传感器与检测技术课程教学大纲
英文名称：Sensor and Detection Technology 课程代码：1702211616
学 时 数：48 （讲课学时： 实验学时：） 学 分：3 课程类别：专业课程
课程性质：必修适用专业：电气工程及其自动化
先修课程： 《电路》、《数字电路》、《模拟电路》 考核方式：闭卷笔试
一、 课程的性质、地位和作用
本课程是机械设计制造及其自动化专业学生的重要专业课程。 本课程设置的目的是通过对传感器的一般特性与分析方法，传感器的工作原理、特性及应用，检测系统的基本概念的学习，通过本课程的学习，使学生掌握检测系统的设计和分析方法，能够根据工程需要选用合适的传感器，并能够对检测系统的性能进行分析、对测得的数据进行处理。
二、教学内容及要求 （一）概述
【教学要求】了解《传感器与检测技术》课程的性质和学习要求，熟练掌握传感器的定义、组成，掌握传感器的分类，了解传感器技术的发展趋势。 【教学内容】 1.课程简介
2.传感器的定义、传感器的共性、传感器的基本功能； 3.传感器的组成 4.传感器的分类 5.传感器技术的发展趋势
【教学重点与难点】
1.传感器的定义、组成、分类。 2.传感器技术的发展趋势。 （二）传感器的基本特性 【教学要求】
熟练掌握传感器静态特性与动态特性的基本概念、传感器的数学模型、传感器静态特性基本参数与指标；掌握传感器动态响应的特性指标与分析、频率响应的特性指标与分析；了解传感器静动态标定与校准的基本方法。
【教学内容】
1.传感器静态特性、动态特性的基本概念；
2.传感器的数学模型；传感器静态特性基本参数与指标； 3.传感器动态响应的特性指标与分析； 4.频率响应的特性指标与分析； 5.传感器静态标定与校准的基本方法； 6.传感器动态标定与校准的基本方法。 【教学重点与难点】
1传感器的静态特性与动态特性基本概念 2传感器的数学模型
3传感器静态特性基本参数与指标等。
4传感器动态特性中的传递函数、频率响应函数分析。 （三）电阻式传感器
【教学要求】
掌握应变、应变效应的基本概念；牚握应变电阻式传感器的工作
原理、直流电桥与交流电桥的平衡条件与电压灵敏度特性；掌握产生电阻应变片温度误差的主要原因及其补偿方法；了解应变片的分类、应变电阻式传感器的典型应用；会分析半桥差动、全桥差动对非线性误差和电压灵敏度的改善。 【教学内容】 1.工作原理
应变效应、 电阻应变片种类、压阻效应。 2.电阻应变片的温度误差及补偿
应变片的温度误差、试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响、线路补偿、应变片自补偿。 3.电阻应变片的测量电路 直流电桥、交流电桥 4. 电阻式传感器的应用
应变式力传感器、应变式压力传感器、电阻式差压传感器、应变式容器内液体重量传感器、电阻式加速度传感器 【教学重点与难点】
重点：应变与应变效应的涵义；电阻应变片的温度误差及其补偿方法；应变电阻式传感器的工作原理；电阻应变片的测量电路。
难点：电阻应变片的温度误差及其补偿方法、直流电桥的非线性误差及其补偿方法。
（四）电感式传感器 【教学要求】
掌握变磁阻电感式传感器的工作原理、输出特性和灵敏度；掌握差动变压器电感式传感器的输出特性和灵敏度；会比较单线圈和差动两
种变磁阻（变气隙）电感式传感器的特性；了解电感式传感器的不同测量电路；了解电感式传感器的典型应用。 【教学内容】
1.变磁阻电感式传感器
变磁阻电感式传感器的工作原理、输出特性、测量电路及典型应用 2.差动变压器电感式传感器
差动变压器电感式（变隙式、螺线管式）传感器的工作原理、输出特性
差动整流电路和相敏检波电路； 3.电涡流电感式传感器
电涡流电感式传感器的工作原理、等效电路、测量电路与典型应用。 【教学重点与难点】
重点：变磁阻、差动变压器电感式传感器的工作原理、输出特性，电涡流电感式传感器的工作原理、等效电路。 难点：差动整流电路和相敏检波电路。
（五）电容式传感器 【教学要求】
掌握平板或圆筒电容式传感器的电容量表示；掌握电容式传感器的三种类别；掌握变面积型电容器的分类及其测量原理；掌握变介质型、变极距型、差动变极距型电容式传感器的测量原理；掌握变极距型、差动变极距型电容式传感器的灵敏度及其相对非线性误差分析方法； 了解电容式传感器的典型应用。
