传感器设计论文范文
传感器设计论文范文第1篇
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
传感器设计论文范文第2篇
关键词：测力传感器，应力集中，精度，灵敏度
一、概述
对于电阻应变片式测力传感器（以下简称“测力传感器”）来说，弹性体的结构形状与相关尺寸对测力传感器性能的影响极大。可以说，测力传感器的性能主要取决于其弹性体的形状及相关尺寸。如果测力传感器的弹性体设计不合理，无论弹性体的加工精度多高、粘贴的电阻应变片的品质多好，测力传感器都难以达到较高的测力性能。因此，在测力传感器的设计过程中，对弹性体进行合理的设计至关重要。
弹性体的设计基本属于机械结构设计的范围，但因测力性能的需要，其结构上与普通的机械零件和构件有所不同。一般说来，普通的机械零件和构件只须满足在足够大的安全系数下的强度和刚度即可，对在受力条件下零件或构件上的应力分布情况不必严格要求。然而，对于弹性体来说，除了需要满足机械强度和刚度要求以外，必须保证弹性体上粘贴电阻应变片部位（以下简称“贴片部位”）的应力（应变）与弹性体承受的载荷（被测力）保持严格的对应关系；同时，为了提高测力传感器测力的灵敏度，还应使贴片部位达到较高的应力（应变）水平。
由此可见，在弹性体的设计过程中必须满足以下两项要求：
（1）贴片部位的应力（应变）应与被测力保持严格的对应关系；
（2）贴片部位应具有较高的应力（应变）水平。
为了满足上述两项要求，在测力传感器的弹性体设计方面，经常应用“应力集中”的设计原则，确保贴片部位的应力（应变）水平较高，并与被测力保持严格的对应关系，以提高所设计测力传感器的测力灵敏度和测力精度。
二、改善应力（应变）不规则分布的“应力集中”原则
在机械零件或构件的设计过程中，通常认为应力（应变）在零件或构件上是规则分布的，如果零件或构件的截面形状不发生变化，不必考虑应力（应变）分布不规则的问题。其实，在机械零件或构件的设计中，对于应力（应变）不规则分布的问题并非不予考虑，而是通过强度计算中的安全系数将其包容在内了。
对于测力传感器来说，它是通过电阻应变片测量弹性体上贴片部位的应变来测量被测力的大小。若要保证贴片部位的应力（应变）与被测力保持严格的对应关系，实际上就是保证在测力传感器受力时，弹性体上贴片部位的应力（应变）要按照某一规律分布。在实际应用中，对于弹性体贴片部位应力（应变）分布影响较大的因素主要是弹性体受力条件的变化。
弹性体受力条件的变化是指当弹性体受力的大小不变时，力的作用点发生变化或弹性体与其相邻的加载构件和承载构件的接触条件发生变化。如果在弹性体结构设计时，未能考虑这一情况，就可能造成弹性体上应力（应变）分布的不规则变化。这方面最典型的实例是筒式测力传感器（见图1）。
当筒式测力传感器上、下端面均匀受力时，在弹性体贴片部位的整个圆周上应力（应变）的分布是均匀的。当上、下两个端面上受力情况发生变化后，力在两个端面的作用情况不再是均匀分布的，这时弹性体贴片部位圆周上应力（应变）的分布情况就难以预料了。如果筒式测力传感器弹性体的高度与直径之比足够大，弹性体贴片部位圆周上的应力（应变）基本上还是均匀分布。但是，在实际应用中，通常很少能为测力传感器提供较大的安装空间位置，因而筒式测力传感器弹性体的高度与直径之比很难做到足够大，弹性体贴片部位圆周上应力（应变）将不均匀分布，而且不均匀分布的情况随弹性体受力情况的变化而改变。在这样的条件下，弹性体贴片部位的应力（应变）与被测力不能保持严格的对应关系，将造成明显的测力误差。
为了减小由于弹性体受力条件的变化引起的测力误差，有些传感器设计者采取在筒式测力传感器弹性体上增加贴片数量的方法，尽可能将弹性体上贴片部位圆周上应力（应变）分布不均匀的情况测量出来。这样的处理方法有一定的效果，可以减小弹性体受力条件的变化引起的测力误差。但这种方法毕竟是一种被动的方法，增加的贴片数量总是有限的，还是很难把弹性体上贴片部位圆周上应力（应变）分布不均匀的情况全部测量出来，测力误差减小的程度不够显著。
由于弹性体受力条件的变化引起的测力误差的实质是弹性体贴片部位圆周上的应力（应变）的不规则分布，如果能使弹性体贴片部位圆周上的应力（应变）分布受到一定条件的约束，迫使贴片部位的应力（应变）按照某一规律分布，因而使得弹性体贴片部位的应力（应变）与被测力基本保持严格的对应关系，由此来减小因弹性体受力条件的变化引起的测力误差。
对于筒式测力传感器来说，在承载强度足够的条件下，如果将弹性体贴片部位圆周上不贴片的部位挖空（见图2），使得应力只能在未挖空的部位分布，大大改善了应力（应变）不规则分布的情况。或者说，应力（应变）的不规则分布仅仅限于未挖空的部位，并且其不规则分布的程度不会很大。因此，在未挖空的部位粘贴电阻应变片，就能使测得的应力（应变）与被测力基本保持严格的对应关系。
上述处理方法实际上出于这样一个原理：通过某种措施，使弹性体上的应力（应变）集中分布在便于贴片检测的部位，实现测得的应力（应变）与被测力基本保持严格的对应关系，以保证传感器的测力精度。
作者曾用上述方法对筒式测力传感器进行改进。改进前的普通筒式传感器测力误差大于1%F.S.，改进后（局部挖空）的筒式传感器测力误差为0.1~0.3%F.S.，测力精度明显提高。
三、提高应力（应变）水平的应力集中原则
若要测力传感器达到较高的灵敏度，通常应该使电阻应变片有较高的应变水平，即在弹性体上贴片部位应该有较高的应力（应变）水平。
实现弹性体上贴片部位达到较高应力（应变）水平有两种常用的方法：
（1）整体减小弹性体的尺寸，全面提高弹性体上的应力（应变）水平；
（2）在贴片部位附近对弹性体进行局部削弱，使贴片部位局部应力（应变）水平提高，而弹性体其它部位的应力（应变）水平基本不变。
以上两种方法都可以提高贴片部位的应力（应变）水平，但对弹性体整体性能而言，局部削弱弹性体的效果要远好于整体减小弹性体尺寸。因为局部削弱弹性体既能提高贴片部位的应力（应变）水平，又使得弹性体整体保持较高的强度和刚度，有利于提高传感器的性能和使用效果。
局部削弱弹性体提高贴片部位应力（应变）水平的原理是：通过局部削弱弹性体，造成局部的应力集中，使得应力集中部位的应力（应变）水平明显高于弹性体其它部位的应力水平，将电阻应变片粘贴于应力集中部位，就可以测得较高的应变水平。
局部应力（应变）集中的方法在测力传感器的设计中经常被采用，尤其在梁式测力传感器（如弯曲梁式和剪切梁式测力传感器）的弹性体设计中被广泛应用。局部应力（应变）集中方法应用较为成功的当数剪切梁式测力传感器。剪切梁式测力传感器是通过检测梁式弹性体上的剪应力（剪应变）实现测力的，其弹性体的结构如图3所示（为了便于说明问题，这里仅以一简支梁式的弹性体为例）。
由材料力学中有关梁的应力分布知识可知，当梁承受横向（弯曲）载荷时，在梁的中性层处剪应力（剪应变）最大。如果要检测梁上的剪应变，应该在梁的中性层处贴片。为了提高贴片处的剪应力（剪应变）水平，可将弹性体两侧各挖一个盲孔（见图3的2处），盲孔的中心应在中性层处。电阻应变片应该粘贴在盲孔的底面上，即图3中工字形断面（A－A剖面）的腹板上。
对于梁形构件来说，其弯曲强度是主要矛盾。在一个梁满足弯曲强度的情况下，剪切强度一般裕量较大。当在中性层附近挖盲孔后，该截面上腹板上的剪应力（剪应变）明显提高，然而该截面上的弯曲应力提高很小。因此，剪切梁式弹性体应用局部应力集中方案后，被检测的剪应变大大提高，使该测力传感器的灵敏度显著提高，而对整个梁的弯曲强度影响很小，使整个梁保持了良好的强度和刚度。
四、小结
在测力传感器的设计过程中，如能自觉地按照上述两种应力集中的原则，对弹性体进行结构设计，就能够收到提高测力传感器的测力精度和测力灵敏度的良好效果。灵活、恰当地运用应力集中的原则，对于设计和生产高性能的测力传感器具有重要的实用意义。
参考文献
