《传感器技术与应用》课程教学大纲

《传感器技术与应用》课程教学大纲课程名称传感器技术与应用适用专业人工智能、机器人工程、智能感知工程、物联网工程、智能制造电气工程及其自动化、自动化、电子信息工程、测控技术与仪器课程类型专业课面向对象大二及以上大学生学分/学时3/48-60（含8学时实验）先修课程大学物理、电路分析、模拟电子技术、数字电子技术一、课程目标通过本课程的学习，使学生掌握传感器的结构组成、工作原理、主要性能指标及其应用特性；掌握传感器测量数据误差的基本概念、表示方法及其处理方法；掌握传感器的选型与应用方法；了解多传感器数据融合技术的基本概念与结构模型。具备模块化分析传感器功能与特性的能力；具备根据实际工程需要选择适合类型传感器的能力；具备解决传感器测量系统复杂问题的能力。为后续相关专业课程的学习奠定理论与实践技能基础，同时培养学生认真严谨、勇于探究、求真务实、精益求精的工匠精神和科技兴国意识。具体为：1.能够安全地开展实验，正确采集数据，对测量数据进行综合分析，获得有效的结论。2.能够按照研究需要设计合理的实验方案，选择适合类型的传感器，构建传感器检测平台，正确采集、整理实验数据，解决工程领域传感器测量系统复杂问题。3.能够将专业知识用于传感器测量系统的设计与优化改进。二、课程目标与教学内容和教学环节对应关系表序号课程目标教学内容教学环节课堂教学作业研讨实验上机1课程目标1传感器基本概念、一般构成、类型划分、主要动静态性能指标；传感器测量数据误差基本概念、表示方法及其处理方法；多传感器数据融合技术。√√√2课程目标2热电式传感器、阻抗式传感器、压电式传感器、波式传感器、光电式传感器、磁敏式传感器、化学传感器、生物传感器等的结构构成、工作原理与应用特性；√√√√3课程目标3结合专业领域应用场景的传感器测量系统的模块化分析与设计。√√三、课堂内容3.1课堂教学1．传感器技术概述（支撑课程目标1、3）传感器的定义、一般结构组成、主要类型划分、主要动静态性能指标、命名规则与代码、发展趋势；传感器的标定与校准的定义及区别。通过介绍传感器在人工智能科技时代发挥的重要作用，可以引入中国高铁、航空航天等领域取得的举世瞩目的伟大成就，潜移默化中增强学生的民族自信、爱国情怀，提升科技报国的使命担当意识。2．传感器测量系统数据处理（支撑课程目标1、2、3）测量的定义与测量方法分类；计量的概念与特点；测量误差的定义与主要来源；测量误差的表示方法及其求解方法；系统误差的定义与特点；随机误差的定义与特点；粗大误差的定义与特点；误差传递、合成、分配概念；多传感器数据融合技术的基本概念与结构模型。通过介绍我国古代从时间、技术、理念均领先于世界的计量标准器和计量管理体系，激发学生的爱国情怀、民族自信、文化自信；通过粗大误差产生原因中的人为因素及其导致的不良后果的案例列举，提高学生遵守职业规范的意识，培养敬业专注的工匠精神。3.热电式传感器（支撑课程目标1、2、3）热电效应；热电偶的构成及其测温原理解析；热电偶基本定律；热电偶类型、分度表、冷端温度补偿及其典型应用电路连接；热电阻效应；金属热电阻类型划分与主要特性；半导体热电阻类型划分与主要特性；集成温度传感器类型划分与典型类型的测量原理。通过发掘列举实际生产、生活、科研、军事领域的温度测量案例，引导学生树立学以致用，科技报国的信念。4.电阻式传感器（支撑课程目标1、2、3）应变效应；电阻应变片材料、结构与类型划分；弹性敏感元件基本特性；电阻应变式传感器的测量转换电桥电路及其温度补偿措施；压阻效应；半导体应变片材料、类型与典型应用。通过对应变效应与压阻效应的异同点比较，锻炼提高学生严谨、细致的深度思考能力。5.电容式传感器（支撑课程目标1、2、3）电容式传感器的结构构成、类型划分、测量原理及其典型应用；常见结构的电容式传感器测量转换电路的工作原理。