传感器及应用技术教案

<<

学期:______________________

课程名称：传感器及应用

授课班级：

教研室：自动化教研室

任课教师:______________________________

授课率节绪论授课形式讲授

授课时间第1周周5（9月4日）第3至4节

知识目标：

1、了解工业检测的定义和内容；

教学目标

2、掌握检测系统的框图的绘制；

教学重点检测系统的框图

教学难点检测系统的组成

补充内容无

教学场地多媒体教室

教学过程方法手段

导检测的含义是多少？提问

入2分钟

检测的定义：检测(Detection)是利用各种物理、化学效应,选择PPT与实

合适的方法与装置，将生产、科研、生活等各方面的有5W信息通过才.殳查与

例相结合

测量的方法赋予定性或定量结果的过程.

自动检测技术：能够自动地完成整个检测处理过程6田技术称为=)动检

测技术。

二、工业检测技术的内容

新本课介绍非电量的检测。

85分钟

三、自动检测系统的组成

课(1)系统框图：将系统中的主要功能或电路的名称应，在方框内，*安信号

的流程，将几个方框用箭头联系起来，有时还可以在箭5k上方标出彳言号的

名称。在产品说明书、科技论文中，利用框图可以较简日月、清晰地i启明系

统的构成及工作原理。

对具体的检测系统或传感器而言，必须将框图中的彳。项内容赋》义具体

的内容。

显示器

।r-------------------►

传感器电量-信号滑理电路数据处理装置

执行机构

(2)传感器(Transducer)指一个能将被测的非电量变换成电量的器件C黄

示教具，发散性课堂讨论)。

(3)信号调理电路信号调理电路包括放大(或衰减)电路、滤波电路、隔

离电路等。其中的放大电路的作用是把传感器输出的电量变成具有一定驱动和传

输能力的也压、也流或频率信号等，以推动后级的显示器、数据处理装置及执行

机构。

(4)显示器目前常用的显示器有四类：模拟显示、数字显示、图象显示及

记录仪等。模拟量是指连续变化量.模拟显示是利用指针对标尺的相对位置来表示

读数的，常见的有毫伏表、微安表、模拟光柱等。

数字显示目前多采用发光二极管(LED)和液晶(LCD)等，以数字的形式来显

示读数.前者亮度高、耐震动、可适应较宽的温度范围；后者耗业省、集成度高。

目前还研制出了带背光板的LCD,便于在夜间观看LCD的内容。

因像显示是用CRT或点阵LCD来显示读数或被测参数的变化曲娱、图表或彩

色图等形式来反映整个生产线上的多组数据。

新记录仪主要用来记录被检测对象的动态变化过程，常用的记录仪有笔式记录

仪、高速打印机、绘图仪、数字存储示波器、磁带记录仪、无纸记录仪等。

课(5)数据处理装置数据处理装置用来对测试所得的实脸数据进行处理、运

算、逻辑判断、线性变换，对动态测试结果作频谱分析(幅值谱分析、功率谱分

析)、相关分析等，完成这些工作必须采用计算机技术。

(6)执行机构所谓执行机构通常是指各种继电器、电磁铁、也磁阀门、电

磁调节阀、伺服也动机等，它们在电,路中是起通断、控制、调节、保护等作用的

电器设备。许多检测系统能输出与被测量有关的电流或电压信号，作为自动控制

系统的控制信号，去胆动这些次行机构。

四、科技资料的搜索方法

解释：网页搜索界面，百，更的“文档搜索”的步骤1T“更多"T“所有"T

“关键词”，“谷歌”的网页搜索，“知道搜索”，“学术搜索”步骤.

知识拓展：无

练上网查阅有关资料，按学生“序号”分组，简要写出以下电器的工作原理(约

习3

300字左右即可)，并简要画出其结构及原理框图.

