传感器与检测技术理论教案

2019-20组学年下学期

教

案

课程名称：传感器与检测技术

授课教师：

江苏省技工院校

教案首页

授课日期

班级

课题：绪论_________________________________________________________

教学目的要求：1.知识与技能:通过本节课的学习使学生了解传感器概念，

组成，分类以及今后的发展趋势

2.过程与方法：通过将人的大脑比作CPU,那么感觉器官便是敏感元件，大脑

是转换元件，那么四肢根据大脑转换的信息去处理事件，就是一个完整的传感

器的模型了来引入课程。

3.情感、态度与价值观：通过本节课的学习使学生了解传感器概念，组成，分

类以及今后的发展趋势

教学重点：传感器的概念和组成_______________________________________

教学难点：对传感器概念的理解_______________________________________

授课方法：教学中遵循“学生为主体，教师为主导，知识为主线，发展思维

为主旨”的“四主”原则.以恰当的问题为纽带，给学生创设自主探究、合作

交流的空间。

教学参考及教具（含多媒体教学设备）：板书含多媒体

授课执行情况及分析：_______________________________________________

板书设计或授课提纲

1.传感器的概念

2.传感器的组成

3.传感器的分类

4.传感器的发展趋势

教学内容备注

导入新课

如果将人的大脑比作CPU,那么感觉器官便是敏感元件，大脑是转

换元件，那么四肢根据大脑转换的信息去处理事件，就是一个完整的传

感器的模型了。今天我们来学习一个新的设备传感器。

新课讲授

一、传感器的概念

传感器：把特定的被测信息（包括物理量、化学量、生物量等）按一定

规律转换成某种可用信号输出的器件或装置。

这里“可用信号”是指便于处理、传输的信号。当今电信号最易于

处理和便于传输，因此，可以把传感器狭义地定义为：

传感器（狭义定义）：能将外界非电信号转换成电信号输出的器件。

当人类进入光子时代，光信息成为更便于快速、高效地处理与传输

的可用信号时，传感器的概念也可以变为：能把外界信息转换成光信号

输出的器件。

1、传感器技术：是涉及传感（检测）原理、传感器设计、传感器开发

和应用的综合技术。

传感技术的含义则更为广泛，它是传感器技术、敏感功能材料科学、

细微加工技术等多学科技术相互交叉渗透而形成的一门新技术学科一

一传感器工程学。

2、传感（检测）原理：是指传感器工作所依据的物理、化学和生物效

应，并受相应的定律和法则所支配。如：物理基础的基本定律包括：守

恒定律（能量、动量、电荷等），场的定律（包括动力场运动定律、电

磁场的感应定律等，其作用与物体在空间的位置及分布有关。），物质定

律（如虎克定律、欧姆定律、半导体材料的各种效应等，表示本身内在

性质的定律），统计法则（它把微观系统与宏观系统联系起来的物理法

则，它们常与传感器的工作状态有关）。

二、传感器的组成

传感器一般由三部分组成：敏感元件、转换元件、测量电路组成。

电量

图0-1传感器的组成

其中，能把非电信息转换成电信号的转换元件，是传感器的核心。

敏感元件是传感器预先将被测非电量变换为另一种易于变换成电量的

非电量，然后再变换为电量，如弹性元件。因此，并非所有传感器都包

含这两部分，对于物性型传感器，一般就只有转换元件；而结构型传感

器就包括敏感和转换元件两部分。

测量电路，将转换元件输出的电量变成便于显示、记录、控制和处

理的有用电信号的电路。传感器的测量电路，经常采用电桥电路、高阻

抗输入电路、脉冲调宽电路、振荡电路等特殊电路。

三、传感器的分类

按基本效应分：物理型、化学型、生物型等。

按构成原理分：结构型、物性型。

按测量原理分：应变式、电容式、压电式、热电式等。

按能量关系分：能量转换型（自源型）、能量控制型（外源型）。

按输入量分：位移、温度、压力、流量、加速度等。

按输出量分：模拟式、数字式。

传感器，作为测量与控制系统的首要环节，必须具有快速、准确、

可靠、经济实现信息转换的基本要求：

1、足够的容量一一工作范围或量程足够大、有一定的过载能力。

2、与测量或控制系统匹配性好，转换灵敏度高。

3、精度适当，且稳定性高。

4、反应速度快、工作可靠性好。

5、适用性和适应性强。对被测对象的状态影响小，不易受外界干

扰的影响，使用安全。

6、使用经济，成本低，寿命长，且易于使用、维修和校准。

四、传感器的发展趋势

1、开发新型传感器

进一步探索具有新效应的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理

