俞志根主编《传感器与检测技术》教案 科学出版社.docx

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俞志根主编《传感器与检测技术》教案科学出版社

xx职业技术学院

教案

xxxxxxxx学年第二学期

课程名称：

传感与检测技术

授课教师：

xxxxxx

课程所属系（部）：

信息与工程系

课程名称:

传感与检测技术

授课班级：

10应用电子技术

课程类型：

理论课实践课

总学时：

52学时

学分：

4

使用教材：

宋雪臣主编《传感器与检测技术》人民邮电出版社20XX年5月第1版

教学方法、手段：

讲授、实训

考核方式：

考试

主要参考书目：

俞志根主编《传感器与检测技术》科学出版社20XX年7月第1版

宋雪臣主编《传感器与检测技术》人民邮电出版社20XX年11月第1版

冯柏群祁和义主编《检测与传感技术》人民邮电出版社20XX年4月第1版

赵玉刚主编《传感器基础》中国林业出版社北京大学出版社20XX年8月第1版

授课日期：

20XX年2月15日第1、2节

标题：

第1章传感器的基本知识

教学目的与要求：

掌握传感器的概念及组成，熟悉传感器的分类方法，了解传感器的命名方法，掌握传感器的一般特性。

授课时数：

2学时

教学重点和难点：

教学重点：

1、传感器的定义与组成。

教学难点：

1、传感器的静态和动态特性。

教学内容及过程：

教学内容方法与手段时间分配

第一课时

第1章传感器的基本知识

1.1传感器的作用与地位PPT、讲授法10分钟

世界是由物质组成的，各种事物都是物质的不同形态。

人们为了从外界获得信息，必须借助于感觉器官。

人的“五官”——眼、耳、鼻、舌、皮肤分别具有视、听、嗅、味、触觉等直接感受周围事物变化的功能，人的大脑对“五官”感受到的信息进行加工、处理，从而调节人的行为活动。

人们在研究自然现象、规律以及生产活动中，有时需要对某一事物的存在与否作定性了解，有时需要进行大量的实验测量以确定对象的量值的确切数据，所以单靠人的自身感觉器官的功能是远远不够的，需要借助于某种仪器设备来完成，这种仪器设备就是传感器。

传感器是人类“五官”的延伸，是信息采集系统的首要部件。

非电量不能直接使用一般的电工仪表和电子仪器进行测量，因为一般的电工仪表和电子仪器只能测量电量，要求输入的信号为电信号。

非电量需要转化成与其有一定关系的电量，再进行测量，实现这种转换技术的器件就是传感器。

传感器是获取自然或生产中信息的关键器件，是现代信息系统和各种装备不可缺少的信息采集工具。

采用传感器技术的非电量电测方法，就是目前应用最广泛的测量技术。

随着科学技术的发展，传感器技术、通信技术和计算机技术构成了现代信息产业的三大支柱产业，分别充当信息系统的“感官”、“神经”和“大脑”，他们构成了一个完整的自动检测系统。

在利用信息的过程中，首先要解决的问题就是获取可靠、准确信息，所以传感器精度的高低直接影响计算机控制系统的精度，可以说没有性能优良的传感器，就没有现代化技术的发展。

1.2传感器的应用与发展PPT、讲授法10分钟

传感器几乎渗透到所有的技术领域。

如工业生产、宇宙开发、海洋探索、环境保护、资源利用、医学诊断、生物工程、文物保护等等广泛领域，并逐渐深入到人们的生活中。

在机器人的技术发展中，传感器采用与否及采用数量的多少是衡量机器人是否具有智能的标志，现代智能机器人因为采用了大量的、性能更好的、功能更强的、集成度更高的传感器，才使得其具有自我诊断、自我补偿、自我学习等能力，机器人通过传感器实现类似于人的知觉作用。

传感器被称为机器人的“电五官”。

当今信息时代，随着电子计算机技术的飞速发展，自动检测、自动控制技术显露出非凡的能力，传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节。

