教案

201年_月_日第一周累計第一個教案—課時

課題第一章課型

目1.掌握傳感器的定義

2.掌握傳感器的典型分類方法

的知識

3.了解傳感器的基本特性

要目標4.掌握傳感器的靜態和動態特性

4.掌握傳感器的靜態和動態特性

求

能力

培養學生的理解與記憶能力

目標

思想教育嚴謹的學習態度和習慣

重點重點：1.傳感器的靜態特性

難點

分析2.傳感器的動態特性

難點：傳感器的動態特性分析

難點：傳感器的動態特性分析

教學方法講授

教具學具與

實驗準備

組織教學

時間系班級缺課學生名單

教學內容及步驟

第一章概述一傳感器技術基礎知識

1.1傳感器的定義及組成

1.1.1定義

國家標準(GB/T7665-1987)規定：傳感器是一種能夠感受規定的被測量

并按照一定規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。也叫發送器；傳送器；變

送器；Transducer/Sensor等。

?對定義的理解：

?它是測量裝置；

?輸入量是某一被測量(物理、化學、生物等)；

?輸出量是某種物理量(氣、光、電等)，主要是電物理量；

輸出輸入有對應關系，并應有一定的精度

1.1.2傳感器的組成

傳感器一般由敏感元件、轉換元件、轉換電路三部分組成，組成框圖如圖示。

1.2傳感器的分類

1.2.1按工作機理分

(1)物理型

按構成原理口結構型；物性型

?按構成原理：結構型；物性型

教學內容及步驟

結構型：是以結構（如形狀、尺寸等）為基礎，利月物理學中場的定律構

成的，動力場的運動定律、電磁場的電磁定律等。必須依靠精密設計的結構予

以保證。如：磁隙型電感傳感器、電動式傳感器等。

物性型：是利用物質定律構成的，利用某些功能材料本身所具有的內在特

性及效應把被測量直接轉換為電量。虎克定律、歐姆定律等。主要依靠材料本

身的效應來感應信息。如：光電管（外光電效應）、壓電晶體（正壓電效應）、

光敏電阻、所有半導體傳感器、以及所有利用各種環境變化而引起的金屬、半

導體、陶瓷、合金的性能變化的傳感器。

按能量轉換情況0能量控制型、能量轉換型

能量控制型：在信息變化過程中，其能量需要外電源供給。如：電阻、電

感、電容、基于應變電阻效應、磁阻效應、熱阻效應、光電效應、霍爾效應等。

能量轉換型：主要由能量變換元件構成，它不需要外電源。如：壓電效應、

熱電效應、光電動勢效應等。

?按物理原理

電參量式（包括電阻式、電感式、電容式等三個基本形式）、磁電式（包

括磁電感應式、霍爾式、磁柵式等）、壓電式、光電式［包括一般光電式、光

柵式、激光式、光電碼盤式、光導纖維式、紅外式、攝像式等）、氣電式、熱

電式、波式（包括超聲波式微波式等）、射線式、半導體式、其它原理等。可

以是兩種以上原理的復合形式。

（2）化學型

利用電化學反應原理，把無機和有機化學物質的成分、濃度等轉換為電信

號的傳感器。最常用的是離子選擇性電極。核心部分是離子選擇性敏感膜.廣

泛應用于化學分析、化學二業的在線檢測及環保中。

（3）生物型

利用生物活性物質選擇性的識別和測定生物化學物質的傳感器。由兩大部

教學內容及步驟

分組成：功能識別物質，酶、抗體、抗原、微生物、

細胞等；電、光信號轉換裝置，最常用的是電極。

最大的特點是能在分子水平上識別物質，應用于化

學工業檢測和醫學診斷。

1.2.2按用途（輸入信號）分

幾何量：長度、角度、位移、厚度、幾何位置、幾何形狀、表面波度和粗

糙度

力學：力、力矩、振動、轉速、加速度、質量、流量、硬度、真空度等

溫度：溫度、熱量、比容、熱分布

濕度：濕度、水分

時間：頻率、時間

電量：電流、電壓、電阻、電容、電感、電磁波

磁性：磁通、磁場

光學：照度、光度、顏色、圖像、透明度

