(完整版)传感器与检测技术教案.doc

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（完整版）传感器与检测技术教案

课时授课计划

科目传感器与检测技术授课时数共页

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授课班级

年月日

出勤情况

课题：

绪论

授课目的:

通过本节课的学习使学生了解传感器概念,组成,分类以及今后的发展趋势

授课重点：

传感器的概念和组成

授课难点：

对传感器概念的理解

教学类型：

讲授教具与挂图：

复习提问：

引入新课：

如果将人的大脑比作CPU,那么感觉器官便是敏感元件,大脑是转换元件，那么四肢根据大脑转换的信息去处理事件,就是一个完整的传感器的模型了。

今天我们来学习一个新的设备传感器。

讲授新课（附后）：

本课小结：

通过本节课的学习，学生初步了解传感器的一般概念和组成.

作业布置：

改进措施：

绪论

[一］组织教学

1、师生问好；

2、清点人数，做好考勤记录；

[二］复习提问

[三］引入新课

如果将人的大脑比作CPU,那么感觉器官便是敏感元件，大脑是转换元件，那么四肢根据大脑转换的信息去处理事件,就是一个完整的传感器的模型了。

今天我们来学习一个新的设备传感器。

[四］讲授新课

传感器的概念

传感器：

把特定的被测信息（包括物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置.

这里“可用信号”是指便于处理、传输的信号。

当今电信号最易于处理和便于传输，因此，可以把传感器狭义地定义为：

传感器（狭义定义）：

能将外界非电信号转换成电信号输出的器件。

当人类进入光子时代，光信息成为更便于快速、高效地处理与传输的可用信号时，传感器的概念也可以变为:

能把外界信息转换成光信号输出的器件.

１、传感器技术:

是涉及传感（检测）原理、传感器设计、传感器开发和应用　的综合技术.

传感技术的含义则更为广泛，它是传感器技术、敏感功能材料科学、细微加工技术等多学科技术相互交叉渗透而形成的一门新技术学科-—传感器工程学.

２、传感（检测）原理：

是指传感器工作所依据的物理、化学和生物效应，并受相应的定律和法则所支配。

如：

物理基础的基本定律包括：

守恒定律（能量、动量、电荷等），场的定律（包括动力场运动定律、电磁场的感应定律等，其作用与物体在空间的位置及分布有关。

），物质定律（如虎克定律、欧姆定律、半导体材料的各种效应等，表示本身内在性质的定律），统计法则（它把微观系统与宏观系统联系起来的物理法则，它们常与传感器的工作状态有关）。

二、传感器的组成

传感器一般由三部分组成：

敏感元件、转换元件、测量电路组成.

图0-1传感器的组成

其中，能把非电信息转换成电信号的转换元件，是传感器的核心。

敏感元件是传感器预先将被测非电量变换为另一种易于变换成电量的非电量，然后再变换为电量,如弹性元件。

因此，并非所有传感器都包含这两部分，对于物性型传感器，一般就只有转换元件；而结构型传感器就包括敏感和转换元件两部分.

测量电路,将转换元件输出的电量变成便于显示、记录、控制和处理的有用电信号的电路。

传感器的测量电路,经常采用电桥电路、高阻抗输入电路、脉冲调宽电路、振荡电路等特殊电路。

三、传感器的分类

按基本效应分：

物理型、化学型、生物型等。

按构成原理分：

结构型、物性型。

按测量原理分:

应变式、电容式、压电式、热电式等。

按能量关系分：

能量转换型（自源型）、能量控制型（外源型）.

按输入量分:

位移、温度、压力、流量、加速度等.

按输出量分：

模拟式、数字式。

传感器，作为测量与控制系统的首要环节，必须具有快速、准确、可靠、经济实现信息转换的基本要求：

１、足够的容量――工作范围或量程足够大、有一定的过载能力.

