《传感器与测试技术》教学大纲

《传感器与测试技术》教学大纲

课程编号：00804HX301

英文名称：Sensors and Measurement Technology

预修课程：大学物理、模拟电子技术基础、数字电子技术基础、信号系统与控制

学时安排：40学时，课堂教学32学时，实验教学8学时

学分：2.5

一、课程概述

（一）课程性质地位

传感器及测试技术是摄取信息的关键，是现代信息系统和各种武器装备不可缺少的信息采集手段。本课程是仪器科学与技术学科测控技术与仪器本科专业的一门技术基础必修课，开设在大学三年级春季学期，既是前期课程的延续，又是学习后续各专业课的基础，在整个专业课程体系中起着承前启后的桥梁作用。通过课程学习加强学员传感器、测试技术的知识底蕴，提高学员对专业理论的认知能力，为解决工程测试问题打下基础，增强学员对专业技术工作适应能力和开发创新能力的作用。

（二）课程基本理念

课程教学紧紧围绕工程测试测试需求，以“科学引领工程、工程引入教堂、教员在研究中教、学员在实践中学”的教学理念为主导，将系统、传感器和测试技术等内容集成一起，加强技术基础教学的综合性、系统性，以学科专业的应用为大背景，体现传感器及测试科学和技术的相互关联和完整性。课堂教学注重知识的建构性、学习者的主导性以及学习的互动性，引导学生创造性地运用知识和能力，自主地发现问题、研究问题和解决问题，在研讨中积累知识、培养能力和活跃思维。

（三）课程设计思路

本课程围绕实现不失真测试这一问题，以测试系统特性-信号获取-信号加工和处理为主线，分三个大专题展开。第一专题为传感器与测试技术理论基础，讲述了传感器和测试系统的概念、信号分析、数据处理和测试系统的基本特性。第二专题为传感器原理及应用，重点讲述传感器的工作原理、分类结构、特性参数、测量电路及应用。采用按照原理分类介绍几大类型的传感器，既便于学生理解传感器原理，又便于掌握同类传感器的共性及不同类传感器的不同特点。第三专题为典型参量的测试。以测试原理和测试方法为主，着重强调传感器的应用，突出课程重点，充分考虑了传感器的实际应用功能和测试技术知识的系统性与内在联系。引导学生将基本理路基本分析方法用于解决实际问题，力求使学生了解测试技术的本质，提高解决实际问题的能力。

二、课程目标

（一）知识与技能

通过本课程学习，熟练掌握各类典型传感器的基本原理、基本技术特性及应用，掌握常见物理量的测试理论、方法和实验技术，了解传感器与测试技术在武器装备中的应用以及传

感器技术的最新发展趋势，具有初步组建测试系统的能力，建立对武器装备技术特性的测量和分析意识，为从事武器装备关测试技术工作打下良好的基础。

（二）过程与方法

课程内容分为三大块：基础理论、典型传感器原理与应用以及典型参量的测试。在基础理论部分，采取“以兴趣为核心”的方式，让学员以从感兴趣和有亲身感知的事件中由实践到理论，从工程实际到科学认识传感器；再分门别类讲述每种传感器，由于传感器涉及知识面广、种类多、发展快，在讲解每种传感器时在内容的组织和讲解上采用基本相同的知识线路：传感器工作原理→分类及结构→工作特性参数→误差及补偿→基本信号调理电路→应用示例，这样有利于学生掌握重点内容，同时采取“以问题为核心”的方式，从科学到工程，引导学生对传感器工作原理进行探究，根据工程需要对科学问题进行提炼；在典型参量测试部分，采取“以案例或课题为核心”的方式，从科学到工程，从单元构建系统，进行设计学习。

（三）情感态度与价值观

通过本课程的学习，加深学员对传感器与测试技术在武器装备测试领域中地位的认同感，增强学员应用所学知识与技能服务于军队、献身国防的责任感、使命感和自信心；培养学员永不放弃追求真理的坚毅品质；培养学员独立思考、自主创新的科学精神。

