傳感器技術(shù)及應(yīng)用-教案及習(xí)題全解?一、教案部分（一）課程目標(biāo)1.知識(shí)目標(biāo)了解傳感器的基本概念、分類及作用。掌握常見傳感器的工作原理、特性及應(yīng)用場(chǎng)合。熟悉傳感器信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換的方法。2.能力目標(biāo)能夠根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的傳感器。具備對(duì)傳感器進(jìn)行簡(jiǎn)單安裝、調(diào)試及故障排除的能力。學(xué)會(huì)運(yùn)用傳感器技術(shù)解決實(shí)際工程問題。3.素質(zhì)目標(biāo)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和創(chuàng)新意識(shí)。提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。增強(qiáng)學(xué)生對(duì)工程技術(shù)領(lǐng)域的責(zé)任感和使命感。（二）教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時(shí)安排1.傳感器概述（2學(xué)時(shí)）傳感器的定義與組成講解傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，包括敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和信號(hào)調(diào)理電路。通過實(shí)例分析，如溫度傳感器將溫度變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，幫助學(xué)生理解傳感器的工作過程。傳感器的分類按照被測(cè)量分類，介紹物理量傳感器（如溫度、壓力、位移等）、化學(xué)量傳感器（如氣體濃度、酸堿度等）和生物量傳感器（如酶?jìng)鞲衅?、?xì)胞傳感器等）。按照工作原理分類，講解電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、壓電式傳感器等的工作原理特點(diǎn)。傳感器的作用與地位闡述傳感器在現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、醫(yī)療、環(huán)保等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)其作為信息獲取的首要環(huán)節(jié)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的重要性。2.電阻式傳感器（4學(xué)時(shí)）應(yīng)變片式電阻傳感器介紹應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與工作原理，講解應(yīng)變片電阻變化與應(yīng)變之間的關(guān)系。通過實(shí)驗(yàn)演示，讓學(xué)生觀察應(yīng)變片在受力時(shí)電阻值的變化情況。分析應(yīng)變片式電阻傳感器在力、壓力、加速度等測(cè)量中的應(yīng)用實(shí)例。熱電阻傳感器講解熱電阻的分類（如鉑電阻、銅電阻）及其溫度特性。推導(dǎo)熱電阻與溫度的關(guān)系公式，分析熱電阻傳感器的測(cè)量電路（如電橋電路）。介紹熱電阻傳感器在溫度測(cè)量、溫度控制等方面的應(yīng)用案例。3.電容式傳感器（4學(xué)時(shí)）電容式傳感器的工作原理講解電容式傳感器的基本原理，即通過改變電容量來檢測(cè)被測(cè)量的變化。分析影響電容式傳感器電容量的因素，如極板間距離、面積、介質(zhì)介電常數(shù)等。電容式傳感器的類型與特性介紹變極距型、變面積型和變介質(zhì)型電容式傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能特性。通過實(shí)驗(yàn)，測(cè)量電容式傳感器的電容變化，繪制特性曲線，讓學(xué)生直觀感受其特性。電容式傳感器的應(yīng)用舉例說明電容式傳感器在位移測(cè)量、壓力測(cè)量、液位測(cè)量等方面的應(yīng)用原理與電路設(shè)計(jì)。4.電感式傳感器（4學(xué)時(shí)）自感式傳感器講解自感式傳感器的工作原理，如變氣隙型、變面積型和螺線管型自感式傳感器。分析自感式傳感器的自感變化與被測(cè)量之間的關(guān)系，推導(dǎo)相關(guān)公式。通過實(shí)驗(yàn)，研究自感式傳感器的輸出特性，掌握其測(cè)量方法?；ジ惺絺鞲衅鳎ú顒?dòng)變壓器）介紹差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)與工作原理，分析其輸出特性。講解差動(dòng)變壓器在位移、厚度、應(yīng)變等測(cè)量中的應(yīng)用，以及測(cè)量電路的設(shè)計(jì)。電渦流式傳感器講解電渦流式傳感器的原理，即基于電渦流效應(yīng)檢測(cè)金屬導(dǎo)體與傳感器之間的距離變化。