传感器与检测技术教案

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1、课时授课计划科目传感器与检测技术授课时数共页授课日期审阅授课班级年 月日出勤情况课 题： 授课目的： 通过本节课的学习使学生了解传感器概念，组成，分类以 及今后的发展趋势授课重点：传感器的概念和组成授课难点：对传感器概念的理解教学类型： 讲授 教具与挂图:复习提问：引入新课： 如果将人的大脑比作CPU那么感觉器官便是敏感元件， 大脑是转换元件，那么四肢根据大脑转换的信息去处理事件，就是一个 完整的传感器的模型了。今天我们来学习一个新的设备传感器。讲授新课（附后）：本课小结：通过本节课的学习，学生初步了解传感器的一般概念和组成。作业布置：改进措施：一组织教学1、师生问好；2、清点人数，做好考勤记

2、录；二复习提问三引入新课如果将人的大脑比作CPU那么感觉器官便是敏感元件，大脑是转 换元件，那么四肢根据大脑转换的信息去处理事件，就是一个完整的传 感器的模型了。今天我们来学习一个新的设备传感器。四讲授新课传感器的概念传感器：把特定的被测信息（包括物理量、化学量、生物量等）按一定 规律转换成某种可用信号输出的器件或装置。这里“可用信号”是指便于处理、传输的信号。当今电信号最易于 处理和便于传输，因此，可以把传感器狭义地定义为：传感器（狭义定义）:能将外界非电信号转换成电信号输出的器件。当人类进入光子时代，光信息成为更便于快速、高效地处理与传输 的可用信号时，传感器的概念也可以变为：能把外界信息

3、转换成光信号 输出的器件。、 传感器技术：是涉及传感（检测）原理、传感器设计、传感器开发和应用的综合技术。传感技术的含义则更为广泛，它是传感器技术、敏感功能材料科学、 细微加工技术等多学科技术相互交叉渗透而形成的一门新技术学科一一 传感器工程学。2、传感（检测）原理：是指传感器工作所依据的物理、化学和生物 效应，并受相应的定律和法则所支配。如：物理基础的基本定律包括： 守恒定律（能量、动量、电荷等），场的定律（包括动力场运动定律、电 磁场的感应定律等，其作用与物体在空间的位置及分布有关。）,物质定律（如虎克定律、欧姆定律、半导体材料的各种效应等，表示本身内在 性质的定律），统计法则（它把微观系

4、统与宏观系统联系起来的物理法则， 它们常与传感器的工作状态有关）。二、传感器的组成传感器一般由三部分组成：敏感元件、转换元件、测量电路组成。图0-1传感器的组成其中，能把非电信息转换成电信号的转换元件，是传感器的核心。 敏感元件是传感器预先将被测非电量变换为另一种易于变换成电量的非 电量，然后再变换为电量，如弹性元件。因此，并非所有传感器都包含 这两部分，对于物性型传感器，一般就只有转换元件；而结构型传感器 就包括敏感和转换元件两部分。测量电路，将转换元件输出的电量变成便于显示、记录、控制和处 理的有用电信号的电路。传感器的测量电路，经常采用电桥电路、高阻 抗输入电路、脉冲调宽电路、振荡电路等

5、特殊电路。三、传感器的分类按基本效应分：物理型、化学型、生物型等。按构成原理分：结构型、物性型。按测量原理分：应变式、电容式、压电式、热电式等。按能量关系分：能量转换型（自源型）、能量控制型（外源型）。 按输入量分：位移、温度、压力、流量、加速度等。按输出量分：模拟式、数字式。传感器，作为测量与控制系统的首要环节，必须具有快速、准确、 可靠、经济实现信息转换的基本要求：1、足够的容量一一工作范围或量程足够大、有一定的过载能力。2、与测量或控制系统匹配性好，转换灵敏度高。3、精度适当，且稳定性高。4、反应速度快、工作可靠性好。5、适用性和适应性强。对被测对象的状态影响小，不易受外界干扰的影响，使

6、用安全。6、使用经济，成本低，寿命长，且易于使用、维修和校准。四、传感器的发展趋势1、开发新型传感器进一步探索具有新效应的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理 的新型物性型传感器件，物性型传感器亦称固态传感器，它包括半导体、 电解质和强磁性体三类。其中利用量子力学诸效应研制的高灵敏阈传感 器，用来检测微弱信号，是传感器技术发展的新趋势，例如，利用核磁 共振吸收效应的磁敏传感器，可将检测限扩展到地磁强度的10的7次方, 利用约瑟夫逊效应的热噪声温度传感器，可测量10的负6次方的超低温； 以及由于光子滞后效应的利用，出现了响应速度极快的红外传感器。目 前最先进的固态传感器，在一块芯片上可同时集成差

