1、1教学设计方案传感器原理与应用电子电气工程系朱相磊2011-2-122淄博职业学院传感器原理及应用课教学设计方案教师：朱相磊 序号：1授课时间 2010-2011 学年第二学期（3.6-3.19 星期二 1、2 节 星期四 1、2 节）授课专业 P09 电子信息工程技术 上课地点 Q3-113学习内容 项目一 传感器的认识 课时 6专业能力1、 传感器器件的认识能力2、 传感器性能的分析能力3、 器件的检测能力方法能力 分析问题方法，仪器使用检测方法教学目标社会能力 沟通协作能力，企业工作能力目标群体教学环境 传感器结构图形资料，传感器应用案例，网络资源教学方法 课堂讲授，项目教学时间安排 教
2、学过程设计2学时一、要求资讯分析1、传感器概述传感器已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其广泛的领域。从茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步等方面起着重要作用2、传感器的概念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或装置。其功能：传感器是测量装置，能完成检测任务；输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、电物理量，主要是电物理量；输出输
3、入有对应关系，且应有一定的精确程度传感器名称：发送器、传送器、变送器、检测器、探头3时间安排 教学过程设计2学时3、传感器的类型传感器常用的类型为电参量式传感器：电阻式、电感式、电容式等； 磁电式传感器：磁电感应式、霍尔式、磁栅式等； 压电式传感器：声波传感器、超声波传感器； 光电式传感器：一般光电式、光栅式、激光式、光电码盘式、光导纤维式、红外式等；气电式传感器：电位器式、应变式； 热电式传感器：热电偶、热电阻； 波式传感器：超声波式、微波式等；射线式传感器：热辐射式、 射线式；半导体式传感器：霍耳器件、热敏电阻；其他原理的传感器：差动变压器、振弦式等。二、器件性能分析1、传感器静态性能分析
4、（1） 线性度传感器的输出输入关系或多或少地存在非线性。在不考虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素的情况下，其静态特性可用下列多项式代数方程表示：y=a0+a1x+a2x2+a3x3+anxn式中：y输出量； x输入量； a0零点输出；a1理论灵敏度； a2、a3、 、 an非线性项系数(2)迟滞传感器在正(输入量增大)反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合称为迟滞。迟滞特性如图所示，它一般是由实验方法测得。迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示迟滞误差的另一名称叫回程误差。回程误差常用绝对误差表示。检测回程误差时，可选择几个测试点。对应于每一输入信号，传感器正行程及反行程中输出信号差值的最大者即为回
5、程误差（3） 灵敏度传感器输出的变化量 y 与引起该变化量的输入变化量 x 之比即为其静态灵敏度，其表达式为 s=( k/k)100%（4）.重复性重复性是指传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度. 重复性误差可用正反行程的最大偏差表示，即2.传感器的动态特性(1).瞬态响应特性瞬态特性指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。(2) 频率响应特性频率响应特性指传感器对随变频率化的输入量的响应特性。.%10/maxFSRy4时间安排 教学过程设计4学时三、传感器测量1、与测量条件有关的因素(1)测量的目的；(2)被测试量的选择；(3)测量范围；(4)输入信号的幅值，频带宽度
6、；(5)精度要求；(6)测量所需要的时间2、传感器测量的技术指标(1)精度；(2)稳定度；(3)响应特性；(4)模拟量与数字量；(5)输出幅值；(6)对被测物体产生的负载效应；(7)校正周期；(8)超标准过大的输入信号保护3、与使用环境条件有关的因素(1)安装现场条件及情况；(2)环境条件(湿度、温度、振动等)；(3)信号传输距离；(4)所需现场提供的功率容量。4.与购买和维修有关的因素(1)价格；(2)零配件的储备；(3)服务与维修制度5、传感器测量的误差(1)静态误差是指传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论值静态误差的偏离程度静态误差的求取方法如下：把全部输出数据与拟合直线上对应值的残
