传感器与检测技术电子教案.docx

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传感器与检测技术电子教案

教师授课教案

二级学院：

交通机电学院

授课班级：

2016级机械设计制造及其自动化1班,

2017级机械电子工程1班

授课教师：

XXX

教师职称：

授课专业：

机械设计制造及其自动化

机械电子工程

授课课程：

传感器与测试技术

授课时间：

2019年2月25日——2019年6月28日

课程分析

学情分析（如：

学生层次、专业知识基础、前置课程等）

传感器与测试技术是机械设计制造及其自动化专业（本科）的一门专业课，本课程需要一定的电工电子技术知识，自动控制技术基础知识等作为基础，其前置课程有，电工电子，C语言等。

课程目标

知识目标

通过传感器与检测技术的学习，应使学生系统地掌握传感器的工作原理、基本结构、测量电路及各种应用，熟悉非电量测量的基本知识，及误差处理方法，熟悉工业过程主要参数的检测方法，了解传感器的发展趋势及在工业生产和科学技术方面的广泛应用，具有正确应用传感器的能力。

具体如下：

（1）测量误差与数据处理；

（2）电阻式、变电抗式、光电式传及电势式感器原理与应用；（3）温度检测；（4）传流量检测。

技能目标

锻炼学生应用各种手段查阅文献资料、获取信息、拓展知识领域、继续学习并提高业务水平的能力。

教学资源

机房，多媒体教室，教学软件

考核方式

上机考

课程推荐参考书目

[1]赵新宽，传感器技术及实训第2版，北京：

机械工业出版社，2018；

[2]吕勇军，传感器技术实用教程，北京：

化学工业出版社，2017；

[3]陈黎敏，传感器技术及其应用，北京：

机械工业出版社，2014。

教学进度计划表：

周次

起止时间

授课章节

教学课题

计划课时

起止

页码

作业布置或

实践要求

1

2月25日-3月1日

第1章

传感器与检测技术基础

4

1-10

所有练习题

2

3月4日-3月8日

2.2-2.3.1

测量误差的处理

4

12-17

所有练习题

3

3月11日-3月15日

2.3.2-2.3.3

集成温度传感器，温度传感器的应用

4

17-23

所有练习题

4

3月18日-3月22日

2.3.4-2.3.6

电感式压力传感器

4

23-32

所有练习题

5

3月25日-3月29日

2.3.7-2.3.10

声波概述

4

32-38

所有练习题

6

4月1日-4月5日

2.5

超声波传感器

4

38-51

所有练习题

7

4月8日-4月12日

3.1-3.2

声波传感器的应用

4

60-67

所有练习题

8

4月8日-4月12日

3.3-3.4

霍尔式传感器

4

68-78

所有练习题

9

4月15日-4月19日

3.5

半导体磁阻传感器

4

78-80

所有练习题

10

4月22日-4月26日

3.6

磁敏二极管

4

80-95

所有练习题

11

4月29日-5月3日

第4章

磁敏传感器的应用

4

96-124

所有练习题

12

5月6日-5月10日

第5章

红外传感器

4

132-152

所有练习题

13

5月13日-5月17日

考试

考试

4

所有实训项目

14

5月27日-5月31日

实训

认识传感器

4

所有实训项目

15

6月3日-6月7日

实训

拆装传感器

4

所有实训项目

16

6月10日-6月14日

实训

拆装传感器

4

所有实训项目

17

6月17日-6月21日

实训

传感器接线控制

4

所有实训项目

18

6月24日-6月28日

实训

传感器接线控制

4

所有实训项目

讲授48课时实作（实验）24课时

授课教案1

课程名称

传感器与测试技术

项目或章节名称

传感器与检测技术基础

课程类型

理论课√实训课口习题课口其他口

教学目标

知识目标

1、了解传感器与检测技术的作用与地位；

2、了解传感器与检测技术的作用与地位；

技能目标

1、能分析传感器的静态特性

2、能分析传感器的动态特性

教学方法

采用多媒体教学；用简单的例子说明传感器的作用与地位，使学生加强对传感器的认识，提高他们的学习兴趣。

教学过程及时间分配设计

课程导入

（10）分钟

导入内容或案例

检测技术是以研究自动检测系统中的信息提取、信息转换、信息处理以及信息传输的理论和技术为主要内容的一门应用技术学科；具有参数测量功能、参数监测控制功能和测量数据分析判断功能。

