《传感器与自动检测技术》电子教案（模块7）

《模块七现代新型传感器》教案PAGE1第1页共11页《单元1集成传感器》教案课题单元1集成传感器教学目的了解集成传感器的特点，传感器的集成教学重点传感器的集成教学资源多媒体教学课件，部分集成传感器实物教学手段多媒体课堂教学，实物演示教学教学过程及教学内容教学方法引入模块七现代新型传感器新型传感器不仅追求高精度、大量程、高可靠性、低功耗和微型化，而且向着集成化、多功能和智能化方向发展。集成化可以使传感器降低成本、改善性能、提高可靠性、减小体积、接口灵活，智能化可以使传感器将“感知”和“认知”结合起来，起到人的五官感觉功能的作用。提纲挈领法概念分析单元1集成传感器一、大规模集成电路对传感器的影响1．传感器向固体化、半导体化和集成化方向的发展2．传感器制造工艺的革新3．集成传感器的形成由上述几点可见，集成电路的大规模化不仅对传感器提出了集成化的要求，也为传感器的集成化提供了应用基础和技术基础。【图示】集成温度传感器外形图【实物】部分集成传感器演示二、集成传感器的特点【图例】ST的LIS202DL传感器1．成本低2．小型化3．改善性能4．提高可靠性5．增加接口灵活性三、传感器的集成随着集成电路技术的发展，传感器可以和越来越多的信号处理电路制作在同一芯片上或封装在同一管壳内，这就是集成传感器。1．各种调节电路和补偿电路与传感器集成如，电源电压调整电路、温度补偿电路等等。2．信号放大和阻抗变换电路与传感器集成把信号放大电路和阻抗变换电路与传感元件集成在一起，对于改善信号的信噪比，抑制外来干扰的影响有很大的好处。3．信号数字化电路与传感器集成除了把放大器与阻抗变换电路和传感元件集成在一起可以改善抗干扰特性之外，把模拟信号变换成数字信号也可以改善抗干扰能力。为了适应控制系统的要求，也常把传感器的输出变换成为开关二种状态的输出以实现控制。4．多传感器的集成把多个功能不同的传感器集成在一起，可以同时进行多个参数的测量。还可以对这些参数的测量结果进行综合处理，得到一个反映被测系统整体状态的参数。5．信号发送和接收电路与传感器集成如能使用把信号发送电路和传感器集成在一起的集成传感器，那么测量系统的重量可以大大减轻，尺寸可以减小，给测量带来很多方便。【图示】德国Lepton超精密激光厚度集成传感器实物图；集成湿度传感器实物图；集成压力传感器实物图；集成心率血氧传感器实物图；集成加速度传感器实物图；电容式集成加速度传感器结构示意图；无线传感网络示意图概念推演法图示展演法实物讲演法提纲挈领法概念推演法图示展演法作业教材认知训练7－1、7－2练习巩固法本课教育评注（课堂设计理念，实际教学效果及改进设想）

《单元2智能传感器》教案课题单元2智能传感器教学目的了解智能传感器的特点熟悉智能传感器的技术途径教学重点智能传感器的技术途径教学资源多媒体教学课件教学手段多媒体课堂教学教学过程及教学内容教学方法引入单元2智能传感器智能传感器的概念最初是美国宇航局（NASA）在开发宇宙飞船过程中形成的，宇宙飞船在太空中飞行时，需要知道它的速度、姿态和位置等数据。提纲挈领法概念分析一、智能传感器的定义及其功能定义：将传感器与微机组装在一块芯片上，并具有“感知”和“认知”（智慧）被测量的功能，把传感器技术和信息处理技术进行完美结合的装置。功能：①提供比传统传感器更全面、更真实的信息的功能；②具有信号处理（例如包括温度补偿、线性化等）功能；③随机整定和自适应功能；④具有一定程度的存储、识别和自诊断功能；⑤内含特定算法并可根据需要改变的功能。二、传感器智能化的技术途径1．传感器和信号处理装置的功能集成化是实现传感器智能化的主要技术途径这类传感器具有小型化、性能可靠、能批量生产、价廉等优点，因而，被认为是智能传感器的主要发展方向。【图示】电针式生物医学传感器；毫米波分光计2．