《传感器应用技术》教案

第1单元(Unit)第]周(Week)2学时(Periods)

单元标题(Title)：课程教育

教学地点(Place)；

教学目标(TeachingTarget)：

1、让学生了解什么是传感器应用技术

2、检测技术的应用领域

3、了解本课程的性质和课程安排

4、掌握一般的学习方法

教学方法(TeachingApproaches)：

通过图片展示传感器应用技术的应用及作用

教学材料及工具(TeachingMaterials&Aids)：

多媒体课件、课本、传感器实训台

考核与评价方式(Testing&EvaluatingMode)：

提问

主要教学内容及过程

MainTeachingContents&Procedures

一、什么是传感器应用技术？

定义：检测是利用各种物理、化学效应，选择合适的方法与装置，将生产、科研、生活等各

方面的有关信息通过检查与测量的方法赋予定性与定量结果的过程。

自动检测的内容包括：

・信息提取（提取有用信息）

・信息转换（转换成易于处理的电信号）

•信息处理（将得到的信息进行数字运算、A/D转换等处理）

二、传感器应用技术在机电一体化系统中的地位

1、机电一体化技术相关专业

机械技术

机械技术是机电一体化的基础。

信息处理技术

信息处理技术包括信息的交换存取运算判断和决策。实现信息处理的主要工具是

计算机，因此信息处理技术与计算机技术是密切相关的。

自动控制技术

自动控制技术的目的在于实现机电一体化系统的目标最佳化。

伺服传动技术

伺服传动技术就是在控制指令的指挥下，控制驱动元件，使机械的运动部件按照指

令要求运动，并具有良好的动态功能。

接口

接口的作用是将各要素或子系统连接成为一个有机整体，使各个功能环节有目的协调

一致运动，从而形成机电一体化的系统工程。

传感检测技术

传感检测装置是机电一体化系统的感觉器官,它是实现自动控制自动调节的关键环

节，其功能越强，系统的自动化程度越高。

2、机电一体化系统的组成

被控的机械运动

3、机电一体化系统典型例子——机器人

4、为什么要学习传感器应用技术？

回答：综上所述，可以看出如果没有传感器应用技术（传感器），机电一体化产品犹如聋子、

瞎子，不能自动的完成预定工作任务。检测技术水平提高是自动化水平提高的基础。所以，

传感器应用技术在机电一体化产品（系统）中占据重要地位。

三、传感器应用技术的应用领域

1、家用电器2、医疗设备

3、工业控制4、交通运输

5、机器人智能控制6、军事及航天技术

7、仪器仪表

四、能力目标

1、通过学习我们具备了什么能力？

能够熟练掌握传感器的基本组成和一般特性。

❖能够了解各种物理量的基本特点及正确运用检测方法。

能够掌握各种常用传感器的基本原理、结构，能够正确的选用和使用各种传感器。

❖能够灵活运用传感器实现各种实际的控制要求。

❖能够正确理解传感器与控制器的连接，如何达到控制目的。

2、通过学习我们应具备什么职业素质？

❖提高自学能力、敏锐的洞察力和产品市场分析能力。

❖具有基本的职业道德和专业敏感性，面对一项任务能够迅速制订合理方案，合理分

配人力资源。

❖具有团队协作精神，肯吃苦，肯钻研，发现问题能想方设法解决问题，坚持不懈。

❖创新精神。当今产业发展迅速，所谓不进则退，在保证功能、质量前提下，不便捷

时尚则淘汰、不方便人的生活则淘汰。故培养创新意识尤为重要。

五、学习方法

,课前：预习

•课中：听仔细、勤练习、记数据、细分析

•课后：认真完成任务书，多总结，勤思考

六、设备介绍

实训装置主要由实训台、三源板、传感器和变送模块组成。

1.实训台部分

lk~10kHz音频信号发生器、1〜30Hz低频信号发生器、四组直流稳压电源：±15V、

+5V、±2~±10V,2-24V可调、数字式电压表、频率/转速表、定时器以及高精度温度调

节仪组成。

2.三源板部分

热源：0~220V交流电源加热，温度可控制在室温~120℃,控制精度±1°C。

转动源：2~24V直流电源驱动，转速可调在0~4500rpm。

振动源：振动频率1Hz—30Hz（可调）。

3.传感器及变送模块部分

小结：

1、让学生了解什么是传感器应用技术

2、检测技术的应用领域

3、了解本课程的性质和课程安排

4、掌握一般的学习方法

作业：预习检测技术基础知识

第2单元(Unit)第1~2周(Week)4学时(Periods)

