傳感器教案(共152頁)

1、教 案201 年 月 日 第 周 累計(li j)第 個教案(jio n) 課時(ksh)課題第一章課型目的要求知 識目 標1掌握傳感器的定義2掌握傳感器的典型分類方法3了解傳感器的基本特性4掌握傳感器的靜態(tài)和動態(tài)特性能 力目 標培養(yǎng)學生的理解與記憶能力思想教育嚴謹?shù)膶W習態(tài)度和習慣重 點難 點分 析重點：1、傳感器的靜態(tài)特性2、傳感器的動態(tài)特性難點：傳感器的動態(tài)特性分析教學方法講授教具學具與實驗準備組織教學時間系班級缺課學生名單教 學 內(nèi) 容 及 步 驟第一章 概述傳感器技術(shù)基礎(chǔ)知識1.1傳感器的定義及組成1.1.1 定義國家標準（GB/T7665-1987）規(guī)定：傳感器是一種能夠感受規(guī)定的被

2、測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。也叫發(fā)送器；傳送器；變送器；Transducer/Sensor等。對定義的理解：它是測量裝置；輸入量是某一被測量（物理、化學、生物等）；輸出量是某種物理量（氣、光、電等），主要是電物理量；輸出輸入有對應(yīng)關(guān)系，并應(yīng)有一定的精度1.1.2 傳感器的組成傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路三部分組成，組成框圖如圖示。電信號非電物理量敏感元件轉(zhuǎn)換元件接口電路輔助電源 1.2傳感器的分類1.2.1按工作機理分 （1）物理型 按構(gòu)成原理：結(jié)構(gòu)型；物性型教 學 內(nèi) 容 及 步 驟結(jié)構(gòu)型：是以結(jié)構(gòu)（如形狀、尺寸等）為基礎(chǔ)，利用物理學中場的定律構(gòu)成的，動力場

3、的運動定律、電磁場的電磁定律等。必須依靠精密設(shè)計的結(jié)構(gòu)予以保證。如：磁隙型電感傳感器、電動式傳感器等。物性型：是利用物質(zhì)定律構(gòu)成的，利用某些功能材料本身所具有的內(nèi)在特性及效應(yīng)把被測量直接轉(zhuǎn)換為電量。虎克定律、歐姆定律等。主要依靠材料本身的效應(yīng)來感應(yīng)信息。如：光電管（外光電效應(yīng)）、壓電晶體（正壓電效應(yīng)）、光敏電阻、所有半導(dǎo)體傳感器、以及所有利用各種環(huán)境變化而引起的金屬、半導(dǎo)體、陶瓷、合金的性能變化的傳感器。按能量轉(zhuǎn)換情況：能量控制型、能量轉(zhuǎn)換型能量控制型：在信息變化過程中，其能量需要外電源供給。如：電阻、電感、電容、基于應(yīng)變電阻效應(yīng)、磁阻效應(yīng)、熱阻效應(yīng)、光電效應(yīng)、霍爾效應(yīng)等。能量轉(zhuǎn)換型：主要由能

4、量變換元件構(gòu)成，它不需要外電源。如：壓電效應(yīng)、熱電效應(yīng)、光電動勢效應(yīng)等。按物理原理電參量式（包括電阻式、電感式、電容式等三個基本形式）、磁電式（包括磁電感應(yīng)式、霍爾式、磁柵式等）、壓電式、光電式（包括一般光電式、光柵式、激光式、光電碼盤式、光導(dǎo)纖維式、紅外式、攝像式等）、氣電式、熱電式、波式（包括超聲波式微波式等）、射線式、半導(dǎo)體式、其它原理等。可以是兩種以上原理的復(fù)合形式。（2）化學型利用電化學反應(yīng)原理，把無機和有機化學物質(zhì)的成分、濃度等轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器。最常用的是離子選擇性電極。核心部分是離子選擇性敏感膜。廣泛應(yīng)用于化學分析、化學工業(yè)的在線檢測及環(huán)保中。（3）生物型利用生物活性物質(zhì)選擇

5、性的識別和測定生物化學物質(zhì)的傳感器。由兩大部教 學 內(nèi) 容 及 步 驟分組成：功能識別物質(zhì)，酶、抗體、抗原、微生物、細胞等；電、光信號轉(zhuǎn)換裝置，最常用的是電極。最大的特點是能在分子水平上識別物質(zhì)，應(yīng)用于化學工業(yè)檢測和醫(yī)學診斷。1.2.2 按用途（輸入信號）分幾何量：長度、角度、位移、厚度、幾何位置、幾何形狀、表面波度和粗糙度力學：力、力矩、振動、轉(zhuǎn)速、加速度、質(zhì)量、流量、硬度、真空度等溫度：溫度、熱量、比容、熱分布濕度：濕度、水分時間：頻率、時間電量：電流、電壓、電阻、電容、電感、電磁波磁性：磁通、磁場光學：照度、光度、顏色、圖像、透明度聲學：聲壓、噪聲射線：射線劑量、劑量率化學：濃度、成分、

6、pH值、濁度1.2.3按輸出信號模擬式傳感器輸出量為模擬量，數(shù)字式傳感器輸出量為數(shù)字量，便于與計算機連接，而且抗干擾能力強，例如盤式角度傳感器和光柵傳感器等。1.3傳感器的靜特性傳感器的靜特性是指傳感器在輸入量的各個值處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸出與輸入關(guān)系，即當輸入量是常量或變化極慢時，輸出與輸入的關(guān)系。教 學 內(nèi) 容 及 步 驟衡量傳感器靜態(tài)特性的主要技術(shù)指標有線性度、測量范圍和量程、重復(fù)性、遲滯、靈敏度等。（1）測量范圍和量程傳感器所能測量的最大被測量(即輸入量)的數(shù)值稱為測量上限，最小的被測量則稱為測量下限，而用測量下限和測量上限表示的測量區(qū)間，則稱為測量范圍，簡稱范圍。測量上限和測量下限的代數(shù)

7、差為量程。即：量程=測量上限-測量下限。（2）線性度在采用直線擬合線性化時，輸出輸入的校正曲線與其擬合直線之間的最大偏差，就稱為非線性誤差或線性度，通常用相對誤差 來表示，即 L=（Lmax/YFS）100%Lmax：最大非線性誤差YFS：滿量程輸出由此可見，非線性誤差的大小是以一定的擬合直線為基準直線而得出來的。擬合直線不同，非線性誤差也不同。所以，選擇擬合直線的主要出發(fā)點，應(yīng)是獲得最小的非線性誤差。另外，還應(yīng)考慮使用是否方便，計算是否簡便。（3）遲滯傳感器在正(輸入量增大)反(輸入量減小)行程中輸出輸入曲線不重合稱為遲滯。教 學 內(nèi) 容 及 步 驟遲滯特性一般是由實驗方法測得。遲滯誤差一般

