现代传感器技术及其应用(角度传感器)
“传感器应用技术”课程标准
“传感器应用技术”课程标准一、课程概要二、课程定位本课程是高职电子信息工程技术专业一门重要的专业拓展课程，旨在培养学生科技强国、文化自信、爱岗敬业、勇于创新、精益求精的思想政治与职业素养，掌握常用传感器的作用、分类、特性、工作原理及典型应用方法，具有传感器选型能力以及初步设计、制作与调试传感器应用电路的基本技能。
三、课程目标（一）素质（思政）目标1.培养学生爱党爱社会主义、担当民族复兴大任的爱国情怀；2.培养学生对社会主义核心价值观的情感认同和行为习惯；3.培养学生爱岗敬业、艰苦奋斗、勇于创新、热爱劳动的劳动精神；4.培养学生执着专注、精益求精、一丝不苟、科技强国的工匠精神；5.培养学生标准意识、规范意识、安全意识、服务质量职业意识；6.培养学生严谨细致、踏实耐心、团队协作、表达沟通的职业素质。
（二）知识目标1. 了解误差的基本概念，熟悉误差分析的基本方法；2. 熟悉传感器的定义、分类与基本特性；3. 熟悉常用仪器仪表功能与工作原理，掌握电子电路常规参数的测试方法；4. 掌握温湿度传感器种类、特性、工作原理及应用电路分析、制作与测试方法；5. 掌握光敏传感器种类、特性、工作原理及应用电路分析、制作与测试方法；6. 掌握力敏传感器种类、特性、工作原理及应用电路分析、制作与测试方法；7. 掌握超声波传感器种类、特性、工作原理及应用电路分析、制作与测试方法；8. 掌握磁敏传感器种类、特性、工作原理及应用电路分析、制作与测试方法；9．掌握气敏传感器种类、特性、工作原理及应用电路分析、制作与测试方法；10. 掌握其他新型传感器的特性及应用方法。
（二）能力目标1.具有根据被测参量选择合适传感器的能力；2.具有设计传感器接口电路的能力；3.具有制作传感器应用系统硬件电路的能力；4.具有调试传感器应用电路的能力；5.具有传感器应用系统设计和调试的综合能力；6.具有简单电子产品设计的能力；7.具有较强的思考、分析和解决问题的能力；8.具有传感器新技术的学习和应用能力。
一种基于PCB的平面式电磁感应角度传感器
一种基于P C B 的平面式电磁感应角度传感器徐庆鑫,徐大林,高文政(江苏自动化研究所,江苏连云港222006)摘要:针对传统角度传感器结构复杂㊁成本高㊁体积大和环境适应能力差等不足,研究设计了一种基于印制电路板(P C B )技术的平面式电磁感应角度传感器㊂针对类似结构的传感器中存在的三次谐波误差通过设计线圈结构进行去除㊂通过开展仿真分析和样机精度实验,验证了传感器的可行性,证明了设计的有效性㊂关键词:角度传感器;印制电路板;电磁感应中图分类号:T P 212 文献标识码:A 文章编号:C N 32-1413(2021)02-0104-05D O I :10.16426/j .c n k i .jc d z d k .2021.02.022A P C B -b a s e d P l a n a r E l e c t r o m a g n e t i c I n d u c t i o n A n gl e S e n s o r X U Q i n g -x i n ,X U D a -l i n ,G A O W e n -z h e n g(J i a n g s u A u t o m a t i o n R e s e a r c h I n s t i t u t e o f C S I C ,L i a n y u n g a n g 222006,C h i n a )A b s t r a c t :I n v i e w o f t h e c o m p l e x s t r u c t u r e ,h i g h c o s t ,l a r g e v o l u m e a n d p o o r e n v i r o n m e n t a l a d a pt a -b i l i t y o f t r a d i t i o n a l a n g l e s e n s o r s ,t h i s p a p e r s t u d i e s a n d d e s i g n s a p l a n a r e l e c t r o m a gn e t i c i n d u c t i o n a n g l e s e n s o r b a s e d o n p r i n t e d c i r c u i t b o a r d (P C B )t e c h n o l o g y.T h e 3r d h a r m o n i c e r r o r e x i s t e d i n t h e s e n s o r s o f s i m i l a r