基于新的检测原理和结构，实现信号处理的智能化由于传感器在不同频率下的灵敏度不同，势必造成分析上的失真。现在采用微机械加工技术，在硅片上制作出极其精细的沟、槽、孔、膜、悬臂梁、共振腔等，构成性能优异的微型传感器。【图示】D7F振动传感器；三轴振动传感器。3．研制人工智能材料是当今实现智能传感器以及实现人工智能的最新手段和最新学科人工智能材料是继天然材料、人造材料、精细材料后的第四代功能材料。它有三个基本特征：能感知环境条件的变化（普通传感器的功能），进行自我判断（处理器功能）以及发出指令和自行采取行动（执行器功能）。【列表】几种智能材料的功能特征和应用【图示】记忆合金曲别针；自适应巡航概念推演法概念推演法图示展演法概念推演法图示展演法概念推演法列表归纳法图示展演法案例分析三、智能传感器应用案例由上述内容可知，智能传感器是“电五官”与“微电脑”的有机结合，对外界信息具有检测、判断、自诊断、数据处理和自适应能力的集成一体化的多功能传感器。【图示】精密智能压力变送器PPT；A2彩色平板环保扫描仪。【图示】二维自适应图像智能传感器；三维多功能单片智能传感器。【图示】智能血糖仪；汽车电池监控智能传感器；奥地利medel公司中耳植入振动声桥应用案例法图示展演法图示讲演法图示展演法概念分析四、智能传感器的发展前景1．利用微电子学，使传感器和微处理器结合在一起实现各种功能的单片智能传感器，仍然是智能传感器的主要发展方向之一。2．微结构(智能结构)是今后智能传感器重要发展方向之一。3．利用生物工艺和纳米技术研制传感器功能材料，以此技术为基础研制分子和原子生物传感器是一门新兴学科，是21世纪的超前技术。4．完善智能器件原理和智能材料的设计方法，也将是今后几十年极其重要的课题。【图示】ABS的防侧翻稳定控制系统（RSC）；西门子智能视觉传感器。提纲挈领法图示讲演法作业教材认知训练7－3、7－5练习巩固法本课教育评注（课堂设计理念，实际教学效果及改进设想）

《单元3光纤传感器》教案课题单元3光纤传感器教学目的熟悉光纤传感器的特点了解光纤传感器的应用教学重点光纤传感器的特点教学难点光纤传感器应用方面的具体光强度调制原理教学资源多媒体教学课件教学手段多媒体课堂教学教学过程及教学内容教学方法引入单元3光纤传感器光纤传感器具有一系列传统传感器无可比拟的优点，如：灵敏度高、响应速度快、抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好、防燃防爆、适于远距离传输、便于与计算机连接以及与光纤传输系统组成遥测网等。目前已研制出测量位移、速度、压力、液位、流量和温度等各种物理量的光纤传感器。提纲挈领法概念分析一、光纤的结构【图示】光纤结构示意图；光纤一般为圆柱形结构，由纤芯、包层和保护层组成。【图示】光纤放大传感器实物图；光纤传感器.光电眼实物图；光纤中继转换器实物图；精密光纤偶合器实物图；光纤装饰玩具实物图二、光纤传感器的原理及分类1．光纤传感器的原理光纤传感器以光信号为变换和传输的载体，利用光导纤维输送光信号的一种传感器。光纤传感器主要由光源、光导纤维（简称光纤）、光检测器和附加装置等组成。【动画】光纤传光原理动画；光纤灯饰动画2．光纤传感器的分类按光纤的作用，光纤传感器可分为功能型和传光型两种。功能型光纤传感器是利用光纤本身的特性随被测量发生变化的一种光纤传感器。传光型光纤传感器是利用其他敏感元件来感受被测量变化一种光纤传感器，传光型光纤传感器则仅起传输光信号作用，所以也称为非功能型光纤传感器。三、光纤传感器的特点①不受电磁场的干扰；②绝缘性能高；③防爆性能好，耐腐蚀；④导光性能好；⑤光纤细而柔软图示讲演法图示展演法概念推演法总结归纳法案例分析四、光纤传感器的应用案例光纤传感器的应用但都离不开光的调制和解调两个环节。