现代检测技术教案.docx
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现代检测技术教案
绪论
Ø教学要求
1．掌握检测等基本概念。
2．了解工业检测技术涉及的内容。
3．掌握自动检测系统的组成。
4．明确本课程的任务。
5．了解检测技术的发展趋势。
Ø教学手段多媒体课件，实物演示
Ø教学课时1学时
Ø教学内容
一．检测（Detection）的定义（联系具体、日常生活的例子，如举“操冲秤象”的例子过程来说明检测的定义）
检测是利用各种物理、化学效应，选择合适的方法与装置，将生产、科研、生活等各方面的有关信息通过检查与测量的方法赋予定性或定量结果的过程。
能够自动地完成整个检测处理过程的技术称为自动检测与转换技术。
二．检测技术在国民经济中的地位和作用
举例说明：
检测技术是现代化领域中很有发展前途的技术，它在国民经济中起着极其重要的作用。
三．工业检测技术的内容（了解）
工业检测涉及的内容
被测量类型
测量
被测量类型
测量
热工量
温度、热量、比热容、热流、热分布、压力（压强）、压差、真空度、流量、流速、物位、液位、界面
物体的性质和成分量
气体、液体、固体的化学成分、浓度、粘度、湿度、密度、酸碱度、浊度、透明度、颜色
机械量
直线位移、角位移、速度、加速度、转速、应力、应变、力矩、振动、噪声、质量（重量）
状态量
工作机械的运动状态（启停等）、生产设备的异常状态（超温、过载、泄漏、变形、磨损、堵塞、断裂等）
几何量
长度、厚度、角度、直径、间距、形状、平行度、同轴度、粗糙度、硬度、材料缺陷
电工量
电压、电流、功率、电阻、阻抗、频率、脉宽、相位、波形、频谱、磁场强度、电场强度、材料的磁性能
四．自动检测系统的组成（掌握）
1.系统框图（0-1）
2.传感器（Transducer）及定义
3.显示器
4.数据处理装置
5.执行机构
6.自动检测系统举例（0-2）
五．检测技术的发展趋势（举例介绍）
当前，检测技术的发展主要表现在以下几个方面：
1.不断提高检测系统的测量精度、量程范围、延长使用寿命、提高可靠性
2.应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域
3.发展集成化、功能化的传感器
4.采用计算机技术，使检测技术智能化
5.发展网络化传感器及检测系统
六．本课程的任务和学习方法
本课程的任务是：
在阐明测量基本原理的基础上，逐一分析各种传感器是如何将非电量转换为电量的，并介绍相应的测量转换电路、信号处理电路及各种传感器在工业中的应用。
本课程的学习方法是：
要理论联系实际，要举一反三（演示光电开关，提问和讨论可以哪有几种用途，启发！
），富于联想，善于借鉴，关心和观察周围的各种机械、电气等设备，重视实验和实训，这样才能学得活、学得好，才有利于提高今后解决实际问题的能力。
留一个问题给学生回去思考：
举出课堂上演示过的光电开关共有哪几种用途，第二次上课时，回答得越多越好。
第一章检测技术的基本概念
Ø教学要求
1．掌握测量的基本概念和测量方法。
2．熟悉测量误差的分类和基本概念。
3．了解测量结果的数据统计处理。
4．掌握传感器的组成。
5．熟悉传感器分类。
6．掌握传感器基本特性
Ø教学手段多媒体课件、压力表演示
Ø教学课时2学时
Ø教学内容
第一节测量的一般概念及方法
对于测量方法，从不同的角度出发，有不同的分类方法。
（须举例说明）：
1.静态测量和动态测量
2.直接测量和间接测量
3.模拟式测量和数字式测量
4.接触式测量和非接触式测量
5.在线测量和离线测量
第二节测量误差及分类
测量值与真值之间的差值称为测量误差（Measuringerror）。
测量误差可其不同特征进行分类。
一、绝对误差和相对误差
重要公式：
