《智能传感与检测》教学大纲.docx
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《智能传感与检测》教学大纲
《智能传感与检测》课程教学大纲
一、课程基本信息（四号黑体）
英文名称
IntelligentSensing
课程代码
IMEE1055
课程性质
专业核心课程
授课对象
学分
1.5
学时
36
指定教材
传感器与检测技术，周杏鹏主编，清华大学出版社
二、课程目标（四号黑体）
（一）总体目标：
（小四号黑体）
《智能传感器与检测》智能制造工程专业的专业基础课程。
本课程理论严谨,逻辑性强、运用了一定数学分析方法、结合实验来进行测控系统的分析和传感器的应用、同时和工程实际有密切的联系。
通过本课程的学习，应使学生掌握误差分析与系统特性分析技术的基本理论、结构性传感器、物性型传感器、固态传感器、其它智能传感器的基本原理、基本特性和测量电路等，以及压力检测、温度检测以及机械量检测等相关以具体检测物理量为目的的检测方案，使学生掌握智能检测系统的设计和分析方法，能够根据工程需要选用合适的智能传感器，并能够对智能检测系统的性能进行分析、对测得的数据进行处理，为后续课程的学习打下厚实的基础；并提高对智能测控系统进行分析和解决工程测量问题的能力；树立理论联系实际的科学作风。
（二）课程目标：
（小四号黑体）
（课程目标规定某一阶段的学生通过课程学习以后，在发展德、智、体、美、劳等方面期望实现的程度，它是确定课程内容、教学目标和教学方法的基础。
）（五号宋体）
课程目标1：
知识与技能目标
1.1知识目标
通过智能传感器与检测技术的学习，应使学生系统地掌握智能传感器的工作原理、基本结构、测量电路及各种应用，熟悉非电量测量的基本知识及误差处理方法，熟悉智能制造过程主要参数的检测方法，了解智能传感器的发展趋势机器在智能制造和科学技术方面的广泛应用，具有正确应用智能传感器的能力。
1.2能力目标
锻炼学生应用各种手段查阅文献资料、获取信息、拓展知识领域、继续学习并提高业务水平的能力；通过实验环节，使学生更牢固的掌握理论知识和实操能力，培养严谨求实的作风、解决实际问题的能力以及初步的设计能力。
课程目标2：
方法与过程目标
2.1方法目标
课程内容分为三大块：
基础理论、典型智能传感器原理与应用以及典型参量的测试。
在基础理论部分，采取“以兴趣为核心”的方式，让学生以从感兴趣和有亲身感知的事件中由实践到理论，从工程实际到科学认识传感器；再分门别类讲述每种传感器，由于传感器涉及知识面广、种类多、发展快，在讲解每种传感器时在内容的组织和讲解上采用基本相同的知识线路：
传感器工作原理→分类及结构→工作特性参数→误差及补偿→基本信号调理电路→应用示例，这样有利于学生掌握重点内容，同时采取“以问题为核心”的方式，从科学到工程，引导学生对传感器工作原理进行探究，根据工程需要对科学问题进行提炼；在典型参量测试部分，采取“以案例或课题为核心”的方式，从科学到工程，从单元构建系统，进行设计学习。
2.2过程目标
课堂教学与实验教学环节相结合，围绕学习目标设计学习任务和实验活动。
通过多媒体手段、工程案例讲解等提高教学效率，使学生在掌握课程理论基础的同时，了解所学知识在工程中的实际应用；
课程目标3：
情感、态度与价值观发展目标
3.1理解“定量”的意义，理解产生测量误差的因素，对实验严格要求，从操作、记录、分析等环节培养学生认真的态度、科学的精神。
通过本课程的学习，加深学生对传感器与测试技术在智能制造中地位的认同感，增强学员应用所学知识与技能服务在智能制造领域进行产品开发、科学研究的责任感、使命感和自信心；培养学生永不放弃追求真理的坚毅品质；培养学员独立思考、自主创新的科学精神。
