现代检测技术教案讲解.doc

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1、绪论 教学要求1掌握检测等基本概念。2了解工业检测技术涉及的内容。3掌握自动检测系统的组成。4明确本课程的任务。5了解检测技术的发展趋势。 教学手段 多媒体课件，实物演示 教学课时 1学时 教学内容一检测（Detection）的定义（联系具体、日常生活的例子，如举“操冲秤象”的例子过程来说明检测的定义）检测是利用各种物理、化学效应，选择合适的方法与装置，将生产、科研、生活等各方面的有关信息通过检查与测量的方法赋予定性或定量结果的过程。能够自动地完成整个检测处理过程的技术称为自动检测与转换技术。二检测技术在国民经济中的地位和作用举例说明：检测技术是现代化领域中很有发展前途的技术，它在国民经济中起

2、着极其重要的作用。 三工业检测技术的内容（了解）工业检测涉及的内容被测量类型测量被测量类型测量热工量 温度、热量、比热容、热流、热分布、压力（压强）、压差、真空度、流量、流速、物位、液位、界面 物体的性质和成分量 气体、液体、固体的化学成分、浓度、粘度、湿度、密度、酸碱度、浊度、透明度、颜色机械量 直线位移、角位移、速度、加速度、转速、应力、应变、力矩、振动、噪声、质量（重量）状态量 工作机械的运动状态（启停等）、生产设备的异常状态（超温、过载、泄漏、变形、磨损、堵塞、断裂等）几何量 长度、厚度、角度、直径、间距、形状、平行度、同轴度、粗糙度、硬度、材料缺陷电工量 电压、电流、功率、电阻、阻抗

3、、频率、脉宽、相位、波形、频谱、磁场强度、电场强度、材料的磁性能 四自动检测系统的组成（掌握）1. 系统框图 (0-1) 2. 传感器（Transducer）及定义3. 显示器 4. 数据处理装置 5. 执行机构 6. 自动检测系统举例(0-2)五检测技术的发展趋势（举例介绍）当前，检测技术的发展主要表现在以下几个方面：1.不断提高检测系统的测量精度、量程范围、延长使用寿命、提高可靠性 2.应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域 3.发展集成化、功能化的传感器 4.采用计算机技术，使检测技术智能化 5.发展网络化传感器及检测系统 六本课程的任务和学习方法 本课程的任务是：在阐明测量基本原理的基

4、础上，逐一分析各种传感器是如何将非电量转换为电量的，并介绍相应的测量转换电路、信号处理电路及各种传感器在工业中的应用。本课程的学习方法是：要理论联系实际，要举一反三（演示光电开关，提问和讨论可以哪有几种用途，启发！），富于联想，善于借鉴，关心和观察周围的各种机械、电气等设备，重视实验和实训，这样才能学得活、学得好，才有利于提高今后解决实际问题的能力。留一个问题给学生回去思考：举出课堂上演示过的光电开关共有哪几种用途，第二次上课时，回答得越多越好。第一章 检测技术的基本概念 教学要求1掌握测量的基本概念和测量方法。2熟悉测量误差的分类和基本概念。3了解测量结果的数据统计处理。4掌握传感器的组成。

5、5熟悉传感器分类。6掌握传感器基本特性 教学手段 多媒体课件、压力表演示 教学课时 2学时 教学内容第一节 测量的一般概念及方法对于测量方法，从不同的角度出发，有不同的分类方法。（须举例说明）：1. 静态测量和动态测量2. 直接测量和间接测量3. 模拟式测量和数字式测量4. 接触式测量和非接触式测量5. 在线测量和离线测量第二节 测量误差及分类测量值与真值之间的差值称为测量误差（Measuring error）。测量误差可其不同特征进行分类。一、绝对误差和相对误差重要公式：1绝对误差（Absolute Error）=Ax02相对误差（Relative Error）（掌握基本概念！）(1) 示值

6、（标称）相对误差gx(2)满度（引用）相对误差g我国模拟仪表有下列七种等级：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0。表1-1 仪表的准确度等级和基本误差等级0.1 0.2 0.5 1.0 1.5 2.5 5.0 基本误差0.1% 0.2% 0.5% 1.0% 1.5% 2.5% 5.0% 讨论：上表说明什么？在正常工作条件下，可以认为仪表的最大绝对误差是不变的，而示值相对误差gx随示值的减小而增大。与同学一起做：例1-1：分析讨论仪表精度等级与量程范围及示值相对误差之间的关系。二、粗大误差、系统误差和随机误差（掌握基本概念）1粗大误差（举例）2系统误差（举例）3随机误差（举例）

