傳感器及檢測技術(shù)教學(xué)設(shè)計9新型傳感器及應(yīng)用

1、項目八新型傳感器及應(yīng)用教學(xué)目的:1、了解智能傳感器的概念、功能和特點。2、了解智能傳感器的組成和實現(xiàn)途徑。3、了解智能壓力傳感器和智能溫度傳感器。4、了解生物傳感器的基本知識。5、了解常用生物傳感器的應(yīng)用。6、了解微機電系統(tǒng)。7、了解微型傳感器及應(yīng)用。課型：新授課課時：2個任務(wù)，安排4個課時。教學(xué)重點：智能傳感器，智能傳感器的功能與特點，智能傳感器的組成，智能傳感器的應(yīng)用，生物傳感器，生物傳感器的分類，生物傳感器的應(yīng)用，酶傳感器及應(yīng)用，微生物傳感器及應(yīng)用，免疫傳感器及應(yīng)用。教學(xué)難點：微機電系統(tǒng)，微機電系統(tǒng)的加工技術(shù)，微型傳感器，常用微型傳感器及應(yīng)用，生物傳感器與普通的化學(xué)分析法相比有何特點。教

2、學(xué)過程：1 .教學(xué)形式：講授課，教學(xué)組織采用課堂整體講授和分組演示。2 .教學(xué)媒體：采用啟發(fā)式教學(xué)、案例教學(xué)等教學(xué)方法。教學(xué)手段采用多媒體課件、視頻等媒體技術(shù)。作業(yè)處理:完成項目后的思考題。本課標(biāo)題溫度檢測課次1授課方式理論課討論課口習(xí)題課其他口課時安排4學(xué)分共2分授課對象院系、專業(yè)：任課教師板書設(shè)計:教學(xué)基本內(nèi)容教學(xué)方法及教學(xué)手段課堂導(dǎo)入人類感知外部信息是通過人的視覺、聽覺、觸覺、嗅覺和味覺等感覺器官與人類積累的知識相結(jié)合的結(jié)果。因此人類的智能是實現(xiàn)了多重傳感信息的融合并且把它與人類的知識結(jié)合而作出的歸納和綜合，它包括了“感知”和“認(rèn)知”兩個方面。由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)換電路三部分組成的傳

3、感器稱為傳統(tǒng)傳感器或經(jīng)典傳感器，它將被測對象信息變換成電信號，具有對某一信息知”的本領(lǐng)，但不具有判斷、推理、鑒別事物的“認(rèn)知”能力。而智能傳感器(SmartSensor或IntelligentSensor)是將傳統(tǒng)傳感器與微處理器結(jié)合，實現(xiàn)一定數(shù)據(jù)處理能力，并具有自檢、自校、自補償功能的新一代傳感器，它將“感知”和“認(rèn)知”結(jié)合起來，起到了人的五官的作用。參考以下形式:1 .銜接導(dǎo)入2 .懸念導(dǎo)入3 .情景導(dǎo)入4 .激疑導(dǎo)入5 .演示導(dǎo)入6 .實例導(dǎo)入7 .其他形式1.本課程是機電一體化、自動控制、電氣自動化、應(yīng)用電子等專業(yè)的一門專業(yè)課程。要求學(xué)生能認(rèn)識常用傳感器，掌握其工作原理、輸出特性、誤差

4、補償，理解各種測量轉(zhuǎn)換電路，了解傳感器的典型應(yīng)用等知識，達到能正確使用常用傳感器的目的。2 .檢測技術(shù)的主要內(nèi)容包括了自動檢測系統(tǒng)中的信息提取、信息轉(zhuǎn)換以及信息處理。需要一定的測量理論、測量方法，相應(yīng)的測量工具、裝置，以及對測量結(jié)果進行正確的處理分析。它涵蓋了傳感器技術(shù)、誤差理論、測試計量技術(shù)、抗干擾技術(shù)以及電量間的互相轉(zhuǎn)換技術(shù)等。3 .本課程教學(xué)內(nèi)容的組織與安排：由實例引入，按照“任務(wù)提出”“相關(guān)知識”“任務(wù)實施”“其他案例”“訓(xùn)練一下”幾個部分遞進完成。采用任務(wù)引領(lǐng)的項目課程教學(xué)，將檢測技術(shù)與傳感器的技能和知識點融入項目的工作任務(wù)之中，在符合工作過程的基礎(chǔ)上，充分考慮了學(xué)習(xí)者的認(rèn)知心理過程