三、内容标准

第一专题传感器与测试技术理论基础

第一章绪论

主要内容：

1．传感器的定义，传感器的分类，传感器的组成；

2．传感器与测试技术的重要性；

3．被测量的分类，测试系统的组成；

4．传感器与测试技术的发展动向；

5．课程的教材和内容。

教学重难点：

传感器的重要性，传感器的定义、组成。

教学要求：

1．掌握传感器的定义、组成；

2．掌握测试系统的构成；

3．了解传感器与测试技术在国民经济各个领域的应用；

4．了解传感器与测试技术的发展动向。

第二章测试系统的特性分析

主要内容：

1．测试系统的静态特性；

2．测试系统的动态特性及其动态参数的测试方法；

3．传感器的技术性能指标；

4．实现不失真测试的条件。

教学重难点：

传感器动态特性及其数学描述。

教学要求：

1．掌握测试系统静态特性的表示方法；

2．掌握一阶、二阶测试系统的动态特性及其动态参数的测试方法；

3．理解传感器的性能技术指标，了解改善传感器性能的技术途径；

4．掌握实现不失真测试的条件。

第二专题传感器原理及应用

第三章阻抗式传感器

第一节电阻应变式传感器

主要内容：

1．电阻应变片的工作原理；

2．电阻应变片的温度误差及其补偿；

3．电阻应变式传感器的测量电路；

4．电阻应变式传感器的应用。

教学重难点：

1．电阻应变片的灵敏系数；

2．电阻应变式传感器的温度补偿。

教学要求：

1．掌握应变效应、压阻效应；

2．了解压阻式传感器的工作原理、基本结构和应用特点；

3．理解电阻应变式传感器温度误差产生的原因以及补偿的措施；

4．掌握电阻应变式传感器的测量电路，能用应变片正确组成电桥并完成相关计算。第二节电容式传感器

主要内容：

1．电容式传感器的工作原理；

2．电容式传感器的测量电路；

3．影响电容式传感器精度的因素分析；

4．电容式传感器的应用。

教学重难点：

1．电容式传感器的灵敏度与非线性误差；

2．提高和改善电容式传感器精度的措施。

教学要求：

1．掌握电容式传感器的原理，并能结合应用设计电容式传感器；

2．掌握灵敏度与非线性误差的矛盾关系及解决办法，能进行相应的计算；3．了解电容式传感器的等效电路，理解各种电容式传感器测量电路的特点；4．了解电容式传感器的优缺点、影响精度因素及其改善措施。

