传感器与传感器技术课件

《传感器原理与应用》

内容提要和基本要求教学内容和重点：传感器的基本概念及其基本特性（静态、动态特性）；传感器的标定和校准方法；各类传感器的转换原理；特性分析及其设计方法；测量电路；实际应用；实验。参考学时：

56或64学时，其中讲课44~50学时；实验12~14学时。考核方法：平时(作业、考勤)15%+实验15%+期末考试70%《传感器原理与应用》

内容提要和基本要求教学内容和重点：1Chapter1

1．明确传感器的定义、组成及其分类；传感器技术的特点；传感器与传感器技术的地位和作用及其发展趋势；2．掌握传感器静态特性指标及定量描述方法；3．掌握传感器动态特性的描述方法（微分方程，传递函数，频率特性）及其动态特性指标（一阶传感器的时间常数，二阶传感器的固有频率n和阻尼比）的意义；4．掌握传感器动态响应（阶跃响应和频率响应）的分析方法；5．掌握传感器动态误差的意义及其计算方法；6．了解机-电模拟的基本方法和意义。Chapter11．明确传感器的定义、组成及其分类；2一阶传感器二阶传感器微分方程传递函数频率特性幅频特性相频特性动态误差主要计算公式一阶传感器3

Chapter2

被测量应变（）电阻变化（R）电压(U)1．掌握金属电阻应变片的结构、原理（电阻-应变效应，K=(R/R)/）及特性：2．掌握压阻式传感器工作原理，固态压阻式传感器的设计特点及其应用；

Chapter2被测量应变（）4

Chapter2

3．掌握电阻应变式传感器测量线路（直流惠斯通电桥）的结构形式（特别是差动结构）及特点，一般情况下，电桥输出电压为4．掌握电阻应变式传感器的组成、应用及其分析方法；弹性敏感元件+电阻应变片电阻应变式传感器；弹性敏感元件的应变-应力关系：=/E；弹性敏感元件的泊松比：Δd/d=l/l=。5．了解电位计式传感器结构和基本特性（自学）。Chapter23．掌握电阻应变式传感器测5

Chapter3

被测量L，M电磁感应自感式传感器（电感式传感器）电感式传感器—差动变压器互感式传感器—电涡流式传感器Chapter3被测量L，M6

Chapter3

1.掌握电感式传感器结构、原理及其基本特性：

变气隙型电感式传感器螺管式电感传感器电感量

灵敏度

非线性误差差动结构：灵敏度加倍；非线性误差减小。Chapter31.掌握电感式传感器结构、原7

Chapter3

2.掌握电感式传感器的电桥测量电路的输出特性：交流电桥输出：差动电阻平衡臂电桥：或差动变压器电桥：或Chapter32.掌握电感式传感器的电桥8

Chapter3

3．掌握差动变压器组成结构、工作原理、输出特性及其差动整流电路和相敏检波电路的工作原理，输出信号：4．掌握高频反射式电涡流式传感器的结构、工作原理及其基本特性；5．掌握各类电感式传感器的典型应用（位移型传感器）。Chapter33．掌握差动变压器组成结9

Chapter4

被测量（d，S，）CU(I,f)1．掌握不同类型的电容传感器构成原理及其用途，并结合应用设计电容式传感器：平行板电容器电容量：

柱式电容器电容量：Chapter4被测量（d，S，10

Chapter4

空气介质的变间隙式电容传感器：灵敏度：非线性误差：具有固体介质的变间隙式电容传感器：线位移变面积式电容传感器：

Chapter4空气介质的变间隙式电容传11

Chapter4

角位移变面积式电容传感器：

变介电常数式电容传感器：(线性)

2．分析各种电容式传感器测量电路特点：交流不平衡电桥，二极管检波电路，差动脉冲宽度调制电路，运算法测量电路等；3．了解杂散电容产生原因及减少或消除杂散电容影响的方法；4．明确电容式差压变送器结构原理，掌握分析计算电容变送器初始电容及灵敏度变化的方法。Chapter4角位移变面积式电容传感器12

Chapter5

力(F)电荷(Q)1．掌握压电材料压电效应的意义及描述方法(Q=dijF)；2．掌握石英及压电陶瓷材料的压电机理及其压电特性；3．掌握压电式传感器的等效电路（等效电容器Ca=S/h，或电荷源Q=dijF、电压源Ua=Q/Ca）及测量电路的特点;分析电压前置放大器与电荷前置放大器的特性及区别：Chapter5力(F)电荷(Q13

