电类专业传感器实验实训设备的开发设计

惠州工业科技学校 黄剑珍

惠州市技师学院 戴惠根

一、引言

所谓传感器是指“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。”有时也被称为换能器，变换器，变送器或探测器。如下图1所示。

传感器是实现自动控制和自动检测的关键环节。在我们日常生活中也使用着各种各样的传感器，如电冰箱和电饭煲中的湿度传感器，煤气灶的煤气泄漏传感器，电视机中的红外传感器，照相机中的光传感器，还有汽车中的油压传感器，传速传感器等等，不胜枚举。在中等职业学校的电子电工，汽车维修与检测等专业中以把《检测与控制》、《传感器应用》等课程作为专业基础课程来开设，学生对传感器的各种效应也越来越感兴趣。要想让学生掌握传感器的基本原理和使用知识，有必要加强传感器应用实践的实验实训。

当前，大多数厂家的设备都存在功能多而全，真正适应中职学生动手实验实训的却很少，但价格昂贵，其性价比值得商榷，某教学设备厂商生产的单一传感器实验成套设备就要近十万元一套，而且还不太方便让学校自主学习去做实践项目。若建一个这样标准的实验实训室至少要投入40余万元，许多学校难以承受。我校由于专业发展，至少要建设两个以上的传感器实验实训室才能适应需求，这是一个不扉的投入。由于种种原因暂未购买这种相应的成套设备，很难满足教学要求，给我们实验实训教师出了一个不大不少的难题，因此，我根据教学实际，根据实用的原则，开发了电子电工类实用型丶动手型丶易组合型的传感器实验实训设备，既弥补了学校这类设备短缺的不足，又可以为学校节省大笔资金，贴近教学，便于学生实验实训和培养职业能力。

二、系统组成设计

此套设备主要是针对电磁领域的电子、电工专业而开发，这一专业常用的传感器主要是对电流、电压、电阻、电容、磁场、温度、红外检测、光电转换等的检测和控制。学生有必要对经常需要用到的几类传感器进行系统的实验实训，才能学好传感器。本方案根据课程实际，把经常需要做的一些实验实训课题，按类型的不同精心构思传感器的测量实验装置和精心挑选实训使用电路，做成不同模块，然后再集成来实现要求，针对性强。既方便老师做演示实验，又方便学生使用，要做那种课题就拿什么模块；既便于管理，又不要占用专门的实验场地。套用一句时髦的说法，既节能又环保。

（一）系统结构

这套设备主要由电源模块单元、传感器功能测试模块单元、信号源模块单元、实训模块单元、显示仪表单元既可用模拟仪表也可以借助于虚拟仪器平台和数据采集仪、箱体、传感器测试接口和连接线接口等构成，系统结构如图2。

（二）设备的工作原理及各单元的主要任务

1.工作原理：本设备是采用模块式结构，箱体式封装，每个模块由外接线连接，承担实验和实训教学两大任务。实验教学的过程主要是帮助学生形成认识规律和检验的方法。实训过程主要是培养学生解决实际应用中的实际问题，培养学生的实践应用思想和实际动手能力及创新意识。两者侧重点不同。进行实验教学时，由电源模块，功能测试模块、信号源模块、显示单元，传感器接口单元组成一个实验系统。测试模块单元可适应多种传感器的测试校验使用，其中的测试电路可以灵活转换。进行实训教学时，以实训模块单元为主，为了有效利用资源，需用到功能测试模块中的部分电路，再配合电源模块，功能测试模块、信号源模块、显示单元，传感器接口单元组成一个开放灵活的实训系统供学生实训使用，可在上面进行实践创新和开发。

