传感器及应用技术教案

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，百度的“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1.31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%100xxA（1-3）（2）引用误差m%100mAm（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100mmAΔS（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0.5级的0～300℃的和准确度为1.0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0.5级表以及1.0级表测量时，可能出现的最大示值相对误差分别为±1.88%和±1.25%。计算结果表明，用1.0级表比用0.5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、1.9二、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xKRR（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：)(444332211ioRRRRRRRRUU（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（½RP＋R5）、R2与（½RP＋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）0.098～0.1060.0170～100℃间电阻温度系数（平均值）/℃-10.003850.00428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)11(0TTBe（2-13）式中RT——NTC在热力