智能傳感與檢測技術(shù) 教案匯 徐小華 第0-6章 緒論、電阻式傳感器-光電式傳感器

《智能傳感與檢測技術(shù)》課程教案《智能傳感與檢測技術(shù)》課程教案授課章節(jié)緒論0.1智能傳感與檢測技術(shù)的發(fā)展0.2智能傳感與檢測技術(shù)基礎0.3課程性質(zhì)及主要任務建議課時2授課方式理論知識講授+討論課+案例教學+多媒體演示所屬專業(yè)教學目標1.了解智能傳感與檢測技術(shù)的發(fā)展動態(tài)。2.掌握傳感器的定義與作用。3.熟悉傳感器的組成及分類。教學重點1.掌握傳感器的定義與作用。2.熟悉傳感器的組成及分類。教學難點傳感器的分類。參考教材《智能傳感與檢測技術(shù)》徐小華主編機械工業(yè)出版社ISBN978-7-111-76072-6教學內(nèi)容『新課導入』美國宇航局在研發(fā)宇宙飛船過程中發(fā)現(xiàn)宇宙飛船上需要用大量的傳感器不斷向地面發(fā)送溫度、位置、速度和姿態(tài)等數(shù)據(jù)信息，用一臺大型計算機很難同時處理如此龐雜的數(shù)據(jù)，于是需要把CPU分散化，從而提出智能化傳感器和智能檢測技術(shù)?！菏谡n內(nèi)容』一、智能傳感與檢測技術(shù)的發(fā)展1.傳感器的發(fā)展2.智能檢測技術(shù)的發(fā)展二、智能傳感與檢測技術(shù)基礎1.傳感器的定義與作用2.傳感器的組成3.智能檢測技術(shù)基礎三、課程性質(zhì)及主要任務【課堂提問】人類社會的每一次技術(shù)革命都促進了檢測技術(shù)的發(fā)展，大家知道四次工業(yè)革命都是什么，每次工業(yè)革命的標志是什么？【課堂討論】在我們?nèi)粘Ｉ钪杏心男┊a(chǎn)品用到了智能傳感器？【引入案例】傳感器的歷史可以追溯到遠古時代，公元前1000年左右，中國的指南針、記里鼓車已開始使用。埃及王朝時代開始使用的天平，一直延用到現(xiàn)在?！径嗝襟w演示】多媒體課件見教材配套教學PPT『課堂小結(jié)』智能傳感與檢測技術(shù)是一門涉及多種學科的綜合技術(shù)，是當今世界正在發(fā)展中的高新技術(shù)?！鹤鳂I(yè)布置』復習本節(jié)課所講知識點『教學后記』《智能傳感與檢測技術(shù)》課程教案授課章節(jié)第1章電阻式傳感器1.1電阻應變式傳感器1.1.1應變片與應變效應1.1.2應變片的種類與結(jié)構(gòu)1.1.3應變片的粘貼工藝1.1.4測量轉(zhuǎn)換電路1.1.5應變片的溫度補償建議課時2授課方式理論知識講授+課堂討論+圖片或?qū)嵨镎故?多媒體所屬專業(yè)教學目標掌握電阻應變式傳感器的工作原理了解常用的兩種電阻應變式傳感器特性，并能夠選擇合適的類型掌握測量轉(zhuǎn)換電路的分析，理解溫度補償?shù)脑虿⒄莆諟囟妊a償?shù)姆椒ń虒W重點電阻應變式傳感器的工作原理，應變片的選型；測量轉(zhuǎn)換電路的分析教學難點電阻應變式傳感器的工作原理；溫度補償?shù)脑韰⒖冀滩摹吨悄軅鞲信c檢測技術(shù)》徐小華主編機械工業(yè)出版社ISBN978-7-111-76072-6教學內(nèi)容『新課導入』用萬用表測量金屬絲的阻值，將金屬絲橫向拉伸并測量相應的阻值，阻值怎么樣變化？為什么會有阻值的變化？金屬絲的阻值與什么有關？『授課內(nèi)容』1.1電阻應變式傳感器1.1.1應變片與應變效應導體或半導體在外力作用下產(chǎn)生機械變形時，其電阻值也發(fā)生相應變化的現(xiàn)象稱為電阻應變效應。1-11-2式中，是壓阻系數(shù)，是半導體所受的引力（半導體內(nèi)部單位面積上受到的力）。1.1.2應變片的種類與結(jié)構(gòu)電阻應變片根據(jù)材料可分為金屬電阻應變片和半導體電阻應變片。(1)金屬電阻應變片金屬電阻應變片有絲式、箔式和薄膜式三種類型，如圖1-1。(2)半導體電阻應變片1.1.3應變片的粘貼工藝(1)應變片的檢查。(2)試件表面處理。(3)確定貼片位置。標出應變片中心線和彈性試件粘貼位置中心線。(4)粘貼。粘貼前，用脫脂棉球蘸上清潔溶劑，無水酒精、四氯化碳等溶劑擦洗被測點處，以便增加粘貼的牢固程度，注意勿用手觸摸清洗后的表面。然后，在應變片的粘貼面處涂上薄薄一層膠水，如KH502膠，將應變片的中心線對準試件上的中心線貼牢。在應變片上蓋上一層臘紙，一只手捏住應變片的引出線，另一只手反復輕輕滾壓透明紙表面，擠出里面多余的膠水和氣泡。(5)固化。(6)粘貼質(zhì)量檢查。(7)引線和組橋。1.1.4測量轉(zhuǎn)換電路1.電橋的平衡條件2.電橋的加減特性3.電橋的工作方式(1)單臂電橋(2)雙臂電橋（差動半橋）(3)雙差動全橋1.1.5電阻應變片的溫度補償(1)補償塊補償法(2)差動電橋線路補償(3)熱敏電阻電路補償法【課堂提問】電阻應變式傳感器有哪些分類？怎樣選擇合適的類型？【課堂討論】金屬絲的電阻值與哪些因素有關？【圖片展示】金屬應變片與半導體應變片的結(jié)構(gòu)【多媒體演示】電阻應變片的粘貼技術(shù)【課堂提問】當環(huán)境溫度變化時，轉(zhuǎn)換電路的輸出怎樣變化？