论文部分内容阅读
摘要：根据自动化专业的内涵，针对“传感器与检测技术”课程教学中的难点，在教学内容、教学方法、教材建设和实践教学方面进行了改革和探索。对内容进行归纳和整合，注重比较、强调应用，重视教材建设，加强实验和实践环节，取得了较好的效果。
关键词：传感器与检测技术；教学内容；教学方法；教材建设
作者简介：徐科军（1956-），男，江苏无锡人，合肥工业大学电气与自动化工程学院，教授；黄云志（1976-），女，安徽凤台人，合肥工业大学电气与自动化工程学院，副教授。（安徽 合肥 230009）
基金项目：本文系安徽省高等学校省级教学研究项目“信号检测、处理及实现”系列课程理论和实践教学改革研究（项目编号：2008JYXM207）、合肥工业大学2008年教学改革研究项目“信号获取与处理”系列课程建设与研究生创新能力培养（项目编号：YJG2008Y01）、“信号检测、处理及实现”系列课程安徽省省级教学团队的研究成果。
中图分类号：G642.3 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）02-0052-02
在自动化系统中，传感器是获取外部信息的核心器件，检测技术是实现运动控制和过程控制的前提条件，自动检测装置是自动化系统的重要组成部分，所以，“传感器与检测技术”是自动化专业的一门重要的专业基础课。但是，该课程在教学过程中遇到以下难点：（1）与“自动控制原理”和“信号分析与处理”等理论性较强的课程相比，该课程介绍多种传感器的工作原理，涉及力学、热学、电磁学和化学等原理，应用又涉及机械量、热工量、化学量的检测，所以，表面上显得很杂、很乱，好像没有一条主线来贯穿课程的始终。（2）在介绍各种传感器的结构时，需要学生具备一些感性认识，才能比较好地理解和接受。（3）当可以采用多种传感器去测量同一物理量或者化学量时，如何选择一种最佳的传感器，并设计最佳的测量方案。（4）在传感器部分，以传感器的工作原理为线索进行讲解；在检测技术部分，以被测量为线索进行讲解。如何避免内容的重复和交叉，又使学生容易理解和掌握，我们针对这些难点，在教学内容、教学方法、教材建设和实践教学方面进行了一些改革和探索，取得了一定的成效。
一、教学内容
1.紧扣专业特点，组织教学内容
自动化专业的核心是控制，检测为控制提供信息，并检验控制的效果。所以，本课程的教学内容为传感器和过程控制量检测技术。在传感器部分，介绍典型的电阻式、电感式、热电式、光电式、压阻式、半导体传感器工作原理和结构组成，介绍这些传感器在运动控制中位移、速度、加速度、转速和转矩等检测中的应用。在检测技术部分，讲授过程控制中常用的温度、压力、流量、物位、成分的检测技术。
2.针对教学难点，提高教学质量
针对该课程的难点，我们进行内容归类和整合：（1）将自感式传感器、差动变压器、电容传感器、电涡流式传感器和压磁传感器归为变阻抗式传感器；（2）将磁电式传感器、霍尔传感器和压电式传感器归为电动势式传感器式；（3）将压力和物位放在相关传感器的应用中介绍，而温度、流量和成分量的检测，单独成章介绍；（4）课程内容体系结构是按照“自动检测的基本知识，传感器原理、电路与应用，过程量检测，新技术简介”四部分来综合设计的。我们总结本课程为：一个核心：测量；两个方面：传感器和仪表（器件和系统）；三个重点：原理、电路和应用。
3.结合科研成果，适当介绍新知识和共性技术
考虑到本课程是专业基础课，既要保持教学内容的相对稳定，又要与时俱进，跟上科技飞速发展的形式。所以，将我们在传感器动态特性和流量传感器数字信号处理方面的多年研究成果引入教学中，简要介绍传感器动态校正技术，以使传感器的动态响应满足控制对实时性的要求；简要介绍流量传感器的信号处理，以便提高传感器检测信号的能力；此外，还简要介绍微机电传感器原理和无线传感器网络。
