传感器及检测技术教学设计9新型传感器及应用

1、项目八新型传感器及应用教学目的:1、了解智能传感器的概念、功能和特点。2、了解智能传感器的组成和实现途径。3、了解智能压力传感器和智能温度传感器。4、了解生物传感器的基本知识。5、了解常用生物传感器的应用。6、了解微机电系统。7、了解微型传感器及应用。课型：新授课课时：2个任务，安排4个课时。教学重点：智能传感器，智能传感器的功能与特点，智能传感器的组成，智能传感器的应用，生物传感器，生物传感器的分类，生物传感器的应用，酶传感器及应用，微生物传感器及应用，免疫传感器及应用。教学难点：微机电系统，微机电系统的加工技术，微型传感器，常用微型传感器及应用，生物传感器与普通的化学分析法相比有何特点。教

2、学过程：1 .教学形式：讲授课，教学组织采用课堂整体讲授和分组演示。2 .教学媒体：采用启发式教学、案例教学等教学方法。教学手段采用多媒体课件、视频等媒体技术。作业处理:完成项目后的思考题。本课标题温度检测课次1授课方式理论课讨论课口习题课其他口课时安排4学分共2分授课对象院系、专业：任课教师板书设计:教学基本内容教学方法及教学手段课堂导入人类感知外部信息是通过人的视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉等感觉器官与人类积累的知识相结合的结果。因此人类的智能是实现了多重传感信息的融合并且把它与人类的知识结合而作出的归纳和综合，它包括了“感知”和“认知”两个方面。由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成的传

3、感器称为传统传感器或经典传感器，它将被测对象信息变换成电信号，具有对某一信息知”的本领，但不具有判断、推理、鉴别事物的“认知”能力。而智能传感器(SmartSensor或IntelligentSensor)是将传统传感器与微处理器结合，实现一定数据处理能力，并具有自检、自校、自补偿功能的新一代传感器，它将“感知”和“认知”结合起来，起到了人的五官的作用。参考以下形式:1 .衔接导入2 .悬念导入3 .情景导入4 .激疑导入5 .演示导入6 .实例导入7 .其他形式1.本课程是机电一体化、自动控制、电气自动化、应用电子等专业的一门专业课程。要求学生能认识常用传感器，掌握其工作原理、输出特性、误差

4、补偿，理解各种测量转换电路，了解传感器的典型应用等知识，达到能正确使用常用传感器的目的。2 .检测技术的主要内容包括了自动检测系统中的信息提取、信息转换以及信息处理。需要一定的测量理论、测量方法，相应的测量工具、装置，以及对测量结果进行正确的处理分析。它涵盖了传感器技术、误差理论、测试计量技术、抗干扰技术以及电量间的互相转换技术等。3 .本课程教学内容的组织与安排：由实例引入，按照“任务提出”“相关知识”“任务实施”“其他案例”“训练一下”几个部分递进完成。采用任务引领的项目课程教学，将检测技术与传感器的技能和知识点融入项目的工作任务之中，在符合工作过程的基础上，充分考虑了学习者的认知心理过程

5、，将课程内容划分为九基本知识汇总任务一智能传感器一、智能传感器的概念智能传感器的最高目标应该是接近或达到人类的智能水平，能够像人一样通过在实践中不断地改进和完善，实现最佳测量方案，得到最理想的测量结果。而目前传感器的智能化程度还仅仅是初级阶段，与人类的智能相比还有很大的差距，只能说是数据处理层次上的低级智能。智能传感器这一名称在世界范围内，至今尚无公认的定义，但普遍认为智能传感器是“将一个或多个敏感元件和信号处理器集成在同一块硅或种化锌芯片上的装置”，或者是“一种带微处理器并具有检测、判断、处理、记忆、思维等功能的传感器”。因此智能传感器是一种带有微处理器并扩展了传感器功能，具有人的某些智能的

