《傳感器技術(shù)與應(yīng)用》課程教學(xué)大綱

《傳感器技術(shù)與應(yīng)用》課程教學(xué)大綱課程名稱傳感器技術(shù)與應(yīng)用適用專業(yè)人工智能、機(jī)器人工程、智能感知工程、物聯(lián)網(wǎng)工程、智能制造電氣工程及其自動(dòng)化、自動(dòng)化、電子信息工程、測(cè)控技術(shù)與儀器課程類(lèi)型專業(yè)課面向?qū)ο蟠蠖耙陨洗髮W(xué)生學(xué)分/學(xué)時(shí)3/48-60（含8學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)）先修課程大學(xué)物理、電路分析、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)一、課程目標(biāo)通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握傳感器的結(jié)構(gòu)組成、工作原理、主要性能指標(biāo)及其應(yīng)用特性；掌握傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)誤差的基本概念、表示方法及其處理方法；掌握傳感器的選型與應(yīng)用方法；了解多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)的基本概念與結(jié)構(gòu)模型。具備模塊化分析傳感器功能與特性的能力；具備根據(jù)實(shí)際工程需要選擇適合類(lèi)型傳感器的能力；具備解決傳感器測(cè)量系統(tǒng)復(fù)雜問(wèn)題的能力。為后續(xù)相關(guān)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定理論與實(shí)踐技能基礎(chǔ)，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)、勇于探究、求真務(wù)實(shí)、精益求精的工匠精神和科技興國(guó)意識(shí)。具體為：1.能夠安全地開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，正確采集數(shù)據(jù)，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，獲得有效的結(jié)論。2.能夠按照研究需要設(shè)計(jì)合理的實(shí)驗(yàn)方案，選擇適合類(lèi)型的傳感器，構(gòu)建傳感器檢測(cè)平臺(tái)，正確采集、整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，解決工程領(lǐng)域傳感器測(cè)量系統(tǒng)復(fù)雜問(wèn)題。3.能夠?qū)I(yè)知識(shí)用于傳感器測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化改進(jìn)。二、課程目標(biāo)與教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)環(huán)節(jié)對(duì)應(yīng)關(guān)系表序號(hào)課程目標(biāo)教學(xué)內(nèi)容教學(xué)環(huán)節(jié)課堂教學(xué)作業(yè)研討實(shí)驗(yàn)上機(jī)1課程目標(biāo)1傳感器基本概念、一般構(gòu)成、類(lèi)型劃分、主要?jiǎng)屿o態(tài)性能指標(biāo)；傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)誤差基本概念、表示方法及其處理方法；多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)?！獭獭?課程目標(biāo)2熱電式傳感器、阻抗式傳感器、壓電式傳感器、波式傳感器、光電式傳感器、磁敏式傳感器、化學(xué)傳感器、生物傳感器等的結(jié)構(gòu)構(gòu)成、工作原理與應(yīng)用特性；√√√√3課程目標(biāo)3結(jié)合專業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用場(chǎng)景的傳感器測(cè)量系統(tǒng)的模塊化分析與設(shè)計(jì)?！獭倘⒄n堂內(nèi)容3.1課堂教學(xué)1．