《傳感器技術與應用》課程教學大綱

《傳感器技術與應用》課程教學大綱課程名稱傳感器技術與應用適用專業(yè)人工智能、機器人工程、智能感知工程、物聯(lián)網工程、智能制造電氣工程及其自動化、自動化、電子信息工程、測控技術與儀器課程類型專業(yè)課面向對象大二及以上大學生學分/學時3/48-60（含8學時實驗）先修課程大學物理、電路分析、模擬電子技術、數字電子技術一、課程目標通過本課程的學習，使學生掌握傳感器的結構組成、工作原理、主要性能指標及其應用特性；掌握傳感器測量數據誤差的基本概念、表示方法及其處理方法；掌握傳感器的選型與應用方法；了解多傳感器數據融合技術的基本概念與結構模型。具備模塊化分析傳感器功能與特性的能力；具備根據實際工程需要選擇適合類型傳感器的能力；具備解決傳感器測量系統(tǒng)復雜問題的能力。為后續(xù)相關專業(yè)課程的學習奠定理論與實踐技能基礎，同時培養(yǎng)學生認真嚴謹、勇于探究、求真務實、精益求精的工匠精神和科技興國意識。具體為：1.能夠安全地開展實驗，正確采集數據，對測量數據進行綜合分析，獲得有效的結論。2.能夠按照研究需要設計合理的實驗方案，選擇適合類型的傳感器，構建傳感器檢測平臺，正確采集、整理實驗數據，解決工程領域傳感器測量系統(tǒng)復雜問題。3.能夠將專業(yè)知識用于傳感器測量系統(tǒng)的設計與優(yōu)化改進。二、課程目標與教學內容和教學環(huán)節(jié)對應關系表序號課程目標教學內容教學環(huán)節(jié)課堂教學作業(yè)研討實驗上機1課程目標1傳感器基本概念、一般構成、類型劃分、主要動靜態(tài)性能指標；傳感器測量數據誤差基本概念、表示方法及其處理方法；多傳感器數據融合技術?！獭獭?課程目標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、化學傳感器、生物傳感器等的結構構成、工作原理與應用特性；√√√√3課程目標3結合專業(yè)領域應用場景的傳感器測量系統(tǒng)的模塊化分析與設計?！獭倘⒄n堂內容3.1課堂教學1．傳感器技術概述（支撐課程目標1、3）傳感器的定義、一般結構組成、主要類型劃分、主要動靜態(tài)性能指標、命名規(guī)則與代碼、發(fā)展趨勢；傳感器的標定與校準的定義及區(qū)別。通過介紹傳感器在人工智能科技時代發(fā)揮的重要作用，可以引入中國高鐵、航空航天等領域取得的舉世矚目的偉大成就，潛移默化中增強學生的民族自信、愛國情懷，提升科技報國的使命擔當意識。2．傳感器測量系統(tǒng)數據處理（支撐課程目標1、2、3）測量的定義與測量方法分類；計量的概念與特點；測量誤差的定義與主要來源；測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；隨機誤差的定義與特點；粗大誤差的定義與特點；誤差傳遞、合成、分配概念；多傳感器數據融合技術的基本概念與結構模型。通過介紹我國古代從時間、技術、理念均領先于世界的計量標準器和計量管理體系，激發(fā)學生的愛國情懷、民族自信、文化自信；通過粗大誤差產生原因中的人為因素及其導致的不良后果的案例列舉，提高學生遵守職業(yè)規(guī)范的意識，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1、2、3）熱電效應；熱電偶的構成及其測溫原理解析；熱電偶基本定律；熱電偶類型、分度表、冷端溫度補償及其典型應用電路連接；熱電阻效應；金屬熱電阻類型劃分與主要特性；半導體熱電阻類型劃分與主要特性；集成溫度傳感器類型劃分與典型類型的測量原理。通過發(fā)掘列舉實際生產、生活、科研、軍事領域的溫度測量案例，引導學生樹立學以致用，科技報國的信念。4.電阻式傳感器（支撐課程目標1、2、3）應變效應；電阻應變片材料、結構與類型劃分；彈性敏感元件基本特性；電阻應變式傳感器的測量轉換電橋電路及其溫度補償措施；壓阻效應；半導體應變片材料、類型與典型應用。通過對應變效應與壓阻效應的異同點比較，鍛煉提高學生嚴謹、細致的深度思考能力。