传感器原理及应用

湖北省高等教育自学考试大纲
课程名称：传感器原理及应用课程代号：6016 一．课程性质及其设置目的与要求
（一）课程性质与特点
《传感器原理及应用》是我省高等教育自学考试电子工程、自动化专业（本科段）的一门具有自身的体系，是实践性很强的课程。

课程的任务是使应考者获得各种信息、解决工程、生产及科研中遇到的各种具体的检测问题，掌握合理选择和善于应用各种传感器原理及传感技术，培养学生分析问题和解决问题的能力，为以后深入学习相关后续课程，以及工程检测的应用打好基础。

实验是教学的重要环节之一，通过实验可以巩固和丰富已学过的理论知识，发现和探讨新的问题、掌握实验方法、培养操作技能，增强动手能力，缩短书本知识和实际的距离。

传感器技术是生产过程中检测、监测各种物理量的方法和手段，通过实验可对各种不同的传感器及测量电路原理和组成有直观的感性认识。

(二) 本课程的目标与基本要求
通过本课程的学习，应考者应达到以下要求：
本课程介绍多种传感器，以第四章至第十章论述常见的、应用广泛的传感器，它们是电阻应变式、电容式、电感式、压电式、磁电式、热电式和光电式等传感器；第十一至二十二章介绍国内外近年来研制与开发新型传感器，它们是智能、光纤、图像、气体、湿度、红外、固态电阻、微波、液晶等传感器，因此，第四章至第十章里的传感器是重点要掌握的、基本的。

后面章节作为了解。

1.本课程主要介绍传统传感器的传感机理、结构、测量电路和应用方法，并对当代新型传
感器的发展状况与应用作以简要介绍。

本课程的任务是使电子科学与技术专业学生在传感技术方面具有较广的知识，
2.了解工程检测中常用传感器的结构、工作原理、特性、应用及当代传感器的发展方向。

使学生掌握传感器静态、动态的数学模型的推导以及系统的分析方法，并结合实际应用例，培养和锻炼学生去组建非电测量和控制系统的实际能力。

3.学习和掌握传感器的主要种类和基本工作原理，测量电路的选用，能根据被测量选择合
适的传感器设计，进行设计简单的数据采集系统。

掌握测试装置基本特性的评价方法和不失真测试条件，具有评价和选用试验装置的基本能力。

同时具有分析和处理测试结果的初步能力。

4.各种常用传感器的结构、原理、特性及应用。

5.工程检测中常用的测量电路及工作原理。

传感器的静、动态特性及其标定方法。

6.传感器的典型应用。

(三)本课程与其他课程的联系
在学习本课程之前学生应具有“电子学”,“自动控制理论”、“工程测试”,“微机原理”等方面的基础知识。

二、考核内容与考核目标
第一章传感器概论
（一）课程内容
本章首先介绍了传感器的定义、组成、分类，接着传感器在科技发展中的重要性、地位，以及传感器技术的发展动向。

（二）学习要求
掌握传感器的定义、组成、分类，了解传感器在科技发展中的作用及发展动向。

第二章传感器的一般特性
（一）课程内容
本章讲述传感器的特性,静态特性和动态特性，传感器的测试条件以及传感器的标定。

主要内容有：
1、理解传感器的一般特性的含义，传感器测量的物理量两种形式。

2、传感器的静态特性的定义，衡量传感器静态特性的重要指标：线性度、灵敏
度、迟滞、和重复性。

这是本章的重点。

3、传感器的动态特性的定义，研究传感器动态特性的方法：瞬态响应法和频率
响应法。

这是本章的难点。

4、传感器的动态特性分析，一阶传感器和二阶传感器。

5、传感器的无失真测试条件
6、传感器的标定：静态标定和动态标定。

（二）学习要求
掌握传感器静态特性的性能指标，掌握传感器的动态特性：频率响应特性和瞬态响应特性，以及时域动态性能指标，了解传感器的数学模型。

（三）考核知识点与考核要求
1、传感器的静态特性
1．1识记：（1）传感器的静态特性的含义，（2）线性度、灵敏度、迟滞、重复性的含义，（3）传感器的动态特性的含义，（4）传感器的标定。

