基于故障診斷的實訓(xùn)實踐模塊訓(xùn)練

石云波 曹慧亮 唐軍 劉文怡 劉俊

[摘 要]針對目前大學(xué)生動手實踐能力普遍不高的情況，中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院設(shè)計了綜合實訓(xùn)模塊，在實訓(xùn)過程，學(xué)生分組在教師指導(dǎo)下完成有故障點設(shè)置的傳感器信號調(diào)理電路的調(diào)試與傳感器靜動態(tài)性能標定。通過基于故障診斷的模塊實訓(xùn)，學(xué)生普遍認為實踐模塊提供了一個很好的接觸專業(yè)知識的實踐平臺，通過實踐模塊可以學(xué)會解決問題與處理問題的思路方法，還可以把以前所學(xué)的基礎(chǔ)知識、專業(yè)知識進行融會貫通。

[關(guān)鍵詞]實踐教學(xué)；傳感器；電能；教學(xué)改革

[中圖分類號] G64 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）06-0096-03

0、引言

當代大學(xué)生實踐能力的缺失，已經(jīng)是一個不容忽視的問題。新時期高校教育工作存在很多不足。能力是在知識的基礎(chǔ)上形成的，知識是靠教育來掌握的，因此可以說能力的形成需要教育與培養(yǎng)。專業(yè)實踐能力的形成是以一般實踐能力為基礎(chǔ)的，受制于學(xué)校類型和專業(yè)學(xué)科。高等院校是培養(yǎng)未來社會所需人才的基地，其所培養(yǎng)人才是否適應(yīng)社會要求是檢驗高校教育工作好壞的一個標準[1]。

創(chuàng)新已經(jīng)成為高等教育人才培養(yǎng)的主旋律。創(chuàng)新人才培養(yǎng)的途徑是理論與實踐相結(jié)合的教育教學(xué)方式，理論教學(xué)需要學(xué)生通過課堂打下扎實的理論基礎(chǔ)，而創(chuàng)新人才培養(yǎng)的關(guān)鍵在于實踐教學(xué)環(huán)節(jié)[2][3]。目前，大部分地方理工類院校對于創(chuàng)新人才培養(yǎng)的實踐內(nèi)容大多局限于實驗教學(xué)和大學(xué)生科技創(chuàng)新活動這兩大環(huán)節(jié)。但是這種創(chuàng)新實踐教學(xué)培養(yǎng)模式存在一定的缺陷，應(yīng)進一步改革完善，才能更科學(xué)更有效地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識。

實踐課程是當代大學(xué)生不可或缺的學(xué)習(xí)部分，一個全新的、可靠的實踐教學(xué)模塊才是新時代大學(xué)生所需要的。高等學(xué)校實驗室是大學(xué)生培養(yǎng)的重要場所，實踐教學(xué)也是高校教學(xué)體系的重要環(huán)節(jié)，在大學(xué)生創(chuàng)新能力和工程實踐能力培養(yǎng)中發(fā)揮著不可或缺的作用。但是目前原有的實驗教學(xué)體系存在很大的弊端：實驗內(nèi)容陳舊、實驗項目不能很好地培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力、實驗室建設(shè)和管理體制落后、一級實驗室開放程度不夠等。

基于以上大學(xué)生動手實踐能力的缺陷以及現(xiàn)有實驗的弊端，本文闡述了一種通過學(xué)生尋找電路故障點并解決故障的實踐模塊。

一、模塊內(nèi)容介紹

加速度傳感器實踐模塊的目的主要是對加速度傳感器信號的調(diào)試，動態(tài)信號的標定以及數(shù)據(jù)處理。筆者在電路板的制備中特意設(shè)置了故障點，讓學(xué)生在實踐活動中發(fā)現(xiàn)并解決電路中的故障，以此來提高學(xué)生對理論知識的運用能力。學(xué)生的主要工作有分析電路原理、電路的焊接與調(diào)試。電路包含的模塊有三軸加速度傳感器模塊、放大模塊和濾波模塊，具體如圖1所示。