8、以正反行程中輸出的最大偏差量滿量程輸出之比的百分數(shù)表示，即 遲滯的影響因素包括傳感器機械結(jié)構(gòu)中的摩擦、游隙和結(jié)構(gòu)材料受力變形的滯后現(xiàn)象等。（4）重復(fù)性重復(fù)性是指傳感器在輸入按同一方向作全量程連續(xù)多次變動時所得的特性曲線不一致的程度。圖示為實際輸出的校正曲線的重復(fù)特性，正行程的最大重復(fù)性偏差為Rmax1，反行程的最大重復(fù)性偏差為Rmax2。重復(fù)性誤差取這兩個最大偏差之中較大者為Rmax，與滿量程輸出 yFS之比的百分數(shù)表示，即 重復(fù)性誤差也常用絕對誤差表示。（5）靈敏度與靈敏度誤差傳感器輸出的變化量y與引起此變化量的輸入變化量x之比即為其靜態(tài)靈敏度，其表達式為：教 學 內(nèi) 容 及 步 驟（6）分

9、辨力分辨力是指傳感器在規(guī)定測量范圍內(nèi)所能檢測出被測輸入量的最小變化值。有時對該值用相對滿量程輸入值之百分數(shù)表示，則稱為分辨率。（7）穩(wěn)定性有長期穩(wěn)定性和短期穩(wěn)定性之分，通常用長期穩(wěn)定性，它是指在室溫條件下，經(jīng)相當長的時間間隔，傳感器的輸出與起始標定時的輸出之間的差異。（8）漂移傳感器在長時間工作時、外界溫度改變時或外界出現(xiàn)干擾（沖擊、振動、潮濕、電磁等）時等情況下輸出量發(fā)生的變化，包括零點漂移和靈敏度漂移。零點漂移和靈敏度漂移又可以分為時間漂移和溫度漂移，時間漂移是指在規(guī)定的條件下，零點和靈敏度隨著時間的緩慢的變化；溫度漂移為環(huán)境溫度變化而引起的零點或靈敏度的變化。（9）靜態(tài)誤差傳感器在其全量

10、程內(nèi)任一點的輸出值與其理論值（擬合曲線）的偏離程度。是一項綜合性指標，它基本上包括了前面敘述的非線性誤差、遲滯誤差、重復(fù)性誤差、靈敏度誤差等。=（yi）2/（n-1）1/2=(3/yFS)100% 或=（L2+H2+R2+S2）1/21.4傳感器的動態(tài)特性動態(tài)特性是指傳感器對隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性。動態(tài)特性好的傳感器，其輸出量隨時間變化的曲線與被測量隨時間變化的曲線一致或者相近。教 學 內(nèi) 容 及 步 驟動態(tài)特性的一般描述：(1)階躍響應(yīng)特性給傳感器輸入一個單位階躍函數(shù)信號u(t)=，其輸出為階躍響應(yīng)特性。與階躍響應(yīng)特性有關(guān)的指標：最大超調(diào)量：輸出超過穩(wěn)定值的最大值，常用百分數(shù)來表示。上

11、升時間tr：輸出由某一值（10%或5%）到達穩(wěn)定值的90%（或95%）所需的時間。響應(yīng)時間ts：輸出達到穩(wěn)定值的95%或98%（由允許誤差范圍所決定）時所需的時間，也稱建立時間或過渡過程時間。延遲時間td:階躍響應(yīng)達到穩(wěn)態(tài)值50%所需要的時間。峰值時間tp：響應(yīng)曲線到達第一個峰值所需要的時間。時間常數(shù)：越小，響應(yīng)速度越快。衰減度：瞬態(tài)過程中振蕩幅值衰減的速度。教 學 內(nèi) 容 及 步 驟(2)頻率響應(yīng)特性給傳感器輸入各種頻率不同而幅值相同初相位為0的正弦信號，其輸出的正弦信號的幅值和相位與頻率之間的關(guān)系。與頻率響應(yīng)特性有關(guān)的指標：頻帶：傳感器增益保持載一定值內(nèi)的頻率范圍，對應(yīng)有上、下截止頻率時間

12、常數(shù)：一階傳感器（測溫傳感器等）用表征其動態(tài)性能，越小，頻帶越寬。固有頻率：表征二階傳感器（加速度傳感器等）的動態(tài)特性。1.5 傳感器的數(shù)學模型1.5.1 靜態(tài)數(shù)學模型傳感器的靜態(tài)數(shù)學模型是指在靜態(tài)信號作用下，傳感器輸出與輸入之間的一種函數(shù)關(guān)系。如果不考慮遲滯特性和蠕動效應(yīng)，傳感器的靜態(tài)數(shù)學模型一般可以用n次多項式來表示。y=a0+a1x+a2x2+anxn式中，x為輸入量；y為輸出量；a0為零輸入時的輸出，也叫零位輸出；a1為傳感器線性系數(shù)，也叫線性靈敏度； a2、a3+an為非線性系數(shù)。幾種特例：理想的線性特性：y= a1x 其線性度最好，通常是所希望的傳感器應(yīng)具有的特性。僅有偶次非線性項

13、：y=a0 +a2x2+a4x4+a2nx2n ,n=0,1, 其線性范圍較窄，線性度差。僅有奇次非線性項：y=a1x+a3x3+a5x5+a2n+1x2n+1 ,n=1,2, 線性范圍較寬，線性度好。教 學 內(nèi) 容 及 步 驟1.5.2 動態(tài)數(shù)學模型傳感器的動態(tài)數(shù)學模型是指傳感器在受到隨時間變化的輸入量作用時，輸出輸入之間的關(guān)系，通常稱為響應(yīng)特性。（1）微分方程將傳感器作為線性定常系統(tǒng)來考慮，其動態(tài)數(shù)學模型可以用線性常系數(shù)微分方程來表示，這種方程式的通式為：所謂線性系統(tǒng)就是在此方程式中不包含變量及其各階微分的非一次冪項(包括交叉相乘項)；如果線性系統(tǒng)方程中各系數(shù)an、bm在工作過程中不隨時間

14、和輸入量的變化而變化，那么該系統(tǒng)就稱為線性定常系統(tǒng)。（2）傳遞函數(shù)對上式取拉氏變換，并令當t=0時，輸入量x(t)和輸出量y(t)及它們的各階時間導(dǎo)數(shù)的初始值均為零，則得 等號右邊是一個與輸入量x(t)和輸出量y(t)無關(guān)的表達式，它只與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，因而等號右邊又是傳感器特性的一種表達式，它表征了輸出與輸入的關(guān)系，是一種描述傳感器特性的函數(shù)。初始條件為零時(傳感器被激勵之前所有儲能元件如質(zhì)量塊、彈性元件、電氣元件均沒有積存能量)，輸出量y(t)的拉氏教 學 內(nèi) 容 及 步 驟變換Y(s)與輸入x(t)的拉氏變換X(s)之比，稱為傳遞函數(shù)，并記為H(s)1.6傳感器的標定與校準標定：是指在

15、明確傳感器的輸出與輸入關(guān)系的前提下，利用某種標準器具對傳感器進行標度。標定與校準的本質(zhì)不同：對新研制或生產(chǎn)的傳感器進行全面的技術(shù)檢定，稱為標定；將傳感器在使用中或儲存后進行的性能復(fù)測，稱為校準。（1）靜特性的標定方法：靜態(tài)標準條件：沒有加速度、震動、沖擊、環(huán)境溫度205。C、相對濕度不大于85%、氣壓為1017kPa。（2）動態(tài)特性的實驗確定方法：階躍信號響應(yīng)法、正弦信號響應(yīng)法。（3）常用標定設(shè)備：靜態(tài)標定設(shè)備、動態(tài)標定設(shè)備、現(xiàn)場標定設(shè)備。1.7傳感器技術(shù)發(fā)展1.7.1改善傳感器性能的技術(shù)途徑差動技術(shù)：顯著地減少溫度變化、電源波動、外界干擾的影響，抵消共模誤差，減小非線性誤差。 平均技術(shù)：誤差

