【自考复习资料】06016传感器原理及应用（大纲改复习资料）

《传感器技术原理与应用》——复习材料传感器的定义一种能检测（采集）外界信息，并按一定的规律将其转换成易处理的电信号的装置。传感器的分类（1）物性传感器：外界信息使材料的固有性质发生变化，检测性质的变化来检测外界信息。（2）结构型传感器：使元件的结构（如弹簧、气压腔…）发生形变，测量结构的变化来检测被测对象。（3）按照信息的传递方式分类分为直接型传感器-----被测信息通过传感器直接转换成电信号和间接型传感器-----被测信息通过多于一次的转换才变为电信号（4）按照人类的感觉功能分类视觉、听觉、味觉、感觉、触觉……3.传感器基础简介传感器的基本特性是指传感器的输出与输入之间关系的特性一般分为两大类：静态特性：被测量不随时间变化、或随时间变化很缓慢--静态信号时的特性，用一系列静态参数来描述动态特性：被测量随时间变化很快--动态信号时,输入随t变化时其输出量的响应特性。用一系列动态参数来描述三、考核知识点掌握传感器的定义和几种分类方法，熟练掌握基本特性参数、基本测试单元和控制单元的构成及其原理，了解传感器的转换原理，通过几个传感器的应用实例电路，认识其在各行业中的重要性(1)传感器的转换原理；效应转换内容泡克尔斯效应光、电→光光通过压电晶体并在垂直方向加电压时光分成正常光线和异常光线的现象克尔效应电、光→光光通过各种同性物质并在垂直方向加电压时分成正常光线和异常光电的现象法拉第效应光、磁→电线偏振光通过磁性物质时偏振面旋转的现象霍尔效应磁、电→电使电流流过固体并在与电流同相或者垂直的方向加磁场时，在各个垂直方向产生电势的现象磁阻效应磁、电→电阻使电流流过固体并在与电流相同或者垂直的方向加磁场时，电阻增加的效应磁致伸缩效应磁→变形强磁体加磁场时产生变形的现象压电效应压力→电强介质加压力时产生极化或者电位差的现象多普勒效应声（光）→频率当声（光）源和观测者之间有相对运动的情况时观测到频率与静止情况不同的现象(2)传感器的应用。工业生产自动化：位移传感器、速度传感器、温度传感器、视觉传感器……国防现代化：导航瞄准的光传感器、定位系统的磁传感器……航空航天技术：紫外光传感器、磁传感器、加速度传感器……能源开发：光传感器、力学量传感器、磁传感器……生活各场所：智能家居、智能交通、智能超市.......如电子灶的气体传感器、电冰箱的温度传感器、电视机微机的电压传感器、温度传感器……科学研究：探测器环境保护与生物科学：气体检测、酶传感器、微生物传感器……五、本章重点、难点重点：传感器的基本特性参数、基本测试单元和控制单元的构成及其原理。难点：传感器的动态特性。温度传感器是一种将温度变化转换为电学量变化的装置。用于检测温度和热量，也叫做热电式传感器。一、学习目的与要求通过本章的学习，熟悉并掌握温度传感器的工作原理和硬件组成结构。熟练掌握热电阻、热电偶、热敏电阻、结型半导体温度传感器及集成温度传感器的测温原理和测量与控制原理，深入理解其典型的应用电路，并会设计实际的简单的应用电路；了解非结型半导体温度传感器、其它几种温度传感器的原理。二、课程内容1.1电阻型温度传感器1.2热电偶1.3PN结型温度传感器1.4热释电器件1.5新型温度传感器及发展趋势三、考核知识点（1）热电阻、热电偶的测温原理和测量方法；（2）热敏电阻的温度特性和应用电路；（3）非结型半导体温度传感器的原理；（4）结型半导体温度传感器的原理及其典型的应用电路；（5）集成温度传感器的原理及其应用；（6）温度的测量和控制原理。四、考核要求1.识记附加1选作感温电阻的材料的要求:电阻温度系数要高;highαR在测温范围内,化学、物理性能稳定;具有良好的输出特性;具有比较高的电阻率;higherρ具有良好的可加工性,且价格便宜电阻型温度传感器、热电偶的概念；利用感温材料把温度信号或温度变化转换为电阻值变化的元件称为电阻型温度传感器，主要有金属热电阻、半导体陶瓷热电阻、半导体热电阻和其他材料的热电阻等。随着温度的升高，他们的阻值有的增加（属于正温度系数的热电阻）有的减少（属于负温度系数的热电阻）热电偶是由两种金属（或合金）材料构成的温度传感器，可以将温度信号转换成电信号，具有结构简单、测量速度快、精度高、测量范围大（0-180℃）、热惯性小、使用方便、经济耐用和容易维护等优点。热敏电阻的分类及其特性；铂热电阻(platinumT.R.)物理、化学性能稳定，是热电阻最佳材料铜热电阻一般铜丝在-50～150℃内性能很稳定，且电阻与温度其他热电阻铁和镍热电阻的α较铂和铜高，ρ也较大，做成体积小、灵敏度高的电阻温度计。铟热电阻适宜在-269～-258℃用，测量精度高，灵敏度很高，是铂电阻的10倍，但重现性差；锰热电阻适宜在-271～-210℃用，灵敏度高，但脆性高，易损坏；碳热电阻适宜在-273～-268.5℃内使用，热容量小，灵敏度高，价格低廉，操作简便，但热稳定性较差/*热电效应（第一效应塞贝克效应、第二效应珀尔帖效应、第三效应汤姆逊效应）；用两种不同的金属组成闭合回路，且使其两接触点处温度不同，回路中产生电流的物理现象,---亦称塞贝克效应*/热电偶的基本定律；均质导体定律：两均质金属（ρ均匀）组成热电偶的电势大小与电极的直径、长度及沿电极长度方向上的温度分布无关，只与电极材料和温度有关。