[1].刘鸿文主编，《材料力学》，高等教育出版社，1979年
PrinciplesofConcentratingStressintheDesignofLoadCells
Abstract:Thispaperintroducestwoprinciplesofconcentratingstress,whichareusually
usedinthedesignofloadcells.Accordingtotheprinciplestheelasticbodiesofloadcells
传感器设计论文范文第3篇
1．1工作原理
本研究以病原菌为检测对象，通过蛋白A将病原菌抗体固定于金叉指阵列微电极表面，制备了一种阻抗型传感器。以Fe(CN)3－/4－6作为氧化还原对，经过化学电阻抗谱表征电极表面修饰及抗原捕获过程，采用等效电路阐述其阻抗谱的变化。实验结果表明，待测溶液中病原菌浓度的对数值与叉指阵列微电极的电子传递阻抗的变化值呈线性关系。传感器系统将上面的输出信号进行电压放大、A/D转换等处理，然后由已知的定量检测模型得出表征被测物含量的数值，并通过LCD装置进行显示，且可在超过安全值时进行报警。
1．2基本结构
实现定量检测和自动报警等功能，单片机是核心部件。本设计选用STC89C52单片机，它是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，可满足系统工作的要求。该系统以STC89C52单片机为核心，包括阻抗测试模块、阻抗电压转换模块、电压放大电路模块、A/D转换模块和显示及报警模块。此系统采用模块化设计不仅便于扩充不同测量单元，而且可防止各模块间相互干扰，利于仪器稳定。
2硬件选型及电路设计
2．1集成放大器选择
A/D转换电路所需的电压幅值一般为2V，而叉指微电极输出的电压信号比较小，所以需要对叉指微电极输出的电压信号进行放大。主放大电路采用放大器ICL7650，其电路具有电源电压范围宽、静态功耗小、可单电源使用及价格低廉等优点，广泛应用在各种电路中。
2．2A/D转换模块设计
经放大电路输出的电压值是模拟信号，不能直接送入单片机进行处理，还必须进行A/D转换后送入单片机进行处理。本设计选择ADC0809芯片作为AD转换装置，此芯片功能简单，能稳定实现本设计的要求。
2．3显示及报警模块设计
2．3．1显示电路设计
传感器需要输出液晶显示结果，主要包括检测物名及物质浓度等。本系统选用LCD1602液晶显示屏，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块，能够同时显示16×2(16列2行，即32个)字符，可满足显示检测物名称和浓度的要求。
2．3．2报警电路设计
为了实现超限自动报警的功能，需要蜂鸣器接受单片机发出的超限报警信号发出警报，警示微生物的数量已经超标。要实现自动报警的功能，可采用实现单频音报警。其接口电路较简单，发音元件为压电蜂鸣器，当在蜂鸣器两引脚上加3～15V直流工作电压时，可产生3kHz左右的蜂鸣振荡音响。压电式蜂鸣器结构简单、耗电少，更适于在单片机系统中应用。压电式蜂鸣器约需10mA的驱动电流，可在单片机一端口接一只三极管和电阻组成的驱动电路来驱动。浓度超标时，单片机P3．6输出高电平，驱动蜂鸣器报警，提醒检测者被测物超标，并做相应处理。
3软件设计
为了便于程序修改和升级，软件系统采用模块化设计方法，主要程序包括:主程序、键盘处理子程序、数据处理子程序、液晶显示子程序及报警子程序。系统工作流程为:检测人员通过键盘输入被测物种类，MCU通过判断处理之后，阻抗测试仪测量获得多个阻抗值，经阻抗电压转换电路和放大电路，A/D转换器处理，将得到的数字信号送入MCU;MCU对数字进行计算、比较等处理，得到被测物浓度，判断出浓度是否超限;接着，MCU将浓度送入LCD进行显示，判断比较结果是否需要进行报警，需要时则控制报警器报警。
4结论
传感器设计论文范文第4篇
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
传感器设计论文范文第5篇
1．1传感器激励的设计硅压阻式压力传感器内部结构为惠斯通电桥结构，可在恒压或者恒流模式下工作。由于硅压阻式传感器很容易受到温度的影响产生漂移，在恒压模式下随着温度的变化，传感器本身电阻R的变化会对信号产生影响，因此，选择恒流源作为传感器的激励［6］。传感器激励源的稳定与噪声大小直接影响着压力敏感元件的输出，因此，在确保低温漂、低噪声、驱动能力强的选型原则下，选择ADR4525基准源、AD8506运放构建驱动电路以及反馈电路。图2所示为传感器激励原理框图。
1．2温度补偿电路的设计温度补偿电路用于对温度发生变化时，敏感元件和构成信号调理电路各主要元器件的输入输出特性的补偿，温度补偿电路提供两类误温度漂移补偿:零点温度漂移补偿与灵敏度温度漂移补偿［7］。理想传感器的输出量与输入量关系。补偿的原理为将b，k调整到精确的某个值，最大限度消除温漂值b(T)和k(T)以及二次以上的非线性成分。
1．2．1零点温度漂移补偿由温度引起零点变化而造成输出变化的元器件中，压力敏感元件所占比重最大，对零点补偿原理如图3所示，温度检测元件的输出作为补偿端与待补偿信号做加减运算［8］，最终输出信号即为零点补偿后输出。该部分设计中，温度检测元件选择温度传感器AD590，AD590封装下、测量范围宽、输出线性，输出信号噪声仅为40pA，补偿信号不引入更多的噪声;同时由于温度传感器的输出以电流的形式输出，因此，需要通过高精密电阻器将其转换为电压信号后，与待补偿信号做加减运算，电阻器阻值的大小根据测量的零点漂移大小计算。
1．2．2灵敏度温度漂移补偿随着温度的变化传感器的满量程输出也会随之变化(即增益发生变化)，从输出来看，该变化可归一为压力敏感元件的灵敏度发生变化，此时，需对传感器的增益特性进行温度补偿。补偿原理如图4所示，温度检测元件检测到温度变化后，及时调整激励源的基准［9］，调整策略与增益温度特性互补，即增益降低，则增强激励源的基准，由激励源输出相应的恒流;同时可在敏感头的桥臂上串、并联电阻器调整增益特性。
1．3信号调理电路的设计信号调理电路用于将压力传感器输出的差分信号进行放大、滤波，原理图如图5所示。压阻式传感器输出的电压信号大多为mV级，采用仪表放大器AD8553对传感器输出的信号进行放大，AD8553为轨到轨输出，最大失调电压仅为20μV，在频响0．01～10Hz范围内噪声峰峰值为0．7μV，其中，R应大于3．92kΩ;同时由于SM5420输出的为差分信号，在仪表放大器的输入端需要添加抗射频干扰的滤波电路，如图5所示，若仪表放大器输入前滤波电路匹配不佳，输入的某些共模信号将转换为差模信号，因此，通常情况下所选的C2至少比C1或者C3大10倍，用于抑制滤波电路不匹配带来的杂散差分信号;基准源ADR4525为仪表放大器提供2．5V的参考电压，用于调整信号的零位。仪表放大器的输出信号需要进行滤波处理，这里采用MAX295芯片进行滤波，该芯片为8阶巴特沃斯滤波器，操作简单，只需提供输入时钟CLK则可任意控制滤波器的截止频率，输入时钟频率与截止频率的关系为50︰1。
1．4数据采集电路设计该部分电路主要是将补偿后的模拟信号通过A/D转换器AD8330将其转换成数字信号，AD8330为16位采样精度，采样率最高可达1MHz;采用已经使用成熟的微型处理器C8051F410进行数据采集和处理，微控制器通过SPI接口采集到量化后信号，同时通过RS—485总线转USB适配器与计算机进行通信。
2传感器标定与测试结果
