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关键词：传感器技术 课程教学 改革 探索
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）03（b）-0184-02
《传感器技术及应用》课程机械工程专业学生必修的专业基础课，该课程内容涉及大学物理、电工电子、电磁学、计算机技术等多门基础课程的专业知识，具有课程知识面广、综合性强、学时少等特点[1]。特别是机械专业学生对电工电子、电磁学及计算机等知识相对欠缺，初次接触系统静、动态特性、直流/交流电桥等抽象概念，学生一致反映《传感器技术及应用》课程存在学习难度大、课程内容松散、缺乏感官认识等问题。随着现代工业自动化技术的发展，传感器已经成为自动检测控制系统不可或缺的重要环节，例如新机械产品制造及装配、下线检测及设备状态诊断等均以传感器为基础[2]。因此，《传感器技术及应用》课程在机械工程专业课程体系中具有越来越突出的地位。为了保证机械工程专业学生更好地理解和掌握传感器工作原理、最新技术及典型工程应用，适应学校培养创新型工程应用人才的需求，必须对《传感器技术及应用》课程的教学过程进行改革，以提高课程教学质量。
1 传统教学及改革探索
1.1 传统教学
《传感器技术及应用》课程的传统教学是以教师为主体，采用灌输式讲授教学模式，并辅以少量传感器视频与动画，整个教学过程教师作为主体灌输知识，学生作为被动角色，被动吸收知识，传统教学无法激发学生的学习积极性，更不利于培养学生创新型思维模式。此外，由于《传感器技术及应用》课程涉及知识面宽，学生无法在课堂学习时有效将已有知识灵活运用于新知识的理解和学习，使学生感觉《传感器技术及应用》课程知识学习难度大，从而学生容易丧失学习该课程的兴趣和积极性，甚至产生厌学心理[3]，这将使该课程的教学过程变得异常艰难，课程教学质量更无从保证。
1.2 教学改革探索
1.2.1 教学内容的优化与整合
《传感器技术及应用》课程包括以下内容：传感器一般特性、电阻应变式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器、磁电式传感器、热电式传感器、光电式传感器及计算机测试系统等。
通过对课程主要内容的细致分析和研究，将每类传感器的学习内容分为基础知识、基本原理、实物及影像资料观摩、典型应用等四方面内容。其中基础知识首先为学生讲解该类传感器所用到的前期知识体系，便于学生与自身已有知识有效融合起来，消除学生对后续原理学习的畏惧心理；通过基础知识讲解，运用剖析法将该类传感器基本原理拆解，指出该类传感器工作特点和工作方式；在学生掌握传感器基本工作原理基础上，任课教师利用自己科研资源和学院的科研资源，尽可能将传感器实物至少是影像资料为学生展示；同时结合该类传感器的典型应用场合和安装工作方式给予详细讲解。优化整合后的教学内容不仅兼顾由浅及深的教学思路，使学生在学习初期接受起来相对容易，引起学生的学习兴趣和积极性；而且使教学内容的每部分具有统一的模式，使学生学习起来思路清晰，同时便于学生课后复习和自学。另外，在教学过程中，将科研项目中用到的传感器应用实例融合到课堂的教学内容，保证了教学内容的实时性和前沿性。
1.2.2 教学方法探索
随着传感器技术的发展，本课程的教学内容快速膨胀，传统的教学思想和教学模式已经无法适应课程教学任务。然而，以“学生主体+教师主导”的新教学模式能够最大化发挥教师的导引作用和学生的主观能动作用，从而新教学模式更适应《传感器技术及应用》课程的快速发展。
在新教学模式体系下，课程教学采用任课教师启发式引导、案例解析及课堂小组讨论等相结合的教学方法。在教学过程中，注重以日常生活实例和工程案例启发学生，引导学生对实例和案例中所涉及的传感器基本原理和知识展开讨论，充分发挥学生的教学主体作用，借此调动学生积极性和激发学生独立思考、分析和解决问题的能力，逐步培养其理论知识的工程运用能力。同时，为了方便学生课后预习课程涉及到的基础知识，在每节内容讲授完毕后，教师列出下节内容涉及的基础知识，以便学生课后可以及时温习，从而保证下节课内容的学习。
