关键词：微机电系统（MEMS）微机械陀螺（MMG）检测
随着科学技术的发展，许多新的科学领域相继涌现，其中微米/纳米技术就是诸多领域中引人注目的一项前沿技术。20世纪90年代以来，继微米/纳米技术成功应用于大规模集成电路制作后，以集成电路工艺和微机械加工工艺为基础的各种微传感器和微机电系统（MEMS）脱颖而出，平均年增长率达到30%。微机械陀螺是其中的一个重要组成部分。目前，世界各个先进工业国家都十分重视对MMG的研究及开发，投入了大量人力物力，低精度的产品已经问世，正在向高精度发展。
1微机械振动陀螺仪的简要工作原理
陀螺系统组成见图1，它由敏感元件、驱动电路、检测电路和力反馈电路等组成。在梳状静电驱动器的差动电路上分别施加带有直流偏置但相位相反的交流电压，由于交变的静电驱动力矩的作用，质量片在平行于衬底的平面内产生绕驱动轴Z轴的简谐角振动。当在振动平面内沿垂直于检测轴的方向（X方向）有空间角速度Ω输入时，在哥氏力的作用下，检测质量片便绕检测轴（Y轴）上下振动。这种振动幅度非常小，可以由位于质量片下方、淀积在衬底上的电容极板检测，并通过电荷放大器、相敏检波电路和解调电路进行处理，得到与空间角速度成正比的电压信号。
在科研及加工过程中，一个重要的内容就是检测陀螺仪的特性，如工作状态谐振频率、带宽增益、Q值等，于是就提出了微机械惯性传感器检测平台的研制任务。根据陀螺仪的工作原理，整个仪器包括两大部分：驱动信号发生部分和表头的输出信号检测部分。驱动信号发生部分对待测的惯性传感器给予适当的驱劝信号，使传感器处于工作状态。信号检测部分要求检测出微小电容变化，经过放大、解调处理后，将模拟量转换成数字量采集到PC机中，分析输出信号，以确定惯性表的特性。
2微电容检测技术
在MMG检测技术中，利用电容传感器敏感试验质量片在哥氏力作用下的振动角位移，获取输入角速率信号。由于陀螺仪的尺寸微小，为了得到10°/h的中等精度，要求电容测量分辨率达到（0.01×10-15）～(1×10-18)法拉。因此，对于微机械加速度计和向机械陀螺仪来说，检测试验质量和基片之间的电容变化是一个关键技术。目前在MMG中采用的微电容检测方案有三种：开关电容前在MMG中采用的微电容检测方案有三种：开关电容电路、单位增益放大电路和电荷放大电路。
2.1开关电容电路
其基本原理是利用电容的充放电将未知电容变化转换为电压输出。该测量电路包括一个电荷放大器、一个采样保持电路以及控制开关的时序，如图2所示。
在测量过程中，先将未知电容（C1、C2）充电至已知电压Vref，然后让其放电。充、放电过程由一定时序控制，不断重复，使未知电容总处于动态的充放电过程。C1、C2连续地放电，电流脉冲经过电荷放大器转换为电压。再经过采样保持器，得到输出Vc。将公式ΔC=2C0·x/d0代入，可得电容检测电路的传递函数为：
Vc/x=-[2VrefC0/Cfd0]
2.2单位增益放大器电路
AD公司与U.C.Berkeley联合开发的ADXL50（5g的微机械加速度计）采用了单位增益放大电路。
图3是单位增益放大器的等效电路。图3中，Cp为分布电容，Cgs为前置级输入电容，Rgs为输入电阻。当载波频率在放大器的通频带以内时，前置级输入电阻可忽略不计。由图3可午，前置级有用信号输出为：
（Vs-Vout）jω（C0+ΔC）+(-Vs-Vout)jω（C0-ΔC）
=Voutjω(Cp+Cgs)+Vout/Rgs
Rgs∞
Vout=(2ΔC/2C0+Cp+Cgs)Vs
分布电容Cp约为10pF，
输入电容Cgs约为1～10pF，一般都大于传感器标称电容C0(1pF左右)。可以看出，它们的存在都极大地降低了电容检测灵敏度。要提高电路灵敏度，就必须消除Cp、Cgs的影响，通常采用的措施等电位屏蔽。
2.3电荷放大器电路
电荷放大器电路如图4所示。它采用具有低输入阻抗的反相输入运算放大器。其中Cp表示分布电容，Cf为标准反馈电容，Rf用来为放大器提供直流通道，保持电路正常工作。应选取Rf，使时间常数RfCf远大于载波周期，以避免输出波形畸变。但Rf过大为今后电路集成带来不便。可以使用小阻值的电阻组成T型网络，替代大阻值电阻。
若运算放大器具有足够的开环增益，反相输入端为很好的虚地，那么，两输入端点之间的电位差为零。因此，反相输入端对地的分布电容Cp和放大器的输入电容Cgs对电路测量不会造成影响。电荷放大电路相对于单位增益放大电路来说，结构要简单，不需考虑等电位屏蔽问题；只需将杂散电容的影响转化为对地的分布电容，即进行合理的对地屏蔽，就能获得较好的效果。
尽管在电荷放大电路中，可以忽略掉输入电容及反相输入端对地的分布电容，但是在检测微小电容变化时，输出还是有很大的衰。这是由放大器输入输出端分布电容Cio造成的。当载波电压频率大于1/（2πRfCf）和小于放大器的截止频率时，输出电压Vout应该表示为：
Vout=-[(C1-C2)/（Cio+Cf）]Vs=-[(2ΔC)/Cio+Cf]]Vs
3检测平台的系统构成及工作原理
该系统的工作原理如图5所示。对惯性传感器施以适当的激励信号后，传感器的动片即处于振动状态，上下极板间的电容发生周期变化，采用电荷放大器电路将该信号提取出来，经交流放大、解调后通过A/D转换变成数字量采集到微机中，观察传感器的输出响应，为下一步利用软件方法分析微机械惯性传感器的时域、频域特性打下基础。
3.1激励信号发生器
根据微机械轮式振动陀螺仪的工作原理，最多需要4路激励信号。激励信号为正弦波，每两路相位相反。为了测量陀螺仪的频率特性，需要不断改变激励信号的频率。目前不同设计的陀螺仪谐振频率在几百赫兹到10千赫兹之间，激励信号也需要在这个范围内进行调节。另外，陀螺仪的驱动力矩等于驱动信号的交流分量与直流分量的乘积，所以还要施加正或负的直流偏置，使陀螺能处于正常工作状态。交流相位和直流偏置组合见表1。
表1交流相位和直流偏置组合
直流偏置：++--交流信号：+-+-
一般的RC振荡电路生成的正弦波频率靠改变R、C值来调节，不能连续大范围调节。所以，设计中采用数字方法合成模拟波形，其原理见图6。图6中8254为软件可编程计数器。其包含3个独立的16位计数器，计数最高频率可达8MHz，设计中输入3MHz的时钟，将2个计数器串连使用，这样可以增加频率控制范围。8254产生的方波信号作为后面并行计数器的计数脉冲输入。并行计数器由2片74LS161组成8位二进制循环计数器。74LS161计数到最大值时会自动清零，重新开始计数，其输出可作为E2PROM2817A的地址信号（即每个正弦周期内采样点数为256个）。2817A的数据读取时间为150ns。设计电路时将它的片选和读信号均设为有效，以提高数据读取速度。D/A转换采用DAC-08电流输出型D/A转换器。电路输出时间85ns，放大器采用高速高精度运放OP-37，同理，D/A转换器的片选和转换开始信号总为有效，其输出跟随输入变化，提高转换速度。实验结果表明，此信号发生器完全可以生成10kHz以内可调频的正弦波。而且使用可编程计数器8254，输出正弦波的频率可以用软件方法调节。如果想输出非正弦波形，只要修改E2PROM的数据，就可以输出任意形状的周期波形。
