过程检测及仪表教学大纲修正_过程技术检测及仪表
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《过程检测及仪表》课程教学大纲
课程编号：29120025
课程类别：专业选修课程 授课对象：本科三年级 开课学期：第二学期 学
分：3学分 主讲教师：高育芳
指定教材：常健生，检测及转换技术（第三版），机械工业出版社，2001。教学目的：本课程是为电气和自动化专业学生开设的一门专业基础课程。目的是让学生了解和掌握工业控制系统中常用的传感器与检测仪表的原理和使用。掌握各种常用传感器和检测仪表的结构与基本工作原理。
第一章：检测及转换技术理论基础 课时：第1，2，3周，共9课时 教学内容
第一节 检测与转换技术基本概念；
一、检测与转换技术主要研究内容
了解检测的含义及工业检测涉及的内容；理解自动检测系统的组成。
二、传感器的定义及本课程主要任务
传感器是把非电量转换成电量的装置；本课程的任务是：在阐明测量基本原理的基础上，逐一分析各种传感器是如何将非电量转换为电量的，并介绍相应的测量转换电路、信号处理电路及各种传感器在工业中的应用。
三、检测技术的发展趋势（举例介绍）
当前，检测技术的发展主要表现在以下几个方面：
1.不断提高检测系统的测量精度、量程范围、延长使用寿命、提高可靠性
2.应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域
3.发展集成化、功能化的传感器
4.采用计算机技术，使检测技术智能化
5.发展网络化传感器及检测系统
第二节 误差的概念和分类
一、测量误差的概念和分类
掌握绝对误差、相对误差的计算；掌握误差的分类，对于误差，从不同的角度出发，有不同的分类方法。
第三节随机误差概率密度的正态分布
一、随机误差（举例）
分析正态分布的规律：（举例）
（1）有界性（２）对称性（3）单峰性（4）有界性 第四节 算术平均值与标准误差
一、算术平均值可以代替真值计算测量误差：
利用算术平均值代替真值计算的测量误差称为残余误差。
二、标准误差
计算标准误差的公式贝塞尔公式。第五节置信区间与置信概率
了解置信区间与置信概率的概念；对于随机误差在典型置信区间内的置信概率为多少。第六节 粗差的判别与坏值的舍弃
粗差判别的两个准则：拉依达准则和格拉布斯准则。第七节系统误差
一、系统误差的分类与产生原因： 恒定系统误差和变化系差的区别。
二、系统误差的消除方法： 第八节误差的传递与合成理解误差传递的使用场合。误差合成中主要掌握常用的方和根法。第十一节曲线拟合 掌握直线拟合的方法。思考题：
1、检测与转换技术主要研究的是什么内容？
2、传感器指的是什么的装置？水银温度计是传感器吗？
3、误差按表示方法、按出现的规律、按来源和按使用条件是如何分类的？
4、正态颁的随机误差有何特点？
第二章：电测量指示仪表 课时：第4，5，共6课时 教学内容
第一节 一般知识
一、测量机构
由四个基本部分构成：驱动装置、控制装置、阻尼装置、指示装置。
二、指示仪表的准确度 准确度的计算
第二节 磁电系仪表
一、测量机构的构成二、工作原理：
磁电系测量机构所测量的基本量是直流电流或周期变动电流的平均值。
三、磁电系欧姆表
四、兆欧表：
用于检查电机、电器及线路的绝缘情况和测量高值电阻。由两部分组成：比率型磁电系测量机构、手摇发电机
五、检流计
不仅用于检测某线路是否有电流或电压，也用来直接测量线路中的微小电流、电压或短暂的脉冲电量。
第三节 电磁系仪表
一、结构：
主要部分是固定的圆形线圈、线圈内部有固定的铁片、固定在转轴上的可动铁片。
二、工作原理
线圈通入电流 I产生磁场，固定和可动铁片均被磁化(同一端的极性是相同的)第四节 电动系仪表 一.结构
有两个线圈：固定线圈和可动线圈。可动线圈与指针及空气阻尼器的活塞都固定在轴上。二.工作原理 仪表的转动转矩
通入直流时，T=k1I1I2，通入交流时，T=k1I1I2cos
三、电动系功率表
单相交流和直流功率的测量思考题：
1、仪表的准确度等级是否代表测量的准确度？
2、磁电系测量机构有什么优缺点？它测量的基本量是什么？