16、=0/ 補償修正技術(shù)：本身特性修正、工作條件或外界環(huán)境修正，可以通過硬件或軟件實現(xiàn)。 屏蔽、隔離與干擾抑制： 穩(wěn)定性處理：時效處理、冰冷處理、永磁材料的時間老化溫度老化、機械老化、交流穩(wěn)磁處理、電氣元件的老化篩選。教 學 內(nèi) 容 及 步 驟1.7.2發(fā)展趨勢（1）開發(fā)新型傳感器：（新原理新現(xiàn)象、新效應(yīng)）采用新原理、填補傳感器空白、仿生傳感器。他們之間是互相聯(lián)系的。（2）開發(fā)新材料半導(dǎo)體敏感材料：硅材料（單晶硅、多晶硅、非晶硅）；金屬和非金屬合成的化合物半導(dǎo)體材料； 陶瓷材料：絕緣陶瓷、壓電陶瓷、介電陶瓷、熱電陶瓷、光電陶瓷、半導(dǎo)體陶瓷。 磁性材料：非晶化、薄膜化。智能材料：生物體材料、形狀記憶

17、合金、形狀記憶陶瓷、形狀記憶聚合物。（3）采用新工藝集成技術(shù)、微細加工技術(shù)、離子注入技術(shù)、薄膜技術(shù)微細加工技術(shù)，又稱為微機械加工技術(shù)。是離子束、電子束、分子束、激光束、化學刻蝕等微電子加工技術(shù)。平面電子工藝技術(shù)：傳統(tǒng)的氧化、光刻、擴散、沉積等還有薄膜制作選擇性的化學刻蝕技術(shù)：如：各向異性刻蝕技術(shù) 固相鍵合工藝技術(shù)：將兩個硅片直接鍵合為一體而不用中間粘接劑，也不需外加電場。 機械切斷技術(shù)：在一個基片上的多個超小型傳感器用分離切斷技術(shù)分割開來，以免損傷和殘存內(nèi)應(yīng)力。4）集成化、多功能化集成化： 同一功能的多元件并列化：如CCD教 學 內(nèi) 容 及 步 驟多功能一體化：將傳感器與放大、運算以及溫度補償

18、等環(huán)節(jié)一體化，組成一個器件。多功能化：一個傳感器可以同時測量多個參數(shù)。如：美國的單片硅多維力傳感器（3個線速度、3個離心加速度（角速度）、3個角加速度）；溫、氣、濕三功能陶瓷傳感器；多種離子或氣體傳感器等。（5）智能化靈巧（Smart）傳感器，具有：檢測、修正、數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷、自診斷和自適應(yīng)能力的集成一體化多功能傳感器。1.8傳感器的應(yīng)用舉例傳感器又稱為電五官，主要用于基礎(chǔ)科學、軍事、宇航、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、民用電器、資源開發(fā)、海洋探測、醫(yī)學診斷、生物工程等。例：宇宙觀察、基本粒子、導(dǎo)彈制導(dǎo)尋的、自動生產(chǎn)線、機器人、汽車、復(fù)印機、空調(diào)、洗衣機。作業(yè)內(nèi)容作業(yè)批改記錄時間系班級應(yīng)交實交缺交作業(yè)

19、學生姓名作業(yè)批改問題及分析教學札記教 案201 年 月 日 第 周 累計(li j)第 個教案(jio n) 課時(ksh)課題第二章 溫度傳感器 2.1-2.2課型新授目的要求知 識目 標1.了解溫度測量的基本概念和溫標的分類2.熟悉溫度傳感器的分類3熟悉熱電效應(yīng)以及熱電偶傳感器的工作原理4.熟悉熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)能 力目 標培養(yǎng)學生的理解和分析能力思想教育嚴謹?shù)膶W習態(tài)度和習慣重 點難 點分 析1.熱電偶中參考端溫度補償分析2.集成溫度傳感器測溫原理教學方法講授教具學具與實驗準備組織教學時間系班級缺課學生名單教 學 內(nèi) 容 及 步 驟2.1溫度測量概述（1）溫度：代表物質(zhì)的冷熱程度，是物體內(nèi)

20、部分子運動劇烈程度的標志。（2）測量溫度的方法：接觸式測量和非接觸式測量接觸式測量的特點：感溫元件與被測對象直接物理接觸，進行熱傳導(dǎo)。非接觸測量的特點：感溫元件與被測對象不物理接觸，通過熱輻射進行熱傳遞。測溫傳感器分為接觸式和非接觸式兩類。（3）溫標：攝氏溫標：在一個標準大氣壓下，冰水混合物：0度；沸水：100度； 華氏溫標：在一個標準大氣壓下，冰水混合物：32度；沸水：212度熱力學溫標：與攝氏溫標相差273.15度。1K=1+2732.2 熱電偶傳感器2.2.1工作原理（1）熱電效應(yīng)當兩種不同金屬導(dǎo)體兩端相互緊密的連接在一起組成一個閉合回路時，由于兩個接觸點溫度T和T0不同，回路中將產(chǎn)生熱

21、電動勢，并有電流通過，這種把熱能轉(zhuǎn)化成電能的現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電動勢：接觸電動勢與溫差電動勢之和。（2）基本定律1）中間導(dǎo)體定律：導(dǎo)體a、b組成熱電偶，當引入第三個導(dǎo)體時，只要保持其兩端溫度相同，則對總電動勢無影響，這一結(jié)論被稱為中間導(dǎo)體定律。利用此定律可將毫伏表接入熱電偶回路中，只要保證兩個結(jié)點溫度一致，就能正確測出熱電動勢而不影響熱電偶的輸出。教 學 內(nèi) 容 及 步 驟EABC(T,T0)=eAB(T)-eAB(T0)=EAB(T,T0)2）中間溫度定律:在熱電偶測量電路中，測量端溫度為T,自由端溫度為T0,中間溫度為 T0，則 EAB(T,T0)EAB(T,T0)+EAB(T0, T0

22、) 3）參考電極定律: EAB(T,T0)=EAC(T,T0)-EBC(T,T0)該定律大大簡化了熱電偶選配電極的工作，只要獲得有關(guān)熱電極與參考電極配對的熱電動勢，那么任何兩種熱電極配對時的電動勢均可利用該定律計算。例題：E(T,T0)也可以用E(t,t0)，當t為100時，t0為0時，鉻合金鉑熱電偶的E（100，0）3.13mV,鋁合金鉑熱電偶的E（100，0）-1.02 mV,求鉻合金鋁合金組成熱電偶的熱電動勢E（100，0）。解：設(shè)鉻合金為A，鋁合金為B,鉑為C。即EAC(100，0)3.13mV EBC(100，0)-1.02 mV則 EAB(100，0)4.15mV2.2.2 熱電偶

