浅谈提高“检测与转换技术”课程课内实验质量

徐冬梅　张莉萍

摘 要 本文以“检测与转换技术”的课内实验为基础，阐述了课内实验中存在的不足、原因以及改进方法。使学生完成实验内容，更能帮助学生理解实验的设计原理，多课程之间的交互性，增加学生实验课上学习的主动性，以提高课内实验的教学质量。

关键词 检测与转换技术 课内实验质量 高等教育

中图分类号：G424 文献标识码：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

传感器技术作为检测控制系统中获取对象信息的重要窗口，与通信技术和计算机技术共同构成信息技术的三大支柱。它在工业生产自动化、军事国防、家用电器、医疗卫生、生物过程等各方面有着广泛应用。随着信息时代的到来，国内外许多国家都将传感器技术列为优先发展的科技领域之一。国内高校许多专业也相继开设了相应课程。“检测与转换技术”作为我院自动化、电气工程等专业的一门重要专业基础课，主要讲授传感器技术的基础知识，电阻式、压阻式、电涡流式、电容式、热电偶式、光栅等各类传感器的工作原理、测量电路及其典型应用。课程理论性较强，涉及数学、光学、力学、磁学等多门交叉学科，在教学内容上侧重于各种传感器工作原理和测量电路的讲解，各章节内容之间的联系不甚紧密，每一类传感器内容都自成体系。本课程共48学时，为了加深学生对各种传感器理论知识的理解，增强学生理论联系实际的动手实践能力，课程中相应安排了8学时的课内实验，分别针对金属应变片、电涡流、电容式以及霍尔式传感器。为了方便指导学生，我们为学生配备了实验指导书。在实验指导书上明确写明了实验目的、实验原理、针对实验平台的实验步骤等模块。实验平台均为集成的教学仪器模块，为了节约学生实验时间，提高实验完成效率，学生大多只需要简单地连接幾根明线即完成实验平台的搭建，剩下的就是测量与记录数据。然而这样的实验结果就是，学生对于原理的理解还停留在课本上，进实验室也只需要弄出几组数据，对于数据产生的电路原理并未真正理解，并且对于数据的有效性也不能保证。如果再追问学生是否有其他测量方法时，学生更加无所适从。

如何在有限的实验教学环节中，激发与调动学生的实践积极性，使他们掌握必要的基础理论知识外，更具备一定的分析、解决问题和实际动手能力，是高校该课程教学改革首要考虑与解决的问题。笔者以我院 “检测与转换技术”课程为依托，对本课程的部分实验教学方法进行了初步探索，与各位读者交流。

实验一：金属箔式应变片特性实验。

课堂上我们讲授了金属丝式和金属箔式应变片的应变效应，另外当测量电路分别为单臂电桥、双臂电桥以及全桥电路时，理论性地分析与比较了三种电路所带来的不同性能和特点，比如输出灵敏度、非线性误差和温度误差等。那么本实验的目的就是通过连接三种不同的测量电路来帮助学生了解金属箔式应变片的应变效应，同时比较这三种测量电路的所带来的不同性能和特点。

关于这三种测量电路的电阻应变效应的基本原理都是一样。电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值会发生变化，这就是电阻应变效应。描述电阻应变效应的关系式为：€%=R/R=K€%^，式中€%=R/R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数，€%^=€%=l/l为电阻丝长度相对变化，金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它转换被测部位受力状态变化。电桥的作用是完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。

在这个实验中，如图1所示，应变片和固定电阻依据三种不同的测量电路分别贴在被测物体的上下两面。通过往托盘上增加或减少砝码来改变作用于被测物体上的作用力，也就是改变应变片的形变，从而达到改变应变片电阻的目的。在四臂电桥电路中，应变片电阻的变化会反应在输出电压上。实验中，我们通过观察和记录输出电压的数值变化来对三种测量电路的性能作进一步的分析和处理。这是本次实验中，根据实验指导用书学生所要完成的主要工作。

在实现测量之前，需要对应变传感器实验模板进行电路搭建，使它与图1能联合工作，应变传感器实验模板如图2所示。当然，在我们的实验指导书上已经写明了需要学生动手连接的线路，由于只有几根线需要连接，这个工作量是非常小的。但是实验指导书上并未注明连接这几根线的作用。由于是文字描述，学生有时并不能准确理解所需要连接的线路与位置，结果导致学生在电路搭建上花费不少时间，还会出现漏接或错接线路的现象，严重影响了实验进度和准确性。而且实验结束了，学生也不能完全很好地理解为什么要这样搭建电路。那我们有没有办法能提高一下学生的实验进度和学习效率呢？

方法当然是有的，最关键的就是我们要帮助学生理解电路，只有对电路理解了，才能明白为什么要这样搭建，才能准确地进行操作，从而提高实验效率。对于这样一个看似复杂的实验电路，我们不妨对它进行模块分化，如图3所示。我们将它分为左、中、右三个模块，如图中实线框所示。

我们在课堂上讲到，应变传感器的测量电路是四臂电桥，很显然，四臂电桥是实现测量的基本电路。所以在左边的模块中就是四臂电桥，依据我们实验的需要，可将四臂电桥分别接成单臂电桥、双臂电桥以及全桥电路。四臂电桥是两端输入两端输出，因此我们用主控电源提供的正负4伏电压源作为输入源，然后我们通过观测输出电压来对电路的性能进行分析。

四臂电桥的输出是否可以直接进行观测呢？理论上我们是直接观测两端输出之间的电压差，但是实际实验中，两端输出分别对应着各自的电势，若要获得电压差，需要经过模拟电路进行电压差运算，这里我们采用模电课上的差分电路来获取两端输出的电压差。在使用这个差分电路之前，需要对差分电路进行调零，以确保当两端输入相等时，差分电路输出也为零。由于中间模块中的各器件参数相互对称，最简便的方法就是当两端输入为零时，差分电路输出也应为零。如果存在漂移，可通过电路中的可调电阻Rw3实现此功能。

实验中，我们通过逐次增减20克的砝码来改变外加应变力，由于增减幅度较小，所带来的应变力及应变效果也会很小，那么在输出电压上的变化也不会很大，因此，差分电路的输出会出现变化很小的现象。为了方便观测，我们将差分电路的输出端输入一个放大电路，即右边模块，这样在外接数显表上可以较明显地看出电压的变化。放大电路的放大系数可通过Rw4进行调节。另外，还应该告诉学生，主控箱提供的电源主要是为运算放大器提供的，它采用的是正负15伏，这样学生在接线时就不会困惑：接了正15伏之后，负15伏要不要接。

学生在实验中，接线效率低或者出错，最主要的原因是他们不了解实验电路到底是怎样的，实验指导书上的实验步骤只介绍如何接线，却未说明为何要这样接，让学生处于一种知其然不知其所以然的状态。所以说，我们在进行实验指导时，很关键的一步是要尽可能细致地让学生明白他们在做什么，这样才能尽可能地避免囫囵吞枣的感觉。

实验二 电容式传感器位移特性实验。

这个实验的目的是帮助学生了解电容式传感器结构及其特点。本实验的实验原理就是利用平板电容C=€%^A/d和其它结构的关系式，通过相应的结构和测量电路可以选择€%^、A、d三个参数，保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测谷物干燥度（€%^变）、测微小位移（d变）和测量液位（A变）等多种电容传感器。在这个实验中，我们主要改变的参数是位移d。图4给出了电容传感器的安装示意图。

本实验的电路图如图5所示。实验板上需要学生连接的线路只有电源线和外接数显表。从接线复杂度上看，是很简单的。整个电路可以分为左、中、右三块。最左边是交流信号发生器。经过电容C3的耦合作用，只有交流能够通过。中间是整流电路，经过滑动变阻器Rw取出部分电压，最右边是比例放大器。電路中学生能改变的就只有滑动变阻器Rw的位置了。根据实验的设计，旋动测微头改变电容传感器动极板位置，使之在正负2mm之间往返运动，那么测量出的电压的变化值也应该是在零点附近作正负值之间的往返变化。然而实验中，我们却发现不少同学的数显表出现了完全正或者完全负的数值，测量结果不能越过零点，并且测量值变化范围很小，显得电容传感器很不灵敏。这让学生很有挫败感，甚至怀疑实验平台发生故障。其实根据原因在哪呢？还是在滑动变阻器Rw上。我们再看一下滑动变阻器Rw，它横跨电容C5并使一端接地，如果滑动变阻器直接推到接地端，那么滑动变阻器Rw所取到的电压就会很小。电容传感器位移的改变所带来的电压的改变，并不能在滑动变阻器Rw所取的电压上很好地表现出来，因此就会出现测量结果不能越过零点的现象。这看似是个很小的举动，却严重影响了学生做实验的进展和积极性。

实验三 直流激励时霍尔式传感器位移特性实验。

这个实验主要是帮助学生了解霍尔式传感器的原理及应用。它的实验原理就是根据霍尔效应，霍尔电势UH=KHIB，当霍尔元件处在梯度磁场中运动时，它就可以进行位移测量。它的实验平台与电容传感器相近，如图6所示。本实验的接线图如图7所示。

根据实验设计，本实验中，主要完成的工作就是改变测微头的位置，使其做往复运动，同时观察并记录下主控台数显表中输出电压的变化值。仅从这一点来看，这与电容传感器实验中要做的事情非常相近。因此学生在做这个实验时就非常顺利，很快就完成了实验内容。但是电容传感器实验中通过改变位移来改变输出电压，从公式上还是能看出原由的，而霍尔传感器的公式中，霍尔电势UH只与霍尔系数KH、电流强度I以及磁场强度B相关，并未体现位移的关系。为什么这个实验需要改变位移呢？改变位移真正影响的是什么呢？当我们将这个问题抛出时，学生显然很茫然，实验做完了，却不知道为什么这样做。实际上，在本实验中，霍尔元件处在梯度磁场中，我们改变的是霍尔元件在梯度磁场中的位置，使穿透霍尔元件的磁场发生了改变，从而来改变霍尔电势。关于实验板内部的电路部分，实验指导书上给出的解释并不够详细，这也是我们以后努力的方向。

参考文献

[1] 施国英，李天华，黄再范，王震.改革“检测与转换技术”实验模式 提高实践能力[J].实验室科学，2015（12）.

[2] 朱兰香，霍金明，谷雷，朱瑞.《检测与转换技术》实验教学课创新的探索[J].知音励志，2016（2）.

[3] 张荣，贺静.基于项目的《自动检测与转换技术》教学模式改革实践[J].科技资讯，2016（2）.