传感器教学大纲.docx
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传感器教学大纲
《传感器及检测技术》课程教学大纲
课程编号：
325z15
学时：
56（其中理论26；实验26；习题2）
课程类别：
必修
适用专业：
电气自动化
编写时间：
2008年9月
一．课程的性质和任务
课程性质：
专业课
目的：
《传感器与检测技术》是电气自动化专业的一门重要技术专业的专业课，随着信息技术，自动测控技术的发展，对传感器技术的依赖程度愈来愈大。
也已表明，传感器技术已经成为重要的基础性技术。
掌握传感器技术，合理应用传感器几乎是所有技术领域工程人员必须具备的基本素养。
因此《传感器与检测技术》课程作为专业基础课，在整个专业教学计划中占有重要地位。
本课程的目标是要求学生掌握传感器及检测技术的基本知识。
传感器的静态和动态特性。
各种传感器的组成结构，工作原理，性能特点，测量电路。
集成系统的接口技术，理解它们的工作过程，掌握它们在各种场合的应用。
本课程在能力培养方面的目标：
通过本课程的学习使学生能够使用常用仪器检测各种传感器性能，会合理选用信号处理器件组成高效合理的检测电路，能对各种测量电路进行焊接调试，对各种传感器的检测系统进行集成装配及维护使用。
通过课堂教学讲授传感器原理等基本理论知识，利用现代多媒体网络教学平台扩展学习内容。
通过自主性实训项目、设计制作型实训项目的操练来培养学生对传感器应用系统的集成和传感器的设计制作的能力。
通过去工厂企业顶岗实习培养学生的职业技能。
本课程通过采用上述多种教学手段达到本课程的教学目的。
二．课程教学内容、学时分配和教学基本要求
课题一 绪论
理论教学（2学时）
基本内容：
传感器现状和发展趋势，传感器的作用，传感器定义、组成和分类；
教学重点：
国家标准对传感器定义内容；
基本要求:
了解传感检测技术的重要地位和作用以及传感器的发展方向。
课题二传感器与测量的基本知识
理论教学（4学时）
基本内容：
传感器的静态特性和动态特性；
教学重点：
静态特性的线性度、迟滞、重复性、灵敏度、稳定性等。
动态特性参数：
传感器幅频特性、相频特性。
教学难点：
传感器动态特性，瞬态响应特性，频率响应特性；
基本要求：
了解传感器特性指标，传感器输出输入之间的关系，掌握分析传感器静特性和动特性的基本方法，在给定条件下熟悉计算稳定时间和工作频率的方法。
要点：
输入和输出关系的传递函数方法表示，课程讨论的都是以线性常系数系统为对象，一般情况下，有n个状态变量的系统叫n阶系统。
课题三 电阻应变式传感器与应用
理论教学（10学时）
基本内容：
电阻式传感器的基本原理，了解不同电阻式传感器的结构、性能、灵敏度差别，分别使用在哪些场合，如何通过电阻式传感器测量力、压力、位移、应变、加速度等非电量参数。
教学重点：
金属的电阻应变效应，金属应变片的主要特性；半导体材料的压阻效应。
压力传感器的应用。
教学难点：
转换电路，温度误差产生的原因及补偿。
基本要求：
掌握电阻式传感器的工作原理，种类结构、转换电路与不同形式传感器的应用。
要求正确使用梁式力传感器。
要点：
1.应变片，拉长金属丝，电阻增加，反之减小；2.力传感器，粘贴在试件上的应变片的电阻率与应变成比例关系；3.半导体应变片可获得比金属大100倍以上的电阻变化。
课题四 电感式传感器及其应用
理论教学（8学时）
基本内容：
变磁阻式传感器，差动变压器式传感器，电涡流式传感器；掌握电感式传感器工作原理、输出特性、转换测量电路以及传感器的应用。
转换电路中介绍差动整流电路，相敏检波电路；零点残余电压产生的原因和解决方法。
教学重点：
自感式和互感式传感器如何测量振动、位移、压力等；相敏检波电路；电涡流传感器的应用。
教学难点：
相敏检波电路工作原理。
基本要求：
了解自感式传感器工作原理、转换电路与使用方法；掌握差动变压器式传感器的工作原理、转换电路，掌握电涡流式传感器的工作原理和实际应用方法。
要点：
1.差动变压器可得到正比于机械位移的交流电压；2.交流线圈接近金属物体时，金属上产生“涡流”，线圈越接近涡流越大。
