传感器与检测技术教案

教学目标教学分析教学过程课后小结教学目标教学分析教学过程课后小结教学目的教学分析教学过程课后小结教学目的教学分析课后小结教学目的教学分析教学过程课后小结教学目的教学分析教学过程课后小结教学目的教学分析教学过程课后小结教学目的教学分析教学过程课后小结教学目的教学分析教学过程课后小结第1章传感器与自动检测技术的基本概念1．熟悉传感器的定义与分类。2．掌握传感器基本特性。3．了解传感器的应用领域及发展。了解传感器的分类及特性、传感器的应用领域以及测量误差的概念，掌握测量误差的处理方法和测量数据的处理方法。1.1传感器简介教学目的：熟悉传感器的定义与分类。掌握传感器基本特性。了解传感器的应用领域及发展。教学分析：重点难点：传感器的定义及分类教学过程：1传感器的定义与组成传感器(狭义):能感应被测量的变化并将其转换为其他物理量变化的器件.传感器(广义):是信号检出器件和信号处理部分的总称.组成:一般由敏感元件、转换元件和信号调理电路组成.传感器的分类按测量的性质划分:位移传感器,压力传感器,温度传感器等.按工作的原理划分:电阻应变式,电感式,电容式,压电式,磁电式传感器等.按测量的转换特征划分:结构型传感器和物性型传感器.按能量传递的方式划分:能量控制型传感器和能量转换型传感器.2传感器的基本特性a．线性度：指输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度,又叫非线性误差.b．灵敏度：指传感器的输出量增量与引起输出量增量的输入量的比值.c．迟滞：指传感器在正向行程和反向行程期间,输出-输入曲线不重合的现象.d．重复性：指传感器在输入量按同一方向做全量程多次测试时,所得特性曲线不一致性的程度.f．分辨率：指传感器在规定测量范围内所能检测输入量的最小变化量.g．稳定性：指传感器在室温条件下,经过相当长的时间间隔,传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异.h．漂移：指传感器在外界的干扰下,输出量发生与输入量无关的变化,包括零点漂移和灵敏度漂移等.3传感器的应用领域及其发展a．生产过程的测量与控制b．安全报警与环境保护c．自动化设备和机器人d．交通运输和资源探测e．医疗卫生和家用电器f．微型传感器(Microsensor)g．智能传感器(Smartsensor)h．多功能传感器(Multifunctionsensor)4传感器的正确选用a．与测量条件有关的因素b．与使用条件有关的因素c．与传感器有关的技术指标此外,还要考虑购买和维修等因素.课后小结：1.2自动检测系统简述教学目的：掌握自动检测系统的概念。掌握自动检测系统的功能。教学分析：重点难点是自动检测系统的功能。教学过程：1、检测技术组成依照信息量的过程划分：信息的获取，信息的转换，信息的显示和信息的处理。2、检测系统的功能变换功能，选择功能，比较功能和显示功能。课后小结：1.3误差测量与精度教学目的：掌握测量误差的概念掌握测量误差的处理方法。教学分析：重点难点误差概念。教学过程：误差的基本概念：真值：被测物体所具有的真正值；约定值：由于真值是未知的，往往采用基准器代替真值，成为约定值；实际值：测量无限次时，测量结果的平均值。2．误差分类：按表示方法进行分类绝对误差：测量值与约定真值的比；相对误差：实际相对误差，标称相对误差，引用相对误差等。按误差出现的规律分类;系统误差：分为真值误差和变值误差；随机误差：偶然因素造成的误差；粗大误差:测量结果明显偏离实际值的误差。按使用条件分类：基本误差：系统标准情况下产生误差；附加误差：当使用条件拍那里标准情况时产生的误差。3.仪器精度和测量精度仪表精度与测量精度的关系：仪表精度采用7个等级，从分利用仪表精度来获得比较精确地测量结果。附加误差对实际测量精度的影响：如果实际工作条件不是仪表规定的标准状态，就要考虑附加误差的影响了。课后小结：1.4检测系统中的弹性敏感元件教学目的：掌握弹性敏感元件的概念及特性教学分析：重点难点弹性敏感元件的特性教学过程：基本概念：应变：物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象。弹性应变：当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变。弹性元件：具有弹性应变特性的物体。弹性敏感元件的基本特性：刚度：使弹性敏感元件产生形变所需要的外部作用力。灵敏度：是刚度的倒数，表示弹性敏感元件在承受单位输入量时所产生的形变大小。弹性敏感元件的形式与应用范围输入形式：力或者流体压力；输出形式：应变和位移。应用范围:变换力的弹性敏感元件：等轴截面、环状弹性敏感元件、悬梁臂、扭转轴等。变换压力的弹性敏感元件：弹簧管、波纹管、等截面薄板、波纹膜片和膜盒。课后小结：第二章参量传感器1．掌握各种传感器的工作原理。2．熟悉各种传感器的测量电路。3．掌握各种传感器的应用。各种参量传感器的组成及工作原理2.1电阻应变式传感器教学目的：掌握电阻应变式传感器的工作原理教学分析：重点难点电阻应变式传感器的工作原理教学过程：1.电阻应变式传感器电阻应变式传感器利用电阻应变片将应变转换为电阻值变化的传感器。工作原理：当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生变形，产生相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片，引起应变片的电阻值变化，通过测量电路变成电量输出。输出的电量大小反映被测量的大小。结构：应变式传感器由弹性元件上粘贴电阻应变片构成。