7、分析正态分布的规律：（举例）（1）有界性（）对称性（3）集中性三、静态误差和动态误差1静态误差（Static Error）（举例）2动态误差（Dynamic Error）（举例）第三节 传感器及基本特性 讨论传感器的组成及框图：传感器由敏感元件，传感元件及测量转换电路三部分组成。分析：图1-3：传感器的组成框图 结合电位器式压力传感器的工作原理，可将图1-4方框中的内容具体化。图1-5：电位器式压力传感器原理框图（演示该传感器）二、传感器分类1）按被测量分类2）按测量原理分类三、传感器基本特性1.灵敏度（是否越大越好？）分析：图1-6，用作图法求取传感器的灵敏度（先看多媒体动画）2.分辨力（举

8、例）3.线性度（数值大好还是小好？）图1-7：传感器线性度作图（先看多媒体动画）4.稳定性（Regulation）（举例说明重要性）5.电磁兼容性（EMC）（举例说明重要性）6.可靠性（Reliability）(1)故障平均间隔时间（MTBF）(2)平均修复时间（MTTR）(3)故障率或失效率（l）图1-8：故障率变化曲线。故障率的变化大体上可分成三个阶段：（以人的一生说明）1）初期失效期2）偶然失效期3）衰老失效期作业P1437,课堂讨论：8第二章 电阻传感器 教学要求1了解应变效应的原理。2了解应变片的类型、结构及其测量转换电路。3掌握应变效应的应用。4了解热电阻的工作原理及结构。5掌握热

9、敏电阻的类型、特性和应用。6了解气敏电阻传感器的种类和工作原理。7了解大气的温度与露点的概念。8了解测量湿度的传感器的种类和特点。 教学手段 多媒体课件、应变演示及热敏电阻、气敏电阻、湿敏电阻的演示 教学课时 4学时 教学内容第一节 电阻应变式传感器从电阻丝的拉伸实验入手，观察电阻丝拉长时的阻值变化规律，讨论如何将这种原理用于测量应力、应变、力以及质量等非电量。讨论电阻应变式传感器的组成。一、工作原理应变效应：导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化。重要公式：（21）电阻丝及应变片的电阻相对变化量DR R与材料力学中的轴向应变ex的关系式：（21），分析它在

10、应用中的意义。DR /R与所受的力及电阻丝的横截面面积、材料的关系式：（22），分析它在电子秤中的意义。二、应变片的种类结构与粘贴1.应变片的类型与结构表2-1列出了一些应变片的主要技术参数。（引导学生怎样看参数表）表2-1 应变片主要技术指标参数名称电阻值 /W灵敏度电阻温度系数 / （1/C）极限工作温度 / C最大工作电流 / mAPZ-120型PJ-120型BX-200型BA-120型BB-350型PBD-1K型PBD-120型1201202001203501000+10%120+10%1.92.11.92.11.92.21.92.21.92.2140+5%120+5%2010-620

11、10-60.4%0.2%-1040-1040-3060-30200-301706060202025252515252.应变片的粘贴（粘贴工艺简述，做示范）：1）试件的表面处理 2）确定贴片位置3）粘贴4）固化5）粘贴质量检查6）引线的焊接与防护三、测量转换电路分析为什么要采用桥路：金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难、且误差很大，必须使用电桥电路。例2-1：求金属箔式应变片受拉后应变片的阻值R。复习：电桥的结点、电桥的平衡条件、调零的方法，演示调零过程。图2-4：桥式测量转换电路根据不同的要求，分析和比较应变电桥的三种不同的工作方式：1）单臂半桥工作方式2