压力传感器的标定主要是对零点和灵敏度的标定。将压力传感器安装到压力腔体内，共同放入高低温试验箱，打开高低温试验室箱并设置11个间隔均匀的温度值，在不同的温度梯度下使用压力泵对压力腔体打压，并记录压力传感器在零位和满量程时的输出值，采用最小二乘法对记录的值进行拟合［12］，得到传感器的零点温度漂移值和灵敏度温度漂移值。根据得到的值调整补偿电路使传感器的输出满足要求。将经过补偿后的压力传感器放入高低温试验箱，高低温试验室箱内温度设置为25℃，在量程范围内设置10个均匀的压力测试点，将测试结果记录到表1中，采用最小二乘法拟合数据得到补偿后的传感器静态特性。通过Matlab拟合后得到传感器输入与输出的线性关系式为y=0．020x+2．454，如图6(a)所示;经过计算传感器的静态特性为非线性误差为0．043%，迟滞为0．062%，重复性为0．027%，精度为0．085%，如图6(b)所示，最大误差位于点0kPa处，偏差为0．00154V，故非线性度小于1．54/(20．29×175)=0．043%，满足设计的要求。在测试的过程中，由于一天当中大气压强的变化测试结果会受到影响。
3结束语
传感器设计论文范文第6篇
为提高系统输出信号的精度，采用低速、高精度的DAC。此类DAC多采用SPI或IIC总线与主控制器通信，占用控制器的IO口较少。时下流行的STM32系列或MSP430系列微控器的硬件资源都满足要求。为便于野外现场使用，系统采用锂电池供电，这就要求主控制器具有较低的功耗以延长电池续航时间，以极低功耗著称的430单片机成为首选。由主控制器、时钟电路、复位电路构成了主控制器的最小系统。系统硬件总体框图如图1所示。按键和气象量显示模块主要实现人机交互功能，用来调节输出信号的大小，设置气象量和电信号之间的转换关系等。根据气象传感器输出信号的范围，可设定若干档位的输出信号，以覆盖传感器的范围即可。按键接在430单片机的中断口上。显示模块的控制和数据总线由单片机的IO口来提供。DAC模块是产生电压信号的核心。主控制器将数字量送给DAC后得到模拟电压信号，为使产生的信号和传感器范围一致，DAC的输出信号需进行调理。数字系统和电源都会对模拟部分产生干扰，引起误差。采用DC－DC电源隔离、DAC总线隔离提高DAC输出信号的精度。输出电信号和气象量之间存在转换关系，转换函数存储于EEPROM芯片中。为进一步提高精度，系统也需要定期检定。采用零满刻度校准的方法，用高精度的数字万用电表测量输出信号的实际值，将实际值和理想值的差值保存于EEPROM中，系统根据差值去修正输出信号，差值和转换函数都通过串口由上位机写入存储电路中。软件补偿切实提高了系统的稳定性和精度。
2模块电路设计
2．1主控制器端口分配及人机交互模块
主控制器选择TI公司的MSP430F169，利用其丰富的中断作为按键输入，内部自带的UART模块实现串口通信，采用IO口模拟SPI总线与DAC通信，低功耗的128×64LCD用于显示输出信号大小及对应的气象量。主控制器的最小系统及端口分配如图2所示。主控制器的P1．0～P1．3接按键，采用中断方式。4个按键的功能包括：调节电信号和气象量之间的转换关系键SET、增大和减小输出信号键UP和DOWN、确认保存参数键ENTER；P3．0～P3．3端口的RS、RW等为LCD的控制总线；P5．0～P5．7为LCD的数据总线；P3．6～P3．7为单片机部自带的UART模块的收发端口，用于串口通信；P4．0～P4．2作为DAC的SPI总线；P4．3～P4．6用于存储器的总线。TDO／TDI～TCK为单片机的下载口。P6．0端口MeaV为单片机内部自带的ADC模拟输入通道，用来监测系统电源。晶振X2和电容C1、C2构成时钟电路，电阻R8和电容C3构成上电复位电路。
2．2模拟信号产生DAC模块
为产生程控的高精度电压信号，采用高精度的数模转换芯片，辅以总线隔离、电源隔离等措施提高精度。工艺上采用四层印制板电路。产生的信号为微伏级，选用16位的低功耗、单通道电压输出型DAC芯片AD5660，满量程输出电压范围可达2．5V。软件编程模拟SPI总线与主控制器通信。AD5660内部硬件结构如图3所示，主要由数字量输入寄存器、电阻串型DAC、基准源、输出缓冲放大电路组成。由图3可知，AD5660内部含有一个增益为2的放大器。设D为载入DAC寄存器的二进制编码的十进制等效值，则输出电压VOUT的大小为16位的AD5660－1内置1．25V的基准电压，输入数字量D的范围为0～65535。根据式（1），输出电压VOUT的范围为：0～2．5V。采用总线隔离和电源隔离措施，以提高输出电压的精度。iCoupler技术的四通道数字隔离器ADUM1401具有优于光耦合器的出色性能［4］，系统利用ADUM1401作为DAC模块的SPI总线数据转换器，使AD5660的总线与主控制器完全隔离。同时，采用DC－DC芯片MEB01Z－05S05D为信号产生部分提供独立电源。MEB01Z－05S05D的输出功率可达到1W，且其具有极低的纹波，Vp－p≤10mV。其电路如图4所示。
2．3信号调理电路
湿度传感器输出信号为0～1V，气压传感器设置于模拟模式时，输出电压为0～5V，而总辐射传感器的输出信号十分微弱，小于30mV。DAC输出信号需要经过调理电路，产生与传感器输出范围和分辨率一致的信号。这里以产生0～30mV的微弱电压信号为例，设计其信号调理电路如图5所示。
2．4参数存储及串口构成软件补偿电路
除采用总线隔离、电源隔离、低温度系数电阻、低失调电压运放等提高系统输出信号的精度外。设计参数存储和串口通信电路，利用软件来对信号输出进行校准，进一步提高输出信号的精度。软件补偿的思路是采用零满刻度校准法，用高精度的61／2位数字万用电表测量系统在零点和满量程时的实际输出，并记录与理想值的偏差。上位机通过串口将偏差值写入到存储器中。系统每次进行D／A转换之间先读取存储器中的偏差值，并调整单片机送给DAC的数字量，使输出信号接近理想值。偏差值存储于EEPROM中，如图6所示。同时，气象量和电信号之间的转换函数关系也存储于EEPROM中。MSP430F169内部自带了UART模块，只需在辅以常用的MAX232构成电平转换电路即可与上位机通信。
3系统软件电路设计
系统任务主要包括时钟初始化、LCD的初始化、信息显示、系统电源电量显示、软件校准、按键切换输出档位等。根据各功能模块，确定系统的软件设计流程和中断服务程序功能。主程序主要完成初始化工作；电量检测需定期进行，故在定时中断服务程序中完成；档位切换和信息显示等在外部中断服务程序中实现；校准参数和转换函数通过串口的中断服务程序由上位机写入EEPROM中。系统主程序流程如图7所示。输出信号大小的调整由按键中断服务程序实现，图8为UP键按下时的服务程序流程。
4系统测试
为提高系统精度，PCB采用4层印制板。中间2层为GND和隔离后的电源。利用高精度的61／2位数字万用电表对系统进行零满刻度校准。校准步骤如下：（1）设定输出值为0mV，利用万用电表测量此时的实际输出电压值V1；（2）将V1通过串口调试助手写入下位机，单片机根据V1计算零点偏差，并保存于EEPROM中；（3）设定输出值为30mV，利用万用电表测量此时的实际输出电压值为V2；（4）将V2通过串口调试助手写入下位机，单片机根据V1，V2，计算线性校准函数的斜率和截距，并保存于EEPROM中。系统校准后，再通过按键切换输出档位，并用万用电表测量实际输出值，测试结果如表1所示。结果表明，系统经过软件校准后，输出微弱电压信号的误差小于10μV。但通过高速的数据采集卡测量，系统瞬时值存在80μV的抖动。分析其原因是由于万用电表测量时进行了滑动平均处理，测量值为短暂时间的平均值，抖动被抵消。经过反复测试和分析得知，虽然采用4层PCB在硬件上减小了干扰，但空气中的电磁场仍然在PCB板上形成了干扰。整个PCB需要采用一定的屏蔽措施或在有良好的电磁环境下测试。
5结束语
传感器设计论文范文第7篇
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.
