传感器教案(共152页)

1、教 案201 年 月 日 第 周 累计(li j)第 个教案(jio n) 课时(ksh)课题第一章课型目的要求知 识目 标1掌握传感器的定义2掌握传感器的典型分类方法3了解传感器的基本特性4掌握传感器的静态和动态特性能 力目 标培养学生的理解与记忆能力思想教育严谨的学习态度和习惯重 点难 点分 析重点：1、传感器的静态特性2、传感器的动态特性难点：传感器的动态特性分析教学方法讲授教具学具与实验准备组织教学时间系班级缺课学生名单教 学 内 容 及 步 骤第一章 概述传感器技术基础知识1.1传感器的定义及组成1.1.1 定义国家标准（GB/T7665-1987）规定：传感器是一种能够感受规定的被

2、测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。也叫发送器；传送器；变送器；Transducer/Sensor等。对定义的理解：它是测量装置；输入量是某一被测量（物理、化学、生物等）；输出量是某种物理量（气、光、电等），主要是电物理量；输出输入有对应关系，并应有一定的精度1.1.2 传感器的组成传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成，组成框图如图示。电信号非电物理量敏感元件转换元件接口电路辅助电源 1.2传感器的分类1.2.1按工作机理分 （1）物理型 按构成原理：结构型；物性型教 学 内 容 及 步 骤结构型：是以结构（如形状、尺寸等）为基础，利用物理学中场的定律构成的，动力场

3、的运动定律、电磁场的电磁定律等。必须依靠精密设计的结构予以保证。如：磁隙型电感传感器、电动式传感器等。物性型：是利用物质定律构成的，利用某些功能材料本身所具有的内在特性及效应把被测量直接转换为电量。虎克定律、欧姆定律等。主要依靠材料本身的效应来感应信息。如：光电管（外光电效应）、压电晶体（正压电效应）、光敏电阻、所有半导体传感器、以及所有利用各种环境变化而引起的金属、半导体、陶瓷、合金的性能变化的传感器。按能量转换情况：能量控制型、能量转换型能量控制型：在信息变化过程中，其能量需要外电源供给。如：电阻、电感、电容、基于应变电阻效应、磁阻效应、热阻效应、光电效应、霍尔效应等。能量转换型：主要由能

4、量变换元件构成，它不需要外电源。如：压电效应、热电效应、光电动势效应等。按物理原理电参量式（包括电阻式、电感式、电容式等三个基本形式）、磁电式（包括磁电感应式、霍尔式、磁栅式等）、压电式、光电式（包括一般光电式、光栅式、激光式、光电码盘式、光导纤维式、红外式、摄像式等）、气电式、热电式、波式（包括超声波式微波式等）、射线式、半导体式、其它原理等。可以是两种以上原理的复合形式。（2）化学型利用电化学反应原理，把无机和有机化学物质的成分、浓度等转换为电信号的传感器。最常用的是离子选择性电极。核心部分是离子选择性敏感膜。广泛应用于化学分析、化学工业的在线检测及环保中。（3）生物型利用生物活性物质选择

5、性的识别和测定生物化学物质的传感器。由两大部教 学 内 容 及 步 骤分组成：功能识别物质，酶、抗体、抗原、微生物、细胞等；电、光信号转换装置，最常用的是电极。最大的特点是能在分子水平上识别物质，应用于化学工业检测和医学诊断。1.2.2 按用途（输入信号）分几何量：长度、角度、位移、厚度、几何位置、几何形状、表面波度和粗糙度力学：力、力矩、振动、转速、加速度、质量、流量、硬度、真空度等温度：温度、热量、比容、热分布湿度：湿度、水分时间：频率、时间电量：电流、电压、电阻、电容、电感、电磁波磁性：磁通、磁场光学：照度、光度、颜色、图像、透明度声学：声压、噪声射线：射线剂量、剂量率化学：浓度、成分、

6、pH值、浊度1.2.3按输出信号模拟式传感器输出量为模拟量，数字式传感器输出量为数字量，便于与计算机连接，而且抗干扰能力强，例如盘式角度传感器和光栅传感器等。1.3传感器的静特性传感器的静特性是指传感器在输入量的各个值处于稳定状态时的输出与输入关系，即当输入量是常量或变化极慢时，输出与输入的关系。教 学 内 容 及 步 骤衡量传感器静态特性的主要技术指标有线性度、测量范围和量程、重复性、迟滞、灵敏度等。（1）测量范围和量程传感器所能测量的最大被测量(即输入量)的数值称为测量上限，最小的被测量则称为测量下限，而用测量下限和测量上限表示的测量区间，则称为测量范围，简称范围。测量上限和测量下限的代数

7、差为量程。即：量程=测量上限-测量下限。（2）线性度在采用直线拟合线性化时，输出输入的校正曲线与其拟合直线之间的最大偏差，就称为非线性误差或线性度，通常用相对误差 来表示，即 L=（Lmax/YFS）100%Lmax：最大非线性误差YFS：满量程输出由此可见，非线性误差的大小是以一定的拟合直线为基准直线而得出来的。拟合直线不同，非线性误差也不同。所以，选择拟合直线的主要出发点，应是获得最小的非线性误差。另外，还应考虑使用是否方便，计算是否简便。（3）迟滞传感器在正(输入量增大)反(输入量减小)行程中输出输入曲线不重合称为迟滞。教 学 内 容 及 步 骤迟滞特性一般是由实验方法测得。迟滞误差一般

8、以正反行程中输出的最大偏差量满量程输出之比的百分数表示，即 迟滞的影响因素包括传感器机械结构中的摩擦、游隙和结构材料受力变形的滞后现象等。（4）重复性重复性是指传感器在输入按同一方向作全量程连续多次变动时所得的特性曲线不一致的程度。图示为实际输出的校正曲线的重复特性，正行程的最大重复性偏差为Rmax1，反行程的最大重复性偏差为Rmax2。重复性误差取这两个最大偏差之中较大者为Rmax，与满量程输出 yFS之比的百分数表示，即 重复性误差也常用绝对误差表示。（5）灵敏度与灵敏度误差传感器输出的变化量y与引起此变化量的输入变化量x之比即为其静态灵敏度，其表达式为：教 学 内 容 及 步 骤（6）分

