傳感器教案匯總

1、課題第一章課型目的要求知識(shí)目標(biāo).掌握傳感器的定義.掌握傳感器的典型分類方法. 了解傳感器的基本特性.掌握傳感器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性能力目標(biāo)培養(yǎng)學(xué)生的理解與記憶能力思想教育嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度和習(xí)慣重點(diǎn) 難點(diǎn) 分析重點(diǎn)：1、傳感器的靜態(tài)特性2、傳感器的動(dòng)態(tài)特性難點(diǎn)：傳感器的動(dòng)態(tài)特性分析教學(xué)方法講授教具學(xué)具與 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備組織教學(xué)時(shí)間系班級(jí)缺課學(xué)生名單201 年_月_日第 周 累計(jì)第 個(gè)教案課時(shí)教學(xué)內(nèi)容及步驟第一章概述一傳感器技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)傳感器的定義及組成定義國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T7665-1987)規(guī)定：傳感器是一種能夠感受規(guī)定的被測量 并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。也叫發(fā)送器：傳送器：變 送器；

2、Transducer/Sensor 等。對(duì)定義的理解：它是測量裝置：輸入量是某一被測量(物理、化學(xué)、生物等)：輸出量是某種物理量(氣、光、電等)，主要是電物理量：輸出輸入有對(duì)應(yīng)關(guān)系，并應(yīng)有一定的精度傳感器的組成傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路三部分組成，組成框圖如 圖示。非電物理量 電信號(hào)f 敏感元件 轉(zhuǎn)換元件 接口電路 t t輔助電源1. 2傳感器的分類1.2.1按工作機(jī)理分(1)物理型 按構(gòu)成原理：結(jié)構(gòu)型：物性型教學(xué)內(nèi)容及步驟教學(xué)內(nèi)容及步驟結(jié)構(gòu)型：是以結(jié)構(gòu)（如形狀、尺寸等）為基礎(chǔ)，利用物理學(xué)中場的定律構(gòu) 成的，動(dòng)力場的運(yùn)動(dòng)定律、電磁場的電磁定律等。必須依靠精密設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)予 以保證。

3、如：磁隙型電感傳感器、電動(dòng)式傳感器等。物性型：是利用物質(zhì)定律構(gòu)成的，利用某些功能材料本身所具有的內(nèi)在特 性及效應(yīng)把被測量直接轉(zhuǎn)換為電量?；⒖硕伞W姆定律等。主要依靠材料本 身的效應(yīng)來感應(yīng)信息。如：光電管（外光電效應(yīng)）、壓電晶體（正壓電效應(yīng)）、 光敏電阻、所有半導(dǎo)體傳感器、以及所有利用各種環(huán)境變化而引起的金屬、半 導(dǎo)體、陶瓷、合金的性能變化的傳感器。按能量轉(zhuǎn)換情況：能量控制型、能量轉(zhuǎn)換型能量控制型：在信息變化過程中，其能量需要外電源供給。如：電阻、電 感、電容、基于應(yīng)變電阻效應(yīng)、磁阻效應(yīng)、熱阻效應(yīng)、光電效應(yīng)、霍爾效應(yīng)等。能量轉(zhuǎn)換型：主要由能量變換元件構(gòu)成，它不需要外電源。如：壓電效應(yīng)、 熱電效

4、應(yīng)、光電動(dòng)勢效應(yīng)等。按物理原理電參量式（包括電阻式、電感式、電容式等三個(gè)基本形式）、磁電式（包 括磁電感應(yīng)式、霍爾式、磁柵式等）、壓電式、光電式（包括一般光電式、光 柵式、激光式、光電碼盤式、光導(dǎo)纖維式、紅外式、攝像式等）、氣電式、熱 電式、波式（包括超聲波式微波式等）、射線式、半導(dǎo)體式、其它原理等。可 以是兩種以上原理的復(fù)合形式。（2）化學(xué)型利用電化學(xué)反應(yīng)原理，把無機(jī)和有機(jī)化學(xué)物質(zhì)的成分、濃度等轉(zhuǎn)換為電 信號(hào)的傳感器。最常用的是離子選擇性電極。核心部分是離子選擇性敏感膜。 廣泛應(yīng)用于化學(xué)分析、化學(xué)工業(yè)的在線檢測及環(huán)保中。（3）生物型利用生物活性物質(zhì)選擇性的識(shí)別和測定生物化學(xué)物質(zhì)的傳感器。由兩

5、大部分組成：功能識(shí)別物質(zhì)，酶、抗體、抗原、微生物、細(xì)胞等：電、光信號(hào)轉(zhuǎn)換 裝置，最常用的是電極。最大的特點(diǎn)是能在分子水平上識(shí)別物質(zhì)，應(yīng)用于化學(xué) 工業(yè)檢測和醫(yī)學(xué)診斷。1.2.2按用途（輸入信號(hào)）分幾何量：長度、角度、位移、厚度、幾何位置、幾何形狀、表而波度和粗 糙度力學(xué)：力、力矩、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、加速度、質(zhì)量、流量、硬度、真空度等溫度：溫度、熱量、比容、熱分布濕度：濕度、水分時(shí)間：頻率、時(shí)間電量：電流、電壓、電阻、電容、電感、電磁波磁性：磁通、磁場光學(xué)：照度、光度、顏色、圖像、透明度聲學(xué)：聲壓、噪聲射線：射線劑量、劑量率化學(xué)：濃度、成分、pH值、濁度1.23按輸出信號(hào)模擬式傳感器輸出量為模擬量，數(shù)字

6、式傳感器輸出量為數(shù)字量，便于與計(jì) 算機(jī)連接，而且抗干擾能力強(qiáng)，例如盤式角度傳感器和光柵傳感器等。1. 3傳感器的靜特性傳感器的靜特性是指傳感器在輸入量的各個(gè)值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的輸出 與輸入關(guān)系，即當(dāng)輸入量是常量或變化極慢時(shí)，輸出與輸入的關(guān)系。衡量傳感器靜態(tài)特性的主要技術(shù)指標(biāo)有線性度、測量范圍和量程、重復(fù)性、 遲滯、靈敏度等。(1)測量范圍和量程傳感器所能測量的最大被測量(即輸入量)的數(shù)值稱為測量上限，最小的被 測量則稱為測量下限，而用測量下限和測量上限表示的測量區(qū)間，則稱為測 量范圍，簡稱范圍。測量上限和測量下限的代數(shù)差為量程。即：量程二測量 上限-測量下限。(2)線性度在采用直線擬合線性化時(shí)，

7、輸出輸入的校正曲線與其擬合直線之間的 最大偏差，就稱為非線性誤差或線性度，通常用相對(duì)誤差來表示，即PL= (Lmax/Yps) 100%A Lmax：最大非線性誤差Yfs：滿量程輸出理論擬合過零旋轉(zhuǎn)擬合沸點(diǎn)連線擬合 端點(diǎn)平移擬臺(tái)最小二乘法擬合由此可見，非線性誤差的大小是以一定的擬合直線為基準(zhǔn)直線而得出來 的。擬合直線不同，非線性誤差也不同。所以，選擇擬合直線的主要出發(fā)點(diǎn), 應(yīng)是獲得最小的非線性誤差。另外，還應(yīng)考慮使用是否方便，計(jì)算是否簡便。(3)遲滯傳感器在正(輸入量增大)反(輸入量減小)行程中輸出輸入曲線不重合稱為遲 滯。遲滯特性一般是由實(shí)驗(yàn)方法測得。遲滯誤差一般以正反行程中輸出的最大 偏差

