| 課題 | 項目一 傳感器的基礎—任務一 認識傳感器 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| 課時 | 2課時（90 min） | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| 教學目標 |
知識技能目標： (1) 掌握傳感器的概念和組成。 (2) 了解傳感器的分類方法。 (3) 理解傳感器的基本特性。 (4) 能夠認識常見的傳感器。 育人目標： （1）養成腳踏實地、求真務實的工作風。 （2）弘揚科學嚴謹的職業精神。 （3）踐行服從紀律、團結協作的團隊精神。 |
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| 教學重難點 |
教學重點：傳感器的概念、傳感器的分類、傳感器的基本特性 教學難點：繪制傳感器“家譜”圖 |
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| 教學方法 | 案例分析法、討論法、講授法 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| 教學用具 | 電腦、投影儀、多媒體課件、教材、傳感器 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| 教學設計 | 課前任務→考勤（2 min）→新課預熱（8 min）→任務導入（5 min）→傳授新知（40 min）→實操練習（30 min）→課堂小結（3 min）→作業布置（2 min） | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| 教學過程 | 主要教學內容及步驟 | 設計意圖 | |||||||||||||||||||||||||||||||
| 課前任務 |
n 【教師】布置課前任務，和學生負責人取得聯系，讓其提醒同學通過網絡等提前完成課前任務 請大家了解傳感器的相關知識，查找身邊用到傳感器的案例，查找資料，討論本課程在專業中的作用。 n 【學生】完成課前任務 |
通過課前任務，使學生了解所學課程的重要性，增加學生的學習興趣 | |||||||||||||||||||||||||||||||
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考勤 （2 min） |
n 【教師】讓學生簽到 n 【學生】簽到，班干部交假條 |
培養學生的組織紀律性，掌握學生的出勤情況 | |||||||||||||||||||||||||||||||
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新課預熱 （8 min） |
n 【教師】自我介紹，與學生簡單互動，介紹課程內容、考核標準等 n 【學生】聆聽、互動 |
通過老師自我介紹，與學生相互熟悉，并讓學生了解這門課的大致要求 | |||||||||||||||||||||||||||||||
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任務導入 （5 min） |
n 【教師】展示圖片或播放視頻，列舉身邊的傳感器案例 我們大多數人都有這樣的經歷，當你走近某些寫字樓、機場的大門時，大門會自動打開，當你進入大廳之后，大門又會自動關閉。生活中還有很多類似裝置，如樓梯走廊的聲控燈、手機的觸摸屏、紅外測溫儀等。這些裝置能夠根據外界信號的變化而實現的功能，是因為這些裝置中裝有傳感器，傳感器能夠感受信號并將信號傳遞出去。隨著科技的發展，生活中傳感器的身影越來越常見。 本任務主要介紹傳感器的基礎知識。 n 【學生】觀看、思考 n 【教師】提出以下問題，并邀請學生回答： 大家列舉一下，咱們身邊還有哪些傳感器？ n 【學生】討論、舉手回答 n 【教師】通過學生的回答引入要講的知識，并板書：傳感器的基礎知識 |