单元标题(Title)：检测技术基础

教学地点(Place)：

教学目标(TeachingTarget)：

提高学生自学理解能力

掌握传感器的组成、分类及基本特性

教学方法(TeachingApproaches)：

举例、图片、对比、讲授

教学材料及工具(TeachingMaterials&Aids)：

多媒体课件、课本

考核与评价方式(Testing&EvaluatingMode)：

提问，练习

主要教学内容及过程

MainTeachingContents&Procedures

一、传感器是干什么的？

传感器相当于人的感觉器官，控制器相当于人的大脑，执行机构和驱动器相当于肌肉和

关节，接口及通信系统相当于人的神经系统。要使机电一体化有效地发挥作用，必须首先借

助传感器获取外部环境和系统内部各种各样的信息。

•传感器的定义

传感器是一种以测量为目的、以一定的精度把被测量转换为与之有确定关系的、便于处

理的另一种物理量的测量器件。传感器的输出信号多为易处理的电量，如电压、电流、频率

等。传感器由敏感元件、传感元件及测量转换电路组成。

标准定义：传感器是能够感受被测量，并按照一定规律将其转换为便于处理和传输的器

件或装置。

•传感器的组成

非馨非电工

敏感元件=传咸而性一■二测量转换电路

（被测量）

•传感器分类

（1）按被测量分类

位移、力、力矩、转速、振动、加速度、温度、压力、流量、流速等传感器。

（2）按测量原理分类

电阻、电容、电感、光栅、热电偶、超声波、激光、红外、光导纤维等传感器。

很多情况下，传感器的命名是将被测量和被测原理相结合的，如电容式加速度传感

器，表示该传感器的测量对象是加速度，测量原理是电容的变化值。

•传感器的发展及应用领域

由于半导体技术进入超大集成化阶段，制造工艺和材料性能的研究不断提高，为传感

器发展提供了有利条件，从发展前景看，它具有以下几个特点：

传感器固态化固态传感器又称物理性传感器，它包括半导体、电介质和强磁体三类。目前,

在一块芯片上可以集成差压、静压、温度三个传感器。

传感器的集成化和多功能化借助半导体的技术不断成熟和更新使传感器从单一元件、单一

功能向集成化和多功能化方向发展。所谓集成化，就是将敏感元件、信息处理或转换元件、

电源等利用半导体技术制作在同一个芯片上，如集成温度传感器等。

传感器的图象化传感器的应用不仅仅限于一点测量，已开始研究一维二维、三维空间的测

量。例如：摄象机

传感器的智能化智能化传感器是一种带有微型计算机兼有检测和信息处理功能的传感器。

例如：机器人

传感器广泛的应用于工业自动化，家用电器、交通、安全防卫、医疗、环境保护、航空

航天等各个领域。

二、测量方法

1、直接测量：仪表读数，不需要任何运算直接表示测量结果。（例如：尺子量长度、体温

计等）

2、间接测量：测量结果需要通过运算才能够得出。（例如：电阻值R、曹冲称象等）

目前，工业自动化中常用偏差法进行测量被测量。

偏差法：将被测量与设定的标准量进行比较，利用偏差进行测量和控制。特点：反应快、

精度高。

(举例：速度反馈框图)

三、测量误差

•误差的概念及表达式

1、绝对误差(△x)：示值与被测量真值之间的差值。

表达式：Ax—X—L

2、相对误差(8)：用于衡量测量的准确程度。

表达式：8=(Ax/x)X100%

3、引用误差(»m)：评定仪表的精度等级。

表达式：=(△xmax/A)X100%A——仪表量程

举例：精度为1.0级的仪表，引用误差不超过±1.0%,若仪表量程为1Omv,则最

大绝对误差为10X1.0%=0.1mv

•误差的分类

1、系统误差：有规律、可避免、可消除的误差。主要产生原因仪表安装使用方法不正确等,

可以修正和补偿.

2、随机误差：无规律，不可避免，无法预知的误差。主要和环境等外部因素相关，无法修

正，可以通过统计规律处理。

3、粗大误差：与实际显然不符合的误差。产生原因包括人为的、设备、理论、环境等。应

彻底消除。

四、传感器的基本特性

1、精确度

精密度：传感器输出值的分散程度。它是随机误差大小的标志。

准确度：传感器输出值与真值的偏离程度。它是系统误差大小的标志。

精确度：是精密度和准确度的综合。

2、稳定性

稳定性包括：稳定度、环境影响量。

稳定度：仪表在给定条件不变的情况下，在规定的时间内能维持其示值不变的能力。

例如，1.2mV/(8h)表示仪表输出电压值在8h内的最大变化量为1.2mV。

环境影响量：外界环境变化而引起的示值变化量，主要有：零漂和灵敏度漂移。

3、传感器输出一输入静态特性

静态特性是指输入量不随时间而变化，或随时间变化很缓慢时(稳态)，传感器输出与输

入之间的对应关系。即y=f(x)。

静态特性参数包括：

•灵敏度(Sensitivity)