7、差,看成是随机分布,求出其标准偏差（2）动态误差传感器对随时间变化的输入量时，其响应值与稳态值只差。作业 教科书 14 页 1、3 题教学反馈（注：单元格可合并、拆分）5淄博职业学院传感器原理及应用课教学设计方案教师：朱相磊 序号：2授课时间 2010-2011 学年第二学期（3.19-4.2 星期二 1、2 节 星期四 1、2 节）授课专业 P09 电子信息工程技术 上课地点 Q3-113学习内容 项目二 电阻式传感器与测量 课时 10专业能力1、 传感器器件的应用能力2、 电路的分析能力3、 产品的设计能力方法能力 分析问题方法，设计方法教学目标社会能力 沟通协作能力，企业工作能力目标群体
8、教学环境 传感器结构图形资料，传感器应用案例，网络资源教学方法 课堂讲授，项目教学时间安排 教学过程设计2学时一、资讯分析1、压力器概述被测物理量为荷重或力的应变式传感器时，统称为应变式力传感器。其主要用途是作为各种电子称与材料试验机的测力元件、 发动机的推力测试、 水坝坝体承载状况监测等。这些都是压力器。 应变式力传感器要求有较高的灵敏度和稳定性，当传感器在受到侧向作用力或力的作用点少量变化时，不应对输出有明显的影响。 2、压力器的结构形式（1） 、柱（筒）式压力器( a ) ( b )( c )R1R5R2R6R3R7R4R8R1R3R5R7R6R8R2R4( d )Uo 6时间安排 教学
9、过程设计4学时图 2-13（ a） 、 （ b）分别为柱式、筒式力传感器，应变片粘贴在弹性体外壁应力分布均匀的中间部分，对称地粘贴多片， 电桥连线时考虑尽量减小载荷偏心和弯矩影响，贴片在圆柱面上的展开位置及其在桥路中的连接如图 2-13（ c） 、 （ d）所示， R1 和 R3 串接， R2 和 R4 串接，并置于桥路对臂上，以减小弯矩影响， 横向贴片 R5 和 R7 串接， R6 和 R8 串接，作温度补偿用，接于另两个桥臂上。 2、 环式压力器 如图 2-14(a)所示为环式力传感器结构图。 与柱式相比，应力分布变化较大，且有正有负( a )AR1R2Bh( b )MBAFR 3 9 .
10、 5 二、应变式传感器1、工作原理电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应变效应” 。 （1856 年W. Thomson 发现） 如图 3 - 1 所示，一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为 式中： 电阻丝的电阻率； l电阻丝的长度； A电阻丝的截面积当电阻丝受到拉力 F 作用时， 将伸长 l，横截面积相应减小 A，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了 d ，从而引起电阻值相对变化量为 AlRF l rrlF AlR7时间安排 教学过程设计4学时灵敏系数 K 受两个因素影响：一个是应变片受力后材料
11、几何尺寸的变化， 即1+2 ；另一个是应变片受力后材料的电阻率发生的变化， 即（d / ）/ 。对金属材料来说，电阻丝灵敏度系数表达式中 1+2 的值要比(d / )/ 大得多，而半导体材料的(d / )/ 项的值比 1+2 大得多。大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即 K 为常数。 半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。压阻效应是指半导体材料，当某一轴向受外力作用时， 其电阻率 发生变化的现象2、应变片的种类、材料应变片的种类有敏感栅丝式和箔式两种形式应变片的材料有金属半导体材料对电阻丝材料应有如下要求： 灵敏系数大， 且在相当大
12、的应变范围内保持常数； 值大，即在同样长度、同样横截面积的电阻丝中具有较大的电阻值； 电阻温度系数小，否则因环境温度变化也会改变其阻值； 与铜线的焊接性能好， 与其它金属的接触电势小三、压力器设计要求：1、 应用电阻应变式传感器设计测量力的装置2、 画出设计图及原理分析3、 有项目设计方案，项目进度表，应用说明参考案例 容器内液体压力器作业 教科书 46 页 1、7 题教学反馈（注：单元格可合并、拆分） hRLU1R2R4R0R1R3RtUoLRU22140tR38淄博职业学院传感器原理及应用课教学设计方案教师：朱相磊 序号：3授课时间 2010-2011 学年第二学期（4.3-4.23 星期