【課堂討論】電橋的工作方式有幾種？【圖片展示】見教材第6-8頁圖1-2到圖1-8『課堂小結(jié)』掌握電阻應變式傳感器的工作原理，了解應變片的種類與結(jié)構(gòu)，了解應變片的粘貼技術(shù)，能夠選擇合適的應變片類型。掌握電阻應變式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路的分析與計算、三種工作方式輸出的特點、溫度補償?shù)姆椒?，了解溫度補償?shù)脑?。『作業(yè)布置』課后習題一（1、2、3、4、5），二（2）『教學后記』授課題目（章節(jié)）第1章電阻式傳感器1.2氣敏電阻傳感器1.3濕敏電阻傳感器建議課時2授課方式理論知識講授+課堂討論+圖片或?qū)嵨镎故舅鶎賹I(yè)教學目標1.掌握氣敏電阻傳感器的工作原理2.掌握濕敏電阻傳感器的工作原理教學重點1.氣敏電阻傳感器的工作原理2.濕敏電阻傳感器的工作原理教學難點1.氣敏電阻傳感器的工作原理2.濕敏電阻傳感器的工作原理參考教材《智能傳感與檢測技術(shù)》徐小華主編機械工業(yè)出版社ISBN978-7-111-76072-6教學內(nèi)容『新課導入』氣敏電阻傳感器和濕敏電阻傳感器的應用非常廣泛，氣敏電阻傳感器是測量氣體的成分、濃度等參數(shù)的傳感器，濕敏電阻傳感器是測量濕度的傳感器?！菏谡n內(nèi)容』1.2氣敏電阻傳感器1.2.1基本概念與工作原理使用氣敏電阻傳感器（以下簡稱氣敏電阻），可以把某種氣體的成分、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。氣敏電阻是一種半導體敏感器件，它利用半導體材料對氣體的吸附而使自身電阻率發(fā)生變化的機理進行測量的元件。人們發(fā)現(xiàn)某些氧化物半導體材料如SnO2、ZnO、Fe2O3、MgO、NiO、BaTiO3等都具有這種現(xiàn)象。1.2.2結(jié)構(gòu)特性1.氣敏電阻的結(jié)構(gòu)氣敏電阻一般由敏感元件、加熱器和外殼三部分組成。圖1-9是氣敏電阻的電路符號。2.氣敏電阻的加熱方式半導體氣敏電阻按其加熱方式有直熱式和旁熱式兩種。1.2.3氣敏傳感器的應用實例1.3濕敏電阻傳感器1.3.1基本概念與工作原理濕敏電阻的特點是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時，元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化，利用這一特性即可測量濕度。1.3.2結(jié)構(gòu)特性1.半導體陶瓷濕敏元件2.氯化鋰濕敏電阻圖1-16是氯化鋰濕敏電阻的結(jié)構(gòu)圖。它是在聚碳酸酯基片上制成一對梳狀金電極，然后浸涂溶于聚乙烯醇的氯化鋰膠狀溶液，其表面再涂上一層多孔性保護膜而成。氯化鋰是潮解性鹽，這種電解質(zhì)溶液形成的薄膜能隨著空氣中水蒸汽的變化而吸濕或脫濕。感濕膜的電阻隨空氣相對濕度變化而變化，當空氣中濕度增加時，感濕膜中鹽的濃度降低。③有機高分子膜濕敏電阻1.3.3測量電路與應用實例圖1-18為HOS103結(jié)露傳感器的建議測量電路，讀者可根據(jù)需要添加報警器或其他控制電路?！赫n堂小結(jié)』掌握氣敏電阻傳感器和濕敏電阻傳感器的工作原理?！鹤鳂I(yè)布置』課后綜合題二（4、5）『教學后記』授課章節(jié)第2章電容式傳感器2.1電容式傳感器的原理與結(jié)構(gòu)2.2電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路2.3電容式傳感器的應用實例建議課時授課方式理論知識講授+多媒體演示+課堂提問討論所屬專業(yè)教學目標掌握電容式傳感器的工作原理以及分類熟悉電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路熟悉電容式傳感器在工程上的應用教學重點電容式傳感器的原理及分類電容式傳感器的典型應用教學難點電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路參考教材《智能傳感與檢測技術(shù)》徐小華主編機械工業(yè)出版社ISBN978-7-111-76072-6教學內(nèi)容『新課導入』演示：準備形狀大小相同的兩片銅片以及萬用表。將銅片互相接近，用萬用表測量兩者間的電容量，可以看到，隨著二者的靠近，電容量逐漸增大；保持銅片的距離不變，請學生在兩者之間逐漸插入塑料薄膜，用萬用表測量兩者間的電容量，可以看到電容量逐漸增大；保持銅片距離不變，將兩銅片向水平方向分開，可以看到，萬用表顯示的電容量逐漸減小。通過以上顯示，引入電容傳感器的工作原理?！菏谡n內(nèi)容』2.1電容式傳感器的原理與結(jié)構(gòu)電容傳感器的工作原理可以用平板電容器來說明。當忽略邊緣效應時，其電容為：【課堂提問】由式可知，電容量C與A、d、ε三個參量有關。