Chapter5

电压前置放大器传感器的电压灵敏度：输入电压Ui与作用力之间的相位差:理想情况：幅值比电压灵敏度Chapter5电压前置放大器14

Chapter5

测量电路的时间常数：，n=1/，幅值比，

相位差；低频响应动态误差：

电荷前置放大器输出电压：与之间的相位差：Chapter5测量电路的时间常数：15

Chapter5

4．学会分析压电式加速度计的频率响应特性及其应用频率范围的确定方法。加速度计微分方程：灵敏度与频率关系：

Chapter54．学会分析压电式加速度计16

Chapter6被测量电动势

1.掌握磁电式传感器的结构（恒定磁通式和变磁通式）及其工作原理（电磁感应原理e=NdΦ/dt）；2．掌握磁电式传感器的设计方法和典型应用（速度型传感器）；3．掌握磁电式振动传感器和转速传感器的结构和特性分析。Chapter6被测量电动势17

Chapter7

温度电信号（电阻、电压、电流等）1.掌握金属热电阻的测温原理（电阻温度效应），明确铂热电阻和铜热电阻的热电特性、测温范围、百度电阻比（W(100)＝R100/R0）、分度号（Pt100、Pt50和Cu100、Cu50）和分度表；2.了解热敏电阻的三种基本类型和NTC热敏电阻的基本特性；3.掌握PN结型温度传感器（晶体二极管、三极管和集成温度传感器）的测温原理及特性；Chapter7温度电信号（电阻、18

Chapter7

4.熟悉热电偶的结构和热电效应，明确热电偶的热电势由接触电势和温差电势两部分构成；5.掌握热电偶的测温原理及其冷端温度补偿方法；6.了解热电偶的基本定律及其分度号和分度表；7.熟悉各种热电式传感器在温度测量和控制中的基本应用方法和电路特点。

Chapter74.熟悉热电偶的结构和热电19

Chapter8

光电信号

1.明确光电传感器由光源、光学元件和光电元件组成；2.熟悉光电元件的光-电转换原理是光电效应，即外光电效应（h=mv02/2+A0）和内光电效应（光电导效应和光生伏特效应）；3.掌握主要光电元件（光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管、光电池等）的结构和主要特性(特别是光谱特性、光电特性）；4.理解发光二极管（LED）的发光机理：电子空穴复活，所释放出的光子能量h，即为PN结禁带宽度Eg，所以Eg=h=hc/，从而，=hc/Eg，禁带宽度Eg决定LED发射光的颜色；明确LED的伏安特性和光谱特性；Chapter8光电信号20

Chapter8

5.熟悉光电传感器的四种基本类型和主要应用；6.熟悉光纤传感器所用光导纤维的结构及其传光原理（全反射原理）；7.掌握光纤传感器结构类型，明确光纤在传感器中的作用；8.了解光纤传感器在位移、压力、流量、液位、温度、等不同场合的应用方法；9.了解红外传感器的基本原理及其主要应用；10.了解电荷耦合器件（CCD）的图像感光原理及图像信号的转移原理。Chapter85.熟悉光电传感器的四种基本21Capter9磁场电信号1.掌握霍尔效应及霍尔元器件的工作原理，KH=RH/d=1/ned；2.熟悉霍尔传感器的应用方法；3.了解磁敏电阻的结构原理与应用方法；4.了解磁敏二极管、三极管的结构原理及应用方法。Capter9磁场电信号22Capter10被测量数字、频率

1．掌握光栅传感器结构（照明系统、光栅副、光电元件）及莫尔条纹的形成机理和特性；2.掌握测量光栅传感器位移的辨向原理及提高测量精度的细分技术；3.了解感应同步器的结构原理及其信号处理方法；4.掌握码盘式角数字编码器的结构和工作原理；5.掌握几种主要的频率式数字传感器（振筒式、振膜式、振弦式传感器等）的结构、特点及频率信号的检测方法和应用。Capter10被测量数字、频率23Capter11气体成分、浓度电信号1．了解热导式、热线式、热敏电阻式气体传感器的测量原理和基本检测电路；2．掌握接触燃烧式气体传感器、半导体气体传感器的结构特点，并会设计简单的气体报警器；3．红外气体传感器和湿式气体传感器的结构和检测原理。Capter11气体成分、浓度电信号24Capter12湿度电阻、电容等

