传感器与检测技术创新实训室建设方案
目录
第一章 项目概述
1.1 项目名称
传感器与检测技术创新实训室建设项目
1.2 建设目标
传感器与检测技术创新实训室的建设，以牢牢把握新时代人才培养为目标要求，进一步完善协同育人机制，满足自动化及电子应用技术专业技能人才需求，以企业用人为导向，以岗位技能和综合素质为核心，培养具有良好职业道德和人文素养，掌握智能传感器与检测技术开发应用能力，培养从事智能传感器与检测技术开发的技能人才，同时以课程建设为重点，以综合实训为驱动，调整课程体系和教学内容，尤其关注实践性教学内容的更新与完善，逐步建立起以培养职业能力、职业素养为核心的课程实训体系，不断更新教学方法、手段，推广现代教育技术。
实训室的建设须满足以下基本要求：
（1）能够满足院校信息工程类人才培养规范和教学基本要求；
（2）能够支撑院校自动化、电子信息科学与技术、电气自动化等专业课程教学；
（3）能够支撑院校自动化、电子信息科学与技术、电气自动化等专业教学实训；
1.3 建设内容
图 1.3 1传感器与检测技术创新实训中心平面图
图 1.3 2传感器与检测技术创新实训中心效果图
主要建设内容如下：
1、购置传感器与检测技术实训设备，配套教学资源；
2、建设虚拟仿真教学系统，包括原有开设实验虚拟仿真化及增设实验内容；
3、配套实训室文化建设、线路改造、实训室装潢、实训室桌椅等基础设施建设。
1.4 建设背景
本科学院信息工程系现有4个本科专业：自动化、电子信息科学与技术、电气工程及其自动化，电气工程及其自动化（校企合作），其中自动化专业为市级重点专业。
信息工程系现有专业实验室22个，基础实验室9个，科技创新中心1个，校内实训基地1处，校外实习基地12个。拥有自治区级实验教学示范中心1个，仪器设备齐全，实验教学设备先进，为学生开展创新实践活动提供了充足的条件。
信息工程系以主动适应区域经济建设和社会发展需求为导向，培养应用型、技术技能型人才为人才培养目标，强化学生综合素质教育和实践创新能力培养。信息与通信技术、自动化技术、电气自动化技术是当代发展极为迅速、应用极其广泛的高新技术，具有广阔的发展前景。信息工程系将紧密结合社会需求，进一步加大学生创新能力和实践应用能力的培养，大力加强科学研究与应用技术开发，不断提高为地区经济建设、社会发展服务的能力和水平。
1.5 现状分析
1.5.1 课程和实验现状
智能传感实训中心面向自动化专业、电子信息科学与技术专业、电气自动化专业，以智能传感器学习平台开实验教学活动，目前开设1学分8个实验，学生可在智能传感实训中心完成传感器课程设计。
目前已开设实验：
表 1.4 1已开设实验项目
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实验名称 |
课时 |
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实验一：应变片性能试验 |
4学时，综合，必选 |
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实验二：差动变压器测位移实验 |
4学时，综合，必选 |
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实验三：电容式传感器测位移特性实验 |
4学时，综合，必选 |
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实验四：线性霍尔传感器位移特性实验 |
4学时，综合 |
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实验五：振动测量实验 |
4学时，综合 |
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实验六：传感器测转速实验 |
4学时，综合 |