标准电极定律：若三个热电偶工作端温度都为T，参考端都为T0，两种金属B、C热电偶的热电势可用它们分别与第三种A组成热电偶的热电势之差表示中间导体定律：在热电偶中插入第三种均质金属，只要所插入的导体两端温度与参考点相同，不会影响原来热电势的大小。中间温度定律：热电偶的接点温度为T、T0时，其热电势等于该热电偶在接点温度为T、Tn和Tn、T0时相应的热电势的代数和,PN结型温度传感器工作原理。PN结温度传感器是一种半导体敏感器件,它实现温度与电压的转换。在常温范围内兼有热电偶，铂电阻，和热敏电阻的各自优点，同时它克服了这些传统测温器件的某些固有缺陷，是自动控制和仪器仪表工业不可缺少的基础元器件之一。在-50～200℃温区内有着及其广泛的用途。特别在温室大棚、水产养殖、医疗器械、家电等领域的应用。

工作原理

晶体二极管或三极管的PN结的结电压是随温度而变化的。例如硅管的PN结的结电压在温度每升高1℃时，下降-2mV，利用这种特性，一般可以直接采用二极管（如玻璃封装的开关二极管1N4148）或采用硅三极管（可将集电极和基极短接）接成二极管来做PN结温度传感器。这种传感器有较好的线性，尺寸小，其热时间常数为0.2—2秒，灵敏度高。热电极材料的特性一般必须具有1.测量范围内，热电势与T的关系不随时间变化，且有很好的稳定性。

2.热电势要大，易于测量、误差小，且热电势与T为单值关系。3.电阻温度系数小，ρ很低，否则电阻将随T而有较大变化，测量不准确。

4.机械强度高，易制成标准分度，工艺简单，价格便宜2.领会 （1）热电阻的结构及测量电路；1.结构：将电阻丝双线绕在云母、石英、陶瓷、塑料等绝缘架上，固定后外面再加上保护套管。2.测量电路：用精度较高的精密电桥电路。为消除连接导线电阻随被测环境温度变化而造成的测量误差，常采用三线和四线连接法：（2）热电偶的种类和结构；热电偶的结构两个热电极一个端点紧密焊接在一起，且电极间通常用耐高温的绝缘材料绝缘，不同测温范围可选不同的绝缘材料。（3）热释电器件、集成温度传感器的工作原理。定义：这种因T变化引起自发极化变化而释放电荷的现象------热释电效应3.简单应用常见温度传感器的应用电路分析。一般会出大题根据电路图解释其工作原理后续会单独整理一份关于此方面知识的文档五、本章重点、难点重点：热电阻、热电偶、热敏电阻、结型半导体温度传感器及集成温度传感器的测温原理和测量与控制原理。难点：典型应用电路的分析和设计。第2章光敏传感器利用光信号（红外、可见及紫外光）照射材料后其电学性质发生变化而制成的器件。一、学习目的与要求通过本章的学习，熟悉并掌握光敏传感器的工作原理和硬件组成结构。熟练掌握光电发射效应、光电导效应、光生伏特效应等原理及其相应器件的原理，掌握电荷耦合器件的原理、图像传感器、光纤传感器的主要原理，了解光电耦合器件的原理、其它光电传感器，并掌握几个光控电路的原理，并能自己设计简单实用的电路。二、课程内容2.1外光电效应及器件2.2光电导效应器件2.3光生伏特效应器件2.4固态图像传感器2.5光纤传感器2.6新型光敏传感器及发展动向三、考核知识点（1）光电发射效应及其测量电路原理；由光电效应或光致电离引起的光电子发射在光线作用下能使电子从物体表面逸出的称为“外光电效应”或光电发射（2）光电导效应及器件；光电导效应，又称为光电效应、光敏效应，是光照变化引起半导体材料电导变化的现象。即光电导效应是光照射到某些物体上后，引起其电性能变化的一类光致电改变现象的总称。（3）光生伏特效应和器件的原理及其应用电路；人们将受到光照射时产生电位差的现象称为光生伏特效应，其中将PN结受到光照后两端产生电动势的现象称为PN结光生伏特效应。（4）光电耦合器件的原理；光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等等。（5）光纤传感器和其它光电传感器的原理；（6）几个光控应用电路的原理。（大题，每题10分）四、考核要求1.识记（1）光敏传感器的定义及分类；（教材概述中的内容）（1）光电效应传感器：用光敏材料的光电效应制成的光敏器件。分为外光电效应和内光电效应器件

（2）固态图像传感器：结构上分为两大类：1.用CCD的光电转换和电荷转移功能制成的CCD图像传感器；（3）用光敏二极管与MOS晶体管构成的将光信号变成电荷或电流信号的MOS图像传感器，又称自扫描光电二极管列阵（SSPA）。三、光纤传感器：是唯一的有光源的光敏传感器，光纤辐射剂量仪、光纤电流传感器、光纤温度传感器、光纤图像传感器、光纤光栅传感器四、激光传感器五、高分子光传感器（2）外光电效应（光电发射效应）；

在光照下某些材料中的电子逸出表面而产生光电子发射的现象----称为外光电效应（光电发射效应）。