传感器设计论文范文第8篇
关键词：产教融合；传感器；实践教学；创新设计
1引言
高校的传感器课程改革已推进很多年，实际上一些高校在传感器教学改革上做了很多细致的工作，笔者也在传感器课程改革中做了相关工作[1-3]。传感器课程经过这些年的教学改革和发展，教学改革取得了长足的进步，但也存在很多问题，如教学内容没有本质改变、教学形式披着项目式教学的外衣等问题，使得教学改革浮于表面。尽管如此，传感器课程改革的核心即如何实现基于产教融合的实践教学过程，尚未有相关过程的描述文献，也就是说，传感器课程的改革尚未取得相关课题组的认可或值得推广的进展。传感器种类繁多，工作原理各式各样，其课程属于交叉学科。现在发展正热的人工智能对传感器的发展有着重要的促进作用。因此，传感器的课程改革是一个比较复杂的系统工程[4]。学校的需求是如何把传感器最新的研究成果通过简单、直观和有效的方法传授给学生，学生通过课程学习后能快速地上手关于传感器的相关工作，因此，传感器的实践教学过程设计显得尤为重要。基于此，本文主要研究如何设计出符合产教融合形式的传感器课程实践教学过程。
2问题分析
自国家开始推广产教融合以来，校企合作就作为高校推进教学改革的主要方向。同时，企业相关负责人也认识到企业和高校之间需要密切合作，通过高校人才资源优势来推进企业产品的升级。事实上，高校和企业的想法都很好，但在实际执行过程中存在很多问题：首先，企业有自己的一套对外交流合作的规章流程，而高校提供的技术支持和人力资源并不是针对企业某类产品开发、设计和制作等相关工作的；其次，企业的产品研发、设计、生产及推广在未推向市场之前都是保密的，由于牵涉企业保密协议，高校师生想深入地参与不太现实。由于涉及企业的切身利益，考虑到社会现状，企业和高校无法进行深入且密切的合作，大都停留在合作的表面层次，这样双方都无法获取有用的信息。传感器课程的改革进行了很多年，特别是针对实践教学改革做了很多相关工作[5-7]，如调整理论和实践操作的时间比例，突出实践操作的课时比例；学生通过项目任务引导和驱动完成教学任务；通过完成课外项目任务来提升动手能力；等等。这些方式确实能提升学生的动手能力，也提高了教学质量，但无法直接与企业岗位对接，还需要企业对学生进行专门的培训，然后才能让学生真正进入传感器工程师岗位，这也是企业对现在毕业生能力感到比较苦恼的地方，也是高校培养学生需要改进的方面。实际上，学校在课程教学改革过程中，不论从专家论证还是调研需求方面，都没有真正地深入企业，没有搞清楚企业的真正需求，因此，在培养人才目标上出现偏差。现在科技的发展日新月异，课程内容的调整要做到与时俱进。结合传感器技术发展趋势分析，传感器课程改革的最佳思路是采取产教融合形式来进行改革，这符合目前社会企业的实际需求，也符合高校课程的改革方向。本文针对上述两个方面的问题，提出基于产教融合的传感器实践教学过程创新设计理念，解决目前困扰传感器教学的实质性问题，为高职院校的传感器课程教学改革提供一种全新的解决方案和思路。
3实践教学过程设计
本小节首先分析了基于产教融合的传感器课程目标，然后描述课程教学形式，最后给出了基于产教融合形式的传感器课程实践教学过程设计。
3.1基于产教融合的教学目标
产教融合的实质是企业和高校对相互间的需求和目标都很了解，高校能真正培养出企业所需的人才，而企业的人才需求是高校人才培养方案的目标[8-10]。从社会层面来讲，高校前沿技术应该走在企业技术的前面，企业应该向高校进行学习和讨教，但现实情况是，目前高校的人才培养和课程改革都需要对企业人才需求进行调研，刚好与欧美社会的情况相反。针对目前我国社会的实际情况，本研究从实际出发，对传感器课程的目标进行重新定义，主要有以下内容：（1）基于典型传感器企业工作岗位构建能力提升框架。根据企业典型岗位来设计传感器能力训练和提升体系，该操作也是由来已久，但实际效果并不好。虽然教育专家给出这方面的指引，但为什么没有取得良好的效果？主要是在实际企业调研这一环没有做好，每个地方的社会经济情况不同，得出的传感器课程能力培养方向的侧重点就不同，或者这一环没有进行深入而翔实的讨论，使得结论不符合当地企业的实际需求。结合武汉地区传感器企业的情况，传感器课程能力提升分为培训基础任务、完成项目模块和开发产品三个层次。（2）设计合理适用的任务项目模块，达到企业岗位各级能力水平。如何实现三个能力层次的递进？设计的项目很重要，较好的项目任务能有效地夯实学生的基础，进而达到完成整个项目的能力，最后通过相关强度训练和努力，使得部分优秀学生具备传感器产品开发的能力。设计的项目在教学过程中覆盖各层级的学生，能有效地满足各类企业的传感器人才需求。以力传感器为例进行说明，这个项目包含4个，分别为力传感器基础、电阻应变式传感器的认识和使用、电容式压力传感器的认识和使用、力敏集成传感器的认识和使用，这四个模块包含了上述三个能力层级。传感器课程被重新定义的目标是区别于以往课程目标，其根本不同之处在于自然地融合企业产品生产属性，使之重新定义的课程目标既能巧妙地糅合企业产品生产属性，又能很好地实施教学过程，当然要实现新课程目标还要靠合适、恰当的教学内容。
3.2实践教学过程设计
根据前面设定的传感器课程目标和教学内容，开始实施整个教学过程。基于产教融合的思想，整个教学过程既要保持一定的教学形式，又要有传感器制作过程，将产品设计与制作和教学有效地结合起来。实践教学过程如何能较好地融合教学规律和产品生产过程呢？重新设计的项目内容是关键，很明显，开发的全新教学内容是决定教学采用何种形式的基础。项目内容的开发主要来源于目前企业传感器岗位所需具备的能力要求，因此，项目开发的研究是核心。这里以超声波传感器项目为例进行说明，超声波传感器项目主要分为四个任务：认识超声波传感器、超声波发送电路设计与调试、超声波接收电路设计与调试、超声波测量系统设计与制作。由于现在的教学过程基本上都是理实一体化模式，因此，专业课教学过程都是实践教学过程。整个教学过程设计如下：（1）超声波项目文本制作。涉及的超声波文本主要包括项目教学设计、教案、项目教师工作页、学生工作页，这些资料都是建立在重新设计项目内容基础上的。这些项目文本都需要在项目实施前完成，并把学生工作页提前发给学生。学生工作页描述了该项目的目标、能力训练要求、所需知识点、任务安排以及项目实施过程等相关内容。这部分内容需要专业教师根据课程标准来进行撰写和安排，对任课教师的要求比较高，需要有教学改革经验才行。（2）项目元器件的准备。为提高学生的参与性和积极性，这个工作主要由学生提前准备，根据学生工作页中提供的原理图、元器件清单等信息来完成。学校提供一些基础的设备如电源、示波器、万用表、电烙铁、钳子和镊子等工具，学生购买元器件所需费用由学校承担一部分。这样可以调动学生的积极性，形成的传感器作品由学生自己管理。这种做法同企业员工的技术能力及出勤情况和薪酬挂钩一样，只有涉及自身利益，才能调动学生学习的主观能动性。实践证明，这种类比企业员工的做法能有效地调动学生的积极性，能有效提升教学质量、促进教学改革。（3）项目任务的推进。这个项目规划8个课时，任务1、2分配4个课时，任务3、4占用4个课时。任务推进大致步骤为：首先，给学生介绍超声波项目的目标和要求以及学完这个项目后所具备的能力；其次，将项目分解成认识超声波传感器、超声波发送电路设计与调试、超声波接收电路设计与调试、超声波测量系统设计与制作四个任务，并说明这四个任务之间的相互联系和作用；再次，推进各个任务的完成，在此过程中，教师协助学生完成任务的分析和指导；最后，教师针对学生完成的项目情况进行点评，并指导学生撰写项目报告。（4）项目总结报告的撰写。项目报告的撰写是对前期工作的总结和整理，超声波项目涉及四个任务，完成这四个任务的过程中肯定会遇到很多问题，特别是超声波发送电路设计与调试、超声波接收电路设计与调试这两个任务，针对电路设计与调试过程中存在的信号不稳定、信号接收不到等问题，需要学生仔细检查电路板找到问题所在进而解决。因此，在撰写报告时，要将这些问题总结并记录下来，避免后修的任务遇到类似的问题。总结报告需要学生按照规定的格式完成，这样才能保证总结报告的质量。当然，教师会根据总结报告对学生进行指导，使学生撰写的报告内涵丰富、数据翔实、描述清楚。整个实践教学过程始终让学生处于主动地位，即让学生站在公司员工的角度，教师在整个教学过程中是一位导演，协助并指导学生完成作品，这样的过程能有效地调动学生的积极性，显著提升教学效果。