的新型物性型传感器件，物性型传感器亦称固态传感器，它包括半导体、

电解质和强磁性体三类。其中利用量子力学诸效应研制的高灵敏阈传感

器，用来检测微弱信号，是传感器技术发展的新趋势，例如，利用核磁

共振吸收效应的磁敏传感器，可将检测限扩展到地磁强度的10的7次

方，利用约瑟夫逊效应的热噪声温度传感器，可测量10的负6次方的

超低温；以及由于光子滞后效应的利用，出现了响应速度极快的红外传

感器。目前最先进的固态传感器，在一块芯片上可同时集成差压、静压、

温度三个传感器，使差压传感器具有温度和压力补偿功能。

2、传感器的集成化和多功能化

所谓集成化，就是将敏感元件、信息处理或转换单元以及电源等部

分利用半导体技术将其制做在同一芯片上；多功能化则意味着传感器具

有多种参数的检测功能，如半导体温湿敏传感器、多功能气体传感器等。

借助于半导体的蒸镀技术、扩散技术、光刻技术、精密加工及组装技术

等，使得传感器的这种发展趋势得以实现。

3、传感器的智能化

传感器与微型计算机相结合就形成了智能传感器，它兼有检测和信

息处理功能，同时还具有记忆、存储、解析、统计处理及自诊断、自校

准、自适应等功能和远距离通讯。将传感器和计算机的这些功能集成于

同一芯片，就形成智能传感器。

4、研究生物传感器和开发仿生传感器

大自然是生物传感器的优秀设计师。如狗的嗅觉（灵敏阈是人的一百万

倍）、鸟的视觉（视力是人的8~50倍）、蝙蝠、飞蛾、海豚的听觉（主

动型生物雷达一一超声波传感器）、蛇的接近觉（分辨力达0.001度的

红外测温传感器）等。所以，这也是传感器的一个发展方向。

课堂小结

通过本节课的学习，学生初步了解传感器的一般概念和组成。

课后作业

课后题

江苏省技工院校

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授课日期

班级

课题:传感器的一般特征_______________________________________________

教学目的要求：1.知识与技能：掌握传感器的一般特征的基础概念。

2.过程与方法：传感器的输入量可分为静态量和动态量两类。无论对静态量

或动态量，传感器的输出量都应不失真地复现输入量的变化。这主要取决于传

感器的静态特性和动态特性。

3.情感、态度与价值观：通过本节课的学习使学生了解传感器的一般特征

教学重点：了解传感器的一般特征_________________________________

教学难点：理解传感器的静态量和动态量___________________________

授课方法：教学中遵循“学生为主体，教师为主导，知识为主线，发展思维为

主旨”的“四主”原则.以恰当的问题为纽带，给学生创设自主探究、合作交

流的空间。

教学参考及教具（含多媒体教学设备）：课本，多媒体课件

授课执行情况及分析：_______________________________________________

板书设计或授课提纲

1.1静态数学模型

1.2静态数学模型

教学内容备注

导入新课

温故知新法，复习上节课所学习的内容，再学习新的知识。

新课讲授

传感器的输入量可分为静态量和动态量两类。无论对静态量或动态

量，传感器的输出量都应不失真地复现输入量的变化。这主要取决于传

感器的静态特性和动态特性。

1.1传感器的静态特性

一、静态数学模型

静态模型是指在静态条件下（即输入量对时间t的各阶导数为零）

得到的数学模型。不考虑滞后及蠕变，传感器的静态模型可用一代数方

程表示：

Y=a。+a1X+a,X~+•■•+a“X11

式中：一输出量；

户•输入量；

。0—零位输出；

为—传感器的灵敏度，常用4或S表示；

%的，…，明一非线性项待定常数。

这种多项式方程可分为四种典型情况，见书。表示输出量与输入量

之间的关系曲线称为特性曲线，图1T表示了这四种典型曲线。其中，

理想的模型为：

Y=axX

后三种情况表示的是非线性情况，必须采取线性补偿措施。

二、静态特性指标：

1.线性度：表征传感器曲线与拟合直线间最大偏差与满量程（F-S）

输出

值的百分比。

SL=±A^/K.SXIOO%

△由一校准曲线与拟合直线间最大偏差；

YF.S一传感器满量称输出；YF.S=Yg-Yo

拟合直线的方法不同，线性度的大小也不同。拟合直线的方法有：

1）端基法（简单直观，未考虑数据分布、拟合精度低）；

2）理论直线法（与测试值无关，简单、方便）；

3）最小二乘法（拟合精度高，可得最佳拟合直线）；

4）端点平移法（最佳直线法）：正、负偏差最小且相等，拟合精度

最高.

