现代检测技术教案

➢教学要求➢教学手段多媒体课件，实物演示➢教学课时1学时➢教学内容一．检测(Detection)的定义(联系具体、日常生活的例子，如举“操冲秤象”的例子过程来说明检测的定义)检测是利用各种物理、化学效应，选择合适的方法与装置，将生产、科研、生活等程。能够自动地完成整个检测处理过程的技术称为自动检测与转换技术。二．检测技术在国民经济中的地位和作用举例说明：检测技术是现代化领域中很有发展前途的技术，它在国民经济中起着极的作用。三．工业检测技术的内容(了解)工业检测涉及的内容量浊度、透明度、颜色工作机械的运动状态(启停等)、频率、脉宽、相位、波形、频谱、能量面动、噪声、质量(重量)形状、平行度、同轴度、粗糙度、硬度、材料缺陷被测量类型物体的性质和成分量状态量被测量类型工量机械量何量四．自动检测系统的组成(掌握)2.传感器(Transducer)及定义置五．检测技术的发展趋势(举例介绍)当前，检测技术的发展主要表现在以下几个方面：1.不断提高检测系统的测量精度、量程范围、延长使用寿命、提高可靠性2.应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域3.发展集成化、功能化的传感器4.采用计算机技术，使检测技术智能化5.发展网络化传感器及检测系统六．本课程的任务和学习方法本课程的任务是：在阐明测量基本原理的基础上，逐一分析各种传感器是如何将本课程的学习方法是：要理论联系实际，要举一反三(演示光电开关，提问和讨论可以哪有几种用途，启发！)，富于联想，善于借鉴，关心和观察周围的各种机械、电气等留一个问题给学生回去思考：举出课堂上演示过的光电开关共有哪几种用途，第二次上课时，回答得越多越好。第一章检测技术的基本概念➢教学要求6．掌握传感器基本特性➢教学手段多媒体课件、压力表演示➢教学课时2学时➢教学内容第一节测量的一般概念及方法对于测量方法，从不同的角度出发，有不同的分类方法。(须举例说明)：2.直接测量和间接测量3.模拟式测量和数字式测量4.接触式测量和非接触式测量5.在线测量和离线测量第二节测量误差及分类一、绝对误差和相对误差1．绝对误差(AbsoluteError)Δ=A－Ax02．相对误差(RelativeError)(掌握基本概念！)(1)示值(标称)相对误差y(2)满度(引用)相对误差ym我国模拟仪表有下列七种等级：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0。表1-1仪表的准确度等级和基本误差级基本误差x示值相对误差y随示值的减小而增大。x。念)1．粗大误差(举例)2．系统误差(举例)3．随机误差(举例)分析正态分布的规律：(举例)(1)有界性(2)对称性(3)集中性三、静态误差和动态误差1．静态误差(StaticError)(举例)2．动态误差(DynamicError)(举例)第三节传感器及基本特性讨论传感器的组成及框图：传感器由敏感元件，传感元件及测量转换电路三部分组成。图1-5：电位器式压力传感器原理框图(演示该传感器)二、传感器分类1)按被测量分类2)按测量原理分类三、传感器基本特性1.灵敏度(是否越大越好？)分析：图1-6，用作图法求取传感器的灵敏度(先看多媒体动画)2.分辨力(举例)3.线性度(数值大好还是小好？)图1-7：传感器线性度作图(先看多媒体动画)4.稳定性(Regulation)(举例说明重要性)5.电磁兼容性(EMC)(举例说明重要性)6.可靠性(Reliability)(1)故障平均间隔时间(MTBF)(2)平均修复时间(MTTR)故障率或失效率(入)故障率的变化大体上可分成三个阶段：(以人的一生说明)1)初期失效期2)偶然失效期3)衰老失效期阻传感器➢教学要求应变效应的应用。➢教学手段多媒体课件、应变演示及热敏电阻、气敏电阻、湿敏电阻的演示➢教学课时4学时➢教学内容第一节电阻应变式传感器于测量应力、应变、力以及质量等非电量。讨论电阻应变式传感器的组成。一、工作原理分析它在应用中的意义。R二、应变片的种类结构与粘贴1.应变片的类型与结构片的主要技术参数。(引导学生怎样看参数表)参数名称灵敏度数/度/流/2.应变片的粘贴(粘贴工艺简述，做示范)：1)试件的表面处理2)确定贴片位置3)粘贴4)固化5)粘贴质量检查6)引线的焊接与防护三、测量转换电路电阻值的变化将十分困难、且误差很大，必须使用电桥电路。