《传感器与自动检测技术》电子教案（模块9）

《模块九自动检测技术的综合应用》教案PAGE1第1页共12页《单元1抗干扰技术》教案课题单元1抗干扰技术教学目的了解干扰的来源掌握电磁干扰的途径和抗电磁干扰技术理解电磁兼容性的概念和抑制电磁干扰的基本措施教学重点电磁干扰的途径和抗电磁干扰技术教学难点电磁干扰的途径教学资源多媒体教学课件教学手段多媒体课堂教学教学过程及教学内容教学方法引入模块九自动检测技术的综合应用本章就抗干扰技术、可靠性问题和传感器的选择等自动检测技术应用中的一些基本问题作一交待，并且简要介绍微机在自动检测技术中的应用及自动检测与转换技术的综合应用实例。单元1抗干扰技术【图示】手机干扰器实物图；电磁信号干扰器的实物图提纲挈领法图示展演法概念分析一、干扰的来源1．机械干扰2．热的干扰3．光干扰4．湿度变化的影响5．化学干扰6．电和磁干扰7．射线辐射的干扰【图示】上述各种干扰的形象示意图二、信噪比和电磁兼容性信噪比(S/N)“信噪比”S/N是指在信号通道中，有用信号成分与噪声成分之比电磁兼容性指电子设备在规定的电磁干扰环境中能按照原设计要求而正常工作的能力，而且也不向处于同一环境中的其他设备释放超过允许范围的电磁干扰信号。三、干扰的途径与作用方式1．通过“路”的干扰漏电流耦合形成的干扰传导耦合形成的干扰共阻抗耦合形成的干扰2．通过“场”的干扰静电耦合形成的干扰电磁耦合形成的干扰（3）辐射电磁场耦合形成的干扰四、抑制干扰的基本措施形成干扰的三要素：干扰源、干扰途径及对干扰敏感的接收电路。【图示】形成电磁干扰的三要素之间的联系框图可采取三个措施：消除或抑制干扰源（2）破坏干扰途径削弱接收电路对干扰的敏感性以上三个方面的措施可用疾病的预防来比喻，即消灭病菌来源，阻止病菌传播和提高人体的抵抗能力。五、抗干扰技术1．屏蔽技术（1）静电屏蔽【图示】静电屏蔽实验图（2）电磁屏蔽【图示】收音机－屏蔽网房；防电脑显示器辐射的屏蔽罩；程控交换机屏蔽机柜（3）低频磁屏蔽【图示】低频磁屏蔽材料2．接地技术地线的种类①模拟信号地线②数字信号地线③信号源地线④负载地线一点接地原则①单级电路的一点接地原则【图示】单级电路的一点接地示意图②多级电路的一点接地原则【图示】多级电路的一点接地示意图③检测系统的一点接地原则【图示】传感器系统的两点接地电路图；传感器系统的一点接地电路图3．浮置技术浮置又称浮空，它指的是模拟输入信号放大器公共线（即模拟信号地）不接机壳或大地。4．平衡电路（对称电路）指双线电路中的两根导线与连接到这两根导线的所有路，对地或对其导线、电路结构对称，对应阻抗相等。5．滤波技术滤波器是抑制噪声干扰的重要手段之一。利用滤波器抑制检测系统的干扰由电原理框图来说明。【图示】滤波器抑制检测系统干扰的原理框图6．光电耦合技术光电耦合器是一种电→光→电耦合器件，目前检测系统越来越多地采用光电耦合器来提高抗干扰能力。光电耦合器有如下特点：（1）绝缘阻抗高（大于1010Ω）、耐压超过1kV；（2）单向性好，输出信号不会反馈影响输入；（3）隔离性好，能很好地解决不同电位、不同逻辑电路之间的隔离和传输的矛盾。概念推演法图示展演法概念推演法引导探究法结论演绎法图示讲演法概念推演法图示展演法图示展演法概念推演法图示讲演法提纲挈领法图示讲演法概念推演法作业教材认知训练9－3，9－5，9－6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自动检测系统的可靠性问题》教案课题单元2自动检测系统的可靠性问题教学目的熟悉可靠性的基本概念及提高可靠性的措施教学重点可靠性的基本概念及提高可靠性的措施教学资源多媒体教学课件教学手段多媒体课堂教学教学过程及教学内容教学方法引入单元2自动检测系统的可靠性问题【图示】美国“挑战者号”航天飞机爆炸瞬间1957年美国先锋卫星的发射失败及1986年美国“挑战者号”航天飞机的爆炸。可见，可靠性问题是直接影响到经济、军事和政治甚至生命的大问题。图示展演法提纲挈领法概念分析一、可靠性的基本概念1．可靠性问题的提出在二次大战期间，美国的通讯设备、航空设备、水声设备都有相当数量发生失效而不能使用。因此，美国便开始研究电子元件和系统的可靠性问题。