传感器技术论文范文

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第1篇

现在在各个领域当中都普遍的运用到了传感器技术，集成化方向已经成为机电系统当中的传感器技术的发展趋势，集成化传感器具有较强的稳定性、较轻的重量、较小的体积以及较高的可靠性等特点，同时还具有较低的生产成本，非常容易实现批量生产，因此具有非常广阔的发展前景。

2传感器技术在机电技术当中的应用

由于传感器的电磁兼容性能比较强，因此具有较高的数据存储技术可行性，同时还不容易丢失其中的模块参数。智能滤波算法以及A/D转换技术等先进的技术都在传感器当中得到了应用，就算是满量程的时候，传感器仍然可以使稳定的输出码得到保证。传感器的通讯接口属于标准的接口，其能够与计算机进行直接的连接，同时也可以连接标准的工业控制总线，具有十分灵活的使用方式。

2.1在机器人中传感器技术的应用

作为典型的仿生装置，机器人对传感器技术进行了充分的应用。通过将感知到的物理量向电量进行转化，机器人就可以实现信息输出，在这个过程中对机器人传感技术进行了充分的利用，其中包括两方面的内容，也就是外部传感器以及内部传感器。外部传感器需要通过检测外部信息，从而对工作环境进行判别，为机器人提供必要的信息，使之能够对操作对象进行准确的控制。而实施系统的控制是内部传感器的主要功能，其能够对机器人的状态进行有效的检测，保证机器人在工作的过程中能够按照要求来进行。内部传感器可以将具有价值的信息提供给外部传感器，从而能够使机器人对外部的环境产生有效的感知，并且将相应的动作做出。与此同时，在科技生产的过程中，还可以利用对机器人的操作从而能够对反馈的意见进行获取。

2.2在机械制造行业中传感器技术的应用

由于在机械制造行业当中需要实施包括加工精度等在内的动态特性测量，因此要利用传感器针对机械阻抗以及振动等相关部件当中的参数进行测量，从而对其动态特性进行检验。如果需要在线监测与控制超精加工中的零件尺寸的时候，就要利用传感器将相关的信息提供出来。比如利用传感器针对数控车床中车刀的位置进行检测；由于工件的表面精度以及尺寸在很大程度上都会受到刀尖形状的影响，可以采用在车刀上放置的振动传感器对其锋锐的程度进行检验。还可以利用液面传感器针对液压系统中的油量以及车床中的油进行监测。

2.3在环境当中传感技术的应用

传感器网络在环境监测当中通常具有一系列的优点，其中包括无需专人现场维护、可以长期不用对电池进行更换、具有十分简单的布置等。可以利用对节点进行密集的布置，从而对微观的环境因素进行观察。在环境监测领域当中对传感器网络具有非常广泛的应用，其中包括微观观测生物群落、森林火灾报警、观察气象现象、观测海岛鸟类的生活规律等。

2.4在火灾报警当中传感器技术的应用

防灾报警装置是现代建筑必须要具备的，其中最为关键的就是火灾报警系统。在发生火灾的时候一般都会出现有害气体、高温、火光以及烟雾等。如果将传感器运用到火灾报警系统当中，就可以对异常的信号进行转化，使之变成容易进行传送的形式，然后就可以利用消防网络向指挥中心提供火灾地点的报告。

3结语

第2篇

本文以常用的车载物流过程为研究对象，在货柜中部署传感器节点，来实时监测货物运输过程的相关环境参数，WSN中的汇聚节点通过蓝牙传输协议将数据传给作为网关的智能手机，智能手机通过GPS卫星定位将位置信息加入到参数数据中，再通过移动通信网络将数据传输到后台系统中。本论文研究主体为车载部分，其架构如图2所示。

1.1传感器节点的设计本系统中，传感器节点的主要任务是实时监测相关环境参数，并对其他节点转发来的数据进行存储和转发，使数据通过WSN传输到汇聚节点处，其处理能力、存储能力和通信能力要求不高，因此采用简单节约的设计方案。如图3所示，传感器节点由传感器模块、处理器模块、射频模块、电源模块和电路等部分组成。传感器模块负责对所需参数进行采集和模数转换。处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理传感器模块采集的以及射频模块发送过来的数据。射频模块负责与其他节点之间的通信，对数据进行发送或接收。电源模块负责为整个节点提供运行所需的能量，是决定节点寿命的关键因素之一。电路则包括声光电路、复位电路及接口电路等。（1）处理器模块。处理器模块是传感器节点的核心部分，本设计方案中，处理器选用德州仪器（TI）公司的16位超低功耗微控制器MSP430F135，该处理器采用1.8V-3.6V的低电压供电，可以在低电压下以超低功耗状态工作，非常适合应用在对功耗控制要求甚高的无线传感器网络。该处理器同时拥有较强的处理能力和较丰富的片内资源，拥有16kB闪存、512BRAM、2个16位的定时器、1个通用同步异步接口（USART）、12位的模数转换器（ADC）和6个8位并行接口。（2）射频模块。在无线传感器网络实际应用中，传感器节点既需要发射又需要接收数据，因此本设计方案中的射频模块采用收发一体的无线收发机。射频模块采用Chipcon公司推出的无线收发芯片CC2420，它的工作电压位于2.1~3.6V之间，收发电流不超过20mA，功耗低；其具有很高的集成度，只需要较少的电路就可工作，天线设计采用PCB天线，进一步减小模块体积。CC2420工作在2.4GHz频段上，支持IEEE802.15.4和Zig-Bee协议；采用O-QPSK调制方式，抗邻道干扰能力强；128B接收和128B发射用的数据缓存空间，数据传输速率高达250kb-ps。（3）传感器模块。传感器节点的数据采集部分根据实际需要选择相应的传感器，如温度、湿度、振动、光敏、压力等传感器。本文的研究重点不在传感器上，因此仅以温湿度传感器作为例子。本方案采用Sensirion公司的SHT15温湿度传感器，该传感器将传感元件和信号处理电路集成在一起，输出完全标定的数字信号[3]。其工作温度范围在-40℃-123.8℃之间，其在-20℃-70℃范围内，温度测量精度在±1℃以内；湿度范围在0%-100%之间，在10%-90%范围内，湿度测量精度在±2%以内。

1.2汇聚节点的设计在本系统中，汇聚节点的主要任务是接收传感器节点转发来的数据，进行存储和处理后传输到网关节点处，同时，接收来自网关节点的信息，向传感器节点监测任务。汇聚节点是连接WSN和外部网络的接口，实现两种协议间的转换，使用户能够访问、获取和配置WSN的资源，对其处理能力、存储能力和通信能力要求较高。而为了与传感器节点匹配，汇聚节点的硬件结构与传感器节点基本相似，如图4所示，汇聚节点没有传感器模块，增加了存储器模块和蓝牙通信模块。（1）处理器模块。同样的，处理器模块也是汇聚节点的核心部分，主要负责控制整个汇聚节点的操作，存储和处理来自射频模块或者蓝牙通信模块的数据，再将处理结果交给射频模块或者蓝牙通信模块发送出去。本设计方案中，处理器选用TI公司的16位超低功耗微控制器MSP430F1611，该处理器和MSP430F135一样，可以在1.8V~3.6V的低电压下以超低功耗状态工作，但其拥有更强的处理能力和更丰富的片内资源，48kB闪存和10KBRAM、2个16位定时器、1个快速12位ADC、双12位DAC、2个USART接口和6个8位并行I/O接口。（2）存储器模块。考虑到物流运输过程中环境多变，容易带来一些不确定因素，这些不确定因素可能引起处理器自带的存储器中的数据丢失，因此汇聚节点需要存储一些重要的数据。本设计方案中，汇聚节点的外部存储器芯片选用由Mi-crochip公司生产的24AA64，工作电压低至1.8V，它采用低功耗CMOS技术，工作时电流仅为1mA，而且可以在恶劣的环境下稳定工作。由于汇聚节点对存储容量要求不高，而且24AA64芯片的存储容量为64KB，擦写次数可达到百万次，因此一块芯片即可满足本系统的存储要求。（3）蓝牙通信模块。本系统采用智能手机作为后台系统和WSN之间的网关，来实现远距离的数据传输。为了使汇聚节点与智能手机能够进行通信，采用蓝牙通信协议。而在汇聚节点使用蓝牙通信方式需要增加一个蓝牙通信模块。本设计方案中，采用SparkFun公司的BlueSMiRF模块，其工作电压为3.3V-6V，工作电流最大为25mA，功耗较低；其最大传输距离为100m，通信速率最高可达115200bps；其天线为PCB天线，所需器件很少，故模块的体积很小，可以通过串行接口直接与处理器模块相连。

1.3网关节点的设计本系统要求在后台系统和WSN部署点间进行双向通信，为了实现远距离的数据传输功能，有两种方案，一是汇聚节点增加移动通信模块，如GPRS模块[4]；二是采用智能手机作为后台系统和汇聚节点之间的网关。方案一对汇聚节点的要求进一步提高，不仅处理过程更加复杂，其能量消耗也大大提高；另一方面要实现物流过程的跟踪，还需有定位功能，一般采用GPS模块[5]，这样成本也将大大提高。相比之下，方案二优势明显，采用智能手机可以进行各种复杂的数据处理，进行大量数据的存储，使用移动通信网络与后台系统进行通信，使用内置的GPS定位功能，后台用户可以在紧急事件发生时直接联系货车司机等。因此，本系统采用智能手机作为网关节点。本设计方案中，采用中国移动M811手机作为测试对象，其支持4G/3G/GPRS等移动网络，可以方便地使用移动网络与后台系统进行通信；其具有GPS定位功能，可以实现货车定位；具有蓝牙通信功能，可与汇聚节点间采用蓝牙通信；使用An-droid4.0操作系统，拥有丰富的开源资源，方便软件的设计。

2系统软件部分设计

本系统使用WSN中的传感器节点检测物流过程中相关环境参数并发送到汇聚节点处，由其将数据通过蓝牙连接传输到智能手机，智能手机通过移动通信网络将加入GPS信息的数据传输到后台服务器。系统各部分的工作任务不一，硬件条件也有很大差别，因此系统的软件设计也十分关键。

2.1传感器节点程序设计传感器节点主要承担数据采集和发送的工作，由于其能量及处理资源有限，因此需要采取节能和减少数据处理的设计方案。本设计方案中，传感器节点采取按需求唤醒的工作方式，检测等待时间（等待时间可由后台设置）未到或者没有收到汇聚节点命令时节点处于休眠状态；当等待时间一到或者收到命令时，立刻开始工作，进行采集数据并发送，或者根据命令完成相应操作，完成后又进入休眠状态，等待下一次激活，其程序流程如图5所示。

