《传感器应用技术》教案.docx

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《传感器应用技术》教案

《传感器应用技术》教案.

第1单元（Unit）第1周（Week）2学时（Periods）

单元标题（Title）：

课程教育

教学地点（Place）：

教学目标（TeachingTarget）：

1、让学生了解什么是传感器应用技术

2、检测技术的应用领域

3、了解本课程的性质和课程安排

4、掌握一般的学习方法

教学方法（TeachingApproaches）：

通过图片展示传感器应用技术的应用及作用

教学材料及工具（TeachingMaterials&Aids）：

多媒体课件、课本、传感器实训台

考核与评价方式（Testing&EvaluatingMode）：

提问

主要教学内容及过程

MainTeachingContents&Procedures

一、什么是传感器应用技术

定义：

检测是利用各种物理、化学效应，选择合适的方法与装置，将生产、科研、生活等各方面的有关信息通过检查与测量的方法赋予定性与定量结果的过程。

自动检测的内容包括：

●信息提取（提取有用信息）

●信息转换（转换成易于处理的电信号）

●信息处理（将得到的信息进行数字运算、Ａ／Ｄ转换等处理）

二、传感器应用技术在机电一体化系统中的地位

1、机电一体化技术相关专业

机械技术

机械技术是机电一体化的基础。

信息处理技术

信息处理技术包括信息的交换存取运算判断和决策。

实现信息处理的主要工具是计算机，因此信息处理技术与计算机技术是密切相关的。

自动控制技术

自动控制技术的目的在于实现机电一体化系统的目标最佳化。

伺服传动技术

伺服传动技术就是在控制指令的指挥下，控制驱动元件，使机械的运动部件按照指令要求运动，并具有良好的动态功能。

接口

接口的作用是将各要素或子系统连接成为一个有机整体，使各个功能环节有目的协调一致运动，从而形成机电一体化的系统工程。

传感检测技术

传感检测装置是机电一体化系统的感觉器官，它是实现自动控制自动调节的关键环节，其功能越强，系统的自动化程度越高。

2、机电一体化系统的组成

3、机电一体化系统典型例子——机器人

4、为什么要学习传感器应用技术

回答：

综上所述，可以看出如果没有传感器应用技术（传感器），机电一体化产品犹如聋子、瞎子，不能自动的完成预定工作任务。

检测技术水平提高是自动化水平提高的基础。

所以，传感器应用技术在机电一体化产品（系统）中占据重要地位。

三、传感器应用技术的应用领域

1、家用电器2、医疗设备

3、工业控制4、交通运输

5、机器人智能控制6、军事及航天技术

7、仪器仪表

四、能力目标

1、通过学习我们具备了什么能力？

v能够熟练掌握传感器的基本组成和一般特性。

v能够了解各种物理量的基本特点及正确运用检测方法。

v能够掌握各种常用传感器的基本原理、结构，能够正确的选用和使用各种传感器。

v能够灵活运用传感器实现各种实际的控制要求。

v能够正确理解传感器与控制器的连接，如何达到控制目的。

2、通过学习我们应具备什么职业素质？

v提高自学能力、敏锐的洞察力和产品市场分析能力。

v具有基本的职业道德和专业敏感性，面对一项任务能够迅速制订合理方案，合理分配人力资源。

v具有团队协作精神，肯吃苦，肯钻研，发现问题能想方设法解决问题，坚持不懈。

v创新精神。

当今产业发展迅速，所谓不进则退，在保证功能、质量前提下，不便捷时尚则淘汰、不方便人的生活则淘汰。

故培养创新意识尤为重要。

五、学习方法

•课前：

预习

•课中：

听仔细、勤练习、记数据、细分析

•课后：

认真完成任务书，多总结，勤思考

六、设备介绍

实训装置主要由实训台、三源板、传感器和变送模块组成。

1.实训台部分

1k～10kHz  音频信号发生器、1～30Hz 低频信号发生器、四组直流稳压电源：

±15V、+5V、±2~±10V、2~24V可调、  数字式电压表、频率/转速表、定时器以及高精度温度调节仪组成。

2.三源板部分

热源：

0~220V交流电源加热，温度可控制在室温~120℃，控制精度±1℃。

转动源：

