安徽師范大學傳感器本科教學大綱

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安徽師范大學皖江學院電子信息系傳感器原理與應用教學大綱
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《傳感器原理與應用》教學大綱
一、說明
1、課程的性質、地位和任務
本課程是電子信息工程專業及其通信工程專業的重要專業必修課，是一門理論與
實用性都很強的技術基礎課程。傳感器技術是信息技術的三個重要組成部分之一，涉及
多種學科，應用領域廣泛。本課程主要以非電量的電子測量技術為主要內容，以信息的
變換與處理為主要體系，著重要求掌握各種傳感器的主要原理、測量電路、誤差分析及
實際應用等。
本課程的任務是使電子信息工程專業和通信工程專業的學生在傳感器技術方面具
有較廣的知識，掌握工程測量中常用傳感器的結構、工作原理、特性及應用，能夠在工
作中根據傳感器的選用原則合理地選擇和使用傳感器及相關的應用電路設計；掌握常用
傳感器的設計方法和實驗研究方法，具有獨立分析、解決傳感器方面問題的能力；了解
國內外傳感器技術的最新發展狀況和動向。為學習有關專業課與進一步接受新技術打下
基礎。
2、課程教學的基本要求
本課程是電子信息工程專業及通信工程專業的專業基礎課程，實用性較強。在教學
方法上，采用課堂講授，課后自學，課堂討論、實驗等教學形式。
課程性質：專業必修課先修課程：大學物理、模擬電路
總學時：54
理論學時：36 實驗或討論學時：18（有課程實驗）
開課學院：皖江學院適用專業：電子信息工程
大綱執筆人：教學院長審定：
教研室主任審核：
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要求學生了解傳感器系統的基本概念和系統組成、傳感器的定義和分類；了解測量
的基本知識和工程檢測中的測量電路；掌握傳感器的靜態特性和動態特性的性能指標概
念、定義和分析處理方法，了解提高傳感器性能的方法；掌握幾種常用傳感器的結構、
原理、特性及應用：如應變式、電容式、電感式、壓電式、光纖式和固態傳感器等的基
本原理、材料的選擇、主要器件、相應的測量電路及實際應用；掌握控制系統中選用傳
感器的原則，能根據需要選用合適的傳感器。
在課堂講授中要著重闡明物理概念，盡量聯系實際，講清常用傳感器的結構、原理
與特性，不必進行復雜的數學推導，可以直接引用公式。通過多媒體課件等手段力求重
點突出，由淺入深，便于學生理解和掌握。在應用方面，可以通過介紹典型物理量測量
的例子，使學生對傳感器有一個實用的概念。
3、本課程的重點與難點
重點：傳感器的一般特性；傳感器中的彈性敏感元件；電阻應變式傳感器、電感式
傳感器、電容式傳感器、壓電式傳感器、磁電式傳感器、熱電式傳感器、光電式傳感器
等傳感器的工作原理。
難點：各類傳感器的實用性選用及設計。
二、課堂教學時數及課后作業題型分配（含數量）
章目教學內容
教學
時數
教學方式
或手段
課后作業
思考題練習題
緒論 2 講授（多媒體） √ √
1 傳感器技術基礎 4 講授（多媒體） √ √
2 電阻式傳感器 4 講授（多媒體） √ √
3 變磁阻式傳感器 4 講授（多媒體） √ √
4 電容式傳感器 2 講授（多媒體） √ √
5 磁電式傳感器 2 講授（多媒體） √ √
6 壓電式傳感器 3 講授（多媒體） √ √
7 光電式傳感器 6 講授（多媒體） √ √
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8 熱電式傳感器 0 學生自學 √ √
9
固態傳感器及其
集成化
6 講授（多媒體） √ √
10 智能傳感器 3 講授（多媒體） √ √