信息技术四大支柱:

检测技术、计算机技术、自动控制技术和通信技术。

传感器位于研究对象与测控系统之间的接口位置，是感知、获取与检测信息的窗口,是信息技术的源头。

课堂讲授

（55）分钟

重点、难点

重点：

传感器与检测技术的作用与地位

难点：

传感器的基本特性

讲授内容

一，检测技术概论

传感器与检测技术在信息技术领域具有十分重要的基础性地位，推动了现代科学技术的进步，在国民经济中具有“倍增器”作用。

1.与人们日常生活密切相关2.推进信息化与工业化的深度融合

二，传感器的定义及其分类

传感器的定义与组成

定义：

能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。

传感器的共性就是利用物理定律或物质的物理、化学或生物特性，将非电量输入转换成电量或电参数输出。

传感器的分类

传感器可按输入量、输出量、工作原理、基本效应、能量变换关系以及所蕴含的技术特征等进行分类。

其中按输入量和工作原理的分类方法应用较为普遍。

三，传感器的基本特性

1.精确度

传感器的精确度简称精度，与精密度和准确度有关。

（1）精密度:

传感器输出值的分散性。

（2）准确度:

传感器输出值与真值的偏离程度。

（3）精确度（精度）：

精密度和准确度两者的总和。

实践练习

（10）分钟

实践内容

让学生宏观的认识传感器

课堂总结

（5）分钟

总结内容

传感器的动态特性可以从时域和频域两个方面分别采用瞬态响应法和频率响应法来分析。

在时域内研究传感器的响应特性时，一般采用阶跃函数；在频域内研究动态特性一般是采用正弦函数。

对应的传感器动态特性指标分为两类，即与阶跃响应有关的指标和与频率响应特性有关的指标。

（1）在采用阶跃输入研究传感器的时域动态特性时，常用延迟时间、上升时间、响应时间、超调量等来表征传感器的动态特性。

（2）在采用正弦输入信号研究传感器的频域动态特性时，常用幅频特性和相频特性来描述传感器的动态特性。

案例简介

传感器技术的发展趋势主要表现以下六个方面：

1.传感器性能的改善：

采用差动技术、平均技术、补偿与修正技术、屏蔽与隔离技术、稳定性处理技术。

2.开展基础理论研究：

寻找新原理、开发新材料、采用新工艺或探索新功能等

3.传感器的集成化：

具有相同功能的传感器集成化、不同功能的传感器集成化、传感器和相应的测量电路集成化。

4.传感器的智能化：

传感器与微处理器、模糊理论和知识集成等技术结合。

5.传感器的网络化：

基于现场总线传感器网络、无线传感器网络、物联网等：

6.传感器的微型化：

MEMS技术的迅速发展，传感器小型化、微型化

励志环节

每一项工作都是一种组织性的活动，因为人多，人事的问题也多我们常常会听到这样或那样是非难辨的话，如是往往令人思维混淆、影响信心。

因此找出事情的真相，不要轻易相信谣言，辛辛苦苦建立的事业才不会毁于一旦。

课后作业

书上练习题1,2,3.

