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机车转速传感器测试系统
【摘 要】 介绍了一种基于PLC自动控制平台，采用示波器等设备对机车转速传感器性能进行测试的方法，并介绍了该系统的基本原理、软硬件设计等内容。使用表明转速传感器测试系统是一款具有高实用性、高可靠性，操作方法简单、精度高、稳定性好等优点的测试设备。
【关键词】 转速传感器测试 自动控制 PLC 伺服电机
1 引言
转速传感器为机车电气控制提供脉冲信号，是机车安全、正常工作的主要参数。机车速度越来越快，速度传感器测试系统必须具备更宽的测速范围和更高的测试精度才能保证转速传感器能够提供准确的速度信号。传统的测试装置存在精度不高和工作效率低等缺点。随着PLC、伺服电机以及智能仪器等设备的广泛应用，高性能实用的传感器测试系统势在必行。
2 传感器简介
2.1 传感器工作原理及结构
TQG15机车光电转速传感器由支承机构、转轴及万向联轴传动机构、光电转换电路系统三部分组成。光电转换电路的核心是码盘和光敏三极管组成的电路，码盘固定在转轴轴伸端部，通过七芯电缆连接电路，七芯电缆分为A、B两组，每组三根引线，其中两根引线是15V直流电源;另一根是输出脉冲信号。传感器上电后，利用发光二极管作为光源，码盘在车轮转轴的带动下而旋转，由于码盘的遮挡作用，致使光断续器巾的光敏三极管通、断交替切换而产生脉冲信号，经过电路的放大整形后，输出与转速成比例的方波脉冲列。
2.2 转速传感器的主要性能参数
(1)电源电压(VDC)(V)12～30。(2)输出脉冲幅值(VDC)(V)高电平≥9(负载电阻3KΩ)低电平≤2。(3)相位差：1-2-3-4-5-6通道相位差为90��15%。(4)转速测量范围(r/min)0～2000。(5)每转脉冲数36，200。(6)输出方波波形占空比(%)50�20。
3 硬件设计
转速传感器测试系统硬件主要包括PC机、PLC、程控电源、示波器、伺服电机、步进电机、码盘等设备。其功能是根据上位机指令调整程控电源为传感器提供电源，调整传感器与码盘之间的工作间隙。根据指令任意速度旋转码盘模拟车轮转动从而产生信号用于测试。
PLC即可编程控制器主要功能：逻辑控制、定时控制、计数控制、步进(顺序)控制、PID控制等。该测试系统选用的是具有双路高速计数器输出的32点继电器型PLC。
由于被测传感器与码盘间的工作间隙调要求精度高。所以采用伺服电机拖动被测转感器移动。伺服靠脉冲实现精确的定位，可以达到0.001mm。
测试速度范围非常广，所以低速和高速分别使用不同电机。低速转动时系统驱动步进电机转动通过减速机降低到指定的转速为传感器提供低频信号。步进电机配减速机最低可以达到0.01转/分，保证在极低转速时提供稳定信号。高速转动时系统将驱动高速伺服转动，高速伺服电机最高转速可到达4000转。伺服电机有良好的速度控制特性，在整个速度区内可实现平滑控制，高效率，不易发热。
为保证测试台工作的安全可靠，测试台有冗余设计。在操作台上装有前限位器和后限位器，防止传感器因误动作而被撞坏。
测试系统的主要技术参数：(1)输出工作电压：10V--30V连续可调;(2)电机转速成范围：0.9r/min-3500r/min，低速时精度�0.5%，高速时精度�1%;(3)测试精度：电压幅值：�0.01V，方波占空比：�1%，通道相位差：�0.1�;(4)示波器带宽100MHz，2 GSa/s实时采样率及50GSa/s等效采样率 时基范围2ns/div-50s/div边沿、脉宽、视频、码型、交替触发功能物理通道 4通道(各通道完全独立同步采集) (5)间隙调节范围及精度：0-5mm，�0.02mm
4 软件设计
软件设计立足于系统功能、性能和用户的要求，采用模块化结构进行设计工作。为提高工作效率，运行时尽量减少人工干预和操作，同时，系统初始化在线可调、工作状态直观显示。软件设计内容主要包括PLC程序设计和上位机程序设计两个基本模块。
