應(yīng)用型本科院校“傳感器技術(shù)”課程教學(xué)方案優(yōu)化分析

宋志勇

摘? ?要：針對(duì)傳感器課程的教學(xué)現(xiàn)狀，結(jié)合應(yīng)用型本科對(duì)人才培養(yǎng)的要求，綜合考慮用型本科院校學(xué)生的能力素質(zhì)，文章提出一套“傳感器技術(shù)”應(yīng)用型課程建設(shè)的改革方案。采用項(xiàng)目式教學(xué)法教課程進(jìn)行改革。設(shè)計(jì)6個(gè)基本的項(xiàng)目，每個(gè)項(xiàng)目都配有項(xiàng)目設(shè)計(jì)說(shuō)明書、原理圖及PCB源文件。讓學(xué)生在學(xué)習(xí)6個(gè)項(xiàng)目的過(guò)程中系統(tǒng)掌握傳感器工程應(yīng)用中所需的知識(shí)，提高學(xué)生分析、解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。

關(guān)鍵詞：“傳感器技術(shù)”;應(yīng)用型課程;項(xiàng)目式教學(xué)

1? ? 存在的問(wèn)題

“傳感器技術(shù)”課程是電子信息類專業(yè)的必修課。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)讓學(xué)生掌握常用傳感器的原理及應(yīng)用方法。本課程的特點(diǎn)是：（1）涉及的內(nèi)容廣，如機(jī)、電、光、計(jì)算機(jī)等知識(shí)。（2）內(nèi)容較難。（3）應(yīng)用性強(qiáng)[1-2]。在自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中傳感器處于研究對(duì)象與檢測(cè)系統(tǒng)的接口位置，是感知、獲取與檢測(cè)信息的窗口[3]。目前傳感器課程分為理論教學(xué)實(shí)驗(yàn)和教學(xué)。這兩個(gè)環(huán)節(jié)都存在一定的問(wèn)題，具體如下。

1.1? 理論教學(xué)

理論教學(xué)主要是通過(guò)對(duì)傳感器的相關(guān)原理及應(yīng)用電路進(jìn)行分析，在傳感器原理的分析中涉及大量公式的推導(dǎo)。這些內(nèi)容對(duì)于應(yīng)用型本科的學(xué)生來(lái)說(shuō)，難度偏大，很難掌握，另外一些很復(fù)雜的公式推導(dǎo)對(duì)于傳感器的工程應(yīng)用沒(méi)有太大的指導(dǎo)意義。在對(duì)傳感器的應(yīng)用電路分析時(shí)，教材中配套的電路只是直接給出一幅應(yīng)用電路圖，然后就大概分析其工作原理，至于電路中的器件參數(shù)如何選擇都沒(méi)有涉及，電路的性能也沒(méi)有實(shí)際的測(cè)試分析，甚至有些電路的性能差實(shí)際是不能用的。學(xué)生后期在做畢業(yè)設(shè)計(jì)或參加比賽時(shí)需要用到某種傳感器的信號(hào)調(diào)理電路時(shí)，若是查閱教材，看到教材的應(yīng)用電路也不懂電路到底能不能用，或者電路能用電路中的器件參數(shù)要如何修改才能滿足實(shí)際的要求，教材對(duì)學(xué)生的實(shí)踐沒(méi)有太大的參考價(jià)值。

1.2? 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要利用傳感器實(shí)驗(yàn)箱通過(guò)簡(jiǎn)單的連線完成對(duì)傳感器功能的驗(yàn)證，采用現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)箱，只是按要求進(jìn)行簡(jiǎn)單地連線。實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)的電路基本看不到，做完實(shí)驗(yàn)傳感器具體如何使用還是不懂。

2? ? 改革的具體實(shí)施

對(duì)于應(yīng)用型本科，本課程主要目的是要教會(huì)學(xué)生正確進(jìn)行傳感器的選型，并完成相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路，完成具體的檢測(cè)任務(wù)。上述存在的這些問(wèn)題中，最根本的問(wèn)題在于介紹傳感器時(shí)缺乏完整的設(shè)計(jì)案例。針對(duì)上述存在的一些問(wèn)題及應(yīng)用型課程的要求，采用項(xiàng)目式教學(xué)對(duì)傳感器的課程進(jìn)行改革。選擇幾種典型的傳感器的應(yīng)用案例，并設(shè)計(jì)這個(gè)案例的應(yīng)用電路，對(duì)這些電路進(jìn)行調(diào)試、測(cè)試、分析并撰寫項(xiàng)目設(shè)計(jì)說(shuō)明書。通過(guò)這幾個(gè)典型的項(xiàng)目系統(tǒng)地介紹傳感器在工程檢測(cè)應(yīng)用中的設(shè)計(jì)流程、設(shè)計(jì)方法及測(cè)試方法。重點(diǎn)介紹傳感器的選型方法，傳感器的信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)方法，調(diào)理電路中各個(gè)器件參數(shù)的選擇方法。同時(shí)每個(gè)項(xiàng)目都配有完整的設(shè)計(jì)文檔及原理圖和PCB源文件，讓學(xué)生能深入地學(xué)習(xí)這幾個(gè)項(xiàng)目，掌握傳感器在工程應(yīng)用中的主要技能。