當改變A、d、ε三個參量中的任意一個量，都會引起電容C的變化。若保持其中任意兩個參量不變，只改變另一個參量，那么該參量的變化就能轉(zhuǎn)換為電容量的變化，那么電容式傳感器能分成幾種呢？分別是哪些類型？根據(jù)引起電容量變化的參量的不同，電容傳感器可以分為三種類型：改變遮蓋面積型電容傳感器、變極距型電容傳感器、變介電常數(shù)型電容傳感器。2.1.1變遮蓋面積型電容式傳感器圖（a）是直線位移式結(jié)構(gòu)，極板A固定不動，稱為定極板，極板B能夠左右移動，稱為動極板，與被測物相連。當被測物移動時會帶動極板B發(fā)生位移，從而改變與定極板A的相互遮蓋面積，使兩極板間的電容量發(fā)生變化。圖（b）是角位移式結(jié)構(gòu)，當動極板圍著轉(zhuǎn)軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)時，兩極板的遮蓋面積會發(fā)生變化。2.1.2變極距型電容式傳感器當動極板隨著被測物體發(fā)生位移時，兩極板之間的距離d就會發(fā)生變化，從而使電容量發(fā)生變化。實際使用時，總是使初始極距d0盡量小些，以提高靈敏度，但這也帶來了變極距式電容器的行程較小的缺點。一般變極距型電容傳感器的起始電容在20-30pF，極板間距在25-200um，最大位移通常小于極距的1/10。所以，在實際應用時，為了減小非線性，提高靈敏度，多采用差動式結(jié)構(gòu)，見教材第14頁圖2-4。2.1.3變介電常數(shù)型電容式傳感器因為各種介質(zhì)的相對介電常數(shù)不同，所以在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)時，電容器的電容量也就不同。變介電常數(shù)型電容式傳感器可以用來測量位移、液位、物位等參數(shù)。表2-1中給出了幾種介質(zhì)的相對介電常數(shù)。見教材第15頁圖2-5所示，上下兩極板保持相互遮蓋面積和極距不變，相對介電常數(shù)為εr2的電介質(zhì)插入電容器中的深度發(fā)生變化時，兩種介質(zhì)的極板覆蓋面積也會發(fā)生變化，從而使電容器的電容量發(fā)生變化。被測介質(zhì)εr2進入極板間的深度與引起電容量的變化成線性關系。2.2電容傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路2.2.1調(diào)頻電路調(diào)頻電路是將電容傳感器作為LC振蕩器諧振回路的一部分，振蕩器的頻率受電容傳感器電容的調(diào)制。當被測參數(shù)變化導致電容量發(fā)生變化時，LC振蕩器的振蕩頻率就會發(fā)生變化，從而實現(xiàn)C/f轉(zhuǎn)換。見教材第15頁圖2-6為振蕩器調(diào)頻電路原理圖，振蕩器輸出頻率的變化在鑒頻器中轉(zhuǎn)化電壓幅度的變化，經(jīng)過放大器放大、檢波之后就可以用儀表指示或用記錄儀器記錄下來?！菊n堂討論】分析調(diào)頻電路中各部分的功能。振蕩器的振蕩頻率由下式?jīng)Q定：式中——振蕩回路的固定電感——振蕩回路總電容包括振蕩回路的固有電容、傳感器的引線分布電容以及傳感器的電容，即2.2.2脈沖寬度調(diào)制電路圖2-7所示為電容傳感器的脈沖寬度調(diào)制電路。當雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的端輸出為高電平時，點通過對充電，點電位逐漸升高。在端為高電平期間，端為低電平，電容通過低內(nèi)阻的二極管迅速放電，點電位被鉗制在低電平。當點電位升高超過參考電壓時，比較器產(chǎn)生一個“置零脈沖”，觸發(fā)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，點跳變?yōu)榈碗娢?，點跳變?yōu)楦唠娢?。此時經(jīng)二極管迅速放電，點被鉗制在低電平，而同時點高電位經(jīng)向充電。當點電位超過時，比較器產(chǎn)生一個“置1脈沖”，使觸發(fā)器再次翻轉(zhuǎn)，點恢復為高電位，點恢復為低電位。如此周而復始，在雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩輸出端各自產(chǎn)生一個寬度受電容、調(diào)制的脈沖波形，實現(xiàn)轉(zhuǎn)換。對于差動脈沖寬度調(diào)制電路，不論是改變平板電容器的極距或是極板相互遮蓋面積，其變化量與輸出量都呈線性關系。2.2.3運算放大器式電路運算放大器具有放大倍數(shù)K非常大、輸入阻抗很高的特點，因而可以作為電容傳感器比較理想的測量電路，見教材第16頁圖2-8，為電容傳感器。2.3電容式傳感器的應用實例電容器的電容量受到三個因素的影響，即：極距、相互遮蓋面積和極間介電常數(shù)，固定其中的兩個變量，電容量就是另一個變量的一元函數(shù)。只要想辦法將被測非電量轉(zhuǎn)換成極距、面積或者介電常數(shù)的變化，就能通過測量電容量這個參數(shù)來達到非電量電測的目的。