传感器设计论文范文1
交流电力智能传感器粗信号处理实验平台利用图1所示的采集、存储、微处理器、通信、上位机和VC-Matlab共6个接口即可将各功能模块构成一个有机整体。在研发该平台时，根据这些接口，也可以并行开发与之相应的采集模块、存储模块、通信模块、上位机模块及其他模块。由于粗信号处理研究的基本出发点在于为低成本实现交流电力智能传感器提供方法和技术支持，实验平台选取成本低、性价比高和稳定性好的89C51/52系列单片机作为其微处理器。接着将对这6个接口进行设计。
1.1采集接口采集模块由电流、电压等电力信号的感知部件、信号调理电路和A/D转换电路等构成。要求信号采集的分辨率为0.3V，采样频率不低于20kHz。采集模块对其滤波等信号调理方面没有要求，便于交流电力智能传感器硬件的简化，以利于减小体积和低成本实现。工业上一般采用三相交流电力，故采集模块应能采集三相电力的电压、电流信号。实验平台留给采集模块的微处理器I/O系统资源为P1口的低5位，以供采集模块使用。
1.2存储接口本实验平台需要存储来自于上位机的模拟电力信号u′、通过采集模块获得的三相电压、电流采集信号uA、uB、uC、iA、iB、iC，以及利用粗信号处理方法分析得来的电力特征参数或性能指标等数据。模拟电力信号主要用于分析粗信号处理方法在电力智能传感器中的实际测试精度、实时性以及可靠性。实测电力信号用于研究粗信号处理方法的现场分析性能，电力特征参数或性能指标是粗信号处理方法性能评价的依据。电力信号的采样周期Ts越短，一个电力信号周期T内的采样点数N越大，样本就越趋近于实际的电力信号。因此，本实验平台需要存储大量数据，仅利用微控制器自身的存储空间是远远不够的，需要扩展存储器。为确保分析精度，本实验平台采用基于IEEE754—1985《IEEEStandardforBoraryFloating-PointArithmeti》标准的浮点型数据格式进行存储，一个数据信息占用4个字节。为了让样本较好地逼近电力信号，无论对于实测信号还是模拟信号，N均取为512，存放3个周期的电力信号。频率、电压与电流的幅值、初相位是交流电力的特征参数；交流电力功率的基本性能指标为视在功率、有功功率、无功功率和功率因子。通过不同方法获得的这些参数或指标均需要保存。另外，还有用于计算、分析过程中的数据临时缓存区bufter，至少需要1kB的空间。另外，实验平台留给存储模块的系统I/O资源为P0、P2.0～P2.5、P3.6、P3.7。
1.3通信接流电力智能传感器粗信号处理实验平台对现场系统与上位机系统之间的通信速度无特别要求，采用RS-232串口全双工通信，数据格式为16进制，波特率为9600bit/s、8位数据位、1位停止位、无奇偶校验。本平台的通信协议格式如表1所示。其中字节头取值为0x68，结束码取值为0x16，A、B、C三相电压、电流采集通道ID分别为1，2，3，4，5，6，数据域内放置要传送的具体数据。数据长度表示数据域中的字节数，占用2个字节。将除校验码和结束码外的其他项通信信息累加，形成用1个字节表示的校验码。5个字节描述的控制字主要分成3类：数据请求控制字、数据上传控制字和辅助控制字。对于前两类，由于通信的内容为表1所示的信息（buffer项除外），故其格式为：Q或S+4位描述的表1中的数据（数据的下标变为正常字体，数据不足4位的项，其高位用零表示，如θuA1、uA1、u1′分别描述为θuA1、0uA1、0u1′，表示利用粗信号处理方法1分析实测交流A相电压信号所得的初始相位、电压有效值，分析模拟信号所得的电压有效值），其中，Q表示查询信息，S表示发送信息。辅助控制字的格式为：ACW+两位控制指令，其中，01表示测试串口通信是否正常（回复0表示串口通信正常，其他值表示串口通信不正常），02表示查询平台正常采集电力信号的通道数目，03表示查询平台正常采集电力信号的通道，04表示查询平台通信的波特率，05表示设置平台通信的波特率。辅助控制指令还可以根据需要进行扩展。
1.4微处理器接口微处理器模块主要由89C51/52集成芯片、复位电路、时钟电路、键盘单元、显示单元、CPU监视单元和电源单元等构成。它能将A/D单元后的电力信号进行采集并存放在存储器中，并利用多种粗信号处理方法分析采集或模拟交流电力信号，输入现场指令，显示现场系统的工作状态、分析结果；与上位机系统进行通信，监视CPU的工作状态，一旦出现“跑飞”等故障，复位CPU让其重新正常工作；能提供现场系统正常工作的电源。供微处理器模块使用的I/O为P1口的高3位。
