传感器及其工作原理的教学设计（推荐13篇）
2、传感器的优点：把非电学量转换为电学量，很方便地进行测量、传输、处理和控制。
3、传感器的工作原理：
4、认识一些制作传感器的元器件
(1)、光敏电阻：光敏电阻在暗环境下电阻值很大，强光照射下电阻值很小。作用：光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。
(2)、热敏电阻：热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，且阻值随温度变化非常明显。作用：半导体热敏电阻也可以用作温度传感器。
(3)、霍尔元件：霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。
十.【教学反思】
1.1 互感器的种类
互感器是电力系统中较为重要的组成部分, 互感器进行电力系统后在很大的程度上降低了电量的损耗, 增大了电力传输的安全性。互感器通过对线圈扎数的控制来进行电流或者是电压的调控, 在进行电力传输时, 可以对电压进行调整以减小电力传输中的损耗, 同时在送点入户时利用互感器进行工作来减低电压。保证用电的安全性。常见的互感器有电流互感器和电压互感器, 在使用中二者的主要功能都是对输送电压、电流进行调整。除了电压互感器和电流互感器之外, 还有二者结合的组合互感器、钳形互感器、零序互感器等, 互感器的主要作用体现在以下各个方面:一是通过调控保证人身的安全以及减小损耗, 二是互感器在测量仪器上的运用使得测量结果更加的准确, 也使得测量的过程演化得更加的简单、安全。
1.2 互感器的结构
在现今电力系统中所使用的电流互感器中多为电磁式, 从这种互感器的结构来说, 与变压器的结构基本是相同的, 只是二者在使用上有所区别。组成互感器的组成部分主要有铁芯、以及闭合的缠绕在铁芯上且绝缘的绕组。通常绕组被分为一次绕组 (N1) 和二次绕组 (N2) , 两绕组之间的线圈比例便决定了电流、电压的比值。一次绕组通常是与被测电路连接, 而二组绕组通常是与测量仪器相连。在电力系统中为了便于测量, 保证测量的安全性都会将电流、电压降低, 在此时则要求二次绕组的线圈数大于或者小于一次绕组的线圈数。互感器的结构较为简单, 但是简单的结构后面隐藏着重要的工作原理。
2 互感器的工作原理
2.1 电流互感器的工作原理
电流互感器 (见图1) 的重要作用就是对电流进行调整。按照电流互感器的用途来分, 通常电流互感器可以分为两类:一类是测量电流、功率等信息的测量用电流互感器;另一类是继电保护和自动控制用的保护用电流互感器。按照电流互感器的绕组线圈匝数来分, 电流互感器可分为单匝式和多匝式。电流互感器按照不同的方式进行划分则会出现不同的命名, 但是不管命名的方式是怎样的, 电流互感器的工作原理均是相同的。
电流互感器与电压互感器的组成构建都是相同的, 即铁芯加上两个绕组, 二者的区别在于连接的方式, 电压互感器与元电路的连接方式的串联, 但是电流互感器中一次绕组合二次绕组的谅解方式均为并联。在这种连接方式下意味着电流互感器处的电压与被测电路以及测量仪器的电压均是相同的。在电力系统中, 通常是将较大的电流 (I1) 转变为较小的电流 (I2) , 因此要求一次绕组 (N1) 线圈的匝数小于二次绕组 (N2) 的匝数。电流互感器的工作原理与一般变压器的原理相同, 通过电流在互感器中形成的磁感势和电感势达到减小电流的目的。
令一次绕组中通入的电流为I1, 则二次绕组中产生的感应电流则为I2, 此时则有
I1*N1+I2*N2=I10*N1
其中I10为励磁磁动势。
在整个过程中, 存在一定的损耗, 但是当忽略损耗时, 可以将I1O看作是约等于零的值。在此时, 则有
I1*N1+I2*N2=0
经过转化变形可得
I1/I2=N2/N1
2.2 电压互感器的工作原理