9、辨力分辨力是指传感器在规定测量范围内所能检测出被测输入量的最小变化值。有时对该值用相对满量程输入值之百分数表示，则称为分辨率。（7）稳定性有长期稳定性和短期稳定性之分，通常用长期稳定性，它是指在室温条件下，经相当长的时间间隔，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。（8）漂移传感器在长时间工作时、外界温度改变时或外界出现干扰（冲击、振动、潮湿、电磁等）时等情况下输出量发生的变化，包括零点漂移和灵敏度漂移。零点漂移和灵敏度漂移又可以分为时间漂移和温度漂移，时间漂移是指在规定的条件下，零点和灵敏度随着时间的缓慢的变化；温度漂移为环境温度变化而引起的零点或灵敏度的变化。（9）静态误差传感器在其全量

10、程内任一点的输出值与其理论值（拟合曲线）的偏离程度。是一项综合性指标，它基本上包括了前面叙述的非线性误差、迟滞误差、重复性误差、灵敏度误差等。=（yi）2/（n-1）1/2=(3/yFS)100% 或=（L2+H2+R2+S2）1/21.4传感器的动态特性动态特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。动态特性好的传感器，其输出量随时间变化的曲线与被测量随时间变化的曲线一致或者相近。教 学 内 容 及 步 骤动态特性的一般描述：(1)阶跃响应特性给传感器输入一个单位阶跃函数信号u(t)=，其输出为阶跃响应特性。与阶跃响应特性有关的指标：最大超调量：输出超过稳定值的最大值，常用百分数来表示。上

11、升时间tr：输出由某一值（10%或5%）到达稳定值的90%（或95%）所需的时间。响应时间ts：输出达到稳定值的95%或98%（由允许误差范围所决定）时所需的时间，也称建立时间或过渡过程时间。延迟时间td:阶跃响应达到稳态值50%所需要的时间。峰值时间tp：响应曲线到达第一个峰值所需要的时间。时间常数：越小，响应速度越快。衰减度：瞬态过程中振荡幅值衰减的速度。教 学 内 容 及 步 骤(2)频率响应特性给传感器输入各种频率不同而幅值相同初相位为0的正弦信号，其输出的正弦信号的幅值和相位与频率之间的关系。与频率响应特性有关的指标：频带：传感器增益保持载一定值内的频率范围，对应有上、下截止频率时间

12、常数：一阶传感器（测温传感器等）用表征其动态性能，越小，频带越宽。固有频率：表征二阶传感器（加速度传感器等）的动态特性。1.5 传感器的数学模型1.5.1 静态数学模型传感器的静态数学模型是指在静态信号作用下，传感器输出与输入之间的一种函数关系。如果不考虑迟滞特性和蠕动效应，传感器的静态数学模型一般可以用n次多项式来表示。y=a0+a1x+a2x2+anxn式中，x为输入量；y为输出量；a0为零输入时的输出，也叫零位输出；a1为传感器线性系数，也叫线性灵敏度； a2、a3+an为非线性系数。几种特例：理想的线性特性：y= a1x 其线性度最好，通常是所希望的传感器应具有的特性。仅有偶次非线性项

13、：y=a0 +a2x2+a4x4+a2nx2n ,n=0,1, 其线性范围较窄，线性度差。仅有奇次非线性项：y=a1x+a3x3+a5x5+a2n+1x2n+1 ,n=1,2, 线性范围较宽，线性度好。教 学 内 容 及 步 骤1.5.2 动态数学模型传感器的动态数学模型是指传感器在受到随时间变化的输入量作用时，输出输入之间的关系，通常称为响应特性。（1）微分方程将传感器作为线性定常系统来考虑，其动态数学模型可以用线性常系数微分方程来表示，这种方程式的通式为：所谓线性系统就是在此方程式中不包含变量及其各阶微分的非一次幂项(包括交叉相乘项)；如果线性系统方程中各系数an、bm在工作过程中不随时间

14、和输入量的变化而变化，那么该系统就称为线性定常系统。（2）传递函数对上式取拉氏变换，并令当t=0时，输入量x(t)和输出量y(t)及它们的各阶时间导数的初始值均为零，则得 等号右边是一个与输入量x(t)和输出量y(t)无关的表达式，它只与系统结构参数有关，因而等号右边又是传感器特性的一种表达式，它表征了输出与输入的关系，是一种描述传感器特性的函数。初始条件为零时(传感器被激励之前所有储能元件如质量块、弹性元件、电气元件均没有积存能量)，输出量y(t)的拉氏教 学 内 容 及 步 骤变换Y(s)与输入x(t)的拉氏变换X(s)之比，称为传递函数，并记为H(s)1.6传感器的标定与校准标定：是指在

15、明确传感器的输出与输入关系的前提下，利用某种标准器具对传感器进行标度。标定与校准的本质不同：对新研制或生产的传感器进行全面的技术检定，称为标定；将传感器在使用中或储存后进行的性能复测，称为校准。（1）静特性的标定方法：静态标准条件：没有加速度、震动、冲击、环境温度205。C、相对湿度不大于85%、气压为1017kPa。（2）动态特性的实验确定方法：阶跃信号响应法、正弦信号响应法。（3）常用标定设备：静态标定设备、动态标定设备、现场标定设备。1.7传感器技术发展1.7.1改善传感器性能的技术途径差动技术：显著地减少温度变化、电源波动、外界干扰的影响，抵消共模误差，减小非线性误差。 平均技术：误差

