《传感器原理及应用》教案Word格式.docx

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设计意图

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1.测量方法的分类

（1）按测量手续分类

直接测量直接测量就是用预先标定好的测量仪表直接读取被测量的测量结果。

例如用万用表测量电压、电流、电阻等。

这种测量方法的优点是简单而迅速，缺点是精度一般不高。

但这种测量方法在工程上广泛采用。

间接测量间接测量就是利用被测量与某中间量的函数关系，先测出中间量，然后通过相应的函数关系计算出被测量的数值。

在这种测量过程中，手续较多，花费时间较长，有时可以得到较高的测最精值。

间接测量多用于科学实验中的实验室测量。

联立测量联立测量又叫组合测量。

如果被测量有多个，而且被测量又与某些可以通过直接或间接测量得到结果的其他量存在一定的函数关系，则可先测量这几个量，再求解函数关系组成的联立方程组，从而得到多个被测量的数值。

显然，它是一种兼用直接测量和间接测量的方式

（2）按测量时是否与被测对象接触分类

接触式测量传感器直接与被测对象接触，承受被测参数的作用，感受其变化，从而获得信号，并测量其信号大小的方法，称为接触测量法。

例如用体温计测体温等。

非接触式测量传感器不与被测对象直接接触，而是间接承受被测参数的作用，感受其变化，从而获得信号，并测量其信号大小的方法，称为非接触测量法。

例如用辐射式温度计测量温度，用光电转速表测量转速等。

非接触测量法不干扰被测对象，既可对局部点检测，又可对整体扫描。

特别是对于运动对象、腐蚀性介质及危险场合的参数检测，它更方便、安全和准确。

（3）按被测信号的变化情况分类

静态测量静态测量是测量那些不随时间变化或变化很缓慢的物理量。

如超市中物品的称重属于静态测量，温度计测气温也属于静态测量。

动态测量动态测量是测量那些随时间而变化的物理量。

如地震仪测量振动波形则属于动态测量。

（4）按输出信号的性质分类

模拟式测量模拟式测量是指测量结果可根据仪表指针在标尺上的定位进行连续读取的方法，如模拟式电压表测电压。

数字式测量数字式测量是指以数字的形式直接给出测量结果的方法，如光电脉冲编码器的测量。

2.测量误差的分类

系统误差在相同测量条件下多次测量同一物理量，其误差大小和符号保持恒定或按某一确定规律变化，此类误差称为系统误差。

系统误差表征测量的准确度。

随机误差在相同测量条件下多次测量同一物理量，其误差没有固定的大小和符号，呈无规律的随机性，此类误差称为随机误差。

通常用精密度表征随机误差的大小。

准确度和精密度的综合称为精确度，简称精度。

粗大误差明显偏离约定真值的误差称为粗大误差。

它主要是由于测量人员的失误所致，如测错、读错或记错等。

含有粗大误差的数值称为坏值，应予以剔除。

在测量中，若误差大于极限误差Cσ，即为粗大误差。

如压力传感器的准确度等级分别为0.05、0.1、0.2、0.3、0.5、1.0、1.5、2.0等；

我国电工仪表的准确度等级分别为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0。

多媒体讲解

图解分析

10分钟

70分钟

教学反思

《传感器技术及应用》课程教案

传感器的组成和特性

一.了解传感器的组成

二.掌握传感器的组成和特性

传感器的组成

掌握传感器的特性

传感器就是利用物理效应、化学效应、生物效应，把被测的物理量、化学量、生物量等非电量转换成电量的器件或装置。

传感器的作用可包括信息的收集、信息数据的交换及控制信息的采集三大内容。

通过传感器对自然界的各种物质信息进行采集。

如图所示,人们把传感器比作人的五种感觉器官，但在诸如高温、高湿、深井、高空等环境及高精度、高可靠性、远距离、超细微等方面是人的感官所不能代替的。

传感器的应用领域

如图1-2所示,传感器是任何一个自动控制系统必不可少的环节。

如今，传感器的应用领域已涉及到科研、各类制造业、农业、汽车、智能建筑、家用电器、安全防范、机器人、人体医学、环境保护、航空航天、遥感技术、军事等各个方面，人们已经离不开各种各样的传感器了。

