《传感与微传感基础》课程教学大纲

《传感及微传感基础》教学大纲.doc

《传感及微传感基础》课程教学大纲

课程名称：传感与微传感基础	课程代码：SNTE2001
英文名称：Sensor & Micro-Sensor Foundation
课程性质：专业必修课程	学分/学时：2.5/54
开课学期：第5学期
适用专业：通信工程、信息工程、电子信息工程、微电子、电子科学与技术
先修课程：电路分析、模拟电路，数字电路
后续课程：自动控制原理、嵌入式系统设计等
开课单位：电子信息学院	课程负责人：林红
大纲执笔人：林红	大纲审核人：曲波

一、 课程性质和教学目标

课程性质：传感与微传感基础课程是通信工程、信息工程、电子信息工程、微电子、电子科学与技术等专业的一门重要的必修课，是自动控制原理，电子测量，嵌入式系统设计等课程的前导课程。

教学目标：通过本课程的学习，使学生了解传感器的发展和现状，掌握工业常用传感器的工作原理、结构、测量电路和应用方法，掌握传感器静态数学模型和动态数学模型的建立以及系统的分析方法，培养和锻炼学生组建非电量测量系统和控制系统的实际能力，使毕业生在工作中具有正确选用传感器的能力。本课程的具体教学目标如下：

1、掌握传感器静态数学模型和动态数学模型的建立以及系统的分析方法，能使用数学、工程基础和专业知识针对工程问题建立合适的数学模型，具备对工程问题进行硬件分析的基本能力。【1.2】

2、掌握电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、热电式传感器、压电式传感器、光电式传感器、磁电式传感器、气湿敏传感器、MEMS传感器的工作原理、结构、测量电路，了解这些传感器在电子信息相关领域的应用。【2.1】

3、使学生能利用专业知识正确选用传感器，根据给定的设计指标，组建非电量测量系统和控制系统。【3.1】

二、 课程目标与毕业要求的对应关系

毕业要求	指标点	课程目标
1、工程知识	1-2掌握计算机软硬件基础知识，具备对工程问题进行软硬件分析与设计的基本能力。	教学目标1
2、问题分析	2-1能运用数理和工程知识识别和判断电子信息领域复杂工程问题中的关键环节和参数。	教学目标2
3、设计/开发解决方案	3-1能利用专业知识，根据给定的设计指标，设计电子信息领域的单元或过程。	教学目标3

三、 课程教学内容及学时分配（含课程教学、自学、作业、讨论等内容和要求，指明重点内容和难点内容）（重点内容：«；难点内容：D）

第一章传感器的基本概念（3学时）(支撑课程目标1)

教学内容：

第一节传感器的定义与组成«

一、定义

一般定义，广义定义，非电量与电量转换。

二、组成

敏感元件，转换元件，信号调节电路，辅助电路。

第二节传感器的分类

按工作机理分类，按被测量分类，按敏感材料分类，按能量分类等。

第三节传感器的技术特点

第四节 传感器的数学模型«D

一、静态模型

输入量，输出量，表示形式。

二、动态模型D

表示形式，微分方程，传递函数。

第五节 传感器的基本特性«

一、静态特性

线性度，灵敏度，重复性，迟滞，分辨率，稳定性，精度等。

二、动态特性

时间响应特性指标，频率响应特性指标。

目标及要求：

1、通过绪论的介绍，使得学生掌握传感器的的基本概念、学习内容、学习目的、基础和主要特点；

2、重点掌握传感器的定义和组成，传感器的静动态数学模型，传感器的静态主要指标和动态主要指标。

3、了解传感器的技术特点和发展趋势。

教学模式：课堂授课、课后复习，课后作业。

知识点：传感器的定义和组成，分类，应用，静态数学模型和动态数学模型，静态指标和动态指标。

能力：能够将传感器的基础知识用于数据信号的采集；培养学生的分析问题能力以及综合运用所学知识的能力，解决测量和控制系统中复杂工程问题。

作业：

1、什么叫传感器？它由哪几部分组成？各部分的作用及相互关系？

2、传感器数学模型的描述方法有哪些？

3、传感器的静态特性由哪些性能指标描述，如何表示？

4、什么是传感器的动态特性？分析方法有几种？

第二章电阻式传感器（4学时）(支撑课程目标2，课程目标3)