16、=0/ 补偿修正技术：本身特性修正、工作条件或外界环境修正，可以通过硬件或软件实现。 屏蔽、隔离与干扰抑制： 稳定性处理：时效处理、冰冷处理、永磁材料的时间老化温度老化、机械老化、交流稳磁处理、电气元件的老化筛选。教 学 内 容 及 步 骤1.7.2发展趋势（1）开发新型传感器：（新原理新现象、新效应）采用新原理、填补传感器空白、仿生传感器。他们之间是互相联系的。（2）开发新材料半导体敏感材料：硅材料（单晶硅、多晶硅、非晶硅）；金属和非金属合成的化合物半导体材料； 陶瓷材料：绝缘陶瓷、压电陶瓷、介电陶瓷、热电陶瓷、光电陶瓷、半导体陶瓷。 磁性材料：非晶化、薄膜化。智能材料：生物体材料、形状记忆

17、合金、形状记忆陶瓷、形状记忆聚合物。（3）采用新工艺集成技术、微细加工技术、离子注入技术、薄膜技术微细加工技术，又称为微机械加工技术。是离子束、电子束、分子束、激光束、化学刻蚀等微电子加工技术。平面电子工艺技术：传统的氧化、光刻、扩散、沉积等还有薄膜制作选择性的化学刻蚀技术：如：各向异性刻蚀技术 固相键合工艺技术：将两个硅片直接键合为一体而不用中间粘接剂，也不需外加电场。 机械切断技术：在一个基片上的多个超小型传感器用分离切断技术分割开来，以免损伤和残存内应力。4）集成化、多功能化集成化： 同一功能的多元件并列化：如CCD教 学 内 容 及 步 骤多功能一体化：将传感器与放大、运算以及温度补偿

18、等环节一体化，组成一个器件。多功能化：一个传感器可以同时测量多个参数。如：美国的单片硅多维力传感器（3个线速度、3个离心加速度（角速度）、3个角加速度）；温、气、湿三功能陶瓷传感器；多种离子或气体传感器等。（5）智能化灵巧（Smart）传感器，具有：检测、修正、数据处理、逻辑判断、自诊断和自适应能力的集成一体化多功能传感器。1.8传感器的应用举例传感器又称为电五官，主要用于基础科学、军事、宇航、工业、农业、环保、民用电器、资源开发、海洋探测、医学诊断、生物工程等。例：宇宙观察、基本粒子、导弹制导寻的、自动生产线、机器人、汽车、复印机、空调、洗衣机。作业内容作业批改记录时间系班级应交实交缺交作业

19、学生姓名作业批改问题及分析教学札记教 案201 年 月 日 第 周 累计(li j)第 个教案(jio n) 课时(ksh)课题第二章 温度传感器 2.1-2.2课型新授目的要求知 识目 标1.了解温度测量的基本概念和温标的分类2.熟悉温度传感器的分类3熟悉热电效应以及热电偶传感器的工作原理4.熟悉热电偶的种类和结构能 力目 标培养学生的理解和分析能力思想教育严谨的学习态度和习惯重 点难 点分 析1.热电偶中参考端温度补偿分析2.集成温度传感器测温原理教学方法讲授教具学具与实验准备组织教学时间系班级缺课学生名单教 学 内 容 及 步 骤2.1温度测量概述（1）温度：代表物质的冷热程度，是物体内

20、部分子运动剧烈程度的标志。（2）测量温度的方法：接触式测量和非接触式测量接触式测量的特点：感温元件与被测对象直接物理接触，进行热传导。非接触测量的特点：感温元件与被测对象不物理接触，通过热辐射进行热传递。测温传感器分为接触式和非接触式两类。（3）温标：摄氏温标：在一个标准大气压下，冰水混合物：0度；沸水：100度； 华氏温标：在一个标准大气压下，冰水混合物：32度；沸水：212度热力学温标：与摄氏温标相差273.15度。1K=1+2732.2 热电偶传感器2.2.1工作原理（1）热电效应当两种不同金属导体两端相互紧密的连接在一起组成一个闭合回路时，由于两个接触点温度T和T0不同，回路中将产生热

21、电动势，并有电流通过，这种把热能转化成电能的现象称为热电效应。热电动势：接触电动势与温差电动势之和。（2）基本定律1）中间导体定律：导体a、b组成热电偶，当引入第三个导体时，只要保持其两端温度相同，则对总电动势无影响，这一结论被称为中间导体定律。利用此定律可将毫伏表接入热电偶回路中，只要保证两个结点温度一致，就能正确测出热电动势而不影响热电偶的输出。教 学 内 容 及 步 骤EABC(T,T0)=eAB(T)-eAB(T0)=EAB(T,T0)2）中间温度定律:在热电偶测量电路中，测量端温度为T,自由端温度为T0,中间温度为 T0，则 EAB(T,T0)EAB(T,T0)+EAB(T0, T0

22、) 3）参考电极定律: EAB(T,T0)=EAC(T,T0)-EBC(T,T0)该定律大大简化了热电偶选配电极的工作，只要获得有关热电极与参考电极配对的热电动势，那么任何两种热电极配对时的电动势均可利用该定律计算。例题：E(T,T0)也可以用E(t,t0)，当t为100时，t0为0时，铬合金铂热电偶的E（100，0）3.13mV,铝合金铂热电偶的E（100，0）-1.02 mV,求铬合金铝合金组成热电偶的热电动势E（100，0）。解：设铬合金为A，铝合金为B,铂为C。即EAC(100，0)3.13mV EBC(100，0)-1.02 mV则 EAB(100，0)4.15mV2.2.2 热电偶