二、教学方法
1.理论联系实际，注重应用
在传感器部分，对机理不做深入的理论分析，避免一味的数学公式推导；侧重于电路和应用的讲解；注重介绍传感器与检测技术在工程方面的具体应用，特别是在自动化和电气工程中的应用；在内容选择上，充分考虑电气信息类专业的需要，例如，强调转速、转矩、压力和流量的测量。
2.通过对比教学的方式，培养学生的工程实践能力
在介绍各类检测技术中，对同一物理量的不同检测方法进行比较。例如，对于转速的测量，分别介绍光电测量方法、磁电测量方法、霍尔传感器测量方法，并比较它们各自的原理、特点和适用范围，使学生遇到测量问题后，能够选择合适的传感器和正确的检测手段。
3.注重先后课程的衔接，形成完整的知识体系
该课程的先修课有“电气测量技术”，后续课有“自动化仪表”、“信号分析与处理”和“DSP原理及应用”。例如，学生学习了“电气测量技术”课程，懂得了测量频率和相位的基本方法，当学习本课程时，就知道扭矩和流量等非电量可以通过转换，变成频率和相位差来进行测量。在此基础上，告诉学生将在“信号分析与处理”中学习如何用数字信号处理方法来获得频率和相位差，在“DSP原理及应用”中学习用DSP芯片构成一个完整的数字信号处理系统，去实现这些量的实时测量。再例如，“电气测量技术”使学生掌握了测量电桥的工作原理。当学习本课程时，懂得了电阻式传感器的输出需要电桥转换成电压，从而实现压力的测量。在此基础上，告诉学生将在“自动化仪表”课程中介绍的变送器，它可以将电压信号变成工业过程控制系统的标准信号：4-20mA DC输出，从而形成压力变送器，用于过程控制系统。
三、教材建设
根据教学需要，我们主编了《传感器与检测技术》教材，其特点是将有关内容进行很好的归类和整合，以便讲授；简要介绍一些比较实用的共性技术。该教材于2004年在电子工业出版社出版，至今已经发行了6万4千册，被100多所高校选作教材。先后被评为2006年普通高等教育“十一五”国家级规划教材，2009年国家精品教材，2010年全国电子信息类优秀教材一等奖。此外，我们根据科研工作的积累，编写了一些辅助教材，例如，《电气测试技术（第2版）》，电子工业出版社，2008年，普通高等教育“十一五”国家级规划教材；《自动检测和仪表中的共性技术》，清华大学出版社，2000年；《传感器动态特性的实用研究方法》，中国科学技术大学出版社，1999年；《容栅传感器的研究与应用》，清华大学出版社，1995年。
四、实践教学
1.加强实验室建设，创造良好的实验条件
本课程的实践性较强，所以，建立良好的实验环境是保证教学质量的重要环节。我们于1989年建立了“传感器与检测技术实验室”。2006年，利用日行贷款重新购置了36套传感器综合实验仪、个人计算机和数字存储示波器，为自动化专业和生物医学工程专业的本科生开设20个实验，包括应变片实验、差动变压器传感器实验、电容传感器实验、霍尔传感器实验等。通过实验，使学生较好地掌握并运用所学的自动检测技术，培养学生的实际动手能力。2008年，又利用“211工程”建设经费150万元和国内最大的自动化仪表生产企业——重庆川仪自动化股份有限公司的设备捐赠，建立了1套传感器动态特性实验仪、2套流量测量系统水标定实验装置和1套气液两相流测量实验装置。这些为开阔学生的眼界，提供实习、操作机会创造了很好的条件。
积极争取国外大公司的捐赠，为学生提供更好的实验条件。由于我们在先进传感技术、自动化仪表和新能源利用方面做出了较好的工作，而这些正是美国德州仪器（TI）公司的C2000系列DSP芯片和超低功耗单片机MSP430的主要应用领域，所以，2002年，美国TI公司在合肥工业大学电气与自动化工程学院建立了数字信号处理方案实验室，先后捐赠了17批次的设备和实验经费，总价值超过100万元。
2.课堂教学与毕业设计和课外活动相衔接，培养学生实践创新意识
