傳感器及檢測技術(shù)教案.doc

傳感器及檢測技術(shù)項目一 傳感器誤差與特性分析任務(wù)1 檢測結(jié)果的數(shù)據(jù)整理1.1.1 測量與測量方法 1.檢測2.測量方法(1)電測法和非電測法(2)直接測量和間接測量(3)靜態(tài)測量和動態(tài)測量(4)接觸性測量和非接觸性測量(5)模擬式測量和數(shù)字式測量1.1.2 測量誤差及其表示方法測量誤差：測量值與其真值之間的差值例：某溫度計的量程范圍為0-500C，校驗時該表的最大絕對誤差為6C，試確定其精度等級？查表1.1，精度等級應(yīng)定為1.5級任務(wù)1：現(xiàn)有0.5級的0300C和1.0級0100C的兩個溫度計，欲測量80C的溫度，試問選用哪一個溫度計好？為什么？在選用儀器時應(yīng)考慮哪些方面？實施：0.5級的0300C的溫度計測量時可能出現(xiàn)的最大絕對誤差為：用其測量80C可能出現(xiàn)的最大示值相對誤差為：1.0級的0100C的溫度計測量時可能出現(xiàn)的最大絕對誤差為：用其測量80C可能出現(xiàn)的最大示值相對誤差為：結(jié)論：選用1.0級的0100C的溫度計較好。選用儀器時，不能單純追求精度，而是要兼顧精度和量程1.1.3 測量誤差的分類及來源1.系統(tǒng)誤差2.隨機誤差3.粗大誤差（疏忽誤差、過失誤差)4.緩變誤差任務(wù)2 傳感器特性分析與傳感器選用1.2.1 傳感器的組成及其分類1.2.2 傳感器的靜態(tài)特性與指標傳感器的靜態(tài)特性指標1.精密度、準確度和精確度2.穩(wěn)定性3.靈敏度4.線性度（非線性誤差）5.遲滯6.可靠性1.2.3 傳感器的動態(tài)特性與指標1.動態(tài)特性2.傳感器的階躍響應(yīng)3.傳感器的頻率響應(yīng)1.2.4 傳感器的標定項目二速度與位移測量 任務(wù)1 壓電傳感器測量加速度新課導入生活中的壓電效應(yīng)現(xiàn)象及應(yīng)用新知識講授知識鏈接自發(fā)電式傳感器：以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，外力作用下，在電介質(zhì)表面上產(chǎn)生電荷，實現(xiàn)力與電荷的轉(zhuǎn)換，完成非電量（動態(tài)力、加速度等）的檢測，但不能用于靜態(tài)參數(shù)的測量2.1.1 壓電效應(yīng)1、壓電效應(yīng)2、逆壓電效應(yīng)2.1.2 壓電材料1壓電晶體2壓電陶瓷3高分子壓電材料2.1.3 壓電式傳感器測量電路1壓電元件的等效電路2壓電式傳感器的等效電路任務(wù)與實施【任務(wù)1】 隨著人民生活水平的提高，小轎車已進入了普通百姓家庭之中。但交通擁擠極易造成交通事故。一旦發(fā)生撞車事故，及時保護乘員的安全必須放在首位。如何根據(jù)車速的變化及時判斷汽車屬于正常行駛還是發(fā)生撞車事故呢？【實施方案】 當汽車在正常的高速行駛中發(fā)生撞車事故時，其加速度的變化很大，因此可以根據(jù)負向加速度的變化判斷是否需要對乘員進行保護。測量加速度用壓電傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、堅實牢固、振動頻率高（頻率范圍約為0.310kHz）、加速度測量范圍大（加速度為10-5g10-4g，g為重力加速度9.8m/s2）和工作溫度范圍寬等優(yōu)點，在汽車、飛機、船舶、橋梁和建筑的振動和沖擊測量中獲得廣泛應(yīng)用，特別是航空和宇航領(lǐng)域中更有它的特殊地位。