13、二 1、2 节 星期四 1、2 节）授课专业 P09 电子信息工程技术 上课地点 Q3-113学习内容 项目三 电容式传感器与测量 课时 10专业能力1、 传感器器件的应用能力2、 电路的分析能力3、 产品的设计能力方法能力 分析问题方法，设计方法教学目标社会能力 沟通协作能力，企业工作能力目标群体教学环境 传感器结构图形资料，传感器应用案例，网络资源教学方法 课堂讲授，项目教学时间安排 教学过程设计2学时一、资讯分析1、量角器概述被测物理量为角度的测量仪器，统称为量角器。其主要用途是作为各种角度与旋转动物理量的测量。 量角器应用电容、电感传感器组成，要求传感器有较高的灵敏度和稳定性，当传感器
14、在受到不同角度作用时或作用旋转动物理量变化时，不应对输出有明显的影响。 2、量角器电路量角器电路主要有角度传感器，传感器测量电路、变换显示电路，电源电路组成。流量传感器可以是电容、电感传感器测量电路可以是直流电、交流电桥变换显示电路有放电器、A/D 变换器、显示电路 9时间安排 教学过程设计2学时二、电容式传感器1、工作原理由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为 式中: 电容极板间介质的介电常数， = 0 r，其中 0 为真空介电常数， r 极板间介质的相对介电常数； S两平行板所覆盖的面积； d两平行板之间的距离。 当被测参数变化使得式（5-1）中的
15、S、 d 或 发生变化时， 电容量 C 也随之变化。如果保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数， 就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。因此，电容式传感器可分为变极距型、 变面积型和变介电常数型三种。图 5-1 所示为常用电容器的结构形式。图(b)、 (c)、 (d)、 (f)、 (g)和(h)为变面积型， 图(a)和(e)为变极距型， 而图(i)(l)则为变介电常数型dSC12( a ) ( b ) ( c ) ( d ) ( e ) ( f )( g ) ( h ) ( i ) ( j ) ( k ) ( l )10时间安排 教学过程设计2学时变极距型电
16、容传感器图 为变极距型电容式传感器的原理图。当传感器的 r 和 S 为常数，初始极距为 d0 时，由式可知其初始电容量 C0 为 C 与 d 近似呈线性关系，所以变极距型电容式传感器只有在 d/d0 很小时，才有近似的线性关系。可以看出，在 d0 较小时，对于同样的 d 变化所引起的 C 可以增大，从而使传感器灵敏度提高。但 d0 过小，容易引起电容器击穿或短路。为此，极板间可采用高介电常数的材料（云母、 塑料膜等）作介质, 如图 所示，此时电容 C 变为 一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在 20100pF 之间， 极板间距离在 25200 m 的范围内。最大位移应小于间距的 1/10，
17、 故在微位移测量中应用最广变面积型电容式传感器作业 教科书 89 页 1 题教学反馈（注：单元格可合并、拆分）Ard00dCb xadxS 11时间安排 教学过程设计2学时图是电容式角位移传感器原理图。当动极板有一个角位移 时，与定极板间的有效覆盖面积就发生改变，从而改变了两极板间的电容量。当 =0 时，则 式中： r介质相对介电常数； d0两极板间距离； S0两极板间初始覆盖面积。 当 0 时， 则 从式可以看出，传感器的电容量 C 与角位移 呈线性关系。 变介质型电容式传感器图是一种变极板间介质的电容式传感器用于测量液位高低的结构原理图。设被测介质的介电常数为 1，液面高度为 h, 变换器
18、总高度为 H，内筒外径为 d，外筒内径为 D，此时变换器电容值为 00dSCr0001CdSCr DdHh1132学时变介质型电容传感器有较多的结构形式，可以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度， 也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。图 5-8 是一种常用的结构形式。 图中两平行电极固定不动，极距为 d0，相对介电常数为 r2 的电介质以不同深度插入电容器中，从而改变两种介质的极板覆盖面积。 传感器总电容量 C 为 式中： L0 和 b0极板的长度和宽度； L第二种介质进入极板间的长度。 若电介质 r1=1, 当 L=0 时，传感器初始电容 C0= 0 rL0b0/d0。 当被
