传感器概述

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1、课程传感器基础知识课题传感器概述课型一体化教具多媒体课件、实物投影仪、传感器实训台课时16教室场地D305学牛基础初中起点学生人数20知识目标1. 学习传感器的基本概念和组成。2. 掌握传感器的静态特性和动态特性。3. 了解传感器检测系统的组成。能 力 目 标专业能力1. 学习传感器的基本概念和组成。2. 掌握传感器的静态特性和动态特性。3. 了解传感器检测系统的组成。方法能力1. 由知识的理性认识到感性认识，并亲自动手验证，从而体会理论-实验-验证的辨 证唯物主义的认识过程。2. 通过学生分组训练培养学生动手能力，增强安全意识养成文明操作习惯。3. 培养学生探究问题，分析问题，解决问题的能力

2、。社会能力1. 培养学生在实践中团结协作能力，语言表达能力。2. 在完成任务中的自我学习和持续发展的能力。3培养学生严谨认真的职业工作态度。4.激发学生学习技术的热情。教学重点1.传感器的静态特性曲线及主要参数。2.传感器的动态特性曲线及主要参数教学难点传感器静态特性与动态特性曲线参数的计算方法及表征含义教学方法任务驱动法、示范演示法、问题探究法、行为引导法、小组合作法、讨论法等教法分析本节课在实训室进行，根据任务为主线、教师为主导、学生为主体的原则米用讲、演、 训相结合等方式进行教学，有利于突出重点，突破难点。使学生容易接受新知识，并 能提高分析问题解决问题的能力。一体化教学基本流程理论 依

3、据为了使理论与实践更好的衔接，将理论与实习（实践）教学融为一体，使每块内容都能内 讲授、示范、训练同步进行，增强了直观性。内涵主要是打破传统的学科体系和教学模式，依 据职业教育培养目标的要求来重新整合教学资源，体现能力本位的特点。从而实现了从以课堂 为中心向以实验室、实习车间为中心的转变，培养出素质优良、技术过硬、单项技能拔尖的技 术型人才。教学环节教学内容及过程教师活动学生活动组织教学大声诵读7S内涵：整理、整顿、清洁、清扫、安全、节约、素养 集合、点名、填写教学日志、分组，检查学生劳防用品穿戴情况，讲解实训安全操作规调整情绪集中 学生注意力集中 注意力回顾旧知rzh 工齐 w. /Ap电子

4、丿元器件通过提问的形 式，引导学生 系统回顾以前 学过的知识点思考回答问题任务下达 步步落实任务1/2实施第一节传感器的基本概念传感器的定义：能感受规定的被测量并按照 定的规律转换 成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。传感器狭义的定义：能把外界非电信息量转换成电量输出的 器件。第二节传感器的组成与分类一、传感器的组成传感器组成框图如图1- 1所示。X被测里-敏感元件 非屯 转换元件 屯转换电路里昙y辅助电源图1 - 1传感器组成框图1 敏感元件能直接感受被测量（一般为非电量），并输出与被测量成确定 关系的其他物理量（其中包括电量）的元件。2 转换元件（也称传感元件）将敏感元件

5、的输出量转换成电量后再输出。3 转换电路将转换元件输出的电参量转换成电压、电流或频率量的电路。4 辅助电源用于提供传感器正常工作能源的电源。主要是指那些需要电 源才能工作的转换电路和转换元件。二、传感器的分类比较常见的分类方法如表所示。（引导提 问）（看图讲 解）任务3 实施（引导学生 阅读材料后 提问）（看图讲 解，比较理 想与实际情 况的不同）分类方法传感器名称按被测物理量分类位移传感器、力传感器、速度传感器、温度传 感器、流量传感器、气体传感器等按工作原理分类电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、 压电式传感器、霍尔式传感器、光电式传感器、光 栅式传感器、热电偶传感器等按输出信号的

