面向自動化專業(yè)的“檢測技術”實驗教學

許 芬，張志芳，賈守強，左 岐

(北方工業(yè)大學自動化系，北京 100144)

高校的自動化專業(yè)中“檢測技術”是一門重要的專業(yè)必修課[1，2]。正如一個運行良好的自動控制系統(tǒng)離不開實時有效的檢測手段一樣，一個有良好專業(yè)素養(yǎng)的自動化工程師必須具備基本的檢測技術知識和技能[3]。

“檢測技術”實驗教學應該遵循如下幾條原則。

(1)加深學生對主要檢測技術和相關傳感器應用的了解;

(2)讓學生認識檢測系統(tǒng)的構成、各部分功能以及相關實現(xiàn)手段;

(3)為學生提供簡單檢測系統(tǒng)設計的訓練;

(4)設置一些模擬實際應用的問題，培養(yǎng)學生的主動探索能力。

1 “檢測技術”課程內(nèi)容

“檢測技術”課程內(nèi)容一般分為基礎理論，傳感器和不同參量的檢測方法三大部分[4]:①基礎理論教學部分包括測量的基本概念，誤差分析和數(shù)據(jù)處理技術，傳感器的靜動態(tài)特性分析等;②傳感器由于種類繁多，不可能逐一介紹，只能按感應機理分大類介紹，比如可以分為電阻型、阻抗性傳感器、電壓型傳感器和光電型等;③檢測方法可針對不同行業(yè)背景按被測量者的物理特性分類介紹，比如機械量檢測、熱工量檢測和化學成分檢測等。

當前國內(nèi)高校自動化專業(yè)的“檢測技術”課堂上大都采用這種知識體系進行授課。但課堂總學時、理論課課時和實驗課時的分配各校都不相同。表1是各種類型學校(研究型I以東南大學為例，應用型I以長江大學為例)自動化專業(yè)“檢測技術”課程理論講課及實驗課時分配調(diào)查示例。

表1 檢測技術課堂學時分配示例

從調(diào)查結(jié)果來看，要達到能夠為自動控制系統(tǒng)設計一個測量電路的專業(yè)目標，學生需要掌握與測量相關的基本概念，具有一定的數(shù)據(jù)處理和誤差分析能力，能選擇合適的傳感器，還需要設計恰當?shù)那岸朔糯箅娐芳皵?shù)字接口電路等知識。要學生完成一個在工程上可行、在精度上達到要求和技術上可實現(xiàn)的測量方案。如何通過一門課程的理論學習及相關的實驗教學來達到這個目標呢?

我們的思路是課堂教學內(nèi)容要兼具廣度和深度:教學內(nèi)容要覆蓋檢測原理，主要傳感器類型、誤差分析、檢測系統(tǒng)安裝與調(diào)試、傳感器校準和智能化數(shù)據(jù)處理等相關知識;同時通過一個實際檢測系統(tǒng)案例教學，對傳感器的選擇、傳感器的前端放大電路選擇和信號調(diào)理電路設計等部分有深入的闡述。

在課程實驗方面，重視實驗設備的開放性和透明性，加大實驗課時中綜合性和設計性實驗的比重，在實驗過程中設置一些模擬實際應用中可能遇到的問題，引導學生探究并尋找相應的解決方法。

2 實驗內(nèi)容設計

很多高校的檢測技術實驗室都配備有綜合性實驗平臺。平臺上提供的實驗大部分為傳感器特性的驗證實驗，缺乏綜合性和設計性實驗內(nèi)容。學生雖然知道一些傳感器的名稱，但是面對實際測量任務時，不知道該如何去選擇合適的傳感器，更不知道如何去設計并完成一個測量系統(tǒng)，前端電路設計及數(shù)字接口電路的設計也有很多不明白的地方。因此有必要在檢測技術的實驗中加強綜合性和設計性實驗內(nèi)容，通過綜合性實驗加強學生對不同傳感器的優(yōu)缺點認識，對測量方案的工程可行性、測量精度和實現(xiàn)成本等有一個基本的概念，通過設計性實驗提高學生的實際動手能力。

現(xiàn)以壓力測量為例，壓力是流程工業(yè)經(jīng)常需要測量的一個熱工量?，F(xiàn)在工業(yè)界常用的壓力測量儀表有機械式儀表和電氣式儀表。機械式儀表便宜，但是不適合作自動測量。電氣式壓力表也有很多種類，如金屬應變式、壓阻式、壓電式和電容式等。其中應變式壓力計應用比較廣泛，而半導體壓阻傳感器則是當前很多智能化集成壓力儀表中使用的傳感器。實驗內(nèi)容可以用普通的金屬應變片構成惠斯頓電橋進行阻值測量，并完成從阻值到壓力的轉(zhuǎn)換，同時用半導體壓阻傳感器進行同樣的壓力測量，比較這兩種壓力傳感器的線性度和穩(wěn)定性。

