傳感器理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法探討

湖北文理學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 陳傳亮

襄陽市一中 張 蓓

1.引言

傳感器是一種將非電信號轉(zhuǎn)換為電信號的器件，它是實(shí)現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及人們?nèi)粘Ｉ钪芯哂袕V泛的應(yīng)用。目前《傳感器原理及應(yīng)用》課程已經(jīng)成為高等院校電子及自動控制類專業(yè)的一門必修課，日益受到教師和學(xué)生的重視，尤其是將傳感器與單片機(jī)等課程相結(jié)合便可設(shè)計制作出一些簡單而實(shí)用的智能測控系統(tǒng)，更是激發(fā)了很多學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并進(jìn)一步提高了他們的動手能力，因而搞好傳感器的教學(xué)工作具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2.傳感器的理論教學(xué)研究

2.1 精選教學(xué)內(nèi)容

傳感器種類繁多，原理也各不相同，在講授的時候，不可能全講，但對經(jīng)典類型的傳感器或者常用傳感器的講解是必不可少的。如果按照原理來劃分，常用傳感器可分為電阻式、電容式、電感式、熱電式、光電式、磁電式等幾個大類。不管哪種類型的傳感器，其結(jié)構(gòu)大致可分為三個部分，分別是：敏感元件、轉(zhuǎn)換元件，轉(zhuǎn)換電路。對于同一類型的傳感器來說，如果功能不同，那么其所對應(yīng)的敏感元件可能會隨之變化，但其轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路則可能是相同的。故而在講授的時候可以詳細(xì)地分析某一類傳感器的工作原理，敏感元件的選取，轉(zhuǎn)換元件及轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計，以及對溫度誤差的修正等等，之后舉一反三，對其他種類的傳感器也按照這種模式來講解。比喻說我們將電阻應(yīng)變式傳感器作為精講的對象，首先它的敏感元件為彈性體，轉(zhuǎn)換元件為電阻應(yīng)變計，轉(zhuǎn)換電路則是一個電橋，另外為了克服溫度誤差，可以選用多片應(yīng)變計構(gòu)成溫度補(bǔ)償電橋，這樣既可以補(bǔ)償溫度誤差，又可以提高檢測靈敏度。之后在學(xué)習(xí)電容傳感器、電感傳感器的時候，就可以以電阻傳感器為例，按照前面的邏輯順序展開，由敏感元件到轉(zhuǎn)換元件，再到轉(zhuǎn)換電路，最后再到對誤差的修正補(bǔ)償?shù)鹊取＿@樣做重點(diǎn)突出，繁簡適當(dāng)，既提高了效率，也有利于學(xué)生理解。

經(jīng)典類型的傳感器很多都是上世紀(jì)六七十年代的產(chǎn)品，有些已不能滿足現(xiàn)在生產(chǎn)實(shí)踐的需要，學(xué)生在學(xué)習(xí)中也表現(xiàn)不出太高的興趣。因而必須擴(kuò)展一些新的內(nèi)容，將現(xiàn)實(shí)生活中，經(jīng)常用到的新穎的傳感器展現(xiàn)給學(xué)生，以提高傳感器課程的實(shí)用性，并激發(fā)學(xué)生的探索欲望。比喻目前應(yīng)用較廣的PVDF壓電薄膜傳感器，霍爾式傳感器，還有生物傳感器和智能傳感器等等，這些傳感器不僅應(yīng)用廣泛，而且采用了當(dāng)前新開發(fā)的傳感材料或者是先進(jìn)的微電子技術(shù)，代表了傳感器今后的發(fā)展方向。

2.2 改進(jìn)教學(xué)方法和手段

2.2.1 多媒體教學(xué)

多媒體教學(xué)具有信息量大、直觀易懂的特點(diǎn)，可以大大提高課堂教學(xué)的效率。傳感器課程當(dāng)中含有大量的原理圖，電路圖，利用多媒體教學(xué)可以有效節(jié)約時間，擴(kuò)大課堂容量。特別的可以利用多媒體的圖片和動畫，來形象的展示傳感器的物理結(jié)構(gòu)和工作過程，這樣不僅能使教學(xué)過程更加生動，還能調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)教學(xué)效果。

2.2.2 討論式教學(xué)

傳感器種類雖多，但從結(jié)構(gòu)來講主要就是三個部分，敏感元件、轉(zhuǎn)換元件及轉(zhuǎn)換電路，如果每一個章節(jié)都這樣講解會讓學(xué)生感覺單調(diào)乏味。在教學(xué)實(shí)踐當(dāng)中，可以利用四到六個課時進(jìn)行討論式教學(xué)，讓學(xué)生分組討論某種傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)以及轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計，如何克服溫度誤差，在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用，尤其是哪些系統(tǒng)中用到了這種傳感器等等，這樣既可以調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，又可以激發(fā)他們的探索欲望。

