淺談提高“檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)”課程課內(nèi)實驗質(zhì)量

徐冬梅　張莉萍

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

關(guān)鍵詞 檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù) 課內(nèi)實驗質(zhì)量 高等教育

中圖分類號：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：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)作為檢測控制系統(tǒng)中獲取對象信息的重要窗口，與通信技術(shù)和計算機(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)自動化、軍事國防、家用電器、醫(yī)療衛(wèi)生、生物過程等各方面有著廣泛應(yīng)用。隨著信息時代的到來，國內(nèi)外許多國家都將傳感器技術(shù)列為優(yōu)先發(fā)展的科技領(lǐng)域之一。國內(nèi)高校許多專業(yè)也相繼開設(shè)了相應(yīng)課程?！皺z測與轉(zhuǎn)換技術(shù)”作為我院自動化、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，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、測量電路及其典型應(yīng)用。課程理論性較強，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，為了加深學(xué)生對各種傳感器理論知識的理解，增強學(xué)生理論聯(lián)系實際的動手實踐能力，課程中相應(yīng)安排了8學(xué)時的課內(nèi)實驗，分別針對金屬應(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)生配備了實驗指導(dǎo)書。在實驗指導(dǎo)書上明確寫明了實驗?zāi)康摹嶒炘?、針對實驗平臺的實驗步驟等模塊。實驗平臺均為集成的教學(xué)儀器模塊，為了節(jié)約學(xué)生實驗時間，提高實驗完成效率，學(xué)生大多只需要簡單地連接幾根明線即完成實驗平臺的搭建，剩下的就是測量與記錄數(shù)據(jù)。然而這樣的實驗結(jié)果就是，學(xué)生對于原理的理解還停留在課本上，進(jìn)實驗室也只需要弄出幾組數(shù)據(jù)，對于數(shù)據(jù)產(chǎn)生的電路原理并未真正理解，并且對于數(shù)據(jù)的有效性也不能保證。如果再追問學(xué)生是否有其他測量方法時，學(xué)生更加無所適從。

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

實驗一：金屬箔式應(yīng)變片特性實驗。

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)測量電路分別為單臂電橋、雙臂電橋以及全橋電路時，理論性地分析與比較了三種電路所帶來的不同性能和特點，比如輸出靈敏度、非線性誤差和溫度誤差等。那么本實驗的目的就是通過連接三種不同的測量電路來幫助學(xué)生了解金屬箔式應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)，同時比較這三種測量電路的所帶來的不同性能和特點。

關(guān)于這三種測量電路的電阻應(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，其電阻值會發(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為電阻絲電阻相對變化，K為應(yīng)變靈敏系數(shù)，€%^=€%=l/l為電阻絲長度相對變化，金屬箔式應(yīng)變片就是通過光刻、腐蝕等工藝制成的應(yīng)變敏感元件，通過它轉(zhuǎn)換被測部位受力狀態(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)。

在這個實驗中，如圖1所示，應(yīng)變片和固定電阻依據(jù)三種不同的測量電路分別貼在被測物體的上下兩面。通過往托盤上增加或減少砝碼來改變作用于被測物體上的作用力，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)變片電阻的變化會反應(yīng)在輸出電壓上。實驗中，我們通過觀察和記錄輸出電壓的數(shù)值變化來對三種測量電路的性能作進(jìn)一步的分析和處理。這是本次實驗中，根據(jù)實驗指導(dǎo)用書學(xué)生所要完成的主要工作。

在實現(xiàn)測量之前，需要對應(yīng)變傳感器實驗?zāi)０暹M(jìn)行電路搭建，使它與圖1能聯(lián)合工作，應(yīng)變傳感器實驗?zāi)０迦鐖D2所示。當(dāng)然，在我們的實驗指導(dǎo)書上已經(jīng)寫明了需要學(xué)生動手連接的線路，由于只有幾根線需要連接，這個工作量是非常小的。但是實驗指導(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不少時間，還會出現(xiàn)漏接或錯接線路的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了實驗進(jìn)度和準(zhǔn)確性。而且實驗結(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。那我們有沒有辦法能提高一下學(xué)生的實驗進(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，從而提高實驗效率。對于這樣一個看似復(fù)雜的實驗電路，我們不妨對它進(jìn)行模塊分化，如圖3所示。我們將它分為左、中、右三個模塊，如圖中實線框所示。

我們在課堂上講到，應(yīng)變傳感器的測量電路是四臂電橋，很顯然，四臂電橋是實現(xiàn)測量的基本電路。所以在左邊的模塊中就是四臂電橋，依據(jù)我們實驗的需要，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，然后我們通過觀測輸出電壓來對電路的性能進(jìn)行分析。

