传感器教案.

201 年 月 日 第 周 累计第 个教案 课时 课题 目 的 要 求 知 识 目 标 第一章 1．掌握传感器的定义 2．掌握传感器的典型分类方法 3．了解传感器的基本特性 4．掌握传感器的静态和动态特性 培养学生的理解与记忆能力 课型 能 力 目 标 思想教育 重 点 难 点 分 析 严谨的学习态度和习惯 重点：1、传感器的静态特性 2、传感器的动态特性 难点：传感器的动态特性分析 讲授 教学方法 教具学具与 实验准备 组织教学 时间 系 班级 缺课学生名单

教 学 内 容 及 步 骤 第一章 概述—传感器技术基础知识 1.1传感器的定义及组成 1.1.1 定义 国家标准（GB/T7665-1987）规定：传感器是一种能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。也叫发送器；传送器；变送器；Transducer/Sensor等。 对定义的理解：  它是测量装置；  输入量是某一被测量（物理、化学、生物等）；  输出量是某种物理量（气、光、电等），主要是电物理量；  输出输入有对应关系，并应有一定的精度 1.1.2 传感器的组成 传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成，组成框图如图示。 非电物理量 敏感元件 电信号 转换元件 接口电路 辅助电源 1.2传感器的分类 1.2.1按工作机理分 （1）物理型  按构成原理：结构型；物性型

教 学 内 容 及 步 骤 结构型：是以结构（如形状、尺寸等）为基础，利用物理学中场的定律构成的，动力场的运动定律、电磁场的电磁定律等。必须依靠精密设计的结构予以保证。如：磁隙型电感传感器、电动式传感器等。 物性型：是利用物质定律构成的，利用某些功能材料本身所具有的内在特性及效应把被测量直接转换为电量。虎克定律、欧姆定律等。主要依靠材料本身的效应来感应信息。如：光电管（外光电效应）、压电晶体（正压电效应）、光敏电阻、所有半导体传感器、以及所有利用各种环境变化而引起的金属、半导体、陶瓷、合金的性能变化的传感器。 按能量转换情况：能量控制型、能量转换型 能量控制型：在信息变化过程中，其能量需要外电源供给。如：电阻、电感、电容、基于应变电阻效应、磁阻效应、热阻效应、光电效应、霍尔效应等。 能量转换型：主要由能量变换元件构成，它不需要外电源。如：压电效应、热电效应、光电动势效应等。 按物理原理 电参量式（包括电阻式、电感式、电容式等三个基本形式）、磁电式（包括磁电感应式、霍尔式、磁栅式等）、压电式、光电式（包括一般光电式、光栅式、激光式、光电码盘式、光导纤维式、红外式、摄像式等）、气电式、热电式、波式（包括超声波式微波式等）、射线式、半导体式、其它原理等。可以是两种以上原理的复合形式。 （2）化学型 利用电化学反应原理，把无机和有机化学物质的成分、浓度等转换为电信号的传感器。最常用的是离子选择性电极。核心部分是离子选择性敏感膜。广泛应用于化学分析、化学工业的在线检测及环保中。 （3）生物型 利用生物活性物质选择性的识别和测定生物化学物质的传感器。由两大部 教 学 内 容 及 步 骤 分组成：功能识别物质，酶、抗体、抗原、微生物、细胞等；电、光信号转换装置，最常用的是电极。最大的特点是能在分子水平上识别物质，应用于化学工业检测和医学诊断。 1.2.2 按用途（输入信号）分 几何量：长度、角度、位移、厚度、几何位置、几何形状、表面波度和粗糙度 力学：力、力矩、振动、转速、加速度、质量、流量、硬度、真空度等 温度：温度、热量、比容、热分布 湿度：湿度、水分 时间：频率、时间 电量：电流、电压、电阻、电容、电感、电磁波 磁性：磁通、磁场 光学：照度、光度、颜色、图像、透明度 声学：声压、噪声 射线：射线剂量、剂量率 化学：浓度、成分、pH值、浊度 1.2.3按输出信号 模拟式传感器输出量为模拟量，数字式传感器输出量为数字量，便于与计算机连接，而且抗干扰能力强，例如盘式角度传感器和光栅传感器等。 1.3传感器的静特性 传感器的静特性是指传感器在输入量的各个值处于稳定状态时的输出与输入关系，即当输入量是常量或变化极慢时，输出与输入的关系。

教 学 内 容 及 步 骤 衡量传感器静态特性的主要技术指标有线性度、测量范围和量程、重复性、迟滞、灵敏度等。 （1）测量范围和量程 传感器所能测量的最大被测量(即输入量)的数值称为测量上限，最小的被测量则称为测量下限，而用测量下限和测量上限表示的测量区间，则称为测量范围，简称范围。测量上限和测量下限的代数差为量程。即：量程=测量上限-测量下限。 （2）线性度 在采用直线拟合线性化时，输出输入的校正曲线与其拟合直线之间的最大偏差，就称为非线性误差或线性度，通常用相对误差 来表示，即 ΓL=±（ΔLmax/YFS）100% ΔLmax：最大非线性误差 YFS：满量程输出 由此可见，非线性误差的大小是以一定的拟合直线为基准直线而得出来的。拟合直线不同，非线性误差也不同。所以，选择拟合直线的主要出发点，应是获得最小的非线性误差。另外，还应考虑使用是否方便，计算是否简便。 （3）迟滞 传感器在正(输入量增大)反(输入量减小)行程中输出输入曲线不重合称为迟滞。

教 学 内 容 及 步 骤 迟滞特性一般是由实验方法测得。迟滞误差一般以正反行程中输出的最大偏差量满量程输出之比的百分数表示，即 迟滞的影响因素包括传感器机械结构中的摩擦、游隙和结构材料受力变形的滞后现象等。 （4）重复性 重复性是指传感器在输入按同一方向作全量程连续多次变动时所得的特性曲线不一致的程度。图示为实际输出的校正曲线的重复特性，正行程的最大重复性偏差为ΔRmax1，反行程的最大重复性偏差为ΔRmax2。重复性误差取这两个最大偏差之中较大者为ΔRmax，与满量程输出 yFS之比的百分数表示，即 重复性误差也常用绝对误差表示。 （5）灵敏度与灵敏度误差 传感器输出的变化量Δy与引起此变化量的输入变化量Δx之比即为其静态灵敏度，其表达式为：

教 学 内 容 及 步 骤 （6）分辨力 分辨力是指传感器在规定测量范围内所能检测出被测输入量的最小变化值。有时对该值用相对满量程输入值之百分数表示，则称为分辨率。 （7）稳定性 有长期稳定性和短期稳定性之分，通常用长期稳定性，它是指在室温条件下，经相当长的时间间隔，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。 （8）漂移 传感器在长时间工作时、外界温度改变时或外界出现干扰（冲击、振动、潮湿、电磁等）时等情况下输出量发生的变化，包括零点漂移和灵敏度漂移。零点漂移和灵敏度漂移又可以分为时间漂移和温度漂移，时间漂移是指在规定的条件下，零点和灵敏度随着时间的缓慢的变化；温度漂移为环境温度变化而引起的零点或灵敏度的变化。 （9）静态误差 传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论值（拟合曲线）的偏离程度。是一项综合性指标，它基本上包括了前面叙述的非线性误差、迟滞误差、重复性误差、灵敏度误差等。 σ=（Σ（Δyi）/（n-1）） γ=±(3σ/yFS)100% 或 γ=±（γL+γH+γR+γS） 22221/221/21.4传感器的动态特性 动态特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。动态特性好的传感器，其输出量随时间变化的曲线与被测量随时间变化的曲线一致或者相近。

教 学 内 容 及 步 骤 动态特性的一般描述： (1)阶跃响应特性 0t给传感器输入一个单位阶跃函数信号u(t)=1t，其输出为阶跃响应特性。 与阶跃响应特性有关的指标： 最大超调量P：输出超过稳定值的最大值，常用百分数来表示。 上升时间tr：输出由某一值（10%或5%）到达稳定值的90%（或95%）所需的时间。 响应时间ts：输出达到稳定值的95%或98%（由允许误差范围所决定）时所需的时间，也称建立时间或过渡过程时间。 延迟时间td:阶跃响应达到稳态值50%所需要的时间。 峰值时间tp：响应曲线到达第一个峰值所需要的时间。 时间常数τ：τ越小，响应速度越快。 衰减度：瞬态过程中振荡幅值衰减的速度。

教 学 内 容 及 步 骤 (2)频率响应特性 给传感器输入各种频率不同而幅值相同初相位为0的正弦信号，其输出的正弦信号的幅值和相位与频率之间的关系。 与频率响应特性有关的指标： 频带：传感器增益保持载一定值内的频率范围，对应有上、下截止频率 时间常数τ：一阶传感器（测温传感器等）用τ表征其动态性能，τ越小，频带越宽。 固有频率：表征二阶传感器（加速度传感器等）的动态特性。 1.5 传感器的数学模型 1.5.1 静态数学模型 传感器的静态数学模型是指在静态信号作用下，传感器输出与输入之间的一种函数关系。如果不考虑迟滞特性和蠕动效应，传感器的静态数学模型一般可以用n次多项式来表示。 y=a0+a1x+a2x2+…+anxn 式中，x为输入量；y为输出量；a0为零输入时的输出，也叫零位输出；a1为传感器线性系数，也叫线性灵敏度； a2、a3…+an为非线性系数。 几种特例： 理想的线性特性：y= a1x 其线性度最好，通常是所希望的传感器应具有的特性。 仅有偶次非线性项：y=a0 +a2x2+a4x4+…+a2nx2n ,n=0,1, …其线性范围较窄，线性度差。 仅有奇次非线性项：y=a1x+a3x3+a5x5+…+a2n+1x2n+1 ,n=1,2, …线性范围较宽，线性度好。 教 学 内 容 及 步 骤 1.5.2 动态数学模型 传感器的动态数学模型是指传感器在受到随时间变化的输入量作用时，输出输入之间的关系，通常称为响应特性。 （1）微分方程 将传感器作为线性定常系统来考虑，其动态数学模型可以用线性常系数微分方程来表示，这种方程式的通式为： 所谓线性系统就是在此方程式中不包含变量及其各阶微分的非一次幂项(包括交叉相乘项)；如果线性系统方程中各系数an、bm在工作过程中不随时间和输入量的变化而变化，那么该系统就称为线性定常系统。 （2）传递函数 对上式取拉氏变换，并令当t=0时，输入量x(t)和输出量y(t)及它们的各阶时间导数的初始值均为零，则得 等号右边是一个与输入量x(t)和输出量y(t)无关的表达式，它只与系统结构参数有关，因而等号右边又是传感器特性的一种表达式，它表征了输出与输入的关系，是一种描述传感器特性的函数。初始条件为零时(传感器被激励之前所有储能元件如质量块、弹性元件、电气元件均没有积存能量)，输出量y(t)的拉氏

教 学 内 容 及 步 骤 变换Y(s)与输入x(t)的拉氏变换X(s)之比，称为传递函数，并记为H(s) 1.6传感器的标定与校准 标定：是指在明确传感器的输出与输入关系的前提下，利用某种标准器具对传感器进行标度。 标定与校准的本质不同 ： 对新研制或生产的传感器进行全面的技术检定，称为标定；将传感器在使用中或储存后进行的性能复测，称为校准。 （1）静特性的标定方法：静态标准条件：没有加速度、震动、冲击、环境温度20±5。C、相对湿度不大于85%、气压为101±7kPa。 （2）动态特性的实验确定方法：阶跃信号响应法、正弦信号响应法。 （3）常用标定设备：静态标定设备、动态标定设备、现场标定设备。 1.7传感器技术发展 1.7.1改善传感器性能的技术途径 差动技术：显著地减少温度变化、电源波动、外界干扰的影响，抵消共模误差，减小非线性误差。  平均技术：误差δΣ=±δ0/n  补偿修正技术：本身特性修正、工作条件或外界环境修正，可以通过硬件或软件实现。  屏蔽、隔离与干扰抑制：  稳定性处理：时效处理、冰冷处理、永磁材料的时间老化温度老化、机械老化、交流稳磁处理、电气元件的老化筛选。

教 学 内 容 及 步 骤 1.7.2发展趋势 （1）开发新型传感器：（新原理新现象、新效应）采用新原理、填补传感器空白、仿生传感器。他们之间是互相联系的。 （2）开发新材料 半导体敏感材料：硅材料（单晶硅、多晶硅、非晶硅）；金属和非金属合成的化合物半导体材料；  陶瓷材料：绝缘陶瓷、压电陶瓷、介电陶瓷、热电陶瓷、光电陶瓷、半导体陶瓷。  磁性材料：非晶化、薄膜化。 智能材料：生物体材料、形状记忆合金、形状记忆陶瓷、形状记忆聚合物。 （3）采用新工艺集成技术、微细加工技术、离子注入技术、薄膜技术 微细加工技术，又称为微机械加工技术。是离子束、电子束、分子束、激光束、化学刻蚀等微电子加工技术。 平面电子工艺技术：传统的氧化、光刻、扩散、沉积等还有薄膜制作 选择性的化学刻蚀技术：如：各向异性刻蚀技术  固相键合工艺技术：将两个硅片直接键合为一体而不用中间粘接剂，也不需外加电场。  机械切断技术：在一个基片上的多个超小型传感器用分离切断技术分割开来，以免损伤和残存内应力。 4）集成化、多功能化 集成化：  同一功能的多元件并列化：如CCD

教 学 内 容 及 步 骤 多功能一体化：将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组成一个器件。 多功能化：一个传感器可以同时测量多个参数。如：美国的单片硅力传感器（3个线速度、3个离心加速度（角速度）、3个角加速度）；温、气、湿三功能陶瓷传感器；多种离子或气体传感器等。 （5）智能化 灵巧（Smart）传感器，具有：检测、修正、数据处理、逻辑判断、自诊断和自适应能力的集成一体化多功能传感器。 1.8传感器的应用举例 传感器又称为电五官，主要用于基础科学、军事、宇航、工业、农业、环保、民用电器、资源开发、海洋探测、医学诊断、生物工程等。例：宇宙观察、基本粒子、导弹制导寻的、自动生产线、机器人、汽车、复印机、空调、洗衣机。 作业内容 作业批改记录 班级 应交 实交 时间 作业批改 问题及分析 系 缺交作业学生姓名 教学札记

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201 年 月 日 第 周 累计第 个教案 课时 课题 目 的 要 求 知 识 目 标 第二章 温度传感器 §2.1-§2.2 1.了解温度测量的基本概念和温标的分类 2.熟悉温度传感器的分类 课型 新授 3．熟悉热电效应以及热电偶传感器的工作原理 4.熟悉热电偶的种类和结构 培养学生的理解和分析能力 严谨的学习态度和习惯 1.热电偶中参考端温度补偿分析 2.集成温度传感器测温原理 能 力 目 标 思想教育 重 点 难 点 分 析 教学方法 教具学具与 实验准备 组织教学 时间 系 班级 缺课学生名单 讲授

教 学 内 容 及 步 骤 2.1温度测量概述 （1）温度：代表物质的冷热程度，是物体内部分子运动剧烈程度的标志。 （2）测量温度的方法：接触式测量和非接触式测量 接触式测量的特点：感温元件与被测对象直接物理接触，进行热传导。 非接触测量的特点：感温元件与被测对象不物理接触，通过热辐射进行热传递。 测温传感器分为接触式和非接触式两类。 （3）温标： 摄氏温标：在一个标准大气压下，冰水混合物：0度；沸水：100度； 华氏温标：在一个标准大气压下，冰水混合物：32度；沸水：212度 热力学温标：与摄氏温标相差273.15度。1K=1℃+273 2.2 热电偶传感器 2.2.1工作原理 （1）热电效应 当两种不同金属导体两端相互紧密的连接在一起组成一个闭合回路时，由于两个接触点温度T和T0不同，回路中将产生热电动势，并有电流通过，这种把热能转化成电能的现象称为热电效应。 热电动势：接触电动势与温差电动势之和。 （2）基本定律 1）中间导体定律：导体a、b组成热电偶，当引入第三个导体时，只要保持其两端温度相同，则对总电动势无影响，这一结论被称为中间导体定律。利用此定律可将毫伏表接入热电偶回路中，只要保证两个结点温度一致，就能正确测出热电动势而不影响热电偶的输出。

教 学 内 容 及 步 骤 EABC(T,T0)=eAB(T)-eAB(T0)=EAB(T,T0) 2）中间温度定律:在热电偶测量电路中，测量端温度为T,自由端温度为T0,′′′中间温度为 T0，则 EAB(T,T0)＝EAB(T,T0)+EAB(T0, T0) 3）参考电极定律: EAB(T,T0)=EAC(T,T0)-EBC(T,T0) 该定律大大简化了热电偶选配电极的工作，只要获得有关热电极与参考电极配对的热电动势，那么任何两种热电极配对时的电动势均可利用该定律计算。 [例题]：E(T,T0)也可以用E(t,t0)，当t为100℃时，t0为0℃时，铬合金－铂热电偶的E（100℃，0℃）＝3.13mV,铝合金－铂热电偶的E（100℃，0℃）＝-1.02 mV,求铬合金－铝合金组成热电偶的热电动势E（100℃，0℃）。 解：设铬合金为A，铝合金为B,铂为C。 即EAC(100℃，0℃)＝3.13mV EBC(100℃，0℃)＝-1.02 mV 则 EAB(100℃，0℃)＝4.15mV 2.2.2 热电偶的结构形式 1．材料：原理上来讲任何两种金属材料都可配成热电偶。目前工业上常用的4种标准热电偶材料为：铂铑30－铂铑6、铂铑10－铂、镍铬－镍硅和镍铬－铜镍。 2．分类： 普通热电偶：它一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成。 铠装热电偶：也叫缆式热电偶 测量结热容量小、热惯性小、动态响应快、绕性好、强度高、抗震好. 薄膜热电偶：用于测量固体表面小面积瞬时变化的温度，特点是热容量小，时间常数小、反应速度快。 2.2.3热电势的测量

