《模塊七現代新型傳感器》教案PAGE1第1頁共11頁《單元1集成傳感器》教案課題單元1集成傳感器教學目的了解集成傳感器的特點，傳感器的集成教學重點傳感器的集成教學資源多媒體教學課件，部分集成傳感器實物教學手段多媒體課堂教學，實物演示教學教學過程及教學內容教學方法引入模塊七現代新型傳感器新型傳感器不僅追求高精度、大量程、高可靠性、低功耗和微型化，而且向著集成化、多功能和智能化方向發展。集成化可以使傳感器降低成本、改善性能、提高可靠性、減小體積、接口靈活，智能化可以使傳感器將“感知”和“認知”結合起來，起到人的五官感覺功能的作用。提綱挈領法概念分析單元1集成傳感器一、大規模集成電路對傳感器的影響1．傳感器向固體化、半導體化和集成化方向的發展2．傳感器制造工藝的革新3．集成傳感器的形成由上述幾點可見，集成電路的大規?；粌H對傳感器提出了集成化的要求，也為傳感器的集成化提供了應用基礎和技術基礎?！緢D示】集成溫度傳感器外形圖【實物】部分集成傳感器演示二、集成傳感器的特點【圖例】ST的LIS202DL傳感器1．成本低2．小型化3．改善性能4．提高可靠性5．增加接口靈活性三、傳感器的集成隨著集成電路技術的發展，傳感器可以和越來越多的信號處理電路制作在同一芯片上或封裝在同一管殼內，這就是集成傳感器。1．各種調節電路和補償電路與傳感器集成如，電源電壓調整電路、溫度補償電路等等。2．信號放大和阻抗變換電路與傳感器集成把信號放大電路和阻抗變換電路與傳感元件集成在一起，對于改善信號的信噪比，抑制外來干擾的影響有很大的好處。3．信號數字化電路與傳感器集成除了把放大器與阻抗變換電路和傳感元件集成在一起可以改善抗干擾特性之外，把模擬信號變換成數字信號也可以改善抗干擾能力。為了適應控制系統的要求，也常把傳感器的輸出變換成為開關二種狀態的輸出以實現控制。4．多傳感器的集成把多個功能不同的傳感器集成在一起，可以同時進行多個參數的測量。還可以對這些參數的測量結果進行綜合處理，得到一個反映被測系統整體狀態的參數。5．信號發送和接收電路與傳感器集成如能使用把信號發送電路和傳感器集成在一起的集成傳感器，那么測量系統的重量可以大大減輕，尺寸可以減小，給測量帶來很多方便?！緢D示】德國Lepton超精密激光厚度集成傳感器實物圖；集成濕度傳感器實物圖；集成壓力傳感器實物圖；集成心率血氧傳感器實物圖；集成加速度傳感器實物圖；電容式集成加速度傳感器結構示意圖；無線傳感網絡示意圖概念推演法圖示展演法實物講演法提綱挈領法概念推演法圖示展演法作業教材認知訓練7－1、7－2練習鞏固法本課教育評注（課堂設計理念，實際教學效果及改進設想）

《單元2智能傳感器》教案課題單元2智能傳感器教學目的了解智能傳感器的特點熟悉智能傳感器的技術途徑教學重點智能傳感器的技術途徑教學資源多媒體教學課件教學手段多媒體課堂教學教學過程及教學內容教學方法引入單元2智能傳感器智能傳感器的概念最初是美國宇航局（NASA）在開發宇宙飛船過程中形成的，宇宙飛船在太空中飛行時，需要知道它的速度、姿態和位置等數據。提綱挈領法概念分析一、智能傳感器的定義及其功能定義：將傳感器與微機組裝在一塊芯片上，并具有“感知”和“認知”（智慧）被測量的功能，把傳感器技術和信息處理技術進行完美結合的裝置。功能：①提供比傳統傳感器更全面、更真實的信息的功能；②具有信號處理（例如包括溫度補償、線性化等）功能；③隨機整定和自適應功能；④具有一定程度的存儲、識別和自診斷功能；⑤內含特定算法并可根據需要改變的功能。二、傳感器智能化的技術途徑1．傳感器和信號處理裝置的功能集成化是實現傳感器智能化的主要技術途徑這類傳感器具有小型化、性能可靠、能批量生產、價廉等優點，因而，被認為是智能傳感器的主要發展方向?！