武汉理工大学

传感与检测技术

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课程概述

传感器是获取自然科学领域信息的主要途径和手段,它既在现代测控系统中处于连接被测控对象和测控系统的接口位置,又是提高自动控制系统精度的反馈环节,因此《传感与检测技术》课程是自动化、测控技术与仪器、电气工程及自动化、机械设计制造及其自动化、物联网工程、智能电网信息工程等专业的核心专业基础课。该课程涉及机械、动力、物理、化学、光学、材料、电子、生物、半导体、信息处理等众多学科领域,应用领域十分广泛,与当前多学科交叉融合的趋势相一致,在专业课程体系中起到重要的承上启下作用。

传感与检测技术集中体现了信息化和工业化的结合, 科技越发达,自动化程度越高,对传感与检测技术的依赖也就越强烈。信息产业链中信息应用、信息传输与信息处理发展迅猛,使世界许多国家已大力发展传感与检测技术,我国政府也提出了“传感中国”口号,加大了具有自主知识产权的先进传感与检测技术的研发力度。工业4.0技术、物联网技术、无人驾驶技术、智能机器人等无不依赖传感与检测技术的发展与应用。技术的发展,相应产品的研发、使用与维护对高校人才培养的目标和内容提出了与时俱进的新要求,极大地提高了《传感与检测技术》课程的地位。

《传感与检测技术》课程综合性和实践性较强,主要内容包括传感与检测技术的定义、基本组成、发展趋势与应用,传感器与测量系统的基本特性,传感器的标定方法,各种常用传感器(电阻传感器、电感传感器、电容传感器、光电传感器、热电偶、磁电传感器、压电传感器、光纤传感器、半导体传感器)的工作原理、技术性能、特点、选型原则、测量电路以及应用,信号分析及其在检测技术中的应用,信号调理电路,误差分析,测量数据基本处理步骤和软件算法,智能传感器,多传感器信息融合技术,软测量技术,系统抗干扰技术,系统可靠性设计,现代测量系统设计步骤等。

通过本课程的学习,能够使学生掌握常用传感器的基本原理、输入输出特性,根据实际应用系统的要求,能够选择恰当的信号调理电路,并对电路进行分析和计算,以便得到符合后续电路所需要的信号范围和要求;掌握传感器的工程应用方法和正确处理测量数据,根据系统的要求和性能指标,能够设计/开发现代测量系统。通过案例设计与分

析,提高学生自主学习能力。及时了解传感与检测技术的发展前沿状况,培养学生科学素养,提高学生分析能力和创新能力。

授课目标
掌握传感器与检测系统的基本特性,各种常用传感器的工作原理、测量电路与应用,信号调理技术,测量误差分析和测量数据的基本处理算法,系统抗干扰技术。了解现代测量相同的设计步骤。通过案例设计与分析教学环节,增强学生自主学习意识。及时了解传感与检测技术的发展动态,促使学生有探索知识行为。
证书要求

无证书。

总评成绩按以下比例分配:

(1)完成所有的章节作业,计入平时成绩,平时成绩占课程总成绩的30%;

(2)完成本课程两次随堂测试, 随堂测试占课程总成绩20%;

完成期末测试,期末测试成绩占课程总成绩的50%;


预备知识

大学物理

电路原理

电子技术

自动控制原理

微机原理及接口技术


授课大纲

一、课程简介

   《传感与检测技术》是自动化、电气工程、机电电气、车辆工程以及相关专业本科生的的专业课,是一门综合性很强的课程,研究内容涉及传感器技术、误差理论、测试计量技术等。通过本课程的教学,使学生了解传感与检测技术在科学各领域的应用,掌握传感与检测技术的理论基础、各种常用传感器(电阻传感器、电感传感器、电容传感器、光电传感器、热电偶、磁电传感器、压电传感器、光纤传感器、半导体传感器)的工作原理、技术性能、特点、测量电路以及应用范围,掌握信号分析及其在检测技术中的应用、误差分析以及测量数据基本处理算法以及系统可靠性设计等,了解现代检测系统设计步骤。

   二、课程特色

1. 以培养学生工程实际应用能力入手改进教学内容

结合传感器和检测技术的实际应用围绕现代测量系统,从系统的性能分析和功能要求、方案设计、传感器原理、信号调理电路误差分析、测量数据基本处理算法、现代检测技术和系统抗干扰技术等主讲课程内容引入了传感器与检测技术领域的最新理论、技术和研究进展情况等内容, 工业4.0技术、物联网技术、互联网+、无人驾驶技术注重课程知识的发展动态以及与其他学科的交叉联系,实时更新教学内容。

2. 开展基于案例分析与项目驱动式的课堂教学

根据教学团队的科研项目,提炼几个经典的现代测量系统实例,从系统的角度出发,贯穿整个教学内容始终,包括系统设计任务要求实现的功能组成、各部分的工作原理、电路设计与参数计算、软件设计等相关知识。以大作业的形式,学生3人一组选题,按照选题意义、系统需求分析、方案设计、系统设计、电路仿真、系统调试、结果分析等步骤完成大作业,提交设计报告, 完成答辩。大作业一直贯穿在整个教学过程中。