灵敏度是稳态下输出变化量与输入变化量之比，用K来表示，即

K盘

dx

对线性系统输出而言，灵敏度即为输出/输入的斜率(不随输入量的变化而变化，K

为定值。

对于非线性系统而言，灵敏度为刻度特性的导数，随输入量变化而变化，K是变化的。

灵敏度是个有单位的量。例如：一个温度传感器输出为电压值，则该温度传感器的温度

灵敏度为mv/℃,表示一摄氏度引起多少电压输出。

传感器或传感检测系统的总灵敏度=该系统各个环节灵敏度的乘积

•线性度(Linearity)

线性度又称非线性误差。是指传感器实际特性曲线与拟合曲线之间的最大偏差与传

感器满量程输出范围的百分比。

.maxxlOO%

丫max-Nmin

拟合直线的获得有：

端基线性度

最小二乘法线性度

见例题

•灵敏度阈或分辨力

灵敏度阈或分辨力是传感器能测出被测信号的最小变化量，是有量纲的数。当被测量

的变化小于分辨力时，传感器对输入量的变化无任何反应。对数字仪表而言，如果没有其他

附加的说明，一般可以认为该表的最后一位所表示的数值就是它的分辨力。

需要指出的是，不能把仪表的分辨力当作仪表的最大绝对误差。例如，某数字式温度计

的分辨力为0.1。。，精确度为1.0级，量程为100则该仪表的最大绝对误差为±1.0。

C,比分辨力大得多。

分辨率:将分辨力除以仪表的满量程就是仪表的分辨率（％）。

•迟滞

迟滞是指传感器正向特性和反向特性的不一致程度。

•重复性

传感器的输入在按同一方向变化时，在全量程内连续进行重复测试时所得到的各特性曲

线的重复程度。

五、传感器的标准输出信号及接线方法

DDZH型标准信号:O~5v（电压）

（国家标准）0~10mA（电流）

DDZHI型标准信号:l~5v（电压）

（国际标准）4~20mA（电流）

六、传感器的标定和校准

标定：利用某种标准器具产生已知的标准非电量输入，确定传感器输出与输入之间的关

系的过程。（国家规定部门完成）

校准：对长时间没有使用或从未使用的传感器，在使用前对其性能参数进行复测或调整

修正，以确保其精度的过程。（自己可以完成）

标定系统的组成：被测非电量的标准发生器、带标定的传感器、所配接的调节、显示、

记录的仪表。

标定的方法：静态标定法

比较法

小结：

本次课主要，对检测与传感器的基础知识进行了解，误差的基本概念，包括传感器应用

技术的重要地位、传感器的组成、分类、发展方向、仪表标定、连接等问题，以及测量误差

的基本概念。

作业：预习应变式传感器

第3单元(Unit)第3-周(Week)2学时(Periods)

单元标题(Title)：电阻式传感器

教学地点(Place)：

教学目标(TeachingTarget)：

提高学生自学理解能力

掌握应变式传感器的组成、分类及测量电路

教学方法(TeachingApproaches)：

举例、图片、对比、讲授

教学材料及工具(TeachingMaterials&Aids)：

多媒体课件、课本、应变式传感器模块

考核与评价方式(Testing&EvaluatingMode)：

提问、工作页

主要教学内容及过程

MainTeachingContents&Procedures

一、压力的基础知识

检测学中，压力即为物理学中的“压强”

二、应变式传感器

1、工作原理

（1）金属（导体）的电阻应变效应

金属导体在外力作用下发生机械变形时.，其电阻值随着它所受机械变形（伸长或缩短）

的变化而发生变化的现象，称为金属的电阻应变效应。

即=婴=（］+加+姬

E£

dR/R=

K0称为金属丝的灵敏系数，其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。

通常金属电阻丝的K0=1.7〜4.6。

（2）应变片的基本结构及测量原理

/称为栅长（标距），b称为栅宽

（基宽），bXl称为应变片的使

用面积。应变片的规格一般以

使用面积和电阻值表示，如3

X20mm2,120Q。

测量原理

应变式传感器是将应变片粘贴于弹性体表面或者直接将应变片粘贴于被测试件上。弹

性体或试件的变形通过基底和粘结剂传递给敏感栅，其电阻值发生相应的变化，通过转换电

路转换为电压或电流的变化，即可测量应变。若通过弹性体或试件把位移、力、力矩、加速

度、压力等物理量转换成应变，则可测量上述各量，而做成各种应变式传感器。

电桥平衡条件：

R1/R2=R4/R3

调节RP,最终可以使R17/?2，=R4/R3（RI'.R2'是Rl、R2并联RP后的等效电阻），电

桥趋于平衡，U。被预调到零位，这一过程称为调零。图中的R5是用于减小调节范围的限

流电阻。

2、电阻应变式传感器的应用举例(见课件图例)

