基于優秀科研成果構建綜合性實驗教學平臺探索與實踐

楊繼森，張 靜，江中偉，李宏偉

（重慶理工大學 重慶市時柵傳感及先進檢測技術重點實驗室，重慶 400054）

普通高校應屆畢業生工程實踐能力缺乏［1－4］已經成為一個共性問題，不僅影響學生的就業，而且工程技術人才的缺乏，將影響國家走新型工業化發展道路，也容易引起其他的社會問題［5－7］。課程設計是高等學校本科教育實踐教學環節的重要組成部分，是強化學生工程實踐能力，進一步推進教育部“卓越工程師教育培養計劃”的重要環節［8－9］。課程設計可以從多個方面提高學生的工程實踐和綜合應用能力［10－11］：一是提高學生理論應用能力，對所學課程從全局角度進行概括、總結，實現對課程的歸納、提高和升華，通過實現質的飛躍；二是提高學生的工程實踐動手能力，強化實踐應用，訓練對理論知識的實際運用，培養工程設計理念和解決實際問題的本領；三是提高學生綜合素質，培養學生獲取信息、查閱資料的能力，以及嚴謹治學、一絲不茍、百折不撓的科學精神和團隊協作精神。

1 現狀分析

測控技術與儀器作為重慶理工大學電子信息與自動化學院的一個品牌學科，是機械、電子、計算機等多學科互相滲透而形成的一門高新技術密集型綜合學科，其專業主干課程包含了“電子技術”、“測控電路及裝置”、“精密機械設計”、“電子測量技術”、“嵌入式系統設計及應用”、“EDA技術”、“傳感器技術”、“計量技術”、“精密測量技術”、“儀器精度設計”、“誤差理論與數據處理”、“信號與系統”、“智能儀器設計”等，這些課程中大部分都開設了相應的課程設計。但是根據學生參加全國大學生電子設計競賽、“挑戰杯”大學生系列科技學術競賽、創新實踐訓練的情況以及平時的交流反饋可以看出，課程設計雖然“數量”達到了一定的要求，但是還普遍存在以下幾個比較明顯的問題：

（1）課程設計內容缺乏工程實踐性，較多的課程設計對象往往都是根據教學內容虛擬的，學生缺乏感性認識，體會不深，一提課程設計，學生感覺都是仿真。

（2）課程設計內容不成體系，沒有延續性，學生幾乎是學一門忘一門，經過4年的學習還不能對自己所學的專業建立一個系統的概念。

（3）研究性不強，實用性不足，學生不能從課程設計體會到該課程知識的具體應用，使學生有種“霧里看花”的感覺。

（4）課程設計內容單一，大部分僅僅局限于本課程的知識點，不能較好地體現目前科學技術發展的多學科交叉趨勢。

“時柵傳感技術”作為一項原創的科學技術發明，經過近20年的發展，獲得國家自然科學基金重大項目、國家“863”項目、國家重大儀器專項等眾多國家科研項目的支持［12－13］。研究成果“時空坐標轉換方法與時柵位移傳感器研究”獲得2005年“重慶市技術發明一等獎”、2007年“中國專利金獎”，“基于測量基準時空轉換技術的時柵位移傳感器”獲得2010年“國家技術發明二等獎”，并與國內精密量儀行業的龍頭企業——哈爾濱量具刃具集團公司合作組建公司專門開發生產時柵系列化產品。

“時柵傳感技術”融合了機械、電子、計算機等先進技術的典型現代傳感技術，包含了大部分測控技術與儀器專業的主干課程的相關理論知識，非常適合作為測控技術與儀器專業的課程設計教學平臺。該平臺不僅可以包含“嵌入式系統設計及應用”、“EDA技術”、“智能儀器設計”等實踐性較強的課程，還可以包含“誤差理論與數據處理”、“信號與系統”、“精密測量技術”等理論性較強的課程，而且可以將大部分主干課程的課程設計統一到一個完整的科研型教學平臺，所有課程設計的完成流程就是一個完整的時柵傳感技術的信號處理流程。課程設計的內容將更加具體，所有的設計對象都“看得見、摸得著”，整個過程就是一個簡化的時柵位移傳感器樣機的研制過程，更具有工程實踐性。課程設計圍繞一個綜合性實驗平臺，更加成體系，更具有延續性，也體現了學科知識的交叉性。整個平臺來源于多年的科研項目，課程設計的內容具有一定的研究性質，可以讓學生親身體會到課程理論知識的具體應用，提高學生的學習積極性、主動性與學習熱情，切實提高教學質量。