19、测介质 r2 进入极板间 L 深度后，引起电容相对变化量为 可见，电容量的变化与电介质 r2 的移动量 L 成线性关系。三、量角器电路设计要求：1、应用变面积型电容式式传感器 2、画出设计图及原理分析3、有项目设计方案，项目进度表，应用说明参考案例 DnhCnhdDHnhdDC 1)(21)(21)(20 201021 )(rr0200 )1(Lr C0C1C2RRCT14淄博职业学院传感器原理及应用课教学设计方案教师：朱相磊 序号：4授课时间 2010-2011 学年第二学期（4.24-5.7 星期二 1、2 节 星期四 1、2 节）授课专业 P09 电子信息工程技术 上课地点 Q3-113
20、学习内容 项目四 电感式传感器与测量 课时 10专业能力1、 传感器器件的应用能力2、 电路的分析能力3、 产品的设计能力方法能力 分析问题方法，设计方法教学目标社会能力 沟通协作能力，企业工作能力目标群体教学环境 传感器结构图形资料，传感器应用案例，网络资源教学方法 课堂讲授，项目教学时间安排 教学过程设计2学时一、资讯分析1、流量表概述被测物理量为流量电路传感器时，统称为流量表电路传感器。其主要用途是作为各种液体流量的测量、 例如水流量测试、油流量测试、化学试剂流量测试等。这些都是流量表电路。流量表应用电容、电感传感器组成，要求传感器有较高的灵敏度和稳定性，当传感器在受到不同液体流量作用时
21、或作用流量变化时，不应对输出有明显的影响。2、流量表电路 流量表电路主要有流量传感器，传感器测量电路、变换显示电路，电源电路组成。流量传感器可以是电容、电感传感器测量电路可以是直流电、交流电桥变换显示电路有放电器、A/D 变换器、显示电路。11B2A x ( t )1 2 15时间安排 教学过程设计2 学时二、电感式传感器1、概念利用线圈电感或互感的改变来实现非电量测量2、类型特点 分为变磁阻式、变压器式、涡流式等 特点： 工作可靠、寿命长 灵敏度高，分辨力高 精度高、线性好 性能稳定、重复性3、变磁阻式传感器变磁阻式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料制成在铁芯和衔铁之间
22、有气隙，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度 发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。 被 测 物 理 量（ 非 电 量 ： 位 移 、振 动 、 压 力 、流 量 、 比 重 ） 线 圈 自 感 系 数 L/互 感 系 数 M 电 感 /互 感 电 压 或 电 流（ 电 信 号 ）电 磁 感 应A1L1 线 圈 铁 芯衔 铁L2 A2图 5.1 变 磁 阻 式 传 感 器 结 构W16时间安排 教学过程设计2学时变磁阻式传感器的原理磁路总磁阻为 电感与气隙的关系上式表明：当线圈匝数为常数时，电感
23、 L 仅仅是磁路中磁阻 Rm 的函数，改变 或 A0 均可导致电感变化，因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度 的传感器和变气隙面积 A0 的传感器。 目前使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器。 测量电路交流电桥式测量电路当衔铁下移时当衔铁上移时作业 教科书 55 页 1、2 题教学反馈120mLRAA202WRLm图 5.4 交 流 电 桥Z1 Z4 RU?oU?Z3 RZ200U00U17时间安排 教学过程设计4学时变压器式交流电桥电桥两臂 Z1、 Z2 为传感器线圈阻抗，另外两桥臂为交流变压器次级线圈的 1/2 阻抗。 当负载阻抗为无穷大时， 桥路输出电压 当传感器的衔铁处于中间位置，即
24、Z1=Z2=Z，此时有 ， 电桥平衡。 谐振式测量电路调幅电路特点：此电路灵敏度很高， 但线性差，适用于线性度要求不高的场合。 三、流量表电路设计要求：1、应用差动变压器式传感器 2、画出设计图及原理分析3、有项目设计方案，项目进度表，应用说明参考案例 UC 2U2Z 1Z2oUABD 2211o ZUZ0oUiU R0oU(a)半 波 电 压 输 出xiU R0xTToU oUR01abcd C1C2iUxT14235687910(c)全 波 电 压 输 出TiUx oUR018淄博职业学院传感器原理及应用课教学设计方案教师：朱相磊 序号：5授课时间 2010-2011 学年第二学期（5.8
