電類專業傳感器實驗實訓設備的開發設計

惠州工業科技學校 黃劍珍

惠州市技師學院 戴惠根

一、引言

所謂傳感器是指“能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。”有時也被稱為換能器，變換器，變送器或探測器。如下圖1所示。

傳感器是實現自動控制和自動檢測的關鍵環節。在我們日常生活中也使用著各種各樣的傳感器，如電冰箱和電飯煲中的濕度傳感器，煤氣灶的煤氣泄漏傳感器，電視機中的紅外傳感器，照相機中的光傳感器，還有汽車中的油壓傳感器，傳速傳感器等等，不勝枚舉。在中等職業學校的電子電工，汽車維修與檢測等專業中以把《檢測與控制》、《傳感器應用》等課程作為專業基礎課程來開設，學生對傳感器的各種效應也越來越感興趣。要想讓學生掌握傳感器的基本原理和使用知識，有必要加強傳感器應用實踐的實驗實訓。

當前，大多數廠家的設備都存在功能多而全，真正適應中職學生動手實驗實訓的卻很少，但價格昂貴，其性價比值得商榷，某教學設備廠商生產的單一傳感器實驗成套設備就要近十萬元一套，而且還不太方便讓學校自主學習去做實踐項目。若建一個這樣標準的實驗實訓室至少要投入40余萬元，許多學校難以承受。我校由于專業發展，至少要建設兩個以上的傳感器實驗實訓室才能適應需求，這是一個不扉的投入。由于種種原因暫未購買這種相應的成套設備，很難滿足教學要求，給我們實驗實訓教師出了一個不大不少的難題，因此，我根據教學實際，根據實用的原則，開發了電子電工類實用型丶動手型丶易組合型的傳感器實驗實訓設備，既彌補了學校這類設備短缺的不足，又可以為學校節省大筆資金，貼近教學，便于學生實驗實訓和培養職業能力。

二、系統組成設計

此套設備主要是針對電磁領域的電子、電工專業而開發，這一專業常用的傳感器主要是對電流、電壓、電阻、電容、磁場、溫度、紅外檢測、光電轉換等的檢測和控制。學生有必要對經常需要用到的幾類傳感器進行系統的實驗實訓，才能學好傳感器。本方案根據課程實際，把經常需要做的一些實驗實訓課題，按類型的不同精心構思傳感器的測量實驗裝置和精心挑選實訓使用電路，做成不同模塊，然后再集成來實現要求，針對性強。既方便老師做演示實驗，又方便學生使用，要做那種課題就拿什么模塊；既便于管理，又不要占用專門的實驗場地。套用一句時髦的說法，既節能又環保。

（一）系統結構

這套設備主要由電源模塊單元、傳感器功能測試模塊單元、信號源模塊單元、實訓模塊單元、顯示儀表單元既可用模擬儀表也可以借助于虛擬儀器平臺和數據采集儀、箱體、傳感器測試接口和連接線接口等構成，系統結構如圖2。

（二）設備的工作原理及各單元的主要任務

1.工作原理：本設備是采用模塊式結構，箱體式封裝，每個模塊由外接線連接，承擔實驗和實訓教學兩大任務。實驗教學的過程主要是幫助學生形成認識規律和檢驗的方法。實訓過程主要是培養學生解決實際應用中的實際問題，培養學生的實踐應用思想和實際動手能力及創新意識。兩者側重點不同。進行實驗教學時，由電源模塊，功能測試模塊、信號源模塊、顯示單元，傳感器接口單元組成一個實驗系統。測試模塊單元可適應多種傳感器的測試校驗使用，其中的測試電路可以靈活轉換。進行實訓教學時，以實訓模塊單元為主，為了有效利用資源，需用到功能測試模塊中的部分電路，再配合電源模塊，功能測試模塊、信號源模塊、顯示單元，傳感器接口單元組成一個開放靈活的實訓系統供學生實訓使用，可在上面進行實踐創新和開發。