11 數字式傳感器 0 學生自學 √ √
12 機器人傳感器 0 學生自學 √ √
合計 36
三、正文
緒論
【教學目的】
通過本章教學，使學生明確傳感器原理與應用的學科性質、基本內容和學習意義，
掌握傳感器原理與應用中幾個常用術語的涵義，了解本門課程的教學要求和學習方法。
【重點難點】
傳感器的概念、分類、用途、基本結構和一般要求。
第一節傳感器技術概述
一、傳感器技術與信息技術
二、自動檢測技術
第二節傳感器的定義、組成與分類
一、傳感器的定義
二、傳感器的組成
三、傳感器的分類
第三節傳感器發展的新趨勢
【思考題】
1、什么是傳感器、自動檢測技術？
2、畫出傳感器的組成框圖，并說明各組成部分的作用。
第一章傳感器技術基礎
【教學目的】
通過本章教學，使學生掌握靜態特性的數學模型，動態特性的數學模型與傳遞函數；
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傳感器的輸出量與輸入量之間的信息處理（函數變化曲線）；改善傳感器性能的技術途
徑；系統相似與機電模擬等等。
【重點難點】
靜態特性的數學模型，動態特性的數學模型與傳遞函數；傳感器的輸出量與輸入
量之間的信息處理（函數變化曲線）；改善傳感器性能的技術途徑；系統相似與機電模
擬。
第一節傳感器的靜態特性
一、測量范圍和量程
二、線性度（非線性誤差）
三、遲滯
四、重復性
五、靈敏度與靈敏度誤差
六、分辨力與閾值
七、穩定性
八、漂移
九、精確度（精度）
十、誤差表達
第二節傳感器的動態特性
一、一般模型
二、時域響應與脈沖響應函數
三、頻率響應特性
四、典型環節的動態響應
五、無失真檢測條件
六、動態性能指標
第三節傳感器的標定與校準
一、傳感器的標定
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二、靜態標定
三、動態標定
第四節改善傳感器性能的技術途徑
一、結構、材料與參數的合理選擇
二、差動技術
三、平均技術
四、穩定性處理
五、屏蔽、隔離與干擾抑制
六、零示法、差微法與閉環技術
七、補償與校正
八、集成化與智能化
第五節系統相似與機電模擬
一、機電模擬
二、機械阻抗
第六節傳感器材料與工藝
【思考題】
1、什么是傳感器的靜態特性？靜態特性的主要技術指標有哪些？
2、什么是傳感器的動態特性？傳感器動態特性的評價指標有哪些？
3、什么傳感器的標定、動態標定及靜態標定？
第二章電阻式傳感器
【教學目的】
通過本章教學，使學生掌握結構型電阻式傳感器－應變式電阻傳感器的工作原理與
結構、主要特性、測量電路及溫度補償。
【重點難點】
電阻應變效應及電阻應變計(片)的工作原理；電阻應變計(片)的主要特性；電阻
應變計(片)的測量電路；電阻應變計(片)的溫度誤差及其補償。
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第一節電阻應變計(片)的工作原理與結構
第二節電阻應變計(片)的種類和材料
第三節電阻應變計(片)的主要特性
第四節電阻應變計(片)的測量電路
第五節電阻應變計(片)的溫度誤差及其補償
第六節電阻應變計(片)式傳感器
第七節電位器式傳感器
【思考題】
1、簡述應變式電阻傳感器的工作原理。
2、什么是金屬應變片的靈敏度系數？它與金屬絲的靈敏度系數有何不同？
3、采用應變片進行測量時，為什么要進行溫度補償？常用的補償方法有哪些？
4、如何減小電位器式傳感器的負載誤差？
5、簡述應變片在彈性元件上的布置原則，及哪幾種電橋接法具有溫度補償作用。
第三章變磁阻式傳感器
【教學目的】
通過本章教學，使學生掌握自感式傳感器工作原理和差動變壓器式傳感器工作原
理、測量電路（或稱轉換電路）、主要誤差及補償方法；掌握電渦流式傳感器工作原理。
【重點難點】