授课教案2

课程名称

传感器与测试技术

项目或章节名称

测量误差的基本概念

课程类型

理论课√实训课口习题课口其他口

教学目标

知识目标

1，掌握误差的表达方法；

2，了解误差的分类及其来源；

技能目标

使学生能独立的分析各种误差

教学方法

采用多媒体教学+学生练习

教学过程及时间分配设计

课程导入

（10）分钟

导入内容或案例

量是物体可以从数量上进行确定的一种属性。

由一个数和合适的计量单位表示的量称为量值，如某压力为1N。

量值有真值、实际值、标称值和指示值之分。

课堂讲授

（20）分钟

重点、难点

重点：

误差的表达方法。

难点：

误差的来源。

讲授内容

一，测量误差的基本概念

1，误差的表达方法

根据不同的应用场合和需要，测量误差的表达方法常用以下几种。

1.绝对误差

绝对误差就是测量值与真值间的差值，可表示为

2.相对误差

相对误差就是绝对误差与真值的百分比，可表示为

由于真值无法知道，实际处理时用测量值代替真值来计算相对误差，即

3.引用误差

引用误差是相对于仪表满量程的一种误差，一般用绝对误差除以满量程的百分数来表示

二，误差的分类及其来源

一），系统误差

1.定义

在相同的条件下多次测量同一量时，误差的绝对值和符号保持恒定或在条件改变时，与某一个或几个因素成函数关系的有规律的误差，称为系统误差。

系统误差越小，则测量结果的准确度越高。

2.主要来源

（1）测量设备在标准条件下产生的基本误差。

（2）偏离额定工作条件所产生附加误差。

（3）测量理论、方法不完善产生的方法误差差。

（4）试验人员主客观原因产生的人为误差。

二）随机误差

1.定义

对同一被测量进行多次重复测量时，绝对误差的绝对值和符号不可预知地随机变化，但就误差的总体而言，具有一定的统计规律性，这类误差称之为随机误差。

随机误差的大小表明测量结果重复一致的程度，即测量结果的分散性。

随机误差大，测量结果分散，精密度低；随机误差小，测量结果的重复性好，精密度高。

实践练习

（45）分钟

实践内容

课堂总结

（5）分钟

总结内容

由多种偶然因素对测量值的综合影响造成的。

如电磁场变化、热起伏、空气扰动、气压和湿度变化等

特性

（1）对称性：

绝对值相等、符号相反的随机误差出现的概率趋于相等。

（2）有界性：

随机误差绝对值不会超过某一限度。

（3）单峰性：

绝对值小的随机误差出现的概率大于绝对值大的随机误差出现的概率。

（4）抵偿性：

无限多次测量的随机误差平均值趋于零

案例简介

粗大误差主要是由于测量方法不当；使用有缺陷的计量器具；实验条件突变；测量人员粗心读数据。

励志环节

我们常说沉默是金，但是在应该说话的时候就不应该沉默呀在推销行业里，你要成功就必须不断热忱地与别人分享你的产品或你的理想。

有的人参加了推销生意连最近的朋友也不知道，这样的“沉默”又怎能生“金”呢？

课后作业

教材第18页练习题2，4题

授课教案3

课程名称

传感器与测试技术

项目或章节名称

测量误差的处理

课程类型

理论课√实训课口习题课口其他口

教学目标

知识目标

1、掌握系统误差的处理；

2、了解正态分布随机误差的数字特征；

3、了解正态分布的概率计算；

技能目标

使学生能独立的处理系统误差。

教学方法

采用多媒体教学+学生练习

教学过程及时间分配设计

课程导入

（10）分钟

导入内容或案例

系统误差是由测量系统本身的缺陷或测量方法的不完善造成的，使得测量值中含有固定不变或按一定规律变化的误差。

特点是不具有抵偿性，也不能通过重复测量来消除;

