位移传感器.doc

传感器基础知识课程传感器基础知识课题位移传感器课型一体化教具多媒体课件、实物投影仪、传感器实训台课时28教室场地D305学生基础初中起点学生人数20知 识 目 标 1理解电容式传感器的基本概念和特点。2掌握电容式传感器的工作原理及结构形式。能力目标专业能力掌握位移式传感器的类型及应用方法能力1由知识的理性认识到感性认识，并亲自动手验证，从而体会理论-实验- 验证的辨证唯物主义的认识过程。2通过学生分组训练培养学生动手能力，增强安全意识养成文明操作习惯。3培养学生探究问题，分析问题，解决问题的能力。社会能力1培养学生在实践中团结协作能力，语言表达能力。2在完成任务中的自我学习和持续发展的能力。3培养学生严谨认真的职业工作态度。4激发学生学习技术的热情。教学重点1电容式传感器的基本概念。2电容式传感器的工作原理及3种结构形式。教学难点三种类型电容式传感器的电容变化量计算。教学方法任务驱动法、示范演示法、问题探究法、行为引导法、小组合作法、讨论法等教法分析本节课在实训室进行，根据任务为主线、教师为主导、学生为主体的原则采用讲、演、训相结合等方式进行教学，有利于突出重点，突破难点。使学生容易接受新知识，并能提高分析问题解决问题的能力。一体化教学基本流程创设情景，导入新课回顾旧知创设情景，导入新课回顾旧知项目任务，步步落实归纳总结，促进内化巩固知识，延伸思维任务下达制定计划书 安装制作调 试学习新识分析电路排故练习理论依据为了使理论与实践更好的衔接，将理论与实习（实践）教学融为一体，使每块内容都能内讲授、示范、训练同步进行，增强了直观性。内涵主要是打破传统的学科体系和教学模式，依据职业教育培养目标的要求来重新整合教学资源，体现能力本位的特点。从而实现了从以课堂为中心向以实验室、实习车间为中心的转变，培养出素质优良、技术过硬、单项技能拔尖的技术型人才。教学环节教学内容及过程教师活动学生活动组织教学回顾旧知大声诵读7S内涵：整理、整顿、清洁、清扫、安全、节约、素养集合、点名、填写教学日志、分组，检查学生劳防用品穿戴情况，讲解实训安全操作规 电阻式传感器。调整情绪集中学生注意力通过提问的形式，引导学生系统回顾以前学过的知识点集中注意力思考回答问题任务下达步步落实任务1实施任务2实施任务3、4实施任务5实施任务6 实施作业板书板书第一节电容式传感器的基本概念及主要特点一、基本概念电容式传感器是以不同类型的电容器作为传感元件，并通过电容传感元件把被测物理量的变化转换成电容量的变化，然后再经转换电路转换成电压、电流或频率等信号输出的测量装置。二、主要特点 结构简单，易于制造。 功率小、阻抗高、输出信号强。 动态特性良好。 受本身发热影响小。 可获得比较大的相对变化量。 能在比较恶劣的环境中工作。 可进行非接触式测量。 电容式传感器的不足之处。主要是寄生电容影响比较大；输出阻抗比较高，负载能力相对比较大；输出为非线性。第二节 电容式传感器的工作原理及结构形式一、工作原理电容式传感器的工作原理可以从图4 - 1所示的平板式电容器中得到说明。由物理学可知，由两平行极板所组成的电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为图4 - 1 平板式电容器式中，A两极板相互遮盖的面积（mm2） d两极板之间的距离 （mm） 两极板间介质的介电常数（F / m）由以上计算公式可见，当被测量使A，三个参数中任何一项发生变化时，电容量就要随之发生变化。二、结构形式1变面积（A）型电容式传感器变面积型电容传感器的结构原理如图4 - 2所示。图中（a）、（b）为单边式，（c）为差分式；（a）、（b）也可做成差分式。图中1，3为固定板，2是与被测物相连的可动板，当被测物体带动可动板2发生位移时，就改变了可动板与固定板之间的相互遮盖面积，并由此引起电容量C发生变化。对于如图4 2（a）所示的平板式单边直线位移式传感器，若忽略边缘效应，其电容变化量为4 - 2 变面积型电容式传感器结构原理图（a）单边直线位移式 （b）单边角位移式 （c）差分式式中，b极板宽度 a极板起始遮盖长度 a动极板位移量 两极板间介质的介电常数 两极板间的距离 C0初始电容量这种平极单边直线位移传感器的灵敏度S为S = C / d x = b / = 常数对于如图4 - 2（b）所示的单边角位移型传感器，若忽略边缘效应，则电容变化量为式中，覆盖面积对应的中心角度 r极板半经 动极板的角位移量这种单边角位移式传感器的灵敏度为式中，A0电容器起始覆盖面积 动板的角位移量实际应用时，为了提高电容式传感器的灵敏度，减小非线性，常常把传感器做成差分式，如图4 - 2（c）所示。