25、-5.21 星期二 1、2 节 星期四 1、2 节）授课专业 P09 电子信息工程技术 上课地点 Q3-113学习内容 项目五 压电式传感器与应用 课时 8专业能力1、 传感器器件的应用能力2、 电路的分析能力3、 产品的设计能力方法能力 分析问题方法，设计方法教学目标社会能力 沟通协作能力，企业工作能力目标群体教学环境 传感器结构图形资料，传感器应用案例，网络资源教学方法 课堂讲授，项目教学时间安排 教学过程设计2学时一、资讯分析1、压电效应概述某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷， 当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态
26、。这种现象称压电效应。当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。有时人们把这种机械能转换为电能的现象，称为“正压电效应” 。相反，当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生几何变形，这种现象称为“逆压电效应” （电致伸缩效应） 。具有压电效应的材料称为压电材料。2、单晶压电晶体石英晶体化学式为 SiO2，是单晶体结构。图示为天然结构的石英晶体外形，它是一个正六面体。石英晶体各个方向的特性是不同的。 其中纵向轴 z 称为光轴，经过六面体棱线并垂直于光轴的 x 称为电轴，与 x 和 z 轴同时垂直的轴 y 称为机械轴。 通常把沿电轴 x 方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应” ，
27、而把沿机械轴 y 方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应” 。而沿光轴 z 方向的力作用时不产生压电效应。时间安排 教学过程设计zxyoxzyobzoxacy( a ) ( b ) ( c )192学时3、多晶压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴，它有一定的极化方向，从而存在电场。 在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。外电场愈强， 就有更多的电畴更完全
28、地转向外电场方向。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，当外电场去掉后，电畴的极化方向基本变化，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性。4、等效电路由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可以看作一个电荷发生器。同时，它也是一个电容器，晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质等效于一种介质，则其电容量为 式中： A压电片的面积； d压电片的厚度； r压电材料的相对介电常数。因此，压电传感器可以等效为一个与电容相串联的电压源。如图（a）所示，电容器上的电压 Ua、电荷量 q 和电容量 Ca 三者关系为 压电传感器也可以等效
29、为一个电荷源。如图（b）所示。 压电元件的等效电路（a）电压源 （b）电荷源 压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量电路相连接，因此还需考虑连接电缆的等效电容 Cc，放大器的输入电阻 Ri ,输入电容 Ci 以及压电传感器的泄漏电阻 Ra。这样，压电传感器在测量系统中的实际等效电路，如图所示。压电传感器的实际等效电路 （a） 电压源（b）电荷源 dACra0aqUCauaCaq( a ) ( b )UaCaRaCcRiCiq RaCcRiCiCe( a ) ( b )20时间安排 教学过程设计4学时二、压电式传感器的测量电路压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测量电路通常需
