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课程编码：08265010
课程名称：传感器原理及检测技术
英文名称：The Sensor Theory and Detection Technology
开课学期：5
学时/学分：48/3
课程类型：学科基础课程
开课专业：测控技术与仪器、电气工程及其自动化
选用教材：《传感器原理及检测技术》吉林大学、吉林大学出版社2003年9月
主要参考书：
1、强锡富主编：《传感器》，机械工业出版社，2004年，第4版。
2、刘希芳王君著：《地学传感器原理与应用》，地质出版社，1996年。
3、阿雷尼，韦伯斯特著，张伦译：《传感器和信号调节》，清华大学出版社，2003年，第2版。
4、宋文绪杨帆主编：《传感器与检测技术》，高等教育出版社，2004年。
5、陈杰黄鸿编著：《传感器与检测技术》，高等教育出版社，2002年。
6、余成波胡新宇赵勇主编：《传感器与自动检测技术》，高等教育出版社，2004年。
执笔人：凌振宝
一、课程性质、目的与任务
传感器原理及检测技术是测控技术与仪器等专业开设的一门学科基础课程，也是电气工程及自动化等专业的选修课程。本课程以各类传感器的工作机理和相应测量电路为线索，详细介绍了各类传感器的工作原理、基本结构、相应的测量及检测电路和在各个领域中的应用，使学生掌握不同种类传感器的使用方法和设计要点的基本技能，为从事仪器系统开发与设计打下基础。
二、教学基本要求
1、了解在各个领域中的传感器的应用及作用，掌握传感器的定义、组成、分类、性能指标改善途径和发展动向；掌握传感器静态特性和动态特性的技术指标及相关计算；掌握传感器的选用原则。
2、了解质子旋进式磁敏传感器、光泵式磁敏传感器、SQUID磁敏传感器、磁通门式磁敏传感器、感应式磁敏传感器、机械式磁敏传感器的结构、设计特点和应用，掌握其基本工作原理；掌握磁敏传感器的种类；了解霍霍耳磁敏传感器的结构与尺寸、各引脚定义名称、电路符号及其基本特性指标的含义，掌握霍耳效应定义及其表达式推导过程，掌握霍耳磁敏传感器工作原理和集成霍耳传感器应用方法；了解磁敏二极管、磁敏三极管和磁敏电阻三种传感器的灵敏度指标，掌握三种磁敏传感器工作原理和应用方法。
3、掌握热电效应、热阻效应、热电回路定律、热电偶冷端补偿的方法、热敏电阻的特性指标和曲线含义、集成温度传感器及热电阻测量电路原理和AD590的特性及应用，了解单总线数字温度传感器、热电阻等其他温度传感器工作原理、特点及使用方法。
4、掌握各种光电效应定义及所对应的光电传感器、掌握光电管、光电倍增管、光敏电阻、光电池、光敏二极管和光敏三极管等光电器件的工作原理、特点和应用场合，了解光谱知识、常用光源种类和特点；了解色敏光电传感器、光固态图象传感器和光电耦合器的结构、工作原理和作用。
5、了解金属应变式传感器结构与材料、粘贴方法，掌握应变效应定义和推导过程、金属应变式传感器特性指标和温度补偿原因与方法。掌握直流电桥输出表达式推导过程，电桥平衡条件及三种电桥特点；了解应变式传感器应用场合和组成部件，掌握柱力式传感器、梁力式传感器、应变式压力传感器、应变式加速度传感器等四种传感器工作原理；了解晶向与晶面的表示方法，掌握压阻效应和测量桥路及温度补偿。了解电感式传感器的定义、种类、感测对象、优点和不足以及自感式传感器输出表达式推导过程，掌握自感传感器工作原理、特点、等效电路参数和测量电路工作原理；了解差动变压器的种类、结构形式和输出表达式推导过程，掌握差动变压器的组成、等效电路、影响误差因素、测量电路形式和应用实例。了解电容传感器的结构形式、一般特点应用场合，掌握电容传感器工作原理、类型、等效电路和测量电路工作原理及电容传感器相关理论计算内容；了解电容传感器在不同领域应用的情况，掌握电容传感器的主要性能与特点及其设计要点。了解压电传感器应用场合和压电材料种类及特性，掌握两种压电效应定义、基本等效电路和实际等效电路中各参数的含义以及压电传感器只能用于动态测量的原因；掌握压电传感器前置放大器有的作用、电路形式、推导输出表达式、分析影响灵敏度因素；掌握压电传感器测量加速度、压力、流量的原理以及集成压电式传感器的应用场合、技术指标和电路连接方式。