3、检流计在结构上有何特点？
第三章：电量和电路参数的测量 课时：第6，7，共6课时 教学内容
第一节直读测量
一、电流的测量
二、电压的测量
三、功率的测量
三相有功功率的直接测量有三种方法：一功率表法、二功率表法、三功率表法。
四、测量用互感器：
五、交流电路参数的直读测量：
交流阻抗的直读测量方法一般有三种：三表法、三电压表法、三电流表法。第二节 电位差计
一、直流电位差计的基本原理及构成直流电位差计是比较测量电势或电压的仪器。其中用到了补偿原理。第三节 电桥
一、电桥是一种比较仪器
可以直接测量电阻、电容、电感、互感、电容的损耗因数、电感线圈的品质因数、磁性材料的损耗等。在非电量的测量中也有广泛的应用。按电源性质分为：直流电桥和交流电桥。
二、电桥灵敏度
要提高电桥灵敏度,一是提高电源电压.二是选择合适的n值.思考题：
1、怎样减小用电流表直接测量电流和用电压表直接测量电压的方法误差？
2、什么是补偿测量？
3、试绘图说明直流电位差计的工作原理？
第四章传感器特性
课时：第8，共1课时 教学内容
第一节传感器分类
传感器的种类名目繁多，分类不尽相同。第二节 传感器基本特性
传感器的特性一般指输入、输出特性，分为静态特性和动态特性。思考题：
1、计算传感器线性度的方法有哪几种？各具什么特点？
2、正反行程的区别是？
第五章：电能量传感器 课时：第8，9，共5课时 教学内容第一节热电偶
一、热电偶测温的主要优点
二、热电偶工作原理
由温度微观理论可得：热电偶两结点所产生的总的热电势等于热端热电势与冷端热电势之差，是两个结点的温差Δt 的函数。
三、热电偶的种类及结构
八种国际通用热电偶：B:铂铑30—铂铑
6、R:铂铑13—铂、S:铂铑10—铂、K:镍铬—镍硅、N:镍铬硅—镍硅、E:镍铬—铜镍、J:铁—铜镍、T:铜—铜镍
四、热电偶的冷端温度补偿
热电偶冷端的延长；计算修正法 ；冷端恒温法；电桥补偿法。
第三节压电传感器
一、压电传感器的工作原理
压电式传感器是一种自发电式传感器。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。
二、压电材料的分类及特性
三、压电传感器的测量转换电路 思考题：
1、热电偶为什么要进行冷端温度补偿？通常的补偿方法有哪些？
2、用热电偶基本原理证明热电偶回路的几点结论。
3、能否用压电传感器测量变化缓慢的应力信号？试说明其理由。
第六章：电参数传感器
课时：第10，11，12，共9课时 教学内容
第一节电阻应变式传感器
一、应变片的工作原理
实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量R R与材料力学中的轴向应变x的关系在很大范围内是线性的，二、应变片的种类与结构
应变片可分为金属应变片及半导体应变片两大类。
三、测量转换电路——不平衡电桥 第二节 热电阻传感器
一、金属热电阻
易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻
二、热敏电阻
热敏电阻有负温度系数（NTC）和正温度系数（PTC）之分。第三节 自感传感器
一、电感传感器的基本工作原理
当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻Rm也较大，线圈的电感量L和感抗XL 较小，所以电流I 较大。当铁心闭合时，磁阻变小、电感变大，电流减小。
二、自感式电感传感器常见的形式
变隙式 变截面式 螺线管式 差动电感传感器的特点 第四节 差动变压器
一、差动变压器式传感器的工作原理
结构特点： 两个二次线圈反向串联，组成差动输出形式。
二、灵敏度与线性度
三、测量电路（以差动整流为例）第五节 涡流传感器
一、电涡流传感器工作原理
当电涡流线圈与金属板的距离x 减小时，电涡流线圈的等效电感L 减小，等效电阻R 增大。感抗XL 的变化比 R 的变化 大 得 多，流过电涡流线圈的电流 i1 增大。
二、测量转换电路 调幅式、调频（FM）式
三、电涡流传感器的应用
位移测量、偏心和振动检测、测量金属薄膜、板材厚度电涡流测厚仪、转速测量 第六节 电容传感器