教学内容：

第一节线绕式电位器传感器

一、线绕式电位器

结构和工作原理；阶梯特性，误差，分辨率的计算。

二、非线绕式电位器

膜式电位器，导电塑料电位器，光电电位器的结构和工作原理。

第二节应变式电阻传感器«

一、 应变效应

二、 电阻应变片的结构和工作原理

应变片的种类，膜式、丝式等应变片的结构，工作原理。

三、 电阻应变片的测量电路D

直流电桥，交流电桥，平衡条件，灵敏度。

第三节电阻式传感器应用

一、 应变仪

二、 轧制力检测中的应用

三、 在衡器中的应用

四、 对加速度的测量

目标及要求：

1、了解线绕式电位器结构和工作原理；阶梯特性，误差，分辨率的计算。

2、重点掌握应变效应，电阻应变片的结构和工作原理，掌握应变片的测量电路-电桥电路。

3、了解应变传感器的应用和发展趋势。

教学模式：课堂授课、课后复习，课后作业。

知识点：应变式传感器的定义、组成、分类、应用，应变片的测量电路。

能力：能够将传感器用于力、称重系统、加速度等系统中数据信号的采集；培养学生的分析问题能力以及综合运用所学知识的能力。

作业：

1、线绕电位器的负载特性在什么情况下呈现线性特性？为什么？

2、金属电阻应变片测量外力的原理是什么？

3、减少直流电桥的非线性误差有哪些方法？尽可能地提高供桥电源有什么利弊？

4、交、直流电桥的平衡条件是什么？

第三章电容式传感器（4学时）(支撑课程目标2，课程目标3)

教学内容：

第一节电容式传感器的工作原理和结构«

一、基本工作原理

平板电容器各种参数变化导致电容容量变化。

二、变极距型电容式传感器

电容量与极板距离的关系，输出特性，测量条件。

三、 变面积型电容式传感器

电容量与极板面积的关系，输出特性，测量条件。

四、 变介质型电容式传感器

电容量与介质的关系，输出特性，测量条件。

五、 电容式位移传感器的结构形式

第二节电容式传感器的等效电路

电容器的损耗，电感效应，损耗电阻。

第三节电容式传感器的测量电路«D

一、 调频电路

二、 谐振电路

三、 运算放大器式电路

四、 二极管双T形交流电路

五、 脉冲宽度调制电路

六、 电桥电路

第四节 电容式传感器应用

一、 电容式测厚仪

二、 电容式压力传感器

三、 高分子电容式湿度变送器

目标及要求：

1、掌握电容式传感器的结构和工作原理；

2、掌握电容式传感器的测量电路。

3、了解电容式传感器的应用和发展趋势。

教学模式：课堂授课、课后复习，课后作业。

知识点：电容式传感器的定义、工作原理、分类、应用，测量电路。

能力：能够将电容式传感器用于位移、力以及能够转换成位移量的系统中数据信号的采集；培养学生的分析问题能力以及综合运用所学知识的能力。

作业：

1、电容式传感器有哪几大类？

2、采用运算放大器作测量电路，其输出特性是否为线性？为什么？

3、二极管双T形交流电桥和脉冲宽度调制电路的工作原理是什么？

4、电容式传感器测量压差的原理是什么？

第四章电感式传感器（4学时）(支撑课程目标2，课程目标3)