1．2理解：（1）传感器的静态特性的重要性能指标。

（2）传感器的数学模
型。

（3）传感器的动态特性频率响应和瞬态响应
2、传感器的动态特性
2．1 识记：（1）传感器的动态特性的含义。

（2）传感器的数学模型。

2．2 理解：（1）研究传感器的动态特性的方法。

（2）传感器动态特性及其性能指标的概念。

3、传感器的无失真测试条件和传感器的标定
3．1识记：（1）传感器无失真测试满足条件。

（2）传感器的标定的方法
第三章传感器中的弹性敏感元件
（一）课程内容
本章讲述内容弹性敏感元件的基本特性，弹性敏感元件的形式及其应用范围。

主要内容及学习要求：
1、弹性敏感元件的基本特性、形式；
2、弹性敏感元件的应用范围；
3、弹性敏感元件的材料要求。

（二）学习要求
本章重点掌握弹性敏感元件的基本特性、形式，理解弹性敏感元件的应用范围。

了解弹性敏感元件的材料要求。

（三）考核知识点与考核要求
1、传感器的弹性敏感元件的基本特性
1．1识记：弹性特性、弹性滞后、弹性后效、固有频率的含义。

1．2理解：弹性敏感元件的基本特性表示形式及曲线形式。

2、传感器弹性敏感元件的应用范围及参数计算
2．1 识记：传感器弹性敏感元件部分应用范围，如弹性圆柱、悬臂梁等直接给出计算公式，不需要推导。

第四章电阻应变式传感器
（一）课程内容
本章电阻式传感器的结构、用途、分类、特性和非线性；线绕电位器、电阻应变片的结构、材料、工作原理、特性，温度误差及补偿方法；测量电桥。

主要内容有：
1．电阻应变式传感器的结构、工作原理。

2．电阻应变片的结构、工作原理、类别、特性。

3．电阻应变片的材料、粘帖。

4．电阻应变式传感器的温度误差及补偿。

5．电阻应变式传感器的测量电路。

6．电阻应变式传感器的应用。

（二）学习要求
1）掌握电阻式传感器的定义、类别、工作原理和用途，一般了解线性电位器的空载
和负载特性。

2）一般了解应变片的结构和分类，粘贴工艺。

3）掌握电阻应变片产生温度误差的主要原因及线路补偿方法
4）掌握应变测量桥路的种类，电桥的工作特性。

转换电路的形式及计算
重点：电阻应变片（计）的工作原理、测量电路及其应用
难点：电阻应变式传感器的特性分析和信号调理技术
（三）考核知识点及考核要求
1、电阻应变片的种类和电阻应变片的工作原理。

1．1识记：金属的应变效应、应变片的结构，电阻应变片的种类、材料、参数。

1．2 理解：电阻应变片的特性、工作原理。

2、电阻应变片的温度误差与补偿
2．1识记：温度误差产生的原因，电阻与温度的关系。

2．2理解：温度误差的补偿方法，重点桥路补偿法。

3、电阻应变式传感器的测量电路
3．1识记：测量电桥的工作原理：平衡电桥与不平衡电桥。

3．2理解：应变测量桥路的种类，电桥的工作特性。

电阻应变仪。

3．3应用：电阻应变片的测量电路。

各电阻应变式传感器的应用应变式力传感器应变式压力传感器应变式加速度传感器。

第五章电容式传感器
（一）课程内容
本章介绍了电容式传感器的工作原理及结构形式；电容式传感器的测量电路及应用。

主要内容有：
1．电容式传感器的工作原理及结构形式。

2．电容式传感器的等效电路。

3．电容式传感器的测量电路。

4．影响电容传感器精度的因素及提高精度的影响。

5．电容传感器的应用。

（二）学习要求
理解并掌握不同类型的电容传感器构造原理及其用途，并结合应用设计电容式传感器，分析各种电容式传感器测量电路特点：交流不平衡电桥、二极管检波电路、差动脉宽调制电路和运算法测量电路。

