要來自兩個方面。敏感柵絲的溫度系數(shù)，應(yīng)變柵線膨脹系數(shù)與彈性體（或被測試件）的線膨脹系數(shù)不一致會產(chǎn)生附加應(yīng)變。因此當(dāng)溫度變化時，在被測體受力狀態(tài)不變時，輸出會有變化。二、實(shí)驗(yàn)器材可調(diào)直流穩(wěn)壓電源、電橋、差動變換器I、電壓表、加熱器、雙孔懸臂梁稱重傳感器、應(yīng)變片、砝碼、水銀溫度計(jì)（自備）、電源。電源關(guān)閉、直流穩(wěn)壓電源±5V檔，電壓表置20V檔，差動變換器I增益旋鈕置最大。三、實(shí)驗(yàn)步驟1．了解加熱器在實(shí)驗(yàn)儀所在的位置及加熱符號，加熱器封裝在雙孔懸臂梁下片梁的表面，結(jié)構(gòu)為電阻絲。2．將差動變換器I調(diào)零：用導(dǎo)線將差動變換器I的Uin1、Uin2、地短接。將差動變換器I的輸出端與電壓表的輸入端正（+）相連；開啟電源，調(diào)節(jié)差動變換器I的增益接近到最大位置，然后調(diào)整差動變換器I的調(diào)零旋鈕使電壓表顯示為零，關(guān)閉電源。3．按圖S3.1接線，開啟電源，調(diào)電橋平衡RW1電位器，使電壓表顯示為零，然后將電壓表的切換開關(guān)置2V檔，調(diào)電位器RW1，使電壓表顯示也為零。圖S3.1實(shí)驗(yàn)接線參考圖4．在傳感器托盤上放上所有砝碼，記下此時的電壓數(shù)值。將-5V電源連到加熱器的一端插口，加熱器另一端插口接地；電壓表的顯示在變化，待電壓表顯示穩(wěn)定后，記下顯示數(shù)值。比較兩種情況的電壓表數(shù)值，即為溫度對應(yīng)變電橋的影響。5．實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源，所有旋鈕轉(zhuǎn)至初始位置。作業(yè)布置整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

課程性質(zhì)：班級名稱：學(xué)生人數(shù)：授課教師：課題：實(shí)驗(yàn)四直流全橋的應(yīng)用―電子秤課時安排：2授課類型：實(shí)訓(xùn)課重難點(diǎn)重點(diǎn)直流供電的金屬箔式應(yīng)變片電橋的實(shí)際應(yīng)用。難點(diǎn)金屬箔式應(yīng)變片電橋的工作原理。教學(xué)目的和要求了解直流供電的金屬箔式應(yīng)變片電橋的實(shí)際應(yīng)用。采用教學(xué)方法和實(shí)施步驟講授、課堂討論、分析教具：QSCGQ-ZX型系列傳感器與檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺教學(xué)內(nèi)容一、實(shí)驗(yàn)原理通過對電路調(diào)節(jié)使電路輸出的電壓值為重量對應(yīng)值，電壓量綱（V）改為重量量綱（g）即成為一臺原始電子秤。二、實(shí)驗(yàn)器材電橋、差動變換器Ⅰ、電壓表、砝碼、電源、應(yīng)變片傳感器。三、實(shí)驗(yàn)步驟將差動變換器I調(diào)零：用導(dǎo)線將差動變換器I的Uin1、Uin2、地短接。將差動變換器I的輸出端與電壓表的輸入端正（+）相連；開啟電源，調(diào)節(jié)差動變換器I的增益接近到最大位置，然后調(diào)整差動變換器I的調(diào)零旋鈕使電壓表顯示為零，關(guān)閉電源。圖S4.1直流全橋應(yīng)用實(shí)驗(yàn)接線參考圖按圖S4.1接線，圖中R1、R2、R3、RX為應(yīng)變片所替代。2.在傳感器托盤上放上總重為200g的砝碼，調(diào)節(jié)差動變換器I增益旋鈕，使電壓表顯示為0.200V（2V檔測量）或-0.200V。3.拿去托盤上的所有砝碼，調(diào)節(jié)電位器RW1，使電壓表顯示為0.000V或-0.000V。4.重復(fù)3、4步驟的標(biāo)定過程，一直到精確為止，把電壓量綱V改為重量量綱g，就可稱重，成為一臺原始的電子秤。5.把砝碼依次放在托盤上，填入下表：重量（g）電壓（v）6．托盤上放上一個重量未知的重物，記錄電壓表的顯示值，得出未知重物的重量。作業(yè)布置整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告?！秱鞲衅髋c檢測技術(shù)》

授課教案課程性質(zhì)：班級名稱：學(xué)生人數(shù)：授課教師：課題：第3章電容式傳感器與液位檢測課時安排：2授課類型：理論重難點(diǎn)重點(diǎn)電容式傳感器的工作原理和測量電路難點(diǎn)電容式傳感器的檢測機(jī)理和典型應(yīng)用教學(xué)目的和要求1．熟悉電容式傳感器的工作原理；2.了解電容式傳感器的結(jié)構(gòu)；3.掌握電容式傳感器的測量電路；4.熟悉電容式傳感器的應(yīng)用。采用教學(xué)方法和實(shí)施步驟講授、課堂討論、分析教具：QSCGQ-ZX型系列傳感器與檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺教學(xué)內(nèi)容3.1電容傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理以平行板電容器為例，當(dāng)不考慮邊緣電場影響時，平板電容器的電容值可表示為：式中：—電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，=0r，其中0為真空介電常數(shù)，r為極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)；A—兩平行板正對面積；d—兩平行板之間的距離。