3.2低通跟踪滤波器
数字信号发生器具有控制灵活的优点，但是输出信号不够平滑，其中会有台阶波。在对信号要求比较高的场合，还需要进行滤波。本设计中信号的频率变化范围很大：几百赫兹到10千赫兹。为了进一步提高信号质量，采用AD633模拟乘法器构成低通跟踪滤波器，其原理如图7。
通带的截止频率是由电压Ec控制的，输出是OUTPUTA，截止频率：
fc=Ec/[(20V)πRC]
OUTPUTB处是乘法器的直接输出端，截止频率与RC滤波器相同：
f1=1/(2πRC)
这种滤波器结构简单，没有开关电容，噪声小，一般采用数模转换器控制Ec，控制通带频率也比较容易。
3.3交流放大器
微机械惯性传感器在施加激励信号后，即处于振动状态。传感器有差动微电容量变化C0+ΔC和C0-
ΔC。采用电荷放大器电路提取出ΔC，此电压信号仍然很弹，需要进一步放大处理，于是采用图8所示的交流放大器。
交流放大器由4个放大倍数为-1、-2、-5、-10的运算放大器级联组成，进一步放大被测信号，同时调整幅值以便适应解调器的输入。图8中的开关选用ADG211模拟开关，通过控制模拟开关的开合，可以任意选择某级或某几级放大器参加工作，实现对放大倍数正负1、2、5、10、20、50、100的整倍数调整。例如，将模拟开关S0、S2、S8、S13闭合，其他开关全部打开，交流放大器的总放大器数即为：（-1）×（-2）×（-10）=-20。
3.4数据采集系统
使用计算机总线，与外设之间必须有接口。本系统采用双端口RAM作为数据缓存。先将信号采样并存储其中，然后成组地向主机传送，从而有效地发挥了主、从、资源的效率，且设计也相对简单。
3.4.1系统工作原理
系统基本组成原理如图9。主要有双端口RAM、逻辑控制模块、A/D转换器组、计算机接口。机通过接口启动逻辑控制模块后，CPU资源向其他请求开放，逻辑控制模块发控制信号启动A/D转换器并进行采样，并将转换结果存入双端口RAM。当RAM中的数据达到一定数量时，逻辑控制模块向计算机发出中断请求。主机接到请求后进入中断服务程序，向逻辑控制模块发出命令，决定是否继续采样，并将RAM内的数据读入内存。
3.4.2硬件设计
本设计使用Cypress公司的CY7C136（2k×8bit）双端口RAM。其两个端口都有独立的控制信号、片选CE、输出允许OE和读写控制R/W。这组控制信号使得两个端口可以像独立的存储器一样使用。使用这种器件要注意当两个端口访问同一个单元时，有可能导致数据读出结果不正确。解决这个问题的方法有两个：一种是监测busy信号输出，当检测到busy信号有效，就使访问周期拉长，这是从硬件上解决；另一种方法是软件上保证两个端口不同时访问一个单元，即将双端口RAM进行分块。本系统采用后者，将busy信号输出通过上拉电阻接到电源正极。
在系统中，逻辑控制模块的作用非同小可，是控制采样、存储、与计算机接口的核心。本系统为方便对采样速率等参数进行设置，在该模块中采用了MCS-51单片机。这样可以通过编程设定采样速率。
与主机的信息交换包括：
（1）接收主机控制信号，以决定是否开始采样；
（2）在存储区满后，向主机发中断请求。
本系统使用AT89C51的地址总线来选通RAM的存储单元，对其进行写操作，将采样结果存入相应的单元。
3.4.3软件设计
系统软件包括主机程序和逻辑控制模块中89C51程序。软件的关键是单片机控制A/D转换器和存储器部分，软件流程见图10。
【关键词】两缸两冲程小型发动机；电控单元；ECU；控制策略
0 引言
两缸两冲程小型发动机结构简单、体积小重量轻、并且升功率显著高于四冲程发动机，由于有着以上优点，被广泛应用于小型摩托车、航模甚至是小型的发电设备上。[1]本文对两缸两冲程小型发动机的控制原理、系统构成及系统设计要求进行了研究，在此之上提出了一种适用于该类发动机的控制策略，以及相应的控制单元ECU的设计方法。[2]
1 控制系统的基本结构和设计
控制系统由传感器、控制器ECU和执行器三个部分组成。空气经过节气门进入进气道，燃油经喷油嘴喷射进入进气道，跟新鲜空气混合后进入气缸。在气缸内经火花塞点火燃烧，废气由排气管排出发动机。[3-5]
1.1 传感器
本文设计的电控系统所用的传感器主要有：发动机曲轴位置传感器、节气门位置传感器、进气温度压力传感器和排气氧传感器。
1）发动机曲轴位置传感器
该传感器主要有磁电式和霍尔式两种，本文采用磁电式。曲轴前端安装有特定齿数的齿，齿的边缘安装传感器。当齿旋转时候，传感器端即可产生相应位置的脉冲信号，使用整形电路对该脉冲电路进行整形成为矩形波，当发动机转速高时，矩形波的波幅较窄，当发动机转速低时候，矩形波的波幅较宽。ECU依次来计算发动机的转速。
2）节气门位置传感器
节气门位置传感器向ECU提供进气道节气门的角度位置，该数据是计算发动机的进气量、负荷和驾驶意图的重要参数。
节气门通常分为电子式和拉线式两种，本文采用的是自行研究开发的主动驱动式电子节气门，图1是该节气门的结构示意图。[6]ECU通过CAN总线连接该节气门部件，控制电路获取信号后驱动直流电机转动，电机的扭矩通过齿轮组带动蝶阀转动。蝶阀轴顶端安装有霍尔传感器，当蝶阀转动时，该传感器会感应到该变化，转换成跟角度相应的模拟信号，并将该信号传递给控制单元ECU。
3）进气温度压力传感器
本文采用的是温度压力一体是传感器，具有体积小重量轻的优点，尤其适合小型发动机使用。该传感器安装在进气系统的过渡管路上。
4）氧传感器
氧传感器安装在发动机的排气管中，用于测量发动机尾气中的氧含量。使用该传感器进行喷油的闭环控制，可以精确控制喷油量达到理论空燃比。
1.2 电控单元ECU
发动机电子控制单元ECU是整个电控系统的核心部分，它在发动机运转过程中接收传感器信号，并进行处理计算后向执行器发出控制信号，执行器按照ECU的控制意图进行工作。
图2是本文使用的控制器的构成图，图中左侧是上文描述的传感器，其中曲轴位置传感器是整形后的矩形波，连接至ECU的Timer管脚，ECU通过边沿触发中断来进行信号分析和计算。其他三个传感器的信号均为AD信号。控制器的右侧是点火、喷油和氧传感器加热器这三个执行器。
1.3 执行器
本文的执行器主要有喷油器、点火线路和氧传感器加热器三个部分。
1）喷油器
喷油器是一种电磁开关装置，由发动机控制单元ECU发出PWM波形，经过放大后驱动电路来控制喷油器的开启和关闭，通过喷油脉宽即PWM波形的幅度来控制电磁阀的打开和关闭之间的时间，进而控制喷油量。通过喷油正时来控制电磁阀打开的时机，进而控制喷油提前角。
2）点火线路
点火线路由点火线圈和火花塞两个部分组成，控制单元ECU通过Timer管脚发出PWM波形，进而控制初级线圈导通，最终达到控制点火的提前角和和点火能量效果。
3）氧传感器加热器
本文选用的氧传感器LSU4.9的工作温度在750℃附近，偏离这一工作点，会直接导致测量偏差，进而引起喷油量计算的不正确，导致发动机工作异常。因此有必要对氧传感器进行温度控制。
图3是氧传感器的温度控制图，把传感器上的温度和要求温度一起导入ECU，经过PID计算计算后，输出PWM信号，该信号经放大电路放大后引入加热丝，进而引起氧传感器的稳定变化，达到闭环控制的效果。
