《传感器原理》教学大纲

传感器原理及其应用(一)课程性质信息革命的两大重要支柱使信息的采集和处理，信息采集的关键是传感器。传感器技术已成为现代信息技术的重要支柱之一，在当代科学技术中占有十分重要的地位。传感器的性能在很大程度上决定着整个信息技术的性能，其生产能力及应用水平直接影响到技术的发展与应用。传感器作为向自然界获取信息的工具，几乎渗透到科学技术和国民经济的每个角落。《传感器及其应用》是一门涉及物理学、电子学、机械工程、化学、生物学、封装技术、材料科学等多学科技术的课程。(二)教学目的通过对本课程的学习，掌握应变式、变磁阻式、半导体、压电式、电阻式和光电式等常用的传统传感器以及光纤传感器、声表面波传感器、微应变式传感器和Z半导体敏感元件传感器等新型传感器的基本原理、动态特性、静态特性及主要应用。对常用传感器的电路有一定的了解。(三)教学内容本书共分11章，介绍了应变式、变磁阻式、半导体、压电式、电阻式和光电式等常用的传统传感器，也介绍了光纤传感器、声表面波传感器、微应变式传感器和Z半导体敏感元件传感器等新型传感器。对常用的传感器电路也作了介绍。(四)教学时数总学时：36学时(五)教学方式讲解法、讨论法第一章引言教学要点：传感器的概念、发展、作用、分类以及它的性能和评价。教学时数：2学时教学内容：第一节传感器的发展和作用(0.5学时)传感器的发展和作用第二节什么是传感器(0.5学时)传感器的概念第三节传感器的分类(0.5学时)传感器的分类原则及具体分类第四节传感器的性能和评价(0.5学时)传感器的静态特性和动态特性教学要求：了解传感器的概念、发展、作用、分类以及它的性能和评价。考核要求：传感器的发展和作用，什么是传感器，传感器的分类，传感器的性能和评价，要求达到识记层次。了解传感器的静态特性了解传感器的动态特性。第二章应变式传感器教学要点：电阻应变计的概念、主要特性及工作原理应变式传感器的基本构成、分类。教学时数：6学时教学内容：第一节电阻变效应(0.5学时)电阻应变效应、应变计的分类及应变计型号命名规则第二节应变计的主要特性(1学时)应变计的灵敏度系数、横向效应、应变计的动态特性及其其它特性参数第三节应变计的粘贴(0.5学时)粘合剂的选择和粘贴质量的好坏第四节电桥原理计电阻应变计桥路(1学时)直流电桥的特性方程及平衡条件、直流电桥的电压灵敏度和交流电桥的平衡条件及电压输出第五节温度误差及其补偿(1学时)温度误差产生的原因和温度补偿方法第六节电阻应变仪(0.5学时)电阻应变仪的基本原理和测量电路第七节应变式传感器(1学时)弹性敏感元件、应变式测力与称重传感器、应变式压力传感器和应变式加速传感器第八节几种新型的微应变式传感器(0.5学时)压阻效应、敏感元件加工新技术、微型硅应变式传感器、X型硅压力传感器和薄膜应变式传感器教学要求：了解应变计和应变式传感器的概念、特性及分类，掌握电阻应变效应和电桥原理。考核要求：电阻应变效应，要求达到识记层次。应变计的主要特性，要求达到领会层次。应变计的粘贴，要求达到识记层次。电桥原理计电阻应变计桥路，要求达到领会层次。温度误差及其补偿，电阻应变仪，应变式传感器，几种新型的微应变式传感器，要求达到识记层次。