淺談提高“檢測與轉換技術”課程課內實驗質量

徐冬梅　張莉萍

摘 要 本文以“檢測與轉換技術”的課內實驗為基礎，闡述了課內實驗中存在的不足、原因以及改進方法。使學生完成實驗內容，更能幫助學生理解實驗的設計原理，多課程之間的交互性，增加學生實驗課上學習的主動性，以提高課內實驗的教學質量。

關鍵詞 檢測與轉換技術 課內實驗質量 高等教育

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2016.12.052

Abstract In this paper， based on the "detection and conversion technology" in the course of the experiment as the foundation， this paper expounds the existing problems in the course of the experiment， the reasons and improvement methods. To enable students to complete the experimental content， but also to help students understand the design principle of the experiment， the interaction between multiple courses， increase the initiative of the students in the experimental class， in order to improve the teaching quality of the experiment.

Keywords Detection and Conversion Technology； course experiment； higher education

傳感器技術作為檢測控制系統中獲取對象信息的重要窗口，與通信技術和計算機技術共同構成信息技術的三大支柱。它在工業生產自動化、軍事國防、家用電器、醫療衛生、生物過程等各方面有著廣泛應用。隨著信息時代的到來，國內外許多國家都將傳感器技術列為優先發展的科技領域之一。國內高校許多專業也相繼開設了相應課程。“檢測與轉換技術”作為我院自動化、電氣工程等專業的一門重要專業基礎課，主要講授傳感器技術的基礎知識，電阻式、壓阻式、電渦流式、電容式、熱電偶式、光柵等各類傳感器的工作原理、測量電路及其典型應用。課程理論性較強，涉及數學、光學、力學、磁學等多門交叉學科，在教學內容上側重于各種傳感器工作原理和測量電路的講解，各章節內容之間的聯系不甚緊密，每一類傳感器內容都自成體系。本課程共48學時，為了加深學生對各種傳感器理論知識的理解，增強學生理論聯系實際的動手實踐能力，課程中相應安排了8學時的課內實驗，分別針對金屬應變片、電渦流、電容式以及霍爾式傳感器。為了方便指導學生，我們為學生配備了實驗指導書。在實驗指導書上明確寫明了實驗目的、實驗原理、針對實驗平臺的實驗步驟等模塊。實驗平臺均為集成的教學儀器模塊，為了節約學生實驗時間，提高實驗完成效率，學生大多只需要簡單地連接幾根明線即完成實驗平臺的搭建，剩下的就是測量與記錄數據。然而這樣的實驗結果就是，學生對于原理的理解還停留在課本上，進實驗室也只需要弄出幾組數據，對于數據產生的電路原理并未真正理解，并且對于數據的有效性也不能保證。如果再追問學生是否有其他測量方法時，學生更加無所適從。

如何在有限的實驗教學環節中，激發與調動學生的實踐積極性，使他們掌握必要的基礎理論知識外，更具備一定的分析、解決問題和實際動手能力，是高校該課程教學改革首要考慮與解決的問題。筆者以我院 “檢測與轉換技術”課程為依托，對本課程的部分實驗教學方法進行了初步探索，與各位讀者交流。

實驗一：金屬箔式應變片特性實驗。

課堂上我們講授了金屬絲式和金屬箔式應變片的應變效應，另外當測量電路分別為單臂電橋、雙臂電橋以及全橋電路時，理論性地分析與比較了三種電路所帶來的不同性能和特點，比如輸出靈敏度、非線性誤差和溫度誤差等。那么本實驗的目的就是通過連接三種不同的測量電路來幫助學生了解金屬箔式應變片的應變效應，同時比較這三種測量電路的所帶來的不同性能和特點。

