智能傳感與檢測技術(shù) 教案全套 徐小華 第0-14章 緒論、電阻式傳感器- 智能檢測與虛擬儀器技術(shù)

《智能傳感與檢測技術(shù)》課程教案《智能傳感與檢測技術(shù)》課程教案授課章節(jié)緒論0.1智能傳感與檢測技術(shù)的發(fā)展0.2智能傳感與檢測技術(shù)基礎(chǔ)0.3課程性質(zhì)及主要任務(wù)建議課時2授課方式理論知識講授+討論課+案例教學+多媒體演示所屬專業(yè)教學目標1.了解智能傳感與檢測技術(shù)的發(fā)展動態(tài)。2.掌握傳感器的定義與作用。3.熟悉傳感器的組成及分類。教學重點1.掌握傳感器的定義與作用。2.熟悉傳感器的組成及分類。教學難點傳感器的分類。參考教材《智能傳感與檢測技術(shù)》徐小華主編機械工業(yè)出版社ISBN978-7-111-76072-6教學內(nèi)容『新課導入』美國宇航局在研發(fā)宇宙飛船過程中發(fā)現(xiàn)宇宙飛船上需要用大量的傳感器不斷向地面發(fā)送溫度、位置、速度和姿態(tài)等數(shù)據(jù)信息，用一臺大型計算機很難同時處理如此龐雜的數(shù)據(jù)，于是需要把CPU分散化，從而提出智能化傳感器和智能檢測技術(shù)?！菏谡n內(nèi)容』一、智能傳感與檢測技術(shù)的發(fā)展1.傳感器的發(fā)展2.智能檢測技術(shù)的發(fā)展二、智能傳感與檢測技術(shù)基礎(chǔ)1.傳感器的定義與作用2.傳感器的組成3.智能檢測技術(shù)基礎(chǔ)三、課程性質(zhì)及主要任務(wù)【課堂提問】人類社會的每一次技術(shù)革命都促進了檢測技術(shù)的發(fā)展，大家知道四次工業(yè)革命都是什么，每次工業(yè)革命的標志是什么？【課堂討論】在我們?nèi)粘Ｉ钪杏心男┊a(chǎn)品用到了智能傳感器？【引入案例】傳感器的歷史可以追溯到遠古時代，公元前1000年左右，中國的指南針、記里鼓車已開始使用。埃及王朝時代開始使用的天平，一直延用到現(xiàn)在?！径嗝襟w演示】多媒體課件見教材配套教學PPT『課堂小結(jié)』智能傳感與檢測技術(shù)是一門涉及多種學科的綜合技術(shù)，是當今世界正在發(fā)展中的高新技術(shù)?！鹤鳂I(yè)布置』復(fù)習本節(jié)課所講知識點『教學后記』《智能傳感與檢測技術(shù)》課程教案授課章節(jié)第1章電阻式傳感器1.1電阻應(yīng)變式傳感器1.1.1應(yīng)變片與應(yīng)變效應(yīng)1.1.2應(yīng)變片的種類與結(jié)構(gòu)1.1.3應(yīng)變片的粘貼工藝1.1.4測量轉(zhuǎn)換電路1.1.5應(yīng)變片的溫度補償建議課時2授課方式理論知識講授+課堂討論+圖片或?qū)嵨镎故?多媒體所屬專業(yè)教學目標掌握電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理了解常用的兩種電阻應(yīng)變式傳感器特性，并能夠選擇合適的類型掌握測量轉(zhuǎn)換電路的分析，理解溫度補償?shù)脑虿⒄莆諟囟妊a償?shù)姆椒ń虒W重點電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理，應(yīng)變片的選型；測量轉(zhuǎn)換電路的分析教學難點電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理；溫度補償?shù)脑韰⒖冀滩摹吨悄軅鞲信c檢測技術(shù)》徐小華主編機械工業(yè)出版社ISBN978-7-111-76072-6教學內(nèi)容『新課導入』用萬用表測量金屬絲的阻值，將金屬絲橫向拉伸并測量相應(yīng)的阻值，阻值怎么樣變化？為什么會有阻值的變化？金屬絲的阻值與什么有關(guān)？『授課內(nèi)容』1.1電阻應(yīng)變式傳感器1.1.1應(yīng)變片與應(yīng)變效應(yīng)導體或半導體在外力作用下產(chǎn)生機械變形時，其電阻值也發(fā)生相應(yīng)變化的現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。1-11-2式中，是壓阻系數(shù)，是半導體所受的引力（半導體內(nèi)部單位面積上受到的力）。1.1.2應(yīng)變片的種類與結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變片根據(jù)材料可分為金屬電阻應(yīng)變片和半導體電阻應(yīng)變片。(1)金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片有絲式、箔式和薄膜式三種類型，如圖1-1。(2)半導體電阻應(yīng)變片1.1.3應(yīng)變片的粘貼工藝(1)應(yīng)變片的檢查。(2)試件表面處理。(3)確定貼片位置。標出應(yīng)變片中心線和彈性試件粘貼位置中心線。(4)粘貼。粘貼前，用脫脂棉球蘸上清潔溶劑，無水酒精、四氯化碳等溶劑擦洗被測點處，以便增加粘貼的牢固程度，注意勿用手觸摸清洗后的表面。然后，在應(yīng)變片的粘貼面處涂上薄薄一層膠水，如KH502膠，將應(yīng)變片的中心線對準試件上的中心線貼牢。在應(yīng)變片上蓋上一層臘紙，一只手捏住應(yīng)變片的引出線，另一只手反復(fù)輕輕滾壓透明紙表面，擠出里面多余的膠水和氣泡。(5)固化。(6)粘貼質(zhì)量檢查。(7)引線和組橋。1.1.4測量轉(zhuǎn)換電路1.電橋的平衡條件2.電橋的加減特性3.電橋的工作方式(1)單臂電橋(2)雙臂電橋（差動半橋）(3)雙差動全橋1.1.5電阻應(yīng)變片的溫度補償(1)補償塊補償法(2)差動電橋線路補償(3)熱敏電阻電路補償法【課堂提問】電阻應(yīng)變式傳感器有哪些分類？怎樣選擇合適的類型？【課堂討論】金屬絲的電阻值與哪些因素有關(guān)？【圖片展示】金屬應(yīng)變片與半導體應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)【多媒體演示】電阻應(yīng)變片的粘貼技術(shù)【課堂提問】當環(huán)境溫度變化時，轉(zhuǎn)換電路的輸出怎樣變化？【課堂討論】電橋的工作方式有幾種？【圖片展示】見教材第6-8頁圖1-2到圖1-8『課堂小結(jié)』掌握電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理，了解應(yīng)變片的種類與結(jié)構(gòu)，了解應(yīng)變片的粘貼技術(shù)，能夠選擇合適的應(yīng)變片類型。掌握電阻應(yīng)變式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路的分析與計算、三種工作方式輸出的特點、溫度補償?shù)姆椒?，了解溫度補償?shù)脑颉！鹤鳂I(yè)布置』課后習題一（1、2、3、4、5），二（2）『教學后記』授課題目（章節(jié)）第1章電阻式傳感器1.2氣敏電阻傳感器1.3濕敏電阻傳感器建議課時2授課方式理論知識講授+課堂討論+圖片或?qū)嵨镎故舅鶎賹I(yè)教學目標1.掌握氣敏電阻傳感器的工作原理2.掌握濕敏電阻傳感器的工作原理教學重點1.氣敏電阻傳感器的工作原理2.濕敏電阻傳感器的工作原理教學難點1.氣敏電阻傳感器的工作原理2.濕敏電阻傳感器的工作原理參考教材《智能傳感與檢測技術(shù)》徐小華主編機械工業(yè)出版社ISBN978-7-111-76072-6教學內(nèi)容『新課導入』氣敏電阻傳感器和濕敏電阻傳感器的應(yīng)用非常廣泛，氣敏電阻傳感器是測量氣體的成分、濃度等參數(shù)的傳感器，濕敏電阻傳感器是測量濕度的傳感器?！菏谡n內(nèi)容』1.2氣敏電阻傳感器1.2.1基本概念與工作原理使用氣敏電阻傳感器（以下簡稱氣敏電阻），可以把某種氣體的成分、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。氣敏電阻是一種半導體敏感器件，它利用半導體材料對氣體的吸附而使自身電阻率發(fā)生變化的機理進行測量的元件。人們發(fā)現(xiàn)某些氧化物半導體材料如SnO2、ZnO、Fe2O3、MgO、NiO、BaTiO3等都具有這種現(xiàn)象。1.2.2結(jié)構(gòu)特性1.氣敏電阻的結(jié)構(gòu)氣敏電阻一般由敏感元件、加熱器和外殼三部分組成。圖1-9是氣敏電阻的電路符號。2.氣敏電阻的加熱方式半導體氣敏電阻按其加熱方式有直熱式和旁熱式兩種。1.2.3氣敏傳感器的應(yīng)用實例1.3濕敏電阻傳感器1.3.1基本概念與工作原理濕敏電阻的特點是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時，元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化，利用這一特性即可測量濕度。1.3.2結(jié)構(gòu)特性1.半導體陶瓷濕敏元件2.氯化鋰濕敏電阻圖1-16是氯化鋰濕敏電阻的結(jié)構(gòu)圖。它是在聚碳酸酯基片上制成一對梳狀金電極，然后浸涂溶于聚乙烯醇的氯化鋰膠狀溶液，其表面再涂上一層多孔性保護膜而成。氯化鋰是潮解性鹽，這種電解質(zhì)溶液形成的薄膜能隨著空氣中水蒸汽的變化而吸濕或脫濕。感濕膜的電阻隨空氣相對濕度變化而變化，當空氣中濕度增加時，感濕膜中鹽的濃度降低。③有機高分子膜濕敏電阻1.3.3測量電路與應(yīng)用實例圖1-18為HOS103結(jié)露傳感器的建議測量電路，讀者可根據(jù)需要添加報警器或其他控制電路?！赫n堂小結(jié)』掌握氣敏電阻傳感器和濕敏電阻傳感器的工作原理。