２、与测量或控制系统匹配性好,转换灵敏度高。

３、精度适当，且稳定性高。

４、反应速度快、工作可靠性好。

５、适用性和适应性强.对被测对象的状态影响小,不易受外界干扰的影响,使用安全。

６、使用经济，成本低,寿命长，且易于使用、维修和校准。

四、传感器的发展趋势

1、开发新型传感器

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，物性型传感器亦称固态传感器，它包括半导体、电解质和强磁性体三类。

其中利用量子力学诸效应研制的高灵敏阈传感器，用来检测微弱信号，是传感器技术发展的新趋势，例如，利用核磁共振吸收效应的磁敏传感器,可将检测限扩展到地磁强度的10的7次方，利用约瑟夫逊效应的热噪声温度传感器，可测量10的负6次方的超低温；以及由于光子滞后效应的利用,出现了响应速度极快的红外传感器。

目前最先进的固态传感器,在一块芯片上可同时集成差压、静压、温度三个传感器，使差压传感器具有温度和压力补偿功能。

2、传感器的集成化和多功能化

所谓集成化，就是将敏感元件、信息处理或转换单元以及电源等部分利用半导体技术将其制做在同一芯片上；多功能化则意味着传感器具有多种参数的检测功能，如半导体温湿敏传感器、多功能气体传感器等。

借助于半导体的蒸镀技术、扩散技术、光刻技术、精密加工及组装技术等,使得传感器的这种发展趋势得以实现.

3、传感器的智能化

传感器与微型计算机相结合就形成了智能传感器，它兼有检测和信息处理功能,同时还具有记忆、存储、解析、统计处理及自诊断、自校准、自适应等功能和远距离通讯。

将传感器和计算机的这些功能集成于同一芯片，就形成智能传感器。

4、研究生物传感器和开发仿生传感器

大自然是生物传感器的优秀设计师。

如狗的嗅觉（灵敏阈是人的一百万倍）、鸟的视觉（视力是人的8～50倍）、蝙蝠、飞蛾、海豚的听觉（主动型生物雷达——超声波传感器）、蛇的接近觉（分辨力达0.001度的红外测温传感器）等.所以，这也是传感器的一个发展方向。

[五］课堂小结

1、传感器由哪三部分构成

2、传感器有哪些类别？

［六］布置作业

课后题

第一章传感器的一般特性

［一］组织教学

3、师生问好；

4、清点人数，做好考勤记录；

[二］复习提问

1、什么是传感器?

2、传感器由哪几部分构成？

[三］引入新课

上节课学习了传感器的基本构成,那它是怎么工作的，具有怎样的特性呢？

[四］讲授新课

传感器的输入量可分为静态量和动态量两类。

无论对静态量或动态量，传感器的输出量都应不失真地复现输入量的变化.这主要取决于传感器的静态特性和动态特性。

1。

1传感器的静态特性

一、静态数学模型

静态模型是指在静态条件下（即输入量对时间t的各阶导数为零）得到的数学模型。

不考虑滞后及蠕变,传感器的静态模型可用一代数方程表示:

式中:

Y—输出量；

X—输入量；

—零位输出；

—传感器的灵敏度，常用K或S表示；

，，…，—非线性项待定常数。

这种多项式方程可分为四种典型情况,见书。

表示输出量与输入量之间的关系曲线称为特性曲线，图1—1表示了这四种典型曲线.其中，理想的模型为：

后三种情况表示的是非线性情况，必须采取线性补偿措施。

二、静态特性指标:

1．线性度:

表征传感器曲线与拟合直线间最大偏差与满量程（F·S）输出

值的百分比。

δL=±Δmax/YF·S×100%

Δmax—校准曲线与拟合直线间最大偏差;

YF·S—传感器满量称输出；YF·S=Ymax–Y0

拟合直线的方法不同，线性度的大小也不同.拟合直线的方法有：

1）端基法（简单直观，未考虑数据分布、拟合精度低）；

2）理论直线法（与测试值无关，简单、方便）；

3）最小二乘法（拟合精度高,可得最佳拟合直线）；

4）端点平移法（最佳直线法）：

正、负偏差最小且相等，拟合精度最高；

5）平均斜率法：

精度比端基法高；

6）平均选点法:

我国专家提出,等等。

2．灵敏度：

在稳定工作状态时，输出变化量与引起此变化的输入量之比。

3．精度：

在规定条件的最大绝对误差相对传感器满量程输出的百分比。

表征测量结果的可靠程度，

A=ΔA/YF·S×100％

工程中,经常使用精度等级表征传感器的精度：

0。

05，0.1,0.5，1。

0，1.5，2。

0，5。

0etc.