8、量滿量程輸出之比的百分?jǐn)?shù)表示，即遲滯的影響因素包括傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)中的摩擦、游隙和結(jié)構(gòu)材料受力變形的滯 后現(xiàn)象等。(4)重復(fù)性重復(fù)性是指傳感器在輸入按同一方向作全量程連續(xù)多次變動(dòng)時(shí)所得的特 性曲線不一致的程度。圖示為實(shí)際輸出的校正曲線的重復(fù)特性，正行程的最大 重復(fù)性偏差為ARnrnl，反行程的最大重復(fù)性偏差為A Rmax2o重復(fù)性誤差取這 兩個(gè)最大偏差之中較大者為心.,與滿量程輸出之比的百分?jǐn)?shù)表示，即= LxlOO%重復(fù)性誤差也常用絕對(duì)誤差表示。(5)靈敏度與靈敏度誤差傳感器輸出的變化量Ay與引起此變化量的輸入變化量Ax之比即為其靜態(tài) 靈敏度，其表達(dá)式為：k = 吹(6)分辨力分辨力是指傳感器在

9、規(guī)定測量范用內(nèi)所能檢測出被測輸入量的最小變化 值。有時(shí)對(duì)該值用相對(duì)滿量程輸入值之百分?jǐn)?shù)表示，則稱為分辨率。(7)穩(wěn)定性有長期穩(wěn)定性和短期穩(wěn)定性之分，通常用長期穩(wěn)定性，它是指在室溫條件 下，經(jīng)相當(dāng)長的時(shí)間間隔，傳感器的輸出與起始標(biāo)定時(shí)的輸出之間的差異。(8)漂移傳感器在長時(shí)間工作時(shí)、外界溫度改變時(shí)或外界出現(xiàn)干擾(沖擊、振動(dòng)、 潮濕、電磁等)時(shí)等情況下輸出量發(fā)生的變化，包括零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移。 零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移又可以分為時(shí)間漂移和溫度漂移，時(shí)間漂移是指在規(guī)定 的條件下，零點(diǎn)和靈敏度隨著時(shí)間的緩慢的變化：溫度漂移為環(huán)境溫度變化而 引起的零點(diǎn)或靈敏度的變化。(9)靜態(tài)誤差傳感器在其全量程內(nèi)任一點(diǎn)

10、的輸出值與其理論值(擬合曲線)的偏離程度。 是一項(xiàng)綜合性指標(biāo)，它基本上包括了前面敘述的非線性誤差、遲滯誤差、重復(fù) 性誤差、靈敏度誤差等。二(2 ( Ayt) 7 (n-1)山Y(jié) = (3 o /yrs) 100% 或Y= Y心1. 4傳感器的動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性是指傳感器對(duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。動(dòng)態(tài)特性好的傳感 器，其輸出量隨時(shí)間變化的曲線與被測量隨時(shí)間變化的曲線一致或者相近。動(dòng)態(tài)特性的一般描述：（1）階躍響應(yīng)特性0/0，其愉出為階躍響應(yīng)特性。與階躍響應(yīng)特性有關(guān)的指標(biāo)：最大超調(diào)量5八輸出超過穩(wěn)定值的最大值，常用百分?jǐn)?shù)來表示。上升時(shí)間tr：輸出由某一值（10%或5席）到達(dá)穩(wěn)定值的90% （或

11、95$）所需的時(shí) 間。響應(yīng)時(shí)間ts：輸出達(dá)到穩(wěn)定值的95%或98% （由允許誤差范圍所決定）時(shí)所需的 時(shí)間，也稱建立時(shí)間或過渡過程時(shí)間。延遲時(shí)間td:階躍響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)值50%所需要的時(shí)間。峰值時(shí)間tp：響應(yīng)曲線到達(dá)第一個(gè)峰值所需要的時(shí)間。時(shí)間常數(shù)t： t越小，響應(yīng)速度越快。衰減度：瞬態(tài)過程中振蕩幅值衰減的速度。教學(xué)內(nèi)容及步驟教學(xué)內(nèi)容及步驟（2）頻率響應(yīng)特性給傳感器輸入各種頻率不同而幅值相同初相位為0的正弦信號(hào)，其輸出的 正弦信號(hào)的幅值和相位與頻率之間的關(guān)系。與頻率響應(yīng)特性有關(guān)的指標(biāo)：頻帶：傳感器增益保持載一定值內(nèi)的頻率范圍，對(duì)應(yīng)有上、下截止頻率時(shí)間常數(shù)T： 一階傳感器（測溫傳感器等）用。表征其

12、動(dòng)態(tài)性能，。越小， 頻帶越寬。固有頻率：表征二階傳感器（加速度傳感器等）的動(dòng)態(tài)特性。1. 5傳感器的數(shù)學(xué)模型靜態(tài)數(shù)學(xué)模型傳感器的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型是指在靜態(tài)信號(hào)作用下，傳感器輸出與輸入之間的 一種函數(shù)關(guān)系。如果不考慮遲滯特性和蠕動(dòng)效應(yīng)，傳感器的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型一般 可以用n次多項(xiàng)式來表示。y=ao+ai x+a2X?+. .+anxn式中，x為輸入量：y為輸出量；a。為零輸入時(shí)的輸出，也叫零位輸出；ai 為傳感器線性系數(shù)，也叫線性靈敏度：a2. a3+a0為非線性系數(shù)。幾種特例：理想的線性特性：y= aix其線性度最好，通常是所希望的傳感器應(yīng)具有 的特性。僅有偶次非線性項(xiàng)：y=a）+a2x2+a4X4+

13、.+a2nX2n ,n=O,l,其線性范圍較窄, 線性度差。僅有奇次非線性項(xiàng)：y=a 1 x+a3X3+asx5+.+a2n+1x2n+1 .n=l,2,線性范闈較寬，線性度好。動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型傳感器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是指傳感器在受到隨時(shí)間變化的輸入量作用時(shí)，輸 出輸入之間的關(guān)系，通常稱為響應(yīng)特性。（1）微分方程將傳感器作為線性定常系統(tǒng)來考慮，其動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型可以用線性常系數(shù)微 分方程來表示，這種方程式的通式為：dny d 21y 人 dya ir-4-A+以=”原、z 於I1 dt ，dX , df 加十力 ir+A +b +Z?oaM dtK dtj dt 所謂線性系統(tǒng)就是在此方程式中不包含變量及其

14、各階微分的非一次事項(xiàng) （包括交叉相乘項(xiàng)）；如果線性系統(tǒng)方程中各系數(shù)an、bm在工作過程中不隨時(shí)間 和輸入量的變化而變化，那么該系統(tǒng)就稱為線性定常系統(tǒng)。（2）傳遞函數(shù)對(duì)上式取拉氏變換，并令當(dāng)t=0時(shí)，輸入量x和輸出量y及它們的各階 時(shí)間導(dǎo)數(shù)的初始值均為零，則得y（$）（，+ 味+A+ & ） = X（s）（為L + 品羊“T +A +* +4）y一+-河“ +A +瓦s+%Xs+A 以1$ + %等號(hào)右邊是一個(gè)與輸入量x和輸出量y無關(guān)的表達(dá)式，它只與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參 數(shù)有關(guān)，因而等號(hào)右邊又是傳感器特性的一種表達(dá)式，它表征了輸出與輸入的 關(guān)系，是一種描述傳感器特性的函數(shù)。初始條件為零時(shí)（傳感器被激勵(lì)之前

15、所有 儲(chǔ)能元件如質(zhì)量塊、彈性元件、電氣元件均沒有積存能量），輸出量y（t）的拉氏教學(xué)內(nèi)容及步驟變換片S)與輸入x(t)的拉氏變換X之比，稱為傳遞函數(shù)，并記為加皿 X1. 6傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn)標(biāo)定：是指在明確傳感器的輸出與輸入關(guān)系的前提下，利用某種標(biāo)準(zhǔn)器具 對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)度。標(biāo)定與校準(zhǔn)的本質(zhì)不同：對(duì)新研制或生產(chǎn)的傳感器進(jìn)行全面的技術(shù)檢定， 稱為標(biāo)定：將傳感器在使用中或儲(chǔ)存后進(jìn)行的性能復(fù)測，稱為校準(zhǔn)。(1)靜特性的標(biāo)定方法：靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件：沒有加速度、宸動(dòng)、沖擊、環(huán)境 溫度205。C、相對(duì)濕度不大于85%、氣壓為1017kPa(2)動(dòng)態(tài)特性的實(shí)驗(yàn)確定方法：階躍信號(hào)響應(yīng)法、正弦信號(hào)響應(yīng)法。(3)常用標(biāo)

