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关键词 教学改革 传感器 仿真技术 实践教学
信息传播技术的飞速发展，给传统的机械电子专业带来猛烈冲击，推动学科教育的革新，专业教育也不断探索与之相适应的教学实施途径。信息传播技术的充分发展，改变了传统的教学模式，远程教育成为新的教学模式并广受欢迎。远程开放教育招生的注册人数逐年快速上升，因学习能够不受时空限制，专业学习者绝大部分是在职人员，他们更倾向于在网络环境中接受专业教育。良好的招生形式需要好的教学体系来保证和维持，如何保证和提高网上办学的教学质量是远程教育工作者们面临的新的课题。
教学质量要靠优质的课程单元来保证。随着机器人、自动控制等技术的兴起，传感器技术在各个应用领域对传感器的需求不断增加，是自动控制、机电一体化等专业的专业基础课。本文将探讨在远程教育环境下，如何进行传感器与测试技术课程的教学改革。
1 远程模式下传感器课程教学的新难题
传感器技术是当今世界令人瞩目的高新技术之一。作为信息采集重要元件，传感器广泛应用于各种智能控制、信息处理系统当中，它是将各种待测非电量按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量的装置。传感器种类繁多，包括应变式传感器、电容式传感器、电感式传感器、霍尔式传感器等。传感器与测试技术主要是讲授工程检测中常用传感器的工作原理及在测试系统中的基本应用。
在远程教育环境下，传感器与测试技术课程的教学面临着诸多新的教学难题和挑战。首先，在教学内容上涉及理论多而广，增加了教与学两方面的难度。不同类型的传感器工作原理各不相同，讲解时需涉及声学、材料学、核物理、微电子学、工程数学、数据处理、控制工程等学科知识。这不仅对主讲教师在学识、能力、技巧诸方面提出严峻考验，同时对学习者的知识面和知识结构提出一定的要求。
对开放大学往届的机电专业学习者调查结果显示，他们大多是生产线上的操作人员，或者仅是某个岗位上的负责者，知识面相对较窄，知识基础也相对薄弱，而且每个人的知识结构不尽相同，会觉得传感器课程的知识理解起来困难重重。而课程的章节内容环环相扣，如果某次缺课，例如部分人工作环境中存在倒班制度，上课时间还需要根据工作时间安排来调整，知识的脱节将会给后面的学习带来更大的困难。因此，很多学习者更加觉得内容枯燥。
远程模式下中，实践环节的实施也需要探索新的实施途径。传感器课程是工科类学生培养其工程实践能力的重要环节，实践性强。单纯从外观上看，很多传感器大同小异，但其应用却千差万别，通过实践教学能有效帮助学习者深入掌握传感器相关知识。目前社会上掌握计算机和通讯技术的工程技术人员非常多，但精通传感器技术的工作者却很少，也是因为掌握它需要积累大量的工程实践知识。学习者在学习传感器技术时，如果仍采用一般专业基础课的实验方法，其形式相对简单，实验通常局限于在验证性的基本原理阶段，这类实验与实际联系不多，反映不出日新月异的传感器的应用，难以刺激学生的学习兴趣和创造欲望，教学效果不够明显。
2 远程教学环境下传感器课程改革的对策
2.1 多角度激发学习兴趣的远程学习
众所周知，学习兴趣是学习者能否学好某门课程的重要因素，也是课程取得良好教学效果的重要条件，因此，培养和保持学生的学习兴趣至关重要。从以往的教学中，笔者发现大多数学生在学期之初对传感器课程有着一定的兴趣，但这学习兴趣在一段时间后容易失去，其主要原因是理论难度逐渐增加，以及遗忘了以前的基础知识，导致前后知识不能顺利衔接。
针对此类情况，传感器与测试技术的远程教学从多角度激发学习者的学习兴趣。本课程开发团队确定出课程的重点和难点，具整理编写基本的文字、图片等学习材料，还有针对性地提供教学讲解视频、音频、课件动画等资源。例如在讲授热电偶相关知识的教学中，教材上提供的热电偶原理图图1（a）所示，虽然结构简单明了，但与工程实际中使用的产品相去甚远，学生很难将二者融为一体。在远程教学中我们补充了热电偶实物图、产品设计图纸，三者相互对照，学习者更容易接受和掌握热电偶的工作原理和实际应用。
远程教育的学生大多是在职学习者，教育背景、工作经历、知识结构不尽相同。这种现象造成有些课程内容对一部分人来说是已经掌握或者很轻松就能理解的，但对另一部分人来说则相反。针对这一现象，为远程教学中提供的教学视频、动画等多种多媒体资料可以充分发挥作用。
2.2 案例导向的传感器课程教学
传感器与测试技术课程大纲中规定：除了要求学生掌握工程捡测中常用传感器结构、工作原理等理论知识外，还得使学习者掌握在工程实际中如何选择和应用基本类型传感器，实现工程实际当中对力、压力、温度、位移、物位、转速和振动等物理量的测量。现有的传感器教材绝大多是以理论知识来组织教学内容的，应用往往是教学的难点。
笔者从多年的教学过程中发现，课堂上单纯的理论讲解，容易让学生疲劳，若加入应用案例分析，他们则会聚精会神，甚至还产生继续研究的兴趣，有些还能结合其实际工作举一反三。在学生首次接触课程时，笔者没有急于讲解第一章的传感器概念和特性，而是结合教材向学生介绍生活中、工业中、军事中传感器的作用与地位，空调、冰箱为什么恒温，机器人为什么能避开障碍物等，这些贴近实际的话题，让学生们兴致盎然。
因此，在传感器课程远程教学中引入案例教学，即在案例的讲解当中穿插传感器的相关理论知识，可以极大改善教学效果。案例的运用可以大大缩短理论与实践的差距，提高学生解决实际问题的能力。
在远程教学过程中，传感器课程内容组织常以一个完整的项目开发为案例，进行相关知识讲解，项目对象可以选一辆智能遥控车、汽车油门控制系统、太阳能热水器的水位控制装置等。例如，在电容式传感器知识讲解过程中，笔者通过一个门铃的工作过程作为案例，阐述其运作的原理和模式，学生对门铃较为熟悉，因此很容易接受深层次的关于门铃内部原理。
2.3 远程教学模式下的实践环节引入仿真技术
强调理论和实践研究相结合是工程技术学科的一个显著特点。随着高等教育的普及化，社会对各类专业人才的需求有了更进一步的提升。企事业单位不仅要求新入职者掌握坚实的理论基础知识，还希望他们具有较强的动手能力和一定的实践经验。如何提高学生的动手能力呢？实训设备价格昂贵，也不符合远程教育的随时随地的学习原则；工厂实习是传统的教育方法，但目前制造企业都注重安全生产，不愿意接受学生实习。
远程教学中，对于文字、图片、视频等教学资源，目前的教育网络系统能够给予很好的支持，对于传感器与测量技术课程所强调的实践环节，因用到专业的实验设备、实验环境等，给专业的远程教育带来新的难题。开发虚拟设备、建立虚拟实验室等仿真技术的应用，为解决这一困境提供了有效途径。
仿真技术在教学中存在如下优点：（1）创造一个虚拟的实验环境，减少了繁琐的硬件设备的投资和维护；（2）将多种专业知识综合运用，满足培养学习者的理论与实践结合的能力；（3）操作都在计算机虚拟环境下运行，利于远程教育模式。以下就用飞机上使用的电容式油量表系统为例，说明传感器课程实践环节中如何引入仿真技术。
油量表采用自动平衡电桥电路，由油箱液位电容式传感装置、交流放大器、两相伺服电机、减速器、指针等部件组成。油箱中的液位高低变化会引起这些组成部件的相对运动，最后反映在油量表的指针上，操作者根据油量表的读数获取当前油箱中的油位高低。
油量表的原理图如图2所示，当油箱无油时，电容式传感器Cx具有一个初始电容，电桥处于平衡状态，输出为零，伺服电机不转动；当油箱中油量增加，电容式传感器的电容之将会发生变化，电桥失去平衡，输出电压，电压经过放大后驱动伺服电机，经减速后一方面带动油量表指针偏转一个角度，另一方面移动可变电阻Rw，使其达到一个新的平衡。
单纯的文字说明和过程讲解是无法达到好的知识传递效果，而实物系统庞大，就算有也无法独立操作和讲解。
为了让学习者明了其“输入-输出”关系的运动过程，我们将仿真技术纳入实践教学环节，用动画的方式展现出整个控制过程，并且弥补没有实物的不足。过程仿真的开发软件很多，本案例使用东方仿真软件中的过程系统仿真平台来进行开发。动作仿真的开发结果能让学习者输入或改变油位高低参数h，动态展示出油量表随着液位高低而发生变化的一系列过程，能观察到油量表相应的变化。学生通过这一过程轻松掌握电容式传感器在工程中的典型应用，并能对其它类型的变介质式电容传感器的使用举一反三，达到预期的教学效果。
Abstract： The words pay more attention to the error source and compensation processing of the magnetic sensors. The importance parts provide the information about the unvertical error， vertical axis effect error， sensitivity error， and the zero error. Also the compensation methods are given to enhance the precision. It is very necessary to research this item.
关键词： 磁阻传感器；误差；补偿
Key words： magnetic sensors；error；compensation
中图分类号：TP212.9 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）01-0309-02
0 引言
系统在工程应用中应当充分考虑各种误差的影响，特别是理论研究和工程实践，使理论与实践做的最好的结合。由于制造原因和环境因素的影响，进行刚体滚转姿态测量过程中不可避免会出现各种误差，根据各种误差的特点和性质的不同，本文将重点就磁阻传感器测量过程中产生误差的来源进行分析，并对其进行定量的描述，借鉴当前地磁场应用的实际，利用已有的各种方法对误差进行补偿，尽量消除误差带来的影响。
作为地磁场的敏感器，磁阻传感器的相关误差直接影响接下来的各项系统运行过程，是数据的起点，如果传感器的误差偏大，将对数据处理带来更大的误差。下面主要是从磁阻传感器自身出发，其误差来源可以分为以下几个方面。
1 非正交误差
选用HMC1002传感器为两轴磁阻传感器，且沿刚体横截面方向与轴垂直，假定两轴分别为Y轴和Z轴方向，则由于传感器制造工艺等方面的影响，Y轴和Z轴不可能完全的垂直，实际的正交关系并不是完全成立，有一定的误差角度，如图1所示。
以Y轴为基准轴，即Y轴是方向准确的，而Z轴方向发生了偏差。根据探测原理，理论上，两轴的地磁分量在同一平面，当Y轴最大时，Z轴输出为零；当Z轴最大时，Y轴输出为零。此时，由于误差角度α的原因，极限条件下，两轴的输出都不为零。
根据位置关系可得，极限位置处分别有，
Bzmin=Bymax*sinαz
Bymin=Bzmax*sinαy （1）
则有，
α=（αz+αy）/2 （2）
对磁阻传感器的输出进行补偿为，
Bz=Bzcout－Bycout*sinα （3）
式中，
By、Bz，磁阻传感器的输出信号，Bymax、Bymin、Bzmax、Bzmin分别其相应轴的极大和极小值；
Bzcout、Bycout，磁阻传感器的原始输出信号（未处理）。
2 垂直轴效应误差
磁传感器一般对轴向外加磁场比较敏感这类传感器还会根据横向或垂直轴方向的外加磁场，这就是垂直轴磁场效应。而由于传感器自身制作工艺所引起的正交偏差，其中X轴对Y轴的偏差为0.01°，也从另一方面加强了垂直轴效应的影响。假如在传感器的一轴上外加一磁场Had，由于横轴的影响会产生一附加磁场Hcad如下图2所示。
磁传感器电桥的输出电压可用公式表示
V=a*H/（Hs+Hca） （4）
式中，
V：表示输出电压（除去零点偏移）；
a：常数比例因子，与各向异性磁阻恒成正比；
Hs：磁场比例常数；
Hcad：垂直轴方向上的外加磁场强度；
H：敏感方向上的外加磁场强度
公式（4）在HMC1002微电路上通过实验的得出测试值：
a≈22mV/V，Hs=8Oe
如果两个传感器相互垂直的放在yoz平面上则两个传感器的输出将彼此耦合，Y轴的输出将会受到Z轴的影响，同样，Z轴的输出也会受到Y轴的影响。假定表示两个传感器的特性参数是（ay，Bsy），（az，Bsz）则传感器的输出可用表示为：
By=ay*Bycout/（Bsy+Bzcout）
Bz=az*Bzcout/（Bsz+Bycout） （5）
如果在磁阻传器测量过程中使用置位/复位电路，则可以极大地降低垂直轴误差的影响。也就是说将置位脉冲施加到传感器上后其读数将存储为V置位。在复位脉冲后，读数将存储为B复位。最终读数将为，
Bout=（Bset-Breset）/2 （6）
从而可以得倒改善后的Y轴和Z轴输出，
By=ay*Bsy*Bycout/（Bsy2-Bsz2）
Bz=az*Bsz*Bzcout/（Bsz2-Bsy2）（7）
3 灵敏度误差
制造工艺以及材料的不一致性导致了磁阻传感器的两轴不可能完全的一致，从而也使两条敏感轴的灵敏度不一致，产生了灵敏度误差。
理论条件下，磁阻传感器的两轴输出曲线是一个圆，但由于灵敏度的误差，此时两轴输出的曲线就是一个椭圆，如图3所示。假定Y轴的输出为基准，可以通过确定一个比例系数λ来调整Z轴的输出进行简单的补偿，减小误差带来的影响。
由图可得，在极值条件下两轴的输出具有一定的可比性，即，
比例系数可根据
λ=（Bymax-Bymin）/（ Bzmax-Bzmin） （8）
从而可得补偿后的两轴输出为，
By=Bycout
Bz=λ*Bzcout （9）
此外，也可以通过调整放大电路中两个敏感轴的放大倍数来使得两条敏感轴的输出灵敏度一致。
4 零位误差
理想情况下，当磁阻传感器两敏感轴上的强度分量为零时传感器的输出应当为零，如果不为零则会带来零位误差，如图4所示。具体体现在输出曲线上就是，输出点位的圆心不在圆心，而在偏离圆心的位置。
从零位误差的基本原理和原因上分析，可以得出其零位偏差为ΔY、ΔZ，如图所示其对应关系为，
ΔBy=（Bymax-Bymin）/2
ΔBz=（Bzmax-Bzmin）/2 （10）
利用偏差值对实际测量值进行补偿可得输出值，
By=Bycout-ΔBy
Bz=Bzcout-ΔBz （11）
5 其它误差来源
对于安装误差一般通过精密安装、精心调节，可将其消除在较小的范围内，它主要反映在传感器的零位偏差上，以及对软磁干扰的贡献上。
因此，对于安装误差，一方面提高制造工艺，减小误差来源；另一方面，可以将其影响化解到零位误差源和软磁误差源上。
在刚体的飞行过程中，由于外界环境的影响以及内部元器件工作发热的缘故，内部的磁阻传感器工作温度就会不断变化，一般会不断升高。
根据磁阻传感器的原理，随着温度的变化，电路中的电阻将会发生变化，进而影响到整个磁阻传感器的测量精度，主要是影响到传感器的零点和灵敏度。温度变化导致电阻等元器件时变，会导致零点的变化，产生额外的零点漂移；温度变化与灵敏度的变化。
6 结论
本章主要对系统的各种误差逐一进行分析，对磁阻传感器本身的误差重点分析了非正交误差、垂直轴效应误差、灵敏度误差以及零位误差，阐述了误差产生的机理，并对误差的补偿方法进行了论述；除了上述几类误差外，最后对安装误差、以及温度变化带来的影响进行了简单的分析论述。通过对磁阻传感器应用过程中的误差进行分析，为下一步的其在实际应用中提高精度作出了理论支持，具有重要的现实意义和应用研究价值。
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现在在各个领域当中都普遍的运用到了传感器技术，集成化方向已�
2传感器技术在机电技术当中的应用
由于传感器的电磁兼容性能比较强，因此具有较高的数据存储技术可行性，同时还不容易丢失其中的模块参数。智能滤波算法以及A/D转换技术等先进的技术都在传感器当中得到了应用，就算是满量程的时候，传感器仍然可以使稳定的输出码得到保证。传感器的通讯接口属于标准的接口，其能够与计算机进行直接的连接，同时也可以连接标准的工业控制总线，具有十分灵活的使用方式。
2.1在机器人中传感器技术的应用
作为典型的仿生装置，机器人对传感器技术进行了充分的应用。通过将感知到的物理量向电量进行转化，机器人就可以实现信息输出，在这个过程中对机器人传感技术进行了充分的利用，其中包括两方面的内容，也就是外部传感器以及内部传感器。外部传感器需要通过检测外部信息，从而对工作环境进行判别，为机器人提供必要的信息，使之能够对操作对象进行准确的控制。而实施系统的控制是内部传感器的主要功能，其能够对机器人的状态进行有效的检测，保证机器人在工作的过程中能够按照要求来进行。内部传感器可以将具有价值的信息提供给外部传感器，从而能够使机器人对外部的环境产生有效的感知，并且将相应的动作做出。与此同时，在科技生产的过程中，还可以利用对机器人的操作从而能够对反馈的意见进行获取。
2.2在机械制造行业中传感器技术的应用
由于在机械制造行业当中需要实施包括加工精度等在内的动态特性测量，因此要利用传感器针对机械阻抗以及振动等相关部件当中的参数进行测量，从而对其动态特性进行检验。如果需要在线监测与控制超精加工中的零件尺寸的时候，就要利用传感器将相关的信息提供出来。比如利用传感器针对数控车床中车刀的位置进行检测；由于工件的表面精度以及尺寸在很大程度上都会受到刀尖形状的影响，可以采用在车刀上放置的振动传感器对其锋锐的程度进行检验。还可以利用液面传感器针对液压系统中的油量以及车床中的油进行监测。
2.3在环境当中传感技术的应用
传感器网络在环境监测当中通常具有一系列的优点，其中包括无需专人现场维护、可以长期不用对电池进行更换、具有十分简单的布置等。可以利用对节点进行密集的布置，从而对微观的环境因素进行观察。在环境监测领域当中对传感器网络具有非常广泛的应用，其中包括微观观测生物群落、森林火灾报警、观察气象现象、观测海岛鸟类的生活规律等。
2.4在火灾报警当中传感器技术的应用
防灾报警装置是现代建筑必须要具备的，其 在发生火灾的时候一般都会出现有害气体、高温、火光以及烟雾等。如果将传感器运用到火灾报警系统当中，就可以对异常的信号进行转化，使之变成容易进行传送的形式，然后就可以利用消防网络向指挥中心提供火灾地点的报告。
3结语
[关键词]传感器技术：科学教育：教学研究
[中图分类号]G436 [文献标识码]A [文章编号]1672-0008（2012）05—0050—06
一、引言
随着传感器技术的不断发展，它们在科学教学中的应用也逐渐广泛。传感器技术具有科学数据的实时收集、多种类型的数据呈现方式以及变化过程回放等功能，为传统手段所无法实现的实验设计提供了诸多可能。传感器技术应用于教学。可以使微观现象宏观化、抽象概念和理论具体化， 近几年来。随着传感器技术的不断推广及其在沿海发达城市的广泛使用，与之相关的教学要素也正悄然地发生了变化，如教学模式、实验内容、教学理念、教材开发等，均给传感器技术的教学应用带来了一定的影响。其中关于基础传感器技术实验内容的开发成为重点，教学应用的探讨也引起了一定的关注。
国内曾有学者对近几年来传感器应用于我国教学的研究现状和特点进行了多方面的讨论，为相关研究提供了参考。而对有关国外传感器应用的教学研究内容及特点的讨论较少。为弥补这方面的缺失，本文在文献研究的基础上，从学生概念学习、教学模式、教师使用情况和教师培训模式等方面进行分析，试图就国外传感器技术的教学研究内容及其特点做些梳理，并结合国内情况加以讨论，提出一些建议，为我国相关领域的研究提供有益的启示和借鉴。
二、相关术语及其概念的界定
国内大多数文献提及的手持技术fHandheld Technologyl与传感器技术的概念等同，属于狭义范围，而非广义上的手持技术。广义上的手持技术泛指一些与掌上移动设备（软件或硬件），如掌上电脑、掌上学习软件、数据采集器、图形计算器等有关的学习技术。在国外教育类文献中，与传感器技术直接相关的术语主要有：Microcomputer Based Labs MBLI，probeware，data logging，data logger，Calculator Based Labs（CBL）。因此。传感器技术和手持技术概念的使用需结合不同情境加以区别。关键术语的界定，有助于基于传感器技术教学应用的文献研究。
在教育领域，传感器技术是一种面向科学教育的教学技术，是一种用于实时数据获取、显示和分析的软件和硬件集成系统。基于传感器技术的实验系统如图1所示，该系统主要由用于检测变量的传感器（探头）、用于数据收集和存储的数据采集器（如，图形计算器）以及用于数据管理和分析的配套软件构成（配套软件一般安装于电脑、掌上电脑等）。因此。传感器技术的发展主要体现于对传感器技术的实验系统各要素进行种类的开发和性能的更新等。
三、教育领域中传感器技术的发展
随着技术的更新，数据采集器和软件系统逐渐融合，形成了掌上电脑式数据采集器与传感器的组合，使得传感器技术的使用变得更为灵活，功能更为强大。如图2a为国内常见传统传感器技术系统。主要由传感器、数据采集器和配套的分析软件组成。配套的分析软件中提供了多套实验数据的分析模板。利用不同探头及其组合可以进行大量的实验设计，如，用二氧化碳探头进行二氧化碳引起温室的模拟实验，用氧气探头进行水中溶解氧的探究实验等。此类实验还有很多。常见于小学至高中阶段的探究实验开发和常规实验的改进。图2b为PASCO公司的彩屏触摸式传感器系统，其数据采集器安装有SPARK科学学习系统，以探究式教学模式引导学生开展基于传感器技术的科学实验活动，并且鼓励学生合作学习。利用该系统。PASCO研究团队开发了多种形式的课程，如，包含60多个探究式实验的SPARKlabs，针对化学和生物知识学习的加利福尼亚SPARKlabs，为小学和中学提供科学知识学习的探究式科学（Science through Inquiry）等。目前，世界上约有100多个国家在使用该公司开发的各种基于手持技术的学习系统。图2c为NOVA5000数据采集器，该采集器除了提供诸多科学实验模板，具备数据存储、分析和处理的功能外，还安装有windows CE系统，支持学生上网和查询信息。且配备oMce办公软件来编辑相关内容等。该系统主要应用于初中和高中生物、化学、物理以及环境科学等学科领域的科学实验。与传统数据采集器相比，最新的数据采集器在硬件改建方面主要体现在对数据采集器和数据显示器的改进。现在传感器技术将数据采集和显示进行了有效的融合，且操作采用触屏式，使得户外科学探究变得更为方便。而在实验模板的开发方面，现在传感器技术摒弃了传统实验模板中实验用品、实验步骤、实验结果等“说明书”式的内容结构，融入了核心教学理念，如，科学探究等教学模式来组织内容的编写，使得学生对于科学实验的探究兴趣大大增强，对于问题的思考更为深入。另外。由于加入了信息查询和辅助教学软件使用等功能，学生的科学探究的导向性也更为加强，学生与学生之间信息共享和交流，为合作学习构筑了平台。
四、国外基于传感器技术的教学研究
在国外传感器技术的教学研究中，研究者已逐步从关注实验技术的改进和实验内容的更新等方面，转向着眼于寻求多种传感器技术与教学有效结合的途径。使得传感器能够更� 如下几个方面的研究尤为繁荣：首先，在学生认知研究方面。主要侧重研究利用传感器技术进行教学对于学生概念的转变和能力的提升方面的影响，并且对探究式教学模式的应用尤为关注，从中发现结合传感器技术的教学活动和不同的教学模式对于学生认知发展的影响：其次，在教师使用方面，主要侧重于考察教师传感器技术的认知及探索教学模式的教学效果等，可以为教师教育及传感器技术教学提供依据；最后，在教师教育方面，国外开始关注基于传感器技术的教师培训模式的开发，为培养此类教学的师资做准备。本文对国外基于传感器技术的教学研究进行了梳理。总结了国外基于传感器技术教学研究的侧重点在于学生概念转变和能力变化、教学模式、教师使用情况、教师培训模式等。总之，国外教学研究特点主要体现在：以基于传感器技术的概念转变和能力考查为核心研究内容，以教学模式的探究为重要内容，以师资培训模式的探索为新动向。
（一）学生概念转变和能力考查
对学生概念转变和能力的研究，是基于传感器技术的科学教学研究的核心内容。目前，对将传感器技术与科学探究相结合、以促进学生相关技能和方法的获得的相关研究，取得了一定的成果。以下选取典型案例进行分析。
具有多年科学教学经验的英国学者Frank Fearn设计了基于传感器技术的课外探究活动以促进学生的探究能力。探究内容包括：池塘温度（温度探头）、哺乳动物活动（声音和光探头）、肥堆微环境（温度和湿度探头）、植物生长条件（光探头、湿度探头、温度探头、pH探头）。从活动设计来看，主题从简单到复杂，探究活动的综合性逐渐强：与现实环境紧密结合，使得学生在相对开放的探究环境中，学习使用传感器技术并结合数码相机等工具来收集自然环境下的多种数据，以探究相应数据的变化对于动植物生存环境的影响。这样的设计，不但有利于激起学生的探究兴趣，更有利于培养其观察能力、分析能力以及活动探究能力。
美国威廉斯顿高中教师William Struck和纽约州立大学布法罗分校科学教育专家Randy Yerrick教授，研究了两种数据分析方法对于学生动力学概念学习的影响。研究选取了两组学生，一组先用传感器技术收集和分析数据。然后再使用录像采集并分析数据的方法：另一组学生则先用录像采集并分析数据，然后用传感器技术收集和分析数据的方法。除在个别概念理解方面存在微小的差异外，两种设计下的学生小组在绘图和图形分析能力方面有了明显的提高：学生在利用图像预测和描述物质运动方面的效果也很明显。圈这说明传感器技术在数据分析和收集方面，能够促进学生学习抽象概念的深度认识。
来自康科德教育研究组织的著名传感器技术教学应用教学发起人Robert Tinker博士和密歇根州立大学著名科学教育专家Joseph Kraicik教授以水质为主题，设计实验组和对照组比较基于手持技术的探究活动和常规实验活动对于学生概念转变和相关能力的影响。研究结果表明，将传感器技术与科学探究相结合，可以使学生的探究活动变得更为灵活。更有益于学生观察技能的培养，且以小组合作的形式对探究结果共享和讨论。促使学生对概念理解得更为持久。相对于控制组，实验组学生在基本概念学习及其深度理解方面有了明显的提高，其数据分析也更为全面，且随着时间的增加，基于传感器技术的科学探究活动对学生探究兴趣、思维和探究技能等的培养均产生了积极的影响。
综上可知。学生概念转变及能力变化与基于传感器技术的实验活动设计有着密切的联系。研究者从不同角度对传感器技术的教学应用进行了研究，有从传感器本身的特点出发，侧重实验开发和应用，如Fearn和Struck等人的研究；有侧重传感器技术与建构主义模式和科学探究模式相结合进行有关研究，如Tinker等人的研究。因此，基于传感器技术的实验活动设计。不仅需要重视实验本身的设计，还需要考虑实验的活动方式或教学模式的设计，如，将科学探究教学模式与传感器技术的教学应用相结合，更能激发学生的学习兴趣，挖掘出更多基于传感器技术的科学学习的潜在价值，为实现当前课程标准以科学探究为突破口，达成培养学生探究能力的要求开辟了新途径。
（二）教学模式探索
随着传感器技术的逐步发展。如何发挥传感器技术的教学价值，成为值得研究者们思考的问题。因此，在侧重实验开发的基础上，国外对于基于传感器技术的教学模式的开发也极为关注，这成了传感器教学研究的热点内容。
康科德教育研究组织Shari Mecalf博士和Robert Tinker博士开发了一套基于传感器技术的教材。该教材以探究教学模式为理论基础，以基于标准的主题为活动内容，旨在能够最大限度地体现出传感器技术对于学生概念理解和能力培养等方面的优势。教学中，利用配套的软件系统帮助学生运行和观察传感器收集的数据，并指导学生按照引导、反思、实践、应用和评价等环节组成的教学模式进行探究。研究小组还为教师配备了相应的活动指导手册，对有关主题的背景知识、相关问题和讨论模式等均进行了说明，为教师的有效教学提供了支持。研究表明。经过一定的培训，教师能够顺利地运用规定的教学模式，传授教材中的教学内容。调查显示，学生在完成教材所要求的探究活动后，对于相关概念的理解有了明显的提高，错误概念明显减少。教师在访谈中也表示，该教学方法以及对传感器的使用对科学教学的成效是显而易见的，尤其是在学生对科学概念的深度理解方面。另外，学生在问题解决、表达与交流、团队合作等方面也得到了相应的提高。
美国查塔姆高中著名的研究型教师Missy Holzer设计了基于传感器技术的开放式探究课程，旨在为学生提供一种可持续探究和科学学习的方法。该课程提供了一系列与探究方法和科学本质相关的内容。在教学中，学生先学习各种定量和定性观察方法，总结出一些相关的科学术语，这些方法和技能均会使用到后续的传感器技术探究活动中。比如，在“微环境影响因素探究”活动中，学生需调查自身所在社区环境内的微环境，利用温度传感器来收集不同时段社区中的温度，探究温度对其微气候的影响。数据收集完后，学生分组讨论，探讨温度高低对于微气候分布的影响。通过此类简单的探究活动，使得学生能够在一种自主探究的情况下。选择制定相应的探究计划。查询相关信息。确定所要观察的数据和监控数据变化的进程。在探究过程中，通过查阅资料、讨论和分析，得出相应的结论，学生的科学探究能力在得到提升的同时，对相关科学概念的理解也有了显著的提高。
希腊萨利大学的Charilaos Tsihouridis博士等人，研究了建构主义理论引导下的基于传感器技术的科学教学模式对学生科学学习的影响。探究内容为不同物质的热传导，研究选取实验组和控制组，实验组学生按照合作设计、实验、修改以及实施的模式来开展基于传感器技术的实验探究活动：控制组学生则是直接使用已有实验来探究不同物质的热传导现象。研究表明，以建构主义教学理论设计的教学模式引导学生的实验探究，可以有力促进学生对于科学概念的理解。后测结果显示，前测中相对模糊的概念变得清晰，学生的理解不再停留于表层，回答问题的准确率也有了明显的提高。另外，实验组学生对实验活动的参与度和兴趣均较高，学生对于实验过程的掌控和步骤的调整能力得到了加强。
美国斯坦福大学和瑞典韦舍克大学的合作项目LET’sGO，开发了基于传感器技术的合作式探究学习活动。该学习活动以开放式探究为基础，结合计算机和传感器技术的使用。采用小组合作学习的方式。展开了对生态环境的探究。以水质检测为例，学习主要围绕以下几个环节：（1）同一小组学生联系已有知识对主题涉及的核心问题、探究任务进行讨论，并对问题作出假设；（2）探究或收集数据，小组讨论期间主要用SPARK传感器技术来测量和收集数据，用LiverScribe软件来记录活动内容及其结果，用工作单来记录和描述水周围的环境；（4）收集数据后，学生对不同区域的水质进行比较和分析；（5）学生回到课堂书写结果和报告，反思探究结果。研究结果表明。学生对这种基于传感器技术的教学模式给予了很高的评价。他们认为，这种数据收集的方式更简便，更有趣，活动的参与度也得到了加强，且后测也表明学生对于主题相关概念的理解更为深刻，对于问题的理解更为具体。