图1 传感器

图2 系统结构图

图3 隔离变压器

图4 可调稳压电源

图5 变压器交流电桥法

图6 高输入阻抗前置放大器

图7 霍尔传感器测量电路

图8 惠斯通电桥电路

图9 热电偶测量电路

图10 基本测试电路模型

2.各单元的主要任务：电源模块单元提供设备所需的各种电源电压，采用AC隔离和AC-DC降压变换稳压的方案，性价比较高，能有效地保证人身和设备的安全。传感器功能测试模块单元主要完成对传感器的基本性能指标的测量检验，让学生学习掌握不同传感器的工作特性。信号源模块单元主要是针对一些传感器（如电感类传感器）进行测试实验或实训时所需要的信号而设计，可提供根据需要进行调节的一些信号。实训模块单元主要是提供给学生实践应用，自主制作的电路搭接平台，此单元灵活变化性大，学生可根据需要制作各类实际电路，并实现其功能，还能进行各种测试。仪表显示单元既预留了虚拟仪器及常规仪器接口，也安置了一些如电压表，电流表等，供读取数据和监视之用。传感器接口是为了便于安装各类传感器而设。

图11 气敏传感器测量电路

图12 万能模板

三、设备关键模块的设计与实现

1.实验实训测试台的电源系统设计

电源的安全稳定性直接影响设备工作的安全稳定。学生在实验实训中经常要接触到220V的交流电，因此，在训练课室安装一台1:1的隔离变压器来降低触电风险很有必要。所有实验实训设备都通过这台隔离变压器连接到220V交流电上，如图3所示。

传感器多种多样，在对不同类型的传感器进行实验测试时需要不同的电压。考虑到电压的多样性，通过多种比较试验，决定采用一种性价比较高的集成电路可调稳压电源作为测试用的电源，框图如图4示。在这里设计了两组可调稳压电源，一组实现从0V～±30V输出连续可调，另一组0V～±15V输出连续可调，并利用扩流技术使输出电流可达到4A左右，还设计了自适应切换动作电路，可以保证输入电压与输出电压差不会大于电源IC的规定范围，在IC的调整公共端加了保护晶体管以防止其对地开路而损坏电源。

2.传感器测试模块设计

传感器的输出量是以电信号的模拟量输出最为普遍。其输出有各种形式，如光电管输出为直流电流，热电偶输出为直流电压，差动变压器或流量计输出为交流电压，热敏电阻和半导体气体传感器输出为电阻，电感式位移传感器输出为电感，测厚传感器则为振动频率的变化等等，它们的工作原理也不相同，这为开发设计传感器的实验测试电路，选择实训电路提供了很好的指导作用和理论依据。

（1）电阻传感器的基本原理就是将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路显示或记录被测量值的变化。电阻传感器工作原理是当被测量作用于弹性元件上，在力或力矩的作用下发生变形或位移，然后引起应变片的电阻值变化，通过测量电路变成电量输出。测试电路主要采用电桥法。

（2）电容传感器是以电容为传感元件，将被测物理量的变化转化为电容量的变化，再经测量电路转换为电压、电流或频率，以达到检测和控制的目的。电容式传感器的测量电路很多，常用的有运算放大器测量电路，普通交流电桥，二极管双T交流电桥，变压器交流电桥，调频电路等。

（3）电感式传感器的工作原理是基于电磁感应原理，它把被测量转化为电量变化的一种装置。电感式传感器的测量电路有交流电桥式、变压器式交流电桥以及谐振式等。如图5所示为变压器交流电桥法。

（4）压电式传感器的工作原理是以某些电介质受力后，内部就产生极化现象，同时在其表面便产生符号相反的电荷，且电荷量相等，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态的压电效应为转换原理的传感器。压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，一般不能直接显示和记录。因此，它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗前置放大器，如图6所示。

（5）霍尔传感器是利用半导体材料的霍尔效应原理而将被测量转换成电动势输出的一种传感器。半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应。霍尔传感器的基本测量电路如图7所示。

（6）温度传感器是检测温度的器件，其种类最多，应用最广，发展最快。温度传感器的核心是温度敏感元件，它能将温度这一物理量转换成电信号，再经放大电路变成易于测量的电压、电流，或频率等。温度传感器应用最广泛的就是热敏电阻器。温度传感器的典型测量电路是惠斯通电桥电路，如图8所示。

