《傳感器及檢測技術》配套PPT課件
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項目四 力檢測
教學目的：
1、能了解彈性敏感元件的特性和要求。
2、能了解幾種常用測力稱重傳感器的特點、用途等。
3、掌握電阻應變效應及半導體的壓阻效應。
4、掌握單臂、雙臂和全橋測量電路的異同點。
5、會連接電橋電路并進行測試。
6、會對測試數據進行分析。
7、能理解壓電式傳感器的工作原理及特點。
8、能理解測力傳感器與壓電傳感器的應用電路。
課 型：新授課
課 時：
2個任務，安排6個課時。
教學重點：
彈性敏感元件，彈性敏感元件的基本概念及特性，彈性敏感元件的基本要求及類型，電阻應變式傳感器的外形結構和性能，電阻應變片的種類與結構，電阻應變式傳感器的工作原理。
教學難點：
描述一個稱重系統(tǒng)，指出它經過了哪些環(huán)節(jié)才能將壓力信號轉換為可測量的電量？并簡要描述各轉換環(huán)節(jié)的工作原理。
教學過程：
1. 教學形式：講授課，教學組織采用課堂整體講授和分組演示。
2. 教學媒體：采用啟發(fā)式教學、案例教學等教學方法。教學手段采用多媒體課件、視頻等媒體技術。
作業(yè)處理：
完成項目后的思考題。
板書設計：
本課標題
溫度檢測
課次
2
授課方式
理論課□ 討論課□ 習題課□ 其他□
課時安排
6
學分
共2分
授課對象
院系、專業(yè)：
任課教師
教學基本內容
教學方法及教學手段
課堂導入
力敏傳感器是使用很廣泛的一種傳感器。它是生產過程中自動化檢測的重要部件。它的種類很多，有直接將力變換為電量的如壓電式、壓阻式等，有經彈性敏感元件或其他敏感元件變換后再轉換成電量的如電阻式、電容式和電感式等。力傳感器在生產、生活和科學實驗中廣泛用于測力和稱重。
參考以下形式：
1.銜接導入
2.懸念導入
3.情景導入
4.激疑導入
5.演示導入
6.實例導入
7.其他形式
基本知識匯總
任務一 電子臺秤的重量檢測
一、 測力傳感器中的彈性敏感元件
（一） 彈簧管壓力表的組成
彈簧管壓力表的組成如圖所示，當被測壓力作用于彈簧管時，彈簧管便產生相應的變形，通過機械傳動機構，使標尺指針偏移角度，從而得到壓力的數值。
（二） 彈性敏感元件的基本概念及特性
1 基本概念
（1） 變形
變形是指物體在外力作用下改變原來尺寸或形狀的現象。
（2） 彈性變形
彈性變形是指變形后的物體在外力去除后又恢復原來形狀的變形。
（3） 彈性元件
彈性元件是指具有彈性變形特性的物體。
（4） 彈性特性
彈性特性是指作用在元件上的外力與相應彈性變形（應變、位移或轉角）之間的關系。
2 特性
（1） 剛度
（2） 靈敏度
（3） 彈性滯后
（4） 彈性后效
（三） 彈性敏感元件的基本要求及類型
彈性元件在傳感器技術中占有極其重要的地位。它首先把力、力矩或壓力轉換成相應的應變或位移，然后配合各種形式的傳感元件，將被測力、力矩或壓力變換成電量。
二、 電阻應變式傳感器
電阻應變式傳感器是一種利用電阻應變效應，將力學量轉換為電信號的傳感器。
電阻應變式傳感器具有精度高、性能穩(wěn)定、測量范圍寬，可制成各種機械量傳感器，并且結構簡單、體積小、重量輕，可在超低溫、強振動、強磁場等惡劣環(huán)境下工作等特點。
（一） 電阻應變式傳感器的外形結構和性能
（二） 電阻應變片的種類與結構
電阻應變片分為金屬電阻應變片和半導體電阻應變片兩大類。金屬電阻應變片又可分為金屬絲式、箔式和薄膜式三種。
