电信传感器原理与应用授课教案.doc
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教学设计方案
传感器原理与应用
电子电气工程系
朱相磊
2011-2-12
淄博职业学院《传感器原理及应用》课教学设计方案
教师：
朱相磊序号：
1
授课时间
2010-2011学年第二学期（3.6-3.19星期二1、2节星期四1、2节）
授课专业
P09电子信息工程技术
上课地点
Q3-113
学习内容
项目一传感器的认识
课时
6
教学目标
专业能力
1、传感器器件的认识能力
2、传感器性能的分析能力
3、器件的检测能力
方法能力
分析问题方法，仪器使用检测方法
社会能力
沟通协作能力，企业工作能力
目标群体
教学环境
传感器结构图形资料，传感器应用案例，网络资源
教学方法
课堂讲授，项目教学
时间安排
教学过程设计
2
学时
一、要求资讯分析
1、传感器概述
传感器已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其广泛的领域。
从茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器
可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步等方面起着重要作用
2、传感器的概念
能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。
其功能：
①传感器是测量装置，能完成检测任务；
②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输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、电物理量，主要是电物理量；
④输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度
传感器名称：
发送器、传送器、变送器、检测器、探头
时间安排
教学过程设计
2
学时
3、传感器的类型
传感器常用的类型为
★电参量式传感器：
电阻式、电感式、电容式等；
★磁电式传感器：
磁电感应式、霍尔式、磁栅式等；
★压电式传感器：
声波传感器、超声波传感器；
★光电式传感器：
一般光电式、光栅式、激光式、光电码盘式、光导纤维式、红外式等；
★气电式传感器：
电位器式、应变式；
★热电式传感器：
热电偶、热电阻；
★波式传感器：
超声波式、微波式等；
★射线式传感器：
热辐射式、γ射线式；
★半导体式传感器：
霍耳器件、热敏电阻；
★其他原理的传感器：
差动变压器、振弦式等。
二、器件性能分析
1、传感器静态性能分析
（1）．线性度
传感器的输出输入关系或多或少地存在非线性。
在不考虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素的情况下，其静态特性可用下列多项式代数方程表示：
y=a0+a1x+a2x2+a3x3+…+anxn
式中：
y—输出量；x—输入量；a0—零点输出；
a1—理论灵敏度；a2、a3、…、an—非线性项系数
（2）．迟滞
传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合称为迟滞。
迟滞特性如图所示，它一般是由实验方法测得。
迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示迟滞误差的另一名称叫回程误差。
回程误差常用绝对误差表示。
检测回程误差时，可选择几个测试点。
对应于每一输入信号，传感器正行程及反行程中输出信号差值的最大者即为回程误差
（3）．灵敏度
传感器输出的变化量y与引起该变化量的输入变化量x之比即为其静态灵敏度，其表达式为
γs=（Δk/k）×100%
（4）.重复性
重复性是指传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度.重复性误差可用正反行程的最大偏差表示，即
2.传感器的动态特性
（1）.瞬态响应特性
瞬态特性指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。
（2）频率响应特性
频率响应特性指传感器对随变频率化的输入量的响应特性。
.