16、定設(shè)備：靜態(tài)標(biāo)定設(shè)備、動(dòng)態(tài)標(biāo)定設(shè)備、現(xiàn)場標(biāo)定設(shè)備。1.7傳感器技術(shù)發(fā)展改善傳感器性能的技術(shù)途徑差動(dòng)技術(shù)：顯著地減少溫度變化、電源波動(dòng)、外界干擾的影響，抵消 共模誤差，減小非線性誤差。平均技術(shù)：誤差6 s/6補(bǔ)償修正技術(shù)：本身特性修正、工作條件或外界環(huán)境修正，可以通過 硬件或軟件實(shí)現(xiàn)。屏蔽、隔離與干擾抑制： 穩(wěn)定性處理：時(shí)效處理、冰冷處理、永磁材料的時(shí)間老化溫度老化、機(jī) 械老化、交流穩(wěn)磁處理、電氣元件的老化篩選。1.7.2發(fā)展趨勢（1）開發(fā)新型傳感器：（新原理新現(xiàn)象、新效應(yīng)）采用新原理、填補(bǔ)傳感 器空白、仿生傳感器。他們之間是互相聯(lián)系的。（2）開發(fā)新材料半導(dǎo)體敏感材料：硅材料（單晶硅、多晶硅、非

17、晶硅）：金屬和非金 屬合成的化合物半導(dǎo)體材料：陶瓷材料：絕緣陶瓷、壓電陶瓷、介電陶瓷、熱電陶瓷、光電陶瓷、 半導(dǎo)體陶瓷。磁性材料：非晶化、薄膜化。智能材料：生物體材料、形狀記憶合金、形狀記憶陶瓷、形狀記憶聚 合物。3）采用新工藝集成技術(shù)、微細(xì)加工技術(shù)、離子注入技術(shù)、薄膜技術(shù)微細(xì)加工技術(shù)，又稱為微機(jī)械加工技術(shù)。是離子束、電子束、分子束、 激光束、化學(xué)刻蝕等微電子加工技術(shù)。平面電子工藝技術(shù)：傳統(tǒng)的氧化、光刻、擴(kuò)散、沉積等還有薄膜制作選擇性的化學(xué)刻蝕技術(shù)：如：各向異性刻蝕技術(shù)固相鍵合工藝技術(shù)：將兩個(gè)硅片直接鍵合為一體而不用中間粘接劑, 也不需外加電場。機(jī)械切斷技術(shù):在一個(gè)基片上的多個(gè)超小型傳感器用分

18、離切斷技術(shù)分 割開來，以免損傷和殘存內(nèi)應(yīng)力。4）集成化、多功能化集成化： 同一功能的多元件并列化：如CCD教 案201 年_月_日第一周累計(jì)第一個(gè)教案課時(shí)教 案201 年_月_日第一周累計(jì)第一個(gè)教案課時(shí)教學(xué)內(nèi)容及步驟多功能一體化：將傳感器與放大、運(yùn)算以及溫度補(bǔ)償?shù)拳h(huán)節(jié).一體化，組成一個(gè)器件。多功能化：一個(gè)傳感器可以同時(shí)測量多個(gè)參數(shù)。如：美國的單片硅多維力傳感器（3個(gè) 線速度、3個(gè)離心加速度（角速度）、3個(gè)角加速度）；溫、氣、濕三功能陶瓷傳感器：多種 離子或氣體傳感器等。（5）智能化靈巧（Smart）傳感器，具有：檢測、修正、數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷、自診斷和自適應(yīng)能 力的集成一體化多功能傳感器。1.

19、 8傳感器的應(yīng)用舉例傳感器又稱為電五官，主要用于基礎(chǔ)科學(xué)、軍事、宇航、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、民用電器、 資源開發(fā)、海洋探測、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程等。例：宇宙觀察、基本粒子、導(dǎo)彈制導(dǎo)尋的、 自動(dòng)生產(chǎn)線、機(jī)器人、汽車、復(fù)印機(jī)、空調(diào)、洗衣機(jī)。作業(yè)內(nèi)容作業(yè)批改記錄時(shí)間系班 級(jí)應(yīng) 交實(shí) 交缺交作業(yè)學(xué)生姓名作業(yè)批改 問題及分析教學(xué)札記課題第二章溫度傳感器 2. 1- 2. 2課型 新授目的要求知識(shí)目標(biāo). 了解溫度測量的基本概念和溫標(biāo)的分類.熟悉溫度傳感器的分類.熟悉熱電效應(yīng)以及熱電偶傳感器的工作原理.熟悉熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)能力目標(biāo)培養(yǎng)學(xué)生的理解和分析能力思想教育嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度和習(xí)慣重點(diǎn) 難點(diǎn) 分析.熱電偶中參考

20、端溫度補(bǔ)償分析.集成溫度傳感器測溫原理教學(xué)方法講授教具學(xué)具與 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備組織教學(xué)時(shí)間系班級(jí)缺課學(xué)生名單教學(xué)內(nèi)容及步驟教學(xué)內(nèi)容及步驟2.1溫度測量概述(1)溫度：代表物質(zhì)的冷熱程度，是物體內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)劇烈程度的標(biāo)志。(2)測量溫度的方法：接觸式測量和非接觸式測量接觸式測量的特點(diǎn)：感溫元件與被測對(duì)象直接物理接觸，進(jìn)行熱傳導(dǎo)。非接觸測量的特點(diǎn)：感溫元件與被測對(duì)象不物理接觸，通過熱輻射進(jìn)行熱 傳遞。測溫傳感器分為接觸式和非接觸式兩類。(3)溫標(biāo)：攝氏溫標(biāo)：在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冰水混合物：。度：沸水：100度； 華氏溫標(biāo)：在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冰水混合物：32度：沸水：212度 熱力學(xué)溫標(biāo)：與攝氏溫標(biāo)相差2

21、73. 15度。lK=laC+273熱電偶傳感器工作原理(1)熱電效應(yīng)當(dāng)兩種不同金屬導(dǎo)體兩端相互緊密的連接在一起組成一個(gè)閉合回路時(shí)，由 于兩個(gè)接觸點(diǎn)溫度T和T0不同，回路中將產(chǎn)生熱電動(dòng)勢，并有電流通過，這種 把熱能轉(zhuǎn)化成電能的現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電動(dòng)勢：接觸電動(dòng)勢與溫差電動(dòng)勢之和。(2)基本定律1)中間導(dǎo)體定律：導(dǎo)體a、b組成熱電偶，當(dāng)引入第三個(gè)導(dǎo)體時(shí)，只要保持 其兩端溫度相同，則對(duì)總電動(dòng)勢無影響，這一結(jié)論被稱為中間導(dǎo)體定律。利用 此定律可將亳伏表接入熱電偶回路中，只要保證兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度一致，就能正確 測出熱電動(dòng)勢而不影響熱電偶的輸出。教學(xué)內(nèi)容及步驟EC (T, To)=eg (T)-e (To

22、)=E皿(T, To)2)中間溫度定律:在熱電偶測量電路中，測量端溫度為T,自由端溫度為To, 中間溫度為 T。,則 EabCT, To) =EA8(T,To, )+(1(, To)3)參考電極定律：Ed, To)=E.c(T, To)-Ek(T, To)該定律大大簡化了熱電偶選配電極的工作，只要獲得有關(guān)熱電極與參考電 極配對(duì)的熱電動(dòng)勢，那么任何兩種熱電極配對(duì)時(shí)的電動(dòng)勢均可利用該定律計(jì)算。例題:1,)也可以用(1:,4,當(dāng)t為100C時(shí)，t。為0例時(shí),銘合金 一粕熱電偶的E (100, 0) =3. 13mV,鋁合金一箱熱電偶的E (100, 0 ) =-1.02 mV,求輅合金一鋁合金組成熱

