| 课题 | 项目一 传感器的基础—任务一 认识传感器 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| 课时 | 2课时（90 min） | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| 教学目标 |
知识技能目标： (1) 掌握传感器的概念和组成。 (2) 了解传感器的分类方法。 (3) 理解传感器的基本特性。 (4) 能够认识常见的传感器。 育人目标： （1）养成脚踏实地、求真务实的工作风。 （2）弘扬科学严谨的职业精神。 （3）践行服从纪律、团结协作的团队精神。 |
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| 教学重难点 |
教学重点：传感器的概念、传感器的分类、传感器的基本特性 教学难点：绘制传感器“家谱”图 |
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| 教学方法 | 案例分析法、讨论法、讲授法 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| 教学用具 | 电脑、投影仪、多媒体课件、教材、传感器 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| 教学设计 | 课前任务→考勤（2 min）→新课预热（8 min）→任务导入（5 min）→传授新知（40 min）→实操练习（30 min）→课堂小结（3 min）→作业布置（2 min） | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| 教学过程 | 主要教学内容及步骤 | 设计意图 | |||||||||||||||||||||||||||||||
| 课前任务 |
n 【教师】布置课前任务，和学生负责人取得联系，让其提醒同学通过网络等提前完成课前任务 请大家了解传感器的相关知识，查找身边用到传感器的案例，查找资料，讨论本课程在专业中的作用。 n 【学生】完成课前任务 |
通过课前任务，使学生了解所学课程的重要性，增加学生的学习兴趣 | |||||||||||||||||||||||||||||||
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考勤 （2 min） |
n 【教师】让学生签到 n 【学生】签到，班干部交假条 |
培养学生的组织纪律性，掌握学生的出勤情况 | |||||||||||||||||||||||||||||||
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新课预热 （8 min） |
n 【教师】自我介绍，与学生简单互动，介绍课程内容、考核标准等 n 【学生】聆听、互动 |
通过老师自我介绍，与学生相互熟悉，并让学生了解这门课的大致要求 | |||||||||||||||||||||||||||||||
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任务导入 （5 min） |
n 【教师】展示图片或播放视频，列举身边的传感器案例 我们大多数人都有这样的经历，当你走近某些写字楼、机场的大门时，大门会自动打开，当你进入大厅之后，大门又会自动关闭。生活中还有很多类似装置，如楼梯走廊的声控灯、手机的触摸屏、红外测温仪等。这些装置能够根据外界信号的变化而实现的功能，是因为这些装置中装有传感器，传感器能够感受信号并将信号传递出去。随着科技的发展，生活中传感器的身影越来越常见。 本任务主要介绍传感器的基础知识。 n 【学生】观看、思考 n 【教师】提出以下问题，并邀请学生回答： 大家列举一下，咱们身边还有哪些传感器？ n 【学生】讨论、举手回答 n 【教师】通过学生的回答引入要讲的知识，并板书：传感器的基础知识 |
通过问题导入的方法，引导学生主动思考，激发学生的学习兴趣 | |||||||||||||||||||||||||||||||
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传授新知 （40 min） |
