《傳感器與檢測技術(shù)》教材建設(shè)

徐科軍，馬修水

(1合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，安徽合肥 230009;2浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江寧波 315100)

“傳感器與檢測技術(shù)”課程是自動化類專業(yè)的必修課［1，2］。對于自動化類專業(yè)，信息是基礎(chǔ)，傳感器是獲取信息的器件;控制是核心，自動檢測是實現(xiàn)控制的前提和條件;立足于系統(tǒng)，檢測系統(tǒng)是控制系統(tǒng)的反饋環(huán)節(jié)。在過程控制中，需要檢測溫度、壓力、物位、流量和成分;在運動控制中，需要檢測位置、轉(zhuǎn)速和力矩、加速度等?？紤]到教材在教學(xué)中起著非常重要的作用，我們于2003年8月參加電子工業(yè)出版社組織的電子信息類百本精品教材工程的投標(biāo)，承擔(dān)了《傳感器與檢測技術(shù)》教材的編寫任務(wù)并于2004年9月正式出版［3，4］。本文就該教材建設(shè)的體會與同行進(jìn)行交流。

1 教材定位

圍繞應(yīng)用型大學(xué)自動化類專業(yè)教學(xué)改革的需要，總學(xué)時數(shù)減少后，該教材將傳感器原理和自動檢測技術(shù)的內(nèi)容很好地融合起來，形成適用于自動化類專業(yè)的《傳感器與檢測技術(shù)》教材，其主要內(nèi)容框架如圖1所示。

圖1 《傳感器與檢測技術(shù)》教材內(nèi)容框架

該教材以傳感器的基本原理以及過程檢測技術(shù)為中心，以培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力為主線。主要內(nèi)容包括自動檢測技術(shù)的基礎(chǔ)知識、傳感器原理與應(yīng)用、工程檢測儀表和自動檢測中的共性技術(shù)及新進(jìn)展四個部分。

第一部分介紹自動檢測技術(shù)的基本知識，包括測量誤差和測試數(shù)據(jù)處理的基本知識、傳感器靜動態(tài)特性及標(biāo)定知識。第二部分系統(tǒng)地介紹各種傳感器的原理、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用，目的在于培養(yǎng)學(xué)生使用各類傳感器的能力。第三部分介紹傳感器在工程檢測中的應(yīng)用。將傳感器和工程檢測方面的知識有機(jī)地結(jié)合起來，以溫度檢測、流量檢測和成分檢測為例，使學(xué)生能夠進(jìn)一步應(yīng)用傳感器知識解決工程檢測中的具體問題。第四部分介紹自動檢測中的共性技術(shù)及其新發(fā)展。

2 編寫難點

(1)與“自動控制原理”和“信號分析與處理”等理論性較強(qiáng)課程的教材相比，本教材介紹多種傳感器的工作原理，涉及力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)和化學(xué)等方面知識，應(yīng)用又涉及機(jī)械量、熱工量和化學(xué)量的檢測。所以，涉及面廣而雜，難以用一條主線貫穿教材的始終。

(2)在介紹各種傳感器的結(jié)構(gòu)時，需要學(xué)生具備一些感性認(rèn)識，才能比較好地理解。

(3)當(dāng)可以采用多種傳感器去測量同一物理量或者化學(xué)量時，如何選擇一種最佳的傳感器，并設(shè)計最佳的測量方案，并非易事。

(4)在傳感器部分，以傳感器的工作原理為線索進(jìn)行講解。在檢測技術(shù)部分，以被測量為線索進(jìn)行講解。如何避免內(nèi)容的重復(fù)和交叉，又使學(xué)生容易理解和掌握也是比較難處理的問題。

3 解決方案

1)將有關(guān)內(nèi)容進(jìn)行歸類和整合，以便講授。例如，將應(yīng)變式傳感器和壓阻式傳感器歸為電阻式傳感器;將自感式傳感器、差動變壓器式傳感器、電容式傳感器、電渦流式傳感器和壓磁傳感器歸為變阻抗式傳感器;將光電器件、光電碼盤、電荷耦合器件、光纖傳感器和光柵傳感器歸為光電式傳感器;將磁電式傳感器、霍爾傳感器和壓電式傳感器歸為電動勢式傳感器。以相同或相似的工作原理為線索，進(jìn)行編寫。讓學(xué)生對多種傳感器有了基本認(rèn)識之后，再以相同的被測量對象為線索，介紹不同的傳感器測量方法。這樣從傳感器工作原理和傳感器的各種應(yīng)用兩方面，把各種傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)組成和各種應(yīng)用介紹清楚。

