傳感器及檢測(cè)技術(shù)教學(xué)設(shè)計(jì)9新型傳感器及應(yīng)用

1、項(xiàng)目八新型傳感器及應(yīng)用教學(xué)目的:1、了解智能傳感器的概念、功能和特點(diǎn)。2、了解智能傳感器的組成和實(shí)現(xiàn)途徑。3、了解智能壓力傳感器和智能溫度傳感器。4、了解生物傳感器的基本知識(shí)。5、了解常用生物傳感器的應(yīng)用。6、了解微機(jī)電系統(tǒng)。7、了解微型傳感器及應(yīng)用。課型：新授課課時(shí)：2個(gè)任務(wù)，安排4個(gè)課時(shí)。教學(xué)重點(diǎn)：智能傳感器，智能傳感器的功能與特點(diǎn)，智能傳感器的組成，智能傳感器的應(yīng)用，生物傳感器，生物傳感器的分類，生物傳感器的應(yīng)用，酶?jìng)鞲衅骷皯?yīng)用，微生物傳感器及應(yīng)用，免疫傳感器及應(yīng)用。教學(xué)難點(diǎn)：微機(jī)電系統(tǒng)，微機(jī)電系統(tǒng)的加工技術(shù)，微型傳感器，常用微型傳感器及應(yīng)用，生物傳感器與普通的化學(xué)分析法相比有何特點(diǎn)。教

2、學(xué)過程：1 .教學(xué)形式：講授課，教學(xué)組織采用課堂整體講授和分組演示。2 .教學(xué)媒體：采用啟發(fā)式教學(xué)、案例教學(xué)等教學(xué)方法。教學(xué)手段采用多媒體課件、視頻等媒體技術(shù)。作業(yè)處理:完成項(xiàng)目后的思考題。本課標(biāo)題溫度檢測(cè)課次1授課方式理論課討論課口習(xí)題課其他口課時(shí)安排4學(xué)分共2分授課對(duì)象院系、專業(yè)：任課教師板書設(shè)計(jì):教學(xué)基本內(nèi)容教學(xué)方法及教學(xué)手段課堂導(dǎo)入人類感知外部信息是通過人的視覺、聽覺、觸覺、嗅覺和味覺等感覺器官與人類積累的知識(shí)相結(jié)合的結(jié)果。因此人類的智能是實(shí)現(xiàn)了多重傳感信息的融合并且把它與人類的知識(shí)結(jié)合而作出的歸納和綜合，它包括了“感知”和“認(rèn)知”兩個(gè)方面。由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)換電路三部分組成的傳

3、感器稱為傳統(tǒng)傳感器或經(jīng)典傳感器，它將被測(cè)對(duì)象信息變換成電信號(hào)，具有對(duì)某一信息知”的本領(lǐng)，但不具有判斷、推理、鑒別事物的“認(rèn)知”能力。而智能傳感器(SmartSensor或IntelligentSensor)是將傳統(tǒng)傳感器與微處理器結(jié)合，實(shí)現(xiàn)一定數(shù)據(jù)處理能力，并具有自檢、自校、自補(bǔ)償功能的新一代傳感器，它將“感知”和“認(rèn)知”結(jié)合起來，起到了人的五官的作用。參考以下形式:1 .銜接導(dǎo)入2 .懸念導(dǎo)入3 .情景導(dǎo)入4 .激疑導(dǎo)入5 .演示導(dǎo)入6 .實(shí)例導(dǎo)入7 .其他形式1.本課程是機(jī)電一體化、自動(dòng)控制、電氣自動(dòng)化、應(yīng)用電子等專業(yè)的一門專業(yè)課程。要求學(xué)生能認(rèn)識(shí)常用傳感器，掌握其工作原理、輸出特性、誤差

4、補(bǔ)償，理解各種測(cè)量轉(zhuǎn)換電路，了解傳感器的典型應(yīng)用等知識(shí)，達(dá)到能正確使用常用傳感器的目的。2 .檢測(cè)技術(shù)的主要內(nèi)容包括了自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中的信息提取、信息轉(zhuǎn)換以及信息處理。需要一定的測(cè)量理論、測(cè)量方法，相應(yīng)的測(cè)量工具、裝置，以及對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行正確的處理分析。它涵蓋了傳感器技術(shù)、誤差理論、測(cè)試計(jì)量技術(shù)、抗干擾技術(shù)以及電量間的互相轉(zhuǎn)換技術(shù)等。3 .本課程教學(xué)內(nèi)容的組織與安排：由實(shí)例引入，按照“任務(wù)提出”“相關(guān)知識(shí)”“任務(wù)實(shí)施”“其他案例”“訓(xùn)練一下”幾個(gè)部分遞進(jìn)完成。采用任務(wù)引領(lǐng)的項(xiàng)目課程教學(xué)，將檢測(cè)技術(shù)與傳感器的技能和知識(shí)點(diǎn)融入項(xiàng)目的工作任務(wù)之中，在符合工作過程的基礎(chǔ)上，充分考慮了學(xué)習(xí)者的認(rèn)知心理過程

