论文部分内容阅读
摘要：本文以电涡流传感器为例，将启发式实例分析应用于“传感器与检测技术”理论教学中，形成由感性认识上升到理性认识，并最终升华到应用的授课方式，极大地提高了课程的教学质量。
关键词：检测技术；传感器；启发式实例分析；教学改革
中图分类号：G642.3 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）03-0157-02
信息革命的两大支柱是信息的采集和处理。信息采集的关键就是传感器。传感器的性能在很大程度上决定着整个信息技术的性能，其生产能力与应用水平直接影响到技术的发展与应用。传感器作为向自然界获取信息的工具，几乎渗透到科学技术和国民经济的每个角落。“传感器与检测技术”是电子电气专业的一门重要的专业基础课程，它在专业的整个课程体系中起着承前启后的作用。该课程集光、机、电于一体，综合物理、化学、生物、材料、电子、电气、计算机、机械等多个学科，知识多，内容散。在理论教学方面，以往的检测技术课程教学，通常都是先讲授传感器原理，再讲授传感器结构，最后讲授传感器应用，这种枯燥的理论讲解很难引起学生的学习兴趣。只有对教学内容和教学方法进行改革，才能从根本上改善这门课程的教学现状。本文将以电涡流传感器为例对理论教学方法进行改革。
一、启发式实例分析融入理论教学
启发式实例分析授课法是指在理论授课时注重穿插具有生活应用背景的实例，在理论教学中，应该倡导以启发讲授与实例分析为主，对目前教学方法的改革主要集中在以下几方面：①通过问题和实例引出理论，利用理论解决问题并解释实例应用，以便加深学生对理论知识的理解，提高学生学习的主动性；②将实验使用的传感器教学内容提前在理论教学方面给予演示，提高理论教学的生动性和直观性；③结合生产实践和科研经历来讲解传感器的选用、使用和调试过程，提高学生学习的兴趣。
二、应用实例
电涡流传感器采用的是感应电涡流原理。当带有高频电流的线圈靠近被测金属时，线圈上的高频电流所产生的高频电磁场便在金属表面上产生感应电流，电磁学上称之为电涡流。电涡流效应与被测金属间的距离及电导率、磁导率、几何尺寸、电流频率等参数有关。电涡流是看不见、摸不着的，如果上课的时候采用上述专业语言进行理论阐述，学生往往觉得太抽象，所以我们授课过程中可以不先急着讲解原理，而是通过实验来让大家看到一些现象，由感性认知向理性认知升华。
1.通过实验现象引入电涡流传感器。我们采用杭州高联公司生产的CSY-910型传感器实验仪。实验步骤如下：①将涡流线圈接入涡流变换器输入端。涡流变换器输出端接电压表20V档。拧松涡流线圈支架上的横向固定螺丝，把圆盘振动台上的测微头调至10mm处。调整电涡流线圈，使它与金属涡流片相距1～2mm，然后锁定横向螺丝。②开启仪器电源，测微头位移将电涡流线圈与涡流片分开一定距离，此时输出端有一电压值输出。用示波器接涡流变换器输入端观察电涡流传感器的高频波形，信号频率约为1MHZ。③用测微头带动振动平台使平面线圈贴紧金属涡流片，此时涡流变换器输出电压为零。涡流变换器中的振荡电路停振。④旋动测微头使平面线圈离开金属涡流片，电压表开始有读数，电压值随着涡流传感器和金属涡流片之间距离的变化而变化。由此，学生可以亲身感受到电涡流的存在，这就将无形的电涡流转化为可以测量的电压值。同时可以知道在其他参数一定的情况下，电压值和距离之间有一定的对应关系。此时教师又可以引导学生思考这个输出的电压值V和距离X之间到底是什么样的关系呢？实验我们可接着往下做。旋动测微头使平面线圈离开金属涡流片，从电压表开始有读数起每位移0.1mm记录一个读数，并用示波器观察变换器的高频振荡波形，由此可得出输出电压V与位移X之间的对应关系，并分析其线性范围。
