安徽师范大学传感器本科教学大纲

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安徽师范大学皖江学院电子信息系传感器原理与应用教学大纲
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《传感器原理与应用》教学大纲
一、说明
1、课程的性质、地位和任务
本课程是电子信息工程专业及其通信工程专业的重要专业必修课，是一门理论与
实用性都很强的技术基础课程。传感器技术是信息技术的三个重要组成部分之一，涉及
多种学科，应用领域广泛。本课程主要以非电量的电子测量技术为主要内容，以信息的
变换与处理为主要体系，着重要求掌握各种传感器的主要原理、测量电路、误差分析及
实际应用等。
本课程的任务是使电子信息工程专业和通信工程专业的学生在传感器技术方面具
有较广的知识，掌握工程测量中常用传感器的结构、工作原理、特性及应用，能够在工
作中根据传感器的选用原则合理地选择和使用传感器及相关的应用电路设计；掌握常用
传感器的设计方法和实验研究方法，具有独立分析、解决传感器方面问题的能力；了解
国内外传感器技术的最新发展状况和动向。为学习有关专业课与进一步接受新技术打下
基础。
2、课程教学的基本要求
本课程是电子信息工程专业及通信工程专业的专业基础课程，实用性较强。在教学
方法上，采用课堂讲授，课后自学，课堂讨论、实验等教学形式。
课程性质：专业必修课先修课程：大学物理、模拟电路
总学时：54
理论学时：36 实验或讨论学时：18（有课程实验）
开课学院：皖江学院适用专业：电子信息工程
大纲执笔人：教学院长审定：
教研室主任审核：
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要求学生了解传感器系统的基本概念和系统组成、传感器的定义和分类；了解测量
的基本知识和工程检测中的测量电路；掌握传感器的静态特性和动态特性的性能指标概
念、定义和分析处理方法，了解提高传感器性能的方法；掌握几种常用传感器的结构、
原理、特性及应用：如应变式、电容式、电感式、压电式、光纤式和固态传感器等的基
本原理、材料的选择、主要器件、相应的测量电路及实际应用；掌握控制系统中选用传
感器的原则，能根据需要选用合适的传感器。
在课堂讲授中要着重阐明物理概念，尽量联系实际，讲清常用传感器的结构、原理
与特性，不必进行复杂的数学推导，可以直接引用公式。通过多媒体课件等手段力求重
点突出，由浅入深，便于学生理解和掌握。在应用方面，可以通过介绍典型物理量测量
的例子，使学生对传感器有一个实用的概念。
3、本课程的重点与难点
重点：传感器的一般特性；传感器中的弹性敏感元件；电阻应变式传感器、电感式
传感器、电容式传感器、压电式传感器、磁电式传感器、热电式传感器、光电式传感器
等传感器的工作原理。
难点：各类传感器的实用性选用及设计。
二、课堂教学时数及课后作业题型分配（含数量）
章目教学内容
教学
时数
教学方式
或手段
课后作业
思考题练习题
绪论 2 讲授（多媒体） √ √
1 传感器技术基础 4 讲授（多媒体） √ √
2 电阻式传感器 4 讲授（多媒体） √ √
3 变磁阻式传感器 4 讲授（多媒体） √ √
4 电容式传感器 2 讲授（多媒体） √ √
5 磁电式传感器 2 讲授（多媒体） √ √
6 压电式传感器 3 讲授（多媒体） √ √
7 光电式传感器 6 讲授（多媒体） √ √
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8 热电式传感器 0 学生自学 √ √
9
固态传感器及其
集成化
6 讲授（多媒体） √ √
10 智能传感器 3 讲授（多媒体） √ √
11 数字式传感器 0 学生自学 √ √
12 机器人传感器 0 学生自学 √ √
合计 36
三、正文
绪论
【教学目的】
通过本章教学，使学生明确传感器原理与应用的学科性质、基本内容和学习意义，
掌握传感器原理与应用中几个常用术语的涵义，了解本门课程的教学要求和学习方法。
【重点难点】
传感器的概念、分类、用途、基本结构和一般要求。
第一节传感器技术概述
一、传感器技术与信息技术
二、自动检测技术
第二节传感器的定义、组成与分类
一、传感器的定义
二、传感器的组成
三、传感器的分类
第三节传感器发展的新趋势
【思考题】
1、什么是传感器、自动检测技术？
2、画出传感器的组成框图，并说明各组成部分的作用。
第一章传感器技术基础
【教学目的】
通过本章教学，使学生掌握静态特性的数学模型，动态特性的数学模型与传递函数；
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传感器的输出量与输入量之间的信息处理（函数变化曲线）；改善传感器性能的技术途