(2)压阻式传感器

基本工作原理：半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称为

压阻效应。实际上，任何材料都不同程度地呈现压阻效应，但半导体材料的这种效应特别强。

小结：了解应变片的结构、测量电路等。

第3单元(Unit)第3〜4周(Week)4学时(Periods)

单元标题(Title)：电阻应变式传感器的应用

教学地点(Place)：

教学目标(TeachingTarget)：

提高学生自学能力。

了解金属箔式应变片的应变效应，掌握单臂、双臂、

全桥电桥的接线方法和用途。

教学方法(TeachingApproaches)：

演示、操作

教学材料及工具(TeachingMaterials&Aids)：

多媒体课件、实训指导书、应变式传感器模块、传感器

实训台、硅码、托盘、万用表

考核与评价方式(Testing&EvaluatingMode)：

提问、工作页

主要教学内容及过程

MainTeachingContents&Procedures

一金属箔式应变片一一单臂电桥搭建

图1-1应变传感器安装图

接主控箱接数显表

电H源输出rV小i地

应变传感器实验模板+15VGND-15V

图1-2单臂电桥接线图

实训内容与操作步骤

1.应变传感器上的各应变片已分别接到应变传感器模块左上方的RI、R2、R3、R4上,

可用万用表测量判别，Rl=R2=R3=R4=350Q。

2.差动放大器调零。从实训台接入±15V电源，检查无误后，合上实训台电源开关，

将差动放大器的输入端Ui短接并与地短接，输出端UO2接数显电压表（选择2V档）。将电

位器Rw3调到增益最大位置（顺时针转到底），调节电位器Rw4使电压表显示为0V。关闭

实训台电源。（Rw3、Rw4的位置确定后不能改动）

3.按图1-2连线，将应变式传感器的其中一个应变电阻（如R1）接入电桥与R5、R6、

R7构成一个单臂直流电桥。

4.加托盘后电桥调零。电桥输出接到差动放大器的输入端Ui,检查接线无误后，合上

主控台电源开关，预热五分钟，调节Rwl使电压表显示为零。

5.在应变传感器托盘上放置一只祛码，读取数显表数值，依次增加祛码和读取相应的

数显表值，直到200g祛码加完，计下数显表值，填入下表1-1,关闭电源。

表1—1

重量(g)

电压(mV)

数据分析

根据表1—1计算系统灵敏度S=△U/△W(AU输出电压变化量，△W重量变化量)和

非线性误差6n=Am/yF..sXI00%,式中Am为输出值(多次测量时为平均值)与拟合直线

的最大偏差；yF.s为满量程(200g)输出平均值。

注意事项

加在应变传感器上的压力不应过大，以免造成应变传感器的损坏！

二金属箔式应变片一一半桥搭建

实训内容与操作步骤

1.应变传感器已安装在应变传感器实验模块上，可参考图1-1。

2.差动放大器调零，参考实训项目一步骤2。

3.按图2-1接线，将受力相反(一片受拉，一片受压)的两只应变片接入电桥的邻边。

4.加托盘后电桥调零，参考实训项目一步骤4。

5.在应变传感器托盘上放置一只祛码，读取数显表数值，依次增加硅码和读取相应的

数显表值，直到200g祛码加完，计下数显表值，填入下表，关闭电源。

表2-1

重量(g)

电压(mV)

数据分析

根据表2-1的数据，计算灵敏度L=AU/AW,非线性误差6f2

接主控箱接数显表

电源输出Vi地

IIIII--

RqIRQ2RO3RQ4

b应变传感器实验模块

ss&E+15VGND-15V

-S

0i0O---佯Rl!R13Of。

图2-1双臂电桥接线图

三金属箔式应变片一一全桥搭建

实训内容与操作步骤

1.应变传感器已安装在应变传感器实验模块上，可参考图1-1。

2.差动放大器调零,参考实训项目一步骤2。

3.按图3-1接线，一接主控箱接主控箱接数显表

_电源输出电源输出U,地

将受力相反(一片受拉，

一片受压)的两对应变R2应变传感器实验模块

+15VGND-15V

片分别接入电桥的邻边。O£O

加托盘后电桥调

4.+4V--S<5^s

R16

零，参考实训项目一步骤R18

IC4

R3<R4+

5.在应变传感器托

盘上放置一只祛码，读取R19

+E却

数显表数值，依次增加祛

码和读取相应的数显表值G

6O,RW3

，直到200g祛码加完,ORW,ORW2RW4

计下数显表值，填入下表3-1,关闭电源。图3-1全桥电路接线图

表3-1

重量(g)

