电信传感器原理与应用授课教案

1教学设计方案传感器原理与应用电子电气工程系朱相磊2011-2-122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3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。.%100/maxFSRRy4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）5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(a)(b)(c)R1R5R2R6R3R7R4R8R1R3R5R7R6R8R2R4(d)UoU¡«6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(a)AR1R2Bh(b)MBAFR£½39.5¡ã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AlRFlrrlFdAdAldlRdR7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）΢ѹ´«¸ÐÆ÷µç×èÓ¦±äÃô¸ÐÔª¼þ´«Ñ¹¸Ë¸ÐѹĤhRLU1R2R4R0R1R3RtUoLRU22R1R4R0RtR3R8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¶¯¼«°å¶¨¼«°å9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dSC12(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(i)(j)(k)(l)10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εrS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）Ard000ddCCCbxadxS¶¯¼«°å¶¨¼«°å11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0000dSCr