教 学 内 容 及 步 骤 单点温度的测量： 并联热电偶：测量平均温度 串联热电偶：输出电动势为每个热电动势之和。 在应用热电偶串、并联测温时，应注意两点：一、必须用同一分度号的热电偶；二、两热电偶的参考端温度相等。 2.2.4热电偶冷端温度补偿 1、冷端恒温修正法 因各种热电偶的分度关系是在冷端温度为0℃时得到的,如果测温热电偶的热端为t℃，冷端温度t<>0℃(t0>0℃)，就不能用测得的E(t,t0)去查分度表得t,必须根据下式进行修正： 式中：E(t,0)--冷端为0℃而热端为t℃时的热电势；E(t, t0)--冷端为t0℃而热端为t℃时的热电势；E(t0,0)--冷端为0℃时应加的校正值。 2、仪表机械零点调整法 对于具有零位调整的显示仪表而言，如果热电偶冷端温度t0较为恒定时，可采用测温系统未工作前，预先将显示仪表的机械零点调整到t0℃上,这相当于把热电势修正值E(t0,0)预先加到了显示仪表上,当此测量系统投入工作后,显示仪表的示值就是实际的被测温度值。 3、补偿电桥法 当热电偶冷端处温度波动较大时,一般采用补偿电桥法,基测量线路如图3-1所示。补偿电桥法是利用不平衡电桥(又称冷端补偿器)产生不平衡电压来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化。

教 学 内 容 及 步 骤 采用补偿电桥法是必须注意下列几点： （1）补偿器接入测量系统时正负极性不可接反。 （2）显示仪表的机械零位应调整到冷端温度补偿器设计时的平衡温度，如补偿器是按t0=20℃时电桥平衡设计的，则仪表机械零位应调整到20℃处。 （3）因热电偶的热电势和补偿电桥输出电压两者随温度变化的特性不完全一致，故冷端补偿器在补偿温度范围内得不到完全补偿，但误差很小，能满足工业生产的需要。 以上几种补偿法常用于热电偶和动圈显示仪表配套的测温系统中。由于自动电子电位差计和温度变送器等温度测量仪表的测量线路中已设置了冷端补偿电路，因此，热电偶与它们配套使用时不用再考虑补偿方法，但补偿导线仍旧需要。

教 学 内 容 及 步 骤  作业内容 作业批改记录 班级 应交 实交 时间 作业批改 问题及分析 系 缺交作业学生姓名 教学札记

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201 年 月 日 第 周 累计第 个教案 课时 课题 目 的 要 求 知 识 目 标 §2.3-§2.5 1、了解热电阻、半导体传感器的材料特点； 课型 2、掌握非接触式温度传感器的工作原理及应用； 3、掌握热电阻、半导体传感器的电阻－温度特性，温度传感器的应用。 能 力 目 标 思想教育 重 点 难 点 分 析 培养学生的实际应用能力 严谨的学习态度和习惯 教学重点：热电阻、半导体温度传感器的温度特性 教学难点：温度传感器的应用举例 教学方法 教具学具与 实验准备 组织教学 时间 系 班级 缺课学生名单 讲授

教 学 内 容 及 步 骤 2.3 金属热电阻式温度传感器 一般称为热电阻传感器，是利用金属导体的电阻值随温度的变化而变化的原理进行测温的。热电阻广泛用来测量－220~850℃范围内的温度。 温度敏感元件是电阻体，电阻体由金属导体组成 2.3.1测温原理 热电效应：在金属导体两端加电压后，使其内部杂乱无章运动的自由电子形成有规律的定向运动，使导体导电。当温度升高时由于自由电子获得较多的能量，能从定向运动中挣脱出来，从而定向运动被削弱，导电率降低，电阻率增大。 2.3.2热电阻的材料、结构 热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用甸、镍、锰和铑等材料制造热电阻。为了避免通过交流电时产生感抗，或有交变磁场时产生感应电动势，在绕制时要采用双线无感绕制法。由于通过这两股导线的电流方向相反，从而时期产生的磁通相互抵消。 2.3.3铂热电阻的温度特性 （1）在0-850℃范围内： （2）在-200-0℃范围内： 式中A、B、C的系数各为： A=3.9684×10∕℃ ；B=-5.847×10∕℃ C=-4.22×10-12∕℃4 -3-72

教 学 内 容 及 步 骤 2.3.4铜热电阻的温度特性 在-50-150℃范围内： 式中 A=4.2×10∕℃；B=-2.133×10∕℃；C=1.233×10∕℃ 由于B、C比A小得多，所以公式可以简化为： Rt≈R0(1+At) -3-72-93 2.3.5热电阻传感器的结构 热电阻传感器是由电阻体、绝缘管、保护套管、引线和接线盒组成。 2.3.6 热电阻测温系统的组成 热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线和显示仪表等组成。必须注意以下两点： 1、热电阻和显示仪表的分度号必须一致； 2、为了消除连接导线电阻变化的影响，可以采用三线制或四线制接法。 三线制热电阻与温度采集模块连接图如下图所示 在采集模块中A、B两个端子是用来接收电压信号的，一般是毫伏级电压信号。C端是一个电流输出端子，工作时由采集模块输出一个恒定的电流信号。这样在热电阻C、B端会流过一个恒定的电流，当温度变化时，热电阻的阻值变化，这样，A、B端的电压信号就随着温度的变化而线性变化。达到测温的目的。 一般的温度表C端的输出电流是厂家设置的，只需要接线即可。

教 学 内 容 及 步 骤 2.4 半导体热敏电阻式温度传感器 半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、钻、铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，其导电性取决于电子—空穴的浓度。 2.4.1热敏电阻的分类 1、PTC：正温度系数热敏电阻； 在测量温度范围内，其阻值随温度增加而增加； 2、CTR：临界温度系数热敏电阻； 临界温度系数热敏电阻的特点是在临界温度附近电阻有急剧变化，因此不适于较宽温度范围内的测量； 3、NTC：负温度系数热敏电阻。 其阻值随温度增加而呈下降趋势。测温原理：在低温下电子—空穴的浓度很低，故电阻率很大随着温度的升高，电子—空穴的浓度按指数规律增加，电阻率迅速减小，其温阻特性：RT=R0eB(1/T-1/TO)。 典型的热敏电阻元件有圆形、杆形和珠形等，其结构及温度特性如图所示。 负温度系数热敏电阻的性能： 1）电阻温度系数大，灵敏度高； 2）结构简单，体积小，可测点温； 3）电阻率高，热惯性小，适用于动态测量； 4）易于维护和进行远距离测量；

教 学 内 容 及 步 骤 5）制造简单，使用寿命长； 6）互换性差，非线性严重。 2.4.2 温度测量非线性修正 由于热敏电阻与温度的关系呈较强的非线性，使得他的测量范围和精度受到一定，为了解决这两方面的问题，常利用温度系数很小的金属电阻与热敏电阻串联和并联，使热敏电阻阻值在一定范围内呈线性关系。 常用的方法是： 1）线性网络； 2）综合修正； 3）计算修正法 2.5 非接触式温度传感器 1、工作原理 当物体受热后电子运动的动能增加，有一部分热能转变为辐射能，辐射能量的多少与物体的温度有关。当温度较低时，辐射能力弱；当温度高于一定值之后，可以用肉眼观测到光，其发光亮度与温度值有一定关系。 2、分类 全辐射式温度传感器、亮度温度传感器、比色式温度传感器。 a. 全辐射式温度传感器 利用物体在全光谱范围内总辐射能量与温度的关系测量温度。由于实际物体吸收能力小于绝对黑体，所以用全辐射温度传感器测得的温度总是低于物体的真实问度，该测得温度称为辐射温度。

教 学 内 容 及 步 骤 辐射温度：非黑体的总辐射能量ET等于绝对黑体的总辐射能量时，黑体的 温度即为非黑体的辐射温度Tr，则物体的真实温度T与辐射温度Tr的关系为T=Tr（1/εT）1/4 特点：适用于远距离，，不能直接接触的高温物体。 b.亮度式温度传感器 利用物体的单色辐射亮度随温度变化的原理，并以被测物体光谱的一个狭窄区域内的亮度与标准辐射体的亮度进行比较来测量温度，物体的真实温度 TL的关系1/T—1/TL=λ/C2×lnεΛt 特点：量程较宽，有较高的测量精度用于测量（700—3200）℃范围的浇铸、轧钢、锻压、热处理时的温度，动态响应快。 c.比色温度传感器 测量两个波长的辐射亮度之比为基础。由于是比较两个波长的亮度故称为比色测量法。 比色温度：定义为非黑体辐射的两个波长λ1和λ2的比。 特点：由于测量连续自动检测钢水、铁水、炉渣和表面没有覆盖物的高温物体温度，优点是反应速度快、测量范围宽、测量温度近似于实际值。

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201 年 月 日 第 周 累计第 个教案 课时 课题 目 的 要 求 知 识 目 标 第三章 力传感器 §3.1-§3.2 1．了解弹性敏感元件的作用及特性 2．熟悉弹性敏感元件分类及如何使用 课型 新授 3．理解并掌握电阻应变片传感器原理及测量电路分析 能 力 目 标 思想教育 重 点 难 点 分 析 培养学生分析与解决问题的能力 严谨的学习态度和习惯 1.电阻应变片传感器的工作原理分析 2.电阻应变片传感器测量电路分析 教学方法 教具学具与 实验准备 组织教学 时间 系 班级 缺课学生名单 讲授、讨论

教 学 内 容 及 步 骤 第三章 力传感器 3.1 弹性敏感元件 3.1.1弹性敏感元件的特性 1．刚度 刚度是弹性元件在外力作用下变形大小的量度，一般用 k来表示。 k=dF dx2．灵敏度 是指弹性敏感元件在单位力作用下产生变形的大小，在弹性理学中称为弹性元件的柔度。它是刚度的倒数，用K表示。 K3．弹性滞后 dx dF实际的弹性元件在加卸载的正反形成中变形曲线是不重合的，这种现象是弹性滞后。产生的主要原因是：弹性敏感元件在工作过程中存在内摩擦。 4．弹性后效 当载荷从某一数值变化到另一数值时，弹性元件变形不是立即完成相应的变形，而是经过一定的时间间隔逐步完成变形的，这种现象称为弹性后效。 5．固有震荡频率 弹性元件都有自己的固有的震荡频率f0将影响传感器的动态特性。传感器的工作频率应该避开弹性元件的固有频率，往往希望固有震荡频率f0较高， 3.1.2弹性敏感元件的分类 1．力的弹性敏感元件 包括等截面圆柱式、圆环式、等截面薄板式、悬臂梁式、扭转式。 2．的弹性敏感元件 包括弹簧管、波纹管、波纹膜片、薄壁圆筒。

教 学 内 容 及 步 骤 3.2 电阻应变片传感器 3.2.1金属丝的电阻应变效应 电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这一现象就是电阻丝的应变效应。 设有一段长为 l，截面为 s，电阻率为 的金属丝，则它的电阻为 当它受到轴向力F而被拉伸(或压缩)时，其 l、 s、 均发生变化，如图示，如取金属丝是半径为 的圆形截面 sr2，那么 故电阻的相对变化为

教 学 内 容 及 步 骤 3.2.2 应变片结构与类型 应变片结构如图所示，它主要是由金属丝栅(敏感栅)、绝缘基片及覆盖片三部分组成应变片阻值常用的有60Ω、120Ω、200Ω、320Ω、350Ω、500Ω、1000Ω，其中120Ω最为常用。 电阻应变片主要分为金属电阻应变片和半导体应变片两类，金属电阻应变片分为体型和薄膜型。属于体型的有电阻丝应变片、箔式应变片和应变花。 ①电阻丝应变片：电阻丝应变片有圆角线栅式和直角线栅式两种。 前者制造方便，为最常见形式，但它的横向效应较大。 ②金属箔式应变片： 3.2.3测量电路 直流电桥 电桥线路是由联接成环形的四个电阻所组成，如图示。

教 学 内 容 及 步 骤 ①一个桥臂电阻有变化，例如桥臂1电阻有ΔR1的变化，则电桥的输出电压为 若取 R1=R2=R3=R4 则 当 R1R0时，则 ②两个桥臂电阻有变化，如桥臂电阻 R1和邻边桥臂电阻 R2都有电阻变化，即 R1变为R1+ΔR1， R2变为 R1+ΔR1，当 R1=R2=R3=R4=R0，且R1R2R时， 这称为半桥双臂工作电桥。

教 学 内 容 及 步 骤 ③四个桥臂电阻均有变化，假设R1 、R2 、R3 、R4 的变化量分别为ΔR1 、ΔR2 、ΔR3 、ΔR4 ，R1 = R2= R3= R4= R0，则其输出电压为 U0R1R2R3R4U4R0 可以看到：相邻边两桥臂电阻变化是各自引起的输出电压相减，相对边二桥臂电阻变化是各自引起的输出电压相加。 3.2.4 电阻应变式传感器的应用 按用途，应变式传感器可以分为应变式测力、应变式压力、应变式加速度传感器等。 (1)应变式测力传感器 (2)应变式加速度传感器

教 学 内 容 及 步 骤 (3)应变式压力传感器 应用举例 案例一：桥梁固有频率测量 原理：在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车碍时的冲击对桥梁进行激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。 案例二：电子称 原理：将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。

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201 年 月 日 第 周 累计第 个教案 课时 课题 课型 3.3压电传感器 1．了解晶体、压电陶瓷的压电效应 2．理解眼点传感器的等效电路 3．掌握石英晶体的压电效应分析 4．掌握压电传感器的测量电路 培养学生分析和解决问题的能力 严谨的学习态度和习惯 重点：1、石英晶体的压电效应 2、压电传感器的测量电路 难点：测量电路的分析 讲授 新授 目 的 要 求 知 识 目 标 能 力 目 标 思想教育 重 点 难 点 分 析 教学方法 教具学具与 实验准备 组织教学 时间 系 班级 缺课学生名单

3.3压电传感器 3.3.1压电效应 某些晶体，当沿一定方向受到外力作用时，内部产生极化现象，同时在某两个表面上产生大小相等符号相反的电荷；当外力去掉后，恢复到不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的极性随着改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比，这种现象叫压电效应，也叫正压电效应。 反之，如对晶体施加电场，晶体将在一定方向上产生机械变形；当外加电场撤去后，该变形也随之消失，这种现象称为逆压电效应，也称作电致伸缩效应。 + F + 串联 + q=DF 并联 教 学 内 容 及 步 骤 1）纵向压电效应：沿x轴施加作用力，晶体表面产生电荷的现象。电荷出现在与x轴相垂直的表面上。产生的电荷量为： Qxxd11Fx 其中，d11：纵向压电常数；Fx：作用力。 2）横向压电效应：沿 y 轴施加作用力，晶体表面产生电荷的现象。电荷仍出现在与 x 轴相垂直的表面上。产生的电荷量为：Qxyad12Fyb 式中，d12：横向压电常数； Fy：作用力； b ：x向厚度； a ：y向长度。由于力所施加的表面与感生电荷的表面不同，电荷量与晶体尺寸有关。根据石英晶体轴对称的条件，d12d11，从而：Qxyad11Fyb 即横向压电效应产生的电荷与纵向压电效应产生的电荷极性相反。电压：uQ/cx 3.3.3 压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷具有与铁磁材料磁畴类似的电畴结构。当压电陶瓷极化处理后，陶瓷材料内部存有很强的剩余场极化。当陶瓷材料受到外力作用时，电畴的界限发生移动，引起极化强度变化，产生了压电效应。 QzzdzzFz QzxSzdz2FySzdz1Fx Qzy SxSy3.3.4 压电式传感器的测量电路 1. 压电元件的串联与并联 ''图(a)为串联形式，由图可知极板上的电荷量QQa，电压U2Ua，电容C'Ca/2。图(b)为并联形式，由图可知极板上的电荷量Q'2Qa，电压 U'Ua，电容C'2Ca。 2. 压电传感器的等效电路 给压电晶片加上电极就构成了最简单的压电式传感器。当压电传感器受到沿其敏感轴向的外力作用时，就在两电极上产生极性相反的电荷，因此它相当于一个电荷源（静电发生器）。由于压电晶体是绝缘体，当它的两极表面聚集电荷时，它又相当于一个电容器，其电容量 教 学 内 容 及 步 骤 当压电晶体受外力作用时，两表面产生等量的正、负电荷Q，可求出其开路电压（负载电阻为无穷大时）为： 压电式传感器既可等效为电荷源又可等效为电容器，其等效电路可认为是二者的并联，如图（a）所示，也可认为是一个电压源和一个电容器串联，如图（b）所示。其中Ra为压电元件的漏电阻。 压电式传感器工作时，需与二次仪表配套使用，此时的等效电路如图所示。图中Cc为传感器电缆电容，Ri为放大器输入电阻，Ci为输入电容。 3. 压电传感器测量电路 压电传感器具有两种等效电路：电荷等效电路和电压等效电路，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。 电压放大器（阻抗变换器） 电压放大器的功能是将压电传感器的高输出阻抗变为较低阻抗，并将压电式传感器的微弱电压信号放大。其等效电路如图所示。

教 学 内 容 及 步 骤 放大器的实际输入电压 Uim与理想情况的输入电压 Uom的幅值比为 令R(CaCcCi)，则上式可写为： 式中 为测量回路的时间常数。由式和）绘出电压幅值比、相角与频率的关系如图所示。从图中可以看出：

教 学 内 容 及 步 骤 ①ω=0时，即作用在压电传感器上的力是静态力时，前置放大器的输入电压为0。这是因为实际上放大器的输入阻抗不可能为无穷大，而压电传感器也不能绝对绝缘，因此产生的电荷就会通过放大器的输入电阻和传感器本身的泄露电阻漏掉。这就从原理上说明了压电式传感器不能测量静态物理量。 ②当ω≥3时，可以近似看作放大器的输入电压与作用力的频率无关。在时间常数 一定的条件下，被测物理量的变化频率越高，则放大器的输入电压越 接近理想情况。说明压电传感器具有良好的高频响应特性。 ③为了提高传感器的低频特性，就必须提高回路的时间常数。由于R(CaCcCi)，所以提高可以有两种方法：提高 R和提高CaCcCi。 传感器的灵敏度 当时 由式上式可知 CaCcCi增大，则传感器的灵敏度将下降，这是我们所不希望的，因此只有通过提高R的方法来提高传感器的时间常数。为了提高R要选择输入阻抗高的放大器。 ④由式上式还可以看出电缆分布电容的改变将会直接影响传感器的灵敏度。在设计时，常常把电缆长度定为一常值（如30m），但也不能太长，增长电缆，电缆电容 Cc随之增大，将使传感器的灵敏度Su降低。