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实验七：光电传感器控制电机转速实验 |
4学时，综合 |
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实验八：K热电偶测温特性实验 |
4学时，综合，必选 |
1.5.2 基础设施现状
目前信息工程系智能传感实训中心实训设备存在老旧，损坏等问题，无法满足先进化及高质量化教学需求，故通过更新设备建设传感器与检测技术创新实训室，以问题为导向，引入最新实训教学设备、结合信息化应用技术，增强整体教学实力，营造良好的实验环境，为实验教学提供有力保障。
1.6 项目建设必要性
学院信息工程系以主动适应区域经济建设和社会发展需求为导向，培养应用型、技术技能型人才为人才培养目标，强化学生综合素质教育和实践创新能力培养。为了提高整体实训教学能力，通过引进先进教学设备，结合新兴技术，积极探索高效教学应用新途径。
传感器与检测技术创新实训室所带来的的示范意义可由几个方面来体现：
（1）模块化实训设备支撑实训室多功能化
传感器与检测技术创新实训室采用模块化实训设备，实现根据不同专业、不同课程改变实训模块，进行不同实验，为多专业学生实训提供基础支撑条件，从根本上改变传统的实训室功能单一化局面，符合实训室向多功能化发展的需求。
（2）融入仿真技术支撑教学内容多样化
实训室通过引入虚拟仿真教学手段，将枯燥的纸质书籍，应用富媒体手段，生动化的展现重要知识点，同时将实训台虚拟化，学生能够在电脑上完成虚拟实验项目，结合仿真技术，助力教学手段多样化发展。
（3）理实虚一体化教学助力专业学生全向发展
传感器与检测技术创新实训室能够实现从理论教学到虚拟实验再到实训操作的教学流程，实现教学过程任务化、学生学习自主化、评价主体多元化，注重学生动手能力和专业技能的培养，充分调动和激发学生学习兴趣。
本实训室建设项目将紧密结合院方需求，运用模块化实训设备、虚拟仿真技术等先进教学手段，以保证项目技术和效果的持续领先性，国内已有相关厂家具备此类实训室教学案例，完全能够支持该项目落地。
第二章项目需求分析
2.1用户分析
传感器与检测技术实训室作为综合性实训平台，面向用户对象主要包括自动化、电子信息科学与技术、电气自动化等机电类专业学生，涉及专业课程较多，因此在实训教学及实验内容设计方面，需要根据不同专业学生，搭配不同课程实验，满足专业实验教学需求。
2.2目标分析
2.2.1传感器与检测技术实训设备目标分析
信息工程系通过对智慧传感实训中心的改造升级，引入最新教学实训设备及教学技术应用手段，对课程实验内容进行更新换代，进一步加强对大学生创新能力和实践应用能力的培养。
2.2.2PC端虚拟仿真教学软件目标分析
传感器与检测技术创新实训室通过运用虚拟仿真教学手段，改变学生直接上手操作的方式。教师可利用虚拟仿真教学软件进行课程教学，学生在实验前预先在虚拟软件端进行认知及操作练习，增强实验效果，保证实验安全性，提升专业技能。
2.3实训中心功能需求
2.3.1专业课程实验功能
传感器与检测技术创新实训室需要支撑自动化、电子科学与技术及电气自动化专业进行课程设计和实验，针对不同专业课程，提供多种相关实验，例如传感器及检测技术实验、信号调理实验，电气控制实验等，基于目前的开设实验，进行实验项目及内容升级，使课程实验更贴近实际应用案例。
2.3.2专业实训室联动功能
信息工程学院有多个专业实验室，包括SMT实训室，院方可根据自身生产条件，设计并制造传感器模块，应用于传感器与检测技术创新实训室实训套件内容补充，外延实训室实训项目，提高教学自主性，达到“授人以鱼不如授人以渔”的教学目的，同时可进一步提高学生专业应用能力，满足相关技能专业比赛能力培养需求。
2.4配套课程实验需求
信息工程系各专业包含以下核心课程，配套课程实验依院方实际需求而定。
表 2.4 1课程目录
专业名称 专业课程
自动化 自动控制原理
信号与系统