3. 基于翻转课堂的混合式教学方法改革与实践

采用翻转课堂的混合式教学方法,从教学资源准备、课前学生自主学习、课堂中反馈调整以及课后总结提升等,精心设计教学组织模式,发布学习指导提供学习资源、在线辅导检测学习效果监督学习进程调整教学策略答疑解惑组织讨论引导提升等教学内容混合式教学方法包括线上教学和线下教学,线上教学要求学生课前登陆中国大学MOOC爱课程网站,针对下节课的课程内容,观看教学录像,浏览多媒体教案,了解知识点的重点、难点,完成课前检测作业,并通过平台互动环节、QQ群、微信群或者电子邮箱,进行师生互动答疑、讨论等。课后学生网上提交作业,老师在线批阅,并通过留言板及时了解学生的诉求反馈,合理地改进教学方法,调整授课内容和进度。线下学习则是老师根据学生课前作业完成情况以及互动答疑等环节,及时了解学生掌握的程度,从而精心组织课堂教学。

  三、教学目标

1.使学生掌握传感与检测技术的基本概念,检测系统的基本特性,信号分析及其在检测技术中的应用,各种常用传感器的工作原理、测量电路以及应用,掌握信号调理技术,测量误差分析和测量数据的基本处理算法,系统抗干扰技术,了解现代检测技术的初步知识,并掌握各种常见物理量的测量和应用方法。

2.要求掌握传感器原理和测量数据处理技术,根据系统的要求和性能指标, 能够设计/开发现代测量系统。

3.学生能够设计系统调试方案,并能分析测试数据并得出结论,具有撰写报告的能力。

4. 通过本课程的案例设计与分析教学环节,增强学生自主学习意识。及时了解传感与检测技术的发展动态,促使学生有探索知识行为。

   四、本课程支持以下毕业要求指标点

1.4 掌握专业知识,以用于解决自动化专业领域的复杂工程问题。体现在学生掌握基本概念,理解和正确运用本课程传感与检测技术的知识,并能用数学工具分析、求解问题。

2.通过文献检索和研究,从数学、自然科学、工程基础和自动化专业知识的角度对自动化复杂工程问题进行分析,以获得有效结论。体现在学生掌握常用传感器的基本原理、输入输出特性,根据实际应用系统的要求,能够选择恰当的信号调理电路,并对电路进行分析和计算,以便得到符合后续电路所需要的信号范围和要求。

3.能够设计针对自动化专业领域的复杂工程问题的解决方案,设计/开发满足特定需求的自动化装置、自动化系统和信息处理方案或技术,并能够在设计环节中体现创新意识,考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。体现在学生掌握传感器原理和测量数据处理技术,根据系统的要求和性能指标, 能够设计/开发现代测量系统。

同时也体现在通过本课程的案例设计与分析教学环节,使学生认识并考虑到环境、安全等因素的条件下,设计满足特定需求的硬件和测量数据处理算法。

12.1 对于自主学习和终身学习的必要性有正确的认识。体现在通过本课程的案例设计与分析教学环节,增强学生自主学习意识。

12.2 具有进行自主学习和终身学习的基本素质,能够通过不断学习,突破自我,与时俱进,提高自身的发展能力。体现在通过本课程案例设计与分析、课堂教学讨论的教学环节,促使学生有探索知识行为。

5.2  能够使用C语言、Labview模拟自动化专业领域复杂工程问题的分析与研究工作。

通过本课程的案例设计与分析教学环节,学生学会使用C语言、Labview环境对常见被测量采集数据进行数据分析和研究。

                课程教学目标对毕业要求的支撑

毕业要求指标点

课程教学目标

1

2

3

4

1.4 掌握专业知识,以用于解决自动化专业领域的复杂工程问题。

 

 

 

2.3通过文献检索和研究,从数学、自然科学、工程基础和自动化专业知识的角度对自动化复杂工程问题进行分析,以获得有效结论

 

 

 

3.1能够设计针对自动化专业领域的复杂工程问题的解决方案,设计/开发满足特定需求的自动化装置、自动化系统和信息处理方案或技术,并能够在设计环节中体现创新意识,考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。

 

 

 

5.2能够使用C语言、Labview模拟自动化专业领域复杂工程问题的分析与研究工作。

 

 

 

10.2能够撰写实验报告、设计报告、总结报告,就自动化专业领域的复杂工程问题与业界同行及社会公众进行有效沟通、交流和反应。

 

 

 

12.1对于自主学习和终身学习的必要性有正确的认识。

 

 

12.2具有进行自主学习和终身学习的基本素质,能够通过不断学习,突破自我,与时俱进,提高自身的发展能力。

 

 


  五、教学内容


第一章 绪论

1)传感器、检测技术和现代检测技术的基本概念

2)传感器的基本构成及其分类

3)传感与检测技术的发展现状与发展趋势

4)传感与检测技术的应用

教学目标:掌握传感器、检测技术和现代技术的基本概念,掌握传感器的基本构成及其分类,了解传感器、检测技术的发展历史、现状及其面临的挑战,了解传感器在各个领域的应用,理解新微处理器技术、新信息技术、新敏感材料、物联网和人工智能对传感检测技术的推进作用。

