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1、传感器技术及应用课程教案课题：绪论课时安排：2课次编号：1教材分析难点：检测系统的框图重点：检测系统的组成教学目的和要求1、了解工业检测的定义和内容；2、掌握检测系统的框图的绘制；采用教学方法和实施步骤：讲授、课堂讨论、分析教具：光电检测仪各教学环节和内容检测的定义：检测（DeteCtion）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。自动检测技术：能够自动地完成整个检测处理过程的技术称为自动检测技术。二、工业检测技术的内容工业检测技术的内容较广泛，常见的工业检测涉及的内容如表0-1所示。表01工业检测涉及的
2、内容被测量类型被测量被测量类型被测量热工量温度、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、材料的磁性能本课介绍
3、可三、W（1）将几个方施科技论文4对具伊三电量的检测。动检测系统的组成系统框图：将系统中的主要功能或电路的名称画在方框内，按信号的流程，E用箭头联系起来，有时还可以在箭头上方标出信号的名称。在产品说明书、利用框图可以较简明、清晰地说明系统的构成及工作原理。由勺检测系统或传感器而言，必须将框图中的各项内容赋以具体的内容。显示器f=.71rlUQcF.:f仃.总派硫TAIILTIIT-执行机构I图0-1自动检测系统原理框图通过PPT,介绍方框图的画法：1.洗衣机；2.家用或中央空调；3.电饭煲；4.电冰箱5.电视机的框图举例。（2）传感器（TranSdUCer）指一个能将被测的非电量变换成电量的器
4、件（演示教具，发散性课堂讨论）。（3）信号调理电路信号调理电路包括放大（或衰减）电路、滤波电路、隔离电路等。其中的放大电路的作用是把传感器输出的电量变成具有一定驱动和传输能力的电压、电流或频率信号等，以推动后级的显示器、数据处理装置及执行机构。（4）显示器目前常用的显示器有四类：模拟显示、数字显示、图象显示及记录仪等。模拟量是指连续变化量。模拟显示是利用指针对标尺的相对位置来表示读数的,常见的有亳伏表、微安表、模拟光柱等。数字显示目前多采用发光二极管（LED）和液晶（LCD）等，以数字的形式来显示读数。前者亮度高、耐震动、可适应较宽的温度范围；后者耗电省、集成度高。目前还研制出了带背光板的LC
5、D,便于在夜间观看LCD的内容。图像显示是用CRT或点阵LCD来显示读数或被测参数的变化曲线、图表或彩色图等形式来反映整个生产线上的多组数据。记录仪主要用来记录被检测对象的动态变化过程，常用的记录仪有笔式记录仪、高速打印机、绘图仪、数字存储示波器、磁带记录仪、无纸记录仪等。（5）数据处理装置数据处理装置用来对测试所得的实验数据进行处理、运算、逻辑判断、线性变换，对动态测试结果作频谱分析（幅值谱分析、功率谱分析）、相关分析等，完成这些工作必须采用计算机技术。（6）执行机构所谓执行机构通常是指各种继电器、电磁铁、电磁阀门、电磁调节阀、伺服电动机等，它们在电路中是起通断、控制、调节、保护等作用的电器
6、设备。许多检测系统能输出与被测量有关的电流或电压信号，作为自动控制系统的控制信号,去驱动这些执行机构。四、科技资料的搜索方法解释：网页搜索界面，百度的“文档搜索”的步骤If“更多”一“所有”一“关键词”，“谷歌”的网页搜索，“知道搜索”，“学术搜索”步骤。课外学习指导安排每周四下午7、8节进行答疑补充课外作业上网查阅有关资料，按学生“序号”分组，简要写出以下电器的工作原理（约300字左右即可），并简要画出其结构及原理框图。1.洗衣机；2.家用或中央空调；3.电饭煲；4.电冰箱；检测教学目标实现程度考察学生能否掌握上网搜索科技文献资料的能力，了解一个特定对象的工作原理和结构、框图等。项目一检测与
