机械工程硕士生数据采集与处理课程教学研究与实践

于复生 沈孝芹 张 涵

（山东建筑大学机电工程学院 山东济南 250101）

数据采集与处理不仅是人们科学认识世界、生产检测与智能控制的必要手段，也是科学研究的必要技能。一般认为，数据采集是信息科学的一个分支，是以传感器、信号的测量与处理、计算机硬件、软件等先进技术为基础而形成的一门综合应用技术，具有很强的实用性和科学性。研究生进行科研活动，对于数据的采集与处理是不可缺少的。因此，在研究生的学习阶段设置数据采集与处理课程具有重要的作用和意义[1]。

以数据采集与处理为书名的教材很多，有的偏重于数据的采集部分，一般包括模拟信号、数字信号、多路开关、放大器、采样保持器、ADC、DAC以及数据采集板等内容；有的偏重于数据分析部分，一般包括信号分析基础（时域、频域、卷积与相关）、模拟信号分析（调制、滤波器、估值）、数字信号分析DFT与FFT、数字滤波等内容。前者偏硬件，后者偏软件，都从某一方面给出了很好的参考[2-4]。

但是，我国高校本科生的机械工程专业授课内容中普遍电路内容学习较少，对于传感器、硬件等缺少实践，因此在学习该课程时，常常感到力不从心，需要自己补充的内容偏多，难以实践。本文针对机械工程专业特点，以增强实践性为目的，对数据采集与处理课程从教学内容、教学手段、教学考核等方面进行了有益的探索与改革。

一、针对学情，合理安排教学内容

目前，基本上各高校的机械工程专业又分为了多个方向或模块教学，这些模块多冠以机械制造及其自动化、机械设计及理论、工业机器人、智能制造、机械电子工程、模具设计等名称，一般精选了原上述专业的部分专业课为主要课程，辅以诸多的专业选修课。其基础课一般包括机械基础与电基础，而电基础多以电工学为主，最多还保留微机原理与应用、机械控制基础、机械测试技术等课，专业课一般设置PLC与电气控制等，由于学时制约，很难再设置其他课程。因此，对于数据采集与处理前端的信号来源，一般没有概念，毕竟在上述的课程中传感器内容涉及得很少。因此，对于机械工程专业硕士生的数据采集与处理课程的教学内容需要适当调整。

本文所做的探索将教学内容扩展为三部分：传感器原理与应用、信号处理、数字信号分析三部分。这三部分各占三分之一学时，以应用为主，从实践出发，丰富教学内容。在传感器部分，主要介绍常用的电阻式、电感式、电容式、压电式、磁电式、热电偶式、光电式、霍尔式原理的传感器，以及按关系能划分的温度、湿度、位移、加速度、振动等功能传感器，以及最新的一些MEMS和数字传感器等，目标是通过传感器原理与应用的学习，使同学们面对测量任务能够科学地选用传感器；在电信号处理部分，主要介绍模拟信号的数字化处理、多路开关、放大器、采样保持器、ADC、DAC、电信号采集的防干扰措施、数据采集模块与数据采集板等内容，目标是通过该部分的学习，让同学们针对来自传感器的电信号能够选用适当的测控核心，对电信号进行准确的获取；在数字信号分析部分，主要介绍利用LabView编写界面、信号分析基础（时域、频域、卷积与相关）、模拟信号分析（调制、滤波器、估值）、数字信号分析DFT与FFT、数字滤波、应用MATLAB进行数据处理等内容，目标是通过这些内容的学习，使同学们能够应用成熟的软件进行数据处理，以挖掘数据后面的深层次信息。这三部分内容环环相扣，基本上贯穿了对一个真实物理量的测量与处理的全过程，对学生全面掌握数据采集与处理打下了坚实的基础。

二、根据需要，科学选编案例项目

学以致用，在应用中学习既有利于及时将所学知识转化为技能，也有利于针对具体问题进行深层次研究。实践表明，案例学习是深化实践的一条好路径。为此，课程授课老师们结合多年的应用研究成果，面向教学内容的需要，提炼了50个数据采集与处理的教学案例库。分别涉及传感器的选择、信号处理系统的设计以及数字信号处理与反馈控制等内容，力求全面覆盖教学内容。

