《传感器》教学大纲 课程编号：302035030 课程性质：必修 课程名称：传感器 学时/学分：48/3 英文名称： Transducers 考核方式： 闭卷笔试 选用教材： 《传感器》第四版唐文彦 徐晓秋 机械工业出版社 大纲执笔人： 专业教学指 先修课程 高等数学、电路原理、工程力学等 大纲审核人： 导组 适用专业：测控技术与仪器 一、 课程目标 通过本课程的教学，学生 1.能解释传感器的定义、性能指标、相关术语等基本概念并理解其含义。 2.能正确分析几何量、机械量等常用传感器的工作原理、基本特性及性能影响 参数。 3.知道常用传感器性能改善的各种措施以及传感器的标定方法，并能在解决实 际工程问题中加以应用。 4.能正确分析几何量、机械量等常用传感器转换电路的原理，并解释影响其转 换性能的原因：用相应的方法改善其性能，并验证改善结果的合理性。 5. 能分析常用传感器在各种测量装置和测控系统中的典型应用实例，并能根据 传感器应用的共性技术及工程使用方法，在设计测控系统或组织实验过程时 能正确选用传感器，并能解释其选择方法的多样性和局限性，评价其可行性。 6.能根据用户的需求对传感器设计任务进行合理分析，提出设计方案，并解释 方案的合理性。 7.了解新型传感器的知识及传感器的发展方向。 二、 教学内容 本课程作为测控技术与仪器专业的必修课，是一门理论性和实践性较强的专 业课。学习本课程旨在为学生掌握测控仪器及测控系统的设计和应用知识打下基 础。 绪论（支撑课程目标1、7） 介绍传感器的作用、定义和组成，概述传感器的分类、一般要求的技术指标 及发展展望。 要求学生：能够正确分类传感器，并能解释传感器的定义、组成和技术指标 等基本概念。 第一章传感器的一般特性（支撑课程目标1、3）
《传感器》教学大纲 课程编号: 302035030 课程性质: 必修 课程名称: 传感器 学时/学分: 48/3 英文名称: Transducers 考核方式: 闭卷笔试 选用教材: 《传感器》第四版唐文彦 机械工业出版社 大纲执笔人: 徐晓秋 先修课程: 高等数学、电路原理、工程力学等 大纲审核人: 专业教学指 导组 适用专业: 测控技术与仪器 一、 课程目标 通过本课程的教学，学生 1. 能解释传感器的定义、性能指标、相关术语等基本概念并理解其含义。 2. 能正确分析几何量、机械量等常用传感器的工作原理、基本特性及性能影响 参数。 3. 知道常用传感器性能改善的各种措施以及传感器的标定方法，并能在解决实 际工程问题中加以应用。 4. 能正确分析几何量、机械量等常用传感器转换电路的原理，并解释影响其转 换性能的原因；用相应的方法改善其性能，并验证改善结果的合理性。 5. 能分析常用传感器在各种测量装置和测控系统中的典型应用实例，并能根据 传感器应用的共性技术及工程使用方法，在设计测控系统或组织实验过程时 能正确选用传感器，并能解释其选择方法的多样性和局限性，评价其可行性。 6. 能根据用户的需求对传感器设计任务进行合理分析，提出设计方案，并解释 方案的合理性。 7. 了解新型传感器的知识及传感器的发展方向。 二、 教学内容 本课程作为测控技术与仪器专业的必修课，是一门理论性和实践性较强的专 业课。学习本课程旨在为学生掌握测控仪器及测控系统的设计和应用知识打下基 础。 绪论（支撑课程目标 1、7） 介绍传感器的作用、定义和组成，概述传感器的分类、一般要求的技术指标 及发展展望。 要求学生：能够正确分类传感器，并能解释传感器的定义、组成和技术指标 等基本概念。 第一章 传感器的一般特性（支撑课程目标 1、3）