傳感器線圈的電氣參數分析；自感式傳感器工作原理、等效電路及測量電路，零
點殘余電壓及其補償；差動變壓器式傳感器工作原理、測量電路；電渦流式傳感器工作
原理及測量電路。
第一節傳感器線圈的電氣參數分析
一、線圈電感
二、銅損電阻
三、渦流損耗電阻
四、磁滯損耗電阻
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五、總耗散因數與品質因數
六、并聯寄生電容的影響
第二節自感式傳感器
一、工作原理
二、結構形式及特性
三、轉換電路
四、誤差分析
第三節互感式傳感器（差動變壓器）
一、工作原理
二、結構形式及特性
三、轉換電路
四、誤差分析
第四節電感式傳感器的應用及設計
一、自感式傳感器的應用
二、差動變壓器的應用
三、自感式和差動變壓器式傳感器設計
第五節電渦流式傳感器
一、工作原理及等效電路
二、結構特點
三、轉換電路
四、電渦流式傳感器的應用
第六節壓磁式傳感器
【思考題】
1、電感式傳感器分哪幾類？各有何特點？
2、簡述變氣隙型自感傳感器的工作原理。
3、簡述差動變壓器式傳感器的工作原理。
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4、說明差動變壓器零點殘余電壓產生的原因，并指出消除殘余電壓的方法。
第四章電容式傳感器
【教學目的】
通過本章教學，使學生掌握電容式傳感器工作原理、結構類型、特點及測量電路的
選擇。
【重點難點】
電容式傳感器工作原理、結構類型、特點，誤差分析、寄生電容的消除及測量電
路的選擇。
第一節工作原理、類型及性能
一、工作原理
二、基本類型
三、主要性能
第二節測量電路（或轉換電路）
一、等效電路
二、電橋電路
三、運算放大器式電路
第三節誤差分析
第四節電容式傳感器的特點及應用
一、特點
二、應用
【思考題】
1、簡述電容式傳感器的工作原理。
2、電容式傳感器的測量電路有哪些？
3、簡述電容式傳感器的誤差分析與補償方法。
4、簡述電容式傳感器的優缺點。
第五章磁電式傳感器
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【教學目的】
通過本章教學，使學生掌握磁電式傳感器工作原理、設計和應用。
【重點難點】
磁電式傳感器的動態特性及工作原理，誤差及補償。
第一節磁電式傳感器理論基礎
第二節磁電式傳感器類型
一、恒定磁通磁電式傳感器
二、變磁阻磁電式傳感器
第三節磁電式傳感器設計基礎
一、磁路設計
二、線圈參數計算與設計
三、傳感器固有頻率的確定及彈簧剛度的計算
四、阻尼器設計及阻尼系數的計算
第四節磁電式傳感器的誤差及補償
一、電流和電壓靈敏度的誤差
二、溫度誤差
三、永久磁鐵不穩定誤差
四、非線性誤差
第五節磁電式傳感器的應用
一、振動測量
二、扭矩測量
三、流量測量
【思考題】
1、在磁電式傳感器磁路設計中，工作氣隙選取原則是什么？
2、試分析磁電式傳感器的動態特性。
3、分析并說明磁電式傳感器的誤差有哪些。
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4、舉例說明磁電式傳感器非線性誤差的補償方法。
第六章壓電式傳感器
【教學目的】
通過本章教學，使學生掌握壓電效應及其物理解釋，影響壓電傳感器工作性能的
主要因素及解決措施。
【重點難點】
壓電效應的物理解釋；電荷放大器與電壓放大器的對比；影響壓電傳感器工作性
能的主要因素。
第一節壓電效應及壓電材料
一、壓電效應
二、壓電材料
第二節壓電式傳感器測量電路
一、壓電式傳感器等效電路
二、電壓放大器
三、電荷放大器
第三節壓電式傳感器的誤差
一、環境溫度的影響
二、環境濕度的影響
三、橫向靈敏度
四、基座應變的影響
五、電纜噪聲
六、接地回路噪聲
第四節壓電式傳感器的應用