12、）双臂半桥工作方式3）全桥工作方式电桥的输出电压公式：（23）（说明什么）当各桥臂应变片的灵敏度K都相同时的输出电压公式：（24）（讨论有何意义）讨论：从温度自补偿和温漂的角度来分析采用双臂半桥或全桥的好处。四、应变效应的应用1.应变式传感器（演示）（1）应变式力传感器（2）应变式扭矩（转矩）传感器（3）应变式加速度传感器（4）应变式荷重传感器（5）压阻式固态压力传感器（6）压阻式压力传感器在液位测量中的应用第二节 测温热电阻传感器一、热电阻1.热电阻的工作原理及结构从用万用表测量灯泡的冷态阻值实验入手，比较热态电阻值与冷态电阻值，分析电阻不同的原因，再从热电阻传感器的微观角度来分析其工作原理

13、。2.热电阻的测量转换电路：引导学生想到也可以采用：图2-4的不平衡电桥二、热敏电阻1热敏电阻的类型及特性(1)NTC热敏电阻NTC的分类：通过演示，来观察两种热敏电阻的在火焰加热时的阻值变化，总结：第一类用于测量温度，它的电阻值与温度之间呈严格的负指数关系。第二类为突变型，又称临界温度型（CTR）。当温度上升到某临界点时，其电阻值突然下降。（2）PTC热敏电阻与学生一起分析：在不同的场合怎样选用不同的热敏电阻。2.热敏电阻的应用（1）热敏电阻测温（2）热敏电阻用于温度补偿（3）热敏电阻用于温度控制及过热保护（4）热敏电阻用于液面的测量第三节 气敏电阻演示酒精传感器，再讨论气敏电阻的分类，以及

14、如何把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量，再转换为电流、电压信号。重点介绍：一、还原性气体传感器二、二氧化钛氧浓度传感器第四节 湿敏电阻传感器一、大气的温度与露点1.绝对湿度与相对湿度（与学生一起讨论闷热天气的原因）2.露点（与学生一起讨论结露的原因）二、测量湿度的传感器1.金属氧化物陶瓷湿度传感器2.金属氧化物膜型湿度传感器3.高分子湿敏电阻传感器（拆开，让学生看内部结构）作业 ：P39:25，课堂讨论：9、11第三章 电感式传感器 教学要求1了解几种电感式传感器的基本概念和工作原理。2熟悉电感式传感器的分类及测量对象。3掌握差动变压器式传感器的工作原理及主要性能。4掌握电感式传感器

15、的应用。 教学手段 多媒体课件 教学课时 4学时 教学内容第一节 自感式传感器从流过电感线圈的交流电流与气隙的关系演示实验入手，向学生说明电感传感器的基本工作原理：与公式（31）联系起来自感式电感传感器分类：变隙式、变截面式和螺线管式等三种，一、变隙式电感传感器的有关公式：（32）讨论变隙式电感传感器的电感L与气隙厚度d的反比关系、输入输出的非线性关系、d与灵敏度的关系等，分析为何只能用于微小位移的测量。二、变截面式电感传感器论述变截面式电感传感器的电感量L与气隙截面积A的正比关系、输入输出的线性关系以及线性区较小、灵敏度较低的原因。三、螺线管式电感传感器四、差动电感传感器（一）结构特点（拆开

16、差动电感，让学生看内部结构）差动式电感传感器的结构特点：两个导磁体的几何尺寸完全相同，材料性能完全相同；两个线圈的电气参数（如电感、匝数、直流电阻、分布电容等）和几何尺寸也完全相同。（讨论为什么需要相等） （二）工作原理和特性采用差动式结构的好处：可以改善线性、提高灵敏度外，对外界影响，如温度的变化、电源频率的变化等也基本上可以互相抵消，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而减小了测量误差。五、测量转换电路电感式传感器的测量转换电路：采用电桥电路。转换电路的作用：是将电感量的变化转换成电压或电流信号，以便送入放大器进行放大，然后用仪表指示出来或记录下来。（一）变压器电桥电路（二）相敏检波电路第二节 差

17、动变压器式传感器本节讨论差动变压器式传感器（Differential Transformer Transducer）的工作原理及结构型式（螺线管式差动变压器）主要性能。重点在：性能和应用。一、工作原理（演示工作过程）二、主要性能1.灵敏度影响差动变压器灵敏度的因素：行程越小，灵敏度越高。还与哪些因素有关：激励源电压和频率；差动变压器一、二次线圈的匝数比；衔铁直径与长度，材料质量；环境温度；负载电阻等。2.线性范围讨论差动变压器线性范围与线圈骨架长度以及与测量范围之间的关系。三、测量电路（简介）第三节 电感式传感器的应用自感式电感传感器和差动变压器式传感器主要用途：位移测量以及能转换成位移变化的