1.5上位机接口与VisualC-Matlab接口上位机模块能模拟交流电力信号，实现多种交流电力粗信号处理方法，并将模拟交流电力信号“告知”现场系统，从现场系统处“获知”交流电力的实测信号以及现场系统的分析结果等；以图、列表等方式显示实测或模拟交流电力信号，并显示交流电力信号多种粗信号处理方法的分析结果等。VisualC++6.0是Window平台上一种强有力的软件开发集成环境，所以，本实验平台的上位机将利用VisualC++6.0进行其软件开发。对于模拟的交流电力，其特征参数和性能指标的真值是已知的；对于实测的交流电力，确定其特征参数和性能指标的真值比较困难。利用现有的经典方法获得这些真值不失为一种有效途径。Matlab工具箱提供了丰富的经典方法、算法和绘图方式，在VisualC++6.0中利用这些工具能可靠地计算出电力特征参数、性能指标的真值，并有效地缩短上位机软件的开发周期。在VisualC++6.0中调用Matlab工具箱中的函数有几种方式，结合自身特点，上位机模块宜采用引擎方式。利用这种方式的具体步骤为：1）在VisualC++6.0环境中添加Matlab引擎库头文件和库函数的路径，并在其菜单项ProjectSet－tings的【Link】选项卡上文本框中添加3个文件名libmx.lib、libmex.lib、libeng.lib。2）在工程头文件中加入引擎库头文件名Engine.h。首次调用Matlab函数时先利用engOpen函数打开Matlab引擎。该函数返回的引擎指针用于之后Matlab函数的调用。不再调用Matlab函数时，通过engClose函数关闭引擎。3）通过engEvalString函数向Matlab引擎发送包含所调用的Matlab函数名及其参数的命令字符串实现函数的调用。利用函数engGetVariable获取Matlab函数分析出来的信息。该函数返回一个mxArray类型的指针。函数mxGetData可将该类型的指针转化成可在VisualC++6.0中操作的void类型指针。
2实验
项目组将5位硕士研究生划分成4个小组：从原理设计到系统集成、调试，研制出该平台[7]共花费1个半月。利用实验室中的工业用交流电力对研制出的实验平台进行系统测试和验证。图2（a）为现场系统采集的一个单相交流电压信号，上位机系统通过通信模块获取了该信号并利用0、1、2号粗信号处理方法对其进行分析。上位机系统调用Matlab工具箱中的FFT函数获得该信号特征参数的真值，其中图2（b）、2（c）分别为该信号幅频、相频特性。图2（d）为该信号在实验平台上测试得出的综合信息。其中，幅值数据、相位数据列表框中的内容为图2（b）、2（c）的数据化，对该信号进行的3种粗信号处理（一个信号周期内用了21个采样点进行分析）是在上位机系统上进行的，其分析结果与现场系统基本相同，不同的主要在于处理速度，其主要原因是微处理器的晶振频率为12MHz，而上位机的主频为2.1GHz。由图2可知，方法1、2的精度高于方法0，这与相关研究成果相吻合，从而验证了该实验平台的有效性、可靠性。该实验平台研制的快速性、高效性以及研制出的平台有效性、可靠性证明了用于该平台研制的接口设计的有效性、合理性。
3结束语
传感器设计论文范文2
关键词：误差理论；传感器；测控技术
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）30-0154-02
一、引言
工程测量中必然存在误差，误差的处理会影响测量数据的可靠性。误差理论与数据处理课程是测控技术与仪器专业的核心课程，学生对该课程知识的掌握好坏，直接影响其后续专业课程的学习，并将对其今后从事的精密检测、测试系统设计、质量控制、仪器设计及制造等工作产生持续深远的影响。测控技术与仪器专业由仪器仪表及精密测量等多个专业综合而成，在全国有两百多所高校具有此专业，也大多开设了误差理论的相关课程。其实，自高等学校首次设立误差理论与数据处理课程以来，它便得到了许多大学的高度重视。目前，除仪器仪表类专业外，很多学校在机电类专业及测绘类专业也开设了该课程。为了提供误差理论课程教学质量，已经提出了较多的教学方法改革方案[1-3]，或者实践体系的改革[4]。这些教学改革大多针对误差理论和数据处理课程理论性较强的特征，通过增强实践教学环节，利用多种数据处理软件或者综合平台对学生进行实践训练[5]。这些教学方法的改革可以有效提高学生对误差理论和数据处理方法的认识，改善教学效果。
在全国高校的测控技术与仪器专业中，专业培养大多具有自己的特色和侧重。对误差理论课程的教学应该与专业特色相关联，为后续的专业课程奠定基础。本文针对传感器应用和动态测试技术为特色的专业培养体系，进行围绕传感器应用的误差理论课程教学改革。