电压(mV)

数据分析

根据记录表3-1的数据，计算灵敏度L=AU/AW,非线性误差3f3

作业：完成该项目的学生工作页

第4单元(Unit)第6~7周(Week)4学时(Periods)

单元标题(Title)：电感式传感器

教学地点(Place)：

教学目标(TeachingTarget)：

提高学生自学能力。

了解电感传感器的结构、工作原理、特点及性能

教学方法(TeachingApproaches)：

演示、练习

教学材料及工具(TeachingMaterials&Aids)：

多媒体课件、电感传感器、电感传感器模块、测微头、示波

器、直流稳压电源、USB信号线

考核与评价方式(Testing&EvaluatingMode)：

提问、工作页

主要教学内容及过程

MainTeachingContents&Procedures

电感式传感器的工作原理是电磁感应。它是把被测量如位移等，转换为电感量变化的一

种装置。按照转换方式的不同，可分为自感式（包括可变磁阻式与涡流式）和互感式（差动

变压器式）两种。

（-）自感式位移传感器

原理：将位移量转换为线圈自感系数L的变化，通过测量电路将L变成电压或电流等

电信号。

结构：单线圈结构

因为Rm=Rc+R§

又因为Rc<<R6

所以Rm=R6=28/PS

又因为L=V/Rm=N2uS/28

u一一空气隙导磁率

S——空气隙导磁截面积

故，L随S和3的改变而变化

①变间隙式自感传感器

灵敏度K=dL/d8=N2nS/282=L/6

可见，6越小，灵敏度越高，为了减小非线性误差，

在实际应用中，一般取A5/50<0.1o这种传感器

适用于较小位移的测量，一般约为0.001-1mm。

②变截面积式自感传感器

灵敏度K=dL/dS=N2u/262=常数

可见，$不影响灵敏度K,故衔铁可有较大位移，但

灵敏度较低，示值范围较大，自由行程大。

③螺管式自感传感器

单螺管线圈型，当铁芯在线圈中运动时，将改变磁

阻，使线圈自感发生变化。这种传感器结构简单、

制造容易，但灵敏度低，适用于较大位移（数毫米）

测量。

可变磁阻式佞感器

为了减小测量误差，在实际应用中常采用差动修普线因

式自感传感器

差动型，当衔铁有位移时，可以使两个线圈的

间隙按访+A3,为一A3变化。一个线圈自感增

加，另一个线圈自感减小。将两线圈接于电桥的相

邻桥臂时，其输出灵敏度可提高一倍，并改善了线

性特性。

句变磁阻式饯感谓

测量电路：一般交流电桥只能指示位移的大小差动型

并且还有零位电压，为了能够知道位移的大小和方向并消除零位电压所以选用带相敏整流的

交流电桥。

（二）互感型传感器

互感型传感器的工作原理是利用电磁感应中的互感现象，将被测位移量转换成线圈互感

的变化。由于常采用两个次级线圈组成差动式，故又称差动变压器式传感器。

差动变压器式传感器输出的电压是交流量，如用交流电压表指示，则输出值只能反应

铁芯位移的大小，而不能反应移动的极性；同时，交流电压输出存在一定的零点残余电压，

使活动衔铁位于中间位置时，输出也不为零。因此，差动变压器式传感器的后接电路应采用

既能反应铁芯位移极性，又能补偿零点残余电压的差动直流输出电路。

差动变压器与一般变压器的异同点：

相同点：工作原理相同（电磁感应）

不同点：1、一般变压器是闭合磁路，原副边的互感系数是常数

2、差动变压器是开磁路，原副边互感系数随着衔铁移动而变化（差动变压器

就是工作在互感系数的基础上的）

差动变压器的励磁频率一般在50Hz——10KHZ为宜，f太低，灵敏度下降

f太高，铁损耗对测量结果影响太大。

小结：了解电感传感器的结构、工作原理、特点及性能

第4单元(Unit)第2周(\¥661<)2学时(Periods)

单元标题(Title)：电感式传感器的应用(实操训练)

教学地点(Place)：

教学目标(TeachingTarget)：

1、能使用虚拟示波器观察和调节波形

2、能正确连接检测电路，得到合理的测量数据

3、能进行简单的数据分析，得到传感器的灵敏度和线性度

教学方法(TeachingApproaches):

