传感器原理及应用课程项目教学与实践

韩素立 郑勇 邵晶 张峰 李佳鑫 高铭泽 古芯源 吕艳伟

摘  要：传感器为构建智能化系统的重要组成部分，被应用于多个领域，具体包括环境监测、医疗诊断、航空航天、智能楼宇和家用电器等。以学生工作所需理论知识和实践经验为出发点，对传感器原理及应用这门学科实施项目教学，结合化工园区绿色安全发展的趋势，具体以油气管道的自动化巡检为例，紧跟最新的技术发展和技术应用。在项目教学的实践过程当中，使学生根据项目要求收集相关信息，设计解决方案;再针对学生拟解决问题的技术路线进行知识教授并对项目实施加以引导，突出理论可行性和实践操作性。学生对该学科有进一步的认识与理解。在掌握理论知识的前提下，培养学生的创新意识，提高学生科学素养，着重培养应用型人才所需的技能。项目教学法的实施不仅使学生对学科有系统的认识，强化关键知识点的学习，同时也提高学生的动手能力和创新能力。

关键词：传感器原理及应用;自动化巡检;探测距离补偿;案例设计

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2022）19-0085-04

Abstract： As an important part of building intelligent system， sensor application technology is widely used in various fields of production and life， including environmental monitoring， medical diagnosis， aerospace， intelligent buildings and household appliances. Based on the theoretical knowledge and practical experience required by students' work， the project teaching of Sensor Principle and Application is implemented. Combined with the development trend of green safety in chemical industry park， the automatic inspection of oil and gas pipeline is taken as an example to keep up with the latest technology development and application. In the practice of project teaching， students can collect relevant information and design solutions according to the requirements of the project; Then， according to the students' technical route to solve the problem， the knowledge is taught and the project implementation is guided， highlighting the theoretical feasibility and practical operability. Students have a further understanding of the subject. On the premise of mastering the theoretical knowledge， it cultivates the students' innovative consciousness， improves the students' scientific literacy， and focuses on the skills required by the applied talents. The implementation of project teaching method not only makes students have a systematic understanding of the subject， but also strengthens the learning of key knowledge points; At the same time， it also improves the students' practical ability and innovation ability.

Keywords： Sensor Principle and Application; automated inspection; compensation of detection distance; case design

傳感器原理及应用作为测控专业的核心课程，介绍了工程检测中的各类传感器的原理及特性。其教学目的是使学生掌握通用的物性型传感器和结构型传感器的结构、原理、应用及发展方向，并能在工作中根据检测要求选用最优传感器;对现代检测技术有全新、系统的认识。然而，在教学过程中，只通过PPT或者课堂板书机械式地讲述复杂的传感器原理的教学方式过于单一，难以提高学生们的学习兴趣;并且单纯依靠课本难以完全掌握常用传感器的实验研究方法和实际使用方法，拘泥于理论知识，为解决以上的问题，在传感器原理与应用课程教学过程中采用了项目教学的方法。本次项目教学的实施以带有伸缩臂探测距离补偿的有毒有害气体巡检平台展开，涉及传感器的选用、信号的接收与处理和机械臂设计、控制等问题。以项目为主线，通过指导老师一定的引导，让学生在了解带有伸缩臂探测距离补偿的有毒有害气体巡检平台项目的过程中，自行收集信息，结合课本所学理论知识设计方案，验证可行性，了解、掌握巡检平台项目的每一传感器的原理、特性及实际应用，对完整测控系统有全面的认识理解，真正将理论与实践结合，以进一步培养学生的创新意识和科学素养，培养学生应用能力，提高工程项目实践能力。58038D85-A91E-40F4-B6AD-82B89D68F5EF

一、案例设计

基于项目的学习是一种强调主动探究和创新实践的教学模式，目的是使得学生在思考探索和实践中掌握知识、培养技能并获得全面发展[1-2]。本次教学实践依托传感器原理及应用课程所授知识及课外拓展，通过对带有伸缩臂探测距离补偿的有毒有害气体巡检平台的设计、加工、安装和调试，使学生们在实践中掌握传感器的原理及应用和初步了解现代检测技术，锻炼和提高学生获取知识的能力强化实际操作训练，加强对理论知识的掌握。在巩固知识技能的同时激发创新思维，培养学生理论知识的应用能力。进一步提高学生解决工程、生产及科研中遇到的各种问题的能力，把理论教学与实践教学有机地集合起来，使学生的创造潜能得到充分激发，锻炼学生对工程项目中实际问题的分析和处理能力，培养学生的团队精神和合作能力等。

