传感器教案.docx

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传感器教案

传感器及应用

教案

教师：

***

周次：

时间：

课题：

模块一认识传感器

课时：

2课时

教学目标：

1、了解传感器的作用和分类

2、理解传感器的组成和适用范围

3、掌握传感器的应用

重点、难点：

传感器的应用

教具：

传感器模块

教学方法：

讲授法

时间分配：

新授80分钟小结15分钟作业布置5分钟

教学过程：

课题一、传感器的认识

任务导入

相关知识

一．传感器的认识

二．传感器的定义及组成

能够感受规定的被测量并按一定规律和精度转换成可用输出信号的器件或装置.

它是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。

敏感元件（sensingelement）：

直接感受被测量的变化，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件，是传感器的核心。

转换元件（transductionelement）：

将敏感元件输出的物理量转换成适于传输或测量的电信号。

测量电路（measuringcircuit）：

将转换元件输出的电信号进行进一步的转换和处理，如放大、滤波、线性化、补偿等，以获得更好的品质特性，便于后续电路实现显示、记录、处理及控制等功能。

三、传感器的分类

按工作原理分类：

可分为电参数式（电阻式、电感式和电容式）传感器、压电式传感器、光电式传感器、热电式传感器等。

按被测量分类：

可分为力、位移、速度、加速度传感器等。

按结构分类：

可分为结构型、物性型和复合型传感器。

按能量转换关系分类：

可分为能量控制型和能量转换型传感器两大类。

四、传感器的作用

光敏传感器—视觉声敏传感器—听觉

气敏传感器—嗅觉化学传感器—味觉

课题二、传感器的技术指标

任务导入

相关知识

一、测量误差与仪表等级

1、绝对误差

绝对误差表示测量值与被测量真实值（真值）之间的差值，

2、相对误差

它是指测量仪表中相对仪表满量程的一种相对误差

3、仪表的准确度

仪表的测量结果的准确度叫仪表的准确度。

二、传感器的技术指标

1、传感器的静态特性

当传感器的输入信号是常量，不随时间变化（或变化极缓慢）时，其输出输入关系特性称为静态特性。

传感器的静态特性主要由下列几种性能来描述。

测量范围

量程

精度

线性度

灵敏度

分辨率和阈值

重复性

迟滞

稳定性

漂移

2、传感器的动态特性

动态特性是指传感器对于随时间变化的输入信号的响应特性，是传感器的重要特性之一。

传感器的动态特性与其输入信号的变化形式密切相关，最常见、最典型的输入信号是阶跃信号和正弦信号。

对于阶跃输入信号，传感器的响应称为阶跃响应或瞬态响应，对于正弦输入信号，则称为频率响应或稳态响应。

可从时域和频域两个方面采用瞬态响应法和频率响应法来分析动态特性。

动态特性好的传感器应具有较短的暂态响应时间和较宽的频率响应特性。

动态特性的数学描述：

微分方程

实际传感器较复杂，动态响应特性一般并不能直接给出其微分方程，可通过实验给出传感器与阶跃响应曲线和幅频特性曲线上的某些特征值来表示仪器的动态响应特性。

三、传感器的一般选择原则

1、与测量条件相关的因素

2、与传感器有关的技术指标

3、与使用环境条件有关的因素

4、与购买和维修有关的因素

小结：

传感器首先是一种测量器件或装置，它的作用体现在测量上。

定义中所谓“可用输出信号”是指便于传输、转换及处理的信号，主要包括气、光和电等信号，而“规定的测量量”一般是指非电量信号。

传感器的输入和输出信号应该具有明确的对应关系，并且应保证一定的精度。

作业布置：

审批：

后记：

周次：

时间：

课题：

模块二温度的测量

课时：

2课时

教学目标：