聲學：聲壓、噪聲

射線：射線劑量、劑量率

化學：濃度、成分、pH值、濁度

1.2.3按輸出信號

模擬式傳感器輸出量為模擬量，數字式傳感器輸出

量為數字量，便于與計算機連接，而且抗干擾能力

強，例如盤式角度傳感器和光柵傳感器等。

1.3傳感器的靜特性

傳感器的靜特性是指傳感器在輸入量的各個值處于穩定狀態時的輸出

與輸入關系，即當輸入量是常量或變化極慢時，輸出與輸入的關系。

傳感器的靜特性是指傳感器在輸入量的各個值處于穩定狀態時的輸出

與輸入關系，即當輸入量是常量或變化極慢時，輸出與輸入的關系。

教學內容及步驟

衡量傳感器靜態特性的主要技術指標有線性度、測量范圍和量程、重復性、

遲滯、靈敏度等。

（1）測量范圍和量程

傳感器所能測量的最大被測量（即輸入量）的數值稱為測量上限，最小的

被測量則稱為測量下限，而用測量下限和測量上限表示的測量區間，則稱為

測量范圍，簡稱范圍。測量上限和測量下限的代數差為量程.即：量程=測

量上限-測量下限。

（2）線性度

在采用直線擬合線性化時，輸出輸入的校正曲線與其擬合直線之間的最大

偏差，就稱為非線性誤差或線性度，通常用相對誤差來表示，即

rL=±（ALmax/Yps）100%

ALmax:最大非線性誤差

由此可見，非線性誤差的大小是以一定的擬合直線為基準直線而得出來

的。擬合直線不同，豐線性誤差也不同。所以，選擇擬合直線的主要出

發點，應是獲得最小的非線性誤差。另外，還應考慮使用是否方便，計算

是否簡便。

（3）遲滯

傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減小）行程中輸出輸入曲線不重合稱為遲

滯。

教學內容及步驟

遲滯特性i般是由實驗方法測得。遲滯誤差一?般以正反行程中輸出的最大偏差

量滿量程輸出之比的百分數表示，即

yH=4*xlOO%

力

遲滯的影響因素包括傳感器機械結構中的摩擦、游隙和結構材料受力變形的滯

后現,象等八

（4）重復性

重復性是指傳感器在輸入按同一方向作全量程連續多次變動時所得的特性曲線

不一致的程度。圖示為實際輸出的校正曲線的重系特性，正行程的最大重系性

偏差為ARmaxl,反行程的最大重復性偏差為ARmax20重復性誤差取這兩個最

大偏差之中較大者為ARmax,與滿量程輸出yFS之比的百分數表示，即

re=±^^-xioo%

%

重復性誤差也常用絕對誤差表示。

（5）靈敏度與靈敏度誤差

傳感器輸出的變化量Ay與引起此變化量的輸入變化量Ax之比即為其靜態

靈敏度，其表達式為：

傳感器輸出的變化量Ay與引起此變化量的輸入變化量Ax之比即為其靜態

靈敏度,其表達式為：

傳感器輸出的變化量小丫與引起此變化量的輸入變化量Ax之比即為其靜態

靈敏度，其表達式為:

教學內容及步驟

八%

(6)分辨力

分辨力是指傳感器在規定測量范圍內所能檢測出被測輸入量的最小變化

值。有時對該值用相對滿量程輸入值之百分數表示，則稱為分辨率。

(7)穩定性

有長期穩定性和短期穩定性之分，通常用長期穩定性，它是指在室溫條件

下，經相當長的時間間隔，傳感器的輸出與起始標定時的輸出之間的差

異。

(8)漂移

傳感器在長時間工作時、外界溫度改變時或外界出現干擾(沖擊、振動、

潮濕、電磁等)時等情況下輸出量發生的變化，包括零點漂移和靈敏度漂移。

零點漂移和靈敏度漂移又可以分為時間漂移和溫度漂移，時間漂移是指在規定

的條件下，零點和靈敏度隨著時間的緩慢的變化；溫度漂移為環境溫度變化而

引起的零點或靈敏度的變化。

(9)靜態誤差

傳感器在其全量程內任一點的輸出值與其理論值

(擬合曲線)的偏離程度。是一項綜合性指標，它基本

上包括了前面敘述的非線性誤差、遲滯誤差、重復性誤

差、靈敏度誤差等。

1/2

。=(2(Ayt)7(n-1))

