《传感器与自动检测技术》电子教案（模块4）

《模块4发电传感器》教案PAGE1第1页共7页《单元1热电偶传感器》教案课题单元1热电偶传感器教学目的了解热电势效应，了解热电偶的结构及种类掌握热电偶回路的主要性质掌握热电偶自由端温度补偿的常用方法熟悉热电偶的应用教学重点热电偶回路的主要性质，热电偶自由端温度补偿的常用方法，热电偶的应用教学难点热电偶自由端温度补偿的常用方法教学资源多媒体教学课件，热电偶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模块四发电传感器发电传感器的基本原理是把被测量的变化直接转换为电压量或电流量的变化，然后通过对此信号的放大处理并把此信号检测出来，从而达到测量被测量的目的。单元1热电偶传感器热电偶传感器是将温度转换成电动势的一种测温传感器。【动画】用热电偶传感器进行温度检测的热处理温控系统提纲挈领法动画展演法概念分析一、热电偶传感器的工作原理1．热电势效应＋符号＋符号【动画】热电势效应动画热电势EAB(T,T0)可分为接触电势EAB(T)和温差电势EA(T,T0)2．热电偶回路的主要性质（1）中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要第三种导体的两端温度相同，则这一导体的引入将不会改变原来热电偶的热电动势大小。即EABC(T,T0)=EAB(T,T0)（C两端温度相同）【应用举例】可以在回路中引入各种仪表、连接导线等，也允许采用任意的焊接方法来焊制热电偶。还可以采用开路热电偶对液态金属和金属壁面进行温度测量。（2）标准电极定律当工作端和自由端温度为T和T0时，用导体A、B组成热电偶的热电动势等于AC热电偶和CB热电偶的热电动势之代数和。即EAB(T，T0)=EAC(T,T0)-EBC(T,T0)（3）中间温度定律热电偶AB在接点温度为T1、T3时的热电动势，等于热电偶在接点温度为T1、T2和T2、T3时的热电动势总和。即EAB(T1,T3)=EAB(T1,T2)+EAB(T2,T3)概念推演法动画展演法概念推演法应用举例法概念推演法概念分析二、热电偶的结构及种类1．热电偶的结构【实物演示】热电偶外形及结构普通型热电偶是工程实际中最常用的一种型式，其结构由热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒四部分组成。2．热电偶的种类根据热电偶的用途、结构和安装形式有各种类型，可分标准化和非标准化热电偶。【图示】普通型热电偶外形图；铠装型热电偶外形图；其它热电偶外形图。三、热电偶自由端温度的补偿热电偶在测温过程中，为了保证输出热电动势是被测温度的单一函数，必须保持自由端(冷端)的温度恒定。为了消除或补偿由于自由端温度不恒定而引入的测量误差，常用以下几种方法。1．补偿方法（1）仪表调零修正法在t0基本不变的情况下，仪表预先机械调零到t0处，即仪表预先输入E（t0，0℃）则指针指向t0。【图示】指针被预调到室温（40°C）可补偿冷端损失。（2）冷端温度自动补偿一般采用电桥补偿法：在热电偶回路中串入一个自动补偿的电位差信号来补偿热电势的变化值。E（t，0℃）=E（t，t0）+UAB【图示】XT－WBC热电偶冷端补偿器【列表】常用的国产冷端补偿器性能比较表2．补偿导线延引电极（1）问题的提出：自由端高温热源的影响；自由端温度要求基本保持恒定；热电偶做得长，贵重金属的耗费加大。（2）解决办法：温度范围（0℃～100℃）；热电特性相近的材料；自由端延长，用补偿导线相连。【图示】各种补偿导线的外形图【列表】常用热电偶补偿导线的特性实物讲演法概念推演法图示展演法引导探究法图示展演法图示展演法列表分析法引导探究法图示展演法列表分析法例题讲解【例1】如图为铂铑10—铂（S）热电偶，A’、B’为补偿导线，温度t1=50℃，t2=0℃，t3=30℃，t0＝0℃。（1）当U0=934μV时，求被测点温度t。（2）如果A’、B’改为铜导线，此时U0=810μV，再求温度t。AA’CD+tU0Bt1B’t2Ct3Dt0【分析】（1）由于C、D均为导体，根据中间导体定律，t2处的电压就等于t0处的电压，即U2＝U0而A’、B’为补偿导线，视同热电偶A、B所以EAB(t,t2)＝U2＝U0＝934t2=0℃，直接查表可得温度t=138℃（2）根据中间导体定律，t1处的电压就等于t0处的电压，即U1＝U0，而t1＝50℃，EAB(t,t1)＝U1＝U0，根据中间温度定律所以EAB(t,0℃)＝EAB(t,t1)＋EAB(t1,0℃)＝U0＋EAB(50℃,0℃)＝1109μV直接查表可得温度t=160℃例题讲演法概念分析四、热电偶的测温线路及热电势的测量1．热电偶的测温线路【图示】两点间温度之和、两点间温度之差的测量电路图。注意：两个同型号的热电偶其冷端温度必须相同，并且它们的热电动势都与温度呈线性关系，否则将产生测量误差。2．热电偶热电动势的测量【图示】XCZ系列指针式显示仪表电路图；电位差计热电偶测温电路图；XMZ系列智能数字显示仪表外形图。热电偶输出的热电动势与被测温度有对应关系，热电动势的测量可用动圈式仪表、电位差计、电子电位差计，或通过微机识别后输出显示温度值。五、热电偶温度变送器模块【图示】K型热电偶温度变送器实物图将热电偶的冷端补偿、信号放大、线性化处理、电压/电流转换、断偶处理、反接保护、限流保护等电路经过集成化处理后直接产生工业标准电流信号，并且与被检测的温度量成线性关系的这样的装置称为热电偶温度变送器。