1.2.3 教学手段的丰富
在教学手段方面，采用多元化教学手段，将多媒体教学、黑板教学及实物教学等多种手段有机结合起来。课程充分利用多媒体教学能够很好地把概念、图形、动画、视频及声音等信息载体有机结合的特点[4]，将一些传统黑板教学手段难以表达的教学内容和无法观察的现象采用图文并茂、灵活多样的多媒体方式生动形象地展示给学生，确保学生能够从认知的角度建立传感器技术的相关概念，力求教学过程与教学效果达到最优化。对于理论抽象的教学内容（例如传感器动态特性章节）则采用黑板式教学与仿真演示相结合手段，通过对公式的详细推导和仿真，加深学生对公式掌握和理解。对于应用性强的教学内容（如传感器原理、信号调理等）则采用多媒体教学、黑板教学及实物教学相结合手段进行讲授，提高学生对教学内容的工程应用能力。
1.2.4 考评体系的创新
在课程考核方面，传统“闭卷考试”的考核模式具有诸多弊端：一是学生临时突击，放松平时学习；二是难以考查学生的知识综合运用能力。为了改善传统考核模式的不足，提出“平时作业20%+课堂讨论表现30%+期末考试50%”，避免了传统依据考试结果定水平的不足，新考评体系重在促进学生的学习主动性，考核学生的知识综合应用能力。平时作业以大作业为主，重点培养学生的探索意识和知识综合运用能力；课堂讨论以工程案例为对象，通过考评学生参与分析讨论的积极性和主动性，培养其运用知识分析解决问题的能力；同时，为了考评学生对课程基本知识的掌握程度，在期末辅以闭卷考试，以确保学生对基础知识的理解和掌握。
2 结语
《传感器技术及应用》课程教学的改革探索，使我们充分认识到教学改革是一个与时俱进的过程，在未来的教学过程中还有待进一步优化和完善课程教学内容、教学方法、教学手段及考评体系。
[1] 夏银桥。传感器技术及应用[M].武汉：华中科技大学出版社，2011.
[2] 张明月。项目式教学法在《传感器与检测技术》课程中的应用[J].电大理工，2009，238（1）：49-50.
现在在各个领域当中都普遍的运用到了传感器技术，集成化方向已经成为机电系统当中的传感器技术的发展趋势，集成化传感器具有较强的稳定性、较轻的重量、较小的体积以及较高的可靠性等特点，同时还具有较低的生产成本，非常容易实现批量生产，因此具有非常广阔的发展前景。
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润滑油进行监测。
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，其中最为关键的就是火灾报警系统。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
传感器技术在机电技术当中的应用，有效的将信息系统中的传递问题解决了，并且能够保证非常流畅的信息传递，还能够顺利的进行能量转换。机电系统中的各个部分在传感器技术的作用下能够有效的结合在一起，实现了可靠性以及完整性的提升。因此。我们有理由相信，随着科学技术的不断发展，传感器技术必然会在机电技术当中得到更进一步的应用。
关键词：六维；六分量；力；力矩；传感器；专利
一 、概述
传感与测量是控制系统的重要组成部分。多维力传感器中应用最广泛的为六维力传感器。广义六维力传感器能够检查空间任意力系中的三维正交力（Fx、Fy、Fz）及三维正交力矩（Mx、My、Mz），由于其测力信息丰富、测量精度高等特点，主要应用在力及力-位控制场合，如机器人末端执行器，汽车行驶过程轮力检测，轮廓跟踪，精密装配，双手协调等，尤其在航空机器人，宇宙空间站对接仿真等场合发挥了极其重要的作用。目前，国内外关于六维力传感器研究最主要的应用是在机器人技术上，它是机器人高质量控制和智能化不可缺少的重要传感元件。