根據(jù)參數(shù)變化的特性，將電容式傳感器分為變極距型、變面積型和變介質(zhì)型三種。3.1.1變面積型電容傳感器變面積型電容傳感器有平行板式、角位移式、圓筒式等。1．平行板式變面積電容傳感器圖3-2平行板式變面積電容傳感器當(dāng)動極板相對于定極板沿長度方向平移x后，面積發(fā)生變化：Ax=b(a-x)，電容量Cx也隨之改變，可表示為：靈敏度：可知：變面積式電容傳感器的靈敏度K為常數(shù)，符號為負(fù)，即動極板的位移量越大，電容值越??；增大極板寬度，減小極板間的距離都可以提高靈敏度；電容量C與水平位移x呈線性關(guān)系。2．角位移式變面積電容傳感器圖3-3角位移式變面積電容傳感器當(dāng)動極板有一角位移時，電容量可表示為：可知，與平行板式一樣，角位移式電容傳感器的輸出特性也是線性的，動極板的角位移越大，電容值越小。3．圓筒式變面積電容傳感器圖3-4圓筒式變面積電容傳感器當(dāng)內(nèi)圓筒移出x時，電容量可表示為：可知，圓筒式變面積電容傳感器的輸出特性仍為線性，內(nèi)圓筒移出的位移量越大，電容值越小；其靈敏度與圓筒長度L有關(guān)，L越小，靈敏度越高。3.1.2變極距型電容傳感器圖3-5變極距型電容傳感器當(dāng)動極板向上移動x值后，極距減小x，其電容值Cx可表示為：可知，傳感器的輸出特性不是線性關(guān)系，而是非線性的，應(yīng)用時需作近似線性處理。當(dāng)x/d0<<1時（即位移遠(yuǎn)小于極板初始距離時），(x/d0)2近似為0，1－(x/d0)2≈1，則上式可以簡化為：此時電容值Cx與位移x的關(guān)系近似為線性。傳感器靈敏度為：3.1.3變介質(zhì)型電容傳感器1．位移型變介質(zhì)電容傳感器圖3-6位移型變介質(zhì)電容傳感器2．液位型變介質(zhì)電容傳感器圖3-7液位型變介質(zhì)電容傳感器3.1.4差動結(jié)構(gòu)的電容傳感器為了改善變極距型電容傳感器的非線性，可以采用差動型電容傳感器，使用三個極板構(gòu)成兩個電容傳感器，中間的極板是動極板，由C1和C2共用。圖3-8差動型電容傳感器將C1、C2接入差動電橋電路后，能減小非線性誤差，使傳感器的靈敏度提高一倍，同時，外界的影響諸如溫度、激勵源電壓、頻率變化等造成的誤差也基本能相互抵消。3.2電容傳感器的測量電路3.2.1交流電橋電路圖3-9電橋測量電路當(dāng)C1=C2=C0時，交流電橋處于平衡狀態(tài)；工作時，C1=C0+ΔC，C2=C0－ΔC，空載輸出電壓為：電橋的輸出電壓與電容變化成正比，與位移量之間的關(guān)系為線性，靈敏度提高到了單電容傳感器的兩倍。3.2.2運(yùn)算放大器電路圖3-10運(yùn)算放大器電路Cx是變極距型電容傳感器，C0為固定電容，放大器的運(yùn)算關(guān)系為：運(yùn)算放大器的輸出電壓與極距之間為線性關(guān)系，它從原理上解決了變極距型電容傳感器的非線性問題。3.2.3調(diào)頻電路調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率為：圖3-11調(diào)頻電路3.3電容傳感器的典型應(yīng)用3.3.1電容傳感器的應(yīng)用特點(diǎn)①測量范圍大；②靈敏度高；③動態(tài)響應(yīng)快、固有頻率高；④穩(wěn)定性好。3.3.2電容傳感器的應(yīng)用舉例1．電容式壓力傳感器2．電容式測厚儀1）金屬帶材在軋制過程中的厚度檢測2）非金屬帶材厚度的檢測3．電容式加速度傳感器4．電容式濕度傳感器5．電容式位移傳感器6．電容式液位計(jì)7．電容式接近開關(guān)8．電容式指紋識別傳感器作業(yè)布置3-1、3-2、3-2、3-4

課程性質(zhì)：班級名稱：學(xué)生人數(shù)：授課教師：課題：實(shí)驗(yàn)五差動變面積式電容傳感器的靜態(tài)及動態(tài)特性課時安排：2授課類型：實(shí)訓(xùn)課重難點(diǎn)重點(diǎn)差動變面積式電容傳感器的原理及其特性難點(diǎn)差動變面積式電容傳感器的原理及其特性教學(xué)目的和要求了解差動變面積式電容傳感器的原理及其特性。采用教學(xué)方法和實(shí)施步驟講授、課堂討論、分析教具：QSCGQ-ZX型系列傳感器與檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺教學(xué)內(nèi)容一、實(shí)驗(yàn)原理差動變面積式電容傳感器的測試原理二、實(shí)驗(yàn)器材電容傳感器、差動變換器Ⅱ、低通濾波器、電壓表、測微頭、示波器。差動變換器Ⅱ增益旋鈕置于中間，電壓表置于20V檔，電容放大器增益最大。三、實(shí)驗(yàn)步驟1．差動變換器II調(diào)零，按圖S5.1接線。圖S5.1接線參考圖2．電壓表2V檔，安裝好測微頭，讓測微頭與振動臺吸合，調(diào)節(jié)測微頭使電壓表的輸出為零。轉(zhuǎn)動測微頭,每次0.1mm，記下此時測微頭的讀數(shù)及電壓表的讀數(shù)，直至電容動片與上（或下）靜片覆蓋面積最大為止。X(mm)V(mv)4．退回測微頭至初始位置。并開始以相反方向旋動。同上法，記下X(mm)及V(mv)值。5．計(jì)算系統(tǒng)靈敏度Ｓ。Ｓ＝ΔＶ／ΔＸ（式中ΔＶ為電壓變化，ΔＸ為相應(yīng)的梁端位移變化），并作出Ｖ－Ｘ關(guān)系曲線。X(mm)V(mv)6.卸下測微頭，將低頻振蕩器的輸出端與頻率表的輸入端及振動源相連，對照圖S5.2，用示波器觀察輸出波形。圖S5.2輸出波形觀察作業(yè)布置實(shí)驗(yàn)報(bào)告《傳感器與檢測技術(shù)》

