传感器及应用技术教案.docx
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传感器及应用技术教案
传感器及应用技术教案（总29页）
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：
授课章节
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
教学目标
知识目标：
1、了解工业检测的定义和内容；
2、掌握检测系统的框图的绘制；
能力目标：
素质目标：
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
及教具使用
多媒体教室
教 学 过程
方法手段
时间分配
导入
检测的含义是多少？
提问
2分钟
新课
检测的定义：
检测（Detection）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的技术称为自动检测技术。
二、工业检测技术的内容
本课介绍非电量的检测。
三、自动检测系统的组成
（1）系统框图：
将系统中的主要功能或电路的名称画在方框内，按信号的流程，将几个方框用箭头联系起来，有时还可以在箭头上方标出信号的名称。
在产品说明书、科技论文中，利用框图可以较简明、清晰地说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，必须将框图中的各项内容赋以具体的内容。
图0-1自动检测系统原理框图
通过PPT，介绍方框图的画法：
1．洗衣机；2．家用或中央空调；3．电饭煲；4．电冰箱5．电视机的框图举例。
PPT与实例相结合
85分钟
新课
（2）传感器（Transducer）指一个能将被测的非电量变换成电量的器件（演示教具，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电压、电流或频率信号等，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；后者耗电省、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。
图像显示是用CRT或点阵LCD来显示读数或被测参数的变化曲线、图表或彩色图等形式来反映整个生产线上的多组数据。
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。
（5）数据处理装置数据处理装置用来对测试所得的实验数据进行处理、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、电磁阀门、电磁调节阀、伺服电动机等，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，去驱动这些执行机构。
四、科技资料的搜索方法
解释：
网页搜索界面，XX的“文档搜索”的步骤1→“更多”→“所有”→“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
练习或训练
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300字左右即可），并简要画出其结构及原理框图。
1．洗衣机；2．家用或中央空调；3．电饭煲；4．电冰箱；
3分钟
课后小结
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情去学习本门课程
布置作业
1分钟
授课章节
检测技术的基本概念
授课形式
讲授
授课时间
第2周周2（9月8日）第5至6节
教学目标
知识目标：
1、了解测量方法的分类；
2、掌握测量误差和数据处理；
3、稳定性及其纠正
能力目标：
素质目标：
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
及教具使用
多媒体教室
教 学 过程
方法手段
时间分配
导入
测量过程都会产生哪些误差？
提问
3分钟
新课
测量方法分类
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
测量误差及数据处理
介绍：
真值Ａ0、绝对误差：
Δ=Ax–Ａ0（1-1）
（1）示值（标称）相对误差?
x
（1-3）
（2）引用误差?
m
（1-4）
式（1-4）中，当?
取仪表的最大绝对误差值?
m时，引用误差常被用来确定仪表的准确度（DegreeofAccuracy）等级S，即
（1-5）
我国的模拟仪表有下列七种等级，准确度等级的数值越小，仪表的就越昂贵。
表1-1仪表的准确度等级和基本误差
PPT、讲练结合与实例相结合
80分钟
新课
例1-2现有准确度为级的0～300℃的和准确度为级的0～100℃的两个温度计，要测量80℃的温度，试问采用哪一个温度计好？
解计算用级表以及级表测量时，可能出现的最大示值相对误差分别为±%和±%。
计算结果表明，用级表比用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：
明显偏离真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。
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，该误差称为随机误差。
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
练习或训练
无
课后小结
学生理论计算能力不可轻视，要提高，多训练，要强化
布置作业
一、
二、上网查阅某一仪表的资料（类型不限，独立完成，雷同无分数！
），写出它的分类、型号、性能指标，画出其中一种外形图。
1分钟
授课章节
第二章电阻传感器Ⅰ
授课形式
讲授
授课时间
第2周周5（9月11日）第3至4节
教学目标
知识目标：
1、了解应变效应；
2、掌握电桥调零的方法；
3、掌握应变效应的应用。
能力目标：
素质目标：
教学重点
电桥的调零
教学难点
电桥电路
补充内容
无
教学场地
及教具使用
多媒体教室
教 学 过程
方法手段
时间分配
导入
健康称的工作原理是多少？
提问
3分钟
新课
一、工作原理
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。
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?
R与材料力学中的轴向应变?
x的关系在很大范围内是线性的，即
（2-1）
二、应变片的种类结构
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、一次性试验。
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。
PPT与实物、图片、视频原理演示
80分钟
新课
电桥平衡的条件：
为了使电桥在测量前的输出电压为零，应该选择四个桥臂电阻，使R1R3=R2R4或R1/R2=R4/R3。
应变电桥的三种不同的工作方式：
单臂半桥工作方式：
R1为应变片，R2、R3、R4为固定电阻，?