应用：广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量。2.电阻应变效应电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应变效应”。3．电阻应变片的结构金属电阻应变片的结构4．电阻应变式传感器的应用（1）应变式力传感器被测物理量：荷重或力主要用途：作为各种电子称与材料试验机的测力元件、发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。力传感器的弹性元件：柱式、筒式、环式、悬臂式等（2）应变式压力传感器主要用来测量流动介质的动态或静态压力应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。（3）应变式容器内液体重量传感器感压膜感受上面液体的压力。（4）应变式加速度传感器用于物体加速度的测量。依据：a=F/m。电阻应变式加速度传感器结构图课后小结：2.2热电阻传感器教学目的：掌握热电阻的分类教学分析：重点难点热电阻的应用教学过程：热电阻定义：利用电阻随温度变化得特性制成的传感器。热电阻：利用电阻随温度变化而变化这一特性来测量温度。热敏电阻：按温度系数可以分为三类热敏电阻：正温度系数热敏电阻（PTC）、负温度系数热敏电阻（NTC）和临界温度系数热敏电阻（CTC）。应用：金属热电阻传感器半导体热电阻传感器课后小结2.3气敏、湿敏电阻传感器教学目的：掌握气敏、湿敏电阻传感器分类教学分析：重点难点气敏、湿敏电阻传感器定义教学过程：气敏电阻传感器定义：把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量再转换成电流、电压信号的传感器。湿敏电阻传感器：湿度具有绝对湿度和相对湿度传感器之分。陶瓷湿敏电阻传感器核心是铬酸镁-氧化钛等金属氧化物以高温烧结工艺制程的多孔陶瓷半导体。课后小结：2.3差分变压式传感器教学目的：掌握差分变压器式传感器的工作原理教学分析：重点难点差分变压式传感器的工作原理教学过程：1.电感式传感器电感式传感器的工作原理是基于电磁感应原理，它把被测量转化为电感量变化的一种装置。按照转换方式的不同可分为自感式（包括可变磁阻式与涡流式）和互感式（差动变压器式）两种。a.自感式传感器自感式电感传感器主要有变间隙型、变面积型和螺管型三种类型。由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料制成。在铁芯和衔铁之间有气隙，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度δ发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。(1)．变间隙型电感传感器(2)．变面积型电感传感器(3)．螺管型电感传感器(4)．差动式电感传感器为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动式电感传感器。(5)．自感式传感器的测量电路电感式传感器的测量电路有交流电桥式、变压器式交流电桥以及谐振式等。b.互感式传感器把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组用差动形式连接，故称差动变压器式传感器。差动变压器结构形式：变隙式、变面积式和螺线管式等。在非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量1～100mm机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。(1)．互感式传感器的工作原理互感式传感器的工作原理类似变压器的作用原理。(2)．差动变压器的结构类型螺线管式差动变压器结构差动变压器等效电路3．差动变压器式传感器测量电路为了达到能辨别移动方向和消除零点残余电压的目的，实际测量时，常常采用差动整流电路和相敏检波电路。(1)差动整流电路这种电路是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流，然后将整流的电压或电流的差值作为输出。(2)相敏检波电路4.电感式传感器的应用1．差动变压器式力传感器2．沉筒式液位计课后小结2.5电涡流式传感器教学目的：掌握涡流效应教学分析：重点难点电涡流的工作原理教学过程：1、工作原理：金属导体置于变化的磁场中，导体内就有感应电流产生，这种电流在金属导体内自行封闭，称为涡电流。我点浏览的产生必然要消耗一部分磁场能量，从而使激励线圈的阻抗发生变换，电涡流式传感器基于这种涡流效应。2、电涡流式传感器的应用a.位移测量；b.振幅测量；c.转速测量;d,.电涡流探伤课后小结2.6电容式传感器教学目的：掌握差电容式传感器工作原理教学分析：重点难点电容式传感器测量转换电路教学过程：1、电容式传感器的工作原理由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为当被测参数变化使得S、d或ε发生变化时，电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介电常数型三种。a．变间隙型电容传感器变间隙式电容式传感器当传感器的εr和S为常数，初始极距为d0时，初始电容量C0为若电容器极板间距离由初始值d0缩小了Δd，电容量增大了ΔC，则有在式中，若Δd/d0<<1时，则展成级数：此时C与Δd近似呈线性关系，所以变极距型电容式传感器只有在Δd/d0很小时，才有近似的线性关系。另外，在d0较小时，对于同样的Δd变化所引起的ΔC可以增大，从而使传感器灵敏度提高。