傳感器與檢測技術(shù)教案

1、 . 課時(shí)授課計(jì)劃 科目傳感器與檢測技術(shù) 授課時(shí)數(shù) 共頁 授課日期 審 閱 授課班級(jí) 年 月 日 出勤情況 課 題：緒論 授課目的： 通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)使學(xué)生了解傳感器概念，組成，分類以及今后的發(fā)展趨勢 授課重點(diǎn)： 傳感器的概念和組成 授課難點(diǎn)：對(duì)傳感器概念的理解 教學(xué)類型： 講授 教具與掛圖： 復(fù)習(xí)提問： 引入新課： 如果將人的大腦比作CPU，那么感覺器官便是敏感元件，大腦是轉(zhuǎn)換元件，那么四肢根據(jù)大腦轉(zhuǎn)換的信息去處理事件，就是一個(gè)完整的傳感器的模型了。今天我們來學(xué)習(xí)一個(gè)新的設(shè)備傳感器。 講授新課（附后）： 本課小結(jié)：通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，學(xué)生初步了解傳感器的一般概念和組成。 作業(yè)布置： 改進(jìn)措施：

2、 緒 論 一 組織教學(xué) 1、師生問好； 2、清點(diǎn)人數(shù)，做好考勤記錄； 二 復(fù)習(xí)提問 三 引入新課 如果將人的大腦比作CPU，那么感覺器官便是敏感元件，大腦是轉(zhuǎn)換元件，那么四肢根據(jù)大腦轉(zhuǎn)換的信息去處理事件，就是一個(gè)完整的傳感器的模型了。今天我們來學(xué)習(xí)一個(gè)新的設(shè)備傳感器。 四講授新課 傳感器的概念 傳感器：把特定的被測信息（包括物理量、化學(xué)量、生物量等）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號(hào)輸出的器件或裝置。 這里“可用信號(hào)”是指便于處理、傳輸?shù)男盘?hào)。當(dāng)今電信號(hào)最易于處理和便于傳輸，因此，可以把傳感器狹義地定義為： 傳感器（狹義定義）：能將外界非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的器件。 當(dāng)人類進(jìn)入光子時(shí)代，光信息成為

3、更便于快速、高效地處理與傳輸?shù)目捎眯盘?hào)時(shí)，傳感器的概念也可以變?yōu)椋耗馨淹饨缧畔⑥D(zhuǎn)換成光信號(hào)輸出的器件。 、 傳感器技術(shù)：是涉及傳感（檢測）原理、傳感器設(shè)計(jì)、傳感器開 . 發(fā)和應(yīng)用 的綜合技術(shù)。 傳感技術(shù)的含義則更為廣泛，它是傳感器技術(shù)、敏感功能材料科學(xué)、細(xì)微加工技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)相互交叉滲透而形成的一門新技術(shù)學(xué)科傳感器工程學(xué)。 、 傳感（檢測）原理：是指傳感器工作所依據(jù)的物理、化學(xué)和生物效應(yīng)，并受相應(yīng)的定律和法則所支配。如：物理基礎(chǔ)的基本定律包括：守恒定律（能量、動(dòng)量、電荷等），場的定律（包括動(dòng)力場運(yùn)動(dòng)定律、電磁場的感應(yīng)定律等，其作用與物體在空間的位置及分布有關(guān)。），物質(zhì)定律（如虎克定律、歐姆定

4、律、半導(dǎo)體材料的各種效應(yīng)等，表示本身內(nèi)在性質(zhì)的定律），統(tǒng)計(jì)法則（它把微觀系統(tǒng)與宏觀系統(tǒng)聯(lián)系起來的物理法則，它們常與傳感器的工作狀態(tài)有關(guān)）。 二、傳感器的組成 傳感器一般由三部分組成：敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、測量電路組成。 敏感元件非電量轉(zhuǎn)換元件測量電路輔助電源電量 圖0-1傳感器的組成 其中，能把非電信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的轉(zhuǎn)換元件，是傳感器的核心。敏感元件是傳感器預(yù)先將被測非電量變換為另一種易于變換成電量的非電量，然后再變換為電量，如彈性元件。因此，并非所有傳感器都包含 . 這兩部分，對(duì)于物性型傳感器，一般就只有轉(zhuǎn)換元件；而結(jié)構(gòu)型傳感器就包括敏感和轉(zhuǎn)換元件兩部分。 測量電路，將轉(zhuǎn)換元件輸出的電量變成便

5、于顯示、記錄、控制和處理的有用電信號(hào)的電路。傳感器的測量電路，經(jīng)常采用電橋電路、高阻抗輸入電路、脈沖調(diào)寬電路、振蕩電路等特殊電路。 三、傳感器的分類 按基本效應(yīng)分：物理型、化學(xué)型、生物型等。 按構(gòu)成原理分：結(jié)構(gòu)型、物性型。 按測量原理分：應(yīng)變式、電容式、壓電式、熱電式等。 按能量關(guān)系分：能量轉(zhuǎn)換型（自源型）、能量控制型（外源型）。 按輸入量分：位移、溫度、壓力、流量、加速度等。 按輸出量分：模擬式、數(shù)字式。 傳感器，作為測量與控制系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)，必須具有快速、準(zhǔn)確、可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換的基本要求： 、 足夠的容量工作范圍或量程足夠大、有一定的過載能力。 、 與測量或控制系統(tǒng)匹配性好，轉(zhuǎn)換靈敏