1.明确湿度的定义及其表示方法：绝对湿度V=mV/V(mg/m3)；相对湿度=(V/W)T100%RH2．熟悉湿度传感器的类型（水分子亲和力型和非水分子亲和力型）及湿敏元件的主要特性参数；3．掌握电解质湿度传感器、半导体陶瓷湿度传感器、高分子材料湿度传感器的结构特点、感湿原理及其感湿特性。4.了解非水分子亲和力型湿度传感器的测湿原理和特点；5.熟悉湿度传感器的应用方法及其湿度控制电路的设计。Capter12湿度电阻、电容等25Capter13（自学）

1.了解超声波的产生及其传输特性，熟悉超声波传感器的结构和应用；2.了解微波的基本特性及微薄传感器的的检测应用；3.了解超导效应及超导传感器的应用；4.了解智能传感器基本概念及其实现方法，明确传感器的发展方向。Capter13（自学）1.了解超声波的产生及其传26Capter14

1.明确传感器标与校准的意义；2.掌握测量误差和仪表误差的基本概念；3.掌握传感器静态特性和动态特性的标定方法和步骤；4.熟悉压力、温度、振动等传感器的标定装置与标定方法。Capter141.明确传感器标与校准的意义；27《传感器原理与应用》

内容提要和基本要求教学内容和重点：传感器的基本概念及其基本特性（静态、动态特性）；传感器的标定和校准方法；各类传感器的转换原理；特性分析及其设计方法；测量电路；实际应用；实验。参考学时：

56或64学时，其中讲课44~50学时；实验12~14学时。考核方法：平时(作业、考勤)15%+实验15%+期末考试70%《传感器原理与应用》

内容提要和基本要求教学内容和重点：28Chapter1

1．明确传感器的定义、组成及其分类；传感器技术的特点；传感器与传感器技术的地位和作用及其发展趋势；2．掌握传感器静态特性指标及定量描述方法；3．掌握传感器动态特性的描述方法（微分方程，传递函数，频率特性）及其动态特性指标（一阶传感器的时间常数，二阶传感器的固有频率n和阻尼比）的意义；4．掌握传感器动态响应（阶跃响应和频率响应）的分析方法；5．掌握传感器动态误差的意义及其计算方法；6．了解机-电模拟的基本方法和意义。Chapter11．明确传感器的定义、组成及其分类；29一阶传感器二阶传感器微分方程传递函数频率特性幅频特性相频特性动态误差主要计算公式一阶传感器30

Chapter2

被测量应变（）电阻变化（R）电压(U)1．掌握金属电阻应变片的结构、原理（电阻-应变效应，K=(R/R)/）及特性：2．掌握压阻式传感器工作原理，固态压阻式传感器的设计特点及其应用；

Chapter2被测量应变（）31

Chapter2

3．掌握电阻应变式传感器测量线路（直流惠斯通电桥）的结构形式（特别是差动结构）及特点，一般情况下，电桥输出电压为4．掌握电阻应变式传感器的组成、应用及其分析方法；弹性敏感元件+电阻应变片电阻应变式传感器；弹性敏感元件的应变-应力关系：=/E；弹性敏感元件的泊松比：Δd/d=l/l=。5．了解电位计式传感器结构和基本特性（自学）。Chapter23．掌握电阻应变式传感器测32

Chapter3

被测量L，M电磁感应自感式传感器（电感式传感器）电感式传感器—差动变压器互感式传感器—电涡流式传感器Chapter3被测量L，M33

Chapter3

1.掌握电感式传感器结构、原理及其基本特性：

变气隙型电感式传感器螺管式电感传感器电感量

灵敏度

非线性误差差动结构：灵敏度加倍；非线性误差减小。Chapter31.掌握电感式传感器结构、原34

Chapter3

2.掌握电感式传感器的电桥测量电路的输出特性：交流电桥输出：差动电阻平衡臂电桥：或差动变压器电桥：或Chapter32.掌握电感式传感器的电桥35

Chapter3

3．掌握差动变压器组成结构、工作原理、输出特性及其差动整流电路和相敏检波电路的工作原理，输出信号：4．掌握高频反射式电涡流式传感器的结构、工作原理及其基本特性；5．掌握各类电感式传感器的典型应用（位移型传感器）。Chapter33．掌握差动变压器组成结36