23、的结构形式1材料：原理上来讲任何两种金属材料都可配成热电偶。目前工业上常用的4种标准热电偶材料为：铂铑30铂铑6、铂铑10铂、镍铬镍硅和镍铬铜镍。2分类：普通热电偶：它一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成。铠装热电偶：也叫缆式热电偶 测量结热容量小、热惯性小、动态响应快、绕性好、强度高、抗震好.薄膜热电偶：用于测量固体表面小面积瞬时变化的温度，特点是热容量小，时间常数小、反应速度快。2.2.3热电势的测量教 学 内 容 及 步 骤单点温度的测量：并联热电偶：测量平均温度串联热电偶：输出电动势为每个热电动势之和。在应用热电偶串、并联测温时，应注意两点：一、必须用同一分度号的热电偶；二、两热

24、电偶的参考端温度相等。2.2.4热电偶冷端温度补偿1、冷端恒温修正法因各种热电偶的分度关系是在冷端温度为0时得到的,如果测温热电偶的热端为t，冷端温度t0(t00)，就不能用测得的E(t,t0)去查分度表得t,必须根据下式进行修正： 式中：E(t,0)-冷端为0而热端为t时的热电势；E(t, t0)-冷端为t0而热端为t时的热电势；E(t0,0)-冷端为0时应加的校正值。 2、仪表机械零点调整法对于具有零位调整的显示仪表而言，如果热电偶冷端温度t0较为恒定时，可采用测温系统未工作前，预先将显示仪表的机械零点调整到t0上,这相当于把热电势修正值E(t0,0)预先加到了显示仪表上,当此测量系统投入

25、工作后,显示仪表的示值就是实际的被测温度值。 3、补偿电桥法 当热电偶冷端处温度波动较大时,一般采用补偿电桥法,基测量线路如图3-1所示。补偿电桥法是利用不平衡电桥(又称冷端补偿器)产生不平衡电压来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化。教 学 内 容 及 步 骤采用补偿电桥法是必须注意下列几点： （1）补偿器接入测量系统时正负极性不可接反。 （2）显示仪表的机械零位应调整到冷端温度补偿器设计时的平衡温度，如补偿器是按t0=20时电桥平衡设计的，则仪表机械零位应调整到20处。 （3）因热电偶的热电势和补偿电桥输出电压两者随温度变化的特性不完全一致，故冷端补偿器在补偿温度范围内得不到完全

26、补偿，但误差很小，能满足工业生产的需要。以上几种补偿法常用于热电偶和动圈显示仪表配套的测温系统中。由于自动电子电位差计和温度变送器等温度测量仪表的测量线路中已设置了冷端补偿电路，因此，热电偶与它们配套使用时不用再考虑补偿方法，但补偿导线仍旧需要。教 学 内 容 及 步 骤作业内容作业批改记录时间系班级应交实交缺交作业学生姓名作业批改问题及分析教学札记教 案201 年 月 日 第 周 累计(li j)第 个教案(jio n) 课时(ksh)课题2.3-2.5课型目的要求知 识目 标1、了解热电阻、半导体传感器的材料特点；2、掌握非接触式温度传感器的工作原理及应用；3、掌握热电阻、半导体传感器的电

27、阻温度特性，温度传感器的应用。能 力目 标培养学生的实际应用能力思想教育严谨的学习态度和习惯重 点难 点分 析教学重点：热电阻、半导体温度传感器的温度特性教学难点：温度传感器的应用举例教学方法讲授教具学具与实验准备组织教学时间系班级缺课学生名单教 学 内 容 及 步 骤2.3 金属热电阻式温度传感器一般称为热电阻传感器，是利用金属导体的电阻值随温度的变化而变化的原理进行测温的。热电阻广泛用来测量220850范围内的温度。温度敏感元件是电阻体，电阻体由金属导体组成2.3.1测温原理热电效应：在金属导体两端加电压后，使其内部杂乱无章运动的自由电子形成有规律的定向运动，使导体导电。当温度升高时由于自

28、由电子获得较多的能量，能从定向运动中挣脱出来，从而定向运动被削弱，导电率降低，电阻率增大。2.3.2热电阻的材料、结构热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用甸、镍、锰和铑等材料制造热电阻。为了避免通过交流电时产生感抗，或有交变磁场时产生感应电动势，在绕制时要采用双线无感绕制法。由于通过这两股导线的电流方向相反，从而时期产生的磁通相互抵消。2.3.3铂热电阻的温度特性（1）在0-850范围内： （2）在-200-0范围内： 式中A、B、C的系数各为： A=3.968410-3 ；B=-5.84710-72 C=-4.2210-124教 学 内 容 及 步 骤2.

29、3.4铜热电阻的温度特性在-50-150范围内： 式中 A=4.2889910-3；B=-2.13310-72；C=1.23310-93 由于B、C比A小得多，所以公式可以简化为： RtR0(1+At)2.3.5热电阻传感器的结构热电阻传感器是由电阻体、绝缘管、保护套管、引线和接线盒组成。2.3.6 热电阻测温系统的组成热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线和显示仪表等组成。必须注意以下两点： 1、热电阻和显示仪表的分度号必须一致；2、为了消除连接导线电阻变化的影响，可以采用三线制或四线制接法。三线制热电阻与温度采集模块连接图如下图所示 在采集模块中A、B两个端子是用来接收电压信号的，一般是毫伏

30、级电压信号。C端是一个电流输出端子，工作时由采集模块输出一个恒定的电流信号。这样在热电阻C、B端会流过一个恒定的电流，当温度变化时，热电阻的阻值变化，这样，A、B端的电压信号就随着温度的变化而线性变化。达到测温的目的。 一般的温度表C端的输出电流是厂家设置的，只需要接线即可。教 学 内 容 及 步 骤2.4 半导体热敏电阻式温度传感器半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、钻、铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，其导电性取决于电子空穴的浓度。2.4.1热敏电阻的分类1、PTC：正温度系数热敏电阻；在测量温度范围内，其阻值随温度增加而增加；2、CTR：临界温度系数热敏电阻；临界温度系数

