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。

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》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。

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。

由于MPU-6050 6轴加速度传感器在现代科技中的广泛应用，笔者将深入探讨其工作原理，以便读者能全面理解其作用和功能。

1. 介绍MPU-6050是一种6轴加速度传感器，可以同时测量加速度和角速度。

其工作原理基于微电机和陀螺仪技术，能够精确地检测运动状态和方向变化。

2. 加速度传感器工作原理（1）微电机技术：MPU-6050通过测量微电机的变化来检测物体的加速度。

当物体在运动或受力作用时，微电机产生微小的电压变化，传感器通过测量这些变化来获取加速度信息。

（2）三轴测量：MPU-6050可以同时测量物体在X、Y、Z三个方向上的加速度变化，从而实现全面的运动状态监测。

3. 陀螺仪技术（1）角速度测量：除了加速度，MPU-6050还可以测量物体的角速度。

通过陀螺仪技术，传感器可以准确地检测物体的旋转状态和角度变化。

（2）六轴测量：结合加速度传感器和陀螺仪技术，MPU-6050实现了六轴的全方位运动状态监测，为各种移动设备和运动控制提供了精准的数据支持。

4. 应用MPU-6050的工作原理使其被广泛应用于智能手机、平衡车、飞行器等产品中。

其精确的姿态检测和运动跟踪能力，为这些设备的稳定性和精准性提供了重要支持。

5. 总结通过MPU-6050 6轴加速度传感器的工作原理，我们可以更好地理解其在现代科技中的重要作用。

其微电机和陀螺仪技术为各种移动设备的运动控制和姿态检测提供了精准的数据支持，进一步推动了科技发展和产品创新。

6. 个人观点和理解作为一种具有广泛应用前景的传感器技术，MPU-6050 6轴加速度传感器的工作原理体现了微电机和陀螺仪技术的巧妙结合，为移动设备和运动控制技术的发展做出了重要贡献。

我对其在智能科技领域的应用前景和发展方向充满期待，相信它将继续发挥重要作用。

通过对MPU-6050 6轴加速度传感器的工作原理进行深入探讨，我们可以更全面地了解其在科技领域的重要作用，以及其在未来发展中的潜力和前景。

《传感器的应用》导学案一、学习目标1、了解传感器的定义和工作原理。

2、掌握常见传感器的类型及其应用领域。

3、能够分析传感器在实际生活和工业生产中的应用案例。

4、培养对科技发展的关注和创新思维。

二、学习重点1、常见传感器的工作原理和特点。

2、传感器在不同领域的应用实例分析。

三、学习难点1、理解传感器的工作原理和内部结构。

2、对复杂应用案例中传感器的作用和性能进行准确评估。

四、知识链接1、物理中的电学知识，如电阻、电容、电感等。

2、信息技术中的数据采集和处理方法。

五、学习过程（一）传感器的定义和工作原理1、传感器的定义传感器是一种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。

简单来说，传感器就是将非电量信号转换为电量信号的装置。

2、传感器的工作原理传感器通常由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成。

敏感元件直接感受被测量，并输出与被测量有确定关系的物理量；转换元件将敏感元件输出的物理量转换为电信号；测量电路则将电信号进行处理和转换，以满足后续的测量和控制要求。