30、要接入一个高输入阻抗前置放大器。其作用为：一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传感器输出的微弱信号。压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。 1.电压放大器（阻抗变换器）下图（a） 、(b）是电压放大器电路原理图及其等效电路。 在图（b）中，电阻 R=RaRi/(Ra+Ri)，电容 C=Cc+Ci，而 ua=q/Ca，若压电元件受正弦力f=Fm sint 的作用，则其电压为 式中： Um压电元件输出电压幅值，Um=dFm/Ca； d压电系数。 电压放大器电路原理及其等效电路图（a） 放大器电路 （b） 等效电路2电荷放大器
31、电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，由一个反馈电容 Cf 和高增益运算放大器构成。由于运算放大器输入阻抗极高， 放大器输入端几乎没有分流，故可略去 Ra 和 Ri 并联电阻。 电荷放大器等效电路tUtCdFmamsinsiAuoCiRiCeReCaua( a )CRCauaui( b )fdoCqu AuoCiqCaCeCr21作业 教科书 86 页 1 题教学过程设计22三、压电式传感器的应用1压电式测力传感器主要由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及基座等组成。 2压电式加速度传感器主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。压电式加速度传感器当传
32、感器感受振动时，质量块感受与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用。这样，质量块就有一正比于加速度的交变力作用在压电片上。由于压电片压电效应，两个表面上就产生交变电荷，当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电荷（电压）与作用力成正比，亦即与试件的加速度成正比。输出电量由传感器输出端引出，输入到前置放大器后就可以用普通的测量仪器测出试件的加速度，如在放大器中加进适当的积分电路，就可以测出试件的振动速度或位移。压电式测力传感器压电元件是直接把力转换为电荷的传感器。 变形方式：利用纵向压电效应的 TE 方式最简便。 材料选择：决定于所测力的量值大小，对测量误差提出的要求
33、、工作环境温度等各种因素。 晶片数目：通常是使用机械串联而电气并联的两片。晶片电气并联两片，可以使传感器的电荷输出灵敏度增大一倍。淄博职业学院传感器原理及应用课教学设计方案23教师：朱相磊 序号：6授课时间 2010-2011 学年第二学期（5.22-6.11 星期二 1、2 节 星期四 1、2 节）授课专业 P09 电子信息工程技术 上课地点 Q3-113学习内容 项目六 热电式传感器与应用 课时 10专业能力1、 传感器器件的应用能力2、 电路的分析能力3、 产品的设计能力方法能力 分析问题方法，设计方法教学目标社会能力 沟通协作能力，企业工作能力目标群体教学环境 传感器结构图形资料，传感
34、器应用案例，网络资源教学方法 课堂讲授，项目教学时间安排 教学过程设计2学时一、资讯分析1、 热电式传感器概述热敏传感器主要有热电式和热电阻式。热电偶热电偶作为温度传感器，测得与温度相应的热电动势，由仪表显示出温度值。它广泛用来测量-2001300范围内的温度，特殊情况下，可测至 2800的高温或 4K 的低温。它具有结构简单，价格便宜，准确度高，测温范围广等特点。由于热电偶将温度转化成电量进行检测，使温度的测量、控制、以及对温度信号的放大，变换都很方便，适用于远距离测量和自动控制。1 热电偶工作原理热电效应：两种不同材料的导体（或半导体）组成一个闭合回路，当两接点温度 T 和 T0不同时，则
35、在该回路中就会产生电动势的现象。由两种导体的组合并将温度转化为热电动势的传感器叫做热电偶。热电动势是由两种导体的接触电势（珀尔贴电势）和单一导体的温差电势（汤姆逊电势）所组成。热电动势的大小与两种导体材料的性质及接点温度有关。接触电动势:由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。温差电动势:同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。导体内部的电子密度是不同的，当两种电子密度不同的导体 A 与 B 接触时，接触面上就会发生电子扩散，电子从电子密度高的导体流向密度低的导体时间安排 教学过程设计244学时电子扩散的速率与两导体的电子密度有关并和接触区的温度成正比。设导体 A 和