4.1 PLC程序设计
PLC主要工作流程：PLC根据指令要求发脉冲信号驱动伺服电机转动从而拖动被测传感器移动，调整被测传感器与码盘间的工作间隙。上位机实时读取光栅尺数据当达到工作间隙时，PLC停止调整间隙。当收到上位机旋转码盘指令及相关参数时PLC将会根据不同速度要求驱动不同电机旋转(高速时驱动伺服电机，低速时驱动步进电机)，在加速过程中PLC控制相应的指示灯闪烁，当达到要求PLC输入信号提示上位机转速已达到标准并使相应的指示灯常亮。收到停止测试指令时PLC停止输入脉冲输出，当电机0速时(即码盘停止转动)PLC驱动间隙调整电机向后退，当退到后限位时停止。
4.2 上位机程序设计
上位机程序是利用C#语言编写的应用程序。C#语言既具有高级语言的特点，又具有汇编语言的特点，它可对位、字节和地址进行操作而且结构化方式可使程序层次清晰，便于使用、维护以及调试。C#引入了指针概念，可使程序效率更高。另外它还具有强大的图形功能。
上位机程序主要功能是：测试试验、查询记录、系统维护。
测试试验：根据工艺要求发送命令，实时读取示波器数据并保存，同时绘出曲线并做相关参数计算。在测试过程中需要同时处理多项任务，故采用多线程方式。本程序共使用了3个线程，一是读取数据，二是保存数据(由于数据量大，要求存储速度快，故采用记录文件形式保存数据)三是绘图并计算相关参数。
查询记录：试验的所有数据均保存在存储器中，可随时调出查询。用户可看到整个试验的相关数据，并可回放实时曲线并打印相关数据。
系统维护：包括参数设置、工艺设置、记录数据整理等。
5 结语
本系统的设计，以PLC、伺服、示波器等设备为硬件设备为基础，充分利用自动化控制技术，完成了对机车转速传感器性能的测试，克服人工测试不准确等弊端，并降低了劳动强度的，提高了测试的准确性和可靠性，增强了测试的可操作性，和安全性。
参考文献：
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基于建构主义学习理论的传感器与测试技术课程研究型教学实践
摘要：建构主义学习理论强调学习是主动的知识建构过程。结合传感器与测试技术课程特点，从设计教学流程、规范教学六大要素、构建“点、线、面”相结合的教学模式、实施多种教学方法和手段以及多元化、全过程的综合评价体系等方面，详细介绍了用建构主义学习理论指导课程研究型教学的实践活动。
关键词：建构主义学习理论 研究型教学 教学模式 评价体系
研究型教学是与创新性教育相适应、以“学生为中心”的教学模式，是教师以课程内容和学生的学识积累为基础，引导学生创造性地运用知识和能力，自主发现问题、研究问题和解决问题，在研讨中积累知识、培养能力和锻炼思维的新型教学模式[1]。而建构主义学习理论提出学习是一个积极主动的建构过程，强调学生对知识的主动探求、主动发现和对所学知识的主动建构[2]。教学过程则是充分利用情境、协作、交流会话等环境要素，调动学生的主动性、积极性和创新精神，提高教学质量和效率。可见将建构主义学习理论运用到研究型教学实践中，会起到事半功倍的效果。传感器与测试技术课程具有以下的特点：工程实践性强;涉及的专业知识面广、知识点多、综合性强;传感器和测试技术本身发展迅速。结合课程特点，深入阐述建构主义学习理论指导下的传感器与测试技术课程的研究型教学实践。
1 建构主义学习理论的知识观和学习观
建构主义学习理论最早是由认知发展领域最有影响力的瑞士著名心理学家皮亚杰在20世纪60年代提出的，他认为儿童是在与周围环境相互作用的过程中，逐步建构起关于外部世界的认识，从而使自身的认知结构得到发展。后来又有许多心理学家和教育学家，如维果茨基、奥苏贝尔、布鲁诺等发展了建构主义学习理论，从而形成较完整的理论，它对学生的学习方式、教师的教学方式以及师生间的关系都产生了重要的影响，并逐渐成为研究与实施素质教育的重要理论依据[2]。
