《傳感器及檢測技術》配套PPT課件
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項目六 液位檢測
教學目的：
1、能掌握電容式傳感器三種類型的工作原理及特性。
2、能理解電容式傳感器的幾種測量電路。
3、能掌握超聲波的概念和傳播特性等。
4、能理解超聲波傳感器的工作原理。
5、能理解電容式傳感器和超聲波傳感器的應用電路。
課型：新授課
課時：
3個任務，安排6個課時。
教學重點：
電容式液位傳感器的外形，各種電容式傳感器的結構，變間隙式電容傳感器，變面積式電容傳感器，變介電常數(shù)式電容傳感器，交流電橋電路，運算放大器式測量電路，超聲波測流量。
教學難點：
汽車油箱的液位檢測，電容式傳感器的工作原理，電容式傳感器的測量電路，雙T電路，脈沖調制電路，合理選擇電容式液位傳感器，試設計一個超聲波探傷裝置，并簡要說明它的工作過程。
教學過程：
1. 教學形式：講授課，教學組織采用課堂整體講授和分組演示。
2. 教學媒體：采用啟發(fā)式教學、案例教學等教學方法。教學手段采用多媒體課件、視頻等媒體技術。
作業(yè)處理：
完成項目后的思考題。
板書設計：
本課標題
溫度檢測
課次
1
授課方式
理論課□討論課□習題課□其他□
課時安排
6
學分
共2分
授課對象
院系、專業(yè)：
任課教師
教學基本內容
教學方法及教學手段
課堂導入
在工業(yè)生產(chǎn)、野外勘測、醫(yī)療檢查和船舶航行中，都要進行液位檢測，液位檢測有直讀法、浮力法、靜壓法、電容法、超聲波法等多種檢測方法，這里主要介紹了電容式和超聲波式傳感器檢測液位。
參考以下形式：
1.銜接導入
2.懸念導入
3.情景導入
4.激疑導入
5.演示導入
6.實例導入
7.其他形式
基本知識匯總
任務一汽車油箱的液位檢測
各種汽車、飛機的儀表盤上都有油箱油量的指示表，它是駕駛員要掌握的重要參數(shù)之一。檢測油箱液位的高低就要用到液位傳感器，通常采用電容式液位傳感器來測量油箱液位。
電容式傳感器是把被測非電量轉換為電容量變化的一種傳感器。它具有高阻抗、小功率、動態(tài)范圍大、響應速度快、幾乎沒有零漂、結構簡單、適應性強、可在惡劣的環(huán)境下使用等優(yōu)點，但它具有分布電容影響嚴重的缺點。
一、電容式液位傳感器的外形
二、各種電容式傳感器的結構
三、電容式傳感器的工作原理
平板式電容器是由兩個金屬極板、中間夾一層電介質構成的。若在兩極板間加上電壓，電極上就儲存有電荷，所以電容器是一種儲存電場能量的元件。
（一） 變間隙式電容傳感器
（二） 變面積式電容傳感器
（三） 變介電常數(shù)式電容傳感器
四、電容式傳感器的測量電路
電容式傳感器的測量電路是把電容值的變化轉換成輸出電壓的變化，主要有五種類型： 交流電橋電路、運放電路、雙T電路、調頻（諧振）電路和脈沖寬度調制電路。
（一） 交流電橋電路
（二） 運算放大器式測量電路
（三） 雙T電路
（四） 脈沖調制電路
（五） 調頻電路
任務二高壓密閉容器的液位檢測
在工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常會使用各種密閉容器來儲存高溫、有毒、易揮發(fā)、易燃、易爆、強腐蝕性等液體介質，對這些容器的液位檢測必須使用非接觸式測量，一般采用超聲波液位傳感器。
一、超聲波傳感器的外形、結構和特性
（一） 超聲波傳感器的外形
（二） 超聲波傳感器的結構和符號
超聲波傳感器按其工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式和電磁式等，在實際使用中，以壓電式最為常用。主要由壓電陶瓷晶片、錐形共振盤、底座、引腳、金屬網(wǎng)和外殼等組成。
其中壓電陶瓷晶片是傳感器的核心；錐形共振盤能使發(fā)射和接收的超聲波能量集中，并使傳感器具有一定的指向性；金屬網(wǎng)起保護作用，但不影響超聲波的發(fā)射和接收；金屬外殼除了起保護作用以外，還能防止超聲波向其他方向散射。
（三） 超聲波傳感器的特性
超聲波傳感器具有小角度、小盲區(qū)、測量準確、無接觸、防水、防腐蝕、低成本等優(yōu)點，可應用于液位，物位檢測，可保證在液面有泡沫或大的晃動、不易檢測到回波的情況下有穩(wěn)定的輸出。
二、超聲波的特性
（一） 聲波與超聲波
