下载文档原格式
第四章力敏传感器教学目标：1．了解弹性敏感元件的特性和要求。
2．了解几种常用测力称重传感器的特点、3．掌握电阻应变效应及半导体的压阻效应4．了解电桥电路的作用。
5．掌握单臂、双臂和全桥测量电路的异同点。
6．理解压电式传感器的工作原理。
了解它的特点。
7．了解它们的应用。
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，有经弹性敏感元件转换后再转换成电量的如电阻式、电容式和电感式等。
它主要用于两个方面：测力和称重。
本章介绍电阻应变式传感器、压阻式和压电式传感器。
§4-1（传感器中的）弹性敏感元件一、弹簧管压力表的组成：（如图4-1）图4-1弹簧管压力表的组成框图弹簧管——弹性敏感元件：将输入压力转换成自身的变形量（应变、位移或转角）。
二、弹性元件的基本特性：1．变形：物体在外力作用下改变原来尺寸或形状的现象。
2．弹性：物体因受外力作用而产生变形，外力去掉后又恢复原状的特性。
3．弹性元件：具有弹性变形特性的物体。
4．弹性变形：弹性元件受外力作用而产生的变形。
5．弹性特性：作用在元件上的外力与相应变形（应变、位移或转角）之间的关系。
（1）刚度：弹性元件产生单位变形所需的力。
（2）灵敏度：在单位力作用下弹性元件产生的变形。
刚度和灵敏度表示了弹性元件的软硬程度。
元件越硬，刚度越大，单位力作用下变形越小，灵敏度越小。
6．线性弹性元件：刚度和灵敏度为常数，作用力F与变形X成线性关系。
三、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。
它首先把力、力矩或压力转换成相应的应变或位移，然后配合各种形式的传感元件，将被测力、力矩或压力变换成电量。
基本要求：（1）具有良好的机械特性（强度高、抗冲击、韧性好、疲劳强度高等）和良好的机械加工及热处理性能。
（2）良好的弹性特性（弹性极限高、弹性滞后和弹性后效小等）。
（3）弹性模量的温度系数小且稳定，材料的线膨胀系数小且稳定。
“传感器应用技术”课程标准一、课程概要二、课程定位本课程是高职电子信息工程技术专业一门重要的专业拓展课程，旨在培养学生科技强国、文化自信、爱岗敬业、勇于创新、精益求精的思想政治与职业素养，掌握常用传感器的作用、分类、特性、工作原理及典型应用方法，具有传感器选型能力以及初步设计、制作与调试传感器应用电路的基本技能。
三、课程目标（一）素质（思政）目标1.培养学生爱党爱社会主义、担当民族复兴大任的爱国情怀；2.培养学生对社会主义核心价值观的情感认同和行为习惯；3.培养学生爱岗敬业、艰苦奋斗、勇于创新、热爱劳动的劳动精神；4.培养学生执着专注、精益求精、一丝不苟、科技强国的工匠精神；5.培养学生标准意识、规范意识、安全意识、服务质量职业意识；6.培养学生严谨细致、踏实耐心、团队协作、表达沟通的职业素质。
（二）知识目标1. 了解误差的基本概念，熟悉误差分析的基本方法；2. 熟悉传感器的定义、分类与基本特性；3. 熟悉常用仪器仪表功能与工作原理，掌握电子电路常规参数的测试方法；4. 掌握温湿度传感器种类、特性、工作原理及应用电路分析、制作与测试方法；5. 掌握光敏传感器种类、特性、工作原理及应用电路分析、制作与测试方法；6. 掌握力敏传感器种类、特性、工作原理及应用电路分析、制作与测试方法；7. 掌握超声波传感器种类、特性、工作原理及应用电路分析、制作与测试方法；8. 掌握磁敏传感器种类、特性、工作原理及应用电路分析、制作与测试方法；9．掌握气敏传感器种类、特性、工作原理及应用电路分析、制作与测试方法；10. 掌握其他新型传感器的特性及应用方法。