（要求参照《普通高等学校本科专业类教学质量国家标准》，对应各类专业认证标准，注意对毕业要求支撑程度强弱的描述，与“课程目标对毕业要求的支撑关系表一致）（五号宋体）
（三）课程目标与毕业要求、课程内容的对应关系（小四号黑体）
表1：
课程目标与课程内容、毕业要求的对应关系表（五号宋体）
课程目标
课程子目标
对应课程内容
对应毕业要求
课程目标1：
知识与技能目标
1.1：
知识目标
1.传感器的定义，传感器的分类，传感器的组成；传感器与测试技术的发展动向；
2.掌握一阶、二阶测试系统的动态特性及其动态参数的测试方法；
3.电阻、电容、电感等结构型传感器的工作原理、温度误差及其补偿及测量电路、实际应用等；
4.掌握压阻效应、压电效应、光电效应等常见物性传感器的工作原理、等效电路、测量电路及相关应用；对光电式传感器，重点掌握CCD图像传感器、光纤传感器的工作原理及应用；
5.压力检测的概念、检测方法，掌握常见压力测量仪器的工作原理及使用方法；
6.位移、速度、加速度、力和力矩、机械振动等常见机械量测量的原理，常用测量传感器及实际应用实例等。
1-3掌握机器人、检测和控制、先进制造的基础知识，具有智能生产线、智能产品的分析和设计能力；
1.2：
技能目标
相关实验教学内容
4-3能正确采集、处理实验和仿真数据，对实验结果进行关联、分析和解释，通过信息综合获取合理有效的结论。
课程目标2：
方法与过程目标
2.1：
方法目标
1.电阻、电容、电感等结构型传感器的工作原理、实际应用等；
2.常见物性传感器的工作原理及相关应用；对光电式传感器，重点掌握CCD图像传感器、光纤传感器的工作原理及应用；
3.压力检测的概念、检测方法，掌握常见压力测量仪器的工作原理及使用方法；
4.位移、速度、加速度、力和力矩、机械振动等常见机械量测量的原理，常用测量传感器及实际应用实例等。
3-3能够对系统软硬件进行设计和集成，并对设计方案进行优选，体现创新意识；
2.2：
过程目标
相关实验教学内容
5-3能使用现代工具验证、分析和预测智能制造系统性能，并理解使用相关技术手段的优缺点。
课程目标3：
情感、态度与价值观发展目标
3.1：
情感、态度与价值观发展目标
相关实验教学内容
4-3能正确采集、处理实验和仿真数据，对实验结果进行关联、分析和解释，通过信息综合获取合理有效的结论。
5-3能使用现代工具验证、分析和预测智能制造系统性能，并理解使用相关技术手段的优缺点。
（大类基础课程、专业教学课程及开放选修课程按照本科教学手册中各专业拟定的毕业要求填写“对应毕业要求”栏。
通识教育课程含通识选修课程、新生研讨课程及公共基础课程，面向专业为工科、师范、医学等有专业认证标准的专业，按照专业认证通用标准填写“对应毕业要求”栏；面向其他尚未有专业认证标准的专业，按照本科教学手册中各专业拟定的毕业要求填写“对应毕业要求”栏。
）
三、教学内容（四号黑体）
（具体描述各章节教学目标、教学内容等。
实验课程可按实验模块描述）
第一章 绪论
主要内容：
1．传感器的定义，传感器的分类，传感器的组成；
2．传感器与测试技术的重要性；
3．被测量的分类，测试系统的组成；
4．传感器与测试技术的发展动向；
教学重难点：
传感器的重要性，传感器的定义、组成。
教学要求：
1．掌握传感器的定义、组成；
2．掌握测试系统的构成；
3．了解传感器与测试技术在国民经济各个领域的应用；
4．了解传感器与测试技术的发展动向。
第二章 检测技术基础知识
主要内容：
1．误差基本概念与表示方法；
2．系统误差处理；
3．随机误差处理；
4．粗大误差处理；
教学重难点：
系统误差的判别和确定；随机误差的分布规律及测量数据的随机误差估计；
教学要求：
1．掌握绝对误差、相对误差、系统误差、随机误差、粗大误差、精度等级的概念；
