惠州工業(yè)科技學(xué)校 黃劍珍

惠州市技師學(xué)院 戴惠根

一、引言

所謂傳感器是指“能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。”有時(shí)也被稱為換能器，變換器，變送器或探測(cè)器。如下圖1所示。

傳感器是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和自動(dòng)檢測(cè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在我們?nèi)粘Ｉ钪幸彩褂弥鞣N各樣的傳感器，如電冰箱和電飯煲中的濕度傳感器，煤氣灶的煤氣泄漏傳感器，電視機(jī)中的紅外傳感器，照相機(jī)中的光傳感器，還有汽車(chē)中的油壓傳感器，傳速傳感器等等，不勝枚舉。在中等職業(yè)學(xué)校的電子電工，汽車(chē)維修與檢測(cè)等專業(yè)中以把《檢測(cè)與控制》、《傳感器應(yīng)用》等課程作為專業(yè)基礎(chǔ)課程來(lái)開(kāi)設(shè)，學(xué)生對(duì)傳感器的各種效應(yīng)也越來(lái)越感興趣。要想讓學(xué)生掌握傳感器的基本原理和使用知識(shí)，有必要加強(qiáng)傳感器應(yīng)用實(shí)踐的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)。

當(dāng)前，大多數(shù)廠家的設(shè)備都存在功能多而全，真正適應(yīng)中職學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的卻很少，但價(jià)格昂貴，其性價(jià)比值得商榷，某教學(xué)設(shè)備廠商生產(chǎn)的單一傳感器實(shí)驗(yàn)成套設(shè)備就要近十萬(wàn)元一套，而且還不太方便讓學(xué)校自主學(xué)習(xí)去做實(shí)踐項(xiàng)目。若建一個(gè)這樣標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室至少要投入40余萬(wàn)元，許多學(xué)校難以承受。我校由于專業(yè)發(fā)展，至少要建設(shè)兩個(gè)以上的傳感器實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室才能適應(yīng)需求，這是一個(gè)不扉的投入。由于種種原因暫未購(gòu)買(mǎi)這種相應(yīng)的成套設(shè)備，很難滿足教學(xué)要求，給我們實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教師出了一個(gè)不大不少的難題，因此，我根據(jù)教學(xué)實(shí)際，根據(jù)實(shí)用的原則，開(kāi)發(fā)了電子電工類實(shí)用型丶動(dòng)手型丶易組合型的傳感器實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備，既彌補(bǔ)了學(xué)校這類設(shè)備短缺的不足，又可以為學(xué)校節(jié)省大筆資金，貼近教學(xué)，便于學(xué)生實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)和培養(yǎng)職業(yè)能力。

二、系統(tǒng)組成設(shè)計(jì)

此套設(shè)備主要是針對(duì)電磁領(lǐng)域的電子、電工專業(yè)而開(kāi)發(fā)，這一專業(yè)常用的傳感器主要是對(duì)電流、電壓、電阻、電容、磁場(chǎng)、溫度、紅外檢測(cè)、光電轉(zhuǎn)換等的檢測(cè)和控制。學(xué)生有必要對(duì)經(jīng)常需要用到的幾類傳感器進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)，才能學(xué)好傳感器。本方案根據(jù)課程實(shí)際，把經(jīng)常需要做的一些實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課題，按類型的不同精心構(gòu)思傳感器的測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置和精心挑選實(shí)訓(xùn)使用電路，做成不同模塊，然后再集成來(lái)實(shí)現(xiàn)要求，針對(duì)性強(qiáng)。既方便老師做演示實(shí)驗(yàn)，又方便學(xué)生使用，要做那種課題就拿什么模塊；既便于管理，又不要占用專門(mén)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地。套用一句時(shí)髦的說(shuō)法，既節(jié)能又環(huán)保。

（一）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

這套設(shè)備主要由電源模塊單元、傳感器功能測(cè)試模塊單元、信號(hào)源模塊單元、實(shí)訓(xùn)模塊單元、顯示儀表單元既可用模擬儀表也可以借助于虛擬儀器平臺(tái)和數(shù)據(jù)采集儀、箱體、傳感器測(cè)試接口和連接線接口等構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2。

（二）設(shè)備的工作原理及各單元的主要任務(wù)

