现代检测技术教案讲解

绪论教学要求1．掌握检测等基本概念。2．了解工业检测技术涉及的内容。3．掌握自动检测系统的组成。4．明确本课程的任务。5．了解检测技术的发展趋势。教学手段多媒体课件，实物演示教学课时1学时教学内容一．检测（Detection）的定义（联系具体、日常生活的例子，如举“操冲秤象”的例子过程来说明检测的定义）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或定量结果的过程。能够自动地完成整个检测处理过程的技术称为自动检测与转换技术。二．检测技术在国民经济中的地位和作用举例说明：检测技术是现代化领域中很有发展前途的技术，它在国民经济中起着极其重要的作用。三．工业检测技术的内容（了解）工业检测涉及的内容被测量类型测量被测量类型测量热工量温度、热量、比热容、热流、热分布、压力（压强）、压差、真空度、流量、流速、物位、液位、界面物体的性质和成分量气体、液体、固体的化学成分、浓度、粘度、湿度、密度、酸碱度、浊度、透明度、颜色机械量直线位移、角位移、速度、加速度、转速、应力、应变、力矩、振动、噪声、质量（重量）状态量工作机械的运动状态（启停等）、生产设备的异常状态（超温、过载、泄漏、变形、磨损、堵塞、断裂等）几何量长度、厚度、角度、直径、间距、形状、平行度、同轴度、粗糙度、硬度、材料缺陷电工量电压、电流、功率、电阻、阻抗、频率、脉宽、相位、波形、频谱、磁场强度、电场强度、材料的磁性能四．自动检测系统的组成（掌握）1.系统框图(0-1)2.传感器（Transducer）及定义3.显示器4.数据处理装置5.执行机构6.自动检测系统举例(0-2)五．检测技术的发展趋势（举例介绍）当前，检测技术的发展主要表现在以下几个方面：1.不断提高检测系统的测量精度、量程范围、延长使用寿命、提高可靠性2.应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域3.发展集成化、功能化的传感器4.采用计算机技术，使检测技术智能化5.发展网络化传感器及检测系统六．本课程的任务和学习方法本课程的任务是：在阐明测量基本原理的基础上，逐一分析各种传感器是如何将非电量转换为电量的，并介绍相应的测量转换电路、信号处理电路及各种传感器在工业中的应用。本课程的学习方法是：要理论联系实际，要举一反三（演示光电开关，提问和讨论可以哪有几种用途，启发！），富于联想，善于借鉴，关心和观察周围的各种机械、电气等设备，重视实验和实训，这样才能学得活、学得好，才有利于提高今后解决实际问题的能力。留一个问题给学生回去思考：举出课堂上演示过的光电开关共有哪几种用途，第二次上课时，回答得越多越好。第一章检测技术的基本概念教学要求1．掌握测量的基本概念和测量方法。2．熟悉测量误差的分类和基本概念。3．了解测量结果的数据统计处理。4．掌握传感器的组成。5．熟悉传感器分类。6．掌握传感器基本特性教学手段多媒体课件、压力表演示教学课时2学时教学内容第一节测量的一般概念及方法对于测量方法，从不同的角度出发，有不同的分类方法。（须举例说明）：1.静态测量和动态测量2.直接测量和间接测量3.模拟式测量和数字式测量4.接触式测量和非接触式测量5.在线测量和离线测量第二节测量误差及分类测量值与真值之间的差值称为测量误差（Measuringerror）。测量误差可其不同特征进行分类。一、绝对误差和相对误差重要公式：1．绝对误差（AbsoluteError）Δ=Ax－Ａ02．相对误差（RelativeError）（掌握基本概念！）(1)示值（标称）相对误差x(2)满度（引用）相对误差ｍ我国模拟仪表有下列七种等级：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0。表1-1仪表的准确度等级和基本误差等级0.10.20.51.01.52.55.0基本误差±0.1%±0.2%±0.5%±1.0%±1.5%±2.5%±5.0%讨论：上表说明什么？