【教学内容】
1.电容式传感器的工作原理
平板电容式传感器（变面积型、变介质型、变极距型）以及圆筒电容式传感器（变介质型）的工作原理
2. 变极距型电容式传感器的非线性 3. 电容式传感器的等效电路
调频电路、运算放大器、变压器式交流电桥、二极管双T型交流电桥、脉冲宽度调制电路等测量电桥. 电容式传感器的信号调节电路 4 电容式传感器的应用
【教学重点与难点】
重点：电容式传感器的工作原理、测量电路、灵敏度及非线性分析。
难点：二极管双T型交流电桥、脉冲宽度调制电路 （六）压电式传感器 【教学要求】
掌握压电效应、正压电效应、逆压电效应的含义；掌握石英晶体具有压电效应特性的分子结构特性、压电陶瓷的压电特性机理；了解压电材料的主要特性参数及其含义、压电材料的选取；掌握压电式传感器的等效电路与测量电路；掌握压电元件并联或串联特性；了解压电式传感器的典型应用。 【教学内容】 1.工作原理
压电效应、正压电效应、逆压电效应的基本概念 2.压电式传感器测量电路
压电式传感器的等效电路、电荷放大器与电压放大器的测量电路 3.压电式传感器的应用
【教学重点与难点】
重点：压电式传感器的工作原理、测量电路。 难点：压电式传感器的测量电路。
（七）磁敏式传感器 【教学要求】
熟练掌握电磁感应、霍尔效应的基本概念；掌握磁电感应式传感器的工作原理、分类、基本特性、测量电路；掌握霍尔式传感器的工作原理；了解霍尔元件的基本结构、基本特性、误差及其补偿；了解磁电感应式传感器、霍尔式传感器的应用。
【教学内容】 1.磁电感应式传感器
电磁感应、霍尔效应的基本概念；磁电感应式传感器的工作原理、分类（恒磁通式：动圈式和动铁式结构，变磁通式：开磁路和闭磁路结构）、基本特性、测量电路与应用
2 霍尔式传感器
霍尔式传感器的工作原理、测量电路与应用；霍尔元件的基本结构、基本特性、误差及其补偿
【教学重点与难点】
重点：电磁感应、霍尔效应的基本概念，磁敏式传感器工作原理、分类、测量电路，霍尔式传感器的工作原理。 难点：磁敏式传感器的基本特性。
（八）热电式传感器 【教学要求】
熟练掌握热电效应、热电偶、热电阻、热敏电阻、接触电动势、温差电动势工作端（热端）、自由端（冷端）、分度表等概念；掌握热电偶的测温原理、基本定律、热电偶的结构与种类、热电偶的冷端温度补偿、热电偶的测温电路；掌握热电阻（铂热电阻、铜热电阻）的温度特性、测量电路（两线制、三线制、四线制）；掌握热电偶、热电阻的度表的使用方法；掌握热敏电阻的温度特性；了解热电偶、热电阻和热敏电阻的应用。
【教学内容】 1热电偶传感器
热电效应、热电偶、热电阻、热敏电阻、接触电动势、温差电动势、工作端（热端）、自由端（冷端）、分度表等概念；热电偶的测温原理、基本定律、热电偶的结构与种类、热电偶的冷端温度补偿、热电偶的测温电路；
2 热电阻传感器
热电阻（铂热电阻、铜热电阻）的温度特性、测量电路（两线制、三线制、四线制）
3 热敏电阻传感器 热敏电阻的温度特性
【教学重点与难点】
重点：基本概念；热电偶的测温原理、基本定律、冷端温度补偿方法、实用测温电路；热电阻的温度特性、测量电路；热敏电阻的温度特性。
难点：热电偶的种类及冷端温度补偿方法。 （九）光电式传感器 【教学要求】
熟练掌握光电效应、内光电效应、外光电效应、亮电阻、暗电流、全反射、数值孔径、粗误差、莫尔条纹、辨向与细分等基本概念；了解光电式传感器的类别、基本形式；了解各种光电器件的基本特性； 掌握CCD图像传感器、光纤、光电式编码器（码盘式、脉冲盘式）和计量光栅的工作原理；了解CCD图像传感器的分类、特性参数，光纤的主要特性、光纤传感器的组成、分类，光电式编码器（码盘式、脉冲盘式）的结构和计量光栅的结构、组成；掌握二进制与循环码的相互转换方法；了解光电式传感器的应用。
【教学内容】 1.光电式传感器
类别、基本形式；光电器件及其基本特性； 2.CCD图像传感
工作原理、分类、特性参数与应用； 3光纤
传光原理、光纤的主要特性、光纤传感器的组成、分类与应用； 4.光电式编码器
（码盘式、脉冲盘式）的结构、工作原理与应用；计量光栅的结构、组成、工作原理与应用。 【教学重点与难点】