但d0过小，容易引起电容器击穿或短路。为此，极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质,如图所示，此时电容C变为：式中：εg—云母的相对介电常数，εg=7；ε0—空气的介电常数，ε0=1；d0—空气隙厚度；dg—云母片的厚度。放置云母片的电容器云母片的相对介电常数是空气的7倍，其击穿电压不小于1000kV/mm，而空气仅为3kV/mm。因此有了云母片，极板间起始距离可大大减小。一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在20~100pF之间，极板间距离在25~200μm的范围内。最大位移应小于间距的1/10，故在微位移测量中应用最广。b．变面积式电容传感器被测量通过动极板移动引起两极板有效覆盖面积S改变，从而得到电容量的变化。当动极板相对于定极板沿长度方向平移Δx时，则电容变化量为式中C0=ε0εrba/d为初始电容。电容相对变化量为这种形式的传感器其电容量C与水平位移Δx呈线性关系直线位移型电容传感器原理图c．变介质式电容式传感器此时变换器电容值为：电容式液位变换器结构原理图式中：C0——由变换器的基本尺寸决定的初始电容值,即可见：此变换器的电容增量正比于被测液位高度h。2．电容式传感器的测量电路a．运算放大器电路由于运算放大器的放大倍数非常大，而且输入阻抗Zi很高,运算放大器的这一特点可以作为电容式传感器的比较理想的测量电路。如图所示。由运算放大器工作原理可得：如果传感器是一只平板电容，则Cx=εS/d，代入，可得式中“－”号表示输出电压Uo的相位与电源电压反相。可见运算放大器的输出电压与极板间距离d成线性关系。运算放大器式电路虽解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题，注意条件：要求Zi及放大倍数足够大。为保证仪器精度，还要求电源电压Ui的幅值和固定电容C值稳定。运算放大器式电路原理图b．二极管双T交流电桥e是高频电源，它提供了幅值为U的对称方波，VD1、VD2为特性完全相同的两只二极管，固定电阻R1=R2=R，C1、C2为传感器的两个差动电容。二极管双T交流电桥当传感器没有输入时，C1=C2。电路工作原理：当e为正半周时，二极管VD1导通、VD2截止，于是电容C1充电，其等效电路如图（b）所示；在随后负半周出现时，电容C1上的电荷通过电阻R1，负载电阻RL放电，流过RL的电流为I1。当e为负半周时，VD2导通、VD1截止，则电容C2充电，其等效电路如图（c）所示；在随后出现正半周时，C2通过电阻R2，负载电阻RL放电，流过RL的电流为I2。电流I1=I2，且方向相反，在一个周期内流过RL的平均电流为零。若传感器输入不为0，则C1≠C2,I1≠I2,此时在一个周期内通过RL上的平均电流不为零，因此产生输出电压，输出电压在一个周期内平均值为式中,f为电源频率。当RL已知，式中则上式可改写为可知，输出电压Uo不仅与电源电压幅值和频率有关，而且与T形网络中的电容C1和C2的差值有关。当电源电压确定后，输出电压Uo是电容C1和C2的函数。电路的灵敏度与电源电压幅值和频率有关，故输入电源要求稳定。c．调频电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分,当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化。可将频率作为输出量用以判断被测非电量的大小，但此时系统是非线性的，不易校正，因此必须加入鉴频器，将频率的变化转换为电压振幅的变化，经过放大就可以用仪器指示或记录仪记录下来。3.电容式传感器的应用a.压力测量；b.加速度测量；c.固体料位测量；d.转速测量。课后小结第三章发电传感器掌握发电传感器的分类及工作原理发电传感器的分类及工作原理3.1热电偶传感器教学目的：掌握热电偶传感器的工作原理教学分析：重点是工作原理教学过程：1.热电偶热电偶作为温度传感器，测得与温度相应的热电动势，由仪表显示出温度值。它广泛用来测量-200℃~1300℃范围内的温度，特殊情况下，可测至2800℃的高温或4K的低温。它具有结构简单，价格便宜，准确度高，测温范围广等特点。由于热电偶将温度转化成电量进行检测，使温度的测量、控制、以及对温度信号的放大，变换都很方便，适用于远距离测量和自动控制。2.热电偶工作原理热电效应：两种不同材料的导体（或半导体）组成一个闭合回路，当两接点温度T和T0不同时，则在该回路中就会产生电动势的现象。由两种导体的组合并将温度转化为热电动势的传感器叫做热电偶。热电动势是由两种导体的接触电势（珀尔贴电势）和单一导体的温差电势（汤姆逊电势）所组成。热电动势的大小与两种导体材料的性质及接点温度有关。接触电动势:由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。温差电动势:同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。导体内部的电子密度是不同的，当两种电子密度不同的导体A与B接触时，接触面上就会发生电子扩散，电子从电子密度高的导体流向密度低的导体。电子扩散的速率与两导体的电子密度有关并和接触区的温度成正比。设导体A和B的自由电子密度为NA和NB，且NA＞NB，电子扩散的结果使导体A失去电子而带正电，导体B则获得电子而带负电，在接触面形成电场。这个电场阻碍了电子的扩散，达到动平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，即接触电势，其大小为式中，k——玻耳兹曼常数，k=1.38×10-23J/K；e——电子电荷量，e＝1.6×10-19C；T——接触处的温度，K；NA，NB——分别为导体A和B的自由电子密度。