教 学 内 容 及 步 骤 (1) 电荷放大器 电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器。压电传感器可以等效为一个电容器 Cc和一个电荷源，而电荷放大器实际上是一个具有深度电容负反馈的高增益运算放大器。压电传感器与电荷放大器联接的等效电路如图所示。 图中 Cf为电荷放大器的反馈电容， Rf为并在反馈电容两端的漏电阻，K为运算放大器的开环增益。 输出电压表达式为：UoutQK，由于很大，所以上CaCoCi(1K)Cf式可以简化为：UoutQKQ (1K)CfCf可见，电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈电容有关，只要保持反馈电容的数值不变，输出电压就正比于输入电荷，当(1K)Cf10(CaCcCi)时，可以认为传感器的灵敏度与电缆电容无关。

教 学 内 容 及 步 骤 3.3.5 压电式传感器的结构 YDS-781型由底座、传力上盖、片式电极、石英晶片、绝缘件及电极引出插座组成。 3.3.6 压电材料 1、压电单晶 2、多晶压电陶瓷 3、高分子有机压电材料 4、压电半导体 3.3.7 应用举例 a) 加速度计，力传感器 b) 压力变送器

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201 年 月 日 第 周 累计第 个教案 课时 课题 课型 新授 3.4电容式传感器 目 的 要 求 知 识 目 标 能 力 目 标 思想教育 重 点 难 点 分 析 教学方法 教具学具与 实验准备 组织教学 时间 系 班级 缺课学生名单 1．了解各种电容式传感器的特点及主要特性 2．掌握各种电容式传感器的工作原理分析 3．理解电容式传感器的测量电路 培养学生的理解与分析能力 严谨的学习态度和习惯 重点：电容式传感器的工作原理及测量电路 难点：传感器测量电路的分析 讲授

教 学 内 容 及 步 骤 3.4电容式传感器 3.4.1电容式传感器的工作原理 两平行极板组成的电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为 当被测量的变化使式中的δ、 S或ε任一参数发生变化时，电容量C也就随之变化。 电容式传感器有三种基本类型，即变极距或称变间隙型，变面积型和变介电常数型，而它们的电极形状又有平板形、圆柱形和球平面形(较少采用)三种。 3.4.2变极距型电容传感器 + + + 图示是变极距电容传感器的结构原理图。图中(a)、(b)结构的电容增量： 3.4.3变面积型电容传感器 可分为角位移型、平面线位移型、柱面线位移型三种，如图所示。

教 学 内 容 及 步 骤 角位移型 平面线位移型 柱面线位移型 + + + + + 图中（a）、（b）、（c）为单边式，（d）为差动式(图中(a)、(b)结构也可做成差动形式)。与变极距型相比，它们的测量范围大，可测较大的线位移或角位移(1″至几十度)。当被测量变化使可动极2位置移动时，就改变了两极板间的遮盖面积，电容量C也就随之变化。对于平板单边直线位移式(图(a)) ，若忽略边缘效应，则电容增量为 对于平板单边直角位移式(图(b)) ，若忽略边缘效应，则电容增量为 圆柱形电容器（图（c）、（d））的电容量为：

教 学 内 容 及 步 骤 对于单边圆柱形线位移式，当可动极位置移动 化量为 时，忽略边缘效应，电容变 3.4.4变介电常数型电容传感器 变介电常数型电容传感器的结构原理如图所示。这种传感器大多用来测量电介质的厚度(图(a))、位移((b))、液位(图(c))，还可根据极间介质的介电常数随温度、湿度改变而改变来测量温度、湿度(图(d))等。 3.4.5 测量电路 目前较常采用的有电桥电路、谐振电路、调频电路和运算放大器式电路等，如图所示。这里只介绍电桥电路和运算放大器电路。 a) 电桥电路 b) 谐振电路 c) 调频电路 d) 运算放大器电路

教 学 内 容 及 步 骤 1、电桥电路 将电容传感器接入交流电桥作为电桥的一个臂或两个相邻臂，另两臂可以是电阻、电容或电感，也可以是变压器的两个次级线圈，如图所示。 电容式传感器构成交流电桥的一些形式 从电桥灵敏度考虑，图(a)～(f)中，以(f)形式为最高，(d)次之。在设计和选择电桥形式时，除了考虑其灵敏度外，还应考虑输出电压是否稳定(即受外界干扰影响大小)，输出电压与电源电压间的相移大小，电源与元件所允许的功率以及结构上是否容易实现等等。在实际电桥电路中，还附加有零点平衡调节、灵敏度调节等环节。 图(g)形式的电桥(紧耦合电感臂电桥)具有较高的灵敏度和稳定性，且寄生电容影响极小，大大简化了电桥的屏蔽和接地，非常适合于高频工作，目前已开始广泛应用。 图(h)形式的电桥(变压器式电桥)，使用元件最少，桥路内阻最小，因此目前较多采用。 可见差动式电容传感器接入变压器式电桥，当放大器输入阻抗极大时，对任

教 学 内 容 及 步 骤 何类型的电容式传感器，电桥输出电压与输入位移成线性关系。应该指出：由于电桥输出电压与电源电压成比例，因此要求电源电压波动极小，需采用稳幅、稳频等措施，在要求精度很高的场合，如飞机用油量表，可采用自动平衡电桥；传感器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性增大；接有电容传感器的交流电桥输出阻抗很高(一般达几兆欧至几十兆欧)，输出电压幅值又小，所以必须后接高输入阻抗放大器将信号放大后才能测量。 2、运算放大器式电路 由以下关系： 1UjI0C01U0jIx CxI0Ix解得：U0UC0C0U CxS3.4.6电容式传感器应用举例 1.电容式加速度传感器 电容式加速度传感器结构示意图

教 学 内 容 及 步 骤 2.电容传感器测量液 液位检测电路图 3.电容式荷重传感器

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201 年 月 日 第 周 累计第 个教案 课时 课题 课型 3.5电感式传感器 1．了解电感式传感器的分类 新授 目 的 要 求 知 识 目 标 2．掌握各种电感式传感器的工作原理及测量电路 3．掌握力传感器的应用实例分析 能 力 目 标 思想教育 重 点 难 点 分 析 培养学生的创新思维能力 严谨的学习态度和习惯 重点：1、自感式传感器的工作原理分析 2、互感式传感器的工作原理分析 难点：电感式传感器两种测量电路的分析 讲授 教学方法 教具学具与 实验准备 组织教学 时间 系 班级 缺课学生名单

教 学 内 容 及 步 骤 3.5电感式传感器 3.5.1定义 电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。 3.5.2自感式传感器(可变磁阻式) 1．类型： a)可变导磁面积b）差动型 c）单螺管线圈型 d）双螺管线圈差动 2．工作原理

教 学 内 容 及 步 骤 线圈的匝数为 N，通入线圈中的电流为 I，每匝线圈产生的磁通为Φ，由电感定义有 LN I设磁路总磁阻为 RM，磁通为 INRM 磁路的总磁阻 RM是由铁芯磁阻 RF和空气隙磁阻 Rδ组成的，即 因为一般导磁体的磁阻与空气隙的磁阻相比是很小的，计算时可以忽略不计， 当衔铁随外作用力向上移动Δδ时，气隙减少，为δ=δ0-Δδ，则此时的电感量变为 电感的变化量为

教 学 内 容 及 步 骤 电感的相对变化量为 3.5.3电感传感器的测量电路 交流电桥是电感传感器的主要变换电路。图示为交流电桥的一般形式，开路输出电压 U0Z1Z4Z1Z3Z2Z4UiUiUi Z1Z2Z3Z4(Z1Z2)(Z3Z4) 3.5.4电感传感器的误差分析 （1）电源电压和频率波动造成的误差 （2）温度变化造成的误差 （3）非线性误差 （4）零位误差 产生零位误差的原因有以下几种： ①两个线圈的电气参数及导磁体的几何尺寸不可能完全对称； ②线圈的分布电容不对称； ③电源电压中含有高次谐波； ④传感器工作在磁化曲线的非线性段。

教 学 内 容 及 步 骤 3.5.5互感型－差动变压器 差动变压器是互感式电感传感器，它可以将被测量的变化转换为互感系数M的变化。其工作原理类似于变压器，并常常做成差动的，故称为差动变压器。 1、 工作原理 当初级线圈加以适当频率的电压激励时，在两个次级线圈中就会产生感应电动势E21和E22。初始状态时，衔铁处于中间位置，即两边气隙相同，两次级线圈的互感相等，即M1=M2，由于两个次级线圈做得一样，磁路对称，所以两个次级线圈产生的感应电动势相同，即有E21=E22，当次级线圈接成反向串联，则传感器的输出为E2=E21-E22=0。当衔铁偏离中间位置时，两边的气隙则不相等，这样两次级线圈的互感M1和M2发生变化，即M1≠M2，从而产生的感应电动势也不再相同，即E21E22，E20。 2、 结构形式及特性 差动变压器的结构形式可分为气隙型、变面积型和螺管型三种。 对于三节式差动变压器， 在理想情况下，忽略衔铁损耗和线圈寄生电容等因素的影响，其等效电路如图所示，次级线圈的感应电动势 E21、E22分别为： E21jM1I1 E22jM2I2

教 学 内 容 及 步 骤 空载输出电势为： U1(M2M1) r1jL1E2E21E22jI1(M2M1)j 应用有关的磁场定律可以求解出互感系数M1和M2 ： 得： 当衔铁处于中间位置时有l1=l2=l0，则E2=0。 当衔铁有位移 时，则l1=l0+Δl，l2=l0-Δl，得 E2=k1Δl(1-k2Δl2) 传感器的输出特性曲线如图所示。 3、 差动变压器的测量电路 差动变压器的转换电路，如图所示，传感器的空载输出电压等于两个次级线圈感应电动势之差，即 E2=E21-E22。

教 学 内 容 及 步 骤 图（a）、（b）用在联结低阻抗负载的场合，是电流输出型。图（c）、（d）用在联结高阻抗负载的场合，是电压输出型。差动整流后的输出电压的线性与不经整流的次级输出电压的线性有些不同，当二次线圈阻抗高，负载电阻大，接入电容器进行滤波时，其输出线性的变化倾向是：当铁芯位移大时，输出灵敏度增加，利用这一特性就能够使差动变压器的直线范围扩展。 3.6 力传感器应用 力传感器可以用来测量厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,压缩,垂直度;压力,流量,液位;张力,重力,负荷量;扭矩,应力,动力;气压,温度;振动,速度,加速度等. （1）位移的测量 （2）力和力矩的测量

教 学 内 容 及 步 骤 案例一：板的厚度测量 案例二：张力测量

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201 年 月 日 第 周 累计第 个教案 课时 课题 目 的 要 求 知 识 目 标 第四章 1．熟悉光电效应的类型及各自定义 课型 新授 2．掌握利用各种光电效应制成的光电元件的特性 3．掌握光电传感器的几个应用实例 能 力 目 标 思想教育 重 点 难 点 分 析 培养学生的理解与应用能力 严谨的学习态度和习惯 重点：1、各类光电元件的特性分析 2、光电传感器应用分析 难点：传感器的动态特性分析 讲授、讨论 教学方法 教具学具与 实验准备 组织教学 时间 系 班级 缺课学生名单

教 学 内 容 及 步 骤 第四章 光电式传感器 4.1 光电效应 4.1.1三种类型 （1）外光电效应 在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射的现象叫外光电效应。 红限频率：物质产生外光电效应的最低频率，称为红限频率。 利用外光电效应制成的光电器件有真空光电管、充气光电管和光电倍增管。 （2）内光电效应（光导效应） 在光的作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，引起物体电阻率的变化，这种现象称为光电导效应。由于这里没有电子自物体向外发射，仅改变物体内部的电阻或电导，有时也称为内光电效应。 与外光电效应一样，要产生光电导效应，也要受到红限频率。 利用光电导效应可制成半导体光敏电阻和光敏晶体管。 （3）光生伏特效应 在光的作用下，能够使物体内部产生一定方向的电动势的现象叫光生伏特效应。 利用光生伏特效应制成的光电器件有光敏二极管、光敏三极管和光电池等。 4.1.2光电器件的特性 （1）光电流 光敏元件的两端加一定偏置电压后，在某种光源的特定照度下产生或增加的电流称为光电流。 （2）暗电流 光敏元件在无光照时，两端加电压后产生的电流称为暗电流。 （3）光照特性 当光敏元件加一定电压时，光电流I与光敏元件上光照度E

教 学 内 容 及 步 骤 之间的关系，称为光照特性。一般可表示为 。 （4）光谱特性 当光敏元件加一定电压时，如果照射在光敏元件上的是一单色光，当入射光功率不变时，光电流随入射光波长变化而变化的关系 ，称为光谱特性。 光谱特性对选择光电器件和光源有重要意义，当光电器件的光谱特性与光源的光谱分布协调一致时，光电传感器的性能较好，效率也高。在检测中，应选择最大灵敏度在需要测量的光谱范围内的光敏元件，才有可能获得最高灵敏度。 （5）伏安特性 在一定照度下，光电流I与光敏元件两端的电压U的关系I=f(U)称为伏安特性。 （6）频率特性 在相同的电压和相同幅值的光强度下，当入射光以不同的正弦交变频率调制时，光敏元件输出的光电流I和灵敏度S随调制频率f变化的关系：I=f1(f)、 S=f2(f)称为频率特性。 （7）温度特性 环境温度变化后，光敏元件的光学性质也将随之改变，这种现象称为温度特性。 4.2 光电器件 4.2.1光敏电阻 ①光敏电阻工作原理和结构 光敏电阻是利用光电导效应制成的。制造光敏电阻的材料一般由金属的硫化物、硒化物、碲化物组成。由于光电导效应只限于光照的表面薄层，因此光电导体一般都做成薄层。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极常采用梳状图案，如图所示。它是在一定的掩膜下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。

教 学 内 容 及 步 骤 为了避免外来干扰，光敏电阻外壳的入射孔上盖有一种能透过所要求光谱范围的透明保护窗（如玻璃）。为了避免光敏电阻的灵敏度受潮湿等因素的影响，将电导体严密封装在金属壳中。如图所示。 ②光敏电阻的基本特性和主要参数 光敏电阻的暗电阻越大，亮电阻越小，则性能越好。实际用的光敏电阻的暗电阻在1 MΩ～100MΩ之间，而亮电阻在几千欧姆以下。 不同类型的光敏电阻，其光照特性也不相同，多数光敏电阻的光照特性类似于图所示的曲线形状。因此，光敏电阻不宜作为线性测量元件，这是光敏电阻的一个缺点。在一般的控制系统中用作开关式光电信号传感元件。

教 学 内 容 及 步 骤 光敏电阻对温度变化比较敏感，当温度升高时，它的暗电阻和灵敏度都将下降。 4.2.2光敏二极管和光敏三极管 光敏二极管和光敏三极管统称光敏管。 (1) 光敏二极管原理和结构 光敏二极管的结构与一般的二极管相似，其PN结对光敏感。将其PN结装在管的顶部，上面有一个透镜制成的窗口，以便使光线集中在PN结上。 下图给出了NPN型光敏三极管基本线路。基极开路，基极-集电极处于反偏状态。当光照射到PN结附近时，由于光生伏特效应，产生光电流。该电流相当于普通三极管的基极电流，因此将被放大（1+β）倍，所以光敏三极管具有比光敏二极管更高的灵敏度

教 学 内 容 及 步 骤 (2) 光敏管的基本特性和主要参数 教 学 内 容 及 步 骤 半导体色敏器件利用半导体特有的光吸收特性与厚度有关的原理，将两个光电二极管（PD1，PD2）深浅不一地集成于同一硅片上，构成彩色识别元件，其结构如图（a）所示。 色敏器件检测颜色的原理是：集成片表面（PN结距表面约0.5μm）的光电二极管PD1 对短波长光谱响应较强，深处（PN结深约10μm）的光电二极管PD2对于长波长光谱响应较强，如图所示。这样PD1和PD2短路电流的比值为图示的一条曲线，根据比值与入射光波长的一一对应关系，就可直接求得入射光波长。 结型场效应光敏管的缺点是响应速度慢，一般只适宜探测恒定或缓慢变化的微弱光。 教 学 内 容 及 步 骤 4.2.3光电传感器的应用 光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式、反射式、辐射式四种基本形式。 案例一、光电测微计 案例二、光电转速传感器

教 学 内 容 及 步 骤 案例三、光电鼠标： 利用LED与光敏晶体管组合来测量位移。 案例四、亮度传感器：通过检测周围环境的亮度，再与内部设定值相比较，调整光源的亮度和分布，有效利用自然光线，达到节约电能的目的。

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201 年 月 日 第 周 累计第 个教案 课时 课题 目 的 要 求 知 识 目 标 §4.3红外线传感器 1．了解红外测温的优点 2．掌握红外测温仪的工作原理 3．掌握红外测温仪的性能及选择 课型 新授 能 力 目 标 思想教育 重 点 难 点 分 析 培养学生分析和解决问题的能力 严谨的学习态度和习惯 重点：1、红外测温仪的工作原理分析 2、红外测温仪的选择 教学方法 教具学具与 实验准备 组织教学 时间 系 班级 缺课学生名单 讲授

教 学 内 容 及 步 骤 4.3红外线传感器 4.3.1概述 红外测温技术在产品质量控制和监测、设备在线故障诊断、安全保护以及节约能源等方面发挥了正在发挥着重要作用。近二十年来，非接触红外测温仪在技术上得到迅速发展，性能不断提高，适用范围也不断扩大。比起接触式测温方法。 红外测温的优点：（1）响应时间快；（2）非接触；（3）使用安全及使用寿命长等。 1、红外测温仪工作原理 一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。物体的红外辐射特性——辐射能量的大小及其按波长的分布——与它的表面温度有着十分密切的关系。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。 黑体辐射定律： 黑体是一种理想化的辐射体，它吸收所有波长的辐射能量，没有能量的反射和透过，其表面的发射率为1。应该指出，自然界中并不存在真正的黑体，但是为了弄清和获得红外辐射分布规律，在理论研究中必须选择合适的模型，这就是普朗克提出的体腔辐射的量子化振子模型，从而导出了普朗克黑体辐射的定律，即以波长表示的黑体光谱辐射度，这是一切红外辐射理论的出发点，故称黑体辐射定律。 2、物体发射率对辐射测温的影响： 自然界中存在的实际物体，几乎都不是黑体。所有实际物体的辐射量除依赖于辐射波长及物体的温度之外，还与构成物体的材料种类、制备方法、热过