電容傳感器的用途有很多，例如可以利用面積變化的原理，測量直線位移、角位移，構(gòu)成電子千分尺；利用介電常數(shù)變化的原理，測量環(huán)境相對濕度、液位、物位；利用極距變化的原理，測量壓力、振動等等。2.3.1電容料位計電容料位計原理圖見教材第17頁圖2-9。1、被測物料為導電體圖（a）所示，電容料位計以直徑為d的不銹鋼或紫銅棒做電極，外套聚四氟乙烯塑料絕緣套管。將其插在儲液罐中，此時導電介質(zhì)本身為外電極，內(nèi)、外電極極距為聚四氟乙烯塑料絕緣套管的厚度，當料位發(fā)生變化時，內(nèi)、外極板的相對面積發(fā)生變化，從而使電容量隨之變化。被測物料為絕緣體圖（b）所示，電容料位計可采用裸電極作為內(nèi)電極，外套以開有液體流通孔的金屬外電極，通過絕緣環(huán)裝配。當被測液體的液面在兩個電極間上下變化時，電極間介電常數(shù)不同的兩種介質(zhì)（上面部分為空氣，下面部分為被測液體）的高度發(fā)生變化，從而使得電容器的電容量改變。被側(cè)液位的高度正比于電容器電容量的變化。2.3.2電容式厚度傳感器電容測厚儀工作原理如圖2-10所示。2.3.3電容式差壓傳感器見教材第18頁圖2-11為一種小型差動式電容壓力傳感器。2.3.4電容式濕度傳感器電容式濕度傳感器有效利用了兩個電極間的電容量隨濕度變化的特性，其基本結(jié)構(gòu)如圖2-12所示?！赫n堂小結(jié)』本節(jié)課介紹了電容式傳感器的原理、結(jié)構(gòu)及分類，通過三種電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路說明了如何將電容的變化轉(zhuǎn)換為電壓、電流、頻率等信號的變化，并介紹了電容式傳感器在工程上的典型應用實例?！鹤鳂I(yè)布置』課后思考題與習題『教學后記』授課題目（章節(jié)）第3章電感式傳感器3.1自感式傳感器3.2變氣隙式自感傳感器建議課時2授課方式理論知識講授+課堂提問討論+多媒體演示所屬專業(yè)教學目標掌握自感式傳感器的測量原理掌握變氣隙式自感傳感器的測量原理了解單線圈和差動兩種變氣隙式自感傳感器的特性教學重點1.自感式傳感器的測量原理2.變氣隙式自感傳感器的測量原理教學難點1.自感式傳感器的測量原理2.變氣隙式自感傳感器的測量原理參考教材《智能傳感與檢測技術(shù)》徐小華主編機械工業(yè)出版社ISBN978-7-111-76072-6教學內(nèi)容『新課導入』電感式傳感器利用電磁感應把被測的物理量如位移、壓力、流量、振動等的變化轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)和互感系數(shù)的變化，再由電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，實現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。電感式傳感器主要用于位移測量和可以轉(zhuǎn)換成位移變化的機械量（如張力、壓力、壓差、加速度、振動、應變、流量、厚度、液位、比重、轉(zhuǎn)矩等）的測量。『授課內(nèi)容』3.1自感式傳感器自感式傳感器（見圖3-1）又稱電感式位移傳盛器，是由鐵芯、線圈和銜鐵構(gòu)成的，是將直線或角位移的變化轉(zhuǎn)換為線圈電感量變化的傳感器。鐵芯和銜鐵由導磁材料制成。這種傳感器的線圈匝數(shù)和材料磁導率都是一定的，其電感量的變化是由于位移輸入量導致線圈磁路的幾何尺寸變化而引起的。當把線圈接入測量電路并接通激勵電源時，就可獲得正比于位移輸入量的電壓或電流輸出。在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，傳感器的運動部分與銜鐵相連，當銜鐵移動時，氣隙厚度發(fā)生改變，引起磁路中磁阻變化，從而導致電感線圈的電感值變化，因此只要能測出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。根據(jù)電感定義，線圈中電感量可表示為（3-1）根據(jù)磁路歐姆定律，有（3-2）式(3-1)與式(3-2)兩式聯(lián)立得（3-3）當氣隙很小時，可以認為氣隙中的磁場是均勻的。若忽略磁路磁損，則磁路總磁阻為（3-4）通常氣隙磁阻遠大于鐵芯和銜鐵的磁阻，即于是式（3-4）可寫為（3-5）聯(lián)立式（3-3）及式（3-5），可得（3-6）式（3-6）表明：當線圈匝數(shù)為常數(shù)時，電感量僅僅是磁路總磁阻的函數(shù)，改變或均可導致電感量變化，因此自感式傳感器又可分為變氣隙厚度的傳感器和變氣隙面積的傳感器。3.2變氣隙式自感傳感器目前使用最廣泛的自感式傳感器是變氣隙式自感傳感器。其測量原理是：鐵芯和銜鐵由導磁材料如硅鋼片或鐵鎳合金制成，在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，氣隙厚度為，傳感器的運動部分與銜鐵相連。