關于這三種測量電路的電阻應變效應的基本原理都是一樣。電阻絲在外力作用下發生機械變形時，其電阻值會發生變化，這就是電阻應變效應。描述電阻應變效應的關系式為：€%=R/R=K€%^，式中€%=R/R為電阻絲電阻相對變化，K為應變靈敏系數，€%^=€%=l/l為電阻絲長度相對變化，金屬箔式應變片就是通過光刻、腐蝕等工藝制成的應變敏感元件，通過它轉換被測部位受力狀態變化。電橋的作用是完成電阻到電壓的比例變化，電橋的輸出電壓反映了相應的受力狀態。

在這個實驗中，如圖1所示，應變片和固定電阻依據三種不同的測量電路分別貼在被測物體的上下兩面。通過往托盤上增加或減少砝碼來改變作用于被測物體上的作用力，也就是改變應變片的形變，從而達到改變應變片電阻的目的。在四臂電橋電路中，應變片電阻的變化會反應在輸出電壓上。實驗中，我們通過觀察和記錄輸出電壓的數值變化來對三種測量電路的性能作進一步的分析和處理。這是本次實驗中，根據實驗指導用書學生所要完成的主要工作。

在實現測量之前，需要對應變傳感器實驗模板進行電路搭建，使它與圖1能聯合工作，應變傳感器實驗模板如圖2所示。當然，在我們的實驗指導書上已經寫明了需要學生動手連接的線路，由于只有幾根線需要連接，這個工作量是非常小的。但是實驗指導書上并未注明連接這幾根線的作用。由于是文字描述，學生有時并不能準確理解所需要連接的線路與位置，結果導致學生在電路搭建上花費不少時間，還會出現漏接或錯接線路的現象，嚴重影響了實驗進度和準確性。而且實驗結束了，學生也不能完全很好地理解為什么要這樣搭建電路。那我們有沒有辦法能提高一下學生的實驗進度和學習效率呢？

方法當然是有的，最關鍵的就是我們要幫助學生理解電路，只有對電路理解了，才能明白為什么要這樣搭建，才能準確地進行操作，從而提高實驗效率。對于這樣一個看似復雜的實驗電路，我們不妨對它進行模塊分化，如圖3所示。我們將它分為左、中、右三個模塊，如圖中實線框所示。

我們在課堂上講到，應變傳感器的測量電路是四臂電橋，很顯然，四臂電橋是實現測量的基本電路。所以在左邊的模塊中就是四臂電橋，依據我們實驗的需要，可將四臂電橋分別接成單臂電橋、雙臂電橋以及全橋電路。四臂電橋是兩端輸入兩端輸出，因此我們用主控電源提供的正負4伏電壓源作為輸入源，然后我們通過觀測輸出電壓來對電路的性能進行分析。

四臂電橋的輸出是否可以直接進行觀測呢？理論上我們是直接觀測兩端輸出之間的電壓差，但是實際實驗中，兩端輸出分別對應著各自的電勢，若要獲得電壓差，需要經過模擬電路進行電壓差運算，這里我們采用模電課上的差分電路來獲取兩端輸出的電壓差。在使用這個差分電路之前，需要對差分電路進行調零，以確保當兩端輸入相等時，差分電路輸出也為零。由于中間模塊中的各器件參數相互對稱，最簡便的方法就是當兩端輸入為零時，差分電路輸出也應為零。如果存在漂移，可通過電路中的可調電阻Rw3實現此功能。

實驗中，我們通過逐次增減20克的砝碼來改變外加應變力，由于增減幅度較小，所帶來的應變力及應變效果也會很小，那么在輸出電壓上的變化也不會很大，因此，差分電路的輸出會出現變化很小的現象。為了方便觀測，我們將差分電路的輸出端輸入一個放大電路，即右邊模塊，這樣在外接數顯表上可以較明顯地看出電壓的變化。放大電路的放大系數可通過Rw4進行調節。另外，還應該告訴學生，主控箱提供的電源主要是為運算放大器提供的，它采用的是正負15伏，這樣學生在接線時就不會困惑：接了正15伏之后，負15伏要不要接。