重点：基本概念；光电器件的基本特性；光电式传感器的工作原理。
难点：CCD图像传感器的工作原理、码盘的辨向原理、计量光栅的辨向原理与细分技术 （十）辐射与波式传感器 【教学要求】
了解红外辐射、微波、超声波的概念与特性；了解红外探测器的分类与工作原理；了解微波传感器的分类、组成、特点；了解超声波传感器的工作原理；了解红外传感器、微波传感器与超声波传感器的应用。
【教学内容】
1.红外辐射、微波、超声波的概念与特性；
2.红外探测器的分类与工作原理：热探测器和光子探测器； 3.微波传感器的分类（反射式和遮断式）、组成、特点； 4.超声波传感器的工作原理；
5.红外传感器、微波传感器与超声波传感器的应用 【教学重点与难点】
重点：基本概念；红外辐射、微波、超声波的基本特性；红外传感器、微波传感器与超声波传感器的工作原理。
难点：红外热释电传感器工作原理。 （十一）化学传感器 【教学要求】
了解化学传感器、气敏传感器、湿敏传感器的定义及湿度的表示方法；了解气敏传感器、湿敏传感器的主要参数和特性、类型、特点；掌握半导体式气敏传感器、电阻式湿敏传感器的工作原理；了解气敏传感器、湿敏传感器的应用
【教学内容】 1.气敏传感器
气敏传感器的定义；气敏传感器特性、类型、特点；半导体式气敏传感器的工作原理；气敏传感器的应用。
2.湿敏传感器
湿敏传感器的定义；湿度的表示方法（绝对湿度、相对湿度和露点）； 湿敏传感器的主要参数和特性、类型、特点；电阻式湿敏传感器的工作原理；湿敏传感器的应用。
【教学重点与难点】
重点：基本概念；气敏传感器、湿敏传感器的主要参数和特性、类型、特点；导体式气敏传感器、电阻式湿敏传感器的工作原理。
难点：半导体陶瓷湿敏材料的导电机理。 （十二）生物传感器 【教学要求】
了解生物传感器的概念、特点、分类；了解生物传感器的工作原理；了解生物芯片的含义与分类；了解生物传感器的发展。
【教学内容】 1.生物传感器
概念、特点、分类；生物传感器的工作原理；生物传感器的发展 2.生物芯片的含义与分类
【教学重点与难点】
重点：生物传感器的概念、特点、分类；生物传感器的工作原理；生物芯片的含义与分类。
难点：生物传感器的工作原理；生物芯片的工作机理。 （十三）新型传感器 【教学要求】
了解新型传感器（智能传感器、模糊传感器、微传感器与网络传感器）的概念、特点；了解新型传感器的结构、作用；了解新型传感器涉及的主要技术；了解典型新型传感器的特性与应用
【教学内容】 1.智能传感器
智能传感器的定义、特点、作用、设计与实现 2.模糊传感器
模糊传感器的概念、基本功能、结构；
3.微传感器
MEMS与微加工、微传感器的特点、典型微传感器介绍
4.网络传感器
网络传感器的概念、类型、体系结构。 【教学重点与难点】
重点：新型传感器（智能传感器、模糊传感器、微传感器与网络传感器）的概念、特点。
难点：新型传感器涉及的主要技术。
（十四）参数检测 【教学要求】
熟练掌握测量、测量系统的基本概念；熟练掌握测量方法的分类； 熟练掌握测量系统的结构、基本类型；掌握参数测量的一般方法（过程参数、机械量参数和其他参数）；了解同一被测参数的不同检测方法的性能比较；了解检测技术的发展。
【教学内容】 1.测量
测量系统的基本概念；测量方法的分类；测量系统的结构、基本类型；
2.参数测量的一般方法
过程参数、机械量参数和其他参数 3.检测技术的发展。 【教学重点与难点】
重点：测量、测量系统的基本概念；测量方法的分类；测量系统的结构、基本类型。
难点：参数测量的一般方法。 （十五）微弱信号检测 【教学要求】
了解微弱信号、微弱信号检测、噪声的概念；了解噪声的概率分
布和相关函数；了解微弱信号的检测方法（相关检测法、同步积累法）。
【教学内容】 1.微弱信号 微弱信号检测
2.噪声
概率分布和相关函数； 3.微弱信号的检测方法 相关检测法、同步积累法 【教学重点与难点】
重点：微弱信号、微弱信号检测、噪声的概念。 难点：微弱信号的检测方法。 （十六）软测量
【教学要求】
了解软测量的概论；了解软测量的方法；了解软测量的意义及其适用条件。
【教学内容】 1.软测量
概论,软测量的方法；软测量的意义及其适用条件。
【教学重点与难点】
重点：软测量的概论；软测量的方法。