7、传感技术基础课题：检测与传感技术基础课时安排：2课次编号：2教材分析难点：测量结果的数据统计处理重点：传感器的特性教学目的和要求1、了解测量方法的分类；2、掌握测量误差和数据处理；3、稳定性及其纠正采用教学方法和实施步骤：讲授、课堂讨论、分析教具：数字仪表、弹簧管压力传感器测量方法分类可分为静态测量和动态测量、直接测量和间接测量、模拟式测量和数字式测量、接触式测量和非接触式测量、在线测量和离线测量。根据测量的具体手段来分，又可分为偏位式测量、零位式测量和微差式测量测量误差及数据处理介绍：真值/0、绝对误差：J=Ar-A0(1-1)(1)示值(标称)相对误差及.z=A1OO%(1-3)A(2)引
8、用误差加m=100%(1-4)A11式(1-4)中，当/取仪表的最大绝对误差值4n时，引用误差常被用来确定仪表的准确度(DegreeOfACCUraCy)等级S,即5=Al1OO(1-5)4我国的模拟仪表有下列七种等级，准确度等级的数值越小，仪表的就越昂贵。表1-1仪表的准确度等级和基本误差准确度等级0.10.20.51.01.52.55.0基本误差0.1%0.2%0.5%1.0%+1.5%2.5%5.0%仪表的准确度与“精度”举例，在正常情况下，用0.5级、量程为100C温度表来测量温度时，可能产生的最大绝对误差为：m=(0.5%)XAm=(0.5%100)oC=0.5oC例1-1某压力表准
9、确度为2.5级，量程为。1.5MPa,求：1)可能出现的最大满度相对误差加。2)可能出现的最大绝对误差4为多少kPa?3)测量结果显示为0.70MPal,可能出现的最大示值相对误差公。解1）可能出现的最大满度相对误差可以从准确度等级直接得到，即*=2.5%o3）z=100%=0-373100%=5.36%Xa.0.702）Im=加XAm=2.5%X1.5MPa=0.0375MPa=37.5kPa3）九二4LXloO%=土”还X100%=5.36%X40.70由上例可知，人的绝对值总是大于（在满度时等于）加例1-2现有准确度为0.5级的。300的和准确度为1.0级的。I（XrC的两个温度计，要测
10、量80的温度，试问采用哪一个温度计好？解计算用0.5级表以及1.0级表测量时，可能出现的最大示值相对误差分别为土1.88%和1.25%。计算结果表明，用1.0级表比用0.5级表的示值相对误差的绝对值反而小，所以更合适。由上例得到的结论：在选用仪表时应兼顾准确度等级和量程，通常希望示值落在仪表满度值的2/3以上。（二）测量误差的分类（1）粗大误差：明显偏离真值的误差称为粗大误差。当发现粗大误差时，应予以剔除。（2）系统误差：凡误差的数值固定或按一定规律变化者，均属于系统误差。系统误差是有规律性的，因此可以通过实验的方法或引入修正值的方法计算修正,也可以重新调整测量仪表的有关部件使系统误差尽量减小
11、。（3）随机误差：在同一条件下，多次测量同一被测量，有时会发现测量值时大时小，误差的绝对值及正、负以不可预见的方式变化，该误差称为随机误差.随机误差反映了测量值离散性的大小。引起随机误差的因素称为随机效应。随机误差是测量过程中许多独立的、微小的、偶然的因素引起的综合结果。存在有随机误差的测量结果中，虽然单个测量值误差的出现是随机的，多数随机误差都服从正态分布规律。就误差的整体而言，服从一定的统计规律。因此可以通过增加测量次数，利用概率论的一些理论和统计学的一些方法，可以掌握看似亳无规律的随机误差的分布特性，并进行测量结果的数据统计处理。（课堂上，以下面的例题代替繁杂的计算）。例.用核辐射式测厚
12、仪对钢板的厚度进行6次等精度测量，所得数据如下表（单位为mm）,请指出哪几个数值为粗大误差？在剔除粗大误差后，用算术平均值无公式求出钢板厚度。表1钢板测量结果的数据列表nx/mm18.0428.0237.9645.9959.3367.98-二ly=M+.+,+.占，11（三）测量系统静态误差的合成“环节”、“误差合成”：由个环节串联组成的开环系统如图16所示。输入量为M输出量,寸（x）。JrT伫四*|H四-图16由个环节串联组成的开环系统若第i个环节的满度相对误差为力时，则输出端的满度相对误差刖与7之间的关系可用以下两种方法来确定：（1）绝对值合成法（误差的估计偏大）Xm=/=（l+2lnl）