【任務(wù)2】 在公路運輸中，貨車超載、肇事逃逸等現(xiàn)象屢屢發(fā)生，給人們的安全帶來了極大的隱患。及時根據(jù)現(xiàn)場留下的信息進行準確判斷、快速高效處理交通事故便成為交警的當務(wù)之急?，F(xiàn)有一輛肇事車輛以較快的車速沖過測速傳感器，那么如何測量車速和汽車載重、確定汽車的車型、判斷汽車是否超速或超重行駛呢？【實施方案】將兩根相距2m的高分子壓電電纜平行埋設(shè)于柏油公路路面下約5cm，當一輛肇事車輛以較快的車速沖過測速傳感器時，兩根PVDF壓電電纜測速原理如下圖所示：小結(jié)壓電效應(yīng)及逆壓電效應(yīng)；壓電效應(yīng)的應(yīng)用；壓電材料及種類；壓電效應(yīng)測力的轉(zhuǎn)換電路任務(wù)2 光電傳感器測量轉(zhuǎn)度導入知識回顧：壓電效應(yīng)及逆壓電效應(yīng) 壓電效應(yīng)的應(yīng)用新知識講授光電效應(yīng)用光照射某一物體，可以看做物體受到一連串能量為E的光子的轟擊，組成這種物體的材料吸收光子能量而發(fā)生相應(yīng)電效應(yīng)的物理現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)2.2.2 光電器件1光電管2光敏電阻3光敏晶體管（1）光敏二極管結(jié)構(gòu)及工作原理（2）光敏三極管結(jié)構(gòu)及工作原理特性檢測方法應(yīng)用電路4光電池任務(wù)與實施【任務(wù)1】 在冷軋帶鋼廠中，帶鋼在某些工藝如連續(xù)酸洗、退火、鍍錫等過程中易產(chǎn)生走偏。在其他工業(yè)部門如印染、造紙、膠片、磁帶等生產(chǎn)過程中也會發(fā)生類似的問題。帶材走偏時，邊緣經(jīng)常與傳送機械發(fā)生碰撞，易出現(xiàn)卷邊，造成次品。實際中如何克服此種現(xiàn)象以提高產(chǎn)品的質(zhì)量呢？【任務(wù)2】 在轉(zhuǎn)速測量過程中，傳統(tǒng)的機械式轉(zhuǎn)速表和接觸式電子轉(zhuǎn)速表均會影響被測物的旋轉(zhuǎn)速度，且被測旋轉(zhuǎn)速度的大小也有一定的限制，不能很好滿足自動化的要求。如何在不干擾被測物體轉(zhuǎn)動的前提下實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速測量呢？任務(wù)3 霍爾傳感器測量位移導入知識回顧：光電效應(yīng)及分類；光電器件及其特性；光電傳感器組成及應(yīng)用新課講授2.3.1 霍爾元件工作原理2.3.2 霍爾元件的主要特性參數(shù)2.3.3 霍爾元件的測量電路及補償1基本測量電路2溫度補償?shù)姆椒ǎ?）為什么要進行溫度補償？（2）補償?shù)姆椒ǎ?恒流源補償法： 選擇合理的負載電阻進行補償 利用霍爾元件輸入回路的串聯(lián)電阻或并聯(lián)電阻進行補償?shù)姆椒?