23、電偶的熱電動(dòng)勢E (100C, 0)。解：設(shè)銘合金為A,鋁合金為B,銷為3即上(100, 0) =3. 13mV EK(100, 0)=-l. 02 mV則 (100, 0)=4. 15mV熱電偶的結(jié)構(gòu)形式.材料：原理上來講任何兩種金屬材料都可配成熱電偶。目前工業(yè)上常用 的4種標(biāo)準(zhǔn)熱電偶材料為：知錯(cuò)s一柏銘八祐錢:。一伯、鍥銘一銀硅和銀輅一 銅饃。.分類：普通熱電偶：它一般由熱電極、絕緣套管、保護(hù)管和接線盒組成。鎧裝熱電偶：也叫纜式熱電偶測量結(jié)熱容量小、熱慣性小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、 繞性好、強(qiáng)度高、抗宸好.薄膜熱電偶：用于測量固體表面小面積瞬時(shí)變化的溫度，特點(diǎn)是熱容量小, 時(shí)間常數(shù)小、反應(yīng)速度快。熱

24、電勢的測量教學(xué)內(nèi)容及步驟單點(diǎn)溫度的測量：并聯(lián)熱電偶：測量平均溫度串聯(lián)熱電偶：輸出電動(dòng)勢為每個(gè)熱電動(dòng)勢之和。在應(yīng)用熱電偶串、并聯(lián)測溫時(shí)，應(yīng)注意兩點(diǎn)：一、必須用同一分度號(hào)的熱 電偶：二、兩熱電偶的參考端溫度相等。224熱電偶冷端溫度補(bǔ)償1、冷端恒溫修正法因各種熱電偶的分度關(guān)系是在冷端溫度為0C時(shí)得到的，如果測溫?zé)犭娕嫉?熱端為冷端溫度t0C(t0),就不能用測得的E(t, t0)去查分度表得 t,必須根據(jù)下式進(jìn)行修正：&0)=夙認(rèn))+現(xiàn)%,0)式中:E(t,0) 冷端為0而熱端為t時(shí)的熱電勢：E(t, t。)一冷端為 t(TC而熱端為tC時(shí)的熱電勢：E(to, 0)冷端為0時(shí)應(yīng)加的校正值。2、儀表

25、機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整法對(duì)于具有零位調(diào)整的顯示儀表而言，如果熱電偶冷端溫度t。較為恒定時(shí)， 可采用測溫系統(tǒng)未工作前，預(yù)先將顯示儀表的機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整到tJC上,這相當(dāng)于 把熱電勢修正值E(t。, 0)預(yù)先加到了顯示儀表上，當(dāng)此測量系統(tǒng)投入工作后，顯 示儀表的示值就是實(shí)際的被測溫度值。3、補(bǔ)償電橋法當(dāng)熱電偶冷端處溫度波動(dòng)較大時(shí),一般采用補(bǔ)償電橋法，基測量線路如圖3-1所 示。補(bǔ)償電橋法是利用不平衡電橋(又稱冷端補(bǔ)償器)產(chǎn)生不平衡電壓來自動(dòng)補(bǔ) 償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢變化。采用補(bǔ)償電橋法是必須注意下列幾點(diǎn)：（1）補(bǔ)償器接入測量系統(tǒng)時(shí)正負(fù)極性不可接反。（2）顯示儀表的機(jī)械零位應(yīng)調(diào)整到冷端溫度補(bǔ)償器設(shè)計(jì)

26、時(shí)的平衡溫度, 如補(bǔ)償器是按tO=2O時(shí)電橋平衡設(shè)計(jì)的，則儀表機(jī)械零位應(yīng)調(diào)整到20c 處。（3）因熱電偶的熱電勢和補(bǔ)償電橋輸出電壓兩者隨溫度變化的特性不 完全一致，故冷端補(bǔ)償器在補(bǔ)償溫度范圍內(nèi)得不到完全補(bǔ)償，但誤差很小, 能滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要。以上幾種補(bǔ)償法常用于熱電偶和動(dòng)圈顯示儀表配套的測溫系統(tǒng)中。由 于自動(dòng)電子電位差計(jì)和溫度變送器等溫度測量儀表的測量線路中已設(shè)置了 冷端補(bǔ)償電路，因此，熱電偶與它們配套使用時(shí)不用再考慮補(bǔ)償方法，但 補(bǔ)償導(dǎo)線仍舊需要。教學(xué)內(nèi)容及步驟教學(xué)札記教學(xué)內(nèi)容及步驟教學(xué)札記作業(yè)內(nèi)容作業(yè)批改記錄時(shí)間系班 級(jí)應(yīng) 交實(shí) 交缺交作業(yè)學(xué)生姓名作業(yè)批改 問題及分析教 案201 年_月

27、_日第一周累計(jì)第一個(gè)教案課時(shí)教 案201 年_月_日第一周累計(jì)第一個(gè)教案課時(shí)課題 2. 3- 2. 5課型目的要求知識(shí)目標(biāo)1、了解熱電阻、半導(dǎo)體傳感器的材料特點(diǎn)；2、掌握非接觸式溫度傳感器的工作原理及應(yīng)用；3、掌握熱電阻、半導(dǎo)體傳感器的電阻一溫度特性，溫度傳感 器的應(yīng)用。能力目標(biāo)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力思想教育嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度和習(xí)慣重點(diǎn) 難點(diǎn) 分析教學(xué)重點(diǎn)：熱電阻、半導(dǎo)體溫度傳感器的溫度特性 教學(xué)難點(diǎn)：溫度傳感器的應(yīng)用舉例教學(xué)方法講授教具學(xué)具與 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備組織教學(xué)時(shí)間系班級(jí)缺課學(xué)生名單教學(xué)內(nèi)容及步驟教學(xué)內(nèi)容及步驟金屬熱電阻式溫度傳感器一般稱為熱電阻傳感器，是利用金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變化而變化的

28、原理進(jìn)行測溫的。熱電阻廣泛用來測量-220850c范圍內(nèi)的溫度。溫度敏感元件是電阻體，電阻體由金屬導(dǎo)體組成測溫原理熱電效應(yīng)：在金屬導(dǎo)體兩端加電壓后，使其內(nèi)部雜亂無章運(yùn)動(dòng)的自由電子 形成有規(guī)律的定向運(yùn)動(dòng)，使導(dǎo)體導(dǎo)電。當(dāng)溫度升高時(shí)由于自由電子獲得較多的 能量，能從定向運(yùn)動(dòng)中掙脫出來，從而定向運(yùn)動(dòng)被削弱，導(dǎo)電率降低，電阻率 增大。232熱電阻的材料、結(jié)構(gòu)熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應(yīng)用最多的是粕和銅，此外，現(xiàn)在已 開始采用甸、銀、鎰和錢等材料制造熱電阻。為了避免通過交流電時(shí)產(chǎn)生感抗, 或有交變磁場時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，在繞制時(shí)要采用雙線無感繞制法。由于通過 這兩股導(dǎo)線的電流方向相反，從而時(shí)期產(chǎn)生的磁

29、通相互抵消。鉗熱電阻的溫度特性(1)在0-850范圍內(nèi)：尺=2(1 + /)(2)在-200-0范圍內(nèi)：K =+ / + 8/ +-1OO)/3式中 A、B、C 的系數(shù)各為:A=3. 9684 X10-3 / r ； B=-5. 847X10Vr2C=-4.22X10VC4234銅熱電阻的溫度特性在-50-150C范圍內(nèi)：.二% (1 + 加 + Bt1 + )式中 A=4. 28899XlO/r： B=-2.133X10-7 / dC3； C=l. 233X 109/ 3由于B、C比A小得多，所以公式可以簡化為：RtRO(l+At)熱電阻傳感器的結(jié)構(gòu)熱電阻傳感器是由電阻體、絕緣管、保護(hù)套管、

