《传感器与检测技术》教案.doc

传感器与检测技术教案2004级数控专业任课教师:：张键总学时：402005年9月11日第一章 检测技术的基本知识 （4学时）1 测量的基本概念。（了解）举例讲清楚什么是测量。2 直接测量、间接测量、组合测量、等精度测量、不等精度测量、偏差式测量、零位式测量、微差式测量的基本概念。（理解）讲：直接测量用仪表直接读取；间接测量测相关参数，利用关系式计算所需的对象数值；（扭矩测量电压、电流）组合测量通过解联立方程求解，通常是科学研究中综合系统性测量；（轧机的动态特性测量）等精度测量用相同仪表和测量方法进行多次重复测量；（一般工业测量）不等精度测量用不同仪表和测量方法进行多次测量（按不同需要，综合分析采取的测量）偏差式测量先规定仪器的零点，测量时读取相对零点的数值；（常见压力表等）零位式测量用另一可调节的电量使测量指针恢复零位，在调节盘上读取测量数据；（静态应变仪测量）微差式测量先用一标准量与当前被测量平衡，测量在不同条件下与标准量的偏差。（稳压电源在不同工作条件下的稳压精度测量）3 检测系统的组成。（能描述）讲：教材的图1.2，讲清各部分的作用4 理解各项误差的含义绝对误差测量值与真值的偏差相对误差偏差与真值的百分比，对某个测量值的测量精度指标引用误差最大偏差与最大量程的百分比，是仪表精度的评定指标5 掌握处理随机误差的处理，计算测量值的方法重点讲清随机误差的3个特点（教材P8）讲计算过程：第一步：先求算术平均值，（近似真值）第二步：求各测量值与算术平均值之差的平方第三步：求平方和的平均开方值第四步：求算术平均值的均方根偏差（平均开方值被样本总数的开方值所除）最后得到：算术平均值（近似真值）和估计偏差（均方根偏差） 作业：1.11.8 全作第二章 传感器的基本概念 （4学时）1 传感器的定义与组成、分类方式（了解）传感器的定义：将物理信号转换成电信号的拾取装置传感器的组成：敏感元件、转换元件、信号调理电路（举例：应变式压力传感器）传感器的分类：按原理分类；按检测对象分类；按能量方式分类（分别举例）2 掌握传感器的静态特性与动态特性，这些特性对测量的影响（掌握）2.1 静态特性指标线性度：讲直线方程的几种拟合方法理论直线法、端点法、割线法在黑板作图，讲这三种方法的作法、特点；比较它们的异同之处。重点在于：控制最大允许误差灵敏度：特性曲线的斜率，或输入输出关系式的导数重点非线性特性曲线的区域线性化方法，及对灵敏度的影响迟滞：举磁滞回线、机械间隙2个例子来说明重复性：讲测量数据的离散度。做1个测量数据表来帮助学生理解测量数据的离散度分辨率：举2个例子螺管电位计、AD转换器从模拟及数字方面使学生理解分辨率的含义稳定性：传感器在长时间工作的特性曲线的不变性飘移：讲时飘、温飘的定义与对测量系统的性能影响2.2 动态特性指标瞬态响应法举例：在黑板作图涡流传感器的瞬态响应测量装置讲：在阶跃信号下的时域响应曲线，利用这个曲线讲上升时间、最大超调量、稳定时间这3个指标，这3个指标所表示的频率响应法讲：扫频激励的方法，幅频特性的曲线（波德图），及所表明的测量系统动态测量的性能特点3 传感器的应用领域和发展趋势（了解）举例讲：微型化、集成化、智能化4 传感器选择应考虑的因素（掌握）教材P23的三条选择原则作业：2.12.4全做第三章 常用传感器的工作原理及应用 （7学时）1 掌握各种常用、传统的传感器（电阻式、电容式、电感式、压电式、霍尔型、热敏型）的工作原理、结构特点2 掌握各种传感器的应用领域3 电阻式传感器讲 三参数对R的影响，在讲各电阻式传感器时，讲清楚改变的是那个参数。对线性度的影响。电位器式的工作原理，应用举例：电位器式传感器在厂房通风，控制褶叶角度的应用。电阻应变片的工作原理，金属丝式与半导体式的差异和优劣。应用举例：地磅的荷重传感器、应变式压力传感器、大型混凝土建筑（如三峡大坝）中的应用、用于测地震的应变式加速度传感器。