【教师】提问：大家通过以上的例子，用自己的语言总结一下，什么是传感器？传感器有哪些组成部分？ n 【学生】讨论、举手回答 n 【教师】讲授 一、传感器的定义 n 【教师】用ppt展示传感器，播放传感器应用的相关视频 n 【学生】观看、聆听、思考 传感器是能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。 可用输出信号是指便于传输、转换、处理、显示的信号。这种信号可以是电信号、光信号、声信号，目前主要是电信号。 因此，可以把传感器狭义地定义为：将非电信号转换为电信号的器件。 传感器的定义包含以下四个方面的内容。 （1）传感器是检测装置，能完成某种检测任务。 （2）它的输入量（被测量）可以是物理量、化学量、生物量等。 （3）它的输出信号主要是电信号。 （4）输出量与输入量有对应关系，且具有一定的精度。 二、传感器的组成 n 【教师】通过现场展示几种传感器，讲解传感器的组成 n 【学生】认真聆听、思考 传感器通常由敏感元件、转换元件及信号调理电路组成，有时还包括辅助电源。传感器的组成框图如图1-1所示。其中敏感元件和转换元件为传感器的基本组成部分，分别完成检测和转换两个基本功能。但只由敏感元件和转换元件组成的传感器，其输出信号通常较弱，这就需要信号调理电路将输出信号进行放大并转换成易于传输、便于处理的可用输出信号。  图1-1 传感器组成框图 n 【教师】PPT展示，与学生互动讲解传感器各个元件的作用 n 【学生】认真聆听、思考、回答 （1）敏感元件：传感器中能直接感受（或响应）被测量的部分，能够输出与被测量成确定关系的某一物理量。 （2）转换元件：传感器中能将敏感元件感受（或响应）的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。这种电信号通常较弱。 （3）信号调理电路：将转换元件输出的弱电信号进行进一步的转换和处理，如放大、滤波、线性化、补偿等，以获得更好的品质特性，便于后续电路实现显示、记录、处理及控制等功能。 
传感器的敏感元件与转换元件之间并无严格的界限。例如在热电偶传感器中，热电偶既是敏感元件，又是转换元件。而有些传感器不止一个转换元件，要经过多次信号转换才能将非电信号转换为电信号。
n 【教师】PPT展示，通过思维导图讲授传感器的分类n 【学生】认真聆听、思考、回答 三、传感器的分类 传感器用途广泛，种类繁多，分类方法也很多。如图1-2所示为传感器的分类。  图1-2 传感器的分类 n 【教师】通过不同分类方法，讲解传感器的分类 n 【学生】认真聆听、思考、回答 比较常用的分类方法有以下几种。 1．按照传感器感知外界信息所依据的基本效应分类按照传感器感知外界信息所依据基本效应的不同，传感器可分为物理传感器、化学传感器、生物传感器。2．按照传感器的工作原理分类按照传感器工作原理的不同，传感器可分为电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器、热电式传感器、光电式传感器、声波式和辐射式传感器等。这种分类方法有利于对传感器工作原理的阐述和对传感器的深入研究与分析。本书主要采用这种分类方法进行介绍。3．按照传感器的被测参数分类按照传感器被测参数的不同，传感器可分为位移传感器、速度传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器等。这种分类方法有利于准确表达传感器的用途，方便使用者的选用。4．按照传感器的输出信号进行分类按照传感器输出信号的不同，传感器可分为模拟式传感器和数字式传感器。模拟式传感器是指传感器的输出信号为连续的模拟信号；数字传感器是指传感器的输出信号为离散分布的数字信号。#课堂讨论#
想一想日常生活中常用的传感器有哪些？
三、传感器的基本特性在社会生产和科学研究中，通常需要对各种参数进行检测和控制，从而得到相关数据，实现相应的控制功能。这就要求传感器能将被测非电信号的变化不失真地变换成相应的电信号，这种要求主要取决于传感器的基本特性，即输入输出特性，它是传感器敏感材料特性和内部结构参数作用关系所表现的外部特性。传感器的基本特性主要分为静态特性和动态特性两种。 
传感器所测量基本上可分为静态量和动态量两种。静态量是指不随时间变化的信号或变化极其缓慢的信号（准静态）；动态量通常是指周期信号、瞬变信号或随机信号。
n 【教师】PPT讲解传感器的静态特性，注意与学生互动n 【学生】认真聆听、思考、回答 1. 传感器的静态特性 传感器的静态特性是指输入的被测量不随时间变化或随时间变化极其缓慢时传感器的输出与输入关系。衡量传感器静态特性的重要指标有线性度、灵敏度、迟滞、重复性和精度等。 1）线性度 传感器的线性度（又称非线性误差）是指传感器的输出与输入之间的线性程度。输出与输入关系可分为线性特性和非线性特性两部分。通常，为了方便标定和数据处理，理想的输出与输入关系应该是线性的。但实际遇到的传感器，其输入输出关系大多为非线性关系，如果不考虑迟滞和蠕变等因素，传感器的输出与输入关系可表示为  （1-1）式中： x ——输入量； y ——输出量；  ——输入量x为0时的输出量； 、 、…、 ——非线性项系数。各项系数不同，特性曲线的具体形式也不同。 静态特性曲线可通过实际测试获得。在实际使用中，人们为了方便标定和数据处理，希望传感器的输入输出关系为线性关系，因此引入了各种非线性补偿环节。