Y=±(3o/yFs)100%或

Y=±(Y.2+YH2+YR2+YS2)，；2

1.4傳感器的動態特性

動態特性是指傳感器對隨時間變化的輸入量的響應特性。動態特性好的傳感

器，其輸出量隨時間變化的曲線與被測量隨時間變化的曲線一致或者相近。

動態特性是指傳感器對隨時間變化的輸入量的響應特性。動態特性好的傳感

器，其輸出量隨時間變化的曲線與被測量隨時間變化的曲線一致或者相近。

教學內容及步驟

動態特性的一般描述：

（1）階躍響應特性

給傳感器輸入一個單位階躍函數信號”t）=,其輸出為階躍響應特性。

與階躍響應特性有關的指標：

最大超調量：輸出超過穩定值的最大值，常用百分數來表示C

上升時間tr：輸出由某一值（10%或5%）到達穩定值的90%（或95%）所需

的時間。

響應時間ts：輸出達到穩定值的95%或98%（由允許誤差范圍所決定）時所需

的時間，也稱建立時間或過渡過程時間。

延遲時間td:階躍響成達到穩態值50%所需要的時間。

峰值時間tp:響應曲線到達第一個峰值所需要的時間。

時間常數JT越小，響應速度越快。

衰減度：瞬態過程中振蕩幅值衰減的速度。

衰減度：瞬態過程中振蕩幅值衰減的速度。

教學內容及步驟

（2）頻率響應特性

給傳感器輸入各種頻史不同而幅值相同初相位為0的正弦信號，其輸出的

正弦信號的幅值和相位與頻率之間的關系。

與頻率響應特性有關的指標：

頻帶：傳感器增益保持載一定值內的頻率范圍，對應有上、下截止頻率

時間常數T：一階傳感器（測溫傳感器等）用T表

征其動態性能，T越小，頻帶越寬。

固有頻率：表征二階傳感器（加速度傳感器等）的動

態特性。

1.5傳感器的數學模型

1.5.1靜態數學模型

傳感器的靜態數學模型是指在靜態信號作用下，傳

感器輸出與輸入之間的一種函數關系。如果不考慮遲滯特性和蠕動效應，傳感

器的靜態數學模型一般可以用n次多項式來表示。

2n

y=ao+aix+a2X+...+anx

式中，x為輸入量；y為輸出量；aO為零輸入時的輸出，也叫零位輸出；al

為傳感器線性系數，也叫線性靈敏度；a2.a3…+an為非線性系數。

幾種特例：

理想的線性特性：y=alx其線性度最好，通常是所希望的傳感器應具有的

特性。

僅有偶次非線性項：y=aO+a2x2+a4x4+***+a2nx2n,n=0,l,…其線性范圍較

窄，線性度差。

僅有奇次非線性項：y=alx+a3x3+a5x54-,+a2n+lx2n+l,n=1,2,…線性范圍

較寬，線性度好。

僅有奇次非線性項：y=a1x+a3x3+a5x5+,+a2n+1x2n+l,n=1,2,…線性范圍

較寬，線性度好。

僅有奇次非線性項：y=aix+a3x'+a5x5+…+a2n+ix2""，n=l,2,…線性范圍較寬，

線性度好。

教學內容及步驟

1.5.2動態數學模型

傳感器的動態數學模型是指傳感器在受到隨時間變化的輸入量作用時，輸

出輸入之間的關系，通常稱為響應特性。

（1）微分方程

將傳感器作為線性定常系統來考慮，其動態數學模型可以用線性常系數微分方

程來表示，這種方程式的通式為：

4鼻+*學+A+0百+的”

*dt*z/z1di,

d、工▲.，dx，，

L

+A+4—+4彳

業2dl

所謂線性系統就是在此方程式中不包含變量及其各階微分的非一次幕項

（包括交叉相乘項）；如果線性系統方程中各系數an、bm在工作過程中不隨

時間和輸入量的變化而變化，那么該系統就稱為線性定常系統。

（2）傳遞函數

對上式取拉氏變換，并令當t=0時，輸入量x⑴和輸出量y⑴及它們的各階時間

導數的初始值均為零，則得

/（$）（/$"+Aa1s+a0）=X（s）（bms*+公產?"+A+瓦s+b0）

y（￡）占.5?+，$+與

￥（$）aj+。7產+A+即

等號右邊是一個與輸入量x⑴和輸出量y⑴無關的表達式，它只與系統結構參

數有關，因而等號右邊又是傳感器特性的一種表達式，它表征了輸出與輸入的

關系，是一種描述傳感器特性的函數。初始條件為零時（傳感器被激勵之前所有

儲能元件如質最塊、彈性元件、電氣元件均沒有積存能審），輸出量y⑴的拉氏

等號右邊是一個與輸入晝x⑴和輸出量y（t）無關的表達式，它只與系統結構參

數有關，因而等號右邊又是傳感器特性的一種表達式，它表征了輸出與輸入的

關系，是一種描述傳感器特性的函數。初始條件為零時（傳感器被激勵之前所有

儲能元件如質量塊、彈性元件、電氣元件均沒有積存能量），輸出量y⑴的拉氏

教學內容及步驟

變換丫⑸與輸入x(t)的拉氏變換X(s)之比，稱為傳遞函數，并記為H(s)