例如，温度传感器中的热敏电阻就是敏感元件，它的电阻值会随温度的变化而变化。

通过测量电路测量热敏电阻的电阻值，就可以得到对应的温度值。

（二）常见传感器的类型1、物理传感器（1）力学传感器压力传感器：常用于测量气体或液体的压力，如汽车轮胎压力监测系统。

加速度传感器：广泛应用于智能手机、平板电脑等设备中，用于检测设备的运动状态。

称重传感器：在工业生产中用于测量物体的重量，如电子秤。

（2）温度传感器热电偶：利用两种不同金属的热电效应来测量温度，适用于高温环境。

热敏电阻：电阻值随温度变化明显，精度较高，常用于家用电器中的温度控制。

（3）光学传感器光电传感器：通过检测光的强度或光的变化来实现测量，如自动门的感应装置。

光纤传感器：利用光纤的特性进行测量，具有抗干扰能力强、精度高的特点，常用于桥梁结构监测。

（4）声学传感器麦克风：将声音信号转换为电信号，广泛应用于音频设备和通信领域。

北京工业大学毕业设计（论文）题目: 特殊传感器技术的发展与应用姓名：班级：学号：指导教师：日期：2011年6月毕业论文（设计）任务书学生姓名：机电系系机电一体化技术专业机电082班毕业课题：特殊类型传感器的应用教学时间：2011年2月28日至2011年6月10日毕业课题内容及要求：课题内容：1、完成特殊类型传感器的工作原理及结构分析。

2、完成特殊类型传感器应用的工艺过程、特点及控制过程分析。

3、掌握岗位操作要点及常见故障处理方法。

课题要求：1、根据所学知识及岗位培训、调研，确定总体方案并撰写总论部分，文字约2000~3000字。

2、根据相关设备的特点，完成特殊类型传感器的工作原理、结构特点分析、其应用的工艺流程及控制过程等特点分析。

3、根据岗位操作要点及常见故障，阐述常规处理方法要点。

4、根据相关分析，完成教师指定的工程图或工艺流程图。

5、撰写毕业设计论文，约1万字左右。

进度安排：1、2011-02-28至2011-03-25（第1周～第4周）：毕业设计调研，确定毕业设计课题。

2、2011-03-28至2011-05-27（第5周～第13周）：撰写毕业设计课题总论部分，文字约2000~3000字。

确定毕业设计课题方案，进行相关的理论分析、结构分析、工艺分析及加工过程分析。

完成相应的控制原理图、设备结构工程图、工艺流程图、控制方案图及相关的控制程序等。

撰写毕业设计课题部分论文，文字约8000字左右。

论文初稿应在5月中旬完成并送交指导教师审阅修改。

经指导教师审阅合格后，方可按学校规定的论文格式编辑、打印、装订成册，上交指导教师存档。

编辑制作答辩演讲用幻灯片，约20张，上交指导教师。

3、2011-05-30至2011-06-10（第14～第15周）：毕业设计答辩准备及答辩。

参考资料：1、《机电一体化设计手册》指导教师：教研室主任：2011 年4 月 13 日目录目录第 1 章传感器的基本知识 (4)第1.1节传感器的意义及类型 (4)第1.2节传感器的分类 (4)第1.3节传感器的特性 (4)第 2 章霍尔传感器的原理和应用 (7)第2.1节霍尔传感器的简介 (7)第2.2节霍尔传感器的基本原理与使用 (7)第 3 章压阻效应的厚膜力敏材料及传感器 (10)第3.1节厚膜压阻效应简介 (10)第3.2节厚膜电阻的压阻效应 (10)第3.3节钌基厚膜力敏材料及特性 (11)第3.4节厚膜力敏传感器现状 (12)第 4 章湿度传感器 (14)第4.1节性能及设备选择 (14)第4.2节考虑时漂和温漂 (15)第4.3节与传统测湿方法的关系及其他注意事项 (16)第4.4节湿度传感器的发展 (16)第 5 章转速传感器 (21)第5.1节转速传感器的主要功能和特点 (21)第5.2节 S12、S14、S16、S18、S20、S22齿轮转速传感器 (22)第5.3节 T20专用齿轮转速传感器 (24)第5.4节 T23汽车发动机转速传感器 (26)致谢 (29)参考文献 (30)传感器技术的发展与应用第一章传感器的基本知识一、传感器的意义及类型什么叫传感器？从广义上讲，传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置；简单说传感器是将外界信号转换为电信号的装置。