径；系统相似与机电模拟等等。
【重点难点】
静态特性的数学模型，动态特性的数学模型与传递函数；传感器的输出量与输入
量之间的信息处理（函数变化曲线）；改善传感器性能的技术途径；系统相似与机电模
拟。
第一节传感器的静态特性
一、测量范围和量程
二、线性度（非线性误差）
三、迟滞
四、重复性
五、灵敏度与灵敏度误差
六、分辨力与阈值
七、稳定性
八、漂移
九、精确度（精度）
十、误差表达
第二节传感器的动态特性
一、一般模型
二、时域响应与脉冲响应函数
三、频率响应特性
四、典型环节的动态响应
五、无失真检测条件
六、动态性能指标
第三节传感器的标定与校准
一、传感器的标定
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二、静态标定
三、动态标定
第四节改善传感器性能的技术途径
一、结构、材料与参数的合理选择
二、差动技术
三、平均技术
四、稳定性处理
五、屏蔽、隔离与干扰抑制
六、零示法、差微法与闭环技术
七、补偿与校正
八、集成化与智能化
第五节系统相似与机电模拟
一、机电模拟
二、机械阻抗
第六节传感器材料与工艺
【思考题】
1、什么是传感器的静态特性？静态特性的主要技术指标有哪些？
2、什么是传感器的动态特性？传感器动态特性的评价指标有哪些？
3、什么传感器的标定、动态标定及静态标定？
第二章电阻式传感器
【教学目的】
通过本章教学，使学生掌握结构型电阻式传感器－应变式电阻传感器的工作原理与
结构、主要特性、测量电路及温度补偿。
【重点难点】
电阻应变效应及电阻应变计(片)的工作原理；电阻应变计(片)的主要特性；电阻
应变计(片)的测量电路；电阻应变计(片)的温度误差及其补偿。
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第一节电阻应变计(片)的工作原理与结构
第二节电阻应变计(片)的种类和材料
第三节电阻应变计(片)的主要特性
第四节电阻应变计(片)的测量电路
第五节电阻应变计(片)的温度误差及其补偿
第六节电阻应变计(片)式传感器
第七节电位器式传感器
【思考题】
1、简述应变式电阻传感器的工作原理。
2、什么是金属应变片的灵敏度系数？它与金属丝的灵敏度系数有何不同？
3、采用应变片进行测量时，为什么要进行温度补偿？常用的补偿方法有哪些？
4、如何减小电位器式传感器的负载误差？
5、简述应变片在弹性元件上的布置原则，及哪几种电桥接法具有温度补偿作用。
第三章变磁阻式传感器
【教学目的】
通过本章教学，使学生掌握自感式传感器工作原理和差动变压器式传感器工作原
理、测量电路（或称转换电路）、主要误差及补偿方法；掌握电涡流式传感器工作原理。
【重点难点】
传感器线圈的电气参数分析；自感式传感器工作原理、等效电路及测量电路，零
点残余电压及其补偿；差动变压器式传感器工作原理、测量电路；电涡流式传感器工作
原理及测量电路。
第一节传感器线圈的电气参数分析
一、线圈电感
二、铜损电阻
三、涡流损耗电阻
四、磁滞损耗电阻
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五、总耗散因数与品质因数
六、并联寄生电容的影响
第二节自感式传感器
一、工作原理
二、结构形式及特性
三、转换电路
四、误差分析
第三节互感式传感器（差动变压器）
一、工作原理
二、结构形式及特性
三、转换电路
四、误差分析
第四节电感式传感器的应用及设计
一、自感式传感器的应用
二、差动变压器的应用
三、自感式和差动变压器式传感器设计
第五节电涡流式传感器
一、工作原理及等效电路
二、结构特点
三、转换电路
四、电涡流式传感器的应用
第六节压磁式传感器
【思考题】
1、电感式传感器分哪几类？各有何特点？
2、简述变气隙型自感传感器的工作原理。
3、简述差动变压器式传感器的工作原理。
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4、说明差动变压器零点残余电压产生的原因，并指出消除残余电压的方法。
第四章电容式传感器
【教学目的】
通过本章教学，使学生掌握电容式传感器工作原理、结构类型、特点及测量电路的
选择。
【重点难点】
电容式传感器工作原理、结构类型、特点，误差分析、寄生电容的消除及测量电
路的选择。
第一节工作原理、类型及性能
一、工作原理
二、基本类型
三、主要性能
第二节测量电路（或转换电路）
一、等效电路
二、电桥电路
三、运算放大器式电路
第三节误差分析
第四节电容式传感器的特点及应用
一、特点
二、应用
【思考题】
1、简述电容式传感器的工作原理。
