《传感器与自动检测技术》电子教案（模块3）

《模块3电感式及电容式传感器》教案PAGE1第1页共16页《单元1差动变压器式传感器》教案课题单元1差动变压器式传感器教学目的了解差动变压器的结构及工作原理掌握差动整流电路的工作原理，了解差动变压器的应用教学重点差动整流电路教学难点差动整流电路教学资源多媒体教学课件，差动变压器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三电感式及电容式传感器电感式或电容式传感器就是把被测量的变化转换为电感或电容的变化，然后通过对电感或电容的测量达到对非电量检测的目的。单元1差动变压器式传感器差动变压器式传感器是根据互感的变化来感知被检测量的。【实物演示】差动变压器实物的拆装提纲挈领法演示互动法概念分析一、电感式传感器简述电感式传感器可分为自感式、互感式、电涡流式三大类。自感式传感器是把被测位移量转换为线圈的自感变化；互感式传感器是把被测位移量转换为线圈间的互感变化，传感器本身是一个变压器；电涡流式传感器是把被测位移量转换为线圈的阻抗变化。【图示】交流差动变压器式角位移传感器；GA系列差动变压器位移传感器；TD-1油动机行程阀位位移传感器二、差动变压器式传感器的工作原理1．结构可分间隙式和螺管式两种2．工作原理等效电路如图所示。基本思想：把铁芯位移量转换成初级线圈及次级线圈互感系数的变化，图中M1、M2与位移x有关，当位移x很小时Uo=k1|x|（无法判别位移方向）【动画】差动变压器原理动画【图示】差动变压器输出特性（1）产生零残电压的主要原因：①结构不对称；②存在寄生参数；③电源有高次谐波；④磁路的磁化曲线非线性。（2）减小零残电压的方法①提高对称性；②减少电源谐波成分；③使衔铁工作在磁化线性区；④采用电路补偿等。三、差动变压器式传感器的基本特性1．灵敏度灵敏度一般可达0.5~5V/mm，行程越小，灵敏度越高。2．线性范围线性范围约为线圈骨架长度的1/10左右，只有中间部分线性较好。四、差动变压器式传感器的测量转换电路对于差动变压器的转换电路分为差动相敏检波电路和差动整流电路。差动整流电路：1．电流输出型（1）全波（2）半波2．电压输出型（1）全波（2）半波差动变压器对测量转换电路的要求为：①判别衔铁位移方向及大小；②消除零点残余电压。重点讲解全波电流输出型差动整流电路【图示】半波电流输出型差动整流电路；电压输出差动整流电路；全波电压输出型差动整流电路及后续电路铁芯在中心位置时（u21=u22）Uac=Uda，可调节R1=R2，使I1=I2，ImA=I1-I2=0若u21≠u22则Uac≠Uda调节RPR1≠R2使ImA=I1-I2=0铁芯上移（u21>u22）：Uac>Uda则ImA=I1-I2>0铁芯下移(u21<u22)：Uac<Uda则ImA=I1-I2<0结论：可判别位移方向，消除零点残余电压。其余几种差动整流电路作为练习由学生分析。概念推演法图示讲演法概念推演法动画演示法图示讲演法概念推演法循序渐进法图示讲演法理论演绎法总结归纳法应用介绍五、差动变压器式传感器的应用案例【动画】钢板厚度的测量1．差动变压器式压力变送器【图示】YST－1型差动压力变送器结构示意图、线路原理图、线路原理框图220V交流电通过变压、整流、滤波、稳压后，由V1、V2晶体管组成的多谐振荡器转变为6V、1000Hz的稳定交流电压，作为差动变压器的激励电压。差动变压器二次侧输出电压通过差动整流电路、滤波电路后，作为变送器输出信号，可接入二次仪表加以显示。线路中R9是调零电位器，R10是调量程电位器。仪表一般可选XCZ—103型动圈式毫伏计，或自动电子电位差计。【图示】差动变压器式压力变送器的另外两种结构图（弹簧管式和波纹膜片式）2．电感式位移检测在滚珠直径自动分选机的应用【图示】滚柱直径自动分选机的工作原理示意图（1）轴承滚珠直径自动分选的要求①滚柱的标称直径为10.000mm，允许公差范围为±3μm，超出公差范围均予以剔除；②在公差范围内，滚柱的直径从9.997～10.003mm，分为A～G共7个等级，分别落入对应的7个料箱中；③滚柱的分选速度为60个／min，分选结果在LCD屏上显示。