傳感器技術(shù)概述（支撐課程目標(biāo)1、3）傳感器的定義、一般結(jié)構(gòu)組成、主要類(lèi)型劃分、主要?jiǎng)屿o態(tài)性能指標(biāo)、命名規(guī)則與代碼、發(fā)展趨勢(shì)；傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn)的定義及區(qū)別。通過(guò)介紹傳感器在人工智能科技時(shí)代發(fā)揮的重要作用，可以引入中國(guó)高鐵、航空航天等領(lǐng)域取得的舉世矚目的偉大成就，潛移默化中增強(qiáng)學(xué)生的民族自信、愛(ài)國(guó)情懷，提升科技報(bào)國(guó)的使命擔(dān)當(dāng)意識(shí)。2．傳感器測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理（支撐課程目標(biāo)1、2、3）測(cè)量的定義與測(cè)量方法分類(lèi)；計(jì)量的概念與特點(diǎn)；測(cè)量誤差的定義與主要來(lái)源；測(cè)量誤差的表示方法及其求解方法；系統(tǒng)誤差的定義與特點(diǎn)；隨機(jī)誤差的定義與特點(diǎn)；粗大誤差的定義與特點(diǎn)；誤差傳遞、合成、分配概念；多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)的基本概念與結(jié)構(gòu)模型。通過(guò)介紹我國(guó)古代從時(shí)間、技術(shù)、理念均領(lǐng)先于世界的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器和計(jì)量管理體系，激發(fā)學(xué)生的愛(ài)國(guó)情懷、民族自信、文化自信；通過(guò)粗大誤差產(chǎn)生原因中的人為因素及其導(dǎo)致的不良后果的案例列舉，提高學(xué)生遵守職業(yè)規(guī)范的意識(shí)，培養(yǎng)敬業(yè)專注的工匠精神。3.熱電式傳感器（支撐課程目標(biāo)1、2、3）熱電效應(yīng)；熱電偶的構(gòu)成及其測(cè)溫原理解析；熱電偶基本定律；熱電偶類(lèi)型、分度表、冷端溫度補(bǔ)償及其典型應(yīng)用電路連接；熱電阻效應(yīng)；金屬熱電阻類(lèi)型劃分與主要特性；半導(dǎo)體熱電阻類(lèi)型劃分與主要特性；集成溫度傳感器類(lèi)型劃分與典型類(lèi)型的測(cè)量原理。通過(guò)發(fā)掘列舉實(shí)際生產(chǎn)、生活、科研、軍事領(lǐng)域的溫度測(cè)量案例，引導(dǎo)學(xué)生樹(shù)立學(xué)以致用，科技報(bào)國(guó)的信念。4.電阻式傳感器（支撐課程目標(biāo)1、2、3）應(yīng)變效應(yīng)；電阻應(yīng)變片材料、結(jié)構(gòu)與類(lèi)型劃分；彈性敏感元件基本特性；電阻應(yīng)變式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電橋電路及其溫度補(bǔ)償措施；壓阻效應(yīng)；半導(dǎo)體應(yīng)變片材料、類(lèi)型與典型應(yīng)用。通過(guò)對(duì)應(yīng)變效應(yīng)與壓阻效應(yīng)的異同點(diǎn)比較，鍛煉提高學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)、細(xì)致的深度思考能力。5.電容式傳感器（支撐課程目標(biāo)1、2、3）電容式傳感器的結(jié)構(gòu)構(gòu)成、類(lèi)型劃分、測(cè)量原理及其典型應(yīng)用；常見(jiàn)結(jié)構(gòu)的電容式傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)換電路的工作原理。通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)實(shí)際生產(chǎn)、生活、科研中的電容式傳感器應(yīng)用案例，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)以致用意識(shí)。6.電感式傳感器（支撐課程目標(biāo)1、2、3）電感式傳感器類(lèi)型劃分；自感式電感傳感器結(jié)構(gòu)構(gòu)成、工作原理、類(lèi)型劃分、測(cè)量轉(zhuǎn)換電路及其典型應(yīng)用；互感式電感傳感器結(jié)構(gòu)構(gòu)成、工作原理、類(lèi)型劃分、測(cè)量轉(zhuǎn)換電路及其典型應(yīng)用；電渦流效應(yīng)；集膚效應(yīng)；電渦流傳感器類(lèi)型劃分及其典型應(yīng)用。