传感器原理与应用教案

1 3 3 7 21 39 47 65 70 92 1 课程标准《传感器原理与应用》主编：卢永芳赵锋出版社《传感器原理及应用》主编：邓长辉李宝营出版社《传感器技术与应用》主编：贾海瀛 2/cms/courseDetails/index.htm?cid=cgqjzd041zf13.数字电路综合性实验实践类项目为20%；2.学生能够将传感器技术应用到毕业设计以及大学生创新竞赛中 3传感器原理与应用48学时（理论）+16学时（实验）传感器原理与应用4学时任务1：传感器认知2学时应用电子技术专业第4学期1.熟悉传感器的定义与分类，掌握传感器的组成与作用。2.掌握传感器基本特性，掌握传感器的主要技术指标。3.熟悉提高传感器性能的技术途径和传感器选择的一般原则。1.会根据铭牌识读常用的传感器类型。2.能根据系统要求对传感器进行合理选型。3.能根据手册或者说明书的要求进行传感器的正确安装、调试。了解传感器概念、特性和技术指标，增强新时代青年的历史使命感与责任担当意识，树立抢抓机遇、敢想敢为、善作善成的科技信心，争做堪当重任的时代新人。1.传感器的应用场合；2.传感器的概念。1.传感器的概念；2.理解传感器应用的广泛性和重要性。教法教师示范操作法、实物演示法、任务驱动法学法自主学习法、小组讨论法、探究学习法、翻转课堂学习法本任务的教学内容以任务为驱动，开展线上线下混合式教学，以翻转课堂的模式将教学过程分解为课前准备、课中导学、课后提升。学生课前自学线上资源，并进行线上测评；课中聚焦重点、难点，通过小组合作、自主探究完成课程内容；课后学生巩固所学内容。课前、课中、课后三个环节层层递进，构成完整的教学设计过程。41.1传感器概述1.传感器的概念传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。这一定义包含了以下四个方面的含义：（1）传感器是一种测量装置，能够完成检测任务。（2）它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量（3）它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等，主要是电量，如电压、电流、电容、电阻等。（4）输入量与输出量之间有对应关系，并且具有一定的转换精确度。2.传感器的组成与作用传感器的组成按其定义一般由敏感元件、转换元件、信号调理转换电路三部分组成,有时还需外加辅助电源提供转换能量。传感器的组成如图1-2所示。3.传感器的分类般采用两种分类方法：一种是按被测参数分类，如对温度、压力、位移、速度、加速度等的测量，相应的有温度传感器、压力传感器、位移传感器、速度传感器、加速度传感器等。1.2传感器的特性和主要技术指标1.传感器的静态特性静态特性是指传感器被测输入量各个值为不随时间变化的恒定信号时，系统的输出与输入之间的关系。图1-7所示为缓慢变化的信号，即静态信号。2.传感器的动态特性动态特性是指传感器的输入为随时间变化的信号时，系统的输出与输入之5间的关系。用传感器测试动态量时，希望它的输出量随时间变化的关系与输入量随时间变化的关系尽可能一致，但实际并不尽然，因此需要研究它的动态特性—分析其动态误差。它包括两部分：一部分为输出量达到稳定状态以后与理想输出量之间的差别；另一部分为当输入量发生跃变时，输出量由一个稳态到另一个稳态之间的过渡状态中的误差。3.传感器的主要技术指标传感器的主要技术指标如下：⑴基本参数指标①量程指标：量程范围、过载能力等。②灵敏度指标：灵敏度、满量程输出、分辩力、输入输出阻抗等。③精度方面的指标：精度（误差）、重复性、线性、回差、灵敏度误差、阈值、稳定性、漂移、静态总误差等。④动态性能指标：固有频率、阻尼系数、频响范围、频率特性、时间常数、上升时间、响应时间、过冲量、衰减率、稳定误差、临界速度、临界频率等。⑵环境参数指标①温度指标：工作温度范围、温度误差、温度漂移、灵敏度温度系数、热滞后等。②抗冲振指标：各向冲振容许频率、振幅值、加速度、冲振引起的误差等。③其他环境参数：抗干扰、抗介质腐蚀、抗电磁场干扰能力等。⑶可靠性指标工作寿命、平均无故障时间、保险期、疲劳性能、绝缘电阻、耐压、反抗飞狐性能等。⑷其他指标①使用方面：供电方式（直流、交流、频率、波形等）、电压幅度与稳定度、功耗、各项分布参数等。②结构方面：外形尺寸、重量、外壳、材质、结构特点等。1.3提高传感器性能的技术途径1．采用线性化技术2．采用闭环技术3．采用补偿和校正技术4．采用差动技术1.4传感器的标定和校准1．静态标定静态标定是指在输入信号不随时间变化的静态标准条件下，对传感器的静6态特性如灵敏度、线性度、滞后和重复性等指标的检定。2．动态标定动态标定的目的是确定传感器的动态特性参数，如频率响应、时间常数、固有频率和阻尼比等。1.5传感器选择的一般原则1.根据测量对象与测量环境确定传感器的类型2.灵敏度的选择3.频率响应特性4.线性范围5.稳定性6.精度梳理本节课知识点，强调重难点，加深学生对本节课内容的理解。7传感器原理与应用48学时（理论）+16学时（实验）传感器基础4学时任务2：测量和误差2学时应用电子技术专业第4学期1.掌握测量和测量误差的基本概念和基本测量方法。2.掌握测量精度的概念和计算。3.掌握测量误差的分类和测量的估计及校正方法。1.能够区分误差的分类。2.会进行误差分析。了解测量概念、方法，增强新时代青年的历史使命感与责任担当意识，树立抢抓机遇、敢想敢为、善作善成的科技信心，争做堪当重任的时代新人。1.误差的概念及分类；2.测量数据的处理及表述方法。1.测量数据的处理；2.测量数据的表述方法。教法教师示范操作法、实物演示法、任务驱动法学法自主学习法、小组讨论法、探究学习法、翻转课堂学习法本任务的教学内容以任务为驱动，开展线上线下混合式教学，以翻转课堂的模式将教学过程分解为课前准备、课中导学、课后提升。学生课前自学线上资源，并进行线上测评；课中聚焦重点、难点，通过小组合作、自主探究完成课程内容；课后学生巩固所学内容。课前、课中、课后三个环节层层递进，构成完整的教学设计过程。82.1测量基础知识1.测量的基本概念测量就是借助专用的手段和技术工具，通过实验的方法，把被测量与同种性质的标准量进行比较，求出两者的比值，从而获得被测量大小的过程。0X=AX0式中X——被测量；X0——标准量；A——比值(量纲为1)。2.测量的方法能够实现被测量与标准量相比较而获得比值的方法，称为测量方法。（1)按测量过程的特点分类按测量过程的特点，测量可分为直接测量、间接测量和组合测量。（2）根据测量方式可分为偏差式测量、零位式测量与微差式测量（3）根据测量条件不同可分为等精度测量与不等精度测量（4）根据被测量变化快慢可分为静态测量与动态测量3.检测系统（1）检测系统组成检测系统既指由众多环节组成的复杂的检测系统，又指检测系统中的各组成环节。因此，检测系统的概念是广义的，在检测信号的流通过程中，任意连接输入、输出并有特定功能的部分，均可视为检测系统。一个完整的检测控制系统通常由传感器、测量电路、显示记录装置或调节执行装置和电源等几部分组成：9（2）检测系统的分类一个完整的自动测控系统，一般由传感器、测量电路、显示记录装置或调节执行装置、电源四部分组成。2.2测量误差基础知识测量的目的是获得被测量的真实值。但是，由于测量方法、测量仪表、测量环境等因素的影响，任何被测量的真实值都无法得到。测量值和真值不一致的程度用测量误差表示，它反映了测量质量的好坏。（1）绝对误差绝对误差是指测量结果的测量值与被测量的真值之间的差值，即Δ=X-X0(1-47)式中Δ——绝对误差；X0——真值，其可为相对真值或约定真值；X——测量值。