丫⑸

x@

1.6傳感器的標定與校準

標定：是指在明確傳感器的輸出與輸入關系的前提下，利用某種標準器具

對傳感器進行標度。

標定與校準的本質不同：對新研制或生產的傳感器進行全面的技術檢定,

稱為標定；將傳感器在使月中或儲存后進行的性能復測，稱為校準。

(1)靜特性的標定方法：靜態標準條件：沒有加速

度、震動、沖擊、環境溫度20±5。C.相對濕度不大

于85%、氣壓為101±7kPa。

(2)動態特性的實驗確定方法：階躍信號響應法、

正弦信號響應法。

(3)常用標定設備：靜態標定設備、動態標定設備、

現場標定設備。

1.7傳感器技術發展

1.7.1改善傳感器性能的技術途徑

差動技術Q顯著地減少溫度變化、電源波動、外界干擾的影響

抵消共模誤差減小非線性誤差。

平均技術Q誤差口8工。±5亡)岳口

補償修正技術：本身特性修正、工作條件或外界環境修正可以通

過硬件或軟件實現。

屏蔽、隔離與干擾抑制品

穩定性處理呈時效處理、冰冷處理、永磁材料的時間老化溫度老化、

機械老化、交流穩磁處理、電氣元件的老化篩選。

?穩定性處理：時效處理、冰冷處理、永磁材料的時間老化溫度老化、機

械老化、交流穩磁處理、電氣元件的老化篩選。

教學內容及步驟

1.7.2發展趨勢

（1）開發新型傳感器：（新原理新現象、新效應）采用新原理、填補傳感

器空白、仿生傳感器。他們之間是互相聯系的。

（2）開發新材料

半導體敏感材料。硅材料（單晶硅、多晶牡、非晶硅）：金屬和非

金屬合成的化合物半導體材料；

陶瓷材料絕緣陶瓷、壓電陶瓷、介電陶瓷、熱電陶瓷、光電陶

瓷、半導體陶瓷。

磁性材料非晶化、薄膜化。

智能材料國生物體材料、形狀記憶合金、形狀記憶陶瓷、形狀記憶

聚合物。

（3）采用新工藝集成技術、微細加工技術、離子注入技術、薄膜技術

微細加工技術，又稱為微機械加工技術。是離子束、電子束、分子束、激

光束、化學刻蝕等微電子加工技術。

平面電子工藝技術應傳統的氧化、光刻、擴散、沉枳等還有薄膜制

作

選擇性的化學刻蝕技術國如Q各向異性刻蝕技術

固相鍵合工藝技術旦將兩個硅片直接鍵合為一體而不用中間粘接

劑也不需外加電場。

機械切斷技術：在一個基片上的多個超小型傳感器用分離切斷技術

分割開來所以免損傷和殘存內應力。

4）集成化、多功能化

集成化：

同一功能的多元件并列化口如心今9

?同一功能的多元件并列化：如CCD

教學內容及步驟

多功能一體化Q將傳感器與放大、運算以及溫度補償等環節一體化組成一個

器件。

多功能化：一個傳感器可以同時測量多個參數。如：美國的單片硅多維力傳感器（3個

線速度、3個離心加速度（角速度）、3個角加速度）；溫、氣、濕三功能陶瓷傳感器；多

種離子或氣體傳感器等。

（5）智能化

靈巧（Smart）傳感器，具有：檢測、修正、數據處理、邏輯

判斷、自診斷和自適應能力的集成一體化多功能傳感器。

L8傳感器的應用舉例

傳感器乂稱為電五官，主要用于基礎科學、軍事、宇航、工業、農業、環保、民用電器、

資源開發、海洋探測、醫學診斷、生物工程等。例：宇宙觀察、基本粒子、導彈制導尋的、

自動生產線、機器人、汽在、復印機、空調、洗衣機。

傳感器又稱為電五官，主要用于基礎科學、軍事、宇航、工業、農業、環保、民用電器、

資源開發、海洋探測、醫學診斷、生物工程等。例：寧宙觀察、基本粒子、導彈制導尋的、

自動生產線、機器人、汽左、復印機、空調、洗衣機。

傳感器又稱為電五官，主要用于基礎科學、軍事、宇航、工業、農業、環保、民用電器、

資源開發、海洋探測、醫學診斷、生物工程等。例：宇宙觀察、基木粒子、導彈制導尋的、

自動生產線、機器人、汽主、復印機、空調、洗衣機。

作業內容

作業批改記錄

班應實

時間系缺交作業學生姓名

級交交

作業批改

問題及分析

教學札記

教案

201年_月_日第一周累計第一個教案—課時

新授

課題第二章溫度傳感器§2.1-52.2課型

目1.了解溫度測量的基本概念和溫標的分類

2.熟悉溫度傳感器的分類

的知識

3.熟悉熱電效應以及熱電偶傳感器的工作原理

要目標4.熟悉熱電偶的種類和結構

求

能力

培養學生的理解和分析能力

目標

思想教育嚴謹的學習態度和習慣

重點1.熱電偶中參考端溫度補償分析

難點

分析2.集成溫度傳感器測溫原理

教學方法講授

教具學具與

實驗準備

組織教學

時間系班級缺課學生名單

教學內容及步驟

2.1溫度測量概述

(1)溫度：代表物質的冷熱程度，是物體內部分子運動劇烈程度的標志。

(2)測量溫度的方法：接觸式測量和非接觸式測量

接觸式測量的特點：感溫元件與被測對象直接物理接觸，進行熱傳導。

非接觸測量的特點：感溫元件與被測對象不物理接觸，通過熱幅射進行熱

傳遞。

測溫傳感器分為接觸式和非接觸式兩類。

(3)溫標：

攝氏溫標：在一個標準大氣壓下，冰水混合物：。度；沸水：100度；

華氏溫標：在一個標準大氣壓下，冰水混合物：32度；沸水：212度

熱力學溫標：與攝氏溫標相差273.15度。1K=1℃+273

2.2熱電偶傳感器

2.2.1工作原理

(1)熱電效應

當兩種不同金屬導體兩端相互緊密的連接在一起組成一個閉合回路時，由

于兩個接觸點溫度T和T0不同，回路中將產生熱電動勢，并有電流通過，這種

把熱能轉化成電能的現象稱為熱電效應。

熱電動勢：接觸電動勢與溫差電動勢之和。

(2)基本定律

1)中間導體定律：導體b組成熱電偶，當引入第三個導體時，只耍保持

其兩端溫度相同，則對總電動勢無影響，這一結論被稱為中間導體定律。利用

此定律可將亳伏表接入熱電偶回路中，只要保證兩個結點溫度一致，就能正確

測出熱電動勢而不影響熱電偶的輸出。

1)中間導體定律：導體a、b組成熱電偶，當引入第三個導體時，只要保持

其兩端溫度相同，則對總電動勢無影響，這一結論被稱為中間導體定律。利用

此定律可將亳伏表接入熱電偶回路中，只要保證兩個結點溫度一致，就能正確

測出熱電動勢而不影響熱電偶的輸出。

1）中間導體定律：導體a、b組成熱電偶，當引入第三個導體時，只要保持

其兩端溫度相同，則對總可動勢無影響，這一結論被稱為中間導體定律。利用

此定律可將亳伏表接入熱旦偶回路中，只要保證兩個結點溫度一致，就能正確

測出熱電動勢而不影響熱電偶的輸出O

教學內容及步驟

EABC(1,To)-6AR(T)-CAR(TO)=EAB(T,To)

2)中間溫度定律:在熱電偶測量電路中，測量端溫度為T,自由端溫度為

TO,中間溫度為TO',則EAB(T,TO)=EAB(T,TO/)+EAB(TO,,TO)

3)參考電極定律：TO)-EK(T,TO)

該定律大大簡化了熱電偶選配電極的工作，只要獲得有關熱電極與參考電

極配對的熱電動勢，那么任何兩種熱電極配對時的電動勢均可利用該定律計

算.