常用的光调制有强度调制、相位调制、频率调制及偏振调制等几种。下面以光纤压力传感器为例简要说明光纤传感器的应用。光纤传感器中光强度调制的基本原理可简述为以被测对象所引起的光强度变化，来实现对被测对象的检测。【图示】光纤压力传感器结构图按光强度调制原理制成的光纤压力传感器。其原理为：（1）被测力作用于膜片，膜片感受到被测力而向内弯曲，使棱镜与光吸收层之间的气隙发生改变。（2）气隙发生改变引起棱镜界面上全内反射的局部破坏，造成一部分光离开棱镜的上界面，进入吸收层并被吸收，致使反射回接收光纤的光强减小。（3）用桥式光接收器检测光纤内反射光强度的改变。（4）桥式光接收器输出信号的大小只与光纤和膜片间的距离和膜片的形状有关。【动画】光纤流速传感器动画【图示】光纤液位传感器示意图；光纤电流传感器原理示意图；光纤加速度传感器原理示意图；光纤漩涡流量传感器原理示意图应用案例法图示分析法概念推演法动画展演法图示讲演法作业教材认知训练7－6、7－7练习巩固法本课教育评注（课堂设计理念，实际教学效果及改进设想）

《单元4CCD图像传感器》教案课题单元4CCD图像传感器教学目的1、熟悉CCD图像传感器的原理与特点2、了解CCD图像传感器的选型与应用教学重点CCD图像传感器传感器的特点与应用教学难点CCD图像传感器电荷转移与传输教学资源多媒体教学课件教学手段多媒体课堂教学教学过程及教学内容教学方法引入单元4CCD图像传感器光图像传感器用于将光信号转变为电信号。图像传感器包含了几十万个乃至上百万个感光元件，每个感光元件即为一个像素。常用的感光元件有两种：①电荷耦合器件CCD；②互补金属氧化物半导体（CMOS）。【图示】传统胶片相机；数码相机；胶片摄像机；数码摄像机；CCD（MOS型）图像传感器；摄像头（CMOS型）图像传感器提纲挈领法图示展演法概念分析一、CCD图像传感器简介【图示】CCD电极的基本构成按一定规律排列的MOS（金属-氧化物-半导体）电容器组成的阵列。在P型或N型硅衬底上生长一层很薄的二氧化硅，再在二氧化硅薄层上依次沉积金属或掺杂多晶硅形成电极，称为栅极。栅极和P型或N型硅衬垫就形成了规则的MOS电容器阵列，再加上两端的输入及输出二极管构成CCD电荷耦合器件芯片。二、图像传感器电荷转移和传输【图示】三相CCD驱动和转移示意图以三相CCD为例加以说明，结合雨量虹吸收集进行类比分析。【动画】电荷信号的转移和传输动画三、CCD图像传感器的分类和基本参数1．CCD图像传感器的分类CCD图像传感器有线阵型和面阵型两种如果一个个的MOS电容器可以被设计排列成一条直线，称为线阵；也可以排列成二维平面，称为面阵。线阵型CCD常用于扫描仪、传真机等设备。CCD摄像机、照相机就是通过透镜把外界的景像投射到二维MOS电容器面阵上，产生MOS电容器面阵的光电转换和记忆。【图示】CCD图像传感器的分类2．CCD图像传感器的基本参数（1）光谱灵敏度；（2）动态范围；（3）非均匀性；（4）非线性度；（5）分辨率四、色彩信息的获取【图示】3CCD彩色成像原理图；单CCD彩色成像原理图CCD芯片按比例将一定数目的光子转换为一定数目的电子，但光线的颜色，却没有被转换为任何形式的电信号，无法区分颜色，获取的是灰度图像。为获取彩色图像：方法1：采用分光棱镜和3个CCD器件。棱镜将光线中的红、绿、蓝三个基本色分开，使其分别投射在一个CCD上，每个CCD只对一种基本色分量感光。方法2：采用单一CCD器件，将马赛克滤光片（也称拜尔滤镜）加装在CCD上。每四个像素形成一个单元，一个过滤红色、一个过滤蓝色，两个过滤绿色。每个像素都接收到感光信号，合成为一个像素点色彩信息。