13、（1-13）/=1（2）方均根合成法Ym=12+/2+/（1-14）例14用图1-2核辐射钢板测厚仪测钢板厚度，已知PIN型射线二极管的测量误差为5%,微电流放大器误差为2%,指针表误差为1%,求测量的总误差。解1）用绝对值合成法计算测量误差Ym=（+2+同）=（5%+2%+l%）=8%2）用方均根合成法m=（5%）2+（2%）2+（l%）2=5.5%结论：测量系统中的一个或几个环节的精度特别高，对提高整个测量系统总的精度意义不大，反而提高了测量系统的成本，造成了资源浪费。请学生找出减小本系统总误差的努力方向。三、传感器基本特性演示弹簧管压力传感器，说明传感器的原理框图。（一）灵敏度K=*?（
14、18）GXX结论：对线性传感器而言，灵敏度为一常数；对非线性传感器而言，灵敏度随输入量的变化而变化。怎样从输出曲线看灵敏度：曲线越陡，灵敏度越高。可以通过作该曲线的切线的方法（作图法）来求得曲线上任一点的灵敏度，用作图法求取传感器的灵敏度如图1-11所示。由切线的斜率可以看出，X2点的灵敏度比M点高。图1-11用作图法求取传感器的灵敏度(二)分辨力(ReSOIUtiOn)分辨力是指传感器能检出被测信号的最小变化量，是有量纲的数。当被测量的变化小于分辨力时，传感器对输入量的变化无任何反应。对数字仪表而言，如果没有其他附加说明，一般可以认为该表的最后一位所表示的数值就是它的分辨力。一般情况下，不能
15、把仪表的分辨力当作仪表的最大绝对误差。例：作业中的图118所示数字式温度计的分辨力为0.1,若该仪表的准确度为LO级，则最大绝对误差将达到2.(C,比分辨力大得多。仪表或传感器中，还经常用到“分辨率”的概念。将分辨力除以仪表的满量程就是仪表的分辨率，分辨率常以百分比或几分之一表示，是量纲为1的数。(三)线性度(Linearity)人们总是希望传感器的输入与输出的关系成正比，即线性关系。这样可使显示仪表的刻度均匀，在整个测量范围内具有相同的灵敏度，并且不必采用线性化措施。但大多数传感器的输入输出特性总是具有不同程度的非线性，可以用下列多项式代数方程表示y=+述+上式中，y为输出量，X为输入量，四
16、为零点输出，内为理论灵敏度，。2、的、。”为非线性项系数。各项系数决定了传感器的线性度的大小。如果。2=。3=-=。”=0,则该系统为线性系统。线性度又称非线性误差，是指传感器实际特性曲线与拟合直线(有时也称理论直线)之间的最大偏差与传感器满量程范围内的输出之百分比，如图l-12a所示，它可用下式表示，且多取其正值l=3a100%(1-19)Vmaxy11in(四)迟滞(Hysteresis)迟滞是指传感器正向特性和反向特性的不一致程度。可用下式表示h=l4i三100%(1-24)2Nmax(五)稳定性(Regulation)稳定性包含稳定度(Stability)和环境影响量(InflUenC
17、eQuantity)两个方面。稳定度指的是仪表在所有条件都恒定不变的情况下，在规定的时间内能维持其示值不变的能力。稳定度般以仪表的示值变化量和时间的长短之比来表示。例：某仪表输出电压值在8h内的最大变化量为1.2mV,则表示为1.2mV（8h）实际应用中的稳定度调整方法：在测量前，可以将输入端短路通过重新调零来克服。灵敏度漂移将使仪表的输入/输出曲线的斜率产生变化。方法：将标准信号，例如由“能隙稳压二极管”产生的2.500V电压经确定的衰减器之后施加到仪表的输入端，测出受环境影响前后输出信号之比例系数，将其作为乘法修正系数。例：某放大器的输入为OIOmV,K=IOoO倍，满度输出为10V。在野