（2）相对误差只用绝对误差来表示测量误差，不能很好的说明测量质量的好坏，因为对于同一绝对误差而言，测量的真实值越大，测量的精度越高，故引入相对误差。相对误差δ定义为绝对误差Δ与真值X0的比值，通常用百分数表示，即式中δ——相对误差。（3）引用误差相对误差可以评价不同被测量的测量精度，却不能用来评价不同仪表的质量好坏。因为同一仪表在整个测量范围内的相对误差不是定值，由相对误差的定义可知，在绝对误差相同的情况下，随着被测量的减小，相对误差逐渐增大。为合理的评价仪表的测量质量，引入引用误差的概念。引用误差γ定义为绝对误差Δ与测量仪表的满量程A的百分比，即2.测量误差的来源(1)方法误差(2)理论误差(3)测量装置误差(4)环境误差(5)人身误差2.3误差的分类误差的分类方式见表1-4。表1-4误差的分类方式零位误差（又叫加和误差）、2.4测量数据处理1.测量数据的统计参数测量数据总是存在误差的，而误差又包含着各种因素产生的分量，如系统误差、随机误差、粗大误差等。2.随机误差及其处理随机误差与系统误差的来源和性质不同，所以处理的方法也不同。由于随机误差是由一系列随机因素引起的，因而随机变量可以用来表达随机误差的取值范围及概率。3.系统误差的发现（1）定值系统误差的发现①实验对比法②改变外界测量条件③理论计算及分析（2）变值系统误差的发现①残差观察法②马利科夫准则③阿贝-赫梅特(Abbe-Helmert)准则4.减小系统误差的方法分析和研究系统误差的最终目的是减小和消除系统误差。下面介绍一些常用的消除系统误差的方法。（1）消除系统误差产生的根源（2）引入更正值法（3）采用特殊测量方法消除系统误差2.5测量数据的表述方法常用的测量数据的表述方法有表格法、图示法和经验公式法。1.表格法表格法是根据测试的目的和要求，将测量数据制成表格，然后再进行其他的处理的方法。2.图示法图示法是用曲线或图形表示数据之间的关系，从图形中能直观地反映出数据变化的趋势，如递增性或递减性，是否具有周期性变化规律等。3.经验公式法用与图形相对应的数学公式来描述变量之间的关系的方法叫作公式经验法。当然这个公式不可能完全准确地表达全部数据。2.6测量不确定度1.测量不确定度的定义与测量结果相关联的一个参数，用以表征合理地赋予被测量之值的分散性。2.测量不确定度的分类3.测量误差与测量不确定度测量不确定度是误差理论发展和完善的产物，是建立在概率论和统计学基础上的新概念。4.测量不确定度的评定方法（1）A类标准不确定度的评定（2）B类标准不确定度的评定（3）合成标准不确定度的评定5.测量不确定度的评定流程（1）“测量过程”概述；简单说明下列一些测量条件和情况。包括测量依据，测量环境条件，测量标准及其主要计量特性，被测对象及其主要性能，测量参数(项目)与简明测量方法；其他有关说明。（2）建立测量过程数学模型；根据被测量的定义和测量方案，确立被测量与有关量之间的函数关系，即确定被测量Y和输入量Xi之间的关系Y=f(X1,X2,……Xn)（3）确定输入量的测量值xi，它们已包括所有系统误差影响的修正值。（4）计算各个输入量xi的标准不确定度μ(xi)包括A类和B类评定方法。（5）计算灵敏度系数ci，包括数值法、微分法和实验法。（6）确定输入量的相关性及相关系数，包括统计法或公式法。如果已确认各分量相互独立，则可不进行此步骤。（7）由ci计算输出量即测量结果y的估计值y=f(x1,……,xn)（8）确定y的合成标准不确定度μC(y)。（9）选择k值，确定扩展不确定度U=k×μC(y)，估计区间[y-U，y+U]的置信水平p。（10）测量不确定度的报告与表示。梳理本节课知识点，强调重难点，加深学生对本节课内容的理解。传感器原理与应用48学时（理论）+16学时（实验）电阻式传感器任务1：电阻应变式传感器4学时应用电子技术专业第4学期1.掌握各种电阻式传感器的结构和工作原理。2.掌握各种电阻式传感器的特点和测量电路。3.掌握各种电阻式传感器的补偿措施和应用。1.能够了解电子秤的工作原理。2.能够了解电阻应变式传感器测量电路，并能正确连接电路。3.能够掌握电阻应变片称重传感器应用电路的设计、安装与制作技能。了解电阻式传感器存在诸多影响性能的不利因素，但因优良的性能而应用广泛，除了把握其原理特性外，研发上还需要有不屈不挠的探索、有效的创新设计应对各种不利因素，逐步解决这些不利因素对性能的不利影响，使“平凡”变“伟大”。让我们从自己做起，从现在做起，把接力棒一棒一棒传下去！1.电阻式传感器的结构和工作原理；2.电阻式传感器的特点和测量电路。1.电阻应变片工作原理；2.电阻式传感器的测量电。教法教师示范操作法、实物演示法、任务驱动法学法自主学习法、小组讨论法、探究学习法、翻转课堂学习法本任务的教学内容以任务为驱动，开展线上线下混合式教学，以翻转课堂的模式将教学过程分解为课前准备、课中导学、课后提升。学生课前自学线上资源，并进行线上测评；课中聚焦重点、难点，通过小组合作、自主探究完成课程内容；课后学生巩固所学内容。课前、课中、课后三个环节层层递进，构成完整的教学设计过程。1.1电阻应变式传感器的工作原理电阻式传感器通过电阻参数的变化来达到非电量电测的目的。它的基本原理是将被测量的变化转换成电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出。1.电阻应变片的类型电阻应变片也称为应变计，是一种能将机械构件上的应变的变化转换为电阻变化的传感元件。1—敏感栅；2—基底；3—引线；4—盖层；5—黏结剂；6—电极2.电阻应变片的材料对电阻丝材料的基本要求如下：(1)灵敏系数应在尽可能大的应变范围内保持为常数，即电阻变化与应变呈线性关系。(2)电阻率ρ值要大，即在同样长度、同样横截面积的电阻丝中具有较大的(3)具有足够的热稳定性，电阻温度系数小，有良好的耐高温抗氧化性能。(4)与铜线的焊接性能好，与其他金属的接触电动势小。(5)机械强度高，具有优良的机械加工性能。3.电阻应变片的特性电阻应变片的特性是指由电阻应变片组成的电阻应变计的特性，是表达应变计工作性能及其特点的参数或曲线。（1）灵敏系数K（2）横向效应（3）初始电阻R0（4）绝缘电阻（5）最大工作电流(允许电流)（6）应变极限（7）机械滞后（8）蠕变和零漂（9）疲劳寿命1.3电阻应变式传感器的测量电路电阻应变片把机械应变信号转换成ΔR/R后，由于应变量及其应变电阻变化一般都很微小，既难以直接精确测量，又不便直接处理。因此，须采用转换电路或仪器，把应变计的ΔR/R变化转换成电压或电流变化。通常采用电桥电路实现这种转换。1.4电阻应变式传感器的温度误差及补偿措施1.温度误差电阻应变片式传感器在实际应用时，即使不加外力，如果环境温度发生变化,应变片的电阻也将发生变化。这种变化叠加在测量结果中将产生很大误差。这种由于环境温度改变而带来的误差,称为应变片的温度误差,又称热输出。2.温度误差补偿的措施温度误差补偿就是消除虚假视应变对测量应变的干扰。常采用温度自补偿法和桥路补偿法。1.5电阻应变式传感器的应用1.压力传感器压力传感器主要用来测量流体的压力。视其弹性体的结构形式有单一式和组合式之分。单一式是指应变计直接粘贴在受压弹性膜片或筒上。2.位移传感器应变式位移传感器是把被测位移量转变成弹性元件的变形和应变，然后通过应变计和应变电桥，输出正比于被测位移的电量。它可用来近测或远测静态与动态的位移量。因此，既要求弹性元件刚度小，对被测对象的影响反力小，又要求系统固有频率高，动态频响特性好。梳理本节课知识点，强调重难点，加深学生对本节课内容的理解。传感器原理与应用48学时（理论）+16学时（实验）电阻式传感器任务2：气敏电阻式传感器2学时应用电子技术专业第4学期1.