二、误差理论在专业课程体系中的作用
误差理论课程在测控技术与仪器专业中大多属于专业基础课程，其前修课程包括高等数学、概率与数理统计和线性代数，它也是工程测试及系统设计、仪器设计、仪器应用类课程的重要基础和支撑课程。误差理论课程内容涵盖误差性质与分析、误差的发现、误差的处理以及基于误差的回归分析等，并使学生建立测量精度和不确定度等概念，这些知识会在自动控制、仪器设计等课程中得到应用。但是学生在学习误差理论的过程中，由于没有专业课和工程实践的学习锻炼，很难建立实际的应用概念，对误差的理解难以深入。
如果能从一类具体的应用出发，讲解误差的分析、发现和处理，这有利于学生对概念的理解。也为学生的学习找到一个方向，找到一个思路。在以传感器应用和动态测试技术为特色的培养课程体系中，传感器始终扮演着重要的角色。从非电量信号的获取、测量电路的设计和测试系统特性分析到数据的采集和处理，都围绕着传感器进行。误差理论在传感器的标定和传感器误差分析等方面都扮演着重要的角色，通过在误差理论教学中贯穿传感器应用的概念，有利于学生对误差概念的理解，更有利于特色专业课程体系的建立。
三、围绕传感器应用的教学方法
围绕传感器应用的误差理论教学方法，并不是只对传感器相关误差知识进行教学。而是将误差的理论和方法在传感器这个平台上进行应用，巩固知识加深理解。主要从课堂教学和实验实践环节进行教学方法的探索。
1.课堂教学。围绕传感器应用的误差理论课堂教学改革主要是改变以前的知识讲解思路。误差理论课程的知识结构主要分为误差的基本性质与处理、误差的合成与分配、不确定度及回归分析等几个部分，常见的课堂教学主要以理论讲解为主，在每个知识点后面会有相应的例题。误差理论课程含有很多抽象概念、公式，内容相对来说比较单调、枯燥，对于没有测量经验的学生，往往按照高等数学的学习习惯来学习误差，重计算，轻概念。学生往往记公式，难以灵活应用，由此影响了学习兴趣和教学质量。
对于以传感器应用和动态测试为特色的专业，学生从大三开始已经初步接触传感器的概念，同时在学校的学生实践实验室和各种电子类竞赛实验室都有许多传感器的应用实例，学生们对传感器应用有了基本的认识。所以，可以通过传感器的应用来进行误差理论的学习，如图1所示。针对误差理论课程中的四个主要知识模块，以压力传感器为例可以有相应的应用案例。在压力传感器的静态测量中，可能产生系统误差、随机误差和粗大误差。通过分析传感器和测量系统的误差来源认识系统误差，通过测量数据分析随机误差和粗大误差；对于压力传感器加信号调理电路的测量情况，通过传感器的误差和调理放大电路的误差可以学习认识误差的合成与分配；通过对一种确定的压力源进行测量，计算测量的不确定度；通过对压力传感器的标定学习基于误差理论的最小二乘法处理及回归分析等知识点。
2.实验教学。目前的误差理论实验教学往往借助计算机开设一些数据处理的实验，缺乏对测量误差及其来源的根本性认识。导致学生在学完该课程后，仍不能运用所学知识指导测试实践，解决实际问题。通过实际的传感器采集测量数据，可以生动直观地让学生进行误差的分析。我校的测控技术与仪器专业具有专门的传感器原理及应用实验室，不用重复建设，学生就可以完成多种传感器的实际信号采集。通过应用软件与采集系统对接就可以建立围绕传感器应用的误差分析实验教学。
以压力传感器标定进行误差理论课程中的回归分析实验教学，如图2所示。利用传感器实验室的油压标定机、电压放大滤波器、数据采集卡和数据处理软件，通过软件中误差分析功能对接，可以进行误差理论的实验教学。学生通过更换油压标定机的砝码改变输入压力值，获得多组测量数据。学生利用最小二乘法和回归分析的知识对这些数据处理以得到传感器的灵敏度。
四、结论
通过围绕传感器应用的误差理论教学，有助于学生对误差概念的理解，帮助学生找到一个从理论到实践的通道。利用现有的传感器应用实验室，通过误差处理软件的对接，直接完成了误差理论实验教学的改革。通过近年的误差理论课程教学，学生对误差理论课程的认知程度得到了提高。
参考文献：
[1]徐志玲，赵玉晓，金骥，等.“误差理论与数据处理”立体化课程设计与实践[J].实验室研究与探索，2014，33（11）：191.
[2]宋爱国，崔建伟，符金波.“误差理论与数据处理”课程的教学改革[J].电气电子教学学报，2012，34（1）：12.
[3]吴石林，张}，刘国福，等.《误差理论与数据处理》课程教学改革初探[J].高等教育研究学报，2011，34（4）：80.
