徐冬梅　張莉萍

摘 要 本文以“檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)”的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，闡述了課內(nèi)實(shí)驗(yàn)中存在的不足、原因以及改進(jìn)方法。使學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，更能幫助學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)原理，多課程之間的交互性，增加學(xué)生實(shí)驗(yàn)課上學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，以提高課內(nèi)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù) 課內(nèi)實(shí)驗(yàn)質(zhì)量 高等教育

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2016.12.052

Abstract In this paper， based on the "detection and conversion technology" in the course of the experiment as the foundation， this paper expounds the existing problems in the course of the experiment， the reasons and improvement methods. To enable students to complete the experimental content， but also to help students understand the design principle of the experiment， the interaction between multiple courses， increase the initiative of the students in the experimental class， in order to improve the teaching quality of the experiment.

Keywords Detection and Conversion Technology； course experiment； higher education

傳感器技術(shù)作為檢測(cè)控制系統(tǒng)中獲取對(duì)象信息的重要窗口，與通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)共同構(gòu)成信息技術(shù)的三大支柱。它在工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化、軍事國(guó)防、家用電器、醫(yī)療衛(wèi)生、生物過(guò)程等各方面有著廣泛應(yīng)用。隨著信息時(shí)代的到來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多國(guó)家都將傳感器技術(shù)列為優(yōu)先發(fā)展的科技領(lǐng)域之一。國(guó)內(nèi)高校許多專業(yè)也相繼開設(shè)了相應(yīng)課程?！皺z測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)”作為我院自動(dòng)化、電氣工程等專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，主要講授傳感器技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)，電阻式、壓阻式、電渦流式、電容式、熱電偶式、光柵等各類傳感器的工作原理、測(cè)量電路及其典型應(yīng)用。課程理論性較強(qiáng)，涉及數(shù)學(xué)、光學(xué)、力學(xué)、磁學(xué)等多門交叉學(xué)科，在教學(xué)內(nèi)容上側(cè)重于各種傳感器工作原理和測(cè)量電路的講解，各章節(jié)內(nèi)容之間的聯(lián)系不甚緊密，每一類傳感器內(nèi)容都自成體系。本課程共48學(xué)時(shí)，為了加深學(xué)生對(duì)各種傳感器理論知識(shí)的理解，增強(qiáng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的動(dòng)手實(shí)踐能力，課程中相應(yīng)安排了8學(xué)時(shí)的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，分別針對(duì)金屬應(yīng)變片、電渦流、電容式以及霍爾式傳感器。為了方便指導(dǎo)學(xué)生，我們?yōu)閷W(xué)生配備了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上明確寫明了實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、針對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)步驟等模塊。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)均為集成的教學(xué)儀器模塊，為了節(jié)約學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)間，提高實(shí)驗(yàn)完成效率，學(xué)生大多只需要簡(jiǎn)單地連接幾根明線即完成實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建，剩下的就是測(cè)量與記錄數(shù)據(jù)。然而這樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果就是，學(xué)生對(duì)于原理的理解還停留在課本上，進(jìn)實(shí)驗(yàn)室也只需要弄出幾組數(shù)據(jù)，對(duì)于數(shù)據(jù)產(chǎn)生的電路原理并未真正理解，并且對(duì)于數(shù)據(jù)的有效性也不能保證。如果再追問(wèn)學(xué)生是否有其他測(cè)量方法時(shí)，學(xué)生更加無(wú)所適從。

如何在有限的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，激發(fā)與調(diào)動(dòng)學(xué)生的實(shí)踐積極性，使他們掌握必要的基礎(chǔ)理論知識(shí)外，更具備一定的分析、解決問(wèn)題和實(shí)際動(dòng)手能力，是高校該課程教學(xué)改革首要考慮與解決的問(wèn)題。筆者以我院 “檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)”課程為依托，對(duì)本課程的部分實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法進(jìn)行了初步探索，與各位讀者交流。

