传感器教案(共68页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上江苏省技工院校教 案 首 页授课日期班级 课题： 1.1 传感器概述 教学目的要求： 掌握传感器的作用、组成与分类，熟悉传感器的特性 教学重点、难点： 传感器的作用、组成与分类、传感器的特性 授课方法： 讲授 教学参考及教具（含多媒体教学设备）： 多媒体 授课执行情况及分析：板书设计或授课提纲授课内容 1.1 传感器概述1、【应用导入】身边的电路 鼠标的移动带动滚球的的转动，这种转动使滚轴随动，每个滚轴上都附着码盘，码盘的两侧分布红外线发射管与红外线接收管，通过码盘上的齿轮透光，就记录下滚球的移动方位。然后将信息送入到计算机主机中，经过计算机处理，使计算机屏幕上的光标

2、于鼠标一起同步移动。2、传感器的作用 现代大工业生产：质量监控；自动检测；过程控制的四大参量：流量、压力、温度、液位等等。基础学科研究：超高温、超高压、超低温、超高真空、超强磁场检测。授 课 教 案 No:授课内容航空航天宇宙飞船：飞行的速度、加速度、位置、姿态、温度、气压、磁场、振动测量。智能建筑：包括三大基本要素（简称3A）有：楼宇自动化系统 BAS；通讯自动化系统 CAS 和办公自动化系统 OAS。现代家用电器：电视机、空调、风扇使用红外遥控器等。 3、传感器的组成与分类 传感器一般有敏感元件、转换元件和转换电路组成。敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成一定关系的某一物理量的元件。

3、常用的六种分类方法：（1）按传感器检测的物理量分类：力学量、热学量、流体量、光学量、电量、磁学量、声学量、化学量、生物量等传感器。（2）按传感器工作原理分类：电阻、电容、电感、光栅、热电偶、超声波、激光、红外、光导纤维等传感器。 （3）按传感器的输出信号性质分类：数字式、模拟式传感器。（4）按信号处理方式分：直接传感器、差分传感器、补偿传感器。（5）根据能量的观点分：有源传感器和无源传感器。（6）按照传感器的工作机理分：结构型和物性型。4、传感器实物展示5、传感器的特性 传感器的特性是指传感器的输入量和输出量之间的对应关系。通常把传感器的特性分为两种：静态特性和动态特性。授 课 教 案 No:

4、授课内容静态特性是指输入不随时间而变化的特性，它表示传感器在被测量各个值处于稳定状态下输入输出的关系。 动态特性是指输入随时间而变化的特性，它表示传感器对随时间变化的输入量的响应特性。 1）传感器的静特性 传感器的输入输出关系：输入（外部影响：冲振、电磁场、线性、滞后、重复性、灵敏度、误差因素）传感器输出（外部影响：温度、供电、各种干扰稳定性、温漂、稳定性（零漂）、分辨力、误差因素）。 为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度（非线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标。 传感器静态特性的主要指标有：线性度、灵敏度、重复性、迟滞、分辨率、漂移、稳定性等。（1

5、）线性度 通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。（2）灵敏度 灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化y对输入量变化x的比值，（3）分辨力与分辨率 分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。2）传感器的动特性 动特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。 （1）规律性的： 1）周期性的 2）非周期性的： （2）随机性的： 1）平稳的 2）非平稳的随机过程。 江苏省技工院校教 案 首 页授课日期班级 课题： 1.2 测量基础知识 教学目的要求： 熟悉测量的定义，掌握测量方法、测量误差 教学重点、难点： 测量方法、测量误差 授课方法： 讲授 教学参考及教具（含多媒体

6、教学设备）： 多媒体 授课执行情况及分析：板书设计或授课提纲授课内容 1.2 测量基础知识1、测量 以确定量值为目的的一系列操作，也就是将被测量与某种性质的标准量进行比较，确定被测量对标准量的倍数。它可由下式表示： 式中： x 被测量值； u 标准量，即测量单位； n 比值（纯数），含有测量误差。由测量所获得的被测量值称为测量结果。测量结果包括两部分：比值和测量单位。当然测量结果还应包括误差部分。授 课 教 案 No:授课内容2 、测量方法 实现被测量与标准量比较得出比值的方法，称为测量方法（1）直接测量、间接测量与组合测量 在使用仪表或传感器进行测量时，对仪表读数不需要经过任何运算就能直接表