2.1? 教學(xué)內(nèi)容及教材

在教學(xué)過(guò)程中，教學(xué)內(nèi)容是教學(xué)的核心。教學(xué)的具體內(nèi)容基本由教材決定。目前傳感器課程雖然有一些采用項(xiàng)目式教學(xué)的教材，但這些教材還是以理論分析為主，沒(méi)有配套硬件資源、具體電路的設(shè)計(jì)方法、傳感器的標(biāo)定及測(cè)試等。采用這類教材進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生學(xué)完還是不能很好地掌握傳感器的應(yīng)用技能。當(dāng)前沒(méi)能找到配套的教材，暫時(shí)只能采用本科教材和活頁(yè)參考資料相結(jié)合的方式，即傳感器的原理的內(nèi)容采用現(xiàn)有的教材，將具體的案例采用活頁(yè)資料提供給學(xué)生。傳統(tǒng)教材分章節(jié)介紹各類傳感器原理、傳感器的信號(hào)調(diào)理電路。采用這種模式，學(xué)生只知道有這些傳感器和信號(hào)調(diào)理電路，但是具體什么時(shí)候要用到這些傳感器、傳感器使用如何就不知道了。因此，為了讓學(xué)生更好地學(xué)習(xí)、掌握傳感器的知識(shí)，對(duì)課程的內(nèi)容重新進(jìn)行組織，將傳感器的主要內(nèi)容有機(jī)地融合到6個(gè)項(xiàng)目中，具體如表1所示，學(xué)生通過(guò)6個(gè)項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，可以系統(tǒng)地掌握傳感器在實(shí)際應(yīng)用中涉及的主要應(yīng)用技能。在應(yīng)用中學(xué)傳感器的原理及信號(hào)調(diào)理中學(xué)會(huì)了傳感器的原理及應(yīng)用方法。6個(gè)項(xiàng)目中包含了各類比較典型的傳感器如：電阻、電容、電感、光電傳、霍爾等。

第1個(gè)項(xiàng)目是溫度的測(cè)量，介紹了PT100、熱電偶及熱敏電阻的原理及應(yīng)用方法。通過(guò)本項(xiàng)目的學(xué)習(xí)讓學(xué)生掌握溫度測(cè)量中傳感器的選型方法、對(duì)應(yīng)傳感信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)及標(biāo)定方法。第2個(gè)項(xiàng)目是電阻傳感器中比較典型的應(yīng)變式傳感器，通過(guò)電子稱的設(shè)計(jì)來(lái)完成對(duì)應(yīng)變傳感器的學(xué)習(xí)。通過(guò)本項(xiàng)目的學(xué)習(xí)掌握微弱信號(hào)的高精度放大方法及傳感器的標(biāo)定。第3個(gè)項(xiàng)目是電容觸摸按鍵的設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的“傳感器技術(shù)”課程中電容傳感器涉的公式推導(dǎo)內(nèi)容多，而且這些推導(dǎo)一方面難度大，另外，這些內(nèi)容在工程應(yīng)用中對(duì)實(shí)踐的指導(dǎo)意義不大。傳感器的應(yīng)用例子中主要是以測(cè)位移為主，這些例子也無(wú)法用于實(shí)際制作。因此對(duì)電容的內(nèi)容進(jìn)行壓縮。電容傳感器學(xué)時(shí)減到2學(xué)時(shí)，采用電容觸摸按鍵案例來(lái)完成對(duì)電容傳感器的學(xué)習(xí)。通過(guò)本項(xiàng)目讓學(xué)生掌握電容傳感器的原理及信號(hào)調(diào)理的方法。第4個(gè)項(xiàng)目是金屬探測(cè)器的設(shè)計(jì)，介紹電感傳感器的基本原理，通過(guò)本項(xiàng)目掌握電感傳感器的原理及其信號(hào)調(diào)理的方法。第5個(gè)項(xiàng)目采用的是紅外心率計(jì)的設(shè)計(jì)，來(lái)完成對(duì)光電傳感器的學(xué)習(xí)。采用紅外心率計(jì)一方面增加了趣味性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，另一方面紅外心率信號(hào)調(diào)理電路也比較典型。通過(guò)本項(xiàng)目掌握光電傳感器的應(yīng)用方法，采用單電源供電運(yùn)放放大交流信號(hào)的方法，濾波器的設(shè)計(jì)方法。第6項(xiàng)目是智能家居檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)，介紹了智能家居中經(jīng)常用到的一些傳感器的原理及信號(hào)原理的設(shè)計(jì)方法。通過(guò)這6個(gè)項(xiàng)目，由易到難，比較完整地學(xué)習(xí)了傳感器的原理及各傳感器的信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)方法、標(biāo)定方法、測(cè)試方法。

