第10章 新型传感器及应用 教案

《传感器与检测技术》

授课教案课程性质：班级名称：学生人数：授课教师：课题：10.1超声波传感器及应用课时安排：2授课类型：理论课重难点重点超声波传感器的测试电路难点超声波传感器的测试应用教学目的和要求1.了解超声波传感器工作原理；2.熟悉超声波传感器应用。采用教学方法和实施步骤讲授、课堂讨论、分析教具：QSCGQ-ZX型系列传感器与检测技术实验台教学内容第10章新型传感器及应用10.1超声波传感器及应用10.1.1超声波及其物理特性超声波传感器是应用超声波的特性研制而成的传感器，利用超声波检测技术，将被测量对象的信息，转换成可用（主要是电信号）输出信号。以超声波作为检测手段，在检查过程中必须具备产生超声波和接收超声波的装置，完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器或者超声探头。1.超声波物体机械振动状态的传播形式是波，能为人耳所闻的机械波，称为声波，低于16Hz的机械波，称为次声波。超声波是指振动频率大于20000Hz以上的机械波，其每秒的振动次数很高，超出了人耳听觉的上限，人们将这种听不见的声波叫做超声波。如图10-1所示。图10-1超声波频率图2.超声波的物理特性（1）反射与折射（2）散射与绕射（3）超声衰减（4）多普勒效应（5）机械效应（6）空化效应（7）热效应3.超声波的特点（1）超声波在传播时，方向性强，能量易于集中。（2）超声波可在各种不同媒质中传播，传播足够远的距离。（3）超声波与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息。10.1.2超声波探头及耦合技术1.超声波探头超声波探头是利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应而研制的转换装置，作为可逆的声电转换元件，起发射和接收高频脉冲弹性波的作用。图10-2超声波探头2.压电式超声波探头的耦合技术压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，它是利用压电材料的压电效应来工作的，作为发射探头使用逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波，而利用正压电效应，将超声振动波转换成电信号，其可又用作接收探头。图10-3对射式超声波传感器10.1.3超声波传感器的应用超声波传感器在工业中应用广泛如：超声清洗、超声波焊接、超声波加工(超声钻孔、切削、研磨、抛光，超声波金属拉管、拉丝、轧制等)、超声波处理(搪锡、凝聚、淬火，超声波电镀、净化水质等)、超声波治疗和超声波检测（超声波测厚、检漏，探伤、成像等）等。下面介绍几种超声波传感器的检测应用。1.超声波测厚图10-4脉冲回波法测厚方框图2．超声流量计根据超声波在流体中的传播速度与流体的流动速度有关，可以实现超声流量测量，由于这种方法不会造成压力损失，并且适合、非导电性、强腐蚀性的液体或气体的流量测量，所以应用较为广泛。（1）时差法图10-5超声流量计结构示意图（2）速差法（3）频差法（4）多普勒法多普勒(Doppler)效应测量流量主要应用于工业中非纯净流体检查，若流体中含有悬浮颗粒或气泡，最适于采用，其原理如图10-6所示。将发射探头A和接收探头B迎着流向，安装在与管道轴线夹角为q的两侧，图10-6超声多普勒流量计原理图图10-7有声楔的超声多普勒流量计原理图（5）相关法3．超声波液位检测与控制超声波测量液位的基本原理是：由超声探头发出的超声脉冲信号，在气体中传播，遇到空气与液体的界面后被反射，接收到回波信号后计算其超声波往返的传播时间，即可换算出液位高度。4．医用超声检测超声波在医疗上的应用是通过向体内发射超声波(主要是纵波)，然后接收经人体各组织反射回来的超声回波并加以处理和显示，根据超声波在人体不同组织中传播特性的差异[讨论1]超声波传感器还有哪些应用领域？作业布置P20210-1、10-2