理解静态特性，设计要点，转换电路，电容式传感器的应用。

了解容栅式传感器工作原理。

熟悉电容式传感器设计方法及其典型工程应用技术。

重点：电容式传感器的工作原理、测量电路及其应用。

难点：差动电容式传感器的特性分析。

（三）考核知识点与考核要求
1、电容式传感器的工作原理及结构形式
1．1识记：（1）电容式传感器的特点，电容传感器的表达式及结构形式，（2）电容传感器的灵敏度及非线性。

1．2 理解：掌握变间隙式、变面积式及变介电常数式三种电容传感器的工作原理，灵敏度与非线性误差的矛盾关系及解决办法。

1．3 应用：电容传感器的工作原理及计算。

2、电容式传感器的测量电路
2．1识记：分析各种电容式传感器测量电路特点：交流不平衡电桥、二极管检波电路、脉宽调制电路和运算法测量电路。

2．2理解：掌握电容式传感器配用的测量电路的工作原理。

3、影响电容传感器精度的因素
3．1识记：了解分布电容对其应用的影响，温度对结构尺寸的影响，温度对介质介电常数的影响，漏电阻的影响。

第六章电感式传感器
（一）课程内容
单线圈变隙式和差动变隙式电感传感器的结构、工作原理、测量范围、灵敏度和线性度之间的关系；电感式传感器配用测量电路及其工作原理；差动变压器式传感器定义及其结构种类、工作原理、输出特性；螺线管式差动变压器传感器的结构、工作原理、改善线性度的方法；电涡流式传感器的分类、基本结构、工作原理及配用测量电路的工作原理。

主要内容：
1．电感式传感器的种类。

2．变磁阻式传感器的工作原理、等效电路。

3．变磁阻式传感器的特性分析、应用。

4．差动变压器工作原理、调节电路
5．涡流式传感器的基本结构，工作原理。

（二）学习要求
掌握自感式传感器工作原理、设计原则，差动变压器式传感器工作原理，主要误差及补偿方法，电涡流式传感器工作原理。

理解自感式传感器特性分析、等效电路、转换电路，电涡流的形成范围。

了解差动变压器式传感器的转换电路，电涡流式传感器转换电路，应用举例。

重点：电感式传感器的工作原理及其应用；信号调理电路
难点：电感式传感器的特性分析。

（三）考核知识点与考核要求
1、变磁阻传感器工作原理及特性
1．1识记：按工作原理分类：变阻式、变压器式和涡流式，理解变磁阻传感器的等效电路，单线圈电感传感器和差动式电感传感器的结构、工作原理、可测量及测量范围与灵敏度和线性度之间的关系。

1．2理解：（1）变磁阻式传感器的工作原理，表达式，电感与气隙的关系。

（2）电感式传感器的输出特性分析和结构，分具有小气隙的电感式传感器和螺管式电感传感器分析。

2、差动变压器
2．1识记：（1）差动变压器的工作原理、输出特性。

（2）一般了解差动变压器配用的差动相敏检波电路的工作原理和基本特性，差动整流电路的工作原理。

2．2 理解：（1）差动变压器式传感器结构种类。

（2）差动变压器的灵敏度与初始平衡位置的气隙大小的关系。

2．3 应用：差动变压器的信号调节电路。

3、涡流式传感器
3．1识记：（1）电涡流式传感器的类别。

（2）电涡流式传感器配用测量电路工作原理。

3．2 理解：掌握电涡流式传感器的基本结构、工作原理及其工作特性。

第七章压电式传感器
（一）课程内容
本章主要介绍压电效应，压电材料；压电式传感器测量电路；压电式传感器应用举例。

具体内容如下:
1.压电式传感器的工作原理:压电效应、压电常数。

2.压电材料
3.压电式传感器的等效电路：电荷等效电路和电压等效电路。

4.压电式传感器的调节电路：电压前置放大器和电荷前置放大器。

5.压电式传感器的应用。

（二）学习要求
掌握压电效应及其物理解释，压电元件常用结构形式，测量电路。

了解压电材料及主要特性、应用举例。

超声波传感器、探伤仪，无损检测。

重点：压电效应、测量电路
难点：压电材料的压电机理、电荷放大器与电压放大器的对比。

（三）考核知识点与考核要求
1、压电式传感器的工作原理
1．1识记：压电效应的概念，纵向压电效应和横向压电效应；石英晶体在直角坐标系中的三个轴名称；
1．2 理解：（1）压电式传感器的工作原理。