5、，將課程內(nèi)容劃分為九基本知識匯總?cè)蝿?wù)一智能傳感器一、智能傳感器的概念智能傳感器的最高目標(biāo)應(yīng)該是接近或達到人類的智能水平，能夠像人一樣通過在實踐中不斷地改進和完善，實現(xiàn)最佳測量方案，得到最理想的測量結(jié)果。而目前傳感器的智能化程度還僅僅是初級階段，與人類的智能相比還有很大的差距，只能說是數(shù)據(jù)處理層次上的低級智能。智能傳感器這一名稱在世界范圍內(nèi)，至今尚無公認(rèn)的定義，但普遍認(rèn)為智能傳感器是“將一個或多個敏感元件和信號處理器集成在同一塊硅或種化鋅芯片上的裝置”，或者是“一種帶微處理器并具有檢測、判斷、處理、記憶、思維等功能的傳感器”。因此智能傳感器是一種帶有微處理器并擴展了傳感器功能，具有人的某些智能的

6、新型傳感器。二、智能傳感器的功能與特點（一）智能傳感器的功能智能傳感器比傳統(tǒng)傳感器在功能上有了極大的拓展，幾乎包含了測量設(shè)備的全部功能，主要表現(xiàn)在以下幾方面：1 自校準(zhǔn)功能操作者輸入零值或某一標(biāo)準(zhǔn)值后，自校準(zhǔn)程序可以自動進行零位和增益等參數(shù)的在線校準(zhǔn)。2 自診斷功能工作中，可借助內(nèi)部檢測電路對異?，F(xiàn)象或故障進行診斷。3 檢測數(shù)據(jù)自動處理功能對采集得到的數(shù)據(jù)進行分析、統(tǒng)計和修正，進行非線性、溫度、噪聲、漂移等誤差補償。4 軟件組態(tài)功能智能傳感器內(nèi)部具有多種硬件和軟件模塊。用戶可針對不同應(yīng)用目的，通過操作指令，改變其內(nèi)部硬件模塊和軟件模塊的組合，來完成不同的功能，實現(xiàn)多傳感、多參數(shù)的復(fù)合測量。5

7、信息存儲和記憶功能能存儲各種歷史信息、參數(shù)和校正數(shù)據(jù)等。6 雙向通信和數(shù)字輸出能方便地與計算機連接，實現(xiàn)信息的交換。（二）智能傳感器的特點1 高精度智能傳感器通過自較零可去除零點；通過與標(biāo)準(zhǔn)參考基準(zhǔn)實時比對而自動進行系統(tǒng)標(biāo)定；自動對系統(tǒng)的非線性等系統(tǒng)誤差進行校正；通過對采集的大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理消除偶然誤差的影響等，從而保證局精度。2 高可靠性與高穩(wěn)定性由于智能傳感器能自動補償因工作條件和環(huán)境參數(shù)變化引起的系統(tǒng)特性的漂移；能隨被測參數(shù)的變化自動改變量程；能實時自動對采集的數(shù)據(jù)進行自檢、分析、判斷其合理性，并對異常情況作應(yīng)急處理等，從而保證高可靠性與高穩(wěn)定性。3 高信噪比與高分辨率由于智能傳感器具

8、有檢測數(shù)據(jù)自動處理功能，能進行數(shù)字濾波、分析計算，可去除噪聲；通過數(shù)據(jù)融合、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，消除多參數(shù)狀態(tài)下交叉靈敏度的影響，使得在多參數(shù)狀態(tài)下對特定參數(shù)的測量分辨率得到提高，從而保證高信噪比與高分辨率。4 自適應(yīng)性強由于智能傳感器具有判斷、分析和處理的功能，因此它能根據(jù)工作情況決策各部分的供電情況、優(yōu)化與上位機的數(shù)據(jù)傳送速率，保證系統(tǒng)工作在最優(yōu)低功耗狀態(tài)。個項目，再具化為多個工作任務(wù)的教學(xué)內(nèi)容。從檢測的對象著手，選擇合適的傳感器，通過認(rèn)識該類傳感器的外形、性能指標(biāo)，再到測量原理的介紹，在掌握基本知識的基礎(chǔ)上，介紹相應(yīng)的測量轉(zhuǎn)換電路、信號處理電路，來完成該類檢測任務(wù)。再安排一個訓(xùn)練，供學(xué)習(xí)者在實

