传感器与检测技术 教学大纲

《传感器与检测技术》课程教学大纲一、课程基本信息课程名称传感器与检测技术英文名称SensorsandMeasurementTechnology课程编码开课单位控制科学与工程学院课程类别□通识教育必修课程□通识教育核心课程□通识教育选修课程□学科基础平台课程□专业基础课程■专业必修课程□专业选修课程课程性质■必修□选修学分3学时54（含实验10）适用专业自动化、测控技术与仪器、机械工程、电气工程先修课程高等数学、大学物理、电路原理、模拟电子技术、数字电子技术后续课程自动控制原理、测控系统设计课程网站二、课程描述自动检测技术是自动化、电气工程与自动化、测控技术与仪器等专业的一门纲要专业必修课程。实现被控参数的自动检测是实现被控对象自动控制的前提，本课程由自动检测技术的共性基础理论、常用传感原理与典型参数检测技术、自动检测系统设计的共性关键技术、自动检测系统设计案例、相关教学实验等内容组成，是自动化类专业的专业核心课程。通过本课程的学习，学生应能针对复杂工程实际需求，选好、用好传感器，完成自动检测系统的初步设计。Automaticdetectiontechnologyisarequiredcourseforautomation,electricalengineeringandautomation,measurementandcontroltechnologyandinstrument.Automaticdetectionofcontrolledparametersisthepremiseofautomaticcontrolofcontrolledobjects.Thiscourseiscomposedofthecommonbasictheoryofautomaticdetectiontechnology,commonsensingprincipleandtypicalparameterdetectiontechnology,commonkeytechnologyofautomaticdetectionsystemdesign,automaticdetectionsystemdesigncases,relevantteachingexperimentsandothercontents.Itisaprofessionalcorecourseforautomationmajors.Throughthestudyofthiscourse,studentsshouldbeabletoselectandusesensorswellaccordingtotheactualneedsofcomplexengineering,andcompletethepreliminarydesignofautomaticdetectionsystem.三、课程教学目标本课程对接工程教育专业认证理念，围绕传感器与检测技术的核心知识、工程应用与创新能力培养，引导学生学习掌握传感器与检测技术的基础概念、基本原理、典型应用与技术发展，培养学生了解概念、理解原理、方案设计和应用研究等方面的能力。支撑毕业要求【1-5、3-2、5-1、6-2】。具体分解为：（一）知识目标1.掌握传感器的基本定义、组成、分类与工程应用价值，熟悉传感器技术的发展现状与前沿趋势；2.掌握传感器静态与动态特性的核心指标、分析方法与标定准则，具备传感器性能评价的理论基础；3.掌握电阻式、电容式、电感式等12类常用传感器的工作原理、结构特点、转换电路、性能特性与典型应用场景；4.掌握检测系统的误差理论、不确定度评定与数据处理方法，具备检测结果的科学分析能力。（二）能力目标1.能根据工程检测需求，完成传感器的合理选型、参数匹配与检测方案设计；2.能独立完成传感器性能测试实验，规范操作实验设备，准确采集、处理实验数据，撰写符合规范的实验报告；3.能运用误差理论与数据处理方法，分析检测系统的误差来源，提出抑制与补偿方案，解决工程实际中的检测问题；4.具备初步的检测系统创新设计能力，能结合新型传感器技术，完成简单智能检测场景的方案搭建。（三）素质目标1.树立严谨的工程科学思维，培养精益求精的工匠精神，恪守工程伦理与职业规范；2.