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1、緒論Ø 教學(xué)要求1掌握檢測(cè)等基本概念。2了解工業(yè)檢測(cè)技術(shù)涉及的內(nèi)容。3掌握自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的組成。4明確本課程的任務(wù)。5了解檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。Ø 教學(xué)手段 多媒體課件,實(shí)物演示Ø 教學(xué)課時(shí) 1學(xué)時(shí)Ø 教學(xué)內(nèi)容一檢測(cè)(Detection)的定義(聯(lián)系具體、日常生活的例子,如舉“操?zèng)_秤象”的例子過程來說明檢測(cè)的定義)檢測(cè)是利用各種物理、化學(xué)效應(yīng),選擇合適的方法與裝置,將生產(chǎn)、科研、生活等各方面的有關(guān)信息通過檢查與測(cè)量的方法賦予定性或定量結(jié)果的過程。能夠自動(dòng)地完成整個(gè)檢測(cè)處理過程的技術(shù)稱為自動(dòng)檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)。二檢測(cè)技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)中的地位和作用舉例說明:檢測(cè)技術(shù)是

2、現(xiàn)代化領(lǐng)域中很有發(fā)展前途的技術(shù),它在國民經(jīng)濟(jì)中起著極其重要的作用。 三工業(yè)檢測(cè)技術(shù)的內(nèi)容(了解)工業(yè)檢測(cè)涉及的內(nèi)容被測(cè)量類型測(cè)量被測(cè)量類型測(cè)量熱工量 溫度、熱量、比熱容、熱流、熱分布、壓力(壓強(qiáng))、壓差、真空度、流量、流速、物位、液位、界面 物體的性質(zhì)和成分量 氣體、液體、固體的化學(xué)成分、濃度、粘度、濕度、密度、酸堿度、濁度、透明度、顏色機(jī)械量 直線位移、角位移、速度、加速度、轉(zhuǎn)速、應(yīng)力、應(yīng)變、力矩、振動(dòng)、噪聲、質(zhì)量(重量)狀態(tài)量 工作機(jī)械的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(啟停等)、生產(chǎn)設(shè)備的異常狀態(tài)(超溫、過載、泄漏、變形、磨損、堵塞、斷裂等)幾何量 長(zhǎng)度、厚度、角度、直徑、間距、形狀、平行度、同軸度、粗糙度、硬

3、度、材料缺陷電工量 電壓、電流、功率、電阻、阻抗、頻率、脈寬、相位、波形、頻譜、磁場(chǎng)強(qiáng)度、電場(chǎng)強(qiáng)度、材料的磁性能 四自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的組成(掌握)1. 系統(tǒng)框圖 (0-1) 2. 傳感器(Transducer)及定義3. 顯示器 4. 數(shù)據(jù)處理裝置 5. 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 6. 自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)舉例(0-2)五檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)(舉例介紹)當(dāng)前,檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:1.不斷提高檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度、量程范圍、延長(zhǎng)使用壽命、提高可靠性 2.應(yīng)用新技術(shù)和新的物理效應(yīng),擴(kuò)大檢測(cè)領(lǐng)域 3.發(fā)展集成化、功能化的傳感器 4.采用計(jì)算機(jī)技術(shù),使檢測(cè)技術(shù)智能化 5.發(fā)展網(wǎng)絡(luò)化傳感器及檢測(cè)系統(tǒng) 六本課程的任務(wù)和

4、學(xué)習(xí)方法     本課程的任務(wù)是:在闡明測(cè)量基本原理的基礎(chǔ)上,逐一分析各種傳感器是如何將非電量轉(zhuǎn)換為電量的,并介紹相應(yīng)的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)處理電路及各種傳感器在工業(yè)中的應(yīng)用。本課程的學(xué)習(xí)方法是:要理論聯(lián)系實(shí)際,要舉一反三(演示光電開關(guān),提問和討論可以哪有幾種用途,啟發(fā)?。?,富于聯(lián)想,善于借鑒,關(guān)心和觀察周圍的各種機(jī)械、電氣等設(shè)備,重視實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn),這樣才能學(xué)得活、學(xué)得好,才有利于提高今后解決實(shí)際問題的能力。留一個(gè)問題給學(xué)生回去思考:舉出課堂上演示過的光電開關(guān)共有哪幾種用途,第二次上課時(shí),回答得越多越好。第一章 檢測(cè)技術(shù)的基本概念Ø 教學(xué)要求1掌握

5、測(cè)量的基本概念和測(cè)量方法。2熟悉測(cè)量誤差的分類和基本概念。3了解測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理。4掌握傳感器的組成。5熟悉傳感器分類。6掌握傳感器基本特性Ø 教學(xué)手段 多媒體課件、壓力表演示Ø 教學(xué)課時(shí) 2學(xué)時(shí)Ø 教學(xué)內(nèi)容第一節(jié) 測(cè)量的一般概念及方法對(duì)于測(cè)量方法,從不同的角度出發(fā),有不同的分類方法。(須舉例說明):1. 靜態(tài)測(cè)量和動(dòng)態(tài)測(cè)量2. 直接測(cè)量和間接測(cè)量3. 模擬式測(cè)量和數(shù)字式測(cè)量4. 接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量5. 在線測(cè)量和離線測(cè)量第二節(jié) 測(cè)量誤差及分類測(cè)量值與真值之間的差值稱為測(cè)量誤差(Measuring error)。測(cè)量誤差可其不同特征進(jìn)行分類。一、絕對(duì)誤