6、度高。 、 精度適當(dāng)，且穩(wěn)定性高。 、 反應(yīng)速度快、工作可靠性好。 、 適用性和適應(yīng)性強(qiáng)。對(duì)被測對(duì)象的狀態(tài)影響小，不易受外界干擾的影響，使用安全。 . 、 使用經(jīng)濟(jì)，成本低，壽命長，且易于使用、維修和校準(zhǔn)。 四、傳感器的發(fā)展趨勢 1、開發(fā)新型傳感器 進(jìn)一步探索具有新效應(yīng)的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型傳感器件，物性型傳感器亦稱固態(tài)傳感器，它包括半導(dǎo)體、電解質(zhì)和強(qiáng)磁性體三類。其中利用量子力學(xué)諸效應(yīng)研制的高靈敏閾傳感器，用來檢測微弱信號(hào)，是傳感器技術(shù)發(fā)展的新趨勢，例如，利用核磁共振吸收效應(yīng)的磁敏傳感器，可將檢測限擴(kuò)展到地磁強(qiáng)度的10的7次方，利用約瑟夫遜效應(yīng)的熱噪聲溫度傳感器，可

7、測量10的負(fù)6次方的超低溫；以及由于光子滯后效應(yīng)的利用，出現(xiàn)了響應(yīng)速度極快的紅外傳感器。目前最先進(jìn)的固態(tài)傳感器，在一塊芯片上可同時(shí)集成差壓、靜壓、溫度三個(gè)傳感器，使差壓傳感器具有溫度和壓力補(bǔ)償功能。 2、傳感器的集成化和多功能化 所謂集成化，就是將敏感元件、信息處理或轉(zhuǎn)換單元以及電源等部分利用半導(dǎo)體技術(shù)將其制做在同一芯片上；多功能化則意味著傳感器具有多種參數(shù)的檢測功能，如半導(dǎo)體溫濕敏傳感器、多功能氣體傳感器等。借助于半導(dǎo)體的蒸鍍技術(shù)、擴(kuò)散技術(shù)、光刻技術(shù)、精密加工及組裝技術(shù)等，使得傳感器的這種發(fā)展趨勢得以實(shí)現(xiàn)。 3、傳感器的智能化 傳感器與微型計(jì)算機(jī)相結(jié)合就形成了智能傳感器，它兼有檢測和信 .

8、息處理功能，同時(shí)還具有記憶、存儲(chǔ)、解析、統(tǒng)計(jì)處理及自診斷、自校準(zhǔn)、自適應(yīng)等功能和遠(yuǎn)距離通訊。將傳感器和計(jì)算機(jī)的這些功能集成于同一芯片，就形成智能傳感器。 4、研究生物傳感器和開發(fā)仿生傳感器 大自然是生物傳感器的優(yōu)秀設(shè)計(jì)師。如狗的嗅覺（靈敏閾是人的一百萬倍）、鳥的視覺（視力是人的850倍）、蝙蝠、飛蛾、海豚的聽覺（主動(dòng)型生物雷達(dá)超聲波傳感器）、蛇的接近覺（分辨力達(dá)0.001度的紅外測溫傳感器）等。所以，這也是傳感器的一個(gè)發(fā)展方向。 五課堂小結(jié) 1、傳感器由哪三部分構(gòu)成 2、傳感器有哪些類別？ 六布置作業(yè) 課后題 . 第一章 傳感器的一般特性 一 組織教學(xué) 3、師生問好； 4、清點(diǎn)人數(shù)，做好考勤記

9、錄； 二 復(fù)習(xí)提問 1、什么是傳感器？ 2、傳感器由哪幾部分構(gòu)成？ 三 引入新課 上節(jié)課學(xué)習(xí)了傳感器的基本構(gòu)成，那它是怎么工作的，具有怎樣的特性呢？ 四講授新課 傳感器的輸入量可分為靜態(tài)量和動(dòng)態(tài)量兩類。無論對(duì)靜態(tài)量或動(dòng)態(tài)量，傳感器的輸出量都應(yīng)不失真地復(fù)現(xiàn)輸入量的變化。這主要取決于傳感器的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。 1.1 傳感器的靜態(tài)特性 一、靜態(tài)數(shù)學(xué)模型 靜態(tài)模型是指在靜態(tài)條件下（即輸入量對(duì)時(shí)間t的各階導(dǎo)數(shù)為零）得到的數(shù)學(xué)模型。不考慮滯后及蠕變，傳感器的靜態(tài)模型可用一代數(shù)方程表示： nnXaXaXaaY?2210 . 式中：Y輸出量； X輸入量； 0a零位輸出； 1a傳感器的靈敏度，常用K或S表示

