【正文】 2020 ~ 2020 學(xué)年 第 2 學(xué)期 系 部、中心 機(jī) 電 系 1 學(xué) 科 （ 專 業(yè) 電氣及其自動(dòng)化 1 課 程 名 稱 傳感器 及自動(dòng)檢測(cè) 技術(shù) 授 課 對(duì) 象 0710 102班 授 課 教 師 張麗杰 1 職 稱 職 務(wù) 工程師 1 教 材 名 稱 傳感器 及自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 2020 年 2 月 22 日 傳感器 及自動(dòng)檢測(cè) 技術(shù) 課程教案 授課題目（教學(xué)章節(jié)或主題）： 緒論、傳感器的靜特性 授課類型 理論課 授課時(shí)間 第 8周星期 一、五 1～2 節(jié) 星期二、四 56 教學(xué)目標(biāo)或要求： 1． 了解傳感器的作用，明確學(xué)習(xí)本門課程的意義； 2． 掌握傳感器的定義和組成； 3． 掌握傳感器的分類，了解對(duì)傳感器的要求； 4． 理解并掌握傳感器的靜特性 。 教學(xué)內(nèi)容（包括基本內(nèi)容、重點(diǎn)、難點(diǎn)）： 基本內(nèi)容： 傳感器的作用 世界已經(jīng)進(jìn)入信息時(shí)代。人們?cè)诶眯畔⒌倪^程中，首先要解決的就是要獲取可靠的信息。 傳感器是獲取自然科學(xué)領(lǐng)域信息的主要途徑和手段。 在現(xiàn)代測(cè)控系統(tǒng)中，作為關(guān)鍵環(huán)節(jié)的傳感器處于連接被測(cè)控對(duì)象和測(cè)控系統(tǒng)的接口位置，構(gòu)成了系統(tǒng)信息輸入的主要入口，以提供系統(tǒng)進(jìn)行處理和決策所需的原始信息。由此可見傳感器的品質(zhì)至關(guān)重要，否則二次儀表的一切優(yōu)良性能都將失去意義。 傳感器的重要性還體現(xiàn)在各個(gè)學(xué)科的發(fā)展與 傳感器及自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 有十分密切的關(guān)系。例如：工業(yè)自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代比、航天技術(shù)、軍事工程、機(jī)器人技術(shù)、資源開發(fā)、海洋探測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、安全保衛(wèi)、醫(yī)療診斷、交通運(yùn)輸、家用電器等方面都與 傳感器及自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 密切相關(guān) 。這些技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展都離不開 傳感器及自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 的支持，同時(shí)也是 傳感器及自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力。離開傳感器就沒有我們今天的生活。 因此， 傳感器及自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 在測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)教學(xué)中，確實(shí)占有重要意義。 傳感器的定義 根 據(jù) 中 華人 民共 和 國(guó)國(guó) 家 標(biāo)準(zhǔn) () 《 傳感 器通 用 術(shù)語 》，傳 感 器(Transducer/Sensor)的定義是：能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。 在有些學(xué)科領(lǐng)域，傳感器又稱為敏感元件、檢測(cè)器、轉(zhuǎn)換器等。這些不同提法，反映了在不同的技術(shù)領(lǐng)域中，只是根 據(jù)器件用途對(duì)同一類型的器件使用著不同的技術(shù)術(shù)語而已。如在電子技術(shù)領(lǐng)域，常把能感受信號(hào)的電子元件稱為敏感元件，如熱敏元件、磁敏元件、光敏元件及氣敏元件等，在超聲波技術(shù)中則強(qiáng)調(diào)的是能量的轉(zhuǎn)換，如壓電式換能器等。這些提法在含義上有些狹窄，因此傳感器一詞是使用最為廣泛而概括的用語。 傳感器的組成 傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本轉(zhuǎn)換電路三單元組成。 1）敏感元件 (Sensing element)：它是直接感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。 