韓素立 鄭勇 邵晶 張峰 李佳鑫 高銘澤 古芯源 呂艷偉

摘? 要：傳感器為構建智能化系統(tǒng)的重要組成部分，被應用于多個領域，具體包括環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷、航空航天、智能樓宇和家用電器等。以學生工作所需理論知識和實踐經(jīng)驗為出發(fā)點，對傳感器原理及應用這門學科實施項目教學，結合化工園區(qū)綠色安全發(fā)展的趨勢，具體以油氣管道的自動化巡檢為例，緊跟最新的技術發(fā)展和技術應用。在項目教學的實踐過程當中，使學生根據(jù)項目要求收集相關信息，設計解決方案;再針對學生擬解決問題的技術路線進行知識教授并對項目實施加以引導，突出理論可行性和實踐操作性。學生對該學科有進一步的認識與理解。在掌握理論知識的前提下，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識，提高學生科學素養(yǎng)，著重培養(yǎng)應用型人才所需的技能。項目教學法的實施不僅使學生對學科有系統(tǒng)的認識，強化關鍵知識點的學習，同時也提高學生的動手能力和創(chuàng)新能力。

關鍵詞：傳感器原理及應用;自動化巡檢;探測距離補償;案例設計

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：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

傳感器原理及應用作為測控專業(yè)的核心課程，介紹了工程檢測中的各類傳感器的原理及特性。其教學目的是使學生掌握通用的物性型傳感器和結構型傳感器的結構、原理、應用及發(fā)展方向，并能在工作中根據(jù)檢測要求選用最優(yōu)傳感器;對現(xiàn)代檢測技術有全新、系統(tǒng)的認識。然而，在教學過程中，只通過PPT或者課堂板書機械式地講述復雜的傳感器原理的教學方式過于單一，難以提高學生們的學習興趣;并且單純依靠課本難以完全掌握常用傳感器的實驗研究方法和實際使用方法，拘泥于理論知識，為解決以上的問題，在傳感器原理與應用課程教學過程中采用了項目教學的方法。本次項目教學的實施以帶有伸縮臂探測距離補償?shù)挠卸居泻怏w巡檢平臺展開，涉及傳感器的選用、信號的接收與處理和機械臂設計、控制等問題。以項目為主線，通過指導老師一定的引導，讓學生在了解帶有伸縮臂探測距離補償?shù)挠卸居泻怏w巡檢平臺項目的過程中，自行收集信息，結合課本所學理論知識設計方案，驗證可行性，了解、掌握巡檢平臺項目的每一傳感器的原理、特性及實際應用，對完整測控系統(tǒng)有全面的認識理解，真正將理論與實踐結合，以進一步培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和科學素養(yǎng)，培養(yǎng)學生應用能力，提高工程項目實踐能力。58038D85-A91E-40F4-B6AD-82B89D68F5EF

一、案例設計

基于項目的學習是一種強調(diào)主動探究和創(chuàng)新實踐的教學模式，目的是使得學生在思考探索和實踐中掌握知識、培養(yǎng)技能并獲得全面發(fā)展[1-2]。本次教學實踐依托傳感器原理及應用課程所授知識及課外拓展，通過對帶有伸縮臂探測距離補償?shù)挠卸居泻怏w巡檢平臺的設計、加工、安裝和調(diào)試，使學生們在實踐中掌握傳感器的原理及應用和初步了解現(xiàn)代檢測技術，鍛煉和提高學生獲取知識的能力強化實際操作訓練，加強對理論知識的掌握。在鞏固知識技能的同時激發(fā)創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學生理論知識的應用能力。進一步提高學生解決工程、生產(chǎn)及科研中遇到的各種問題的能力，把理論教學與實踐教學有機地集合起來，使學生的創(chuàng)造潛能得到充分激發(fā)，鍛煉學生對工程項目中實際問題的分析和處理能力，培養(yǎng)學生的團隊精神和合作能力等。

（一）機械部分教學設計

測控專業(yè)注重培養(yǎng)具備專業(yè)精密儀器設計制造以及測量基礎知識與應用能力[3]，學生了解掌握機械結構系統(tǒng)對帶有伸縮臂探測距離補償?shù)挠卸居泻怏w巡檢平臺項目的順利進行是十分重要的，故特設了機械部分的教學，如圖1所示。機械設計的內(nèi)容為實現(xiàn)距離補償功能的伸縮臂，學生由伸縮臂的功能出發(fā)，規(guī)劃伸縮臂關節(jié)空間的運動范圍，計算分析以驗證設計方案的可行性，最終將伸縮臂設計為三自由度機械臂。根據(jù)負載大小，選擇最佳減速比行星減速機和57步進電機組成機械臂的驅動系統(tǒng)，保證轉動時扭矩足夠，通過聯(lián)軸器、連桿為機械臂轉動傳遞動力。機械臂頂端的傳感器支架通過三個連桿與機械臂支架相連，實現(xiàn)機械臂運動過程中始終保持水平。在機械臂頂端加裝傳感器，通過機械臂的探測距離補償，可使平臺完成在復雜地形下對管道情況的實時監(jiān)測。提高了精準度及修正了行進路線導致測量位置偏移的問題，提高有毒氣體檢測的可靠性，同時實現(xiàn)對吊裝異形管道的巡檢處理，這對于提高特殊檢測平臺技術水平具有重要意義。在教學中應著重講解根據(jù)伸縮臂實現(xiàn)的距離補償功能合理設計機械臂，傳感器支架通過三個連桿與機械臂支架連接，實現(xiàn)了傳感器支架在機械臂運動過程中始終保持水平，巧妙地避免了通過單片機控制傳感器支架保持水平，提高了可靠性。