5.電容式傳感器（支撐課程目標1、2、3）電容式傳感器的結構構成、類型劃分、測量原理及其典型應用；常見結構的電容式傳感器測量轉換電路的工作原理。通過引導學生發(fā)現(xiàn)實際生產、生活、科研中的電容式傳感器應用案例，進一步激發(fā)學生的學以致用意識。6.電感式傳感器（支撐課程目標1、2、3）電感式傳感器類型劃分；自感式電感傳感器結構構成、工作原理、類型劃分、測量轉換電路及其典型應用；互感式電感傳感器結構構成、工作原理、類型劃分、測量轉換電路及其典型應用；電渦流效應；集膚效應；電渦流傳感器類型劃分及其典型應用。通過列舉電感式傳感器在高精尖制造領域的工程應用案例，客觀分析在超精密加工技術領域，中國與技術處于領先地位的國家之間的差距，激發(fā)學生科技報國的家國情懷和使命擔當；通過電渦流熱效應利弊對比案例分析，引導學生認識到尊重客觀規(guī)律，發(fā)揮主觀能動性辯證統(tǒng)一的重要性。7.壓電式傳感器（支撐課程目標1、2、3）正壓電效應；逆壓電效應；壓電材料類型劃分及其基本特點；石英晶體壓電特性；陶瓷壓電特性；壓電式傳感器等效電路；壓電傳感器的測量電路；超聲波物理屬性；超聲波傳感器檢測原理；超聲波傳感器的結構構成、類型劃分及其應用特性。可以從壓電材料的多樣性引申到《中國制造2025》戰(zhàn)略決策中新材料的戰(zhàn)略地位，引導學生關注國家戰(zhàn)略決策與部署，將個人的發(fā)展與國家民族的利益緊密結合。8.光電式傳感器（支撐課程目標1、2、3）外光電效應；內光電效應；光電導效應；光生伏特效應；光敏電阻、光電二極管、光電三極管、光電管、光電倍增管、光電池的光電效應特性；光纖的結構構成與光傳輸原理；光纖傳感器的結構構成與工作原理；激光傳感器測量原理；增量式光電編碼器與絕對式光電編碼器碼盤特點與測量原理；光柵基本概念；莫爾條紋形成原理及其類型劃分；計量光柵傳感器構成與測量原理。通過對光電池產業(yè)的介紹，讓學生了解中國光伏企業(yè)位列全球光伏企業(yè)前列，激發(fā)學生的民族自信和愛國情懷。9.磁敏式傳感器（支撐課程目標1、2、3）霍爾效應；霍爾元件的結構構成、基本特性、等效電路及其不等位電勢補償原理；霍爾傳感器的構成；磁阻效應；磁阻效應類型劃分；磁敏電阻傳感器測量原理。通過對基于霍爾效應研究獲得諾貝爾獎的科學家的研究成果介紹，引導學生樹立科技服務人類的科技情懷；通過對威廉.湯姆森（開爾文勛爵）科研成就與科研精神的介紹，引導學生樹立探索意識、創(chuàng)新意識。10.化學傳感器與生物傳感器（支撐課程目標1、2、3）化學傳感器的概念和類型劃分；離子傳感器典型類型測量原理；氣敏傳感器類型劃分及其典型應用；濕敏傳感器類型劃分及其典型應用；生物傳感器的概念和類型劃分；酶傳感器、微生物傳感器、免疫傳感器的類型劃分與工作原理；柔性生物傳感器的類型劃分與應用特點；柔性生物電傳感器典型應用。通過化學傳感器在水污染、大氣污染監(jiān)測領域的應用案例列舉，增強學生的環(huán)保意識，提升社會責任感；通過生物傳感器在食品安全監(jiān)測領域的應用案例列舉，增強學生學以致用意識和科技服務社會的使命擔當。3.2實驗環(huán)節(jié)（選做）實驗1：熱電式溫度傳感器測溫特性實驗（1）掌握K型熱電偶、Pt100、AD590三種類型的熱電式溫度傳感器的測溫原理；（2）掌握熱電偶、金屬熱電阻、集成溫度傳感器的測溫方法；（3）掌握熱電偶計算修正法冷端溫度補償措施的應用。實驗2：電阻式傳感器電橋測量電路性能測試實驗（1）掌握單臂電橋、雙臂半橋、全橋三種類型直流電橋的工作原理、電路連接和電路特性測試方法；（2）掌握根據實驗數據求解直流電橋靈敏度、線性度性能指標的方法；（3）對比三種類型直流電橋的工作特性差異。實驗3：電容式傳感器位移測量實驗（1）了解圓筒式變面積差動結構的電容式傳感器的結構構成與測量位移的方法；（2）掌握電容式傳感器環(huán)形二極管測量電路工作原理；（3）根據求解得到的靈敏度與線性度參數值對電路工作性能進行分析。