7、示测量结果的测量方法称为直接测量。如前面所讲的双金属温度计就属于此类测量方法。直接测量的优点是测量过程简单而又迅速，缺点是测量精度不高。（2）等精度测量与不等精度测量 用相同的仪表与测量方法对同一被测量进行多次重复测量，称为等精度测量。 用不同精度的仪表或不同的测量方法，或在环境条件相差很大时对同一被测量进行多次重复测量称为非等精度测量。（3）偏差式测量、零位式测量与微差式测量 用仪表指针的位移（即偏差）决定被测量的量值，这种测量方法称为偏差式测量。应用这种方法测量时，仪表刻度事先用标准器具标定。 3、测量系统 测量系统是传感器与测量仪表、变换装置等的有机结合。4、测量误差1）测量误差的表示方

8、法测量误差的表示方法有多种，含义各异。（1） 绝对误差 绝对误差可用下式定义： =x-L授 课 教 案 No:授课内容 （2）相对误差 相对误差的定义由下式给出： =/L （3）引用误差 引用误差是仪表中通用的一种误差表示方法，它是相对仪表满量程的一种误差，一般也用百分数表示，即 =/( 测量范围上限-测量范围下限）（4）基本误差 基本误差是指仪表在规定的标准条件下所具有的误差。 （5）附加误差 附加误差是指当仪表的使用条件偏离额定条件下出现的误差。 6、误差的性质（1）系统误差：在相同条件下，多次测量同一量时，误差的绝对值和符号保持恒定或遵循一定规律变化的误差。产生系统误差的主要原因有仪器误

9、差、使用误差、影响误差、方法和理论误差，消除系统误差主要应从消除产生误差的来源着手，多用零示法、补偿法等，用修正值是减小系统误差的一种好方法。 （2）随机误差：在相同条件下进行多次测量，每次测量结果出现无规则的随机性变化的误差。随机误差主要由外界干扰等原因引起，可以采用多次测量取算术平均值的方法来消除随机误差。 （3）粗大误差：在一定条件下，测量结果明显偏离真值时所对应的误差，称为粗大误差。产生粗大误差的原因有读错数、测量方法错误、测量仪器有缺陷等等，其中人为误差是主要的，这可通过提高测量者的责任心和加强测量者的培训等方法来解决。 江苏省技工院校教 案 首 页授课日期班级 课题： 2.1应变式

10、传感器 教学目的要求： 掌握应变式传感器种类、结构，熟悉应变式传感器工作原理 和常用应变式传感器的使用方法 教学重点、难点： 应变式传感器种类、结构、使用方法 授课方法： 讲授 教学参考及教具（含多媒体教学设备）： 多媒体 授课执行情况及分析：板书设计或授课提纲授课内容 2.1应变式传感器1、应变式传感器种类、结构 应变式传感器中的传感元件有电阻应变片、半导体膜片、电位器等。由它们分别制成了电阻应变式传感器、压阻式传感器、电位器式传感器等。(1)电阻应变式传感器是基于测量物体受力变形所产生应变的一种传感器，最常用的传感元件为电阻应变片，电阻应变式传感器由弹性敏感元件、电阻应变片、补偿电阻和外壳

11、组成，可根据具体测量要求设计成多种结构形式。弹性敏感元件受到所测量的力而产生变形，并使附着其上的电阻应变片一起变形。电阻应变片再将变形转换为电阻值的变化，从而可以测量力、压力、扭矩、位移、加速度和温度等多种物理量。 授 课 教 案 No:授课内容(2)压阻式传感器有两种类型：半导体应变式传感器、固态压阻式传感器。固态压阻式传感器主要用于测量压力和加速度等物理量。 (3)电位器传感器可以用来把转动或位移这两个物理量转换为电阻的变化。电位器或传感器的结构如图所示。线性电位器可以把线性位移或转动转换为电阻的变化，在施加给传感器激励能量后，又可把电阻的变化转换为电压、电流的变化。下图中 (a)为直线式