10、； 2a，3a，na非線性項(xiàng)待定常數(shù)。 這種多項(xiàng)式方程可分為四種典型情況，見書。表示輸出量與輸入量之間的關(guān)系曲線稱為特性曲線，圖1-1表示了這四種典型曲線。其中，理想的模型為： XaY1? 后三種情況表示的是非線性情況，必須采取線性補(bǔ)償措施。 二、靜態(tài)特性指標(biāo)： 1線性度：表征傳感器曲線與擬合直線間最大偏差與滿量程（F·S）輸出 值的百分比。 L=±max/YF·S×100% max校準(zhǔn)曲線與擬合直線間最大偏差； YF·S傳感器滿量稱輸出；YF·S= Ymax Y0 擬合直線的方法不同，線性度的大小也不同。擬合直線的方法有： 1） 端

11、基法（簡單直觀，未考慮數(shù)據(jù)分布、擬合精度低）； 2） 理論直線法（與測試值無關(guān)，簡單、方便）； . 3） 最小二乘法（擬合精度高，可得最佳擬合直線）； 4） 端點(diǎn)平移法（最佳直線法）：正、負(fù)偏差最小且相等，擬合精度最高； 5） 平均斜率法：精度比端基法高； 6） 平均選點(diǎn)法：我國專家提出，等等。 2靈敏度：在穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，輸出變化量與引起此變化的輸入量之比。 3精度：在規(guī)定條件的最大絕對(duì)誤差相對(duì)傳感器滿量程輸出的百分比。表征測量結(jié)果的可靠程度， A=A/ YF·S×100% 工程中，經(jīng)常使用精度等級(jí)表征傳感器的精度：0.05, 0.1,0.5, 1.0,1.5,2.0,

12、5.0etc。 4分辨率：在規(guī)定的測量范圍內(nèi)，所能檢測出被測輸入量的最小變化量。也可用該值相對(duì)滿量程輸入值之百分?jǐn)?shù)表示。也稱為最小檢測量。 5遲滯：在相同工作條件下，傳感器在正、反行程中輸入-輸出曲線的不重合程度。正、反行程的最大偏差與滿量程之比。 原因：傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)、制造工藝上的缺陷；摩擦、軸承間隙、螺釘松動(dòng)、元件損壞、積塵等。 6重復(fù)性：在相同的工作條件下，輸入量按同一方向在全量程 . 范圍內(nèi)連續(xù)多次所特性曲線的不一致性。數(shù)值上，是各測量值標(biāo)準(zhǔn)偏差最大值兩倍或三倍與滿量程的百分比表示。 它反映測量結(jié)果偶然誤差的大小。而不表示與真值的誤差。 7零點(diǎn)漂移：在無輸入時(shí)，傳感器輸出偏離零值的大小

13、與滿量程只比。 8溫漂：溫度變化時(shí)，傳感器輸出值的偏離程度。一般以溫度每變化1度，輸出最大偏差與滿量程的百分?jǐn)?shù)。 9閾值：使傳感器輸出產(chǎn)生可測變化量的最小輸入量值。也稱為死區(qū)。 五課堂小結(jié) 1、傳感器具有怎樣的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型？ 2、傳感器有哪些靜態(tài)特性？ 六布置作業(yè) 課后題 . 第二章 應(yīng)變式傳感器 一 組織教學(xué) 1、師生問好； 2、清點(diǎn)人數(shù)，做好考勤記錄； 二 復(fù)習(xí)提問 1、傳感器有哪些靜態(tài)特性？ 三 引入新課 傳感器的一般特性放在各種類型的傳感器中，又有不同的應(yīng)用，今天我們學(xué)習(xí)應(yīng)變片式的傳感器。 四講授新課 電阻式傳感器的種類繁多，應(yīng)用廣泛，其基本原理是將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，

14、再經(jīng)相應(yīng)的測量電路而最后顯示被測量值的變化。電阻式傳感器與相應(yīng)的測量電路組成的測力、測壓、稱重、測位移、測加速度、測扭矩、測溫度等測試系統(tǒng)。目前，已成為生產(chǎn)過程檢測以及實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化不可缺少的手段之一。 電阻式傳感器的種類主要有：電位器式傳感器和應(yīng)變式傳感器。本章主要介紹應(yīng)變式傳感器。它包括：金屬應(yīng)變片式傳感器和壓阻式傳感器。 2.1 金屬應(yīng)變片式傳感器 2.1.1應(yīng)變效應(yīng) . 金屬應(yīng)變片的工作原理是基于電阻應(yīng)變效應(yīng)，即在金屬絲產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，它的電阻值相應(yīng)發(fā)生變化 圖2-1 金屬絲伸長后幾何尺寸變化 由LRS?兩邊取對(duì)數(shù)，微分后得 dRddLdSRLS? 式中：dRR電阻得相對(duì)變化；d?電阻