第三章光电式传感器教学要点：光电效应、热释电效应、光的吸收系数、光传感器的特性表示方法、及分类教学时数：4学时教学内容：第一节光电效应(0.5学时)外光电效应和内光电效应第二节热释电效应(0.5学时)热释电效应的基本原理第三节光的吸收系数(0.5学时)光的吸收系数的定义和平均透入深度第四节光传感器的特性表示方法(0.5学时)灵敏度、光谱灵敏度S(λ)与峰值波长、相对光谱灵敏度Sｒ(λ)、积分灵敏度S、通量阀ΦH、归一化探测率D*、转换特性Sz(t)和响应时间、光电器件的频率特性、光照特性、温度特性、伏安特性第五节光电传感器(2学时)光电管、光电倍增管、光敏电阻、光电二极管和光电三极管、光电池、PIN型硅光电二极管、雪崩式光电二极管(APD)、半导体色敏传感器、光电闸流晶体管、热释电传感器、达林顿光电三极管、光电耦合器件、光导摄像管和CCD图像传感器教学要求：掌握光电效应和热释电效应的基本原理，理解光传感器的特性表示方法和分类。考核要求：光电效应，热释电效应，光的吸收系数，要求达到识记层次。光传感器的特性表示方法，光电传感器，要求达到领会层次。第四章光纤传感器教学要点：光导纤维、强度型振幅型光纤传感器、干涉型光纤传感器教学时数：4学时教学内容：第一节光导纤维（光纤）(1学时)光纤的结构、光在光纤中的传播、光纤的几个重要参数、光纤的类型第二节强度型振幅型光纤传感器(1学时)反射式光纤位移传感器、光纤测压传感器、移动光栅光纤传感器、微弯光纤传感器第三节干涉型光纤传感器(2学时)基本原理、光纤（强度）干涉仪、相位检测中的几个问题、相位检测方法、光纤声传感器、光纤磁传感器、光纤电流传感器、光纤线性加速度计和涡流式光纤流量传感器教学要求：了解光导纤维，掌握强度型振幅型光纤传感器和干涉型光纤传感器。考核要求：光导纤维（光纤），强度型振幅型光纤传感器，要求达到识记层次。干涉型光纤传感器，要求达到领会层次。第五章变磁阻式传感器教学要点：电感式传感器、差动式传感器、差动变压器式传感器、电动式传感器教学时数：4学时教学内容：第一节电感式传感器(1学时)电感式传感器的结构原理及性能分析第二节差动式传感器(1学时)差动式传感器的结构原理及性能分析第三节差动变压器式传感器(1学时)=2\*ROMANII形差动变压器的输出特性和螺管形差动变压器第四节电动式传感器(1学时)电动式传感器的基本结构教学要求：了解电感式传感器、差动式传感器、差动变压器式传感器和电动式传感器的结构原理及性能分析。考核要求：电感式传感器，差动式传感器，差动变压器式传感器，要求达到识记层次。领会=2\*ROMANII形差动变压器的输出特性。弄清螺管形差动变压器。电动式传感器，要求达到识记层次。第六章压电传感器教学要点：晶体的压电效应、压电加速度传感器、压电谐振式传感器和声表面波传感器教学时数：2学时教学内容：第一节晶体的压电效应(0.5学时)晶体压电效应的说明、压电方程和压电材料第二节压电加速度传感器(0.5学时)压电加速度传感器的工作原理、结构和等效电路第三节压电谐振式传感器(0.5学时)石英晶体谐振式温度传感器、石英晶体谐振式压力传感器、压电汞蒸气探测器和测量液体密度的压电传感器第四节声表面波传感器(0.5学时)SAW传感器的基本原理、SAW压力传感器、SAW热敏传感器、SAW气敏传感器、SAW电力传感器、SAW加速度传感器和SAW流量传感器教学要求：了解晶体的压电效应、压电加速度传感器、压电谐振式传感器和声表面波传感器。考核要求：晶体的压电效应，压电加速度传感器，声表面波传感器，要求达到识记层次。压电谐振式传感器，要求达到领会层次。第七章压电声传感器教学要点：厚度振动换能器、圆柱形压电换能器、复合棒压电换能器和压电陶瓷双叠片弯曲振动换能器教学时数：2学时教学内容：第一节厚度振动换能器(0.5学时)厚度振动换能器的结构和机电性能第二节圆柱形压电换能器(0.5学时)薄壁圆管的共振频率方程和开路接收电压灵敏度第三节复合棒压电换能器(0.5学时)复合棒压电振子的机电等效图和共振频率方程第四节压电陶瓷双叠片弯曲振动换能器(0.5学时)弯曲振动压电陶瓷换能器的原理和实例教学要求：掌握厚度振动换能器、圆柱形压电换能器、复合棒压电换能器，了解压电陶瓷双叠片弯曲振动换能器的原理。