通過問題導入的方法，引導學生主動思考，激發學生的學習興趣 | |||||||||||||||||||||||||||||||
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傳授新知 （40 min） |
【教師】提問：大家通過以上的例子，用自己的語言總結一下，什么是傳感器？傳感器有哪些組成部分？ n 【學生】討論、舉手回答 n 【教師】講授 一、傳感器的定義 n 【教師】用ppt展示傳感器，播放傳感器應用的相關視頻 n 【學生】觀看、聆聽、思考 傳感器是能感受被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。 可用輸出信號是指便于傳輸、轉換、處理、顯示的信號。這種信號可以是電信號、光信號、聲信號，目前主要是電信號。 因此，可以把傳感器狹義地定義為：將非電信號轉換為電信號的器件。 傳感器的定義包含以下四個方面的內容。 （1）傳感器是檢測裝置，能完成某種檢測任務。 （2）它的輸入量（被測量）可以是物理量、化學量、生物量等。 （3）它的輸出信號主要是電信號。 （4）輸出量與輸入量有對應關系，且具有一定的精度。 二、傳感器的組成 n 【教師】通過現場展示幾種傳感器，講解傳感器的組成 n 【學生】認真聆聽、思考 傳感器通常由敏感元件、轉換元件及信號調理電路組成，有時還包括輔助電源。傳感器的組成框圖如圖1-1所示。其中敏感元件和轉換元件為傳感器的基本組成部分，分別完成檢測和轉換兩個基本功能。但只由敏感元件和轉換元件組成的傳感器，其輸出信號通常較弱，這就需要信號調理電路將輸出信號進行放大并轉換成易于傳輸、便于處理的可用輸出信號。  圖1-1 傳感器組成框圖 n 【教師】PPT展示，與學生互動講解傳感器各個元件的作用 n 【學生】認真聆聽、思考、回答 （1）敏感元件：傳感器中能直接感受（或響應）被測量的部分，能夠輸出與被測量成確定關系的某一物理量。 （2）轉換元件：傳感器中能將敏感元件感受（或響應）的被測量轉換成適于傳輸或測量的電信號部分。這種電信號通常較弱。 （3）信號調理電路：將轉換元件輸出的弱電信號進行進一步的轉換和處理，如放大、濾波、線性化、補償等，以獲得更好的品質特性，便于后續電路實現顯示、記錄、處理及控制等功能。 
傳感器的敏感元件與轉換元件之間并無嚴格的界限。例如在熱電偶傳感器中，熱電偶既是敏感元件，又是轉換元件。而有些傳感器不止一個轉換元件，要經過多次信號轉換才能將非電信號轉換為電信號。
n 【教師】PPT展示，通過思維導圖講授傳感器的分類n 【學生】認真聆聽、思考、回答 三、傳感器的分類 傳感器用途廣泛，種類繁多，分類方法也很多。如圖1-2所示為傳感器的分類。  圖1-2 傳感器的分類 n 【教師】通過不同分類方法，講解傳感器的分類 n 【學生】認真聆聽、思考、回答 比較常用的分類方法有以下幾種。 1．按照傳感器感知外界信息所依據的基本效應分類按照傳感器感知外界信息所依據基本效應的不同，傳感器可分為物理傳感器、化學傳感器、生物傳感器。2．按照傳感器的工作原理分類按照傳感器工作原理的不同，傳感器可分為電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、磁電式傳感器、熱電式傳感器、光電式傳感器、聲波式和輻射式傳感器等。這種分類方法有利于對傳感器工作原理的闡述和對傳感器的深入研究與分析。本書主要采用這種分類方法進行介紹。3．按照傳感器的被測參數分類按照傳感器被測參數的不同，傳感器可分為位移傳感器、速度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器等。這種分類方法有利于準確表達傳感器的用途，方便使用者的選用。4．按照傳感器的輸出信號進行分類按照傳感器輸出信號的不同，傳感器可分為模擬式傳感器和數字式傳感器。模擬式傳感器是指傳感器的輸出信號為連續的模擬信號；數字傳感器是指傳感器的輸出信號為離散分布的數字信號。#課堂討論#