3.3课程考核形式
传感器课程的改革是基于产教融合的形式，其课程考核形式需要具备企业产品属性和教学考核的双重属性，因此，需要对原有的考核形式进行重新设计和规划，同时，考核方式应该能对教学过程和结果进行有效的监控。为了提高学生的学习积极性，使学生的成绩与能力挂钩，将考试与实际的应用开发相结合，设计的考核方案如下：在每个项目的实施过程中，涉及使用单片机进行控制传感器的操作，团队协作，沟通交流，文档撰写的职业素养，教师全程跟踪学生的制作过程，记录学生的平时表现。在项目完成阶段，对学生的作品进行检查、验收，配合答辩结果确定学生成绩，课程成绩包括职业素养考核+平时作品考核+期末理论考核，具体分值分别为：（1）职业素养考核。根据平时表现来判定，考核内容包括学习态度、团队合作、操作规范、分析问题、解决问题的能力等方面，分值为20分。（2）平时过程考核。从项目报告、提问答辩、操作情况和产品设计制作四个方面来考核：①项目报告，要求结构完整、条理清晰、文字流畅、观点正确；②提问答辩，包括对理论知识的理解、分析问题解决问题的能力；③操作情况，即根据项目的功能对各类传感器进行操作的情况；④产品设计制作，包括调试工具软件、仪器、仪表使用的能力以及硬件电路、控制程序的设计调试能力。分值为40分。（3）期末理论考核。主要是对理论知识要点的考查，分值为40分。上述考核形式，能有效地检验学生在课程学习上的不同层次的能力，反映在技能操作、理论水平以及企业级产品开发上。因此，经过重新设计的考核形式是比较合适的，能有效地适配新的教学内容。
4结论
本文分析了现有传感器课程教学过程中存在的问题，提出了基于产教融合的传感器实践教学过程创新设计理念。该思想分别从基于产教融合的传感器课程的目标、实践教学过程设计、课程考核形式等三个方面进行分析和阐述，说明了重新构建设计的项目内容是实现该教学过程的重要基础，并以此为基础，采用与之相对应的教学形式，从而提升教学质量。该教学设计已在我校电子信息工程技术和智能产品开发两个专业2020级学生的传感器课程教学中成功得到实施和应用，教学效果良好，学生对教学的评教也很好。
参考文献
[1]蔡振.基于产教融合的传感器实践教学发展策略[J].科教文汇,2020(29):132-133.
[2]蔡振.面向创新意识和技能训练的传感器课程构建分析[J].现代职业教育,2019(11):148-149.
[3]蔡振.基于单片机应用的传感器课程教学改革[J].现代职业教育,2016(4):73.
[4]邓亚琦,李加升.传感器技术课程教学方法的设计与思考[J].电脑知识与技术,2021,17(21):193-194.
[5]范秀伟,申沂明,姜守振.基于混合式教学的《传感器原理与应用》课程改革[J].山东师范大学学报(自然科学版),2021,36(2):201-206.
[6]雷慧,荣星,肖国红.“以学生为中心”的“传感器与测试技术”课程教学实践研究[J].时代汽车,2021(13):109-110,137.
[7]曲春英.基于应用型人才培养模式的《传感器与检测技术》课程教学改革研究[J].创新创业理论研究与实践,2021,4(8):68-70.
[8]陈小兰,罗筑华,刘永.建构产教融合评价体系:要素、问题与策略[J].科技风,2021(22):151-152,164.
[9]姚亮.校企协作模式下高职院校产教融合教育的现状与未来[J].食品研究与开发,2021,42(15):240.
传感器设计论文范文第9篇
关键词：嵌入式系统；移动机器人；实践；教学平台
中图分类号：TP751.1 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）02-0223-03
Abstract： Higher education reform focused on "heavy practice， integrated heavy， heavy and innovation"，this paper introduced how to design a mobile robot teaching platform which was based on LPC1768 system. some experiments will design for student in order to improve students' practical ability. and could make student connect knowledge， practical application of knowledge and improve qualities together .
Key words： Embedded systems； mobile robot； practice； teaching platform；
机器人技术是一个国家科学技术水平和国民经济现代化、信息化的重要标志，而嵌入式系统则是机器人控制的核心部分[2]。针对笔者所在的院校向应用化改革的目标要求，设计了一门针对探索建立新型概念课的方法和方式，把知识的学习、素质的培养和实际应用联系起来。树立以学生为本，知识传授与能力培养并举，素质提高与协调发展并重的实验教学观念；以实验技能训练为核心，重应用，强调规范和精确[3-4]。本课程是将电子专业课程《C语言程序设计》，《嵌入式系统》，《传感器技术》， 《移动机器人技术》结合起来，将电子专业学生掌握的专业技能项目进行重新整合，建构一门新型实习实训课程。本课程着重于学生的应用能力的培养。
1 课程设计架构
本课程的设计根据学生的差异性分成两部分。
本课程的基础部分的整体框架是以传感器信号作为输入，以LPC1768作为CPU处理器[5]，以串口或者LCD1602作为输出显示。从而构成一个简单的系统。综合部分学生可以结合自动控制的内容，实现诸如温控系统、超声探障报警系统等内容的设计。总体框架如图1所示。
图1中最左边是传感器，示意图中列出了超声传感器，红外传感器，温度传感器。当然可以设计其余的传感器传入。中间是处理信息的中心也即是嵌入式系统，设计中采用的是cortex-M3芯片，右边是数据获取显示部分，可以采取串口通过USB转串口线在上位机超级终端上显示，也可以通过无线传输模块将数据传输到上位机上，通过超级终端上显示。还可以通过I2C挂接LCD1602，在LCD1602上显示数据信息。
本课程的扩展部分是自主控制移动机器人的设计。使用嵌入式系统LPC1768作为主CPU，实现移动机器人的运动控制以及传感器数据的获取，移动机器人周围会搭载一系列传感器，如超声传感器，红外传感器，陀螺仪，电子罗盘，里程计等等。通过CPU控制电机实现控制移动机器人运动，通过超声传感器和红外传感器结合实现移动机器人周围障碍物的探测，而后CPU会处理传感器数据，通过处理的信息会进一步控制移动机器人的运动，通过陀螺仪，电子罗盘，里程计等传感器信息去获取移动机器人的位置信息。因为涉及到移动机器人运动控制部分的内容，所以会将学生分成几个小组，也会将任务分成各个部分。让学生以综合作业的形式提交。
图2所示则为扩展部分移动机器人设计框架，左边是获取周围环境的传感器信息，右边是显示部分，可以通过串口或者是无线模块nrf24l01将数据传输到PC上。传感器的数据获取以及处理则在LPC1768上实现。由图2可以看出，此设计仅仅使用了创意之星的底层框架，会使用LPC1768控制舵机运行。传感器数据获取处理，以及移动机器人的控制也是由LPC1768实现的。由于考虑到CPU的处理能力，后续会继续在此基础上使用多CPU进行改进。