6、了解光纤传感器发展的过程、光纤结构、主要特点和能够检测的物理量，掌握光纤传感器结构原理，功能型、非功能型和拾光型三类传感器特点，掌握检测温度、压力、液位、流量和流速的传感器工作原理；了解气敏传感器结构和主要特性参数，掌握接触燃烧式、半导体和氧化锆氧气等三种气体传感器工作原理；了解湿度传感器应用场合、结构和依据使用材料的分类以及湿度表示法与湿度传感器的主要参数，掌握电解质、陶瓷和高分子等三种湿度传感器工作原理及特点。
7、了解基于IEEE 1451的智能传感器的发展现状，掌握基于该标准的智能传感器协议的特点、构件、体系结构及实际应用领域。
8、掌握传感器静态特性和动态特性的标定方法，了解传感器标定所用的设备技术指标。
三、各章节内容及学时分配
第一章 绪论（4学时）
教学目的与要求
通过本部分的学习，要求学生重点掌握传感器的定义、组成、分类、性能指标改善途径和发展动向；掌握传感器静态特性和动态特性的技术指标及相关计算；掌握传感器的选用原则，概括了解在各个领域中的传感器的应用及作用。
教学内容
第一节 传感器的地位和作用
第二节 传感器的定义
第三节 传感器的组成
第四节 传感器的分类
第五节 传感器的发展趋势
一、改善传感器的性能的技术途径
二、传感器的发展动向
第六节 传感器的选用原则
第七节 传感器的一般特性
一、传感器的静态特性
二、传感器的动态特性
考核要求
了解：“传感器原理及检测技术”课程主要讲授内容和传感器的地位和作用。
理解：静态特性和动态特性的技术指标含义。
掌握：传感器的定义、组成、分类、性能指标改善途径和发展动向；传感器的选用原则。
第二章 磁敏传感器（8学时）
教学目的与要求
了解质子旋进式磁敏传感器、光泵式磁敏传感器、SQUID磁敏传感器、磁通门式磁敏传感器、感应式磁敏传感器、机械式磁敏传感器的结构、设计特点和应用，掌握其基本工作原理；掌握磁敏传感器的种类；了解霍耳磁敏传感器的结构与尺寸、各引脚定义名称、电路符号及其基本特性指标的含义，掌握霍耳效应定义及其表达式推导过程，掌握霍耳磁敏传感器工作原理和集成霍耳传感器应用方法；了解磁敏二极管、磁敏三极管和磁敏电阻三种传感器的灵敏度指标，掌握三种磁敏传感器工作原理和应用方法。
教学内容
第一节 质子旋进式磁敏传感器（部分内容自学）
一、质子旋进式磁敏传感器的测磁原理
二、地磁场的测量与旋进信号
三、质子旋进式磁敏传感器的设计
四、质子旋进式磁敏传感器的应用
第二节 光泵式磁敏传感器（部分内容自学）
一、氦（He4）光泵式磁敏传感器的物理基础
二、氦（He4）光泵式磁敏传感器的测磁原理
三、氦（He4）光泵式磁敏传感器的组成及工作原理
四、磁共振检测方法
五、氦（He4）光泵式磁敏传感器的应用
第三节 SQUID磁敏传感器（部分内容自学）
一、SQUID磁敏传感器的基本原理
二、SQUID磋敏传感器的构成类型
三、SQUID磁敏传感器的检测方法
四、SQUID磁敏传感器的应用
第四节 磁通门式磁敏传感器（部分内容自学）
一、磁通门式磁敏传感器的物理基础
二、磁通门式磁敏传感器的二次谐波法测磁原理
三、磁通门式磁敏传感器的应用
第五节 感应式磁敏传感器（部分内容自学）
一、感应式磁敏传感器的物理基础
二、感应式磁敏传感器的测磁原理
三、几种典型的感应式磁敏传感器简介
四、感应式磁敏传感器的应用
第六节 半导体磁敏传感器
一、霍尔磁敏传感器
二、磁敏二极管和磁敏三极管
三、磁敏二极管和磁敏三极管的应用
四、常用磁敏管的型号和参数
第七节 机械式磁敏传感器（自学）
考核要求
了解：六种地学传感器的结构、设计特点和应用；霍耳磁敏传感器的结构与尺寸、各引脚定义名称、电路符号及其基本特性指标的含义；磁敏二极管、磁敏三极管和磁敏电阻三种传感器的灵敏度指标。
理解：霍尔效应、磁敏二极管、磁敏三极管测磁原理。
掌握：磁敏传感器种类、工作原理及半导体传感器应用方法。
第三章 温度传感器（6学时）
教学目的与要求
了解温度传感器相关的基本概念、分类和发展趋势，掌握热电效应定义、热电偶的温差电动势和接触电动势的含义和表达式、回路定律、冷端补偿原因和方法；了解热敏电阻特点、集成温度传感器结构和其它温度传感器种类，掌握热敏电阻的分类、特性和应用领域，集成温度传感器测量电路和用法，铂电阻的特点和用法。