没有传感器对原始信息进行精确可靠的捕获和转换，就没有现代化的自动检测和自动控制系统；没有传感器就没有现代科学技术的迅速发展。

自1980年以来，世界传感器的产值年增长率达15%～30%，1985年世界传感器市场的年产值为50亿，1990年为155亿。

传感器的发展是如泉涌，不可阻挡，它是衡量一个国家经济发展及现代化程度的重要标志。

1.3传感器的定义与组成（教学重点）PPT、讲授法、图示法10分钟

1.3.1传感器的定义

“能感受（或响应）规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置”。

这一定义包含了几个方面的含义：

①传感器是测量装置，能完成测量任务；

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、生物量等；

③它的输出量是某一物理量，这种量要便于传输、转换、处理和显示等，这就是所谓的“可用信号”的含义；

④输出与输入有一定的对应关系，这种关系要有一定的规律。

根据字义可以理解传感器为一感二传，即感受信息并传递出去。

1.3.2传感器的组成：

通常由敏感元器件、转换元器件、转换电路及辅助电源组成。

并不是所有的传感器必须包括敏感元件和转换元件。

如果敏感元件直接输出的是电量，它就同时兼为转换元件

如果转换元件能直接感受被测量而输出与之成一定关系的电量，它就同时兼为敏感元件。

例如压电晶体、热电偶、热敏感电阻及光电器件等。

敏感元件与转换元件两者合二为一的传感器是很多的。

1.4传感器的分类PPT、讲授法15分钟

1.4.1按被测物理量分类：

根据被测量的性质进行分类，如温度传感器、湿度传感器等。

优点：

比较明确地表达了传感器的用途，便于使用者根据其用途选用。

缺点：

没有区分每种传感器在转换机理上有何共性和差异，不便于使用者掌握其基本原理及分析方法。

1.4.2按传感器工作原理分类：

将物理、化学、生物等学科的原理、规律和效应作为分类的依据。

如电学式传感器、磁学式传感器等。

优点：

对传感器的工作原理表达的比较清楚，而且类别少，有利于传感器专业工作者对传感器进行深入的研究分析。

缺点：

不便于使用者根据用途选用。

第二课时

1.5传感器的命名及代号PPT、讲授法10分钟

1.5.1传感器命名法的构成：

主题词及4级修饰语构成。

传感器产品的名称，应由主题词及四级修饰语构成。

（1）主题词——传感器。

（2）第一级修饰语——被测量，包括修饰被测量的定语。

（3）第二级修饰语——转换原理，一般可后续以“式”字。

（4）第三级修饰语——特征描述，指必须强调的传感器结构、性能、材料特征、敏感元件及其他必须的性能特征，一般可后续以“型”字。

（5）第四级修饰语——主要技术指标（量程、精确度、灵敏度等）。

本命名法在有关传感器的统计表格、图书索引、检索以及计算机汉字处理等特殊场合使用。

1.5.2传感器代号的标记方法：

一般规定用大写汉字拼音字母和阿拉伯数字构成传感器完整代号。

传感器完整代号应包括以下四个部分：

（1）主称（传感器）；

（2）被测量；（3）转换原理；（4）序号。

1.6传感器的基本特性PPT、讲授法、图示法10分钟

传感器的基本特性，即输入——输出特性

1.6.1传感器的静态特性

1.传感器的静态数学模型

2.传感器的静态性能指标

（1）线性度：

线性度----传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离理论拟合直线的程度，又称非线性误差。

线性度可用下式表示为

线性度是以拟合直线作为基准来确定的，拟合方法不同，线性度的大小也不同

（2）灵敏度：

灵敏度是传感器在稳态下输出增量与输入增量的比值。

（3）重复性：

传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时，所得特性曲线不一致性的程度。

（4）迟滞：

传感器在正向行程（输入量增大）和反向行程（输入量减小）期间，输出—输入特性曲线不一致的程度。

（5）分辨力和阀值：

传感器的分辩力----实际测量时，传感器的输入输出关系不可能保持绝对连续。

有时输入量开始变化，但输出量并不立刻随之变化，而是输入量变化到某一程度时输出才突然产生一小的阶跃变化。

实际上传感器的特性曲线并不是十分平滑，而是呈阶梯形变化的，如图1-7所示。

在规定测量范围内所能检测的输入量的最小变化量△Xmin（有量纲）。

有时也用该值相对满量程输入值的百分数表示（分辨率-无量纲）。

阈值通常又称为死区、失灵区、灵敏限、灵敏阈、钝感区，是输入量由零变化到使输出量开始发生可观变化的输入量的值

（6）稳定性：

稳定性有短期稳定性和长期稳定性之分。

传感器常用长期稳定性表示，它是指在室温条件下,经过相当长的时间间隔，如一天、一月或一年，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。