上述研究表明，基于科学探究的传感器技术教学应用模式。是提高学生对概念的深入认知和相应学习技能、能力（探究技能、分析能力、观察能力、合作学习能力等）的主要途径。且多样化的探究形式，如，对引导式探究、开放式探究以及合作式探究等的应用，为传感器技术的教学应用模式拓宽了思路。使得传感器技术的教学应用不再局限于课堂和个人，传感器的教学价值也不再局限于提升学生的概念认知，而且能够将传感器技术与日常生活与实践相结合。走出课堂。在探究中以合作和讨论的形式来完成一系列学习任务，拓展了传感器技术的教学应用价值。
（三）教师教学使用情况调查
在具体的教学中。除了受教学模式影响外，教师自身的能力以及教学环境的影响，致使基于传感器技术的教学在现实应用中陷入了困境。研究这些困境，提出相应的对策，是为今后基于传感器技术的教学能够顺利实施提供了有力保障。
新加坡国立教育学院学者Seah whve Choo的研究综述表明，在基于传感器技术的教学中。教师的主要任务是设计有效的学习活动及其任务，需注重在教学中给予学生充分的讨论、分析以及解释的时间，且在学生观察数据时给予适当的指导。并分析教师在教学中遇到的主要问题是受到了教学时间的限制，其他还包括资源和设备、技术支持、经费、培训时间、管理技术、教师自信心等因素。另外，传感器的技术问题、课程设计方面等经验的缺乏，也是导致教学使用的障碍所在。他提出，教师应对传感器技术的作用有充分的认识：对rr技术与课程结合的设计思路要有明确的认识：学校应为教师提供更多的时间来实施此类教学活动：通过适当的培训来增强教师的自信：新老教师能够共享优秀课例：改变传统的评价方式，注重过程评价；在教学中对学生的认知、推理以及分析能力、合作等技能进行综合评价。
Seah Whye Choo等人通过网上问卷，调查了新加坡教师在传感器技术的科学教学方面的使用情况。研究表明，在实验类型方面，传感器技术的使用途径主要为教师演示实验、教材实验和学生实验等，在探究性项目中用到的比率较少：教学方式以教师导向为主，主要用于验证性实验，学生在探究式活动中甚少使用：在介绍使用方法时。绝大多数教师着重介绍传感器技术的功能、操作步骤和方法，而忽略学生对于数据的解释和结果的讨论。尤其是面向低年级学生的教学。调查结果显示，教师并未充分挖掘传感器技术对于探究式教学的价值，教师只是用于演示或学生验证性实验，而很少给予学生在探究式活动中使用的机会，教学中也过于强调学生对操作技能的使用，而忽略了其对数据和结果进行讨论和分析能力的培养。
上述研究基本上概括了教师在基于传感器的教学使用中遇到的问题和面临的挑战。除了硬件外，教师自身对于传感器技术的认识，成为传感器能否更� 这种认识包括对技术的认识，对教学模式的认识以及对教学对象和环境的认识。在教师培训中若能注重提升这些认识，将有助于教师在课堂教学中有效地利用传感器技术。
（四）教师培训模式探索
随着对技术教学应用要求的提高，教师培训中基于传感器技术的教学培训也逐渐受到关注。基于传感器技术的教师培训，也为教师的专业发展打开了思路。
美国克利夫兰州立大学的课程专家Selma Vonderwell教授等人，开发了基于传感器技术的探究式教学培训模式。该培训模式由五个环节组成：探究式教学相关内容的学习——传感器技术的学习——基于传感器技术的探究式课程设计及实施——共享网站的建立。在培训之前，教师普遍认为自身开发此类课程的能力不足，尤其是针对将传感器技术与科学课程相结合的问题时，认为自身水平较低：经培训后，教师对传感器的使用及其教学等均有了一定的自信。认为探究式教学中融合传感器技术的方法，帮助他们理解技术在教学中的多种途径，认识到技术对于科学教育的价值。通过将教师在培训课程中开发的优秀课案例应用于课堂，使学生能够收集信息、分析信息的数据，且数据生成和分析的过程帮助学生更好地理解科学概念，培养学生观察、分析解决问题的能力。学生的活动动机和兴趣均有所增强。
美国克利夫兰州立大学的Issaou Gado博士等人。以归纳——概念发展——概念应用为教学模式，用于职前教师的基于传感器技术的探究式教学培训。在归纳阶段，通过播放教学视频。归纳传感器技术在教学中的使用方法，讨论传感器技术对于科学学习的影响：在概念发展阶段，让教师们通过设计探究式教学活动，和基于传感器技术的活动，并对表现进行评价：概念应用阶段则是教师在熟悉一系列活动后，参与到问题解决和自我探究的活动中，如，小组合作设计基于温度、电导率仪、pH探头的探究活动，并对教学表现进行评价、反思和交流。研究表明，这样的培训模式，使得职前教师对于技术的态度大有转变，一系列的教学活动，使得职前教师的探究能力、组织能力以及科学活动的参与度和态度等均有所促进，教师对于技术的使用能力、信心度进一步提高。
荷兰特温特大学Joke Voogt博士等人，通过基于传感器技术的课程培训。来促进职前教师的技术教学应用能力。该培训课程开发了针对帮助教师理解基于传感器技术的学生中心课程的教学及其实施步骤的课程材料。课程材料的活动设计以POE（预测—观察—解释）理论为指导，通过预测、实验设计、数据分析、比较预测和结果、反思等环节来组织教学，通过将教师设计的课例应用到实际课堂中。结果表明。绝大多数教师愿意在课堂教学中使用基于传感器技术的学生中心科学课程。他们认为。这样的课程对学生的科学学习很有帮助：小组合作探究方式的教学相对容易。而过程评价相对较难：利用学生前概念以及鼓励学生对预测和发现的讨论较难：需要一段时间来达到对于技术教学的班级管理和掌控：相应的课程材料及其评价方式的开发对于技术传感器技术的教学也是很重要的。
可见，国外在基于传感器技术的教师培训方面，侧重借助于一定的教学模式来促进教师对传感器技术的认识和教学应用的能力提高，尤其注重教师基于传感器技术的教学内容设计和实践应用环节，使得教师培训与教学实际相结合，有利于教师从实际出发，从教学实践中体会和收集反馈，从而对原教学设计做出评价和修正。加深他们对于技术应用的现实意义的理解。
此外，还有研究者对学生传感器技术的使用及其看法进行了调查，得出结论：学生传感器技术的操作技能、对传感器学习功能的认识、对技术使用的态度等，均对教学产生了一定的影响。些方面的研究和反馈也进一步促使教师在实际使用过程中，以学生的认知水平和基本技能为前提来设计相应的科学活动。
五、思考和建议
综上所述，国外教育技术或科学教育领域一些著名学者以及相关大学和教育研究机构，对基于传感器技术的科学教学展开了多方面的讨论，主要集中于基于传感器技术的教学对学生概念转变和能力培养的考察：侧重基于传感器技术的教学模式及其教学效果的探索：关注传感器技术教学应用影响因素的探讨，如。教师使用情况及其问题等：以及注重职前教师传感器技术教学应用培训模式的探讨。通过这些研究，使得基于传感器技术的教学设计及其应用，有了强力的理论支撑。本文结合国内的研究现状。在上述文献分析的基础上。简要提出相应的建议。
（一）我国传感器技术的教学应用研究现状
在基于传感器技术的教学应用方面，我国学者主要从基于传感器技术的实验开发着手，进行了大量研究，研究内容包括教材常规实验的改进（如，用温度探究代替温度计来观测二氧化碳的温室效应），抽象理论的实验新设计（如，酸碱滴定中电导率的变化、沉淀平衡时电导率的变化等），课外实验活动的开发（如，利用色度计测红枣中铁元素的含量）等。这些实验的设计和开发为促进相关教学提供了支持。但基于探究教学模式设计的传感器技术实验活动研究不多，尤其是面向低年级的课外实验探究活动甚少。从教师教育的角度来讲，有关技术教育的师资培训中，针对基于传感器技术的教学培训模式的探讨也较少。在基于传感器技术的学生概念认知方面，也有一些研究，如，对传感器技术与酸碱中和滴定概念学习的研究，对传感器技术与化学定量问题解决的研究等，叫旦成果并不丰富。
1.弹性元件的虚拟模型根据导体材料的应变电阻效应，电阻的相对变化与应变之间的关系。为了获得电桥输出与载荷的关系，需要构建弹性元件的数学模型。电阻式传感器的弹性元件结构有圆筒式、柱环式、悬梁式和轮辐式四种基本类型，各种不同的结构型式的弹性元件应变ε与载荷F的关系如下所示。（1）柱筒式弹性元件其中E为弹性模量，A为横截面积。（2）柱环式弹性元件其中R0为内环半径，b为柱环宽度，h为柱环厚度，E为弹性模量。（3）悬梁式弹性元件其中l为有效长度，b为悬梁宽度，h为悬梁厚度，E为弹性模量。（4）轮辐式弹性元件其中b为轮辐条厚度，h为轮辐条宽度，G为剪切模量。将四种弹性元件类型设计在一个子VI中，通过操作“弹性元件类型”下拉列表进行选择。
2.虚拟电桥模型电桥是目前常用的电阻式传感器测量电路，整个电桥电路由四个桥臂组成，当桥臂接入应变电阻时则成为应变电桥。当有一个臂被接入应变电阻时，被称为单臂电桥；两个臂被接入应变电阻时则为双臂电桥（也称半桥）；四个臂均被接入应变电阻时则称为全桥。在桥路中均未接入应变电阻时。
3.电阻属性和接桥方式设计前面板（如图1所示）上电桥部分的电阻属性分为固定电阻、应变电阻和平衡电阻三种，应变电阻的贴片方式分为受拉应力和受压应力。（1）电阻属性。图1中的电阻R1的属性只有两种：应变电阻和固定电阻。该属性通过操作“R1”设置开关进行选择。若R1为应变电阻属性，其阻值会随载荷F的增减而产生相应的ΔR1以及因温度变化产生的ΔR1t。电阻R2的属性与R1相同。通过操作“R2”设置开关可以选择R2的属性。若R2作为应变电阻，则会随载荷F的增减而产生相应的ΔR2以及因温度变化产生的ΔR2t。若操作“差动设置”开关，则可使R2的受力方式为受压应力，从而会随载荷F的增减而产生相应的-ΔR2以及因温度变化产生的ΔR2t。R3，R4需要参与调平电路的设计，因此接线也会相对复杂。通过操作“R3”和“R4”设置开关对该电阻进行属性操作。图中出现的Rr显示框为调零电路中的R5的右半部分与R6串联然后再与R3并联后的阻值。Rl显示框为R5的左半部分与R6串联后再与R4并联后的阻值。（2）接桥方式的设计。虚拟前面板上的电桥工作方式分别为：不工作、单臂工作，半桥工作和全电桥工作方式四大类型。对于半桥和全桥方式，其中应变片又分为差动和非差动两种布片方式。不工作方式指的是R1，R2，R3和R4都设置成固定电阻。该方式无论怎样施加外力，输出始终为零。单臂工作时将R1设置为应变电阻，R2、R3、R4设置为固定电阻。此时，按“R1”按钮，“R1”按钮变绿，图中应变电阻R1如果显示向上的箭头，表明该应变电阻受拉应力，对应电阻值增大；如果应变电阻R1显示向下的箭头，表明该应变电阻受压应力，对应电阻值减小。半桥非差动工作时，R1、R2设置为应变电阻，R3、R4设置为固定电阻。按下“R1”、“R2”两个按钮，两者均变绿表示接入工作臂，同时电阻R1、R2上的箭头方向一致，表示应变片受到相同性质的应力，此时电桥输出基本为零。半桥差动工作时，R1、R2设置为应变电阻，R3、R4设置为固定电阻。按下“R1”、“R2”两个按钮，两者均变绿表示接入工作臂，同时电阻R1显示向上箭头，R2显示向下的箭头，表示对应的应变片受到拉应力和压应力。全桥非差动工作时R1、R2、R3、R4属性均为应变电阻，此时，按下“R1”、“R2”、“R3”、“R4”按钮，均变为绿色。四个电阻上的箭头方向一致，表明四个电阻受相同性质的应力，此时电桥输出基本为零。全桥差动工作时，“R1”、“R3”电阻箭头向上，表示受拉应力；“R2”“R4”箭头向下，表示受压应力。
4.温度误差计算及补偿在讨论应变计的工作特性时通常是以温度恒定为前提的，但在实际应用过程中，工作温度可能会发生变化，从而导致应变电阻的阻值发生变化。设工作温度变化为Δt℃，则由此引起粘贴在试件上的应变电阻的相对变化为。将公式（11）代入公式（7）-（10），即可以计算出温度变化时的电桥输出，该输出即为温度误差。单臂工作时，采用补偿块法进行温度误差补偿，该方法利用两块参数相同的应变计R1、R2，R1贴于试件上并接入工作臂，R2贴于与试件材料相同温度环境的补偿块上，但该补偿块不参与机械应变，同时接入电桥相邻臂作为补偿臂。当接通电源并施加负载时，补偿臂产生的热输出与工作臂产生的热输出相同，则可达到温度误差补偿的目的。对于半桥差动和全桥差动工作方式，根据公式（10）的和差特性即能进行温度误差补偿。5.非线性误差计算及补偿公式（10）是对公式（9）进行线性化后的输出。对于单臂工作时，非线性误差可以通过在电路中加入补偿臂（该臂不受外加应力作用）。对于半桥差动和全桥差动工作方式，不需要外接补偿电路，因为差动工作方式具有很好的非线性补偿作用。
二、虚拟操作面板的设计
用LabVIEW软件开发虚拟仪器，用户能“量身定制”仪器的操作面板。本实验根据真实的电阻式传感器实验电路接线图作为虚拟仪器的操作面板，能直观地阐述电阻式传感器实验原理及操作方式，虚拟面板如图1所示，主要包括虚拟弹性元件选择、应变电阻布片方式选择、电桥接法选择、电桥调零模块、差动放大模块、直流电源模块。此外前面板还包括电阻、外力、温度的赋值等。
三、远程虚拟实验的演示步骤
电阻式传感器实验的远程操作分别由DataSocket技术与Web网络工具来实现。DataSocket技术以及网络化技术的结合使虚拟仪器的远程控制成为可能，可在若干计算机上对传感器虚拟实验进行操作及数据处理。这为传感器虚拟实验的互动教学提升了便捷性。电阻式传感器虚拟实验的远程操作过程如下：第一步，打开服务器网页。第二步，输入R1、R2、R3、R4的阻值。第三步，选择弹性元件类型。第四步，设置接桥和布片方式。第五步，打开电源开关。第六步，调节调零电位计，直至电桥近似达到初始平衡状态。第七步，点击“施力F”按钮。第八步，查看客户端网页，查看电桥输出曲线。第十步，点击服务器面板中的“复位键”，使所有选项、开关及输入数据均清零和初始化。第十一步，关闭电源开关。
四、结束语
Control Experiments Teaching Research Based on Virtual *
LI Xiaoru， LIU Jianguo
（School of Mechanical Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093）
Abstract Single curriculum for the relevant status quo， plug-in， verify and control experiment Experiment-based monitoring and control and other experimental teaching Currently， in order to improve student interest in learning， in close connection with practical application， better achieve the objectives of experimental teaching in the experimental teaching process， according to the characteristics of the students the basics， arrange appropriate experiments， individualized. Around the "multidisciplinary， in close connection with the practical application" principle， this paper presents the experimental and control based on LabVIEW virtual instrument teaching methods， the sensor technology and motion control combined on a single platform.