緢D示】電針式生物醫學傳感器；毫米波分光計2．基于新的檢測原理和結構，實現信號處理的智能化由于傳感器在不同頻率下的靈敏度不同，勢必造成分析上的失真?，F在采用微機械加工技術，在硅片上制作出極其精細的溝、槽、孔、膜、懸臂梁、共振腔等，構成性能優異的微型傳感器。【圖示】D7F振動傳感器；三軸振動傳感器。3．研制人工智能材料是當今實現智能傳感器以及實現人工智能的最新手段和最新學科人工智能材料是繼天然材料、人造材料、精細材料后的第四代功能材料。它有三個基本特征：能感知環境條件的變化（普通傳感器的功能），進行自我判斷（處理器功能）以及發出指令和自行采取行動（執行器功能）。【列表】幾種智能材料的功能特征和應用【圖示】記憶合金曲別針；自適應巡航概念推演法概念推演法圖示展演法概念推演法圖示展演法概念推演法列表歸納法圖示展演法案例分析三、智能傳感器應用案例由上述內容可知，智能傳感器是“電五官”與“微電腦”的有機結合，對外界信息具有檢測、判斷、自診斷、數據處理和自適應能力的集成一體化的多功能傳感器。【圖示】精密智能壓力變送器PPT；A2彩色平板環保掃描儀?！緢D示】二維自適應圖像智能傳感器；三維多功能單片智能傳感器?！緢D示】智能血糖儀；汽車電池監控智能傳感器；奧地利medel公司中耳植入振動聲橋應用案例法圖示展演法圖示講演法圖示展演法概念分析四、智能傳感器的發展前景1．利用微電子學，使傳感器和微處理器結合在一起實現各種功能的單片智能傳感器，仍然是智能傳感器的主要發展方向之一。2．微結構(智能結構)是今后智能傳感器重要發展方向之一。3．利用生物工藝和納米技術研制傳感器功能材料，以此技術為基礎研制分子和原子生物傳感器是一門新興學科，是21世紀的超前技術。4．完善智能器件原理和智能材料的設計方法，也將是今后幾十年極其重要的課題。【圖示】ABS的防側翻穩定控制系統（RSC）；西門子智能視覺傳感器。提綱挈領法圖示講演法作業教材認知訓練7－3、7－5練習鞏固法本課教育評注（課堂設計理念，實際教學效果及改進設想）

《單元3光纖傳感器》教案課題單元3光纖傳感器教學目的熟悉光纖傳感器的特點了解光纖傳感器的應用教學重點光纖傳感器的特點教學難點光纖傳感器應用方面的具體光強度調制原理教學資源多媒體教學課件教學手段多媒體課堂教學教學過程及教學內容教學方法引入單元3光纖傳感器光纖傳感器具有一系列傳統傳感器無可比擬的優點，如：靈敏度高、響應速度快、抗電磁干擾、耐腐蝕、電絕緣性好、防燃防爆、適于遠距離傳輸、便于與計算機連接以及與光纖傳輸系統組成遙測網等。目前已研制出測量位移、速度、壓力、液位、流量和溫度等各種物理量的光纖傳感器。提綱挈領法概念分析一、光纖的結構【圖示】光纖結構示意圖；光纖一般為圓柱形結構，由纖芯、包層和保護層組成?！緢D示】光纖放大傳感器實物圖；光纖傳感器.光電眼實物圖；光纖中繼轉換器實物圖；精密光纖偶合器實物圖；光纖裝飾玩具實物圖二、光纖傳感器的原理及分類1．光纖傳感器的原理光纖傳感器以光信號為變換和傳輸的載體，利用光導纖維輸送光信號的一種傳感器。光纖傳感器主要由光源、光導纖維（簡稱光纖）、光檢測器和附加裝置等組成?！緞赢嫛抗饫w傳光原理動畫；光纖燈飾動畫2．光纖傳感器的分類按光纖的作用，光纖傳感器可分為功能型和傳光型兩種。功能型光纖傳感器是利用光纖本身的特性隨被測量發生變化的一種光纖傳感器。傳光型光纖傳感器是利用其他敏感元件來感受被測量變化一種光纖傳感器，傳光型光纖傳感器則僅起傳輸光信號作用，所以也稱為非功能型光纖傳感器。三、光纖傳感器的特點①不受電磁場的干擾；②絕緣性能高；③防爆性能好，耐腐蝕；④導光性能好；⑤光纖細而柔軟圖示講演法圖示展演法概念推演法總結歸納法案例分析四、光纖傳感器的應用案例光纖傳感器的應用但都離不開光的調制和解調兩個環節。