传感器原理与应用 教学大纲

第页传感器原理与应用一、课程说明课程编号：090198Z10课程名称：传感器原理与应用/PrinciplesandApplicationsofSensor课程类别：专业课学时/学分：32/2（其中实验学时：6）先修课程：大学物理、电路理论、模拟电子技术、数字电子技术、自动控制原理适用专业：智能科学与技术、电子信息工程等教材、教学参考书：[1]童敏明,唐守锋,董海波.传感器原理与应用技术.北京：清华大学出版社.2012年；[2]吴建平.传感器原理及应用.北京：机械工业出版社.2009年；[3],张靖.现代传感器技术.北京：电子工业出版社.2014年；[4]樊尚春.传感器技术及应用.北京：北京航空航天大学出版社.2010年。二、课程设置的目的意义传感器技术是信息技术的核心之一，是电子、电气、自动化等信息及机械类专业必修的专业知识。本课程主要针对以侧重于传感器选用为主要教学目标的专业设置，在学习传感器内部结构原理的基础上，增强对传感器的外部特性和检测接口电路的了解，通过理论教学与实验教学，使学生获得在工业、科研和生活中常用传感器的工作原理、性能特点、典型应用方法等方面的知识及初步实验操作技能。在了解传感器原理特性与性能评价方法以及一般检测系统技术的基础上，结合典型案例分析学习，使学生具备根据实用需求，恰当选用传感器并确定参量检测系统解决方案的能力，为从事有关感测方面的技术工作奠定知识基础，培养分析、解决实际问题的能力以及创新意识。三、课程的基本要求知识：掌握传感器与检测系统的基本概念和传感器的工作原理与外部特性，熟悉传感器的性能评价方法和常见检测电路；了解典型的机械、热、光、电、磁等物理参量传感器的结构原理及现代传感器的技术特点，掌握一般传感器的合理选择与应用方法。能力：综合运用传感器与相关课程知识于一般实际感测问题，根据具体需求与环境、资源约束，明确主要技术指标，选择适用传感器并给出有效的系统解决方案或技术途径；在学习、研究和解决实际问题的过程中，积累经验知识、提高发现、分析、解决问题的能力。素质：建立对传感器技术与应用的整体认识，熟悉传感器原理与应用方法及其多样性；树立解决实际测量问题必须考虑环境、资源与经济等条件约束的观念，建立根据具体应用背景与需求，从多种适用原理方法、方案中确立有效方案的思维方式和创新意识。四、教学内容、重点难点及教学设计章节教学内容总学时学时分配教学重点教学难点教学方案设计（含教学方法、教学手段）讲课(含研讨)实践第1章绪论传感器的作用地位；传感器的基本知识概述；传感器的分类；传感器与系统的一般构成；传感器技术的特点与趋势11传感器和测量的定义；传感器分类方法；测量系统组成国标定义的内涵；基本量与派生量的关系；传感器构成环节及其作用关系；图文结合举例说明传感器的地位和重要性；图、表、文结合，讲解相关概念和分类、分析系统构成及其关系。课堂讲授：强调对系统构成及特点的认识；课后查阅文献：了解生活中的传感器及其作用。第2章传感器与检测系统的性能与评价测量方法及检测装置的基本性能；传感器与检测系统的静态特性及评价；传感器与检测系统的动态特性及评价；传感器检测系统的标定与校准33测量方法分类与特点；误差与测量值表达；误差来源；静、动态特性及评价；传感器标定；测量结果的表达；静态性能指标评价方法、典型动态性能参数的评价和作用、传感器标定的相关问题以数学描述为主，分析讲解测量方法及特点、传感器的输入输出关系和相关静态技术性能指标概念与评定方法，解析传感器的动态特性与关键性能参数及其评价方法；讲解传感器标定的相关概念、系统与方法并举例说明；课堂讲授，强调不同方法对结果表达的可能影响。