2）轉(zhuǎn)換元件 (Transduction element)：敏感元件接受敏感元件的輸入，將輸入轉(zhuǎn)換成適于傳輸和測(cè)量的電路參量。 3）信號(hào)調(diào)理電路 (Conditioning circuitry)：將轉(zhuǎn)換元件輸出的電量轉(zhuǎn)換成便于顯示、記錄和處理的電量輸出。 在實(shí)際的各類傳感器中，其組成形式又是變化多樣：有的傳感器僅包括一個(gè)或二個(gè)單元，也有的在某一單元上是由若干個(gè)環(huán)節(jié)組成，有的需要輔助電源，有的則不需要。并不是所有的傳感器都能明顯分清敏感元件和轉(zhuǎn)換元件兩個(gè)部分，而是兩者合二而一。例如硅光電池等，它們都是將感受的被測(cè)量 —— 光能，直接轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，沒有中間變 換。 傳感器的分類及其要求 傳感器及自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 是一門知識(shí)密集型技術(shù)。傳感器的原理有各種各樣，它與許多學(xué)科有關(guān)，其種類十分繁多，分類方法也很多，但目前一般采用兩種分類方法：一種是按被測(cè)參數(shù)分類，如溫度、壓力、位移、速度等；另一種是按傳感器的工作原理分類，如應(yīng)變式、電容式、壓電式、磁電式等。本書是按后一種分類方法來介紹各種傳感器的，而傳感器的工程應(yīng)用則是根據(jù)工程參數(shù)進(jìn)行敘述的。對(duì)于初學(xué)者和應(yīng)用傳感器的工程技術(shù)人員來說，先從工作原理出發(fā)，了解各種各樣傳感器，而對(duì)工程上的被測(cè)參數(shù)，應(yīng)著重于如何合理選擇和使用傳感器 。 傳感器的分類方法目前有很多種，從便于傳感器的使用的角度出發(fā)可以從如下幾個(gè)方面進(jìn)行分類。 1. 按輸入量（被測(cè)量量）的類型分類 主要有：物理量傳感器、化學(xué)量傳感器、生物量傳感器等。它們同時(shí)又是一些針對(duì)具體測(cè)量對(duì)象的傳感器的集合體。例如：物理量傳感器又有壓力傳感器、荷重傳感器、位移傳感器、溫度傳感器等；化學(xué)量傳感器又有濕度傳感器、氣體傳感器等。這種分類優(yōu)點(diǎn)是便于根據(jù)被測(cè)量的對(duì)象選擇相應(yīng)的傳感器。 2. 按輸出信號(hào)的類型進(jìn)行分類 ⑴ 模擬式傳感器 —— 輸出的信號(hào)為模擬信號(hào)（時(shí)域連續(xù)，屬傳統(tǒng)類型，現(xiàn)仍廣泛用） ⑵ 數(shù)字式傳感器 —— 輸出的信號(hào)為數(shù)字信號(hào)（時(shí)域上不連續(xù)） 隨著信息處理的數(shù)字化，數(shù)字式傳感器所輸出的信號(hào)由于可以省略 A/D 轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，便于網(wǎng)絡(luò)傳輸，優(yōu)勢(shì)是明顯的。特別是近年來發(fā)展起來的總線式數(shù)字傳感器，則更加引人注目。 3. 按能量關(guān)系進(jìn)行分類（有源、無源） ⑴ 有源傳感器（能量轉(zhuǎn)換型傳感器） —— 能將非電量直接轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，所以有時(shí)被成為 “ 換能器 ” 。例如壓電式（超聲波換能器）、熱電式（熱電偶）、光電式（光電池）等。 ⑵ 無源傳感器（能量控制型傳感器） —— 自身無能量轉(zhuǎn)換裝置，被測(cè)量量?jī)H 能在傳感器中起能量控制作用，必須有輔助電源供給電能。如電容式、壓阻式等。 傳感器的分類方法還有很多，這里不再一一介紹了。 本課程的特點(diǎn)和任務(wù) 傳感器及自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 是利用各種功能材料實(shí)現(xiàn)信息檢測(cè)的一門應(yīng)用技術(shù)。它是檢測(cè)傳感原理、材料科學(xué)、工藝加工等學(xué)科與技術(shù)的結(jié)合。檢測(cè)傳感原理指?jìng)鞲衅鞴ぷ鲿r(shí)所依據(jù)的物理效應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)、和生物反應(yīng)等機(jī)理，各種功能材料則是傳感技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，從某種意義上講，傳感器也就是能感知外界各種被測(cè)信號(hào)的功能材料。傳感技術(shù)的研究和開發(fā)不僅要求原理正確，選材合適，而且要求有先進(jìn)高精度的加工 裝配技術(shù)。