6、性质分类开关型传感器、模拟型传感器、数字式传感器 等第三节传感器的基本特性传感器必须具备定的基本特性，其输出才能作为输入信号 （被测物理量）的度量依据。传感器的基本特性是指输出与输入 之间的关系特性，分为静态特性和动态特性两类。一、传感器的静态特性是指当被测量为静态信号时，传感器的输出量（y）与输入量 （x）之间的相互关系。主要参数有：1 线性度（Ef）传感器理想的线性特性应如图1 - 2所示。它是线性方程y= a x的直线（式中，y输出量；x输入量；a 传感器的线性灵敏度），其中，a =常数。1尹 FS1.0x图1 - 2传感器理想线性特性图图1 - 3特性曲线与线性度关系曲线1 拟合直线

7、2 实际特性曲线通常情况下，传感器的输出实际特性曲线并不完全符合测量 时所要求的线性关系，如图1 - 3所示。在实际工作中，常用拟合 直线近似的代表实际的特性曲线。线性度表示实际特性曲线与拟 合直线之间的一个性能指标，它采用实际特性曲线与拟合直线之 间的最大偏差y与满量程输出y的百分比来表示，即mFSrAy ）Ef = m x 100 %I y fs 丿2. 灵敏度（S）灵敏度是指传感器在稳态工作情况下，传感器输出量增量Ay 与被测量增量Ax的比值，即S = Ay / Ax。它是输出-输入特性 曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间呈线性关系，则灵敏 度（S）是一个常数。否则，它将随输入量的变

8、化而变化。（举书中的 例子说明）S = dyd x3 分辨力分辨力是指传感器在规定测量范围内检测被测量的最小变化 量的能力。Ox图1 - 4迟滞特性图1一正向2一反向4. 反复性反复性是指当传感器在相同工作条件下，输入量按 同一方向全量程连续多次测试 时，所得到的特性曲线不一致的 程度。5. 迟滞（了解）迟滞是指传感器在正向（输 入量增大）和反向（输入量减小） 行程中，输出与输入特性曲线不 一致的程度，如图1 - 4所示。 迟滞一般用两曲线之间输出量 的最大差值Ay与满量程输出my的百分比来表示，即FS（了解）E = （ Ay / y ）x100%。在了解传感器静态特性的同时，还应 m FS知

9、道传感器在使用时的测量范围、量程及精度等级。1. 测量范围指在相同的工作条件下，传感器能够测量的被测量的量值的 总范围。通常是以测量范围的上限和下限值来表示。2. 量程指测量范围的上限值与下限值的代数差。3. 传感器的精度等级是为了简单表示传感器测量结果的可靠程度而引用的。常见 的精度等级有0.1级、0.2级、0.5级、1.0级、2.0级、2.5级、5.0 级。数值越小，精度等级越高，测量越精确。二、传感器的动态特性动态特性是指传感器在输入发生变化时的输出特性。传感器 的动态特性通常是通过传感器对某些标准信号的响应情况来表示 的。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号，所以传感器 的动态特性

10、也常用阶跃响应和频率响应来表示。1.阶跃响应按照阶跃状态变化输入的响应被称之为阶跃响应。从阶跃响 应中可获得它在时间域内的瞬态响应特性，描述的方式为时域描 述。图1 - 6阶跃响例如幅值为A的阶跃信号如图1 - 5所示，此时传感器的阶跃 响应如图1 - 6所示。x(t)AO图1 - 5阶跃信号图 应曲线图整个响应分为动态和稳态两个过程。其中动态过程是指传感 器从初始状态到接近最终状态的响应过程(又称过渡过程)。而稳 态过程是指时间t-6时传感器的输出状态。阶跃响应主要是通过 分析动态过程来研究传感器的动态特性。传感器的时域动态性能 指标通常是用其阶跃响应中的过渡曲线上的特性参数来表示。时间常数

11、(T)上升时间(t )r主要参数响应时间(ts)(又称调节时间) 超调量(5)振荡次数(N)、稳态误差(es)(1) 时间常数(T)是指输出量上升到稳态值y(g)的63%所需要的时间。(2) 上升时间(tr)通常是指阶跃响应曲线由稳态值的10%上升到90%时所需 要的时间。(3) 响应时间(t )s简单记忆它是指从输入量开始起作用到输出进入稳定值时所需要的时 间。4)超调量(刃它是指在过渡过程中，输出量y(tj与稳态值y(-)的最大偏 差Ay与稳态值y(-)之比的百分数，即max力=Ay/ y()x100%o*max(5)振汤次数(N)任务4 实施它是指在响应时间内，输出量在稳态值上、下摆动的