2 课程体系设计
本课程将分成理论课程，实验课程以及综合设计三块内容。
第一部分是嵌入式基础知识的学习。主要包括嵌入式系统的软硬件介绍，开发环境介绍，会就嵌入式C与普通C语言的区别以及一些嵌入式C中常用的关键字如volatile进行介绍。而后会对一些与传感器连接需要使用的外设接口进行介绍，包括四个小部分，分别是通用GPIO的介绍，定时计数器的介绍，无线通讯模块的介绍以及I2C接口的介绍。
第二部分是传感器相关模块的介绍。首先介绍什么是传感器，而后分别介绍各个传感器，包括红外传感器，温度传感器，超声传感器，电子罗盘，陀螺仪等。
第三部分会留出一段时间让学生以项目的形式自己设计一个系统。会给定一些可选题目，学生也可以选择自己感兴趣的传感器去进行研究，形成一个完整的系统，需要学生提交项目计划书，产品使用说明书以及软件测试代码，测试报告等内容。
与理论课程相对应的会有实验课程结合，针对嵌入式系统的基本知识会有5个实验相对应，分别是嵌入式开发环境如何使用，主要是介绍keil软件的使用，如何创建工程，如何调试代码等。而后是对于通用GPIO接口的使用，之后是定时计数器的使用，主要是实现利用定时器精确进行计时。最后是I2C总线的介绍和使用。
针对传感器知识也设计了相关的实验，首先针对红外传感器会让学生学习如何设计了一个简单的遥控器，针对温度传感器DS18B20，要求学生能够设计一个温度报警系统，能够获取当前温度信息，当温度信息超过一定限值的时候，通过蜂鸣器进行报警。针对超声传感器，主要可以用于获取15cm-4m范围内的环境信息，希望学生能够实现每次按键中断能够获取一个障碍物距离信息。且能够通过I2C接口将数据显示在LCD1602的屏幕上。接下来九轴传感器的数据信息获取是基于I2C接口的，所以需要学生在了解I2C接口的基础上能够获取九轴传感器上电子罗盘，陀螺仪，加速度计的数据信息，且能够进行相应的处理。
针对自选项目会分层次给出题目。一般性题目诸如温度报警控制系统，有毒气体探测报警系统，超声障碍探测系统等。针对自主控制移动机器人部分，会给出诸如多红外传感器感测移动机器人四周障碍系统设计，该设计会作为独立模块要求学生使用单片机实现），超声红外探测障碍系统：与第一部分的区别是会要求学生使用舵机控制超声传感器动态探测前方障碍等。
3 课程的教学方式
本课程属于全新课程建设，包含理论教学、实验教学以及项目驱动教学。
（1）对于嵌入式系统的教学采用理论知识，软件代码以及实验结合教学的方法。
由于嵌入式系统是一门综合性很强的课程。从工程的角度分析，它是涉及了机械、电子、计算机等多个学科的系统，单个学习者很难掌握当前嵌入式系统开发的全部知识和技能。因此，各个专业的嵌入式系统教学所侧重的内容是不同的。比如电子和电气专业的嵌入式课程的教学内容更多的侧重于硬件电路设计。就计算机专业的角度分析，嵌入式系统涉及了计算机体系结构、微机原理和接口技术、实时操作系统和计算机编程等诸多知识内容。而且目前存在多种不同的嵌入式硬件平台、嵌入式操作系统平台和开发工具，如何在诸多的技术中进行教学内容的选择，是首先需要解决的问题。本课程计划采取嵌入式系统教学采用理论知识，软件代码以及实验结合教学的方法。由于本实验实训课程主要着重于嵌入式系统的外设使用，因此会避开硬件设计、操作系统、makefile等相关内容，直接采取首先介绍各个接口，而后介绍用到的寄存器，之后介绍如何使用寄存器操作接口，如何使用下载器，通过例子代码以及实物演示的方法来介绍如何使用，之后通过给定实验题目让学生在实验课程上使用理论课学习的知识来编写代码实现相关外设使用。
（2）对于传感器知识部分，采取首先介绍相关传感器的理论知识，而后实物展示，之后通过讲解传感器数据获取，处理代码让学生大概了解内部的工作原理，由于时间限制所以不要求学生会编写所有的传感器内部数据获取、处理的代码，最后会在实验课提供给学生实验课程的相关传感器初始化，读取，使用的接口代码。学生只需要能够使用各个传感器的接口代码获取传感器数据就可以了。
（3）对于最后的综合实验课程以项目组织实施的方式对学生进行指导和管理。
嵌入式系统无处不在，越来越多的数码产品充斥着我们的日常生活，如手机、数码相机、各式各样的机器人、电子交通工具、智能仪器和车载电子系统等等，而且其更新升级的速度也越来越快。这些都体现了嵌入式系统的设计和开发需要有不断创新的精神，并且需要采用研究性方法来进行设计和开发。
传统的嵌入式教学只是注重于知识的单向传播，即老师向学生灌输最终的概念、原理和结论，学生则是被动的接收和被动的记忆。学生被禁锢在课堂上、实验指导书上，极大地限制了学生的素质和创新能力的培养。在本实验实训课程的教学中，通过项目和自行创新实验的设置，大大地激发了学生的创造潜力，培养了学生的科研能力。而且通过鼓励学生参加各种机器人相关的比赛，也能够提高了学生自主创新的积极性和成就感。
本设计最后的项目，可以学生自己提出一个自己想要实现的程序，而后利用我们LPC1768实现相关的内容，同时我们也会分层次给出几个设计题目供学生选择。如气体传感器探测系统。学生可以自己选择相关的传感器，目前气体传感器有MQ2气体传感器、可燃气体传感器、二氧化碳气体传感器、空气质量传感器等很多。学生可以自己选择某种传感器去进行设计。
如学生可以选择一个可燃气体传感器做一个可燃气体探测报警系统的设计。这种设计能够用于家庭，放在厨房，当厨房可燃气体超过一定数值的时候就能够报警，对于家用安全有非常重要的作用。学生也可以选择空气质量传感器做一个系统，当今社会越来越多的人对于空气质量的指标越来越重视，如果学生能够设计出一个这样的系统去实时探测当前的空气质量，既有实际意义也能够激发学生对于电子专业的强烈的兴趣。
此外对于项目设计，要求学生在整体项目完成的过程中需要有项目需求说明书，概要设计说明书，详细设计说明书，在设计的过程中需要有对于每个设计文件的说明书以及测试代码，测试文档。对于整体设计完成之后需要有结题相关文档等。让学生在过程中了解一个软件项目中应该要做的不仅仅只是软件代码编写，还包括需求说明，设计说明，详细设计说明文档，软件功能测试代码，软件功能测试文档，系统测试代码，系统测试文档等等内容。
4 课程的考核方式
课程考核由实物演示、设计报告和答辩等三个环节组成，分别按照40%、30%、30%的比例构成。要求学生演示自己的实物，需要提交自己设计产品的使用说明书以及实验报告，最后会有一个答辩环节，三者结合给出最后成绩。
5 总结
本课程主要是将本校电子专业学生所学习的知识融合起来，让学生能够利用所学的知识进行应用。笔者在所带嵌入式系统课程上针对基础设计部分做了尝试，效果良好。学生就在学习嵌入式系统理论知识，实验操作之后，最后的大作业就设计出温度报警系统，超声传感器测距模块等应用系统。
参考文献：
[1] 殷建军，张明武，万军洲.竞教结合的嵌入式系统实践教学改革[J].计算机教育，2011，2（2）：1-4.
[2] 孙士明，刘新平，郑秋梅，等. 计算机专业嵌入式系统实践教学体系探索[J]. 实验室研究与探索，2009，28（5）：122-125.
[3] 原亮，丁国良，李浩，等. 嵌入式系统的综合教学实验环境建立[J]. 实验室研究与探索，2008，27（1）：92-95.
[4] 汪治华，刘岩，全晓莉， 杜凯； 构筑综合学习平台， 改革创新工程教育[J]. 高等工程教育研究，2011（1）：139-142.
[5] 周立功.ARM 嵌入式系统基础教程[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2005.
[6] LPC2114_2124_2212_2214-02-user_cn 中文手册.
传感器设计论文范文第10篇
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.