9、踐中掌握知識、提高技5 高性價比智能傳感器具有上述高性能，而制造是采用低價的集成電路工藝和軟件來實現(xiàn)，因此具有高性價比。三、智能傳感器的組成它是一個最小的微機系統(tǒng)，通常裝在一個殼體內(nèi)，由傳感器（傳感元件）、信號調(diào)理電路、微處理器單元和通信接口等組成。傳感元件包括彈性敏感元件和變換器，信號調(diào)理電路包括多路開關(guān)、儀用放大器、基準(zhǔn)電壓、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等，微處理器單元包括微處理器、存儲器、輸入輸出接口電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換器等。四、智能傳感器的實現(xiàn)要實現(xiàn)智能傳感器，需要使傳感器具備采集、處理、分析和通信等功能。目前一般有三種途徑：1模塊化實現(xiàn)模塊化智能傳感器為初級的智能傳感器，它是將傳統(tǒng)傳感器、信號調(diào)理電路、帶數(shù)

10、字總線接口的微處理器等模塊裝配在同一殼體內(nèi)而構(gòu)成的智能傳感器。這種傳感器由于集成度不高而導(dǎo)致體積較大，但在目前的技術(shù)水平下，仍不失為一種實用的結(jié)構(gòu)形式。2 集成化實現(xiàn)集成智能傳感器又稱現(xiàn)代智能集成傳感器，它的制作工藝與傳統(tǒng)傳感器完全不同。它是采用微機械加工技術(shù)和大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)，利用半導(dǎo)體硅材料制作敏感元件，將信號調(diào)理電路和微處理器等器件集成在一塊芯片上構(gòu)成的。它具有集成度高、體積小等特點，是智能傳感器的發(fā)展方向。3 混合實現(xiàn)這種傳感器是根據(jù)技術(shù)工藝的可能與實際的需要，將智能傳感器的各個環(huán)節(jié)，如敏感單元、信號調(diào)理電路、微處理器單元、數(shù)字總線接口等，以不同的組合方式集成在兩塊或三塊芯片上，

11、并裝在一個外殼里構(gòu)成的。這種結(jié)構(gòu)是目前智能傳感器采用較多的結(jié)構(gòu)形式。五、智能傳感器的應(yīng)用（一）智能壓力傳感器傳統(tǒng)壓力檢測傳感器前面章節(jié)已有介紹，本節(jié)介紹的智能壓力傳感器能同時檢測出差壓、靜壓和溫度信號，并經(jīng)自動處理后輸出實際壓力信號。（二）DS18B20智能溫度傳感器1 .DS18B20的特性DS18B20是美國DALLAS半導(dǎo)體公司繼DS1820之后推出的一種改進型智能溫度傳感器，產(chǎn)品除具備一般單總線器件的特點以外，還具有如下的特性：供電電壓擴大為3.05.5V。3引腳PR35封裝或8引腳小外形集成電路封裝。應(yīng)用中不需要外部任何元器件即可測溫。測溫范圍在-55125C之間，測溫不確定度可達0

12、.5C。數(shù)字溫度計的分辨率用戶可從912bit選擇。 用戶可自設(shè)定非易失性的溫度報警上下限值。 具有電源反接的保護電路。3. DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)4. DS18B20的測溫原理5. DS18B20的應(yīng)用任務(wù)二生物傳感器用于檢測生物體內(nèi)化學(xué)成分的生物傳感器的研究始于20世紀(jì)60年代，最早出現(xiàn)的是酶傳感器。20世紀(jì)80年代后，伴隨著生物技術(shù)與微電子學(xué)、化學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)等技術(shù)的進步和各技術(shù)的交叉結(jié)合，使生物傳感器的研究和開發(fā)得到了突飛猛進的發(fā)展。目前，人們正利用生物體的特異功能，研制類似于生物感覺器官功能的各種生物傳感器，它是傳感檢測技術(shù)的新發(fā)展。一、生物傳感器概述(一)生物傳感器的定義生物傳感