或

1.洗衣机；2.家用或中央空调；3.电饭煲；4.包冰箱；

训分

练

课

后

小激发学生学习兴趣，强调该课程的重要地位，更能让学生有信心和热

结

布

置1.31

作

业分

授课章节检测技术的基本概念授课形讲授

授课时间第/_周周(9月8日)第5至6节

知识目标：

1、了解测量方法的分类；

教学目标

2、掌握测量误差和数据处理；

Q/多生，他TA甘夕U工

教学重点测量结果的数据统计处理

教学难点传感器的特性

补充内容无

教学场地多媒体教室

教学过程方法手段

导测量过程都会产生哪些误差？提问

入

测量方法分类

PPT、讲练

可分为静态测量和动态测量、直接测量和间接测量、模拟式

测量和数字式测量、接触式测量和非接触式测量、在线测量和离

结合与实

线测量。根据测量的具体手段来分，又可分为偏位式测量、零位

式测量和微差式测量

例相结合

测量误差及数据处理

介绍：真值力0、绝对误差：

新A-A,-AQ(1—1)

80分钟

(1)示值(标称)相对误差X

课

Zv=Ax100%(1-3)

Ar

(2)引用误差m

—X100%(1—4)

An

式(1—4)中，当取仪袤的最大绝对误差值n时，引用误

例1—2现有准确度为0.5级的。〜300°C的和准确度为

1.0级的0~100℃的两个温度汁，要测量80℃的温度，试问采用

哪一个温度计好？

解计算用0。5级表以及1.0级表测量时，可能出现的最

大示值相对误差分别为±1.88%和±1。25%o计算结果表明，用

1o0级表比用0。5级表的示值相对误差的绝对值反而小，所以

更合适。

由上例得到的结论：在选用仪表时应兼顾准确度等级和量

程，通常希望示值落在仪表满度值的2/3以上。

（二）测量误差的分类

（1）粗大误差：明显偏离其值的误差称为粗大误差。当发现粗

大误差时，应予以剔除。

（2）系统误差：凡误差的数值固定或按一定规律变化者，

均属于系统误差。

新系统误差是有规律性的，因此可以通过实验的方法或引入

修正值的方法计算修正，也可以重新调整测量仪表的有关部件

课使系统误差尽量减小.

（3）随机误差：在同一条件下，多次测量同一被测量，有

时会发现测量值时大时小，误差的绝对值及正、负以不可预见

的方式变化，该误差称为随机-吴差。随机误差反映了测量值离散

性的大小。引起随机误差的因素称为随机效应。随机误差是测

量过程中许多独立的、微小的、偶然的因素引起的综合结果。

存在有随机误差的测量结果中，虽然单个测量值误差的出现

是随机的，多数随机误差都服从正态分布规律。就误差的整体

而言，服从一定的统计规律。因此可以通过增加测量次数，利用

概率论的一些理论和统计学的一些方法，可以掌握看似毫无规

律的随机误差的分布特性，并进行测量结果的数据统计处理。

（课堂上，以下面的例题代替繁杂的计算）.

知识拓展：有小数字的四则运算6分钟

练

习无

或

训

练

课

后学生理论计算能力不可轻视，要提高，多训练，要强化

小

结

布一、1o9

置1分钟

二、上网查阅某一仪表的资料（类型不限，独立完成，富同刀T

作

业无分数！），写出它的分类、型号、性能指标，画出其中一种外

形图。

授课章节第二章电阻传感器I授课形讲授

授课时间第2周周5(9月11日)第3至4_节

知识目标：

1、了解应变效应；

教学目标

2、掌握电桥调零的方法；

Q，挚媳岛将品后44七田

教学重点电桥的调零

教学难点也桥也踏

补充内容无

教学场地多媒体教室

教学过程方法手段

导健康称的工作原理是多少？提问

入3分钟

一、工作原理

PPT与实

应变效应：导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机

械变形，其电阻值也将随着发生变化。

物、图片、

电阻应变片的灵敏度：实验证明，电阻丝或半导体应变片的

电阻相对变化量R/?与材料力学中的轴向应变,的关系在很视频原理

大范围内是线性的，即

演示

新

—=Ke(2-1)

Rxx

课二、应变片的种类结构

80分钟

应变片的分类：金属应变片、半导体应变片两大类.前者可分

成金属丝式、箔式、薄膜式三种。

金属丝式应变片价格便宜，多用于要求不高的应变、应力的

大批量、一次性试脸。

箔式应变片的一致性较好，适合于大批量生产，目前广泛用于各

种应变式传感器的制造中。

电桥平衡的条件：为了使电桥在测量前的输出电压为零，

应该选择四个桥臂也阻，使R\RFRR又RJRFRJR3.