實(shí)驗(yàn)一：金屬箔式應(yīng)變片特性實(shí)驗(yàn)。

課堂上我們講授了金屬絲式和金屬箔式應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)，另外當(dāng)測(cè)量電路分別為單臂電橋、雙臂電橋以及全橋電路時(shí)，理論性地分析與比較了三種電路所帶來(lái)的不同性能和特點(diǎn)，比如輸出靈敏度、非線性誤差和溫度誤差等。那么本實(shí)驗(yàn)的目的就是通過(guò)連接三種不同的測(cè)量電路來(lái)幫助學(xué)生了解金屬箔式應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)，同時(shí)比較這三種測(cè)量電路的所帶來(lái)的不同性能和特點(diǎn)。

關(guān)于這三種測(cè)量電路的電阻應(yīng)變效應(yīng)的基本原理都是一樣。電阻絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值會(huì)發(fā)生變化，這就是電阻應(yīng)變效應(yīng)。描述電阻應(yīng)變效應(yīng)的關(guān)系式為：€%=R/R=K€%^，式中€%=R/R為電阻絲電阻相對(duì)變化，K為應(yīng)變靈敏系數(shù)，€%^=€%=l/l為電阻絲長(zhǎng)度相對(duì)變化，金屬箔式應(yīng)變片就是通過(guò)光刻、腐蝕等工藝制成的應(yīng)變敏感元件，通過(guò)它轉(zhuǎn)換被測(cè)部位受力狀態(tài)變化。電橋的作用是完成電阻到電壓的比例變化，電橋的輸出電壓反映了相應(yīng)的受力狀態(tài)。

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，如圖1所示，應(yīng)變片和固定電阻依據(jù)三種不同的測(cè)量電路分別貼在被測(cè)物體的上下兩面。通過(guò)往托盤上增加或減少砝碼來(lái)改變作用于被測(cè)物體上的作用力，也就是改變應(yīng)變片的形變，從而達(dá)到改變應(yīng)變片電阻的目的。在四臂電橋電路中，應(yīng)變片電阻的變化會(huì)反應(yīng)在輸出電壓上。實(shí)驗(yàn)中，我們通過(guò)觀察和記錄輸出電壓的數(shù)值變化來(lái)對(duì)三種測(cè)量電路的性能作進(jìn)一步的分析和處理。這是本次實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)用書學(xué)生所要完成的主要工作。

在實(shí)現(xiàn)測(cè)量之前，需要對(duì)應(yīng)變傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０暹M(jìn)行電路搭建，使它與圖1能聯(lián)合工作，應(yīng)變傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０迦鐖D2所示。當(dāng)然，在我們的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上已經(jīng)寫明了需要學(xué)生動(dòng)手連接的線路，由于只有幾根線需要連接，這個(gè)工作量是非常小的。但是實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上并未注明連接這幾根線的作用。由于是文字描述，學(xué)生有時(shí)并不能準(zhǔn)確理解所需要連接的線路與位置，結(jié)果導(dǎo)致學(xué)生在電路搭建上花費(fèi)不少時(shí)間，還會(huì)出現(xiàn)漏接或錯(cuò)接線路的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了實(shí)驗(yàn)進(jìn)度和準(zhǔn)確性。而且實(shí)驗(yàn)結(jié)束了，學(xué)生也不能完全很好地理解為什么要這樣搭建電路。那我們有沒(méi)有辦法能提高一下學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)度和學(xué)習(xí)效率呢？

方法當(dāng)然是有的，最關(guān)鍵的就是我們要幫助學(xué)生理解電路，只有對(duì)電路理解了，才能明白為什么要這樣搭建，才能準(zhǔn)確地進(jìn)行操作，從而提高實(shí)驗(yàn)效率。對(duì)于這樣一個(gè)看似復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)電路，我們不妨對(duì)它進(jìn)行模塊分化，如圖3所示。我們將它分為左、中、右三個(gè)模塊，如圖中實(shí)線框所示。