传感器与检测技术
电机与电力拖动
电子信息科学与技术 信号与系统
数字信号处理
通信原理
传感器与检测技术
嵌入式原理及应用
电气工程及其自动化 工程电磁场
电机学
电力电子技术
电力系统及自动化
电力拖动及控制系统
电气测试技术
自动控制原理
2.4.1课程资源
课程资源形式包括：立体教材、实训视频（动画）。院方定制需求。
2.4.2实验案例
提供以下实验项目（部分）供院校进行选择：
表 2.4 2可选项目目录
套件名称 配套实验 面向课程
机电传感器 1、角位移测量实验
2、距离传感器实验
3、温度传感器实验
4、应变计测量实验
5、压力传感器实验
6、电容式触感传感器实验
7、惯性测量实验
…… 传感器与检测技术
模拟电路 1、二极管测量实验
2、二极管在整流器中的应用
3、稳压二极管
4、双结型晶体管
5、晶体管放大器
6、MOSFETS
7、晶闸管
8、…… 模拟电子技术基础
电路分析基础 1、欧姆定律
2、基尔霍夫电压定律
3、基尔霍夫电流定律
4、戴维宁等效电路与诺顿等效电路
5、RC电路
6、RLC电路
…… 电路基础
控制系统设计与分析 1、直流电动机建模
2、直流电动机速度控制
3、直流电机位置控制
4、倒立摆控制
5、稳定性分析
6、数字控制
…… 自动控制原理
电力电子 1、开环直流工作中的线性稳压器
2、开环交流工作中的线性稳压器
3、线性稳压器误差放大器的操作
4、闭环操作中的线性稳压器
…… 电力电子技术
机电系统分析 1、与电机的接口
2、控制操纵器
3、处理图像
4、系统级控制
…… 电机学
机电执行器基础 1、直流电动机
2、功率放大器
3、位置控制执行器
4、执行器控制简介 电机与电力拖动
电机学
2.5实验室硬件配套需求
购置传感器与检测技术实训套件32套，软件工具资源32套，收纳方案1套，扇形桌椅（4工位，配套定制）8套，网络综合布线，强电线路改造，投影仪，多媒体讲台，机柜，无线扩音器，电子白板，工具柜，实训室装潢，实训室文化建设，实训室地板。
第三章总体设计方案
3.1总体框架
本方案以先进性、多功能性、可拓展性为设计理念，与传统教学中的实训室有所区别，传统的实训室都是根据专业本身的特性，结合市场岗位人才需求，配置相应的专业实训室，实训室的功能相对比较局限和单一，院校的管理维护成本也很高。而“传感器与检测创新实训室”所推出的是在院系层面统一建设实训室，同一个实训室，面对不同专业和多个课程，能够开设多个实验教学，满足不同专业人才培养需求。
表 3.1 1系统架构图
该方案通过引入模块化教学设备，配套工具软件及虚拟仿真资源，面向自动化、电子信息科学与技术及电气工程及其自动专业。硬件层面结合了仪器、嵌入式设计和Web连接功能，可用于工程基础和系统设计，面向课程包括：模拟电路、数字电路、机电一体化、电力电子、仪器仪表、数字通信、数字电子、控制原理等，具备很强功能拓展性；软件层面应用图形化编程软件及电路系统仿真软件，同时结合传感器与检测技术虚拟仿真实训系统，保留实训台实训功能，多方位支撑实验教学。
第四章本期项目建设方案
4.1基础课程实验
4.1.1配置综述
基础课程实验配置覆盖自动化、电子信息科学与技术及电气工程及自动化专业，能够满足专业教学实验需求。
表 4.1 1基础课程实验配置
实验类型 应用课程 软件 硬件
基础课程实验 模拟电子技术基础 LabVIEW、Multisim ELVIS III
Quanser套件
数字电子技术基础
数字信号处理
传感器与检测技术
电路分析基础
计算机控制技术
虚拟仪器实验室
4.1.2平台介绍
4.1.2.1软件平台：LabVIEW
一、产品概述
LabVIEW所特有的图形化编程方式可以大大加速工程应用的开发效率。20多年来，全球的工程师和科学家一直依靠LabVIEW满足他们特定的应用需求。由于应用各不相同，LabVIEW图形化开发环境附带不同的可选模块，这让用户能够更轻松地实现专业应用。在实验室建设中，教师既可以利用LabVIEW为学生开发专业的实验程序和界面，学生只需应用这些程序验证实验结果；或者可以让学生基于LabVIEW完成设计型实验（LabVIEW本身就是很多高校工科专业学生学习的重要内容）。使学生进一步加深对专业知识的理解，同时掌握LabVIEW这种在工业界广泛的开发工具软件。