（二） 電阻應變式傳感器的工作原理
三、 壓阻式壓力傳感器
壓阻式壓力傳感器是利用半導體材料的壓阻效應和集成電路工藝制成的傳感器。所謂壓阻效應是在半導體材料上施加作用力時，其電阻率將發(fā)生顯著變化的現象。
由于此種傳感器是利用半導體集成工藝中的擴散技術，將四個半導體應變電阻制作在同一硅片上，所以工藝一致性好，靈敏度相等，漂移抵消，遲滯、蠕變非常小，動態(tài)響應快，測量精度高，穩(wěn)定性好，溫度范圍寬，易小型化。
任務二 橋墩水下部位缺陷的檢測
橋墩水下及地表以下部位由于各種原因會產生一些缺陷，它是很難發(fā)現的，但又直接威脅到橋梁的安全。用壓電式加速度傳感器通過檢測橋墩對振動的響應，再進行頻譜分析，可判定橋墩的內部缺陷。
一、 壓電傳感器、 壓電材料的外形和技術指標
（一） 壓電式振動加速度傳感器的外形
（二） 壓電加速度傳感器的技術指標
① 靈敏度： 500mV/g
② 量程： 0~10 g
③ 頻率范圍： 4～4000Hz
④ 線性度： ≤1%
⑤ 分辨力： 0．00004 g
⑥ 安裝諧振點： 15kHz
（三） 壓電材料的外形
二、 壓電傳感器的工作原理
（一） 壓電效應
壓電效應是可逆的，即有兩種壓電效應。當某些電介質在一定的方向上受到外力作用而變形時，內部產生極化現象，同時在其表面上產生電荷；當外力消失時，電荷也消失，又回到原來不帶電的狀態(tài)。這種機械能轉變?yōu)殡娔艿默F象，稱為正壓電效應，簡稱壓電效應。相反，在電介質的極化方向上施加電場，它會產生機械變形，當去掉外加電場時，電介質的變形隨之消失。這種將電能轉換為機械能的現象稱為逆壓電效應。
具有壓電效應的電介質稱為壓電材料。典型的壓電材料有石英晶體、壓電陶瓷和高分子壓電材料等。
（二） 石英晶體的壓電效應
石英晶體是一種性能良好的壓電晶體，它具有性能穩(wěn)定（在20~200℃的范圍內，壓電常數的變化率僅為-0．0001/℃）、自振頻率高、動態(tài)相應好、機械強度高、絕緣性能好、遲滯小、重復性好、線性范圍寬等優(yōu)點。但石英晶體的壓電常數較小，一般用來制作成標準傳感器、高精度傳感器和使用溫度較高的傳感器。而普通測量中基本都采用壓電陶瓷。
（三） 壓電陶瓷的壓電效應
壓電陶瓷是人工制造的具有電疇結構的多晶壓電材料。電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，它有一定的極化方向。
（四） 高分子壓電材料
高分子壓電材料是近年來發(fā)展很快的一種新型材料，是柔軟的、根據需要可制成薄膜或電纜套管等形狀的壓電材料。它不易破碎，具有防水性，可以大量連續(xù)拉制成較大面積或較長尺寸，因此價格便宜。其測量動態(tài)范圍可達80 dB，頻率響應范圍從0．1~109 Hz，壓電常數比壓電陶瓷高數十倍，在一些不要求測量精度的場合，如防盜、振動測量等領域得到了應用。
三、 壓電傳感器的等效電路與測量電路
（一） 壓電傳感器的等效電路
（二） 壓電傳感器的常用結構形式
在實際使用中，如僅用單片壓電元件，必須有很大的作用力才能產生足夠的表面電荷。為了提高輸出靈敏度，常用兩片或多片組合在一起使用。由于壓電材料是有極性的，因此連接方法有兩種：
1 串聯接法
將兩塊壓電片串聯，在外力作用下，正電荷在上極板，負電荷在下極板，中間極板上片產生的負電荷與下片產生的正電荷抵消，因此串聯的總電荷量等于單片產生的電荷量，而輸出電壓為單片電壓的兩倍，使總電容減小為單片電容的一半。這種接法，由于輸出電壓大，電容小，要求測量電路具有很高的輸入阻抗，適用于以電壓為輸出量的場合。