授課教案課程性質(zhì)：班級名稱：學(xué)生人數(shù)：授課教師：課題：4.1自感式傳感器課時安排：2授課類型：理論重難點(diǎn)重點(diǎn)1.電感式傳感器的結(jié)構(gòu)及特性；2.自感式傳感器的工作原理。難點(diǎn)1.電感式傳感器的檢測機(jī)理；2.電感式傳感器的典型應(yīng)用。教學(xué)目的和要求1．熟悉電感式傳感器的結(jié)構(gòu)及種類；2．掌握自感式傳感器的測量原理及應(yīng)用；3．了解自感式傳感器的特性與技術(shù)參數(shù)；4．學(xué)會合理選用自感式傳感器構(gòu)成檢測電路。采用教學(xué)方法和實(shí)施步驟講授、課堂討論、分析教學(xué)內(nèi)容4.1自感式傳感器4.1.1自感傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理按磁路幾何參數(shù)變化形式的不同，常用的自感式傳感器有變間隙型、變面積型和螺管型三種。1.結(jié)構(gòu)和工作原理圖4-1自感式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖自感式傳感器由線圈、鐵芯和銜鐵（動鐵芯）三部分組成。假設(shè)在鐵芯上繞有W匝線圈。電感值表達(dá)式為:μ0：真空磁導(dǎo)率，μ0=4π×10-7H／m；S0：空氣隙截面積2.變間隙型電感式傳感器變間隙型電感式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-1所示。電感值與氣隙厚度成反比。變間隙式傳感器的靈敏度計(jì)算公式為：K=L0l0其中，L03.變面積型電感式傳感器變面積型電感式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-2所示。圖4-2變面積型電感式傳感器結(jié)構(gòu)示意圖自感值的大小和磁通截面積S0成正比，也即是S0增大則自感增大，S0減小則自感減小。變面積型電感式傳感器的靈敏度為：k=dLdS=4.螺管型電感式傳感器螺管型電感式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-3所示。llrx2ra線圈銜鐵圖4-3螺管型電感式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖傳感器工作時，銜鐵在線圈中伸入長度的變化將引起螺管線圈電感量的變化。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單，制作容易，靈敏度較低，適用于測量較大的位移量。在實(shí)際使用中，常采用兩個相同的傳感器線圈共用同一個銜鐵，構(gòu)成差動式電感傳感器，這樣可以提高傳感器的靈敏度，減小測量誤差。圖4-4變間隙式差動電感傳感器結(jié)構(gòu)示意圖以變間隙式差動電感傳感器為例，當(dāng)銜鐵隨被測量移動而偏離中間位置時，兩個線圈的電感量一個增加，一個減小，形成差動形式,抵消溫度、噪聲干擾，從而減小測量誤差，靈敏度為非差動的2倍。4.1.2自感傳感器的測量電路1、交流電橋式測量電路一般將傳感器線圈作為電橋的兩個工作臂，另外兩臂可以采用純電阻。圖4-5交流電橋測量電路圖中傳感器的兩個線圈等效為Z1和Z2，另外兩個橋臂為Z3=Z4=R的電阻。當(dāng)傳感器的銜鐵處于中間位置時，此時Z1=Z2=Z，U0=0當(dāng)銜鐵上移時：U0=當(dāng)銜鐵下移時，U0≈銜鐵上移和下移時，輸出電壓相位相反，大小相同，且隨著ΔL的變化而變化。交流電橋的輸出電壓與傳感器線圈電感的相對變化量成正比。2.交流變壓器式電橋圖4-6變壓器式電橋測量電路當(dāng)傳感器的銜鐵處于中間位置時，此時Z1=Z2=Z，U0=0當(dāng)銜鐵上移時：同理當(dāng)銜鐵下移時：輸出電壓的大小反映銜鐵位移的大小，輸出電壓的極性反映銜鐵位移的方向。當(dāng)銜鐵上、下移動時，輸出電壓大小相等，但方向相反。4.1.3自感傳感器的典型應(yīng)用自感式傳感器一般用于接觸測量，可用于靜態(tài)和動態(tài)測量，它主要用于位移測量，但不僅限于位移測量，凡是能轉(zhuǎn)換成位移變化量的參數(shù)均可測量。1．變氣隙式差動電感壓力傳感器圖4-7變氣隙式差動電感壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖2．軸向式電感測微器1—引線電纜，2—固定磁筒，3—銜鐵，4—線圈5—測力彈簧，6—防轉(zhuǎn)銷，7—鋼球?qū)к墸ㄖ本€軸承），8—測桿，9—密封套，10—測端，11—被測工件，12—基準(zhǔn)面圖4-8軸向式電感測微器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖作業(yè)布置P454-1、4-2、4-3

課程性質(zhì)：班級名稱：學(xué)生人數(shù)：授課教師：課題：4.2互感式傳感器4.3電渦流式傳感器課時安排：2授課類型：理論重難點(diǎn)重點(diǎn)1.互感傳感器的結(jié)構(gòu)、工作原理、測量電路、典型應(yīng)用2.電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)、工作原理、測量電路、典型應(yīng)用難點(diǎn)1.互感傳感器的工作原理和測量電路2.電渦流式傳感器工作原理和測量電路教學(xué)目的和要求1.掌握互感傳感器的結(jié)構(gòu)、工作原理和測量電路；2.了解互感傳感器的典型應(yīng)用；3.掌握電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)、工作原理和測量電路；4.了解電渦流式傳感器的典型應(yīng)用。采用教學(xué)方法和實(shí)施步驟講授、課堂討論、分析教學(xué)內(nèi)容4.2互感式傳感器4.2.1互感傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理差動變壓器結(jié)構(gòu)形式較多，有變隙式、變面積式和螺線管式?