1、了解温度的基本概念

2、理解温度传感器的基本测量方法

3、掌握温度传感器的一般测量方法

重点、难点：

温度传感器的测量方法

教具：

传感器模块

教学方法：

讲授法

时间分配：

回顾10分钟新授70分钟小结15分钟作业布置5分钟

教学过程：

课题一温度传感器

任务导入

相关知识

一、温度的基本概念

1．温度

2．温标

1）摄氏温标

2）华氏温标

3）热力学温标

4）国际实用温标

二、温度传感器

1．热敏电阻器的分类

2．热敏电阻器的主要技术指标

1）标称电阻值

2）温度系数

3）时间常数

4）额定功率

5）温度范围

3.热敏电阻器的优缺点

1）灵敏度高

2）体积小

3）结构简单、坚固，能承受较大的冲击

4）制作原料丰富，制作简单，成本价格十分低廉

三、温度的测量方法

接触式和非接触式

课题二膨胀式温度传感器

任务导入

相关知识

一、玻璃温度计

二、压力温度计

三、双金属温度计

任务实施

一、合理选择双金属温度计的结构与种类

二、双金属温度计的安装与使用

课题三电阻式温度传感器

任务导入

相关知识

一、金属热电阻器

1、铂电阻器

2、铜电阻器

3、热电阻器的典型测量电路

二、电阻式温度传感器的结构

1、普通型热电阻温度传感器

2、端面热电阻温度传感器

3、铠装热电阻温度传感器

4、隔爆型热电阻温度传感器

任务实施

一、合理选择温度传感器

二、电阻敏感元件的安装与使用

三、电阻敏感元件的校验

四、电阻敏感元件的常见故障及其处理方法

课题四热电偶式温度传感器

任务导入

相关知识

一、热电偶的工作原理

二、热电偶式温度传感器的结构

三、热电偶的特点及应用

任务实施

一、合理选择温度传感器

二、热电偶传感器的使用与安装

三、热电偶传感器的常见故障及其处理方法

小结：

热电式传感器就是一种能将温度变化转换为电量变化的装置，它是利用敏感元件的电磁参数随温度变化的特性来达到测量的目的

作业布置：

审批：

后记：

周次：

时间：

课题：

实训一热电式传感器——热电偶

课时：

2课时

教学目标：

1、了解热电偶的结构

2、熟悉热电偶的工作特性

3、学会查阅热电偶分度表

重点、难点：

热电偶的工作特性

教具：

传感器模块

教学方法：

讲授法

时间分配：

新授20分钟实操80分钟

教学过程：

一、实验目的

观察了解热电偶的结构，熟悉热电偶的工作特性，学会查阅热电偶分度表。

二、实验原理

热电偶的基本工作原理是热电效应，当其热端和冷端的温度不同时，即产生热电动势。

通过测量此电动势即可知道两端温差。

如固定某一端温度（一般固定冷端为室温或0℃），则另一端的温度就可知，从而实现温度的测量。

本仪器中热电偶为铜-康铜热电偶。

三、实验所需部件

热电偶

加热器

差动放大器

电压表

温度计

四、实验步骤及内容`

将热电偶接差动放大器的两输入端，差放增益调节为100倍，打开电源，调节差放的调零电位器，使其输出电压为零。

打开加热器，差放输出如有微小变化，马上调节调零电位器再度调零。

随温度上升，观察差动放大器的输出电压的变化，待加热温度不再上升时，记录电压表读数Vo=（）V。

则可以E（t,t0）=Vo/100=（）mV。

其中t为热电偶热端的温度，t0为热电偶冷端的温度。

在这里可以用室温代替。

用温度计测出室温t0=（）℃，然后查分度表，可知E（t0，0）=（）mV。

本仪器上热电偶是由两只铜-康铜热电偶串接而成，热电偶的冷端温度为室温，放大器的增益为100倍，计算热电势时均应考虑进去。

根据中间温度定律可知

E（t，0）=E（t，t0）+E（t0，0）=（）mV

式中E为热电偶的电动势，t为热电偶热端温度，本实验仪上的热电偶分度表的参考端温度为0℃，t0为热电偶参考端所处的温度（即室温），E（t，0）为实际电动势，E（t，t0）为测量所得的电动势，E（t0，0）为温度修正电动势。

