传感器设计论文十篇

传感器设计论文篇1

1．1气压传感器的结构设计

压阻效应于1865年由LordKelvin首先发现，现在这个原理广泛应用于传感器原理中。当传感器薄膜结构上的压敏电阻受到外界压力作用时会产生形变，使电阻率发生变化从而引起电信号的改变，这就是压阻式压力传感器的工作原理。由此可见，压敏电阻的变化与受到的压力大小和压阻系数有关。本文中的气压传感器是基于硅的压阻效应设计的，制备的气压传感器芯片结构截面图。传感器结构由一个单晶硅弹性薄膜和集成在膜上的4个压敏电阻组成，4个电阻形成了惠斯通电桥结构，当有气压作用在弹性膜上时电桥会产生一个与所施加压力成线性比例关系的电压输出信号。

1．2气压传感器制作工艺流程

整个流程主要是采用硅表面微加工工艺。与传统的压阻式压力传感器的加工方法相比，该工艺流程采用了外延单晶硅硅膜的工艺进行真空腔密封，这种方法可以克服传统的湿法刻蚀工艺的缺点，加工出的单晶硅膜具有很好的机械性能。①首先，对硅衬底采用各向异性干法刻蚀，刻蚀出一道道约5μm深的浅槽。然后采用各向同性干法刻蚀，使浅槽下方形成一个连通的腔。②采用外延工艺，在衬底上进行单晶硅外延，并利用外延的硅材料将浅槽完全封住，从而在下面形成一个接近真空的密封腔。外延工艺如下:温度为1135℃，采用的是H2，PH3等气体，外延时的真空度为80torr。③在对外延硅层的局部区域进行小剂量硼离子注入。该部工艺主要是为了制作压敏电阻，压敏电阻主要位于膜四边的中央。④对局部区域进行大剂量硼离子注入。该步工艺主要是要实现压敏电阻条之间的欧姆连接，并为压敏电阻的引出做准备。⑤在硅片表面生长一层氧化层及氮化层，用作绝缘介质层。⑥对氧化层和氮化层光刻并图形化，形成接触孔。⑦溅射金属层并光刻图形化，形成引线及压焊块。

2测试电路设计

此压阻式气压传感器，压敏电阻初始电阻值为163Ω，满量程输出电阻变化最大为9Ω，针对此微小阻值变化量，本文中设计了一款专用接口测试电路。该测试电路主要包括STM32系列单片机及ADS1247模/数转换模块和液晶显示模块。电路应用时将惠斯通电桥输出节点与测试电路连接起来，通过硬件和软件的结合实现外界气压信号的检测并转化为数字电信号进行输出，读数在LCD显示屏上进行显示，测试电路板的说明如图4所示，针对部分重要模块的电路设计在下文说明。

2．1电源电路设计

测试系统中需要用到3．3V和5V两种电压(选用的STM32单片机规定工作电压为2．0V～3．6V，ADS1247数/模转换模块模拟电源部分供电电压为5V)，根据测试电路元件的需求，采用国产LM2940－5和LM1117－3．3两个稳压模块来进行电源供电的设计。

2．2ADS1247模/数转换电路设计

ADS1247是TI公司推出的一种高性能、高精度的24位模拟数字转换器。ADS1247单片集成一个单周期低通数字滤波器和一个内部时钟、一个精密(ΔΣ)ADC与一个单周期低通数字滤波器和一个内部时钟。内置10mA低漂移电源参考和两个可编程电流型数字模拟转换器(DAC)。通过程序设置，在输出电压裕度内，DACS可为外部提供多种强度的电流，分别为50μA、100μA、250μA、500μA、750μA、1000μA、1500μA。除此之外，ADS1247还具有一个可编程放大器(PGA)，放大倍数可设置为1倍、2倍、4倍、8倍、16倍、32倍、64倍、128倍。

3气压传感器性能测试分析

气压传感器作为一种高空探测的工具，它的性能好坏直接影响到高空探测的准确性，针对本传感器结构进行测试并从数据中对气压传感器的灵敏度、线性度、测试精度进行了分析及拟合修正。

4结束与讨论

传感器设计论文篇2

1.弹性元件的虚拟模型根据导体材料的应变电阻效应，电阻的相对变化与应变之间的关系。为了获得电桥输出与载荷的关系，需要构建弹性元件的数学模型。电阻式传感器的弹性元件结构有圆筒式、柱环式、悬梁式和轮辐式四种基本类型，各种不同的结构型式的弹性元件应变ε与载荷F的关系如下所示。（1）柱筒式弹性元件其中E为弹性模量，A为横截面积。（2）柱环式弹性元件其中R0为内环半径，b为柱环宽度，h为柱环厚度，E为弹性模量。（3）悬梁式弹性元件其中l为有效长度，b为悬梁宽度，h为悬梁厚度，E为弹性模量。（4）轮辐式弹性元件其中b为轮辐条厚度，h为轮辐条宽度，G为剪切模量。将四种弹性元件类型设计在一个子VI中，通过操作“弹性元件类型”下拉列表进行选择。

2.虚拟电桥模型电桥是目前常用的电阻式传感器测量电路，整个电桥电路由四个桥臂组成，当桥臂接入应变电阻时则成为应变电桥。当有一个臂被接入应变电阻时，被称为单臂电桥；两个臂被接入应变电阻时则为双臂电桥（也称半桥）；四个臂均被接入应变电阻时则称为全桥。在桥路中均未接入应变电阻时。

3.电阻属性和接桥方式设计前面板（如图1所示）上电桥部分的电阻属性分为固定电阻、应变电阻和平衡电阻三种，应变电阻的贴片方式分为受拉应力和受压应力。（1）电阻属性。图1中的电阻R1的属性只有两种：应变电阻和固定电阻。该属性通过操作“R1”设置开关进行选择。若R1为应变电阻属性，其阻值会随载荷F的增减而产生相应的ΔR1以及因温度变化产生的ΔR1t。电阻R2的属性与R1相同。通过操作“R2”设置开关可以选择R2的属性。若R2作为应变电阻，则会随载荷F的增减而产生相应的ΔR2以及因温度变化产生的ΔR2t。若操作“差动设置”开关，则可使R2的受力方式为受压应力，从而会随载荷F的增减而产生相应的-ΔR2以及因温度变化产生的ΔR2t。R3，R4需要参与调平电路的设计，因此接线也会相对复杂。通过操作“R3”和“R4”设置开关对该电阻进行属性操作。图中出现的Rr显示框为调零电路中的R5的右半部分与R6串联然后再与R3并联后的阻值。Rl显示框为R5的左半部分与R6串联后再与R4并联后的阻值。（2）接桥方式的设计。虚拟前面板上的电桥工作方式分别为：不工作、单臂工作，半桥工作和全电桥工作方式四大类型。对于半桥和全桥方式，其中应变片又分为差动和非差动两种布片方式。不工作方式指的是R1，R2，R3和R4都设置成固定电阻。该方式无论怎样施加外力，输出始终为零。单臂工作时将R1设置为应变电阻，R2、R3、R4设置为固定电阻。此时，按“R1”按钮，“R1”按钮变绿，图中应变电阻R1如果显示向上的箭头，表明该应变电阻受拉应力，对应电阻值增大；如果应变电阻R1显示向下的箭头，表明该应变电阻受压应力，对应电阻值减小。半桥非差动工作时，R1、R2设置为应变电阻，R3、R4设置为固定电阻。按下“R1”、“R2”两个按钮，两者均变绿表示接入工作臂，同时电阻R1、R2上的箭头方向一致，表示应变片受到相同性质的应力，此时电桥输出基本为零。半桥差动工作时，R1、R2设置为应变电阻，R3、R4设置为固定电阻。按下“R1”、“R2”两个按钮，两者均变绿表示接入工作臂，同时电阻R1显示向上箭头，R2显示向下的箭头，表示对应的应变片受到拉应力和压应力。全桥非差动工作时R1、R2、R3、R4属性均为应变电阻，此时，按下“R1”、“R2”、“R3”、“R4”按钮，均变为绿色。四个电阻上的箭头方向一致，表明四个电阻受相同性质的应力，此时电桥输出基本为零。全桥差动工作时，“R1”、“R3”电阻箭头向上，表示受拉应力；“R2”“R4”箭头向下，表示受压应力。

