传感器原理与应用

The principle and application of sensor

一、课程基本信息

学 时:40（其中上机实验8学时）

学 分:2.5

考核方式:考试，考试成绩占70%，平时成绩占30%

中文简介:

《传感器原理与技术》是一门信息技术类基础课程。通过课堂讲授、研讨、案例分析和课后作业，让学生系统学习和了解传感器工作的原理、技术和应用，并能综合运用所学知识进行测试系统的应用设计。课程内容包括电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、磁电式传感器、压电式传感器、光电式传感器、热电式传感器类型的传感器的工作原理、传感器的结构、主要参数、检测电路、典型应用及检测技术等。

二、教学目的与要求

本课程是高等院校类机械设计制造及其自动化专业、物联网工程教学计划中一门专业选修课。本课程主要研究各类传感器的机理、结构、测量电路和应用方法，主要包括常用传感器、近代新型传感技术及信号调理电路等。 本课程内容包括概述、电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、磁电式传感器、压电式传感器、光电式传感器、热电式传感器类型的传感器以及检测技术等基础知识。本课程的目的和任务是使学生通过本课程的学习，掌握常用传感器的基本原理、应用基础，并初步具有检测、控制系统设计的能力。 本课程在培养高级工程技术人才的全局中，具有提高学生对相关专业理论的认知能力、增强学生对专业技术工作适应能力和开发创新能力的作用。

第一章 传感器与测试技术的概念

（一）目的与要求

要求理解与掌握传感器的基本知识；传感器的作用与发展；测试技术的定义与传感器的技术应用。

（二）教学内容

第一节 传感器的基本知识

1．主要内容

敏感元件、变换器、检测技术、测系统的组成及特点；

2．基本概念和知识点

敏感元件、变换器、检测技术、测系统的组成及特点；

3．问题与应用（能力要求）

了解敏感元件、变换器、检测技术、测系统的组成及特点；

第二节 传感器的作用与发展

1．主要内容

传感器的作用与发展

2．基本概念和知识点

传感器的作用与发展

3．问题与应用（能力要求）

了解发展过程

第三节 测试技术的定义与传感器的技术应用

1．主要内容

测试技术的定义与传感器的技术应用

2．基本概念和知识点

测试技术的定义与传感器的技术应用

3．问题与应用（能力要求）

了解测试技术的定义与传感器的技术应用

(三) 课后练习

1.1 综述你所理解的传感器概念

1.2 何谓结构型传感器?何谓物性型传感器?试述两者的应用特点。

1.3 一个可供实用的传感器有哪几部分构成?各部分的功用是什么?试用框图标示出你所理解的传感器系统。

第二章 传感器的特性和标定

（一）目的与要求

要求深刻理解与熟练掌握传感器的静态特性:包括线性度、迟滞、重复性、灵敏度和灵敏度误差、分辨率与阈值、稳定性、温度稳定性、抗干扰能力、静态误差；传感器的动态特性:包括动态特性的概念、线性系统的传递函数、传感器的动态特性指标、动态响应分析的基本方法；传感器的标定。

（二）教学内容

第一节 传感器的静态特性

1. 主要内容

线性度、迟滞、重复性、灵敏度和灵敏度误差、分辨率与阈值、稳定性、温度稳定性、抗干扰能力、静态误差。

2. 基本概念和知识点

线性度、迟滞、重复性、灵敏度和灵敏度误差、分辨率与阈值、稳定性、温度稳定性、抗干扰能力、静态误差。

3. 问题与应用（能力要求）

了解静态性能。

第二节 传感器的动态特性

1. 主要内容

动态特性的概念、线性系统的传递函数、传感器的动态特性指标、动态响应分析的基本方法。

2. 基本概念和知识点

动态特性的概念、线性系统的传递函数、传感器的动态特性指标、动态响应分析的基本方法。

3. 问题与应用（能力要求）

了解静态性能。

第三节 传感器的标定

1. 主要内容

传感器的标定

2. 基本概念和知识点

传感器的标定

3. 问题与应用（能力要求）

了解传感器的标定。

(三)课后练习

2.1 衡量传感器静态特性的主要指标有哪些?说明它们的含义。

2.2 计算传感器线性度的方法有哪几种?差别何在?