由此反查阅铜-康铜热电偶分度表，求出热电偶的热端温度t。

五、注意事项

因差动放大器增益约为100倍，所以用差放放大后的热电势并非十分精确，因此查表所得到的热端温度也为近似值。

小结：

热电偶的基本工作原理是热电效应，当其热端和冷端的温度不同时，即产生热电动势。

通过测量此电动势即可知道两端温差。

作业布置：

审批：

后记：

周次：

时间：

课题：

实训二热敏式温度传感器测温实验

课时：

2课时

教学目标：

1、了解热敏式温度传感器的基本结构

2、理解热敏式温度传感器的基本测量方法

3、掌握热敏式温度传感器的一般测量方法

重点、难点：

热敏式温度传感器的基本测量方法

教具：

传感器模块

教学方法：

讲授法

时间分配：

新授20分钟实操80分钟

教学过程：

一、实验目的

了解热敏式传感器的工作特性。

二、实验原理

应用半导体材料制成的热敏电阻具有灵敏度高，可以应用于各个领域的优点，热电偶一般测高温线性较好，热敏电阻则用于200℃以下温度较为方便，本实验中所用热敏电阻为负温度系数热敏电阻。

温度变化时热敏电阻阻值的变化导致运放组成的变换电路的输出电压发生相应变化。

三、实验所需部件

1热敏电阻

2温度变换器

3电压表

4半导体点温计

5加热器

6温度计

四、实验步骤及内容

1观察装于悬臂梁上的封套内的热敏电阻，将热敏电阻接入温度变换器Rt端口，调节“增益”旋钮，使加热前电压输出Vo端电压值尽可能大但不饱和。

用温度计测出环境温度To并记录。

2将半导体点温计探头放入两片应变梁之间的加热器上，打开加热器，观察点温计的温升和温度变换器Vo端的输出电压的变化情况，每升温1℃记录一下电压值，待电压稳定后记下最终温度T。

T（℃）

Vo（V）

根据表中数据作出V-T曲线，求出灵敏度K=ΔV/ΔT。

小结：

应用半导体材料制成的热敏电阻具有灵敏度高，可以应用于各个领域的优点，热电偶一般测高温线性较好，热敏电阻则用于200℃以下温度较为方便，本实验中所用热敏电阻为负温度系数热敏电阻。

作业布置：

审批：

后记：

周次：

时间：

课题：

实训三

课时：

2课时

教学目标：

1观察了解箔式应变片的结构及粘贴方式；

2熟悉电路的工作原理；

3测试应变梁变形的应变输出。

重点、难点：

电路的工作原理

教具：

传感器模块

教学方法：

讲授法

时间分配：

新授20分钟实操80分钟

教学过程：

一实验目的

1观察了解箔式应变片的结构及粘贴方式；

2熟悉电路的工作原理；

3测试应变梁变形的应变输出。

二实验原理

本实验说明箔式应变片及单臂直流电桥的原理和工作情况。

应变片是最常用的测力元件。

当用应变片测试时，应变片要牢固地粘贴在测试体表面，当测件（本实验中的悬臂梁）受力发生形变，应变片的敏感栅随同变形，其电阻值也随之发生相应的变化。

通过测量电路，转换成电信号输出显示。

电桥电路是最常用的非电量电测电路中的一种，当电桥平衡时，桥路对臂电阻乘积相等，电桥输出为零，在桥臂四个电阻R1、R2、R3、R4中，电阻的相对变化率分别为ΔR1/R1、ΔR2/R2、ΔR3/R3、ΔR4/R4，当使用一个应变片时，其电阻变化率为ΔR/R；当二个应变片组成差动状态工作时，则电阻变化率为2ΔR/R；用四个应变片组成二个差动对工作，且有R1=R2=R3=R4=R，其电阻变化率为4ΔR/R。

由此可见，单臂、半桥、全桥电路的灵敏度依次增大。

三实验所需部件

1直流稳压电源（±4V档）

2电桥

3差动放大器

4箔式应变片

5测微头

6电压表

7导线若干

四实验电路

五试验步骤及内容

1差动放大器调零

开启仪器电源，差动放大器增益置100倍（顺时针方向旋差动放大器的增益调节电位器到底），“+、-”输入端用实验线对地短路，输出端接数字电压表，用“调零”电位器调整差动放大器输出电压为零（可先把电压/频率表的档位开关置于20V档，调到零后再调到2V档，再调零，这样灵敏度比较高些），然后拔掉实验线。