18、参数，如力、压力、压差、加速度、振动、工件尺寸等。一、位移测量（演示，以下同）二、电感式滚柱直径分选装置（多媒体动画）三、电感传感器在仿形机床中的应用四、电感式圆度计五、压力测量图3-17：给出一次仪表的概念。一次仪表的输出信号：可以是电压，也可以是电流。论述为什么：一次仪表中多采用电流输出型。新的国家标准：420mA；电压输出为15V(旧国标为010mA或02V)。4mA的用途：对应于零输入，论述不让信号占有04mA这一范围的原因。介绍两线制仪表的接线（动手）：其中一根为+24V电源线，另一根既作为电源负极引线，又作为信号传输线。在信号传输线的末端通过一只标准负载电阻（也称取样电阻）接地（也

19、就是电源负极），将电流信号转变成电压信号。接线方法如图3-18所示。 分析例3-1 作业：P56：3、4、9；课堂分析：7、8第四章 电涡流式传感器 教学要求1了解电涡流效应和等效阻抗分析。2熟悉电涡流探头结构和被测体材料、形状和大小对灵敏度的影响。3熟悉电涡流式传感器的测量转换电路。4掌握电涡流式传感器的应用。5掌握接近开关的分类和特点。 教学手段 多媒体课件、各种电涡流传感器演示 教学课时 3学时 教学内容：第一节 电涡流传感器工作原理一、电涡流效应（演示） 从金属探测器的探测过程导出电涡流传感器的电涡流效应。从金属探测器的结构来说明图4-1电涡流传感器工作原理。二、等效阻抗分析图4-1中

20、的电感线圈称为电涡流线圈。分析它的等效电路：一个电阻R和一个电感L串联的回路。电涡流线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数表达式（分析其实际价值）Z=R+jL=f（i1、f、m、s、r、x） （4-1）结论：电涡流线圈的阻抗与m、s、r、x之间的关系均是非线性关系，解决方法：必须由微机进行线性化纠正。第二节 电涡流传感器结构及特性一、电涡流探头结构（实物演示）电涡流传感器的传感元件是一只线圈，俗称为电涡流探头。线圈结构：用多股较细的绞扭漆包线（能提高Q值）绕制而成，置于探头的端部，外部用聚四氟乙烯等高品质因数塑料密封，（图4-2）。CZF-1系列电涡流探头的性能：表4-1 CZF-1系列传感器的

21、性能型号线性范围/mm线圈外径/mm分辨力/mm线性误差（%）使用温度/CCZF1-1000 1000 f7 1 3 -15+80 CZF1-30003000 f1533 -15+80CZF1-50005000f28 5 3 -15+80提问：请同学由上表分析得出结论：探头的直径越大，测量范围就越大，但分辨力就越差，灵敏度也降低。二、被测体材料、形状和大小对灵敏度的影响线圈阻抗变化与哪些因素有关：金属导体的电导率、磁导率等。第三节 测量转换电路（简单介绍调幅式和调频式测量转换电路。）一、调幅式电路调幅式：以输出高频信号的幅度来反映电涡流探头与被测金属导体之间的关系。图4-3：高频调幅式电路的原

22、理框图。调幅式缺点：电压放大器的放大倍数的漂移会影响测量精度，必须采取各种温度补偿措施。二、调频式电路 联系收音机，说明所谓调频式就是将探头线圈的电感量L与微调电容C0构成LC振荡器，以振荡器的频率f作为输出量。（复习并联谐振回路的谐振频率公式分析)图4-5：调频式测量转换电路原理框图,图4-6：用调频式测量铜板与电涡流探头间距x时的特性曲线（说明什么）。第四节 电涡流传感器的应用一、位移的测量介绍某些旋转机械的轴向位移测量。利用电涡流原理还可以测量诸如汽轮机主轴的轴向位移、电动机轴向窜动、磨床换向阀、先导阀的位移和金属试件的热膨胀系数等。图4-7：轴向位移的监测二、振动的测量电涡流式传感器可