教 学 内 容 及 步 骤 程以及表面状态和环境条件等因素有关。因此，为使黑体辐射定律适用于所有实际物体，必须引入一个与材料性质及表面状态有关的比例系数，即发射率。该系数表示实际物体的热辐射与黑体辐射的接近程度，其值在零和小于1的数值之间。根据辐射定律，只要知道了材料的发射率，就知道了任何物体的红外辐射特性。 3、影响发射率的主要因素： 材料种类、表面粗糙度、理化结构和材料厚度等。 4、测温原理； 当用红外辐射测温仪测量目标的温度时首先要测量出目标在其波段范围内的红外辐射量，然后由测温仪计算出被测目标的温度。单色测温仪与波段内的辐射量成比例；双色测温仪与两个波段的辐射量之比成比例。 5、红外系统： 红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学零件及其位置确定。红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路，并按照仪器内疗的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。 4.3.2红外测温仪正确选择 选择红外测温仪可分为三个方面：性能指标方面，如温度范围、光斑尺寸、工作波长、测量精度、响应时间等；环境和工作条件方面，如环境温度、窗口、显示和输出、保护附件等；其他选择方面，如使用方便、维修和校准性能以及价格等，也对测温仪的选择产生一定的影响。随着技术和不断发展，红外测温仪最佳设计和新进展为用户提供了各种功能和多用途的仪器，扩大了选择余地。 1、确定测温范围： 教 学 内 容 及 步 骤 测温范围是测温仪最重要的一个性能指标。如Raytek（雷泰）产品覆盖范围为-50℃- +3000℃，但这不能由一种型号的红外测温仪来完成。每种型号的测温仪都有自己特定的测温范围。因此，用户的被测温度范围一定要考虑准确、周全，既不要过窄，也不要过宽。根据黑体辐射定律，在光谱的短波段由温度引起的辐射能量的变化将超过由发射率误差所引起的辐射能量的变化，因此，测温时应尽量选用短波较好。 2、确定目标尺寸： 红外测温仪根据原理可分为单色测温仪和双色测温仪（辐射比色测温仪）。对于单色测温仪，在进行测温时，被测目标面积应充满测温仪视场。建议被测目标尺寸超过视场大小的50%为好。如果目标尺寸小于视场，背景辐射能量就会进入测温仪的视声符支干扰测温读数，造成误差。相反，如果目标大于测温仪的视场，测温仪就不会受到测量区域外面的背景影响。 对于Raytek（雷泰）双色测温仪，其温度是由两个的波长带内辐射能量的比值来确定的。因此当被测目标很小，没有充满现场，测量通路上存在烟雾、尘埃、阻挡对辐射能量有衰减时，都不会对测量结果产生影响。甚至在能量衰减了95%的情况下，仍能保证要求的测温精度。对于目标细小，又处于运动或振动之中的目标；有时在视场内运动，或可能部分移出视场的目标，在此条件下，使用双色测温仪是最佳选择。如果测温仪和目标之间不可能直接瞄准，测量通道弯曲、狭小、受阻等情况下，双色光纤测温仪是最佳选择。这是由于其直径小，有柔性，可以在弯曲、阻挡和折叠的通道上传输光辐射能量，因此可以测量难以接近、条件恶劣或靠近电磁场的目标。 3、确定光学分辨率（距离系灵敏） 光学分辨率由D与S之比确定，是测温仪到目标之间的距离D与测量光斑直径S之比。如果测温仪由于环境条件必须安装在远离目标之处，而又要 测量小的目标，就应选择高光学分辨率的测温仪。光学分辨率越高，即增大D： 教 学 内 容 及 步 骤 S比值，测温仪的成本也越高。 4、确定波长范围： 目标材料的发射率和表面特性决定测温仪的光谱响应或波长。对于高反射率合金材料，有低的或变化的发射率。在高温区，测量金属材料的最佳波长是近红外，可选用0.18-1.0μm波长。其他温区可选用1.6μm、2.2μm和3.9μm波长。由于有些材料在一定波长是透明的，红外能量会穿透这些材料，对这种材料应选择特殊的波长。如测量玻璃内部温度选用1.0μm、2.2μm和3.9μm（被测玻璃要很厚，否则会透过）波长；测量玻璃内部温度选用5.0μm波长；测低区区选用8-14μm波长为宜；再如测量聚乙烯塑料薄膜选用3.43μm波长，聚酯类选用4.3μm或7.9μm波长。厚度超过0.4mm选用8-14μm波长；又如测火焰中的CO2用窄带4.24-4.3μm波长，测火焰中的CO用窄带4.μm波长，测量火焰中的NO2用4.47μm波长。 5、确定响应时间： 响应时间表示红外测温仪对被测温度变化的反应速度，定义为到达最后读数的95%能量所需要时间，它与光电探测器、信号处理电路及显示系统的时间常数有关。Raytek（雷泰）新型红外测温仪响应时间可达1ms。这要比接触式测温方法快得多。如果目标的运动速度很快或测量快速加热的目标时，要选用快速响应红外测温仪，否则达不到足够的信号响应，会降低测量精度。然而，并不是所有应用都要求快速响应的红外测温仪。对于静止的或目标热过程存在热惯性时，测温仪的响应时间就可以放宽要求了。因此，红外测温仪响应时间的选择要和被测目标的情况相适应。 6、信号处理功能： 测量离散过程（如零件生产）和连续过程不同，要求红外测温仪有信号处理功能（如峰值 保持、谷值保持、平均值）。如测温传送带上的玻璃时，就要用峰值保持，其温度的输出信号传送至控制器内。 教 学 内 容 及 步 骤 7、环境条件考虑： 测温仪所处的环境条件对测量结果有很大影响，应加以考虑并适当解决，否则会影响测温精度甚至引起测温仪的损坏。当环境温度过高、存在灰尘、烟雾和蒸汽的条件下，可选用厂商提供的保护套、水冷却、空气冷却系统、空气吹扫器等附件。这些附件可有效地解决环境影响并保护测温仪，实现准确测温。在确定附件时，应尽可能要求标准化服务，以降低安装成本。当烟雾、灰尘或其他颗粒降低测量能量信呈悍，双色测温仪是最佳选择。在噪声、电磁场、震动或难以接近环境条件下，或其他恶劣条件下，光纤双色测温仪是最佳选择。 在密封的或危险的材料应用中（如容器或真空箱），测温仪通过窗口进行观测。材料必须有足够的强度并能通过所用测温仪的工作波长范围。还要确定操作工是否也需要通过窗口进行观察，因此要选择合适的安装位置和窗口材料，避免相互影响。在低温测量应用中，通常用Ge或Si材料作为窗口，不透可见光，人眼不能通过窗口观察目标。如操作员需要通过窗口目标，应采用既透红外辐射又透过可见光的光学材料，如应采用既透红外辐射又透过可见光的光学材料，如ZnSe或BaF2等作为窗口材料。 8、操作简单，使用方便： 红外测温仪应该是直观的，操作简单，易于被操作人员使用，其中便携式红外测温仪是一种集测温和显示输出为一体的小型、轻便、由人携带进行测温的仪器，在显示面板上可显示温度和输出各种温度信息，有的可通过遥控或通过计算机软件程序操作。 在环境条件恶劣复杂的情况下，可以选择测温头和显示器分开的系统，以便于安装和配置。可选择与现行控制设备相匹配的信号输出形式。 9、红外辐射测温仪的标定： 红外测温仪必须经过标定才能使它正确地显示出被测目标的温度。如果所用的测温仪在使用中出现测温超差，则需退回厂家或维修中心重新标定。 教 案

201 年 月 日 第 周 累计第 个教案 课时 课题 目 的 要 求 知 识 目 标 §4.4光纤传感器 1．了解光纤传感器的优点及类型 2．掌握光纤传感器的结构及基本原理 3．掌握光纤传感器的应用 课型 能 力 目 标 思想教育 重 点 难 点 分 析 培养学生的理解与应用能力 严谨的学习态度和习惯 重点：1、光纤传感器的基本原理 2、光纤传感器的应用 难点：应用实例分析 讲授 教学方法 教具学具与 实验准备 组织教学 时间 系 班级 缺课学生名单

教 学 内 容 及 步 骤 4.4 光纤传感器 4.4.1 光纤传感器基础 （1）、光纤及光在其中的传输 光纤的结构和基本原理 光纤结构：纤芯n1、包层n2、护套。n1 >n2 光纤的传输特性 n0sinθ0=n1sinθ1 数值孔径：NA=sinθc= θ:临界入射角 归一化频率：v=2πaNA/λ （2）、光纤传感器的光源 光纤传感器的光源：大多采用相干光源（激光器） 半导体激光器 氦氖激光器 固体激光器

教 学 内 容 及 步 骤 4.4.2光纤传感器优点 1) 灵敏度高 2)响应速度快 3) 抗电磁干扰 4) 耐腐蚀 5) 电绝缘性好 6) 适于远距离传输等 4.4.3光调制技术 （1）光强度调制型：用被测对象引起光纤中光强度的变化实现对被测对象的检测。分为内调制型和外调制型两种 外调制型：光纤仅起传光作用，光纤本身特性不改变，调制过程发生在光纤以外的环节。属于传光型传感器。动光纤式、动光闸式、反射式等。 内调制型：调制过程发生在光纤内部，是通过光纤本身特性的改变来实现光强度的调制，属于功能型光纤传感器。有两种途径： 1)改变光纤的几何形状，从而改变光线的传播入射角。 2)改变光纤纤芯或包层的折射率。如采用电光材料、磁光材料、光弹性材料等。微弯效应等 （2）光相位调制型 被测量（温度、压力、张力、磁场等）通过影响光纤（一般采用单模光纤）长度、折射率和内部应力引起光的相位变化，需采用光的干涉技术（干涉仪）检测相位变化。如：光纤干涉仪悬臂梁测试装置、相位调制型光纤电流传感器、相位调制型光声气体探测光纤传感器、相位调制型位移探测光纤传感器。

教 学 内 容 及 步 骤 干涉测量技术：3dB耦合器：将光纤中的光能分为两个相等的部分，并将每一部分耦合进一根单独的光纤中去，在设计上是把输入功率的50%分配给每一条输出通道。常用的有四种干涉仪。 迈克尔逊干涉仪(Michelson)： 马赫-泽德干涉仪(Mach-Zehnder)： 萨格纳克干涉仪(Sagnac)： 法布里-泊涉仪(Fabry-Perot)： （3）光偏振态调制型 被测量引起（单模）光纤中的偏振光的偏振状态发生变化。如：应用（法拉第）磁旋效应做成的高压传输线用的光纤电流传感器、电压传感器、磁感应

教 学 内 容 及 步 骤 传感器。应用的效应有： 法拉第（Faraday）效应：平面偏振光通过带磁性的透光物体或通过在纵向磁场（磁场方向与光传播方向平行）作用下的非旋光物质时，其偏振光面发生偏转的现象。从物体端面射出的合成偏振光的偏转角度θ=KHl 磁光克尔（Kerr）效应：平面偏振光垂直入射于抛光的强电磁铁的磁极表面，所产生的反射光是一束椭圆偏振光，且偏振面偏转角度随磁场强度而变化。 科顿-蒙顿(Cotton-Mouton)效应：当光线垂直于磁场的方向照射液体时，液体分子在外磁场的作用下形成一定规律的排列，而呈现双折射特性，即一束入射光变为寻常和非常两束出射光。⊿n=C′λH. 泡克耳斯（Pockels）效应：平面偏振光沿着处在外电场内的压电晶体的光轴传播时发生双折射现象（称为电致双折射），两个主折射率之差与外电场强度成正比。25*10Hz。 电光克尔（Kerr）效应：光照具有各向同性的透明物质，在与入射光垂直的方向上加以高电压将发生双折射现象，即一束入射光变成正常和异常两束出射光，⊿n=KE,10s. 光弹性效应：弹性体产生应变时，弹性体的折射率发生变化，呈双折射性质。 （4）光频率调制型 一般为传输型传感器。主要应用多谱勒现象。应用有医学上的血液流动测量。 光（波）的多普勒（Doppler）效应：当光波源或观察者（光接收者）相对于介质（或散射体、反射器）运动时，观察者所接收到的光波频率不同于光波源的频率，两者接近时，接收到的频率增大，反之，则减少的现象 f=f0(1±v/c cosθ) (c>>v时) 2-2

教 学 内 容 及 步 骤 （5）光波长（颜色）分布调制型 外界物理量通过传感元件，使光纤中光的波长发生相应变化的过程。应用较少，一般需分光仪。 （6）时分调制型： 外界物理量通过不同传感元件，使光纤中的基带频谱的延迟时间及幅度发生相应变化的过程。主要用于分布式光纤传感器中的位置分布检测。 4.4.4光纤传感器的分类 1、按用途分 位移光纤传感器 速度光纤传感器 压力光纤传感器 液位光纤传感器 流量光纤传感器 温度光纤传感器 2、按光纤在传感器中的作用分 1）传感型光纤传感器，又称功能型光纤传感器，主要使用单模光纤。光纤不仅起传光作用，而且还有测量作用。它是利用光纤本身的传输特性受被测物理量作用发生变化，使光纤中传播的光的属性（如光强、相位、偏振态等）发生变化这一特点制成的。因此这类传感器又可分为光强调制型、相位调制型和偏振态调制型传感器。这类传感器性能好，但结构复杂，调整也较难。 2）传光型光纤传感器，又叫结构型或非功能型光纤传感器。在这类传感器中光纤只具有传输光的作用，需加上其它敏感元件才能构成完整的传感器。为了得到较大受光量和传输的光功率，传光型光纤传感器常采用数值孔径和芯径大的阶跃型多模光纤。它的结构比较简单，并能充分利用光电元件和光纤本身

教 学 内 容 及 步 骤 的特点，应用较广，它的缺点是灵敏度比传感型光纤传感器低，测量精度也差些。 4.4.5光纤传感器的应用举例 1光强调制型光纤压力传感器 图为光强调制型光纤压力传感器。它是利用压力使光纤变形，从而使其传输特性发生变化的原理。如图所示，光纤被夹在一对锯齿板中间，当光纤不受力时，光线从光纤中穿过，没有能量损失。当锯齿板受外力作用而产生位移时，光纤则发生许多微弯，这时在纤芯中传输的光在微弯处有部分散射到包层中，如图（b）所示。这是由于有些光束的入射角小于临界角，不能发生全反射的原因。这样输出的光强就发生了变化，而且受力越大，光纤微弯的程度也越大，泄漏的光越多，根据光强的变化就可确定所受压力的大小。 这种压力传感器的一个突出优点是光功率维持在光纤内部，这样可免除周围环境污染的影响，适宜在恶劣环境中使用。它还具有灵敏度高、结构简单、线性度好、性能稳定等优点。这种结构也可以测锯齿板的位移。 2传光型光纤压力传感器 图为一传光型光纤压力传感器，在光纤的一端封装有一种液晶，当对液晶加压后，散射回光纤的光强就会发生变化，根据光强的变化就可求得压力的大小。利用上述原理做成的光纤传感器可以将其伸入血管内测量血压，由于光纤不导电，这种办法对人体很安全。

教 学 内 容 及 步 骤 3反射式光纤位移传感器 图（a）为反射式光纤位移传感器原理图。该传感器将发射和接收光纤束扎在一起，从发射光纤射出的光，经被测物体表面直接或间接反射后，再经接收光纤照射到光敏元件上。光敏元件所接收到的光量会随被测物体表面与传感器端面的相对位移d变化而变化，二者关系如图（b）所示。从图中可以看出d很小时，接收到的光量也很小，随着d增大，接收到的光量也随之增加，到达某一d值时，接收到的光量达到最大，然后随着d的增加，接收到的光量逐渐减小。图中曲线的a段所测位移范围较小，但灵敏度高，适于测微米级小位移、振动或材料表面状态等。曲线的b段所测位移较大，但灵敏度低，适于测物位。

教 学 内 容 及 步 骤 4光纤速度传感器： （1）通过位移检测，进行转换后可得物体运动的速度或角速度； （2）利用多谱勒效应进行速度检测。 5光纤加速度传感器： 利用一定质量的物体在加速度作用下产生惯性力，将这惯性力转变为位移、转角、变形等变量，通过对这些量的测量，就可以得出加速度的数值。可以采用强度调制或相位调制。如：马赫-泽德干涉仪的光纤加速度传感器、倾斜镜式光纤加速度计等

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201 年 月 日 第 周 累计第 个教案 课时 课题 目 的 要 求 知 识 目 标 第五章 图像传感器 1．了解图像传感器的类型 2．理解CCD和CMOS传感器的工作原理 3．掌握CCD和CMOS传感器的优缺点 课型 能 力 目 标 思想教育 重 点 难 点 分 析 培养学生的理解与分析问题的能力 严谨的学习态度和习惯 重点：CCD和CMOS传感器的性能及应用 难点：CCD和CMOS传感器工作原理分析 教学方法 教具学具与 实验准备 组织教学 时间 系 班级 缺课学生名单 讲授、讨论

教 学 内 容 及 步 骤 第五章 图像传感器 1、分类： 图像传感器有两种： 1） 线型图像传感器.一般用在传真机及扫描仪之类的产品中； 2） 面型图像传感器.广泛地用于摄录像机，安全保卫照相机、数码相机及计算机照相机，并开始用于传统上的非视像产品，如移动电话、个人数字助理(PDA)等。 面型图像传感器中有CCD和CMOS两种模式。通常，传送优良图像质量的设备都采用CCD图像传感器，而注重功耗和成本的产品则选择CMOS图像传感器。但新的技术正在克服每种器体固有的弱点，同时保留了适合于特定用途的某些特性。目前两种图像传感器仍随着信息、通信、互联网及便携式电子设备的发展而发展。比如，图像传感器在移动电话以及摄录像机和数码相机方面都面对着一个急速成长的市场。欧洲、韩国及日本制造商却关注着带内置照相机的移动电话，它将给图像接收设备创造一个不断成长的市场。

教 学 内 容 及 步 骤 图1 不同传感器的结构 图2 CCD及CMOS图像传感器应用市场的发展 2、电荷耦合型(CCD) 图像传感器 CCD（Charge Comple Device）图像传感器由CCD电荷耦合器件制成，它是在MOS(Metal Oxide Semiconductor)集成电路基础上发展起来的。MOS光敏元的结构是在半导体(P型硅)基片上形成一种氧化物(如二氧化硅)，在氧化物上再沉积一层金属电极，以此形成一个金属-氧化物-半导体结构元 (MOS)。

教 学 内 容 及 步 骤 在半导体硅片上按线阵或面阵排列MOS单元，如果照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图像，则这些光敏元上就会感生出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像。 0 1 光敏管阵列 1 1 1 1 并联串联转换CCD 运算电路 驱动脉冲 显示电路 结束信号 应用: (1) 宽度测量; (2) 外径测量; (3) 主轴径向跳动测量.

