传感器与检测技术教案

课时授课计划

科目传感器与检测技术授课时数共页

课题：绪论

授课目的：通过本节课的学习使学生了解传感器概念，组成，分类以及今后的发展趋势

授课重点：传感器的概念和组成

授课难点：对传感器概念的理解

教学类型：讲授教具与挂图：

复习提问：

引入新课：如果将人的大脑比作CPU，那么感觉器官便是敏感元件，大脑是转换元件，那么四肢根据大脑转换的信息去处理事件，就是一个完整的传感器的模型了。今天我们来学习一个新的设备传感器。

讲授新课（附后）：

本课小结：通过本节课的学习，学生初步了解传感器的一般概念和组成。作业布置：

改进措施：

2.1.1应变效应

金属应变片的工作原理是基于电阻应变效应，即在金属丝产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化

图2-1 金属丝伸长后几何尺寸变化

由L

R S

ρ=两边取对数，微分后得

dR d dL dS R L S

ρρ=+- 式中：

dR

R

—电阻得相对变化；d ρρ－电阻率的相对变化；

dL L －长度相对变化，令dL

L ε=金属丝的轴向应变（纵向）； dS S －截面积的相对变化，22r dS dr

S r

ε=⋅=，r ε即为径向应变（横向）。 r εμε=-

又由 ()12d dV

C

C V

ρ

μερ

==- 所以，

()()()1221212s dR

C C K R

μεεμεμμεε=-++=++-⋅=⎡⎤⎣⎦ s K 称为应变灵敏度系数，由两部分组成：一为几何尺寸引起，一为电阻

率变化引起；对特定的金属材料，在一定应变范围内为一常数。 2.1.2金属应变片

1．结构与材料

结构组成：敏感栅、基底、盖片、粘结剂、引线。

材料要求：较大灵敏度系数且为常数；高而稳定的电阻率；电阻温度系数小；机械强度高易于加工；抗氧化耐腐蚀。常用材料：铜镍合金、卡玛合金、伊文合金、铂和铂合金等。

2．分类

包括：金属丝式应变片、金属箔式应变片（见下图）、金属薄膜式应变片。

图2－2金属箔式应变片的基本结构

图2－3各式箔式应变花

[五]课堂小结

1、什么是应变效应？

2、金属应变片的组成？

[六]布置作业

课后题

3．机械滞后：残余变形所致，使加载与卸载特性出现偏差。 4．零点漂移和蠕变：温度效应、片内应力、粘结剂固化不充分、胶层间产生滑动等造成。

5．动态特性：栅长愈短，动态特性愈好。 2.1.4温度误差及补偿

在外界温度变化的条件下，由于敏感栅温度系数αt 及栅丝与试件膨胀系数(βg 及βe )之差异性而产生虚假应变输出有时会产生与真实应变同数量级的误差。

()t e g t

R t K t R αββ∆⎛⎫=∆+-∆ ⎪⎝⎭ 虚假应变：()t

t e g t t K

αεββ=

∆+-∆

必须采取补偿温度误差的措施。通常温度误差补偿方法有两类： 1．自补偿法：单丝自补偿法、组合式自补偿法 2．电路补偿法

图2－4组合式自动补偿法图2-5电桥补偿法

图2-6 差动电桥补偿法

电路补偿法要求：⑴补偿电阻与应变电阻同一批号，具有相同的αt、β

K，初始阻值相同；⑵粘结补偿片的材料与被测试件材料相同；⑶两e和

片处于同一温度环境。

[五]课堂小结

1、金属应变片具有什么主要特性？

2、温度补偿的方法？

[六]布置作业

课后题

2.1 金属应变片式传感器

[一] 组织教学 1、师生问好；

2、清点人数，做好考勤记录； [二] 复习提问

1、金属应变片具有什么主要特性？

2、温度补偿的方法？ [三] 引入新课

传感器的一般特性放在各种类型的传感器中，又有不同的应用，今天我们学习应变片式的传感器测量电路。 [四]讲授新课 2.1.5测量电路

（a ）当负载为无穷大时，

()()

1423

01234R R R R U E

R R R R -=++

②相邻桥臂，应变极性一致时，输出电压为两者之差；应变极性相反时，输出电压为两者之和；

3．交流测量电桥：

六、应变式传感器

可用于测量应力、应变、压力、力、扭矩及加速度等。

应用特点：⑴应用和测量范围广。测力传感器：10－2N~107N；压力传感器：103~108Pa；加速度传感器：103级m/s2。⑵分辨力、灵敏度高。⑶结构轻小，对试件影响小。⑷易商品化、使用方便、便于实现远距、自动测量。

[五]课堂小结

1、直流电桥平衡的条件？

2、桥臂比值大少时，灵敏度最大？

[六]布置作业

课后题

压电式传感器大都是利用压电材料的压电效应制成的。在电声和超声工程中也有利用逆压电效应制作的传感器。压电转换元件受力变形的状态可分为下图所示的几种基本形式。

3.1.1石英晶体的压电效应

石英晶体是正六棱柱体（六面体），如图所示。Z轴是晶体的对称轴，称为光轴；X轴压电效应最显著，电轴；Y轴（机械轴，力轴），加力产生的变形最大。

X轴和Y轴受力后，石英晶体压电效应示意图如下图所示，

石英晶体受力方向与电荷极性的关系，如下所示：

但由于压电晶体的各向异性，并不是所有的压电晶体都能在这几种变形状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应。但它具有良好的厚度变形和长度变形压电效应，即在X轴和Y轴受力时，才会产生压电效应，被称为纵向、横向压电效应；当沿X轴方向施加切向应力时，将在垂直于Y轴的表面上产生电荷，称为切向压电效应。

假设在石英晶体上切下一片平行六面体——晶体切片。