4．分辨率：

在规定的测量范围内，所能检测出被测输入量的最小变化量。

也可用该值相对满量程输入值之百分数表示。

也称为最小检测量.

5．迟滞：

在相同工作条件下,传感器在正、反行程中输入—输出曲线的不重合程度。

正、反行程的最大偏差与满量程之比.

原因：

传感器机械结构、制造工艺上的缺陷；摩擦、轴承间隙、螺钉松动、元件损坏、积尘等。

6．重复性：

在相同的工作条件下，输入量按同一方向在全量程范围内连续多次所特性曲线的不一致性。

数值上，是各测量值标准偏差最大值两倍或三倍与满量程的百分比表示。

它反映测量结果偶然误差的大小。

而不表示与真值的误差。

7．零点漂移：

在无输入时，传感器输出偏离零值的大小与满量程只比。

8．温漂:

温度变化时，传感器输出值的偏离程度。

一般以温度每变化1度，输出最大偏差与满量程的百分数。

9．阈值：

使传感器输出产生可测变化量的最小输入量值。

也称为死区。

[五]课堂小结

1、传感器具有怎样的静态数学模型？

2、传感器有哪些静态特性？

[六］布置作业

课后题

第二章应变式传感器

［一］组织教学

1、师生问好；

2、清点人数，做好考勤记录;

［二］复习提问

1、传感器有哪些静态特性？

［三]引入新课

传感器的一般特性放在各种类型的传感器中，又有不同的应用，今天我们学习应变片式的传感器。

[四］讲授新课

电阻式传感器的种类繁多，应用广泛,其基本原理是将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路而最后显示被测量值的变化。

电阻式传感器与相应的测量电路组成的测力、测压、称重、测位移、测加速度、测扭矩、测温度等测试系统。

目前，已成为生产过程检测以及实现生产自动化不可缺少的手段之一。

电阻式传感器的种类主要有:

电位器式传感器和应变式传感器。

本章主要介绍应变式传感器.它包括:

金属应变片式传感器和压阻式传感器。

2。

1金属应变片式传感器

2.1。

1应变效应

金属应变片的工作原理是基于电阻应变效应,即在金属丝产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化

图2—1金属丝伸长后几何尺寸变化

由

两边取对数,微分后得

式中：

—电阻得相对变化；－电阻率的相对变化；

－长度相对变化，令金属丝的轴向应变（纵向）;

－截面积的相对变化，，即为径向应变（横向）。

又由

所以，

称为应变灵敏度系数，由两部分组成：

一为几何尺寸引起，一为电阻率变化引起；对特定的金属材料，在一定应变范围内为一常数。

2。

1。

2金属应变片

1．结构与材料

结构组成：

敏感栅、基底、盖片、粘结剂、引线.

材料要求：

较大灵敏度系数且为常数;高而稳定的电阻率;电阻温度系数小；机械强度高易于加工;抗氧化耐腐蚀。

常用材料：

铜镍合金、卡玛合金、伊文合金、铂和铂合金等。

2．分类

包括：

金属丝式应变片、金属箔式应变片（见下图）、金属薄膜式应变片.

图2－2金属箔式应变片的基本结构

图2－3各式箔式应变花

[五］课堂小结

1、什么是应变效应？

2、金属应变片的组成？

［六]布置作业

课后题

2。

1金属应变片式传感器

［一]组织教学

1、师生问好;

2、清点人数,做好考勤记录；

［二]复习提问

1、什么是应变效应？

[三］引入新课

传感器的一般特性放在各种类型的传感器中，又有不同的应用，今天我们学习应变片式的传感器主要特性。

[四]讲授新课

2.1。

3主要特性

包括:

灵敏度系数、横向效应、机械滞后,零漂及蠕变、温度效应、应变极限、疲劳寿命、动态响应特性等.