Key words sensor; virtual instruments; teaching methods; multidisciplinary
0 前言
测试测量与控制技术，简称测控，简短的两个字包含了从信号的获取、放大、传输、处理、应用和控制的全过程。测控技术涉及多个学科领域，如计算机技术、电子技术、自动控制技术、传感器技术、信号分析与处理、工程测试技术等。测控技术系列课程教学改革的重要目标之一就是将传统的“老师为主体的验证性实验教学模式”改为“学生为主体的结合实际应用的设计、分析实验模式”，重点培养提出问题、研究问题、解决问题的能力，提高学生的学习兴趣和创新能力，培养适应社会需求的人才。整个实验包括从基础的计算机系统、传感器信号获取、信号分析和处理，到反馈控制的一体化整体解决方案。虚拟仪器（virtual instrumention）是一种图形化编程语言，被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件，以通用的计算机硬件及操作系统为依托，在测量和自动化领域得到广泛应用，而且对传统的实验教学方法产生了很大影响，虚拟仪器的应用越来越广泛，将虚拟仪器技术应用于教育教学是虚拟仪器应用的不断拓展和教育教学发展的必然要求，本文以虚拟仪器为开发环境，构建了基于运动控制的传感器实验教学平台。
1 基于LabVIEW的测控实验建设思路
由于微电子、计算机、软件和网络技术的发展，使新的测试理论、测试方法以及仪器结构不断发展成熟，基于LabVIEW虚拟仪器的测控技术创新实验教学逐步形成新的发展趋势，以计算机为核心，由强大的测试应用软件支持，具有模块化、互换性、资源复用性，同时可方便、经济地组建自动测试系统，测控技术实验具有以下特点：
（1）个性化的功能仪器：本实验系统采用虚拟仪器将各种不同的仪器硬件连接到计算机上，运用计算机高速的软硬件资源，将计算机硬件和测量仪器等硬件资源与计算机软件资源有机结合起来完成特定的功能，利用该技术，可替代传统测量仪器，如频谱仪、示波器等。
（2）多学科技术交叉融合：测控技术是多学科技术交叉融合的典型技术，信息论、控制论、系统论是测控专业的理论基础，信息技术、测控技术、系统网络技术是测控专业的基本技术，多学科交叉与多系统集成是测控专业的显著特点。
（3）紧密联系实际，提高学生兴趣，随着生产技术的发展需要，测控技术从最初的控制单个设备到控制整个过程及系统，特别是在当今现代科技领域的尖端技术中，测控技术起着至关重要的作用。
（4）内容上由简到难、循序渐进：按照“基础原理验证性实验、设计性实验、综合性实验、创新性实验”的思路来逐步提高学生学习动手能力，让学生从原理到实际应用来逐步学习和认识，最后有机会进行创造性的综合实验。
（5）便于扩展：虚拟仪器的软硬件系统可以方便进行重新组合和设计，灵活运用。就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件升级即可改进整个系统。在利用最新技术的时候，把它们集成到现有的测量设备中，最终以极少的成本改进现有的实验设施。
3 虚拟测控实验系统整体内容
整个实验系统包括虚拟仪器软件和测控系统硬件。虚拟仪器采用LabVIEW图形化开发环境，具有界面友好、易于掌握、编程灵活、设计效率高等优点，硬件平台包括数据采集卡、各类实验用传感器、信号调理电路及各种相关实验器材。传感器的输出信号由数据采集卡采集，经由信号调理电路对信号进行放大和滤波，使其与数据采集卡中的A/D转换器相匹配并提供足够的驱动。另外，还包含驱动控制模块、电机，工业对象等，根据不同的实验内容，采用不同的工业模组，仿真工业测试环境，培养学生掌握测试测量和电机控制的实验技能，让学生在自由创新的空间形成正确的、科学的思想，测控系统总体框图如图1所示。
图1中的测控对象可以是运动机械对象，如伺服电机、步进电机等，可以是运动对象的位移、速度、加速度等参量，也可以是过程参数，传感器是检测装置，能感受被测量的信息，是自动检测和控制的首要环节，将待测参数值按一定规律变换成为电信号或其他信号输出；调理电路就是信息处理电路，将待测信号转化为标准电信号，以便数据采集卡或控制器接收，这部分既可作为传感器原理的一部分，也可作为信号处理的一部分；分析主要指采用LabVIEW提供的丰富的函数库，将数据采集到的标准数字信号，对其进行分析、处理；显示采用虚拟仪器图形化的软件面板替代常规的传统仪器面板，同样具有实际仪器相似的旋钮、开关、指示灯及其他控制部件。
4 实验模块设计
4.1 运动控制实验模块设计
本实验采用TS-ICD-5A智能控制器，被控对象为1000线的伺服电机。开始实验之前，学生必须仔细阅读智能控制与驱动模块软硬件说明书，掌握电机控制线和电源线与控制器的连接方式，模拟量、数字量怎么接入控制器，驱动器的设置、运动编程、实际物理单位和以编码器表示的内部编程的计算机单位的转换、存储器映射等相关知识点，工程文件配置包含电机参数、编码器线数、控制模式以及相应控制参数信息，然后使用LabVIEW调用智能控制与数字伺服驱动模块动态链接库，可以检测各类电机参数，发送电机运动控制指令，读取编码器、I/O通道、AD通道的反馈，轻松实现电机的开环、半闭环、全闭环控制以及相关信号检测，编制LabVIEW程序，图2所示的运动控制虚拟面板为简单的电机控制实验前面板。
4.2 传感器实验模块设计
以测控电路原理实验和虚拟仪器仿真实验为主，结合理论知识，让学生自己动手搭建相对应的仪器与电路，使其扎实地掌握测控系统中涉及的基础知识点，以模块化工业对象为载体，设计了光电开关传感器、电涡流传感器、振动加速度传感器、振动速度传感器、磁电传感器等各种工业标准传感器实验。图3显示了本实验模块提供的一种磁电转速传感器测量原理。传感器实验模块以验证性实验为主，将工程测试与传感器、信号与系统、虚拟仪器等课程的教学与实验紧密结合，理论联系实际。
4.3 综合实验模块设计
在掌握以上的知识后，教师对现有对象提出新的设计思路或要求，让学生重新设计或改装实验对象，得到期望的实验结果。例如，学生可以整合运动控制实验和传感器实验的对象开发综合测控对象。锻炼三个方面的能力。（1）学习运动控制原理，伺服电机的调速特性，运动控制卡的接线，电机的各种参数设置，运动模式。（2）学习各种传感器的基本原理，实用范围，以及在各种测试条件下不同传感器的选型方法。（3）学习数据采集的相关知识，包含硬件连线和软件采集。
关键词：传感器；应用型；教学；改革；探讨
当今社会转型，大学也要转型，转型发展应适应社会的发展、市场的需求，因此，应用型人才培养理念应运而生。传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础，是现代科技的开路先锋，传感器技术是一项当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高新技术之一，也是当代科学技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱之一。本文从应用型人才�
一、传感器教学的现状
传感器是测控技术与仪器、电子信息工程、自动化、应用电子技术、工业自动化等弱电专业的一门必修专业课程，如何让学生学好这门课程，如何通过这门课程培养学生的动手能力、实践能力、创新能力，一直都是我们高校相关教师在思索的一个课题。我校传感器课程从开课至今历经了几次调整，但是在应用型人才培养方面的效果并不十分突出，究其原因主要有以下几点：
（一）传感器教学安排不够合理
在教学中，过分强调理论的指导性，把实验教学看成理论教学的附属品，表现为重理论、轻实践，重理论知识传授、轻动手能力培养。理论教学与当今传感器的实际应用联系也较少，教学中教师主体地位太明显，学生在实验教学中基本上是被动地按老师的演示方法或实验教材规定的步骤进行实验结果的验证，实验教师在教学中基本上也是按部就班，很少去考虑专业培养的发展需要以及培养对象的个人兴趣，致使学生基本处于一种被动学习的状况，扼制了学生学习的积极性、主动性和创造性，难以实现学生在教学活动中的主体地位和个性差异，不利于应用技能以及创新精神、创造能力等综合素质的培养。
（二）实验条件还不够完善，实验内容应用性、创新性不够
实验室建设不足，存在实验设备落后、实验条件有限等困难，开设和开发综合型和创新型实验项目受到相应的制约。
目前，我校采用的传感器实验装置是CSY3000型传感器系统实验仪，它所提供的实验项目大多为验证型实验，缺乏设计型、综合性；采用的传感器实验教材都是在厂家提供的仪器使用指南的基础编写的讲义，缺乏创新性、拓展性。实验模型基本确定，学生基本上是按教师和实验讲义要求的内容、步骤进行实验，学生处于被动学习和机械操作的状态，遏制了学生实验的逻辑思维和创造性思维。
（三）课程考核太过传统
我校该课程的考核主要传统的考试为主，实验部分也是以实验报告的完成情况和教师的印象为依据。学生被动性学习现象严重。此种教学模式严重影响了学生的学习积极性，让很多学生养成了一种上课混日子的现象。
二、传感器教学改革的几点思路
（一）优化理论课程教学
根据本课程的培养目标和培养定位，体现“工程应用型”人才培养的特点。
首先，建议对传感器教材进行优选。教材的选择对教学效果有着直接的影响。优选国内部级规划教材，紧跟信息技术领域变化及学科发展。“传感器”教材的章节编排方法通常有两种：一种是按照工作原理；另一种是按照被测参数。前者适合于理论学习，后者适合于应用型学习，选择时应以“应用型”�
其次，优选内容和方法。教师讲课时应合理安排章节内容，不能完全照本宣科地讲，要利用课外研读大量的相关参考书籍、应用类相关杂志，结合自己的理解，采取启发式和探究式的研究性教学方法，通过提出问题、学生参与讨论等互动方式，使学生融入课堂教学过程，培养其发现问题、解决问题的能力。
再次，增加实物展示环节及动画展示。教师在讲授理论知识的同时，展示相应的实物或者动画，能让学生的学习不那么空洞，增加其对知识的理解。
（二）优化实践教学
1、实验室基础建设的切实跟进
根据课程教学计划和课程教学大纲，加强传感器实验室建设。现有的设备大部分只能进行一些比较基础的验证型实验，以及一些简答的综合型实验。要引进一些符合目前传感器应用的、能开展综合型、设计型、拓展型实验的设备。
2、实验教材的切实跟进
作为实验教学中不可缺少的一环，实验教材体现了实验课程的教学方式、教学内容、教学思想等多方面，其重要性不言而喻。前面讲到目前使用的实验教材是在厂家提供的仪器使用指南的基础上所编写的，在新颖性和实用性方面有所缺乏，应根据目前高校实验教学状况和该学科地不断发展更新充实实验教学内容和方法，做到实验教材的切实跟进。
3、提升实验内容的多样性和设计性
目前我们沿用的基本上还是传统的传感器实验教学内容和方式，而传感器技术是一种综合性应用技术，随着新材料、新工艺以及各门类技术的发展，新型传感器不断涌现，为了体现实践教学的作用，培养学生理论用于实践的能力，原有基础上的大量验证型实验应有所改变，一方面要保留必要的基础验证型实验，如电阻式传感器、电涡流传感器、光电式传感器实验等，让学生通过这些实验，更进一步理解传感器的基本原理和特性，进一步消化教学内容；另一方面增加些设计型实验，如采用电容式传感器设计成粮食水分监测传感器，用电涡流式传感器设计厚度检测仪，以及用温度传感器测油温等，还可以在此基础上设计综合性实验，每学期提出几个方向让学生自主选择，以设计论文的形式设计一套测试系统方案，包括：可能采用的方法；自己设计的方案；实现该设计方案需要进行的实验内容及时间安排；希望得到的实验结果及可能得到的结果预测等方面。如有条件鼓励学生动手制作该测试系统的某些部分或者是全部。综合型实验比如有：变压器油温监控系统、居室环境舒适度监控系统、汽车安全气囊测控系统等等。通过设计型实验和综合型实验，可以培养学生的工程设计能力、解决实际问题能力，激发学生的学习热情和创新意识，并且为将来写论文打下基础。
4、教学过程中注重对学生的引导
作为目前主要的一种验证理论、应用理论、锻炼学生动手能力的教学方式，实验课应该具备引导学生、在教学中给学生启发的特点，故在实验教学的过程中，我们应该因材施教，采用启发式教学方法，而不是灌入式地让学生被动地进行试验，每个实验在任务给出后，让学生独立完成实验乃至设计，教师在必要时才给予提示，为了活跃学生的思路，可以大部分实验只提出实验任务和要求，而不规定具体的实验方法及步骤，这样一来，让每个学生都亲自动手完成实验的过程，这样不仅有利于提高学生的独立操作能力，更有利于增强实验教学的效果。
（三）制定适合应用型人才培养模式的考核方案
成绩是学生对该课程掌握情况的一个重要反馈，理论成绩和实验成绩的评定方法关乎学生对待课程的态度，我们要充分利用学生的这一心理特征来促进我们的传感器教学，既达到考察学生学习情况的目的，又能使学生强化自身的知识、实践能力以及创新能力。成绩的评定不应该仅仅是知识的掌握与否，还应该将操作过程情况和熟练程度、灵活运用知识程度、应用技能、创新性程度等纳入评定范畴。同时还引导学生在创新性思维和创新型设计的基础上，撰写设计论文，可锻炼学生的整体构想能力，为将来的科技论文打下基础。
三、结束语
本文分析了我校传感器教学的一些现状，然后根据近年来的教学尝试和探索，从应用型人才培养的角度出发，提出了作者的几点粗浅的教学改革思路。我们将继续加大传感器教学模式的探索，为培养应用型、创新型人才多做努力。
[参考文献]
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关键词：传感器变送器选用
