《自动检测技术及应用》教案.doc

湖北水利水电职业技术学院教 师 授 课 教 案课程名称： 自动检测技术 2008 年至2009 年第 1 学期第 18 次课班 级： 07发电厂1、2 编制日期：20 08 年 7 月 10 日教学单元（章节）：第七章 霍耳传感器 7.1 霍尔元件的结构及工作原理 7.2 霍尔元件的特性参数及其误差目的要求： 1. 了解霍耳效应的工作原理 2. 了解霍耳元件的结构 3. 了解霍耳传感器的特性参数及误差知识要点： 1. 霍耳效应 2. 霍耳元件 3. 温度、零位特性及补偿技能要点：教学步骤： 1. 介绍霍耳效应 2. 霍耳传感器的工作原理 教具及教学手段： 多媒体课堂教学结合黑板板书；讲述、分析、举例、提问。作业布置情况： 课后习题1课后分析与小结：授课教师： 陈剑 授课日期：20 年 月 日第 页教 学 内 容板书或旁注第一节 霍耳传感器的工作原理 一霍耳效应在置于磁场中的导体或半导体里通入电流，若电流与磁场垂直，则在与磁场和电流都垂直的方向上会出现一个电势差。这种现象称为霍耳效应。当电场力与洛仑兹力相等时，与霍耳电压UH有关的因素：1）材料的性质；2）元件的尺寸；3）控制电流及磁场强度。二霍耳元件霍耳电压UH正比于控制电流I和磁感应强度B。霍耳元件在最大允许温升下的最大开路霍耳电压为：在同磁场强、相同尺寸和相等功耗下，不同材料的元件输出的霍耳电压 仅仅取决于 ，即取决于材料本身的性质。三温度特性及补偿1温度特性霍耳元件的温度特性是指元件的内阻及输出与温度之间的关系。2温度补偿（1）利用输入回路的串联电阻进行补偿（2）利用输出回路的负载进行补偿四零位特性及补偿在无外加磁场或无控制电流的情况下，元件产生输出电压的特性称为零位特性，由此而产生的误差称为零位误差。主要表现：1不等位电压2寄生直流电压3感应电动势4自激场零电压湖北水利水电职业技术学院教 师 授 课 教 案课程名称： 自动检测技术 2008 年至2009 年第 1 学期第 19 次课班 级： 07发电厂1、2 编制日期：20 08 年 7 月 10 日教学单元（章节）：第七章 霍耳传感器 7.3 霍尔集成电路 7.4 霍尔传感器的应用目的要求： 1. 了解霍耳传感器的常用电路 2. 了解霍耳传感器的应用知识要点： 1. 霍耳集成电路 2. 霍耳传感器的应用 技能要点：教学步骤： 1. 介绍霍耳集成电路 2. 霍耳传感器的应用 教具及教学手段： 多媒体课堂教学结合黑板板书；讲述、分析、举例、提问。作业布置情况： 课后习题5课后分析与小结：授课教师： 陈剑 授课日期：20 年 月 日第 页教 学 内 容板书或旁注7.3 集成霍耳传感器7.3.1 霍尔元件的常用电路 1. 恒流工作电路 2. 恒压工作电路 3. 查分放大电路7.3.2 霍尔集成电路一 开关型集成霍耳传感器开关型集成霍耳传感器是把霍耳元件的输出经过处理后输出一个高电平或低电平的数字信号。二 线性集成霍耳传感器线性集成霍耳传感器是把霍耳元件与放大线路集成在一起的传感器。其输出信号与磁感应强度成比例。7.4 霍耳传感器的应用霍耳传感器的应用主要依据它的磁电特性，总的来说可分为三个方面，即：磁场比例特性、电流比例性和乘法作用。一磁场比例性磁场比例性是指控制电流恒定时，霍耳电压与磁场之间的关系。1测量磁场2测量位移3无接触发信4无触电开关二电流比例性三乘法作用应用实例：7.4.1 霍尔压力传感器7.4.2 霍尔电流传感器 1. 直接测量式霍尔电流传感器 2. 