智能传感与检测技术 教案汇 徐小华 第0-6章 绪论、电阻式传感器-光电式传感器

《智能传感与检测技术》课程教案《智能传感与检测技术》课程教案授课章节绪论0.1智能传感与检测技术的发展0.2智能传感与检测技术基础0.3课程性质及主要任务建议课时2授课方式理论知识讲授+讨论课+案例教学+多媒体演示所属专业教学目标1.了解智能传感与检测技术的发展动态。2.掌握传感器的定义与作用。3.熟悉传感器的组成及分类。教学重点1.掌握传感器的定义与作用。2.熟悉传感器的组成及分类。教学难点传感器的分类。参考教材《智能传感与检测技术》徐小华主编机械工业出版社ISBN978-7-111-76072-6教学内容『新课导入』美国宇航局在研发宇宙飞船过程中发现宇宙飞船上需要用大量的传感器不断向地面发送温度、位置、速度和姿态等数据信息，用一台大型计算机很难同时处理如此庞杂的数据，于是需要把CPU分散化，从而提出智能化传感器和智能检测技术。『授课内容』一、智能传感与检测技术的发展1.传感器的发展2.智能检测技术的发展二、智能传感与检测技术基础1.传感器的定义与作用2.传感器的组成3.智能检测技术基础三、课程性质及主要任务【课堂提问】人类社会的每一次技术革命都促进了检测技术的发展，大家知道四次工业革命都是什么，每次工业革命的标志是什么？【课堂讨论】在我们日常生活中有哪些产品用到了智能传感器？【引入案例】传感器的历史可以追溯到远古时代，公元前1000年左右，中国的指南针、记里鼓车已开始使用。埃及王朝时代开始使用的天平，一直延用到现在。【多媒体演示】多媒体课件见教材配套教学PPT『课堂小结』智能传感与检测技术是一门涉及多种学科的综合技术，是当今世界正在发展中的高新技术。『作业布置』复习本节课所讲知识点『教学后记』《智能传感与检测技术》课程教案授课章节第1章电阻式传感器1.1电阻应变式传感器1.1.1应变片与应变效应1.1.2应变片的种类与结构1.1.3应变片的粘贴工艺1.1.4测量转换电路1.1.5应变片的温度补偿建议课时2授课方式理论知识讲授+课堂讨论+图片或实物展示+多媒体所属专业教学目标掌握电阻应变式传感器的工作原理了解常用的两种电阻应变式传感器特性，并能够选择合适的类型掌握测量转换电路的分析，理解温度补偿的原因并掌握温度补偿的方法教学重点电阻应变式传感器的工作原理，应变片的选型；测量转换电路的分析教学难点电阻应变式传感器的工作原理；温度补偿的原理参考教材《智能传感与检测技术》徐小华主编机械工业出版社ISBN978-7-111-76072-6教学内容『新课导入』用万用表测量金属丝的阻值，将金属丝横向拉伸并测量相应的阻值，阻值怎么样变化？为什么会有阻值的变化？金属丝的阻值与什么有关？『授课内容』1.1电阻应变式传感器1.1.1应变片与应变效应导体或半导体在外力作用下产生机械变形时，其电阻值也发生相应变化的现象称为电阻应变效应。1-11-2式中，是压阻系数，是半导体所受的引力（半导体内部单位面积上受到的力）。1.1.2应变片的种类与结构电阻应变片根据材料可分为金属电阻应变片和半导体电阻应变片。(1)金属电阻应变片金属电阻应变片有丝式、箔式和薄膜式三种类型，如图1-1。(2)半导体电阻应变片1.1.3应变片的粘贴工艺(1)应变片的检查。(2)试件表面处理。(3)确定贴片位置。标出应变片中心线和弹性试件粘贴位置中心线。(4)粘贴。粘贴前，用脱脂棉球蘸上清洁溶剂，无水酒精、四氯化碳等溶剂擦洗被测点处，以便增加粘贴的牢固程度，注意勿用手触摸清洗后的表面。然后，在应变片的粘贴面处涂上薄薄一层胶水，如KH502胶，将应变片的中心线对准试件上的中心线贴牢。在应变片上盖上一层腊纸，一只手捏住应变片的引出线，另一只手反复轻轻滚压透明纸表面，挤出里面多余的胶水和气泡。(5)固化。(6)粘贴质量检查。(7)引线和组桥。1.1.4测量转换电路1.电桥的平衡条件2.电桥的加减特性3.电桥的工作方式(1)单臂电桥(2)双臂电桥（差动半桥）(3)双差动全桥1.1.5电阻应变片的温度补偿(1)补偿块补偿法(2)差动电桥线路补偿(3)热敏电阻电路补偿法【课堂提问】电阻应变式传感器有哪些分类？怎样选择合适的类型？【课堂讨论】金属丝的电阻值与哪些因素有关？【图片展示】金属应变片与半导体应变片的结构【多媒体演示】电阻应变片的粘贴技术【课堂提问】当环境温度变化时，转换电路的输出怎样变化？