《医用传感器原理及应用》教学大纲

《医用传感器原理及应用》教学大纲适用范围：202X版本科人才培养方案课程代码：06140981课程性质：专业必修课学分：3学分学时：48学时（理论40学时，实验8学时）先修课程：大学物理、电路分析基础、模拟电子技术等后续课程：医学图像处理、医学仪器原理及设计等适用专业：医学信息工程开课单位：电子信息工程学院一、课程说明《医用传感器原理及应用》是医学信息工程专业必修的一门专业课程。本课程主要传授各类传感器原理与应用特点，为学习其他有关课程及以后从事技术工作打下必要的基础。本课程注重基本原理的掌握，强调培养学生运用原理解决合理选择和使用传感器实际问题的能力，并兼顾传感器发展动向的介绍。医用传感器是获取生物信息的窗口，医用传感器技术的发展必将成为对21世纪影响深远的技术。二、课程目标通过本课程的学习，使学生达到如下目标：课程目标1：掌握各类医用传感器的基本理论，掌握几何量、机械量及有关测量中常用的各种医用传感器的工作原理、主要性能及其特点，培养学生“一丝不苟、精益求精”的职业素养。课程目标2：掌握常用医用传感器的工程设计方法和实验研究方法。了解医用传感器的发展动向，培养学生良好的交流、沟通、与人合作的能力。课程目标3：理解有关的国家标准、行业标准、企业标准、法律法规以及相关知识产权、行业政策，根据需求能合理地选择和使用医用传感器，了解医用传感器前沿技术，鼓励学生为我国的医学信息事业发展贡献力量。三、课程目标与毕业要求《医用传感器原理及应用》课程教学目标对医学信息工程专业毕业要求的支撑见表1。表1课程教学目标与毕业要求关系毕业要求指标点课程目标支撑强度1.工程知识1.3掌握医学信息工程所需的专业知识，并能将其综合应用于解决复杂医学信息工程问题。课程目标1：掌握各类医用传感器的基本理论，掌握几何量、机械量及有关测量中常用的各种医用传感器的工作原理、主要性能及其特点，培养学生“一丝不苟、精益求精”的职业素养。M2.问题分析2.2能够应用数学、自然科学基本原理，对复杂医学信息工程问题进行表述。课程目标2：掌握常用医用传感器的工程设计方法和实验研究方法。了解医用传感器的发展动向，培养学生良好的交流、沟通、与人合作的能力。H5.使用现代工具5.1能够了解和合理选择现代医学信息工程的技术资源和现代工程工具、信息技术工具，解决复杂医学信息工程问题并理解其局限性。课程目标3：理解有关的国家标准、行业标准、企业标准、法律法规以及相关知识产权、行业政策，根据需求能合理地选择和使用医用传感器，了解医用传感器前沿技术，鼓励学生为我国的医学信息事业发展贡献力量。M7.环境可持续发展7.1树立科学发展观，了解国家、地方关于环境保护和社会可持续发展的相关政策法规，认识和理解其对专业领域发展的导向和意义。课程目标3：理解有关的国家标准、行业标准、企业标准、法律法规以及相关知识产权、行业政策，根据需求能合理地选择和使用医用传感器，了解医用传感器前沿技术，鼓励学生为我国的医学信息事业发展贡献力量。M注：表中“H（高）、M（中）”表示课程与相关毕业要求的关联度。四、教学内容、基本要求与学时分配1.理论部分理论部分的教学内容、基本要求与学时分配见表2。表2教学内容、基本要求与学时分配教学内容教学要求，教学重点难点理论学时实验学时对应的课程目标1.绪论1.1传感器的作用1.2医用传感器的定义、构成、用途及分类1.3医用传感器应具有的性能和特殊要求1.4医用传感器的发展教学要求：使学生掌握医用传感器的定义、构成、用途及分类；了解医用传感器的、性能要求和发展。重点：医用传感器的构成、用途和分类。难点：医用传感器的性能要求。21、32.传感器的基本特性2.1传感器的静态特性2.2传感器的动态特性及其分析2.3传感器的误差教学要求：使学生掌握医用传感器静态特性的具体参数和动态特性的衡量指标。了解动态特性的分析方法。重点：医用传感器的静态特性。难点：医用传感器的动态特性。11、33.应变式电阻传感器3.1金属电阻应变式传感器3.2半导体固态压阻式传感器3.3电阻式传感器的测量及接口电路3.4应变式电阻传感器的医学应用教学要求：使学生掌握应变片的工作原理、转换电路的形式和计算方法，温度误差与补偿。理解应变片的主要特性，应变式传感器的医学应用举例、压阻式和电位器式传感器的工作原理。了解应变片类型、粘贴工艺。重点：电阻式传感器的工作原理，直流电桥的计算。难点：电阻式传感器的测量电路，温度误差的补偿方法。621、2、34.