楊繼森，張 靜，江中偉，李宏偉

（重慶理工大學(xué) 重慶市時(shí)柵傳感及先進(jìn)檢測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054）

普通高校應(yīng)屆畢業(yè)生工程實(shí)踐能力缺乏［1－4］已經(jīng)成為一個(gè)共性問題，不僅影響學(xué)生的就業(yè)，而且工程技術(shù)人才的缺乏，將影響國家走新型工業(yè)化發(fā)展道路，也容易引起其他的社會(huì)問題［5－7］。課程設(shè)計(jì)是高等學(xué)校本科教育實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的重要組成部分，是強(qiáng)化學(xué)生工程實(shí)踐能力，進(jìn)一步推進(jìn)教育部“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的重要環(huán)節(jié)［8－9］。課程設(shè)計(jì)可以從多個(gè)方面提高學(xué)生的工程實(shí)踐和綜合應(yīng)用能力［10－11］：一是提高學(xué)生理論應(yīng)用能力，對所學(xué)課程從全局角度進(jìn)行概括、總結(jié)，實(shí)現(xiàn)對課程的歸納、提高和升華，通過實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍；二是提高學(xué)生的工程實(shí)踐動(dòng)手能力，強(qiáng)化實(shí)踐應(yīng)用，訓(xùn)練對理論知識的實(shí)際運(yùn)用，培養(yǎng)工程設(shè)計(jì)理念和解決實(shí)際問題的本領(lǐng)；三是提高學(xué)生綜合素質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生獲取信息、查閱資料的能力，以及嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)、一絲不茍、百折不撓的科學(xué)精神和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。

1 現(xiàn)狀分析

測控技術(shù)與儀器作為重慶理工大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院的一個(gè)品牌學(xué)科，是機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科互相滲透而形成的一門高新技術(shù)密集型綜合學(xué)科，其專業(yè)主干課程包含了“電子技術(shù)”、“測控電路及裝置”、“精密機(jī)械設(shè)計(jì)”、“電子測量技術(shù)”、“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用”、“EDA技術(shù)”、“傳感器技術(shù)”、“計(jì)量技術(shù)”、“精密測量技術(shù)”、“儀器精度設(shè)計(jì)”、“誤差理論與數(shù)據(jù)處理”、“信號與系統(tǒng)”、“智能儀器設(shè)計(jì)”等，這些課程中大部分都開設(shè)了相應(yīng)的課程設(shè)計(jì)。但是根據(jù)學(xué)生參加全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽、“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生系列科技學(xué)術(shù)競賽、創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練的情況以及平時(shí)的交流反饋可以看出，課程設(shè)計(jì)雖然“數(shù)量”達(dá)到了一定的要求，但是還普遍存在以下幾個(gè)比較明顯的問題：

（1）課程設(shè)計(jì)內(nèi)容缺乏工程實(shí)踐性，較多的課程設(shè)計(jì)對象往往都是根據(jù)教學(xué)內(nèi)容虛擬的，學(xué)生缺乏感性認(rèn)識，體會(huì)不深，一提課程設(shè)計(jì)，學(xué)生感覺都是仿真。

（2）課程設(shè)計(jì)內(nèi)容不成體系，沒有延續(xù)性，學(xué)生幾乎是學(xué)一門忘一門，經(jīng)過4年的學(xué)習(xí)還不能對自己所學(xué)的專業(yè)建立一個(gè)系統(tǒng)的概念。

（3）研究性不強(qiáng)，實(shí)用性不足，學(xué)生不能從課程設(shè)計(jì)體會(huì)到該課程知識的具體應(yīng)用，使學(xué)生有種“霧里看花”的感覺。

（4）課程設(shè)計(jì)內(nèi)容單一，大部分僅僅局限于本課程的知識點(diǎn)，不能較好地體現(xiàn)目前科學(xué)技術(shù)發(fā)展的多學(xué)科交叉趨勢。

“時(shí)柵傳感技術(shù)”作為一項(xiàng)原創(chuàng)的科學(xué)技術(shù)發(fā)明，經(jīng)過近20年的發(fā)展，獲得國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目、國家“863”項(xiàng)目、國家重大儀器專項(xiàng)等眾多國家科研項(xiàng)目的支持［12－13］。研究成果“時(shí)空坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法與時(shí)柵位移傳感器研究”獲得2005年“重慶市技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)”、2007年“中國專利金獎(jiǎng)”，“基于測量基準(zhǔn)時(shí)空轉(zhuǎn)換技術(shù)的時(shí)柵位移傳感器”獲得2010年“國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)”，并與國內(nèi)精密量儀行業(yè)的龍頭企業(yè)——哈爾濱量具刃具集團(tuán)公司合作組建公司專門開發(fā)生產(chǎn)時(shí)柵系列化產(chǎn)品。