传感器设计论文范文3
【关键词】电涡流；传感器；单片机
1.引言
现代社会是信息化的社会，人们的主要交流和沟通都是通过对信息的传递、处理而进行的。传感器就是人们从自然界获取各种相应外界信息的方式，能够将相应的需要采集的信息转换成为控制芯片能够识别的电流或者电压等信号，在现代的控制测量系统中具有不可缺少的作用。
本论文主要介绍的是电涡流式位移传感器。电涡流式位移传感器属于电感式位移传感器的一种，是基于电涡流效应而工作的传感器，具有很多优点：高分辨率、高可靠性、较宽的频率响应以及较高的灵敏度等等。
该传感器还具有很强的抗干扰能力，相比而言，传统的传感器具有非线性误差，要求工作环境恒定或者价格较高[1]。
2.电涡流式微位移传感器
2.1 传感器发展历程
国外在工业化的过程中，逐渐将传感器广泛应用在各个生产领域，在航天和军事领域也有十分领先的传感器应用。之后伴随各个国家的机械、自动化、计算机等信息产业如日中天，欧美国家以及亚洲的日本都对世界的传感器具有相当重要的影响。
我国主要是在1960年开始对传感器进行开发工作。国家组织大批科研人员对其进行研究和开发，并实施了“八五”、“九五”等国家计划，使得其取得了十分瞩目的应用成就。然而我们也应该清醒地意识到，我国在传感器的基础制造工艺等方面还不能和发达国家相提并论，许多核心技术以及芯片都要进口。与此同时，我们的传感器在国际上没有太大竞争力，产品研发和更新速度很低，缺少实用创新性[2]。
2.2 传统传感器缺点
以往的传感器和电涡流位移传感器比起来，具有以下几个方面的严重不足：
（1）输入一输出特性存在非线性且随时间而漂移；
（2）环境会干扰参数，使得测量结果发生漂移；
（3）因结构尺寸大，而时间响应特别差；
（4）易受噪声干扰、信噪比低；
（5）灵敏度或者分辨率不够理想。
2.3 电涡流式微位移传感器
本论文所要介绍的电涡流位移传感器，其工作原理是利用了涡流效应。该类型的传感器，通过涡流效应使相应的位移的变化，转换成线圈的阻抗值变化；之后利用特定的电路将线圈阻抗值变化转换成为电压的变化，再进行检测和输出，根据相应的公式或者经验，能够还原成位移信息。这种传感器具有很多优点，比如具有很高的灵敏度、简单的结构以及及时的动态响应。该传感器广泛应用在测量振动和位移等信息量上。大体上输出的电压信号与位移的变化量是线性的关系，公式是ΔS=K・ΔV。其中K是系统的比例常数，在不同的传感器中根据系统结构的不同是不一样的。
2.4 电涡流式位移传感器测量原理
公式能够精确描述该原理。我们根据公式可以得知，在其他条件不变的情况下，Z（线圈的阻抗）与S一一对应。电涡流传感器测量位移的原理就是基于此公式，在特定的信号激励过程中，传感器会依据位移变化而产生电压的变化。
3.测量系统的硬件设计
3.1 主控芯片
本论文设计的电涡流微位移传感器使用的主控芯片是AT89S52单片机。MSC-51单片机是八位的非常实用的单片机。本论文所使用的AT89S52单片机就是基于这款单片机的。MSC-51单片机的基本架构被ATMEL公司购买，继而在其基本内核的基础上加入了许多新的功能，同时扩展了芯片的容量以及加入flash闪存等等。51内核的单片机具有很多优点，因此无论是在工业上还是在一些电子产品上应用都很多。全球也有许多大公司对其进行扩展，加入新的功能。即使是在今天，51单片机仍然在控制系统中占据很大市场[4]。
下面对本论文所使用的单片机作简要介绍。AT89S52单片机具有最大能够支持的64K外部存储扩展，同时还具有8K字节的Flash空间。该单片机具有4组I/O口，分别是从P0到P3，同时每组端口具有8个引脚。每个引脚除了能够作为普通的输入和输出端口外，还具有其它功能，也就是我们通常所说的引脚复用。其还具有断电保护、看门口、计时器和定时器。51单片机一般的工作电压是5V。
3.2 显示模块
本论文设计的LCD1602电路，该液晶模块能够显示2行*16列的字符，相对于数码管而言，显示更加灵活多变。该液晶模块用来显示其测量处理后的数据。
4.测量系统的软件设计
本论文的主程序循环采集电量的变化，并实时显示在液晶模块上。系统软件是指完成系统设计功能的软件。为了提高系统的实时性、可靠性，在编写系统应用软件时，主要考虑以下两方面：
（1）提高系统抗干扰性能。在工业现场不可避免的有各种抗干扰因素。因此本系统除了在硬件上硬件复位和加电容滤波外。在软件上，采用了指令冗余技术、延时消抖技术以及对位移大小采样值进行中值滤波的数字滤波方法，进一步提高系统的抗干扰能力。
（2）采用模块化编程。将系统的应用程序分为若干个功能模块，这些模块可以任意更改而不影响程序的其余部分，将各个功能模块程序调通后，再把各个功能模块结合起进行联调，这大大减少了调试时间，提高了程序的通用性，方便程序的修改和检查。
5.总结
电涡流位移传感器是一种基于电涡流效应的传感器，能够将位移的变化转换成电量的变化。本论文主要介绍了传统传感器的发展历程，进而介绍了电涡流式微位移传感器的测量原理和优势，并基于单片机设计了测量系统。
参考文献
[1]谭祖根，汪乐宇.电涡流检测技术[M].北京：原子能出版社，1986.