（2）轴承滚珠直径自动分选的基本工作原理①滚柱的推动与定位；②气缸的控制；③轴承滚珠直径自动检测；④落料箱翻板的控制动画演示法案例教学法图示讲演法案例教学法图示讲演法作业教材认知训练3－2，3－4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电涡流式传感器》教案课题单元2电涡流式传感器教学目的了解电涡流式传感器的基本原理、结构及转换电路熟悉电涡流式传感器的应用教学重点电涡流式传感器的基本原理和应用教学难点电涡流式传感器的基本原理教学资源多媒体教学课件，电涡流式传感器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电涡流式传感器电涡流式传感器结构简单，其最大特点是既可以实现非接触测量，又具有灵敏度高、抗干扰能力强、频率响应宽、体积小等优点，因此在工业测量中得到了越来越广泛的应用。【图示】干净高效的电磁炉；电涡流探雷器提纲挈领法图示展演法概念分析一、基本工作原理金属导体置于变化的磁场中，导体内就会有感应电流产生，这种电流在金属体内自行闭合，通常称为电涡流。电涡流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化。电涡流式传感器的原理就是基于这种涡流效应。【动画】电涡流效应动画【图示】电涡流传感器原理示意图及等效电路图经推导，电涡流线圈受被测金属导体影响后的等效阻抗为：式中R——电涡流线圈工作时的等效电阻；L——电涡流线圈工作时的等效电感。【图示】电磁炉内部的励磁线圈；电磁炉的工作原理图二、结构与测量转换电路1．电涡流式传感器的结构【图示】电涡流探头内部结构；电涡流探头内部结构图【列表】CZF－1系列传感器的性能一览表【探究】探头的直径与测量范围及分辨力之间有何关系？2．测量转换电路【图示】调频式（FM）转换电路原理框图LC振荡器的振荡频率为：调频法的特点是受温度、电源电压等外界因素的影响较小。概念推演法动画讲演法图示讲演法结果展示法图示讲演法图表探究法图示讲演法应用介绍三、电涡流式传感器的应用1．位移测量（1）应用场合（2）几种实例：【图示】测量轴向振动；测量磨床换向阀和先导阀的轴位移；测量金属试件的热膨胀系数。（3）传感器外形：【图示】4～20mA电涡流位移传感器外形图；V系列电涡流位移传感器外形图【列表】V系列电涡流位移传感器性能一览表（4）四线制电涡流位移传感器的接线说明2．振幅测量【图示】测量旋转轴的径向振动；测量汽轮机涡轮叶片的振动；测量轴的振动形状；偏心和振动检测；汽轮机叶片测试3．转速测量【图示】转速测量的两种类型：带有凹槽的转轴；带有凸齿的转轴【动画】电涡流传感器转速测量动画转速计算公式：【举例】设齿数z=48，测得频率f=120Hz，求该齿轮的转速n【图示】齿轮转速测量示意图；用于汽车刹车ABS系统的速度传感器；车轮转速传感器剖视图4．电涡流表面探伤利用电涡流式传感器可以检查金属表面裂纹、热处理裂纹，以及焊接处的缺陷等。在探伤时，传感器应与被测导体保持距离不变。检测时，由于裂陷出现，将引起导体的电导率、磁导率的变化，即涡流损耗改变，从而引起输出电压的突变，达到探伤的目的。【图示】手持式裂纹测量仪；油管探伤；掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹【动画】电涡流传感器探伤检测动画5．厚度测量测量前，可先用电涡流测厚仪对标准厚度的镀层和铜箔作出“厚度－输出”电压的标定曲线，以便测量时对照。【图示】电涡流涂层厚度仪【动画】电涡流传感器测量厚度动画6．