30、引線和接線盒組成。熱電阻測溫系統(tǒng)的組成熱電阻測溫系統(tǒng)一般由熱電阻、連接導(dǎo)線和顯示儀表等組成。必須注意以 下兩點(diǎn)：1、熱電阻和顯示儀表的分度號(hào)必須一致：2、為了消除連接導(dǎo)線電阻變化的影響，可以采用三線制或四線制接法。三線制熱電阻與溫度采集模塊連接圖如下圖所示在采集模塊中A、B兩個(gè)端子是用來接收電壓信號(hào)的，一般是亳伏級(jí)電壓信 號(hào)。C端是一個(gè)電流輸出端子，工作時(shí)由采集模塊輸出一個(gè)恒定的電流信號(hào)。 這樣在熱電阻C、B端會(huì)流過一個(gè)恒定的電流，當(dāng)溫度變化時(shí)，熱電阻的阻值變 化，這樣，A、B端的電壓信號(hào)就隨著溫度的變化而線性變化。達(dá)到測溫的目的。一般的溫度表C端的輸出電流是廠家設(shè)置的，只需要接線即可。半導(dǎo)體

31、熱敏電阻式溫度傳感器半導(dǎo)體熱敏電阻的材料是一種由鎰、銀、銅、鉆、鐵等金屬氧化物按一定 比例混合燒結(jié)而成的半導(dǎo)體，其導(dǎo)電性取決于電子一空穴的濃度。熱敏電阻的分類1、PTC：正溫度系數(shù)熱敏電阻；在測量溫度范圍內(nèi)，其阻值隨溫度增加而增加：2、CTR：臨界溫度系數(shù)熱敏電阻；臨界溫度系數(shù)熱敏電阻的特點(diǎn)是在臨界溫度附近電阻有急劇變化，因此不 適于較寬溫度范圍內(nèi)的測量：3、NTC：負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻。其阻值隨溫度增加而呈下降趨勢。測溫原理：在低溫下電子一空穴的濃度 很低，故電阻率很大隨著溫度的升高，電子一空穴的濃度按指數(shù)規(guī)律增加，電 阻率迅速減小，其溫阻特性：R尸治-1的。典型的熱敏電阻元件有圓形、桿形和珠

32、形等，其結(jié)構(gòu)及溫度特性如圖所示。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的性能：1）電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高：2）結(jié)構(gòu)簡單，體積小，可測點(diǎn)溫；3）電阻率高，熱慣性小，適用于動(dòng)態(tài)測量;4）易于維護(hù)和進(jìn)行遠(yuǎn)距離測量:5）制造簡單,使用壽命長;6）互換性差，非線性嚴(yán)重。溫度測量非線性修正由于熱敏電阻與溫度的關(guān)系呈較強(qiáng)的非線性，使得他的測量范圍和精度受 到一定限制，為了解決這兩方面的問題，常利用溫度系數(shù)很小的金屬電阻與熱 敏電阻串聯(lián)和并聯(lián)，使熱敏電阻阻值在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系。常用的方法是：1）線性網(wǎng)絡(luò)：2）綜合修正：3）計(jì)算修正法5非接觸式溫度傳感器1、工作原理當(dāng)物體受熱后電子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能增加，有一部分熱能轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛淠?，?/p>

33、射能 量的多少與物體的溫度有關(guān)。當(dāng)溫度較低時(shí)，輻射能力弱：當(dāng)溫度高于一定值 之后，可以用肉眼觀測到光，其發(fā)光亮度與溫度值有一定關(guān)系。2、分類全輻射式溫度傳感器、亮度溫度傳感器、比色式溫度傳感器Ca.全輻射式溫度傳感器利用物體在全光譜范圍內(nèi)總輻射能量與溫度的關(guān)系測量溫度。由于實(shí)際物體 吸收能力小于絕對(duì)黑體，所以用全輻射溫度傳感器測得的溫度總是低于物體的 真實(shí)問度，該測得溫度稱為輻射溫度。輻射溫度：非黑體的總輻射能量ET等于絕對(duì)黑體的總輻射能量時(shí)，黑體的溫度即為非黑體的輻射溫度Tr,則物體的真實(shí)溫度T與輻射溫度Tr的關(guān) 系為 T=Tr (1/ T) 1/4特點(diǎn)：適用于遠(yuǎn)距離，不能直接接觸的高溫物體

34、。b.亮度式溫度傳感器利用物體的單色幅射亮度隨溫度變化的原理，并以被測物體光譜的一個(gè)狹 窄區(qū)域內(nèi)的亮度與標(biāo)準(zhǔn)輻射體的亮度進(jìn)行比較來測量溫度，物體的真實(shí)溫度TL 的關(guān)系 1/T1/TL= X/C2Xln A t特點(diǎn)：量程較寬，有較高的測量精度用于測量(700-3200) 范闈的澆鑄、 軋鋼、鍛壓、熱處理時(shí)的溫度，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。c.比色溫度傳感器測量兩個(gè)波長的輻射亮度之比為基礎(chǔ)。由于是比較兩個(gè)波長的亮度故稱為 比色測量法。比色溫度：定義為非黑體相射的兩個(gè)波長入1和2的比。特點(diǎn)：由于測量連續(xù)自動(dòng)檢測鋼水、鐵水、爐渣和表面沒有覆蓋物的高溫物 體溫度，優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)速度快、測量范圍寬、測量溫度近似于實(shí)際值。教

35、 案201 年_月_日第一周累計(jì)第一個(gè)教案課時(shí)教 案201 年_月_日第一周累計(jì)第一個(gè)教案課時(shí)課題第三章 力傳感器3.1-3.2、里刑 新授目的要求知識(shí)目標(biāo). 了解彈性敏感元件的作用及特性.熟悉彈性敏感元件分類及如何使用.理解并掌握電阻應(yīng)變片傳感器原理及測量電路分析能力目標(biāo)培養(yǎng)學(xué)生分析與解決問題的能力思想教育嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度和習(xí)慣重點(diǎn) 難點(diǎn) 分析.電阻應(yīng)變片傳感器的工作原理分析.電阻應(yīng)變片傳感器測量電路分析教學(xué)方法講授、討論教具學(xué)具與 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備組織教學(xué)時(shí)間系班級(jí)缺課學(xué)生名單教學(xué)內(nèi)容及步驟教學(xué)內(nèi)容及步驟第三章力傳感器彈性敏感元件彈性敏感元件的特性.剛度剛度是彈性元件在外力作用下變形大小的量度，一般

36、用女來表示。.靈敏度是指彈性敏感元件在單位力作用下產(chǎn)生變形的大小，在彈性理學(xué)中稱為 彈性元件的柔度。它是剛度的倒數(shù)，用K表示。K= dF.彈性滯后實(shí)際的彈性元件在加卸載的正反形成中變形曲線是不重合的，這種現(xiàn)象是 彈性滯后。產(chǎn)生的主要原因是：彈性敏感元件在工作過程中存在內(nèi)摩擦。.彈性后效當(dāng)載荷從某一數(shù)值變化到另一數(shù)值時(shí)，彈性元件變形不是立即完成相應(yīng)的 變形，而是經(jīng)過一定的時(shí)間間隔逐步完成變形的，這種現(xiàn)象稱為彈性后效。.固有震蕩頻率彈性元件都有自己的固有的宸蕩頻率fO將影響傳感器的動(dòng)態(tài)特性。傳感器 的工作頻率應(yīng)該避開彈性元件的固有頻率，往往希望固有震蕩頻率fO較高，彈性敏感元件的分類.力的彈性敏感

37、元件 包括等截而圓柱式、圓環(huán)式、等截而薄板式、懸 臂梁式、扭轉(zhuǎn)式。.的彈性敏感元件 包括彈簧管、波紋管、波紋膜片、薄壁圓筒。電阻應(yīng)變片傳感器金屬絲的電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值發(fā)生變化，這一現(xiàn)象就 是電阻絲的應(yīng)變效應(yīng)。設(shè)有一段長為/，截面為s,電阻率為p的金屬絲，則它的電阻為R = p-8當(dāng)它受到軸向力F而被拉伸（或壓縮）時(shí)，其/、 s、 p均發(fā)生變化，如圖示，如取金屬絲是半徑為廠的圓形截面5 = 4/，那么圖金屆理的電阻應(yīng)變版故電阻的相對(duì)變化為dR di 2dr dp= 十R 1Tp322應(yīng)變片結(jié)構(gòu)與類型應(yīng)變片結(jié)構(gòu)如圖所示，它主要是由金屬絲柵（敏感柵）、絕緣基片及覆