2~24V直流电源驱动，转速可调在0~4500rpm。

振动源：

振动频率1Hz—30Hz（可调）。

3.传感器及变送模块部分

小结：

1、让学生了解什么是传感器应用技术

2、检测技术的应用领域

3、了解本课程的性质和课程安排

4、掌握一般的学习方法

作业：

预习检测技术基础知识

第2单元（Unit）第1~2周（Week）4学时（Periods）

单元标题（Title）：

检测技术基础

教学地点（Place）：

教学目标（TeachingTarget）：

提高学生自学理解能力

掌握传感器的组成、分类及基本特性

教学方法（TeachingApproaches）：

举例、图片、对比、讲授

教学材料及工具（TeachingMaterials&Aids）：

多媒体课件、课本

考核与评价方式（Testing&EvaluatingMode）：

提问，练习

主要教学内容及过程

MainTeachingContents&Procedures

一、传感器是干什么的？

传感器相当于人的感觉器官，控制器相当于人的大脑，执行机构和驱动器相当于肌肉和关节，接口及通信系统相当于人的神经系统。

要使机电一体化有效地发挥作用，必须首先借助传感器获取外部环境和系统内部各种各样的信息。

●　传感器的定义

　　传感器是一种以测量为目的、以一定的精度把被测量转换为与之有确定关系的、便于处理的另一种物理量的测量器件。

传感器的输出信号多为易处理的电量，如电压、电流、频率等。

传感器由敏感元件、传感元件及测量转换电路组成。

　　标准定义：

传感器是能够感受被测量，并按照一定规律将其转换为便于处理和传输的器件或装置。

●　传感器的组成

●　传感器分类

（1）按被测量分类

位移、力、力矩、转速、振动、加速度、温度、压力、流量、流速等传感器。

（2）按测量原理分类

电阻、电容、电感、光栅、热电偶、超声波、激光、红外、光导纤维等传感器。

很多情况下，传感器的命名是将被测量和被测原理相结合的，如电容式加速度传感器，表示该传感器的测量对象是加速度，测量原理是电容的变化值。

●　传感器的发展及应用领域

由于半导体技术进入超大集成化阶段，制造工艺和材料性能的研究不断提高，为传感器发展提供了有利条件，从发展前景看，它具有以下几个特点：

传感器固态化　固态传感器又称物理性传感器，它包括半导体、电介质和强磁体三类。

目前，在一块芯片上可以集成差压、静压、温度三个传感器。

传感器的集成化和多功能化　借助半导体的技术不断成熟和更新使传感器从单一元件、单一功能向集成化和多功能化方向发展。

所谓集成化，就是将敏感元件、信息处理或转换元件、电源等利用半导体技术制作在同一个芯片上，如集成温度传感器等。

传感器的图象化　传感器的应用不仅仅限于一点测量，已开始研究一维二维、三维空间的测量。

例如：

摄象机

传感器的智能化　智能化传感器是一种带有微型计算机兼有检测和信息处理功能的传感器。

例如：

机器人

　　传感器广泛的应用于工业自动化，家用电器、交通、安全防卫、医疗、环境保护、航空航天等各个领域。

二、测量方法

１、直接测量：

仪表读数，不需要任何运算直接表示测量结果。

（例如：

尺子量长度、体温计等）

２、间接测量：

测量结果需要通过运算才能够得出。

（例如：

电阻值Ｒ、曹冲称象等）

　　目前，工业自动化中常用偏差法进行测量被测量。

　　偏差法：

将被测量与设定的标准量进行比较，利用偏差进行测量和控制。

特点：

反应快、精度高。

（举例：

速度反馈框图）

三、测量误差

●误差的概念及表达式

１、绝对误差（△x）：

示值与被测量真值之间的差值。

　　　表达式：

△x＝x－Ｌ

２、相对误差（δ）：

用于衡量测量的准确程度。

　　　表达式：

δ＝（△x／x）×１００％

３、引用误差（עm）：

评定仪表的精度等级。

　　　表达式：

עm＝（△xmax／Ａ）×１００％　　Ａ——仪表量程

举例：

精度为１．０级的仪表，引用误差不超过±１．０％，若仪表量程为１０mv，则最大绝对误差为１０×１．０％＝０．１mv

●误差的分类

１、系统误差：

有规律、可避免、可消除的误差。

主要产生原因仪表安装使用方法不正确等，可以修正和补偿.