2.2汇聚节点程序设计汇聚节点的主要任务是接收传感器节点转发来的数据，处理后通过蓝牙传输到网关节点处，同时接收来自网关的命令，完成相应的操作。相比于传感器节点，汇聚节点的工作更加复杂，而且其能量和处理资源也不多，因此采取与传感器节点相似的节能设计方案，将复杂的数据处理工作交予网关节点，其程序流程如图6所示。

2.3智能手机APP设计智能手机作为本系统的网关节点，承担协议转换、数据传输、数据处理等复杂工作，因此开发相应的应用程序（Applica-tionProgram，简称APP）来实现上述功能，其流程图如图7所示。该APP实现对智能手机内部蓝牙模块的调用，通过蓝牙连接与汇聚节点通信；利用智能手机的GPS模块获取位置信息，加入到接收到的传感器数据中，再通过移动通信网络传输到后台系统；接收后台系统的命令，完成相应的操作；同时通过智能手机对应的界面提供数据显示、告警提醒以及日志功能。

3结语

第3篇

传感器是一种检测装置，其测量对象是被检测系统的信息，然后将其以不同的形式进行传输、处理和管理等工作，从而能够实现对被检测系统信息数据的自动测量和控制。简单来说，传感器的作用就是类似于人的感觉器官，帮助机电一体化系统探索和发现系统当中存在的问题。因此，将传感器技术应用于检测机电一体化系统的操作对象以及运行环境状态，能够精确、快速的获取机电一体化系统的运作信息，有效地提高了机电一体化系统的运行水平。目前，传感器技术已经被广泛用于人们的生活和生产当中，引起了人们的高度重视。但是与此同时，由于传感器技术在我国的起步较晚，在发展过程中仍然存在着一些局限性，因此为了提高传感器技术的精确度，还需要对其进行进一步的改进与完善。

2传感器技术在机电一体化中的应用价值

机电一体化技术包含机械制造技术、微电子技术、信息处理技术、自动控制技术以及人工智能技术等多方面内容，在发展过程中直接导致了自动化技术的产生。而从某种程度上说，传感器技术是机电一体化发展过程中不可缺少的关键技术，影响着机电一体化系统的自动化程度，具有非常重要的应用价值。

2.1传感器技术在机械加工过程中的应用

众所周知，在机械加工的过程中，需要检测的地方有很多，下面将从两个个方面进行简要介绍：第一，将传感器技术应用于机械的切削过程和机床运行过程。现阶段，在切削方面，传感器技术主要是对切削过程中的机械设备切削力的变化状态进行控制，通过分析这个过程当中的相关数据，从而实现对设备运行状态的了解，保证切削过程的顺利进行，提高切削过程的生产效率，以及降低材料的消耗量。将传感器技术应用到机床的运行当中，主要是为了对机床的驱动系统、温度进行检测，从而保证机床运行的安全性，通过分析得到的相应参数，从而不断提高机床的运行效率和精度。第二，将传感器技术应用到工件的生产过程。与切削和机床的运行过程相比，工件的生产过程监视是非常重要，而且研究和应用也是最早、最多的。首先，在加工之前需要对所用的加工设备和坯件进行自动检查，从而保证加工过程的正常进行，比如说自动判断和调整坯件的夹持方位等；其次，在加工过程中，也有严格的要求，对切削的剫、力度、扭矩等参数都需要进行自动检测，以保证加工条件处于最佳状态，除此之外，对于在这个过程中加入传感技术的其他目的还在于提高切削过程的生产效率；最后，在加工完成之后还需要对工件的合格与否进行测量，例如工件的尺寸、粗糙程度、形状等，由于检查的过程比较繁琐和复杂，所以这些检测需要能够自动的进行，并且可以将检测结果直接输入到下一道程序，从而选用合格的产品。

2.2传感器技术在汽车行业中的应用

近年来，随着传感器技术在汽车行业中的广泛应用，现代汽车不断朝着智能化、小型化和电子化发展，进入了全新时期。目前，在汽车的制造过程中，为了实现汽车的机电一体化，需要用自动控制系统来代替传统的机械式控制装置，将先进的监测和控制技术扩大到汽车的全身，从而全面改善汽车的功能，不断增加汽车的人性化服务、减少排气污染和汽油损耗、提高汽车的安全驾驶和舒适性。比如说，在实现汽车的一体化过程中，凡是和电子控制有关的系统或是装置都离不开传感器的应用，尤其是在安全报警装置、信息装置和自动变速器等装置当中，所以这也要求传感器能够适应恶劣的环境，无论是尘土弥漫还是风雨交加的时候，都能够保证具有很好的密封性，与此同时还应该具备一定的抗干扰能力，尤其是安装在汽车发动机内的传感器，需要能够承受得住发动机在工作时的高温和高压环境。

3我国传感器技术在机电一体化中的发展现状和未来方向

第4篇

    基于激光传感器的船舶交通量观测系统,以激光传感器作为船舶数据的采集手段,实现船舶特征识别;以多激光传感器在航船舶通行检测系统为基础,采用多源数据融合和机器学习方法实现船舶特征辨识和自适应误差控制。

    由于系统中选用了两台不同型号的激光传感器作为船舶特征信息的采集,它们采用的数据接口各异。因此,需选用不同的传输方式获取其数据信息。通过对三种方案的实践和比较,最终得到了合适的传输方案。

    激光传感器数据的传输

    1、激光传感器

    激光传感器船舶交通量观测系统由数据采集子系统、数据处理子系统和辅助子系统三个部分组成。数据采集子系统中的激光传感器通过自身激光头的旋转,对物体进行短时间的线扫描,从而实现对被测物截面的二维扫描,可实时采集航道上的目标图像。数据采集子系统主要由两台激光传感器组成。

    2、激光传感器数据的传输

    传输方案:

    传输方案:本方案为最初设计的传输方案,设计基于设备简单、造价低廉、安装方便的原则。 具体方案1号激光器采用以太网的无线传输,2号激光器由于没有网络接口,采用了通讯电缆RS422方式传输。

第5篇

【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）.

第6篇

关键词：虚拟仪器，力传感器，标定

 

1 引言

力传感器是目前广泛使用的传感器，在长期使用过程中，由于使用环境、本身结构的变化，需要对其进行标定，以此保证测量的精度。近年来，随着虚拟仪器技术的出现和发展，越来越多的技术人员开始基于该技术来开发自动化测量设备。博士论文，标定。虚拟仪器是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向[1]。而在众多的虚拟仪器开发平台中，美国国家仪器公司（NI）的LabVIEW应用最为广泛。本文主要介绍了基于LabVIEW的力传感器标定程序的设计。

2 标定的原理

所谓标定（或现场校准）[2]就是指用相对标准的量来确定测试系统电输出量与物理输入量之间的函数关系的过程。标定是测试中极其重要的一环。标定除了能够确定输入量和输出量之间的函数关系之外，还可以最大限度地消除测量系统中的系统误差。

传感器的校准采用静态的方法，即在静态标准条件下，采用一定标准等级（其精度等级为被较传感器的3~5倍）的校准设备，对传感器重复（不少于3次）进行全量程逐级加载和卸载测试，获得各次校准数据，以确定传感器的静态基本性能指标和精度的过程。为简化系统的设计，此处标准量采用砝码加载的方式获得。

3 系统组成

3.1硬件组成

系统的硬件组成如图1所示：

图1 系统硬件组成

由图可以看出，系统主要包括计算机、力传感器，数据采集卡、接线盒等。本系统中，力传感器采用电阻应变式压力传感器，四个应变片采用全桥的工作方式。数据采集卡采用NI公司的PCI-6221，该采集卡的主要参数如下：它具有16个模拟输入端口，2个模拟输出端口，24个数字输入输出端口，采样速率最高可达到250kS/s。接线盒采用NI公司的SC-2345，此接线盒直接与数据采集卡相连，接线盒上有SCC信号调理模块插座。SCC模块是NI公司提供的信号调理模块，其上面包含信号调理电路，可以将传感器处采集的信号转换成适合数据采集卡读取的信号。本系统所用的SCC模块为SCC-SG04，此模块适用于连接采用全桥工作方式的电阻应变式压力传感器。

3.2软件组成

本系统软件基于LabVIEW 8.2来开发。LabVIEW是一种图形化的编程语言。博士论文，标定。博士论文，标定。与其他开发工具不同，用LabVIEW编程的过程不是写代码，而是画“流程图”。这样可以使用户从烦琐的程序设计中解放出来，而将注意力集中在测量等物理问题本身。它主要针对各个领域的工程技术人员而设计，非计算机专业人员[1]。博士论文，标定。

因为所用的力传感器属于应变式电阻传感器，其电阻变化率与应变可以保持很好的线性关系，即输入与输出量之间呈线性关系，所以可以用一条直线对校准数据进行拟合。此直线就称为拟合直线，所求得的方程为拟合方程。图2所示为传感器标定程序的采样页面。

此程序采用LabVIEW的事件驱动编程技术进行编制的。事件[3]是对活动发生的异步通知。事件可以来自于用户界面、外部I/O或程序的其它部分。在LabVIEW中使用用户界面事件可使前面板用户操作与程序框图执行保持同步。事件允许用户每当执行某个特定操作时执行特定的事件处理分支。

图2 标定程序采样页面

图3 采样程序

直线拟合的方法[2]有很多种，比如最小二乘法、平均选点法、断点法等等。其中，最小二乘法精度比较高，此处利用它进行直线拟合。根据最小二乘法，假定是一组测量值，是相应的拟合值，mse为均方差，则拟合目标可以表达为，期望mse最小。

LabVIEW中的分析软件库提供了多种线性和非线性的曲线拟合算法，例如线性拟合、指数拟合、通用多项式拟合等等。本程序选择Linear Fit.Vi 来实现最小二乘法线性拟合。

标定子程序的工作流程如下：用户先通过多次采样，获得各个输入量对应的输出量，通过While循环的移位寄存器保存这些值。博士论文，标定。采样完成后，把这些值输入Linear Fit.Vi进行拟合，拟合的曲线在Graph控件中显示出来，同时该Vi自动求出方程y=ax+b中的斜率a和截距b，这样，输入输出量之间的函数关系就可以确定下来了，如图4所示。

图4 标定程序拟合前面板

4 小结

基于虚拟仪器的力传感器标定程序能够方便地对力传感器进行标定。博士论文，标定。该系统具有人机界面友好，灵活方便，自动化程度高等特点。

参考文献：

【1】.候国屏;王珅;叶齐鑫.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计[M].清华大学出版社.2005