5、，將課程內(nèi)容劃分為九基本知識(shí)匯總?cè)蝿?wù)一智能傳感器一、智能傳感器的概念智能傳感器的最高目標(biāo)應(yīng)該是接近或達(dá)到人類的智能水平，能夠像人一樣通過在實(shí)踐中不斷地改進(jìn)和完善，實(shí)現(xiàn)最佳測(cè)量方案，得到最理想的測(cè)量結(jié)果。而目前傳感器的智能化程度還僅僅是初級(jí)階段，與人類的智能相比還有很大的差距，只能說是數(shù)據(jù)處理層次上的低級(jí)智能。智能傳感器這一名稱在世界范圍內(nèi)，至今尚無公認(rèn)的定義，但普遍認(rèn)為智能傳感器是“將一個(gè)或多個(gè)敏感元件和信號(hào)處理器集成在同一塊硅或種化鋅芯片上的裝置”，或者是“一種帶微處理器并具有檢測(cè)、判斷、處理、記憶、思維等功能的傳感器”。因此智能傳感器是一種帶有微處理器并擴(kuò)展了傳感器功能，具有人的某些智能的

6、新型傳感器。二、智能傳感器的功能與特點(diǎn)（一）智能傳感器的功能智能傳感器比傳統(tǒng)傳感器在功能上有了極大的拓展，幾乎包含了測(cè)量設(shè)備的全部功能，主要表現(xiàn)在以下幾方面：1 自校準(zhǔn)功能操作者輸入零值或某一標(biāo)準(zhǔn)值后，自校準(zhǔn)程序可以自動(dòng)進(jìn)行零位和增益等參數(shù)的在線校準(zhǔn)。2 自診斷功能工作中，可借助內(nèi)部檢測(cè)電路對(duì)異常現(xiàn)象或故障進(jìn)行診斷。3 檢測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)處理功能對(duì)采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)和修正，進(jìn)行非線性、溫度、噪聲、漂移等誤差補(bǔ)償。4 軟件組態(tài)功能智能傳感器內(nèi)部具有多種硬件和軟件模塊。用戶可針對(duì)不同應(yīng)用目的，通過操作指令，改變其內(nèi)部硬件模塊和軟件模塊的組合，來完成不同的功能，實(shí)現(xiàn)多傳感、多參數(shù)的復(fù)合測(cè)量。5

7、信息存儲(chǔ)和記憶功能能存儲(chǔ)各種歷史信息、參數(shù)和校正數(shù)據(jù)等。6 雙向通信和數(shù)字輸出能方便地與計(jì)算機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)信息的交換。（二）智能傳感器的特點(diǎn)1 高精度智能傳感器通過自較零可去除零點(diǎn)；通過與標(biāo)準(zhǔn)參考基準(zhǔn)實(shí)時(shí)比對(duì)而自動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定；自動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的非線性等系統(tǒng)誤差進(jìn)行校正；通過對(duì)采集的大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理消除偶然誤差的影響等，從而保證局精度。2 高可靠性與高穩(wěn)定性由于智能傳感器能自動(dòng)補(bǔ)償因工作條件和環(huán)境參數(shù)變化引起的系統(tǒng)特性的漂移；能隨被測(cè)參數(shù)的變化自動(dòng)改變量程；能實(shí)時(shí)自動(dòng)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行自檢、分析、判斷其合理性，并對(duì)異常情況作應(yīng)急處理等，從而保證高可靠性與高穩(wěn)定性。3 高信噪比與高分辨率由于智能傳感器具

8、有檢測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)處理功能，能進(jìn)行數(shù)字濾波、分析計(jì)算，可去除噪聲；通過數(shù)據(jù)融合、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，消除多參數(shù)狀態(tài)下交叉靈敏度的影響，使得在多參數(shù)狀態(tài)下對(duì)特定參數(shù)的測(cè)量分辨率得到提高，從而保證高信噪比與高分辨率。4 自適應(yīng)性強(qiáng)由于智能傳感器具有判斷、分析和處理的功能，因此它能根據(jù)工作情況決策各部分的供電情況、優(yōu)化與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳送速率，保證系統(tǒng)工作在最優(yōu)低功耗狀態(tài)。個(gè)項(xiàng)目，再具化為多個(gè)工作任務(wù)的教學(xué)內(nèi)容。從檢測(cè)的對(duì)象著手，選擇合適的傳感器，通過認(rèn)識(shí)該類傳感器的外形、性能指標(biāo)，再到測(cè)量原理的介紹，在掌握基本知識(shí)的基礎(chǔ)上，介紹相應(yīng)的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)處理電路，來完成該類檢測(cè)任務(wù)。再安排一個(gè)訓(xùn)練，供學(xué)習(xí)者在實(shí)

