传感器与检测技术课程学习指导.doc

传感器与检测技术课程学习指导资料本课程学习指导资料根据该课程教学大纲的要求，参照现行采用教材传感器与检测技术（周乐挺 编著，高等教育出版社，2005年），并结合远程网络业余教育的教学特点和教学规律进行编写，适用于工科电子类及相关专业学生。第一部分 课程学习目的及总体要求一、课程的学习目的传感器与检测技术课程是一门实践性非常强的专业课程。它综合了物理学、微电子学、化学、材料科学、精密机械、微细加工等多方面的知识和技术，因而其课程特点集中体现了知识的密集性、内容的离散性、传感器品种的庞杂性、功能的智能性、工艺的复杂性和应用的广泛性。其目标是使学生了解检测系统与传感器的静、动态特性和主要性能指标，掌握常用传感器的工作原理和常见非电量参数的检测方法、检测系统中常用的信号放大电路、信号处理电路与信号转换电路等。其基本要求是通过本课程的学习，培养学生利用现代电子技术、传感器技术和计算机技术解决生产实际中信息采集与处理问题的能力，为工业测控系统的设计与开发奠定基础。二、课程的总体要求传感器与检测技术包括传感器基本概念、电阻式传感器、变磁阻式传感器、电容式传感器、霍尔式传感器、压电式传感器、热电式传感器、光电式传感器、光纤传感器以及各种非电量的测量系统等内容。通过检测技术的基本概念，检测装置的基本特性，误差理论知识的介绍，学会误差分析与数据处理的方法。通过应变式传感器、电容传式感器、电感式传感器、热电式传感器等其他形式传感器的原理，结构以及相关测量电路的介绍，学会非电量检测技术及相关检测方法。第二部分 课程学习的基本要求及重点难点内容分析第一章 传感器技术基础本章学习传感器的基本概念和基本特性。要求掌握传感器的定义、组成和作用，掌握传感器的静态特性，了解传感器的分类，了解传感器的动态特性和传感器的技术指标。1、本章学习要求（1）应熟悉的内容了解传感器以及测量系统的概念；了解传感器的分类；了解传感器的动态特性和传感器的技术指标。（2）应掌握的内容传感器的组成与作用，传感器的静态特性以及其主要指标，灵敏度、线性度等衡量传感器的主要技术参数。2、本章重点难点分析（1）重点本章主要介绍了传感器的基本概念和基本特性，以及传感器的分类，传感器的静态特性以及其主要指标。（2）难点本章的难点就在于传感器的静态特性以及其主要指标，灵敏度、线性度等衡量传感器的主要技术参数。(1) 传感器静态特性和动态特性的定义是什么？(2) 传感器静态特性有哪些技术指标？(3) 传感器动态特性有哪几种研究方法？各有哪些技术指标？第二章 电阻式传感器本章学习电阻式传感器的组成和工作原理及应用。要求掌握电阻式传感器的结构和工作原理、测量电路、了解电阻式传感器的补偿方法和用途。1、本章学习要求（1）应熟悉的内容电位器式传感器、应变式传感器和压阻式传感其的基本定义和工作原理。（2）应掌握的内容电位器式传感器的结构和工作原理、输出特性；应变片式传感器的结构和工作原理、电阻应变片的特性、测量电路、温度补偿；压阻式传感器的结构和压电效应原理，固态压阻传感器的测量电路。2、本章重点难点分析（1） 重点电位器式传感器、应变式传感器和压阻式传感其的基本定义和工作原理。各种电阻式传感器的结构以及测量电路。（2） 难点电位器式传感器、应变片式传感器和压阻式传感器的测量电路以及温度补偿方法。通过完成下面作业可以更详细地理解和掌握。（1） 应变片是由哪几部分组成的？其核心部分是什么？（2） 什么叫应变效应？利用应变效应解释金属电阻应变片的工作原理。（3） 金属应变计与半导体应变计在工作机理上有何异同？（4） 简要说明应变式传感器的构成和主要用途。