23、以无接触地测量各种振动的振幅、频谱分布等参数。介绍：在汽轮机、空气压缩机中用电涡流式传感器来监控主轴的径向、轴向振动，测量发动机涡流叶片的振幅等方法。图4-8：振幅测量（演示）三、转速测量 动画演示、计算：转轴上开z个槽(或齿)，频率计的读数为f（单位为Hz），转轴的转速n（单位为r/min）的计算公式。四、镀层厚度测量 用电涡流传感器测量塑料表面金属镀层的厚度，以及印刷线路板铜箔的厚度等。五、电涡流式通道安全检查门（举例：安检门）出/入口检测系统，可有效地探测出枪支、匕首等金属武器及其它大件金属物品。分析：机场、海关、钱币厂、监狱等重要场所的门禁。六、电涡流表面探伤 利用电涡流传感器检查金属

24、表面（已涂防锈漆）的裂纹以及焊接处的缺陷等。第五节 接近开关简介接近开关定义：它能在一定的距离（几毫米至几十毫米）内检测有无物体靠近。接近开关的核心部分是“感辨头”，它必须对正在接近的物体有很高的感辨能力一、常用的接近开关分类（实物介绍） 1）自感式、差动变压器式 它们只对导磁物体起作用；2）电涡流式（俗称电感接近开关） 它只对导电良好的金属起作用；3）电容式 它对接地的金属或地电位的导电物体起作用，对非地电位的导电物体灵敏度稍差（将在下一章介绍）；4）磁性干簧开关（也叫干簧管） 它只对磁性较强的物体起作用（将在第十四章介绍）；5）霍尔式 它只对磁性物体起作用（将在第八章介绍）。二、接近开关的

25、特点非接触检测，不影响被测物的运行工况；不产生机械磨损和疲劳损伤，工作寿命长；响应快，一般响应时间可达几毫秒或十几毫秒；采用全密封结构，防潮、防尘性能较好，工作可靠性强；无触点、无火花、无噪声，所以适用于要求防爆的场合（防爆型）；输出信号大，易于与计算机或可编程控制器（PLC）等接口；体积小，安装、调整方便。它的缺点是触点容量较小，输出短路时易烧毁。三.接近开关的主要特性1额定动作距离（用卡尺测量实际距离） 2.工作距离 3.动作滞差 4.重复定位精度（重复性） 5.动作频率作业：P75：2、6、7；课堂讨论：5、8第五章 电容式传感器 教学要求1掌握各种电容式传感器的结构、工作原理和特性。2

26、了解几种常用气体、液体、固体介质的相对介电常数。3熟悉电容式传感器的测量转换电路。熟悉电容式传感器的应用。4熟悉电容式传感器的应用。5了解压力和流量的测量。 教学手段 多媒体课件、实物演示 教学课时 3学时 教学内容：第一节 电容式传感器的工作原理及结构形式（演示）电容式传感器的工作原理说明：图5-1所示的平板电容器来说明（用电容表测量）。结论：电容量与介电常数、面积成正比（举收音机调谐电台的可变电容器为例），与极距成反比。 一、变面积式变面积式电容传感器的输出特性是线性的，灵敏度是常数。变面积式电容传感器的其他形式。这一类传感器用途：检测直线位移、角位移、尺寸等参量。二、变极距式 图5-3：

27、变极距式电容传感器：可用微机来计算修正。为了提高传感器的灵敏度，减小非线性，常常把传感器做成差动形式。图5-4：差动变极距式电容传感器的示意图。三、变介电常数式表5-1列出了几种常用气体、液体、固体介质的相对介电常数。表5-1 几种介质的相对介电常数介质名称相对介电常数er 介质名称相对介电常数er 真空 1 玻璃釉 35 空气略大于1 SiO2 38 其他气体11.2 云母58 变压器油 24 干的纸24 硅油23.5 干的谷物 35 聚丙烯22.2 环氧树脂310 聚苯乙烯 2.42.6 高频陶瓷 10160聚四氟乙烯 2.0 低频陶瓷、压电陶瓷100010000聚偏二氟乙烯 35 纯净的