了解气敏电阻式传感器的工作原理。2.了解气敏电阻式传感器的分类。3.掌握气敏电阻式传感器的应用。1.能够吸烟报警器的工作原理。2.能够进行吸烟报警器的安装于调试。了解电阻式传感器存在诸多影响性能的不利因素，但因优良的性能而应用广泛，除了把握其原理特性外，研发上还需要有不屈不挠的探索、有效的创新设计应对各种不利因素，逐步解决这些不利因素对性能的不利影响，使“平凡”变“伟大”。让我们从自己做起，从现在做起，把接力棒一棒一棒传下去！1.气敏电阻式传感器的工作原理；2.气敏电阻式传感器分类及应用。1.气敏电阻式传感器的工作原理。教法教师示范操作法、实物演示法、任务驱动法学法自主学习法、小组讨论法、探究学习法、翻转课堂学习法本任务的教学内容以任务为驱动，开展线上线下混合式教学，以翻转课堂的模式将教学过程分解为课前准备、课中导学、课后提升。学生课前自学线上资源，并进行线上测评；课中聚焦重点、难点，通过小组合作、自主探究完成课程内容；课后学生巩固所学内容。课前、课中、课后三个环节层层递进，构成完整的教学设计过程。2.1气敏电阻传感器的工作原理气敏传感器就是能够感知环境中气体成份及其浓度的一种敏感器件，它将气体种类及其浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱便可获得与待测气体在环境中存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警，还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。图2-15N型半导体吸附气体时器件阻值变化图2-16SnO2气敏电阻的基本测量电路2.2气敏传感器的分类由于被测气体的种类繁多，性质各不相同，不可能用一种传感器来检测所有的气体，所以气敏传感器的种类也很多。气敏传感器具体类型及其特点见表2-2。表2-2气敏传感器类型及其特点特若气体接触到加热的金属氧化物输出与气体浓利用化学溶剂与气体反应产生的电24气体选择性好利用与空气的折射率不同而产生的与空气折射率不同的根据热传导率差而放热的发热元件与空气热传导率不同构造简单，但根据红外线照射气体分子谐振而产2.3气敏传感器的选择与应用1.简易酒精测试器如图2-17所示为简易酒精传感器测试电路图。电路中采用TGS812型酒精传感器，对酒精有较高的灵敏度（对一氧化碳也同样敏感）。图2-17简易酒精测试电路2.便携式矿井瓦斯超限报警器便携式矿井瓦斯超限报警器体积小、重量轻，电路简单，工作可靠。其电路如图2-18所示，气敏传感器QM-N5（N型半导体）为对瓦斯敏感元件。图2-18矿井瓦斯超限报警器工作原理采用了SnO2半导体式气敏电阻的TGSl09型传感器，可以用于各种可燃性气体、有毒气体的预警，其结构如图2-19所示，图中兼作电极的加热器直接埋入块状SnO2半导体内。图2-19TGSl09型气敏传感器的结构吸烟报警器安装与调试1.技能要求通过操作技能训练，基本了解吸烟报警器的气工作原理、工作过程、结构和分类、性能，掌握气敏电阻式传感器电路和实验技能、信号处理及相匹配的测量电路，能对常用电阻应变式传感器进行检测与维护。梳理本节课知识点，强调重难点，加深学生对本节课内容的理解。传感器原理与应用48学时（理论）+16学时（实验）电阻式传感器任务3：湿敏电阻式传感器2学时应用电子技术专业第4学期1.了解湿敏电阻式传感器的工作原理。2.了解湿敏电阻式传感器的分类。3.掌握湿敏电阻式传感器的应用。1.能够分析干湿球湿度计的工作原理。2.能够掌握空气湿球检测传感器的应用。了解电阻式传感器存在诸多影响性能的不利因素，但因优良的性能而应用广泛，除了把握其原理特性外，研发上还需要有不屈不挠的探索、有效的创新设计应对各种不利因素，逐步解决这些不利因素对性能的不利影响，使“平凡”变“伟大”。让我们从自己做起，从现在做起，把接力棒一棒一棒传下去！1.湿敏电阻式传感器的工作原理；2.湿敏电阻式式传感器分类及应用。1.湿敏电阻式式传感器的工作原理。教法教师示范操作法、实物演示法、任务驱动法学法自主学习法、小组讨论法、探究学习法、翻转课堂学习法本任务的教学内容以任务为驱动，开展线上线下混合式教学，以翻转课堂的模式将教学过程分解为课前准备、课中导学、课后提升。学生课前自学线上资源，并进行线上测评；课中聚焦重点、难点，通过小组合作、自主探究完成课程内容；课后学生巩固所学内容。课前、课中、课后三个环节层层递进，构成完整的教学设计过程。3.1湿敏电阻传感器的工作原理湿敏电阻传感器是利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致本身电阻值发生变化这一原理而制成的。水分子极易吸附于固体表面并渗透到固体内部，引起半导体的电阻值降低。湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。图2-23所示为湿敏传感器测量电路。图2-23湿敏传感器测量电路1.电解质式湿敏电阻传感器它是利用吸湿性盐类“潮解”，离子导电率发生变化而制成的测湿元件，其结构如图2-24所示，由引线、基片、感湿层和电极组成。感湿层是在基片上涂敷的按一定比例配制的氯化锂－聚乙烯醇混合溶液。图2-24氯化锂湿敏电阻结构2.陶瓷式湿敏电阻传感器陶瓷式电阻湿敏传感器通常是由两种以上金属氧化物混合烧结而成的多孔陶瓷，是根据感湿材料吸附水分后其电阻率会发生变化的原理来进行湿度检测。陶瓷的化学稳定性好，耐高温，多孔陶瓷的表面积大，易于吸湿和脱湿，所以响应时间可以短至几秒。图2-26三种负特性半导体陶瓷式湿敏传感器感湿特性1-Zn-LiO2-V2O5系；2-Si-Na2O-V2O5系；3-TiO2-MgO-Cr2O3系图2-29所示为高分子电容式湿度传感器的结构。图2-29高分子电容式湿度传感器的结构3.2湿敏传感器的分类湿敏传感器的分类如图2-30所示。图2-30湿敏传感器的分类3.3湿敏传感器的选择与应用1.汽车后窗玻璃自动去湿装置如图2-32所示，为汽车后窗玻璃自动去湿装置。图2-32汽车后窗玻璃自动去湿装置2.房间湿度控制器湿度控制器采用KSC-6V集成相对湿敏传感器，将湿敏传感器电容置于RC振荡电路中，直接将湿敏元件输出的电容信号转换成电压信号。图2-33湿度控制器的工作电2.2气敏传感器的分类梳理本节课知识点，强调重难点，加深学生对本节课内容的理解。一、传感器原理与应用48学时（理论）+16学时（实验）电容式传感器2学时任务1：电容式传感器2学时应用电子技术专业第4学期1.掌握变面积、变极距、变介质电容式传感器的组成和工作原理。2.了解电容式传感器的测量电路。3.掌握电容式传感器的基本使用方法。1.能够识别各种电容式传感器。2.能够了解电容式传感器测量电路，并能在实验平台上正确连接3.能够掌握电容式接近开关电路的设计、安装与制作技能。素质目标学习电容式传感器相关知识，了解其重要性，培养以发展的观点看待事物，不固守过去的定式思维，借助和利用现代科技手段增强科技自信，创造物质文明，提升精神文明，重视思想道德水平和文化素养的提升，激发爱国情怀。1.电容式传感器的工作原理；2.电容式传感器的测量电路。1.电容式传感器的工作原理。教法教师示范操作法、实物演示法、任务驱动法学法自主学习法、小组讨论法、探究学习法、翻转课堂学习法本任务的教学内容以任务为驱动，开展线上线下混合式教学，以翻转课堂的模式将教学过程分解为课前准备、课中导学、课后提升。学生课前自学线上资源，并进行线上测评；课中聚焦重点、难点，通过小组合作、自主探究完成课程内容；课后学生巩固所学内容。课前、课中、课后三个环节层层递进，构成完整的教学设计过程。