传感与检测技术

“传感与检测技术”是自动化及其相关专业的必修课程。围绕实际应用系统,主要介绍传感器原理、基本特性、信号调理技术、误差分析与数据处理算法等内容。通过本课程学习能够使学习者掌握传感器工程应用方法…

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武汉理工大学
中国大学MOOC
  • 完成时间大约为 19
  • 初级
  • 中文
注:因开课平台的各种因素变化,以上开课日期仅供参考

课程概况

传感器作为数据采集的入口,既是自动控制系统的重要组成部分,物联网、智能工业、智能设备、无人驾驶等领域的“心脏”,也是智能感知时代下最基础的硬件。作为信息技术的三大支柱之一,各行各业都离不开传感与检测技术。《传感与检测技术》是自动化、自动化卓越专业的核心课程,实践性综合性强,知识更新快,与其他学科交叉紧融合深。

本课程主要介绍传感器原理、基本特性、信号调理技术、误差分析与数据处理算法等内容。从系统出发,把握“总-分-总”课程体系结构,坚持从实践中来到实践中去的原则,将课程内容分解成16个教学单元,每个单元从经典案例出发,把需要传授的知识分解为需要解决的问题,再通过学生设计和开发的系统将知识点整合在一起。教学资源多样化以适应学生的学习需求,如单元导学、单元教学目标、PPT教案、授课视频、实训、微课和作业等。

引入各种新型领域的先进理论、方法和技术,还将科研项目和企业实际需要解决的问题以及学生制作的优秀实训项目,制作成经典的教学案例,实时更新和完善线上教学资源。

通过本课程的学习,要求学生具有学习知识、设计开发系统、分析数据和撰写报告等能力;要求学生能够自主学习、合作学习和探究学习;要求学生具有家国情怀、责任与担当和团队协作精神,讲科学,讲诚信,严谨治学态度。