12、次数。(6)稳态误差(e)s它是指当t-g时，传感器阶跃响应的实际值与期望值之差。在上述几项指标中，S与N反映了传感器的稳定性能；t反 s 映了传感器相应的快速性；e反映了传感器的精度。通常情况下s布望超调量小一些，振荡次数少一些，响应时间短一些，稳态误 差小一些。2. 频率响应一个复杂的被测实际信号往往包含了许多种不同频率的正弦 波成分。把各种频率不冋而幅值相冋的正弦信号输入传感器中， 求其输出的正弦信号的幅值、相位与频率之间的相互关系，就可 以对传感器在频域中的动态性能做出分析和评价。所以频率响应是通过研究稳态过程来分析传感器的动态特性 的，它可以通过对传感器在频率响应过程中的波形参数进行

13、计算， 并对响应特性曲线进行分析；也可通过对频率响应性能指标(如 频率响应范围、幅值误差、相位误差等)的考核来完成。第四节 传感器检测系统的基本组成一个完整的测量系统通常由激励装置，测量装置，数据处理 装置和显示、记录装置四大部分组成。其组成框图如图1 - 7所示。激励 _ 被测 _ 性咸奥 测量数据一显示 装置对象传忌髓电路处理记录图1 - 7检测系统组成框图思考题与习题1 - 1、1- 2、1 - 31.传感器的定义：能感受规定的被测量并按照 定的规律转 换成可用信号的器件或装置。rAy)2 .线性度Ef =m X 100 %I y FS 丿3. 迟滞 E = ( Ay / y )x100

14、%。mFS4. 传感器的动态特性常用阶跃响应和频率响应来表示。5超调量力=Ay /y(g)x100%max第一节 传感器测量电路的作用与要求一、传感器测量电路的作用传感器的输出信号经过加工后可以提高其信噪比并易于传输 和与后续电路环节相匹配。对电路进行 分析，加深对 电路工作原 理的理解。传感器一漱越一根据测量项目的要求，传感器测量电路有时可能只是一个简 单的转换电路，有时则要与数台为了完成某些特定功能的仪器、 仪表相组合。传感器测量电路前、后两端的配置一般如图2 - 1所 /示。图2 - 1测量电路连接框图（简介）二、传感器测量电路的要求传感器测量电路的选用应考虑如下几个方面。 考虑阻抗匹配

15、及长电缆可能带来的电阻、电容和噪声的影 响。 放大器的放大倍数。 测量电路的选用。 测量电路中用的晶体管，集成电路和其他元、器件的选 用。 考虑外部和内部的温度影响及电磁场的干扰。 测量电路的结构和尺寸，电源电压和功耗。第二节 传感器测量电路的类型、特点与组成一、模拟电路（举例说明 电路对信号 的加工）当传感器的输出信号为动态的电阻、电容、电感等电参数时, 或以电压、电荷、电流等电量变化时，通常由模拟电路将信号按 摸拟电路的制式传输到测量系统的终端。其测量电路的基本组成 框图如图2 - 2所示。图2 - 2模拟式测量电路组成框图（看图讲解 各部分的作 用）传感器基本转换电路量程切换电路放大器解

16、调器滤波器运 算 电 路模数转换电路计算机显示执行机构、几点说明： 若传感器的输出已经是电参量，则不需要基本转换电路; 如果传感器的输出是一些电参数的变化，则需要通过基本电路首 先将其转换成电参量。 采用“调制”的方法对信号进行处理。（参考教材 补充具体的 要求） 量程切换电路是为适应不同测量范围的参数需要而设置 的。自主练习 有些被测参数，要求数字显示或送入计算机进行处理，需 要A/D转换电路。二、开关型测量电路当传感器的输出信号为开关信号时的测量电路称之为开关型 测量电路。下图2 - 3（a）中只有当开关S触电闭合，继电器K吸和时， 才有放大信号输出；图（b）中只有开关断开后，继电器K才能