2.由实验现象引出高频反射式涡流传感器原理。由上述实验得出输出电压V与位移X之间的对应关系，可以自然地引出高频反射式涡流传感器工作原理。当通有激磁电流i的电感线圈靠近金属板时，在金属板周围产生高频交变磁通Φ。由于金属板具有一定的厚度，该磁通不能透过，而仅作用于金属板表面的薄层内，在该层内产生感应电流i1，即涡流。根据楞次定律，该涡流产生的交变磁通Φ1将与线圈产生的磁场方向相反，即Φ1将抵抗Φ的变化，使线圈的电感量、阻抗、品质因数等发生改变。其变化程度取决于线圈的外形尺寸、线圈至金属板的距离X、金属板材料的电阻率ρ、磁导率μ以及励磁電流i的幅值与角频率ω等。因此，传感器线圈的电感量受涡流影响时的等效阻抗Z的函数关系式为：
Z=f（μ，ρ，r，ω，X） 式1
式1中：r--线圈与被测体的尺寸因子。如果保持式1中的一个参数改变，而其他参数不变，则阻抗Z就仅仅是这个参数的单值函数。例如只有X可改变，其他参数不变，则改变X会改变阻抗Z，从而改变输出电压V，这就充分解释了上述实验中V-X的变化现象。改变ρ或μ可用来测量材质和无损擦伤。
3.启发学生的发散性思维，对电涡流传感器的应用进行衍生。由电涡流传感器测量距离和位移的实验引入了电涡流传感器的原理之后，教师应引导学生进一步思考：电涡流传感器还可以用在哪些场合，测量哪些物理量呢？学生提出想法之后，可以选取适当的内容通过已有的实验仪器进行验证性实验。例如：有学生提出可以利用电涡流传感器进行称重实验。既然电涡流传感器可以测量距离和位移，而实验过程中距离的变化是通过带有磁头的螺旋测微器带动其吸合的振动台产生的，那么也可以将其转化为V-W之间的单值函数。测量电路图见图1。
图1 电涡流式传感器称重测量电路
具体方法是解除测微器对振动台的吸附作用，差放增益为1，输出接电压表20V档，将平面线圈安装在线性工作范围的起始点；调整电桥WD，使系统输出为零；在振动台中间逐步加上砝码（每个的质量m=20g），记录V-W的对应关系（V如为负值则取绝对值），利用公式K=m/V计算它们的值，再求出K的平均值，这个平均值就是V-W函数的线性关系系数，或称标定系数；取下砝码，放上一未知重量之物品，m=KV即可大致求出被称物的重量。总之，学生提出想法之后，教师就可以让学生通过实践来验证设想的可行性。在可行的基础上再提高要求，完善实验方法，提高标定系数的精度。通过这种讲解方式，学生对于电涡流传感器的认知由最初的感性认识上升到理性认识，最终又升华到传感器的应用，整个过程符合学生的认知规律，能够较好地达到预期的教学效果。课后可以让学生思考：如果金属涡流片是齿状，当它发生旋转的时候，我们是否可以利用电涡流传感器来测量其转速，设计测量电路，分析转速计算公式。下次上课时进行小组讨论。
将启发式实例分析应用在“传感器与检测技术”课程的理论教学中，通过实例使学生对内容产生感性认识，激发学习热情，学生自己迫切地想知道为什么会出现实验中的现象，通过理论讲解之后恍然大悟，进而对所学的内容产生一种延伸的思索，进一步思考该知识点还可以有哪方面的应用，从而真正将书本上的内容学活，培养出具备工程实践能力和创新精神的专业技术人才。
参考文献：
[1]杨帆，李国平，赵党军，等.传感器及其应用课程设计改革与实践[J].武汉工程大学学报，2007，29（5）：88-90.
[2]徐科军，马修水，李晓林.传感器与检测技术（第2版）[M].北京：电子工业出版社，2008.
[3]蒋全胜，吕家云，宁小波.面向应用型人才培养的检测技术教学模式改革[J].合肥工业大学学报（社会科学版），2010，24（3）：146-148.