2、电容式传感器的测量电路有哪些？
3、简述电容式传感器的误差分析与补偿方法。
4、简述电容式传感器的优缺点。
第五章磁电式传感器
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【教学目的】
通过本章教学，使学生掌握磁电式传感器工作原理、设计和应用。
【重点难点】
磁电式传感器的动态特性及工作原理，误差及补偿。
第一节磁电式传感器理论基础
第二节磁电式传感器类型
一、恒定磁通磁电式传感器
二、变磁阻磁电式传感器
第三节磁电式传感器设计基础
一、磁路设计
二、线圈参数计算与设计
三、传感器固有频率的确定及弹簧刚度的计算
四、阻尼器设计及阻尼系数的计算
第四节磁电式传感器的误差及补偿
一、电流和电压灵敏度的误差
二、温度误差
三、永久磁铁不稳定误差
四、非线性误差
第五节磁电式传感器的应用
一、振动测量
二、扭矩测量
三、流量测量
【思考题】
1、在磁电式传感器磁路设计中，工作气隙选取原则是什么？
2、试分析磁电式传感器的动态特性。
3、分析并说明磁电式传感器的误差有哪些。
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4、举例说明磁电式传感器非线性误差的补偿方法。
第六章压电式传感器
【教学目的】
通过本章教学，使学生掌握压电效应及其物理解释，影响压电传感器工作性能的
主要因素及解决措施。
【重点难点】
压电效应的物理解释；电荷放大器与电压放大器的对比；影响压电传感器工作性
能的主要因素。
第一节压电效应及压电材料
一、压电效应
二、压电材料
第二节压电式传感器测量电路
一、压电式传感器等效电路
二、电压放大器
三、电荷放大器
第三节压电式传感器的误差
一、环境温度的影响
二、环境湿度的影响
三、横向灵敏度
四、基座应变的影响
五、电缆噪声
六、接地回路噪声
第四节压电式传感器的应用
一、压电式加速度传感器
二、压电式力传感器
三、压电式压力传感器
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四、压电式超声波传感器
五、压电式微位移传感器
【思考题】
1、何谓压电效应？压电材料分为哪几种？
2、能否用压电传感器测量静态信号？试说明其理由。
3、什么是纵向压电效应及横向压电效应？
4、压电式传感器的前置放大器的作用是什么？比较电压和电荷放大器的特点，说
明为何电压灵敏度与电缆长度有关？而电荷灵敏度与电缆长度无关？
5、分析压电式传感器测量误差产生的原因。
第七章光电式传感器
【教学目的】
通过本章教学，使学生掌握光电效应及其光电器件、模拟式光电传感器工作原理
及分类；光纤传感器的结构、原理及应用；CCD 的基本结构、工作原理及应用；了解光
电检测系统的构成。
【重点难点】
光电效应、光学系统的构成及测量方法；光纤的结构和传光原理；电荷耦合摄像
器件（CCD）的工作原理。
第一节光电效应及光电器件
一、光电效应
二、外光电型光电器件
三、光电导型光电器件
四、光伏型光电器件
五、光电传感器的应用
第二节光纤传感器
一、光纤的结构和传光原理
二、光纤的性能
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三、光纤传感器及应用
第三节电荷耦合器件
一、CCD 的基本结构和工作原理
二、电荷的注入和输出
三、CCD 图像传感器
四、CCD 的主要参数
四、CCD 传感器的应用
【思考题】
1、光电效应可分几类？说明其原理并指出相应的光电器件。
2、光电器件的基本特性有哪些？它们各是如何定义的？
3、说明光导纤维的组成并分析其传光原理。
4、简述光纤传感器按作用原理或组成形式可分几种类型？举例说明。
5、为什么说电荷耦合器是集成化传感器？什么是 CCD 的开启电压？
第八章热电式传感器
【教学目的】
通过本章教学，使学生掌握热电阻测温原理、热电偶测温原理及基本定律。
【重点难点】
热电阻测温原理；热电偶测温原理及基本定律。
第一节热电偶传感器
一、热电偶测温原理
二、热电偶的基本定律
三、热电偶传感器
四、热电偶的误差及补偿措施
五、热电偶的标定
第二节热电阻传感器
一、热电阻测温原理
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二、金属热电阻
三、半导体热敏电阻
第三节其他测温传感器
【思考题】
1、何谓热电效应？热电势由哪几部分组成？热电偶产生热电势的必要条件是什
么？
2、热电偶测温时为什么要进行冷端温度补偿？其冷端温度补偿的方法有哪几种？
3、试述减小热电偶动态误差的方法。
4、热敏电阻测温有什么特点？热敏电阻可分为几种类型？
第九章固态传感器及其集成化
【教学目的】