當銜鐵移動時，氣隙厚度發(fā)生改變化，引起磁路總磁阻變化，從而導致電感線圈的電感值變化，因此只要能測出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。出式（3-6）知，與之間是非線性關系，特性曲線如圖3-2所示。當銜鐵處于初始位置時，初始電感量為當銜鐵上移時，傳感器氣隙厚度減小，即=-，則此時輸出電感為經(jīng)過一系列數(shù)學公式處理，最后作線性處理，即忽略高次項后，可得自感式傳感器的靈敏度為線性度為為了減小非線性誤差，實際測量中廣泛采用差動式變氣隙式自感傳感器。由圖3-3可知，差動式變氣隙式自感傳感器由兩個相同的電感線圈、和磁路組成。測量時，銜鐵通過導桿與被測體相連，當被測體上下移動時，導桿帶動銜鐵也以相同的位移上下移動，使兩個磁回路中磁阻發(fā)生大小相等、方向相反的變化，導致一個線圈的電感量增加，另一個線圈的電感量減小，形成差動形式。經(jīng)過計算，差動式變氣隙式自感傳感器靈敏度為線性度為【多媒體演示】多媒體課件見教材配套教學PPT『課堂小結(jié)』比較單線圈和差動兩種變氣隙式自感傳感器的特性，可以得到如下結(jié)論。差動式變氣隙式自感傳感器的靈敏度是單線圈式的兩倍，差動式變氣隙式自感傳感器的線性度得到明顯改善。為了使輸出特性得到有效改善，構(gòu)成差動的兩個變氣隙式自感傳感器在結(jié)構(gòu)尺寸、材料、電氣參數(shù)等方面均應完全一致?！鹤鳂I(yè)布置』P25頁中一、填空題和二、簡答題?！航虒W后記』授課題目（章節(jié)）第3章電感式傳感器3.3互感式傳感器3.4電渦流式傳感器3.5電感式傳感器的應用3.5.1變氣隙電感式壓力傳感器3.5.2電渦流式傳感器建議課時2授課方式理論知識講授+課堂提問討論+多媒體演示所屬專業(yè)教學目標掌握互感式和電渦流式傳感器的測量原理了解變氣隙電感式壓力傳感器和電渦流式傳感器的應用教學重點1.互感式和電渦流式傳感器的測量原理2.變氣隙電感式壓力傳感器和電渦流式傳感器的應用教學難點互感式和電渦流式傳感器的測量原理參考教材《智能傳感與檢測技術(shù)》徐小華主編機械工業(yè)出版社ISBN978-7-111-76072-6教學內(nèi)容『新課導入』把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且次級繞組用差動形式連接，故又稱差動變壓器式傳感器?！菏谡n內(nèi)容』3.3互感式傳感器差動變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-4所示。圖3-4a、b所示的為變氣隙式差動變壓器傳感器；圖3-4c、d所示的為螺管式差動變壓器傳感器；圖3-4e、f所示的為變面積式差動變壓器傳感器。【多媒體演示】多媒體課件見教材配套教學PPT在非電量測量中，應用最多的是螺管式差動變壓器傳感器，它可以測量1～100mm機械位移，并具有測量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠等優(yōu)點。3.4電渦流式傳感器根據(jù)法拉第電磁感應定律，金屬導體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時，導體內(nèi)將產(chǎn)生呈漩渦狀流動的感應電流，稱之為電渦流，這種現(xiàn)象稱為電渦流效應?；陔姕u流效應制成的傳感器稱為電渦流式傳感器，其原理圖如圖3-5所示。電渦流式傳感器由于具有測量范圍大、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強、可以實現(xiàn)非接觸式測量等優(yōu)點，被廣泛地應用于工業(yè)生產(chǎn)和科學研究的各個領域，可以用來測量位移、振幅、尺寸、厚度、熱膨脹系數(shù)、軸心軌跡和金屬件探傷等。3.5電感式傳感器的應用3.5.1變氣隙電感式壓力傳感器3.5.2電渦流式傳感器『課堂小結(jié)』在非電量測量中，應用最多的是螺管式差動變壓器傳感器，它可以測量1～100mm機械位移，并具有測量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠等優(yōu)點。電渦流式傳感器由于具有測量范圍大、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強、可以實現(xiàn)非接觸式測量等優(yōu)點，被廣泛地應用于工業(yè)生產(chǎn)和科學研究的各個領域，可以用來測量位移、振幅、尺寸、厚度、熱膨脹系數(shù)、軸心軌跡和金屬件探傷等?！鹤鳂I(yè)布置』P25頁中一、填空題和二、綜合題?！航虒W后記』授課章節(jié)第4章壓電式傳感器4.1壓電元件與壓電效應建議課時2授課方式理論知識講授+課堂提問+課堂討論+圖片展示+多媒體演示所屬專業(yè)教學目標了解壓電元件分類；掌握壓電效應教學重點石英晶體的軸和面以及壓電現(xiàn)象教學難點壓電效應產(chǎn)生的原因參考教材《智能傳感與檢測技術(shù)》徐小華主編機械工業(yè)出版社ISBN978-7-111-76072-6教學內(nèi)容『新課導入』壓電式傳感器是利用某些電介質(zhì)受力后產(chǎn)生壓電效應制成的傳感器，是一種典型的自發(fā)電式傳感器。