［例題］:E(T,TO)也可以用E(t,tO),當t為100C時,tO為0C時，

倍合金一銷熱電偶的E(100-C,0*C)=3.13mV,鋁合金一伯熱電偶的E(100-C,

OC)=-L02mV,求鋁合金一鋁合金組成熱電偶的熱電動勢E(100C,0C)。

解：設鋁合金為A,鋁合金為B,粕為C。

即EAC(100℃,0℃)=3.13mVEBC(100℃,0℃)=-1.02mV

則EAB(100℃,0℃)=4.15mV

2.2.2熱電偶的結構形式

1.材料：原理上來講任何兩種金屬材料都可配成熱電偶。目前工業上常用

的4種標準熱電偶材料為：鉗銬30—粕銬6.銷銬10—鉗、銀銘一銀硅和銀倍

一銅銀。

2.分類：

普通熱電偶：它一般白熱電極、絕緣套管、保護管和接線盒組成。

鎧裝熱電偶：也叫纜式熱電偶測量結熱容量小、熱慣性小、動態響應快、

繞性好、強度高、抗震好.

薄膜熱電偶：用于測量固體表面小面積瞬時變化的溫度，特點是熱容量小,

時間常數小、反應速度快。

223熱電勢的測量

教學內容及步驟

單點溫度的測量：

并聯熱電偶：測量平均溫度

串聯熱電偶：輸出電動勢為每個熱電動勢之和。

在應用熱電偶串、并聯測溫時，應注意兩點：一、必須用同一分度號的熱

電偶；二、兩熱電偶的參考端溫度相等。

224熱電偶冷端溫度補償

1.冷端恒溫修正法

因各種熱電偶的分度關系是在冷端溫度為0C時得到的,如果測溫熱電偶的熱

端為冷端溫度t<X)C(t()>OC),就不能用測得的E(t,to)去查分度表得

t,必須根據下式進行修正：

躍八。)—+

式中:E(l,0)--冷端為0℃而熱端為1℃時的熱電勢；E(l,⑼--冷端為10℃而熱端為

時的熱電勢；E(l0,0)--冷端為0C時應加的校正值。

2.儀表機械零點調整法

對于具有零位調整的顯示儀表而言，如果熱電偶冷端溫度tO較為恒定時，可采

用測溫系統未工作前，預先將顯示儀表的機械零點調整到上,這相當于把熱

電勢修正值E(OO)預先加到了顯示儀表上，當此測量系統投入工作后，顯示儀表

的示值就是實際的被測溫度值。

3.補償電橋法

當熱電偶冷端處溫度波動較大時,一般采用補償電橋法，基測量線路如圖3-1所

示o補償電橋法是利用不平衡電橋(又稱冷端補償器)產生不平衡電壓來自動補

償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢變化。

教學內容及步驟

采用補償電橋法是必須注意下列幾點:

(1)補償器接入測量系統時正負極性不可接反。

(2)顯示儀表的機械零位應調整到冷端溫度補償器設計時的平衡溫度，

如補償器是按t0=20℃時電橋平衡設計的，則儀表機械零位應調整到20℃

處。

(3)因熱電偶的熱電勢和補償電橋輸出電壓兩者隨溫度變化的特性不完全一

致，故冷端補償器在補償溫度范圍內得不到完全補償，但誤差很小，能滿足工

業生產的需要。

以上幾種補償法常用于熱電偶和動圈顯示儀表配套的測溫系統中。由于自動

電子電位差計和溫度變送器等溫度測量儀表的測量線路中已設置了冷端補償電

路，因此，熱電偶與它們配套使用時不用再考慮補償方法，但補償導線仍舊需

要。

教學內容及步驟

作業內容

作業批改記錄

班應實

時間系缺交作業學生姓名

級交交

作業批改

問題及分析

教學札記

教案

201年月日第周累計第個教案—課時

§2.3-§2.5

課題課型

目

1.了解熱電阻、半導體傳感器的材料特點；

的知識2.掌握非接觸式溫度傳感器的工作原理及應用；

要目標3、掌握熱電阻、半導體傳感器的電阻一溫度特性，溫度傳感器的應用。

求

能力

培養學生的實際應用能力

目標

思想教育嚴謹的學習態度和習慣

教學重點：熱電阻、半導體溫度傳感器的溫度特性

重點教學難點：溫度傳感器的應用舉例

難點教學難點：溫度傳感器的應用舉例

分析

教學方法講授

教具學具與

實驗準備

組織教學

時間系班級缺課學生名單

教學內容及步驟

2.3金屬熱電阻式溫度傳感器

一般稱為熱電阻傳感器，是利用金屬導體的電阻值隨溫度的變化而變化

的原理進行測溫的。熱電阻廣泛用來測量一220~850C范圍內的溫度。

溫度敏感元件是電阻體，電阻體由金屬導體組成

2.3.1測溫原理

熱電效應：在金屬導體兩端加電壓后，使其內部雜亂無章運動的自由電子形成

有規律的定向運動，使導體導電。當溫度升高時由于自由電子獲得較多的能量,

能從定向運動中掙脫出來，從而定向運動被削弱，導電率降低，電阻率增大。

232熱電阻的材料、結構

熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應用最多的是鉗和銅，此外，現在已開始

采用甸、銀、銃和銬等材料制造熱電阻。為了避免通過交流電時產生感抗，或

有交變磁場時產生感應電動勢，在繞制時要采用雙線無感繞制法。由于通過這

兩股導線的電流方向相反，從而時期產生的磁通相互抵消。

2.3.3粕熱電阻的溫度特性

(1)在0-850C范圍內:

R=#0(1+4,十方,2)

(2)在-200-0℃范圍內：

凡=%[1++Bl2+C(/-100)/3]

式中A.B.C的系數各為:A=3.9684X10-3/℃；B=-5.847X10-7/℃2

0422X10-吹4

教學內容及步驟

234銅熱電阻的溫度特性

在-50-150℃范圍內：

72f=7?ii(1+At+Bt'+Ct')

式中A=4.28899X103/℃；B=-2.133X10-7/℃2；C=l.233X10-9/℃3

由于B.C比A小得多，所以公式可以簡化為：Rt=RO(l+At)

2.3.5熱電阻傳感器的結構

熱電阻傳感器是由電阻體、絕緣管、保護套管、引線和接線盒組成。

2.3.6熱電阻測溫系統的組成

熱電阻測溫系統一般由熱電阻、連接導線和顯示儀表等組成。必須注意以

下兩點：

1.熱電阻和顯示儀表的分度號必須一致；

2、為了消除連接導線電阻變化的影響，可以采用三線制或四線制接法。

三線制熱電阻與溫度采集模塊連接圖如卜.圖所示

信號通道|

RIB

在采集模塊中A.B兩個端子是用來接收電壓信號的，一般是亳伏級電壓信

號。C端是一個電流愉出湍子，工作時由采集模塊輸出一個恒定的電流信號。

這樣在熱電阻C.B端會流過一個恒定的電流，當溫度變化時，熱電阻的阻值變

化，這樣,A.B端的電壓信號就隨著溫度的變化而線性變億。達到測溫的目的。

一般的溫度表C端的輸出電流是廠家設置的，只需要接線即可。

一般的溫度表C端的輸出電流是廠家設置的，只需要接線即可。

教學內容及步驟

2.4半導體熱敏電阻式溫度傳感器

半導體熱敏電阻的材料是一種由鎰、銀、銅、鉆、鐵等金屬氧化物按一定比例

混合燒結而成的半導體，其導電性取決于電子一空穴的濃度。

2.4.1熱敏電阻的分類

1.PTC:正溫度系數熱敏電阻；

在測量溫度范圍內，其阻值隨溫度增加而增加：

2.CTR:臨界溫度系數熱敏電阻；

臨界溫度系數熱敏電阻的特點是在臨界溫度附近電阻有急劇變化，因此不

適于較寬溫度范圍內的測量；

3.NTC:負溫度系數熱敏電阻。

其阻值隨溫度增加而呈下降趨勢。測溫原理：在低溫下電子一空穴的濃度

很低，故電阻率很大隨著溫度的升高，電子一空穴的濃度按指數規律增加，電

阻率迅速減小，其溫阻特性：RT=ROeB（l/T-l/TO）o

典型的熱敏電阻元件有圓形、桿形和珠形等，其結構及溫度特性

如圖所示。

負溫度系數熱敏電阻的性能：

1）電阻溫度系數大，靈敏度高；

2）結構簡單，體積小，可測點溫；

3）電阻率高，熱慣性小，適用于動態測量;

