1 检测与控制 课程教学大纲 一、课程名称（中英文） 中文名称：检测与控制 英文名称： Measurement and Control Engineering 二、课程代码及性质 课程代码 : 0801193 课程性质 : 专业选修课 , 限定选修课 三、学时与学分 总学时： 24（理论学时： 24 学时；实践学时： 0 学时） 学分： 1.5 四、先修课程 材料科学基础、材料物理、电子技术 五、授课对象 本课程面向材料科学与工程专业、功能材料专业学生开设 六、课程教学目的（对学生知识、能力、素质培养的贡献和作用） 本课程的教学目的 : 1. 系统掌握传感与控制的专业知识，具备应用这些知识，设计和搭建材料学与 功能材料专业中常见的传感与控制系统的能力； 2. 掌握温度、压力、气体、光电、位移等传感原理，具备各类型传感器应用中 信号调理与获取的能力； 3. 理解控制系统的性能要求，掌握典型PID 控制器的原理，具备数字PID 控制 器的设计和使用能力； 4. 了解常用的各种执行器原理，并能灵活设计执行器外围电路； 5. 了解检测与控制技术的发展前沿，掌握其发展特点与动向。 表 1 课程目标对毕业要求的支撑关系 毕业要求及其指标点 本课程目 标对毕业 要求的支 撑关系 毕业要求指标点 毕业要求 1： 工程知 识 能够将数学、自然 科学、工程基础和 专业知识用于解决 复杂工程问题。 1.1 掌握了用于解决材料科学与工程复杂问题 的数学基础知识。 1.2 掌握了用于解决材料科学与工程复杂问题 的物理、化学等自然科学基础知识。 1.3 掌握了用于解决材料科学与工程复杂问题 的工程力学基础知识。 2 毕业要求及其指标点 本课程目 标对毕业 要求的支 撑关系 毕业要求指标点 1.4 掌握了用于解决材料科学与工程复杂问题 的工程检测与控制基础知识。 课程目标 1、课程目 标 2、课程 目标 3、课 程目标 4 1.5 系统掌握了专业知识，能够将所学知识用 于解决材料科学与工程复杂问题。 毕业要求 2： 问题分 析 能够应用数学、自 然科学和工程科学 的基本原理，识别、 表达、并通过文献 研究分析复杂工程 问题，以获得有效 结论。 2.1 能够应用工程数学基本原理， 识别、表达、 并通过文献研究分析复杂工程问题，以获得有 效结论。如：复杂的模具失效分析。 2.2 能够应用物理、化学基本原理，识别、表 达、并通过文献研究分析复杂工程问题，获得 有效结论。如：物理综合实验。 2.3 能够应用力学基本原理，识别、表达、并 通过文献研究分析复杂工程问题，获得有效结 论。如：工程力学综合实验。 2.4 能够应用工程科学基本原理， 识别、表达、 并通过文献研究分析复杂工程问题，获得有效 结论。 毕业要求 3：设计 / 开发解决方案 能够设计针对复杂 工程问题的解决方 案，设计满足特定 需求的系统、单元 （部件）或工艺流 程，并能够在设计 环节中体现创新意 识，考虑法律、健 康、安全、文化、 社会以及环境等因 素。 3.1 了解机械工程、材料科学与工程问题特征， 掌握解决复杂工程问题的设计方法。 3.2 在考虑法律、健康、安全、文化、社会以 及环境等制约因素的前提下， 能够设计（开发） 针对复杂材料科学与工程问题的解决方案，具 备设计（开发） 满足特定材料科学与工程需求 的系统、单元（部件）或工艺流程的能力。 课程目标 5 3.3 在设计（开发）过程中，具有追求材料科 学与工程复杂问题创新解决的态度和意识，掌 握了基本的创新方法，清楚创新方向及领域。 毕业要求 4：研究 能够基于科学原理 并采用科学方法对 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 4.1 掌握材料科学原理及特点，能够采用科学 方法，具备合理设计材料科学与工程复杂实 验、开展科学研究的能力。 4.2 掌握材料科学与工程原理及主要工艺，能 够采用科学方法， 正确构建并实施材料科学与 工程综合实验，得出正确结果的能力。 