《傳感器及檢測技術(shù)》配套PPT課件

《傳感器及檢測技術(shù)》配套PPT課件,傳感器及檢測技術(shù),傳感器,檢測,技術(shù),配套,PPT,課件 項(xiàng)目七 環(huán)境量檢測 教學(xué)目的： 1、能了解并掌握氣敏傳感器的主要特性、原理、組成和使用注意事項(xiàng)等。 2、能理解氣敏傳感器的測量、應(yīng)用電路。 3、能了解并掌握濕敏傳感器的主要特性、原理、組成和使用注意事項(xiàng)等。 4、能理解濕敏傳感器的測量、應(yīng)用電路。 5、能了解聲敏傳感器的特性、分類和原理等。 6、能理解聲敏傳感器的應(yīng)用電路。 課 型：新授課 課 時(shí)： 3個(gè)任務(wù)，安排6個(gè)課時(shí)。 教學(xué)重點(diǎn)： 半導(dǎo)體氣敏傳感器，氣敏電阻的基本工作電路，氣敏電阻的組成和工作原理，接觸燃燒式氣敏傳感器，固體電解質(zhì)氣體傳感器，電化學(xué)氣體傳感器，濕度，絕對濕度，相對濕度，露點(diǎn)，濕敏傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理，濕敏傳感器的使用注意事項(xiàng)，常用傳聲器的介紹。 教學(xué)難點(diǎn)： 合理選擇氣敏傳感器的類型，正確使用氣敏電阻和報(bào)警器，合理選擇濕度傳感器的類型，正確使用濕敏傳感器，合理選擇傳聲器的類型，正確使用噪聲探測器，設(shè)計(jì)分析一個(gè)濕敏傳感器的實(shí)際應(yīng)用電路。 教學(xué)過程： 1. 教學(xué)形式：講授課，教學(xué)組織采用課堂整體講授和分組演示。 2. 教學(xué)媒體：采用啟發(fā)式教學(xué)、案例教學(xué)等教學(xué)方法。教學(xué)手段采用多媒體課件、視頻等媒體技術(shù)。 作業(yè)處理： 完成項(xiàng)目后的思考題。 板書設(shè)計(jì)： 本課標(biāo)題 溫度檢測 課次 1 授課方式 理論課□ 討論課□ 習(xí)題課□ 其他□ 課時(shí)安排 6 學(xué)分 共2分 授課對象 院系、專業(yè)：信息學(xué)院 任課教師 教材及參考資料 1.《傳感器及檢測技術(shù)》，主編：席淑華、盧根娣；復(fù)旦大學(xué)出版社。 2.本教材配套視頻教程及學(xué)習(xí)檢查等資源。 3.與本課程相關(guān)的其他資源。 教學(xué)基本內(nèi)容 教學(xué)方法及教學(xué)手段 課堂導(dǎo)入 在科學(xué)研究、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)和日常生活中，對環(huán)境量的檢測和控制正得到越來越廣泛的重視和應(yīng)用，而各種環(huán)境量檢測傳感器是這個(gè)過程的首要環(huán)節(jié)。 工業(yè)廢氣、汽車尾氣、室內(nèi)有毒氣體、可燃可爆氣體以及其他有害氣體，直接威脅著人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。為了保護(hù)人類賴以生存的自然環(huán)境，避免不幸事故的發(fā)生，防患于未然，必須對各種有害氣體或可燃性氣體進(jìn)行有效、準(zhǔn)確地檢測與控制，這就要用到各種氣敏傳感器。 濕度是空氣環(huán)境的一個(gè)重要指標(biāo)，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)保、國防、科研等領(lǐng)域?qū)穸榷加袊?yán)格的要求。例如在集成電路制造車間，由于濕度與靜電電荷有直接的關(guān)系，要求低濕度環(huán)境；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中植物要求高濕度環(huán)境；空調(diào)系統(tǒng)除了調(diào)節(jié)溫度以外，還要控制相對濕度在一定的范圍內(nèi)，才能使人感覺舒適；糧倉必須保持干燥的環(huán)境，否則糧食容易霉變。