因导体两端温度不同而产生的电动势称为温差电势。由于温度梯度的存在，改变了电子的能量分布，高温（T）端电子将向低温端（T0）扩散，致使高温端因失去电子带正电，低温端因获电子而带负电。因而在同一导体两端也产生电位差，并阻止电子从高温端向低温端扩散，于是电子扩散形成动平衡，此时所建立的电位差称为温差电势即汤姆逊电势，它与温度的关系为式中σ为汤姆逊系数，表示温差1℃所产生的电动势值，其大小与材料性质及两端的温度有关。导体A和B组成的热电偶闭合电路在两个接点处有两个接触电势eAB(T)与eAB(T0)，又因为T＞T0，在导体A和B中还各有一个温差电势。所以闭合回路总热电动势EAB(T,T0)应为接触电动势和温差电势的代数和，即：对于已选定的热电偶，当参考温度恒定时，总热电动势就变成测量端温度T的单值函数，即EAB(Ｔ,T0)=f(T)。这就是热电偶测量温度的基本原理。在实际测温时，必须在热电偶闭合回路中引入连接导线和仪表。2．热电偶基本定律（1）中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。根据这一定则，可以将热电偶的一个接点断开接入第三种导体，也可以将热电偶的一种导体断开接入第三种导体，只要每一种导体的两端温度相同，均不影响回路的总热电动势。在实际测温电路中，必须有连接导线和显示仪器，若把连接导线和显示仪器看成第三种导体，只要他们的两端温度相同，则不影响总热电动势。（2）中间温度定律在热电偶测温回路中，tc为热电极上某一点的温度，热电偶AB在接点温度为t、t0时的热电势eAB(t,t0)等于热电偶AB在接点温度t、tc和tc、t0时的热电势eAB(t,tc)和eAB(tc,t0)的代数和，即eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0)（3）标准导体（电极）定律如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就已知，这个定律就称为标准电极定律。（4）均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积，长度以及温度分布如何均不产生热电动势。如果热电偶的两根热电极由两种均质导体组成，那么，热电偶的热电动势仅与两接点的温度有关，与热电偶的温度分布无关；如果热电极为非均质电极，并处于具有温度梯度的温场时，将产生附加电势，如果仅从热电偶的热电动势大小来判断温度的高低就会引起误差。3．热电偶的材料与结构（1）热电偶的材料。适于制作热电偶的材料有300多种，其中广泛应用的有40~50种。国际电工委员会向世界各国推荐8种热电偶作为标准化热电偶，我国标准化热电偶也有8种。分别是：铂铑10-铂(分度号为S)、铂铑13-铂(R)、铂铑30-铂铑6(B)、镍铬-镍硅(K)、镍铬-康铜(E)、铁-康铜(J)、铜-康铜(T)和镍铬硅-镍硅(N)。（2）热电偶的结构普通型热电偶：主要用于测量气体、蒸气和液体等介质的温度。铠装热电偶：由金属保护套管、绝缘材料和热电极三者组合成一体的特殊结构的热电偶。薄膜热电偶：用真空蒸镀的方法，把热电极材料蒸镀在绝缘基板上而制成。测量端既小又薄，厚度约为几个微米左右，热容量小，响应速度快，便于敷贴。4．热电偶冷端的温度补偿根据热电偶测温原理，只有当热电偶的参考端的温度保持不变时，热电动势才是被测温度的单值函数。我们经常使用的分度表及显示仪表，都是以热电偶参考端的温度为0℃为先决条件的。但是在实际使用中，因热电偶长度受到一定限制，参考端温度直接受到被测介质与环境温度的影响，不仅难于保持0℃，而且往往是波动的，无法进行参考端温度修正。因此，要使变化很大的参考端温度恒定下来，通常采用以下方法：（1）0℃恒温法（2）冷端温度修正法（3）补偿导线法5．热电偶测温线路和热电偶热电动势的测量课后小结：3.2霍尔式传感器教学目的：掌握霍尔式传感器工作原理教学分析：重点霍尔效应教学过程：霍尔传感器组成霍尔传感器是一种磁电式传感器。它是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量转换成电动势输出的一种传感器。由于霍尔元件在静止状态下，具有感受磁场的独特能力，并且具有结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽(从直流到微波)、动态范围大(输出电势变化范围可达1000:1)、寿命长等特点，因此获得了广泛应用。例如，在测量技术中用于将位移、力、加速度等量转换为电量的传感器；在计算技术中用于作加、减、乘、除、开方、乘方以及微积分等运算的运算器等。1．霍尔元件的工作原理霍尔元件赖以工作的物理基础是霍尔效应。霍尔效应半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应。流入激励电流端的电流I越大、作用在薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势也就越高。霍尔电势EH可表示为：EH=KHIBkH为灵敏度系数，与载流材料的物理性质和几何尺寸有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时的霍尔电势的大小。2．霍尔元件的结构及特性霍尔元件是一种四端元件。比较常用的霍尔元件有三种结构：单端引出线型、卧式型和双端引出线型。3．集成霍尔电路霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。