s t r u c t u r e i s e l i m i n a t e d b y d e s i g n i n g t h e c o i l s t r u c t u r e .B y c a r r y i n g ou t s i m u -l a t i o n a n a l y s i s a n d p r o t o t y p e a c c u r a c y e x p e r i m e n t s ,t h e f e a s i b i l i t y of t h e s e n s o r i s v e r i f i e d ,a n d t h e v a l i d i t y o f t h e d e s i gn i s p r o v e d .K e y wo r d s :a n g l e s e n s o r ;p r i n t e d c i r c u i t b o a r d ;e l e c t r o m a g n e t i c i n d u c t i o n 收稿日期:202011180 引 言在航空航天㊁船舶㊁工业控制和农业现代化等领域,角度测量对测量精度的影响起到了关键性的作用,对测量装置的要求相应地也越来越高[1]㊂目前,较为常见的测量装置有光电编码器和旋转变压器㊂光电编码器通过光电转换技术,将轴角的机械位置信息转换成相应的数字代码,具有高精度㊁高分辨力等优点㊂但是受限于基本原理和部件,光电编码器不能应用在高温㊁严寒㊁潮湿㊁剧烈振动或剧烈冲击等恶劣环境中[2]㊂旋转变压器可以看作是初级绕组与次级绕组之间的电磁耦合程度能随着转子转角改变而改变的变压器,可以在恶劣环境中提供较高精度的测量,但是由于绕组的存在,成本较高㊁体积大㊁沉重且不易小型化,同时需要考虑如轴承㊁密封件和电刷等结构,机械设计相对复杂[3]㊂针对上述传统角度传感器的不足,研究人员提出了新型的平面式电磁感应传感器㊂平面式电磁感应传感器使用印制电路板(P C B )技术,将线圈印制在薄的基板上,使其摆脱绕线的需求㊂与传统电感技术一样,该方法也可以在恶劣环境中提供可恢复性和高精度的测量㊂P C B 技术的使用减小了传感器的重量和体积,降低了机械设计的难度,无需复杂的绕线工作,一致性很好,便于批量生产,降低了制造成本[4-5]㊂扁平线圈有效避免了电流的趋肤效应,使工作频率可以提高到2MH z 以上,使传感器可以在较高转速下进行测量㊂目前,平面式电磁感应传感器的设计研究主要集中在国外,主要有电涡流式和电磁感应式2种类型㊂电涡流式传感器利用涡流效应产生角度信号,结构简单,易于提升细分精度;电磁感应式利用电磁感应产生角度信号,环境适应性强㊂结合两者特点,2021年4月舰船电子对抗A pr .2021第44卷第2期S H I P B O A R D E L E C T R O N I C C O U N T E R M E A S U R EV o l .44N o .2参考电涡流式传感器的结构特点并利用电磁感应原理可以设计出一种不仅易于提高细分精度而且环境适应性强的传感器,但是需要约束磁场分布,线圈结构相对复杂,且输出信号存在以3次误差为主的谐波误差㊂本文所设计的结构简化了设计规律,补偿了3次谐波误差,同时保证了精度㊂1 传感器工作原理本文设计的平面式电感角度传感器分为定子和转子两部分,如图1所示㊂定子包含激励线圈(E X )㊁接收线圈(C O S 和S I N ),转子包含反馈线圈(L R E )和电容(C R E ),组成L C 谐振电路㊂激励线圈通入与谐振频率相同的激励信号,在空间上产生交变磁场,从而使转子感应产生谐振电流㊂然后,转子的谐振电流产生交变磁场,再由接收线圈接收,产生相应的感应电流,从而产生包含角位移信息的输出电压信号㊂图1 工作原理示意图假设线圈内部交变电磁场均匀分布,而外部电磁场场强近似为零,则接收线圈因反馈线圈所产生的感生电压与两者的正对面积S (θ)成正比,则接收线圈的感应电压可以表示为:U =[U e x +K ˑS (θ)]s i n (ωt +φ)+c (1)式中:U e x 为由激励线圈的交变磁场产生的感应电压;K 为系数;ω为激励信号角频率;φ为载波和激励信号的相位差,理论值为π/2;c 为线圈的耦合噪声㊂当极坐标半径ρ为:ρ1=R m +A ˑc o s (T θρ)ρ2=R m -A ˑc o s (T θρ)(2)式中:R m 为正弦线圈中心线半径;A 为正余弦曲线幅值;T 为周期㊂随着角度θ变化,2条曲线围成的面积为:S (θ)=-2A R m s i n (T θ)T ,0ɤθɤπT(3) 因此,传感器的接收线圈和反馈线圈可以采用 矩形 正弦 