2.3什么是传感器的静态特性和动态特性?差别何在?

2.4 怎么评价传感器的综合静态性能和动态性能?

2.5 为什么要对传感器进行标定和校准?举例说明传感器静态标定和动态标定的方法。

第三章 电阻式传感器

（一）目的与要求

要求理解与掌握的内容有:线性电阻电位器传感器、负载特性与负载误差、电位器的结构与材料；应变片式传感器的工作原理、特性、温度误差及其补偿。一般掌握和了解的内容有:非线性电阻电位器和电阻式传感器的应用实例。

本章难点:应变片式传感器的工作原理。

（二）教学内容

第一节 线性电阻电位器传感器

1. 主要内容

线性电阻电位器传感器、负载特性与负载误差、电位器的结构与材料

2. 基本概念和知识点

线性电阻电位器传感器、负载特性与负载误差、电位器的结构与材料

3. 问题与应用（能力要求）

了解线性电阻电位器。

第二节 应变片式传感器

1. 主要内容

应变片式传感器的工作原理、特性、温度误差及其补偿

2. 基本概念和知识点

应变片式传感器的工作原理、特性、温度误差及其补偿

3. 问题与应用（能力要求）

了解应变片式传感器。

(三) 课后练习

3.1 试述电阻应变计产生热输出（温度误差）的原因及其补偿方法。

3.2 试述应变电桥产生非线性的原因及削减非线性误差的措施。

3.3 如何用电阻应变计构成应变式传感器?对其各组成部分有何要求?

3.4 现有栅长为3mm和5mm两种丝式应变计，其横向效应系数分别为5%和3%，欲用来测量泊松比μ=0.33的铝合金构件在单向应力状态下的应力分布（其应力分布梯度较大）。试问:应选用哪一种应变计?为什么?

第四章 电感式传感器

（一）目的与要求

要求理解与掌握的内容有:自感式传感器；变压器式传感器；涡流式传感器；感应同步器。一般掌握和了解的内容有:压磁式传感器。本章难点:涡流式传感器、感应同步器。

（二）教学内容

第一节 自感式传感器

1. 主要内容

自感式传感器分类、气隙型自感传感器、差动型自感传感器及其测量电路

2. 基本概念和知识点

自感式传感器分类、气隙型自感传感器、差动型自感传感器及其测量电路

3. 问题与应用（能力要求）

了解自感式传感器。

第二节 变压器式传感器

1. 主要内容

变压器式电感传感器的基本工作原理、工作特性、测量电路。

2. 基本概念和知识点

变压器式电感传感器的基本工作原理、工作特性、测量电路。

3. 问题与应用（能力要求）

了解应变压器式传感器。

第三节 电涡流式电感传感器

1. 主要内容

高频反射式电涡流传感器、低频透射式电涡流传感器。

2. 基本概念和知识点

高频反射式电涡流传感器、低频透射式电涡流传感器。

3. 问题与应用（能力要求）

了解电涡流式电感传感器。

(三) 课后练习

4.1 比较差动式自感传感器和差动变压器在结构上及工作原理上的异同之处。

4.2 为什么设计电感传感器时应尽量减少铁损?试述减小铁损的方法。

4.3 用变磁阻式传感器进行测量时，在什么情况下应采用与校正时相同的电缆?为什么?

4.4 变间隙式、变截面式和螺管式三种电感式传感器各适用于什么场合?它们各有什么优缺点?

4.5 螺管式电感传感器做成细长形有什么好处?欲扩大螺管式电感传感器的线性范围，可以采取哪些措施?

4.6 差动式电感传感器测量电路为什么经常采用相敏检波（或差动整流）电路?试分析其原理。

第五章 电容式传感器

（一）目的与要求

要求理解与掌握电容式传感器的工作原理；电容式传感器的测量电路；主要性能分析及应用举例。一般掌握和了解的内容有:电容式传感器的设计要点和应用实例。本章难点:电容式传感器的测量电路。