1.1电容式传感器工作原理电容式传感器是以各种类型的电容器作为敏感元件，将被测物理量的变化转换为电容量的变化，再由转换电路(测量电路)转换为电压、电流或频率，以达到检测的目的。因此，凡是能引起电容量变化的有关非电量，均可用电容式传感器进行电测变换。3.1湿敏电阻传感器的工作原理。如图3-1所示，由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，当忽略边缘效应影响时，平板电容器的电容量C可以表示为(8.854×10-12F/M)—真空介电常数；εr—极板间介质的相对介电常数；A—两平行极板所覆盖的面积；δ0—极板的有效面积A以及两极板间的距离。图3-1平板电容传感器1-动极板；2-定极板1.变极距型电容传感器电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介电常数（变介质）型三种类型。变极距型具有很高的灵敏度，用以测量微小位移如纳米级的位移，或者把力、加速度、位移及转速等力学量转换成微小变化的测量；变面积型有较大的量程，可测出从角秒级至几十度的角度，也用以测量较大的线性位移；变介电常数（变介质）型主要用以测量液体物位、材料厚度、空气湿度以及接近觉和触觉等。2.变面积型电容传感器要改变电容器极板的面积，通常采用线位移型和角位移型两种形式。3.变介电常数型电容传感器变介质型电容式传感器有较多的结构形式，可以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。1.3电容式传感器测量电路1.电容式传感器的等效电路电容式传感器的等效电路如图3-6所示。图3-6电容传感器的等效电路图3-6中，C为传感器电容，Rp为并联损耗电阻，它代表极板间的泄漏电阻和介质损耗。这些损耗在低频时影响较大，随着工作频率增高，容抗减小，其影响就减弱。Rs代表串联损耗，即代表引线电阻、电容器支架和极板电阻的损耗。L由电容器本身的电感和外部引线电感组成。2.电容式传感器测量电路电容式传感器中电容值以及电容变化值都是很小的，这样小的电容量不能直接被显示仪器所显示，也很难为记录仪器所接受，不便于传输，所以必须借助于测量电路检验出这个很小的电容变化量，然后将电容量转化成电压或电流，这种电路叫测量电路。它们的种类很多，主要有以下几种：交流不平衡电桥电路图3-7交流不平衡电桥电路图3-8二极管双T形交流电桥（3）差分脉冲调宽电路图3-9差分脉冲调宽电路（4）运算放大器电路图3-10运算放大器电路1.4电容式传感器的应用随着电容式传感器应用问题的完善解决，它的应用优点十分明显：(1)分辨力极高，能测量低达10-7的电容值或0.01μm的绝对变化量和高达(ΔC/C)＝100%～200%的相对变化量，因此尤适合微信息检测。(2)动极质量小，可无接触测量；自身的功耗、发热和迟滞极小，可获得高的静态精度和好的动态特性。(3)结构简单，不含有机材料或磁性材料，对环境(除高湿外)的适应性较强。(4)过载能力强。所以电容式传感器得到了广泛的应用，下面简单介绍几种电容式传感器的应用。1.5应用中存在的问题及其改进措施1.边缘效应2.寄生电容3.温度影响梳理本节课知识点，强调重难点，加深学生对本节课内容的理解。一、传感器原理与应用48学时（理论）+16学时（实验）电感式传感器6学时2学时应用电子技术专业第4学期1.了解自感式传感器的工作原理。2.掌握自感式传感器的测量电路。3.掌握自感式传感器的应用。1.能够识别自感式传感器。2.能够使用自感式传感器进行基本的测量。了解电感式传感器相关知识，树立严谨的学习态度，发扬持续专注、开拓进取大国工匠精神，塑造科技向善理念，完善全球科技治理，更好增进人类福祉。1.自感式传感器的工作原理；2.自感式传感器的测量电路。1.自感式传感器的工作原理。教法教师示范操作法、实物演示法、任务驱动法学法自主学习法、小组讨论法、探究学习法、翻转课堂学习法本任务的教学内容以任务为驱动，开展线上线下混合式教学，以翻转课堂的模式将教学过程分解为课前准备、课中导学、课后提升。学生课前自学线上资源，并进行线上测评；课中聚焦重点、难点，通过小组合作、自主探究完成课程内容；课后学生巩固所学内容。课前、课中、课后三个环节层层递进，构成完整的教学设计过程。图4-1变气隙式自感传感器1-图4-1变气隙式自感传感器1-线圈；2-定铁芯；3-衔铁2.变面积式自感传感器变面积式自感式传感器的结构如图4-2所示，电感式传感器是利用线圈自感或互感系数的变化来实现非电量电测的一种装置。利用电感式传感器，能对位移、压力、振动、应变、流量等参数进行测量。它具有结构简单、灵敏度高、输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力强及测量精度高等一系列优点，因此在机电控制系统中得到广泛的应用。1.变气隙式自感传感器如图4-1所示为一种简单的自感式传感器，它由线圈、铁芯和衔铁（动铁芯）等组成。铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁随被测量变化而上、下移动时，其与铁芯间的气隙发生变化，磁路磁阻随之变化，从而引起线圈电感量的变通电成成比例的电量，实现了非电量到电量的转，只要能测出电感线圈量的变化，就能确定衔铁位移量的大图4-2自感式传感器原理3.差动螺管式(自感式)传感器差动螺管式(自感式)传感器是由两个完全相同的螺线管组成，活动铁芯的初始位置处于线圈的对称位置，两侧螺线管Ⅰ、Ⅱ(匝数分别为W1、W2)的初始电感量相等。因此由其组成的电桥电路在平衡状态时没有电流流过负载。差动螺管式传感器的结构如图4-3所示。图4-3差动螺管式(自感式)传感器的结构1.2自感式传感器的测量电路交流电桥是电感式传感器的主要测量电路，它的作用是将线圈电感的变化转换成电桥电路的电压或电流输出。因为差分结构可以提高灵敏度、改善线性，所以交流电桥也多采用双臂工作形式。通常将传感器作为电桥的两个工作臂，电桥的工作臂可以是纯电阻也可以是变压器的二次绕组。自感式传感器常用的交流电桥有以下两种。(a)一般形式(b)变压器电桥图4-4输出端对称电桥2.谐振电路中曲线1为图4-6(a)回路的谐振曲线。(a)谐振电路(b)谐振曲线图4-6谐振电路3.调频电路当传感器线圈电感L发生变化时，调频振荡器的输出频率相应变化。利用阶梯形无骨架线圈，可使衔铁的位移变化与输出频差变化呈线性关系。传感器的结构如图4-7所示。图4-7电感调频式位移传感器的结构1—谐振电容；2—调频振荡器；3—电感线圈；4—磁性套筒；5—导杆(衔铁)4.相敏检波电路相敏检波电路是常用的判别电路。下面以带二极管式环形相敏检波的交流电桥为例介绍该电路的作用。如图4-8(a)所示，Z1、Z2为传感器两线圈的阻抗，Z3＝Z4构成另两个桥臂，U为供桥电压，Uo为输出电压。当衔铁处于中间位置时，Z1＝Z2＝Z，电桥平衡，Uo＝0。若衔铁上移，Z1增大，Z2减小。如供桥电支路中，C点电位由于Z1增大而降低；在A—F—D—B支路中，D点电位由于Z2减小而增高。因此D点电位高于C点，输出信号为正。如供桥电压为负半周，B点电位高于A点，二极管D2、D3导通，D1、D4截止。在B—C—F—A支路中，C点电位由于Z2减小而比平衡时降低；在B—D—E—A支路中，D点电位则因Z1增大而比平衡时增高。因此D点电位仍高于C点，输出信号仍为正。同理可以证明，衔铁下移时输出信号总为负。于是，输出信号的正负代表了衔铁位移的方向。(a)带相敏检波的交流电桥(b)实用电路图4-8相敏检波电路1.3自感式传感器的应用电感式传感器主要用于测量位移、尺寸及凡是能转换成位移变化的其他参数，如压力、张力、加速度、振动、应变、流量、比重、液位等。