（5） 为什么应变式传感器大多采用直流不平衡电桥为测量电路？该电桥为什么又都采用半桥和全桥两种方式？（6） 应变片在使用的时候，为什么会产生温度误差？如何减小它？3、本章典型例题分析 例题1电阻应变片的灵敏系数为K=2.0，沿纵向黏贴于直径为0.05m 的圆形钢柱表面，钢材的E=21011N/,求钢柱受10t拉力作用的时候，应变片电阻的相对变化量。又若应变片沿钢柱圆周方向黏贴，受同样拉力作用时，应变片电阻相对变化量为多少？若应变片沿圆周方向黏贴，则第三章 变磁阻式传感器本章学习电感式传感器、差分变压器式传感器、电涡流式传感器的组成和工作原理及应用。要求掌握这三种变磁阻式传感器的结构和工作原理、测量电路。了解三种变磁阻传感器各自的特点和用途。1、本章学习要求（1）应熟悉的内容自感式电感传感器、差分变压器式传感器、电涡流式传感器的定义以及工作原理。（2）应掌握的内容自感式电感传感器的分类、原理以及测量电路；差分变压器式传感器的工作原理以及测量电路；电涡流的产生原理以及电涡流式传感器的结构和测量电路。2、本章重点难点分析（1） 重点变磁阻式传感器的基本结构和工作原理，明白各种变磁阻式传感器将非电量信号转变为电量信号的过程。（2） 难点电涡流的产生以及电涡流传感器的工作原理及测量电路。通过完成下面作业可以更详细地理解和掌握。（1）说明单线圈和差分变磁阻式传感器的主要组成、工作原理和基本特性。（2）为什么螺管型电感传感器比变间隙性电感传感器有更大的测位移范围？（3）根据单线圈和差分螺管型电感传感器的基本特性，说明它们的性能指标有何异同？（4）什么叫电涡流效应？第四章 电容式传感器本章学习变面积、变极距、变介质电容传感器的组成和工作原理及应用。要求掌握这三种电容式传感器的结构和工作原理、测量电路。了解三种电容传感器各自的特点和用途。1、本章学习要求（1）应熟悉的内容电容式传感器的组成和工作原理。（2）应掌握的内容电容式传感器的分类和特点以及其输入和输出的关系，电容式传感器的测量电路。2、本章重点难点分析（1） 重点电容式传感器的基本定义，电容式传感器的分类和工作原理。（2） 难点电容式传感器的测量电路以及保持电容式传感器特性稳定的方法。通过完成下面作业可以更详细地理解和掌握。（1） 电容式传感器有几种类型？简述每种类型各自的特点和适用的场合。（2） 为什么变面积型电容传感器的测位移范围较大？（3） 如何改善变极距型电容传感器的非线性？并解释原因（4） 说明介电常数型电容传感器的主要优点和应用范围。3、本章典型例题分析例题1已知变面积型电容传感器两极板间距离为10，极板间介质介电常数为 =50 F/m，两极板集合尺寸一样，为3020 ，在外力作用下，其中可动极板在位置上向外移动10 ，试求电容变化量和传感器灵敏度各为多少？设动极板相对定极板沿长度0方向平移时，则电容为式中 为初始电容。电容的相对变化量为第五章 霍尔式传感器本章学习霍尔传感器的组成和工作原理及应用。要求掌握霍尔传感器的结构和工作原理、测量电路。了解霍尔传感器的误差补偿方法和用途。1、本章学习要求（1）应熟悉的内容霍尔传感器的结构和工作原理。（2）应掌握的内容霍尔元件、霍尔效应的定义以及霍尔式传感器的工作过程、测量电路。霍尔式传感器的误差与补偿。2、本章重点难点分析（1） 重点霍尔元件与霍尔效应，霍尔式传感器的工作原理以及基本结构，霍尔式传感器的测量电路。（2） 难点霍尔式传感器的测量电路以及存在的误差。霍尔式传感器在存在误差以后的几种补偿方法（不等位电势和温度误差）。（1） 试述霍尔电压建立的过程。霍尔电压的大小和方向与哪些因素有关？