[2]于鹏，许媛媛.利用插值法和曲线拟合法标定电涡流传感器[J].中国测试技术，2007，1（33）.
传感器设计论文范文4
【关键词】压力传感器；电磁敏感性；电磁兼容；模拟退火算法；仿真软件分析
电磁兼容是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力[1-2]。电磁敏感性是指存在电磁骚扰的情况下，装置、设备或系统能够避免性能降低的能力。在具体论文研究中，将针对传感器的电磁兼容问题，提出优化设计方案，确保提升传感器的电磁敏感性。
1.提高传感器电磁敏感性原因
传感器在运行过程中需具有有一定的抗电磁干扰性[3]，电磁干扰除影响传感器的正常工作外，对人体健康也会造成有害的影响，这样的传感器在实际使用中是不安全的[4-5]，所以需要提高传感器的电磁敏感性，使传感器符合电磁兼容要求。文中所指的传感器，对外界的电磁影响可以忽略不计，故只需要研究传感器的抗电磁干扰性，并提高传感器的电磁敏感性。
2.影响传感器电磁敏感性主要因素
2.1电磁干扰源因素。在传感器运行过程中，由于会受到来自外界的无线电发射装备、高速数字电子设备、整机电气设备的静电放电、接触噪声、电路的过度现象、电磁波反射现象等的影响，产生电磁干扰，从而降低传感器的电磁敏感性[6]。2.2电磁耦合途径因素。在传感器设计中，其电路板上的引线、元器件都会产生电流，也都有电位，因此会在电路板上产生电磁场，若是传感器的电路布线和元器件的布置不合理时，会对传感器正常运行产生寄生耦合干扰，外界介质按电磁场的规律向传感器周围空间发射电磁干扰，也会降低传感器的电磁敏感性[7]。
3.传感器电磁敏感性优化设计
3.1运用模拟退火算法优化
传感器电磁兼容通常需要满足GJBl5lA-1997标准，若是仅运用传感器单层外壳屏蔽的方式并不能满足电磁兼容要求，因此可运用模拟退火算法，原理图见图1，不仅能够避免受到初始条件的约束，也可以找出能够解决电磁干扰的最佳方案，从而提高压力传感器的电磁敏感性。图1模拟退火算法原理图1）初始温度t0的选取t0要选取的足够大，Johnson等建议通过计算若干次随机便换目标函数平均增量的方法来确定t0的值。其中，为上述平均增量，x0为初始接收率，一般取0.8～1之间的数。2）温度衰减函数的选取一个常用的温度衰减函数是其中，α取0.5～0.99之间的数，固定控制参数值的衰减步数K，把区间[0,t0]划分为K个小区间，把温度衰减函数取为：3）Markov链的长度Lk的选取固定长度：Lk通常取为问题规模n的一个多项式函数。有接受和拒绝的比率来控制Lk：当温度很高时，Lk应尽量小，随着温度的渐渐下降，Lk逐步增大。4）终止温度tf（停止准则）的选取用循环总数控制法、接收概率控制法等进行选取。
3.2运用仿真软件分析优化
运用Protues（英国LabCenterElectronics公司出版的EDA工具软件）软件进行传感器电磁兼容仿真，仿真分析传感器的电磁敏感性薄弱环节，从而有针对性的进行相应优化，在优化设计后明显缩小了磁场的聚集点范围，大大削弱电磁干扰强度，传感器的电磁敏感性得到了提高，仿真图见图2。
3.3提高电磁敏感性的其它方法
3.3.1电磁屏蔽用屏蔽体将干扰源包封起来，或用屏蔽体将传感器包封，使传感器免受外界空间电磁场的影响。屏蔽技术虽然能有效地阻断电磁干扰的传播通道，但又会使传感器维修不便，并导致重量、体积和成本的增加，所以应采用合理的措施。3.3.2优化信号设计传输信息的电信号需要占用一定的频谱。为尽量减小电磁干扰，对有用信号应规定必要的最小占用带宽，这有赖于优化信号波形。3.3.3完善线路设计应设计和选用自身发射小、抗干扰能力强的电阻线路作为传感器的单元电路。3.3.4合理布局合理布局包括系统设备内各单元之间的相对位置和电缆走线等，其基本原则是使感受器和干扰源尽可能远离，输入与输出端口妥善分隔，高电平电缆及脉冲引线与低电平电缆分别敷设，通过合理布局能使干扰减小到最小程度。3.3.5滤波滤波是借助抑制元件将有用信号频谱以外不希望通过的能量加以抑制，它既可以抑制干扰源的发射，又可以抑制干扰源频谱分量对敏感设备、电路或元件的影响，滤波能十分有效地抑制传导干扰。3.3.6接地与搭接不管是否与大地有实际连接，只要为电源和信号电流提供了回路和基准电位，就通称为接地。电子设备接地是抑制噪声和防止干扰的重要措施之一。设计中如能周密设计地线系统，使用接地、滤波和屏蔽等措施，能有效提高传感器的电磁敏感性。