应变电桥的三种不同的工作方式：

单臂半桥工作方式：片为应变片，吊、用、分为固定电,阻，

用〜分均为零。

双臂半桥工作方式：R、、吊为应变片，用、用为固定电

阻，/t3—/t4=0o

全桥工作方式：电桥的四个桥臂都为应变片。

电桥的输出电压估算：

rj=4型』+

°4R、R2为凡

(2—5)

新从公式2-5得到的结论：

上述三种工作方式比较：全桥四臂工作方式的灵敏度最高，

课双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。

温漂补偿：

采用双臂半桥或全桥能实现温度自补偿的功能。当环境温

度升高时，桥臂上的应变片温度同时升高，温度引起的电阻值

漂移数值一致，代入式(2-5),可以相互抵消，所以这两种桥路

具有温度自补偿功能。

电桥的调零：

调零的必要性：实除使用中，片、用、后、吊不可能严格成比

例关系，所以即使在未受力时，桥路的输出也不一定能严格为

零，因此必须设置调零电路.

调零电路：如图2—4b所示。调节RP,最终可以使用与(6RP

+凡)、是与(%RP+凡)的并联结果之比R/Ri等于右/用，

3左〒.1>垃・//WM/二

知识拓展：无

练

习讨论

讨论：电桥中/?5的作用：用于减小调节范围的限流电阻.

或

训7分钟

练

课

后

小学生涉及到理论就无精打采，遇到实际应用精神饱满，要

结

-Ax110:人-7^7中口二工|

布

置无

作

业

授课章节第二章电阻传感器II授课形讲授

授课时间第4周周5（9月22日）第3至4节

知识目标：

1、了解热电阻传感器的工作原理；2、掌握仪表的标定方法；

教学目标

3、掌握三线制仪表的概念；4、了解热电阻电矫差动放大器的

教学重点仪表的标定

教学难点工程项目设计及计算

补充内容无

教学场地多媒体教室

教学过程方法手段

演示并提问：（1）用打火机烧一只小型Pt100的端部（或一

导提问

段电阻丝），用数字欧娣表观察其阻值变化趋势，请同学回答是正

入温度特性还是负温度特性？Ao关灯瞬间；B。开灯瞬间；C.正常

-rXX*dr1、rU•匚&ZJ-〃o5分钟

热电阻的主要技术性能指标比较：

提问、

表2—2热电阻的主要技术性能

材料钝(WZP)钠(WZC)

PPT、讨论

使用温度范围/℃-200〜+960—50〜+150

6

电阻率/(m10-)0。098〜0。1060o017相结合

。〜100C间电，阻

温度系数（平均值）3.003850。0042875分钟

新/℃_,

在氧化性介质中较稳

课定，不能在还原性介质

化学稳定性超过100℃易氟化

中使用，尤其在高温情

况下

特性近于线性、性能线性较好、价格低

特性

稳定、准确度高糜、体积大

适于测量低温、无

适于较高温度的测

应用水分、无腐蚀性介质

量，可作标准测温装置

U'j，皿7乂

课堂提问(1)若为理想线性型热电阻，则表达式应为：

Rt-_

热电阻分度表：热电阻的阻值凡与亡之间并不完全呈线性

关系。因此必须每隔一度测出铀热电阻和铜热电阻在规定的测

温范围内的q与t之间的对应也阻值，并列成表格，如附录C(请

同学翻到P343)

课堂提问(1)为什么Cu50的分度表格数比Pt的分度表

少很多？

(2)查附录C,销热电阻在0"C时的阻值为____0,与型

号有何关系？100℃时的阻值为_____。，200℃时的阻值为

_____Q,说明该Pt100是否爱性？在理想线性的情况下，2。0℃

时的阻值应为____0O

二、热敏电阻

1o热敏电阻的类型及特性

新热敏电阻(Thermistor)按其温度系数可分为负温度系数热

敏电阻(NTC)和正温度系数热敏电阻(PTC)两大类。

课正温度系数：电阻的变化趋势与温度的变化趋势相同.