熱敏電阻補償法3不等位電勢的補償（1）不等位電勢及其產(chǎn)生原因（2）補償?shù)姆椒霸?.3.4 霍爾傳感器的應(yīng)用（1）角位移測量儀（2）霍爾轉(zhuǎn)速表項目三 流量測量：任務(wù)1 差壓式流量計測流量新課導入生活中流量傳感器的實例新知識講授3.1.1 流量及其測量方法 1流量2流量測量方法3.1.2 差壓式流量計（節(jié)流式流量計）1測量原理與流量方程2標準節(jié)流裝置（1）標準節(jié)流件（2）取壓方式3標準節(jié)流裝置的使用條件與管道條件3.1.3 差壓計1雙波紋管差壓計2膜片式差壓計任務(wù)與實施【任務(wù)】差壓式流量計在工業(yè)領(lǐng)域流量測量方面應(yīng)用非常廣泛，它的使用量大概占全部流量儀表的60%70%。當被測介質(zhì)不同時，在安裝方面應(yīng)注意哪些問題？差壓式流量測量元件應(yīng)如何校驗？ 【實施方案】差壓式流量計主要由節(jié)流裝置、傳送差壓信號的引壓管路及差壓計組成。各部分是否可靠正確地安裝，將直接影響測量精確度，因此必須十分重視安裝工作任務(wù)2 容積式流量計測流量新課導入生活中流量傳感器的實例新知識講授任務(wù)2 容積式流量計測流量3.2.1 橢圓齒輪流量計 1、結(jié)構(gòu)原理2、應(yīng)用特點 3.2.2 腰輪流量傳感器1、結(jié)構(gòu)原理2、應(yīng)用特點3.2.3 刮板式流量計1、結(jié)構(gòu)原理2、應(yīng)用特點任務(wù)3 速度式流量計測流量課程導入知識回顧：流量及其測量方法；差壓式流量計結(jié)構(gòu)原理；容積式流量計結(jié)構(gòu)原理新課講授3.3.1 電磁流量計1測量原理3.3.2 渦輪流量計1測量原理2結(jié)構(gòu)3.3.3 超聲波流量計1測量原理（1）時差（2）相位差法（3）頻率差法3.3.4 流體振動式流量計1渦街流量計（1） 測量原理與結(jié)構(gòu)（2）旋渦頻率的檢測2. 旋進式旋渦流量計任務(wù)與實施項目四 力測量 任務(wù)1電阻應(yīng)變式傳感器測量壓力導入溫度測量傳感器的種類及其相應(yīng)原理任務(wù)1 電阻應(yīng)變式傳感器測量壓力知識鏈接電阻式傳感器的基本原理被測量的變化-轉(zhuǎn)換電路（直流電橋）-4.1.1 電阻應(yīng)變片的種類與結(jié)構(gòu)1、絲式應(yīng)變片2、箔式應(yīng)變片 3、薄膜應(yīng)變片4.1.2 電阻的應(yīng)變效應(yīng)1、應(yīng)變效應(yīng)2、彈性敏感原件（1）柱式彈性原件（2）薄壁圓筒（3）懸臂梁4.1.3 測量電路1、直流電橋工作原理知識鏈接電阻式傳感器的基本原理被測量的變化-轉(zhuǎn)換電路（直流電橋）-4.1.3 測量電路2、電阻應(yīng)變片測量電橋（1）應(yīng)變片單臂工作直流電橋（2）應(yīng)變片雙臂直流電橋（半橋）結(jié)論：相同條件下（供電電源和應(yīng)變片型號不變）半橋差動輸出是單臂輸出的2倍。檢測的靈敏度提高一倍。4.1.4 應(yīng)變片的溫度誤差及其補償1、溫度誤差（1）單絲自補償應(yīng)變片（2）雙絲組合式自補償應(yīng)變片（3）橋式電路補償3.1.5 電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用1、測量較大壓力【任務(wù)】 在生產(chǎn)過程中，需對動力管道設(shè)備進出口的氣體或液體的壓力、發(fā)動機內(nèi)部的壓力變化等進行測量，以實現(xiàn)自動控制及自動報警功能。