我們?cè)谡n堂上講到，應(yīng)變傳感器的測(cè)量電路是四臂電橋，很顯然，四臂電橋是實(shí)現(xiàn)測(cè)量的基本電路。所以在左邊的模塊中就是四臂電橋，依據(jù)我們實(shí)驗(yàn)的需要，可將四臂電橋分別接成單臂電橋、雙臂電橋以及全橋電路。四臂電橋是兩端輸入兩端輸出，因此我們用主控電源提供的正負(fù)4伏電壓源作為輸入源，然后我們通過(guò)觀測(cè)輸出電壓來(lái)對(duì)電路的性能進(jìn)行分析。

四臂電橋的輸出是否可以直接進(jìn)行觀測(cè)呢？理論上我們是直接觀測(cè)兩端輸出之間的電壓差，但是實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，兩端輸出分別對(duì)應(yīng)著各自的電勢(shì)，若要獲得電壓差，需要經(jīng)過(guò)模擬電路進(jìn)行電壓差運(yùn)算，這里我們采用模電課上的差分電路來(lái)獲取兩端輸出的電壓差。在使用這個(gè)差分電路之前，需要對(duì)差分電路進(jìn)行調(diào)零，以確保當(dāng)兩端輸入相等時(shí)，差分電路輸出也為零。由于中間模塊中的各器件參數(shù)相互對(duì)稱，最簡(jiǎn)便的方法就是當(dāng)兩端輸入為零時(shí)，差分電路輸出也應(yīng)為零。如果存在漂移，可通過(guò)電路中的可調(diào)電阻Rw3實(shí)現(xiàn)此功能。

實(shí)驗(yàn)中，我們通過(guò)逐次增減20克的砝碼來(lái)改變外加應(yīng)變力，由于增減幅度較小，所帶來(lái)的應(yīng)變力及應(yīng)變效果也會(huì)很小，那么在輸出電壓上的變化也不會(huì)很大，因此，差分電路的輸出會(huì)出現(xiàn)變化很小的現(xiàn)象。為了方便觀測(cè)，我們將差分電路的輸出端輸入一個(gè)放大電路，即右邊模塊，這樣在外接數(shù)顯表上可以較明顯地看出電壓的變化。放大電路的放大系數(shù)可通過(guò)Rw4進(jìn)行調(diào)節(jié)。另外，還應(yīng)該告訴學(xué)生，主控箱提供的電源主要是為運(yùn)算放大器提供的，它采用的是正負(fù)15伏，這樣學(xué)生在接線時(shí)就不會(huì)困惑：接了正15伏之后，負(fù)15伏要不要接。

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中，接線效率低或者出錯(cuò)，最主要的原因是他們不了解實(shí)驗(yàn)電路到底是怎樣的，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上的實(shí)驗(yàn)步驟只介紹如何接線，卻未說(shuō)明為何要這樣接，讓學(xué)生處于一種知其然不知其所以然的狀態(tài)。所以說(shuō)，我們?cè)谶M(jìn)行實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)時(shí)，很關(guān)鍵的一步是要盡可能細(xì)致地讓學(xué)生明白他們?cè)谧鍪裁矗@樣才能盡可能地避免囫圇吞棗的感覺(jué)。

實(shí)驗(yàn)二 電容式傳感器位移特性實(shí)驗(yàn)。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的是幫助學(xué)生了解電容式傳感器結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理就是利用平板電容C=€%^A/d和其它結(jié)構(gòu)的關(guān)系式，通過(guò)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和測(cè)量電路可以選擇€%^、A、d三個(gè)參數(shù)，保持二個(gè)參數(shù)不變，而只改變其中一個(gè)參數(shù)，則可以有測(cè)谷物干燥度（€%^變）、測(cè)微小位移（d變）和測(cè)量液位（A變）等多種電容傳感器。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們主要改變的參數(shù)是位移d。圖4給出了電容傳感器的安裝示意圖。