；ジ惺絺鞲衅鞯慕Y(jié)構(gòu)圖4-9差動變壓器結(jié)構(gòu)示意圖上圖為常見的互感式傳感器結(jié)構(gòu)，其中，(a)、(b)為變間隙式差動變壓器；(c)、(d)為螺線管式差動變壓器；(e)、(f)為變截面式差動變壓器工作原理差動變壓器是由鐵芯、銜鐵和線圈三部分組成。以螺管型差動變壓器為例，根據(jù)初、次級排列不同有二節(jié)式、三節(jié)式、四節(jié)式和五節(jié)式等形式。圖4-10三段式螺管差動變壓器結(jié)構(gòu)示意圖其中，1—初級線圓；21，22—次級兩差動初線圓；3—線圓絕緣框架；4—活動銜鐵。將兩個匝數(shù)相等的次級繞組的同名端反向串聯(lián)，當(dāng)初級繞組加以激磁電壓時，根據(jù)變壓器的作用原理在兩個次級繞組和中就會產(chǎn)生感應(yīng)電勢。如果工藝上保證變壓器結(jié)構(gòu)完全對稱，則當(dāng)活動銜鐵處于初始平衡位置時，輸出電壓為零。當(dāng)活動銜鐵向某一個次級線圈方向移動時，則該次級線圈內(nèi)磁通增大，使其感應(yīng)電勢增加，差動變壓器有輸出電壓，其數(shù)值反映了活動銜鐵的位移。圖4-11差動變壓器等效電路二次線圈中的感應(yīng)電動勢為：式中，M1和M2分別為兩個二次線圈對一次線圈的互感。兩個二次線圈反向串聯(lián)，且考慮到二次側(cè)開路，則：輸出電壓有效值為：當(dāng)銜鐵處于中間位置時，兩個二次線圈互感相同，則輸出電壓=0。若銜鐵移動則輸出不為零，而且移動的位移越大，則輸出越大。通過差動變壓器輸出電壓的大小和方向可以知道銜鐵的位移量的大小和方向。三段式螺管差動變壓輸出電壓曲線如圖4-12所示。圖4-12差動變壓器輸出電壓特性曲線當(dāng)鐵芯移動時，Uo就隨著鐵芯位移x成線形增加，其特性如圖所示，形成V形特性。當(dāng)鐵芯位于中心位置，輸出電壓Uo并不是零電位，這個電壓就是零點(diǎn)殘余電壓U1。4.2.2互感傳感器的測量電路差動變壓器最常用的測量電路是差動整流電路。這種電路比較簡單，不需參考電壓，不需要考慮相位調(diào)整和零位電壓影響，對感應(yīng)和分布電容影響不敏感。經(jīng)差動整流后變成直流輸出便于遠(yuǎn)距離輸送。圖4-13差動整流電路4.2.3互感傳感器的典型應(yīng)用1、差動變壓器式加速度傳感器圖4-14差動變壓器式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖2、差動變壓器壓力變送器差動變壓器壓力變送器的結(jié)構(gòu)圖如圖4-15所示。圖4-15差動變壓器壓力變送器的結(jié)構(gòu)圖其中，1—壓力輸入接頭；2—波紋膜盒；3—電纜；4—印制線路板；5—差動線圈；6—銜鐵；7—電源變壓器；8—罩殼；9—指示燈；10—密封隔板；11—安裝底座。4.3電渦流式傳感器4.3.1電渦流傳感器的工作原理根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流，稱之為電渦流或渦流，這種現(xiàn)象稱為渦流效應(yīng)。電渦流傳感器就是利用電渦流效應(yīng)制成的，它將位移、溫度等非電量轉(zhuǎn)換為阻抗的變化或電感的變化從而進(jìn)行非電量的測量。圖4-16電渦流作用原理圖圖4-17電渦流式傳感器等效電路線圈金屬導(dǎo)體系統(tǒng)的阻抗、電感和品質(zhì)因數(shù)都是都是距離x的非線性函數(shù)。但在一定范圍內(nèi)可以將這些函數(shù)近似地用線性函數(shù)來表示，于是在線性變化范圍內(nèi)可以通過測量Z、L、Q的變化來檢測位移的變化。4.3.2電渦流傳感器的結(jié)構(gòu)電渦流式傳感器結(jié)構(gòu)比較簡單，主要由一個安置在探頭殼體的扁平圓形線圈構(gòu)成。作為傳感器的線圈裝置僅僅為實(shí)際傳感器的一半，另一半為被測物體。4.3.3電渦流傳感器的測量電路1、電橋電路法圖4-20電橋電路法原理圖2、諧振電路法1）調(diào)幅法圖4-21調(diào)幅法測量電路原理圖圖4-22諧振調(diào)幅電路特性2）調(diào)頻法圖4-23調(diào)頻法測量電路原理圖4.3.4電渦流傳感器的典型應(yīng)用1、低頻透射渦流測厚儀圖4-24低頻透射電渦流式測厚儀工作原理示意圖低頻透射式渦流傳感器的檢測范圍可達(dá)1mm～100mm，分辨率為0.1。2、電渦流式接近開關(guān)需要注意的是，這種接近開關(guān)只能檢測金屬。圖4-25電渦流式接近開關(guān)的原理框圖作業(yè)布置P754-4、4-5、4-6

課程性質(zhì)：班級名稱：學(xué)生人數(shù)：授課教師：課題：實(shí)驗(yàn)六差動變壓器的應(yīng)用——振動測量課時安排：2授課類型：實(shí)訓(xùn)課重難點(diǎn)重點(diǎn)差動變壓器的工作原理和應(yīng)用難點(diǎn)差動變壓器工作原理教學(xué)目的和要求1.掌握差動變壓器的工作原理；2.了解差動變壓器的實(shí)際應(yīng)用。采用教學(xué)方法和實(shí)施步驟實(shí)驗(yàn)教具：QSCGQ-ZX型系列傳感器與檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺教學(xué)內(nèi)容一、實(shí)驗(yàn)原理利用差動變壓器測量動態(tài)參數(shù)與測位移量的原理相同。二、實(shí)驗(yàn)器材音頻振蕩器、差動變換器Ⅱ、移相器、相敏檢波器、電橋、低通濾波器、轉(zhuǎn)速/頻率表、低頻振蕩器、激振器、示波器、電源、差動變壓器、振動平臺、振動源。