的对应形状设计,即一个线圈为式(2)规律所形成的图案,另一个线圈采用矩形,以获得合适的正余弦角度信号㊂在实际情况中,当导体缠绕成1条回路或一系列回路时,磁场并非均匀分布,而是可以分为线场㊁近场和远场3个区域[6],每个区域磁场的分布特点不同,从而导致奇次谐波误差的产生,其中以3次谐波误差为主[7-8]㊂忽略掉3次以上的奇次谐波,接收回路会附加一个s i n (3T θ)的谐波,如果利用另外一条回路产生补偿谐波s i n (3T (θ+π/3T )),两者波形如图2所示,则当2条回路串联时,各个回路中的3次谐波误差就会相互抵消,从而达到消减三次谐波的目的㊂图2 3次谐波及补偿波形图当输出的正余弦信号分别带有三次谐波时,忽略其它误差,有:U s =s i n θ+K s s i n (3θ)U c =c o s θ+K c c o s (3θ)(4) 当K s =-K c 时,三次谐波造成的系统误差为:εʈK s s i n (4θ)(5)2 结构设计根据式(2),令T =3,设计出基本正弦曲线回路及对应的矩形回路,如图3所示,以得到合适的正余弦信号㊂这样的设计可以使回路在1个周期内存在2个形状相同㊁电流流向相反的封闭结构,记顺时针为负 ,逆时针为 正 ,且封闭结构以回路中心径向对称㊂由于激励线圈为圆形线圈,根据电磁感应原理,激励线圈产生的磁场距离激励线圈越远,线圈正上方的磁感应强度B z 的幅值就越小㊂同一平面,激501第2期徐庆鑫等:一种基于P C B 的平面式电磁感应角度传感器图3 粗码道基本结构示意图励线圈正上方的幅值比中间高,幅值总体以z 轴径向对称分布[9],因此当回路的中心轴与激励线圈的中心轴重合时,回路中每个封闭结构内的磁感应强度幅值和磁场变化将一致㊂ 正 ㊁ 负 区域的存在,使激励线圈在接收回路中产生的感应电压相互抵消,从而会降低U e x ,减少激励线圈对接收线圈的影响㊂然后将回路旋转π/3T ,则旋转后的回路会产生补偿谐波,将2条回路串联在一起,即可得到粗码道接收线圈(左),并根据实际情况设计出相应的反馈线圈(右),如图4所示㊂图4 粗码道线圈按上述思路,令T =11,设计出精码道的基本回路,如图5所示㊂为了避免粗精码道磁场之间的过度干扰,精码道接收线圈(左)设计为矩形,反馈线圈(右)设计为正弦曲线㊂图5 精码道基本回路示意图对接收线圈进行相应的旋转串联操作㊂在粗精组合中,传感器的精度主要依赖于精码道,因此需要优化精码道线圈的磁场分布㊂对精码道反馈线圈进行双线排布,即将线圈整体旋转π/2T ,然后将2路线圈并联㊂假设电流逆时针产生的磁场为 正 ,顺时针为 负 ,两者抵消为 零 ,这种排布方式,理论上会在1个周期内形成 正 零 负 零 的磁场分布,可以增强磁场强度,并使转子精码道线圈主要感应区尺寸小于定子精码道线圈的单个封闭结构尺寸,磁场变化可以被定子精码道接收线圈完全接收㊂ 零 区域的存在,可以避免定子精码道接收线圈的单个封闭结构同时受转子 正㊁ 负 两种磁场的干扰㊂定转子均具有 正 ㊁ 负 结构,可以增强精码道输出信号的强度㊂通过旋转串联和双线排布的操作后,精码道接收线圈(左)和反馈线圈(右)的结构如图6所示㊂图6 精码道线圈3 模型仿真为了验证传感器设计的合理性,本文使用A n -s ys M a x w e l l 对传感器结构模型进行了仿真分析㊂仿真模型参数如表1所示㊂表1 仿真模型参数参数名参数值定子转子精码道内直径22mm26mm精码道外直径47mm43mm粗码道内直径28mm28mm粗码道外直径41mm41mm激励线圈直径44mm线宽1.27ˑ10-4m2.54ˑ10-4m过孔4.572ˑ10-4m 4.572ˑ10-4m仿真模型如图7所示,过孔在模型中使用六棱柱代替,其它与实际结构相同,比例为1ʒ1,线圈材料为铜,激励线圈输入电压为5ˑs i n (2πˑ2000000ˑt )V ,其中t 为时间,上为转子,下位定子,两者间隔0.5mm ㊂601舰船电子对抗 第44卷图7 仿真模型仅对转子进行仿真,得到转子线圈电感为348.49n H ,实际样机测量值为368.48n H ,根据激励信号频率f =2MH z,计算得出电容为:C =1(2πf )2L =18.1714n F (6) 设置仿真步长为3ʎ,在粗码道的1个周期[0,120ʎ)取40个点进行仿真㊂当输出信号达到稳态后,输出信号幅值趋于稳定,输出信号和输入信号相位差大约为π/2㊂输出信号的正弦性比较理想㊂由于仿真环境下噪声较少,因此可以直接取输出信号稳态状态下的幅值作为角度信号的值,结果如图8所示㊂图8 正余弦角度信号输出信号曲线具有相对良好的正弦性,证明本文所设计线圈具有可行性㊂根据正余弦角度信号,利用反正切法计算出对应角度,与理论值进行比较,得出误差曲线,并对其进行傅里叶变换,结果如图9所示㊂可以看到,在仿真情况下,各频次的误差均相对较小,可以有效地消除3次谐波误差㊂图9 