4.实例仿真分析解决电磁干扰
取三只传感器，按GJBl51A、GJBl52A条件进行试验，分析比较传感器在优化设计前和试验中的零位输出值，相关数据见表1。由表1可以看出，优化设计后的传感器其电磁敏感性得到了很大的提高。
5.结论
综上所述，传感器由于受到电磁干扰的影响，会降低传感器的电磁敏感性，因此需要对传感器进行优化设计，可运用模拟退火优化算法和仿真软件分析来预测传感器频能量分布的聚集点与畸变点，合理调整传感器设计方案，并对传感器做好电磁屏蔽、优化信号设计、完善线路设计、合理布局、滤波、接地与搭接等，对提高传感器的电磁敏感性，解决传感器的电磁干扰，能发挥积极的应用价值。
作者:雷钢 王长虹 齐虹 刘亚娟 刘涛 单位:中国电子科技集团公司第四十九研究所
参考文献
[1]曹俊,郑洁.共轨压力传感器的电磁兼容性试验研究[J].车辆与动力技术,2014.
[2]陈竹健,杨敏,夏状东.机车用压力传感器电磁兼容设计[J].机车电传动,2016.
[3]陈得民.机动车MEMS压力传感器电磁兼容测试[J].上海计量测试,2015.
[4]杨开宇,谭天洪,高印寒等.基于HFSS仿真分析的控制箱电磁兼容[J].实验室研究与探索,2014.
[5]李彦芳,杨晓斌,郑璐等.一种高精度压力传感器的设计与实现[J].电子设计工程,2016.
传感器设计论文范文5
[关键词] 传感器； 误差来源
doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2014 . 02. 039
[中图分类号] TH715 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194（2014）02- 0078- 01
1 称重传感器的发展
1938年美国加利福尼亚理工学院教授E.Simmons（西蒙斯）和麻省理工学院教授A.Ruge（鲁奇）分别同时研制出纸基丝绕式电阻应变计，以他们名字的字头和各有二位助手命名为SR-4型，由美国BLH公司专利生产。为研制应变式负荷传感器奠定了理论和物质基础。1940年美国BLH公司和Revere公司总工程师A.Thurston（瑟斯顿）利用SR-4型电阻应变计研制出圆柱结构的应变式负荷传感器，用于工程测力和称重计量，成为应变式负荷传感器的创始者。1942年在美国应变式负荷传感器已经大量生产，至今已有60多年的历史。
经历了20世纪70年代的切应力负荷传感器和铝合金小量程负荷传感器两大技术突破；80年代称重传感器与测力传感器彻底分离，制定R60国际建议和研发出数字式智能称重传感器两项重大变革；90年代在结构设计和制造工艺中不断纳入高新技术迎接新挑战，加速了称重传感器技术的发展。1973年美国学者霍格斯特姆为克服正应力负荷传感器的固有缺点，提出不利用正应力，而利用与弯矩无关的切应力设计负荷传感器的理论，并设计出圆截工字形截面悬臂剪切梁型负荷传感器。打破了正应力负荷传感器的一统天下，形成了新的发展潮流。这是负荷传感器结构设计的重大突破。1974年前后美国学者斯坦因和德国学者埃多姆分别提出建立弹性体较为复杂的力学模型，利用有限单元计算方法，分析弹性体的强度、刚度，应力场和位移场，求得最佳化设计。为利用现代分析手段和计算方法设计与计算负荷传感器开辟了新途径。
2 称重传感器的技术创新
20世纪70年代初中期，美、日等国的衡器制造公司开始研发商业用电子计价秤，急需小量程负荷传感器。传统的正应力和新研制的切应力负荷传感器都不能实现几千克至几十千克量程范围内的测量。美国学者查特斯提出用低弹性模量的铝合金做弹性体，采用多梁结构解决灵敏度和刚度这对矛盾。设计出小量程铝合金平行梁型负荷传感器，同时指出平行梁负荷传感器是基于不变弯矩原理，使利用平行梁表面弯曲应力的正应力结构，具有切应力负荷传感器的特点，为平行梁结构负荷传感器的设计与计算奠定了理论基础，形成了又一个发展潮流。蠕变是电阻应变计和铝合金负荷传感器经常遇到和必需解决的关键问题。1978年前苏联学者科洛考娃通过对一维力学模型和应变传递系数的分析，提出控制电阻应变计敏感栅的栅头宽度与栅丝宽度的比例，可以制造出不同蠕变值电阻应变计的理论，并成功地研制出系列蠕变补偿电阻应变计。对低容量铝合金负荷传感器减小蠕变误差，提高准确度起到了至关重要的作用，使电子计价秤用铝合金负荷传感器多品种、大批量生产成为可能。
