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《传感器技术》课程教学方法探讨

作者 :王建军更新时间:2012-11-12

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 (山东理工大学机械工程学院测控技术与仪器系,山东 淄博 255049)
 
摘要:针对传感器技术课程涉及知识面广、与生产实际结合紧密、抽象难理解的特点,提出不但知其然还要知其所以然、与其他课程交叉讲授、使用教具和绘制简图等三方面的教学心得,以提高传感器课程的教学效果。
关键词:传感器技术;课程;教具;教学方法
 
引言
传感器是一门综合性很强的学科,集成了机械、电子、电路、控制、光学、电磁学等知识,涉及知识面广,且与生产、科研实践联系紧密。由于学生的实践知识和经验不足,知识面也较窄,所以在学习过程中感觉抽象难懂。为此,笔者通过多年的传感器教学经验,有以下的几点心得体会:在授课过程中进行实践,使同学们将书本知识和实际生产经验相结合;与其他的专业课程知识相融合,加深对传感器专业知识的理解和掌握。
1让学生不但知其然,而且要知其所以然
对一些传感器的原理和结构以及测量技术,授课时,既要讲明原理,还要讲明为什么这么做,与生产实际有何关系。
如在讲到传感器静态特性中的线性度和线性化处理时,有的同学提出“为什么要线性化,不线性化不行吗?线性化(取一个拟和直线)后还会带来误差,多麻烦啊”。针对这样的问题笔者详细地讲解线性化的好处和优点,如线性化后:
(1)可使传感器的理论分析和设计计算过程大大简化;
(2)为技术标定和数据处理带来很大方便,只要知道输出-输入特性上的两点(如零点和满度值)就可以确定其余各点;
(3) 可使仪表刻度盘进行均匀刻度,因而制作、安装、调试方便,提高测量精度;
(4) 避免了非线性补偿环节;
(5) 方便计算机进行数据采集和处理。
通过上述解答学生就明白了为什么要使得传感器线性度好以及为什么要进行线性化处理了。
又如,接触式传感器中,讲到无杠杆传动电接触式传感器检测圆形工件的例子。如图1所示,
 
图1 无杠杆传动的接触式传感器检测圆工件示意图
y
其工作原理是:圆形工件是一个被磨削的旋转工件,接触式传感器要对磨削工件的直径进行检测,并执行相应的动作。如:加工前工件是毛坯件,与测杆之间紧密接触,此时工件的直径较大,使S2闭合,则执行粗磨加工;当圆形工件尺寸减小,使S2断开,则执行精磨加工;当工件尺寸进一步减小,达到目标要求时,S1闭合,加工停止。这个例子主要是求传感器正常工作的临界频率动特性,也就是工件转动的临界转动频率。传感器的输入为圆形工件的偏心振动,为正弦输入量 ,输出为S1和S2的闭合、断开信号提供的执行指令,则由传感器正常工作条件:F(t) ,可求得临界频率, ,其中 是测杆的固有频率, 是弹簧初始预紧力和测杆重量之和。若工件转动频率大于 ,则传感器测杆与工件脱开,出现测量误差。学生不太理解这有什么实际用途。笔者结合生产过程进行如下解释:
在实际加工中要追求效率,若加工过程中 太小,则传感器正常测量时,工件的转速太慢,过低的转速一方面会影响磨削工件的表面质量(粗糙度),另一方面会影响工作效率。
若转速超出了传感器的临界频率,则会有什么后果呢?当S2断开,S1还未闭合时,工件在进行精磨加工,若此时转速过大,使测杆弹离工件,则可能使S2闭合,执行粗磨指令,使正在精磨的工件表面受损。同样,当S1已闭合,即磨削已经结束,工件尺寸已经合适了,如果此时出现测量误差,则S1断开,又开始磨削,则会使尺寸过小,造成工件损坏,成为废品。
通过上面的说明,使学生清楚了研究传感器临界频率的作用和意义。
又如绪论中,谈到人类的五官类似于传感器,但未详细说明,为什么人类需要传感器?笔者讲解了人类社会的发展历程。人类社会以使用工具为标志,经历了旧石器时代、新石器时代、青铜器时代、铁器时代、蒸汽机时代、电气时代和信息时代(计算机和互联网络时代)的演变,标志着人类认识和改造自然的能力逐步提高,人类为了适应自然和改造自然,就必须获得各种有用信息,而单靠人类本身的感觉器官远远不够,有些也是不可能的,如超声波的探测等,这就需要研究和设计各种传感器,来满足人类生产生活和科学研究的需要。人类获得信息有两个目的,一是了解、知讯;二是由此做出正确地反应,即控制。由此学生对传感器的作用、起源、发展和目的就有了更深刻地认识。
所以,授课时,针对学生知识面较窄的问题,教师应多提供生产和生活的实际经验,使书本知识和生产实际有机结合起来。
2 与其他课程联系、引申,使学生对知识的掌握由点扩展到面
测控专业的三门专业课,传感器、测控电路和控制技术与系统,相互之间有紧密联系,是一个体系。笔者在传感器的讲学中,并没有将传感器与其他两门割裂开来,而是结合起来讲。如绪论中讲到传感器在科技领域中所处的地位时,指明传感器是测量技术和控制技术的前端元件,是关键技术。传感器的结构包括三部分,即敏感元件、转换元件和基本转换电路,可应用于测量和控制中,与测控电路结合,其结构框图如图
 