31、热敏电阻的特点是在临界温度附近电阻有急剧变化，因此不适于较宽温度范围内的测量；3、NTC：负温度系数热敏电阻。其阻值随温度增加而呈下降趋势。测温原理：在低温下电子空穴的浓度很低，故电阻率很大随着温度的升高，电子空穴的浓度按指数规律增加，电阻率迅速减小，其温阻特性：RT=R0eB(1/T-1/TO)。典型的热敏电阻元件有圆形、杆形和珠形等，其结构及温度特性如图所示。 负温度系数热敏电阻的性能：1）电阻温度系数大，灵敏度高；2）结构简单，体积小，可测点温；3）电阻率高，热惯性小，适用于动态测量；4）易于维护和进行远距离测量；教 学 内 容 及 步 骤5）制造简单，使用寿命长；6）互换性差，非线性严

32、重。2.4.2 温度测量非线性修正由于热敏电阻与温度的关系呈较强的非线性，使得他的测量范围和精度受到一定限制，为了解决这两方面的问题，常利用温度系数很小的金属电阻与热敏电阻串联和并联，使热敏电阻阻值在一定范围内呈线性关系。常用的方法是：1）线性网络；2）综合修正；3）计算修正法2.5 非接触式温度传感器1、工作原理当物体受热后电子运动的动能增加，有一部分热能转变为辐射能，辐射能量的多少与物体的温度有关。当温度较低时，辐射能力弱；当温度高于一定值之后，可以用肉眼观测到光，其发光亮度与温度值有一定关系。 2、分类全辐射式温度传感器、亮度温度传感器、比色式温度传感器。全辐射式温度传感器利用物体在全光

33、谱范围内总辐射能量与温度的关系测量温度。由于实际物体吸收能力小于绝对黑体，所以用全辐射温度传感器测得的温度总是低于物体的真实问度，该测得温度称为辐射温度。教 学 内 容 及 步 骤辐射温度：非黑体的总辐射能量ET等于绝对黑体的总辐射能量时，黑体的温度即为非黑体的辐射温度Tr，则物体的真实温度T与辐射温度Tr的关系为T=Tr（1/T）1/4特点：适用于远距离，不能直接接触的高温物体。b.亮度式温度传感器利用物体的单色辐射亮度随温度变化的原理，并以被测物体光谱的一个狭窄区域内的亮度与标准辐射体的亮度进行比较来测量温度，物体的真实温度 TL的关系1/T1/TL=/C2lnt特点：量程较宽，有较高的测

34、量精度用于测量（7003200）范围的浇铸、轧钢、锻压、热处理时的温度，动态响应快。 c.比色温度传感器测量两个波长的辐射亮度之比为基础。由于是比较两个波长的亮度故称为比色测量法。比色温度：定义为非黑体辐射的两个波长1和2的比。特点：由于测量连续自动检测钢水、铁水、炉渣和表面没有覆盖物的高温物体温度，优点是反应速度快、测量范围宽、测量温度近似于实际值。教 案201 年 月 日 第 周 累计(li j)第 个教案(jio n) 课时(ksh)课题第三章 力传感器 3.1-3.2课型新授目的要求知 识目 标1了解弹性敏感元件的作用及特性2熟悉弹性敏感元件分类及如何使用3理解并掌握电阻应变片传感器原

35、理及测量电路分析能 力目 标培养学生分析与解决问题的能力思想教育严谨的学习态度和习惯重 点难 点分 析1.电阻应变片传感器的工作原理分析2.电阻应变片传感器测量电路分析教学方法讲授、讨论教具学具与实验准备组织教学时间系班级缺课学生名单教 学 内 容 及 步 骤第三章 力传感器3.1 弹性敏感元件3.1.1弹性敏感元件的特性1刚度刚度是弹性元件在外力作用下变形大小的量度，一般用 k来表示。k=2灵敏度是指弹性敏感元件在单位力作用下产生变形的大小，在弹性理学中称为弹性元件的柔度。它是刚度的倒数，用K表示。3弹性滞后实际的弹性元件在加卸载的正反形成中变形曲线是不重合的，这种现象是弹性滞后。产生的主要

36、原因是：弹性敏感元件在工作过程中存在内摩擦。4弹性后效当载荷从某一数值变化到另一数值时，弹性元件变形不是立即完成相应的变形，而是经过一定的时间间隔逐步完成变形的，这种现象称为弹性后效。5固有震荡频率弹性元件都有自己的固有的震荡频率f0将影响传感器的动态特性。传感器的工作频率应该避开弹性元件的固有频率，往往希望固有震荡频率f0较高，3.1.2弹性敏感元件的分类1力的弹性敏感元件 包括等截面圆柱式、圆环式、等截面薄板式、悬臂梁式、扭转式。2的弹性敏感元件 包括弹簧管、波纹管、波纹膜片、薄壁圆筒。教 学 内 容 及 步 骤3.2 电阻应变片传感器3.2.1金属丝的电阻应变效应电阻丝在外力作用下发生机

37、械变形时，其电阻值发生变化，这一现象就是电阻丝的应变效应。设有一段长为 ，截面为 ，电阻率为 的金属丝，则它的电阻为 当它受到轴向力F而被拉伸(或压缩)时，其 、 、 均发生变化，如图示，如取金属丝是半径为 的圆形截面 ，那么 故电阻的相对变化为 教 学 内 容 及 步 骤3.2.2 应变片结构与类型应变片结构如图所示，它主要是由金属丝栅(敏感栅)、绝缘基片及覆盖片三部分组成应变片阻值常用的有60、120、200、320、350、500、1000，其中120最为常用。电阻应变片主要分为金属电阻应变片和半导体应变片两类，金属电阻应变片分为体型和薄膜型。属于体型的有电阻丝应变片、箔式应变片和应变花