1.工作原理：本設(shè)備是采用模塊式結(jié)構(gòu)，箱體式封裝，每個(gè)模塊由外接線連接，承擔(dān)實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)教學(xué)兩大任務(wù)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過(guò)程主要是幫助學(xué)生形成認(rèn)識(shí)規(guī)律和檢驗(yàn)的方法。實(shí)訓(xùn)過(guò)程主要是培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際應(yīng)用中的實(shí)際問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用思想和實(shí)際動(dòng)手能力及創(chuàng)新意識(shí)。兩者側(cè)重點(diǎn)不同。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，由電源模塊，功能測(cè)試模塊、信號(hào)源模塊、顯示單元，傳感器接口單元組成一個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。測(cè)試模塊單元可適應(yīng)多種傳感器的測(cè)試校驗(yàn)使用，其中的測(cè)試電路可以靈活轉(zhuǎn)換。進(jìn)行實(shí)訓(xùn)教學(xué)時(shí)，以實(shí)訓(xùn)模塊單元為主，為了有效利用資源，需用到功能測(cè)試模塊中的部分電路，再配合電源模塊，功能測(cè)試模塊、信號(hào)源模塊、顯示單元，傳感器接口單元組成一個(gè)開(kāi)放靈活的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)供學(xué)生實(shí)訓(xùn)使用，可在上面進(jìn)行實(shí)踐創(chuàng)新和開(kāi)發(fā)。

圖1 傳感器

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 隔離變壓器

圖4 可調(diào)穩(wěn)壓電源

圖5 變壓器交流電橋法

圖6 高輸入阻抗前置放大器

圖7 霍爾傳感器測(cè)量電路

圖8 惠斯通電橋電路

圖9 熱電偶測(cè)量電路

圖10 基本測(cè)試電路模型

2.各單元的主要任務(wù)：電源模塊單元提供設(shè)備所需的各種電源電壓，采用AC隔離和AC-DC降壓變換穩(wěn)壓的方案，性價(jià)比較高，能有效地保證人身和設(shè)備的安全。傳感器功能測(cè)試模塊單元主要完成對(duì)傳感器的基本性能指標(biāo)的測(cè)量檢驗(yàn)，讓學(xué)生學(xué)習(xí)掌握不同傳感器的工作特性。信號(hào)源模塊單元主要是針對(duì)一些傳感器（如電感類傳感器）進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)或?qū)嵱?xùn)時(shí)所需要的信號(hào)而設(shè)計(jì)，可提供根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)的一些信號(hào)。實(shí)訓(xùn)模塊單元主要是提供給學(xué)生實(shí)踐應(yīng)用，自主制作的電路搭接平臺(tái)，此單元靈活變化性大，學(xué)生可根據(jù)需要制作各類實(shí)際電路，并實(shí)現(xiàn)其功能，還能進(jìn)行各種測(cè)試。儀表顯示單元既預(yù)留了虛擬儀器及常規(guī)儀器接口，也安置了一些如電壓表，電流表等，供讀取數(shù)據(jù)和監(jiān)視之用。傳感器接口是為了便于安裝各類傳感器而設(shè)。

圖11 氣敏傳感器測(cè)量電路

圖12 萬(wàn)能模板

三、設(shè)備關(guān)鍵模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)測(cè)試臺(tái)的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電源的安全穩(wěn)定性直接影響設(shè)備工作的安全穩(wěn)定。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中經(jīng)常要接觸到220V的交流電，因此，在訓(xùn)練課室安裝一臺(tái)1:1的隔離變壓器來(lái)降低觸電風(fēng)險(xiǎn)很有必要。所有實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備都通過(guò)這臺(tái)隔離變壓器連接到220V交流電上，如圖3所示。

傳感器多種多樣，在對(duì)不同類型的傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)需要不同的電壓?？紤]到電壓的多樣性，通過(guò)多種比較試驗(yàn)，決定采用一種性價(jià)比較高的集成電路可調(diào)穩(wěn)壓電源作為測(cè)試用的電源，框圖如圖4示。在這里設(shè)計(jì)了兩組可調(diào)穩(wěn)壓電源，一組實(shí)現(xiàn)從0V～±30V輸出連續(xù)可調(diào)，另一組0V～±15V輸出連續(xù)可調(diào)，并利用擴(kuò)流技術(shù)使輸出電流可達(dá)到4A左右，還設(shè)計(jì)了自適應(yīng)切換動(dòng)作電路，可以保證輸入電壓與輸出電壓差不會(huì)大于電源IC的規(guī)定范圍，在IC的調(diào)整公共端加了保護(hù)晶體管以防止其對(duì)地開(kāi)路而損壞電源。