實驗4：電渦流傳感器位移測量實驗（1）了解電渦流傳感器的結構構成；（2）掌握電渦流傳感器測量位移的方法；（3）根據求解得到的靈敏度與線性度參數值對電渦流傳感器測量電路工作性能進行分析。實驗5：霍爾傳感器直流激勵位移測量實驗（1）了解霍爾傳感器的引腳功能與基本電路接法；（2）掌握霍爾傳感器測量位移的測量方法；（3）根據求解得到靈敏度與線性度參數值對霍爾傳感器測量電路工作性能進行分析。四、教學安排本課程包含課堂理論教學和實驗教學兩部分，圍繞傳感器測量系統(tǒng)的基本理論、基本知識、基本技能與方法進行授課。學時分配如下：序號教學內容課堂教學研討實驗上機總計1傳感器技術概述2132傳感器測量系統(tǒng)數據處理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化學傳感器與生物傳感器314合計413852五、教學方法1．根據學生學情和任課教師情況，優(yōu)選線上線下混合式教學組織方式下的翻轉課堂教學模式，在此種模式下，學生在課前通過在線開放課程自主完成基礎知識學習；課堂以師生互動、生生互動的交流、研討、釋疑解惑為主；課后學生繼續(xù)通過在線開放課程教學資源進行課程知識的深化與拓展。對應的主要教學方法有：自主學習法、講授法、討論法、讀書指導法、任務驅動法。2.若采用完全線下課程授課方式，建議課堂教學方法在講授法的基礎上，適當輔助討論法、任務驅動法、自主學習法。六、課程考核及成績評定課程考核體現(xiàn)診斷性、形成性、總結性三種類型評價，重過程考核，考核項目細化，分值占比明確。課程成績包括三部分：平時成績、實驗成績和期末考試成績。線上線下混合式成績評定推薦方式如下表所示：考核環(huán)節(jié)分值考核/評價細則平時成績40在線開放課程成績25分（單元作業(yè)、單元測驗、主題討論、線上期末考試）、課堂表現(xiàn)15分。按40%計入總成績。實驗成績10實驗表現(xiàn)5分、實驗報告5分。按10%計入總成績。期末考試成績50以卷面成績50%計入總成績。注：完全線下課堂教學組織方式的平時成績構成與占比根據線下課堂教學組織環(huán)節(jié)確定。七、課程教材與主要參考書1．教材：2．參考書：附件1.作業(yè)評分標準表考核內容A（90-100）B（80-89）C（70-79）D（60-69）E（<60）知識及概念掌握程度（權重30%）知識及概念掌握全面，運用得當知識及概念掌握較全面，能正確運用知識及概念掌握較全面，能夠運用，但沒有考慮約束條件知識及概念掌握程度一般，并不能正確運用沒有掌握知識及概念，不會運用公式解題過程的正確性、完整性（70%）解題過程正確、完整，邏輯性強，答案正確率超過90%，書寫清晰解題過程較正確、完整，邏輯性較強，答案正確率超過80%，書寫清晰解題過程基本正確、完整，答案正確率超過70%解題過程中存在錯誤，答案正確率超過60%解題過程錯誤且不完整，答案正確率低于60%2.實驗考核標準考核內容A（90-100）B（80-89）C（70-79）D（60-69）E（<60）操作過程掌握程情況（權重50%）操作規(guī)程準確，設備運用得當操作規(guī)程較準確，能正確運用操作規(guī)程較準確，能夠運用設備，但沒有考慮參數的準確性操作規(guī)程一般，并不能正確運用設備沒有操作規(guī)程，不會運用設備實驗報告的正確性、完整性（50%）實驗報告正確、完整，邏輯性強，答案正確率超過90%，書寫清晰實驗報告較正確、完整，邏輯性較強，答案正確率超過80%，書寫清晰實驗報告基本正確、完整，答案正確率超過70%實驗報告中存在錯誤，答案正確率超過60%實驗報告錯誤且不完整，答案正確率低于60%3.課程試卷設計方案序號課程目標考察點（期末）占比（期末）備注1課程目標1傳感器基本概念、一般構成、類型劃分、主要動靜態(tài)性能指標；傳感器測量數據誤差基本概念、表示方法及其處理方法。30%題型：選擇題、簡答題、填空題、計算題難度分為：容易、中等偏易、中等偏難三個等次，其比例構成近似為20：20：30：30（比例可調整）2課程目標2熱電式