2)在傳感器部分，以傳感器的工作原理為線索進(jìn)行介紹;在檢測技術(shù)部分，以被測量為線索進(jìn)行敘述。如何避免內(nèi)容的重復(fù)和交叉，又使學(xué)生容易理解和掌握是個難點。針對這個問題，該教材將壓力和物位的檢測放在相關(guān)傳感器的應(yīng)用中介紹，這樣節(jié)省篇幅。而溫度、流量和成分的檢測，由于內(nèi)容的關(guān)系，單獨成章介紹，取得較好的效果。

3)在介紹各類檢測技術(shù)中，對同一物理量的不同檢測方法進(jìn)行比較。例如，對于轉(zhuǎn)速的測量問題，介紹光電測量方法、磁電測量方法和霍爾傳感器測量等方法。根據(jù)這些方法各自的特點，說明它們各自的原理、特點和適用范圍，以此拓展學(xué)生的思維，培養(yǎng)學(xué)生工程能力和創(chuàng)新能力。

4)以一系列教學(xué)研究項目為基礎(chǔ)，通過教學(xué)計劃和教學(xué)大綱修訂等形式，從自動化類專業(yè)課程系統(tǒng)的角度，充分研究課程間的關(guān)聯(lián)性，合理地規(guī)劃教材內(nèi)容，突出“一個核心:測量;兩個方面:傳感器和儀表(器件和系統(tǒng));三個重點:原理、電路和應(yīng)用”，特別適用于自動化類等專業(yè)的使用。

5)以一系列傳感器與檢測技術(shù)方面的科研項目和成果為基礎(chǔ)，將新的、實用的科研成果，融入教材中，使學(xué)生學(xué)習(xí)和了解最近的傳感器與檢測技術(shù)方面的新進(jìn)展。例如，誤差修正技術(shù)可以有效地消除傳感器和檢測系統(tǒng)應(yīng)用中的靜態(tài)和動態(tài)測量誤差，特別是動態(tài)補(bǔ)償技術(shù)的采用，可以使傳感器真正應(yīng)用于實時快速的控制系統(tǒng)。又例如，介紹當(dāng)前迅速發(fā)展并具有廣闊應(yīng)用前景的基于MEMS技術(shù)的微型傳感器和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等［5-7］。

6)為了配合教材的使用，制作多媒體課件、編寫習(xí)題集和試題庫，形成立體化課程教材體系。

4 結(jié)語

《傳感器與檢測技術(shù)》教材問世以來，先后被評為普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材、2009年國家精品教材、2010年全國電子信息類優(yōu)秀教材一等獎和普通高等教育“十二五”國家級規(guī)劃教材。

截止2013年5月，該教材共發(fā)行了9萬多冊，不僅是我們參編學(xué)校相關(guān)課程教學(xué)的指定教材，而且被國內(nèi)近百所高校選作教材，在自動化類專業(yè)的教學(xué)中發(fā)揮了重要的作用，受到好評。

［1］ 徐科軍，馬修水，李曉林等.傳感器與檢測技術(shù)(第3版)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2011

［2］ 王化祥，張淑英.傳感器原理及應(yīng)用(第3版)［M］.天津:天津大學(xué)出版社，2007

［3］ 徐科軍.“傳感器與檢測技術(shù)”課程建設(shè)探討［J］.南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報，2009，31(3):23-24

［4］ 徐科軍.信號檢測、處理及實現(xiàn)系列課程建設(shè)探討［J］.南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報，2009，31(2):11-12，24

［5］ 徐科軍.傳感器動態(tài)特性的實用研究方法［M］.合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社出版，1999

［6］ 徐科軍，陳榮保，張崇巍.自動檢測和儀表中的共性技術(shù)［M］.北京:清華大學(xué)出版社出版，2000

［7］ 徐科軍.流量傳感器信號建模、處理及實現(xiàn)［M］.北京:科學(xué)出版社，2011