28、水 80 讨论：从上表可以看出几个问题？图5-5是变介电常数式电容传感器的原理图。第二节 电容式传感器的测量转换电路一、桥式电路（与应变电桥比较）电容C1、C2、C3、Cx构成电桥的四臂，Cx为电容传感器，介绍交流电桥平衡条件。二、调频电路（与电涡流调频电路比较）介绍电路特点：将电容式传感器作为LC振荡器谐振回路的一部分，或作为晶体振荡器中的石英晶体的负载电容。图5-8为LC振荡器调频电路框图。复习电子学中的调频振荡器的频率公式，分析式中的参数： L0和C哪个固定？哪个是变量？与电涡流电路的区别？第三节 电容式传感器的应用电容器的容量受三个因素影响：极距x、相对面积A和极间介电常数e 。一、电

29、容测厚仪（演示）电容测厚仪可以用来测量金属带材在轧制过程中的厚度，分析工作原理：图5-9所示。二、电容加速度传感器（演示）介绍某公司生产的电容式加速度传感器，它的体积、封装、外形等。三、湿敏电容（演示）分析湿敏电容的原理，与湿敏电阻的区别：具有很大吸湿性的绝缘材料作为电容传感器的介质，在其两侧面镀上多孔性电极的作用。 目前，成品湿敏电容主要使用以下两种吸湿性介质：多孔性氧化铝、高分子吸湿膜。四、电容式油量表分析：图5-16为电容式油量，用途：测量油箱中的油位（讨论倾斜有无影响）。五、电容式接近开关（演示在水杯外壁测量水杯中的水位） 1.结构 电容式接近开关的核心是以电容极板作为检测端的电容器2

30、.工作原理 分析：图5-18（调幅式测量转换电路）。组成：LC高频振荡电路、检波器、直流电压放大器等。3.电容式接近开关特性（演示）当被测物是导电物体时，LC回路很容易停振，所以灵敏度最高。讨论电容式接近开关使用注意事项：必须远离金属物体。即使是绝缘体对它仍有一定的影响。它对高频电场也十分敏感，因此两只电容式接近开关也不能靠得太近，以免相互影响。 4.电容式接近开关的使用 图5-20：利用电容式接近开关测量谷物高度（物位）（动画演示以及实物演示）。第四节 压力和流量的测量（简介压力的基本概念）复习：物理学中的“压强”在检测领域和工业中称为“压力”，用p表示。它等于垂直作用于一定面积A上的力（称

31、为压向力）除以面积A，即p= /A。压力的国际单位为“帕斯卡”，简称“帕”。讨论：绝对压力、相对压力、表压的区别，用3只不同的表演示。作业：P93：2、5；课堂讨论：3、6。第六章 压电式传感器 教学要求1掌握压电效应的基本概念。2熟悉压电材料的分类及特性。3了解压电元件的等效电路。4熟悉压电传感器的应用。 5掌握振动的基本概念和测振传感器分类6熟悉压电式振动加速度传感器的结构和性能指标7了解振动的频谱分析 教学手段 多媒体课件、实物演示 教学课时 3学时 教学内容：第一节 压电式传感器的工作原理一、压电效应（举敦煌鸣沙山的例子）在晶体的弹性限度内，压电材料受力后，其表面产生的电荷Q与所施加的

32、力F成正比，公式的实际应用的意义： Q=dFx （6-1）式中 d 的意义：压电常数。图 6-1 ：压电效应的示意图（动画）。二、压电材料的分类及特性压电式传感器中的压电元件材料分类：一类是压电晶体（单晶体）；另一类是经过极化处理的压电陶瓷（多晶体）；第三类是高分子压电材料。（一）石英晶体石英晶体特点：性能非常稳定（讨论石英手表）、自振频率高、动态响应好、机械强度高、绝缘性能好、迟滞小、重复性好、线性范围宽等。（二）压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它由无数细微的电畴组成。常用的压电陶瓷材料主要有以下几种：（观看实物）1.锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT） 2. 非铅系压电陶瓷（三）高分子

33、压电材料： 高分子压电材料是一种柔软的压电材料。可根据需要制成压电薄膜或压电电缆套管（实物）等形状。经极化处理后就显现出电压特性。讨论特点：不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制。讨论使用场合：在一些不要求测量精度的场合，例如水声测量，防盗、振动测量等领域中获得应用。第二节 压电式传感器的测量转换电路一、压电元件的等效电路（了解） 压电元件在承受沿敏感轴方向的外力作用时，就产生电荷，因此它相当于一个电荷发生器，当压电元件表面聚集电荷时，它又相当于一个以压电材料为介质的电容器，两电极板间的电容为Ca。分析;图6-2 压电元件等效电路.二、电荷放大器压电式传感器输出信号的前置放大器分类:电压前置放