课程性质：班级名称：学生人数：授课教师：课题：10.2磁敏传感器及应用课时安排：2授课类型：理论课重难点重点磁敏传感器的测量电路难点磁敏传感器测试应用教学目的和要求1.了解磁敏传感器工作原理2.熟悉磁敏传感器应用采用教学方法和实施步骤讲授、课堂讨论、分析教具：QSCGQ-ZX型系列传感器与检测技术实验台教学内容第10章新型传感器及应用10.2磁敏传感器及应用10.2.1磁敏电阻磁敏传感器属于非接触测量，利用电、磁的相互关系，检测位移、振动、力、转速、加速度、流量、电流、电功率等物理量，由于在很多情况下，可采用永久磁铁来产生磁场，不需要另外附加驱动能源，因此这一类传感器获得极为广泛的应用。1.半导体磁敏电阻图10-9半导体磁敏电阻元件内电流分布2.强磁性金属薄膜磁敏电阻图10-10强磁性金属磁敏电阻结构及应用电路3.磁敏电阻传感器的应用磁敏电阻可用于交流变换器、频率变换器、功率电压变换器、磁通密度电压变换器和位移电压变换器等。10.2.2磁敏二极管磁敏二极管如图10-11是长“基区”的PN结型的磁电转换元件，它们具有输出信号大、灵敏度高(比霍尔元件大2～3个数量级)、工作电流小和体积小等特点，比较适合于磁场、转速、探伤等方面的检测和控制。图10-11磁敏二极管1.磁敏二极管的主要特性（1）磁敏二极管的正向伏安特性图10-12磁敏二极管的伏安特性（2）磁敏二极管的磁电特性VDVD图10-13磁敏二极管灵敏度测试（3）磁敏二极管的温度特性及其补偿（4）频率特性10.2.3磁敏三极管\o"半导体磁敏元件"磁敏三极管是在磁敏二极管的基础上研制出来的。它的一端为集电极c和发射极e(n+区)、另一端P+区为基极b（如图10-14）。图10-14磁敏三极管磁敏三极管的主要特性：（1）磁敏三极管的伏安特性图10-15磁敏三极管的伏安特性曲线（2）磁敏三极管的磁电特性图10-163BCM的磁电特性（3）磁敏三极管的温度特性及其补偿（4）频率特性10.2.4磁敏式传感器的应用1.位移测量2.力(压力)测量3.磁敏三极管电位器4.磁敏传感器的发展[讨论]磁敏传感器还可以应用在哪些场合？作业布置P20210-3、10-4、10-5

课程性质：班级名称：学生人数：授课教师：课题：10.3光纤传感器及应用课时安排：2授课类型：理论课重难点重点光纤传感器的测量电路难点光纤传感器测试应用教学目的和要求1.了解光纤传感器工作原理2.熟悉光纤传感器应用采用教学方法和实施步骤讲授、课堂讨论、分析教具：QSCGQ-ZX型系列传感器与检测技术实验台教学内容第10章新型传感器及应用10.3光纤传感器及应用10.3.1光纤的结构光纤，是光导纤维的简写，通常光纤的一端为发射装置，主要使用发光二极管（LED）或一束激光将光脉冲传送至光纤，另一端为接收装置，主要使用光敏元件检测脉冲。图10-20光纤结构10.3.2光纤传感器的原理及分类1.功能型传感器功能型传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件,被测量对光纤内传输的光进行调制,使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化,再通过对被调制过的信号进行解调,从而得出被测信号。2.非功能型传感器非功能型传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化,光纤仅作为信息的传输介质，常采用单模光纤。光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。10.3.3光纤传感器的应用1.光纤光栅传感器图10-21应变传感器（1）光纤光栅应变传感器此种传感器是在工程领域中应用最广泛，技术最成熟的光纤传感器。应变直接影响光纤光栅的波长漂移，在工作环境较好或是待测结构要求精度高的情况下，将裸光纤光栅作为应变传感器直接粘贴在待测结构的表面或者是埋设在结构的内部，当压力发生变化时，光纤的折射率将随着发生变化。由于光纤光栅比较脆弱，在恶劣工作环境中非常容易破坏，因而需要对其进行封装后才能使用。目前常用的封装方式主要有基片式、管式和基于管式的两端夹持式。（2）光纤光栅温度传感器目前，比较常用的电类温度传感器主要是热电偶温度传感器和热敏电阻温度传感器。光纤温度传感与传统的传感器相比有很多优点，如灵敏度高，体积小，耐腐蚀，抗电磁辐射，光路可弯曲，便于遥测等。基于光纤光栅技术的温度传感器，采用波长编码技术，消除了光源功率波动及系统损耗的影响，适用于长期监测;而且多个光纤光栅组成的温度传感系统，采用一根光缆，可实现准分布式测量。（3）光纤光栅位移传感器目前光纤光栅进行位移测量的研究都是通过测量悬臂梁表面的应变，然后通过计算求得悬臂梁垂直变形，即悬臂梁端部垂直位移。这种“位移传感器”不是真正意思上的位移传感器，但在实际工程已取得了应用，国内市场已经有相关产品。（4）光纤光栅加速度计如图10-22加速度传感器，它由两个矩形梁和一个质量块组成，质量块通过点接触焊接在两平行梁中间，光纤光栅贴在第二个矩形梁的下表面。当传感器受到振动时，在惯性力的作用下，质量块带动两个矩形梁振动使其产生应变，传递给光纤光栅引起波长移动，相位改变的激光束由单模光纤射出后与参考光束会合产生干涉效应。移动的干涉条纹可由光电接收装置转换为电信号，经过处理电路处理后便可正确地测出加速度值。图10-22加速度传感器简图2.光纤温度传感器图10-23半导体光吸收型光纤温度传感器3.光纤旋涡流量传感器图10-24光纤漩涡流量传感器[讨论]光纤传感器主要用途？作业布置P20210-3、10-4、10-5