2．可靠性的基本概念（1）可靠性在规定的时间内，在规定的条件下，完成规定功能的能力。（2）可靠度产品在规定的时间内，在规定的条件下，完成规定功能的概率（3）失效率产品工作到某一时间后的单位时间内产生失效的概率，即产品工作到一定时刻t后，在单位时间内产生失效的产品数与时间t时仍在正常工作的产品数之比。引导探究法概念推演法应用介绍二、提高可靠性的措施除了采用可靠性更高的元器件或提高工艺质量这两种措施外，还可利用可靠性的规律来提高产品的可靠性。1．利用失效的规律来提高可靠性【图示】自动检测系统及设备的失效曲线（浴盆曲线）可分早期失效期、偶然失效期、损耗失效期三个阶段。2．采用重复备用系统来提高可靠性串联系统的可靠度PS=ΠPi【图示】m个不同单元相串联示意图（2）并联系统的可靠度PS=1—（1—Pi）n【图示】n个相同单元相并联示意图（3）串并联系统的可靠度PS=1—（1—ΠPi）n【图示】m个不同单元相串联后n个相并联示意图（4）并串联系统的可靠度PS=Π〔1—（1—Pi）n〕【图示】n个相同单元并联后m个不同单元相串联示意图另外还有等待备用系统引导探究法图示讲演法循序渐进法图示讲演法图示讲演法图示讲演法图示讲演法例题讲解【例题】设两单元的可靠度分别为P1＝0.8，P2＝0.9，求：①两单元串联组成系统的可靠度；②串并联重复备用系统的可靠度；③并串联重复备用系统的可靠度。【解】①两单元串联组成系统的可靠度为：PS＝P1·P2＝0.8×0.9＝0.72②串并联重复备用系统的可靠度为：PS＝1－（1－P1P2）2＝1－〔1－(0.8×0.9)〕2＝0.92③并串联重复备用系统的可靠度为：PS＝〔1－(1－P1)2〕·〔1－(1－P2)2〕＝〔1－(1－0.8)2〕·〔1－(1－0.9)2〕＝0.95可知，在同样元件数的情况下，并串联重复备用系统具有较高的可靠度。例题讲演法作业教材认知训练9－7，9－8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微机在自动检测技术中的应用》教案课题单元3微机在自动检测技术中的应用教学目的熟悉智能检测系统的硬件、软件及特点教学重点智能检测系统的硬件、软件教学资源多媒体教学课件教学手段多媒体课堂教学教学过程及教学内容教学方法引入单元3微机在自动检测技术中的应用现代检测系统大多已配备有微机，微机与传感器的配合使检测系统的功能大大提高，形成智能检测系统。微机(现多采用单片机)与测量仪器有机结合而构成新型的、功能极强、性能可靠的仪器，被称为智能化仪器。【图示】智能化测量控制仪实物图；智能化台式激光采血仪实物图提纲挈领法图示展演法概念分析一、智能检测系统的构成1．硬件系统【图示】智能检测系统的硬件结构原理框图微机部分包括CPU、RAM、ROM、时钟、定时器等，按顺序介绍硬件系统各部件功能及运行过程，微机采样方式为“巡回检测”。【说明】智能检测系统可以是复杂的，也可以是简单的，不一定包括所有部件。2．软件系统软件包括执行软件和监控软件。执行软件各模块的功能如下：数据采集根据要求确定采样时间及采样次数。故障诊断及自校验当系统出现故障无法正常工作时，只要微机本身能继续进行，它就自动执行故障诊断程序，按预定的顺序搜索故障部位，并显示出来。数字滤波从一系列数据中提取逼近真值数据的软件算法。（4）线性化处理运用软件技术来进行非线性校正。（5）温度补偿把传感器输出与环境温度之间的关系储存在微机中，经测温传感器把环境温度信号送入微机，通过计算、查表等方法，求得反映测量真实值的某一数据，这样的可靠数据才能进入下面的运算、比较与处理中。（6）数据运算、比较与处理微机进行数据统计处理、控制算法运算、与给定值比较等一系列操作都可以由软件来实现。（7）数据输出测量数据的输出包括输出显示、打印、通信等，控制信号的输出包括报警、控制执行元件来调整被测量等。二、智能检测系统的特点1．改善了性能减少误差、温度补偿、提高抗干扰能力等。2．增加了功能记忆、数据处理、提高分辨率、译码等。3．提高了自动化程度误差自补偿、操作自动化、自报警、自诊断。