【2】.张迎新等.非电量测量技术基础[M].北京航空航天大学出版社，2001

【3】.NationalInstrumentsCorporation.LabVIEWHelp[CD].ni.com/china,2008

第7篇

关键词：电磁矢量，非圆信号，DOA，估计方法

 

1 绪论

1.1课题背景波达方向（Direction Of Arrival，DOA）估计（常称为DOA估计）是阵列信号处理领域内的主要研究方向之一。论文格式。阵列信号处理[1]是近几十年来综合阵列理论和数字信号处理理论与技术而发展起来的一门学科分支。它是将一组传感器在空间的不同位置上按一定规则布置形成的传感器阵列。尽管采用的传感器类型可以不同，如天线、水听器、听地器、超声探头、X射线检测器，但是传感器阵列的功能是相同的，它是连信号处理器和感兴趣的空间的纽带，用传感器阵列接收空间信号，获得信号源的空间观测数据并加以处理。阵列信号的处理目的是从这些观测数据中提取信号场的有用特征，获取信号源的属性等信息。近些年，随着微电子技术、数字信号处理技术、并行处理技术的迅猛发展，阵列信号处理的理论和实际应用也得到了迅速发展。

尽管空间谱估计的理论与技术日益成熟，但是需要或者值得研究的方向仍然很多。譬如近几年来，如何利用非圆信号(non-circularsi gnals)的特征来提高算法估计性能己经成为信号处理理论界的一个研究热点。

1.2对非圆信号的研究意义对非圆信号的研究有着现实意义，一方面，非圆信号是现代通信系统中常用信号;另一方面，在实际应用场合中经常会遇到由于用户的高密集性而使得阵列的接收信号数要远大于阵元数的情况，并且为了处理的实时性，不可能获得很多的快拍数。因此研究处理信号个数多、运算量小的算法显得尤为迫切。

2 电磁矢量传感器阵列非圆信号模型2.1电磁矢量传感器输出信号模型电磁矢量传感器由于其独特的同点极化分集接收能力，使得隐含于信号结构中的微观信息得到充分利用，受到了人们的广泛关注。电磁矢量传感器[3]阵列是一种极化敏感阵列，由若干个相同形式的电磁矢量传感器组成。每个电磁矢量传感器又可视为一个6元子阵，由相位中心重合的三个正交电偶极子和三个正交磁偶极子组成，可以同时感应入射电磁信号的3个电场分量和相应的3个磁场分量。

2.2电磁矢量传感器阵列流行矢量特点关于电磁矢量传感器的阵列流形矢量有几个重要的特点。首先单个矢量传感器测量产生一个6×1维的导向矢量，因此，单个矢量传感器本身能够等效表示一个六元阵列。第二，矢量传感器的阵列流形没有时间延迟相位，也就是说矢量传感器阵列流形矢量不同于空间平移阵列，单电磁矢量传感器的导向矢量与空间抽样间隔以及入射信号的频率无关，这种频率无关性是由于组成矢量传感器的六个分量传感器在空间同点放置。论文格式。第三，电磁矢量传感器阵列流形矢量是极化敏感的；这就意味着具有相同DOA方向但是有不同极化状态的信号有不同的阵列流形矢量，因而可以基于他们的极化分集区分开来。第四，任意宽带或者窄带电磁波信号的电场矢量和磁场矢量相互正交，并且正交于信号的归一化玻印廷矢量，信号单位传播矢量的三个分量是沿着笛卡尔坐标的三个方向余弦。

3 改进的非圆信号DOA估计方法3.1相干源的分辨问题在实际情况中，常由于多径传输或人为干扰的影响，阵列有时会收到来自不同方向上的相干信号，相干信号会导致接收信号协方差矩阵的秩亏损，从而使得信号子空间“扩散”到噪声子空间中去。因此，MUSIC算法[2]的空间谱搜索就无法在波达方向上产生谱峰；ESPRIT算法也会由于秩亏损而无法求解出正确的来波方向。相干源的问题要从解决矩阵的秩亏损入手。论文格式。当个信号非相干时，一次快拍得到的是个信号线性组合的阵列向量，其协方差矩阵具有秩为的信号子空间。如果个信号中有两个相干，即这两个信号的相位关系保持不变，再多的快拍数也只能得到个非线性相关的阵列向量，使信号子空间的秩降为，也就是产生了秩亏损。

由以上分析可知，在相干信号源情况下正确估计信号方向（称为解相干或去相干）的核心问题是如何通过一系列有效变换使得信号协方差矩阵的秩得到有效恢复，从而正确估计信号源的方向。本章将考虑基于电磁矢量阵列的非圆信号DOA估计问题，提出一种广义相位平滑算法，这种方法不仅可以提高非圆信号的DOA估计精度，还可以有效处理相干信号的估计问题。

3.2广义相位平滑MUSIC与MUSIC算法比较广义相位平滑算法能较好的对两个相干非圆信号解相干。不仅如此，广义直接相位平滑算法和广义平方相位平滑算法还可以对非相干非圆信号DOA估计精度有明显的改进。

下面将通过仿真来比较这三种算法的性能。仿真中采用电磁矢量传感器均匀线阵，由6个指向相同的电磁矢量传感器组成，阵元间距为半波长。通过第2节电磁矢量传感器输出信号模型的建立和电磁矢量传感器阵列流行矢量的特点分析进行比较。比较步骤如下：

1.通过计算信噪比与均方角度误差的关系，信号为三个非相干的BPSK窄带信号，入射角度为、和，初始相位为、和，极化状态为、和，快拍数为200，所给结果为200次独立实验的平均；

2.快拍数与均方角度误差的关系，信号步骤1相同，信噪比为-5dB；

3.在步骤1的基础上将信号入射角度变为、和；

4.在步骤2的基础上将信号入射角度变为、和。

通过比较，结果表明，在低信噪比和短快拍数两种困难条件下广义相位平滑算法对非相干的线极化非圆信号DOA估计精度有明显的改善作用。

4 .总结本文主要研究了非圆信号的定义与性质；基于电磁矢量阵列的非圆信号DOA估计的数学模型；研究了一种改进的非圆信号DOA估计方法，即广义相位平滑算法，并把它推广到电磁矢量阵列。从而提高参数估计性能并且能估计多于阵元个数的信号。同时，广义直接相位平滑算法和广义平方相位平滑算法不仅可以很好的对两个相干的非圆信号解相干，还对非相干的非圆信号DOA估计精度有明显的改善作用。

【参考文献】

[1]庄钊文等.极化敏感阵列信号处理[M].国防工业出版社，2006.

[2]Y Xu and Z Liu.Subspace-Based Single-Vector-Sensor Direction Finding for Two Coherent AcousticSources Having Real-Valued Constellations[C].in proc.IET internationalconference on wireless,Mobile&MultimediaNetworks,2006,HangzhouChina,994-997

[3] A. Nehorai andE. Paldi. Vector-sensor array processing for electromagnetic sourcelocalization. IEEE Trans. Signal Processing, Vol. 42, No. 2, 1994, pp. 376-398

第8篇

关键词：角度传感器，C8051F005单片机，角度预置，步进电机，显示联动

 

0.引言：

传感器在现代信息技术中有着举足轻重的地位，传感器为系统提供进行处理和决策所必需的原始信息，很大程度上影响和决定着系统的性能，本设计采用以单片机为控制单元，用单轴倾角传感器检测平衡板倾斜角度，采取步进电机控制平衡板角度自动旋转目的。

1.硬件电路设计

角度传感器硬件连接图如图1所示，当步进电机带动平衡板倾斜到使角度传感器SCA60C处于水平位置时，Vo端输出+0.5V的模拟电压。传感器SCA60C仅可精确检测到0~90度的角度范围，当平衡板转到使角度传感器与水平面成90度的角度时，此时Vo端输出+5V的模拟电压。在0~90度的倾角范围内，Vo端输出的是正比于倾角大小的+0.5~+5V的模拟电压信号，当平衡板转动到使角度传感器与水平面间的角度从90度到180度的范围变化时，输出端Vo输出的是从+5V依次变化到+0.5V 的模拟电压信号[1][2]，因此通过测定传感器SCA60C输出端Vo电压的大小即可确定平衡板与水平面的夹角。

步进电机驱动电路的设计本系统中，我们选择4相5线步进电机，其驱动电路主要由L297+L298组成，该驱动电路集驱动与保护于一体。L297是脉冲分配器，只要步进电机A、B、C、D四项依次连接到J1的1、2、3、4各点，且将剩下的一条线接地，L297就会自动的将输入到端口CW/CCW的脉冲分配给步进电机的各个相序，此时步进电机便可转动[3][4]。控制电机时只需单片机通过I/O口向L297的cw/ccw和clock端发送控制信号即可控制它的转速和正反转。驱动电路原理如下图2。论文参考。论文参考。

图1角度传感器硬件连接图图2步进电机驱动电路原理图

本系统主要由主控制器模块、角度检测模块、A/D转换模块、键盘模块和显示器模块等部分组成，系统连接图如图3所示：

图3系统框图

系统分为两个工作模式，工作于模式一时，可通过键盘模块预置一个角度，主控制器接收到此信息后，通过控制电机控制模块来使角度检测模块做出转动动作以使平衡板按输入角度完成倾斜动作。同时，角度传感器输出的模拟量经A/D转换模块转换后送入主控制器，主控制器据此输入判定平衡板是否已倾斜到预置的角度，并据此来控制电机控制模块，并且主控制器模块通过控制显示模块实时的显示平衡板的倾斜角度。通过按键模块可将系统切换到模式二，模式二的功能是能始终保持平衡板的水平，且能使显示模块显示的内容与平衡板联动，两种工作可通过按键来切换。系统使用c8051f00作为控制核心，128*64作为显示器，4*4键盘来输入需要预置的角度。程序具有角度预置和自动寻找平衡点两种模式，根据不同需要选择，具有友好人机界面，操作简单易懂。软件流程图如下图4所示：

图4 程序流程图

2.系统测试与分析

表1系统性能测试

 

基本要求测试 发挥部分测试 输入角度大小 平衡时角度 误差 起始倾斜角度 平衡时角度 误差 30o　 29.07 o

0.70% 14 o

0 o

0 65 o

65.6 o

0.90% 32 o

0.3 o

0.90% 94 o

94.2 o

0.20% 80 o

0.3 o

0.38% 110 o

110.4 o

0.36% 76 o

0.7 o

0.92% 176 o

175.7 o

0.17 121 o

第9篇

关键词：传感器实验；教学改革；创新人才培养

中图分类号：G642文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)18-31739-01

Experimental Teaching Reform of Sensors Course

ZHANG Huai,Chen Fu-jun,YANG Yong,LIANG Feng

(Huanghuai University,Zhumadian 463000,China)

Abstract:Sensors is a most practical course, the students can verify theories through an experiment, and can strengthen the cultivation of the student’s innovation and practice ability. Aimed at the present situation of the experimental teaching for sensor of our university, we do some beneficial reform and the aim is to improve the practice ability of students and cultivate the innovative talents.

