《传感器技术及应用》课程教案.docx
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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:
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