教 学 内 容 及 步 骤 CCD图像传感器由在单晶硅基片上呈二维排列的光电二极管及其传送电路构成。光电二极管把光转换成电荷，再经转换电路传送和输出。 CCD图像传感器按其传送方法分为两类。 1） 行间传送(IT)型CCD：几乎每一像素都有移位寄存器，并把来自光电二极管的图像值送到移位寄存器。CCD用微镜覆盖，以改善占空因素。 2） 帧行间传送(FIT)CCD：(全帧传送CCD)，CCD把整整一帧的图像数据送入串行移位寄存器，由它进行未加工原始图像的处理。此外，该系统还把电荷迅速传送进储能器，供横向寄存器进行电荷的连续输出。三洋电子及Philips消费电子公司是两家FIT系统应用到CCD图像传感器的制造商。 通常光电二级管均匀排列成矩形点阵，但某些制造商已开发出了不同的设计。几年前，日本富士照相胶卷公司与富士胶卷微器件公司共同开发了Super CCD蜂房传感器技术。这种结构不是传统的纵横向排列，而采用了错列方式，既提高了空间使用率和像素密集度，又符合人类视觉的特点。富士胶卷在其数码相机上采用这一结构，获得了优良的图像质量。今年初公司推出了供数码相机用的质量更高的超级CCD蜂房传感器，独具横向与纵向像素的混合功能，并有信号处理能力，使灵敏度达到ISO1600级。因此，该传感器能以30fps速率摄录VGA移动图像，还能在各种场合包括暗处捕捉图像。 采用FIT图像传感器的三洋公司，设计了CCD传感器用芯片级封装(CSP)，是最早采用CSP的产品之一。它在2片玻璃板之间夹着CCD基片，并在后续级上备有信号处理LSI(大规模IC)。摄录时钟与输出电路的功耗从5V降为2.8V，从而CCD图像传感器的功耗可与CMOS图像传感器相当。公司正把这种CCD传感器用到电池工作的移动电话中。公司还提供传输速度15fps以下5mW的单独CCD传感器样品。

教 学 内 容 及 步 骤 3、CMOS图像传感器 CMOS传感器采用与存储器及逻辑IC同样的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺。传统上，CMOS传感器的灵敏度较低，在灯光暗淡场合转发的图像质量不佳。因此，即使CMOS传感器的灵敏度较低，且可运用单一电源，但在大批量产品中的应用依然落在了CCD图像传感器的后面。 CMOS图像传感器除了在移动终端及电子手持或图像设备应用时具有低功耗优势，之外，其灵敏度也取得了新的进展。移动电话极大的市场潜力，促使许多公司跨入CMOS图像传感器领域。夏普是首先进入的公司之一，它为日本移动服务提供商J-Phone开发了一种内置照相机的移动电话机。该产品获得巨大成功，为其他同类制造商铺平了发展道路。 器件的图像质量通过工艺与电路技术进步而大获改善，在最低照相机亮度方面的灵敏度尤有改进。东芝公司年初推出了一种VGA级传感器TCM5063T和CIF传感器TCM5073T，在黑暗处摄录较之普通产品，其输出电压只及三分之一，灵敏度高一倍，最低照明亮度只要3勒克斯。它采用的是新开发的低漏泄电源光电二极管。 像CCD传感器一样，封装技术是CMOS传感器面临的一大问题，问题在于如何缩小包括信号处理LSI在内的照相机模块尺寸。富士通公司为此开发成功一种CMOS传感器模块尺寸为7.80×6.98×4.98mm，体积0.27cc。这种单芯片产品采用了公司自己的凸点芯片载体(BCC-Bump Chip Carrier)封装，这是一种无引线模压线键合的芯片规模封装，采用树脂凸点。不久，公司还将推出另一类传感器模块系列，采用更低漏泄电流的改进工艺技术。

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201 年 月 日 第 周 累计第 个教案 课时 课题 目 的 要 求 知 识 目 标 第六章 图像传感器 §6.1 1．熟悉霍尔效应的概念 2．掌握霍尔元件的结构及特性分析 3．了解霍尔传感器的应用 课型 能 力 目 标 思想教育 重 点 难 点 分 析 培养学生的理解与分析问题的能力 严谨的学习态度和习惯 重点：霍尔传感器的特性分析 教学方法 教具学具与 实验准备 组织教学 时间 系 班级 缺课学生名单 讲授、讨论

教 学 内 容 及 步 骤 第六章霍尔传感器及其他磁传感器 6.1 霍尔传感器的工作原理 6.1.1霍尔效应 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。 若在如图所示的金属或半导体薄片两端通以控制电流 I，在与薄片方向上施加磁感应强度为 B的磁场，那么在垂直于电流和磁场方向的薄片的另两侧会产生电动势UH， UH的大小正比于控制电流 I和磁感应强度 B，利用霍尔效应制成的传感元件称霍尔传感器。 霍尔电势 霍尔系数RH，其中为载流体的电阻率，为载流子的迁移率，半导体材料（尤其是N型半导体）电阻率较大，载流子迁移率很高，因而可以获得很大的霍尔系数，适于制造霍尔传感器。 若磁场方向与元件平面成一角度 时，则作用在元件上的有效磁场是其法线方向的分量，即Bcos，则有UHKHIBcos

教 学 内 容 及 步 骤 当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出电势的方向也将改变，若电流和磁场同时改变方向时，霍尔电势方向不变。霍尔电势的大小正比于控制电流 I和磁感应强度 B，灵敏度KH表示在单位磁感应强度和单位控制电流时输出霍尔电势的大小，一般要求越大越好，元件的厚度 d越薄，KH越大，所以霍尔元件的厚度都很薄。当载流材料和几何尺寸确定后，霍尔电势的大小只和控制电流 I和磁感应强度 B有关，因此霍尔传感器可用来探测磁场和电流，由此可测量压力、振动等。 6.1.2 结构及其特性分析 1．材料与结构 利用霍尔效应原理工作的半导体器件称霍尔元件。材料的电阻率和电子迁移率越大，霍尔系数RH越大，输出的 UH越大，为了提高霍尔灵敏度，要求材料的霍尔系数 RH尽可能的大。元件的厚度 d越小， KH越大 UH也越大，所以霍尔元件的厚度要小，但 d太小会使元件的输入、输出电阻增加。 霍尔元件常用的半导体材料有N型硅（Si）、N型锗（Ge）、锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs）、砷化镓（GaAs）等。 霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，在电路中可用两种符号表示，如图所示.

教 学 内 容 及 步 骤 2．主要技术参数 1）灵敏度KH：指元件在单位磁感应强度和单位控制电流下所得到的开路霍尔电压。 2）输入电阻 RI：指元件的两控制极之间的等效电阻。 3）输出电阻 RT：指两个霍尔电极之间的等效电阻。 4）不等位电势 UO：在额定控制电流作用下，无外加磁场时，由于材料电阻率的不均匀，两个电极不在同一等位面上，霍尔元件的厚度不均匀等原因，在两霍尔电极之间的空载电势。要完全消除霍尔元件的不等位电势很困难，一般要求 UO≤1mV。 5）不等位电阻：不等位电势与额定控制电流之比。 6）寄生直流电势 UOD：无外加磁场时，交流控制电流通过霍尔元件而在两霍尔 电极间产生的直流电势。是由电极与霍尔片之间的非完全欧姆接触而产生的整流效 应引起的。 7）感应零电势：无控制电流，霍尔元件在交流或脉动磁场中会有电势输出，这 个输出就是感应零电势，产生感应零电势的原因是由于霍尔电极引线布置不合理而 造成的。 6.1.3 霍尔元件的测量电路 霍尔元件的基本驱动电路如图所示。 教 学 内 容 及 步 骤 对霍尔元件可采用恒流驱动或恒压驱动，如图所示。 恒压驱动电路简单，但性能较差。随着磁感应强度增加，线性变化坏，仅用于精度要求不太高的场合； 恒流驱动线性度高，精度高，受温度影响小。 6.1.4霍尔传感器的应用 1、 位移的测量 2、 压力的测量 如图所示。则当霍尔元件沿X方向移动时霍尔电势的变化 将上式积分得

教 学 内 容 及 步 骤 案例一：电流传感器 案例二：管道裂纹检测 原理 磁场强度变化检测

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201 年 月 日 第 周 累计第 个教案 课时 课题 目 的 要 求 知 识 目 标 §6.2-§6.4 1．熟悉磁阻效应的概念 2．掌握磁阻元件的原理及特性分析 课型 3．学会分析磁敏二极管和磁敏三极管的工作原理 4．了解霍尔传感器及其他磁传感器的应用 能 力 目 标 思想教育 重 点 难 点 分 析 培养学生的理解与实际应用能力 严谨的学习态度和习惯 重点：1.磁敏元件和磁敏二极管的工作原理分析 2.磁传感器的应用分析 教学方法 教具学具与 实验准备 组织教学 时间 系 班级 缺课学生名单 讲授、讨论

教 学 内 容 及 步 骤 6.2磁阻元件 6.2.1 磁阻元件 当霍尔元件受到与电流方向垂直的磁场作用时，不仅会出现霍尔效应，而且还会出现半导体电阻率增大的现象，这种现象称为磁阻效应。利用磁阻效应做成的电路元件叫做磁阻元件。 6.2.2 磁阻元件的原理及特性 1、B-R特性； 2、灵敏度K； 3、温度系数。 6.3磁敏二极管 6.3.1结构 磁敏二极管是一种阻值随外部磁场的变化而改变的二极管。 磁敏二极管是锗半导体元件。在小长方块锗的一端为p区掺杂，另一端为n区掺杂。两个区域之间仍然保留较大的末掺杂区。在这个区域内只有很小的导电率。

教 学 内 容 及 步 骤 i导电区两侧被掺杂，在那里形成载流子的强烈复合。这个复合区（R区)将载流子“吞并”。晶体长方块配备有接触电极并装入管壳。管壳内经常置有两个二极管，因为磁敏二极管常用作双二极管。 6.3.2工作原理 在磁场的影响下，电子向R区或向相反方向偏转(视磁场极性而定)。进入R区的载流子复合，即电子和空六结合。因而，电子和空穴不再是自由载流子。于是，自由载流子消失得越多．磁敏二极管的电阻越大。 复合频率由磁通密度B控制。复合频率的升高导致载流子的减少和磁敏二极管电阻的增大。 如图给出了电阻随磁通密度变化的关系曲线。磁敏二极管的阻值与温度强烈相关。温度升高17℃导致电阻减半。 6.4 磁敏三极管 磁敏三极管是继磁敏二极管之后出现的电流型磁电转换器件，可用锗或硅材料制成。它的灵敏度比磁敏二极管高几倍至十几倍，是目前磁电转换器技术中的较新型器件。

教 学 内 容 及 步 骤 6.4.1结构 磁敏三极管是双极型晶体结构．也是利用霍尔效应进行工作的。图为磁敏三极管的管芯结构图。由图可知，它是在高阻半导体上制作的PNP型三极管，具有平面结构。发射区、基区(i)及基极是一个P+-i-N+ 型长二极管，即e-i-b是P+-i-N+型磁敏二极管。由此可知，磁敏三极管的特征是基区宽度大于载流子扩散长度。 6.4.2工作原理 当外界无磁场存在时， 由于e-i-b是长二极管， Ueb偏压一般大于2V.除了P+-i结，i-N+结偏压为0.7V外，其余均降在基区i。又由于基区宽度比较大，除了少部分载子输运到集电极c外，绝大部分通过e-i-b极，形成磁敏三极管的基极电流Ib。如图（a）所示。 当外界正向磁场B+作用时，如图(b)所示，由于洛伦兹力的作用，载流子背离集电极方向偏转，使策电极电流减小，基极电流增大。 当外界反向磁场B_作用时，如图(c)所示. 教 学 内 容 及 步 骤 在洛伦兹力的作用下，朝集电极方向偏转的载流子增多，集电极电流增大，基极电流减小。 从上面可知，磁敏三极管具有正、反向磁灵敏度，而且有确定的磁敏感面。 6.4.3磁敏三极管的识别法 最常见的磁敏三极管为3CCM型，是陶瓷封装。图2(a)所示为3CCM型磁敏三极管的外形图，标有红点的一面为磁敏感面。 图(b)所示为磁敏三极管的电路图形符号。 磁敏三极管管脚e、b、c的识别法如下：将管子正面对着自己，标有红点的那面朝上，这时左边那根管脚为发射极(e)，右边在上边的管脚为集电极(c)，下边的则为基极(b)。

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201 年 月 日 第 周 累计第 个教案 课时 课题 目 的 要 求 知 识 目 标 §7.1电位器式传感器 1．掌握机械位移传感器的用途及分类 2．掌握电位器式传感器的结构及分类 课型 3．理解并掌握电位器式传感器工作原理及特点 能 力 目 标 思想教育 重 点 难 点 分 析 培养学生的理解与分析能力 严谨的学习态度和习惯 重点：1.电位器式传感器的结构 2. 位器式传感器的工作原理分析 教学方法 教具学具与 实验准备 组织教学 时间 系 班级 缺课学生名单 讲授、讨论

教 学 内 容 及 步 骤 第七章 位移传感器 7.1电位器式传感器 7.1.1结构和工作原理 2 1 直线位移型 1 2 3 3 角位移型 变阻器式传感器实际是精密线绕电位器，通过改变电位器触头位置将位移转换为电阻变化。导体电阻公式： Rl A其中，：电阻率； l ：导体长度； A：导体截面积。 显然，若导体材质和截面积一定，其阻值随导线长度而线性变化。 7.1.2变阻器式传感器的分类 单圈电位器 多圈电位器 直线滑动式电位器 变阻器 线绕电位器 金属陶瓷电位器 按电阻元件分 导电塑料电位器 混合式电位器

教 学 内 容 及 步 骤 1）直线位移型 如图，当改变触点C的位置时，AC间电阻值：Rklx 其中kl：单位长度内的电阻值。 传感器灵敏度：sdRkl ddx当导线均匀分布时，输出（电阻）与输入（位移）成线性关系。 等效电路分析: Rp-总电阻;xp-变阻总长;RL负载电阻;x-电刷移动量 EoutEin1RpRxRxRLRxRLEinRpRLRRpxRRxLEinxpx(Rp)(1xx)LpR 2 1 x xp Rp-Rx 3 Ein Eout Rx RL

教 学 内 容 及 步 骤 2）角位移型 Rk 式中：为 角位移； k为单位弧度对应的电阻值。 传感器灵敏度：kdRk dx 3）非线性型 Rkx 2 7.1.3变阻器式传感器的特点 电阻器 直径 制作 的镍 特点 绕线式 0.012 - 0.1mm 铬合金的精密电阻丝绕 在绝缘的薄膜铜丝或绝 缘胶木板等卷芯上而制 作 金属陶瓷式 电阻胶印在陶瓷基板 上 , 并用高温烧制而成 电阻温度系数非常好， 为  5 - 20*10 - 6 / 0 C; 精度 , 稳定性 薄模式好 , 分辨力低于薄模式 , 重复性比 . 分辨力高 , 环境适应性强前 - 6 / 0 C . 系数 , 为  200*10 左右 , 电阻温度 . 导电 - 塑料式 将基板的树脂与电阻墨 , 获将电阻胶 . 涂于薄膜基片上 制成一体 混合式 导电性树脂涂于限绕式 电阻元件上 , 寿命 , 高速现响应特性好  400*10 - 6 / 0 C 温度系数为 分辨力 , 电阻 兼有绕线式和导电 电阻温度系数为 - 塑料式的优点  150*10 - 6 / 0 C ,

教 学 内 容 及 步 骤 7.1.4 应用举例 重量的自动检测--配料设备 原理：用弹簧将力转换为位移;再用变阻器将位移转换为电阻的变化 原材料 重量设定

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201 年 月 日 第 周 累计第 个教案 课时 课题 目 的 要 求 知 识 目 标 §7.2光栅式位移传感器 1．了解光栅和莫尔条纹的概念 2．掌握光栅位移传感器的结构和工作原理 课型 能 力 目 标 思想教育 重 点 难 点 分 析 培养学生的空间想象和思维能力 严谨的学习态度和习惯 重点：1.光栅位移传感器的工作原理 2. 莫尔条纹的形成 教学方法 教具学具与 实验准备 组织教学 时间 系 班级 缺课学生名单 讲授、讨论

教 学 内 容 及 步 骤 7.2光栅式位移传感器 7.2.1莫尔条纹 1、光栅 在玻璃尺或玻璃盘上类似于刻线标尺或度盘那样，进行长刻线（一般为10-12mm）的密集刻划，得到如图所示的黑白相间、间隔相同的细小条纹，没有刻划的白的地方透光，刻划的发黑，不透光。这就是光栅。 按形状和用途光栅可分为长光栅和圆光栅两种。 如图所示，w为栅距，a为线宽，b为缝宽，一般取 2、莫尔条纹 。 1）.概念 将栅距相同的两块光栅的刻线面相对重叠在一起，并且使二者栅线有很小的交角，这样就可以看到在近似垂直栅线方向上出现明暗相间的条纹，称为莫尔条纹，如下图所示。莫尔条纹是基于光的干涉效应产生的。