课题五 电容式传感器与应用
理论教学（6学时）
基本内容：
变间距型、变面积型、变介电常数型电容传感器的结构形式，工作原理；电容式传感器的转换电路以及电容传感器的等效电路分析。
电容传感器的主要性能、特点、设计要求和应用举例。
电容式集成传感器工作原理介绍。
教学重点：
不同结构传感器适用的场合以及测量范围和精度。
电容传感器转换电路：
双T型电路、差动脉冲调宽电路。
教学难点：
电容传感器等效电路分析。
基本要求：
掌握电容式传感器的种类、结构形式、工作原理与转换电路，了解电容传感器的应用范围和使用方法。
要点：
1.金属容器内装入液体、粉体，它的高度h正比于电容量C；2.利用电容变化的传感器还有：
差压传感器、位移传感器、加速度传感器等。
课题六 压电式传感器与应用
理论教学（4学时）
基本内容：
压电效应，压电材料，石英晶体和压电陶瓷的压电特性。
压电元件的结构形式，压电式传感器测试系统等效电路和测量电路，电压放大器，电荷放大器。
压电式传感器应用举例，压电加速度传感器。
PVF2应用前景。
教学重点：
了解压电转换元件具有的自发电和可逆重要性；电荷放大器和电压放大器的电路形式和输出特性。
教学难点：
压电元件等效电路分析，转换电路阻抗变换，频率响应、频带宽度。
基本要求：
掌握压电式传感器工作原理，电荷放大器和电压放大器作用、特征。
了解压电传感器的使用方法，压电加速度传感器的结构特点及性能。
要点：
1．压电传感器不能测量静态物理量；2．压电式加速度传感器的高频响应特别好；3．压电传感器是典型的“双向传感器”。
课题七 霍尔式传感器与应用
理论教学（6学时）
基本内容：
霍尔元件与霍尔效应，霍尔式传感器工作原理与特性，典型应用举例。
教学重点：
霍尔效应，并如何用于微位移、压力、振动转速等非电量测量。
教学难点：
霍尔式传感器的霍尔效应，霍尔元件的温度误差及补偿方法。
基本要求：
掌握霍尔传感器工作原理和特性参数，了解集成霍尔元件和磁敏元件的特性，掌握其使用方法。
要点：
霍尔元件可广泛用于精确定位、接近开关、导磁产品计数、转速测量。
课题八 热电式传感器与应用
理论教学（6学时）
基本内容：
热电偶的工作原理，热电效应、热电偶基本定律；常用热电偶；热电偶温度补偿。
热电阻材料和常用热电阻，铂热电阻、铜热电阻。
热敏电阻的特点、结构与材料，负温度系数热敏电阻的特性。
教学重点：
热电效应，热电偶基本定律；负温度系数热敏电阻的特性。
教学难点：
热电偶中参考端（冷端）温度补偿。
基本要求：
掌握热电偶工作原理，热电偶的种类与应用范围。
热电阻传感器和热敏电阻传感器的特点和适用的测温范围。
要点：
基本要求：
掌握热电偶工作原理，热电偶的种类与应用范围。
热电阻传感器和热敏电阻传感器的特点和适用的测温范围。
了解集成温度传感器测温原理和使用方法。
要点：
1.热电偶温度传感器，连接不同材料金属的一端加热节点，则另两端产生电动势（电压），在1500℃左右使用；2.电阻式温度传感器：
金属热电阻，随温度升高电阻变大，在500℃以下使用；半导体热敏电阻随温度升高电阻减小，在350℃以下使用；3.利用热敏电阻还可制作风速、微流速、湿度传感器。
课题九 光栅传感器与应用
理论教学（6学时）
基本内容：
光纤传感器；光栅式传感器工作原理，典型应用举例。
教学重点：
光纤传感器；光栅式传感器，并如何用于非电量测量。
教学难点：
光栅式传感器
基本要求：
。
掌握光纤传感器；光栅式传感器工作原理和结构特性参数，掌握其使用方法。
要点：
光栅传感器的应用
课题十 光电式传感器与应用
理论教学（4学时）
基本内容：
基于外光电效应的光电管、光电倍增管；基于光电导效应的光敏电阻；基于光生伏特效应的光电池、光敏二极管和光敏晶体管、光电耦合器件；电荷耦合器件（CCD）等。
介绍光电器件和光电传感器的结构特征、主要参数、基本特性、光谱特性，光电传感器的应用。
教学重点：
光电器件和光电传感器的工作原理、特性及应用范围、使用方法。
教学难点：
光电倍增管工作原理；电荷耦合器件的电荷信息的传输过程；光纤传感器原理。