7、压、静压、温度三 个传感器，使差压传感器具有温度和压力补偿功能。2、传感器的集成化和多功能化所谓集成化，就是将敏感元件、信息处理或转换单元以及电源等部 分利用半导体技术将其制做在同一芯片上；多功能化则意味着传感器具 有多种参数的检测功能，如半导体温湿敏传感器、多功能气体传感器等。 借助于半导体的蒸镀技术、扩散技术、光刻技术、精密加工及组装技术 等，使得传感器的这种发展趋势得以实现。3、传感器的智能化传感器与微型计算机相结合就形成了智能传感器，它兼有检测和信息处理功能，同时还具有记忆、存储、解析、统计处理及自诊断、自校 准、自适应等功能和远距离通讯。将传感器和计算机的这些功能集成于 同一芯片，就

8、形成智能传感器。4、研究生物传感器和开发仿生传感器大自然是生物传感器的优秀设计师。如狗的嗅觉（灵敏阈是人的一 百万倍）、鸟的视觉（视力是人的850倍）、蝙蝠、飞蛾、海豚的听觉（主 动型生物雷达一一超声波传感器）、蛇的接近觉（分辨力达0.001度的红 外测温传感器）等。所以，这也是传感器的一个发展方向。五课堂小结1、传感器由哪三部分构成2、传感器有哪些类别？六布置作业课后题第一章传感器的一般特性一组织教学3、师生问好；4、清点人数，做好考勤记录；二复习提问1、什么是传感器？2、传感器由哪几部分构成？三引入新课上节课学习了传感器的基本构成，那它是怎么工作的，具有怎样 的特性呢？四讲授新课传感器的输

9、入量可分为静态量和动态量两类。无论对静态量或动态 量，传感器的输出量都应不失真地复现输入量的变化。这主要取决于传 感器的静态特性和动态特性。1.1 传感器的静态特性一、静态数学模型静态模型是指在静态条件下（即输入量对时间 t的各阶导数为零） 得到的数学模型。不考虑滞后及蠕变，传感器的静态模型可用一代数方 程表示：Y 二 a。aiX a?X2anXn式中：Y输出量；X输入量；a 零位输出；ai 传感器的灵敏度，常用 K或S表示；a2， a3，an 非线性项待定常数。这种多项式方程可分为四种典型情况，见书。表示输出量与输入量之间的关系曲线称为特性曲线，图 1-1表示了这四种典型曲线。其中， 理想的

10、模型为：丫二 aiX后三种情况表示的是非线性情况，必须采取线性补偿措施。二、静态特性指标：1. 线性度：表征传感器曲线与拟合直线间最大偏差与满量程 （F-S） 输出值的百分比。8 L= maJYF，sX 100% max校准曲线与拟合直线间最大偏差；Yf- S传感器满量称输出；Yf- S= Ymax - Yo拟合直线的方法不同，线性度的大小也不同。拟合直线的方法有：1）端基法（简单直观，未考虑数据分布、拟合精度低）；2）理论直线法（与测试值无关，简单、方便）；3) 最小二乘法(拟合精度高，可得最佳拟合直线)；4) 端点平移法(最佳直线法)：正、负偏差最小且相等，拟合精 度最高；5) 平均斜率法

11、：精度比端基法高；6) 平均选点法：我国专家提出，等等。2. 灵敏度：在稳定工作状态时，输出变化量与引起此变化的输入 量之比。3. 精度：在规定条件的最大绝对误差相对传感器满量程输出的百 分比。表征测量结果的可靠程度，A=A A Yf-sX 100%工程中，经常使用精度等级表征传感器的精度：0.05, 0.1,0.5,1.0,1.5,2.0, 5.0etc 。4. 分辨率：在规定的测量范围内，所能检测出被测输入量的最 小变化量。也可用该值相对满量程输入值之百分数表示。也称为最小 检测量。5. 迟滞：在相同工作条件下，传感器在正、反行程中输入-输出 曲线的不重合程度。正、反行程的最大偏差与满量程

