以项目为载体构建传感器课程综合性实验的研究与实践

冯 艳，李玉龙，张 华

（南昌大学机电工程学院江西省机器人与焊接自动化重点实验室，江西南昌 330031）

以项目为载体构建传感器课程综合性实验的研究与实践

冯 艳，李玉龙，张 华

（南昌大学机电工程学院江西省机器人与焊接自动化重点实验室，江西南昌 330031）

以项目为载体，采用量化研究方法构建传感器课程综合性实验，提出“一个基础、两条分支”的实验教学方法，探讨“做中学”为理念的教学实践思路。教学实践表明，项目案例化的实验教学能够激发学生的学习兴趣和培养学生的工程实践思维。

实验教学；项目载体；传感器课程

课程改革强调学习方式的转变，构建设计性、研究性、开放的学习环节，可为学生提供获取知识的多种渠道以及将所学知识加以综合应用的机会。先进经验表明“做中学”的理念和方法适合于工科教育教学过程各个环节［1－3］。掌握传感器技术、能够合理应用传感器是信息社会中工程技术人员必备的基本技能。传感器技术这门课程具有学科交叉、覆盖面广、实践性强等特点，学生往往对课堂上的理论知识不能很好地理解。目前，传感器课程教学安排中的实验大多是以成套的实验台为实施平台，实验项目程序化，实验课时短，很多学生还没来得及掌握操作实验仪器的技能，就草草地结束了实验，实验效果大打折扣。将科研项目中的研究内容结合到教学中，构建设计性、创新性的综合实验，学生不仅可以把理论知识应用于实践，获得某种成就感，而且可以培养他们解决问题的能力以及与人协作的团队合作精神等，对提高教学质量起到了良好的促进作用。

1 以项目为载体构建传感器课程综合性实验的研究方法

建立“一个基础、两条分支”的教学方法，以讲授传感器原理为基础、验证性实验和设计性实验为分支，把科研项目的研究内容作为案例引入传感器课程的课堂。设计性实验教学改革的思路为课堂中以科研项目的某一研究内容为载体，教师充分讲述所选用传感器的工作原理，学生根据所学知识点查阅相关资料、拟定实验方案，采用课堂分组讨论的形式，充分调动学生的积极性，引导他们自主学习。

本文以光纤Bragg光栅电子秤的实验为例进行探讨，采用“设计实验方案—搭建实验装置—测量—数据分析”的量化研究方法进行传感器课程综合实验的教学改革。该实验分为验证性实验和设计性实验两部分，要求学生综合光纤光栅传感器、材料力学和工程材料的基本知识，自己动手搭建实验装置并完成要求的功能。

2 实验设计

在学生完全理解光纤Bragg光栅（FBG）传感原理的基础上布置设计任务，将科研项目中涉及到的FBG传感器与传感器课程的电子秤实验结合起来，引导学生自主思考。设置实验小组，由学生在课后查阅资料，然后由小组代表在课堂上讲述拟定的实验方案，让学生对提出的实验方案进行分析和评价，教师对方案进行辅助讲解和改进。

2.1 理论基础

FBG传感器集信息传输与传感于一体，并且具有抗电磁干扰、抗腐蚀和优良的可埋入性等特性，便于实现分布式传感或多点传感器复用。FBG传感器具有波长编码和温度、应力同时敏感的特性，中心波长λB＝2neff＊Λ［4］，其中，neff为纤芯的有效折射率，Λ为栅格周期。当外界应变和温度载荷同时作用于FBG，中心波长的变化可表示为［5］：

式（1）中：应变灵敏度Kε＝1－pe，pe为有效弹光系数，ε为轴向伸缩应变；温度灵敏度KT＝α＋ξ，ξ为热光常数，α为线性热膨胀系数。采用纯熔融石英的线性热膨胀系数α＝5.5×10－6/℃，热光常数ξ＝6.3× 10－6/℃，pe＝0.216/ε，可得裸光纤光栅温度传感的灵敏度系数KT＝6.85.5×10－6/℃，Kε＝0.784/ε。可以看出，当光纤光栅的材料确定后，FBG完全可以作为电子秤的传感元件，并且有着良好的线性输出。但是，FBG传感器对温度和应变是交叉敏感的，当外界环境发生温度和应变同时变化时，单从波长的变化量中难以准确地获知单独某一个参量的变化。另一方面，FBG径细、易脆断，在实际应用前应进行适当的保护。由于保护层与FBG传感器的热膨胀系数、弹性模量等参数不同，会影响 FBG 温度和应变传感性能［6－10］。

该综合性实验要求学生运用不同镀层保护的FBG，设计出可以分离出温度变量的电子秤。

2.2 实验方案

常见电子秤的传感元件多是电阻应变片、电容传感器等，其温度补偿大多是采用电桥电路，需要增加额外的电子元器件，由此会带来可靠性和稳定性的问题［11－12］。由于FBG同时对应变和温度敏感，应用FBG作为电子称的传感元件，也会有温度补偿的问题，实验讨论的重点集中于如何设计出可以分离出温度变化干扰的精密电子秤。