6、新型传感器。二、智能传感器的功能与特点（一）智能传感器的功能智能传感器比传统传感器在功能上有了极大的拓展，几乎包含了测量设备的全部功能，主要表现在以下几方面：1 自校准功能操作者输入零值或某一标准值后，自校准程序可以自动进行零位和增益等参数的在线校准。2 自诊断功能工作中，可借助内部检测电路对异常现象或故障进行诊断。3 检测数据自动处理功能对采集得到的数据进行分析、统计和修正，进行非线性、温度、噪声、漂移等误差补偿。4 软件组态功能智能传感器内部具有多种硬件和软件模块。用户可针对不同应用目的，通过操作指令，改变其内部硬件模块和软件模块的组合，来完成不同的功能，实现多传感、多参数的复合测量。5

7、信息存储和记忆功能能存储各种历史信息、参数和校正数据等。6 双向通信和数字输出能方便地与计算机连接，实现信息的交换。（二）智能传感器的特点1 高精度智能传感器通过自较零可去除零点；通过与标准参考基准实时比对而自动进行系统标定；自动对系统的非线性等系统误差进行校正；通过对采集的大量数据的统计处理消除偶然误差的影响等，从而保证局精度。2 高可靠性与高稳定性由于智能传感器能自动补偿因工作条件和环境参数变化引起的系统特性的漂移；能随被测参数的变化自动改变量程；能实时自动对采集的数据进行自检、分析、判断其合理性，并对异常情况作应急处理等，从而保证高可靠性与高稳定性。3 高信噪比与高分辨率由于智能传感器具

8、有检测数据自动处理功能，能进行数字滤波、分析计算，可去除噪声；通过数据融合、神经网络技术，消除多参数状态下交叉灵敏度的影响，使得在多参数状态下对特定参数的测量分辨率得到提高，从而保证高信噪比与高分辨率。4 自适应性强由于智能传感器具有判断、分析和处理的功能，因此它能根据工作情况决策各部分的供电情况、优化与上位机的数据传送速率，保证系统工作在最优低功耗状态。个项目，再具化为多个工作任务的教学内容。从检测的对象着手，选择合适的传感器，通过认识该类传感器的外形、性能指标，再到测量原理的介绍，在掌握基本知识的基础上，介绍相应的测量转换电路、信号处理电路，来完成该类检测任务。再安排一个训练，供学习者在实

9、践中掌握知识、提高技5 高性价比智能传感器具有上述高性能，而制造是采用低价的集成电路工艺和软件来实现，因此具有高性价比。三、智能传感器的组成它是一个最小的微机系统，通常装在一个壳体内，由传感器（传感元件）、信号调理电路、微处理器单元和通信接口等组成。传感元件包括弹性敏感元件和变换器，信号调理电路包括多路开关、仪用放大器、基准电压、模数转换器等，微处理器单元包括微处理器、存储器、输入输出接口电路、数模转换器等。四、智能传感器的实现要实现智能传感器，需要使传感器具备采集、处理、分析和通信等功能。目前一般有三种途径：1模块化实现模块化智能传感器为初级的智能传感器，它是将传统传感器、信号调理电路、带数

10、字总线接口的微处理器等模块装配在同一壳体内而构成的智能传感器。这种传感器由于集成度不高而导致体积较大，但在目前的技术水平下，仍不失为一种实用的结构形式。2 集成化实现集成智能传感器又称现代智能集成传感器，它的制作工艺与传统传感器完全不同。它是采用微机械加工技术和大规模集成电路工艺技术，利用半导体硅材料制作敏感元件，将信号调理电路和微处理器等器件集成在一块芯片上构成的。它具有集成度高、体积小等特点，是智能传感器的发展方向。3 混合实现这种传感器是根据技术工艺的可能与实际的需要，将智能传感器的各个环节，如敏感单元、信号调理电路、微处理器单元、数字总线接口等，以不同的组合方式集成在两块或三块芯片上，

11、并装在一个外壳里构成的。这种结构是目前智能传感器采用较多的结构形式。五、智能传感器的应用（一）智能压力传感器传统压力检测传感器前面章节已有介绍，本节介绍的智能压力传感器能同时检测出差压、静压和温度信号，并经自动处理后输出实际压力信号。（二）DS18B20智能温度传感器1 .DS18B20的特性DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后推出的一种改进型智能温度传感器，产品除具备一般单总线器件的特点以外，还具有如下的特性：供电电压扩大为3.05.5V。3引脚PR35封装或8引脚小外形集成电路封装。应用中不需要外部任何元器件即可测温。测温范围在-55125C之间，测温不确定度可达0