二、 六维力传感器的国内外研究现状
国际上对六维力传感器获取的研究是从上世纪七十年代初期开始的，美国、日本等极少数国家率先研发出多维力传感器，价格十分昂贵。目前，六维力传感器生产厂家主要有美国的 AMTI、ATI、JR3、Lord 等，瑞士的 Kriste，德国的 Schunk、HBM 等公司。
各种测力机理的出现为广义六维力传感器的设计提供了理论基础。按采用的敏感原件可将六维力传感器分为：应变式（金属箔式和半导体式）、压电式（石英、压电复合材料等）、光纤应变式、厚膜陶瓷式、MEMS（压电和应变）式等。早在 1974 年，瑞士洛桑联邦工学院科学家G. Piller 就对六维力传感器的可行性进行了验证和分析，并设计了以电阻应变片为敏感元件的六维力/力矩传感器。意大利的Giovanni Giovinazzo和Piergiorgio Varrone于 1980 年提出一种电容式的六维力/力矩传感器。加拿大的A.Bazergui教授设计了一种压电式六维力传感器；而东京工业大学机械系研制了一种光学六维力传感器。
我国对六维力传感器的研究是在上世纪八十年代初期开始的，中科院合肥智能机械研究所于1987 年研制出我国第一台六维腕力传感器，之后陆续有哈尔滨工业大学、华中理工大学、东南大学等单位研制出多种规格的多维力/力矩传感器，展现了我国多维力/力矩信息获取研究领域的蓬勃发展态势。目前在六维力传感器研究较多的院校有燕山大学、哈工大，大连理工等。
十字梁型结构是目前六维力传感器采用最多的一种形式，如美国斯坦福大学人工智能研究所研制的Scheinman腕力传感器，中科院合肥智能机械研究所的SAFMS型系列六维力/力矩腕力传感器 Robot Technology Inc. Load 等公司的相应六维力/力矩腕力传感器。这种结构的弹性体对称性好，易于加工，维间耦合小，但动态响应慢，需过载保护。
近年来，并联机构被广泛的研究，其相应成果被应用到机器人技术相关领域，
取得了一些新颖的成果。将并联机构尤其是Stewart平台应用到多维力/力矩传感器也获得了相应的研究：Gailet和Reboulet早在 1983 年首次提出和设计了一种基于Stewart平台八面体结构的力传感器；Dwarakanath和Bhaumick于 1999年研制了基于Stewart平台的六维力传感器，如图1所示。
国际上除了对多维力/力矩传感器的研究热点除了在检测原理和方法创新、新型弹性体结构设计外，人们更关注的是多维力/力矩传感器的应用问题，如现代工业机器人怎么样能够充分利用多维力/力矩传感器以及其它感知系统来完成对各种环境下的更多更复杂的机器人作业，使工作更加精确、生产效率更高、成本更低。如将多维力/力矩传感器利用到工业机器人自动装配生产线，结合更实时更有效的算法，使智能工业机器人能够更好的进行精密柔性机械装配、轮廓跟踪等作业。
三、六维力传感器的测力原理及特点
3.1 电阻应变式六维力传感器
电阻应变式测力原理是目前广义六维力传感器中应用最多的一种。被测物理量作用在弹性元件上，安装在弹性元件上的电阻应变敏感元件将物理量转化为电阻变化，又通过变换电路将电阻变化转换为电压变化。电阻应变式传感器主要特性是准确度高，非线性及滞后误差小，蠕变小，并对传感器的零点平衡、零点温度影响、灵敏度温度影响以及输出灵敏度标准化都进行了全面的补偿。它的缺点是动态响应低，灵敏度与刚度往往相互制约。电阻应变式六维力传感器设计的关键是如何设计出合理的弹性体结构形式。
3.2 压电式六维力传感器
压电式力敏传感器是另一种比较常用的测力形式，它的基本测力原理是在外部应力的作用下，压电材料产生一个电荷，当外力变化时，压电材料表面的电荷随之变化，带来输出电压信号的变化。压电传感器的主要特点是其有很高的固有频率（200 kHz），特别适合动态测量；与位移型测力仪器不同，它的刚度和灵敏度相互不影响，因此能同时得到高灵敏度和高弹性系数（8000 kgf/mm）的测力仪。如何克服传感器各向载荷间的相互干扰是提高压电传感器测量精度的有效途径。