第二章 传感器与测量系统的基本特性

1)传感器与测量系统的静态特性

2)传感器与测量系统的动态特性

教学目标:掌握传感器与测量系统的动态性能指标、静态性能指标的定义,能根据测量系统的设计要求,适当地选择传感器的精度和量程。了解信号不失真测量的条件, 掌握传感器的标定方法。

第三章传感器原理

1)电阻式传感器

2)电容式传感器

3)电感式传感器

5)热电式传感器

6)磁电式传感器+压电传感器

7)光电式传感器

8)半导体传感器

教学要求:要求学生掌握电参数型传感器如电阻式传感器、电容式传感器以及电感式传感器的工作原理、测量电路以及应用。掌握电量型传感器如热电式传感器、磁电式传感器以及光电式传感器的工作原理、测量电路以及应用。

第四章 模拟信号调理技术

1)信号放大电路

2)信号转换电路

3)信号滤波电路

教学要求:要求学生掌握模拟信号调理电路的作用,掌握信号仪用放大电路、可编程放大电路、隔离放大电路的基本原路和电路结构,掌握A/D、I/V、V/I转换电路的基本构成、信号滤波电路以及调制解调电路的工作原理和基本构成,能够根据系统的性能要求以及功能实现,合理地设计一种合适的模拟信号调理电路, 并计算电路参数。

第五章 误差分析及测量数据的基本处理算法

1)误差的来源及其分类

2)随机误差的定义、特点、以及基本处理算法

3)系统误差的定义、特点以及基本处理算法

教学要求:要求学生掌握测量误差的来源、性质及其分类, 掌握随机误差的基本特点、消除方法以及基本处理算法,能够根据随机误差的特点,选择合适的尖脉冲干扰和低频噪声干扰的基本处理算法, 绘制相应的流程图。掌握系统误差的基本特点、消除方法以及基本处理算法,能够根据随机误差的特点,选择合适的非线性校正、温漂、零点校正等处理算法。

第六章.现代检测新技术

1)智能传感器

2)虚拟仪器

3)多传感器与信息融合

4)软测量技术

教学要求:了解几种新型的现代检测技术,如智能传感器、虚拟仪器、多传感器与信息融合以及软测量技术,使学生能够实时了解传感与检测技术的发展动态,了解促进传感器和检测技术发展的新型技术。

第七章 系统的抗干扰技术

1)系统干扰的来源及其分类

2)硬件抗干扰技术

3)软件抗干扰技术

教学要求:了解检测系统干扰的额来源及其分类, 掌握系统硬件抗干扰的措施如接地、隔离、屏蔽等, 掌握系统CPU抗干扰技术、输入输出接口抗干扰技术。要求学生能够分析实际测量系统的干扰, 并选择合适的硬件和软件抗干扰措施, 设计合适的抗干扰电路和抗干扰软件程序设计, 以提高系统的可靠性和测量精度。


参考资料

建议教材:

传感与检测技术 刘红丽.(第二版)[M].北京:国防工业出版社,2012

参考资料:

[1]现代测试技术与系统设计 [M] 申忠如. 西安:西安交通大学出版社。2009年

[2]传感器原理及应用[M] 刘振廷.. 西安:西安电子科技大学出版社,2011

[3]传感器与检测技术 [M] 徐科军..北京:电子工业出版社,2011

[4]美国NI、TI公司网站,国内知名的传感器网站

[5]微信订阅号:传感器与物联网 传感器专家网,传感器解决方案

[6]武汉理工大学网络教学综合平台《传感与检测技术》精品课程、资源共享课程


常见问题
  1. 从先进的自动化技术如物联网技术、无人机、智能机器人、工业4.0技术中, 了解传感与检测技术的作用与地位,它是如何应用到这些技术中?工作原理是什么?与系统中其他模块如何接口?实现了系统的哪些功能?

  2. 传感器/测量系统的基本特性与自动控制系统的基本特性有哪些相同?又有哪些不同?

  3. 传感器种类很多,特性、工作原理、测量电路以及应用都各不相同, 那么我们在学习时应采用什么样的学习方法, 才不至于学起来枯燥无味?

  4. 传感器的种类多, 输出信号的方式也不尽相同,它们是如何和后续电路接口的?

  5. 测量肯定伴随着误差, 误差来源是什么?有什么特点?如何发现?如何消除?硬件软件消除误差的方法是什么?怎样来衡量测量的精度?

  6. 科技不断进步,自动化水平越来越高,伴随而来的现代检测技术又有哪些?我们应该从哪些方面着手去了解这方面的知识?

  7. 系统的可靠性性如何保证?从哪些方面考虑可以提供系统的可靠性?

  8. 如何从工程实际出发, 能够根据系统的要求、性能指标以及实现功能,掌握现代测量系统的设计步骤,完成系统方案设计,传感其选型,信号调理电路的选择与参数设计,误差分析,编写测量数据的基本处理算法等?