（2）正压电效应与逆压电效应的区别。

（3）压电效应的表达式即力与电荷的关系。

（4）压电效应的物理解释。

2、压电材料
2．1 识记：压电材料分两类：压电晶体和压电陶瓷；单晶体和多晶体；压电材料的特性要求。

2．2 理解：（1）多晶体的压电特性，压电陶瓷的极化：未加电场和加电场。

（2）压电陶瓷力与电荷的关系。

（3）压电元件的基本变形。

3、压电式传感器的等效电路
3．1 识记：压电元件两电极间的压电陶瓷或石英晶体为绝缘体，因此可以构成一个电容器，其电容量的表达式
3．2 理解：（1）压电式传感器的等效电路可等效两种形式：电荷等效电路和电压等效电路。

（2）压电材料的并联和串联的两种形式。

4、压电式传感器的调节电路
4．1 识记：前置放大器的两个作用。

4．2 理解及应用：电压前置放大器与电荷前置放大器的区别及特点；
5、压电式传感器的应用
5．1 识记：压电式加速度传感器的结构，
5．2 理解：（1）压电式加速度传感器的工作原理，（2）压电式加速度传感器的频率响应特性及其应用频率范围的确定方法。

第八章磁电式传感器
（一）课程内容
本章介绍了磁电感应式传感器的原理与应用；磁电式传感器的设计要点。

其主要内容：
1．磁电式传感器的工作原理及应用，分类：恒磁通式（动圈式磁电传感器）和变磁通式（磁阻式传感器）。

2．磁电式传感器的频率响应特性
3．磁电式传感器的应用
（二）学习要求
理解并掌握磁电式传感器的工作原理及应用，熟悉磁电式传感器的设计方法。

重点：磁电式传感器的工作原理及其应用。

难点：磁电式传感器的特性分析。

（三）考核知识点与考核要求
1、磁电式传感器的工作原理及应用
1．1识记：（1）磁电式传感器基于电磁感应原理的传感器，其表达式。

（2）磁电式传感器的分类。

1．2理解：（1）动圈式磁电式传感器的工作原理，结构组成，产生感应电势的表达式。

（2）磁阻式磁电传感器的工作原理，结构组成，产生感应电势的表达式。

1．3应用：动圈式磁电式传感器和磁阻式磁电传感器的应用和应用场合。

2、磁电式传感器的频率响应特性
2．1 识记：了解磁电式传感器的频率响应特性，磁电式传感器是惯性拾振器，磁电式速度传感器与相对速度的关系。

第九章热电式传感器
（一）课程内容
本章介绍了热电偶的结构、工作原理与应用；热电阻和热敏电阻的结构、工作原理及应用。

其主要内容如下：
1．热电偶。

2．热电阻。

3．晶体管和集成温度传感器
（二）学习要求
掌握热电偶的结构、热电势产生的条件、测温原理、基本定律及使用。

掌握热电阻、热敏电阻的工作原理及工作特性。

重点：热电式传感器的工作原理及其应用。

难点：热电偶的热电效应及其冷端补偿技术。

（三）考核知识点和考核要求
1、热电偶传感器
1．1 识记：（1）热电偶的工作原理、热电效应、热电极、工作端和自由端、冷端和热端。

（2）热电偶的类型和结构。

1．2 理解：（1）产生热电势有两部分组成：温差电势和接触电势。

（2）温差电势和接触电势的区别，温差电势与接触电势的表达式。

（3）热电偶的基本定理：均质导体定律、
中间导体定律、中间温度定律。

1．3 应用：热电偶温度补偿方法：热电偶补偿导线、参考端温度修正法、参考端0℃恒温法、参考端温度自动补偿法（补偿电桥法）。

2、热电阻传感器
2．1 识记：（1）热电阻传感器定义、优点。

（2）热电阻传感器分为金属热电阻和半导体热电阻两大类, （3）常用热电阻的材料：铜电阻和铂电阻。

2．2 理解：（1）铜电阻的特点，铜电阻的特性方程。

（2）铂电阻的特点、铂电阻的特性方程。

2．3 应用：（1）热电阻传感器测量电路，（2）测量电路最常用的是电桥电路。

其内部引线方式有两线制、三线制和四线制三种。

（3）三线制测温消除导线产生误差原理，目的:为避免或消除导线电阻对测温的影响。

3、热敏电阻
3．1 识记：热敏电阻的材料和结构
3．2 理解：负温度系数热敏电阻的特性，热敏电阻的伏安特性。

3．3 应用：热敏电阻温度补偿。