难点：建立软测量模型及软测量模型的在线校正。 （十七）多传感器数据融合 【教学要求】
了解数据融合的目的、定义、特性及优点；了解数据融合的基本原理；了解数据融合的方法；了解数据融合系统的应用。
【教学内容】
1.数据融合的目的、定义、特性及优点；
2.数据融合的基本原理
数据融合的层次、处理形态、模型、关键技术 3.数据融合的方法 随机类方法、人工智能类方法
4.数据融合系统的应用。 【教学重点与难点】
重点：数据融合的相关概念；数据融合的基本原理、方法。 难点：数据融合的基本原理、方法。
（十八）测量不确定度与回归分析 【教学要求】
掌握真值、测量误差、测量不确定度的相关概念；掌握误差的来源、分类与表示；掌握误差的处理（系统误差、随机误差、粗大误差）；掌握测量误差的传递、合成与分配的基本方法；了解测量不确定度的评定方法；掌握最小二乘法与一元线性拟合,了解多元线性拟合与曲线拟合。
【教学内容】 1 测量误差概述
真值、测量误差、测量不确定度的相关概念；误差的来源、分类与表示
2.测量误差的处理
系统误差、随机误差、粗大误差；测量误差的传递、合成与分配；
3 测量不确定度
测量不确定度的评定方法；最小二乘法与回归分析（一元线性拟合、多元线性拟合与曲线拟合)
【教学重点与难点】
重点：真值、测量误差、测量不确定度的相关概念；误差的来源、
分类与表示；误差的处理（系统误差、随机误差、粗大误差）；最小二乘法与一元线性拟合。
难点：测量不确定度的评定方法、多元线性拟合和曲线拟合。
（十九）虚拟仪器 【教学要求】
了解虚拟仪器的概念、构成、特点；了解虚拟仪器的开发环境；了解虚拟仪器的数据采集系统；会初步设计基于虚拟仪器的工程项目
【教学内容】 1.概述
虚拟仪器的概念、构成、特点
2.虚拟仪器的开发环境 虚拟仪器的数据采集系统
3基于虚拟仪器的综合工程实例
工业自动化、仪器产业改造、实验室应用
【教学重点与难点】
重点：虚拟仪器的概念、构成、特点；虚拟仪器的开发环境。 难点：基于虚拟仪器的综合工程的开发。 （二十）自动检测系统 【教学要求】
了解自动检测系统的组成；掌握自动检测系统的基本设计方法（包括传感器的选型、微处理器及A/D转换器的选择、采样速率的确定、标度变换的方法）；会设计简易的自动检测系统；了解自动检测系统的发展趋势。
【教学内容】 1.自动检测系统的组成
数据采集系统、输入输出通道、自动检测系统的软件
2.自动检测系统的基本设计方法
系统需求分析、系统总体设计、采样速率的确定、标度变换、硬件设计、软件设计、系统的集成与维护 3.典型自动检测系统举例；
4.自动检测系统的发展。
【教学重点与难点】
重点：自动检测系统的基本设计方法。 难点：A/D转换器的选择、标度变换。
三、教学方法与手段
采用示教模型与多媒体课件相结合，辅以传统的板书，课堂教学为主的教学模式。
四、实验（上机、习题课或讨论课）内容和基本要求
习题课以教材习题为主进行重点讲解，难点分析；讨论课围绕各章节的内容进行展开，穿插相关实例和问题，了解学生的理解情况和扩散思维情况。
五、课程学时分配
教学环节 课程 学时 内容 讲课 实验 实习 设计 习题课 社会 调查 课堂 讨论 学年 论文 概述 传感器的基本特性 电阻式传感器 电感式传感器 电容式传感器 2 2 2 2 2
压电式传感器 磁敏式传感器 热电式传感器 光电式传感器 辐射与波式传感器 化学传感器 生物传感器 新型传感器 参数检测 微弱信号检测 软测量 多传感器数据融合 测量不确定度与回归分析 虚拟仪器 自动检测系统 总计 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 注：如有涉及不到的栏目可以自行删除，如有遗漏可自行添加。
六、考核方式
本课程的考核分为平时考核成绩和期末考核成绩两大部分，其中平时考核包括考勤、课堂表现、作业、实验等，期末考核根据实际教学情形灵活采用开卷考试、闭卷考试、课程论文、课程设计等多种形式。总成绩按以下公式计算：
总成绩＝平时考核成绩×(20～30)%＋期末考核成绩×(80～70)%
七、参考资料
《传感器与检测技术》，胡向东等编，机械工业出版社，2015年
八、说明
制订（修订）人：
审核人：