通過(guò)列舉電感式傳感器在高精尖制造領(lǐng)域的工程應(yīng)用案例，客觀分析在超精密加工技術(shù)領(lǐng)域，中國(guó)與技術(shù)處于領(lǐng)先地位的國(guó)家之間的差距，激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國(guó)的家國(guó)情懷和使命擔(dān)當(dāng)；通過(guò)電渦流熱效應(yīng)利弊對(duì)比案例分析，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到尊重客觀規(guī)律，發(fā)揮主觀能動(dòng)性辯證統(tǒng)一的重要性。7.壓電式傳感器（支撐課程目標(biāo)1、2、3）正壓電效應(yīng)；逆壓電效應(yīng)；壓電材料類(lèi)型劃分及其基本特點(diǎn)；石英晶體壓電特性；陶瓷壓電特性；壓電式傳感器等效電路；壓電傳感器的測(cè)量電路；超聲波物理屬性；超聲波傳感器檢測(cè)原理；超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)構(gòu)成、類(lèi)型劃分及其應(yīng)用特性。可以從壓電材料的多樣性引申到《中國(guó)制造2025》戰(zhàn)略決策中新材料的戰(zhàn)略地位，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注國(guó)家戰(zhàn)略決策與部署，將個(gè)人的發(fā)展與國(guó)家民族的利益緊密結(jié)合。8.光電式傳感器（支撐課程目標(biāo)1、2、3）外光電效應(yīng)；內(nèi)光電效應(yīng)；光電導(dǎo)效應(yīng)；光生伏特效應(yīng)；光敏電阻、光電二極管、光電三極管、光電管、光電倍增管、光電池的光電效應(yīng)特性；光纖的結(jié)構(gòu)構(gòu)成與光傳輸原理；光纖傳感器的結(jié)構(gòu)構(gòu)成與工作原理；激光傳感器測(cè)量原理；增量式光電編碼器與絕對(duì)式光電編碼器碼盤(pán)特點(diǎn)與測(cè)量原理；光柵基本概念；莫爾條紋形成原理及其類(lèi)型劃分；計(jì)量光柵傳感器構(gòu)成與測(cè)量原理。通過(guò)對(duì)光電池產(chǎn)業(yè)的介紹，讓學(xué)生了解中國(guó)光伏企業(yè)位列全球光伏企業(yè)前列，激發(fā)學(xué)生的民族自信和愛(ài)國(guó)情懷。9.磁敏式傳感器（支撐課程目標(biāo)1、2、3）霍爾效應(yīng)；霍爾元件的結(jié)構(gòu)構(gòu)成、基本特性、等效電路及其不等位電勢(shì)補(bǔ)償原理；霍爾傳感器的構(gòu)成；磁阻效應(yīng)；磁阻效應(yīng)類(lèi)型劃分；磁敏電阻傳感器測(cè)量原理。通過(guò)對(duì)基于霍爾效應(yīng)研究獲得諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家的研究成果介紹，引導(dǎo)學(xué)生樹(shù)立科技服務(wù)人類(lèi)的科技情懷；通過(guò)對(duì)威廉.湯姆森（開(kāi)爾文勛爵）科研成就與科研精神的介紹，引導(dǎo)學(xué)生樹(shù)立探索意識(shí)、創(chuàng)新意識(shí)。10.化學(xué)傳感器與生物傳感器（支撐課程目標(biāo)1、2、3）化學(xué)傳感器的概念和類(lèi)型劃分；離子傳感器典型類(lèi)型測(cè)量原理；氣敏傳感器類(lèi)型劃分及其典型應(yīng)用；濕敏傳感器類(lèi)型劃分及其典型應(yīng)用；生物傳感器的概念和類(lèi)型劃分；酶?jìng)鞲衅鳌⑽⑸飩鞲衅?、免疫傳感器的?lèi)型劃分與工作原理；柔性生物傳感器的類(lèi)型劃分與應(yīng)用特點(diǎn)；柔性生物電傳感器典型應(yīng)用。通過(guò)化學(xué)傳感器在水污染、大氣污染監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用案例列舉，增強(qiáng)學(xué)生的環(huán)保意識(shí)，提升社會(huì)責(zé)任感；通過(guò)生物傳感器在食品安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用案例列舉，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)以致用意識(shí)和科技服務(wù)社會(huì)的使命擔(dān)當(dāng)。