应用型本科院校“传感器技术”课程教学方案优化分析
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作者:宋志勇
摘 要：针对传感器课程的教学现状，结合应用型本科对人才培养的要求，综合考虑用型本科院校学生的能力素质，文章提出一套“传感器技术”应用型课程建设的改革方案。采用项目式教学法教课程进行改革。设计6个基本的项目，每个项目都配有项目设计说明书、原理图及PCB源文件。让学生在学习6个项目的过程中系统掌握传感器工程应用中所需的知识，提高学生分析、解决实际工程问题的能力。
关键词：“传感器技术”;应用型课程;项目式教学
1 存在的问题
“传感器技术”课程是电子信息类专业的必修课。通过本课程的学习让学生掌握常用传感器的原理及应用方法。本课程的特点是：（1）涉及的内容广，如机、电、光、计算机等知识。（2）内容较难。（3）应用性强[1-2]。在自动检测系统中传感器处于研究对象与检测系统的接口位置，是感知、获取与检测信息的窗口[3]。目前传感器课程分为理论教学实验和教学。这两个环节都存在一定的问题，具体如下。
1.1 理论教学
理论教学主要是通过对传感器的相关原理及应用电路进行分析，在传感器原理的分析中涉及大量公式的推导。这些内容对于应用型本科的学生来说，难度偏大，很难掌握，另外一些很复杂的公式推导对于传感器的工程应用没有太大的指导意义。在对传感器的应用电路分析时，教材中配套的电路只是直接给出一幅应用电路图，然后就大概分析其工作原理，至于电路中的器件参数如何选择都没有涉及，电路的性能也没有实际的测试分析，甚至有些电路的性能差实际是不能用的。学生后期在做毕业设计或参加比赛时需要用到某种传感器的信号调理电路时，若是查阅教材，看到教材的应用电路也不懂电路到底能不能用，或者電路能用电路中的器件参数要如何修改才能满足实际的要求，教材对学生的实践没有太大的参考价值。
1.2 实验
实验教学主要利用传感器实验箱通过简单的连线完成对传感器功能的验证，采用现成的实验箱，只是按要求进行简单地连线。实验箱内的电路基本看不到，做完实验传感器具体如何使用还是不懂。
2 改革的具体实施
对于应用型本科，本课程主要目的是要教会学生正确进行传感器的选型，并完成相应的信号调理电路，完成具体的检测任务。上述存在的这些问题中，最根本的问题在于介绍传感器时缺乏完整的设计案例。针对上述存在的一些问题及应用型课程的要求，采用项目式教学对传感器的课程进行改革。选择几种典型的传感器的应用案例，并设计这个案例的应用电路，对这些电路进行调试、测试、分析并撰写项目设计说明书。通过这几个典型的项目系统地介绍传感器在工程检测应用中的设计流程、设计方法及测试方法。重点介绍传感器的选型方法，传感器的信号调理电路设计方法，调理电路中各个器件参数的选择方法。同时每个项目都配有完整的设计文档及原理图和PCB源文件，让学生能深入地学习这几个项目，掌握传感器在工程应用中的主要技能。
2.1 教学内容及教材
在教学过程中，教学内容是教学的核心。教学的具体内容基本由教材决定。目前传感器课程虽然有一些采用项目式教学的教材，但这些教材还是以理论分析为主，没有配套硬件资源、具体电路的设计方法、传感器的标定及测试等。采用这类教材进行教学，学生学完还是不能很好地掌握传感器的应用技能。当前没能找到配套的教材，暂时只能采用本科教材和活页参考资料相结合的方式，即传感器的原理的内容采用现有的教材，将具体的案例采用活页资料提供给学生。传统教材分章节介绍各类传感器原理、传感器的信号调理电路。采用这种模式，学生只知道有这些传感器和信号调理电路，但是具体什么时候要用到这些传感器、传感器使用如何就不知道了。因此，为了让学生更好地学习、掌握传感器的知识，对课程的内容重新进行组织，将传感器的主要内容有机地融合到6个项目中，具体如表1所示，学生通过6个项目的学习，可以系统地掌握传感器在实际应用中涉及的主要应用技能。在应用中学传感器的原理及信号调理中学会了传感器的原理及应用方法。6个项目中包含了各类比较典型的传感器如：电阻、电容、电感、光电传、霍尔等。
第1个项目是温度的测量，介绍了PT100、热电偶及热敏电阻的原理及应用方法。通过本项目的学习让学生掌握温度测量中传感器的选型方法、对应传感信号调理电路的设计及标定方法。第2个项目是电阻传感器中比较典型的应变式传感器，通过电子称的设计来完成对应变传感器的学习。通过本项目的学习掌握微弱信号的高精度放大方法及传感器的标定。第3个项目是电容触摸按键的设计，传统的“传感器技术”课程中电容传感器涉的公式推导内容多，而且这些推导一方面难度大，另外，这些内容在工程应用中对实践的指导意义不大。传感器的应用例子中主要是以测位移为主，这些例子也无法用于实际制作。因此对电容的内容进行压缩。电容传感器学时减到2学时，采用电容触摸按键案例来完成对电容传感器的学习。通过本项目让学生掌握电容传感器的原理及信号调理的方法。第4个项目是金属探测器的设计，介绍电感传感器的基本原理，通过本项目掌握电感传感器的原理及其信号调理的方法。第5个项目采用的是红外心率计的设计，来完成对光电传感器的学习。采用红外心率计一方面增加了趣味性，提高学生的学习兴趣，另一方面红外心率信号调理电路也比较典型。通过本项目掌握光电传感器的应用方法，采用单电源供电运放放大交流信号的方法，滤波器的设计方法。第6项目是智能家居检测模块的设计，介绍了智能家居中经常用到的一些传感器的原理及信号原理的设计方法。通过这6个项目，由易到难，比较完整地学习了传感器的原理及各传感器的信号调理电路的设计方法、标定方法、测试方法。
2.2 教学方法
课程采用项目式教学。首先给出项目设计的具体要求，并对要求的一些指标进行分析，接下来按照项目设计的流程进行方案论证、电路设计及分析、元器件选型及相关参数计算、传感器的标定及测试。通过这样一个完整的设计流程，让学生掌握传感器应用电路的设计流程及设计方法。以项目一：温度计的设计为例。 2.2.1 项目的要求
先给出具体的要求，并分析这些指标的含义，设计一温度计，指标如下：测量温度范围0～200℃，温度以模拟电压的形式输出，通过3位半万用2 V档直接显示。输出电压的灵敏度为10，准确度等级为1.0，分辨力为0.1。
2.2.2 方案论证
根据项目的要求进行方案论证，先简单介绍测量温度常用到的4类传感器：热电偶、PT100，NTC热敏电阻、集成温度传感器的原理及特点。由温度感器测量温度的范围就可以确定只能选择PT100或热电偶，两种传感器都可以，后面分别会采用这两种传感器进行设计，最后再对传感器进行方案的设计及测试分析对比。下面以PT100设计温度计为例进行设计分析。
2.2.3 电路设计及器件选型
首先，介绍总体的一个设计方案，介绍信号转的流程。再给出具体的信号调电路。整个电路主要由电源电路、电桥电路及放大电路组成。在分析介绍时按照整个电路的设计流程依次分析：（1）采用USB供电的5 V电源，为何要给电桥增加一路稳压电源，稳压电源的电压值要怎么取。（2）单臂电桥的桥臂电阻阻值如何计算，为何要加入调零电阻，调电阻为何要采用固定电阻和可调电阻串联的形式。（3）为什么要用两级放大电路实现增益可调，对应的电阻如何计算。把整个电路设计的原理、器件参数的计算方法和依据完整地分析一遍。（4）如果采用单片机进行信号调理，电路要如何修改。
2.2.4 测试及标定
首先要分析为何要标定，接下来介绍如何标定。由于PT100传感器很特殊，电阻与温度之间的关系是确定的，因此可以用电阻箱来模拟不同温度下的PT100，如0 ℃可以用100 Ω的电阻模拟。而标定时需要进行调零和调增益。调零就是接入100 Ω的电阻，再调节调电位器，让输出的电压为0。而增益的调节就是选择一温度值，如200 ℃对应的电阻值接入，调增益可调电阻让输出电压刚好等于2 V。由于PT100本身还有一定的非线性，电桥电路也有一定的非线性，若取200 ℃进行标定，误差将很大，因此，还要分析标定点如何选择才能提高仪表的精度。整个标定过程，相关的线性度计算等都可以在Excel表上进行定量分析。测试完成后整理出仪表的準确度等级，把整个信号调理电路设计过程中的相关问题都完整地分析一遍。
2.3 教学手段
有些内容比较抽象，学生不容易理解。因此，在课堂教学过程中增加了实验演示，可以让学生更快掌握。利用一些现代仪表如：虚拟示波器、带上位机的万用表、LCR电桥，在课堂上做演示实验，这些仪表可以将测量的结果数据或测量的波形传到电脑，在配套的上位机软件中进行显示。例如：（1）在介绍应变片实验时请一位同学将一条细铜线拉长，利用LCR电桥在屏幕上显示电阻的变化，让学生直观地感受铜丝的电阻值和受力后电阻的变化量。（2）电容触摸按键。利用敷铜板做一个电容的电极，再用电桥测量电容的数值，手指再去触摸其中一个敷铜板，观察电容的值和电容数值的变化。（3）热电偶实验。把热电偶接到万用表的毫伏档，再对热电偶加热，通过上位机显示热电偶受热时电压的变化情况。（4）电涡流效应。利用LCR电桥测量一个工字电感的值，同时让不同材质的金属靠近这个电感，观察电感数值的变化。（5）压电实验。利用虚拟示波器测量压电陶瓷两端的电压，再用手给压电陶瓷施加力，通过上位机软件显示压电陶瓷两端电压的变化波形。通以这些实验演示环节，让学生对一些概念能更直观、更快地掌握。
2.4 实验教学的改革
实验课程当前存在两个主要问题：（1）传感器的实验只是依靠现有的实验箱进行简单的连线，学生对实验箱内的电路一无所知。（2）一些实验项目效果较差，实验结果的误差很大。如传感器实验箱中的PT100测温实验，实验箱有配温度源可以进行温度的测量实验，但温度源的控制效果差，温度的精度、稳定性都很差，导致实验中各个环节的误差很多，做完实验无法对数据进行有效的分析。为了解决这两个问题采用了以下措施进行改革：（1）结合传感器的实验箱及配套的资料将传感器实验箱中的电路绘制出来，并进行分析，配上相应的电压测试数据和波形测试图，将这些材料发给学生，让学生提前预习。（2）一些实验项目采用软件仿真和硬件实操的方式进行，通过Multisim软件将实验中涉及的电路进行仿真分析，让学生先熟悉整体电路的组成，工作原理及一些器件参数对电路性能的影响，之后在实验箱上进行实验。（3）将传感器的项目进行优化。如对温度传感器的实验项目进行优化，PT100传感器比较特殊，温度与电阻之前是确定的关系。因此，可以采用电阻代替温度源及PT100电阻对PT100信号调理电路进行测试。采用这种方案进行实验，实验的精度比较高，效果也比较好，也便于对实验的数据进行分析。改革后的传感器实验环节共做3个实验，第一个电阻应变实验，总共4个学时，先通过2个学时的仿真，让学生对电桥及仪表放大电路构成的信号调理电路的特性及原理进行分析。之后2个学时在实验箱上对电桥的特性进行测试。如表2所示，实验项目2依然也是先利用2个学时的仿真课让学生对PT100调理电路中的原理特性进行测试，让学生更好地理解PT100桥臂电阻选择方法，三线制性的消除引线影响的原理。
2.5 与其他课程的融合
传感器的工程应用是一个完整的系统，包含传感器、电路、电子制图、单片机等课程的内容。当前这些专业课程的之间缺乏联系，例如：“电子制图”一些教材可能随机选择了一些原理图进行设计;传感器应用中需要用到的线性化、标定等程序单片机课程中没有介绍。为了提高专业课程的系统性，可以把“传感器”“单片机”“电子制图”这3门课有机结合。如：在“电子制图”课程中，介绍单片机实验板的及传感器课程的项目所涉及的电路原理图及PCB设计及制作。“单片机”的课程就可以用前面做好的实验板进行教学，学生人手一块，可以有充分的时间来学习，单片机的教学内容上再补充传感应用所需要的相关程序。最后在传感器课程中把传感器实验学习板与单片机实验学习板结合起来，构成一个完整的检测系统。
2.6 引导学生课外学习
工科专业的课程应用性强，很多专业课程仅仅依靠理论课和实验课的那些学时是无法真正掌握的，需要通过大量的实践才能对理论有比较好的理解。目前专业课基本上都设在了大三学年，大一、大二只是少量的专业基础课。大一和大二的学生课余时间多。因此，可以充分利用大一、大二学生的课余时间，引导他们对部分专业课程进行自学。将“传感器技术”课程的这些模块与单片机结合起来，就可以构成多个完整的检测系统，单片机可以采用比较简单的Arduino，再配上详细的教程就可以成为很好的学生自学案例，这些案例不仅包含单片机和传感器应用的知识，还具有一定的趣味性，能提高学生自学的积极性。大一阶段的学生可以先完成最简单的，给他们空的PCB完成器件的焊接、调试、程序的下载，让他们对电子系统的组成、调试、设计方法有所了解。大二阶段就开始学习编程，完成一些简单程序的编写，个别比较优秀的可以参加电子类的相关比赛。这里只是传感器和单片机结合的例子，还有很多专业课程也可以为学生提供丰富的自学资源，让学生提前融入专业课程的学习。
3 结语
“传感器技术”作为电子信息工程专业的必修课，综合性、应用性强。采用项目式教学，注重在设计过程中的电路分析及元件的选型。从学生的角度出发，为独立学院学生量身定制一套传感器教学内容，提高了学生的学习兴趣，提升了学生分析问题和解决实际问题的能力，实现了学与做的统一。
[参考文献]
[1]唐文彦.传感器技术[M].北京：机械工业出版社，2014.
[2]胡向东.传感器与检测技术[M].北京：机械工业出版社，2018.
[3]郁有文，常健.传感器原理及工程应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2014.
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