时间安排
教学过程设计
4
学时
三、传感器测量
1、与测量条件有关的因素
（1）测量的目的；
（2）被测试量的选择；
（3）测量范围；
（4）输入信号的幅值，频带宽度；
（5）精度要求；
（6）测量所需要的时间
2、传感器测量的技术指标
（1）精度；
（2）稳定度；
（3）响应特性；
（4）模拟量与数字量；
（5）输出幅值；
（6）对被测物体产生的负载效应；
（7）校正周期；
（8）超标准过大的输入信号保护
3、与使用环境条件有关的因素
（1）安装现场条件及情况；
（2）环境条件（湿度、温度、振动等）；
（3）信号传输距离；
（4）所需现场提供的功率容量。
4.与购买和维修有关的因素
（1）价格；
（2）零配件的储备；
（3）服务与维修制度
5、传感器测量的误差
（1）静态误差
是指传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论值静态误差的偏离程度
静态误差的求取方法如下：
把全部输出数据与拟合直线上对应值的残差,看成是随机分布,求出其标准偏差
（2）动态误差
传感器对随时间变化的输入量时，其响应值与稳态值只差。
作业
教科书14页1、3题
教学反馈
（注：
单元格可合并、拆分）
淄博职业学院《传感器原理及应用》课教学设计方案
教师：
朱相磊序号：
2
授课时间
2010-2011学年第二学期（3.19-4.2星期二1、2节星期四1、2节）
授课专业
P09电子信息工程技术
上课地点
Q3-113
学习内容
项目二电阻式传感器与测量
课时
10
教学目标
专业能力
1、传感器器件的应用能力
2、电路的分析能力
3、产品的设计能力
方法能力
分析问题方法，设计方法
社会能力
沟通协作能力，企业工作能力
目标群体
教学环境
传感器结构图形资料，传感器应用案例，网络资源
教学方法
课堂讲授，项目教学
时间安排
教学过程设计
2
学时
一、资讯分析
1、压力器概述
被测物理量为荷重或力的应变式传感器时，统称为应变式力传感器。
其主要用途是作为各种电子称与材料试验机的测力元件、发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。
这些都是压力器。
应变式力传感器要求有较高的灵敏度和稳定性，当传感器在受到侧向作用力或力的作用点少量变化时，不应对输出有明显的影响。
2、压力器的结构形式
（1）、柱（筒）式压力器
时间安排
教学过程设计
4
学时
图2-13（a）、（b）分别为柱式、筒式力传感器，应变片粘贴在弹性体外壁应力分布均匀的中间部分，对称地粘贴多片，电桥连线时考虑尽量减小载荷偏心和弯矩影响，贴片在圆柱面上的展开位置及其在桥路中的连接如图2-13（c）、（d）所示，R1和R3串接，R2和R4串接，并置于桥路对臂上，以减小弯矩影响，横向贴片R5和R7串接，R6和R8串接，作温度补偿用，接于另两个桥臂上。
2、环式压力器
如图2-14（a）所示为环式力传感器结构图。
与柱式相比，应力分布变化较大，且有正有负
二、应变式传感器
1、工作原理
电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应变效应”。
（1856年W.Thomson发现）
如图3-1所示，一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为
式中：
ρ——电阻丝的电阻率；
l——电阻丝的长度；
A——电阻丝的截面积
当电阻丝受到拉力F作用时，将伸长Δl，横截面积相应减小ΔA，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了dρ，从而引起电阻值相对变化量为
时间安排
教学过程设计
4
学时
灵敏系数K受两个因素影响：
一个是应变片受力后材料几何尺寸的变化，即1+2μ；另一个是应变片受力后材料的电阻率发生的变化，即（dρ/ρ）/ε。
对金属材料来说，电阻丝灵敏度系数表达式中1+2μ的值要比（dρ/ρ）/ε大得多，而半导体材料的（dρ/ρ）/ε项的值比1+2μ大得多。
大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即K为常数。
半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。
压阻效应是指半导体材料，当某一轴向受外力作用时，其电阻率ρ发生变化的现象
2、应变片的种类、材料
应变片的种类有敏感栅丝式和箔式两种形式
应变片的材料有金属半导体材料
对电阻丝材料应有如下要求：
①灵敏系数大，且在相当大的应变范围内保持常数；
②ρ值大，即在同样长度、同样横截面积的电阻丝中具有较大的电阻值；
③电阻温度系数小，否则因环境温度变化也会改变其阻值；
④与铜线的焊接性能好，与其它金属的接触电势小
三、压力器设计
要求：
1、应用电阻应变式传感器设计测量力的装置
2、画出设计图及原理分析
3、有项目设计方案，项目进度表，应用说明
参考案例容器内液体压力器
作业
教科书46页1、7题
教学反馈
（注：
单元格可合并、拆分）
淄博职业学院《传感器原理及应用》课教学设计方案
教师：
朱相磊序号：
3
授课时间
2010-2011学年第二学期（4.3-4.23星期二1、2节星期四1、2节）
授课专业
P09电子信息工程技术
上课地点
Q3-113
学习内容
项目三电容式传感器与测量
课时
10
教学目标
专业能力
1、传感器器件的应用能力
2、电路的分析能力
3、产品的设计能力
方法能力
分析问题方法，设计方法
社会能力
沟通协作能力，企业工作能力
目标群体
教学环境
传感器结构图形资料，传感器应用案例，网络资源
教学方法
课堂讲授，项目教学
时间安排
教学过程设计
2
学时
一、资讯分析
1、量角器概述
被测物理量为角度的测量仪器，统称为量角器。
其主要用途是作为各种角度与旋转动物理量的测量。
量角器应用电容、电感传感器组成，要求传感器有较高的灵敏度和稳定性，当传感器在受到不同角度作用时或作用旋转动物理量变化时，不应对输出有明显的影响。