仿真误差4 样机精度实验根据上文的结构设计和仿真模型,制作样机如图10所示㊂图10 样机实物图利用高精度转台(如图11所示)将定子固定在转台上,转子固定在转轴上,定转子做同轴运动,通过信号处理电路,得到正余弦角度信号,然后通过反正切法解算出角度[10],再以转台测量的角度为基准,得出自制结构测量误差曲线,用相同转台测出同类传感器的测量误差曲线,两者如图12所示㊂图11 转台701第2期徐庆鑫等:一种基于P C B 的平面式电磁感应角度传感器图12 误差曲线自制传感器样机同类传感器的测量误差基本一致,基本保证了精度㊂分别取一短周期数据,进行离散傅里叶变换,结果如图13所示㊂图13 傅里叶变换由图13可以看出,自制结构有效消减了3次谐波误差,而0次误差㊁1次误差和2次误差,主要由装配工艺㊁直流偏置误差㊁相位误差和幅值误差等引起,可以通过改进装配工艺,使用误差补偿算法进行误差补偿等方式进行消除㊂因此,本文设计的传感器有进一步提高精度的能力㊂5 结束语本文设计了一种基于P C B 技术的平面电磁感应角度传感器,设计简单,并通过旋转叠加然后对2个回路进行串联,从结构上消减了3次谐波误差,并通过仿真验证和样机实验证明了设计方案的可行性和有效性㊂参考文献[1] 刘焱,王烨.位移传感器的技术发展现状与发展趋势[J ].自动化技术与应用,2013,32(6):7680,101.[2] 冯英翘.提高小型光电编码器分辨力和精度的方法研究[D ].长春:中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所),2014.[3] 徐云鹏,薛雅丽,武玉衡,等.基于平面电感角位置传感器的双同步参考系锁相环[J ].仪器仪表学报,2017,38(2):408415.[4] 李建兵,林欣,庞学民.平面变压器综述[C ]//教育部中南地区高等学校电子电气基础课教学研究会第二十届学术年会.郑州,2010:8.[5] 黄鑫,耿涛,陈月,等.印制板(P C B )平面变压器设计及应用进展[J ].磁性材料及器件,2014,45(5):7277.[6] HOWA R D M A.N e x t -ge n e r a t i o n i n d u c t i v e t r a n s d u c -e r sf o r p o s i t i o n m e a s u r e m e n t [C ]//A c qu i s i t i o n ,T r a c k -i n g ,P o i n t i n g ,a n d L a s e r S y s t e m s T e c h n o l o gi e s X X V I .I n t e r n a t i o n a l S o c i e t y f o r O p t i c s a n d P h o t o n i c s ,2012:83950K.[7] 鲍茂然.感应同步器精密测角技术研究[D ].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2013.[8] T A N G Q ,WU L ,C H E N X ,e t a l .A n i n d u c t i v e l i n e a rd i s pl a c e m e n t s e n s o r b a s e d o n p l a n a r c o i l s [J ].I E E E S e n s o r s J o u r n a l ,2018,18(13):52565264.[9] X V H B ,J I A A L ,Z HA O W G.E l e c t r o m a gn e t i c c o u -p l i n g s e n s i t i v e e l e m e n t f o r i n d u c t i v e a n g l e s e n s o r [J ].M e c h a n i c a l &E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g M a ga z i n e ,2016(8):1028.[10]孔德元.针对正弦余弦计算的C O R D I C 算法优化及其F PG A 实现[D ].长沙:中南大学,2008.801舰船电子对抗 第44卷。
传感技术及应用试卷及答案(28年)
课程综合考试，合计分数70分判断题（正确打√标记，错误打×标记，每题1分，共10分）1．（√）传感器的阈值，实际上就是传感器在零点附近的分辨力。
2．（×）某位移传感器的测量量程为1 mm，分辨力为0. 001 mm，这说明传感器的灵敏度很高，其灵敏度为0.1%。