二、产品特点
简单易用的图形化开发环境
与各种硬件紧密集成（无缝支持ELVIS、USRP等硬件的开发）
快速用户界面开发
内置超过1000种信号处理、分析和数学函数
4.1.2.2软件平台：Multisim
一、产品概述
Multisim是收到国内外教师和电子工程师广泛认可、业界一流的SPICE仿真标准环境，广泛用于电工学、模拟电子线路、数字电路、高频电子线路、电力电子等课程的教学，同时也可用于其它课程实验中需要学生自行设计外围电路的场合。Multisim内置了与NI ELVIS硬件连接的功能，可以在仿真阶段调用仿真的ELVIS的一起软面板进行直观的仿真结果分析；同时结合ELVIS硬件，可以根据仿真结果搭建硬件电路，并利用ELVIS自带的硬件一起快速将仿真结果与实际测量结果比对。利用Ultiboard软件可通过Multisim仿真的电路快速布线并汇智PCB Layout，从而为学生电子时间和科技创新活动提供了从原理图到实现的完整工具链。
4.1.2.3硬件平台：ELVIS III
一、产品概述
NI ELVIS是一个基于项目的学习解决方案，结合了仪器，嵌入式设计和Web连接功能，可用于工程基础和系统设计。它提供了一个全面的教学解决方案，以使学生参与动手实验，其中包括模拟电路，机电一体化，电力电子，仪器仪表，数字通信，数字电子，控制等。每个实验室解决方案都包括实验室材料以及由行业和教育专家开发的完整实验，因此学生可以在安全，深入的经验下在物理实验室中探索理论。
NI ELVIS通过实践方法，帮助教育工作者教给学生实用的实验性工程技能。该解决方案基于团队合作的概念，将学生连接到他们的实验上，使他们能够使用相同的技术在全球35,000多家公司中进行协作。它在一个平台上将七台台式仪器的精度和准确性与工业嵌入式控制器的速度和定制化结合在一起。学生可以使用其简单的预制界面进行自定义，使其达到任何其他教育实验室设备所无法提供的水平。
二、硬件组成
ELVIS的主要组件在下图中标记。
三、系统参数
表 4.1 2ELVIS III系统参数
组件名称 技术参数
示波器 4通道，400MS/s，14位
函数发生器 2通道，100MS/s，15MHz，14位
逻辑分析仪/图形产生器 16通道，100MS/s
IV分析仪 ±10V，±30mA，15MHz
数字万用表 四位半
可变电源 ±15V，500mA
FPGA处理器 赛灵思 Zynq-7020
AI/AO 16通道，16位/4通道，16位
DIO 40通道
编程语言 支持LabVIEW，Python，C，Simulink
注1：仅通过重复采样即可在单通道上达到400 MS / s；4通道连续采样率是100 MS / s。
注2：可变电源的额定电源范围为1 V至15 V和-1 V至-15 V
四、产品特点
该软件包括交互式Web和桌面软面板，对Windows和Mac的仪器支持，对LabVIEW和基于文本的语言的API支持，发货示例以及详细的帮助文件。
七个硬件仪器以及包含16个AI，4个AO和40个DIO的控制I / O
4通道，100 MS / s（单通道400 MS / s），50 MHz示波器，14位分辨率
16通道，100 MS / s逻辑分析仪/模式发生器
具有16位分辨率的16通道，1 MS / s模拟输入
40条DIO线可分别编程为输入，输出，PWM或数字协议
4.1.2.4硬件平台：Quanser 套件
可选套件一：机电一体化传感器套件
一、产品概述
图 4.1 1机电一体化传感器板