分析電渦流式傳感器的特性與應(yīng)用，如用于轉(zhuǎn)速測(cè)量、振動(dòng)測(cè)量等。5.壓電式傳感器（4學(xué)時(shí)）壓電效應(yīng)講解壓電材料的壓電效應(yīng)原理，包括正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。通過實(shí)驗(yàn)演示，讓學(xué)生觀察壓電材料在受力或受電場(chǎng)作用時(shí)的電荷或電壓變化。壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)與特性介紹壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)組成，分析其靜態(tài)特性（如電荷靈敏度、電壓靈敏度等）和動(dòng)態(tài)特性。講解壓電式傳感器的測(cè)量電路，如電壓放大器、電荷放大器等。壓電式傳感器的應(yīng)用舉例說明壓電式傳感器在力測(cè)量、加速度測(cè)量、超聲波測(cè)量等方面的應(yīng)用實(shí)例與電路設(shè)計(jì)。6.傳感器信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換（4學(xué)時(shí)）傳感器信號(hào)的特點(diǎn)分析傳感器輸出信號(hào)的類型（如模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)）、幅值范圍、頻率特性等特點(diǎn)。信號(hào)調(diào)理電路講解放大器、濾波器、電橋電路等信號(hào)調(diào)理電路的工作原理與設(shè)計(jì)方法。通過實(shí)際電路設(shè)計(jì)，讓學(xué)生掌握如何對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、線性化等處理。信號(hào)轉(zhuǎn)換電路介紹模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換（A/D轉(zhuǎn)換）和數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換（D/A轉(zhuǎn)換）的原理與常用芯片。設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換，讓學(xué)生了解其應(yīng)用過程。7.傳感器應(yīng)用實(shí)例（4學(xué)時(shí)）工業(yè)自動(dòng)化中的傳感器應(yīng)用介紹傳感器在工業(yè)生產(chǎn)線上的應(yīng)用，如溫度傳感器用于電機(jī)溫度監(jiān)測(cè)、壓力傳感器用于管道壓力控制等。分析工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中傳感器的選型、安裝與調(diào)試要點(diǎn)。智能家居中的傳感器應(yīng)用講解傳感器在智能家居系統(tǒng)中的應(yīng)用，如紅外傳感器用于人體探測(cè)、光照傳感器用于自動(dòng)調(diào)光等。設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的智能家居傳感器應(yīng)用電路，讓學(xué)生體驗(yàn)傳感器技術(shù)在生活中的應(yīng)用。汽車電子中的傳感器應(yīng)用介紹汽車電子系統(tǒng)中各種傳感器的應(yīng)用，如車速傳感器、加速度傳感器、氧傳感器等。分析汽車傳感器對(duì)車輛性能和安全的重要作用，以及傳感器技術(shù)在汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。（三）教學(xué)方法1.講授法：系統(tǒng)講解傳感器的基本概念、原理、特性及應(yīng)用等知識(shí)，使學(xué)生形成完整的知識(shí)體系。2.實(shí)驗(yàn)教學(xué)法：通過實(shí)驗(yàn)演示和學(xué)生實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生直觀地觀察傳感器的工作過程，加深對(duì)理論知識(shí)的理解，提高實(shí)踐動(dòng)手能力。3.案例教學(xué)法：引入大量實(shí)際應(yīng)用案例，分析傳感器在不同領(lǐng)域的應(yīng)用原理和設(shè)計(jì)方法，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。4.小組討論法：組織學(xué)生進(jìn)行小組討論，針對(duì)一些復(fù)雜的傳感器技術(shù)問題或應(yīng)用案例，鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)表觀點(diǎn)，促進(jìn)學(xué)生之間的思想交流與合作學(xué)習(xí)。（四）教學(xué)資源1.教材：選用權(quán)威的《傳感器技術(shù)及應(yīng)用》教材，涵蓋豐富的傳感器知識(shí)和應(yīng)用案例。2.