要求選擇器件把壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號，并完成信號處理，使最終輸出的電信號與壓力大小呈線性關(guān)系【實施方案】1確定彈性元件2、確定測量用傳感器3、測量電路4、信號補償（1）溫度引起的誤差補償（2）線路傳輸引起的誤差補償5、壓力標定3.2.1 自感式傳感器1、基本變間隙自感式傳感器2、差動變間隙式傳感器3、螺管型電感式傳感器4、測量電路（1）交流變壓器式電橋（2）諧振調(diào)幅電路（3）諧振調(diào)頻電路4.2.2 互感式傳感器1、螺線管式差動變壓器2、變間隙式差動變壓器傳感器小結(jié)電感傳感器測力原理及種類電感傳感器測量電路任務(wù)2 電感式傳感器測量壓力(二)4.2.2 互感式傳感器3、測量電路（1）差動整流電路銜鐵在零位：銜鐵上移：銜鐵下移：（2）相敏檢波電路4.2.3 電感式傳感器的應(yīng)用1、用自感式傳感器測量位移2、用變壓器式傳感器測量加速度3、用變壓器式傳感器測量壓力【任務(wù)】 在液體輸送管道中需要了解流動中液體的壓力。要求把液體壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號，并對其轉(zhuǎn)換出的信號進行處理，使處理后輸出的電信號與液體壓力呈一一對應(yīng)關(guān)系。【實現(xiàn)方案】 完成氣體壓力測量可按如下環(huán)節(jié)進行1確定彈性元件2確定測量用傳感器3確定測量電路項目五 溫度測量 任務(wù)1 熱電偶傳感器測量溫度導入測量溫度的傳感器的種類，本次課程要求。新課講授項目2 溫度測量任務(wù)1 熱電偶傳感器測量溫度 5.1.1 熱電偶工作原理熱電偶溫度傳感器將被測溫度轉(zhuǎn)化為mV級熱電動勢信號輸出，屬于自發(fā)電型傳感器，測溫范圍為-2701800。測溫時需將熱電偶通過連接導線與顯示儀表相連接組成測溫系統(tǒng)，實現(xiàn)遠距離溫度自動測量、顯示、記錄、報警和控制等，圖2.1所示的溫度檢測系統(tǒng)應(yīng)用非常廣泛。圖2.2 熱電偶回路圖2.1 熱電偶測溫系統(tǒng)示意圖 1熱電效應(yīng) 將兩種不同的導體或半導體兩端相接組成閉合回路，如圖2.2所示，當兩個接點分別置于不同溫度t、t0（t t0）中時，回路中就會產(chǎn)生一個熱電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。兩種導體稱為熱電極，所組成的回路稱為熱電偶，熱電偶的兩個工作端分別稱為熱端和冷端。熱電偶回路產(chǎn)生的熱電動勢由接觸電動勢和溫差電動勢兩部分組成（1）接觸電動勢 當A、B兩種不同導體接觸時，由于兩者電子密度不同（設(shè)NANB），從A擴散到B的電子數(shù)要比從B擴散到A的電子數(shù)多，于是在A、B接觸面上形成了一個由A到B的靜電場。該靜電場的作用一方面阻礙了A導體電子的擴散運動，同時對B導體電子的擴散運動起促進作用，最后達到動態(tài)平衡狀態(tài)。這時A、B接觸面所形成的電位差稱為接觸電動勢，其大小分別用eAB(t)、eAB(t0)表示。 接觸電動勢的大小與接點處溫度高低和導體的電子密度有關(guān)。溫度越高，接觸電動勢越大；兩種導體電子密度的比值越大，接觸電動勢越大。（2）溫差電動勢 將一根導體的兩端分別置于不同的溫度t、t0（t t0）中時，由于導體熱端的自由電子具有較大的動能，使得從熱端擴散到冷端的電子數(shù)比從冷端擴散到熱端的多，于是在導體兩端便產(chǎn)生了一個由熱端指向冷端的靜電場。與接觸電勢形成原理相同，在導體兩端產(chǎn)生了溫差電動勢，分別用eA(t，t0)、eB(t，t0)表示。 