常用的光調制有強度調制、相位調制、頻率調制及偏振調制等幾種。下面以光纖壓力傳感器為例簡要說明光纖傳感器的應用。光纖傳感器中光強度調制的基本原理可簡述為以被測對象所引起的光強度變化，來實現對被測對象的檢測?！緢D示】光纖壓力傳感器結構圖按光強度調制原理制成的光纖壓力傳感器。其原理為：（1）被測力作用于膜片，膜片感受到被測力而向內彎曲，使棱鏡與光吸收層之間的氣隙發生改變。（2）氣隙發生改變引起棱鏡界面上全內反射的局部破壞，造成一部分光離開棱鏡的上界面，進入吸收層并被吸收，致使反射回接收光纖的光強減小。（3）用橋式光接收器檢測光纖內反射光強度的改變。（4）橋式光接收器輸出信號的大小只與光纖和膜片間的距離和膜片的形狀有關?！緞赢嫛抗饫w流速傳感器動畫【圖示】光纖液位傳感器示意圖；光纖電流傳感器原理示意圖；光纖加速度傳感器原理示意圖；光纖漩渦流量傳感器原理示意圖應用案例法圖示分析法概念推演法動畫展演法圖示講演法作業教材認知訓練7－6、7－7練習鞏固法本課教育評注（課堂設計理念，實際教學效果及改進設想）

《單元4CCD圖像傳感器》教案課題單元4CCD圖像傳感器教學目的1、熟悉CCD圖像傳感器的原理與特點2、了解CCD圖像傳感器的選型與應用教學重點CCD圖像傳感器傳感器的特點與應用教學難點CCD圖像傳感器電荷轉移與傳輸教學資源多媒體教學課件教學手段多媒體課堂教學教學過程及教學內容教學方法引入單元4CCD圖像傳感器光圖像傳感器用于將光信號轉變為電信號。圖像傳感器包含了幾十萬個乃至上百萬個感光元件，每個感光元件即為一個像素。常用的感光元件有兩種：①電荷耦合器件CCD；②互補金屬氧化物半導體（CMOS）?！緢D示】傳統膠片相機；數碼相機；膠片攝像機；數碼攝像機；CCD（MOS型）圖像傳感器；攝像頭（CMOS型）圖像傳感器提綱挈領法圖示展演法概念分析一、CCD圖像傳感器簡介【圖示】CCD電極的基本構成按一定規律排列的MOS（金屬-氧化物-半導體）電容器組成的陣列。在P型或N型硅襯底上生長一層很薄的二氧化硅，再在二氧化硅薄層上依次沉積金屬或摻雜多晶硅形成電極，稱為柵極。柵極和P型或N型硅襯墊就形成了規則的MOS電容器陣列，再加上兩端的輸入及輸出二極管構成CCD電荷耦合器件芯片。二、圖像傳感器電荷轉移和傳輸【圖示】三相CCD驅動和轉移示意圖以三相CCD為例加以說明，結合雨量虹吸收集進行類比分析。【動畫】電荷信號的轉移和傳輸動畫三、CCD圖像傳感器的分類和基本參數1．CCD圖像傳感器的分類CCD圖像傳感器有線陣型和面陣型兩種如果一個個的MOS電容器可以被設計排列成一條直線，稱為線陣；也可以排列成二維平面，稱為面陣。線陣型CCD常用于掃描儀、傳真機等設備。CCD攝像機、照相機就是通過透鏡把外界的景像投射到二維MOS電容器面陣上，產生MOS電容器面陣的光電轉換和記憶。【圖示】CCD圖像傳感器的分類2．CCD圖像傳感器的基本參數（1）光譜靈敏度；（2）動態范圍；（3）非均勻性；（4）非線性度；（5）分辨率四、色彩信息的獲取【圖示】3CCD彩色成像原理圖；單CCD彩色成像原理圖CCD芯片按比例將一定數目的光子轉換為一定數目的電子，但光線的顏色，卻沒有被轉換為任何形式的電信號，無法區分顏色，獲取的是灰度圖像。為獲取彩色圖像：方法1：采用分光棱鏡和3個CCD器件。棱鏡將光線中的紅、綠、藍三個基本色分開，使其分別投射在一個CCD上，每個CCD只對一種基本色分量感光。方法2：采用單一CCD器件，將馬賽克濾光片（也稱拜爾濾鏡）加裝在CCD上。每四個像素形成一個單元，一個過濾紅色、一個過濾藍色，兩個過濾綠色。每個像素都接收到感光信號，合成為一個像素點色彩信息。