2 時柵傳感技術

“時柵傳感技術”源于重慶理工大學彭東林教授提出的“以時間量間接測量空間量”的學術思想［7］，根據此思想，研制了用于精密位移測量的時柵位移傳感器。時柵位移傳感器利用類似于交流電機中的以速度V勻速運動的旋轉磁場作為基準，定測頭Ps固定不動，而動測頭Pd將跟隨被測物轉動。當旋轉磁場勻速地掃描過定測頭Ps和動測頭Pd時，根據電磁感應定律，定測頭與動測頭將分別感應出電信號Ss和Sd，由于旋轉磁場的勻速特性，定測頭與動測頭之間的空間位移差θ可以通過測量定、動測頭感應出的感應信號Ss和Sd之間的相位時間差Δt獲得 （θ＝V×Δt），而2信號之間的相位時間差可以通過高頻、高精度的時鐘插補技術精確求得，其原理如圖1所示。

圖1 時柵技術原理

基于“時柵傳感技術”的時柵角傳感器是一個高精度的角位移測量產品，精度高達0.8″。經過多年的設計開發，目前該產品已經高度集成化。為了建立圍繞時柵傳感技術的課程設計教學平臺，根據時柵傳感技術的信號處理流程對時柵傳感技術進行功能模塊的分解，可以分為7個基本模塊，其結構如圖2所示。

圖2 時柵傳感技術處理模型

3 圍繞“時柵傳感技術”的課程設計綜合型實驗教學平臺設計

基于圖2所示的時柵傳感技術功能模塊模型，根據時柵傳感技術的信號處理流程，設計了“一條主線、七個基礎、一個綜合”的綜合型課程設計實驗教學平臺。“一條主線”主要指以時柵傳感技術的信號處理流程為教學平臺的設計主線，“七個基礎”是指根據時柵傳感技術的7個功能模塊開展的7個基礎性課程設計項目，“一個綜合”是指綜合整個時柵傳感技術而開展的綜合性課程設計項目。平臺結構如圖3所示。

圖3 基于時柵傳感技術課程設計平臺示意圖

從整個教學平臺的示意圖可以看出7個功能模塊對應7個基礎性課程設計項目，這7個課程設計涵蓋了本專業的大部分主干課程的知識點，另外一個綜合性的課程設計不再局限于功能模塊的范疇，而是統觀時柵傳感技術的全局。另外也可以看出，各個課程設計不同于以往內容單一的課程設計，每一個課程設計項目都是以一門課程知識點為主，涉及多門課程知識點的“綜合性”課程設計，每個課程設計項目前后相互連貫、相互延續，具有更強的針對性與實用性。

3.1 時柵傳感器三相激勵信號設計

該課程設計項目是以“EDA技術”課程主體，融合了“電子技術”、“測控電路及裝置”等課程的知識點，主要內容是時柵傳感器的高精度三相激勵信號設計。三相激勵信號相互正交，互差120°的相位角。該模塊主要是利用EDA技術中的經典用法——直接數字合成器（DDS）技術設計出三相數字正弦信號。三相信號經過后級的D／A模塊與功率放大模塊輸出標準的三相激勵信號A、B、C。為保證三相激勵信號的嚴格正交性，采用數字閉環控制技術，將輸出的三相激勵信號經過處理后反饋到DDS單元，構成具有自動調整功能的高精度三相激勵信號單元，結構原理見圖4。

圖4 三相激勵信號

3.2 時柵傳感器結構設計

時柵傳感器的結構設計的主要任務是時柵傳感器的定子、轉子以及動、定線圈設計，根據電磁感應定律，定子線圈、轉子線圈分別感應出信號Ss、Sd，結構原理如圖5所示。該模塊課程設計項目內容以“精密機械設計”課程為主體，涉及了“儀器結構設計”、“大學物理”等課程。

圖5 傳感器結構設計

3.3 時柵傳感器前端信號調理模塊設計

該模塊課程設計項目以“電子技術”、“精密測量技術”為主體，主要實現對時柵傳感器的定子及轉子線圈感應信號Ss、Sd進行放大、濾波、整形處理，將感應出的正弦信號處理成方波信號，以便進行數字化處理，處理過程如圖6所示。

