《模塊3電感式及電容式傳感器》教案PAGE1第1頁共16頁《單元1差動(dòng)變壓器式傳感器》教案課題單元1差動(dòng)變壓器式傳感器教學(xué)目的了解差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)及工作原理掌握差動(dòng)整流電路的工作原理，了解差動(dòng)變壓器的應(yīng)用教學(xué)重點(diǎn)差動(dòng)整流電路教學(xué)難點(diǎn)差動(dòng)整流電路教學(xué)資源多媒體教學(xué)課件，差動(dòng)變壓器實(shí)物教學(xué)手段多媒體課堂教學(xué)，實(shí)物演示教學(xué)教學(xué)過程及教學(xué)內(nèi)容教學(xué)方法引入模塊三電感式及電容式傳感器電感式或電容式傳感器就是把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為電感或電容的變化，然后通過對(duì)電感或電容的測(cè)量達(dá)到對(duì)非電量檢測(cè)的目的。單元1差動(dòng)變壓器式傳感器差動(dòng)變壓器式傳感器是根據(jù)互感的變化來感知被檢測(cè)量的。【實(shí)物演示】差動(dòng)變壓器實(shí)物的拆裝提綱挈領(lǐng)法演示互動(dòng)法概念分析一、電感式傳感器簡(jiǎn)述電感式傳感器可分為自感式、互感式、電渦流式三大類。自感式傳感器是把被測(cè)位移量轉(zhuǎn)換為線圈的自感變化；互感式傳感器是把被測(cè)位移量轉(zhuǎn)換為線圈間的互感變化，傳感器本身是一個(gè)變壓器；電渦流式傳感器是把被測(cè)位移量轉(zhuǎn)換為線圈的阻抗變化。【圖示】交流差動(dòng)變壓器式角位移傳感器；GA系列差動(dòng)變壓器位移傳感器；TD-1油動(dòng)機(jī)行程閥位位移傳感器二、差動(dòng)變壓器式傳感器的工作原理1．結(jié)構(gòu)可分間隙式和螺管式兩種2．工作原理等效電路如圖所示。基本思想：把鐵芯位移量轉(zhuǎn)換成初級(jí)線圈及次級(jí)線圈互感系數(shù)的變化，圖中M1、M2與位移x有關(guān)，當(dāng)位移x很小時(shí)Uo=k1|x|（無法判別位移方向）【動(dòng)畫】差動(dòng)變壓器原理動(dòng)畫【圖示】差動(dòng)變壓器輸出特性（1）產(chǎn)生零殘電壓的主要原因：①結(jié)構(gòu)不對(duì)稱；②存在寄生參數(shù)；③電源有高次諧波；④磁路的磁化曲線非線性。（2）減小零殘電壓的方法①提高對(duì)稱性；②減少電源諧波成分；③使銜鐵工作在磁化線性區(qū)；④采用電路補(bǔ)償?shù)取Ｈ?、差?dòng)變壓器式傳感器的基本特性1．靈敏度靈敏度一般可達(dá)0.5~5V/mm，行程越小，靈敏度越高。2．線性范圍線性范圍約為線圈骨架長度的1/10左右，只有中間部分線性較好。四、差動(dòng)變壓器式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路對(duì)于差動(dòng)變壓器的轉(zhuǎn)換電路分為差動(dòng)相敏檢波電路和差動(dòng)整流電路。差動(dòng)整流電路：1．電流輸出型（1）全波（2）半波2．電壓輸出型（1）全波（2）半波差動(dòng)變壓器對(duì)測(cè)量轉(zhuǎn)換電路的要求為：①判別銜鐵位移方向及大?。虎谙泓c(diǎn)殘余電壓。重點(diǎn)講解全波電流輸出型差動(dòng)整流電路【圖示】半波電流輸出型差動(dòng)整流電路；電壓輸出差動(dòng)整流電路；全波電壓輸出型差動(dòng)整流電路及后續(xù)電路鐵芯在中心位置時(shí)（u21=u22）Uac=Uda，可調(diào)節(jié)R1=R2，使I1=I2，ImA=I1-I2=0若u21≠u22則Uac≠Uda調(diào)節(jié)RPR1≠R2使ImA=I1-I2=0鐵芯上移（u21>u22）：Uac>Uda則ImA=I1-I2>0鐵芯下移(u21<u22)：Uac<Uda則ImA=I1-I2<0結(jié)論：可判別位移方向，消除零點(diǎn)殘余電壓。其余幾種差動(dòng)整流電路作為練習(xí)由學(xué)生分析。概念推演法圖示講演法概念推演法動(dòng)畫演示法圖示講演法概念推演法循序漸進(jìn)法圖示講演法理論演繹法總結(jié)歸納法應(yīng)用介紹五、差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用案例【動(dòng)畫】鋼板厚度的測(cè)量1．