Key words:sensor experiment;teaching reform;cultivation of innovative talents

传感器技术作为现代三大信息技术之一，广泛应用于工农业生产及日常生活中，是测控过程中反映被测对象、保证控制质量的重要一环，也是自动化、测控技术、机械电子等专业的一门实践性和应用性很强的基础课。随着计算机技术，信息技术和网络技术的发展，传感器技术与应用也飞速发展，而传统的传感器教学尤其是实践环节的教学迫切需要改革创新。为此，针对我校传感器实验教学的现状做一些有益的改革，旨在提高学生对传感器原理及特性的理解并进而达到设计和应用的目的，培养高素质技能型人才。

1 我国传感器及实验教学的发展及需求

传感器及智能仪器仪表自上个世纪60年代以来一直作为自动化、测控技术、机械电子等专业的一门专业课程，特别是进入80年代后，国际上出现了“传感器热”：日本把传感器技术列为80年代十大技术之首，美国把传感器技术列为90年代的关键技术，我国把传感器技术列为“八五”、“九五”的重点研究项目之一；并且2003年3月国家教育部紧跟国际科技发展步伐，已将传感器的教学纳入到普通高级中学物理课程的教学体系中。由此可见，传感器在当今科技发展及国民教育体系中所处的重要地位。而对于传感器本身又是一门实践性和应用性很强的学科，而且传感器实验教学是整个教学环节中的一个重要子系统，因此，加强传感器实验教学以适应我国高等教育的任务――培养学生创新精神和实践能力的需求。

2 传感器实验教学的现状

长期以来，理论教学重于实验教学的观念根深蒂固，影响了传感器教学的效果。传统的传感器教学尤其是实践性环节迫切需要改革创新。传统的传感器实验教学的问题主要反映在以下几个方面：

2.1教学中存在不重视实验的倾向

实验教学是理论知识和实验活动、间接经验与直接经验、抽象思维和形象思维、传授知识与训练技能相结合的过程。但是，对传感器实验教学现状的调查结果表明，目前很多高校在教育观念上，仍存在着重理论、轻实践，重理论知识传授、轻动手能力培养的倾向，在课程体系上，实验教学少有独立的教学体系以及相应的学分评价体系，实验课从属于理论课，实验内容含在理论课程中，实验学时与内容的开设随意性强，随意削减实验学时成为普遍现象，实验课时同理论课时比例不太合理等问题，从而大大影响了学生对传感器特性的理解及在传感器应用中解决实际问题能力的培养。

2.2实验项目验证型多于设计型

目前，我系使用的传感器实验装置是由浙江高联科技开发公司提供的CSY2000D型传感器检测技术实验台，它所提供的实验项目大多为验证性实验，虽然各传感器透明式封装比较直观，但缺乏设计性、综合性要求，与工程实践脱节严重。

2.3教学方式单调枯燥

传统的传感器实验教学是注入式的，从实验原理、步骤、实验注意事项，甚至连实验结果都面面俱到地由老师讲解，然后由学生“按方抓药”地操作。这使学生处于消极被动的地位，影响其学习主观能动性的发挥，严重阻碍了学生的全面综合素质的培养。

2.4实验经费投入不足

实验室建设对各高校来说是一项重要的投资，特别是对于一般的普通高校在资金有限的情况下，对实验室的建设投入更少；而传感器又是精密测量仪器，一般单个售价都在50元以上，我系于2003年购置的6台CSY2000D型传感器检测技术试验台就高达1.83万元/台。因此，在资金紧张的情况下，使得高校扩招后由原来的一名学生一台设备，改为2～3人一组，这样在实验过程中往往一个学生做，同组人旁观，教学效果很不理想。

3 改革与探讨

实验教学是高等院校教学的重要组成部分，是对课堂所学理论知识的直观认识和拓展应用，是学生理论联系实际的重要途径，它在培养学生综合素质和创新能力方面有着不可替代的重要作用。因此传感器实验教学必须从理论教学中解脱出来，实验教学应与本课程特点紧密结合，做一次全面的改革：

3.1深化传感器实验教学改革，着力培养学生动手能力

为推进我国全面的素质教育，培养学生创新精神和实践能力，根据传感器实验教学的现状和面临的问题，充分调研，对目前的传感器实验教学进行全面改革：从本科培养计划的约束，到实际实验教学的实施；从教师的教学观念，到学生的实验的目的等各方面都要充分认识到传感器实验在传感器教学中的重要性，在实际实验教学中不断培养学生独立的操作动手能力。

总体上说，注重引导，加强实验考核，使学生普遍对实验重视程度提高，能主动预习准备实验，甚至带着问题进实验室，学生的动手能力明显增强。

3.2切实加强传感器实验室基础建设和科学管理制度

实验器材是开展实验教学活动的基础平台，虽然传感器实验器材价格相对较贵，但也应逐渐增加传感器实验室经费的投入，除了确保正常的教学实验所需各项经费外，还要投入一定经费改进和完善现有仪器设备。同时，还要加强实验室科学管理制度的建设，现在各高校的实验室管理专职人员紧缺，一般由理论课老师来担任实验的教学和实验室管理，其间存在管理漏洞，仪器损坏无法及时维修，严重影响实验教学的开展。因此，传感器实验室要根据本学科的特点和自身条件建立切实可行的实验室管理制度和实验操作规程，逐渐形成较为完整的实验教学管理和保证体系。

3.3加快传感器实验教材的编写

实验教材是提高实验教学质量的重要环节。传感器实验是近几年才在各高校普遍开设，据调查现阶段各高校采用的传感器实验教材都是在厂家提供的仪器使用指南的基础上编写的讲义，缺乏规范性、普适性。根据高校实验教学改革和本学科发展的现状更新充实实验教学内容和教学方法，编写配套的、高水平的传感器实验教材是刻不容缓的。

3.4改革传感器实验教学的内容及方法

3.4.1实验教学内容的改革

为了突出实践教学，培养学生的应用意识、工程实践能力，使学生“消化理论、发展能力”我们对该课程的实验内容进行了较大改革：一方面保留了一些基础验证性实验，如电阻应变、电涡流位移特性、光纤传感器位移特性实验等，使学生通过这些实验，理解传感器的基木原理和特性，消化教学内容；另一方面开设一些设计性实验，如我们利用电阻应变片设计了数字电子秤，以及结合单片机知识设计出自动避障小车和全自动洗衣机控制器等，通过学生自己制作出一些小产品模型，使学生进一步认识到课堂中学过的传感器在其中的限位、距离检测等作用。在教学过程中除了要求学生写出实验报告外还要求撰写设计论文，这样更能够将设计思想、方案论证、技术路线等一些列创造性工作反映出来，同时还可锻炼学生的总结能力，为将来撰写科技论文奠定基础。

3.4.2实验教学方法的改革

实验课是验证理论、应用理论、锻炼学生动手能力的重要环节。在实验指导的方法上,我们进行了一些改革探索，在实验指导过程中,注意因材施教,采用启发式教学方法,提示学生是否有更好的改进方法等等。如电阻应变实验中对电子秤标定时反复调节Rw3、Rw4直至托盘空时电压表显示为0v、200g砝码时显示为0.2v。反复调节最终是可以达到要求，当学生反复调节几次没达到预期要求时可能不耐烦了，这时提示学生根据电阻应变式传感器的测力原理及输入输出特性――线性关系，分析电路中Rw3、Rw4的作用可以看出Rw3起调节放大倍数――即线性关系中的斜率、Rw4起零点参考电压调节――线性关系中的初始值的作用，经过这样比较对应后，很快可以得出这样的快速调节方法：当托盘空时，调节Rw4使电压表显示为零；然后将10个砝码全放入托盘，调节Rw3使电压表显示为0.2v；然后去掉全部砝码记下此时电压表读数v0 (如0.002v)；再将砝码全放入托盘调节Rw4使电压表显示为0.2-v0（如0.198v）；最后再调节Rw3使电压表显示为0.2v即可。通过像这个实验一样的实验教学方法改革,我们认识到如果在每次实验指导中都能够采用启发式的方法启迪学生，发展学生的发散思维能力，那么一定能使学生举一反三，达到学以致用的目的，同时还可激发学生的创新兴趣。

3.5建立科学的实验考核方案

成绩评定方式对于实验教学十分重要，它是这次传感器实验教学改革实施的总体指挥棒。学生最关心的就是成绩，我们要充分利用这一法宝设计较为合理的考核方案，既能达到考察的目的，同时使学生通过试验不仅能很好理解理论知识，还可以培养学生的动手、创新能力。为此，将成绩评价定位在是否理解并灵活应用所学知识，以及鼓励创新思想和创新实践过程，而不仅仅是结果正确与否。在总结多年实验课经验的基础上，采用两种结果验收相结合的形式，一种形式是当面验收，通过演示和口头介绍展示实验过程及实验效果，并完成高质量的实验报告（包括利用VC、vb、matlab等软件实现对测量数据的分析及相应的改进措施和仿真），这种方式是学生实践活动结果的直观体现；另一种形式是提交撰写设计论文，相对与前者，这种形式更能够将设计思想、方案论证、技术路线等一些列创造性工作反映出来，同时还可锻炼学生的总结能力，为将来撰写科技论文奠定基础。学生的最终实验成绩是这两部分成绩的综合。

4 结束语

关于传感器实验课教学改革涉及面广，环节多，是个比较复杂的问题。我们只是在这方面做了一些有益的尝试，并取得了一定的成功经验。我们改革的目的很明确，就是要让学生感觉到每一个实验都是一次挑战，要想取得成功必须要有充分的准备、严谨的态度、细致的操作和灵活的思维。每一次实验的完成，不仅要让学生的实验能力得到充分的训练和提高，更重要的是要激发学生的主观能动性和创造性。只有这样才能为国家培养出具有较高的全面素质的一流人才。

参考文献：

[1]廖正琴.新课程标准理念指导下的传感器教学初探[J].物理教学与探讨,2003,5:42-43.

