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授课教案课程名称安全环境监测技术第4次课第3章传感器
3.1传感器的基本概念;
3.
1.1定义及组
43.
1.2传感熊分类;
3.
1.3传感器的技术特点;
3.
1.4传感器的基本特性目的要求了解传感器的定义、组成、熟悉传感器的分类,掌握传感器的基本特性重点难点重点传感器的分类和基本特性;难点传感器的技术特点~~开始安排10分钟的时间讲一下作业及答疑情况作业抄袭情况严重,望独卜约1分钟)立完成,若无故旷课,可通过答疑进行部分弥补第3章传感器传感器的基本概念传感器是检测仪器仪表的第一个环节,相当于人的感官,也称一次仪表定义及组成1)定义能把被测物理量或化学量转变成为电量的一种器件或元件叫传感器2)组成敏感元件、转换元件、附件、引线、辅助电路敏感元件是直接能感受或响应输入量(物理量或化学量)的部分,转换元件是将敏感元件感受的信息直接转换成电信号的部分,有些敏感元件直接可输出电信号,即敏感元件又是转换元件,这种敏感元件和转换元件合一的传感器也是很常见的,如压电式传感器、光电式传感器等传感器分类传感器的分类方法很多,可按工作原理、用途、被测量类型、敏感材料的类型、输出信号的类型、能量关系等进行分类1)按用途分类
①测力传感器重量、拉(压)力、力矩、应力
②位移传感器长度、厚度、应变、振幅
③速度传感器质点振速、流量、流速、转速
④加速器传感器振动、冲击、质量等授课教案2)按能量关系分类
①参数式(无源式)电阻、电容、电感式转换元件是电路参数
②电能式(有源式)磁电式、压电式、光电、热电式3)传感器的命名传感器的名称是通用的,在购买、选择和使用传感器时,只有知道了名称才能知道选择什么样的测试系统,知道了名称,也就知道了传感器的结构原理一般是将按能量关系分类与用途分类的传感器名称结合起来,作为传感器的全称如磁电式速度计、压电式加速度计传感器的技术特点1)技术特点传感器一般是利用物理、化学和生物等科学的某些效应或机理,按照一定的工艺和结构研制出来的,传感器技术包括传感器的设计、研究、试制、生产、检测与应用,是独立的专门学科其技术特点是
①测量对象范围广且离散
②初识密集度甚高、涉及边缘科学甚多
③技术复杂、工艺要求高
④功能优、性能好
⑤品种多、应用广2)对传感器的要求针对传感器的工作原理、结构和技术特点,在不同场合对传感器均需要的基本要求是a.高灵敏度抗干扰的稳定性(对环境干扰不敏感);b.线性理想的一次函数,容易调节(校准简易);c.高精度误差小,高可靠性;d.无迟滞性工作寿命长(耐用性);e.可重复性抗老化;f.高响应速率可测快速变化的信号;g.选择性单值性,安全性(传感器应是无污染的);授课教案h.互换性低成本;.宽测量范围少更换仪器或切换量程,小尺寸、重量轻和高强度;j.宽工作温度范围适应不同的工作环境K.负载作用小对被测量没有影响传感器的基本特性传感器的基本特性和测试系统的基本特性一样,都是用一些能体现传感器基本属性的特性参数来衡量1传感器的静特性1线性度实际曲线与理论曲线偏离的程度,也称非线性误差用斗,表示£±^nwL1QQ%.My1FS2灵敏度传感器的灵敏度是输出量的变化与输入量的变化之比用5“表示S=包Ax3重复性传感器在做满量程加卸载循环测试时,曲线不重合的程度曲线越重合重复性就越好用纥表示E土之皿火100%Y1FS4迟滞现象也称迟滞误差,或叫做滞环,与重复性误差的原因有一定关系用与11max表示Eh=竺4*100%“maxy1FS5分辨率能使传感器产生有效输出的最小输入量,用1nmi表示也可用满量程输AV入值的百分数®xlOO%表示XFS授课教案6稳定性又称长期稳定性,即传感器在相当长的时间内保持一定性能的能力7漂移指传感器输入量没有变化时输出在变化的现象包括零点漂移和灵敏度漂移2传感器的动特性是测量快速变化信号的特性1最大超调量bp响应曲线超出新平衡位置的程度,一般用百分数表示:%=此…Zoo%y3去掉百分数部分也叫超量比,也能反映传感器的阻尼特性2延滞时间^是阶跃响应达到稳态值的50%时所需要的时间3上升时间一般取响应时间的10%~90%之间所用时间4峰值时间^响应曲线到达第一个峰值所用时间5响应时间响应曲线衰减到稳态值之差不超过土5%或2%时所用时间有时也称过渡时间【课堂教学小结】3分钟
1、传感器是测试系统中非常重要的一部分,直接影响着测试精度和成败
2、传感器的特性是通过实际标定而测得的,可比较测试系统的特性,不同的是传感器直接接触响应非电量授课教案课程名称安全环境监测技术利用几分钟的时间点名、讲一下上次布置作业的情况
3.2常用传感器
3.