三、多功能化、网络化仪器系统大型测控系统的应用，在以计算机为核心的平台上，调用不同的测试软件就可构成不同的虚拟仪器，完成不同功能的检测任务，将多种测试功能集成一体，形成多功能仪器，有效增加测试系统的柔性，降低成本。案例1：基于虚拟仪器的整车性能检测系统【图示】基于虚拟仪器的整车性能检测系统原理框图；基于虚拟仪器的整车性能检测系统面板网络技术的普及和发展，使得测试仪器系统向网络化方向发展，不但可实现对测试系统的远程操作与控制，而且还可以把测试结果通过网络发布，以实现系统资源的共享，性价比将获得更大的提高。案例2：大棚种植网络远程监控系统大棚覆盖塑料薄膜，形成了相对封闭与露地不同的特殊小气候。采取相应的调控措施，满足蔬菜生长发育的条件，从而获得优质高产，并进行远程监控。【图示】大棚种植网络远程监控系统示意图图示讲演法概念推演法总结归纳法总结归纳法图示讲演法实例展演法作业教材认知训练9－11，9－12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4传感器在物联网中的应用》教案课题单元4传感器在物联网中的应用教学目的了解物联网的概念、体系结构熟悉传感器在物联网中的应用方式及特点教学重点物联网检测技术及典型应用教学难点物联网体系结构、感知层硬件构成教学资源多媒体教学课件教学手段多媒体课堂教学教学过程及教学内容教学方法引入单元4传感器在物联网中的应用物联网是通过传感器、视频识别（RFID）、红外感应、条码识别等信息传感设备，采集力、热、声、光、电、磁、化学、位置等各种信息，按约定的协议，实现物与物、物与人等的网络互连，进行信息交换和通信，以实现物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。提纲挈领法概念分析一、物联网的体系结构物联网大致有三个层次，底层是用来感知数据的感知层，第二层是进行数据传输的网络层，最上面则是应用层。【图示】物联网体系结构示意图；家庭物联网位置布置图1．感知层主要由传感器和传感网组成，处于物联网最低端，用于感知信号并且进行数据采集。2．网络层网络层的作用是将感知层感受到的信息无障碍、高可靠性、高安全性地进行传递，这就要依靠传感器网络、移动通信网络和互联网技术的相互配合。经过近些年的发展，互联网、移动通信已日趋成熟，可以物联网提供可靠的信息传输。3．应用层应用层由应用支撑平台子层和应用服务平台子层组成，应用支撑平台子层用于支撑跨系统、跨平台、跨应用信息的协同、共享和互通；应用服务平台子层通常有智能家居、智能交通、智能医疗、智能物流等行业的应用。4．公共技术公共技术并不属于物联网的三个组成部分之一，但是其与三个组成部分都有密切关系，包括标识与解析、安全技术、网络管理和服务质量（QoS）管理。从一系列数据中提取逼近真值数据的软件算法。二、RFID技术RFID技术属于自动识别技术的一种，利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递并通过所传达的信息达到识别目的的技术。通常把RFID称为电子标签。RFID由电子标签、天线和读写器组成。【图示】RFID的组成及工作原理示意图【动画】RFID工作过程动画文本：RFID的分类及应用1．电子标签：由芯片和耦合元件组成，每一个电子标签具有全球唯一的识别号码（lD），电子标签不能修改，不能仿造。电子标签内部保存有约定格式的电子数据，应用时，电子标签附着在待识别物体表面，用以标识目标对象。文本：RFID的分类及应用2．天线：处于电子标签读写器和电子标签之间，用于传递射频信号，即电子标签的数据信息。3．读写器：读取或者写入电子标签的信息，有手持式和固定式：读写器可以无接触地识别被测物体的电子信息，自动识别的信息传递给计算机，进行进一部的处理。RFID的工作原理如下：电子标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（无源标签或被动标签），或者由标签主动发送某一频率的信号（有源标签或主动标签），解读器读取信息并解码后送至中央信息系统进行有关数据处理。【图示】公交IC卡系统结构示意图；物流自动分拣系统示意及现场图三、物联网感知层硬件构成1．