R2～?
R4均为零。
双臂半桥工作方式：
R1、R2为应变片，R3、R4为固定电阻，?
R3=?
R4=0。
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：
（2-5）
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，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：
实际使用中，R1、R2、R3、R4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R1与（?
RP＋R5）、R2与（?
RP＋R5）的并联结果之比R1?
/R2?
等于R4/R3，电桥趋于平衡，Uo被预调到零位。
知识拓展：
无
练习或训练
讨论：
电桥中R5的作用：
用于减小调节范围的限流电阻。
讨论
7分钟
课后小结
学生涉及到理论就无精打采，遇到实际应用精神饱满，要轻理论重实际了！
布置作业
无
授课章节
第二章电阻传感器Ⅱ
授课形式
讲授
授课时间
第4周周5（9月22日）第3至4节
教学目标
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；
3、掌握三线制仪表的概念；4、了解热电阻电桥差动放大器的设计。
能力目标：
素质目标：
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
及教具使用
多媒体教室
教 学 过程
方法手段
时间分配
导入
演示并提问：
（1）用打火机烧一只小型Pt100的端部（或一段电阻丝），用数字欧姆表观察其阻值变化趋势，请同学回答是正温度特性还是负温度特性？
A.关灯瞬间；B.开灯瞬间；C.正常工作半小时后。
为什么？
提问
5分钟
新课
热电阻的主要技术性能指标比较：
表2-2热电阻的主要技术性能
材料
铂（WZP）
铜（WZC）
使用温度范围/℃
-200～+960
-50～+150
电阻率/（?
?
m?
10-6）
～
0～100℃间电阻
温度系数?
（平均值）/℃-1
化学稳定性
在氧化性介质中较稳定，不能在还原性介质中使用，尤其在高温情况下
超过100℃易氧化
特性
特性近于线性、性能稳定、准确度高
线性较好、价格低廉、体积大
应用
适于较高温度的测量，可作标准测温装置
适于测量低温、无水分、无腐蚀性介质的温度
课堂提问：
分析表2-2，相同阻值的铜热电阻和铂热电阻的外形比较，____的体积较大为什么
ITS-90标准：
国内统一设计的工业用铂热电阻在0℃时的阻值R0值有25Ω、100Ω等，分度号分别用Pt25、Pt100等表示。
薄膜型铂热电阻有100Ω、1000Ω等数种。
热电阻的阻值Rt与温度t的关系可用下面的一般表达式表示：
Rt=R0（1+At+Bt2+Ct3+Dt4）
提问、PPT、讨论相结合
75分钟
新课
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Rt与t之间并不完全呈线性关系。
因此必须每隔一度测出铂热电阻和铜热电阻在规定的测温范围内的Rt与t之间的对应电阻值，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，铂热电阻在0℃时的阻值为_____Ω，与型号有何关系？
100℃时的阻值为_____Ω，200℃时的阻值为_____Ω，说明该Pt100是否线性？
在理想线性的情况下，200℃时的阻值应为_____Ω。
二、热敏电阻
1.热敏电阻的类型及特性
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。
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=R0
（2-13）
式中RT——NTC在热力学温度为T时的电阻值；
R0——NTC在热力学温度为T0时的电阻值，T0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T表示，而不以t表示？
设某电阻传感器的温度特性方程为RT=R0lg（1＋T），请画出特性曲线，并与图2-15中的曲线2比较它们的灵敏度变化趋势。
知识拓展：
通常情况下，超期使用的220V家用电灯泡是在_____烧毁？
3分钟
练习或训练
1、应变片测力的工程项目设计
将一片如表2-1所示的PZ-120型应变片粘贴在承重受压钢柱的表面，并接入由另外3个120Ω固定电阻组成的不平衡电桥。
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A1给予放大。
7分钟
课后小结
提问可以使学生集中精力，集中精力学习，提高学习效率
布置作业
授课章节
第三章电感传感器
授课形式
讲授
授课时间
第6周周5（10月11日）第3至4节
教学目标
知识目标：
1、了解电感传感器的工作原理；
2、掌握电流输出型仪表的概念；
能力目标：
素质目标：
教学重点
电流输出型仪表的计算
教学难点
二线制仪表的原理、应用
补充内容
无
教学场地
及教具使用
多媒体教室
教 学 过程
方法手段
时间分配
导入
除了电阻传感器，还有哪些传感器？
提问
5分钟
新课
演示：
做以下的实验：
将一只380V交流接触器线圈与交流毫安表串联后，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，毫安表的读数只剩下十几毫安。
图3-1线圈铁心的气隙与电感量及电流的关系实验
1—固定铁心2—气隙3—线圈4—衔铁5—弹簧6—磁力线7—绝缘外壳
由电工知识可知，忽略线圈的直流电阻时，流过线圈的交流电流为
当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻Rm也较大，线圈的电感量L和感抗XL较小，所以电流I较大。
当铁心闭合时，磁阻变小、电感变大，电流减小。
我们可以利用本例中自感量随气隙而改变的原理来制作测量位移的自感式传感器。
演示、PPT、提问相结合
80分钟
新课
二、变截面式电感传感器
分析式（3-1），理论上电感量L与气隙截面积A是______（线性/非线性）关系。
，灵敏度为______。
三、螺线管式电感传感器