演示、练习

教学材料及工具(TeachingMaterials&Aids)：

多媒体课件、电感传感器、电感传感器模块、测微头、示波

器、直流稳压电源、USB信号线

考核与评价方式(Testing&EvaluatingMode)：

提问、工作页

主要教学内容及过程

MainTeachingContents&Procedures

—■、布置任务：

完成差动变压器位移检测的性能测试。

二、知识点回顾：

差动变压器的结构与工作原理如下图所示。

三、虚拟示波器的使用

1、什么是示波器？

示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见

的图象，便于人们研究各种电信号的变化过程。

虚拟示波器是一个能够实现示波器基本功能的软件。

2、虚拟示波器软件的使用

四、实操训练

1、虚拟示波器的使用练习

要求利用通道1(CH1)在虚拟示波器上显示频率为4~5KHz,幅度为Vp-p=2V的波形，改

变相应通道的波形显示参数，观察波形的变化情况。

2、差动变压器位移检测的性能测试

（1）线路连接（见本项目的仿真软件）

O

接

振

荡

器

小

出

音

频

输

~

4

5KHzV

VP-P=2

2O

接线图

（2）用示波器观测U。的输出，旋动测微头，使示波器上观测到的波形峰一峰值Vp-p为最

小，这时可以左右位移，假设右移为正位移，左移称为负，从Vp-p最小开始旋动测微头，

每隔0.2mm从示波器上读出输出电压Vp-p值，填入下表1,再从Vp-p最小处反向位动测微

头。记录数据填表1。

表1差动变压器位移X值与输出电压数据表，（量程为±1所）。

-I.OP-0.8^-0.6P-0.2^0-0.2P0.4P06、0.8P1.0^

V(mV>AQpA0

（3）数据分析，求出灵敏度和线性度，完成工作页。

注意：

（1）整个操作过程断电接线，确认线路无误后方可通电运行。

（2）所有元器件轻拿轻放，保障器件的使用寿命。

（3）操作期间，自觉遵守实训室秩序，沉着冷静，勤思考，保证实训效果。

五、检查与考核

检查并验收每组同学完成情况，针对考核项目，对整个操作过程进行记录。

本项目成绩分为过程表现和工作页完成情况两部分。

六、小结

通过本次课的学习和训练，能够掌握虚拟示波器的使用方法，能够根据线路图正确的

完成接线，学会调试检测系统完成数据的记录。能够根据数据进行数据分析，得到该差动变

压器的灵敏度和线性度。

七、作业

1、根据实训指导书的指导，选做差动变压器零点电压的补偿实验。

2、完成本项目的学生工作页。

第5单元(Unit)第10周(Week)2学时(Periods)

单元标题(Title)：电容式传感器

教学地点(Place)：

教学目标(TeachingTarget)：

提高学生自学能力。

了解电容式传感器的工作原理、分类、测量电路及特

点

教学方法(TeachingApproaches)：

讲授、练习

教学材料及工具(TeachingMaterials&Aids)：

多媒体课件、电容式传感器

考核与评价方式(Testing&EvaluatingMode)：

提问、工作页

主要教学内容及过程

MainTeachingContents&Procedures

电容式传感器是将被测量（如尺寸、压力等）的变化转换成电容量变化的一种传感器。

工作原理及类型

由物理学可知，在忽略边缘效应的情况下，平板电容器的电容量为

C_s

15

式中

-12

旬一真空的介电常数，854X10F/m；

e一极板间介质的相对介电系数，在空气中，，=1;

A极板的遮盖面积（mb；

6一两平行极板间的距离（m）o

上式表明，当被测量鼠$或e发生变化时，会引起电容的变化。如果保持其中的两

个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化，再通过

配套的测量电路，将电容的变化转换为电信号输出。根据电容器参数变化的特性，电容式传

感器可分为极距变化型、面积变化型和介质变化型三种，其中极距变化型和面积变化型应用

较广。

1.极距变化型电容式传感器

A5«30。一般取极距变化范围为A3«3Q«0,1o此时，传感器的灵敏度近似

为常数。实际应用中，为了提高传感器的灵敏度、增大线性工作范围和克服外界条

件（如电源电压、环境温度等）的变化对测量精度的影响，常常采用差动型电容式

传感器。

2.面积变化型电容式传感器

面积变化型电容传感器的工作原理是在被测参数的作用下来变化极板的有效面积，常

用的有角位移型和线位移型两种。

由于平板型传感器的可动极板稍有极距方向移动会影响测量精度，因此，一般情况下,

变截面积型电容式传感器常做成圆柱形，当覆盖长度x变化时，电容量变化，其灵敏度为

dC玄

K__2EEQ常数

dx

结论：上述可知，面积变化型电容传感器的优点是输出与输入成线性关系，但与极板变

化型相比，灵敏度较低，适用于较大角位移及直线位移的测量。

3.介电常数变化型电容传感器

大多用于测量电介质的厚度、位移、液位，还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿

度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量等。

电容传感器特点与应用

主要优点：

(1)输人能量小而灵敏度高。

(2)电参量相对变化大。

(3)动态特性好。

(4)能量损耗小。

(5)结构简单，适应性好。

主要缺点：

(1)非线性大。

解决办法：利用测量电路。常用的电桥电路如下：电容传感器的电桥电路

(2)电缆分布电容影响大。

小结：掌握电容式传感器的工作原理、组成及类型。

第6单元(Unit)第11周(Week)4学时(Periods)