课程大纲

01
绪论
通过课程简介使学生了解本课程在自动化及相关专业中的作用和地位,从而解答学生的疑问:学习什么?学习的内容有什么用?怎么学?怎样才知道掌握了本课程的基本内容?通过本次课程的学习,能够复述传感器、检测技术、测量系统、测量、测试、检测等基本概念;绘制传感器和现代测量系统的基本结构方框图,说明各部分的实现的功能;能够根据应用实例,说明检测原理;能够复述传感与检测技术的发展概况和趋势。正确率达到80%以上。
课时
1.1 几个基本概念
1.2 传感器的结构与分类
1.3 测量系统的基本结构
1.4 传感与检测技术的应用
1.5 传感与检测技术的发展趋势
02
传感器与测量系统的基本特性
能够复述静态特性和动态特性的相关基本概念,写出传感器与测量系统的静态数学模型,理论分析传感器应该具有的静态特性,采用静态特性方程比较差动结构的传感器与单结构传感器的差别;能够根据系统的静态特性曲线,写出线性度、灵敏度、重复性的表达式;能够写出0-2阶传感器的数学模型、动态性能指标的表达式;能够写出系统不失真测量的条件,分析系统失真测量的原因,正确率80%以上。
课时
2.1 传感器与测量系统的静态特性
2.2 传感器与测量系统的动态特性
2.3 系统不失真测量
2.4 传感器标定
03
误差分析
能够复述测量误差的定义、表示方法以及分类。复述系统误差和随机误差的定义,特点判别方法和消除方法,拉伊达准则和格罗布斯准则;能根据一组具体的测量数据,误差分析并进行处理,正确率90%以上。
课时
3.1 误差的定义与表示方式
3.2 误差的分类
3.3 系统误差
3.4 随机误差
3.5 粗大误差的判别与消除方法
3.6 测量数据的处理
04
电阻应变式传感器
能够复述电阻应变效,推导电阻应变片的输入输出特性,根据公式能够分析得出应变片的灵敏度公式,金属应变片的类型和特性;能够写绘制单臂桥、半桥、全桥电路,推导三种电桥输出电压公式。正确率90%以上;通过观看知识点4 PPT,能够根据【FLASH动图1】【FLASH动图2】,说出称重系统的工作原理,能够分析称重传感器的类型、工作原理,弹性元件的作用,应变片的数量和贴法,正确率90%以上;通过观看微课2“超市电子秤的设计与制作”,理解电阻应变式传感器的应用,查阅相关资料,了解重量检测的相关传感器与发展趋势。
课时
4.1 电阻应变式传感器工作原理
4.2 电阻应变式传感器测量电路
4.3 电阻应变式传感器的应用
4.4 弹性元件
05
电容传感器
能够复述电容传感器的变换原理及分类,写出平行板电容传感器和圆柱形极板电容传感器的电容计算表达式,说明三种不同类型的电容传感器的工作原理和电容传感器差动结构的优点,正确率80%以上; 能够分析电容传感器的电桥、运算放大器测量电路以及差动脉冲调宽电路;说明单电容传感器与差动电容传感器的结构区别,变面积式电容传感器的类型与原理、电容式接近开关以及电容式压力传感器的工作原理等,正确率90%以上。
课时
5.1 电容传感器的工作原理与分类
5.2 电容传感器的测量电路
5.3 电容传感器的特性
5.4 电容传感器的应用
06
电感传感器
能够复述自感式电感传感器的变换原理及分类,写出自感式电感传感器的电感计算表达式;能够复述差动变压器式电感传感器的工作原理,分析其测量电路,推导输出电压表达式,能复述涡流效应,分析涡流传感器的等效电路,推导输出表达式,正确率90%以上。
课时
6.1 自感式电感传感器工作原理
6.2 自感式电感传感器测量电路
6.3 差动变压器式电感传感器工作原理
6.4 差动变压器式电感传感器测量电路
6.5 电涡流式传感器工作原理
6.6 电涡流式传感器的应用
07
压电传感器
掌握压电传感器的工作原理,能够推导传感器的输入输出关系、绘制测量电路,说明压电传感器特点以及应用。能够比较压电晶体与压电陶瓷的性能的优缺点比较,并根据系统的设计要求完成传感器的选型,能够根据实际应用案例,分析基于压电传感器测量系统系统的基本构成、工作原理以及各部分组成单元的作用和实现的功能。正确率不低于80%。
课时
7.1 压电效应
7.2 压电材料
7.3 压电传感器测量电路
7.4 压电传感器应用
08
热电传感器
掌握热电偶、热电阻、温敏二极管三极管等温度传感器的工作原理、推导传感器的输入输出关系、绘制测量电路,说明温度传感器的特点以及应用。能够比较各种温度传感器的性能的优缺点比较,并根据系统的设计要求完成传感器的选型,能够根据实际应用案例,分析系统的基本构成、工作原理以及各部分组成单元的作用和实现的功能。准确率80%以上。
课时
8.1 热电效应
8.2 热电偶的基本定律
8.3 热电偶冷端温度补偿
8.4 热电偶的结构及其分类
8.5 热电阻的工作原理
8.6 热电阻的测量电路
8.7集成温度传感器及其应用
09
光电传感器
掌握光电效应、光电器件如光电管、光电倍增管、光电二极管、光电晶体管、光敏电阻、光电池、光电开关的原理与特性、推导传感器的输入输出关系、绘制测量电路,说明光电传感器的应用。能够比较各种光电器件的性能的优缺点比较,并根据系统的设计要求完成传感器的选型,能够根据实际应用案例,分析系统的基本构成、工作原理以及各部分组成单元的作用和实现的功能。准确率80%以上。