零磁通式7.4.3 霍尔传感器用于角度检测7.4.4 霍尔开关按键7.4.5 霍尔无刷电动机湖北水利水电职业技术学院教 师 授 课 教 案课程名称： 自动检测技术 2008 年至2009 年第 1 学期第 20 次课班 级： 07发电厂1、2 编制日期：20 08 年 7 月 10 日教学单元（章节）：第八章 数字式传感器 8.1 码盘式传感器 8.2 光栅传感器目的要求： 1. 了解光栅传感器的结构、类型 2. 了解码盘式传感器的类型、特点知识要点： 1. 光栅传感器的组成 2. 莫尔条纹形成原理 3. 码盘式传感器的类型技能要点：教学步骤： 1. 光栅传感器的组成 2. 莫尔条纹形成原理及特点 教具及教学手段： 多媒体课堂教学结合黑板板书；讲述、分析、举例、提问。作业布置情况： 课后习题1、2课后分析与小结：授课教师： 陈剑 授课日期：20 年 月 日第 页教 学 内 容板书或旁注8.1 码盘式传感器8.1.1 增量式编码器8.1.2 绝对式编码器8.2 光栅传感器一光栅的结构及类型组成：照明系统、光栅副和光电接收元件。如图：在长度测量中应用的光栅，通常称计量光栅。长光栅计量光栅按形状和用途分： 径向光栅圆光栅 切向光栅 投射光栅 黑白光栅(幅值光栅)根据光线走向分 栅线形式 反射光栅 闪耀光栅(相位光栅) 二莫尔条纹形成原理及特点（一）长光栅的莫尔条纹莫尔条纹是由于重合两块衍射光栅时衍射光之间发生干涉所形成的。横向莫尔条纹的特点：（1）平均效应（2）放大作用（3）对应关系（二）圆光栅的莫尔条纹1环形莫尔条纹2圆弧形莫尔条纹教 学 内 容板书或旁注三光栅常用的光路1垂直投射式光路2透射分光式光路3反射式光路4镜象式光路四细分电路细分方法：机械细分和电子细分。电子细分的几种方法：（一）直接细分直接细分是利用光电元件输出的相位差为900的两路信号进行四倍频细分。（二）电桥细分（三）电阻链细分湖北水利水电职业技术学院教 师 授 课 教 案课程名称： 自动检测技术 2008 年至2009 年第 1 学期第 21 次课班 级： 07发电厂1、2 编制日期：20 08 年 7 月 10 日教学单元（章节）：第八章 数字式传感器 8.3 磁栅传感器 8.4 感应同步器目的要求： 1. 了解磁栅传感器的结构、类型 2. 了解感应同步器的种类和结构知识要点： 1. 磁栅结构及工作原理 2. 感应同步器技能要点：教学步骤： 1. 磁栅传感器的结构及工作原理介绍 2. 感应同步器的信号处理方式介绍教具及教学手段： 多媒体课堂教学结合黑板板书；讲述、分析、举例、提问。作业布置情况： 课后习题2课后分析与小结：授课教师： 陈剑 授课日期：20 年 月 日第 页教 学 内 容板书或旁注8.3 磁栅传感器磁栅可分为长磁栅和圆磁栅两大类。长磁栅主要用于直线位移测量，圆磁栅主要用于角位移测量。8.3.1 磁栅结构及工作原理磁栅传感器主要由磁尺、磁头和信号处理电路组成。磁尺按其形状可分为实体型磁尺、带状磁尺、线状磁尺和圆形磁尺。磁头可分为动态磁头和静态磁头两大类。8.3.2 信号处理方式磁栅传感器的信号处理方式有鉴相式、鉴幅式之分，其中前者应用较广。鉴相处理方式就是利用输出信号的相位来反映磁头的位移量或磁头与磁尺的相对位置的信号处理方式。8.3.3 磁栅传感器的应用 1. 磁栅的信号检出电路 2. 鉴相内插细分电路 3. 微机硬件框图说明8.4 感应同步器8.4.1 种类和结构 1. 直线式感应同步器直线式感应同步器主要部件包括定尺和滑尺 2. 圆感应同步器圆感应同步器又称旋转式感应同步器。8.4.2 工作原理8.4.3 信号处理方式 1. 