6、差和相對(duì)誤差 重要公式:1絕對(duì)誤差(Absolute Error)=Ax02相對(duì)誤差(Relative Error)(掌握基本概念!)(1) 示值(標(biāo)稱)相對(duì)誤差gx(2)滿度(引用)相對(duì)誤差g我國模擬儀表有下列七種等級(jí):0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0。表1-1 儀表的準(zhǔn)確度等級(jí)和基本誤差 等級(jí)0.1 0.2 0.5 1.0 1.5 2.5 5.0 基本誤差±0.1% ±0.2% ±0.5% ±1.0% ±1.5% ±2.5% ±5.0% 討論:上表說明什么?在正常工作條件下,可以

7、認(rèn)為儀表的最大絕對(duì)誤差是不變的,而示值相對(duì)誤差gx隨示值的減小而增大。與同學(xué)一起做:例1-1:分析討論儀表精度等級(jí)與量程范圍及示值相對(duì)誤差之間的關(guān)系。二、粗大誤差、系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差(掌握基本概念)1粗大誤差(舉例)2系統(tǒng)誤差(舉例)3隨機(jī)誤差(舉例)分析正態(tài)分布的規(guī)律:(舉例)(1)有界性()對(duì)稱性(3)集中性三、靜態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤差1靜態(tài)誤差(Static Error)(舉例)2動(dòng)態(tài)誤差(Dynamic Error)(舉例)第三節(jié) 傳感器及基本特性 討論傳感器的組成及框圖:傳感器由敏感元件,傳感元件及測(cè)量轉(zhuǎn)換電路三部分組成。分析:圖1-3:傳感器的組成框圖 結(jié)合電位器式壓力傳感器的工作原理,

8、可將圖1-4方框中的內(nèi)容具體化。圖1-5:電位器式壓力傳感器原理框圖(演示該傳感器)二、傳感器分類1)按被測(cè)量分類2)按測(cè)量原理分類三、傳感器基本特性1.靈敏度(是否越大越好?)分析:圖1-6,用作圖法求取傳感器的靈敏度(先看多媒體動(dòng)畫)2.分辨力(舉例)3.線性度(數(shù)值大好還是小好?)圖1-7:傳感器線性度作圖(先看多媒體動(dòng)畫)4.穩(wěn)定性(Regulation)(舉例說明重要性)5.電磁兼容性(EMC)(舉例說明重要性)6.可靠性(Reliability)(1)故障平均間隔時(shí)間(MTBF)(2)平均修復(fù)時(shí)間(MTTR)(3)故障率或失效率(l)圖1-8:故障率變化曲線。故障率的變化大體上可分

9、成三個(gè)階段:(以人的一生說明)1)初期失效期2)偶然失效期3)衰老失效期作業(yè)P1437,課堂討論:8第二章 電阻傳感器Ø 教學(xué)要求1了解應(yīng)變效應(yīng)的原理。2了解應(yīng)變片的類型、結(jié)構(gòu)及其測(cè)量轉(zhuǎn)換電路。3掌握應(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)用。4了解熱電阻的工作原理及結(jié)構(gòu)。5掌握熱敏電阻的類型、特性和應(yīng)用。6了解氣敏電阻傳感器的種類和工作原理。7了解大氣的溫度與露點(diǎn)的概念。8了解測(cè)量濕度的傳感器的種類和特點(diǎn)。Ø 教學(xué)手段 多媒體課件、應(yīng)變演示及熱敏電阻、氣敏電阻、濕敏電阻的演示Ø 教學(xué)課時(shí) 4學(xué)時(shí)Ø 教學(xué)內(nèi)容第一節(jié) 電阻應(yīng)變式傳感器從電阻絲的拉伸實(shí)驗(yàn)入手,觀察電阻絲拉長(zhǎng)時(shí)的阻值變化

10、規(guī)律,討論如何將這種原理用于測(cè)量應(yīng)力、應(yīng)變、力以及質(zhì)量等非電量。討論電阻應(yīng)變式傳感器的組成。一、工作原理應(yīng)變效應(yīng):導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下,會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形,其電阻值也將隨著發(fā)生變化。重要公式:(21)電阻絲及應(yīng)變片的電阻相對(duì)變化量DR ¤ R與材料力學(xué)中的軸向應(yīng)變ex的關(guān)系式:(21),分析它在應(yīng)用中的意義。DR /R與所受的力及電阻絲的橫截面面積、材料的關(guān)系式:(22),分析它在電子秤中的意義。二、應(yīng)變片的種類結(jié)構(gòu)與粘貼1.應(yīng)變片的類型與結(jié)構(gòu)表2-1列出了一些應(yīng)變片的主要技術(shù)參數(shù)。(引導(dǎo)學(xué)生怎樣看參數(shù)表)表2-1 應(yīng)變片主要技術(shù)指標(biāo)參數(shù)名稱電阻值 /W靈敏度電阻溫度系數(shù) /

11、 (1/°C)極限工作溫度 / °C最大工作電流 / 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%1.92.11.92.11.92.21.92.21.92.2140+5%120+5%20´10-620´10-6<0.4%<0.2%-1040-1040-3060-30200-30170<60<60202025252515252.應(yīng)變片的粘貼(粘貼工藝簡(jiǎn)述,做示范):1)試件的表面處理 2)確定貼片位置3)粘貼4)固