1．绝对误差（AbsoluteError）
Δ=Ax－Ａ0
2．相对误差（RelativeError）（掌握基本概念！
）
（1）示值（标称）相对误差γx
（2）满度（引用）相对误差γｍ
我国模拟仪表有下列七种等级：
0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0。
表1-1仪表的准确度等级和基本误差
等级
0.1
0.2
0.5
1.0
1.5
2.5
5.0
基本误差
±0.1%
±0.2%
±0.5%
±1.0%
±1.5%
±2.5%
±5.0%
讨论：
上表说明什么？
在正常工作条件下，可以认为仪表的最大绝对误差是不变的，而示值相对误差γx随示值的减小而增大。
与同学一起做：
例1-1：
分析讨论仪表精度等级与量程范围及示值相对误差之间的关系。
二、粗大误差、系统误差和随机误差（掌握基本概念）
1．粗大误差（举例）
2．系统误差（举例）
3．随机误差（举例）
分析正态分布的规律：
（举例）
（1）有界性（２）对称性（3）集中性
三、静态误差和动态误差
1．静态误差（StaticError）（举例）
2．动态误差（DynamicError）（举例）
第三节传感器及基本特性
讨论传感器的组成及框图：
传感器由敏感元件，传感元件及测量转换电路三部分组成。
分析：
图1-3：
传感器的组成框图
结合电位器式压力传感器的工作原理，可将图1-4方框中的内容具体化。
图1-5：
电位器式压力传感器原理框图（演示该传感器）
二、传感器分类
1）按被测量分类
2）按测量原理分类
三、传感器基本特性
1.灵敏度（是否越大越好？
）
分析：
图1-6，用作图法求取传感器的灵敏度（先看多媒体动画）
2.分辨力（举例）
3.线性度（数值大好还是小好？
）
图1-7：
传感器线性度作图（先看多媒体动画）
4.稳定性（Regulation）（举例说明重要性）
5.电磁兼容性（EMC）（举例说明重要性）
6.可靠性（Reliability）
（1）故障平均间隔时间（MTBF）
（2）平均修复时间（MTTR）
（3）故障率或失效率（λ）
图1-8：
故障率变化曲线。
故障率的变化大体上可分成三个阶段：
（以人的一生说明）
1）初期失效期
2）偶然失效期
3）衰老失效期
作业P143~7,课堂讨论：
8
第二章电阻传感器
Ø教学要求
1．了解应变效应的原理。
2．了解应变片的类型、结构及其测量转换电路。
3．掌握应变效应的应用。
4．了解热电阻的工作原理及结构。
5．掌握热敏电阻的类型、特性和应用。
6．了解气敏电阻传感器的种类和工作原理。
7．了解大气的温度与露点的概念。
8．了解测量湿度的传感器的种类和特点。
Ø教学手段多媒体课件、应变演示及热敏电阻、气敏电阻、湿敏电阻的演示
Ø教学课时4学时
Ø教学内容
第一节电阻应变式传感器
从电阻丝的拉伸实验入手，观察电阻丝拉长时的阻值变化规律，讨论如何将这种原理用于测量应力、应变、力以及质量等非电量。
讨论电阻应变式传感器的组成。
一、工作原理
应变效应：
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。
重要公式：
（2－1）
电阻丝及应变片的电阻相对变化量∆R/R与材料力学中的轴向应变εx的关系式：
（2－1），分析它在应用中的意义。
∆R/R与所受的力及电阻丝的横截面面积、材料的关系式：
（2－2），分析它在电子秤中的意义。
二、应变片的种类结构与粘贴
1.应变片的类型与结构
表2-1列出了一些应变片的主要技术参数。
（引导学生怎样看参数表）
表2-1应变片主要技术指标
参数名称
电阻值/
Ω
灵敏度
电阻温度系数/
（1/︒C）
极限工作温度/
︒C
最大工作电流/
mA
PZ-120型
PJ-120型
BX-200型
