传感器理论与实验教学方法探讨

湖北文理学院物理与电子工程学院 陈传亮

襄阳市一中 张 蓓

1.引言

传感器是一种将非电信号转换为电信号的器件，它是实现自动检测和自动控制的首要环节，在工农业生产以及人们日常生活中具有广泛的应用。目前《传感器原理及应用》课程已经成为高等院校电子及自动控制类专业的一门必修课，日益受到教师和学生的重视，尤其是将传感器与单片机等课程相结合便可设计制作出一些简单而实用的智能测控系统，更是激发了很多学生的学习兴趣，并进一步提高了他们的动手能力，因而搞好传感器的教学工作具有重要的现实意义。

2.传感器的理论教学研究

2.1 精选教学内容

传感器种类繁多，原理也各不相同，在讲授的时候，不可能全讲，但对经典类型的传感器或者常用传感器的讲解是必不可少的。如果按照原理来划分，常用传感器可分为电阻式、电容式、电感式、热电式、光电式、磁电式等几个大类。不管哪种类型的传感器，其结构大致可分为三个部分，分别是：敏感元件、转换元件，转换电路。对于同一类型的传感器来说，如果功能不同，那么其所对应的敏感元件可能会随之变化，但其转换元件、转换电路则可能是相同的。故而在讲授的时候可以详细地分析某一类传感器的工作原理，敏感元件的选取，转换元件及转换电路的设计，以及对温度误差的修正等等，之后举一反三，对其他种类的传感器也按照这种模式来讲解。比喻说我们将电阻应变式传感器作为精讲的对象，首先它的敏感元件为弹性体，转换元件为电阻应变计，转换电路则是一个电桥，另外为了克服温度误差，可以选用多片应变计构成温度补偿电桥，这样既可以补偿温度误差，又可以提高检测灵敏度。之后在学习电容传感器、电感传感器的时候，就可以以电阻传感器为例，按照前面的逻辑顺序展开，由敏感元件到转换元件，再到转换电路，最后再到对误差的修正补偿等等。这样做重点突出，繁简适当，既提高了效率，也有利于学生理解。

经典类型的传感器很多都是上世纪六七十年代的产品，有些已不能满足现在生产实践的需要，学生在学习中也表现不出太高的兴趣。因而必须扩展一些新的内容，将现实生活中，经常用到的新颖的传感器展现给学生，以提高传感器课程的实用性，并激发学生的探索欲望。比喻目前应用较广的PVDF压电薄膜传感器，霍尔式传感器，还有生物传感器和智能传感器等等，这些传感器不仅应用广泛，而且采用了当前新开发的传感材料或者是先进的微电子技术，代表了传感器今后的发展方向。

2.2 改进教学方法和手段

2.2.1 多媒体教学

多媒体教学具有信息量大、直观易懂的特点，可以大大提高课堂教学的效率。传感器课程当中含有大量的原理图，电路图，利用多媒体教学可以有效节约时间，扩大课堂容量。特别的可以利用多媒体的图片和动画，来形象的展示传感器的物理结构和工作过程，这样不仅能使教学过程更加生动，还能调动学生的学习兴趣，增强教学效果。

2.2.2 讨论式教学

传感器种类虽多，但从结构来讲主要就是三个部分，敏感元件、转换元件及转换电路，如果每一个章节都这样讲解会让学生感觉单调乏味。在教学实践当中，可以利用四到六个课时进行讨论式教学，让学生分组讨论某种传感器的工作原理、结构以及转换电路的设计，如何克服温度误差，在现实生活中的应用，尤其是哪些系统中用到了这种传感器等等，这样既可以调动学生的学习积极性，又可以激发他们的探索欲望。

2.2.3 项目式教学

项目式教学法指的是学生在教师的指导下亲自处理一个项目的全过程，在这一过程中学习掌握教学计划内的教学内容。因为传感器与单片机相结合，可以构成智能测控系统，所以在教学当中，教师可以设置一个课题项目，让学生单独或者分组逐步完成，当然完成这一项目大部分要利用课余时间，一旦完成这一项目，那么关于传感器的内容就会非常清楚了。例如可以让学生设计一个体重计，来检测一个两百千克以内的重量，要求使用电阻应变传感器，那么这个项目在设计的时候就需要处理好这样一些环节，选择应变计，设计合适的弹性体，设计转换电路，对转换以后的电信号放大，再将模拟信号转换为数字信号，利用单片机将数字信号处理后由显示屏显示结果。

3.传感器实验教学研究

传感器是能感受规定的被测量，并将输入的非电信号转换为电信号输出的一类器件。那么传感器实验主要就是验证转化以后的输出和输入的一个对应关系，因而传感器实验教学中的大部分实验项目都是验证性的。验证性实验能够直观的演示某种传感器的工作原理，对理论教学可以起到一个很好的巩固作用。例如电阻应变式传感器的测力实验，热电偶的温度检测实验，电容传感器的位移检测实验等等，这些都是验证性实验。

然而要培养学生的动手能力和创造性，仅有验证性实验是远远不够的，这就需要我们能够利用现有实验平台，做出更多的设计性实验。在此我们可以结合CSY－998型传感器系统实验仪来说明。利用该实验仪可以做实验项目《霍尔式传感器的特性——直流激励》，该实验中霍尔片安装在实验仪的振动圆盘上，两个半圆永久磁钢固定在实验仪的顶板上，二者组合成霍尔传感器。其原理如图1所示。

图1 霍尔传感器直流激励原理图

调节测微头与振动台吸合，并使霍尔片置于半圆磁钢正中位置，再调节滑动变阻器使得电压表显示为零。工作以后霍尔片可以随着振动台上下移动，因为霍尔片的移动，从而导致其外部磁场的大小产生变化，进而导致霍尔电势产生相应变化，变化结果可以通过电压表显示。这个实验是一个验证实验，但是我们可以作一些改进，利用这个实验原理来检测压力或者加速度，也就是通过压力或者惯性力让霍尔片产生一个相应的上移或者下移，这种移动的大小又可以利用电压表的输出来观察。那么这个实验就是利用现有平台，经改进以后用来做设计性实验的一个典型例子。实验室中，能够经该进而做设计性实验的平台还有很多。

4.结束语

本文根据传感器原理与应用的教学实践，对该课程的理论与实验教学内容、教学方法和手段进行了分析探索，并做了相应的改革。教学内容的扩充丰富了课堂教学的素材，并与传感器当前的实际应用紧密结合，开阔了学生的视野，同时也增强了他们的学习兴趣与积极性。实验教学当中，设计性实验的引入，有利于培养学生的主动性和创造性。这些在传感器的教学中都是有益的尝试。

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