基于故障診斷的實訓實踐模塊訓練

石云波 曹慧亮 唐軍 劉文怡 劉俊

[摘 要]針對目前大學生動手實踐能力普遍不高的情況，中北大學儀器與電子學院設計了綜合實訓模塊，在實訓過程，學生分組在教師指導下完成有故障點設置的傳感器信號調理電路的調試與傳感器靜動態性能標定。通過基于故障診斷的模塊實訓，學生普遍認為實踐模塊提供了一個很好的接觸專業知識的實踐平臺，通過實踐模塊可以學會解決問題與處理問題的思路方法，還可以把以前所學的基礎知識、專業知識進行融會貫通。

[關鍵詞]實踐教學；傳感器；電能；教學改革

[中圖分類號] G64 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）06-0096-03

0、引言

當代大學生實踐能力的缺失，已經是一個不容忽視的問題。新時期高校教育工作存在很多不足。能力是在知識的基礎上形成的，知識是靠教育來掌握的，因此可以說能力的形成需要教育與培養。專業實踐能力的形成是以一般實踐能力為基礎的，受制于學校類型和專業學科。高等院校是培養未來社會所需人才的基地，其所培養人才是否適應社會要求是檢驗高校教育工作好壞的一個標準[1]。

創新已經成為高等教育人才培養的主旋律。創新人才培養的途徑是理論與實踐相結合的教育教學方式，理論教學需要學生通過課堂打下扎實的理論基礎，而創新人才培養的關鍵在于實踐教學環節[2][3]。目前，大部分地方理工類院校對于創新人才培養的實踐內容大多局限于實驗教學和大學生科技創新活動這兩大環節。但是這種創新實踐教學培養模式存在一定的缺陷，應進一步改革完善，才能更科學更有效地培養學生的創新能力和創新意識。

實踐課程是當代大學生不可或缺的學習部分，一個全新的、可靠的實踐教學模塊才是新時代大學生所需要的。高等學校實驗室是大學生培養的重要場所，實踐教學也是高校教學體系的重要環節，在大學生創新能力和工程實踐能力培養中發揮著不可或缺的作用。但是目前原有的實驗教學體系存在很大的弊端：實驗內容陳舊、實驗項目不能很好地培養大學生的創新能力、實驗室建設和管理體制落后、一級實驗室開放程度不夠等。

基于以上大學生動手實踐能力的缺陷以及現有實驗的弊端，本文闡述了一種通過學生尋找電路故障點并解決故障的實踐模塊。

一、模塊內容介紹

加速度傳感器實踐模塊的目的主要是對加速度傳感器信號的調試，動態信號的標定以及數據處理。筆者在電路板的制備中特意設置了故障點，讓學生在實踐活動中發現并解決電路中的故障，以此來提高學生對理論知識的運用能力。學生的主要工作有分析電路原理、電路的焊接與調試。電路包含的模塊有三軸加速度傳感器模塊、放大模塊和濾波模塊，具體如圖1所示。

二、障點設置

顯形故障點：

1.發光二極管導通電壓故障：如圖2，二極管兩端電壓太大，易造成擊穿。

2.電源故障如圖3所示，原理圖當中電源模塊輸出標識與放大電路的輸入標識不一致，導致它們沒有進行電氣連接。

3.可調電阻故障，選用的元器件3362的封裝方式如圖4所示，其管腳定義與PCB板不符合，導致可調電阻失去其調節阻值大小的作用。

圖4 電位器3362

三、模塊實踐流程

學生的實踐主要分為三個部分，第一部分是對傳感器信號的差分放大、濾波進行EDA仿真，其次學生利用有故障點的電路板進行焊接調試，最后對傳感器進行靜動態標定。

（一）原理圖分析，查找故障點并確定解決方案

1.發光二極管導通電壓故障，由于二極管兩端電壓差值不能穩定在其工作電壓內，超過其工作電壓將導致二極管擊穿，使整個電路供電出現故障。因此確認的解決方案為：給二極管串聯上一個分壓的可調電阻，保證其正常工作，提高電路穩定性。

2.電源故障，通過原理圖看出穩壓芯片的輸出端與放大電路芯片ad623輸入端標識不一致，會導致在電路板當中它們沒有進行電氣連接。確定的解決方案為在電路板上進行飛線建立連接。