第3章电阻应变式传感器电阻应变片基本原理与特点；应变式传感器的工作原理与特性；测量电桥与差动方法；典型电阻应变式传感器的结构与应用特点；压阻式传感器的结构及特点532电阻应变效应与材料、器件特性；应变电阻测量方法；不平衡电桥的应用；金属材料应变效应特点与主要影响因素、电阻测量方法及问题与对策、差动测量与电桥及特性图、文结合数学分析，讲解电阻应变效应及材料和环境因素；结合电路图讲解电阻测量法及特点，其中重点分析不平衡电桥的非线性问题与对策、差动电桥及其特点；课前导读、课堂讲授，注重对特定问题与处理方法、对策的分析讲解，通过提问和练习，增强对基本参量测量方法的学习。第4章电容式传感器电容传感器的基本结构形式及性能特点；电容传感器的主要问题及处理方法与典型电路；电容传感器的典型应用；电容式微机械传感器实现原理及特点22电容传感器结构特点；传感电容等效电路；影响性能的因素、对策；测量电路；电容式微传感器结构影响电容传感器性能的主要问题与解决方法；差动测量方案及实现电路以数学描述为主，结合原理结构图及特性曲线讲解：基本传感原理、结构、性能与应用特点，主要测量电路。课堂讲授侧重对特殊问题与对策分析以及传感器的适用性说明，通过文献查阅，了解微传感器的技术特点，以提问、练习增强对电容传感器的性能与适用性的认识。第5章电感式传感器自感传感器的结构原理、测量电路与主要误差；互感传感器的结构原理、测量电路与主要性能；电涡流传感器的基本原理与构成特点及特性分析；电感式传感器的应用及特点532电感传感的特点与误差因素，差动测量法与电路；电涡流传感器的构成及特点；电感式传感器的应用方式改善性能的差动结构及零点误差处理方法；相敏建波电路；影响高频反射式电涡流传感器性能的因素；电涡流传感器扩展应用方法以数学描述为主，结合原理结构图、电路图以及特性曲线讲解：传感原理、结构、性能特点；通过电路分析讲解电感测量方式与典型电路特点；重点讲解反射式高频电涡流传感器的原理与系统构成特点及性能影响因素；课堂讲授：侧重对传感器的特性分析、异同比较及适用性说明；提问和课后练习：增强对不同效应、结构方式的性能差异与传感器的适用性认识。第6章热电式传感器热电偶的基本原理与构成；热电偶的工作定律；热电偶与冷端问题处理；铂电阻的原理特性和测量法；热敏电阻的原理特性；集成温度传感器的测温原理22热电效应与热电偶的构成条件；热电偶工作定律；冷端问题与处理方法；热电阻与热敏电阻的性能特点与应用热电偶的工作定律与意义；冷端问题处理方法；热电阻远程测量的问题与方法；集成温度传感器核心电路；三类热电传感器的性能异同图文结合动画介绍热电效应及产生条件；以数学描述讲解热电偶工作定律及其意义、分析冷端问题与补偿法；配图分别介绍金属热电阻和半导体热敏电阻的性能特点、测量电路及克服电阻引线影响的方法；课堂讲授结合提问、讨论及课后练习：强化对传感器性能异同与适用性的认识；文献查阅了解相关产品。第7章光电式传感器光电效应与器件类型、主要特性与参数；光电传感器的基本构成与应用;典型集成器件；红外检测原理与探测器33光电效应器件类型特点；光电传感器的一般构成方式；CCD的结构原理及应用特点；红外探测器原理特性内光电器件工作特性分析与应用；光电式传感器的应用；图文结合讲解内、外光电效应与器件及光源选择，结合典型器件特性讲解不同类光电器件特性及应用，简介光电传感器的构成原理与用法；红外测温原理与探测器类型及特点、红外传感器工作原理与典型用法；课堂讲授，结合提问、讨论比较器件特性，通过练习增强对光电器件与传感器的认识；查阅相关产品，了解其特性、特点第8章磁电式传感器恒定磁通式、变磁通式磁电传感器的原理及性能特点；霍尔效应与器件及性能特点；霍尔器件的温度影响和不等位电势的补偿；集成霍尔传感器及其应用；转速测量系统及构成原理422磁电式传感器构成原理；霍尔效应与器件特性；霍尔器件灵敏度与影响因素；主要性能特点及测量电路；应用法影响磁电传感器性能的因素；霍尔器件的温度影响和不等位电势及补偿法；霍尔器件联接方法；传感器应用与特点图文结合数学描述讲解磁电式传感器结构原理特点、霍尔效应与材料及器件特点和影响灵敏度的因素；配电路图讲解温度误差和不等位电势的补偿、霍尔器件的联接；图文结合介绍磁电式转速测量系统构成、霍尔集成器件性能特点和直接、间接用法。