在正常工作条件下，可以认为仪表的最大绝对误差是不变的，而示值相对误差x随示值的减小而增大。与同学一起做：例1-1：分析讨论仪表精度等级与量程范围及示值相对误差之间的关系。二、粗大误差、系统误差和随机误差（掌握基本概念）1．粗大误差（举例）2．系统误差（举例）3．随机误差（举例）分析正态分布的规律：（举例）（1）有界性（２）对称性（3）集中性三、静态误差和动态误差1．静态误差（StaticError）（举例）2．动态误差（DynamicError）（举例）第三节传感器及基本特性讨论传感器的组成及框图：传感器由敏感元件，传感元件及测量转换电路三部分组成。分析：图1-3：传感器的组成框图结合电位器式压力传感器的工作原理，可将图1-4方框中的内容具体化。图1-5：电位器式压力传感器原理框图（演示该传感器）二、传感器分类1）按被测量分类2）按测量原理分类三、传感器基本特性1.灵敏度（是否越大越好？）分析：图1-6，用作图法求取传感器的灵敏度（先看多媒体动画）2.分辨力（举例）3.线性度（数值大好还是小好？）图1-7：传感器线性度作图（先看多媒体动画）4.稳定性（Regulation）（举例说明重要性）5.电磁兼容性（EMC）（举例说明重要性）6.可靠性（Reliability）(1)故障平均间隔时间（MTBF）(2)平均修复时间（MTTR）(3)故障率或失效率（）图1-8：故障率变化曲线。故障率的变化大体上可分成三个阶段：（以人的一生说明）1）初期失效期2）偶然失效期3）衰老失效期作业P143~7,课堂讨论：8第二章电阻传感器教学要求1．了解应变效应的原理。2．了解应变片的类型、结构及其测量转换电路。3．掌握应变效应的应用。4．了解热电阻的工作原理及结构。5．掌握热敏电阻的类型、特性和应用。6．了解气敏电阻传感器的种类和工作原理。7．了解大气的温度与露点的概念。8．了解测量湿度的传感器的种类和特点。教学手段多媒体课件、应变演示及热敏电阻、气敏电阻、湿敏电阻的演示教学课时4学时教学内容第一节电阻应变式传感器从电阻丝的拉伸实验入手，观察电阻丝拉长时的阻值变化规律，讨论如何将这种原理用于测量应力、应变、力以及质量等非电量。讨论电阻应变式传感器的组成。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。重要公式：（2－1）电阻丝及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的关系式：（2－1），分析它在应用中的意义。R/R与所受的力及电阻丝的横截面面积、材料的关系式：（2－2），分析它在电子秤中的意义。二、应变片的种类结构与粘贴1.应变片的类型与结构表2-1列出了一些应变片的主要技术参数。（引导学生怎样看参数表）表2-1应变片主要技术指标参数名称电阻值/灵敏度电阻温度系数/（1/C）极限工作温度/C最大工作电流/mAPZ-120型PJ-120型BX-200型BA-120型BB-350型PBD-1K型PBD-120型1201202001203501000+10%120+10%1.92.11.92.11.92.21.92.21.92.2140+5%120+5%2010-62010-6———0.4%0.2%-1040-1040-3060-30200-301706060202025252515252.应变片的粘贴（粘贴工艺简述，做示范）：1）试件的表面处理2）确定贴片位置3）粘贴4）固化5）粘贴质量检查6）引线的焊接与防护三、测量转换电路分析为什么要采用桥路：金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难、且误差很大，必须使用电桥电路。例2-1：求金属箔式应变片受拉后应变片的阻值R。复习：电桥的结点、电桥的平衡条件、调零的方法，演示调零过程。图2-4：桥式测量转换电路根据不同的要求，分析和比较应变电桥的三种不同的工作方式：1）单臂半桥工作方式2）双臂半桥工作方式3）全桥工作方式电桥的输出电压公式：（2－3）（说明什么）当各桥臂应变片的灵敏度K都相同时的输出电压公式：（2－4）（讨论有何意义）讨论：从温度自补偿和温漂的角度来分析采用双臂半桥或全桥的好处。