『作業(yè)布置』課后綜合題二（4、5）『教學后記』授課章節(jié)第2章電容式傳感器2.1電容式傳感器的原理與結(jié)構(gòu)2.2電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路2.3電容式傳感器的應(yīng)用實例建議課時授課方式理論知識講授+多媒體演示+課堂提問討論所屬專業(yè)教學目標掌握電容式傳感器的工作原理以及分類熟悉電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路熟悉電容式傳感器在工程上的應(yīng)用教學重點電容式傳感器的原理及分類電容式傳感器的典型應(yīng)用教學難點電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路參考教材《智能傳感與檢測技術(shù)》徐小華主編機械工業(yè)出版社ISBN978-7-111-76072-6教學內(nèi)容『新課導入』演示：準備形狀大小相同的兩片銅片以及萬用表。將銅片互相接近，用萬用表測量兩者間的電容量，可以看到，隨著二者的靠近，電容量逐漸增大；保持銅片的距離不變，請學生在兩者之間逐漸插入塑料薄膜，用萬用表測量兩者間的電容量，可以看到電容量逐漸增大；保持銅片距離不變，將兩銅片向水平方向分開，可以看到，萬用表顯示的電容量逐漸減小。通過以上顯示，引入電容傳感器的工作原理?！菏谡n內(nèi)容』2.1電容式傳感器的原理與結(jié)構(gòu)電容傳感器的工作原理可以用平板電容器來說明。當忽略邊緣效應(yīng)時，其電容為：【課堂提問】由式可知，電容量C與A、d、ε三個參量有關(guān)。當改變A、d、ε三個參量中的任意一個量，都會引起電容C的變化。若保持其中任意兩個參量不變，只改變另一個參量，那么該參量的變化就能轉(zhuǎn)換為電容量的變化，那么電容式傳感器能分成幾種呢？分別是哪些類型？根據(jù)引起電容量變化的參量的不同，電容傳感器可以分為三種類型：改變遮蓋面積型電容傳感器、變極距型電容傳感器、變介電常數(shù)型電容傳感器。2.1.1變遮蓋面積型電容式傳感器圖（a）是直線位移式結(jié)構(gòu)，極板A固定不動，稱為定極板，極板B能夠左右移動，稱為動極板，與被測物相連。當被測物移動時會帶動極板B發(fā)生位移，從而改變與定極板A的相互遮蓋面積，使兩極板間的電容量發(fā)生變化。圖（b）是角位移式結(jié)構(gòu)，當動極板圍著轉(zhuǎn)軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)時，兩極板的遮蓋面積會發(fā)生變化。2.1.2變極距型電容式傳感器當動極板隨著被測物體發(fā)生位移時，兩極板之間的距離d就會發(fā)生變化，從而使電容量發(fā)生變化。實際使用時，總是使初始極距d0盡量小些，以提高靈敏度，但這也帶來了變極距式電容器的行程較小的缺點。一般變極距型電容傳感器的起始電容在20-30pF，極板間距在25-200um，最大位移通常小于極距的1/10。所以，在實際應(yīng)用時，為了減小非線性，提高靈敏度，多采用差動式結(jié)構(gòu)，見教材第14頁圖2-4。2.1.3變介電常數(shù)型電容式傳感器因為各種介質(zhì)的相對介電常數(shù)不同，所以在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)時，電容器的電容量也就不同。變介電常數(shù)型電容式傳感器可以用來測量位移、液位、物位等參數(shù)。表2-1中給出了幾種介質(zhì)的相對介電常數(shù)。見教材第15頁圖2-5所示，上下兩極板保持相互遮蓋面積和極距不變，相對介電常數(shù)為εr2的電介質(zhì)插入電容器中的深度發(fā)生變化時，兩種介質(zhì)的極板覆蓋面積也會發(fā)生變化，從而使電容器的電容量發(fā)生變化。被測介質(zhì)εr2進入極板間的深度與引起電容量的變化成線性關(guān)系。2.2電容傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路2.2.1調(diào)頻電路調(diào)頻電路是將電容傳感器作為LC振蕩器諧振回路的一部分，振蕩器的頻率受電容傳感器電容的調(diào)制。當被測參數(shù)變化導致電容量發(fā)生變化時，LC振蕩器的振蕩頻率就會發(fā)生變化，從而實現(xiàn)C/f轉(zhuǎn)換。見教材第15頁圖2-6為振蕩器調(diào)頻電路原理圖，振蕩器輸出頻率的變化在鑒頻器中轉(zhuǎn)化電壓幅度的變化，經(jīng)過放大器放大、檢波之后就可以用儀表指示或用記錄儀器記錄下來。【課堂討論】分析調(diào)頻電路中各部分的功能。振蕩器的振蕩頻率由下式?jīng)Q定：式中——振蕩回路的固定電感——振蕩回路總電容包括振蕩回路的固有電容、傳感器的引線分布電容以及傳感器的電容，即2.2.2脈沖寬度調(diào)制電路圖2-7所示為電容傳感器的脈沖寬度調(diào)制電路。當雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的端輸出為高電平時，點通過對充電，點電位逐漸升高。在端為高電平期間，端為低電平，電容通過低內(nèi)阻的二極管迅速放電，點電位被鉗制在低電平。當點電位升高超過參考電壓時，比較器產(chǎn)生一個“置零脈沖”，觸發(fā)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，點跳變?yōu)榈碗娢唬c跳變?yōu)楦唠娢?。此時經(jīng)二極管迅速放電，點被鉗制在低電平，而同時點高電位經(jīng)向充電。當點電位超過時，比較器產(chǎn)生一個“置1脈沖”，使觸發(fā)器再次翻轉(zhuǎn)，點恢復(fù)為高電位，點恢復(fù)為低電位。如此周而復(fù)始，在雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩輸出端各自產(chǎn)生一個寬度受電容、調(diào)制的脈沖波形，實現(xiàn)轉(zhuǎn)換。對于差動脈沖寬度調(diào)制電路，不論是改變平板電容器的極距或是極板相互遮蓋面積，其變化量與輸出量都呈線性關(guān)系。2.2.3運算放大器式電路運算放大器具有放大倍數(shù)K非常大、輸入阻抗很高的特點，因而可以作為電容傳感器比較理想的測量電路，見教材第16頁圖2-8，為電容傳感器。2.3電容式傳感器的應(yīng)用實例電容器的電容量受到三個因素的影響，即：極距、相互遮蓋面積和極間介電常數(shù)，固定其中的兩個變量，電容量就是另一個變量的一元函數(shù)。只要想辦法將被測非電量轉(zhuǎn)換成極距、面積或者介電常數(shù)的變化，就能通過測量電容量這個參數(shù)來達到非電量電測的目的。電容傳感器的用途有很多，例如可以利用面積變化的原理，測量直線位移、角位移，構(gòu)成電子千分尺；利用介電常數(shù)變化的原理，測量環(huán)境相對濕度、液位、物位；利用極距變化的原理，測量壓力、振動等等。2.3.1電容料位計電容料位計原理圖見教材第17頁圖2-9。1、被測物料為導電體圖（a）所示，電容料位計以直徑為d的不銹鋼或紫銅棒做電極，外套聚四氟乙烯塑料絕緣套管。將其插在儲液罐中，此時導電介質(zhì)本身為外電極，內(nèi)、外電極極距為聚四氟乙烯塑料絕緣套管的厚度，當料位發(fā)生變化時，內(nèi)、外極板的相對面積發(fā)生變化，從而使電容量隨之變化。被測物料為絕緣體圖（b）所示，電容料位計可采用裸電極作為內(nèi)電極，外套以開有液體流通孔的金屬外電極，通過絕緣環(huán)裝配。當被測液體的液面在兩個電極間上下變化時，電極間介電常數(shù)不同的兩種介質(zhì)（上面部分為空氣，下面部分為被測液體）的高度發(fā)生變化，從而使得電容器的電容量改變。被側(cè)液位的高度正比于電容器電容量的變化。2.3.2電容式厚度傳感器電容測厚儀工作原理如圖2-10所示。2.3.3電容式差壓傳感器見教材第18頁圖2-11為一種小型差動式電容壓力傳感器。2.3.4電容式濕度傳感器電容式濕度傳感器有效利用了兩個電極間的電容量隨濕度變化的特性，其基本結(jié)構(gòu)如圖2-12所示?！赫n堂小結(jié)』本節(jié)課介紹了電容式傳感器的原理、結(jié)構(gòu)及分類，通過三種電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路說明了如何將電容的變化轉(zhuǎn)換為電壓、電流、頻率等信號的變化，并介紹了電容式傳感器在工程上的典型應(yīng)用實例。『作業(yè)布置』課后思考題與習題『教學后記』授課題目（章節(jié)）第3章電感式傳感器3.1自感式傳感器3.2變氣隙式自感傳感器建議課時2授課方式理論知識講授+課堂提問討論+多媒體演示所屬專業(yè)教學目標掌握自感式傳感器的測量原理掌握變氣隙式自感傳感器的測量原理了解單線圈和差動兩種變氣隙式自感傳感器的特性教學重點1.自感式傳感器的測量原理2.變氣隙式自感傳感器的測量原理教學難點1.自感式傳感器的測量原理2.變氣隙式自感傳感器的測量原理參考教材《智能傳感與檢測技術(shù)》徐小華主編機械工業(yè)出版社ISBN978-7-111-76072-6教學內(nèi)容『新課導入』電感式傳感器利用電磁感應(yīng)把被測的物理量如位移、壓力、流量、振動等的變化轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)和互感系數(shù)的變化，再由電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，實現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。電感式傳感器主要用于位移測量和可以轉(zhuǎn)換成位移變化的機械量（如張力、壓力、壓差、加速度、振動、應(yīng)變、流量、厚度、液位、比重、轉(zhuǎn)矩等）的測量?！菏谡n內(nèi)容』3.1自感式傳感器自感式傳感器（見圖3-1）又稱電感式位移傳盛器，是由鐵芯、線圈和銜鐵構(gòu)成的，是將直線或角位移的變化轉(zhuǎn)換為線圈電感量變化的傳感器。鐵芯和銜鐵由導磁材料制成。這種傳感器的線圈匝數(shù)和材料磁導率都是一定的，其電感量的變化是由于位移輸入量導致線圈磁路的幾何尺寸變化而引起的。當把線圈接入測量電路并接通激勵電源時，就可獲得正比于位移輸入量的電壓或電流輸出。在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，傳感器的運動部分與銜鐵相連，當銜鐵移動時，氣隙厚度發(fā)生改變，引起磁路中磁阻變化，從而導致電感線圈的電感值變化，因此只要能測出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。