基于优秀科研成果构建综合性实验教学平台探索与实践

杨继森，张 静，江中伟，李宏伟

（重庆理工大学 重庆市时栅传感及先进检测技术重点实验室，重庆 400054）

普通高校应届毕业生工程实践能力缺乏［1－4］已经成为一个共性问题，不仅影响学生的就业，而且工程技术人才的缺乏，将影响国家走新型工业化发展道路，也容易引起其他的社会问题［5－7］。课程设计是高等学校本科教育实践教学环节的重要组成部分，是强化学生工程实践能力，进一步推进教育部“卓越工程师教育培养计划”的重要环节［8－9］。课程设计可以从多个方面提高学生的工程实践和综合应用能力［10－11］：一是提高学生理论应用能力，对所学课程从全局角度进行概括、总结，实现对课程的归纳、提高和升华，通过实现质的飞跃；二是提高学生的工程实践动手能力，强化实践应用，训练对理论知识的实际运用，培养工程设计理念和解决实际问题的本领；三是提高学生综合素质，培养学生获取信息、查阅资料的能力，以及严谨治学、一丝不苟、百折不挠的科学精神和团队协作精神。

1 现状分析

测控技术与仪器作为重庆理工大学电子信息与自动化学院的一个品牌学科，是机械、电子、计算机等多学科互相渗透而形成的一门高新技术密集型综合学科，其专业主干课程包含了“电子技术”、“测控电路及装置”、“精密机械设计”、“电子测量技术”、“嵌入式系统设计及应用”、“EDA技术”、“传感器技术”、“计量技术”、“精密测量技术”、“仪器精度设计”、“误差理论与数据处理”、“信号与系统”、“智能仪器设计”等，这些课程中大部分都开设了相应的课程设计。但是根据学生参加全国大学生电子设计竞赛、“挑战杯”大学生系列科技学术竞赛、创新实践训练的情况以及平时的交流反馈可以看出，课程设计虽然“数量”达到了一定的要求，但是还普遍存在以下几个比较明显的问题：

（1）课程设计内容缺乏工程实践性，较多的课程设计对象往往都是根据教学内容虚拟的，学生缺乏感性认识，体会不深，一提课程设计，学生感觉都是仿真。

（2）课程设计内容不成体系，没有延续性，学生几乎是学一门忘一门，经过4年的学习还不能对自己所学的专业建立一个系统的概念。

（3）研究性不强，实用性不足，学生不能从课程设计体会到该课程知识的具体应用，使学生有种“雾里看花”的感觉。

（4）课程设计内容单一，大部分仅仅局限于本课程的知识点，不能较好地体现目前科学技术发展的多学科交叉趋势。

“时栅传感技术”作为一项原创的科学技术发明，经过近20年的发展，获得国家自然科学基金重大项目、国家“863”项目、国家重大仪器专项等众多国家科研项目的支持［12－13］。研究成果“时空坐标转换方法与时栅位移传感器研究”获得2005年“重庆市技术发明一等奖”、2007年“中国专利金奖”，“基于测量基准时空转换技术的时栅位移传感器”获得2010年“国家技术发明二等奖”，并与国内精密量仪行业的龙头企业——哈尔滨量具刃具集团公司合作组建公司专门开发生产时栅系列化产品。

“时栅传感技术”融合了机械、电子、计算机等先进技术的典型现代传感技术，包含了大部分测控技术与仪器专业的主干课程的相关理论知识，非常适合作为测控技术与仪器专业的课程设计教学平台。该平台不仅可以包含“嵌入式系统设计及应用”、“EDA技术”、“智能仪器设计”等实践性较强的课程，还可以包含“误差理论与数据处理”、“信号与系统”、“精密测量技术”等理论性较强的课程，而且可以将大部分主干课程的课程设计统一到一个完整的科研型教学平台，所有课程设计的完成流程就是一个完整的时栅传感技术的信号处理流程。课程设计的内容将更加具体，所有的设计对象都“看得见、摸得着”，整个过程就是一个简化的时栅位移传感器样机的研制过程，更具有工程实践性。课程设计围绕一个综合性实验平台，更加成体系，更具有延续性，也体现了学科知识的交叉性。整个平台来源于多年的科研项目，课程设计的内容具有一定的研究性质，可以让学生亲身体会到课程理论知识的具体应用，提高学生的学习积极性、主动性与学习热情，切实提高教学质量。