2 控制策略研究
图4是本文所采用的系统控策略，整个控制系统分为7个计算模块，分别是转速计算、点火提前角计算、点火脉宽计算、喷油提前角计算、喷油脉宽计算、点火控制计算和喷油控制计算。以下分别加以叙述：
1）转速计算
该计算任务是中断任务，当ECU捕捉到脉冲边沿，发生中断任务，计算相邻的脉冲波形的间隔，加以滤波，即可获得当前发动机的转速。
2）点火提前角计算
该任务是定时任务，每隔10ms计算一次。点火提前角以发动机转速作为计算参数。当低转速时，输出较小的点火提前角，当高转速时输出较大的点火提前角。
3）点火脉宽计算
点火脉宽以进气温度和进气压力作为计算参数。当进气温度低进气压力高时，适当提高点火时间，当进气温度高进气压力低时，适当降低点火时间。
4）喷油提前角计算
喷油提前角以转速作为计算参数。当低转速时，输出较小的喷油提前角，当搞转速时，输出较大的喷油提前角。
5）喷油脉宽计算
喷油脉宽以废气氧含量、进气压力、发动机转速和节气门位置为计算参数。其中进气压力和发动机转速设计为一张三维表，进气压力越高转速越高，说明发动机负荷越高，此时应加大喷油脉宽，进气压力越低转速越低，说明发动机负荷越低，此时应减小喷油脉宽。废气氧含量对以上计算结果进行修正，让空燃比保持在理论空燃比附近，达到节能减排的效果。节气门位置对以上计算结果进行二次修正，以达到较好的操纵性能。
6）点火控制任务
该任务是实时中断任务，发生在上止点时刻。当ECU通过曲轴相位传感器的信号判断出发动机处于上止点时，发生该任务。在该任务中，ECU把点火提前角的计算结果进行转化设置在Timer寄存器中开始计时，以达到在点火提前角达到的达到的时刻计时完成，发生点火中断，继而发出指定点火脉宽的PWM波形。该波形经放大后驱动点火线路打火。
7）喷油控制任务
该任务跟点火控制任务基本类似。
3 结论
本文主要介绍了两缸两冲程活塞小型发动机电控系统的控制器ECU和控制策略的设计方法。依次方法设计出了一款满足该领域使用要求的高度集成化的控制器，该控制器层次简洁、清晰，模块之间相互独立，提高了系统的可靠性。经试验验证，完全达到了对该类型小型发动机的实时性和精度的控制要求。
【参考文献】
[1]黄建，曹占国.小型二冲程航空汽油机电控系统研究[J].小型内燃机与摩托车，2012，2.
[2]马二林.FAI二冲程缸内直接喷射航空用打洞机的研究[D].天津大学，2013.
[3]姜学敏.某型发动机电控燃油喷射技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2013.
[4]杨时威.基于XCP协议车用标定系统的研发[C]//中国内燃机学会第四届青年学术年会论文集，2006.
基金项目:辽宁省自然科学基金资助项目(资助号:2001101026)
作者简介:朱进(1980―),女,辽宁锦州人,硕士研究生,研究方向:大系统的分散控制及鲁棒控制(E-mail:)｡ 文章编号:1003-6199(2007)01-0014-04
摘要:考虑一类非线性关联大系统的可靠控制器设计问题,该系统具有常时滞､参数不确定性､非线性扰动和传感器故障｡其中参数不确定性满足匹配条件,非线性扰动满足范数有界条件,传感器具有部分失效的模型｡本文的目的是设计无记忆分散控制器来镇定该系统｡通过解线性矩阵不等式获得此控制器,使得当传感器器发生故障时被控系统能够保持渐近稳定｡最后通过仿真的例子,验证该状态反馈控制器的可行性｡
关键词:容错控制;控制器;关联系统;传感器故障
中图分类号:TP273文献标识码:A
1引言
可靠控制是将系统部件可能发生的故障考虑在控制器设计过程中,可使所设计的控制系统无论是否出现故障都能保持一定的性能指标｡由于元器件质量,环境变化等各种因素,执行器和传感器失效是实际工程系统经常遇到的问题｡近年来,不确定系统的容错控制问题的研究取得了一些成果[1-4]｡文献[1]-[4]均是对具有离散故障模型的系统进行研究,即将部件输出分为正常和中断两种情况,部件无故障时将输出信号增益设为1;部件发生故障时将输出信号增益设为0｡而执行器或传感器通常会出现部分失效的情况｡文献[5]和文献[6]虽然考虑了传感器的部分失效,但仅是对单个系统进行研究,而随着科学技术的发展,系统的构成越来越复杂,出现了各种结构的大系统,如动力系统､通讯系统､社会系统､经济系统等｡因而,研究关联系统的完整性设计显得尤为重要,并且关联大系统的分散控制不仅可从理论上简化复杂问题,而且实现起来也经济､可靠｡
本文针对具有传感器部分失效的模型,研究了不确定非线性关联大系统的可靠状态反馈控制器的设计方法｡利用线性矩阵不等式,给出了控制器的求解方法,此控制器使得闭环系统无论是否发生故障仍能保证渐近稳定｡
2问题描述
考虑不确定非线性关联系统的故障模型:
是第i个子系统在时刻的状态向量;ufi(t)∈Rqi是考虑第i个子系统在时刻的控制输入向量;φi(t)是连续的向量初值函数;d为时滞常数;是具有适当维数的常数矩阵;(t)是反映第i个子系统模型中时变参数不确定性的不确定实值矩阵｡假定系统(1)中的参数不确定性ΔAi(t)､ΔAid(t)和非线性扰动 fi(xi(t))分别满足以下条件:计算技术与自动化2007年3月第26卷第1期朱进等:具有传感器故障的非线性关联大系统的可靠控制
3主要结果
定理1对于系统(6)如果存在正定矩阵X,Y,使得由Schur补性质可知(10)式等价于(7)式,即定理1成立｡
4例子
考虑具有执行器故障的不确定关联系统(1),其中进行仿真,结果见图可以看出两个子系统渐近稳定,说明本文所设计的分散控制器是可行的,可以达到预期的目的｡
5结论
本文讨论了一类具有状态时滞､参数不确定性和未知非线性扰动的不确定非线性关联大系统的状态反馈可靠控制问题｡把传感器可能发生的故障考虑在控制器的设计过程中,通过求解线性矩阵不等式,从而得到分散无记忆可靠控制器,使得闭环系统无论是否发生故障都保持渐近稳定｡
图1 失效时第一个子系统的状态响应
关键词：传感器课程；课程改革；项目化
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.05.257
0 引言
传感器技术是现代新技术革命和信息社会的重要基础，是自动检测和自动控制技术不可缺少的重要组成部分。传感器和检测技术课程也成为电子技术、机电一体化、汽车电子技术等工科专业的一门重要的专业基础课程，由于涉及面广、知识多、实践性强等特点历来是一门老师难教、学生难学的课程。本文以结合我校实际情况探讨如何推动传感器课程教学改革。
1 教学现状分析
我校多年来为地方的机械制造业和汽车相关的产业培养了大量的技术性人才。但是近年来，用人单位普遍反映，学生的动手能力和解决实际问题的能力在逐年下降，并且学生的创新意识差，对工作岗位适应时间长[1]。纵观这些问题，反映出传感器课程教学急需改革。究其原因主要有三点：一是：传感器教学主要以传统的理论教学为主，缺乏对传感器实物的感性认识，所学的知识只能停留在课本上，学不能致用，课堂教学效果不佳。二是：教学学时少，实践实训课时就更少，学生缺乏实际锻炼的机会，更谈不上对学生创新能力的培养。三是：理论不能联系实际，随着科学技术的发展，新材料新技术的传感器不断涌现，学生虽然学习了传感器课程，但是在实际工程应用场合有时不认识实际的传感器实物，不会根据具体任务选择合适的传感器，对具体传感器接线更是无从下手。