（2） 霍尔元件主要有哪些技术指标？分别是怎样定义的？（3） 霍尔元件存在不等位电势的主要原因有哪些？如何对其进行补偿？（4） 为什么霍尔元件要要进行温度补偿？主要有哪些补偿？补偿的原理是什么？3、本章典型例题分析例题1为测量霍尔元件的灵敏系数KH,现施加B=0.1T的外磁场，调节RP使IC=50mA,测得输出电压UH=25mV,试求 该霍尔元件的灵敏度系数。由于 EH=KHIBcosq ，KH=5mV/mAT第六章 压电式传感器本章学习压电传感器的组成和工作原理及应用。要求掌握压电传感器的基本原理、测量电路。了解压电传感器的用途。1、本章学习要求（1）应熟悉的内容压电效应的定义以及产生电压的原理，压电材料的分类以及其主要特性参数。压电式传感器的结构和工作原理。（2）应掌握的内容压电式传感器的工作原理与内部结构；压电晶体和压电陶瓷的区别与联系；压电式传感器的两种等效电路和测量电路；压电式传感器的应用。2、本章重点难点分析（1） 重点压电效应与压电材料；压电晶体与压电陶瓷的区别；压电式传感器的工作原理、等效电路与测量电路。（2） 难点压电传感器的两种等效电路，电荷放大器的组成与结构。压电式传感器的测量电路与具体应用。通过完成下面作业可以更详细地理解和掌握。（1） 什么叫正压电效应和逆压电效应？什么叫纵向压电效应和横向压电效应？（2） 石英晶体x、y、z轴的名称及其特点是什么？（3） 简述压电陶瓷的结构及其特性。（4） 画出压电元件的两种等效电路。（5） 电荷放大器所要解决的核心问题是什么？试推导其输入输出关系。（6） 简述压电式加速度传感器的工作原理。第七章 热电式传感器本章学习热电式传感器的组成和工作原理及应用。要求掌握热电偶温度传感器、热敏电阻传感器、热电阻温度传感器将温度转换为电量变换的过程、结构和特性。了解热电传感器的用途。1、本章学习要求（1）应熟悉的内容热电偶传感器、金属热电阻传感器和热敏电阻的工作原理与结构。（2）应掌握的内容热电偶温度传感器、热敏电阻传感器、热电阻温度传感器将温度转换为电量变化的过程、结构和特点、以及在温度测量中的具体计算方法。2、本章重点难点分析（1） 重点热电偶传感器、金属热电阻传感器和热敏电阻的工作原理与结构，温度测量中热电动势和温度之间的计算方法。（2） 难点热电偶传感器、金属热电阻传感器和热敏电阻的区别、在温度测量中的具体电路以及热电势和温度的换算方法。（1）什么是热电效应？热电偶测温回路的热电动势由那两部分组成？（2）热电偶温度传感器主要有哪几部分组成？各部分起什么作用？（3）试比较金属热电阻和半导体热敏电阻的异同。3、本章典型例题分析例题1 已知分度号为S的热电偶冷端温度为t0=20，现测得热电势为11.710mv，求热端温度为多少摄氏度？查表得再用11.823mV反查分度表可得977，即为实际热端温度1190 例题2铜康铜热电偶测温，冷端30度，未调零时进行测温，测量值为320度，若认为实际温度是350度对不对？为什么？正确温度是多少？由320度的热电动势为16.030mV30度的热电动势为1.196故总的热电动势为17.226mV查表可得实际温度为：340度例题3 已知分度号为K的热电偶热端温度为t=800，冷端温度为t0=30,求回路实际总热电动势？第八章 光电式传感器掌握光电式传感器的基本原理，了解光敏电阻、光电晶体管、光电池的光谱特性和将光信号转换成电信号的过程，明确各种光电式传感器各自的特点和应用范围。1、本章学习要求（1）应熟悉的内容光电效应以及光电器件的工作原理与结构。（2）应掌握的内容光电效应的具体分类以及各自的定义，光敏电阻、光电二极管和晶体管的工作原理以及测量电路，光电式传感器的工作原理。