中间的极板2为动板，上、下两块（即板1和3）为定板。当动板向上移动一个距离x后，上极距就要减少一个x，而下极距就要增加一个x，从而引起上、下电容变化。差接后的这种传感器灵敏度可提高一倍。2变极距（）型电容式传感器图4 - 3为变极距型电容式传感器结构原理图。图中1和3为固定极板，2为可动极板（或相当于可动极板的被测物），其位移由被测物体带动。从图4 - 3（a），（b）可看出，当可动极板由被测物带动向上移动（即减小）时，电容值增大，反之电容值则减小。图4 - 3 变极距型电容式传感器结构原理图（a）被测物与可动极板相连 （b）被测物为可动极板 （c）差分式设极板面积为A，初始距离为0，以空气为介质时，电容量C0为C0 = 0A / 0。当间隙0减小 D变为时（设 D 0），电容C0增加 DC变为C，即图4 - 4 Cd 特性曲线图电容C与间隙之间的变化特性如图4 - 4所示。电容式传感器的灵敏度用S表示，其计算公式为在实际应用时，为了改善其非线性、提高灵敏度和减小外界的影响，通常采用图4 - 3（c）所示的差分式结构。这种差分式传感器与非差分式的相比，灵敏度可提高一倍，并且非线性误差可大大降低。差分式电容式传感器的灵敏度计算公式为S（差）= DC / C = 2 / 。3变介电常数（）型电容式传感器变介电常数型电容式传感器的结构原理如图4 - 5所示。其中图（a）中的两平行极板为固定板，极距为0，相对介电常数为r2的电介质以不同深度插入电容器中，从而改变了两种介质极板的覆盖面积。于是传感器总的电容量C应等于两个电容C1和C2的并联之和，即图4 - 5 变介电常数型电容式传感器（a）电介质插入式 （b）绝缘物位检测式中，l0，b0极板的长度和宽度 l第二种介质进入极板间的长度当介质1为空气，l = 0时，传感器的初始电容C0 = 0 r l0 b0 / 0；当介质2进入极板间l距离后，所引起电容的相对变化为可见，电容的变化与介质2的移动量l成线性关系。上述原理可用于非导电绝缘流体材料的位置测量。如图4 - 5（b）所示，将电容器极板插入被监测的介质中。随着灌装量的增加，极板覆盖面也随之增大，从而测出输出的电容量。根据输出电容量的大小即可判定灌装物料的高度l。说明：当极板间有导电物质存在时，应选择电极表面涂有绝缘层的传感器件，以防止电极间短路。第三节 电容式传感器典型测量电路及分析一、交流电桥电路用于电容式传感器的交流电桥电路如图4 - 6所示。图4 - 6 电容式传感器桥式转换电路（a）单臂接法 （b）差分接法其中图（a）为单臂接法的桥式测量电路，电路中高频电源经变压器接到电容电桥的一条对角线上，电容C1，C2，C3，Cx构成电桥电路的4个桥臂，Cx为电容传感器。当交流电桥平衡时，即C1 / C2 = Cx / C3，则输出，当Cx改变时，则，就会有电压输出。图（b）为差分式电容式传感器，其空载输出电压为式中，C0传感器初始电容值 DC传感器电容量的变化值需要说明的是，若要判定的相位，还要把桥式转换电路的输出经相敏检波电路进行处理。二、调频电路图4 - 7为电容式传感器的调频电路图，其中图（a）为调频电路框图，图（b）为调频电路原理图。该电路是把电容式传感器作为LC振荡回路中的一部分，当电容式传感器工作时，电容Cx发生变化，这就使得振荡器的频率f发生相应的变化。由于振荡器的频率受到电容式传感器电容的调制，从而实现了电容向频率的变换，因而称之为调频电路。调频振荡器的频率计算公式是。式中，L振荡回路电感C振荡回路总电容量。（包括传感器电容Cx，振荡回路微调电容C1，传感器电缆分布电容Ci）图4 - 7 电容式传感器调频电路图(a)调频电路方框图 (b)调频电路原理图振荡器输出的高频电压是一个受到被测量控制的调频波，频率的变化在鉴频器中变换成为电压的变化，然后再经放大后去推动后续指示仪表工作。从电路原理上看，图中C1为固定电容，Ci为寄生电容，传感器Cx =C0 DC。设C = C1 + C2 + C3 + Ci + Cx；C2= C3 R时，上式可写为 由上式可以看出，交流电桥的输出电压与传感器线圈电感的相对变化量是成正比的。2变压器式电桥变压器式电桥如图5 - 5（b）所示。