38、。电阻丝应变片：电阻丝应变片有圆角线栅式和直角线栅式两种。前者制造方便，为最常见形式，但它的横向效应较大。金属箔式应变片： 3.2.3测量电路直流电桥电桥线路是由联接成环形的四个电阻所组成，如图示。 教 学 内 容 及 步 骤一个桥臂电阻有变化，例如桥臂1电阻有R1的变化，则电桥的输出电压为若取 R1=R2=R3=R4 则当 时，则 两个桥臂电阻有变化，如桥臂电阻 R1和邻边桥臂电阻 R2都有电阻变化，即 R1变为R1+R1， R2变为 R1+R1，当 R1=R2=R3=R4=R0，且时， 这称为半桥双臂工作电桥。教 学 内 容 及 步 骤四个桥臂电阻均有变化，假设R1 、R2 、R3 、R4

39、 的变化量分别为R1 、R2 、R3 、R4 ，R1 = R2= R3= R4= R0，则其输出电压为 可以看到：相邻边两桥臂电阻变化是各自引起的输出电压相减，相对边二桥臂电阻变化是各自引起的输出电压相加。3.2.4 电阻应变式传感器的应用按用途，应变式传感器可以分为应变式测力、应变式压力、应变式加速度传感器等。(1)应变式测力传感器 (2)应变式加速度传感器教 学 内 容 及 步 骤(3)应变式压力传感器应用举例案例一：桥梁固有频率测量原理：在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车碍时的冲击对桥梁进行激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。案例二：电子称原理：将物品重量通过悬臂梁转化

40、结构变形再通过应变片转化为电量输出。 教 案201 年 月 日 第 周 累计(li j)第 个教案(jio n) 课时(ksh)课题3.3压电传感器课型新授目的要求知 识目 标1了解晶体、压电陶瓷的压电效应2理解眼点传感器的等效电路3掌握石英晶体的压电效应分析4掌握压电传感器的测量电路能 力目 标培养学生分析和解决问题的能力思想教育严谨的学习态度和习惯重 点难 点分 析重点：1、石英晶体的压电效应2、压电传感器的测量电路难点：测量电路的分析教学方法讲授教具学具与实验准备组织教学时间系班级缺课学生名单3.3压电传感器3.3.1压电效应某些晶体，当沿一定方向受到外力作用时，内部产生极化现象，同时在

41、某两个表面上产生大小相等符号相反的电荷；当外力去掉后，恢复到不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的极性随着改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比，这种现象叫压电效应，也叫正压电效应。反之，如对晶体施加电场，晶体将在一定方向上产生机械变形；当外加电场撤去后，该变形也随之消失，这种现象称为逆压电效应，也称作电致伸缩效应。+F+串联并联q=DF教 学 内 容 及 步 骤1）纵向压电效应：沿x轴施加作用力，晶体表面产生电荷的现象。电荷出现在与x轴相垂直的表面上。产生的电荷量为： 其中，：纵向压电常数；：作用力。2）横向压电效应：沿 y 轴施加作用力，晶体表面产生电荷的现象。电荷仍出现在与 x

42、轴相垂直的表面上。产生的电荷量为：式中，：横向压电常数； ：作用力； b ：x向厚度； a ：y向长度。由于力所施加的表面与感生电荷的表面不同，电荷量与晶体尺寸有关。根据石英晶体轴对称的条件，从而：即横向压电效应产生的电荷与纵向压电效应产生的电荷极性相反。电压：3.3.3 压电陶瓷的压电效应压电陶瓷具有与铁磁材料磁畴类似的电畴结构。当压电陶瓷极化处理后，陶瓷材料内部存有很强的剩余场极化。当陶瓷材料受到外力作用时，电畴的界限发生移动，引起极化强度变化，产生了压电效应。 3.3.4 压电式传感器的测量电路1. 压电元件的串联与并联图(a)为串联形式，由图可知极板上的电荷量，电压，电容。图(b)为并

43、联形式，由图可知极板上的电荷量，电压 ，电容。 2. 压电传感器的等效电路给压电晶片加上电极就构成了最简单的压电式传感器。当压电传感器受到沿其敏感轴向的外力作用时，就在两电极上产生极性相反的电荷，因此它相当于一个电荷源（静电发生器）。由于压电晶体是绝缘体，当它的两极表面聚集电荷时，它又相当于一个电容器，其电容量教 学 内 容 及 步 骤当压电晶体受外力作用时，两表面产生等量的正、负电荷Q，可求出其开路电压（负载电阻为无穷大时）为：压电式传感器既可等效为电荷源又可等效为电容器，其等效电路可认为是二者的并联，如图（a）所示，也可认为是一个电压源和一个电容器串联，如图（b）所示。其中Ra为压电元件的

44、漏电阻。 压电式传感器工作时，需与二次仪表配套使用，此时的等效电路如图所示。图中Cc为传感器电缆电容，Ri为放大器输入电阻，Ci为输入电容。 3. 压电传感器测量电路压电传感器具有两种等效电路：电荷等效电路和电压等效电路，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。电压放大器（阻抗变换器）电压放大器的功能是将压电传感器的高输出阻抗变为较低阻抗，并将压电式传感器的微弱电压信号放大。其等效电路如图所示。教 学 内 容 及 步 骤放大器的实际输入电压 Uim与理想情况的输入电压 Uom的幅值比为令，则上式可写为：式中 为测量回路的时间常数。由式和）绘出电压幅值比、相角与频率的关系如图所示。从

45、图中可以看出：教 学 内 容 及 步 骤=0时，即作用在压电传感器上的力是静态力时，前置放大器的输入电压为0。这是因为实际上放大器的输入阻抗不可能为无穷大，而压电传感器也不能绝对绝缘，因此产生的电荷就会通过放大器的输入电阻和传感器本身的泄露电阻漏掉。这就从原理上说明了压电式传感器不能测量静态物理量。当3时，可以近似看作放大器的输入电压与作用力的频率无关。在时间常数 一定的条件下，被测物理量的变化频率越高，则放大器的输入电压越接近理想情况。说明压电传感器具有良好的高频响应特性。为了提高传感器的低频特性，就必须提高回路的时间常数。由于，所以提高可以有两种方法：提高 R和提高。传感器的灵敏度当时由式