复习：电桥的结点、电桥的平衡条件、调零的方法，演示调零过程。1)单臂半桥工作方式2)双臂半桥工作方式3)全桥工作方式讨论：从温度自补偿和温漂的角度来分析采用双臂半桥或全桥的好处。四、应变效应的应用1.应变式传感器(演示)(1)应变式力传感器(2)应变式扭矩(转矩)传感器(3)应变式加速度传感器(4)应变式荷重传感器(5)压阻式固态压力传感器(6)压阻式压力传感器在液位测量中的应用第二节测温热电阻传感器一、热电阻1.热电阻的工作原理及结构阻不同的原因，再从热电阻传感器的微观角度来分析其工作原理。2.热电阻的测量转换电路：引导学生想到也可以采用：图2-4的不平衡电桥二、热敏电阻1．热敏电阻的类型及特性温度型(CTR)。当温度上升到某临界点时，其电阻值突然下降。(2)PTC热敏电阻与学生一起分析：在不同的场合怎样选用不同的热敏电阻。2.热敏电阻的应用(1)热敏电阻测温(2)热敏电阻用于温度补偿(3)热敏电阻用于温度控制及过热保护(4)热敏电阻用于液面的测量三节气敏电阻换成电阻变化量，再转换为电流、电压信号。重点介绍：一、还原性气体传感器二、二氧化钛氧浓度传感器第四节湿敏电阻传感器一、大气的温度与露点1.绝对湿度与相对湿度(与学生一起讨论闷热天气的原因)2.露点(与学生一起讨论结露的原因)二、测量湿度的传感器1.金属氧化物陶瓷湿度传感器2.金属氧化物膜型湿度传感器3.高分子湿敏电阻传感器(拆开，让学生看内部结构)第三章电感式传感器➢教学要求。➢教学手段多媒体课件➢教学课时4学时➢教学内容第一节自感式传感器本工作原理：与公式(3－1)联系起来自感式电感传感器分类：变隙式、变截面式和螺线管式等三种，一、变隙式电感传感器的有关公式：(3－2)与灵敏度的关系等，分析为何只能用于微小位移的测量。二、变截面式电感传感器论述变截面式电感传感器的电感量L与气隙截面积A的正比关系、输入输出的线性关系以及线性区较小、灵敏度较低的原因。三、螺线管式电感传感器四、差动电感传感器(一)结构特点(拆开差动电感，让学生看内部结构)同；两个线圈的电气参数(如电感、匝数、直流电阻、分布电容等)和几何尺寸也完全相同。(讨论为什么需要相等)(二)工作原理和特性、提高灵敏度外，对外界影响，如温度的变化、五、测量转换电路电感式传感器的测量转换电路：采用电桥电路。然后用仪表指示出来或记录下来。(一)变压器电桥电路(二)相敏检波电路第二节差动变压器式传感器本节讨论差动变压器式传感器(DifferentialTransformerTransducer)的工作原理及结构型式(螺线管式差动变压器)主要性能。和应用。一、工作原理(演示工作过程)二、主要性能影响差动变压器灵敏度的因素：行程越小，灵敏度越高。度，材料质量；环境温度；负载电阻等。讨论差动变压器线性范围与线圈骨架长度以及与测量范围之间的关系。三、测量电路(简介)第三节电感式传感器的应用参数，如力、压力、压差、加速度、振动、工件尺寸等。一、位移测量(演示，以下同)二、电感式滚柱直径分选装置(多媒体动画)三、电感传感器在仿形机床中的应用四、电感式圆度计五、压力测量一次仪表的输出信号：可以是电压，也可以是电流。论述为什么：一次仪表中多采用电流输出型。V电源线，另一根既作为电源负极引(也就是电源负极)，将电流信号转变成电压信号。第四章电涡流式传感器➢教学要求熟悉电涡流探头结构和被测体材料、形状和大小对灵敏度的影响。➢教学手段多媒体课件、各种电涡流传感器演示➢教学课时3学时第一节电涡流传感器工作原理一、电涡流效应(演示)从金属探测器的探测过程导出电涡流传感器的电涡流效应。从金属探测器的结构来说明二、等效阻抗分析串联的回路。电涡流线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数表达式(分析其实际价值)由微机进行线性化纠正。第二节电涡流传感器结构及特性一、电涡流探头结构(实物演示)线圈结构：用多股较细的绞扭漆包线(能提高Q值)绕制而成，置于探头的端部，外部用聚四氟乙烯等高品质因数塑料密封，(图4-2)。CZF-1系列电涡流探头的性能：线线圈外径/mm7015028使用温度/°C-15+80-15+80-15+80CZF1-1000CZF1-3000CZF1-5000线性范围/m0005000线性误差(%) 力/m135就越差，灵敏度也降低。二、被测体材料、形状和大小对灵敏度的影响线圈阻抗变化与哪些因素有关：金属导体的电导率、磁导率等。第三节测量转换电路(简单介绍调幅式和调频式测量转换电路。)