對濕度進(jìn)行檢測和控制就要用到各種濕度傳感器。 噪聲的大小直接關(guān)系到人們的身心健康和生活質(zhì)量，對它的測量和控制也是十分重要的。 參考以下形式： 1.銜接導(dǎo)入 2.懸念導(dǎo)入 3.情景導(dǎo)入 4.激疑導(dǎo)入 5.演示導(dǎo)入 6.實(shí)例導(dǎo)入 7.其他形式 基本知識匯總 任務(wù)一廚房可燃?xì)怏w泄漏檢測 一般家庭廚房烹調(diào)熱源有煤氣、天然氣、石油液化氣等，由于這些可燃?xì)怏w的泄漏、點(diǎn)火失誤等原因，造成爆炸、火災(zāi)和中毒死傷事故的數(shù)字十分驚人。為了保障生命和財(cái)產(chǎn)安全，要對廚房可燃?xì)怏w泄漏進(jìn)行檢測。 氣敏傳感器是一種將檢測到的氣體的成分和濃度轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器。它有半導(dǎo)體式、接觸燃燒式、固體電解質(zhì)式、電化學(xué)式、高分子電解質(zhì)等類型。 一、 半導(dǎo)體氣敏傳感器 半導(dǎo)體氣敏傳感器是目前廣泛應(yīng)用的氣敏傳感器之一。按半導(dǎo)體與氣體的相互作用主要局限于半導(dǎo)體表面還是涉及半導(dǎo)體內(nèi)部，可分為表面控制型和體控制型兩種；按半導(dǎo)體物理特性的變化，可分為電阻式和非電阻式兩種。電阻式半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用其電阻值的改變來反映被測氣體的含量，主要是由氧化錫、氧化鋅等材料制成的；而非電阻式半導(dǎo)體氣敏傳感器則是利用半導(dǎo)體敏感元件的電壓或電流隨氣體含量變化的原理工作的，主要有金屬、半導(dǎo)體結(jié)型二極管和MOSFET等。 （一）　氣敏電阻的外形 （二）　氣敏電阻的引腳圖及符號 氣敏電阻的引腳如圖73所示。它的引腳有六個(gè)，其中的兩個(gè)A以及兩個(gè)B分別相連后成為氣敏電阻的輸出引線，兩個(gè)f為加熱器引線。 （三）　氣敏電阻的基本工作電路 （四）　氣敏電阻的組成和工作原理 氣敏電阻一般由敏感元件、加熱器和外殼三部分組成。 氣敏電阻是一種半導(dǎo)體敏感器件，它是利用半導(dǎo)體材料對氣體的吸附而使自身電阻率發(fā)生變化的機(jī)理進(jìn)行測量的元件。制作氣敏電阻的氧化物半導(dǎo)體材料主要有SnO2、ZnO及Fe2O3等。為了提高氣敏元件對某些氣體成分的選擇性和靈敏度，材料中還摻入催化劑，如鈀（Pd）、鉑（Pt）、銀（Ag）等，添加的物質(zhì)不同，能檢測的氣體也不同。 （五）　氣敏電阻的溫度特性 如ZnO在室溫下吸收某種氣體后，其電導(dǎo)率變化不大，輸出電壓很小且?guī)缀醪蛔?。若保持氣體濃度不變，輸出電壓隨溫度升高而增大，即該氣敏元件的電導(dǎo)率變化很大，靈敏度大幅提高。因此氣敏電阻工作時(shí)必須加熱，燒去氣敏元件附著的油污、塵埃等，起到清洗作用，并加速被測氣體的吸附、脫出過程。 二、 接觸燃燒式氣敏傳感器 三、 固體電解質(zhì)氣體傳感器 固體電解質(zhì)是一類介于固體與液體之間的特殊固體材料，其內(nèi)部粒子在固體中具有液體中離子的快速遷移性，因此又稱為快離子導(dǎo)體。 固體電解質(zhì)氣體傳感器是使用固體電解質(zhì)氣敏材料作為氣敏元件，氣敏材料在通過氣體時(shí)產(chǎn)生離子，從而形成電動(dòng)勢。通過測量電動(dòng)勢的大小，可間接測得氣體的濃度。 該類傳感器電導(dǎo)率高、靈敏度和選擇性好，廣泛用于高溫下檢測O2、H2、SOx、NOx等氣體濃度。 