一、一体化温度变送器
一体化温度变送器一般由测温探头（热电偶或热电阻传感器）和两线制固体电子单元组成。采用固体模块形式将测温探头直接安装在接线盒内，从而形成一体化的变送器。一体化温度变送器一般分为热电阻和热电偶型两种类型。
热电阻温度变送器是由基准单元、R/V转换单元、线性电路、反接保护、限流保护、V/I转换单元等组成。测温热电阻信号转换放大后，再由线性电路对温度与电阻的非线性关系进行补偿，经V/I转换电路后输出一个与被测温度成线性关系的4～20mA的恒流信号。
热电偶温度变送器一般由基准源、冷端补偿、放大单元、线性化处理、V/I转换、断偶处理、反接保护、限流保护等电路单元组成。它是将热电偶产生的热电势经冷端补偿放大后，再帽由线性电路消除热电势与温度的非线性误差，最后放大转换为4～20mA电流输出信号。为防止热电偶测量中由于电偶断丝而使控温失效造成事故，变送器中还设有断电保护电路。当热电偶断丝或接解不良时，变送器会输出最大值（28mA）以使仪表切断电源。一体化温度变送器具有结构简单、节省引线、输出信号大、抗干扰能力强、线性好、显示仪表简单、固体模块抗震防潮、有反接保护和限流保护、工作可靠等优点。一体化温度变送器的输出为统一的4～20mA信号；可与微机系统或其它常规仪表匹配使用。也可用户要求做成防爆型或防火型测量仪表。
二、压力变送器
压力变送器也称差变送器，主要由测压元件传感器、模块电路、显示表头、表壳和过程连接件等组成。它能将接收的气体、液体等压力信号转变成标准的电流电压信号，以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节。
压力变送器的测量原理是：流程压力和参考压力分别作用于集成硅压力敏感元件的两端，其差压使硅片变形（位移很小，仅μm级），以使硅片上用半导体技术制成的全动态惠斯登电桥在外部电流源驱动下输出正比于压力的mV级电压信号。由于硅材料的强性极佳，所以输出信号的线性度及变差指标均很高。工作时，压力变送器将被测物理量转换成mV级的电压信号，并送往放大倍数很高而又可以互相抵消温度漂移的差动式放大器。放大后的信号经电压电流转换变换成相应的电流信号，再经过非线性校正，最后产生与输入压力成线性对应关系的标准电流电压信号。
压力变送器根据测压范围可分成一般压力变送器（0.001MPa～20MP3）和微差压变送器（0～30kPa）两种。
三、液位变送器
1、浮球式液位变送器
浮球式液位变送器由磁性浮球、测量导管、信号单元、电子单元、接线盒及安装件组成。
一般磁性浮球的比重小于0.5，可漂于液面之上并沿测量导管上下移动。导管内装有测量元件，它可以在外磁作用下将被测液位信号转换成正比于液位变化的电阻信号，并将电子单元转换成4～20mA或其它标准信号输出。该变送器为模块电路，具有耐酸、防潮、防震、防腐蚀等优点，电路内部含有恒流反馈电路和内保护电路，可使输出最大电流不超过28mA，因而能够可靠地保护电源并使二次仪表不被损坏。
2、浮简式液位变送器
浮筒式液位变送器是将磁性浮球改为浮筒，它是根据阿基米德浮力原理设计的。浮筒式液位变送器是利用微小的金属膜应变传感技术来测量液体的液位、界位或密度的。它在工作时可以通过现场按键来进行常规的设定操作。
3、静压或液位变送器
该变送器利用液体静压力的测量原理工作。它一般选用硅压力测压传感器将测量到的压力转换成电信号，再经放大电路放大和补偿电路补偿，最后以4～20mA或0～10mA电流方式输出。
四、电容式物位变送器
电容式物位变送器适用于工业企业在生产过程中进行测量和控制生产过程，主要用作类导电与非导电介质的液体液位或粉粒状固体料位的远距离连续测量和指示。
电容式液位变送器由电容式传感器与电子模块电路组成，它以两线制4～20mA恒定电流输出为基型，经过转换，可以用三线或四线方式输出，输出信号形成为1～5V、0～5V、0～10mA等标准信号。电容传感器由绝缘电极和装有测量介质的圆柱形金属容器组成。当料位上升时，因非导电物料的介电常数明显小于空气的介电常数，所以电容量随着物料高度的变化而变化。变送器的模块电路由基准源、脉宽调制、转换、恒流放大、反馈和限流等单元组成。采用脉宽调特原理进行测量的优点是频率较低，对周围元射频干扰、稳定性好、线性好、无明显温度漂移等。
五、超声波变送器
超声波变送器分为一般超声波变送器（无表头）和一体化超声波变送器两类，一体化超声波变送器较为常用。一体化超声波变更新器由表头（如LCD显示器）和探头两部分组成，这种直接输出4～20mA信号的变送器是将小型化的敏感元件（探头）和电子电路组装在一起，从而使体积更小、重量更轻、价格更便宜。超声波变送器可用于液位。物位测量和开渠、明渠等流量测量，并可用于测量距离。
六、锑电极酸度变送器
锑电极酸度变送器是集PH检测、自动清洗、电信号转换为一体的工业在线分析仪表，它是由锑电极与参考电极组成的PH值测量系统。在被测酸性溶液中，由于锑电极表面会生成三氧化二锑氧化层，这样在金属锑面与三氧化二锑之间会形成电位差。该电位差的大小取决于三所氧化二锑的浓度，该浓度与被测酸性溶液中氢离子的适度相对应。如果把锑、三氧化二锑和水溶液的适度都当作1，其电极电位就可用能斯特公式计算出来。
锑电极酸度变送器中的固体模块电路由两大部分组成。为了现场作用的安全起见，电源部分采用交流24V为二次仪表供电。这一电源除为清洗电机提供驱动电源外，还应通过电流转换单元转换成相应的直流电压，以供变送电路使用。第二部分是测量变送器电路，它把来自传感器的基准信号和PH酸度信号经放大后送给斜率调整和定位调整电路，以使信号内阻降低并可调节。将放大后的PH信号与温度被偿信号进行迭加后再差进转换电路，最后输出与PH值相对应的4～20mA恒流电流信号给二次仪表以完成显示并控制PH值。
七、酸、碱、盐浓度变送器
酸、碱、盐浓度变送器通过测量溶液电导值来确定浓度。它可以在线连续检测工业过程中酸、碱、盐在水溶液中的浓度含量。这种变送器主要应用于锅炉给水处理、化工溶液的配制以及环保等工业生产过程。
酸、碱、盐浓度变送器的工作原理是：在一定的范围内，酸碱溶液的浓度与其电导率的大小成比例。因而，只要测出溶液电导率的大小变可得知酸碱浓度的高低。当被测溶液流入专用电导池时，如果忽略电极极化和分布电容，则可以等效为一个纯电阻。在有恒压交变电流流过时，其输出电流与电导率成线性关系，而电导率又与溶液中酸、碱浓度成比例关系。因此只要测出溶液电流，便可算出酸、碱、盐的浓度。
酸、碱、盐浓度变送器主要由电导池、电子模块、显示表头和壳体组成。电子模块电路则由激励电源、电导池、电导放大器、相敏整流器、解调器、温度补偿、过载保护和电流转换等单元组成。
八、电导变送器
它是通过测量溶液的电导值来间接测量离子浓度的流程仪表（一体化变送器），可在线连续检测工业过程中水溶液的电导率。
由于电解质溶液与金属导体一样的电的良导体，因此电流流过电解质溶液时必有电阻作用，且符合欧姆定律。但液体的电阻温度特性与金属导体相反，具有负向温度特性。为区别于金属导体，电解质溶液的导电能力用电导（电阻的倒数）或电导率（电阻率的倒数）来表示。当两个互相绝缘的电极组成电导池时，若在其中间放置待测溶液，并通以恒压交变电流，就形成了电流回路。如果将电压大小和电极尺寸固定，则回路电流与电导率就存在一定的函数关系。这样，测了待测溶液中流过的电流，就能测出待测溶液的电导率。电导变送器的结构和电路与酸、碱、盐浓度变送器相同。
九、智能变送器
智能式变送器是由传感器和微处理器（微机）相结构而成的。它充分利用了微处理器的运算和存储能力，可对传感器的数据进行处理，包括对测量信号的调理（如滤波、放大、A/D转换等）、数据显示、自动校正和自动补偿等。
微处理器是智能式变送器的核心。它不但可以对测量数据进行计算、存储和数据处理，还可以通过反馈回路对传感器进行调节，以使采集数据达到最佳。由于微处理器具有各种软件和硬件功能，因而它可以完成传统变送器难以完成的任务。所以智能式变送器降低了传感器的制造难度，并在很大程主上提高了传感器的性能。另外，智能式变送器还具有以下特点：
1.具有自动补偿能力，可通过软件对传感器的非线性、温漂、时漂等进行自动补偿。可自诊断，通电后可对传感器进行自检，以检查传感器各部分是否正常，并作出判断。数据处理方便准确，可根据内部程序自动处理数据，如进行统计处理、去除异常数值等。
关键词：无线传感器网络；组成；应用；发展
科技发展的脚步越来越快，人类已经置身于信息时代。而作为信息获取最重要和最基本的技术——传感器技术，也得到了极大的发展。传感器信息获取技术已经从过去的单一化渐渐向集成化、微型化和网络化方向发展，并将会带来一场信息革命。具有感知能力、计算能力和通信能力的无线传感器网络（WSN，wirelesssensornetworks）综合了传感器技术、嵌人式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽而准确的信息，传送到需要这些信息的用户。
由于WSN的巨大应用价值，它已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的广泛关注，被广泛地应用于军事，工业过程控制、国家安全、环境监测等领域。
无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等多种领域，是当前计算机网络研究的热点。
一、发展概述
早在上世纪70年代，就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络雏形，我们把它归之为第一代传感器网络。随着相关学科的不断发展和进步，传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力，并通过与传感控制器的相联，组成了有信息综合和处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。而从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用，并使用无线技术连接，无线传感器网络逐渐形成。
无线传感器网络是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，其发展和应用，将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。发达国家如美国，非常重视无线传感器网络的发展，IEEE正在努力推进无线传感器网络的应用和发展，波士顿大学（BostonUniversity）还于最近创办了传感器网络协会（SensorNetworkConsortium），期望能促进传感器联网技术开发。美国的《技术评论》杂志在论述未来新兴十大技术时，更是将无线传感器网� 可以预计，无线传感器网络的广泛是一种必然趋势，它的出现将会给人类社会带来极大的变革。
二、无线传感器网络的定义和特点
无线传感器网络可以看成是由数据获取网络、数据分布网络和控制管理中心三部分组成的。其主要组成部分是集成有传感器、数据处理单元和通信模块的节点，各节点通过协议自组成一个分布式网络，再将采集来的数据通过优化后经无线电波传输给信息处理中心。无线传感器网络操作系统Tiny0S141的研制者，JasonHill博士把WSN定义为：
Sensing＋CPU＋Radio＝Thousandsofpotentialapplication
哈尔滨工业大学的李建中教授将WSN定义为：WSN是由一组传感器节点以自组织的方式构成的有线或无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并给观察者。从硬件上看，WSN节点主要由数据采集单元、数据处理单元、无线数据收发单元以及小型电池单元组成，通常尺寸很小，具有低成本、低功耗、多功能等特点；从软件上看，它借助于节点中内置传感器有效探测所处区域的温度、湿度、光强度、压力等环境参数以及待测对象的电压、电流等物理参数，并通过无线网络将探测信息传送到数据汇聚中心进行处理、分析和转发。
WSN与传统传感器和测控系统相比具有明显的优势。它采用点对点或点对多点的无线连接，大大减少了电缆成本，在传感器节点端即合并了模拟信号／数字信号转换、数字信号处理和网络通信功能，节点具有自检功能，系统性能与可靠性明显提升而成本明显缩减。
无线传感器网络具有以下特点：
1、硬件资源有限。WSN节点采用嵌入式处理器和存储器，计算能力和存储能力十分有限。所以，需要解决如何在有限计算能力的条件下进行协作分布式信息处理的难题。
2、电源容量有限。为了测量真实世界的具体值，各个节点会密集地分布于待测区域内，人工补充能量的方法已经不再适用。每个节点都要储备可供长期使用的能量，或者自己从外汲取能量（太阳能）。当自身携带的电池的能量耗尽，往往被废弃，甚至造成网络的中断。所以，任何WSN技术和协议的研究都要以节能为前提。
3、无中心。在无线传感器网络中，所有节点的地位都是平等的，没有预先指定的中心，是一个对等式网络。各节点通过分布式算法来相互协调，在无人值守的情况下，节点就能自动组织起一个测量网络。而正因为没有中心，网络便不 节点可以随时加入或离开网络，任何节点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性。
4、自组织。网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施，节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。