它以某些電介質(zhì)在受到某一方向的外力作用而發(fā)生形變（包括彎曲和伸縮形變）時，由于內(nèi)部電荷的極化現(xiàn)象，會在其表面產(chǎn)生電荷為基礎，從而實現(xiàn)非電量電測的目的。壓電傳感元件是力敏感元件，它可以測量最終能變換為力的非電物理量，例如動態(tài)力、動態(tài)壓力、振動加速度等，但不能用于靜態(tài)參數(shù)的測量?！菊n堂提問】誰能舉例說明生活中接觸到的壓電式傳感器？『授課內(nèi)容』4.1.1壓電元件壓電式傳感器中的壓電元件一般有三類：壓電晶體（單晶體）經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷（多晶體）高分子壓電材料石英（SiO2）晶體結(jié)晶形狀為六角形晶柱。兩端為一對稱的棱錐，六棱柱是它的基本組織，如果從晶體中切下一個平行六面體，這個晶片在正常狀態(tài)下不呈現(xiàn)電性?！緢D片展示】如圖4-1所示。壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它由無數(shù)細微的電疇組成。這些電疇實際上是分子自發(fā)極化的小區(qū)域。在無外電場作用時，各個電疇在晶體中雜亂分布，它們的極化效應被相互抵消了，因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì)。為了使壓電陶瓷具有壓電效應，必須在一定溫度下做極化處理。極化處理之后，陶瓷材料內(nèi)部存在有很強的剩余極化強度，當壓電陶瓷受外力作用時，其表面也能產(chǎn)生電荷，所以壓電陶瓷也具有壓電效應?！緢D片展示】如圖4-2所示。高分子壓電材料是近年來發(fā)展很快的一種新型材料。典型的高分子壓電材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。其中以PVDF的壓電常數(shù)最高，有的材料可比壓電陶瓷還要高十幾倍。其輸出脈沖電壓有的可以直接驅(qū)動CMOS集成門電路。【圖片展示】4.1.2壓電效應壓電效應可分為正壓電效應和逆壓電效應。正壓電效應是指：某些物質(zhì)，當沿著一定方向?qū)ζ浼恿Χ蛊渥冃螘r，在一定表面上將產(chǎn)生電荷，當外力去掉后，又重新回到正常的不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應。當外力作用方向改變，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。壓電式傳感器大多是利用正壓電效應制成的?！緢D片展示】圖4-3是正壓電效應的示意圖。逆壓電效應是指：如果在這些物質(zhì)的極化方向施加電場，這些物質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機械變形或機械應力，當外電場撤去時，這些變形或應力也隨之消失，這種現(xiàn)象稱之為逆壓電效應，或稱之為電致伸縮效應。用逆壓電效應制造的變送器可用于電聲和超聲工程。下面講解正壓電效應：石英晶體的三個軸：縱向軸稱為光軸，也稱z軸，有折光效應，沒有壓電效應經(jīng)過正六面體棱線，并垂直于光軸的軸線稱為電軸，也稱x軸經(jīng)過正六面體的棱面且垂直于光軸的軸線稱為機械軸，也稱y軸【圖片展示】石英晶體的三個面：垂直于光軸（z軸）的面稱為z面垂直于電軸（x軸）的面稱為x面垂直于機械軸（y軸）的面稱為y面【圖片展示】電荷只產(chǎn)生在與x軸垂直的x面的前后兩側(cè)?！菊n堂討論】為什么電荷只產(chǎn)生在與x軸垂直的x面的前后兩側(cè)？石英晶體的x、y軸向受力產(chǎn)生電荷比較：在x軸方向上施加壓力Fx時，在x面上產(chǎn)生的電荷：式中d11為x方向受力的壓電系數(shù)。在y軸方向施加壓力Fy時，則仍在x面上產(chǎn)生電荷：式中d12為y軸方向受力的壓電系數(shù)，l、δ為石英晶片的長度和厚度。【圖片展示】當石英晶體未受外力作用時，如圖（a）所示，正、負離子正好分布在正六邊形的頂角上，形成三個互成120°夾角的電偶極矩P1、P2、P3。因為P=ql,q為電荷量，l為正負電荷之間距離。此時正負電荷重心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即P1+P2+P3=0，所以晶體表面不產(chǎn)生電荷，即呈中性。當石英晶體受到沿x軸方向的壓力作用時，晶體沿x方向?qū)a(chǎn)生壓縮變形，正負離子的相對位置也隨之變動，如圖（b）所示，此時正負電荷重心不再重合，電偶極矩在x方向上的分量由于P1的減小和P2、P3的增加而不等于零。在x面上出現(xiàn)電荷，它的極性為在x軸正向出現(xiàn)負電荷，x軸負向出現(xiàn)正電荷。