图2 传感器用于测量和控制的完整结构框图
 
2所示。

这样就将测控专业的知识串通起来,有利于将学生的各个知识点连成知识面,使学生所学的各门功课之间不是孤立的,利于理解和记忆。
3使用合适的教具,对图形进行简化,使知识变得形象生动,利于理解和记忆
在讲解接触式传感器时,学生感到以前没见过接触式传感器,不容易理解。笔者就带了一个螺管式差动自感位移传感器实物给同学们看,同时在黑板上画出了其结构示意图,如图3所示。

图3 差动式螺管自感传感器测表面粗糙度结构示意图
这是使用螺管式差动自感位移传感器测表面粗糙度的例子,既让学生了解了实际接触式传感器的结构和应用,同时与互换性与精密测量技术课程联系了起来,使各门专业课之间相互串联。
在授课过程中,笔者还经常将课本上较复杂的图形合理简化,以帮助同学们理解记忆,如图4所示的采用抬头机构的接触式传感器的结构图。
图4 具有抬头机构的接触式传感器检测工件示意图

 当采用抬头机构将测杆抬起后,测杆的运动相当于单自由度的弹簧振动系统,其简化图如图5所示。

平衡位置y=0
图5 单自由度的质量弹簧振动系统简图
经过简化,学生对具有抬头机构的接触式传感器的结构就认识更深刻了,这样很容易得到其下落的运动方程为: 。
4 结束语
综上所述,介绍了三种教学方法,(1)探究其根源,并与生产实际相结合;(2)与其他课程的知识连贯串通,使学生的知识由点形成面;(3)采用实物介绍及绘制简图方式,形象生动,容易理解。通过这三种方法,使学生的学习更主动、更全面、更深刻,取得了较好的教学效果。
参考资料:
[1]强锡富.传感器[M].北京:机械工业出版社,2004.
[2]张国雄.测控电路[M].北京:机械工业出版社,2006.

Discuss on Teaching Method for Course of Sensor Technique
WANG Jian-jun
(College of Mechanical Engineering,Shandong University of Technology,Zibo 255049,China)
Abstract: Based on the characteristics that the course of sensor technique related to a wide knowledge,had a tight link to the production practice and was abstract and indigestible, three teaching ideas are put forward in this paper, such as not only know what it is but also know why to do so, intercross with other specialties when teaching, using teaching aids and protracting sketches and so on to improve teaching effect.
Keywords:Sensor technique; Course; Teaching aids; Teaching method

作者简介:王建军(1973—)男,山东人,山东理工大学机械工程学院测控技术与仪器系讲师,主要研究方向:计算机控制,传感器,测试技术,虚拟仿真技术等。
基金项目:面向六西格玛的质量控制集成技术研究(Y2005F12)
 
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