3．（×）传感器A采用最小二乘法拟合算得线性度为±0.6%，传感器B采用端点直线法算得线性度为±0.8%，则可以肯定传感器A的线性度优于传感器B。
4．（×）无论何种传感器，若要提高灵敏度，必然会增加非线性误差。
5．（×）幅频特性优良的传感器，其动态范围大，故可以用于高精度测量。
6．（×）如果电容传感器的电缆丢失了，更换另一根电缆后，可以不必对测量系统重新进行标定，也可直接使用。
7．（×）压电式力传感器既可以测量静态力，也可以测量动态力。
8．（√）热电偶的工作机理是导体的热电效应，而热电势的产生必须具备两个条件，即两种导体材质不同且两个节点的温度不同。
9．（×）由于光敏电阻的光照特性是非线性的，因此不宜用做测量元件。
但由于光敏电阻的响应时间很短，因此可以用做高速光电开关。
10．（×）光纤是利用光的折射原理工作的，光纤由纤芯和包层构成，且纤芯的折射率小于包层的折射率。
二、选择题（请选择一个适合的答案，每小题1分，本题共10分）1．（①）车间条件下测量大型机床工作台的位移（行程为20 m)，可采用：①光栅传感器；②电容传感器；③电涡流传感器。
2．（②）为一个旋转式机械分度装置增加数显系统，可采用的角度传感器为：①增量式编码器；②绝对式编码器；③电容传感器。
3．（①）对生产流水线上的塑料零件进行自动计数，可采用的传感器为：①光电传感器；②霍尔传感器；③电涡流传感器。
4．（②）在线测量高速回转零件的主轴径向偏摆量，可采用：①差动变压器；②电涡流传感器；③压电式传感器。
传感器技术文献综述
传感器技术文献综述摘要:传感器技术是综合多种学科的复合型技术，是一门正在蓬勃发展的现代化传感器技术.本文通过将所看的传感器相关文献总分为传感器、智能传感器以及无线传感器网络三个类别，对每一类别进行综述,分析每类别传感器研究中所存在的不足，探讨了相应的解决方案。
关键词：传感器1.引言传感器技术是一门正在蓬勃发展的现代化传感器技术，是涉及微机械与微电子技术、计算机技术、信号处理技术、电路与系统、传感技术、神经网络技术以及模糊控制理论等多种学科的综合性技术，而该技术也广泛应用到了军事、太空探索、智能家居、农业、医疗等领域。
在伴随着“信息时代”的到来，作为获取信息的重要手段——传感器技术得到飞速发展，其应用领域越来越广，人们对其要求越要越高,需求也越来越迫切。
但传感器技术的广泛应用以及飞速发展并不代表着该技术已经成熟，相反在很多方面它还只是一项新兴的技术，依然存在很多的问题等待我们去解决。
如何能够让我们的传感器装置很快的适应周围的环境，迅速准确的处理传输客户所需求的信号，并可以根据客户的要求作出相应的反应以及如何可以尽量的延长传感器装置的生存时间等等.这些问题都是我们在研究传感器技术的过程中所应该解决的问题。
2．传感器传感器是一种物理装置，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、温度、湿度等）或化学组成，并将探知到的信息传递给其他装置。
该装置相当我们的人类的眼睛、鼻子、舌头、耳朵以及皮肤等一些感知器官。
这样，精确快速地感受外界的信号就是迅速正确作出反应实施行动的前提条件。
现在的物理传感器、生物传感器都是力图解决感知、精确以及快速这三个难题。
例如文献[1]中的气体流量监测就有很多种的感知方法，但每种方法都存在着精确以及反应速率方面的问题，所以还需要不断的改进。
然而，有很多的问题大自然已经很好的为我们解决了，我们应该取其精华。
因此,我认为仿生传感器一定会解决很多传感器方面的问题.文献[2］就模仿沙漠蚂蚁利用太阳偏振光在沙漠中很好的辨别方向机理设计了偏振测角传感器。
第5章《传感器及其应用》参考答案
第5章《传感器及其应用》第1节 揭开传感器的“面纱”【学习目标】1．了解传感器在生产和生活中的应用。
2．知道非电学量转换成电学量的技术意义。
3．知道传感器的最基本原理及其一般结构。
4．知道敏感元件的作用。
【要点透析】1. 什么是传感器？传感器是把非电学物理量（如位移、速度、压力、温度、湿度、流量、声强、光照度等）按一定规律转换成便于处理和传输电学量（如电压、电流等）的一种元件。
传感器输入的是非电学物理量，输出的是电学量。
将非电学物理量转换成电学量后，测量比较方便，而且能输入到计算机进行处理。
各种传感器是自动控制设备中不可缺少的元件，已经渗透到宇宙开发、环境保护、交通运输以至家庭生活等多种领域。
2．传感器的组成传感器一般由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成，有时还需要加辅助电源。
如图5.1-1所示。
敏感元件（预变换器）：将不能够直接变换为电量的非电量转换为可直接变换为电量的非电量元件。