12、电位器，(b)为旋转式电位器。 2、应变式传感器工作原理1）电阻应变效应 当电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种效应称为电阻应变效应。【案例分析】设有一段长为l，截面积为A，电阻率为的导体(如金属丝或半导体)，它具有的电阻为： R=l/A 当它受到轴向力F而被拉伸(或压缩)时，其l、A和均发生变化2、应变片的基本结构和测量原理（1）应变片的结构 敏感栅 基底 引线 盖层 粘结剂授 课 教 案 No:授课内容 （2）测量原理 用应变片测量时，将其粘贴在被测对象表面上。当被测对象受力变形时，应变片的敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化，从

13、而实现应变的测量。通过弹性敏感元件，将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，则可用应变片测量上述各量，做成各种应变式传感器。（3）静态特性 R/R=Sx（4）测量电路 直流电桥 （a）直流电桥平衡条件 :如下图,当I L=0时, R1R3-R2R4=0 (b) 直流电桥电压灵敏度 可知n=1时，即R1=R2，R3=R4时，Su电桥的电压灵敏度最高。此时， U0=UR/4R Su=U/4 交流电桥 交流电桥的平衡条件 可得平衡条件为： Z1Z3=Z2Z4(5) 补偿电路 温度误差 用应变片测量时，希望其电阻只随应变而变，而不受其它因素的影响。但实际上环境温度变化时，也会引起电阻的相对变

14、化，从而产生温度误差。R/R=tt+S(s-t)t授 课 教 案 No:授课内容由上式不难看出，应变片的温度效应及其热输出由两部分组成：前部分为热阻效应所造成；后部分为敏感栅与试件热膨胀失配所引起。在工作温度变化较大时，这种热输出干扰必须加以补偿。 温度补偿 热输出补偿就是消除对测量应变的干扰。常采用温度自补偿法和桥路补偿法。a. 温度自补偿法(a) 单丝自补偿应变片 实际常选用康铜、铁铬铝等合金作栅材，并通过改变合金成份及热处理规范来调整，以满足对不同材料试件的热输出补偿。这种自补偿应变计的最大优点是结构简单，制造、使用方便。(b) 双丝自补偿应变片 这种应变片的敏感栅是由电阻温度系数为一正

15、一负的两种合金丝串接而成，应变计电阻R由两部分电阻Ra和Rb组成，即R=Ra+Rb。当工作温度变化时，若Ra栅产生正的热输出与Rb栅产生负的热输出b，能大小相等或相近，就可达到自补偿的目的 桥路补偿法桥路补偿法是利用电桥的和、差原理来达到补偿的目的。 a. 双丝半桥式 敏感栅是由同符号电阻温度系数的两种合金丝串接而成，而且栅的两部分电阻R1和R2分别接入电桥的相邻两臂上：工作栅R1接入电桥工作臂，补偿栅R2外接串接电阻RB(不敏感温度影响)后接入电桥补偿臂；另两臂照例接入平衡电阻R3和R4，当温度变化时，只要电桥工作臂和补偿臂的热输出相等或相近，就能达到热补偿目的。 授 课 教 案 No:授课

16、内容b. 补偿块法 这种方法是用两个参数相同的应变片R1、R2。R1贴在试件上，接入电桥工作臂， R2贴在与试件同材料、同环境温度，但不参与机械应变的补偿块上，接入电桥相邻臂作补偿臂(R3、R4同样为平衡电阻)，如下图所示。这样，补偿臂产生与工作臂相同的热输出，通过差接桥，起到补偿作用。这种方法简便，但补偿块的设置受到现场环境条件的限制。 3、常用应变式传感器的使用方法 常用应变式传感器的使用关键在于如何将传感器中的应变片粘贴到被测物上。应变片是用粘结剂粘贴到被测件上的。粘结剂形成的胶层必须迅速地将被测件的应变传递到敏感栅上。粘结剂的性能及粘贴工艺的质量直接影响着应变片的工作特性，如零漂、蠕变