2、量角器电路
量角器电路主要有角度传感器，
传感器测量电路、变换显示电路，电源
电路组成。
流量传感器可以是电容、电感传感器
测量电路可以是直流电、交流电桥
变换显示电路有放电器、A/D变换器、显示电路
时间安排
教学过程设计
2
学时
二、电容式传感器
1、工作原理
由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为
式中:
ε——电容极板间介质的介电常数，ε=ε0εr，其中ε0为真空介电常数，εr极板间介质的相对介电常数；
S——两平行板所覆盖的面积；
d——两平行板之间的距离。
当被测参数变化使得式（5-1）中的S、d或ε发生变化时，电容量C也随之变化。
如果保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。
因此，电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介电常数型三种。
图5-1所示为常用电容器的结构形式。
图（b）、（c）、（d）、（f）、（g）和（h）为变面积型，图（a）和（e）为变极距型，而图（i）～（l）则为变介电常数型
时间安排
教学过程设计
2
学时
变极距型电容传感器
图为变极距型电容式传感器的原理图。
当传感器的εr和S为常数，初始极距为d0时，由式可知其初始电容量C0为
C与Δd近似呈线性关系，所以变极距型电容式传感器只有在Δd/d0很小时，才有近似的线性关系。
可以看出，在d0较小时，对于同样的Δd变化所引起的ΔC可以增大，从而使传感器灵敏度提高。
但d0过小，容易引起电容器击穿或短路。
为此，极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质,如图所示，此时电容C变为
一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在20~100pF之间，极板间距离在25~200μm的范围内。
最大位移应小于间距的1/10，故在微位移测量中应用最广
变面积型电容式传感器
作业
教科书89页1题
教学反馈
（注：
单元格可合并、拆分）
时间安排
教学过程设计
2
学时
图是电容式角位移传感器原理图。
当动极板有一个角位移θ时，与定极板间的有效覆盖面积就发生改变，从而改变了两极板间的电容量。
当θ=0时，则
式中：
εr——介质相对介电常数；
d0——两极板间距离；
S0——两极板间初始覆盖面积。
当θ≠0时，则
从式可以看出，传感器的电容量C与角位移θ呈线性关系。
变介质型电容式传感器
图是一种变极板间介质的电容式传感器用于测量液位高低的结构原理图。
设被测介质的介电常数为ε1，液面高度为h,变换器总高度为H，内筒外径为d，外筒内径为D，此时变换器电容值为
2
学时
变介质型电容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。
图5-8是一种常用的结构形式。
图中两平行电极固定不动，极距为d0，相对介电常数为εr2的电介质以不同深度插入电容器中，从而改变两种介质的极板覆盖面积。
传感器总电容量C为
式中：
L0和b0——极板的长度和宽度；
L——第二种介质进入极板间的长度。
若电介质εr1=1,当L=0时，传感器初始电容C0=ε0εrL0b0/d0。
当被测介质εr2进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为
可见，电容量的变化与电介质εr2的移动量L成线性关系。
三、量角器电路设计
要求：
1、应用变面积型电容式式传感器
2、画出设计图及原理分析
3、有项目设计方案，项目进度表，应用说明
参考案例
淄博职业学院《传感器原理及应用》课教学设计方案
教师：
朱相磊序号：
4
授课时间
2010-2011学年第二学期（4.24-5.7星期二1、2节星期四1、2节）
授课专业
P09电子信息工程技术
上课地点
Q3-113
学习内容
项目四电感式传感器与测量
课时
10
教学目标
专业能力
1、传感器器件的应用能力
2、电路的分析能力
3、产品的设计能力
方法能力
分析问题方法，设计方法
社会能力
沟通协作能力，企业工作能力
目标群体
教学环境
传感器结构图形资料，传感器应用案例，网络资源
教学方法
课堂讲授，项目教学
时间安排
教学过程设计
2
学时
一、资讯分析
1、流量表概述
被测物理量为流量电路传感器时，统称为流量表电路传感器。
其主要用途是作为各种液体流量的测量、例如水流量测试、油流量测试、化学试剂流量测试等。
这些都是流量表电路。
流量表应用电容、电感传感器组成，要求传感器有较高的灵敏度和稳定性，当传感器在受到不同液体流量作用时或作用流量变化时，不应对输出有明显的影响。
2、流量表电路
流量表电路主要有流量传感器，
传感器测量电路、变换显示电路，电源
电路组成。
流量传感器可以是电容、电感传感器
测量电路可以是直流电、交流电桥
变换显示电路有放电器、A/D变换器、显示电路。
时间安排
教学过程设计
2学时
二、电感式传感器
1、概念
利用线圈电感或互感的改变来实现非电量测量
2、类型特点
•分为变磁阻式、变压器式、涡流式等
•特点：
–工作可靠、寿命长
–灵敏度高，分辨力高
–精度高、线性好
–性能稳定、重复性
3、变磁阻式传感器
变磁阻式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。
铁芯和衔铁由导磁材料制成
在铁芯和衔铁之间有气隙，传感器的运动部分与衔铁相连。
当衔铁移动时，气隙厚度δ发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。
时间安排
教学过程设计
2
学时
变磁阻式传感器的原理
磁路总磁阻为
电感与气隙的关系
上式表明：
