基于故障诊断的实训实践模块训练

石云波 曹慧亮 唐军 刘文怡 刘俊

[摘 要]针对目前大学生动手实践能力普遍不高的情况，中北大学仪器与电子学院设计了综合实训模块，在实训过程，学生分组在教师指导下完成有故障点设置的传感器信号调理电路的调试与传感器静动态性能标定。通过基于故障诊断的模块实训，学生普遍认为实践模块提供了一个很好的接触专业知识的实践平台，通过实践模块可以学会解决问题与处理问题的思路方法，还可以把以前所学的基础知识、专业知识进行融会贯通。

[关键词]实践教学；传感器；电能；教学改革

[中图分类号] G64 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2018）06-0096-03

0、引言

当代大学生实践能力的缺失，已经是一个不容忽视的问题。新时期高校教育工作存在很多不足。能力是在知识的基础上形成的，知识是靠教育来掌握的，因此可以说能力的形成需要教育与培养。专业实践能力的形成是以一般实践能力为基础的，受制于学校类型和专业学科。高等院校是培养未来社会所需人才的基地，其所培養人才是否适应社会要求是检验高校教育工作好坏的一个标准[1]。

创新已经成为高等教育人才培养的主旋律。创新人才培养的途径是理论与实践相结合的教育教学方式，理论教学需要学生通过课堂打下扎实的理论基础，而创新人才培养的关键在于实践教学环节[2][3]。目前，大部分地方理工类院校对于创新人才培养的实践内容大多局限于实验教学和大学生科技创新活动这两大环节。但是这种创新实践教学培养模式存在一定的缺陷，应进一步改革完善，才能更科学更有效地培养学生的创新能力和创新意识。

实践课程是当代大学生不可或缺的学习部分，一个全新的、可靠的实践教学模块才是新时代大学生所需要的。高等学校实验室是大学生培养的重要场所，实践教学也是高校教学体系的重要环节，在大学生创新能力和工程实践能力培养中发挥着不可或缺的作用。但是目前原有的实验教学体系存在很大的弊端：实验内容陈旧、实验项目不能很好地培养大学生的创新能力、实验室建设和管理体制落后、一级实验室开放程度不够等。

基于以上大学生动手实践能力的缺陷以及现有实验的弊端，本文阐述了一种通过学生寻找电路故障点并解决故障的实践模块。

一、模块内容介绍

加速度传感器实践模块的目的主要是对加速度传感器信号的调试，动态信号的标定以及数据处理。笔者在电路板的制备中特意设置了故障点，让学生在实践活动中发现并解决电路中的故障，以此来提高学生对理论知识的运用能力。学生的主要工作有分析电路原理、电路的焊接与调试。电路包含的模块有三轴加速度传感器模块、放大模块和滤波模块，具体如图1所示。

二、障点设置

显形故障点：

1.发光二极管导通电压故障：如图2，二极管两端电压太大，易造成击穿。

2.电源故障如图3所示，原理图当中电源模块输出标识与放大电路的输入标识不一致，导致它们没有进行电气连接。

3.可调电阻故障，选用的元器件3362的封装方式如图4所示，其管脚定义与PCB板不符合，导致可调电阻失去其调节阻值大小的作用。

图4 电位器3362

三、模块实践流程

学生的实践主要分为三个部分，第一部分是对传感器信号的差分放大、滤波进行EDA仿真，其次学生利用有故障点的电路板进行焊接调试，最后对传感器进行静动态标定。

（一）原理图分析，查找故障点并确定解决方案

1.发光二极管导通电压故障，由于二极管两端电压差值不能稳定在其工作电压内，超过其工作电压将导致二极管击穿，使整个电路供电出现故障。因此确认的解决方案为：给二极管串联上一个分压的可调电阻，保证其正常工作，提高电路稳定性。

2.电源故障，通过原理图看出稳压芯片的输出端与放大电路芯片ad623输入端标识不一致，会导致在电路板当中它们没有进行电气连接。确定的解决方案为在电路板上进行飞线建立连接。

（二）电路分步焊接、故障点查找并确定解决方案

可调电阻故障，选用的可调电阻管脚与电路板焊点不匹配，解决方案为对照PCB图调整可调电阻管脚焊接到电路板上。

（三）电路分步调试，故障点查找并确定解决方案

根据传感器输出特性[UO=kX+12U′]，[U′]=3.3 V，因此在ad623反向输入端2脚输入1.65V的电压值，通过调节可调电阻值实现。

由于测量的范围为-5 g～5 g，但是输出电压范围0～2.5 V，因此要求我们输出0 g的时候在1.25V 左右，所以ad623芯片5脚的参考电压调节1.25 V；由于max291芯片存在负偏压，因此调试时让ad623的2、3脚接地，调ad623芯片的5脚参考电压使max291芯片的输出为1.25 V。