15、率的相對(duì)變化； dLL長度相對(duì)變化，令dLL?金屬絲的軸向應(yīng)變（縱向）； dSS截面積的相對(duì)變化，22rdSdrSr?，r?即為徑向應(yīng)變（橫向）。 r? 又由 ?12ddVCCV? 所以， ?1221212sdRCCKR? sK稱為應(yīng)變靈敏度系數(shù)，由兩部分組成：一為幾何尺寸引起，一為電阻率變化引起；對(duì)特定的金屬材料，在一定應(yīng)變范圍內(nèi)為一常數(shù)。 . 2.1.2金屬應(yīng)變片 1結(jié)構(gòu)與材料 結(jié)構(gòu)組成：敏感柵、基底、蓋片、粘結(jié)劑、引線。 材料要求：較大靈敏度系數(shù)且為常數(shù)；高而穩(wěn)定的電阻率；電阻溫度系數(shù)?。粰C(jī)械強(qiáng)度高易于加工；抗氧化耐腐蝕。常用材料：銅鎳合金、卡瑪合金、伊文合金、鉑和鉑合金等。 2分類 包

16、括：金屬絲式應(yīng)變片、金屬箔式應(yīng)變片（見下圖）、金屬薄膜式應(yīng)變片。 圖22金屬箔式應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu) . 圖23各式箔式應(yīng)變花 五課堂小結(jié) 1、什么是應(yīng)變效應(yīng)？ 2、金屬應(yīng)變片的組成？ 六布置作業(yè) 課后題 2.1 金屬應(yīng)變片式傳感器 一 組織教學(xué) 1、師生問好； 2、清點(diǎn)人數(shù)，做好考勤記錄； 二 復(fù)習(xí)提問 1、什么是應(yīng)變效應(yīng)？ . 三 引入新課 傳感器的一般特性放在各種類型的傳感器中，又有不同的應(yīng)用，今天我們學(xué)習(xí)應(yīng)變片式的傳感器主要特性。 四講授新課 2.1.3主要特性 包括：靈敏度系數(shù)、橫向效應(yīng)、機(jī)械滯后，零漂及蠕變、溫度效應(yīng)、應(yīng)變極限、疲勞壽命、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性等。 1靈敏度系數(shù)：RKR?，一般s

17、KK?。主要原因：粘結(jié)劑與基底的傳遞應(yīng)變失真、橫向效應(yīng)等。 2橫向效應(yīng)：敏感柵由軸向縱柵和圓弧橫柵兩部分組成。所以應(yīng)變片既受到軸向應(yīng)變又受到橫向應(yīng)變的影響，且其影響方向相反，這種現(xiàn)象為橫向效應(yīng)。一般，敏感柵愈窄、基長愈長，橫向效應(yīng)愈小，誤差愈小。 3機(jī)械滯后：殘余變形所致，使加載與卸載特性出現(xiàn)偏差。 4零點(diǎn)漂移和蠕變：溫度效應(yīng)、片內(nèi)應(yīng)力、粘結(jié)劑固化不充分、膠層間產(chǎn)生滑動(dòng)等造成。 5動(dòng)態(tài)特性：柵長愈短，動(dòng)態(tài)特性愈好。 2.1.4溫度誤差及補(bǔ)償 在外界溫度變化的條件下，由于敏感柵溫度系數(shù)t及柵絲與試件膨脹系數(shù)(g及e)之差異性而產(chǎn)生虛假應(yīng)變輸出有時(shí)會(huì)產(chǎn)生與真實(shí)應(yīng)變 . 同數(shù)量級(jí)的誤差。 ?tegt

18、RtKtR? 虛假應(yīng)變：?ttegttK? 必須采取補(bǔ)償溫度誤差的措施。通常溫度誤差補(bǔ)償方法有兩類： 1自補(bǔ)償法：單絲自補(bǔ)償法、組合式自補(bǔ)償法 2電路補(bǔ)償法 圖24組合式自動(dòng)補(bǔ)償法 圖2-5電橋補(bǔ)償法 圖2-6 差動(dòng)電橋補(bǔ)償法 電路補(bǔ)償法要求：補(bǔ)償電阻與應(yīng)變電阻同一批號(hào)，具有相同的t、e和K，初始阻值相同；粘結(jié)補(bǔ)償片的材料與被測試件材料相同；兩 . 片處于同一溫度環(huán)境。 五課堂小結(jié) 1、金屬應(yīng)變片具有什么主要特性？ 2、溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ?六布置 2.1 金屬應(yīng)變片式傳感器 一 組織教學(xué) 1、師生問好； 2、清點(diǎn)人數(shù)，做好考勤記錄； 二 復(fù)習(xí)提問 1、金屬應(yīng)變片具有什么主要特性？ 2、溫度補(bǔ)償?shù)?/p>

19、方法？ 三 引入新課 . 傳感器的一般特性放在各種類型的傳感器中，又有不同的應(yīng)用，今天我們學(xué)習(xí)應(yīng)變片式的傳感器測量電路。 四講授新課 2.1.5測量電路 （a）當(dāng)負(fù)載為無窮大時(shí)， ?142301234RRRRUERRRR? （b）為單臂電橋；（c）為半橋電路；（d）為全橋電路。 1等臂電橋：1234RRRRR? 一般情況下， ?012344EKU? 上式表明： 當(dāng)iRR?=時(shí)，輸出電壓與應(yīng)變呈線性關(guān)系； 相鄰橋臂，應(yīng)變極性一致時(shí)，輸出電壓為兩者之差；應(yīng)變極性相反時(shí)，輸出電壓為兩者之和； 相對(duì)橋臂，應(yīng)變極性一致時(shí)，輸出電壓為兩者之和；應(yīng)變極性相反時(shí)， . 輸出電壓為兩者之差。 對(duì)于單臂電橋，輸出