除此之外，傳感技術(shù)還包括如何更好的把傳感元件用于各個(gè)領(lǐng)域的所謂傳感器軟件技術(shù)，如傳感器的選擇標(biāo)定以及接口技術(shù)等。 本課程主要講授把各種幾何、機(jī)械量以及其他有關(guān)量轉(zhuǎn)換成電量的各種傳感器。 本課程的主要任務(wù)是： （ 1）掌握幾種傳感器的基本原理； （ 2）了解輸出特性，合理選擇和使用傳感器； （ 3）掌握傳感器的誤差補(bǔ)償方法以及工程設(shè)計(jì)方法和實(shí)驗(yàn)研究方法； （ 4）了解傳感器的發(fā)展動(dòng)向等。 本課程屬于交叉學(xué)科，涉及的知識(shí)面較廣，其原理主要基于各種物理、化學(xué)現(xiàn)象與效應(yīng)；測(cè)量電路是以模擬－數(shù)字電路為基礎(chǔ)；智能傳感 器還需要計(jì)算機(jī)軟、硬件知識(shí)。 學(xué)習(xí)傳感器的設(shè)計(jì)與制造，需要掌握儀電材料、工藝、誤差理論等。 傳感器的靜特性 在工程應(yīng)用中，任何測(cè)量裝置性能的優(yōu)劣總要以一系列的指標(biāo)參數(shù)衡量，通過這些參數(shù)可以方便地知道其性能。這些指標(biāo)又稱之為特性指標(biāo)。 傳感器的特性主要是指輸出與輸入之間的關(guān)系。它通常根據(jù)輸入 (傳感器所測(cè)量的量 )的性質(zhì)來決定采用何種指標(biāo)體系來描述其性能。 當(dāng)被測(cè)量 (輸入量 )為常量，或變化極慢時(shí)，一般采用靜態(tài)指標(biāo)體系，其輸入與輸出的關(guān)系為靜態(tài)特性； 當(dāng)被測(cè)量 (輸入量 )隨時(shí)間較快地變化時(shí)，則采用動(dòng)態(tài)指標(biāo)體系，其輸入 與輸出的關(guān)系為動(dòng)態(tài)特性。 傳感器的靜態(tài)特性是指被測(cè)量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的輸出與輸入的關(guān)系。如果被測(cè)量是一個(gè)不隨時(shí)間變化，或隨時(shí)間變化緩慢的量，可以只考慮其靜態(tài)特性，這時(shí)傳感器的輸入量與輸出量之間在數(shù)值上一般具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，關(guān)系式中不含有時(shí)間變量。對(duì)靜態(tài)特性而言，傳感器的輸入量 x 與輸出量 y 之間的關(guān)系通?？捎靡粋€(gè)如下的多項(xiàng)式表示： y=a0+a1x+a2x2+?+ anxn 式中： a0—— 輸入量 x 為零時(shí)的輸出量； a1， a2， ? ， an—— 非線性項(xiàng)系數(shù)。 各項(xiàng)系數(shù)決定了特性曲 線的具體形式。 傳感器的靜態(tài)特性可以用一組性能指標(biāo)來描述，如靈敏度、 遲滯、線性度、重復(fù)性和漂移等。 重點(diǎn)： 傳感器的定義、組成。 難點(diǎn)： 傳感器的靜特性。 教學(xué)手段與方法： 講述、習(xí)題 思考題、討論題、作業(yè)： 作業(yè)： 了解傳感器的作用、定義、組成及分類 參考資料（含參考書、文獻(xiàn)等）： 欒桂冬，張金鐸，金歡陽。傳感器及其應(yīng)用。西安電子科技大學(xué)出版社。 郁有文，常健，程繼紅。傳感器原理及工程應(yīng)用 (第二版 )。西安電子科技大學(xué)出版社。 傳感器及自動(dòng)檢測(cè)技 術(shù) 課程教案 授課題目（教學(xué)章節(jié)或主題）： 傳感器的動(dòng)特性、技術(shù)指標(biāo) 授課類型 理論課 授課時(shí)間 第 2周星期五 第 3～5 節(jié) 教學(xué)目標(biāo)或要求： 1． 理解傳感器的動(dòng)特性； 2． 了解傳感器的技術(shù)指標(biāo) 。 教學(xué)內(nèi)容（包括基本內(nèi)容、重點(diǎn)、難點(diǎn)）： 基本內(nèi)容： 傳感器的動(dòng)特性 傳感器的動(dòng)態(tài)特性是指輸入量隨時(shí)間變化時(shí)傳感器的響應(yīng)特性。由于傳感器的慣性和滯后，當(dāng)被測(cè)量隨時(shí)間變化時(shí)，傳感器的輸出往往來不及達(dá)到平衡狀態(tài)，處于動(dòng)態(tài)過渡過程之中，所以傳感器的輸出量也是時(shí)間的函數(shù)，其間的關(guān)系要用動(dòng)態(tài)特性來表示。一個(gè)動(dòng)態(tài)特性好的 傳感器，其輸出將再現(xiàn)輸入量的變化規(guī)律，即具有相同的時(shí)間函數(shù)。實(shí)際的傳感器，輸出信號(hào)將不會(huì)與輸入信號(hào)具有相同的時(shí)間函數(shù) ,這種輸出與輸入間的差異就是所謂的動(dòng)態(tài)誤差。 傳