传感器的分类

1）按输入量（被测对象）分类

输入量即被测对象，按此方法分类，传感器可分为物理量传感器、化学量传感器和生物量传感器三大类。

例如，物理量传感器又可分为温度传感器、压力传感器、位移传感器等等。

这种分类方法给使用者提供了方便。

2）.按转换原理分类

从传感器的转换原理来说，通常分为结构型、物性型和复合型三大类。

结构型传感器是利用机械构件（如金属膜片等）在动力场或电磁场的作用下产生变形或位移，将外界被测参数转换成相应的电阻、电感、电容等物理量，它是利用物理学运动定律或电磁定律实现转换的。

物性型传感器是利用材料的固态物理特性及其各种物理、化学效应（即物质定律，如虎克定律、欧姆定律等）实现非电量的转换。

它是以半导体、电介质、铁电体等作为敏感材料的固态器件。

例如：

电阻式、电感式、电容式、压电式、光电式、热敏、气敏、湿敏、磁敏等等。

复合型传感器是由结构型传感器和物性型传感器组合而成的，兼有两者的特征。

这种分类方法清楚地指明了传感器的原理，便于学习和研究。

3）.按输出信号的形式分类

按输出信号的形式，传感器可分为开关式、模拟式和数字式。

4）.按输入和输出的特性分类

按输入和输出特性，传感器可分为线性和非线性两类。

5）.按能量转换的方式分类

按转换元件的能量转换方式，传感器可分为有源型和无源型两类。

有源型也称能量转换型或发电型，它把非电量直接变成电压量、电流量、电荷量等，如磁电式、压电式、光电池、热电偶等。

无源型也称能量控制型或参数型，它把非电量变成电阻、电容、电感等量。

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PPT讲述

动画放影并讲述

传感器中的弹性敏感元件

一.了解弹性敏感元件的特性

二.掌握应变力的计算

了解弹性敏感元件的特性

掌握应变力的计算

1.应力

2.应变

3.胡克定律与弹性模量

σ=Eε

τ=Gγ

式中，E为弹性模量或称杨氏模量，单位为N／m2；

G为剪切模量或称刚性模量；

τ为切应力。

1.弹性敏感元件的特性

说明弹性元件受力（或力矩、压力）与其相应的位移（线位移，角位移）之间的关系

II.弹性敏感元件的材料

III.弹性敏感元件的类型

1.变换力的弹性敏感元件

2.变换压力的弹性元件

多媒体教学

传感器的应用

一.了解传感器应用的范围

二.掌握如何选择相应的传感器

了解传感器应用的范围

掌握掌握如何选择相应的传感器

传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。

在有些学科领域，传感器又称为敏感元件、检测器、转换器等。

这些不同提法，反映了在不同的技术领域中，只是根据器件用途对同一类型的器件使用着不同的技术术语而已。

现如今应用最为广泛。

1在工业生产中的应用越来越重要。

2在军工设备仪器中占据的位置越来越重。

3在医疗设备中有广泛的应用。

4在日常生活中，检测设备也非常重要的应用。

航空航天宇宙飞船

飞行的速度、加速度、位置、姿态、温度、气压、磁场、振动测量；

“阿波罗10”飞船对3295个参数进行检测，其中：

温度传感器559个压力传感器140个

信号传感器501个遥控传感器142个

动画演示

师生共同讨论

传感器的发展趋势

一.了解传感器的发展趋势

二.掌握传感器应用的环境

了解传感器的发展趋势

掌握传感器应用的环境

一、开发新型传感器

传感器的工作机理是基于各种效应和定律，由此启发人们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，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。

结构型传感器发展得较早，目前日趋成熟。

结构型传感器，一般说它的结构复杂，体积偏大，价格偏高。

物性型传感器大致与之相反，具有不少诱人的优点，加之过去发展也不够。

世界各国都在物性型传感器方面投入大量人力、物力加强研究，从而使它成为一个值得注意的发展动向。

（1）采用新原理

（2）填充传感器空白（3）仿生传感器

二、开发新材料

传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学的进步，人们在制造时，可任意控制它们的成分，从而设计制造出用于各种传感器的功能材料。

用复杂材料来制造性能更加良好的传感器是今后的发展方向之一。

三、新工艺的采用

在发展新型传感器中，离不开新工艺的采用。

新工艺的含义范围很广，这里主要指与发展新型传感器联系特别密切的微细加工技术。

该技术又称微机械加工技术，是近年来随着集成电路工艺发展起来的，它是离子束、电子束、分子束、激光束和化学刻蚀等用于微电子加工的技术，目前已越来越多地用于传感器领域。