二、障點設(shè)置

顯形故障點：

1.發(fā)光二極管導(dǎo)通電壓故障：如圖2，二極管兩端電壓太大，易造成擊穿。

2.電源故障如圖3所示，原理圖當中電源模塊輸出標識與放大電路的輸入標識不一致，導(dǎo)致它們沒有進行電氣連接。

3.可調(diào)電阻故障，選用的元器件3362的封裝方式如圖4所示，其管腳定義與PCB板不符合，導(dǎo)致可調(diào)電阻失去其調(diào)節(jié)阻值大小的作用。

圖4 電位器3362

三、模塊實踐流程

學(xué)生的實踐主要分為三個部分，第一部分是對傳感器信號的差分放大、濾波進行EDA仿真，其次學(xué)生利用有故障點的電路板進行焊接調(diào)試，最后對傳感器進行靜動態(tài)標定。

（一）原理圖分析，查找故障點并確定解決方案

1.發(fā)光二極管導(dǎo)通電壓故障，由于二極管兩端電壓差值不能穩(wěn)定在其工作電壓內(nèi)，超過其工作電壓將導(dǎo)致二極管擊穿，使整個電路供電出現(xiàn)故障。因此確認的解決方案為：給二極管串聯(lián)上一個分壓的可調(diào)電阻，保證其正常工作，提高電路穩(wěn)定性。

2.電源故障，通過原理圖看出穩(wěn)壓芯片的輸出端與放大電路芯片ad623輸入端標識不一致，會導(dǎo)致在電路板當中它們沒有進行電氣連接。確定的解決方案為在電路板上進行飛線建立連接。

（二）電路分步焊接、故障點查找并確定解決方案

可調(diào)電阻故障，選用的可調(diào)電阻管腳與電路板焊點不匹配，解決方案為對照PCB圖調(diào)整可調(diào)電阻管腳焊接到電路板上。

（三）電路分步調(diào)試，故障點查找并確定解決方案

根據(jù)傳感器輸出特性[UO=kX+12U′]，[U′]=3.3 V，因此在ad623反向輸入端2腳輸入1.65V的電壓值，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻值實現(xiàn)。

由于測量的范圍為-5 g～5 g，但是輸出電壓范圍0～2.5 V，因此要求我們輸出0 g的時候在1.25V 左右，所以ad623芯片5腳的參考電壓調(diào)節(jié)1.25 V；由于max291芯片存在負偏壓，因此調(diào)試時讓ad623的2、3腳接地，調(diào)ad623芯片的5腳參考電壓使max291芯片的輸出為1.25 V。

放大倍數(shù)調(diào)試，ad623的增益G是由于1腳和8腳的阻抗來決定的，阻抗[RG=100 KΩ/（G-1）]，由于三軸放大倍數(shù)存在差異，需分別計算可調(diào)電阻的阻值且進行調(diào)試。

濾波電路截止頻率的調(diào)試，根據(jù)芯片max291的芯片手冊可知時鐘頻率[fosc（KHz）=1053Cosc（PF）]，[f截止=fosc100]，其中[Cosc]為max291的1腳電容。因此根據(jù)上述公式和任務(wù)書要求的帶寬來確定電容值。

（四）傳感器靜動態(tài)標定

通過翻轉(zhuǎn)臺實驗對三軸MEMS加速度計及其測量電路進行靈敏度、零偏、重復(fù)性等靜態(tài)參數(shù)標定和測試；通過振動臺對三軸MEMS加速度計進行帶寬、幅頻特性等動態(tài)參數(shù)測試。

記錄電路標定和測試過程及數(shù)據(jù)，根據(jù)測試數(shù)據(jù)分析電路的各項指標參數(shù)，并與設(shè)計指標要求進行對照，分析測試電路的誤差源、優(yōu)缺點。