20、為：04EUK? 非線性誤差，由下式?jīng)Q定， 101142EUKK? 所以，12K?；當(dāng)已知非線性誤差時(shí)，由此式可計(jì)算出最大應(yīng)變值。 2對(duì)稱電橋：特性與等臂電橋相近。 第一對(duì)稱電橋：12RRR?，34RRR?；特性與等臂電橋相同。 第二對(duì)稱電橋：13RRR?，24RRR?；分析方法相同，令RkR?021/EUKkk? 非線性誤差為：1kKk? 3交流測量電橋： 六、應(yīng)變式傳感器 可用于測量應(yīng)力、應(yīng)變、壓力、力、扭矩及加速度等。 應(yīng)用特點(diǎn)：應(yīng)用和測量范圍廣。測力傳感器：102N107N；壓力傳感器：103108Pa；加速度傳感器：103級(jí)m/s2。分辨力、靈敏度高。 . 結(jié)構(gòu)輕小，對(duì)試件影響小。易

21、商品化、使用方便、便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距、自動(dòng)測量。 五課堂小結(jié) 1、直流電橋平衡的條件？ 2、橋臂比值大少時(shí)，靈敏度最大？ 六布置作業(yè) 課后題 . 2.2 壓阻式傳感器 一 組織教學(xué) 1、師生問好； 2、清點(diǎn)人數(shù)，做好考勤記錄； 二 復(fù)習(xí)提問 1、直流電橋平衡的條件？ 2、橋臂比值大少時(shí)，靈敏度最大？ 三 引入新課 傳感器的一般特性放在各種類型的傳感器中，又有不同的應(yīng)用，今天我們學(xué)習(xí)壓阻式的傳感器。 四講授新課 由硅、鍺等半導(dǎo)體材料制成。特點(diǎn)為：靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、精度高、橫向效應(yīng)小，易于微型化和集成化。 壓阻效應(yīng)是1954年發(fā)現(xiàn)，1958年貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出硅力敏電阻；70年代后得到迅速發(fā)展。 2.

22、2.1壓阻效應(yīng) 沿半導(dǎo)體底某一軸向施加一定的載荷產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，電阻率會(huì)發(fā)生明顯的變化，這種現(xiàn)象稱作壓阻效應(yīng)。 ?12dRdR? . 對(duì)金屬材料，d?較小，有時(shí)可忽略不計(jì)，故起作用的是應(yīng)變效應(yīng)； 對(duì)半導(dǎo)體材料，ldE?；l?為壓阻系數(shù)，E為彈性模量。 由于lE?比?12?大幾十到上百倍，故起作用的是壓阻效應(yīng)； 在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力作用使半導(dǎo)體電阻發(fā)生變化，應(yīng)力除去后，電阻又恢復(fù)到原來的數(shù)值，故壓阻效應(yīng)是可逆的。 2.2.2壓阻系數(shù) 1 晶體晶向的作用 晶體是具有多面體形態(tài)的固體，沿不同的晶軸方向，l?、E的值是不同的。 對(duì)于半導(dǎo)體Si：P1 1 1、N1 0 0晶向，lKE?最大； 對(duì)于半導(dǎo)體Ge：

23、P1 1 1、N1 1 1 晶向，lKE?最大。 2 影響l?的因素： 雜質(zhì)濃度，擴(kuò)散電阻的雜質(zhì)濃度愈高，壓阻系數(shù)愈?。?溫度，一般溫度愈高，壓阻系數(shù)愈小。 2.2.3固態(tài)壓阻器件 1 結(jié)構(gòu)原理 利用固態(tài)擴(kuò)散技術(shù)，在N型Si半導(dǎo)體底層上擴(kuò)散P型雜質(zhì)的導(dǎo)電層，形成擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片。 當(dāng)在任意晶向上，受到縱向和橫向應(yīng)力作用時(shí)， . llttRR? 式中：l?、l?縱向應(yīng)力、縱向壓阻系數(shù)； t?、t?橫向應(yīng)力、橫向壓阻系數(shù)。 所以，徑向電阻R r和切向電阻R t受到應(yīng)力作用時(shí)： ()rlrttRR? ()tlttrRR? 2 測量電橋及溫度補(bǔ)償 測量電橋仍采用金屬應(yīng)變片的測量橋路，為了減少溫度影響