1.传感器的静特性，包括线性度、迟滞、重复性、灵敏度等静特性指标 2.传感器的动特性，包括数学模型与传递函数、频率特性及过渡函数与稳 定时间等 3 实际的模拟传感器的数学模型：一阶传感器、二阶传感器， 传感器标定的基本概念、方法以及传感器的主要技术指标， 要求学生：能够正确分析传感器的静、动态特性，并正确计算传感器的各种 静态特性指标和主要动态特性指标：了解实际的模拟传感器的数学模型和传 递函数：会使用传感器的基本标定方法完成传感器的标定。 第二章电阻式传感器（支撑课程目标2、4、5、6） 1.金属应变效应和压阻效应 2.应变式传感器和压阻式传感器的工作原理及基本特性。 转换电路的工作原理、主要特性及改善性能的方法（主要包括等臂条件 下的单臂桥、双臂桥及全桥电路的输出灵敏度和非线性) 4. 温度误差产生的原因及影向，各种补偿方法的基本原理， 寸 应变式传感器的应用实例。 6. 电阻应变效应与压阻效应的区别、比较两种不同应变片的特点及产生温 度误差的不同原因和补偿方法 要求学生：能针对两种类型的传感器正确分析工作原理、转换电路和基本特 性，进行正确的推导和计算；能分析温度误差产生原因，进行正确的推导和 计算，并选用适当的补偿方法：了解工程设计注意事项及实际应用的解决方 法和条件。 第三章电感式传感器（支撑课程目标2、4、5、6） 1. 自感传感器和差动变压器的工作原理、结构特点：基本特性及转换电路。 零点残余电压的产生原因、危害及从设计上采取的不同消除方法， 3. 涡流效应及涡流传感器的工作原理、等效电路及基本特性 4. 涡流传感器的转换电路 涡流渗透深度的计算方法：高颜反射和低频透射涡流传感器的区别及使 用条件和方法。 三种传感器的应用实例。 要求学生：能针对自感传感器、差动变压器和涡流传感器正确分析工作原理 转换电路和基本特性，进行正确的推导和计算：能区别自感传感器和差动变 压器、高频反射和低频透射涡流传感器的不同特点：能分析零点残余电压的 产生原因和危害 解 处理办 了解三种电感传感器实际应用 的条件和注意事项，能根据测量任务正确选择传感器。 第四章电容式传感器（支撑课程目标2、4、5、6） 1.电容式传感器的工作原理、常用类型。 电容式传感器的等效电路
1. 传感器的静特性，包括线性度、迟滞、重复性、灵敏度等静特性指标。 2. 传感器的动特性，包括数学模型与传递函数、频率特性及过渡函数与稳 定时间等。 3. 实际的模拟传感器的数学模型：一阶传感器、二阶传感器。 4. 传感器标定的基本概念、方法以及传感器的主要技术指标。 要求学生：能够正确分析传感器的静、动态特性，并正确计算传感器的各种 静态特性指标和主要动态特性指标；了解实际的模拟传感器的数学模型和传 递函数；会使用传感器的基本标定方法完成传感器的标定。 第二章 电阻式传感器（支撑课程目标 2、4、5、6） 1. 金属应变效应和压阻效应。 2. 应变式传感器和压阻式传感器的工作原理及基本特性。 3. 转换电路的工作原理、主要特性及改善性能的方法（主要包括等臂条件 下的单臂桥、双臂桥及全桥电路的输出灵敏度和非线性）。 4. 温度误差产生的原因及影响，各种补偿方法的基本原理。 5. 应变式传感器的应用实例。 6. 电阻应变效应与压阻效应的区别、比较两种不同应变片的特点及产生温 度误差的不同原因和补偿方法。 要求学生：能针对两种类型的传感器正确分析工作原理、转换电路和基本特 性，进行正确的推导和计算；能分析温度误差产生原因，进行正确的推导和 计算，并选用适当的补偿方法；了解工程设计注意事项及实际应用的解决方 法和条件。 第三章 电感式传感器（支撑课程目标 2、4、5、6） 1. 