5、多跳（Multi-hop）路由。WSN节点通信能力有限，覆盖范围只有几十到几百米，节点只能与它的邻居直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过中间节点进行路由。WSN中的多跳路由是由普通网络节点完成的。
6、动态拓扑。WSN是一个动态的网络，节点可以随处移动；一个节点可能 这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化，因此网络应该具有动态拓扑组织功能。
7、节点数量众多，分布密集。WSN节点数量大、分布范围广，难于维护甚至不可维护。所以，需要解决如何提高传感器网络的软、硬件健壮性和容错性。
8、传输能力的有限性。无线传感器网络通过无线电波进行数据传输，虽然省去了布线的烦恼，但是相对于有线网络，低带宽则成为它的天生缺陷。同时，信号之间还存在相互干扰，信号自身也在不断地衰减，诸如此类。不过因为单个节点传输的数据量并不算大，这个缺点还是能忍受的。
9、安全性的问题。无线信道、有限的能量，分布式控制都使得无线传感器网络更容易受到攻击。被动窃听、主动入侵、拒绝服务则是这些攻击的常见方式。因此，安全性在网络的设计中至关重要。
三、应用现状
虽然无线传感器网络的大规模商业应用，由于技术等方面的制约还有待时日，但是最近几年，随着计算成本的下降以及微处理器体积越来越小，已经为数不少的无线传感器网络开始投入使用。目前无线传感器网络的应用主要集中在以下领域：
1．环境的监测和保护
随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多，无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。
2．医疗护理
无线传感器网络在医疗研究、护理领域也可以大展身手。罗彻斯特大学的科学家使用无线传感器创建了一个智能医疗房间，使用微尘来测量居住者的重要征兆（血压、脉搏和呼吸）、睡觉姿势以及每天24小时的活动状况。英特尔公司也推出了无线传感器网络的家庭护理技术。该技术是做为探讨应对老龄化社会的技术项目CenterforAgingServicesTechnologies（CAST）的一个环节开发的。该系统通过在鞋、家具以家用电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士、阿尔茨海默氏病患者以及残障人士的家庭生活。利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便接受护理。而且还可以减轻护理人员的负担。英特尔主管预防性健康保险研究的董事EricDishman称，“在开发家庭用护理技术方面，无线传感器网络是非常有前途的领域”。
3．军事领域
由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面用途。
4．商业化用途
无线传感器网络还被应用于其他一些领域。比如一些危险的工业环境如井矿、核电厂等，工作人员可以通过它来实施安全监测。也可以用在交通领域作为车辆监控的有力工具。尽管无线传感器技术目前仍处于初步应用阶段，但已经展示出了非凡的应用价值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更大的应用。从应用的情况来看，北美的状况最好，在楼宇自动化、环境监控等方面，无线传感器网络已经开始大展拳脚。
四、需要解决的问题
就目前的技术水平来说，让无线传感器网正常运行并大量投入使用还面临着许多问题：
1．网络内通信问题。无线传感器网络内正常通信联系中，信号可能被一些障碍物或其他电子信号干扰而受到影响，怎么安全有效的进行通信是个有待研究的问题。
2．成本问题。在一个无线传感器网络里面，需要使用数量庞大的微型传感器，这样的话成本会制约其发展。
3．系统能量供应问题。目前主要的解决方案有：使用高能电池；降低传感功率；此外还有传感器网络的自我能量收集技术和电池无线充电技术。其中后两者备受关注。
关键词：传感器技术；理论教学改革；实践教学改革；成绩评定方式
作者简介：张艳霞（1979-），女，河南漯河人，郑州信息科技职业学院机电工程系，助教；郑伟伟（1984-），男，河南新密人，郑州信息科技职业学院机电工程系，助教。（河南 郑州 450046）
基金项目：本文系郑州信息科技职业学院教改项目（项目编号：CZYB2014009）的研究成果。
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）03-0130-02
传感技术包括传感器的研究、设计、试制、生产、检测和应用，传感器是现代测控系统的首要环节，它集机械、动力、物理、化学、光学、材料、电子、生物、半导体、信息处理等众多学科于一体，应用领域十分广泛，与当前多学科交叉融合的趋势相一致，在专业课程体系中起到重要的承上启下作用，是实践性非常强的综合性应用技术。[1-3]
目前，传感器技术是高职高专院校机电一体化、电气自动化、汽车检测与维修等专业的一门专业技术课。该课程涉及知识面广，且实践性很强，不但学生觉得难学，对老师来说也是一个挑战。另外，近几年来，中国逐渐普及大学教育，高职高专的学生大多基础知识不太牢固，接受这门课程较难，更不用说提高学习兴趣了。因此结合高职院校的传感器技术教学经验，对该课程教学改革进行了探索。
一、高职院校传感器技术课程教学现状
1.理论教学方面
谈到理论教学，首先要追溯到教材问题。当前，高职院校的传感器技术理论教材种类繁多，琳琅满目，大多教材偏重于抽象的传感器原理推导，基础知识差的学生很难掌握，导致学生学不会的现象严重。其次，涉及到教学方法上。目前，大多数高职院校的传感器技术教学依然沿用传统的教学模式，教师灌输知识，学生被动接受，模式单一，无法调动学生的学习积极性，更不用说培养学生的创新能力了。因此，高职院校的理论教学要遵循“必需、够用”的原则，改变传统思维，不断探索一些新的教学方法，把抽象的传感器技术原理变得具体化、简单化，使其有利于学生的学习与接受。
2.实践教学方面
高职院校的培养目标是高级技师、高级技工，对于教学来讲，主要侧重于各类传感器的应用。目前，大部分高职院校做传感器技术的实验设备落后、匮乏，学生只能在实验台上按部就班地完成一些验证性的实验，缺乏主动性和探索性，很少涉及传感器实际应用，更谈不上创新和工程实践，根本无法提升学生分析问题和解决实际问题的能力。近些年来，新型传感技术的发展日新月异，涌现出大批先进的传感器，与学校做的简单验证性实验、演示性小实验相差甚远，学生毕业以后相当长一段时间都与自己的工作接不上轨。
二、理论教学内容与教学方法的改革
传感器技术课程有以下特点：首先是该课程涉及知识面范广，涵盖信息量大。各章节的教学内容大部分按照传感器的原理类型分开，相对比较独立、分散，缺乏延续性和整体性。其次是该课程实践性强。由于传感器的实际应用十分广泛，大至宇宙飞船、飞机，小至家用电器洗衣机、热水器都用到传感器，因此，该课程与实践结合非常紧密。
这门课传统的理论教学都是先介绍传感器的工作原理，再进行理论推导、定量分析，涉及实际应用较少，课堂组织形式单一，很难调动学生的积极性。所以高职高专的传感器理论教学应本着“必须、够用”的原则，简化理论推导和分析，尽可能结合工程实践介绍各种传感器的主要性能、信号转换与处理的方法、实际应用效果。为突出理论教学重点，提高学生的学习兴趣，在教学实践中采用了以下教学方法：
1.利用多媒体技术，丰富教学手段
教师根据自己的教案制作多媒体课件，并将多媒体课件与板书相结合，通过声、光、电、图片、动画、视频等手段突出教学的重点，分散教学难点。以差动电感传感器的工作原理为例，把差动变隙式和差动螺线管式的工作原理做成动画，两个衔铁的上下动作把由于衔铁运动而引起的感应电动势的变化表现得非常形象，学生能很轻松地理解差动电感传感器的工作原理，弥补了由于客观硬件先天不足而引起的操作不可实现性。另外还可以从网上下载滚柱直径分选装置应用的一些视频，放到多媒体课件里，课堂上能让学生身临其境地观看该装置的工作过程。
2.用实例演示，形象教学方法
为了打破理论教学的单调无味，在课堂上，教师可以结合日常生活设计一些简单的小实验演示给同学们看。比如讲授气敏电阻传感器时，可以让学生拿来啤酒做现场演示；讲授霍尔传感器时，可将霍尔开关装在教室的门上，来演示霍尔元件对磁铁的感应；讲授热电偶传感器时，可用打火机烧铜丝和铁丝的接头来产生电动势，灼烧过程中可以让同学们观察万用表的电压读数。当然，这些简单的小实验也可以请一部分同学在课堂上亲自演示，激发同学们的学习兴趣。另外，也可以购买一些工业上实用的传感器在课堂上进行展示，例如用途广泛的数字温度传感器以及小型液位变送器等，可以把这些传感器直接拿到学生的面前，让学生对其有个形象直观的认识，然后讲解他们的应用价值、应用实例以及接线过程。对于一些无法在课堂上实现演示的传感器，可以搜集一些工程实践应用的图片、视频放在PPT上展示给学生。
3.鼓励学生课外电子设计制作
电子设计制作有助于学生把所学的理论知识转化为实践技能，并在实践中充实理论知识；同时也能把专业领域内其他学科的理论知识有机结合起来，形成整体的专业知识体系，更有利于完备学生的知识结构。比如学习压阻传感器时，可以让同学们自己设计一个电子称，电子称系统包括压力传感器、电桥、放大电路、AD转换电路、显示电路等，需要学生掌握电路、电子、编程等课程的相关知识。[4]
三、实践教学方法改革
1.巧妙设计课内实训项目
现有实验室的传感器都集成在实验箱里，而且是固定的几个验证性实验，功能性、综合性实验较少，与日新月异的传感器的发展相差甚远。为了让学生更多地了解目前传感器的发展与使用现状，缩小教学与实际应用之间的差距，必须加强教学实践环节，把课内实训转化成项目实践。可以采用CDIO（CDIO，Conceive-Design-Implement-Operate，即“构思-设计-实现-运行”）工程教育模式，以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的方式学习工程。[5]该教育理念就是让学生身临其境地感受到一个产品或系统从基本构想、设计、研制实现直到实际运行的完整开发过程，培养学生学会解决问题的能力，执行过程中以教师为主导，以学生为主体。例如，可以让学生运用学过的知识，给机器人做一个一闪一闪的眼睛。先引导他们思考该系统都用到哪些知识，可能是单片机控制器、LED灯、电缆、调试器、传感器、相关软件等；把学生分成小组，小组里的每个同学分别承担一项任务，引导他们完成设计、实现、运行；每个同学都把自己的作品展示出来，向老师和同学汇报自己的思路和所做的工作；经过提问、解答，教师可以给小组里的每同学所做的工作进行分析、评定。
2.带领学生参与设计大赛
机器人创新大赛和电子设计大赛都是教育部倡导的大学生学科竞赛，它们不但有助于培养学生的创新意识、团队协作精神和良好的工程素养，而且还可以让学生逐步形成理论联系实际的学风，积极踊跃地参加课外科技活动的习惯，为国家培养创新人才打下良好的基础，为优秀人才的脱颖而出创造条件。在整个参与比赛的过程中，学生不但可以进一步巩固、完善所学的传感器知识，还能有机地结合其他学科的知识，把抽象的理论知识转化综合成实践能力，充分理解各种原理和应用，建立起完备的知识网络，促进教学。
四、课程考核方式和评价的改革
以往这门课考核的是各个知识点的记忆、与传感器原理相关的计算、分析，几乎很少涉及实际应用，而期末考试一考定音势必限制了学生的知识范围和思维模式，现在尽量考核学生的理论知识应用能力、动手实践能力、创新合作能力和语言表达能力。成绩的评定也不再单纯由教师承担，而是由学生自我测评、学生之间互评与教师评价相结合来完成。
这种考核模式以提高学生的能力和素质为目的，以考勤、作业项目、课外实践、实验能力、专业知识、语言表达能力和创新合作精神为依据，综合对学生进行成绩评定。例如可以是平时成绩（作业+考勤）占20%、实验能力20%、课外项目实践30%、期终报告占30%；其中后三项各项评价中教师占50%，自我评价占15%，学生评价占35%。另外，让学生参与成绩评定的同时也培养他们正确的自我评价和评价他人的能力。
五、完善教学配套设施
前面所述的各种改革措施，不仅需要教师投入大量的时间和精力来实施，学生付出大量的时间和行动来配合，更重要的是需要学校从软硬件各方面来完善配套。首先是从政策上倡导并支持教师教育教学改革，其次是从硬件上提供相应的条件。
六、结束语
针对目前高职院校传感器技术课程教学的种种缺陷，结合本院学生的特点和实际情况，本文提出的分应用多媒体技术、灵活运用实物演示以及鼓励学生参与课外制作的理论教学方法，极大地激发了学生的学习热情，明显提升了课堂教学效果；在实践教学方面，本文提出的加强课内实训设计和带领学生参与设计大赛的实践教学方法，很好引领了学生的创新意识，并且为学生提供了足够的自由度，激发了学生的主动性和创造性，使不同学习层次的学生都能体会到设计的乐趣，加深对传感器及其应用的理解和掌握，达到理想的教学效果。本文提出的成绩评定方式不但规范了日常教学过程的管理，而且提高学生学会学习、自主学习的能力。
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Proceedings of the 12th
Italian Conference Sensors
and Microsystems
2008, 563pp.