按照不同方式进行分类, 电压互感器可以分为很多的种类。按照相数进行电压互感器分类时, 通常可以分为三相, 三相三芯, 三相五芯三类。然而不同相型的电压互感器又可以分为很多不同的型号。
就电压互感器原理接线图 (见图2) 来看, 与变压器的工作原理基本是相似的, 只是在较小的方面存在一定的差别。电压变压器也是由一次绕组和二次绕组共同缠绕在同一闭合的铁芯上构成的。
电压互感器是一种将高电压转变为低电压的仪器, 供电给仪表以便于测量。因此N1的数量与N2的数量相比较多, 这能够实现电压互感器转变电压的目的。在进行电压的降低时, 按照电压降低的倍数, 例如使转变电压与原电压的比值为1:3, 则N1:N2的比值应为1:3, 也就是绕组的线圈匝数与电压的比值成正比。绕组一在与被测电路并联, 绕组二与各种仪器的连接方式也是并联, 也就是说电压互感器处的电压与被测电路的电压时相同的。为了保护互感器的安全, 通常在连接时会在二次互感器处安装熔断器, 以保证互感器以及整个电路系统的安全, 一般在条件允许的情况下, 人们也会给一次互感处安装上熔断器, 保障高压下一次系统的安全。
绕组线圈匝数的计算公式为
U1/U2=N1/N2
3 互感器的选配原则
互感器对于电流电压的测量以及电力系统的保护具有重要的作用, 但是互感器在电力系统中进行应用时并不是随意的使用, 而是要经过一定的选配程序才能选择出合适的互感器的。互感器选配的失误往往会导致测量结果的不准确、仪器的破坏、甚至导致安全事故的发生, 因此做好互感器的选配工作变得越发的重要, 在进行互感器的选配时, 作为选配人员需要遵守一定的选配原则, 这些原则是选配的基础, 也是选择出合适互感器的保障。
3.1 额定一次电压和电流
在进行互感器的选配时一定要注意, 所选择的互感器的额定一次电压一定要大于、等于回路的一次电压, 而其一次电流则根据所属设备的作答电流做选择, 也就是互感器的额定一次电压和电流均要大于外电压和电流。总之一次电流、电压的的选择应该要保证二次电流、电压的正常, 能够满足回路保护装置的整定值的选择性和准确性要求。
3.2 额定二次电流及负荷
常见的电流互感器的额定二次电流有两种分别为:1安和5安, 通常为了减少二次互感器的负荷, 减少损耗和投资, 大多数的变电所会选择1安的二次电流。但是对于面临扩建的变电所往往会选择5安的二次电压。至于额定电流的选择, 在同一个变电站内可以同时选择两种二次电流, 但是同一电级往往不会选择不同的额定二次电流,
所谓的二次负荷其实就是指容量与阻抗的比值, 但是在进行互感器的选配时一定要注意二次负荷的计算以及选择工作, 在进行二次负荷的计算时, 对于计算所涉及到的量的测量一定要保证其准确性, 不能出现误差, 不然会导致整个计算过程的错误, 最后出现结果的不准确性, 而二次负荷的不准确往往会带来造价过高和互感器结构性能收到破坏等结果。互感器的二次负荷额定值通常有2.5、5、7.5、10、15、20、30、40等, 当然当实际需求的二次负荷值较大时, 也可以进行较大二次负荷的选择。
3.3 保护用电流互感器
保护用电流互感器主要有PR和PX两类, 在进行互感器的选配时同时也要注意, 保护用电流互感器的选配。在进行选择时要考虑到对于电压的要求, 因为电压的不同将会直接影响到保护用电流互感器的选择。此外还要充分的考虑多方面的问题, 结合实际应用的环境和要求, 选择出合适的保护用电流互感器。
4 结语
电力系统的稳定性和安全性将会是电力发展的关键, 同时也是推动社会进步, 经济发展的主要动力, 因此做好电力系统的相关工作变得极其重要, 互感器是电力系统运行的核心部件, 理解互感器的工作原理, 了解互感器的选配原则对于加强互感器的良好应用, 推动电力系统的改造, 电力产业的发展具有重要的意义。
参考文献
[1]滕宇.电流互感器的工作原理及二次回路的检验[J].硅谷, 2012 (04) .