（二）電路分步焊接、故障點查找并確定解決方案

可調電阻故障，選用的可調電阻管腳與電路板焊點不匹配，解決方案為對照PCB圖調整可調電阻管腳焊接到電路板上。

（三）電路分步調試，故障點查找并確定解決方案

根據傳感器輸出特性[UO=kX+12U′]，[U′]=3.3 V，因此在ad623反向輸入端2腳輸入1.65V的電壓值，通過調節可調電阻值實現。

由于測量的范圍為-5 g～5 g，但是輸出電壓范圍0～2.5 V，因此要求我們輸出0 g的時候在1.25V 左右，所以ad623芯片5腳的參考電壓調節1.25 V；由于max291芯片存在負偏壓，因此調試時讓ad623的2、3腳接地，調ad623芯片的5腳參考電壓使max291芯片的輸出為1.25 V。

放大倍數調試，ad623的增益G是由于1腳和8腳的阻抗來決定的，阻抗[RG=100 KΩ/（G-1）]，由于三軸放大倍數存在差異，需分別計算可調電阻的阻值且進行調試。

濾波電路截止頻率的調試，根據芯片max291的芯片手冊可知時鐘頻率[fosc（KHz）=1053Cosc（PF）]，[f截止=fosc100]，其中[Cosc]為max291的1腳電容。因此根據上述公式和任務書要求的帶寬來確定電容值。

（四）傳感器靜動態標定

通過翻轉臺實驗對三軸MEMS加速度計及其測量電路進行靈敏度、零偏、重復性等靜態參數標定和測試；通過振動臺對三軸MEMS加速度計進行帶寬、幅頻特性等動態參數測試。

記錄電路標定和測試過程及數據，根據測試數據分析電路的各項指標參數，并與設計指標要求進行對照，分析測試電路的誤差源、優缺點。

四、模塊實踐過程中其他需要注意的問題

1.示波器的使用問題，要將其設置成直流耦合，為了觀察記錄電路板某些參數，需要在顯示菜單欄把頻率、幅值、峰峰值、均值等參數顯示出來。

2.芯片是否正常工作問題，調試電路板的過程中首先測量電源供電電壓是否正常，正常才可進行下一步調試，其次測量ad623和max291已知理論電壓值的管腳，進一步確認芯片是否正常。

3.調節可調電阻阻值選取和調節問題，此次用到的滑動變阻器外觀上無太大差別，可以通過型號讀取其阻值或實測其阻值，而且電路不同位置選用的阻值不盡相同，通過計算選取合適阻值。調試時其阻值可能被輕微觸碰后就會引起變化，要特別注意。

4.放大倍數調節問題，在接傳感器之前可以使用信號發生器輸入信號，對電路進行調試，調試電路的放大倍數，觀察濾波前后信號的變化。

5.做動態標定遇到的問題，在示波器上看到的mean值不是剛開始調試的零位值1.25 V，分析后發現此時有一個g值（大于1.25是正1個g，小于1.25是負一個g）的靜態信號，也就是傳感器板受到了1g重力加速度。此時測試的是振動動態信號，這時的信號是1個g的基礎上的振動信號，需要記錄其峰峰值；振動情況下可以調節示波器的模式為交流模式，直接記錄其峰峰值。

6.傳感器靜動態標定的靜態指標問題，通過對靜態標定數據的處理，可以得到傳感器靈敏度、線性度、重復性、遲滯等靜態指標，動態數據記錄兩組，一組是AD623直接放大數據，用以分析傳感器本身的頻響特性；一組是MAX291濾波后輸出數據，用來分析濾波電路的濾波特性。

五、課程的教學反饋

在模塊實踐課程結束，編制了教學反饋表，反饋表中主要裂了9個調查項目，分為1（非常不滿意）、2、3、4、5（非常滿意）五個檔次，共交回反饋表172份。反饋表從反饋內容來看，學生對這種新穎的實踐教學模式認可度還是比較高的，同學們普遍認為實踐模塊提供了一個很好的接觸專業知識的實踐平臺，通過實踐模塊可以把以前所學的基礎知識、專業知識進行融會貫通，但同時從反饋表也可以看出，在對解決復雜工程問題以及對所學知識的靈活運用等方面還需進一步加強。

六、結論

此次加速度傳感器實踐模塊緊密契合學生的知識框架，但是更加注重考察學生的動手能力，發現并解決問題的能力以及對于所學知識的運用。通過一個完整典型的電子產品設計流程，不僅僅能夠發現學生在知識和操作上的漏洞，更能對現有的教學實踐改革提出指導性的建議。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 衛星. 當代大學生實踐能力的缺失與培養[J]. 黑龍江高教研究，2005（11）：143-144.

[2] 葉其馨，汪玉梅，林曉冰，等. 論我校本科生創新能力培養的缺陷及制度化建設[J]. 中國中醫藥現代遠程教育，2009（6）：82-83.

[3] 徐朝輝，秦杰，梁義濤. 學生創新實踐教學體系改革的思考[J]. 計算機教育，2012（20）：40-43.

[責任編輯：張 雷]