24、，一般采用恒流源供電。所以，采用全橋測量時(shí) 0UIR? 溫度補(bǔ)償：零點(diǎn)溫度補(bǔ)償，采用串并聯(lián)電阻實(shí)現(xiàn)； 靈敏度溫度補(bǔ)償，采用在電源回路中串聯(lián)二極管的方法實(shí)現(xiàn)。 五課堂小結(jié) 1、什么是壓阻效應(yīng) 2、溫度補(bǔ)償有哪些？ 六布置作業(yè) 課后題 第三章 壓電式傳感器 一 組織教學(xué) . 1、師生問好； 2、清點(diǎn)人數(shù)，做好考勤記錄； 二 復(fù)習(xí)提問 1、什么是壓阻效應(yīng) 2、溫度補(bǔ)償有哪些？ 三 引入新課 傳感器的一般特性放在各種類型的傳感器中，又有不同的應(yīng)用，今天我們學(xué)習(xí)壓電式傳感器。 四講授新課 壓電式傳感器是一種有源的雙向機(jī)電傳感器。它的工作原理是基于壓電材料的壓電效應(yīng)。石英晶體的壓電效應(yīng)早在1680年即已發(fā)

25、現(xiàn)，1948年制作出第一個(gè)石英傳感器。 3.1 壓電效應(yīng) 某些晶體或多晶陶瓷，當(dāng)沿著一定方向受到外力作用時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在某兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)；當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。上述現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。反之，如對(duì)晶體施加一定變電場，晶體本身將產(chǎn)生機(jī)械變形，外電場撤離，變形也隨著消失，稱為逆壓電效應(yīng)。 . 壓電式傳感器大都是利用壓電材料的壓電效應(yīng)制成的。在電聲和超聲工程中也有利用逆壓電效應(yīng)制作的傳感器。壓電轉(zhuǎn)換元件受力變形的狀態(tài)可分為下圖所示的幾種基本形式。 3.1.1石英晶體的壓電效應(yīng) 石

26、英晶體是正六棱柱體（六面體），如圖所示。Z軸是晶體的對(duì)稱軸，稱為光軸；X軸壓電效應(yīng)最顯著，電軸；Y軸（機(jī)械軸，力軸），加力產(chǎn)生的變形最大。 X軸和Y軸受力后，石英晶體壓電效應(yīng)示意圖如下圖所示， . 石英晶體受力方向與電荷極性的關(guān)系，如下所示： 但由于壓電晶體的各向異性，并不是所有的壓電晶體都能在這幾種變形狀態(tài)下產(chǎn)生壓電效應(yīng)。例如石英晶體就沒有體積變形壓電效應(yīng)。但它具有良好的厚度變形和長度變形壓電效應(yīng)，即在X軸和Y軸受力時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)，被稱為縱向、橫向壓電效應(yīng)；當(dāng)沿X軸方向施加切向應(yīng)力時(shí)，將在垂直于Y軸的表面上產(chǎn)生電荷，稱為切向壓電效應(yīng)。 假設(shè)在石英晶體上切下一片平行六面體晶體切片。 .

27、1當(dāng)X軸方向受力時(shí)，垂直X軸平面上產(chǎn)生的電荷為： 11xxqdF? 則極間電壓為11xxxxxqFUdCC? 當(dāng)在垂直X軸平面上，外加電場Ex時(shí)， 1111xxUtddEtt? 2 Y軸方向受力時(shí)，垂直X軸平面上產(chǎn)生的電荷為：11xyylqdFt? 逆壓電效應(yīng)：11xldEl? 所以，有如下結(jié)論： 無論正和逆壓電效應(yīng)，其作用力(或應(yīng)變)與電荷（電場強(qiáng)度）之間成線性關(guān)系； 晶體在哪個(gè)方向有正壓電效應(yīng)，則在此方向上一定存在逆壓電效應(yīng)； 石英晶體不是在任何方向上都存在正壓電效應(yīng)。 3.1 壓電效應(yīng) 一 組織教學(xué) 1、師生問好； 2、清點(diǎn)人數(shù)，做好考勤記錄； 二 復(fù)習(xí)提問 1、什么是石英晶體的壓電效應(yīng)

28、？ 三 引入新課 . 傳感器的一般特性放在各種類型的傳感器中，又有不同的應(yīng)用，今天我們學(xué)習(xí)壓電式傳感器。 四講授新課 3.1.2壓電陶瓷的壓電效應(yīng) 壓電陶瓷是一種人工制造的多晶鐵電體，1847年就發(fā)現(xiàn)了鈦酸鋇這種陶瓷材料具有壓電特性。 壓電陶瓷首先需經(jīng)過極化處理，其過程如下圖所示： 此時(shí)，壓電陶瓷受力后，變具有壓電特性，但原理與晶體不同： 壓電陶瓷受壓變形后，內(nèi)部極化強(qiáng)度變小，表面吸附的一部分自由電荷被釋放，出現(xiàn)放電現(xiàn)象；外力撤消后，有恢復(fù)原狀正壓電效應(yīng)。 壓電陶瓷在外電場作用下，會(huì)產(chǎn)生變形逆壓電效應(yīng)。 ·為什么壓電陶瓷對(duì)外不顯電性？ 壓電陶瓷的剩余極化強(qiáng)度，總是以電偶極矩的形式表現(xiàn)