教学内容：

第一节变磁阻式传感器«

一、结构和工作原理

传感器的结构、组成，电感值的数学表达式，特性。

二、等效电路

线圈的铜损耗电阻，铁芯涡流损耗电阻，线圈的固有电容，电缆的分布电容。

三、变气隙式电感传感器的输出特性

电感和气隙之间的关系，数学表达形式。

四、差动自感传感器

结构和工作原理，输出特性，测量电路。

第二节互感式传感器«

一、结构和工作原理

传感器的结构、组成，特性。

二、等效电路

初级线圈电感和损耗电阻，变压器的涡流损耗，次级线圈的损耗电阻等。

三、测量电路D

差动整流电路，相敏检波电路。

第三节电涡流传感器«

一、基本原理

组成，工作原理，数学表达式。

二、等效电路

三、测量电路D

调频式测量电路，调幅式测量电路。

第四节电感式传感器应用

一、位移测量

二、振幅测量

三、转速测量

四、涡流膜厚测量

目标及要求：

1、掌握电感式传感器的结构和工作原理；

2、掌握电感式传感器的测量电路。

3、了解电感传感器的应用和发展趋势。

教学模式：课堂授课、课后复习，课后作业。

知识点：电感式传感器的定义、工作原理、分类、应用，测量电路。

能力：能够将电感式传感器用于位移、振动以及能够转换成位移量的系统中数据信号的采集；培养学生的分析问题能力以及综合运用所学知识的能力。

作业：

1、自感传感器和差动变压器的工作原理是什么？

2、什么是电涡流？

3、如要测量一个压缩机的主轴径向振动，采用何种传感器？设计一个测量系统。

第五章热电式传感器（5学时）(支撑课程目标2，课程目标3)

教学内容：

第一节热电偶«

一、热电效应

热电偶的定义，组成，接触电势，温差电势。

二、热电偶的基本定律

三、热电偶的结构和种类

结构，主要有：热电极，绝缘材料，保护套管，接线盒。

四、 热电偶测量电路

单点测量电路，两点温差测量，平均温度测量。

五、 热电偶的冷端补偿

冰点器方式，恒温槽方式，冷端自动补偿。

第二节热电阻«

一、 常用热电阻

铂热电阻，铜电阻，其他热电阻。

二、 测量电路

测量电路，应用。

第三节半导体温度传感器«

一、 热敏电阻

结构形式，温度特性，线性化处理。

二、 PN结传感器

温敏二极管，温敏三极管，集成温度传感器。

第四节应用

一、 温敏二极管的温度调节器

二、 温敏晶体管的温差检测

三、 集成温度传感器的温差检测

目标及要求：

1、掌握热电式传感器的结构和工作原理；

2、掌握热电式传感器的测量电路。

3、了解热电式传感器的应用和发展趋势。

教学模式：课堂授课、课后复习，课后作业。

知识点：热电偶传感器的定义、工作原理、分类、应用，测量电路；热电阻和半导体传感器的定义、工作原理、分类、应用，测量电路。

能力：能够将热电式传感器用于温度测量和控制系统中数据信号的采集；培养学生的分析问题能力以及综合运用所学知识的能力。

作业：

1、热电阻和热敏电阻有何异同？

2、几种常用热电偶的测量范围是多少？

3、几种常用热电阻的测量范围是多少？

4、集成温度传感器一般应用于何种场合？

第六章压电式与压磁式传感器（4学时）(支撑课程目标2，课程目标3)

教学内容：

第一节压电式传感器«

一、压电效应与压电材料

压电效应。压电晶体，压电陶瓷等材料

二、石英晶体的压电特性D

石英晶体结构，压电特性，X轴，Y轴，Z轴向上的差异。

三、压电陶瓷的压电现象

它的压电机理，极化现象。

四、压电传感器的等效电路和测量电路D

压电晶片的连接方式，等效电路，电压放大器，电荷放大器。

第二节压电式传感器应用

一、 压电式测力传感器

二、 压电式压力传感器

三、 压电式加速度传感器

目标及要求：

1、掌握压电式传感器的结构和工作原理；

2、掌握压电式传感器的测量电路。

3、了解压电式传感器的应用和发展趋势。

教学模式：课堂授课、课后复习，课后作业。

知识点：压电效应，石英晶体和压电陶瓷的压电特性，压电传感器的测量电路。

能力：能够将压电式传感器用于各种力的测量和控制系统中数据信号的采集；培养学生的分析问题能力以及综合运用所学知识的能力。

作业：

1、什么叫压电效应？什么叫顺压电效应？什么叫逆压电效应？

2、石英晶体产生压电效应的过程？

3、什么是横向压电效应？什么是纵向压电效应？

4、压电陶瓷一般怎样极化？

第七章光电式与光导式传感器（3学时）(支撑课程目标2，课程目标3)