12、化5)粘貼質(zhì)量檢查6)引線的焊接與防護(hù)三、測(cè)量轉(zhuǎn)換電路分析為什么要采用橋路:金屬應(yīng)變片的電阻變化范圍很小,如果直接用歐姆表測(cè)量其電阻值的變化將十分困難、且誤差很大,必須使用電橋電路。例2-1:求金屬箔式應(yīng)變片受拉后應(yīng)變片的阻值R。復(fù)習(xí):電橋的結(jié)點(diǎn)、電橋的平衡條件、調(diào)零的方法,演示調(diào)零過程。圖2-4:橋式測(cè)量轉(zhuǎn)換電路根據(jù)不同的要求,分析和比較應(yīng)變電橋的三種不同的工作方式:1)單臂半橋工作方式2)雙臂半橋工作方式3)全橋工作方式電橋的輸出電壓公式:(23)(說明什么)當(dāng)各橋臂應(yīng)變片的靈敏度K都相同時(shí)的輸出電壓公式:(24)(討論有何意義)討論:從溫度自補(bǔ)償和溫漂的角度來分析采用雙臂半橋或全橋的好處

13、。四、應(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)用1.應(yīng)變式傳感器(演示)(1)應(yīng)變式力傳感器(2)應(yīng)變式扭矩(轉(zhuǎn)矩)傳感器(3)應(yīng)變式加速度傳感器(4)應(yīng)變式荷重傳感器(5)壓阻式固態(tài)壓力傳感器(6)壓阻式壓力傳感器在液位測(cè)量中的應(yīng)用第二節(jié) 測(cè)溫?zé)犭娮鑲鞲衅饕?、熱電?.熱電阻的工作原理及結(jié)構(gòu)從用萬用表測(cè)量燈泡的冷態(tài)阻值實(shí)驗(yàn)入手,比較熱態(tài)電阻值與冷態(tài)電阻值,分析電阻不同的原因,再從熱電阻傳感器的微觀角度來分析其工作原理。2.熱電阻的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路:引導(dǎo)學(xué)生想到也可以采用:圖2-4的不平衡電橋二、熱敏電阻1熱敏電阻的類型及特性(1)NTC熱敏電阻NTC的分類:通過演示,來觀察兩種熱敏電阻的在火焰加熱時(shí)的阻值變化,總結(jié):第一類

14、用于測(cè)量溫度,它的電阻值與溫度之間呈嚴(yán)格的負(fù)指數(shù)關(guān)系。第二類為突變型,又稱臨界溫度型(CTR)。當(dāng)溫度上升到某臨界點(diǎn)時(shí),其電阻值突然下降。(2)PTC熱敏電阻與學(xué)生一起分析:在不同的場(chǎng)合怎樣選用不同的熱敏電阻。2.熱敏電阻的應(yīng)用(1)熱敏電阻測(cè)溫(2)熱敏電阻用于溫度補(bǔ)償(3)熱敏電阻用于溫度控制及過熱保護(hù)(4)熱敏電阻用于液面的測(cè)量第三節(jié) 氣敏電阻演示酒精傳感器,再討論氣敏電阻的分類,以及如何把某種氣體的成分、濃度等參數(shù)轉(zhuǎn)換成電阻變化量,再轉(zhuǎn)換為電流、電壓信號(hào)。重點(diǎn)介紹:一、還原性氣體傳感器二、二氧化鈦氧濃度傳感器第四節(jié) 濕敏電阻傳感器一、大氣的溫度與露點(diǎn)1.絕對(duì)濕度與相對(duì)濕度(與學(xué)生一起討

15、論悶熱天氣的原因)2.露點(diǎn)(與學(xué)生一起討論結(jié)露的原因)二、測(cè)量濕度的傳感器1.金屬氧化物陶瓷濕度傳感器2.金屬氧化物膜型濕度傳感器3.高分子濕敏電阻傳感器(拆開,讓學(xué)生看內(nèi)部結(jié)構(gòu))作業(yè) :P39:25,課堂討論:9、11第三章 電感式傳感器 Ø 教學(xué)要求1了解幾種電感式傳感器的基本概念和工作原理。2熟悉電感式傳感器的分類及測(cè)量對(duì)象。3掌握差動(dòng)變壓器式傳感器的工作原理及主要性能。4掌握電感式傳感器的應(yīng)用。Ø 教學(xué)手段 多媒體課件Ø 教學(xué)課時(shí) 4學(xué)時(shí)Ø 教學(xué)內(nèi)容第一節(jié) 自感式傳感器從流過電感線圈的交流電流與氣隙的關(guān)系演示實(shí)驗(yàn)入手,向?qū)W生說明電感傳感

16、器的基本工作原理:與公式(31)聯(lián)系起來自感式電感傳感器分類:變隙式、變截面式和螺線管式等三種,一、變隙式電感傳感器的有關(guān)公式:(32)討論變隙式電感傳感器的電感L與氣隙厚度d的反比關(guān)系、輸入輸出的非線性關(guān)系、d與靈敏度的關(guān)系等,分析為何只能用于微小位移的測(cè)量。二、變截面式電感傳感器論述變截面式電感傳感器的電感量L與氣隙截面積A的正比關(guān)系、輸入輸出的線性關(guān)系以及線性區(qū)較小、靈敏度較低的原因。三、螺線管式電感傳感器四、差動(dòng)電感傳感器(一)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(拆開差動(dòng)電感,讓學(xué)生看內(nèi)部結(jié)構(gòu))差動(dòng)式電感傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):兩個(gè)導(dǎo)磁體的幾何尺寸完全相同,材料性能完全相同;兩個(gè)線圈的電氣參數(shù)(如電感、匝數(shù)、直流電阻