差動(dòng)變壓器式壓力變送器【圖示】YST－1型差動(dòng)壓力變送器結(jié)構(gòu)示意圖、線路原理圖、線路原理框圖220V交流電通過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓后，由V1、V2晶體管組成的多諧振蕩器轉(zhuǎn)變?yōu)?V、1000Hz的穩(wěn)定交流電壓，作為差動(dòng)變壓器的激勵(lì)電壓。差動(dòng)變壓器二次側(cè)輸出電壓通過差動(dòng)整流電路、濾波電路后，作為變送器輸出信號(hào)，可接入二次儀表加以顯示。線路中R9是調(diào)零電位器，R10是調(diào)量程電位器。儀表一般可選XCZ—103型動(dòng)圈式毫伏計(jì)，或自動(dòng)電子電位差計(jì)。【圖示】差動(dòng)變壓器式壓力變送器的另外兩種結(jié)構(gòu)圖（彈簧管式和波紋膜片式）2．電感式位移檢測(cè)在滾珠直徑自動(dòng)分選機(jī)的應(yīng)用【圖示】滾柱直徑自動(dòng)分選機(jī)的工作原理示意圖（1）軸承滾珠直徑自動(dòng)分選的要求①滾柱的標(biāo)稱直徑為10.000mm，允許公差范圍為±3μm，超出公差范圍均予以剔除；②在公差范圍內(nèi)，滾柱的直徑從9.997～10.003mm，分為A～G共7個(gè)等級(jí)，分別落入對(duì)應(yīng)的7個(gè)料箱中；③滾柱的分選速度為60個(gè)／min，分選結(jié)果在LCD屏上顯示。（2）軸承滾珠直徑自動(dòng)分選的基本工作原理①滾柱的推動(dòng)與定位；②氣缸的控制；③軸承滾珠直徑自動(dòng)檢測(cè)；④落料箱翻板的控制動(dòng)畫演示法案例教學(xué)法圖示講演法案例教學(xué)法圖示講演法作業(yè)教材認(rèn)知訓(xùn)練3－2，3－4練習(xí)鞏固法本課教育評(píng)注（課堂設(shè)計(jì)理念，實(shí)際教學(xué)效果及改進(jìn)設(shè)想）

《單元2電渦流式傳感器》教案課題單元2電渦流式傳感器教學(xué)目的了解電渦流式傳感器的基本原理、結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)換電路熟悉電渦流式傳感器的應(yīng)用教學(xué)重點(diǎn)電渦流式傳感器的基本原理和應(yīng)用教學(xué)難點(diǎn)電渦流式傳感器的基本原理教學(xué)資源多媒體教學(xué)課件，電渦流式傳感器實(shí)物教學(xué)手段多媒體課堂教學(xué)，實(shí)物演示教學(xué)教學(xué)過程及教學(xué)內(nèi)容教學(xué)方法引入單元2電渦流式傳感器電渦流式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其最大特點(diǎn)是既可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，又具有靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、頻率響應(yīng)寬、體積小等優(yōu)點(diǎn)，因此在工業(yè)測(cè)量中得到了越來越廣泛的應(yīng)用?！緢D示】干凈高效的電磁爐；電渦流探雷器提綱挈領(lǐng)法圖示展演法概念分析一、基本工作原理金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中，導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)有感應(yīng)電流產(chǎn)生，這種電流在金屬體內(nèi)自行閉合，通常稱為電渦流。電渦流的產(chǎn)生必然要消耗一部分磁場(chǎng)能量，從而使激勵(lì)線圈的阻抗發(fā)生變化。電渦流式傳感器的原理就是基于這種渦流效應(yīng)?！緞?dòng)畫】電渦流效應(yīng)動(dòng)畫【圖示】電渦流傳感器原理示意圖及等效電路圖經(jīng)推導(dǎo)，電渦流線圈受被測(cè)金屬導(dǎo)體影響后的等效阻抗為：式中R——電渦流線圈工作時(shí)的等效電阻；L——電渦流線圈工作時(shí)的等效電感?！緢D示】電磁爐內(nèi)部的勵(lì)磁線圈；電磁爐的工作原理圖二、結(jié)構(gòu)與測(cè)量轉(zhuǎn)換電路1．電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)【圖示】電渦流探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)；電渦流探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖【列表】CZF－1系列傳感器的性能一覽表【探究】探頭的直徑與測(cè)量范圍及分辨力之間有何關(guān)系？2．測(cè)量轉(zhuǎn)換電路【圖示】調(diào)頻式（FM）轉(zhuǎn)換電路原理框圖LC振蕩器的振蕩頻率為：調(diào)頻法的特點(diǎn)是受溫度、電源電壓等外界因素的影響較小。