18、外工作现场，发现温度升高后，数据漂移严重，请调整之。解：1.将输入端短路发现放大器的输出为038V,调整“调零电位器”，使之为零。2.将10.0OmV的标准信号施加于输入端，调整”调满度电位器”，使之为10.00Vo即：根据线性仪表的y=o+mx设计方程，使o=O,m恢复设计值。课堂辅导作业：1 .射击弹着点示意图如图120所示，请分别说出图a、b、C各包含什么误差。2 .市售电子秤多以应变片作为传感元件来测量物体的重量，其原理框图如图1-21所示。图121电子秤原理框图各环节的准确度如下：应变梁的蠕变及迟滞误差：0.03%；应变片温漂：0.1%；应变电桥：0.07%；放大器：0.08%；A/
19、D转换器：0.02%,桥路电源：0.01%o求：1）在课堂上分别用绝对值合成法和方均根合成法计算系统可能产生的总的最大满度相对误差。2）你认为哪一个环节引起的误差起主要作用？应采取哪些措施才可以提高该电子称的测量准确度？课外学习指导课堂作业安排每周四下午7、8节进行答疑用10分钟的时间，快速浏览第一章第三节的内容，按论文格式要求，将该节内容所写成为一篇600字的短文。课外作业一、P21：2；4；5二、上网查阅某一仪表的资料（类型不限，独立完成，雷同无分数！），写出它的分类、型号、性能指标，画出其中一种外形图。检测教学目标实现程度考察学生能否了解最基本的工程计算能力，掌握仪表的调整过程。项目二应
20、变式传感器课题：应变传感器原理及应用课时安排：4课次编号：3、4教材分析难点：电桥电路重点：电桥的调零教学目的和要求1、了解应变效应；2、掌握电桥调零的方法；3、掌握应变效应的应用。采用教学方法和实施步骤：讲授、课堂讨论、分析教具：荷重传感器、应变梁各教学环节和内容一、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。电阻应变片的灵敏度：实验证明，电阻丝或半导体应变片的电阻相对变化量加必？与材料力学中的轴向应变品的关系在很大范围内是线性的，即-=Kx(2-3)Rx二、应变片的种类结构应变片的分类：金属应变片、半导体应变片两大类。前者可分成金属丝式、箔
21、式、薄膜式三种。金属丝式应变片价格便宜，多用于要求不高的应变、应力的大批量、一次性试验。箔式应变片的一致性较好，适合于大批量生产，目前广泛用于各种应变式传感器的制造中。半导体应变片是用半导体材料作敏感栅而制成的。当它受力时，电阻率随应力的变化而变化。它的主要优点是灵敏度高(灵敏度比丝式、箔式大几十倍)，主要缺点是灵敏度的一致性差、温漂大、电阻与应变间非线性严重。在使用时，需采用温度补偿及非线性补偿措施。判断表2/中，哪些型号是半导体应变片？为什么？表21应变片主要技术指标参数名称电阻值灵敏度电阻温度系数r,极限工作温度c最大工作电流/mAPZ-120型PJ-120型BX-2(X)型BA-120
22、型BB-35O型PBD-IK型PBD-120型1201202001203501000+10%120+10%1.92.11.92.11.92.21.92.21.92.21405%120+5%20x10620x106一0.4%0.2%-1040-1040-3060-30200-301704040202()2525251520三、测量转换电路为什么测量转换电路必须使用不平衡电桥？应变片的变化量十分微小，必须使用不平衡电桥将AR/R转换为输出电压Ug电桥平衡的条件：为了使电桥在测量前的输出电压为零,应该选择四个桥臂电阻,使RR=R2R4或RR2=R4R3应变电桥的三种不同的工作方式：单臂半桥工作方式：
23、Rl为应变片，R2、R3、值为固定电阻，值均为零。双臂半桥工作方式：&、&为应变片，R3、宠4为固定电阻，e3=4=0o全桥工作方式：电桥的四个桥臂都为应变片。电桥的输出电压估算：从公式25得到的结论：上述三种工作方式比较：全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。温漂补偿：采用双臂半桥或全桥能实现温度自补偿的功能。当环境温度升高时，桥臂上的应变片温度同时升高，温度引起的电阻值漂移数值一致，代入式（2-5）,可以相互抵消，所以这两种桥路具有温度自补偿功能。电桥的调零：调零的必要性：实际使用中，凡、R2、R3、后不可能严格成比例关系，所以即使在未受力时，桥路的输出也不一定能