敏感元件是传感器的核心部分，它是利用材料的某种敏感效应（如热敏、光敏、压敏、力敏、湿敏等）制成的。
转换元件：将感受到的非电量直接转换为电量的器件称为转换元件，如压电晶体、热电偶等。
转换电路：将转换元件输出的电量变成便于显示、记录、控制和处理的有用电信号的电路称为测量电路。
3．传感器的分类传感器的种类很多，目前尚没有统一的分类方法，一般常采用的分类方法有如下几种：（1）按工作原理分类物理传感器：利用物质的物理性质和物理效应感知并检测出待测对象信息的传感器，如电容传感器、电感传感器、光电传感器、压电传感器等；化学传感器：利用化学反应识别和检测信息的传感器，如气敏传感器、湿敏传感器等； 生物传感器：利用生物化学反应识别和检测信息的传感器，它是由固定生物体材料和适图5.1-1 敏感元件当转换器件组合成的系统。
如组织传感器、细胞传感器、酶传感器等。
（2）按用途分类这种分类方法给使用者提供了方便，容易根据需要测量的对象选择所需要的传感器。
“传感器技术及其应用”课程教学改革
“传感器技术及其应用”课程教学改革赵丽芬;张学超;陈文娟【摘要】随着现代计算机信息技术的发展,传感器得到了广泛的应用,新型传感器日新月异,对“传感器技术及其应用”这门课程的教学提出了新的挑战.那么如何使本门课程适应快速发展的要求,以及如何锻炼学生的创新型思维,独立设计实验方案,完成实验全部操作,发挥学生的自主学习的能力,使学生在有限的课时内,获得最实用的知识,增强实践能力,是教授本门课程需要考虑的问题.文章从几个方面阐述了教学过程的一些经验,达到了预期的教学效果.【期刊名称】《无线互联科技》【年(卷),期】2017(000)015【总页数】2页(P84-85)【关键词】传感器;教学改革;实验教学;教研结合;创新型实验【作者】赵丽芬;张学超;陈文娟【作者单位】铜仁学院大数据学院,贵州铜仁 554300;铜仁学院大数据学院,贵州铜仁 554300;铜仁学院大数据学院,贵州铜仁 554300【正文语种】中文在信息电子时代的今天，传感器技术得到广泛的应用，已成为现在信息技术的三大核心技术之一[1]。
“传感器技术及其应用”课程是自动化、信息工程等专业相互交叉且实践性很强的学科，在自动检测系统中有着非常重要的作用[2]。
在科技迅速发展的时代，企业对技术人员的动手能力和探索创新能力以及自主研发能力的要求高。
该课程在大三上学期开设，重点使学生掌握各类传感器的应用，以及对已学课程知识的综合应用能力的体现。
那么，如何在教学中充分发挥学生的主观能动性，培养学生自主学习能力和专业素养，从而培养出应用型创新人才，成为教学中探索的重点。
改以老师主讲为主为老师当“引导者和评委”学生当“课堂主角”。
改革中，采用任务驱动教学法，教师尝试课前给学生思考的空间和布置教学内容，学生自主上网查阅关于传感器最新的资料以及应用。
例如让学生两人一组,结合具体的某种传感器，利用搜集的相关资料下发任务，做成PPT上台讲解，每个学生至少讲解10分钟，其他学生可以提问题，各抒己见，最后老师再对所讲内容进行点评和加以总结。
(整理)传感器技术绪论
第1篇传感器技术绪论1.传感器引言当我们看见“传感器技术”的时候，大多数同学都不陌生。
传感器已经渗透到了我们生活的各个层面。
看看下表，就知道了。
请同学们自己补充2-3项举例。
看来传感器技术确实是喜欢电子的人必不可少的一项技术。
那么，什么是传感器呢？就做电子技术的人来说，狭义上传感器是将被测量转换为电信号的一种器件或装置。
但是，我们看见上表中出现了体温计和血压计，很多同学认为它们并不是电信号输出。
实际上，国家标准GB7665-87对传感器的定义是：“能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。
这里所说的“可用输出信号”是指便于加工处理、便于传输利用的信号。
现在电信号是最易于处理和便于传输的信号。
所以，我们可以暂时以电信号输出作为我们课程的学习对象的。
传感器也可以定义为是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
1.1人类进步发展与传感器在人类文明史的历次产业革命中，感受、处理外部信息的传感技术一直扮演着一个重要的角色。
在l8世纪产业革命以前，传感技术由人的感官实现：人观天象而仕农耕，察火色以冶铜铁。
从18世纪产业革命以来，特别是在20世纪信息革命中，传感技术越来越多地由人造感官，即工程传感器来实现。
传感器的发展是推动人类进步的巨大力量。
传感器系统代替了人类实现了大量的自动化检测与控制，是把人从繁重的体力劳动中解放出来的关键器件。
那么，把它与人的感觉相比较可以帮助我们学习传感器更多知识。
1.2人的感官与传感器技术人类最早感受周围环境的变化是通过人体感知的，我们的耳可以听见声音、鼻可以闻到味道、眼可以看见周围环境、舌可以品尝各种味道、皮肤可以感受冷暖。
