传感器原理及应用

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（Principle and application of Sensor and Actuator） 

课程性质：专业选修课

预修课程：电子线路、电路分析基础

教学目的：从使用者和设计者的角度，结合商品实例较为全面地讲述常见传感器的工作原理、电路结构、信号处理方法、误差处理方法等，包括力学量传感器、光学传感器、温度传感器、磁敏传感器、离子敏传感器等等，有针对性地对电测、化学、生物等学科常用的敏感技术进行详细分析，同时在讲授中融合介绍目前传感器发展的最新动态和进展。通过该课程的学习，使学生能够在未来具体工作中，在传感器和执行器选择、使用、设计以及进一步深入研究方面具备良好的基础。

基本要求：学生在完成本课程的学习后，将对各类传感器的工作原理、基本结构、应用领域中较重要的敏感技术有相当的认识，对选择、使用或设计传感器的原则和方法有一定程度的掌握，可以针对应用需求，分析和设计一些简单的传感器，并对传感器和执行器目前的发展动态和需求有一定的了解，

教学用书：刘全编 《敏感器件及其应用》

教学内容、要求和课时安排：

总学时数：34+2

传感技术概述

教学内容

一、           基本概念（学时数：5）

1. 传感技术的地位和作用
2. 与传感技术有关的定义
3. 传感技术分类
4. 传感技术现状和发展趋势
5. 本门课程目标、内容概要、讲授基本线索和思路以及考察要求

二、           传感器能量变换与信号变化

1. 信息与能量：信息与能量理论基础、传感技术传递的信息与能量的关系
2. 被测量与能量变换、能量变换类型与特点
3. 传感器信号变换：模拟变换、数字变换

三、           自然规律与传感器

传感器应用的基本规律与法则：守恒定律、场的定律、统计法则、物质定律

四、           传感器构成论

1. 传感器的基本构成及特点和作用：敏感元件、转换电路、转换元件
2. 传感器的几种主要结构类型及特点

五、           传感器对信号的选择

几种重要的信号处理方式：固定方式、补偿方式、差动方式、滤波方式、同步方式

六、           传感器的特性与评价

1.      传感器的静态特性

2.      传感器的动态特性

七、           传感器中常见的变换电路

直流电桥、交流电桥、差分放大器等

八、传感器的选择标准

各类传感器及应用

教学内容

一、           力学量传感器（6学时）

1.      力学量的分类

2.      几何学量传感器

                         i.              线位移、形变和位置传感器

接触型传感器：差动变压器、电阻应变片、滑线变阻器

非接触型传感器：电容式传感器

                       ii.              角度传感器

电阻式角度和角位移传感器、应变式角度和角位移传感器

3.      运动学量和力学量传感器

                         i.              线速度传感器

电动式速度传感器、多路狭缝板

                       ii.              角速度传感器

电容式转速传感器

                      iii.              加速度和力学量传感器

压阻式传感器、压电式传感器

二、           温度敏感器件（6学时）

1.      温度敏感器件的种类

2.      金属热敏电阻及应用

                         i.              工作原理，

                       ii.              铂热电阻、

                      iii.              铜热电阻

                     iv.              原理电路

                       v.              应用实例

3.      半导体热敏电阻及应用

                         i.              NTC: 工作原理、原理电路、应用实例

                       ii.              PTC：工作原理、原理电路、应用实例

                      iii.              CTR：工作原理、原理电路、应用实例

4.      半导体PN结热敏电阻及应用

                         i.              工作原理

                       ii.              二极管PN结热敏电阻及应用

                      iii.              三极管温度传感器及应用

                     iv.              集成温度传感器

5.      热电势式测温传感器

                         i.              工作原理及热电偶的基本定律

                       ii.              电路结构及应用实例

6.      半导体的塞贝克效应及其在温度传感器中的应用

7.      铁氧体的热磁效应及其在温度传感器中的应用

三、           光敏传感器（5学时）

1.      光电式传感器的原理和特点

2.      外光电效应及光电器件：

                         i.              光电管：原理、结构、基本特性

                       ii.              光电倍增管：原理、结构、基本特性

                      iii.              电路结构及应用实例

3.      内光电效应及光电器件

                         i.              光敏电阻：原理、材料、结构、基本特性

                       ii.              光生伏特性光电传感器件

(a)    光电池：原理、结构、基本特性

(b)   光敏二极管：原理、结构、基本特性

(c)    光敏三极管：原理、结构、基本特性

(d)   光电耦合器：原理、结构、基本特性

                      iii.              电路结构及应用实例

四、           光纤传感器（4学时）

1.      概述：

                         i.              结构和种类，

                       ii.              传光原理：

                      iii.              集光能力，

                     iv.              传光损耗：费涅尔反射损耗、光吸收损耗、全反射损耗、减小损耗的对策

2.      各类光纤传感器

                         i.              功能型光纤传感器：相位调制型光纤传感器、加速度传感器、光纤磁场传感器、光强调制型光纤传感器、偏振态调制型光纤传感器

                       ii.              非功能型光纤传感器：改变光纤相对位置的光强调制型光纤传感器、遮断光路的光强调制型光纤传感器、光纤温度传感器、反射光强调制型光纤传感器

五、           磁敏传感器（4学时）

1.      霍尔传感器

                         i.              霍尔效应

                       ii.              霍尔元件及相关材料

                      iii.              霍尔传感器及应用实例

2.      磁阻传感器

                         i.              磁阻效应：物理磁阻效应、几何磁阻效应

3.      磁敏二极管

4.      磁敏三极管

5.      磁敏集成电路

6.      强磁性敏感器

7.      磁性液体

六、           离子敏感器件（4学时）

1.      离子敏感器的几个基础理论

                         i.              溶液电化学的基础理论

                       ii.              生物电化学的基础理论

2.      离子敏感器的分类

3.      基本离子敏感器

                         i.              无机绝缘栅离子敏感器

                       ii.              固态膜离子敏感器

                      iii.              有机高分子PVC膜离子敏感器

4.      生物敏感器

                         i.              酶敏感器

                       ii.              免疫敏感器

                      iii.              微生物敏感器

5.      离子敏感器的应用

                         i.              离子敏感器的结构特点及其测试仪器的框图

                       ii.              测量仪器的设计和制造

                      iii.              ISFET在科技领域的应用

                     iv.              微生物敏感器的应用

                       v.              免疫敏感器的应用

6.      气、湿敏传感器

                         i.              气敏传感器

(a)    半导体气敏传感器

(b)   非电阻式气敏传感器

(c)    固体电解质气敏传感器

(d)   气敏传感器研究的新进展

                       ii.              湿敏传感器

(a)    主要性能参数和一般性能要求

(b)   烧结型半导体陶瓷湿敏传感器

(c)    多孔氧化物陶瓷湿敏传感器

(d)   结型和MOS型湿敏传感器

(e)    其它湿敏传感器 

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