《机器人传感与检测》课程教学大纲

课程代码：0339A008

课程名称：机器人传感与检测/ Robotics Sensor and Measurement

开课学期：5

学分/学时：4/64 （理论学时：42，实验学时：12，研讨：4，习题：6）

课程类別：必修课/专业核心课

适用专业 / 开课对象：机器人工程专业/三年级本科生

先修课程 / 后修课程： 电路与电子技术1、2、3；机器人概论；自动控制原理/ 机器人控制技术；工程实习；毕业设计

开课单位 ：自动化与电气工程学院

一、课程简介（包含课程性质、目的和任务）

    本课程是机器人工程专业的专业核心课程，通过该课程学习，使学生掌握机器人传感与检测系统的基础知识；传感器的定义与分类、基本组成；机器人常用的各类传感器的工作原理、体系结构、各种典型传感器接口电路和数据信号的处理；以及机器人传感器的配置和工程设计应用等知识。通过本课程的学习，使学生掌握机器人传感与检测系统的设计和分析方法，能够根据工程需要选用合适的传感器，并能对系统的性能和测得的数据进行分析处理，具有机器人传感与检测系统的研究和开发的能力，为将来机器人传感与检测系统的研究、开发及在实际工程应用中合理选择和善于应用各种传感器与测试感知技术，打下良好的基础，学生通过本课程学习能更好地达成本专业的毕业要求。

    本课程主要介绍机器人传感系统组成；传感器的静动特性；各类传感器的原理及检测系统，以及传感器的接口电路，传感器在机器人系统中的应用。

    本课程重点支持以下毕业要求指标点：

3.1 能够设计针对机器人工程领域复杂工程问题的解决方案。

3.2 能够设计满足特定需求的系统、单元或工艺流程。

4 能够基于科学原理并采用科学方法对机器人工程领域复杂工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结论。

6 能够基于工程相关背景知识进行合理分析，评价专业工程实践和机器人工程领域复杂工程解决方案对社会、健康、安全、法律及文化的影响，并理解应承担的责任。

1.课程教学目标

课程目标1. 能系统掌握传感器基本原理和检测技术的一般方法，并能分析和综合典型的机器人传感器，熟悉机器人传感系统的工程设计技术和传感器类型和规格的配置方法及基本感知参数。

    课程目标2.针对机器人工程领域复杂工程问题，能掌握机器人的各类传感器的原理、使用方法和应用条件，掌握常用传感器的接口电路及误差处理方法。

    课程目标3.能够基于科学原理并采用科学方法对机器人传感与检测工程领域中复杂工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结论；  

    课程目标4.能够对工程实践中的机器人检测系统的解决方案受成本、能耗、环保、安全等多种社会因素的制约进行合理分析，并能用于评估方案的合理性。通过课程包含的系统观和方法论的学习，培育良好的职业操守和工匠精神，树立为人民创造美好生活的社会责任感，培养团队合作精神。

2.课程目标与毕业要求的关系

     本课程的学习目标与毕业要求关系矩阵如下表1所示，课程目标能有效支持相应毕业要求指标点的达成。                

表1 课程目标与毕业要求关联矩阵

二、教学内容与基本要求

（一）传感器的一般特性（4学时）

1.教学内容：传感器的概念、用途、基本结构；了解自动检测系统组成；了解传感器的历史、发展趋势及本课程相关参考资料。传感器静特性、动特性的概念，线性度、迟滞、灵敏度、分辨力、重复性、零漂、温漂等静态指标的概念及表示方法；动态特性的研究方法和数据处理方法。机器人传感器的分类、对机器人传感器的一般要求。

2.教学重点与难点：传感器静态特性和动态特性

3.教学方法：问题学习、小组讨论、讲授（BOPPPS法）

4.学习要求：能够按照科学原理了解相关机器人传感系统的基本组成，以及机器人传感系统对感知的外部内部参数的的基本数据处理方法，对其适用条件和局限性进行描述。

（二）电阻式传感器（6学时）

1.教学内容：应变片工作原理、转换电路的形式及计算，温度误差与补偿。应变片的主要特性，应变片应用举例，了解应变片类型，粘贴工艺。压阻式传感器原理、转换电路的形式及计算。应变片和压阻式电阻式传感器在机器人工程中的应用