根據(jù)電感定義，線圈中電感量可表示為（3-1）根據(jù)磁路歐姆定律，有（3-2）式(3-1)與式(3-2)兩式聯(lián)立得（3-3）當氣隙很小時，可以認為氣隙中的磁場是均勻的。若忽略磁路磁損，則磁路總磁阻為（3-4）通常氣隙磁阻遠大于鐵芯和銜鐵的磁阻，即于是式（3-4）可寫為（3-5）聯(lián)立式（3-3）及式（3-5），可得（3-6）式（3-6）表明：當線圈匝數(shù)為常數(shù)時，電感量僅僅是磁路總磁阻的函數(shù)，改變或均可導致電感量變化，因此自感式傳感器又可分為變氣隙厚度的傳感器和變氣隙面積的傳感器。3.2變氣隙式自感傳感器目前使用最廣泛的自感式傳感器是變氣隙式自感傳感器。其測量原理是：鐵芯和銜鐵由導磁材料如硅鋼片或鐵鎳合金制成，在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，氣隙厚度為，傳感器的運動部分與銜鐵相連。當銜鐵移動時，氣隙厚度發(fā)生改變化，引起磁路總磁阻變化，從而導致電感線圈的電感值變化，因此只要能測出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。出式（3-6）知，與之間是非線性關(guān)系，特性曲線如圖3-2所示。當銜鐵處于初始位置時，初始電感量為當銜鐵上移時，傳感器氣隙厚度減小，即=-，則此時輸出電感為經(jīng)過一系列數(shù)學公式處理，最后作線性處理，即忽略高次項后，可得自感式傳感器的靈敏度為線性度為為了減小非線性誤差，實際測量中廣泛采用差動式變氣隙式自感傳感器。由圖3-3可知，差動式變氣隙式自感傳感器由兩個相同的電感線圈、和磁路組成。測量時，銜鐵通過導桿與被測體相連，當被測體上下移動時，導桿帶動銜鐵也以相同的位移上下移動，使兩個磁回路中磁阻發(fā)生大小相等、方向相反的變化，導致一個線圈的電感量增加，另一個線圈的電感量減小，形成差動形式。經(jīng)過計算，差動式變氣隙式自感傳感器靈敏度為線性度為【多媒體演示】多媒體課件見教材配套教學PPT『課堂小結(jié)』比較單線圈和差動兩種變氣隙式自感傳感器的特性，可以得到如下結(jié)論。差動式變氣隙式自感傳感器的靈敏度是單線圈式的兩倍，差動式變氣隙式自感傳感器的線性度得到明顯改善。為了使輸出特性得到有效改善，構(gòu)成差動的兩個變氣隙式自感傳感器在結(jié)構(gòu)尺寸、材料、電氣參數(shù)等方面均應(yīng)完全一致?！鹤鳂I(yè)布置』P25頁中一、填空題和二、簡答題?！航虒W后記』授課題目（章節(jié)）第3章電感式傳感器3.3互感式傳感器3.4電渦流式傳感器3.5電感式傳感器的應(yīng)用3.5.1變氣隙電感式壓力傳感器3.5.2電渦流式傳感器建議課時2授課方式理論知識講授+課堂提問討論+多媒體演示所屬專業(yè)教學目標掌握互感式和電渦流式傳感器的測量原理了解變氣隙電感式壓力傳感器和電渦流式傳感器的應(yīng)用教學重點1.互感式和電渦流式傳感器的測量原理2.變氣隙電感式壓力傳感器和電渦流式傳感器的應(yīng)用教學難點互感式和電渦流式傳感器的測量原理參考教材《智能傳感與檢測技術(shù)》徐小華主編機械工業(yè)出版社ISBN978-7-111-76072-6教學內(nèi)容『新課導入』把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且次級繞組用差動形式連接，故又稱差動變壓器式傳感器?！菏谡n內(nèi)容』3.3互感式傳感器差動變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-4所示。圖3-4a、b所示的為變氣隙式差動變壓器傳感器；圖3-4c、d所示的為螺管式差動變壓器傳感器；圖3-4e、f所示的為變面積式差動變壓器傳感器。【多媒體演示】多媒體課件見教材配套教學PPT在非電量測量中，應(yīng)用最多的是螺管式差動變壓器傳感器，它可以測量1～100mm機械位移，并具有測量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠等優(yōu)點。3.4電渦流式傳感器根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，金屬導體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時，導體內(nèi)將產(chǎn)生呈漩渦狀流動的感應(yīng)電流，稱之為電渦流，這種現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。基于電渦流效應(yīng)制成的傳感器稱為電渦流式傳感器，其原理圖如圖3-5所示。電渦流式傳感器由于具有測量范圍大、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強、可以實現(xiàn)非接觸式測量等優(yōu)點，被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和科學研究的各個領(lǐng)域，可以用來測量位移、振幅、尺寸、厚度、熱膨脹系數(shù)、軸心軌跡和金屬件探傷等。3.5電感式傳感器的應(yīng)用3.5.1變氣隙電感式壓力傳感器3.5.2電渦流式傳感器『課堂小結(jié)』在非電量測量中，應(yīng)用最多的是螺管式差動變壓器傳感器，它可以測量1～100mm機械位移，并具有測量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠等優(yōu)點。電渦流式傳感器由于具有測量范圍大、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強、可以實現(xiàn)非接觸式測量等優(yōu)點，被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和科學研究的各個領(lǐng)域，可以用來測量位移、振幅、尺寸、厚度、熱膨脹系數(shù)、軸心軌跡和金屬件探傷等?！鹤鳂I(yè)布置』P25頁中一、填空題和二、綜合題?！航虒W后記』授課章節(jié)第4章壓電式傳感器4.1壓電元件與壓電效應(yīng)建議課時2授課方式理論知識講授+課堂提問+課堂討論+圖片展示+多媒體演示所屬專業(yè)教學目標了解壓電元件分類；掌握壓電效應(yīng)教學重點石英晶體的軸和面以及壓電現(xiàn)象教學難點壓電效應(yīng)產(chǎn)生的原因參考教材《智能傳感與檢測技術(shù)》徐小華主編機械工業(yè)出版社ISBN978-7-111-76072-6教學內(nèi)容『新課導入』壓電式傳感器是利用某些電介質(zhì)受力后產(chǎn)生壓電效應(yīng)制成的傳感器，是一種典型的自發(fā)電式傳感器。它以某些電介質(zhì)在受到某一方向的外力作用而發(fā)生形變（包括彎曲和伸縮形變）時，由于內(nèi)部電荷的極化現(xiàn)象，會在其表面產(chǎn)生電荷為基礎(chǔ)，從而實現(xiàn)非電量電測的目的。壓電傳感元件是力敏感元件，它可以測量最終能變換為力的非電物理量，例如動態(tài)力、動態(tài)壓力、振動加速度等，但不能用于靜態(tài)參數(shù)的測量?！菊n堂提問】誰能舉例說明生活中接觸到的壓電式傳感器？『授課內(nèi)容』4.1.1壓電元件壓電式傳感器中的壓電元件一般有三類：壓電晶體（單晶體）經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷（多晶體）高分子壓電材料石英（SiO2）晶體結(jié)晶形狀為六角形晶柱。兩端為一對稱的棱錐，六棱柱是它的基本組織，如果從晶體中切下一個平行六面體，這個晶片在正常狀態(tài)下不呈現(xiàn)電性。【圖片展示】如圖4-1所示。壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它由無數(shù)細微的電疇組成。這些電疇實際上是分子自發(fā)極化的小區(qū)域。在無外電場作用時，各個電疇在晶體中雜亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消了，因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì)。為了使壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)，必須在一定溫度下做極化處理。極化處理之后，陶瓷材料內(nèi)部存在有很強的剩余極化強度，當壓電陶瓷受外力作用時，其表面也能產(chǎn)生電荷，所以壓電陶瓷也具有壓電效應(yīng)。【圖片展示】如圖4-2所示。高分子壓電材料是近年來發(fā)展很快的一種新型材料。典型的高分子壓電材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。其中以PVDF的壓電常數(shù)最高，有的材料可比壓電陶瓷還要高十幾倍。其輸出脈沖電壓有的可以直接驅(qū)動CMOS集成門電路。【圖片展示】4.1.2壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)可分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。正壓電效應(yīng)是指：某些物質(zhì)，當沿著一定方向?qū)ζ浼恿Χ蛊渥冃螘r，在一定表面上將產(chǎn)生電荷，當外力去掉后，又重新回到正常的不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。當外力作用方向改變，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。壓電式傳感器大多是利用正壓電效應(yīng)制成的?！緢D片展示】圖4-3是正壓電效應(yīng)的示意圖。