BA-120型
BB-350型
PBD-1K型
PBD-120型
120
120
200
120
350
1000+10%
120+10%
1.9~2.1
1.9~2.1
1.9~2.2
1.9~2.2
1.9~2.2
140+5%
120+5%
20⨯10-6
20⨯10-6
—
—
—
<0.4%
<0.2%
-10~40
-10~40
-30~60
-30~200
-30~170
<60
<60
20
20
25
25
25
15
25
2.应变片的粘贴（粘贴工艺简述，做示范）：
1）试件的表面处理
2）确定贴片位置
3）粘贴
4）固化
5）粘贴质量检查
6）引线的焊接与防护
三、测量转换电路
分析为什么要采用桥路：
金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难、且误差很大，必须使用电桥电路。
例2-1：
求金属箔式应变片受拉后应变片的阻值R。
复习：
电桥的结点、电桥的平衡条件、调零的方法，演示调零过程。
图2-4：
桥式测量转换电路
根据不同的要求，分析和比较应变电桥的三种不同的工作方式：
1）单臂半桥工作方式
2）双臂半桥工作方式
3）全桥工作方式
电桥的输出电压公式：
（2－3）（说明什么）
当各桥臂应变片的灵敏度K都相同时的输出电压公式：
（2－4）（讨论有何意义）
讨论：
从温度自补偿和温漂的角度来分析采用双臂半桥或全桥的好处。
四、应变效应的应用
1.应变式传感器（演示）
（1）应变式力传感器
（2）应变式扭矩（转矩）传感器
（3）应变式加速度传感器
（4）应变式荷重传感器
（5）压阻式固态压力传感器
（6）压阻式压力传感器在液位测量中的应用
第二节测温热电阻传感器
一、热电阻
1.热电阻的工作原理及结构
从用万用表测量灯泡的冷态阻值实验入手，比较热态电阻值与冷态电阻值，分析电阻不同的原因，再从热电阻传感器的微观角度来分析其工作原理。
2.热电阻的测量转换电路：
引导学生想到也可以采用：
图2-4的不平衡电桥
二、热敏电阻
1．热敏电阻的类型及特性
（1）NTC热敏电阻
NTC的分类：
通过演示，来观察两种热敏电阻的在火焰加热时的阻值变化，总结：
第一类用于测量温度，它的电阻值与温度之间呈严格的负指数关系。
第二类为突变型，又称临界温度型（CTR）。
当温度上升到某临界点时，其电阻值突然下降。
（2）PTC热敏电阻
与学生一起分析：
在不同的场合怎样选用不同的热敏电阻。
2.热敏电阻的应用
（1）热敏电阻测温
（2）热敏电阻用于温度补偿
（3）热敏电阻用于温度控制及过热保护
（4）热敏电阻用于液面的测量
第三节气敏电阻
演示酒精传感器，再讨论气敏电阻的分类，以及如何把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量，再转换为电流、电压信号。
重点介绍：
一、还原性气体传感器
二、二氧化钛氧浓度传感器
第四节湿敏电阻传感器
一、大气的温度与露点
1.绝对湿度与相对湿度（与学生一起讨论闷热天气的原因）
2.露点（与学生一起讨论结露的原因）
二、测量湿度的传感器
1.金属氧化物陶瓷湿度传感器
2.金属氧化物膜型湿度传感器
3.高分子湿敏电阻传感器
（拆开，让学生看内部结构）
作业：
P39:
2～5，课堂讨论：
9、11
第三章电感式传感器
Ø教学要求
1．了解几种电感式传感器的基本概念和工作原理。
2．熟悉电感式传感器的分类及测量对象。
3．掌握差动变压器式传感器的工作原理及主要性能。
4．掌握电感式传感器的应用。
Ø教学手段多媒体课件
Ø教学课时4学时
Ø教学内容
第一节自感式传感器
从流过电感线圈的交流电流与气隙的关系演示实验入手，向学生说明电感传感器的基本工作原理：
与公式（3－1）联系起来
自感式电感传感器分类：