本實(shí)驗(yàn)的電路圖如圖5所示。實(shí)驗(yàn)板上需要學(xué)生連接的線路只有電源線和外接數(shù)顯表。從接線復(fù)雜度上看，是很簡(jiǎn)單的。整個(gè)電路可以分為左、中、右三塊。最左邊是交流信號(hào)發(fā)生器。經(jīng)過(guò)電容C3的耦合作用，只有交流能夠通過(guò)。中間是整流電路，經(jīng)過(guò)滑動(dòng)變阻器Rw取出部分電壓，最右邊是比例放大器。電路中學(xué)生能改變的就只有滑動(dòng)變阻器Rw的位置了。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，旋動(dòng)測(cè)微頭改變電容傳感器動(dòng)極板位置，使之在正負(fù)2mm之間往返運(yùn)動(dòng)，那么測(cè)量出的電壓的變化值也應(yīng)該是在零點(diǎn)附近作正負(fù)值之間的往返變化。然而實(shí)驗(yàn)中，我們卻發(fā)現(xiàn)不少同學(xué)的數(shù)顯表出現(xiàn)了完全正或者完全負(fù)的數(shù)值，測(cè)量結(jié)果不能越過(guò)零點(diǎn)，并且測(cè)量值變化范圍很小，顯得電容傳感器很不靈敏。這讓學(xué)生很有挫敗感，甚至懷疑實(shí)驗(yàn)平臺(tái)發(fā)生故障。其實(shí)根據(jù)原因在哪呢？還是在滑動(dòng)變阻器Rw上。我們?cè)倏匆幌禄瑒?dòng)變阻器Rw，它橫跨電容C5并使一端接地，如果滑動(dòng)變阻器直接推到接地端，那么滑動(dòng)變阻器Rw所取到的電壓就會(huì)很小。電容傳感器位移的改變所帶來(lái)的電壓的改變，并不能在滑動(dòng)變阻器Rw所取的電壓上很好地表現(xiàn)出來(lái)，因此就會(huì)出現(xiàn)測(cè)量結(jié)果不能越過(guò)零點(diǎn)的現(xiàn)象。這看似是個(gè)很小的舉動(dòng)，卻嚴(yán)重影響了學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的進(jìn)展和積極性。

實(shí)驗(yàn)三 直流激勵(lì)時(shí)霍爾式傳感器位移特性實(shí)驗(yàn)。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)主要是幫助學(xué)生了解霍爾式傳感器的原理及應(yīng)用。它的實(shí)驗(yàn)原理就是根據(jù)霍爾效應(yīng)，霍爾電勢(shì)UH=KHIB，當(dāng)霍爾元件處在梯度磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，它就可以進(jìn)行位移測(cè)量。它的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與電容傳感器相近，如圖6所示。本實(shí)驗(yàn)的接線圖如圖7所示。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，本實(shí)驗(yàn)中，主要完成的工作就是改變測(cè)微頭的位置，使其做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)觀察并記錄下主控臺(tái)數(shù)顯表中輸出電壓的變化值。僅從這一點(diǎn)來(lái)看，這與電容傳感器實(shí)驗(yàn)中要做的事情非常相近。因此學(xué)生在做這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)就非常順利，很快就完成了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。但是電容傳感器實(shí)驗(yàn)中通過(guò)改變位移來(lái)改變輸出電壓，從公式上還是能看出原由的，而霍爾傳感器的公式中，霍爾電勢(shì)UH只與霍爾系數(shù)KH、電流強(qiáng)度I以及磁場(chǎng)強(qiáng)度B相關(guān)，并未體現(xiàn)位移的關(guān)系。為什么這個(gè)實(shí)驗(yàn)需要改變位移呢？改變位移真正影響的是什么呢？當(dāng)我們將這個(gè)問(wèn)題拋出時(shí)，學(xué)生顯然很茫然，實(shí)驗(yàn)做完了，卻不知道為什么這樣做。實(shí)際上，在本實(shí)驗(yàn)中，霍爾元件處在梯度磁場(chǎng)中，我們改變的是霍爾元件在梯度磁場(chǎng)中的位置，使穿透霍爾元件的磁場(chǎng)發(fā)生了改變，從而來(lái)改變霍爾電勢(shì)。關(guān)于實(shí)驗(yàn)板內(nèi)部的電路部分，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上給出的解釋并不夠詳細(xì)，這也是我們以后努力的方向。

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