传感器与检测技术实验报告 浅谈传感器与检测技术的学习心得

浅谈传感器与检测技术的学习心得

通过学习，我们了解到传感器对于信息技术十分关键，在生活各个方面占有着不可或缺的地位，能够测量不同的物理量（如力、速度，气体、液体、温度等），也就是说传感器在生活中应用极其广泛，通过对传感器的学习，让我了解到了传感器的基本知识以及应用。

通过传感器这门课程，让我知道了什么是传感器，它能够用来干什么，以及它的基本原理和构成。传感器，顾名思义就是通过感测被测量，将被测量转换成可以用的输出信号的器件。其中传感器主要由三大部分组成，一般是敏感元件、转换元件、转换电路构成，当然转换电路和转换元件需要辅助电源时，也可将辅助电源当作组成部分之一。

一、传感器的基本概念

（一）基本特性

通过学习，我们能够知道敏感元件一般能够感测非电量，转换元件则将非电量转换成电参量，而转换电路则是将电参量转换成电量后输出，其基本特性可以分为两类，一类静态特性，另一类动态特性。其中静态有八大参数，而动态则有两种表示方法。

静态特性指在稳态工作时，输出增量与被测量的比值，主要有灵敏度、分辨力、线性度、稳定性、迟滞、重复性、电磁兼容性、可靠性等，其中给我印象最深的便是电磁兼容性，用老师的话来讲，便是不干扰别人也不被别人干扰的能力。

而动态特性常用阶跃响应和频率响应来表示，主要参数有时间常数、上升时间、响应时间、超调量、振动次数及稳态误差等，两者主要是传感器输出特性不同。

（二）测量电路

通常将对输出信号进行加工处理的电子电路称为传感器的测量电路，具有微弱、易衰减、非线性及易受干扰等特点。能够将弱信号放大、滤波、校正传感器的非线性等等。根据其作用常见的电路便有电桥电路、谐振电路、调频电路等。基本类型便是模拟电路、开关型电路、数字式测量电路。

其中我觉得最为重要的便是噪声及抗干扰技术，噪声是与被测量无关的随机信号，会造成测量的误差，通过噪声组成要素：噪声源、通道、接受电路来针对性的进行消除或衰减。

主要便是静电屏蔽、磁屏蔽、接地、浮置、光电耦合、滤波技术。给我印象最深的便是接地，接地的目的不外乎提供安全和基准电压，当然在其他方面也会用到接地保护，比如防止漏电等情况。

二、常见的传感器类型及基本原理

（一）电阻式传感器

电阻式传感器的基本原理主要是将被测信号的变化转换成电阻值的变化，能够进行位移、形变、力矩、加速度等物理量的测量。电阻应变片就是基于导体或半导体在外力作用下产生机械形变，其电阻值发生变化的现象所制成。

而金属应变片主要由敏感栅、基片、覆盖层和引线组成，其中最为重要的便是敏感栅，当然除了金属类的应变片，还有半导体的应变片，其作用原理基本相同。除了工作原理的学习，我们还学到了几个名词，如蠕变和零漂，蠕变是在施加恒定应变温度一定时，指示值随时间变化的变化量，而零漂则是在无机械应变时的变化量。至于应变片的制作工艺流程，用老师的话来说就像是贴手机膜，先表面处理、定位、粘贴、固化处理、引出线的固定与保护、粘贴质量检测等。当然气敏、湿敏、热电阻、热敏电阻传感器的作用原理基本相同，都是将被测量变化，转变成电阻值等电量变化。

（二）电容式传感器

电容式传感器是将被测非电量转换成电容量变化的传感器件，根据C=εA/d的公式，设计了变面积型、变极距型、变介电常数型三种电容式传感器。其中在变极距型中差分式传感器灵敏度比非差分式提高一倍，线性误差也大大降低。

（三）电感式传感器

电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，从而导致线圈电感量变化来实现信号测量的。由此自感式传感器可分为变间隙式、变截面积式和螺线管式三种，三者组成最大不同便是螺线管式没有铁芯，其余组成则相同。

其中差分式传感器工作原理同变压器，由两个或多个带铁芯的电感线圈组成，一、二次绕组之间的耦合，随衔铁或两个绕组之间的相对位移而改变，也就是说被测件的微小位移使衔铁在差分线圈中移动，线圈的电感值就会发生变化，将被测位移量转换成电压输出，其中两个二次绕组反向串接，此时差分输出电压为零，于此同时通过输出我们就可以知道衔铁位移的大小和方向，并由此可判断出被测物体的移动方向和位移量大小。

（四）压电式传感器

以压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，实现非电量电测的目的，可以测量力、压力和加速度等，但不能用于静态参数的测量。在施加外力时产生变形，内部发生极化，产生相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态，就是压电效应。当电能转化成机械能就是逆压电效应，机械能转换成电能则是正压电效应。

而压电材料是压电式传感器的敏感材料，同时压电材料的温度达到某一值时，便失去压电特性，就是称为居里点。石英的居里点温度就是575℃。压电传感器可以等效为一个电压源与电容相串联的电压等效电路；也可以等效为一个电荷源与电容并联的电荷等效电路。

压电并联输出特性为输出电荷、电容为单片的两倍，输出电压与单片相同，而串联特性的输出电压为单片的两倍，电容为单片的1/2。

（五）霍尔式传感器

霍尔式传感器是基于霍尔效应原理而将被测量转换成电动势输出的一种传感器，工作原理便是金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种电势就是霍尔电势，霍尔电势大小与导体厚度成反比。