（二）能力目标1.具有根据被测参量选择合适传感器的能力；2.具有设计传感器接口电路的能力；3.具有制作传感器应用系统硬件电路的能力；4.具有调试传感器应用电路的能力；5.具有传感器应用系统设计和调试的综合能力；6.具有简单电子产品设计的能力；7.具有较强的思考、分析和解决问题的能力；8.具有传感器新技术的学习和应用能力。
《传感器与检测技术》课程标准1.概述1.1课程的性质传感器是现代控制的基本工具，而检测技术则是控制过程获取信息的唯一手段。
《传感器与检测技术》是一门多学科交叉的专业课程，重点介绍各种传感器的工作原理和特性，结合工程应用实际，了解传感器在各种电量和非电量检测系统中的应用，培养学生使用各类传感器的技巧和能力，掌握常用传感器的工程测量设计方法和实验研究方法，了解传感器技术的发展动向。
1.2课程设计理念传感器与检测技术是集工程力学、自动控制原理、信号分析等多方面知识为一体的一门课程，其理论性、实践性、应用性较强。
为体现其特点本课程采用理论与实践紧密结合，分模块教学方法，并根据专业的不同，每一模块安排其对应的教学内容，由浅入深、逐步递进。
在教学过程中采用理论与实践教学相统一的专业教师授课，加大实践教学模式，增加学生的感性认识以提高学习兴趣。
学生通过本课程的学习达到：理解不同传感器的工作原理，常用的测量电路；能够对常用传感器的性能参数与主要技术指标进行校量与标定。
1.3课程开发思路本专业毕业生主要面向自动化设备生产企业和经营单位，从事一般自动化设备的装配、调试、检测和维修工作，以及电子产品、元器件的采购和销售工作。
也可以从事一些电工相关的行业。
分析岗位群对传感器与检测技术课程相关内容的要求确立课程的内容知识点。
2.课程目标本课程的培养目标是培养学生初步掌握检测技术的基本知识和应用。
培养学生使用各类传感器的能力。
使学生能够进一步应用传感器解决工程测控系统中的具体问题。
通过行为导向的项目式教学，加强学生实践技能的培养，培养学生的综合职业能力和职业素养；独立学习及获取新知识、新技能、新方法的能力；与人交往、沟通及合作等方面的态度和能力。
2．1知识目标（1）理解传感器的静态特性、动态特性与技术指标。
（2）掌握电阻传感器原理与应用。
（3）掌握电感传感器原理与应用。
（4）掌握电容传感器原理与应用。
（5）掌握光电（光纤、光栅）传感器原理与应用。
传感器在初中物理实验中应用摘要：随着现代社会的发展，科技也在不断的进步，而实验是物理教学中不可或缺的一部分。
现阶段人类对信息获取方式发生了翻天覆的变化，传感器在现代信息技术中应用越来越广泛，而物理学是一门与实验紧密相连、联系密切的学科。
本文通过介绍物理实验室测微原理和仪器设备在初中物理教学中运用情况及检测结果分析等方面进行简单阐述，并对该装置系统实现功能模块、电源电路以及显示界面进行了详细说明。
关键词：传感器；初中教学；物理实验引言：物理学是一门以实验为基础的学科，通过观察物理现象来研究和学习，从而使学生掌握科学探究方法、探索规律，因此传感器在初中物理教学中具有广泛的应用空间。
在初中物理实验中，传感器的应用是非常广泛，其主要作用就是将一些物理学习或生活中有用价值和实用性都可以进行测量、转化及分析等。
本文以传感器技术为切入点，介绍了初中物理实验中的应用现状及问题，并通过对其进行分析与研究。
一、传感器简介在初中物理实验中传感器的应用是一个重点和难点。
随着时代的发展，科技水平也在不断进步，我们生活中所需要用到的传感器种类越来越多了，其中以单片机为基础芯片设计制作而成。
它可以实现对各种物理量进行测量与控制、数据采集和处理等等功能，通过使用单片机能完成多种实验操作如测定电阻变化、电压比较等功能，还能将温度显示出来并且能够根据不同要求调节电流大小等一系列物理现象，使人们从繁琐的学习生活中解脱出宝贵时间[1]。
传感器是一种检测装置，它的作用就是将自然界中的物理量转换成可用信号。
我们可以用各种传感器材来进行测量、控制和处理，例如激光测距仪在工业生产中被广泛运用着，热像探测器可作为温度探测器使用，或直接用于研究温度变化对器件性能影响问题等方面。