（一）机械部分教学设计

测控专业注重培养具备专业精密仪器设计制造以及测量基础知识与应用能力[3]，学生了解掌握机械结构系统对带有伸缩臂探测距离补偿的有毒有害气体巡检平台项目的顺利进行是十分重要的，故特设了机械部分的教学，如图1所示。机械设计的内容为实现距离补偿功能的伸缩臂，学生由伸缩臂的功能出发，规划伸缩臂关节空间的运动范围，计算分析以验证设计方案的可行性，最终将伸缩臂设计为三自由度机械臂。根据负载大小，选择最佳减速比行星减速机和57步进电机组成机械臂的驱动系统，保证转动时扭矩足够，通过联轴器、连杆为机械臂转动传递动力。机械臂顶端的传感器支架通过三个连杆与机械臂支架相连，实现机械臂运动过程中始终保持水平。在机械臂顶端加装传感器，通过机械臂的探测距离补偿，可使平台完成在复杂地形下对管道情况的实时监测。提高了精准度及修正了行进路线导致测量位置偏移的问题，提高有毒气体检测的可靠性，同时实现对吊装异形管道的巡检处理，这对于提高特殊检测平台技术水平具有重要意义。在教学中应着重讲解根据伸缩臂实现的距离补偿功能合理设计机械臂，传感器支架通过三个连杆与机械臂支架连接，实现了传感器支架在机械臂运动过程中始终保持水平，巧妙地避免了通过单片机控制传感器支架保持水平，提高了可靠性。

（二）传感器部分教学设计

应用传感器技术可以快速、准确获得信息。在实际工作与运行的过程中，在传感器选用时需综合考量，不仅需要学生对传感器的原理、功能有准确的理解和把握，还要考虑减轻或避免检测环境对传感器的干扰，以及检测精度和经济性等综合因素。使学生对传感器的学习会从课本走向实际生产过程，會有全新全面的认识理解。此带有伸缩臂探测距离补偿的有毒有害气体巡检平台项目中设置了三个传感器模块。

（1）管道位置检测模块。学生选取的线阵CCD相机模块通过128个像素点全采集，无死角采集管道位置信息;120°镜头成像与畸变平衡，保证准确性;且具有自体积小、重量轻、系统噪声低、可靠性高等一系列优点，可以快速、准确地实现对管道灰度信息的采集。

（2）距离检测模块。根据对管道距离测量的要求，学生选取的红外测距传感器由PSD和IRED以及信号处理电路三部分组成。采用了三角测量方法，被测物体的材质、环境温度以及测量时间都不会影响测量精度。传感器的输出电压值对应探测的距离，通过测量电压值就可以得到对管道的探测距离。可以满足平台对管道距离检测的要求。

（3）气体检测模块。选取的MQ-4气体检测模块，适宜于液化气、苯、烷、酒精、氢气、烟雾等的探测，对天然气、液化石油气等烟雾有很高的灵敏度，尤其对烷类烟雾更为敏感，具备良好的抗干扰性，可准确排除有刺激性非可燃性烟雾的干扰信息，实现对有毒有害气体的准确检测[4]。

传感器部分是教学部分的核心内容，在教学过程中应着重于此部分的教学，使学生明确各个传感器部分的作用与工作原理，引导学生根据需求选择满足功能的传感器，再根据经济性、检测条件的因素综合考虑选择最优传感器，还可在教学中让学生思考是否可运用已学知识改进各模块的设计，更好地将书本上的知识与实践相结合。

（三）控制部分教学设计

由于近现代工业水平的提高，检测条件和被检测对象愈加庞杂，对检测精度和速度的追求更加精益求精，而采用人工对被测对象进行检测及处理结果的技术方式不仅耗时耗力，速度、精确度也不能满足检测要求。这就促使从事计量测试和仪器仪表研究的科学工作者们不断地探索新的测试理论、方法、设备，从而推动自动测控科学不断地向新的领域发展[5]。为使学生对自动测控系统中传感器的信号采集、控制器数据分析及执行机构的控制有更深层次的理解，对测控系统有整体把握，故设计此部分教学，控制流程如图2所示。带有伸缩臂探测距离补偿的有毒有害气体巡检平台项目的整个运动控制系统由STM32主控板、线阵CCD相机模块、红外测距传感器模块、步进电机驱动模块、步进电机及光电编码器构成。线阵CCD相机和红外测距传感器为运动控制系统的信息采集传感器，负责采集管道位置数据并将数据处理后发送至单片机。STM32主控板为运动控制系统的控制器，负责对传感器采集的数据进行分析，并对步进电机进行控制以实现控制机械臂的运动。根据线阵CCD相机模块获取待测管道的灰度信息，STM32主控通过AD转换后得到的路面灰度值判断预定轨迹黑线的位置与由光电编码器记录位置获得偏差值;同时，由红外测距传感器模块测得对待测管道的距离，与程序内预设定距离产生偏差值。根据偏差值，通过PID算法对步进电机输入不同占空比的PWM波控制步进电机转动，交替实现调整机械臂顶端竖直方向的位置和调整机械臂顶端水平方向的位置对管道循迹和对管道距离保持一定。通过对机械臂运动控制的教学设计，培养学生根据具体目标设计控制部分从而实现具体功能的能力，使学生对测控系统的组成部分有充分的认识理解，真正具有分析、处理和解决工业活动中问题的本领。

