傳感器原理及應(yīng)用課程項(xiàng)目教學(xué)與實(shí)踐

韓素立 鄭勇 邵晶 張峰 李佳鑫 高銘澤 古芯源 呂艷偉

摘? 要：傳感器為構(gòu)建智能化系統(tǒng)的重要組成部分，被應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，具體包括環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療診斷、航空航天、智能樓宇和家用電器等。以學(xué)生工作所需理論知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)傳感器原理及應(yīng)用這門學(xué)科實(shí)施項(xiàng)目教學(xué)，結(jié)合化工園區(qū)綠色安全發(fā)展的趨勢(shì)，具體以油氣管道的自動(dòng)化巡檢為例，緊跟最新的技術(shù)發(fā)展和技術(shù)應(yīng)用。在項(xiàng)目教學(xué)的實(shí)踐過程當(dāng)中，使學(xué)生根據(jù)項(xiàng)目要求收集相關(guān)信息，設(shè)計(jì)解決方案;再針對(duì)學(xué)生擬解決問題的技術(shù)路線進(jìn)行知識(shí)教授并對(duì)項(xiàng)目實(shí)施加以引導(dǎo)，突出理論可行性和實(shí)踐操作性。學(xué)生對(duì)該學(xué)科有進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)與理解。在掌握理論知識(shí)的前提下，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)，著重培養(yǎng)應(yīng)用型人才所需的技能。項(xiàng)目教學(xué)法的實(shí)施不僅使學(xué)生對(duì)學(xué)科有系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，強(qiáng)化關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，同時(shí)也提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：傳感器原理及應(yīng)用;自動(dòng)化巡檢;探測(cè)距離補(bǔ)償;案例設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G642? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-000X（2022）19-0085-04

Abstract： As an important part of building intelligent system， sensor application technology is widely used in various fields of production and life， including environmental monitoring， medical diagnosis， aerospace， intelligent buildings and household appliances. Based on the theoretical knowledge and practical experience required by students' work， the project teaching of Sensor Principle and Application is implemented. Combined with the development trend of green safety in chemical industry park， the automatic inspection of oil and gas pipeline is taken as an example to keep up with the latest technology development and application. In the practice of project teaching， students can collect relevant information and design solutions according to the requirements of the project; Then， according to the students' technical route to solve the problem， the knowledge is taught and the project implementation is guided， highlighting the theoretical feasibility and practical operability. Students have a further understanding of the subject. On the premise of mastering the theoretical knowledge， it cultivates the students' innovative consciousness， improves the students' scientific literacy， and focuses on the skills required by the applied talents. The implementation of project teaching method not only makes students have a systematic understanding of the subject， but also strengthens the learning of key knowledge points; At the same time， it also improves the students' practical ability and innovation ability.

Keywords： Sensor Principle and Application; automated inspection; compensation of detection distance; case design

傳感器原理及應(yīng)用作為測(cè)控專業(yè)的核心課程，介紹了工程檢測(cè)中的各類傳感器的原理及特性。其教學(xué)目的是使學(xué)生掌握通用的物性型傳感器和結(jié)構(gòu)型傳感器的結(jié)構(gòu)、原理、應(yīng)用及發(fā)展方向，并能在工作中根據(jù)檢測(cè)要求選用最優(yōu)傳感器;對(duì)現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)有全新、系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。然而，在教學(xué)過程中，只通過PPT或者課堂板書機(jī)械式地講述復(fù)雜的傳感器原理的教學(xué)方式過于單一，難以提高學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣;并且單純依靠課本難以完全掌握常用傳感器的實(shí)驗(yàn)研究方法和實(shí)際使用方法，拘泥于理論知識(shí)，為解決以上的問題，在傳感器原理與應(yīng)用課程教學(xué)過程中采用了項(xiàng)目教學(xué)的方法。本次項(xiàng)目教學(xué)的實(shí)施以帶有伸縮臂探測(cè)距離補(bǔ)償?shù)挠卸居泻怏w巡檢平臺(tái)展開，涉及傳感器的選用、信號(hào)的接收與處理和機(jī)械臂設(shè)計(jì)、控制等問題。以項(xiàng)目為主線，通過指導(dǎo)老師一定的引導(dǎo)，讓學(xué)生在了解帶有伸縮臂探測(cè)距離補(bǔ)償?shù)挠卸居泻怏w巡檢平臺(tái)項(xiàng)目的過程中，自行收集信息，結(jié)合課本所學(xué)理論知識(shí)設(shè)計(jì)方案，驗(yàn)證可行性，了解、掌握巡檢平臺(tái)項(xiàng)目的每一傳感器的原理、特性及實(shí)際應(yīng)用，對(duì)完整測(cè)控系統(tǒng)有全面的認(rèn)識(shí)理解，真正將理論與實(shí)踐結(jié)合，以進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和科學(xué)素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用能力，提高工程項(xiàng)目實(shí)踐能力。58038D85-A91E-40F4-B6AD-82B89D68F5EF