a．线性型霍尔集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件如UGN3501等。b．开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC门由高阻态变为导通状态，输出变为低电平；当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变为高阻态，输出高电平。较典型的开关型霍尔器件如UGN3020等。4.霍尔传感器的应用霍尔电势是关于I、B、三个变量的函数，即EH=KHIBcos。利用这个关系可以使其中两个量不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一个量，其余两个量都作为变量。这使得霍尔传感器有许多用途。(1)．电流的测量(2)．位移的测量(3)．角位移及转速的测量(4)．运动位置的测量另外还有霍尔特斯拉计（高斯计）、霍尔传感器用于测量磁场强度、霍尔转速表、霍尔式接近开关等。课后小结3.3压电式传感器教学目的：掌握压电式传感器工作原理教学分析：重点压电效应教学过程：1.压电效应某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。这种现象称压电效应。当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。有时人们把这种机械能转换为电能的现象，称为“正压电效应”。相反，当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生几何变形，这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。具有压电效应的材料称为压电材料。a．单晶压电晶体石英晶体化学式为SiO2，是单晶体结构。图示为天然结构的石英晶体外形，它是一个正六面体。石英晶体各个方向的特性是不同的。其中纵向轴z称为光轴，经过六面体棱线并垂直于光轴的x称为电轴，与x和z轴同时垂直的轴y称为机械轴。通常把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”，而把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。而沿光轴z方向的力作用时不产生压电效应。石英晶体(a)晶体外形；(b)切割方向；(c)晶片b．多晶压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴，它有一定的极化方向，从而存在电场。在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。外电场愈强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，当外电场去掉后，电畴的极化方向基本变化，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性。2．新型压电材料新型压电材料主要有有机压电薄膜和压电半导体等。3．等效电路由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可以看作一个电荷发生器。同时，它也是一个电容器，晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质等效于一种介质，则其电容量为式中：A——压电片的面积；d——压电片的厚度；εr——压电材料的相对介电常数。因此，压电传感器可以等效为一个与电容相串联的电压源。如图（a）所示，电容器上的电压Ua、电荷量q和电容量Ca三者关系为压电传感器也可以等效为一个电荷源。如图（b）所示。压电元件的等效电路（a）电压源（b）电荷源压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量电路相连接，因此还需考虑连接电缆的等效电容Cc，放大器的输入电阻Ri,输入电容Ci以及压电传感器的泄漏电阻Ra。这样，压电传感器在测量系统中的实际等效电路，如图所示。压电传感器的实际等效电路（a）电压源（b）电荷源4.压电式传感器的测量电路压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗前置放大器。其作用为：一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传感器输出的微弱信号。压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。a.电压放大器（阻抗变换器）下图（a）、(b）是电压放大器电路原理图及其等效电路。在图（b）中，电阻R=RaRi/(Ra+Ri)，电容C=Cc+Ci，而ua=q/Ca，若压电元件受正弦力f=Fmsinωt的作用，则其电压为式中：Um——压电元件输出电压幅值，Um=dFm/Ca；d——压电系数。电压放大器电路原理及其等效电路图（a）放大器电路（b）等效电路b．电荷放大器电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，由一个反馈电容Cf和高增益运算放大器构成。由于运算放大器输入阻抗极高，放大器输入端几乎没有分流，故可略去Ra和Ri并联电阻。式中：uo——放大器输出电压；ucf——反馈电容两端电压。电荷放大器等效电路5.压电式传感器的应用a．