它的平衡臂为变压器的二次绕组，当负载阻抗无穷大时，输出电压为由于是双臂工作形式，当衔铁下移时，Z1 = Z - DZ；Z2 = Z + DZ。则 同理，当衔铁上移时，则 可见，衔铁上移和下移时，输出电压相位相反，且随 DL的变化输出电压也相应地改变。因此，这种的电路可判别位移的大小和方向。3紧耦合电感比例臂电桥它由差分形式工作的传感器的两个阻抗做电桥的工作臂，而紧耦合的两个电感作为固定臂，从而组成了电桥电路，如图5 - 5（c）所示。优点：与输出端并联的任何分布电容对平衡时的输出毫无影响。这就使桥路平衡稳定，简化了桥路接地和屏蔽的问题，大大改善了电路的零稳定性。1电感式传感器：利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，从而导致线圈电感量改变的这一物理现象来实现信号测量的传感器。2自感式电感传感器类型：变间隙型、变面积型和螺管型。3自感式电感传感器的测量电路：电阻平衡电桥、变压器式电桥、紧耦合电感比例臂电桥。通过实例引出本节课的主课题，以调动学生学习的积极性，激发学生的探索激情。（与电阻是对比介绍）（简要分析原因）（讲解）（讲解）了解（区别三种变面积型电容式传感器）（参考电路图讲解）（参考教材，说明调频电路的特点）（简单介绍各组成部分作用）（对照电路图说明电路原理）（讲解）（结合图片讲解原理）（分析控制电路中的信号流向及转换过程）（简要说明其特点）。（提问）（对比引入）（画图讲解）（用动作演示不同点）（着重介绍区别）（对比电容式简单介绍）（区别三种测量电路的区别）（对照电路图讲解）课题名称位移式传感器授课日期2012、12、10授课班级11电子课 题 实 施 记 录组织课堂 检查人数 强调纪律强调 7S管理：整理、整顿、清洁、清扫、安全、节约、素养内容回顾红外线传感器红外线传感器的应用反射式红外光电接近开关讲授内容电容式传感器的概念电容式传感器的特点电容式传感器的工作原理电容式传感器的结构电容式传感器侧位移特性试验电容式传感器测转速实验其它课题名称位移式传感器授课日期2012、12、11授课班级11电子课 题 实 施 记 录组织课堂 检查人数 强调纪律强调 7S管理：整理、整顿、清洁、清扫、安全、节约、素养内容回顾电容式传感器的概念电容式传感器的特点电容式传感器的工作原理电容式传感器的结构讲授内容电容式传感器的测量电路电容式传感器的应用电路电容式传感器侧位移特性试验电容式传感器测转速实验其它课题名称位移式传感器授课日期2012、12、12授课班级11电子课 题 实 施 记 录组织课堂 检查人数 强调纪律强调 7S管理：整理、整顿、清洁、清扫、安全、节约、素养内容回顾电容式传感器的测量电路电容式传感器的应用电路讲授内容自感式电感传感器工作原理自感式电感传感器结构电涡流传感器侧位移实验差动变压器侧位移实验其它课题名称位移式传感器授课日期2012、12、13授课班级11电子课 题 实 施 记 录组织课堂 检查人数 强调纪律强调 7S管理：整理、整顿、清洁、清扫、安全、节约、素养内容回顾自感式电感传感器工作原理自感式电感传感器结构讲授内容自感式电感传感器测量电路自感式电感传感器应用电路磁电式转速传感器侧位移电路电涡流传感器振动试验其它课题名称位移式传感器授课日期2012、12、14授课班级11电子课 题 实 施 记 录组织课堂 检查人数 强调纪律强调 7S管理：整理、整顿、清洁、清扫、安全、节约、素养内容回顾自感式电感传感器测量电路自感式电感传感器应用电路讲授内容热电阻传感器的概念热电阻传感器的结构热敏电阻的特性温度调节控制实验重点小结试验调试本周小结其它课题名称位移式传感器授课日期授课班级课 题 实 施 记 录其它学习活动评价活动评价表项 目评价内容评价等级(学生自评)ABC关键能力考核项目遵守纪律、遵守学习场所管理规定，服从安排安全意识、责任意识，7S管理意识，注重节约、节能与环保学习态度积极主动，能参加实习安排的活动团队合作意识，注重沟通，能自主学习及相互协作仪容仪表符合活动要求专业能力考核项目按时按要求独立完成工作页工具、设备选择得当，使用符合技术要求操作规范，符合要求学习准备充分、齐全注重工作效率与工作质量小组评语及建议组长签名 ：年 月 日 老师评语及建议教师签名 ：年 月 日 操作能力考核表（操作技能考点、能完成的打勾、尽量不要以分数进行界定【如可能，可导入企业评价】）本活动考核采用的是过程化考核方式注：本工作页作为学生项目结束的总评依据，请妥善保管留档！20