1．灵敏度系数：

一般.主要原因：

粘结剂与基底的传递应变失真、横向效应等.

2．横向效应:

敏感栅由轴向纵栅和圆弧横栅两部分组成。

所以应变片既受到轴向应变又受到横向应变的影响，且其影响方向相反，这种现象为横向效应.一般，敏感栅愈窄、基长愈长,横向效应愈小，误差愈小。

3．机械滞后:

残余变形所致，使加载与卸载特性出现偏差。

4．零点漂移和蠕变：

温度效应、片内应力、粘结剂固化不充分、胶层间产生滑动等造成.

5．动态特性：

栅长愈短，动态特性愈好。

2。

1。

4温度误差及补偿

在外界温度变化的条件下，由于敏感栅温度系数αt及栅丝与试件膨胀系数（βg及βe）之差异性而产生虚假应变输出有时会产生与真实应变同数量级的误差。

虚假应变:

必须采取补偿温度误差的措施。

通常温度误差补偿方法有两类:

1．自补偿法：

单丝自补偿法、组合式自补偿法

2．电路补偿法

图2－4组合式自动补偿法图2-5电桥补偿法

图2—6差动电桥补偿法

电路补偿法要求:

⑴补偿电阻与应变电阻同一批号，具有相同的αt、βe和K,初始阻值相同;⑵粘结补偿片的材料与被测试件材料相同；⑶两片处于同一温度环境。

[五]课堂小结

1、金属应变片具有什么主要特性？

2、温度补偿的方法？

［六]布置作业

课后题

2。

1金属应变片式传感器

[一]组织教学

1、师生问好；

2、清点人数，做好考勤记录；

［二］复习提问

1、金属应变片具有什么主要特性？

2、温度补偿的方法？

［三］引入新课

传感器的一般特性放在各种类型的传感器中,又有不同的应用，今天我们学习应变片式的传感器测量电路.

[四]讲授新课

2。

1。

5测量电路

（a）当负载为无穷大时，

（b）为单臂电桥；（c）为半桥电路；（d）为全桥电路。

1．等臂电桥：

一般情况下，

上式表明：

①当时,输出电压与应变呈线性关系；

②相邻桥臂，应变极性一致时,输出电压为两者之差；应变极性相反时，输出电压为两者之和;

③相对桥臂,应变极性一致时，输出电压为两者之和；应变极性相反时,输出电压为两者之差。

对于单臂电桥，输出为:

非线性误差，由下式决定，

所以，；当已知非线性误差时，由此式可计算出最大应变值.

2．对称电桥：

特性与等臂电桥相近。

第一对称电桥：

，；特性与等臂电桥相同。

第二对称电桥：

;分析方法相同，令，

非线性误差为:

3．交流测量电桥：

六、应变式传感器

可用于测量应力、应变、压力、力、扭矩及加速度等。

应用特点:

⑴应用和测量范围广。

测力传感器：

10－2N~107N；压力传感器：

103～108Pa;加速度传感器：

103级m/s2。

⑵分辨力、灵敏度高。

⑶结构轻小，对试件影响小。

⑷易商品化、使用方便、便于实现远距、自动测量。

[五]课堂小结

1、直流电桥平衡的条件？

2、桥臂比值大少时，灵敏度最大？

［六]布置作业

课后题

2.2压阻式传感器

［一］组织教学

1、师生问好；

2、清点人数，做好考勤记录；

[二]复习提问

1、直流电桥平衡的条件？

2、桥臂比值大少时，灵敏度最大？

［三]引入新课

传感器的一般特性放在各种类型的传感器中，又有不同的应用，今天我们学习压阻式的传感器。

[四]讲授新课

由硅、锗等半导体材料制成.特点为：

灵敏度高、动态响应好、精度高、横向效应小，易于微型化和集成化。

压阻效应是1954年发现,1958年贝尔实验室研制出硅力敏电阻;70年代后得到迅速发展。

2。

2.1压阻效应

沿半导体底某一轴向施加一定的载荷产生应变时，电阻率会发生明显的变化，这种现象称作压阻效应。

对金属材料，较小，有时可忽略不计，故起作用的是应变效应；

对半导体材料，；为压阻系数,E为弹性模量。

由于比大几十到上百倍，故起作用的是压阻效应;