综合练习 一. 填空题1．根据传感器的功能要求，它一般应由三部分组成，即.敏感元件、转换元件、转换电路。

2．传感器按能量的传递方式分为有源的和无源的传感器。

3. 根据二阶系统相对阻尼系数ζ的大小，将其二阶响应分成三种情况. 1ζ>时过阻尼；1ζ=时临界阻尼；1ζ<时欠阻尼。

4. 应变计的灵敏系数k 并不等 于其敏感栅整长应变丝的灵敏度系数0k ，一般情况下，0k k <。

5. 减小应变计横向效应的方法.采用直角线栅式应变计或箔式应变计。

6. 应变式测力与称重传感器根据结构形式不同可分为:柱式﹑桥式﹑轮辐式﹑梁式和环式等。

7. 半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象就称为压阻效应。

8. 光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。

9. 光电效应是光照射到某些物质上，使该物质的电特性发生变化的一种物理现象，可分为外光电效应和内光电效应两类。

10. 基于外光电效应的光电敏感器件有光电管和光电倍增管。

基于光电导效应的有光敏电阻。

基于势垒效应的有光电二极管和光电三极管。

基于侧向光电效应的有反转光敏二极管。

11. 光电倍增管是一种真空器件。

它由光电发射阴极（光阴极）和聚焦电极、电子倍增极及电子收集极（阳极）等组成。

12. 光敏电阻器是利用半导体光电导效应制成的一种特殊电阻器，对光线十分敏感，它的电阻值能随着外界光照强弱（明暗）变化而变化。

它在无光照射时，呈高阻状态；当有光照射时，其电阻值迅速减小。

13. 光电二极管与光电三极管外壳形状基本相同，其判定方法如下.遮住窗口，选用万用表R*1K 挡，测两管脚引线间正、反向电阻，均为无穷大的为光电三极管。

14. 光电耦合器是发光元件和光电传感器同时封装在一个外壳内组合而成的转换元件。

以光为媒介进行耦合来传递电信号，可实现电隔离，在电气上实现绝缘耦合，因而提高了系统的抗干扰能力。

15. 电荷藕合器件图像传感器CCD （Charge Coupled Device ），它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷。

第1章 传感器基础知识1 什么是传感器？按照国标定义，“传感器”应该如何说明含义？答：从广义的角度来说，感知信号检出器件和信号处理部分总称为传感器。

我们对传感器定义是：一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。

从狭义角度对传感器定义是：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。

我国国家标准对传感器的定义是：“能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置”。

定义表明传感器有这样三层含义：它是由敏感元件和转换元件构成的一种检测装置；能按一定规律将被测量转换成电信号输出；传感器的输出与输入之间存在确定的关系。

按使用的场合不同传感器又称为变换器、换能器、探测器。

2 传感器由哪几部分组成？试述它们的作用及相互关系。

答：组成——由敏感元件、转换元件、基本电路组成；①敏感元件：指传感器中直接感受被测量的部分。

②传感器：能感受规定的被测量并按照一定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。

③信号调理器：对于输入和输出信号进行转换的 装置。

④变送器：能输出标准信号的传感器关系，作用——传感器处于研究对象与测试系统的接口位置，即检测与控制之首。

传感器是感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息都要通过传感器获取并通过它转换成容易传输与处理的电信号，其作用与地位特别重要。

第二章:传感器特性 何谓传感器的静态特性，传感器的主要静态特性有哪些? 静态特性是指检测系统的输入为不随时间变化的恒定信号时，系统的输出与输入之间的关系。

主要包括线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。

(1) 线性度指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。

(2) 灵敏度灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。

其定义为输出量的增量Δy 与引起该增量的相应输入量增量Δx 之比。

它表示单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化，显然，灵敏度S 值越大，表示传感器越灵敏.(3) 迟滞传感器在输入量由小到大(正行程)及输入量由大到小(反行程)变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞。