考核要求：厚度振动换能器，圆柱形压电换能器，复合棒压电换能器，压电陶瓷双叠片弯曲振动换能器，要求达到识记层次。了解弯曲振动压电陶瓷换能器的原理。了解弯曲振动压电陶瓷换能器的实例。第八章半导体传感器教学要点：半导体温度传感器、半导体湿度传感器、半导体气体传感器和半导体磁敏传感器教学时数：4学时教学内容：第一节半导体温度传感器(1学时)接触型半导体传感器和非接触型半导体传感器第二节半导体湿度传感器(1学时)湿度的定义、湿度传感器的主要参数、湿度传感器器件和半导体陶瓷湿度传感器的检测精度第三节半导体气体传感器(1学时)半导体电阻型气敏器件、非电阻控制型半导体气敏器件、半导体气敏传感器的气敏选择性、纳米技术在半导体陶瓷气体传感器中的应用以及半导体气体传感器的应用第四节半导体磁敏传感器(1学时)磁敏器件的工作原理、半导体磁敏器件、磁传感器的应用举例教学要求：掌握半导体传感器结构原理及特性。考核要求：半导体温度传感器，半导体湿度传感器，半导体磁敏传感器，要求达到识记层次。半导体气体传感器，要求达到领会层次。第九章电位器式传感器教学要点：线性电位器、非线性电位器、负载特性与负载误差和电位器式传感器教学时数：4学时教学内容：第一节线性电位器(1.5学时)空载特性、阶梯特性、阶梯误差和分辨率第二节非线性电位器(1.5学时)变骨架式非线性电位器、变节距式非线性线绕电位器、分路（并联）电阻式非线性电位器第三节负载特性与负载误差(0.5学时)电位器负载特性与负载误差的分析第四节电位器式传感器(0.5学时)电位器式位移传感器、电位器式压力传感器和电位器式加速度传感器教学要求：掌握电位器式传感器的工作原理、结构和性能分析。考核要求：线性电位器，非线性电位器，负载特性与负载误差，电位器式传感器，要求达到识记层次。第十章Z——半导体敏感元件教学要点：Z——半导体敏感元件的由来与特点、温敏Z——元件的伏安特性、基本应用电路、应用开发的基本原理和力敏Z——元件简介教学时数：2学时教学内容：第一节Z——半导体敏感元件的由来与特点(0.5学时)Z——半导体敏感元件的由来与特点第二节温敏Z——元件的伏安特性(0.5学时)温敏Z——元件的电路符号和伏安特性第三节基本应用电路温敏Z——元件的基本应用电路第四节应用开发的基本原理(1学时)应用开发综述、状态转换条件和基本应用举例第五节力敏Z——元件简介力敏Z——元件简介教学要求：了解Z——半导体敏感元件的由来与特点、伏安特性、基本应用电路、应用开发的基本原理考核要求：Z——半导体敏感元件的由来与特点，温敏Z——元件的伏安特性，基本应用电路，应用开发的基本原理，力敏Z——元件简介，要求达到识记层次。第十一章传感器电路教学要点：传感器的匹配、信号处理电路、信号传输、抗干扰设计和实际传感器电路举例教学时数：4学时教学内容：第一节传感器的匹配(1学时)变压器的匹配、高输入阻抗放大器和电荷放大器第二节信号处理电路(1学时)滤波电路、电平转换电路、采样—保持电路、A/D 转换电路和数字信号处理器第三节信号传输(0.5学时)模拟信号传输和数字信号传输第四节抗干扰设计(1学时)电阻器、电容器、电感器、数字器件和电路干扰的控制第五节实际传感器电路举例(0.5学时)温度测量电路、高阻抗差动放大器、压控可变增益放大器等。教学要求：理解传感器的匹配、信号处理电路和抗干扰设计，了解信号传输和实际传感器电路。考核要求：传感器的匹配，要求达到识记层次。信号处理电路，要求达到领会层次。信号传输，抗干扰设计，实际传感器电路举例，要求达到识记层次。三、参考书目《传感器及其应用》栾桂冬张金