逆壓電效應(yīng)是指：如果在這些物質(zhì)的極化方向施加電場，這些物質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機械變形或機械應(yīng)力，當外電場撤去時，這些變形或應(yīng)力也隨之消失，這種現(xiàn)象稱之為逆壓電效應(yīng)，或稱之為電致伸縮效應(yīng)。用逆壓電效應(yīng)制造的變送器可用于電聲和超聲工程。下面講解正壓電效應(yīng)：石英晶體的三個軸：縱向軸稱為光軸，也稱z軸，有折光效應(yīng)，沒有壓電效應(yīng)經(jīng)過正六面體棱線，并垂直于光軸的軸線稱為電軸，也稱x軸經(jīng)過正六面體的棱面且垂直于光軸的軸線稱為機械軸，也稱y軸【圖片展示】石英晶體的三個面：垂直于光軸（z軸）的面稱為z面垂直于電軸（x軸）的面稱為x面垂直于機械軸（y軸）的面稱為y面【圖片展示】電荷只產(chǎn)生在與x軸垂直的x面的前后兩側(cè)?！菊n堂討論】為什么電荷只產(chǎn)生在與x軸垂直的x面的前后兩側(cè)？石英晶體的x、y軸向受力產(chǎn)生電荷比較：在x軸方向上施加壓力Fx時，在x面上產(chǎn)生的電荷：式中d11為x方向受力的壓電系數(shù)。在y軸方向施加壓力Fy時，則仍在x面上產(chǎn)生電荷：式中d12為y軸方向受力的壓電系數(shù)，l、δ為石英晶片的長度和厚度?！緢D片展示】當石英晶體未受外力作用時，如圖（a）所示，正、負離子正好分布在正六邊形的頂角上，形成三個互成120°夾角的電偶極矩P1、P2、P3。因為P=ql,q為電荷量，l為正負電荷之間距離。此時正負電荷重心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即P1+P2+P3=0，所以晶體表面不產(chǎn)生電荷，即呈中性。當石英晶體受到沿x軸方向的壓力作用時，晶體沿x方向?qū)a(chǎn)生壓縮變形，正負離子的相對位置也隨之變動，如圖（b）所示，此時正負電荷重心不再重合，電偶極矩在x方向上的分量由于P1的減小和P2、P3的增加而不等于零。在x面上出現(xiàn)電荷，它的極性為在x軸正向出現(xiàn)負電荷，x軸負向出現(xiàn)正電荷。在y軸方向上的電偶極距的分量為零，不出現(xiàn)電荷。當晶體受到沿y軸方向的壓力作用時，晶體的變形如圖（c）所示。P1增大，P2、P3減小。在x面上出現(xiàn)電荷，它的極性為在x軸正向出現(xiàn)正電荷，x軸負向出現(xiàn)負電荷。在y軸方向上仍不出現(xiàn)電荷。如果沿z軸方向施加作用力，因為晶體在x方向和y方向所產(chǎn)生的形變完全相同，所以正負電荷重心保持重合，電偶極矩矢量和等于零。這表明沿z軸方向施加作用力，晶體不會產(chǎn)生壓電效應(yīng)?！径嗝襟w演示】石英晶體的壓電效應(yīng)演示。『課堂小結(jié)』今天我們學習了4.1壓電元件與壓電效應(yīng)，大家要了解三種常用的壓電元件分別是：壓電晶體（單晶體）；經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷（多晶體）；高分子壓電材料以及它們的特性。另外今天的重點內(nèi)容是壓電效應(yīng)，壓電效應(yīng)可分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)以及為什么會產(chǎn)生壓電效應(yīng)?！鹤鳂I(yè)布置』思考題與習題一填空題中的1-5小題?！航虒W后記』在課堂提問時大家興趣很高，對生活中的壓電傳感器有一定的認識但不準確，課堂討論時同學們非常激烈，建議以后上課多增加些提問和討論環(huán)節(jié)，提高學生的學習主動性。授課章節(jié)第5章熱電式傳感器5.1熱電偶傳感器5.1.1熱電偶的測溫原理5.1.2熱電偶定律5.1.3熱電偶的冷端溫度補償方法5.1.4熱電偶傳感器的應(yīng)用實例5.2熱電阻傳感器5.3熱敏電阻傳感器建議課時授課方式理論知識講授+課堂提問討論+多媒體演示所屬專業(yè)教學目標掌握熱電偶的測溫原理和熱電偶定律2.掌握熱電偶的冷端溫度補償方法3.了解熱電偶傳感器的應(yīng)用實例4.了解熱電阻傳感器和熱敏電阻傳感器教學重點1.掌握熱電偶的測溫原理和熱電偶定律2.掌握熱電偶的冷端溫度補償方法3.了解熱電偶傳感器的應(yīng)用實例教學難點熱電偶的測溫原理和熱電偶定律參考教材《智能傳感與檢測技術(shù)》徐小華主編機械工業(yè)出版社ISBN978-7-111-76072-6教學內(nèi)容『新課導入』溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見的工藝參數(shù)之一，任何物理變化和化學反應(yīng)過程都與溫度密切相關(guān)，因此溫度控制是生產(chǎn)自動化的重要任務(wù)。如冶金、機械、熱處理、食品、化工以及玻璃、陶瓷和耐火材料等各類工業(yè)生產(chǎn)過程中廣泛使用各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等『授課內(nèi)容』5.1熱電偶傳感器熱電偶作為溫度傳感器，測得與溫度相應(yīng)的熱電動勢，由儀表顯示出溫度值。熱電偶傳感器廣泛用來測量-200℃~1800℃范圍內(nèi)的溫度，特殊情況下，可測至2800℃的高溫或4K的低溫。它具有結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，準確度高，測溫范圍廣等特點。由于熱電偶將溫度轉(zhuǎn)化成電量進行檢測，使溫度的測量、控制、以及對溫度信號的放大，變換都很方便，適用于遠距離測量和自動控制。5.1.1熱電偶的測溫原理熱電偶的測溫原理基于熱電效應(yīng)。將兩種不同材料的導體A和B串接成一個閉合回路，當兩個接點1和2的溫度不同時，如T＞T0，如圖5-2所示，在回路中就會產(chǎn)生熱電動勢，并在回路中有一定大小的電流，此根據(jù)熱電極的材料，熱電偶可分為難熔金屬熱電偶、貴金屬熱電偶、廉金屬熱電偶、非金屬熱電偶等；根據(jù)測溫范圍，熱電偶可分為高溫熱電偶、中溫熱電偶、低溫熱電偶；根據(jù)工業(yè)標準化的情況，又分為標準化熱電偶和非標準化熱電偶。標準化熱電偶國家已定型批量生產(chǎn)，它具有良好的互換性，有統(tǒng)一的分度表，并有與之配套的記錄和顯示儀表。這對生產(chǎn)和使用都帶來了方便。1.鉑銠-鉑熱電偶2.鎳鉻-鎳硅熱電偶3.鉑銠-鉑銠熱電偶4.銅-康銅熱電偶5.1.2熱電偶定律1.均質(zhì)導體定律中間導體定律參考電極定律兩種導體A,B分別與參考電極C(或稱標準電極)組成熱電偶，如果他們所產(chǎn)生的熱電動勢為已知，A和B兩極配對后的熱電動勢可用下式求得+5.1.3熱電偶的冷端溫度補償方法常用的補償措施有補償導線法、冷端0℃恒溫法、電橋補償法等。補償導線法冷端0℃恒溫法電橋補償法電橋的4個電阻均和熱電偶冷端處在同一環(huán)境溫度，但由于RT的阻值隨環(huán)境溫度變化而變化，使電橋產(chǎn)生的不平衡電壓的大小和極性隨著環(huán)境溫度的變化而變化，從而達到自動補償?shù)哪康摹?.1.4熱電偶傳感器的應(yīng)用實例5.2熱電阻傳感器熱電阻傳感器是利用導體或半導體的電阻值隨溫度的變化來測量溫度的元件，它由熱電阻體（感溫元件），連接導線和顯示或紀錄儀表構(gòu)成。熱電阻傳感器廣泛用來測量-200～850℃范圍內(nèi)的溫度，少數(shù)情況下，低溫可至1K，高溫可達1000

℃。在常用的電阻溫度計中，標準鉑電阻溫度計的準確度最高。同熱電偶相比，具有準確度高，輸出信號大，靈敏度高，測溫范圍廣，穩(wěn)定型好,

輸出線性好等特性。5.3熱敏電阻傳感器熱敏電阻是一種電阻值隨其溫度成指數(shù)變化的半導體熱敏元件。廣泛應(yīng)用于家電、汽車、測量儀器等領(lǐng)域。優(yōu)點如下：電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，比一般金屬電阻大10～100倍；結(jié)構(gòu)簡單，體積小，可以測量“點”溫度；電阻率高，熱慣性小，適宜動態(tài)測量；(4)功耗小，不需要參考端補償，適于遠距離的測量與控制。缺點是阻值與溫度的關(guān)系呈非線性，元件的穩(wěn)定性和互換性較差。除高溫熱敏電阻外，不能用于350℃以上的高溫。熱敏電阻由熱敏探頭，引線，殼體等構(gòu)成，圖5-5熱敏電阻的結(jié)構(gòu)與符號?！赫n堂小結(jié)』對于機械、冶金、能源、國防等部門來說，金屬表面溫度的測量是非常普遍而又比較復(fù)雜的問題。例如熱處理工作中鍛件、鑄件以及各種余熱利用的熱交換器表面、氣體蒸汽管道、壁爐面等表面溫度。根據(jù)對象特點，測量范圍從攝氏幾百度到攝氏一千多度，而測量方法就采用直接接觸測量法?！鹤鳂I(yè)布置』P38頁中一、填空題和二、簡答題?！航虒W后記』授課章節(jié)第六章光電式傳感器6.1光電式傳感器6.1.1光電效應(yīng)6.1.2光電元件及傳感器6.1.3光電傳感器及其應(yīng)用建議課時2授課方式理論知識講授+討論課+案例教學+多媒體演示所屬專業(yè)教學目標1.掌握光電效應(yīng)的概念2.掌握光電元件及傳感器3.了解光電傳感器及其應(yīng)用教學重點1.光電效應(yīng)的概念2.光電元件及傳感器教學難點1.光電元件及傳感器參考教材《智能傳感與檢測技術(shù)》徐小華主編機械工業(yè)出版社ISBN978-7-111-76072-6教學內(nèi)容『新課導入』光電傳感器的基本轉(zhuǎn)換原理是將被測量轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后將光信號作用于光電元件而轉(zhuǎn)換成電信號的輸出。光電傳感器可測量的參數(shù)很多，一般情況下具有非接觸式測量的特點，并且光電傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，具有很高的可靠性且動態(tài)響應(yīng)極快。隨著激光光源、光柵、光導纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應(yīng)用，使得光電傳感器越來越廣泛地應(yīng)用于檢測和控制領(lǐng)域?！