農業(yè)傳感器（公選課）教學大綱

農業(yè)傳感器（AgriculturalSensors）課程基本信息課程編號：課程總學時：24實驗學時：0學時課程性質：選修課程學分:1.5開設學期：第3學期適用專業(yè)：全校各專業(yè)一、課程的教學理念、性質、目標和任務本課程是面向全校學生開設的公共選修課，將為智慧農業(yè)、智慧畜牧、人工智能、計算機科學與技術、農業(yè)生產類及農業(yè)信息化等本科專業(yè)提供農業(yè)信息感知原理及技術應用的基礎知識，為上述專業(yè)的提升奠定堅實的基礎。本課程包括：農業(yè)傳感器性能評價、典型農業(yè)傳感器，特別是光電傳感器的原理、結構及測定技術、農業(yè)傳感器數據處理方法、農業(yè)傳感器抗干擾技術等。通過學習本課程，學生將掌握農業(yè)傳感器及測試技術國內處發(fā)展情況，能夠針對智慧農業(yè)、智慧畜牧、農業(yè)信息化等特定需求選擇相關的傳感器、并對農業(yè)傳感器的數據處理、信號傳輸方式、及傳感器的標準接口進行了解與應用，能夠在各自專業(yè)內進行關于傳感器相關理論的交流。二、教學內容及進度安排教學內容課時知識點第一章：緒論第一節(jié)：一般概述系統講解農業(yè)傳感器分類及特點，包括農業(yè)傳感器在農業(yè)農村現代化中的重要性、基本架構和應用特點等。重點闡述推動農業(yè)傳感器發(fā)展的主要技術，如：MEMS技術、微處理器技術、A/D、DSP、ASIC、FPGA／CPLD等新器件和新技術的發(fā)展。2（1）了解農業(yè)農村現代化中農業(yè)傳感器的重要性；（2）了解農業(yè)傳感器結構特點；（3）了解世界農業(yè)傳感器的發(fā)展情況和發(fā)展方向。重點：對傳感器在農業(yè)領域應用現狀的了解，特別是隨著新的信息技術和材料科學的發(fā)展，理解傳感器的發(fā)展方向。難點：對集成電路新技術對傳感器的作用的理解。第一章：緒論第二節(jié)：農業(yè)傳感器系統講述農業(yè)傳感器的作用和地位、傳感器現狀和國內外發(fā)展趨勢、傳感器測試系統的組成原理及構成現代信息技術的三大支柱：傳感器技術（信息采集）、通信技術（信息傳輸）、計算機技術（信息處理）。舉例介紹傳感器應于工業(yè)、農業(yè)、商業(yè)、交通、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷、軍事科研、航空航天、現代辦公設備、智能樓宇和家用電器等領域。2（1）要求學生掌握農業(yè)傳感器的概念、設計、選擇和應用原則、相關術語及傳感器的分類等；（2）理解農業(yè)傳感器構成理論，掌握傳感器的傳感機理；（3）緊密與結合實際并綜合應用，能應用傳感器理論分析解決實際應用中的問題。重點：傳感器的定義和分類。難點：對傳感器應用于解決農業(yè)工程問題的深入理解。第二章：傳感器特性第一節(jié)：靜態(tài)特性介紹傳感器輸入輸出特性及其描述；當輸入量（X）為靜態(tài)（常量）或變化緩慢的信號時（如環(huán)境溫度、壓力），討論傳感器的靜態(tài)特性，輸入輸出關系稱靜態(tài)特性；靜態(tài)特性包括：線性度、遲滯、重復性、靈敏度、穩(wěn)定性。2（1）正確理解傳感器的靜態(tài)特性，包括：線性度、遲滯、重復性、靈敏度、穩(wěn)定性；（2）正確使用最小二乘法求解線性度，求解傳感器在正、反行程期間輸入、輸出曲線不重合時產生的遲滯；（3）正確求解傳感器的分辨率、閾值和門檻靈敏度。重點：傳感器的靜態(tài)特性，包括：線性度、遲滯、重復性、靈敏度、穩(wěn)定性。難點：對靜態(tài)特性：線性度、遲滯、重復性、靈敏度、穩(wěn)定性的計算與分析。第二章：傳感器特性第二節(jié)：動態(tài)特性（1）傳感器的動態(tài)特性定義，是指傳感器輸出對時間變化的輸入量的響應特性；（2）傳感器輸出對時間變化的輸入量的響應的動態(tài)特性；（3）討論傳感器動態(tài)特性指標的描述。2理解慣性存在，輸出不能立刻達到穩(wěn)定時，時間常數τ反映一階傳感器二階系統的動態(tài)響應（振動系統）的重要參數；分析當ξ<1(或ξ<0.707),且ωn>>ω時動態(tài)響應特性。重點：傳感器的動態(tài)特性定義，主要的動態(tài)特性指標的描述。難點：對動態(tài)特性指標的求解與分析。第三章：典型傳感器第一節(jié)：其他常見傳感器（1）應力應變式傳感器（2）電感式傳感器（3）電容式傳感器（4）壓電式傳感器（5）溫度傳感器4（1）掌握幾種典型的常見傳感器原理、結構；（2）學會常見傳感器的測量電路設計方法。重點：常見傳感器的概念理解，集中典型常見傳感器電路測量。難點：常見傳感器原理理解和測量電路。第三章：典型傳感器第二節(jié)：光電傳感器（1）光電效應；（2）光電器件：光電管、光電倍增管、光敏電阻、光電晶體管、光電池、其他光電器件；（3）CCD電荷耦合器件；（4）光纖傳感器；（5）光柵式傳感器。4（1）掌握霍爾效應原理和霍爾傳感器測量轉速的工作方式；（2）理解光電效應；（3）了解典型的光電器件；（4）學會使用光電傳感器解決典型農業(yè)工程中的問題。