波是振動在彈性介質中的傳播。發(fā)聲體的機械振動會引起周圍彈性介質中質點的振動，并由近及遠地傳播，這就是波。
振動頻率在16Hz～20kHz之間，能為人耳所聞的機械波稱為聲波；頻率超過20kHz的機械波稱為超聲波；低于16Hz的機械波稱為次聲波。檢測中常用的超聲波頻率范圍為幾十千赫茲到幾十兆赫茲。
（二） 超聲波的傳播特性
① 超聲波的傳播速度與波長及頻率成正比。
② 當超聲波通過兩種不同的介質時，產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象。但當它由氣體傳播到液體或固體中，或由固體、液體傳播到氣體中時，由于介質密度相差太大而幾乎全部發(fā)生反射，
③ 當超聲波通過同種介質時，隨著傳播距離的增加，其強度因介質吸收能量而衰減。
三、超聲波傳感器的工作原理
超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個探頭也可兼有發(fā)射和接收。它是利用壓電效應的原理制作的。所謂壓電效應是當一定方向的外力作用在已極化的壓電陶瓷片上時，在其表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象，這也稱為正壓電效應。相反，在極化方向上施加電場，它會產(chǎn)生機械變形，外加電場去除，機械變形消失的現(xiàn)象稱為逆壓電效應。
超聲波傳感器的發(fā)送器是利用了逆壓電效應，當壓電陶瓷片上施加頻率為40kHz的高頻電壓時，壓電陶瓷片會隨著高頻電壓產(chǎn)生伸長和縮短的機械變形，于是就能發(fā)射頻率為40kHz的超聲波了。而接收器是利用了正壓電效應，當壓電陶瓷片上受到聲壓作用時，元件發(fā)生應變，產(chǎn)生一面為正極、另一面為負極的電壓。
四、超聲波探測用耦合劑
超聲波探頭與被測物體接觸時，探頭與被測物體表面間存在一層空氣薄層，空氣將引起三個界面間強烈的雜亂反射波，造成干擾；而且空氣的密度很小，將對超聲波造成很大的衰減。因此，必須將接觸面之間的空氣排擠掉，使超聲波能順利地入射到被測介質中。
1．本課程是機電一體化、自動控制、電氣自動化、應用電子等專業(yè)的一門專業(yè)課程。要求學生能認識常用傳感器，掌握其工作原理、輸出特性、誤差補償，理解各種測量轉換電路，了解傳感器的典型應用等知識，達到能正確使用常用傳感器的目的。
2．檢測技術的主要內容包括了自動檢測系統(tǒng)中的信息提取、信息轉換以及信息處理。需要一定的測量理論、測量方法，相應的測量工具、裝置，以及對測量結果進行正確的處理分析。它涵蓋了傳感器技術、誤差理論、測試計量技術、抗干擾技術以及電量間的互相轉換技術等。
3．本課程教學內容的組織與安排： 由實例引入，按照“任務提出”“相關知識”“任務實施”“其他案例”“訓練一下”幾個部分遞進完成。采用任務引領的項目課程教學，將檢測技術與傳感器的技能和知識點融入項目的工作任務之中，在符合工作過程的基礎上，充分考慮了學習者的認知心理過程，將課程內容劃分為九個項目，再具化為多個工作任務的教學內容。從檢測的對象著手，選擇合適的傳感器，通過認識該類傳感器的外形、性能指標，再到測量原理的介紹，在掌握基本知識的基礎上，介紹相應的測量轉換電路、信號處理電路，來完成該類檢測任務。再安排一個訓練，供學習者在實踐中掌握知識、提高技能。
討論題、思考題：
圍繞本項目主題做情景模擬訓練，以增強理解，加深印象。可以參考教材、資料包、或者其他案例。
課后小結：
1、能認識運算放大器作為電容傳感器的測量電路。
2、能了解電容式傳感器的測量電路完成了什么功能。
3、能掌握電容式傳感器三種類型的工作原理及特性。
4、了解超聲波有哪些傳播特性。
5、了解為什么在應用超聲波傳感器探測工件時，探頭與工件接觸處要涂一層耦合劑。
作業(yè)：
請你實際操作一下紅外遙控器，感受它的特點，并通過網(wǎng)絡、圖書或市場調研，了解紅外管的特點、價格、測量電路等內容，寫一篇調研報告。
說明：
1.每項頁面大小可自行添減，可按節(jié)或課設計填寫。
2.課次為授課次序，填1、2、3……。
3.授課方式主要包括填理論課、實驗課、討論課、習題課等。
4.方法及手段如：舉例講解、多媒體講解、模型講解、實物講解、掛圖講解、音像講解等。
5.其他內容要求結構完整，邏輯清晰，具體詳細。
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