音頻振蕩4kHz～８kHz之間，差動變換器Ⅱ增益最大，低頻振蕩器頻率旋鈕置最小，幅值旋鈕置中。三、實(shí)驗(yàn)步驟1.差動變換器II調(diào)零，調(diào)節(jié)測微頭遠(yuǎn)離振動臺（不用測微頭），將低頻振蕩器與振動源相連，以及將低頻振蕩器與轉(zhuǎn)速/頻率表相連，開啟電源，調(diào)節(jié)低頻振蕩器幅度旋鈕置中，頻率從最小慢慢調(diào)大，讓振動臺起振并振動幅度適中（如振動幅度太小可調(diào)大幅度旋鈕）。圖S6.1接線參考圖2．將音頻鈕置5KHz，幅度鈕置2Vp-p。用示波器觀察各單元，即：差放、檢波、低通輸出的波形（示波器Ｘ軸掃描為５ms/div~１０ms/div，Y軸CH1或CH2旋鈕0.2v~2V）。調(diào)節(jié)移相器和相敏檢波器的時候，用示波器觀察相敏檢波器的輸出信號，是的輸出的信號為一個類似于全波整流的波形就可以。3．保持低頻振蕩器的幅度不變，調(diào)節(jié)低頻振蕩器的頻率，接線如圖S6.1所示，用示波器觀察低通濾波器的輸出，讀出峰－峰電壓值，記入數(shù)據(jù)的時候，在頻率超過20Hz的時候，由于振幅很小，不利于記入數(shù)據(jù)，我們可以記入在7Hz左右的更多的數(shù)據(jù)。記下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填入下表：F/Hz34567810122025Upp/V4．根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果作出梁的振幅——頻率(幅頻)特性曲線，指出振動平臺自振頻率（諧振頻率）的大致值。5．實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源。作業(yè)布置整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

課程性質(zhì)：班級名稱：學(xué)生人數(shù)：授課教師：課題：實(shí)驗(yàn)七電渦流式傳感器的應(yīng)用——振幅測量課時安排：2授課類型：實(shí)訓(xùn)課重難點(diǎn)重點(diǎn)電渦流式傳感器測量振動的原理和方法難點(diǎn)電渦流式傳感器測量振動的原理教學(xué)目的和要求1.掌握電渦流式傳感器的工作原理。2.了解電渦式傳感器測量振動的原理和方法。采用教學(xué)方法和實(shí)施步驟實(shí)驗(yàn)教具：QSCGQ-ZX型系列傳感器與檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺教學(xué)內(nèi)容一、實(shí)驗(yàn)原理根據(jù)電渦流傳感器動態(tài)特性和位移特性，選擇合適的工作點(diǎn)即可測量振幅。二、實(shí)驗(yàn)器材電渦流傳感器、渦流變換器、差動變換器II、電橋、鋁測片、直流穩(wěn)壓電源、低頻振蕩器、激振線圈、電壓表、轉(zhuǎn)速/頻率表、示波器、電源。差動變換器I增益置最大，直流穩(wěn)壓電源±5Ｖ。三、實(shí)驗(yàn)步驟1．轉(zhuǎn)動測微器，將振動平臺中間的磁鐵與測微頭分離，使梁振動時不至于再被吸?。ㄟ@時振動臺處于自由靜止?fàn)顟B(tài)），適當(dāng)調(diào)節(jié)渦流傳感器頭的高低位置（目測）。差動變換器II電壓表、直流穩(wěn)壓電源連接起來，組成一個測量線路（這時直流穩(wěn)壓電源應(yīng)調(diào)置于±5Ｖ），電壓表置20V擋,開啟電源。圖S7.1振幅測量接線參考圖3．調(diào)節(jié)RW1電橋網(wǎng)絡(luò)，使電壓表讀數(shù)為零。4．去除差動變換器II與電壓表連線，將差動變換器的Uout2與示波器連起來，將轉(zhuǎn)速／頻率表置于頻率檔位，將低頻振蕩器與轉(zhuǎn)速／頻率表和振動源相連（見圖S7.2）。5．固定低頻振蕩器的幅度旋鈕至某一位置（以振動臺振動時不碰撞其他部件為好），調(diào)節(jié)頻率旋鈕，調(diào)節(jié)時用頻率表監(jiān)測頻率變化，用示波器讀出峰峰值填入下表，關(guān)閉電源。F/(Hz)34…25V/(P-P)圖S7.2轉(zhuǎn)速／頻率測量接線參考圖五、思考1．根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以知道振動臺的自振頻率大致為多少？2．如果已知被測梁振幅為0.2mm，傳感器是否一定要安裝在最佳工作點(diǎn)？3．如果此傳感器僅用來測量振動頻率，工作點(diǎn)問題是否仍十分重要？作業(yè)布置整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告?！秱鞲衅髋c檢測技術(shù)》

授課教案課程性質(zhì)：班級名稱：學(xué)生人數(shù)：授課教師：課題：第5章霍爾傳感器與位移檢測課時安排：2授課類型：理論重難點(diǎn)重點(diǎn)1．霍爾傳感器的結(jié)構(gòu)及特性；2.壓電霍爾傳感器的工作原理。難點(diǎn)1.霍爾傳感器的檢測機(jī)理；2.霍爾傳感器的典型應(yīng)用。教學(xué)目的和要求1．熟悉霍爾傳感器的結(jié)構(gòu)及種類；2．掌握霍爾傳感器的測量原理及應(yīng)用；3．了解霍爾傳感器的特性與技術(shù)參數(shù)；4．學(xué)會合理選用霍爾傳感器構(gòu)成檢測電路。采用教學(xué)方法和實(shí)施步驟講授、課堂討論、分析教學(xué)內(nèi)容5.1霍爾傳感器的工作原理5.1.1霍爾效應(yīng)霍爾傳感器是以霍爾元件作為其敏感和轉(zhuǎn)換元件的傳感器，而霍爾元件則是利用某些半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)原理制成的。