1.微压力变送器2.变隙电感式压力传感器梳理本节课知识点，强调重难点，加深学生对本节课内容的理解。二、1三、1传感器原理与应用48学时（理论）+16学时（实验）电感式传感器6学时任务2：互感式传感器2学时应用电子技术专业第4学期1.了解互感式传感器的工作原理。2.掌握互感式传感器的测量电路。3.掌握互感式传感器的应用。1.能够识别互感式传感器。2.能够使用互感式传感器进行基本的测量。了解电感式传感器相关知识，树立严谨的学习态度，发扬持续专注、开拓进取大国工匠精神，塑造科技向善理念，完善全球科技治理，更好增进人类福祉。1.互感式传感器的工作原理；2.互感式传感器的测量电路。1.互感式传感器的工作原理。教法教师示范操作法、实物演示法、任务驱动法学法自主学习法、小组讨论法、探究学习法、翻转课堂学习法本任务的教学内容以任务为驱动，开展线上线下混合式教学，以翻转课堂的模式将教学过程分解为课前准备、课中导学、课后提升。学生课前自学线上资源，并进行线上测评；课中聚焦重点、难点，通过小组合作、自主探究完成课程内容；课后学生巩固所学内容。课前、课中、课后三个环节层层递进，构成完整的教学设计过程。1.1互感式传感器的工作原理互感式（差动变压器）传感器是一种线圈互感随衔铁位移变化的变磁阻式传感器。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的形式连接，故称之为差动变压器式传感器。差动变压器结构形式较多，有变隙式、变面积式和螺线管式等，图4-13所示为这几种差动变压器的结构。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。（a）变隙式差动变压器（b）螺线管式差动变压器（c）变面积式差动变压器图4-13差动变压器的结构在忽略线圈寄生电容与铁芯损耗的情况下，差动变压器的等效电路如图4-14所示。图4-14差动变压器的等效电路图4-14中，U，I分别为初级线圈激励电压与电流(频率为ω)；L1，R1分别为初级线圈电感与电阻；M1，M2分别为初级与次级线圈1，2间的互感；L21，L22和R21，R22分别为两个次级线圈的电感和电阻。1.2互感式传感器的测量电路差动变压器的输出是交流电压，若用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向。另外，其测量值中将包含零点残余电压。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。相敏检波电路前面已经介绍过，这里只介绍差动整流电路。图4-17所示为两种半波整流差动输出电路的形式，差动变压器的两个次级输出电压分别进行半波整流，将整流后的电压或电流的差值作为输出。图4-17(a)适用于交流阻抗负载，图4-17(b)适用于低阻抗负载，电阻R用于调整零点残余电压。差动整流电路还可以接成全波电压输出和全波电流输出的形式。图4-17差动整流电路1.3互感式传感器的应用差动变压器式传感器可以直接用于位移测量，也可以测量与位移有关的任何机械量，如振动、加速度、应变、比重、张力和厚度等。图4-18所示为差动变压器式加速度传感器的结构。差动变压器式加速度传感器由悬臂梁和差动变压器构成。测量时，将悬臂梁底座及差动变压器的线圈骨架固定，而将衔铁的A端与被测振动体相连，此时传感器作为加速度测量中的惯性元件，它的位移与被测加速度成正比，使加速度测量转变为位移的测量。当被测体带动衔铁以Δx(t)振动时，导致差动变压器的输出电压也按相同规律变化。图4-18差动变压器式加速度传感器的结构1-悬臂梁；2-差动变压器图4-19所示为微压传感器的结构，在无压力时，固接在膜盒中心的衔铁位于差动变压器中部，因而输出为零，当被测压力由接头输出到膜盒中时，膜盒的自由端产生一正比于被测压力的位移，并带动衔铁在差动变压器中移动，其产生的输出电压能反映被测压力的大小。这种传感器经分档可测量-4×104～6×104Pa的压力，精度为1.5%。梳理本节课知识点，强调重难点，加深学生对本节课内容的理解。传感器原理与应用48学时（理论）+16学时（实验）电感式传感器6学时任务3：电涡流式传感器2学时应用电子技术专业第4学期1.了解电涡流式传感器的工作原理。2.掌握电涡流式传感器的测量电路。3.掌握电涡流式传感器的应用。1.能够识别电涡流式传感器。2.能够使用电涡流传感器进行基本的测量。了解电感式传感器相关知识，树立严谨的学习态度，发扬持续专注、开拓进取大国工匠精神，塑造科技向善理念，完善全球科技治理，更好增进人类福祉。1.电涡流式传感器的工作原理；2.电涡流式传感器的测量电路。1.电涡流式传感器的工作原理。教法教师示范操作法、实物演示法、任务驱动法学法自主学习法、小组讨论法、探究学习法、翻转课堂学习法本任务的教学内容以任务为驱动，开展线上线下混合式教学，以翻转课堂的模式将教学过程分解为课前准备、课中导学、课后提升。学生课前自学线上资源，并进行线上测评；课中聚焦重点、难点，通过小组合作、自主探究完成课程内容；课后学生巩固所学内容。课前、课中、课后三个环节层层递进，构成完整的教学设计过程。1.1电涡流式传感器简介1.电涡流效应和电涡流式传感器置于变化磁场中的块状金属导体或在磁场中作切割磁力线的块状金属导体，则在此块状金属导体内将会产生旋涡状的感应电流的现象称为电涡流效应，该旋涡状的感应电流称为电涡流，简称涡流。根据电涡流效应原理制成的传感器称为电涡流式传感器。利用电涡流传感器可以实现对位移、材料厚度、金属表面温度、应力、速度以及材料损伤等进行非接触式的连续测量，并且这种测量方法具有灵敏度高、频率响应范围宽、体积小等一系列优点。2.电涡流式传感器的工作原理（a）原理结构1.2电涡流式传感器的测量电路根据电涡流式传感器的工作原理，其测量电路有三种：谐振电路、电桥电路与Q值测试电路。这里主要介绍谐振电路。目前所用的谐振电路有三种类型：定频调幅式、变频调幅式与调频式。1.定频调幅电路图4-25所示为定频调幅电路框图。它由传感器线圈、电容器和石英晶体组成的石英晶体振荡电路。石英晶体振荡器通过耦合电阻R，向由传感器线圈和一个微调电容组成的并联谐振回路提供一个稳频稳幅的高频激励信号，相当于一个恒流源，即给谐振回路提供一个频率稳定（f0）的激励电流i0。2.变频调幅电路定频调幅电路虽然有很多优点，并获得广泛应用，但线路较复杂，装调较困难，线性范围也不够宽。因此，人们又研究了一种变频调幅电路，这种电路的基本原理是将传感器线圈直接接入电容三点式振荡回路。当导体接近传感器线圈时，由于涡流效应的作用，振荡器输出电压的幅度和频率都发生变化，利用振荡幅度的变化来检测线圈与导体间的位移变化，而对频率变化不予理会。当无被测导体时，振荡回路的Q值最高，振荡电压幅值最大，振荡频率为f0；当有金属导体接近线圈时，涡流效应使回路Q值降低，谐振曲线变钝，振荡幅度降低，振荡频率也发生变化。3.调频电路调频电路与变频调幅电路一样，将传感器线圈接入电容三点式振荡回路，所不同的是，以振荡频率的变化作为输出信号。如欲以电压作为输出信号，则应后接频率－电压转换器（又称为鉴频器）将频率信号转换为电压信号，用数字电压表显示出对应的电压。如图4-26所示为测量电路框图，图4-27所示为调频式测量电路，图4-28所示为鉴频器特性。这种电路的关键是提高振荡器的频率稳定度。通常可以从环境温度变化、电缆电容变化及负载影响三方面考虑。图4-26所示为测量电路框图1.3电涡流式传感器的应用1.低频透射式涡流厚度传感器透射式涡流厚度传感器的结构原理如图4-29所示。在被测金属板的上方设有发射传感器线圈L1，在被测金属板下方设有接收传感器线圈L2。