2.傳感器測(cè)試模塊設(shè)計(jì)

傳感器的輸出量是以電信號(hào)的模擬量輸出最為普遍。其輸出有各種形式，如光電管輸出為直流電流，熱電偶輸出為直流電壓，差動(dòng)變壓器或流量計(jì)輸出為交流電壓，熱敏電阻和半導(dǎo)體氣體傳感器輸出為電阻，電感式位移傳感器輸出為電感，測(cè)厚傳感器則為振動(dòng)頻率的變化等等，它們的工作原理也不相同，這為開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)傳感器的實(shí)驗(yàn)測(cè)試電路，選擇實(shí)訓(xùn)電路提供了很好的指導(dǎo)作用和理論依據(jù)。

（1）電阻傳感器的基本原理就是將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，再經(jīng)相應(yīng)的測(cè)量電路顯示或記錄被測(cè)量值的變化。電阻傳感器工作原理是當(dāng)被測(cè)量作用于彈性元件上，在力或力矩的作用下發(fā)生變形或位移，然后引起應(yīng)變片的電阻值變化，通過(guò)測(cè)量電路變成電量輸出。測(cè)試電路主要采用電橋法。

（2）電容傳感器是以電容為傳感元件，將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)化為電容量的變化，再經(jīng)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率，以達(dá)到檢測(cè)和控制的目的。電容式傳感器的測(cè)量電路很多，常用的有運(yùn)算放大器測(cè)量電路，普通交流電橋，二極管雙T交流電橋，變壓器交流電橋，調(diào)頻電路等。

（3）電感式傳感器的工作原理是基于電磁感應(yīng)原理，它把被測(cè)量轉(zhuǎn)化為電量變化的一種裝置。電感式傳感器的測(cè)量電路有交流電橋式、變壓器式交流電橋以及諧振式等。如圖5所示為變壓器交流電橋法。

（4）壓電式傳感器的工作原理是以某些電介質(zhì)受力后，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在其表面便產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，且電荷量相等，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)的壓電效應(yīng)為轉(zhuǎn)換原理的傳感器。壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出能量較小，一般不能直接顯示和記錄。因此，它的測(cè)量電路通常需要接入一個(gè)高輸入阻抗前置放大器，如圖6所示。

（5）霍爾傳感器是利用半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)原理而將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)輸出的一種傳感器。半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于薄片，當(dāng)有電流I流過(guò)薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)EH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)?；魻杺鞲衅鞯幕緶y(cè)量電路如圖7所示。

（6）溫度傳感器是檢測(cè)溫度的器件，其種類最多，應(yīng)用最廣，發(fā)展最快。溫度傳感器的核心是溫度敏感元件，它能將溫度這一物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)放大電路變成易于測(cè)量的電壓、電流，或頻率等。溫度傳感器應(yīng)用最廣泛的就是熱敏電阻器。溫度傳感器的典型測(cè)量電路是惠斯通電橋電路，如圖8所示。

（7）熱電偶，目前應(yīng)用最廣泛的溫度傳感器是熱電偶，它由兩種導(dǎo)體的組合并將溫度轉(zhuǎn)化為熱電動(dòng)勢(shì)的傳感器，它的基本工作原理是熱電效應(yīng)。帶補(bǔ)償?shù)臒犭娕紲y(cè)量電路如圖9所示。

（8）光電傳感器是采用光電元件作為檢測(cè)元件的傳感器。它采用光為信號(hào)，借助于光電元件將不同照度的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成不同的電信號(hào)。它的基本工作原理是光電效應(yīng)。光電傳感器的應(yīng)用很廣，基本測(cè)試電路模型如圖10所示。

（9）氣敏傳感器工作原理。聲表面波器件之波速和頻率會(huì)隨外界環(huán)境的變化而發(fā)生漂移。氣敏傳感器就是利用這種性能做成的傳感器。通過(guò)測(cè)量聲表面波頻率的變化就可以準(zhǔn)確的反應(yīng)氣體濃度的變化。氣敏傳感器的基本測(cè)量電路如圖11所示。