传感节点传感节点完成相应数据的采集和传输，各测量信息被传感器转换后经A/D采样并送至微处理，再由微处理器按通信协议经天线发送至接收节点。【图示】传感节点硬件框图2．数据接收节点数据接收节点除了具有无线收发数据的功能外，还需将汇集的各个终端呼叫器传来的数据通过通信端口，传送至上位机，进行数据显示、记录等处理，或通过互联网等进行远程数据交互。【图示】数据接收节点硬件框图四、物联网应用案例1．智能停车场【图示】数据通信系统示意图；基于物联网的智能停车场系统整体架构【动画】智能停车场动画2．智能家居智能家居是利用计算机技术、控制技术、图像显示技术以及通信技术，将与家居生活有关的各种子系统通过网络连接到一起，从而满足整个系统的自动化要求，能够提供更便捷的控制和管理。【图示】智能家居管理系统示意图3．家用计量传感器（1）智能水表（2）智能电表（3）智能热表（4）智能气表【图示】智能家居四表抄送系统总体架构；智能水表组成原理框图；智能电表内部结构示意图；智能网络热量表组成原理图；智能气表工作原理图【动画】智能流量计动画4．居家环境安全传感器【图示】智能家居环境安全系统（1）烟雾报警【动画】光电式烟雾传感器动画【表格】火灾探测器分类【图示】电离室结构示意图；电离电压与电流的关系；离子感烟传感器内部电路（2）燃气泄漏检测【图示】可燃性气体检测报警器结构框图。【动画】电化学传感器；光电式烟雾传感器图示讲演法概念推演法图示讲演法动画讲演法总结归纳法图示讲演法图示讲演法图示讲演法图示讲演法动画展演法总结归纳法图示展演法图示讲演法动画展演法图示讲演法动画展演法表格归类法图示讲演法图示展演法动画展演法本课教育评注（课堂设计理念，实际教学效果及改进设想）

《单元5自动检测技术综合应用实例》教案课题单元5自动检测技术综合应用实例教学目的了解自动检测技术综合应用的一些实例教学重点传感器在化工生产中的典型应用、全自动洗衣机检测技术教学难点系统运行程序教学资源多媒体教学课件教学手段多媒体课堂教学教学过程及教学内容教学方法引入单元5自动检测与转换技术综合应用实例数控机床、家电在现代加工制造业及日常生活中的作用不可或缺，温度、流量、压力、液位等检测在工业生产中特别是轻工、化工、制药等行业中应用广泛。下面就以这些为例，说明传感器与自动检测技术的具体应用。提纲挈领法应用介绍一、汽轮机叶根槽数控铣床【图示】数控铣床结构示意图；数控铣床系统检测控制原理框图整个系统共配备数十个传感器：六个磁栅传感器分别装在刀具的走刀系统内，用以测量刀具在x、y、z及u、v、w六个方向的位移量；两个光电编码器装在床鞍内，用以测量床鞍在rl、ll方向的位移量；圆形感应同步器安装在与被加工轴联动的分度花盘内，用来测量工件的旋转角度；还有为数众多的温度传感器和压力传感器被安装在系统的各个重要部位，用以测量该部位的温度和压力。【动画】数控机床位移检测动画1．各传感器在加工过程中的作用（1）转子转角的检测与控制【图示】被加工的转子及圆形感应同步器；工件转角闭环伺服系统。工件夹紧与托起的检测（3）刀具位置的检测与控制（4）温度检测2．系统的报警、故障自诊功能由于显示终端配有CRT，所以不但可作一般的屏幕报警，还可作故障诊断用。以温度故障为例，由于测温点太多，所以多数测温点只向微机提供超限信号，而不是具体的温度值。微机收到这些超限信号后，在CRT的特定位置上显示出超温标志及设备编号，操作者要想进一步了解故障原因，就要进行人机对话。二、传感器在冶金中的综合应用高炉炼铁就是在高炉中将铁从铁矿石中还原出来并熔化成生铁。高炉是一个竖式的圆筒形炉子，其本体包括炉基、炉壳、炉衬、冷却设备和高炉支柱，而高炉内部工作空间又分为炉喉、炉身、炉腰、炉腹和炉缸五段。【图示】炼铁生产过程工艺参数检测与控制系统示意图；热风炉煤气燃烧自动检测控制系统示意图1．高炉本体检测和控制动画：热电偶动画：热电偶（1）温度【图示】电子电位差计实物图；热电偶结构及原理示意图【动画】电炉自动炉温控制系统动画（2）差压（压力）【图示】差压变送器实物图【动画】电容式压力传感器原理动画2．送风系统检测和控制（1）鼓风温度（2）鼓风湿度3．热风炉煤气燃烧自动控制（1）气与空气的比值控制（2）烟道废气舍氧量控制（3）炉顶温度控制（4）烟道废气温度控制（5