4.3 能正确使用和处理实验数据，通过信息综 合处理，具备对复杂的材料科学与工程实验结 3 毕业要求及其指标点 本课程目 标对毕业 要求的支 撑关系 毕业要求指标点 结论。果进行正确分析能力。 4.4 了解常见的材料科学与工程常用设备、实 验仪器及实验方法，具备调控设备及仪器参 数，进行测控和维护的能力。 课 程 目 标 2、课程目 标 3、课程 目标 4 毕业要求 5： 使用现 代工具 能够针对复杂工程 问题，开发、选择 与 使 用 恰 当 的 技 术、资源、现代工 程工具和信息技术 工具，包括对复杂 工程问题的预测与 模拟，并能够理解 其局限性。 5.1 掌握文献检索、资料查询、现代网络搜索 工具的使用方法。 5.2 了解材料科学与工程专业重要资料来源及 获取方法。 5.3 具备应用各类文献、信息及资料进行复杂 材料科学与工程实践的能力。 5.4 掌握复杂材料科学与工程问题的预测与模 拟方法，理解其局限性。 毕业要求 6： 工程与 社会 能够基于工程相关 背景知识进行合理 分析，评价专业工 程实践和复杂工程 问题解决方案对社 会、健康、安全、 法律以及文化的影 响，并理解应承担 的责任。 6.1 了解与工程相关的国家方针、政策与法律 法规，能够评价工程实践对社会、 健康、安全、 法律以及文化的影响。 6.2 了解材料科学与工程专业特点及其对社 会、健康、安全、法律以及文化的影响，能够 正确评价复杂材料科学与工程问题解决方案 的优劣。 6.3 能正确认识材料科学与工程各种复杂工艺 对于客观世界和社会的影响， 理解并能够承担 的相应工程和社会责任。 毕业要求 7： 环境和 可持续发展 能够理解和评价针 对复杂工程问题的 工程实践对环境、 社会可持续发展的 影响。 7.1 了解材料科学与工程的专业特征、学科前 沿和发展趋势， 正确认识本专业对于社会发展 的重要性。 课程目标 1 7.2 能正确理解和评价材料科学与工程复杂问 题实施对环境保护及社会可持续发展等的影 响。 7.3 在解决复杂的材料科学与工程的实际问题 中，能够正确理解并考虑工程实践对环境、社 会可持续发展的影响。 毕业要求 8： 职业规 范 具有人文社会科学 8.1 具有人文社会科学素养，理解世界观、人 生观的基本意义及其影响。 8.2 了解中国国情，理解中国可持续科学发展 4 毕业要求及其指标点 本课程目 标对毕业 要求的支 撑关系 毕业要求指标点 素养、社会责任感， 能够在工程实践中 理解并遵守工程职 业道德和规范，履 行责任。 道路以及个人的做人规范， 具有较高的社会责 任感。 8.3 在工程实践中，理解工程师的职业性质、 职业责任 ,具备工程师的职业道德 8.4 具有健康的体质和良好的心理素质，能较 好地履行责任。 毕业要求 9 ：个人 和团队 能够在多学科背景 下的团队中承担个 体、团队成员以及 负责人的角色。 9.1 具备较宽广的本学科基础知识和较高的个 人素质，能够在多学科背景下，承担个人及团 队成员的作用。 9.2 具备良好的团队协作精神，善于和团队其 它成员协作、互补、交往。 课程目标 5 9.3 能够承担团队负责人角色，具备综合团队 成员意见和建议，进行合理决策之领导能力。 毕业要求 10：沟通 能够就复杂工程问 题与业界同行及社 会公众进行有效沟 通和交流，包括撰 写 报 告 和 设 计 文 稿、陈述发言、清 晰 表 达 或 回 应 指 令。并具备一定的 国际视野，能够在 跨文化背景下进行 沟通和交流。 10.1 较好地掌握了一门外语， 了解不同文化的 差异，具有一定的跨文化交流能力。 10.2 了解本专业领域及其相关行业的国内外 的技术现状， 具有较强的业务沟通能力与竞争 能力。 10.3 能够应用现代工具撰写报告、设计文稿、 陈述发言、清晰表达或回应指令，就复杂的专 业工程问题进行有效沟通和交流。 