1.1 知识观
建构主义学习理论认为世界是客观存在的，但每个人是以自己的经验为基础来建构现实[2]。知识不是从外部输入人内心的，而是在与外部作用的过程中在人的心灵内部建立起来的[3]。知识并不是对现实的准确表征，它是一种解释、一种假设，而不是问题的最终答案，会随着人类的进步而出现新的假设。另外，知识不可能以实体的形式存在于具体个体之外，尽管我们通过语言符号赋予知识一定的外在形式，甚至这些命题还得到了较普遍的认可，但这并不意味着学习者会对这些命题有同样的理解。因为这些理解只能由个体学习者基于自己的经验背景建构起来，这取决于特定情境下的学习历程。
1.2 学习观
学习过程是学习者从外界选择性地知觉新信息，然后进行主动构建并生成意义的过程[4]。学习者通过对外部信息的选择和加工，通过新旧经验之间的相互作用，构建自己知识，为“理解而学习”是建构性学习的核心目标。学习者通过构建自己对各种问题的理解形成自己的观点，而不仅仅是记住别人已经研究出来的结论[5]。学习者的知识构建过程受到教师指导、学生参与、周围环境等因素的影响。教师与学生之间以教学内容为中介形成双向互动关系，可以更好地激发学生主体作用的发挥，促进学生积极构建知识。学习活动要发生则必须满足两个条件：学生的背景知识与新知识有一定的相关度、新知识的潜在意义能引起学生情感的变化。学习活动发生后，通过与其他学生和教师的不断交流和沟通，在自己原有知识的基础上完成新知识的建构。
2 建构主义学习理论指导下的传感器与测试技术研究型教学实践
2.1 设计课程教学流程，规范课程教学六大要素
建构主义学习理论强调“教学情境”“协作”以及“知识主动建构”，基于该理论指导，根据“科学引领工程、工程引入教堂、教员在研究中教、学员在实践中学”的教学理念，以“知识、素质、能力综合培养”为课程目标，设计了传感器与测试技术课程教学流程(如图1所示)。规范了课程的讲授、教材、作业、讨论、实践训练、考核等课程教学六大要素，使每个环节都有实施依据和具体实施方法。
2.2 采取以点、线、面相结合的方式构建新的教学模式
解决传感器与测试技术课程中理论与实践相结合及学时少、内容多、要求高的问题。突出专业基础教学的综合性、系统性，体现现代仪器及测试科学和技术的相互关联和完整性。
“点”指以课程教学六大要素为单元，课程重点讲授核心知识点，重点引导学生把握科学的思维方式和研究方法;讲授内容宽而新，以仪器学科的应用为大背景，引导学生了解传感器基本原理、在工程中的应用。“线”指以理论课程体系、实践课程体系、科研训练体系为三条主线，探索研究型教学体系。理论课程体系由理论型课程教学单元构成，强调对传感器基本原理的掌握;实践课程体系由基础型、综合与研究型实验构成，强调通过基本技能训练、综合能力培养、开放研究实验的锻炼，培养创新意识;科研训练体系由课程设计、学科竞赛、课题研究等构成，锻炼工程实践能力，提高创新能力。“面”指以教学科研结合型的教师队伍和学科的整体实力来铰链点与线，建设立体化的应用型教学模式。课程内容注重先进性和科学性，将最新军事应用科研成果转化为教学资源，使学生尽早参与科学研究训练，接触科学前沿。同时让学生接受教师研究和教学文化的熏陶及严谨的学术作风的浸润。这是培养学生自主研究性学习能力的一个重要环节，也是培养学生创新思维的主渠道，同时对教学队伍的建设提出了更高的要求。
2.3 实施“从单元构建系统，从系统细化到单元”的教学手段和方法
贯穿传感器原理、结构及应用这一主线，设计了一套适合本课程的教学进程，对不同的教学内容方法不同，在不同的教学阶段方法不同，对不同传感器的特点，具体的教学手段也不同。
2.3.1 按不同课程内容实施不同教学模式