四、应变效应的应用1.应变式传感器（演示）（1）应变式力传感器（2）应变式扭矩（转矩）传感器（3）应变式加速度传感器（4）应变式荷重传感器（5）压阻式固态压力传感器（6）压阻式压力传感器在液位测量中的应用第二节测温热电阻传感器一、热电阻1.热电阻的工作原理及结构从用万用表测量灯泡的冷态阻值实验入手，比较热态电阻值与冷态电阻值，分析电阻不同的原因，再从热电阻传感器的微观角度来分析其工作原理。2.热电阻的测量转换电路：引导学生想到也可以采用：图2-4的不平衡电桥二、热敏电阻1．热敏电阻的类型及特性(1)NTC热敏电阻NTC的分类：通过演示，来观察两种热敏电阻的在火焰加热时的阻值变化，总结：第一类用于测量温度，它的电阻值与温度之间呈严格的负指数关系。第二类为突变型，又称临界温度型（CTR）。当温度上升到某临界点时，其电阻值突然下降。（2）PTC热敏电阻与学生一起分析：在不同的场合怎样选用不同的热敏电阻。2.热敏电阻的应用（1）热敏电阻测温（2）热敏电阻用于温度补偿（3）热敏电阻用于温度控制及过热保护（4）热敏电阻用于液面的测量第三节气敏电阻演示酒精传感器，再讨论气敏电阻的分类，以及如何把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量，再转换为电流、电压信号。重点介绍：一、还原性气体传感器二、二氧化钛氧浓度传感器第四节湿敏电阻传感器一、大气的温度与露点1.绝对湿度与相对湿度（与学生一起讨论闷热天气的原因）2.露点（与学生一起讨论结露的原因）二、测量湿度的传感器1.金属氧化物陶瓷湿度传感器2.金属氧化物膜型湿度传感器3.高分子湿敏电阻传感器（拆开，让学生看内部结构）作业：P39:2～5，课堂讨论：9、11第三章电感式传感器教学要求1．了解几种电感式传感器的基本概念和工作原理。2．熟悉电感式传感器的分类及测量对象。3．掌握差动变压器式传感器的工作原理及主要性能。4．掌握电感式传感器的应用。教学手段多媒体课件教学课时4学时教学内容第一节自感式传感器从流过电感线圈的交流电流与气隙的关系演示实验入手，向学生说明电感传感器的基本工作原理：与公式（3－1）联系起来自感式电感传感器分类：变隙式、变截面式和螺线管式等三种，一、变隙式电感传感器的有关公式：（3－2）讨论变隙式电感传感器的电感L与气隙厚度的反比关系、输入输出的非线性关系、与灵敏度的关系等，分析为何只能用于微小位移的测量。二、变截面式电感传感器论述变截面式电感传感器的电感量L与气隙截面积A的正比关系、输入输出的线性关系以及线性区较小、灵敏度较低的原因。三、螺线管式电感传感器四、差动电感传感器（一）结构特点（拆开差动电感，让学生看内部结构）差动式电感传感器的结构特点：两个导磁体的几何尺寸完全相同，材料性能完全相同；两个线圈的电气参数（如电感、匝数、直流电阻、分布电容等）和几何尺寸也完全相同。（讨论为什么需要相等）（二）工作原理和特性采用差动式结构的好处：可以改善线性、提高灵敏度外，对外界影响，如温度的变化、电源频率的变化等也基本上可以互相抵消，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而减小了测量误差。五、测量转换电路电感式传感器的测量转换电路：采用电桥电路。转换电路的作用：是将电感量的变化转换成电压或电流信号，以便送入放大器进行放大，然后用仪表指示出来或记录下来。（一）变压器电桥电路（二）相敏检波电路第二节差动变压器式传感器本节讨论差动变压器式传感器（DifferentialTransformerTransducer）的工作原理及结构型式（螺线管式差动变压器）主要性能。重点在：性能和应用。一、工作原理（演示工作过程）二、主要性能1.灵敏度影响差动变压器灵敏度的因素：行程越小，灵敏度越高。还与哪些因素有关：激励源电压和频率；差动变压器一、二次线圈的匝数比；衔铁直径与长度，材料质量；环境温度；负载电阻等。2.线性范围讨