如圖5-1所示，一塊半導(dǎo)體薄片，當(dāng)它被置于磁場中，如果在它的相對兩邊通以控制電流，且磁場方向與電流方向正交，則在半導(dǎo)體的另外兩邊將會產(chǎn)生一個大小與控制電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度的乘積成正比的電勢，這一現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)，該電勢稱為霍爾電勢，半導(dǎo)體薄片就是霍爾元件。圖5-1霍爾效應(yīng)原理圖及霍爾元件符號5.1.2霍爾元件的基本原理霍爾效應(yīng)是半導(dǎo)體中的自由電荷受到磁場中的洛侖茲力作用而產(chǎn)生的。由于洛侖茲力的作用，自由電子會向一側(cè)偏轉(zhuǎn)（如圖中虛線所示），半導(dǎo)體薄片在該側(cè)形成了自由電子的累積，而另一側(cè)缺少電子，所以形成了電場。該電場對自由電子產(chǎn)生電場力，阻止自由電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)。當(dāng)電場力與洛侖茲力相等時，自由電子的積累便達(dá)到了動態(tài)平衡。同時由于電荷的積聚，產(chǎn)生了靜電場，該靜電場稱為霍爾電場?；魻栯妶鰞啥酥g形成一個穩(wěn)定的電勢，就是霍爾電勢。式中為霍爾傳感器的霍爾系數(shù)，為霍爾元件的靈敏度。5.1.3霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)及特性參數(shù)1．基本結(jié)構(gòu)霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成（見圖5-2）。a)外形b)結(jié)構(gòu)c)符號圖5-2霍爾元件霍爾元件常采用N型硅（Si）、N型鍺（Ge）、砷化鎵（GaAs）、砷化銦（InAs）及銻化銦（InSb）等半導(dǎo)體制作。用銻化銦半導(dǎo)體制成的霍爾元件靈敏度最高，但受溫度的影響較大。用鍺半導(dǎo)體制成的霍爾元件，雖然靈敏度較低，但它的溫度特性及線性度較好。目前使用銻化銦霍爾元件的場合較多。2．主要技術(shù)指標(biāo)（1）輸入電阻和輸出電阻輸入電阻和輸出電阻一般為，而且輸入電阻大于輸出電阻，但相差不太大，使用時應(yīng)注意。（2）額定控制電流額定控制電流為當(dāng)霍爾元件自身溫升10℃時所流過的激勵電流，一般為幾毫安至幾十毫安。（3）不等位電勢霍爾元件在額定控制電流作用下，不外加磁場時，在輸出端空載測得的霍爾電勢差稱為不等位電勢（也稱為不平衡電勢），單位是。（4）靈敏度靈敏度是元件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流下所得到的開路霍爾電壓，又稱霍爾乘積靈敏度。（5）霍爾電勢溫度系數(shù)在一定的磁感應(yīng)強(qiáng)度和控制電流的條件下，環(huán)境溫度每變化1℃時，霍爾電勢變化的百分率，用表示。（6）電阻溫度系數(shù)為溫度每變化1℃時霍爾元件材料的電阻變化的百分率。5.1.4霍爾元件的基本誤差及其補(bǔ)償1．不等位電勢及其補(bǔ)償霍爾元件的零位誤差包括不等位電勢、寄生直流電勢和感應(yīng)零電勢，其中不等位電勢是最主要的零位誤差。霍爾元件是四端元件，可以等效為一個四壁電橋，如圖5-3所示。產(chǎn)生的原因?yàn)榈刃щ姌虻乃膫€橋壁電阻的不相等，所以所有能使電橋達(dá)到平衡的方法都可用于補(bǔ)償不等位電勢。圖5-3霍爾元件等效電路對霍爾元件的不等位電勢的幾種補(bǔ)償電路如圖5-4所示圖5-4不等位電勢補(bǔ)償電路2．溫度誤差及其補(bǔ)償霍爾元件與一般半導(dǎo)體器件一樣，對溫度的變化時很敏感的，這是因?yàn)榘雽?dǎo)體材料的電阻率、載流子濃度等都隨溫度變化而變化。圖5-5溫度補(bǔ)償電路（1）采用恒流源提供控制電流（2）采用熱敏元件對于由溫度系數(shù)較大的半導(dǎo)體材料（如銻化銦）制成的霍爾元件常采用圖5-6所示的溫度補(bǔ)償電路，圖中是熱敏元件。a)在輸入回路進(jìn)行補(bǔ)償b)在輸出回路進(jìn)行補(bǔ)償圖5-6利用熱敏元件的溫度補(bǔ)償電路（3）合理選擇負(fù)載電阻如圖5-7所示，電路中霍爾電勢輸出端接負(fù)載電阻，控制電流由電源供給，電位器用來調(diào)節(jié)控制電流的大小。圖5-7霍爾元件的基本測量電路（4）采用橋路溫度補(bǔ)償電路如圖5-8所示是霍爾電勢的橋路溫度補(bǔ)償?shù)碾娐罚魻栐牟坏任浑妱萦脕硌a(bǔ)償。圖5-8橋路溫度補(bǔ)償電路5.2集成霍爾傳感器5.2.1開關(guān)型集成霍爾傳感器將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、差分放大器、施密特觸發(fā)器（具有回差特性）、OC門（集電極開路輸出門）等電路做在同一個芯片上，如圖5-9所示。a)外形尺寸b)內(nèi)部電路框圖圖5-9開關(guān)型霍爾集成電路開關(guān)型霍爾集成電路的工作特性曲線如圖5-10所示。圖5-10開關(guān)型霍爾集成電路的施密特輸出特性圖5-11雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)型集成霍爾傳感器的工作特性曲線5.2.2線性型集成霍爾傳感器由霍爾元件、差分放大、射極跟隨輸出及穩(wěn)壓電路四部分組成，有的還把穩(wěn)壓和恒流電路也集成在一起。線性型霍爾集成電路有單端輸出和雙端輸出（差動輸出）兩種。外形結(jié)構(gòu)有三端T型和八腳雙列直插型，其電路框圖和外形結(jié)構(gòu)如圖5-12所示。