基金项目：南通大学课程建设项目（09037）
作者简介：姚娟（1981-），女，讲师，主要从事传感器与检测技术、智能仪表方面的研究。
关键词：检测技术；传感器；启发式实例分析；教学改革
中图分类号：G642.3 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）03-0157-02
信息革命的两大支柱是信息的采集和处理。信息采集的关键就是传感器。传感器的性能在很大程度上决定着整个信息技术的性能，其生产能力与应用水平直接影响到技术的发展与应用。传感器作为向自然界获取信息的工具，几乎渗透到科学技术和国民经济的每个角落。“传感器与检测技术”是电子电气专业的一门重要的专业基础课程，它在专业的整个课程体系中起着承前启后的作用。该课程集光、机、电于一体，综合物理、化学、生物、材料、电子、电气、计算机、机械等多个学科，知识多，内容散。在理论教学方面，以往的检测技术课程教学，通常都是先讲授传感器原理，再讲授传感器结构，最后讲授传感器应用，这种枯燥的理论讲解很难引起学生的学习兴趣。只有对教学内容和教学方法进行改革，才能从根本上改善这门课程的教学现状。本文将以电涡流传感器为例对理论教学方法进行改革。
一、启发式实例分析融入理论教学
启发式实例分析授课法是指在理论授课时注重穿插具有生活应用背景的实例，在理论教学中，应该倡导以启发讲授与实例分析为主，对目前教学方法的改革主要集中在以下几方面：①通过问题和实例引出理论，利用理论解决问题并解释实例应用，以便加深学生对理论知识的理解，提高学生学习的主动性；②将实验使用的传感器教学内容提前在理论教学方面给予演示，提高理论教学的生动性和直观性；③结合生产实践和科研经历来讲解传感器的选用、使用和调试过程，提高学生学习的兴趣。
二、应用实例
电涡流传感器采用的是感应电涡流原理。当带有高频电流的线圈靠近被测金属时，线圈上的高频电流所产生的高频电磁场便在金属表面上产生感应电流，电磁学上称之为电涡流。电涡流效应与被测金属间的距离及电导率、磁导率、几何尺寸、电流频率等参数有关。电涡流是看不见、摸不着的，如果上课的时候采用上述专业语言进行理论阐述，学生往往觉得太抽象，所以我们授课过程中可以不先急着讲解原理，而是通过实验来让大家看到一些现象，由感性认知向理性认知升华。
1.通过实验现象引入电涡流传感器。我们采用杭州高联公司生产的CSY-910型传感器实验仪。实验步骤如下：①将涡流线圈接入涡流变换器输入端。涡流变换器输出端接电压表20V档。拧松涡流线圈支架上的横向固定螺丝，把圆盘振动台上的测微头调至10mm处。调整电涡流线圈，使它与金属涡流片相距1～2mm，然后锁定横向螺丝。②开启仪器电源，测微头位移将电涡流线圈与涡流片分开一定距离，此时输出端有一电压值输出。用示波器接涡流变换器输入端观察电涡流传感器的高频波形，信号频率约为1MHZ。③用测微头带动振动平台使平面线圈贴紧金属涡流片，此时涡流变换器输出电压为零。涡流变换器中的振荡电路停振。④旋动测微头使平面线圈离开金属涡流片，电压表开始有读数，电压值随着涡流传感器和金属涡流片之间距离的变化而变化。由此，学生可以亲身感受到电涡流的存在，这就将无形的电涡流转化为可以测量的电压值。同时可以知道在其他参数一定的情况下，电压值和距离之间有一定的对应关系。此时教师又可以引导学生思考这个输出的电压值V和距离X之间到底是什么样的关系呢？实验我们可接着往下做。旋动测微头使平面线圈离开金属涡流片，从电压表开始有读数起每位移0.1mm记录一个读数，并用示波器观察变换器的高频振荡波形，由此可得出输出电压V与位移X之间的对应关系，并分析其线性范围。
