传感器及检测技术教学设计5力检测

项目四项目四 力检测力检测 教学目的教学目的 1、能了解弹性敏感元件的特性和要求。 2、能了解几种常用测力称重传感器的特点、用途等。 3、掌握电阻应变效应及半导体的压阻效应。 4、掌握单臂、双臂和全桥测量电路的异同点。 5、会连接电桥电路并进行测试。 6、会对测试数据进行分析。 7、能理解压电式传感器的工作原理及特点。 8、能理解测力传感器与压电传感器的应用电路。 课课型型新授课 课课时时 2 个任务，安排 6 个课时。 教学重点教学重点 弹性敏感元件，弹性敏感元件的基本概念及特性，弹性敏感元件的基本要 求及类型，电阻应变式传感器的外形结构和性能，电阻应变片的种类与结构， 电阻应变式传感器的工作原理。 教学难点教学难点 描述一个称重系统，指出它经过了哪些环节才能将压力信号转换为可测量 的电量并简要描述各转换环节的工作原理。 教学过程教学过程 1. 教学形式讲授课，教学组织采用课堂整体讲授和分组演示。 2. 教学媒体采用启发式教学、案例教学等教学方法。教学手段采用多媒 体课件、视频等媒体技术。 作业处理作业处理 完成项目后的思考题。 板书设计板书设计 本课标题本课标题 授课方式授课方式 授课对象授课对象 温度检测 理论课□ 讨论课□ 习题课□ 其他□ 院系、专业 教学基本内容教学基本内容 课堂导入 力敏传感器是使用很广泛的一种传感器。它是生 产过程中自动化检测的重要部件。它的种类很 多，有直接将力变换为电量的如压电式、压阻式 等，有经弹性敏感元件或其他敏感元件变换后再 转换成电量的如电阻式、电容式和电感式等。力 传感器在生产、生活和科学实验中广泛用于测力 和称重。 课次课次 课时安排课时安排 学分学分 任课教师任课教师 2 6 共 2 分 教学方法及教学手段教学方法及教学手段 参考以下形式 1.衔接导入 2.悬念导入 3.情景导入 4.激疑导入 5.演示导入 6.实例导入 7.其他形式 基本知识汇总 任务一任务一 电子台秤的重量检测电子台秤的重量检测 一、一、 测力传感器中的弹性敏感元件测力传感器中的弹性敏感元件 （一）（一）弹簧管压力表的组成弹簧管压力表的组成 1．本课程是机电一体化、 自动控制、电气自动化、应 用电子等专业的一门专业课 程。要求学生能认识常用传 弹簧管压力表的组成如图所示，当被测压力作用感器，掌握其工作原理、输 于弹簧管时，弹簧管便产生相应的变形，通过机出特性、误差补偿，理解各 械传动机构，使标尺指针偏移角度，从而得到压种测量转换电路，了解传感 力的数值。器的典型应用等知识，达到 能正确使用常用传感器的目 （二）（二）弹性敏感元件的基本概念及特性弹性敏感元件的基本概念及特性 1基本概念 （1）变形 的。 2．检测技术的主要内容包 括了自动检测系统中的信息 提取、信息转换以及信息处 变形是指物体在外力作用下改变原来尺寸或形状 理。需要一定的测量理论、 的现象。 测量方法，相应的测量工 （2）弹性变形 具、装置，以及对测量结果 弹性变形是指变形后的物体在外力去除后又恢复 进行正确的处理分析。它涵 原来形状的变形。 盖了传感器技术、误差理 （3）弹性元件 弹性元件是指具有弹性变形特性的物体。 （4）弹性特性 论、测试计量技术、抗干扰 技术以及电量间的互相转换 技术等。 弹性特性是指作用在元件上的外力与相应弹性变 3．本课程教学内容的组织 形（应变、位移或转角）之间的关系。 与安排由实例引入，按 2特性 照“任务提出”“相关知 识”“任务实施”“其他案 例”“训练一下”几个部分 递进完成。