4.温度误差计算及补偿在讨论应变计的工作特性时通常是以温度恒定为前提的，但在实际应用过程中，工作温度可能会发生变化，从而导致应变电阻的阻值发生变化。设工作温度变化为Δt℃，则由此引起粘贴在试件上的应变电阻的相对变化为。将公式（11）代入公式（7）-（10），即可以计算出温度变化时的电桥输出，该输出即为温度误差。单臂工作时，采用补偿块法进行温度误差补偿，该方法利用两块参数相同的应变计R1、R2，R1贴于试件上并接入工作臂，R2贴于与试件材料相同温度环境的补偿块上，但该补偿块不参与机械应变，同时接入电桥相邻臂作为补偿臂。当接通电源并施加负载时，补偿臂产生的热输出与工作臂产生的热输出相同，则可达到温度误差补偿的目的。对于半桥差动和全桥差动工作方式，根据公式（10）的和差特性即能进行温度误差补偿。5.非线性误差计算及补偿公式（10）是对公式（9）进行线性化后的输出。对于单臂工作时，非线性误差可以通过在电路中加入补偿臂（该臂不受外加应力作用）。对于半桥差动和全桥差动工作方式，不需要外接补偿电路，因为差动工作方式具有很好的非线性补偿作用。

二、虚拟操作面板的设计

用LabVIEW软件开发虚拟仪器，用户能“量身定制”仪器的操作面板。本实验根据真实的电阻式传感器实验电路接线图作为虚拟仪器的操作面板，能直观地阐述电阻式传感器实验原理及操作方式，虚拟面板如图1所示，主要包括虚拟弹性元件选择、应变电阻布片方式选择、电桥接法选择、电桥调零模块、差动放大模块、直流电源模块。此外前面板还包括电阻、外力、温度的赋值等。

三、远程虚拟实验的演示步骤

电阻式传感器实验的远程操作分别由DataSocket技术与Web网络工具来实现。DataSocket技术以及网络化技术的结合使虚拟仪器的远程控制成为可能，可在若干计算机上对传感器虚拟实验进行操作及数据处理。这为传感器虚拟实验的互动教学提升了便捷性。电阻式传感器虚拟实验的远程操作过程如下：第一步，打开服务器网页。第二步，输入R1、R2、R3、R4的阻值。第三步，选择弹性元件类型。第四步，设置接桥和布片方式。第五步，打开电源开关。第六步，调节调零电位计，直至电桥近似达到初始平衡状态。第七步，点击“施力F”按钮。第八步，查看客户端网页，查看电桥输出曲线。第十步，点击服务器面板中的“复位键”，使所有选项、开关及输入数据均清零和初始化。第十一步，关闭电源开关。

四、结束语

传感器设计论文篇3

关键词：传感器与检测技术；学做合一；教学模式

作者简介：张立霞（1978-），女，河北枣强人，正德职业技术学院，讲师。（江苏 南京 211106）

中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）22-0100-02

传感器作为信息科学领域的源头技术，用以直接感受被测对象，它所获得的信息正确与否直接关系到整个测量或控制系统的成败。汽车产品、电子通讯等产业的迅猛发展离不开传感器与检测技术。“传感器与检测技术”作为高职院校电子类专业主要职业技能课程之一，强调培养学生的工程素质和工程实践能力。[1]面对课程特点和当前授课对象，要实现高职人才培养目标和市场需求的有效衔接，迫切需要进行课程改革。要实现新一轮课程改革的目标，必须推进课程教学模式的转变。课程教学模式的转变是否合理将直接影响到学生对后续课程学习效果的好坏以及综合职业能力培养质量的高低。

一、“传感器与检测技术”课程特点与授课学生现状

1.“传感器与检测技术”课程特点

“传感器与检测技术”与工程实际结合紧密，集电学、光学、化学、数学、力学、机械、工艺和加工等于一体，主要介绍各种传感器的内部结构、测量电路、应用领域以及敏感元件的工作原理、制作材料和工艺等。传感器种类繁多，原理分析枯燥难懂，测量电路和检测系统繁琐复杂是本课程的最大特点。[2]同时，一系列新型高品质的传感器不断涌现，客观要求教学内容能够与时俱进。传统的课程设置形态重理论轻实践、轻技能培养，同时理论实践分离。这种以课堂教学为主的教学方法和以理论考试为主的评价方式，日益显露其弊端。在以培养创新型人才为核心的素质教育中，如何优化教学模式，改进课程设置，加强课程的内涵建设，是“传感器与检测技术”课程亟待进行教学改革的客观要求。

2.“传感器与检测技术”授课学生现状

在新的招生政策下，高职院校新生生源起点较低，而其中文科生比例又相对上升，这些学生的理论基础较为薄弱。“传感器与检测技术”课程授课对象多为大三学生，部分学生即使有学习的欲望，也会在以教师为中心的灌输式教学模式下将原有的自信心摧毁，逐渐养成不爱问、不想问，甚至不知道问“为什么”的学习习惯。学生在校期间难以练就一身过硬技能，这也就导致大量毕业生不能及时找到理想工作，而与此同时企业又难以聘用到急需技能型人才的对立局面的存在。在新的教育形式下，认真探究“传感器与检测技术”课程的教学改革以改进教学方法和模式，激发学生的好奇心和求知欲，以提高新形势下学生竞争能力，就显得尤为重要。

二、学做合一教学模式的设计与实施

1.学做合一教学模式的设计

随着高职教育教学方法的研究逐渐深入，教学方法必须以培养高技能应用型人才为切入点也得到了职教界的共识，广大教学工作者亦在积极探寻教学方法改革。[3]项目式教学是当前职业教育中一种比较有效的教学方法，也是当前职业教育教学改革的基本取向。

“传感器与检测技术”课程教学内容的设计需要根据专业培养方案，同时参照相关的职业资格标准、行业标准，结合课程综合性强、实践性强、更新快的特点，充分利用学生的可塑性，在基于工作过程的教学过程中，精心组织典型项目。立足使学生掌握主要传感器的原理、特性，掌握各种应用条件下传感器的选用原则和应用电路设计的教学目标，合理设计教学情境。学生是整个教学过程的主体，学生在做中学，在学中做，进而将求知、做事和技能有机结合，将学和做有效合一。

2.学做合一教学模式的实施

以工作任务为驱动，在课程教学实施过程中，充分考虑工作过程特点和教学过程特点两者的有机结合，教学过程精心设计4个典型项目和3个教学情境。

（1）典型项目设计。典型项目设计如表1所示。

结合当前学情精心设计和组织项目，项目验收要求采用阶梯方式，使得每位学生都能“做”起来，并在做的过程中有所收获。例如，表1所示项目一以温湿度监控报警器为载体，开始项目设计之前，给学生明确验收要求，包括基本要求和进阶要求。基本要求需要做到：传感器合理选型；感测温、湿度实现超过阈值报警功能。进阶要求依次为：数码管显示温、湿度值，蜂鸣器报警；液晶屏显示温、湿度值，蜂鸣器报警；液晶屏显示温、湿度值，语音模块报警；无线监控。基础较薄弱的学生可以选择完成最基本要求的内容，在有事可做的过程中他们会逐渐体会到成就感，进而建立起学习的自信心；基础相对较强的学生也不会闲着，他们可以选择要求相对较高的内容，甚至发挥自己创造性思维，自主设计和制作产品，借此学会合作，学会交流，掌握技能。在这一过程中，学生自由组合，5人为1小组，小组内再各有分工，通过小组间的设计比赛、焊接比赛、功效比赛、组间评议等方式，学习温度传感器和湿度传感器的相关知识点。

（2）教学情境设计。根据职业技能标准，课程教学过程设计3个教学情境。

1）以压电式手电筒、压电式野营点火器为实例，带动学生思考其功能实现机理，引导学生学习压电式传感器的工作原理，依托多媒体课件丰富的动态效果帮助学生较感性地认识压电效应以及压电式传感器在交通监测、刀具切削监测、触摸键盘等典型电路中的应用。

2）以转速测量仪为实例，调动学生积极参与讨论，引导学生学习霍尔传感器的检测方法、电路设计以及典型应用。

3）以红外自动干手器和条形码扫描笔为实例，引导学生认识莫尔条纹，掌握光电传感器的工作原理，以及光纤传感器对诸如CO等敏感气体的监测作用。

涉及传感器工作原理及其测量电路等理论知识的讲解时，以回溯的方式引导学生结合已经掌握的传感器类型，对“要实现这一功能能否用其他传感器来替代现有传感器”展开讨论，并从中做出各类传感器的优劣对比。在这一过程中，教学内容被转换为个体的学习任务，学生不再是单纯的接受者，借助无限的思考空间，学生自身的创新能力和动手实践能力得到充分的锻炼与提高。

三、结论

高职教育以培养高技能应用型人才为目标，特别强调理论联系实践。“传感器与检测技术”在近几年的课程教学中，立足当前学情，改革教学模式，将知识传授、实践能力培养、综合素质教育融为一体，实现了以学生为主体的“学”与“做”的有效统一。新材料、新效应、新工艺的问世不断促进着传感器市场的发展，“传感器与检测技术”课程教学不仅要适应需求的变化，更要有一定的前瞻性。因此需要不断探索行之有效的教学方法，以实现学生在校所学与就业岗位的无缝对接。

参考文献：

[1]张宣妮.基于“做中学，学中做”的传感器教学模式探究[J].高教论坛，2011，（2）：70-71.