霍尔式位移传感器其工作原理为将磁场强度相同的两块永久磁铁，同极性相对的放置，霍尔元件处在两块磁铁之间，此时霍尔电势为零，位移为零，若霍尔元件发生相对位移，霍尔元件感受的磁感应强度也会改变，此时霍尔电势的大小反映出霍尔元件与磁铁间的相对位置的变化，就能够求出位移量大小，适合测量微位移及振动的测量。

（六）热电偶传感器

其工作原理主要是根据热电效应将不同导体结合成闭合电路，两者接触点温度不同，产生电势并形成回路电流。热电偶回路中总的热电势为两个接触点热电势的代数和。其中产生热电势最主要的条件便是材料不同、温度不同，同时也就产生了三大定律，均质导体定律、中间回路定律、中间导通定律。因为需保证冷端温度恒定为0℃，所以便有了冷端温度补偿法，补偿导线法、0℃恒温器、冷端温度校正法（热电势温度修正法、温度修正法、冷端温度自动补偿法）。

（七）光电式传感器

光电势传感器就是将光量的变化转换成电量变化的传感器属于发电式传感器，由光源、光学通路、光学元件三大部分组成。其原理是根据光经过光学通路照射到接受元件上产生电的变化所制成，其光电效应分为外、内光电效应。

由不同的光电效应变制成了不同的光电器件，如外光电效应制成了光电管、光电倍增管，内光电效应制成了光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管、光电池等器件。

三、总结

通过学习我们能够知道对于不同精度和不同被测对象，所选择的测量传感器都不尽相同。因此，我们学习传感器一定要先学会其基本工作原理，找到不同传感器相通的地方，针对性地学习，这样才能提高对传感器知识点的掌握。

「教育科学」基于物联网实验平台的传感器与检测技术实验教学研究

　　对于大部分高校开设的传感器的实验教学往往只是简单的验证性实验，对于应用型高校主要注重提高实践能力，验证性的实验不能满足应用型培养的要求，由于物联网平台配有大量的传感器，利用物联网实验平台的传感器优势，研究将传感器课程实验应用于物联网的项目中，通过软硬件结合的实训，综合单片机、传感器、电子技术等知识发挥传感器课程实验教学的最佳作用。物联网的实验平台采用赛佰特科技有限公司研发的基于CC2530的传感器实验箱，配备近20种传感器模块，通过蓝牙、ZigBee、WiFi等无线通信模块传送到控制台的显示器显示传感器测量结果。完全满足《传感器与检测技术》课程的实验项目要求。这样的实践教学能真正的提高学生的实践能力且符合应用型的民办高校的培养定位。

　　1.实验开设项目

　　针对我校48学时的《传感器与检测技术》课程项目式改革后的实验项目开设共8个，其中一个是对物联网实验平台的介绍和操作实验。实验项目开设情况如表1所示。从表中可以看出，每个实验针对不同类型的传感器，符合课程实验的要求。不仅要认识传感器的原理和特性，还要认识传感器的输出数据的格式和组成，熟悉各种传感器的应用，这对学生参加各类电子竞赛和完成毕业设计等有很大的帮助，能充分发挥这门课的作用。

表1 实验开设情况

　　2.实验项目的设计过程举例

　　（1）以光照传感器为例，实验搭配光敏电阻作为光照传感器，理论课堂讲解光敏电阻的原理和结构以及暗电阻、暗电流、最高工作电压、灵敏度等相关参数，熟悉光敏电路的伏安特性和光照特性。可以发现在小范围内光敏电阻的伏安特性曲线成直线关系，但是在光照特性曲线中直线范围并不理想，所以光敏电阻只适合用于判断有无光照或者一定灵敏度的强光和弱光的判断。常用于声光报警等电路。

　　以如图1所示，光敏电阻传感器的连接电路比较简单，用串联电阻分压，当光照增强时电阻的阻值减小，则该设备中光敏电阻传感器的暗电阻为2MΩ左右，亮电阻为10kΩ左右，R2取值为10kΩ，则无光时输出电压为：

有亮光时输出电压为:

　　由于STM8单片机内部自带10位AD转换，则AD读数为：

　　在AD转换器的输出中可以512作为临界值，当大于512时为无光状态，当小于512时为有光状态，将此临界值带入程序中编程即可。

　　（2）编程流程图。相应的程序流程图如图2所示，用无限循环while（1）不断的扫描传感器输出数据并通过AD转换的值与阈值比较，小于512的为有光状态，向单片机输入0，大于512为无光状态，向单片机输入1，单片机通过输入电平的数值，决定执行情况。

　　（3）传统实验操作。传统的光敏电阻实验操作是测量光照强度和输出电流的大小关系，并绘制光照强度特性图，属于验证性实验，没有在传感器的应用上进行拓展。

图1 光敏电阻连接电路

图1 光敏电阻连接电路

　　3.结语

　　通过以上例子，可以看出在改革之后的传感器实验能在传感器的应用上提高学生的动手能力，熟悉各种类型传感器的应用有利于学生在后续的专业课程、电子类竞赛、毕业设计等方面有较好的实践能力。在传统的传感器教学上，结合物联网技术进行教学和培养学生，将课程的重点从传感器的原理转移到传感器的应用上，以培养更多参加各种科技竞赛的学生，符合应用型人才培养的目标。

　　作者：马华玲

　　本文刊发于《中国高新科技》杂志2020年第20期

　　（转载请注明来源）

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