菏谡n內(nèi)容』6.1光電式傳感器6.1.1光電效應(yīng)光電傳感器通常是指能敏感檢測到由紫外線到紅外線光的光能量，并能將光能轉(zhuǎn)化成電信號的器件。其工作原理是基于一些物質(zhì)的光電效應(yīng)。由于被光照射的物體材料不同，所產(chǎn)生的光電效應(yīng)也不同，通常光照射到物體表面后產(chǎn)生的光電效應(yīng)分為三類：外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)。【多媒體演示】多媒體課件見教材配套教學PPT6.1.2光電元件及傳感器光電管光電管和光電倍增管同屬于用外光電效應(yīng)制成的光電轉(zhuǎn)換器件。光電管的外形如圖6-1所示。光電倍增管光電倍增管有放大光電流的作用，靈敏度非常高，信噪比大，線性好，多用于微光測量。如圖4-3是光電倍增管結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖。3.光敏電阻光敏電阻是一種電阻元件,具有靈敏度高，體積小，重量輕，光譜響應(yīng)范圍寬，機械強度高，耐沖擊和振動，壽命長等優(yōu)點。4.光敏二極管光敏二極管結(jié)構(gòu)與一般二極管不同之處在于：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，圖6-5a所示是其結(jié)構(gòu)示意圖，它在電路中處于反向偏置狀態(tài)，如圖6-5b所示。5.光敏晶體管光敏晶體管有兩個PN結(jié)。與普通晶體管相似，也有電流增益。如圖6-6所示為NPN型光敏晶體管的結(jié)構(gòu)。多數(shù)光敏晶體管的基極沒有引出線，只有正負(c、e)兩個引腳，所以其外型與光敏二極管相似，從外觀上很難區(qū)別。6.光電池光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的器件。由于它可把太陽能直接變電能，因此又稱為太陽能電池。它是基于光生伏特效應(yīng)制成的，是發(fā)電式有源元件。它有較大面積的PN結(jié)，當光照射在PN結(jié)上時，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動勢。【課堂討論】在我們?nèi)粘Ｉ钪杏心男┊a(chǎn)品用到了光電傳感器？6.1.3光電傳感器及其應(yīng)用由于光電測量方法靈活多樣，可測參數(shù)眾多。1.煙塵濁度監(jiān)測儀2.光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表光電式產(chǎn)品計數(shù)器『課堂小結(jié)』光電傳感器的應(yīng)用非常多，是現(xiàn)代工業(yè)自動化生產(chǎn)中不可缺少的傳感器。同學們可以網(wǎng)上搜索光電傳感器的應(yīng)用實例。『作業(yè)布置』P51頁中一、填空題1、2和二、綜合題1。『教學后記』授課章節(jié)6.2紅外傳感器6.3光纖傳感器6.4激光傳感器建議課時2授課方式理論知識講授+討論課+多媒體演示所屬專業(yè)教學目標1.了解紅外線與紅外傳感器2.掌握熱釋電紅外傳感器結(jié)構(gòu)原理3.了解光纖傳感器及其應(yīng)用4.了解激光傳感器及其應(yīng)用教學重點紅外線與紅外傳感器熱釋電紅外傳感器結(jié)構(gòu)原理教學難點熱釋電紅外傳感器結(jié)構(gòu)原理參考教材《智能傳感與檢測技術(shù)》徐小華主編機械工業(yè)出版社ISBN978-7-111-76072-6教學內(nèi)容『新課導入』自然界的物體，例如：人體、火焰甚至于冰都會放射出紅外線，只是其發(fā)射的紅外線的波長不同而已。用紅外線作為檢測媒介，來測量某些非電量，比可見光作為媒介的檢測方法要好。其優(yōu)越性很多。『授課內(nèi)容』6.2紅外傳感器6.2.1紅外傳感器概述人體的溫度為36～37℃，所放射的紅外線波長為9～10（屬于遠紅外線區(qū)），加熱到400～700℃的物體，其放射出的紅外線波長為3～5。（屬于中紅外線區(qū)）。紅外線傳感器可以檢測到這些物體發(fā)射出的紅外線，用于測量、成像或控制。圖6-14為電磁波譜中的紅外線。6.2.2熱釋電紅外傳感器熱釋電效應(yīng)熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)探測元件（2）場效應(yīng)管匹配器（3）干涉濾光片菲涅爾透鏡6.3光纖傳感器光纖自60年代問世以來，就在傳遞圖像和檢測技術(shù)等方面得到了應(yīng)用。利用光導纖維作為傳感器的研究始于70年代中期。由于光纖傳感器具有不受電磁場干擾、傳輸信號安全、可實現(xiàn)非接觸測量，而且具有高靈敏度、高精度、高速度、高密度、適應(yīng)各種惡劣環(huán)境下使用以及非破壞性和使用簡便等等一些優(yōu)點。無論是在電量(電流、電壓、磁場)的測量，還是在非電物理量(位移、溫度、壓力、速度、加速度、液位、流量等)的測量方面，都取得了驚人的進展。6.3.1光纖的結(jié)構(gòu)實用的光纖是比人的頭發(fā)絲稍粗的玻璃絲，通信用光纖的外徑一般為125～140μm。一般所說的光纖是由纖芯和包層組成，纖芯完成信號的傳輸，包層與纖芯的折射率不同，將光信號封閉在纖芯中傳輸并起到保護纖芯的作用。工程中一般將多條光纖固定在一起構(gòu)成光纜，如圖6-18所示。6.3.2光纖傳感器1.光纖傳感器的原理光纖傳感器一般由三個環(huán)節(jié)組成，即信號的轉(zhuǎn)換、信號的傳輸、信號的接收與處理。信號的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，將被測參數(shù)轉(zhuǎn)換成為便于傳輸?shù)墓庑盘?。信號的傳輸環(huán)節(jié)，利用光導纖維的特性將轉(zhuǎn)換的光信號進行傳輸。信號的接收與處理環(huán)節(jié)，將來自光導纖維的信號送入測量電路，由測量電路進行處理并輸出。2.光纖傳感器的特點1）靈敏度較高2）幾何形狀具有多方面的適應(yīng)性，可以制成任意形狀的光纖傳感器3）可以制造傳感各種不同物理信息（聲、磁、溫度、旋轉(zhuǎn)等）的器件；4）可以用于高壓、電氣噪聲、高溫、腐蝕、或其它的惡劣環(huán)境；5）而且具有與光纖遙測技術(shù)的內(nèi)在相容性。6.3.3光纖傳感器及其應(yīng)用光纖位移傳感器光纖液位傳感器6.4激光傳感器利用激光技術(shù)進行測量的傳感器。它由激光器、激光檢測器和測量電路組成。激光傳感器的優(yōu)點是能實現(xiàn)無接觸遠距離測量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強等。【多媒體演示】多媒體課件見教材配套教學PPT『課堂小結(jié)』紅外線檢測技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、水產(chǎn)、醫(yī)學、土木建筑、海洋、氣象、航空、宇航等各個領(lǐng)域。紅外線應(yīng)用技術(shù)從無源傳感發(fā)展到有源傳感（利用紅外激光器）。紅外圖像技術(shù)，從以宇宙為觀察對象的衛(wèi)星紅外遙感技術(shù)，到觀察很小的物體（如半導體器件）的紅外顯微鏡，應(yīng)用非常廣泛?！鹤鳂I(yè)布置』P51頁中一、填空題3、4和二、綜合題2。『教學后記』授課章節(jié)第7章霍爾傳感器與其他磁敏傳感器7.1霍爾效應(yīng)7.2霍爾元件及特性參數(shù)7.3集成霍爾傳感器7.4霍爾傳感器的應(yīng)用實例建議課時2授課方式理論知識講授+討論課+多媒體演示所屬專業(yè)教學目標1.了解霍爾效應(yīng)2.掌握霍爾元件及特性參數(shù)3.掌握集成霍爾傳感器4.了解霍爾傳感器的應(yīng)用教學重點1.霍爾元件及特性參數(shù)2.集成霍爾傳感器教學難點1.霍爾元件及特性參數(shù)2.集成霍爾傳感器參考教材《智能傳感與檢測技術(shù)》徐小華主編機械工業(yè)出版社ISBN978-7-111-76072-6教學內(nèi)容『新課導入』霍爾傳感器是一種磁敏傳感器，它是把磁學物理量轉(zhuǎn)換成電信號的裝置，廣泛應(yīng)用于自動控制、信息傳遞、電磁測量、生物醫(yī)學等各個領(lǐng)域。它的最大特點是非接觸測量?！菏谡n內(nèi)容』7.1霍爾效應(yīng)將金屬或半導體薄片置于磁感應(yīng)強度為B的磁場中，磁場方向垂直于薄片（如圖7-1所示），當有電流I通過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢UH，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。7.2霍爾元件及特性參數(shù)7.2.1霍爾元件霍爾元件的結(jié)構(gòu)很簡單，它由霍爾片、引線和殼體組成，如圖7-2a所示?；魻柶且粔K矩形半導體單晶薄片，引出4個引線，a、b兩根引線加激勵電壓或電流，稱為激勵電極；c、d引線為霍爾輸出引線，稱為霍爾電極?；魻栐臍んw由非導磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝而成，圖7-2b為霍爾元件的實物圖，圖7-2c為霍爾元件的圖形符號。7.2.2霍爾元件的主要特性參數(shù)(1)霍爾元件的靈敏度系數(shù)KH?；魻栐撵`敏度定義為在單位控制電流和單位磁感應(yīng)強度下，霍爾電勢輸出端開路時的電勢值，其單位為V/A·T，它反映了霍爾元件本身所具有的磁電轉(zhuǎn)換能力，一般希望它越大越好。(2)額定激勵電流IN和最大允許激勵電流Imax。當霍爾元件自身溫升10℃時所流過的電流值稱為額定激勵電流IN。在相同的磁感應(yīng)強度下，IN值越大則可獲得大的霍爾輸出。在霍爾元件做好后，限制IN的主要因素是散熱條件。一般情況下鍺元件的最大允許溫升是80℃，硅元件的最大允許溫升是175℃。當元件允許最大溫升為限制時所對應(yīng)的激勵電流，稱為最大允許激勵電流Imax。(3)輸入電阻Ri、輸出電阻RO?；魻柶膬蓚€控制電極間的電阻值稱為輸入電阻Ri，霍爾電極輸出電勢對外電路來說相當于一個電壓源，其電源內(nèi)阻即為輸出電阻RO，即兩個霍爾電極間的電阻。