从广义上讲就是能感受到外界信息而不被干扰或破坏，狭义上来讲是指能够感知外部世界条件变化、状态发生变化（如温度）等过程物体内部和环境间相互作用所提供各种信息输出装置及相应处理仪器的总称。
液体表面张力系数的测定液体的表面张力是表征液体性质的一个重要参数．测量液体的表面张力系数有多种方法，拉脱法是测量液体表面张力系数常用的方法之一．该方法的特点是，用秤量仪器直接测量液体的表面张力，测量方法直观，概念清楚．用拉脱法测量液体表面张力，对测量力的仪器要求较高，由于用拉脱法测量液体表面的张力约在1×10-3～1×10-2 N之间，因此需要有一种量程范围较小，灵敏度高，且稳定性好的测量力的仪器．近年来，新发展的硅压阻式力敏传感器张力测定仪正好能满足测量液体表面张力的需要，它比传统的焦利秤、扭秤等灵敏度高，稳定性好，且可数字信号显示，利于计算机实时测量，为了能对各类液体的表面张力系数的不同有深刻的理解，在对水进行测量以后，再对不同浓度的酒精溶液进行测量，这样可以明显观察到表面张力系数随液体浓度的变化而变化的现象，从而对这个概念加深理解。
[实验目的]1．用拉脱法测量室温下液体的表面张力系数2．学习力敏传感器的定标方法[实验原理]测量一个已知周长的金属片从待测液体表面脱离时需要的力，求得该液体表面张力系数的实验方法称为拉脱法．若金属片为环状吊片时，考虑一级近似，可以认为脱离力为表面张力系数乘上脱离表面的周长，即F=α·π(D1十D2) （1）式中，F为脱离力，D1，D2分别为圆环的外径和内径，α为液体的表面张力系数．硅压阻式力敏传感器由弹性梁和贴在梁上的传感器芯片组成，其中芯片由四个硅扩散电阻集成一个非平衡电桥，当外界压力作用于金属梁时，在压力作用下，电桥失去平衡，此时将有电压信号输出，输出电压大小与所加外力成正此，即△U=KF （2）式中，F为外力的大小，K为硅压阻式力敏传感器的灵敏度，△U为传感器输出电压的大小。
[实验装置]1.结构图图1 结构图1、水平调节螺丝2、升降螺丝3、玻璃器皿4、吊环5、力敏传感器6、支架7、固定螺丝8、航空插头9、底座 10、数字电压表 11、调零图2为实验装置图,其中,液体表面张力测定仪包括硅扩散电阻非平衡电桥的电源和测量电桥失去平衡时输出电压大小的数字电压表．其他装置包括铁架台,微调升降台,装有力敏传感器的固定杆,盛液体的玻璃皿和圆环形吊片,实验证明,当环的直径在3cm附近而液体和金属环接触的接触角近似为零时.运用公式(1)测量各种液体的表面张力系数的结果较为正确。
传感器教学设计教案一、教学内容1. 传感器的基本概念与分类2. 常用传感器的工作原理及其特点3. 传感器在实际应用中的案例分析二、教学目标1. 让学生掌握传感器的基本概念、分类及工作原理，提高学生的理论知识水平。
2. 培养学生运用传感器解决实际问题的能力，提高学生的实践操作技能。
3. 激发学生对传感器技术及其应用的兴趣，培养学生的创新意识和团队协作精神。
三、教学难点与重点1. 教学难点：传感器的工作原理及其在实际应用中的案例分析。
2. 教学重点：传感器的分类、原理及其在工程实践中的应用。
四、教具与学具准备1. 教具：PPT、传感器实物、实验装置等。
2. 学具：学习手册、笔、计算器等。
五、教学过程1. 导入新课通过展示传感器在生活中的应用实例，引发学生对传感器技术的好奇心和兴趣。
2. 知识讲解（1）传感器的定义与分类（2）常用传感器的工作原理及其特点（3）传感器在实际应用中的案例分析3. 实践操作（1）分组讨论：让学生针对某一实际应用场景，选择合适的传感器进行设计。
（2）实验演示：展示传感器的工作原理及其实际应用。
（3）随堂练习：让学生根据所学知识，完成传感器相关的设计题目。
4. 知识巩固5. 课堂小结通过提问、讨论等方式，检验学生对本节课知识的掌握情况。