圖示講演法概念推演法圖示講演法動畫展演法總結歸納法圖示展演法概念推演法圖例演示法概念推演法案例分析五、CCD圖像傳感器應用案例1、平面掃描儀【圖示】掃描儀工作原理及結構；安裝在掃描儀內部的可移動光源在步進電機帶動下開始掃描原稿，線陣CCD接收到這些信號后，將這些信號傳送到模數（A/D）轉換器，模數轉換器再將其轉換成計算機能讀取的信號，然后通過驅動程序轉換成顯示器上能看到的正確圖像?！緞赢嫛繏呙鑳x工作過程動畫2、數碼攝像機【圖示】數碼攝像機工作原理外界景物通過鏡頭照射到CCD彩色圖像傳感器上，CCD彩色圖像傳感器在掃描電路的控制下，可將變化的外界景物以25幀／s的速度轉換為串行模擬脈沖信號輸出。該串行模擬脈沖信號經A/D轉換器轉換為數字信號，由專門的芯片進行處理和過濾后得到的信息還原出來動態畫面。應用案例法圖示講演法動畫展演法圖示講演法作業教材認知訓練7－8、7－9練習鞏固法本課教育評注（課堂設計理念，實際教學效果及改進設想）《單元5機器人傳感技術》教案課題單元5機器人傳感技術教學目的1、熟悉機器人的構成及信息獲取2、了解機器人傳感器的分類教學重點機器人力覺、接近覺、觸覺傳感器的特點與應用教學難點機器人視覺傳感器、聽覺傳感器教學資源多媒體教學課件教學手段多媒體課堂教學教學過程及教學內容教學方法引入單元5機器人傳感技術機器人是由計算機控制的復雜機器，它具有類似人的肢體及感官功能；動作程序靈活；有一定程度的智能；它既可以接受人類指揮，又可以運行預先編制的程序。它的任務是協助或取代人類工作的工作，例如危險或高勞動強度的工作，或惡劣環境下作業等?！緢D示】火星探測器實物圖；水下章魚機器人實物圖提綱挈領法圖示展演法概念分析一、機器人的構成與信息獲取大致可以分為兩類：一類是內部信息傳感器，用于檢測機器人各部分的內部狀況，如各關節的位置、速度、加速度等，并將所測得的信息作為反饋信號送至控制器，形成閉環控制。一類是外部信息傳感器，用于獲取有關機器人的作業對象及外界環境等方面的信息，以使機器人的動作能適應外界情況的變化，使之達到更高層次的自動化，甚至使機器人具有某種“感覺”。外部信息傳感器和人的感覺對應，故亦稱感覺傳感器。機器人傳感器主要有視覺、聽覺、觸覺和近接覺等?！玖斜怼繖C器人傳感器分類表【圖示】機器人傳感器及分布；機器人足球賽實物圖；工業機器人工作現場圖【動畫】玩具機器人；搬運機器人二、機器人傳感器1．機器人視覺【圖示】視覺傳感器典型結構圖；機器視覺示意圖；視覺傳感器實物圖機器人視覺主要利用圖像信號輸入設備，將視覺信息轉換成電信號。常用的圖像信號輸入設備有攝像管和固態圖像傳感器。攝像管分為光導攝像管（如電視攝像裝置的攝像頭）和非光導攝像管兩種，前者是存儲型，后是是非存儲型的。2．聽覺傳感器【圖示】聽覺傳感器及語音識別系統；歌唱、舞蹈機器人實物圖具有語音識別功能的傳感器稱為聽覺傳感器。機器人聽覺傳感器的敏感單元，即聲傳感器（麥克風），多為利用壓電效應、磁電效應或駐極體電容式等原理制成。3．觸覺及觸覺傳感器（1）接觸覺傳感器【圖示】針式變壓器矩陣接觸覺傳感器；開關式接觸覺傳感器原理示意圖接觸傳感器有機械式（例如微動開關）、針式差動變壓器、含碳海綿及導電橡膠等幾種。當接觸力作用時，這些傳感器以通斷方式輸出高低電平，實現傳感器對被接觸物體的感知。（2）壓覺傳感器【圖示】高密度分布式壓覺傳感器原理示意圖壓覺中最重要的是分布壓覺。通過高密度配置這種傳感器，可以獲得同物體接觸處各部分的壓力，將該壓力變換成相應處的電壓信號，可以獲取關于物體形狀的信息。如果追蹤這種信息隨時間的變化，還可獲得關于運動和振動的信息。利用壓覺傳感器可構成人造皮膚。（3）滑動覺【圖示】滾軸式滑覺傳感器原理示意圖；球式滑覺傳感器原理示意圖；電磁式滑覺傳感器原理示意圖；滾動式滑覺傳感器原理示意圖；具有接觸覺、滑動覺及力覺的機械手實物圖滑動