新型综合传感器实验室的建设研究

刘云侠，杨国诗，贾群

(淮南师范学院 电气信息工程学院，安徽 淮南 232038)

引言

传感器作为信息获取的工具，在自动检测及现代工业生产中的应用越来越广泛①何道清，张禾：《传感器和传感器技术》，北京：科学出版社，2008年。-⑤卜云峰：《检测技术》，北京：机械工业出版社，2005年。，这就使得高校传感器的理论及实验教学也越来越重要。同时，应用型、创新型与设计型人才培养的需求，对传感器课程的教学体系、教学方法及实验教学也都提出了越来越高的要求。因此，建设一种新型综合传感器实验室具有重要意义。

传统的传感器实验教学主要以 “传感器系统实验仪”作为实验平台，倾向于对基本理论的验证⑥刘君华，郝惠敏，林继鹏：《传感器技术及应用举例》，北京：电子工业出版社，2008年。-⑧刘俊杰：《检测技术与仪表》，武汉：武汉理工大学出版社，2002年。。学生根据实验指导书按部就班的接线、操作以及分析数据，实验的定量结果比较粗燥，虽然能够验证基本理论的正确性，但是不能真正提高学生的实践动手能力。同时，实验仪器测量功能的单一性，不利于开发学生的思维。

针对传统传感器实验室教学所存在的缺陷，本文所研究的新型综合传感器实验室将理论教学和实践相结合，以计算机作为辅助的工具，通过实际演示能够直观形象的展示传感器的各种应用。

1 新型综合传感器实验室的建设

传感器实验教学一直被认为是课堂教学的辅助和补充，是从属于课堂教学的，因此其实验基本上是一些基础的验证型实验，实用价值不大。针对这个特点，本文研究的新型综合传感器实验室能够将理论和实践相结合，突出传感器的实际应用，同时能够激发学生的学习兴趣。

1.1 新型传感器实验室建设的目的

实验是将理论教学和实际应用有机结合的重要途径，能够调动学生的积极参与和表现意识，更好的为学生提供自我展示及提高的空间，锻炼学生多方位解决问题的能力。新型综合传感器实验室的建立不仅会对其理论的教学工作起到支撑作用，而且能够让学生更加深入的了解传感器，更好的理解其基本的工作原理，最重要的是能够让学生明白其具体应用，在实际中学会使用传感器。

1.2 新型传感器实验室的功能

(1)基础性能。传感器综合实验室能够对常用传感器的基本原理进行实践的验证，因此实验室的设备主要以实现认知实验和验证实验为基础。

认知实验和验证实验主要是对传感器理论的一个基本的实现。比如：利用差动变压器测位移，其基本原理是基于电磁感应原理，即被测位移的变化能够引起线圈互感的变化，通过一定的测量电路将其转换为电压进行输出，然后根据输出信号的大小来实现测量的。在实验过程中，连接好电路，就能够得到相应的输出数据，通过对数据进行分析就能够得到实际位移的大小。

(2)扩展实践性能。以计算机为辅助的工具，对传感器进行设计实验，以呈现传感器的各种应用。比如：利用传感器实际模拟车速、血压、心跳的测量等。在这些实际的应用中，单纯利用“传感器系统实验仪”是无法实现的，还必须应用计算机来辅助完成。这也是新型综合传感器实验室区别于传统传感器实验室的一个重要的特点。

另外，该综合传感器实验室具备完善的科研功能，能够对科学研究起到重要的作用。同时，该综合实验室中的设备不仅可以为学生的各种设计提供良好的实验设计条件，而且能够提高学生综合分析问题的能力，支撑传感器领域的各种工程项目的研究开发和设计。

1.3 新型传感器实验室的结构组成

在实际应用中，新型传感器实验室主要由传感器系统实验仪、计算机以及相应的传感器模块等部分组成，其结构组成如下图1所示：

在上图的结构中，传感器系统实验仪能够完成传感器教学的理论性的验证，结合计算机以及相应的传感器模块能够对传感器的实际应用进行模拟仿真。

1.4 新型传感器实验室建设的科学性

传感器课程是高校自动控制、仪表与测试技术类等专业的基础课程，该课程既强调对理论原理的掌握，也要求具有一定的工程设计实践的能力。但是在实际的学习中，往往偏重于传感器原理的讲解，对应于相关原理所开设的实验也仅仅只是验证型的，从而不利于激发学生的学习动力及提高学生的学习积极性。

图1 新型传感器实验台

为了加强学生对于实际传感器的感性认识，可以利用新型综合传感器实验室把理论应用到实践中，从而形成一种基础应用型、综合研究型以及开放创新型的传感器实验教学系统。在这个系统中，适当增加一些设计型或者趣味型的实验，鼓励学生思考并亲自动手去完成这些实验，从而提高传感器的应用以及解决实际问题的能力。

2 新型综合传感器实验室模型演示

为体现新型综合传感器实验室的实践功能，以传感器实际模拟车速的测量来验证其适用性能。

传感器采用压电式传感器，材料用高分子压电电缆，其基本的工作原理是压电效应，即当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上产生电荷。仿真演示结果通过计算机展示。

将两根高分子压电电缆A和B相距2米，平行埋设于柏油公路的路面下约5cm，且其两端引出两根引线接至相应的测量仪器上，结构原理图如图2所示：

图2 压电电缆测量测速结构原理图

通过图2可知：当汽车经过高分子压电电缆A和B时，车轮给电缆一个压力，这时候电缆内部会产生极化现象，同时在电缆的表面有电荷产生，通过引线至测量设备就会有一定的波形出现，幅值的大小与汽车的重量有关，汽车越重，波形的幅值越大；波形的间隔时间与轴距以及车速有关系，因此根据存储在计算机内部的档案数据，通过分析图形就能够知道汽车的准确的行驶速度，当然将计算车速与标准车速相比较，就能够判别该汽车是否超速行驶。

经过分析还可以发现，以计算机作为辅助分析的工具，对传感器的实验教学具有很大的意义，这样不仅能够将理论和实践相结合，而且能够将传感器的各种应用展现的更加直观形象。

3 结论

本文以计算机作为辅助分析的工具，研究了一种新型综合传感器实验室的建设方案。该方案不仅能够对传感器的理论进行验证，而且能够对传感器的一些实际应用进行仿真分析，多角度的展示传感器在生活、生产以及科学研究等方面的应用。通过对实际车速测量的仿真分析，验证了该传感器实验室建设的实用性。