17、 吸合；图（c）、图（d）中的信号是靠光电器件来控制的，其中图 （c）中要使继电器K吸合，光电器件必须有光照才行；图（d） 则是在无光照，光电管不工作时才能使继电器吸合。（说明四个 电路的区 别）图2 - 3开关型测量电路（a）触点闭合继电器吸合（b）触点断开继电器吸合（c）光电元件有光照时继电器吸合（d）光电元件无光照时继电器吸合三、绝对码型测量电路任务5 实施绝对式编码传感器输出的数字编码与被测量的绝对位置值一 一对应，每一码道的状态有相应的光电元件读出，经光电转换和 放大整形后，得到与被测量相对应的编码信号。组成框图如图2 - 4所示。图2 - 4绝对码型测量电路的组成框图四、增量码数字

18、式测量电路光栅、磁栅、感应同步器等数字式传感器，输出的是增量码信号，其测量电路的典型组成框图如图2 - 5所示。手动取样（参考教材 简介各部分 作用）图2 - 5增量码数字式测量电路的组成框图1.传感器与计算机的基本接口方式：（强调各类 型转换输入 方式的特 点）（简要分析 原因）接口方式基本方法模拟量接口方式传感器输出信号f放大f取样/保持f模拟多路开 关f A/D转换f I/O接口 f计算机开关量接口方式开关型传感器输出（逻辑1或0）信号f缓冲器f 计算机数字量接口方式数字型传感器输出数字量（二进制代码、BCD码、 脉冲序列等）f计数器f缓冲器f计算机2.四种转换输入方式类型组成原理框图特

19、点单通道直接型険*卜5 -T是最简单的形式。只用 一个A/D转换器及缓冲器 将模拟量转换成数字量，并 输入计算机。要受转换电压 幅值及速度限制。多通道一般型讣不7-打15 卡伽二；J1Itt11 能依次对每个模拟通 道进行取样保持和转换，节 省元器件，速度低，不能获 得同一瞬间的各通道的模 拟信号。第三节噪声与抗干扰技术1. 噪声在传感器电路的信号传递中，所出现的与被测量无关的随机 信号被称为噪声。如图2 - 6所示，系统严*川1不可避免地会受到各种外jKjr）界因素和内在因素的干扰。胆!652. 为减小测量误差需图2 6内、外影响因素对传感要解决的问题器 尽量减小传感器对影响因素的灵敏度。

20、降低外界因素对传 感器实际作用的功率。3对于噪声干扰需要解决的问题 解决噪声的来源问题。 解决噪声信号是如何进入测量系统的。4.形成噪声干扰的三个要素噪声源。 通道（噪声源到接收电路之间的耦合通道）。 接收电路（指那些对噪声比较敏感的电路）。 其相互关系如2 - 7图所示。噪声源一耦合通道一*接收电路图2 - 7噪声形成干扰的途径C、新授课一、噪声源1. 内部干扰噪声内部干扰噪声指的是测量装置内部元器件的物理性能随机变 动时对传感器及其测量电路形成的干扰。常见的内部干扰噪声有： 电阻热噪声。 半导体散弹噪声。 接触噪声。2. 外部干扰噪声外部干扰噪声是指测量装置以外的各种因素对传感器及其测 量

21、电路造成的干扰。常见的外部干扰噪声有： 放电噪声。 电磁噪声。 环境噪声。二、耦合通道测量装置能够接收噪声干扰的途径，就是干扰噪声进入传感 器及其测量电路的通道。这种通道通常是以对干扰信号的耦合方 式进行的，故又称之为耦合通道。这种耦合通道的形式有以下几 种：1.电容性耦合通过信号线之间的分布电斗 ”一甘导线1r导线2容产生的耦合称之为电容性耦cif_合，电容性耦合的等效电路如y图2 - 8所示。导线1噪声源，ENnQ理 5噪声源电势，导线2 被干丫扰的电路，C导线1和导丄丄m线2之间的分布电容，Zi图2 - 8电容耦合等效电路被干扰电路的等效输入阻抗。在Z上的干扰电压值为：iUN = Jw