第三节电感式传感器

主要内容：

1．变磁阻式传感器；

2．差动变压器传感器；

3．涡流式传感器；

4．电感式传感器的应用。

教学重难点：

1．变隙式和螺管式自感式传感器的测量范围与灵敏度和线性度之间的关系；2．零点残余电压；

3．差动变压器静态特性分析。

教学要求：

1．掌握电感式传感器的工作原理；

2．理解电感式传感器零点残余电压产生的原因、影响及消除方法；

3．理解电感传感器测量电路的工作原理及基本特点；

4．了解电感式传感器的主要应用领域、可测参数、测量系统及应用特点。

第四章电动势式传感器

第一节压电式传感器

主要内容：

1．压电式传感器的工作原理；

2．压电式传感器的等效电路；

3．压电式传感器的测量电路；

4．压电式传感器的应用。

教学重难点：

1．压电常数矩阵；

2．改善压电式传感器频率响应范围的具体措施。

教学要求：

1．熟练掌握压电效应；理解石英晶体、压电陶瓷的压电现象；

2．熟练掌握压电常数以及压电常数矩阵；

3．熟练掌握电压放大器、电荷放大器的原理；

4．了解压电式传感器的实际应用。

第二节霍尔式传感器

主要内容：

1．霍尔效应；

2．霍尔元件的结构和基本电路；

3．霍尔元件的误差及补偿；

4．霍尔式传感器的应用。

教学重难点：

霍尔传感器的工作原理与特性；

霍尔元件的误差和补偿。

教学要求：

1．熟练掌握霍尔效应，霍尔元件的测量电路；

2．熟悉霍尔传感器的结构、特性参数和基本电路；

3．熟悉霍尔元件的误差和补偿方法。

第五章光电式传感器

第一节光电效应与光电器件

主要内容：

1．光电效应；

2．光电器件。

教学重难点：

光电效应。

教学要求：

1．掌握光电效应；

2．熟悉光电器件及其基本特性，会选用合适的光电器件构成光电式传感器。第二节CCD图像传感器

主要内容：

1．电荷耦合器件（CCD）的结构和工作原理

2．线型与面型CCD图像传感器；

3．CCD图像传感器的应用。

教学重难点：

电荷的传输过程。

教学要求：

1．掌握CCD图像传感器电荷的产生、储存与转移的原理；2．了解CCD图像传感器的类型以及应用。

第三节光纤传感器

主要内容：

1．光纤的基本知识；

2．光纤传感器的结构和原理；

3．光纤传感器的应用。

教学重难点：

光调制与解调技术。

教学要求：

1．了解光纤的主要特性参数；

2．掌握幅度调制以及相位调制技术；

3．了解光纤传感器的性能特点及工程应用。

第六章数字式传感器

第一节感应同步器

主要内容：

1．感应同步器的基本结构；

2．感应同步器的工作原理；

3．感应同步器的测量系统。

教学重难点：

直线感应同步器的感应电动势；感应同步器的信号处理方式。教学要求：

1．掌握感应同步器的工作原理；

2．掌握感应同步器的信号处理方式。

第二节光栅式数字传感器

主要内容：

1．光栅的基本结构；

2．光栅传感器的工作原理；

3．光栅传感器的应用。

教学重难点：

光栅传感器的细分和辨向。

教学要求：

1．掌握光栅传感器的工作原理；

2．了解光栅传感器的细分和辨向原理。

第七章其它传感器

主要内容：

1．湿度传感器；

2．机器人传感器；

3．网络传感器。

教学重难点：

IEEE1451的信息模型；无线传感器网络的实现途径，无线传感器网络的路由协议；机器人外部传感器的工作原理。

教学要求：

1. 掌握常用湿度传感器的工作原理；

2. 掌握机器人传感器的种类和工作原理；

3．掌握无线传感器网络的构成；

4．了解无线传感器网络的路由协议。

第三专题典型参量测试技术

第八章振动的测量

主要内容：

1．振动的类型及振动测试系统构成；

2．相对式测振传感器以及惯性式测振传感器的原理；

3．振动的激励与激振器；

4．振动测试系统的校准。

教学重难点：

惯性式测振传感器的原理。

教学要求：

1．了解振动测量的方法；

2．熟练掌握惯性式测振传感器的原理；

3．根据被测对象，构建合适的振动测试系统。

第九章温度的测量

主要内容：

1．温度和温标的概念；

2．温度测量的主要方法及分类；

3．热电偶测温技术；

4．金属热电阻测温；

5．半导体温度传感器；

6．机械式测温器件；

7．红外测温。

教学重难点：

热电偶测温原理及冷端温度补偿；热电阻测温原理及信号调理。

教学要求：

1．了解温度测量的主要方法；

2．掌握热电偶测温、热电阻测温的原理；

3．能根据测温范围和使用条件正确选用温度传感器，合理组建温度测量系统。第十章流量的测量

主要内容：

1．流量测量的基础知识；

2．差压流量计

3．涡轮流量计

4．椭圆齿轮流量计

5．转子流量计

6．电磁流量计

7．超声波流量计

8．科里奥利质量流量计

9．热丝式流量计

教学重难点：

差压流量计，涡轮流量计、转子流量计、电磁流量计的工作原理。

教学要求：

1．了解流体的定义及特征；

2．掌握常用流量计工作原理

3．能根据被测流体对象，正确选用流量的测量方法和流量计。

四、实施建议

（一）教学实施

1．课程学时分配表

2．教学方法和手段

多媒体教学：全程多媒体教学以多媒体教学为主、板书为辅，多媒体教学学时约占课程学时的90％。

网络教学：学校网上教学平台－>机电工程与自动化学院－>本科课程－>传感器与测试技术。

（二）考核评价

考核方式：考试

组织方式：笔试，闭卷

成绩评定：百分制

记分标准：课程考试占80％、实验占10％、平时表现（作业+课程网络交流）占10%。

（三）教材选用

1．教材

叶湘滨，熊飞丽，张文娜，罗武胜等编著．传感器与测试技术．北京：国防工业出版社，2007.04第1版，2012.01第三次印刷

2．参考书

（1）张文娜，叶湘滨，熊飞丽等编著．传感器技术．北京：国防工业出版社，2011.11第1版，2011.11印刷

（2）Sabrie Soloman. Sensors Handbook. McGraw-Hill, Inc. New York, NY, USA, 2009

（3）Jon Wilson. Newnes．Sensor Technology Handbook．1st Edition，2005

（4）王伯雄主编．测试技术基础．北京：清华大学出版社，2003.04第1版，2003.04印刷

（5）梁森，欧阳三泰，王侃夫编著．自动检测技术及应用．北京：机械工业出版社，2006.10第1版，2006.10印刷

《传感器与测试技术》实验教学大纲

（执笔人：熊飞丽审阅学院：机电工程与自动化学院）

课程名称：传感器与测试技术实验

总学时：8学时

实验学时：8学时

实验地点：传感器与测试技术实验室

一、目的与任务

传感器与测试技实验教学是课程教学的重要的实践性环节。通过动手实践，验证、巩固和补充课程讲授的理论知识，使学生对传感器的结构、工作原理及应用、测试系统等形成感性认识；加深学员对传感器的选择、调理电路设计方法的理解，具备组建测试系统的能力，并培养学生科学思维习惯和严谨作风。