课堂讲授：以提问及课后练习强化对霍尔传感器应用特点的认识第9章压电式传感器压电效应与压电材料及器件；压电元件的等效电路和测量电路；压电是力传感器的结构与性能特点；超声换能器；超声检测的原理与特点。22压电器件性能特点；测量电路的作用与特点；压电元件的合理用法；压电传感器结构特点及应用压电效应的方向性；前置放大电路的适用性；影响压电传感器灵敏度的因素；影响超声检测的主要影响因素图文结合动画介绍压电效应、压电材料与器件；结合电路图分析压电元件的等效电路与前置放大电路的作用与要求、压电传感器的性能特点、灵敏度及影响因素；举例介绍：压电力传感器的结构、特点；配图简介超声换能器结构及性能特点、超声检测的性能特点及影响因素。课堂讲授：以提问、讨论及练习，强化对压电传感器以及超声检测的特点认识。第10章半导体式化学传感器气敏传感器概述；半导体气敏元件工作原理与特性；气敏传感器的结构特征与应用湿度的表示法；半导体湿敏元件特性与应用；22电阻型半导体气敏元件结构原理与性能；湿度的表示法；半导瓷湿敏电阻器件结构特性及应用影响气敏元件灵敏度和选择性的因素与对策；湿度的不同表示方法；半导体湿敏器件及电源要求、加热器的作用图文结合简介半导体气敏器件类型、性能与影响因素，应用方法，湿度概念、湿敏器件、半导体陶瓷湿敏电阻感湿机理；图文结合介绍器件特性参数、传感器结构、用法；课堂讲授：以答问、讨论来比较敏感元件应用的异同，以课后练习增强对两类器件性能、用法的认识第11章传感器信号采集与处理技术选讲传感器数据采集装置的功能、结构配置、技术性能；数据采集系统设计的原则与步骤；常用的简单数字滤波方法*；标度变换；补偿非线性的一般方法11数据采集装置的结构配置和性能；标度变换；非线性补偿方法；标度变换；非线性补偿；图文结合简介传感器数据采集装置的功能、结构型式、技术性能，数据采集系统的设计原则与步骤，标度变换方法，非线性的插值补偿法课堂讲授；课后查阅文献，了解数字滤波和非线性补偿的其他方法。第12章检测系统设计与案例传感器的选用原则；检测系统创新设计的一般步骤与基本方法；检测系统设计案例：驾驶员瞌睡监测提醒装置、跳远犯规检测器、燃气灶防干烧装置22不同案例的原理设计案例方案的可实现性分析图文结合，讲解设计方法、分析案例的解决方案特点。课堂讲授：以提问、讨论或辩论，比较不同解决方案的特点和可实现性，增强对传感器应用方案多样性的理解合计32266注：实践包括实验、上机等五、实践教学内容和基本要求实验名称实验内容学时基本要求应变片与测量电桥的原理与应用：力参量的检测使用电阻应变片配合测量电桥测机械应变和力；2通过学习和操作，熟悉实验系统设备及规范操作方法，了解电阻应变片的原理特性和测量电桥的构成特点及两者的应用方法；电涡流传感器原理与应用利用电涡流传感器测位移2通过学习和实验操作，掌握电涡流传感器的基本原理与系统构成特点、了解被测对象材料性质对测量灵敏度的影响和该类传感器的应用特点；霍尔式、光电式传感器的原理与应用使用霍尔式、磁电式或光电式传感器测量转速和角位移2通过学习和实验操作，掌握不同敏感元件的敏感特性和利用其构成传感器系统的原理与结构方法，进一步了解角位移与转速的转化测量方法，通过比较，了解不同类别传感器测量性能特点的异同；六、考核方式及成绩评定本课程考核以书面答题考试为主，重点检查学生对课程讲