29、，故在陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛電荷，另一端出現(xiàn)負(fù)束縛電荷。由于束縛電荷的作用，在 . 陶瓷表面吸附了一層來自外界的自由電荷，其數(shù)量與束縛電荷相等，它們起著屏蔽和抵消片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外的作用，所以，無法用電壓表測出極化強(qiáng)度。 3.2 壓電材料 選用合適的壓電材料是設(shè)計(jì)高性能傳感器的關(guān)鍵。一般應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面： 轉(zhuǎn)換性能：具有較高的耦合系數(shù)或具有較大的壓電常數(shù)； 機(jī)械性能：壓電元件作為受力元件，希望它的機(jī)械強(qiáng)度高、機(jī)械剛度大。以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動(dòng)頻率； 電性能：希望具有高的電阻率和大的介電常數(shù)，以期望減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性； 溫度和濕度穩(wěn)定性要好：具有較高的居里點(diǎn)、以

30、期望得到寬的工作溫度范圍； 時(shí)間穩(wěn)定性：壓電特性不隨時(shí)間蛻變。 主要有兩種材料：一種是壓電晶體，如石英晶體；一種是壓電陶瓷，如鈦酸鋇，鋯鈦酸鉛等。 五課堂小結(jié) 1、什么是壓電陶瓷的壓電效應(yīng) 2、壓電材料具有哪些特性？ 六布置作業(yè) . 課后題 . 3.3 測量電路 一 組織教學(xué) 1、師生問好； 2、清點(diǎn)人數(shù)，做好考勤記錄； 二 復(fù)習(xí)提問 1、什么是壓電效應(yīng)？ 三 引入新課 傳感器的一般特性放在各種類型的傳感器中，又有不同的應(yīng)用，今天我們學(xué)習(xí)壓電式傳感器。 四講授新課 3.3.1等效電路 壓電式傳感器對(duì)被測量的變化是通過其壓電元件產(chǎn)生電荷量的大小來反映的，因此它相當(dāng)于一個(gè)電荷源。 而壓電元件電極表

31、面聚集電荷時(shí)，它又相當(dāng)于一個(gè)以壓電材料為電介質(zhì)的電容器，其電容量為： 0raSCt? 式中：s-極板面積；r?-壓電材料相對(duì)介電常數(shù)； 0?-真空介電常數(shù)； t-壓電元件厚度 當(dāng)壓電元件受外力作用時(shí)，兩表面產(chǎn)生等量的正、負(fù)電荷Q，壓電元件的開路電壓(認(rèn)為其負(fù)載電阻為無窮大)U為 . aaqUC? 這樣，可以把壓電元件等效為一個(gè)電荷源Q和一個(gè)電容器Ca的等效電路，如圖中的虛線方框；同時(shí)也等效為一個(gè)電壓源U和一個(gè)電容器Ca串聯(lián)的等效電路，如圖6-8的虛線方框所示。其中Ra為壓電元件的漏電阻。 3.3.2測量電路 根據(jù)壓電元件的工作原理及上節(jié)所述兩種等效電路，與壓電元件配套的測量電路的前置放大器也有

32、兩種形式： 電壓放大器：其輸出電壓與輸入電壓(壓電元件的輸出電壓)成正比。電荷放大器：其輸出電壓與輸入電荷成正比。 1.電壓放大器： 電壓放大器的作用是將壓電式傳感器的高輸出阻抗經(jīng)放大器變換為低阻抗輸出，并將微弱的電壓信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)放大因此也把這種測量電路稱為阻抗變換器。等效電路如上圖。 等效電阻：aiaiRRRRR?； . 等效電容：ciCCC? 所以，當(dāng)壓電元件受到作用力F為：sinmFFt? 則， 33sinmaadFUtC? 放大器輸入電壓為： ?331ajRUdFjRCC?&& 幅值為：?332221mimadFRURCC? 相位差為：?12citgRCCC? 當(dāng)1?時(shí)

33、，輸出幅值與頻率無關(guān)： 33mimCidFUCCC? ·當(dāng)測量回路的時(shí)間常數(shù)滿足一定條件時(shí)，壓電傳感器具有相當(dāng)好的高頻響應(yīng)特性。 ·在低頻時(shí)，若測量回路的時(shí)間常數(shù)不大，則靈敏度會(huì)下降。 ?33221()imumCiUdKFCCCR? 擴(kuò)大工作頻帶低頻下限的方法： 增大回路電容，?增大，但靈敏度下降； 增大輸入電阻iR，?增大，低頻相應(yīng)變好。 2電荷放大器 . 由于電壓放大器使所配接的壓電式傳感器的電壓靈敏度將隨電纜分布電容及傳感器自身電容的變化而變化，而且電纜的更換得引起重新標(biāo)定的麻煩，為此又發(fā)展了便于遠(yuǎn)距離測量的電荷放大器，目前它巳被公認(rèn)是一種較好的沖擊測量放大器。 電荷