13、器是利用各種生物體成分，如酶、抗體、抗原、激素等或生物體本身，如細(xì)胞、細(xì)胞體等，把它們作為傳感器的敏感材料固定在高分子人工膜等固定載體上，用于檢測和設(shè)別被測生物體內(nèi)的化學(xué)成分，并通過一種合適的換能器將其產(chǎn)生的物理量、化學(xué)量的變化轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器。(二)生物傳感器的特點生物傳感器是利用生物特有的生化反應(yīng)，有針對性地對有機物進行簡便而迅速測定。它與普通化學(xué)分析法相比，有以下特點：(1)分析速度快。主要在無試劑條件下操作，可以在較短的時間內(nèi)得到結(jié)果。(2)準(zhǔn)確度高和靈敏度高，一般相對誤差不超過1%。由于生物敏感膜的高度特異性和靈敏度,因此能檢測一些含量極低的檢測對象。(3)操作較簡單，能連續(xù)在線

14、檢測，容易實現(xiàn)自動分析。(4)專一性強，只對特定的底物起反應(yīng)，且不受顏色、濁度的影響。(5)經(jīng)固化處理后，能長期保持其生理活性，傳感器可反復(fù)使用。(6)檢測信息以電信號方式直接輸出，容易實現(xiàn)檢測自動化。(7)使用壽命較短。(三)生物傳感器的分類生物傳感器的分類方法較多且不統(tǒng)一，通常是根據(jù)生物敏感膜和物理化學(xué)變換器的不同進行分類的。（四）生物傳感器的應(yīng)用生物傳感器在醫(yī)療檢驗、環(huán)境監(jiān)測、食品工業(yè)、生物工程、農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。臨床上用免疫傳感器等生物傳感器來檢測體液中的各種化學(xué)成分，為醫(yī)生的診斷提供依據(jù)；環(huán)境監(jiān)測中用生物傳感器監(jiān)測大氣和水中各種污染物質(zhì)的含量；食品工業(yè)中用生物傳感器

15、檢測食品中的營養(yǎng)成分和有害成分的含量、食品的新鮮程度等。二、生物傳感器的基本原理生物傳感器由生物敏感膜和物理化學(xué)變換器兩部分組成。生物敏感物質(zhì)附著于膜上或包含于膜之中（稱為固定化），當(dāng)被測物經(jīng)擴散進入生物敏感膜層，發(fā)生物理、化學(xué)變化，經(jīng)分子識別，由相應(yīng)的物理化學(xué)變換器轉(zhuǎn)換成定量的、可傳輸和處理的電信號。三、酶傳感器及應(yīng)用（一）酶傳感器概述酶是由生物體內(nèi)產(chǎn)生并具有催化作用的活性蛋白質(zhì)，它具有特異的催化功能，因此，酶被稱為生物催化劑。酶在生命活動中起著極為重要的作用，它參加新陳代謝過程中的所有生化反應(yīng)，并以極高的速度維持生命的代謝活動，包括生長、發(fā)育、繁殖與運動等，可以說沒有酶就沒有生命。（二）酶

16、傳感器的應(yīng)用1 .葡萄糖酶傳感器2 .尿素傳感器四、微生物傳感器及應(yīng)用（一）微生物傳感器概述近年來，隨著微生物固化技術(shù)的進步，固定化微生物越來越多地被用作生物傳感器的分子設(shè)別元件，產(chǎn)生了微生物傳感器。（二）微生物傳感器的應(yīng)用1,葡萄糖微生物傳感器3 .醋酸傳感器五、免疫傳感器及應(yīng)用（一）免疫傳感器概述免疫傳感器的基本原理是免疫反應(yīng)。從生理學(xué)可知，抗原是能夠刺激動植物機體產(chǎn)生免疫反應(yīng)的物質(zhì)?？乖坏┍涣馨颓蝽憫?yīng)就形成抗體，抗體是由抗原刺激機體產(chǎn)生的具有特異免疫功能的球蛋白，又稱免疫球蛋白。（二）免疫傳感器的應(yīng)用一位輸出基睢電橙測量電極患季考蟆抗愫膜客舞2潴成液體圖8-9搏毒抗炸傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖討論題、思考題：圍繞本項目主題做情景模擬訓(xùn)練，以增強理解，加深印象。可以參考教材、資料包、或者其他案例。課后小結(jié)：1、能認(rèn)識智能