一、壓電式加速度傳感器
二、壓電式力傳感器
三、壓電式壓力傳感器
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四、壓電式超聲波傳感器
五、壓電式微位移傳感器
【思考題】
1、何謂壓電效應？壓電材料分為哪幾種？
2、能否用壓電傳感器測量靜態信號？試說明其理由。
3、什么是縱向壓電效應及橫向壓電效應？
4、壓電式傳感器的前置放大器的作用是什么？比較電壓和電荷放大器的特點，說
明為何電壓靈敏度與電纜長度有關？而電荷靈敏度與電纜長度無關？
5、分析壓電式傳感器測量誤差產生的原因。
第七章光電式傳感器
【教學目的】
通過本章教學，使學生掌握光電效應及其光電器件、模擬式光電傳感器工作原理
及分類；光纖傳感器的結構、原理及應用；CCD 的基本結構、工作原理及應用；了解光
電檢測系統的構成。
【重點難點】
光電效應、光學系統的構成及測量方法；光纖的結構和傳光原理；電荷耦合攝像
器件（CCD）的工作原理。
第一節光電效應及光電器件
一、光電效應
二、外光電型光電器件
三、光電導型光電器件
四、光伏型光電器件
五、光電傳感器的應用
第二節光纖傳感器
一、光纖的結構和傳光原理
二、光纖的性能
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三、光纖傳感器及應用
第三節電荷耦合器件
一、CCD 的基本結構和工作原理
二、電荷的注入和輸出
三、CCD 圖像傳感器
四、CCD 的主要參數
四、CCD 傳感器的應用
【思考題】
1、光電效應可分幾類？說明其原理并指出相應的光電器件。
2、光電器件的基本特性有哪些？它們各是如何定義的？
3、說明光導纖維的組成并分析其傳光原理。
4、簡述光纖傳感器按作用原理或組成形式可分幾種類型？舉例說明。
5、為什么說電荷耦合器是集成化傳感器？什么是 CCD 的開啟電壓？
第八章熱電式傳感器
【教學目的】
通過本章教學，使學生掌握熱電阻測溫原理、熱電偶測溫原理及基本定律。
【重點難點】
熱電阻測溫原理；熱電偶測溫原理及基本定律。
第一節熱電偶傳感器
一、熱電偶測溫原理
二、熱電偶的基本定律
三、熱電偶傳感器
四、熱電偶的誤差及補償措施
五、熱電偶的標定
第二節熱電阻傳感器
一、熱電阻測溫原理
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二、金屬熱電阻
三、半導體熱敏電阻
第三節其他測溫傳感器
【思考題】
1、何謂熱電效應？熱電勢由哪幾部分組成？熱電偶產生熱電勢的必要條件是什
么？
2、熱電偶測溫時為什么要進行冷端溫度補償？其冷端溫度補償的方法有哪幾種？
3、試述減小熱電偶動態誤差的方法。
4、熱敏電阻測溫有什么特點？熱敏電阻可分為幾種類型？
第九章固態傳感器及其集成化
【教學目的】
通過本章教學，使學生掌握壓阻式傳感器的基本原理及基本類型；掌握磁敏傳感
器工作原理及應用（其中包括霍爾效應及霍爾元件）；了解集成傳感器和微機械結構傳
感器工作原理及應用。
【重點難點】
壓阻效應與壓阻系數、壓阻傳感器的特性及誤差因素；壓阻式傳感器的基本工作
原理及基本類型；磁敏傳感器工作原理及應用（其中包括霍爾效應及霍爾元件）。
第一節擴散硅壓阻式傳感器
一、壓阻效應與壓阻系數
二、結構與特性
三、測量電路
四、溫度補償
五、壓阻式傳感器及應用
第二節磁敏傳感器
一、霍爾傳感器
二、磁阻傳感器
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三、磁敏二極管和三極管
第三節集成傳感器
第四節微機械結構傳感器
第五節其它固態傳感器
一、熱敏傳感器
二、光敏傳感器
三、氣敏傳感器
四、濕敏傳感器
【思考題】
1、固態壓阻器件的結構特點是什么？受溫度影響會產生哪些溫度漂移？如何進行
