传感器原理及其应用

Sensor Principle &Application

一、课程的性质和目的

 课程性质：  

 《传感器原理及其应用》介绍如何运用传感器获取各种类信息，并将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的获取、传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。是电子信息类专业最重要的专业基础课之一，主要服务于电子信息、信息采集、自动化、测控、微电子技术等专业。对于电子信息专业的学生教授传感器原理的基本理论、概念、系统结构、计算方法；使学生掌握各种传感器的广泛应用技术，是非常重要和必要的教学内容。

 目的：  

 该课程对传感器的地位、作用、组成、分类，静/动态特性，参数，指标，标定进行全面讲解。对电阻、电容、电感、压电、霍尔、光电、温度等主要传感器的原理及应用进行系统讲授。使学生理解各种敏感材料的基本特性及在传感器中的应用，熟悉各种传感器的基本结构、特性，各种类型传感器的基本原理与应用情况。对培养应用型工科人材知识结构，研发思维，认识理解，严谨学习态度以及运用所学知识，增强实践动手能力和提高综合素质水平，打下良好的基础。为国家所需人材的打造，为学生今后的发展和进步，为培养和造就更具创新、竞争意识和能力的学生做出努力。

二、课程教学内容及基本要求

 本课程首先介绍传感器的一般性原理，组成结构，特性指标，参数物理意义，分析方法，数学表达方式，并对测量技术进行简要介绍。然后根据电阻式、电容式、电感式、压电式、压阻式、热电式、光电式、磁电式等传感器件的基本结构、原理及应用实例分别进行详细讲述。联系当前有代表性、新颖的应用实例贯穿讲解，增加学生的学习兴趣，促进掌握吸收。通过平时作业完成情况，进行有针对性和必要的指导与说明。

 课程教学内容要求不低于教学指导委员会制定的《教学基本要求》。

 根据课程内容特点、人才培养目标，充分采用目前教学条件和手段，积极研究、制定课程教学内容实施的计划和安排。依次列出以下各知识单元及所包含的知识点。

（一）课程教学内容及知识模块顺序

1．知识单元一：传感器概述（2）

 （1）知识点一：传感器地位与作用

 （2）知识点二：传感器的定义/分类/结构

 （3）知识点三：传感器的组成/发展趋势/选用原则

 教学基本要求：掌握传感器的定义、功能、组成及分类方法及基本工作原理。了解传感技术的地位及发展方向。

2．知识单元二: 测量技术的基本知识（2）

 （1）知识点一：测量的概念/方法/误差与不确定度

 （2）知识点二：测量的溯源性与量值传递

 （3）知识点三：测量系统/计算/表示方法

 教学基本要求：熟悉测量的基本知识，量值的计算表示形式，(SI)国际单位制标准的意义及定义，测量的溯源性原理，测量和计量的重要意义和影响。

3．知识单元三:传感器的一般特性（3）

 （1）知识点一： 传感器特性的一般表述方式

 （2）知识点二：传感器的静态特性/技术参数及意义

 （3）知识点三：传感器的动态特性/响应参数及意义

 （4）知识点四：传感器的标定及方法

 教学基本要求：掌握造成传感器静/动态特性的性质，静/动态特性参数的物理意义，传感器系统结构模型，传递函数及变換。了解传感器的静/动态特性标定的原理及方法。

4．知识单元四:电阻式传感器原理及其应用（3）

 （1）知识点一：电阻式传感器有关材料（弹性/压阻）等特性

 （2）知识点二：应变片式传感器原理/结构/分类

 （3）知识点三：压阻式传感器原理/结构/分类

 （4）知识点四：电阻式传感器的测量/温漂/时漂/校准补偿电路原理

 （5）知识点五：电阻式传感器的（力/位移/加速度/液面）应用电路

 教学基本要求：掌握电阻式传感器的基本原理/计算方法。理解弹性圆柱、悬臂梁、平膜片等敏感结构的特性参数。熟悉地运用电阻式传感器于有关测量对象。

5. 知识单元五: 电容式传感器原理及其应用（3）

 （1）知识点一：电容式传感器分类及工作原理

 （2）知识点二：电容式传感器测量电路

 （3）知识点三：电容式传感器优缺点/设计改善措施

 （4）知识点四：电容式传感器应用(压力/加速度/位移/测厚)