24、严格为零，因此必须设置调零电路。调零电路：如图2-4b所示。调节RP,最终可以使Rl与（%RP+/?5）、&与（3RP+/?5）的并联结果之比R等于皿r，电桥趋于平衡，U。被预调到零位。讨论：图中的心的作用：用于减小调节范围的限流电阻。四、应变效应的应用（1）应变式力传感器（图2-5）悬臂梁：一端固定、一端自由的弹性敏感元件。它的特点：灵敏度比较高，多用于较小力的测量。（2）应变式扭矩（转矩）传感器应变式扭矩传感器如图26所示。（3）应变式荷重传感器测力和荷重（称重）传感器很大一部分是采用应变式荷重传感器。结构示意图（2-7）荷重传感器的输出电压4的计算：生产厂家一般均给出荷重传感器的灵敏度K
25、-设荷重传感器的满量程为尸m，桥路电压为%满量程时的输出电压为Um，则K/被定义为由于4往往是mV数量级，而Ui往往是V级（IOV左右），所以荷重传感器的灵敏度以mV/V为单位。将式（27）代入式（28）可得到在被测荷重为尸时的输出电压U0=工Uom=LF(2-9)pomPmm课外学习指导安排每周四下午7、8节进行答疑课堂作业用5分钟的时间，快速浏览以下一个与本章内容有关的公司网页，并填写答案，下课之前交！1、从该网页左边的“导航条”可以看出，你所阅读的网页主要是介绍（单片机/传感器/DSP/电动机）技术，它是公司的产品介绍，可以用、等简练（!）的关键字来查找。2、该“产品中心”的网页网址是,
26、该公司的网址是，联系方青有：、等。3、如果要给该公司发Emai订货1,应点击公司名称下方的“导航条”（阴影）中的“”：如果要要下载该公司产品的“应用实例”，应点击该“导航条”中的“4、该网页中，荷重传感器的型号有：、等,测量拉力的传感器型号有：、等。课外作业P55：4；5；7检测教学目标实现程度考察学生能否了解最基本的工程计算能力，掌握电桥的调整过程。课堂作业考察学生对绪论和第一章所讲解的网页搜索能力的掌握情况。项目三电感式传感器I课题：电感式传感器的原理及应用课时安排：4课次编号：5、6教材分析难点:二线制仪表的原理、应用重点:教学目的和要求电流输出型仪表的计算1、了解电感传感器的工作原理；
27、2、掌握电流输出型仪表的概念；3、掌握电流/电压转换电路及计算;采用教学方法和实施步骤:讲授、课堂讨论、分析教具：各种电感传感器各教学环节和内容任务一自感式传感器演示：做以下的实验：将一只380V交流接触器线圈与交流毫安表串联后，接到机床用控制变压器的36V交流电压源上，如图4-1所示。这时毫安表的示值约为几十亳安。用手慢慢将接触器的活动铁心（称为衔铁）往下按，我们会发现毫安表的读数逐渐减小。当衔铁与固定铁心之间的气隙等于零时，亳安表的读数只剩下十几亳安。图31线圈铁心的气隙与电感量及电流的关系实验1一固定铁心2一气隙3一线圈4一衔铁5弹簧6磁力线7绝缘外壳自感传感器常见的形式有变隙式、变面积
28、式和螺线管式等三种，原理示意图分别如图3la、b、C所示，螺线管式自感传感器外形如图3-ld所示。提问：对于变隙式电感传感器，电感L与气隙厚度合成比，画出变隙式电感传感器的-L特性曲线。输入输出是（线性/非线性）关系。小，灵敏度就o为了保证一定的线性度，变隙式电感传感器只能用于位移的测量。图32电感传感器的输出特性a）变隙式电感传感器的万L特性曲线b）变面积式电感传感器的A-L特性曲线1一实际输出特性2理想输出特性二、变面积式电感传感器分析式（3-1）,理论上电感量L与气隙截面积A是（线性/非线性）关系。，灵敏度为O三、螺线管式电感传感器单线圈螺线管式电感传感器，当衔铁工作在螺线管的中部时，可