34、放大器的輸出為： ?0001111scacFaFjqAUAjCCACRR? 當(dāng)0A足夠大時(shí)，輸出為： scFqUC? 計(jì)算證明，對(duì)0A的要求并不很高，實(shí)際器件很容易達(dá)到。 電荷放大器也存在下限截止頻率，如-3dB的截止頻率為： 12LFFfRC? 五課堂小結(jié) 1、壓電傳感器的等效電路是怎樣的？ . 2、測量電路 六布置作業(yè) 課后題 . 34 壓電傳感器的應(yīng)用 一 組織教學(xué) 1、師生問好； 2、清點(diǎn)人數(shù)，做好考勤記錄； 二 復(fù)習(xí)提問 1、壓電傳感器的等效電路是怎樣的？ 2、測量電路 三 引入新課 傳感器的一般特性放在各種類型的傳感器中，又有不同的應(yīng)用，今天我們學(xué)習(xí)壓電式傳感器的應(yīng)用。 四講授新課

35、 壓電元件是一種典型的力敏感元件?？捎脕頊y量最終能轉(zhuǎn)換為力的多種物理量。在檢測技術(shù)中，常用來測量力和加速度，如下圖。 ·影響壓電式傳感器精度的因素分析 1非線性：壓電傳感器的幅值線性度是指被測物理量(如力、壓力、加 . 速度等)的增加，其靈敏度的變化程度。 2橫向靈敏度：壓電加速度傳感器的橫向靈敏度是指當(dāng)加速度傳感器感受到與其主軸向(軸向靈敏度方向)垂直的單位加速度振動(dòng)時(shí)的靈敏度，一般用它與主軸向靈敏度的百分比來表示，稱為橫向靈敏度比。 3環(huán)境溫度的影響：環(huán)境溫度的變化對(duì)壓電材料的壓電常數(shù)和介電常數(shù)的影響都很大，它將使傳感器靈敏度發(fā)生變化，壓電材料不同，溫度影響的程度也不同。當(dāng)溫度低

36、于400時(shí)，其壓電常數(shù)和介電常數(shù)都很穩(wěn)定。 4濕度的影響：環(huán)境濕度對(duì)壓電式傳感器性能的影響也很大。如果傳感器長期在高濕度環(huán)境下工作，其絕緣電阻將會(huì)減小，低頻響應(yīng)變壞。 5電纜噪聲：為了減小這種噪聲?？墒褂锰刂频牡驮肼曤娎|，同時(shí)將電纜固緊，以免產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。 6接地回路噪聲：在測試系統(tǒng)中接有多種測量儀器，如果各儀器與傳感器分別接地，各接地點(diǎn)又有電位差，這便在測量系統(tǒng)中產(chǎn)生噪聲。防止這種噪聲的有效辦法是整個(gè)測量系統(tǒng)在一點(diǎn)接地。而且選擇指示器的輸入端為接地點(diǎn)。 影響壓電式傳感器精度除以上分析的幾個(gè)因素外，還存在有聲場效應(yīng)、磁場效應(yīng)及射頻場效應(yīng)、基座應(yīng)變效應(yīng)等因素。 . 第四章 固態(tài)傳感器 一 組織教

37、學(xué) 1、師生問好； 2、清點(diǎn)人數(shù)，做好考勤記錄； 二 復(fù)習(xí)提問 1、影響壓電式傳感器精度的因素有哪些？ 三 引入新課 傳感器的一般特性放在各種類型的傳感器中，又有不同的應(yīng)用，今天我們學(xué)習(xí)磁敏傳感器。 四講授新課 固態(tài)傳感器是物性式傳感器的典型代表。它是利用某些固體材料的機(jī)械特性、電特性、磁特性等物性變化來實(shí)現(xiàn)信息的直接變換。 4.1 磁敏傳感器 磁敏傳感器是基于磁電轉(zhuǎn)換的傳感器，主要原理有霍爾效應(yīng)和磁阻效應(yīng)。 4.1.1霍爾式傳感器 （一）霍爾效應(yīng) 將一載流導(dǎo)體置于磁場中，磁場方向與電流方向正交，則在與兩者垂直的方向上產(chǎn)生橫向電勢霍爾電勢，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。如圖所示： . 對(duì)于N型半導(dǎo)體材

38、料，載流子為電子。在如圖的磁場下，受到洛侖茲力作用（方向如圖），有： LfevB? 同時(shí)，電場作用于電子的電場力為： HEHUfeEeb? 當(dāng)二力平衡時(shí)，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，有 HUvBb? 又因?yàn)?，Inevbd?；所以， /HUIBned? 當(dāng)霍爾元件為P型半導(dǎo)體材料時(shí)， /HUIBped? 其中，n、p為單位體積中的載流子數(shù)。 4.1.2霍爾系數(shù)與靈敏度 1 霍爾系數(shù)： 1HRne? . 再由1ne?，可得：HR?。由于電子的遷移率?大于空穴，所以，霍爾元件多采用N型半導(dǎo)體材料。 2 靈敏度： /HHKRd? 所以， HHUKIB? ·金屬不宜做霍爾元件；電子密度高，HK和HR小。 ·材料電阻率?高、遷移率?大，則霍爾效應(yīng)強(qiáng)。 ·d減小，靈敏度高；但不能過小，否則使元件輸出電阻增加。 3 使用電壓源時(shí)， HbUEBL? 所以，適當(dāng)選擇材料的遷移率，及霍爾元件的寬長比，可改變霍爾電勢的大小。 五課堂小結(jié) 1、什么