（二）教学内容

第一节 电容式传感器的工作原理

1. 主要内容

工作原理:变面积型、变介质的介电常数型、变极间距离型、差动电容型。

2. 基本概念和知识点

工作原理:变面积型、变介质的介电常数型、变极间距离型、差动电容型。

3. 问题与应用（能力要求）

了解电容式传感器的工作原理。

第二节 电容式传感器的测量电路

1. 主要内容

测量电桥、差动脉冲调宽电路、电容调频电路、运放测量电路。

2. 基本概念和知识点

测量电桥、差动脉冲调宽电路、电容调频电路、运放测量电路。

3. 问题与应用（能力要求）

了解电容式传感器的测量电路。

第三节 主要性能分析及应用举例

1. 主要内容

误差分析、灵敏度的提高、应用举例。

2. 基本概念和知识点

误差分析、灵敏度的提高、应用举例。

3. 问题与应用（能力要求）

电容式传感器的应用。

(三) 课后练习

5.1 电容式传感器可分为哪几类?各自的主要用途是什么?

5.2 试述变极距型电容传感器产生非线性误差的原因及在设计中如何减少这一误差。

5.3 为什么电容式传感器的绝缘、屏蔽和电缆问题特别重要?设计和应用中如何解决这些问题?

5.4 电容式传感器的测量电路主要有哪几种?各自的目的及特点是什么?使用这些测量电路时应注意哪些问题?

5.5 为什么高频工作的电容式传感器连接电缆的长度不能任意变动?

5.6 简述电容测厚仪的工作原理及测试步骤。

第六章 磁电式传感器

（一）目的与要求

要求理解与掌握磁电感应式传感器；霍尔式传感器。本章难点:霍尔式传感器。

（二）教学内容

第一节 磁电感应式传感器

1. 主要内容

磁电感应式传感器的工作原理。

2. 基本概念和知识点

磁电感应式传感器的工作原理。

3. 问题与应用（能力要求）

了解磁电感应式传感器的工作原理。

第二节 霍尔式传感器

1. 主要内容

霍尔效应、霍尔元件的基本特性、霍尔元件连接方式和测量电路、测量误差及补偿方法、霍尔传感器的应用。

2. 基本概念和知识点

霍尔效应、霍尔元件的基本特性、霍尔元件连接方式和测量电路、测量误差及补偿方法、霍尔传感器的应用。

3. 问题与应用（能力要求）

了解霍尔式传感器。

(三) 课后练习

6.1 阐明磁电式振动速度传感器的工作原理，并说明引起其输出特性非线形的原因。

6.2 机械阻抗是什么?用机械阻抗来分析作简谐运动的线形机械系统有什么好处?

6.3 什么是位移阻抗、速度阻抗、加速度阻抗、位移导纳、速度导纳和加速度导纳?

6.4 试述相对测振传感器的工作原理和工作频率范围。

第七章 压电式传感器

（一）目的与要求

要求理解与掌握的内容有:压电效应；压电材料；等效电路；测量电路；压电式传感器应用。一般掌握和了解的内容有:影响压电式传感器工作精度的因素。本章难点:压电效应。

（二）教学内容

第一节 压电式传感器工作原理

1. 主要内容

正压电效应与逆压电效应、石英晶体的压电特性、压电陶瓷的压电现象。

2. 基本概念和知识点

正压电效应与逆压电效应、石英晶体的压电特性、压电陶瓷的压电现象。

3. 问题与应用（能力要求）

了解压电式传感器的工作原理。

第二节 压电传感器等效电路和测量电路

1. 主要内容

压电晶片的连接方式、压电传感器的等效电路、压电传感器的测量电路。

2. 基本概念和知识点

压电晶片的连接方式、压电传感器的等效电路、压电传感器的测量电路。

3. 问题与应用（能力要求）

了解压电传感器等效电路和测量电路。

第三节 压电传感器的应用举例

1. 主要内容

压电式力传感器、压电式压力传感器、压电式加速度传感器。

2. 基本概念和知识点

压电式力传感器、压电式压力传感器、压电式加速度传感器。

3. 问题与应用（能力要求）

压电传感器的应用。

(三) 课后练习

7.1 何谓压电效应?何谓纵向压电效应和横向压电效应?