“時(shí)柵傳感技術(shù)”融合了機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)等先進(jìn)技術(shù)的典型現(xiàn)代傳感技術(shù)，包含了大部分測控技術(shù)與儀器專業(yè)的主干課程的相關(guān)理論知識，非常適合作為測控技術(shù)與儀器專業(yè)的課程設(shè)計(jì)教學(xué)平臺(tái)。該平臺(tái)不僅可以包含“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用”、“EDA技術(shù)”、“智能儀器設(shè)計(jì)”等實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，還可以包含“誤差理論與數(shù)據(jù)處理”、“信號與系統(tǒng)”、“精密測量技術(shù)”等理論性較強(qiáng)的課程，而且可以將大部分主干課程的課程設(shè)計(jì)統(tǒng)一到一個(gè)完整的科研型教學(xué)平臺(tái)，所有課程設(shè)計(jì)的完成流程就是一個(gè)完整的時(shí)柵傳感技術(shù)的信號處理流程。課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容將更加具體，所有的設(shè)計(jì)對象都“看得見、摸得著”，整個(gè)過程就是一個(gè)簡化的時(shí)柵位移傳感器樣機(jī)的研制過程，更具有工程實(shí)踐性。課程設(shè)計(jì)圍繞一個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，更加成體系，更具有延續(xù)性，也體現(xiàn)了學(xué)科知識的交叉性。整個(gè)平臺(tái)來源于多年的科研項(xiàng)目，課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容具有一定的研究性質(zhì)，可以讓學(xué)生親身體會(huì)到課程理論知識的具體應(yīng)用，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、主動(dòng)性與學(xué)習(xí)熱情，切實(shí)提高教學(xué)質(zhì)量。

2 時(shí)柵傳感技術(shù)

“時(shí)柵傳感技術(shù)”源于重慶理工大學(xué)彭東林教授提出的“以時(shí)間量間接測量空間量”的學(xué)術(shù)思想［7］，根據(jù)此思想，研制了用于精密位移測量的時(shí)柵位移傳感器。時(shí)柵位移傳感器利用類似于交流電機(jī)中的以速度V勻速運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)磁場作為基準(zhǔn)，定測頭Ps固定不動(dòng)，而動(dòng)測頭Pd將跟隨被測物轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場勻速地掃描過定測頭Ps和動(dòng)測頭Pd時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，定測頭與動(dòng)測頭將分別感應(yīng)出電信號Ss和Sd，由于旋轉(zhuǎn)磁場的勻速特性，定測頭與動(dòng)測頭之間的空間位移差θ可以通過測量定、動(dòng)測頭感應(yīng)出的感應(yīng)信號Ss和Sd之間的相位時(shí)間差Δt獲得 （θ＝V×Δt），而2信號之間的相位時(shí)間差可以通過高頻、高精度的時(shí)鐘插補(bǔ)技術(shù)精確求得，其原理如圖1所示。

圖1 時(shí)柵技術(shù)原理

基于“時(shí)柵傳感技術(shù)”的時(shí)柵角傳感器是一個(gè)高精度的角位移測量產(chǎn)品，精度高達(dá)0.8″。經(jīng)過多年的設(shè)計(jì)開發(fā)，目前該產(chǎn)品已經(jīng)高度集成化。為了建立圍繞時(shí)柵傳感技術(shù)的課程設(shè)計(jì)教學(xué)平臺(tái)，根據(jù)時(shí)柵傳感技術(shù)的信號處理流程對時(shí)柵傳感技術(shù)進(jìn)行功能模塊的分解，可以分為7個(gè)基本模塊，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 時(shí)柵傳感技術(shù)處理模型

3 圍繞“時(shí)柵傳感技術(shù)”的課程設(shè)計(jì)綜合型實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

基于圖2所示的時(shí)柵傳感技術(shù)功能模塊模型，根據(jù)時(shí)柵傳感技術(shù)的信號處理流程，設(shè)計(jì)了“一條主線、七個(gè)基礎(chǔ)、一個(gè)綜合”的綜合型課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。“一條主線”主要指以時(shí)柵傳感技術(shù)的信號處理流程為教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)主線，“七個(gè)基礎(chǔ)”是指根據(jù)時(shí)柵傳感技術(shù)的7個(gè)功能模塊開展的7個(gè)基礎(chǔ)性課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目，“一個(gè)綜合”是指綜合整個(gè)時(shí)柵傳感技術(shù)而開展的綜合性課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目。平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 基于時(shí)柵傳感技術(shù)課程設(shè)計(jì)平臺(tái)示意圖