２、随机误差：

无规律，不可避免，无法预知的误差。

主要和环境等外部因素相关，无法修正，可以通过统计规律处理。

３、粗大误差：

与实际显然不符合的误差。

产生原因包括人为的、设备、理论、环境等。

应彻底消除。

四、传感器的基本特性

１、精确度

精密度：

传感器输出值的分散程度。

它是随机误差大小的标志。

准确度：

传感器输出值与真值的偏离程度。

它是系统误差大小的标志。

精确度：

是精密度和准确度的综合。

２、稳定性

稳定性包括：

稳定度、环境影响量。

稳定度：

仪表在给定条件不变的情况下，在规定的时间内能维持其示值不变的能力。

例如，1.2mV/（8h）表示仪表输出电压值在8h内的最大变化量为1.2mV。

环境影响量：

外界环境变化而引起的示值变化量，主要有：

零漂和灵敏度漂移。

３、传感器输出－输入静态特性

静态特性是指输入量不随时间而变化,或随时间变化很缓慢时（稳态）,传感器输出与输入之间的对应关系。

即y＝f（x）。

静态特性参数包括：

●灵敏度（Sensitivity）

灵敏度是稳态下输出变化量与输入变化量之比，用K来表示，即

对线性系统输出而言，灵敏度即为输出/输入的斜率（不随输入量的变化而变化，Ｋ为定值。

对于非线性系统而言，灵敏度为刻度特性的导数，随输入量变化而变化，Ｋ是变化的。

　　灵敏度是个有单位的量。

例如：

一个温度传感器输出为电压值，则该温度传感器的温度灵敏度为mv／℃，表示一摄氏度引起多少电压输出。

传感器或传感检测系统的总灵敏度=该系统各个环节灵敏度的乘积

●线性度（Linearity）

线性度又称非线性误差。

是指传感器实际特性曲线与拟合曲线之间的最大偏差与传感器满量程输出范围的百分比。

拟合直线的获得有：

端基线性度

最小二乘法线性度

见例题

●灵敏度阈或分辨力

灵敏度阈或分辨力是传感器能测出被测信号的最小变化量，是有量纲的数。

当被测量的变化小于分辨力时，传感器对输入量的变化无任何反应。

对数字仪表而言，如果没有其他附加的说明，一般可以认为该表的最后一位所表示的数值就是它的分辨力。

需要指出的是，不能把仪表的分辨力当作仪表的最大绝对误差。

例如，某数字式温度计的分辨力为０.１︒Ｃ，精确度为１.０级，量程为１００则该仪表的最大绝对误差为±１.０︒Ｃ，比分辨力大得多。

分辨率:

将分辨力除以仪表的满量程就是仪表的分辨率（%）。

●迟滞

迟滞是指传感器正向特性和反向特性的不一致程度。

●重复性

传感器的输入在按同一方向变化时，在全量程内连续进行重复测试时所得到的各特性曲线的重复程度。

五、传感器的标准输出信号及接线方法

DDZⅡ型标准信号：

0~5v（电压）

（国家标准）0~10mA（电流）

DDZⅢ型标准信号：

1~5v（电压）

（国际标准）4~20mA（电流）

六、传感器的标定和校准

标定：

利用某种标准器具产生已知的标准非电量输入，确定传感器输出与输入之间的关系的过程。

（国家规定部门完成）

校准：

对长时间没有使用或从未使用的传感器，在使用前对其性能参数进行复测或调整修正，以确保其精度的过程。

（自己可以完成）

标定系统的组成：

被测非电量的标准发生器、带标定的传感器、所配接的调节、显示、记录的仪表。

标定的方法：

　静态标定法

　　　　　　　比较法

小结：

本次课主要，对检测与传感器的基础知识进行了解,误差的基本概念，包括传感器应用技术的重要地位、传感器的组成、分类、发展方向、仪表标定、连接等问题，以及测量误差的基本概念。

作业：

预习应变式传感器

第3单元（Unit）第3周（Week）2学时（Periods）

单元标题（Title）：

电阻式传感器

教学地点（Place）：

教学目标（TeachingTarget）：

提高学生自学理解能力

掌握应变式传感器的组成、分类及测量电路

教学方法（TeachingApproaches）：

举例、图片、对比、讲授

教学材料及工具（TeachingMaterials&Aids）：

多媒体课件、课本、应变式传感器模块

考核与评价方式（Testing&EvaluatingMode）：

提问、工作页

主要教学内容及过程

MainTeachingContents&Procedures

一、压力的基础知识

检测学中，压力即为物理学中的“压强”

二、应变式传感器

1、工作原理

（1）金属（导体）的电阻应变效应

金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形（伸长或缩短）的变化而发生变化的现象，称为金属的电阻应变效应。