例如，通过非线性补偿电路或计算机软件进行线性化处理，可使传感器的输入输出关系为线性或接近线性关系。如果传感器非线性的方次不高，且输入量变化范围较小，则在传感器的输入输出特性曲线中可使用一条直线（切线或者割线）近似地代表实际曲线的一段，使传感器输入输出特性线性化，如图1-3所示。所采用的直线称为拟合直线。 n 【教师】PPT讲解传感器的线性度，图文结合，与学生互动 n 【学生】认真聆听、思考、回答 实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值称为线性度，用相对误差  表示，即 （1-2）式中：  ——非线性绝对值误差； ——为满量程输出。  （a）切线拟合 （b）过零旋转拟合   （c）端点平移拟合 （d）端点连线拟合 图1-3 几种直线拟合方法 n 【教师】PPT讲解传感器的灵敏度，图文结合，与学生互动 n 【学生】认真聆听、思考、回答 2）灵敏度 灵敏度S是指传感器在静态下输出量的增量Δy与引起该增量的相应输入量增量Δx之比，即  （1-3）它表征传感器对单位输入量变化的反应能力。灵敏度S值越大，表示传感器越灵敏。 对于输入输出关系为线性关系的传感器，灵敏度就是其输入输出特性曲线的斜率，即  （1-4）而对于输入输出关系为非线性关系的传感器，其灵敏度为一变量，它实际上是工作点处的切线斜率，即  （1-5）传感器的灵敏度如图1-4所示。   （a）线性传感器 （b）非线性传感器 图1-4 传感器的灵敏度 n 【教师】PPT讲解传感器的迟滞性，图文结合，与学生互动 n 【学生】认真聆听、思考、回答 3）迟滞性 传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间，其输入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞现象，如图1-5所示。也就是说，对于同一大小的输入量，传感器的正反行程输出量大小不相等，这个差值称为迟滞差值，其大小一般由实验确定。传感器正反行程输出量的最大偏差与满量程输出之比的百分数称为迟滞误差  ，即 （1-6）式中：  ——正反行程间输出的最大误差。 图1-5 传感器的迟滞现象 
产生迟滞现象的主要原因是由于传感器敏感元件的物理性质和机械零部件的缺陷所造成的，例如弹性敏感元件弹性滞后、运动部件摩擦、传动机构的间隙、紧固件松动等。
n 【教师】PPT讲解传感器的重复性，图文结合，与学生互动n 【学生】认真聆听、思考、回答 4）重复性 重复性是指传感器在输入量按同一方向做全量程连续多次变化时，所得各条特性曲线之间的一致程度，如图1-6所示。各条特性曲线越靠近，说明重复性就越好。重复性误差  属于随机误差，一般用正反行程中最大重复差值 与满量程输出之比的百分数表示，即 （1-7） 图1-6 传感器的重复性 n 【教师】提问互动式讲授传感器的漂移、精度特性 n 【学生】认真聆听、思考、积极回答 5）漂移 传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器的输出量随着时间或温度变化的现象。产生漂移的原因主要有两个方面：一是传感器自身敏感材料特性和结构参数发生老化，这种漂移称为时间漂移；二是测试过程中周围环境（如温度、湿度等）发生变化，最常见的漂移是温度漂移，即周围环境温度变化而引起输出量的变化。 6）精度 精度又称静态误差，是传感器在满量程内任一点的输出值相对被测量理论值的偏离程度，是反映系统误差和随机误差的综合误差指标。 n 【教师】PPT讲解传感器的动态特性，与学生互动 n 【学生】认真聆听、思考、积极回答 2. 传感器的动态特性 传感器的动态特性是指传感器的输出量对随时间变化的输入量的响应特性。当被测量是时间的函数时，传感器的输出量也是时间的函数，此时两者之间的关系要用动态特性来表示。 一个动态特性好的传感器，其输出量将再现输入量的变化规律，即输出量与输入量具有相同的时间函数。实际上除了具有理想的比例特性外，输出量与输入量并不具有完全相同的时间函数，这种输入与输出之间的差异就是动态误差。 研究传感器的动态特性主要是从测量误差的角度分析产生动态误差的原因及改善措施。由于绝大多数传感器都可以简化为一阶或二阶系统，因此一阶和二阶传感器是最基本的研究对象。研究传感器的动态特性可以从时域和频域两个方面分别采用瞬态响应法和频率响应法进行分析。 #思政讲堂#——集成创新，助力传感未来
随着5G、人工智能等新技术的不断成熟，传感器市场的潜力已经得到了巨大的提升。在未来，各种基础科学的进步将进一步推动传感器技术的快速发展。传感器将变得更加小型化、人性化，变得更准确、更灵活、更节能、更环保，人机交互更加友好，能够收集更多类型的数据，集成越来越多的新技术。随着传感器更加深入地融入我们的日常生活，以及与AI等新技术的融合，在未来的互联、互通和自动化的世界中，传感器将使我们的生活更加美好。