自感传感器和差动变压器的工作原理、结构特点；基本特性及转换电路。 2. 零点残余电压的产生原因、危害及从设计上采取的不同消除方法。 3. 涡流效应及涡流传感器的工作原理、等效电路及基本特性。 4. 涡流传感器的转换电路。 5. 涡流渗透深度的计算方法；高频反射和低频透射涡流传感器的区别及使 用条件和方法。 6. 三种传感器的应用实例。 要求学生：能针对自感传感器、差动变压器和涡流传感器正确分析工作原理、 转换电路和基本特性，进行正确的推导和计算；能区别自感传感器和差动变 压器、高频反射和低频透射涡流传感器的不同特点；能分析零点残余电压的 产生原因和危害，了解工程应用的处理办法；了解三种电感传感器实际应用 的条件和注意事项，能根据测量任务正确选择传感器。 第四章 电容式传感器（支撑课程目标 2、4、5、6） 1. 电容式传感器的工作原理、常用类型。 2. 电容式传感器的等效电路
3.电容式传感器转换电路的工作原理，包括电桥电路、二极管T型电路和 差动脉冲调宽电路等。 电容式传感器的主要性能、特点和设计要点， 5.应用举例。 要求学生：能正确分析不同类型电容传感器的工作原理和基本特性：了解电 容式传感器常用转换电路的工作原理 能针对差动脉冲调宽电路正确分析工 作原理，定性绘出波形图，推导输入输出表达式并进行相应的计算：能正确 分析电容式传感器的静态灵敏度、非线性，并进行推导计算：能理解边缘效 应及寄生电容的影响，了解改进方法和措施：了解电容传感器实际应用的方 法和条件，能够根据测量任务正确选择传感器。 第五章磁电式传感器（支撑课程目标2、4、5、6） 1 磁电感应式传感器类型及其工作原理。 磁电感应式传感器的应用。 3. 霍尔效应的基本概念及霍尔式传感器的工作原理及主要特性 4. 霍尔元件的零位误差、温度误差误差及其补偿 霍尔传感器的应用实例， 要求学生：了解磁电感应式传感器的工作原理、主要类型及应用：理解霍尔 传感器的工作原理、基本特性及其影响因素，进行相应的推导计算： 能正确 分析霍尔元件零位误差及温度误差的产生原因，针对补偿电路进行正确的打 导，得出补偿条件：了解磁电感应式传感器和霍尔传感器实际应用的方法和 条件，并能根据测量任务正确选择传感器。 第六章压电式传感器（支撑课程目标2、4、5、6） 1. 正、逆压电效应的基本概念。 2. 基于正压电效应的传感器的工作原理，石英晶体横向效应和纵向效应的 表达式及物理解释。 常用的压电材料及其特点、压电元件的常用结构形式、串并联计算公式 及应用：重点讨论石英晶体横向压电效应和纵向压电效应的特点。 4. 压电传感器的等效电路及灵敏度。 5. 电压放大器和电荷放大器的工作原理及主要特性 6.压电式传感器的应用实例 1. 实际应用中的误差因素。 要求学生：能解释正、逆压电效应的基本概念，了解常用压电材料的特点 能推导石英晶体横向效应和纵向效应压的表达式并进行相应的计算：能推导 电压放大器和电荷放大器的输入输出表达式，并理解两者的不同特点 正 应用：丁解压电式传感器实际工程应用的万法和条件，及买际应用中的误差 因素，并能根据测量任务正确洗择传感器。 第七章光电式传感器(《光电检测技术》讲授) 第八章热电式传感器（支撑课程目标2、4、5、6）