教 学 内 容 及 步 骤 2）.莫尔条纹的性质  当光栅付中任一光栅沿垂直于刻线方向移动时，莫尔条纹就会沿近似垂直于光栅移动的方向运动。  当光栅移动一个栅距时，莫尔条纹就移动一个条纹间隔B；  当光栅改变运动方向时，莫尔条纹也随之改变运动方向，两者具有相对应的关系。因此可以通过测量莫尔条纹的运动来判别光栅的运动。 7.2.2光栅传感器的结构和原理 1．光栅传感器的结构 通常光栅传感器是由光源、透镜、主光栅、指示光栅和光电接收元件组成，如图所示。 ·光源：供给光栅传感器工作时所需光能。 ·透镜：将光源发出的光转换成平行光。 ·主光栅和指示光栅：主光栅又叫标尺光栅，是测量的基准，另一块光栅为指示光栅，两块光栅合称光栅付。一般来说标尺光栅比指示光栅长。在光栅测量系统中的指示光栅一般固定不动，标尺光栅随测量工作台（或主轴）一起移动（或转动）。但在使用长光栅尺的数控机床中，标尺光栅往往固定在床身上不动，而指示光栅随拖板一起移动。标尺光栅的尺寸常由测量范围确定，指示光栅则为一小块，只要能满足测量所需的莫尔条纹数量即可。 主光栅是光栅传感器的主要部分，整个测量装置的精度主要由主光栅的精度来决定。两块光栅互相重叠错开一个小角度 ，以便获得莫尔条纹。

教 学 内 容 及 步 骤 ·光电接收元件：将光栅付形成的莫尔条纹的明暗强弱变化转换为电量输出。 2．莫尔条纹测量位移原理 根据莫尔条纹的性质，在理想情况下，对于一固定点的光强，随着主光栅相对于指示光栅的位移x变化而变化的关系如图（a）所示，但由于光栅副中留有间隙、光栅的衍射效应、栅线质量等因素的影响，光电元件输出信号为近似于图（b）所示的正弦波。主光栅移动一个栅距w，输出信号u变化一个周期2π。输出信号经整形变为脉冲，脉冲数、条纹数、光栅移动的栅距数是一一对应的，因此位移量为x=Nw，其中N为条纹数，w是栅距。

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201 年 月 日 第 周 累计第 个教案 课时 课题 目 的 要 求 知 识 目 标 §7.3磁电感应式传感器 1．理解磁电感应式传感器的工作原理 2．掌握磁电感应式传感器的结构和特点 课型 能 力 目 标 思想教育 重 点 难 点 分 析 培养学生的理解与分析能力 严谨的学习态度和习惯 重点（难点）：磁电式传感器的工作原理传感器的工作原理 教学方法 教具学具与 实验准备 组织教学 时间 系 班级 缺课学生名单 讲授、讨论

教 学 内 容 及 步 骤 7.3磁电感应式传感器 7.3.1磁电式传感器的工作原理 当导体在磁场中运动切割磁力线时闭合导体回路中的磁通量Ф发生变化，导体中就会出现感应电流，导体中之所以出现感应电流是由于出现了感应电动势 e，闭合导体回路中感应电动势 e的大小与回路所包围的磁通量的变化率成正比，那么当N匝线圈在变化磁场中感应电动势 当线圈垂直于磁场方向以速度运动 切割磁力线时，感应电动势 式中，l—每匝线圈的平均长度；B—线圈所在磁场的磁感应强度 若线圈以角速度转动，则 式中，—每匝线圈的平均截面积 只要磁场量发生变化，就有感应电动势产生，其实现的方法很多。主要有： （1）线圈与磁场发生相对运动； （2）磁路中磁阻变化； （3）恒定磁场中线圈面积变化。 当传感器结构参数确定后， B、 l、 N、 S为定值，感应电动势 e与线圈相对磁场的运动速度 或 成正比。所以，可用磁电式传感器测量线速度和角速度，对测得的速度进行积分或微分就可求出位移和加速度。 7.3.2特点 教 学 内 容 及 步 骤 磁电式传感器直接从被测物体吸收机械能并转换成电信号输出，且输出功率大，性能稳定，它的工作不需要电源，调理电路非常简单，由于磁电式传感器通常具有较高的灵敏度，所以一般不需要高增益放大器，适用于振动、转速、扭矩的测量。 7.3.3类型 1.变磁通式磁电传感器 这种类型的传感器线圈和磁铁固定不同，利用铁磁性物质制成一个齿轮（或凸轮）与被测物体相连而连动，在运动中齿轮（或凸轮）不断改变磁路的磁阻，从而改变了线圈的磁通，在线圈中感应出电动势。这种类型的传感器在结构上有开磁路和闭磁路两种，一般都用来测量旋转物体的角速度，产生感应电势的频率作为输出，感应电动势的频率等于磁通变化的频率。 1).闭磁路变磁通式传感器 2).开磁路变磁通式传感器

教 学 内 容 及 步 骤 2.恒定磁通式磁电传感器 右图中，线圈和壳体固定，永久磁铁用弹簧支承，当壳体随被测物体一起振动时，由于弹性元件较软而运动部件质量相对较大，因而有较大惯性，来不及跟随振动体一起振动，振动能量几乎全部被弹性元件吸收，永久磁铁与线圈之间产生相对运动，线圈切割磁力线，从而产生感应电动势 当传感器结构选定后， B、 l、 N都是常数，线圈的感应电动势仅与相对运动速度 有关，传感器的灵敏度SeBlN 为了得到较高的灵敏度，应采用磁能积较大的永久磁铁和尽量小的空气隙长度以提高磁感应强度，同时应使单线圈长度增加并提高有效匝数 N，但这些参数要受到传感器体积和重量等因素的制约。 7.4磁电感应式转速、流量传感器 7.4.1磁电式转速传感器 fZ•n 60

教 学 内 容 及 步 骤 7.4.2电磁流量传感器 电磁流量传感器的结构如图所示，传感器安装在工艺管通中，当导电流体沿测量管在磁场中与磁力线成垂直方向运动时，导电流本切割磁力线而产生感应电动势，其值可用下式表示： 流经测量管流体的瞬时流量 Q与流速 V的关系为 式中A—测量管内电极处横截面面积，则： 式中，k—仪表常数.当传感器参数确定后，仪表常数k是一定值，感应电势正与流量Q成正比。

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201 年 月 日 第 周 累计第 个教案 课时 课题 目 的 要 求 知 识 目 标 §8.1气体传感器 1．了解气体传感器的分类及应用 2．掌握各类型气体传感器的工作原理 3.了解气体传感器的发展方向 课型 能 力 目 标 思想教育 重 点 难 点 分 析 培养学生的思考与分析问题的能力 严谨的学习态度和习惯 重点：各种气体传感器的工作原理分析 难点：固体电解质气体传感器的工作原理 教学方法 教具学具与 实验准备 组织教学 时间 系 班级 缺课学生名单 讲授、讨论

教 学 内 容 及 步 骤 第八章 气体和湿度传感器 8.1气体传感器 8.1.1概述 气体传感器种类繁多。按所用气敏材料及气敏特性不同，可分为半导体式、固体电解质式、电化学式、接触燃烧式、高分子式等。 气体传感器主要用于防灾报警，如煤气、或有毒气体报警，也可用于对大气污染监测、CO气体测量、酒精浓度探测等方面。 下面为几种常见的气体传感器的外形。 烟雾报警器 酒精传感器 二氧化碳传感器 8.1.2半导体气体传感器 这种传感器主要使用半导体气敏材料，具有灵敏度高、响应快等优点，得到了广泛的应用，按照检测气敏特征量方式不同分为电阻式和非电阻式两种。 1.电阻式半导体气体传感器： 通过检测气敏元件随气体含量的变化情况而工作的。主要使用金属氧化物陶瓷气敏材料。随着近年来复合金属氧化物、混合金属氧化物等新型材料的研究和开发，大大提高了这种气体传感器的特性和应用范围。例如：WO3气体传感器可检测NH3的浓度范围为5 ppm～50 ppm,ZnO-CuO气体传感器对200 ppm的CO非常敏感。

教 学 内 容 及 步 骤 2.非电阻式半导体气体传感器： 利用气敏元件的电流或电压随气体含量而变化的原理工作的。主要有MOS二极管式和结型二极管式，以及场效应管式气体传感器。检测气体大多为氢气、硅烷等可燃气体。 8.1.3固体电解质气体传感器 固体电解质气体传感器使用固体电解质气敏材料做气敏元件。 工作原理：气敏材料在通过气体时产生离子，从而形成电动势，测量电动势从而测量气体浓度。由于这种传感器电导率高，灵敏度和选择性好，得到了广泛的应用，几乎打入了石化、环保、矿业等各个领域，仅次于金属氧化物半导体气体传感器。如测量H2S的YST-Au-WO3、测量NH3的NH+4CaCO3等。 8.1.4接触燃烧式气体传感器 可分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式两种。 工作原理：气敏材料在通电状态下，可燃性气体氧化燃烧或在催化剂作用下氧化燃烧，产生的热量使电热丝升温，从而使其电阻值发生变化，测量电阻变化从而测量气体浓度。 这种传感器只能测量可燃气体，对不燃性气体不敏感。例如，在Pt丝上涂敷活性催化剂Rh和Pd等制成的传感器，具有广谱特性，即可以检测各种可燃气体。接触燃烧式气体传感器在环境温度下非常稳定，并能对爆炸下限的绝大多数可燃性气体进行检测，普遍应用于石油化工厂、造船厂、矿井隧道、浴室、厨房等处的可燃性气体的监测和报警。 8.1.5高分子气体传感器 高分子气敏材料在遇到特定气体时，其电阻、介电常数、材料表面声波传播速度和频率、材料重量等物理性能发生变化。主要有酞菁聚合物、LB膜、苯菁

教 学 内 容 及 步 骤 基乙炔、聚乙烯醇-磷酸、聚异丁烯、氨基十一烷基硅烷等。高分子气敏材料由于具有易操作性、工艺简单、常温选择性好、价格低廉、易与微结构传感器和声表面波器件相结合，在毒性气体和食品鲜度等方面的检测中具有重要作用。根据所用材料的气敏特性，这类传感器可分为：通过测量气敏材料的电阻来测量气体浓度的高分子电阻式气体传感器；根据气敏材料吸收气体时形成浓差电池，测量电动势来确定气体浓度的浓差电池式气体传感器；根据高分子气敏材料吸收气体后声波在材料表面传播速度或频率发生变化的原理制成的声表面波气体传感器；以及根据高分子气敏材料吸收气体后重量变化而制成的石英振子式气体传感器等。高分子气体传感器具有对特定气体分子灵敏度高，选择性好，且结构简单，能在常温下使用，可以补充其它气体传感器的不足。 8.1.6气体传感器的发展方向 目前，国内外对新的气敏材料和气体传感器的研究非常活跃，其主要研究和发展方向主要集中在以下几点： 1.开发新的气敏材料 主要措施是在传统的半导体气敏材料,SnO2,Fe2O3中掺杂一些元素，目前有很多这方面的研究报道；其次是研制和开发复合型和混合型半导体气敏材料和高分子气敏材料，使这些材料对不同气体具有高灵敏度、高选择性、高稳定性。 2.开发新的气体传感器 应用新材料、新工艺和新技术，对气体传感器的机理做进一步研究，使传感器更加微型化和多功能化，并具有性能稳定、使用方便、价格低廉等特点。 3.进一步采用计算机技术实现气体传感器的智能化 气体传感器和计算机技术相结合，出现了智能气体传感器--电子鼻。国内外已成功开发了鉴别和检测食品、香料等的电子鼻。研制开发新型仿生气体传感器-仿生电子鼻是未来气体传感器发展的主要方向。

教 学 内 容 及 步 骤 8.1.7气体传感器在气体泄漏事故处置中的应用 1.用于可燃气体监测报警 气敏材料的发展使得气体传感器的灵敏度高、性能稳定、结构简单、体积小、价格便宜，并提高了传感器的选择性和敏感性。现有的燃气报警器，多采用氧化锡加贵金属催化剂气敏元件，但选择性差，并且因催化剂中毒而影响报警的准确性。半导体气敏材料对气体的敏感性与温度有关。常温下敏感度较低，随着温度的升高，敏感度增加，在一定温度下达到峰值。由于这些气敏材料在需要在较高温度下(一般大于100℃)达到敏感度最好，这不仅要消耗额外的加热功率，还会引发火灾。 气体传感器的发展解决了这一问题。例如，氧化铁系气敏陶瓷所制的气体传感器，不需要添加贵金属催化剂就可造成灵敏度高、稳定性好、具有一定选择性的气体传感器。降低半导体气敏材料的工作温度，大大提高它们在常温下的灵敏度，使其能在常温下工作。目前，除了常用的单一金属氧化物陶瓷外，又开发了一些复合金属氧化物半导体气敏陶瓷和混合金属氧化物气敏陶瓷。 将气体传感器安装在易燃、易爆、有毒有害气体的生产、储运、使用等场所中，及时检测气体含量，及早发现泄漏事故。并将气体传感器与保护系统联动，使保护系统在气体到达爆炸极限前动作，将事故损失控制在最低。同时，气体传感器的小型化和价格的降低，使之进入家庭成为可能。 2.在气体检测及事故处置中的应用 1).检测气体种类及特性 在气体泄漏事故发生后，事故处置将围绕采样检测、确定警戒区域、组织危险区域内群众撤离、抢救中毒人员、堵漏、洗消等方面展开。进行处置的第一个方面应该是尽量减少泄漏对人员的伤害，这就要求了解泄漏气体的毒性。气体的毒性指泄漏使物质能够扰乱人们机体的正常反应，因而降低人在事故中制订对策和减轻伤害的能力。美国消防协会将物质的毒性分为以下几类：

教 学 内 容 及 步 骤 NH=0 火灾时除一般可燃物危险外，短期接触没有其它危险的物质。 NH=1 短期接触可引起刺激，致人轻微伤害的物质。 NH=2 高浓度或短期接触可致人暂时失去能力或残留伤害。 NH=3 短期接触可致人严重的暂时或残留伤害。 NH=4 短暂接触也能致人死亡或严重伤害。 将气体传感器阵列与计算机技术相结合，组成智能气体探测系统，能够做到迅速准确识别气体种类，从而测出气体的毒性。智能气体传感系统由气敏阵列、信号处理系统和输出系统组成。采用多个具有不同敏感特性的气敏元件组成阵列，利用神经网络模式识别技术对混合气体进行气体识别和浓度监测。同时，将常见有毒、有害、易燃气体的种类、性质、毒性输入计算机，并根据气体的性质编制事故处置预案输入计算机。当泄漏事故发生后，智能气体探测系统将按下面程序工作： 进入现场→吸附气体样品→气敏元件产生信号→计算机识别信号→计算机输出气体种类、性质、毒性及处置方案 由于气体传感器的灵敏度较高，在气体浓度很低的时候就可以进行检测，而不必深入事故现场，以避免不了解情况而造成不必要的伤害。使用计算机处理，以上过程可以迅速完成。这样，可以迅速准确地采取有效的防护措施，实施正确的处置方案，将事故损失降低到最低程度。另外，由于系统中存储常见气体的性质及处置预案等信息，如果知道泄漏事故中气体的种类，可直接在这套系统中查询气体性质和处置方案。 2).寻找泄漏点 当泄漏事故发生后，迅速寻找泄漏点，采取适当的堵漏措施是防止事故进一步扩大的必要条件。在有些情况下，由于管线较长、容器较多、泄漏点较隐蔽等原因，特别是泄漏较轻时，泄漏点的寻找比较困难。由于气体的扩散性，气体从容器或管线中泄漏出以后，在外部风力和内部浓度梯度的作用下，开始向四周扩散，即离泄漏点越近，气体的浓度越高。根据这一特点，使用智能气体传感器可解决这一问题。与检测气体种类的智能传感系统不同的是，这种系

教 学 内 容 及 步 骤 统的气敏阵列选用若干敏感性部分重叠的气敏元件组成，使传感系统对某一种气体的敏感性增强，利用计算机处理气敏元件的信号变化，可以很快检测出气体的浓度变化，然后根据气体浓度变化找到泄漏点。  作业内容 作业批改记录 班级 应交 实交 时间 作业批改 问题及分析 系 缺交作业学生姓名 教学札记

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201 年 月 日 第 周 累计第 个教案 课时 课题 目 的 要 求 知 识 目 标 §8.2湿度传感器 1．了解湿敏传感器的定义、工作原理 2．掌握温度传感器的构成及应用 课型 能 力 目 标 思想教育 重 点 难 点 分 析 培养学生的分析与应用能力 严谨的学习态度和习惯 重点：温度传感器的结构、工作原理和应用 难点：工作原理分析 教学方法 教具学具与 实验准备 组织教学 时间 系 班级 缺课学生名单 讲授、讨论

教 学 内 容 及 步 骤 8.2湿度传感器 8.2.1概念 湿度：指大气中所含的水蒸气量。最常用的两种表示方法：绝对湿度和相对湿度。 8.2.2湿度传感器的分类 湿度传感器，分为电阻式和电容式两种。 产品的基本形式都为在基片涂覆感湿材料形成感湿膜。空气中的水蒸汽吸附于感湿材料后，元件的阻抗、介质常数发生很大的变化，从而制成湿敏元件。 8.2.3湿敏元件 湿敏元件是利用湿敏材料吸附空气中的水分而导致本身电阻值发生变化的原理制成。 湿敏元件种类： 1.氯化锂湿敏元件： 利用吸湿性盐类潮解离子导电率发生变化而制成的测湿元件。 2.半导体陶瓷湿敏元件： 利用金属氧化物电阻率随温度的增加而下降或增大，作成负特性湿敏半导体或正特性湿敏半导体。 特点：具有较好的热稳定性，较强的抗沾污能力，能在恶劣、易污染的环境中测得准确的湿度数据，而且响应快，使用温度范围宽，可加热清洗等优点。 3.热敏电阻式湿敏元件 特点：灵敏度高且响应快，无滞后现象，不祥干湿球温度计需要水和纱布及其他维修保养，可连续测量，抗受风、油、尘埃能力强。