课堂教学的学时有限，做实验也是初步动手和基本掌握，为了使学生真正做到学以致用，具备基本的工程实践能力，就必须将课堂的教学内容与毕业设计和课外活动结合起来。
我们以科研项目为背景，从中提炼出一些内容、难度和工作量适中的技术问题，作为学生毕业设计的题目，培养学生的研究和动手能力，取得了较好的效果。例如，2003届陈智渊的《基于数字锁相环的涡街流量计信号处理方法与系统》、张瀚的《用科氏质量流量计测量两相流量的探讨》，2004届王菖的《基于DSP的科氏质量流量变送器设计》，2005届高学海的《空间机器人手眼视觉伺服控制研究》、刘晓丽的《基于单目视觉的位姿测量方法的研究》，2007届杨双龙的《基于DSP的风洞应变天平动态校正系统设计》，2008届奚逸的《科氏力质量流量管建模与控制》、张巧云的《数字频率计的设计及Modbus协议的应用》，2009届崔昊旻的《边缘电场传感器建模及参数估计方法研究》、张然的《电磁流量计励磁方法与信号处理方法研究》，2010届胡小玲的《锂电池电量监测仪研制》、郑文绪的《复合信号频率计频谱分析算法研究及实现》和刘翠的《基于数字信号处理的频率和幅值测量方法研究与实现》的毕业论文被评为学校的优秀毕业论文。
我们以各种科技竞赛和科研项目来带动学生的课外活动，激发学生的学习兴趣，培养动手能力和协作精神。例如，通过参加各类机器人、智能小车和DSP大奖赛以及“挑战杯”比赛，来组织学生的课外创新活动。
参考文献：
[1]鲁照权,等.自动化专业教学计划的改革探讨[J].合肥工业大学学报(社会科学版),2010,24(1):82-85.
[2]徐科军.“传感器与检测技术”课程建设探讨[J].电气电子教学学报,2009,31(3):23-24.
[3]徐科军.信号检测、处理及实现系列课程建设探讨[J].电气电子教学学报,2009,31(2):11-12,24.
[4]徐科军,杨双龙.传感器动态响应实验的课堂实现[J].实验室研究与探索,2009,28(9):36-38,68.
（责任编辑：孙晴）
关键词：传感器与检测技术；教学内容；教学方法；教材建设
作者简介：徐科军（1956-），男，江苏无锡人，合肥工业大学电气与自动化工程学院，教授；黄云志（1976-），女，安徽凤台人，合肥工业大学电气与自动化工程学院，副教授。（安徽 合肥 230009）
基金项目：本文系安徽省高等学校省级教学研究项目“信号检测、处理及实现”系列课程理论和实践教学改革研究（项目编号：2008JYXM207）、合肥工业大学2008年教学改革研究项目“信号获取与处理”系列课程建设与研究生创新能力培养（项目编号：YJG2008Y01）、“信号检测、处理及实现”系列课程安徽省省级教学团队的研究成果。
中图分类号：G642.3 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）02-0052-02
在自动化系统中，传感器是获取外部信息的核心器件，检测技术是实现运动控制和过程控制的前提条件，自动检测装置是自动化系统的重要组成部分，所以，“传感器与检测技术”是自动化专业的一门重要的专业基础课。但是，该课程在教学过程中遇到以下难点：（1）与“自动控制原理”和“信号分析与处理”等理论性较强的课程相比，该课程介绍多种传感器的工作原理，涉及力学、热学、电磁学和化学等原理，应用又涉及机械量、热工量、化学量的检测，所以，表面上显得很杂、很乱，好像没有一条主线来贯穿课程的始终。（2）在介绍各种传感器的结构时，需要学生具备一些感性认识，才能比较好地理解和接受。（3）当可以采用多种传感器去测量同一物理量或者化学量时，如何选择一种最佳的传感器，并设计最佳的测量方案。（4）在传感器部分，以传感器的工作原理为线索进行讲解；在检测技术部分，以被测量为线索进行讲解。如何避免内容的重复和交叉，又使学生容易理解和掌握，我们针对这些难点，在教学内容、教学方法、教材建设和实践教学方面进行了一些改革和探索，取得了一定的成效。