基本要求：
掌握光电传感器的基本特性、工作原理和应用范围。
了解光电器件的使用方法。
要点：
1.光生电动势——光电二极管、光电三极管、光电池；光电导变化——光敏电阻；2.选择光传感器的主要因素是波长、响应时间；3.光导纤维：
由机械变形引起线径、长度、折射率等变化，可用于光的强度、相位变化各种传感器
三、课内实验内容、学时分配和基本要求
实验一、箔式应变片性能——单臂电桥
（2）
实验内容：
1.了解所需单元、部件在实验仪上的所在位置。
2.将差动放大器调零。
3.根据图1接线。
4.将测微头转动到10mm刻度附近，安装到双平等粱的自由端，调节测微头支柱的高度使F/V表显示最小，再旋动测微头，使F/V表显示为零，这时的测微头刻度为零位的相应刻度。
5.往下或往上旋动测微头，使粱的自由端产生位移记下F/V表显示的值，把数值填入表中。
6.根据所得结果计算灵敏度。
7.实验完毕，关闭主副电源，所有旋钮转到初始位置。
实验目的：
了解金属箔式应变片，单臂电桥的工作原理和工作情况
要求：
记下F/V表显示的值，把数值填入表中和根据所得结果计算灵敏度。
作业要求：
把数值填入表中和根据所得结果计算灵敏度，并在座标纸上描出曲线。
按时独立完成实验报告，报告纸面整洁漂亮。
实验二、电阻式传感器实验
（2）
实验内容：
1.了解所需单元、部件在实验仪上的所在位置。
2.将差动放大器调零。
3.根据图1接线。
4.将测微头转动到10mm刻度附近，安装到双平等粱的自由端，调节测微头支柱的高度使F/V表显示最小，再旋动测微头，使F/V表显示为零，这时的测微头刻度为零位的相应刻度。
5.往下或往上旋动测微头，使粱的自由端产生位移记下F/V表显示的值，把数值填入表中。
6.据所得结果计算灵敏度。
7.保持放大器增益不变，将R3固定电阻换成工作状态相反的另一应变片，形成半桥，在重复4.5.6步骤把数值填入表中。
8.在同一座标纸上描出曲线，比较三种解法的灵敏度。
9.实验完毕关闭主副电源，各旋钮置初始位置。
实验目的：
验证三者之间关系
要求：
了解金属箔式应变片，单臂、半桥、全桥的工作原理和工作情况
作业要求：
在同一座标纸上描出曲线，比较三种解法的灵敏度。
按时独立完成实验报告，报告纸面整洁漂亮。
实验三、电感式传感器实验
（2）
实验内容：
1.了解所需单元、部件在实验仪上的所在位置。
2.将差动放大器调零。
3.按图接好线路。
4.装上测微头，上下调整使差动变压器铁芯处于线圈的中段位置。
5.往下或往上旋动测微头，使粱的自由端产生位移记下F/V表显示的值，把数值填入表中。
6.据所得结果计算灵敏度。
7.实验完毕关闭主副电源，各旋钮置初始位置。
实验目的：
了解差动变压器测量系统的组成和标定方法。
要求：
记下F/V表显示的值，把数值填入表中和根据所得结果计算灵敏度。
作业要求：
把数值填入表中和根据所得结果计算灵敏度并在座标纸上描出曲线。
按时独立完成实验报告，报告纸面整洁漂亮。
实验四、电容式传感器实验
（2）
实验内容：
1.了解所需单元、部件在实验仪上的所在位置。
2.按图接好线路。
3.F/V表打到20V，上下调节测微头，使输出为零。
4.转动测微头，记下测微头的读数及电压表的读数，直至电容东片与上静片覆盖面积最大为止。
5.退回测微头至初始位置。
6.据所得结果计算灵敏度。
7.实验完毕关闭主副电源，各旋钮置初始位置。
实验目的：
了解差动变面积式电容传感器的原理及其特性。
要求：
记下F/V表显示的值，把数值填入表中和根据所得结果计算灵敏度。
作业要求：
把数值填入表中和根据所得结果计算灵敏度并在座标纸上描出曲线。
按时独立完成实验报告，报告纸面整洁漂亮。
实验五、霍尔传感器实验
（2）
实验内容：
1.了解所需单元、部件在实验仪上的所在位置。
2.开启主副电源将差动放大器调零后，增益置最小，关闭主电源，按图接好线路，w1、r为电桥单元的直流电桥平衡网络。
3.转动测微头，调节测微头与振动台吸合并使霍尔片置于半圆磁钢上下正中位置。
4.开启主、副电源，调整w1使电压表指示为零。
