圍繞傳感器應(yīng)用的誤差理論教學改革與實踐

王文廉

摘要：誤差理論與數(shù)據(jù)處理是測控技術(shù)與儀器專業(yè)的核心課程，是儀器設(shè)計和工程測試等專業(yè)課程學習的重要基礎(chǔ)。針對以傳感器設(shè)計應(yīng)用和動態(tài)測試技術(shù)為特色的專業(yè)培養(yǎng)體系，提出建立圍繞傳感器應(yīng)用的誤差理論教學方法改革。通過傳感器標定和傳感器測量數(shù)據(jù)處理等方面的實際應(yīng)用，提高學生對誤差理論的認識，牢固建立誤差分析和處理的意識。

關(guān)鍵詞：誤差理論；傳感器；測控技術(shù)

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）30-0154-02

一、引言

工程測量中必然存在誤差，誤差的處理會影響測量數(shù)據(jù)的可靠性。誤差理論與數(shù)據(jù)處理課程是測控技術(shù)與儀器專業(yè)的核心課程，學生對該課程知識的掌握好壞，直接影響其后續(xù)專業(yè)課程的學習，并將對其今后從事的精密檢測、測試系統(tǒng)設(shè)計、質(zhì)量控制、儀器設(shè)計及制造等工作產(chǎn)生持續(xù)深遠的影響。測控技術(shù)與儀器專業(yè)由儀器儀表及精密測量等多個專業(yè)綜合而成，在全國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，自高等學校首次設(shè)立誤差理論與數(shù)據(jù)處理課程以來，它便得到了許多大學的高度重視。目前，除儀器儀表類專業(yè)外，很多學校在機電類專業(yè)及測繪類專業(yè)也開設(shè)了該課程。為了提供誤差理論課程教學質(zhì)量，已經(jīng)提出了較多的教學方法改革方案[1-3]，或者實踐體系的改革[4]。這些教學改革大多針對誤差理論和數(shù)據(jù)處理課程理論性較強的特征，通過增強實踐教學環(huán)節(jié)，利用多種數(shù)據(jù)處理軟件或者綜合平臺對學生進行實踐訓練[5]。這些教學方法的改革可以有效提高學生對誤差理論和數(shù)據(jù)處理方法的認識，改善教學效果。

在全國高校的測控技術(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。對誤差理論課程的教學應(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)。本文針對傳感器應(yīng)用和動態(tài)測試技術(shù)為特色的專業(yè)培養(yǎng)體系，進行圍繞傳感器應(yīng)用的誤差理論課程教學改革。

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、概率與數(shù)理統(tǒng)計和線性代數(shù)，它也是工程測試及系統(tǒng)設(shè)計、儀器設(shè)計、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，并使學生建立測量精度和不確定度等概念，這些知識會在自動控制、儀器設(shè)計等課程中得到應(yīng)用。但是學生在學習誤差理論的過程中，由于沒有專業(yè)課和工程實踐的學習鍛煉，很難建立實際的應(yīng)用概念，對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，這有利于學生對概念的理解。也為學生的學習找到一個方向，找到一個思路。在以傳感器應(yīng)用和動態(tài)測試技術(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。從非電量信號的獲取、測量電路的設(shè)計和測試系統(tǒng)特性分析到數(shù)據(jù)的采集和處理，都圍繞著傳感器進行。誤差理論在傳感器的標定和傳感器誤差分析等方面都扮演著重要的角色，通過在誤差理論教學中貫穿傳感器應(yīng)用的概念，有利于學生對誤差概念的理解，更有利于特色專業(yè)課程體系的建立。

三、圍繞傳感器應(yīng)用的教學方法

圍繞傳感器應(yīng)用的誤差理論教學方法，并不是只對傳感器相關(guān)誤差知識進行教學。而是將誤差的理論和方法在傳感器這個平臺上進行應(yīng)用，鞏固知識加深理解。主要從課堂教學和實驗實踐環(huán)節(jié)進行教學方法的探索。

1.課堂教學。圍繞傳感器應(yīng)用的誤差理論課堂教學改革主要是改變以前的知識講解思路。誤差理論課程的知識結(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部分，常見的課堂教學主要以理論講解為主，在每個知識點后面會有相應(yīng)的例題。誤差理論課程含有很多抽象概念、公式，內(nèi)容相對來說比較單調(diào)、枯燥，對于沒有測量經(jīng)驗的學生，往往按照高等數(shù)學的學習習慣來學習誤差，重計算，輕概念。學生往往記公式，難以靈活應(yīng)用，由此影響了學習興趣和教學質(zhì)量。

對于以傳感器應(yīng)用和動態(tài)測試為特色的專業(yè)，學生從大三開始已經(jīng)初步接觸傳感器的概念，同時在學校的學生實踐實驗室和各種電子類競賽實驗室都有許多傳感器的應(yīng)用實例，學生們對傳感器應(yīng)用有了基本的認識。所以，可以通過傳感器的應(yīng)用來進行誤差理論的學習，如圖1所示。針對誤差理論課程中的四個主要知識模塊，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)測量中，可能產(chǎn)生系統(tǒng)誤差、隨機誤差和粗大誤差。通過分析傳感器和測量系統(tǒng)的誤差來源認識系統(tǒng)誤差，通過測量數(shù)據(jù)分析隨機誤差和粗大誤差；對于壓力傳感器加信號調(diào)理電路的測量情況，通過傳感器的誤差和調(diào)理放大電路的誤差可以學習認識誤差的合成與分配；通過對一種確定的壓力源進行測量，計算測量的不確定度；通過對壓力傳感器的標定學習基于誤差理論的最小二乘法處理及回歸分析等知識點。

2.實驗教學。目前的誤差理論實驗教學往往借助計算機開設(shè)一些數(shù)據(jù)處理的實驗，缺乏對測量誤差及其來源的根本性認識。導致學生在學完該課程后，仍不能運用所學知識指導測試實踐，解決實際問題。通過實際的傳感器采集測量數(shù)據(jù)，可以生動直觀地讓學生進行誤差的分析。我校的測控技術(shù)與儀器專業(yè)具有專門的傳感器原理及應(yīng)用實驗室，不用重復建設(shè)，學生就可以完成多種傳感器的實際信號采集。通過應(yīng)用軟件與采集系統(tǒng)對接就可以建立圍繞傳感器應(yīng)用的誤差分析實驗教學。

以壓力傳感器標定進行誤差理論課程中的回歸分析實驗教學，如圖2所示。利用傳感器實驗室的油壓標定機、電壓放大濾波器、數(shù)據(jù)采集卡和數(shù)據(jù)處理軟件，通過軟件中誤差分析功能對接，可以進行誤差理論的實驗教學。學生通過更換油壓標定機的砝碼改變輸入壓力值，獲得多組測量數(shù)據(jù)。學生利用最小二乘法和回歸分析的知識對這些數(shù)據(jù)處理以得到傳感器的靈敏度。

四、結(jié)論

通過圍繞傳感器應(yīng)用的誤差理論教學，有助于學生對誤差概念的理解，幫助學生找到一個從理論到實踐的通道。利用現(xiàn)有的傳感器應(yīng)用實驗室，通過誤差處理軟件的對接，直接完成了誤差理論實驗教學的改革。通過近年的誤差理論課程教學，學生對誤差理論課程的認知程度得到了提高。

參考文獻：

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