（10）其它傳感器如紅外傳感器，超聲波傳感器，濕敏傳感器，色敏傳感器等的原理和測(cè)量電路由于篇幅有限，在此就不贅述。

3.傳感器實(shí)訓(xùn)模塊設(shè)計(jì)

實(shí)訓(xùn)能培養(yǎng)學(xué)生親臨職業(yè)的心理素質(zhì)，增加感性認(rèn)識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提高實(shí)際動(dòng)手能力。因此，實(shí)訓(xùn)模塊設(shè)計(jì)充分考慮了學(xué)生本位，方便學(xué)生進(jìn)行技能訓(xùn)練，能幫助學(xué)生在實(shí)際工程中靈活使用傳感器。實(shí)訓(xùn)電路要趣味性、實(shí)用性、知識(shí)性融為一體。基于這種觀念，我設(shè)計(jì)了一種萬(wàn)能模板，如圖12所示。這種萬(wàn)能模板不同于市面上買(mǎi)的萬(wàn)能板，這個(gè)模板上安裝的元器件是不需要焊接的，每次實(shí)訓(xùn)只要根據(jù)實(shí)訓(xùn)電路原理圖在萬(wàn)能模板上進(jìn)行連線即可，既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保。實(shí)訓(xùn)電路精選了：①帶液晶顯示的手提電子稱實(shí)訓(xùn)電路；②光控（紅外感應(yīng)或聲控）的自控?zé)綦娐泛图t外遙控接收電路；③廚用的氣體監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置電路和電子警犬電路；④自動(dòng)門(mén)控電路；⑤三色識(shí)別電路；⑥簡(jiǎn)易超聲波測(cè)距儀電路；⑦帶音樂(lè)的液位報(bào)警器電路；⑧光敏傳感器控制的節(jié)日裝飾彩燈電路；⑨食品干濕檢測(cè)電路。

四、設(shè)備的特點(diǎn)

1.開(kāi)放性好。此設(shè)備的模塊電路都可以進(jìn)行自由組合，靈活多變，學(xué)生根據(jù)要求可以選取其中部分使用，也可以學(xué)習(xí)做許多電子電工方面的實(shí)際電路，可以提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

2.實(shí)踐性強(qiáng)。本設(shè)備的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)充分考慮到了中職學(xué)生的實(shí)際，以直觀、易用、夠用、耐用為準(zhǔn)則。將各傳感器測(cè)試的實(shí)驗(yàn)電路都清晰地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，而且在面板上?？逃性韴D，實(shí)訓(xùn)電路強(qiáng)調(diào)了自主動(dòng)手。學(xué)生按要求自己連線和操作，對(duì)學(xué)習(xí)知識(shí)的理解和實(shí)踐動(dòng)手都能起到積極的促進(jìn)作用。

3.趣味性強(qiáng)。設(shè)備在開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)就考慮到了傳感器的特點(diǎn)，電路選取都是以身邊能感受到的有趣的實(shí)用電路作訓(xùn)練平臺(tái)，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

4.創(chuàng)新性強(qiáng)。設(shè)備的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)既緊密結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，又緊密結(jié)合實(shí)踐應(yīng)用，學(xué)生不但能充分訓(xùn)練實(shí)踐動(dòng)手能力，還能把所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際中去。此設(shè)備避免了有些教學(xué)設(shè)備不能靈活搭配的不足，采用了一種自由組合式的設(shè)計(jì)思路，使得學(xué)生特別是在實(shí)訓(xùn)中能自主發(fā)揮，提高創(chuàng)新能力。

五、結(jié)束語(yǔ)

此設(shè)備的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)是我將實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)教學(xué)有機(jī)結(jié)合的一個(gè)大膽的嘗試，此設(shè)備不僅可以完成課程中的實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)，是一個(gè)教學(xué)平臺(tái)；還可以作為傳感器的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，是教師和學(xué)生的創(chuàng)新能力的一個(gè)實(shí)踐應(yīng)用平臺(tái)。它解決了實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教中的難題，為學(xué)校節(jié)省了教學(xué)成本，提高了實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的有效性，提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，充分發(fā)揮了學(xué)生的主動(dòng)性。有助于提高學(xué)生對(duì)傳感器知識(shí)的理解和工程實(shí)踐應(yīng)用能力，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

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