鉴相型根据感应电动势的相位鉴别位移量的信号处理方式。 2. 鉴幅型感觉感应电动势的幅值来鉴别位移量的信号处理方式。8.4.4 感应同步器数显表及其应用 1. 鉴幅型感应同步器数显表 2. 微处理器感应同步器位置测量系统湖北水利水电职业技术学院教 师 授 课 教 案课程名称： 自动检测技术 2008 年至2009 年第 1 学期第 22 次课班 级： 07发电厂1、2 编制日期：20 08 年 7 月 10 日教学单元（章节）：第九章 其他类型传感器及其应用 9.1 压电传感器目的要求： 1. 理解压电式传感器的工作原理。 2. 了解压电式传感器的测量电路。知识要点： 1. 压电效应 2. 压电式传感器的工作原理技能要点：教学步骤： 1. 首先提出压电效应的概念。 2. 介绍各种具有压电效应的物质及压电元件的结构。 3. 了解压电式传感器的测量电路及其应用。教具及教学手段： 多媒体课堂教学结合黑板板书；讲述、举例、分析、提问。作业布置情况： 课后习题1课后分析与小结：授课教师： 陈剑 授课日期：20 年 月 日第 页教 学 内 容板书或旁注9.1 压电式传感器的工作原理9.1.1压电效应某些晶体，在一定方向受到外力作用时，内部将产生极化现象，相应地在晶体的两个表面产生符号相反的电荷；当外力作用除去时，又恢复到不带电状态。当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变，这种现象称为压电效应。9.1.2 压电材料及压电元件的结构一压电材料压电材料的选择一般考虑以下主要特性：1）具有较大的压电常数。2）压电元件的机械强度高、刚度大并具有较高的固有振动频率。3）具有高的电阻率和较大的介电常数，以期减少电荷的泄漏以及外部分布电容的影响，获得良好的低频特性。4）具有较高的居里点。5）压电材料的压电特性不随时间蜕变，有较好的时间稳定性。（一）石英晶体（二）水溶性压电晶体（三）铌酸锂晶体（四）压电陶瓷这是一种应用最普遍的压电材料，压电陶瓷具有烧制方便、耐湿、耐高温、易于成形等特点。 1钛酸钡压电陶瓷2锆钛酸铅系压电陶瓷3铌酸盐系压电陶瓷4铌镁酸铅压电陶瓷（五）压电半导体（六）高分子压电材料二压电元件的常用结构形式9.1.3 压电式传感器的测量电路一等效电路第 页教 学 内 容板书或旁注二测量电路（一）电压放大器（二）电荷放大器9.1.4 压电式传感器的应用 1. 玻璃破碎报警装置 2. 压电式报警系统 3. 压电式单向测力传感器 4. 压电式测力均匀压力传感器 5. 压电式振动式加速度传感器湖北水利水电职业技术学院教 师 授 课 教 案课程名称： 自动检测技术 2008 年至2009 年第 1 学期第 23 次课班 级： 07发电厂1、2 编制日期：20 08 年 7 月 10 日教学单元（章节）：第九章 其他类型传感器及其应用 9.2 超声波传感器目的要求： 1. 了解超声波传感器的工作原理。 2. 了解超声波传感器的应用。知识要点： 1. 超声波的产生与接收。技能要点：教学步骤： 1. 介绍超声波的产生与接收。 2. 超声波的传播特性。 3. 超声波传感器在检测技术中的应用。教具及教学手段： 多媒体课堂教学结合黑板板书；讲述、分析、举例、提问。作业布置情况： 课后习题1课后分析与小结：授课教师： 陈剑 授课日期：20 年 月 日第 页教 学 内 容板书或旁注超声波传感器是利用超声波的特性，实现自动检测的测量元件。声波是一种机械波。