传感器技术课程教案

传感器技术课程教案内容摘要：

致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。 经推导可得： 上式表明，当线圈匝数为常数时，电感 L 仅仅是磁路中磁阻 Rm 的函数，改变δ或 S0均可导致电感变化，因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度δ的传感器和变气隙面积 S0 的传感器。 目前使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器。 L??铁芯线圈衔铁? 重点： 应变式传感器的 测量电路 、 电感式传感器的工作原理。 难点： 应变式传感器的 测量电路。 教学手段与方法： 讲述、习题 思考题、讨论题、作业： 作业： 第二章 5题（ p61） 参考资料（含参考书、文献等）： 栾桂冬，张金铎，金欢阳。 传感器及其应用。 西安电子科技大学出版社。 郁有文，常健，程继红。 传感器原理及工程应用 (第二版 )。 西安电子科技大学出版社。 传感器及自动检测技术 课程教案 授课题目（教学章节或主题）： 授课类型 理论课 ??2 0022 SWRWL m ?? 灵敏度 线性 装配 气隙 高 差 难 截面 中 中 中 螺管 低 好 易 电感式传感器的测量电路、变磁阻式传感器的应用、差动变压器式传感器 授课时间 第 8周星期五 第 3～5 节 教学目标或要求： 掌握电感式传感器的测量电路； 了解变磁阻式传感器的应用； 掌握差动变压器式传 感器。 教学内容（包括基本内容、重点、难点）： 基本内容： 电感式传感器的 测量电路 电感式传感器的测量电路有交流电桥式、变压器式交流电桥以及谐振式等。 变磁阻式传感器的应用 图 39 变隙电感式压力传感器结构图 当压力进入膜盒时，膜盒的顶端在压力 P 的作用下产生与压力 P 大小成正比的位移，于是衔铁也发生移动，从而使气隙发生变化，流过线圈的电流也发生相应的变化，电流表 A的指示值就反映了被测压力的大小。 图 310 为变隙式差动电感压力传感器。 它主要由 C 形弹簧管、衔铁、铁芯和线圈等组成。 207。 223。 200。 166。 204。 208。 190。 207。 206。 204。 196。 164。 186。 208。 P?U 161。 171。 A207。 223。 200。 166。 1C 208。 206。 181。 175。 187。 201。 185。 220。 181。 247。 187。 208。 181。 193。 227。 181。 227。 194。 221。 182。 164。 207。 223。 200。 166。 2 207。 206。 204。 161。 171。 202。 228。 179。 246。 P 图 310 变隙式差动电感压力传感器 当被测压力进入 C 形弹簧管时， C 形弹簧管产生变形，其自由端发生位移，带动与自由端连接成一体的衔铁运动，使线圈 1 和线圈 2 中的电感发生大小相等、符号相反的变化。 即一个电感量增大，另一个电感量减小。 电感的这种变化通过电桥电路转换成电压输出。 由于输出电压与被测压力之间成比例关系，所以只要用检测仪表测量出输出电压，即可得知被测压力的大小。 差动变压器式传感器 把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称为互感式传感器。 这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并 且次级绕组用差动形式连接，故称差动变压器式传感器。 差动变压器结构形式较多，有变隙式、变面积式和螺线管式等。 差动变压器的输出是交流电压，若用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向。 另外，其测量值中将包含零点残余电压。 为了达到能辨别移动方向和消除零点残余电压的目的，实际测量时，常常采用差动整流电路和相敏检波电路。 差动变压器式传感器可以直接用于位移测量，也可以测量与位移有关的任何机械量，如振动、加速度、应变、比重、张力和厚度等。 重点： 电感式传感器的测量电路；差动变压器式传感器。 难点 ： 差动变压器式传感器。 教学手段与方法： 讲述、习题 思考题、讨论题、作业： 作业： 第三章 5题（ p104） 参考资料（含参考书、文献等）： 栾桂冬，张金铎，金欢阳。 传感器及其应用。 西安电子科技大学出版社。 郁有文，常健，程继红。 传感器原理及工程应用 (第二版 )。 西安电子科技大学出版社。 传感器及自动检测技术 课程教案 授课题目（教学章节或主题）： 电涡流式传感器、电容式传感器 授课类型 理论课 授课时间 第 9周星期五 第 3～5 节 教学目标或要求： 了解电涡流式传感器； 掌握电容式传感器的工作原理、类型和等效电路。 