2.教学重点与难点：应变片和压阻式电阻式传感器原理及其应用

3.教学方法：问题学习、小组讨论、讲授（BOPPPS法）

4.学习要求：能够分析应变片和压阻式电阻式传感器在机器人工程中的应用，设计机器人传感器的相关测试电路。能够基于机器实际人对工程实践中的电阻传感器检测系统的解决方案进行合理分析，并能用于评估方案的合理性。

（三）电容式传感器（5学时）

1.教学内容：电容式传感器工作原理和结构类型，电容式传感器的特点，寄生电容的消除。分析静态特性，进行电容转换电路的设计，分析电容式传感器在机器人中的应用。学习容栅式传感器工作原理及其应用

2.教学重点与难点：电容式传感器原理及其应用

3.教学方法：问题学习、小组讨论、讲授（BOPPPS法）

4.学习要求：能够分析电容式传感器在机器人工程中的应用，设计相关测试电路，并进行误差分析和处理。能够基于机器实际人对工程实践中的电容传感器检测系统的解决方案进行合理分析，并能用于评估方案的合理性。

（四）电感式传感器（6学时）

1.教学内容：自感式传感器工作原理、设计原则，差动变压器式传感器工作原理，主要误差及补偿方法，电涡流式传感器工作原理。自感式传感器特性分析、等效电路、转换电路，电涡流的形成范围。差动变压器式传感器的转换电路，电涡流式传感器转换电路。

2.教学重点与难点：自感式电感传感器原理及其应用，

3.教学方法：问题学习、小组讨论、讲授（BOPPPS法）

4.学习要求：能够分析电感式传感器在机器人工程中的应用，设计相关接口电路，并进行误差和特性分析和处理。能够基于机器实际人对工程实践中的电感传感器检测系统的解决方案进行合理分析，并能用于评估方案的合理性。

（五）压电式传感器（5学时）

1.教学内容：压电效应及其物理解释，压电元件常用结构形式，测量电路。压电材料及主要特性。压电传感器在机器人中的应用举例。

2.教学重点与难点：压电传感器的原理及其等效电路，以及接口电路

3.教学方法：问题学习、小组讨论、讲授（BOPPPS法）

4.学习要求：能够分析压电式传感器在机器人工程中的应用，设计相关接口电路，能够基于机器实际人对工程实践中的压电传感器检测系统的解决方案进行合理分析，并能用于评估方案的合理性。

（六）热电式传感器（5学时）

1.教学内容：热电偶工作原理，冷端补偿方法。热电偶传感器、热电阻传感器和热敏电阻传感器的原理。热电偶传感器、热电阻传感器和热敏电阻传感器在机器人中的应用。

2.教学重点与难点：热电偶传感器、热电阻传感器和热敏电阻传感器的原理及其接口电路

3.教学方法：问题学习、小组讨论、讲授（BOPPPS法）

4.学习要求：能够分析热电式传感器在机器人工程中的应用，设计相关接口电路，并进行误差和特性分析和处理。

（七）光电式传感器（6学时）

1.教学内容：码盘式传感器的工作原理以及码盘的构成原理；光栅传感器及莫尔条纹的形成机理；振弦式传感器的构成原理、特点及激励方法；光纤的基本原理、光纤传感器的基本结构及原理。码盘式传感器、光栅传感器、振弦式传感器和光纤传感器在机器人中的应用。

   2.教学重点与难点：码盘式传感器、光栅传感器、振弦式传感器和光纤传感器的原理及其应用

3.教学方法：问题学习、小组讨论、讲授（BOPPPS法）

4.学习要求：能够分析光电式传感器在机器人工程中的应用，设计相关接口电路，能够基于机器实际人对工程实践中的码盘式传感器、光栅传感器、振弦式传感器和光纤传感器检测系统的解决方案进行合理分析，并能用于评估方案的合理性。

（八）磁敏传感器（2学时）

1.教学内容：霍尔式传感器工作原理、基本测量电路和输出电路。霍尔元件基本特性、误差及其补偿。霍尔元件材料及霍尔式传感器的应用。磁敏二极管和磁敏三极管的工作原理及主要特性。