在y軸方向上的電偶極距的分量為零，不出現(xiàn)電荷。當晶體受到沿y軸方向的壓力作用時，晶體的變形如圖（c）所示。P1增大，P2、P3減小。在x面上出現(xiàn)電荷，它的極性為在x軸正向出現(xiàn)正電荷，x軸負向出現(xiàn)負電荷。在y軸方向上仍不出現(xiàn)電荷。如果沿z軸方向施加作用力，因為晶體在x方向和y方向所產(chǎn)生的形變完全相同，所以正負電荷重心保持重合，電偶極矩矢量和等于零。這表明沿z軸方向施加作用力，晶體不會產(chǎn)生壓電效應?！径嗝襟w演示】石英晶體的壓電效應演示?！赫n堂小結(jié)』今天我們學習了4.1壓電元件與壓電效應，大家要了解三種常用的壓電元件分別是：壓電晶體（單晶體）；經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷（多晶體）；高分子壓電材料以及它們的特性。另外今天的重點內(nèi)容是壓電效應，壓電效應可分為正壓電效應和逆壓電效應以及為什么會產(chǎn)生壓電效應?！鹤鳂I(yè)布置』思考題與習題一填空題中的1-5小題?！航虒W后記』在課堂提問時大家興趣很高，對生活中的壓電傳感器有一定的認識但不準確，課堂討論時同學們非常激烈，建議以后上課多增加些提問和討論環(huán)節(jié)，提高學生的學習主動性。授課章節(jié)第5章熱電式傳感器5.1熱電偶傳感器5.1.1熱電偶的測溫原理5.1.2熱電偶定律5.1.3熱電偶的冷端溫度補償方法5.1.4熱電偶傳感器的應用實例5.2熱電阻傳感器5.3熱敏電阻傳感器建議課時授課方式理論知識講授+課堂提問討論+多媒體演示所屬專業(yè)教學目標掌握熱電偶的測溫原理和熱電偶定律2.掌握熱電偶的冷端溫度補償方法3.了解熱電偶傳感器的應用實例4.了解熱電阻傳感器和熱敏電阻傳感器教學重點1.掌握熱電偶的測溫原理和熱電偶定律2.掌握熱電偶的冷端溫度補償方法3.了解熱電偶傳感器的應用實例教學難點熱電偶的測溫原理和熱電偶定律參考教材《智能傳感與檢測技術(shù)》徐小華主編機械工業(yè)出版社ISBN978-7-111-76072-6教學內(nèi)容『新課導入』溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見的工藝參數(shù)之一，任何物理變化和化學反應過程都與溫度密切相關，因此溫度控制是生產(chǎn)自動化的重要任務。如冶金、機械、熱處理、食品、化工以及玻璃、陶瓷和耐火材料等各類工業(yè)生產(chǎn)過程中廣泛使用各種加熱爐、熱處理爐、反應爐等『授課內(nèi)容』5.1熱電偶傳感器熱電偶作為溫度傳感器，測得與溫度相應的熱電動勢，由儀表顯示出溫度值。熱電偶傳感器廣泛用來測量-200℃~1800℃范圍內(nèi)的溫度，特殊情況下，可測至2800℃的高溫或4K的低溫。它具有結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，準確度高，測溫范圍廣等特點。由于熱電偶將溫度轉(zhuǎn)化成電量進行檢測，使溫度的測量、控制、以及對溫度信號的放大，變換都很方便，適用于遠距離測量和自動控制。5.1.1熱電偶的測溫原理熱電偶的測溫原理基于熱電效應。將兩種不同材料的導體A和B串接成一個閉合回路，當兩個接點1和2的溫度不同時，如T＞T0，如圖5-2所示，在回路中就會產(chǎn)生熱電動勢，并在回路中有一定大小的電流，此根據(jù)熱電極的材料，熱電偶可分為難熔金屬熱電偶、貴金屬熱電偶、廉金屬熱電偶、非金屬熱電偶等；根據(jù)測溫范圍，熱電偶可分為高溫熱電偶、中溫熱電偶、低溫熱電偶；根據(jù)工業(yè)標準化的情況，又分為標準化熱電偶和非標準化熱電偶。標準化熱電偶國家已定型批量生產(chǎn)，它具有良好的互換性，有統(tǒng)一的分度表，并有與之配套的記錄和顯示儀表。這對生產(chǎn)和使用都帶來了方便。1.鉑銠-鉑熱電偶2.鎳鉻-鎳硅熱電偶3.鉑銠-鉑銠熱電偶4.銅-康銅熱電偶5.1.2熱電偶定律1.均質(zhì)導體定律中間導體定律參考電極定律兩種導體A,B分別與參考電極C(或稱標準電極)組成熱電偶，如果他們所產(chǎn)生的熱電動勢為已知，A和B兩極配對后的熱電動勢可用下式求得+5.1.3熱電偶的冷端溫度補償方法常用的補償措施有補償導線法、冷端0℃恒溫法、電橋補償法等。補償導線法冷端0℃恒溫法電橋補償法電橋的4個電阻均和熱電偶冷端處在同一環(huán)境溫度，但由于RT的阻值隨環(huán)境溫度變化而變化，使電橋產(chǎn)生的不平衡電壓的大小和極性隨著環(huán)境溫度的變化而變化，從而達到自動補償?shù)哪康摹?.1.4熱電偶傳感器的應用實例5.2熱電阻傳感器熱電阻傳感器是利用導體或半導體的電阻值隨溫度的變化來測量溫度的元件，它由熱電阻體（感溫元件），連接導線和顯示或紀錄儀表構(gòu)成。熱電阻傳感器廣泛用來測量-200～850℃范圍內(nèi)的溫度，少數(shù)情況下，低溫可至1K，高溫可達1000

℃。在常用的電阻溫度計中，標準鉑電阻溫度計的準確度最高。同熱電偶相比，具有準確度高，輸出信號大，靈敏度高，測溫范圍廣，穩(wěn)定型好,