Hardcover
ISBN 9789812833587
G Di Francia等著
本 这次会议由意大利传感器与微系统协会于2007年2月12-14日在Napoli城镇举行。本书收录了本次会议上的近80篇论文，为传感器与微系统及其相关技术领域的发展提供了一个独特的视角。
传感器与微系统是一门多学科交叉的综合性学科，它涉及材料科学、化学、应用物理、电子工程、生物技术等许多领域。本书将收录的79篇论文依据其所属的不同领域共分为9个部分：1.生物传感器，包含用于血糖生物传感器的敏感元件的制备与特性等10篇文章；2.生理参数监测，包含了对一种用于糖尿病人呼吸标志物检测的氧化铟传感器的研究等4篇文章；3.气体传感器，包含用多孔硅推动硅技术的极限：一种CMOS气体敏感芯片、用基于碳纳米管的纳米复合层涂覆的薄膜体声波谐振器制成的蒸汽传感器、饮水机中水和酒精蒸发速率的检测等15篇文章；4.液相传感器，包括用于水和空气环境化学检测的基于二氧化锡颗粒层的光纤传感器等4篇文章；5.化学传感器阵列和网络，包含了一个用于易挥发性有机化合物分析的多通道的石英晶体微天平、一种用于酒质量分析的新型便携式微系统的发展等9篇文章；6.微制造与微系统，包括通过实验研究湿多孔硅的拉曼散射现象、多孔硅上高流速渗透膜在氢过滤装置中的应用等13篇文章；7.光学传感器与微系统，包括金属包层的漏波导化学和生化传感应用、结构光纤布拉格栅传感器：前景与挑战等14篇文章；8.物理传感器，包括通过多像素的光子计数快速闪烁读出等6篇文章；9.系统和电子接口，包括能够估计并联电容值的非校准的高动态范围电阻传感器前端等4篇文章。
本书介绍了传感器与微系统在意大利的发展状况与趋势，对于从事传感器与微系统方面的研究人员及工程师们，它是一本十分有价值的参考读物。
孙方敏，
博士生
(中国科学院电子学研究所)
Sun Fangmin, Doctoral Candidate
关键词：高职教育；传感器技术；教学改革；探索
中图分类号：G642 文献标识码：A
文章编号：1009-0118（2012）07-0096-02
一、引言
传感器是获取自然科学领域信息的主要途径和手段。在现代测控系统中，作为关键环节的传感器处于连接被测控对象和测控系统的接口位置。目前，传感器广泛用于工业、农业、交通、军事科研、环境监测、现代办公设备和高端电子产品等领域，是构建现代信息系统的重要组成部分。没有传感器就没有现代的科学技术，传感技术在促进生产发展和现代科技进步的广阔领域内发挥着重要作用。因此，“传感器技术”这门专业技术基础课就显得尤为重要。笔者通过多年的教学实践，总结出一些经验，并在实际教学中取得了一定的成效。
二、教学内容的改革
目前，国内有关传感器的教材越来越多，主要有两种类型：一是以传感器的工作原理分类的角度出发，讲解检测的基础知识、各种类型的传感器的工作原理、最后介绍智能型传感器和传感器网络等新知识；另一种是从以各种类型的传感器的选择和应用为主，很少进行理论研究。笔者采用的是第一种类型教材。在讲授过程中，由浅入深着重介绍了目前已经发展相当成熟的电阻式、电感式、电容式、压电式、霍尔式、光电式等经典的传感器的基本原理、特性测量电路和应用。把半导体、微波、辐射式、超声波、数字式和智能式等传感器的基本原理及应用作为选讲内容。在教学中，不但要让学生定性地了解传感器的工作原理，熟悉其基本特性，还要培养理论与实践相结合的能力。多年的实践教学使笔者体会到：不需要对教科书中的每一种传感器都逐一进行介绍，要着重讲述几种有代表性的传感器，包括其工作原理、测量转换电路。要将这几种基本传感器的知识讲全讲透，使学生能够真正理解什么是传感器、如何选择和使用传感器。对于一些新型传感器，教师也可以不讲，采取引导学生充分利用网络资源的方式，来了解传感器的最新动态，激发学生的学习兴趣。
三、教学方法的改革
教学方法的改革，是提高教学品质的重要保证。改革教学方法的重点，是要以提高教学品质、提高授课效果和提高学生的学习积极性为目的。
（一）寓教于乐，提高学生学习兴趣
如何提高学生的学习兴趣，是教学过程中的重中之重。都说兴趣是最好的老师，而兴趣是可以引导和培养的。学生自己如果对某门课程很感兴趣，他们会肯钻研，勤学好问，把这门课学得很好。因此，在本课程的讲授中，非常重视培养学生的学习兴趣，将传感器的内容讲授与生活中的应用紧密联系起来，让学生知道在现实生活和未来工作时都会用到传感器，并且在课堂生结合生活实际有针对性的讲述相应传感器的原理和应用，结合教学内容中的检测技术的地位和作用，列举了大量学生认识的实例，如电饭煲、豆浆机、热水器等家用电器对温度如何检测和控制，用到了哪些温度检测传感器？火车站的安检系统是怎么工作的，为什么会检查出违禁物品？汽车里的安全气囊在什么状况下自动弹出，是怎么个工作原理？遥控器是如何实现控制电视机换台的？手机触摸屏是怎么实现的，用到了哪些传感器？等等。通过大量的应用实例吸引学生的注意力，激发学生的学习的兴趣和潜能，引导学生积极思考，主动探索。
（二）借助多样教学手段，提高教学效果
在讲授传感器技术课程时，可以借助教学课件、影像等多媒体教学手段来提高教学效果。充分发挥powerpoint的各种功能，因为减少了板书的时间，极大丰富了课堂信息量。采用了不同颜色的字体和醒目的线条，突出显示了难点和重点，使学生能够在一页幻灯片中，快速地找到关键的词语、图形。利用powerpoint的动画效果，使电子教案形象具体生动。例如，在讲解无损探伤的时候，通过flash演示，学生能清晰的看到检测的过程中如果材料中有缺陷，超声波的往返信号变化，不仅激发了学生的学习兴趣，活跃了课堂气氛，而且也加深了学生对此内容的理解。另外，还可以在课程中引入仿真技术，利用Multisim等软件进行虚拟实训和仿真，这样既降低了实训耗材成本，又可以使抽象复杂的问题变得直观简单，使教学达到事半功倍的效果。
高职学生在学习时更注重的是理论和实践相结合。通过一系列设计型综合型实验，如电子温度计制作、数字湿度仪设计与制作、防盗报警装置设计、生产流水线产品计数器设计与制作、火灾自动检测系统设计、数字电子称设计与制作、自动照明装置设计、智能小车设计、灭火机器人设计等，培养学生创新意识和设计、动手制作能力。力争让学生成为“下得去、留得住、用得上、干得好”，整体素质比较高，符合企业实际工作的需要的人才。
四、考核方式的改革
考核的目的是促进教师的教学和学生的学习，考虑本课程的应用性较强，因此，要重点考察学生对基本内容的掌握，对所学知识的灵活应用。建立品质分析制度，注重平时考核，成绩结构多样化。从2000年起，在自动化99级、电子99级等专业进行教学探索。将考试与平时考察的比例定为：课程结束考试占总评成绩的50%，课外作业占10%，课堂测验占15%，实验占25%。由于平时的训练与考察加强了，学生投入加大，掌握知识较牢固。并且要求平时成绩（包括课堂提问和出勤）不达到10分(总分15分)或实验缺席者，取消期末考试资格。这样一方面督促学生按时上课，课堂上积极回答问题；另一方面能全面地对学生理论和实践进行考核，促使学生将理论讲授与实际应用结合起来，更充分地认识到传感器基本性能和基本应用。并能缓解期末复习的压力，提高学习兴趣，加深对知识的掌握程度。建立课程考核品质分析制度，考试结束后认真进行试卷分析和成绩分析，并写出相应的分析结论。理论考试是必须进行的一项评定环节，理论考试可以采用开卷考试的形式，但是命题要以基本理论基本概念为基础，侧重于传感器在实际应用中的分析和设计，重点考察学生对传感器的真正意义上的理解和认识。要及时发现在命题或试卷批改及实验的考核中存在的一些问题，总结经验，不断完善考核办法和更新考试内容。
五、结论
通过上述对传感器技术课程的教学改革，学生对本课程的学习兴趣与日俱增，对理论知识的理解进一步深入，实践动手能力与分析问题解决问题的能力也进一步提高，得到学生的普遍好评，承认并肯定了传感器教学的效果。
参考文献：
［1］杨宝清。现代传感器技术基础［M］.中国铁道出版社，2001.
［2］牛永奎，冷芳。传感器及应用［M］.清华大学出版社，2007.
［3］杨汇军，王俊生“.传感器与检测技术”课程教学改革的探索与实践［J］.中国电力教育，2011，（9）:188.
一、汽车电子操控和安全系统谈起
近几年来我国汽车工业增长迅速，发展势头很猛。因此评论界出现了一些专家的预测：汽车工业有可能超过IT产业，成为中国国民经济最重要的支柱产业之一。其实，汽车工业的增长必将包含与汽车产业相关的IT产业的增长。例如，虽然目前在我国一汽的产品中电子产品和技术的价值含量只占10%—15%左右，但国外汽车中电子产品和技术的价值含量平均约为22%，中、高档轿车中汽车电子已占30%以上，而且这个比例还在、不断地快速增长，预期很快将达到50%。
电子信息技术已� 汽车工程界专家指出：电子技术的发展已使汽车产品的概念发生了深刻的变化。这也是最近电子信息产业界对汽车电子空前关注的原因之一。但是，必须指出的是，除了一些车内音响、视频装备，车用通信、导航系统，以及车载办公系统、网络系统等车内电子设备的本质改变较少外，现代汽车电子从所应用的电子元器件（包括传感器、执行器、微电路等）到车内电子系统的架构均已进入了一个有本质性提高的新阶段。其中最有代表性的核心器件之一就是智能传感器（智能执行器、智能变送器）。
实际上，汽车电子已经经历了几个发展阶段：从分立电子元器件搭建的电路监测控制，经过了电子元器件或组件加微处理器构筑的各自独立的、专用的、半自动和自动的操控系统，现在已经进入了采用高速总线（目前至少有5种以上总线已开发使用），统一交换汽车运行中的各种电子装备和系统的数据，实现综合、智能调控的新阶段。新的汽车电子系统由各个电子控制单元（ECU）组成，可以独立操控，同时又能协调到整体运行的最佳状态。例如为使发动机处于最佳工作状态，就需要从吸入汽缸的空气流量、进气压力的测定开始，再根据水温、空气温度等工作环境参数计算出基本喷油量，同时还要通过节气门位置传感器检测节气门的开度，确定发动机的工况，进而控制，调整最佳喷油量，最后还需要通过曲轴的角速度传感器监测曲轴转角和发动机转速，最终计算出并发出最佳点火时机的指令。这个发动机燃油喷射系统和点火综合控制系统还可以与废气排放的监控系统和起动系统等组合，构筑成可使汽车发动机功率和扭矩最大化，而同时燃油消耗和废气排放最低化的智能系统。
还可以举一个安全驾驶方面的例子，出于平稳、安全驾驶的需要，仅只针对四个轮子的操控上，除了应用大量压力传感器并普遍安装了刹车防抱死装置（ABS）外，许多轿车，包括国产车，已增设了电子动力分配系统（EBD），ABS+EBD可以最大限度的保障雨雪天气驾驶时的稳定性。现在，国内外的一些汽车进一步加装了紧急刹车辅助系统（EBA），该系统在发生紧急情况时，自动检测驾驶者踩制动踏板时的速度和力度，并判断紧急制动的力度是否足够，如果需要，就会自动增大制动力。EBA的自控动作必须在极短时间（例如百万分之一秒级）内完成。这个系统能使200km/h高速行驶车辆的制动滑行距离缩短极其宝贵的20多米。针对车轮的还有分别监测各个车轮相对于车速的转速，进而为每个车轮平衡分配动力，保证在恶劣路面条件下各轮间具有良好的均衡抓地能力的“电子牵引力控制”（ETC）系统等。
从以上列举的两个例子可以清楚看到，汽车发展对汽车电子的一些基本要求：
1．电子操控系统的动作必须快速、正确、可靠。传感器（+调理电路）+微处理器，然后再通过微处理器（+功率放大电路）+执行器的技术途径已经不再能满足现代汽车的要求，需要通过硬件集成、直接交换数据和简化电路，并提高智能化程度来确保控制单元动作的正确性、可靠性和适时性。
2．现在几乎所有的汽车的机械结构部件都已受电子装置控制，但汽车车体内的空间有限，构件系统的空间更是极其有限。理想的情况当然是，电子控制单元应与受控制部件紧密结合，形成一个整体。因此器件和电路的微型化、集成化是不可回避的道路。
3．电子控制单元必须具有足够的智能化程度。以安全气囊为例，它在关键时刻必须要能及时、正确地瞬时打开，但在极大多数时间内气囊是处在待命状态，因此安全气囊的ECU必须具有自检、自维护能力，不断确认气囊系统的可正常运作的可靠性，确保动作的“万无一失”。
4．汽车的各种功能部件都有各自的运动、操控特性，并且，对电子产品而言，大多处于非常恶劣的运行环境中，而且各不相同。诸如工作状态时的高温，静止待命时的低温，高浓度的油蒸汽和活性（毒性）气体，以及高速运动和高强度的冲击和振动等。因此，电子元器件和电路必须要有高稳定、抗环境和自适应、自补偿调整的能力。
5．与上述要求同样重要，甚至有时是关键性的条件是，汽车电子控制单元用的电子元器件、模块必须要能大规模工业生产，并能将成本降低到可接受的程度。一些微传感器和智能传感器就是这方面的典范。例如智能加速度传感器，它不仅能较好地满足现代汽车的各项需要，而
二、智能传感器：微传感器与集成电路融合的新一代电子器件
微传感器、智能传感器是近几年才开始迅速发展起来的新兴技术。在我国的报刊杂志上目前所使用的技术名称还比较含混，仍然笼统地称之为传感器，或者含糊地归纳为汽车半导体器件，也有将智能传感器（或智能执行器、智能变送器）与微系统、MEMS等都归入了MEMS（微机电系统）名称下的。这里介绍当前一些欧美专著中常用的技术名词的定义和技术内涵。
首先必须说明的是，在绝大多数情况下，本文大小标题及全文中所说的传感器其实是泛指了三大类器件：将非电学输入参量转换成电磁学信号输出的传感器；将电学信号转换成非电学参量输出的执行器；以及既能用作传感器又能用作执行器，其中较多的是将一种电磁学参量形式转变成另一种电磁学参量形态输出的变送器。就是说，关于微传感器、智能传感器的技术特性可以扩大类推到微执行器、微变送器-传感器（或执行器、或变送器）的物理尺度中至少有一个物理尺寸等于或小于亚毫米量级的。微传感器不是传统传感器简单的物理缩小的产物，而是基于半导体工艺技术的新一代器件：应用新的工作机制和物化效应，采用与标准半导体工艺兼容的材料，用微细加工技术制备的。因此有时 可以用类似的定义和技术特征类推描述微执行器和微变送器。
它由两块芯片组成，一是具有自检测能力的加速度计单元（微加速度传感器），另一块则是微传感器与微处理器（MCU）间的接口电路和MCU。这是一种较早期（1996年前后）的，但已相当实用的器件，可用于汽车的自动制动和悬挂系统中，并且因微加速度计具有自检能力，还可用于安全气囊。从此例中可以清楚看到，微传感器的优势不仅是体积的缩小，更在于能方便地与集成电路组合和规模生产。应该指的是，采用这种两片的解决方案可以缩短设计周期、降低开发前期小批量试产的成本。但对实际应用和市场来说，单芯片的解决方案显然更可取，生产成本更低，应用价值更高。