2.2? 教學(xué)方法

課程采用項(xiàng)目式教學(xué)。首先給出項(xiàng)目設(shè)計(jì)的具體要求，并對(duì)要求的一些指標(biāo)進(jìn)行分析，接下來(lái)按照項(xiàng)目設(shè)計(jì)的流程進(jìn)行方案論證、電路設(shè)計(jì)及分析、元器件選型及相關(guān)參數(shù)計(jì)算、傳感器的標(biāo)定及測(cè)試。通過(guò)這樣一個(gè)完整的設(shè)計(jì)流程，讓學(xué)生掌握傳感器應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)流程及設(shè)計(jì)方法。以項(xiàng)目一：溫度計(jì)的設(shè)計(jì)為例。

2.2.1? 項(xiàng)目的要求

先給出具體的要求，并分析這些指標(biāo)的含義，設(shè)計(jì)一溫度計(jì)，指標(biāo)如下：測(cè)量溫度范圍0～200℃，溫度以模擬電壓的形式輸出，通過(guò)3位半萬(wàn)用2 V檔直接顯示。輸出電壓的靈敏度為10，準(zhǔn)確度等級(jí)為1.0，分辨力為0.1。

2.2.2? 方案論證

根據(jù)項(xiàng)目的要求進(jìn)行方案論證，先簡(jiǎn)單介紹測(cè)量溫度常用到的4類傳感器：熱電偶、PT100，NTC熱敏電阻、集成溫度傳感器的原理及特點(diǎn)。由溫度感器測(cè)量溫度的范圍就可以確定只能選擇PT100或熱電偶，兩種傳感器都可以，后面分別會(huì)采用這兩種傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后再對(duì)傳感器進(jìn)行方案的設(shè)計(jì)及測(cè)試分析對(duì)比。下面以PT100設(shè)計(jì)溫度計(jì)為例進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

2.2.3? 電路設(shè)計(jì)及器件選型

首先，介紹總體的一個(gè)設(shè)計(jì)方案，介紹信號(hào)轉(zhuǎn)的流程。再給出具體的信號(hào)調(diào)電路。整個(gè)電路主要由電源電路、電橋電路及放大電路組成。在分析介紹時(shí)按照整個(gè)電路的設(shè)計(jì)流程依次分析：（1）采用USB供電的5 V電源，為何要給電橋增加一路穩(wěn)壓電源，穩(wěn)壓電源的電壓值要怎么取。（2）單臂電橋的橋臂電阻阻值如何計(jì)算，為何要加入調(diào)零電阻，調(diào)電阻為何要采用固定電阻和可調(diào)電阻串聯(lián)的形式。（3）為什么要用兩級(jí)放大電路實(shí)現(xiàn)增益可調(diào)，對(duì)應(yīng)的電阻如何計(jì)算。把整個(gè)電路設(shè)計(jì)的原理、器件參數(shù)的計(jì)算方法和依據(jù)完整地分析一遍。（4）如果采用單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，電路要如何修改。

2.2.4? 測(cè)試及標(biāo)定

首先要分析為何要標(biāo)定，接下來(lái)介紹如何標(biāo)定。由于PT100傳感器很特殊，電阻與溫度之間的關(guān)系是確定的，因此可以用電阻箱來(lái)模擬不同溫度下的PT100，如0 ℃可以用100 Ω的電阻模擬。而標(biāo)定時(shí)需要進(jìn)行調(diào)零和調(diào)增益。調(diào)零就是接入100 Ω的電阻，再調(diào)節(jié)調(diào)電位器，讓輸出的電壓為0。而增益的調(diào)節(jié)就是選擇一溫度值，如200 ℃對(duì)應(yīng)的電阻值接入，調(diào)增益可調(diào)電阻讓輸出電壓剛好等于2 V。由于PT100本身還有一定的非線性，電橋電路也有一定的非線性，若取200 ℃進(jìn)行標(biāo)定，誤差將很大，因此，還要分析標(biāo)定點(diǎn)如何選擇才能提高儀表的精度。整個(gè)標(biāo)定過(guò)程，相關(guān)的線性度計(jì)算等都可以在Excel表上進(jìn)行定量分析。測(cè)試完成后整理出儀表的準(zhǔn)確度等級(jí)，把整個(gè)信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)過(guò)程中的相關(guān)問(wèn)題都完整地分析一遍。