2.1电阻式传感器(约20分钟)将被测量的变化转换成电阻变化的传感器大致可分为三类变阻器式、电阻应变式、敏感电阻式(热敏电阻、气敏电阻、湿敏电阻、磁敏电阻、光敏电阻等)敏感元件类型有应变片、半导体膜片、电位器和电触点式等1)电阻应变式传感器
(1)原理设有一长为Io的、截面积为S、电阻率为P的导电金属丝,它具有的电阻由式(
3.1)确定当它受到轴向力被拉伸(或压缩)口寸,其I、S和p均将发生变化,因而导体的电阻=/(/户,夕)也随之发生变化利用数学求导的方法可求得电阻的相对变化量将式(
3.1)两边取对数得lnT=ln/7+ln/0-ln5再对上式两边取微分得dR_dpdldS=+式中,“R/R为电阻的相对变化;力为材料的轴向线应变,常用单位是微应变(“),1版=以10%;公/S为截面积的相对变化又因为S=nr2则dS=2nrdr一1ds八dr「dSdr所以7r=2〃1即—=2—SSr式中力•〃为金属丝半径的相对变化,由材料力学可知dr/r=~/d£所以dS/S=-2/^dR〃c、dp代入式(
3.2)中得R=(1+2〃)£+—(
3.3)空在一定范围内变化很小,设(1+2a)=KP⑴dR则丁二K£A即为应变片的转换公式一般金属应变片K值在
1.7-
3.6之间
(2)类型丝栅式、薄式、半导体式2)压阻式传感器电阻变化率生=无,可简化成孚=K°£其中压阻系数K°=50-100RpR3)电位器式传感器以前提过,略讲电感式传感器电感式传感器是一种把被测量的变化转换成线圈电感参数(自感系数、互感系数、等效阻抗)变化的传感器,其工作原理是基于电磁感应电感式传感器可分为自感型、互感型和压磁型三种1)自感型特点结构简单、输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力强、分辨力高、电容式传感器.变极矩型
2.变面积型
3.变介电常数型特点结构简单、动态响应快、以实现非接触测量磁电式传感器发电式传感器的一种特点无需供电电源,电路简单性能稳定,输出阻抗小电磁感应式传感器霍尔式位移传感器霍尔式压力传感器压电式传感器特点输出能量高、输出阻抗高、测量频率高、可直接测加速度压电式力和压力传感器压电式加速传感器压电声表面波传感器光电式传感器L模拟式传感器
2.脉冲式传感器
3.光纤传感器
4.光栅传感器
5.激光式传感器
6.红外传感器
3.
2.7热电式传感器L热电偶传感器
2.热电阻传感器
3.热敏电阻传感器
3.3几种新型传感器超声波传感器超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器超声波传感器主要材料有压电晶体(电致伸缩)及银铁铝合金(磁致伸缩)两类微波传感器微波传感器是利用微波特性来检测一些物理量的器件包括感应物体的存在,运动速度,距离,角度信息传统的微波传感器有喇叭天线型和抛物面型微波传感器,最新微波传感器采用平面微带技术,具有稳定性高,体积小,感应灵敏等特点力平衡式传感器(又称伺服式传感器)由机械部件与伺服电路组成的力反馈测量装置,是通过反馈力(或力矩)与输入力(或力矩)间的伺服平衡来测量输入力的一类传感器伺服传感器的优点是静态精度和线性度高,滞后小,重复性好,灵敏度高,阈值小,低频响应好,动态测量范围宽【作业题】
1、在应变测量中,选用应变片灵敏系数K=2应变片的电阻值R=120Q若估计测量时的最大应变为5000U£问这时应变片电阻变化了多少欧姆?若换成灵敏系数K=200R=1000Q的半导体应变片,问这时半导体应变片的阻值变化了多少欧姆?
2、压电式加速度计的技术指标如下工作频率范围0〜20KHz最大测量范围±500g电荷灵敏度50pC/g固有频率50KHz横向灵敏度<2%试求
①振动加速度为30g时的电荷输出是多少nC
②当横向振动加速度为LOg时,加速度计的电荷输出是多少?【课堂教学小结】(3分钟)
1、安全监测常用的传感器还很多,比如生物类的传感器,结构复杂,或是敏感元件特殊;
2、敏感电阻式传感器在环境监测中应用很广,可制成温度、湿度、气体等不同用途的传感器授课章节第5次课第3章传感器
3.2常用传感器;
3.3几种新型传感器目的要求熟练掌握传感器的基本特性和常用的几种传感器了解几种新型传感器重点难点重点电阻式、电感式和磁电式传感器的原理及特性;难点压磁及压电式传感器原理。