系统误差处理原则是找出系统误差产生的根源，然后采取相应的措施尽量减小或消除系统误差。

课堂讲授

（55）分钟

重点、难点

重点：

系统误差的处理。

难点：

测量误差的处理。

讲授内容

一，随机误差的处理

2.正态分布随机误差的数字特征

在实际测量中，由于真值不可能得到。

根据随机变量的正态分布特征，可

以用其算术平均值来代替。

算术平均值反映了随机变量的分布中心。

在实际测量中，由于真值无法知道，就用测量值的算术平均值代替。

各测量值与算术平均值的差值称为残余误差，即

3.正态分布的概率计算

为了确定测量的可靠性，需要计算正态分布在不同区间的概率。

由于残余误差表示的正态分布密度函数为

二，系统误差的处理

1，系统误差的发现与判别

（1）实验对比法

通过改变产生系统误差的条件从而进行不同条件下的测量，以发现系统误差。

适用于发现固定的系统误差。

（2）残余误差观察法

根据测量值残余误差的大小和符号的变化规律来判断有无变化的系统误差。

（3）准则检查法

马利科夫准则：

将残余误差的前后各一半分成两个组，如果前、后两组残余误差的和明显不同，则可能含有线性系统误差。

阿贝准则：

是检查残余误差是否偏离正态分布，若偏离，则可能存在变化的系统误差。

其做法是将测量值的残余误差按测量顺序排列，并计算

2，系统误差的消除

（1）消除系统误差产生的根源

测量前，仔细检查仪表，正确调整和安装；防止外界干扰的影响；选择好观测位置消除视差；选择环境条件较稳定时进行测量和读数。

（2）在测量系统中采用补偿措施

找出系统误差的规律，选用适当的方法消除系统误差。

对应恒定系统误差可用标准量替代法、反向补偿法等；对应周期性系统误差可选用半周期偶数测量法（按系统误差变化的半个周期测量一次，每个周期测量两次，取平均值）。

（3）实时反馈修正

当查明某种误差因素的变化对测量结果有明显的影响时，可尽量找出其影响测量结果的函数关系或近似函数关系，然后按照这种函数关系对测量结果进行实时的自动修正。

（4）在测量结果中进行修正

对于已知的系统误差，可以用修正值对测量结果进行修正；对于变值系统误差，设法找出误差的变化规律，用修正公式或修正曲线对测量结果进行修正；对未知的系统误差，则归入随机误差一起处理。

实践练习

（10）分钟

实践内容

要测量一个约80V的电压量，现有两块电压表供选用，一块量程为300V，精度等级0.5；一块量程为100V，精度等级1.0。

请问选用哪一块电压表更好？

课堂总结

（5）分钟

总结内容

分析系统误差的产生原因一般应考虑以下几个方面：

（1）所用测量仪表或元件本身是否准确可靠；

（2）测量方法是否完善；

（3）传感器或仪表的安装、调整、放置等是否正确、合理；

（4）测量仪表的工作环境条件是否符合规定条件；

（5）测量者的操作是否正确。

案例简介

格拉布斯准则的基本处理方法

励志环节

多走几步即可与成功有约。

只有流勤劳的汗，才能吃勤劳的饭。

一份耕耘，一份收获，世上没有轻而易举而得到的本领，天才来源于勤奋。

课后作业

课后练习题4,6,9

授课教案4

课程名称

传感器与测试技术

项目或章节名称

热电偶，热电阻

课程类型

理论课√实训课口习题课口其他口

教学目标

知识目标

1、让学生掌握热电偶传感器测温原理；

2、让学生掌握热电偶的结构与种类

3、热电阻结构及工作原理

技能目标

使学生掌握热电偶的实用测温电路。

教学方法

多媒体+练习教学

教学过程及时间分配设计

课程导入

（10）分钟

导入内容或案例

温度是人体最敏感的物理量之一，光、声强度增大10％对人的感觉影响不大，但温度却有较大影响；温度与人们生活密切相关，空调、冰箱、热水器、微波炉、电磁炉等家用电器都与温度有关；其它传感器测试环境与温度密切相关，温度是影响量，其变化将会产生系统误差（附加误差）；在工业、农业、商业、科研、国防、医学及环保等领域，都涉及温度检测与控制；工业自动化生产流程中，温度测量点占50%以上。