智能传感器（SmartSensor）、智能执行器和智能变送器-微传感器（或微执行器，或微变送器）和它的部分或全部处理器件、处理电路集成在一个芯片上的器件（例如上述的微加速度计的单芯片解决方案）。因此智能传感器具有一定的仿生能力，如模糊逻辑运算、主动鉴别环境，自动调整和补偿适应环境的能力，自诊断、自维护等。显然，出于规模生产和降低生产成本的要求，智能传感器的设计思想、材料选择和生产工艺必须要尽可能地和集成电路的标准硅平面工艺一致。可以在正常工艺流程的投片前，或流程中，或工艺完成后增加一些特殊需要的工序，但也不应太多。
在一个封装中，把一只微机械压力传感器与模拟用户接口、8位模-数转换器（SAR）、微处理器（摩托罗拉69HC08）、存储器和串行接口（SPI）等集成在一个芯片上。其前端的硅压力传感器是采用体硅微细加工技术制作的。制备硅压力传感器的工序既可安排在集成CMOS电路工艺流程之前，亦可在后。这种智能压力传感器的技术和市场都已成熟，已广泛用于汽车（机动车）所需的各式各样的压力测量和控制单元中，诸如各种气压计、喷嘴前集流腔压力、废气排气管、燃油、轮胎、液压传动装置等。智能压力传感器的应用很广，不局限于汽车工业。目前，生产智能压力传感器的厂商已不少，市售商品的品种也很多，已经出现激烈的竞争。结果是智能压力传感器体积越来越小，随之控制单元所需的接插件和分立元件越来越少，但功能和性能却越来越强，而且生产成本降低很快（现在约为几美元一只）。
顺便需要说说的是，在一些中文资料中，尤其是一些产品宣传性材料中，笼统地将SmartSensor(或device)和Intelligentsensor（或device）都称之为智能传感器，但在欧美文献中是有所差别的。西方专家和公众通常认为，Smart（智能型）传感器比Intelligent(知识型)的智慧层次和能力更高。当然，知识型的内涵也在不断进化，但那些只能简单响应环境变化，作一些相应补偿、调整工作状态的，特别是不需要集成处理器的器件，其知识等级太低，一般不应归入智能器件范畴。
相信大多数读者能经常接触到的，最贴近生活的智能传感器可能要算是用于摄像头、数码相机、摄像机、手机摄像中的CCD图像传感器了。这是一种非智能型传感器莫属的情况，因为CCD阵列中每个硅单元由光转换成的电信号极弱，必须直接和及时移位寄存、并处理转换成标准的图像格式信号。还有更复杂一些的，在中、高档长焦距（IOX）光学放大数码相机和摄像机上装备的电子和光学防抖系统，特别是高端产品中的真正光学防抖系统。它的核心是双轴向或3轴向的微加速度计或微陀螺仪，通过它监测机身的抖动，并换算成镜头的各轴向位移量，进而驱动镜头中可变角度透镜的移动，使光学系统的折射光路保持稳定。
微系统（Microsystem）和MEMS（微机电系统）-由微传感器、微电子学电路（信号处理、控制电路、通信接品等）和微执行器构成一个三级级联系统、集成在一个芯片上的器件称之为微系统。如果其中拥有机械联动或机械执行机构等微机械部件的器械则称之为MEMS。
MEMS芯片的左侧给出的是制备MEMS芯片需要的基本工艺技术。它的右侧则为主要应用领域列举。很明显，MEMS的最好解决方案也是选用与硅工艺兼容的材料及物理效应、设计理念和工艺流程，也即采用常规标准的CMOS工艺与二维、三维微细加工技术相结合的方法，其中也包括微机械结构件的制作。
微传感器合乎逻辑的发展延伸是智能传感器，智能传感器自然延伸则是微系统和MEMS，MEMS的进一步发展则是能够自主接收、分辨外界信号和指令，进而能独立、正确动作的微机械（Micromachines）。现在，开发成功、并已有商业产品的MEMS品种已不少，涵盖图4所示的各大领域。其中包括全光光通信和全光计算机的关键部件之一的二维、三维MEMS光开关。
关键词：CBM；车辆；维修
中图分类号：U472文献标识码：A
CBM是随着状态监控和故障诊断技术的不断发展而逐步出现的，通过内置传感器或便携式外部检测设备进行测试，获取装备运行的特征量信息，借助各种智能推理算法（如物理模型、神经网络、数据融合、模糊逻辑、专家系统等）实时评估装备的技术状态，在装备故障发生前对其剩余寿命进行预测，并根据各种可利用的资源信息结合不同的决策目标实施决策的维修过程。
在CBM理论研究方面，主要是以状态监测和故障诊断为主，对维修决策研究不够。特别是对状态模型、维修决策模型的建立、求解以及应用都缺乏深入系统的研究。但仍然取得了一些成绩，如唐红芳对汽轮机转子和汽缸的二维模型进行了分析，建立了有限元模型，并采用C++语言编制了汽轮机以及缸体的温度场实时在线监测程序[1]；张秀斌、王广伟等应用比例风险模型（PHM）建立系统运行状态与故障率之间的关系，并给出了维修状态阈值[2]；袁志坚提出了一种电力变压器状态维修策略的模糊多属性群决策方法，并通过某一变压器状态维修方案的决策过程，采用折衷型群决策方法具体探讨了模糊多属性群决策方法在变压器状态维修决策中的应用[3]；董玉亮提出了多状态特征参数变权模糊综合状态评价方法，利用设备的监测诊断、维修历史数据等信息，使状态评价的结果更贴近设备的实际运行状态，并利用这些结果建立了维修任务决策及优化模型[4]；吕文元、杨远涛等利用滤波理论建立设备预测维修的优化模型[5]；北京航空航天大学曾声奎结合故障预测与健康管理（PHM）的技术发展过程，阐述了PHM的应用价值[6]；邱立鹏在其硕士论文中阐述了基于各种指标的预测分析技术，并使用C++开发了一套完整的基于Microsoft Window9x对设备剩余寿命进行分析和预测的软件[7]。
1先进传感器技术
精确、及时、高效的数据是应用CBM的基础，而传感器作为获取装备状态数据的一种有效工具，在CBM系统中具有重要的作用。传感器技术作为一门专项技术，是以传感器为核心，涉及测量技术、功能材料、微电子技术、精密与微细加工技术、信息处理技术和计算机技术等相互融合的技术密集型综合技术，其发展趋势主要体现在：发现新效应，开发新材料、新功能；向多功能集成化和微型化发展；传感器的数字化、智能化和网络化发展趋势日益明显。
目前有很多先进的传感器技术被应用于CBM系统中，如光纤传感器、压电传感器、碳纳米管、微电子机械系统等，这些新型的传感器具有精度高、使用范围广、工作温度范围大、智能化程度高等特点。在CBM系统中应用传感器主要涉及两个问题：
1.1传感器的选择
传感器的选择是获取装备状态数据的首要环节，这是因为传感器一旦确定，与之相匹配的数据处理、故障诊断及其相关仪器设备也就确定。因此测试结果的好坏，在很大程度上取决于传感器的选取是否恰当。传感器选择的一般步骤如图1所示。
1.2传感器的安装与使用
传感器作为一种精密器件，只有正确的安装与使用才能发挥其应有的工作性能，因而在其安装与使用过程中，除了要遵循精密器件一般安装使用规定外，还需要特别遵守如下注意事项：1）选择合适的测试点并正确安装传感器；2）为确保被测信号的有效、准确传输，传感器的电源电缆、数据传输线要符合规定，正确安装；3）传感器的定期标定与校准是保证数据采集系统正常功能的必要步骤。
2数据传输与预处理技术
2.1数据传输技术
目前主要有两种数据传输方式，即有线传输和无线传输。有线传输是较为成熟的一种传输方式，主要是通过各种有线数据总线和各种网络如Internet、Ethernet LAN（local area network）等进行数据的传输，并且大多都有各种通信标准、网络协议如TCP/IP、UDP/IP等可以遵循。其数据传输的一般过程是，首先通过各种线缆将传感器的数据采集并存储在部件级的监测系统中，然后通过特定的有线网络将部件级的监测数据传输到中央级存储和监测处理系统。图2为两种数据传输方式的简单系统构成。
2.2数据预处理技术
由于不同的状态监测、健康评估和故障预测方法要求不同的数据类型，需要对采集的原始数据信息进行各种预处理，以使数据格式满足后续处理的要求，同时也将便于传输和存储。预处理包括数据的模数转换、去噪声、高通滤波、压缩、信号自相关等。数据处理方式和技术要根据不同的目的进行选择，如特征提取技术是为了进行故障识别和故障隔离；数据简化是为了剔除不必要冗余的原始数据便于进一步处理；循环计数方法则是为了便于将连续的数据信息转化为离散的数据信息等。
3信息融合技术
传统的信息/数据融合是指多传感器的信息/数据在一定准则下加以自动分析、综合以完成所需的决策和评估而进行的信息处理过程。
信息融合系统的结构目前尚无形成统一的分类形式，从信息融合的功能角度，可将信息融合过程分为5层，即：检测级（判决）融合、状态级（跟踪）融合、属性级（目标识别）融合、态势评估和威胁估计，如图3所示，其中状态评估和威胁估计主要用于军事领域。
检测级融合的功能主要是判断目标的有无；状态级融合的功能是估计目标的状态（距离、运动速度等）；属性级融合的目的是确定目标的身份。这3个层次的融合各有特点。在具体的应用中应根据融合的目的和条件选用。
4结论
本文贯穿车辆CBM应用流程的整个环节，利用RCM分析方法确定CBM的实施对象，明确了CBM在车辆维修中的关键技术，分析了关键技术的具体内�
参考文献：
[1] 唐红芳。 汽轮机寿命在线监测与管理技术研究[D]. 保定：华北电力大学（硕士论文），2004.
[2] 张秀斌，王广伟。 应用比例故障率模型进行基于状态的视情维修决策[J]. 电子产品可靠性与环境试验，2002(4):19-22.
[3] 袁志坚，孙才新，袁张渝，等。 变压器健康状态评估的灰色聚类决策方法[J]. 重庆大学学报，2005,28(3):22-25.
[4] 董玉亮。 发电设备运行与维修决策支持系统研究[D]. 北京：华北电力大学（博士论文），2005.
[5] 吕文元，杨远涛，方淑芬。 利用滤波理论建立设备预测维修的优化模型[J]. 东北电力学院学报，2000,20(1):22-24.
【摘 要】本文以湖南软件职业学院物联网技术应用专业传感器技术与应用课程教学现状存在的问题对课程教学设计、教学内容、学习资源选用和学习场地设施要求及课程考核标准进行探索与研究，以此提高教学质量，培养适应行业岗位需求的人才。
【关键词】传感器技术；教学设计；教学内容；学习资源选用
一、研究的背景与意义
随着电子计算机、机器人、自动控制技术等技术的迅速发展，对传感器的需求不断增加。传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础，是当今世界极其重要的高科技，一切现代化仪器、设备几乎都离不开传感器。传感器技术成为现代科学领域中一门极其重要的学科。高职院校如何培养物联网技术应用专业研发人才，满足社会对嵌入式开发人才的需求，是高职院校教学过程中的重点。我们从湖南软件职业学院的实际情况出发，针对物联网技术应用专业进行了传感器技术与应用课程教学的研究。
二、研究的内容
《传感器技术与应用》作为物联网感知层的最主要的信息采集获取手段，掌握各种典型传感器的应用是物联网相关专业的核心技能。不同于现有的传统电子信息类传感器相关课程强调各种物理量检测方法技能，物联网相关专业要求培养学生传感器选型、接口电路设计、传感数据采集与传输等应用技术。
（一）《传感器技术及应用》原有教学模式
（1）教学内容理论性较强，课堂组织形式单一，以往这门课的教学以理论教学为主，实践为辅。教师教学以传感器的工作原理为主。由于本课程的涉及的原理和公式较多，上课时理论推导、定量分析较多，理论性较强，比较枯燥，完全是“填鸭式”的教学方式，不适合高职学生的学习特点，导致学生不感兴趣，教学达不到预期的效果。
（2）与实践脱节。大多数学校是在理论课完成后，安排一点时间做些实验，这时有些学生对理论部的内容可能已经生疏或淡忘，实验的效果大打折扣。另外实验主要也是对传感器参数的测试，演示性和验证性的实验居多，功能性、综合性的实验较少。实验不涉及或者较少涉及传感器实际应用中较常见的问题，比如：如何进行传感器的选择、安装，传感器的连接方式等等。这些实验对学生的专业应用能力与综合能力的提高作用不大。
（二）设计思路
（1）课程设计理念。针对物联网系统集成及工程岗位群，通过本课程培养学生对传感器选型和应用能力，同时注重将职业资格标准融入课程教学，以项目案例系统化理念为指导，以教学做一体化为典型特征，与行业企业合作共同开发与设计。在课程设计中我们遵循的理念是：
（2）课程设计思路。本课程组教师与行业、企业的专家（兼职教师）密切合作，企业兼职教师之间参与课程设计开发与教学实施的全过程，充分体现课程教学过程的开放性。课程在简要介绍各种典型传感器结构原理的同时，重点讲解传感器的标准与选型、检测电路搭建与分析、传感数据采集与传输等应用技术。
（3）教学内容。课程分为8个模块。模块一从总体上介绍传感器概念、组成结构、静态特性、标定和校准等基础知识，模块二至七分别通过电子温度计、可燃气体无线探测器、声光灯控器、人体感应器、设备开停无线检测器、跌倒监测器等6种典型传感器设备为例，详细阐述了温度传感器、气体传感器、光电传感器、红外传感器、霍尔传感器、压电传感器等典型传感器应用技术，并拓展介绍了其他典型传感器；模K八以“智能家居集成与应用”为项目载体，将前6个模块中重点介绍的传感器进行集成综合应用。以智能家居应用作为项目主线，串联各个典型传感器应用项目，便于教师采用项目教学法引导学生展开自主学习，掌握、建构和内化知识与技能，强化学生自我学习的能力的培养。
三、学习资源选用
教材选取的原则：强调理论与实践的结合、教材与实际的结合、操作与管理的结合，教学内容符合课程目标要求。推荐教材名称：《传感器技术与应用》，主编：许磊，出版社：高等教育出版社，出版时间：2014年。参考的教学资料：项目任务实施书、参考资料、项目评价表、教学课件、传感器应用试验箱、行业应用视频。
四、学习场地、设施要求
为保证教学项目的实施与完成，本课程必须在多媒体教室完成教学过程。
教学模块1在课程教学的同时增加课外教学实践活动。教学模块2～7，引入大量的应用案例视频、实际案例文档，课外作业以标准� 教学模块8增加课外调研环节。
五、考核与评价
以往的教学评价方式主要是采用考试的方式对课程的内容进行一次考核，这次考核的成绩作为学生的最终成绩。这种评价方式不能真正的体现学生的专业应用能力和综合能力。因此我们对评价方式进行了调整，对每个课题制定相应的评分表，评分表包括学生完成课题的质量以及是否遵守操作规程等内容，科学全面的考核学生的综合素养。所有课题完成后便可以总评出学生这门课程的成绩。
六、结语
我们对《传感器技术及应用》的教学仅仅是进行了一次小小的改革，这次改革使我们看到实行理论实践一体化教学的优势，今后我们还不断的优化教学，使学生更快更好地掌握传感器这门技术，更好的应用它。
参考文献：
[1]冯成龙。试论高职院校《传感器技术及应用》课程的教学改革[J].职业教育研究，2007，（12）：98-99.