教学内容：

第一节光电效应与光电器件

一、外光电效应«

爱因斯坦光电效应方程。

二、内光电效应«

光电导效应，光生伏特效应。

三、外光电效应器件D

光电管，光电倍增管，结构和工作原理，基本特性

四、 内光电效应器件D

光敏电阻，光电池，光敏二极管，光敏三极管，结构原理，基本特性。

第二节 光导式传感器

一、 光纤的结构

二、 光纤的传光原理

三、 光纤的分类

四、 光纤传感器的工作原理及类型

第三节 光电式传感器应用

一、 烟尘浊度检测

二、 光电转速测量

三、 光电池应用

四、 光纤温度传感器

目标及要求：

1、掌握光电式传感器的结构和工作原理；

2、掌握光电式传感器的测量电路。

3、了解光电式传感器的应用和发展趋势。

教学模式：课堂授课、课后复习，课后作业。

知识点：内外光电效应，基于内光电效应的器件的工作原理、分类、应用，测量电路；基于外光电效应的器件的工作原理、分类、应用，测量电路。

能力：能够将光电式传感器用于测量和控制系统中数据信号的采集；培养学生的分析问题能力以及综合运用所学知识的能力。

作业：

1、爱因斯坦光电效应方程的含义。

2、光电倍增管的工作原理？

3、比较光敏电阻、光电池、光敏二极管、光敏三极管的性能差异，适用场合。

4、什么是单模和多模光纤？驻波和模的关系如何？

第八章磁电式传感器（3学时）(支撑课程目标2，课程目标3)

教学内容：

第一节霍尔传感器«

一、霍尔效应和霍尔元件的工作原理

霍尔效应，霍尔元件的工作原理，霍尔系数，灵敏度。

二、霍尔元件的主要参数

额定功耗，输入输出电阻，不平衡电势，霍尔电势温度系数，灵敏度K等。

三、霍尔元件连接方式和输出电路

基本测量电路，连接方式，输出电路。

五、 霍尔元件的测量误差和补偿方法D

零位误差，温度误差，补偿方法。

第二节磁敏电阻

一、磁阻效应

二、磁敏电阻的结构

结构，特性描述。

第三节磁敏二极管和磁敏三极管

一、磁敏二极管的结构和工作原理

结构，工作原理，主要特性。

二、磁敏三极管的结构和工作原理

结构，工作原理，主要特性。

第四节 应用

一、 霍尔位移传感器

二、 漏磁探伤仪

三、 磁敏三极管电位器

目标及要求：

1、掌握磁电式传感器的结构和工作原理；

2、掌握磁电式传感器的测量电路。

3、了解磁电式传感器的应用和发展趋势。

教学模式：课堂授课、课后复习，课后作业。

知识点：霍尔效应，霍尔器件的分类、应用，测量电路。磁敏电阻和磁敏二极管、磁敏三极管的工作原理、应用，测量电路。

能力：能够将磁电式传感器用于测量和控制系统中数据信号的采集；培养学生的分析问题能力以及综合运用所学知识的能力。

作业：

1、霍尔元件在一定的电流控制下，其霍尔电势与哪些因素有关？

2、为什么高阻硅磁敏二极管会出现负阻特性的伏安曲线？

3、磁敏三极管的温度补偿电路主要有几种？叙述其补偿原理。

第九章气、湿敏传感器（3学时）(支撑课程目标2，课程目标3)

教学内容：

第一节半导体气敏传感器

一、电阻型半导体气敏材料的导电机理

氧化还原反应，电阻变化。

二、电阻型半导体传感器的结构

气敏器件的组成，结构与符号

三、气敏器件的基本特性

四、非电阻型半导体气敏器件

第二节湿敏传感器

一、 水分子亲和力型湿敏元件

氯化锂湿敏器件，半导体陶瓷湿敏器件，高分子湿敏器件

二、 非水分子亲和力型湿敏元件

第三节气、湿敏传感器应用

一、 自动吸排油烟机

二、 便携式缺氧监视器

三、 自动去湿器

目标及要求：

1、掌握半导体气敏传感器的结构和工作原理；

2、掌握湿敏传感器的结构和工作原理。

3、了解气敏和湿敏传感器的应用和发展趋势。

教学模式：课堂授课、课后复习。

知识点：气敏传感器的工作原理、分类、应用；湿敏传感器的工作原理、应用。

能力：能够将湿敏和气敏传感器用于测量和控制系统中数据信号的采集；培养学生的分析问题能力以及综合运用所学知识的能力。

第十章MEMS传感器（3学时）(支撑课程目标2，课程目标3)