3.2實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)（選做）實(shí)驗(yàn)1：熱電式溫度傳感器測(cè)溫特性實(shí)驗(yàn)（1）掌握K型熱電偶、Pt100、AD590三種類(lèi)型的熱電式溫度傳感器的測(cè)溫原理；（2）掌握熱電偶、金屬熱電阻、集成溫度傳感器的測(cè)溫方法；（3）掌握熱電偶計(jì)算修正法冷端溫度補(bǔ)償措施的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)2：電阻式傳感器電橋測(cè)量電路性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)（1）掌握單臂電橋、雙臂半橋、全橋三種類(lèi)型直流電橋的工作原理、電路連接和電路特性測(cè)試方法；（2）掌握根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求解直流電橋靈敏度、線性度性能指標(biāo)的方法；（3）對(duì)比三種類(lèi)型直流電橋的工作特性差異。實(shí)驗(yàn)3：電容式傳感器位移測(cè)量實(shí)驗(yàn)（1）了解圓筒式變面積差動(dòng)結(jié)構(gòu)的電容式傳感器的結(jié)構(gòu)構(gòu)成與測(cè)量位移的方法；（2）掌握電容式傳感器環(huán)形二極管測(cè)量電路工作原理；（3）根據(jù)求解得到的靈敏度與線性度參數(shù)值對(duì)電路工作性能進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)4：電渦流傳感器位移測(cè)量實(shí)驗(yàn)（1）了解電渦流傳感器的結(jié)構(gòu)構(gòu)成；（2）掌握電渦流傳感器測(cè)量位移的方法；（3）根據(jù)求解得到的靈敏度與線性度參數(shù)值對(duì)電渦流傳感器測(cè)量電路工作性能進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)5：霍爾傳感器直流激勵(lì)位移測(cè)量實(shí)驗(yàn)（1）了解霍爾傳感器的引腳功能與基本電路接法；（2）掌握霍爾傳感器測(cè)量位移的測(cè)量方法；（3）根據(jù)求解得到靈敏度與線性度參數(shù)值對(duì)霍爾傳感器測(cè)量電路工作性能進(jìn)行分析。四、教學(xué)安排本課程包含課堂理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩部分，圍繞傳感器測(cè)量系統(tǒng)的基本理論、基本知識(shí)、基本技能與方法進(jìn)行授課。學(xué)時(shí)分配如下：序號(hào)教學(xué)內(nèi)容課堂教學(xué)研討實(shí)驗(yàn)上機(jī)總計(jì)1傳感器技術(shù)概述2132傳感器測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理6173熱電式傳感器444電阻式傳感器3255電容式傳感器3256電感式傳感器4267壓電式傳感器448光電式傳感器889磁敏式傳感器42610化學(xué)傳感器與生物傳感器314合計(jì)413852五、教學(xué)方法1．根據(jù)學(xué)生學(xué)情和任課教師情況，優(yōu)選線上線下混合式教學(xué)組織方式下的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，在此種模式下，學(xué)生在課前通過(guò)在線開(kāi)放課程自主完成基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)；課堂以師生互動(dòng)、生生互動(dòng)的交流、研討、釋疑解惑為主；課后學(xué)生繼續(xù)通過(guò)在線開(kāi)放課程教學(xué)資源進(jìn)行課程知識(shí)的深化與拓展。對(duì)應(yīng)的主要教學(xué)方法有：自主學(xué)習(xí)法、講授法、討論法、讀書(shū)指導(dǎo)法、任務(wù)驅(qū)動(dòng)法。2.若采用完全線下課程授課方式，建議課堂教學(xué)方法在講授法的基礎(chǔ)上，適當(dāng)輔助討論法、任務(wù)驅(qū)動(dòng)法、自主學(xué)習(xí)法。