K0称为金属丝的灵敏系数，其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。

通常金属电阻丝的K0=1.7～4.6。

（2）应变片的基本结构及测量原理

应变片的基本结构

l称为栅长（标距），b称为栅宽（基宽），b×l称为应变片的使用面积。

应变片的规格一般以使用面积和电阻值表示，如3×20mm2，120Ω。

测量原理

应变式传感器是将应变片粘贴于弹性体表面或者直接将应变片粘贴于被测试件上。

弹性体或试件的变形通过基底和粘结剂传递给敏感栅，其电阻值发生相应的变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化，即可测量应变。

若通过弹性体或试件把位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换成应变，则可测量上述各量，而做成各种应变式传感器。

电桥平衡条件：

R1/R2=R4/R3

调节RP，最终可以使R1'/R2'=R4/R3（R1'、R2'是R1、R2并联RP后的等效电阻），电桥趋于平衡，Uo被预调到零位，这一过程称为调零。

图中的R5是用于减小调节范围的限流电阻。

2、电阻应变式传感器的应用举例（见课件图例）

（2）压阻式传感器

基本工作原理：

半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称为压阻效应。

实际上，任何材料都不同程度地呈现压阻效应，但半导体材料的这种效应特别强。

小结：

了解应变片的结构、测量电路等。

第3单元（Unit）第3~4周（Week）4学时（Periods）

单元标题（Title）：

电阻应变式传感器的应用

教学地点（Place）：

教学目标（TeachingTarget）：

提高学生自学能力。

了解金属箔式应变片的应变效应，掌握单臂、双臂、全桥电桥的接线方法和用途。

教学方法（TeachingApproaches）：

演示、操作

教学材料及工具（TeachingMaterials&Aids）：

多媒体课件、实训指导书、应变式传感器模块、传感器实训台、砝码、托盘、万用表

考核与评价方式（Testing&EvaluatingMode）：

提问、工作页

主要教学内容及过程

MainTeachingContents&Procedures

一金属箔式应变片――单臂电桥搭建

图1-1应变传感器安装图

图1-2单臂电桥接线图

实训内容与操作步骤

1．应变传感器上的各应变片已分别接到应变传感器模块左上方的R1、R2、R3、R4上，可用万用表测量判别，R1=R2=R3=R4=350Ω。

2．差动放大器调零。

从实训台接入±15V电源，检查无误后，合上实训台电源开关，将差动放大器的输入端Ui短接并与地短接，输出端Uo2接数显电压表（选择2V档）。

将电位器Rw3调到增益最大位置（顺时针转到底），调节电位器Rw4使电压表显示为0V。

关闭实训台电源。

（Rw3、Rw4的位置确定后不能改动）

3．按图1-2连线，将应变式传感器的其中一个应变电阻（如R1）接入电桥与R5、R6、R7构成一个单臂直流电桥。

4．加托盘后电桥调零。

电桥输出接到差动放大器的输入端Ui，检查接线无误后，合上主控台电源开关，预热五分钟，调节Rw1使电压表显示为零。

5．在应变传感器托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g砝码加完，计下数显表值，填入下表1-1，关闭电源。

表1－1

重量（g）

电压（mV）

数据分析

根据表1－1计算系统灵敏度S＝ΔU/ΔW（ΔU输出电压变化量，ΔW重量变化量）和非线性误差δf1=Δm/yF..S×100％，式中Δm为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差；yF·S为满量程（200g）输出平均值。

注意事项

加在应变传感器上的压力不应过大，以免造成应变传感器的损坏！

二金属箔式应变片――半桥搭建

实训内容与操作步骤

1．应变传感器已安装在应变传感器实验模块上，可参考图1-1。

2．差动放大器调零，参考实训项目一步骤2。

3．按图2-1接线，将受力相反（一片受拉，一片受压）的两只应变片接入电桥的邻边。

4．加托盘后电桥调零，参考实训项目一步骤4。

5．在应变传感器托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g砝码加完，计下数显表值，填入下表，关闭电源。