2.教学重点与难点：霍尔式传感器和磁敏传感器的原理及其应用

3.教学方法：问题学习、小组讨论、讲授（BOPPPS法）

4.学习要求：能够分析霍尔式传感器和磁敏传感器在机器人工程中的应用，设计相关接口电路，并进行误差和特性分析和处理。

（九）化学与生物传感器（4学时）

1.教学内容：气体传感器、湿敏传感器和生物传感器的基本原理，基本结构及常用类型。

2.教学重点与难点：气体传感器、湿敏传感器和生物传感器的原理及其应用

3.教学方法：问题学习、小组讨论、讲授（BOPPPS法）

4.学习要求：能够分析气体传感器、湿敏传感器和生物传感器在机器人工程中的应用，设计相关接口电路，并进行误差和特性分析和处理。

（十）视觉传感器（4学时）

1.教学内容：固态视觉传感器和激光雷达的原理，固态视觉传感器的种类及系统结构。

2.教学重点与难点：固态视觉传感器和激光雷达的原理及其应用

3.教学方法：问题学习、小组讨论、讲授（BOPPPS法）

4.学习要求：能够分析固态视觉传感器和激光雷达在机器人工程中的应用，设计相关接口电路，并进行特性分析。能够基于机器实际人对工程实践中的视觉传感器检测系统的解决方案进行合理分析，并能用于评估方案的合理性。

（十一）智能传感技术（5学时）

1.教学内容：智能传感器的基本结构组成，数据处理及软件实现的方法途径；微机电系统的构成和多传感器的架构；网络传感器和多传感器信息融合技术；多传感器融合技术的发展现状及其代表性方法，机器人传感系统的抗干扰性。

2.教学重点与难点：多传感信息融合系统的构成和多传感器融合系统在机器人中的应用

3.教学方法：问题学习、小组讨论、讲授（BOPPPS法）

4.学习要求：能够理解多传感信息融合系统的特性以及融合方法。多传感器融合技术中各类方法的适用条件和局限性。掌握提高机器人传感系统的抗干扰性的基本方法。析固态视觉传感器和激光雷达在机器人工程中的应用，设计相关接口电路，并进行特性分析。

三、课程思政目标、融入点、实施路径与预期成效

通过机器人工程中的传感与检测系统的案例教学，用系统论的理念推动机器人传感与检测理论学习与思政课程的融合，培养学生树立崇德尚用的工程实践理念，理解工程实践与社会、健康、安全、文化以及环境保护和可持续发展之间的相互影响，理解机器人工程与创造人类美好生活之间的关系。课程要求学生在整个教学环节中始终贯彻学以致用的思想，综合运用所学知识，结合机器人工程实际开展理论课程与实践环节的学习；课程的课堂研讨环节和传感器综合实验通过小组合作的组织形式，培养学生团队合作精神。

表3 课程思政目标、融入点及实施路径

四、课内外教学环节教学安排及对应的课程目标

本课程课内外教学环节、学时分配及对应的课程目标见表3-1，课内实践环节教学安排及对应的课程目标见表3-2。

表3-1 课内外教学环节、学时分配及对应的课程目标

表3-2 课内实践环节教学安排及对应的课程目标

课外学习要求

课外学习作为课堂教学的重要补充，在学生学习发展中发挥着不可忽视的作用。对学生学会学习、自主学习能力的培养，在促进学生的主动发展和全面发展尤其重要。

重点支持课程目标1、2、3、4。

1. 必须阅读2-3本指定的教学参考书（参见其后参考资料之书目），并对照教材，分析比较异同之处，并写出读书报告。

2. 本课程在中国大学MOOC平台开设线上课堂，线上资源是课堂教学的一种延伸，可以有效的拓展学生的知识面，极大地提高了知识获取、选择与创新的效率，但决不能仅仅是对课堂教学内容的简单重复，其广度与深度都大大加强。要求学生对于每章的重点、难点去查找资料，并确定何种解释比较可信。重点在于传感器与检测技术在机器人工程中的应用实例，了解多种机器人常用内部和外部传感器的原理；结合自动控制原理，了解检测在机器人控制工程应用上的地位及作用。