当线圈匝数为常数时，电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数，改变δ或A0均可导致电感变化，因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度δ的传感器和变气隙面积A0的传感器。
目前使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器。
测量电路
交流电桥式测量电路
当衔铁下移时
当衔铁上移时
作业
教科书55页1、2题
教学反馈
时间安排
教学过程设计
4
学时
变压器式交流电桥
电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗，另外两桥臂为交流变压器次级线圈的1/2阻抗。
当负载阻抗为无穷大时，桥路输出电压
当传感器的衔铁处于中间位置，即Z1=Z2=Z，此时有 ，电桥平衡。
谐振式测量电路
调幅电路特点：
此电路灵敏度很高，但线性差，适用于线性度要求不高的场合。
三、流量表电路设计
要求：
1、应用差动变压器式传感器
2、画出设计图及原理分析
3、有项目设计方案，项目进度表，应用说明
参考案例
淄博职业学院《传感器原理及应用》课教学设计方案
教师：
朱相磊序号：
5
授课时间
2010-2011学年第二学期（5.8-5.21星期二1、2节星期四1、2节）
授课专业
P09电子信息工程技术
上课地点
Q3-113
学习内容
项目五压电式传感器与应用
课时
8
教学目标
专业能力
1、传感器器件的应用能力
2、电路的分析能力
3、产品的设计能力
方法能力
分析问题方法，设计方法
社会能力
沟通协作能力，企业工作能力
目标群体
教学环境
传感器结构图形资料，传感器应用案例，网络资源
教学方法
课堂讲授，项目教学
时间安排
教学过程设计
2
学时
一、资讯分析
1、压电效应概述
某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便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。
当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。
有时人们把这种机械能转换为电能的现象，称为“正压电效应”。
相反，当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生几何变形，这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。
具有压电效应的材料称为压电材料。
2、单晶压电晶体
石英晶体化学式为SiO2，是单晶体结构。
图示为天然结构的石英晶体外形，它是一个正六面体。
石英晶体各个方向的特性是不同的。
其中纵向轴z称为光轴，经过六面体棱线并垂直于光轴的x称为电轴，与x和z轴同时垂直的轴y称为机械轴。
通常把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”，而把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。
而沿光轴z方向的力作用时不产生压电效应。
时间安排
教学过程设计
2
学时
3、多晶压电陶瓷
压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。
材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴，它有一定的极化方向，从而存在电场。
在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。
因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。
在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。
外电场愈强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。
让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，当外电场去掉后，电畴的极化方向基本变化，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性。
4、等效电路
由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可以看作一个电荷发生器。
同时，它也是一个电容器，晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质等效于一种介质，则其电容量为
式中：
A——压电片的面积；
d——压电片的厚度；
εr——压电材料的相对介电常数。
因此，压电传感器可以等效为一个与电容相串联的电压源。
如图（a）所示，电容器上的电压Ua、电荷量q和电容量Ca三者关系为
压电传感器也可以等效为一个电荷源。
如图（b）所示。
压电元件的等效电路
（a）电压源（b）电荷源
压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量电路相连接，因此还需考虑连接电缆的等效电容Cc，放大器的输入电阻Ri,输入电容Ci以及压电传感器的泄漏电阻Ra。
这样，压电传感器在测量系统中的实际等效电路，如图所示。
压电传感器的实际等效电路
（a）电压源（b）电荷源
时间安排
教学过程设计
4
学时
二、压电式传感器的测量电路
压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗前置放大器。
其作用为：
一是把它的高
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