5）平均以率法：精度比端基法高；

6）平均选点法：我国专家提出，等等。

2.灵敏度：在稳定工作状态时，输出变化量与引起此变化的输入

量之比。

3.精度：在规定条件的最大绝对误差相对传感器满量程输出的百

分比。表征测量结果的可靠程度，

[=A2/洛sXlOO%

工程中，经常使用精度等级表征传感器的精度:0.05,0.1,0.5,

1.0,1.5,2.0,5.OetCo

4.分辨率：在规定的测量范围内，所能检测出被测输入量的最

小变化量。也可用该值相对满量程输入值之百分数表示。也称为最小

检测量。

5.迟滞：在相同工作条件下，传感器在正、反行程中输入-输出

曲线的不重合程度。正、反行程的最大偏差与满量程之比。

原因：传感器机械结构、制造工艺上的缺陷；摩擦、轴承间隙、

螺钉松动、元件损坏、积尘等。

6.重复性：在相同的工作条件下，输入量按同一方向在全量程

范围内连续多次所特性曲线的不一致性。数值上，是各测量值标准偏

差最大值两倍或三倍与满量程的百分比表示。

它反映测量结果偶然误差的大小。而不表示与真值的误差。

7.零点漂移：在无输入时，传感器输出偏离零值的大小与满量

程只比。

8.温漂：温度变化时，传感器输出值的偏离程度。一般以温度

每变化1度，输出最大偏差与满量程的百分数。

9.阈值：使传感器输出产生可测变化量的最小输入量值。也称

为死区。

课堂小结

通过本节课的学习，学生了解传感器的一般特征。

课后作业

课后题

江苏省技工院校

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授课日期

班级

课题：应变式传感器________________________________________________

教学目的要求：1.知识与技能：掌握应变式传感器的基础概念

2.过程与方法：传感器的一般特性放在各种类型的传感器中，又有不同的应

用，今天我们学习应变片式的传感器。由此引入课题

3.情感、态度与价值观：通过本节课的学习使学生了解应变式传感器的一般

特征

教学重点：综合应变式传感器的概念______________________________

教学难点：各传感器的要点讲解__________________________________

授课方法：教学中遵循“学生为主体，教师为主导，知识为主线，发展思维

为主旨”的“四主”原则.以恰当的问题为纽带，给学生创设自主探究、合作

交流的空间。

教学参考及教具（含多媒体教学设备）：板书，多媒体课件

授课执行情况及分析：_______________________________________________

板书设计或授课提纲

1.1金属应变片式传感器

1.2应变效应

1.3金属应变片

教学内容备注

导入新课

传感器的一般特性放在各种类型的传感器中，又有不同的应用，今

天我们学习应变片式的传感器。

新课讲授

电阻式传感器的种类繁多，应用广泛，其基本原理是将被测物理量

的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路而最后显示被测量值

的变化。电阻式传感器与相应的测量电路组成的测力、测压、称重、测

位移、测加速度、测扭矩、测温度等测试系统。目前，已成为生产过程

检测以及实现生产自动化不可缺少的手段之一。

电阻式传感器的种类主要有：电位器式传感器和应变式传感器。本

章主要介绍应变式传感器。它包括：金属应变片式传感器和压阻式传感

器。

2.1金属应变片式传感器

2.1.1应变效应

金属应变片的工作原理是基于电阻应变效应，即在金属丝产生机械

变形时，它的电阻值相应发生变化

图2-1金属丝伸长后几何尺寸变化

由尺=。七两边取对数，微分后得

S

dR_dp_dL_dS_

~R~~p+~L~~S

式中：小一电阻得相对变化；生一电阻率的相对变化;

RP

"一长度相对变化，令£=丝金属丝的轴向应变（纵向）；

LL

空一截面积的相对变化，空=2.包=2J，£,即为径向应变（横

SSr

向）。

£,=一〃£

又由生=。四=。（1—2〃）£

所以，

,JR

——=C（1-2〃）£+£+2XZ£=［（l+2//）+C（l—=K£

Rs

K,称为应变灵敏度系数，由两部分组成：一为几何尺寸引起，一为电阻

率变化引起；对特定的金属材料，在一定应变范围内为一常数。

2.1.2金属应变片

1.结构与材料

结构组成：敏感栅、基底、盖片、粘结剂、引线。

材料要求：较大灵敏度系数目为常数；高而稳定的电阻率；电阻温

度系数小；机械强度高易于加工；抗氧化耐腐蚀。常用材.料：铜银合金、

卡玛合金、伊文合金、钳和伯合金等。

2.分类

包括：金属丝式应变片、金属箔式应变片（见下图）、金属薄膜式

应变片。

图2—2金属箔式应变片的基本结构

图2—3各式箔式应变花

课堂小结

通过本节课的学习，学生了解到了应变式传感器。

课后作业

课后题

江苏省技工院校

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授课日期

班级

课题：金属应变式传感器____________________________________________

教学目的要求：1.知识与技能：掌握金属应变式传感器主要特性

2.过程与方法：理解金属应变式传感器的应用以及特性

3.情感、态度与价值观：通过图片，案例等讲解，让学生了解金属应变式传感器,

并且掌握金属应变式传感器的应用以及特性

教学重点：了解金属应变式传感器___________________________________

教学难点：掌握金属应变式传感器的主要特征________________________

授课方法：教学中遵循“学生为主体，教师为主导，知识为主线，发展思维

为主旨”的“四主”原则.以恰当的问题为纽带，给学生创设自主探究、合作

交流的空间。

教学参考及教具（含多媒体教学设备）：课本，多媒体课件

授课执行情况及分析:

板书设计或授课提纲

1.主要特性

2.温度误差及补偿

教学内容备注

导入新课

传感器的一般特性放在各种类型的传感器中，又有不同的应用，今

天我们学习应变片式的传感器主要特性。

新课讲授

2.1.3主要特性

包括：灵敏度系数、横向效应、机械滞后，零漂及蠕变、温度效应、

应变极限、疲劳寿命、动态响应特性等。

1.灵敏度系数：K嗡卜,一般K<K,。主要原因：粘结剂与

基底的传递应变失真、横向效应等。

2.横向效应：敏感栅由轴向纵栅和圆弧横栅两部分组成。所以应

变片既受到轴向应变又受到横向应变的影响，且其影响方向相反，这种

现象为横向效应。一般，敏感栅愈窄、基长愈长，横向效应愈小，误差

愈小。

3.机械滞后：残余变形所致，使加载与卸载特性出现偏差。

4.零点漂移和蠕变：温度效应、片内应力、粘结剂固化不充分、

胶层间产生滑动等造成。

5.动态特性：栅长愈短，动态特性愈好。

2.1.4温度误差及补偿

在外界温度变化的条件下，由于敏感栅温度系数a,及栅丝与试件

膨胀系数（B.及B.）之差异性而产生虚假应变输出有时会产生与真实应

变同数量级的误差。

愕）=%加+*4-4加

虚假应变:

必须采取补偿温度误差的措施。通常温度误差补偿方法有两类:

1.自补偿法：单丝自补偿法、组合式自补偿法

2.电路补偿法

c

JU1

以

图2—4组合式自动补偿法图2-5电桥补偿法

图2-6差动电桥补偿法

电路补偿法要求：⑴补偿电阻与应变电阻同一批号，具有相同的a,、B

。和K,初始阻值相同；⑵粘结补偿片的材料与被测试件材料相同；⑶两

片处于同一温度环境。

课堂小结

通过本节课的学习，学生了解金属应变式传感器的主要特性。

课后作业

课后题

江苏省技工院校

教案首页

授课日期

班级

课题：测量电路________________________________________________

教学目的要求：1.知识与技能：了解传感器的测量电路_________________

2.过程与方法：通过学习传感器测量电路了解原理，并掌握其应用。

3.情感、态度与价值观：让同学们知道传感器测量电路及公式，能够熟练掌握

专业技能。

教学重点：了解直流电桥平衡原理___________________________________

教学难点：掌握桥臂值得应用_______________________________________

授课方法：教学中遵循“学生为主体，教师为主导，知识为主线，发展思维

为主旨”的“四主”原则.以恰当的问题为纽带，给学生创设自主探究、合作

交流的空间，指导掌握金属热电阻传感器。

教学参考及教具（含多媒体教学设备）：电路模型，板书

授课执行情况及分析：_______________________________________________

板书设计或授课提纲_________________________________________________

测量电路

1.等臂电桥

2.对称电桥

3.交流测量电桥

教学内容备注

导入新课

传感器的一般特性放在各种类型的传感器中，又有不同

的应用，今天我们学习应变片式的传感器测量电路。

新课讲授

(a)当负载为无穷大时，

_口RR-R2R3

0=(a+&)(一+%)

(b)为单臂电桥；(c)为半桥电路；(d)为全桥电路。

1.等臂电桥：4=&=4=&=R

一般情况下，

-^-(^1~£2~£3+£4)

上式表明：

①当时，输出电压与应变呈线性关系；

②相邻桥臂，应变极性一致时，输出电压为两者之差；应变极性相反时,

输出电压为两者之和；

③相对桥臂，应变极性一致时，输出电压为两者之和；应变极性相反时,

输出电压为两者之差。

对于单臂电桥，输出为：U0=^Ks

非线性误差，由下式决定，

所以，5^-Ks；当已知非线性误差时，由此式可计算出最大应变值。

2

2.对称电桥：特性与等臂电桥相近。

第一对称电桥：&=%=R,&=&=*；特性与等臂电桥相同。

第二对称电桥：鸟='=尺，R2=&=R；分析方法相同，令k吟,

E

Uo=---------Ks

°k+2+Hk

非线性误差为：3=」一Ke

1+攵

3.交流测量电桥:

课堂小结

提问复习，学生回答

1、直流电桥平衡的条件?

2、桥臂比值大少时，灵敏度最大?

课后作业

课后题

江苏省技工院校

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授课日期

班级

课题:压阻系数

教学目的要求：1.知识与技能：了解压阻系数其应用

2.过程与方法：通过学习了解压阻系数原理，并掌握其应用。

3.情感、态度与价值观：让同学们知道压阻系数在机器中的重要作用，能够熟练掌握专业

技能。

教学重点:对压阻系数的了解

教学难点:掌握压阻系数各向异性特征

授课方法:教学中遵循“学生为主体，教师为主导，知识为主线，发展思维为主旨”

的“四主”原则.以恰当的问题为纽带，给学生创设自主探究、合作交流的空间。

教学参考及教具（含多媒体教学设备）:课本，板书

授课执行情况及分析:

板书设计或授课提纲

压阻系数

1.什么是压阻系数

2.压阻系数各向异性特征

教学内容备注

导入新课

温故知新法，复习上节课所学习的内容，再学习新的知识。

新课讲授

半导体样品电阻率p的变化（Dp）与应变e成比例，则电阻率的

相对变化与应力成正比：

Dp/p=ps

式中p是常数，称为压阻系数（单位是m2/N或者1/Pa）；压阻系

数即表征了压阻效应的大小。压阻系数与掺杂类型（n型，还是p型）、

掺杂浓度、温度和晶向有关

压阻系数被定义为单位应力作用下电阻率的相对变化。压阻效应有

各向异性特征，沿不同的方向施加应力和沿不同方向通过电流，其电阻

率变化会不相同。譬如：在室温下测定N型硅时，沿（100）方向加应

力，并沿此方向通电流的压阻系数IT数=102.2x10-11m2/N；而沿（100）

方向施加应力，再沿（010）方向通电流时，其压阻系数

TT12=53.7x10-11m2/No此外，不同半导体材料的压阻系数也不同，如

在与上述N型硅相同条件下测出N型错的压阻系数分别为

TT11=5.2x10-11m2/N；TTl2=5.5x10-11m2/No

1.晶体晶向的作用

晶体是具有多面体形态的固体，沿不同的晶轴方向，匹、£的值是

不同的。

对于半导体Si：P[111]、N[100]晶向，K=TT「E最大;