36、B 的自由电子密度为 NA 和 NB，且 NANB，电子扩散的结果使导体 A 失去电子而带正电，导体 B 则获得电子而带负电，在接触面形成电场。这个电场阻碍了电子的扩散，达到动平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，即接触电势，其大小为式中，k玻耳兹曼常数，k=1.3810-23J/K；e电子电荷量，e1.610-19 C；T接触处的温度，K； NA，NB分别为导体 A 和 B 的自由电子密度。因导体两端温度不同而产生的电动势称为温差电势。由于温度梯度的存在，改变了电子的能量分布，高温（T）端电子将向低温端（T0）扩散，致使高温端因失去电子带正电，低温端因获电子而带负电。因而在同一导体两端也产生
37、电位差，并阻止电子从高温端向低温端扩散，于是电子扩散形成动平衡，此时所建立的电位差称为温差电势即汤姆逊电势，它与温度的关系为导体 A 和 B 组成的热电偶闭合电路在两个接点处有两个接触电势 eAB(T)与 eAB(T0)，又因为TT0，在导体 A 和 B 中还各有一个温差电势。所以闭合回路总热电动势 EAB(T,T0)应为接触电动势和温差电势的代数和，即：对于已选定的热电偶，当参考温度恒定时，总热电动势就变成测量端温度 T 的单值函数，即 EAB(,T0)=f(T)。这就是热电偶测量温度的基本原理。在实际测温时，必须在热电偶闭合回路中引入连接导线和仪表。热电阻温度升高，金属内部原子晶格的振动加
38、剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。电阻温度计是利用导体或半导体的电阻值随温度的变化来测量温度的元件，它由热电阻体（感温元件） ，连接导线和显示或纪录仪表构成。习惯上将用作标准的热电阻体称为标准温度计，而将工作用的热电阻体直接称为热电阻。他们广泛用来测量-200850范围内的温度，少数情况下，低温可至 1K，高温可达 1000。在常用的电阻温度计中，标准铂电阻温度计的准确度最高，并作为国际温标中 961.78以下内插用标准温度计。同热电偶相比，具有准确度高，输出信号大，灵敏度高，测温范围广
39、，稳定性好,输出线性好等特性；但结构复杂，尺寸较大，因此热相应时间长，不适于测量体积狭小和温度瞬变区域。热电阻按感温元件的材质分金属与半导体两类。金属导体有铂、铜、镍、铑铁及铂钴合金等，在工业生产中大量使用的有铂、铜两种热电阻；半导体有锗、碳和热敏电阻等。按准确度等级分为标准电阻温度计和工业热电阻。按结构分为薄膜型和铠装型等。时间安排 教学过程设计254学时二、热电偶测温线路 1. 测量某一点的温度Tn T0T0TnCDMRLEABT2. 测量两点之间的温度差A T2仪仪表表BT1CDT0T0B AC三、应用 常用炉温测量控制系统如图所示。毫伏定值器给出给定温度的相应毫伏值，热电偶的热电势与定
40、值器的毫伏值相比较，若有偏差则表示炉温偏离给定值，此偏差经放大器送入调节器，再经过晶闸管触发器推动晶闸管执行器来调整电炉丝的加热功率，直到偏差被消除，从而实现控制温度。作业 教科书 128 页 1、3 题教学反馈淄博职业学院传感器原理及应用课教学设计方案20VAm V定值器u V放大器P I D调节器手动控制信号触发器 执行器接触器X C T 1 0 1手动自动电阻炉A B26教师：朱相磊 序号：7授课时间 2010-2011 学年第二学期（6.12-6.25 星期二 1、2 节 星期四 1、2 节）授课专业 P09 电子信息工程技术 上课地点 Q3-113学习内容 项目六 热电式传感器与应用
41、 课时 10专业能力1、传感器器件的应用能力2、电路的分析能力3、产品的设计能力方法能力 分析问题方法，设计方法教学目标社会能力 沟通协作能力，企业工作能力目标群体教学环境 传感器结构图形资料，传感器应用案例，网络资源教学方法 课堂讲授，项目教学时间安排 教学过程设计2学时一、资讯分析光电式传感器概述光电效应是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量，从而产生的电效应。光电传感器的工作原理基于光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。1、外光电效应在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光