概念推演法動(dòng)畫講演法圖示講演法結(jié)果展示法圖示講演法圖表探究法圖示講演法應(yīng)用介紹三、電渦流式傳感器的應(yīng)用1．位移測(cè)量（1）應(yīng)用場(chǎng)合（2）幾種實(shí)例：【圖示】測(cè)量軸向振動(dòng)；測(cè)量磨床換向閥和先導(dǎo)閥的軸位移；測(cè)量金屬試件的熱膨脹系數(shù)。（3）傳感器外形：【圖示】4～20mA電渦流位移傳感器外形圖；V系列電渦流位移傳感器外形圖【列表】V系列電渦流位移傳感器性能一覽表（4）四線制電渦流位移傳感器的接線說明2．振幅測(cè)量【圖示】測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸的徑向振動(dòng)；測(cè)量汽輪機(jī)渦輪葉片的振動(dòng)；測(cè)量軸的振動(dòng)形狀；偏心和振動(dòng)檢測(cè)；汽輪機(jī)葉片測(cè)試3．轉(zhuǎn)速測(cè)量【圖示】轉(zhuǎn)速測(cè)量的兩種類型：帶有凹槽的轉(zhuǎn)軸；帶有凸齒的轉(zhuǎn)軸【動(dòng)畫】電渦流傳感器轉(zhuǎn)速測(cè)量動(dòng)畫轉(zhuǎn)速計(jì)算公式：【舉例】設(shè)齒數(shù)z=48，測(cè)得頻率f=120Hz，求該齒輪的轉(zhuǎn)速n【圖示】齒輪轉(zhuǎn)速測(cè)量示意圖；用于汽車剎車ABS系統(tǒng)的速度傳感器；車輪轉(zhuǎn)速傳感器剖視圖4．電渦流表面探傷利用電渦流式傳感器可以檢查金屬表面裂紋、熱處理裂紋，以及焊接處的缺陷等。在探傷時(shí)，傳感器應(yīng)與被測(cè)導(dǎo)體保持距離不變。檢測(cè)時(shí)，由于裂陷出現(xiàn)，將引起導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率的變化，即渦流損耗改變，從而引起輸出電壓的突變，達(dá)到探傷的目的?！緢D示】手持式裂紋測(cè)量儀；油管探傷；掌上型電渦流探傷儀檢測(cè)飛機(jī)裂紋【動(dòng)畫】電渦流傳感器探傷檢測(cè)動(dòng)畫5．厚度測(cè)量測(cè)量前，可先用電渦流測(cè)厚儀對(duì)標(biāo)準(zhǔn)厚度的鍍層和銅箔作出“厚度－輸出”電壓的標(biāo)定曲線，以便測(cè)量時(shí)對(duì)照。【圖示】電渦流涂層厚度儀【動(dòng)畫】電渦流傳感器測(cè)量厚度動(dòng)畫6．其它應(yīng)用【動(dòng)畫】電渦流傳感器計(jì)數(shù)動(dòng)畫演示；電渦流傳感器軸心軌跡測(cè)量動(dòng)畫演示應(yīng)用案例法圖示講演法列表分析法應(yīng)用案例法圖示講演法動(dòng)畫展演法應(yīng)用舉例法圖示演示法概念推演法圖示展演法動(dòng)畫展演法圖示展演法動(dòng)畫講演法作業(yè)教材認(rèn)知訓(xùn)練3－5練習(xí)鞏固法本課教育評(píng)注（課堂設(shè)計(jì)理念，實(shí)際教學(xué)效果及改進(jìn)設(shè)想）

《單元3電容式傳感器》教案課題單元3電容式傳感器教學(xué)目的了解電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)掌握變壓器電橋的原理和脈沖寬度調(diào)制電路的特點(diǎn)了解電容傳感器的調(diào)頻電路，熟悉電容傳感器的應(yīng)用教學(xué)重點(diǎn)變壓器電橋、差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路；電容式傳感器的應(yīng)用教學(xué)難點(diǎn)變壓器電橋教學(xué)資源多媒體教學(xué)課件，電容式傳感器實(shí)物教學(xué)手段多媒體課堂教學(xué)，實(shí)物演示教學(xué)教學(xué)過程及教學(xué)內(nèi)容教學(xué)方法引入單元3電容式傳感器電容式傳感器通過電容傳感元件將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，再經(jīng)測(cè)量轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率。【圖示】電容傳感器液位計(jì)提綱挈領(lǐng)法圖示展演法概念分析一、基本工作原理及結(jié)構(gòu)形式由兩平行極板組成一個(gè)電容器，如圖所示。若忽略其邊緣效應(yīng)，它的電容量可用下式表示。式中：ε0=8.85×10-12F/mε（或εr）、A、d三項(xiàng)中一項(xiàng)變化，其電容量C也變化，可分三種形式：變間隙式、變面積式、變介電常數(shù)式。