17、、滞后、灵敏系数等。可见选择粘结剂和正确的粘结工艺与应变片的测量精度有着极其重要的关系。江苏省技工院校教 案 首 页授课日期班级课题： 2.2 电感式传感器 教学目的要求： 掌握电感式传感器种类、结构，熟悉电感式传感器工作原理、 常用电感式传感器的使用方法 教学重点、难点： 电感式传感器种类、结构、常用电感式传感器的使用方法 授课方法： 讲授 教学参考及教具（含多媒体教学设备）： 多媒体 授课执行情况及分析：板书设计或授课提纲授课内容 2.2 电感式传感器一、电感式传感器种类、结构1.自感式传感器实质上是一个带气隙的铁心线圈。按磁路几何参数变化形式的不同，目前常用的自感式传感器有变气隙式、变面

18、积式与螺管式三种；按磁路的结构型式又有型、E型或罐型等2.互感式传感器 是一种线圈互感随衔铁位移变化的变磁阻式传感器。互感式传感器分为气隙型和螺管型两种。目前多采用螺管型差动变压器， 3.电涡流式传感器是由激励线圈与导体表面之间间隙的变化而引起电涡流的变化来进行测量的传感器，其输出量与输入的振动位移成授 课 教 案 No:授课内容正比。电涡流式传感器按用途可分为测量位移、接近度和厚度的传感器；按结构可分为变间隙型、变面积型、螺管型和低频透射型4类。 4.压磁传感器可分为阻流圈式、变压器式、桥式、电阻式等传感器。其中阻流圈式、变压器式和桥式用得较多 二、电感式传感器工作原理1、自感式传感器工作原

19、理 以变气隙式自感式传感器为例,传感器的磁路总磁阻为: Rm=l1/u1S1+l2/u2S2+l/u0S (1) 由磁路基本知识可知，匝数为W的线圈电感为： L=W2/Rm (2) 将式(1)代入式(2)，可得:L=W2/(l1/u1S1+l2/u2S2+l/u0S ) (3) 由式(3)可知，当铁心、衔铁的材料和结构与线圈匝数确定后，若保持截面积不变，则L即为的单值函数，这就是变气隙式传感器的工作原理。2、互感式传感器工作原理 互感式传感器常采用螺管型，两次级线圈的互感相等，即M1=M2，由于两个次级线圈做得一样，磁路对称，所以两个次级线圈产生的感应电动势相同，即有E21 =E22，当次级线

20、圈接成反向串联，则传感器的输出电压为0。当衔铁偏离中间位置时，两边的气隙则不相等，这样两次级线圈的互感M1和M2发生变化，即M1M2，从而产生的感应电动势也不再相同，即E21 E22 ，U0 0。并且衔铁偏离中间位置的距离与输出电压近似成线性关系。于是可以用互感传感器的输出电压测量或检测衔铁的位移变化。 授 课 教 案 No:授课内容3、电涡流传感器工作原理 要形成涡流必须具备下列二个条件：存在交变磁场；导电体处于交变磁场之中。因此，涡流式传感器主要由产生交变磁场的通电线圈和置于线圈附近因而处于交变磁场中的金属导体两部分组成。金属导体也可以是被测对象本身。如果把一个扁平线圈置于金属被测导体附近

21、，当线圈中通以正弦交变电流I1时，线圈的周围空间就产生了正弦交变磁场H1，处于此交变磁场中的金属导体内就会产生涡流I2，此涡流也将产生交变磁场H2， H2的方向与H1的方向相反。由于磁场H2的作用，涡流要消耗一部分能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化。从而导致线圈的电感、阻抗和品质因数发生变化。这些参数变化与导体的几何形状、电导率、磁导率、线圈的几何参数、电流的频率以及线圈到被测导体间的距离有关。如果控制上述参数中一个参数改变，其余皆不变，就能构成测量该参数的传感器。为分析方便，将被测导体上形成的电涡流等效为一个短路环中的电流。这样，线圈与被测导体便等效为相互耦合的两个线圈，如下图(b)所示