一、电容式传感器的工作原理
改变A、d、s三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电容量C 改变。
二、电容式传感器的测量转换电路
三、电容式传感器的应用 电容式液位计
第七节 光电传感器
一、光电效应及光电元件
用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量为hf 的光子的轰击，组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管
二、光电传感器的应用
光源本身是被测物的应用实例、热释电传感器在人体检测、报警中的应用、光电式浊度计 思考题：
1、差动变压器的零点残余电压是如果产生的？
2、电阻应变传感器的测量电路是？
3、使用电容传感器测量油箱油量的基本原理是？
4、涡流传感器测量厚度的基本原理？
第七章：位移-数字传感器 课时：第13周，共2课时 教学内容
第一节 角编码器
一、绝对式编码器
按照角度直接进行编码，可直接把被测转角用数字代码表示出来。根据内部结构和检测方式有接触式、光电式等形式。绝对式光电编码器
二、增量式编码器 第二节光栅
一、光栅的类型和结构
计量光栅可分为透射式光栅和反射式光栅两大类，均由光源、光栅副、光敏元件三大部分组成。计量光栅按形状又可分为长光栅和圆光栅。
二、莫尔条纹的光学放大作用 在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹角θ。在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带。
三、光栅细分举例 思考题：
1、绝对式角编码器的工作原理是？
2、莫尔条纹是如何放大位移的？
第八章：常用半导体传感器 课时：第13，14周，共3课时 教学内容
第一节霍尔传感器
一、霍尔元件的结构及工作原理
半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I 流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应。
二、霍尔元件的主要外特性参数
三、霍尔传感器的应用
霍尔电势是关于I、B、 三个变量的函数，即 EH=KHIBcos。利用这个关系可以使其中两个量不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一个量，其余两个量都作为变量。这使得霍尔传感器有许多用途。思考题：
1、霍尔电动势的大小由哪些量决定？为获得较大输出的霍尔电动势应采取什么措施？
2、霍尔电动势的方向由什么决定？
第八章：检测技术的综合应用 课时：第14周，共2课时
第一节现代检测系统的基本结构
一、智能仪器、个人仪器
二、自动测试系统
自动测试系统是以工控机为核心，以标准接口总线为基础，以可程控的多台智能仪器为下位机组合而成的一种现代检测系统。一个自动测试系统还可以通过各种标准总线成为其它级别更高的自动测试系统的子系统。许多自动测试系统还可以作为服务器工作站加入到Internet网络中，成为网络化测试子系统，从而实现远程监测、远程控制、远程实时调试等。思考题：
1、思考传感器在现代汽车中的应用。
参考书目
1．卢文祥．机械工程测试、信息、信号分析． 华中科技大学出版社．２００４ 2．陈润泰．检测技术与智能仪表．长沙．中南工业大学出版社．１９９９ 3．黄长艺．机械工程测试技术基础．北京．机械工业出版社．１９９５ ４．梁森．自动检测与转换技术．北京．机械工业出版社．２００２ ５．芮延年．传感器与检测技术．苏州．苏州大学出版社．２００５
６．谭定忠．传感器与测试技术．北京．中央广播电视大学出版社．２００２ ７．曲波．工业常用传感器选型指南．北京．清华大学出版社．２００２
８．高光天．传感器与信号调理器件应用技术．北京．科学出版社．２００２９．全国优秀科技期刊：《传感器技术》．《传感器世界》．《测控技术》
执笔人：高育芳
２００６年１０月２２日