采用任务引领的 项目课程教学，将检测技术 与传感器的技能和知识点融 （1）刚度 （2）灵敏度 （3）弹性滞后 （4）弹性后效 （三）（三）弹性敏感元件的基本要求及类型弹性敏感元件的基本要求及类型 弹性元件在传感器技术中占有极其重要的地位。 入项目的工作任务之中，在 它首先把力、力矩或压力转换成相应的应变或位 符合工作过程的基础上，充 移，然后配合各种形式的传感元件，将被测力、 分考虑了学习者的认知心理 力矩或压力变换成电量。 过程，将课程内容划分为九 二、二、 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 力学量转换为电信号的传感器。 个项目，再具化为多个工作 对象着手，选择合适的传感 电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将任务的教学内容。从检测的 电阻应变式传感器具有精度高、性能稳定、测量器，通过认识该类传感器的 范围宽，可制成各种机械量传感器，并且结构简外形、性能指标，再到测量 单、体积小、重量轻，可在超低温、强振动、强原理的介绍，在掌握基本知 磁场等恶劣环境下工作等特点。 （一）（一）电阻应变式传感器的外形结构和性能电阻应变式传感器的外形结构和性能 识的基础上，介绍相应的测 量转换电路、信号处理电 路，来完成该类检测任务。 再安排一个训练，供学习者 在实践中掌握知识、提高技 能。 （二）（二）电阻应变片的种类与结构电阻应变片的种类与结构 电阻应变片分为金属电阻应变片和半导体电阻应 变片两大类。金属电阻应变片又可分为金属丝 式、箔式和薄膜式三种。 （二）（二）电阻应变式传感器的工作原理电阻应变式传感器的工作原理 三、三、 压阻式压力传感器压阻式压力传感器 压阻式压力传感器是利用半导体材料的压阻效应 和集成电路工艺制成的传感器。所谓压阻效应是 在半导体材料上施加作用力时，其电阻率将发生 显著变化的现象。 由于此种传感器是利用半导体集成工艺中的扩散 技术，将四个半导体应变电阻制作在同一硅片 上，所以工艺一致性好，灵敏度相等，漂移抵 消，迟滞、蠕变非常小，动态响应快，测量精度 高，稳定性好，温度范围宽，易小型化。 任务二任务二 桥墩水下部位缺陷的检测桥墩水下部位缺陷的检测 桥墩水下及地表以下部位由于各种原因会产生一 些缺陷，它是很难发现的，但又直接威胁到桥梁 的安全。用压电式加速度传感器通过检测桥墩对 振动的响应，再进行频谱分析，可判定桥墩的内 部缺陷。 一、一、 压电传感器、压电传感器、 压电材料的外形和技术指标压电材料的外形和技术指标 （一）（一）压电式振动加速度传感器的外形压电式振动加速度传感器的外形 （二）（二）压电加速度传感器的技术指标压电加速度传感器的技术指标 ①灵敏度500mV/g ②量程010 g ③频率范围4～4000Hz ④线性度≤1 ⑤分辨力0．00004 g ⑥安装谐振点15kHz （三）（三）压电材料的外形压电材料的外形 二、二、 压电传感器的工作原理压电传感器的工作原理 （一）（一）压电效应压电效应 压电效应是可逆的，即有两种压电效应。当某些 电介质在一定的方向上受到外力作用而变形时， 内部产生极化现象，同时在其表面上产生电荷； 当外力消失时，电荷也消失，又回到原来不带电 的状态。这种机械能转变为电能的现象，称为正 压电效应，简称压电效应。相反，在电介质的极 化方向上施加电场，它会产生机械变形，当去掉 外加电场时，电介质的变形随之消失。这种将电 能转换为机械能的现象称为逆压电效应。 具有压电效应的电介质称为压电材料。典型的压 电材料有石英晶体、压电陶瓷和高分子压电材料 等。 （二）（二）石英晶体的压电效应石英晶体的压