该课程内容分为三大块：基础理论、典型传感器原理与应用以及典型参量的测试。在学期开始的基础理论部分，采取“以兴趣为核心”的方式，让学生在感兴趣和亲身感知的事件中由实践到理论、从工程实际到科学理论认识传感器;再分门别类讲述传感器原理及应用，采取“以问题为核心”的方式，从科学到工程，引导学生对传感器工作原理进行探究，根据工程需要对科学问题进行提炼;课程后期，典型参量测试部分，采取“以案例或课题为核心”的方式，从科学到工程，从单元构建系统，进行设计学习。教学进程表和教学模式如图2所示。 2.3.2 针对不同传感器设计不同的教学手段
不同传感器具有不同的特性，在教学中设计了不同的教学手段。如电感式传感器部分，差动变压器灵敏度特性是教学难点，教学思路是“先做实验，主动探究”。先讲授差动变压器的工作原理，而对特性部分不予讲解，接着布置实验内容，学生通过实验得出“电压频率在一定范围内时灵敏度不变”这一规律。学生在自问为什么时，会主动根据差动变压器的工作原理和公式作进一步推导。压电式传感器的教学思路是“搭建支架，分析比较”。两种典型的压电材料石英晶体和压电陶瓷，由于其具有不同的结构和特性，所以两种压电式传感器在稳定性、灵敏度、价格和抗干扰性方面有很大区别，学生只要掌握了压电材料的基本特性，即可自己分析得出两种压电传感器的特性。如计量光栅，教学思路是“创造情境，丝丝入扣”，包括以下几步：(1)以学生熟悉的测量转速光电传感器为例，提出是否可以用光电传感器来测量位移。(2)大家分组讨论，提出设计方案。这时有学生提出，可以把光电传感器中的开孔圆盘拉直变成开槽板，并拿出事先准备的一张均匀刻槽的纸，现场演示了学生的思想—这是光栅的雏形。(3)分析方案的可行性。即测量的精度、实际系统中光电接收元件的安装等问题。(4)讨论并改进方案。学生的方案提高精度可以通过减小槽的距离，进一步让学生分析这种思路的技术可行性和难点。于是引出用2块光栅交叠，并请大家伸出双手演示著名的“莫尔条纹效应”。至此，学生已经基本明白了光栅数字位移传感器测量位移的基本原理。(5)配合演示动画，让大家分析光栅的特点。
2.4 多元化、全过程的综合评价体系研究
该课程涉及对基本原理的掌握、对测试系统的设计，评估学生的能力需要建立更加科学合理的评估模式。教学评价系统遵循学习过程评价和教学目标管理相结合的基本原则，以研究学习过程的知识获取(如传感器原理)、探索研究(如测试技术应用与最新发展)、思维创新(如测试系统设计)等要素为评价因子，以完成教学大纲要求的教学目标进行评价，考核重点从获取知识量向知识、能力、综合素质的评价转移，形成多元化、全过程“合格+拔尖”的综合评价系统。最后成绩考核包括平时作业、卷面成绩、课程设计综合评估。作业包括课本习题/调研报告、资源检索等，作业可以通过网络提交。第一次课的作业是请学生跟踪调研新型传感器、测试技术或测试系统发展动态，后续的课堂中，适当安排些调研比较充分的学生做汇报、研讨，教师再进行点评。课程中期布置了课程设计、自行车测速系统的设计，不限传感器类型。每个小组上交传感器设计说明书，并根据条件实现传感器部分或全部环节的制作。各小组代表发言，时间不超过10分钟，小组成员可随时补充，其他组学生可随时提问，对相互间的不同观点可据理力争，甚至驳斥。最后，教师再逐一点评，和学生一起评价出最佳设计奖。这种研讨课的教学效果超过了预期设想。每组选用了不同的传感器进行测速，设计方案五花八门，并从传感器选型、电源、安装、成本、误差分析、实用性等方面全面分析，考查学生全面掌握课程核心知识点的情况以及分工、合作、沟通的能力。
3 结束语
建构主义学习理论指导下的研究型教学，迎合了创新型人才培养的大方向，不仅提高了教师教学理论水平和教学科研能力，同时也促进了学生的全面发展，参加各种科技创新的学生人数激增，并且作品质量有很大提升。但建构主义学习理论在教学实践中的运用并不是生搬硬套，如何在传感器与测试技术迅速发展、教学理念不断与时俱进的情况下，探索更科学的教学模式，切实提高学生的创新意识和创新能力，还需继续实践和探索。
参考文献
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