46、上式可知 增大，则传感器的灵敏度将下降，这是我们所不希望的，因此只有通过提高R的方法来提高传感器的时间常数。为了提高R要选择输入阻抗高的放大器。由式上式还可以看出电缆分布电容的改变将会直接影响传感器的灵敏度。在设计时，常常把电缆长度定为一常值（如30m），但也不能太长，增长电缆，电缆电容 Cc随之增大，将使传感器的灵敏度Su降低。教 学 内 容 及 步 骤电荷放大器电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器。压电传感器可以等效为一个电容器 Cc和一个电荷源，而电荷放大器实际上是一个具有深度电容负反馈的高增益运算放大器。压电传感器与电荷放大器联接的等效电路如图所示。 图中 Cf为电荷

47、放大器的反馈电容， Rf为并在反馈电容两端的漏电阻，K为运算放大器的开环增益。输出电压表达式为：，由于很大，所以上式可以简化为：可见，电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈电容有关，只要保持反馈电容的数值不变，输出电压就正比于输入电荷，当时，可以认为传感器的灵敏度与电缆电容无关。教 学 内 容 及 步 骤3.3.5 压电式传感器的结构YDS-781型由底座、传力上盖、片式电极、石英晶片、绝缘件及电极引出插座组成。3.3.6 压电材料1、压电单晶 2、多晶压电陶瓷 3、高分子有机压电材料 4、压电半导体 3.3.7 应用举例a) 加速度计，力传感器 b) 压力变送器教 案201 年 月 日 第

48、周 累计(li j)第 个教案(jio n) 课时(ksh)课题3.4电容式传感器课型新授目的要求知 识目 标1了解各种电容式传感器的特点及主要特性2掌握各种电容式传感器的工作原理分析3理解电容式传感器的测量电路能 力目 标培养学生的理解与分析能力思想教育严谨的学习态度和习惯重 点难 点分 析重点：电容式传感器的工作原理及测量电路难点：传感器测量电路的分析教学方法讲授教具学具与实验准备组织教学时间系班级缺课学生名单教 学 内 容 及 步 骤3.4电容式传感器3.4.1电容式传感器的工作原理两平行极板组成的电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为当被测量的变化使式中的、 S或任一参数发生变化时，电

49、容量C也就随之变化。电容式传感器有三种基本类型，即变极距或称变间隙型，变面积型和变介电常数型，而它们的电极形状又有平板形、圆柱形和球平面形(较少采用)三种。3.4.2变极距型电容传感器+ 图示是变极距电容传感器的结构原理图。图中(a)、(b)结构的电容增量：3.4.3变面积型电容传感器可分为角位移型、平面线位移型、柱面线位移型三种，如图所示。教 学 内 容 及 步 骤角位移型 平面线位移型 柱面线位移型 +图中（a）、（b）、（c）为单边式，（d）为差动式(图中(a)、(b)结构也可做成差动形式)。与变极距型相比，它们的测量范围大，可测较大的线位移或角位移(1至几十度)。当被测量变化使可动极2

50、位置移动时，就改变了两极板间的遮盖面积，电容量C也就随之变化。对于平板单边直线位移式(图(a) ，若忽略边缘效应，则电容增量为 对于平板单边直角位移式(图(b) ，若忽略边缘效应，则电容增量为圆柱形电容器（图（c）、（d）的电容量为：教 学 内 容 及 步 骤对于单边圆柱形线位移式，当可动极位置移动 时，忽略边缘效应，电容变化量为3.4.4变介电常数型电容传感器变介电常数型电容传感器的结构原理如图所示。这种传感器大多用来测量电介质的厚度(图(a)、位移(b)、液位(图(c)，还可根据极间介质的介电常数随温度、湿度改变而改变来测量温度、湿度(图(d)等。3.4.5 测量电路目前较常采用的有电桥电

51、路、谐振电路、调频电路和运算放大器式电路等，如图所示。这里只介绍电桥电路和运算放大器电路。a) 电桥电路 b) 谐振电路 c) 调频电路 d) 运算放大器电路 教 学 内 容 及 步 骤1、电桥电路将电容传感器接入交流电桥作为电桥的一个臂或两个相邻臂，另两臂可以是电阻、电容或电感，也可以是变压器的两个次级线圈，如图所示。电容式传感器构成交流电桥的一些形式从电桥灵敏度考虑，图(a)(f)中，以(f)形式为最高，(d)次之。在设计和选择电桥形式时，除了考虑其灵敏度外，还应考虑输出电压是否稳定(即受外界干扰影响大小)，输出电压与电源电压间的相移大小，电源与元件所允许的功率以及结构上是否容易实现等等。

52、在实际电桥电路中，还附加有零点平衡调节、灵敏度调节等环节。图(g)形式的电桥(紧耦合电感臂电桥)具有较高的灵敏度和稳定性，且寄生电容影响极小，大大简化了电桥的屏蔽和接地，非常适合于高频工作，目前已开始广泛应用。图(h)形式的电桥(变压器式电桥)，使用元件最少，桥路内阻最小，因此目前较多采用。可见差动式电容传感器接入变压器式电桥，当放大器输入阻抗极大时，对任教 学 内 容 及 步 骤何类型的电容式传感器，电桥输出电压与输入位移成线性关系。应该指出：由于电桥输出电压与电源电压成比例，因此要求电源电压波动极小，需采用稳幅、稳频等措施，在要求精度很高的场合，如飞机用油量表，可采用自动平衡电桥；传感器必