想一想日常生活中常用的傳感器有哪些？
三、傳感器的基本特性在社會生產和科學研究中，通常需要對各種參數進行檢測和控制，從而得到相關數據，實現相應的控制功能。這就要求傳感器能將被測非電信號的變化不失真地變換成相應的電信號，這種要求主要取決于傳感器的基本特性，即輸入輸出特性，它是傳感器敏感材料特性和內部結構參數作用關系所表現的外部特性。傳感器的基本特性主要分為靜態特性和動態特性兩種。 
傳感器所測量基本上可分為靜態量和動態量兩種。靜態量是指不隨時間變化的信號或變化極其緩慢的信號（準靜態）；動態量通常是指周期信號、瞬變信號或隨機信號。
n 【教師】PPT講解傳感器的靜態特性，注意與學生互動n 【學生】認真聆聽、思考、回答 1. 傳感器的靜態特性 傳感器的靜態特性是指輸入的被測量不隨時間變化或隨時間變化極其緩慢時傳感器的輸出與輸入關系。衡量傳感器靜態特性的重要指標有線性度、靈敏度、遲滯、重復性和精度等。 1）線性度 傳感器的線性度（又稱非線性誤差）是指傳感器的輸出與輸入之間的線性程度。輸出與輸入關系可分為線性特性和非線性特性兩部分。通常，為了方便標定和數據處理，理想的輸出與輸入關系應該是線性的。但實際遇到的傳感器，其輸入輸出關系大多為非線性關系，如果不考慮遲滯和蠕變等因素，傳感器的輸出與輸入關系可表示為  （1-1）式中： x ——輸入量； y ——輸出量；  ——輸入量x為0時的輸出量； 、 、…、 ——非線性項系數。各項系數不同，特性曲線的具體形式也不同。 靜態特性曲線可通過實際測試獲得。在實際使用中，人們為了方便標定和數據處理，希望傳感器的輸入輸出關系為線性關系，因此引入了各種非線性補償環節。例如，通過非線性補償電路或計算機軟件進行線性化處理，可使傳感器的輸入輸出關系為線性或接近線性關系。如果傳感器非線性的方次不高，且輸入量變化范圍較小，則在傳感器的輸入輸出特性曲線中可使用一條直線（切線或者割線）近似地代表實際曲線的一段，使傳感器輸入輸出特性線性化，如圖1-3所示。所采用的直線稱為擬合直線。 n 【教師】PPT講解傳感器的線性度，圖文結合，與學生互動 n 【學生】認真聆聽、思考、回答 實際特性曲線與擬合直線之間的最大偏差值稱為線性度，用相對誤差  表示，即 （1-2）式中：  ——非線性絕對值誤差； ——為滿量程輸出。  （a）切線擬合 （b）過零旋轉擬合   （c）端點平移擬合 （d）端點連線擬合 圖1-3 幾種直線擬合方法 n 【教師】PPT講解傳感器的靈敏度，圖文結合，與學生互動 n 【學生】認真聆聽、思考、回答 2）靈敏度 靈敏度S是指傳感器在靜態下輸出量的增量Δy與引起該增量的相應輸入量增量Δx之比，即  （1-3）它表征傳感器對單位輸入量變化的反應能力。靈敏度S值越大，表示傳感器越靈敏。 對于輸入輸出關系為線性關系的傳感器，靈敏度就是其輸入輸出特性曲線的斜率，即  （1-4）而對于輸入輸出關系為非線性關系的傳感器，其靈敏度為一變量，它實際上是工作點處的切線斜率，即  （1-5）傳感器的靈敏度如圖1-4所示。   （a）線性傳感器 （b）非線性傳感器 圖1-4 傳感器的靈敏度 n 【教師】PPT講解傳感器的遲滯性，圖文結合，與學生互動 n 【學生】認真聆聽、思考、回答 3）遲滯性 傳感器在輸入量由小到大（正行程）及輸入量由大到小（反行程）變化期間，其輸入輸出特性曲線不重合的現象稱為遲滯現象，如圖1-5所示。也就是說，對于同一大小的輸入量，傳感器的正反行程輸出量大小不相等，這個差值稱為遲滯差值，其大小一般由實驗確定。傳感器正反行程輸出量的最大偏差與滿量程輸出之比的百分數稱為遲滯誤差  ，即 （1-6）式中：  ——正反行程間輸出的最大誤差。 圖1-5 傳感器的遲滯現象 