較典型的線性霍爾器件如UGN3501系列等。a)外形尺寸b)內(nèi)部電路框圖c)雙端差動輸出型外觀圖5-12線性型霍爾集成電路線性霍爾集成電路的輸出電壓與外加磁場強(qiáng)度成線性比例關(guān)系，圖5-13為UGN3501T型號線性霍爾集成電路的輸出特性。圖5-13線性型霍爾集成電路輸出特性5.3霍爾傳感器的應(yīng)用5.3.1霍爾式位移傳感器a)結(jié)構(gòu)b)磁場變化c)磁鋼圖5-14霍爾位移傳感器5.3.2霍爾式電流傳感器a)基本原理b)外形圖5-15霍爾電流傳感器原理及外形1－被測電流母線2－鐵心3－線性霍爾IC5.3.3霍爾式壓力傳感器a)結(jié)構(gòu)原理b)外形圖5-16霍爾式壓力傳感器示意圖5.3.4霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器 圖5-17轉(zhuǎn)速測量原理圖1—磁鐵2—霍爾元件3—齒盤圖5-18幾種霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)1—輸入軸2—轉(zhuǎn)盤3—小磁鐵4—霍爾傳感器5.3.5霍爾式功率傳感器圖5-19霍爾器件測電功率作業(yè)布置P935-1、5-2、5-3、5-4

課程性質(zhì)：班級名稱：學(xué)生人數(shù)：授課教師：課題：實(shí)驗(yàn)八霍爾式位移傳感器檢測課時安排：2授課類型：實(shí)訓(xùn)課重難點(diǎn)重點(diǎn)1.霍爾傳感器工作原理與應(yīng)用2.霍爾傳感器工作特性難點(diǎn)霍爾傳感器工作原理與工作特性教學(xué)目的和要求1.掌握霍爾傳感器工作原理與應(yīng)用；2.通過靜態(tài)位移量輸入了解霍爾傳感器工作特性。采用教學(xué)方法和實(shí)施步驟講授、課堂討論、分析教具：QSCGQ-ZX型系列傳感器與檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺教學(xué)內(nèi)容一、實(shí)驗(yàn)原理霍耳元件置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為的磁場中，在垂直于磁場方向通以電流，則與這二者垂直的方向上將產(chǎn)生霍耳電勢差，式中K為元件的霍耳靈敏度。如果保持霍耳元件的電流不變，而使其在一個均勻梯度的磁場中移動時，則輸出的霍耳電勢差變化量為：式中為位移量，此式說明若為常數(shù)時，與成正比。為實(shí)現(xiàn)均勻梯度的磁場，可以如圖S8.1所示兩塊相同的磁鐵（磁鐵截面積及表面磁感應(yīng)強(qiáng)度相同）相對放置，即N極與N極相對，兩磁鐵之間留一等間距間隙，霍耳元件平行于磁鐵放在該間隙的中軸上。間隙大小要根據(jù)測量范圍和測量靈敏度要求而定，間隙越小，磁場梯度就越大，靈敏度就越高。磁鐵截面要遠(yuǎn)大于霍耳元件，以盡可能的減小邊緣效應(yīng)影響，提高測量精確度。圖S8.1均勻梯度磁場示意圖若磁鐵間隙內(nèi)中心截面處的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，霍耳元件處于該處時，輸出的霍耳電勢差應(yīng)該為零。當(dāng)霍爾元件偏離中心沿Z軸發(fā)生位移時，由于磁感應(yīng)強(qiáng)度不再為零，霍爾元件也就產(chǎn)生相應(yīng)的電勢差輸出，其大小可以用數(shù)字電壓表測量。由此可以將霍爾電勢差為零時元件所處的位置作為位移參考零點(diǎn)。霍爾電勢差與位移量之間存在一一對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)位移量較小(<2mm)，這一一對應(yīng)關(guān)系具有良好的線性。二、實(shí)驗(yàn)器材霍爾傳感器模塊、霍爾傳感器、測微頭、直流電源、數(shù)顯電壓表。三、實(shí)驗(yàn)步驟1.在霍爾傳感器模塊上，按圖S8.2接線。2.開啟電源，直流數(shù)顯電壓表選擇“2V”檔，將測微頭的起始位置調(diào)到“1cm”處，手動調(diào)節(jié)測微頭的位置，先使霍爾片大概在磁鋼的中間位置（數(shù)顯表大致為0），固定測微頭，再調(diào)節(jié)Rw1使數(shù)顯表顯示為零。3.分別向左、右不同方向旋動測微頭，每隔0.2mm記下一個讀數(shù)，直到讀數(shù)近似不變，將讀數(shù)填入下表X/mmU/mV圖S8.2霍爾傳感器直流激勵接線圖4.根據(jù)所得數(shù)據(jù)作出U－X曲線，計(jì)算不同線性范圍時的靈敏度并定性給出結(jié)論。作業(yè)布置整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告?！秱鞲衅髋c檢測技術(shù)》

授課教案課程性質(zhì)：班級名稱：學(xué)生人數(shù)：授課教師：課題：6.1壓電效應(yīng)、6.2壓電材料及其特性課時安排：2授課類型：理論重難點(diǎn)重點(diǎn)壓電傳感器的工作原理難點(diǎn)壓電式傳感器的檢測機(jī)理教學(xué)目的和要求1．熟悉壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)及種類；2．熟悉壓電式傳感器的測量原理及應(yīng)用；3．