17、、分布電容等)和幾何尺寸也完全相同。(討論為什么需要相等) (二)工作原理和特性采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)的好處:可以改善線性、提高靈敏度外,對(duì)外界影響,如溫度的變化、電源頻率的變化等也基本上可以互相抵消,銜鐵承受的電磁吸力也較小,從而減小了測(cè)量誤差。五、測(cè)量轉(zhuǎn)換電路電感式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路:采用電橋電路。轉(zhuǎn)換電路的作用:是將電感量的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號(hào),以便送入放大器進(jìn)行放大,然后用儀表指示出來或記錄下來。(一)變壓器電橋電路(二)相敏檢波電路第二節(jié) 差動(dòng)變壓器式傳感器本節(jié)討論差動(dòng)變壓器式傳感器(Differential Transformer Transducer)的工作原理及結(jié)構(gòu)型式(螺線管式

18、差動(dòng)變壓器)主要性能。重點(diǎn)在:性能和應(yīng)用。一、工作原理(演示工作過程)二、主要性能1.靈敏度影響差動(dòng)變壓器靈敏度的因素:行程越小,靈敏度越高。還與哪些因素有關(guān):激勵(lì)源電壓和頻率;差動(dòng)變壓器一、二次線圈的匝數(shù)比;銜鐵直徑與長(zhǎng)度,材料質(zhì)量;環(huán)境溫度;負(fù)載電阻等。2.線性范圍討論差動(dòng)變壓器線性范圍與線圈骨架長(zhǎng)度以及與測(cè)量范圍之間的關(guān)系。三、測(cè)量電路(簡(jiǎn)介)第三節(jié) 電感式傳感器的應(yīng)用自感式電感傳感器和差動(dòng)變壓器式傳感器主要用途:位移測(cè)量以及能轉(zhuǎn)換成位移變化的參數(shù),如力、壓力、壓差、加速度、振動(dòng)、工件尺寸等。一、位移測(cè)量(演示,以下同)二、電感式滾柱直徑分選裝置(多媒體動(dòng)畫)三、電感傳感器在仿形機(jī)床中的

19、應(yīng)用四、電感式圓度計(jì)五、壓力測(cè)量圖3-17:給出一次儀表的概念。一次儀表的輸出信號(hào):可以是電壓,也可以是電流。論述為什么:一次儀表中多采用電流輸出型。新的國家標(biāo)準(zhǔn):420mA;電壓輸出為15V(舊國標(biāo)為010mA或02V)。4mA的用途:對(duì)應(yīng)于零輸入,論述不讓信號(hào)占有04mA這一范圍的原因。介紹兩線制儀表的接線(動(dòng)手):其中一根為+24V電源線,另一根既作為電源負(fù)極引線,又作為信號(hào)傳輸線。在信號(hào)傳輸線的末端通過一只標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電阻(也稱取樣電阻)接地(也就是電源負(fù)極),將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)。接線方法如圖3-18所示。 分析例3-1 作業(yè):P56:3、4、9;課堂分析:7、8第四章 電渦流式傳感

20、器Ø 教學(xué)要求1了解電渦流效應(yīng)和等效阻抗分析。2熟悉電渦流探頭結(jié)構(gòu)和被測(cè)體材料、形狀和大小對(duì)靈敏度的影響。3熟悉電渦流式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路。4掌握電渦流式傳感器的應(yīng)用。5掌握接近開關(guān)的分類和特點(diǎn)。Ø 教學(xué)手段 多媒體課件、各種電渦流傳感器演示Ø 教學(xué)課時(shí) 3學(xué)時(shí)Ø 教學(xué)內(nèi)容:第一節(jié) 電渦流傳感器工作原理  一、電渦流效應(yīng)(演示) 從金屬探測(cè)器的探測(cè)過程導(dǎo)出電渦流傳感器的電渦流效應(yīng)。從金屬探測(cè)器的結(jié)構(gòu)來說明圖4-1電渦流傳感器工作原理。二、等效阻抗分析圖4-1中的電感線圈稱為電渦流線圈。分析它的等效電路:一個(gè)電阻R和一個(gè)電感L串聯(lián)的回

21、路。電渦流線圈受電渦流影響時(shí)的等效阻抗Z的函數(shù)表達(dá)式(分析其實(shí)際價(jià)值)Z=R+jL=f(i1、f、m、s、r、x) (4-1)結(jié)論:電渦流線圈的阻抗與m、s、r、x之間的關(guān)系均是非線性關(guān)系,解決方法:必須由微機(jī)進(jìn)行線性化糾正。第二節(jié) 電渦流傳感器結(jié)構(gòu)及特性 一、電渦流探頭結(jié)構(gòu)(實(shí)物演示)電渦流傳感器的傳感元件是一只線圈,俗稱為電渦流探頭。線圈結(jié)構(gòu):用多股較細(xì)的絞扭漆包線(能提高Q值)繞制而成,置于探頭的端部,外部用聚四氟乙烯等高品質(zhì)因數(shù)塑料密封,(圖4-2)。CZF-1系列電渦流探頭的性能: 表4-1 CZF-1系列傳感器的性能 型號(hào)線性范圍/mm線圈外徑/mm分