【课堂讨论】电桥的工作方式有几种？【图片展示】见教材第6-8页图1-2到图1-8『课堂小结』掌握电阻应变式传感器的工作原理，了解应变片的种类与结构，了解应变片的粘贴技术，能够选择合适的应变片类型。掌握电阻应变式传感器的测量转换电路的分析与计算、三种工作方式输出的特点、温度补偿的方法，了解温度补偿的原因。『作业布置』课后习题一（1、2、3、4、5），二（2）『教学后记』授课题目（章节）第1章电阻式传感器1.2气敏电阻传感器1.3湿敏电阻传感器建议课时2授课方式理论知识讲授+课堂讨论+图片或实物展示所属专业教学目标1.掌握气敏电阻传感器的工作原理2.掌握湿敏电阻传感器的工作原理教学重点1.气敏电阻传感器的工作原理2.湿敏电阻传感器的工作原理教学难点1.气敏电阻传感器的工作原理2.湿敏电阻传感器的工作原理参考教材《智能传感与检测技术》徐小华主编机械工业出版社ISBN978-7-111-76072-6教学内容『新课导入』气敏电阻传感器和湿敏电阻传感器的应用非常广泛，气敏电阻传感器是测量气体的成分、浓度等参数的传感器，湿敏电阻传感器是测量湿度的传感器。『授课内容』1.2气敏电阻传感器1.2.1基本概念与工作原理使用气敏电阻传感器（以下简称气敏电阻），可以把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量，再转换为电流、电压信号。气敏电阻是一种半导体敏感器件，它利用半导体材料对气体的吸附而使自身电阻率发生变化的机理进行测量的元件。人们发现某些氧化物半导体材料如SnO2、ZnO、Fe2O3、MgO、NiO、BaTiO3等都具有这种现象。1.2.2结构特性1.气敏电阻的结构气敏电阻一般由敏感元件、加热器和外壳三部分组成。图1-9是气敏电阻的电路符号。2.气敏电阻的加热方式半导体气敏电阻按其加热方式有直热式和旁热式两种。1.2.3气敏传感器的应用实例1.3湿敏电阻传感器1.3.1基本概念与工作原理湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。1.3.2结构特性1.半导体陶瓷湿敏元件2.氯化锂湿敏电阻图1-16是氯化锂湿敏电阻的结构图。它是在聚碳酸酯基片上制成一对梳状金电极，然后浸涂溶于聚乙烯醇的氯化锂胶状溶液，其表面再涂上一层多孔性保护膜而成。氯化锂是潮解性盐，这种电解质溶液形成的薄膜能随着空气中水蒸汽的变化而吸湿或脱湿。感湿膜的电阻随空气相对湿度变化而变化，当空气中湿度增加时，感湿膜中盐的浓度降低。③有机高分子膜湿敏电阻1.3.3测量电路与应用实例图1-18为HOS103结露传感器的建议测量电路，读者可根据需要添加报警器或其他控制电路。『课堂小结』掌握气敏电阻传感器和湿敏电阻传感器的工作原理。『作业布置』课后综合题二（4、5）『教学后记』授课章节第2章电容式传感器2.1电容式传感器的原理与结构2.2电容式传感器的测量转换电路2.3电容式传感器的应用实例建议课时授课方式理论知识讲授+多媒体演示+课堂提问讨论所属专业教学目标掌握电容式传感器的工作原理以及分类熟悉电容式传感器的测量转换电路熟悉电容式传感器在工程上的应用教学重点电容式传感器的原理及分类电容式传感器的典型应用教学难点电容式传感器的测量转换电路参考教材《智能传感与检测技术》徐小华主编机械工业出版社ISBN978-7-111-76072-6教学内容『新课导入』演示：准备形状大小相同的两片铜片以及万用表。将铜片互相接近，用万用表测量两者间的电容量，可以看到，随着二者的靠近，电容量逐渐增大；保持铜片的距离不变，请学生在两者之间逐渐插入塑料薄膜，用万用表测量两者间的电容量，可以看到电容量逐渐增大；保持铜片距离不变，将两铜片向水平方向分开，可以看到，万用表显示的电容量逐渐减小。通过以上显示，引入电容传感器的工作原理。『授课内容』2.1电容式传感器的原理与结构电容传感器的工作原理可以用平板电容器来说明。当忽略边缘效应时，其电容为：【课堂提问】由式可知，电容量C与A、d、ε三个参量有关。当改变A、d、ε三个参量中的任意一个量，都会引起电容C的变化。若保持其中任意两个参量不变，只改变另一个参量，那么该参量的变化就能转换为电容量的变化，那么电容式传感器能分成几种呢？分别是哪些类型？