23、的結(jié)構(gòu)形式1材料：原理上來講任何兩種金屬材料都可配成熱電偶。目前工業(yè)上常用的4種標準熱電偶材料為：鉑銠30鉑銠6、鉑銠10鉑、鎳鉻鎳硅和鎳鉻銅鎳。2分類：普通熱電偶：它一般由熱電極、絕緣套管、保護管和接線盒組成。鎧裝熱電偶：也叫纜式熱電偶 測量結(jié)熱容量小、熱慣性小、動態(tài)響應(yīng)快、繞性好、強度高、抗震好.薄膜熱電偶：用于測量固體表面小面積瞬時變化的溫度，特點是熱容量小，時間常數(shù)小、反應(yīng)速度快。2.2.3熱電勢的測量教 學 內(nèi) 容 及 步 驟單點溫度的測量：并聯(lián)熱電偶：測量平均溫度串聯(lián)熱電偶：輸出電動勢為每個熱電動勢之和。在應(yīng)用熱電偶串、并聯(lián)測溫時，應(yīng)注意兩點：一、必須用同一分度號的熱電偶；二、兩熱

24、電偶的參考端溫度相等。2.2.4熱電偶冷端溫度補償1、冷端恒溫修正法因各種熱電偶的分度關(guān)系是在冷端溫度為0時得到的,如果測溫熱電偶的熱端為t，冷端溫度t0(t00)，就不能用測得的E(t,t0)去查分度表得t,必須根據(jù)下式進行修正： 式中：E(t,0)-冷端為0而熱端為t時的熱電勢；E(t, t0)-冷端為t0而熱端為t時的熱電勢；E(t0,0)-冷端為0時應(yīng)加的校正值。 2、儀表機械零點調(diào)整法對于具有零位調(diào)整的顯示儀表而言，如果熱電偶冷端溫度t0較為恒定時，可采用測溫系統(tǒng)未工作前，預(yù)先將顯示儀表的機械零點調(diào)整到t0上,這相當于把熱電勢修正值E(t0,0)預(yù)先加到了顯示儀表上,當此測量系統(tǒng)投入

25、工作后,顯示儀表的示值就是實際的被測溫度值。 3、補償電橋法 當熱電偶冷端處溫度波動較大時,一般采用補償電橋法,基測量線路如圖3-1所示。補償電橋法是利用不平衡電橋(又稱冷端補償器)產(chǎn)生不平衡電壓來自動補償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢變化。教 學 內(nèi) 容 及 步 驟采用補償電橋法是必須注意下列幾點： （1）補償器接入測量系統(tǒng)時正負極性不可接反。 （2）顯示儀表的機械零位應(yīng)調(diào)整到冷端溫度補償器設(shè)計時的平衡溫度，如補償器是按t0=20時電橋平衡設(shè)計的，則儀表機械零位應(yīng)調(diào)整到20處。 （3）因熱電偶的熱電勢和補償電橋輸出電壓兩者隨溫度變化的特性不完全一致，故冷端補償器在補償溫度范圍內(nèi)得不到完全

26、補償，但誤差很小，能滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要。以上幾種補償法常用于熱電偶和動圈顯示儀表配套的測溫系統(tǒng)中。由于自動電子電位差計和溫度變送器等溫度測量儀表的測量線路中已設(shè)置了冷端補償電路，因此，熱電偶與它們配套使用時不用再考慮補償方法，但補償導(dǎo)線仍舊需要。教 學 內(nèi) 容 及 步 驟作業(yè)內(nèi)容作業(yè)批改記錄時間系班級應(yīng)交實交缺交作業(yè)學生姓名作業(yè)批改問題及分析教學札記教 案201 年 月 日 第 周 累計(li j)第 個教案(jio n) 課時(ksh)課題2.3-2.5課型目的要求知 識目 標1、了解熱電阻、半導(dǎo)體傳感器的材料特點；2、掌握非接觸式溫度傳感器的工作原理及應(yīng)用；3、掌握熱電阻、半導(dǎo)體傳感器的電

27、阻溫度特性，溫度傳感器的應(yīng)用。能 力目 標培養(yǎng)學生的實際應(yīng)用能力思想教育嚴謹?shù)膶W習態(tài)度和習慣重 點難 點分 析教學重點：熱電阻、半導(dǎo)體溫度傳感器的溫度特性教學難點：溫度傳感器的應(yīng)用舉例教學方法講授教具學具與實驗準備組織教學時間系班級缺課學生名單教 學 內(nèi) 容 及 步 驟2.3 金屬熱電阻式溫度傳感器一般稱為熱電阻傳感器，是利用金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變化而變化的原理進行測溫的。熱電阻廣泛用來測量220850范圍內(nèi)的溫度。溫度敏感元件是電阻體，電阻體由金屬導(dǎo)體組成2.3.1測溫原理熱電效應(yīng)：在金屬導(dǎo)體兩端加電壓后，使其內(nèi)部雜亂無章運動的自由電子形成有規(guī)律的定向運動，使導(dǎo)體導(dǎo)電。當溫度升高時由于自

28、由電子獲得較多的能量，能從定向運動中掙脫出來，從而定向運動被削弱，導(dǎo)電率降低，電阻率增大。2.3.2熱電阻的材料、結(jié)構(gòu)熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應(yīng)用最多的是鉑和銅，此外，現(xiàn)在已開始采用甸、鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。為了避免通過交流電時產(chǎn)生感抗，或有交變磁場時產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，在繞制時要采用雙線無感繞制法。由于通過這兩股導(dǎo)線的電流方向相反，從而時期產(chǎn)生的磁通相互抵消。2.3.3鉑熱電阻的溫度特性（1）在0-850范圍內(nèi)： （2）在-200-0范圍內(nèi)： 式中A、B、C的系數(shù)各為： A=3.968410-3 ；B=-5.84710-72 C=-4.2210-124教 學 內(nèi) 容 及 步 驟2.

29、3.4銅熱電阻的溫度特性在-50-150范圍內(nèi)： 式中 A=4.2889910-3；B=-2.13310-72；C=1.23310-93 由于B、C比A小得多，所以公式可以簡化為： RtR0(1+At)2.3.5熱電阻傳感器的結(jié)構(gòu)熱電阻傳感器是由電阻體、絕緣管、保護套管、引線和接線盒組成。2.3.6 熱電阻測溫系統(tǒng)的組成熱電阻測溫系統(tǒng)一般由熱電阻、連接導(dǎo)線和顯示儀表等組成。必須注意以下兩點： 1、熱電阻和顯示儀表的分度號必須一致；2、為了消除連接導(dǎo)線電阻變化的影響，可以采用三線制或四線制接法。三線制熱電阻與溫度采集模塊連接圖如下圖所示 在采集模塊中A、B兩個端子是用來接收電壓信號的，一般是毫伏