表2-1

重量（g）

电压（mV）

数据分析

根据表2-1的数据，计算灵敏度L=ΔU/ΔW，非线性误差δf2

图2-1双臂电桥接线图

三金属箔式应变片――全桥搭建

实训内容与操作步骤

1．应变传感器已安装在应变传感器实验模块上，可参考图1-1。

2．差动放大器调零，参考实训项目一步骤2。

3．按图3-1接线，

将受力相反（一片受拉，

一片受压）的两对应变

片分别接入电桥的邻边。

4．加托盘后电桥调

零，参考实训项目一步骤4。

图3-1

5．在应变传感器托

盘上放置一只砝码，读取

数显表数值，依次增加砝

码和读取相应的数显表值

，直到200g砝码加完，

计下数显表值，填入下表3-1，关闭电源。

图3-1全桥电路接线图

表3-1

重量（g）

电压（mV）

数据分析

根据记录表3-1的数据，计算灵敏度L=ΔU/ΔW，非线性误差δf3

作业：

完成该项目的学生工作页

第4单元（Unit）第6~7周（Week）4学时（Periods）

单元标题（Title）：

电感式传感器

教学地点（Place）：

教学目标（TeachingTarget）：

提高学生自学能力。

了解电感传感器的结构、工作原理、特点及性能

教学方法（TeachingApproaches）：

演示、练习

教学材料及工具（TeachingMaterials&Aids）：

多媒体课件、电感传感器、电感传感器模块、测微头、示波器、直流稳压电源、USB信号线

考核与评价方式（Testing&EvaluatingMode）：

提问、工作页

主要教学内容及过程

MainTeachingContents&Procedures

   电感式传感器的工作原理是电磁感应。

它是把被测量如位移等，转换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。

（一）自感式位移传感器

原理：

将位移量转换为线圈自感系数L的变化，通过测量电路将L变成电压或电流等电信号。

结构：

单线圈结构

因为Rm=Rc+Rδ

又因为Rc﹤﹤Rδ

所以Rm=Rδ=2δ／μS

又因为L=N2／Rm=N2μS／2δ

μ——空气隙导磁率

S——空气隙导磁截面积

故，L随S和δ的改变而变化

①变间隙式自感传感器

灵敏度K=dL/dδ=N2μS／2δ2=L/δ

可见，δ越小，灵敏度越高，为了减小非线性误差，在实际应用中，一般取

。

这种传感器适用于较小位移的测量，一般约为0.001～1mm。

②变截面积式自感传感器

灵敏度K=dL/dS=N2μ／2δ2=常数

可见，S不影响灵敏度K，故衔铁可有较大位移，但灵敏度较低，示值范围较大，自由行程大。

③螺管式自感传感器

单螺管线圈型，当铁芯在线圈中运动时，将改变磁阻，使线圈自感发生变化。

这种传感器结构简单、制造容易，但灵敏度低，适用于较大位移（数毫米）测量。

为了减小测量误差，在实际应用中常采用差动式自感传感器

差动型，当衔铁有位移时，可以使两个线圈的间隙按

变化。

一个线圈自感增加，另一个线圈自感减小。

将两线圈接于电桥的相邻桥臂时，其输出灵敏度可提高一倍，并改善了线性特性。

测量电路：

一般交流电桥只能指示位移的大小并且还有零位电压，为了能够知道位移的大小和方向并消除零位电压所以选用带相敏整流的交流电桥。

（二）互感型传感器

互感型传感器的工作原理是利用电磁感应中的互感现象，将被测位移量转换成线圈互感的变化。

由于常采用两个次级线圈组成差动式，故又称差动变压器式传感器。

差动变压器式传感器输出的电压是交流量，如用交流电压表指示，则输出值只能反应铁芯位移的大小，而不能反应移动的极性；同时，交流电压输出存在一定的零点残余电压，使活动衔铁位于中间位置时，输出也不为零。

因此，差动变压器式传感器的后接电路应采用既能反应铁芯位移极性，又能补偿零点残余电压的差动直流输出电路。

差动变压器与一般变压器的异同点：

相同点：

工作原理相同（电磁感应）

不同点：

1、一般变压器是闭合磁路，原副边的互感系数是常数

2、差动变压器是开磁路，原副边互感系数随着衔铁移动而变化（差动变压器就是工作在互感系数的基础上的）

差动变压器的励磁频率一般在50HZ——10KHZ为宜，f太低，灵敏度下降

f太高，铁损耗对测量结果影响太大。

小结：

了解电感传感器的结构、工作原理、特点及性能

第4单元（Unit）第9周（Week）2学时（Periods）

单元标题（Title）：

电感式传感器的应用（实操训练）

教学地点（Place）：

教学目标（TeachingTarget）：

1、能使用虚拟示波器观察和调节波形

2、能正确连接检测电路，得到合理的测量数据

3、能进行简单的数据分析，得到传感器的灵敏度和线性度

教学方法（TeachingApproaches）：

演示、练习

教学材料及工具（TeachingMaterials&Aids）：

多媒体课件、电感传感器、电感传感器模块、测微头、示波器、直流稳压