第十章光电式传感器
（一）课程内容
本章介绍了光电效应；光电管、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管的结构、工作原理及光谱特性；光电池；光电式传感器的应用。

其具体内容如下：
1．光电管和光电倍增管；
2．光敏电阻；
3．光敏二极管和光敏晶体管；
4．光电池；
5．光电式传感器；
（二）学习要求
1）掌握外光电效应及其两个基本概念。

2）掌握光电管的结构、测量光强度的工作原理，了解光电管的光谱特性，掌握光电管光谱特性的用途、光电特性和暗电流的定义，一般了解光电倍增管的特性。

3）掌握内光电效应、光导效应原理，了解光敏电阻的结构；掌握光敏电阻的工作原理、
灵敏度与暗亮电阻的关系和光电特性的特点。

4）掌握光敏二极管的结构、工作原理及光电特性。

6）掌握光敏三极管的结构、工作原理及其特点(与光敏二极管的关系)。

7）掌握硒、硅光电池的结构、工作原理、光电特性。

（三）考核知识点和考核要求
1、光电管与光电倍增管
1．1 识记：内光电效应、外光电效应、阻挡层光电效应。

1．2 理解：（1）光电管的结构，（2）光电倍增管的结构、原理。

2、光敏电阻
2．1识记：（1）光敏电阻的结构，（2）光敏电阻的工作原理：无极性、是一个电阻器件、无关照时，光敏电阻值（暗电流）很大，电流很小。

2．2 理解：（1）光敏电阻的主要参数：暗电流、亮电阻、光电流。

光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小，则性能越好，也就是说，暗电流要小，光电流要大，光敏电阻的灵敏度就高。

（2）光敏电阻的基本特性：伏安特性，①一定光照，电阻一定，电流正比于电压。

②一定电压，电流随着光照强度增强而增大。

光照特性，光敏电阻的光电流与光强之间的关系。

呈非线性。

光谱特性，光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光谱特性。

亦称为光谱响应。

响应时间和频率特性。

温度特性，温度变化影响光敏电阻的光谱响应。

3、光敏二极管和光敏晶体管
3．1识记：（1）光敏二极管的结构，光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。

利用光子引起的电子跃迁将光信号转变成电信号，光生电流与光强成正比。

（2）光敏晶体管的结构，光电三极管比具有相同有效面积的光电二极管的光电流大几十至几百倍，但相应速度较二极管差。

3．2 理解：（1）光敏二极管的原理，没有光照射时, 反向电阻很大, 反向电流很小, 这反向电流称为暗电流。

二极管处于截止状态。

当光照射在PN结上时,它们在PN结处的内电场作用下作定向运动, 形成光电流。

二极管处于导通状态。

光的照度越大, 光电流越大。

（2）光敏晶体管的原理，（1）光电转换，（2）电流放大
4、光电池
4．1识记：光电池的原理：光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。

4．2 理解：光电池的基本特性：光谱特性、光照特性，反映短路电流、开路电压与光照度的关系。

温度特性，光电池的温度特性是描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。

5、光电式传感器
5．1 应用：光电式传感器在监测与控制中应用广泛，模拟量光电传感器检测系统，开关量光电传感器，光电式转速表。

第十一章智能式传感器
（一）课程内容
本章介绍了智能式传感器的概述、智能式传感器的构成以及智能式传感器的发
展方向与途径。

其主要内容为：
1．智能式传感器的概述；
2．智能式传感器的构成；
3．压阻式压力传感器智能化；
4．智能式传感器的发展方向与途径；
（二）学习要求
了解智能式传感器的定义、形式、构成、特点，传感器的智能化与集成智能化
传感器的区别。