当在L1上加低频电压U1时，L1上产生交变磁通Φ1，若两线圈间无金属板，则交变磁通直接耦合至L2中，L2产生感应电压U2。如果将被测金属板放入两线圈之间，则L1线圈产生的磁场将导致在金属板中产生电涡流，并将贯穿金属板，此时磁场能量受到损耗，使到达L2的磁通将减弱为Φ1′，从而使L2产生的感应电压U2下降。金属板越厚，涡流损失就越大，电压U2就越小。因此，可根据U2电压的大小得知被测金属板的厚度。透射式涡流厚度传感器的检测范围可达1～100mm，分辨率为0.1μm，线性度为1%。图4-29透射式涡流厚度传感器结构原理2.电涡流式转速传感器电涡流式转速传感器工作原理如图4-30所示。在软磁材料制成的输入轴上加工一键槽，在距输入表面d0处设置电涡流传感器，输入轴与被测旋转轴相连。图4-30电涡流式转速传感器工作原理梳理本节课知识点，强调重难点，加深学生对本节课内容的理解。传感器原理与应用48学时（理论）+16学时（实验）磁敏式传感器4学时任务1：霍尔式传感器2学时应用电子技术专业第4学期1.了解霍尔效应。2.熟悉霍尔式传感器基本特性和主要技术参数。3.掌握霍尔式传感器的结构、工作原理和应用。1.了解霍尔式传感器；2.对霍尔式传感器的电路进行分析。3.了解霍尔式传感器的应用。学习磁敏式传感器相关知识，培养科技自信心，努力学习，做好准备，为实现中华民族伟大复兴中国梦的能源电力建设进程做贡献。1.霍尔式传感器传感器的工作原理；2.霍尔式传感器电路分析。1.霍尔式传感器电路分析。教法教师示范操作法、实物演示法、任务驱动法学法自主学习法、小组讨论法、探究学习法、翻转课堂学习法本任务的教学内容以任务为驱动，开展线上线下混合式教学，以翻转课堂的模式将教学过程分解为课前准备、课中导学、课后提升。学生课前自学线上资源，并进行线上测评；课中聚焦重点、难点，通过小组合作、自主探究完成课程内容；课后学生巩固所学内容。课前、课中、课后三个环节层层递进，构成完整的教学设计过程。1.1霍尔效应1879年美国物理学家E.H.Hall首先发现了霍尔效应，如图5-1所示。当在长方形半导体片的长度方向通以直流电流I时，若在其厚度方向存在一磁场B，那么在该半导体片的宽度方向就会产生电位差EH，这种现象称为霍尔效应。图5-1效应模型1.2霍尔元件的主要技术参数霍尔元件的外形、结构和参数如图5-4所示。霍尔元件的基本特性如下，特性曲线如图5-5所示。图5-5霍尔元件的特性曲线霍尔元件的主要技术参数如下：1.输入电阻和输出电阻2.额定激励电流3.不等位电势（Vm）和不等位电阻（Rm）1.3测量误差及补偿措施霍尔元件在实际应用时，存在多种因素影响其测量精度，造成测量误差的主要因素有两类：半导体固有特性；半导体制造工艺的缺陷。其主要表现为零位误差和温度误差。1.不等位电势的补偿2.温度补偿1.4霍尔磁敏传感器电路分析1.霍尔元件的驱动电路如前所述，霍尔元件有恒压和恒流两种驱动方式，图5-8（a）、图5-8(b)分别示出了这两种驱动方式的电路原理。2.霍尔元件的输出放大电路图5-9三运放霍尔电压放大器1.5霍尔集成电路霍尔集成电路是指内部不仅包含霍尔元件，还包含有运放等电路的IC器件，它包括线性型霍尔集成电路与开关型集成电路两大类，见表5-2。表5-2霍尔集成电路的分类及特点线性型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路1.6霍尔式磁敏传感器的应用由霍尔效应的基本关系式可知，霍尔电压VH与输入控制电流Ic以及磁感应强度B均为线性关系。因此，可保持Ic不变通过测量VH来得到B，也可保持B不变通过测量VH来得到Ic，还可测量VH直接得到Ic和B的乘积，这样就可得到各种类型的基于霍尔效应的传感器。可用于交直流电压、电流、功率以及功率因数的测量，还可用于磁场、线圈匝数、磁性材料矫顽力的测量。除此之外，还可利用霍尔效应来测量速度、里程、圈数、流速、位移、镀层及工件厚度等。梳理本节课知识点，强调重难点，加深学生对本节课内容的理解。、传感器原理与应用48学时（理论）+16学时（实验）磁敏式传感器4学时任务2：其他磁敏式传感器2学时应用电子技术专业第4学期1.掌握磁敏式传感器的工作原理。2.了解结型磁敏器件的工作原理和特性。1.了解常见结型磁敏器件。2.了解磁敏式传感器的主要参数、工作原理和应用。学习磁敏式传感器相关知识，培养科技自信心，努力学习，做好准备，为实现中华民族伟大复兴中国梦的能源电力建设进程做贡献。1.结型磁敏器件类型及特点；2.半导体磁阻传感器工作原理及应用；3.铁磁性金属薄膜磁敏电阻工作原理及应用。1.各类磁敏式传感器的主要参数、工作原理和应用。。教法教师示范操作法、实物演示法、任务驱动法学法自主学习法、小组讨论法、探究学习法、翻转课堂学习法本任务的教学内容以任务为驱动，开展线上线下混合式教学，以翻转课堂的模式将教学过程分解为课前准备、课中导学、课后提升。学生课前自学线上资源，并进行线上测评；课中聚焦重点、难点，通过小组合作、自主探究完成课程内容；课后学生巩固所学内容。课前、课中、课后三个环节层层递进，构成完整的教学设计过程。2.1结型磁敏器件磁敏二极管、磁敏三极管是继霍尔元件和磁敏电阻之后迅速发展起来的新型磁电转换器件。它们具有输出信号大、磁灵敏度高(磁灵敏度比霍耳元件高数百倍甚至数千倍)、工作电流小、体积小、电路简单、能识别磁场的极性等特点，因而在磁场、转速、探伤等检测与控制等方面得到普遍应用。结型磁敏器件是指由PN结构成的磁敏器件，主要包括磁敏二极管和磁敏三极管两大类。1.磁敏二极管磁敏二极管的结构是平面P+-I-N+型结构的二极管。磁敏二极管的结构如图5-20所示。其中I区由高阻本征半导体硅或锗组成，因其长度远大于载流子扩散长度，故又称之为长基区二极管；p+、n+分别为用合金法制成的高掺杂区域，就构成了磁敏二极管的管芯。磁敏二极管加工过程中，需对I区的两个侧面进行不同的处理：一侧磨光，另一侧通过扩散杂质或喷砂制成高复合区，又称为r区。（a）磁敏二极管的结构（b）磁敏二极管的符号图5-20磁敏二极管的结构和符号2.磁敏三极管磁敏三极管是基于双注入、长基区二极管设计制造的一种结型磁敏晶体管，它可分为NPN和PNP两种类型，制作的材料既可以是Ge也可以是Si。图5-23(a)、图5-23(b)所示分别为Ge、Si两种磁敏三极管的结构。可以看出，Ge磁敏三极管是立体式结构，有发射极e、基极b和集电极c（均通过合金法或扩散法在弱本征p型半导体上形成）。其中集电极和发射极上下正对，基极则位于侧面。在发射极一侧的基区制造一个高复合的r区。硅磁敏三极管则是一种平面式结构，它是在n型基底上分别形成发射区、集电区和基区，最后形成PNP型磁敏三极管。需要注意：硅磁敏三极管没有高复合区。（a）锗磁敏三极管的立体结构（b）硅磁敏三极管图5-23磁敏三极管的结构2.2半导体磁阻传感器1.磁阻效应位于磁场中的通电半导体，因洛仑兹力的作用，其载流子的漂移方向将发生偏转，致使与外加电场同方向的电流分量减小，电阻增大，这种现象称为磁阻效应。它包括物理磁阻效应与几何磁阻效应。2.磁敏电阻的形状磁敏电阻有各种各样的形状，如图5-28所示。（a）长方形磁阻元件（b）栅格型磁敏电阻（c）曲折型磁阻元件（d）圆盘形元件图5-28磁敏电阻的形状3.半导体磁敏电阻的主要技术参数描述半导体磁敏电阻的主要技术参数：（1）B=0时的电阻值R0；（2）B≠0时的磁阻比RB/R0；（3）最大允许功耗（mW（5）额定工作电流；（6）最大工作电流；（7）平均失效率（/h（8）最大输入电压；（9）形状效应系数；（10）半导体磁敏电阻的材料；（11）半导体磁敏电阻的的短路条尺寸。4.半导体磁敏电阻的应用磁敏电阻可以用来探测磁场，还可以用来测量位移、角度、功率、电流以及制作交流放大器、振荡器等。