實(shí)驗(yàn)設(shè)備：配備各類傳感器實(shí)驗(yàn)套件，包括電阻式、電容式、電感式、壓電式傳感器等，以及信號(hào)調(diào)理電路實(shí)驗(yàn)?zāi)K、數(shù)據(jù)采集卡等，方便學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。3.多媒體課件：制作詳細(xì)的多媒體課件，包含文字、圖片、動(dòng)畫、視頻等多種元素，直觀展示教學(xué)內(nèi)容，增強(qiáng)教學(xué)效果。4.在線學(xué)習(xí)平臺(tái)：利用在線學(xué)習(xí)平臺(tái)提供相關(guān)的拓展學(xué)習(xí)資料，如前沿傳感器技術(shù)文章、在線課程視頻等，供學(xué)生自主學(xué)習(xí)和課后復(fù)習(xí)。（五）考核方式1.平時(shí)成績(jī)（30%）考勤（10%）：記錄學(xué)生的出勤情況，遲到、早退、曠課按規(guī)定扣分。課堂表現(xiàn)（10%）：觀察學(xué)生在課堂上的參與度、回答問題情況、小組討論表現(xiàn)等，給予相應(yīng)評(píng)分。作業(yè)（10%）：布置適量的課后作業(yè)，包括理論習(xí)題和實(shí)驗(yàn)報(bào)告，檢查學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度和實(shí)踐能力，認(rèn)真批改并評(píng)分。2.實(shí)驗(yàn)成績(jī)（30%）實(shí)驗(yàn)操作（15%）：觀察學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的操作規(guī)范性、熟練程度、數(shù)據(jù)記錄準(zhǔn)確性等，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)評(píng)分。實(shí)驗(yàn)報(bào)告（15%）：要求學(xué)生撰寫完整、規(guī)范的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理、步驟、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果分析等內(nèi)容，根據(jù)報(bào)告質(zhì)量評(píng)分。3.期末考試成績(jī)（40%）：采用閉卷考試形式，考查學(xué)生對(duì)傳感器技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)、原理、應(yīng)用等方面的掌握情況，題型包括選擇題、填空題、簡(jiǎn)答題、計(jì)算題、設(shè)計(jì)題等。二、習(xí)題全解部分（一）選擇題1.傳感器能將感受到的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成（）。A.非電量信號(hào)B.電量信號(hào)C.光信號(hào)D.聲信號(hào)答案：B解析：傳感器的定義就是能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，通常轉(zhuǎn)換成電量信號(hào)。2.按傳感器的工作原理分類，應(yīng)變片式電阻傳感器屬于（）。A.電阻式傳感器B.電容式傳感器C.電感式傳感器D.壓電式傳感器答案：A解析：應(yīng)變片式電阻傳感器是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化來測(cè)量的，屬于電阻式傳感器。3.變極距型電容式傳感器，當(dāng)極距d增大時(shí)，電容量C（）。A.增大B.減小C.不變D.先增大后減小答案：B解析：根據(jù)電容式傳感器電容量公式\(C=\frac{\epsilonS}qnbielp\)（\(\epsilon\)為介電常數(shù)，S為極板面積，d為極距），當(dāng)d增大時(shí)，C減小。4.自感式傳感器中，靈敏度最高的是（）。A.變氣隙型B.變面積型C.螺線管型D.一樣高答案：A解析：變氣隙型自感式傳感器的靈敏度與氣隙厚度的平方成反比，氣隙厚度變化時(shí)自感變化明顯，靈敏度較高；變面積型和螺線管型靈敏度相對(duì)較低。5.壓電式傳感器是基于（）工作的。A.壓電效應(yīng)B.壓阻效應(yīng)C.電磁感應(yīng)D.霍爾效應(yīng)答案：A解析：壓電式傳感器利用壓電材料的壓電效應(yīng)，將力等物理量轉(zhuǎn)換為電荷或電壓輸出。（二）填空題1.傳感器一般由______、______和______三部分組成。答案：敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、信號(hào)調(diào)理電路解析：敏感元件感受被測(cè)量，轉(zhuǎn)換元件將敏感元件感受的被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，信號(hào)調(diào)理電路對(duì)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)進(jìn)行處理。2.熱電阻傳感器主要分為______和______兩種。答案：鉑電阻、銅電阻解析：這是熱電阻傳感器常見的分類。3.