29、以认为线圈内磁场强度是均匀的，此时线圈电感量L与衔铁插入深度/大致成正比。特点与应用范围：结构简单，制作容易，但灵敏度稍低，适用于测量稍大一点的位移。四、差动电感传感器上述三种电感传感器的缺点：由于线圈中通有交流励磁电流，因而衔铁始终承受电磁吸力，会引起振动及附加误差，而且非线性误差较大；另外，外界的干扰如电源电压频率的变化，温度的变化都使输出产生误差。采用差动电感传感器的好处：在实际工作中常采用差动形式，既可以提高传感器的灵敏度，又可以减小测量误差。提问：单线圈电感传感器与差动式电感传感器的特性比较如图3-4所示。从图3-4可以看出，差动式电感传感器的线性较,灵敏度较O图3-4单线圈电感传感
30、器与差动式电感传感器的特性比较1一上线圈特性2下线圈特性3-L,办差接后的特性五、测量转换电路1.差动电感的变压器电桥转换电路差动电感的变压器电桥转换电路如图35所示。相邻两工作臂Z、Z2是差动电感传感器的两个线圈阻抗。另两臂为激励变压器的二次绕组。输入电压约为IOV左右，频率约为数千赫，输出电压取自A、3两点。当衔铁处于中间位置时：桥路平衡，输出电压当衔铁下移时：下线圈感抗增加，而上线圈感抗减小时。输出电压绝对值增大，其相位与激励源同相。to 7sl图35差动电感的变压器电桥转换电路衔铁上移时：输出电压的相位与激励源反相。如果在转换电路的输出端接上普通指示仪表时，实际上无法判别输出的相位和位
31、移的方向。（解释普通的指示仪表）任务二差动变压器传感器差动变压器是把被测位移量转换为一次线圈与二次线圈间的互感量M的变化的装置。当一次线圈接入激励电源之后，二次线圈就将产生感应电动势，当两者间的互感量变化时，感应电动势也相应变化。目前应用最广泛的结构型式是螺线管式差动变压器。图37差动变压器结构示意图及外形图1一一次线圈2二次线圈3一衔铁4一测杆图3-9差动变压器的输出特性及相敏和非相敏输出特性比较1一理想特性2一非相敏检波实际特性3一相敏检波实际特性二、差动变压器的主要特性（1）灵敏度：单位mV/（mmV）o行程越小，灵敏度越高。（2）线性范围差动电感和变压器线性范围约为线圈骨架长度的1/1
32、0左右。三、测量电路差动变压器的输出电压是交流分量，它与衔铁位移成正比，其输出电压如用交流电压表来测量时，无法判别衔铁移动的方向。解决办法：（1）采用差动相敏检波电路；（2）采用图3-11所示的差动整流电路。图3-11差动整流电路及波形a）差动整流电路b）、c）、d）各点电压波形分析差动整流过程：（1）差动变压器的二次电压U21、022分别经VDlVD4、VDsVD8两个普通桥式电路整流，变成直流电压和U如。由于心。与UM是反向串联的，所以Uc3=Uab=UaorUM该电路是以两个桥路整流后的直流电压之差作为输出的，所以称为差动整流电路。RP用来微调电路平衡的。电感传感器的应用能转换成位移变化
33、的参数，如力、压力、压差、加速度、振动、工件尺寸等，可用电感传感器来测量。一、位移测量测量时红宝石（或筲钢）测端接触被测物，被测物尺寸的微小变化使衔铁在差动线圈中产生位移，造成差动线圈电感量的变化，此电感变化通过电缆接到交流电桥，电桥的输出电压反映了被测体尺寸的变化。测微仪器的最小量程为3m二、电感式不圆度计电感测头围绕工件缓慢旋转，也可以是测头固定不动，工件绕轴心旋转。耐磨测端（多为铐钢或红宝石）与工件接触。信号经计算机处理后给出图33b所示图形。该图形按一定的比例放大工件的不圆度，以便用户分析测量结果。课外学习指导安排每周四下午7、8节进行答疑课堂补充作业课外作业P72：2；3检测教学目标
34、实现程度考察学生能否将学到的工程设计方法灵活地应用到其他类似的工程项目设计中去。项目三电感式传感器11课题：电涡流式传感器的原理及应用课时安排：2课次编号：7教材分析难点:重点:接近开关教学目的和要求1、了解电涡流传感器的工作原理;2、掌握FM电路的应用；3、了解接近开关的原理；4、掌握接近开关的应用。采用教学方法和实施步骤：讲授、课堂互动、分析教具：电涡流传感任务三电涡流传感器器及接近开关各教学环节和内容一、电涡流效应金属导体置于变化的磁场中时，导体表面就会有感应电流产生。电流的流线在金属体内自行闭合，这种由电磁感应原理产生的旋涡状感应电流称为电涡流，这种现象称为电涡流效应电涡流线圈受电涡流