2.3铁磁性金属薄膜磁敏电阻铁磁性金属薄膜磁敏电阻是二十世纪六十年代开发成功的利用铁磁材料中磁电阻的各向异性效应（1857年由W.Thonson发现）工作的磁敏器件。其电阻薄膜是铁磁体，具有很小的温度系数和较稳定的性能，灵敏度也比较高。工作范围通常在10-3~10-2r，常用作磁读头和旋转编码器的速度检测，包括三端、四端以及两维的集成电路等。1.铁磁材料磁电阻的各向异性效应2.金属薄膜磁敏电阻的结构与工作原理金属薄膜磁敏电阻的结构与应用电路如图5-30所示。这是一种三端分压型结构的金属膜磁敏电阻（除此之外还有四端桥型结构），它包括水平和垂直排列而成的相互串联的两个几何结构，因此，它既符合各项异性的规律，又符合电阻串联的规律。图5-30金属薄膜磁敏电阻模型3.金属膜磁敏电阻的技术参数4.金属膜磁敏电阻的特点及其应用（1）金属膜磁敏电阻的特点（2）金属膜磁敏电阻的应用梳理本节课知识点，强调重难点，加深学生对本节课内容的理解。传感器原理与应用48学时（理论）+16学时（实验）压电式传感器2学时任务1：压电式传感器2学时应用电子技术专业第4学期1.掌握压电式传感器的基本原理。2.掌握压电式传感器等效电路和测量电路。3.了解压电式传感器的应用。1.掌握压电式传感器电路的安装调试与检测。2.了解压电式传感器的应用。学习压电式传感器相关知识，培养精益求精、追求极致的工匠精神，为全面建设社会主义现代化国家、全面推进中华民族伟大复兴而努力奋斗。1.压电式传感器的工作原理；2.压电式传感器的测量电路；3.压电式传感器的应用。1.压电式传感器的工作原理和应用。。教法教师示范操作法、实物演示法、任务驱动法学法自主学习法、小组讨论法、探究学习法、翻转课堂学习法本任务的教学内容以任务为驱动，开展线上线下混合式教学，以翻转课堂的模式将教学过程分解为课前准备、课中导学、课后提升。学生课前自学线上资源，并进行线上测评；课中聚焦重点、难点，通过小组合作、自主探究完成课程内容；课后学生巩固所学内容。课前、课中、课后三个环节层层递进，构成完整的教学设计过程。1.1压电效应与压电材料1.压电效应压电效应分为正向压电效应和逆向压电效应。某些电介质，当沿着一定方向对其施加外力而使它变形时，内部就产生极化现象，相应地会在它的两个表面上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。当外力方向改变时，电荷的极性也随之改变，这种将机械能转换为电能的现象，称为正压电效应。为了直观地了解其压电效应，将一个单元中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在垂直于z轴的xy平面上投影，等效为图6-1（a）中的正六边形排列。图中“（+）”代表Si4+，“（-）”代表O2-。(a)(b)（c）图6-1石英晶体压电效应原理2.压电材料具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料能实现机-电能量的相互转换，具有一定的可逆性。目前压电材料可分为三大类：一是压电晶体（单晶二是压电陶瓷；三是新型压电材料，其中有压电半导体和有机高分子压电材料两种。表6-1常用压电晶体和陶瓷材料的主要性能压电常数，pC/Nd14=0.73d31=-78d15=250d33=200d31=-100d15=410d33=415d31=-185d15=670d33=200d31=-90d15=410最高允许相对湿度/(%)1.2压电式传感器的工作原理压电式传感器的基本原理就是利用压电材料的压电效应这个特性，即当有力作用在压电材料上时，传感器就有电荷(或电压)输出。单片压电元件产生的电荷量非常微弱，为了提高压电传感器的输出灵敏度，在实际应用中常采用将两片(或两片以上)同型号的压电元件粘结在一起。由于压电材料的电荷是有极性的，因此接法也有两种。如图6-2所示：图6-2压电元件连接方式1.3压电式传感器的等效电路与测量电路1.压电式传感器的等效电路压电传感器也可以等效为一个电荷源，如图6-3(b)所示。图6-3压电元件的等效电路2.压电式传感器的测量电路由于压电传感器输出信号很小，本身的内阻抗很大，输出阻抗很高，因此给它的后续测量电路提出了很高的要求。（ab）图6-5电压放大器简化电路1.4压电式传感器的应用1.压电式加速度传感器图6-9所示为压电式加速度传感器的结构。它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，并用螺栓加以固定。图6-9压电式加速度传感器的结构2.压电式力传感器图6-10所示为压电式单向测力传感器的结构，它主要由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及基座等组成。图6-10压电式单向测力传感器的结构梳理本节课知识点，强调重难点，加深学生对本节课内容的理解。传感器原理与应用48学时（理论）+16学时（实验）热电式传感器任务1：热电偶传感器4学时应用电子技术专业第4学期1.了解热电偶的测温原理。2.掌握热电偶的基本定理。3.掌握热电偶的冷端温度补偿。4.熟悉常用热电偶及其应用。1.学会识别热电偶的能力。2.了解热热电偶测量电路，并能在实验平台上正确连接电路。3.掌握热电偶应用电路的设计、安装与制作技能。学习热电式传感器相关知识，培养科学研究的兴趣，增强自主学习的热情。1.热电偶的工作原理；2.热电偶的基本定理；3.热电偶的温度补偿及应用。1.热电偶基本定理；2.热电偶的温度补偿。教法教师示范操作法、实物演示法、任务驱动法学法自主学习法、小组讨论法、探究学习法、翻转课堂学习法本任务的教学内容以任务为驱动，开展线上线下混合式教学，以翻转课堂的模式将教学过程分解为课前准备、课中导学、课后提升。学生课前自学线上资源，并进行线上测评；课中聚焦重点、难点，通过小组合作、自主探究完成课程内容；课后学生巩固所学内容。课前、课中、课后三个环节层层递进，构成完整的教学设计过程。1.1热电偶的测温原理热电式传感器是一种能够将温度变化转换为电信号的装置。它是利用某些材料或元件的性能随温度变化的特性进行测温的。如将温度变化转换为电阻、热电动势、磁导率变化以及热膨胀的变化等，然后再通过测量电路来达到检测温度的目的。热电式传感器广泛应用于工农业生产、家用电器、医疗仪器、火灾报警以及海洋气象等诸多领域。热电偶传感器的测温原理是基于热电效应。将两种不同材料的导体组成一个闭合回路，如图7-1所示。当两个接合点温度T和T0不同时、则在该回路中就会产生电动势、这种现象称为热电效应，相应的电动势称为热电势。这两种不同材料的导体的组合就称为热电偶。导体A、B称为热电极。两个接点中，一个称为热端，也称为测量端或工作端，测温时它被置于被测介质(温度场)中；另一个接点称为冷端，又称参考端或自由端，它通过导线与显示仪表或测量电路相连，如图7-2所示。图7-1热电效应原理图7-2热电偶测温系统1.2热电偶的基本定律1.均质导体定律由两种均质导体组成的热电偶，其热电动势的大小只与两材料及两接点温度有关，与热电偶的尺寸大小、形状及沿电极各处的温度分布无关。即如材料不均匀，当导体上存在温度梯度时，将会有附加电动势产生。这条定理说明，热电偶必须由两种不同性质的均质材料构成。2.中间导体定律利用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导线和仪表，接入导线和仪表后是否会影响回路中的热电势？中间导体定律说明，在热电偶测温回路内，接入第三种导体时，只要第三种导体的两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响。