9、踐中掌握知識(shí)、提高技5 高性價(jià)比智能傳感器具有上述高性能，而制造是采用低價(jià)的集成電路工藝和軟件來實(shí)現(xiàn)，因此具有高性價(jià)比。三、智能傳感器的組成它是一個(gè)最小的微機(jī)系統(tǒng)，通常裝在一個(gè)殼體內(nèi)，由傳感器（傳感元件）、信號(hào)調(diào)理電路、微處理器單元和通信接口等組成。傳感元件包括彈性敏感元件和變換器，信號(hào)調(diào)理電路包括多路開關(guān)、儀用放大器、基準(zhǔn)電壓、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等，微處理器單元包括微處理器、存儲(chǔ)器、輸入輸出接口電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換器等。四、智能傳感器的實(shí)現(xiàn)要實(shí)現(xiàn)智能傳感器，需要使傳感器具備采集、處理、分析和通信等功能。目前一般有三種途徑：1模塊化實(shí)現(xiàn)模塊化智能傳感器為初級(jí)的智能傳感器，它是將傳統(tǒng)傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、帶數(shù)

10、字總線接口的微處理器等模塊裝配在同一殼體內(nèi)而構(gòu)成的智能傳感器。這種傳感器由于集成度不高而導(dǎo)致體積較大，但在目前的技術(shù)水平下，仍不失為一種實(shí)用的結(jié)構(gòu)形式。2 集成化實(shí)現(xiàn)集成智能傳感器又稱現(xiàn)代智能集成傳感器，它的制作工藝與傳統(tǒng)傳感器完全不同。它是采用微機(jī)械加工技術(shù)和大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)，利用半導(dǎo)體硅材料制作敏感元件，將信號(hào)調(diào)理電路和微處理器等器件集成在一塊芯片上構(gòu)成的。它具有集成度高、體積小等特點(diǎn)，是智能傳感器的發(fā)展方向。3 混合實(shí)現(xiàn)這種傳感器是根據(jù)技術(shù)工藝的可能與實(shí)際的需要，將智能傳感器的各個(gè)環(huán)節(jié)，如敏感單元、信號(hào)調(diào)理電路、微處理器單元、數(shù)字總線接口等，以不同的組合方式集成在兩塊或三塊芯片上，

11、并裝在一個(gè)外殼里構(gòu)成的。這種結(jié)構(gòu)是目前智能傳感器采用較多的結(jié)構(gòu)形式。五、智能傳感器的應(yīng)用（一）智能壓力傳感器傳統(tǒng)壓力檢測(cè)傳感器前面章節(jié)已有介紹，本節(jié)介紹的智能壓力傳感器能同時(shí)檢測(cè)出差壓、靜壓和溫度信號(hào)，并經(jīng)自動(dòng)處理后輸出實(shí)際壓力信號(hào)。（二）DS18B20智能溫度傳感器1 .DS18B20的特性DS18B20是美國DALLAS半導(dǎo)體公司繼DS1820之后推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器，產(chǎn)品除具備一般單總線器件的特點(diǎn)以外，還具有如下的特性：供電電壓擴(kuò)大為3.05.5V。3引腳PR35封裝或8引腳小外形集成電路封裝。應(yīng)用中不需要外部任何元器件即可測(cè)溫。測(cè)溫范圍在-55125C之間，測(cè)溫不確定度可達(dá)0

12、.5C。數(shù)字溫度計(jì)的分辨率用戶可從912bit選擇。 用戶可自設(shè)定非易失性的溫度報(bào)警上下限值。 具有電源反接的保護(hù)電路。3. DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)4. DS18B20的測(cè)溫原理5. DS18B20的應(yīng)用任務(wù)二生物傳感器用于檢測(cè)生物體內(nèi)化學(xué)成分的生物傳感器的研究始于20世紀(jì)60年代，最早出現(xiàn)的是酶?jìng)鞲衅鳌?0世紀(jì)80年代后，伴隨著生物技術(shù)與微電子學(xué)、化學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)等技術(shù)的進(jìn)步和各技術(shù)的交叉結(jié)合，使生物傳感器的研究和開發(fā)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。目前，人們正利用生物體的特異功能，研制類似于生物感覺器官功能的各種生物傳感器，它是傳感檢測(cè)技術(shù)的新發(fā)展。一、生物傳感器概述(一)生物傳感器的定義生物傳感