对于半导体Ge：P[111]、N[111]晶向，K=~.E最大。

2.影响码的因素:

②杂质浓度，扩散电阻的杂质浓度愈高，压阻系数愈小；

②温度，一般温度愈高，压阻系数愈小。

巧1开12巧2000

药2为1巧2000

所2巧2药1000

000叫00

0000耳40

00000—

课堂小结

通过本节课的学习让学生们认识与了解了压阻系数。

课后作业

书后习题

江苏省技工院校

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授课日期

班级

课题：压阻效应

教学目的要求：1.知识与技能：了解压阻效应的工作原理及其应用。

2.过程与方法：通过学习观察了解优点

3.情感、态度与价值观：让同学们知道压阻效应的重要作用，能够熟练掌握

专业技能。

教学重点：了解压阻效应的定义_____________________________________

教学难点：掌握压阻效应的优点以及效应_____________________________

授课方法：教学中遵循“学生为主体，教师为主导，知识为主线，发展思维

为主旨”的“四主”原则.以恰当的问题为纽带，给学生创设自主探究、合作

交流的空间。

教学参考及教具（含多媒体教学设备）：课本，多媒体课件

授课执行情况及分析：_______________________________________________

板书设计或授课提纲_________________________________________________

压阻效应

压阻效应的定义

压阻效应的优点

教学内容备注

导入新课

温故知新法，复习上节课所学习的内容，再学习新的知识。

新课讲授

压阻效应的强弱可以用压阻系数IT来表征。压阻系数TT被定义为单

位应力作用下电阻率的相对变化。压阻效应有各向异性特征，沿不同的

方向施加应力和沿不同方向通过电流，其电阻率变化会不相同。譬如：

在室温下测定N型硅时，沿（100）方向加应力，并沿此方向通电流的

压阻系数Tf11=102.2x10-11m2/N；而沿（100）方向施加应力，再沿

（010）方向通电流时，其压阻系数TTl2=53.7x10-11m2/N。此外，不

同半导体材料的压阻系数也不同，如在与上述N型硅相同条件下测出N

型错的压阻系数分别为TT11=5.2x10-11m2/N；n12=5.5x10-11m2/N。

压阻效应被用来制成各种压力、应力、应变、速度、加速度传感器,

把力学量转换成电信号。例如：压阻加速度传感器是在其内腔的硅梁根

部集成压阻桥（其布置与电桥相似），压阻桥的一端固定在传感器基座

上，另一端挂悬着质量块。当传感器装在被测物体上随之运动时，传感

器具有与被测件相同的加速度，质量块按牛顿定律（第二定律）产生力

作用于硅梁上，形成应力，使电阻桥受应力作用而引起其电阻值变化。

把输入与输出导线引出传感器，可得到相应的电压输出值。该电压输出

值表征了物体的加速度。

①灵敏度与精度高；

②易于小型化和集成化；

③结构简单、工作可靠，在几十万次疲劳试验后，性能保持不变;

④动态特性好，其响应频率为103〜105Hz。

沿半导体底某一轴向施加一定的载荷产生应变时，电阻率会发生明

显的变化，这种现象称作压阻效应。

生="+(1+2〃)£

Rp'，

对金属材料，&R较小，有时可忽略不计，故起作用的是应变效应；

P

对半导体材料，久=可/・£;可为压阻系数，少为弹性模量。

P

由于巧法比(1+2")大几十到上百倍，故起作用的是压阻效应；

在弹性范围内，应力作用使半导体电阻发生变化，应力除去后，电

阻又恢复到原来的数值，故压阻效应是可逆的。

课堂小结

通过此节课的学习让学生了解到压阻效应。

课后作业

书后习题

江苏省技工院校

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授课日期

班级

课题：____________固态压阻器件_____________________________________

教学目的要求：1.知识与技能：掌握压阻效应概念_____________________

2.过程与方法：理解固态压阻器件的结构和压阻片的扩散原理

3.情感、态度与价值观：让同学们知道固态压阻器件在机器中的重要作用，

能够熟练掌握专业技能。

教学重点：压阻器件的扩散原理_______________________________________

教学难点：固态压阻器件的结构和压阻器件的扩散原理___________________

授课方法：教学中遵循“学生为主体，教师为主导，知识为主线，发展思维

为主旨”的“四主”原则.以恰当的问题为纽带，给学生创设自主探究、合作

交流的空间。

教学参考及教具（含多媒体教学设备）：课本，多媒体课件

授课执行情况及分析：_______________________________________________

板书设计或授课提纲

固态压阻器件

一、结构原理

二、测量电桥及温度补偿

教学内容备注

导入新课

温故知新法，复习上节课所学习的内容，再学习新的知识。

新课讲授

1.结构原理

利用固态扩散技术，在N型Si半导体底层上扩散P型杂质的导电

层，形成扩散型半导体应变片。

当在任意晶向上，受到纵向和横向应力作用时，

A/?