22、。设线圈的电阻为R1，电感为L1；短路环的电阻为R2，电感为L2；线圈与短路环之间的互感系数为M。M随它们之间的距离x减小而增大。 4、压磁式传感器工作原理 压磁效应：某些铁磁物质在外界机械力的作用下，其内部产生机械应力，从而引起磁导率的改变。磁致伸缩：某些铁磁物质在外界机械力的作用下会产生变形，有些伸长，有些则压缩。授 课 教 案 No:授课内容 正磁致伸缩：当某些铁磁物质受拉时，在受力方向上磁导率增高，而在与作用力相垂直的方向上磁导率降低。负磁致伸缩：当某些材料受拉时，在受力方向上磁导率降低，而在与作用力相垂直的方向上磁导率增高。如果采用以上特点的铁磁材料做成压磁式传感器，我们就可以用铁磁

23、材料的压磁应变灵敏度来表示压磁式传感器的工作特性： S=u/l=(u/u)/(l/l) S 的值越大，表明压磁式传感器检测效果越强。压磁式传感器可用来测量压力、拉力、弯矩、扭转力(或力矩)等。 5、压磁式传感器的工作形式（1）用一个方向磁导率的变化的传感器【原理分析】测量压力P用的压磁式传感器a. 阻流圈式压磁式传感器 阻流圈式压磁传感器与电感传感器相似，它通过改变磁导率来达到电感值的改变。具体公式如下： L=K1uK2Pb.变压器式压磁传感器变压器式压磁传感器如左图所示，当承受外部压力时，将感应信号转化为电动势信号，具体公式如下：E2=（W2/W1）K（P）u1P 这样，就将外部压力转化为感

24、应电信号，以便检测和控制。授 课 教 案 No:授课内容三、常用电感式传感器的使用方法1、电感传感器的选择原则(1)在使用传感器之前应首先弄清给定的技术指标(2)传感器选择必须同时考虑传感器结构和转换电路。2、机械结构选择 （1）轮廓选择 在满足量程要求，具有足够的机械强度，和必要的窗口面积以获得适当的电感量和较高的品质因数的情况下，以小巧为好。 （2）导向及回转支承选择 电感传感器中测杆导轨或回转支承的结构，对传感器的机械精度（如重复性误差，回程误差等）有较大影响。3、电源电压和频率的选择 （1）电源电压的选择（2）电源频率的选择 江苏省技工院校教 案 首 页授课日期班级 课题： 2.3 电

25、容式传感器 教学目的要求： 掌握电容式传感器种类、结构，熟悉电容式传感器工作原理、 常用电容式传感器的使用方法 教学重点、难点： 电容式传感器种类、结构、使用方法 授课方法： 讲授 教学参考及教具（含多媒体教学设备）： 多媒体 授课执行情况及分析：板书设计或授课提纲授课内容 2.3 电容式传感器一、电容式传感器种类、结构 电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类。二、 电容式传感器工作原理1、极距变化型传感器工作原理C0=CACL/(CA+CL)；CL=CAC0/(CA-C0)；CH=CAC0/（CA+C0）U0=UQ（CL-CH）/（CL+CH） CL-CH=CAC02/（C

26、A2-C02）从而得到：U0=UQC0/CA=UQC0（PH-PL）/k授 课 教 案 No:授课内容2、面积变化型电容传感器工作原理 它与变极距型不同的是，被测量通过动极板移动，引起两极板有效覆盖面积改变，从而得到电容的变化。设动极板相对定极板沿长度l0方向平移l时，则电容为: C=C0-C=0r(l0-l)b0/0 CAC=CBC=0r(R2-r2)/03、变介质型电容传感器 极距为0，相对介电常数为r2的电介质以不同深度插入电容器中，从而改变两种介质的极板覆盖面积。传感器的总电容量C为两个电容C1和C2的并联结果。C=C1+C2=0b0r1(l0-l1)+r2lC/C0=(C-C0)/C

27、0=(r2-1)l/l0 可见，电容的变化与电介质2的移动量成线型关系。 上述原理可用于非导电散材物料的物位测量。将电容器极板插入被监测的介质中，随着灌装量的增加，极板覆盖面增大。由上式可知，测出的电容量即反映灌装高度l。三、常用电容式传感器的使用方法 电容式传感器将被测非电量变换为电容变化后，必须采用测量电路将其转换为电压、电流或频率信号。1、变压器电桥C1、C2为传感器的两个差动电容。电桥的空载输出电压为： U0=U(C1-C2)/2(C1+C2)2、双T二极管交流电桥 该电路适用于各种电容式传感器。其应用特点和要求：(1)电源、传感器电容、负载均可同时在一点接地；(2)二极管D1、D2工