2．掌握随机误差分布规律及测量数据随机误差估计；
第三章 传感与测试系统特性分析
主要内容：
1．测试系统的静态特性；
2．测试系统的动态特性及其动态参数的测试方法；
3．传感器的技术性能指标；
教学重难点：
传感器动态特性及其数学描述。
教学要求：
1．掌握测试系统静态特性的表示方法；
2．掌握一阶、二阶测试系统的动态特性及其动态参数的测试方法；
3．理解传感器的性能技术指标，了解改善传感器性能的技术途径；
第二专题 传感器原理及应用
第四章阻抗式传感器
第一节电阻应变式传感器
主要内容：
1．电阻应变片的工作原理；
2．电阻应变片的温度误差及其补偿；
3．电阻应变式传感器的测量电路；
4．电阻应变式传感器的应用。
教学重难点：
1．电阻应变片的灵敏系数；
2．电阻应变式传感器的温度补偿。
教学要求：
1．掌握应变效应、压阻效应；
2．了解压阻式传感器的工作原理、基本结构和应用特点；
3．理解电阻应变式传感器温度误差产生的原因以及补偿的措施；
4．掌握电阻应变式传感器的测量电路，能用应变片正确组成电桥并完成相关计算。
第二节电容式传感器
主要内容：
1．电容式传感器的工作原理；
2．电容式传感器的测量电路；
3．影响电容式传感器精度的因素分析；
4．电容式传感器的应用。
教学重难点：
1．电容式传感器的灵敏度与非线性误差；
2．提高和改善电容式传感器精度的措施。
教学要求：
1．掌握电容式传感器的原理，并能结合应用设计电容式传感器；
2．掌握灵敏度与非线性误差的矛盾关系及解决办法，能进行相应的计算；
3．了解电容式传感器的等效电路，理解各种电容式传感器测量电路的特点；
4．了解电容式传感器的优缺点、影响精度因素及其改善措施。
第三节电感式传感器
主要内容：
1．变磁阻式传感器；
2．差动变压器传感器；
3．涡流式传感器；
4．电感式传感器的应用。
教学重难点：
1．变隙式和螺管式自感式传感器的测量范围与灵敏度和线性度之间的关系；
2．零点残余电压；
3．差动变压器静态特性分析。
教学要求：
1．掌握电感式传感器的工作原理；
2．理解电感式传感器零点残余电压产生的原因、影响及消除方法；
3．理解电感传感器测量电路的工作原理及基本特点；
4．了解电感式传感器的主要应用领域、可测参数、测量系统及应用特点。
第五章 物性型传感器
第一节压电式传感器
主要内容：
1．压电式传感器的工作原理；
2．压电式传感器的等效电路；
3．压电式传感器的测量电路；
4．压电式传感器的应用。
教学重难点：
1．压电常数矩阵；
2．改善压电式传感器频率响应范围的具体措施。
教学要求：
1．熟练掌握压电效应；理解石英晶体、压电陶瓷的压电现象；
2．熟练掌握压电常数以及压电常数矩阵；
3．熟练掌握电压放大器、电荷放大器的原理；
4．了解压电式传感器的实际应用。
第二节霍尔式传感器
主要内容：
1．霍尔效应；
2．霍尔元件的结构和基本电路；
3．霍尔元件的误差及补偿；
4．霍尔式传感器的应用。
教学重难点：
霍尔传感器的工作原理与特性；
霍尔元件的误差和补偿。
教学要求：
1．熟练掌握霍尔效应，霍尔元件的测量电路；
2．熟悉霍尔传感器的结构、特性参数和基本电路；
3．熟悉霍尔元件的误差和补偿方法。
第三节光电效应与光电器件
主要内容：
1．光电效应；
2．光电器件。
教学重难点：
光电效应。
教学要求：
1．掌握光电效应；
2．熟悉光电器件及其基本特性，会选用合适的光电器件构成光电式传感器。
第六章其它传感器
第一节CCD图像传感器
主要内容：
1．电荷耦合器件（CCD）的结构和工作原理
2．线型与面型CCD图像传感器；
3．CCD图像传感器的应用。
教学重难点：
电荷的传输过程。
教学要求：