電容式傳感器的電容量與______、______和______有關(guān)。答案：極板間距離、極板面積、介質(zhì)介電常數(shù)解析：依據(jù)電容式傳感器電容量公式\(C=\frac{\epsilonS}ohssoah\)可得。4.差動(dòng)變壓器是一種______式傳感器。答案：互感解析：差動(dòng)變壓器利用互感原理工作，將被測(cè)位移轉(zhuǎn)換為互感變化。5.壓電材料的壓電效應(yīng)分為______和______。答案：正壓電效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)解析：正壓電效應(yīng)是受力產(chǎn)生電荷，逆壓電效應(yīng)是受電場(chǎng)產(chǎn)生變形。（三）簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述傳感器的分類方法。答：傳感器有多種分類方法。按被測(cè)量分類，可分為物理量傳感器、化學(xué)量傳感器和生物量傳感器；按工作原理分類，有電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、壓電式傳感器等；按輸出信號(hào)類型分類，可分為模擬傳感器和數(shù)字傳感器；按能量轉(zhuǎn)換關(guān)系分類，可分為能量轉(zhuǎn)換型傳感器和能量控制型傳感器等。2.應(yīng)變片式電阻傳感器的工作原理是什么？答：應(yīng)變片式電阻傳感器的工作原理是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)。當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值會(huì)發(fā)生變化。應(yīng)變片就是利用這一原理，將應(yīng)變片粘貼在被測(cè)物體表面，當(dāng)物體受力變形時(shí)，應(yīng)變片隨之變形，從而使其電阻值發(fā)生改變，通過測(cè)量電阻值的變化就可以測(cè)量出物體的應(yīng)變，進(jìn)而得到外力等被測(cè)量。3.電容式傳感器有哪些優(yōu)點(diǎn)？答：電容式傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造；靈敏度高，能檢測(cè)微小變化；動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，可測(cè)量快速變化的信號(hào)；分辨率高；抗干擾能力強(qiáng)等。4.簡(jiǎn)述自感式傳感器的類型及各自特點(diǎn)。答：自感式傳感器主要有變氣隙型、變面積型和螺線管型。變氣隙型靈敏度高，但線性度差，適用于測(cè)量微小位移；變面積型線性度較好，靈敏度相對(duì)較低，常用于測(cè)量較大位移；螺線管型適用于測(cè)量直線位移和振動(dòng)等，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可測(cè)量較大位移量。5.壓電式傳感器測(cè)量電路中電壓放大器和電荷放大器各有什么特點(diǎn)？答：電壓放大器的特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，成本低，但輸出電壓與電纜電容有關(guān)，電纜長(zhǎng)度變化會(huì)影響測(cè)量精度。電荷放大器的特點(diǎn)是輸出電壓與電纜電容無關(guān)，測(cè)量精度高，適用于遠(yuǎn)距離傳輸和高精度測(cè)量場(chǎng)合，但電路復(fù)雜，成本較高。（四）計(jì)算題1.有一變極距型電容式傳感器，初始極距\(d_0=2mm\)，極板面積\(S=4cm^2\)，介質(zhì)介電常數(shù)\(\epsilon=5\epsilon_0\)（\(\epsilon_0=8.85×10^{12}F/m\)），當(dāng)極距變化\(\Deltad=0.1mm\)時(shí)，求電容量的變化量\(\DeltaC\)。解：首先根據(jù)電容式傳感器電容量公式\(C=\frac{\epsilonS}iubxiep\)，初始電容\(C_0=\frac{\epsilonS}{d_0}\)。\(\epsilon=5\epsilon_0=5×8.85×10^{12}F/m\)，\(S=4cm^2=4×10^{4}m^2\)，\(d_0=2×10^{3}m\)，則\(C_0=\frac{5×8.85×10^{12}×4×10^{4}}{2×10^{3}}F=8.85×10^{11}F\)。當(dāng)極距變?yōu)閈(d=d_0+\Deltad=2×10^{3}+0.1×10^{3}m=2.1×10^{3}m\)時(shí)，此時(shí)電容\(C=\frac{\epsilonS}vnjqrcn=\frac{5×8.85×10^{12}×4×10^{4}}{2.1×10^{3}}F\approx8.43×10^{11}F\)。電容量變化量\(\DeltaC=C_0C=8.85×10^{11}8.43×10^{11}F=0.42×10^{11}F=4.2pF\)。2.已知某熱電阻在\(0^{\circ}C\)時(shí)阻值\(R_0=100\Omega\)，溫度系數(shù)\(\alpha=0.00392/^{\circ