38、蓋片三部分 組成應(yīng)變片阻值常用的有60C、120C、200C、320C、350C、500C、1000Q,其中 120。最為常用。電阻應(yīng)變片主要分為金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩類，金屬電阻應(yīng)變片分 為體型和薄膜型。屬于體型的有電阻絲應(yīng)變片、箔式應(yīng)變片和應(yīng)變花。電阻絲應(yīng)變片：電阻絲應(yīng)變片有圓角線柵式和直角線柵式兩種。前者制造方便，為最常見形式，但它的橫向效應(yīng)較大。金屬箔式應(yīng)變片：測量電路直流電橋電橋線路是由聯(lián)接成環(huán)形的四個(gè)電阻所組成，如圖示。教學(xué)內(nèi)容及步驟VR圖 直流電橋行2_A=國=W+4二一一，卜_ 區(qū)出3 _ %及4 jj_（舄+&）（&+&）一個(gè)橋臂電阻有變化，例如橋臂1電阻有AR1的變

39、化，則電橋的輸出電壓為/=舄+4 _ 與 卜Ri + A& + & & + &,若取 R=R2=R3=R4 則Z70 =也U47?o+2A7?i當(dāng)/?&）時(shí),則 AK T7Ufj 格U2國兩個(gè)橋臂電阻有變化，如橋臂電阻R1和鄰邊橋臂電阻R2都有電阻變化，即 R1 變?yōu)?R1+AR1 , R2 變?yōu)?R1+AR1,當(dāng) R1=R2=R3=R4=RO,且A/?i = AZ?2 = A/?時(shí),uU2M這稱為半橋雙臂工作電橋。教學(xué)內(nèi)容及步驟四個(gè)橋臂電阻均有變化，假設(shè)RI、R2、R3、R4的變化量分別為AR1、AR2、AR3、AR4 , RI = R2= R3= R4= R0,則其輸出電壓為舄+舄& +A

40、a + A& + R + &R &3 + bR3 + 衣,+ A/?4)A/?|-A/?2 +A/?3 -A7?4Uo Xu4/?可以看到：相鄰邊兩橋臂電阻變化是各自引起的輸出電壓相減，相對(duì)邊二橋臂 電阻變化是各自引起的輸出電壓相加。電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用按用途，應(yīng)變式傳感器可以分為應(yīng)變式測力、應(yīng)變式壓力、應(yīng)變式加速 度傳感器等。應(yīng)變式測力傳感器 = 一尸即橫向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷與縱向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷極性相反。電壓：if = Q/cx壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷具有與鐵磁材料磁疇類似的電疇結(jié)構(gòu)。當(dāng)壓電陶瓷極化處理后, 陶瓷材料內(nèi)部存有很強(qiáng)的剩余場極化.當(dāng)陶瓷材料受到外力作用時(shí)，電疇的界 限發(fā)生

41、移動(dòng)，引起極化強(qiáng)度變化，產(chǎn)生了壓電效應(yīng)。S.4工壓電式傳感器的測量電路.壓電元件的串聯(lián)與并聯(lián)圖為串聯(lián)形式，由圖可知極板上的電荷量0=Q.,電壓U=2U.,電容C = Cfl/2o圖(b)為并聯(lián)形式，由圖可知極板上的電荷量0=2。“，電壓U =Ua,電容0 = 2,。.壓電傳感器的等效電路給壓電晶片加上電極就構(gòu)成了最簡單的壓電式傳感器。當(dāng)壓電傳感器受到 沿其敏感軸向的外力作用時(shí)，就在兩電極上產(chǎn)生極性相反的電荷，因此它相當(dāng) 于一個(gè)電荷源(靜電發(fā)生器)。由于壓電晶體是絕緣體，當(dāng)它的兩極表面聚集電 荷時(shí)，它又相當(dāng)于一個(gè)電容器，其電容量當(dāng)壓電晶體受外力作用時(shí)，兩表面產(chǎn)生等量的正、負(fù)電荷Q,可求出其開路電

42、壓（負(fù)載電阻為無窮大時(shí)）為：U = QG壓電式傳感器既可等效為電荷源又可等效為電容滯，其等效電路可認(rèn)為是 二者的并聯(lián)，如圖（a）所示，也可認(rèn)為是一個(gè)電壓源和一個(gè)電容器串聯(lián)，如圖壓電式傳感器工作時(shí)，需與二次儀表配套使用，此時(shí)的等效電路如圖所示。圖 中Cc為傳感器電纜電容，Ri為放大器輸入電阻，Ci為輸入電容。壓電式傳感器測試系統(tǒng)等效電路.壓電傳感器測量電路壓電傳感器具有兩種等效電路：電荷等效電路和電壓等效電路，因此前置 放大器也有兩種形式：電壓放大器和電荷放大器.電壓放大器（阻抗變換器）電壓放大器的功能是將壓電傳感器的高輸出阻抗變?yōu)檩^低阻抗，并將壓電 式傳感器的微弱電壓信號(hào)放大。其等效電路如圖所

43、示。教學(xué)內(nèi)容及步驟教學(xué)內(nèi)容及步驟E電太法枝器電翎火器等效電路電壓等效電粉簡化電窗放大器的實(shí)際輸入電壓Uim與理想情況的輸入電壓Uom的幅值比為5-。忒 Cs+G+q)% J1+3研q+G+G?令r = R（Q+C+G）,則上式可寫為:%=1 + （臉2=見 / 2g-1（田T）式中式為測量回路的時(shí)間常數(shù)。由式和）繪出電壓幅值比、相角與頻率的關(guān)系 如圖所示.從圖中可以看出：教學(xué)內(nèi)容及步驟0=0時(shí)，即作用在壓電傳感器上的力是靜態(tài)力時(shí)，前置放大器的輸入電 壓為Oe這是因?yàn)閷?shí)際上放大器的輸入阻抗不可能為無窮大，而壓電傳感器也 不能絕對(duì)絕緣，因此產(chǎn)生的電荷就會(huì)通過放大器的輸入電阻和傳感器本身的泄 露電阻

44、漏掉。這就從原理上說明了壓電式傳感器不能測量靜態(tài)物理量。當(dāng)co時(shí)，可以近似看作放大器的輸入電壓與作用力的頻率無關(guān)。在時(shí) 間常數(shù)式一定的條件下，被測物理量的變化頻率越高，則放大器的輸入電壓越 接近理想情況。說明壓電傳感器具有良好的高頻響應(yīng)特性。為了提高傳感器的低頻特性，就必須提高回路的時(shí)間常數(shù)丁。由于 t = R（Q+C+C）,所以提高工可以有兩種方法：提高R和提高c + cc + Cf o傳感器的靈敏度工=加4= =當(dāng)或1時(shí)應(yīng)二%/（q+G+q）由式上式可知G + C+C增大，則傳感器的靈敏度將下降，這是我們所不希 望的，因此只有通過提高R的方法來提高傳感器的時(shí)間常數(shù)。為了提高R要選 擇輸入阻

45、抗高的放大器。由式上式還可以看出電纜分布電容的改變將會(huì)直接影響傳感器的靈敏 度。在設(shè)計(jì)時(shí)，常常把電纜長度定為一常值（如30m）,但也不能太長，增長電 纜，電纜電容C隨之增大，將使傳感器的靈敏度Su降低。教學(xué)內(nèi)容及步驟(1)電荷放大器電荷放大器是一種輸出電壓與輸入電荷量成正比的前置放大器。壓電傳感 器可以等效為一個(gè)電容器a和一個(gè)電荷源，而電荷放大器實(shí)際上是一個(gè)具有深 度電容負(fù)反饋的高增益運(yùn)算放大器。壓電傳感器與電荷放大器聯(lián)接的等效電路 如圖所示。電荷放大器等效電路圖中C為電荷放大器的反饋電容，無為并在反饋電容兩端的漏電阻，K為運(yùn)算放大器的開環(huán)增益，輸出電壓表達(dá)式為:Uout QKCa + Co