溫度測量在化工業(yè)，冶金行業(yè)，儀器儀表行業(yè)以及消費電子行業(yè)中，都會遇到的實際任務。溫度傳感器有熱電偶、熱電阻、半導體溫敏傳感器、熱敏電阻、光纖測溫傳感器、紅外測溫傳感器和光學高溫計等多種類型。在測量方案設計時，首先需要確定被測流程或被測對象是否可以進行接觸式測溫。如果能夠進行接觸式測溫，則可以從前面五種中挑選合適的傳感器，如果不能，則只能選擇后兩種。因此在實驗內(nèi)容方面，以接觸式測溫為例，應該選擇熱電偶，熱電阻和半導體溫敏傳感器三種傳感器件的應用電路設計，包括信號采集電路、前端放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換和單片機接口電路等，在軟件方面要掌握相應的數(shù)據(jù)補償及處理。這三種測溫傳感器可以相結(jié)合安排一個4小時的綜合性實驗或設計性實驗。實驗內(nèi)容包含熱電阻的三線制連接方式，熱電偶的測溫實驗及熱電偶冷端補償電路設計。熱電偶冷端補償利用NTC熱敏電阻構成不平衡電橋補償冷端熱電勢實現(xiàn)，因此三種工業(yè)上常用的接觸式測溫元件都在實驗里涉及到。通過這樣一個綜合性實驗，學生對三種測溫元件的測量電路，應用場合和溫度特性都有了一定的感性認識。

流量和液位也是流程工業(yè)中經(jīng)常遇到的兩個檢測量。流量計的選擇一方面取決于對量程和測量精度的要求，另一方面還受到流體對象本身物理特性及化學特性的限制。流體是透明的，還是混濁的，是導電的還是非導電的;是單相流還是混相流;流體的雷諾系數(shù)是多少等等，這些參數(shù)都對流量計的選擇有很大影響。在實驗內(nèi)容方面，可以把流式差壓流量計、電磁流量計、孔板流量計、轉(zhuǎn)子流量計和渦輪流量計等幾種常見流量計的使用和安裝制作成動畫，進行演示性實驗。

液位檢測經(jīng)常采用間接測量的方法，比如壓力式液位計、浮力式液位計和電阻式液位計等。在實驗教學內(nèi)容方面可以安排一個如圖1所示的單回路的液位檢測和控制實驗，讓學生完成水箱的水位測量和定值控制功能。學生通過串口通訊或現(xiàn)場總線接口實現(xiàn)與上位機之間的數(shù)據(jù)通訊，對計算機測控系統(tǒng)會有一個初步概念。圖2為流量和液位實驗計算機系統(tǒng)上位機顯示的監(jiān)控界面。

圖1 水箱水位檢測與控制實驗原理圖

圖2 水箱水位計算機監(jiān)控界面

3 結(jié)語

與以前的“檢測技術”實驗相比，本文介紹的新的實驗教學設計更加強調(diào)綜合性實驗內(nèi)容和實驗的開放性。實驗運行后，學生反饋對傳感器和檢測技術的認識比較具體了，在傳感器選擇、前端信號處理和傳感器數(shù)據(jù)采集處理方面得到了全面的訓練。

“檢測技術”屬于應用性較強的課程，對于應用型大學，實驗安排可以根據(jù)專業(yè)特色，強調(diào)比較具體的、聯(lián)系工程實際應用的檢測系統(tǒng)實例教育，合理分配驗證性實驗、綜合性實驗和設計型實驗的比重，使學生初步掌握從測量方案設計、到傳感器選擇、再到測量方案實現(xiàn)這一完整的檢測系統(tǒng)設計過程。并對計算機信號采集、計算機數(shù)據(jù)處理和顯示技術有一定程度的理解。

[1]周杏鵬，檢測技術課程教材建設與教改實踐[J]，南京:電氣電子教學學報，27(3)，2005，p68-70

[2]徐科軍，“傳感器與檢測技術”課程建設探討[J]，南京:電氣電子教學學報，31(3)，2009，p23-24

[3]E F Crawley，查建中，J.Malmqvist，I R.Brodeur.工程教育的環(huán)境[J].武漢:高等工程教育研究，2008，No.4，p13-21

[4]周杏鵬，孫永榮，仇國富，傳感器與檢測技術，北京:清華大學出版社，2010