有人说传感器就是电五官，这是说如果将计算机比作人的大脑的话，那么传感器的地位和功能就相当于我们的身体。
3传感器技术及其应用
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U max U n
10
Anhui Science and Technology University
理学院
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单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级
图3.4 局部剖面和阶梯特性1电刷2电阻丝3短路线
11
• 实际上,当电刷从j匝移到(j+1)匝的过程中,必 定会使这两匝短路,于是电位器的总匝数从n 单击此处编辑母版标题样式 • 匝减小到（n-1）匝,这样总阻值的变化就使 单击此处编辑母版文本样式 • 得在每个电压阶跃中还产生一个小阶跃。这 第二级 个小电压阶跃亦即次要分辨脉冲为 • 第三级 • 第四级 1 1 U a U max ( )j • 第五级 n 1 n
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单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级
图3.3 线性线绕电位器示意图
8
Anhui Science and Technology University
理学院
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式中,SR 、SU 分别为电阻灵敏度、电压灵敏 单击此处编辑母版标题样式 度;ρ为导线电阻率;A为导线横截面积;n为线 单击此处编辑母版文本样式 绕电位器绕线总匝数。 第二级 第三级 由上式可以看出,线性线绕电位器的电阻灵 第四级 敏度和电压灵敏度除与电阻率ρ有关外,还与 第五级 骨架尺寸h和b、导线横截面积A(导线直径 d）、绕线节距t等结构参数有关;电压灵敏 度还与通过电位器的电流I的大小有关。
单击此处编辑母版标题样式 x
• 作为分压器使用,则有
Ua
x xmax
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SCA60C
5
5
6
T
总体设计
角度检测
转轴
模数转换
L293D
电机
按键输入 按键配置：+，，稳定45度，功 能切换，确认
STC89C51 主控器
数码管
声光提示
总体设计
• 本系统以STC89C51单片机为控制芯片，采 用L293D驱动直流电机。根据角度传感器的 反馈信号，经A/D转换之后输入给单片机， 通过PWM方式，调节脉冲宽度，从而调控 直流电机的转速，实现风扇转速的控制， 从而调节风力大小，改变帆板转角，该转 角可以通过数码管实时显示。帆板控制系 统总体设计方案如图所示。
28
29 30
3.439
3.470 3.500
(0.031)
(0.031) (0.030)
31
32
3.530
3.560
(0.030)
(0.030)
46 47
3.939 3.963
(0.025) (0.024)
48
49 50 51
3.986
4.009 4.032 4.054
(0.023)
(0.023) (0.023) (0.022)
角度（°） 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
输出电压（V） 2.500 2.535 2.570 2.605 2.640 2.674 2.709 2.744 2.778 2.813 2.847 2.882 2.916 2.950 2.984 3.018 3.051 3.085
P0.1/AD1
P0.0/AD0
P2.7/A15
P2.6/A14
P2.5/A13
P2.4/A12
P2.3/A11
P2.2/A10
P1.2/ECI
P2.1/A9
P2.0/A8
P1.0/T2
单片机控制模块
VCC
2
2
2
2
2
2
2
2
8
7
6
5
4
3
2
1
3
3
3
3
3
3
3
3
4
8
7
6
5
4
3
2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
+5V
D
D
任务分析：关键点？
（1）输入和输出端的确定：采用哪些I/O分配给输入输出端？ （2）按钮按下的输入信号应从哪个端口输入？ （3）用什么方法可以角度信息反馈给单片机？ （4）用什么方法可以实现基本要求？
（5）用什么方法可以实现发挥部分要求？
角度传感器