34、大器和电荷放大器两种形式。 便携式测振仪（内部包括电荷放大器）的外形:图6-5（实物）。电荷放大器的输出电压分析。第三节 压电传感器的应用石英晶体用途：精密测量，多作为实验室基准传感器；压电陶瓷用途：灵敏度较高，机械强度稍低，多用作测力和振动；高分子压电材料用途：定性测量。一、高分子压电材料的应用 1.玻璃打碎报警装置（演示）玻璃破碎时的振动应用：将高分子压电薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到这一振动，并将电压信号传送给集中报警系统。图6-6：深圳精星电子公司生产的高分子压电薄膜振动感应片示意图。2压电式周界报警系统 （线控报警系统）警戒区域的讨论：当入侵者进入防范区之内时，系统就会发出报警信号。3

35、.交通监测 将高分子压电电缆埋在公路上，可以判定车速、载荷分布、车型等。图6-8：三轴重载卡车载荷分布图。（多媒体演示，计算车速，讨论如何用于判断汽车超载？）二、压电陶瓷传感器的应用1.压电式动态力传感器 压电式单向动态力传感器的测力范围：一片直径为18mm、厚度为7mm的压电晶片可承受5kN的力，固有振动频率可达数十千赫兹。2.单向动态力传感器的应用（实物） 切削过程中，车刀在切削力的作用下，上下剧烈颤动，将脉动力传递给单向动态力传感器。传感器的电荷变化量由电荷放大器转换成电压，再用记录仪记录下切削力的变化量。第四节 振动测量及频谱分析一、振动的基本概念 振动的概念：物体围绕平衡位置作往复运

36、动。振动分类：从频率范围来分，有高频振动、低频振动和超低频振动等。二、测振传感器分类测振用的传感器分类：有接触式和非接触式之分。接触式中又有磁电式、电感式、压电式等。非接触式中又有电涡流式、电容式、霍尔式、光电式等。三、压电式振动加速度传感器的结构（实物）演示传感器与被测振动加速度的机件的安装：紧固在一起后，传感器受机械运动的振动加速度作用，压电晶片受到质量块惯性引起的压力，其方向与振动加速度方向相反，大小由F=ma决定。四、压电振动加速度传感器的性能指标（讨论不同用途如何选用不同指标）1.灵敏度K 灵敏度并不是越高越好。灵敏度低的传感器可用于动态范围很宽的振动测量2.频率范围 大多数压电加速

37、度传感器的频率范围为0.1Hz至10kHz。3.动态范围 常用的测量范围为0.1100g。五、压电加速度传感器的安装及使用（演示）1用于长期监测振动机械的压电加速度传感器应采用双头螺栓牢固地固定在监视点上2短时间监测低频微弱振动时，可用磁铁将钢质传感器底座吸附在监测量3测量更微弱的振动时，可以用环氧树脂或瞬干胶将传感器牢牢地胶于监测点上4在对许多测试点进行定期巡检时，也可采用手持探针式加速度传感器。六、压电振动加速度传感器在汽车中的应用介绍压电振动传感器在汽油发动机点火时间控制中的作用。七、振动的频谱分析1.时域图形 使用示波器看：振动加速度的波形图（在故障引起的振动中，许多不同频率分量的相位

38、不停地变化，它们的合成波形基于上述原因而变得杂乱无章，似乎毫无规律）。2.频域图形（使用频谱仪看）：将时域图经过快速傅里叶变换（FFT），在计算机显示器上显示出频域波形：横坐标为频率f，纵坐标是加速度，也可以是振幅或功率等。3.依靠频谱分析法进行故障诊断（演示）作业：P108：2、3、5；课堂讨论：4。第十章 光电传感器 教学要求1了解光电效应的分类。2熟悉光电元件的结构和工作原理及特性。3熟悉光电元件的基本应用电路。4掌握光电传感器的应用。5掌握光电开关的结构和分类。 教学手段 多媒体课件、多种光电教具演示 教学课时 4学时 教学内容本章简单介绍光电效应、光电元件的结构和工作原理及特性，着重