4）易于維護和進行遠距離測量；

教學內容及步驟

5）制造簡單，使用壽命長；

6）互換性差，非線性嚴重。

2.4.2溫度測量非線性修正

由于熱敏電阻與溫度的關系呈較強的非線性，使得他的測量范圍和精度受

到一定限制，為了解決這兩方面的問題，常利用溫度系數很小的金屬電阻與熱

敏電阻串聯和并聯，使熱敏電阻阻值在一定范圍內呈線性關系。

常用的方法是：

1）線性網絡；

2）綜合修正；

3）計算修正法

2.5非接觸式溫度傳感器

1.工作原理

當物體受熱后電子運動的動能增加，有一部分熱能轉變為輻射能，輻射能

量的多少與物體的溫度有關。當溫度較低時，輻射能力弱；當溫度高于一定值

之后，可以用肉眼觀測到無，其發光亮度與溫度值有一定關系。

2、分類

全輻射式溫度傳感器、亮度溫度傳感器、比色式溫度傳感器。

a.全輻射式溫度傳感器

利用物體在全光譜范圍內總輻射能量與溫度的關系測量溫度。由于實際物體

吸收能力小于絕對黑體，所以用全輻射溫度傳感器測得的溫度總是低于物體的

真實問度，該測得溫度稱為輻射溫度。

利用物體在全光譜范圍內總輻射能量與溫度的關系測量溫度。由于實際物體

吸收能力小于絕對黑體，所以用全輻射溫度傳感器測得的溫度總是低于物體的

真實問度，該測得溫度稱為輻射溫度。

教學內容及步驟

輻射溫度：非黑體的總輻射能量ET等于絕對黑體的總輻射能量時，黑體

的

溫度即為非黑體的輻射溫度Tr,則物體的真實溫度T與輻射溫度Tr的關

系為T=Tr(1/eT)1/4

特點：適用于遠距離，，不能直接接觸的高溫物體。

b.亮度式溫度傳感器

利用物體的單色輻射亮度隨溫度變化的原理，并以被測物體光譜的一個狹

窄區域內的亮度與標準輻射體的亮度進行比較來測量溫度，物體的真實溫度

TL的關系1/T—1/T1尸、/C2Xln￡At

特點：量程較寬，有較高的測量精度用于測量(700—3200)℃范圍的澆鑄、

軋鋼、鍛壓、熱處理時的溫度，動態響應快。

c.比色溫度傳感器

測量兩個波長的輻射亮度之比為基礎。由于是比較兩個波長的亮度故稱為

比色測量法。

比色溫度：定義為非黑體輻射的兩個波長入1和入2的比。

特點：由于測量連續自動檢測鋼水、鐵水、爐渣和表面沒有覆蓋物的高溫物

體溫度，優點是反應速度快、測量范圍寬、測量溫度近似于實際值。

特點：由于測量連續自動檢測鋼水、鐵水、爐渣和表面沒有覆蓋物的高溫物

體溫度，優點是反應速度快、測量范圍寬、測量溫度近似于實際值。

特點：由于測量連續自動檢測鋼水、鐵水、爐渣和表面沒有覆蓋物的高溫物

體溫度，優點是反應速度快、測量范圍寬、測量溫度近似于實際值。

教案

201年_月_日第一周累計第一個教案—課時

第三章力傳感器§3.1-§3.2迎刑新授

課題

目1.了解彈性敏感元件的作用及特性

2.熟悉彈性敏感元件分類及如何使用

的知識

3.理解并掌握電阻應變片傳感器原理及測量電路分析

要目標3.理解并掌握電阻應變片傳感器原理及測量電路分析

求

能力

培養學生分析與解決問題的能力

目標

思想教育嚴謹的學習態度和習慣

重點1.電阻應變片傳感器的工作原理分析

難點

分析2.電阻應變片傳感器測量電路分析

教學方法講授、討論

教具學具與

實驗準備

組織教學

時間系班級缺課學生名單

教學內容及步驟

第三章力傳感器

3.1彈性敏感元件

3.1.1彈性敏感元件的特性

1.剛度

剛度是彈性元件在外力作用下變形大

小的量度，一般用k來表示。

2.靈敏度

是指彈性敏感元件在單位力作用下產生

變形的大小，在彈性理學中稱為彈性元件的柔度。它是剛度的倒數，用K表

/Ko

3.彈性滯后

實際的彈性兀件在加卸載的止反形成中變形曲線是不里合的，這種現象是

彈性滯后。產生的主要原因是：彈性敏感元件在工作過程中存在內摩擦。

4.彈性后效

當載荷從某一數值變化到另一數值時，彈性元件變形不是立即完成相應的

變形，而是經過一定的時間間隔逐步完成變形的，這種現象稱為彈性后效。

5.固有震蕩頻率

彈性元件都有自己的固有的震蕩頻率fO將影響傳感

器的動態特性。傳感器的工作頻率應該避開彈性元

件的固有頻率，往往希望固有震蕩頻率fO較高，

3.1.2彈性敏感元件的分類

1.力的彈性敏感元件包括等截面圓柱式、圓環式、等截面薄板式、

懸臂梁式、扭轉式。

2.的彈性敏感元件包括彈簧管、波紋管、波紋膜片、薄壁圓筒。

2.的彈性敏感元件包括彈簧管、波紋管、波紋膜片、薄壁圓筒。

教學內容及步驟

3.2電阻應變片傳感器

3.2.1金屬絲的電阻應變效應

電阻絲在外力作用下發生機械變形時，其電阻值發生變化，這一現象就

是電阻絲的應變效應。

設有一段長為，截面為，電阻率為的金屬絲，則它的電阻為

R=夕一

s

當它受到軸向力F而被拉伸（或壓縮）時，其、、均發生變化，如圖示,

如取金屬絲是半徑為的圓形截面，那么

R=

w

杰」，dR,冰，

dR=—di?—dr?—dp

31drdp

=dl-+-^dp

=?:呼+引

故電阻的相對變化為

空工一竺+全

RIrp

教學內容及步驟

3.2.2應變片結構與類型

應變片結構如圖所示，它主要是由金屬絲柵（敏感柵）、絕緣基片及覆蓋

片三部分組成應變片阻值常用的有60。、120。、200Q、320350。、

500。、1000Q,其中120Q最為常用。

電■阻應變片主要分為金屬電阻應變片和半導體應變片兩類，金屬電阻應變

片分為體型和薄膜型。屬于體型的有電阻絲應變片、箔式應變片和應變花。

①電阻絲應變片：電阻絲應變片有圓角線柵式和直角線柵式兩種。

前者制造方便，為最常見形式，但它的橫向效應較

大。

②金屬箔式應變片：

323測量電路

直流電橋

電橋線路是由聯接成環形的四個電阻所組成，如圖示。

教學內容及步驟

U

R、?R]

U

3?3以巴-心

?仁一篇卜

.R\R3一&&u

困+號)(&?&)

①一個橋臂電阻有變化，例如橋臂1電阻有AR1的變化，則電橋的輸出電壓為

q=M+A&1+&2&

若取RI=R2=R3=R4則

5?A七+寶0

當時，則

“微U

②兩個橋臂電阻有變化，如橋臂電阻R1和

鄰邊橋臂電阻R2都有電阻變化，即RI變

為RI+ARI,R2變為RI+AR1,當

R1=R2=R3=R4=RO,且時，

U=—U

92%

這稱為半橋雙臂工作電橋。

教學內容及步驟

③四個橋臂電阻均有變化，假設RI、R2、R3、R4的變化量分

別為ARI、AR2、AR3、AR4,R1=R2=R3=R4=RO,則其輸

出電壓為

y_f&…I

..AR\-ARi..