图示讲演法图示讲演法图示展演法概念推演法案例分析六、热电偶传感器的应用案例1．燃气热水器火焰温度测量【图示】燃气热水器实物图、结构示意图；燃气热水器防熄火、防缺氧示意图【动画】燃气热水器防熄火防缺氧动画在燃气热水器中设置有防止熄火装置、防止缺氧不完全燃烧装置、防缺水空烧安全装置及过热安全装置等。2．高温气体温度测量【图示】抽气式热电偶示意图在一般流速下气流与感温元件之间的放热系数α比同样流速下的液体小得多，使得气流与感温元件间换热困难，误差增大。工程上常用抽气式热电偶来达到这一目的。图示讲演法动画演示法图示讲演法作业教材认知训练4－3，4－4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霍尔式传感器》教案课题单元2霍尔式传感器教学目的了解霍尔元件的工作原理及结构、霍尔式传感器的应用类型熟悉霍尔式传感器的应用教学重点霍尔元件的工作原理和霍尔式传感器的应用教学难点霍尔传感器工作原理及应用教学资源多媒体教学课件，霍尔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2霍尔式传感器现在霍尔元件已广泛应用于非电量检测、自动控制、电磁测量、计算装置以及现代军事技术等各个领域中。【实物演示】霍尔元件实物演示提纲挈领法实物演示法概念分析一、霍尔元件的工作原理及结构1．霍尔效应【动画】霍尔效应动画演示分析可得霍尔电压UH为2．材料及结构特点【图示】霍尔元件示意图；霍尔元件外形图霍尔元件结构很简单，是一种半导体四端薄片，它由霍尔片、引线和壳体组成。3．基本电路在实际使用时，I或B或两者同时作为信号输入，而输出信号则正比于I或B或两者乘积。注意：建立霍尔效应的时间短（约10-12s～10-14s之间），所以控制电流为交流时频率可以很高（几千兆赫）。二、霍尔式传感器的应用1．应用类型霍尔式传感器主要有三个方面的应用类型（1）霍尔电势正比于磁感强度（2）霍尔电势正比于激励电流（3）霍尔电势正比于激励电流与磁感应强度乘积【图示】霍尔特斯拉计（高斯计）动画演示法结果展示法图示讲演法概念推演法概念推演法图示展演法案例分析三、霍尔式传感器的应用案例1．霍尔式传感器的应用案例【图示】霍尔传感器转速测量示意图；霍尔转速传感器转速测量系统在被测转速的转轴上安装一个转盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将开关型霍尔元件及磁路系统靠近齿盘，随着转盘的转动，磁路的磁阻也周期性地变化，测量霍尔元件输出的脉冲频率就可以确定被测物的转速。转速n与脉冲频率f关系满足：【动画】霍尔转速测量动画2．霍尔式微压力传感器【图示】霍尔式微压力传感器原理示意图被测压力P使波纹膜盒膨胀，带动杠杆使霍尔元件在磁路系统中向上移动，改变了霍尔元件所感受的磁场大小及方向，引起霍尔电势的大小和极性的变化。由于波纹膜盒及霍尔元件的灵敏度很高，所以可用于测量微小压力的变化。3．霍尔钳形电流表【图示】霍尔钳形电流表的使用应用案例法图示讲演法动画演示法图示讲演法图示讲演法作业教材认知训练4－6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压电式传感器》教案课题单元3压电式传感器教学目的了解压电式传感器基本工作原理熟悉压电式传感器的测量转换电路了解压电式传感器的应用教学重点压电式传感器的测量转换电路教学资源多媒体教学课件，压电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3压电式传感器压电式传感器是一种典型的自发电式传感器，它由传力机构、压电元件和测量转换电路组成。压电元件是力敏感元件，它也可以测量最终能变换为力的那些非电物理量，如压力、加速度等。【动画】压电传感器振动分析动画【实物演示】压电元件实物提纲挈领法动画演示法实物演示法概念分析一、基本工作原理1．压电效应某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用产生变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面产生电荷。当外力去掉后，又重新回到不带电状态，这种现象称为压电效应。【动画】压电效应动画2．逆压电效应【动画】逆压电效应动画3．压电材料的主要特性指标（1）压电材料具有实用价值的压电材料基本上可分为三大类①石英晶体：【图示】石英晶体、天然形成的石英晶体外形图。②压电陶瓷：【图示】压电陶瓷外形图③有机压电材料：【图示】高分子压电材料外形图（2）压电材料的主要特性指标（1）压电系数d；（2）刚度H；（3）介电常数ε；（4）电阻R；（5）居里点二、测量转换电路1．压电元件的等效电路【图示】电荷等效电路图；电压等效电路图。【提问】压电式传感器能用于静态测量吗？2．测量转换电路压电式传感器的输出为电荷信号或电压信号，与之匹配的转换电路也有电荷放大器和电压放大器两种。由于电压放大器中的输出电压与电缆电容有关，故采用电荷放大器。【图示】电荷放大器等效电路；电荷放大器外形图电荷放大器输出电压UO与压电元件电荷Q的关系式为：概念推演法动画演示法循序渐进法图示展演法概念推演法图示讲演法结论探究法图示讲演法结果展示法应用介绍三、压电式传感器的结构和应用1．压电元件常用的结构形式压电片有串联和并联两种接法。（1）串联接法