劉 迅,吳文兵

(濰坊工程職業(yè)學(xué)院,山東 青州 262500)

0 引言

當(dāng)前我國裝備制造業(yè)迅猛發(fā)展,在國際上競爭力逐漸提升。智能化、自動化是產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的方向,傳感技術(shù)是技術(shù)變革中的重要一環(huán)。傳感器相當(dāng)于“五官”,通信系統(tǒng)相當(dāng)于神經(jīng),計算機(jī)相當(dāng)于大腦,構(gòu)成完整的檢測控制系統(tǒng)。目前,傳感器應(yīng)用廣泛,例如,樓道里的聲控?zé)?、家用電器、智能手機(jī)、汽車、醫(yī)學(xué)檢測設(shè)備、神舟系列載人飛船、C919大飛機(jī)等,在產(chǎn)品內(nèi)部及其生產(chǎn)過程中傳感器幾乎無處不在。

產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要大量優(yōu)秀的從業(yè)人員,從事家電、工程機(jī)械、汽車、醫(yī)療、航空、艦艇等多個領(lǐng)域的機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計、制造、銷售、維護(hù)等多個崗位,對高職機(jī)電一體化技術(shù)專業(yè)的人才培養(yǎng)提出了動態(tài)的高要求[1]。傳感器與檢測技術(shù)是高職機(jī)電一體化技術(shù)專業(yè)的一門專業(yè)核心課程。先導(dǎo)課程有電工電子技術(shù)等。教學(xué)重點是傳感器的工作原理及應(yīng)用,難點是測量與轉(zhuǎn)換電路。高職生源來自于普高和中職,學(xué)生知識基礎(chǔ)薄弱,但實踐操作的愿望強(qiáng)烈。理實一體化教學(xué)有很好的實踐需求[2]。

以差動變壓器式傳感器測教學(xué)為例,進(jìn)行了理實一體化教學(xué)實踐。

1 操作任務(wù)分解及發(fā)布實施過程

1.1 傳感器認(rèn)知

認(rèn)識螺線管式差動變壓器的一次繞組、二次繞組、測桿[3],如圖1所示。將傳感器、測微頭、連接線安裝好后,向一次繞組施加音頻0°信號f=4～5 kHz,Vp-p=2 V的激勵電壓,用虛擬示波器雙通道采集一次繞組和單個二次繞組的信號,移動測桿及銜鐵的位置,觀察二次繞組感應(yīng)電動勢幅值的變化,觀察兩路信號的相位關(guān)系,并保存波形文件。講解電磁感應(yīng)定律E=-N(dΦ/dt),周期性變化的磁場產(chǎn)生周期性變化的電場。

圖1 螺線管式差動變壓器結(jié)構(gòu)

1.2 位移測量

將兩個二次繞組的輸出反向串聯(lián),雙通道采集激勵電壓和輸出電壓,如圖2所示。理想狀態(tài)下,當(dāng)銜鐵在對稱的中間位置時,兩個二次繞組的感應(yīng)電動勢同頻率、同相位、同幅值,輸出電壓為零[4-5]。在測量區(qū)間內(nèi)當(dāng)銜鐵向上移動時,L2線圈感應(yīng)電動勢的幅值增加,L3的幅值減小,輸出電壓與激勵電壓同相且幅值逐漸增加。在測量區(qū)間內(nèi)當(dāng)銜鐵向下移動時,L2線圈感應(yīng)電動勢的幅值減小,L3的幅值增加,輸出電壓與激勵電壓反相且幅值逐漸增加。

圖2 差動變壓器測位移接線

保存銜鐵位于中間位置兩側(cè)的波形文件,重點關(guān)注相位變化和幅值變化。在某位移處采集差分減法運(yùn)算電路的輸入輸出信號,測試其放大功能。提出問題“單獨采集輸出交流信號,幅值能反映位移大小,但反映不出位移的方向”,如何解決辨向問題?可用相敏檢波器辨向。

1.3 移相器、相敏檢波器、低通濾波器功能測試

將音頻0°信號f=4～5 kHz,Vp-p=2 V接移相器輸入端,如圖3所示。虛擬示波器雙通道采集輸入輸出信號波形,調(diào)節(jié)旋鈕,測試移相器的移相范圍,并觀察幅值的變化。保存兩個極限位置的波形文件。提出問題“移相器在后續(xù)起什么作用”。

圖3 移相器及內(nèi)部電路

圖4 相敏檢波器及內(nèi)部電路

圖5 相敏檢波器部分波形

表1 相敏檢波器波形

圖6為雙通道采集低通濾波器輸入輸出信號波形。輸入為低頻信號時,調(diào)節(jié)頻率在0～30 Hz變化,觀察輸出信號的幅值變化。將低頻改為音頻,觀察輸出信號的幅值。保存波形文件,并得到結(jié)論:低頻信號通過,高頻信號濾掉。