光电子的最大动能与入射光的频率成正比，而与入射光的强度无关（3）光电导效应；

光电导效应，又称为光电效应、光敏效应，是光照变化引起半导体材料电导变化的现象。即光电导效应是光照射到某些物体上后，引起其电性能变化的一类光致电改变现象的总称。（4）光生伏特效应、PN结光生伏特效应；

生伏特效应是指半导体在受到光照射时产生电动势的现象。光生伏特效应--(可制作光电池、光敏二极管、光敏三极管和半导体位置敏感器件传感器）；侧向光生伏特效应（殿巴效应）--(可制作半导体位置敏感器件（反转光敏二极管）传感器）；PN结光生伏特效应--(可制作光电池、光敏二极管和光敏三极管传感器）。（5）固态图像传感器的分类；图像传感器，是组成数字摄像头的重要组成部分。根据元件的不同，可分为CCD（ChargeCoupledDevice，电荷耦合元件）和CMOS（ComplementaryMetal-OxideSemiconductor，金属氧化物半导体元件）两大类。另外还有一种不太常用的电荷注入元件（ChargeInjectionDevice）（7）光纤传感器的基本组成及其分类；组成：光纤传感器主要由光源、光纤和光探测器三部分组成分类：按照工作原理可以分为两大类。一类是传光型，也称非功能型光纤传感器，又可以细分为光纤传输回路型和光纤探头型另一类是传感型，或称功能型光纤传感器又可以细分为干涉型、非干涉型和光电混合型。

分类:(按工作原理分两大类)1.传光型光纤传感器，也称非功能型光纤传感器。原理示意如下图:-----是由光检测元件与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质调制器中光与待测信号互相作用，使光的性质(光强、波长或频率、相位、偏振态、时分等)变化成调制光。2.传感型光纤传感器：光纤是连续的，不仅传导光且对外界信号的敏感能力和检测功能，使入射光的光学性质发生变化来实现传和感的功能。

---是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量（如压力）变换为调制的光信号。（7）光纤传感器的调制类型。不记内容只记标题（1）强度调制原理（2）相位调制原理（3）频率调制原理（4）偏振调制原理2.领会 （1）光电发射二极管的工作原理；光电二极管简称光电管：----是把发射电子的极板（光阴极）和吸收电子的极板（阳极）封于同一壳内，连上电极形成的器件。按照原理可分：真空光电管和充气光电管两类，或称电子光电管和离子光电管两类。（2）光电倍增管的工作原理；光电倍增管建立在外光电效应、二次电子发射和电子光学理论基础上，结合了高增益、低噪声、高频率响应和大信号接收区等特征，是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光敏电真空器件，可以工作在紫外、可见和近红外区的光谱区。日盲紫外光电倍增管对日盲紫外区以外的可见光、近紫外等光谱辐射不灵敏，具有噪声低（暗电流小于1nA）、响应快、接收面积大等特点（3）光敏三极管的工作原理。光敏三极管和普通三极管的结构相类似。不同之处是光敏三极管必须有一个对光敏感的PN结作为感光面，一般用集电结作为受光结，因此，光敏三极管实质上是一种相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管的普通三极管。光敏三极管与普通半导体三极管一样，是采用半导体制作工艺制成的具有NPN或PNP结构的半导体管。它在结构上与半导体三极管相似，它的引出电极通常只有两个，也有三个的。为适应光电转换的要求，它的基区面积做得较大，发射区面积做得较小，入射光主要被基区吸收。和光敏二极管一样，管子的芯片被装在带有玻璃透镜金属管壳内，当光照射时，光线通过透镜集中照射在芯片上。3.简单应用（1）光敏电阻在自动控制照明装置的应用及其电路分析；（2）光敏三极管在光电脉冲转换电路的应用及其电路分析。五、本章重点、难点重点：掌握光电发射效应、光电导效应、光生伏特效应等原理及其相应器件的原理，掌握电荷耦合器件的原理、图像传感器、光纤传感器的主要原理。难点：光电耦合器件的原理、光电传感器以及光控电路的分析和设计。第3章力学量传感器定义：将力/压力等力学量信号变成电信号的装置称为力学量传感器。力学传感器的分类：应用普遍的：电阻式、压电式、电容式、电感式、谐振式、变磁阻式、光纤式等等。传统的如弹簧：成本低、不需电源，但体积大、笨重、输出非电量。新的声表面波压力传感器、磁致伸缩型压力传感器、电位式压力传感器等。发展方向：正向集成化、数字化和智能化一、学习目的与要求通过本章的学习，熟悉并掌握力学量传感器的工作原理和硬件组成结构。深入理解金属材料和半导体材料的压阻效应及其相应的压力传感器的基本原理，如金属应变计的原理及结构、压阻式传感器的基本原理及其结构与设计、集成压阻式压力传感器的原理；熟练掌握压力传感器的主要的应用电路——电桥电路的基本原理；掌握压电式传感器的基本原理和测量电路及其接口技术。