46、+ Ci + (1 + K)Cf，由于很大，所以上式可以簡化為：式而=-QK(1 + K)G Q可見，電荷放大器的輸出電壓僅與輸入電荷和反饋電容有關(guān)，只要保持反 饋電容的數(shù)值不變，輸出電壓就正比于輸入電荷，當(dāng) (1 + K)G1O(G + C + C)時(shí)，可以認(rèn)為傳感器的靈敏度與電纜電容無關(guān)。教學(xué)內(nèi)容及步驟教學(xué)內(nèi)容及步驟3.3.5壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)YDS-781型由底座、傳力上蓋、片式電極、石英晶片、絕緣件及電極引出 插座組成。336壓電材料1、壓電單晶2、多晶壓電陶瓷3、高分子有機(jī)壓電材料4、壓電半導(dǎo)體3.3.7應(yīng)用舉例b）壓力變送器a）加速度計(jì)，力傳感器教 案201 年_月_日第一周累計(jì)第

47、一個(gè)教案課時(shí)教 案201 年_月_日第一周累計(jì)第一個(gè)教案課時(shí)課題3. 4電容式傳感器課型新授目的要求知識(shí)目標(biāo). 了解各種電容式傳感器的特點(diǎn)及主要特性.掌握各種電容式傳感器的工作原理分析.理解電容式傳感器的測量電路能力目標(biāo)培養(yǎng)學(xué)生的理解與分析能力思想教育嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度和習(xí)慣重點(diǎn) 難點(diǎn) 分析重點(diǎn)：電容式傳感器的工作原理及測量電路難點(diǎn)：傳感器測量電路的分析教學(xué)方法講授教具學(xué)具與 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備組織教學(xué)時(shí)間系班級(jí)缺課學(xué)生名單教學(xué)內(nèi)容及步驟3. 4電容式傳感器3.4.1電容式傳感器的工作原理兩平行極板組成的電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為八里當(dāng)被測量的變化使式中的6、S或任一參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，電容量C也就

48、隨之變化。電容式傳感器有三種基本類型，即變極距或稱變間隙型，變而積型和變介電常數(shù)型，而它們的電極形狀又有平板形、圓柱形和球平面形（較少采用）三種C3.4.2變極I電型電容傳感器7nLi +女枷界同lb）2圖示是變極距電容傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。圖中（a）、（b）結(jié)構(gòu)的電容增量：a1r cX-l J 5-AS 58b343變面積型電容傳感器可分為角位移型、平面線位移型、柱而線位移型三種，如圖所示。教學(xué)內(nèi)容及步驟教學(xué)內(nèi)容及步驟圖中（a）、（b）、（c）為單邊式，（d）為差動(dòng)式（圖中（a）、（b）結(jié)構(gòu)也可做成差動(dòng) 形式）。與變極距型相比，它們的測量范圍大，可測較大的線位移或角位移（1至幾 十度）。當(dāng)被測

49、量變化使可動(dòng)極2位置移動(dòng)時(shí)，就改變了兩極板間的遮蓋面積，電 容量C也就隨之變化。對(duì)于平板單邊直線位移式（圖（a）,若忽略邊緣效應(yīng)，則電 容增量為向a血蝮Acz飛二=| 3 o8 a對(duì)于平板單邊直角位移式（圖（b）,若忽略邊緣效應(yīng)，則電容增量為圓柱形電容器（圖（c）、（d）的電容量為:Ing)對(duì)于單邊圓柱形線位移式，當(dāng)可動(dòng)極位置移動(dòng) 似時(shí)，忽略邊緣效應(yīng)，電容變 化量為1 2冗e 2冗或- A/) _ 2%曰 & _A?% (如尸)一曲僅，尸)變介電常數(shù)型電容傳感器變介電常數(shù)型電容傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖所示。這種傳感器大多用來測量 電介質(zhì)的厚度(圖(a)、位移(b)、液位(圖(c),還可根據(jù)極間介質(zhì)

50、的介電常數(shù)隨 溫度、濕度改變而改變來測量溫度、濕度(圖(d)等。測量電路目前較常采用的有電橋電路、諧振電路、調(diào)頻電路和運(yùn)算放大器式電路等, 如圖所示。這里只介紹電橋電路和運(yùn)算放大器電路。1、電橋電路將電容傳感器接入交流電橋作為電橋的一個(gè)臂或兩個(gè)相鄰臂，另兩臂可以 是電阻、電容或電感，也可以是變壓器的兩個(gè)次級(jí)線圈，如圖所示。電容式傳感器構(gòu)成交流電橋的一些形式從電橋靈敏度考慮，圖（a）中，以形式為最高，（d）次之。在設(shè)計(jì)和選 擇電橋形式時(shí)，除了考慮其靈敏度外，還應(yīng)考慮輸出電壓是否穩(wěn)定（即受外界干 擾影響大?。?，輸出電壓與電源電壓間的相移大小，電源與元件所允許的功率以 及結(jié)構(gòu)上是否容易實(shí)現(xiàn)等等。在實(shí)

51、際電橋電路中，還附加有零點(diǎn)平衡調(diào)廿、靈 敏度調(diào)節(jié)等環(huán)節(jié)。圖（g）形式的電橋（緊耦合電感臂電橋）具有較高的靈敏度和穩(wěn)定性，且寄生 電容影響極小，大大簡化了電橋的屏蔽和接地，非常適合于高頻工作，目前已 開始廣泛應(yīng)用。圖（h）形式的電橋（變壓器式電橋），使用元件最少，橋路內(nèi)阻最小，因此目 前較多采用。可見差動(dòng)式電容傳感器接入變壓器式電橋，當(dāng)放大器輸入阻抗極大時(shí)，對(duì)任何類型的電容式傳感器，電橋輸出電壓與輸入位移成線性關(guān)系。 應(yīng)該指出: 由于電橋輸出電壓與電源電壓成比例，因此要求電源電壓波動(dòng)極小，需采用穩(wěn) 幅、穩(wěn)頻等措施，在要求精度很高的場合，如飛機(jī)用油量表，可采用自動(dòng)平衡 電橋；傳感器必須工作在平衡位

52、置附近，否則電橋非線性增大：接有電容傳感 器的交流電橋輸出阻抗很高（一般達(dá)幾兆歐至幾十兆歐），輸出電壓幅值又小, 所以必須后接高輸入阻抗放大器將信號(hào)放大后才能測量。2、運(yùn)算放大器式電路由以下關(guān)系:(/=-/ /()a)Cx/n2光纖的傳輸特性nosin（）0=nisin。】數(shù)值孔徑：NA=sinOc=后一的:臨界入射角歸一化頻率：v=27uaNA/ X（2）、光纖傳感器的光源光纖傳感器的光源：大多采用相干光源（激光器）半導(dǎo)體激光器然笈激光器固體激光器光纖傳感器優(yōu)點(diǎn)1）靈敏度高2）響應(yīng)速度快3）抗電磁干擾4）耐腐蝕5）電絕緣性好6）適于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)裙庹{(diào)制技術(shù)（1）光強(qiáng)度調(diào)制型：用被測對(duì)象引起光纖