產生遲滯現象的主要原因是由于傳感器敏感元件的物理性質和機械零部件的缺陷所造成的，例如彈性敏感元件彈性滯后、運動部件摩擦、傳動機構的間隙、緊固件松動等。
n 【教師】PPT講解傳感器的重復性，圖文結合，與學生互動n 【學生】認真聆聽、思考、回答 4）重復性 重復性是指傳感器在輸入量按同一方向做全量程連續多次變化時，所得各條特性曲線之間的一致程度，如圖1-6所示。各條特性曲線越靠近，說明重復性就越好。重復性誤差  屬于隨機誤差，一般用正反行程中最大重復差值 與滿量程輸出之比的百分數表示，即 （1-7） 圖1-6 傳感器的重復性 n 【教師】提問互動式講授傳感器的漂移、精度特性 n 【學生】認真聆聽、思考、積極回答 5）漂移 傳感器的漂移是指在輸入量不變的情況下，傳感器的輸出量隨著時間或溫度變化的現象。產生漂移的原因主要有兩個方面：一是傳感器自身敏感材料特性和結構參數發生老化，這種漂移稱為時間漂移；二是測試過程中周圍環境（如溫度、濕度等）發生變化，最常見的漂移是溫度漂移，即周圍環境溫度變化而引起輸出量的變化。 6）精度 精度又稱靜態誤差，是傳感器在滿量程內任一點的輸出值相對被測量理論值的偏離程度，是反映系統誤差和隨機誤差的綜合誤差指標。 n 【教師】PPT講解傳感器的動態特性，與學生互動 n 【學生】認真聆聽、思考、積極回答 2. 傳感器的動態特性 傳感器的動態特性是指傳感器的輸出量對隨時間變化的輸入量的響應特性。當被測量是時間的函數時，傳感器的輸出量也是時間的函數，此時兩者之間的關系要用動態特性來表示。 一個動態特性好的傳感器，其輸出量將再現輸入量的變化規律，即輸出量與輸入量具有相同的時間函數。實際上除了具有理想的比例特性外，輸出量與輸入量并不具有完全相同的時間函數，這種輸入與輸出之間的差異就是動態誤差。 研究傳感器的動態特性主要是從測量誤差的角度分析產生動態誤差的原因及改善措施。由于絕大多數傳感器都可以簡化為一階或二階系統，因此一階和二階傳感器是最基本的研究對象。研究傳感器的動態特性可以從時域和頻域兩個方面分別采用瞬態響應法和頻率響應法進行分析。 #思政講堂#——集成創新，助力傳感未來
隨著5G、人工智能等新技術的不斷成熟，傳感器市場的潛力已經得到了巨大的提升。在未來，各種基礎科學的進步將進一步推動傳感器技術的快速發展。傳感器將變得更加小型化、人性化，變得更準確、更靈活、更節能、更環保，人機交互更加友好，能夠收集更多類型的數據，集成越來越多的新技術。隨著傳感器更加深入地融入我們的日常生活，以及與AI等新技術的融合，在未來的互聯、互通和自動化的世界中，傳感器將使我們的生活更加美好。
（1）更靈活、更柔性。 柔性傳感器是未來傳感器發展的一個重要方向。目前，柔性光傳感器、PH傳感器、離子傳感器和生物傳感器等仍處在早期開發階段。在未來，這些柔性傳感器將擁有更多創新應用，如人造皮膚、可穿戴傳感器和微動傳感。通過微線技術和磁場，傳感器可以像頭發絲一樣纖細，而又具有彈性，可以無接觸地測量溫度、壓力、拉力、應力，扭轉和位置。 （2）更高的準確性。 目前，多通道協作頻譜感知的研究還處于初期階段。未來，一旦技術成熟，它將比現在的單通道傳感器提供更精確的監測數據。更準確、更可靠和可復制的傳感器將在醫療設備等領域擁有更多的應用場景，其實現的功能也更加強大。 （3）更高的復雜性和更好的兼容性。 傳感器集群可以更好地協調傳感器之間的工作，并通過自主學習系統來確定工作內容和位置。各種新技術的采用也將使傳感器變得更加多樣化。例如，通過激光技術，傳感器可以通過物質獨特的光譜識別出物質組成；由晶體、特殊陶瓷、骨骼、DNA、蛋白質等材料制造的壓電傳感器可以更好地對外部壓力和潛熱進行響應。 （4）更節能、更環保。 未來，傳感器將變得更智能，并由特定條件驅動，只有當達到某種條件時才能被激活，而當它們處于待機模式時，幾乎沒有功耗。此外，傳感器還可以從周圍環境中獲取能量，實現更長久的運行。例如運動、壓力、光線，或患者身體與周圍空氣的熱量差異等都可以成為傳感器的能量來源。在未來，環境友好型和可生物降解的傳感器將日益受到歡迎。例如，傳感器可以采用由細菌驅動的可降解的紙基電池，此類傳感器可用于農田管理、環境監測、食品流通監測或醫療檢測等領域，而不會污染環境。 |
通過教師的講解和課堂互動，使學生了解傳感器的定義 通過教師的講解和課堂互動，使學生了解傳感器的組成 PPT動畫展示傳感器的分類方法，學生容易理解 PPT結合板書講解傳感器的分類 PPT結合板書講解傳感器的靜態特性，與學生互動，活躍課堂氣氛，有利于學生的理解掌握 PPT結合板書講解傳感器的線性度 PPT結合板書講解傳感器的線性度 |
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實操練習 （30 min） |
實踐題目：繪制傳感器的“家譜”圖實踐目的：（1）理解傳感器的基本概念。（2）掌握傳感器的組成。 （3）掌握傳感器的分類方法。 n 【教師】發起任務實施——繪制傳感器的“家譜”圖，引導學生掃一掃教材中的應用實踐二維碼，認領實踐內容 實施步驟 （1）將學生以5～6人為一組進行分組，并選出組長。 （2）搜集資料，整理傳感器的分類方法和種類，并列舉每種傳感器1～３個應用案例。 （2）組長組織組內學生繪制傳感器“家譜”圖。 （3）各組交叉點評，指出問題，總結、修正“家譜”圖。 （4）各組展示成果，老師點評。 n 【學生】實踐練習 n 【教師】對任務安排學生進行自我評價 n 【學生】自我評價、填表 請指導老師按照學生的實際表現情況進行評價，并將評價結果填入表1-1中。學生結合自身表現和指導老師的評價，對本次實施進行總結。
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通過應用實踐，了解學生學情，并激發學生的求職、競爭意向，并通過評價，讓學生對比、反思，獲得成長 | |||||||||||||||||||||||||||||||
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課堂小結 （3 min） |
n 【教師】簡要總結本節課的要點 本節課學習了傳感器的基礎知識，了解傳感器的靜態特性和動態特性、傳感器選型的分類方法等基礎知識，需要大家掌握傳感器的基礎知識，并重點掌握傳感器的分類方法。希望大家在課下多加練習，鞏固所學知識 n 【學生】總結回顧知識點 |
總結知識點，鞏固學生對傳感器相關知識的印象 | |||||||||||||||||||||||||||||||
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作業布置 （2 min） |
n 【教師】布置課后作業 讓學生完成學以致用測評中的相關習題 n 【學生】完成課后任務 |
通過課后作業復習鞏固學到的知識 | |||||||||||||||||||||||||||||||
| 教學反思 | 本次課是學生的第一節傳感器課程，通過第一節課的介紹，學生對這門課程有了基礎的印象，了解了該課程的教學內容，以及本課程的定位和作用。提高了學生對本課程的學習興趣。此外，還引入了課程思政內容，強調學生們在工作崗位上一定要注意理論與實踐之間的關系，嚴守本崗位的操作規程和安全制度，杜絕違章、冒險蠻干等行為。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
相關產品：
| 傳感器綜合實驗臺 |