负温度系数：当温度上升时，电阻值反而下降。

NTC的电阻值与温度之间的负指数关系：图2—15中的曲

线2,关系式为：

RT=ReTT0(2—13)

式中RT——NTC在热力学温度为7■时的电阻值；

R。——NTC在热力学温度为九时的电阻值，心设定在

298K(25();

B--NTC的温度常数。

课堂提问(1)为什么公式2-13中的温度以r表示，用不

,«f4上二G

知识拓展：3分钟

练1、应变片测力的工程项目设计

习7分钟

将一片如表27所示的PZ—120型应变片粘贴在承重受压钢柱

或

的表面，并接入由另外3个120Q固定电阻组成的不平衡电桥。

训

练由于该应变片的电阻变化量较小，电桥的输出电压为毫伏数量

级，因此必须由一个放大器A给予放大。

课

后

小提问可以使学生集中精力，集中精力学习，提高学习效

结

击

布2。2

置

作

业

授课章节第三章电感传感器授课形讲授

授课时间第6周周5（10月11日）第3至4节

知识目标：

1、了解电感传感器的工作原理；

教学目标

2、掌握电流输出型仪表的概念；

能力目标：

鼻•底口耳.

教学重点电流揄出型仪表的计算

教学难点二线制仪表的原理、应用

补充内容无

教学场地多媒体教室

教学过程方法手段

导除了电阻传感器，还有哪些传感器？提问

人

5分钟

演示：做以下的实验：将一只380V交流接触器线图与交流毫

演示、

安表串联后，接到机床用控制变压器的36V交流电压源上，如图

4-1所示。这时毫安表的示值约为几十毫安。用手慢慢将接触器

PPT、提问

的活动铁心（称为衔铁）往下按，我们会发现毫安表的读数逐渐

减小。当衔铁与固定铁心之间的气隙等于零时，毫安表的读数只

相结合

剩下十几毫安。

新80分钟

课

kxxxxxxxx

图3—1线图铁心的气隙与电感量及电流的关系实验

1—固定铁心2一气隙3—线图4一衔铁5一弹簧6-磁力线7—绝

壕外壳

由电工知识可知，忽略线图的直流也阻时，流过线图的交流

电流为

二、变极面式电感传感器

分析式（3—1）,理论上电,感量L与气隙截面积/是

______（线性/非线性）关系.，灵敏度为______O

三、螺线管式电感传感器

单线图螺线管式电感传感器，当衔铁工作在螺线管的中部

时，可以认为线图内磁场强度是均匀的，此时线图电感量2与衔

铁插入深度/大致成正比.

特点与应用范围：结构简单，制作容易，但灵敏度稍低，适

用于测量稍大一点的位移.

四、差动电感传感器

上述三种包感传感器的缺点：

由于线图中通有交流励磁电流，因而衔铁始终承受电磁吸

力，会引起振动及附加误差，而且非线性误差较大；另外，外

界的干扰如包源电压频率的变化，温度的变化都使输出产生误

新差。

课

知识拓展：无

练

习5分钟

或讨论：生活中还有哪些具体应用实例？

训

练

课

后讨论时间应严格控制，较少不必要的时间浪费

小

结

布

置无

作

业

授课章节第三章电感传感器2授课形讲授

授课时间第7周周5（10月16日）第3至4节

知识目标：

1、了解电感传感器的应用；

教学目标

2、掌握电流/电压转换电路及计算；

能力目标：

-护底口Jr.