39、介绍光电传感器的各种应用。第一节 光电效应及光电元件光电效应的分类： 1）在光线的作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管、光电摄像管等。 2）在光线的作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应，基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管及光敏晶闸管等。 3）在光线的作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应，基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。（讨论3类效应的特点和原理有何不同） 一、基于外光电效应的光电元件电子逸出金属表面的速度v可由能量守恒定律确定mv2=hfW （10-1）（物理意义） 二、基于内光电效

40、应的光电元件 （一）光敏电阻 1工作原理光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。2.光敏电阻的特性和参数（1） 暗电阻（2） 光电特性（3） 响应时间3关于照度（举例说明教室和户外的照度）（二）光敏二极管、光敏三极管（实物接数字万用表，测光）1光敏二极管结构及工作原理讨论光敏二极管结构与一般二极管不同之处：将光敏二极管的PN结设置在透明管壳顶部的正下方，可以直接受到光的照射（为什么？）。目前还研制出几种新型的光敏二极管，它们都具有优异的特性。（1）PIN光敏二极管 （2）APD光敏二极管（雪崩光敏二极管 2光敏三极管结构及工作原理及结构（讨论与普通三极管的异同点）光敏三极管有两个PN结。有电流增益

41、，光照射在集电区。（三）光敏晶体管的基本特性1 光谱特性表10-1 几种光敏材料的光谱峰值波长材料名称GaAsPGaAsSiHgCdTeGeGaInAsPAlGaSbGaInAsInSb峰值波长/m0.60.650.8121.31.31.41.655.02 伏安特性（讨论与普通三极管的异同点）硅光敏二极管工作在第三象限。流过它的电流与光照度成正比（间隔相当），而基本上与反向偏置电压 Uo无关。光敏三极管在不同照度下的伏安特性与一般三极管在不同基极电流下的输出特性相似。3.光电特性光敏三极管的光电特性曲线斜率较大，说明什么？其灵敏度较高。4.温度特性温度变化对亮电流影响不大，但对暗电流的影响非常

42、大5.响应时间工业级硅光敏二极管的响应时间为10-510-7s左右，光敏三极管的响应时间比相应的二极管约慢一个数量级（比较）三、基于光生伏特效应的光电元件（实物演示）光电池能将入射光能量转换成电压和电流属于光生伏特效应元件。（一）结构工作原理及特性光电池的种类很多，有硅、砷化镓、硒、氧化铜、锗、硫化镉光电池等。其中应用最广的是硅光电池，这是因为它有一系列优点：性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、传递效率高、能耐高温辐射、价格便宜等。（二）光电池的基本特性1 光谱特性2.光电特性3.伏安特性4. 光电池的温度特性5.频率特性第二节 光电元件的基本应用电路一、光敏电阻基本应用电路图10-20 光敏电

43、阻基本应用电路（比较）a）U与光照变化趋势相同的电路 b）U与光照变化趋势相反的电路二、光敏二极管应用电路图10-21 光敏二极管的一种应用电路三、光敏三极管应用电路光敏三极管在电路中必须遵守集电结反偏，发射结正偏的原则，这与普通三极管工作在放大区时条件是一样的。四、光电池的应用电路（了解）第三节 光电传感器的应用分类：依被测物、光源、光电元件三者之间的关系，可为四种类型1） 光源本身是被测物，被测物发出的光投射到光电元件上，光电元件的输出反映了光源的某些物理参数（图a）2） 恒光源发射的光通量穿过被测物，一部分由被测物吸收，剩余部分投射到光电元件上，吸收量决定于被测物的某些参数（图b）3） 恒光源发出的光通量投射到被测物上，然后从被测物表面反射到光电元件上，光电元件的输出反映了被测物的某些参数（图c）4） 恒光源发出的光通量在到达光电元件的途中遇到被测物，照射到光电元件上的光通量被遮蔽掉一部分，光电元件的输出反映了被测物的尺寸（图d）、光源本身是被测物的应用实例（以下均演示）1.红外线辐射温度 2.热释电传感器在人体检测、报警中的应用（1）热释电效应（2）对信号处理电路的要求二、被测物吸收光通量的应用实例1.光电式浊度计2.烟雾报警器物质在燃烧过程中一般有下列现象发生：（1）产生热量，使环境温度升高