《传感器技术及应用》课程教案学习情境一
续上表
续上表
任务１教学过程
（1）检测及自动检测系统
（2）测量及测量方法
（3）测量误差及分析1）系统误差
2）随机误差
3）粗大误差
（4）测量数据处理
任务2教学过程
（1）传感器的定义与组成
（2）传感器的种类
1）按被测量分为位移、力、力矩、转速、振动、加
速度、温度、压力、流量、流速等传感器。
2）按测量原理分为电阻、电容、电感、光栅、热电
偶、超声波、激光、红外、光导纤维等传感器。
任务3教学过程
1.直流电桥
1）直流电桥平衡条件
由此式可见：若R1R3=R2R4，则输出电压Uo为零，称为电桥处于平衡状态，所以把R1R3=R2R4或R1/R2= R4/R3称为直流电桥的平衡条件。
这说明欲使电桥平衡，其相对两臂电阻的乘积相等，或相邻两臂电阻的比值应相等。
2）单臂电桥
3）双臂电桥
4）四臂电桥
上述三种工作方式中，全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。
采用四臂全桥（或双臂半桥）还能实现温度自补偿。
2．交流电桥
由图可导出交流电桥的平衡条件是：
1.3.2调制电路
把缓慢变化的信号先变成频率适当的交流信号，然后利用交流放大器放大，最后再恢复为原信号，这样的变化过程称为信号的调制与解调
调制是指利用被测缓变信号来控制或改变高频振荡波的某个参数（幅值、频率或相位），使其按被测信号的规律变化，以利于信号的放大与传输。
若控制量是高频振荡波的幅值，则称为调幅（AM）；若控制量是高频振荡波的频率或相位，则称为调频（FM）或调相（PM）。
一般把控制高频振荡波的缓变信号称为调制波，载送缓变信号的高频振荡波称为载波，经过调制的高频振荡波称为已调波，根据调制原理不同，分别称为调幅波、调频波，如图所示。
解调是对已调波进行鉴别以恢复缓变的测量信号
1.3.3滤波电路
滤波是测量系统排除干扰、抑制噪声常用的方法。
滤波技术分为硬件滤波和软件滤波。
硬件滤波器是一种选频电路，它的功能是让指定频段的信号以固定增益通过，而将其余频段的信号加以抑制或使其极大地衰减；软件滤波是通过计算机程序，采用某些算法对传感器信号进行处理。
滤波电路在测控系统中的作用：一方面是滤除噪声，另一方面是分离各种不同的信号。
根据滤波器处理信号的频带，滤波器可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器等四种
电阻电桥设计
采用四个性能一致的1KΩ精密电位器组成如图所示电路，输入直流9V电源，初始状态将电位器调整在中间，各桥臂阻值为500Ω。
为了方便制作和器件的重复利用，可采用面
学习情境二
续上表
任务１教学过程
续上表
根据电路的具体要求来选择适合的电阻应变
片。
本设计中选用E350-2AA箔式电阻应变
片，其常态阻值为350Ω。
将应变片采用合
理的粘贴方法粘贴在称重仪的桥臂中央位
置，如图2-7所示，使应变片的变形与桥臂
变形一致，提高测量的准确性。
电阻应变式称重仪电路原理如图所示。
任务2教学过程
1．恒流源供电电桥
可见，电桥的输出电压与电阻变化成正
比，与恒流源电流成正比，但与温度无关，因此测量不受温度的影响。
2．零点与灵敏度温度补偿
由于温度变化，将引起零漂和灵敏度漂移。
零漂产生的原因是扩散电阻的阻值随温度变化而变化。
灵敏度漂移是因为压阻系数随温度的变化而变化。
本任务选用MPX2050GP 硅压阻式传感器，其额定压力范围为0～0.5kg/cm2或0～1kg/cm2（过压值为2倍最大值），外加基准是1.5mA 直流电源，额定输出电压为100±30mV ，失调电压为±3mV ，压阻传感器电桥电阻为4700Ω±30%。
本任务中采用的压阻式传感器位于进气道（距进气阀座230mm 处），安装位置如图2-20所示，其测量电路原理图如图2-21所示。
图2-20 传感器布置简图
图2-20 传感器布置简图
R
I R R R I R R R I U U T T BD
∆=∆+∆--∆+∆+=
=)
(21
)(210
任务3教学过程
用HS20压电式传感器构成的大气压力测量仪由测量电路、显示驱动和窗口鉴别三部分电路组成
学习情境三
续上表