一、案例設(shè)計(jì)

基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)是一種強(qiáng)調(diào)主動(dòng)探究和創(chuàng)新實(shí)踐的教學(xué)模式，目的是使得學(xué)生在思考探索和實(shí)踐中掌握知識(shí)、培養(yǎng)技能并獲得全面發(fā)展[1-2]。本次教學(xué)實(shí)踐依托傳感器原理及應(yīng)用課程所授知識(shí)及課外拓展，通過對(duì)帶有伸縮臂探測(cè)距離補(bǔ)償?shù)挠卸居泻怏w巡檢平臺(tái)的設(shè)計(jì)、加工、安裝和調(diào)試，使學(xué)生們?cè)趯?shí)踐中掌握傳感器的原理及應(yīng)用和初步了解現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)，鍛煉和提高學(xué)生獲取知識(shí)的能力強(qiáng)化實(shí)際操作訓(xùn)練，加強(qiáng)對(duì)理論知識(shí)的掌握。在鞏固知識(shí)技能的同時(shí)激發(fā)創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學(xué)生理論知識(shí)的應(yīng)用能力。進(jìn)一步提高學(xué)生解決工程、生產(chǎn)及科研中遇到的各種問題的能力，把理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)有機(jī)地集合起來，使學(xué)生的創(chuàng)造潛能得到充分激發(fā)，鍛煉學(xué)生對(duì)工程項(xiàng)目中實(shí)際問題的分析和處理能力，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神和合作能力等。

（一）機(jī)械部分教學(xué)設(shè)計(jì)

測(cè)控專業(yè)注重培養(yǎng)具備專業(yè)精密儀器設(shè)計(jì)制造以及測(cè)量基礎(chǔ)知識(shí)與應(yīng)用能力[3]，學(xué)生了解掌握機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)對(duì)帶有伸縮臂探測(cè)距離補(bǔ)償?shù)挠卸居泻怏w巡檢平臺(tái)項(xiàng)目的順利進(jìn)行是十分重要的，故特設(shè)了機(jī)械部分的教學(xué)，如圖1所示。機(jī)械設(shè)計(jì)的內(nèi)容為實(shí)現(xiàn)距離補(bǔ)償功能的伸縮臂，學(xué)生由伸縮臂的功能出發(fā)，規(guī)劃伸縮臂關(guān)節(jié)空間的運(yùn)動(dòng)范圍，計(jì)算分析以驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性，最終將伸縮臂設(shè)計(jì)為三自由度機(jī)械臂。根據(jù)負(fù)載大小，選擇最佳減速比行星減速機(jī)和57步進(jìn)電機(jī)組成機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，保證轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)扭矩足夠，通過聯(lián)軸器、連桿為機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞動(dòng)力。機(jī)械臂頂端的傳感器支架通過三個(gè)連桿與機(jī)械臂支架相連，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)過程中始終保持水平。在機(jī)械臂頂端加裝傳感器，通過機(jī)械臂的探測(cè)距離補(bǔ)償，可使平臺(tái)完成在復(fù)雜地形下對(duì)管道情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。提高了精準(zhǔn)度及修正了行進(jìn)路線導(dǎo)致測(cè)量位置偏移的問題，提高有毒氣體檢測(cè)的可靠性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)吊裝異形管道的巡檢處理，這對(duì)于提高特殊檢測(cè)平臺(tái)技術(shù)水平具有重要意義。在教學(xué)中應(yīng)著重講解根據(jù)伸縮臂實(shí)現(xiàn)的距離補(bǔ)償功能合理設(shè)計(jì)機(jī)械臂，傳感器支架通過三個(gè)連桿與機(jī)械臂支架連接，實(shí)現(xiàn)了傳感器支架在機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)過程中始終保持水平，巧妙地避免了通過單片機(jī)控制傳感器支架保持水平，提高了可靠性。

（二）傳感器部分教學(xué)設(shè)計(jì)

應(yīng)用傳感器技術(shù)可以快速、準(zhǔn)確獲得信息。在實(shí)際工作與運(yùn)行的過程中，在傳感器選用時(shí)需綜合考量，不僅需要學(xué)生對(duì)傳感器的原理、功能有準(zhǔn)確的理解和把握，還要考慮減輕或避免檢測(cè)環(huán)境對(duì)傳感器的干擾，以及檢測(cè)精度和經(jīng)濟(jì)性等綜合因素。使學(xué)生對(duì)傳感器的學(xué)習(xí)會(huì)從課本走向?qū)嶋H生產(chǎn)過程，會(huì)有全新全面的認(rèn)識(shí)理解。此帶有伸縮臂探測(cè)距離補(bǔ)償?shù)挠卸居泻怏w巡檢平臺(tái)項(xiàng)目中設(shè)置了三個(gè)傳感器模塊。