传感器设计论文范文第11篇
关键词：传感器；检测技术；教学改革
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）12-0067-02
一、概述
《传感器与检测技术》是自动化专业一门核心课。是一门涉及到电工电子技术、传感器技术、光电检测技术、控制技术、计算机技术、数据处理技术、精密机械设计技术等众多基础理论和技术的综合性技术，现代检测系统通常集光、机、电于一体，软硬件相结合。《传感器与检测技术》课程着重培养学生掌握传感器与检测技术基本理论、基本方法，本课程是一门实践性很强的课程，在理论学习的同时，要求学生通过实验和实践熟练掌握各类典型传感器的基本原理和适用场合，掌握常用测量仪器的基本工作原理和工作性能，能合理选用常用电子仪器、测量电路等，能根据测量要求设计各类测量系统，能对测量结果进行误差分析和数据处理等，达到理论与实践的高度统一，突出能力的培养。目前该课程传统的教学方法是重点讲解各类传感器的原理、工作特性、测量电路和应用举例。而在传感器的应用上多是简单地举若干例子。在实验环节，也是大量的验证性实验。这样做的结果，不能使同学们了解和掌握传感器在实际现场条件下如何应用，达不到《传感器与检测技术》这门重要课程的教学效果。因此，对该课程的教学模式和教学方法研究就显得非常重要和紧迫。作者在本文中对该课程的教学模式与教学方法进行了研究和探索。提出了以下改革思路。
二、《传感器与检测技术》课程改革思路
1.采用实物教学法。传统的《传感器与检测技术》课堂教学主要讲授传感器工作原理、工作特性、测量电路等。可是在现实生活中，传感器种类异常繁多，如果学生见不到传感器的实物，仅仅靠课件上的内容，就会觉得学的东西没有什么意义，造成学生的厌学心理，觉得这门课程没意思。因此，在《传感器与检测技术》授课过程中，将各种传感器带到课堂上、展示给同学们会起到意想不到的作用。我们会把主要的各类传感器都带到课堂上，结合实物进行讲解。比如：电阻应变片传感器、电容式传感器、电感式传感器、霍尔式传感器、电涡流式传感器、热电偶、热电阻等，这样使得学生们对传感器留下深刻影，同时，在讲解传感器的时候，一定要结合现实生活实际，尽量介绍一些在现实生活中经常见到或者用到过的传感器。例如，电饭煲、空调、冰箱中的各种温度传感器；全自动洗衣机中的重量、液位、水温等传感器。这样能使学生认识到传感器的重要性，提高学生的学习兴趣。
2.采用启发和互动的教学方法。启发和互动式教学有利于培养学生的创新思维能力。创新是人才培养体制改革的核心环节。注重“学思结合”是实践创新型人才培养模式的核心与精髓。长期以来，我国高等教育人才培养过程中存在的弊端之一就是重灌输轻启发、重理论轻实践。倡导学思结合的目的，就是要改变长期存在的注重知识灌输的教学模式，充分启发学生进行思考和想象，培养他们的创新意识和创造能力，使学生在思考中学习，形成良好的学习方法和思维习惯，改变注重记忆、被动接受教师灌输的课堂教学方式，确立以学生为主体的教学观。作者认为启发式和互动式的教学方法，能有效地培养学生的创新意识和创新能力。以光电传感器为例，在讲完该类传感器工作原理、工作特性、测量电路后，启发学生们思考实际生活中是否见到光电传感器，让他们联想哪些场合可能会用光电传感器，在印刷机印刷过程中，某些参量的检测可否用光电传感器完成，通过这样的启发和互动，使同学们开阔了思路，加深了对《传感器与检测技术》的认识。
3.重视实践环节。《传感器与检测技术》课程是一门理论性和实践性都很强的课程，但长期以来，该课程的实践环节地位太弱，基本上处于从属于理论环节的状况，在考核时，实践环节（主要是实验）成绩仅占课程总成绩的一小部分，这就导致许多学生忽视实践环节的教学。同时，该课程验证性实验过多，综合性、设计性实验少，这些都不利于培养学生分析、解决实际问题的能力，为了改变这种状况，在学校教学经费的资助下，我们对实验内容进行了大力改革，开发出介于课程设计和实验之间的设计性实验，每个实验6个学时，实验主要侧重对基本知识的综合应用，使学生们能综合运用所学知识解决实际问题。这类实验要求先做好实验前准备，完成前期设计，然后在实验室设计实验，最后要求书写实验报告。比如：应变式电子称设计实验，要求设计出的电子称，不但完成理论设计，同时要求能够实际应用。
4.考核方式改革。考核、评价学生成绩是教学过程的一个重要环节。根据大众化教育阶段学生的实际学习情况，对考核方式进行了大力改革。总的说来，我校该门课程的学生总成绩由考试成绩、实验成绩、平时作业和出勤情况等几个环节构成。为了体现该门课程实践环节的重要性，实验成绩占30%、平时作业和出勤情况占20%、考试成绩占50%。实验成绩采用现场实际操作和口头答辩结合的方式给出。考试成绩由期中开卷考试成绩和期末闭卷考试成绩构成。这样可以较充分、全面地衡量学生对该课程的学习情况，可以有效地调动学生学习的积极性和主动性。
5.采用现代化网络教学手段。网络化教育是目前高等教育的重要手段。运用网络化教学手段是当前课程改革的一项重要举措。网络资源是非常重要的课程资源。网络化的教学注重充分地调动学生的主动性，将学习主动权交给学生。《传感器与检测技术》网络教学课程资源分为七大组成部分，具体介绍如下。课程概况：包括课程简介、教学大纲、教学日历、教学团队、考核方式、课程公告。课程内容：包括以知识点∕章节为单位的课程教案、主要教材与参考书、学以致用的典型案例、教材电子稿。教学课件：包括以知识点∕章节为单位的电子教案（课件）、帮助学生学习的助学型课件、模拟或仿真实践教学课件等。练习作业：包括以章节为单位的习题、练习题、讨论题、思考题、测试题等。实践教学：包括阐明本课程所有实践教学的目标、内容、手段、方法、步骤和教学实践总结报告撰写要求的实践教学指导。参考资料：包括学生学习本课程相应学习指导，比如：学习方法、可利用的学习资料∕资源、网络资料。课程互动：包括常见问题答疑、在线交流、课程论坛。以上网络教学课程资源大大提高了学生们的学习积极性。
《传感器与检测技术》是一门非常重要的课程，本课程的任务是使学生掌握常用传感器的工作原理、特点及基本转换电路，掌握特殊类型传感器的工作原理及应用。目的在于培养学生具有选择自动控制系统中传感器的能力；具有组建一般测试系统的能力；对一般测试系统中的技术问题具有一定的分析和处理能力。这门课程的特点是传感器种类繁多，而且理论性和工程性都很强，这就要求在教学中不断探索新的教学模式和采用新的教学方法，才能使课程的教学要求得以实现。
参考文献：
[1]金伟.现代检测技术[M].北京：北京邮电大学出版社，2007.