學生在實驗中，接線效率低或者出錯，最主要的原因是他們不了解實驗電路到底是怎樣的，實驗指導書上的實驗步驟只介紹如何接線，卻未說明為何要這樣接，讓學生處于一種知其然不知其所以然的狀態。所以說，我們在進行實驗指導時，很關鍵的一步是要盡可能細致地讓學生明白他們在做什么，這樣才能盡可能地避免囫圇吞棗的感覺。

實驗二 電容式傳感器位移特性實驗。

這個實驗的目的是幫助學生了解電容式傳感器結構及其特點。本實驗的實驗原理就是利用平板電容C=€%^A/d和其它結構的關系式，通過相應的結構和測量電路可以選擇€%^、A、d三個參數，保持二個參數不變，而只改變其中一個參數，則可以有測谷物干燥度（€%^變）、測微小位移（d變）和測量液位（A變）等多種電容傳感器。在這個實驗中，我們主要改變的參數是位移d。圖4給出了電容傳感器的安裝示意圖。

本實驗的電路圖如圖5所示。實驗板上需要學生連接的線路只有電源線和外接數顯表。從接線復雜度上看，是很簡單的。整個電路可以分為左、中、右三塊。最左邊是交流信號發生器。經過電容C3的耦合作用，只有交流能夠通過。中間是整流電路，經過滑動變阻器Rw取出部分電壓，最右邊是比例放大器。電路中學生能改變的就只有滑動變阻器Rw的位置了。根據實驗的設計，旋動測微頭改變電容傳感器動極板位置，使之在正負2mm之間往返運動，那么測量出的電壓的變化值也應該是在零點附近作正負值之間的往返變化。然而實驗中，我們卻發現不少同學的數顯表出現了完全正或者完全負的數值，測量結果不能越過零點，并且測量值變化范圍很小，顯得電容傳感器很不靈敏。這讓學生很有挫敗感，甚至懷疑實驗平臺發生故障。其實根據原因在哪呢？還是在滑動變阻器Rw上。我們再看一下滑動變阻器Rw，它橫跨電容C5并使一端接地，如果滑動變阻器直接推到接地端，那么滑動變阻器Rw所取到的電壓就會很小。電容傳感器位移的改變所帶來的電壓的改變，并不能在滑動變阻器Rw所取的電壓上很好地表現出來，因此就會出現測量結果不能越過零點的現象。這看似是個很小的舉動，卻嚴重影響了學生做實驗的進展和積極性。

實驗三 直流激勵時霍爾式傳感器位移特性實驗。

這個實驗主要是幫助學生了解霍爾式傳感器的原理及應用。它的實驗原理就是根據霍爾效應，霍爾電勢UH=KHIB，當霍爾元件處在梯度磁場中運動時，它就可以進行位移測量。它的實驗平臺與電容傳感器相近，如圖6所示。本實驗的接線圖如圖7所示。

根據實驗設計，本實驗中，主要完成的工作就是改變測微頭的位置，使其做往復運動，同時觀察并記錄下主控臺數顯表中輸出電壓的變化值。僅從這一點來看，這與電容傳感器實驗中要做的事情非常相近。因此學生在做這個實驗時就非常順利，很快就完成了實驗內容。但是電容傳感器實驗中通過改變位移來改變輸出電壓，從公式上還是能看出原由的，而霍爾傳感器的公式中，霍爾電勢UH只與霍爾系數KH、電流強度I以及磁場強度B相關，并未體現位移的關系。為什么這個實驗需要改變位移呢？改變位移真正影響的是什么呢？當我們將這個問題拋出時，學生顯然很茫然，實驗做完了，卻不知道為什么這樣做。實際上，在本實驗中，霍爾元件處在梯度磁場中，我們改變的是霍爾元件在梯度磁場中的位置，使穿透霍爾元件的磁場發生了改變，從而來改變霍爾電勢。關于實驗板內部的電路部分，實驗指導書上給出的解釋并不夠詳細，這也是我們以后努力的方向。

參考文獻

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