实验课程开设了基础实验、综合型实验和设计型实验三个不同层次的实践项目。通过基础实验掌握传感器的基本特性和工作原理，巩固学员基本理论和基本技能；通过综合型实验和设计型实验培养学生的创新精神、工程实践能力以及综合运用知识的能力。

二、主要内容与基本要求

（一）温度传感器动态特性的测试

1．实验目的与任务

了解温度传感器时域特性，掌握温度传感器时间常数的测量方法。

2．实验原理

（1）热电偶测量温度的基本原理

热电偶测量温度的基本原理是热电效应。将A和B两种不同的导体首尾相连组成闭合回路，如果两连接点温度（T，T0）不同，则在回路中就会产生热电动势，形成热电流，这就是热电效应。热电偶就是将A和B两种不同的金属材料一端焊接而成。A和B称为热电极，焊接的一端是接触热场的T端称为工作端或测量端，也称热端；未焊接的一端（接引线）处在温度T0称为自由端或参考端，也称冷端。T与T0的温差愈大，热电偶的输出电动势愈大；温差为0℃时，热电偶的输出电动势为0V；因此，可以用测热电动势大小衡量温度的大小。

（2）温度传感器动态特性参数的测定

阶跃响应法是以阶跃信号作为温度传感器的输入，通过对温度传感器输出响应的测试，从中计算出其动态特性参数。

3．实验内容及要求

（1）构建一个温度传感器时间常数τ测量系统，测温度传感器响应曲线，根据响应曲线

求出τ；

（2）说明放大倍数K 的确定、信号处理电路的设计以及实验数据处理的方法。 4．实验结果及要求

（1）画出测量系统框图，说明测量原理； （2）说明测试系统的设计；

（3）根据温度传感器阶跃响应特性曲线，求出系统的时间常数τ，并说明时间常数对系统动态特性的影响。

（二）应变传感器性能实验

1．实验目的与任务

熟悉金属箔式应变片的结构、特性及工作原理；利用应变片构建质量测量系统，分析比较测量电桥（包括单臂电桥、差动半桥和全桥）的输出特性、灵敏度和非线性度，掌握电子秤的标定方法。

2．实验原理

电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应。描述电阻应变效应的关系式为：

R R K ε?= （1）

式中：R R ?为电阻丝电阻相对变化，K 为应变灵敏系数，L L ε=?为电阻丝长度相对变化。

使用应变片时，将应变片用粘结剂牢固地粘贴在被测试件的表面上，当试件受力变形时，应变片的敏感栅也随同变形，引起应变片电阻值的微小变化。通常采用电桥电路实现把微小阻值变化转换成电压输出。不同的电桥形式，输出电压不同、非线性度不同。

单臂电桥电路中，应变片接在电桥的一个臂上，电桥输出电压14o U EK ε=。

差动半桥电路中，不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压22o U EK ε=。

全桥测量电路中，将四片应变片分别接入电桥的四个臂。四片应变片初始阻值为：

1234R R R R ===，工作时的变化值1234R R R R ?=?=?=?时，其桥路输出电压2o U EK ε=。由此，全桥输出灵敏度比差动半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得

到改善。

3．实验内容及要求

（1）测试应变片单臂电桥、半桥和全桥的输出特性，判断它们之间的相互关系。 （2）条件允许时，可练习应变片的粘贴技术； （3）设计电子秤。（选做） 4．实验结果及要求

（1）记下实验结果，在同一坐标纸上画出实验曲线。计算灵敏度S U W =??，非线性误差δ，并对结果进行讨论。

（2）利用应变片设计数字式电子秤，画出结构简图并叙述其工作原理。

（三）电涡流传感器位移特性实验

1．实验目的与任务

掌握电涡流传感器的工作原理和特性；掌握电涡流传感器的静态性能及测试方法；掌握不同材料的被测物对电涡流传感器性能的影响；掌握电涡流传感器的基本应用；了解电涡流传感器电路的组成及原理。