调零后“调零”电位器位置不要变化。

2按实验电路图将实验各部件用实验线连接成测试桥路。

桥路中R2、R3、R4和WD为电桥中的固定电路R和直流调平衡电位器，R1为应变片（可任选上、下梁中的一片工作片，但注意的是：

应选箔式应变片）。

直流激励电源为±4V。

3将测微头装于悬臂梁前端的永久磁钢上，并调节使应变梁处于基本水平状态。

确认接线无误后开启仪器电源，并预热数分钟。

4调整电桥的直流调节电位器WD，使测试系统输出为零。

（使电桥平衡）

5旋动测微头，带动悬臂梁分别作向上和向下方向的运动，以水平状态下输出电压为零，向上和向下各移动7.5mm，测微头每移动1.5mm记录一个输出电压值，并填在下表中。

（注：

测微头每旋一圈是0.5mm。

逆时针向上运动，顺时针向下运动。

）

6根据表中所测数据计算单臂电桥的灵敏度SV，SV=ΔV/ΔX，并在坐标图上做出V-X关系曲线。

位移X（mm）

0

1.5

3.0

4.5

6.0

7.5

向上位移时输出V（V）

0

向下位移时输出V（V）

0

六注意事项

1实验前应检查实验接插线是否完好，连接电路时应尽量使用较短的接插线，以避免引入干扰。

2接插线插入插孔时轻轻地做一个小角度的转动，以保证接触良好，拔出时也要轻轻地转动一下拔出，切忌用力拉扯接插线尾部，以免造成线内导线断裂。

3稳压电源不要对地短路，也不能加大电源。

4向上移动测微头7.5mm后再回到原点时，若系统输出不为零，需重新调零后再向下移动。

小结：

应变片是最常用的测力元件。

当用应变片测试时，应变片要牢固地粘贴在测试体表面，当测件（本实验中的悬臂梁）受力发生形变，应变片的敏感栅随同变形，其电阻值也随之发生相应的变化。

通过测量电路，转换成电信号输出显示。

作业布置：

审批：

后记：

周次：

时间：

课题：

实训四箔式应变片三种桥路性能比较

课时：

2课时

教学目标：

1熟练连接电路；

2掌握三种电路的工作原理及输入与输出之间的关系；

3比较三种电桥的输出。

重点、难点：

三种电路的工作原理及输入与输出之间的关系

教具：

传感器模块

教学方法：

讲授法

时间分配：

新授20分钟实操80分钟

教学过程：

一、实验目的

1熟练连接电路；

2掌握三种电路的工作原理及输入与输出之间的关系；

3比较三种电桥的输出。

二、实验原理

说明实际使用的应变电桥的性能和原理。

其工作原理与单臂电桥的基本原理是一样的。

应变片是最常用的测力元件。

当用应变片测试时，应变片要牢固地粘贴在测试体表面，当测件（本实验中的悬臂梁）受力发生形变，应变片的敏感栅随同变形，其电阻值也随之发生相应的变化。

通过测量电路（电桥），转换成电信号输出显示。

已知单臂、半桥和全桥电路的电阻相对变化率εr分别为ΔR/R、2ΔR/R、4ΔR/R。

根据戴维南定理可以得出测试电桥的输出电压近似等于是1/4·U·εr，电压灵敏度Kv=V/εr，于是对应于单臂、半桥和全桥的电压灵敏度分别为1/4E、1/2E和E。

由此可知，当E和电阻相对变化一定时，电桥及电压灵敏度与各桥臂阻值阻的大小无关。

三、实验所需部件

1直流稳压电源（±4V）

2电桥

3差动放大器

4箔式应变片

5测微头

6电压表

四、实验电路

五、实验步骤及内容

（一）双臂半桥的性能测试

1差放“调零”