2.3? 教學(xué)手段

有些內(nèi)容比較抽象，學(xué)生不容易理解。因此，在課堂教學(xué)過(guò)程中增加了實(shí)驗(yàn)演示，可以讓學(xué)生更快掌握。利用一些現(xiàn)代儀表如：虛擬示波器、帶上位機(jī)的萬(wàn)用表、LCR電橋，在課堂上做演示實(shí)驗(yàn)，這些儀表可以將測(cè)量的結(jié)果數(shù)據(jù)或測(cè)量的波形傳到電腦，在配套的上位機(jī)軟件中進(jìn)行顯示。例如：（1）在介紹應(yīng)變片實(shí)驗(yàn)時(shí)請(qǐng)一位同學(xué)將一條細(xì)銅線拉長(zhǎng)，利用LCR電橋在屏幕上顯示電阻的變化，讓學(xué)生直觀地感受銅絲的電阻值和受力后電阻的變化量。（2）電容觸摸按鍵。利用敷銅板做一個(gè)電容的電極，再用電橋測(cè)量電容的數(shù)值，手指再去觸摸其中一個(gè)敷銅板，觀察電容的值和電容數(shù)值的變化。（3）熱電偶實(shí)驗(yàn)。把熱電偶接到萬(wàn)用表的毫伏檔，再對(duì)熱電偶加熱，通過(guò)上位機(jī)顯示熱電偶受熱時(shí)電壓的變化情況。（4）電渦流效應(yīng)。利用LCR電橋測(cè)量一個(gè)工字電感的值，同時(shí)讓不同材質(zhì)的金屬靠近這個(gè)電感，觀察電感數(shù)值的變化。（5）壓電實(shí)驗(yàn)。利用虛擬示波器測(cè)量壓電陶瓷兩端的電壓，再用手給壓電陶瓷施加力，通過(guò)上位機(jī)軟件顯示壓電陶瓷兩端電壓的變化波形。通以這些實(shí)驗(yàn)演示環(huán)節(jié)，讓學(xué)生對(duì)一些概念能更直觀、更快地掌握。

2.4? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革

實(shí)驗(yàn)課程當(dāng)前存在兩個(gè)主要問(wèn)題：（1）傳感器的實(shí)驗(yàn)只是依靠現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行簡(jiǎn)單的連線，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)的電路一無(wú)所知。（2）一些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目效果較差，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差很大。如傳感器實(shí)驗(yàn)箱中的PT100測(cè)溫實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)箱有配溫度源可以進(jìn)行溫度的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，但溫度源的控制效果差，溫度的精度、穩(wěn)定性都很差，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)中各個(gè)環(huán)節(jié)的誤差很多，做完實(shí)驗(yàn)無(wú)法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的分析。為了解決這兩個(gè)問(wèn)題采用了以下措施進(jìn)行改革：（1）結(jié)合傳感器的實(shí)驗(yàn)箱及配套的資料將傳感器實(shí)驗(yàn)箱中的電路繪制出來(lái)，并進(jìn)行分析，配上相應(yīng)的電壓測(cè)試數(shù)據(jù)和波形測(cè)試圖，將這些材料發(fā)給學(xué)生，讓學(xué)生提前預(yù)習(xí)。（2）一些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目采用軟件仿真和硬件實(shí)操的方式進(jìn)行，通過(guò)Multisim軟件將實(shí)驗(yàn)中涉及的電路進(jìn)行仿真分析，讓學(xué)生先熟悉整體電路的組成，工作原理及一些器件參數(shù)對(duì)電路性能的影響，之后在實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。（3）將傳感器的項(xiàng)目進(jìn)行優(yōu)化。如對(duì)溫度傳感器的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行優(yōu)化，PT100傳感器比較特殊，溫度與電阻之前是確定的關(guān)系。因此，可以采用電阻代替溫度源及PT100電阻對(duì)PT100信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行測(cè)試。采用這種方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的精度比較高，效果也比較好，也便于對(duì)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。改革后的傳感器實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)共做3個(gè)實(shí)驗(yàn)，第一個(gè)電阻應(yīng)變實(shí)驗(yàn)，總共4個(gè)學(xué)時(shí)，先通過(guò)2個(gè)學(xué)時(shí)的仿真，讓學(xué)生對(duì)電橋及儀表放大電路構(gòu)成的信號(hào)調(diào)理電路的特性及原理進(jìn)行分析。之后2個(gè)學(xué)時(shí)在實(shí)驗(yàn)箱上對(duì)電橋的特性進(jìn)行測(cè)試。如表2所示，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目2依然也是先利用2個(gè)學(xué)時(shí)的仿真課讓學(xué)生對(duì)PT100調(diào)理電路中的原理特性進(jìn)行測(cè)試，讓學(xué)生更好地理解PT100橋臂電阻選擇方法，三線制性的消除引線影響的原理。