4 电容式传感器讲三参数对C的影响，变间隙式：举例压差测量传感器变面积式：举例角度测量传感器变介质式：举例油箱液面测量传感器电容式传感器的测量电路： 运放电路 讲电路的结构，工作原理。特别强调这种方式，对干扰特敏感，要求有很好的抗干扰措施。 双T电桥电路 讲电路的结构，工作原理。结构比运放电路复杂，但抗干扰性高于运放电路。 调频电路 讲电路的结构，工作原理。这是电容、电感类传感器最常用的电路。灵敏度最高，但易受电缆等杂散电容的干扰。电容式传感器的应用：讲教材P36的例子5 电感式传感器 自感式传感器讲：变间隙型、变面积型、螺管型、差动式传感器的结构和工作原理。 互感式传感器讲：工作原理；结构图；特性曲线；补偿电路 P42各图应用举例：大位移测量传感器在工业现场的应用；油缸、气缸的位移测量；特别是在气缸内部装位移传感器（举几种气缸的例子）。差动变压器式力传感器；浮筒式液位计。6 压电式传感器讲：压电效应；石英晶体的光轴、电轴、力轴；压电式传感器的测量电路：电压放大器原理图；电荷放大器原理图。补充近2年出现的IPC型压电加速度器的接线原理图、工作原理，优点。7 霍尔传感器讲：霍尔元件的工作原理；元件的结构及性能；霍尔集成电路元件的型号及测量电路，主要讲清楚线性型与开关型这2种常用的元件。霍尔传感器的应用：电流的测量；位移、角位移、转速的测量。举例：机械手的位置定位；龙门刨工作台的运动极限控制；冲模机械的工位定位控制。讲：金力公司的磁耦合流量计的结构，优点，失败的原因。向学生提问：如何改进完善，使之成功。告诉学生：知识全面性的重要，金力公司离成功只差一步。8 热敏传感器 热电偶传感器讲：工作原理；热电偶的4条定律热电偶的材料与结构，接线盒里的电路块，安装结构。冷端温度补偿方法：0度恒温法、温度修正法、补偿导线法、零点调整法、补偿电桥法。举例：热电偶传感器在热处理炉的应用；在炼钢炼铁方面的应用。 热电阻传感器讲：热电阻工作原理；电桥测温电路；应用举例：热丝式流量计；液面位置检测；轴承温度检测。本章作业：3.1；3.4；3.6；3.10；3.11第四章 数字式传感器 （5学时）1 掌握光栅式传感器、磁栅式传感器、感应同步器、编码器的工作原理，结构形式。2 掌握这些传感器的性能特点，适用场合。3 光栅式传感器是本章重点：光栅的分类：举例讲请楚什么是物理光栅；什么是计量光栅透射光栅、反射光栅的结构及应用特点光栅主尺与光栅副尺；定尺与动尺光栅传感器的工作原理：主要讲清楚莫尔条纹的形成原理，3个特点。介绍光栅传感器的测量电路：4种光路透射式、透射分光式、反射式、镜像式光电转换电路辩向处理方式光栅细分原理及方法光栅传感器的应用举例：4 磁栅式传感器：讲磁栅的种类直磁栅、圆磁栅；磁头的种类动态磁头、静态磁头；信号处理方式鉴幅方式、鉴相方式（常用鉴幅方式）应用介绍5 感应同步器感应同步器主要用于数控加工的机床上。用教材的图4.25图4.26及图4.27讲结构，讲工作原理。讲应用实例6 编码器重点讲编码方式、种类。光电式编码器应用举例：转速的测量、方向的鉴别，输出信号的路数、形态，含义。本章作业：4.5；4.6第五章 新型传感器 （4学时）1 仿生传感器：机器人内部传感器用于检测机器人的动作状态。有：位置；位移量，速度、力。这些都是传统传感器微型化的结果，工作原理同传统传感器，结构却微型化了。机器人外部传感器用于检测机器人的外部环境。是智能决策的依据。视觉传感器：简单讲光电转换的器件与工作原理，用光学鼠标感知的图例讲运动方向的识别和运动距离、速度的测定；用人眼成像的原理讲对远近、物体大小、运动状态的识别。听觉传感器：简单讲工作原理与结构，讲频谱分析技术在语音识别的应用。触觉传感器：讲图5.4的结构与工作原理。补充用压敏电阻作的人造皮肤。接近觉传感器：讲利用红外光检测的原理；讲利用超声波阵面的检测原理。嗅觉传感器：简单介绍对化学物质敏感的半导体材料与应用举例2 光纤传感器介绍光纤传感器的结构与特点；用教材的例子讲应用，引导学生分析光纤传感器的优势和局限性。