根据引起电容量变化的参量的不同，电容传感器可以分为三种类型：改变遮盖面积型电容传感器、变极距型电容传感器、变介电常数型电容传感器。2.1.1变遮盖面积型电容式传感器图（a）是直线位移式结构，极板A固定不动，称为定极板，极板B能够左右移动，称为动极板，与被测物相连。当被测物移动时会带动极板B发生位移，从而改变与定极板A的相互遮盖面积，使两极板间的电容量发生变化。图（b）是角位移式结构，当动极板围着转轴发生旋转时，两极板的遮盖面积会发生变化。2.1.2变极距型电容式传感器当动极板随着被测物体发生位移时，两极板之间的距离d就会发生变化，从而使电容量发生变化。实际使用时，总是使初始极距d0尽量小些，以提高灵敏度，但这也带来了变极距式电容器的行程较小的缺点。一般变极距型电容传感器的起始电容在20-30pF，极板间距在25-200um，最大位移通常小于极距的1/10。所以，在实际应用时，为了减小非线性，提高灵敏度，多采用差动式结构，见教材第14页图2-4。2.1.3变介电常数型电容式传感器因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。变介电常数型电容式传感器可以用来测量位移、液位、物位等参数。表2-1中给出了几种介质的相对介电常数。见教材第15页图2-5所示，上下两极板保持相互遮盖面积和极距不变，相对介电常数为εr2的电介质插入电容器中的深度发生变化时，两种介质的极板覆盖面积也会发生变化，从而使电容器的电容量发生变化。被测介质εr2进入极板间的深度与引起电容量的变化成线性关系。2.2电容传感器的测量转换电路2.2.1调频电路调频电路是将电容传感器作为LC振荡器谐振回路的一部分，振荡器的频率受电容传感器电容的调制。当被测参数变化导致电容量发生变化时，LC振荡器的振荡频率就会发生变化，从而实现C/f转换。见教材第15页图2-6为振荡器调频电路原理图，振荡器输出频率的变化在鉴频器中转化电压幅度的变化，经过放大器放大、检波之后就可以用仪表指示或用记录仪器记录下来。【课堂讨论】分析调频电路中各部分的功能。振荡器的振荡频率由下式决定：式中——振荡回路的固定电感——振荡回路总电容包括振荡回路的固有电容、传感器的引线分布电容以及传感器的电容，即2.2.2脉冲宽度调制电路图2-7所示为电容传感器的脉冲宽度调制电路。当双稳态触发器的端输出为高电平时，点通过对充电，点电位逐渐升高。在端为高电平期间，端为低电平，电容通过低内阻的二极管迅速放电，点电位被钳制在低电平。当点电位升高超过参考电压时，比较器产生一个“置零脉冲”，触发双稳态触发器翻转，点跳变为低电位，点跳变为高电位。此时经二极管迅速放电，点被钳制在低电平，而同时点高电位经向充电。当点电位超过时，比较器产生一个“置1脉冲”，使触发器再次翻转，点恢复为高电位，点恢复为低电位。如此周而复始，在双稳态触发器的两输出端各自产生一个宽度受电容、调制的脉冲波形，实现转换。对于差动脉冲宽度调制电路，不论是改变平板电容器的极距或是极板相互遮盖面积，其变化量与输出量都呈线性关系。2.2.3运算放大器式电路运算放大器具有放大倍数K非常大、输入阻抗很高的特点，因而可以作为电容传感器比较理想的测量电路，见教材第16页图2-8，为电容传感器。2.3电容式传感器的应用实例电容器的电容量受到三个因素的影响，即：极距、相互遮盖面积和极间介电常数，固定其中的两个变量，电容量就是另一个变量的一元函数。只要想办法将被测非电量转换成极距、面积或者介电常数的变化，就能通过测量电容量这个参数来达到非电量电测的目的。电容传感器的用途有很多，例如可以利用面积变化的原理，测量直线位移、角位移，构成电子千分尺；利用介电常数变化的原理，测量环境相对湿度、液位、物位；利用极距变化的原理，测量压力、振动等等。2.3.1电容料位计电容料位计原理图见教材第17页图2-9。1、被测物料为导电体图（a）所示，电容料位计以直径为d的不锈钢或紫铜棒做电极，外套聚四氟乙烯塑料绝缘套管。将其插在储液罐中，此时导电介质本身为外电极，内、外电极极距为聚四氟乙烯塑料绝缘套管的厚度，当料位发生变化时，内、外极板的相对面积发生变化，从而使电容量随之变化。被测物料为绝缘体图（b）所示，电容料位计可采用裸电极作为内电极，外套以开有液体流通孔的金属外电极，通过绝缘环装配。