图7-3所示为接入第三种导体时热电偶回路的两种形式。在图7-3(a)所示的回路中，由于温差电势可忽略不计，则回路中的总热电势等于各接点的接触电势之和，即当t=t0时，有eABC(t，t0)=0，则所以此式说明，在热电偶测温回路内接入第三种导体，只要第三种导体的两端温度相同，则对回路的总热电势不会产生影响。3.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在接点温度为t、tc和tc、t0时的热电势eAB(t，tc)和eAB(tc，t0)的代数和，如7-4所示，即4.标准电极定律如果已知热电极A、B分别与热电极C组成的热电偶在(T，T0)时的热电势分别为EAC(T，T0)和EBC(T，T0)，如图7-5所示。则在相同的温度下，由A、B两种热电极配对后的热电势EAB(T，T0)可按下式计算：EAB(T,T0)=EAC(T,T)-EBC(T,T0)这里热电极C称为标准电极。因为铂容易提纯，熔点高，性能稳定，所以标准电极通常采用纯铂丝制成。标准电极定律也称为参考电极定律或组成定律。1.3热电偶材料与常用热电偶理论上讲，任何两种不同材料的导体都可以组成热电偶，但为了准确可靠地测量温度，对组成热电偶的材料必须经过严格的选择。工程上用于热电偶的材料应满足以下条件：热电势变化尽量大，热电势与温度关系尽量接近线性关系，物理、化学性能稳定，易加工，复现性好，便于成批生产，有良好的互换性。现在工业上常用的4种标准化热电偶材料为：铂铑30-铂铑6(B型)、铂铑10-铂(S型)、镍铬-镍硅(K型)和镍铬－铜镍(我国通常称为镍铬-康铜)(E型)。我国已采用IEC标准生产热电偶，并按标准分度表生产与之相配的显示仪表。表7-1列出了我国采用的几种热电偶的主要性能和特点。1.4热电偶冷端温度补偿当热电偶材料选定以后，热电动势只与热端和冷端温度有关。因此只有当冷端温度恒定时，热电偶的热电势和热端温度才有单值的函数关系。此外热电偶的分度表是以冷端温度为0℃作为基准进行分度的，而在实际使用过程中，冷端温度往往不为0℃,所以必须对冷端温度进行处理，以消除冷端温度的影响。1.冷端0℃恒温法冷端恒温法就是将热电偶的冷端置于某一温度恒定不变的装置中。热电偶的分度表是以0℃为标准的。所以在实验室及精密测量中，通常把冷端放入0℃恒温器或装满冰水混合物的容器中，以便冷端温度保持0℃,这种方法又称为冰浴法。这是一种理想的补偿方法，但工业中使用极为不便。2.补偿导线法在实际测温时，需要把热电偶输出的热电势信号传输到远离现场数十米远的控制室里的显示仪表或控制仪表，这样，冷端温度t0比较稳定。热电偶一般做得较短，通常为350～2000mm，需要用导线将热电偶的冷端延伸出来。工程中采用一种补偿导线，它通常由两种不同性质的廉价金属导线制成，而且在0~100℃温度范围内，要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性，两个连接点温度必须相等，正负极性不能接反。表7-2所列是常用的补偿导线。1.5热电偶的应用热电偶主要用于工业生产中的温度检测，常常配有显示、记录和控制。热电偶测温时，与其配套的仪表有动圈式仪表、自动电子电位差计、示波器和数字式测温仪表以及自动记录仪表等。热电偶产生的热电势通常在毫伏级范围。测温时，它可以直接与显示仪表(如动圈式毫伏表、电子电位差计、数字表等)配套使用，也可与温度变送器配套，转换成标准电流信号。在特殊情况下，热电偶可以串联或并联使用，但只能是同一分度号的热电偶，且冷端应在同一温度下。如为了获得较大的热电势输出和提高灵敏度或测量多点温度之和，可以采用热电偶正向串联；采用热电偶反向串联可以测量两点间的温差；而利用热电偶并联可以测量多点平均温度。图7-10所示为热电偶串、并联测温的线路。(a)正向串联(测量多点温度和)(b)反向串联(测量两点温差)(c)并联(测量多点平均温度)图7-10热电偶串、并联测温线路梳理本节课知识点，强调重难点，加深学生对本节课内容的理解。传感器原理与应用48学时（理论）+16学时（实验）热电式传感器任务2：热电阻传感器2学时应用电子技术专业第4学期1.了解热电阻传感器的测温原理。2.掌握热电阻的结构和分类。3.了解热电阻的性能。4.熟悉热电阻传感器的检测电路及其应用。1.学会识别热电阻传感器的能力。2.了解热电阻传感器测量电路，并能在实验平台上正确连接电路。3.掌握热电阻应用电路的设计、安装与制作技能。学习热电式传感器相关知识，培养科学研究的兴趣，增强自主学习的热情。1.热电阻的测温原理；2.热电阻结构分类；3.热电阻性能及应用。1.热电阻的测温原理；2.热电阻的检测电路。教法教师示范操作法、实物演示法、任务驱动法学法自主学习法、小组讨论法、探究学习法、翻转课堂学习法本任务的教学内容以任务为驱动，开展线上线下混合式教学，以翻转课堂的模式将教学过程分解为课前准备、课中导学、课后提升。学生课前自学线上资源，并进行线上测评；课中聚焦重点、难点，通过小组合作、自主探究完成课程内容；课后学生巩固所学内容。课前、课中、课后三个环节层层递进，构成完整的教学设计过程。1.1热电阻的测温原理热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。用金属或半导体材料作为感温元件的传感器，分别称为金属热电阻和热敏电阻。热电阻传感器分为金属热电阻和半导体热电阻两大类，一般把金属热电阻称为热电阻，而把半导体热电阻称为热敏电阻。热电阻广泛用来测量-200～850℃温度，少数情况下，低温可测量至1K，高温达1000℃。热电阻传感器由热电阻、连接导线及显示仪表组成，如图7-14所示。热电阻也可与温度变送器连接，转换为标准电流信号输出。图7-14热电阻传感器1.2热电阻的结构和分类目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。1.铂热电阻铂热电阻的特点是在氧化性介质中，甚至高温下的物理化学性能稳定，精度高、稳定性好、电阻率较大、性能可靠，所以在温度传感器中得到了广泛应用。按IEC标准，铂热电阻的使用温度范围为-200～850℃。2.铜热电阻铜热电阻的电阻温度系数比铂高，电阻与温度的关系(R-t)曲线几乎是线性的，并且铜价格便宜、易于提纯、工艺性好。因此，在一些测量精度要求不高、测温范围不大且温度较低的测温场合，可采用铜热电阻进行测温，铜热电阻的测量范围为-50～150℃。3.热电阻的结构热电阻主要由电阻体、绝缘套管和接线盒等组成。电阻体主要由电阻丝、骨架、引线等部分组成。1.3热电阻传感器性能温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。一般采用纯金属作为材料，它利用金属热电阻的电阻值随温度变化呈一定函数关系的特性进行温度测量。作为测温用的热电阻材料应该具有以下特性。（1）良好的输出特性。电阻值与温度变化具有线性的或者接近线性的变化关系。（2）电阻温度系数大，电阻率高。这样在同样条件下可加快反应速度，提高灵敏度，减小体积和重量。（3）在测温范围内具有稳定的物理性质和化学性质。以保证在使用温度范围内热电阻的测量准确性。（4）良好的工艺性，材料质量要纯，容易加工复制，价格便宜。以便于批量生产、降低成本。1.4热电阻传感器的检测电路1.热电阻的引线形式用热电阻传感器进行测温时，热电阻与检测仪表相隔一段距离，因为热电阻的引线对测量结果有较大的影响，所以测量电路经常采用电桥电路。热电阻内部的引线方式有二线制、三线制和四线制三种，如图7-15所示。二线制中引线电阻对测量影响大，用于测温精度不高的场合；三线制可以减小热电阻