通过引导学生发现实际生产、生活、科研中的电容式传感器应用案例，进一步激发学生的学以致用意识。6.电感式传感器（支撑课程目标1、2、3）电感式传感器类型划分；自感式电感传感器结构构成、工作原理、类型划分、测量转换电路及其典型应用；互感式电感传感器结构构成、工作原理、类型划分、测量转换电路及其典型应用；电涡流效应；集肤效应；电涡流传感器类型划分及其典型应用。通过列举电感式传感器在高精尖制造领域的工程应用案例，客观分析在超精密加工技术领域，中国与技术处于领先地位的国家之间的差距，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当；通过电涡流热效应利弊对比案例分析，引导学生认识到尊重客观规律，发挥主观能动性辩证统一的重要性。7.压电式传感器（支撑课程目标1、2、3）正压电效应；逆压电效应；压电材料类型划分及其基本特点；石英晶体压电特性；陶瓷压电特性；压电式传感器等效电路；压电传感器的测量电路；超声波物理属性；超声波传感器检测原理；超声波传感器的结构构成、类型划分及其应用特性。可以从压电材料的多样性引申到《中国制造2025》战略决策中新材料的战略地位，引导学生关注国家战略决策与部署，将个人的发展与国家民族的利益紧密结合。8.光电式传感器（支撑课程目标1、2、3）外光电效应；内光电效应；光电导效应；光生伏特效应；光敏电阻、光电二极管、光电三极管、光电管、光电倍增管、光电池的光电效应特性；光纤的结构构成与光传输原理；光纤传感器的结构构成与工作原理；激光传感器测量原理；增量式光电编码器与绝对式光电编码器码盘特点与测量原理；光栅基本概念；莫尔条纹形成原理及其类型划分；计量光栅传感器构成与测量原理。通过对光电池产业的介绍，让学生了解中国光伏企业位列全球光伏企业前列，激发学生的民族自信和爱国情怀。9.磁敏式传感器（支撑课程目标1、2、3）霍尔效应；霍尔元件的结构构成、基本特性、等效电路及其不等位电势补偿原理；霍尔传感器的构成；磁阻效应；磁阻效应类型划分；磁敏电阻传感器测量原理。通过对基于霍尔效应研究获得诺贝尔奖的科学家的研究成果介绍，引导学生树立科技服务人类的科技情怀；通过对威廉.汤姆森（开尔文勋爵）科研成就与科研精神的介绍，引导学生树立探索意识、创新意识。10.化学传感器与生物传感器（支撑课程目标1、2、3）化学传感器的概念和类型划分；离子传感器典型类型测量原理；气敏传感器类型划分及其典型应用；湿敏传感器类型划分及其典型应用；生物传感器的概念和类型划分；酶传感器、微生物传感器、免疫传感器的类型划分与工作原理；柔性生物传感器的类型划分与应用特点；柔性生物电传感器典型应用。通过化学传感器在水污染、大气污染监测领域的应用案例列举，增强学生的环保意识，提升社会责任感；通过生物传感器在食品安全监测领域的应用案例列举，增强学生学以致用意识和科技服务社会的使命担当。3.2实验环节（选做）实验1：热电式温度传感器测温特性实验（1）掌握K型热电偶、Pt100、AD590三种类型的热电式温度传感器的测温原理；（2）掌握热电偶、金属热电阻、集成温度传感器的测温方法；（3）掌握热电偶计算修正法冷端温度补偿措施的应用。实验2：电阻式传感器电桥测量电路性能测试实验（1）掌握单臂电桥、双臂半桥、全桥三种类型直流电桥的工作原理、电路连接和电路特性测试方法；（2）掌握根据实验数据求解直流电桥灵敏度、线性度性能指标的方法；（3）对比三种类型直流电桥的工作特性差异。实验3：电容式传感器位移测量实验（1）了解圆筒式变面积差动结构的电容式传感器的结构构成与测量位移的方法；（2）掌握电容式传感器环形二极管测量电路工作原理；（3）根据求解得到的灵敏度与线性度参数值对电路工作性能进行分析。实验4：电涡流传感器位移测量实验（1）了解电涡流传感器的结构构成；（2）掌握电涡流传感器测量位移的方法；（3）根据求解得到的灵敏度与线性度参数值对电涡流传感器测量电路工作性能进行分析。