從整個(gè)教學(xué)平臺(tái)的示意圖可以看出7個(gè)功能模塊對應(yīng)7個(gè)基礎(chǔ)性課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目，這7個(gè)課程設(shè)計(jì)涵蓋了本專業(yè)的大部分主干課程的知識點(diǎn)，另外一個(gè)綜合性的課程設(shè)計(jì)不再局限于功能模塊的范疇，而是統(tǒng)觀時(shí)柵傳感技術(shù)的全局。另外也可以看出，各個(gè)課程設(shè)計(jì)不同于以往內(nèi)容單一的課程設(shè)計(jì)，每一個(gè)課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目都是以一門課程知識點(diǎn)為主，涉及多門課程知識點(diǎn)的“綜合性”課程設(shè)計(jì)，每個(gè)課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目前后相互連貫、相互延續(xù)，具有更強(qiáng)的針對性與實(shí)用性。

3.1 時(shí)柵傳感器三相激勵(lì)信號設(shè)計(jì)

該課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目是以“EDA技術(shù)”課程主體，融合了“電子技術(shù)”、“測控電路及裝置”等課程的知識點(diǎn)，主要內(nèi)容是時(shí)柵傳感器的高精度三相激勵(lì)信號設(shè)計(jì)。三相激勵(lì)信號相互正交，互差120°的相位角。該模塊主要是利用EDA技術(shù)中的經(jīng)典用法——直接數(shù)字合成器（DDS）技術(shù)設(shè)計(jì)出三相數(shù)字正弦信號。三相信號經(jīng)過后級的D／A模塊與功率放大模塊輸出標(biāo)準(zhǔn)的三相激勵(lì)信號A、B、C。為保證三相激勵(lì)信號的嚴(yán)格正交性，采用數(shù)字閉環(huán)控制技術(shù)，將輸出的三相激勵(lì)信號經(jīng)過處理后反饋到DDS單元，構(gòu)成具有自動(dòng)調(diào)整功能的高精度三相激勵(lì)信號單元，結(jié)構(gòu)原理見圖4。

圖4 三相激勵(lì)信號

3.2 時(shí)柵傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

時(shí)柵傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是時(shí)柵傳感器的定子、轉(zhuǎn)子以及動(dòng)、定線圈設(shè)計(jì)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，定子線圈、轉(zhuǎn)子線圈分別感應(yīng)出信號Ss、Sd，結(jié)構(gòu)原理如圖5所示。該模塊課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目內(nèi)容以“精密機(jī)械設(shè)計(jì)”課程為主體，涉及了“儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”、“大學(xué)物理”等課程。

圖5 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.3 時(shí)柵傳感器前端信號調(diào)理模塊設(shè)計(jì)

該模塊課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目以“電子技術(shù)”、“精密測量技術(shù)”為主體，主要實(shí)現(xiàn)對時(shí)柵傳感器的定子及轉(zhuǎn)子線圈感應(yīng)信號Ss、Sd進(jìn)行放大、濾波、整形處理，將感應(yīng)出的正弦信號處理成方波信號，以便進(jìn)行數(shù)字化處理，處理過程如圖6所示。

圖6 前端信號調(diào)理

3.4 時(shí)柵傳感器時(shí)鐘插補(bǔ)模塊設(shè)計(jì)

該模塊課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目主要以“EDA技術(shù)”為主體，利用EDA，采用精度時(shí)鐘插補(bǔ)技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)柵傳感器動(dòng)、定測頭信號的數(shù)字相位測量，原理如圖7所示。

圖7 基于FPGA的數(shù)字化比相

3.5 時(shí)柵傳感器數(shù)據(jù)分析與誤差處理

傳感器數(shù)據(jù)分析與誤差處理模塊課程設(shè)計(jì)以“誤差理論與數(shù)據(jù)處理”為主體，涉及了“DSP技術(shù)”、“信號與系統(tǒng)”等課程，主要是在嵌入式處理器DSP中，實(shí)現(xiàn)諧波誤差分析與擬合算法，實(shí)現(xiàn)傳感器的誤差分析與處理，原理如圖8所示。

圖8 基于DSP的數(shù)據(jù)分析與誤差處理

3.6 時(shí)柵傳感器接口轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

接口轉(zhuǎn)換模塊課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目以“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用”、“信號與系統(tǒng)”課程為主體，主要是利用嵌入式ARM處理器平臺(tái)，采用預(yù)測算法將傳感器的測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成增量信號、SSI、ENDAT等多種形式輸出，以滿足工業(yè)現(xiàn)場的各種需求，原理如圖9所示。

圖9 基于ARM的接口轉(zhuǎn)換

3.7 時(shí)柵傳感器數(shù)顯裝置模塊設(shè)計(jì)