传感器设计论文篇4

关键词：传感器技术；理论教学改革；实践教学改革；成绩评定方式

作者简介：张艳霞（1979-），女，河南漯河人，郑州信息科技职业学院机电工程系，助教；郑伟伟（1984-），男，河南新密人，郑州信息科技职业学院机电工程系，助教。（河南 郑州 450046）

基金项目：本文系郑州信息科技职业学院教改项目（项目编号：CZYB2014009）的研究成果。

中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）03-0130-02

传感技术包括传感器的研究、设计、试制、生产、检测和应用，传感器是现代测控系统的首要环节，它集机械、动力、物理、化学、光学、材料、电子、生物、半导体、信息处理等众多学科于一体，应用领域十分广泛，与当前多学科交叉融合的趋势相一致，在专业课程体系中起到重要的承上启下作用，是实践性非常强的综合性应用技术。[1-3]

目前，传感器技术是高职高专院校机电一体化、电气自动化、汽车检测与维修等专业的一门专业技术课。该课程涉及知识面广，且实践性很强，不但学生觉得难学，对老师来说也是一个挑战。另外，近几年来，中国逐渐普及大学教育，高职高专的学生大多基础知识不太牢固，接受这门课程较难，更不用说提高学习兴趣了。因此结合高职院校的传感器技术教学经验，对该课程教学改革进行了探索。

一、高职院校传感器技术课程教学现状

1.理论教学方面

谈到理论教学，首先要追溯到教材问题。当前，高职院校的传感器技术理论教材种类繁多，琳琅满目，大多教材偏重于抽象的传感器原理推导，基础知识差的学生很难掌握，导致学生学不会的现象严重。其次，涉及到教学方法上。目前，大多数高职院校的传感器技术教学依然沿用传统的教学模式，教师灌输知识，学生被动接受，模式单一，无法调动学生的学习积极性，更不用说培养学生的创新能力了。因此，高职院校的理论教学要遵循“必需、够用”的原则，改变传统思维，不断探索一些新的教学方法，把抽象的传感器技术原理变得具体化、简单化，使其有利于学生的学习与接受。

2.实践教学方面

高职院校的培养目标是高级技师、高级技工，对于教学来讲，主要侧重于各类传感器的应用。目前，大部分高职院校做传感器技术的实验设备落后、匮乏，学生只能在实验台上按部就班地完成一些验证性的实验，缺乏主动性和探索性，很少涉及传感器实际应用，更谈不上创新和工程实践，根本无法提升学生分析问题和解决实际问题的能力。近些年来，新型传感技术的发展日新月异，涌现出大批先进的传感器，与学校做的简单验证性实验、演示性小实验相差甚远，学生毕业以后相当长一段时间都与自己的工作接不上轨。

二、理论教学内容与教学方法的改革

传感器技术课程有以下特点：首先是该课程涉及知识面范广，涵盖信息量大。各章节的教学内容大部分按照传感器的原理类型分开，相对比较独立、分散，缺乏延续性和整体性。其次是该课程实践性强。由于传感器的实际应用十分广泛，大至宇宙飞船、飞机，小至家用电器洗衣机、热水器都用到传感器，因此，该课程与实践结合非常紧密。

这门课传统的理论教学都是先介绍传感器的工作原理，再进行理论推导、定量分析，涉及实际应用较少，课堂组织形式单一，很难调动学生的积极性。所以高职高专的传感器理论教学应本着“必须、够用”的原则，简化理论推导和分析，尽可能结合工程实践介绍各种传感器的主要性能、信号转换与处理的方法、实际应用效果。为突出理论教学重点，提高学生的学习兴趣，在教学实践中采用了以下教学方法：

1.利用多媒体技术，丰富教学手段

教师根据自己的教案制作多媒体课件，并将多媒体课件与板书相结合，通过声、光、电、图片、动画、视频等手段突出教学的重点，分散教学难点。以差动电感传感器的工作原理为例，把差动变隙式和差动螺线管式的工作原理做成动画，两个衔铁的上下动作把由于衔铁运动而引起的感应电动势的变化表现得非常形象，学生能很轻松地理解差动电感传感器的工作原理，弥补了由于客观硬件先天不足而引起的操作不可实现性。另外还可以从网上下载滚柱直径分选装置应用的一些视频，放到多媒体课件里，课堂上能让学生身临其境地观看该装置的工作过程。

2.用实例演示，形象教学方法

为了打破理论教学的单调无味，在课堂上，教师可以结合日常生活设计一些简单的小实验演示给同学们看。比如讲授气敏电阻传感器时，可以让学生拿来啤酒做现场演示；讲授霍尔传感器时，可将霍尔开关装在教室的门上，来演示霍尔元件对磁铁的感应；讲授热电偶传感器时，可用打火机烧铜丝和铁丝的接头来产生电动势，灼烧过程中可以让同学们观察万用表的电压读数。当然，这些简单的小实验也可以请一部分同学在课堂上亲自演示，激发同学们的学习兴趣。另外，也可以购买一些工业上实用的传感器在课堂上进行展示，例如用途广泛的数字温度传感器以及小型液位变送器等，可以把这些传感器直接拿到学生的面前，让学生对其有个形象直观的认识，然后讲解他们的应用价值、应用实例以及接线过程。对于一些无法在课堂上实现演示的传感器，可以搜集一些工程实践应用的图片、视频放在PPT上展示给学生。

3.鼓励学生课外电子设计制作

电子设计制作有助于学生把所学的理论知识转化为实践技能，并在实践中充实理论知识；同时也能把专业领域内其他学科的理论知识有机结合起来，形成整体的专业知识体系，更有利于完备学生的知识结构。比如学习压阻传感器时，可以让同学们自己设计一个电子称，电子称系统包括压力传感器、电桥、放大电路、AD转换电路、显示电路等，需要学生掌握电路、电子、编程等课程的相关知识。[4]

三、实践教学方法改革

1.巧妙设计课内实训项目

现有实验室的传感器都集成在实验箱里，而且是固定的几个验证性实验，功能性、综合性实验较少，与日新月异的传感器的发展相差甚远。为了让学生更多地了解目前传感器的发展与使用现状，缩小教学与实际应用之间的差距，必须加强教学实践环节，把课内实训转化成项目实践。可以采用CDIO（CDIO，Conceive-Design-Implement-Operate，即“构思-设计-实现-运行”）工程教育模式，以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的方式学习工程。[5]该教育理念就是让学生身临其境地感受到一个产品或系统从基本构想、设计、研制实现直到实际运行的完整开发过程，培养学生学会解决问题的能力，执行过程中以教师为主导，以学生为主体。例如，可以让学生运用学过的知识，给机器人做一个一闪一闪的眼睛。先引导他们思考该系统都用到哪些知识，可能是单片机控制器、LED灯、电缆、调试器、传感器、相关软件等；把学生分成小组，小组里的每个同学分别承担一项任务，引导他们完成设计、实现、运行；每个同学都把自己的作品展示出来，向老师和同学汇报自己的思路和所做的工作；经过提问、解答，教师可以给小组里的每同学所做的工作进行分析、评定。

2.带领学生参与设计大赛

机器人创新大赛和电子设计大赛都是教育部倡导的大学生学科竞赛，它们不但有助于培养学生的创新意识、团队协作精神和良好的工程素养，而且还可以让学生逐步形成理论联系实际的学风，积极踊跃地参加课外科技活动的习惯，为国家培养创新人才打下良好的基础，为优秀人才的脱颖而出创造条件。在整个参与比赛的过程中，学生不但可以进一步巩固、完善所学的传感器知识，还能有机地结合其他学科的知识，把抽象的理论知识转化综合成实践能力，充分理解各种原理和应用，建立起完备的知识网络，促进教学。

四、课程考核方式和评价的改革

以往这门课考核的是各个知识点的记忆、与传感器原理相关的计算、分析，几乎很少涉及实际应用，而期末考试一考定音势必限制了学生的知识范围和思维模式，现在尽量考核学生的理论知识应用能力、动手实践能力、创新合作能力和语言表达能力。成绩的评定也不再单纯由教师承担，而是由学生自我测评、学生之间互评与教师评价相结合来完成。

这种考核模式以提高学生的能力和素质为目的，以考勤、作业项目、课外实践、实验能力、专业知识、语言表达能力和创新合作精神为依据，综合对学生进行成绩评定。例如可以是平时成绩（作业+考勤）占20%、实验能力20%、课外项目实践30%、期终报告占30%；其中后三项各项评价中教师占50%，自我评价占15%，学生评价占35%。另外，让学生参与成绩评定的同时也培养他们正确的自我评价和评价他人的能力。

五、完善教学配套设施

前面所述的各种改革措施，不仅需要教师投入大量的时间和精力来实施，学生付出大量的时间和行动来配合，更重要的是需要学校从软硬件各方面来完善配套。首先是从政策上倡导并支持教师教育教学改革，其次是从硬件上提供相应的条件。

六、结束语

针对目前高职院校传感器技术课程教学的种种缺陷，结合本院学生的特点和实际情况，本文提出的分应用多媒体技术、灵活运用实物演示以及鼓励学生参与课外制作的理论教学方法，极大地激发了学生的学习热情，明显提升了课堂教学效果；在实践教学方面，本文提出的加强课内实训设计和带领学生参与设计大赛的实践教学方法，很好引领了学生的创新意识，并且为学生提供了足够的自由度，激发了学生的主动性和创造性，使不同学习层次的学生都能体会到设计的乐趣，加深对传感器及其应用的理解和掌握，达到理想的教学效果。本文提出的成绩评定方式不但规范了日常教学过程的管理，而且提高学生学会学习、自主学习的能力。

参考文献：

[1]张玉莲.传感器与自动检测技术[M].北京：机械工业出版社，

2007.