53、须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性增大；接有电容传感器的交流电桥输出阻抗很高(一般达几兆欧至几十兆欧)，输出电压幅值又小，所以必须后接高输入阻抗放大器将信号放大后才能测量。2、运算放大器式电路由以下关系：解得： 3.4.6电容式传感器应用举例1.电容式加速度传感器 电容式加速度传感器结构示意图教 学 内 容 及 步 骤2.电容传感器测量液液位检测电路图3.电容式荷重传感器教 案201 年 月 日 第 周 累计(li j)第 个教案(jio n) 课时(ksh)课题3.5电感式传感器课型新授目的要求知 识目 标1了解电感式传感器的分类2掌握各种电感式传感器的工作原理及测量电路3掌握力传感器的应

54、用实例分析能 力目 标培养学生的创新思维能力思想教育严谨的学习态度和习惯重 点难 点分 析重点：1、自感式传感器的工作原理分析2、互感式传感器的工作原理分析难点：电感式传感器两种测量电路的分析教学方法讲授教具学具与实验准备组织教学时间系班级缺课学生名单教 学 内 容 及 步 骤3.5电感式传感器3.5.1定义电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。3.5.2自感式传感器(可变磁阻式)1类型：c）单螺管线圈型b）差动型d）双螺管线圈差动a)可变导磁面积型2工作原理教 学 内 容 及 步 骤线圈的匝数为 N，通入线圈中的电流为 I，每匝线圈产生的磁通为，由电感定义有 设

55、磁路总磁阻为 RM，磁通为 磁路的总磁阻 RM是由铁芯磁阻 RF和空气隙磁阻 R组成的，即因为一般导磁体的磁阻与空气隙的磁阻相比是很小的，计算时可以忽略不计，当衔铁随外作用力向上移动时，气隙减少，为=0-，则此时的电感量变为电感的变化量为教 学 内 容 及 步 骤电感的相对变化量为3.5.3电感传感器的测量电路交流电桥是电感传感器的主要变换电路。图示为交流电桥的一般形式，开路输出电压 3.5.4电感传感器的误差分析（1）电源电压和频率波动造成的误差（2）温度变化造成的误差（3）非线性误差（4）零位误差产生零位误差的原因有以下几种：两个线圈的电气参数及导磁体的几何尺寸不可能完全对称；线圈的分布电

56、容不对称；电源电压中含有高次谐波；传感器工作在磁化曲线的非线性段。教 学 内 容 及 步 骤3.5.5互感型差动变压器差动变压器是互感式电感传感器，它可以将被测量的变化转换为互感系数M的变化。其工作原理类似于变压器，并常常做成差动的，故称为差动变压器。 1、 工作原理当初级线圈加以适当频率的电压激励时，在两个次级线圈中就会产生感应电动势E21和E22。初始状态时，衔铁处于中间位置，即两边气隙相同，两次级线圈的互感相等，即M1=M2，由于两个次级线圈做得一样，磁路对称，所以两个次级线圈产生的感应电动势相同，即有E21=E22，当次级线圈接成反向串联，则传感器的输出为E2=E21-E22=0。当衔

57、铁偏离中间位置时，两边的气隙则不相等，这样两次级线圈的互感M1和M2发生变化，即M1M2，从而产生的感应电动势也不再相同，即，。2、 结构形式及特性差动变压器的结构形式可分为气隙型、变面积型和螺管型三种。对于三节式差动变压器， 在理想情况下，忽略衔铁损耗和线圈寄生电容等因素的影响，其等效电路如图所示，次级线圈的感应电动势 E21、E22分别为：教 学 内 容 及 步 骤空载输出电势为：应用有关的磁场定律可以求解出互感系数M1和M2 ： 得： 当衔铁处于中间位置时有l1=l2=l0，则E2=0。当衔铁有位移 时，则l1=l0+l，l2=l0-l，得 E2=k1l(1-k2l2)传感器的输出特性曲

58、线如图所示。3、 差动变压器的测量电路差动变压器的转换电路，如图所示，传感器的空载输出电压等于两个次级线圈感应电动势之差，即 E2=E21-E22。教 学 内 容 及 步 骤图（a）、（b）用在联结低阻抗负载的场合，是电流输出型。图（c）、（d）用在联结高阻抗负载的场合，是电压输出型。差动整流后的输出电压的线性与不经整流的次级输出电压的线性有些不同，当二次线圈阻抗高，负载电阻大，接入电容器进行滤波时，其输出线性的变化倾向是：当铁芯位移大时，输出灵敏度增加，利用这一特性就能够使差动变压器的直线范围扩展。3.6 力传感器应用力传感器可以用来测量厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,压缩,垂直度;压力,流量

59、,液位;张力,重力,负荷量;扭矩,应力,动力;气压,温度;振动,速度,加速度等. （1）位移的测量 （2）力和力矩的测量 教 学 内 容 及 步 骤案例一：板的厚度测量 案例二：张力测量 教 案201 年 月 日 第 周 累计(li j)第 个教案(jio n) 课时(ksh)课题第四章课型新授目的要求知 识目 标1熟悉光电效应的类型及各自定义2掌握利用各种光电效应制成的光电元件的特性3掌握光电传感器的几个应用实例能 力目 标培养学生的理解与应用能力思想教育严谨的学习态度和习惯重 点难 点分 析重点：1、各类光电元件的特性分析2、光电传感器应用分析难点：传感器的动态特性分析教学方法讲授、讨论教

60、具学具与实验准备组织教学时间系班级缺课学生名单教 学 内 容 及 步 骤第四章 光电式传感器4.1 光电效应4.1.1三种类型（1）外光电效应在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射的现象叫外光电效应。红限频率：物质产生外光电效应的最低频率，称为红限频率。利用外光电效应制成的光电器件有真空光电管、充气光电管和光电倍增管。（2）内光电效应（光导效应）在光的作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，引起物体电阻率的变化，这种现象称为光电导效应。由于这里没有电子自物体向外发射，仅改变物体内部的电阻或电导，有时也称为内光电效应。与外光电效应一样，要产生光电导效应，也要受到红限频率限制。