3.3 电容式六维力传感器
电容式力敏传感器的核心部分是对压力敏感的电容器。力敏电容器的电容量是由电极面积和两个电极间的距离决定，当硅膜片两边存在压力差时，硅膜片产生形变，极板间的间距发生变化，从而引起电容量的变化，电容变化量与压差有关。它与压阻式力敏传感器相比，具有灵敏度高、温度稳定性好、压力量程大等特点。
3.4基于光学检测的六维力/力矩传感器
东京工业大学机械工程与科学系设计了一种基于光学检测的六维力/力矩传感器，装备的六横梁上的三个横梁上装有四分型光学传感器，在梁中心位置有三个相应光源，通过光学传感器测量加载力/力矩引起的微小变形，从而检测相应的六维力/力矩信息。由于光学检测对电磁干扰不敏感，所以能被应用到比较恶劣的环境中，但成本高，适用温度范围较窄。
3.5 六维力传感器的结构形式
广义六维力传感器有着许多种结构形式，大体上可分为直接输出型（无耦合型）和间接输出型（耦合型）。直接输出型简言之就是六维空间力由测力元件直接检测或经简单计算求得，如压电式六维力传感器就是直接由六组石英晶组分别检测Fx、Fy、Fz及Mx、My、Mz。这种无耦合六维力传感器以美国SIR公司1973年设计的积木式结构较为著名。直接输出型传感器代表了今后传感器的一个发展方向。
间接输出型检测的六维输出力与传感器检测到的每一个力分量和力矩分量相关，需要通过各分力的耦合才能得到六维输出力。基于Stewart平台的六维力/力矩传感器是个典型的耦合型检测传感器，它具有承载能力强，刚性好，误差不积累等独特优点。但其结构不紧凑，存在耦合误差，需要标定时利用标定矩阵加以减少和消除。
另外，多维力/力矩传感器还有其它多种弹性体结构形式如三垂直筋结构、
双环形结构、盒式结构、圆柱形结构、双头形结构、三梁结构、八垂直筋结构等。
四、专利技术现状分析
本文用于检索的数据库采用了中国专利文摘数据库comABS及VEN数据库，检索式选择表示本领域的IPC国际专利分类号G01L5/16、G01L5/24、G01L1与本领域通用的关键词六维、六分量、力、力矩、传感器，统计日期截止到公开日2016年5月31号，获得专利文献300篇，本文以上述数据作为研究对象，从六维力传感器专利申请年度申请情况、国家/地区分布、主要申请人特点等几个角度展开分析。
4.1专利申请量趋势分析
图2为六维力传感器领域在中国申请的专利申请量年度分布图，从图2可看出在近十年有关六维力传感器在中国范围内的专利申请量整体上呈增长趋势，自2007年开始，申请量有大幅增长，2009年有所下降，至2013年迎来了申请高峰，专利申请量呈现逐年下降的态势，由于2014-2015年部分申请未公开，所以申请量相比2013年有所下降。
4.2在中国申请专利的主要申请人分析
表1给出了六维力传感器在中国申请专利的主要申请人申请量排名情况，可以看出，国内申请人主要集中在以哈尔滨工业大学、燕山大学为代表的高校。由于六维力传感器结构较为复杂，测量信息量大，在弹性体的设计以及数据采集与处理等方面面临着一定难度，因此大部分研究成果仍处于实验室阶段，能够应用于实际生产中产品化的六维力传感器还比较少。
4.3六维力传感器专利申请量的国别分别情况
在S系统中的VEN数据库中，截止到2016年5月底，对六维力传感器领域所有专利国家/地区专利申请进行统计，如图3所示，世界范围内可见六维力传感器在中国为研究热点，其次为日本、美国。
五、总结
六维力传感器是一个庞大而富有挑战性的课题，以此为基础的应用的研究和正得到不断的扩展和深入，新设计、新方法、新应用、新成果屡见报道。六维力传感有着许多种测量原理及结构形式。本文简要介绍了目前各种形式的六维力传感器的测力原理及特点，及六维力传感器专利申请年度申请情况、国家/地区分布、主要申请人特点。希望能够推动六维力传感器走向实用化。
参考文献
[1] 王志军。双层预紧式六维力传感器基础理论与应用研究[D]. 燕山大学博士学位论文 2012：3-12.