六、板书设计1. 传感器及其应用2. 内容：（1）传感器的定义与分类（2）常用传感器的工作原理及其特点（3）传感器在实际应用中的案例分析七、作业设计1. 作业题目：（1）简述传感器的定义、分类及其应用。
（2）列举三种常用传感器的工作原理及其特点。
（3）针对某一实际应用场景，设计一个简单的传感器应用方案。
2. 答案：（1）传感器的定义：传感器是一种能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置。
（2）传感器的分类：按工作原理可分为物理传感器、化学传感器、生物传感器等。
（3）传感器应用案例：温度传感器在空调系统中的应用、压力传感器在汽车刹车系统中的应用等。
液体表面张力系数的测定
液体的表面张力是表征液体性质的一个重要参数．测量液体的表面张力系数有多种方法，拉脱法是测量液体表面张力系数常用的方法之一．该方法的特点是，用秤量仪器直接测量液体的表面张力，测量方法直观，概念清楚．用拉脱法测量液体表面张力，对测量力的仪器要求较高，由于用拉脱法测量液体表面的张力约在1×10-3～1×10-2 N之间，因此需要有一种量程范围较小，灵敏度高，且稳定性好的测量力的仪器．近年来，新发展的硅压阻式力敏传感器张力测定仪正好能满足测量液体表面张力的需要，它比传统的焦利秤、扭秤等灵敏度高，稳定性好，且可数字信号显示，利于计算机实时测量，为了能对各类液体的表面张力系数的不同有深刻的理解，在对水进行测量以后，再对不同浓度的酒精溶液进行测量，这样可以明显观察到表面张力系数随液体浓度的变化而变化的现象，从而对这个概念加深理解。
[实验目的]
1．用拉脱法测量室温下液体的表面张力系数
2．学习力敏传感器的定标方法
[实验原理]
测量一个已知周长的金属片从待测液体表面脱离时需要的力，求得该液体表面张力系数的实验方法称为拉脱法．若金属片为环状吊片时，考虑一级近似，可以认为脱离力为表面张力系数乘上脱离表面的周长，即
F=α·π(D1十D2) （1）
式中，F为脱离力，D1，D2分别为圆环的外径和内径，α为液体的表面张力系数．
硅压阻式力敏传感器由弹性梁和贴在梁上的传感器芯片组成，其中芯片由四个硅扩散电阻集成一个非平衡电桥，当外界压力作用于金属梁时，在压力作用下，电桥失去平衡，此时将有电压信号输出，输出电压大小与所加外力成正此，即
△U=KF （2）
式中，F为外力的大小，K为硅压阻式力敏传感器的灵敏度，△U为传感器输出电压的大小。
[实验装置]
1.结构图
图1 结构图
1、水平调节螺丝
2、升降螺丝
3、玻璃器皿
4、吊环
5、力敏传感器
6、支架
7、固定螺丝
8、航空插头
9、底座 10、数字电压表 11、调零
图2为实验装置图,其中,液体表面张力测定仪包括硅扩散电阻非平衡电桥的电源和测量电桥失去平衡时输出电压大小的数字电压表．其他装置包括铁架台,微调升降台,装有力敏传感器的固定杆,盛液体的玻璃皿和圆环形吊片,实验证明,当环的直径在3cm附近而液体和金属环接触的接触角近似为零时.运用公式(1)测量各种液体的表面张力系数的结果较为正确。
图2 液体表面张力测定装置
2.仪器组成及技术指标
2.1 硅压阻力敏传感器
（1）受力量程：0—0.098N
（2）灵敏度：约3.00V/N（用砝码质量作单位定标）
（3）非线性误差：≤0.2%
（4）供电电压：直流3～6伏
2.2 显示部分
（1）读数显示：200 mV 三位半数显表
（2）调零：手动多圈电位器
（3）连接方式：5芯航空插头
2.3 力敏传感器固定支架、升降台、底板及水平调节装置
2.4 吊环：外径φ
3.5cm、内径φ3.3、高0.8cm的铝合金吊环。
2.5 直径φ12.00cm或φ1
3.00cm玻璃器皿一只
2.6 砝码盘及0.5克砝码7只
2.7用本仪器测量水等液体的表面张力系数的误差≤5%