（二）傳感器部分教學設計

應用傳感器技術可以快速、準確獲得信息。在實際工作與運行的過程中，在傳感器選用時需綜合考量，不僅需要學生對傳感器的原理、功能有準確的理解和把握，還要考慮減輕或避免檢測環(huán)境對傳感器的干擾，以及檢測精度和經(jīng)濟性等綜合因素。使學生對傳感器的學習會從課本走向實際生產(chǎn)過程，會有全新全面的認識理解。此帶有伸縮臂探測距離補償?shù)挠卸居泻怏w巡檢平臺項目中設置了三個傳感器模塊。

（1）管道位置檢測模塊。學生選取的線陣CCD相機模塊通過128個像素點全采集，無死角采集管道位置信息;120°鏡頭成像與畸變平衡，保證準確性;且具有自體積小、重量輕、系統(tǒng)噪聲低、可靠性高等一系列優(yōu)點，可以快速、準確地實現(xiàn)對管道灰度信息的采集。

（2）距離檢測模塊。根據(jù)對管道距離測量的要求，學生選取的紅外測距傳感器由PSD和IRED以及信號處理電路三部分組成。采用了三角測量方法，被測物體的材質(zhì)、環(huán)境溫度以及測量時間都不會影響測量精度。傳感器的輸出電壓值對應探測的距離，通過測量電壓值就可以得到對管道的探測距離?？梢詽M足平臺對管道距離檢測的要求。

（3）氣體檢測模塊。選取的MQ-4氣體檢測模塊，適宜于液化氣、苯、烷、酒精、氫氣、煙霧等的探測，對天然氣、液化石油氣等煙霧有很高的靈敏度，尤其對烷類煙霧更為敏感，具備良好的抗干擾性，可準確排除有刺激性非可燃性煙霧的干擾信息，實現(xiàn)對有毒有害氣體的準確檢測[4]。

傳感器部分是教學部分的核心內(nèi)容，在教學過程中應著重于此部分的教學，使學生明確各個傳感器部分的作用與工作原理，引導學生根據(jù)需求選擇滿足功能的傳感器，再根據(jù)經(jīng)濟性、檢測條件的因素綜合考慮選擇最優(yōu)傳感器，還可在教學中讓學生思考是否可運用已學知識改進各模塊的設計，更好地將書本上的知識與實踐相結合。

（三）控制部分教學設計

由于近現(xiàn)代工業(yè)水平的提高，檢測條件和被檢測對象愈加龐雜，對檢測精度和速度的追求更加精益求精，而采用人工對被測對象進行檢測及處理結果的技術方式不僅耗時耗力，速度、精確度也不能滿足檢測要求。這就促使從事計量測試和儀器儀表研究的科學工作者們不斷地探索新的測試理論、方法、設備，從而推動自動測控科學不斷地向新的領域發(fā)展[5]。為使學生對自動測控系統(tǒng)中傳感器的信號采集、控制器數(shù)據(jù)分析及執(zhí)行機構的控制有更深層次的理解，對測控系統(tǒng)有整體把握，故設計此部分教學，控制流程如圖2所示。帶有伸縮臂探測距離補償?shù)挠卸居泻怏w巡檢平臺項目的整個運動控制系統(tǒng)由STM32主控板、線陣CCD相機模塊、紅外測距傳感器模塊、步進電機驅動模塊、步進電機及光電編碼器構成。線陣CCD相機和紅外測距傳感器為運動控制系統(tǒng)的信息采集傳感器，負責采集管道位置數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)處理后發(fā)送至單片機。STM32主控板為運動控制系統(tǒng)的控制器，負責對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行分析，并對步進電機進行控制以實現(xiàn)控制機械臂的運動。根據(jù)線陣CCD相機模塊獲取待測管道的灰度信息，STM32主控通過AD轉換后得到的路面灰度值判斷預定軌跡黑線的位置與由光電編碼器記錄位置獲得偏差值;同時，由紅外測距傳感器模塊測得對待測管道的距離，與程序內(nèi)預設定距離產(chǎn)生偏差值。根據(jù)偏差值，通過PID算法對步進電機輸入不同占空比的PWM波控制步進電機轉動，交替實現(xiàn)調(diào)整機械臂頂端豎直方向的位置和調(diào)整機械臂頂端水平方向的位置對管道循跡和對管道距離保持一定。通過對機械臂運動控制的教學設計，培養(yǎng)學生根據(jù)具體目標設計控制部分從而實現(xiàn)具體功能的能力，使學生對測控系統(tǒng)的組成部分有充分的認識理解，真正具有分析、處理和解決工業(yè)活動中問題的本領。