Chapter4

被测量（d，S，）CU(I,f)1．掌握不同类型的电容传感器构成原理及其用途，并结合应用设计电容式传感器：平行板电容器电容量：

柱式电容器电容量：Chapter4被测量（d，S，37

Chapter4

空气介质的变间隙式电容传感器：灵敏度：非线性误差：具有固体介质的变间隙式电容传感器：线位移变面积式电容传感器：

Chapter4空气介质的变间隙式电容传38

Chapter4

角位移变面积式电容传感器：

变介电常数式电容传感器：(线性)

2．分析各种电容式传感器测量电路特点：交流不平衡电桥，二极管检波电路，差动脉冲宽度调制电路，运算法测量电路等；3．了解杂散电容产生原因及减少或消除杂散电容影响的方法；4．明确电容式差压变送器结构原理，掌握分析计算电容变送器初始电容及灵敏度变化的方法。Chapter4角位移变面积式电容传感器39

Chapter5

力(F)电荷(Q)1．掌握压电材料压电效应的意义及描述方法(Q=dijF)；2．掌握石英及压电陶瓷材料的压电机理及其压电特性；3．掌握压电式传感器的等效电路（等效电容器Ca=S/h，或电荷源Q=dijF、电压源Ua=Q/Ca）及测量电路的特点;分析电压前置放大器与电荷前置放大器的特性及区别：Chapter5力(F)电荷(Q40

Chapter5

电压前置放大器传感器的电压灵敏度：输入电压Ui与作用力之间的相位差:理想情况：幅值比电压灵敏度Chapter5电压前置放大器41

Chapter5

测量电路的时间常数：，n=1/，幅值比，

相位差；低频响应动态误差：

电荷前置放大器输出电压：与之间的相位差：Chapter5测量电路的时间常数：42

Chapter5

4．学会分析压电式加速度计的频率响应特性及其应用频率范围的确定方法。加速度计微分方程：灵敏度与频率关系：

Chapter54．学会分析压电式加速度计43

Chapter6被测量电动势

1.掌握磁电式传感器的结构（恒定磁通式和变磁通式）及其工作原理（电磁感应原理e=NdΦ/dt）；2．掌握磁电式传感器的设计方法和典型应用（速度型传感器）；3．掌握磁电式振动传感器和转速传感器的结构和特性分析。Chapter6被测量电动势44

Chapter7

温度电信号（电阻、电压、电流等）1.掌握金属热电阻的测温原理（电阻温度效应），明确铂热电阻和铜热电阻的热电特性、测温范围、百度电阻比（W(100)＝R100/R0）、分度号（Pt100、Pt50和Cu100、Cu50）和分度表；2.了解热敏电阻的三种基本类型和NTC热敏电阻的基本特性；3.掌握PN结型温度传感器（晶体二极管、三极管和集成温度传感器）的测温原理及特性；Chapter7温度电信号（电阻、45

Chapter7

4.熟悉热电偶的结构和热电效应，明确热电偶的热电势由接触电势和温差电势两部分构成；5.掌握热电偶的测温原理及其冷端温度补偿方法；6.了解热电偶的基本定律及其分度号和分度表；7.熟悉各种热电式传感器在温度测量和控制中的基本应用方法和电路特点。

Chapter74.熟悉热电偶的结构和热电46

Chapter8

光电信号

1.明确光电传感器由光源、光学元件和光电元件组成；2.熟悉光电元件的光-电转换原理是光电效应，即外光电效应（h=mv02/2+A0）和内光电效应（光电导效应和光生伏特效应）；3.掌握主要光电元件（光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管、光电池等）的结构和主要特性(特别是光谱特性、光电特性）；4.理解发光二极管（LED）的发光机理：电子空穴复活，所释放出的光子能量h，即为PN结禁带宽度Eg，所以Eg=h=hc/，从而，=hc/Eg，禁带宽度Eg决定LED发射光的颜色；明确LED的伏安特性和光谱特性；Chapter8光电信号47

Chapter8

5.熟悉光电传感器的四种基本类型和主要应用；6.熟悉光纤传感器所用光导纤维的结构及其传光原理（全反射原理）；7.掌握光纤传感器结构类型，明确光纤在传感器中的作用；8.了解光纤传感器在位移、压力、流量、液位、温度、等不同场合的应用方法；9.了解红外传感器的基本原理及其主要应用；10.了解电荷耦合器件（CCD）的图像感光原理及图像信号的转移原理。Chapter85.熟悉光电传感器的四种基本48Capter9磁场电信号1.掌握霍尔效应及霍尔元器件的工作原理，KH=RH/d=1/ned；2.熟