以上電阻值是在磁感應(yīng)強度為零且環(huán)境溫度在（20±5）℃時確定的。一般Ri大于RO，使用時不能出錯。（4）霍爾電勢溫度系數(shù)ɑ。在一定磁感應(yīng)強度和激勵電流下，溫度每變化1℃時，霍爾電勢變化的百分率，稱為霍爾電勢溫度系數(shù)ɑ,ɑ值越小越好。7.3集成霍爾傳感器集成霍爾傳感器的輸出是經(jīng)過處理的霍爾輸出信號。其輸出信號快，傳送過程中無抖動現(xiàn)象，且功耗低，對溫度的變化是穩(wěn)定的，靈敏度與磁場移動速度無關(guān)。按照輸出信號的形式，可以分為開關(guān)集成霍爾傳感器和線性集成霍爾傳感器兩種類型。線性集成霍爾傳感器開關(guān)集成霍爾傳感器7.4霍爾傳感器的應(yīng)用實例7.4.1金屬零件霍爾計數(shù)裝置7.4.2霍爾式無觸點汽車電子點火裝置【多媒體演示】多媒體課件見教材配套教學PPT『課堂小結(jié)』微電子技術(shù)的發(fā)展，使得目前的霍爾元件多已集成化，即將霍爾元件、激勵電流源、放大電路、施密特觸發(fā)器以及輸出電路等，集成于一個芯片上，構(gòu)成了集成霍爾傳感器?；魻柤呻娐罚ㄓ址Q霍爾IC）取消了傳感器和測量電路之間的界限，實現(xiàn)了材料、元件、電路三位一體。集成霍爾傳感器減少了焊點，顯著地提高了工作可靠性。『作業(yè)布置』P62頁一、填空題1、2、3二、簡答題1、2、3三、綜合題1『教學后記』授課章節(jié)第7章霍爾傳感器與其他磁敏傳感器7.5.1磁敏電阻7.5.2磁敏二極管7.5.3磁敏晶體管7.5.4磁敏傳感器的應(yīng)用實例建議課時2授課方式理論知識講授+討論課+多媒體演示所屬專業(yè)教學目標1.掌握磁敏電阻、磁敏二極管、磁敏晶體管的工作原理2.熟悉磁敏傳感器的應(yīng)用實例教學重點磁敏電阻、磁敏二極管、磁敏晶體管的工作原理教學難點磁敏電阻、磁敏二極管、磁敏晶體管的工作原理參考教材《智能傳感與檢測技術(shù)》徐小華主編機械工業(yè)出版社ISBN978-7-111-76072-6教學內(nèi)容『新課導入』磁阻元件與霍爾元件的區(qū)別在于：前者是以電阻的變化來反映磁場的大小，但無法反映磁場的方向；后者是以電動勢的變化來反映磁場的大小和方向。磁敏傳感器包括磁敏電阻、磁敏二極管和磁敏三極管，它們的靈敏度很高，主要應(yīng)用于微弱磁場的測量?！菏谡n內(nèi)容』7.5其他磁敏傳感器7.5.1磁敏電阻1．磁阻效應(yīng)及磁敏電阻半導體材料的電阻率隨磁場強度的增強而變大，這種現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)，利用磁阻效應(yīng)制成的元件稱為磁敏電阻。磁場引起磁敏電阻增加有兩個原因：一是材料的電阻率隨磁場強度增強而變大；二是磁場使電流在器件內(nèi)部的幾何分布發(fā)生變化，從而使物體的等效電阻增大。目前實用的磁阻元件主要是利用后者的原理制作的。常用的磁敏電阻由銻化銦薄片組成，如圖7-12所示。2.磁敏電阻的基本特性①磁阻特性。磁敏電阻無磁場時的電阻RO與磁感應(yīng)強度為B時的電阻RB的比值（RB/RO)與磁感應(yīng)強度B之間的關(guān)系曲線稱為磁敏電阻的磁阻特性曲線，又稱R-B曲線，如圖7-13所示?？梢钥闯?，無論磁場的方向如何變化，磁敏電阻的阻值僅與磁場強度的絕對值有關(guān)。當磁場強度較大時，線性較好。②溫度特性。溫度每變化1℃時，磁敏電阻的相對變化稱為溫度系數(shù)，單位為％/℃。磁敏電阻值電阻值受溫度影響較大，一般為補償溫漂常采用兩個元件串聯(lián)的補償電路，如圖7-14所示。7.5.2磁敏二極管磁敏二極管結(jié)構(gòu)和工作原理磁敏二極管的結(jié)構(gòu)和符號如圖7-15所示。磁敏二極管是PIN型的。磁敏二極管的主要特性7.5.3磁敏晶體管1.磁敏晶體管的工作原理磁敏晶體管工作原理與磁敏二極管是相同的，磁敏晶體管也具有r區(qū)和I區(qū)，并增加了基極、發(fā)射極和集電極，磁敏晶體管的結(jié)構(gòu)原理及圖形符號如圖7-17所示。2.磁敏晶體管的主要特性1）磁電特性。磁敏晶體管的磁電特性為在基極電流恒定時，集電極電流與外加磁場的關(guān)系。在弱磁場作用下，特性接近線性。磁敏晶體管的磁電特性如圖7-18所示。2）伏安特性。圖7-19a所示為磁敏晶體管在零磁場強度下的伏安特性；圖7-19b所示為磁敏晶體管在基極電流不變，在不同磁場強度下的伏安特性。7.5.4磁敏傳感器的應(yīng)用實例1.磁敏電阻的應(yīng)用①智能交通系統(tǒng)（ITS)的汽車信息采集。②小型探礦儀（磁力儀、金屬探測儀）。磁敏二極管的應(yīng)用磁敏二極管漏磁探傷儀是利用磁敏二極管可以檢測微弱磁場變化的特性而設(shè)計的，原理如圖7-21所示?！径嗝襟w演示】多媒體課件見教材配套教學PPT『課堂小結(jié)』磁敏晶體管是一種新型的磁電轉(zhuǎn)換器件，該器件的靈敏度非常高。同樣具有無觸點、輸出功率大、響應(yīng)快、成本低等優(yōu)點，在磁力探測、無損探傷、位移測量及轉(zhuǎn)速測量等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。磁敏三極管的靈敏度比磁敏二極管高許多倍，但溫漂也較大，需更注意溫度補償。『作業(yè)布置』P62頁一、填空題4二、簡答題4三、綜合題2『教學后記』授課章節(jié)第8章波式傳感器8.1超聲波傳感器8.2多普勒傳感器建議課時授課方式理論知識講授+提問討論+多媒體演示所屬專業(yè)教學目標1.掌握超聲波的物理性質(zhì)及超聲波探頭2.了解超聲波傳感器應(yīng)用實例3.了解多普勒傳感器教學重點1.超聲波的物理性質(zhì)及超聲波探頭2.多普勒傳感器教學難點1.超聲波的物理性質(zhì)及超聲波探頭2.多普勒傳感器參考教材《智能傳感與檢測技術(shù)》徐小華主編機械工業(yè)出版社ISBN978-7-111-76072-6教學內(nèi)容『新課導入』自然界中，波動是物質(zhì)運動的重要形式。物理量的振動或擾動有多種形式，機械振動的傳遞構(gòu)成機械波（包括聲波、超聲波），電磁場振動的傳遞構(gòu)成電磁波（包括光波、微波），任何一個宏觀或微觀物理量的振動或擾動在空間傳遞時都會形成波?！菏谡n內(nèi)容』8.1超聲波傳感器振動在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動，簡稱波。頻率在16~20KHz之間，能為人耳所聞的機械波，稱為聲波，低于16Hz的機械波，稱為次聲波；高于20KHz的機械波，稱為超聲波。如圖8-1。8.1.1超聲波的物理性質(zhì)1.超聲波的波形及其轉(zhuǎn)換①縱波——質(zhì)點振動方向與波的傳播方向一致的波;②橫波——質(zhì)點振動方向垂直于傳播方向的波;③表面波——質(zhì)點的振動介于橫波與縱波之間，沿著表面?zhèn)鞑サ牟ā?.超聲波的反射和折射聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)，在兩個介質(zhì)的分界面上一部分聲波被反射，另一部分透射過界面，在另一種介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播。這樣的兩種情況稱之為聲波的反射和折射，如圖8-2所示。3.超聲波的衰減聲波在介質(zhì)中傳播時，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減，其衰減的程度與聲波的擴散、散射及吸收等因素有關(guān)。8.1.2超聲波探頭利用超聲波在超聲場中的物理特性和各種效應(yīng)而研制的裝置可稱為超聲波換能器、探測器或傳感器。超聲波探頭包括有單晶直探頭、雙晶直探頭、斜探頭等類型。超聲波探頭按其工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等，而以壓電式最為常用。超聲波探頭結(jié)構(gòu)如圖8-4所示，主要由壓電晶片、吸收塊（阻尼塊）、保護膜組成。8.1.3超聲波傳感器應(yīng)用實例1.超聲波流體流量測量2.超聲波無損探傷3.超聲波傳感器在汽車中的應(yīng)用4.超聲波傳感器在電子技術(shù)方面的應(yīng)用8.2多普勒傳感器生活中有這樣一個有趣的現(xiàn)象：當一輛救護車迎面駛來的時候，聽到聲音比原來高；而車離去的時候聲音的音高比原來低。你可能沒有意識到，這個現(xiàn)象和醫(yī)院使用的彩超同屬于一個原理，那就是“多普勒效應(yīng)”?！径嗝襟w演示】多媒體課件見教材配套教學PPT『課堂小結(jié)』由于超聲波的頻率與一般無線電波的頻率相近，且聲信號又很容易轉(zhuǎn)換成電信號，因此可以利用超聲元件代替電子元件制作振蕩器、諧振器、帶通濾波器等儀器，可廣泛用于電視、通信、雷達等方面。用聲波代替電磁波的優(yōu)越之處在于，聲波在介質(zhì)中的傳播速度比電磁波的傳播速度大約要小五個數(shù)量級。例如用超聲波延遲時間就比用電磁波延遲時間方便得多?！鹤鳂I(yè)布置』P68頁一、填空題1、2、3二、綜合題1、2『教學后記』授課題目（章節(jié)）第9章數(shù)字式傳感器9.1光柵式傳感器9.2光電編碼器建議課時2授課方式理論知識講授+課堂討論+任務(wù)驅(qū)動所屬專業(yè)教學目標掌握光柵式傳感器和光電編碼器的工作原理教學重點光柵傳感器和光電編碼器工作原理教學難點編碼器工作原理參考教材《智能傳感與檢測技術(shù)》徐小華主編機械工業(yè)出版社ISBN978-7-111-76072-6教學內(nèi)容『新課導入』光柵傳感器是根據(jù)莫爾條紋原理制成，主要用于線位移和角位移測量。光電編碼器是將直線運動和旋轉(zhuǎn)運動變換為數(shù)字信號進行測量的一種傳感器。『授課內(nèi)容』9.1.1莫爾條紋『理論知識講授』9.1.2光柵式傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理9.1.3光柵傳感器的應(yīng)用9.2.1增量式光電編碼器9.2.2絕對式光電編碼器9.2.3光電編碼器的應(yīng)用【課堂提問】根據(jù)教材向?qū)W生提問，通過問答形式幫助學生復(fù)習、深化知識點?！