压电式测力传感器主要由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及基座等组成。b．压电式加速度传感器主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。课后小结第四章光电传感器掌握光电效应掌握光电元件掌握光电传感器的应用重点难点：光电效应及光电元件4.1光电效应及其光电元件教学目的：掌握光电效应原理及其所用的光电元件教学分析：重点难点光电元件优缺点教学过程：光电效应：在光线作用下，物体吸收光能量二产生相应电效应的一种物理现象。分为内光电效应：光电管外光电效应：光敏电阻，光敏晶体管，光电池。光电元件及特性光电管：在外光电不大时，光电特性基本是一条直线。光敏电阻：特性主要有：暗电阻，亮电阻，伏安特性，光电特性，光谱特性，响应时间，温度特性等。光敏晶体管：主要有光谱特性，伏安特性，光电特性，温度特性和相应时间等性质。光电池：主要有光谱特性，光电特性，频率特性，温度特性等。课后小结4.2光电传感器应用教学目的：掌握光电传感器应用领域教学分析：重点难点光电传感器的应用类型教学过程：光电传感器的应用类型被测物体是光源被测物体遮挡部分光源被测物体吸收光通量被测物具有反射功能光电传感器的应用光电传感器的模拟量检测光电传感器的数字量检测课后小结第五章数字传感器1．了解各种数字式传感器的分类、结构及特点。2．熟悉各种数字式传感器的测量转换电路。3．掌握各种数字式传感器的应用。重点难点各种数字式传感器的测量转换电路5.1光栅式传感器教学目的：掌握光栅式传感器的结构及类型教学分析：重点难点光栅式传感器的应用教学过程：.1光栅的分类按原理和用途分为：a.物理光栅，利用光的衍射现象，用于光谱分析和波长的测量。b.计量光栅，利用莫尔现象，用于长度、角度、速度等的测量，又可分为透射式光栅和反射式光栅。2光栅传感器的结构和工作原理a.光栅传感器的结构光栅传感器由光源、光栅副、光敏元件三大部分组成。b.光栅测量原理把两块栅距相等的光栅（光栅1、光栅2）面向对叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线之间形成一个很小的夹角θ，如图所示，这样就可以看到在近于垂直栅线方向上出现明暗相间的条纹，这些条纹叫莫尔条纹。由图可见，在d-d线上，两块光栅的栅线重合，透光面积最大，形成条纹的亮带，它是由一系列四棱形图案构成的；在f-f线上，两块光栅的栅线错开，形成条纹的暗带，它是由一些黑色叉线图案组成的。因此莫尔条纹的形成是由两块光栅的遮光和透光效应形成的。光栅莫尔条纹的形式莫尔条纹有如下特征：（1）莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，对光栅的刻划误差有平均作用，从而能在很大程度上消除光栅刻线不均匀引起的误差。（2）当指示光栅沿与栅线垂直的方向作相对移动时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动（两者的运动方向相互垂直）；指示光栅反向移动，莫尔条纹亦反向移动。（3）莫尔条纹的间距是放大了的光栅栅距，它随着指示光栅与主光栅刻线夹角而改变。由于θ很小，所以其关系可用下式表示L＝W/sinθ≈W/θ（4）莫尔条纹移过的条纹数与光栅移过的刻线数相等。3光栅传感器的测量电路光栅传感器作为一个完整的测量装置包括光栅读数头、光栅数显表两大部分。光栅读数头利用光栅原理把输入量（位移量）转换成响应的电信号；光栅数显表是实现细分、辨向和显示功能的电子系统。a．光栅传感器的常用光路（1）垂直透射式光路（2）透射分光式光路（3）反射式光路（4）镜像式光路b．光栅传感器的光电转换系统光栅传感器的光电转换系统由聚光镜和光敏元件组成，光敏元件可以将光量的变化转换成电阻或电能的变化。c．光栅传感器的辨向处理如果传感器只安装一套光电元件，则在实际应用中，无论光栅作正向移动还是反向移动，光敏元件都产生相同的正弦信号，是无法分辨移动方向的。为此，必须设置辨向电路。d．光栅传感器的细分原理细分电路能在不增加光栅刻线数（线数越多，成本越昂贵）的情况下提高光栅的分辨力。常用的细分方法有两大类：机械细分和电子细分，电子细分的两种最常用方法为：倍频细分法和电桥细分法。（1）倍频细分法（2）电桥细分法4光栅传感器的应用由于光栅具有测量精度高等一系列优点，若采用不锈钢反射式光栅，测量范围可达十几米，而且不需接长，信号抗干扰能力强，因此在国内外受到重视和推广，但必须注意防尘、防震问题。a．光栅数显表b．光栅传感器在位置控制中的应用课后小结5.2光电编码器教学目的：掌握光电编码器的结构及类型教学分析：重点难点光电编码器的应用教学过程：编码器定义：将机械转动的模拟量（位移）转换成以数字代码形式表示的电信号，这类传感器称为编码器。编码器以其高精度、高分辨率和高可靠性被广泛用于各种位移的测量。编码器的种类很多，主要分为脉冲盘式（增量编码器）和码盘式编码器（绝对编码器）。脉冲盘式编码器又称为增量编码器，它不能直接产生几位编码输出。1．脉冲盘式编码器的结构和工作原理2．脉冲盘式编码器的辨向方式3．脉冲盘式编码器的应用2码盘式编码器码盘式编码器又称为绝对编码器，它将角度转换为数字编码，能方便地与数字系统连接。码盘式编码器按结构可分为接触式、光电式和电磁式三种，后两种为非接触式。a．接触式编码器：由码盘和电刷组成。b．光电式编码器：是一种绝对编码器，即几位编码器其码盘上就有几位码道，编码器在转轴的任何位置都可以输出一个固定的与位置相对的数字码。c．电磁式编码器：是近年发展起来的一种新型电磁敏感元件，主要优点是对潮湿气体和污染敏感，体积小，成本低。