12、之比。原因：传感器机械结构、制造工艺上的缺陷；摩擦、轴承间隙、螺钉松动、元件损坏、积尘等。6. 重复性：在相同的工作条件下，输入量按同一方向在全量程范围内连续多次所特性曲线的不一致性。数值上，是各测量值标准偏差最大值两倍或三倍与满量程的百分比表示。它反映测量结果偶然误差的大小。而不表示与真值的误差。7. 零点漂移：在无输入时，传感器输出偏离零值的大小与满量 程只比。8温漂：温度变化时，传感器输出值的偏离程度。一般以温度 每变化1度，输出最大偏差与满量程的百分数。9.阈值：使传感器输出产生可测变化量的最小输入量值。也称 为死区。五课堂小结1、传感器具有怎样的静态数学模型？2、传感器有哪些静态特性

13、？六布置作业课后题第二章应变式传感器一组织教学1、师生问好；2、清点人数，做好考勤记录；二复习提问1、传感器有哪些静态特性？三引入新课传感器的一般特性放在各种类型的传感器中，又有不同的应用，今 天我们学习应变片式的传感器。四讲授新课电阻式传感器的种类繁多，应用广泛，其基本原理是 将被测物理量 的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路而最后显示被测量值 的变化。电阻式传感器与相应的测量电路组成的测力、测压、称重、测 位移、测加速度、测扭矩、测温度等测试系统。目前，已成为生产过程 检测以及实现生产自动化不可缺少的手段之一。电阻式传感器的种类主要有：电位器式传感器和应变式传感器。本 章主要介绍应

14、变式传感器。它包括：金属应变片式传感器和压阻式传感器。2.1 金属应变片式传感器2.1.1应变效应金属应变片的工作原理是基于电阻应变效应，即在金属丝产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化VXLF-F图2-1金属丝伸长后几何尺寸变化由两边取对数微分后得dR d- dL dS R r L式中：;一电阻得相对变化;* 电阻率的相对变化;d：长度相对变化，令 dS -截面积的相对变化,S二：金属丝的轴向应变（纵向）； dS=2dr=2_：r , ;r即为径向应变（横向）。S rr 又由CC1亠所以，dRC 1 -25 亠：亠2；=12 C 1 -2； = Ks；RKs称为应变灵敏度系数，由两部分组成：

15、一为几何尺寸引起，一为电阻率变化引起；对特定的金属材料，在一定应变范围内为一常数。2.1.2金属应变片1. 结构与材料结构组成：敏感栅、基底、盖片、粘结剂、引线。材料要求：较大灵敏度系数且为常数；高而稳定的电阻率；电阻温 度系数小；机械强度高易于加工；抗氧化耐腐蚀。常用材料：铜镍合金、 卡玛合金、伊文合金、铂和铂合金等。2. 分类包括：金属丝式应变片、金属箔式应变片（见下图）、金属薄膜式应 变片。图2-2金属箔式应变片的基本结构(bWW图2 -3各式箔式应变花五课堂小结1、什么是应变效应？2、金属应变片的组成?六布置作业课后题2.1 金属应变片式传感器一组织教学1、师生问好；2、清点人数，做好

16、考勤记录；二复习提问1、什么是应变效应？三引入新课传感器的一般特性放在各种类型的传感器中，又有不同的应用，今 天我们学习应变片式的传感器主要特性。四讲授新课2.1.3主要特性包括：灵敏度系数、横向效应、机械滞后，零漂及蠕变、温度效应、 应变极限、疲劳寿命、动态响应特性等。1 .灵敏度系数：K二R :, 一般K : Ks。主要原因：粘结剂与基底 的传递应变失真、横向效应等。2. 横向效应：敏感栅由轴向纵栅和圆弧横栅两部分组成。所以应变 片既受到轴向应变又受到横向应变的影响，且其影响方向相反，这种现 象为横向效应。一般，敏感栅愈窄、基长愈长，横向效应愈小，误差愈 小。3. 机械滞后：残余变形所致，

17、使加载与卸载特性出现偏差。4. 零点漂移和蠕变：温度效应、片内应力、粘结剂固化不充分、胶 层间产生滑动等造成。5. 动态特性：栅长愈短，动态特性愈好。2.1.4温度误差及补偿在外界温度变化的条件下，由于敏感栅温度系数a t及栅丝与试件膨 胀系数（B g及B e）之差异性而产生虚假应变输出有时会产生与真实应变同数量级的误差。j ：十十讥K和一 ：g - i .R t虚假应变：；t = ： t览飞- y氏Kg必须采取补偿温度误差的措施。通常温度误差补偿方法有两类:1. 自补偿法：单丝自补偿法、组合式自补偿法2. 电路补偿法图2- 4组合式自动补偿法图2-5电桥补偿法图2-6差动电桥补偿法电路补偿法