喝蝿?wù)驅(qū)動』1.光柵式傳感器的工作原理是什么？2.增量式光電編碼器和絕對式光電編碼器有何不同？【課堂討論】針對教材中光柵式傳感器和光電編碼器工作原理等疑難問題，在學生獨立思考之后，共同進行討論、辯論的教學組織形式及教學方法，可以全班進行，也可以分組進行?！赫n堂討論』『課堂小結(jié)』光柵式傳感器和對學生理解傳感器和測試技術(shù)的基本原理以及光電傳感器的應(yīng)用都起著很關(guān)鍵的作用；光電編碼器在測量儀表中也有廣泛的應(yīng)用。『作業(yè)布置』P78課后習題『教學后記』授課題目（章節(jié)）第9章數(shù)字式傳感器9.3磁柵式傳感器9.4光電編碼器建議課時2授課方式理論知識講授+習題講解+課堂討論+任務(wù)驅(qū)動所屬專業(yè)教學目標掌握光柵式傳感器和光電編碼器的工作原理教學重點磁柵式傳感器和感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)和應(yīng)用教學難點感應(yīng)同步器工作原理參考教材《智能傳感與檢測技術(shù)》徐小華主編機械工業(yè)出版社ISBN978-7-111-76072-6教學內(nèi)容『新課導入』磁柵式傳感器是利用磁柵與磁頭的磁作用進行測量的數(shù)字式位移傳感器，其特點是成本較低且便于安裝和使用。感應(yīng)同步器可用于天線定跟蹤、導憚制導、精密機床或測量儀器設(shè)備的分度裝置等?！菏谡n內(nèi)容』9.3.1磁柵的基本概念『理論知識講授』9.3.2磁柵式傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理9.3.3磁柵式數(shù)顯裝置應(yīng)用9.4.1感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)和類型9.4.2感應(yīng)同步器的工作原理9.4.3感應(yīng)同步器的應(yīng)用【課堂提問】根據(jù)教材向?qū)W生提問，通過問答形式幫助學生復(fù)習、深化知識點。『任務(wù)驅(qū)動』1.磁柵式傳感器的工作原理是什么？2.感應(yīng)同步器的應(yīng)用有哪些？【課堂討論】針對教材中磁柵式傳感器和感應(yīng)同步器工作原理等疑難問題，在學生獨立思考之后，共同進行討論、辯論的教學組織形式及教學方法，可以全班進行，也可以分組進行?！赫n堂討論』【習題講解】三、綜合應(yīng)用題（第1題）『習題講解』解：感應(yīng)同步器就是利用感應(yīng)電勢的變化，來檢測在一個節(jié)距W內(nèi)的位移量，為絕對式測量。設(shè)滑尺繞組的節(jié)距為2，它對應(yīng)的感應(yīng)電勢按余弦函數(shù)規(guī)律將變化2。若滑尺的移動距離為x，則對應(yīng)于感應(yīng)電勢以余弦函數(shù)將變化θ：因θ＝180°，2τ=2mm，故滑尺移動距離x=1mm?！赫n堂小結(jié)』通過本節(jié)課學習可以了解磁柵式傳感器的工作原理和應(yīng)用案例，掌握感應(yīng)同步器的分類特點，能夠根據(jù)各種位移測量傳感器的優(yōu)缺點進行選型。『作業(yè)布置』P78課后習題『教學后記』授課章節(jié)第10章智能傳感器10.1智能傳感器概述10.2智能圖像傳感器建議課時2授課方式理論知識講授+提問討論+多媒體演示所屬專業(yè)教學目標1.理解智能傳感器的概念、功能、實現(xiàn)方式2.掌握CCD圖像傳感器的工作原理3.理解CMOS圖像傳感器組成與技術(shù)參數(shù)4.了解CIS圖像傳感器5.了解圖像傳感器的應(yīng)用教學重點1.智能傳感器的概念、功能、實現(xiàn)方式2.CCD圖像傳感器的工作原理3.CMOS圖像傳感器組成與技術(shù)參數(shù)教學難點1.CCD圖像傳感器的工作原理2.CMOS圖像傳感器組成與技術(shù)參數(shù)參考教材《智能傳感與檢測技術(shù)》徐小華主編機械工業(yè)出版社ISBN978-7-111-76072-6教學內(nèi)容『新課導入』智能傳感器系統(tǒng)是一門現(xiàn)代綜合技術(shù)，是當今世界正在迅速發(fā)展的高新技術(shù)。智能傳感器的功能是通過模擬人的感官和大腦的協(xié)調(diào)動作，結(jié)合長期以來智能測試技術(shù)的研究和實際經(jīng)驗而提出來的。傳感器智能化的發(fā)展有兩個方向：一個方向是傳感器與微處理器相結(jié)合；另一個方向是傳感器與人工智能技術(shù)相結(jié)合。『授課內(nèi)容』10.1智能傳感器概述10.1.1智能傳感器的概念智能傳感器的概念及雛形是美國宇航局在開發(fā)宇宙飛船的過程中形成的。宇宙飛船需要大量的傳感器檢測飛船的狀態(tài)（如溫濕度、氣壓、速度、加速度和姿態(tài)等）。人類大腦根據(jù)積累的知識、經(jīng)驗對環(huán)境進行推理判斷，做出相應(yīng)反應(yīng)，如圖10-1所示。智能傳感器與人類智能相類似，其傳感器相當于人類的感知器官，其微處理器相當于人類大腦，可進行信息處理、邏輯思維與推理判斷，存儲設(shè)備存儲“知識、經(jīng)驗”與采集的有用數(shù)據(jù)，如圖10-2所示為智能傳感器的結(jié)構(gòu)。10.1.2智能傳感器的功能智能傳感器引入了微處理器進行信息處理、邏輯思維、推理判斷，使其除了具有傳統(tǒng)傳感器的檢測功能外，還具有數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)通信等功能，其功能已經(jīng)延伸至儀器的領(lǐng)域。10.1.3智能傳感器的實現(xiàn)方式智能傳感器也種類繁多，如智能溫度傳感器、智能壓力傳感器、智能流量傳感器等。盡管各種智能傳感器功能各不相同，但是智能傳感器有著相類似的實現(xiàn)方式，具體分為以下3種實現(xiàn)方式。模塊化方式集成化方式混合方式10.1.4智能傳感與檢測技術(shù)10.2智能圖像傳感器10.2.1CCD圖像傳感器1.CCD的工作原理電荷耦合器件的突出特點是以電荷作為信號，而不同于其他大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號。所以CCD的的基本功能是存儲和轉(zhuǎn)移電荷。它存儲由光或電激勵產(chǎn)生的信號電荷，當對它施加特定時序的脈沖時，其存儲的信號電荷便能在CCD內(nèi)作定向傳輸。CCD工作過程中的主要問題是信號電荷的產(chǎn)生（將光轉(zhuǎn)換成信號電荷）、存儲（存儲信號電荷）、傳輸（轉(zhuǎn)移信號電荷）和檢測（將信號電荷轉(zhuǎn)換成電信號）。CCD的工作原理如圖10-7所示。2.CCD的分類按照像素排列方式的不同，CCD又可分為線陣（Linear）與面陣（Area）兩大類，如圖10-11所示。其中線陣應(yīng)用于影像掃瞄器及傳真機上，而面陣主要應(yīng)用于工業(yè)相機、數(shù)碼相機、攝錄影機、監(jiān)視攝影機等多項影像輸入產(chǎn)品上。1）線陣CCD2）面陣CCD3.CCD圖像傳感器的性能指標衡量CCD好壞的指標很多，如像素數(shù)、幀率、靶面尺寸、感光度、電子快門和信噪比等。其中，像素數(shù)和靶面尺寸是重要的指標。10.2.2CMOS圖像傳感器1.CMOS的組成CNOS的主要組成部分是像敏單元陣列和MOS效應(yīng)管集成電路，而且這兩部分是集成在同一硅片上的。像敏單元陣列由光電二極管陣列構(gòu)成。圖10-15所示的像敏單元陣列按X和Y方向排列成方陣，方陣中的每一個像敏單元都有它在X、Y方向上的地址，并可分別由兩個方向的地址譯碼器進行選擇，輸出信號送A/D轉(zhuǎn)換器進行模／數(shù)轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號輸出。2.CMOS的技術(shù)參數(shù)了解CCD和CMOS芯片的成像原理和主要參數(shù)對產(chǎn)品的選型非常重要。同樣，相同的芯片經(jīng)過不同的設(shè)計制造出的相機，性能也可能有所不同。3.CCD圖像傳感器與CMOS圖像傳感器的區(qū)別10.2.3CIS圖像傳感器除了CCD和CMOS圖像傳感器外，還有一種常用的圖像傳感器，叫接觸式圖像傳感器（CIS)。CIS圖像傳感器被用在掃描儀中，是將感光單元緊密排列，直接收集被掃描稿件反射的光線信息，由于本身造價低廉，又不需要透鏡組，所以可以制作出結(jié)構(gòu)更為緊湊的掃描儀，使成本大大降低。但是，由于是接觸式掃描（必須與原稿保持很近的距離）只能使用LED光源，分辨率以及色彩表現(xiàn)目前都趕不上CCD感光器件。掃描儀外形圖如圖10-17所示。掃描儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖10-18所示。10.2.4圖像傳感器的應(yīng)用1.CCD圖像傳感器在數(shù)碼速印機的應(yīng)用2.CMOS圖像傳感器的應(yīng)用【多媒體演示】多媒體課件見教材配套教學PPT『課堂小結(jié)』CCD圖像傳感器與CMOS圖像傳感器是被普遍采用的兩種圖像傳感器，兩者都是利用光電二極管進行光電轉(zhuǎn)換，將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字數(shù)據(jù)的。CCD圖像像傳感器與CMOS圖像傳感器器的主要差異是數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞讲煌?。CCD圖像傳感器中每一行中每一個像素的電荷數(shù)據(jù)都會依次傳送到下一個像素中，由最底端部分輸出，再經(jīng)由傳感器邊緣的放大器進行放大輸出。而在CMOS圖像傳感器中，每個像素都會鄰接一個放大器及A/D轉(zhuǎn)換電路，用類似內(nèi)存電路的方式將數(shù)據(jù)輸出。『作業(yè)布置』P101頁一、填空題1、2、3二、綜合題1、2、3、4『教學后記』授課章節(jié)第10章智能傳感器10.3智能生物傳感器10.4模糊傳感器10.5多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)10.6微傳感器建議課時2授課方式理論知識講授+提問討論+多媒體演示所屬專業(yè)教學目標1.