传感器与检测技术的实践探索

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项目教学的实践

1.课题：温度（水温）测量系统的设计课堂教学：介绍三类常用温度传感器以及如何选用合适的温度传感器。首先，了解金属热电阻的电阻随温度而变化的特性，掌握电桥测温原理；其次，了解热敏电阻的特性、类型及应用；最后，认识热电偶，学会使用热电偶分度表，掌握热电偶的使用方法。实践教学：要求选用合适的传感器完成水温测量及报警电路的设计与实现（要求硬件实现）。教学过程：要求学生先讨论传感器的选型，然后讨论电路图的设计。设计完成后，每组各派一名同学展示电路图，并说明设计依据，然后各组提出元件需求，自行购买或从实验室领取，根据设计图完成电路焊接，验证报警功能。教学效果：学生完成了温度检测报警电路的设计（如图1所示）、仿真和实现，以热敏电阻或其他温度传感器作为检测元件，电路简单实用。有单片机基础的同学还完成了温度的显示和控制功能，效果良好。该电路虽然简单常见，但学生通过自己动手完成设计焊接调试，对系统设计充满兴趣，达到了教学目的。2.课题：电子称重系统设计课堂教学和实践教学结合：引导学生思考测量系统的设计思路，首先完成需求分析，然后进行系统总体设计，接下来进行传感器选型和具体信号处理电路设计。学生以4人一组进行设计。需求分析：要求学生以超市称重为应用目标完成需求分析，如需要电子秤实现基本的称重功能，称重范围为0～5kg，重量误差不大于±0.01kg，同时还能实现去皮、调零等功能。总体设计：要求学生分组讨论系统总体设计方案，最终大多数组给出总体设计方案，见图2所示。当物体放在秤盘上时重量施给传感器，该传感器发生形变，从而使阻抗发生变化，同时使输出电压发生变化。该信号经放大滤波电路输出到A/D转换器，转换成数字信号输出到CPU，进行运算、控制、显示等。称重传感器选型：引导学生思考哪些传感器可用来测重，并从中合理选型。称重传感器的性能很大程度上决定了电子秤的精确度和稳定性。通常称重传感器产生的误差约占电子秤整体误差的50%～70%。按照称重传感器的结构型式不同，可以分直接位移传感器（电容式、电感式、电位计式、振弦式、空腔谐振器式等）、应变传感器（电阻应变式、声表面谐振式）或是利用磁弹性、压电和压阻等物理效应的传感器。对称重传感器的基本要求是：输出电量与输入重量保持单值对应，并有良好的线性关系；有较高的灵敏度；对被称物体状态的影响要小；有较好的频响特性；稳定可靠。学生通过对比和综合考虑，系统采用电阻应变式传感器，量程为5kg，精度为0.01kg。其形状长约80cm，高和宽为10cm的长方体，金属块中间有两个圆形挖空，作用是让金属块容易产生弹性使贴在金属上的四片应变片更加灵敏地接收应变量，输出就更加灵敏。其结构图如图3所示。当弹性体受力变形时，应变片的敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过全桥电路转换为电压的变化。利用电桥的和差特性（引导学生注意应变片电桥特性的重要性）可以提高系统灵敏度并进行温度补偿。信号处理电路设计：引导学生思考传感器一般输出微弱模拟电信号，如何与后续电路配合连接。传感器输出信号的处理是首先选用AD7705进入单片机后进行相关的软硬件设计。教学效果：有单片机基础的同学很好地完成了电子称称重系统的设计，传感器选用合理，系统设计思路清晰，完成后的系统软硬件运行可靠。该项目的完成说明学生已经具备实际设计系统的基本思路和基本技能。

项目教学的总结与思考

项目教学法中所设计的项目大多与学生日常生活密切相关，并蕴含工业测量系统设计思路。学生通过自己的努力以及同学之间的合作亲手设计并制作出真实的产品，这让学生感受到自己的学习价值。同时学生参与项目的讨论、实施、成果展示、交流评价等，有利于培养其善于思考、善于沟通以及团队精神。有些小组去电子市场购买元器件，这使学生了解了电子元器件的市场以及如何在市场中选购合适元器件。学生认为有助于拓展自己的课堂学习内容。通过两个学期的项目教学法实践，笔者认为在项目教学法的具体实践过程中应该注意以下问题：首先，教学项目要包含教学内容，同时要实用可行，学生有条件真正完成，同时根据学生的实际水平确定难易程度。其次，教师要适当给予引导，包括对知识的讲解和对项目具体实施思路的引导，这样学生才更容易理解接受并成功完成项目，并能在实施过程中培养系统观念，培养其创新能力。最后，要充分调动学生的积极性。在完成设计后，以其工程应用背景激发学生进一步学习的兴趣，同时可采用一些激励机制调动学生的学习积极性，提高教学效果。

本文作者：邢航漆海霞邹恩杨秀丽毕敏娜工作单位：华南农业大学