了解壓電式傳感器的特性與技術(shù)參數(shù)；采用教學(xué)方法和實(shí)施步驟講授、課堂討論、分析教學(xué)內(nèi)容6.1壓電效應(yīng)6.1.1正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)某些物質(zhì)沿某一方向受到外力作用時，會產(chǎn)生變形，同時其內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，此時在這種材料的兩個表面產(chǎn)生符號相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，它又重新恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象被稱為壓電效應(yīng)。圖6-1正壓電效應(yīng)示意圖圖6-2逆壓電效應(yīng)示意圖圖6-3壓電效應(yīng)的可逆性6.1.2石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體是最典型而常用的壓電晶體。通常把沿電軸方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”；把沿機(jī)械軸方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)，稱為“橫向壓電效應(yīng)”。作用力為剪切力時稱為“切向壓電效應(yīng)”。圖6-5石英晶體結(jié)構(gòu)示意圖圖6-6石英晶體壓電效應(yīng)示意圖若從晶體上沿y方向切下一塊如圖6-7所示的晶片，當(dāng)沿電軸x方向施加壓力Fx時，晶片將產(chǎn)生厚度變形，并發(fā)生極化現(xiàn)象。產(chǎn)生的電荷：d11——壓電系數(shù)。下標(biāo)的意義為產(chǎn)生電荷的面的軸向及施加作用力的軸向；圖6-7石英晶體切片若在同一切片上，沿機(jī)械軸y方向施加壓力Fy，則仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷qy，其大小為:d12為y軸方向受力的壓電系數(shù)，根據(jù)石英晶體軸對稱條件：d11=-d12，則：石英晶片受壓力或拉力時，電荷的極性如圖6-8所示圖6-8石英晶體受力方向與電荷極性示意圖6.1.3壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。（a）未極化（b）極化（c）剩余極化圖6-9壓電陶瓷的極化壓電陶瓷在極化方向上壓電效應(yīng)最明顯，定義為Z軸，垂直于z軸的任何直線都可作為X軸或Y軸。當(dāng)壓電陶瓷在沿極化方向受力時，則在垂直于z軸的上、下兩表面上將會出現(xiàn)電荷:式中：d33——壓電陶瓷的壓電系數(shù)；Fz——作用力。壓電陶瓷在受到沿y方向的作用力Fy或沿x方向的作用力Fx時，在垂直于z軸的上、下平面上分別出現(xiàn)正、負(fù)電荷：式中：Az——極化面面積；Ax、Ay——受力面面積；d32、d31——壓電陶瓷的橫向壓電系數(shù)。圖6-10壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷的壓電常數(shù)大，靈敏度高。石英晶體溫度與時間的穩(wěn)定性以及材料之間的一致性遠(yuǎn)優(yōu)于壓電陶瓷。6.2壓電材料及其特性壓電式傳感器中壓電元件的材料選用，應(yīng)考慮以下幾方面的特性。（1）轉(zhuǎn)換性能。（2）機(jī)械性能。（3）電性能。（4）溫度性能。（5）長期穩(wěn)定性。6.2.1石英晶體石英晶體的主要性能特點(diǎn)如下：（l）壓電系數(shù)小，但其時間和溫度穩(wěn)定性極好。常溫下幾乎不變。（2）機(jī)械強(qiáng)度和品質(zhì)因素高，且剛度大，固有頻率高，動態(tài)特性好。（3）居里點(diǎn)為573℃。（4）無熱釋電性，且絕緣性、重復(fù)性均好。6.2.2壓電陶瓷常見的壓電陶瓷主要有以下幾種：1.鈦酸鋇壓電陶瓷具有很高的介電常數(shù)和較大的壓電系數(shù)（約為石英晶體的50倍）。不足之處是居里點(diǎn)溫度低（120℃），使用溫度較低，最高只有70℃，溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度不如石英晶體。2.鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（PZT）與鈦酸鋇相比，壓電系數(shù)更大，居里點(diǎn)溫度在300℃以上，各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)受溫度影響小，時間穩(wěn)定性好。有更高的壓電系數(shù)和工作溫度，是目前壓電式傳感器中應(yīng)用最廣泛的壓電材料。3．鈮酸鹽系壓電陶瓷鉭鈮酸鉛具有很高的居里點(diǎn)和較低的介電常數(shù)。鈮酸鉀的居里點(diǎn)為435℃，常用于水聲傳感器中。4．鈮鎂酸鉛壓電陶瓷(PMN)具有較高的壓電系數(shù)和居里點(diǎn)，能夠在較高的壓力下工作，適合作為高溫下的力傳感器。6.2.3新型壓電材料新型壓電材料主要有壓電半導(dǎo)體和高分子壓電材料兩種。1.壓電半導(dǎo)體特點(diǎn)是：既具有壓電特性，又具有半導(dǎo)體特性。用壓電半導(dǎo)體制成的力敏器件具有靈敏度高，響應(yīng)時間短等優(yōu)點(diǎn)。此外用ZnO作為表面聲波振蕩器的壓電材料，可進(jìn)行力和溫度的檢測。2.高分子壓電材料高分子壓電材料是一種柔軟的壓電材料，不易破碎，可以大量生產(chǎn)和制成較大的面積。（1）高分子聚合物壓電薄膜，經(jīng)延展拉伸和電極化后成為具有壓電性的高分子壓電薄膜。特點(diǎn)是質(zhì)輕柔軟，抗拉強(qiáng)度高，蠕變小，耐沖擊，熱釋電性和熱穩(wěn)定性好，且便于批量生產(chǎn)和大面積使用，可制成大面積陣列傳感器乃至人工皮膚。（2）復(fù)合高分子壓電薄膜，是在高分子化合物中摻雜壓電陶瓷PZT或BaTiO3粉末制成的高分子壓電薄膜，既保持了高分子壓電薄膜的柔軟性，