在弹性范围内,应力作用使半导体电阻发生变化，应力除去后，电阻又恢复到原来的数值，故压阻效应是可逆的。

2。

2。

2压阻系数

1．晶体晶向的作用

晶体是具有多面体形态的固体，沿不同的晶轴方向，、E的值是不同的.

对于半导体Si：

P[111］、N[100]晶向，最大；

对于半导体Ge：

P［111]、N[111]晶向，最大.

2．影响的因素：

①杂质浓度，扩散电阻的杂质浓度愈高，压阻系数愈小；

②温度，一般温度愈高，压阻系数愈小。

2.2.3固态压阻器件

1．结构原理

利用固态扩散技术，在N型Si半导体底层上扩散P型杂质的导电层,形成扩散型半导体应变片。

当在任意晶向上，受到纵向和横向应力作用时，

式中:

、——纵向应力、纵向压阻系数；

、——横向应力、横向压阻系数。

所以，径向电阻Rr和切向电阻Rt受到应力作用时:

2．测量电桥及温度补偿

测量电桥仍采用金属应变片的测量桥路，为了减少温度影响，一般采用恒流源供电。

所以，采用全桥测量时

温度补偿：

①零点温度补偿，采用串并联电阻实现；

②灵敏度温度补偿，采用在电源回路中串联二极管的方法实现。

[五］课堂小结

1、什么是压阻效应

2、温度补偿有哪些?

[六]布置作业

课后题

第三章压电式传感器

［一]组织教学

1、师生问好；

2、清点人数,做好考勤记录；

［二]复习提问

1、什么是压阻效应

2、温度补偿有哪些?

[三］引入新课

传感器的一般特性放在各种类型的传感器中，又有不同的应用，今天我们学习压电式传感器。

[四]讲授新课

压电式传感器是一种有源的双向机电传感器。

它的工作原理是基于压电材料的压电效应。

石英晶体的压电效应早在1680年即已发现，1948年制作出第一个石英传感器.

3。

1压电效应

某些晶体或多晶陶瓷，当沿着一定方向受到外力作用时，内部就产生极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变;晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比.上述现象称为正压电效应。

反之，如对晶体施加一定变电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离，变形也随着消失，称为逆压电效应。

压电式传感器大都是利用压电材料的压电效应制成的。

在电声和超声工程中也有利用逆压电效应制作的传感器.压电转换元件受力变形的状态可分为下图所示的几种基本形式。

3。

1.1石英晶体的压电效应

石英晶体是正六棱柱体（六面体），如图所示。

Z轴是晶体的对称轴，称为光轴；X轴压电效应最显著，电轴；Y轴（机械轴，力轴），加力产生的变形最大。

X轴和Y轴受力后，石英晶体压电效应示意图如下图所示，

石英晶体受力方向与电荷极性的关系，如下所示：

但由于压电晶体的各向异性，并不是所有的压电晶体都能在这几种变形状态下产生压电效应。

例如石英晶体就没有体积变形压电效应。

但它具有良好的厚度变形和长度变形压电效应，即在X轴和Y轴受力时,才会产生压电效应，被称为纵向、横向压电效应；当沿X轴方向施加切向应力时，将在垂直于Y轴的表面上产生电荷，称为切向压电效应。

假设在石英晶体上切下一片平行六面体—-晶体切片.