35、影响时的等效阻抗Z与金属导体的/、。有关，与电涡流线圈的激励源频率六M2）等有关，还与金属导体的形状、表面因素（粗糙度、沟痕、裂纹等）有关。更重要的是与线圈到金属导体的间距（距离）了有关，可用以下的函数表达式来表示Z=R+jL=f（于、/、o、r、x）（3-2）结论：如果控制上式中的/、小。、r不变，电涡流线圈的阻抗Z就成为间距X的单值函数，这样就成为非接触位移传感器。如果控制X、人、/不变，就可以用来检测与表面电导率。有关的表面温度、表面裂纹等参数，或者用来检测与材料磁导率有关的材料型号、表面硬度等参数。提示，电涡流线圈的阻抗与、。、r、X之间的关系均是非线性关系，必须由计算机进行线性化纠正
36、。二、电涡流探头结构电涡流传感器的传感元件是一只线圈，俗称为电涡流探头。激励源频率较高（数十千赫至数兆赫）。图33电涡流探头结构1一电涡流线圈2一探头壳体3壳体上的位置调节螺纹4一印制电路板5夹持螺母6电源指示灯7阈值指示灯8一输出屏蔽电缆线9一电缆插头提示：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。三、电涡流传感器的测量转换电路H调幅式电路AM：以输出固定频率信号的幅度来反映调制信号的大小。例如中波、短波广播电台的信号。当被测体为金属时，探头线圈的等效电感L减小、R增大，引起。值下降。当并联谐振回路的谐振频率力济，处于失谐状态，输出电压大大降低。图34定频调幅式测量转换电
37、路2、调频式电路FM：以输出固定幅度、频率上下波动的信号的来反映调制信号的大小。例如调频广播电台的信号。在电涡流传感器中，以LC振荡器的频率/作为输出量。当电涡流线圈与被测体的距离X改变时，电涡流线圈的电感量L也随之改变，引起LC振荡器的输出频率变化,此频率可以通过F/V转换器（又称为鉴频器），将V转换为电压由表头显示出电压值。也可以直接将频率信号（TTL电平）送到计算机的计数/定时器，测量出频率的变化。鉴频器特性如图3-6b所示。 L 电 f去计算机的计数,定时器plur，、茗 UAW 器功率大S位移显示寿图3-6调频式测量转换电路原理框图及特性a）信号流程b）鉴频器特性四、电涡流传感器的应
38、用电涡流传感器的应用领域十分广泛，但也同时带来许多不确定因素，一个或几个因素的微小变化就足以影响测量结果，所以电涡流传感器多用于定性测量。即使要用作定量测量，也必须采用前面述及的逐点标定、计算机线性纠正、温度补偿等措施。介绍转轴的转速（单位为rmin）的测量方法，以及计算公式(4-2)a）带有凹槽的转轴及输出波形b）带有凸槽的转轴及输出波形1一传感器2一被测物五、接近开关及应用接近开关的特点，与机械开关相比，接近开关具有如下特点：非接触检测，不影响被测物的运行工况；不产生机械磨损和疲劳损伤，工作寿命长；响应快，一般响应时间可达几亳秒或十几毫秒；采用全密封结构，防潮、防尘性能较好，工作可靠性强；
39、无触点、无火花、无噪声，所以适用于要求防爆的场合（防爆型）；输出信号大，易于与计算机或PLC等接口；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。接近开关的主要性能指标（1）额定动作距离在规定的条件下所测定到的接近开关的动作距离（单位为mm）；（2）工作距离接近开关在实际使用中被设定的安装距离在此距离内，不产生误动作；（3）动作滞差指动作距离与复位距离之差的绝对值。滞差大，对外界的干扰以及被测物的抖动等的抗干扰能力就强；（4）重复定位精度（重复性）它表征多次测量动作距离。其数值的离散性的大小一般为动作距离的1%5%。离散性越小，重复定位精度越高。（5）动作频率指每秒连续