教学内容：

第一节MEMS传感器及其特点

一、MEMS传感器的产生

二、微传感器的敏感机理«

第二节MEMS传感器的加工技术D

体微加工工艺，表面微加工工艺，LIGA工艺，硅片溶解工艺，EFAB工艺

第三节典型微传感器及应用

第四节传感器的网络化及应用

目标及要求：

1、了解MEMS传感器的加工工艺；

2、了解MEMS传感器的敏感机理。

3、了解MEMS传感器的应用和发展趋势。

教学模式：课堂授课、课后复习。

知识点：MEMS传感器加工工艺，敏感机理，应用。

能力：能够将MEMS传感器用于测量和控制系统中数据信号的采集；培养学生的分析问题能力以及综合运用所学知识的能力。

四、 教学方法

1、 采用传统教学方式与多媒体课件相结合进行教学；充分利用学校的课程录播视频和课程中心网站资源辅助教学。

2、 在课堂教学中，阐述基本原理，结构，测量电路，理论联系实际，培养学生的理解能力、和创新能力；

3、 结合实际工程中的案例，对课程中的相应知识点进行分析，培养学生对复杂工程问题的

应用能力。

五、 考核及成绩评定方式

1、考核与成绩评定方式

考核方式：闭卷笔试，平时测验及作业，实验

成绩评定方式：笔试成绩60%，平时成绩10%，实验成绩30%。其中：笔试成绩：期中考试（占总成绩20%）和期末考试（占总成绩40%）；平时成绩：包括平时作业完成情况、出勤情况和课堂表现（占总成绩10%）；实验成绩（占总成绩30%）：开题答辩（占实验成绩20%）、开题报告（占实验成绩10%）、中期检查（占实验成绩20%）、结题检查（占实验成绩30%）和结题报告（占实验成绩20%），开题答辩、开题报告、结题报告支撑教学目标2，中期检查和结题检查支撑教学目标3。

课程目标达成情况及考试成绩评定占比（%）

1、 考核与评价标准

实验成绩评价标准：

	基本要求	评价标准				成绩比例（%）
		优秀	良好	合格	不合格
实验1	能根据所学应变片原理进行实验（支撑毕业要求2-1）	熟悉应变片的工作原理，能独立进行测量电路的搭建，砝码和输出电压之间的输入输出数据的记录，正确分析重量和输出的规律	了解应变片的工作原理，能进行测量电路的搭建，砝码和输出电压之间的输入输出数据的记录，能正确分析重量和输出的规律	具有应变片的基本概念，能进行能进行测量电路的搭建，砝码和输出电压之间的输入输出数据的记录，对重量和输出的规律分析不够	对应变片的概念不清楚，不能进行测量电路的搭建，砝码和输出电压之间的数据的记录，不能正确分析重量和输出的规律	可根据选开实验进行比例调整
实验2	能根据所学差动变压器传感器原理进行实验（支撑毕业要求2-1）	熟悉差动变压器传感器的工作原理，能独立进行测量电路的搭建，对位移和电压之间的输入输出数据的记录，正确分析输入和输出的规律	了解差动变压器传感器的工作原理，能进行测量电路的搭建，砝码和电压之间的输入输出数据的记录，能正确分析输入和输出的规律	具有差动变压器传感器的基本概念，能进行能进行测量电路的搭建，位移和输出电压之间的输入输出数据的记录，对输入和输出的规律分析不够	对差动变压器传感器的概念不清楚，不能进行测量电路的搭建，位移和电压之间的数据的记录，不能正确分析输入输出的规律	可根据选开实验进行比例调整
实验3	能根据所学电容传感器原理进行实验（支撑毕业要求2-1）	熟悉电容传感器的工作原理，能独立进行测量电路的搭建，对位移和电压之间的输入输出数据的记录，正确分析输入和输出的规律	了解电容传感器的工作原理，能进行测量电路的搭建，砝码和电压之间的输入输出数据的记录，能正确分析输入和输出的规律	具有电容传感器的基本概念，能进行能进行测量电路的搭建，位移和输出电压之间的输入输出数据的记录，对输入和输出的规律分析不够	对电容传感器的概念不清楚，不能进行测量电路的搭建，位移和电压之间的数据的记录，不能正确分析输入输出的规律	可根据选开实验进行比例调整
实验4	能根据所学霍尔和电涡流传感器原理进行实验（支撑毕业要求2-1）	熟悉霍尔和电涡流传感器的工作原理，能独立进行测量电路的搭建，对位移、材料和电压之间的输入输出数据进行详细记录，正确分析输入和输出的规律	了解霍尔和电涡流传感器的工作原理，能进行测量电路的搭建，对位移、材料和和电压之间的输入输出数据的记录较详细，能正确分析输入和输出的规律	具有霍尔和电涡流感器的基本概念，能进行能进行测量电路的搭建，对位移、材料和输出电压之间的输入输出数据的记录，对输入和输出的规律分析不够	对霍尔和电涡流传感器的概念不清楚，不能进行测量电路的搭建，位移和电压之间的数据的记录，不能正确分析输入输出的规律
实验5	能运用所学传感器的原理，设计实现小型测量和控制系统（如重量，温度，位移，角位移）（支撑毕业要求3-1）	能独立完成系统电路的设计、焊接与调试及程序的编写。结果正确；符合设计要求。	基本能独立完成系统电路的设计、焊接与调试及程序的编写。结果正确；符合设计要求。	基本能独立完成系统电路的设计、焊接与调试及程序的编写。结果基本正确；基本符合设计要求。	不能独立完成系统电路的设计、焊接与调试及程序的编写。结果基本正确；基本符合设计要求。	50

