面向自动化专业的“检测技术”实验教学

许 芬，张志芳，贾守强，左 岐

(北方工业大学自动化系，北京 100144)

高校的自动化专业中“检测技术”是一门重要的专业必修课[1，2]。正如一个运行良好的自动控制系统离不开实时有效的检测手段一样，一个有良好专业素养的自动化工程师必须具备基本的检测技术知识和技能[3]。

“检测技术”实验教学应该遵循如下几条原则。

(1)加深学生对主要检测技术和相关传感器应用的了解;

(2)让学生认识检测系统的构成、各部分功能以及相关实现手段;

(3)为学生提供简单检测系统设计的训练;

(4)设置一些模拟实际应用的问题，培养学生的主动探索能力。

1 “检测技术”课程内容

“检测技术”课程内容一般分为基础理论，传感器和不同参量的检测方法三大部分[4]:①基础理论教学部分包括测量的基本概念，误差分析和数据处理技术，传感器的静动态特性分析等;②传感器由于种类繁多，不可能逐一介绍，只能按感应机理分大类介绍，比如可以分为电阻型、阻抗性传感器、电压型传感器和光电型等;③检测方法可针对不同行业背景按被测量者的物理特性分类介绍，比如机械量检测、热工量检测和化学成分检测等。

当前国内高校自动化专业的“检测技术”课堂上大都采用这种知识体系进行授课。但课堂总学时、理论课课时和实验课时的分配各校都不相同。表1是各种类型学校(研究型I以东南大学为例，应用型I以长江大学为例)自动化专业“检测技术”课程理论讲课及实验课时分配调查示例。

表1 检测技术课堂学时分配示例

从调查结果来看，要达到能够为自动控制系统设计一个测量电路的专业目标，学生需要掌握与测量相关的基本概念，具有一定的数据处理和误差分析能力，能选择合适的传感器，还需要设计恰当的前端放大电路及数字接口电路等知识。要学生完成一个在工程上可行、在精度上达到要求和技术上可实现的测量方案。如何通过一门课程的理论学习及相关的实验教学来达到这个目标呢?

我们的思路是课堂教学内容要兼具广度和深度:教学内容要覆盖检测原理，主要传感器类型、误差分析、检测系统安装与调试、传感器校准和智能化数据处理等相关知识;同时通过一个实际检测系统案例教学，对传感器的选择、传感器的前端放大电路选择和信号调理电路设计等部分有深入的阐述。

在课程实验方面，重视实验设备的开放性和透明性，加大实验课时中综合性和设计性实验的比重，在实验过程中设置一些模拟实际应用中可能遇到的问题，引导学生探究并寻找相应的解决方法。

2 实验内容设计

很多高校的检测技术实验室都配备有综合性实验平台。平台上提供的实验大部分为传感器特性的验证实验，缺乏综合性和设计性实验内容。学生虽然知道一些传感器的名称，但是面对实际测量任务时，不知道该如何去选择合适的传感器，更不知道如何去设计并完成一个测量系统，前端电路设计及数字接口电路的设计也有很多不明白的地方。因此有必要在检测技术的实验中加强综合性和设计性实验内容，通过综合性实验加强学生对不同传感器的优缺点认识，对测量方案的工程可行性、测量精度和实现成本等有一个基本的概念，通过设计性实验提高学生的实际动手能力。

现以压力测量为例，压力是流程工业经常需要测量的一个热工量。现在工业界常用的压力测量仪表有机械式仪表和电气式仪表。机械式仪表便宜，但是不适合作自动测量。电气式压力表也有很多种类，如金属应变式、压阻式、压电式和电容式等。其中应变式压力计应用比较广泛，而半导体压阻传感器则是当前很多智能化集成压力仪表中使用的传感器。实验内容可以用普通的金属应变片构成惠斯顿电桥进行阻值测量，并完成从阻值到压力的转换，同时用半导体压阻传感器进行同样的压力测量，比较这两种压力传感器的线性度和稳定性。

温度测量在化工业，冶金行业，仪器仪表行业以及消费电子行业中，都会遇到的实际任务。温度传感器有热电偶、热电阻、半导体温敏传感器、热敏电阻、光纤测温传感器、红外测温传感器和光学高温计等多种类型。在测量方案设计时，首先需要确定被测流程或被测对象是否可以进行接触式测温。如果能够进行接触式测温，则可以从前面五种中挑选合适的传感器，如果不能，则只能选择后两种。因此在实验内容方面，以接触式测温为例，应该选择热电偶，热电阻和半导体温敏传感器三种传感器件的应用电路设计，包括信号采集电路、前端放大电路、模数转换和单片机接口电路等，在软件方面要掌握相应的数据补偿及处理。这三种测温传感器可以相结合安排一个4小时的综合性实验或设计性实验。实验内容包含热电阻的三线制连接方式，热电偶的测温实验及热电偶冷端补偿电路设计。热电偶冷端补偿利用NTC热敏电阻构成不平衡电桥补偿冷端热电势实现，因此三种工业上常用的接触式测温元件都在实验里涉及到。通过这样一个综合性实验，学生对三种测温元件的测量电路，应用场合和温度特性都有了一定的感性认识。

流量和液位也是流程工业中经常遇到的两个检测量。流量计的选择一方面取决于对量程和测量精度的要求，另一方面还受到流体对象本身物理特性及化学特性的限制。流体是透明的，还是混浊的，是导电的还是非导电的;是单相流还是混相流;流体的雷诺系数是多少等等，这些参数都对流量计的选择有很大影响。在实验内容方面，可以把流式差压流量计、电磁流量计、孔板流量计、转子流量计和涡轮流量计等几种常见流量计的使用和安装制作成动画，进行演示性实验。

液位检测经常采用间接测量的方法，比如压力式液位计、浮力式液位计和电阻式液位计等。在实验教学内容方面可以安排一个如图1所示的单回路的液位检测和控制实验，让学生完成水箱的水位测量和定值控制功能。学生通过串口通讯或现场总线接口实现与上位机之间的数据通讯，对计算机测控系统会有一个初步概念。图2为流量和液位实验计算机系统上位机显示的监控界面。

图1 水箱水位检测与控制实验原理图

图2 水箱水位计算机监控界面

3 结语

与以前的“检测技术”实验相比，本文介绍的新的实验教学设计更加强调综合性实验内容和实验的开放性。实验运行后，学生反馈对传感器和检测技术的认识比较具体了，在传感器选择、前端信号处理和传感器数据采集处理方面得到了全面的训练。

“检测技术”属于应用性较强的课程，对于应用型大学，实验安排可以根据专业特色，强调比较具体的、联系工程实际应用的检测系统实例教育，合理分配验证性实验、综合性实验和设计型实验的比重，使学生初步掌握从测量方案设计、到传感器选择、再到测量方案实现这一完整的检测系统设计过程。并对计算机信号采集、计算机数据处理和显示技术有一定程度的理解。

[1]周杏鹏，检测技术课程教材建设与教改实践[J]，南京:电气电子教学学报，27(3)，2005，p68-70

[2]徐科军，“传感器与检测技术”课程建设探讨[J]，南京:电气电子教学学报，31(3)，2009，p23-24

[3]E F Crawley，查建中，J.Malmqvist，I R.Brodeur.工程教育的环境[J].武汉:高等工程教育研究，2008，No.4，p13-21

[4]周杏鹏，孙永荣，仇国富，传感器与检测技术，北京:清华大学出版社，2010