28、作于高电平下，因而非线性失真小；(3)其灵敏度与电源授 课 教 案 No:授课内容频率有关，因此电源频率需要稳定；(4)将D1、D2、R1、R2安装在C1、C2附近能消除电缆寄生电容影响；线路简单；(5)输出电压较高。 3、脉冲调宽电路 当接通电源后，若触发器端为高电平，端为低电平，则触发器通过R1对C1充电；当F点电位UF升到与参考电压Ur相等时，比较器IC1产生一脉冲使触发器翻转，从而使端为低电平，端为高电平。此时，由电容C1通过二极管D1迅速放电至零，而触发器由端经R2向C2充电；当G点电位UG与参考电压Ur相等时，比较器IC2输出一脉冲使触发器翻转，从而循环上述过程。这种电路不需要载频

29、和附加解调线路，无波形和相移失真；输出信号只需要通过低通滤波器引出；直流信号的极性取决于C1和C2；对变极距和变面积的电容传感器均可获得线性输出。这种脉宽调制线路也便于与传感器做在一起，从而使传输误差和干扰大大减小。4、运算放大器电路 该电路适用于各种电容式传感器。其应用特点和要求：(1)电源、传感器电容、负载均可同时在一点接地；(2)二极管D1、D2工作于高电平下，因而非线性失真小；(3)其灵敏度与电源频率有关，因此电源频率需要稳定；(4)将D1、D2、R1、R2安装在C1、C2附近能消除电缆寄生电容影响；线路简单；(5)输出电压较高。电容传感器也可采用运算放大电路进行测量。上C1为传感器电

30、容，它跨接在高增益运算放大器的输入端和输出端之间。放大器的输入阻抗很高(Zi)，因此可视作理想运算放大器。其输出端输出一与C1成反比的电压U0江苏省技工院校教 案 首 页授课日期班级课题： 2.4 压电式传感器 教学目的要求： 掌握压电式传感器种类、结构，熟悉压电式传感器工作原理、 常用压电式传感器的使用方法 教学重点、难点： 压电式传感器种类、结构、使用方法 授课方法： 讲授 教学参考及教具（含多媒体教学设备）： 多媒体 授课执行情况及分析：板书设计或授课提纲授课内容 2.4 压电式传感器一、压电式传感器种类、结构1、压电晶体 石英晶体(SiO2) 压电石英的主要性能特点是：(1) 压电常数

31、小，时间和温度稳定性极好；(2) 机械强度和品质因素高，且刚度大，固有频率高，动态特性好；(3)无热释电性，且绝缘性、重复性均好。其他压电单晶 在压电单晶中除天然和人工石英晶体外，锂盐类压电和铁电单晶如铌酸锂、钽酸锂、锗酸锂等材料，也已在传感器技术中日益得到广泛应用，其中以铌酸锂为典型代表。授 课 教 案 No:授课内容2、压电陶瓷压电陶瓷的极化处理 压电陶瓷的特点是：压电常数大，灵敏度高；制造工艺成熟，可通过合理配方和掺杂等人工控制来达到所要求的性能；成形工艺性也好，成本低廉，利于广泛应用。压电陶瓷除有压电性外，还具有热释电性。因此它可制作热电传感器件而用于红外探测器中。但作压电器件应用时，

32、这会给压电传感器造成热干扰，降低稳定性。所以，对高稳定性的传感器，压电陶瓷的应用受到限制。常用的压电陶瓷 传感器技术中应用的压电陶瓷，按其组成基本元素多少可分为： 二元系压电陶瓷：主要包括钛酸钡，钛酸铅，锆钛酸铅系列和铌酸盐系列。其中以钛酸钡，尤其以锆钛酸铅系列压电陶瓷应用最广。 三元系压电陶瓷：它由铌镁酸铅、钛酸铅锆、钛酸铅三种成分配比而成。另外还有专门制造耐高温、高压和电击穿性能的铌锰酸铅系、镁碲酸铅等。 综合性能更为优越的四元系压电陶瓷也已经研制成功。 3、新型压电材料 压电半导体 硫化锌、碲化镉、氧化锌、硫化镉等，这些材料显著的特点是：既具有压电特性又具有半导体特性。因此既可用其压电性