光电器件的伏安特性、温度特性以及光谱特性。2、本章重点难点分析（1） 重点光电效应（光电导效应、光伏效应和光电发射效应）与光电器件的原理和结构。（2） 难点光敏电阻、光电二极管和晶体管的工作原理以及测量电路，光电式传感器的工作原理。光电器件的伏安特性、温度特性以及光谱特性。通过完成下面作业可以更详细地理解和掌握。（1）什么叫内光电效应、外光电效应、光生伏特效应？（2）试述用光敏电阻检测光的原理（3）简述光电二极管和光电晶体管、光电池的结构特点和工作原理。（4）当光源波长为0.8-0.9m时，宜采用哪几种光电器件做测量元件。第九章 光纤传感器光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等）发生变化，称为被调制的信号光，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。1、本章学习要求（1）应熟悉的内容光纤的结构和传光原理、光纤传感器的分类。（2）应掌握的内容光的调制与解调技术、功能型光纤传感器和非功能型传感器的原理与应用。2、本章重点难点分析（1） 重点光的调制与解调技术、光纤传感器的分类与工作原理。（2） 难点光纤传感器的分类与工作原理、光的调制技术（相位调制、强度调制以及偏振态调制的定义与方法）。通过完成下面作业可以更详细地理解和掌握。（1）说明光纤的组成并分析传光原理（2）光纤的数值孔径NA的物理意义是什么？NA取值大小有什么作用？（3）说明光纤传感器的分类（4）非功能型光纤传感器的分类和特点是什么。第十章 测量技术基础知识本章学习测量的基本概念、测量方法、误差分类、测量结果的数据统计处理。要求掌握测量的基本概念和方法，掌握测量精度的概念和计算，了解测量误差的分类、估计以及校正方法1、本章学习要求（1）应熟悉的内容测量的基本概念、测量方法与系统；测量误差的分类与发现和校正方法。（2）应掌握的内容测量的基本概念与分类。 2、本章重点难点分析（1） 重点测量的基本概念与分类，误差的定义与分类。 （2） 难点测量误差的分类，测量误差的发现与校正方法。通过完成下面作业可以更详细地理解和掌握。（1）测量的定义及其内容是什么？（2）直接测量和间接测量的定义是什么？ （3）有几种直接测量的方法，它们各自是怎么定义的？（4）仪表有几个精度指标？其各自是如何定义的？第十一章 温度与压力测试系统本章学习稳定与压力的测量方法与系统。要求掌握金属热电阻、热敏电阻、热电偶传感器测温系统的定义和工作原理，掌握辐射式测温原理，了解光导纤维测温系统的测温原理。对于压力测量部分，要求掌握应变片、压电、电阻应变片、电容式的传感器测量方法。1、本章学习要求（1）应熟悉的内容温度与压力测量的方法与种类。（2）应掌握的内容金属热电阻、热敏电阻、热电偶传感器测温系统的定义和工作原理，掌握辐射式测温原理，了解光导纤维测温系统的测温原理。对于压力测量部分，要求掌握应变片、压电、电阻应变片、电容式的传感器测量方法。2、本章重点难点分析（1）重点温度与压力测量的方法与种类。（2）难点各种传感器的基本内容。通过完成下面作业可以更详细地理解和掌握。（1）绘出热敏电阻对温度进行补偿的电路（2）简述热电偶测温系统测量平均温度的方法，并绘制测量系统图。（3）光学高温计由哪几部分组成（4）辐射式温度传感器有什么特点第十二章 位移与速度测量系统掌握位移测量系统和速度测量系统的测量原理，掌握电感式、电容式、霍尔式、电涡流式位移测量的工作过程，了解磁电式、光电式、测速发电机、电磁脉冲式、应变式、电容式