建立以需求为导向的工程应用意识，提升自主学习、团队协作与解决复杂工程问题的综合素养；3.跟踪传感器与检测技术的前沿发展，培养创新意识与终身学习能力。四、课程对本专业毕业要求的重点支持本课程重点支持自动化专业52条毕业要求中的5条，即1-5、2-3、5-1、6-2：1-5掌握自动检测、过程控制、电力电子、运动控制等专业知识，能将其综合用于解决相关复杂工程问题；2-3面对一个复杂控制工程实际问题，能通过检索、分析文献，寻求有效解决方案；5-1能够针对自动化相关领域复杂工程实际问题，选择合适的检索工具和检索策略，进行所需技术文献、技术资料、元部件信息、软硬件信息的检索；6-2了解与控制工程相关的技术标准、规程规范、知识产权、产业政策、法律法规。具体分析如下：1学生通过自动检测技术的共性基础理论、常用参数检测技术与典型传感原理、自动检测系统设计共性技术等内容的学习，深入理解自动检测技术相关基础性知识；学生通过实验、作业、设计案例示范、亲自设计等环节，得到知识运用训练——将本课程所学上述知识、同时综合其他相关课程知识，用于解决实际复杂工程问题；【1-5】2自动化专业在进行实际工程系统设计时，主要是从目前市场平台上针对具体实际工程需要选、用传感器及其相关的软硬件。本课程在教学过程中，将有效引导学生针对参数检测相关复杂工程问题，选择检索工具和检索策略，进行所需技术文献、技术资料、传感器、信号调理与信息处理软硬件等有关信息检索与综合分析、评价，从而创造性的完成检测系统的设计方案；【2-3】3传感原理与被测参数之间存在着错综复杂的网状关系，面临一个具体的工程检测任务，往往有多种技术方案，设计者的任务是具体问题具体分析、在多种约束条件下选择最佳方案。学生在钻研、习得自动检测技术的过程中，能够得到从实际出发、检索分析文献、统筹考虑、综合优化、抓主要矛盾，解决复杂工程问题的工程意识、工程思维、工程能力有效训练；【5-1】4本课程教学内容中，涉及多个与传感器、自动检测相关的国家标准、国际标准，教学过程中将指导学生阅读并贯彻相关标准，强化学生标准化方面的工程意识和素质。【6-2】五、课程教学内容及学时分配第1章概述（2学时）1.教学内容：传感器的定义与基本组成；传感器的分类方法；传感器与检测技术在智能制造、轨道交通、航空航天、民生工程等领域的核心作用；传感器技术的发展历程、现状与前沿趋势。2.教学要求：掌握传感器的核心定义与基本组成；熟悉传感器的主流分类方式；了解传感器技术的工程价值与发展趋势。3.重点难点：重点为传感器的基本组成与核心作用；难点为传感器技术在复杂工程场景中的应用逻辑。第2章传感器特性（4学时）1.教学内容：传感器的数学模型建立；传感器静态特性的核心指标（线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨力、漂移等）；传感器动态特性的分析方法（一阶、二阶系统的时域与频域响应）；传感器的标定与校准方法。2.教学要求：掌握传感器静态特性核心指标的定义与计算方法；掌握一阶、二阶传感器系统的动态特性分析方法；熟悉传感器标定的基本流程与规范；了解传感器特性优化的基本思路。3.重点难点：重点为传感器静态特性指标、一阶/二阶系统的动态响应特性；难点为传感器动态特性的建模与性能优化。第3章电阻式传感器（4学时）1.教学内容：电位器式传感器的工作原理、结构与应用；电阻应变效应与应变式传感器的工作原理、结构类型、温度补偿方法；测量电桥电路（直流电桥、交流电桥）的设计与分析；压阻效应与半导体压阻式传感器的原理、特性与应用。2.教学要求：掌握应变式传感器的工作原理、温度补偿技术与电桥测量电路；熟悉电位器式、压阻式传感器的特性与应用场景；了解电阻式传感器的工程设计要点。3.重点难点：重点为电阻应变效应、电桥测量电路、温度补偿方法；难点为应变式传感器的组桥设计与工程误差抑制。第4章电容式传感器（3学时）1.教学内容：电容式传感器的工作原理与结构类型（变极距型、变面积型、变介电常数型）；电容式传感器的等效电路与特性分析；电容式传感器的测量转换电路（桥式电路、调频电路、运算放大器电路等）；电容式传感器的典型应用。2.