13、器是利用各種生物體成分，如酶、抗體、抗原、激素等或生物體本身，如細(xì)胞、細(xì)胞體等，把它們作為傳感器的敏感材料固定在高分子人工膜等固定載體上，用于檢測(cè)和設(shè)別被測(cè)生物體內(nèi)的化學(xué)成分，并通過一種合適的換能器將其產(chǎn)生的物理量、化學(xué)量的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的傳感器。(二)生物傳感器的特點(diǎn)生物傳感器是利用生物特有的生化反應(yīng)，有針對(duì)性地對(duì)有機(jī)物進(jìn)行簡(jiǎn)便而迅速測(cè)定。它與普通化學(xué)分析法相比，有以下特點(diǎn)：(1)分析速度快。主要在無試劑條件下操作，可以在較短的時(shí)間內(nèi)得到結(jié)果。(2)準(zhǔn)確度高和靈敏度高，一般相對(duì)誤差不超過1%。由于生物敏感膜的高度特異性和靈敏度,因此能檢測(cè)一些含量極低的檢測(cè)對(duì)象。(3)操作較簡(jiǎn)單，能連續(xù)在線

14、檢測(cè)，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分析。(4)專一性強(qiáng)，只對(duì)特定的底物起反應(yīng)，且不受顏色、濁度的影響。(5)經(jīng)固化處理后，能長(zhǎng)期保持其生理活性，傳感器可反復(fù)使用。(6)檢測(cè)信息以電信號(hào)方式直接輸出，容易實(shí)現(xiàn)檢測(cè)自動(dòng)化。(7)使用壽命較短。(三)生物傳感器的分類生物傳感器的分類方法較多且不統(tǒng)一，通常是根據(jù)生物敏感膜和物理化學(xué)變換器的不同進(jìn)行分類的。（四）生物傳感器的應(yīng)用生物傳感器在醫(yī)療檢驗(yàn)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品工業(yè)、生物工程、農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。臨床上用免疫傳感器等生物傳感器來檢測(cè)體液中的各種化學(xué)成分，為醫(yī)生的診斷提供依據(jù)；環(huán)境監(jiān)測(cè)中用生物傳感器監(jiān)測(cè)大氣和水中各種污染物質(zhì)的含量；食品工業(yè)中用生物傳感器

15、檢測(cè)食品中的營(yíng)養(yǎng)成分和有害成分的含量、食品的新鮮程度等。二、生物傳感器的基本原理生物傳感器由生物敏感膜和物理化學(xué)變換器兩部分組成。生物敏感物質(zhì)附著于膜上或包含于膜之中（稱為固定化），當(dāng)被測(cè)物經(jīng)擴(kuò)散進(jìn)入生物敏感膜層，發(fā)生物理、化學(xué)變化，經(jīng)分子識(shí)別，由相應(yīng)的物理化學(xué)變換器轉(zhuǎn)換成定量的、可傳輸和處理的電信號(hào)。三、酶?jìng)鞲衅骷皯?yīng)用（一）酶?jìng)鞲衅鞲攀雒甘怯缮矬w內(nèi)產(chǎn)生并具有催化作用的活性蛋白質(zhì)，它具有特異的催化功能，因此，酶被稱為生物催化劑。酶在生命活動(dòng)中起著極為重要的作用，它參加新陳代謝過程中的所有生化反應(yīng)，并以極高的速度維持生命的代謝活動(dòng)，包括生長(zhǎng)、發(fā)育、繁殖與運(yùn)動(dòng)等，可以說沒有酶就沒有生命。（二）酶

16、傳感器的應(yīng)用1 .葡萄糖酶?jìng)鞲衅? .尿素傳感器四、微生物傳感器及應(yīng)用（一）微生物傳感器概述近年來，隨著微生物固化技術(shù)的進(jìn)步，固定化微生物越來越多地被用作生物傳感器的分子設(shè)別元件，產(chǎn)生了微生物傳感器。（二）微生物傳感器的應(yīng)用1,葡萄糖微生物傳感器3 .醋酸傳感器五、免疫傳感器及應(yīng)用（一）免疫傳感器概述免疫傳感器的基本原理是免疫反應(yīng)。從生理學(xué)可知，抗原是能夠刺激動(dòng)植物機(jī)體產(chǎn)生免疫反應(yīng)的物質(zhì)?？乖坏┍涣馨颓蝽憫?yīng)就形成抗體，抗體是由抗原刺激機(jī)體產(chǎn)生的具有特異免疫功能的球蛋白，又稱免疫球蛋白。（二）免疫傳感器的應(yīng)用一位輸出基睢電橙測(cè)量電極患季考蟆抗愫膜客舞2潴成液體圖8-9搏毒抗炸傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖討論題、思考題：圍繞本項(xiàng)目主題做情景模擬訓(xùn)練，以增強(qiáng)理解，加深印象。可以參考教材、資料包、或者其他案例。課后小結(jié)：1、能認(rèn)識(shí)智能