[2]彭承琳.生物医学传感器原理及应用[M].北京：高等教育出版社，2000.

[3]郁有文，常建，程继红.传感器原理及工程应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2003.

传感器设计论文篇5

关键词：传感器技术 PBL 多维递进 课外研习 专题网站

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）012-338-02

1 引言

传感器是获取控制信息的主要手段，通常作为关键环节位于连接被测控对象和测控系统的接口位置，其基本原理和应用是现代科学技术人员必备的基础知识，故传感器技术相关课程是电气工程类、机电类及自动化类专业的一门主干课程，近年来更是发展成为电类专业乃至所有工科专业的重要选修课。

从课程性质看，传感器技术是一门内容复杂、实践性很强的交叉学科，在整个测控课程体系中具有承上启下的重要作用。然而，笔者结合多年教学经验发现，传感器课程教学仍存在不少问题，如教学内容滞后，内容分散，整体连续性不强；轻实践，与工程实践脱节等等。

为解决这些问题，笔者对高校学生的学习特点和思维方式进行具体分析，由此提出以项目为导向的多维递进式PBL教学模式，结合优化举隅、课外研习、专题网站等多种教学手段，改变传统教学的诸多弊端。

2 学习对象特点及PBL模式

2.1 学习对象特点

高校《传感器技术》教学面向的对象是大二或大三年级的学生，他们的自我调控已建立在稳定的人格基础之上，学习动机倾向于信念型与兴趣导向，学习目的性、独立性及自主性强，思维的组织性、深刻性已发展到较高层次；且积累了一定的专业理论知识基础，知识学习与思考问题具有系统性、批判性。

2.2 PBL模式

PBL是指学生在教师的指导下，从自身的学习和社会生活、自然以及人类自身发展中选取研究专题，以探究的方式主动获取知识、应用知识、解决问题。这一模式中，问题是学习的起点，也是优化教学内容的依据；教师不纯粹是知识的讲解者与传授者，他们的工作重点是课前的设计和课后的反馈、反思。

因此，采用多维递进式的PBL教学模式，是符合高校学生的学习和思维特点的，它培养学生“主人翁”精神，可很大程度地激发学生的兴趣和积极性，主动发现问题和探索解决办法，从而培养他们动手和创新思维能力。

3 建立多维递进式PBL教学模式

根据传感器技术课程特点与授课对象的学习及思维特点，建立有效的传感器技术研究性学习（PBL）教学模式，结合多种教学方式与手段，将其深入贯彻到理论教学、实验教学及课外研习等环节，同时依托专题网站的建设和应用，整合可利用资源，从理论教学、实践教学、课外研习及专题网站着手，多维递进地贯彻“学习研究一体化”的思想，最大程度地激发学生学习兴趣，培养其动手及创新思维能力，提高教学质量和效率，改善传统教学的弊端，解决现存问题。

多维递进式PBL教学模式的研究框架如图1所示。

3.1 理论教学

如图1所示，理论教学中，分别从两个方面去改革：（1）优化教学内容；（2）整合教学。

3.1.1 优化教学内容体系

教师基于PBL教学的内涵和特点的探索和研究，对传感器理论知识体系进行科学的归纳梳理，删减部分理论性太强及细枝末节的内容，结合相关研究项目成果，同时增加新型传感器、新应用和相关研究项目的内容；从内容上淡化较为枯燥的理论或和专业较不相关的知识点，增加实践性、趣味性、直观性、新颖性强的内容。如自动化行业很少直接应用到成分检测技术，所以针对该专业的学生，此部分内容抽象且实用性不强，理应适当删减。而热释电红外传感器在电器行业、安全防护等应用广泛，如电视机、自动开关、防盗报警器等，也有不错应用前景，如智能汽车、机器人等。可适当增加相关内容。

3.1.2 整合教学手段

基于多媒体技术，采用项目导向式、优化举隅式、启发式、及案例展示式、研讨式等为一体的教学方式与手段，如以某些项目研究为导向，有目的地展开相关知识体系的讨论与讲授，并结合项目研究成果进行演示，强化知识或精选有趣的案例进行动画或视频展示；对同一类传感器进行采用优化举隅；或就某个主题引导学生收集并整理材料，巧设问题，展开主题讨论、演讲等等，在这过程中培养学生发现问题，思考问题，进而解决问题，还能举一反三的能力，在理论教学中培养学生PBL的思想。如在开始讲到温度检测的内容时，可首先向学生提问他们了解的有哪些温度检测方法，因为温度检测应用的领域非常广泛，而且发展历史悠久，学生对此有一定的感性认知和想法，从这个问题切入，可以启发学生去思考，讨论，然后再通过视频、动画或图片进行实例展示先进或新颖的检测仪器，最后再引导学生去思考这些温度检测方法的原理、过程，这样就可以激发学生的兴趣和发散思维，并且很好地引导了学生从感性到更深层次的理性认知。

3.2 实践教学

3.2.1 整合传统实训

就传感器技术的课程特点而言，其实验课时与理论学时比例是不太合理的，且由于实验设备欠缺、学时少等原因，实验多为验证性，缺乏设计性，综合性实验，这是不利于培养学生知识应用能力的提高及创新思维的培养。因此有必要对传统实训的内容进行整合，增加一些设计性、综合性及演示性的实验。实验可分为三类：（1） 要求学生自己操作并掌握的实验。传感器种类繁多，教师应科学设计实验内容。电阻式、变阻抗式及电动势式传感器应用广泛，也是基础性内容。教师可慎选具代表性的实验内容。如电阻式传感器中箔式应变片（测量电路依次是单臂、半桥、三臂及全桥），变阻抗式传感器中的差动变压器、电容传感器，电动势式传感器中的霍尔式传感器等传感器的特性分析实验。（2）学生自己设计及操作的实验。这类实验要求学生有扎实的基础和一定的积累，老师需给予辅导和启发。如在带领学生完成箔式应变片实验基础上，引导学生完成半导体应变片实验的设计和操作；（3）演示性实验。在有限的实验学时里，可适当补充这类演示实验。如热释电红外传感器。该传感器原理简单，操作容易，效果直观，学生兴趣大。

3.2.2 传统实训与虚拟仪器仿真相结合

巧设实验，传统实训和虚拟仪器仿真相结合，弥补实验设备和学时不足。如采用Multisim、proteus等软件构建虚拟电子实验室，有些不能用现有设备完成的实验可用这些虚拟仪器进行仿真，提高实践教学质量，使学生的实践能力和应用相关软件的能力得到进一步锻炼和提高，为学生培养PBL能力打下良好的基础。如可以用proteus软件。

3.3课外研习

课外研习是PBL教学中非常关键的内容，也是贯彻PBL思想的有力环节。传感器技术是一门实践性很强的课程，教师应鼓励、组织、引导学生走出课堂，积极参加学科竞赛、科研项目，有效实现PBL由课内向课外的延伸，形成综合性兴趣驱动的课外拓展性学习，和以科研为背景，课后设计与手工制作实践、学科竞赛为平台的高水平主题研习等不同形式、不同层次、渐进上升的学习研究模式，促进学生学习与研究一体化。

3.3.1课后设计及制作

教师以任务性学习为导向，基于一定的理论知识储备，恰当布置课后的设计或手工制作任务，如设计或制作简易温度计，压力计等等，学生以学习小组为单位，协同进行资料检索、讨论、设计、制作、作品讲解及演示。学生作为完成创新性活动的主体，学习兴趣和主动性充分调动，积极完成任务。如基于红外传感器的果蝇捕杀技术研究，结合单片机的温度传感器设计、传感器技术在厕所节水装置的应用等等作品均具有较高的可行性、实用性和理论成熟度。过程中学生的资料检索、创新思维、动手能力及协同能力均得到很大程度的锻炼。教师可推荐其中的优秀作品参加竞赛，或者转化为其它形式的科研成果。