单元标题(Title)：热电偶温度传感器

教学地点(Place)：

教学目标(TeachingTarget)：

1、掌握热电偶温度传感器的结构和工作原理

2、了解热电偶温度传感器的四大定律

3、掌握热电偶冷端补偿的方法及测量电路

教学方法(TeachingApproaches):

演示、练习

教学材料及工具(TeachingMaterials&Aids)：

多媒体课件、热电偶温度传感器、传感器实训台

考核与评价方式(Testing&EvaluatingMode)：

提问、工作页

主要教学内容及过程

MainTeachingContents&Procedures

热电偶温度传感器

一种将温度直接转换成电动势的装置。

工作原理：（热电效应）

结构:

四个基本定律：

1、均质导体定律：

检验某两种材料化学成分是否相同。

检验某种材料均匀性是否好。

2、中间导体定律：

使热电偶可以通过第三种导线连接仪表，总热电势不变。

3、中间温度定律：为补偿导线的应用提供了理论依据。

4、标准电极定律：大大简化热电偶的选配工作。

补偿导线：一对化学成分不同的导线，在0~100℃范围内，与配接的热电极有相同的热

电特性，但价格相对便宜的。

冷端补偿问题

1、冰浴法

2、机械调零法

3、电桥补偿法

4、计算修正法

工业用装配式热电偶作为测量温度的传感器，通常和显示仪表、记录仪表和电子调节

器配套使用。它可以直接测量各种生产过程中从0℃〜1800C范围内的液体、蒸汽和气体介

质以及固体的表面温度。

标准热电偶

热电偶类别代号分度号测量范围℃允许偏差At，C

钳铐-钳铐WRRB0-1800±L5C或土

0.25%t

粕错—钳WRPS0-1600±1.5C或土

0.25%t

银铭-银硅WRNK0-1300±2.5c或土

0.75%t

银格-铜银WREE0-800±2.5℃或土

0.75%t

几种常见的热电偶

♦心网定代wt式热电供

a出3出WF«WM胡格MM

6«Lmm电兀

*WK

，：吗：WRN-130o-eoolOishhvn

0-1000T»W

“士|»1”'，2WRN,-1MICrg&WO

tKV.'S.

斗1,WRE130

--------------------------------------------Eo-eoo

vtviwre,-iM

♦内定螺纹式热心偶

出电网类动产同型号分安号**1«

■深/

形式

不

iCriBNign

不达例=

1Cr25Zi2O防水式

不伤啊

lCr18Ni9n

双支长佛-倒侠

WRE,-23OZOOO

防水式2360取

压簧固定式热电偶：是一种裸露式热电偶，适用于测量0〜400°C温度范围内各种不需

要保护管的场合。该热电偶无接线盒，不带固定装置，所以安装非常方便。

热电偶的特点：

,热电偶结构简单，尺寸小，可以测小空间的温度；测温可达2000℃的高温；

0多动态响应快，电动势信号便于传送；在工业自动化领域得到普遍应用；

◎热电偶属于自发电式温度传感器，不需外部电源供电，也属于有源传感器（应用时注意冷

端温度补偿问题）；

◎目前测温范围是：-200℃-2000℃

集成温度传感器

将温度敏感元件和放大、运算及补偿电路采用微电子技术和集成工艺集成在一片芯片上,

从而构成集测量、放大、电源供电回路于一体的高性能集成温度传感器，又称温度IC。

模拟型集成温度传感器——AD590

电流输出型温度传感器能产生一个与绝对温度成正比的电

12V

流作为输出，AD590是电流输出型温度传感器的典型产品。

电压输出型集成温度传感器一LM35/45

W

|4-30V

L电源正极(V+)

2-辎由(V&)

LM35D--口

3-地(GMD)

—r---IVo=T*10mV/℃

LM35DZ封装情况示意图

/不锈钢管①6mm*30mm

小结：i、热电偶温度传感器的工作原理

2、热电偶温度传感器的结构

3、四大基本定律

4、冷端补偿问题

5、了解多种结构形式的热电偶传感器

6、掌握温度IC的种类及用途

作业：预习光电传感器

第6单元(Unit)第12周(Week)2学时(Periods)