四臂電橋的輸出是否可以直接進(jìn)行觀測呢？理論上我們是直接觀測兩端輸出之間的電壓差，但是實際實驗中，兩端輸出分別對應(yīng)著各自的電勢，若要獲得電壓差，需要經(jīng)過模擬電路進(jìn)行電壓差運算，這里我們采用模電課上的差分電路來獲取兩端輸出的電壓差。在使用這個差分電路之前，需要對差分電路進(jìn)行調(diào)零，以確保當(dāng)兩端輸入相等時，差分電路輸出也為零。由于中間模塊中的各器件參數(shù)相互對稱，最簡便的方法就是當(dāng)兩端輸入為零時，差分電路輸出也應(yīng)為零。如果存在漂移，可通過電路中的可調(diào)電阻Rw3實現(xiàn)此功能。

實驗中，我們通過逐次增減20克的砝碼來改變外加應(yīng)變力，由于增減幅度較小，所帶來的應(yīng)變力及應(yīng)變效果也會很小，那么在輸出電壓上的變化也不會很大，因此，差分電路的輸出會出現(xiàn)變化很小的現(xiàn)象。為了方便觀測，我們將差分電路的輸出端輸入一個放大電路，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)生在接線時就不會困惑：接了正15伏之后，負(fù)15伏要不要接。

學(xué)生在實驗中，接線效率低或者出錯，最主要的原因是他們不了解實驗電路到底是怎樣的，實驗指導(dǎo)書上的實驗步驟只介紹如何接線，卻未說明為何要這樣接，讓學(xué)生處于一種知其然不知其所以然的狀態(tài)。所以說，我們在進(jìn)行實驗指導(dǎo)時，很關(guān)鍵的一步是要盡可能細(xì)致地讓學(xué)生明白他們在做什么，這樣才能盡可能地避免囫圇吞棗的感覺。

實驗二 電容式傳感器位移特性實驗。

這個實驗的目的是幫助學(xué)生了解電容式傳感器結(jié)構(gòu)及其特點。本實驗的實驗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，通過相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和測量電路可以選擇€%^、A、d三個參數(shù)，保持二個參數(shù)不變，而只改變其中一個參數(shù)，則可以有測谷物干燥度（€%^變）、測微小位移（d變）和測量液位（A變）等多種電容傳感器。在這個實驗中，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。

本實驗的電路圖如圖5所示。實驗板上需要學(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，是很簡單的。整個電路可以分為左、中、右三塊。最左邊是交流信號發(fā)生器。經(jīng)過電容C3的耦合作用，只有交流能夠通過。中間是整流電路，經(jīng)過滑動變阻器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變阻器Rw的位置了。根據(jù)實驗的設(shè)計，旋動測微頭改變電容傳感器動極板位置，使之在正負(fù)2mm之間往返運動，那么測量出的電壓的變化值也應(yīng)該是在零點附近作正負(fù)值之間的往返變化。然而實驗中，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，測量結(jié)果不能越過零點，并且測量值變化范圍很小，顯得電容傳感器很不靈敏。這讓學(xué)生很有挫敗感，甚至懷疑實驗平臺發(fā)生故障。其實根據(jù)原因在哪呢？還是在滑動變阻器Rw上。我們再看一下滑動變阻器Rw，它橫跨電容C5并使一端接地，如果滑動變阻器直接推到接地端，那么滑動變阻器Rw所取到的電壓就會很小。電容傳感器位移的改變所帶來的電壓的改變，并不能在滑動變阻器Rw所取的電壓上很好地表現(xiàn)出來，因此就會出現(xiàn)測量結(jié)果不能越過零點的現(xiàn)象。這看似是個很小的舉動，卻嚴(yán)重影響了學(xué)生做實驗的進(jìn)展和積極性。

實驗三 直流激勵時霍爾式傳感器位移特性實驗。

這個實驗主要是幫助學(xué)生了解霍爾式傳感器的原理及應(yīng)用。它的實驗原理就是根據(jù)霍爾效應(yīng)，霍爾電勢UH=KHIB，當(dāng)霍爾元件處在梯度磁場中運動時，它就可以進(jìn)行位移測量。它的實驗平臺與電容傳感器相近，如圖6所示。本實驗的接線圖如圖7所示。

根據(jù)實驗設(shè)計，本實驗中，主要完成的工作就是改變測微頭的位置，使其做往復(fù)運動，同時觀察并記錄下主控臺數(shù)顯表中輸出電壓的變化值。僅從這一點來看，這與電容傳感器實驗中要做的事情非常相近。因此學(xué)生在做這個實驗時就非常順利，很快就完成了實驗內(nèi)容。但是電容傳感器實驗中通過改變位移來改變輸出電壓，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UH只與霍爾系數(shù)KH、電流強度I以及磁場強度B相關(guān)，并未體現(xiàn)位移的關(guān)系。為什么這個實驗需要改變位移呢？改變位移真正影響的是什么呢？當(dāng)我們將這個問題拋出時，學(xué)生顯然很茫然，實驗做完了，卻不知道為什么這樣做。實際上，在本實驗中，霍爾元件處在梯度磁場中，我們改變的是霍爾元件在梯度磁場中的位置，使穿透霍爾元件的磁場發(fā)生了改變，從而來改變霍爾電勢。關(guān)于實驗板內(nèi)部的電路部分，實驗指導(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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