变隙式、变截面式和螺线管式等三种，
一、变隙式电感传感器的有关公式：
（3－2）
讨论变隙式电感传感器的电感L与气隙厚度δ的反比关系、输入输出的非线性关系、δ与灵敏度的关系等，分析为何只能用于微小位移的测量。
二、变截面式电感传感器
论述变截面式电感传感器的电感量L与气隙截面积A的正比关系、输入输出的线性关系以及线性区较小、灵敏度较低的原因。
三、螺线管式电感传感器
四、差动电感传感器
（一）结构特点（拆开差动电感，让学生看内部结构）
差动式电感传感器的结构特点：
两个导磁体的几何尺寸完全相同，材料性能完全相同；两个线圈的电气参数（如电感、匝数、直流电阻、分布电容等）和几何尺寸也完全相同。
（讨论为什么需要相等）
（二）工作原理和特性
采用差动式结构的好处：
可以改善线性、提高灵敏度外，对外界影响，如温度的变化、电源频率的变化等也基本上可以互相抵消，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而减小了测量误差。
五、测量转换电路
电感式传感器的测量转换电路：
采用电桥电路。
转换电路的作用：
是将电感量的变化转换成电压或电流信号，以便送入放大器进行放大，然后用仪表指示出来或记录下来。
（一）变压器电桥电路
（二）相敏检波电路
第二节差动变压器式传感器
本节讨论差动变压器式传感器（DifferentialTransformerTransducer）的工作原理及结构型式（螺线管式差动变压器）主要性能。
重点在：
性能和应用。
一、工作原理（演示工作过程）
二、主要性能
1.灵敏度
影响差动变压器灵敏度的因素：
行程越小，灵敏度越高。
还与哪些因素有关：
激励源电压和频率；差动变压器一、二次线圈的匝数比；衔铁直径与长度，材料质量；环境温度；负载电阻等。
2.线性范围
讨论差动变压器线性范围与线圈骨架长度以及与测量范围之间的关系。
三、测量电路（简介）
第三节电感式传感器的应用
自感式电感传感器和差动变压器式传感器主要用途：
位移测量以及能转换成位移变化的参数，如力、压力、压差、加速度、振动、工件尺寸等。
一、位移测量（演示，以下同）
二、电感式滚柱直径分选装置（多媒体动画）
三、电感传感器在仿形机床中的应用
四、电感式圆度计
五、压力测量
图3-17：
给出一次仪表的概念。
一次仪表的输出信号：
可以是电压，也可以是电流。
论述为什么：
一次仪表中多采用电流输出型。
新的国家标准：
4~20mA；电压输出为1~5V（旧国标为0~10mA或0~2V）。
4mA的用途：
对应于零输入，论述不让信号占有0~4mA这一范围的原因。
介绍两线制仪表的接线（动手）：
其中一根为+24V电源线，另一根既作为电源负极引线，又作为信号传输线。
在信号传输线的末端通过一只标准负载电阻（也称取样电阻）接地（也就是电源负极），将电流信号转变成电压信号。
接线方法如图3-18所示。
分析例3-1
作业：
P56：
3、4、9；课堂分析：
7、8
第四章电涡流式传感器
Ø教学要求
1．了解电涡流效应和等效阻抗分析。
2．熟悉电涡流探头结构和被测体材料、形状和大小对灵敏度的影响。
3．熟悉电涡流式传感器的测量转换电路。
4．掌握电涡流式传感器的应用。
5．掌握接近开关的分类和特点。
Ø教学手段多媒体课件、各种电涡流传感器演示
Ø教学课时3学时
Ø教学内容：
第一节电涡流传感器工作原理
一、电涡流效应（演示）
从金属探测器的探测过程导出电涡流传感器的电涡流效应。
从金属探测器的结构来说明图4-1电涡流传感器工作原理。
二、等效阻抗分析
图4-1中的电感线圈称为电涡流线圈。
分析它的等效电路：
一个电阻R和一个电感L串联的回路。
电涡流线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数表达式（分析其实际价值）