 教学基本要求：掌握(变面积/变间隙/变介电常数)电容式传感器的基本原理/计算方法。熟悉运用测量应用电路。了解特性补偿的意义和方法。

6. 知识单元六: 电感式传感器原理及其应用（3）

 （1）知识点一：自感式传感器结构/特点/原理

 （2）知识点二：互感式传感器结构/特点/原理

 （3）知识点三：电涡流传感器结构/特点/原理

 （4）知识点四：电感式传感器(差动/调幅/调频/调相)测量电路

 （5）知识点五：电感式传感器(间隙/气压/行程/涡流探测) 应用电路及要求

 教学基本要求：掌握(自感式/互感式/电涡流)电感式传感器的基本原理/计算方法。理解电感式传感器的差分结构和应用特点。熟悉地运用测量应用电路。了解特性参数补偿的意义和方法。

7.知识单元七:压电式传感器原理及其应用（3）

 （1）知识点一：压电材料特性/压电效应/压电等效电路        

 （2）知识点二：压电(石英晶体/陶瓷)晶体结构/优缺点

 （3）知识点三：压电式传感器工作原理/ (力/加速度/点火)测量应用电路/新材料研发、应用、展望。

 教学基本要求：掌握(晶体/陶瓷)压电式传感器的基本原理/计算方法。理解压电式传感器的种类/特性差异，压电陶瓷极化处理，组成结构和应用特点。熟悉地运用测量应用电路。

8.知识单元八:霍尔传感器原理及其应用（3）

 （1）知识点一：霍尓效应及半导体材料霍尔器件工作原理         

 （2）知识点二：半导体霍尔传感器特性/结构/使用要求/误差分析

 （3）知识点三：半导体霍尔传感器特性参数/不等位电势/不等位电阻的补偿

 （4）知识点四：测量电路及特点/要求/(接近开关/压力/转速/磁场)应用电路

 教学基本要求：了解霍尓效应。掌握半导体霍尓传感器的基本原理/计算方法/产生误差原因/补偿要求。理解半导体霍尓传感器的动态参数特点，组成结构和应用特点。熟悉地运用测量应用电路。

9.知识单元九:光电式传感器原理及其应用（3）

 （1）知识点一：光电效应及光电器件种类/光敏特性/工作原理         

 （2）知识点二：光电管/光敏电阻/半导体光敏器件/光纤传感器/光电池的特性/原理/结构/使用要求/误差影响

 （3）知识点三：光电式传感器的(照度/光调制/光电子/光纤传输)应用电路

 （4）知识点四：(CCD/CMOS)固体图像传感器的实现/原理/特点/应用

 教学基本要求：了解光电效应。掌握半导体光电传感器的种类/特点/基本原理/计算方法。理解光电传感器的光谱/频率/伏安/温度特性，各种光电传感应用场合及要求。熟悉地运用测量应用电路，熟悉图像传感器/光纤传感器的结构/原理及一般运用。

10.知识单元十:温度传感器原理及其应用（3）

 （1）知识点一：温度传感器的种类/温度特性/工作原理        

 （2）知识点二：热敏电阻正/负温度特性/参数/优点/测温范围

 （3）知识点三：热电偶温度传感器测温原理及应用要求

 （4）知识点四：各个位区测温传感器选用/使用注意事项/补偿要求

 教学基本要求：掌握温度传感器的种类/特点/基本原理/计算方法，温敏电阻的测温/正负温度特性。理解温差电势的机理及测温应用与注意事项。熟悉各种温度传感器应用场合及使用要求，光伏电池的特性和参数指标。