了解其它几种压力传感器、新型压电传感器的原理。二、课程内容3.1应变计金属应变计是利用金属的电阻应变效应制成的、能将机械构件的应变转换为电阻变化的传感器，可分为丝式应变计、箔式应变计和金属薄膜应变计。3.2压电式传感器3.3电容式压力传感器3.4电感式压力传感器3.5谐振式压力传感器3.6新型力学量传感器及其发展三、考核知识点（1）金属应变计的原理及结构；k0为灵敏系数。基本原理----金属导体受外力作用时发生机械形变，导致其阻值大小发生变化的现象即将应变转换为电阻变化的金属电阻应变效应。金属应变计：在弹性元件上粘贴金属应变片的传感器（2）压阻式传感器的基本原理及其结构与设计；   压阻式传感器是指利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正 比于力变化的电信号输出。压阻式传感器用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制这种传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上，制成硅压阻芯片，并将此芯片的周边固定封装于外壳之内，引出电极引线。压阻式压力传感器又称为固态压力传感器，它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力，而是直接通过硅膜片感受被测压力的。（3）集成压阻式压力传感器的原理；用ISO技术将半导体材料的敏感芯片封装在不锈钢波纹膜片的壳体中，在不锈钢波纹膜片和芯片之间充有硅油。芯片引线穿过壳体引出并采用密封措施，防止硅油向外泄露或外面的压力介质渗入其中，这样芯片、硅油、壳体和引线组成压力传感器。当传感器处在压力介质中时，介质压力作用于波纹膜片上使使其中的硅油受压，硅油将膜片的压力传递给半导体芯片。芯片受压后使其电阻值发生变化，电阻信号通过引线引出。不锈钢波纹膜片壳体受到压力并保护芯片，因而压阻式压力传感器能在有腐蚀性介质中感应压力信号。（4）压电式传感器的原理；压电式传感器是基于压电效应的传感器。是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为电的非电物理量。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。（5）其它几种压力传感器；（6）压力测量电路的原理及其接口技术。（7）金属应变片的分类1．丝式应变片（回线式和短接式）（1）回线式应变片原理：直线金属丝受单向拉伸时，每段电阻都增加，总电阻的增加为各段电阻增量之和。总之，应变片受应变时电阻变化与纵向应变、横向应变有关（2）短接式应变片数根等长金属丝平行放置，用直径比金属丝大5～10倍镀银丝焊接。优点：克服了回线式应变片的横向效应。缺点：焊点在冲击振动时易疲劳破坏。2.箔式应变片---很薄的金属片粘于基片，经光刻﹑腐蚀等，接电极，涂覆覆盖层。优点：尺寸准确，线条均匀，性能稳定，散热好，寿命长，但K0较低,仅为2～6。3.薄膜应变片:薄膜被直接沉积在弹性基底上，光刻形成应变计。优点:具有无滞后和蠕变、稳定性好等，适合于制作高内阻、小型化、高精度的力敏器件。四、考核要求1.识记（1）金属电阻应变效应；应变效应，金属导体的电阻值随着它受力所产生机械变形（拉伸或压缩）的大小而发生变化的现象称之为金属的电阻应变效应。（2）半导体的压阻效应；所谓半导体的压阻效应，是指当半导体受到应力作用时，由于载流子迁移率的变化，使其电阻率发生变化的现象。它有以下优点：①灵敏度与精度高；②易于小型化和集成化；③结构简单、工作可靠，在几十万次疲劳试验后，性能保持不变；④动态特性好，其响应频率为103～105Hz。（3）压电效应、正压电效应、负压电效应；压电效应：压电传感器的转换原理就是压电效应正压电效应：它指某些电介质在受到某一方向的外力作用而产生的形变（包括弯曲和伸缩形变）时，内部电荷的极化会在其表面产生电荷的现象，去掉外力之后又回到不带电状态。这种没有外电场，只是因形变产生的极化现象被称为正压电效应。逆压电效应：当物质上施加电场时，不仅产生极化，同时还产生应力或应变，去掉电场后该物质的形变随之消失。这种把电能变成机械能的现象称为逆压电效应。（4）压电材料、压电晶体；具有压电效应的晶体----压电晶体，具有压电效应的电介质材料----压电材料。（5）电容式压力传感器及其组成；一般由敏感电容器和检测电路组成。比压阻式传感器有更高的温度稳定性。1.按原理分为两类：一类：在硅片上取适当的晶向蚀刻成薄硅膜，与温度系数相近的、喷镀有电极的玻璃板焊接形成。另一类：蚀刻两个硅膜片，一敏感膜片，一参考膜片；再按照结构分为有单端式和差动式。2.按敏感膜片型式分为：圆型、方型、环型。或双圆型、双方型、双环型。（6）电感式压力传感器及其分类；利用电感的电磁感应原理将被测压力的变化转换为线圈电感系数（L）的一种机电转换装置称为电感式压力传感器，分为自感式和互感式两种。