四、 電化學(xué)氣體傳感器 電化學(xué)氣體傳感器的構(gòu)成類似于通常的電池，電解質(zhì)可以是電解質(zhì)溶液或固體電解質(zhì)。當(dāng)氣體存在于鉑、銅等貴金屬電極、比較電極和電解質(zhì)組成的電池中時(shí)，氣體與電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)或在電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)，在兩個(gè)電極之間就有了電流或電壓輸出，從電流或電壓的大小可計(jì)算出氣體的濃度。 該類傳感器可檢測一氧化碳、二氧化碳、硫化氫、一氧化氮、二氧化氮、氨氣、氯氣等氣體。 任務(wù)二糧倉濕度檢測 糧食的保管主要是控制糧食的溫度和濕度。環(huán)境溫度高、濕度大，糧食含水量高，就極易產(chǎn)生霉變，因此各種糧倉除了檢測和控制溫度外，還要檢測和控制環(huán)境的濕度，并對糧食的含水量進(jìn)行檢測，通常糧食含水量在10％～14％之間。這就要用到濕度傳感器。 濕度傳感器是基于某些材料能產(chǎn)生與濕度有關(guān)的物理效應(yīng)或化學(xué)反應(yīng)，將濕度的變化轉(zhuǎn)換成某個(gè)電量的變化的器件。按輸出電量可以分為電阻型、電容型和頻率型等；按敏感材料的性質(zhì)可分為電解質(zhì)型、陶瓷型、有機(jī)高分子型、半導(dǎo)體型等。 一、 濕度的概念 1 濕度 空氣中含有水蒸氣的量稱為濕度，含有水蒸氣的空氣是一種混合氣體。濕度常用絕對濕度、相對濕度和露點(diǎn)等表示。 2 絕對濕度 絕對濕度是指在一定溫度和壓力下，單位體積空氣中含有水蒸氣的質(zhì)量。 3 相對濕度 水蒸氣壓是指在一定溫度條件下，混合氣體中存在的水蒸氣分壓。而飽和水蒸氣壓是指在同一溫度下，混合氣體中水蒸氣壓的最大值。溫度越高，飽和水蒸氣壓越大。相對濕度是指在某一溫度下，空氣中水蒸氣壓與飽和水蒸氣壓比值的百分比。相對濕度表示大氣的潮濕程度，被廣泛使用。 4 露點(diǎn) 由于水的飽和蒸氣壓隨著溫度的降低而逐漸下降，因此在同樣的空氣水蒸氣壓下，空氣溫度越低，空氣水蒸氣壓與飽和蒸氣壓的差值越小。當(dāng)空氣的溫度下降到某一溫度時(shí)，空氣中水蒸氣壓與飽和蒸氣壓相等，相對濕度為100%，此時(shí)空氣中水蒸氣將向液態(tài)轉(zhuǎn)化，凝結(jié)成露珠，該溫度稱為空氣的露點(diǎn)溫度，簡稱露點(diǎn)。 空氣中水蒸氣壓越小，露點(diǎn)越低，因而可用露點(diǎn)表示空氣中濕度的大小。 二、 濕敏器件的外形 三、 濕敏傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理 （一）　高分子電阻濕敏傳感器 1 結(jié)構(gòu)示意圖 高分子電阻濕敏傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖716所示。 2 組成 高分子電阻濕敏傳感器由感濕層、電極和具有一定機(jī)械強(qiáng)度的絕緣基片等組成。 3 工作原理 高分子電解質(zhì)感濕材料吸收水分后引起兩電極間電阻的變化，將相對濕度的變化轉(zhuǎn)換成電阻阻值的變化。 （二）　高分子電容濕敏傳感器 電容式濕敏傳感器是利用濕敏元件的電容值隨濕度變化的原理進(jìn)行濕度測量的傳感器。這類濕敏元件實(shí)際上是一種吸濕性電介質(zhì)材料的介電常數(shù)隨濕度而變化的薄片狀電容器。吸濕件電介質(zhì)材料（感濕材料）主要有高分子聚合物（例如乙酸丁酸纖維素和乙酸丙酸纖維素）和金屬氧化物（例如多孔氧化鋁）等。 （三）　半導(dǎo)體陶瓷濕敏傳感器 四、 濕敏傳感器的使用注意事項(xiàng) （一）　電源選擇 濕敏電阻必須工作在交流回路中。