Quanser机电一体化传感器板，是一个设计用于演示和演示机电一体化应用中常用传感器基础知识的应用板。它为学生提供了动手实践的经验，用于测量，校准和分析以下物理特性/现象：接触，角位移，距离和接近度，压力，应变，温度和惯性测量。该系统可通过运行LabVIEW 2018的PC和NI ELVIS III进行操作。
三、硬件组成
Quanser机电传感器板的主要组件在图4.1-2中标记，并在表4.1-3中列出。
图 4.1 2Quanser机电传感器板组件
表 4.1 3Quanser机电传感器板组件
标号 组件 标号 组件
1 注射器 9 红外传感器
2 压力传感器 10 超声波传感器
3 电位计 11 PCI连接器
4 正交编码器 12 TOF距离传感器
5 电源和状态指示灯 13 电容室触摸传感器
6 带有应变计的悬臂梁 14 9轴IMU传感器
7 热敏电阻 15 传感器特定状态LED
8 快动开关
4.1.3实验项目
以霍尔IC电机转速测量实验为例，对实验内容做简要介绍。
（1）实验一：应变计测量实验
如上图所示，应变计配置在II型四分之一桥惠斯通电桥电路中。如表2所示，应变计的标称电阻为350 ohm，平均应变系数为2，并使用5 V DC电源激励。 量具安装在悬臂梁上。 线性刻度尺印在板上，可用于测量光束尖端的线性位移。
（2）实验二：电容式触摸传感器实验
该应用板集成了具有I2C接口的赛普拉斯CY8CMBR3116-LQXI电容式传感器。 该传感器包括一个圆形触摸板，该触摸板分为10个标记为0到9的扇区，以及两个单独的标记为L和R的按钮。该传感器将电容转换为介于0到255之间的数字计数。输出0表示零。 手指电容，而255的输出表示当手指与触摸板接触时通常感应的最大可测量电容。传感器的灵敏度设置为50个计数/0.1 pF。
（3）实验三：惯性测量实验
该应用板包含一个TDK InvenSense MPU-9250 9轴惯性测量单元（IMU）传感器。 它由一个3轴陀螺仪，一个3轴加速度计和一个3轴磁力计组成。表2概述了传感器的测量范围。 图7说明了加速度计和陀螺仪的灵敏度轴和旋转极性的方向。上图示出了磁力计的灵敏度轴的方向。 这些方向在IMU电路板上进行了丝网印刷，以便在操作过程中方便参考。 传感器使用扁平软电缆连接至应用板。
（4）实验四：红外距离传感器实验
该应用板使用Broadcom APDS-9190数字红外接近传感器。 用户可以设置在每个操作周期内传感器产生的IRED脉冲数（1到255之间）。 每个脉冲的周期为16.3 s。较高数量的脉冲会增加传感器的灵敏度。 传感器输出一个介于0到1023之间的计数值。该值取决于目标的距离，是反射IR光量的度量。 计数值1023表示目标已达到传感器的接近检测阈值。一旦输出达到1023计数饱和，即使目标移近传感器也不会增加。
（5）实验五：热敏温度传感器实验
热敏电阻安装在Quanser机电传感器板的指纹图像中心。查表可知，它在25°C下的电阻为47,000 ohm。 上图所示的电路用于测量传感器的输出，其中RT是热敏电阻的可变电阻。
（6）实验六：超声波距离传感器实验
该应用板使用MaxBotix声纳/超声波距离传感器，其工作测量范围为15.24 cm至645.16cm，分辨率为±2.54cm。 传感器指向上方，以便与飞行时间传感器轻松比较。 它输出与目标距离相关的电压。 加电过程中，如果传感器的检测区域在35.56厘米范围内没有任何物体，则可获得最佳灵敏度。 为了正确操作声纳，必须将应用板放置在距离任何垂直壁1 m的位置。 图6所示的同相放大器电路放大了声纳的输出。 电阻R1 = 10k，R2 = 10k，确定放大器的增益如下：G = 1 + R2 / R1。
（7）实验七：电位计实验
旋转电位器输出随被测角度线性变化的电压。电位器的机械极限为280度。
（8）实验八：编码器实验
编码器以正交模式工作，并输出信号A和B。编码器每转产生24个脉冲。
4.2传感器与检测技术虚拟仿真实验系统
针对原有设备升级改造问题，本方案提供设备虚拟化解决方案。
4.2.1产品概述