3.3.2 鼓励学生参加学科竞赛和科研项目

学科竞赛和科研项目是检阅学生专业知识、提高动手能力和培养创新思维很好的平台和方式。而传感器技术作为一种现代科学技术，是一门实用性、新颖性兼具的学科，在工农业各领域中应用广泛，在未来更是有着广阔的应用前景。教师应鼓励、引导学生参加汽车电子、电子设计、节能减排等等竞赛，或参与学院老师的科研项目，勇敢走出课堂，积极参加创新实践活动，把传感器技术理论与实际充分地结合起来，在实践活动中发现优点与不足，不断学习和改进。

3.4专题网站

采用PBL教学模式，教师不再是传授知识的主导，课堂也不再是讲授知识的唯一地点。学生有自主学习的能力，因此教师应创造良好的学生自主学习条件。专题网站建设可丰富课外知识，为学生的研究性学习提供更多的资源和空间。

根据霍兰的复杂适应系统（CAS）理论，教师的教学策略应以促进学习者与教师、学习者与学习者、学习者与资源、学习者与环境的交互为重点。而专题网站的建设和应用给学生和老师的教学提供了另外一个交互平台，且这个平台是不受时间和空间限制的，使学生可更大程度地开展研究性学习。

4结论

根据传感器技术教学存在问题及学生学习特点的分析，结合研究性教学内涵，提出多维递进式的PBL教学模式。从理论教学、实践教学、课外研习及专题网站建设等多方面出发，研究如何将PBL的教学模式多维递进地，全面贯彻于传感器技术的教学中。通过优化教学内容及丰富的教学手段，改变一成不变而枯燥的理论，培养学生发现、思考、解决问题的PBL能力；通过传统实训和虚拟仪器仿真相结合，弥补实验学时和设备的不足，提高实践教学质量，鼓励引导学生课外研习，专题网站学习，充分发挥学生主观能动性，有效实现PBL由课内向课外延伸。尽管如此，传统的教学模式根深蒂固，且由于教学条件的限制，PBL教学模式的贯彻和拓展仍然是一个长期坚持不懈的目标。

（2012年校级教育教学改革研究项目：《传感器技术》多维递进式PBL教学模式研究（G2120012））

参考文献：

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[3] 高美红. 专题学习网站在传感器教学中的应用研究[D]. 中国优秀博硕士学位论文全文数据库，2006.

[4] 陈静. 传感器与检测技术教学改革探索[J]. 中国现代教育装备，2011（15）： 94-95.

[5] 刘新福，刘金河，等.应用现代教学技术开展传感器教学活动的探讨[J]. 信息时代， 2011（6）： 44-45.

传感器设计论文篇6

关键词：传感器；检测技术；实践教学；教学改革

作者简介：马利（1980-），女，湖北仙桃人，河南工业大学电气工程学院，讲师；王秀霞（1979-），女，河南新郑人，河南工业大学电气工程学院，讲师。（河南　郑州　450001）

中图分类号：G642?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）30-0052-02

随着计算机辅助设计技术（CAD）、微机电系统（MEMS）技术、光纤技术和信息技术的发展，获取各种信息的传感器已经成为各个应用领域，特别是在自动检测、自动控制系统中已成为不可缺少的重要技术工具，越来越成为信息社会赖以存在和发展的物质与技术基础。因此，“传感器与检测技术”课程在河南工业大学自动化、电气工程及自动化、应用物理等学科课程体系占据了非常重要的位置。

“传感器与检测技术”是一门集光、机、电于一体，综合物理、化学、生物、材料、电子、电气、计算机、机械等多学科技术于一体的工科电气信息类专业的重要专业基础课程。该课程具有以下特点：涉及内容多，除传感器与检测技术基础知识外，还包括众多电工参量、物理参量、机械参量、成分参量、热工参量的检测原理、方法与技术等内容；各章内容多学科交叉，涉及电学、磁学、光学、化学等学科；各章内容之间的联系并不甚紧密，但都涉及上述多门前修课程的知识及这些知识的综合应用等。[1]

由于该课程的以上特点，学生在学习该课程时，尤其开始时，通常感觉不适应、思维跟不上、枯燥、难以学好。为了更好地适应国民经济建设对自动化、测控技术方面的人才需要，更好地发展学科课程建设，对该课程教学进行改革与实践，提高课程的教学质量已势在必行。

一、主要教学内容和特点

总体上，传感器及检测技术课程分为三部分内容：

第一部分：传感器的基础知识。了解传感器特性指标，传感器输入输出之间的关系，掌握分析传感器静特性和动特性的基本方法，在给定条件下熟悉计算稳定时间和工作频率的方法以及传感器的标定。主要了解传感器及检测技术的基本概念；传感器特性及其标定；掌握检测数据的处理及误差分析的方法。

第二部分：各种常用传感器的介绍。理解并掌握各种类型传感器原理及应用知识，主要有电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、磁电式传感器、压电式传感器、光电式传感器、热电式传感器。

第三部分：检测技术的主要问题。了解检测的感念、测量的方法、测量系统的组成和数据处理的一般方法。掌握传感器的应用基础、如何设计与构成检测系统等内容。

理论教学中的难点主要有以下几个方面：一是内容多，传感器种类多、应用广泛，原理复杂，对物理知识要求高，学生把握重点有困难；二是课程中传感器以结构传感器为主，有大量的传感器结构图形，对平面图形学生理解有难度；三是传感器是一门工程应用背景很强的课程，需要理论结合实际；四是接口电路复杂，对模拟电路等电学知识要求较高。

二、教学中采用的方法与手段

1.将先进的教学方法引入课堂，并以实际工程为背景，重点放在传感器的应用上

根据每次讲授内容，尽量讲解符合内容的工程实际案例，以工程应用背景的案例激发学生的学习兴趣，同时将案例的讲授与相关实验结合，在枯燥的理论教学过程中很好地融入了有趣的实验过程，以提高学习效果；对讲授的内容进行精心选择，突出重点、难点，结合实际进行比较，删除过时的内容，同时对有些内容安排学生自学，提高学生的自学能力。

2.“教、学、做”一体化教学模式

检测技术是实践性很强的课程。西方有一句名言：“听过的我会忘记，看过的我能记得，做过的我才理解。”把大部分课程搬到实验室讲授，理论讲解、动手实验、交流讨论交替进行，使学生将“知识”迅速转化为“能力”，同时保证实践性环节的顺利开展。同时，采用实物实验与理论实验相结合的教学实验方法，以提高实验效果，利用自行研制的一些实际传感器及放大电路辅助教学，在实践中学习，使深奥的理论变得生动易懂，达到理论与实际相互补充、相互对应，调动和激发学生的学习积极性。

3.制作丰富多彩的多媒体课件，将科研成果引入课堂

由于检测技术的发展迅速，再加上教材需要一定的出版周期，使教材内容滞后于学科发展。为弥补这方面的缺陷，在教学内容组织上采用以自行制作的多媒体课件为主、以书本教材为辅的形式。课件制作利用声音、动画、图片等形式帮助学生更好地理解课程内容。在教学内容方面，把握重点、难点的同时积极了解新技术的动态，及时补充反映新的传感技术的内容，力求使学生了解传感器前沿发展。教学中尽可能插入新型传感器产品的介绍以及一些科研经历、科研成果和正在进行的科研项目。把相关科研成果在课堂上展示给学生，大大拓宽了学生视野，同时激发了学生的学习兴趣，达到良好的教学效果。

三、注重实践教学

1.利用现有的实验室，开设相应的开放性设计实验

传感器与检测技术作为一门实践性很强的课程，实验在课程教学中占有起重要作用。以实验室丰富的实验教学条件，配合教学的要求，安排多个学时的实验。

但是毕竟课堂教学时间有限，为了让学生更好地掌握常用传感器的使用和标定方法以及接口电路的设计，同时还开设了相应的开放设计实验。学生通过开放设计实验的训练能够对传感器有全面的认识，能独立进行实验数据读取和实验结果分析，加深对理论知识的理解和认识，也让学生对传感器的选择、使用和接口电路特点有一定的认识。同时能够独立设计简单的传感器和接口电路，具有使用和分析传感器的初步能力。

2.构建了新的实践教学体系

本课程与实际应用联系紧密。实践教学是培养学生动手能力和创新思维能力的重要教学手段，也是积极响应学校应用型人才的培养目标总体办学指导思想的一项重要内容。除了进行理论学习之外必须加强实践环节，学生通过自己动手进行实验操作，有助于牢固掌握传感器与检测技术的基本知识，同时可以加深对一些较为抽象的工作原理的理解，通过实验进一步学习传感器在工业测量控制中的实际应用。

在实验内容的设置上，我们压缩了验证性实验的教学时数，加大了综合性、设计性和创新性实验学时数；同时，开设了与本课程相关的4周创新性实践课程，为本课程的连续性动手能力的培养打下了基础；并设立基于本课程的开放性试验，开放创新实验室，给学生实践动手能力的提高提供良好的环境和硬件平台，同时积极鼓励、支持和指导学生参加各类电子设计大赛。