课后小结5.3磁栅式传感器教学目的：掌握光栅式传感器的结构及类型教学分析：重点难点光栅式传感器的应用教学过程：1磁栅传感器结构：磁栅、磁头和信号处理电路等。2磁栅的结构和种类磁栅分类：长磁栅和圆磁栅两大类。用途：长磁栅主要用于直接位移测量，圆磁栅主要用于角位移测量。3磁头的结构和种类a．动态磁头b．静态磁头4磁栅传感器的信号处理a．鉴幅方式b．鉴相方式5磁栅传感器的应用鉴相式磁栅数字位移显示装置课后小结5.4感应同步器教学目的：掌握感应同步器的结构及类型教学分析：重点难点感应同步器的应用教学过程：1感应同步器的类型和结构感应同步器根据用途的不同可分为两类：直线式同步器和旋转式同步器a．直线式感应同步器（1）标准型（2）窄型（3）带型b．旋转式感应同步器2感应同步器的信号处理由感应同步器组成的检测系统，可采取不同的励磁方式，并对输出信号采取不同的处理方式。根据对输出感应电动势信号的处理方式不同，可把感应同步器的检测系统分成相位式和幅值式。a．鉴相处理：就是根据输出感应电动势的相位来鉴别感应同步器定、滑尺间相对位移量的方法。b．鉴幅处理：采用同频率、同相位、不同幅值的交流电压，对感应同步器滑尺两相绕组进行激励磁，就可以根据定尺绕组输出感应电动势的幅值来鉴别定、滑尺间相对位移量，叫做感应同步器输出信号的鉴幅处理。3.感应同步器的应用鉴幅型数显表课后小结第六章传感器信号的处理1．掌握直流电桥和交流电桥电路。2．掌握各种放大器的结构及特点。3．掌握信号的变换形式。重点难点1．直流电桥、交流电桥的平衡条件2．各种放大器的特点及应用6.1传感器信号的预处理教学目的：掌握数据采集系统的组成教学分析：重点难点数据采集系统组成教学分析：组成：信号调整电路，多路模拟开关，采样保持电路，接口电路及控制逻辑传感器信号的预处理方法传感器输出信号的特点：种类多，输出信号弱，输出阻抗比较高，动态范围宽，输入和输出不是线性关系，输出量受温度的影响传感器的预处理方法：阻抗变换电路，放大电路，电流电压转换电路，频率电压变化，电桥电路，电荷放大器，交直流转换电路，滤波电路，非线性校正电路，对数压缩电路。课后小结6.2测量放大器教学目的：掌握放大器的分类教学分析：掌握测量放大器的分类教学过程：从传感器来的信号有许多是毫伏级的弱信号，须经放大才能进行A/D转换。系统对放大器的主要要求是：精度高、温度漂移小、共模抑制比高、频带宽至直流。目前常用的放大器有以下几种型式：一种是高精度、低漂移的双极型放大器；另一种为隔离放大器，它带有光电隔离或变压器隔离的低漂移信号放大器，以及一个高隔离的DC/DC电源。运算放大器a．反相放大器b．同相放大器测量放大器a．测量放大器的结构与特性具有高共模抑制比、高速度、高精度、高稳定性、高输入阻抗、低输出阻抗、低噪声的特点。b．测量放大器集成电路（自学）c．测量放大器的使用（1）差动输入端的连接：要注意为偏置电流提供回路。（2）护卫端的连接：电缆的屏蔽层应连接测量放大器的护卫端。（3）R端、S端的连接：R端接电源地，S端接输出。3程控测量放大器PGA程控测量放大器PGA是通用性很强的放大器，放大倍数可通过编程进行控制。1．浮点放大器型2．增益电阻切换型4隔离放大器1．AD277型双隔离式放大器2．AD210型三隔离式放大器课后小结6.3信号的调制与解调教学目的：掌握信号的调制与解调教学分析：重点难点电桥调试教学过程：1.电桥电路a.直流电桥直流电桥平衡条件：相邻两臂电阻的比值应相等，或相对两臂电阻的乘积应相等。按电阻应变片接入电桥电路的接法，电桥可分为：(1).单臂工作电桥：(2).等臂双臂工作电桥(3).等臂全桥工作电桥三种工作方式中，全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现温度自补偿。直流电桥b.交流电桥引入原因：由于应变电桥输出电压很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于产生零漂，因此应变电桥多采用交流电桥。由于供桥电源为交流电源，引线分布电容使得二桥臂应变片呈现复阻抗特性，即相当于两只应变片各并联了一个电容。交流电桥课后小结6.4有源滤波器及传感器信号的非线性校正教学目的：掌握有源滤波器的种类及传感器的非线性校正教学分析：重点难点：有源滤波器的种类教学过程：滤波器可以容许某一频率范围的电信号，从而阻止或滤掉此频率范围外的电信号，可以分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等。1.有源带通滤波器可以分为正反馈和负反馈两种类型。2.有源带阻滤波器正反馈和负反馈之分。传感器信号的非线性校正主要分为三种方式：校正曲线的求取；模拟量的非线性校正；数字量的非线性校正；课后小结6.5教学目的：掌握A/D转换器的性能指标教学分析：重点难点：A/D转换器的选择教学过程：1.A/D转换器的性能指标分辨率，转换时间，转换频率，精度等2.选择要求：a.数字输出的方式；b.对启动信号的要求；c.转换精度和转换时间；d.稳定性及抗干扰能力等。课后小结第七章现代新型传感器1．熟悉各种新型传感器的类型。2．了解各种新型传感器的结构、工作原理和特性。3．熟悉各种新型传感器的应用。重点：各种新型传感器的原理及应用7.1集成传感器教学目的：掌握集成传感器的发展方向；教学分析：重点难点集成传感器的组成电路教学过程1.集成电路对传感器的影响：a从固体化、半导体化和集成化发展；b制造工艺的更新；c集成传感器的形成。2.集成传感器的特点a成本低；b小型化；c改善性能；d提高可靠度；e增加接口灵活性。3.