2．实验原理

电涡流传感器是一种建立在涡流效应原理上的传感器。当金属板置于变化着的磁场中时，或者在固定磁场中运动时，金属板内就要产生感应电流，这种电流的流线在金属体内是闭合的（自成回路），所以叫做涡流。涡流的大小与金属体的电阻率、导磁率、厚度以及线圈与金属板间的距离，线圈的激磁电流角频率等参数有关。当除线圈与金属导体表面的距离以外的所有参数一定时，涡流损耗只与金属导电体离线圈的距离有关，因此可以进行位移测量。

电涡流传感器在实际应用中，由于被测体据涡流传感器的位置不同会导致被测体上涡流效应的不充分，会减弱甚至不产生涡流效应，因此影响电涡流传感器的静态特性。涡流效应与金属导体本身的电阻率和磁导率有关，因此不同的材料就会有不同的性能。

3．实验内容及要求

（1）电涡流传感器的静态性能测试；

（2）被测体的位移对电涡流传感器特性的影响；

4．实验结果及要求

（1）记录位移与测量电路电压输出数据，分别记录被测体为不同材质时电涡流传感器的位移与输出电压实验数据，画出实验曲线，并分别计算量程为1mm和3mm时的灵敏度和非线性误差（线性度）。

（2）记录实验数据，画出V-X曲线，根据曲线找出线性区域及进行正、负位移测量时的最佳工作点，（即曲线线性端的中点），试计算测量范围量程为1mm与3mm时的灵敏度和线性度（可以用端基法或其它拟合直线）。

（四）机械系统振动测量

对机械结构固有频率特性进行测定，并对测试信号进行频谱分析。

1．实验目的与任务

了解和掌握机械结构振动系统幅频特性曲线的测量方法；了解机械结构固有频率测量系统的构成。

2．实验原理

双简支梁在某一激振频率下产生振动，用加速度传感器测量双简支梁在此频率下振动的振幅。当激振频率由低频—高频扫频，传感器就能测出对应频率下的振幅。

3．实验内容及要求

机械结构固有频率的测量。要求通过幅频特性曲线求出双简支梁的固有频率。

4．实验结果及要求

画出幅频特性曲线；估算阻尼比，并说明阻尼比及固有频率对机械结构动态特性的影响。

（五）压阻式压力传感器动态特性的标定

1．实验目的与任务

了解压力传感器测量压力的原理和方法；利用激波管测试压力传感器的动态特性参数。

2．实验原理

激波管标定装置系统如图1所示.。它由激波管、入射激波测速系统、标定测量系统及气源等四个部分组成。激波管是产生激波的核心部分，由高压室和低压室组成，中间用膜片隔开，激波压力的大小由膜片的厚度决定。标定时，根据要求对高低压室分别充以不同压力的气体，低压室一般为一个大气压，仅给高压室充气，当高低压室的压力差达到一定程度时膜片破裂，高压室的气体膨胀冲入低压室从而形成激波。这个激波的波阵面压力保持恒定，接近理想的阶跃波，并以超音速冲向被标定的传感器。传感器在激波的激励下按固有频率产生一个衰减振荡。被标定压力传感器可放置在侧面位置上，也可放在底端面位置上。从被标定传感器来的信号通过电荷放大器，再通过接口传给采集系统，。

图1 激波管标定装置系统原理框图

1—激波管的高压室；2—激波管的低压室；3—激波管的导低压室的膜片；4—侧面被标

定的传感器；5—底面被标定的传感器；6、7—测速压力传感器；8—测速前置级；9—数

字式频率计；10—测压前置级；11—记录记忆装置；图15-20 被标定传感器的输出波形

12—气源；13—气压表；14—泄气门

3．实验内容及要求

（1）构建激波管标定系统；

（2）对压阻式压力传感器进行动态特性测试。

4．实验结果及要求

（1）记录压力传感器的动态特性曲线；根据压力传感器阶跃响应特性曲线，求出压力传感器的动态特性参数固有角频率w n和阻尼比 ；

（2）求取压力传感器的上升时间、最大过程量、及响应带宽等特性指标；

（3）提出改善压力传感器动态特性指标的方法和思路。

三、实施建议

注：“实验性质”栏中，综合性、设计性实验须按学校有关管理办法认定。

（二）考核与评价

考核方式：考试/考查

组织方式：现场测试

成绩评定：五级制（优秀、良好、中等、及格、不及格）

记分标准：参与实验态度占10%、遵守实验室规定占10%、完成实验的质量40%、动手能力占20%、创新能力占20%

（三）实验教材或指导书

《传感器与测试技术实验指南》，熊飞丽、张文娜、叶湘滨，国防科技大学出版社（内印），2012.05

（四）其他有关说明