《传感器与自动检测技术》电子教案（模块2）

《模块2电阻式传感器》教案PAGE1第1页共16页《单元1电阻应变式传感器》教案课题单元1电阻应变式传感器教学目的了解电阻应变式传感器的工作原理及应变片的种类结构掌握直流电桥原理及应变片温度补偿，了解电阻应变式传感器的应用教学重点1、直流电桥的工作原理2、应变片的温度补偿教学难点应变片的温度补偿教学资源多媒体教学课件，电阻应变传感器，电阻应变传感器实验装置教学手段多媒体课堂教学，实物演示教学，检测场景模拟教学教学过程及教学内容教学方法引入模块二电阻式传感器电阻式传感器就是把被测量的变化转换为电阻的变化，然后通过对电阻的测量达到对非电量检测的目的。包括：电阻应变式传感器、电位器式传感器、热电阻传感器、热敏电阻传感器、气敏湿敏传感器、湿敏电阻传感器等。单元1电阻应变式传感器电阻应变式传感器主要由弹性敏感元件或试件、电阻应变片和转换电路组成。【实物演示】电阻应变式传感器实物演示【图示】大桥材料应变的测量提纲挈领法演示互动法图示展演法概念分析一、应变效应导体或半导体材料在外界力作用下，产生机械变形，其电阻值也随着发生变化的应变效应现象——电阻应变效应电阻应变【动画】应变片原理的动画演示二、应变片的种类结构与粘贴1．应变片的结构类型应变片可分为金属应变片和半导体应变片。前者可分为金属丝式、箔式、薄膜式三种：（1）金属丝式应变片直径1丝左右【图示】金属丝式应变片结构示意图（2）金属箔式应变片利用印刷电路制造和光刻技术【图示】金属箔式应变片结构及实物图（3）金属薄膜式采用真空蒸镀技术，在薄的绝缘基片上蒸镀金属材料薄膜，最后加保护层形成。【图示】硅薄膜式测风传感器实物图（4）半导体应变片用半导体材料作敏感栅而制成【图示】半导体应变片外形图几种应变片主要性能指标一览表2．应变片粘贴应变片的粘贴采用应变片的检查与选择、试件的表面处理、底层处理、贴片、固化等工艺过程。【动画】应变片粘贴过程动画【图示】应变片的粘贴位置三、测量转换电路1．桥式电路桥式电路的输出电压与输入应变的关系公式推演，得到：2．电桥分类按电源性质不同可分交流电桥、直流电桥；按桥臂工作数量可分为单臂工作桥、半桥和全桥。3．电桥特性分析（1）单臂电桥以直流电桥的单臂桥、恒压源供电为例：（2）半桥①第一类差动桥②第二类差动桥③对臂差动桥（3）全桥以上半桥、全桥等直流电桥的灵敏度和非线性误差自行推导得到。【列表】各类电桥性能比较表4．电桥的调零【图示】调零电桥原理电路图概念推演法动画讲演法概念推演法图示展演法动画讲演法图示展演法图示推导法提纲挈领法列表归纳法图示讲演法概念分析四、温度补偿补偿块补偿法一个承受应力，为工作片，另一个不受应力，为补偿片。【图示】补偿块温度补偿示意图2．桥路补偿法R1、R2为受相反力的工作应变片构成第一类差动桥，第二类差动桥，一方面实现了温度补偿，同时也提高了灵敏度、减少了桥路的非线性误差。以第一类差动桥为例说明桥路补偿法结论演绎法图示讲演法公式推演法应用介绍五、电阻应变式传感器的应用1．形式与用途（1）形式：电阻应变式传感器主要包括：弹性敏感元件、应变片和测量电路，其形式可分为两大类：①粘贴式②非粘贴式（2）用途：①测力②测压力③测加速度④测扭矩⑤测位移2．应用举例（1）力和扭矩传感器【动画】应变片测力动画；悬臂梁称重动画【图示】各种悬臂梁；应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置；汽车衡；汽车衡称重系统；电子天平；人体秤；应变式数显扭矩扳手。（2）压力传感器【图示】组合式压力传感器示意图【动画】组合式压力传感器压力测量动画【图示】筒式压力传感器；小型压阻式固态压力传感器；呼吸、透析和注射泵设备中用的压力传感器。（3）加速度传感器【图示】加速度传感器示意图【动画】加速度测量动画应用归纳法应用案例法动画展演法图例演示法图示展演法动画讲演法图示展演法图示讲演法动画展演法概念分析六、信号调制与解调及电阻应变式传感器的应用案例1．信号调制与解调的概念所谓调制就是利用信号来控制高频振荡的过程。所谓解调就是从已被放大和传输的，且有原来信号信息的高频信号中，把原来信号取出的过程。