传感器与检测技术虚拟仿真实验系统是一款采用虚拟现实技术开发的实用性、可操作性强的实验教学资源库。该资源库选用工业上常用的传感器元件和回路，从结构、原理、场景应用组织实验教学。
图 4.2 1传感器与检测技术虚拟仿真实验系统（参考界面）
本实验平台包含了传感器与检测技术基础知识、传感器元件、传感器与检测技术基础实验、传感器应用场景四个模块。其中传感器与检测技术基础知识集成了传感器与检测技术基本认识、传感器分类和智能传感器设计等基础知识；传感器元件模块包含电位器、电阻应变片、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、超声波传感器、霍尔传感器、温度传感器、气敏传感器、湿度传感器等基础元件；传感器与检测技术基础实验包括应变片性能试验、差动变压器测位移实验、电容式传感器测位移实验、线性霍尔传感器位移特性实验、振动测量实验、光电传感器控制电机转速实验、K热电偶测温特性实验；传感器应用模块对工业常用设备、场景进行介绍。资源库可供高等院校信息工程类专业开设传感器与检测技术的虚拟仿真实验。学生可通过资源库加深学生对传感器元器件和应用的认知，了解其组成结构、工作原理。
4.2.2产品结构
注：参考成熟产品案例
图 4.2 2传感器与检测技术基础知识参考界面
图 4.2 3传感器元件参考界面
表 4.2 1各功能模块
爆炸图 虚拟传感器元件爆炸环境，便于用户观察各零部件的空间位置关系。该模块中用户可对零件进行拾取、显示和隐藏操作。
虚拟拆装 构造虚拟拆装环境，使用户能按照正确的流程逐步的完成拆装过程。
工作原理 传感器元件的工作原理，用户通过多角度观察，了解传感器元件的工作原理。
辅助功能区 为用户提供在虚拟环境中对传感器元件零件进行拾取、隐藏、显示操作。
图 4.2 4传感器与检测技术基础实验参考界面
以传感器与检测技术实训台为原型，根据教学需求进行综合设计：
1)系统内容完整，包括应变片性能试验、差动变压器测位移试验等典型实验；
2)逼真的模拟试验台的实验环境和操作流程；
3)可根据实验原理图从元件库中选择合适元件搭建实验电路；
4)包括完整的实验流程，生动的展示实验目的、实验原理、实验内容，显示和记录实验数据，并自动输出实验报告
5)提供浮动的仪表和数据显示窗口，可方便的观测实验过程中的各种数据变化。
4.2.3教学项目
实现传感器与检测技术基础知识、传感器元件结构及原理、传感器基本原理、传感器场景应用教学。
4.2.4产品应用
传感器与检测技术虚拟仿真实验教学可以作为传感器元件及基础实验认知的实验环境，学生在虚拟环境中完成实验的全部内容。
传感器与检测技术虚拟仿真实验教学资源库可以作为在传感器元件及原理认知实验前的课程预习，学生通过虚拟实验项目预习，提高实验效率。
传感器与检测技术虚拟仿真实验教学资源库可以作为传感器与检测技术课程优秀的辅助资源，课增强课堂的趣味性以及激发学生学习的积极性。
4.3其他配套设备
传感器与检测技术创新实训室建设项目还包括配套实训室文化建设、线路改造、实训室装潢、实训室桌椅等基础设施建设内容，
（一）音响系统
技术参数
1、功放：输入灵敏度≦300mV；
2、频率响应：35HZ_20KHZ；
3、额定功率：120*4W；
4、额定阻抗4Ω—8Ω；
5、信噪比：≧81dB；
6、话筒SH-10；
7、频率范围：740-790MHZ；
8、可调范围：50MHZ；
9、综合失真：<0.5%；
10、音箱(2个)：BX-110：10英寸低音+号角高音。
（二）电子讲台/教师座椅
技术参数
1、尺寸：长宽高（MM），关闭≥1100* 770* 1030；展开≥1600*770*1040；上柜尺寸 ≥1100*770*360;下柜尺寸≥810*670*670
2、采用冷轧钢板（1.0-1.2mm)
3、表面处理：酸洗、磷化、静电喷塑
4、主体采用国标1.2mm冷轧钢板+高档橡木精制而成，内附安全锁；
5、隐藏翻转木板试容纳显示器液晶屏