通常又用其不稳定度来表征其输出的稳定度。

（7）漂移：

外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的不需要的变化。

（8）测量范围和量程：

传感器所能测量的最大被测量（输入量）的数值称为测量上限，最小被测量称为测量下限，上限与下限之间的区间，则称为测量范围。

1.6.2传感器的动态特性

在动态（快速变化）的输入信号情况下，要求传感器不仅能精确地测量信号的幅值大小，而且能测量出信号变化的过程。

这就要求传感器能迅速准确地响应和再现被测信号的变化。

也就是说，传感器要有良好的动态特性。

具体研究传感器的动态特性时，通常从时域和频域两方面采用瞬态响应法和频率响应法来分析。

最常用的是通过几种特殊的输入时间函数，例如用阶跃函数来研究其响应特性，称为阶跃响应法和频率响应法。

1.传感器的动态数学模型

传感器的动态数学模型----指在随时间变化的动态信号作用下，传感器输出与输入量间的函数关系，它通常称为响应特性。

动态数学模型一般采用微分方程和传递函数描述。

2.动态特性：

阶跃响应特性（时域）、频率响应特性。

在动态（快速变化）的输入信号作用下，要求传感器不仅能精确地测量信号的幅值大小，而且能测量出信号变化的过程。

这就要求传感器能迅速准确地响应和再现被测信号的变化。

也就是说，传感器要有良好的动态特性。

思考题（作业）：

无。

课后教学效果自评：

突出重点、难点，讲清概念，分清知识层次和脉络，课程最后进行本节授课内容的总结与复习，让学生对传感器有基本的认识。

授课日期：

20XX年2月16日第3、4节

标题：

2.1概述~2.3电阻应变式传感器

教学目的与要求：

1、了解力的概念及力的测量原理；

2、了解弹性敏感元件的特性及分类；

3、熟悉电阻应变式传感器的原理、测量电路、应用。

授课时数：

2学时

教学重点和难点：

教学重点：

1、电阻应变式传感器。

教学难点：

1、电阻应变片的工作原理；

2、电阻应变片的测量电路。

教学内容及过程：

教学内容方法与手段时间分配

第一课时

2.1概述PPT、讲授法20分钟

1.力传感器的组成：

力是一种非电物理量，不能用电工仪表直接测量，需要借助某一装置将力转换为电量进行测量，能实现这一功能的装置就是力传感器。

力传感器主要由力敏感元件、转换元件和测量电路组成

2.力的测量原理：

力的测量所依据的原理是力的静力效应和动力效应。

静力效应：

指弹性物体受力后产生变形的一种物理现象。

由胡克定律知：

如在弹性范围内,弹性物体在力的作用下产生的变形，与所受的力F成正比。

因此，只要通过一定的手段测出物体的弹性变形量，就可间接确定物体所受力的大小。

动力效应：

指具有一定质量的物体受到力的作用时，其动量将发生变化，从而产生相应加速度的物理现象。

由牛顿第二定律可知：

当物体质量确定后，物体受到的力与所产生的加速度成单值对应关系。

只要测出物体的加速度，就可间接测得物体所受到力的大小。

3.测量力的方法：

电阻式、电感式、电容式、压电式、压磁式和压阻式等。