53、中光強(qiáng)度的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)被測對(duì)象 的檢測。分為內(nèi)調(diào)制型和外調(diào)制型兩種外調(diào)制型:光纖僅起傳光作用，光纖本身特性不改變，調(diào)制過程發(fā)生在光 纖以外的環(huán)節(jié)。屬于傳光型傳感器。動(dòng)光纖式、動(dòng)光閘式、反射式等。內(nèi)調(diào)制型:調(diào)制過程發(fā)生在光纖內(nèi)部，是通過光纖本身特性的改變來實(shí)現(xiàn) 光強(qiáng)度的調(diào)制，屬于功能型光纖傳感器。有兩種途徑：1）改變光纖的幾何形狀，從而改變光線的傳播入射角。2）改變光纖纖芯或包層的折射率。如采用電光材料、磁光材料、光彈性材 料等。微彎效應(yīng)等（2）光相位調(diào)制型被測量（溫度、壓力、張力、磁場等）通過影響光纖（一般采用單模光纖） 長度、折射率和內(nèi)部應(yīng)力引起光的相位變化，需采用光的干涉技術(shù)（干涉儀） 檢測

54、相位變化。如：光纖干涉儀懸臂梁測試裝置、相位調(diào)制型光纖電流傳感器、 相位調(diào)制型光聲氣體探測光纖傳感器、相位調(diào)制型位移探測光纖傳感器。干涉測量技術(shù)：3dB耦合器：將光纖中的光能分為兩個(gè)相等的部分，并將 每一部分耦合進(jìn)一根單獨(dú)的光纖中去，在設(shè)計(jì)上是把輸入功率的50%分配給每 一條輸出通道。常用的有四種干涉儀。邁克爾遜干涉儀(Michelson)：馬赫澤德干涉儀(MachZehnder)：薩格納克干涉儀(Sagnac)：法布里泊羅干涉儀(Fabry- Perot)：(3)光偏振態(tài)調(diào)制型被測量引起(單模)光纖中的偏振光的偏振狀態(tài)發(fā)生變化。如：應(yīng)用(法 拉第)磁旋效應(yīng)做成的高壓傳愉線用的光纖電流傳感器、

55、電壓傳感器、磁感應(yīng) 傳感器。應(yīng)用的效應(yīng)有：法拉第(Faraday)效應(yīng)：平面偏振光通過帶磁性的透光物體或通過在縱 向磁場(磁場方向與光傳播方向平行)作用下的非旋光物質(zhì)時(shí)，其偏振光面發(fā) 生偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。從物體端而射出的合成偏振光的偏轉(zhuǎn)角度。=KH1磁光克爾(Kerr)效應(yīng)：平面偏振光垂直入射于拋光的強(qiáng)電磁鐵的磁極表 面.所產(chǎn)生的反射光是一束橢圓偏振光，且偏振而偏轉(zhuǎn)角度隨磁場強(qiáng)度而變化?？祁D-蒙頓(Cotton-Mouton)效應(yīng)：當(dāng)光線垂直于磁場的方向照射液體時(shí)，液體 分子在外磁場的作用下形成一定規(guī)律的排列，而呈現(xiàn)雙折射特性，即一束入射 光變?yōu)閷こ：头浅墒錾涔狻?n二CN泡克耳斯(Pockel

56、s)效應(yīng)：平而偏振光沿著處在外電場內(nèi)的壓電晶體的光 軸傳播時(shí)發(fā)生雙折射現(xiàn)象(稱為電致雙折射)，兩個(gè)主折射率之差與外電場強(qiáng) 度成正比。25*10*Hzo電光克爾(Kerr)效應(yīng)：光照具有各向同性的透明物質(zhì)，在與入射光垂直的方 向上加以高電壓將發(fā)生雙折射現(xiàn)象，即一束入射光變成正常和異常兩束出射光, Jn=KE：, 10ss.光彈性效應(yīng)：彈性體產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，彈性體的折射率發(fā)生變化，呈雙折射性 質(zhì)。(4)光頻率調(diào)制型一般為傳輸型傳感器。主要應(yīng)用多譜勒現(xiàn)象,應(yīng)用有醫(yī)學(xué)上的血液流動(dòng)測量。光(波)的多普勒(Doppler)效應(yīng)：當(dāng)光波源或觀察者(光接收者)相對(duì) 于介質(zhì)(或散射體、反射器)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者所接收到

57、的光波頻率不同于光波 源的頻率，兩者接近時(shí)，接收到的頻率增大，反之，則減少的現(xiàn)象f=fo(lv/c COS 0 )(cv 時(shí))（5）光波長（顏色）分布調(diào)制型外界物理量通過傳感元件，使光纖中光的波長發(fā)生相應(yīng)變化的過程。應(yīng)用 較少，一般需分光儀。（6）時(shí)分調(diào)制型：外界物理量通過不同傳感元件，使光纖中的基帶頻譜的延遲時(shí)間及幅度發(fā) 生相應(yīng)變化的過程。主要用于分布式光纖傳感器中的位置分布檢測。光纖傳感器的分類1、按用途分位移光纖傳感器速度光纖傳感器壓力光纖傳感器液位光纖傳感器流量光纖傳感器溫度光纖傳感器2、按光纖在傳感器中的作用分1）傳感型光纖傳感器，又稱功能型光纖傳感器，主要使用單模光纖。光纖 不僅起

58、傳光作用，而且還有測量作用。它是利用光纖本身的傳輸特性受被測物 理量作用發(fā)生變化，使光纖中傳播的光的屬性（如光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等）發(fā) 生變化這一特點(diǎn)制成的。因此這類傳感器又可分為光強(qiáng)調(diào)制型、相位調(diào)制型和 偏振態(tài)調(diào)制型傳感器。這類傳感器性能好，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整也較難。2）傳光型光纖傳感器，又叫結(jié)構(gòu)型或非功能型光纖傳感器。在這類傳感器 中光纖只具有傳輸光的作用，需加上其它敏感元件才能構(gòu)成完整的傳感器。為 了得到較大受光量和傳輸?shù)墓夤β?，傳光型光纖傳感器常采用數(shù)值孔徑和芯徑 大的階躍型多模光纖。它的結(jié)構(gòu)比較簡單，并能充分利用光電元件和光纖本身的特點(diǎn)，應(yīng)用較廣，它的缺點(diǎn)是靈敏度比傳感型光纖傳感器低，測

59、量精度也差 些。光纖傳感器的應(yīng)用舉例1光強(qiáng)調(diào)制型光纖壓力傳感器轉(zhuǎn)構(gòu)原理圖光俵情原理圖圖為光強(qiáng)調(diào)制型光纖壓力傳感器，它是利用壓力使光纖變形，從而使其傳 輸特性發(fā)生變化的原理。如圖所示，光纖被夾在一對(duì)鋸齒板中間，當(dāng)光纖不受 力時(shí)，光線從光纖中穿過，沒有能量損失。當(dāng)鋸齒板受外力作用而產(chǎn)生位移時(shí), 光纖則發(fā)生許多微彎，這時(shí)在纖芯中傳輸?shù)墓庠谖澨幱胁糠稚⑸涞桨鼘又校?如圖(b)所示。這是由于有些光束的入射角小于臨界角，不能發(fā)生全反射的原 因。這樣輸出的光強(qiáng)就發(fā)生了變化，而且受力越大，光纖微彎的程度也越大， 泄漏的光越多，根據(jù)光強(qiáng)的變化就可確定所受壓力的大小。這種壓力傳感器的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是光功率維持在光

60、纖內(nèi)部，這樣可免除周 圍環(huán)境污染的影響，適宜在惡劣環(huán)境中使用。它還具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、 線性度好、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。這種結(jié)構(gòu)也可以測鋸齒板的位移。2傳光型光纖壓力傳感器圖為一傳光型光纖壓力傳感器，在光纖的一端封裝有一種液晶，當(dāng)對(duì)液晶 加壓后，散射回光纖的光強(qiáng)就會(huì)發(fā)生變化，根據(jù)光強(qiáng)的變化就可求得壓力的大 小。利用上述原理做成的光纖傳感器可以將其伸入血管內(nèi)測量血壓，由于光纖 不導(dǎo)電，這種辦法對(duì)人體很安全。輸出信號(hào)傳光型光纖壓力傳感轉(zhuǎn)3反射式光纖位移傳感器光影元件(a)(b反射式光纖位移長感妥原理6迪佟I (a)為反射式光纖位移傳感器原理圖。該傳感器將發(fā)射和接收光纖束扎 在一起，從發(fā)射光纖射出的光