教学内容
第一节 概 论
一、温度的基本概念
二、温度传感器的特点与分类
三、温度传感器的发展概况
第二节 热电偶温度传感器
一、热电偶的工作原理
二、热电偶回路的性质
三、热电偶的常用材料与结构
四、冷端处理及补偿
第三节 热敏电阻温度传感器
一、热敏电阻的特点与分类
二、热敏电阻的基本参数
三、热敏电阻器主要特性
四、热敏电阻器的应用
第四节 IC温度传感器
一、IC温度传感器的分类。
二、IC温度传感器的测温原理
三、IC温度传感器的主要特性
四、IC温度传感器的应用
第五节 其他温度传感器（部分内容自学）
一、铂电阻温度传感器
二、水晶温度传感器
三、分布温度传感器
四、双金属温度传感器
考核要求
了解：温度传感器相关的基本概念、分类和发展，热敏电阻特点、集成温度传感器结构和其它温度传感器种类。
理解：热电效应、热电偶回路定律、三线制与四线制。
掌握：冷端补偿原因和方法，热敏电阻种类、特性和应用领域，集成温度传感器测量电路和用法，铂电阻的特点和用法。
第四章 光电传感器（6学时）
教学目的与要求
了解光谱知识、常用光源种类和特点，掌握各种光电效应定义和所对应的传感器及爱因斯坦方程表达式与含意，掌握常用光电器件工作原理、性能特点和应用场合；了解色敏光电传感器、光固态图象传感器和光电耦合器的结构和作用，掌握三种新型光电传感器工作原理；掌握烟尘浊度监测仪原理、光电转速传感器设计方法和光电池应用场合。
教学内容
第一节 概述
一、光谱
二、光源（发光器件）
三、光电效应
第二节 外光电效应器件
一、光电管及其基本特性
二、光电倍增管及其基本特性
第三节 内光电效应器件
一、光敏电阻
二、光敏二极管和光敏三极管
三、光电池
第四节 新型光电传感器
一、光电二极管
二、色敏光电传感器
三、光固态图象传感器（自学）
第五节 光敏传感器的应用举例
一、烟尘浊度监测仪
二、光电转速传感器
三、光电池应用
四、光电耦合器
考核要求
了解：光谱知识、常用光源种类和特点；了解色敏光电传感器、光固态图象传感器和光电耦合器的结构和作用。
理解：各种光电效应定义和所对应的传感器及爱因斯坦方程表达式与含意。
掌握：常用光电器件工作原理、性能特点和应用场合；三种新型光电传感器工作原理；烟尘浊度监测仪原理、光电转速传感器设计方法和光电池应用。
第五章 力敏传感器（14学时）
教学目的与要求
通过本章的学习，学生应全面了解金属应变式传感器结构与材料、粘贴方法、应用场合和组成部件，晶向与晶面的表示方法，掌握应变效应定义和推导过程、金属应变式传感器特性指标和温度补偿原因与方法，掌握直流电桥输出表达式推导过程，电桥平衡条件及三种电桥特点，掌握柱力式传感器、梁力式传感器、应变式压力传感器、应变式加速度传感器等四种传感器工作原理，掌握压阻效应和测量桥路及温度补偿；了解电感式传感器的定义、种类、感测对象、优点和不足以及电感式传感器输出表达式推导过程，掌握自感传感器工作原理、特点、等效电路参数和测量电路工作原理，掌握差动变压器的组成、等效电路、影响误差因素、测量电路形式和应用实例；了解电容传感器的结构形式、一般特点、应用场合，掌握电容传感器工作原理、类型、等效电路和测量电路工作原理及电容传感器相关理论计算内容，掌握电容传感器的主要性能与特点及其设计要点；了解压电传感器应用场合和压电材料种类及特性，掌握两种压电效应定义、基本等效电路和实际等效电路中各参数的含义以及压电传感器只能用于动态测量的原因，掌握压电传感器前置放大器有的作用、电路形式、推导输出表达式、分析影响灵敏度因素。
教学内容
第一节 应变式传感器
一、金属应变片式传感器
二、压阻式传感器
第二节 电感式传感器（部分内容自学）
一、电感式传感器
二、差动变压器
三、电涡流式传感器
第三节 电容式传感器
一、工作原理与类型
二、转换电路
三、主要性能、特点和设计要点
第二节 压电式传感器
一、压电效应
二、压电材料
三、压电式传感器的测量电路
四、压电式传感器的应用
考核要求