第10篇

【关键词】开关柜；特征气体；诊断

高压开关柜在电力系统中担负着关合及断开电力线路、保护系统安全的双重功能，随着电力系统向着高电压、大机组、大容量的迅速发展，电网日益扩大以及变电站无人值班管理模式和综合自动化的普及推广，高压开关柜的安全运行越来越重要。高压开关柜内闸刀触头、电力电缆进出线的接头接触不良时，接触电阻增大，在负载电流流过时会产生发热现象，过热会引起金属材料的机械强度下降，绝缘材料老化并可能导致击穿，形成事故。在高压开关柜中，固体绝缘中的空穴、不同特性的绝缘层之间，以及金属（或半导电）电极的尖锐边缘处，由于气体的击穿场强比固体介质低得多，气体中的电场又比固体介质中高，往往在气隙的部位产生局部放电。这些局部放电会造成电介质绝缘强度逐步下降，最终导致绝缘的损坏。此外，高压开关柜中还存在SF6气体的泄漏，同样会造成设备性能的下降。因此，测量和监视高压开关柜内的运行状态，是避免重大事故发生及控制故障恶化的有力手段，对于保证高压开关柜的正常运行，提高电力系统的运行可靠性和自动化程度具有非常重要的意义。

目前已有的各个测试系统存在各种各样的缺陷，并且各种方法只能实现对某一种故障的监测，还无法实现对高压开关柜的运行状态准确监测。针对于上述的情况，针对于上述的情况，对高压开关柜在运行过程中各故障状态下的气体成分进行了分析，发现各种故障状态下，高压开关内部会产生不同的特征气体。由此可见，采用变压器油色谱测试的原理，通过对不同特征气体的分析，可以实现对高压开关柜运行状态的监测。基于上述的原理，本论文介绍了基于故障气体原理开发了便携式开关柜故障探测装置，该系统通过提取开关柜运行过程中所形成的气体，采用气敏传感器对各种气体成分进行分析，从而对开关柜的运行状态做出可靠判断，确保高压开关柜的安全运行。

一、开关柜内部故障的特征气体分析

对于采用SF6断路器的小车式开关柜，最容易发生的异常是接头发热、SF6气体泄漏和局部放电。下文将分别研究每种异常状况的特征气体特点。

1.接头发热

接头发热是一次设备的常见故障，对于常用的小车式开关设备，由于其断路器小车经常被移进移出，断路器的触指和触头很容易受到撞击等外力作用而变形，导致接触不良而发热，另外其电缆接头也是发热故障的高发部位，由于开关柜内部发热几乎不能早期发觉，接头发热故障对于开关柜的安全运行事关重大。接头发热产生的特征气体比较复杂，各种气体的组分和浓度随发热温度和接头材料的不同而不同，主要特征气体有以下几种：

a.烷烃和硫化氢——主要是接头电力脂、脂、示温蜡片中杂质受热分解产生，由于断路器触头无一例外地涂有脂，如果接头发热，凡士林融化导致内部少量碳原子数量较少的烷烃和硫化物等杂质气化而分布在柜内的空气中，由于各种气体传感器对于烷烃等可燃气体灵敏度极高，因此很容易检出。

b.单质铜和氧化铜颗粒——如果温度过高，接头的铜会逐步氧化发黑形成氧化铜，极少量的氧化铜和单质铜会升华进入空气，并产生微量烟雾。

c.绝缘材料分解气体——发热接头附近的绝缘材料（如环氧树脂）受热也会产生一定特殊气体，另外接头部位的灰尘受热也会产生特殊气体，主要有氢溴酸、胺类、腈类、酚类、烷烃、醛类、氮氧化物，多环芳烃、杂环族化合物、羟基化合物等。

2.局部放电

局部放电也是一次设备的常见故障，空气中的放电现象会产生氮氧化合物、臭氧和负离子，因此对于空气中的局部放电，如沿面放电等，可采用探测上述气体的传感器进行探测，对于固体介质内部的局部放电则没有作用。

3.SF6泄漏

绝大部分的小车式开关柜均为装设断路器SF6压力表或密度继电器，如发生SF6泄漏，只有等到压力低于报警或闭锁值时，才能通过处罚压力接点的方式用光子牌、指示灯间接显示出来，如果压力接点失灵，SF6气体即使漏完运行人员也无法知道，如果此时操作断路器可能导致设备爆炸的严重后果，因此采用另一种手段探测SF6泄漏也很有必要。由于现有的SF6气体传感器能检测到0.1ppm以下浓度的SF6气体，因此开关柜内部的SF6泄漏应该能很容易地检出。

二、气体传感器设计

1.传感器的选择

通过对不同传感器的性能比较，分析了各种传感器在寿命、灵敏度、成本、加热功耗和反应速度方面的优缺点，本论文提出了采用电化学可燃气体传感器+离子型烟雾传感器+TGS型空气质量传感器”检测接头发热、大气型臭氧传感器检测局部放电、环境监测型SF6传感器检测SF6的方案。

接头发热采用电化学可燃气体传感器，该传感器灵敏度很高，用其可满意地检出微量的硫化氢或其他可燃气体；游离碳、游离状氧化铜和单质铜用气体传感器较难检出，为了提高检测性能，又加上了离子型烟雾传感器，这样如果柜内有极少量的烟雾颗粒，也能及时检出，通过联合使用2种不同原理的气体传感器，就能较可靠地探测出开关柜内部发热异常。局部放电和SF6泄漏的检测分别采用O3/S-5型大气监测用臭氧传感器和SM-SF6型SF6气体传感器，该两种传感器的检出灵敏度都在0.1ppm以下，足以探测开关柜内部的SF6气体泄漏和表面局部放电现象。

2.气体传感器的典型应用电路

气体传感器是一种将特征气体浓度量转化为电量的传感器，大部分气体传感器都采用电阻率变化的方式输出信号，当环境中某种特征气体含量较低时，传感器电阻较大，当该气体浓度增大后，传感器电阻减小，大部分气体传感器的电阻在一定范围内都能与气体浓度成比例变化，具有较高的线性度。

典型的采用加热方式工作的气体传感器电路如图1所示，传感器的1、2端口为加热端口，3、4端口为输出端口，R2为加热端口的限流电阻，用以将加热电流调整到传感器所规定的电流值，R1为输出端负载电阻，当传感器启动后，需要加热一段时间，加热完毕后即能工作，此时3、4端口的电阻值会随着外界气体浓度的变化而变化，从而使R1上的电流和输出端的电压变化，起到监测气体浓度的作用。

三、系统结构设计

通过上述的研究，本论文对整个测试系统进行了设计，其整个原理如图2所示。

从上述监测系统的结构框图可以看出，整个系统由CPU控制系统、按键、液晶显示屏、通信总线、A/D数据采集单元、局部放电探测单元、SF6泄漏探测单元和触头过热探测单元所构成。整个系统的工作过程为：首先采用抽气的方式，将开关柜内的运行气体送入到各测量单元中，利用局部放电探测单元、SF6泄漏探测单元和触头过热探测单元中的气敏传感器对各种故障的特征气体进行测量，实现非电量向电量的转换，接着将各测试信号传到A/D数据采集单元，将模拟信号转换成数字信号，最后将数字信号送入CPU控制单元中，对采集的数据进行归类、统计分析，将测试结果和分析结果显示在液晶屏中，其显示的内容可通过按键进行更改。此外，整个系统还可以通过通信总线，将测试结果上传至监控中心。

四、测试电路设计

针对于上述电路的框架，本论文对其的测量电路进行了设计，其原理如图3所示。

从图3中可以看出，整个测试电路由模拟开关、AD采样电路和MCU组成，其工作原理：首先将测量信号（如热信号、局部放电信号等）接入模拟开关，然后利用MCU控制模拟开关，实现对其分时控制，将模拟信号输入AD采集单元中，接着MCU控制AD采集单元实现对其模拟量的数字转换，从而实现对被测量的测量。

五、系统软件设计

根据上述的测量电路，对其控制软件进行了设计，其程序的流程框图如图4所示。从图中可以看出，整个程序的流程为：首先对系统进行初始化，如接口的电平、寄存器初值的设定，中断的关闭等，然后控制模拟开关，使模拟信号进入AD的输入端，接着对其进行模数转换，实现对模拟量的分时采样，然后对所测量的数据进行分析，对高压开关柜的运行状态作出判断。

六、样机的效果测试

鉴于要寻找内部存在异常的运行开关柜比较困难，因此设计了一些模拟实验，来验证该样机的实际效果，试验结果如表1所示，图4为测量程序流程图。

七、结论

本文说明了空气绝缘开关柜内部异常早期探测的必要性，提出一种通过检测开关柜内空气质量和特征气体组分的方式，来探测空气绝缘开关柜内部异常状态的方法。通过理论分析和实验证明了其具有较高的可行性和实用性，对于接头发热、表面放电和SF6泄漏异常具有较高的检出率，能够实现对高压开关柜的监测。

参考文献

[1]吴家棍，孙良彦.传感器技术[J].1997（1）：18-21.

[2]尚文，刘杏芹，汤笑婷.应用化学[J].1998（2）：60-63.

[3]陈尔绍.传感器实用装置制作集锦[M].北京：人民邮电出版社，2000（4）.

[4]陆凡，王小平等.传感器技术[J].1997，26（3）：5-6.

[5]彭军.传感器与检测技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2003.

第11篇

论文关键词：传感器，蒸发致冷

 

在物理教学中，巧妙地运用学生身边的一些学习、生活用品和现象进行实验，比“正规实验”更让学生感到富有亲切感、新奇感和熟悉感，从而更能唤起学生的学习动机，大大增强教学效果。文中利用传感器技术对蒸发致冷进行了探究，现与大家分享。

一、问题的提出

夏天，游泳后刚从水中上岸时会感到冷，如果有风，甚至会冷得打颤，为什么？把酒精擦在手背上，为什么会感觉到凉？而用水擦在手背上，为什么和酒精擦在手背上会有不同的感觉？

创设问题情境是物理教学过程的前提和条件，其目的是为学生创设思维场景，激发学生的学习兴趣，创设问题情境也是探究学习的开始。

二、探究活动

（1）实验装备

器材：装有Windows2000以上操作系统的PC、数据采集器、数据线、温度传感器（－10℃～＋110℃）、铁架台、棉团。

（2）实验步骤

1．用数据线把数据采集器和计算机连接起来，然后将温度传感器（－10℃～110℃）与对应的数据采集通道连接，并启动数字化实验室系统软件。

2．将棉团轻轻地系在温度传感器触头端，如图1所示。

图1

3．打开数字化实验室系统软件菜单，设置数据采集样点时间间隔为0.2秒。为了实时动态记录棉团中酒精或乙醚蒸发时温度随时间而变化的情况，将显示模式选取“示波”方式。用酒精浸湿棉团，观察温度曲线的变化情况物理论文物理论文，如图2所示。