课程性质：班级名称：学生人数：授课教师：课题：实验十四、十五光纤传感器的静态与动态测试课时安排：2授课类型：实训课重难点重点光纤传感器的性能难点光纤传感器的动态应用教学目的和要求1.熟悉光纤传感器的原理、结构和性能；2.熟悉光纤传感器的动态应用。采用教学方法和实施步骤讲授、课堂讨论、分析教具：QSCGQ-ZX型系列传感器与检测技术实验台教学内容实验十四光纤位移传感器的静态测试实验原理光纤位移传感器测试原理二、实验器件电源、电压表、光纤传感器、振动台、测微头。三、实验步骤1.观察光纤位移传感器结构，它由两束光纤混合后，组成Y形光纤，探头固定在光纤固定件安装架上，外表为螺丝的端面为半圆分布。2.了解振动台在实验仪上的位置以及反光部位（反光部位为铝测片）。3．如图S14.1接线：因光/电转换器内部已安装好，所以可将电信号直接经差动放大器放大。电压表的切换开关置20V档，开启电源。图S14.1接线参考图4．安装好测微头，再旋转测微头，使其与振动圆盘吸合且高度居中，再调节光纤固定支架，使光纤探头与振动台面反光部位接触，调节光纤变换器中差动放大器旋钮至增益最大，再旋转测微头，使电压表读数尽量为零，旋转测微头使反光部位慢慢离开探头，观察电压读数由小—大—小的变化。5．旋转测微头使电压表指示重新回零，记下测微头读数，旋转测微头，每隔0.5mm读出电压表的读数，并将其填入下表：ΔX（mm）0.51.01.52.0…10.0指示（V）6.关闭电源，把所有旋钮复原到初始位置。7.作出V-ΔX曲线，计算灵敏度S=ΔV／ΔX及线性范围。[讨论1]说说光纤位移传感器静态参数会受到哪些因素影响。实验十五光纤位移传感器的动态测试一、实验原理光纤位移传感器测试原理二、实验器材电源、差动变换器Ⅱ、光纤位移传感器、低通滤波器、振动台、低频振荡器、振动源、示波器。三、实验步骤1．了解振动源在实验仪上所在位置及振动源的符号。2．差动变换器II调零，按照图S15.1接线。图S15.1接线参考图3．将测微头与振动台面脱离，测微头远离振动台。将光纤探头与振动台反射部位的距离调整在光纤传感器工作点即线性段中点上（利用静态特性实验中得到的特性曲线，选择线性中点的距离为工作点，目测振动台上的反射面与光纤探头端面之间的相对距离即线性区ΔX的中点）。4．将低频振荡的输出端接入振