电容式传感器4.1基本工作原理、结构及特点4.2电容式传感器的测量电路4.3电容式传感器的误差分析4.4电容式传感器的医学应用教学要求：使学生掌握电容式传感器工作原理和结构类型，电容式传感器的特点和误差分析。理解电容式传感器的医学应用。重点：工作原理、特点和应用注意事项。难点：电容式传感的测量电路。41、35.电感式传感器5.1自感式传感器5.2互感式传感器5.3电涡流式变换原理5.4测量电路5.5电感式传感器的应用教学要求：使学生掌握自感式传感器的工作原理、设计原则，差动变压器式传感器工作原理，主要误差及其补偿方法，电涡流式传感器工作原理。理解自感式传感器特性分析、等效电路、转换电路，电涡流形成范围。了解差动变压器式传感器的转换电路，电涡流式传感器转换电路及其应用。重点：零点残余电压及其补偿方法。难点：自感式传感器的设计原则。421、2、36.压电式传感器6.1压电效应6.2压电材料及主要性能参数6.3压电传感器的等效电路和测量电路6.4压电传感器的应用教学要求：掌握压电效应及其物理解释，压电元件常用结构形式，测量电路。了解压电材料及主要特性、应用举例。超声波传感器、探伤仪，无损检测。重点：压电效应、测量电路。难点：压电效应的物理解释、电荷放大器与电压放大器的对比。421、2、37.磁传感器7.1磁电式传感器7.2电磁流量计7.3霍尔传感器7.4其他类型的磁传感器7.5磁传感器的生物医学应用教学要求：掌握磁电式传感器工作原理，霍尔式传感器工作原理、误差及其补偿。理解磁电式传感器的设计，霍尔元件及材料，霍尔元件基本特性。了解磁电式、霍尔式传感器的应用。重点：霍尔式传感器工作原理，误差及补偿。难点：磁传感器的设计。321、2、38.热电式传感器8.1热敏电阻式传感器8.2热电偶式传感器8.3晶体管与集成温度传感器8.4非接触式温度传感器8.5其他类型的温度传感器8.6热电式传感器的医学应用教学要求：掌握热电偶工作原理，冷端处理方法。了解常用热电偶，热电阻传感器、热敏电阻。重点：热电偶。难点：热电效应。41、39.光学传感器9.1光电传感器9.2光电耦合器件9.3红外传感器9.4光纤传感器9.5CCD器件及其应用教学要求：掌握光电效应及其器件，半导体光电元件的特性，掌握光纤的基本原理、光纤传感器的基本原理。掌握红外辐射的基本知识，红外传感器的工作原理，了解红外测温、红外成像、红外无损检测等。重点：光电效应，红外传感器的工作原理，光纤传感器的基本原理，CCD传感器。难点：光调制技术，CCD的电荷耦合过程。41、310.化学传感器10.1电化学测量基础10.2离子传感器10.3气体传感器10.4光纤化学传感器10.5压电化学传感器教学要求：使学生掌握常见的气敏传感器的种类及应用场合；掌握常见的湿敏传感器的种类及测量方法。重点：气敏、湿敏传感器的工作原理。难点：气敏、湿敏传感器的种类及测量电路。31、311.生物医用电极11.1电极的基本概念11.2电极的极化11.3极化电极与非极化电极11.4电极的阻抗特性11.5检测电极和刺激电极11.6微电极教学要求：使学生掌握电极的基本概念、分类；了解电极的阻抗特性、微电极。重点：电极的基本概念、分类。难点：电极的阻抗特性、微电极。21、312.生物传感器12.1概述12.2生物敏感膜和敏感元件的制备技术12.3酶生物传感器12.4微生物和组织及细胞器传感器12.5免疫传感器12.6基因传感器12.7新型的生物传感器教学要求：使学生了解生物传感器的概念、特点、分类和应用，了解生物传感器的分类方法和适用场合。重点：生物传感器的概念。难点：生物传感器的工作原理。31、3合计4082.实验部分实验部分的教学内容、基本要求与学时分配见表3。表3实验项目、实验内容与学时实验项目实验内容和要求实验学时对应的课程目标1.电阻应变片特性实验实验内容：应变片单臂、半桥、全桥测试。实验要求：了解电阻应变片传感器的转换原理；掌握电阻应变片直流电桥的工作原理和特性；利用电阻应变片直流电桥测量传感器的电压输出灵敏度。21、2、32.压电传感器振动测量实验实验内容：使用压电传感器测量振动。实验要求：了解压电传感器的测量振动原理和方法。21、2、33.电感式传感器位移特性实验实验内容：使用差动变压器式传感器测量位移。实验要求：了解差动变压器式传感器的原理和工作情况，了解差动螺管式电感传感器测量系统的组成和工作情况。21、2、34.霍尔传感器测速实验实验内容：使用霍尔传感器测量物体转速。