随着数字技术和信息技术的发展，各行业对数字化电子衡器的需求愈来愈多，提出用数字称重系统突破模拟称重系统局限性的要求，对此模拟式称重传感器就无能为力了。因为在此之前，称重传感器的研究都集中在硬件方面，例如：创新弹性体结构，改进制造工艺，完善电路补偿与调整等。模拟式称重传感器的输出信号小，抗干扰能力差，传输距离短，称重显示控制仪表复杂，组秤调试周期长等缺点依然如故。为满足数字化电子衡器的需求，美国TOLEDO、STS和CARDINAL公司，德国HBM公司等先后研制出整体型和分离型数字式智能称重传感器，并以其输出信号大，抗干扰能力强，信号传输距离远，易实现智能控制等特点，成为数字化电子衡器和自动称重计量与控制系统的必选产品，形成一个开发热点。
3 柱式称重传感器的误差来源
一个泊松电桥是固有的非线性电桥。对于一个灵敏度为2.0mV/V的称重传感器，这种固有的非线性大约为0.10%。电桥的非线性可以被另一个非线性部分所抵消一些。引起另一个非线性的原因是由于泊松比使得柱式弹性体横截面面积增加或减少。例如，当称重传感器承受压向载荷时，横截面面积增加，使压缩应力减小；当承受拉向载荷时，就是相反的情况。对于一个灵敏度为2.0mV/V的称重传感器，由于截面积变化引起的非线性误差大约为0.05%，所以总的非性误差为0.10%～0.05%或者小于0.05%。这是非常小的通常可以忽略不计，但是在称重传感器检测数椐中，这是应该被检测的误差。精密的商用称重传感器应利用附加的半导体应变计，此半导体应变计被粘贴在弹性体上，并串联在电桥电路的供桥端来补偿非线性，产生此类误差主要有两个原因：
（1） 弯曲应力是误差的来源之一，必须使之最小化。理论上，当应变计粘贴连线时（如测量拉伸与压缩应力），弯曲应力被消除。因为并不存在准确完美的贴片，建议采取其他方法使得弯曲应力产生的误差尽可能接近于零。在圆柱上弯曲力矩的方向通常是可以确定的，应变计应粘贴在圆柱弯曲力矩最小处，且在中轴线上，那里的弯曲应力理论上为零。
（2） 如果圆柱大且应变计在同一个平面间隔90°粘贴，圆柱周围的任何温度变化都会导致信号漂移。所以电桥相邻两臂的应变计应尽量靠近粘贴，从而减少温度误差，这也是利用90°应变的原因之一。
传感器设计论文范文6
关键词 传感器与测试技术 理论教学 实践教学 教学改革
中图分类号：G424 文献标识码：A
传感器与检测技课程是我校电子科学学院电子信息工程、电子科学与技术、应用物理三个专业的一门专业基础课。该课程集成了机械、电子、电路、控制、光学、电磁学等知识，涉及知识面广，且与生产、科研联系紧密。①通过多年的教学实践，积极地进行教学方法和手段的改革，开展创新性实验和实践活动，努力培养学生的实际动手能力和创新意识。下面从三个方面阐述教学改革过程中积累的心得。
1 理论教学
1.1 以应用为导向的倒叙式教学方法
传统的理论教学，首先接触传感器的工作原理，涉及到大量的数理推导，内容抽象，学生普遍兴趣不高。为了充分调动学生的积极性，对传统教学思路做了相应的调整，由应用入手，围绕实例展开原理分析。
比如对电阻应变式传感器的讲解，对于初次听到这个名词的学生来说，几乎没有人知道什么是电阻应变式传感器，更没有人清楚它的应用场合。这时教师就会举出超市打印电子称的应用实例，对于这种和生活联系密切的应用实例，进一步再给出电子称的传感器内部结构图片，通过多媒体手段播放自制的Flash教学动画，用苹果充当重物，随着苹果的纷纷落下，电子称的显示器示数随之改变，形象生动地模拟了电子称的工作过程，通过这样的动画演示，同学都对传感器的工作理论充满了浓厚的兴趣。由应用实例引出问题，进而讲述其工作原理，这种倒叙式的教学方法，必然能带动学生的求知欲，对基本原理的探究更加积极主动，使理论教学过程不再枯燥抽象。
1.2 采用多媒体辅助教学手段
近年来，随着计算机和多媒体技术的发展，使用多媒体辅助教学已成为现代教育必不可少的手段。 从2004级开始，尝试应用PowerPoint和Flash等多媒体软件制作电子教案，经过几年的不断完善，形成了内容丰富、图文并茂、生动形象的多媒体教学课件。