当被测液体的液面在两个电极间上下变化时，电极间介电常数不同的两种介质（上面部分为空气，下面部分为被测液体）的高度发生变化，从而使得电容器的电容量改变。被侧液位的高度正比于电容器电容量的变化。2.3.2电容式厚度传感器电容测厚仪工作原理如图2-10所示。2.3.3电容式差压传感器见教材第18页图2-11为一种小型差动式电容压力传感器。2.3.4电容式湿度传感器电容式湿度传感器有效利用了两个电极间的电容量随湿度变化的特性，其基本结构如图2-12所示。『课堂小结』本节课介绍了电容式传感器的原理、结构及分类，通过三种电容式传感器的测量转换电路说明了如何将电容的变化转换为电压、电流、频率等信号的变化，并介绍了电容式传感器在工程上的典型应用实例。『作业布置』课后思考题与习题『教学后记』授课题目（章节）第3章电感式传感器3.1自感式传感器3.2变气隙式自感传感器建议课时2授课方式理论知识讲授+课堂提问讨论+多媒体演示所属专业教学目标掌握自感式传感器的测量原理掌握变气隙式自感传感器的测量原理了解单线圈和差动两种变气隙式自感传感器的特性教学重点1.自感式传感器的测量原理2.变气隙式自感传感器的测量原理教学难点1.自感式传感器的测量原理2.变气隙式自感传感器的测量原理参考教材《智能传感与检测技术》徐小华主编机械工业出版社ISBN978-7-111-76072-6教学内容『新课导入』电感式传感器利用电磁感应把被测的物理量如位移、压力、流量、振动等的变化转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。电感式传感器主要用于位移测量和可以转换成位移变化的机械量（如张力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等）的测量。『授课内容』3.1自感式传感器自感式传感器（见图3-1）又称电感式位移传盛器，是由铁芯、线圈和衔铁构成的，是将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器。铁芯和衔铁由导磁材料制成。这种传感器的线圈匝数和材料磁导率都是一定的，其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。当把线圈接入测量电路并接通激励电源时，就可获得正比于位移输入量的电压或电流输出。在铁芯和衔铁之间有气隙，传感器的运动部分与衔铁相连，当衔铁移动时，气隙厚度发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。根据电感定义，线圈中电感量可表示为（3-1）根据磁路欧姆定律，有（3-2）式(3-1)与式(3-2)两式联立得（3-3）当气隙很小时，可以认为气隙中的磁场是均匀的。若忽略磁路磁损，则磁路总磁阻为（3-4）通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻，即于是式（3-4）可写为（3-5）联立式（3-3）及式（3-5），可得（3-6）式（3-6）表明：当线圈匝数为常数时，电感量仅仅是磁路总磁阻的函数，改变或均可导致电感量变化，因此自感式传感器又可分为变气隙厚度的传感器和变气隙面积的传感器。3.2变气隙式自感传感器目前使用最广泛的自感式传感器是变气隙式自感传感器。其测量原理是：铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或铁镍合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度发生改变化，引起磁路总磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。出式（3-6）知，与之间是非线性关系，特性曲线如图3-2所示。当衔铁处于初始位置时，初始电感量为当衔铁上移时，传感器气隙厚度减小，即=-，则此时输出电感为经过一系列数学公式处理，最后作线性处理，即忽略高次项后，可得自感式传感器的灵敏度为线性度为为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动式变气隙式自感传感器。由图3-3可知，差动式变气隙式自感传感器由两个相同的电感线圈、和磁路组成。