一、教学内容
1.紧扣专业特点，组织教学内容
自动化专业的核心是控制，检测为控制提供信息，并检验控制的效果。所以，本课程的教学内容为传感器和过程控制量检测技术。在传感器部分，介绍典型的电阻式、电感式、热电式、光电式、压阻式、半导体传感器工作原理和结构组成，介绍这些传感器在运动控制中位移、速度、加速度、转速和转矩等检测中的应用。在检测技术部分，讲授过程控制中常用的温度、压力、流量、物位、成分的检测技术。
2.针对教学难点，提高教学质量
针对该课程的难点，我们进行内容归类和整合：（1）将自感式传感器、差动变压器、电容传感器、电涡流式传感器和压磁传感器归为变阻抗式传感器；（2）将磁电式传感器、霍尔传感器和压电式传感器归为电动势式传感器式；（3）将压力和物位放在相关传感器的应用中介绍，而温度、流量和成分量的检测，单独成章介绍；（4）课程内容体系结构是按照“自动检测的基本知识，传感器原理、电路与应用，过程量检测，新技术简介”四部分来综合设计的。我们总结本课程为：一个核心：测量；两个方面：传感器和仪表（器件和系统）；三个重点：原理、电路和应用。
3.结合科研成果，适当介绍新知识和共性技术
考虑到本课程是专业基础课，既要保持教学内容的相对稳定，又要与时俱进，跟上科技飞速发展的形式。所以，将我们在传感器动态特性和流量传感器数字信号处理方面的多年研究成果引入教学中，简要介绍传感器动态校正技术，以使传感器的动态响应满足控制对实时性的要求；简要介绍流量传感器的信号处理，以便提高传感器检测信号的能力；此外，还简要介绍微机电传感器原理和无线传感器网络。
二、教学方法
1.理论联系实际，注重应用
在传感器部分，对机理不做深入的理论分析，避免一味的数学公式推导；侧重于电路和应用的讲解；注重介绍传感器与检测技术在工程方面的具体应用，特别是在自动化和电气工程中的应用；在内容选择上，充分考虑电气信息类专业的需要，例如，强调转速、转矩、压力和流量的测量。
2.通过对比教学的方式，培养学生的工程实践能力
在介绍各类检测技术中，对同一物理量的不同检测方法进行比较。例如，对于转速的测量，分别介绍光电测量方法、磁电测量方法、霍尔传感器测量方法，并比较它们各自的原理、特点和适用范围，使学生遇到测量问题后，能够选择合适的传感器和正确的检测手段。
3.注重先后课程的衔接，形成完整的知识体系
该课程的先修课有“电气测量技术”，后续课有“自动化仪表”、“信号分析与处理”和“DSP原理及应用”。例如，学生学习了“电气测量技术”课程，懂得了测量频率和相位的基本方法，当学习本课程时，就知道扭矩和流量等非电量可以通过转换，变成频率和相位差来进行测量。在此基础上，告诉学生将在“信号分析与处理”中学习如何用数字信号处理方法来获得频率和相位差，在“DSP原理及应用”中学习用DSP芯片构成一个完整的数字信号处理系统，去实现这些量的实时测量。再例如，“电气测量技术”使学生掌握了测量电桥的工作原理。当学习本课程时，懂得了电阻式传感器的输出需要电桥转换成电压，从而实现压力的测量。在此基础上，告诉学生将在“自动化仪表”课程中介绍的变送器，它可以将电压信号变成工业过程控制系统的标准信号：4-20mA DC输出，从而形成压力变送器，用于过程控制系统。
三、教材建设
根据教学需要，我们主编了《传感器与检测技术》教材，其特点是将有关内容进行很好的归类和整合，以便讲授；简要介绍一些比较实用的共性技术。该教材于2004年在电子工业出版社出版，至今已经发行了6万4千册，被100多所高校选作教材。先后被评为2006年普通高等教育“十一五”国家级规划教材，2009年国家精品教材，2010年全国电子信息类优秀教材一等奖。此外，我们根据科研工作的积累，编写了一些辅助教材，例如，《电气测试技术（第2版）》，电子工业出版社，2008年，普通高等教育“十一五”国家级规划教材；《自动检测和仪表中的共性技术》，清华大学出版社，2000年；《传感器动态特性的实用研究方法》，中国科学技术大学出版社，1999年；《容栅传感器的研究与应用》，清华大学出版社，1995年。