比如对“光栅传感器”的教学，对莫尔条纹的形成机理、光栅尺沿不同方向移动时莫尔条纹的方向性问题，特别是莫尔条纹对位移的放大作用等知识，采用板书教学缺乏形象性，学生根本无法想象其中的规律性。而通过Flash软件制作的演示动画，当两光栅产生相对位移时，学生能清晰地观察到莫尔条纹及其移动规律，有助于学生理解理论知识，增强学习兴趣。
本课程的传感器原理部分：包括应变效应、热电效应、压电效应、光电效应、涡流效应等，几乎任何一类传感器的工作原理都可以Flash 动画动态演示。
2 实验教学
2.1 改革传统的实验教学手段
验证型实验有助于学生理解传感器课程中的基本理论，但由于现有的的实验电路多采用模块化设计，只需连接几根导线，用万用表和示波器记录实验结果，学生很快就能完成实验，定量的结果也很粗糙，与工程实际严重脱节。②
在实验学时有限的前提下，教师积极地进行实验教学手段的改革，针对验证性实验内容，可通过教师（下转第169页）（上接第150页）自制的Flas和实验录像等手段在课堂演示实验，学生通过动画能够熟悉实验操作过程，通过录像等资料也能看到实验现象，节省了实验学时，丰富了实验教学手段。
2.2 加强综合性和设计性实验
在改造验证性实验教学手段的同时，开设研究设计性和综合性实验，提高学生实验研究能力。
为了活跃学生的思路，提供实验室的数十种传感器，能进行温度、湿度、位移、应力、转速和振动的设计性实验。学生根据实验任务和具体给出的器件，自主确定设计题目，独立设计电路图，自行在实验电路板上调试，老师只提供必要的技术指导。虽然由于硬件设施制约，学生的设计并非尽善尽美，但通过对传感器检测系统的设计，转换电路的搭建，以及整个系统的调试，让学生自主自发地在设计中引出相关理论知识点，在设计实现过程中加深对专业知识技能的综合运用。③
2.3 开发基于虚拟仪器的传感器实验平台
开发和利用虚拟仪器系统是高校进行实验室建设，改革实验教学的一个新的发展方向。所谓虚拟仪器就是在通用计算机平台上，用户根据自己的需求来定义和设计仪器的测量功能。利用现有的CSY传感器实验仪及其电路模块、NI公司的数据采集卡、PC 机等硬件组建的虚拟传感器实验系统平台的硬件框图如图1所示。
首先学生利用各种类型的传感器将非电量转换为电信号，经过必要的放大和滤波等调理电路后，通过安插在电脑中数据采集卡，将调理后的信号转换为数字信号输入计算机的虚拟仪器中，利用虚拟仪器编程完成对被测对象信息的实时采集、显示、存储和处理。该实验平台可为学生提供方便、快捷的数据检测和分析手段，运用虚拟仪器技术建立的虚拟电子实验室，在一定程度代替了实验室的硬件传统仪器设备和元器件，真正体现了虚拟仪器技术“软件即仪器”的优势。
3 实践环节
3.1 指导学生参加各类电子竞赛
课外科技实践活动也是本科生创新能力培养的关键环节之一。电子信息工程系创立了电子创新设计开发基地，承担着全国大学生电子设计竞赛、黑龙江省大学生电子设计竞赛的赛前培训教学任务。近5年学生参加的大赛有：全国大学生电子设计竞赛、黑龙江省大学生电子设计竞赛、中国大学生物联网创新创业大赛、全国飞思卡尔智能汽车竞赛、校电子设计竞赛，校“挑战杯”等，均取得了非常不错的成绩，动手能力得到了普遍的提高。
3.2 校企共建实习基地
近年来，在校电子创新设计开发基地的基础上积极与企业合作建立校企共建实习基地，现已建立了黑龙江省高校校企共建测试计量技术及仪器仪表工程研发中心。以企业为主组织实训，让学生走入企业，参与工程实践。校内生产实习与校外工程实习的有机结合，提高了学生的实际动手能力，也使教师的科研能力得到了逐步提升。
4 结束语
在传感器与测试技术课程的教学过程中，不断地改进教学方法和手段，积极地开发综合性和实验性实验和设计基于虚拟仪器的传感器实验平台，建立校企共建实习基地。结果表明，通过这些改革措施有助于培养学生的创新实践能力，取得了良好的教学效果。
基金项目：黑龙江省高等教育教学改革立项高教综合改革试点专项项目（2012）；黑龙江省高等教育教学改革项目（2012）；东北石油大学重点建设课程项目（2012）
注释
① 王建军.《传感器技术》课程教学方法探讨[J].装备制造技术，2007（4）：105-106.