2.5? 與其他課程的融合

傳感器的工程應(yīng)用是一個(gè)完整的系統(tǒng)，包含傳感器、電路、電子制圖、單片機(jī)等課程的內(nèi)容。當(dāng)前這些專業(yè)課程的之間缺乏聯(lián)系，例如：“電子制圖”一些教材可能隨機(jī)選擇了一些原理圖進(jìn)行設(shè)計(jì);傳感器應(yīng)用中需要用到的線性化、標(biāo)定等程序單片機(jī)課程中沒(méi)有介紹。為了提高專業(yè)課程的系統(tǒng)性，可以把“傳感器”“單片機(jī)”“電子制圖”這3門課有機(jī)結(jié)合。如：在“電子制圖”課程中，介紹單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板的及傳感器課程的項(xiàng)目所涉及的電路原理圖及PCB設(shè)計(jì)及制作?！皢纹瑱C(jī)”的課程就可以用前面做好的實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生人手一塊，可以有充分的時(shí)間來(lái)學(xué)習(xí)，單片機(jī)的教學(xué)內(nèi)容上再補(bǔ)充傳感應(yīng)用所需要的相關(guān)程序。最后在傳感器課程中把傳感器實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)板與單片機(jī)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)板結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)完整的檢測(cè)系統(tǒng)。

2.6? 引導(dǎo)學(xué)生課外學(xué)習(xí)

工科專業(yè)的課程應(yīng)用性強(qiáng)，很多專業(yè)課程僅僅依靠理論課和實(shí)驗(yàn)課的那些學(xué)時(shí)是無(wú)法真正掌握的，需要通過(guò)大量的實(shí)踐才能對(duì)理論有比較好的理解。目前專業(yè)課基本上都設(shè)在了大三學(xué)年，大一、大二只是少量的專業(yè)基礎(chǔ)課。大一和大二的學(xué)生課余時(shí)間多。因此，可以充分利用大一、大二學(xué)生的課余時(shí)間，引導(dǎo)他們對(duì)部分專業(yè)課程進(jìn)行自學(xué)。將“傳感器技術(shù)”課程的這些模塊與單片機(jī)結(jié)合起來(lái)，就可以構(gòu)成多個(gè)完整的檢測(cè)系統(tǒng)，單片機(jī)可以采用比較簡(jiǎn)單的Arduino，再配上詳細(xì)的教程就可以成為很好的學(xué)生自學(xué)案例，這些案例不僅包含單片機(jī)和傳感器應(yīng)用的知識(shí)，還具有一定的趣味性，能提高學(xué)生自學(xué)的積極性。大一階段的學(xué)生可以先完成最簡(jiǎn)單的，給他們空的PCB完成器件的焊接、調(diào)試、程序的下載，讓他們對(duì)電子系統(tǒng)的組成、調(diào)試、設(shè)計(jì)方法有所了解。大二階段就開(kāi)始學(xué)習(xí)編程，完成一些簡(jiǎn)單程序的編寫，個(gè)別比較優(yōu)秀的可以參加電子類的相關(guān)比賽。這里只是傳感器和單片機(jī)結(jié)合的例子，還有很多專業(yè)課程也可以為學(xué)生提供豐富的自學(xué)資源，讓學(xué)生提前融入專業(yè)課程的學(xué)習(xí)。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

“傳感器技術(shù)”作為電子信息工程專業(yè)的必修課，綜合性、應(yīng)用性強(qiáng)。采用項(xiàng)目式教學(xué)，注重在設(shè)計(jì)過(guò)程中的電路分析及元件的選型。從學(xué)生的角度出發(fā)，為獨(dú)立學(xué)院學(xué)生量身定制一套傳感器教學(xué)內(nèi)容，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升了學(xué)生分析問(wèn)題和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，實(shí)現(xiàn)了學(xué)與做的統(tǒng)一。

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