3. 电容式传感器转换电路的工作原理，包括电桥电路、二极管 T 型电路和 差动脉冲调宽电路等。 4. 电容式传感器的主要性能、特点和设计要点。 5. 应用举例。 要求学生：能正确分析不同类型电容传感器的工作原理和基本特性；了解电 容式传感器常用转换电路的工作原理，能针对差动脉冲调宽电路正确分析工 作原理，定性绘出波形图，推导输入输出表达式并进行相应的计算；能正确 分析电容式传感器的静态灵敏度、非线性，并进行推导计算；能理解边缘效 应及寄生电容的影响，了解改进方法和措施；了解电容传感器实际应用的方 法和条件，能够根据测量任务正确选择传感器。 第五章 磁电式传感器（支撑课程目标 2、4、5、6） 1. 磁电感应式传感器类型及其工作原理。 2. 磁电感应式传感器的应用。 3. 霍尔效应的基本概念及霍尔式传感器的工作原理及主要特性。 4. 霍尔元件的零位误差、温度误差误差及其补偿。 5. 霍尔传感器的应用实例。 要求学生：了解磁电感应式传感器的工作原理、主要类型及应用；理解霍尔 传感器的工作原理、基本特性及其影响因素，进行相应的推导计算；能正确 分析霍尔元件零位误差及温度误差的产生原因，针对补偿电路进行正确的推 导，得出补偿条件；了解磁电感应式传感器和霍尔传感器实际应用的方法和 条件，并能根据测量任务正确选择传感器。 第六章 压电式传感器（支撑课程目标 2、4、5、6） 1. 正、逆压电效应的基本概念。 2. 基于正压电效应的传感器的工作原理，石英晶体横向效应和纵向效应的 表达式及物理解释。 3. 常用的压电材料及其特点、压电元件的常用结构形式、串并联计算公式 及应用；重点讨论石英晶体横向压电效应和纵向压电效应的特点。 4. 压电传感器的等效电路及灵敏度。 5. 电压放大器和电荷放大器的工作原理及主要特性。 6. 压电式传感器的应用实例。 7. 实际应用中的误差因素。 要求学生：能解释正、逆压电效应的基本概念，了解常用压电材料的特点； 能推导石英晶体横向效应和纵向效应压的表达式并进行相应的计算；能推导 电压放大器和电荷放大器的输入输出表达式，并理解两者的不同特点，正确 应用；了解压电式传感器实际工程应用的方法和条件，及实际应用中的误差 因素，并能根据测量任务正确选择传感器。 第七章 光电式传感器（《光电检测技术》讲授） 第八章 热电式传感器（支撑课程目标 2、4、5、6）
1.热电效应的基本概念：热电偶热电势的表达式及有关热电偶回路的重要 结论 热电偶的三个基本工作定律和实际应用意义： 3. 常用热电偶及其特点： 4. 热电偶冷端温度补偿的意义、补偿导线的作用及补偿方法： 5.常用热电阻的工作原理及特点： 6。热敏电阻的测温原理、基本特性和测量电路及集成温度传感器 7.几种热申式传成器的应用实例 要求学生：能分析热电偶传感器的工作原理，推导热电效应表达式，论证有 关热电偶回路重要结论：能推导出热电偶 个基本定律，并理解其实际应用 意义：能分析热电偶的温度误差，理解补偿导线的作用，正确分析桥路补偿 法的原理；了解常用热电偶、热敏电阻和热电阻的特点和测温范围；知道热 敏电阻作为测温元件和补偿元件的应用区别，能根据工程应用的实际条件选 择合活的温府传咸器 第十一章波式和射线式传感器（选讲）（支撑课程目标5） 1.超声波及其物理性质，超声波检测的主要特点： 2. 超声波的波形及其转换：超声波的折射、反射和衰减： 超声波传感器及其应用实例。 要求学生：了解超声波传感器的基本原理及应用实例。 第十二章半导体式物性传感器（选讲）（支撑课程目标5） 1.气敏、湿敏、磁敏等传感元件的工作原理、类型及特点： 2.各类传感器的典型应用 第十三章传感技术新发展（支撑课程目标5、7） 1. MEMS传感器的原理、特点及加工技术，应用举例： 无线传感器网络的结构和特点 3. 无线传感器网络的设计要点和应用 其他新型传感器，包括红外热像仪、超导传感器及智能传感器 要求学生：了解所讲新型传感器的基本测量原理， 讨论它们与传统的机电类 传感器相比较，在原理基础、高灵敏度、高精度、非接触测量、集成化以及 智能化等方面有哪些不同，拓展学生的学习视野，培养学生接受新知识的能 力。 三、 实验内容（共计6学时） 序 实验名称 主要内容 支撑课程是否学 号 目标 必做 时 电涡流传感器位移特 了解电涡流传感器测量位移的工作原理和 课程目标 1 必做 性实哈 特性 2 2 电涡流式传感器的 果程目标 了解涡流传感器原理、性能及标定方法。 必做 态标定实验