7.2 压电材料的主要特性参数有哪些?试比较三类压电材料的应用特点。

7.3 试述石英晶片切型(yxlt +50º/45º)的含意。

7.4 为了提高压电式传感器的灵敏度,设计中常采用双晶片组合,试说明其组合的方式和适用场合。

7.5 欲设计图6-21所示三向压电加速度传感器,用来测量x､y､z三正交方向的加速度,拟选用三组双晶片组合BaTiO3压电陶瓷作压电组件。试问:应选用何种切型的晶片?又如何合理组合?并用图示意。

第八章 光电式传感器

（一）目的与要求

要求理解与掌握的内容有:光电效应；光电器件及其特性；光栅式传感器；光纤传感器；光电式传感器的测量电路；光电式传感器的应用。一般掌握和了解的内容有:固体CCD、激光式传感器。本章难点:光栅式传感器、固体CCD。

（二）教学内容

第一节 光电效应

1. 主要内容

外光电效应、内光电效应。

2. 基本概念和知识点

外光电效应、内光电效应。。

3. 问题与应用（能力要求）

了解光电效应。

第二节 光电器件及其特性

1. 主要内容

光电管及其基本特性、光敏电阻、光电池、光敏二极管和光敏三极管。

2. 基本概念和知识点

光电管及其基本特性、光敏电阻、光电池、光敏二极管和光敏三极管。

3. 问题与应用（能力要求）

了解光电器件及其特性。

第三节 光电式传感器

1. 主要内容

光栅式传感器；光纤传感器；

2. 基本概念和知识点

光栅式传感器；光纤传感器；

3. 问题与应用（能力要求）

光电传感器的原理

第四节 光电式传感器的应用

1. 主要内容

光电式传感器的应用

2. 基本概念和知识点

光电式传感器的应用

3. 问题与应用（能力要求）

光电式传感器的应用

(三) 课后练习

8.1 简述光电式传感器的特点和应用场合,用方框图表示光电式传感器的组成。

8.2 何谓外光电效应光电导效应和光生伏特效应?

8.3 试比较光电池光敏晶体管光敏电阻及光电倍增管在使用性能上的差别。

8.4 通常用哪些主要特性来表征光电器件的性能?它们对正确选用器件有什么作用?

8.5 怎样根据光照特性和光谱特性来选择光敏元件?试举例说明。

第九章 热电式传感器

（一）目的与要求

要求理解与掌握热电阻；热电偶；热敏电阻。本章难点:热电偶。

（二）教学内容

第一节 热电偶

1. 主要内容

热电效应、热电偶基本定律、热电偶实用测量电路、热电偶冷端温度误差及补偿方法、热电偶的应用

2. 基本概念和知识点

热电效应、热电偶基本定律、热电偶实用测量电路、热电偶冷端温度误差及补偿方法、热电偶的应用

3. 问题与应用（能力要求）

了解热电偶。

第二节 电阻温度传感器

1. 主要内容

常用的金属热电阻、常用的半导体热敏电阻。

2. 基本概念和知识点

常用的金属热电阻、常用的半导体热敏电阻。

3. 问题与应用（能力要求）

了解电阻温度传感器。

(三) 课后练习

9.1 热电式传感器有哪几类?它们各有什么特点?

9.2 常用的热电阻有哪几种?适用范围如何?

9.3 热敏电阻与热电阻相比较有什么优缺点?用热敏电阻进行线形温度测量时必须注意什么问题?

9.4 利用热电偶测温必须具备哪两个条件?

9.5 什么是中间导体定律和连接导体定律?它们在利用热电偶测温时有什么实际意义?

9.6 什么是中间温度定律和参考电极定律?它们各有什么实际意义?

9.7 用镍铬-镍硅热电偶测得介质温度为800ºC,若参考温度为25ºC,问介质的实际温度为多少?

第十章 智能化网络化传感器技术

（一）目的与要求

要求理解与掌握基本智能传感器。本章难点:智能传感器和模糊传感器。

（二）教学内容

1．主要内容

第一节 智能传感器

第二节 模糊传感器

2．基本概念和知识点

基本型智能传感器的含义与功能；

基本型智能传感器的软件算法；

模糊传感器的概念、性能及其认识；

3．问题与应用（能力要求）

了解智能传感器/模糊传感器的含义及其功能特点；

了解相应的传感器在现实生活中的具体应用实例。

(三) 课后练习

10.1 经典传感器与微处理器结合形成的基本型智能传感器，增加了哪些新功能?