3.学生科技创新和实践创新与课程相辅相成

在学校各级领导的大力支持下，积极主动地多方争取、创造条件，开展了一系列卓有成效的基于传感器与检测技术的大学生实践与科技创新活动，并取得了良好的效果。通过这一系列的学生竞赛活动，使学生利用传感器来进行项目开发的能力和水平具有了很大的提高，具有了一定的设计开发能力，大大激发了学生对本课程学习的热情，营造了本课程学习的良好氛围。同时定期举办专题讲座，了解学生学习及应用中存在的问题，并加以指导。鼓励学生在日常生活中寻找课程设计题目，用传感器与检测技术解决实际问题，开阔了学生眼界，丰富了学生的知识，提高了学生的创新能力，形成了良好的师生互动的课外学习环境，得到了广大师生的肯定。

4.科研项目与教学内容相结合

不断的将科研成果、科研项目和教学成果引入教学，及时跟踪传感器与检测技术的最新进展，把科研成果或项目中的具体问题与课程相关章节结合。例如，结合粮库粮情监测系统讲授温度传感器、湿度传感器的原理；根据避障机器人的原理讲授CCD图像传感器或超声波传感器原理；结合智能小车讲授光电传感器以及光电编码盘等，如此不断丰富教学内容，形成了独特的教改发展之路。

积极将科研成果转化为教学内容，引入课堂教学，让学生了解科技发展前沿，帮助学生端正专业思想，激发学生的学习兴趣。更重要的是促进了学生成人、成才，即教书又育人。并及时将科研成果转化为教学内容，出版新的高校教材，发表相应的教改科技论文。

同时积极承担部级和省部级、校级科研基金项目，并将科研项目的一部分作为学生科技活动或毕业设计（论文）的实践性课题，指导他们开展科学研究，提高学生的实践能力、创新能力。

针对传感器与检测技术课程具有理论丰富、实践性强等特点，河南工业大学电气学院传感器课程组广大教师团结协作，近年来结合自动化技术发展的趋势、根据不同授课对象的专业培养计划广泛吸收先进的教学经验，积极整合优秀教改成果，成功地整合了该门课的课程体系，改革了教学内容和方法，形成了具有鲜明特色的教学体系，在课程建设上取得了一定成效。

参考文献：

[1]蒋全胜，吕家云."传感器与检测技术“课程教学改革初探[J].巢湖学院学报，2009，（3）：144-146.

[2]廖京盛.检测技术课程教学改革探索.第七届全国高等学校电气工程及其自动化专业教学改革研讨会，2010，7.

[3]谢森林.《检测技术与仪表》的教学改革与研究[J].科技信息，2010，

传感器设计论文篇7

关键词:陶瓷压阻式传感器 有限元 静态分析 模态分析 谐响应分析

中图分类号: 文献标识码:A文章编号:1007-9416(2010)05-0000-00

引言

随着科学技术的发展,作为自动化、智能设备的感官部件的传感器也得到充分的发展。压力传感器是目前应用最为广泛的一类传感器,随着应用领域的的拓展,对其材料和性能的要求也越来越高。本文要讲述的是一种应用在汽车空调系统上的新型压力传感器¬――陶瓷压阻式传感器。由于汽车空调多功能压力控制器的工作条件为-40～125℃,汽车在各种道路条件下运行,汽车空调系统承受着巨大的热负荷、热冲击、振动等,因此要求多功能压力控制器能适应温度、湿度、冲击、振动、腐蚀及油液污染等恶劣工作环境。陶瓷材料具有高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的特性,陶瓷传感器作为目前研发的重点方向之一,发展比较快。

本文首先介绍了一种新型陶瓷压阻式传感器进行了结构组成和工作原理,然后应用ANSYS有限元分析软件对该传感器进行了静态、模态和谐响应分析,并讨论了传感器的电压与静力、动态外力的幅度、频率之间的关系。通过模态仿真得到陶瓷压阻式传感器的固有频率。

1 传感器的结构组成与工作原理

陶瓷压阻式传感器结构外形图如图1所示,感应元件采用圆平膜片结构,材料为96%Al2O3陶瓷,传感器主要由弹性膜片和厚膜电路两部分组成,另外还有基座和补零电路等。

弹性膜片接受外来压力,产生形变。由于所测压力直接作用在弹性膜片前表面,并且陶瓷具有极好的抗腐蚀性能,所以任何流体都可被直接测量。厚膜电路印刷在陶瓷弹性膜片的背面,由四个电阻R连接成一个惠斯顿电桥。

当被测压力作用于陶瓷弹性膜片一面时,弹性膜片将产生偏移,如图2所示,

当厚膜电阻在任意晶向受到纵向和横向应力作用时,其阻值的相对变化 为:

式中, 为纵向压阻系数, 为横向压阻系数, 为纵向应力, 为横向应力。

当惠斯顿全桥采用恒压源做激励源时,则它的输出电压 为:

式中, 为激励源电压, 是由于温度的增加而产生的电阻变化。由于该传感器应用在汽车空调系统上,温度变化范围较大,为了减少温度影响,压阻器件一般采用恒流源供电,它的输出电压 为:

2 传感器的仿真分析

2.1 传感器的几何建模和单元划分

首先对图3中弹性膜片建立实体模型。单元类型采用SOLID92高精度实体单元,其中每个单元由10个节点组成,各节点均具有3个平移自由度,陶瓷材料的弹性模量 ,泊松比为 ,密度为 。然后对实体模型进行网格划分,建立弹性体的有限元模型,其中共有4147个节点,2132个单元,如图3所示。

2.2 传感器仿真分析

2.2.1 传感器的加载与求解

在传感器进行压力测量时,可以认为传感器受到的是均布压力,因此在弹性体与被测量接触的圆模面和杯壁内面施加与其垂直的均布压力。弹性膜片的底面外圈是与封接材料固定连接的,它们之间可以认为是刚性连接,并且在传感器进行测量时,其基座是被固定在被测物体上的,因此将弹性体接触被测量的环形底面的全部自由度设置为零。

在施加完载荷后,进行求解,得到弹性体在受到满量程5MPa压力作用下的变形如图4。

由上图可以看出,在5MPa均布压力作用下,弹性体的中心应变最大,为0.1297 mm

2.2.2 传感器的模态分析

模态分析用于计算结构的固有振动特性,这种分析的目的是确定结构的固有频率以及振型。模态分析是其他ANSYS动力分析的基础,例如基于模态叠加法的瞬态动力学分析和谐响应分析、响应谱分析等。下面对圆形弹性膜片进行模态分析。在结构参数与静力分析中一样,边界条件为周边固定的情况下,得到弹性体的前四阶振动频率,如表1。

其中一阶频率即为弹性膜片的固有频率,为22.2kHz,工作带宽可由一阶固有频率的2/3来确定,因此估算处该传感器的工作带宽为0～14.8kHz。

2.2.3 传感器的谐响应分析

持续的简谐载荷作用于结构上会产生同频的稳态响应,通过谐响应分析能预测结果的持续动力特性,从而设计人员能验证其设计能否成功地克服共振、疲劳及其他受迫振动引起的有害结果。利用ANSYS提供的谐响应分析功能,可确定线性结构在随时间以正弦规律变化的载荷作用下的稳态动力响应最大值随载荷频率变化的规律。对弹性膜片进行谐响应分析,分析弹性膜片在5MPa的压力下,频率1～50kHz,载荷步为2500时,弹性膜片中心最大应力处节点1065和边缘最大应力处节点949应变大小与外力的关系模拟结果如图6-7所示。

由上图可看出:当外力频率越接近本振频率,产生的应变越大:在22.2kHz的频率时,5MPa的压力最大可产生118.75mm的应变,导致弹性膜片破碎,应避免该频率外力的产生。

3 结语

本文介绍了一种应用在汽车空调系统上的新型的陶瓷压阻式传感器的结构组成及工作原理。然后利用有限元分析软件ANSYS11.0对该陶瓷传感器进行动静态分析。通过静态分析,得出弹性膜片的中心最大挠度为0.1297 mm,满足小挠度理论;仿真分析和理论计算得出该传感器的固有频率为22.2kHz,工作带宽为0～14.8kHz。谐响应分析的得出当外力的频率的在固有频率处的最大应变为118.75mm,应尽量避免该频率外力的产生。这些分析为其他量程的此类传感器的设计提供了理论依据。

参考文献

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[6] 张涛,李敏雪,杨波,陈得余.电容式角位移传感器三维电场有限元分析及仿真研究[J].计算机仿真,2003(12).

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[9] 张洪润主编,传感器技术大全[M].北京航空航天大学出版社,2007.10.