42、电倍增管等。2、内光电效应当光照射在物体上，使物体的电阻率 发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类： 在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管274学时二、光电器件光敏二极管和光敏三极管光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个 PN 结。它和光电池相比，重要的不同点是结面积小，因此它的频率特性特
43、别好。光生电势与光电池相同，但输出电流普遍比光电池小，一般为几 A 到几十 A。按材料分，光电二极管有硅、砷化镓、锑化铟光电二极管等许多种。按结构分，有同质结与异质结之分。其中最典型的是同质结硅光电二极管。国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为 2CU 和 2DU 两种系列。2CU系列以 N-Si 为衬底，2DU 系列以 P-Si 为衬底。2CU 系列的光电二极管只有两条引线，而 2DU 系列光电二极管有三条引线。 发光二极管的伏安特性与普通二极管相似，但随材料禁带宽度的不同，开启（点燃）电压略有差异。图为砷磷化镓发光二极管的伏安曲线，红色约为1.7V 开启，绿色约注意，图上的横坐标正
44、负值刻度比例不同。一般而言，发光二极管的反向击穿电压大于 5V，为了安全起见，使用时反向电压应在 5V 以下为 2.2V。色敏光电传感器 色敏光电传感器实际上是光电传感器的一种特殊类型。它是两只结深不同的的光电二极管组合体，其结构和工作原理的等效电路如图所示。 双结光电二极管的 P+-N 结为浅结，N-P 结为深结。当光照射时，P+，N，P 三个区域及其间的势垒区均有光子吸收，但是吸收的效率不同。紫外光部分吸收系数大，经过很短距离就被吸收完毕；因此，浅结对紫外光有较高灵敏度。而红外光部分吸收系数小，光子主要在深结处被吸收；因此，深结对红外光有较高的灵敏度。即半导体中不同的区域对不同波长分别具有
45、不同灵敏度。这一特性为识别颜色提供了可能性。利用不同结深二极管的组合，即可构成测定波长的半导体色敏传感器。激光器激光是 20 世纪 60 年代出现的最重大科技成就之一，具有高方向性、高单色性和高亮度三个重要特性。激光波长从 0.24m 到远红外整个光频波段范围激光器种类繁多，按工作物质分类： 固体激光器（如红宝石激光器） 气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器） 半导体激光器（如砷化镓激光器） 液体激光器。光电效应器件 利用物质在光照射下发射电子的外光电效应而制成的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件，如光电管和光电倍增管。28时间安排教学过程设计4学时三、光电传感器的应用1、烟尘
46、浊度监测仪防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一。为了消除工业烟尘污染，首先要知道烟尘排放量，因此必须对烟尘源进行监测、自动显示和超标报警。烟道里的烟尘浊度是用通过光在烟道里传输过程中的变化大小来检测的。如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到达光检测器的光减少，因而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。2、光电转速传感器 下图是光电数字式转速表的工作原理图。图(a)是在待测转速轴上固定一带孔的转速调置盘，在调置盘一边由白炽灯产生恒定光，透过盘上小孔到达光敏二极管组成的光电转换器上，转换成相应的电脉冲信号，经过放大整形电路输出整齐的脉冲信号，转速由该脉冲频率决定。 2 31231(a) (b)3、光电池在光电检测和自动控制方面的应用光电池作为光电探测使用时，其基本原理与光敏二极管相同，但它们的基本结构和制造工艺不完全相同。由于光电池工作时不需要外加电压；光电转换效率高，光谱范围宽，频率特性好，噪声低等，它已广泛地用于光电读出、光电耦合、光栅测距、激光准直、电影还音、紫外光监视器和燃气轮机的熄火保护装置等。作业 教科书 187 页 6 题（注：单元格可合并、拆分）光电数字式转速表工作原理图5