教学内容（包括基本内容、重点、难点）： 基本内容： 电涡流式传感器 图 322 电涡流式传感器原理图 金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流像水中旋涡一样在导体转圈，这种现象称为涡流效应。 根据法拉第定律，当传感器线圈通以正弦交变电流 I1 时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场 H1，使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流 I2， I2又产生新的交变磁场 H2。 根据愣次定律， H2的作用将反抗原磁场 H1， 由于磁场 H2的作用，涡流要消耗一部分能量，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。 由上可知，线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。 电涡流效应既与被测体的电阻率ρ、磁导率μ以及几何形状有关，还与线圈的几何参数、线圈中激磁电流频率 f 有关，同时还与线圈与导体间的距离 x 有关。 因此，传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗 Z 的函数关系式为： Z=F(ρ ,μ ,r,f,x) (340) 式中 , r 为线圈与被测体的尺寸因子。 如果保持上式中其它参数不变，而只改变其中一个参数，传感器线圈阻抗 Z 就仅仅是这个参数的单值函数。 通过与传感器配用的测量电路测出阻抗 Z 的变化量，即可实现对该参数的测量。 涡流式传感器的特点是结构简单，易于进行非接触的连续测量，灵敏度较高，适用性强，因此得到了广泛的应用。 它的变换量可以是位移 x ，也可以是被测材料的性质， 其应用大致有下列四个方向： （ 1）利用位移 x 作为变换量，也可以是被测量位移、厚度、振幅、振摆、转速等传感器，也可做成接近开关、计数器等； （ 2）利用材料电阻率ρ作为变换量，可以做成测量温度、材质判别等 传感器； （ 3）利用导磁率μ作为变换量，可以做成测量应力、硬度等传感器； 利用变换量 x 、ρ、μ等的综合影响，可以做成探伤装置等。 电容式传感器的工作原理、类型 电容式传感器是将被测量（如尺寸、压力等）的变化转换成电容量变化的一种传感器。 它具有结构简单、轻巧、灵敏度高、动态响应好、能在高低温及强辐射的恶劣环境中工作等优点。 由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为 式中 : ε —— 电容极板间介质的介电常数， ε =ε 0ε r，其 中 ε 0 为真空介电常数， ε r极板间介质的相对介电常数； S—— 两平行板所覆盖的面积； d—— 两平行板之间的距离。 当被测参数变化使得式（ 41）中的 S、 d 或ε发生变化时，电容量 C 也随之变化。 如果保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。 因此，电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介电常数型三种。 +dA?平行板电容器电力线平行板电容器电力线 电容式传感器的等效电路 电容式传感器的等效电路可以用图 410 电路表示。 图中考虑了电容器的损耗和电感效应， Rp 为并联损耗电阻，它代表极板间 的泄漏电阻和介质损耗。 这些损耗在低频时影响较大，随着工作频率增高，容抗减小，其影响就减弱。 Rs 代表串联损耗，即代表引线电阻、电容器支架和极板电阻的损耗。 电感 L 由电容器本身的电感和外部引线电感组成。 dSC ??RsLC Rp图 410 电容式传感器的等效电路 由等效电路可知，它有一个谐振频率，通常为几十兆赫。 当工作频率等于或接近谐振频率时，谐振频率破坏了电容的正常作用。 因此，工作频率应该选择低于谐振频率，否则电容传感器不能正常工作。 重点： 电涡流式传感器；电容式传感器的工作原理、类型和等效电路。 难点： 电容式传感器的工 作原理、类型和等效电路。 教学手段与方法： 讲述、习题 思考题、讨论题、作业： 作业： 参考资料（含参考书、文献等）： 栾桂冬，张金铎，金欢阳。 传感器及其应用。 西安电子科技大学出版社。 郁有文，常健，程继红。 传感器原理及工程应用 (第二版 )。 西安电子科技大学出版社。 传感器及自动检测技术 课程教案 授课题目（教学章节或主题）： 电容式传感器 授课类型 理论课 授课时间 第 10 周星期五 第3～ 5 节 教学目标或要求： 掌握电容式传感器的 应用。 教学内容（包括基本内容、重点、难点）： 基本内容： 电容式传感器的应用 电容式压力传感器 图 417 差。