33、研制传感器，又可用其半导体特性制作电子器件；也可以两者合一，集元件与线路于一体，研制成新型集成压电传感器测试系统。 有机高分子压电材料 其一，是某些合成高分子聚合物，经延展拉伸和电极化后具有压电性的高分子压电薄膜，如聚氟乙烯等。 其二，是高分子化合物中掺杂压电陶瓷或粉末制成的高分子压电薄膜。二、压电式传感器工作原理 当需要压电器件输出电荷时，则可把它等效成一个与电容相并联的电荷源，如上图(b)所示。同样，在开路状态，输出端电荷为： Q=CaUa 必须指出，上述等效电路及其输出，只有在压电器件本身理想绝缘、无泄漏、输出端开路(即Ra =RL=)条件下才成立。授 课 教 案 No:授课内容三、常用

34、压电式传感器的使用方法 压电式传感器的常用测量电路有两种：电压放大器和电荷放大器。 1、电压放大器 电压放大器又称阻抗变换器。它的主要作用是把压电器件的高输出阻抗变换为传感器的低输出阻抗，并保持输出电压与输入电压成正比 2、电荷放大器 压电式传感器的选用注意事项如下：基座和外壳 为隔离试件应变和环境声、磁、热干扰，并增强刚性，壳体取用与基座相同的材料，起密封、屏蔽作用。压电元件 根据设计需要，可取压电晶体或陶瓷。结构形式较多采用双晶片并联形式。压电加速度传感器中常采用平板式或圆筒式结构，取厚度压缩或剪切变形方式。敏感元件 指位移传感器中的弹簧，或压力传感器中的弹性膜片(盒)等。通常采用高比重合

35、金，以利缩小结构和尺寸。预载件 即压块、弹簧或螺栓螺母等，用以对压电元件施加预紧力。加预紧力的作用是：(a)消除压电元件内外接触面的间隙，提高传感器弹性系统的刚度，从而获得良好的静态(灵敏度和线性)、动态特性； (b)足够的预紧力，才能确保拉力、剪力和扭矩传感器获得足够的正压力后靠摩擦传递切向力；(c)利用预载对外力的分载原理，可用它来实现对外力的分载调节，用以改变传感器的灵敏度、线性或量程。江苏省技工院校教 案 首 页授课日期班级课题： 3.1光纤传感器 教学目的要求：掌握光纤传感技术，熟悉光纤传感器使用方法 教学重点、难点： 光纤传感技术、光纤传感器使用方法 授课方法： 讲授 教学参考及教

36、具（含多媒体教学设备）： 多媒体 授课执行情况及分析：板书设计或授课提纲授课内容 3.1光纤传感器 一、光纤传感技术简介1、光导纤维及其导光原理（1）光纤的构造 光纤断面构造如下图所示。纤芯为石英玻璃等材料制成的导光纤维细丝，直径在5125m范围内；包层材料的折射率n2略低于纤芯材料的折射率n1，包层外径在125350m范围内。包层外面涂敷硅树酯之类的缓冲层，最外层包有起保护及屏蔽作用的尼龙套管。 光纤呈圆柱形，两端面为平面。 授 课 教 案 No:授课内容（2）光在光纤中的传输原理 当空气中一束光线自光纤端面中心点O以i角射入纤芯时，光线产生折射。光以折射角0在纤芯中行进，至纤芯与包层界面时，可能折射进入包层，也可能继续在纤芯中行进反射。根据斯乃尔定理：当光由光密物质(折射率大)射入光疏物质(折射率小)时，折射角大于入射角。 因n1n2，所以折射角恒大于入射角(90-)。当sin(90-)=n2/n1时，光线开始出现全反射。 （3）光纤模式 临界角im以内的入射光以各自不同的角度在芯体