开启仪器电源，差放增益调至100倍（顺时针方向旋到底），“+，-”输入端用实验线对地短路。

输出端接数字电压表，用调零电位器调整差动放大器输出电压为零，然后拔掉实验线。

调零后电位器位置不要再变化。

2根据图

（1）连接电路，接成双臂半桥的测试系统。

其中，半桥中的R1、R2为应变片，且受力方向不一样。

3装上测微头，调应变梁处于基本平衡状态。

4加上电源，调WD使系统输出为零。

5旋动测微头带动悬臂梁分别向上和向下运动，以水平状态下输出电压为零，向上和向下移动各7.5mm，测微头每移动1.5mm（即旋动两圈）记录一下差动放大器输出电压值，记在表中。

（二）全桥的性能测试

1差放调零

方法同

（一）中的1，不再赘述。

2根据图

（2）连接电路，注意R1、R2、R3、R4的受力方向。

3系统调零（即电桥调零）

方法同

（一）中的4。

4旋动测微头使悬臂梁向上和向下运动各7.5mm，并记录差动放大器的输出结果，填入表中。

位移X（mm）

0

1.5

3.0

4.5

6.0

7.5

半桥

向上位移的输出V（V）

0

向下位移的输出V（V）

0

全桥

向上位移的输出V（V）

0

向下位移的输出V（V）

0

根据表中测试的结果，求出双臂半桥和全桥的灵敏度，并与单臂电桥的灵敏度进行比较。

并在同一坐标中画出三种电桥的V-X的曲线图。

六、注意事项

1应变片接入电桥时注意其受力方向，一定要接成差动形式。

2直流激励电压不能过大，以免造成应变片自热而损坏。

3由于进行位移测量时测微头要从零旋到正的最大值，又回复到零，再旋到负的最大值，因此容易造成零点偏移，必须进行系统调零，在计算灵敏度时可将正ΔX的灵敏度与负的ΔX的灵敏度分开计算，再求平均值，以后实验中凡需过零的实验均可采用此种方法。