谐振式压力传感器及其分类。利用压力变化改变物体的谐振频率，也称为振动式压力传感器。按振动部分的结构，可分为振弦式、振动筒式、振动膜式、音叉式等类型。2.领会 （1）压力传感器的主要应用电路——电桥电路的基本原理；电桥电路是由四个二端元件接成四边形形成的电路结构。各边称为电路的桥臂。激励源接到桥臂的一个对角上，另一对接电桥的负载或电桥的输出检测电路。（2）压电式传感器的基本原理。压电式传感器是基于压电效应的传感器。是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为电的非电物理量。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。3.简单应用压电式传感器的测量电路及其接口技术。五、本章重点、难点重点：熟练掌握压力传感器的主要的应用电路——电桥电路的基本原理；掌握压电式传感器的基本原理和测量电路及其接口技术。难点：金属材料和半导体材料的压阻效应及其相应的压力传感器的基本原理；金属应变计的原理及结构、压阻式传感器的基本原理及其结构与设计。第4章磁敏传感器通常把能讲磁学量信号转换成电信号的器材或装置称为磁敏传感器一、学习目的与要求通过本章的学习，熟悉并掌握磁敏传感器的工作原理和硬件组成结构。重点掌握半导体的霍尔器件和霍尔集成电路、磁敏二极管、三极管等的工作机理及其应用电路；掌握磁阻效应及器件的原理；学会磁场的测量方法、分析几种实际应用电路的原理，能自行设计几种测量和控制电路。二、课程内容4.1霍尔器件利用霍尔效应原理将被测磁场转换成电动势的一种磁敏传感器称为霍尔器件，又称霍尔式传感器，常分为霍尔元件和霍尔电路。4.2半导体磁阻器件4.3结型磁敏器件4.4铁磁性磁敏器件4.5电感式磁传感器4.6新型磁敏传感器及其发展趋势三、考核知识点（1）霍尔效应及器件的原理；霍尔效应---若将金属或半导体薄片垂直置于磁感应强度为B的磁场中，给垂直磁场方向上通有电流时，在垂直于电流和磁场的方向上产生电场的物理现象。（2）霍尔集成电路的原理及其应用电路；在一个结晶片中形成有霍尔传感器及放大并控制其输出电压的电路而具有磁场─电气变换机能的固态组件称为霍尔集成电路。将霍尔元件与放大电路和信号处理电路集成制造在一个半导体芯片上，形成霍尔集成传感器又称霍尔集成电路，根据其电功能和霍尔器件工作条件的不同，将霍尔集成传感器分为开关型霍尔集成传感器和线性型霍尔集成传感器两种。（两种分类详情看教材P154-155）教材P159页有16年10月大题的原题（霍尔汽车点火器）（3）磁阻效应及器件的原理；指半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。原理上可分为两种：物理磁阻效应、几何磁阻效应当矩形半导体受到与电流方向垂直的磁场作用时，不但产生霍尔效应，还会出现半导体电阻率增大即电流密度下降的现象，称为物理磁阻效应在相同磁场作用下，不同几何形状的半导体片出现电阻值变化不同的现象称为几何磁阻效应（4）磁敏三极管的原理；（5）磁场的测量方法和一些应用电路。（6）几种磁敏电阻的分类以及简介一、长方形磁敏电阻元件二、科宾诺元件-----是最大磁阻效应的磁阻结构：中心圆形电极，外沿环形电极，构成一个电阻器原理：无磁场时，载流子的运动路径是沿径向的；有磁场时，两极间电流会发生弯曲使电阻变大。三、栅格型磁敏电阻→高灵敏电阻在长方形磁阻上沉积n根金属短路条，分割成宽都b、短路条宽度l’，且l’/b<<1的许多子元件。四、InSb-NiSb共晶磁阻元件---实用磁阻元件在InSb中掺有的NiSb针状晶体平行排列、导电性良好，类似栅格金属条，起UH的短路作用。三种InSb-NiSb共晶材料元件的磁阻效应中:未掺杂的InSb-NiSb磁阻元件叫D型，掺入提高温度稳定性的杂质成掺杂的InSb-NiSb的磁阻元件叫L、N型。看出:磁阻元件灵敏度较高。四、考核要求1.识记（1）磁敏传感器的定义及其分类；通常把能将磁学量信号转换成电信号的器件或装置称为磁敏传感器。近年来其产品种类日益增加，按照元你主要由三大类：①利用半导体材料内部的载流子（电子、空穴）随磁场改变运动方向这一特性制成的传感器，代表产品有霍尔器件、磁敏电阻、磁敏二极管和磁敏晶体管等②利用电磁感应原理制备的磁电式传感器，主要由电涡流传感器、磁通门磁强计，磁栅式传感器和电感线圈磁头③金属膜磁敏电阻、巨磁阻抗传感器、磁致伸缩和韦甘德（wiegand）以及核磁共振磁强计、超导量子干涉器件和磁光传感器等新型传感器器件（2）霍尔效应、霍尔式传感器及其分类；将半导体置于一个磁场中，当在垂直于磁场的方向通入电流时，在垂直于电流和磁场的方向上产生电场的现象称为霍尔效应，此现象是1879年美国物理学家霍尔在研究金属的导电机构时发现的。（4）磁阻效应、磁敏电阻；指半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。