1．掌握CCD图像传感器电荷的产生、储存与转移的原理；
2．了解CCD图像传感器的类型以及应用。
第二节光纤传感器
主要内容：
1．光纤的基本知识；
2．光纤传感器的结构和原理；
3．光纤传感器的应用。
教学重难点：
光调制与解调技术。
教学要求：
1．了解光纤的主要特性参数；
2．掌握幅度调制以及相位调制技术；
3．了解光纤传感器的性能特点及工程应用。
第三专题典型参量测试技术
第七章压力监测技术
主要内容：
1．压力概念与常见检测方法；
2．常见弹性压力计与电测式压力计；
3．压力检测仪表的选择；
教学重难点：
应变式压力传感器的原理。
教学要求：
1．掌握压力概念与计量单位；
2．掌握常用弹性压力计及工作原理；
2．熟练掌握应变式压力传感器的原理；
3．根据被测对象，构建合适的压力检测系统。
第八章机械量检测技术
第一节位移检测
主要内容：
1．掌握常见位移检测方法；
2．常见线位移检测与角位移检测方法；
教学重难点：
莫尔条纹及光栅式位移检测装置检测原理；
脉冲式激光测距原理；
教学要求：
1．了解位移测量的主要方法；
2．掌握光栅式位移检测装置及激光距离检测的原理；
3．能根据位移测量范围和使用条件正确选用位移传感器，合理组建位移测量系统。
第二节速度的测量
主要内容：
1．速度测量的常见方法；
2．线速度测量
3．转速测量
教学重难点：
皮托管测速、弹丸飞行速度测量；直线测速发电机工作原理，磁电感应式转速检测工作原理。
教学要求：
1．掌握常用速度检测工作原理
2．能根据被测速度对象，正确选用速度的测量方法和速度传感器。
第三节加速度的测量
主要内容：
1．加速度测量的原理；
2．位移式加速度计
3．微机电系统加速度计
教学重难点：
加速度测量原理
教学要求：
1．掌握常用加速度检测工作原理；
2．了解霍尔加速度计、电位器式加速度计工作原理；
第四节力和力矩的测量
主要内容：
1．力的测量方法：
力平衡法；
2．测力计：
应变式、压磁式
3．转矩的测量方法；
4.传递法转矩测量
教学重难点：
机械式力平衡装置工作原理；柱形应变式测力计工作原理。
教学要求：
1．掌握常用力、力矩的测量方法；
2．能根据被测力、力矩对象，正确选用力、力矩的测量方法和选用合适传感器。
第五节机械振动测量
主要内容：
1．机械振动分类、基本参数；
2．受迫振动、机械阻抗概念；
3．振动测量方法、拾振器；
4.振动参量的测量
教学重难点：
单自由度受迫振动、机械阻抗。
教学要求：
1．掌握振动信号分类、振动三要素；
2．受迫振动数学模型及力学模型，机械阻抗数据的六种表达；
3.振幅、频率、相位角和阻尼比等震动参量的测量方法。
实验一：
应变传感器性能实验（3学时）（支撑教学目标5）
1.实验目的
熟悉金属箔式应变片的结构、特性及工作原理；利用应变片构建质量测量系统，分析比较测量电桥（包括单臂电桥、差动半桥和全桥）的输出特性、灵敏度和非线性度，掌握电子秤的标定方法。
2.实验内容及要求
（1）测试应变片单臂电桥、半桥和全桥的输出特性，判断它们之间的相互关系。
（2）条件允许时，可练习应变片的粘贴技术；
（3）设计电子秤。
（选做）
3.实验重难点：
（1）记下实验结果，在同一坐标纸上画出实验曲线。
计算灵敏度
，非线性误差
，并对结果进行讨论。
（2）利用应变片设计数字式电子秤，画出结构简图并叙述其工作原理。
实验二：
基于智能相机的工业机器人分拣系统（6学时）（支撑教学目标5）
1.实验内容：
通过智能相机进行图像采集,图像处理,目标定位以及图像坐标与机器人坐标转换,通过C#编写通信软件实现智能相机与机器人间的实时通信,传输工件中心坐标及形状数据给机器人,控制机器人按要求执行分拣动作.系统可用于对多种不同形状的工件进行分拣,实现分拣作业自动化.