圖1 傳感器

圖2 系統結構圖

圖3 隔離變壓器

圖4 可調穩壓電源

圖5 變壓器交流電橋法

圖6 高輸入阻抗前置放大器

圖7 霍爾傳感器測量電路

圖8 惠斯通電橋電路

圖9 熱電偶測量電路

圖10 基本測試電路模型

2.各單元的主要任務：電源模塊單元提供設備所需的各種電源電壓，采用AC隔離和AC-DC降壓變換穩壓的方案，性價比較高，能有效地保證人身和設備的安全。傳感器功能測試模塊單元主要完成對傳感器的基本性能指標的測量檢驗，讓學生學習掌握不同傳感器的工作特性。信號源模塊單元主要是針對一些傳感器（如電感類傳感器）進行測試實驗或實訓時所需要的信號而設計，可提供根據需要進行調節的一些信號。實訓模塊單元主要是提供給學生實踐應用，自主制作的電路搭接平臺，此單元靈活變化性大，學生可根據需要制作各類實際電路，并實現其功能，還能進行各種測試。儀表顯示單元既預留了虛擬儀器及常規儀器接口，也安置了一些如電壓表，電流表等，供讀取數據和監視之用。傳感器接口是為了便于安裝各類傳感器而設。

圖11 氣敏傳感器測量電路

圖12 萬能模板

三、設備關鍵模塊的設計與實現

1.實驗實訓測試臺的電源系統設計

電源的安全穩定性直接影響設備工作的安全穩定。學生在實驗實訓中經常要接觸到220V的交流電，因此，在訓練課室安裝一臺1:1的隔離變壓器來降低觸電風險很有必要。所有實驗實訓設備都通過這臺隔離變壓器連接到220V交流電上，如圖3所示。

傳感器多種多樣，在對不同類型的傳感器進行實驗測試時需要不同的電壓。考慮到電壓的多樣性，通過多種比較試驗，決定采用一種性價比較高的集成電路可調穩壓電源作為測試用的電源，框圖如圖4示。在這里設計了兩組可調穩壓電源，一組實現從0V～±30V輸出連續可調，另一組0V～±15V輸出連續可調，并利用擴流技術使輸出電流可達到4A左右，還設計了自適應切換動作電路，可以保證輸入電壓與輸出電壓差不會大于電源IC的規定范圍，在IC的調整公共端加了保護晶體管以防止其對地開路而損壞電源。

2.傳感器測試模塊設計

傳感器的輸出量是以電信號的模擬量輸出最為普遍。其輸出有各種形式，如光電管輸出為直流電流，熱電偶輸出為直流電壓，差動變壓器或流量計輸出為交流電壓，熱敏電阻和半導體氣體傳感器輸出為電阻，電感式位移傳感器輸出為電感，測厚傳感器則為振動頻率的變化等等，它們的工作原理也不相同，這為開發設計傳感器的實驗測試電路，選擇實訓電路提供了很好的指導作用和理論依據。

（1）電阻傳感器的基本原理就是將被測物理量的變化轉換成電阻值的變化，再經相應的測量電路顯示或記錄被測量值的變化。電阻傳感器工作原理是當被測量作用于彈性元件上，在力或力矩的作用下發生變形或位移，然后引起應變片的電阻值變化，通過測量電路變成電量輸出。測試電路主要采用電橋法。

（2）電容傳感器是以電容為傳感元件，將被測物理量的變化轉化為電容量的變化，再經測量電路轉換為電壓、電流或頻率，以達到檢測和控制的目的。電容式傳感器的測量電路很多，常用的有運算放大器測量電路，普通交流電橋，二極管雙T交流電橋，變壓器交流電橋，調頻電路等。

（3）電感式傳感器的工作原理是基于電磁感應原理，它把被測量轉化為電量變化的一種裝置。電感式傳感器的測量電路有交流電橋式、變壓器式交流電橋以及諧振式等。如圖5所示為變壓器交流電橋法。

（4）壓電式傳感器的工作原理是以某些電介質受力后，內部就產生極化現象，同時在其表面便產生符號相反的電荷，且電荷量相等，當外力去掉后，又重新恢復到不帶電狀態的壓電效應為轉換原理的傳感器。壓電傳感器本身的內阻抗很高，而輸出能量較小，一般不能直接顯示和記錄。因此，它的測量電路通常需要接入一個高輸入阻抗前置放大器，如圖6所示。

（5）霍爾傳感器是利用半導體材料的霍爾效應原理而將被測量轉換成電動勢輸出的一種傳感器。半導體薄片置于磁感應強度為B的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當有電流I流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產生電動勢EH，這種現象稱為霍爾效應。霍爾傳感器的基本測量電路如圖7所示。