22、Cm Zi EN结论： UN与En成正比，所以形成高电压，小电流的噪声源。 UN与J成正比，形成射频电压噪声源。Nw（举例说 明）（讲解） UN与Z.成正比，应尽可能减小Z.值，这样可降低电场传N11播时的噪声。 UN与C成正比，可适当改变导线的方向并进行屏蔽，或Nm尽量增大两导线之间的距离。2. 共阻抗耦合利用两个电路存在公共阻抗，使一个电路的电流在另一个电 路上产生干扰电压的耦合方式称之为共阻抗耦合。共阻抗耦合的 等效电路如图2 - 9所示。ZC公共阻抗,，N噪声 源的噪声电流，UN被干I-扰电路的噪声电压。它们之nzL间的关系为：UN =人 ZC/l:结论：H氐UN与IN成正比，同时又丫

23、与ZC成正比，测量电路中必一一一一-然会因ZC的缘故形成电感性 耦合，产生干扰。要消除这图2 - 9共阻抗耦合等效电路一干扰，就必须先消除公共阻抗，在测量电路中重新安排。3. 漏电流耦合由于绝缘不良，使得流经绝缘电阻R形成漏电流而引起的噪 声千扰称之为漏电流耦合。其等效电路如图2 - 10所示。图中En噪声电势，R漏电阻，Z.被干扰电路的输入阻 N1抗，此时的干扰电压为：Z EUN =N R + Z.1漏电流通常发生在以下几种场合： 用仪表测量高的直流电压时。 在测量装置附近有较高的直流电压源时。C） 高输入阻抗的直流丫一O放大器中。E人jZi在测量系统中，为了改环卡T%善漏电流引起的干扰，一

24、般_一采用提高绝缘性能和米取相图2 - 10漏电流耦合等效电路应的防护措施来达到。在噪声源与测量装置之间除了上述耦合方式外，还有“串模 干扰”与“共模干扰”的问题。1. 串模干扰噪声信号串接在测量信号接收器的一个输入端上，即干扰信 号与有用信号叠加起来同时作用于输入端，因此它将直接影响测 量的结果。2. 共模干扰在信号接收器的两个输入端同时出现干扰电压。这种干扰电 压虽然不直接影响测量结果，但是，当信号输入电路的参数不对（强调记忆 三种耦合通 道的等效电 路图）参考教材举 例说明）称时，就会转化成串模干扰，从而对测量产生影响。三、接收电路选择和应用实际接收电路通常应遵循以下原则： 有关传感器测

25、量电路的6项要求。（本章第一节） 有针对性的强化实际接收电路中的抗干扰功能。 尽可能选用性能优秀稳定的电路和电子元器件。四、其他抗干扰措施1. 屏敝/八円”殆卄傍干扰源（主动屏蔽）（1） 屏敝的对象：壮、一亠亠卄、接收体（被动屏蔽）（2）根据干扰场的性质，屏蔽可分为电屏蔽，磁屏蔽和电磁 屏敝3种。 电屏蔽（又称静电屏蔽）指的是在静电场作用下，导体内部无电力线存在，达到消除 或削弱两个回路之间由于分布电容的耦合而形成的干扰。 磁屏敝（或称低频磁屏敝）对于低频磁场的干扰，采用强磁材料做成屏蔽体对干扰信 号加以屏蔽。 电磁屏蔽主要用来防止高频电磁场的影响。电磁屏蔽有两个作用： 通过低电阻金属材料制成

26、的屏敝体表面对电磁场会产 生反射而削弱其影响。 由于电磁场在屏蔽体内产生涡流，那么利用反方向的涡 流磁场就可抵消掉高频电磁场的干扰。2. 接地（1）目 的： 为了安全（安全接地） 为了给装置的电路提供一个基准电压，并给因高频形成的 干扰提供一个低阻通路（工作接地）。|安全接地：一点接地（2） 接地方式低频：一点接地1高频：多点接地接地方式如图2 - 11所示：（复习本章 第一节中传 感器测量电 路的要求）低电平岛盹平fll图2 - 11接地方式（a）串联一点接地 （b）并联一点接地 （c）串并联一点接地 （d）多点接地（比较不同 接地方式的 特点和适用 范围）图中R, L为接地引线的电阻和电感