声的发生是由于发声体的机械振动，引起周围弹性介质中质点的振动，这种振动由近及远的传播，就是声波。人耳所能听闻的声波频率在2020000Hz之间，频率在2020000Hz以外的声波不能引起声音的感觉。频率超过20000Hz的叫做超声波，频率低于20Hz的叫做次声波。超声波的频率可以高达1011Hz，而次声波的频率可以低达108Hz。一 超声波的产生超声波是由超声波发生器产生的。超声波发生器主要是电声型，它将电磁能转换成机械能。其结构分为两部分，第一部分是产生高频电流或电压的电源，另一部分是换能器，它的作用是将电磁振荡变换成机械振荡而产生超声波。 1压电式超声波发生器压电式超声波发生器就是利用压电晶体的电致伸缩现象制成的。2磁致伸缩超声波发生器铁磁性物质在交变的磁场中，在顺着磁场方向产生伸缩的现象，叫做磁致伸缩效应。二超声波的接收一般的超声波接收器是利用超声波发生器的逆效应而进行工作的。当超声波作用到压电晶体片时，使晶片伸缩，则在晶片的两个界面上产生交变电荷。这种电荷先被转换成电压，经过放大后送到测量电路，最后记录或显示出结果。它的结构和超声波发生器基本相同，有时就用同一个超声波发生器兼做超声波接收器。磁致伸缩超声波接收器是利用磁致伸缩的逆效应而制成的。教 学 内 容板书或旁注三超声波的传播特性超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，它是由于介质相接触的振荡源所引起的。超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关。超声波的一种传播特性是在通过两种不同的介质时，产生折射和反射现象。超声波的另一种传播特性是在通过同种介质时，随着传播距离的增加，其强度因介质吸收能量而减弱。 四超声波在自动检测中的应用1超声波探伤（1）穿透法探伤（2）反射法探伤2超声波测液位3超声波测厚度湖北水利水电职业技术学院教 师 授 课 教 案课程名称： 自动检测技术 2008 年至2009 年第 1 学期第 24 次课班 级： 07发电厂1、2 编制日期：20 08 年 7 月 10 日教学单元（章节）：第十章 信号的处理、变换及抗干扰技术 10.1 信号的处理与变换目的要求： 1. 了解信号处理与变换的几种基本方式 2. 掌握信号转换电路的原理知识要点： 1. 电桥电路、模拟开关、放大器 2. 信号转换电路 技能要点：教学步骤： 1. 介绍传感器接口电路应用中的几个基本电路 2. 介绍信号转换电路的几种具体的方法 教具及教学手段：多媒体课堂教学结合黑板板书；讲述、举例、分析、提问。作业布置情况： 课后习题1课后分析与小结：授课教师： 陈剑 授课日期：20 年 月 日第 页教 学 内 容板书或旁注10.1 信号的处理与变换10.1.1 电桥电路电桥电路是传感器接口电路中应用的极普遍的基本电路。电桥电路有两种基本的工作方式：平衡电桥（零检测器）和不平衡电桥。在传感器应用中主要是不平衡电桥。平衡电桥主要用在静态参数测量和反馈系统中。10.1.2 模拟开关模拟开关是电路中应用最普遍的控制元件。模拟开关的基本功能是能接通或断开模拟输入信号，在导通时输出信号即输入信号无失真，而断开时输出信号应为零。10.1.2.1 主要性能要求 1. 导通电阻 2. 断开隔离 3. 开关速率 4. 最大导通电流 5. 最大断开电压 6. 最小模拟信号电平 7. 寿命10.1.2.2 开关驱动电路10.1.2.3 误差 1）由于泄露电流和开关电阻引起的低频或直流误差； 2）由于器件和分布电容引起的高频误差。