2 课程教学改革探讨
现在应用型高校是以培养具有较强社会适应能力和竞争能的高素质应用型人才。这种高素质人才的培养要求必须打破传统的传感器教学以理论教学为主的模式，构建以“学生为主，教师为辅”， 以突出学生传感器应用能力培养为目标，教学做一体化的新型教学体系[1]， 本文对理论教学内容和实验实践教学的选取进行了研究和探索，提出了一些改革思路。
2.1 课程内容选取
在课程内容上，我们基于“工作过程系统化”为理念，通过对学生毕业后所从事的工作岗位所需的职业能力进行分析，以此来确定本课程的课程内容，每个内容以项目为导向，以实际工程案例为主导进行从新设计。把传感器理教学分为若干个教学项目（具体项目如表1）。教师把传感器的相关知识点与技能培养融入到项目中去，真正实现理论与实践的有机结合。这种模式教学模式过去单纯以理论教学为主，学生被动接受所学知识的教学思路。以光电式传感器教学为例，我们给出了一个寻迹小车的工程项目，要求学生从传感器选型、电路的设计、传感器的安装、项目的工作环境、项目造价等各个设计分项进行论证和设计。学生在项目的驱动下，以小组为单位，设计方案、选择传感器、制作具体的实物。这种以项目法为主导，以学生为中心的教学模式，既可以激发学生学习的兴趣，使学生将理论应用于实践，同时又可以培养学生创新和工程实践能力，实现学生与工作岗位“近距离”对接。
2.2 实验实践内容的教学改革
传感器课程的实践教学主要是为了培养学生的工程能力和工程意识。但是传统的传感器实验大多在封闭式的实验平台上完成，实验也多为验证性实验，这不利于提高学生的动手实践能力。开展综合性、设计性实验是当前实验实践教学的改革趋势，我校主要从三个方面进行改革：
（1）多课程协作开设实验内容 。在开设实验实践教学内容的时候要充分考虑本课程实验与模拟电路、数字电路、单片机等相关课程实验的内在联系，把一个项目分成若干个实验模块单元，不同的实验模块单元可以在不同的课程里面完成。形成以单一项目实现为多门课程服务的目的。这样既可以较强各门课程的横向联系，有可以解决各个课程实验实践少、实验内容少的问题。例如在温度检测实验项目中，例如在寻迹小车项目中，我们把这个项目分成检测、控制和驱动三个模块，其中控制和驱动模块可以和单片机课程实验中进行，在传感器课程中只要进行检测模块的设计和最后的调试工作。
（2）与课外实践及电子竞赛相结合。课外实践和电子竞赛是学生学习传感器技术的重要环节之一[3]。引导学生积极生开展课外科技活动和参与电子设计大赛，让学生在设计中认识并理解各种传感器，同时可以培养学生的分析问题、解决问题和自主创新的能力，为将来的工作打下良好的设计基础。
3 结论
传感器与检测技术的教学改革是一项复杂的系统工程，教学改革只是手段，其目的是培养符合市场需求的各项实用性人才[1]。经过几年的教学改革，毕业生的实践动手能力和解决工程实际的能力得到了很大的提高，缩短了从理论知识到实际应用的过程，为学生的后续发展打下了一定的基础。
参考文献：
[1]江勇，魏芳波.传感器与检测技术课程改革探讨[J].昆明冶金高等专科学校学报，2013（29）：82-84.
[2]苏敏，黄丽丽，厉相宝.传感器与检测技术课程教学方法改革探讨[J].时代教育，2016（09）：48.
[3]李玲，张旭.传感器与检测技术课程教学改革研究[J].科技文汇，2015（304）：55-56.
[4]江勇.传感器与检测技术实验教学探讨[J].科技展望，2015（32）：144-145.
关键词： 传感器；教学体系；教学方法
0 引言
“传感器原理与应用”课程是测控技术与仪器、电气工程及其自动化、电子信息工程、计算机科学与技术、机械工程及其自动化、核工程与核技术等专业的专业基础课，也是很多其他工程类专业的选修课程[1]。这门课程是已学课程知识的综合及后续课程的基础，在课程体系中担负着承上启下的作用。理论性和实践性都很强，与通信技术、计算机技术并称为现代电子信息技术的三大支柱[2]。本文针对“传感器原理与应用”课程的特点，结合专业培养的目标，探讨该课程理论教学和实践教学的改革问题。
1 课程特点
传感器课程主要内容是介绍各种传感器的内部结构、测量电路、应用领域及敏感元件的工作原理、制作材料和工艺等。种类繁多，不仅涉及电学、磁学、力学、光学、声学、化学、生物学、数学、材料、机械原理、计算机技术等多门学科[3]，还涉及工业现场的一些实际情况及制作工艺学等，几乎涉及支撑现代文明的所有学科。另外，科学技术的发展对传感器的发展也不断提出新的要求和挑战，大批新型优质传感器不断涌现，要求教学内容能够与时俱进。
2 合理设置教学体系
面对传感器课程综合性强、实践性强、知识更新快的特点[4]，要具体应用某种传感器实现实际的测量，则需综合应用各学科的知识，而知识应用的多元化又使学生很不容易理出头绪，很难找到一条主线。现行的专业设置，人为隔离了学科间的联系，导致学生在知识结构、技能训练和素质培养等方面的片面性，无法提升学生传感器的设计、开发技能。为真正提高学生的综合应用各学科知识的能力，近年来，东北石油大学测控技术与仪器专业在课程体系设置方面进行了调整。开设了“传感器原理与应用”、“数据误差分析”、“单片机原理与应用”、“测控电子线路”等基础课程，注重基础知识的讲解；开设了“模拟电子课程设计”、“传感器课程设计”、“单片机课程设计”等，注重培养学生综合应用的能力。其中“传感器原理与应用”为64学时，其中理论教学56学时，实验8学时，“传感器课程设计”为两周时间。这样，从理论教学、实验教学以及课程设计三个环节完善了课程的设置。
3 优化教学内容，改革教学方法
3.1 提纲挈领，启发式教学 为了便于学生学习理论知识，我们对讲课的内容作了以下处理：把种类繁多的传感器按原理进行分类，如电阻式、电容式、电感式、光电式、压电式、磁电式等；在讲解每一类传感器的原理部分，先引入现实生活中常见的某个应用，调动学生学习的兴趣，之后分析工作原理，并辅以动画演示，增加学习的生动性，进一步分析测量电路及误差影响因素，最后结合实际总结该传感器的应用领域、应用范围等。利用这条主线来学习，大大减少了学生的负担。
3.2 创设问题情境，讨论式教学 由教师通过讲解、板书以及教学多媒体的辅助，把教学内容传递或者灌输给学生的“以教师为中心”的教学方法下，学生逐渐养成了不爱问、不想问“为什么”，甚至是不知道问“为什么”的麻木的学习习惯，形成过度依赖、拒绝思考的现状。针对这一问题，在讲解传感器工作原理、测量电路等理论知识时，采用边推导边设问的方式与给出结论由学生推导分析过程、教师补充不足相结合，增加学生讨论互动环节，使学生不再是被动的接受者，把教学内容转化为个体的学习任务，给学生自我思考时间，并进行实践探索，从而发现问题（使用哪种类型的传感器）、分析问题（传感器的性能、原理）、解决问题（传感器的应用），提高学生思维能力，在设疑解惑中获得传感器知识，构建以提出问题、分析问题、解决问题为主线的能力培养体系，调动学生学习的主动性。