四、模塊實踐過程中其他需要注意的問題

1.示波器的使用問題，要將其設(shè)置成直流耦合，為了觀察記錄電路板某些參數(shù)，需要在顯示菜單欄把頻率、幅值、峰峰值、均值等參數(shù)顯示出來。

2.芯片是否正常工作問題，調(diào)試電路板的過程中首先測量電源供電電壓是否正常，正常才可進行下一步調(diào)試，其次測量ad623和max291已知理論電壓值的管腳，進一步確認芯片是否正常。

3.調(diào)節(jié)可調(diào)電阻阻值選取和調(diào)節(jié)問題，此次用到的滑動變阻器外觀上無太大差別，可以通過型號讀取其阻值或?qū)崪y其阻值，而且電路不同位置選用的阻值不盡相同，通過計算選取合適阻值。調(diào)試時其阻值可能被輕微觸碰后就會引起變化，要特別注意。

4.放大倍數(shù)調(diào)節(jié)問題，在接傳感器之前可以使用信號發(fā)生器輸入信號，對電路進行調(diào)試，調(diào)試電路的放大倍數(shù)，觀察濾波前后信號的變化。

5.做動態(tài)標定遇到的問題，在示波器上看到的mean值不是剛開始調(diào)試的零位值1.25 V，分析后發(fā)現(xiàn)此時有一個g值（大于1.25是正1個g，小于1.25是負一個g）的靜態(tài)信號，也就是傳感器板受到了1g重力加速度。此時測試的是振動動態(tài)信號，這時的信號是1個g的基礎(chǔ)上的振動信號，需要記錄其峰峰值；振動情況下可以調(diào)節(jié)示波器的模式為交流模式，直接記錄其峰峰值。

6.傳感器靜動態(tài)標定的靜態(tài)指標問題，通過對靜態(tài)標定數(shù)據(jù)的處理，可以得到傳感器靈敏度、線性度、重復(fù)性、遲滯等靜態(tài)指標，動態(tài)數(shù)據(jù)記錄兩組，一組是AD623直接放大數(shù)據(jù)，用以分析傳感器本身的頻響特性；一組是MAX291濾波后輸出數(shù)據(jù)，用來分析濾波電路的濾波特性。

五、課程的教學(xué)反饋

在模塊實踐課程結(jié)束，編制了教學(xué)反饋表，反饋表中主要裂了9個調(diào)查項目，分為1（非常不滿意）、2、3、4、5（非常滿意）五個檔次，共交回反饋表172份。反饋表從反饋內(nèi)容來看，學(xué)生對這種新穎的實踐教學(xué)模式認可度還是比較高的，同學(xué)們普遍認為實踐模塊提供了一個很好的接觸專業(yè)知識的實踐平臺，通過實踐模塊可以把以前所學(xué)的基礎(chǔ)知識、專業(yè)知識進行融會貫通，但同時從反饋表也可以看出，在對解決復(fù)雜工程問題以及對所學(xué)知識的靈活運用等方面還需進一步加強。

六、結(jié)論

此次加速度傳感器實踐模塊緊密契合學(xué)生的知識框架，但是更加注重考察學(xué)生的動手能力，發(fā)現(xiàn)并解決問題的能力以及對于所學(xué)知識的運用。通過一個完整典型的電子產(chǎn)品設(shè)計流程，不僅僅能夠發(fā)現(xiàn)學(xué)生在知識和操作上的漏洞，更能對現(xiàn)有的教學(xué)實踐改革提出指導(dǎo)性的建議。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 衛(wèi)星. 當代大學(xué)生實踐能力的缺失與培養(yǎng)[J]. 黑龍江高教研究，2005（11）：143-144.

[2] 葉其馨，汪玉梅，林曉冰，等. 論我校本科生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的缺陷及制度化建設(shè)[J]. 中國中醫(yī)藥現(xiàn)代遠程教育，2009（6）：82-83.

[3] 徐朝輝，秦杰，梁義濤. 學(xué)生創(chuàng)新實踐教學(xué)體系改革的思考[J]. 計算機教育，2012（20）：40-43.

[責(zé)任編輯：張 雷]