10.1.2.4 噪声 1）来自驱动电路或参考电压的噪声； 2）来自电源的噪声； 3）来自模拟输入信号的噪声。10.1.3 放大器 传感器的输出通常需要接入放大器，以便进行缓冲、隔离、放大和电平转换等处理。教 学 内 容板书或旁注10.1.4 信号转换电路10.1.4.1 调制和解调 1. 斩波调幅主要有两种：斩波调制器和环形调制器。通常要求输入信号的最高频谱不得超过载波频率的10%20%，以保证在解调之后可以不失真地恢复原信号。 2. 相敏解调 3. 电压-频率和频率-电压转换电路电压-频率转换器是将直流输入电压转换为与之幅值成比例的频率信号。电压-频率的转换过程实质上是频率调制形式。10.1.4.2 模-数（A/D）和数-模（D/A）转换器 1. 模-数（A/D）转换模-数转换就是把连续变化的模拟信号转换为阶跃变化的数字信号。模-数转换的过程包括量化和编码。集成化A/D转换器采用的转换方法有：逐次逼近法和积分法。 2. 数-模（D/A）转换所有常规的D/A转换器的基本结构包括一个精密的电阻网络、一组开关和某些电平平移电路，使逻辑电平适合于驱动开关的需要。10.1.5 线性化10.1.5.1 模拟量的非线性校正 1. 电桥电路的线性化 2. 热敏电阻的非线性校正 3. 折线逼近法10.1.5.2 数字量的非线性校正湖北水利水电职业技术学院教 师 授 课 教 案课程名称： 自动检测技术 2008 年至2009 年第 1 学期第 25 次课班 级： 07发电厂1、2 编制日期：20 08 年 7 月 10 日教学单元（章节）：第十章 信号的处理、变换及抗干扰技术 10.2 信号的输出、显示和记录装置 10.3 抗干扰技术目的要求： 1. 了解信号的输出、显示和记录装置 2. 掌握抗干扰技术知识要点： 1. 电测量指示仪表 2. 记录装置 3. 干扰及干扰的防止或抑制技能要点：教学步骤： 1. 介绍信号输出、显示及记录的基本装置 2. 分析干扰的种类及找到抑制干扰的方法 教具及教学手段： 多媒体课堂教学结合黑板板书；讲述、举例、分析、提问。作业布置情况： 课后习题2课后分析与小结：授课教师： 陈剑 授课日期：20 年 月 日第 页教 学 内 容板书或旁注10.2 信号的输出、显示和记录装置10.2.1 电测量指示仪表电测量指示仪表分为两大类：模拟式和数字式。模拟式电测量指示仪表是将被测模拟量变换为人们能够感知的机械位移，并通过指示器指出被测量的值。数字式电测量指示仪表是通过模-数转换器，先将被测模拟量变换为离散量，再以数码的形式显示出被测量的数值。10.2.1.1 仪表的组成及基本原理 1. 组成 2. 测量机构的工作原理测量机构是电测量指示仪表的核心，它的任务是将与被测量呈一定函数关系的中间量变换为活动部分的角位移，并能准确而迅速地指示出被测量的大小。10.2.1.2 指示仪表的主要技术特性 1. 仪表的灵敏度和仪表常数仪表指示器偏转变化量与被测量之比，称为仪表的灵敏度。当标尺分格数均匀时，灵敏度等于单位被测量引起指示器偏转的分格数。仪表灵敏度的倒数称为仪表常数或分度常数。 2. 仪表的误差和准确度 3. 仪表本身所消耗的功率 4. 仪表的阻尼时间阻尼时间是指从被测量接入仪表到指示器在平衡位置附近的摆幅不大于标尺全长的1%所需的时间。 5. 过载能量 6. 抗外界干扰能力10.2.1.3 指示仪表的分类 1. 按仪表的结构和工作原理分，主要有： 磁电系、电动系、铁磁电动系、整流系、感应系等。 2. 按被测量的种类分 电流表、电压表、功率表、电度表、频率表；相位表、欧姆表以及多种用途的仪表，如万用表等。 