2 时栅传感技术

“时栅传感技术”源于重庆理工大学彭东林教授提出的“以时间量间接测量空间量”的学术思想［7］，根据此思想，研制了用于精密位移测量的时栅位移传感器。时栅位移传感器利用类似于交流电机中的以速度V匀速运动的旋转磁场作为基准，定测头Ps固定不动，而动测头Pd将跟随被测物转动。当旋转磁场匀速地扫描过定测头Ps和动测头Pd时，根据电磁感应定律，定测头与动测头将分别感应出电信号Ss和Sd，由于旋转磁场的匀速特性，定测头与动测头之间的空间位移差θ可以通过测量定、动测头感应出的感应信号Ss和Sd之间的相位时间差Δt获得 （θ＝V×Δt），而2信号之间的相位时间差可以通过高频、高精度的时钟插补技术精确求得，其原理如图1所示。

图1 时栅技术原理

基于“时栅传感技术”的时栅角传感器是一个高精度的角位移测量产品，精度高达0.8″。经过多年的设计开发，目前该产品已经高度集成化。为了建立围绕时栅传感技术的课程设计教学平台，根据时栅传感技术的信号处理流程对时栅传感技术进行功能模块的分解，可以分为7个基本模块，其结构如图2所示。

图2 时栅传感技术处理模型

3 围绕“时栅传感技术”的课程设计综合型实验教学平台设计

基于图2所示的时栅传感技术功能模块模型，根据时栅传感技术的信号处理流程，设计了“一条主线、七个基础、一个综合”的综合型课程设计实验教学平台。“一条主线”主要指以时栅传感技术的信号处理流程为教学平台的设计主线，“七个基础”是指根据时栅传感技术的7个功能模块开展的7个基础性课程设计项目，“一个综合”是指综合整个时栅传感技术而开展的综合性课程设计项目。平台结构如图3所示。

图3 基于时栅传感技术课程设计平台示意图

从整个教学平台的示意图可以看出7个功能模块对应7个基础性课程设计项目，这7个课程设计涵盖了本专业的大部分主干课程的知识点，另外一个综合性的课程设计不再局限于功能模块的范畴，而是统观时栅传感技术的全局。另外也可以看出，各个课程设计不同于以往内容单一的课程设计，每一个课程设计项目都是以一门课程知识点为主，涉及多门课程知识点的“综合性”课程设计，每个课程设计项目前后相互连贯、相互延续，具有更强的针对性与实用性。

3.1 时栅传感器三相激励信号设计

该课程设计项目是以“EDA技术”课程主体，融合了“电子技术”、“测控电路及装置”等课程的知识点，主要内容是时栅传感器的高精度三相激励信号设计。三相激励信号相互正交，互差120°的相位角。该模块主要是利用EDA技术中的经典用法——直接数字合成器（DDS）技术设计出三相数字正弦信号。三相信号经过后级的D／A模块与功率放大模块输出标准的三相激励信号A、B、C。为保证三相激励信号的严格正交性，采用数字闭环控制技术，将输出的三相激励信号经过处理后反馈到DDS单元，构成具有自动调整功能的高精度三相激励信号单元，结构原理见图4。

图4 三相激励信号

3.2 时栅传感器结构设计

时栅传感器的结构设计的主要任务是时栅传感器的定子、转子以及动、定线圈设计，根据电磁感应定律，定子线圈、转子线圈分别感应出信号Ss、Sd，结构原理如图5所示。该模块课程设计项目内容以“精密机械设计”课程为主体，涉及了“仪器结构设计”、“大学物理”等课程。

图5 传感器结构设计

3.3 时栅传感器前端信号调理模块设计

该模块课程设计项目以“电子技术”、“精密测量技术”为主体，主要实现对时栅传感器的定子及转子线圈感应信号Ss、Sd进行放大、滤波、整形处理，将感应出的正弦信号处理成方波信号，以便进行数字化处理，处理过程如图6所示。