~=71i^i+25

式中：匹、叫一一纵向应力、纵向压阻系数；

可、（7,---横向应力、横向压阻系数。

所以，径向电阻和切向电阻斤，受到应力作用时：

郊、

（方）「=可巧+?5

A

坪、

（方＞=»«+%，

K

2.测量电桥及温度补偿

测量电桥仍采用金属应变片的测量桥路，为了减少温度影响，一般

采用恒流源供电。所以，采用全桥测量时

U0=I-^R

温度补偿：①零点温度补偿，采用串并联电阻实现；

②灵敏度温度补偿，采用在电源回路中串联二极管的方

法实现。

1.灵敏度高

硅应变电阻的灵敏因子比金属应变片高50~100倍，故相应的传感

器灵敏度很高，一般满量程输出为100mv左右。因此对接口电路无特殊

要求，应用成本相应较低。由于它是一种非机械结构传感器，因而分

辨率极高，国外称之无限，即主要受限于外界的检测读出仪表限制及噪

声干扰限制，一般均可达传感器满量程的十万分之一以下。硅压阻传

感器在零点附近的低量程段无死区，且线性优良。

2.精度高

由于固态压阻压力传感器的感受，敏感转换和检测三部分由同一个

元件实现，没有中间转换环节，所以不重复性和迟滞误差极小。同时由

于硅单晶本身刚度很大，形变很小，保证了良好的线性，因此综合静态

精度很高。

3.体积小、重量轻、动态频响高

由于芯体采用集成工艺，又无传动部件，因此体积小，重量轻。小

尺寸芯片加上硅极高的弹性模数，敏感元件的固有频率很高。在动态应

用时，动态精度高，使用频带宽，合理选择设计传感器外型，使用带宽

可以从零频至100千赫兹。

4.性能稳定、可靠性高

由于工作弹性形变低至微应变数量级，弹性薄膜最大位移在亚微米

数量级，因而无磨损、无疲劳、无老化。寿命长达107压力循环次以上。

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感器、图尔克传感器、变频器、断路器、继电器、PLC、工控机、仪器

仪表、气缸、五金工具、伺服电机、劳保用品等一系列自动化的工控产

品。

课堂小结

通过本节课的学习学生们掌握了固态压阻器件

课后作业

课后题

江苏省技工院校

教案首页

授课日期

班级

课题：石英晶体的压电效应_______________________________________

教学目的要求：1.知识与技能：了解石英晶体的的压电效应及其原理

2.过程与方法：通过学习观察了解原理，并掌握其应用

3.情感、态度与价值观：让同学们知道石英晶体的压电效应在机器中的重要作

用，能够熟练掌握专业技能。

教学重点：了解石英晶体的压电效应_______________________________

教学难点：掌握石英晶体的各项异性_______________________________

授课方法：教学中遵循“学生为主体，教师为主导，知识为主线，发展思

维为主旨”的“四主”原则.以恰当的问题为纽带，给学生创设自主探究、合

作交流的空间。

教学参考及教具（含多媒体教学设备）：课本，多媒体教案

授课执行情况及分析：_______________________________________________

板书设计或授课提纲

石英晶体的压电效应

1.了解石英晶体

2.了解石英晶体的各项异性

教学内容备注

导入新课

温故知新法，复习上节课所学习的内容，再学习新的知识。

新课讲授

石英晶体是正六棱柱体（六面体），如图所示。Z轴是晶体的对称轴，

称为光轴；X轴压电效应最显著，电轴；丫轴（机械轴，力轴），加力产

生的变形最大。

X轴和丫轴受力后，石英晶体压电效应示意图如下图所示,

石英晶体受力方向与电荷极性的关系，如下所示:

变形状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应。但

它具有良好的厚度变形和长度变形压电效应，即在X轴和丫轴受力时，

才会产生压电效应，被称为纵向、横向压电效应；当沿X轴方向施加切

向应力时，将在垂直于丫轴的表面上产生电荷，称为切向压电效应。

假设在石英晶体上切下一片平行六面体一一晶体切片。

1.当X轴方向受力时，垂直X轴平面上产生的电荷为：

么=41工

则极间电压为：U'="=4i旦

当在垂直x轴平面上，外加电场以时，

△tu、

7=41〒=鼐纥.