传感器设计论文篇8

1硬件设计

1）硬件电路总体结构。根据石油勘探的需求，结合MEMS传感器工作原理与特点，数据采集器主要采用低噪声运放OPA4228设计高信噪比的模拟放大电路，并依靠24位高分辨率的A/D芯片接入DSP。在DSP系统中，根据数字信号处理方式，以信号频域、时域特性为基础，通过提取弱信号来提高信噪比[1]。2）MEMS加速传感器。本次研究中，MEMS加速传感器以硅为基础，属于差动电容式传感器。差动式电容的中间电极由加速传感器质量模块构成，电容器中间电极面积就是质量模块面积。两边电极与质量模块分别形成2个电容器。在传感器运行过程中，当发现在Y方向（不确定的某一方向）出现加速度时，质量模块就会向该方向的反方向偏离，导致电容出现相对变化，电容相对变化的大小，即为加速度的实际值。现阶段，常见的MEMS加速传感器为三臂梁结构的加速传感器，该结构的特点是：质量模块不是方形结构，而是一种正六边形结构，臂梁与硅片主晶之间不全部平行。该结构的优点是灵敏度高、抗干扰能力强。MEMS加速传感器的主要技术指标为灵敏度与固有频率，其中，灵敏度Y的计算公式。

2软件设计

石油勘探MEMS传感器数据采集器的软件系统，包括DSP程序模块系统、ARM程序模块设计等，本以此为基础，对石油勘探MEMS传感数据采集系统的团建系统设计内容进行分析。1）DSP程序设计。DSP程序需要完成A/D转换驱动、数字滤波与信号识别等多方面内容。本文简单统计常规条件下DSP程序运行流程图，具体数据见图1。《仪表技术和传感器》指出[3]，5509是DSP程序中支持eXpress-DSPTM的关键，同时，5509所使用的唯一内存映射（代表程序空间与数据空间所共处的空间）。同时，在DSP设计过程中，要保证每个DARAM模块都能在特定时间内完成固定访问（一般情况下为2次/周）。2）数据信号处理程序。为保证石油勘探MEMS传感器数据采集器能有效收集、处理相关数据，必须要对数字信号处理程序进行优化。其中，CAN通信模块是整个数据信号处理程序的核心，本文通过CAN通信模块设计对数据信号处理程序进行讨论。现阶段，CAN控制器主要存在两种工作模式，分别为增强模式与基本模式，两种模式均遵照CAN协议，进行错误数据处理、数据编码等工序。CAN基本模式发送、接收等缓冲器长度为10字符，并且支持一种帧格式，一帧信息通常为2~10字节，前两位字符由远程请求、描述符等组成。描述符之后就是数据场，由1~8字符组成，负责分析、记录相关数据。CAN增强模式支持扩展帧与标准帧，报文标示符为29位。通常情况下，CAN控制器为提升错误数据处理能力，会相应的增加部分特殊功能寄存设备，如出错码捕捉寄存器、仲裁捕捉寄存器等。3）APM程序设计。APM程序设计的重点PS485通信程序设计。目前，RS485通信主要为半双工通信。由于在采样过程中对信号采集速度提出较高要求，同时，现阶段RS485通信串行输出波特率为115200，经过相关转换器处理后，可直接将数据传递给上位机软件，而上位机软件，能根据数据具体情况，进行参数设置、显示信号波形、储存数据等处理[4]。

3结束语

传感器设计论文篇9

【关键词】传感器；课程设计；改革

1.引言

《传感器原理及应用》是测控技术与仪器专业一门重要的专业基础课。传感器是感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号（通常为电信号）的器件或装置，信号的检测与处理是组成先进的自动测试系统和过程控制系统必不可少的技术手段。所以传感器是发展仪器仪表、自动控制、机电一体化产品和广泛应用计算机的前提条件。开设传感器原理及应用的课程设计环节，可以使学生加深对理论知识的理解，增加对传感器的性能、检测电路的结构形式、传感器与电路的配接等内容的认识，为毕业设计服务。

2.《传感器原理及应用》课程设计改革思想

笔者所在学院的传感器原理及应用课程包含三个环节：课堂教学、实验教学和课程设计。课堂教学主要为学生讲解传感器的工作原理及内部结构。实验教学主要是为了提高学生的动手能力，以及分析、解决问题的能力，加深学生对课堂教学中理论与概念的感性认识，包括基本性实验、综合性实验、开放性实验3个模块。课程设计利用前面两个环节所学知识完成一个传感器应用系统的设计，是实践性环节，也是课程教学的重要环节。三个环节相辅相成，最终要求达到理论教学与实验教学并重、课堂讲授与学生动手相结合的教学目标，力求使学生对所学知识点举一反三，理论联系实际，提高他们的综合能力和水平。

在这三个教学环节中，课程设计是最难的一个，它对学生的创新能力和综合素质都提出了很高的要求，更偏向于实践。而传感器原理及应用是一门实践性很强的专业课，学生所学的基本理论最终都要运用于实践，所以课程设计也是最为重要的环节，可以直接用来检验学生对课程的掌握程度。因此，必须做好课程设计的教学工作，切实提高学生的相关实践技能。

2.1 增强命题的多样性，启发学生的兴趣

兴趣是最好的老师，学生的兴趣很大程度上决定了教学的质量，课程设计也是如此。教学过程中，要始终注意调动学生的积极性。大部分院校的课程设计命题普遍是面向工业生产的，如“电阻传感器称重测试系统的设计”、“温度测试系统设计”等。这些命题专业性强，也有很好的使用性，但如果改成“常用电子秤设计”、“冰箱恒温系统的实现”等，其实质未变，且更易调动起学生参与设计的积极性，提高教学质量。

2.2 加强学科间的联系，拓展学生的综合素质

《传感器原理及应用》课程既是电子、自动化、机电一体化等专业的一门专业课，在现代检测与控制系统中有着举足轻重的作用，也是一门内容繁杂的交叉学科。如果仅仅应用所学的传感器知识来解决生活生产中的问题，必定会令学生茫然，对设计课题无从下手。例如本院的课程设计命题“电阻传感器称重测试系统的设计”，其设计要求为：系统基本结构设计、称重传感器的选择、放大器与A/D转换器的选择、测量不确定度的预估。可以看出，设计要求主要偏向于传感器相关知识，但是仅仅有传感器是不能组成一个完整的测试系统的。例如，传感器必须通过适当的接口电路或者接口软件的“衔接”，才能满足信号的测量、处理、显示和控制的要求。在实际的课程设计中，教师应鼓励学生联系所学的单片机或虚拟仪器课程的相关知识，加强学科之间的联系，实现真正意义的测试系统的设计，拓展学生的综合素质。

2.3 自主把握命题的难易度，发挥学生的主观能动性

课程设计题目可以由各个课程设计小组经讨论后自行确定，也可以在教师预先设定的题目中进行选择，然后各组独立完成，由学生自主把握命题的难易度。针对不同学生的学习能力和学习兴趣，课程设计分为两个层次，学生已经学过的知识且必须掌握的内容属于基础层次，划出范围，要求学生复习巩固，加深理解；而学生没有学过的内容则属于提高层次，主要通过学生的自我学习，达到能够应用并完成课程设计的水平。

3.传感器原理及应用课程设计的内容模块设计

课程设计以电子称重系统、温度检测系统等为实验对象，运用现有知识，从设计系统结构，建立系统的数学模型，到实际构建系统，观察记录系统的运行特点，从而评判该系统的综合性能。设计要求综合性强，要求学生在具备了一定实验能力的基础上，综合运用所学到的模拟电子技术、数字电子技术、传感器、单片机技术、虚拟仪器技术、计算机等知识，用科学的方法分析问题，解决问题，系统流程见图1。

以测温系统为例。在工业生产、家庭办公与自动化等领域里，温度是需要测量和控制的重要参数之一。因此温度的测量是《传感器原理及应用》课程设计中比较常用的命题。布置命题时，提出冰箱、空调等常见的电器如何工作这个问题，并且以解决温度检测为教学的导入点。此问题提出后，引起学生浓厚的兴趣，在教师的引导下讨论逐步深入，切入主题。结合课堂教学的基本知识，以几种常用的温度传感器为主体，可以得到三种设计方案：K型热电偶测温系统如图2、集成温度传感器(AD590)测温系统如图4、铂热电阻(Pt100)测温系统如图3，由三组学生分别同时设计。学生针对不同传感器的特性选择合适的测量电路。根据学生自主选择，将采集到的信号连接到虚拟仪器技术设计的实验平台上，或者直接输送给单片机。最后由这三组学生共同对这三种温度传感器构成的测温系统进行对比分析，提高分析问题解决问题的能力。

整个系统采用模块化设计，分为：信号采集系统，核心元件为温度传感器；测量电路模块，将传感器得到的电信号转换成标准电信号；信号处理、显示模块，将电信号通过适当的硬件接口电路或者接口软件记录、存储、显示。由于课时的限制，对于难度较大的信号处理、显示模块可将提前做成模块提供给学生在课程设计中使用。通过这样的实践教学环节，在完成教学大纲要求的教学任务的同时，又在一定程度上激发了学生的设计兴趣与积极性，突出了实际应用能力和创新能力的培养。