集成传感器a各种调节电路和补偿电路与传感器集成；b信号放大和阻抗变换电路与传感器集成；c信号数字化电路与传感器集成；d多传感器的集成；e信号发送和接收电路与传感器集成；课后小结7.2智能传感器与光纤传感器教学目的：掌握智能传感器的定义与其技术途径掌握光纤传感器的概念及应用教学分析：重点、难点：智能传感器的组成及光纤传感器的应用教学过程：智能传感器的定义：具有消除异常值和例外值，具有信号处理功能，具有随机整定和自适应功能具有一定程度的存储、识别和自诊断功能，内涵特定算法并可根据需要改变的功能。智能化的技术途径：功能集成化是实现传感器智能化的主要途径；基于新的检测原理和结构，实现信号处理的智能化；研制人工智能材料是最新手段和最新学科。光纤传感器光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一种新技术，它是伴随着光纤及光通信技术的发展而逐步形成的。光纤传感器和传统的各类传感器相比有一定的优点，如不受电磁干扰，体积小，重量轻，可绕曲，灵敏度高，耐腐蚀，高绝缘强度，防爆性好，集传感与传输于一体，能与数字通信系统兼容等。a光纤结构光导纤维简称光纤，它是一种特殊结构的光学纤维，由纤芯、包层和护层组成。b光纤传感器的工作原理众所周知，光在空间是直线传播的。在光纤中，光的传输限制在光纤中，并随着光纤能传送很远的距离，光纤的传输是基于光的全内反射。光纤传感器原理实际上是研究光在调制区内，外界信号（温度、压力、应变、位移、振动、电场等）与光的相互作用，即研究光被外界参数的调制原理。外界信号可能引起光的强度、波长、频率、相位、偏振态等光学性质的变化，从而形成不同的调制。光纤传感器一般分为两大类：一类是利用光纤本身的某种敏感特性或功能制成的传感器，称为功能型（FunctionalFiber，缩写为FF）传感器，又称为传感型传感器；另一类是光纤仅仅起传输光的作用，它在光纤端面或中间加装其它敏感元件感受被测量的变化，这类传感器称为非功能型（NonFunctionalFiber，缩写为NFF）传感器，又称为传光型传感器。c光纤传感器的特点(1)抗电磁干扰,电绝缘,耐腐蚀。(2)灵敏度高。(3)重量轻,体积小,可弯曲。(4)测量对象广泛。(5)对被测介质影响小。d光纤传感器的应用举例1.光纤加速度传感器2.光纤温度传感器光纤温度传感器是目前仅次于加速度、压力传感器而被广泛使用的光纤传感器。根据工作原理它可分为相位调制型、光强调制型和偏振光型等。3.光纤旋涡流量传感器光纤旋涡流量传感器是将一根多模光纤垂直地装入管道，当液体或气体流经与其垂直的光纤时，光纤受到流体涡流的作用而振动，振动的频率与流速有关。课后小结第八章检测仪表概述掌握检测仪表的基本概念；重点：故障判断的方法8.1检测仪表的基本概念教学目的：掌握检测仪表的组成教学分析：重点难点：检测仪表的分类教学过程：.1.检测仪表的组成：传感部分，转换放大部分，显示记录部分，数据处理部分等。2.检测仪表的分类：a按照被测参数分数温度测量仪表，压力测量仪表，流量测量仪表等。b按照检测原理或检测元件分类活塞式压力计、弹簧管压力表等c按照仪表输出信号的特点与形式分类开关报警式、模拟式、数字式、远传变送式等。变送器气动变送器、电动变送器等。课后小结8.2常用检测仪表和常用物理量检测的故障诊断教学目的：掌握常用的检测仪表教学分析：重点难点：物理量检测的故障诊断教学过程：常用的检测仪表：温度检测仪表、压力检测仪表、流量检测仪表、物位检测仪表等诊断：温度检测故障的判断：检查，检查热电偶接线盒，测量毫伏信号，检查热电偶，检查冷端温度变化，价差补偿导线，检查工艺因素。流量监测故障的诊断：检查显示仪表输入信号，检查差压变送器零位，检查三阀组的平衡阀是否内漏，检查导压管，对其进行校正，检查工艺原因。压力检测故障的判断：检查，检查压力变送器零位，检查取压变送器，检查压力变送器，检查工艺因素。液位检测故障的诊断：检查，检查浮筒液位计零位，检查玻璃液位计，检查工艺原因。课后小结第九章自动检测技术的综合应用掌握抗干扰技术及自动检测系统的可靠性等重点难点：抗干扰技术及自动检测系统的可靠性9.1抗干扰技术教学目的：掌握抗干扰的相关技术；教学分析：重点抗干扰方法教学过程：一、噪声干扰的形成干扰与噪声：在非电量测量过程中，往往会发现总是有一些无用的背景信号与被测信号叠加在一起，这称为干扰，有时也采用噪声这一习惯用语。噪声对检测装置的影响必须与有用信号共同分析才有意义。在测量过程中应尽量提高信噪比，以减少噪声对测量结果的影响。噪声源1．机械干扰机械干扰是指机械振动或冲击使电子检测装置中的元件发生振动，改变了系统的电气参数，造成可逆或不可逆的影响。对机械干扰，可选用专用减振弹簧-橡胶垫脚或吸振橡胶海绵垫来降低系统的谐振频率，吸收振动的能量，从而减小系统的振幅。2．湿度及化学干扰当环境相对湿度增加时，物体表面就会附着一层水膜，并渗入材料内部，降低了绝缘强度，造成了漏电、击穿和短路现象；潮湿还会加速金属材料的腐蚀，并产生原电池电化学干扰电压；在较高的温度下，潮湿还会促使霉菌的生长，并引起有机材料的霉烂。某些化学物品如酸、碱、盐、各种腐蚀性气体以及沿海地区由海风带到岸上的盐雾也会造成与潮湿类似的漏电腐蚀现象，必须采取以下措施来加以保护：浸漆、密封、定期通电加热驱潮等。3．热干扰热量，特别是温度波动以及不均匀的温度场对检测装置的干扰主要体现在以下几个方面：元件参数的变化（温漂）、接触热电势干扰、元器件长期在高温下工作时，引起寿命和耐压等级降低等。克服热干扰的防护措施有：选用低温漂元件，采取软、硬件温度补偿措施，选用低功耗、低发热元件，提高元器件规格余量，仪器的前置输入级远离发热元件，加强散热、采用热屏蔽等。4．固有噪声干扰在电路中，电子元件本身产生的、具有随机性、宽频带的噪声称为固有噪声。最重要的固有噪声源是电阻热噪声、半导体散粒噪声和接触噪声等。固有噪声可以从喇叭或耳机中反映出来，但更多的时候是反映在输出电压的无