测量时，衔铁通过导杆与被测体相连，当被测体上下移动时，导杆带动衔铁也以相同的位移上下移动，使两个磁回路中磁阻发生大小相等、方向相反的变化，导致一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减小，形成差动形式。经过计算，差动式变气隙式自感传感器灵敏度为线性度为【多媒体演示】多媒体课件见教材配套教学PPT『课堂小结』比较单线圈和差动两种变气隙式自感传感器的特性，可以得到如下结论。差动式变气隙式自感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍，差动式变气隙式自感传感器的线性度得到明显改善。为了使输出特性得到有效改善，构成差动的两个变气隙式自感传感器在结构尺寸、材料、电气参数等方面均应完全一致。『作业布置』P25页中一、填空题和二、简答题。『教学后记』授课题目（章节）第3章电感式传感器3.3互感式传感器3.4电涡流式传感器3.5电感式传感器的应用3.5.1变气隙电感式压力传感器3.5.2电涡流式传感器建议课时2授课方式理论知识讲授+课堂提问讨论+多媒体演示所属专业教学目标掌握互感式和电涡流式传感器的测量原理了解变气隙电感式压力传感器和电涡流式传感器的应用教学重点1.互感式和电涡流式传感器的测量原理2.变气隙电感式压力传感器和电涡流式传感器的应用教学难点互感式和电涡流式传感器的测量原理参考教材《智能传感与检测技术》徐小华主编机械工业出版社ISBN978-7-111-76072-6教学内容『新课导入』把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组用差动形式连接，故又称差动变压器式传感器。『授课内容』3.3互感式传感器差动变压器式传感器的结构示意图如图3-4所示。图3-4a、b所示的为变气隙式差动变压器传感器；图3-4c、d所示的为螺管式差动变压器传感器；图3-4e、f所示的为变面积式差动变压器传感器。【多媒体演示】多媒体课件见教材配套教学PPT在非电量测量中，应用最多的是螺管式差动变压器传感器，它可以测量1～100mm机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。3.4电涡流式传感器根据法拉第电磁感应定律，金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈漩涡状流动的感应电流，称之为电涡流，这种现象称为电涡流效应。基于电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器，其原理图如图3-5所示。电涡流式传感器由于具有测量范围大、灵敏度高、结构简单、抗干扰能力强、可以实现非接触式测量等优点，被广泛地应用于工业生产和科学研究的各个领域，可以用来测量位移、振幅、尺寸、厚度、热膨胀系数、轴心轨迹和金属件探伤等。3.5电感式传感器的应用3.5.1变气隙电感式压力传感器3.5.2电涡流式传感器『课堂小结』在非电量测量中，应用最多的是螺管式差动变压器传感器，它可以测量1～100mm机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。电涡流式传感器由于具有测量范围大、灵敏度高、结构简单、抗干扰能力强、可以实现非接触式测量等优点，被广泛地应用于工业生产和科学研究的各个领域，可以用来测量位移、振幅、尺寸、厚度、热膨胀系数、轴心轨迹和金属件探伤等。『作业布置』P25页中一、填空题和二、综合题。『教学后记』授课章节第4章压电式传感器4.1压电元件与压电效应建议课时2授课方式理论知识讲授+课堂提问+课堂讨论+图片展示+多媒体演示所属专业教学目标了解压电元件分类；掌握压电效应教学重点石英晶体的轴和面以及压电现象教学难点压电效应产生的原因参考教材《智能传感与检测技术》徐小华主编机械工业出版社ISBN978-7-111-76072-6教学内容『新课导入』压电式传感器是利用某些电介质受力后产生压电效应制成的传感器，是一种典型的自发电式传感器。它以某些电介质在受到某一方向的外力作用而发生形变（包括弯曲和伸缩形变）时，由于内部电荷的极化现象，会在其表面产生电荷为基础，从而实现非电量电测的目的。