【動(dòng)畫】電容傳感器聲波測(cè)量動(dòng)畫【圖示】幾種不同電容式傳感器的原理結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)（其中如b、d、f為差動(dòng)電容傳感器）1．變極距式電容傳感器d變化，ε0、A不變化電容量C與d不是線性關(guān)系。其靈敏度也不是常數(shù)。非線性誤差ε=|Δd/d0|×100%對(duì)于差動(dòng)形式靈敏度提高一倍，非線性誤差減少?！緞?dòng)畫】變極距式電容傳感器原理動(dòng)畫【圖示】變極距式電容傳感器結(jié)構(gòu)及特性曲線2．變面積式電容傳感器ΔC與Δx之間為線性關(guān)系【動(dòng)畫】變面積式電容傳感器原理動(dòng)畫【圖示】幾種變面積電容式傳感器的原理結(jié)構(gòu)圖3．變介電常數(shù)式電容傳感器ΔC與Δh之間為線性關(guān)系【動(dòng)畫】變介電常數(shù)式電容傳感器原理動(dòng)畫【列表】三種電容式傳感器比較表二、測(cè)量轉(zhuǎn)換電路1．變壓器電橋U0=U/2-ZC2U/（ZC1+ZC2）=（U/2）·（ZC1-ZC2）/（ZC1+ZC2）=（U/2）·（C1-C2）/（C1+C2）（1）變間隙單電容傳感器C1=εA/(d0-Δd)C2=εA/d0U0=(UΔd/d0)/2(2-Δd/d0)≈(U/4)·(1+Δd/d0)·Δd/d0非線性（2）變間式差動(dòng)電容傳感器C1=εA/(d0-Δd)C2=εA/(d0+Δd)U0=(U/2)·Δd/d0線性由于電路輸出為交流電，還應(yīng)進(jìn)行相敏檢波后，才能辨別位移方向。2．調(diào)頻電路【圖示】調(diào)頻電路原理框圖由于振蕩器的頻率受電容式傳感器的電容調(diào)制，這樣就實(shí)現(xiàn)了C/f的變換，故稱為調(diào)頻電路。調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率：3．脈沖寬度調(diào)制電路【圖示】脈沖寬度調(diào)制電路原理圖分析電路前先復(fù)習(xí)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器真值表，經(jīng)過分析推導(dǎo)：其中：U1為觸發(fā)器輸出高電平電壓【結(jié)論】公式的形式與變壓器電橋相同，但本質(zhì)的區(qū)別為變壓器電橋輸出電壓為交流電，而脈沖寬度調(diào)制電路輸出電壓為直流電。從而可以直接判別位移大小和方向。脈沖調(diào)寬電路具有以下五方面的特點(diǎn)：①消除了非線性；②不需要相敏檢波即能獲得較大的直流輸出；③電路只采用直流電源，不需要頻率發(fā)生器；④頻率對(duì)輸出無影響；⑤對(duì)輸出矩形波純度要求不高。概念推演法動(dòng)畫講演法圖示講演法概念推演法動(dòng)畫講演法圖示講演法動(dòng)畫講演法圖示講演法動(dòng)畫講演法列表分析法理論推導(dǎo)法總結(jié)歸納法圖示講演法提綱挈領(lǐng)法圖示講演法總結(jié)歸納法結(jié)論演繹法應(yīng)用介紹三、電容式傳感器的應(yīng)用1．壓力測(cè)量【圖示】電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖；電容式差壓變送器外形圖；電容式差壓變送器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖?！緢D示】各種電容式差壓變送器外形圖；利用電容差壓變送器測(cè)量液體的液位（P=ρ·g·h）；投入式水位計(jì)；家用電器壓力檢測(cè)示意圖。2．加速度測(cè)量【動(dòng)畫】電容傳感器加速度測(cè)量動(dòng)畫【圖示】電容式加速度傳感器；硅微加工加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖；硅微加工電容加速度傳感器實(shí)物圖；微加工三軸加速度傳感器。【舉例】加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用、汽車氣囊的保護(hù)作用、利用加速度傳感器實(shí)現(xiàn)延時(shí)起爆的鉆地炸彈。3．料位和液位測(cè)量【圖示】AM90系列電容物位儀；電容料位測(cè)量示意圖；智能化液位傳感器的外形與設(shè)定按鈕；電容式油量表原理圖4．轉(zhuǎn)速測(cè)量【動(dòng)畫】電容傳感器轉(zhuǎn)速測(cè)量動(dòng)畫5．1151電容式智能壓力變送器【圖例】1151電容式智能壓力變送器外形圖（1）主要技術(shù)性能①測(cè)量范圍；②測(cè)量精度；③輸出信號(hào)（2）壓力（差壓）變送器的耐腐蝕和防爆①耐腐蝕