27、，这几种接地方式的特 点列于下表所示：接地方式串联一点接地并联一点接地串、并联一点接地多点接地各接地点电位不同，并受其他电路工作电流影响。各电路的地电位仅与本电路的地电流和地电阻有 关。兼有串联接地布线简单、并联接地点不存在共阻抗 噪声干扰的优点。高频时，为了减少接地引线阻抗，各接地点分别就 近接在接地汇流排或底座、外壳等金属构件上。图（a）图（b）图（c）图（d）图2 - 12三种接地线一点接地强调：整个测量装置的接地线系 统,至少要有三种分开的地线, 如图2 - 12所示。图中的三条 地线应连在一起，并通过一点 去接地，从而消除各接地线之 间的相互干扰。3. 浮置测量装置信号放大器的公共线

28、不接地也不接机壳，而是悬浮起来的方式称为浮置。4. 滤波滤波器是一种只允许某一频带信号通过或只阻止某一频带信 号通过的电路，它是目前将无用干扰信号滤除、抑制干扰的最有 效手段。5. 对称电路（平衡电路）指双线电路中的两根导线以及与其连接的所有电路，对地或 对其他导线，电路结构对称且对应阻抗相等的电路。6光电耦合使用光电耦合器 是切断地环路电流干 扰的十分有效的方法， 其原理如图2 - 13所示。图2 - 13用于断开地环路的光电耦合器7.脉冲电路中的噪声干扰抑制在脉冲电路中若存在干扰噪声信号，通常处理的方法是将输入脉 冲信号（含干扰信号）微分后再积分，然后设置一定幅度的门槛 电压，由射极输出器

29、输出，滤除无用的干扰脉冲信号。习题2 - 5、2 -6小结1. 测量装置常见的噪声干扰：内部干扰噪声和外部干扰噪声。2. 耦合通道的形式：电容性耦合、共阻抗耦合、漏电流耦合。3屏蔽的形式：电屏蔽、磁屏蔽、电磁屏蔽。4接地的形式：串联一点接地、并联一点接地、串并联一点 接地、多点接地。课题名称传感器基础知识授课日期2012、9、17授课班级10电子班课 题 实 施 记 录组织课堂检查人数强调纪律强调7S管理：整理、整顿、清洁、清扫、安全、节约、素养举例说明日常生活中的传感器应用场合通过实例应用引出传感器的概念（门厅自动门）实例分析传感器组成框图分析多种传感器的示例应用传感器大体分类传感器的特性分

30、析静态特性加强课程的趣味性进行实例设计导电式水位报警器原理简介器件选用其它课题名称传感器基础知识授课日期2012、 9、 18授课班级10电子班组织课堂检查人数强调纪律强调7S管理：整理、整顿、清洁、清扫、安全、节约、素养内容回顾传感器的示例应用传感器大体分类传感器的特性分析静态特性课1、传感器动态特性：阶跃响应 频率响应题2、传感器电路组成实3、传感器测量电路施4、传感器抗干记导电式水位报警器的焊接录其它课题名称传感器基础知识授课日期2012、 9、 19授课班级10电子班课 题 实 施 记 录组织课堂检查人数强调纪律强调7S管理：整理、整顿、清洁、清扫、安全、节约、素养 内容回顾传感器电路

31、组成传感器测量电路讲授内容1、电阻应变片的结构2、电阻应变片的作用3、电阻应变片的选择及要求导电式水位报警器的焊接与调试其它课题名称传感器基础知识授课日期授课班级10电子班课 题 实 施 记 录其它课题名称传感器基础知识授课日期授课班级10电子班课 题 实 施 记 录其它课题名称传感器基础知识授课日期授课班级10电子班课 题 实 施 记 录其它学习活动评价活动评价表项目评价内容评价等级（学生自评）ABC关键能力 考核项目遵守纪律、遵守学习场所管理规定，服从安排安全意识、责任意识，7S管理意识，注重节约、节能与环保学习态度积极主动，能参加实习安排的活动团队合作意识，注重沟通，能自主学习及相互协作仪容仪表符合活动要求专业能力 考核项目按时按要求独立完成工作页工具、设备选择得当，使用符合技术要求操作规范，符合要求学习准备充分、齐全注重工作效率与工作质量小组评语 及建议组长签名：年 月 日老师评语 及建议教师签名：年 月 日操作能力考核表（操作技能考点、能完成的打勾、尽量不要以分数进行界定【如可能可导入企业评价】）本活动考核采用的是过程化考核方式注：本工作页作为学生项目结束的总评依据，请妥善保管留档！