圖6 低通濾波器及內(nèi)部電路

1.4 測振動

在分解操作的基礎(chǔ)上,根據(jù)實訓(xùn)指導(dǎo)書進(jìn)行測振動項目的安裝接線和測試,如圖7所示。分別采集放大電路輸出端、相敏檢波器輸出端和低通濾波器輸出端的波形,并保存波形文件,分別為由位移對音頻載波信號調(diào)制后的包絡(luò)波形、正負(fù)極性波形和解調(diào)后的振動信號波形,如圖8所示。既能測量位移的大小,又能反映位移的方向。

圖7 差動變壓器測振動接線

圖8 調(diào)制波、相敏檢波及低通濾波輸出示意

在教學(xué)實踐中,學(xué)生能根據(jù)明確的項目任務(wù)要求,完成電路的接線和設(shè)備的安裝調(diào)試,取得正確的實訓(xùn)結(jié)果,即差動變壓器式傳感器能夠測位移和振動。對傳感器連接線的卡扣設(shè)計和螺紋連接能夠很好運(yùn)用。經(jīng)過訓(xùn)練,電路連接規(guī)范有序。

2 差動變壓器式傳感器應(yīng)用拓展

差動變壓器式傳感器的測桿位移可以由滾柱產(chǎn)品的直徑引起[6],也可以由壓強(qiáng)敏感元件膜盒的變形引起或者是反映液位高低的浮筒引起。傳感器的輸出可以實現(xiàn)測量及應(yīng)用于后續(xù)的自動控制系統(tǒng)。

3 電路分析

3.1 差分減法運(yùn)算電路

信號的放大采用了差分減法運(yùn)算電路,如圖9所示。在電子技術(shù)課程[7]已學(xué)習(xí)式(1),在傳感器課程實訓(xùn)中廣泛采用。

圖9 差分減法運(yùn)算電路

(1)

3.2 移相器電路

根據(jù)移相器的相關(guān)參數(shù)可用式(2)確定移相范圍。

IC1

IC2

(2)

R1=R3,R4=R6

3.3 相敏檢波器電路

相敏檢波器中,IC1構(gòu)成過零電壓比較器,可將控制端信號整形成方波。控制信號為負(fù),整形信號為+10 V時二極管截止,N溝道結(jié)型場效應(yīng)管構(gòu)成的電子開關(guān)UGS=0 V,開關(guān)打開,IC2進(jìn)行反相運(yùn)算,調(diào)節(jié)Rw=R4,檢波器輸出信號與輸入信號同幅反相。控制信號為正,整形信號為-10 V時二極管導(dǎo)通,N溝道結(jié)型場效應(yīng)管構(gòu)成的電子開關(guān)UGS=-10 V,開關(guān)關(guān)斷,IC2工作在同相跟隨狀態(tài),檢波器輸出信號與輸入信號同幅同相。測桿位于中位以上時,差動變壓器式傳感器經(jīng)反向串聯(lián)放大后的輸出與激勵電壓實際有微小相移,通過移相器實現(xiàn)同相,經(jīng)過相敏檢波器輸出為正半周包絡(luò)波形。測桿位于中位以下時,經(jīng)過相敏檢波器輸出為負(fù)半周包絡(luò)波形。

3.4 低通濾波器電路

濾波器采用壓控電壓源二階低通濾波器,其幅頻特性分析對計算能力提出了更高的要求式(3)。根據(jù)周期信號的傅里葉級數(shù)展開式[8],其直流分量為一個周期內(nèi)的平均值,可以通過低通濾波器。本項目的基波和諧波分量都被濾掉。低通濾波器輸出振動信號波形。

R1=R2=R,C1=C2=C

(3)

4 理實一體化教學(xué)實踐總結(jié)及評價

教學(xué)實踐中體現(xiàn)出了明確的階梯式設(shè)計。差動變壓器式傳感器的原理、各電路模塊的功能測試操作和結(jié)論記憶、整個項目的完成是第一層級,必須掌握,教學(xué)反饋也證明學(xué)生在該任務(wù)層級學(xué)習(xí)主動性強(qiáng),能實現(xiàn)該層級目標(biāo),自信心得到了加強(qiáng)。相敏檢波器內(nèi)部的整形電路分析、二極管的工作狀態(tài)、結(jié)型場效應(yīng)管的通斷、同相反相分,以及移動不同相位角的相敏檢波器輸入輸出信號分均為是第二層級,該任務(wù)層級學(xué)生經(jīng)過多次練習(xí)能夠掌握信號波形對應(yīng)關(guān)系,但學(xué)習(xí)主動性普遍下降。復(fù)數(shù)計算和傅里葉級數(shù)為第三層級,學(xué)生普遍不感興趣,只能稍作介紹以供了解,為學(xué)有余力的學(xué)生打開一扇窗。理實一體化教學(xué)實踐也為后續(xù)的評價方案提供了依據(jù)和方法,即以實踐考核為主,理論考核為輔。多個學(xué)期的教學(xué)實踐證明該教學(xué)模式能與學(xué)生的崗位實踐和工作相適應(yīng)。