3. 使用步骤
3.1 开机预热。
3.2 清洗玻璃器皿和吊环。
3.3 在玻璃器皿内放入被测液体并安放在升降台上。
（玻璃盛器底部可用双面胶与升降台面贴紧固定）
3.4 将砝码盘挂在力敏传感器的钩上。
3.5 若整机已预热15分钟以上，可对力敏传感器定标，在加砝码前应首先对仪器调零，
安放砝码时应尽量轻，并在它晃动停止之后，方可读数。
3.6 换吊环前应先测定吊环的内外直径，然后挂上吊环，在测定液体表面张力系数过程中，可观察到液体产生的浮力与张力的情况与现象，以顺时针转动升降台大螺帽时液体液面上升，当环下沿部分均浸入液体中时，改为逆时针转动该螺帽，这时液面往下降（或者说相对吊环往上提拉），观察环浸入液体中及从液体中拉起时的物理过程和现象。
特别应注意吊环即将拉断液柱前一瞬间数字电压表读数值为U1，拉断时瞬间数字电压表读数为U2。
记下这两个数值。
4.整机使用注意事项
4.1 吊环须严格处理干净。
可用NaOH溶液洗净油污或杂质后，用清洁水冲洗干净，并用热吹风烘干。
4.2 吊环水平须调节好，注意偏差10，测量结果引入误差为0.5%；偏差20，则误差1.6%。
4.3 仪器开机需预热15分钟。
4.4 在旋转升降台时，尽量使液体的波动要小。
4.5 实验室内不可有风，以免吊环摆动致使零点波动，所测系数不正确。
4.6 若液体为纯净水。
在使用过程中防止灰尘和油污及其它杂质污染，特别注意手指不要接触被测液体。
4.7 力敏传感器使用时用力不宜大于0.098N。
过大的拉力传感器容易损坏。
4.8 实验结束须将吊环用清洁纸擦干，用清洁纸包好，放入干燥缸内。
[实验内容]
一、必做部分
1、力敏传感器的定标
每个力敏传感器的灵敏度都有所不同，在实验前，应先将其定标，定标步骤如下：（1）打开仪器的电源开关，将仪器预热。
（2）在传感器梁端头小钩中，挂上砝码盘，调节调零旋钮，使数字电压表显示为零。
（3）在砝码盘上分别如0.5g、1.0g、1.5g、2.0g、2.5g、3.0g等质量的砝码，记录相应这些砝码力F作用下，数字电压表的读数值U.
（4）用最小二乘法作直线拟合,求出传感器灵敏度K.
2、环的测量与清洁：
（1）用游标卡尺测量金属圆环的外径D1和内径D2
（2）环的表面状况与测量结果有很大的关系，实验前应将金属环状吊片在NaＯＨ溶液中浸泡20～30秒，然后用净水洗净。
3、液体的表面张力系数
（1）将金属环状吊片挂在传感器的小钩上，调节升降台，将液体升至靠近环片的下沿，观察环状吊片下沿与待测液面是否平行，如果不平行，将金属环状片取下后，调节吊片上的细丝，使吊片与待测液面平行。
（2）调节容器下的升降台，使其渐渐上升，将环片的下沿部分全部浸没于待测液体，然后反向调节升降台，使液面逐渐下降，这时，金属环片和液面间形成一环形液膜，继续下降液面，测出环形液膜即将拉断前一瞬间数字电压表读数值U1和液膜拉断后一瞬间数字电压表读数值U2。
△U＝U1-U2
（3）将实验数据代人公式（2）和（1），求出液体的表面张力系数，并与标准值进行比较。
二、选做部分
测出其他待测液体，如酒精、乙醚、丙酮等在不同浓度下的表面张力系数
三、实验数据和记录
1、传感器灵敏度的测量
砝码／g 0.500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 电压／mV
经最小二乘法拟合得K= mV/N,拟合的线性相关系数r=
2、水的表面张力系数的测量
金属环外径D1= cm,内径D2= cm, 水的温度：t= ℃.
编号U1/mV U2/mV △U/mV F/N α/N.m-1
1
2
3
4
5
a= N/m
水温t/℃10 15 20 25 30 α/N.m-10.074 22 0.073 22 0.072 75 0.071 97 0.071 18。