u?)?--------A--/?--2--+--A--/-?-?---------u

4Rn

可以看到：相鄰邊兩橋臂電阻變化是各自引起的輸

出電壓相減，相對邊二橋臂電阻變化是各自引起的

輸出電壓相加。

3.2.4電限應變式傳感器的應用

按用途，應變式傳感器可以分為應變式測力、應變式壓力、應變式加速度傳

感器等。

⑴應變式測力傳感器

圖應變式測力元件

(2)應變式加速度傳感器

圖為今勸)茶“修至88

教學內容及步驟

⑶應變式壓力傳感器

商式耳力傳展器

應用舉例

案例一：橋梁固有頻率測量

原理：在橋中設置一三角形障礙物，利用汽車礙時的沖擊對橋梁進行激勵,

再通過應變片測量橋梁動態變形，得到橋梁固有頻率。

案例二：電子稱

原理：將物品重量通過懸臂梁轉化結構變形再通過應變片轉化為電量

輸出。

教案

201年_月_日第一周累計第一個教案—課時

新授

課題3.3壓電傳感器課型

目1.了解晶體、壓電陶瓷的壓電效應

2.理解眼點傳感器的等效電路

的知識

3.掌握石英晶體的壓電效應分析

要目標4.掌握壓電傳感器的測量電路

4.掌握壓電傳感器的測量電路

求

能力

培養學生分析和解決問題的能力

目標

思想教育嚴謹的學習態度和習慣

重點重點：1.石英晶體的壓電效應

難點

分析2.壓電傳感器的測量電路

難點：測量電路的分析

難點：測量電路的分析

教學方法講授

教具學具與

實驗準備

組織教學

時間系班級缺課學生名單

3.3壓電傳感器

3.3.1壓電效應

某些晶體，當沿一?定方向受到外力作用時，內部產三極化現象，同時在

某兩個表面上產生大小相等符號相反的電荷；當外力去揖后，恢復到不帶電狀

態；當作用力方向改變時，電荷的極性隨著改變；晶體受力所產生的電荷最與

外力的大小成正比，這種現象叫壓電效應，也叫正壓電效應。

反之，如對晶體施加電場，晶體將在一定方向上產生機械變形；當外加電場撤

去后，該變形也隨之消失，這種現象稱為逆壓電效應，也稱作電致伸縮效應.

F

q=DF

教學內容及步驟

1）縱向壓電效應：沿X軸施加作用力，晶體表面產生電荷的現象。電荷出現

在與X軸相垂直的表面上。產生的電荷量為：

其中，：縱向壓電常數；：作用力。

壓電效應模型

?）縱向效應b）橫向效應C）切向效應

2）橫向壓電效應：沿y軸施加作用力，晶體表面產生電荷的現象。電荷

仍出現在與x軸相垂直的表面上。產生的電荷量為：

式中，：橫向壓電常數；：作用力；b：x向厚度；a：y向長度。

由于力所施加的表面與感生電荷的表面不同，電荷量與晶體尺寸有關。根據石

英晶體軸對稱的條件，，從而：

即橫向壓電效應產生的電荷與縱向壓電效應產生的電布極性相反。電壓：

3.3.3壓電陶瓷的壓電效應

壓電陶瓷具有與鐵磁材料磁疇類似的電疇結構。當壓電陶瓷極化處理后，

陶瓷材料內部存有很強的剩余場極化。當陶瓷材料受到外力作用時，電疇的界

限發生移動，引起極化強度變化，產生了壓電效應。

Qzz=4,Q

3.3.4壓電式傳感器的測量電路

1.壓電元件的串聯與并聯

圖(a)為串聯形式，由圖可知極板上的電荷量，電壓，電容。圖(b)為并聯形

式，由圖可知極板上的電荷量，電壓，電容。

(a)(b)

2,壓電傳感器的等效電路

給壓電晶片加上電極就構成了最簡單的壓電式

傳感器。當壓電傳感器受到沿其敏感軸向的外

力作用時，就在兩電極上產生極性相反的電荷,

因此它相當于一個電荷源(靜電發生器)。由于

壓電晶體是絕緣體，當它的兩極表面聚集電荷

時，它又相當于一個電容器，其電容量

教學內容及步驟

當壓電晶體受外力作用時，兩表面產生等量

的正、負電荷Q,可求出其開路電壓（負載電

阻為無窮大時）為：

U=QG

壓電式傳感器既可等效為電荷源又可等效為電容器，其筆效電路可認為是二者

的并聯，如圖（a）所示，也可認為是一個電壓源和一個電容器串聯，如圖（b）

所示。其中Ra為壓電元件的漏電阻。

（a）（b）

壓電式傳感器的等效電路

壓電式傳感器工作時，需與二次儀表配套使用，此時的等效電路如圖所示。

圖中Cc為傳感器電纜電容,Ri為放大器輸入電阻,Ci為輸入電容。

壓電式傳感甥測試系統等效電路

3.壓電傳感器測量電路

壓電傳感器具有兩種等效電路：電荷等效電路和電壓等效電路，因此前置放大

器也有兩種形式：電壓放大器和電荷放大器。

電壓放大器（阻抗變換器）

電壓放大器的功能是將壓電傳感器的高輸出阻抗變為較低阻抗，并將壓電式

傳感器的微弱電壓信號放入。其等效電路如圖所示。

教學內容及步驟

⑥⑥

壓電式傳感器電壓放大器等效電路

(a)電壓等效電路(b)簡化電路

放大器的實際輸入電壓Uim與理想情況的輸入電壓Uom的幅值比為

心［+(哂g+C,+C,)