郑春娇

辽宁工业大学电气工程学院 辽宁锦州 121001

目前，高等学校紧密围绕立德树人的根本任务，推进高等教育供给侧结构性改革，并把培养具有创新能力的应用型工程技术人才作为学校的培养目标，我校为此进行了一系列的专项改革，其中一项重要举措就是重构专业人才培养方案。修订培养方案的基本原则是控制理论教学学时、强化实践教学环节、将创新创业融入人才培养全过程。为此，每个专业都修订了专业培养方案，每门专业技术课都转变教学方向，以传统的知识输入为导向转变为以能力输出为导向，突出实践能力培养，旨在提高应用型人才培养质量。

为了贯彻落实学校应用型人才培养的实施方案，传感器与检测技术的主讲教师和实验教师经过多方的调研和讨论，重构课程体系，优化教学内容和实验内容。我院开设的传感器与检测技术课程共56学时，其中理论教学44学时，实验教学12学时。其中的12学时实验分别验证电阻应变式传感器、电容式传感器、电涡流式传感器、压电式传感器、光电式传感器、热电式传感器的工作原理和特性。为了达到强化实践环节、充实课堂容量、密切联系实际的目的，主讲教师将原来的实验内容和学时进行了综合调整，采用工程项目的方式设计了4个综合性、创新性实验，分别是应变式电阻电子秤、电容式和电涡流式传感器测位移、光电式传感器测量与控制转速、热电式传感器综合测量温度，并逐步把这4个实验项目应用到2015级自动化专业的本科实验教学中。

1 应变式电阻电子秤实验

应变式电阻的特性实验采用差动全桥检测出电阻应变片受到的重力，并转化成电桥的电压，然后经过差动运算放大以及数据处理，最终转变成数字电压在显示仪表上显示出来。采用的电路如图1所示。其中的R1，R2，R3和R4为电阻应变片，它们组成一个差动全桥电路；U1，U2为差动放大器，U3，U4为运算放大器，整个电路的输出为Vo2。

图1 应变片全桥测量电路

电子秤的实验项目以应变式电阻的特性实验为基础，以工程应用和家用中的电子秤为背景，主要采用箔式电阻应变片的全桥测量电路。实验过程中需要学生把托盘安装在实验模板上，测量应变片的原始电阻值，对实验的差动电路和整体电路进行调零，然后根据托盘上的砝码质量和电路的输出电压，反复调整RW1，RW2，RW4等参数，并进行全量程的标定，使电路输出的电压值(Vo2)对应砝码的重量值(g)，整个电路的设计成为1台原始的电子秤。此实验项目中增加了学生动手测量参数、调试参数、设计参数、量程标定的环节，切实有效的提高了学生的工程实践能力。

2 电容式和电涡流式传感器测位移实验

电容式传感器测量位移的特性实验采用图2的测量电路。U1为触发芯片，中间的BRIDGE1为二极管环形充放电电路，CX1和CX2为差动电容输入端，U2为放大器。实验中，当被测位移发生变化，差动变面积型电容传感器的电容量发生变化，经过检波放大处理，引起输出电压Vo1发生变化。

图2 电容式传感器测量位移的电路

电涡流式传感器测量位移的特性实验采用图3的测量电路。L为电涡流传感器的输出电感，它作为振荡器的一部分，T2为电路的放大器。电涡流传感器是通过传感器端部线圈与被测物体间的间隙变化来测量物体的相对位移量的，当传感器端部没有被测导体时，对应的输出电压Vo1最大，而当有被测导体接近传感器端部时，随着间隙的变小，输出电压Vo1变小，Vo1的变化与间隙的变化满足一定的函数关系。