压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等，但不能用于静态参数的测量。【课堂提问】谁能举例说明生活中接触到的压电式传感器？『授课内容』4.1.1压电元件压电式传感器中的压电元件一般有三类：压电晶体（单晶体）经过极化处理的压电陶瓷（多晶体）高分子压电材料石英（SiO2）晶体结晶形状为六角形晶柱。两端为一对称的棱锥，六棱柱是它的基本组织，如果从晶体中切下一个平行六面体，这个晶片在正常状态下不呈现电性。【图片展示】如图4-1所示。压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它由无数细微的电畴组成。这些电畴实际上是分子自发极化的小区域。在无外电场作用时，各个电畴在晶体中杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消了，因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。为了使压电陶瓷具有压电效应，必须在一定温度下做极化处理。极化处理之后，陶瓷材料内部存在有很强的剩余极化强度，当压电陶瓷受外力作用时，其表面也能产生电荷，所以压电陶瓷也具有压电效应。【图片展示】如图4-2所示。高分子压电材料是近年来发展很快的一种新型材料。典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。其中以PVDF的压电常数最高，有的材料可比压电陶瓷还要高十几倍。其输出脉冲电压有的可以直接驱动CMOS集成门电路。【图片展示】4.1.2压电效应压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指：某些物质，当沿着一定方向对其加力而使其变形时，在一定表面上将产生电荷，当外力去掉后，又重新回到正常的不带电状态，这种现象称为正压电效应。当外力作用方向改变，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。【图片展示】图4-3是正压电效应的示意图。逆压电效应是指：如果在这些物质的极化方向施加电场，这些物质就在一定方向上产生机械变形或机械应力，当外电场撤去时，这些变形或应力也随之消失，这种现象称之为逆压电效应，或称之为电致伸缩效应。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。下面讲解正压电效应：石英晶体的三个轴：纵向轴称为光轴，也称z轴，有折光效应，没有压电效应经过正六面体棱线，并垂直于光轴的轴线称为电轴，也称x轴经过正六面体的棱面且垂直于光轴的轴线称为机械轴，也称y轴【图片展示】石英晶体的三个面：垂直于光轴（z轴）的面称为z面垂直于电轴（x轴）的面称为x面垂直于机械轴（y轴）的面称为y面【图片展示】电荷只产生在与x轴垂直的x面的前后两侧。【课堂讨论】为什么电荷只产生在与x轴垂直的x面的前后两侧？石英晶体的x、y轴向受力产生电荷比较：在x轴方向上施加压力Fx时，在x面上产生的电荷：式中d11为x方向受力的压电系数。在y轴方向施加压力Fy时，则仍在x面上产生电荷：式中d12为y轴方向受力的压电系数，l、δ为石英晶片的长度和厚度。【图片展示】当石英晶体未受外力作用时，如图（a）所示，正、负离子正好分布在正六边形的顶角上，形成三个互成120°夹角的电偶极矩P1、P2、P3。因为P=ql,q为电荷量，l为正负电荷之间距离。此时正负电荷重心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即P1+P2+P3=0，所以晶体表面不产生电荷，即呈中性。当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时，晶体沿x方向将产生压缩变形，正负离子的相对位置也随之变动，如图（b）所示，此时正负电荷重心不再重合，电偶极矩在x方向上的分量由于P1的减小和P2、P3的增加而不等于零。在x面上出现电荷，它的极性为在x轴正向出现负电荷，x轴负向出现正电荷。在y轴方向上的电偶极距的分量为零，不出现电荷。当晶体受到沿y轴方向的压力作用时，晶体的变形如图（c）所示。P1增大，P2、P3减小。在x面上出现电荷，它的极性为在x轴正向出现正电荷，x轴负向出现负电荷。