若用直流供電，會(huì)引起多孔陶瓷表面結(jié)構(gòu)改變，濕敏特性變劣；若交流電源頻率過高，由于元件的附加容抗而影響測濕靈敏度和準(zhǔn)確性，因此應(yīng)以不產(chǎn)生正、負(fù)離子積聚為原則，使電源頻率盡可能低。對于離子導(dǎo)電型濕敏元件，電源頻率一般以1kHz為宜。對于電子導(dǎo)電型濕敏元件，電源頻率應(yīng)低于50Hz。 （二）　線性化處理 一般濕敏元件的特性均為非線性，為準(zhǔn)確地獲得濕度值，要加入線性化電路，使輸出信號正比于濕度的變化。 （三）　測量濕度范圍 電阻式濕敏元件在濕度超過95％RH時(shí)，濕敏膜因濕潤溶解，厚度會(huì)發(fā)生變化，若反復(fù)結(jié)露與潮解，特性將變壞而不能復(fù)原。 電容式濕敏元件在80％RH以上高濕及100％RH以上結(jié)露或潮解狀態(tài)下，也難以檢測。另外，不能將濕敏電容直接浸入水中或長期用于結(jié)露狀態(tài)，也不能用手摸或用嘴吹其表面。 （四）　溫度補(bǔ)償 通常氧化物半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻溫度系數(shù)為0．1～0．3，在測濕精度要求高的情況下必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。 （五）　安裝要求 濕敏傳感器應(yīng)安裝在空氣流動(dòng)的環(huán)境中。傳感器的延長線應(yīng)使用屏蔽線，最長不超過1m。 （六）　加熱去污 陶瓷元件的加熱去污應(yīng)控制在450℃。它利用元件的溫度特性進(jìn)行溫度檢測和控制，當(dāng)溫度達(dá)到450℃即中斷加熱。由于未加熱前元件吸附有水分，突然加熱會(huì)出現(xiàn)相當(dāng)于450℃時(shí)的阻值，而實(shí)際溫度并未達(dá)到450℃，因此應(yīng)在通電后延遲2～3s再檢測電阻值。加熱結(jié)束后，應(yīng)冷卻至常溫再開始檢測濕度。 任務(wù)三噪聲檢測 在人們?nèi)粘９ぷ骱蜕瞽h(huán)境中，充滿著各種頻率的聲音。有些頻率的聲音直接或間接地影響著人們的身心健康和生活品質(zhì)，影響著機(jī)器設(shè)備的工作性能和工作壽命，這些聲音都稱為噪聲。噪聲已成為當(dāng)今世界的主要公害之一，防治和控制噪聲已是廣大工程技術(shù)人員的重要任務(wù)。因此，測量聲音的大小，為控制噪聲提供依據(jù)就顯得十分重要。 測量聲音的大小，就要用到聲敏傳感器。聲敏傳感器是一種將聲能轉(zhuǎn)換為電能或?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換為聲能的器件。它是利用電磁感應(yīng)、靜電感應(yīng)或壓電效應(yīng)等原理來完成聲電轉(zhuǎn)換的，主要有話筒、揚(yáng)聲器、壓電陶瓷片、蜂鳴器等。 一、 聲波 1 聲波的概念 當(dāng)聲音在空氣中傳播時(shí)，空氣質(zhì)點(diǎn)在原位置沿傳播方向作來回振動(dòng)，空氣密度發(fā)生變化，相應(yīng)位置的壓強(qiáng)也隨之變化，并向鄰近質(zhì)點(diǎn)傳遞此變化，從而形成壓力傳播過程，這就是聲波。 2 聲波的特性 二、 聲敏傳感器的分類 將聲音信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電信號的聲敏傳感器又稱為傳聲器。傳聲器的種類很多，一般分類如下：　 1 按結(jié)構(gòu)形式分類 聲敏傳感器按結(jié)構(gòu)形式分為動(dòng)圈式、晶體式、電容式、壓電式、炭精式、鋁帶式等。 2 按工作原理分類 聲敏傳感器按工作原理分為靜電式和電動(dòng)式兩類。靜電式是以電場變化為原理的傳聲器，如電容式傳聲器；電動(dòng)式是利用電磁感應(yīng)原理在磁場中運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體上獲得輸出電壓的傳聲器，如動(dòng)圈式傳聲器。 