图3 电涡流式传感器测量位移的电路

电容式传感器与电涡流式传感器的原理特性虽然各不相同，但在工程应用中，它们却有一个共同的特点，就是输出电压随着位移的变化而变化，据此设计了电容式和电涡流式传感器测位移的实验项目。实验中采用千分尺检测位移的变化，电容式传感器测位移时，测杆与电容传感器接触，在千分尺正负4毫米范围内，测量输出电压值的变化。电涡流式传感器测位移时，采用3种材质的金属片，即铁片、铜片和铝片，在0～15毫米范围内，分别测量输出电压值的变化。此实验项目中增加了使用千分尺的校准调节部分，合并了原有的两个特性实验，电容式传感器输出电压与位移是线性关系，电涡流式传感器输出电压与位移之间是非线性关系，且受铁皮、铜片、铝片电阻率和磁导率不同而有区别，学生通过此实验项目，加深了对理论知识的理解，增加了动手实践的机会，增强了实践能力。

3 光电式传感器测量与控制转速实验

光电式传感器测量转速采用图4的原理图。实验中采用的光电式传感器是透射型的，传感器集成发光电路和接收电路，分别位于光路的两侧。发光电路发出的光线透过带孔转动盘后，被接收电路接收，形成脉冲信号，经过放大整形后，在转速表上显示出来。

图4 光电式传感器测转速原理图

测量转速的实验是一种开环控制，无反馈、偏差大、精度低。为了得到稳定精度高的转速信号，设计闭环控制的测电机转速的实验项目。原理如图5所示。光电式传感器测量的电机转速经过F/V转换后，作为反馈信号E2，在智能调节仪上设定转速给定信号E1，两者形成偏差信号ΔE ，经过智能调节仪进行PID运算，形成控制电压V，控制直流电机的转速，使电机的转速跟随设定值。此实验项目中，学生需要熟知闭环控制和反馈控制系统的结构；需要学会设置智能调节仪的工作参数；当工作环境和系统发生改变时，学生需要对智能调节仪进行参数整定。通过此实验项目，学生加深了对闭环控制系统的超调、扰动、调节时间等概念的理解，学会了智能调节仪的使用方法，增强了动手实践的技能。

图5 控制电机转速原理图

4 热电式传感器综合测量温度实验

热电式传感器测量温度采用图6的测量电路。图中左侧部分为传感器的检测电路，可以适用热电偶、集成温度传感器AD590、热电阻等，右侧U1，U2，U3，U4为运算放大器，整个电路从Vo2输出温度对应的电压值。工程实践中温度是应用最广泛的过程量，受温度范围、精度、性能、价格和环境因素的影响，可采用的传感器多种多样。为了拓宽学生的知识面，深入接触并比较各种温度传感器的区别，设计热电式传感器综合测量温度实验项目，本设计实验涉及的传感器有Pt100铂电阻、Cu50铜电阻、K型热电偶、E型热电偶、集成温度传感器AD590，其中Pt100铂电阻作为标准传感器，其他4种传感器作为测量传感器，实验中标准传感器与测量传感器处于同一温度源中，标准传感器接入智能调节仪设定标准温度，而其他传感器分别接入图6的电路中。当温度范围从20度到90度变化时，依次在数显表上记录Cu50铜电阻、K型热电偶、E型热电偶、集成温度传感器AD590作为检测传感器接入电路时所对应的电压值，并在此范围内线性标定，使输出的电压值为温度对应值，完成原始温度计的设计。

图6 热电式传感器测量电路

5 结语

在学校和专业向应用型转型的背景下，进行传感器与检测技术课程体系和实验教学内容改革。针对原有实验内容单一、课堂知识容量小、与工程实践脱节等问题，设计了4个综合性、设计性、创新性的实验项目，即应变式电阻电子秤、电容式和电涡流式传感器测位移、光电式传感器测量与控制转速、热电式传感器综合测量温度。以项目作为驱动展开实验教学，应用于2015级自动化专业的本科实验教学中，通过实验教学，进一步增加学生的动手实践机会，提高学生的动手实践能力，进而提高本专业的人才培养质量。

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