4.课程设计成绩评定

课程设计的成绩评定分为两部分：一部分是评价设计项目的可行性和最终效果，在答辩时由教师给出，占设计成绩的40%。另一部分是评价学生在设计过程中的表现，考察学生的学习和工作态度及其对团队的贡献等方面。学生的学习和工作态度，可以由平时表现和具体课程设计的报告得出，由指导教师给定，占总成绩的30%。学生对设计小组的贡献由同组同学与其他同学给出，占剩下的30%。这种评价方式改变了单一的由老师统一给定成绩的考试评价方式，有助于调动学生的学习积极性，促使他们积极参与到课程设计里，培养学生的团队协作能力，通过努力体现自身价值，为学生毕业后参与设计工作打下良好的基础。

5.结束语

学好一门课程不仅仅是记得相关的理论，更重要的是要将其应用到实践中去。课程设计环节在一定程度上保证了课程理论与实践的良好结合。课程设计的课时是有限的，如何引发学生的兴趣，把握课题的难度，使学生在有限的课时里，最大程度地得到锻炼，需要教师以己度人，站在学生的角度去考虑问题，最大程度地提高课程的“投入产出比”。

参考文献

[1]王立忠.《传感器原理及应用》课程教学的改革与实践[J].廊坊师范学院学报(自然科学版),2010,10(4):116-117,123.

[2]杨鹏.《传感器原理及应用》研究型教学实践与思考[J].中国现代教育装备,2008(10):85-87.

[3]姚齐国.传感器原理及应用课程教与学的思考[J].高等教育研究,2009,26(4):35-37,40.

传感器设计论文篇10

【关键词】传感器；理论教学；实验教学

1.引言

传感器是一种将非电信号转换为电信号的器件，它是实现自动检测和自动控制的首要环节，在工农业生产以及人们日常生活中具有广泛的应用。目前《传感器原理及应用》课程已经成为高等院校电子及自动控制类专业的一门必修课，日益受到教师和学生的重视，尤其是将传感器与单片机等课程相结合便可设计制作出一些简单而实用的智能测控系统，更是激发了很多学生的学习兴趣，并进一步提高了他们的动手能力，因而搞好传感器的教学工作具有重要的现实意义。

2.传感器的理论教学研究

2.1 精选教学内容

传感器种类繁多，原理也各不相同，在讲授的时候，不可能全讲，但对经典类型的传感器或者常用传感器的讲解是必不可少的。如果按照原理来划分，常用传感器可分为电阻式、电容式、电感式、热电式、光电式、磁电式等几个大类。不管哪种类型的传感器，其结构大致可分为三个部分，分别是：敏感元件、转换元件，转换电路。对于同一类型的传感器来说，如果功能不同，那么其所对应的敏感元件可能会随之变化，但其转换元件、转换电路则可能是相同的。故而在讲授的时候可以详细地分析某一类传感器的工作原理，敏感元件的选取，转换元件及转换电路的设计，以及对温度误差的修正等等，之后举一反三，对其他种类的传感器也按照这种模式来讲解。比喻说我们将电阻应变式传感器作为精讲的对象，首先它的敏感元件为弹性体，转换元件为电阻应变计，转换电路则是一个电桥，另外为了克服温度误差，可以选用多片应变计构成温度补偿电桥，这样既可以补偿温度误差，又可以提高检测灵敏度。之后在学习电容传感器、电感传感器的时候，就可以以电阻传感器为例，按照前面的逻辑顺序展开，由敏感元件到转换元件，再到转换电路，最后再到对误差的修正补偿等等。这样做重点突出，繁简适当，既提高了效率，也有利于学生理解。

经典类型的传感器很多都是上世纪六七十年代的产品，有些已不能满足现在生产实践的需要，学生在学习中也表现不出太高的兴趣。因而必须扩展一些新的内容，将现实生活中，经常用到的新颖的传感器展现给学生，以提高传感器课程的实用性，并激发学生的探索欲望。比喻目前应用较广的PVDF压电薄膜传感器，霍尔式传感器，还有生物传感器和智能传感器等等，这些传感器不仅应用广泛，而且采用了当前新开发的传感材料或者是先进的微电子技术，代表了传感器今后的发展方向。

2.2 改进教学方法和手段

2.2.1 多媒体教学

多媒体教学具有信息量大、直观易懂的特点，可以大大提高课堂教学的效率。传感器课程当中含有大量的原理图，电路图，利用多媒体教学可以有效节约时间，扩大课堂容量。特别的可以利用多媒体的图片和动画，来形象的展示传感器的物理结构和工作过程，这样不仅能使教学过程更加生动，还能调动学生的学习兴趣，增强教学效果。

2.2.2 讨论式教学

传感器种类虽多，但从结构来讲主要就是三个部分，敏感元件、转换元件及转换电路，如果每一个章节都这样讲解会让学生感觉单调乏味。在教学实践当中，可以利用四到六个课时进行讨论式教学，让学生分组讨论某种传感器的工作原理、结构以及转换电路的设计，如何克服温度误差，在现实生活中的应用，尤其是哪些系统中用到了这种传感器等等，这样既可以调动学生的学习积极性，又可以激发他们的探索欲望。

2.2.3 项目式教学

项目式教学法指的是学生在教师的指导下亲自处理一个项目的全过程，在这一过程中学习掌握教学计划内的教学内容。因为传感器与单片机相结合，可以构成智能测控系统，所以在教学当中，教师可以设置一个课题项目，让学生单独或者分组逐步完成，当然完成这一项目大部分要利用课余时间，一旦完成这一项目，那么关于传感器的内容就会非常清楚了。例如可以让学生设计一个体重计，来检测一个两百千克以内的重量，要求使用电阻应变传感器，那么这个项目在设计的时候就需要处理好这样一些环节，选择应变计，设计合适的弹性体，设计转换电路，对转换以后的电信号放大，再将模拟信号转换为数字信号，利用单片机将数字信号处理后由显示屏显示结果。

3.传感器实验教学研究

传感器是能感受规定的被测量，并将输入的非电信号转换为电信号输出的一类器件。那么传感器实验主要就是验证转化以后的输出和输入的一个对应关系，因而传感器实验教学中的大部分实验项目都是验证性的。验证性实验能够直观的演示某种传感器的工作原理，对理论教学可以起到一个很好的巩固作用。例如电阻应变式传感器的测力实验，热电偶的温度检测实验，电容传感器的位移检测实验等等，这些都是验证性实验。

然而要培养学生的动手能力和创造性，仅有验证性实验是远远不够的，这就需要我们能够利用现有实验平台，做出更多的设计性实验。在此我们可以结合CSY-998型传感器系统实验仪来说明。利用该实验仪可以做实验项目《霍尔式传感器的特性――直流激励》，该实验中霍尔片安装在实验仪的振动圆盘上，两个半圆永久磁钢固定在实验仪的顶板上，二者组合成霍尔传感器。其原理如图1所示。

图1 霍尔传感器直流激励原理图

调节测微头与振动台吸合，并使霍尔片置于半圆磁钢正中位置，再调节滑动变阻器使得电压表显示为零。工作以后霍尔片可以随着振动台上下移动，因为霍尔片的移动，从而导致其外部磁场的大小产生变化，进而导致霍尔电势产生相应变化，变化结果可以通过电压表显示。这个实验是一个验证实验，但是我们可以作一些改进，利用这个实验原理来检测压力或者加速度，也就是通过压力或者惯性力让霍尔片产生一个相应的上移或者下移，这种移动的大小又可以利用电压表的输出来观察。那么这个实验就是利用现有平台，经改进以后用来做设计性实验的一个典型例子。实验室中，能够经该进而做设计性实验的平台还有很多。

4.结束语

本文根据传感器原理与应用的教学实践，对该课程的理论与实验教学内容、教学方法和手段进行了分析探索，并做了相应的改革。教学内容的扩充丰富了课堂教学的素材，并与传感器当前的实际应用紧密结合，开阔了学生的视野，同时也增强了他们的学习兴趣与积极性。实验教学当中，设计性实验的引入，有利于培养学生的主动性和创造性。这些在传感器的教学中都是有益的尝试。

参考文献

[1]吴莉莉，林爱英，刘存祥.《传感器原理与应用》课程教学方法探索[J].高教论坛，2008，8.

[2]赵秋明，李诚.霍尔效应传感器教学实验装置设计[J].大众科技，2013，11.

[3]刘笃仁，韩保君.传感器原理及应用技术[M].西安电子科技大学出版社，2003.

[4]赵建勋，蒋大勇，梁庆成.浅议传感器原理和应用课程的教学改革[J].长春教育学院学报，2011，10.