補償？
2、壓阻式傳感器采用恒壓源供電和恒流源供電時，各自特點是什么？
3、解釋霍爾效應及影響霍爾電勢的因素。
4、霍爾元件的不等位電勢是如何產生的？減小不等位電勢可以采用哪些方法？
5、何謂磁阻效應？舉例說明磁阻式傳感器的應用。
6、電阻式半導體氣敏傳感器有哪些類型？試說明其特點。
7、氯化鋰濕敏器件有哪些結構形式？分析其結構特點。
第十章智能傳感器
【教學目的】
通過本章教學，使學生掌握智能傳感器的概念、結構與特點；了解智能傳感器的
數據采集和處理技術；了解智能傳感器設計。
【重點難點】
智能傳感器的概念、結構與特點；智能傳感器的數據采集和處理技術；智能傳感
器設計。
第一節智能傳感器概述
一、智能傳感器的概念
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二、智能傳感器的特點及結構
第二節智能式傳感器的數據采集
一、信號的預處理
二、數據采集
第三節智能傳感器的數據處理技術
一、標度變換技術
二、非線性補償技術
三、溫度誤差補償技術
四、數字濾波技術
第四節智能傳感器設計
一、結構設計
二、敏感元件設計
三、傳感器工藝設計
四、軟件設計
【思考題】
1、何謂智能傳感器？說明智能傳感器的特點及結構。
2、數據采集系統的配置有哪些？
3、在數據處理過程中，常用的數據非線性補償方法有哪些？
第十一章數字式傳感器
【教學目的】
通過本章教學，使學生了解感應同步器、光柵等數字式傳感器的結構與工作原理。
【重點難點】
感應同步器的結構類型與工作原理；莫爾條紋的形式及光柵傳感器的工作原理。
第一節感應同步器
第二節光柵
第三節編碼器
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第四節頻率式傳感器
【思考題】
1、簡述感應同步器的工作原理及結構。
2、簡述光柵傳感器的工作原理及結構。
第十二章機器人傳感器
【教學目的】
通過本章教學，使學生了解機器人感覺的概念及實現的技術途徑；機器人傳感器結
構、分類和功用。
【重點難點】
機器人感覺。
第一節機器人傳感器概述
第二節機器人視覺傳感器
第三節機器人力覺傳感器
第四節機器人廣義觸覺傳感器
第五節機器人臨場感技術
【思考題】
1、什么是機器人感覺？
【課程考試】
考試可采用閉卷或閉卷與開卷相結合的形式，以閉卷為主。閉卷部分的試題包括基
本概念、基本理論、基本技能等方面內容，題型可采用填空、選擇、簡答、綜合等方式。
開卷部分的考題難度可適當加大。
總成績：課外作業和平時測驗占 20％；實驗占 20％；期末考試占 60％。《傳感器原
理與應用》是一門工程性、應用性都非常強的課程，通過實驗可使學生增加感性認識，
進一步加深對理論知識的理解。學生必須完成本課程規定的實驗，否則不能參加期末考
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試。
四、使用教材與教學參考書目
【使用教材】
孫建民，楊清梅，《傳感器技術》，北京：清華大學出版社、北京交通大學出版社，
2005 年 10 月
【教學參考書目】
1、賈伯年等著，《傳感器技術》第二版，東南大學出版社，2000 年
2、何道清著，《傳感器與傳感器技術》第一版，科學出版社，2004 年
3、劉君華編著，《智能傳感器系統》第一版，西安電子科技大學出版社，1999 年
4、欒桂冬等編著，《傳感器及其應用》第一版，西安電子科技大學出版社，2002
年
5、王化祥編,《傳感器原理及應用》第一版,天津大學出版社,1999 年
6、強錫富主編，《傳感器》第二版，機械工業出版社，1998 年

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