1、掌握传感器静态数学模型和动态数学模型的建立以及系统的分析方法，能使用数学、工程基础和专业知识针对工程问题建立合适的数学模型，具备对工程问题进行硬件分析的基本能力。【1.2】2、掌握电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、热电式传感器、压电式传感器、光电式传感器、磁电式传感器、气湿敏传感器、MEMS传感器的工作原理、结构、测量电路，了解这些传感器在电子信息相关领域的应用。【2.1】

3、使学生能利用专业知识正确选用传感器，根据给定的设计指标，组建非电量测量系统和控制系统。【3.1】

期中考试考核评价标准

	基本要求	达成情况评价标准				成绩比例（%）
		优秀³0.9	良好³0.7	合格³0.6	不合格<0.6
教学目标1	掌握传感器的定义、组成、静态数学模型和动态数学模型的建立以及性能指标	概念清晰，能准确地描述传感器的定义和静动态数学模型，数学表达完整。	概念较清晰，能描述传感器的定义和静动态数学模型。	基本掌握概念，知道有相关的数学表述形式。	概念不清楚，并对相关的数学表达完全不了解。	20
教学目标2	掌握各种所学传感器的工作原理、结构、分类、测量电路	运用的原理和方法准确、清晰，能完成对测量系统的分析，并进行一定的应用和比较说明。	能清楚掌握原理和方法，但在分析和运用上还不熟练，对知识点的应用及比较不够完善。	了解基本原理和方法的应用方向及分析的手段，但应用系统无法获得准确的分析结果。	不清楚原理和方法如何应用到测量系统的分析与比较中。	30
教学目标3	能利用所学知识正确选用传感器，根据给定的设计指标，组建非电量测量系统和控制系统。	掌握和了解测量系统的分析方法，并能灵活运用，对测量系统的性能进行分析比较。	基本清楚设计系统分析方法，能对测量系统性能进行基本的分析。	了解测量系统的分析方法，但对具体问题的解答不准确。	不清楚基本的测量系统的分析方法，无法对具体问题进行解答。	50

注：该表格中比例为期中考试卷各教学目标所占成绩比例。

期末考试考核评价标准

注：该表格中比例为期末考试卷各教学目标所占成绩比例。

六、 教材及参考书目

教材：

《传感器原理与应用》，周真，苑惠娟主编，清华大学出版社，2011年7月第1版。

参考书：

《传感器原理与应用》，孟立凡，蓝金辉主编，电子工业出版社，2013年1月第2版。

《传感器原理与应用》，唐贤远主编，西安：电子科技大学出版社，2000年12月，第1版