六、課程考核及成績(jī)?cè)u(píng)定課程考核體現(xiàn)診斷性、形成性、總結(jié)性三種類(lèi)型評(píng)價(jià)，重過(guò)程考核，考核項(xiàng)目細(xì)化，分值占比明確。課程成績(jī)包括三部分：平時(shí)成績(jī)、實(shí)驗(yàn)成績(jī)和期末考試成績(jī)。線上線下混合式成績(jī)?cè)u(píng)定推薦方式如下表所示：考核環(huán)節(jié)分值考核/評(píng)價(jià)細(xì)則平時(shí)成績(jī)40在線開(kāi)放課程成績(jī)25分（單元作業(yè)、單元測(cè)驗(yàn)、主題討論、線上期末考試）、課堂表現(xiàn)15分。按40%計(jì)入總成績(jī)。實(shí)驗(yàn)成績(jī)10實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)5分、實(shí)驗(yàn)報(bào)告5分。按10%計(jì)入總成績(jī)。期末考試成績(jī)50以卷面成績(jī)50%計(jì)入總成績(jī)。注：完全線下課堂教學(xué)組織方式的平時(shí)成績(jī)構(gòu)成與占比根據(jù)線下課堂教學(xué)組織環(huán)節(jié)確定。七、課程教材與主要參考書(shū)1．教材：2．參考書(shū)：附件1.作業(yè)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)表考核內(nèi)容A（90-100）B（80-89）C（70-79）D（60-69）E（<60）知識(shí)及概念掌握程度（權(quán)重30%）知識(shí)及概念掌握全面，運(yùn)用得當(dāng)知識(shí)及概念掌握較全面，能正確運(yùn)用知識(shí)及概念掌握較全面，能夠運(yùn)用，但沒(méi)有考慮約束條件知識(shí)及概念掌握程度一般，并不能正確運(yùn)用沒(méi)有掌握知識(shí)及概念，不會(huì)運(yùn)用公式解題過(guò)程的正確性、完整性（70%）解題過(guò)程正確、完整，邏輯性強(qiáng)，答案正確率超過(guò)90%，書(shū)寫(xiě)清晰解題過(guò)程較正確、完整，邏輯性較強(qiáng)，答案正確率超過(guò)80%，書(shū)寫(xiě)清晰解題過(guò)程基本正確、完整，答案正確率超過(guò)70%解題過(guò)程中存在錯(cuò)誤，答案正確率超過(guò)60%解題過(guò)程錯(cuò)誤且不完整，答案正確率低于60%2.實(shí)驗(yàn)考核標(biāo)準(zhǔn)考核內(nèi)容A（90-100）B（80-89）C（70-79）D（60-69）E（<60）操作過(guò)程掌握程情況（權(quán)重50%）操作規(guī)程準(zhǔn)確，設(shè)備運(yùn)用得當(dāng)操作規(guī)程較準(zhǔn)確，能正確運(yùn)用操作規(guī)程較準(zhǔn)確，能夠運(yùn)用設(shè)備，但沒(méi)有考慮參數(shù)的準(zhǔn)確性操作規(guī)程一般，并不能正確運(yùn)用設(shè)備沒(méi)有操作規(guī)程，不會(huì)運(yùn)用設(shè)備實(shí)驗(yàn)報(bào)告的正確性、完整性（50%）實(shí)驗(yàn)報(bào)告正確、完整，邏輯性強(qiáng)，答案正確率超過(guò)90%，書(shū)寫(xiě)清晰實(shí)驗(yàn)報(bào)告較正確、完整，邏輯性較強(qiáng)，答案正確率超過(guò)80%，書(shū)寫(xiě)清晰實(shí)驗(yàn)報(bào)告基本正確、完整，答案正確率超過(guò)70%實(shí)驗(yàn)報(bào)告中存在錯(cuò)誤，答案正確率超過(guò)60%實(shí)驗(yàn)報(bào)告錯(cuò)誤且不完整，答案正確率低于60%3.課程試卷設(shè)計(jì)方案序號(hào)課程目標(biāo)考察點(diǎn)（期末）占比（期末）備注1課程目標(biāo)1傳感器基本概念、一般構(gòu)成、類(lèi)型劃分、主要?jiǎng)屿o態(tài)性能指標(biāo)；傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)誤差基本概念、表示方法及其處理方法。30%題型：選擇題、簡(jiǎn)答題、填空題、計(jì)算題難度分為：容易、中等偏易、中等偏難三個(gè)等次，其比例構(gòu)成近似為20：20：30：30（比例可調(diào)整）2課程目標(biāo)2熱電式