新型微纳米光学传感器的制备与应用随着现代科技的快速发展，微纳米科技逐渐成为当今研究的热点之一。

其深入影响到了人类生活的方方面面。

微纳米科技被广泛应用于能源、医药、航空、军事等各个领域。

光学传感器作为微纳米科技的一种重要应用，正以不同的方法和手段被广泛的研究和应用。

新型微纳米光学传感器的制备和应用已经引起了越来越多的科学家和研究人员的关注。

一、新型微纳米光学传感器的概念和特点光学传感器是一种使用光学原理检测物理量和化学量的传感器。

光学传感器由于其不侵入式、不接触、高灵敏度、快速反应和线性输出等特点，被广泛应用于科研、生产和医疗等领域。

而微纳米光学传感器则指微观尺度上大小在微米和纳米量级的光学传感器。

新型微纳米光学传感器是以机械振动、电场、热等刺激因素作用下的光场变化来实现材料表面形态、物理状态、化学组成及其环境等多种信息检测的传感器。

新型微纳米光学传感器具有以下特点：（1）微米尺寸以下的微纳米结构是其原始形态，体积小、重量轻，可以自由悬浮在介质中，也可以与基底粘结一起。

可应用于空气、水、液态、固体物质和生命体等检测环境。

（2）由于物理尺寸小、光波尺寸级别，具有强烈的光场增强效应。

这不仅能够提高微观物体的检测灵敏度和分辨率，而且也可使低浓度分子的检测成为可能。

（3）基于其表面等离子体共振的特性，光学传感器对介质的光学性质比电学和磁学传感器更加敏感。

这些物理性质和化学性质的变化，对微纳米结构表面的光学特性产生影响，光学代码相应发生变化。

二、新型微纳米光学传感器的制备方法新型微纳米光学传感器制备方法多种多样。

主要分为上浆法、沉积法、电镀法和直接加工法等。

（1）上浆法是使用化学方法将金属纳米木条浸润到基底表面以形成纳米和亚微米结构。

这种方法具有成本低、技术难度小等特点，可以实现大面积的生产。

（2）沉积法是通过将金、银等金属沉积到纳米结构表面以使之产生光学响应。

沉积法具有可以控制结构尺寸的优势。

这种方法可以克服上浆法对结构线宽的限制。

TMR传感器的原理和特性以及其应用解析在美国拉斯维加斯举办的全球最大电子产品展览会“2018年消费类电子产品展销会（CES 2018）”的TDK和AKM的展台上发布了一款高精度3轴磁力计。

该磁力计将TDK公司开发的高度灵敏的隧道磁阻（TMR）元件与AKM公司设计的先进电子罗盘ASIC组合到一个小型LGA 11针封装内。

该新型TMR磁力计附在一块芯片上，微型尺寸仅为1.6毫米x 1.6毫米x 0.6毫米，而其特点是具有业内最低的RMS噪音，仅为40 nT-rms，且在在输出数据速率为100Hz时, 电流消耗亦非常低，仅为40 µA。

由于具有10 nT/LSB（最低有效位）的高灵敏度，该磁传感器可以非常精确地检测磁场内细小变化，从而能够在地球磁场或磁场发生器的帮助下高度准确地探测位置和方位。

这些独一无二的特点使得TMR磁力计适用于紧凑型电子设备上，例如：智能手机、平板电脑、游戏机控制器和各种各样的可穿戴设备，以及需要位置和方位精度高的其他应用，例如：虚拟现实、增强现实或混合现实（VR、AR和MR）或室内导航。

磁传感器磁传感器是种类繁多的传感器中的一种，它能够感知与磁现象有关的物理量的变化，并将其转变为电信号进行检测，从而直接或间接地探测磁场大小、方向、位移、角度、电流等物理信息，广泛应用于信息、电机、电力电子、能源管理、汽车、磁信息读写、工业自动控制及生物医学等领域。

随着科技进步和信息技术的发展，人们对磁传感器的尺寸、灵敏度、热稳定性及功耗等提出了越来越高的要求。

广泛应用的磁传感器主要是基于电磁感应原理、霍尔效应及磁电阻效应等。

其中基于磁电阻效应的传感器由于其高灵敏度、小体积、低功耗及易集成等特点正在取代传统的磁传感器。

目前市场上主要的磁传感器芯片是基于霍尔效应、各向异性磁电阻(AMR)和巨磁电阻(GMR)效应而开发的，而由于TMR磁传感器芯片拥有的小型化、低成本、低功耗、高度集成、高响应频率和高灵敏度特性，使其将会成为未来竞争的制高点。