课堂讲授

（20）分钟

重点、难点

重点：

热电偶的结构与种类。

难点：

热电阻结构及工作原理

讲授内容

一、热电偶

一），热电偶传感器测温原理

1.热电偶的特点

（1）结构简单；

（2）具有较高的准确度；

（3）测量范围宽，通常-50℃~1600℃，配用特殊材料的热电极

-180℃~2800℃；

（4）具有良好的敏感度；

（5）信号可以远传和记录。

2.热电效应

两种不同的导体两端相互紧密地连接在一起，组成一个闭合回路，当两接点温度不等时，回路中就会产生大小和方向与导体材料及两接点的温度有关的电动势，从而形成电流，这种现象称为热电效应。

该电动势称为热电动势；把这两种不同导体的组合称为热电偶，称A、B两导体为热电极。

热电偶的两个接点中，置于温度t为的被测对象中的接点称为测量端（工作端或热端）；而温度t0为的另一接点称为参考端（自由端或冷端），一般要求它恒定在某一温度。

热电动势来源于两个方面，一部分由两种导体的接触电动势构成，另一部分是单一导体的温差电动势。

3.单一导体的温差电动势

对单一金属导体，如果将导体两端分别置于不同的温度场t，t0中（t>t0），

在导体内部，热端的自由电子具有较大的动能，将更多地向冷端移动，导致热端失去电子带正电，冷端得到电子带负电，这样，导体两端将产生一个热端指向冷端的静电场。

二）热电偶的基本定律

三）热电偶的结构与种类

1.结构

为了适应不同测量对象的测温条件和要求,热电偶的结构形式有普通型热电偶、铠装型热电偶和薄膜型热电偶。

二，热电阻

热电阻作为一种感温元件，它是利用导体的电阻值随温度变化而变化的特性来实现对温度的测量。

最常用的材料是铂和铜。

工业上被广泛用来测量中低温区－200～500℃的温度。

实践练习

（45）分钟

实践内容

让学生上台解释电路工作原理：

课堂总结

（5）分钟

总结内容

两种不同的导体的电子密度不同，当A、B连接在一起，由于两者内部单位体积的自由电子数目不同，A、B的接触处就会发生电子的扩散，且电子在两个方向上扩散的速率不相同。

这种由于两种导体自由电子密度不同，而在其接触处形成的电动势称为接触电动势。

案例简介

辐射式测温方法

辐射式测温方法分为亮度法、全辐射法和比色法。

本节简要介绍全辐射法。

全辐射法是指被测对象投射到检测元件上的是对应全波长范围的辐射能量，而能量的大小与被测对象温度之间的关系是由斯忒藩—波耳兹曼所描述的一种辐射测温方法。

典型的全辐射测温传感器是辐射温度计（热电堆）。

励志环节

有谁不要成功？

又有谁不知道要成功就必须要学习？

要参加训练？

要努力？

但是真正成功的人又有几成？

不必问成功有没有我的份？

只要决心奉行成功的原则，你必定会成为其中一人。

课后作业

教材第35页练习题3,4题

授课教案5

课程名称

传感器与测试技术

项目或章节名称

集成温度传感器，温度传感器的应用

课程类型

理论课√实训课口习题课口其他口

教学目标

知识目标

1、让学生了解集成温度传感器的工作原理；

2、让学生掌握温度传感器的应用

技能目标

1，使学生掌握选取菜单单里面每个工具的功能。

2，要求学生能够灵活应用选取菜单里面的工具来进行建模。

教学方法

采用多媒体教学

教学过程及时间分配设计

课程导入

（10）分钟

导入内容或案例

集成温度传感器是利用晶体管PN结的电流与电压特性与温度的关系，把敏感元件、放大电路和补偿电路等部分集成化，并把它们装封在同一壳体里的一种一体化温度检测元件.