11.知识单元十一: MEMS传感器/其它传感器介绍（2）

 （1）知识点一：MEMS技术简介/在传感感器领域的应用/MEMS传感器的特点

 （2）知识点二：（化学/生物/气体/生命指标等）其它传感器的发展应用现状/概况

 教学基本要求：了解传感器发展动向，传感器发展趋势，传感器发展途径，传感器发展运用。熟悉MEMS技术在传感器发展中的重要意义。

（二）课程的重点、难点及解决办法

课程重点

1. 传感器的作用、定义、组成、分类、结构，传感器研发途径，传感技术的发展趋势。

2. 测量的概念，方法，数值表示及要求。计量的概念，方法，量值表示及要求。SI体系介绍。

3. 传感器的基本工作原理，静/动态特性概念理解，技术指标及意义，传感器模型描述、分析、计算的一般方法，动静态标定。

4. 课程包含的各种传感器的工作原理，结构特点，测量电路，实际应用及要求。

5. MEMS及其他传感器概述。

课程难点

1. 传感器明确的分类方法。

2. 多阶传感器的组成结构、形式及原理分析，频率特性的掌握。

3. 传感器的动态特性分析，参数意义，数学表达式及有关变换。

4. 传感器无失真测试条件的说明。

5. 某些传感器输出信号与测量电路图的理解领会。

6. 传感器的非线性补偿。

7. 无实验验证和演示课时，增加课程教学及学生理解难度。

解决方法

1. 教师很好理解掌握教学内容，认真备课。讲授时讲清概念、原理、方法、计算。熟练地分析、解释应用举例的功能、作用、特点及用途实现。使理论学习与实际应用更好结合，引起学生学习兴趣，加深理解掌握。

2. 应用多媒体辅助，为教学内容的直观展示、表达、节省时间起到良好效果。

3. 必要的课堂提问，做题，交流互动，促进学生学习理解，有助于教师掌握学生学习动态。

4. 优选例题系统示范讲解，有助于学生形成解决技术课题的正确思路，分析问题需考虑的因素，解决问题的途径和方法，表达过程的严谨和规范。

5. 通过学生作业状况反馈、订正讲解答疑，了解学生课程理解掌握状况，提高学生完成作业的能力水平，养成良好的书写规则和习惯。

6. 适当提一点有代表性、深层次的思考题，让有兴趣、想钻研的学生激发学习热情，学深学透，有创意、创新。

三、实验实践环节及基本要求

 尽可能开展多形式、多方位、多层次、多角度教学活动。在生产实习、实践教学、单开专业实验课中应注重结合这方面内容讲解，加深学生更好全面理解和掌握。

 在本课程的教学过程中，会提出一些有助于加深课程理解的课题，要求同学思考，自行解决完成。无课时安排实验实践教学。

四、本课程与其它课程的联系与分工

 本课程适合安排在大三上/下学期进行授课。

 先修：大学物理、电子技术基础、模/数电路、微机原理与应用。

 本课程为专业选修课，内容相对独立，与其他同期和后期课程相关不大。

五、对学生能力培养的要求

 通过本课程学习，电子信息学科学生掌握《传感器原理及其应用》这门重要专业知识，对于充实电子信息培养方向的学生知识结构有着重要意义和影响。传感器是获取客观世界各种信息的极其重要手段，电学传感器是使用最为广泛，成熟，重要的一大类，在国民经济，科学发展，国防建设，社会生活的方方面面，起着非常重要的作用。本课程知识有助于与其他相关课程内容结合，拓展和优化学生知识面，提高知识水平和实际工作中的应用能力，对培养创新型应用人才有着十分积极作用。

六、课程学时分配

总学时32，其中讲授31学时，上机0学时，实验0学时（在学院专门开设的《微电子技术测量原理及实验》中，包含本课程部分实验内容；在大四生产实习实践教学中，包含本课程部分实践内容）。 习题及讨论1学时。课程主要内容和学时分配见课程学时分配表。

课程学时分配表

七、主要教学方法

 根据我院学生培养方案和要求，选择较新、系统、适合应用型本课生人材教学教材。釆用多媒体形式辅助教学。课堂讲课，间以课堂提问、即时做题。课后作业及适量思考题。

八、建议教材和主要教学参考书目

1．教材

  [1]《传感器原理及其应用》，李艳红李海华，北京：北京理工大学出版社2012年8月

  (面向“十二五”高等教育课程改革项目研究成果)

2．主要参考书

    [1]《传感器原理与应用(第2版)》，孟立凡，蓝金辉，北京：电子工业出版社，2011年8月

[2]《传感器与检测技术(第2版)》，徐科军，电子工业出版社，2008年2月

[3]《传感器原理及应用》，彭杰纲，北京：电子工业出版社，2013年4月

[4]《传感器原理与应用技术》，童敏明 唐守锋，北京：清华大学出版社，2012年4月

[5]《传感器原理与应用技术》，刘爱华，满宝元，人民邮电出版社，2006年10月

九 、课程考核

 以下两部分评定学生成绩：课堂问答/完成作业数量/作业质量/考勤/做题+闭卷考试成绩，各占比例30%+70%。

十、说明

 根据授课学生专业不同，课堂讲述内容及重点可略有调整。

 执笔人：樊路嘉                  审核人：赵航           分管院系领导：  王芳