放大倍数调试，ad623的增益G是由于1脚和8脚的阻抗来决定的，阻抗[RG=100 KΩ/（G-1）]，由于三轴放大倍数存在差异，需分别计算可调电阻的阻值且进行调试。

滤波电路截止频率的调试，根据芯片max291的芯片手册可知时钟频率[fosc（KHz）=1053Cosc（PF）]，[f截止=fosc100]，其中[Cosc]为max291的1脚电容。因此根据上述公式和任务书要求的带宽来确定电容值。

（四）传感器静动態标定

通过翻转台实验对三轴MEMS加速度计及其测量电路进行灵敏度、零偏、重复性等静态参数标定和测试；通过振动台对三轴MEMS加速度计进行带宽、幅频特性等动态参数测试。

记录电路标定和测试过程及数据，根据测试数据分析电路的各项指标参数，并与设计指标要求进行对照，分析测试电路的误差源、优缺点。

四、模块实践过程中其他需要注意的问题

1.示波器的使用问题，要将其设置成直流耦合，为了观察记录电路板某些参数，需要在显示菜单栏把频率、幅值、峰峰值、均值等参数显示出来。

2.芯片是否正常工作问题，调试电路板的过程中首先测量电源供电电压是否正常，正常才可进行下一步调试，其次测量ad623和max291已知理论电压值的管脚，进一步确认芯片是否正常。

3.调节可调电阻阻值选取和调节问题，此次用到的滑动变阻器外观上无太大差别，可以通过型号读取其阻值或实测其阻值，而且电路不同位置选用的阻值不尽相同，通过计算选取合适阻值。调试时其阻值可能被轻微触碰后就会引起变化，要特别注意。

4.放大倍数调节问题，在接传感器之前可以使用信号发生器输入信号，对电路进行调试，调试电路的放大倍数，观察滤波前后信号的变化。

5.做动态标定遇到的问题，在示波器上看到的mean值不是刚开始调试的零位值1.25 V，分析后发现此时有一个g值（大于1.25是正1个g，小于1.25是负一个g）的静态信号，也就是传感器板受到了1g重力加速度。此时测试的是振动动态信号，这时的信号是1个g的基础上的振动信号，需要记录其峰峰值；振动情况下可以调节示波器的模式为交流模式，直接记录其峰峰值。

6.传感器静动态标定的静态指标问题，通过对静态标定数据的处理，可以得到传感器灵敏度、线性度、重复性、迟滞等静态指标，动态数据记录两组，一组是AD623直接放大数据，用以分析传感器本身的频响特性；一组是MAX291滤波后输出数据，用来分析滤波电路的滤波特性。

五、课程的教学反馈

在模块实践课程结束，编制了教学反馈表，反馈表中主要裂了9个调查项目，分为1（非常不满意）、2、3、4、5（非常满意）五个档次，共交回反馈表172份。反馈表从反馈内容来看，学生对这种新颖的实践教学模式认可度还是比较高的，同学们普遍认为实践模块提供了一个很好的接触专业知识的实践平台，通过实践模块可以把以前所学的基础知识、专业知识进行融会贯通，但同时从反馈表也可以看出，在对解决复杂工程问题以及对所学知识的灵活运用等方面还需进一步加强。

六、结论

此次加速度传感器实践模块紧密契合学生的知识框架，但是更加注重考察学生的动手能力，发现并解决问题的能力以及对于所学知识的运用。通过一个完整典型的电子产品设计流程，不仅仅能够发现学生在知识和操作上的漏洞，更能对现有的教学实践改革提出指导性的建议。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 卫星. 当代大学生实践能力的缺失与培养[J]. 黑龙江高教研究，2005（11）：143-144.

[2] 叶其馨，汪玉梅，林晓冰，等. 论我校本科生创新能力培养的缺陷及制度化建设[J]. 中国中医药现代远程教育，2009（6）：82-83.

[3] 徐朝辉，秦杰，梁义涛. 学生创新实践教学体系改革的思考[J]. 计算机教育，2012（20）：40-43.

[责任编辑：张 雷]