（1）管道位置檢測(cè)模塊。學(xué)生選取的線陣CCD相機(jī)模塊通過128個(gè)像素點(diǎn)全采集，無死角采集管道位置信息;120°鏡頭成像與畸變平衡，保證準(zhǔn)確性;且具有自體積小、重量輕、系統(tǒng)噪聲低、可靠性高等一系列優(yōu)點(diǎn)，可以快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)管道灰度信息的采集。

（2）距離檢測(cè)模塊。根據(jù)對(duì)管道距離測(cè)量的要求，學(xué)生選取的紅外測(cè)距傳感器由PSD和IRED以及信號(hào)處理電路三部分組成。采用了三角測(cè)量方法，被測(cè)物體的材質(zhì)、環(huán)境溫度以及測(cè)量時(shí)間都不會(huì)影響測(cè)量精度。傳感器的輸出電壓值對(duì)應(yīng)探測(cè)的距離，通過測(cè)量電壓值就可以得到對(duì)管道的探測(cè)距離?？梢詽M足平臺(tái)對(duì)管道距離檢測(cè)的要求。

（3）氣體檢測(cè)模塊。選取的MQ-4氣體檢測(cè)模塊，適宜于液化氣、苯、烷、酒精、氫氣、煙霧等的探測(cè)，對(duì)天然氣、液化石油氣等煙霧有很高的靈敏度，尤其對(duì)烷類煙霧更為敏感，具備良好的抗干擾性，可準(zhǔn)確排除有刺激性非可燃性煙霧的干擾信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)有毒有害氣體的準(zhǔn)確檢測(cè)[4]。

傳感器部分是教學(xué)部分的核心內(nèi)容，在教學(xué)過程中應(yīng)著重于此部分的教學(xué)，使學(xué)生明確各個(gè)傳感器部分的作用與工作原理，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)需求選擇滿足功能的傳感器，再根據(jù)經(jīng)濟(jì)性、檢測(cè)條件的因素綜合考慮選擇最優(yōu)傳感器，還可在教學(xué)中讓學(xué)生思考是否可運(yùn)用已學(xué)知識(shí)改進(jìn)各模塊的設(shè)計(jì)，更好地將書本上的知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合。

（三）控制部分教學(xué)設(shè)計(jì)

由于近現(xiàn)代工業(yè)水平的提高，檢測(cè)條件和被檢測(cè)對(duì)象愈加龐雜，對(duì)檢測(cè)精度和速度的追求更加精益求精，而采用人工對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)及處理結(jié)果的技術(shù)方式不僅耗時(shí)耗力，速度、精確度也不能滿足檢測(cè)要求。這就促使從事計(jì)量測(cè)試和儀器儀表研究的科學(xué)工作者們不斷地探索新的測(cè)試?yán)碚?、方法、設(shè)備，從而推動(dòng)自動(dòng)測(cè)控科學(xué)不斷地向新的領(lǐng)域發(fā)展[5]。為使學(xué)生對(duì)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)中傳感器的信號(hào)采集、控制器數(shù)據(jù)分析及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制有更深層次的理解，對(duì)測(cè)控系統(tǒng)有整體把握，故設(shè)計(jì)此部分教學(xué)，控制流程如圖2所示。帶有伸縮臂探測(cè)距離補(bǔ)償?shù)挠卸居泻怏w巡檢平臺(tái)項(xiàng)目的整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由STM32主控板、線陣CCD相機(jī)模塊、紅外測(cè)距傳感器模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、步進(jìn)電機(jī)及光電編碼器構(gòu)成。線陣CCD相機(jī)和紅外測(cè)距傳感器為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的信息采集傳感器，負(fù)責(zé)采集管道位置數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)處理后發(fā)送至單片機(jī)。STM32主控板為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制器，負(fù)責(zé)對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)線陣CCD相機(jī)模塊獲取待測(cè)管道的灰度信息，STM32主控通過AD轉(zhuǎn)換后得到的路面灰度值判斷預(yù)定軌跡黑線的位置與由光電編碼器記錄位置獲得偏差值;同時(shí)，由紅外測(cè)距傳感器模塊測(cè)得對(duì)待測(cè)管道的距離，與程序內(nèi)預(yù)設(shè)定距離產(chǎn)生偏差值。根據(jù)偏差值，通過PID算法對(duì)步進(jìn)電機(jī)輸入不同占空比的PWM波控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，交替實(shí)現(xiàn)調(diào)整機(jī)械臂頂端豎直方向的位置和調(diào)整機(jī)械臂頂端水平方向的位置對(duì)管道循跡和對(duì)管道距離保持一定。通過對(duì)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制的教學(xué)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)具體目標(biāo)設(shè)計(jì)控制部分從而實(shí)現(xiàn)具體功能的能力，使學(xué)生對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的組成部分有充分的認(rèn)識(shí)理解，真正具有分析、處理和解決工業(yè)活動(dòng)中問題的本領(lǐng)。