教学要求：掌握电容式传感器的工作原理、结构类型与转换电路；熟悉电容式传感器的特性与适用场景；了解寄生电容的抑制方法。3.重点难点：重点为电容式传感器的工作原理与核心转换电路；难点为寄生电容的影响与抑制、高精度测量电路的设计。第5章电感式传感器（3学时）1.教学内容：自感式传感器的工作原理、结构类型与特性分析；差动变压器式传感器的工作原理、特性与测量电路；电涡流式传感器的工作原理、特性与应用；电感式传感器的典型工程应用。2.教学要求：掌握自感式、差动变压器式、电涡流式传感器的工作原理；熟悉各类电感式传感器的测量电路与特性；了解电感式传感器的误差来源与补偿方法。3.重点难点：重点为差动变压器式、电涡流式传感器的工作原理与应用；难点为差动变压器的零点残余电压抑制、电涡流效应的深度分析。第6章磁敏式传感器（3学时）1.教学内容：霍尔效应与霍尔传感器的工作原理、特性与测量电路；磁阻效应与磁阻传感器的原理、类型与应用；磁敏二极管、磁敏三极管的工作原理与特性；磁敏式传感器的典型工程应用。2.教学要求：掌握霍尔传感器的工作原理、特性与应用；熟悉磁阻传感器的基本原理与适用场景；了解其他磁敏元件的工作特性。3.重点难点：重点为霍尔效应与霍尔传感器的工程应用；难点为霍尔传感器的温度补偿与误差抑制。第7章压电式传感器（3学时）1.教学内容：压电效应与压电材料的特性；压电式传感器的等效电路与结构类型；压电式传感器的测量转换电路（电荷放大器、电压放大器）；压电式传感器的典型应用。2.教学要求：掌握压电效应的机理、压电式传感器的等效电路与测量电路；熟悉常用压电材料的特性与传感器的适用场景；了解压电式传感器的频率响应特性。3.重点难点：重点为压电效应、电荷放大器的工作原理与应用；难点为压电式传感器的动态特性匹配与微弱信号检测。第8章热电式传感器（3学时）1.教学内容：热电效应与热电偶传感器的工作原理、基本定律、结构类型与冷端补偿方法；热电阻效应与金属热电阻、半导体热敏电阻的工作原理、特性与测量电路；集成温度传感器的原理与应用；热电式传感器的工程测温方案设计。2.教学要求：掌握热电偶的工作原理、基本定律与冷端补偿技术；掌握热电阻的工作原理与测量电路；熟悉各类热电式传感器的测温范围与适用场景；了解集成温度传感器的应用。3.重点难点：重点为热电偶的基本定律与冷端补偿、热电阻的测温电路设计；难点为复杂工况下的高精度测温方案优化。第9章光电式传感器（4学时）1.教学内容：光电效应的分类与机理；常用光电元件（光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池）的工作原理、特性与测量电路；光电式传感器的典型应用模式（透射式、反射式、辐射式）；光电耦合器件、固态图像传感器的原理与应用。2.教学要求：掌握各类光电效应的机理、核心光电元件的工作原理与应用电路；熟悉光电式传感器的典型应用模式；了解固态图像传感器的工作原理与工程应用。3.重点难点：重点为核心光电元件的特性与应用电路、光电检测系统的设计；难点为微弱光信号的检测与抗干扰设计。第10章光纤传感器（3学时）1.教学内容：光纤的结构、传光原理与特性；光纤传感器的分类与工作原理；强度调制型、相位调制型、波长调制型、偏振调制型光纤传感器的原理与应用；光纤传感器的工程应用优势与典型场景。2.教学要求：掌握光纤的传光原理与光纤传感器的核心调制方式；熟悉各类光纤传感器的工作特性与适用场景；了解光纤传感技术的前沿发展。3.重点难点：重点为光纤的传光原理与强度调制型光纤传感器的应用；难点为相位调制型光纤传感器的原理与信号解调技术。第11章辐射与波式传感器（3学时）1.教学内容：超声波传感器的工作原理、特性与测距、测厚、探伤等应用；红外辐射传感器的原理与红外检测、红外成像应用；微波传感器的工作原理与位移、液位、物料检测应用；核辐射传感器的基本原理与应用。2.教学要求：掌握超声波、红外、微波传感器的工作原理与典型应用；熟悉各类波式传感器的特性与适用场景；了解核辐射传感器的基本原理。3.重点难点：重点为超声波、红外传感器的工作原理与工程应用；难点为波式传感器的抗干扰设计与高精度测量方案。第12章化学传感器（3学时）1.