2 并聯接法
將兩塊壓電片并聯，在外力作用下，極板上產生的電荷量增加為單片的兩倍，而輸出電壓不變，使總電容增大為單片電容的兩倍。由于電荷提高，電容也提高了，適用于測量慢變信號，以電荷輸出的場合。
（三） 壓電傳感器的測量電路
壓電傳感器具有內阻抗很高，而輸出信號微弱的特點。因此要求測量電路的前級放大器有足夠高的阻抗，防止電荷迅速泄露，并且要完成信號放大。
四、 壓電傳感器的使用注意事項
壓電傳感器的工作原理是基于壓電效應，但壓電傳感器不能用于靜態(tài)測量，這是因為當外力作用在壓電元件上產生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，這實際上是不可能的，所以壓電元件不能用于靜態(tài)測量。而在交變力的作用下，電荷可以不斷補充，瞬時的電荷輸出正比于外部作用力，故能用于動態(tài)測量。
1．本課程是機電一體化、自動控制、電氣自動化、應用電子等專業(yè)的一門專業(yè)課程。要求學生能認識常用傳感器，掌握其工作原理、輸出特性、誤差補償，理解各種測量轉換電路，了解傳感器的典型應用等知識，達到能正確使用常用傳感器的目的。
2．檢測技術的主要內容包括了自動檢測系統(tǒng)中的信息提取、信息轉換以及信息處理。需要一定的測量理論、測量方法，相應的測量工具、裝置，以及對測量結果進行正確的處理分析。它涵蓋了傳感器技術、誤差理論、測試計量技術、抗干擾技術以及電量間的互相轉換技術等。
3．本課程教學內容的組織與安排： 由實例引入，按照“任務提出”“相關知識”“任務實施”“其他案例”“訓練一下”幾個部分遞進完成。采用任務引領的項目課程教學，將檢測技術與傳感器的技能和知識點融入項目的工作任務之中，在符合工作過程的基礎上，充分考慮了學習者的認知心理過程，將課程內容劃分為九個項目，再具化為多個工作任務的教學內容。從檢測的對象著手，選擇合適的傳感器，通過認識該類傳感器的外形、性能指標，再到測量原理的介紹，在掌握基本知識的基礎上，介紹相應的測量轉換電路、信號處理電路，來完成該類檢測任務。再安排一個訓練，供學習者在實踐中掌握知識、提高技能。
討論題、思考題：
圍繞本項目主題做情景模擬訓練，以增強理解，加深印象?？梢詤⒖冀滩?、資料包、或者其他案例。
課后小結：
1、 能認識電阻應變效應和半導體的壓阻效應。
2、 能了解在傳感器中，彈性元件的作用是什么。
3、能掌握壓電式傳感器測量電路的作用是什么。
4、能理解石英晶體X、Y、Z軸的名稱及其特點是什么。
5、了解測力傳感器使用的注意事項和接線等事項。
作業(yè)：
上網查找各種壓電傳感器的資料，列出它們的型號、特點、性能、價格和應用范圍等內容，寫一篇調研報告。
說明：
1.?每項頁面大小可自行添減，可按節(jié)或課設計填寫。
2.?課次為授課次序，填1、2、3……。
3.?授課方式主要包括填理論課、實驗課、討論課、習題課等。
4.?方法及手段如：舉例講解、多媒體講解、模型講解、實物講解、掛圖講解、音像講解等。
5.其他內容要求結構完整，邏輯清晰，具體詳細。
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傳感器及檢測技術
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