（6）溫度傳感器是檢測溫度的器件，其種類最多，應用最廣，發展最快。溫度傳感器的核心是溫度敏感元件，它能將溫度這一物理量轉換成電信號，再經放大電路變成易于測量的電壓、電流，或頻率等。溫度傳感器應用最廣泛的就是熱敏電阻器。溫度傳感器的典型測量電路是惠斯通電橋電路，如圖8所示。

（7）熱電偶，目前應用最廣泛的溫度傳感器是熱電偶，它由兩種導體的組合并將溫度轉化為熱電動勢的傳感器，它的基本工作原理是熱電效應。帶補償的熱電偶測量電路如圖9所示。

（8）光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它采用光為信號，借助于光電元件將不同照度的光信號轉換成不同的電信號。它的基本工作原理是光電效應。光電傳感器的應用很廣，基本測試電路模型如圖10所示。

（9）氣敏傳感器工作原理。聲表面波器件之波速和頻率會隨外界環境的變化而發生漂移。氣敏傳感器就是利用這種性能做成的傳感器。通過測量聲表面波頻率的變化就可以準確的反應氣體濃度的變化。氣敏傳感器的基本測量電路如圖11所示。

（10）其它傳感器如紅外傳感器，超聲波傳感器，濕敏傳感器，色敏傳感器等的原理和測量電路由于篇幅有限，在此就不贅述。

3.傳感器實訓模塊設計

實訓能培養學生親臨職業的心理素質，增加感性認識和實踐經驗，提高實際動手能力。因此，實訓模塊設計充分考慮了學生本位，方便學生進行技能訓練，能幫助學生在實際工程中靈活使用傳感器。實訓電路要趣味性、實用性、知識性融為一體。基于這種觀念，我設計了一種萬能模板，如圖12所示。這種萬能模板不同于市面上買的萬能板，這個模板上安裝的元器件是不需要焊接的，每次實訓只要根據實訓電路原理圖在萬能模板上進行連線即可，既經濟又環保。實訓電路精選了：①帶液晶顯示的手提電子稱實訓電路；②光控（紅外感應或聲控）的自控燈電路和紅外遙控接收電路；③廚用的氣體監測報警裝置電路和電子警犬電路；④自動門控電路；⑤三色識別電路；⑥簡易超聲波測距儀電路；⑦帶音樂的液位報警器電路；⑧光敏傳感器控制的節日裝飾彩燈電路；⑨食品干濕檢測電路。

四、設備的特點

1.開放性好。此設備的模塊電路都可以進行自由組合，靈活多變，學生根據要求可以選取其中部分使用，也可以學習做許多電子電工方面的實際電路，可以提高學生的綜合素質。

2.實踐性強。本設備的開發設計充分考慮到了中職學生的實際，以直觀、易用、夠用、耐用為準則。將各傳感器測試的實驗電路都清晰地呈現在學生面前，而且在面板上海刻有原理圖，實訓電路強調了自主動手。學生按要求自己連線和操作，對學習知識的理解和實踐動手都能起到積極的促進作用。

3.趣味性強。設備在開發設計時就考慮到了傳感器的特點，電路選取都是以身邊能感受到的有趣的實用電路作訓練平臺，提高了學生學習的興趣。

4.創新性強。設備的開發設計既緊密結合教學內容，又緊密結合實踐應用，學生不但能充分訓練實踐動手能力，還能把所學知識應用到實際中去。此設備避免了有些教學設備不能靈活搭配的不足，采用了一種自由組合式的設計思路，使得學生特別是在實訓中能自主發揮，提高創新能力。

五、結束語

此設備的開發設計是我將實驗和實訓教學有機結合的一個大膽的嘗試，此設備不僅可以完成課程中的實驗和實訓，是一個教學平臺；還可以作為傳感器的應用開發，是教師和學生的創新能力的一個實踐應用平臺。它解決了實驗實訓教中的難題，為學校節省了教學成本，提高了實驗實訓教學的有效性，提高了學生自主學習的積極性，充分發揮了學生的主動性。有助于提高學生對傳感器知識的理解和工程實踐應用能力，有助于培養學生的創新意識。

[1]牛永奎,冷芳.傳感器及應用[M].清華大學出版社.

[2]王化祥,張淑英.傳感器原理及應用(第三版)[M].天津大學出版.

[3]周樂挺.傳感器與檢測技術(第1版)[M].高等教育出版社.

[4]GB7665-87.

[5]廖懷平.檢測與控制[M].中國勞動社會保障出版社,