2.2.3 項目式教學(xué)

項目式教學(xué)法指的是學(xué)生在教師的指導(dǎo)下親自處理一個項目的全過程，在這一過程中學(xué)習(xí)掌握教學(xué)計劃內(nèi)的教學(xué)內(nèi)容。因?yàn)閭鞲衅髋c單片機(jī)相結(jié)合，可以構(gòu)成智能測控系統(tǒng)，所以在教學(xué)當(dāng)中，教師可以設(shè)置一個課題項目，讓學(xué)生單獨(dú)或者分組逐步完成，當(dāng)然完成這一項目大部分要利用課余時間，一旦完成這一項目，那么關(guān)于傳感器的內(nèi)容就會非常清楚了。例如可以讓學(xué)生設(shè)計一個體重計，來檢測一個兩百千克以內(nèi)的重量，要求使用電阻應(yīng)變傳感器，那么這個項目在設(shè)計的時候就需要處理好這樣一些環(huán)節(jié)，選擇應(yīng)變計，設(shè)計合適的彈性體，設(shè)計轉(zhuǎn)換電路，對轉(zhuǎn)換以后的電信號放大，再將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，利用單片機(jī)將數(shù)字信號處理后由顯示屏顯示結(jié)果。

3.傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

傳感器是能感受規(guī)定的被測量，并將輸入的非電信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出的一類器件。那么傳感器實(shí)驗(yàn)主要就是驗(yàn)證轉(zhuǎn)化以后的輸出和輸入的一個對應(yīng)關(guān)系，因而傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的大部分實(shí)驗(yàn)項目都是驗(yàn)證性的。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛑庇^的演示某種傳感器的工作原理，對理論教學(xué)可以起到一個很好的鞏固作用。例如電阻應(yīng)變式傳感器的測力實(shí)驗(yàn)，熱電偶的溫度檢測實(shí)驗(yàn)，電容傳感器的位移檢測實(shí)驗(yàn)等等，這些都是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。

然而要培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)造性，僅有驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，這就需要我們能夠利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)平臺，做出更多的設(shè)計性實(shí)驗(yàn)。在此我們可以結(jié)合CSY－998型傳感器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀來說明。利用該實(shí)驗(yàn)儀可以做實(shí)驗(yàn)項目《霍爾式傳感器的特性——直流激勵》，該實(shí)驗(yàn)中霍爾片安裝在實(shí)驗(yàn)儀的振動圓盤上，兩個半圓永久磁鋼固定在實(shí)驗(yàn)儀的頂板上，二者組合成霍爾傳感器。其原理如圖1所示。

圖1 霍爾傳感器直流激勵原理圖

調(diào)節(jié)測微頭與振動臺吸合，并使霍爾片置于半圓磁鋼正中位置，再調(diào)節(jié)滑動變阻器使得電壓表顯示為零。工作以后霍爾片可以隨著振動臺上下移動，因?yàn)榛魻柶囊苿?，從而?dǎo)致其外部磁場的大小產(chǎn)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致霍爾電勢產(chǎn)生相應(yīng)變化，變化結(jié)果可以通過電壓表顯示。這個實(shí)驗(yàn)是一個驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，但是我們可以作一些改進(jìn)，利用這個實(shí)驗(yàn)原理來檢測壓力或者加速度，也就是通過壓力或者慣性力讓霍爾片產(chǎn)生一個相應(yīng)的上移或者下移，這種移動的大小又可以利用電壓表的輸出來觀察。那么這個實(shí)驗(yàn)就是利用現(xiàn)有平臺，經(jīng)改進(jìn)以后用來做設(shè)計性實(shí)驗(yàn)的一個典型例子。實(shí)驗(yàn)室中，能夠經(jīng)該進(jìn)而做設(shè)計性實(shí)驗(yàn)的平臺還有很多。

4.結(jié)束語

本文根據(jù)傳感器原理與應(yīng)用的教學(xué)實(shí)踐，對該課程的理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和手段進(jìn)行了分析探索，并做了相應(yīng)的改革。教學(xué)內(nèi)容的擴(kuò)充豐富了課堂教學(xué)的素材，并與傳感器當(dāng)前的實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合，開闊了學(xué)生的視野，同時也增強(qiáng)了他們的學(xué)習(xí)興趣與積極性。實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中，設(shè)計性實(shí)驗(yàn)的引入，有利于培養(yǎng)學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性。這些在傳感器的教學(xué)中都是有益的嘗試。

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