以項目為載體構建傳感器課程綜合性實驗的研究與實踐

馮 艷，李玉龍，張 華

（南昌大學機電工程學院江西省機器人與焊接自動化重點實驗室，江西南昌 330031）

以項目為載體構建傳感器課程綜合性實驗的研究與實踐

馮 艷，李玉龍，張 華

（南昌大學機電工程學院江西省機器人與焊接自動化重點實驗室，江西南昌 330031）

以項目為載體，采用量化研究方法構建傳感器課程綜合性實驗，提出“一個基礎、兩條分支”的實驗教學方法，探討“做中學”為理念的教學實踐思路。教學實踐表明，項目案例化的實驗教學能夠激發學生的學習興趣和培養學生的工程實踐思維。

實驗教學；項目載體；傳感器課程

課程改革強調學習方式的轉變，構建設計性、研究性、開放的學習環節，可為學生提供獲取知識的多種渠道以及將所學知識加以綜合應用的機會。先進經驗表明“做中學”的理念和方法適合于工科教育教學過程各個環節［1－3］。掌握傳感器技術、能夠合理應用傳感器是信息社會中工程技術人員必備的基本技能。傳感器技術這門課程具有學科交叉、覆蓋面廣、實踐性強等特點，學生往往對課堂上的理論知識不能很好地理解。目前，傳感器課程教學安排中的實驗大多是以成套的實驗臺為實施平臺，實驗項目程序化，實驗課時短，很多學生還沒來得及掌握操作實驗儀器的技能，就草草地結束了實驗，實驗效果大打折扣。將科研項目中的研究內容結合到教學中，構建設計性、創新性的綜合實驗，學生不僅可以把理論知識應用于實踐，獲得某種成就感，而且可以培養他們解決問題的能力以及與人協作的團隊合作精神等，對提高教學質量起到了良好的促進作用。

1 以項目為載體構建傳感器課程綜合性實驗的研究方法

建立“一個基礎、兩條分支”的教學方法，以講授傳感器原理為基礎、驗證性實驗和設計性實驗為分支，把科研項目的研究內容作為案例引入傳感器課程的課堂。設計性實驗教學改革的思路為課堂中以科研項目的某一研究內容為載體，教師充分講述所選用傳感器的工作原理，學生根據所學知識點查閱相關資料、擬定實驗方案，采用課堂分組討論的形式，充分調動學生的積極性，引導他們自主學習。

本文以光纖Bragg光柵電子秤的實驗為例進行探討，采用“設計實驗方案—搭建實驗裝置—測量—數據分析”的量化研究方法進行傳感器課程綜合實驗的教學改革。該實驗分為驗證性實驗和設計性實驗兩部分，要求學生綜合光纖光柵傳感器、材料力學和工程材料的基本知識，自己動手搭建實驗裝置并完成要求的功能。

2 實驗設計

在學生完全理解光纖Bragg光柵（FBG）傳感原理的基礎上布置設計任務，將科研項目中涉及到的FBG傳感器與傳感器課程的電子秤實驗結合起來，引導學生自主思考。設置實驗小組，由學生在課后查閱資料，然后由小組代表在課堂上講述擬定的實驗方案，讓學生對提出的實驗方案進行分析和評價，教師對方案進行輔助講解和改進。

2.1 理論基礎

FBG傳感器集信息傳輸與傳感于一體，并且具有抗電磁干擾、抗腐蝕和優良的可埋入性等特性，便于實現分布式傳感或多點傳感器復用。FBG傳感器具有波長編碼和溫度、應力同時敏感的特性，中心波長λB＝2neff＊Λ［4］，其中，neff為纖芯的有效折射率，Λ為柵格周期。當外界應變和溫度載荷同時作用于FBG，中心波長的變化可表示為［5］：

式（1）中：應變靈敏度Kε＝1－pe，pe為有效彈光系數，ε為軸向伸縮應變；溫度靈敏度KT＝α＋ξ，ξ為熱光常數，α為線性熱膨脹系數。采用純熔融石英的線性熱膨脹系數α＝5.5×10－6/℃，熱光常數ξ＝6.3× 10－6/℃，pe＝0.216/ε，可得裸光纖光柵溫度傳感的靈敏度系數KT＝6.85.5×10－6/℃，Kε＝0.784/ε。可以看出，當光纖光柵的材料確定后，FBG完全可以作為電子秤的傳感元件，并且有著良好的線性輸出。但是，FBG傳感器對溫度和應變是交叉敏感的，當外界環境發生溫度和應變同時變化時，單從波長的變化量中難以準確地獲知單獨某一個參量的變化。另一方面，FBG徑細、易脆斷，在實際應用前應進行適當的保護。由于保護層與FBG傳感器的熱膨脹系數、彈性模量等參數不同，會影響 FBG 溫度和應變傳感性能［6－10］。

該綜合性實驗要求學生運用不同鍍層保護的FBG，設計出可以分離出溫度變量的電子秤。

2.2 實驗方案

常見電子秤的傳感元件多是電阻應變片、電容傳感器等，其溫度補償大多是采用電橋電路，需要增加額外的電子元器件，由此會帶來可靠性和穩定性的問題［11－12］。由于FBG同時對應變和溫度敏感，應用FBG作為電子稱的傳感元件，也會有溫度補償的問題，實驗討論的重點集中于如何設計出可以分離出溫度變化干擾的精密電子秤。

設計一懸臂梁式的FBG電子秤結構，在梁的上、下表面對稱處粘貼光纖材料相同、2支中心波長不相同的FBG組成傳感系統，實現溫度參數的分離，如圖1所示。該電子秤的稱重范圍取決于懸臂梁的材料和結構尺寸。FBG1與FBG2的中心波長變化與應變和溫度之間的關系為

圖1 具有溫度補償功能的FBG電子稱示意圖

3 FBG電子秤綜合性實驗

采用長L為234mm，橫截面寬b為49mm，高h為2mm，x為233.9mm，支撐高度H為120mm的懸臂梁結構。FBG1經化學鍍Ni后再電鍍Ni保護，初始中心波長λ01＝1 527.842，位于懸臂梁上表面，記為F1；FBG2經化學復合鍍Ni－ZrO2保護，初始中心波長λ02＝1 549.689，位于懸臂梁下表面，記為F2。采用烙鐵釬焊法將2支FBG傳感器分別與懸臂梁的上下表面緊密連接，如圖2所示。F1，F2分別接入光纖光柵解調儀的2個通道。

圖2 FBG電子稱實物圖

3.1 FBG電子稱的溫度性能標定實驗

采用水浴法對FBG電子稱進行溫度傳感性能實驗，如圖3所示。溫度從室溫30℃開始加熱，溫度間隔為10℃，一直加熱到90℃，每個溫度值保持10 min，取平均波長值，實驗結果如圖4所示。

圖3 FBG電子稱溫度傳感性能實驗示意圖

圖4 FBG電子稱溫度傳感性能

3.2 恒溫環境下FBG電子稱的應變性能標定實驗

在恒溫25℃環境下，采用10g～130g砝碼作為外力作用在懸臂梁的自由端，每個外力值保持5min，取平均波長值，實驗結果如圖5所示。

圖5 FBG電子稱恒溫下應力傳感性能

3.3 非均勻溫度場下FBG電子秤的應力性能實驗

將實驗裝置放入敞開式恒溫水箱中，水位高度不超過下表面的光纖光柵，初始溫度為20℃，加熱到70℃，模擬非均勻溫度環境進行實驗。采用10g～130g砝碼作為外力作用在懸臂梁的自由端，如圖6所示。在非均勻溫度環境下，FBG電子秤呈現出明顯的非線性，實驗結果如圖7所示。

圖6 非均勻溫度環境下FBG電子稱應力傳感性能實驗示意圖

圖7 非均勻溫度環境下的FBG電子稱應力傳感性能

3.4 實驗結果分析

由實驗結果可得到該FBG電子秤的溫度靈敏系數和恒溫下的應變靈敏系數，如表1所示。實驗結果表明，電鍍Ni保護的FBG在溫度靈敏性和應變靈敏性方面，都優于化學復合鍍Ni－ZrO2保護的FBG。應用式（2）將溫度變量分離出來，得到各外力作用時的溫度變化情況，如圖8所示。

表1 FBG電子秤的溫度和應變靈敏度

圖8 非均勻溫度環境下FBG電子稱的溫度變量分離

4 結束語

該綜合性實驗采用量化研究方法，驗證了不同鍍層對FBG傳感器的溫度特性和應力特性的影響，并設計分析了FBG電子秤對溫度、應力交叉敏感的參數分離方法。實驗的過程就是思路與做法的結合過程，使學生充分體驗到學以致用的快樂。將具體的科研項目引入到課程教學中，把實驗理論分析、實驗方案設計、實驗數據測量和分析都以任務的形式布置給學生，學生表現出很高的積極性和學習、探索熱情。

（References）

［1］王剛.CDIO工程教育模式的解讀與思考［J］.中國高教研究，2009（9）：86－87.

［2］夏春明，吳清，顏建軍.分層次、多模塊機電類創新實踐活動及多維度工程能力培養［J］.中國大學教學，2013（2）：80－82.

［3］劉興麗，張鳳武.工科大學生CDIO工程能力成熟度評價研究［J］.黑龍江高教研究，2011（12）：124－129.

［4］廖延彪.光纖光學［M］.北京：清華大學出版社，2000.

［5］李川，張以饃，趙永貴，等.光纖光柵：原理、技術與傳感應用［M］.北京：科學出版社，2005.

［6］Feng Yan，Zhang Hua，Li Yulong et al.Temperature sensing of metal coated fiber Bragg grating［J］.IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2010，15（4）：511－519.

［7］饒春芳，張華，馮艷，等.化學鍍Ni－P光纖布拉格光柵的均勻軸向拉力響應［J］.光學精密工程，2012，20（6）：1194－1199.

［8］Rao Chunfang，Zhang hua，Feng Yan，et al.Effect of metalizing nickel on the spectrum of fiber Bragg grating［J］.Optical Engineering，2013，52（5）：054404.

［9］Yulong Li，Wen Liu，Yan Feng et al.Ultrasonic embedding of nickel－coated fiber Bragg grating in aluminum and associated sensing characteristics［J］.Optical Fiber Technology，2012，18（1）：7－13.

［10］倪凱，徐海松，董新永，等.基于光纖布拉格光柵的溫度不敏感的傾斜傳感器［J］.光學學報，2010，30（7）：？2104－2107.

［11］王會賢，龐全.采用單臂電橋實現高精度溫度檢測的軟件補償技術［J］.儀表技術與傳感器，2000（10）：28－30.

［12］樊尚春.傳感器技術及其應用［M］.北京：北京航空大學出版社，2010.

Research and practice on constructing comprehensive experiments of Sensor course by projects

Feng Yan，Li Yulong，Zhang Hua
（Key Lab for Robot ＆Welding Automation of Jiangxi Province，School of Mechatronic Engineering，Nanchang University，Nanchang 330031，China）

By the project carrier，the comprehensive experiment of Sensor course is constructed by using the method of the quantitative research.An experimental teaching method，i.e.，“One Foundation and Two Branches，”is proposed and the teaching practice on the concept of“Learning Through Doing”is explored.The practice shows that the experimental teaching method of taking the project as a carrier can stimulate students’learning interests and bring up their engineering thinking.

experimental teaching；project carrier；Sensor course

TP212；G642.423

A

1002－4956（2014）1－0187－04

2013－06－03 修改日期：2013－09－12

高等學校博士點新教師基金項目（NO.20103601120005）；江西省教學改革研究項目（JXJG－12－1－30，JXJG－12－1－12，JXYJG－2013－011）；南昌大學教學改革研究重點項目

馮艷（1976—），女，江西南昌，博士，講師，研究方向為傳感測試技術和光纖光柵智能結構.

E－mail：confirmfyan＠163.com

實驗課程改革