2.由实验现象引出高频反射式涡流传感器原理。由上述实验得出输出电压V与位移X之间的对应关系，可以自然地引出高频反射式涡流传感器工作原理。当通有激磁电流i的电感线圈靠近金属板时，在金属板周围产生高频交变磁通Φ。由于金属板具有一定的厚度，该磁通不能透过，而仅作用于金属板表面的薄层内，在该层内产生感应电流i1，即涡流。根据楞次定律，该涡流产生的交变磁通Φ1将与线圈产生的磁场方向相反，即Φ1将抵抗Φ的变化，使线圈的电感量、阻抗、品质因数等发生改变。其变化程度取决于线圈的外形尺寸、线圈至金属板的距离X、金属板材料的电阻率ρ、磁导率μ以及励磁電流i的幅值与角频率ω等。因此，传感器线圈的电感量受涡流影响时的等效阻抗Z的函数关系式为：
Z=f（μ，ρ，r，ω，X） 式1
式1中：r--线圈与被测体的尺寸因子。如果保持式1中的一个参数改变，而其他参数不变，则阻抗Z就仅仅是这个参数的单值函数。例如只有X可改变，其他参数不变，则改变X会改变阻抗Z，从而改变输出电压V，这就充分解释了上述实验中V-X的变化现象。改变ρ或μ可用来测量材质和无损擦伤。
3.启发学生的发散性思维，对电涡流传感器的应用进行衍生。由电涡流传感器测量距离和位移的实验引入了电涡流传感器的原理之后，教师应引导学生进一步思考：电涡流传感器还可以用在哪些场合，测量哪些物理量呢？学生提出想法之后，可以选取适当的内容通过已有的实验仪器进行验证性实验。例如：有学生提出可以利用电涡流传感器进行称重实验。既然电涡流传感器可以测量距离和位移，而实验过程中距离的变化是通过带有磁头的螺旋测微器带动其吸合的振动台产生的，那么也可以将其转化为V-W之间的单值函数。测量电路图见图1。
图1 电涡流式传感器称重测量电路
具体方法是解除测微器对振动台的吸附作用，差放增益为1，输出接电压表20V档，将平面线圈安装在线性工作范围的起始点；调整电桥WD，使系统输出为零；在振动台中间逐步加上砝码（每个的质量m=20g），记录V-W的对应关系（V如为负值则取绝对值），利用公式K=m/V计算它们的值，再求出K的平均值，这个平均值就是V-W函数的线性关系系数，或称标定系数；取下砝码，放上一未知重量之物品，m=KV即可大致求出被称物的重量。总之，学生提出想法之后，教师就可以让学生通过实践来验证设想的可行性。在可行的基础上再提高要求，完善实验方法，提高标定系数的精度。通过这种讲解方式，学生对于电涡流传感器的认知由最初的感性认识上升到理性认识，最终又升华到传感器的应用，整个过程符合学生的认知规律，能够较好地达到预期的教学效果。课后可以让学生思考：如果金属涡流片是齿状，当它发生旋转的时候，我们是否可以利用电涡流传感器来测量其转速，设计测量电路，分析转速计算公式。下次上课时进行小组讨论。
将启发式实例分析应用在“传感器与检测技术”课程的理论教学中，通过实例使学生对内容产生感性认识，激发学习热情，学生自己迫切地想知道为什么会出现实验中的现象，通过理论讲解之后恍然大悟，进而对所学的内容产生一种延伸的思索，进一步思考该知识点还可以有哪方面的应用，从而真正将书本上的内容学活，培养出具备工程实践能力和创新精神的专业技术人才。
参考文献：
[1]杨帆，李国平，赵党军，等.传感器及其应用课程设计改革与实践[J].武汉工程大学学报，2007，29（5）：88-90.
[2]徐科军，马修水，李晓林.传感器与检测技术（第2版）[M].北京：电子工业出版社，2008.
[3]蒋全胜，吕家云，宁小波.面向应用型人才培养的检测技术教学模式改革[J].合肥工业大学学报（社会科学版），2010，24（3）：146-148.
基金项目：南通大学课程建设项目（09037）
作者简介：姚娟（1981-），女，讲师，主要从事传感器与检测技术、智能仪表方面的研究。