调制的过程有三种：①高频振荡的幅度受缓变信号控制时称为调幅，AM表示；②高频振荡的频率受缓变信号控制时称为调频，FM表示；③高频振荡的相位受缓变信号控制时称为调相，PM表示。【动画】调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM）原理动画控制高频振荡的缓变信号称为调制信号；载送缓变信号的高频振荡信号称为载波；已被缓变信号调制的高频振荡称为调制波，调制波相应地有调幅波，调频波和调相波三种，常见的是调幅和调频两种。引导探究法动画展演法概念推演法案例分析2．电阻应变式传感器应用案例Y6D-3型动态应变仪是利用电桥调幅和相敏解调的典型例子。【图示】Y6D-3型动态应变仪调制过程各环节的波形应用案例法图示讲演法作业教材认知训练2－2，2－4练习巩固法本课教育评注（课堂设计理念，实际教学效果及改进设想）

《单元2电位器式传感器》教案课题单元2电位器式传感器教学目的1、理解电位器式传感器的工作原理2、了解电位器式传感器的应用场合及应用案例教学重点电位器式传感器的工作原理、应用案例教学难点电位器式传感器的工作原理教学资源多媒体教学课件、电位器式传感器实物教学手段多媒体课堂教学、实物演示教学教学过程及教学内容教学方法引入单元2电位器式传感器电位器式传感器具有结构简单、输出信号大、使用方便、价格低廉、测量位移范围适中、测量精度尚可、动态响应一般等特点，大量用于普通机械、注塑机等行程测量与控制中。【图例】注塑机行程检测图示及动画【实物演示】电位器式传感器实物演示提纲挈领法图例展演法实物演示法概念分析一、电位器式传感器的工作原理【动画】电位器式传感器工作原理动画电位器式传感器是一种把机械的线位移和角位移输入量转换为与它成一定函数关系的电阻和电压输出的传感器。推到可得：U0与x的非线性关系完全是由负载电阻RL的接入而引起的。二、电位器式传感器的应用场合电位器式传感器常常应用在注塑机、压铸机、吹瓶机、制鞋机、木工机械、印刷机械、包装机械、纸品机械、机械手、飞机操舵、船舶操舵、IT设备等自动化控制领域。一般此类传感器行程从10mm至2500mm。根据使用场合电位器式传感器可分为：KTC型、KTF型、KPC型、KPM型、KTM型、KTR型和KFM型。动画展演法图示推演法循序渐进法案例分析三、电位器式传感器的应用案例1．电子油门控制系统【图示】电子油门控制系统主要由油门踏板、踏板电位器角位移传感器、ECU（电控单元）、数据总线、伺服电动机和节气门执行机构组成。电子油门系统可以设置各种功能来改善驾驶的安全性、舒适性、油耗及尾气排放质量。2．电位器式压力传感器线绕电位器式压力传感器是利用弹性元件（如弹簧管、膜片或膜盒）把被测的压力变换为弹性元件的位移，并使此位移变为电刷触点的移动，从而引起输出电压或电流相应的变化。（1）YCD-150型远程压力表由一个弹簧管和线绕电位器组成的压力传感器。【图示】YCD-150型远程压力表原理图（2）膜盒电位器式压力传感器【图示】膜盒电位器式压力传感器原理图图示讲演法图示讲演法图示讲演法作业教材认知训练2－6练习巩固法本课教育评注（课堂设计理念，实际教学效果及改进设想）

《单元3热电阻传感器》教案课题单元3热电阻传感器教学目的1、了解热电阻的工作原理及应用2、熟悉热电阻的接线方式及相关电路3、了解热电阻温度变送器模块教学重点热电阻的接线方式及相关电路教学难点热电阻的三线制接线方式教学资源多媒体教学课件、热电阻实物、灯泡、万用表教学手段多媒体课堂教学、实物演示教学教学过程及教学内容教学方法引入单元3热电阻传感器热电阻传感器主要用于对温度或和温度有关的参量进行检测。可分成：金属热电阻（热电阻）、半导体热电阻（热敏电阻）。本单元介绍金属热电阻，热敏电阻将在下一单元中介绍。【实物演示】金属Pt100热电阻传感器实物演示提纲挈领法实物演示法概念分析一、热电阻的测温原理热电阻是利用金属材料电阻随温度变化而变化这一特性来测量温度的。【举例】电灯泡的冷态电阻和计算得到的热态电阻不同【图示】电灯泡的冷态电阻的测量1．