30、級電壓信號。C端是一個電流輸出端子，工作時由采集模塊輸出一個恒定的電流信號。這樣在熱電阻C、B端會流過一個恒定的電流，當溫度變化時，熱電阻的阻值變化，這樣，A、B端的電壓信號就隨著溫度的變化而線性變化。達到測溫的目的。 一般的溫度表C端的輸出電流是廠家設(shè)置的，只需要接線即可。教 學 內(nèi) 容 及 步 驟2.4 半導(dǎo)體熱敏電阻式溫度傳感器半導(dǎo)體熱敏電阻的材料是一種由錳、鎳、銅、鉆、鐵等金屬氧化物按一定比例混合燒結(jié)而成的半導(dǎo)體，其導(dǎo)電性取決于電子空穴的濃度。2.4.1熱敏電阻的分類1、PTC：正溫度系數(shù)熱敏電阻；在測量溫度范圍內(nèi)，其阻值隨溫度增加而增加；2、CTR：臨界溫度系數(shù)熱敏電阻；臨界溫度系數(shù)

31、熱敏電阻的特點是在臨界溫度附近電阻有急劇變化，因此不適于較寬溫度范圍內(nèi)的測量；3、NTC：負溫度系數(shù)熱敏電阻。其阻值隨溫度增加而呈下降趨勢。測溫原理：在低溫下電子空穴的濃度很低，故電阻率很大隨著溫度的升高，電子空穴的濃度按指數(shù)規(guī)律增加，電阻率迅速減小，其溫阻特性：RT=R0eB(1/T-1/TO)。典型的熱敏電阻元件有圓形、桿形和珠形等，其結(jié)構(gòu)及溫度特性如圖所示。 負溫度系數(shù)熱敏電阻的性能：1）電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高；2）結(jié)構(gòu)簡單，體積小，可測點溫；3）電阻率高，熱慣性小，適用于動態(tài)測量；4）易于維護和進行遠距離測量；教 學 內(nèi) 容 及 步 驟5）制造簡單，使用壽命長；6）互換性差，非線性嚴

32、重。2.4.2 溫度測量非線性修正由于熱敏電阻與溫度的關(guān)系呈較強的非線性，使得他的測量范圍和精度受到一定限制，為了解決這兩方面的問題，常利用溫度系數(shù)很小的金屬電阻與熱敏電阻串聯(lián)和并聯(lián)，使熱敏電阻阻值在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系。常用的方法是：1）線性網(wǎng)絡(luò)；2）綜合修正；3）計算修正法2.5 非接觸式溫度傳感器1、工作原理當物體受熱后電子運動的動能增加，有一部分熱能轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛淠?，輻射能量的多少與物體的溫度有關(guān)。當溫度較低時，輻射能力弱；當溫度高于一定值之后，可以用肉眼觀測到光，其發(fā)光亮度與溫度值有一定關(guān)系。 2、分類全輻射式溫度傳感器、亮度溫度傳感器、比色式溫度傳感器。全輻射式溫度傳感器利用物體在全光

33、譜范圍內(nèi)總輻射能量與溫度的關(guān)系測量溫度。由于實際物體吸收能力小于絕對黑體，所以用全輻射溫度傳感器測得的溫度總是低于物體的真實問度，該測得溫度稱為輻射溫度。教 學 內(nèi) 容 及 步 驟輻射溫度：非黑體的總輻射能量ET等于絕對黑體的總輻射能量時，黑體的溫度即為非黑體的輻射溫度Tr，則物體的真實溫度T與輻射溫度Tr的關(guān)系為T=Tr（1/T）1/4特點：適用于遠距離，不能直接接觸的高溫物體。b.亮度式溫度傳感器利用物體的單色輻射亮度隨溫度變化的原理，并以被測物體光譜的一個狹窄區(qū)域內(nèi)的亮度與標準輻射體的亮度進行比較來測量溫度，物體的真實溫度 TL的關(guān)系1/T1/TL=/C2lnt特點：量程較寬，有較高的測

34、量精度用于測量（7003200）范圍的澆鑄、軋鋼、鍛壓、熱處理時的溫度，動態(tài)響應(yīng)快。 c.比色溫度傳感器測量兩個波長的輻射亮度之比為基礎(chǔ)。由于是比較兩個波長的亮度故稱為比色測量法。比色溫度：定義為非黑體輻射的兩個波長1和2的比。特點：由于測量連續(xù)自動檢測鋼水、鐵水、爐渣和表面沒有覆蓋物的高溫物體溫度，優(yōu)點是反應(yīng)速度快、測量范圍寬、測量溫度近似于實際值。教 案201 年 月 日 第 周 累計(li j)第 個教案(jio n) 課時(ksh)課題第三章 力傳感器 3.1-3.2課型新授目的要求知 識目 標1了解彈性敏感元件的作用及特性2熟悉彈性敏感元件分類及如何使用3理解并掌握電阻應(yīng)變片傳感器原

35、理及測量電路分析能 力目 標培養(yǎng)學生分析與解決問題的能力思想教育嚴謹?shù)膶W習態(tài)度和習慣重 點難 點分 析1.電阻應(yīng)變片傳感器的工作原理分析2.電阻應(yīng)變片傳感器測量電路分析教學方法講授、討論教具學具與實驗準備組織教學時間系班級缺課學生名單教 學 內(nèi) 容 及 步 驟第三章 力傳感器3.1 彈性敏感元件3.1.1彈性敏感元件的特性1剛度剛度是彈性元件在外力作用下變形大小的量度，一般用 k來表示。k=2靈敏度是指彈性敏感元件在單位力作用下產(chǎn)生變形的大小，在彈性理學中稱為彈性元件的柔度。它是剛度的倒數(shù)，用K表示。3彈性滯后實際的彈性元件在加卸載的正反形成中變形曲線是不重合的，這種現(xiàn)象是彈性滯后。產(chǎn)生的主要

36、原因是：彈性敏感元件在工作過程中存在內(nèi)摩擦。4彈性后效當載荷從某一數(shù)值變化到另一數(shù)值時，彈性元件變形不是立即完成相應(yīng)的變形，而是經(jīng)過一定的時間間隔逐步完成變形的，這種現(xiàn)象稱為彈性后效。5固有震蕩頻率彈性元件都有自己的固有的震蕩頻率f0將影響傳感器的動態(tài)特性。傳感器的工作頻率應(yīng)該避開彈性元件的固有頻率，往往希望固有震蕩頻率f0較高，3.1.2彈性敏感元件的分類1力的彈性敏感元件 包括等截面圓柱式、圓環(huán)式、等截面薄板式、懸臂梁式、扭轉(zhuǎn)式。2的彈性敏感元件 包括彈簧管、波紋管、波紋膜片、薄壁圓筒。教 學 內(nèi) 容 及 步 驟3.2 電阻應(yīng)變片傳感器3.2.1金屬絲的電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻絲在外力作用下發(fā)生機

37、械變形時，其電阻值發(fā)生變化，這一現(xiàn)象就是電阻絲的應(yīng)變效應(yīng)。設(shè)有一段長為 ，截面為 ，電阻率為 的金屬絲，則它的電阻為 當它受到軸向力F而被拉伸(或壓縮)時，其 、 、 均發(fā)生變化，如圖示，如取金屬絲是半徑為 的圓形截面 ，那么 故電阻的相對變化為 教 學 內(nèi) 容 及 步 驟3.2.2 應(yīng)變片結(jié)構(gòu)與類型應(yīng)變片結(jié)構(gòu)如圖所示，它主要是由金屬絲柵(敏感柵)、絕緣基片及覆蓋片三部分組成應(yīng)變片阻值常用的有60、120、200、320、350、500、1000，其中120最為常用。電阻應(yīng)變片主要分為金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩類，金屬電阻應(yīng)變片分為體型和薄膜型。屬于體型的有電阻絲應(yīng)變片、箔式應(yīng)變片和應(yīng)變花