22、辨力/mm線性誤差(%)使用溫度/°CCZF1-1000 1000 f7 1 <3 -15+80 CZF1-30003000 f153<3 -15+80CZF1-50005000f28 5 <3 -15+80提問:請(qǐng)同學(xué)由上表分析得出結(jié)論:探頭的直徑越大,測(cè)量范圍就越大,但分辨力就越差,靈敏度也降低。二、被測(cè)體材料、形狀和大小對(duì)靈敏度的影響線圈阻抗變化與哪些因素有關(guān):金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率等。第三節(jié) 測(cè)量轉(zhuǎn)換電路(簡(jiǎn)單介紹調(diào)幅式和調(diào)頻式測(cè)量轉(zhuǎn)換電路。)一、調(diào)幅式電路調(diào)幅式:以輸出高頻信號(hào)的幅度來反映電渦流探頭與被測(cè)金屬導(dǎo)體之間的關(guān)系。圖4-3:高頻調(diào)幅式電路的原理

23、框圖。調(diào)幅式缺點(diǎn):電壓放大器的放大倍數(shù)的漂移會(huì)影響測(cè)量精度,必須采取各種溫度補(bǔ)償措施。二、調(diào)頻式電路 聯(lián)系收音機(jī),說明所謂調(diào)頻式就是將探頭線圈的電感量L與微調(diào)電容C0構(gòu)成LC振蕩器,以振蕩器的頻率f作為輸出量。(復(fù)習(xí)并聯(lián)諧振回路的諧振頻率公式分析)圖4-5:調(diào)頻式測(cè)量轉(zhuǎn)換電路原理框圖,圖4-6:用調(diào)頻式測(cè)量銅板與電渦流探頭間距x時(shí)的特性曲線(說明什么)。第四節(jié) 電渦流傳感器的應(yīng)用一、位移的測(cè)量介紹某些旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸向位移測(cè)量。利用電渦流原理還可以測(cè)量諸如汽輪機(jī)主軸的軸向位移、電動(dòng)機(jī)軸向竄動(dòng)、磨床換向閥、先導(dǎo)閥的位移和金屬試件的熱膨脹系數(shù)等。圖4-7:軸向位移的監(jiān)測(cè)二、振動(dòng)的測(cè)量電渦流式傳感器可以

24、無接觸地測(cè)量各種振動(dòng)的振幅、頻譜分布等參數(shù)。介紹:在汽輪機(jī)、空氣壓縮機(jī)中用電渦流式傳感器來監(jiān)控主軸的徑向、軸向振動(dòng),測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)渦流葉片的振幅等方法。圖4-8:振幅測(cè)量(演示)三、轉(zhuǎn)速測(cè)量 動(dòng)畫演示、計(jì)算:轉(zhuǎn)軸上開z個(gè)槽(或齒),頻率計(jì)的讀數(shù)為f(單位為Hz),轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速n(單位為r/min)的計(jì)算公式。四、鍍層厚度測(cè)量 用電渦流傳感器測(cè)量塑料表面金屬鍍層的厚度,以及印刷線路板銅箔的厚度等。五、電渦流式通道安全檢查門(舉例:安檢門)出/入口檢測(cè)系統(tǒng),可有效地探測(cè)出槍支、匕首等金屬武器及其它大件金屬物品。分析:機(jī)場(chǎng)、海關(guān)、錢幣廠、監(jiān)獄等重要場(chǎng)所的門禁。六、電渦流表面探傷 利用電渦流傳感器檢查金屬表

25、面(已涂防銹漆)的裂紋以及焊接處的缺陷等。第五節(jié) 接近開關(guān)簡(jiǎn)介接近開關(guān)定義:它能在一定的距離(幾毫米至幾十毫米)內(nèi)檢測(cè)有無物體靠近。接近開關(guān)的核心部分是“感辨頭”,它必須對(duì)正在接近的物體有很高的感辨能力一、常用的接近開關(guān)分類(實(shí)物介紹) 1)自感式、差動(dòng)變壓器式 它們只對(duì)導(dǎo)磁物體起作用;2)電渦流式(俗稱電感接近開關(guān)) 它只對(duì)導(dǎo)電良好的金屬起作用;3)電容式 它對(duì)接地的金屬或地電位的導(dǎo)電物體起作用,對(duì)非地電位的導(dǎo)電物體靈敏度稍差(將在下一章介紹);4)磁性干簧開關(guān)(也叫干簧管) 它只對(duì)磁性較強(qiáng)的物體起作用(將在第十四章介紹);5)霍爾式 它只對(duì)磁性物體起作用(將在第八章介紹)。二、接近開關(guān)的特

26、點(diǎn)非接觸檢測(cè),不影響被測(cè)物的運(yùn)行工況;不產(chǎn)生機(jī)械磨損和疲勞損傷,工作壽命長(zhǎng);響應(yīng)快,一般響應(yīng)時(shí)間可達(dá)幾毫秒或十幾毫秒;采用全密封結(jié)構(gòu),防潮、防塵性能較好,工作可靠性強(qiáng);無觸點(diǎn)、無火花、無噪聲,所以適用于要求防爆的場(chǎng)合(防爆型);輸出信號(hào)大,易于與計(jì)算機(jī)或可編程控制器(PLC)等接口;體積小,安裝、調(diào)整方便。它的缺點(diǎn)是觸點(diǎn)容量較小,輸出短路時(shí)易燒毀。三.接近開關(guān)的主要特性1額定動(dòng)作距離(用卡尺測(cè)量實(shí)際距離) 2.工作距離 3.動(dòng)作滯差 4.重復(fù)定位精度(重復(fù)性) 5.動(dòng)作頻率作業(yè):P75:2、6、7;課堂討論:5、8第五章 電容式傳感器Ø 教學(xué)要求1掌握各種電容式傳感器的結(jié)構(gòu)、工作原理