教学内容：化学传感器的定义、分类与基本特性；离子选择性电极的工作原理、特性与应用；气敏传感器的工作原理、类型与气体检测应用；湿敏传感器的工作原理、类型与湿度检测应用；电化学传感器的原理与应用。2.教学要求：掌握离子选择性电极、气敏、湿敏传感器的工作原理与应用场景；熟悉化学传感器的基本特性与检测方法；了解电化学传感器的工作机理。3.重点难点：重点为气敏、湿敏传感器的工作原理与典型应用；难点为化学传感器的选择性、稳定性优化与交叉敏感抑制。第13章生物传感器（2学时）1.教学内容：生物传感器的定义、组成与分类；酶传感器、免疫传感器、微生物传感器、基因传感器的工作原理与特性；生物传感器在医疗健康、环境监测、食品检测等领域的应用；生物传感技术的前沿发展。2.教学要求：熟悉生物传感器的基本组成与工作机理；了解各类生物传感器的典型应用与发展趋势。3.重点难点：重点为生物传感器的核心组成与识别机理；难点为生物敏感元件的固定化技术与性能优化。第14章误差理论与数据处理（4学时）1.教学内容：测量误差的基本概念、分类与表示方法；系统误差的识别、消除与补偿方法；随机误差的统计特性与处理方法；粗大误差的判别准则与剔除方法；测量不确定度的评定与表示；线性回归与曲线拟合方法；检测数据的处理规范。2.教学要求：掌握误差的分类与核心处理方法、不确定度的基本评定方法；熟悉粗大误差的判别准则与数据回归方法；了解检测数据的标准化处理规范。3.重点难点：重点为系统误差与随机误差的处理方法、不确定度评定；难点为复杂测量场景下的误差溯源与综合处理。六、教学内容与毕业要求对应关系《传感器与检测技术》课程目标与毕业要求对应关系如表1所示。表1课程目标与毕业要求对应关系课程目标支撑毕业要求情况指标点课程目标1（自动检测技术基本概念）掌握自动检测专业知识，能将其综合用于解决相关复杂工程问题毕业要求1-5课程目标2（典型传感器原理）面对一个复杂控制工程实际问题，能通过检索、分析文献，寻求有效解决方案毕业要求2-3课程目标3（典型检测技术）能够针对自动化相关领域复杂工程实际问题，进行所需技术元部件信息、软硬件信息的检索毕业要求5-1课程目标4（系统共性技术）了解与控制工程相关的技术标准、规程规范毕业要求6-2七、教学方法本课程以课堂教学为主，结合课堂讨论、自学、设计作业、课堂讨论、实验等教学手段，完成课程教学任务和相关能力的培养。比较全面地学习自动检测技术的传感器基本概念、原理及其工程分析、设计的方法和手段，运用传感器的基本架构和基本概念，学会利用传感器基本原理、检测电路设计技术方法和共性信号处理方法开展传感器的设计与应用【1-5】、【2-3】、【5-1】、【6-2】。在实验教学环节中，采用启发式教学、讨论式教学，初步运用自动检测技术分析实际系统特征和解决实际问题的能力。提高自主学习能力、实际动手能力、团队合作能力、获取和处理信息的能力、准确运用语言文字的表达能力，激发学生的创新思维【5-1】、【6-2】。八、考核及成绩评定方式【考核方式】平时成绩+期中考试+实验+笔试，笔试闭卷形式。【成绩评定】平时成绩（含作业）15%、期中考试30%、实验成绩15%、期末考试40%，均为百分制，按比例综合评价为课程成绩。【评价依据和评分标准】（1）平时成绩评分标准1）要求作业分9次提交，课程每2章提交一次，未能按时提交一次扣3分；2）要求字迹工整，书写规范，不符合作业整洁度要求，每次作业扣除1分；3）要求回答问题准确、全面，根据回答程度，每次作业扣分区间0~4分。4）课堂点名，旷课一次扣2分，迟到一次扣0.5分。（2）实验成绩评分标准1）要求按照实验要求，全程积极开展实验，实验态度不认真，每次计扣1分；2）要求实验根据所学知识认真执行，因个人原因造成实验错误，经老师再次指导后，仍未能完成试验的，每次扣2分；3）要求实验报告按照要求规范、完整、过程全面，未按照要求撰写实验报告，经指导后仍未能改进的，每次扣1分。4）实验评价内容分为理论基础、实验设计、实际操作以及团队合作能力，各自占比为25%、25%、30%、20%。评分结果分为优、良、中、差四个等级。评分标准由表5给出：【考试大纲】考核点1：传感器与检测技术的共性基础理