毕业要求 11：项目 管理 理解并掌握工程管 理原理与经济决策 方法，并能在多学 科环境中应用。 11.1 了解材料科学工程管理和经济决策的基 本知识，理解并掌握工程管理原理与经济决策 方法。 11.2 具备应用工程管理和经济决策知识实践 的工作能力，具有一定的组织、管理及领导能 力，能够较好地通过口头或书面方式表达自己 的想法。 11.3 具有较强的综合归纳能力， 能在多学科环 境中加于应用。 毕业要求 12：终身 学习 具有自主学习和终 身学习的意识，有 不断学习和适应发 展的能力。 12.1 对终身学习的重要性， 有自觉的意识和正 确的认识。 12.2 能够采用合适的方法，自我学习、提高 的能力。 12.3 能够适应社会进步与发展，与时代同步。 5 七、教学重点与难点： 教学重点 ： 温度、压力、气体、光电、位移等传感原理。 教学难点 ： 各种传感器的信号调理、数据获取、PID 控制、执行器及外围电路等知识综 合应用。 八、教学方法与手段： 教学方法 ： (1) 以课堂讲授为主 , 阐述该课程的基本内容 , 保证主要教学内容的完成 ; (2) 安排适量的课堂讨论环节, 使学生通过课下的资料查阅而掌握基本的专业资 料获取方法、途径、整理归纳和讲演能力。 教学手段 ： (1) 运用现代教学工具 , 在课堂上通过 PPT讲授方式 , 实现图文并茂 , 形象直观 ; (2) 收集典型传感器、控制器、执行器实物, 在课堂上进行针对性讲授。 九、教学内容与学时安排 （1）总体安排 教学内容与学时的总体安排，如表2 所示。 表 2 基本教学内容与学时安排 序号课程内容 课堂（学习、讨 论）学时 课外（准备、复试、 实践）学时 1 检测与控制绪论 2 2 2 检测系统与性能 2 2 3 传感原理12 12 4 信号处理与数据分析2 2 5 自动控制基本理论2 2 6 变送器、控制器与执行器 4 4 （2）具体内容 各章节的具体内容如下： 第一章 检测与控制绪论 (2 学时) 1.1检测与控制的应用及意义 1.2检测系统与性能评价 1.3信息转换过程与传感原理 1.4信号处理与数据分析 1.5控制系统、描述与性能 1.6变送器、控制器与执行器 第二章 检测系统与性能 (2 学时) 2.1 检测对象 2.2 检测原理 2.3 检测系统 6 2.4 测量过程 2.5 检测性能 第三章 传感原理 (12 学时) 3.1 温度传感器 3.2 压力传感器 3.3 气敏传感器 3.4 光电、光纤传感器 3.5 位移、速度、加速度传感器 3.6 其它新型传感器 3.6.1 热释电红外 3.6.2 色敏 3.6.3 磁敏 3.7 传感电路 第四章 信号处理与数据分析 (2 学时) 4.1 插值、拟合 4.2 降噪、平滑 4.3 提取特征 4.4 特征优化 4.5 模式识别 第五章 自动控制基本理论 (2 学时) 5.1 自动控制系统分类 5.2 控制系统组成与描述方法 5.3 自动控制系统性能指标 5.4 控制规律与参数设计 第六章 变送器、控制器与执行器 (4 学时) 6.1 单片机在检测与控制中的应用 6.2 常见的传感器与变送器 6.3 常见的执行器 6.4 相关电路 （3）各章节的课后思考题（作业）及讨论要求 思考题（课后作业）： 第 1 章思考题： 1. 上网查找三种商用的检测与控制设备，查阅其性能指标，包含有哪些参数， 如何定义，各自的意义？ 2. 在检测过程中，什么是最关键与最核心的部分，为什么？ 3. 控制系统的基本组成？ 第 2 章思考题： 1检测的一般过程包含基本步骤？ 7 2. 水果新鲜度检测可以以哪些参数作为检测对象? 3. 火灾检测可以以哪些参数作为检测对象? 4. 评定检测系统品质有哪个几个主要质量指标？ 第 3 章思考题： 1. 温度传感原理有哪几种，各自有何优缺点？ 2. 简述压电效应的原理？ 3. 简述金属氧化物气敏传感器的原理？ 4. 简述光电效应的原理？ 5. 简述光栅位移传感器的