其中大多需要弹性敏感元件或其它敏感元件的转换。

2.2弹性敏感元件PPT、讲授法25分钟

弹性敏感元件把力或压力转换成了应变或位移,然后再由转换电路将应变或位移转换成电信号。

弹性敏感元件是力传感器中一个关键性的部件，应具有良好的弹性、足够的精度,应保证长期使用和温度变化时的稳定性。

2.2.1弹性敏感元件的特性：

刚度、灵敏度、弹性滞后、弹性后效、固有振荡频率。

刚度——抵抗变形的能力

刚度是弹性元件在外力作用下变形大小的量度，

灵敏度——弹性敏感元件在单位力作用下产生变形的大小，在弹性力学中称为弹性元件的柔度。

弹性滞后——实际的弹性元件在加载、卸载的正反行程中变形曲线是不重合的，这种现象称为弹性滞后现象，

弹性后效——当载荷从某一数值变化到另一数值时,弹性元件变形不是立即完成相应的变形，而是经一定的时间间隔逐渐完成变形的，这种现象称为弹性后效。

固有振荡频率——弹性敏感元件都有自己的固有振荡频率f0,它将影响传感器的动态特性。

传感器的工作频率应避开弹性敏感元件的固有振荡频率，往往f0希望较高。

在f0会发生共振。

2.2.2弹性敏感元件的分类：

变换力的弹性敏感元件、变换压力的弹性敏感元件。

（1）变换力的弹性敏感元件：

圆柱式、圆环式、悬臂梁式、扭转轴式。

（2）变换压力的弹性敏感元件：

弹簧管、波纹管、波纹膜片和膜盒、薄壁圆筒。

第二课时

2.3电阻应变式传感器（教学重点）

电阻应变式传感器是一种利用电阻材料的应变效应，将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器。

此类传感器主要是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。

通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形，然后由电阻应变片将变形转换成电阻的变化，再通过测量电路进一步将电阻的改变转换成电压或电流信号输出。

可用于能转化成变形的各种非电物理量的检测，如力、压力、加速度、力矩、重量等，在机械加工、计量、建筑测量等行业应用十分广泛。

2.3.1电阻应变片的结构PPT、讲授法5分钟

电阻应变片的作用是把导体的机械应变转换成电阻变化。

电阻应变片的典型结构如图2-6所示。

由敏感栅、基底、覆盖层和引线等部分组成。

敏感栅由直径约为0.01～0.05mm、高电阻系数的细丝弯曲而成栅状；基底的作用应能保证将构件上的应变准确地传递到敏感栅上去，因此必须做得很薄，一般为0.03～0.06mm。

图中l为应变片的工作基长，b为应变片的基宽，l×b为应变片的有效使用面积。

应变片规格一般是以有效使用面积和敏感栅的电阻值来表示，如3×100mm2、120Ω、350Ω等。

电阻应变片的测试原理：

测试时，将应变片用粘接剂牢固的粘贴在被测试件的表面上，随着试件受力变形，应变片的敏感栅也获得同样的变形，从而使其电阻随之发生变化，而此电阻的变化是与试件应变成比例的，因此如果通过一定的测量线路将这种电阻的变化转换为电压或电流变化，然后再用显示记录仪表将其显示记录下来，就能知道被测试件应变量的大小。