Z=R+jωL=f（i1、f、μ、σ、r、x）（4-1）
结论：
电涡流线圈的阻抗与μ、σ、r、x之间的关系均是非线性关系，解决方法：
必须由微机进行线性化纠正。
第二节电涡流传感器结构及特性
一、电涡流探头结构（实物演示）
电涡流传感器的传感元件是一只线圈，俗称为电涡流探头。
线圈结构：
用多股较细的绞扭漆包线（能提高Q值）绕制而成，置于探头的端部，外部用聚四氟乙烯等高品质因数塑料密封，（图4-2）。
CZF-1系列电涡流探头的性能：
表4-1CZF-1系列传感器的性能
型号
线性范围
/μm
线圈外径
/mm
分辨力
/μm
线性误差
（%）
使用温度
/︒C
CZF1-1000
1000
φ7
1
<3
-15~+80
CZF1-3000
3000
φ15
3
<3
-15~+80
CZF1-5000
5000
φ28
5
<3
-15~+80
提问：
请同学由上表分析得出结论：
探头的直径越大，测量范围就越大，但分辨力就越差，灵敏度也降低。
二、被测体材料、形状和大小对灵敏度的影响
线圈阻抗变化与哪些因素有关：
金属导体的电导率、磁导率等。
第三节测量转换电路
（简单介绍调幅式和调频式测量转换电路。
）
一、调幅式电路
调幅式：
以输出高频信号的幅度来反映电涡流探头与被测金属导体之间的关系。
图4-3：
高频调幅式电路的原理框图。
调幅式缺点：
电压放大器的放大倍数的漂移会影响测量精度，必须采取各种温度补偿措施。
二、调频式电路
联系收音机，说明所谓调频式就是将探头线圈的电感量L与微调电容C0构成LC振荡器，以振荡器的频率f作为输出量。
（复习并联谐振回路的谐振频率公式分析）
图4-5：
调频式测量转换电路原理框图,
图4-6：
用调频式测量铜板与电涡流探头间距x时的特性曲线（说明什么）。
第四节电涡流传感器的应用
一、位移的测量
介绍某些旋转机械的轴向位移测量。
利用电涡流原理还可以测量诸如汽轮机主轴的轴向位移、电动机轴向窜动、磨床换向阀、先导阀的位移和金属试件的热膨胀系数等。
图4-7：
轴向位移的监测
二、振动的测量
电涡流式传感器可以无接触地测量各种振动的振幅、频谱分布等参数。
介绍：
在汽轮机、空气压缩机中用电涡流式传感器来监控主轴的径向、轴向振动，测量发动机涡流叶片的振幅等方法。
图4-8：
振幅测量（演示）
三、转速测量
动画演示、计算：
转轴上开z个槽（或齿），频率计的读数为f（单位为Hz），转轴的转速n（单位为r/min）的计算公式。
四、镀层厚度测量
用电涡流传感器测量塑料表面金属镀层的厚度，以及印刷线路板铜箔的厚度等。
五、电涡流式通道安全检查门
（举例：
安检门）出/入口检测系统，可有效地探测出枪支、匕首等金属武器及其它大件金属物品。
分析：
机场、海关、钱币厂、监狱等重要场所的门禁。
六、电涡流表面探伤
利用电涡流传感器检查金属表面（已涂防锈漆）的裂纹以及焊接处的缺陷等。
第五节接近开关简介
接近开关定义：
它能在一定的距离（几毫米至几十毫米）内检测有无物体靠近。
接近开关的核心部分是“感辨头”，它必须对正在接近的物体有很高的感辨能
力
一、常用的接近开关分类（实物介绍）
1）自感式、差动变压器式它们只对导磁物体起作用；
2）电涡流式（俗称电感接近开关）它只对导电良好的金属起作用；
3）电容式它对接地的金属或地电位的导电物体起作用，对非地电位的导电物体灵敏度稍差（将在下一章介绍）；
4）磁性干簧开关（也叫干簧管）它只对磁性较强的物体起作用（将在第十四章介绍）；
5）霍尔式它只对磁性物体起作用（将在第八章介绍）。
二、接近开关的特点
①非接触检测，不影响被测物的运行工况；②不产生机械磨损和疲劳损伤，工作寿命长；③响应快，一般响应时间可达几毫秒或十几毫秒；④采用全密封结构，防潮、防尘性能较好，工作可靠性强；⑤无触点、无火花、无噪声，所以适用于要求防爆的场合（防爆型）；⑥输出信号大，易于与计算机或可编程控制器（PLC）等接口；⑦体积小，安装、调整方便。