小结：

应变片是最常用的测力元件。

当用应变片测试时，应变片要牢固地粘贴在测试体表面，当测件（本实验中的悬臂梁）受力发生形变，应变片的敏感栅随同变形，其电阻值也随之发生相应的变化。

通过测量电路（电桥），转换成电信号输出显示。

作业布置：

审批：

后记：

周次：

时间：

课题：

模块三、力的测量

课时：

2课时

教学目标：

1、了解力传感器的分类与基本结构

2、应变片力传感器的测量方法与适用范围

3、掌握力传感器的使用方法

重点、难点：

力传感器的使用方法

教具：

传感器模块

教学方法：

讲授法

时间分配：

回顾10分钟新授70分钟小结15分钟作业布置5分钟

教学过程：

任务导入

相关知识

一、力传感器

二、电阻应变片式传感器工作原理

应变片是最常用的测力元件。

当用应变片测试时，应变片要牢固地粘贴在测试体表面，当测件（本实验中的悬臂梁）受力发生形变，应变片的敏感栅随同变形，其电阻值也随之发生相应的变化。

三、电阻应变片式传感器的使用方法

1）将应变片直接粘贴于被测构件上，用来测定构件的应变或应力。

2）将应变片贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器敏感元件。

四、电阻应变片传感器的测量电路

1）单臂半桥电桥电路

2）双臂半桥电桥电路

3）全桥电桥电路

五、应变片的粘贴

1）应变片的选择与检查

2）试件的表面处理

3）做粘贴标记

4）底层处理

5）点胶

6）贴片

7）固化

8）粘贴质量检查

任务实施

课题二电子秤

任务导入

相关知识

一、电子秤的结构

二、称重传感器

1）应变式称重传感器的工作原理

2）应变式称重传感器种类

任务实施

一、称重传感器的选择方法

二、称重传感器的使用方法及注意事项

课题三应变片压力传感器

任务导入

相关知识

一、压力的基本概念及单位

二、压力传感器的种类

1.绝对压力传感器

2.相对压力传感器

3.差压传感器

三、应变片压力传感器

四、压力传感器的安装

五、压力传感器的校验

小结：

应变片是最常用的测力元件。

当用应变片测试时，应变片要牢固地粘贴在测试体表面，当测件（本实验中的悬臂梁）受力发生形变，应变片的敏感栅随同变形，其电阻值也随之发生相应的变化。

作业布置：

审批：

后记：

周次：

时间：

课题：

模块三、力的测量

课时：

2课时

教学目标：

1、了解力传感器的分类与基本结构

2、应变片力传感器的测量方法与适用范围

3、掌握力传感器的使用方法

重点、难点：

力传感器的使用方法

教具：

传感器模块

教学方法：

讲授法

时间分配：

回顾10分钟新授70分钟小结15分钟作业布置5分钟

教学过程：

课题四压阻式压力传感器

任务导入

相关知识

一、压阻式压力敏感元件

二、压阻式压力传感器工作原理

1、测量绝对压力

2、测量相对压力

3、测量压力差

4、测量电路

三、压阻式压力传感器的特点

四、压阻式压力传感器的使用与校验方法

五、压阻式压力传感器的使用注意事项

课题五压力变送器

任务导入

相关知识

一、压力变送器

二、电容式压力变送器的工作原理

1、变面积式电容传感器

2、变间隙式电容传感器

3、变介电常数式电容传感器

4、电容式传感器的常用测量电路

三、典型电容式压力变送器的结构

四、电容式压力变送器测量液位工作原理

任务实施

一、测量油库液位的实例

二、压力变送器的使用注意事项

三、压力变送器使用时的常见故障分析与处理

小结：

作业布置：

审批：

后记：

周次：

时间：

课题：

实训五箔式应变片温度效应和温度补偿

课时：

2课时

教学目标：

1、温度变化对测试系统的影响。

2、掌握实际电路中温度补偿的方法。

重点、难点：

电路中温度补偿的方法

教具：

传感器模块

教学方法：

讲授法

时间分配：

新授20分钟实操80分钟

教学过程：

一、实验目的

1说明温度变化对测试系统的影响。

2由于温度变化引入了测量误差，因此实用测试电路中必须进行温度补偿,所以掌握实际电路中温度补偿的方法。

二、实验原理

温度变化引起应变片阻值发生变化的原因有二：

其一，由于电阻丝温度系数的存在，当温度变化是时，应变片自身的标称阻值发生变化。

其二，当试件与电阻的材料的线膨胀系数不同时，温度改变将引起附加变形，使其产生附加电阻。

由此引起测试系统输出电压发生变化。

用补偿片法是应变片电桥温度补偿方法中的一种，如图

（2）所示，在电桥中，R1为工作片，R2是补偿片，R1=R2，当温度变化时两应变片的电阻变化ΔR1与ΔR2符号相同，数量相等，桥梁如果原来是平衡的，则温度变化后R1·R4=R2·R3，电桥仍满足平衡条件，无漂移电压输出，由于补偿片所贴位置与工作片成90°，所以只感受温度变化，而不感受悬臂梁的应变。

三、实验所需部件

1直流稳压电源（±4V）

2电桥

3差动放大器

4电压表

5测微头

6加热器

7半导体点温计

四、实验电路

五、实验步骤及内容

（一）箔式应变片温度效应的测试

1与前面实验一样，首先进行差放调零，然后按图

（1）连接电路，正确无误后方可开启电源，调整系统输出为零。

2记录加热前测试系统感受的温度，可用半导体点温计可插入二片应变梁之间的加热器当中来测量。

3开启“加热”电源，观察测试系统输出电压随温度计升高而发生的变化。

待电压读数基本稳定后记下电压值。

4求出温度漂移值ΔV/ΔT。

（二）应变电路的温度补偿

1按图

（2）接好线路，图中R1和R2分别是箔式应变片的工作片和补偿片。

（注意这两个的受力方向要一致）

2重复上面

（一）中的1～4步，求出接入补偿片后系统的温度漂移，并与

（一）的结果进行比较。

六、注意事项

应正确选择补偿片。

在面板的应变片接线端中，从左至右1～8接线端分别是：

1——上梁半导体应变片；2——下梁半导体应变片；3——上梁箔式应变工作片；4——下梁箔式应变工作片；5——上梁箔式应变工作片；6——下梁箔式应变工作片；7——上梁温度补偿片；8