二、案例分析

传感器原理及应用为测控技术与仪器专业本科生的一门重要的专业核心课程，所授知识对学生未来工作或科研都具有重要作用。本案例可以用于该学科的教学，使学生掌握工业活动中常见的传感器原理及应用，并能在工作中根据检测要求选用最优传感器;对现代检测技术有全新、系统的认识。使用本案例向学生对以下方面进行说明：58038D85-A91E-40F4-B6AD-82B89D68F5EF

（1）传感器是信息获取的首要环节。在传感器选用时需综合考量，首先需要学生对课本上介绍的传感器的原理、功能有准确的理解和把握，再根据检测需求选择满足功能的传感器，还要考虑检测环境，检测精度和经济性等综合因素。

（2）测控专业学生需要具备专业精密仪器设计能力以及测量基础知识与应用能力，了解掌握机械结构系统对测控系统的组建是十分重要的。测控系统机械结构的设计需要集思考、绘图、计算于一体，设计出满足要求的方案，绘制图纸并验证方案可行性。还需要满足可靠性、实用性以及经济性等方面的要求。

（3）测控系统中的控制部分尤为重要，是信号处理信号分析的关键部分，也是对执行机构发出指令的“大脑”。对控制程序编写时需要先对整个控制系统各个模塊进行调试，排查、解决问题，所有模块功能均调试正常后再进行联调。对执行机构输出的信号应该考虑其工作条件，避免步进电机丢步等问题。

（4）项目的设计、制作要有明确的时间节点，对项目整体要有明确的时间规划，对于每个时间段的计划需严格按时间完成。项目的设计要从需求出发，以满足需求为目的，综合考量经济性、实际生产条件等因素选择最优方案。

三、结束语

针对测控系统工程性、实践性、综合性等特点，传感器原理及应用通过“带有伸缩臂探测距离补偿的有毒有害气体巡检平台”开展实践项目教学。实践过程以教师为主导、学生为主体，通过巡检平台让学生自主完成机械设计加工、传感器选用、控制器编程等创新实践过程。改变了以往“教师讲，学生听”被动的教学模式，创造了学生主动参与、自主协作、探索创新的新型教学模式[6]。在完成各学科理论知识的融会贯通的同时，实现了将理论教学与实践教学有机结合的目标。同时使学生的学习方式得以转变，在主动积极的学习环境中，激发了学生的好奇心和创造潜能，锻炼了学生的创新实践能力及查找相关资料进行知识延伸的能力，培养了学生的团队协作能力，提高了学生分析、处理和解决工业活动实践中问题的能力。

参考文献：

[1]陈松松.智能传感器技术的实现途径及前景展望[J].数码世界，2017（12）：351.

[2]陈星，冯磊，施丹萍.基于项目的学习教学案例设计——以“植物的采集与标本的制作”活动为例[J].中学生物学，2017，33（7）：42-44.

[3]李卓，兰浩，陈继程.浅谈测控技术与仪器专业的发展与应用[J].企业文化（中旬刊），2015（1）：205.

[4]吴晓.基于ZigBee与Labview技术的室内检测软件设计与实现[D].苏州：苏州大学，2017.

[5]吴琼.基于虚拟仪器的VXI总线航空测试系统的应用[D].长春：长春理工大学，2013.

[6]田鑫.高职院校项目制教学模式探索——以物流管理专业为例[J].青年时代，2015（14）：205.

基金项目：青岛理工大学本科教学改革研究项目“多学科交叉融合的工程人才培养模式探索与实践”（无编号）

作者简介：韩素立（1986-），女，汉族，河北邢台人，博士，副教授，研究方向为教学探索与实践、流体动压润滑等。58038D85-A91E-40F4-B6AD-82B89D68F5EF