单元标题(Title)：温度检测

教学地点(Place)：

教学目标(TeachingTarget)：

1、掌握热电偶温度传感器的结构和工作原理

2、了解热电偶温度传感器的四大定律

3、掌握热电偶冷端补偿的方法及测量电路

教学方法(TeachingApproaches)：

演示、练习

教学材料及工具(TeachingMaterials&Aids)：

多媒体课件、热电偶温度传感器、传感器实训台

考核与评价方式(Testing&EvaluatingMode)：

提问、工作页

主要教学内容及过程

MainTeachingContents&Procedures

一、实训目的：

掌握E型热电偶温度测量方法

二、实训仪器：

实训台、温度源、PT100、E型热电偶、温度传感器模块。

三、实训内容与操作步骤

1.选择智能调节仪“控制对象”为温度，并将温度设定值设定在120℃,在温度源内

插入测温Pt,并接入智能调节仪，在另一个温度传感器插孔中插入E型热电偶温度传感器。

2.将士15V直流稳压电源接入温度传感器实验模块中。温度传感器实验模块的输出Uo2

接实训台直流电压表。

3.将温度传感器模

块上差动放大器的输入

端Ui短接，调节Rw3

到最大位置，再调节电

位器Rw4使直流电压

表显示为零。

4.拿掉短路线，按

图31-3接线，并将E型

热电偶的两根引线，热

端（红色）接a,冷端

（绿色）接b；记下模块Uo2的电压值。图31-3

5.改变温度源的温度每隔5℃记下Uo2的输出值。直到温度升至120℃。并将实验结

果填入下表

T(℃)

Uo2(V)

表31-1

小结：

根据表31-1的数据，作出U02-T曲线，分析E型热电偶的温度特性曲线，计算其非线

性误差。

作业：完成该项目工作页。

第7单元(Unit)第13周(Week)2学时(Periods)

单元标题(Title)：光电式传感器

教学地点(Place)：

教学目标(TeachingTarget)：

1、了解光电元件的分类以及工作原理；

2、掌握光电元件的应用电路；

3、了解光电池的电流/电压转换电路及计算；

4、掌握光电传感器的应用。

教学方法(TeachingApproaches)：

演示、练习

教学材料及工具(TeachingMaterials&Aids)：

多媒体课件、光电式传感器、传感器实训台、虚拟示波器

考核与评价方式(Testing&EvaluatingMode)：

提问、工作页

主要教学内容及过程

MainTeachingContents&Procedures

一、光电效应及光电元件

光电效应：用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量为好的光子的轰击，组

成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。通常把光电效应

分为三类：

（1）外光电效应：在光线的作用下能使电子逸出物体表面的光电效应。

基于外光电效应的光电元件：光电管、光电倍增管、光电摄像管等（玻璃真空管元件）。

（2）内光电效应：在光线的作用下能使物体的电阻率改变的光电效应

基于内光电效应光电元件：光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管及光敏晶闸管等。

（3）光生伏特效应：在光线的作用下，物体产生一定方向电动势的光电效应。

基于光生伏特效应的光电元件：光电池等。

简单介绍光电管（掌握应用领域）

由于材料的逸出功不同，所以不同材料的光电阴极对不同频率的入射光有不同的灵敏

度，人们可以根据检测对象是可见光或紫外光而选择不同阴极材料的光电管。光电管的图形

符号及测量电路如图1所示。目前紫外光电管在工业检测中多用于紫外线测量、火焰监测等,

可见光较难引起光电子的发射。

基于内光电效应的光电元件

（一）光敏电阻（掌握特性参数和应用）

1.工作原理

图1

光照愈强，光生电子-空穴对就越多，阻值就愈低。

2.光敏电阻的特性和参数

（1）暗电阻置于室温、全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻，通常大于1M。。

光敏电阻受温度影响甚大，温度上升，暗电阻减小，暗电流增大，灵敏度下降，这是光敏电

阻的一大缺点。

（2）光电特性在光敏电阻两极电压固定不变时，光照度与电阻及电流间的关系称为

光电特性。某型号光敏电阻的光电特性如图2所示。

从图中可以得出的结论：

当光照大于1001X时，它的光电特性非线性就十分严重了。

照度定义：E=d0/（i4,所以1lx=lIm/n?。

照度是光源照射在被照物体单位面积上的光通量。

光通量是光源在单位时间内发出的光量总和。

光通量单位：流明（1m）

照度单位：勒克斯（lx）

提问：

光敏电阻光电特性为线性？非线性？能否用于光的精密测量？（只能用于定性地判断

有无光照）。价廉，虽然准确度不高，但可用于照相机的测光以及控制闪光灯。

图2某型号光敏电阻的光电特性

a）光照/电阻特性b）光照/电流特性

（3）响应时间

光敏电阻的时延特性，上升响应时间和下降响应时间：ICT?〜10-3s,