材料：具有四个特性：（1）线性、温度系数大（2）电阻率高（3）性能稳定、复制性好（4）易于制取、价格便宜【列表】热电阻的主要技术性能对照表2．特点：测温精度较高，范围广（－200～6000C），稳定性、重复性好，热惯性大，灵敏度低。3．计算方法（1）公式法①铜电阻（测温范围-50～1500C）优点：线性好Rt=R0（1+αt）；电阻温度系数高；易提纯、价格便宜缺点：电阻率比铂电阻小；t＞1000C时易氧化②铂电阻可列表作图表示电阻与温度之间的关系为非线性，纯度以R100/R0来表示，国际标准R100/R0≥1.3925（2）查表法4．各类热电阻【图示】小型铂热电阻；防爆型铂热电阻；汽车用水温传感器；可设定温度的温度控制箱。二、热电阻的接线方式热电阻的引线主要有二线制、三线制和四线制三种接线方式。为了减少或消除引线电阻的影响，热电阻通常采用三线制接线（恒压源供电）和四线制接线（恒流源供电）。1．二线制接线方式在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号，该方式只适用于引线很短或测量精度较低的场合。2．三线制接线方式在热电阻的根部一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式。3．四线制接线方式在热电阻的根部两端各连接两根导线。这种引线方式可完全消除引线的电阻影响，主要用于引线较长的高精度温度检测。三、热电阻温度变送器模块将被测温度经热电阻转换为电阻信号，再由热电阻温度变送器模块将其转换为直流标准电流输出信号。热电阻温度变送模块有Pt100，Pt1000，Cu50，Cu100温度传感器配套的4～20mA直流输出模块或0～5V电压输出型模块。【图示】热电阻温度变送器模块；温度变送器安装示意图演示互动法列表分析法循序渐进法图示展演法提纲挈领法图示讲演法图示讲演法概念讲演法图示展演法案例分析四、热电阻传感器的应用案例——火药燃烧气体温度的测量【图示】燃烧气体温度测量原理；燃烧气体温度曲线温度传感器选用Pt100热电阻。为防止燃烧气体损坏传感器，传感器应予以良好的固定并距气体喷口有一定的距离。传感器测试前应进行标定。由振子示波器测得的燃烧气体的温度曲线。应用案例法图示讲演法作业教材认知训练2－7、2－8练习巩固法本课教育评注（课堂设计理念，实际教学效果及改进设想）

《单元4热敏电阻传感器》教案课题单元4热电阻传感器教学目的1、了解热敏电阻的基本特点和分类2、熟悉热敏电阻谷物温度测量仪的原理教学重点热敏电阻的分类教学资源多媒体教学课件、热敏电阻元件实物教学手段多媒体课堂教学、实物演示教学教学过程及教学内容教学方法引入单元4热敏电阻传感器热敏电阻是利用半导体电阻与温度存在着某种关系的一种新型半导体测温元件。通常环境温度检测、体温检测等许多场合等均用热敏电阻进行测量的。【图示】医疗领域中应用的体温计及热成像仪【实物演示】热敏电阻传感器实物演示提纲挈领法图示展演法实物演示法概念分析一、热敏电阻的基本特点①灵敏度较高，能检测出10-6℃的温度变化；②工作温度范围宽，常温器件适用于-55℃～315℃；③体积小；④使用方便，电阻值可在0.1～100kΩ间任意选择；⑤易加工成复杂的形状，可大批量生产；⑥稳定性好、过载能力强。二、热敏电阻的分类热敏电阻可按电阻的温度特性、结构、形状、用途、材料及测量温度范围等进行分类。1．按温度特性分类：负温度系数热敏电阻（NTC）、正温度系数热敏电阻（PTC）和临界温度系数热敏电阻（CTR）三类。【图示】各种热敏电阻的典型特性2．按工作温度范围分类：常温热敏电阻（-55～+315℃）；高温热敏电阻（>315℃）；低温热敏电阻（<315℃）三类。3．按外形结构形式分类：体型、薄膜型、厚薄型三种。【图示】热敏电阻的结构外形及符号；热敏电阻的外形、结构及符号；聚脂塑料封装热敏电阻实物图；玻璃封装NTC热敏电阻实物图4．其他分类热敏电阻还可按工作方式分为直热式、旁热式、延迟电路三种；按使用的材料分为陶瓷、塑料：金刚石、单晶、非晶热敏电阻等。【图示】带安装孔的热敏电阻实物图；大功率PTC热敏电阻实物图；其它热敏电阻实物图循序渐进法图示展演法图示演讲法图示展演法案例分析三、热敏电阻的应用案例——谷物温度测量仪测量仪由探针、电桥及电源组成。【图示】谷物温度测量仪实物图；谷物温度测量仪外形结构；谷物温度测量仪电路。热敏电阻的应用场合很多，如数字温度计、体温表、热水器测温、芯片测温等。【图示】热敏电阻温度面板表；热敏电阻用于电热水器的温度控制；热敏电阻体温表；热敏电阻用于CPU的温度测量。应用案例法图示讲演法图示讲演法作业教材认知训练2－10练习巩固法本课教育评注（课堂设计理念，实际教学效果及改进设想）