三、 常用傳聲器的介紹 1 動(dòng)圈式傳聲器 由聲波沖擊薄膜而引起動(dòng)圈在永久磁場中作軸向振動(dòng)，從而產(chǎn)生與振動(dòng)速度成正比的電壓。它的頻率響應(yīng)通常在200~5000Hz之間，可以輸出0．3~3mV的音頻電壓，應(yīng)用比較廣泛。 2 電容式傳聲器 它是極距變化型的電容式傳感器。組成電容器的兩個(gè)極板之一是一片彈性金屬膜，在瞬時(shí)聲壓的作用下振動(dòng)，使振動(dòng)電極和固定電極間的距離發(fā)生變化，從而改變電容器的電容量，并被專用電路轉(zhuǎn)換為電壓輸出。 3 壓電式傳聲器 它是利用石英晶體或壓電陶瓷在受到機(jī)械應(yīng)力作用時(shí)，產(chǎn)生微弱電壓的壓電特性來制作的。 1．本課程是機(jī)電一體化、自動(dòng)控制、電氣自動(dòng)化、應(yīng)用電子等專業(yè)的一門專業(yè)課程。要求學(xué)生能認(rèn)識常用傳感器，掌握其工作原理、輸出特性、誤差補(bǔ)償，理解各種測量轉(zhuǎn)換電路，了解傳感器的典型應(yīng)用等知識，達(dá)到能正確使用常用傳感器的目的。 2．檢測技術(shù)的主要內(nèi)容包括了自動(dòng)檢測系統(tǒng)中的信息提取、信息轉(zhuǎn)換以及信息處理。需要一定的測量理論、測量方法，相應(yīng)的測量工具、裝置，以及對測量結(jié)果進(jìn)行正確的處理分析。它涵蓋了傳感器技術(shù)、誤差理論、測試計(jì)量技術(shù)、抗干擾技術(shù)以及電量間的互相轉(zhuǎn)換技術(shù)等。 3．本課程教學(xué)內(nèi)容的組織與安排：　由實(shí)例引入，按照“任務(wù)提出”“相關(guān)知識”“任務(wù)實(shí)施”“其他案例”“訓(xùn)練一下”幾個(gè)部分遞進(jìn)完成。采用任務(wù)引領(lǐng)的項(xiàng)目課程教學(xué)，將檢測技術(shù)與傳感器的技能和知識點(diǎn)融入項(xiàng)目的工作任務(wù)之中，在符合工作過程的基礎(chǔ)上，充分考慮了學(xué)習(xí)者的認(rèn)知心理過程，將課程內(nèi)容劃分為九個(gè)項(xiàng)目，再具化為多個(gè)工作任務(wù)的教學(xué)內(nèi)容。從檢測的對象著手，選擇合適的傳感器，通過認(rèn)識該類傳感器的外形、性能指標(biāo)，再到測量原理的介紹，在掌握基本知識的基礎(chǔ)上，介紹相應(yīng)的測量轉(zhuǎn)換電路、信號處理電路，來完成該類檢測任務(wù)。再安排一個(gè)訓(xùn)練，供學(xué)習(xí)者在實(shí)踐中掌握知識、提高技能。 討論題、思考題： 圍繞本項(xiàng)目主題做情景模擬訓(xùn)練，以增強(qiáng)理解，加深印象?？梢詤⒖冀滩?、資料包、或者其他案例。 課后小結(jié)： 1、 能認(rèn)識為什么氣敏電阻需要加熱使用。 2、 能了解簡述氣敏電阻的組成、工作原理及特性。 3、能掌常用傳聲器。 4、 簡述噪聲探測器的工作原理。 5、了解使用濕度傳感器時(shí)應(yīng)注意哪些事項(xiàng)。 作業(yè)： 進(jìn)入實(shí)訓(xùn)室，認(rèn)識各種聲敏傳感器，了解它們的用途，并借助聲敏傳感器及其他器件，試著制作一臺電子車胎漏氣檢測儀。 說明： 1.?每項(xiàng)頁面大小可自行添減，可按節(jié)或課設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)課、討論課、習(xí)題課等。 4.?方法及手段如：舉例講解、多媒體講解、模型講解、實(shí)物講解、掛圖講解、音像講解等。 5.其他內(nèi)容要求結(jié)構(gòu)完整，邏輯清晰，具體詳細(xì)。