38、。電阻絲應(yīng)變片：電阻絲應(yīng)變片有圓角線柵式和直角線柵式兩種。前者制造方便，為最常見形式，但它的橫向效應(yīng)較大。金屬箔式應(yīng)變片： 3.2.3測量電路直流電橋電橋線路是由聯(lián)接成環(huán)形的四個電阻所組成，如圖示。 教 學 內(nèi) 容 及 步 驟一個橋臂電阻有變化，例如橋臂1電阻有R1的變化，則電橋的輸出電壓為若取 R1=R2=R3=R4 則當 時，則 兩個橋臂電阻有變化，如橋臂電阻 R1和鄰邊橋臂電阻 R2都有電阻變化，即 R1變?yōu)镽1+R1， R2變?yōu)?R1+R1，當 R1=R2=R3=R4=R0，且時， 這稱為半橋雙臂工作電橋。教 學 內(nèi) 容 及 步 驟四個橋臂電阻均有變化，假設(shè)R1 、R2 、R3 、R4

39、 的變化量分別為R1 、R2 、R3 、R4 ，R1 = R2= R3= R4= R0，則其輸出電壓為 可以看到：相鄰邊兩橋臂電阻變化是各自引起的輸出電壓相減，相對邊二橋臂電阻變化是各自引起的輸出電壓相加。3.2.4 電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用按用途，應(yīng)變式傳感器可以分為應(yīng)變式測力、應(yīng)變式壓力、應(yīng)變式加速度傳感器等。(1)應(yīng)變式測力傳感器 (2)應(yīng)變式加速度傳感器教 學 內(nèi) 容 及 步 驟(3)應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)用舉例案例一：橋梁固有頻率測量原理：在橋中設(shè)置一三角形障礙物，利用汽車礙時的沖擊對橋梁進行激勵，再通過應(yīng)變片測量橋梁動態(tài)變形，得到橋梁固有頻率。案例二：電子稱原理：將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化

40、結(jié)構(gòu)變形再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。 教 案201 年 月 日 第 周 累計(li j)第 個教案(jio n) 課時(ksh)課題3.3壓電傳感器課型新授目的要求知 識目 標1了解晶體、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)2理解眼點傳感器的等效電路3掌握石英晶體的壓電效應(yīng)分析4掌握壓電傳感器的測量電路能 力目 標培養(yǎng)學生分析和解決問題的能力思想教育嚴謹?shù)膶W習態(tài)度和習慣重 點難 點分 析重點：1、石英晶體的壓電效應(yīng)2、壓電傳感器的測量電路難點：測量電路的分析教學方法講授教具學具與實驗準備組織教學時間系班級缺課學生名單3.3壓電傳感器3.3.1壓電效應(yīng)某些晶體，當沿一定方向受到外力作用時，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在

41、某兩個表面上產(chǎn)生大小相等符號相反的電荷；當外力去掉后，恢復(fù)到不帶電狀態(tài)；當作用力方向改變時，電荷的極性隨著改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比，這種現(xiàn)象叫壓電效應(yīng)，也叫正壓電效應(yīng)。反之，如對晶體施加電場，晶體將在一定方向上產(chǎn)生機械變形；當外加電場撤去后，該變形也隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，也稱作電致伸縮效應(yīng)。+F+串聯(lián)并聯(lián)q=DF教 學 內(nèi) 容 及 步 驟1）縱向壓電效應(yīng)：沿x軸施加作用力，晶體表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。電荷出現(xiàn)在與x軸相垂直的表面上。產(chǎn)生的電荷量為： 其中，：縱向壓電常數(shù)；：作用力。2）橫向壓電效應(yīng)：沿 y 軸施加作用力，晶體表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。電荷仍出現(xiàn)在與 x

42、軸相垂直的表面上。產(chǎn)生的電荷量為：式中，：橫向壓電常數(shù)； ：作用力； b ：x向厚度； a ：y向長度。由于力所施加的表面與感生電荷的表面不同，電荷量與晶體尺寸有關(guān)。根據(jù)石英晶體軸對稱的條件，從而：即橫向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷與縱向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷極性相反。電壓：3.3.3 壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷具有與鐵磁材料磁疇類似的電疇結(jié)構(gòu)。當壓電陶瓷極化處理后，陶瓷材料內(nèi)部存有很強的剩余場極化。當陶瓷材料受到外力作用時，電疇的界限發(fā)生移動，引起極化強度變化，產(chǎn)生了壓電效應(yīng)。 3.3.4 壓電式傳感器的測量電路1. 壓電元件的串聯(lián)與并聯(lián)圖(a)為串聯(lián)形式，由圖可知極板上的電荷量，電壓，電容。圖(b)為并

43、聯(lián)形式，由圖可知極板上的電荷量，電壓 ，電容。 2. 壓電傳感器的等效電路給壓電晶片加上電極就構(gòu)成了最簡單的壓電式傳感器。當壓電傳感器受到沿其敏感軸向的外力作用時，就在兩電極上產(chǎn)生極性相反的電荷，因此它相當于一個電荷源（靜電發(fā)生器）。由于壓電晶體是絕緣體，當它的兩極表面聚集電荷時，它又相當于一個電容器，其電容量教 學 內(nèi) 容 及 步 驟當壓電晶體受外力作用時，兩表面產(chǎn)生等量的正、負電荷Q，可求出其開路電壓（負載電阻為無窮大時）為：壓電式傳感器既可等效為電荷源又可等效為電容器，其等效電路可認為是二者的并聯(lián)，如圖（a）所示，也可認為是一個電壓源和一個電容器串聯(lián)，如圖（b）所示。其中Ra為壓電元件的

44、漏電阻。 壓電式傳感器工作時，需與二次儀表配套使用，此時的等效電路如圖所示。圖中Cc為傳感器電纜電容，Ri為放大器輸入電阻，Ci為輸入電容。 3. 壓電傳感器測量電路壓電傳感器具有兩種等效電路：電荷等效電路和電壓等效電路，因此前置放大器也有兩種形式：電壓放大器和電荷放大器。電壓放大器（阻抗變換器）電壓放大器的功能是將壓電傳感器的高輸出阻抗變?yōu)檩^低阻抗，并將壓電式傳感器的微弱電壓信號放大。其等效電路如圖所示。教 學 內(nèi) 容 及 步 驟放大器的實際輸入電壓 Uim與理想情況的輸入電壓 Uom的幅值比為令，則上式可寫為：式中 為測量回路的時間常數(shù)。由式和）繪出電壓幅值比、相角與頻率的關(guān)系如圖所示。從