3.3 承上启下，建立各章节间联系 传感器课程知识零碎，内容较多且分散，各章之间缺乏系统性和连续性[5]。针对各章节内容较分散的问题，在讲解某个传感器原理及测量电路时以提问的方式复习前几种传感器原理及测量电路类型，讲解应用时提问是否有用已经讲述过的传感器来替代现有传感器的可能，同时要对这几种传感器的应用优劣性做出对比。例如在讲解电感式传感器原理时通过推导给出电感传感器计算基本公式，此时复习电阻式及电容式的基本计算公式及其推导过程；讲解电感式测量电路时以提问的方式复习电阻式及电容式测量电路形式、特点、注意事项等；讲解应用时以加速度测量为例，可由学生讨论用电阻式及电容式传感器实现测量的原理并分析数学模型，并且要对利用这三种传感器实现加速度检测功能的材料成本、传感器性能、产品制造工艺和检测方法等做出对比。通过这种教学模式，将各章之间建立紧密的联系，这样可以拓宽学生的视野，增进学生对不同传感器之间联系的进一步理解。
3.4 重视实践环节，培养学生科学探究能力 在实验教学中，根据客观条件适当减少验证性实验，增加综合性设计性实验。对于验证性实验，教师利用多媒体技术讲授实验原理，使学生对所做实验有一个理性的认识；学生根据指导书内容独立完成实验。对于综合性设计性实验，每次实验内容在实验指导书中仅提出本次实验的目的、测量目标、测试具体要求、需要掌握的内容等，不限制方法和思路。让学生独立设计实验，并在安全范围内大胆让学生自我设计并进行实验，自行探索，学生成为独立完成实验设计和实验过程的主体，实验教师在必要时给予提示帮助。例如，在转速测量的实验中，教师不用规定学生具体使用哪一种传感器，学生可以自主独立选择传感器。电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器、光电式传感器等均可以实现转速的测量，学生可以选择其中一种甚至几种来实现测量，然后对测量结果进行比较分析，可以得出在各种情况下哪一种传感器的测量可靠性、精度更高。这样可以充分调动起学生学习的积极性，不但可以提高学生的思维空间，同时还会让学生有惊奇的发现，大大提高了教学效果。通过对这些情况的处理，可以培养学生解决问题的能力和创新思维的能力，在探讨解决较复杂问题的过程中，还可以培养学生的团结协作精神。
课程设计过程通过以下几个步骤完成：选择题目、收集资料、问题总结、答疑解惑、确定方案、具体设计、检查调试、成绩评定。课程设计既要体现个体的综合应用能力，又要体现团体的合作，所以在设置过程中，要求每人一个题目，每五个人一组，在完成自己题目设计的同时又要了解同组同学的设计思路、方法。在课程设计成绩评定中，采取小组答辩的形式进行，让学生对自己的设计思路、设计中遇到的问题、解决问题的方法、结果进行演讲式答辩，教师和其他学生可以提出相关问题（要求同组同学要对本组设计的提问进行补充，视各组团体成绩给最终成绩）。这样既锻炼了学生的表达能力，也有助于学生之间的团结互助，对不同课题组的同学之间的相互学习也起到了一定的促进作用。对于设计思路和效果比较好的小组，可以进一步深化设计体系，进而参加各级别的创新大赛。
4 结束语
在近几年的课程教学中，按人才培养的需求，对课程的理论与实践教学进行了改革与尝试，将知识传授、实践能力培养、综合素质教育融为一体，及时更新、补充教学内容并反映新的传感技术；改革教学手段，增强学生学习的主动性和能动性。学生对于“传感器原理及应用”这门课程的学习兴趣有了显著的提高，教学成果明显。课堂学习气氛较浓，考试成绩也较以往有显著提高，学生在对老师的评教中也给予了很好的肯定；学生创新意识、创新能力在不断提高。
参考文献：
[1]陈淑静，马天才.“传感器原理及应用”课程教学改革探讨[J].天中学刊，2011，26(5)：86-88.
[2]应蓓华，李林功，钟伟红.“传感器技术及应用”课程实践教学改革探讨[J].安徽电子信息职业技术学院学报，2011，4：64-66.
[3]张向文．《传感器原理及应用》课程教学改革的探讨[J].科教资讯，2007，3(27)：150-151.
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】AGV 磁引导 PWM调速 8052单片机
随着现代科学技术的高速发展，自动导引小车（Automatic Guided Vehicle AGV）得到了广泛的应用。AGV以电池为动力，并装有非接触导航（导引）装置，以电磁引导、激光引导、惯性引导及GPS引导等方式。可实现无人驾驶的运输作业。它能在计算机监控下，按路径规划和作业要求，精确地行走并停靠到指定地点，完成一系列作业。
AGV以轮式移动为特征，较之步行、爬行或其它非轮式的移动机器人具有行动快捷、工作效率高、结构简单、可控性强、安全性好等优势。AGV的活动区域无需铺设轨道、支座架等固定装置，不受场地、道路和空间的限制。在自动化物流系统中，最能充分地体现其自动性和柔性，实现高效、经济、灵活的无人化生产。
一、AGV导航系统的系统总体设计
本论文设计了磁带引导AGV，完成寻迹、蔽障、PWM调速、人工控制等功能，为大量生产工业型AGV提供较好的研究基础。系统模块设计如图1所示：
图1
本论文主要对AGV的硬件系统进行设计，重点研究磁引导AGV的磁寻迹感器模块软硬件模块、速度反馈模块的设计。
二、磁寻迹传感模块设计
磁寻迹传感器是AGV能否完成磁带寻迹功能的关键，为了检测到弱磁磁场的存在，要选用灵敏度更高的传感器。本设计采用磁阻传感器，可以测量到弱磁磁场的存在。由于磁阻传感器输出为模拟量输出，需要通过响应的A/D转换电路将信号输入单片机。模块设计如图2所示。
图2 磁寻迹传感器硬件实现电路
三、速度反馈模块设计
本论文AGV采用双轮差速驱动方式，当电机负载增加时，电机的运行速度下降，一般额定转速降落达3%～10%，为了使两电机同速，必须要有反馈换环节对电机的速度进行反馈。只有组成了闭环系统，AGV的运动与速度才可控。码盘接口硬件电路如图3所示。两编码器的A和B两相信号经过74LS14施密特整形，分别接到单片机的P2.3和P2.2 以及INT0和INT1上。单片机对INT1和INT0的中断次数计数来测量通道B的脉冲数，读取P1.2的电平状态来判断电机的转动方向。以上升沿触发为例，当B路信号的上升沿引起中断时，单片机判断P2.2或P2.3信号的电平高低。若其为低，则电机正传；为高，则电机反转。电机的速度即为一个采样周期中N值的变化量。电机的转速为，式中，C为标度变化系数，可根据转速的量纲来选择，N为一个采样周期中的计数值，它的符号反应电机的转动方向。硬件实现电路如图3所示。
图3 光电编码器实现电路图
四、总结
本系统采用PWM调速及双轮差速控制，使车辆依照车载传感器确定的位置信息，沿着规定的行驶路线和停靠位置，自动行驶，完成规定的操作。论文对关键模块的设计进行了详细设计，经验证该系统设计可靠合理，能实现系统设计的基本功能。
参考文献：
[1] 温钢云，黄道平. 计算机控制技术[M]. 华南理工大学出版社，2002.