了解：金属应变式传感器结构与材料、粘贴方法、应用场合和组成部件，晶向与晶面的表示方法；电感式传感器的定义、种类、感测对象、优点和不足以及电感式传感器输出表达式推导过程；电容传感器的结构形式、一般特点、应用场合；压电传感器应用场合和压电材料种类及特性。
理解：应变效应、压电效应、电容传感器的主要性能与特点及其设计要点。
掌握：金属应变式传感器特性指标和温度补偿原因与方法，直流电桥输出表达式推导过程，电桥平衡条件及三种电桥特点，柱力式传感器、梁力式传感器、应变式压力传感器、应变式加速度传感器等四种传感器工作原理，压阻效应和测量桥路及温度补偿；电感传感器工作原理、特点、等效电路参数和测量电路工作原理，差动变压器的组成、等效电路、影响误差因素、测量电路形式和应用实例；电容传感器工作原理、类型、等效电路和测量电路工作原理及电容传感器相关理论计算内容；压电传感器基本等效电路和实际等效电路中各参数的含义及其只能用于动态测量的原因，压电传感器前置放大器有的作用、电路形式、推导输出表达式、分析影响灵敏度因素。
第六章 其他种类的传感器（4学时）
教学目的与要求
通过本章的学习，学生应全面掌握光纤传感器结构原理，功能型、非功能型和拾光型三类传感器特点，掌握检测温度、压力、液位、流量和流速的传感器工作原理；掌握接触燃烧式、半导体和氧化锆氧气等三种气体传感器工作原理；掌握电解质、陶瓷和高分子等三种湿度传感器工作原理及特点。了解光纤传感器发展的过程、光纤结构、主要特点和能够检测的物理量，了解气敏传感器结构和主要特性参数，了解湿度传感器应用场合、结构和依据使用材料的分类以及湿度表示法与湿度传感器的主要参数。
教学内容
第一节 光纤传感器
一、光导纤维导光的基本原理
二、光纤传感器结构原理及分类
三、光纤传感器的应用
第二节 气敏传感器
一、接触燃烧式气体传感器
二、半导体气体传感器
三、氧化锆氧气传感器
四、气体传感器的应用
第三节 湿度传感器
一、湿度表示法
二、湿度传感器的主要参数
三、电解质湿度传感器
四、陶瓷湿度传感器
五、高分子湿度传感器
六、湿度传感器的测量电路
考核要求
了解：光纤传感器发展的过程、光纤结构、主要特点和能够检测的物理量，气敏传感器结构和主要特性参数，湿度传感器应用场合、结构和依据使用材料的分类以及湿度表示法与湿度传感器的主要参数。
理解：光纤传感器结构原理，气体传感器工作原理。
掌握：光纤传感器功能型、非功能型和拾光型三类传感器特点，检测温度、压力、液位、流量和流速的传感器工作原理；电解质、陶瓷和高分子等三种湿度传感器工作原理及特点。
第七章 智能传感器（4学时）
教学目的与要求
通过本章的学习，学生应全面掌握基于IEEE 1451标准的智能传感器协议的特点、构件、体系结构、技术特征及实际应用领域，了解基于IEEE 1451的智能传感器的发展现状。
教学内容
第一节 概述
一、IEEE 1451产生背景
二、IEEE 1451标准接口的结构
第二节 IEEE 1451的技术特征
一、数字接口
二、变换器校准模型
三、校准数学模型
第三节 网络化智能传感器设计
一、智能变送器模块模型
二、通用开发平台设计
三、固件设计思想
第四节 应用设计实例
一、温湿度智能变送器模块
二、人体感应智能变送器模块
考核要求
了解：基于IEEE 1451的智能传感器研究的立历史、现状和发展趋势。
理解：电子数据表TEDS的设计思想。
掌握：智能传感器系统软硬件设计方法。
第八章 传感器标定（4学时）
教学目的与要求
通过本章的学习，学生应全面掌握传感器静态特性和动态特性的标定方法，了解传感器标定所用的设备技术指标。
教学内容
第一节 传感器静态特性的标定方法
第二节 传感器特性的实验确定法
一、阶跃信号响应法
二、正弦信号响应法
三、其他方法
第三节 常用的标定设备
一、静态标定设备
二、动态标定设备
第四节 传感器标定举例
一、应变传感器静态特性的标定
二、压电式压力传感器静态特性的标定
三、热电阻的静态特性标定
四、压力传感器的动态标定
五、加速度传感器灵敏度标定
考核要求
了解：传感器常用的标定设备。
理解：传感器标定过程。
掌握：传感器标定方法。
四、考核方式：笔试（开闭卷结合）
五、备注：本课程实验为单开课《传感器实验及课程设计》，课程与实验穿插进行。
