关于传感器技术课程的一种递进式应用型教学实践

詹庄春，史春笑

关于传感器技术课程的一种递进式应用型教学实践

詹庄春，史春笑

（华南农业大学珠江学院，广东 广州 510900）

针对目前一般本科高校应用型教学改革现状，提出一种传感器技术课程的递进式应用型教学方案，旨在寻找一种适合独立院校电气类工科学生的教学模式。融合多种教学方法展开教学，厘清传感器原理教学逻辑线，构建独立的传感器测量电路，进而在课程设计过程中有意识地培养学生的逻辑思维能力。经过一个学期的教学实践，相关理论知识得到了有效应用。

传感器技术；教学现状；递进式；应用型

问题的提出涉及三个方面：传感器技术课程的特点，独立学院工科学生的知识水平和应用型教学改革现状。首先，传感器种类繁多，结构原理各异，分类标准也不一，造成理论缺乏连续性和系统性，而且传感器只有结合其它电路才得以广泛应用，即贯穿课程教学始终的一条逻辑线很难找到。并且，作为获取信息的源头，传感器最贴近生活，对实践要求最高，由此形成一个矛盾点，即关于传感器技术的独立操作系统很难找到。其次，就独立院校电类工科生来讲，根据笔者多年的经验，一般认为其优点是对实践比较敏感，模仿能力强，缺点是逻辑思维不强韧，理论分析能力较弱。例如，在直流电机双闭环调速控制系统实验中，学生很快完成了复杂的电接线并获取测试数据，而在课程设计中，对其电枢电流信号和电机转速信号的检测不知所措，缺乏进一步学习与思考的动力。学生与学生之间在知识储备交流方式、学习态度、自我预期等方面，存在极大的差异，使教学气氛易受干扰。最后，在应用型教学改革过程中，出现了许多有价值有意义的教学方法。例如项目驱动式教学法[1]和任务驱动式教学法[2]，其与传统的“理论——习题——实验”相反，采用了“项目（任务）——模块（问题）——原理（方法）”的教学过程，激发了学习兴趣，不足之处是传感器之间的关联甚少。再如翻转式课堂教学法[3]，其与传统的“课堂上教师的知识讲授—课堂下学生的知识内化”相反，采用了“线上网络资源共享——线下课堂作业讨论”的教学模式，优点是知识传递不再受时空限制，凸显了学生主体的角色地位，加强了交互学习氛围，不足之处是起点要求高，即要求学生具有自我管理的学习能力。

综上所述，现以传感器技术为课程对象，以应用为目标，在课堂内外分别穿插对比式教学[4]和体验式教学[5]，正确处理实践与理论的关系，为教学的可持续发展创造条件，故拟定一种递进式应用型教学实践方案，具体步骤如下。

一、基本理论应用型教学

以线圈“电磁感应”为例：关联高中物理理论知识，动画展示绕组线圈通电产生磁场的现象，对直流线圈产生稳定磁场与交流线圈产计算式中的参数值，即可制作出相对不同场合应用的传感器

另一方面，变化的磁场即磁能一旦改变，就会有另一种形式的能量即电能出现，称之为能量转换。根据能量守恒的自然规律，可推及其他能量与电能之间的相互转换，其转换方式有直接或间接的。由此衍生出了热温式，光线式，声波式等传感器。

综合两方面内容，厘清传感器基本工作思路，即输入被测量——电磁参量——能量转换——输出量，称之为传感器原理教学逻辑线。

为了辅助学生养成良好的学习行为惯性，有必要进一步小结各个传感器的工作原理。例如生变化磁场进行比较，然后提问什么磁场才能感应出电势，再问为什么不提直导线通电产生磁场，容许同学们讨论之后，教师答疑——均匀散布在直导线上的电子等效磁畴所产生的磁场可忽略不计，并且电磁相辅相成，两者近似成正比关系，从而解释“电生磁与磁生电”现象的本质，称之为电磁感应。紧接着，电磁特性即总磁通与电流之比采用电感系数表示，简称电感L，假设线圈匝数为n，其中通以交流电I，根据磁路欧姆定律，经简单代入计算得出电感值，磁电特性即感应电势与变化的磁场之比，根据作用与反作用的自然规律，可知感应电势与输入电流方向相反，故磁电特性系数等于-1。最后，划出两个重要知识点，一是电磁效应，二是磁电效应。

一方面，联系电阻和电容等知识点，将电磁参量计算式一并列表1，参数均采用标准单位。

注：ρ——电导率，μ——磁导率，ε——介电常数，l——长度或间距，s——截面积或覆盖面积。

由表1可知，电磁参量只与材质及其结构参数有关，而与外部输入输出信号无关。通过改变霍尔传感器，其工作原理可小结为霍尔效应，见表即某结构尺寸的半导体薄片通以工作电流，并置于磁场中，若电流方向不与磁场方向重合，则运动电荷受到磁场洛仑兹力的作用发生迁移，从而在垂直于电流和磁场的正交方向上形成霍尔电势。再例如电位器式传感器，其工作原理可小结为表2，即通过移动电位器滑动端而改变接入输出电路部分的电阻值。前述三种情况，一并归纳如表2～4所示。

为了检验教学效果，同时为了更好的记忆，在此举几个实际应用的例子，来促进学生思考。例如：选用何种传感器可发送并接收超声波信号？经过比较，一般有两种选择，以此深化理解正逆压电效应和压磁效应以及磁致伸缩效应。又例如：何种传感器能测转速？除了霍尔传感器和光电传感器以及磁电传感器，还可提前引介增量编码器。诸如此类，可引领学生对以前所学拾遗补缺，还可让学生对后续内容感觉理所当然。

电阻 磁 电感Rsρ=le e e Rsµ=lm m m Cl=εsc c 2 LR=∑n mi i=1

表2 改变电阻参量的传感器工作原理小结

表3 改变电容或电荷参量的传感器工作原理小结

表4 改变磁阻或电感参量的传感器工作原理小结

二、测量电路应用型教学

传感器将被测量转换为另外一种物理量，一般得出的信号比较粗糙，例如信号很微弱或含有干扰信号等等，对此还需进行调理。将带有信号调理电路的传感器称为广义传感器，或称为传感器独立测量电路，简称测量电路。在测量电路中，传感器作为一个元件，我们关注更多的不再是其内部结构原理，而是其输出量与被测量之间的关系，即外特性。

首先，采用案例教学法，分别给出几个典型的实际案例如下：①电阻液位计测量电路，②交流应变电桥振动监测系统测量电路，③磁电转速计测量电路，④差动变压器式加速度测量电路。再结合实际，对传感器初始信号应作如何调理的问题展开讨论，分析比较其中的相同点和不同点。最后在宏观上把握几个关键环节：被测对象——传感器——电桥电路——补偿电路——放大电路——相敏整流或解调电路——低通滤波电路——指示单元，称之为传感器测量电路教学逻辑线。

同理，为了辅助学生养成良好的学习行为惯性，有必要对几个关键环节的典型电路进行小结。实际应用的电桥电路应具有调零和调满量程的功能，有条件的传感器一般做成差动式结构，可对零点或温度干扰起到补偿作用，电桥输出信号为电流或电压。放大电路采用两级差分结构，可提高输入阻抗，增强共模抑制能力，且增益可调。相敏检波采用相加式全波电路，由四个特性相同的二极管沿同一方向串联成一个桥式回路，桥臂上附加电阻，用于桥路平衡，要求载波二次输出幅值大于调制波二次输出幅值。低通滤波可由简单的阻容电路构成，几个典型电路如图1所示。

在把握了几个关键环节的典型电路之后，为提高教学效果，以教学中的几个案例作为任务驱动，例如案例①的测量电路可参考图1中(a)(b)(d)三个环节进行设计，实际操作可参考浙江天煌科技实业有限公司THSRZ-2传感器系统实验动画，等。实验或仿真均可视为自我体验式教学，有了大致的设计框架，学生有自信，会感兴趣，因此可充分利用实验室的设备资源，或借助电路仿真软件搭建相关电路模型。

三、课程设计应用型教学

传感器输出信号经过调理还不一定就能直接可用，“信号直接可用”什么意思？就此问题引发讨论，例如速度只有显示出来才可直接作为司机行车控制的依据，由湿度信号引起的继电器开关才可直接控制汽车挡风玻璃自动去湿系统加热丝是否加热，等等。经归纳可知，传感器主要应用于测控系统中，由此上升到了课程设计应用型教学。

首先，工业标准电压信号为1～5V，电流信号为4～20mA，为此传感器测量信号有时需要转换，例如电阻/电压转换、电容/电压转换、电流/电压转换、电压/电流转换。

其次，对关联性较强的知识进行汇总。一方面是与数字显示相关的数字电路，例如施密特触发器将各种模拟输入信号转变为规则的矩形脉冲，触发器对脉冲输入信号进行逻辑判断，模数转换器可将电压信号转换为数字信号，数码管及其驱动和计数器一起完成脉冲个数显示功能，等等。另一方面是与驱动控制相关的模拟电路，例如功率放大器、双限比较器、继电器、伺服电机、交直流电机等，与数字信号不同，电气电路之间的模拟信号特别需要注意参数匹配的问题。

然后，选题。现学习阶段处于第四学期，电气类工科学生学过的相关课程有数字电子技术和模拟电子技术以及电机学等，而单片机和自动控制原理以及电力电子技术等还没学。为体现出实训效果，硬件结构设计要求易于实现且成本低。采取传统式传感器，系统应具有较强的实用性。依据上述，选题如表5所示[6]。

图1 在传感器信号调理电路中几个关键环节的典型电路

表5 传感器技术课程设计选题

最后，设计与指导。提出要求：1）确定系统设计方案；2）画出硬件结构图；3）绘制系统电路原理图；4）电路试验与仿真；5）电路参数计算及元器件选择；6）搭建硬件结构，焊接电子元器件；7）电路测试，系统调试；8）撰写设计报告，答辩。给出必要的提示：1）滞回比较器可实现三种大小球的分拣；2）利用晶振自制秒信号发生器。

四、结束语

应用型教学主要是指教学始终以应用为导向，单纯的认为“理论够用就行了”是不对的，理论不是静态的，它应随应用的广泛深入而不断延伸。本着“理论够用”的原则，许多教学改革裁掉了关联性较弱的理论。理论虽然变少了，而且还有变少的趋势，可是理论的学习效果就一直不怎么好，以至于谈及理论就畏惧。原因主要就是学生思维一直处于自由散漫的状态。对此，笔者作为一线工作者，特别有意识地培养学生的逻辑思维能力。经过一学期的学习与实践，学生对各种传感器原理表示能够理解，对传感器测量电路能够作出合理的选择，对传感器技术课程的学习有较强响应。

教学内容方面的改革：教材好并不意味着教材内容的编排就一定符合教学内容的安排，在素材选取和教学设计的过程中，教师无疑是一位学习者。平常储备的例题和案例，在课堂教学中得到了穿插使用，增强了教学的灵活性和课堂的相对完整性。

教学主体地位的转换：特别在课程设计过程中，教师应起到一个管理和辅助的作用，提出问题之后引导大家相互讨论，始终保持实训室具有一种轻松活泼的学习气氛。

[1]袁向荣.项目驱动教学法在“传感器与检测技术”课程中的应用[J].中国电力教育,2011,(26):92-93.

[2]周梅梅.任务教学法在传感器技术课程中的应用[J].天津职业院校联合学报,2017,19(1):85-88.

[3]林红,曲波,黎穗琼.基于翻转课堂的传感器原理教学探讨[J].教育教学论坛,2017,1(2):166-167.

[4]徐科军.注重比较方法讲授“传感器与检测技术”课程[J].教育教学论坛,2016,3(10):170-171.

[5]沈志辉.高中物理课堂“体验式”教学的实践与优化[D].上海:上海师范大学,2016.

[6]刘利秋.传感器原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2015：96.

On a Progressive Applied Teaching Practice of Sensor Technology Course

ZHAN Zhuang-chun, SHI Chun-xiao
(Zhujiang College, South China Agricultural University, Guangzhou Guangdong510900)

A progressive type applied teaching scheme based on the sensor technology is proposed in view of the present practical teaching reform situations in general undergraduate colleges and universities. The purpose is to find a kind of teaching mode which conforms to the independent college electrical engineering students. Teaching is carried out by a variety of teaching methods. Teaching logic line on sensor principle is clarified. A separate sensor measurement circuit is built. And the logical thinking ability of students gets especially consciously trained through the curriculum design.

sensor technology; teaching current situations; progressive type; applied type

TP212.9

A

1671-9654(2017)04-0052-04

10.13829/j.cnki.issn.1671-9654.2017.04.013

2017-09-21

詹庄春（1978- ），男，江西鄱阳人，讲师，工学硕士，研究方向为电气自动化。

史春笑（1970- ），女，河北枣强人，副教授，研究方向为控制工程。

本文为2017年华南农业大学珠江学院第五期教育科学研究项目“利用Multisim搭建电气类多门课程实训平台”（编号：20170508002）和2015年广东省本科高校人才培养模式创新实验区项目“建立‘333’交叉融合培养模式，切实提高电气工程及其自动化专业应用型人才培养质量”（编号：1318）阶段性研究成果。

［编校：张芙蓉］