王文廉

摘要：誤差理論與數(shù)據(jù)處理是測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的核心課程，是儀器設(shè)計(jì)和工程測(cè)試等專業(yè)課程學(xué)習(xí)的重要基礎(chǔ)。針對(duì)以傳感器設(shè)計(jì)應(yīng)用和動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)為特色的專業(yè)培養(yǎng)體系，提出建立圍繞傳感器應(yīng)用的誤差理論教學(xué)方法改革。通過(guò)傳感器標(biāo)定和傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)處理等方面的實(shí)際應(yīng)用，提高學(xué)生對(duì)誤差理論的認(rèn)識(shí)，牢固建立誤差分析和處理的意識(shí)。

關(guān)鍵詞：誤差理論；傳感器；測(cè)控技術(shù)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）30-0154-02

一、引言

工程測(cè)量中必然存在誤差，誤差的處理會(huì)影響測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性。誤差理論與數(shù)據(jù)處理課程是測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的核心課程，學(xué)生對(duì)該課程知識(shí)的掌握好壞，直接影響其后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，并將對(duì)其今后從事的精密檢測(cè)、測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)、質(zhì)量控制、儀器設(shè)計(jì)及制造等工作產(chǎn)生持續(xù)深遠(yuǎn)的影響。測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)由儀器儀表及精密測(cè)量等多個(gè)專業(yè)綜合而成，在全國(guó)有兩百多所高校具有此專業(yè)，也大多開設(shè)了誤差理論的相關(guān)課程。其實(shí)，自高等學(xué)校首次設(shè)立誤差理論與數(shù)據(jù)處理課程以來(lái)，它便得到了許多大學(xué)的高度重視。目前，除儀器儀表類專業(yè)外，很多學(xué)校在機(jī)電類專業(yè)及測(cè)繪類專業(yè)也開設(shè)了該課程。為了提供誤差理論課程教學(xué)質(zhì)量，已經(jīng)提出了較多的教學(xué)方法改革方案[1-3]，或者實(shí)踐體系的改革[4]。這些教學(xué)改革大多針對(duì)誤差理論和數(shù)據(jù)處理課程理論性較強(qiáng)的特征，通過(guò)增強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，利用多種數(shù)據(jù)處理軟件或者綜合平臺(tái)對(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐訓(xùn)練[5]。這些教學(xué)方法的改革可以有效提高學(xué)生對(duì)誤差理論和數(shù)據(jù)處理方法的認(rèn)識(shí)，改善教學(xué)效果。

在全國(guó)高校的測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)中，專業(yè)培養(yǎng)大多具有自己的特色和側(cè)重。對(duì)誤差理論課程的教學(xué)應(yīng)該與專業(yè)特色相關(guān)聯(lián)，為后續(xù)的專業(yè)課程奠定基礎(chǔ)。本文針對(duì)傳感器應(yīng)用和動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)為特色的專業(yè)培養(yǎng)體系，進(jìn)行圍繞傳感器應(yīng)用的誤差理論課程教學(xué)改革。

二、誤差理論在專業(yè)課程體系中的作用

誤差理論課程在測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)中大多屬于專業(yè)基礎(chǔ)課程，其前修課程包括高等數(shù)學(xué)、概率與數(shù)理統(tǒng)計(jì)和線性代數(shù)，它也是工程測(cè)試及系統(tǒng)設(shè)計(jì)、儀器設(shè)計(jì)、儀器應(yīng)用類課程的重要基礎(chǔ)和支撐課程。誤差理論課程內(nèi)容涵蓋誤差性質(zhì)與分析、誤差的發(fā)現(xiàn)、誤差的處理以及基于誤差的回歸分析等，并使學(xué)生建立測(cè)量精度和不確定度等概念，這些知識(shí)會(huì)在自動(dòng)控制、儀器設(shè)計(jì)等課程中得到應(yīng)用。但是學(xué)生在學(xué)習(xí)誤差理論的過(guò)程中，由于沒有專業(yè)課和工程實(shí)踐的學(xué)習(xí)鍛煉，很難建立實(shí)際的應(yīng)用概念，對(duì)誤差的理解難以深入。

如果能從一類具體的應(yīng)用出發(fā)，講解誤差的分析、發(fā)現(xiàn)和處理，這有利于學(xué)生對(duì)概念的理解。也為學(xué)生的學(xué)習(xí)找到一個(gè)方向，找到一個(gè)思路。在以傳感器應(yīng)用和動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)為特色的培養(yǎng)課程體系中，傳感器始終扮演著重要的角色。從非電量信號(hào)的獲取、測(cè)量電路的設(shè)計(jì)和測(cè)試系統(tǒng)特性分析到數(shù)據(jù)的采集和處理，都圍繞著傳感器進(jìn)行。誤差理論在傳感器的標(biāo)定和傳感器誤差分析等方面都扮演著重要的角色，通過(guò)在誤差理論教學(xué)中貫穿傳感器應(yīng)用的概念，有利于學(xué)生對(duì)誤差概念的理解，更有利于特色專業(yè)課程體系的建立。

