内江职业技术学院 四川内江 641000
摘要：目前，工业自动化技术发展迅速，传感器得到了越来越广泛的应用，同时各类院校也开设了相应的传感器课程。然而，市面上少有的针对传感器教学的设备，大多体积过大且实训单一，操作演示繁杂，不能很好地与实际工业应用结合在一起，因此亟需一种创新的、方便教学演示及使用的工业传感器教学实验平台。利用该平台，并配合使用PLC、模拟量采集模块和HMI，能够让学生深入学习传感器的应用，以工业现场实际的综合应用组织教学。
关键词：工业自动化传感器；教学实验平台；设计
1平台硬件结构
1.1传感器模块
传感器是一种能够感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的装置，通常由敏感元件和转换元件组成。传感器的基本特性是指传感器的输入与输出之间的关系，有动态和静态之分。其中，传感器在测量快速变化的输入信号情况下，输出对输入的影响特性为动态特性。而在静态信号作用下，传感器输出与输入之间的特性为静态特性。动态特性与静态特性的主要区别是动态特性中输入量与输出量的关系不是定值，而是时间的函数，它随着输入信号频率的变化而变化。本实验平台选用的传感器按测量原理分类，有电感、电容、电阻、电偶、激光、红外、超声波及光纤等类别。所选用的传感器均为工业上实际应用所需的，可以根据需要检测金属、压力、温度、湿度及颜色等各种变量。传感器均安装在台体的斜平面上，传感器引线端均连接到台体底座平台上，并根据传感器引线端数量可分成二线到八线制。此结构可以使接线操作整洁，不影响教学演示和传感器正常使用。
1.2信号监控模块
信号监控可以获得传感器的信号并对外部设备进行反馈，它是平台实验效果的最直接体现。信号监控模块包括HMI和信号灯，其中HMI是一种可以连接PLC、信号采集器并支持进行信号互交的设备，它通过触摸显示屏直观显示采集到的现场信号与状态，并通过输入单元写入控制或输入参数命令，实现人与机器的信息交互。本实验平台选用的HMI可单独与PLC通信连接或通过PLC与模拟量采集器通信连接，可以通过PLC的运算处理功能得到各传感器的检测状态信号并输送到HMI，以直观显示温度、距离及压力等被测量。HMI镶嵌于台体上且通信口与下载口分别通过DB9母头转DB9公头连接线、USB2.0母头转MINI 5P连接线连接到台体外。信号灯可直接读取数字式传感器信号，这极大地提高了实验操作的方便性和直观性。
1.3控制系统模块
本实验平台控制系统模块包括S7-200 SMA-RAT PLC、EM AM06模拟量采集模块和控制按钮。其中，控制按钮采用带指示灯负载的按钮。西门子PLC基本模块自带以太网端口，具有以太网通信功能，通过普通的网线通信线即可下载程序到PLC中，省去了专用编程电缆，高速方便。通过以太网接口还可以与其他PLC CPU模块、HMI和其他支持以太网通信的设备进行通信。另外，本实验平台PLC还扩展了信号板SB CM01以提供额外的RS232或RS485串行通信接口，在软件中简单组态设置即可实现转换，且两个通信口分别连接HMI和模拟量采集器，可以组成传感器物联网。传感器信号经过PLC处理运算后得出所需数值并输送到HMI。控制按钮由于自带负载灯可以防止由于按钮短接引起的短路，提高操作的安全性。
2实验教学内容
2.1基础性实验
基础性实验大部分为验证性实验，比如应变式传感器全桥性能实验、电容式传感器的位移特性、磁电式转速传感器测速实验、电涡流传感器位移特性、被测体材质对电涡流传感器的特性影响实验等，学生通过实验验证传感器实验的基本理论、典型的传感器原理和特性，获得必要的实验知识和操作技能及基本实验仪器的使用，培养他们的动手能力和初步的分析、归纳和解决问题的能力。
2.2综合性实验
综合性实验是学生培养学生分析和处理问题的能力重要环节，利用温度传感器、磁电传感器、应变式传感器、光电传感器、霍尔传感器等，按照任务要求，独立进行实验，编写方案，设计电路，然后进行调试，撰写报告完成实验。如学生进行温度监控系统综合性实验，该系统包括温度检测、处理及转换、显示、监控报警电路等内容，要求结合日常所学的传感器和单片机等内容，根据基础性实验所掌握的实践知识，经过精心设计，提出可行的实验方案，通过实验操作，对实验过程中出现的问题进行独立思考、判断并解决，最终完成综合性实验的任务。
2.3设计性实验
在完成基础性和综合性实验后，学生可申请开展设计性实验，运用LabVIEW虚拟软件，结合硬件平台，实现传感器数据的采集、显示和分析，学生可以完成类似温度检测系统设计、智能家居系统设计、智能交通灯控制系统、烟雾报警系统设计等设计性实验，比如温度检测系统设计，学生运用LabVIEW软件设计系统的前面板和后台程序，通过软硬件结合的方式，对传感器的选用、设计和调试有一个比较系统的认识和理解，可以极大地调动学生学习传感器和参与实验的积极性。
除此之外，学生还可运用虚拟软件进行创新性实验项目，与实际操作相结合，参与传感器方面的各类学科竞赛、小发明、小制作、专利等实验活动，锻炼学生的实际工程应用能力和创新能力。设计性实验是学生根据实验选题独立完成的。设计性实验更贴合工程实际运用，学生的自主能动性得到最大发挥，系统性、创新性、实践性和分析力能得到很大提高，为学生未来从事科研或者就业打下良好的基础。
阶梯化教学内容是一个循序渐进的过程，如上表所示，需要学生在掌握实验物理量基本测量方法和仪器使用的基礎上，通过综合性实验和设计性实验，实现所学知识进一步深化和创新应用实践能力提升的过程，更加切合地方高校培养应用型人才的初心，也为培养创新型科研工作者打下坚实基础。
3实验配套支撑服务改革
阶梯化教学的实现是在学校实验配套支撑服务方面同步改革下方可完成的，诸如实验时间、实验室形式等开放化。实验时间开放化。正常实验授课时间有限，学生在规定的实验开放时间内所学有限，特别是实验内容阶梯化以后，学生通过自主选题、设计和实践，与其他同学和老师共同探讨都需在开放的环境下进行，这对培养学生的科学素养和创新意识，提高学生的自主学习和创新能力都是十分要的。这就要求地方高校将实验资源开放化，将学生“引进来”，使他们能够有充分的时间和丰富的实验资源开展综合性、设计性和创新性实验。
实验室形式开放化。实验室开放形式主要有教师预约型，教师结合科研，指导学生参与创新性和综合性实验；学生预约型，学生自主开展的实验项目或各类竞赛等实验活动；开放实验预约型，每学期初作为实验教學内容的延伸和扩展开放的实验项目，学生自愿申请选做。
结语
传感器实验教学只有理论联系实际，通过实验教学内容的不断改革，才能促使学生得到传感器系统性的学习，提高发现、分析并解决问题的能力，增强学习自主能动性和创新实践应用能力。实验教学内容阶梯化是高校实验改革的重要途径，实验配套支撑服务改革是实验阶梯化教学改革的基础和前提，只有这样，才能使学生更加自由地开展实验，达到地方高校培养创新应用型人才的目标。
参考文献：
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