图2

4．用乙醚代替酒精，操作同3，将棉团用乙醚浸湿，观察温度曲线的变化情况，如图3所示。

图3

5．在坐标绘图中同步显示“时间一温度” 曲线上， 点击鼠标右键就可以得到坐标显示如图2、3 所示。

三、实验结果和分析

1.波形显示窗口清晰地描绘出了棉团中酒精或乙醚蒸发时温度随时间而变化的情况，酒精浸湿棉团（29.40℃），并使其在空气中自然蒸发，棉团由29.40℃经过690s后温度下降到20.13℃，从图2中可以看出，酒精蒸发过程吸收热量，棉团温度降低，用手轻轻接触棉团，会感到凉，蒸发可以致冷。从图2中也可以看出，酒精刚开始蒸发时温度降低得快，而随着时间增加，温度降低趋势变缓，这是因为随着棉团中酒精的蒸发，棉团中酒精含量就慢慢变少，实际上减小了酒精蒸发时的表面积；同时，随着酒精的蒸发，剩余的酒精温度变低，酒精蒸发也会变慢，致使温度降低趋势变缓论文下载论文格式模板。

2.用乙醚代替酒精，将棉团用乙醚浸湿，观察温度曲线的变化情况如图3所示，基本上和酒精蒸发一样。但是，乙醚浸湿棉团（29.40℃），并使其在空气中自然蒸发，棉团由29.40℃经过105s后温度下降到0.00℃，从图3中可以看出，乙醚蒸发很快，温度降低得快，吸收热量多，乙醚蒸发致冷效果好。

蒸发是液体在任何温度下发生在液体表面的一种缓慢的汽化现象。在蒸发过程中，比平均动能大的分子飞出液面，而留存液体内部的分子所具有的平均动能变小，如外界不给液体补充能量，液体的温度就会下降。蒸发过程吸收热量，蒸发可以致冷。在相同条件下，不同液体蒸发快慢不同物理论文物理论文，液体表面积越大，致冷效果越好。

3. 进一步实验探究

从以上探究和分析可以预见,学生对蒸发致制冷有了基本的了解。液体的温度越高,蒸发越快？液体表面上空气流动快，蒸发快？增大液体表面，能使温度降到更低？空调和冰箱是怎样制冷？同学们针对上述猜想和假设, 进一步实验探究。

四、实验总结

利用温度传感器对蒸发致冷进行了深入的探究和学习，学生了解到蒸发过程吸收热量，蒸发可以致冷。在相同条件下，不同液体蒸发快慢不同，液体表面积越大，致冷效果越好。在整个探究过程中同学们对蒸发有了更深一层的理解和认识，同时在实际探究活动中锻炼和培养了他们的观察和动手能力。

毫无疑问，以传感器和计算机技术为基础的数字化实验技术，具有强大的信息处理能力，可以实时、高效、灵活处理各种数据，实现数据共享，具有便捷的交互功能，将数值、图像、文字展示出来；可以使师生从繁琐的数据处理工作中解脱出来，有更多的时间去观察实验，发现问题，解决问题；可以使探究问题的范围和深度大大拓展，从而提高了探究能力。数字化科学探究活动，对于有效实现信息技术与学科教学的整合提供了新的平台，为学生探究科学规律提供了新的契机。

第12篇

关键词：无线传感器网；理论课程教学；自制实验平台；实验项目

Discussion on education of the postgraduate course: wireless sensor networks

Zhang Jianhui, Zeng Hong

Hangzhou dianzi university, Hangzhou, 310018, China

Abstract: This paper analyzed some appearing problems in teaching this course among postgraduate students, and designed a new way in theory teaching by designing and constructing test-bed, by designing and developing experiment items. Our new teaching way could change the unsmooth and bald status quo in unidirectionally teaching theoretical courses, and was a reference to promote the teaching development of postgraduate courses.

Key words: wireless wensor networks; teaching of theoretical course; self-developed test-bed; experiment item

无线传感器网近年来成为IT领域的研究热点[1]。2009年8月，总理提出尽快建立“感知中国”中心，促进我国无线传感器网技术与产业的发展。无线传感器网是物联网的技术核心，2010年7月20日，教育部向社会公布了2011年全国各高校140个本科新专业详细名单，其中“物联网工程”专业占据30个，高居榜首。无线传感器网是物联网专业骨干课程之一，也是一门新课程。我们对该课程的教学方法作了些探索性的改革。

1 目前存在的问题

物联网作为新专业有新的建设和教学思想[2]。而无线传感器网作为新兴行业的新课程，其理论基础要求高，应用性也要强，因而给教学带来新的挑战。存在的主要问题有：

(1)教学内容涉及广与系统性教学的矛盾。无线传感器网是一门应用性和理论基础要求都很强的课程。该课程所讲述的网络是一种集成创新型技术，同时理解和运用好该技术需要一定理论基础。它所涉及的内容广泛，需要多方面计算机基础理论知识，且涵盖面广，包括概率论、图论、高等数学、随机过程等。同时，它涉及单片机编程、电子线路、无线电发射等多方面硬件知识。而这门课程的传授对象是研究生，研究生班的学生往往来自不同专业，读研期间的主修专业也各不相同，而其导师所指导的研究方向更是千差万别。因而，如何系统地讲授这门课，同时又能满足学生不同需求，将成为面临的难题。

(2)理论教学与实验教学的脱节。无线传感器网是门全新课程，问题(1)中所述特点使得在理论与实验教学两个方面的任务既各有特色又繁重，造成这两方面的教学任务难以平衡。由于它是一门新课程，可以借鉴的教学经验并不多。而从横向比较来看，类似应用性很强的课程，其教学方法一般单一地偏向理论教学或实验教学。

(3)传统单向性教学模式的不良影响。多年来，研究生教学模式一般都是单向性的，即教师教、学生学，缺乏真正的互动，难以培养学生的独立思维，更难以激发其主动性和创造性。从学生角度来看，这种教学模式从中学一直延续到研究生阶段，没有让学生充分参与到教学中来，使得学生的学习效果无法保证，学习的兴趣也不高。这种长期的被动式参与教学，使得学生失去了主动性、独立性和主导性，形成了不良的学习和科研习惯，最终导致研究生创造性的缺失[5]。

2 改革方法

我们在Seminar[4]教学方法的基础上，让学生充分参与教学，体会完成科研任务的独立性和自主性。总体改革方法是教师导引，学生参与学、教、实验设计与实现全过程，形成单向教学向理论教学与实验互动、学生参与转变。在设计该方法时，要充分考虑到所在高校的历史与优势，发挥其在电子电路设计、嵌入式编程等方面的坚实基础与专业特色，观察学院近几年在无线传感器网方面的发展速度，针对前一小节所提出的问题，给出相应的教学改革方法。

夯实基础知识，划分学习小组。本课程选择的教材清华大学出版社出版、孙利民等编著的《无线传感器网络》为主教材，以剑桥大学出版社出版的Xiangyang Li的专著"Wireless Ad Hoc and Sensor Networks: Theory and Applications"为辅助教材。在掌握无线传感器网络这门课程的基础知识的同时，根据学生所学专业和研究方向，将他们分为两大组：理论组和应用组(如图1所示)。对于理论组和应用组分别布置不同的课外作业。为此，笔者从计算机网络、体系结构和应用技术领域的一些最新国际顶级会议上，如SigComm，MobiCom，SenSys，InfoCom等，选择理论和应用两类论文。其中，根据每名学生的指导教师对研究方向的要求，对所选论文进行较细致的筛选。在所选出的论文中，学生可以根据自己的兴趣进行再选择。当然，学生也可以从指定的学术会议论文集中选择论文。这是一个有限定的双向选择过程，所选论文包含诸多无线传感器网络应用案例和科研实例。这些论文作为课外作业让学生自己去研读，而教师会从两个组中分别随机抽取部分学生，分两个阶段，即理论阶段和应用阶段，让其上讲台宣讲其所读的论文。在宣讲过程中，大家可以自由提问和讨论，学生由此可以充分参与到教和学的两个环节。课堂的自由讨论，使得学生从传统课程授课模式中的被动听课变为主动参与，提高了学生对该课程的学习和参与兴趣。为保证效率，教师对宣讲和讨论的时间做了限定，在讨论的过程中也会做一些导引。

在两个阶段(理论阶段和应用阶段)开始之前，教师分别讲授两个阶段的基础知识，即理论基础知识和应用基础知识。由于所涉及的内容非常广泛，讲授一些入门知识，而对学生所要宣讲论文的相关基础知识要深入地讲解。另外一个重要的组成部分是给学生讲授获取相关知识的技巧与途径，例如如何使用图书馆资源及学术网站，如Google scholar，Citeseer等。

图1 教学步骤图

在上述过程中，理论组的学生偏重理解算法的原理，应用组的学生偏重算法实现所需的硬件运行原理和编程实现。笔者所在实验室的主要研究方向之一是无线传感器网络，依托这个实验室特点，在指导学生时采用TelosB传感器节点，在TinyOS平台上开发算法实现程序。

统分兼顾，学生自主。如图1所示，在“理论(应用)基础知识”阶段中，通过让学生自己阅读学术论文，让两个组的学生分别对某一方面的理论知识有了具体了解，对无线传感器网络中的硬件原理也有了初步认识。在紧接着的“理论(应用)案例”阶段中，从学生宣读过的学术论文中挑选出几篇经典的论文，它们有算法设计及其性能的理论分析，又有实验设计与验证。为此，根据先前的理论组和应用组划分，以及所选经典论文，进一步将学生交叉分队。一个分队一般由5名学生组成：一名学生负责算法原理的解释，两名负责TinyOS编程和调试，一名负责数据采集与硬件平台搭建，最后一名负责协调分队整体工作并撰写最终实验报告。实际教学过程中，每队学生人数和任务分配可以视情况做适当调整，例如，当理论组学生人数较多时，在每队中负责算法原理解释的学生可以适当增多。当分队组建好以后，分给每名学生的任务以课外作业的形式完成。每个分队的进度情况由该队负责人以实验报告的形式按阶段提交给教师。同时，在协调学生完成作业的过程中，教师应逐个分析案例，这些案例中有涉及路由设计的，有涉及面向实际应用数据采集的，也有涉及网络时延分析的，案例涵盖面广，以解决课程内容涉及广的问题。

案例分析结束以后，进入实验验证或者仿真分析。在这个过程中，主要分以下几个阶段：实验平台的构建、实验设计、实验验证及其实验报告的撰写。在这些过程中，学生不仅充分参与，而且在有些过程中，学生还起到主导的作用。实验平台的构建需要一定的科研经费支持，制作过程复杂，将在下文中阐述。在无线传感器网络的教学中，由于实验条件限制，不一定都能搭建硬件平台。另外，在教学中还发现，一个实验平台不能同时满足多个分队使用，而有些分队的任务也不一定要在实验平台上进行。为此，让部分有一定C/C++语言编程基础的学生使用一个专门的网络仿真平台―OMNeT++[3]。