二、案例分析

傳感器原理及應(yīng)用為測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)本科生的一門重要的專業(yè)核心課程，所授知識(shí)對(duì)學(xué)生未來工作或科研都具有重要作用。本案例可以用于該學(xué)科的教學(xué)，使學(xué)生掌握工業(yè)活動(dòng)中常見的傳感器原理及應(yīng)用，并能在工作中根據(jù)檢測(cè)要求選用最優(yōu)傳感器;對(duì)現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)有全新、系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。使用本案例向?qū)W生對(duì)以下方面進(jìn)行說明：58038D85-A91E-40F4-B6AD-82B89D68F5EF

（1）傳感器是信息獲取的首要環(huán)節(jié)。在傳感器選用時(shí)需綜合考量，首先需要學(xué)生對(duì)課本上介紹的傳感器的原理、功能有準(zhǔn)確的理解和把握，再根據(jù)檢測(cè)需求選擇滿足功能的傳感器，還要考慮檢測(cè)環(huán)境，檢測(cè)精度和經(jīng)濟(jì)性等綜合因素。

（2）測(cè)控專業(yè)學(xué)生需要具備專業(yè)精密儀器設(shè)計(jì)能力以及測(cè)量基礎(chǔ)知識(shí)與應(yīng)用能力，了解掌握機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的組建是十分重要的。測(cè)控系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要集思考、繪圖、計(jì)算于一體，設(shè)計(jì)出滿足要求的方案，繪制圖紙并驗(yàn)證方案可行性。還需要滿足可靠性、實(shí)用性以及經(jīng)濟(jì)性等方面的要求。

（3）測(cè)控系統(tǒng)中的控制部分尤為重要，是信號(hào)處理信號(hào)分析的關(guān)鍵部分，也是對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令的“大腦”。對(duì)控制程序編寫時(shí)需要先對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)各個(gè)模塊進(jìn)行調(diào)試，排查、解決問題，所有模塊功能均調(diào)試正常后再進(jìn)行聯(lián)調(diào)。對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出的信號(hào)應(yīng)該考慮其工作條件，避免步進(jìn)電機(jī)丟步等問題。

（4）項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、制作要有明確的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，對(duì)項(xiàng)目整體要有明確的時(shí)間規(guī)劃，對(duì)于每個(gè)時(shí)間段的計(jì)劃需嚴(yán)格按時(shí)間完成。項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要從需求出發(fā)，以滿足需求為目的，綜合考量經(jīng)濟(jì)性、實(shí)際生產(chǎn)條件等因素選擇最優(yōu)方案。

三、結(jié)束語

針對(duì)測(cè)控系統(tǒng)工程性、實(shí)踐性、綜合性等特點(diǎn)，傳感器原理及應(yīng)用通過“帶有伸縮臂探測(cè)距離補(bǔ)償?shù)挠卸居泻怏w巡檢平臺(tái)”開展實(shí)踐項(xiàng)目教學(xué)。實(shí)踐過程以教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體，通過巡檢平臺(tái)讓學(xué)生自主完成機(jī)械設(shè)計(jì)加工、傳感器選用、控制器編程等創(chuàng)新實(shí)踐過程。改變了以往“教師講，學(xué)生聽”被動(dòng)的教學(xué)模式，創(chuàng)造了學(xué)生主動(dòng)參與、自主協(xié)作、探索創(chuàng)新的新型教學(xué)模式[6]。在完成各學(xué)科理論知識(shí)的融會(huì)貫通的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)有機(jī)結(jié)合的目標(biāo)。同時(shí)使學(xué)生的學(xué)習(xí)方式得以轉(zhuǎn)變，在主動(dòng)積極的學(xué)習(xí)環(huán)境中，激發(fā)了學(xué)生的好奇心和創(chuàng)造潛能，鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力及查找相關(guān)資料進(jìn)行知識(shí)延伸的能力，培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，提高了學(xué)生分析、處理和解決工業(yè)活動(dòng)實(shí)踐中問題的能力。

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基金項(xiàng)目：青島理工大學(xué)本科教學(xué)改革研究項(xiàng)目“多學(xué)科交叉融合的工程人才培養(yǎng)模式探索與實(shí)踐”（無編號(hào)）

作者簡(jiǎn)介：韓素立（1986-），女，漢族，河北邢臺(tái)人，博士，副教授，研究方向?yàn)榻虒W(xué)探索與實(shí)踐、流體動(dòng)壓潤(rùn)滑等。58038D85-A91E-40F4-B6AD-82B89D68F5EF