27、和特性。2了解幾種常用氣體、液體、固體介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。3熟悉電容式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路。熟悉電容式傳感器的應(yīng)用。4熟悉電容式傳感器的應(yīng)用。5了解壓力和流量的測(cè)量。Ø 教學(xué)手段 多媒體課件、實(shí)物演示Ø 教學(xué)課時(shí) 3學(xué)時(shí)Ø 教學(xué)內(nèi)容:第一節(jié) 電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式(演示)電容式傳感器的工作原理說明:圖5-1所示的平板電容器來說明(用電容表測(cè)量)。結(jié)論:電容量與介電常數(shù)、面積成正比(舉收音機(jī)調(diào)諧電臺(tái)的可變電容器為例),與極距成反比。 一、變面積式變面積式電容傳感器的輸出特性是線性的,靈敏度是常數(shù)。變面積式電容傳感器的其他形式。這一類傳感器用途:檢測(cè)直線位移

28、、角位移、尺寸等參量。二、變極距式 圖5-3:變極距式電容傳感器:可用微機(jī)來計(jì)算修正。為了提高傳感器的靈敏度,減小非線性,常常把傳感器做成差動(dòng)形式。圖5-4:差動(dòng)變極距式電容傳感器的示意圖。三、變介電常數(shù)式表5-1列出了幾種常用氣體、液體、固體介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。表5-1 幾種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù) 介質(zhì)名稱相對(duì)介電常數(shù)er 介質(zhì)名稱相對(duì)介電常數(shù)er 真空 1 玻璃釉 35 空氣略大于1 SiO2 38 其他氣體11.2 云母58 變壓器油 24 干的紙24 硅油23.5 干的谷物 35 聚丙烯22.2 環(huán)氧樹脂310 聚苯乙烯 2.42.6 高頻陶瓷 10160聚四氟乙烯 2.0 低頻

29、陶瓷、壓電陶瓷100010000聚偏二氟乙烯  35  純凈的水  80  討論:從上表可以看出幾個(gè)問題?圖5-5是變介電常數(shù)式電容傳感器的原理圖。第二節(jié) 電容式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路一、橋式電路(與應(yīng)變電橋比較)電容C1、C2、C3、Cx構(gòu)成電橋的四臂,Cx為電容傳感器,介紹交流電橋平衡條件。二、調(diào)頻電路(與電渦流調(diào)頻電路比較)介紹電路特點(diǎn):將電容式傳感器作為L(zhǎng)C振蕩器諧振回路的一部分,或作為晶體振蕩器中的石英晶體的負(fù)載電容。圖5-8為L(zhǎng)C振蕩器調(diào)頻電路框圖。復(fù)習(xí)電子學(xué)中的調(diào)頻振蕩器的頻率公式,分析式中的參數(shù): L0和C哪個(gè)固定?哪個(gè)是變量?與電渦流電路

30、的區(qū)別?第三節(jié) 電容式傳感器的應(yīng)用電容器的容量受三個(gè)因素影響:極距x、相對(duì)面積A和極間介電常數(shù)e 。一、電容測(cè)厚儀(演示)電容測(cè)厚儀可以用來測(cè)量金屬帶材在軋制過程中的厚度,分析工作原理:圖5-9所示。二、電容加速度傳感器(演示)介紹某公司生產(chǎn)的電容式加速度傳感器,它的體積、封裝、外形等。三、濕敏電容(演示)分析濕敏電容的原理,與濕敏電阻的區(qū)別:具有很大吸濕性的絕緣材料作為電容傳感器的介質(zhì),在其兩側(cè)面鍍上多孔性電極的作用。 目前,成品濕敏電容主要使用以下兩種吸濕性介質(zhì):多孔性氧化鋁、高分子吸濕膜。四、電容式油量表分析:圖5-16為電容式油量,用途:測(cè)量油箱中的油位(討論傾斜有無影響)。五、電容式

31、接近開關(guān)(演示在水杯外壁測(cè)量水杯中的水位) 1.結(jié)構(gòu) 電容式接近開關(guān)的核心是以電容極板作為檢測(cè)端的電容器2.工作原理 分析:圖5-18(調(diào)幅式測(cè)量轉(zhuǎn)換電路)。組成:LC高頻振蕩電路、檢波器、直流電壓放大器等。3.電容式接近開關(guān)特性(演示)當(dāng)被測(cè)物是導(dǎo)電物體時(shí),LC回路很容易停振,所以靈敏度最高。討論電容式接近開關(guān)使用注意事項(xiàng):必須遠(yuǎn)離金屬物體。即使是絕緣體對(duì)它仍有一定的影響。它對(duì)高頻電場(chǎng)也十分敏感,因此兩只電容式接近開關(guān)也不能靠得太近,以免相互影響。 4.電容式接近開關(guān)的使用 圖5-20:利用電容式接近開關(guān)測(cè)量谷物高度(物位)(動(dòng)畫演示以及實(shí)物演示)。第四節(jié) 壓力和流量的測(cè)量(簡(jiǎn)介壓力的基本概