教学重点应用

教学难点设计

补充内容无

教学场地多媒体教室

教学过程方法手段

导

电感传感器都在哪些领域有应用？

提问

人

一、位移测量

、提

测量时红宝石（或鸨钢）测端接触被测物，被测物尺寸的微小PPT

变化使衔铁在差动线圉中产生位移，造成差动线圉电感量的变化，

问、演示

此电感变化通过电缆接到交流电桥，电桥的输出电压反映了被测

体尺寸的变化。测微仪器的最小量程为3Hm。

和工程设

二、电感式不圆度计

电感测头围绕工件缓慢旋转，也可以是测头固定不动，工件

计相结合

新绕轴心旋转.耐磨测端（多为铐钢或红宝石）与工件接触。信号经

计算机处理后给出图3—13b所示图形。该图形按一定的比例放大

工件的不圆度，以便用户分析测量结果。

课80分钟

第四节工程项目设计实例

电感传感器在轴承滚柱直径分选中的应用

学习的目的：通过本实例的学习，初步了解测量系统的调

零、调满度和机械位置细调等过程。本案例可用于其他带有机

械结构的技改项目.

一、课题要求及主要技术指标

滚柱的标称直径为10.000mm,允许公差范围为±3um。

在公差范围内，滚柱的直径从9.997mm至10。003mm,分为

A〜G共7个等级，滚柱直径测量的绝对误差应小于0.5um.

二、设计方案及步骤

（一）机械结构的设计

1.测微器的选择

由于被测滚柱的公差变化范围只有6pm,传感器所需要的

行程较短，所以可以选择线图骨架较短、直径较小的型号.

新2.滚柱的推动与定位

采用“振动料斗二气缸的活塞在高压气体的推动下，将滚

课柱快速推至电感测微器的测标下方的限位挡板位置。使用“鸨

钢测头”延长测端的使用寿命.

3.气缸的控制

什么是气缸：引导活塞在其中进行直线往复运动的圆筒形

金属机件。

知识拓展：应用设计的过程和方法

练

习7分钟

或讨论：电感式传感器都哪些用途，简单描述其工作过程

训

练

课

后

小

结

布3.3

置

作

业

授课章节第五章电容传感器的原理及应用授课形式讲授

授课时间第8周周2（10月20日）第5至6节

知识目标：

1、了解电容传感器的工作原理;2、掌握电容传感器的应用；

教学目标

3、了解电容接近开关的原理及应用；4、了解流量的测量方法.

能力目标：

-茄居E1£•.

教学重点电容传感器的应用

教学难点流量的测量

补充内容无

教学场地多媒体教室

教学过程方法手段

导哪位同学可以说说电容传感器都在哪些地方使用过？提问

人

4分钟

第一节电容传感器的工作原理及结构形式

PPT、提

平板也容器的也容量为

问、演示、

C=^4=£^4（5—1）

图例、动

式中A—两极板相互遮盖的有效面积；

L一两极板间的距离，也称为极距；

画相结合

新£——两极板间介质的介电常数；

E,——两极板间介质的相对介电常数；

£0--真空的介电常数，£O=8O8510-12（F/m）o

课80分钟

分析式（5—1）得出结论：在A、d、E三个参量中，改变其

中任意一个量，均可使电容量C改变.也就是说，电容量。是/1、d、

E的函数，固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传

感器：变面积式、变极距式、变介电常数式。

一、变面积式

动极板1可以左右移动，称为动极板；极板2固定不动称为定

极板.

版据去（5—1）可知一中而积云电束传成器的揄山城，母是线性的一

电容传感器的应用

图5—5所示的简单结构就可以用于测量纸张含水量、塑料薄膜的厚度

等。而图5—2b所示的传感器就可以用于测量工件的尺寸，图5—2c可以用

于测量机械臂的角位移。

可以利用极距变化的原理，测量振动、压力；利用相对面积变化的原理，

可以精确地测量角位移和直线位移，构成电子千分尺；利用介电常数变化

的原理，可以测量空气相对湿度、液位、物位等。

分析：包容加速度传感器、湿敏电容.