传感器设计论文范文第12篇
关键词：数字化实验；初中物理实验；物理实验教学
中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2016）11-0059-2
数字化实验（DIS）是信息技术与物理教学整合的重要基础。数字化实验室的设备主要由传感器、数据采集器、计算机、配套系统软件及配套教具等构成。它以真实实验为基础，通过各种传感器替代传统的仪表，通过数据采集器将采集到的实验数据送往计算机进行数据处理、图线分析，借助计算机平台更直观地显示物理现象，更深刻地揭示物理规律。传感器是数字化实验室的重要组成部分。传感器包括力传感器、位移传感器、声波传感器、电压传感器、电流传感器、温度传感器、压强传感器、磁感应强度传感器等。它能够快速、高精度地适时采集物理实验中力热声光电等各种变化着的物理量数据。基于传感器的计算机实时数据采集和基于计算机数据处理软件的计算机建模和图像分析等技术是开展物理探究教学的两大技术支撑。
下面列举两个笔者在初中物理教学中利用DIS数字化系统的实验创新教学实例。
案例1 探究电流与电压的关系
传统教学中，学生进行分组实验时利用滑动变阻器多次改变定值电阻两端的电压，分别用电压表和电流表测出电压值和对应的电流值，再在坐标系中描点作图，通过数据和图像得出结论。但一节课的时间里，学生既要设计实验方案，包括设计实验电路和实验表格，又要完成定值电阻的电压、电流值的多次测量，需要较长的时间。而且，如果电压值取得太接近或者不是倍数关系，测出的数据不容易得出结论。因此，在实验前，很多教师往往会提醒学生使电压成整数倍变化，这样做的结果是学生确实容易发现规律、总结出结论，但是“探究”的意味就淡了许多，原本生动有趣的实验也变得枯燥乏味了。若非如此，学生就需要更多时间来进行更多次的实验，一节课的内容又很难完成。
应用DIS数字化系统就很轻松地解决了这个矛盾。
实验过程和数据分析：
1.按电路图连接电路，为使结论具有普遍性，将一个5 Ω和一个10 Ω的定值电阻串联进电路进行实验，用电压传感器和电流传感器代替电压表和电流表分别测定值电阻两端的电压和通过定值电阻的电流。
2.将电压传感器和电流传感器分别接入数据采集器。
3.打开计算机，进入数字化信息系统软件，新建实验，设置电阻的电流-电压关系图线。
4.闭合开关，移动滑动变阻器的滑片，改变定值电阻两端的电压，测量多组电压和电流值。计算机根据得到的电压值和电流值实时在界面上生成电流-电压关系图像，如图1所示。
⒌分析所得的实验数据和图像，得出结论。
从图像中能明显地看出通过定值电阻的电流与定值电阻两端的电压成正比。将电压、电流传感器引入测量小灯泡的电阻教学，就可以在很短的时间内清楚地记录下电流随电压变化的曲线。使教学手段更多样，促进教学目标的更好达成。使用数字传感器的好处一是时间短，通过设置，每隔0.1 s就会有一组电压电流数据对应的点描绘在坐标系中，因此在较短的时间（几秒钟）内就会有几十个点记录下来，同时生成I-U图像。二是数据多，结论更可靠。由于采集的数据较多，因此图像较为理想。
案例2 探究磁铁周围的磁场实验
实验装置如图2所示：
1.将磁传感器接入数据采集器。
2.打开数字化信息系统软件，新建实验，设置磁场强度-时间图线，时间设置为1 min，时间间隔设为10 ms。
3.将磁传感器探头向下，在条形磁体表面从条形磁体的中间开始匀速地向一个磁极移动（如图3），再从一个磁极匀速向另一个磁极移动，如此往复，测出磁场强度随时间的变化。
4.观察图像，总结条形磁铁周围的磁场分布特点。
应用磁感应传感器可以使学生明显地观察到电磁铁周围磁场强弱的变化，使我们肉眼看不见摸不着的磁场变得显而易见。
由以上数字化实验教学中的应用看出传感器的介入提升了实验的效率图像的展示，进一步培养了学生的观察能力和分析能力。让教师无需语言的赘述，通过理性的数学分析得出，使学生的认知水平得到提升。但数字化实验也存在一些问题，比如不利于学生对传统实验仪器的熟练操作和正确使用。同时，数字化设备对学生的科学探究方法、学习能力、创新能力、数字处理能力有较高的要求。因此，教师在教学过程中就必须再学习，必须接受新仪器、新手段，才能掌握好新的科技手段，并用在自己的教学工作中。
传感器设计论文范文第13篇
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：
[1] 李金宪. 传感器课程实训教学策略优化举隅[J]. 辽宁工业大学学报（社会科学版），2010， 12（2）：139-141.
[2] 杨鹏， 常鸣， 黄亚忠. 《传感器原理及应用》研究性教学实践与思考[J]. 中国现代教育装备，2008（10）： 85-87.
[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.
传感器设计论文范文第14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/.
传感器设计论文范文第15篇
关键词：组合学；机械电子工程；应用
引言
组合学中的组合数学中对离散对象的处理问题，是计算机科学的核心内容。所以，在机械电子工程的优化编码领域，组合学可以起到一定的应用效果。而组合学中有关排列计数的研究，则可以应用到机械电子工程的传感器节点分布设计方面。而相对来说，机械电子工程是设计与实践相结合的学科，所以，作为很多计数学科基础的组合学可以被广泛的应用于机械电子工程设计中，从而为机械电子设计强大功能的实现提供保障。而为了了解组合学在机械电子工程中的实际应用情况，本文从案例角度对组合学在机械电子工程设计中的应用进行了研究。
1.在齿轮抗干涉设计方面的应用
在机械电子工程设计中，常常需要利用齿轮来完成设计的某项功能。但是在实际设计的过程中，齿轮之间常会出现一定的干涉的问题。为了解决齿轮的干涉问题，研究人员就需要进行抗干涉齿轮集机构的编码设置，从而保证由多个齿轮的鉴别齿组成的齿轮集机构具有一定的抗干扰性，进而实现整个设计的功能。所以，抗干涉齿轮集机构是一种用于引信保险和解除保险控制的机构。而组合学在这方面的应用，可以进一步优化编码，从而使整个机构的组合更为科学和有效[1]。
在完成机构结构和动作设计时，可以利用组合学中的“二维迷宫映射法”来进行编码设计结果的校验。这个思想其实就是采用迷宫映射的方式，将编码问题转换成映射图的k-顶点着色问题。而在这之前，验证者要进行迷宫映射图的“路格点”和“阱格点”概念的设置，并以“关键陷阱格点”和“十字叉”为判据。这样，验证者就能将编码问题转化成无向简单图。但是，采用该种方法进行编码设计结果验算时，密码齿轮层数越多，该种方法解答的复杂度也将越高。比如接受验证的抗干涉齿轮集机构的密码齿轮如果有3层，那么其相应的求解复杂度也将高达3n，而n的大小则取决于解锁密码的字长[2]。而在进行抗干涉齿轮集机构编码的顶点着色问题解答时，则需要利用组合学中的贪婪法来进行解决。而在实际设计的过程中，利用 Visual Basic 软件进行抗干涉齿轮集机构的编码及校验程序的编写，就是贪婪法应用的体现。在这个软件中，只要输入解锁符号序列，就可以自动生成二维迷宫映射图，并求解出回执密码齿轮编码的示意图。而验证序列是否与密码匹配的结果，则将会以文本文档的形式输出。实际上，随着科学技术的发展，现在的软件往往会带有编码模块和校验模块，而这些模块往往是在组合学的理论基础之上建立的。这些模块中不仅包含着大量的组合学算法，还可以实现机械电子工程设计程序的编码。在编码模块中，只要输入解锁符号序列，就可以生成关键路格点和关键陷阱格点，从而进行迷宫图的设计。而这些迷宫设计图是在满足误码立即解锁的基础上建立的，从而保证编码的准确性。但是需要注意的是，不同密码齿轮层的关键陷阱格点是采用不同的颜色来表示的。而校验模块则会自动执行密码齿轮的鉴别齿轮的编码校验运算，并以文档形式保存。总之，组合学在齿轮抗干涉设计方面的应用，在机械电子工程设计中已经取得了一定的发展。
2.在传感器设计方面的应用
在机械电子工程设计中，传感器的使用较为普遍。而在传感器的网络节点分布设计方面，组合学的应用起到了较大的作用。比如在进行相同区域的多个传感器分布位置设置时，各个传感器都会有一定的感应范围，从而形成一定的传感器网络。而只有在保证每个传感器被覆盖的面积最小情况下，才能使该区域的传感器起到最大的作用。所以，在进行传感器网络节点分布设计时，各个传感器可以被看作是组成系统的各个模块，而这些模块必须很好的组合起来，才能发挥出整个系统的功能，而这就涉及到了组合学的应用。因此，在进行这部分内容设计时，可以采用组合学中的1-色等圆覆盖问题来进行问题的解决。具体来说，就是将这个系统中某个传感器模块当做是节点，而节点模块则与微控制模块一样属于分立器件。在进行其他传感器模块位置设置时，要以该节点区域的k-色等圆覆盖问题研究[3]。而通过研究任意一点被多少个传感器覆盖的数据之后，就可以得出传感器模块分布的最好位置，从而进行传感器网络节点的分布设计。但是需要注意的是，在进行机械电子的传感器设计时，使用的传感器种类往往不同，而这就导致了每个传感器覆盖面积的不同。此时，就应该利用组合学中的k-不等圆覆盖问题进行2维覆盖面积的研究，从而进行传感器网络节点的分布设计。所以，机械电子工程设计的传感器设计问题，其实就是应用了组合学的有效组合算法进行了传感器网络节点的设计，从而解决了较为复杂的传感器区域覆盖问题。
3.结论
总而言之，机械电子工程学科涉及的学科及内容较广，既包含了制造类的学科，也包含了动力学的学科。但是组合学是由强大的理论体系所构成的，可以应用于机械电子工程设计的多个环节，从而使机械电子工程设计拥有更为完善的理论体系。而随着人工智能的发展，机械电子工程设计将获得更大的发展空间，而组合学在机械电子工程设计中的应用，可以进一步促进机械电子工程的发展。因此，本文针对组合学在机械电子工程中的应用问题进行的研究，有利于促进这两种学科的共同发展。
参考文献：
[1]潘雍，傅明星，于晨.机械电子工程综述[J].机电工程，2014，05（31）：554-557.