其它应用【动画】电涡流传感器计数动画演示；电涡流传感器轴心轨迹测量动画演示应用案例法图示讲演法列表分析法应用案例法图示讲演法动画展演法应用举例法图示演示法概念推演法图示展演法动画展演法图示展演法动画讲演法作业教材认知训练3－5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电容式传感器》教案课题单元3电容式传感器教学目的了解电容式传感器的工作原理及结构特点掌握变压器电桥的原理和脉冲宽度调制电路的特点了解电容传感器的调频电路，熟悉电容传感器的应用教学重点变压器电桥、差动脉冲调宽电路；电容式传感器的应用教学难点变压器电桥教学资源多媒体教学课件，电容式传感器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电容式传感器电容式传感器通过电容传感元件将被测物理量的变化转换为电容量的变化，再经测量转换电路转换为电压、电流或频率。【图示】电容传感器液位计提纲挈领法图示展演法概念分析一、基本工作原理及结构形式由两平行极板组成一个电容器，如图所示。若忽略其边缘效应，它的电容量可用下式表示。式中：ε0=8.85×10-12F/mε（或εr）、A、d三项中一项变化，其电容量C也变化，可分三种形式：变间隙式、变面积式、变介电常数式。【动画】电容传感器声波测量动画【图示】几种不同电容式传感器的原理结构图结构（其中如b、d、f为差动电容传感器）1．变极距式电容传感器d变化，ε0、A不变化电容量C与d不是线性关系。其灵敏度也不是常数。非线性误差ε=|Δd/d0|×100%对于差动形式灵敏度提高一倍，非线性误差减少。【动画】变极距式电容传感器原理动画【图示】变极距式电容传感器结构及特性曲线2．变面积式电容传感器ΔC与Δx之间为线性关系【动画】变面积式电容传感器原理动画【图示】几种变面积电容式传感器的原理结构图3．变介电常数式电容传感器ΔC与Δh之间为线性关系【动画】变介电常数式电容传感器原理动画【列表】三种电容式传感器比较表二、测量转换电路1．变压器电桥U0=U/2-ZC2U/（ZC1+ZC2）=（U/2）·（ZC1-ZC2）/（ZC1+ZC2）=（U/2）·（C1-C2）/（C1+C2）（1）变间隙单电容传感器C1=εA/(d0-Δd)C2=εA/d0U0=(UΔd/d0)/2(2-Δd/d0)≈(U/4)·(1+Δd/d0)·Δd/d0非线性（2）变间式差动电容传感器C1=εA/(d0-Δd)C2=εA/(d0+Δd)U0=(U/2)·Δd/d0线性由于电路输出为交流电，还应进行相敏检波后，才能辨别位移方向。2．调频电路【图示】调频电路原理框图由于振荡器的频率受电容式传感器的电容调制，这样就实现了C/f的变换，故称为调频电路。调频振荡器的振荡频率：3．脉冲宽度调制电路【图示】脉冲宽度调制电路原理图分析电路前先复习双稳态触发器真值表，经过分析推导：其中：U1为触发器输出高电平电压【结论】公式的形式与变压器电桥相同，但本质的区别为变压器电桥输出电压为交流电，而脉冲宽度调制电路输出电压为直流电。从而可以直接判别位移大小和方向。脉冲调宽电路具有以下五方面的特点：①消除了非线性；②不需要相敏检波即能获得较大的直流输出；③电路只采用直流电源，不需要频率发生器；④频率对输出无影响；⑤对输出矩形波纯度要求不高。概念推演法动画讲演法图示讲演法概念推演法动画讲演法图示讲演法动画讲演法图示讲演法动画讲演法列表分析法理论推导法总结归纳法图示讲演法提纲挈领法图示讲演法总结归纳法结论演绎法应用介绍三、电容式传感器的应用1．压力测量【图示】电容式压力传感器结构图；电容式差压变送器外形图；电容式差压变送器内部结构图。【图示】各种电容式差压变送器外形图；利用电容差压变送器测量液体的液位（P=ρ·g·h）；投入式水位计；家用电器压力检测示意图。2．加速度测量【动画】电容传感器加速度测量动画【图示】电容式加速度传感器；硅微加工加速度传感器结构图；硅微加工电容加速度传感器实物图；微加工三轴加速度传感器。【举例】加速度传感器在汽车中的应用、汽车气囊的保护作用、利用加速度传感器实现延时起爆的钻地炸弹。3．料位和液位测量【图示】AM90系列电容物位仪；电容料位测量示意图；智能化液位传感器的外形与设定按钮；电容式油量表原理图4．转速测量【动画】电容传感器转速测量动画5．1151电容式智能压力变送器【图例】1151电容式智能压力变送器外形图（1）主要技术性能①测量范围；②测量精度；③输出信号（2）压力（差压）变送器的耐腐蚀和防爆①耐腐蚀