课堂讲授

（55）分钟

重点、难点

重点：

集成温度传感器的工作原理

难点：

温度传感器的应用。

讲授内容

一，集成温度传感器

1.工作原理

该传感器具有线性好、精度高、互换性好、体积小、使用方便等特点，测温范围一般为–50℃~+150℃。

2.分类

集成温度传感器按其输出可分为电压型、电流型、数字输出型。

典型的电压型集成电路温度传感器有μPC616A／C，LM135，AN670l等；

典型的电流型集成电路温度传感器为AD590，LM134；

典型的数字输出型传感器有DS1B820，ETC-800等。

3，电压型集成温度传感器μPC616A／C,

4，电流型集成温度传感器AD590

二，温度传感器的应用

1，利用热敏电阻作为测温元件，进行电加热器的温度自动控制。

起初T较低，NTCRT较大，调电桥平衡，加热器加热。

当T升高，K上开始有电流，当T≥T0时，电桥输出使线圈电流大到足以使K动作时K触点断开，停止加热。

当T降到

这样将T控制在T0附近，实现温度控制目的。

2，PTC热敏电阻自动延时电路

给PTC加电压，功耗使阻值增加需要时间，可用作延迟电路使用。

接电时RT较小分流大，K因电流小不动，灯没亮；一定时间后RT因功耗增大分流减小，K上电流增大,等到达可动值时K动作。

即K动作延迟，灯延迟开，延迟时间可由R0调节。

3，管道流量测量,

实践练习

（10）分钟

实践内容

让学生上台解释输出电压

课堂总结

（5）分钟

总结内容

AD590是采用激光修正的紧密集成温度传感器，它有3种封装形式：

T0-52金属圆壳或扁平封装、陶瓷封装和T0-92塑料封装。

AD590的主要技术参数如下：

（1）线性电流输出：

1µA/K，正比于绝对温度；

（2）测量范围：

-55~+155℃；

（3）精度高：

±0.5℃；

（4）线性好：

满量程范围±0.5℃；

（5）电源电压范围宽：

+4V~+30V，输出电流与电源电压几乎无关。

案例简介

电压型集成温度传感器

励志环节

无论做什么事业一定有明确的计划与目标，尤其是推销事业，因为你必须带领一群推销伙伴朝向一个共同的理想前进如果你没有一个明确的计划与目标，不但不可能达到目标，连跟随你的伙伴们也迷失了方向，不知如何继续下去了。

课后作业

教材第47页练习题2,5题

授课教案6

课程名称

传感器与测试技术

项目或章节名称

应变式压力传感器，压电式传感器

课程类型

理论课√实训课口习题课口其他口

教学目标

知识目标

1、让学生了解电阻应变效应；

2、让学生掌握电阻应变片的种类和结构

技能目标

1，使学生掌握电阻应变式传感器的测量电路。

2，要求学生能够灵选用压电式传感器。

教学方法

采用多媒体教学

教学过程及时间分配设计

课程导入

（10）分钟

导入内容或案例

某些电介质在一定方向上受到压力或拉力作用时发生形变，其内部将产生极化而使其表面产生电荷，若将外力去掉，它们又重新回到不带电状态，这种将机械能转变为电能现象称为压电效应，也称为正压电效应。

当在片状压电材料的两个电极面上加上交变电场时，压电片将产生机械振动，即压电片在电极方向上产生伸缩变形，这种将电能转变为机械能的现象称为逆压电效应，也称为电致伸缩效应。

逆压电效应说明压电效应具有可逆性。

具有压电效应的物体称为压电材料或压电元件，如天然的石英晶体，人工制造的压电陶瓷、锆钛酸铅等。

本节以石英晶体为例说明压电现象。

课堂讲授

（20）分钟

重点、难点

重点：

列表菜单的中英文翻译；

难点：

列表菜单下面工具的应用。

讲授内容

一，应变式压力传感器

1,电阻应变效应

电阻应变效应：

电阻丝发生机械形变时，其电阻值发生变化的现象。

当电阻丝受到拉力Ｆ作用时电阻丝的长度L将