续上表
续上表
续上表
任务１教学过程
3.1.1 自感式传感器
自感式传感器又称为变磁阻式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。
续上表
（a）变气隙型电感传感器
（b）变面积型电感传感器
（c）螺管型电感传感器
1．变气隙型电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，因此变气隙型电
比较单线圈和差动两种变气隙型电感传感器的特性，可以得到如下结论：
①差动式比单线圈式的灵敏度高一倍； ②差动式的非线性项等于单线圈非线性项乘以（Δδ/δ0）因子，因为（Δδ/δ0）<< 1，所以，差动式的线性度得到明显改善；
③温度变化，电源波动，外界干扰等对传感器精度的影响，由于能互相抵消而减小，测量精度提高；
④电磁吸力对测力变化的影响也由于能相互抵消而减小。
3.1.2 差动变压器式传感器
将被测的非电量变化转换为线圈互感系数M 变化的传感器称为互感式传感器。
差动变压器就属于互感式传感器，它根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组用差动形式连接， 故称差动变压器式传感器。
理论和实践证明，以当 、 随着衔铁位移x 变化时， 也必将随x 变化。
因此，通过差动变压器输出电动势的大小和相位可以知道衔铁位移量的大小和方向。
2．测量电路
（1）相敏检波电路
21U
22U 0
U
电感测微器是电感式直径分选装置的关键部件，其内部主要由差动变压器式传感器组成，根据电路的具体要求来选择适合的电感测微器。
本设计中选用DX-1型电感测微仪，其传感器的重复精度最高可达0.03μm。
本任务中采用的电感测微器电路图如图3-14所示，主要由激励电源电路、相敏检波电路及放大电路等组成。
其中差动变压器的激励电源由A4组成正弦波振荡电路产生，A5为电压放大级，A6与光电耦合器PC构成负反馈，即自动增益控制（AGC）电路，进一步稳幅，A7与VT1、VT2组成升压电路。
（1）按照电路图3-14所示，将各元件焊
任务2教学过程
续上表
金属氧化膜的涡流测量电路如图3-30所示。
电路主要由振荡器、检测电桥、放大器（图中未画出）等组成。
VT1及外围元件组成频率为10kHz的振荡器，其输出通过6000Ω：600Ω的变压器T耦合至电桥。
电桥由RP1、RP2、RP3、R1、C6及传感器L组成，适当调节RP1、RP2和RP3，可使电桥在金属物表面无氧化膜时接近平衡，几乎无交流信号从电桥输出。
若此时金属物表面有氧化膜时，传感器产生的感应电流使电桥失去平衡，A点就会输出检测信号。
（1）按照电路图3-30所示，将各元
续上表
任务3教学过程
对光反射的和不反射的，刻制的光栅条纹密度一般为每毫米25、50、100、250条等。
图3-34所示为黑白型长光栅，光栅上的刻线称为栅线，图中a为刻线宽度，b为缝隙宽度，a+b=W，W称光栅的栅距（也称为光栅常数），通常a=b=W/2
2.光栅式传感器的结构
光栅式传感器主要由光源、透镜、光栅副（主光栅和指示光栅）和光电接收元件等组成
3.3.2 光栅传感器工作原理
如果把光栅常数相等的主光栅和指示光栅相对叠合（片间留有很小的间隔），并使两者栅线（光栅刻线）之间保持很小夹角θ，在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带，在两光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带，于是在近似于垂直栅线的方向上出现明暗相间的条纹，即在d-d线上形成亮带，在f-f 线上形成暗带，这种明暗相间的条纹称为莫尔条纹。
莫尔条纹方向与刻线条纹方向近似垂直，当指示光栅左右移动时，莫尔条纹上下移动变化。
2.莫尔条纹的特性
（1）位移放大作用。
（2）减小误差作用。
（3）方向对应与同步性
3.3.3 光栅辨向及细分
1.辨向
图辨向逻辑电路原理图
2.细分
所谓细分就是在莫尔条纹信号变化一个周期内，发出多个脉冲，以减小脉冲数量值从而提高分辨率。
常用的电子细分有直接细分法、电阻电桥细分法和电阻链细分法三种。