[2] hard C.Dorf Robert H.Bishop. 现代控制系统[M].高等教育出版社，2006.
无线传感器网络作为收集环境信息的一个重要组成部分现在已经被广泛应用于主流的计算环境。为了延长无线传感网的寿命，能量的限制对传感器内耗的有效管理提出了更高要求。本文中，我们为无线传感器网络的能量保护提出了一种情境感知自适应方法，即用高效的方法动态控制传感器的工作周期来收集网络中的数据。这种方法可以使传感器根据环境变化智能的进行自适应。我们提出的方法还能在传感器环境下检测极小的变化并且根据不断变化的环境调整传感器的运作。我们已经在Sun SPOT传感器上实现了情境感知自适应方法并在真实场景中评估了该系统。实验结果证实了本文的结论，即我们提出的情境感知自适应方法是高效节能的。
【关键词】无线传感器网络 Sun SPOT 传感器 自适应节能
1 引言
Sun SPOT传感器体积微小，因此在部署传感器去检测物理环境时会受到计算设备的限制。一个无线传感器网络包含许多分散的、协作的SPOT传感器节点，这些节点能够感知并传播部署环境中的数据，如光强，温度等。最近，无线传感器网络作为一项非常强大的技术在各个应用领域频频出现，例如生态环境监测、水下环境监测，火灾监控等等。传感器节点是无线传感器网络中一个关键组成部分工作在有限的资源，即电池供电来源。感知和数据传播的连续操作对电池消耗有相应的影响。由于频繁更换电池是一项艰巨的任务，无线传感器网络的节能成为一个关键的研究领域。
本文中，我们提出的情境感知自适应方法能够通过利用传感器网络中感知到的数据根据不断发生的情况随时调整传感器的操作。所谓不断发生的情况，是现实生活中的情况，例如在多雨的，潮湿的和炎热的部署环境中发生的情况。把情境感知应用于无线传感网中使得传感器能够以一个智能的，灵敏的，高效的方式调整自己的操作来适应当前状态下的任何微小变化。
情境感知自适应方法旨在延长传感器的生命周期，将感知的准确性维持在一个可以接受的水平上取决于应用需求。例如，在危险的环境下（火灾），应用需要更高的检测频率，在一般情况下，为了有效运转应用需要较低的检测频率。本文的主要工作：
（1）为Sun SPOT传感器网络提出一个高效的情境感知自适应节能方法，能够利用采集数据动态调整传感器的操作。
（2）在现实生活中真实的Sun SPOT传感器上实现了情境感知自适应方法。
（3）为验证节能效率的要求进行了仿真实验。
回顾文献可以知道，无线传感网中的情境感知方法主要是应用于特定场景中的，它们主要集中在个别的环境参数上，不需要部署推理技术或者模块。我们提出的情境感知自适应方法将一个模糊的推理模式（FSI）和推理场景融合在一起，并用灵敏平滑的方法实行调整。
2 情境感知自适应方法
2.1 综述
图1展示了情境感知自适应方法的概况。该方法运行在sink节点上（与电脑连接的基站）。Sink节点部署了融合后的FSI，能够根据采集数据推断情境。传感器的工作周期随着推断的场景被相应的控制，随后传感器工作周期的计算结果被回传到网络中。图1最突出的部分描述了该系统对于不同领域传感器工作周期采用不同的计算方法，使得传感器能够根据周围环境随时调整自己。
2.2 系统架构
图2描述了情境感知自适应方法的系统架构。该架构包含两个主要组成部分：运行在传感器节点上的SPOT-SAA和运行在电脑上的SINK-SAA。
SPOT-SAA包含以下模块：
（1）传感模块：传感模块负责与物理传感器硬件的连接。
（2）无线电模块：无线电模块负责与安装在传感器节点上的无线电硬件部件的连接。
（3）SPOT调度程序：SPOT调度程序负责根据从SPOT控制器接受到的工作周期计划来控制传感模块和无线电模块。
（4）SPOT变化检测：变化检测是SPOT-SAA的一个组成部分。它的功能类似一个中断，即检测被监视环境中的任何变化（例如，检测连续睡眠间隔中的温度变化）。变化检测阈值是SINK-SAA模块根据随时发生的情况计算得出的。例如，在比较危险的情况下，阈值就设定的比较活跃，也就是说被监测现象下的重大变化的容忍度比较低。当检测到环境中有变化时，数据就通过传感器发送给sink节点。Sink节点上的SPOT-SAA利用这些更新的信息计算出一个新的睡眠间隔。
（5）SPOT控制器：控制器是SPOT-SAA架构中其他模块交互和控制的核心模块。除了变化检测和传感模块，其他模块之间的交流都是通过SPOT控制器。这种耦合使得变化检测模块能够独立运行。
SINK-SAA包含以下模块：
（1）SPOT传播者：该模块是传感器和sink节点的接口。这是传感器网络中的一个特殊模块，也就是说它依赖于部署了传感器的网络。这个模块负责在传感器和运行着SINK-SAA软件的基站之间处理数据交换。
（2）上下文收集器：上下文收集器模块负责根据传感器收集的数据计算环境信息。这个信息随后发送给情境推理引擎来论证时刻变化着的情境。在将数据发送给情境推理引擎之前，上下文收集器执行所有的预处理，也就是说从一个特殊领域的许多传感器资源中收集数据。我们假设一种典型的传感器网络部署，由上下文收集器汇聚所有网内数据。进一步讲，为了计算上下文信息，上下文收集模块有能力包含并吸收外来数据，例如来自气象站的数据等等。
（3）控制器：控制器负责协调各种接头组件的活动。控制器请求SPOT传播者从传感器网络中发送/接收数据。它利用上下文收集器计算采集到的传感器数据的上下文信息，该信息随后被发送到情境推理引擎和调整引擎来决定传感器的调整工作周期。
（4）情境规则：在FSI方法中，感兴趣的情境定义使用模糊规则。每个情境规则包含两个或更多的条件。这些条件之间用AND操作。以下是FSI规则的一个例子：
如果温度是“非常高”AND湿度是“非常低”AND风速是“高”，那么情境是“火灾高发威胁”。
这些情境（模糊规则）是由系统设计者或领域专家定义的，并优先存储在运行着的应用中。它们在情境推理过程中供情境推理引擎使用。情境的定义可以根据应用需求做修改。通过使用FSI，我们能够将这个能力应用在模型情境下，而不依赖于应用。
（5）情境推理引擎：为了论证一个情境，模糊规则要通过计算一个单路输出进行评估，这就决定了这个规则结果的隶属度。正如我们在第三部分讨论的，FSI将模糊理论整合到Context Spaces方法的推理启发。我们所提出的架构中用到的情境推理技术包含五个观念。这些观念包括语言变量，重量，变量的隶属度，贡献和确定性。语言变量描述了用于情境推理的环境参数（遥感温度）。重量采用0到1之间的值，根据语言变量在情境中呈现的相对重要性为它们分配重量值。变量的隶属度显示了变量对已发生情境的贡献水平。确定性展示出在一个给定确定性下发生的情境（该值在0和1之间，0代表未发生，1代表确定发生）。
（6）调整引擎：就像FSI中提到的，情境感知自适应随着环境变化而时刻改变。推论结果是很有价值的，能够展示出每个情境的确定性标准。在调整之前，每个情境的工作周期参数都需要初始化成一个固定值。它们是由情境的重要性，危险程度以及感知准确性所需要的标准决定的。例如，在“无火灾威胁”的情境中，睡眠时间参数值可以分配120秒，而“火灾”情境中该值应设定成10秒。