45、圖中可以看出：教 學 內(nèi) 容 及 步 驟=0時，即作用在壓電傳感器上的力是靜態(tài)力時，前置放大器的輸入電壓為0。這是因為實際上放大器的輸入阻抗不可能為無窮大，而壓電傳感器也不能絕對絕緣，因此產(chǎn)生的電荷就會通過放大器的輸入電阻和傳感器本身的泄露電阻漏掉。這就從原理上說明了壓電式傳感器不能測量靜態(tài)物理量。當3時，可以近似看作放大器的輸入電壓與作用力的頻率無關(guān)。在時間常數(shù) 一定的條件下，被測物理量的變化頻率越高，則放大器的輸入電壓越接近理想情況。說明壓電傳感器具有良好的高頻響應(yīng)特性。為了提高傳感器的低頻特性，就必須提高回路的時間常數(shù)。由于，所以提高可以有兩種方法：提高 R和提高。傳感器的靈敏度當時由式

46、上式可知 增大，則傳感器的靈敏度將下降，這是我們所不希望的，因此只有通過提高R的方法來提高傳感器的時間常數(shù)。為了提高R要選擇輸入阻抗高的放大器。由式上式還可以看出電纜分布電容的改變將會直接影響傳感器的靈敏度。在設(shè)計時，常常把電纜長度定為一常值（如30m），但也不能太長，增長電纜，電纜電容 Cc隨之增大，將使傳感器的靈敏度Su降低。教 學 內(nèi) 容 及 步 驟電荷放大器電荷放大器是一種輸出電壓與輸入電荷量成正比的前置放大器。壓電傳感器可以等效為一個電容器 Cc和一個電荷源，而電荷放大器實際上是一個具有深度電容負反饋的高增益運算放大器。壓電傳感器與電荷放大器聯(lián)接的等效電路如圖所示。 圖中 Cf為電荷

47、放大器的反饋電容， Rf為并在反饋電容兩端的漏電阻，K為運算放大器的開環(huán)增益。輸出電壓表達式為：，由于很大，所以上式可以簡化為：可見，電荷放大器的輸出電壓僅與輸入電荷和反饋電容有關(guān)，只要保持反饋電容的數(shù)值不變，輸出電壓就正比于輸入電荷，當時，可以認為傳感器的靈敏度與電纜電容無關(guān)。教 學 內(nèi) 容 及 步 驟3.3.5 壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)YDS-781型由底座、傳力上蓋、片式電極、石英晶片、絕緣件及電極引出插座組成。3.3.6 壓電材料1、壓電單晶 2、多晶壓電陶瓷 3、高分子有機壓電材料 4、壓電半導(dǎo)體 3.3.7 應(yīng)用舉例a) 加速度計，力傳感器 b) 壓力變送器教 案201 年 月 日 第

48、周 累計(li j)第 個教案(jio n) 課時(ksh)課題3.4電容式傳感器課型新授目的要求知 識目 標1了解各種電容式傳感器的特點及主要特性2掌握各種電容式傳感器的工作原理分析3理解電容式傳感器的測量電路能 力目 標培養(yǎng)學生的理解與分析能力思想教育嚴謹?shù)膶W習態(tài)度和習慣重 點難 點分 析重點：電容式傳感器的工作原理及測量電路難點：傳感器測量電路的分析教學方法講授教具學具與實驗準備組織教學時間系班級缺課學生名單教 學 內(nèi) 容 及 步 驟3.4電容式傳感器3.4.1電容式傳感器的工作原理兩平行極板組成的電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為當被測量的變化使式中的、 S或任一參數(shù)發(fā)生變化時，電

49、容量C也就隨之變化。電容式傳感器有三種基本類型，即變極距或稱變間隙型，變面積型和變介電常數(shù)型，而它們的電極形狀又有平板形、圓柱形和球平面形(較少采用)三種。3.4.2變極距型電容傳感器+ 圖示是變極距電容傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。圖中(a)、(b)結(jié)構(gòu)的電容增量：3.4.3變面積型電容傳感器可分為角位移型、平面線位移型、柱面線位移型三種，如圖所示。教 學 內(nèi) 容 及 步 驟角位移型 平面線位移型 柱面線位移型 +圖中（a）、（b）、（c）為單邊式，（d）為差動式(圖中(a)、(b)結(jié)構(gòu)也可做成差動形式)。與變極距型相比，它們的測量范圍大，可測較大的線位移或角位移(1至幾十度)。當被測量變化使可動極2

50、位置移動時，就改變了兩極板間的遮蓋面積，電容量C也就隨之變化。對于平板單邊直線位移式(圖(a) ，若忽略邊緣效應(yīng)，則電容增量為 對于平板單邊直角位移式(圖(b) ，若忽略邊緣效應(yīng)，則電容增量為圓柱形電容器（圖（c）、（d）的電容量為：教 學 內(nèi) 容 及 步 驟對于單邊圓柱形線位移式，當可動極位置移動 時，忽略邊緣效應(yīng)，電容變化量為3.4.4變介電常數(shù)型電容傳感器變介電常數(shù)型電容傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖所示。這種傳感器大多用來測量電介質(zhì)的厚度(圖(a)、位移(b)、液位(圖(c)，還可根據(jù)極間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度改變而改變來測量溫度、濕度(圖(d)等。3.4.5 測量電路目前較常采用的有電橋電

51、路、諧振電路、調(diào)頻電路和運算放大器式電路等，如圖所示。這里只介紹電橋電路和運算放大器電路。a) 電橋電路 b) 諧振電路 c) 調(diào)頻電路 d) 運算放大器電路 教 學 內(nèi) 容 及 步 驟1、電橋電路將電容傳感器接入交流電橋作為電橋的一個臂或兩個相鄰臂，另兩臂可以是電阻、電容或電感，也可以是變壓器的兩個次級線圈，如圖所示。電容式傳感器構(gòu)成交流電橋的一些形式從電橋靈敏度考慮，圖(a)(f)中，以(f)形式為最高，(d)次之。在設(shè)計和選擇電橋形式時，除了考慮其靈敏度外，還應(yīng)考慮輸出電壓是否穩(wěn)定(即受外界干擾影響大小)，輸出電壓與電源電壓間的相移大小，電源與元件所允許的功率以及結(jié)構(gòu)上是否容易實現(xiàn)等等。

52、在實際電橋電路中，還附加有零點平衡調(diào)節(jié)、靈敏度調(diào)節(jié)等環(huán)節(jié)。圖(g)形式的電橋(緊耦合電感臂電橋)具有較高的靈敏度和穩(wěn)定性，且寄生電容影響極小，大大簡化了電橋的屏蔽和接地，非常適合于高頻工作，目前已開始廣泛應(yīng)用。圖(h)形式的電橋(變壓器式電橋)，使用元件最少，橋路內(nèi)阻最小，因此目前較多采用?？梢姴顒邮诫娙輦鞲衅鹘尤胱儔浩魇诫姌颍敺糯笃鬏斎胱杩箻O大時，對任教 學 內(nèi) 容 及 步 驟何類型的電容式傳感器，電橋輸出電壓與輸入位移成線性關(guān)系。應(yīng)該指出：由于電橋輸出電壓與電源電壓成比例，因此要求電源電壓波動極小，需采用穩(wěn)幅、穩(wěn)頻等措施，在要求精度很高的場合，如飛機用油量表，可采用自動平衡電橋；傳感器必