三、圍繞傳感器應(yīng)用的教學(xué)方法

圍繞傳感器應(yīng)用的誤差理論教學(xué)方法，并不是只對(duì)傳感器相關(guān)誤差知識(shí)進(jìn)行教學(xué)。而是將誤差的理論和方法在傳感器這個(gè)平臺(tái)上進(jìn)行應(yīng)用，鞏固知識(shí)加深理解。主要從課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行教學(xué)方法的探索。

1.課堂教學(xué)。圍繞傳感器應(yīng)用的誤差理論課堂教學(xué)改革主要是改變以前的知識(shí)講解思路。誤差理論課程的知識(shí)結(jié)構(gòu)主要分為誤差的基本性質(zhì)與處理、誤差的合成與分配、不確定度及回歸分析等幾個(gè)部分，常見的課堂教學(xué)主要以理論講解為主，在每個(gè)知識(shí)點(diǎn)后面會(huì)有相應(yīng)的例題。誤差理論課程含有很多抽象概念、公式，內(nèi)容相對(duì)來(lái)說(shuō)比較單調(diào)、枯燥，對(duì)于沒有測(cè)量經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生，往往按照高等數(shù)學(xué)的學(xué)習(xí)習(xí)慣來(lái)學(xué)習(xí)誤差，重計(jì)算，輕概念。學(xué)生往往記公式，難以靈活應(yīng)用，由此影響了學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)質(zhì)量。

對(duì)于以傳感器應(yīng)用和動(dòng)態(tài)測(cè)試為特色的專業(yè)，學(xué)生從大三開始已經(jīng)初步接觸傳感器的概念，同時(shí)在學(xué)校的學(xué)生實(shí)踐實(shí)驗(yàn)室和各種電子類競(jìng)賽實(shí)驗(yàn)室都有許多傳感器的應(yīng)用實(shí)例，學(xué)生們對(duì)傳感器應(yīng)用有了基本的認(rèn)識(shí)。所以，可以通過(guò)傳感器的應(yīng)用來(lái)進(jìn)行誤差理論的學(xué)習(xí)，如圖1所示。針對(duì)誤差理論課程中的四個(gè)主要知識(shí)模塊，以壓力傳感器為例可以有相應(yīng)的應(yīng)用案例。在壓力傳感器的靜態(tài)測(cè)量中，可能產(chǎn)生系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差。通過(guò)分析傳感器和測(cè)量系統(tǒng)的誤差來(lái)源認(rèn)識(shí)系統(tǒng)誤差，通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)分析隨機(jī)誤差和粗大誤差；對(duì)于壓力傳感器加信號(hào)調(diào)理電路的測(cè)量情況，通過(guò)傳感器的誤差和調(diào)理放大電路的誤差可以學(xué)習(xí)認(rèn)識(shí)誤差的合成與分配；通過(guò)對(duì)一種確定的壓力源進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算測(cè)量的不確定度；通過(guò)對(duì)壓力傳感器的標(biāo)定學(xué)習(xí)基于誤差理論的最小二乘法處理及回歸分析等知識(shí)點(diǎn)。

2.實(shí)驗(yàn)教學(xué)。目前的誤差理論實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往借助計(jì)算機(jī)開設(shè)一些數(shù)據(jù)處理的實(shí)驗(yàn)，缺乏對(duì)測(cè)量誤差及其來(lái)源的根本性認(rèn)識(shí)。導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)完該課程后，仍不能運(yùn)用所學(xué)知識(shí)指導(dǎo)測(cè)試實(shí)踐，解決實(shí)際問(wèn)題。通過(guò)實(shí)際的傳感器采集測(cè)量數(shù)據(jù)，可以生動(dòng)直觀地讓學(xué)生進(jìn)行誤差的分析。我校的測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)具有專門的傳感器原理及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室，不用重復(fù)建設(shè)，學(xué)生就可以完成多種傳感器的實(shí)際信號(hào)采集。通過(guò)應(yīng)用軟件與采集系統(tǒng)對(duì)接就可以建立圍繞傳感器應(yīng)用的誤差分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

以壓力傳感器標(biāo)定進(jìn)行誤差理論課程中的回歸分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)，如圖2所示。利用傳感器實(shí)驗(yàn)室的油壓標(biāo)定機(jī)、電壓放大濾波器、數(shù)據(jù)采集卡和數(shù)據(jù)處理軟件，通過(guò)軟件中誤差分析功能對(duì)接，可以進(jìn)行誤差理論的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。學(xué)生通過(guò)更換油壓標(biāo)定機(jī)的砝碼改變輸入壓力值，獲得多組測(cè)量數(shù)據(jù)。學(xué)生利用最小二乘法和回歸分析的知識(shí)對(duì)這些數(shù)據(jù)處理以得到傳感器的靈敏度。

四、結(jié)論

通過(guò)圍繞傳感器應(yīng)用的誤差理論教學(xué)，有助于學(xué)生對(duì)誤差概念的理解，幫助學(xué)生找到一個(gè)從理論到實(shí)踐的通道。利用現(xiàn)有的傳感器應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)誤差處理軟件的對(duì)接，直接完成了誤差理論實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革。通過(guò)近年的誤差理論課程教學(xué)，學(xué)生對(duì)誤差理論課程的認(rèn)知程度得到了提高。

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