2.丫轴方向受力时，垂直x轴平面上产生的电荷为：09，=-4，月，

逆压电效应：牛=-4禺

所以，有如下结论：

①无论正和逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（电场强度）之间成

线性关系；

②晶体在哪个方向有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应；

③石英晶体不是在任何方向上都存在正压电效应。

课堂小结

通过这节课的学习学生们对石英晶体压电效应有所了解。

课后作业

书后习题

江苏省技工院校

教案首页

授课日期

班级

课题：传感器接口电路______________________________________________________

教学目的要求：1.知识与技能：了解传感器输出信号的处理方法及检测电路的组成

2.过程与方法：通过学习观察了解原理，并掌握其应用

3.情感、态度与价值观：培养分析和解决问题的能力

教学重点：阻抗匹配器、电桥电路、放大电路的组成______________________________

教学难点：传感器接口电路的应用分析__________________________________________

授课方法：教学中遵循“学生为主体，教师为主导，知识为主线，发展思维为主旨”的

“四主”原则.以恰当的问题为纽带，给学生创设自主探究、合作交流的空间。

教学参考及教具（含多媒体教学设备）：课本，多媒体课件

授课执行情况及分析：_______________________________________________________

板书设计或授课提纲

传感器接口电路

1.传感检测系统的组成

2.电桥

教学内容备注

导入新课

传感器的一般特性放在各种类型的传感器中，又有不同的应用，今

天我们学习传感器接口电路。

新课讲授

一、传感检测系统的组成：

传感『中间转换（信号调理）确微机接施路

分析处理及控制显示电路（模拟显示、数字显示、图象显示）等部分组

成，分别完成信息的获取、转换（调理）、传输、分析处理、显示记

录。

传感器处于被测对象与检测系统的界面位置，构成信号输入的主要

窗口，为检测系统提供必须的原始信号。

二、电桥

电桥是把电阻、电感、电容等元件参数转换成电压或电流的一种测

量电路。

L特点：电路简单直接，精度和灵敏度较高，在检测系统应用较多。

2.分类：

⑴按电桥不同的激励电源，可分为直流和交流电桥。

直流电桥

主要用于电阻式传感器，例如热敏电阻、电位器等。电桥线路是由

联接成环形的四个电阻所组成，如图示。

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交流电桥

主要用于测量电容式传感器和电感式传感器的电容和电感的变化。

图示为交流电桥的一般形式，开路输出电压

下面给出一些交流电桥的具体电路

⑵按电桥的工作方式可分为平衡电桥（零测法）和不平衡电桥（偏

差测量法）。

⑶按被测电阻（阻抗）的接入方式，可分为单臂电桥、差动电桥和

全桥。

课堂小结

通过这节课的学习学生们掌握了传感器接口电路。

课后作业

课后习题

江苏省技工院校

教案首页

授课日期

班级

课题：机器人传感器_____________________________________________________

教学目的要求：1.知识与技能：了解机器人的发展历程_________________________

2.过程与方法：通过学习观察图片，并掌握其应用。

3情感、态度与价值观：培养了学生联系实际解决问题的能力________________________

教学重点：机器人传感器的组成和各种传感器的用途____________________________

教学难点：各种机器人的组成和基本原理______________________________________

授课方法：教学中遵循“学生为主体，教师为主导，知识为主线，发展思维为主旨”

