傳感器與檢測技術的實踐探索

一、項目教學的實踐：
1、課題：溫度（水溫）測量系統(tǒng)的設計課堂教學：介紹三類常用溫度傳感器以及如何選用合適的溫度傳感器。首先，了解金屬熱電阻的電阻隨溫度而變化的特性，掌握電橋測溫原理；其次，了解熱敏電阻的特性、類型及應用；最后，認識熱電偶，學會使用熱電偶分度表，掌握熱電偶的使用方法。實踐教學：要求選用合適的傳感器完成水溫測量及報警電路的設計與實現（要求硬件實現）。教學過程：要求學生先討論傳感器的選型，然后討論電路圖的設計。設計完成后，每組各派一名同學展示電路圖，并說明設計依據，然后各組提出元件需求，自行購買或從實驗室領取，根據設計圖完成電路焊接，驗證報警功能。教學效果：學生完成了溫度檢測報警電路的設計、仿真和實現，以熱敏電阻或其他溫度傳感器作為檢測元件，電路簡單實用。有單片機基礎的同學還完成了溫度的顯示和控制功能，效果良好。該電路雖然簡單常見，但學生通過自己動手完成設計焊接調試，對系統(tǒng)設計充滿興趣，達到了教學目的。
2、課題：電子稱重系統(tǒng)設計課堂教學和實踐教學結合：引導學生思考測量系統(tǒng)的設計思路，首先完成需求分析，然后進行系統(tǒng)總體設計，接下來進行傳感器選型和具體信號處理電路設計。學生以4人一組進行設計。需求分析：要求學生以超市稱重為應用目標完成需求分析，如需要電子秤實現基本的稱重功能，稱重范圍為0～5kg，重量誤差不大于±0.01kg，同時還能實現去皮、調零等功能。總體設計：要求學生分組討論系統(tǒng)總體設計方案，最終大多數組給出總體設計方案。當物體放在秤盤上時重量施給傳感器，該傳感器發(fā)生形變，從而使阻抗發(fā)生變化，同時使輸出電壓發(fā)生變化。該信號經放大濾波電路輸出到A/D轉換器，轉換成數字信號輸出到CPU，進行運算、控制、顯示等。稱重傳感器選型：引導學生思考哪些傳感器可用來測重，并從中合理選型。稱重傳感器的性能很大程度上決定了電子秤的精確度和穩(wěn)定性。通常稱重傳感器產生的誤差約占電子秤整體誤差的50%～70%。按照稱重傳感器的結構型式不同，可以分直接位移傳感器（電容式、電感式、電位計式、振弦式、空腔諧振器式等）、應變傳感器（電阻應變式、聲表面諧振式）或是利用磁彈性、壓電和壓阻等物理效應的傳感器。對稱重傳感器的基本要求是：輸出電量與輸入重量保持單值對應，并有良好的線性關系；有較高的靈敏度；對被稱物體狀態(tài)的影響要小；有較好的頻響特性；穩(wěn)定可靠。學生通過對比和綜合考慮，系統(tǒng)采用電阻應變式傳感器，量程為5kg，精度為0.01kg。其形狀長約80cm，高和寬為10cm的長方體，金屬塊中間有兩個圓形挖空，作用是讓金屬塊容易產生彈性使貼在金屬上的四片應變片更加靈敏地接收應變量，輸出就更加靈敏。其結構圖如圖3所示。當彈性體受力變形時，應變片的敏感柵也隨同變形，其電阻值發(fā)生相應變化，通過全橋電路轉換為電壓的變化。利用電橋的和差特性（引導學生注意應變片電橋特性的重要性）可以提高系統(tǒng)靈敏度并進行溫度補償。信號處理電路設計：引導學生思考傳感器一般輸出微弱模擬電信號，如何與后續(xù)電路配合連接。傳感器輸出信號的處理是首先選用AD7705進入單片機后進行相關的軟硬件設計。教學效果：有單片機基礎的同學很好地完成了電子稱稱重系統(tǒng)的設計，傳感器選用合理，系統(tǒng)設計思路清晰，完成后的系統(tǒng)軟硬件運行可靠。該項目的完成說明學生已經具備實際設計系統(tǒng)的基本思路和基本技能。
二、項目教學的總結與思考：
項目教學法中所設計的項目大多與學生日常生活密切相關，并蘊含工業(yè)測量系統(tǒng)設計思路。學生通過自己的努力以及同學之間的合作親手設計并制作出真實的產品，這讓學生感受到自己的學習價值。同時學生參與項目的討論、實施、成果展示、交流評價等，有利于培養(yǎng)其善于思考、善于溝通以及團隊精神。有些小組去電子市場購買元器件，這使學生了解了電子元器件的市場以及如何在市場中選購合適元器件。學生認為有助于拓展自己的課堂學習內容。通過兩個學期的項目教學法實踐，筆者認為在項目教學法的具體實踐過程中應該注意以下問題：首先，教學項目要包含教學內容，同時要實用可行，學生有條件真正完成，同時根據學生的實際水平確定難易程度。其次，教師要適當給予引導，包括對知識的講解和對項目具體實施思路的引導，這樣學生才更容易理解接受并成功完成項目，并能在實施過程中培養(yǎng)系統(tǒng)觀念，培養(yǎng)其創(chuàng)新能力。最后，要充分調動學生的積極性。在完成設計后，以其工程應用背景激發(fā)學生進一步學習的興趣，同時可采用一些激勵機制調動學生的學習積極性，提高教學效果。

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