溫差電動勢的大小與導體的電子密度及兩端溫度有關(guān)。2熱電偶回路總熱電動勢 熱電偶回路的總熱電動勢包括兩個接觸電動勢和兩個溫差電動勢，即 EAB(t，t0)=eAB(t)eAB(t0)eA(t，t0)+eB(t，t0) （2.1） 由于熱電偶的接觸電動勢遠遠大于溫差電動勢，且t t0，所以總熱電動勢的方向取決于eAB(t)，故式（2.1）可以寫為 EAB(t，t0)=eAB(t)-eAB(t0) （2.2） 任務(wù)2 熱電阻傳感器測量溫度導入知識回顧：熱電偶構(gòu)成原理、基本定律、冷端溫度補償。新課講授項目2 溫度測量任務(wù)2 熱電阻傳感器測量溫度 知識鏈接利用導體或半導體的電阻值隨溫度的變化而變化的特性來測量溫度的感溫元件叫熱電阻。測量范圍：-200500范圍。擴展到15K（-273.15） 的超低溫領(lǐng)域，在10001200溫度范圍內(nèi)也有足夠好的特性。5.2.1 金屬熱電阻1、鉑熱電阻2、銅熱電阻3、其他熱電阻（1）銦電阻；（2）錳電阻5.2.2 半導體熱敏電阻1、NTC熱敏電阻2、PTC熱敏電阻3、熱敏電阻的結(jié)構(gòu)外形與符號【任務(wù)】 將現(xiàn)場熱電阻測量的溫度信號引到控制室，你會采用哪種方案？為什么？熱電阻怎樣校驗？溫度傳感器安裝使用時應(yīng)注意哪些問題？【實施方案】 通常熱電阻安裝的位置與測試儀表之間有一定距離，且連接長導線的電阻在環(huán)境溫度變化時也要發(fā)生變化。按圖2.12（a）所示接線，現(xiàn)場的熱電阻采用二線制，導線電阻與熱電阻Rt串聯(lián)后作為測量電橋的一個橋臂，會造成較大的測量誤差。為克服此種誤差，熱電阻連接時可采用三線制或四線制，見圖2.12（b）和（c）任務(wù)3 紅外傳感器測量溫度導入知識回顧：熱電阻傳感器測溫原理及其測量電路。新知識講授項目2 溫度測量任務(wù)3 紅外傳感器測量溫度知識鏈接紅外技術(shù)是在近幾十年中發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，已在科技、國防、醫(yī)學、建筑、氣象、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。紅外傳感器按其應(yīng)用可分為以下幾個方面： 紅外輻射計用于輻射和光譜輻射測量 搜索和跟蹤系統(tǒng)用于搜索和跟蹤紅外目標，確定其空間位置并對它的運動進行跟蹤 熱成像系統(tǒng)可產(chǎn)生整個目標紅外輻射的分布圖像，如紅外圖像儀、多光譜掃描儀等 紅外測距和通信系統(tǒng) 混合系統(tǒng)是指以上各系統(tǒng)中的兩個或多個的組合用紅外線作為檢測媒介來測量某些非電量，具有以下幾方面的優(yōu)越性： 可晝夜測量。紅外線（指中、遠紅外線）不受周圍可見光的影響，所以可在晝夜進行測量 不必設(shè)光源。由于待測對象發(fā)射出紅外線，所以不必設(shè)置光源 適用于遙感技術(shù)。大氣對某些波長的紅外線吸收非常少，所以適用于遙感技術(shù)5.3.1 紅外輻射紅外輻射俗稱紅外線，是一種不可見光。是位于可見光中紅色光線以外的光線，被稱為紅外線。波長范圍大致為0.761000mm，紅外線在電磁波譜中的位置如圖所示。工程上把紅外線所占據(jù)的波段分為近紅外、中紅外、遠紅外和極遠紅外四部分5.3.2 紅外探測器（紅外傳感器）1、熱探測器2、光子探測器光子探測器利用入射紅外輻射的光子流與探測器材料中電子的相互作用，改變電子的能量狀態(tài)，引起各種電學現(xiàn)象（這一過程也稱為光子效應(yīng)）。