的“四主”原则.以恰当的问题为纽带，给学生创设自主探究、合作交流的空间。

教学参考及教具（含多媒体教学设备）：课本，多媒体教案

授课执行情况及分析：_______________________________________________________

板书设计或授课提纲

机器人传感器

1.机器人按代分类可分成三代

2.一般机器人控制系统的组成

3.机器人的作用

4.机器人传感器的分类

教学内容备注

导入新课

传感器的一般特性放在各种类型的传感器中，又有不同

的应用，今天我们来学习机器人传感器。

新课讲授

机器人与传感器

1.机器人按代分类可分成三代

第一代机器人一一工业机器人：它只能以“示教一一再现”方式工

作，由两部分组成：机械手和程控器，目前商品化、实用化的机器人大

多还属于第一代。

第二代机器人一一感觉机器人：它的主要标志是自身配备有相应的

感觉传感器，并采用计算机对之进行控制。也称“自适应机器人”。它

开始进入实用时期，主要从事焊接、装配、搬运等作业。

第三代机器人一一智能机器人：也称“管理控制型自律机器人”。

它是人工智能的综合成果，它应具备以下三方面的能力：

♦感知环境的能力：这种机器人具有形形色色的感觉传感器：

视觉、听觉、触觉、嗅觉。通过这些传感器，能识别周围环

境。

♦作用于周围环境的能力：使机器人的手、脚等各种肢体行动

起来，以执行某种任务。第三代要求更完善、敏捷灵巧。

♦思考的能力：在智能机器人中，相当发达的“大脑”是主要

的，通过思考，把感知和行动联系起来，进行合乎目的的动

作。

2.一般机器人控制系统的组成

驱

商

器

控

制

对

象

3.机器人的作用

节省劳动力：这是机器人的最主要功能。

进行极限作业：在工厂的喷漆和铸造等的恶劣环境中，在精练车间、

冷藏室、核电站、宇宙空间、海底等人类难以进入的场合。在农药喷洒、

不停电电力检修及大厦墙面的清洗和检查等。

用于医疗、福利：机器人协助手术，辅助步行，饮食等的搬送工作

安全运行的智能轮椅，盲人引导，假肢等。

与人协调作业：在重物场合，用机器人支撑重量，由人工进行仔细

定位。协助老年人和残疾人进行体力劳动及手的准确动作等。

制作宠物：向着亮光移动的机器人，象小狗样动作的宠物机器人等。

4.机器人传感器的分类机器人传感器的分类

1.接触和非接触式

2.内部传感器和外部传感器

内部传感器：自身状态检测（如：位置、姿态、运动、力等），用到的

传感器主要有：位置、角度、力、姿态、速度传感器等；

外部传感器：对外部环境的感觉（如：距离、接近程度、接触状态等）。

主要集中在外部传感器上，因为这是机器人升代的重要标志。

3.感觉类型：视觉、听觉、接触觉、嗅觉、味觉。

9.4.3触觉传感器

1.触觉分类：

•接触觉：手指与被测物是否接触，接触图形的检测。

•压觉：垂直于机器人和对象物接触面上的力感觉。

•力觉：机器人动作时各自由度的力感觉。

•滑觉：物体向着垂直于手指把握面的方向移动或变形。

•热觉：对象物的温度及其分布。

•材质感觉：目前还难以实现。

2.触觉传感器的要求

•空间分辨率为1〜2mm,这种分辨率接近人指尖可区别皮肤上

用作分离刺激的两点；

•阵列尺寸是每个指尖有5X10〜10X20个点（人的指尖有约

10X15个接触敏感点）；

•一个力敏元件的阈值灵敏度约0.5〜10G；

•传感器的稳定性、线性度和重复度好，无滞后；

取样频率100Hz〜1kHz；

•传感器结实、价廉，类似皮肤。

课堂小结

通过这节课的学习学生们了解了机器人传感器。

课后作业

书后习题

江苏省技工院校

教案首页

授课日期

班级

课题：_________超声波传感器__________________________________________________

教学目的要求：L知识与技能：a.了解超声波的物理基础____________________

b.掌握超声波换能器及其耦合技术和应用

2.过程与方法：通过学习观察超声波传感器了解原理，并掌握其应用。

3.情感、态度与价值观：培养学生的理解与分析能力

教学重点：超声波换能器的原理、种类_________________________________________

教学难点：工作原理分析_____________________________________________________

授课方法：教学中遵循“学生为主体，教师为主导，知识为主线，发展思维为主旨”的

“四主”原则.以恰当的问题为纽带，给学生创设自主探究、合作交流的空间。

教学参考及教具（含多媒体教学设备）：课本，多媒体课件_____________________

授课执行情况及分析：_______________________________________________________

板书设计或授课提纲

超声波传感器

1、超声波传感器的的物理基础

2、超声波换能器

教学内容备注

导入新课

温故知新法，复习上节课所学习的内容，再学习新的知识。

新课讲授

超声波传感器的的物理基础

1.超声波的概念：

超声波:高于20KHz的机械波（次声波：振动频率低于16Hz的机械

波。声波：振动频率在16Hz—20KHz之间的机械波）

2.超声波的特征：

频率高（可达2X10'Hz〜10'Hz）,因而波长短，绕射现象小，方向

性好，能够成为射线而定向传播；

超声波在液体、固体中衰减很小，穿透本领大，碰到杂质或分界面

就会有显著的反射。

3.超声波的波型

①纵波。②横波。

③表面波（亦称瑞利波）。

③兰姆波。

超声波换能器：用于检测的超声波换能器有压电型、磁致伸缩型、

电磁型、有振板型、弹性表面波型等。

压电型超声波换能器的结构随应用目的的不同而不同，（a）是探伤用超

声波换能器，（b）是超声波诊断用阵列型超声波换能器，（c）是水中用

超声波换能器，（d）是空气中用超声波换能器。

1.磁致伸缩型超声波换能器

磁致伸缩型振子的形状

1一发射接收波面2一偏置用磁头

磁致伸缩型超声波换能器的工作原理是基于对磁性材料加上磁场

后，就在磁场方向产生应力的磁致伸缩效应和加上应力后就发生磁化的

逆磁致伸缩效应，磁致伸缩效应与电致伸缩效应同样是二次非线性效

应，使用中加直流偏置磁场。上图所示即为典型的结构，图（a）是角

型振子，图（b）是圆筒型振子，图（c）是采用铁氧体角型振子。这种

换能器上限频率到lOOKHz左右，主要用于海洋测量鱼群探测器和声纳。

2.电磁型超声波换能器

电磁型超声波传感器是当交流电流流过置于金属表面的线圈时，由

于在金属内感应的涡流电流与磁场的相互作用，以非接触方式在金属内

产生超声波，又用线圈检测因超声波与磁场的相互作用而产生的电流的

特殊传感器，这种传感器用于金属的探伤。

3.有振动板的超声波换能器

就空气中用超声波传感器而言，除采用振动模本身具有转换功能的双压

电晶片型外，也可利用由薄金属板的振动功能检测电磁性或静电性机

构，其结构在原理上与动电型（移动线圈）麦克风或静电型麦克风等声

频或声压测量用的

1.磁致伸缩型超声波换能器

磁致伸缩型振子的形状

1—没射接收波面2—儡置用B头

磁致伸缩型超声波换能器的工作原理是基于对磁性材料加上磁场

后，就在磁场方向产生应力的磁致伸缩效应和加上应力后就发生磁化的

逆磁致伸缩效应，磁致伸缩效应与电致伸缩效应同样是二次非线性效

应，使用中加直流偏置磁场。上图所示即为典型的结构，图（a）是角