图6 前端信号调理

3.4 时栅传感器时钟插补模块设计

该模块课程设计项目主要以“EDA技术”为主体，利用EDA，采用精度时钟插补技术实现时栅传感器动、定测头信号的数字相位测量，原理如图7所示。

图7 基于FPGA的数字化比相

3.5 时栅传感器数据分析与误差处理

传感器数据分析与误差处理模块课程设计以“误差理论与数据处理”为主体，涉及了“DSP技术”、“信号与系统”等课程，主要是在嵌入式处理器DSP中，实现谐波误差分析与拟合算法，实现传感器的误差分析与处理，原理如图8所示。

图8 基于DSP的数据分析与误差处理

3.6 时栅传感器接口转换模块设计

接口转换模块课程设计项目以“嵌入式系统设计及应用”、“信号与系统”课程为主体，主要是利用嵌入式ARM处理器平台，采用预测算法将传感器的测量数据转换成增量信号、SSI、ENDAT等多种形式输出，以满足工业现场的各种需求，原理如图9所示。

图9 基于ARM的接口转换

3.7 时栅传感器数显装置模块设计

数显装置模块课程设计项目以“嵌入式系统设计及应用”课程为主体，实现时栅传感器控制电气箱的按键输入、数据显示等功能，原理如图10所示。

图10 基于ARM的数显装置

3.8 误差处理与智能化设计

该模块作为综合性的课程设计项目，知识点众多，涉及了多门课程，包括“智能仪器设计”、“误差理论与数据处理”、“精密仪器设计”等。每门课程都几乎涵盖了多个方面，单一的模块设计并不能让学生真正体验到课程知识的真正内涵。进入综合性课程设计模块时，已经完成前面的7组基本型课程设计模块，时栅传感器基本成型。此时，在综合课程设计时，可以站在整个仪器设计的高度来考虑仪器的误差处理与智能化设计问题。从一台仪器设备的结构设计、电路设计、信号处理、数据分析等部分进行综合性的考虑，才能达到真正有所了解。在该模块的课程设计之中，可以从仪器的结构设计开始，对前面所做的课程设计内容进行逐项分析，分析其设计精度对传感器的测量误差的影响以及如何进行误差分离，并对误差处理进行有效的分析与处理，达到对误差进行修正与补偿。可以在前端信号调理模块、数据分析与处理、接口转换等实现自调零、自校准、自诊断功能，使学生从技术方案的细节切实体会仪器智能化的真正精髓。

4 综合性实验教学平台的实施

本次教学改革将科研成果“时栅传感技术”引入到本科实践教学体系，由于涉及的课程众多，难度较大。根据理论与实践相结合的指导思路，实行以点到线，再由线到面，逐步推进的开展方式。实施方案见图11。

图11 实施方案步骤

以本专业创新实验室的部分学生作为“点”，先在这部分“点”中开展，利用学生的课余时间，按模块完成7个基础性的课程设计模块与一个综合性课程设计模块。再根据学生的反馈情况，进一步对模块划分、课程设计内容以及考核方式等进行优化，完成初步的教学改革方案。再由“点”到“线”，在本专业的普通学生中进行推广，进行专业试点。再根据反馈情况，对各方面的内容进行修订与完善，形成完整的改革方案。最后以“线”到“面”，在本专业实践教学体系中开展。

在全面开展的过程中，可以在相关理论课堂的绪论部分明确提出该课程的课程设计任务，利用传感器实物和视频资料进行功能分析，并对设计任务合理地进行分解，让学生带着具体的任务进行本课程的学习。学生可以在整个学习的过程中学习、构思整个课程设计的方案，课余时间也可以和相关指导教师进行方案和技术讨论。

5 结束语

以科研成果反哺教学是科学研究的一项本质工作。根据我校的实际情况，将“时栅传感技术”全面引入到我校测试计量技术及仪器本科专业的实践教学体系，构建综合性实验教学平台，以培养学生创新实践能力为目标，不断拓宽实践教学内容，构建研究型实验教学模式，促进科研成果向教学成果的二次转化。

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