《单元5气敏电阻传感器》教案课题单元5气敏电阻传感器教学目的了解气敏电阻传感器的工作原理及应用教学重点气敏电阻传感器的应用教学难点气敏电阻传感器的工作原理教学资源多媒体教学课件，气敏电阻传感器实物教学手段多媒体课堂教学，实物演示教学教学过程及教学内容教学方法引入单元5气敏电阻传感器气敏电阻传感器是检测环境气体成分及浓度并对其进行控制和显示的重要器件。应用在环境保护、家用电器、消防和安全生产等方面。【图示】家庭用煤气报警器【实物演示】燃气泄露传感器模块实物演示提纲挈领法图示展演法实物演示法概念分析一、气敏电阻传感器的工作原理气敏电阻传感器是一种能把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量再转换为电流、电压信号的传感器，它的传感元件是气敏电阻。【动画】气敏电阻工作原理动画气敏电阻形式繁多，可分为测量还原性气体和测量氧气浓度的两大类。所谓还原性气体就是在化学反应中能给出电子，化学价升高的气体；还原性气体多数属于可燃性气体；测量还原性气体的气敏电阻一般是用SnO2、ZnO或Fe2O3等金属氧化物粉料添加少量铂催化剂、激活剂及其它添加剂，按一定比例烧结而成的半导体器件；气敏电阻使用时应尽量避免置于油雾、灰尘环境中，以免老化。【图示】MQN型气敏电阻结构及测量电路【图示】酒精传感器、NH3传感器、甲烷传感器、一氧化碳检测仪。概念推演法动画讲演法图示讲演法图示展演法应用介绍二、矿灯瓦斯报警器【图示】矿灯瓦斯报警电路瓦斯探头由QM-N5型气敏元件RQ及4V矿灯蓄电池等组成。RP为瓦斯报警设定电位器。当瓦斯超过某一设定点时，RP输出信号通过二极管VD1加到VT2基极上，VT2导通，VT3、VT4开始工作，VT3、VT4组成互补式自激多谐振荡器，使继电器吸合与释放，信号灯闪光报警。工作时开关S1、S2合上。应用案例法图示讲演法案例分析三、气敏电阻传感器应用案例1．酒精测试仪酒精测试仪可用于交通中酒驾事故认定，也可以用在其他场合检测人体呼出气体中的酒精含量，或使用于高危领域禁止酒后上岗的特殊作业。【图示】酒精传感器、数字酒精测试仪；手持数字酒精测试仪；酒精传感器的选择性曲线图2．煤气泄漏报警器探测器将气信号转换成电压信号或电流信号传送到报警仪表，当有可燃性气体浓度超过报警设定值时，控制器通过执行器或执行电路发出报警信号或执行关闭燃气阀门等动作。【图示】煤气泄漏报警器；控制器与探测器连接示意图；家庭液化气泄露报警器探测可燃性气体的敏感元件主要有：氧化物半导体型；催化燃烧型；热线型气体传感器。还有少量的其他类型，如化学电池类传感器。应用案例法图示讲演法图示讲演法作业教材认知训练2－12练习巩固法本课教育评注（课堂设计理念，实际教学效果及改进设想）

《单元6湿敏电阻传感器》教案课题单元6湿敏电阻传感器教学目的了解湿敏电阻传感器的工作原理及应用教学重点湿敏电阻传感器的应用案例教学难点湿敏电阻传感器的应用案例电路分析教学资源多媒体教学课件，湿敏电阻传感器实物教学手段多媒体课堂教学，实物演示教学教学过程及教学内容教学方法引入单元6湿敏电阻传感器从空气湿度对人体生理和心理的影响出发引出湿度的概念。湿度可分为绝对湿度和相对湿度，相对湿度是日常生活中常用来表示湿度大小的方法，湿度对电子元件的影响很大。【实物演示】湿敏电阻传感器模块实物演示提纲挈领法实物演示法概念分析一、湿敏电阻及湿度检测原理1．湿度检测方法（1）传统湿度测量方法与仪器干湿球法；伸缩法；另外还有重量法、冷凝露点法和