（三）考试知识点及考核要求
1、智能式传感器的概述
1．1识记：智能式传感器的定义
2、智能式传感器的构成
2．1识记：智能式传感器的构成、组成。

3、压阻式压力传感器智能化。

3．1识记：压阻式压力传感器硬件结构，压阻式压力传感器的软件结构。

4、智能式传感器的发展方向与途径。

4．1识记：传感器的智能化与集成智能化传感器的区别。

第十二章光导纤维传感器
（一）课程内容
本章介绍了光导纤维传感器的形成及其特点、光导纤维的传输，光调制技术以及各种光纤传感器的应用。

其主要内容：
1．光导纤维传感器的概述；
2．光导纤维以及光在其中的传输；
3．光调制技术；
4．光纤位移传感器；
5．光纤速度、加速度传感器；
6．光纤振动传感器；
7．光纤温度传感器；
8．光纤流量、流速传感器；
9．光纤压力传感器；
（二）学习要求
掌握光纤的基本原理、光纤传感器的基本原理。

了解光纤位移传感器、光纤速度、加速度传感器、光纤振动传感器、光纤温度传感器、光纤压力传感器的工作原理及应用。

重点：光纤传感器的基本原理。

难点：光调制技术。

（三）考核知识点与考核要求
1、光导纤维传感器的概述。

1．1识记：（1）光纤传感器技术的形成及其特点，（2）光纤传感器的光源。

1．2 理解：（1）光纤传感器的光探测器，有光敏二极管、光敏三极管、光电倍增管等。

（2）光线传感器的分类，功能型传感器和传光型传感器。

按传输模式分单模光纤、多模光纤。

2、光导纤维以及光在其中的传输。

2．1 识记：光导纤维的结构。

2．2 理解：光导纤维的传输原理。

光的全内反射是光纤传输光的基，（1）光的全反射条件，（2）数值孔径NA。

3、光调制技术。

3．1 识记：（1）光调制方式分类：强度调制、相位调制、偏振调制、频率调制和波长调制等。

（2）相位调制与干涉测量，（3）频率调制。

4、光纤传感器的应用
4．1 识记：（1）光纤传感器结构原理，光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。

由光发送器、敏感元件(光纤或非光纤的)、光接收器、信号处理系统以及光纤构成。

4．2 应用：光纤位移传感器。

光纤速度、加速度传感器。

光纤振动传感器。

光纤温度传感器。

光纤流量、流速传感器。

光纤压力传感器。

第十三章固态图像传感器
（一）课程内容
本章介绍固态图像传感器的敏感器件，电荷耦合器件（CCD）、电荷诸如器件（CID），以及固态图像传感器的分类和应用。

其主要内容：
1．固态图像传感器引言；
2．固态图像传感器的敏感器件；
3．固态图像传感器；
（二）学习要求
掌握固态图像传感器的敏感器件的原理，了解其应用。

重点：CCD传感器；
难点：CCD的电荷耦合过程。

（三）考核知识点与考核要求
1、固态图像传感器引言。

1．1 识记：图象传感器是利用光电器件的光-电转换功能,将其感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号图像的一种功能器件。

2、固态图像传感器的敏感器件。

1．1识记：固态图像传感器的敏感器件分类：电荷耦合器件、电荷诸如器件
1．2理解：电荷耦合器件(CCD) 的原理：CCD器件的基本单元结构是MOS（金属—氧化物—半导体）结构，（1）MOS光敏单元，(2)读出移位寄存器，是电荷图像的
输出电路。

3、固态图像传感器。

3．1识记：固态图像传感器的分类。

固态图像传感器的主要特性。

3．2 理解：线型固态图像传感器、面型固态图像传感器。

第十四章气体传感器。