四、实践教学
1.加强实验室建设，创造良好的实验条件
本课程的实践性较强，所以，建立良好的实验环境是保证教学质量的重要环节。我们于1989年建立了“传感器与检测技术实验室”。2006年，利用日行贷款重新购置了36套传感器综合实验仪、个人计算机和数字存储示波器，为自动化专业和生物医学工程专业的本科生开设20个实验，包括应变片实验、差动变压器传感器实验、电容传感器实验、霍尔传感器实验等。通过实验，使学生较好地掌握并运用所学的自动检测技术，培养学生的实际动手能力。2008年，又利用“211工程”建设经费150万元和国内最大的自动化仪表生产企业——重庆川仪自动化股份有限公司的设备捐赠，建立了1套传感器动态特性实验仪、2套流量测量系统水标定实验装置和1套气液两相流测量实验装置。这些为开阔学生的眼界，提供实习、操作机会创造了很好的条件。
积极争取国外大公司的捐赠，为学生提供更好的实验条件。由于我们在先进传感技术、自动化仪表和新能源利用方面做出了较好的工作，而这些正是美国德州仪器（TI）公司的C2000系列DSP芯片和超低功耗单片机MSP430的主要应用领域，所以，2002年，美国TI公司在合肥工业大学电气与自动化工程学院建立了数字信号处理方案实验室，先后捐赠了17批次的设备和实验经费，总价值超过100万元。
2.课堂教学与毕业设计和课外活动相衔接，培养学生实践创新意识
课堂教学的学时有限，做实验也是初步动手和基本掌握，为了使学生真正做到学以致用，具备基本的工程实践能力，就必须将课堂的教学内容与毕业设计和课外活动结合起来。
我们以科研项目为背景，从中提炼出一些内容、难度和工作量适中的技术问题，作为学生毕业设计的题目，培养学生的研究和动手能力，取得了较好的效果。例如，2003届陈智渊的《基于数字锁相环的涡街流量计信号处理方法与系统》、张瀚的《用科氏质量流量计测量两相流量的探讨》，2004届王菖的《基于DSP的科氏质量流量变送器设计》，2005届高学海的《空间机器人手眼视觉伺服控制研究》、刘晓丽的《基于单目视觉的位姿测量方法的研究》，2007届杨双龙的《基于DSP的风洞应变天平动态校正系统设计》，2008届奚逸的《科氏力质量流量管建模与控制》、张巧云的《数字频率计的设计及Modbus协议的应用》，2009届崔昊旻的《边缘电场传感器建模及参数估计方法研究》、张然的《电磁流量计励磁方法与信号处理方法研究》，2010届胡小玲的《锂电池电量监测仪研制》、郑文绪的《复合信号频率计频谱分析算法研究及实现》和刘翠的《基于数字信号处理的频率和幅值测量方法研究与实现》的毕业论文被评为学校的优秀毕业论文。
我们以各种科技竞赛和科研项目来带动学生的课外活动，激发学生的学习兴趣，培养动手能力和协作精神。例如，通过参加各类机器人、智能小车和DSP大奖赛以及“挑战杯”比赛，来组织学生的课外创新活动。
参考文献：
[1]鲁照权,等.自动化专业教学计划的改革探讨[J].合肥工业大学学报(社会科学版),2010,24(1):82-85.
[2]徐科军.“传感器与检测技术”课程建设探讨[J].电气电子教学学报,2009,31(3):23-24.
[3]徐科军.信号检测、处理及实现系列课程建设探讨[J].电气电子教学学报,2009,31(2):11-12,24.
[4]徐科军,杨双龙.传感器动态响应实验的课堂实现[J].实验室研究与探索,2009,28(9):36-38,68.
（责任编辑：孙晴）