（7）热电偶，目前应用最广泛的温度传感器是热电偶，它由两种导体的组合并将温度转化为热电动势的传感器，它的基本工作原理是热电效应。带补偿的热电偶测量电路如图9所示。

（8）光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它采用光为信号，借助于光电元件将不同照度的光信号转换成不同的电信号。它的基本工作原理是光电效应。光电传感器的应用很广，基本测试电路模型如图10所示。

（9）气敏传感器工作原理。声表面波器件之波速和频率会随外界环境的变化而发生漂移。气敏传感器就是利用这种性能做成的传感器。通过测量声表面波频率的变化就可以准确的反应气体浓度的变化。气敏传感器的基本测量电路如图11所示。

（10）其它传感器如红外传感器，超声波传感器，湿敏传感器，色敏传感器等的原理和测量电路由于篇幅有限，在此就不赘述。

3.传感器实训模块设计

实训能培养学生亲临职业的心理素质，增加感性认识和实践经验，提高实际动手能力。因此，实训模块设计充分考虑了学生本位，方便学生进行技能训练，能帮助学生在实际工程中灵活使用传感器。实训电路要趣味性、实用性、知识性融为一体。基于这种观念，我设计了一种万能模板，如图12所示。这种万能模板不同于市面上买的万能板，这个模板上安装的元器件是不需要焊接的，每次实训只要根据实训电路原理图在万能模板上进行连线即可，既经济又环保。实训电路精选了：①带液晶显示的手提电子称实训电路；②光控（红外感应或声控）的自控灯电路和红外遥控接收电路；③厨用的气体监测报警装置电路和电子警犬电路；④自动门控电路；⑤三色识别电路；⑥简易超声波测距仪电路；⑦带音乐的液位报警器电路；⑧光敏传感器控制的节日装饰彩灯电路；⑨食品干湿检测电路。

四、设备的特点

1.开放性好。此设备的模块电路都可以进行自由组合，灵活多变，学生根据要求可以选取其中部分使用，也可以学习做许多电子电工方面的实际电路，可以提高学生的综合素质。

2.实践性强。本设备的开发设计充分考虑到了中职学生的实际，以直观、易用、够用、耐用为准则。将各传感器测试的实验电路都清晰地呈现在学生面前，而且在面板上海刻有原理图，实训电路强调了自主动手。学生按要求自己连线和操作，对学习知识的理解和实践动手都能起到积极的促进作用。

3.趣味性强。设备在开发设计时就考虑到了传感器的特点，电路选取都是以身边能感受到的有趣的实用电路作训练平台，提高了学生学习的兴趣。

4.创新性强。设备的开发设计既紧密结合教学内容，又紧密结合实践应用，学生不但能充分训练实践动手能力，还能把所学知识应用到实际中去。此设备避免了有些教学设备不能灵活搭配的不足，采用了一种自由组合式的设计思路，使得学生特别是在实训中能自主发挥，提高创新能力。

五、结束语

此设备的开发设计是我将实验和实训教学有机结合的一个大胆的尝试，此设备不仅可以完成课程中的实验和实训，是一个教学平台；还可以作为传感器的应用开发，是教师和学生的创新能力的一个实践应用平台。它解决了实验实训教中的难题，为学校节省了教学成本，提高了实验实训教学的有效性，提高了学生自主学习的积极性，充分发挥了学生的主动性。有助于提高学生对传感器知识的理解和工程实践应用能力，有助于培养学生的创新意识。

[1]牛永奎,冷芳.传感器及应用[M].清华大学出版社.

[2]王化祥,张淑英.传感器原理及应用(第三版)[M].天津大学出版.

[3]周乐挺.传感器与检测技术(第1版)[M].高等教育出版社.

[4]GB7665-87.

[5]廖怀平.检测与控制[M].中国劳动社会保障出版社,