图示讲演法概念推演法图示讲演法动画展演法总结归纳法图示展演法概念推演法图例演示法概念推演法案例分析五、CCD图像传感器应用案例1、平面扫描仪【图示】扫描仪工作原理及结构；安装在扫描仪内部的可移动光源在步进电机带动下开始扫描原稿，线阵CCD接收到这些信号后，将这些信号传送到模数（A/D）转换器，模数转换器再将其转换成计算机能读取的信号，然后通过驱动程序转换成显示器上能看到的正确图像。【动画】扫描仪工作过程动画2、数码摄像机【图示】数码摄像机工作原理外界景物通过镜头照射到CCD彩色图像传感器上，CCD彩色图像传感器在扫描电路的控制下，可将变化的外界景物以25帧／s的速度转换为串行模拟脉冲信号输出。该串行模拟脉冲信号经A/D转换器转换为数字信号，由专门的芯片进行处理和过滤后得到的信息还原出来动态画面。应用案例法图示讲演法动画展演法图示讲演法作业教材认知训练7－8、7－9练习巩固法本课教育评注（课堂设计理念，实际教学效果及改进设想）《单元5机器人传感技术》教案课题单元5机器人传感技术教学目的1、熟悉机器人的构成及信息获取2、了解机器人传感器的分类教学重点机器人力觉、接近觉、触觉传感器的特点与应用教学难点机器人视觉传感器、听觉传感器教学资源多媒体教学课件教学手段多媒体课堂教学教学过程及教学内容教学方法引入单元5机器人传感技术机器人是由计算机控制的复杂机器，它具有类似人的肢体及感官功能；动作程序灵活；有一定程度的智能；它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编制的程序。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如危险或高劳动强度的工作，或恶劣环境下作业等。【图示】火星探测器实物图；水下章鱼机器人实物图提纲挈领法图示展演法概念分析一、机器人的构成与信息获取大致可以分为两类：一类是内部信息传感器，用于检测机器人各部分的内部状况，如各关节的位置、速度、加速度等，并将所测得的信息作为反馈信号送至控制器，形成闭环控制。一类是外部信息传感器，用于获取有关机器人的作业对象及外界环境等方面的信息，以使机器人的动作能适应外界情况的变化，使之达到更高层次的自动化，甚至使机器人具有某种“感觉”。外部信息传感器和人的感觉对应，故亦称感觉传感器。机器人传感器主要有视觉、听觉、触觉和近接觉等。【列表】机器人传感器分类表【图示】机器人传感器及分布；机器人足球赛实物图；工业机器人工作现场图【动画】玩具机器人；搬运机器人二、机器人传感器1．机器人视觉【图示】视觉传感器典型结构图；机器视觉示意图；视觉传感器实物图机器人视觉主要利用图像信号输入设备，将视觉信息转换成电信号。常用的图像信号输入设备有摄像管和固态图像传感器。摄像管分为光导摄像管（如电视摄像装置的摄像头）和非光导摄像管两种，前者是存储型，后是是非存储型的。2．听觉传感器【图示】听觉传感器及语音识别系统；歌唱、舞蹈机器人实物图具有语音识别功能的传感器称为听觉传感器。机器人听觉传感器的敏感单元，即声传感器（麦克风），多为利用压电效应、磁电效应或驻极体电容式等原理制成。3．触觉及触觉传感器（1）接触觉传感器【图示】针式变压器矩阵接触觉传感器；开关式接触觉传感器原理示意图接触传感器有机械式（例如微动开关）、针式差动变压器、含碳海绵及导电橡胶等几种。当接触力作用时，这些传感器以通断方式输出高低电平，实现传感器对被接触物体的感知。（2）压觉传感器【图示】高密度分布式压觉传感器原理示意图压觉中最重要的是分布压觉。通过高密度配置这种传感器，可以获得同物体接触处各部分的压力，将该压力变换成相应处的电压信号，可以获取关于物体形状的信息。如果追踪这种信息随时间的变化，还可获得关于运动和振动的信息。利用压觉传感器可构成人造皮肤。（3）滑动觉【图示】滚轴式滑觉传感器原理示意图；球式滑觉传感器原理示意图；电磁式滑觉传感器原理示意图；滚动式滑觉传感器原理示意图；具有接触觉、滑动觉及力觉的机械手实物图滑动