设计一悬臂梁式的FBG电子秤结构，在梁的上、下表面对称处粘贴光纤材料相同、2支中心波长不相同的FBG组成传感系统，实现温度参数的分离，如图1所示。该电子秤的称重范围取决于悬臂梁的材料和结构尺寸。FBG1与FBG2的中心波长变化与应变和温度之间的关系为

图1 具有温度补偿功能的FBG电子称示意图

3 FBG电子秤综合性实验

采用长L为234mm，横截面宽b为49mm，高h为2mm，x为233.9mm，支撑高度H为120mm的悬臂梁结构。FBG1经化学镀Ni后再电镀Ni保护，初始中心波长λ01＝1 527.842，位于悬臂梁上表面，记为F1；FBG2经化学复合镀Ni－ZrO2保护，初始中心波长λ02＝1 549.689，位于悬臂梁下表面，记为F2。采用烙铁钎焊法将2支FBG传感器分别与悬臂梁的上下表面紧密连接，如图2所示。F1，F2分别接入光纤光栅解调仪的2个通道。

图2 FBG电子称实物图

3.1 FBG电子称的温度性能标定实验

采用水浴法对FBG电子称进行温度传感性能实验，如图3所示。温度从室温30℃开始加热，温度间隔为10℃，一直加热到90℃，每个温度值保持10 min，取平均波长值，实验结果如图4所示。

图3 FBG电子称温度传感性能实验示意图

图4 FBG电子称温度传感性能

3.2 恒温环境下FBG电子称的应变性能标定实验

在恒温25℃环境下，采用10g～130g砝码作为外力作用在悬臂梁的自由端，每个外力值保持5min，取平均波长值，实验结果如图5所示。

图5 FBG电子称恒温下应力传感性能

3.3 非均匀温度场下FBG电子秤的应力性能实验

将实验装置放入敞开式恒温水箱中，水位高度不超过下表面的光纤光栅，初始温度为20℃，加热到70℃，模拟非均匀温度环境进行实验。采用10g～130g砝码作为外力作用在悬臂梁的自由端，如图6所示。在非均匀温度环境下，FBG电子秤呈现出明显的非线性，实验结果如图7所示。

图6 非均匀温度环境下FBG电子称应力传感性能实验示意图

图7 非均匀温度环境下的FBG电子称应力传感性能

3.4 实验结果分析

由实验结果可得到该FBG电子秤的温度灵敏系数和恒温下的应变灵敏系数，如表1所示。实验结果表明，电镀Ni保护的FBG在温度灵敏性和应变灵敏性方面，都优于化学复合镀Ni－ZrO2保护的FBG。应用式（2）将温度变量分离出来，得到各外力作用时的温度变化情况，如图8所示。

表1 FBG电子秤的温度和应变灵敏度

图8 非均匀温度环境下FBG电子称的温度变量分离

4 结束语

该综合性实验采用量化研究方法，验证了不同镀层对FBG传感器的温度特性和应力特性的影响，并设计分析了FBG电子秤对温度、应力交叉敏感的参数分离方法。实验的过程就是思路与做法的结合过程，使学生充分体验到学以致用的快乐。将具体的科研项目引入到课程教学中，把实验理论分析、实验方案设计、实验数据测量和分析都以任务的形式布置给学生，学生表现出很高的积极性和学习、探索热情。

（References）

［1］王刚.CDIO工程教育模式的解读与思考［J］.中国高教研究，2009（9）：86－87.

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［5］李川，张以馍，赵永贵，等.光纤光栅：原理、技术与传感应用［M］.北京：科学出版社，2005.

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［11］王会贤，庞全.采用单臂电桥实现高精度温度检测的软件补偿技术［J］.仪表技术与传感器，2000（10）：28－30.

［12］樊尚春.传感器技术及其应用［M］.北京：北京航空大学出版社，2010.

Research and practice on constructing comprehensive experiments of Sensor course by projects

Feng Yan，Li Yulong，Zhang Hua
（Key Lab for Robot ＆Welding Automation of Jiangxi Province，School of Mechatronic Engineering，Nanchang University，Nanchang 330031，China）

By the project carrier，the comprehensive experiment of Sensor course is constructed by using the method of the quantitative research.An experimental teaching method，i.e.，“One Foundation and Two Branches，”is proposed and the teaching practice on the concept of“Learning Through Doing”is explored.The practice shows that the experimental teaching method of taking the project as a carrier can stimulate students’learning interests and bring up their engineering thinking.

experimental teaching；project carrier；Sensor course

TP212；G642.423

A

1002－4956（2014）1－0187－04

2013－06－03 修改日期：2013－09－12

高等学校博士点新教师基金项目（NO.20103601120005）；江西省教学改革研究项目（JXJG－12－1－30，JXJG－12－1－12，JXYJG－2013－011）；南昌大学教学改革研究重点项目

冯艳（1976—），女，江西南昌，博士，讲师，研究方向为传感测试技术和光纤光栅智能结构.

E－mail：confirmfyan＠163.com

实验课程改革