輸出線性好等特性。5.3熱敏電阻傳感器熱敏電阻是一種電阻值隨其溫度成指數(shù)變化的半導體熱敏元件。廣泛應用于家電、汽車、測量儀器等領域。優(yōu)點如下：電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，比一般金屬電阻大10～100倍；結(jié)構(gòu)簡單，體積小，可以測量“點”溫度；電阻率高，熱慣性小，適宜動態(tài)測量；(4)功耗小，不需要參考端補償，適于遠距離的測量與控制。缺點是阻值與溫度的關系呈非線性，元件的穩(wěn)定性和互換性較差。除高溫熱敏電阻外，不能用于350℃以上的高溫。熱敏電阻由熱敏探頭，引線，殼體等構(gòu)成，圖5-5熱敏電阻的結(jié)構(gòu)與符號?！赫n堂小結(jié)』對于機械、冶金、能源、國防等部門來說，金屬表面溫度的測量是非常普遍而又比較復雜的問題。例如熱處理工作中鍛件、鑄件以及各種余熱利用的熱交換器表面、氣體蒸汽管道、壁爐面等表面溫度。根據(jù)對象特點，測量范圍從攝氏幾百度到攝氏一千多度，而測量方法就采用直接接觸測量法?！鹤鳂I(yè)布置』P38頁中一、填空題和二、簡答題?！航虒W后記』授課章節(jié)第六章光電式傳感器6.1光電式傳感器6.1.1光電效應6.1.2光電元件及傳感器6.1.3光電傳感器及其應用建議課時2授課方式理論知識講授+討論課+案例教學+多媒體演示所屬專業(yè)教學目標1.掌握光電效應的概念2.掌握光電元件及傳感器3.了解光電傳感器及其應用教學重點1.光電效應的概念2.光電元件及傳感器教學難點1.光電元件及傳感器參考教材《智能傳感與檢測技術(shù)》徐小華主編機械工業(yè)出版社ISBN978-7-111-76072-6教學內(nèi)容『新課導入』光電傳感器的基本轉(zhuǎn)換原理是將被測量轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后將光信號作用于光電元件而轉(zhuǎn)換成電信號的輸出。光電傳感器可測量的參數(shù)很多，一般情況下具有非接觸式測量的特點，并且光電傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，具有很高的可靠性且動態(tài)響應極快。隨著激光光源、光柵、光導纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應用，使得光電傳感器越來越廣泛地應用于檢測和控制領域?！菏谡n內(nèi)容』6.1光電式傳感器6.1.1光電效應光電傳感器通常是指能敏感檢測到由紫外線到紅外線光的光能量，并能將光能轉(zhuǎn)化成電信號的器件。其工作原理是基于一些物質(zhì)的光電效應。由于被光照射的物體材料不同，所產(chǎn)生的光電效應也不同，通常光照射到物體表面后產(chǎn)生的光電效應分為三類：外光電效應、內(nèi)光電效應、光生伏特效應?！径嗝襟w演示】多媒體課件見教材配套教學PPT6.1.2光電元件及傳感器光電管光電管和光電倍增管同屬于用外光電效應制成的光電轉(zhuǎn)換器件。光電管的外形如圖6-1所示。光電倍增管光電倍增管有放大光電流的作用，靈敏度非常高，信噪比大，線性好，多用于微光測量。如圖4-3是光電倍增管結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖。3.光敏電阻光敏電阻是一種電阻元件,具有靈敏度高，體積小，重量輕，光譜響應范圍寬，機械強度高，耐沖擊和振動，壽命長等優(yōu)點。4.光敏二極管光敏二極管結(jié)構(gòu)與一般二極管不同之處在于：將光敏二極管的PN結(jié)設置在透明管殼頂部的正下方，可以直接受到光的照射，圖6-5a所示是其結(jié)構(gòu)示意圖，它在電路中處于反向偏置狀態(tài)，如圖6-5b所示。5.光敏晶體管光敏晶體管有兩個PN結(jié)。與普通晶體管相似，也有電流增益。如圖6-6所示為NPN型光敏晶體管的結(jié)構(gòu)。多數(shù)光敏晶體管的基極沒有引出線，只有正負(c、e)兩個引腳，所以其外型與光敏二極管相似，從外觀上很難區(qū)別。6.光電池光電池是利用光生伏特效應把光直接轉(zhuǎn)變成電能的器件。由于它可把太陽能直接變電能，因此又稱為太陽能電池。它是基于光生伏特效應制成的，是發(fā)電式有源元件。它有較大面積的PN結(jié)，當光照射在PN結(jié)上時，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動勢?！菊n堂討論】在我們?nèi)粘Ｉ钪杏心男┊a(chǎn)品用到了光電傳感器？6.1.3光電傳感器及其應用由于光電測量方法靈活多樣，可測參數(shù)眾多。1.煙塵濁度監(jiān)測儀2.光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表光電式產(chǎn)品計數(shù)器『課堂小結(jié)』光電傳