重点分析：电容式油量表

1、当油箱中无油时，电容传感器的电容量c二以，调节匹配电容使

o,吊二吊；并使调零电1位器吊的滑动臂位于o点，即吊的电阻值为o.此时，

电桥满足a/a二兄/吊的平衡条件，电桥输出为零，伺服电动机不转动，油

量表指针偏转角6=0“

新

课

1一油箱2—圆柱形电容器3—伺服乱动机4一减速箱5—油量表

知识拓展：无

转

习6

或

训讨论：超市防盗检测门的工作过程分

练

课

后

小

结

无

布

置

作

业

授课章节第七章超声波传感器的原理及应用授课形式讲授

授课时间第巫周周色_(10月23日)第❷至上LV

知识目标：

1、了解超声波的物理基础：

教学目标

2、掌握纵波探伤的计算；

3了解无损探伤的原理。

教学重点无损探伤

教学难点超声波传感器的应用

补充内容无

教学场地多媒体教室

教学过程方法手

试问超声波的含义及用途

导提问

八

5分钟

第一节超声波物理基磔

PPT、生

一、声波的本质和分类

声波是一种机械波。

活实

1.可闻声波：振动频率在20Hz〜20kHz的范围内，可为人耳所感

觉

例、提

2.次声波：振动频率在20Hz以下人耳无法感知，但许多动物却

能感受到.比如地震发生前的次声波就会引起许多动物的异常反应。

问、讨

新3.超声波：振动频率高于20kHz的机械振动波

超声波的特点：指向性好，能量集中，穿透本领K,在遇到两

论

种介质的分界面(例如钢板与空气的交界面)时，能产生明显的反射

课

和折射现象，这一现象类似于光波.

超声波的特性与频率的关系：频率越高，其声场指向性就愈好，

与光波的反射、折散特性就越接近。

80分钟

二、超声波的传播方式

超声波的传播波型主要可分为纵波、横波、表面波等几种.

三、声速、波长与指向性

(1)声速声波的传播速度取决于介质的弹性系数、介质的密

府以及击阻后《几种常用材料的击读与索府、窗旭脱6匀关系如夷7

第二节超声波换能器及耦合技术

超声波换能器有时又称超声波探头。超声波换能器的工作原理

有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，在检测技术中主要采用

压电式.由于其结构不同，换能器又分为直探头、斜探头、双探头、

表面波探头、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、空气传导探头以

及其他专用探头等，超声波探头结构示意图如图7—5所示.

—1

Xn

r；)1

954321

\\X\\§

10II

1!I\1/

新

a)b)«)

课图7-5超声波探头结构示意图

a)单品直探头b)双品直探头c)斜探头

1一接插件2—外壳3一阻尼吸收块4一引线5—压电晶体6—保护

膜

7一隔离层8一延迟块9一有机玻璃斜楔块10一试件11一耦合剂

一、以固体为传导介质的超声探头

(1)单晶直探头

分析发射和接收过程：

发射超声波时，将500V以上的高压电脉冲加到压电晶片上，

利用逆压电效应，使晶片发射出一束频率落在超声范围内、持续

时间很短的超声振动波。

超声波到达被测物底部后，超声波的绝大部分能量被底部界面

Cdr<Al_I<41、+b-t*4-4Y*4ZA/A，金n_L后r=r»X.lrT»Dd«rT»

知识拓展：无

练

习

或5分钟

训讨论：什么动物用超声波来捕捉食物和指导自己日常呼动，

练

处2、4甘、-1•/"

课

后

小此处缺少设备，而生活实例可以补缺，动画也可使学

结

4.4一口九1/7士•小AAJm44c;口

布7o1

置

作

业

授课章节第八章霍尔传感器的原理及应用授课形讲授

授课时间第周周(月日)第至

知识目标：

1、了解霍尔集成电路的分类和霍尔传感器的工作原理：

2、掌握线性型和开关型霍尔集成电路的特性；

教学目标3、掌握霍尔传感器的应用。

能力目标：

素质目标：

教学重点霍尔传感器的应用

教学难点开关型霍尔集成电路的特性

补充内容无

教学场地各种霍尔元件、霍尔传感器

教学过程方法手段

导霍尔传感器的应用实例都有哪些，请举例提问

人

3分钟

一、工作原理