原理上可分为两种：物理磁阻效应、几何磁阻效应（5）结型磁敏器件及其分类；人们将结构上含有PN结的磁敏器件称为结型磁敏器件，主要指磁敏二极管和磁敏三极管，它们的某些性能对外磁场非常敏感，且比霍尔元件的灵敏度高可测量-1e6~10T的磁场（6）电感式磁传感器及其分类；利用电感的电磁感应效应制成的传感器称为电感式磁传感器，主要有电涡流磁传感器和磁通门，都具有磁灵敏度高、频率响应宽、功耗低、抗干扰能力强及结构简单、体积小使用灵活方便、工作稳定可靠和造价低廉等显著优点。（7）电涡流效应、磁通门现象。电涡流效应：当成块的金属处于变化着的磁场中运动时，金属导体表面就会产生感应电流呈闭合回路，类似于水涡流形状，故称之为电涡流，此现象称为电涡流效应磁通门现象是一种电磁感应现象：当考虑环境磁场对铁芯的作用时，感应电势中会出现随环境磁场强度而变化的偶次谐波分量，且当铁芯处于周期性过饱和工作状态时偶次谐波分量显著增大；即环境磁场就象是一道门，变压器通过这道门，相应的磁通量就被调制并产生感应电势。2.领会 （1）霍尔集成电路的原理；（2）磁敏二极管、三极管的工作原理。3.简单应用（1）霍尔集成电路的应用电路；（2）磁敏二极管、三极管的应用电路。五、本章重点、难点重点：掌握半导体的霍尔器件和霍尔集成电路、磁敏二极管、三极管等的工作机理及其应用电路；掌握磁阻效应及器件的原理。难点：磁场的测量方法、分析，设计几种测量和控制电路。第5章气敏传感器能够把气体信息变成电信号的装置。一、学习目的与要求通过本章的学习，熟悉并掌握气体传感器的工作原理和硬件组成结构。熟练掌握几种电阻式尤其TiO2、SnO2气敏传感器、非电阻式气敏传感器、固体电解质传感器、接触燃烧式气敏传感器的基本原理；了解集成薄、厚膜及复合型气敏传感器、O2和SO2气敏传感器的原理；会分析应用电路，能自行设计简单的气体报警电路。二、课程内容5.1概述5.2半导体电阻式气敏传感器5.3结型气敏传感器5.4浓差电池式气敏传感器5.5接触燃烧式式气敏传感器5.6光学类式气敏传感器5.7气敏传感器的应用及其发展三、考核知识点（1）表面电阻控制型气敏传感器的原理；（2）体电阻控制型气敏传感器的原理；（3）非电阻型气敏传感器的原理；（4）集成薄、厚膜及复合型气敏传感器；（5）固体电解质传感器；（6）接触燃烧式气敏传感器。四、考核要求1.识记（1）气敏传感器的定义及其分类；定义:能够把气体信息变成电信号的装置。分类：1.按照原理：电阻式、结型、浓差电池式、光吸收式等等。2.从构成传感器材料的形态上分为两大类：干式气体传感器是指利用固体感测气体的；湿式气体传感器是利用水溶液或电解液与电极感知气体的。（2）体电阻控制型气敏传感器的原理；将材料的体电阻随某气体浓度发生变化的原件统称为体电阻控制型气敏传感器，目前应用最多的主要是氧化铁、二氧化钛等半导体气敏元件；它们通过与气体反应其体组成或价态发生变化，从而使电导率发生变化中间内容为大纲跳过其中包括：结型气敏传感器、浓差电池式气敏传感器和接触燃烧式气敏传感器三种（3）光学类气体传感器及其分类。将利用气体的光学特性来检测气体成分和浓度的传感器称为光学类气敏传感器。根据具体的光学原理可分为红外吸收式、可见光吸收光度式、光干涉式、化学发光式和试纸光电光度式、光离子化式等2.领会 （1）SnO2、ZnO、TiO2等表面电阻控制型气敏传感器的工作原理；（2）非电阻型气敏传感器的原理；（3）固体电解质传感器、接触燃烧式气敏传感器的基本原理。3.简单应用矿井瓦斯报警器等常用电路分析与设计。原理：瓦斯探头由QM—N5型气敏元件RQ、R1及4V矿灯蓄电池等组成。在使用前预热十几分钟以避免误报警。当瓦斯超限时，RQ减小，RP输出通过VD加到VT1基极上，VT1导通,VT2和VT3（组成一个互补式自激多谐振荡器）开始工作,K吸合矿灯ZD自动闪光，衔铁撞击铁芯发出的“嗒、嗒”声通过矿帽传递给矿工听见，发出报警声。当瓦斯浓度低时，RP输出信号低，VT1截止，VT2、VT3也截止，无报警。五、本章重点、难点重点：掌握几种电阻式尤其TiO2、SnO2气敏传感器、非电阻式气敏传感器、固体电解质传感器、接触燃烧式气敏传感器的基本原理。难点：集成薄、厚膜及复合型气敏传感器、O2和SO2气敏传感器的原理；应用电路的分析和设计。第6章湿敏传感器湿度是气象观测的基本参数之一，将湿度转换成电信号的传感器称为湿敏传感器一、学习目的与要求通过本章的学习，熟悉并掌握湿敏传感器的工作原理和硬件组成结构。重点掌握电阻式半导体陶瓷、电解质、电容式湿敏传感器的基本原理，了解半导体结型和MOS型、新型和集成型等湿敏传感器的原理，学会湿度的检测方法和接口电路，达到会用的目的。二、课程内容6.1概述6.2湿敏电阻6.3电容式湿敏传感器6.4光学湿敏传感器6.5其他类型湿敏传感器6.6湿敏传感器的应用及发展三、考核知识点（1）电阻式湿敏传感器的原理；电阻式湿度传感器是利用湿敏元件的电气特性（如电阻值），随湿度的变化而变化的原理进行湿度测量的传感器，湿敏元件一般是在绝缘物上浸渍吸湿性物质，或者通过蒸发、涂覆等工艺制备一层金属、半导体、高分子薄膜和粉末状颗粒而制作的，在湿敏元件的吸湿和脱湿过程中，水分子分解出的离子H+的传导状态发生变化，从而使元件的电阻值随湿度而变化。