一、调幅式电路高频调幅式电路的原理框图。二、调频式电路器，以振荡器的频率f作为输出量。(复习并联谐振回路的谐振频率公式分析)图4-6：用调频式测量铜板与电涡流探头间距x时的特性曲线(说明什么)。第四节电涡流传感器的应用一、位移的测量介绍某些旋转机械的轴向位移测量。利用电涡流原理还可以测量诸如汽轮机主轴的轴向位移、电动机轴向窜动、磨床换向阀、先导阀的位移和金属试件的热膨胀系数等。二、振动的测量等方法。图4-8：振幅测量(演示)三、转速测量动画演示、计算：转轴上开z个槽(或齿)，频率计的读数为f(单位为Hz)，转轴的转四、镀层厚度测量用电涡流传感器测量塑料表面金属镀层的厚度，以及印刷线路板铜箔的厚度等。五、电涡流式通道安全检查门(举例：安检门)出/入口检测系统，可有效地探测出枪支、匕首等金属武器及其它大件金属物品。分析：机场、海关、钱币厂、监狱等重要场所的门禁。六、电涡流表面探伤利用电涡流传感器检查金属表面(已涂防锈漆)的裂纹以及焊接处的缺陷等。节接近开关简介接近开关定义：它能在一定的距离(几毫米至几十毫米)内检测有无物体靠近。接近开关的核心部分是“感辨头”，它必须对正在接近的物体有很高的感辨能力一、常用的接近开关分类(实物介绍)2)电涡流式(俗称电感接近开关)它只对导电良好的金属起作用；3)电容式它对接地的金属或地电位的导电物体起作用，对非地电位的导电物体灵敏度稍差(将在下一章介绍)；4)磁性干簧开关(也叫干簧管)它只对磁性较强的物体起作用(将在第十四章介绍)；5)霍尔式它只对磁性物体起作用(将在第八章介绍)。二、接近开关的特点工作可靠性强；⑤无触点、无火花、无噪声，所以适用于要求防爆的场合(防爆型)；⑥输出信号大，易于与计算机或可编程控制器(PLC)等接口；⑦体积小，安装、调整方便。它的缺点是触点容量较小，输出短路时易烧毁。三.接近开关的主要特性1额定动作距离(用卡尺测量实际距离)4.重复定位精度(重复性)第五章电容式传感器➢教学要求容式传感器的应用。➢教学手段多媒体课件、实物演示➢教学课时3学时第一节电容式传感器的工作原理及结构形式(演示)电容式传感器的工作原理说明：图5-1所示的平板电容器来说明(用电容表测量)。结论：电容量与介电常数、面积成正比(举收音机调谐电台的可变电容器为例)，与一、变面积式这一类传感器用途：检测直线位移、角位移、尺寸等参量。二、变极距式极距式电容传感器的示意图。三、变介电常数式介质名介质名称2干的纸干的谷物环氧树脂高频陶瓷低频陶瓷、压电陶瓷纯净的水电常数cr常数cr1介质名称其他气体变压器油硅油苯乙烯聚四氟乙烯聚偏二氟乙烯第二节电容式传感器的测量转换电路一、桥式电路二、调频电路(与电涡流调频电路比较)介绍电路特点：将电容式传感器作为LC振荡器谐振回路的一部LC框图。复习第三节电容式传感器的应用一、电容测厚仪(演示)析工作原理：图5-9所示。二、电容加速度传感器(演示)介绍某公司生产的电容式加速度传感器，它的体积、封装、外形等。三、湿敏电容(演示)的介质，在其两侧面镀上多孔性电极的作用。目前，成品湿敏电容主要使用以下两种吸湿性介质：多孔性氧化铝、高分子吸湿膜。四、电容式油量表分析：图5-16为电容式油量，用途：测量油箱中的油位(讨论倾斜有无影响)。五、电容式接近开关(演示在水杯外壁测量水杯中的水位)电容式接近开关的核心是以电容极板作为检测端的电容器3.电容式接近开关特性(演示)当被测物是导电物体时，LC回路很容易停振，所以灵敏度最高。4.电容式接近开关的使用(动画演示以及实物演示)。的基本概念)理学中的“压强”在检测领域和工业中称为“压力”，用p表示。它等于垂直作用于一定面积A上的力F(称为压向力)除以面积A，即p=F/A。压力的国际单位为“帕斯讨论：绝对压力、相对压力、表压的区别，用3只不同的表演示。第六章压电式传感器➢教学要求5．掌握振动的基本概念和测振传感器分类6．熟悉压电式振动加速度传感器的结构和性能指标7．了解振动的频谱分析➢教学手段多媒体课件、实物演示➢教学课时3学时第一节压电式传感器的工作原理一、压电效应(举敦煌鸣沙山的例子)图6-1：压电效应的示意图(动画)。二、压电材料的分类及特性压电式传感器中的压电元件材料分类：一类是压电晶体(单晶体)；另一类是经过极化处理的压电陶瓷(多晶体)；第三类是高分子压电材料。(一)石英晶体石英晶体特点：性能非常稳定(讨论石英手表)、自振频率高、动态响应好、机械强度(二)压电陶瓷常用的压电陶瓷材料主要有以下几种：(观看实物)1.