新工艺的采用

例如利用半导体技术制造出压阻式传感器，利用薄膜工艺制造出快速响应的气敏、湿敏传感器，日本横河公司利用各向异性腐蚀技术进行高精度三维加工，在硅片上构成孔、沟棱锥、半球等各种开头，制作出全硅谐振式压力传感器。

四、集成化、多功能化

集成化:

为同时测量几种不同被测参数，可将几种不同的传感器元件复合在一起，作成集成块。

例如一种温、气、湿三功能陶瓷传感器已经研制成功。

把多个功能不同的传感元件集成在一起，除可同时进行多种参数的测量外，还可对这些参数的测量结果进行综合处理和评价，可反映出被测系统的整体状态。

多功能化:

同一功能的多元件并列化，即将同一类型的单个传感元件用集成工艺在同一平面上排列起来，如CCD图像传感器。

多功能一体化，即将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件。

五、智能化

对外界信息具有检测、数据处理、逻辑判断、自诊断和自适应能力的集成一体化多功能传感器，这种传感器具有与主机互相对话的功能，可以自行选择最佳方案，能将已获得的大量数据进行分割处理，实现远距离、高速度、高精度传输等。

讲授法

讨论法

温度传感器基础知识

一.了解温度的基础知识

二.掌握温度的相关概念

了解温度的基础知识

掌握温度的相关概念

1.1温度定义

温度（temperature）是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。

两个不同温度相接触的物体将会产生热交换

在国际单位制中，以热力学温标为基本温标，它定义的温度为热力学温度T，单位为开尔文，符号为K。

热力学温度单位开尔文（k）是国际单位制基本单位之一。

其它的基本单位还有米、千克、秒、安培、摩尔和坎德拉等，用符号K表示。

1.2温标分类

温标定义：

用来量度物体温度数值的标尺叫温标。

它规定了温度读数起点（零点）和测量温度的基本单位。

温标分类：

目前国际上用得较多的温标有：

华氏温标（°

F）

摄氏温标（°

C）

热力学温标（K）

国际实用温标

1.3温标特点

（1）摄氏温标

把在标准大气压下冰的熔点定为零度（°

C），把水的沸点定为100度，两个温度点间划分100份，每份为1摄氏度。

符号为t，单位为°

C。

（2）华氏温标

把在标准大气压下冰的熔点定为32F，水的沸点定为212F，两温度点划分180份，每份为1华氏度。

符号为θ。

它与华氏度的关系为

（3）热力学温标

热力学温标以水的三相点平衡共存时的温度为基本定点，并规定其温度为273.15K。

三相点是指在热力学里，可使一种物质三相（气相，液相，固相）共存的一个温度和压力的数值。

开氏温度计上的一度等于摄氏温度计上的一度，水的冰点摄氏温度计为0°

C，开氏温度计为273.15K。

（4）国际实用温标

为解决国际上温度标准的统一及实用问题，国际上协商决定，建立一种既能体现热力学温度（即能保证一定的准确度），又使用方便、容易实现的温标，即国际实用温标，又称国际温标。

1968年国际实用温标规定热力学温度是基本温度，用t表示，其单位是开尔文，符号为K。

1K定义为水三相点热力学温度的1/273.16，水的三相点是指纯水在固态、液态及气态三项平衡时的温度，热力学温标规定三相点温度为273.16K，这是建立温标的唯一基准点。