1. 热电效应的基本概念；热电偶热电势的表达式及有关热电偶回路的重要 结论； 2. 热电偶的三个基本工作定律和实际应用意义； 3. 常用热电偶及其特点； 4. 热电偶冷端温度补偿的意义、补偿导线的作用及补偿方法； 5. 常用热电阻的工作原理及特点； 6. 热敏电阻的测温原理、基本特性和测量电路及集成温度传感器 7. 几种热电式传感器的应用实例。 要求学生：能分析热电偶传感器的工作原理，推导热电效应表达式，论证有 关热电偶回路重要结论；能推导出热电偶三个基本定律，并理解其实际应用 意义；能分析热电偶的温度误差，理解补偿导线的作用，正确分析桥路补偿 法的原理；了解常用热电偶、热敏电阻和热电阻的特点和测温范围；知道热 敏电阻作为测温元件和补偿元件的应用区别，能根据工程应用的实际条件选 择合适的温度传感器。 第十一章波式和射线式传感器（选讲）（支撑课程目标 5） 1. 超声波及其物理性质，超声波检测的主要特点； 2. 超声波的波形及其转换；超声波的折射、反射和衰减； 3. 超声波传感器及其应用实例。 要求学生：了解超声波传感器的基本原理及应用实例。 第十二章半导体式物性传感器（选讲）（支撑课程目标 5） 1. 气敏、湿敏、磁敏等传感元件的工作原理、类型及特点； 2. 各类传感器的典型应用 第十三章 传感技术新发展（支撑课程目标 5、7） 1. MEMS 传感器的原理、特点及加工技术，应用举例； 2. 无线传感器网络的结构和特点 3. 无线传感器网络的设计要点和应用； 4. 其他新型传感器，包括红外热像仪、超导传感器及智能传感器 要求学生：了解所讲新型传感器的基本测量原理，讨论它们与传统的机电类 传感器相比较，在原理基础、高灵敏度、高精度、非接触测量、集成化以及 智能化等方面有哪些不同，拓展学生的学习视野，培养学生接受新知识的能 力。 三、 实验内容(共计 6 学时) 序 号 实验名称 主要内容 支撑课程 目标 是否 必做 学 时 1 电涡流传感器位移特 性实验 了解电涡流传感器测量位移的工作原理和 特性。 课程目标 2 必做 1 2 电涡流式传感器的静 态标定实验 了解涡流传感器原理、性能及标定方法。 课程目标 3 必做 1
3 光电开关的转速测量 了解光电式传感器（反射）测最转速的原 课程目标 2 必做 立验 理与方法。 差压变压器（互感式） 了解差动变压器的结构原理，加深理解差 课程目标 的性能 压变压器的工作原理 必做 金属箔式应变片：单 验证单臂、半桥、全桥的输出特性，并进 课程目标 臂、半桥、全桥比较 行比较，由此加深对应变式传感器性能改 4 选做 姜方法的理解。 光纤位移传感器静态 了解米红式位移传成的结物原理通村 课程目标 6 实验 测试光纤位移传感器的静态指标，进一步 选做 2 理解传感器的静态性能。 压电式传感器的动态 了解压电式传感器的原理、结构及应用， 课程目标 7 选做 响应实验 加深理解传感器的动态响应特性。 