（2）电容式湿敏传感器的原理；电容式湿度传感器，主要由湿敏电容和转换电路两部分组成。它由玻璃底衬、下电极、湿敏材料、上电极几部分组成。两个下电极与湿敏材料，上电极构成的两个电容成串联连接。湿敏材料是一种高分子聚合物，它的介电常数随着环境的相对湿度变化而变化。当环境湿度发生变化时，湿敏元件的电容量随之发生改变，即当相对湿度增大时，湿敏电容量随之增大，反之减小(电容量通常在48～56pf间)。传感器的转换电路把湿敏电容变化量转换成电压量变化，对应于相对湿度0～100%RH的变化，传感器的输出呈0～1v的线性变化。（3）非电阻型气敏传感器的原理；（4）其它类型湿敏传感器；（5）接口电路。四、考核要求1.识记（1）湿敏传感器的定义及其分类；湿度是气象观测的基本参数之一，将湿度转换成电信号的装置称为湿敏传感器。湿敏传感器种类繁多。按探测功能可分为绝对湿度型、相对湿度型、结露型湿敏传感器等；按照材料可分为陶瓷式、有机高分子式、半导体式、电解质式湿敏传感器等；按照测量原理可分为电阻式、电容式、光学湿敏传感器等；……把湿敏元件及转换电路放在一起称为集成湿敏传感器。（2）相对湿度、绝对湿度；相对湿度（RelativeHumidity）----指某T下水蒸气压同饱和蒸气压的百分比，为:RH=e/eS×100%空气的绝对湿度（ρv）----单位体积空气里所含水蒸气的质量。如待测空气是由水蒸气和干燥空气组成的理想混合气体，得出：ρv=eM/RT（3）露（霜）点；随环境T降低，水的es逐渐下降，其e与同T下的es差值就越小。当下降到某一T0时，e=es相等，空气中的水蒸气将向液相转化而凝结为露珠，这一特定的温度被称为空气的露点。（4）湿敏电阻的工作原理；湿敏电阻是在基片上覆盖一层感湿材料膜，当感湿膜吸附空气中的水蒸气时电阻值会发生变化，通过测量阻值可以测量湿度。（5）结露传感器；结露指物体表面温度低于附近空气露点温度时表面出现冷凝水的现象，检测和控制结露对电气设备的安全和视频电子产品的质量都是非常重要的。结露传感器就是能将感受的露点湿度转换成电阻的露点传感器，只能用来检测露点（6）电容式湿敏传感器及其分类；利用电极间介质吸附水蒸气时电容量发生变化制成。按照极间介质分为两大类：1.有机高分子电容式：醋酸纤维素及衍生物为介质，如醋酸丁酸纤维素、聚酰亚胺、硅树脂。2.陶瓷电容式：用玻璃和陶瓷如BaTiO3-BaSnO2P型半导体多孔陶瓷材料作介质。通过控制陶瓷组分的分散性、孔径、粒度等，改善电容的敏感特性。（7）光学湿敏传感器及其分类。利用湿度环境下媒介层理化性质变化引起光传播诸性质（如光的反射系数、频率和相位等）的变化来检测温度的传感器称为光学湿敏传感器，它具有体积小响应快、抗电磁干扰、动态范围大、灵敏度高等优点，按测量原理可以分为光敏薄膜式、光纤式、波导式等湿敏传感器。2.领会 （1）电阻式半导体陶瓷、电解质、电容式湿敏传感器的基本原理；（2）半导体结型和MOS型、新型和集成型等湿敏传感器的原理。3.简单应用湿度的检测方法和接口电路的分析与设计。五、本章重点、难点重点：掌握电阻式半导体陶瓷、电解质、电容式湿敏传感器的基本原理。难点：半导体结型和MOS型、新型和集成型等等湿敏传感器的原理，学会湿度的检测方法和接口电路。第7章声波传感器将声波信号转换成电信号的装置称为声波传感器一、学习目的与要求通过本章的学习，熟悉并掌握声波传感器的工作原理和硬件组成结构。了解声敏传感器、超声波传感器、声表面波传感器的基本原理。二、课程内容三、考核知识点（1）声波传感传感器的原理；（2）声表面波传感器的原理；（3）声板波感器的原理；（4）次声波传感器的原理；（5）接口电路。四、考核要求1.识记（1）声波传感传感器及其分类；将在气体、液体或固体中传播的机械振动转换成电信号的器件或装置称为声波传感器，可用非接触的方法检出声波信号。声波传感器的种类很多，根据测量原理不同可分为压电型声波传感器、电致伸缩型声波传感器、电磁型声波传感器、静电型声波传感器和磁致伸缩等（2）声波的频率、类型；声波据频率可分为次声波、可闻声波（声音）、超声波及微波声波。其中声音是人耳朵可听到的声波，其阵面波达到人耳时会有相应的声音感觉，其频率16Hz～20kHz；将频率低于16Hz的声波称为次声波；超过20kHz的声波称为超声波；高于300MHz的因具有微米级波长而称为微波声波。（3）压电声波传感器的工作原理；利用压电晶体的压电效应可制成压电声波传感器，其中压电晶体的一个极面与膜片相连。当声压作用在膜片上使其振动时，膜片带动压电晶体产生机械振动，使得压电晶体产生随声压大小变化而变化的电压，从而完成声---电转换（4）超声波换能器及其分类；产生超声波和接收超声波的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器，或超声波探头，根据原理可分为压电式换能器，磁致伸缩换能器，电磁式换能器等。