实验要求：掌握霍尔传感器的工作原理及特性。21、2、3合计8五、教学方法及手段本课程以课堂讲授为主，结合讨论、案例、视频资源共享、实验等教学手段完成课程教学任务和相关能力的培养。学生比较全面地理解医用传感器的特点与基本工作原理，在掌握传感器基本理论和主要性能的基础上，具有进行传感器工程方案设计的初步能力。在实验教学环节中，通过启发式教学、讨论式教学培养学生传感器的基本理论、基本知识和基本技能。培养学生自主学习能力、实际动手能力，激发学生的创新思维。六、课程资源1.推荐教材：王平.《生物医学传感与检测》（第四版）.浙江大学出版社.2021.2.参考书：（1）张玉莲.《传感器与自动检测技术》（第3版）.机械工业出版社.2019.（2）高成等.《传感器与检测技术》.机械工业出版社.2015.（3）叶廷东等.《传感器与检测技术》.清华大学出版社.2016.（4）童敏明等.《传感器原理与检测技术》.机械工业出版社.2014.3.期刊：（1）物理学报，中国物理学会;中国科学院物理研究所.（2）高等学校化学学报，吉林大学.（3）机械工程学报,中国机械工程学会.（4）MaterialsResearchBulletin,OAJRC.（5）Engineering，中国CAE战略研究中心;中国高等教育出版社.（6）仪器仪表学报，中国仪器仪表学会.4.网络资源：（1）传感器技术_武汉大学_中国大学MOOC(慕课)，/course/WHU-1001549001?tid=1206873235.传感器原理及应用_北京交通大学_中国大学MOOC(慕课)，https:///course/NJTU-1002550001?tid=1206824213.七、课程考核对课程目标的支撑课程成绩由过程性考核成绩和期末考核成绩两部分构成，具体考核/评价细则及对课程目标的支撑关系见表4。表4课程考核对课程目标的支撑考核环节占比考核/评价细则课程目标123过程性考核课堂表现12（1）根据课堂出勤情况和课堂回答问题情况进行考核，满分100分。（2）以平时考核成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√552实验16（1）根据每个实验的实验操作完成情况和实验报告质量单独评分，满分100分。（2）每次实验单独评分，取各次实验成绩的平均值作为此环节的最终成绩。（3）以实验成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√664作业12（1）主要考核学生对各章节知识点的复习、理解和掌握程度，满分100分。（2）每次作业单独评分，取各次成绩的平均值作为此环节的最终成绩。（3）以作业成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√462期末考核60（1）卷面成绩100分，以卷面成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。（2）主要考核医用传感器的基本理论，掌握几何量、机械量及有关测量中常用的各种医用传感器的工作原理、主要性能及其特点等内容。（3）考试题型为：填空题、选择题、判断题、简答题、综合分析题等。√√√252510合计：100分404218八、考核与成绩评定1.考核方式及成绩评定考核方式：本课程主要以课堂表现、实验、作业、期末考试等方式对学生进行考核评价。考核基本要求：考核总成绩由期末试卷成绩和过程性考核成绩组成。其中：期末试卷成绩为100分（权重60%），试题类型为填空题、选择题、判断题、简答题、综合分析题等类型，试卷中基本知识、基本理论、基本技能的试题分值不超过50%，综合应用题、分析题不低于50%；课堂表现、实验、作业等过程性考核成绩为100分（权重40%）；过程性考核和考试试题分值分配应与教学大纲各章节的学时基本成比例。2.过程性考核成绩的标准过程性考核方式重点考核内容、评价标准、所占比重见表5。表5过程性考核方式评价标准考核方式所占比重(%)100>x≥9090>x≥8080>x≥7070>x≥60x<60课堂表现30积极参与教学活动，踊跃回答问题，准确率大于90%。认真参与教学活动，回答问题准确率大于80%。偶尔参与教学活动，回答问题准确率大于70%。上课不认真，偶尔参与教学活动。上课不认真，不参与教学活动。作业30作业完整，思路清晰，平均准确率大于等于90%。作业完整，平均准确率大于等于80%。作业基本