课时
9.1 光电电效应
9.2 光电管与光电倍增管
9.3 光敏电阻
9.4 光电二极管、光电晶体管
9.5 光电池
9.6光电器件的应用电路
9.7 光电开关
9.8 光电传感器的应用
10
霍尔传感器
掌握霍尔传感器的工作原理,能够推导传感器的输入输出关系、绘制测量电路,说明霍尔传感器的特点以及应用。能够根据系统的设计要求完成传感器的选型,能够根据实际应用案例,分析基于霍尔传感器的测量系统系统的基本构成、工作原理以及各部分组成单元的作用和实现的功能。正确率达到90以上。
课时
10.1 霍尔效应
10.2 霍尔传感器的特性与主要性能参数
10.3 霍尔传感器的测量电路与误差分析
10.4 霍尔传感器的应用
11
气敏和湿敏传感器
能够复述气敏和湿敏传感器的基本概念与分类,和半导体式气敏传感器的工作原理,根据气敏传感器的应用实例,说明系统的工作原理;能够根据系统的设计要求完成传感器的选型,能够根据实际应用案例,分析浓度和湿度测量系统系统的基本构成、工作原理以及各部分组成单元的作用和实现的功能。正确率达到90以上。
课时
11.1 气敏传感器的基本概念及其分类
11.2 气敏传感器的工作原理
11.3 湿度的定义与表示方法
11.4 湿敏传感器的工作原理
11.5 湿敏传感器的应用
12
信号放大电路
掌握信号调理技术的功能,差动放大、仪用放大、可编程放大、电桥放大以及隔离放大电路的原理,能够推导输出电压公式,比较放大电路优缺点,并根据自己选题中系统的设计要求完成放大电路的选择、放大倍数、元器件参数计算和仿真研究。
课时
12.1.信号调理技术的功能
12.2 差动放大电路
12.3 仪用放大电路
12.4 可编程增益放大电路
12.5 电桥放大电路
12.6 隔离放大电路
13
信号滤波电路
掌握模拟滤波电路的作用,类型,能够分析模拟滤波器的原理,推导其传递函数,比较模拟滤波和数字滤波的优缺点,并根据系统的设计要求完成滤波电路的选择、元器件参数计算以及仿真研究。
课时
13.1 模拟滤波作用与分类
13.2 模拟滤波器分析
13.3 模拟滤波器设计
13.4 模拟滤波器仿真
13.5 数字滤波器设计
14
信号转换电路
能够复述信号调制解调的原理、ADC转换的原理、I-V和V-I转换原理;能够分析调制解调电路,I-V和V-I转换电路以及ADC电路,能够绘制调制解调电路、信号转换电路,并根据系统的设计要求完成调制解调,I-V和V-I转换电路和ADC的选择,计算电路参数,正确率90%以上。
课时
14.1 调制解调原理与电路
14.2 I-V转换电路
14.3 V-I转换电路
14.4 A/D转换电路
15
测量数据处理算法
掌握测量数据中随机误差和系统误差的基本处理算法,能够说明大脉冲随机干扰、小脉冲高频噪声的数字滤波算法,系统误差的非线性校正算法以及零漂温漂校正算法的基本原理。
课时
15.1克服大脉冲随机干扰数字滤波算法
15.2 克服小幅度高频噪声数字滤波算法
15.3 系统非线性误差校正算法
16
系统抗干扰技术
能够复述系统干扰的来源与分类;能够根据具体的实际实例,分析系统的干扰来源,选择合适的系统硬件抗干扰措施和软件抗干扰措施。正确率90%以上。
课时
16.1 干扰的来源与分类
16.2 电源抗干扰技术
16.3 硬件抗干扰技术
16.4 软件抗干扰技术

预备知识

先修课程:
《电路原理》、《电子技术基础》、《自动控制原理》、《微机原理及接口技术》

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] 传感与检测技术 [M] 刘传玺等. 北京:机械工业出版社,2019年
[2] 传感器与检测技术 [M] 徐科军.北京:电子工业出版社,2016
[3] 美国NI、TI公司网站,国内知名的传感器网站
[4] 微信公众号:传感器与物联网 传感器专家网,传感器解决方案

常见问题

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?
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?
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?
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?
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?
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?
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?
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?

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