为了提供一个灵敏的调整并反映出适应阶段中每个情境的确定性水平，需要计算出调整阶段参数值的加权平均。以FSI为基础的情境感知自适应能够在参数值的调整过程中反映情境推论的所有结果，如下所示：
=（）（/ （）
其中代表一个情境中工作周期间隔参数的初始值，确定度（）表示当1≤i≤n时情境发生的确定性，n代表情境的个数，代表根据推理情境进行自适应的工作周期值。
3 实验评估
为了验证我们提出的方法，我们比较了情境感知自适应方法和不含调整功能的传统方法的结果。这些传感器节点配置有一个预先设置好的睡眠和数据传输时间间隔。在情境感知自适应框架下，正如FSI中提到的，这些间隔能够随着当前情境的变化做出动态调整。
3.1 无线传感网中情境感知自适应方法的能量效率
在这些实验中我们验证了所提出方法的节能效果。之前提到的，我们比较了情境感知自适应方法和不含调整功能的传统方法的结果。这些实验是在室外测试环境进行的，测试环境没有任何人为控制。该实验包含两个Sun SPOT传感器，用来与中央sink（台式机）进行通信，该通信是由基站和sink的连接实现的。在这些实验中，我们想要比较情境感知自适应方法启用和禁用两种状态下传感器电量的使用情况。表1显示了两种状态下我们使用的实验参数。
以上两种实验状态需要执行几天，直到电量完全耗尽。传感器在实验开始之前是要完全充满电的。图3展示了我们实验结果，结果值是运行三次实验结果的平均值。
从图3的结果可以看出，使用了情境感知自适应方法的传感器节点的寿命大约是其余方法的3倍。这些节点能够持续工作8天，而其他节点只能维持两天半。这是一个显著的节能效果。我们第一次的实验结果就显著地证实了情境感知自适应方法节约能源和延长传感器网络生命周期的能力。
3.2 带有变化检测的情境感知自适应算法的能量效率
在这个实验中我们验证了第四部分提到的变化检测算法应用于情境感知自适应的无线传感网的能量效率。正如我们之前验证的，特别是当传感器节点在深度睡眠模式下，将数据的准确性维持在一个合理的水平是至关重要的。在我们的变化检测算法中就实现了这个要求。
为了论证变化检测算法，我们用了很多天做实验，就是为了计算传感器节点的能量极限。实验中，只能计算出发送间隔，并根据推断的情境通过自适应方法做出调整。图4显示了我们的实验结果。我们还从实验1中提取了不含变化检测算法的情境感知自适应的结果，是为了做一个比较论证。从图4中我们可以看到，包含变化检测的实验能够维持4天，而传统方法只能维持2.5天。进一步讲，这个实验在节能的同时还无须损失数据的准确度。传统方法将睡眠时间和发送时间预配置为20秒。在我们的实验中，也将发送频率设定为20秒。值得一提的是，随着不断变化的情境为了进一步介绍一个自适应感知区间，可以看我们的能源节约，也就是不含变化检测的情境感知自适应架构实现的节能。
4 结论
本文提出的无线传感网情境感知自适应方法是一个基于情境感知的节能方法。该方法实现了通过随着环境变化智能调整传感器节点的工作周期，从而达到节能的目的。我们用无线传感网自身感知到的数据推断当前环境状态。情境感知自适应方法以情境推理引擎为基础整合出一个模糊理论，该理论能够检测情境中的细微变化，支持传感器在活跃状态和非活跃状态间的平稳转换。进一步讲，情境感知自适应方法整合了一个变化检测算法来智能监测适中的和非紧急情境下环境的任何变化。我们的实验在模拟环境和真实环境中都证实了所提出的情境感知自适应方法的显著节能效果。特别地，评估结果显示该方法的能源效率是非自适应方法的2.5到3倍。
关键词：“建模式”教学；温故知新；热电式传感器
作者简介：卢森幸（1977-），男，壮族，广西宜州人，河池学院物理与机电工程学院，讲师，桂林电子科技大学电子工程与自动化学院硕士研究生。（广西 宜州 546300）
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）14-0136-02
21世纪是信息化时代，传感器是信息采集系统的首要部件，它既是现代信息技术系统的“感官”，又是信息社会赖以存在和发展的物质与技术基础。[1]因此，培养具有传感器技术的学生将会是培养应用型人才的有效途径。
一、“传感器与检测技术”教学现状
1.学科知识多元化，学生方向难定
“传感器与检测技术”是一门交叉学科，知识多元化，并且实践性强，相关知识更新快。多元化使得学生摸不到头绪，不知道从何下手；由于时间、实践设备、精力等因素限制，实践无法做到面面兼顾；面对学科知识更新无法迎头赶上。这样，学生往往“在努力中失败”，学习倍感压抑，学习兴趣自然会逐渐被磨灭。
2.教材编写知识点分立化，关联性差
在教材编写上，为了能够明确阐析，节省版面，教材编写一般分为传感器原理、结构、性能（参数）、测量电路、补偿电路和应用模块，但分模块单独列举和说明，它们的关联性没有很好地得到针对性说明。学生在学习过程中，由于知识面不够，大局观受到限制，自然把这些知识都分立开来，导致感觉所学的知识杂，难以掌握。
3.传统教学模式缺乏综合性和和实践性
在传统的教学模式中，教师往往依照教材内容、应用教材课件完成教授任务，享受教材知识分立说明便捷，忽略教材知识模块之间的关联性的重组。同时，教师过于注重独立知识点的解释、公式的推导、原理的分析等内容，缺乏对传感器技术的分析和应用具体问题的教授，无法很好涉及综合应用，更多采用口号式说明“综合性和实践性强”。
二、以应用为导向开展“建模式“教学模式
“建模式”教学模式以应用为导向，把各个知识点关联；以培养工程师高度出发，给学生贯彻研发设计理念；以系统研发设计为目标，注重培养学生模块到系统思维。
1.“建模式”是“温故知新”学习模式
“传感器与检测技术”几乎涉及现代文明的所有学科，并且传感器又有自己的工作原理和性能特性。学生如果什么都当成新知识，那么脑子的“内存空间”就会不够用了，学习就会走上迷途，当然难以产生学习兴趣。“建模式”是“温故知新”教学模式，教学过程中要鼓励学生自信已学知识够用，树立学习信心。具体做法是：在教学过程中，给学生灌输“吃老本”的思想，即应用已学的知识、技能去“感知”待测量的学习过程。其实，所涉及的学科学生大部分已经学习，但学生迷茫的是：不懂得如何去应用，特别是综合应用。在教学过程中，教师实施“建模式”教学，帮助学生弄清楚学习方法、线索，引导学生进行检测系统“入门学习”，指导学生应用已学知识去解析新知识，找到各个知识点之间联系；以应用为导向和开发思维式进行教学。这样，学生综合能力、实践能力自然得到提高，学习兴趣当然浓厚。
2.“建模式”教学模式的建立与实施方法
“建模式”模型建立过程有4个步骤，即原始模型（建立）、模型分析、模型假设和模型应用，如图1所示。该教学模式把学科内容中传感器原理、结构、性能（参数）、测量电路、补偿电路和应用有机结合起来。