（1）更灵活、更柔性。 柔性传感器是未来传感器发展的一个重要方向。目前，柔性光传感器、PH传感器、离子传感器和生物传感器等仍处在早期开发阶段。在未来，这些柔性传感器将拥有更多创新应用，如人造皮肤、可穿戴传感器和微动传感。通过微线技术和磁场，传感器可以像头发丝一样纤细，而又具有弹性，可以无接触地测量温度、压力、拉力、应力，扭转和位置。 （2）更高的准确性。 目前，多通道协作频谱感知的研究还处于初期阶段。未来，一旦技术成熟，它将比现在的单通道传感器提供更精确的监测数据。更准确、更可靠和可复制的传感器将在医疗设备等领域拥有更多的应用场景，其实现的功能也更加强大。 （3）更高的复杂性和更好的兼容性。 传感器集群可以更好地协调传感器之间的工作，并通过自主学习系统来确定工作内容和位置。各种新技术的采用也将使传感器变得更加多样化。例如，通过激光技术，传感器可以通过物质独特的光谱识别出物质组成；由晶体、特殊陶瓷、骨骼、DNA、蛋白质等材料制造的压电传感器可以更好地对外部压力和潜热进行响应。 （4）更节能、更环保。 未来，传感器将变得更智能，并由特定条件驱动，只有当达到某种条件时才能被激活，而当它们处于待机模式时，几乎没有功耗。此外，传感器还可以从周围环境中获取能量，实现更长久的运行。例如运动、压力、光线，或患者身体与周围空气的热量差异等都可以成为传感器的能量来源。在未来，环境友好型和可生物降解的传感器将日益受到欢迎。例如，传感器可以采用由细菌驱动的可降解的纸基电池，此类传感器可用于农田管理、环境监测、食品流通监测或医疗检测等领域，而不会污染环境。 |
通过教师的讲解和课堂互动，使学生了解传感器的定义 通过教师的讲解和课堂互动，使学生了解传感器的组成 PPT动画展示传感器的分类方法，学生容易理解 PPT结合板书讲解传感器的分类 PPT结合板书讲解传感器的静态特性，与学生互动，活跃课堂气氛，有利于学生的理解掌握 PPT结合板书讲解传感器的线性度 PPT结合板书讲解传感器的线性度 |
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实操练习 （30 min） |
实践题目：绘制传感器的“家谱”图实践目的：（1）理解传感器的基本概念。（2）掌握传感器的组成。 （3）掌握传感器的分类方法。 n 【教师】发起任务实施——绘制传感器的“家谱”图，引导学生扫一扫教材中的应用实践二维码，认领实践内容 实施步骤 （1）将学生以5～6人为一组进行分组，并选出组长。 （2）搜集资料，整理传感器的分类方法和种类，并列举每种传感器1～３个应用案例。 （2）组长组织组内学生绘制传感器“家谱”图。 （3）各组交叉点评，指出问题，总结、修正“家谱”图。 （4）各组展示成果，老师点评。 n 【学生】实践练习 n 【教师】对任务安排学生进行自我评价 n 【学生】自我评价、填表 请指导老师按照学生的实际表现情况进行评价，并将评价结果填入表1-1中。学生结合自身表现和指导老师的评价，对本次实施进行总结。
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通过应用实践，了解学生学情，并激发学生的求职、竞争意向，并通过评价，让学生对比、反思，获得成长 | |||||||||||||||||||||||||||||||
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课堂小结 （3 min） |
n 【教师】简要总结本节课的要点 本节课学习了传感器的基础知识，了解传感器的静态特性和动态特性、传感器选型的分类方法等基础知识，需要大家掌握传感器的基础知识，并重点掌握传感器的分类方法。希望大家在课下多加练习，巩固所学知识 n 【学生】总结回顾知识点 |
总结知识点，巩固学生对传感器相关知识的印象 | |||||||||||||||||||||||||||||||
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作业布置 （2 min） |
n 【教师】布置课后作业 让学生完成学以致用测评中的相关习题 n 【学生】完成课后任务 |
通过课后作业复习巩固学到的知识 | |||||||||||||||||||||||||||||||
| 教学反思 | 本次课是学生的第一节传感器课程，通过第一节课的介绍，学生对这门课程有了基础的印象，了解了该课程的教学内容，以及本课程的定位和作用。提高了学生对本课程的学习兴趣。此外，还引入了课程思政内容，强调学生们在工作岗位上一定要注意理论与实践之间的关系，严守本岗位的操作规程和安全制度，杜绝违章、冒险蛮干等行为。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
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| 传感器综合实验台 |