教 学 内 容 及 步 骤 应用：可制造出精密的恒温槽。 4.高分子膜湿敏元件：常用于工业湿度计测量中。 工作原理：以随高分子膜吸收或放出水分而引起电导率或电容变化测量环境相对温度。 电子湿度计的构成：由检测部分（有携带型、墙袋型和凸缘型三种）数字显示器和变换器等构成。 5.金属氧化物陶瓷湿敏元件： 利用其微粒结晶的表面感知水分这一特性构成。 6.结露传感器： 原理:是基于吸收水分后导电粒子的间隔扩大，电阻增大，而且结露传感器具有开关特性。 8.2.4水分传感器： 1、水分：是存在于物质中水的数量，以百分比表示。 2、水分传感器分类：直流电阻型、高频电阻型、电容率型、气体介质型、近红外型、中子型和核磁共振型。 直流电阻型水分传感器工作原理：利用了被测物质的电学性质，高分子物质的电阻R与其含水率M之间的关系。通过测电阻值测定水分含量。 8.2.5湿度传感器 湿度传感器具有如下特点： 1、精度和长期稳定性 湿度传感器的精度应达到±2%~±5%RH，达不到这个水平很难作为计量器具使用，湿度传感器要达到±2%~±3%RH的精度是比较困难的，通常产品资料中给出的特性是在常温20℃±10℃）和洁净的气体中测量的。在实际使用中，由于尘土、油污及有害气体的影响，使用时间一长，会产生老化，精度下降，湿度传感器的精度水平要结合其长期稳定性去判断，一般说来，长期稳定性和

教 学 内 容 及 步 骤 使用寿命是影响湿度传感器质量的头等问题，年漂移量控制在1%RH水平的产品很少，一般都在±2%左右，甚至更高。 2、湿度传感器的温度系数 湿敏元件除对环境湿度敏感外，对温度亦十分敏感，其温度系数一般在0.2~0.8%RH/℃范围内，而且有的湿敏元件在不同的相对湿度下，其温度系数又有差别。温漂非线性，这需要在电路上加温度补偿式。采用单片机软件补偿，或无温度补偿的湿度传感器是保证不了全温范围的精度的，湿度传感器温漂曲线的线性化直接影响到补偿的效果，非线性的温漂往往补偿不出较好的效果，只有采用硬件温度跟随性补偿才会获得真实的补偿效果。湿度传感器工作的温度范围也是重要参数。多数湿敏元件难以在40℃以上正常工作。 3、湿度传感器的供电 金属氧化物陶瓷，高分子聚合物和氯化锂等湿敏材料施加直流电压时，会导致性能变化，甚至失效，所以这类湿度传感器不能用直流电压或有直流成份的交流电压。必须是交流电供电。 4、互换性 目前，湿度传感器普遍存在着互换性差的现象，同一型号的传感器不能互换，严重影响了使用效果，给维修、调试增加了困难，有些厂家在这方面作出了种种努力，（但互换性仍很差）取得了较好效果。 5、湿度校正 校正湿度要比校正温度困难得多。温度标定往往用一根标准温度计作标准即可，而湿度的标定标准较难实现，干湿球温度计和一些常见的指针式湿度计是不能用来作标定的，精度无法保证，因其要求环境条件非常严格，一般情况，（最好在湿度环境适合的条件下）在缺乏完善的检定设备时，通常用简单的饱和盐溶液检定法，并测量其温度。

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201 年 月 日 第 周 累计第 个教案 课时 课题 目 的 要 求 知 识 目 标 §9.1生物传感器 §9.2 1．了解生物传感器的概念及结构 2．掌握生物传感器的原理特点及种类 3．了解生物传感器的应用 4．掌握微波传感器的原理及应用 课型 能 力 目 标 思想教育 重 点 难 点 分 析 培养学生的理解与分析能力 严谨的学习态度和习惯 重点：生物传感器的原理、种类 难点：微波传感器应用分析及选用原则 教学方法 教具学具与 实验准备 组织教学 时间 系 班级 缺课学生名单 讲授、讨论

教 学 内 容 及 步 骤 第九章 新型传感器 9.1生物传感器 9.1.1概念： 生物传感器是一种采用新的检测原理的新型传感器，它采用固定化的细胞、酶或者其他生物活性物质与换能器相配合组成传感器。 9.1.2 各种生物传感器有以下共同的结构： 包括一种或数种相关生物活性材料（生物膜）及能把生物活性表达的信号转换为电信号的物理或化学换能器（传感器），二者组合在一起，用现代微电子和自动化仪表技术进行生物信号的再加工，构成各种可以使用的生物传感器分析装置、仪器和系统。 9.1.3生物传感器的基本原理 待测物质经扩散作用进入生物活性材料，经分子识别，发生生物学反应，产生的信息继而被相应的物理或化学换能器转变成可定量和可处理的电信号，再经二次仪表放大并输出，便可知道待测物浓度。

教 学 内 容 及 步 骤 9.1.4生物传感器的特点 （1）采用固定化生物活性物质作催化剂，价值昂贵的试剂可以重复多次使用，克服了过去酶法分析试剂费用高和化学分析繁琐复杂的缺点。 （2）专一性强，只对特定的底物起反应，而且不受颜色、浊度的影响。 （3）分析速度快，可以在一分钟得到结果。 （4）准确度高，一般相对误差可以达到1％ （5）操作系统比较简单 ，容易实现自动分析 （6）成本低，在连续使用时，每例测定仅需要几分钱人民币。 （7）有的生物传感器能够可靠地指示微生物培养系统内的供氧状况和副产物的产生。在生产控制中能得到许多复杂的物理化学传感器综合作用才能获得的信息。同时它们还指明了增加产物得率的方向。 9.1.5生物传感器的种类 1.按照其感受器中所采用的生命物质分类： 微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、细胞传感器、酶传感器、DNA传感器等等 2.按照传感器器件检测的原理分类 ： 热敏生物传感器、场效应管生物传感器、压电生物传感器、光学生物传感器、声波道生物传感器、酶电极生物传感器、介体生物传感器等。

教 学 内 容 及 步 骤 3.按照生物敏感物质相互作用的类型分类： 亲和型和代谢型两种。 9.1.6生物传感器的应用举例 尿素传感器 尿素传感器，主要是由生体膜及其离子通道两部分构成。生体膜能够感受外部刺激影响，离子通道能够接收生体膜的信息，并进行放大和传送。当膜内的感受部位受到外部刺激物质的影响时，膜的透过性将产生变化，使大量的离子流入细胞内，形成信息的传送。其中起重要作用 的是生体膜的组成成分膜蛋白质，它能产生保形网络变化，使膜的透过性发生变化，进行信息的传送及放大。 生体膜的离子通道，由氨基酸的聚合体构成，可以用有机化学中容易合成的聚氨酸的聚合物（L－谷氨酸，PLG）为替代物质，它比酶的化学稳定性好。PLG是水溶性的，它和聚合物可以合成嵌段共聚物，形成传感器使用的感应膜。 生体膜的离子通道的原理基本上与生体膜一样，在电极上将嵌段共聚膜固定后，如果加感应PLG保性网络变化的物质，就会使膜的透过性发生变化，从而产生电流的变化，由电流的变化，便可以进行对刺激性物质的检测。 尿素传感器经试验证明是稳定性好的一种生体模拟传感器，检测下限为10的负3次方的数量级，还可以检测刺激性物质，但是暂时还不适合生体的计测。

教 学 内 容 及 步 骤 9.2微波传感器 9.2.1概述 1．微波的性质 微波是波长为1－1000mm的电磁波，它具有电磁波的性质，又与普通的无线电波及广播不同。微波的特点是： 1）．可定向辐射，空间直线传输； 2）．遇到各种障碍物易于反射； 3）．绕射能力强； 4）．传输特性好； 5）.介质对微波的吸收与介质的介电常数成正比，水对微波的吸收作用最强。 2．微波传感器的定义 利用微波特性来检测一些物理量的器件或装置就是微波传感器。微波传感器的优点是：实现非接触测量；测量速度快，灵敏度高；可以在恶劣环境下检测；输出信号可以方便地调制在载波信号上进行发射与接收。 9.2.2微波传感器及分类 1.微波物位仪的工作原理 微波物位仪根据脉冲-回波方式工作，天线向被测对象发射出比较短波段的微波脉冲，一部分微波穿过介质，另外一部分在被测物料的表面产生反向后，由发射器接收，也不是说，发射器同时还起着接收器的作用。发射天线到物料表面的距离正比于微波脉冲的运行时间：D=C*(t/2) 式中：D为发射天线与物料间的距离； C为光速；t为运行时间。 发射与反射波束中的每一点都采用超声采样方法来采集，经信号处理后得到介质与发射天线之间的距离，但这种测量原理不适合于近距离的高精度测量。 教 学 内 容 及 步 骤 如果希望高精度测量，则需要应用频差原理。假设1个40m高的空罐，微波往返的时间大约是1．33*10-7s。而当逐渐满罐时，往返时间还会逐渐减少，在如此小的测量范围内，要想达到高精度(1mm)，用测量时间的办法来计算准确的距离是十分困难的。于是，复合脉冲雷达技术应运而生，应用这种技术，一段经调制的脉冲被同一天线发射和接收，由被测介质表面返回的脉冲信号不断地与天线发射的一个固定频段的脉冲信号作比较，其频差代表了所测距离，从而测得物位高度。 2.分类 依据测量原理分两类。 反射式微波传感器：通过检测被测物反射回来的微波功率或经过的时间间隔来测量被测物的位置、厚度等参数 遮断式微波传感器：通过检测接收天线接收到的微波功率大小，来判断发射天线和接收天线之间有无被测物或被测物的位置与含水量等参数。 从结构上分:杆式天线、喇叭天线和缆式天线等几种。 9.2.3特点 各厂商生产的微波物位仪工作频率不同，一般在5.8～10.3GHz之间。波源的发射功率均很低，如E+H公司的产品发射功率为0.25mW，能量密度为0.00015W/cm2，而移动电话的发射功率为2W，能量密度为0.001W/cm2；微波炉内的能量密度为1W/cm2，炉门口的泄漏量为0.005W/cm2。可见微波物位仪是很安全的，可安装于各种金属、非金属容口在或贮槽内。 从原理上来看，微波测量与温度、灰尘及汽态物料无关，因此适用于高温条件下的测量，但此时为了保证系统工作的安全可靠，应采取特殊的法兰对天线部分进行空气冷却。微波传输不需要空气介质，所以在真空或受压条件下

教 学 内 容 及 步 骤 也能进行测量，微波在物料表面被反射时，信号强度会衰减，而当介电常数过小时，则信号会衰减过大，导致无法测量。因此要求被测物料的介电常数不得低于某值，其具体大小取决于量程大小，被测介质的介电常数越低，则测量范围就越小。而对导电物料进行测量时(>10mm/cm)，测量过程与相应的介电常数无关。 用户使用前只需要输入零点，量程式及有关参数即可使用，无须复杂的标定过程。 9.2.4微波传感器的应用 1.设计选型 在选型时，应充分考虑被测物料的具体情况。根据过程压力及温度选择对应的连接法兰，根据量程及介质的介电常数、摇晃或涡旋及泡沫等，决定天线尺寸，量程越大、介电常数越低，则天线尺寸应该越大；如测量场合为强腐蚀性，应选用表面涂覆PTFE的杆式天线测量系统；如测量场合为高温(超过2000C)、高压时，应选用带天线延伸管的高温型和高压型；若介质易冷凝则可选用带屏蔽管的杆式天线系统。 由微波发射器发出的信号被安装于径向位置上的接收器接收，若微波信号因物料的吸收而衰退减发生变化，则位于接收器中的放大器触发输出继电器，由于绝缘塑料板，如聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯及聚酯板等对微波几乎不产生衰减作用，所以此种开关极宜对壁厚达几个厘米的塑料罐时行非接触式限位探测。当此种开关用于金属质储罐上时，由于微波遇到金属表面会发生强反射，必须在罐壁上加装合适的塑料窗口，以确保微波信号顺利地通过。

教 学 内 容 及 步 骤 2.安装 微波物位仪安装时应注意下面一些问题： 发射天线中心轴线与被测物料表面保持垂直，并与罐壁至少保证30cm的间距。 天线喇叭口的前端应伸入料罐内部，以减少由于安装接管和设备间焊缝所造成的发射能量损失。 避免安装于贮罐中心位置，因为这样会使虚假回液增强。 不要安装在加料口的上方主要为防止加料时可能产生幅度比被测液面反射的有效回波大得多的虚假回波。 当测量带有搅拌器的容器液面时，应尽量避开搅拌器搅拌时所形成的涡旋区，以尽可能地消除不规则液面对微波信号散射所造成的衰减。 当贮罐制造材料的介电常数小于7时，如纤维强化玻璃、聚乙烯、聚丙烯或无铅玻璃等，且壁厚适中时，可安装于贮罐外部。 若介质贮槽为球形容器时，应采用导波管或旁通管方式安装，这样可以消除由容器形状所带来的多重回波的干扰，提高信噪比。在测量介电常数较小的介质（如液化气、汽油、柴油、变压器油等）时，因这些介质会对微波产生相对较大的衰减，为提高反射能量以确保测量精度，也应该用导波管方式安装。 3.应用举例 微波温度传感器

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201 年 月 日 第 周 累计第 个教案 课时 课题 目 的 要 求 知 识 目 标 §9.3超声波传感器 1．了解超声波的物理基础 2．掌握超声波换能器及其耦合技术和应用 课型 能 力 目 标 思想教育 重 点 难 点 分 析 培养学生的理解与分析能力 严谨的学习态度和习惯 重点：超声波换能器的原理、种类 难点：工作原理分析 教学方法 教具学具与 实验准备 组织教学 时间 系 班级 缺课学生名单 讲授、讨论

教 学 内 容 及 步 骤 9.3超声波传感器 9.3.1 超声波传感器的的物理基础 1.超声波的概念： 超声波:高于20KHz的机械波（次声波：振动频率低于l6Hz的机械波。声波：振动频率在16Hz―20KHz之间的机械波） 2.超声波的特征： 频率高（可达2×10Hz ~10Hz），因而波长短，绕射现象小，方向性好，能够成为射线而定向传播； 超声波在液体、固体中衰减很小，穿透本领大，碰到杂质或分界面就会有显著的反射。 3. 超声波的波型 ①纵波。②横波。 ③表面波（亦称瑞利波）。 ④兰姆波。 49 9.3.2超声波换能器 用于检测的超声波换能器有压电型、磁致伸缩型、电磁型、有振板型、弹性表面波型等。 压电型超声波换能器的结构随应用目的的不同而不同，（a）是探伤用超声波换能器，（b）是超声波诊断用阵列型超声波换能器，（c）是水中用超声波换能器，（d）是空气中用超声波换能器。

教 学 内 容 及 步 骤 1.磁致伸缩型超声波换能器 磁致伸缩型超声波换能器的工作原理是基于对磁性材料加上磁场后，就在磁场方向产生应力的磁致伸缩效应和加上应力后就发生磁化的逆磁致伸缩效应，磁致伸缩效应与电致伸缩效应同样是二次非线性效应，使用中加直流偏置磁场。上图所示即为典型的结构，图（a）是角型振子，图（b）是圆筒型振子，图（c）是采用铁氧体角型振子。这种换能器上限频率到100KHz左右，主要用于海洋测量鱼群探测器和声纳。 2.电磁型超声波换能器 电磁型超声波传感器是当交流电流流过置于金属表面的线圈时，由于在金属内感应的涡流电流与磁场的相互作用，以非接触方式在金属内产生超声波，又用线圈检测因超声波与磁场的相互作用而产生的电流的特殊传感器，这种传感器用于金属的探伤。 3.有振动板的超声波换能器 就空气中用超声波传感器而言，除采用振动模本身具有转换功能的双压电晶片型外，也可利用由薄金属板的振动功能检测电磁性或静电性机构，其结构在原理上与动电型（移动线圈）麦克风或静电型麦克风等声频或声压测量用的

教 学 内 容 及 步 骤 没有什么不同。而不同的是所用频率在20KHz以上，比可听频率高。总之，不论用什么样的结构，均可产生超声波。 4.弹性表面波换能器 弹性表面波是可在压电材料表面传播的波，在其产生、检测中使用如图所示的梳状电极且并排间隔为二分之一波长的电极。材料表面因外加电压而产生形变，并被传播。作为超声波传感器以单体使用的少，主要在表面波的回路元件或其它量的传感器（温度传感器等）中使用。 9.3.3超声波传感器的应用 1．超声波探伤 A t 超声波探伤是利用超声波在物体中传播的一些物理特性来发现物体内部的不连续性，即缺陷或伤的一种方法，是无损检验一种重要手段,如上图所示。常用的超声波探伤法有共振法、穿透法、脉冲反射法等。 1）.共振法 根据声波（频率可调的连续波）在工件中呈共振状态来测量工件厚度或判断有无缺陷的方法。这种方法主要用于表面较光滑的工件的厚度检测，也可用于探测复合材料的粘合质量和钢板内的夹层缺陷检测。声波在工件内传播时，如入射波与反射波同相位（即工件厚度为超声波波长 的一半或成整数倍时），则引起共振。共振法测厚的公式为：

教 学 内 容 及 步 骤 在测得共振频率 f和共振次数 n后，便可计算材料的厚度。 2).穿透法 穿透法又称透射法，穿透法是将二个探头分别置于工件相对的两面，一个发射超声波，使超声波从工件的一个界面透射到另一个界面，在该界面处用另一个探头来接收。根据超声波穿透工件后的能量变化情况，来判断工件内部质量。工件内无缺陷时，接收到的超声波能量较强；一旦有缺陷，声波受缺陷阻挡，则将在缺陷后形成声影，这样就可根据接收到的超声波能量的大小来判定缺陷的大小。探测灵敏度除与仪器有关外，还取决于声影的缩小，声影的缩小则是由于声波在缺陷边缘绕射造成的。 在缺陷后 l1的距离内，声影是不缩小的，其值为： 式中，R——缺陷半径；——波长。 在l1后声影偏转一个角度，而后逐渐减小，声影变为一点时的最大距离l为灵敏度的极限值。角可用下式求得： 式中，D——缺陷的直径。 在穿透法探伤中，可采用连续波和脉冲波两种不同的方法。 3).脉冲反射法 脉冲反射法是将脉冲超声波入射至被测工作后，传播到有声阻抗差异的界面上（如缺陷与工件的界面）时，产生反射声波，波在工件的反射状况就会显示在荧光屏上，根据反射的时间及形状来判断工件内部缺陷及材料性质的方法。根据入射声波型不同可分成如下几种：纵波探伤法、横波探伤法、表面波探伤法。