通過測量材料電子性質(zhì)的變化，可以知道紅外輻射的強弱?！救蝿?wù)】 在溫度實際測量中，2000以下高溫區(qū)域一般采用熱電偶測量。鎢錸熱電偶作為一種超高溫熱電偶，其測溫上限也只有2100。因此，對于2000以上的高溫區(qū)域，比如達到5500時，已無法用常規(guī)的溫度傳感器來檢測，必須采用一種新型的測量方法來實現(xiàn)高溫測量【實施方案】 任何物體在0K以上都能產(chǎn)生熱輻射。溫度較低時，輻射的是不可見的紅外光，隨著溫度的升高，波長短的光開始豐富起來。溫度升高到500時，開始輻射一部分暗紅色的光。從5001500，輻射光顏色逐漸從紅色橙色黃色藍色白色。也就是說，在1500時的熱輻射中已包含了從幾十mm至0.4mm甚至更短波長的連續(xù)光譜。如果溫度再升高，比如達到5500時，輻射光譜的上限已超過藍色、紫色，進入紫外線區(qū)域。因此測量光的顏色以及輻射強度，可粗略判定物體的溫度。特別是在高溫（2000以上）區(qū)域，高溫測量多依靠輻射原理的溫度計。項目六 液位與厚度測量 任務(wù)1 光纖傳感器測量液位導入知識回顧：霍爾效應(yīng)；霍爾傳感器應(yīng)用新知識講授6.1.1 光纖的結(jié)構(gòu)及種類1、結(jié)構(gòu)：導光的芯體玻璃（簡稱纖芯）、包層及外護套2、種類：光纖的類型主要有三種（1）階躍型：光纖纖芯的折射率分布各點均勻一致，稱為多模光纖（2）梯度型：梯度型光纖的的折射率呈聚焦型，即在軸線上折射率最大，離開軸線則逐步降低，至纖芯區(qū)的邊沿時，降低到與包層區(qū)一樣（3）單孔型光纖： 單孔型光纖的纖芯直徑較?。〝?shù)微米）接近于被傳輸光波的波長，光以電磁場“?！钡脑碓诶w芯中傳導，能量損失很小，適宜于遠距離傳輸6.1.2 光纖的傳輸原理1、光的反射、折射2、光的全反射3、光在光纖中的全反射6.1.3 光纖傳感器的結(jié)構(gòu)、特點及種類1光纖傳感器的結(jié)構(gòu)與特點2光纖傳感器的分類3光纖傳感器功能任務(wù)與實施【任務(wù)1】 在工廠車間里，有許多大功率電動機、交流接觸器、晶閘管調(diào)壓設(shè)備和感應(yīng)電爐等，在防爆場合采用電氣測量時，就會遇到電磁感應(yīng)引起的噪聲問題，在可能產(chǎn)生化學泄漏或可燃性氣體溢出的場合，就會遇到腐蝕和防爆的問題。在這些環(huán)境惡劣的場合，要求對高壓變壓器冷卻油液位進行檢測，采用何種傳感器較合適？如何測量？【任務(wù)2】 在一些易燃、易爆的化工車間進行溫度測量時，就會遇到防爆問題。選用何種傳感器適合于遠距離防爆場所的溫度檢測呢？任務(wù)2 電容傳感器測量液位與厚度導入知識回顧：光纖傳輸光信號的原理； 光纖傳感器結(jié)構(gòu)及應(yīng)用新課講授知識鏈接6.2.1 變間隙式電容傳感器1、工作原理2、測量電路差動交流電橋運算放大器式測量電路（2）差動脈寬調(diào)制型電路電路中各元件的名稱及作用電路工作原理6.2.1 變間隙式電容傳感器2、測量電路（3）調(diào)頻型電路電路中各環(huán)節(jié)的名稱及作用電路工作原理3、測量中存在的問題及解決辦法（1）溫度影響（2）電場的邊緣效應(yīng)（3）寄生電容的影響4、應(yīng)用 可用于測量位移、加速度、壓力等多種物理量 6.2.2 變面積式電容傳感器1、直線位移式2、角位