2.实验重难点：
掌握智能相机的图像采集原理，通过编程语言进行图像信息的采集及识别；实现相机与机器人的即时通信；实现机器人的分拣动作；
四、学时分配（四号黑体）
表2：
各章节的具体内容和学时分配表（五号宋体）
章节
章节内容
学时分配
第一章
传感器定义、分类、组成、应用、发展动向
2
第二章
误差概念、系统误差、随机误差、粗大误差
2
第三章
测试系统静态特性、动态特性及数学描述
6
第四章
电阻应变式传感器、电容式、电感式传感器
4
第五章
物性型传感器，包括压电式、霍尔式、光电效应
2
第六章
CCD图像传感器、光纤传感器、光调制与解调技术
2
第七章
压力监测技术、应变式压力传感器原理
3
第八章
机械量检测技术，包括位移检测、速度测量、加速度测量、力和力矩测量、机械振动测量
6
实验课
基于智能相机的工业机器人分拣系统实验
9
五、教学进度（四号黑体）
表3：
教学进度表（五号宋体）
周次
日期
章节名称
内容提要
授课时数
作业及要求
备注
1
2021.9.10
第一章
传感器定义、分类、组成、应用、发展动向
2
2
2021.9.17
第二章
误差概念、系统误差、随机误差、粗大误差
2
3-5
2021.9.24-
2021.10.15
第三章
测试系统静态特性、动态特性及数学描述
6
6-7
2021.10.29-
2021.11.05
第四章
电阻应变式传感器、电容式、电感式传感器
4
8
2021.11.12
第五章
物性型传感器，包括压电式、霍尔式、光电效应
2
9
2021.11.19
第六章
CCD图像传感器、光纤传感器、光调制与解调技术
2
10
2021.11.26
第七章
压力监测技术、应变式压力传感器原理
3
11
2021.12.03-
2021.12.10
第八章
机械量检测技术，包括位移检测、速度测量、加速度测量、力和力矩测量、机械振动测量
6
12
2021.12.17
实验课
应变传感器性能实验
3
13
2021.12.24-
2022.01.07
实验课
基于智能相机的工业机器人分拣系统实验
9
六、教材及参考书目（四号黑体）
（电子学术资源、纸质学术资源等，按规范方式列举）（五号宋体）
1.教材
周杏鹏主编.传感器与检测技术.清华大学出版社，2010.09第1版，2010.12第13次印刷
2.参考书
（1）张文娜，叶湘滨，熊飞丽等编著．传感器技术．北京：
国防工业出版社，2011.11第1版，2011.11印刷
（2）SabrieSoloman.SensorsHandbook.McGraw-Hill,Inc.NewYork,NY,USA,2009
（3）JonWilson.Newnes．SensorTechnologyHandbook．1stEdition，2005
（4）王伯雄主编．测试技术基础．北京：
清华大学出版社，2003.04第1版，2003.04印刷
（5）梁森，欧阳三泰，王侃夫编著．自动检测技术及应用．北京：
机械工业出版社，2006.10第1版，2006.10印刷
七、教学方法（四号黑体）
（讲授法、讨论法、案例教学法等，按规范方式列举，并进行简要说明）（五号宋体）
以课堂教学为主，根据情况借助于相关图片，或借助于多媒体教学手段进行课堂演示等。
八、考核方式及评定方法（四号黑体）
评定方法（小四号黑体）
1．评定方法（五号宋体）
平时成绩：
10%，期中考试：
30%，期末考试60%，按课程考核实际情况描述（五号宋体）
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