重點：霍爾效應和光電效應的理解及他們的測量電路。難點：光電倍增管和結構、應用和測量電路設計。第四章：信號采集與處理第一節(jié)：傳感器信號采集方式及結構（1）數據采集系統的組成結構；（2）模擬信號調理；（3）數據采集系統設計；（4）前置放大器。2（1）掌握數據采集系統中的組成與結構；（2）典型數據采集系統的放大器電路設計。重點：傳感器采集系統的前置放大電路的理解。難點：運算放大器電路的設計。第四章：信號采集與處理第二節(jié)：數值濾波算法（1）克服隨機誤差的數字濾波算法；（2）復合濾波法；（3）儀器零位誤差和增益誤差的校正方法；（4）系統非線性校正。2（1）隨機誤差和系統誤差的處理算法；（2）幾種典型數字濾波算法；（3）系統誤差的校正算法。重點：隨機誤差的處理方法及消除隨機誤差的算法理解。難點：中值濾波算法及系統誤差校正方法。第五章：抗干擾技術（1）干擾與噪聲及其分類；（2）噪聲形成干擾作用的三要素與耦合方式；（3）抑制電磁干擾的主要技術及應用。2（1）掌握干擾與噪聲及耦合方式；（2）抑制電磁干擾的方法和措施。重點：隨機誤差的處理方法及消除隨機誤差的算法理解。難點：中值濾波算法及系統誤差校正方法。第六章：農業(yè)傳感器應用（1）傳感器系統的設計原則及研制步驟；（2）傳感器系統設計的基本要求；（3）應用舉例2（1）傳感器系統設計原則和智能儀器的研制步驟；（2）理解網絡接口技術的應用和儀器智能化水平的體現。重點：傳感器系統的構建方法。難點：傳感器的選擇與優(yōu)化。四、課程思政序號課程思政素材對應章節(jié)教學方法1結合實際，介紹我國農業(yè)傳感器研究開始及應用現狀，激發(fā)學生們對科研強國的責任。第一章：緒論第一節(jié)：一般概述采用課堂分享我們農業(yè)傳感器的現狀，引導學生樹立不畏困難、勇于探索的科學意識和科學家精神。2農業(yè)傳感器是實現我國農業(yè)農村現代化的關鍵。第一章：緒論第二節(jié)：農業(yè)傳感器黨的十二大報告“加快實現高水平科技自立自強”解讀，引導學生了解國家的重大戰(zhàn)略。3高性能傳感器是我國十四五科技發(fā)展的主題方向。第二章：傳感器特性第一節(jié)：靜態(tài)特性通過介紹我國科技部對農業(yè)傳感器的布局，培養(yǎng)學生為國家重大戰(zhàn)略需求貢獻的精神。4介紹我國航空航天和微精細加工中高精度力的傳感和檢測，高性能的力的傳感器展示國家科技綜合實力。第三章：典型傳感器第一節(jié)：其他常見傳感器（1）應力應變式傳感器通過介紹我國航空航天和微精細加工中高精度力的傳感器，培養(yǎng)學生努力學習傳感器的知識動力。5土壤水分傳感器在精準農業(yè)中的重要性和緊迫性。第三章：典型傳感器第一節(jié)：其他常見傳感器（2）電容式傳感器以實際的例子，告訴學生們，我們有能力為農業(yè)傳感器作出貢獻。6壓電效應材料研究對應用現狀展望，以超聲探測為例。第三章：典型傳感器第一節(jié)：其他常見傳感器（4）壓電式傳感器通過介紹我國海洋探測中的聲納傳感器的例子，激發(fā)學生們努力學習動力。7介紹出生在我省的諾貝爾獎獲得者及獲獎的科研，激發(fā)同學生探索知識的興趣第三章：典型傳感器第二節(jié)：光電傳感器以河南寶峰諾貝爾獎獲得者崔奇的故事，激發(fā)同學生探索知識的興趣。五、教材及參考資料1.選用教材：（1）理論課教材：《傳感器原理及應用》，王化祥，崔自強編著，天津大學出版社，2021年，第五版，97875618698572.參考書：（1）《傳感器技術及應用》，付華，電子工業(yè)出版社，2017年（2）《傳感器與檢測技術》，葉湘濱、邱曉天、胡佳飛，機械工業(yè)出版社，2022年（3）《INSTRUMENTATIONFORENGINEERINGMEASUREMENTS》（SecondEdition）,JAMESW,DALLYJOHNWILEY&SONS,INC.，2011（4）《現代傳感器技術——面向物聯網應用》（第2版），劉少強，電子工業(yè)出版社，2016年（5）《傳感器原理及工程應用》（第4版），郁有文，常建，電子科技大學出版社，2015年（6）《傳感器原理與實驗教程》，何光宏編著，機械工業(yè)出版社，2014年3.推薦網站（線上資源）：（1）中國大學MOOC，/course/WHU-1001549001?from=searchPage&outVendor=zw_mooc_pcssjg_（2）中國大學MOOC，/course/UESTC-1449238161?from=searchPage&outVendor=zw_mooc_pcssjg_六、教學條件本課程教學條件優(yōu)越，在師資方面，課程團隊成員梯隊合理，課程團隊負責人教學經驗豐富，常年工作在科研一線，跟蹤學科發(fā)展，為教學積累了豐富的新知識；課程團隊成員包括拔尖人才為課程設計指導提供寶貴經驗，且有海外留學背景的新進年輕老師為課程團隊提供新鮮血液。教室在數量和功能上滿足教學需要。七、課程考核、考核方式及成績評定課程考核由平時成績與期末成績相結合的方式進行。1、平時