32、念)復(fù)習(xí):物理學(xué)中的“壓強(qiáng)”在檢測(cè)領(lǐng)域和工業(yè)中稱為“壓力”,用p表示。它等于垂直作用于一定面積A上的力(稱為壓向力)除以面積A,即p= /A。壓力的國際單位為“帕斯卡”,簡(jiǎn)稱“帕”。討論:絕對(duì)壓力、相對(duì)壓力、表壓的區(qū)別,用3只不同的表演示。作業(yè):P93:2、5;課堂討論:3、6。第六章 壓電式傳感器Ø 教學(xué)要求1掌握壓電效應(yīng)的基本概念。2熟悉壓電材料的分類及特性。3了解壓電元件的等效電路。4熟悉壓電傳感器的應(yīng)用。 5掌握振動(dòng)的基本概念和測(cè)振傳感器分類6熟悉壓電式振動(dòng)加速度傳感器的結(jié)構(gòu)和性能指標(biāo)7了解振動(dòng)的頻譜分析Ø 教學(xué)手段 多媒體課件、實(shí)物演示Ø 教學(xué)課時(shí) 3學(xué)

33、時(shí)Ø 教學(xué)內(nèi)容:第一節(jié) 壓電式傳感器的工作原理一、壓電效應(yīng)(舉敦煌鳴沙山的例子)在晶體的彈性限度內(nèi),壓電材料受力后,其表面產(chǎn)生的電荷Q與所施加的力F成正比,公式的實(shí)際應(yīng)用的意義: Q=dFx (6-1)式中 d 的意義:壓電常數(shù)。圖 6-1 :壓電效應(yīng)的示意圖(動(dòng)畫)。二、壓電材料的分類及特性壓電式傳感器中的壓電元件材料分類:一類是壓電晶體(單晶體);另一類是經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷(多晶體);第三類是高分子壓電材料。(一)石英晶體石英晶體特點(diǎn):性能非常穩(wěn)定(討論石英手表)、自振頻率高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、機(jī)械強(qiáng)度高、絕緣性能好、遲滯小、重復(fù)性好、線性范圍寬等。(二)壓電陶瓷壓電陶瓷是人工制造

34、的多晶壓電材料,它由無數(shù)細(xì)微的電疇組成。常用的壓電陶瓷材料主要有以下幾種:(觀看實(shí)物)1.鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷(PZT) 2. 非鉛系壓電陶瓷(三)高分子壓電材料: 高分子壓電材料是一種柔軟的壓電材料??筛鶕?jù)需要制成壓電薄膜或壓電電纜套管(實(shí)物)等形狀。經(jīng)極化處理后就顯現(xiàn)出電壓特性。討論特點(diǎn):不易破碎,具有防水性,可以大量連續(xù)拉制。討論使用場(chǎng)合:在一些不要求測(cè)量精度的場(chǎng)合,例如水聲測(cè)量,防盜、振動(dòng)測(cè)量等領(lǐng)域中獲得應(yīng)用。第二節(jié) 壓電式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路一、壓電元件的等效電路(了解) 壓電元件在承受沿敏感軸方向的外力作用時(shí),就產(chǎn)生電荷,因此它相當(dāng)于一個(gè)電荷發(fā)生器,當(dāng)壓電元件表面聚集電荷時(shí),它又相

35、當(dāng)于一個(gè)以壓電材料為介質(zhì)的電容器,兩電極板間的電容為Ca。分析;圖6-2 壓電元件等效電路.二、電荷放大器壓電式傳感器輸出信號(hào)的前置放大器分類:電壓前置放大器和電荷放大器兩種形式。 便攜式測(cè)振儀(內(nèi)部包括電荷放大器)的外形:圖6-5(實(shí)物)。電荷放大器的輸出電壓分析。第三節(jié) 壓電傳感器的應(yīng)用石英晶體用途:精密測(cè)量,多作為實(shí)驗(yàn)室基準(zhǔn)傳感器;壓電陶瓷用途:靈敏度較高,機(jī)械強(qiáng)度稍低,多用作測(cè)力和振動(dòng);高分子壓電材料用途:定性測(cè)量。一、高分子壓電材料的應(yīng)用 1.玻璃打碎報(bào)警裝置(演示)玻璃破碎時(shí)的振動(dòng)應(yīng)用:將高分子壓電薄膜粘貼在玻璃上,可以感受到這一振動(dòng),并將電壓信號(hào)傳送給集中報(bào)警系統(tǒng)。圖6-6:深圳

36、精星電子公司生產(chǎn)的高分子壓電薄膜振動(dòng)感應(yīng)片示意圖。2壓電式周界報(bào)警系統(tǒng) (線控報(bào)警系統(tǒng))警戒區(qū)域的討論:當(dāng)入侵者進(jìn)入防范區(qū)之內(nèi)時(shí),系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。3.交通監(jiān)測(cè) 將高分子壓電電纜埋在公路上,可以判定車速、載荷分布、車型等。圖6-8:三軸重載卡車載荷分布圖。(多媒體演示,計(jì)算車速,討論如何用于判斷汽車超載?)二、壓電陶瓷傳感器的應(yīng)用1.壓電式動(dòng)態(tài)力傳感器 壓電式單向動(dòng)態(tài)力傳感器的測(cè)力范圍:一片直徑為18mm、厚度為7mm的壓電晶片可承受5kN的力,固有振動(dòng)頻率可達(dá)數(shù)十千赫茲。2.單向動(dòng)態(tài)力傳感器的應(yīng)用(實(shí)物) 切削過程中,車刀在切削力的作用下,上下劇烈顫動(dòng),將脈動(dòng)力傳遞給單向動(dòng)態(tài)力傳感器。傳