在y轴方向上仍不出现电荷。如果沿z轴方向施加作用力，因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同，所以正负电荷重心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力，晶体不会产生压电效应。【多媒体演示】石英晶体的压电效应演示。『课堂小结』今天我们学习了4.1压电元件与压电效应，大家要了解三种常用的压电元件分别是：压电晶体（单晶体）；经过极化处理的压电陶瓷（多晶体）；高分子压电材料以及它们的特性。另外今天的重点内容是压电效应，压电效应可分为正压电效应和逆压电效应以及为什么会产生压电效应。『作业布置』思考题与习题一填空题中的1-5小题。『教学后记』在课堂提问时大家兴趣很高，对生活中的压电传感器有一定的认识但不准确，课堂讨论时同学们非常激烈，建议以后上课多增加些提问和讨论环节，提高学生的学习主动性。授课章节第5章热电式传感器5.1热电偶传感器5.1.1热电偶的测温原理5.1.2热电偶定律5.1.3热电偶的冷端温度补偿方法5.1.4热电偶传感器的应用实例5.2热电阻传感器5.3热敏电阻传感器建议课时授课方式理论知识讲授+课堂提问讨论+多媒体演示所属专业教学目标掌握热电偶的测温原理和热电偶定律2.掌握热电偶的冷端温度补偿方法3.了解热电偶传感器的应用实例4.了解热电阻传感器和热敏电阻传感器教学重点1.掌握热电偶的测温原理和热电偶定律2.掌握热电偶的冷端温度补偿方法3.了解热电偶传感器的应用实例教学难点热电偶的测温原理和热电偶定律参考教材《智能传感与检测技术》徐小华主编机械工业出版社ISBN978-7-111-76072-6教学内容『新课导入』温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关，因此温度控制是生产自动化的重要任务。如冶金、机械、热处理、食品、化工以及玻璃、陶瓷和耐火材料等各类工业生产过程中广泛使用各种加热炉、热处理炉、反应炉等『授课内容』5.1热电偶传感器热电偶作为温度传感器，测得与温度相应的热电动势，由仪表显示出温度值。热电偶传感器广泛用来测量-200℃~1800℃范围内的温度，特殊情况下，可测至2800℃的高温或4K的低温。它具有结构简单，价格便宜，准确度高，测温范围广等特点。由于热电偶将温度转化成电量进行检测，使温度的测量、控制、以及对温度信号的放大，变换都很方便，适用于远距离测量和自动控制。5.1.1热电偶的测温原理热电偶的测温原理基于热电效应。将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点1和2的温度不同时，如T＞T0，如图5-2所示，在回路中就会产生热电动势，并在回路中有一定大小的电流，此根据热电极的材料，热电偶可分为难熔金属热电偶、贵金属热电偶、廉金属热电偶、非金属热电偶等；根据测温范围，热电偶可分为高温热电偶、中温热电偶、低温热电偶；根据工业标准化的情况，又分为标准化热电偶和非标准化热电偶。标准化热电偶国家已定型批量生产，它具有良好的互换性，有统一的分度表，并有与之配套的记录和显示仪表。这对生产和使用都带来了方便。1.铂銠-铂热电偶2.镍铬-镍硅热电偶3.铂銠-铂銠热电偶4.铜-康铜热电偶5.1.2热电偶定律1.均质导体定律中间导体定律参考电极定律两种导体A,B分别与参考电极C(或称标准电极)组成热电偶，如果他们所产生的热电动势为已知，A和B两极配对后的热电动势可用下式求得+5.1.3热电偶的冷端温度补偿方法常用的补偿措施有补偿导线法、冷端0℃恒温法、电桥补偿法等。补偿导线法冷端0℃恒温法电桥补偿法电桥的4个电阻均和热电偶冷端处在同一环境温度，但由于RT的阻值随环境温度变化而变化，使电桥产生的不平衡电压的大小和极性随着环境温度的变化而变化，从而达到自动补偿的目的。5.1.4热电偶传感器的应用实例5.2热电阻传感器热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度的变化来测量温度的元件，它由热电阻体（感温元件），连接导线和显示或纪录仪表构成。热电阻传感器广泛用来测量-200～850℃范围内的温度，少数情况下，低温可至1K，高温可达1000