单线圈螺线管式电感传感器，当衔铁工作在螺线管的中部时，可以认为线圈内磁场强度是均匀的，此时线圈电感量L与衔铁插入深度l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
上述三种电感传感器的缺点：
由于线圈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，外界的干扰如电源电压频率的变化，温度的变化都使输出产生误差。
知识拓展：
无
练习或训练
讨论：
生活中还有哪些具体应用实例？
5分钟
课后小结
讨论时间应严格控制，较少不必要的时间浪费
布置作业
无
授课章节
第三章电感传感器2
授课形式
讲授
授课时间
第7周周5（10月16日）第3至4节
教学目标
知识目标：
1、了解电感传感器的应用；
2、掌握电流/电压转换电路及计算；
能力目标：
素质目标：
教学重点
应用
教学难点
设计
补充内容
无
教学场地
及教具使用
多媒体教室
教 学 过程
方法手段
时间分配
导入
电感传感器都在哪些领域有应用？
提问
3分钟
新课
一、位移测量
测量时红宝石（或钨钢）测端接触被测物，被测物尺寸的微小变化使衔铁在差动线圈中产生位移，造成差动线圈电感量的变化，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?
3μm。
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，工件绕轴心旋转。
耐磨测端（多为钨钢或红宝石）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。
PPT、提问、演示和工程设计相结合
80分钟
新课
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，允许公差范围为±3μm。
在公差范围内，滚柱的直径从至，分为A～G共7个等级，滚柱直径测量的绝对误差应小于μm。
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6μm，传感器所需要的行程较短，所以可以选择线圈骨架较短、直径较小的型号。
2．滚柱的推动与定位
采用“振动料斗”。
气缸的活塞在高压气体的推动下，将滚柱快速推至电感测微器的测标下方的限位挡板位置。
使用“钨钢测头”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
练习或训练
讨论：
电感式传感器都哪些用途，简单描述其工作过程
7分钟
课后小结
布置作业
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
教学目标
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；
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：
素质目标：
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
及教具使用
多媒体教室
教 学 过程
方法手段
时间分配
导入
哪位同学可以说说电容传感器都在哪些地方使用过？
提问
4分钟
新课
第一节电容传感器的工作原理及结构形式
平板电容器的电容量为
（5-1）
式中A——两极板相互遮盖的有效面积；
d——两极板间的距离，也称为极距；
ε——两极板间介质的介电常数；
εr——两极板间介质的相对介电常数；
ε0——真空的介电常数，ε0=?
10-12（F/m）。
分析式（5-1）得出结论：
在A、d、ε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C是A、d、ε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。
根据式（5－1）可知，变面积式电容传感器的输出特性是线性的，多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。
PPT、提问、演示、图例、动画相结合
80分钟
新课
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：
电容加速度传感器、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Cx=Cx0，调节匹配电容使C0=Cx0，R4=R3；并使调零电位器RP的滑动臂位于0点，即RP的电阻值为0。
此时，电桥满足Cx/C0=R4/R3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θ=0。
1－油箱2－圆柱形电容器3－伺服电动机4－减速箱5－油量表
知识拓展：
无
练习或训练
讨论：
超市防盗检测门的工作过程
6分钟
课后小结
布置作业
无
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8周周5（10月23日）第3至4节
教学目标
知识目标：
1、了解超声波的物理基础；
2、掌握纵波探伤的计算；
3了解无损探伤的原理。
能力目标：
素质目标：
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
及教具使用
多媒体教室
教 学 过程
方法手段
时间分配
导入
试问超声波的含义及用途
提问
5分钟
新课
第一节超声波物理基础
一、声波的本质和分类
声波是一种机械波。
1．可闻声波：
振动频率在20Hz～20kHz的范围内，可为人耳所感觉
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。
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，穿透本领大，在遇到两种介质的分界面（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。
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
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