锆钛酸铅系列压电陶瓷(PZT)2.非铅系压电陶瓷(三)高分子压电材料：实物)等形状。经极化处理后就显现出电压特性。测量精度的场合，例如水声测量，防盗、振动测量等领域中获得应用。第二节压电式传感器的测量转换电路一、压电元件的等效电路(了解)分析;图6-2压电元件等效电路.二、电荷放大器压电式传感器输出信号的前置放大器分类:电压前置放大器和电荷放大器两种形式。便携式测振仪(内部包括电荷放大器)的外形:图6-5(实物)。电荷放大器的输出电压分析。第三节压电传感器的应用石英晶体用途：精密测量，多作为实验室基准传感器；一、高分子压电材料的应用1.玻璃打碎报警装置(演示)2．压电式周界报警系统(线控报警系统)、载荷分布、车型等。图6-8：三轴重载卡车载荷分布图。(多媒体演示，计算车速，讨论如何用于判断汽车超载？)二、压电陶瓷传感器的应用感器2.单向动态力传感器的应用(实物)器。传感器的电荷变化量由电荷放大器转换成电压，再用记录仪记录下切削力的变化量。第四节振动测量及频谱分析一、振动的基本概念振动、低频振动和超低频振动等。二、测振传感器分类式等。非接触式中又有电涡流式、电容式、霍尔式、光电式等。三、压电式振动加速度传感器的结构(实物)振动四、压电振动加速度传感器的性能指标(讨论不同用途如何选用不同指标)灵敏度并不是越高越好。灵敏度低的传感器可用于动态范围很宽的振动测量五、压电加速度传感器的安装及使用(演示)1．用于长期监测振动机械的压电加速度传感器应采用双头螺栓牢固地固定在监视点上2．短时间监测低频微弱振动时，可用磁铁将钢质传感器底座吸附在监测量3．测量更微弱的振动时，可以用环氧树脂或瞬干胶将传感器牢牢地胶于监测点上六、压电振动加速度传感器在汽车中的应用介绍压电振动传感器在汽油发动机点火时间控制中的作用。七、振动的频谱分析不停地变化，它们的合成波形基于上述原因而变得杂乱无章，似乎毫无规律)。2.频域图形(使用频谱仪看)：将时域图经过快速傅里叶变换(FFT)，在计算机显示器上显示出频域波形：横坐标为频率f，纵坐标是加速度，也可以是振幅或功率等。3.依靠频谱分析法进行故障诊断(演示)第十章光电传感器➢教学要求。➢教学手段多媒体课件、多种光电教具演示➢教学课时4学时➢教学内容一节光电效应及光电元件1)在光线的作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管、光电摄像管等。2)在光线的作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应，基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管及光敏晶闸管等。3)在光线的作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应，基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。(讨论3类效应的特点和原理有何不同)一、基于外光电效应的光电元件1mv2=hf－W(10-1)(物理意义)2二、基于内光电效应的光电元件(一)光敏电阻光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。2.光敏电阻的特性和参数(1)暗电阻(2)光电特性(3)响应时间3．关于照度(举例说明教室和户外的照度)(二)光敏二极管、光敏三极管(实物接数字万用表，测光)1．光敏二极管结构及工作原理讨论光敏二极管结构与一般二极管不同之处：将光敏二极管的PN结设置在透明管壳顶(1)PIN光敏二极管(2)APD光敏二极管(雪崩光敏二极管2．光敏三极管结构及工作原理及结构(讨论与普通三极管的异同点)光敏三极管有两个PN结。有电流增益，光照射在(三)光敏晶体管的基本特性几种光敏材料的光谱峰值波长HgCdTePlGaSb0.60.650.81~25.02．伏安特性(讨论与普通三极管的异同点)硅光敏二极管工作在第三象限。流过它的电流与光照度成正比(间隔相当)，而基Uo管在不同基极电流下的输出特性相似。3.光电特性4.温度特性温度变化对亮电流影响不大，但对暗电流的影响非常大5.响应时间极管约慢一个数量级(比较)三、基于光生伏特效应的光电元件(实物演示)光电池能将入射光能量转换成电压和电流属于光生伏特效应元件。(一)结构工作原理及特性光电池的种类很多，有硅、砷化镓