37、感器的電荷變化量由電荷放大器轉(zhuǎn)換成電壓,再用記錄儀記錄下切削力的變化量。 第四節(jié) 振動(dòng)測(cè)量及頻譜分析一、振動(dòng)的基本概念 振動(dòng)的概念:物體圍繞平衡位置作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。振動(dòng)分類:從頻率范圍來分,有高頻振動(dòng)、低頻振動(dòng)和超低頻振動(dòng)等。二、測(cè)振傳感器分類測(cè)振用的傳感器分類:有接觸式和非接觸式之分。接觸式中又有磁電式、電感式、壓電式等。非接觸式中又有電渦流式、電容式、霍爾式、光電式等。三、壓電式振動(dòng)加速度傳感器的結(jié)構(gòu)(實(shí)物)演示傳感器與被測(cè)振動(dòng)加速度的機(jī)件的安裝:緊固在一起后,傳感器受機(jī)械運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)加速度作用,壓電晶片受到質(zhì)量塊慣性引起的壓力,其方向與振動(dòng)加速度方向相反,大小由F=ma決定。四、壓電

38、振動(dòng)加速度傳感器的性能指標(biāo)(討論不同用途如何選用不同指標(biāo))1.靈敏度K 靈敏度并不是越高越好。靈敏度低的傳感器可用于動(dòng)態(tài)范圍很寬的振動(dòng)測(cè)量2.頻率范圍 大多數(shù)壓電加速度傳感器的頻率范圍為0.1Hz至10kHz。3.動(dòng)態(tài)范圍 常用的測(cè)量范圍為0.1100g。五、壓電加速度傳感器的安裝及使用(演示)1用于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)振動(dòng)機(jī)械的壓電加速度傳感器應(yīng)采用雙頭螺栓牢固地固定在監(jiān)視點(diǎn)上2短時(shí)間監(jiān)測(cè)低頻微弱振動(dòng)時(shí),可用磁鐵將鋼質(zhì)傳感器底座吸附在監(jiān)測(cè)量3測(cè)量更微弱的振動(dòng)時(shí),可以用環(huán)氧樹脂或瞬干膠將傳感器牢牢地膠于監(jiān)測(cè)點(diǎn)上4在對(duì)許多測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行定期巡檢時(shí),也可采用手持探針式加速度傳感器。六、壓電振動(dòng)加速度傳感器在汽車中

39、的應(yīng)用介紹壓電振動(dòng)傳感器在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)間控制中的作用。七、振動(dòng)的頻譜分析1.時(shí)域圖形 使用示波器看:振動(dòng)加速度的波形圖(在故障引起的振動(dòng)中,許多不同頻率分量的相位不停地變化,它們的合成波形基于上述原因而變得雜亂無章,似乎毫無規(guī)律)。2.頻域圖形(使用頻譜儀看):將時(shí)域圖經(jīng)過快速傅里葉變換(FFT),在計(jì)算機(jī)顯示器上顯示出頻域波形:橫坐標(biāo)為頻率f,縱坐標(biāo)是加速度,也可以是振幅或功率等。3.依靠頻譜分析法進(jìn)行故障診斷(演示)作業(yè):P108:2、3、5;課堂討論:4。第十章 光電傳感器Ø 教學(xué)要求1了解光電效應(yīng)的分類。2熟悉光電元件的結(jié)構(gòu)和工作原理及特性。3熟悉光電元件的基本應(yīng)用電路。

40、4掌握光電傳感器的應(yīng)用。5掌握光電開關(guān)的結(jié)構(gòu)和分類。Ø 教學(xué)手段 多媒體課件、多種光電教具演示Ø 教學(xué)課時(shí) 4學(xué)時(shí)Ø 教學(xué)內(nèi)容本章簡(jiǎn)單介紹光電效應(yīng)、光電元件的結(jié)構(gòu)和工作原理及特性,著重介紹光電傳感器的各種應(yīng)用。第一節(jié) 光電效應(yīng)及光電元件光電效應(yīng)的分類: 1)在光線的作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng),基于外光電效應(yīng)的光電元件有光電管、光電倍增管、光電攝像管等。 2)在光線的作用下能使物體的電阻率改變的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng),基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管及光敏晶閘管等。 3)在光線的作用下,物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏

41、特效應(yīng),基于光生伏特效應(yīng)的光電元件有光電池等。(討論3類效應(yīng)的特點(diǎn)和原理有何不同) 一、基于外光電效應(yīng)的光電元件電子逸出金屬表面的速度v可由能量守恒定律確定mv2=hfW (10-1)(物理意義) 二、基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電元件 (一)光敏電阻 1工作原理光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。2.光敏電阻的特性和參數(shù)(1) 暗電阻(2) 光電特性(3) 響應(yīng)時(shí)間3關(guān)于照度(舉例說明教室和戶外的照度)(二)光敏二極管、光敏三極管(實(shí)物接數(shù)字萬用表,測(cè)光)1光敏二極管結(jié)構(gòu)及工作原理討論光敏二極管結(jié)構(gòu)與一般二極管不同之處:將光敏二極管的PN結(jié)設(shè)置在透明管殼頂部的正下方,可以直接受到光的照射(為什么?)。目前還研制出幾種新型的光敏二極管,它們都具有優(yōu)異的特性。(1)PIN光敏二極管 (2)APD光敏二極管(雪崩光敏二極管 2光敏三極管結(jié)構(gòu)及工作原理及結(jié)構(gòu)(討論與普通三極管的異同點(diǎn))光敏三極管有兩個(gè)PN結(jié)。有電流增益,光照射在集電區(qū)。(三)光敏晶體管的基本特性1 光譜特性表10-1 幾種光敏材料的光譜峰值波長(zhǎng)材料名稱GaAsPGaAsSiHgCdTeGeGaInAsPAlGaSbG

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