掌握生物傳感器和生物芯片2.理解模糊傳感器3.理解多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)4.了解微傳感器教學重點1.生物傳感器和生物芯片2.模糊傳感器3.多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)教學難點1.生物傳感器和生物芯片2.模糊傳感器3.多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)參考教材《智能傳感與檢測技術(shù)》徐小華主編機械工業(yè)出版社ISBN978-7-111-76072-6教學內(nèi)容『新課導入』智能生物傳感器、模糊傳感器、微傳感器在發(fā)酵工藝、環(huán)境監(jiān)測、食品工程、臨床醫(yī)學、軍事及軍事醫(yī)學等方面得到了深度重視和廣泛應(yīng)用。隨著社會的進一步信息化，生物傳感器必將獲得越來越廣泛的應(yīng)用?！菏谡n內(nèi)容』10.3智能生物傳感器10.3.1生物傳感器概述生物傳感器一般是在基礎(chǔ)傳感器上再耦合一個生物敏感膜，也就是說生物傳感器是半導體技術(shù)與生物工程技術(shù)的結(jié)合。生物敏感物質(zhì)附著于膜上或包含于膜之中，溶液中被測定的物質(zhì)，經(jīng)擴散作用進入生物敏感膜層，經(jīng)分子識別，發(fā)生生物學反應(yīng)，所產(chǎn)生的信息可通過相應(yīng)的化學或物理換能器轉(zhuǎn)變成可定量和可顯示的電信號，就可知道被測物質(zhì)的濃度。1.葡萄糖傳感器2.酶傳感器3.微生物傳感器4.免疫傳感器5.半導體生物傳感器10.3.2生物芯片生物芯片的模樣五花八門，外觀五彩斑斕。有的和計算機芯片一樣規(guī)矩、方正，有的是一排排微米級圓點或一條條的蛇形細槽，還有的是一些不同形狀頭發(fā)粗細的管道和針孔大小的腔體。圖10-26所示為一種生物芯片的外觀結(jié)構(gòu)圖。10.3.3智能生物傳感器1.智能生物傳感器概述近年來，受生物科學、信息科學和材料科學發(fā)展的推動，智能生物傳感器技術(shù)飛速發(fā)展。未來的智能生物傳感器將進一步應(yīng)用在醫(yī)療保健、疾病診斷、食品檢測、環(huán)境監(jiān)測、發(fā)酵工業(yè)等各個領(lǐng)域。2.智能生物傳感器的應(yīng)用智能生物傳感器的研究開發(fā)，已成為世界科技發(fā)展的新熱點。智能生物傳感器在國民經(jīng)濟的各個部門如食品、制藥、化工、臨床檢驗、生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)測等部門有廣泛的應(yīng)用前景。在科學技術(shù)快速發(fā)展的今天，分子生物學與微電子學、光電子學、微細加工技術(shù)及納米技術(shù)等新學科、新技術(shù)結(jié)合，正改變著傳統(tǒng)醫(yī)學、環(huán)境科學動植物學的面貌。1）智能生物傳感器在食品分析中的應(yīng)用2）智能生物傳感器在環(huán)境測量中的應(yīng)用3）智能智能生物傳感器在發(fā)酵中的應(yīng)用4）智能生物傳感器在醫(yī)學與健康領(lǐng)域中的應(yīng)用10.4模糊傳感器10.4.1模糊傳感器概述模糊傳感器是在20世紀80年代末出現(xiàn)的術(shù)語，當時有學者提出一種超聲模糊傳感器，其描述距離測量結(jié)果為“遠”、“近”等自然語言。傳統(tǒng)傳感器是數(shù)值傳感器，它以定量數(shù)值來描述被測量的狀態(tài)。10.4.2模糊傳感器的結(jié)構(gòu)模糊傳感器的邏輯結(jié)構(gòu)如圖10-30所示，主要由信號檢測與處理單元、數(shù)值／符號轉(zhuǎn)換10.5多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)10.5.1多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)概述多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)包含多傳感器融合和數(shù)據(jù)融合。多傳感器融合是指多個基本傳感器空間和時間上的復(fù)合設(shè)計和應(yīng)用，常稱多傳感器復(fù)合。多傳感器融合能在極短時間內(nèi)獲得大量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)多路傳感器的資源共享，提高系統(tǒng)的可靠性和寬容性。10.5.2多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的流程10.6微傳感器10.6.1微傳感器概述微機電系統(tǒng)(MicroElectro-MechanicalSystems，簡稱為MEMS)，專指外形輪廓尺寸在毫米級以下，構(gòu)成它的機械零件和半導體元器件尺寸在微米至納米級，可對聲、光、熱、磁、壓力、運動等自然信息進行感知、識別、控制和處理的微型機電裝置，是融合了硅微加工、光刻鑄造成形和精密機械加工等多種微加工技術(shù)制作的系統(tǒng)。10.6.2MEMS傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域【多媒體演示】多媒體課件見教材配套教學PPT『課堂小結(jié)』微傳感器具有空間占有率小、靈敏度高、響應(yīng)速度快、便于集成化和多功能化、可靠性高、消耗電力小、價格低廉、適于批量化生產(chǎn)等優(yōu)點。因此MEMS傳感器已經(jīng)非常廣泛的應(yīng)用于航空航天、汽車工程、生物醫(yī)學與健康領(lǐng)域中?！鹤鳂I(yè)布置』P101頁一、填空題4二、綜合題5、6、7、8、9『教學后記』授課章節(jié)第12章現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12.1機器人傳感器12.2汽車傳感器建議課時2授課方式理論知識講授+提問討論+多媒體演示所屬專業(yè)教學目標1.熟悉機器人傳感器2.理解機器人的“大腦”和執(zhí)行機構(gòu)3.熟悉汽車上常用的傳感器4.了解汽車電子控制系統(tǒng)教學重點1.機器人傳感器2.汽車上常用的傳感器教學難點1.機器人傳感器2.汽車上常用的傳感器參考教材《智能傳感與檢測技術(shù)》徐小華主編機械工業(yè)出版社ISBN978-7-111-76072-6教學內(nèi)容『新課導入』傳感器技術(shù)是世界各國競相發(fā)展的高新技術(shù)，也是進入21世紀以來優(yōu)先發(fā)展的頂尖技術(shù)之一。傳感器技術(shù)所涉及的知識領(lǐng)域非常廣泛，其研究和發(fā)展也越來越多地和其他學科技術(shù)的發(fā)展緊密聯(lián)系。傳感器技術(shù)是現(xiàn)代科技的前沿技術(shù)，具有巨大的應(yīng)用潛力和廣泛的開發(fā)空間?，F(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的大量應(yīng)用了各種各樣的傳感器?！菏谡n內(nèi)容』12.1機器人傳感器12.1.1機器人概述國際標準化組織采納了美國機器人工業(yè)協(xié)會給機器人下的定義，即機器人是一種可編程和多功能的，用來搬運材料、零件、工具的操作機，或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變和可編程動作的專門系統(tǒng)。機器人的技術(shù)主要包括：傳感技術(shù)、智能技術(shù)、控制技術(shù)等。12.1.2機器人傳感器機器人傳感器可分為內(nèi)部檢測傳感器和外部檢測傳感器兩大類，如圖12-2所示。1.觸覺傳感器2.視覺傳感器3.聽覺傳感器4.接近覺傳感器嗅覺傳感器12.1.3機器人的“大腦”和執(zhí)行機構(gòu)1.機器人的“大腦”機器人的“大腦”叫做中央處理器（CPU），如圖12-4所示。中央處理器就是一個超大規(guī)模的集成電路，接收到傳感器傳回來的數(shù)據(jù)后，根據(jù)內(nèi)部預(yù)先設(shè)定好的算法程序解析各個信號所代表的真實意義。2.機器人的執(zhí)行機構(gòu)向轉(zhuǎn)動，也可以說成有7個自由度，由此可見一個機器人自由度越多，就說明這個機器人得動作就越靈活，如圖12-5所示。12.2汽車傳感器12.2.1汽車上常用的傳感器汽車技術(shù)發(fā)展特征之一就是越來越多的部件采用電子控制。根據(jù)傳感器的作用，可以分類為測量溫度、壓力、流量、位置、速度、氣體濃度、光亮度、距離等功能的傳感器，它們各司其職，一旦某個傳感器失靈，對應(yīng)的裝置工作就會不正常甚至不工作。因此，傳感器在汽車上的作用是非常重要的。汽車上的各類傳感器分布如圖12-8所示。1.汽車發(fā)動機上的傳感器發(fā)動機用傳感器主要包括空氣流量傳感器、進氣壓力傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、曲軸位置傳感器、凸輪軸位置傳感器、進氣與冷卻液溫度傳感器、氧傳感器、爆燃傳感器等。圖12-9為發(fā)動機控制系統(tǒng)傳感器安裝位置圖。2.液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的傳感器液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中主要傳感器為安裝在方向盤柱上的轉(zhuǎn)矩傳感器和方向盤轉(zhuǎn)角傳感器，如圖12-10所示。3.汽車變速器上的傳感器4.安全氣囊上的傳感器5.全自動空調(diào)系統(tǒng)上的傳感器6.電控懸架上的傳感器7.雨量和光線識別傳感器8.光照強度傳感器12.2.2汽車電子控制系統(tǒng)1.汽車電子點火系統(tǒng)汽車電腦ECU電子點