5.上下旋动测微头，记下电压表的读数，填入表中。
6.据所得结果计算灵敏度。
7.实验完毕关闭主副电源，各旋钮置初始位置。
实验目的：
了解霍尔式传感器的原理及其特性。
要求：
记下F/V表显示的值，把数值填入表中和根据所得结果计算灵敏度。
作业要求：
把数值填入表中和根据所得结果计算灵敏度并在座标纸上描出曲线。
按时独立完成实验报告，报告纸面整洁漂亮。
四、各教学环节学时分配
课题序号
主要
内容
各教学环节学时分配
讲课
实验
习题
其他
小计
一
绪论
2
2
二
传感器与测量的基本知识
4
4
三
电阻应变式传感器与应用
6
4
2
12
四
电感式传感器及其应用
6
2
8
五
电容式传感器与应用
4
2
6
六
压电式传感器与应用
4
6
七
霍尔式传感器与应用
4
2
6
八
热电式传感器与应用
6
6
九
光栅传感器与应用
6
6
十
光电传感器与应用
2
2
合计
44
10
2
56
五、综练基本要求：
综练（一周）
综练名称：
传感器及检测技术
综练目的：
了解差动螺管式传感器的原理；光纤位移传感器的动态应用；电涡流式传感器测量振动的原理和方法；湿敏传感器的原理与应用。
综练要求：
记下F/V表显示的值，把数值填入表中和根据所得结果计算灵敏度。
综练内容与时间安排：
上午
下午
星期一
安全教育，了解实训的任务
做好准备工作，介绍设备及部件
星期二
了解差动螺旋管式传感器的原理，介绍所需单元及部件，强调注意事项，然后学生按照实训具体计划要求进行实训接线
记录数据，绘图并分析产生结果的原因
星期三
了解光纤位移传感器的原理，介绍所需单元及部件，强调注意事项，然后学生按照实训具体计划要求进行实训接线
记录数据，绘图并分析产生结果的原因
星期四
了解温敏传感器的原理，介绍所需单元及部件，强调注意事项，然后学生按照实训具体计划要求进行实训接线
记录数据，绘图并分析产生结果的原因
星期五
实作考核
实训总结
作业要求：
把数值填入表中和根据所得结果计算灵敏度并在座标纸上描出曲线。
按时独立完成实验报告，报告纸面整洁漂亮。
考核方式：
单人单组独立考核。
成绩评定：
分为优，良，中，差几个等级。
必要说明：
六、本课程与其他课程的联系与分工
本课程系统的阐述了传感器的基本原理及有关信号测量电路，内容丰富、新颖，既有应用广泛的结构性传感器，又有正在发展的物性传感器和光导纤维传感器等。
学生应修数学、电工学、电子技术及机械制图等基础课后开设本课程。
通过对本课程的学习，可以获得比较全面而系统的传感器知识，为后续课程如自动控制原理等课程提供必要的基础知识，也为以后的工作打下一个坚实的基础。
七、本课程的考核方式
本课程的总成绩由理论考试成绩与实验课成绩两部分组成。
八、建议教材与教学参考书
教材
序号：
7303078053
作者：
张存礼/周乐挺.
书名：
《传感器原理与应用》
出版地：
北京师大
出版年份：
2005-11-01
参考书目
序号：
7560612946
作者：
彭军
书名：
《传感器与检测技术》
出版地：
西安电子科技大学出版社
出版年份：
2003-11-1
1．《传感器原理及工程应用》，郁有文、常健、程继红编著，西安科技大学出版社，2003；
2．《传感器原理与应用》，黄贤武、郑筱霞编著，电子科技大学出版社，1999；
3．《传感器原理》，南京航空学院、北京航空学院合编，国防工业出版社出版，1998；
九、大纲说明
传感器技术是现代信息科学技术中的一个重要领域，是捕捉信息的主要手段。
在信息时代，随着信息科学技术的发展，传感器技术越来越显示出它在信息技术中巨大作用。
在自动测控系统中，传感器占据着该系统的命脉地位。
因此传感器技术的发展，推动了科学技术的巨大进步。
当今世界，传感器品种繁多，其技术日新月异，本课程重点阐述传感器的原理和应用，并通过实验使学生掌握传感器的基本理论，建立完整的传感器技术的整体概念，培养学生组建非电测量和控制系统的实际能力，掌握传感器的标定和校准方法。
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