2 四、 参考文献 [山《传感器原理及应用》，赵燕，北京大学出版社，2010.0 [2]】《传感器原理及应用技术》，第三版刘新、刘笃仁，西安电子科技大学 大学出版社，2013.08 3)《传感器原理及应用》，第三版王化祥，天津大学出版社，2007.02 [4《传感器原理及应用》，王长涛尚文利等，人民邮电出版社，2012.07 [5]《传感器原理与传感器技术》，贾石峰，机械工业出版社，2009.09 [6《光电传感器应用技术》，第二版王庆有，机械工业出版社，2014.04 [7)《传感器应用电路400例》，王煜东，中国电力出版社，2008.08 五、达成课程目标的途径与措施 达成目标的途径和措施主要有： 1. 通过讲授使学生理解传感器的基本概念、基本理论。 2 通过分析传感器实现非电量转换的工作原理、基本特性及性能影响参数， 培养学生提出问题、分析问题、解决问题的能力。 3.利用学生感兴趣的应用实例（如传感器在不同参数测量中的应用）并结 合课后练习题、思考愿帮助学生理解学习的主要内容，使学生学会传感 器设计的一般方法，并具备正确选用传感器的能力。 4.采用“大班樱课、小组研讨”的方式讲行授课。按课程讲度布置学生研 讨题和课后作业题：学生分为8-10个小组，由研讨小组组长负责组织小 组成员开展多种形式的学习活动，包括查阅相关资料、研讨题讨论、平 时作业讨论及进行实验等。课程配备一名研究生助教，成绩评定方式详 见第六点。 5.理论教学与课程实验及专业课课程设计相结合，增强学生实践能力与分 析解决复杂工程问题的能力
3 光电开关的转速测量 实验 了解光电式传感器（反射）测量转速的原 理与方法。 课程目标 2 必做 2 4 差压变压器（互感式） 的性能 了解差动变压器的结构原理，加深理解差 压变压器的工作原理。 课程目标 2 必做 2 5 金属箔式应变片：单 臂、半桥、全桥比较 验证单臂、半桥、全桥的输出特性，并进 行比较，由此加深对应变式传感器性能改 善方法的理解。 课程目标 4 选做 2 6 光纤位移传感器静态 实验 了解光纤式位移传感器的结构原理，通过 测试光纤位移传感器的静态指标，进一步 理解传感器的静态性能。 课程目标 2 选做 2 7 压电式传感器的动态 响应实验 了解压电式传感器的原理、结构及应用， 加深理解传感器的动态响应特性。 课程目标 2 选做 2 四、 参考文献 [1] 《传感器原理及应用》，赵燕，北京大学出版社，2010.01 [2] 《传感器原理及应用技术》，第三版 刘靳、刘笃仁，西安电子科技大学 大学出版社，2013.08 [3] 《传感器原理及应用》，第三版 王化祥，天津大学出版社，2007.02 [4] 《传感器原理及应用》，王长涛 尚文利等，人民邮电出版社，2012.07 [5] 《传感器原理与传感器技术》，贾石峰，机械工业出版社，2009.09 [6] 《光电传感器应用技术》，第二版 王庆有，机械工业出版社，2014.04 [7] 《传感器应用电路 400 例》，王煜东，中国电力出版社，2008.08 五、 达成课程目标的途径与措施 达成目标的途径和措施主要有： 1. 通过讲授使学生理解传感器的基本概念、基本理论。 2. 通过分析传感器实现非电量转换的工作原理、基本特性及性能影响参数， 培养学生提出问题、分析问题、解决问题的能力。 3. 利用学生感兴趣的应用实例（如传感器在不同参数测量中的应用）并结 合课后练习题、思考题帮助学生理解学习的主要内容，使学生学会传感 器设计的一般方法，并具备正确选用传感器的能力。 4. 采用“大班授课、小组研讨”的方式进行授课。按课程进度布置学生研 讨题和课后作业题；学生分为 8‐10 个小组，由研讨小组组长负责组织小 组成员开展多种形式的学习活动，包括查阅相关资料、研讨题讨论、平 时作业讨论及进行实验等。课程配备一名研究生助教，成绩评定方式详 见第六点。 5. 理论教学与课程实验及专业课课程设计相结合，增强学生实践能力与分 析解决复杂工程问题的能力