53、須工作在平衡位置附近，否則電橋非線性增大；接有電容傳感器的交流電橋輸出阻抗很高(一般達幾兆歐至幾十兆歐)，輸出電壓幅值又小，所以必須后接高輸入阻抗放大器將信號放大后才能測量。2、運算放大器式電路由以下關(guān)系：解得： 3.4.6電容式傳感器應(yīng)用舉例1.電容式加速度傳感器 電容式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖教 學 內(nèi) 容 及 步 驟2.電容傳感器測量液液位檢測電路圖3.電容式荷重傳感器教 案201 年 月 日 第 周 累計(li j)第 個教案(jio n) 課時(ksh)課題3.5電感式傳感器課型新授目的要求知 識目 標1了解電感式傳感器的分類2掌握各種電感式傳感器的工作原理及測量電路3掌握力傳感器的應(yīng)

54、用實例分析能 力目 標培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力思想教育嚴謹?shù)膶W習態(tài)度和習慣重 點難 點分 析重點：1、自感式傳感器的工作原理分析2、互感式傳感器的工作原理分析難點：電感式傳感器兩種測量電路的分析教學方法講授教具學具與實驗準備組織教學時間系班級缺課學生名單教 學 內(nèi) 容 及 步 驟3.5電感式傳感器3.5.1定義電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被測量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。3.5.2自感式傳感器(可變磁阻式)1類型：c）單螺管線圈型b）差動型d）雙螺管線圈差動a)可變導(dǎo)磁面積型2工作原理教 學 內(nèi) 容 及 步 驟線圈的匝數(shù)為 N，通入線圈中的電流為 I，每匝線圈產(chǎn)生的磁通為，由電感定義有 設(shè)

55、磁路總磁阻為 RM，磁通為 磁路的總磁阻 RM是由鐵芯磁阻 RF和空氣隙磁阻 R組成的，即因為一般導(dǎo)磁體的磁阻與空氣隙的磁阻相比是很小的，計算時可以忽略不計，當銜鐵隨外作用力向上移動時，氣隙減少，為=0-，則此時的電感量變?yōu)殡姼械淖兓繛榻?學 內(nèi) 容 及 步 驟電感的相對變化量為3.5.3電感傳感器的測量電路交流電橋是電感傳感器的主要變換電路。圖示為交流電橋的一般形式，開路輸出電壓 3.5.4電感傳感器的誤差分析（1）電源電壓和頻率波動造成的誤差（2）溫度變化造成的誤差（3）非線性誤差（4）零位誤差產(chǎn)生零位誤差的原因有以下幾種：兩個線圈的電氣參數(shù)及導(dǎo)磁體的幾何尺寸不可能完全對稱；線圈的分布電

56、容不對稱；電源電壓中含有高次諧波；傳感器工作在磁化曲線的非線性段。教 學 內(nèi) 容 及 步 驟3.5.5互感型差動變壓器差動變壓器是互感式電感傳感器，它可以將被測量的變化轉(zhuǎn)換為互感系數(shù)M的變化。其工作原理類似于變壓器，并常常做成差動的，故稱為差動變壓器。 1、 工作原理當初級線圈加以適當頻率的電壓激勵時，在兩個次級線圈中就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢E21和E22。初始狀態(tài)時，銜鐵處于中間位置，即兩邊氣隙相同，兩次級線圈的互感相等，即M1=M2，由于兩個次級線圈做得一樣，磁路對稱，所以兩個次級線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢相同，即有E21=E22，當次級線圈接成反向串聯(lián)，則傳感器的輸出為E2=E21-E22=0。當銜

57、鐵偏離中間位置時，兩邊的氣隙則不相等，這樣兩次級線圈的互感M1和M2發(fā)生變化，即M1M2，從而產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢也不再相同，即，。2、 結(jié)構(gòu)形式及特性差動變壓器的結(jié)構(gòu)形式可分為氣隙型、變面積型和螺管型三種。對于三節(jié)式差動變壓器， 在理想情況下，忽略銜鐵損耗和線圈寄生電容等因素的影響，其等效電路如圖所示，次級線圈的感應(yīng)電動勢 E21、E22分別為：教 學 內(nèi) 容 及 步 驟空載輸出電勢為：應(yīng)用有關(guān)的磁場定律可以求解出互感系數(shù)M1和M2 ： 得： 當銜鐵處于中間位置時有l(wèi)1=l2=l0，則E2=0。當銜鐵有位移 時，則l1=l0+l，l2=l0-l，得 E2=k1l(1-k2l2)傳感器的輸出特性曲

58、線如圖所示。3、 差動變壓器的測量電路差動變壓器的轉(zhuǎn)換電路，如圖所示，傳感器的空載輸出電壓等于兩個次級線圈感應(yīng)電動勢之差，即 E2=E21-E22。教 學 內(nèi) 容 及 步 驟圖（a）、（b）用在聯(lián)結(jié)低阻抗負載的場合，是電流輸出型。圖（c）、（d）用在聯(lián)結(jié)高阻抗負載的場合，是電壓輸出型。差動整流后的輸出電壓的線性與不經(jīng)整流的次級輸出電壓的線性有些不同，當二次線圈阻抗高，負載電阻大，接入電容器進行濾波時，其輸出線性的變化傾向是：當鐵芯位移大時，輸出靈敏度增加，利用這一特性就能夠使差動變壓器的直線范圍擴展。3.6 力傳感器應(yīng)用力傳感器可以用來測量厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,壓縮,垂直度;壓力,流量

59、,液位;張力,重力,負荷量;扭矩,應(yīng)力,動力;氣壓,溫度;振動,速度,加速度等. （1）位移的測量 （2）力和力矩的測量 教 學 內(nèi) 容 及 步 驟案例一：板的厚度測量 案例二：張力測量 教 案201 年 月 日 第 周 累計(li j)第 個教案(jio n) 課時(ksh)課題第四章課型新授目的要求知 識目 標1熟悉光電效應(yīng)的類型及各自定義2掌握利用各種光電效應(yīng)制成的光電元件的特性3掌握光電傳感器的幾個應(yīng)用實例能 力目 標培養(yǎng)學生的理解與應(yīng)用能力思想教育嚴謹?shù)膶W習態(tài)度和習慣重 點難 點分 析重點：1、各類光電元件的特性分析2、光電傳感器應(yīng)用分析難點：傳感器的動態(tài)特性分析教學方法講授、討論教

60、具學具與實驗準備組織教學時間系班級缺課學生名單教 學 內(nèi) 容 及 步 驟第四章 光電式傳感器4.1 光電效應(yīng)4.1.1三種類型（1）外光電效應(yīng)在光的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面，向外發(fā)射的現(xiàn)象叫外光電效應(yīng)。紅限頻率：物質(zhì)產(chǎn)生外光電效應(yīng)的最低頻率，稱為紅限頻率。利用外光電效應(yīng)制成的光電器件有真空光電管、充氣光電管和光電倍增管。（2）內(nèi)光電效應(yīng)（光導(dǎo)效應(yīng)）在光的作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，引起物體電阻率的變化，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。由于這里沒有電子自物體向外發(fā)射，僅改變物體內(nèi)部的電阻或電導(dǎo)，有時也稱為內(nèi)光電效應(yīng)。與外光電效應(yīng)一樣，要產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)，也要受到紅限頻率限制。