• SCA60C角度检测 • 采用SCA60C检测帆板的倾斜角度。 SCA60C是一款低成本单轴倾角(加速度)传 感器，可以测量垂直Z轴方向的加速度值， 测量范围±1g，其模拟输出特性如图 所示。
•
G
N
C
3
D
2
C
1
0
0
u
F
1
0
4
1
0
0
u
F
1
0
•
稳压电路
2
4
4
P35
2
R34
0
0
+5V
9
Q
0
1
1
4
DS14
P35
2
R33
0
声光提示
0
+5V
9
Q
0
2
1
4
9
Q
0
3
1
4
• 通过单片机P3.5口电平的高低，控制9014 通断，实现声光报警系统。
Mic1
MK1
4
7
n
F
C
8
4
3
2
1
SCA60C
U
9
4
3
2
1
5引脚定义U191
4
7
n
F
2
8
7
8
+5V
A
O
U
2
C
8
3
7
3
4
6
4
角度传感器SCA60C检测电路如图所示，引脚4接 地，引脚8接5V，引脚4和8之间用电容隔离，电容 值不小于47nF，这里取47nF，7引脚是电压输出端， 传感器SCA60C在水平位置时，V0端输出2.5V， 在-90°时电压输出0.5V，在+90°时电压输出 4.5V。
3.589 3.618
(0.029) (0.029)
35
36 37
3.647
3.676 3.704
(0.029)
(0.029) (0.028)
38
39 40 41 42
3.731
3.759 3.786 3.812 3.838
(0.027)
(0.028) (0.027) (0.026) (0.026)
D
D
D
D
D
D
P17
P16
P15
P14
P13
P12
P11
P10
7
6
5
4
3
2
1
0
软件系统设计
帆板控制系统试验与测试
表1 显示转角与实测转角
显示 2° 30° 45° 60° 转角 实测 0° 30° 45° 62° 转角
表2显示转角与实测转角（单位：度）
设定 10 20 30 40 50 60 角度 实际 到达 13 20 30 40 48 56 角度
现代传感器技术及其应用（角 度传感器）
项目 帆板控制系统设计与制作
• 设计并制作一个帆板控制系统，通过对风 扇转速的控制，调节风力大小，改变帆板 转角θ，如图 1 所示。
项目要求
• 1、基本要求 • （1）用手转动帆板时，能够数字显示帆板的转角 θ。显示范围为0~60°，分辨力为 2°，绝对误差 ≤5°。 • （2）当间距 d=10cm 时，通过操作键盘控制风 力大小，使帆板转角θ能够在 0~60°范围内变化， 并要求实时显示θ。 • （3）当间距 d=10cm 时，通过操作键盘控制风 力大小，使帆板转角θ稳定在 45°±5°范围内。 要求控制过程在10 秒内完成，实时显示θ，并由 声光提示，以便进行测试。
风扇控制算法
使用闭环控制，把转轴的实际所在位置经角 度传感器检测后反馈给单片机处理，经过与设 定值比较之后再输出修正量，如此循环。
电源
• 采用稳压电源供电，输出电压12V。经过降压稳 压器7805输出5V电压，如图所示，其中5V电压 供给控制电路，12V供给L293D驱动直流电机。
+12V U 1 MC7805BT 1 3 +5V I N O U C 1 T C
6
7
8
5
6
7
8
角度传感器电路
+5V
A
O
U
T
ALE
A
O
ALE
CLK
O
E
1
2
2
2
2
2
2
U 2 1
3
2
3
4
5
5
4
3
2
1
8
7
6
9
6
0
T
ADC0809FN
U
3
G
ADD
C
ADD
B
ADD
A
IN7
IN6
IN5
IN4
IN3
IN2
IN1
IN0
O
START
ALE
CLK
N
E
D
REF+
REF-
EOC
VCC
D
D
D
D
D
D
D
D
7
6
5
4
3
2
1
0
1
1
7
2
2
1
1
8
1
1
1
1
6
2
1
0
9
8
5
4
7
1
+5V
EOC
D
D
D
D
D
D
D
D
7
6
5
4
3
2
1
0
+5V
1.5K
R
1.5K
R
2
1
+5V
4.7p
C
模数转换电路
1
4
8
+5V
RST
VCC
6
THR
5
7
CVOLT
DISC
2
TRIG
1
0
0
C
1
3
u
G N
D
O U
T
2
CLK
LM555J
U
1
P37
1
1
1
1
3
2
5
项目要求
• 2、发挥部分 • （1） 当间距 d=10cm 时，通过键盘设定帆板转 角，其范围为 0~60°。要求θ在 5 秒内达到设定 值，并实时显示θ。最大误差的绝对值不超过5°。 • （2） 间距 d 在 7~15cm 范围内任意选择，通过 键盘设定帆板转角，范围为0~60°。要求θ在 5 秒内达到设定值，并实时显示θ。最大误差的绝对 值不超过 5°。 • （3） 其他。