实验5：霍尔传感器直流激励位移测量实验（1）了解霍尔传感器的引脚功能与基本电路接法；（2）掌握霍尔传感器测量位移的测量方法；（3）根据求解得到灵敏度与线性度参数值对霍尔传感器测量电路工作性能进行分析。四、教学安排本课程包含课堂理论教学和实验教学两部分，围绕传感器测量系统的基本理论、基本知识、基本技能与方法进行授课。学时分配如下：序号教学内容课堂教学研讨实验上机总计1传感器技术概述2132传感器测量系统数据处理6173热电式传感器444电阻式传感器3255电容式传感器3256电感式传感器4267压电式传感器448光电式传感器889磁敏式传感器42610化学传感器与生物传感器314合计413852五、教学方法1．根据学生学情和任课教师情况，优选线上线下混合式教学组织方式下的翻转课堂教学模式，在此种模式下，学生在课前通过在线开放课程自主完成基础知识学习；课堂以师生互动、生生互动的交流、研讨、释疑解惑为主；课后学生继续通过在线开放课程教学资源进行课程知识的深化与拓展。对应的主要教学方法有：自主学习法、讲授法、讨论法、读书指导法、任务驱动法。2.若采用完全线下课程授课方式，建议课堂教学方法在讲授法的基础上，适当辅助讨论法、任务驱动法、自主学习法。六、课程考核及成绩评定课程考核体现诊断性、形成性、总结性三种类型评价，重过程考核，考核项目细化，分值占比明确。课程成绩包括三部分：平时成绩、实验成绩和期末考试成绩。线上线下混合式成绩评定推荐方式如下表所示：考核环节分值考核/评价细则平时成绩40在线开放课程成绩25分（单元作业、单元测验、主题讨论、线上期末考试）、课堂表现15分。按40%计入总成绩。实验成绩10实验表现5分、实验报告5分。按10%计入总成绩。期末考试成绩50以卷面成绩50%计入总成绩。注：完全线下课堂教学组织方式的平时成绩构成与占比根据线下课堂教学组织环节确定。七、课程教材与主要参考书1．教材：2．参考书：附件1.作业评分标准表考核内容A（90-100）B（80-89）C（70-79）D（60-69）E（<60）知识及概念掌握程度（权重30%）知识及概念掌握全面，运用得当知识及概念掌握较全面，能正确运用知识及概念掌握较全面，能够运用，但没有考虑约束条件知识及概念掌握程度一般，并不能正确运用没有掌握知识及概念，不会运用公式解题过程的正确性、完整性（70%）解题过程正确、完整，逻辑性强，答案正确率超过90%，书写清晰解题过程较正确、完整，逻辑性较强，答案正确率超过80%，书写清晰解题过程基本正确、完整，答案正确率超过70%解题过程中存在错误，答案正确率超过60%解题过程错误且不完整，答案正确率低于60%2.实验考核标准考核内容A（90-100）B（80-89）C（70-79）D（60-69）E（<60）操作过程掌握程情况（权重50%）操作规程准确，设备运用得当操作规程较准确，能正确运用操作规程较准确，能够运用设备，但没有考虑参数的准确性操作规程一般，并不能正确运用设备没有操作规程，不会运用设备实验报告的正确性、完整性（50%）实验报告正确、完整，逻辑性强，答案正确率超过90%，书写清晰实验报告较正确、完整，逻辑性较强，答案正确率超过80%，书写清晰实验报告基本正确、完整，答案正确率超过70%实验报告中存在错误，答案正确率超过60%实验报告错误且不完整，答案正确率低于60%3.课程试卷设计方案序号课程目标考察点（期末）占比（期末）备注1课程目标1传感器基本概念、一般构成、类型划分、主要动静态性能指标；传感器测量数据误差基本概念、表示方法及其处理方法。30%题型：选择题、简答题、填空题、计算题难度分为：容易、中等偏易、中等偏难三个等次，其比例构成近似为20：20：30：30（比例可调整）2课程目标2热电式