40、不断地进入接近开关的动作距离后又离开的被测物个数或次数。接近开关的规格及接线方式接近开关的种典型三线制接线方式及特性如图3-14所示。引线的颜色：棕色引线为正电源（1835V）；蓝色接地（电源负极）；黑色为输出端。解释：常开、常闭、继电器输出型、OC门输出型PNP、“NPN”的区别。解释数电中学习到的OC门。分析工作过程,当被测物体未靠近接近开关时，（b=0,Zb=O,OC门截止，OUT端为高阻态（接入负载后为接近电源电压的高电平）；当被测体靠近到动作距离（Xnin）时，OC门的输出端对地导通，OUT端对地为低电平（约0.3V）。将中间继电器KA跨接在+%c与OUT端上时，KA就处于吸合（得电
41、）状态。当被测物体远离该接近开关，到达XmaX时，OC门再次截止，KA失电。通常将接近开关设计为具有“施密特特性”，x为接近开关的动作滞差（也称为“动作回差”）。回差越大，抗机械振动干扰的能力就越强。图3-14接近开关的一种典型三线制接线方式及特性a)三线制接近开关b)NPN.OC门常开输出电路接法c)NPN型接近开关的特性课外学习指导安排每周四下午7、8节答疑课堂补充作业课外作业P72：6、8检测教学目标实现程度考察学生能否掌握接近开关的使用。项目四电容式传感器课题：电容式传感器的原理及应用课时安排：2课次编号：8教材分析难点：流量的测量重点：电容传感器的应用教学目的和要求1、了解电容传感器
42、的工作原理；2、掌握电容传感器的应用；3、了解电容接近开关的原理及应用；4、了解流量的测量方法。采用教学方法和实施步骤：讲授、课堂互动、分析教具：各种电容传感器各教学环节和内容演示：做以下的实验：将两片直径为30mm的圆形铜片相互接近，用万用表的电容IoOoPF量程，测量两者之间的电容量。可以看到：随着两者的靠近，电容量从OpF,逐渐增大。在短路之前，大约可增大到30pF请学生在两者之间逐渐插入塑料薄膜，可以观察到：电容量逐渐增大，到40pF左右。保持两者的距离，将这两片铜片向水平方向分开，可以看到：万用表所指示的电容量逐渐减小。从以上演示，引入第一节的电容传感器工作原理。任务一电容传感器的工
43、作原理及结构形式平板电容器的电容量为CAarAC=q（4-1）dxd分析式（41）得出结论：在A、d、E三个参量中，改变其中任意一个量，均可使电容量C改变。也就是说，电容量C是A、d、的函数，固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器：变面积式、变极距式、变介电常数式。一、变面积式动极板1可以左右移动，称为动极板；极板2固定不动称为定极板。根据式（5-1）可知，变面积式电容传感器的输出特性是线性的，多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。二、变极距式变极距式电容传感器结构如图4-3所示。图中1为定极板，2为动极板。当动极板受被测物体作用引起位移时，改变了两极板之间的距离比从而使电容量发
44、生变化。请学生分析图53,可以得到3个以上的结论：1、初始极距小，灵敏度高。2、非线性（缺点）；3、行程较小（两块极板短路）。图43变极距式电容传感器a）结构示意图b）电容量与极板距离的关系I一定极板2动极板3弹性膜片差动电容传感器：从热胀冷缩和电源电压波动、频率波动等方面，分析差动电容传感器的好处:1、优点：提高传感器的灵敏度，减小非线性。2、外界的影响诸如温度、激励源电压、频率变化等也基本能相互抵消图4-4差动电容传感器结构示意图a）差动变极距式b）差动变面积式1一动极板2定极板三、变介电常数式表47几种介质的相对介电常数介质名称相对介电常数备介质名称相对介电常数6真空1玻璃釉35空气略大于1SiO238其他气体l1.2云母58变压器油24干的纸24硅油2-3.5干的谷物35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