3. 每节课都布置一定数量的、典型的习题。对于比较复杂的习题，学生课后先做，然后在课堂中讨论；对于研究型的问题，可以有多种答案。

4. 实验报告每个学生必须独立完成，鼓励学生预习、自己制订实验计划和方案，自己进行实验，自己写实验报告（必须符合格式，但不追求套用单一模板）。

5. 组织项目式教学和学习方式，学生以小组的形式完成相关检测项目的设计，并提交大作业，制作PPT进行课堂研讨。

五、考核内容、方式与课程目标的关联

本课程的考核内容、考核方式与支撑课程目标的关系矩阵详见表4所示。

表4 课程目标与考核内容、考核方式的关联矩阵

计分制：百分制（√）；五级分制（）；两级分制（）

考核方式：考试（√）；考查（）

1、平时成绩占20%，主要包括：主要考查各章知识点的理解程度，学习态度，自主学习能力，利用现代工具获取所需信息和综合整理能力，课堂讨论时的沟通和表达能力。其成绩构成为：出勤、知识点讨论、案例分析讨论等，占总分比例50％，课堂作业和测试，占总分比例50％，

评价标准：

（1）出勤及课堂表现评价标准：出勤、知识点讨论、案例分析讨论、作业讨论等，按5分制评分，总评时折算成百分制。出勤、参与讨论评分标准如下表5-1所示。

表5-1 出勤及课堂表现评分标准（量规表rubrics）

（2）作业评价标准

作业评价标准如表5-2所示。其中每次作业必须在规定时间内上交，迟交作业或作业不满足下列要求，均以零分计。按5分制评分，总评时折算成百分制。

表5-2 作业评分标准（量规表rubrics）

2、实验成绩占总分比例20%。主要考查实验预习及态度、实验操作与规范、分析研究和实验报告撰写。其中实验预习及态度，占实验成绩比例30%；实验操作与规范、分析研究，占实验成绩比例30%；实验报告撰写，占实验成绩比例50%。

实验评价标准如表5-3所示。按5分制评分，总评时折算成百分制。各部分按照下表加权总评后以20%的占比计入课程成绩。

表5-3 实验评分标准（量规表rubrics）

3、期末考试成绩占60%，考试课采用闭卷形式。题型包括填空题、选择题、计算题、分析题、设计题等。

全面考核本课程教学内容，评价教学目标的达成情况。各教学内容的考核比例参考下表5-4中的权重，可以略有波动，具体评分按期终考试的标准答案及评分标准进行，采取百分制评分，最终按照60 %的占比计入课程总评成绩。

  表5-4 期末考试评分标准（量规表rubrics）

备注：考试过程中如若存在作弊行为，考试成绩一律按照0分处理。

六、持续改进

本课程根据学生作业、课堂讨论、考核情况和学生、教学督导等反馈，及时对学生学习成果进行分析总结，形成课程反思与持续改进报告，对不达标的学习目标提出改进意见，以便下一年度更好地帮助学生达到课程学习目标，支撑毕业要求的达成。

七、教材及参考资料

建议教材：

[1] 王化祥，张淑英.传感器原理及应用（第4版）[M].天津：天津大学出版社，2020

[2] 郭彤颖，张辉.机器人传感器及其信息融合技术[M]. 北京：化学工业出版社，2017

[3] 迟明路，机器人传感器原理[M].北京：电子工业出版社，2022

参考资料：

[1] 梁桥康.机器人力触觉感知技术[M].北京：化学工业出版社，2019

[2]胡向东.传感器与检测技术（第3版）[M].北京：机械工业出版社，2020

[3]克拉伦斯·W·德席尔瓦. 传感器系统：基础及应用[M].北京：机械工业出版社，2019

[4] 许芬.现代检测技术及应用 [M].北京：机械工业出版社，2021

[5] 樊尚春. 传感器技术案例教程[M]. 北京：机械工业出版社，2019

[6]Gerard C. M. Meijer. 智能传感器系统：新兴技术及其应用[M]. 北京：机械工业出版社，2018

[7]孙晓华. 基于虚拟仪器的传感器实践[M]. 北京：机械工业出版社，2017