數(shù)顯裝置模塊課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目以“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用”課程為主體，實(shí)現(xiàn)時(shí)柵傳感器控制電氣箱的按鍵輸入、數(shù)據(jù)顯示等功能，原理如圖10所示。

圖10 基于ARM的數(shù)顯裝置

3.8 誤差處理與智能化設(shè)計(jì)

該模塊作為綜合性的課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目，知識點(diǎn)眾多，涉及了多門課程，包括“智能儀器設(shè)計(jì)”、“誤差理論與數(shù)據(jù)處理”、“精密儀器設(shè)計(jì)”等。每門課程都幾乎涵蓋了多個(gè)方面，單一的模塊設(shè)計(jì)并不能讓學(xué)生真正體驗(yàn)到課程知識的真正內(nèi)涵。進(jìn)入綜合性課程設(shè)計(jì)模塊時(shí)，已經(jīng)完成前面的7組基本型課程設(shè)計(jì)模塊，時(shí)柵傳感器基本成型。此時(shí)，在綜合課程設(shè)計(jì)時(shí)，可以站在整個(gè)儀器設(shè)計(jì)的高度來考慮儀器的誤差處理與智能化設(shè)計(jì)問題。從一臺(tái)儀器設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、信號處理、數(shù)據(jù)分析等部分進(jìn)行綜合性的考慮，才能達(dá)到真正有所了解。在該模塊的課程設(shè)計(jì)之中，可以從儀器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開始，對前面所做的課程設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行逐項(xiàng)分析，分析其設(shè)計(jì)精度對傳感器的測量誤差的影響以及如何進(jìn)行誤差分離，并對誤差處理進(jìn)行有效的分析與處理，達(dá)到對誤差進(jìn)行修正與補(bǔ)償?？梢栽谇岸诵盘栒{(diào)理模塊、數(shù)據(jù)分析與處理、接口轉(zhuǎn)換等實(shí)現(xiàn)自調(diào)零、自校準(zhǔn)、自診斷功能，使學(xué)生從技術(shù)方案的細(xì)節(jié)切實(shí)體會(huì)儀器智能化的真正精髓。

4 綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的實(shí)施

本次教學(xué)改革將科研成果“時(shí)柵傳感技術(shù)”引入到本科實(shí)踐教學(xué)體系，由于涉及的課程眾多，難度較大。根據(jù)理論與實(shí)踐相結(jié)合的指導(dǎo)思路，實(shí)行以點(diǎn)到線，再由線到面，逐步推進(jìn)的開展方式。實(shí)施方案見圖11。

圖11 實(shí)施方案步驟

以本專業(yè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的部分學(xué)生作為“點(diǎn)”，先在這部分“點(diǎn)”中開展，利用學(xué)生的課余時(shí)間，按模塊完成7個(gè)基礎(chǔ)性的課程設(shè)計(jì)模塊與一個(gè)綜合性課程設(shè)計(jì)模塊。再根據(jù)學(xué)生的反饋情況，進(jìn)一步對模塊劃分、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容以及考核方式等進(jìn)行優(yōu)化，完成初步的教學(xué)改革方案。再由“點(diǎn)”到“線”，在本專業(yè)的普通學(xué)生中進(jìn)行推廣，進(jìn)行專業(yè)試點(diǎn)。再根據(jù)反饋情況，對各方面的內(nèi)容進(jìn)行修訂與完善，形成完整的改革方案。最后以“線”到“面”，在本專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系中開展。

在全面開展的過程中，可以在相關(guān)理論課堂的緒論部分明確提出該課程的課程設(shè)計(jì)任務(wù)，利用傳感器實(shí)物和視頻資料進(jìn)行功能分析，并對設(shè)計(jì)任務(wù)合理地進(jìn)行分解，讓學(xué)生帶著具體的任務(wù)進(jìn)行本課程的學(xué)習(xí)。學(xué)生可以在整個(gè)學(xué)習(xí)的過程中學(xué)習(xí)、構(gòu)思整個(gè)課程設(shè)計(jì)的方案，課余時(shí)間也可以和相關(guān)指導(dǎo)教師進(jìn)行方案和技術(shù)討論。

5 結(jié)束語

以科研成果反哺教學(xué)是科學(xué)研究的一項(xiàng)本質(zhì)工作。根據(jù)我校的實(shí)際情況，將“時(shí)柵傳感技術(shù)”全面引入到我校測試計(jì)量技術(shù)及儀器本科專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)體系，構(gòu)建綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力為目標(biāo)，不斷拓寬實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，促進(jìn)科研成果向教學(xué)成果的二次轉(zhuǎn)化。

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