这些案例以测量、通信与数字处理等为侧重点，涉及了机械工程的多个方面，比如大坝坝体数据的光线遥测系统；不规则物体的面积测量与优化排料；电梯直梯的GAP、Misline、Bent、BGD等参数的测量；重载汽车行车信息的测量；鸡瘟的监测；奶牛的体温、心率以及活动量的实时检测；PM2.5和PM10的城域检测；立体车库的故障诊断；基于激光干涉的滚珠丝杠误差检测；实时心电监护；睡眠呼吸暂停检测仪；血液检测仪；尿液检测仪；大便检测仪；自动硬币分拣系统；高精度地磅；基于单片机的超声波视觉识别系统；基于图像的车牌号识别；土壤湿度实时检测；大棚温度及二氧化碳浓度检测系统；三相电网功率因数测量；通水管道的漏点检测；基于线阵CCD的旋切厚度在线测量系统；激光衍射细丝测径系统；激光二极管的管芯点数；平板焊管的焊缝缺陷检测；建筑夹心板表面平整度测量；医用玻璃片表面涂胶厚度的检测；物体表面自动颜色拾取分析仪；高精度机械振动测频仪；溶解氧测定仪；塑胶手套在线气密性检测；铅酸蓄电池的壳体气密性检测；LCR测试仪；数字相位测试仪；气体流量测量计；可见分光光度计；相关流量计；智能路面回弹检测仪；CCD动态线径测量仪；CCD热轧圆钢直径检测仪；远程抄表系统设计；脉搏心率测定仪；蔬菜灌溉相关参数检测仪；室内甲醛浓度检测仪；GSP定位仪；塔机倾斜监测仪；塔机黑匣子；线路板自动检查仪；柴油机缸体密封环尺寸检测；多触点绝缘电阻测试系统等。

这些案例库有简单有复杂，都与教学内容相关，同学们在学习中可以深入研究，也可搭进行重复试验，为此研发了部分通用测控系统板卡，为这些案例的复现提供了方便。

三、面向应用，考核注重能力培养

研究生的考核一般分为试题考核与撰写科研论文。为了进一步促使同学们将所学知识付诸应用，本课程的考核采用了针对研究生课题需要的方案设计与可行性分析论文。据统计，一般在上课同学中至少有一半数量的同学的科研课题涉及到了数据采集与处理相关的内容，让这些同学以其课题内容的应用为背景，进行数据采集与处理系统的研究与开发，充分调动了同学们的积极性，指导老师也愿意拿出科研经费来进行支持，较容易取得理想的效果。

这种考核，虽以论文的方式来呈交考核材料，但在课外往往需要同学们花大量的时间掌握自己的课题研究内容；掌握数据采集与处理的对象，并进行相关文献的广泛阅读，以便借鉴前人的经验。然后，由同学编写PPT，将研究内容、研究目标、技术路线、可行性分析、预期成果等进行汇报，由任课老师组织全体同学进行分析与答辩，以进一步完善方案。在此基础上，同学们还需要购买相关的传感器，搭建数据采集系统，必要时要制作PCB板，实现测量对象数据的准确获取，并应用成熟的计算机软件进行分析。然后在此基础上，撰写本课程的结业论文，这种基于实践的课程结业论文，也往往能够被专业期刊发表。这种考核，在一定程度上也可以相当于使同学们早日进入自己的硕士课题研究。对于课题研究中没有需要数据采集与处理任务的，课程任课老师会找一些工程中的难题带领同学们进行研究。

四、结束语

根据学情及课程总学时，将数据采集与处理教学内容拓宽到传感器、点信号分析和数字信号分析等内容，涵盖了一个真实的测量系统的全过程，对于同学们更全面地掌握数据采集与处理的相关知识和应用软件提供了帮助。教学案例库的设计，使同学们对于常用的一些测量有了成熟的参考，开拓了同学们的知识面和应用面，特别是部分案例通过更换传感器，或改变数据处理方式，就能很好地应用到新的测量对象中去，为同学们完成新的测量任务提供了仪器上的帮助。面向实践的考核，使同学们学的东西得到了用武之地，特别是针对课题研究需要的测控系统的设计，使同学们早日进行自己的课题研究，为拿出成果打基础。总之，通过对数据采集与处理课程的改革，在近三年中进行了有益的探讨和实践，并取得了理想的效果。