二、案例分析

傳感器原理及應用為測控技術與儀器專業(yè)本科生的一門重要的專業(yè)核心課程，所授知識對學生未來工作或科研都具有重要作用。本案例可以用于該學科的教學，使學生掌握工業(yè)活動中常見的傳感器原理及應用，并能在工作中根據(jù)檢測要求選用最優(yōu)傳感器;對現(xiàn)代檢測技術有全新、系統(tǒng)的認識。使用本案例向學生對以下方面進行說明：58038D85-A91E-40F4-B6AD-82B89D68F5EF

（1）傳感器是信息獲取的首要環(huán)節(jié)。在傳感器選用時需綜合考量，首先需要學生對課本上介紹的傳感器的原理、功能有準確的理解和把握，再根據(jù)檢測需求選擇滿足功能的傳感器，還要考慮檢測環(huán)境，檢測精度和經(jīng)濟性等綜合因素。

（2）測控專業(yè)學生需要具備專業(yè)精密儀器設計能力以及測量基礎知識與應用能力，了解掌握機械結構系統(tǒng)對測控系統(tǒng)的組建是十分重要的。測控系統(tǒng)機械結構的設計需要集思考、繪圖、計算于一體，設計出滿足要求的方案，繪制圖紙并驗證方案可行性。還需要滿足可靠性、實用性以及經(jīng)濟性等方面的要求。

（3）測控系統(tǒng)中的控制部分尤為重要，是信號處理信號分析的關鍵部分，也是對執(zhí)行機構發(fā)出指令的“大腦”。對控制程序編寫時需要先對整個控制系統(tǒng)各個模塊進行調(diào)試，排查、解決問題，所有模塊功能均調(diào)試正常后再進行聯(lián)調(diào)。對執(zhí)行機構輸出的信號應該考慮其工作條件，避免步進電機丟步等問題。

（4）項目的設計、制作要有明確的時間節(jié)點，對項目整體要有明確的時間規(guī)劃，對于每個時間段的計劃需嚴格按時間完成。項目的設計要從需求出發(fā)，以滿足需求為目的，綜合考量經(jīng)濟性、實際生產(chǎn)條件等因素選擇最優(yōu)方案。

三、結束語

針對測控系統(tǒng)工程性、實踐性、綜合性等特點，傳感器原理及應用通過“帶有伸縮臂探測距離補償?shù)挠卸居泻怏w巡檢平臺”開展實踐項目教學。實踐過程以教師為主導、學生為主體，通過巡檢平臺讓學生自主完成機械設計加工、傳感器選用、控制器編程等創(chuàng)新實踐過程。改變了以往“教師講，學生聽”被動的教學模式，創(chuàng)造了學生主動參與、自主協(xié)作、探索創(chuàng)新的新型教學模式[6]。在完成各學科理論知識的融會貫通的同時，實現(xiàn)了將理論教學與實踐教學有機結合的目標。同時使學生的學習方式得以轉變，在主動積極的學習環(huán)境中，激發(fā)了學生的好奇心和創(chuàng)造潛能，鍛煉了學生的創(chuàng)新實踐能力及查找相關資料進行知識延伸的能力，培養(yǎng)了學生的團隊協(xié)作能力，提高了學生分析、處理和解決工業(yè)活動實踐中問題的能力。

參考文獻：

[1]陳松松.智能傳感器技術的實現(xiàn)途徑及前景展望[J].數(shù)碼世界，2017（12）：351.

[2]陳星，馮磊，施丹萍.基于項目的學習教學案例設計——以“植物的采集與標本的制作”活動為例[J].中學生物學，2017，33（7）：42-44.

[3]李卓，蘭浩，陳繼程.淺談測控技術與儀器專業(yè)的發(fā)展與應用[J].企業(yè)文化（中旬刊），2015（1）：205.

[4]吳曉.基于ZigBee與Labview技術的室內(nèi)檢測軟件設計與實現(xiàn)[D].蘇州：蘇州大學，2017.

[5]吳瓊.基于虛擬儀器的VXI總線航空測試系統(tǒng)的應用[D].長春：長春理工大學，2013.

[6]田鑫.高職院校項目制教學模式探索——以物流管理專業(yè)為例[J].青年時代，2015（14）：205.

基金項目：青島理工大學本科教學改革研究項目“多學科交叉融合的工程人才培養(yǎng)模式探索與實踐”（無編號）

作者簡介：韓素立（1986-），女，漢族，河北邢臺人，博士，副教授，研究方向為教學探索與實踐、流體動壓潤滑等。58038D85-A91E-40F4-B6AD-82B89D68F5EF