通过本章教学，使学生掌握压阻式传感器的基本原理及基本类型；掌握磁敏传感
器工作原理及应用（其中包括霍尔效应及霍尔元件）；了解集成传感器和微机械结构传
感器工作原理及应用。
【重点难点】
压阻效应与压阻系数、压阻传感器的特性及误差因素；压阻式传感器的基本工作
原理及基本类型；磁敏传感器工作原理及应用（其中包括霍尔效应及霍尔元件）。
第一节扩散硅压阻式传感器
一、压阻效应与压阻系数
二、结构与特性
三、测量电路
四、温度补偿
五、压阻式传感器及应用
第二节磁敏传感器
一、霍尔传感器
二、磁阻传感器
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三、磁敏二极管和三极管
第三节集成传感器
第四节微机械结构传感器
第五节其它固态传感器
一、热敏传感器
二、光敏传感器
三、气敏传感器
四、湿敏传感器
【思考题】
1、固态压阻器件的结构特点是什么？受温度影响会产生哪些温度漂移？如何进行
补偿？
2、压阻式传感器采用恒压源供电和恒流源供电时，各自特点是什么？
3、解释霍尔效应及影响霍尔电势的因素。
4、霍尔元件的不等位电势是如何产生的？减小不等位电势可以采用哪些方法？
5、何谓磁阻效应？举例说明磁阻式传感器的应用。
6、电阻式半导体气敏传感器有哪些类型？试说明其特点。
7、氯化锂湿敏器件有哪些结构形式？分析其结构特点。
第十章智能传感器
【教学目的】
通过本章教学，使学生掌握智能传感器的概念、结构与特点；了解智能传感器的
数据采集和处理技术；了解智能传感器设计。
【重点难点】
智能传感器的概念、结构与特点；智能传感器的数据采集和处理技术；智能传感
器设计。
第一节智能传感器概述
一、智能传感器的概念
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二、智能传感器的特点及结构
第二节智能式传感器的数据采集
一、信号的预处理
二、数据采集
第三节智能传感器的数据处理技术
一、标度变换技术
二、非线性补偿技术
三、温度误差补偿技术
四、数字滤波技术
第四节智能传感器设计
一、结构设计
二、敏感元件设计
三、传感器工艺设计
四、软件设计
【思考题】
1、何谓智能传感器？说明智能传感器的特点及结构。
2、数据采集系统的配置有哪些？
3、在数据处理过程中，常用的数据非线性补偿方法有哪些？
第十一章数字式传感器
【教学目的】
通过本章教学，使学生了解感应同步器、光栅等数字式传感器的结构与工作原理。
【重点难点】
感应同步器的结构类型与工作原理；莫尔条纹的形式及光栅传感器的工作原理。
第一节感应同步器
第二节光栅
第三节编码器
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第四节频率式传感器
【思考题】
1、简述感应同步器的工作原理及结构。
2、简述光栅传感器的工作原理及结构。
第十二章机器人传感器
【教学目的】
通过本章教学，使学生了解机器人感觉的概念及实现的技术途径；机器人传感器结
构、分类和功用。
【重点难点】
机器人感觉。
第一节机器人传感器概述
第二节机器人视觉传感器
第三节机器人力觉传感器
第四节机器人广义触觉传感器
第五节机器人临场感技术
【思考题】
1、什么是机器人感觉？
【课程考试】
考试可采用闭卷或闭卷与开卷相结合的形式，以闭卷为主。闭卷部分的试题包括基
本概念、基本理论、基本技能等方面内容，题型可采用填空、选择、简答、综合等方式。
开卷部分的考题难度可适当加大。
总成绩：课外作业和平时测验占 20％；实验占 20％；期末考试占 60％。《传感器原
理与应用》是一门工程性、应用性都非常强的课程，通过实验可使学生增加感性认识，
进一步加深对理论知识的理解。学生必须完成本课程规定的实验，否则不能参加期末考
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试。
四、使用教材与教学参考书目
【使用教材】
孙建民，杨清梅，《传感器技术》，北京：清华大学出版社、北京交通大学出版社，
2005 年 10 月
【教学参考书目】
1、贾伯年等著，《传感器技术》第二版，东南大学出版社，2000 年
2、何道清著，《传感器与传感器技术》第一版，科学出版社，2004 年
3、刘君华编著，《智能传感器系统》第一版，西安电子科技大学出版社，1999 年
4、栾桂冬等编著，《传感器及其应用》第一版，西安电子科技大学出版社，2002
年
5、王化祥编,《传感器原理及应用》第一版,天津大学出版社,1999 年
6、强锡富主编，《传感器》第二版，机械工业出版社，1998 年

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