10.2 试总结模糊传感器和精确的数值传感器的异同点。

（四）实践环节与课后练习

本课程安排3个实验，实验总学时为9学时，实验内容和学时分配见《传

感器应用技术》实验教学大纲。

（五）教学方法与手段

本课程宜采用讲授与讨论相结合的形式。一部分内容由教师"精讲",在此基础上，部分内容由学生自学，然后由学生在课堂上讲解，讨论，最后由教师补充,概括和总结。在自学中，指导学生多方面收集资料，开阔视野，不局限于教材的内容。目的在于调动学生的主观能动性，既掌握知识，又培养能力。

采用实物、图片、幻灯,录象片,演示实验等手段,加大课堂信息量,提高课堂教学效果,培养学生的学习兴趣。

三、教学方法与手段

本课程采用课堂教学的方式，条件具备时，网络教学工具和联网教学方式相结合，课堂教学采用传统教学和多媒体教学相结合，理论与实际应用相结合，通过全面而丰富的实例（多媒体演示）学习，使学生具备设计智能家居系统的能力，理解智能家居系统设计的基本原理、相关的协议及关键技术知识。通过本课程的学习，培养学生实际动手能力和程序设计的能力，掌握智能家居的基本搭建方法，达到学以致用目的。

四、教学内容及目标

理论学时:32学时

五、推荐教材和教学参考资源

1．程德福，王君.《传感器原理及应用》.机械工业出版社，2008年

2. 郁有文.《传感器原理及工程应用》（第三版）.西安电子科技大学出版社,2006年

3. 何希才.《传感器及其应用电路》.电子工业出版社,2002年

4. 丁镇生.《传感器及传感技术应用》.电子工业出版社,1998年

六、其他说明

大纲修订人: 韩洁琼 修订日期:2014年10月

大纲审定人: 审定日期:

《传感器原理与应用》实验课教学大纲

一、 基本信息

课程名称:传感器原理与应用

英文名称:Sensor Application Technology

学 时:40（理论32学时，实验8学时）

学　　分:2.5

适用对象: 电子信息工程、电子信息科学与技术；计算机科学与技术专业，网络工程专业 物联网工程专业

二、 实验课程的性质与任务

本课程具有较强的综合性、实践性。本课程将对传感器的基本原理、传感器的实用技术及其应用予以介绍，力争使学生掌握传感器技术的基本原理和基本分析设计方法，对传感器技术这门现代高科技在各个领域应用的现状有较全面的了解，对现代电子电路在传感器的检测与转换电路中的应用有较深入的了解并有将强的分析能力。

本课程特别注意训练学生有一定的传感器测量转换电路的设计制作能力。

三、 实验教学目的与要求

传感器技术实验能够使学生通过实验认识、认知、掌握使用传统型传感器和一些新式传感器。这对于学生掌握课堂所学，消化课堂知识是很有裨益的。同时也为今后从事相关传感器技术工作打下扎实的基础。

基本教学要求:

1．掌握常用传感器技术的基本原理，掌握常用传感器基本结构；

2．理解传感器特性指标，掌握传感器性能的基本分析方法及改善性能的基本思想和方法；

3．熟悉并掌握传感器常用的实用电路的分析、计算和设计；

4．了解各种传感器应用范围、场合以及应用条件，传感器的选用原则和方法。

四、 实验项目、内容提要与要求

注:实验类型在“认识实验、验证性实验、基本操作、综合性实验、设计性实验” 等中选择

五、考核办法和成绩评定标准

1、实验报告

简明、扼要的反映实验过程的基本情况，并对实验中的数据结果进行合理的分析和归纳，有选择性的对实验进行理论改进和实践发挥，加深对所学理论知识的理解。

实验报告一般应包含:

（1）实验预习报告 （2）实验目的和要求 （3）实验原理简述 （4）实验仪器 （5）实验注意事项 （6） 实验步骤 （7） 数据处理 （8）实验结果表达 （9）实验总结和讨论。

实验课成绩占本课程总成绩10%。对无故缺实验者，本门课程实验成绩以零分计。

根据学生的实验预习、实验纪律、实验动手能力及实验报告结果进行综合评定，给出A、B、C。对缺实验成绩者，本课程不予通过。

六、实验指导书

自行编写实验指导书（电子版）

七、其他说明

无

大纲修订人:韩洁琼 修订日期:2014年10月

大纲审定人: 审定日期: