基于故障診斷的實(shí)訓(xùn)實(shí)踐模塊訓(xùn)練

石云波 曹慧亮 唐軍 劉文怡 劉俊

[摘 要]針對(duì)目前大學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力普遍不高的情況，中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院設(shè)計(jì)了綜合實(shí)訓(xùn)模塊，在實(shí)訓(xùn)過(guò)程，學(xué)生分組在教師指導(dǎo)下完成有故障點(diǎn)設(shè)置的傳感器信號(hào)調(diào)理電路的調(diào)試與傳感器靜動(dòng)態(tài)性能標(biāo)定。通過(guò)基于故障診斷的模塊實(shí)訓(xùn)，學(xué)生普遍認(rèn)為實(shí)踐模塊提供了一個(gè)很好的接觸專(zhuān)業(yè)知識(shí)的實(shí)踐平臺(tái)，通過(guò)實(shí)踐模塊可以學(xué)會(huì)解決問(wèn)題與處理問(wèn)題的思路方法，還可以把以前所學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)、專(zhuān)業(yè)知識(shí)進(jìn)行融會(huì)貫通。

[關(guān)鍵詞]實(shí)踐教學(xué)；傳感器；電能；教學(xué)改革

[中圖分類(lèi)號(hào)] G64 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2018）06-0096-03

0、引言

當(dāng)代大學(xué)生實(shí)踐能力的缺失，已經(jīng)是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。新時(shí)期高校教育工作存在很多不足。能力是在知識(shí)的基礎(chǔ)上形成的，知識(shí)是靠教育來(lái)掌握的，因此可以說(shuō)能力的形成需要教育與培養(yǎng)。專(zhuān)業(yè)實(shí)踐能力的形成是以一般實(shí)踐能力為基礎(chǔ)的，受制于學(xué)校類(lèi)型和專(zhuān)業(yè)學(xué)科。高等院校是培養(yǎng)未來(lái)社會(huì)所需人才的基地，其所培養(yǎng)人才是否適應(yīng)社會(huì)要求是檢驗(yàn)高校教育工作好壞的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)[1]。

創(chuàng)新已經(jīng)成為高等教育人才培養(yǎng)的主旋律。創(chuàng)新人才培養(yǎng)的途徑是理論與實(shí)踐相結(jié)合的教育教學(xué)方式，理論教學(xué)需要學(xué)生通過(guò)課堂打下扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，而創(chuàng)新人才培養(yǎng)的關(guān)鍵在于實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)[2][3]。目前，大部分地方理工類(lèi)院校對(duì)于創(chuàng)新人才培養(yǎng)的實(shí)踐內(nèi)容大多局限于實(shí)驗(yàn)教學(xué)和大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)這兩大環(huán)節(jié)。但是這種創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)模式存在一定的缺陷，應(yīng)進(jìn)一步改革完善，才能更科學(xué)更有效地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識(shí)。

實(shí)踐課程是當(dāng)代大學(xué)生不可或缺的學(xué)習(xí)部分，一個(gè)全新的、可靠的實(shí)踐教學(xué)模塊才是新時(shí)代大學(xué)生所需要的。高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)室是大學(xué)生培養(yǎng)的重要場(chǎng)所，實(shí)踐教學(xué)也是高校教學(xué)體系的重要環(huán)節(jié)，在大學(xué)生創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力培養(yǎng)中發(fā)揮著不可或缺的作用。但是目前原有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系存在很大的弊端：實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不能很好地培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和管理體制落后、一級(jí)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放程度不夠等。

基于以上大學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力的缺陷以及現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)的弊端，本文闡述了一種通過(guò)學(xué)生尋找電路故障點(diǎn)并解決故障的實(shí)踐模塊。

一、模塊內(nèi)容介紹

加速度傳感器實(shí)踐模塊的目的主要是對(duì)加速度傳感器信號(hào)的調(diào)試，動(dòng)態(tài)信號(hào)的標(biāo)定以及數(shù)據(jù)處理。筆者在電路板的制備中特意設(shè)置了故障點(diǎn)，讓學(xué)生在實(shí)踐活動(dòng)中發(fā)現(xiàn)并解決電路中的故障，以此來(lái)提高學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的運(yùn)用能力。學(xué)生的主要工作有分析電路原理、電路的焊接與調(diào)試。電路包含的模塊有三軸加速度傳感器模塊、放大模塊和濾波模塊，具體如圖1所示。

二、障點(diǎn)設(shè)置

顯形故障點(diǎn)：

1.發(fā)光二極管導(dǎo)通電壓故障：如圖2，二極管兩端電壓太大，易造成擊穿。

2.電源故障如圖3所示，原理圖當(dāng)中電源模塊輸出標(biāo)識(shí)與放大電路的輸入標(biāo)識(shí)不一致，導(dǎo)致它們沒(méi)有進(jìn)行電氣連接。

3.可調(diào)電阻故障，選用的元器件3362的封裝方式如圖4所示，其管腳定義與PCB板不符合，導(dǎo)致可調(diào)電阻失去其調(diào)節(jié)阻值大小的作用。

圖4 電位器3362

三、模塊實(shí)踐流程

學(xué)生的實(shí)踐主要分為三個(gè)部分，第一部分是對(duì)傳感器信號(hào)的差分放大、濾波進(jìn)行EDA仿真，其次學(xué)生利用有故障點(diǎn)的電路板進(jìn)行焊接調(diào)試，最后對(duì)傳感器進(jìn)行靜動(dòng)態(tài)標(biāo)定。

（一）原理圖分析，查找故障點(diǎn)并確定解決方案

1.發(fā)光二極管導(dǎo)通電壓故障，由于二極管兩端電壓差值不能穩(wěn)定在其工作電壓內(nèi)，超過(guò)其工作電壓將導(dǎo)致二極管擊穿，使整個(gè)電路供電出現(xiàn)故障。因此確認(rèn)的解決方案為：給二極管串聯(lián)上一個(gè)分壓的可調(diào)電阻，保證其正常工作，提高電路穩(wěn)定性。

2.電源故障，通過(guò)原理圖看出穩(wěn)壓芯片的輸出端與放大電路芯片ad623輸入端標(biāo)識(shí)不一致，會(huì)導(dǎo)致在電路板當(dāng)中它們沒(méi)有進(jìn)行電氣連接。確定的解決方案為在電路板上進(jìn)行飛線(xiàn)建立連接。

（二）電路分步焊接、故障點(diǎn)查找并確定解決方案

可調(diào)電阻故障，選用的可調(diào)電阻管腳與電路板焊點(diǎn)不匹配，解決方案為對(duì)照PCB圖調(diào)整可調(diào)電阻管腳焊接到電路板上。

（三）電路分步調(diào)試，故障點(diǎn)查找并確定解決方案

根據(jù)傳感器輸出特性[UO=kX+12U′]，[U′]=3.3 V，因此在ad623反向輸入端2腳輸入1.65V的電壓值，通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)電阻值實(shí)現(xiàn)。

由于測(cè)量的范圍為-5 g～5 g，但是輸出電壓范圍0～2.5 V，因此要求我們輸出0 g的時(shí)候在1.25V 左右，所以ad623芯片5腳的參考電壓調(diào)節(jié)1.25 V；由于max291芯片存在負(fù)偏壓，因此調(diào)試時(shí)讓ad623的2、3腳接地，調(diào)ad623芯片的5腳參考電壓使max291芯片的輸出為1.25 V。

放大倍數(shù)調(diào)試，ad623的增益G是由于1腳和8腳的阻抗來(lái)決定的，阻抗[RG=100 KΩ/（G-1）]，由于三軸放大倍數(shù)存在差異，需分別計(jì)算可調(diào)電阻的阻值且進(jìn)行調(diào)試。

濾波電路截止頻率的調(diào)試，根據(jù)芯片max291的芯片手冊(cè)可知時(shí)鐘頻率[fosc（KHz）=1053Cosc（PF）]，[f截止=fosc100]，其中[Cosc]為max291的1腳電容。因此根據(jù)上述公式和任務(wù)書(shū)要求的帶寬來(lái)確定電容值。

（四）傳感器靜動(dòng)態(tài)標(biāo)定

通過(guò)翻轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)對(duì)三軸MEMS加速度計(jì)及其測(cè)量電路進(jìn)行靈敏度、零偏、重復(fù)性等靜態(tài)參數(shù)標(biāo)定和測(cè)試；通過(guò)振動(dòng)臺(tái)對(duì)三軸MEMS加速度計(jì)進(jìn)行帶寬、幅頻特性等動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試。

記錄電路標(biāo)定和測(cè)試過(guò)程及數(shù)據(jù)，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)分析電路的各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)，并與設(shè)計(jì)指標(biāo)要求進(jìn)行對(duì)照，分析測(cè)試電路的誤差源、優(yōu)缺點(diǎn)。

四、模塊實(shí)踐過(guò)程中其他需要注意的問(wèn)題

1.示波器的使用問(wèn)題，要將其設(shè)置成直流耦合，為了觀察記錄電路板某些參數(shù)，需要在顯示菜單欄把頻率、幅值、峰峰值、均值等參數(shù)顯示出來(lái)。

2.芯片是否正常工作問(wèn)題，調(diào)試電路板的過(guò)程中首先測(cè)量電源供電電壓是否正常，正常才可進(jìn)行下一步調(diào)試，其次測(cè)量ad623和max291已知理論電壓值的管腳，進(jìn)一步確認(rèn)芯片是否正常。

3.調(diào)節(jié)可調(diào)電阻阻值選取和調(diào)節(jié)問(wèn)題，此次用到的滑動(dòng)變阻器外觀上無(wú)太大差別，可以通過(guò)型號(hào)讀取其阻值或?qū)崪y(cè)其阻值，而且電路不同位置選用的阻值不盡相同，通過(guò)計(jì)算選取合適阻值。調(diào)試時(shí)其阻值可能被輕微觸碰后就會(huì)引起變化，要特別注意。

4.放大倍數(shù)調(diào)節(jié)問(wèn)題，在接傳感器之前可以使用信號(hào)發(fā)生器輸入信號(hào)，對(duì)電路進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試電路的放大倍數(shù)，觀察濾波前后信號(hào)的變化。

5.做動(dòng)態(tài)標(biāo)定遇到的問(wèn)題，在示波器上看到的mean值不是剛開(kāi)始調(diào)試的零位值1.25 V，分析后發(fā)現(xiàn)此時(shí)有一個(gè)g值（大于1.25是正1個(gè)g，小于1.25是負(fù)一個(gè)g）的靜態(tài)信號(hào)，也就是傳感器板受到了1g重力加速度。此時(shí)測(cè)試的是振動(dòng)動(dòng)態(tài)信號(hào)，這時(shí)的信號(hào)是1個(gè)g的基礎(chǔ)上的振動(dòng)信號(hào)，需要記錄其峰峰值；振動(dòng)情況下可以調(diào)節(jié)示波器的模式為交流模式，直接記錄其峰峰值。

6.傳感器靜動(dòng)態(tài)標(biāo)定的靜態(tài)指標(biāo)問(wèn)題，通過(guò)對(duì)靜態(tài)標(biāo)定數(shù)據(jù)的處理，可以得到傳感器靈敏度、線(xiàn)性度、重復(fù)性、遲滯等靜態(tài)指標(biāo)，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)記錄兩組，一組是AD623直接放大數(shù)據(jù)，用以分析傳感器本身的頻響特性；一組是MAX291濾波后輸出數(shù)據(jù)，用來(lái)分析濾波電路的濾波特性。

五、課程的教學(xué)反饋

在模塊實(shí)踐課程結(jié)束，編制了教學(xué)反饋表，反饋表中主要裂了9個(gè)調(diào)查項(xiàng)目，分為1（非常不滿(mǎn)意）、2、3、4、5（非常滿(mǎn)意）五個(gè)檔次，共交回反饋表172份。反饋表從反饋內(nèi)容來(lái)看，學(xué)生對(duì)這種新穎的實(shí)踐教學(xué)模式認(rèn)可度還是比較高的，同學(xué)們普遍認(rèn)為實(shí)踐模塊提供了一個(gè)很好的接觸專(zhuān)業(yè)知識(shí)的實(shí)踐平臺(tái)，通過(guò)實(shí)踐模塊可以把以前所學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)、專(zhuān)業(yè)知識(shí)進(jìn)行融會(huì)貫通，但同時(shí)從反饋表也可以看出，在對(duì)解決復(fù)雜工程問(wèn)題以及對(duì)所學(xué)知識(shí)的靈活運(yùn)用等方面還需進(jìn)一步加強(qiáng)。

六、結(jié)論

此次加速度傳感器實(shí)踐模塊緊密契合學(xué)生的知識(shí)框架，但是更加注重考察學(xué)生的動(dòng)手能力，發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題的能力以及對(duì)于所學(xué)知識(shí)的運(yùn)用。通過(guò)一個(gè)完整典型的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程，不僅僅能夠發(fā)現(xiàn)學(xué)生在知識(shí)和操作上的漏洞，更能對(duì)現(xiàn)有的教學(xué)實(shí)踐改革提出指導(dǎo)性的建議。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 衛(wèi)星. 當(dāng)代大學(xué)生實(shí)踐能力的缺失與培養(yǎng)[J]. 黑龍江高教研究，2005（11）：143-144.

[2] 葉其馨，汪玉梅，林曉冰，等. 論我校本科生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的缺陷及制度化建設(shè)[J]. 中國(guó)中醫(yī)藥現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育，2009（6）：82-83.

[3] 徐朝輝，秦杰，梁義濤. 學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)體系改革的思考[J]. 計(jì)算機(jī)教育，2012（20）：40-43.

[責(zé)任編輯：張 雷]