（5）磁致伸缩效应；将铁磁物体放在交变的磁场中沿着磁场的方向产生的伸缩现象称为磁致伸缩效应，其强弱随着铁磁物的不同而不同。镍的磁致伸缩效应最大，且在一切磁场中都是缩短的，如果先加一定的直流磁场再通以交流电流其可工作在特性最好的区域。（6）声表面波以及声表面波传感器的原理；声表面波（SurfaceAcousticWave，SAW）：是指沿传播介质表面传播的声波。根据不同的边界和介质条件SAW可分为：瑞利(Rayleigh)波、乐甫(Love)波、兰姆(Lamb)波、水平剪切声表面波(SH-SAW)等4种不同模式。工作原理：（7）次声波及其特性、次声波传感器及其分类；又称亚声波，是一种人耳听不到的声波，频率很低在10-4Hz～16Hz间；传播时有其特殊性：（1）传播快。空气中的传播速度为每秒300多米，水中传播每秒可达1500m左右。（2）传播距离远。衰减很小，大气中传播几km衰减不到万分之几分贝，可在空气、地面等介质中传播很远。（3）穿透力强。一般的可闻声波一堵墙即可挡住；次声波波长大，易发生衍射，能穿透几十米厚的钢筋混凝土。次声波传感器：指能够接收次声波的传声器，能把其机械位移转化为电信号。常用的有：电容、动圈式和光纤三种次声传感器（8）微波声波；是指频率高于109Hz、波长为微米量级的声波，其声速只有电磁波速的十万分之一。（9）听觉传感器。指具有语音识别功能的传感器，它属于人工智能装置，是利用语言信息处理技术制成的。机器人由听觉传感器实现“人-机”对话，不仅能听懂人讲的话，且能讲出人能听懂的语言，赋予机器人这些智慧的技术统称为语音处理系统，包括：语音识别技术和语音合成技术。语音识别实质上是通过模式识别技术识别输入声音的，通常分为特定话者和非特定话者两种语音识别方式。2.领会 （1）超声波传感器的基本检测原理；（2）超声波物位测试原理。五、本章重点、难点重点：声波传感器工作原理。难点：检测方法和接口电路设计。第8章智能传感器作为拓展了解，不做考核要求。第9章网络传感器作为拓展了解，不做考核要求。Ⅳ关于大纲的说明与考核实施要求一、自学考试大纲的目的和作用《传感器原理及应用》课程自学考试大纲是根据专业自学考试计划的要求，结合自学考试的特点而确定。其目的是对个人自学、社会助学和课程考试命题进行指导和规定。本课程自学考试大纲明确了课程学习的内容以及深度、广度，规定了课程自学考试的范围和标准。因此，它是编写自学考试教材和辅导书的依据，是社会助学组织进行自学辅导的依据，是自学者学习教材、掌握课程内容知识范围和程度的依据，也是进行自学考试命题的依据。在自学本课程之前应先通读大纲，了解课程的内容、考核知识点和考核要求。明确考核目标，使自学应考者有的放矢地系统地学习教材；使辅导教师更好地组织教学内容；使命题教师能够更加明确命题范围，更准确地安排试题的知识能力层次和难易程度。本大纲要求学习和掌握的知识点都可作为考核的内容。二、课程自学考试大纲与教材的关系课程自学考试大纲是进行学习和考核的依据，教材是学习掌握课程知识的基本内容与范围，教材的内容是大纲所规定的课程知识和内容的扩展与发挥。课程内容在教材中可以体现一定的深度或难度，本大纲中对考核的要求是按照本专业的培养目标，以及对考生知识结构要求和专业考试计划来确定的，深度或难度较适当。大纲与教材所体现的课程内容应基本一致；本大纲的课程内容和考核知识点是与所选教材一致的。所选教材里的部分内容，本大纲不作考核要求。（注：其中的内容与大纲要求不一致的地方，以大纲规定为准。）三、关于自学教材自学教材：《现代传感器原理及应用》，物联网工程与技术规划教材，张志勇、王雪文等编著，电子工业出版社，2014年版。四、关于自学要求和自学方法的指导本大纲的课程基本要求是依据专业考试计划和专业培养目标而确定的。课程基本要求还明确了课程的基本内容，以及对基本内容掌握的程度。基本要求中的知识点构成了课程内容的主体部分。因此，课程基本内容掌握程度、课程考核知识点是高等教育自学考试考核的主要内容。为有效地指导个人自学和社会助学，本大纲已指明了课程的重点和难点，在章节的基本要求中一般也指明了章节内容的重点和难点。本课程共5学分（含实践学分）。《传感器原理及应用》课程应用面较宽，涉及到模拟电路技术、数字电路技术、计算机基础及工程技术的许多方面。考生在自学时往往会感到有一定困难，但自学能力的培养对获取知识是非常必要的。在自学过程中应注意以下几点：1．根据考核要求中的四个能力层次，在全面系统学习的基础上掌握重点概念和重点问题，注意各章内容之间的内在联系。2．本课程的自学考试大纲是自学本课程的主要依据。在自学本课程前应先通读大纲，了解课程的要求，获得课程完整的概貌。在开始自学某一章时，先阅读大纲，了解该章的课程内容，考核知识点和考核要求，在自学过程中就有的放矢。3．阅读教材时，要求吃透每个考核知识点。对基本概念要做到深刻理解，对