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(1) 纵波探伤法： 纵波探伤法是使超声波波束垂直或倾斜入射（倾斜角不大于临界角）被测工件而进行探伤的方法。 （2）横波探伤法 横波探伤法是声波以一定角度入射到工件产生波型转换，而利用横波进行探伤的方法。 （3）表面波探伤法 这种方法是表面波沿着工件的表面传播来进行探伤的方法。 4).直接接触法与液浸法 为使探头有效地向工件发射超声波和有效地接收超声波，必须使探头和工件探测面之间有良好的声耦合。良好的声耦合可以通过填充耦合介质来实现，以避免空气的存在，因为空气层的存在将使声能几乎完全被反射。探头和工件的耦合方式可分直接接触法和液浸法二种。 （1）直接接触法 （2）液浸法 2.超声波厚度与液位检测 超声波测厚仪具有小型、轻便、测量速度快、精工度高等优点。超声波测厚仪从原理上分主要有共振式和脉冲反射式两种。 1) 共振式测厚仪 用频率可变的连续正弦波信号激励压电片，压电片向材料中发射与所加频率相同的超声波，在材料中传播的超声波波长和频率有下式关系，

教 学 内 容 及 步 骤 式中， ——材料中传播的超声波声速； f ——超声波频率；  ——超声波波长。 改变激励信号频率，则压电片发射的超声波频率改变，也就是超声波波长改变。当工件的厚度为半波长的整倍数时，则在工件内引起共振，即形成驻波。由此可得出: 式中， ——材料中传播的超声波声速； ——整数；  ——工件厚度。 由上式可看出，任何两个相邻共振频率之差都等于基波频率f1，即 所以，当得知厚度共振的两个相邻共振频率时，就可求出厚度为 共振法测厚的精度可达0．1～1%，测厚范围1～100mm，最薄可测0．1mm，对于一定的被测材料来说，厚度测量范围不但与振荡器工作频率有关，还与采用基波共振或谐波共振的指示方式等因素有关。通常检测金属厚度的频率范围为0．7～3MHz，测薄试样时也有用到25MHz以上的，对于声波衰减较大的材料，由于共振不明显，相应的测量精度也低些。 2）脉冲反射式测厚仪 反射式测厚仪从原理上来说是测量超声波脉冲在工件中的往返传播时间， 如果声速 c已知，测得时间 t，即可求得工件厚度 d。

教 学 内 容 及 步 骤 超声测量液位是由发射换能器发出超声脉冲，在介质中传到液面，经反射后再通过介质返回接收换能器，测量出超声脉冲从发射到接收所需时间，根据介质中的声速，就有得出从换能器到液面的距离，从而确定液位。根据传声介质的不同，可分为液介式、气介式、固介式三种。  作业内容 作业批改记录 班级 应交 实交 时间 作业批改 问题及分析 系 缺交作业学生姓名

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201 年 月 日 第 周 累计第 个教案 课时 课题 目 的 要 求 知 识 目 标 §9.4机器人传感器 1．了解机器人的发展历程 2．掌握机器人传感器的种类和用途 课型 能 力 目 标 思想教育 重 点 难 点 分 析 培养联系实际解决问题的能力 严谨的学习态度和习惯 重点：机器人传感器的组成和各种传感器的用途 难点：各种机器人的组成和基本原理 教学方法 教具学具与 实验准备 组织教学 时间 系 班级 缺课学生名单 讲授、讨论

教 学 内 容 及 步 骤 9.4机器人传感器 9.4.1机器人与传感器 1．机器人按代分类可分成三代 第一代机器人——工业机器人：它只能以“示教——再现”方式工作，由两部分组成：机械手和程控器，目前商品化、实用化的机器多还属于第一代。 第二代机器人——感觉机器人：它的主要标志是自身配备有相应的感觉传感器，并采用计算机对之进行控制。也称“自适应机器人”。它开始进入实用时期，主要从事焊接、装配、搬运等作业。 第三代机器人——智能机器人：也称“管理控制型自律机器人”。它是人工智能的综合成果，它应具备以下三方面的能力：  感知环境的能力：这种机器人具有形形色色的感觉传感器：视觉、听觉、触觉、嗅觉。通过这些传感器，能识别周围环境。  作用于周围环境的能力：使机器人的手、脚等各种肢体行动起来，以执行某种任务。第三代要求更完善、敏捷灵巧。  思考的能力：在智能机器人中，相当发达的“大脑”是主要的，通过思考，把感知和行动联系起来，进行合乎目的的动作。 2．一般机器人控制系统的组成 3．机器人的作用 节省劳动力：这是机器人的最主要功能。 进行极限作业：在工厂的喷漆和铸造等的恶劣环境中，在精练车间、冷藏室、核电站、宇宙空间、海底等人类难以进入的场合。在农药喷洒、不停电电力检修及大厦墙面的清洗和检查等。

教 学 内 容 及 步 骤 用于医疗、福利：机器人协助手术，辅助步行，饮食等的搬送工作安全运行的智能轮椅，盲人引导，假肢等。 与人协调作业：在重物场合，用机器人支撑重量，由人工进行仔细定位。协助老年人和残疾人进行体力劳动及手的准确动作等。 制作宠物：向着亮光移动的机器人，象小狗样动作的宠物机器人等。 9.4.2机器人传感器的分类 1．接触和非接触式 2．内部传感器和外部传感器 内部传感器：自身状态检测（如：位置、姿态、运动、力等），用到的传感器主要有：位置、角度、力、姿态、速度传感器等； 外部传感器：对外部环境的感觉（如：距离、接近程度、接触状态等）。主要集中在外部传感器上，因为这是机器人升代的重要标志。 3．感觉类型：视觉、听觉、接触觉、嗅觉、味觉。 9.4.3触觉传感器 1．触觉分类：  接触觉：手指与被测物是否接触，接触图形的检测。  压觉：垂直于机器人和对象物接触面上的力感觉。  力觉：机器人动作时各自由度的力感觉。  滑觉：物体向着垂直于手指把握面的方向移动或变形。  热觉：对象物的温度及其分布。  材质感觉：目前还难以实现。 2．触觉传感器的要求  空间分辨率为1～2mm，这种分辨率接近人指尖可区别皮肤上用作分离刺激的两点；  阵列尺寸是每个指尖有5×10～10×20个点（人的指尖有约10×15个接触敏感点）；  一个力敏元件的阈值灵敏度约0.5～10G；  传感器的稳定性、线性度和重复度好，无滞后；  取样频率100Hz～1kHz；

教 学 内 容 及 步 骤  传感器结实、价廉，类似皮肤。 3．接触觉 当表面作用有超过阈值的压力时传感器输出一个电信号，可用来确定在手指间是否有零件。它的功能相当于一个开关，输出的是“0”和“1”两种信号。有各种类型的传感器，包括电触点开关、光——机械开关、磁开关等。 采用与压觉传感器合并，用同一种传感器，既可得到有无物体，又可得到对物体所施加的压力或物体对机器人的作用力。 传感器阵列：采用高密度的传感器阵列，可得到物体的形状及压力分布等信息。 4． 压觉 用来检测机器人的握持面单位面积承受的压力大小和分布。对于易碎、易变形的物体，必须使用压觉传感器来对把持力进行控制。 采用的传感器主要有压阻、压电、半导体应变、光学、磁、超声波电容等。 根据它的表面柔性，可分为非柔性和柔性传感器两种柔性好的传感器可以用于表面弯曲的物体的形状检测，还能起到缓冲作用，但会使得物体相对于抓爪的位置不精确。 一般尽量采用压觉传感器阵列，如带有CMOS调理电路的高分辨率压力图像传感器，它是为精确检测二维压力分布而设计制造的。 5． 力（矩）觉 用于感知夹持物体的状态；校正由于手臂变形引起的运动误差；保护机器人及零件不会损坏。它们对装配机器人具有重要意义。主要包括关节力传感器、腕力传感器、机座传感器等。 关节传感器：电流检测，液压系统的背压检测和应力式关节力传感器等。 腕力传感器：可以采用应变式、电容式、压电式等，主要采用应变式。如筒式六维力和力矩传感器、十字轮六维力和力矩传感器等。 机座力传感器： 6． 滑觉 机器人要抓住属性未知的物体时必须确定自己最适当的握力目标值，在不损坏被抓物体情况下，牢牢抓住物体。所以必须检测物体相对于手爪的滑动，即滑动传感器。 应用的主要有：编码器型滑觉传感器（如光学旋转编码器，磁滚轮型滑觉传感器等）；贝尔格莱德手滑觉传感器（如压花滚轮式、球形滑觉传感器等）；与压力传感器合用分析压力分布的滑觉检测等。

教 学 内 容 及 步 骤 9.4.4接近觉传感器 是指机器人与其它物体接触前检测出它们的存在，感知的范围在几毫米到几十厘米内，通常接近觉传感器的任务仅仅是感知敏感范围内是否存在物体，只有二值输出，也有的可测量机器人与它们之间的精确距离，但一般后者属于距离传感器的范围。 接近觉传感器可以是接触式的也可以是非接触式的，因此它是介于触觉和视觉之间的感觉。也有的把它归为触觉范围内。 1. 工程触须：简易触须、气压式触须传感器、关节式触须探针。 2. 电磁式：霍尔效应式、电涡流式、感应式等。 3. 电容式：平板式 4. 气动式：喷嘴喷射气流 5. 超声波、红外线式、光电式：超声波可以检测较大较远的物体，一般用于移动机器人的路径探测和躲避障碍物；红外线式：可以探测到人类或其他热源；光电式：可采用开关式或测距方式。 9.4.5视觉传感器 1．机器人的视觉： 进行图像识别；获得距离信息。 2．对视觉传感器的要求：  实时性  可靠性  柔性化，能适应物体和环境的变化。  价格适中，一般占整个机器人的10%～20%。 3．视觉传感器： 一般采用固体摄像机进行图像的摄制，以CCD为多。提高传感器的集成度，如：三维集成固体图像传感器：光电变换部分；传送部分；存储部分；运算部分；电源和驱动部分。它们全集成在一个片子上。第一层为光电转换面阵，由 教 学 内 容 及 步 骤 第一层输出的信号并行进入第二层电流型MOS模拟信号调理电路，由第二层经电路调理输出的模拟信号进入第三层转换成二进制数并存储在存储器中，与第三层相连的是信号读出（放大）单元。 9.4.6听觉、嗅觉、味觉及其他传感器 1. 听觉： 主要用于语音识别，实现人机交流。它的传感器采用麦克风，这方面基本上没什么问题，主要需解决的问题是语音识别。 2. 嗅觉： 用于在一些特殊场合中的检测，如放射线、高温煤烟、可燃性气体和有毒气体等的检测。 3. 味觉及其他： 对液体的化学成分进行分析。而嗅觉一般用于气体的化学成分的检测。 其它还有一些纯工程学的传感器，如磁传感器、电波传感器、各种异常检测用的安全检测传感器等。

教 案

201 年 月 日 第 周 累计第 个教案 课时 课题 目 的 要 求 知 识 目 标 第十章 传感器接口电路 课型 1．了解传感器输出信号的处理方法及检测电路的组成 2．掌握常用电路分析 3．了解传感器与计算机的连接 能 力 目 标 思想教育 重 点 难 点 分 析 培养分析和解决问题的能力 严谨的学习态度和习惯 重点：阻抗匹配器、电桥电路、放大电路的组成 难点：传感器接口电路的应用分析 教学方法 教具学具与 实验准备 组织教学 时间 系 班级 缺课学生名单 讲授、讨论

教 学 内 容 及 步 骤 第十章 传感器接口电路 一、 传感检测系统的组成： 传感器 中间转换（信号调理）电路 微机接口电路 分析处理及控制显示电路（模拟显示、数字显示、图象显示）等部分组成，分别完成信息的获取、转换（调理）、传输、分析处理、 显示记录。 传感器处于被测对象与检测系统的界面位置，构成信号输入的主要窗口，为检测系统提供必须的原始信号。 二、 电桥 电桥是把电阻、电感、电容等元件参数转换成电压或电流的一种测量电路。 1.特点：电路简单直接，精度和灵敏度较高，在检测系统应用较多。 2.分类： ⑴按电桥不同的激励电源，可分为直流和交流电桥。 直流电桥 主要用于电阻式传感器，例如热敏电阻、电位器等。电桥线路是由联接成环形的四个电阻所组成，如图示。

教 学 内 容 及 步 骤 交流电桥 主要用于测量电容式传感器和电感式传感器的电容和电感的变化。图示为交流电桥的一般形式，开路输出电压 U0Z1Z4Z1Z3Z2Z4UiUiUi Z1Z2Z3Z4(Z1Z2)(Z3Z4) 下面给出一些交流电桥的具体电路 ⑵按电桥的工作方式可分为平衡电桥（零测法）和不平衡电桥（偏差测量法）。 ⑶按被测电阻（阻抗）的接入方式，可分为单臂电桥、差动电桥和全桥。

教 学 内 容 及 步 骤 ①一个桥臂电阻有变化，称为单臂电桥。例如桥臂1电阻有ΔR1的变化，则电桥的输出电压为 若取 R1=R2=R3=R4 则 当 R1R0时，则 ②两个桥臂电阻有变化，称为双臂电桥。如桥臂电阻 R1和邻边桥臂电阻 R2都有电阻变化，即 R1变为R1+ΔR1， R2变为 R2+ΔR2，当 R1=R2=R3=R4=R0，且R1R2R时， ③四个桥臂电阻均有变化，称为四臂电桥，又叫全桥。假设R1 、R2 、R3 、R4 的变化量分别为ΔR1 、ΔR2 、ΔR3 、ΔR4 ，R1 = R2= R3= R4= R0，则其输出电压为 U0R1R2R3R4U 4R0可以看到：相邻边两桥臂电阻变化是各自引起的输出电压相减，相对边二桥臂电阻变化是各自引起的输出电压相加。 3.电桥的工作特性： 1）灵敏度是指单位输入量时输出变化量也就是电桥电压的相对变化量与电阻相对量之比。 2）电桥的非线性误差： 教 学 内 容 及 步 骤 ⑴单臂电桥：δf=1/2ε 灵敏度Kus=1/4 ⑵差动电桥：δf=0 灵敏度Kus=1/2 ⑶有源电桥：δf=0 灵敏度Kus=-1/2 4.电桥调零：通常采用串联调零和并联调零。 作用：当有信号输入（△R≠0）时才有输出。输入信号前应先排除电桥本身不平衡引起的输出电压。 三、 电压放大器（阻抗变换器） 有反相放大器、同相放大器和差动放大器三种，下面给出一般电路形式。 电荷放大器 电路如图所示。输出电压表达式为：Uout QA，CaCoCi(1A)CfA很大，所以上式可以简化为：UoutQAQ (1A)CfCf 五、滤波电路 从工业现场测得的信号。经传输线送入检测仪表的测量电路或微机的接口电路，在获取信号或信号传输的过程中，很可能有干扰，为使信号在进入前减弱干扰，通常加入滤波器。另外为了获得某一段频率，也需要加入滤波器。滤波器是一种只允许某一频率信号通过或阻止某一频带信号通过的装置。

教 学 内 容 及 步 骤 方式有无源滤波、有源滤波、数字滤波。 1.有源滤波 1）组成： 运算放大器和RC网络组成 2）优点： 有源滤波不用电感线圈，故在体积、重量、价格、线性度等方面有明显优越性，便于集成化；由于运算放大器输入阻抗高，输出阻抗低，可以提供良好的隔离性能，并提供所需增益；可以使低频截止频率达到很低范围。 2.无源滤波： 若检测系统对滤波要求不高，可以采用无源滤波器，电路简单，缺点带负载能力差。 3.数字滤波： 能够用数学计算的方法增强信号、降低干扰、提取有用信息。 优点：数字滤波利用程序来实现，不需要增加硬件、可靠性高稳定性好、灵活方便。⑴限定组大偏差法，用于温度、压力等变化缓慢的量。⑵算术平均法：K值的选取大小会影响到滤波效果。K值大，滤波效果好，但反映速度慢，适合压力测量、流量测量。⑶加权平均滤波法。 六、模/数（A/D）转换 1.模/数转换器的原理： 被测物理量首先经过传感器变换成电信号、竟信号调理（调制解调或通过电桥参数转换、放大、滤波）电路后，由多路开关选择某一路的模拟信号送到采样保持器，再经过模/数转换器将模拟量转换成数字量送到计算机进行必要的运算和放大。 2.逐次逼近型A/D转换

教 学 内 容 及 步 骤 3.双积分型A/D转换器 双积分是一种常用的A/D转换技术，具有精度高，抗干扰能力强等优点。双积分型A/D转换是一种间接A/D转换技术。首先将模拟电压转换成积分时间，然后用数字脉冲计时方法转换成计数脉冲数，最后将此代表模拟输入电压大小的脉冲数转换成二进制或BCD码输出。因此，双积分型A/D转换器转换时间较长，一般要大于40～50ms。原理示意图如下： 七、传感检测系统中微机接口的基本方式 1.开关量接口方式： 开关型传感器输出的是二值信号（逻辑1或0），通过三态缓冲器即可传输给计算机。 2.数字量接口方式： 数字型传感器输出数字（二进制代码、BCD代码、脉冲序列）可直接（或通过三态缓冲器）传给计算机。 3.模拟量接口方式： 计算机处理的数字信号，而传感检测的信号多为模拟信号，需要通过模拟/数字变换才能接受处理。

教 学 内 容 及 步 骤  作业内容 作业批改记录 班级 应交 实交 时间 作业批改 问题及分析 系 缺交作业学生姓名 教学札记