“建模式”模型各个步骤的具体内容如表1所示，在实施过程中，按照各个步骤内容进行，注意各个步骤具有独立性，同时，注重关联性引导教学。
表1 “建模式”模型各个步骤的具体内容[2]
步骤 具体内容
原始建模 系统设计需要有核心理论来支撑的。传感器检测系统是物理、化学、生物效应的应用，这些就是检测系统的支撑理论。根据待测量特点、系统结构和性能要求、系统设计目标进行某个效应、公式或理论选用过程，也就是原始模型建立过程
模型分析 根据待测量特点、系统结构和性能要求、设计目标进行模型分析。本科阶段，传感器检测系统一般为线性系统，以应用为导向进行分析，创建线性传感器检测系统；建立过程中得出传感器检测系统的结构
模型假设 为了达到待测量特点，结合系统结构、系统性能要求和系统设计目标而构建的线性传感器检测系统必须做出诸多假设，从中将引出传感器检测系统的性能参数。同时，检测系统产生诸多误差，因此，在进行检测系统分析、设计的时候，需要构建相应的补偿电路
模型应用 传感器检测系统将待测量转化为已知量输出，构建相应的测量电路，应用电路，形成待测量检测系统
在“建模式”教学的过程中，课堂课后都注重发挥学生的主导作用。具体操作方式是：利用课堂教学平台、网络教学平台、第二课堂平台，对学生进行分组，并分配任务：收集补偿电路、设计补偿电路；收集并讲解经典电路、设计功能电路；收集并讲解检测系统电路、设计检测系统。
整个施行过程，以小组为单位，针对“建模式”教学模型各个模块开展教学：学习他人设计模仿他人设计自行设计；最小模块设计模块关联设计检测系统设计。
这些教学最大的特点是，由于网络和第二课堂平台应用，使得这些教学不用拘泥传统教学中的时间、空间、人等因素。
3.“建模式”教学模式实施实例
现以热电式传感器为例简单讲解“建模式”的教学模式实施。篇章限制，授课内容点到为止，重点讲解课程知识点的引导、授课方式/手段和相关学科知识在授课过程中的引入、关联、应用。
（1）原始模型。热电式传感器终极设计目标是制成热电式传感器检测系统，用来检测测量量是温度。它支撑理论是热电效应，这是物理学知识应用。教学时，用动画、实验演示热电效应。在进行操作的时候，强调两电极材料不同，两接触点温度不同；应用高等数学知识解析理论中的接触电势和温差电势。其中的具体内容就是热电式传感器工作原理，即原始模型。通过直观操作可以加深学生对原理理论理解，让学生相信实践可行性。学生能够应用所学物理知识去完成温度测量，这是一个巨大的成就感，学习兴趣自然浓厚。
（2）模型分析。线性系统要求：被测量温度变化转化为电动势变化。而热电动势公式参量中，有玻尔兹曼常数、电子电荷量、材料自由电子密度、汤姆逊系数、两触点温度。这就涉及两个问题：一是在构建线性系统时，如何弱化无关参量从而实现系统线性化。二是如何进行系统结构设计？针对问题，应用高等数学理论进行分析，引出温度检测系统结构并建构。在建立结构的过程中，选取材料要注重几何形状、工艺、环境因素等影响。同时，材料涉及很多参数，其实是材料物性、电气特性应用，引导学生具体应用，使学生懂得材料选择相关因素，从而更为直观理解电气知识应用、电气知识与材料乃至系统结构构建的协调关系。这是在一般教学中无法做到的。讲解完该线性化例子后，以组为单位，完成电阻公式的线性化。在学院网络教学平台进行，各组讨论完成。
（3）模型假设。为了做成线性系统、达到温度检测系统设计要求，构建模型的时候，需要做出诸多假设。这样，就会引入一定误差。然而，学生出于多种原因，对于误差补偿存在以下局限性：1）不补偿。设计时找一个电路，调试出结果是运气，调试不出就放弃。2）补偿手段单一。学生见识面少，导致补偿手段单一。3）补偿不周全。学生缺乏大局观，补偿不周全。
要想对构建系统时的假设引起的误差进行补偿，首先，需要从构建结构所用的材料出发。构建结构所用的材料有许多性能参数，参数涉及物理特性、电气特性。授课时点到相关知识点应用，只要知识点联系上，学生自然能够“顿悟”。其次，引导学生从结构设计上进行补偿，如：热传导处理、隔热处理、触点焊接处理。授课过程中重点讲解冷端补偿：延长导线法；0℃恒温法；热电势修正法；温度修正法；冷端温度自动补偿法。其中，延长导线法、0℃恒温法都是结构设计上补偿；操作时，热电偶冷端远离测量场，温差明显；在讲解过程中，强调引入第三方导体及其影响处理，即物理特性――中间导体定律应用，引导学生如何完成理论到结构设计具体实施。热电势修正法、温度修正法从理论公式上的补偿，其实就是电气公式的数学处理，电子技术知识和高等数学应用。冷端温度自动补偿法是电子法，即电子技术知识应用，讲解时，指出中间温度到0度间产生一电动势，这使得输出初始时不为0，而检测系统需要初始输出为0；利用电子法产生一电动势，大小相等，方向相反即可。最后，对输出热电势及其误差分析并补偿：输出热电动势微小，注意负载的影响，这其实是电子技术知识应用；从结构设计、物理特性、电气特性等方面进行分析，即材料学、物理学、电气知识的应用；研究系统的动态响应，做到系统补偿，即自动控制原理知识应用。
为了巩固学习，布置任务：分析某一温度补偿电路图；以组为单位，收集或设计一温度补偿电路。任务在第二课堂或学院网络教学平台上进行且讨论完成，课堂抽查，讲解讨论。
（4）模型应用。讲授经典电路，从温度检测系统组成、构造、调理等方面入手，培养学生系统设计思维。检测系统各组成模块电路――学生大多已经学习、接触、应用。但是，学生少用，综合应用更少，应引导学生收集、理解、应用、设计各个模块电路――即电子技术知识积累、应用。同时，引导学生收集经典电路、构建虚拟检测系统和实物检测系统。教学过程中，课堂引导、利用学院网络平台、第二课堂开展以学生为主的检测系统讨论、设计，培养学生检测系统设计思维，提高学生实践能力。
4.实施“建模式”教学显著效果
在施行以应用为导向“建模式”教学的过程中，课堂、课后都注重发挥学生的主导作用，发挥课堂平台、网络教学平台和第二课堂作用，让学生有时间、有空间、有动力进行学习，具体效果如下：第一，通过多组收集同一功能不同设计电路，这可以成为学生课程设计、毕业设计乃至成为工程师的电路素材。第二，通过多组讲解同一功能不同设计电路，让学生主动理解更多功能电路，电路知识认知、应用得到飞速提高。第三，通过设计功能电路、检测系统，可以提升学生电路、检测系统设计能力。第四，“建模式”教学以应用为导向，把各个知识点关联；以培养工程师高度出发，给学生贯彻研发设计理念；以系统研发设计为目标，培养学生模块到系统思维。
三、结束语
近年来教学实践证实，在“传感器与检测技术”教学过程中，以应用为导向开展“建模式”教学，学生对传感器与检测技术知识能够找到学习规律，并且能够系统掌握相关知识；对传感器检测系统认知、构建、设计都能够比较从容进行；综合能力、系统意识和设计思维得到明显提高。
参考文献：
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