18、要求：补偿电阻与应变电阻同一批号，具有相同的两e和K,初始阻值相同；粘结补偿片的材料与被测试件材料相同;片处于同一温度环境五课堂小结1、金属应变片具有什么主要特性?2、温度补偿的方法？六布置作业课后题2.1 金属应变片式传感器一组织教学1、师生问好；2、清点人数，做好考勤记录；二复习提问1、金属应变片具有什么主要特性？2、温度补偿的方法？三引入新课传感器的一般特性放在各种类型的传感器中，又有不同的应用，今天我们学习应变片式的传感器测量电路四讲授新课2.1.5测量电路IInB当两种 金属相接时，将产生自由电子的扩散现象。达到动态平衡时，在A、B之间形成稳定的电位差，即接触电势 eAB 如图2-3

19、所示。图8-3两种导体的接触电势3. 单一导体的温差电势对于单一导体，如果两端温度分别为T、TQ且TTQ如图2-4所示图2-4单一导体温差电势导体中的自由电子，在高温端具有较大的动能，因而向低温端扩散, 在导体两端产生了电势，这个电势称为单一导体的温差电势。势电偶回路中产生的总热电势，由图 2-5可知：EAB(T,TO)=eAB(T)+eB(T,TO)-eAB(TO)-eA(T,TO)或 EAB(t,tO)=eAB(t)+eB(t,tO)-eAB(tO)-eA(t,tO)式中:EAB(T,TO):热电偶回路中的总电动势;eAB(T):热端接触电势；eB(T,TO): B 导体温差电势; eAB

20、(TO):冷端接触电势；eA(T,TO):A导体温差电势。 T 图8-5接触电势示意图在总电势中，温差电势比接触电势小很多，可忽略不计，则热电偶的热 电势可表示为:EAB(T,TO)=eAB(T)-eAB(TO) 对于已选定的热电偶，当参考端温度TO恒定时，EAB(TO)=c为常数，则 总的热电动势就只与温度T成单值函数关系，即：EAB(T,TO)=eAB(T)- c =f(T)实际应用中，热电势与温度之间的关系是通过热电偶分度表来确定。分度表是在参考端温度为00C时，通过实验建立起来的热电势与工作端温度之间的数值对应关系。五课堂小结1、什么两种导体的接触电势？2、什么是单一导体的温差电势？六

21、布置作业课后题5.1热电偶传感器一组织教学1、师生问好；2、清点人数，做好考勤记录；二复习提问1、什么两种导体的接触电势?2、什么是单一导体的温差电势？三引入新课传感器的一般特性放在各种类型的传感器中，又有不同的应用，今天我们学习热电偶传感器。四讲授新课4 .热电偶的基本定律(1) 中间导体定律在热电偶回路中接入第三种导体，只要该导体两端温度相等，则热电偶 产生的总热电势不变。如图8-6所示，可得回路总的热电势EABC(T,TO)=eAB(T)-eAB(TO)=EAB(T,TO)根据这个定律，我们可采取任何方式焊接导线，将热电势通过导线接至 测量仪表进行测量，且不影响测量精度。图8-6中间导体

22、定律示意图(2) 中间温度定律在热电偶测量回路中，测量端温度为 T,自由端温度为TO中间温度为 T 0，如图8-7所示。贝S T，TO热电势等于T，TO与TO，TO热电 势的代数和。即EAB(T,TO)=EAB(T,TO )+EAB(TO ,TO)运用该定律可使测量距离加长，也可用于消除热电偶自由端温度变化影 响。图8-7中间温度定律示意图(3) 参考电极定律(也称组成定律)如图 8-8所示。已知热电极A B与参考电极C组成的热电偶在结点温度为(T, T0)时的 热电动势分别为EAC(T T0)、EBC(T T0)，则相同温度下，由 A B两 种热电极配对后的热电动势 EAB(T T0)可按下面公式计算：EAB(T, T0)=EAC(T TO)-EBC(T, T0)参考电极定律大大简化了热电偶 选配电极的工作。