它的缺点是触点容量较小，输出短路时易烧毁。
三.接近开关的主要特性
1额定动作距离（用卡尺测量实际距离）
2.工作距离
3.动作滞差
4.重复定位精度（重复性）
5.动作频率
作业：
P75：
2、6、7；课堂讨论：
5、8
第五章电容式传感器
Ø教学要求
1．掌握各种电容式传感器的结构、工作原理和特性。
2．了解几种常用气体、液体、固体介质的相对介电常数。
3．熟悉电容式传感器的测量转换电路。
熟悉电容式传感器的应用。
4．熟悉电容式传感器的应用。
5．了解压力和流量的测量。
Ø教学手段多媒体课件、实物演示
Ø教学课时3学时
Ø教学内容：
第一节电容式传感器的工作原理及结构形式（演示）
电容式传感器的工作原理说明：
图5-1所示的平板电容器来说明（用电容表测量）。
结论：
电容量与介电常数、面积成正比（举收音机调谐电台的可变电容器为例），与极距成反比。
一、变面积式
变面积式电容传感器的输出特性是线性的，灵敏度是常数。
变面积式电容传感器的其他形式。
这一类传感器用途：
检测直线位移、角位移、尺寸等参量。
二、变极距式
图5-3：
变极距式电容传感器：
可用微机来计算修正。
为了提高传感器的灵敏度，减小非线性，常常把传感器做成差动形式。
图5-4：
差动变极距式电容传感器的示意图。
三、变介电常数式
表5-1列出了几种常用气体、液体、固体介质的相对介电常数。
表5-1几种介质的相对介电常数
介质名称
相对介电常数εr
介质名称
相对介电常数εr
真空
1
玻璃釉
3~5
空气
略大于1
SiO2
38
其他气体
1~1.2①
云母
5~8
变压器油
2~4
干的纸
2~4
硅油
2~3.5
干的谷物
3~5
聚丙烯
2~2.2
环氧树脂
3~10
聚苯乙烯
2.4~2.6
高频陶瓷
10~160
聚四氟乙烯
2.0
低频陶瓷、压电陶瓷
1000~10000
聚偏二氟乙烯
3~5
纯净的水
80
讨论：
从上表可以看出几个问题？
图5-5是变介电常数式电容传感器的原理图。
第二节电容式传感器的测量转换电路
一、桥式电路
（与应变电桥比较）电容C1、C2、C3、Cx构成电桥的四臂，Cx为电容传感器，介绍交流电桥平衡条件。
二、调频电路
（与电涡流调频电路比较）介绍电路特点：
将电容式传感器作为LC振荡器谐振回路的一部分，或作为晶体振荡器中的石英晶体的负载电容。
图5-8为LC振荡器调频电路框图。
复习电子学中的调频振荡器的频率公式，分析式中的参数：
L0和C哪个固定？
哪个是变量？
与电涡流电路的区别？
第三节电容式传感器的应用
电容器的容量受三个因素影响：
极距x、相对面积A和极间介电常数ε。
一、电容测厚仪（演示）
电容测厚仪可以用来测量金属带材在轧制过程中的厚度，分析工作原理：
图5-9所示。
二、电容加速度传感器（演示）
介绍某公司生产的电容式加速度传感器，它的体积、封装、外形等。
三、湿敏电容（演示）
分析湿敏电容的原理，与湿敏电阻的区别：
具有很大吸湿性的绝缘材料作为电容传感器的介质，在其两侧面镀上多孔性电极的作用。
目前，成品湿敏电容主要使用以下两种吸湿性介质：
多孔性氧化铝、高分子吸湿膜。
四、电容式油量表
分析：
图5-16为电容式油量，用途：
测量油箱中的油位（讨论倾斜有无影响）。
五、电容式接近开关（演示在水杯外壁测量水杯中的水位）
1.结构
电容式接近开关的核心是以电容极板作为检测端的电容器
2.工作原理
分析：
图5-18（调幅式测量转换电路）。
组成：
LC高频振荡电路、检波器、直流电
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