圖6 前端信號調理

3.4 時柵傳感器時鐘插補模塊設計

該模塊課程設計項目主要以“EDA技術”為主體，利用EDA，采用精度時鐘插補技術實現時柵傳感器動、定測頭信號的數字相位測量，原理如圖7所示。

圖7 基于FPGA的數字化比相

3.5 時柵傳感器數據分析與誤差處理

傳感器數據分析與誤差處理模塊課程設計以“誤差理論與數據處理”為主體，涉及了“DSP技術”、“信號與系統”等課程，主要是在嵌入式處理器DSP中，實現諧波誤差分析與擬合算法，實現傳感器的誤差分析與處理，原理如圖8所示。

圖8 基于DSP的數據分析與誤差處理

3.6 時柵傳感器接口轉換模塊設計

接口轉換模塊課程設計項目以“嵌入式系統設計及應用”、“信號與系統”課程為主體，主要是利用嵌入式ARM處理器平臺，采用預測算法將傳感器的測量數據轉換成增量信號、SSI、ENDAT等多種形式輸出，以滿足工業現場的各種需求，原理如圖9所示。

圖9 基于ARM的接口轉換

3.7 時柵傳感器數顯裝置模塊設計

數顯裝置模塊課程設計項目以“嵌入式系統設計及應用”課程為主體，實現時柵傳感器控制電氣箱的按鍵輸入、數據顯示等功能，原理如圖10所示。

圖10 基于ARM的數顯裝置

3.8 誤差處理與智能化設計

該模塊作為綜合性的課程設計項目，知識點眾多，涉及了多門課程，包括“智能儀器設計”、“誤差理論與數據處理”、“精密儀器設計”等。每門課程都幾乎涵蓋了多個方面，單一的模塊設計并不能讓學生真正體驗到課程知識的真正內涵。進入綜合性課程設計模塊時，已經完成前面的7組基本型課程設計模塊，時柵傳感器基本成型。此時，在綜合課程設計時，可以站在整個儀器設計的高度來考慮儀器的誤差處理與智能化設計問題。從一臺儀器設備的結構設計、電路設計、信號處理、數據分析等部分進行綜合性的考慮，才能達到真正有所了解。在該模塊的課程設計之中，可以從儀器的結構設計開始，對前面所做的課程設計內容進行逐項分析，分析其設計精度對傳感器的測量誤差的影響以及如何進行誤差分離，并對誤差處理進行有效的分析與處理，達到對誤差進行修正與補償。可以在前端信號調理模塊、數據分析與處理、接口轉換等實現自調零、自校準、自診斷功能，使學生從技術方案的細節切實體會儀器智能化的真正精髓。

4 綜合性實驗教學平臺的實施

本次教學改革將科研成果“時柵傳感技術”引入到本科實踐教學體系，由于涉及的課程眾多，難度較大。根據理論與實踐相結合的指導思路，實行以點到線，再由線到面，逐步推進的開展方式。實施方案見圖11。

圖11 實施方案步驟

以本專業創新實驗室的部分學生作為“點”，先在這部分“點”中開展，利用學生的課余時間，按模塊完成7個基礎性的課程設計模塊與一個綜合性課程設計模塊。再根據學生的反饋情況，進一步對模塊劃分、課程設計內容以及考核方式等進行優化，完成初步的教學改革方案。再由“點”到“線”，在本專業的普通學生中進行推廣，進行專業試點。再根據反饋情況，對各方面的內容進行修訂與完善，形成完整的改革方案。最后以“線”到“面”，在本專業實踐教學體系中開展。

在全面開展的過程中，可以在相關理論課堂的緒論部分明確提出該課程的課程設計任務，利用傳感器實物和視頻資料進行功能分析，并對設計任務合理地進行分解，讓學生帶著具體的任務進行本課程的學習。學生可以在整個學習的過程中學習、構思整個課程設計的方案，課余時間也可以和相關指導教師進行方案和技術討論。

5 結束語

以科研成果反哺教學是科學研究的一項本質工作。根據我校的實際情況，將“時柵傳感技術”全面引入到我校測試計量技術及儀器本科專業的實踐教學體系，構建綜合性實驗教學平臺，以培養學生創新實踐能力為目標，不斷拓寬實踐教學內容，構建研究型實驗教學模式，促進科研成果向教學成果的二次轉化。

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