12、.5C。数字温度计的分辨率用户可从912bit选择。 用户可自设定非易失性的温度报警上下限值。 具有电源反接的保护电路。3. DS18B20的内部结构4. DS18B20的测温原理5. DS18B20的应用任务二生物传感器用于检测生物体内化学成分的生物传感器的研究始于20世纪60年代，最早出现的是酶传感器。20世纪80年代后，伴随着生物技术与微电子学、化学、光学、热学等技术的进步和各技术的交叉结合，使生物传感器的研究和开发得到了突飞猛进的发展。目前，人们正利用生物体的特异功能，研制类似于生物感觉器官功能的各种生物传感器，它是传感检测技术的新发展。一、生物传感器概述(一)生物传感器的定义生物传感

13、器是利用各种生物体成分，如酶、抗体、抗原、激素等或生物体本身，如细胞、细胞体等，把它们作为传感器的敏感材料固定在高分子人工膜等固定载体上，用于检测和设别被测生物体内的化学成分，并通过一种合适的换能器将其产生的物理量、化学量的变化转换成电信号的传感器。(二)生物传感器的特点生物传感器是利用生物特有的生化反应，有针对性地对有机物进行简便而迅速测定。它与普通化学分析法相比，有以下特点：(1)分析速度快。主要在无试剂条件下操作，可以在较短的时间内得到结果。(2)准确度高和灵敏度高，一般相对误差不超过1%。由于生物敏感膜的高度特异性和灵敏度,因此能检测一些含量极低的检测对象。(3)操作较简单，能连续在线

14、检测，容易实现自动分析。(4)专一性强，只对特定的底物起反应，且不受颜色、浊度的影响。(5)经固化处理后，能长期保持其生理活性，传感器可反复使用。(6)检测信息以电信号方式直接输出，容易实现检测自动化。(7)使用寿命较短。(三)生物传感器的分类生物传感器的分类方法较多且不统一，通常是根据生物敏感膜和物理化学变换器的不同进行分类的。（四）生物传感器的应用生物传感器在医疗检验、环境监测、食品工业、生物工程、农业、畜牧业等领域得到了广泛的应用。临床上用免疫传感器等生物传感器来检测体液中的各种化学成分，为医生的诊断提供依据；环境监测中用生物传感器监测大气和水中各种污染物质的含量；食品工业中用生物传感器

15、检测食品中的营养成分和有害成分的含量、食品的新鲜程度等。二、生物传感器的基本原理生物传感器由生物敏感膜和物理化学变换器两部分组成。生物敏感物质附着于膜上或包含于膜之中（称为固定化），当被测物经扩散进入生物敏感膜层，发生物理、化学变化，经分子识别，由相应的物理化学变换器转换成定量的、可传输和处理的电信号。三、酶传感器及应用（一）酶传感器概述酶是由生物体内产生并具有催化作用的活性蛋白质，它具有特异的催化功能，因此，酶被称为生物催化剂。酶在生命活动中起着极为重要的作用，它参加新陈代谢过程中的所有生化反应，并以极高的速度维持生命的代谢活动，包括生长、发育、繁殖与运动等，可以说没有酶就没有生命。（二）酶

16、传感器的应用1 .葡萄糖酶传感器2 .尿素传感器四、微生物传感器及应用（一）微生物传感器概述近年来，随着微生物固化技术的进步，固定化微生物越来越多地被用作生物传感器的分子设别元件，产生了微生物传感器。（二）微生物传感器的应用1,葡萄糖微生物传感器3 .醋酸传感器五、免疫传感器及应用（一）免疫传感器概述免疫传感器的基本原理是免疫反应。从生理学可知，抗原是能够刺激动植物机体产生免疫反应的物质。抗原一旦被淋巴球响应就形成抗体，抗体是由抗原刺激机体产生的具有特异免疫功能的球蛋白，又称免疫球蛋白。（二）免疫传感器的应用一位输出基睢电橙测量电极患季考蟆抗愫膜客舞2潴成液体图8-9搏毒抗炸传感器的结构示意图讨论题、思考题：围绕本项目主题做情景模拟训练，以增强理解，加深印象。可以参考教材、资料包、或者其他案例。课后小结：1、能认识智能