1．当X轴方向受力时，垂直X轴平面上产生的电荷为：

则极间电压为：

当在垂直X轴平面上,外加电场Ex时,

2．Y轴方向受力时，垂直X轴平面上产生的电荷为：

逆压电效应:

所以，有如下结论：

①无论正和逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（电场强度）之间成线性关系；

②晶体在哪个方向有正压电效应,则在此方向上一定存在逆压电效应；

③石英晶体不是在任何方向上都存在正压电效应。

3。

1压电效应

［一]组织教学

1、师生问好;

2、清点人数，做好考勤记录；

［二]复习提问

1、什么是石英晶体的压电效应?

［三]引入新课

传感器的一般特性放在各种类型的传感器中，又有不同的应用，今天我们学习压电式传感器.

［四]讲授新课

3.1。

2压电陶瓷的压电效应

压电陶瓷是一种人工制造的多晶铁电体，1847年就发现了钛酸钡这种陶瓷材料具有压电特性。

压电陶瓷首先需经过极化处理，其过程如下图所示:

此时,压电陶瓷受力后，变具有压电特性，但原理与晶体不同：

压电陶瓷受压变形后,内部极化强度变小，表面吸附的一部分自由电荷被释放，出现放电现象；外力撤消后，有恢复原状—-正压电效应。

压电陶瓷在外电场作用下,会产生变形-—逆压电效应。

·为什么压电陶瓷对外不显电性？

压电陶瓷的剩余极化强度，总是以电偶极矩的形式表现，故在陶瓷的一端出现正束缚电荷,另一端出现负束缚电荷。

由于束缚电荷的作用，在陶瓷表面吸附了一层来自外界的自由电荷,其数量与束缚电荷相等，它们起着屏蔽和抵消片内极化强度对外的作用，所以，无法用电压表测出极化强度。

3.2压电材料

选用合适的压电材料是设计高性能传感器的关键。

一般应考虑以下几个方面：

①转换性能：

具有较高的耦合系数或具有较大的压电常数；

②机械性能：

压电元件作为受力元件,希望它的机械强度高、机械刚度大。

以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率；

③电性能:

希望具有高的电阻率和大的介电常数，以期望减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性；

④温度和湿度稳定性要好:

具有较高的居里点、以期望得到宽的工作温度范围；

⑤时间稳定性：

压电特性不随时间蜕变。

主要有两种材料:

一种是压电晶体，如石英晶体;一种是压电陶瓷，如钛酸钡，锆钛酸铅等。

[五］课堂小结

1、什么是压电陶瓷的压电效应

2、压电材料具有哪些特性？

[六］布置作业

课后题

3.3测量电路

［一]组织教学

1、师生问好;

2、清点人数,做好考勤记录;

［二］复习提问

1、什么是压电效应？

[三］引入新课

传感器的一般特性放在各种类型的传感器中，又有不同的应用，今天我们学习压电式传感器。

［四］讲授新课

3。

3。

1等效电路

压电式传感器对被测量的变化是通过其压电元件产生电荷量的大小来反映的，因此它相当于一个电荷源。

而压电元件电极表面聚集电荷时，它又相当于一个以压电材料为电介质的电容器，其电容量为：

式中:

s--极板面积;-—压电材料相对介电常数；

——真空介电常数；——压电元件厚度

当压电元件受外力作用时,两表面产生等量的正、负电荷Q，压电元件的开路电压（认为其负载电阻为无穷大）U为

这样，可以把压电元件等效为一个电荷源Q和一个电容器Ca的等效电路,如图中的虚线方框；同时也等效为一个电压源U和一个电容器Ca串联的等效电路，如图6-8的虚线方框所示.其中Ra为压电元件的漏电阻。

3。

3。

2测量电路

根据压电元件的工作原理及上节所述两种等效电路，与压电元件配套的测量电路的前置放大器也有两种形式：

电压放大器：

其输出电压与输入电压（压电元件的输出电压）成正比。

电荷放大器：

其输出电压与输入电荷成正比。

1.电压放大器：

电压放大器的作用是将压电式传感器的高输出阻抗经放大器变换为低阻抗输出，并将微弱的电压信号进行适当放大．因