OMNeT++是一个面向对象的离散时间模拟器，由土耳其布达佩斯技术大学的Andras Varga等人设计。其内核源代码完全开放，采用标准C++语言编写，可以运行于Linux，Windows等几乎所有支持标准C++的系统平台上。它采用了一种搭积木式的建模方式，可以应用于任何离散事件系统的计算机模拟和仿真，包括模拟通信网络的业务流，模拟通信协议的模型，排队网络，模拟多处理器和其他分布式系统。对于教学比较有利的是OMNeT++完全免费，有很多现成的模块、框架和范例，相关资源可从其官方网站[3]免费下载。在教学过程中，部分学生使用该仿真软件，完成了一些无线传感器网络中的案例，如消息洪泛案例仿真(如图2所示)，目标追踪案例仿真(如图3所示)。在图2，3中，灰色点和白色点表示传感器节点，灰点表示已经接受到消息的节点；图中间较大的点表示Sink节点；图3左上角的黑色点表示目标。

图2 消息洪泛仿真截图 图3 目标追踪仿真截图

自制实验平台，自己设计完成实验，学生充分参与。需要实验平台验证的分队参与设计与构建了一个无线传感器网络平台(如图6所示)。该平台高2米，宽4米，由200个自制TelosB节点(如图4所示)、50个多接口Hub(如图5所示)和一台台式机组成。2009和2010级部分研究生参与了该实验平台的设计与搭建。在该实验平台上验证理论或应用案例的每个分队，都自行设计、开发、调试实验和相应的TinyOS程序。根据无线传感器网络这门课程教学的需要，以及学生科研和兴趣的选择，先后设计了6个实验：时间同步、路由树构建、基于非时间同步的通信时间调度、消息洪泛、主被动式追踪、人物辨别。

图4 自制TelosB传感器节点 图5 多接口Hub

图6 200个节点组成的测试平台

3 结束语

在整个教学过程中，总体教学思路是：从课程基础知识开始，将学生分成两类(理论类和应用类)；根据学生的兴趣和科研需要，有重点地讲解具体的理论和应用基础知识；而后以国际顶级会议论文为素材，从具体案例着手，通过让学生充分参与的方式诱导学生理解理论知识(如图论、概率论、随机过程等)是如何在无线传感器网络这个应用性技术中应用的，也让他们体验无线传感器网络中的算法是如何在实际实验平台上实现的。整个过程从基础理论知识细化到具体理论知识，再到具体案例分析，循序渐进，有重点、系统性地讲授了这门知识涉及面广、结构较为庞杂的应用性课程。同时，在整个教学中，学生也从逐渐参与、充分参与到教和学中，到最后甚至在某些方面起到主导作用。新教学方法使得学生在研究生阶段能够体会从被动地学到主动地、独立地完成一个完整的科研任务的转变。这种转变中蕴含着主动创新的种子，在长期的科研锻炼中将会发芽结果。

参考文献

[1] 李建中.无线传感器网络专刊前言[J].软件学报,2007,18(05):1077-1079.

[2] 吴功宜.对物联网工程专业教学体系建设的思考[J].计算机教育,2010,21:26-28.

[3] OMNeT++ [N/OL].省略/.

第13篇

一、传感器教学的现状

传感器是测控技术与仪器、电子信息工程、自动化、应用电子技术、工业自动化等弱电专业的一门必修专业课程，如何让学生学好这门课程，如何通过这门课程培养学生的动手能力、实践能力、创新能力，一直都是我们高校相关教师在思索的一个课题。我校传感器课程从开课至今历经了几次调整，但是在应用型人才培养方面的效果并不十分突出，究其原因主要有以下几点：

（一）传感器教学安排不够合理

在教学中，过分强调理论的指导性，把实验教学看成理论教学的附属品，表现为重理论、轻实践，重理论知识传授、轻动手能力培养。理论教学与当今传感器的实际应用联系也较少，教学中教师主体地位太明显，学生在实验教学中基本上是被动地按老师的演示方法或实验教材规定的步骤进行实验结果的验证，实验教师在教学中基本上也是按部就班，很少去考虑专业培养的发展需要以及培养对象的个人兴趣，致使学生基本处于一种被动学习的状况，扼制了学生学习的积极性、主动性和创造性，难以实现学生在教学活动中的主体地位和个性差异，不利于应用技能以及创新精神、创造能力等综合素质的培养。

（二）实验条件还不够完善，实验内容应用性、创新性不够

实验室建设不足，存在实验设备落后、实验条件有限等困难，开设和开发综合型和创新型实验项目受到相应的制约。

目前，我校采用的传感器实验装置是CSY3000型传感器系统实验仪，它所提供的实验项目大多为验证型实验，缺乏设计型、综合性；采用的传感器实验教材都是在厂家提供的仪器使用指南的基础编写的讲义，缺乏创新性、拓展性。实验模型基本确定，学生基本上是按教师和实验讲义要求的内容、步骤进行实验，学生处于被动学习和机械操作的状态，遏制了学生实验的逻辑思维和创造性思维。

（三）课程考核太过传统

我校该课程的考核主要传统的考试为主，实验部分也是以实验报告的完成情况和教师的印象为依据。学生被动性学习现象严重。此种教学模式严重影响了学生的学习积极性，让很多学生养成了一种上课混日子的现象。

二、传感器教学改革的几点思路

（一）优化理论课程教学

根据本课程的培养目标和培养定位，体现“工程应用型”人才培养的特点。

首先，建议对传感器教材进行优选。教材的选择对教学效果有着直接的影响。优选国内国家级规划教材，紧跟信息技术领域变化及学科发展。“传感器”教材的章节编排方法通常有两种：一种是按照工作原理；另一种是按照被测参数。前者适合于理论学习，后者适合于应用型学习，选择时应以“应用型”培养为参照。

其次，优选内容和方法。教师讲课时应合理安排章节内容，不能完全照本宣科地讲，要利用课外研读大量的相关参考书籍、应用类相关杂志，结合自己的理解，采取启发式和探究式的研究性教学方法，通过提出问题、学生参与讨论等互动方式，使学生融入课堂教学过程，培养其发现问题、解决问题的能力。

再次，增加实物展示环节及动画展示。教师在讲授理论知识的同时，展示相应的实物或者动画，能让学生的学习不那么空洞，增加其对知识的理解。

（二）优化实践教学

1、实验室基础建设的切实跟进

根据课程教学计划和课程教学大纲，加强传感器实验室建设。现有的设备大部分只能进行一些比较基础的验证型实验，以及一些简答的综合型实验。要引进一些符合目前传感器应用的、能开展综合型、设计型、拓展型实验的设备。

2、实验教材的切实跟进

作为实验教学中不可缺少的一环，实验教材体现了实验课程的教学方式、教学内容、教学思想等多方面，其重要性不言而喻。前面讲到目前使用的实验教材是在厂家提供的仪器使用指南的基础上所编写的，在新颖性和实用性方面有所缺乏，应根据目前高校实验教学状况和该学科地不断发展更新充实实验教学内容和方法，做到实验教材的切实跟进。

3、提升实验内容的多样性和设计性

目前我们沿用的基本上还是传统的传感器实验教学内容和方式，而传感器技术是一种综合性应用技术，随着新材料、新工艺以及各门类技术的发展，新型传感器不断涌现，为了体现实践教学的作用，培养学生理论用于实践的能力，原有基础上的大量验证型实验应有所改变，一方面要保留必要的基础验证型实验，如电阻式传感器、电涡流传感器、光电式传感器实验等，让学生通过这些实验，更进一步理解传感器的基本原理和特性，进一步消化教学内容；另一方面增加些设计型实验，如采用电容式传感器设计成粮食水分监测传感器，用电涡流式传感器设计厚度检测仪，以及用温度传感器测油温等，还可以在此基础上设计综合性实验，每学期提出几个方向让学生自主选择，以设计论文的形式设计一套测试系统方案，包括：可能采用的方法；自己设计的方案；实现该设计方案需要进行的实验内容及时间安排；希望得到的实验结果及可能得到的结果预测等方面。如有条件鼓励学生动手制作该测试系统的某些部分或者是全部。综合型实验比如有：变压器油温监控系统、居室环境舒适度监控系统、汽车安全气囊测控系统等等。通过设计型实验和综合型实验，可以培养学生的工程设计能力、解决实际问题能力，激发学生的学习热情和创新意识，并且为将来写论文打下基础。

4、教学过程中注重对学生的引导

作为目前主要的一种验证理论、应用理论、锻炼学生动手能力的教学方式，实验课应该具备引导学生、在教学中给学生启发的特点，故在实验教学的过程中，我们应该因材施教，采用启发式教学方法，而不是灌入式地让学生被动地进行试验，每个实验在任务给出后，让学生独立完成实验乃至设计，教师在必要时才给予提示，为了活跃学生的思路，可以大部分实验只提出实验任务和要求，而不规定具体的实验方法及步骤，这样一来，让每个学生都亲自动手完成实验的过程，这样不仅有利于提高学生的独立操作能力，更有利于增强实验教学的效果。

（三）制定适合应用型人才培养模式的考核方案

成绩是学生对该课程掌握情况的一个重要反馈，理论成绩和实验成绩的评定方法关乎学生对待课程的态度，我们要充分利用学生的这一心理特征来促进我们的传感器教学，既达到考察学生学习情况的目的，又能使学生强化自身的知识、实践能力以及创新能力。成绩的评定不应该仅仅是知识的掌握与否，还应该将操作过程情况和熟练程度、灵活运用知识程度、应用技能、创新性程度等纳入评定范畴。同时还引导学生在创新性思维和创新型设计的基础上，撰写设计论文，可锻炼学生的整体构想能力，为将来的科技论文打下基础。

第14篇

关键词：光电传感器，光电检控技术，应用

 

0.引言

随着科学技术的迅猛发展和信息时代的到来，作为现代信息技术三大支柱技术之一的传感器技术，已然成为监测和控制领域获取物理信息的重要手段，在国民经济建设中占据着极其重要的地位。比如，在工农业生产领域，工厂的自动流水生产线，全自动加工设备，许多智能化的检测仪器设备，都大量地采用了各种各样的传感器；在矿产资源、海洋开发、生命科学、生物工程等领域传感器的应用也是无处不在。可以说，没有传感器这个载体，任何先进的科学技术要实现这样那样的功能是不可能的。

1.光电传感器及测控技术简介

1.1基本概念

光电传感器是以光电效应为基础，是一种将光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。论文参考网。光电传感器是在各种光电检测系统中采用光电元件作为检测元件的传感器，它一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。