3. 按被测量变化规律分 直流表、交流表、交直流两用表。 4. 按使用方式分 安装式和可携式教 学 内 容板书或旁注10.2.1.4电测量指示仪表的选择 1. 仪表种类的选择主要根据被测量变化规律和频率范围。 2. 仪表准确度的选择 3. 仪表量程的选用 4. 仪表内阻的选用 5. 仪表工作条件的选用10.2.2 记录装置10.2.2.1 显示记录仪器 1. 光线示波器光线示波器是一种由电、磁、光和机械系统综合组成的记录仪器。 2. 笔式记录仪笔式记录仪是用笔尖在记录仪纸上描绘被测量相对于时间或某一参数量之间函数关系的一种记录仪器。一般按照记录笔的驱动方式可分为检流计式笔录仪与函数记录仪。10.2.2.2 隐式记录仪隐式记录，需要通过其他显示仪器才能观察所记录的波形，但它能多次反复重放，以电信号形式复现，重放速度可以和记录速度不同，从而实现信号的时间压缩和扩展，便于复制，同时也可抹除所记录的信号，以便重复使用记录介质。1. 磁带记录器的构成（1）记录放大器和重放放大器（2）记录磁头（3）磁带和磁带传动机构2. 磁带记录器的记录方式可分为模拟和数字记录两种，其中模拟记录方式又分为直接记录和频率调制两种。3. 磁带记录器的类型与选用10.3 抗干扰技术10.3.1 电子测量装置的两种干扰 1. 差模干扰 差模干扰是使信号接收器的一个输入端子电位相对另一个输入端子电位发生变化，即干扰信号与有用信号叠加在一起。教 学 内 容板书或旁注 2. 共模干扰共模干扰是相对于公共的电位基准地，在信号接收器的两个输入端子上同时出现的干扰。虽然它不直接影响测量结果，但当信号接收器的输入电路参数不对称时将会引起测量误差。10.3.2 外来干扰的防止及抑制抑制外力干扰的方法有：削弱或消除干扰源；减弱由干扰源到信号回路的耦合；降低放大器对干扰的灵敏度等。常用的方法有：1. 屏蔽与接地2. “保护”屏蔽3. 采用合适的连接电缆线4. 滤波法10.3.3 内部干扰及消除方法内部干扰主要来源于自动测试系统中的电源变压器。1. 采用隔离措施2. 采用隔离变压器供电湖北水利水电职业技术学院教 师 授 课 教 案课程名称： 自动检测技术 2008 年至2009 年第 1 学期第 26 次课班 级： 07发电厂1、2 编制日期：20 08 年 7 月 10 日教学单元（章节）：第十一章 自动检测技术的综合应用 11.1 传感器的选用原则 11.2 自动检测系统的智能化目的要求： 1. 了解传感器的选用原则 2. 了解自动检测系统的智能化知识要点： 1. 传感器的选择要求 2. 选择传感器的一般原则 3. 自动检测系统的智能化技能要点：教学步骤： 1. 介绍传感器的选用原则； 2. 介绍智能化的基本概念及智能化传感器。教具及教学手段： 多媒体课堂教学结合黑板板书；讲述、举例、分析、提问。作业布置情况： 课后习题1课后分析与小结：授课教师： 陈剑 授课日期：20 年 月 日第 页教 学 内 容板书或旁注11.1 传感器的选用原则11.1.1 传感器的选择要求 1. 技术指标要求 2. 使用环境要求 3. 电源的要求 4. 基本安全要求 5. 可靠性要求 6. 维修及管理要求11.1.2 选择传感器的一般原则 总的原则是：在满足对传感器所有要求的情况下，成本低廉、工作可靠且易维修，即所谓性能价格比要较高。一般原则可按下列步骤进行：1. 借助于传感器分类表2. 借助于常用传感器比较表3. 借助于传感器的产品目录11.2 自动检测系统的智能化11.2.1 智能化