温度传感器分类与特点

一.了解温度传感器分类

二.掌握温度传感器的特点

了解温度传感器分类

掌握温度传感器的特点

1.1温度传感器定义

温度传感器是一种将温度变化转换为电量变化的传感器，它利用感温元件的电参量随温度变化的特性，通过测量电路电信号变化来检测温度。

具体来说，就是将温度变化转化为电路变化并输出的装置。

例如，将温度变化转化为电阻、电势、磁导等变化，再通过适当的测量电路就可以将这些点参数的变化来表达所测温度的变化。

1.2温度传感器要求

作为温度传感器应满足的条件如下：

●特性与温度之间的关系要适中，并容易检测和处理，且随温度呈线性变化；

●除温度以外，特性对其它物理量的灵敏度要低；

●特性随时间变化要小；

●重复性好，没有滞后和老化；

●灵敏度高，坚固耐用，体积小，对检测对象的影响要小；

●机械性能好，耐化学腐蚀，耐热性能好；

●能大批量生产，价格便宜；

●无危险性，无公害等。

1.3温度传感器分类

温度传感器种类繁多，分类方法各异，通常情况下：

接触式温度传感器特点：

传感器直接与被测物体接触，由于被测物体的热量传递给传感器，降低了被测物体温度，特别是被测物体热容量较小时，测量精度较低。

热电阻、热敏电阻、热电偶等。

非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。

其制造成本较高，测量精度却较低。

优点是：

不从被测物体上吸收热量；

不会干扰被测对象的温度场；

辐射高温计、辐射高温计等。

1.4温度传感器特性

图片展示

热敏电阻

一.了解电阻式温度传感器的概念

二.掌握主要参数

了解电阻式温度传感器的概念

掌握主要参数

1.1电阻式温度传感器

定义：

利用导体或半导体的电阻随温度变化而变化的性质而工作的。

用仪表测量出热电阻的阻值变化，经过查表换算即可得到与电阻值对应的温度值。

分类：

1.2热敏电阻定义与分类

热敏电阻是利用某种半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的,属于半导体测温元件。

热敏电阻的种类很多，按阻值与温度关系特性可分为：

1.4热敏电阻主要参数

热敏电阻主要参数包括：

（1）标称电阻R25（冷阻）

标称电阻值是热敏电阻在25±

0.2℃时的阻值。

（2）电阻温度系数（%/℃）

热敏电阻的温度变化1℃时电阻值的变化率。

（3）最高工作温度Tmax

热敏电阻器在规定技术条件下长期连续工作所允许最高温度：

T0—环境温度；

PE—环境温度为T0时的额定功率；

H—耗散系数

（4）转变点温度Tc

热敏电阻器的电阻一温度特性曲线上的拐点温度，主要指正电阻温度

系数热敏电阻和临界温度热敏电阻。

（5）额定功率PE

热敏电阻器在规定的条件下，长期连续负荷工作所允许的消耗功率。

在此功率下,它自身温度不应超过Tmax。

（6）测量功率P0

热敏电阻器在规定的环境温度下,受到测量电流加热而引起的电阻值变化不超过0.1％时所消耗的功率

（7）工作点电阻RG

在规定的温度和正常气候条件下，施加一定的功率后使电阻器自热而达到某一给定的电阻值。

电阻应变片传感器

一.了解电阻应变片传感器原理结构

二.掌握工作原理

了解电阻应变片传感器原理结构

掌握工作原理

电阻式传感器

电阻式传感器是一种能把非电量（如力、压力、位移、湿度等）转换成与之有对应关系的电阻值，再经过测量电桥把电阻值转换成便于传送和记录的电压（电流）信号的装置。

电阻式传感器的种类很多，主要有电阻应变式、电位器式、热电阻式、气敏、湿敏等类型。

导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，这种现象称为应变效应。

金属丝式与箔式应变片的区别

金属丝式应变片蠕变（固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象）较大，金属丝易脱胶，逐渐被箔式所取代。

但金属丝式应变片价格便宜，多用于大批量、一次性试验。

箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的。

箔式应变片与片基的接触面积大得多，散热条件较好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，目前广泛用于电子秤等各种应变式传感器中。

半导体应变片

以半导体材料（N型和P型硅）为基底，利用扩散、外延和薄膜工艺制成的。

▲主要优点是灵敏度比金属应变片高很多。

▲缺点是：

灵敏度的一致性差、温漂大、电阻与应变间非线性严重。

▲在使用时，需采用半桥、全桥温度补偿及非线性补偿措施。

讨论

应变片的粘贴方法

一.了解应变片的粘贴的原理

二.掌握应变片的粘贴方法

了解应变片的粘贴的原理

掌握应变片的粘贴方法

1）检查阻值

2）在选定贴应变片的位置划出十字线

3）再用细砂纸精磨（45度交叉纹）

4）用棉纱或脱脂棉花沾丙酮清洁结构表面，擦几遍后，不可再用手接触表面。

5）用透明胶带将应变片与构件在引脚处临时固定，移