℃。在常用的电阻温度计中，标准铂电阻温度计的准确度最高。同热电偶相比，具有准确度高，输出信号大，灵敏度高，测温范围广，稳定型好,

输出线性好等特性。5.3热敏电阻传感器热敏电阻是一种电阻值随其温度成指数变化的半导体热敏元件。广泛应用于家电、汽车、测量仪器等领域。优点如下：电阻温度系数大，灵敏度高，比一般金属电阻大10～100倍；结构简单，体积小，可以测量“点”温度；电阻率高，热惯性小，适宜动态测量；(4)功耗小，不需要参考端补偿，适于远距离的测量与控制。缺点是阻值与温度的关系呈非线性，元件的稳定性和互换性较差。除高温热敏电阻外，不能用于350℃以上的高温。热敏电阻由热敏探头，引线，壳体等构成，图5-5热敏电阻的结构与符号。『课堂小结』对于机械、冶金、能源、国防等部门来说，金属表面温度的测量是非常普遍而又比较复杂的问题。例如热处理工作中锻件、铸件以及各种余热利用的热交换器表面、气体蒸汽管道、壁炉面等表面温度。根据对象特点，测量范围从摄氏几百度到摄氏一千多度，而测量方法就采用直接接触测量法。『作业布置』P38页中一、填空题和二、简答题。『教学后记』授课章节第六章光电式传感器6.1光电式传感器6.1.1光电效应6.1.2光电元件及传感器6.1.3光电传感器及其应用建议课时2授课方式理论知识讲授+讨论课+案例教学+多媒体演示所属专业教学目标1.掌握光电效应的概念2.掌握光电元件及传感器3.了解光电传感器及其应用教学重点1.光电效应的概念2.光电元件及传感器教学难点1.光电元件及传感器参考教材《智能传感与检测技术》徐小华主编机械工业出版社ISBN978-7-111-76072-6教学内容『新课导入』光电传感器的基本转换原理是将被测量转换成光信号的变化，然后将光信号作用于光电元件而转换成电信号的输出。光电传感器可测量的参数很多，一般情况下具有非接触式测量的特点，并且光电传感器的结构简单，具有很高的可靠性且动态响应极快。随着激光光源、光栅、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器越来越广泛地应用于检测和控制领域。『授课内容』6.1光电式传感器6.1.1光电效应光电传感器通常是指能敏感检测到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于一些物质的光电效应。由于被光照射的物体材料不同，所产生的光电效应也不同，通常光照射到物体表面后产生的光电效应分为三类：外光电效应、内光电效应、光生伏特效应。【多媒体演示】多媒体课件见教材配套教学PPT6.1.2光电元件及传感器光电管光电管和光电倍增管同属于用外光电效应制成的光电转换器件。光电管的外形如图6-1所示。光电倍增管光电倍增管有放大光电流的作用，灵敏度非常高，信噪比大，线性好，多用于微光测量。如图4-3是光电倍增管结构及工作原理示意图。3.光敏电阻光敏电阻是一种电阻元件,具有灵敏度高，体积小，重量轻，光谱响应范围宽，机械强度高，耐冲击和振动，寿命长等优点。4.光敏二极管光敏二极管结构与一般二极管不同之处在于：将光敏二极管的PN结设置在透明管壳顶部的正下方，可以直接受到光的照射，图6-5a所示是其结构示意图，它在电路中处于反向偏置状态，如图6-5b所示。5.光敏晶体管光敏晶体管有两个PN结。与普通晶体管相似，也有电流增益。如图6-6所示为NPN型光敏晶体管的结构。多数光敏晶体管的基极没有引出线，只有正负(c、e)两个引脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外观上很难区别。6.光电池光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。由于它可把太阳能直接变电能，因此又称为太阳能电池。它是基于光生伏特效应制成的，是发电式有源元件。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。【课堂讨论】在我们日常生活中有哪些产品用到了光电传感器？6.1.3光电传感器及其应用由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多。1.烟尘浊度监测仪2.光电数字式转速表光电式产品计数器『课堂小结』光电传