2.3.2电阻应变片的分类PPT、讲授法5分钟

按敏感栅、使用温度以及用途分别进行分类。

2.3.3电阻应变片的工作原理（教学难点）PPT、讲授法、图示法10分钟

金属和半导体材料的“应变效应”（金属和半导体材料的电阻值随它承受的机械变形大小而发生变化的现象）。

电阻应变片的电阻相对变化与应变呈线性关系。

2.3.4电阻应变片的测量电路（教学难点）PPT、讲授法、图示法10分钟

要精确的测量电阻应变片的电阻的变化，常采用桥式测量电路。

根据电桥电源的不同，电桥可分为直流电桥和交流电桥。

可采用恒压源或恒流源供电。

电桥类型：

单臂电桥、差动双臂电桥（半桥）、差动全桥。

双臂电桥输出灵敏度是单臂电桥的两倍，全桥输出是双臂电桥的两倍。

并且采用双臂和全桥测量，可以补偿由于温度变化引起的测量误差。

2.3.5应变片的温度误差及补偿PPT、讲授法5分钟

（1）温度误差：

电阻应变片传感器是靠电阻值来度量应变的，所以希望它的电阻只随应变而变，不受任何其他因素影响。

但实际上，虽然用作电阻丝材料的铜、康铜温度系数很小（大约在α=（2.5～5.0）×10-5/℃），但与所测应变电阻的变化比较，仍属同一量级。

如不补偿，会引起很大误差。

这种由于测量现场环境温度的变化而给测量带来的误差，称之为应变片的温度误差。

造成温度误差的原因主要有下列两个方面：

1）敏感栅的金属丝电阻本身随温度变化；

2）试件材料与应变片材料的线膨胀系数不一致，使应变片产生附加变形，从而造成电阻变化。

另外，温度变化也会影响粘接剂传递变形的能力，从而对应变片的工作特性产生影响，过高的温度甚至使粘接剂软化而使其完全丧失传递变形的能力，也会造成测量误差。

但以上述两个原因为主。

（2）电阻应变片的温度补偿方法：

线路补偿和应变片自补偿。

线路补偿：

最常用和效果最好的是电桥补偿法：

在相邻两桥臂分别接工作应变片和补偿片。

应变片自补偿：

利用自身具有补偿作用的应变片（称之为温度自补偿应变片）来补偿。

2.3.6应变片的粘接剂及粘贴、固化和检查PPT、讲授法5分钟

（1）粘接剂：

有机粘接剂和无机粘接剂。

（2）应变片的粘贴、固化和检查：

（a）去污

试件表面的处理粘贴之前，应先将试件表面清理干净，用细砂纸将试件表面打磨平整，再用丙酮、四氯化碳或佛利昂彻底清洗试件表面的灰尘、油渍，清理面积约为应变片的3～5倍。

（b）应变片的粘贴方法：

在清理的试件表面上均匀涂刷一薄层粘接剂作为底层，待其干燥固化后，再在此底层及应变片基地的地面上均匀涂刷一薄层粘接剂，等粘接剂稍干，即将应变片贴在画线位置，用手指滚压，把气泡和多余的粘接剂挤出。

注意，应变片的底面也要清理。

（c）粘贴后测量：

从分开的端子处，预先用万用表测量应变片的电阻，寻找端子折断和损坏的应变片。

（d）焊接：

将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。

（e）固定：

焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一起，防止损坏引线和应变片。

2.3.7电阻应变片传感器的应用PPT、讲授法5分钟

1.利用全桥电路测量桥梁的上下表面应变

2.应变式力传感器

3.应变式压力传感器

4.应变式加速度传感器

思考题（作业）：

无。

课后教学效果自评：

突出重点、难点，进行授课内容的总结与复习，让学生基本了解了电阻应变式传感器的工作原理和测量电路。

授课日期：

20XX年2月22日第1、2节

标题：

2.4压电式传感器~2.5电容式传感器

教学目的与要求：

1、熟悉压电式传感器的工作原理、等效电路、测量电路、应用。

2、熟悉电容式传感器的工作原理、测量电路、应用。

授课时数：

2学时

教学重点和难点：

教学重点：

1、压电式传感器的工作原理、测量电路。

2、电容式传感器的工作原理、测量电路。

教学难点：

1、压电式传感器的工作原理、测量电路。

2、电容式传感器的工作原理、测量电路。

教学内容及过程：

教学内容方法与手段时间分配

第一课时

2.4压电式传感器

压电式传感器是一种典型的有源传感器，它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，材料受力变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量检测的目的。

压电传感元件是一种力敏感元件，凡是能够变换为力的物理量，如应力、压力、振动、加速度等，均可进行测量，但不能用于静态力测量。

由于压电效应的可逆性，压电元件又常用作超声波的发射与接收装置。

压电传感器具有体积小、重量轻、工作频带宽、灵敏度及测量精度高等特点，又由于没有运动部件，因此结构坚固、可靠性和稳定性高。

在各种动态力、机械冲击与振动测量，以及声学、医学、力学、宇航等领域得到越来越广泛的应用。

2.4.1压电式传感器的工作原理—压电效应PPT、讲授法、图示法10分钟

（教学重点、教学难点）

压电效应--某些晶体受一定方向外力作用而发生机械变形时，相应地在一定的晶体表面产生符号相反的电荷，外力去掉后，电荷消失。

力的方向改变时，电荷的符号也随之改变的现象。

1.石英晶体的压电效应：

纵向压电效应、横向压电效应。

作用效果都是在垂直于x轴的表面上产生电荷，且产生电荷量与所受力的大小呈线性关系。

2.压电陶瓷的压电效应：

极化处理后的压电陶瓷，在x、y、z轴方向上受力时，在垂直于z轴的表面上会出现电荷。

3.高分子的压电材料：

新型的材料，有聚偏二氟乙烯（PVF2）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氟乙烯（PVC）等。