补充讲光纤微流量传感器的结构及工作原理.3 微型传感器主要讲种类、结构。4 集成传感器介绍温度传感器、压力传感器的结构特点、相关的电路与器件。本章作业：5.1；5.3第六章 传感器与检测系统的信号处理技术 （4学时）1 信号处理所涵盖的内容：放大，滤波，变换，隔离2 电桥电路：重点讲直流电桥。直流电桥的平衡条件公式推导，再引出单臂电桥、半桥、全桥电路的输入输出公式。讲清楚：平衡电桥、不平衡电桥、直流电桥、交流电桥，交流电桥所适应的敏感元件。交流电桥的结构（电感、电容）及公式。3 放大与隔离运算放大器：利用教材图6.4讲反相放大器、同相放大器的结构、特点、放大倍数、测量放大器：利用教材图6.5、图6.6讲测量放大器的结构，工作原理，AD612的每个引脚的作用，程控放大倍数的方式。测量放大器的应用注意及应用特例。程控放大器：组成方式，结构类型，工作原理，隔离放大器：讲隔离的方法，优劣比较。AD277的应用电路（各引脚的作用）；4 信号变换直流电流用于信号传输的优点，电压V/电流I转换电路与I/V电路电压/频率相互转换的电路本章作业：6.1；6.3；6.4第七章 传感器与检测系统的干扰抑制技术 （3学时）1 噪声干扰的形成噪声的来源：内部噪声源（3种）；外部噪声源（4种）噪声的偶合方式：电容性偶合；电感性偶合；阻抗偶合；漏电流偶合，区分各种偶合的方法。噪声的干扰模式：差模干扰；共模干扰；这两种干扰所表现的特点。2 硬件抗干扰技术接地技术：讲清楚5种地线（信号地、模拟地、数字地、负载地、系统地），以工业现场的各种情况举例，说明各地线的概念。补充：系统地的设置及规范；串联接地的规范；并联接地的方式。单点接地与多点接地的适应条件。屏蔽技术：以工业现场的实际做法为例子，讲：静电屏蔽（电缆桥架上的措施）；电磁屏蔽（电缆中的屏蔽网、屏蔽层）；磁屏蔽（磁环的应用方法）；驱动屏蔽（图7.12）。滤波技术：RC滤波电路构成的低通滤波器、高通滤波器电路；理想滤波器特性曲线、实际滤波器特性曲线；补充：二阶低通滤波器的电路结构、特性曲线。3 软件抗干扰技术重点讲数字滤波器技术。在黑板上作图讲解中值滤波算法、算术平均算法、去极值平均算法。比较三种算法对真实信号的影响。介绍：限幅滤波算法；软件冗余技术。作业：7.1；7.2；7.3第八章 典型非电量的测试方法 （7学时）1 应变的测量重点：在黑板作典型构件的受力图，应力分布图，借此讲应变片的测量布置。简单受力状况的应变测量拉压、纯弯曲、纯扭矩复杂受力状况的应变测量拉压弯曲组合、拉压扭转组合。讲如何用贴片和改变组桥方式消除某个影响，而测定另一个的数值。2 力及压力的测量弹性元件（力、压力转换的主要部件）的结构形式，结合教材的图例讲解。主要讲常见的波登管、膜片、波纹管。结合教材的图例讲：筒式压力传感器、膜片式压力传感器、组合式压力传感器、电容式力传感器、电感式力传感器。3 位移的测量结合教材的图例讲电阻式位移传感器的结构；工作原理，性能特点。电涡流式位移传感器是重点，讲结构，工作原理。补充：电涡流式位移传感器的安装规范、标定调整的方法、现场测试应用举例。4 振动的测量结合教材的图例讲各测振传感器的结构、工作原理、测量电路组成。主要讲：磁电式速度传感器、压电式加速度传感器（补充新型结构及测量电路）、激光速度传感器讲原理。激振方式：重点讲各种激振方式的优劣比较及在工业现场的应用例子。激振器作简单介绍。5 流量的测量结合教材的图例讲各流量传感器的结构、工作原理、适应的介质。主要讲：压差流量传感器、涡轮流量传感器、电磁流量传感器、超声波流量传感器。补充：卡门涡街式流量传感器。本章作业：8.2；8.3；8.6；第九章 计算机控制测试系统 （2学时）简单介绍。只讲数据采集系统。其他部分要求学生自学。数据采集系统的主要功能：程控测量、自动校正、结果判断与预警、数据分析处理。联网。数据采集系统的基本结构。数据采集系统的设计。