按光电元件(光学测控系统)输出量性质可分二类,即模拟式光电传感器和脉冲(开关)式光电传感器。其中，模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电流，它与被测量间呈单值关系，主要包括有透射(吸收)式、漫反射式、遮光式(光束阻档)三大类型；脉冲(开关)式光电传感器中，光电元件接收的光信号是断续变化的，因此光电元件处于开关工作状态，它输出的光电流通常只有两种稳定状态的脉冲形式的信号，多用于光电计数和光电式转速测量等场合。

光电检测技术：是利用光电传感器实现各类检测。它将被测量的量转化成光通量，再转化成电量，并综合利用信息传送和处理技术，完成在线和自动测量。它具有高精度、高速度、远距离和大量程、非接触式检测、寿命长、数字化和智能化的特点。

1.2光电传感器工作原理

主要是把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号，其物理基础是光电效应。它是由于物体吸收到光子能量后产生的电效应，通常把光电效应分为三类：

1.2.1外光电效应

在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应。基于该效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。

1.2.2内光电效应

在光线作用下能使物体电阻率改变的称为内光电效应，又称光电导效应。基于该效应的光电器件有光敏电阻、光敏晶体管等。

1.2.3半导体光生伏特效应

在光线作用下能使物体产生一定方向电动势的称为半导体光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池。

1.3光电传感器特点

1.3.1 检测距离长。

1.3.2 对检测物体的限制少

由于以检测物体的遮光和反射为检测原理，所以都可以对金属、玻璃、塑料、液体等几乎所有物体进行检测。

1.3.3 响应时间短

光本身为高速，并且传感器的电路全都由电子零件构成，所以不包含机械工作时间，响应时间短。

1.3.4 分辨率高

能够通过高级设计技术使投光光束集中在小光点上，或通过构成特殊的受光光学系统来实现高分辨率，也可进行微小物体检测和高精度的位置检测。

1.3.5可实现非接触的检测

可以无须机械性地接触检测物体实现检测，因此不会对传感器和检测物体造成损伤，因此，传感器能长期使用。

1.3.6可实现颜色辨别

通过检测物体形成的光的反射率和吸收率，根据被投光的光线波长和检测物体的颜色组合而有所差异。利用这个特性，可对检测物体进行颜色的检测。

1.3.7便于调整

在投射可视光的类型中，投光光束是眼睛可见的，便于对检测物体的位置进行调整。

2.光电传感器的研究应用

光电传感器可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。论文参考网。光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置中获得广泛应用。近年来，新的光电器件不断涌现，特别是CCD图像传感器的诞生，为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。本文就光电传感器最常见的应用实例来进一步说明。

2.1 在烟尘浊度监测仪上的应用

防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一。为了消除工业烟尘污染，首先要知道烟尘排放量，因此必须对烟尘源进行监测、自动显示和超标报警。烟道里的烟尘浊度是用通过光在烟道里传输过程中的变化大小来检测的。如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到达光检测器的光减少，因而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。

2.2 光电池在光电检测和自动控制方面的应用

光电池作为光电探测使用时，其基本原理与光敏二极管相同，但它们的基本结构和制造工艺不完全相同。由于光电池工作时不需要外加电压；光电转换效率高，光谱范围宽，频率特性好，噪声低等，它已广泛地用于光电读出、光电耦合、光栅测距、激光准直、电影还音、紫外光监视器和燃气轮机的熄火保护装置等。

2.3 CCD图像传感器（电荷耦合器件）的应用

CCD传感器应用时是将不同光源与透镜、镜头、光导纤维、滤光镜及反射镜等各种光学元件结合，应用了光、机、电和计算机相结合的高新技术，作为一种非常有效的非接触检测方法，CCD被广泛用于在线检测尺寸、位移、速度、定位和自动调焦等方面。

2.3.1 利用CCD测量几何量，CCD诞生后，首先在工业检测中制成测量长度的光电传感器，物体通过物镜在CCD光敏元上造成影像，CCD输出的脉冲表征测量工件的尺寸或缺陷。

2.3.2 用于传真技术，文字、图象识别。例如用CCD识别集成电路焊点图案，代替光点穿孔机的作用。论文参考网。

2.3.3 自动流水线装置，机床、自动售货机、自动监视装置、指纹机。

2.3.4 CCD固态图像传感器作为摄像机或像敏器件，取代摄像装置的光学扫描系统（电子束扫描），与其它摄像器件相比，尺寸小、价廉、工作电压低、功耗小，且不需要高压。

2.3.5 M2A摄影胶囊（Mouthanus）,由发光二极管做光源，CCD做摄像机，每秒钟两次快门，信号发射到存储器，存储器取下后接入计算机将图像进行下载。

2.3.6 CCD是数码相机的电子眼，它革新了摄影术，现在光可以被电子化地记录下来，取代了胶片。这一数字形式极大地方便了对图像的处理和发送，”诺贝尔奖评选委员会称赞说，“无论是我们大海中深邃之地，还是宇宙中的遥远之处，它都能给我们带来水晶般清晰的影像。”

2009年10月6日，瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布，将2009年诺贝尔物理学奖授予华人科学家高锟以及两名美国科学家韦拉德-博伊尔(Willard Boyle)和乔治-史密斯(George Smith)，以奖励他们在光纤和半导体领域上的开创性研究。高锟的获奖理由为——“在光学通信领域光在光纤中传输方面所取得的开创性成就”。两位美国科学家的获奖理由为——“发明了一种成像半导体电路，即CCD(电荷耦合器件)传感器”。

3.结束语

光电传感器及检控技术两者间的有效结合，提高了工农业领域、军用器械等等领域的生产率，降低了生产成本。可以预见，随着信息技术和自动化技术的快速发展，光电传感器、微/ 纳米光电测控技术等在国民经济建设中将继续得到越来越广泛的应用。

【参考文献】

[1] 彭军.传感器与检测技术.西安:西安电子科技大学出版社,2003.

[2] 谢向花.光电传感器检测技术研究.中国科技信息,2005 年第7 期.

[3] 钟丽云.光电检测技术的发展及应用.激光杂志,2000年03期.

第15篇

2.中煤科工集团常州研究院有限公司，江苏 常州213015）

摘 要：通风调节是矿井通风系统管理的主要工作之一，调节的准确性和及时性直接关系到通风系统安全、平稳和能耗大小。但目前通风调节存在误差大、不及时等问题，本论文通过研究矿井自动通风调节系统，有效的提升通风管理水平，降低因通风系统调节不及时或不准确造成的能耗损失。

关键词：矿井通风;调节通风;自动化系统

1 序言

通风系统调节准确性和及时性直接关系到矿井的安全和运行成本，目前通风系统调节处于人工调节阶段，人员劳动量大，调节不及时且调节准确性差，为进一步解决矿井通风系统管理中的通风调节问题，本论文引进压差法矿井自动通风调节系统。

该系统包括自动化控制器、压差测试装置、自动调节装置、传感器等。

2 自动化控制器

基于压差法的矿井自动通风调节系统核心为自动化控制器，本系统控制器采用西门子PLC为主要控制元器件，包括位移传感器、压差传感器、动力源控制装置（本论文设计动力源是气动，其装置是本安电磁阀）、数据传输、开关按钮、声光报警器等。

研究的技术关键点为：控制系统原理和控制器基本架构。

控制系统原理：压差传感器采集压力变化数值，通过设置参数装换为通过调节系统的风量，再根据预先设定的需风量进行比对，确定调节系统通风断面的变化大小，同时位移传感器监视通风断面的变化，保证系统调节准确且快速。

控制器基本架构，控制器采用PLC控制器，控制器控通过电流信号与位移传感器、压差传感器、动力源开闭按钮相连接，通过开关量与手动按钮连接，通过RS485信号与上位机进行数据和指令的传输，在控制器上预留瓦斯、声光报警器、视频接口，并可以与其他控制器进行数据传输。

3 压差测试装置

压差测试装置关系到系统的准确性，是系统最核心的数据采集设备，压差测试装置的技术要求进入测试区域内风流平稳、压差测量精度高、数据采集准确、数据传输快等。

压差测试装置采用圆形设计，主要是保证压差采集的准确性和进入测试装置的风流平稳，易于测量且数据精度高。

压差测试装置进风测安装有均风装置，主要是消除通风系统涡流造成的数据采集误差。在测试装置上布置两排数据采集管，其中在每排布置4个压力采集孔，两两对应，测压管深入测试装置内侧10cm处，4个测试孔外部用软管连接，进行压力平均处理。两排测试孔之间距离不得少于1m，主要是保证压差传感器数值的读取和测量。

压差测试装置对每个测压管进行防尘处理，保证所有测压管的通畅，静压传导准确。

4 自动调节装置

自动化调节装置是矿井自动调节通风系统的主要调节机构，本论文采用气动为动力源。

自动调节装置设计要求调节准确、运行速度慢、密封性好、安全性高等。

根据技术要求，自动调节装置采用通风断面缩小的方式，调节速度为0.5m/min，移动精度为1cm。

自动调节装置与压差测试装置相连，通过圆形阻风器向前移动，起到调节通风断面的作用，同时根据压差测试装置中风量的变化，确定圆形阻风器的移动方向和移动大小，位移传感器监测圆形阻风器的移动方向和移动大小。

圆形阻风器移动动力为缓冲气缸，气缸最快伸出速度为0.5m/min。带载后，移动伸出速度为0.3m/min，满足精确调节的目的。

5 实验论证

实验论证是论证系统的完整性和调节的准确性。进一步发现系统存在的问题，并进行修改和完善，为现场实地测试做准备工作。

主要是在自动风窗前后布置压力测点，单管压差计测量两点压差，与压差传感器数值比对;模拟巷道的断面为半圆拱，尺寸为2.8m（宽）×2.9m（长），人工调节风阻器开口大小;模拟巷道通风选择抽出式通风，通过风机变频，控制测试系统的风量。

通过多次测试，得出系统测试数据，如表1所示。

通过实验可以得出，调节装置的调节误差小于4%，所以，矿井自动通风调节系统是可行的。

6 结论

通过理论设计和实验验证，得出以下几点结论：

（1）矿井自动调节通风系统构成为自动控制器、压差测量装置、自动调节装置;（2）矿井自动通风调节系统调节误差小于4%;（3）矿井自动通风调节系统可以解决矿井通风调节不及时和不准确问题。

参考文献：

[1]白华宁.矿井通风系统风窗风量自动调节控制装置技术研究[J].科技情报开发与经济，2012，22（20）：145.

[2]吴强，李孝东，秦宪礼.从矿井通风系统改造实例谈调节风窗的重要性能[J].煤矿安全，1996（7）：38-41.

[3]吴勇华.调节风窗的流量特性分析[J].煤炭工程师，1998（4）：22-25.