2.4.2压电式传感器的等效电路PPT、讲授法、图示法10分钟

由压电传感器的工作原理可知，只要测得压电元件上的电荷量，就可得知作用力的大小，压电元件就像当于一个电荷源。

如果在压电元件上沿电荷面的两面覆以金属，那么压电元件就像当于以压电材料为介质的电容器。

2.4.3压电式传感器的测量电路PPT、讲授法、图示法15分钟

（教学重点、教学难点）

1.压电元件的串联与并联

2.压电式传感器的测量电路：

电压放大器、电荷放大器。

电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器。

它实际上是一个具有反馈电容的高增益运算放大器。

下图是压电传感器与电荷放大器连接的等效电路。

图中Cf为放大器的反馈电容。

2.4.4压电式传感器的应用PPT、讲授法10分钟

1.压电式单向测力传感器

2.压电式振动加速度传感器

3.玻璃破碎报警装置

第二课时

2.5电容式传感器

电容式传感器是指能将被测物理量的变化转换为电容变化的一种传感元件。

基本工作原理：

电容是A、d、

的函数，通过被测量的变化改变其中一个参数，就可把被测量的变化转换为电容量的变化。

2.5.1变间隙式电容传感器PPT、讲授法、图示法10分钟

A和

不变，只改变电容器两极板之间的距离d。

电容量的相对变化与间隙的相对变化成正比。

2.5.2变面积式电容传感器PPT、讲授法、图示法10分钟

d和

不变，只改变电容器极板的面积A。

电容量的相对变化与位移的大小成正比，但方向相反。

2.5.3变介电常数式电容传感器PPT、讲授法、图示法10分钟

A和d不变，只改变电容器的介电常数

。

电容量的相对变化与位移或液面高度成线性关系。

2.5.4电容式传感器的测量转换电路PPT、讲授法、图示法15分钟

（教学重点、教学难点）

1.桥式测量电路：

电桥的输出与电容的相对变化量成正比，差动电桥的输出是单臂电桥的两倍。

2.调频电路：

振荡器的振荡频率随传感器电容的改变而改变。

3.运算放大器测量电路：

运算放大器的输出电压与基板间距d成线性关系。

2.5.5电容式传感器的应用PPT、讲授法10分钟

1.电容式测厚仪

2.电容式压力传感器

3.电容式加速度传感器

4.电容式荷重传感器

思考题（作业）：

无。

课后教学效果自评：

突出重点、难点，进行授课内容的总结与复习，让学生了解了电容式、压电式传感器的工作原理与测量电路及其应用场景。

授课日期：

20XX年2月24日第3、4节

标题：

2.6电感式传感器~2.7压阻式压力传感器

教学目的与要求：

1、熟悉电感式传感器的工作原理、等效电路、测量电路、应用。

2、熟悉压阻式压力传感器的工作原理。

授课时数：

2学时

教学重点和难点：

教学重点：

1、电感式传感器的工作原理、等效电路、测量电路。

教学难点：

1、电感式传感器的工作原理、测量电路。

教学内容及过程：

教学内容方法与手段时间分配

第一课时

2.6电感式传感器

工作原理：

电感传感器的基本原理是电磁感应原理。

利用电磁感应将被测非电量（如压力、位移等）转换成电感量的变化输出。

（被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，从而导致线圈电感量改变这一物理现象来实现测量的）。

分类：

根据转换原理，电感式传感器可以分为自感式和互感式两大类。

2.6.1自感式电感传感器PPT、讲授法、图示法20分钟

（教学重点、教学难点）

1.自感式传感器的工作原理：

自