关键词 无线传感器网络 数据 信号处理 信息采集 信息融合
中图分类号：TP21 文献标识码：A
1无线传感器简介
无线传感器网络中的每个传感器具有一个或多个节点，例如声学传感器，红外传感器，磁性传感器等。每个传感器来监测自己的感知范围对象，监测特定的行为，一般的监测分为两种非实时方式，使用传感器来采集数据，将采集到的数据传送到最近的汇聚节点，随后进入汇聚阶段，从接近传感器所采集到的数据进行分析和处理，然后将结果根据需要发送给基站，基站将最终结果传送给派遣观察员来监控装置，当传感器监测到敏感的事件发生时，就会立即会对监测对象采取连续密集的监测策略，并根据汇聚节点对监测结果预处理后立即发送给观察者。实时监测结束后，实时监测的传感器节点必须通过一个特殊的消息通知基站。再监测每个节点，通过特殊的网络协议来实现一个给定局部区域的目标识别，定位与跟踪。如图1所示，是无线传感器网络的三种拓扑结构。
2无线传感器网络的优点
无线传感器网络是由大量传感器节点来监控目标。传感器节点由数据采集，信号处理和信号传输部分构成。传感器节点可以通过平面内传播的，可以在具体位置上发射火炮，不需要精确的传感器节点部署，无需人员值守。由于传感器节点可以部署在敌对地区，因此无线传感器网络必须具有良好的生存能力，生存能力不在单个传感器节点中，这意味着如果当网络中的一些节点损坏时，可以使用其他节点完成信息的采集，处理和传输，传感器节点的冗余使得传感器具有高生存性的网络。自组织的无线传感器网络中的网络协议和算法可以成功地完成工作。
由于无线传感器网络中的节点数是巨大，因此传感器节点的成本必须尽可能低。同时，无线传感器网络的工作环境决定了传感器节点必须体积小，功耗低，工作时间长。
3无线传感器网络的节点
对于不同的应用，传感器节点也是稍有不同的，但主要部分是相同的。通常是由一个传感器，处理单元，传输单元和电源部分构成。通过物理参数监测的目标决定了传感器的选择。处理单元主要完成网络功能和简单的数据处理。传输单元主要是用传感器来收集数据。电源的功率传感器节点是一个重要组成部分，无论重量或体积在无线通信设备中占据多大的比例，为了优化电源本身的功耗，还是应当尽可能地减少传感器节点。
4无线传感器网络的工作原理
各种传感器的信息可能有不同的功能，可以實时地处理信息，也可以非实时地处理信息，可以快速变化的，也可以是缓慢变化的，可以是模糊的，也可以是确定的，可以相互支持和互补，同时也可以互相竞争。多传感器信息融合的原理是在充分利用多传感器资源的基础上，合理控制和使用这些传感器的观测信息，在空间或时间上冗余或互补信息，结合多个标准的传感器，以获得一致性的解释和被测量对象的信息系统，以实现其比一个子集更好的性能。
多传感器信息融合技术直在机器人研究领域里应用最为广泛，因此与信息融合相比，一个更全面的、高水平的综合处理复杂问题的模拟方式更受人欢迎。单传感器信号处理只能仿照大脑处理信息一个较低水平，而多传感器几乎可以处理所有信息。多传感器信息融合系统有效地利用传感器资源，从而可以检测到目标和环境的信息的最大增益。同时，多传感器信息融合和经典信号处理方法的本质区别是：多传感器信息融合过程的关键在于有更复杂的形式，而且基于不同的水平上。这些信息包括表示层数据层，特征级和决策级数据层。
5无线传感器网络的发展历程
无线传感器网络起源于军事领域，美国卡内基—梅隆大学曾经为了研究分布式传感器网络成立了一个工作组，致力于基于无线传感器网络的军事监视系统的研究。但由于当时技术条件的限制，研究的应用范围非常有限。在本世纪，随着技术水平与应用规模的扩大，目前无线传感器网络的研究与开发已成为当前信息领域的热点，越来越多的研究机构和公司增加了在这一领域的研究工作。这个研究领域也因此得到了美国政府资金的支持。对于无线传感器网络技术的研发，投资资金总额甚至达到了三千四百万元。美国国防部对它的投资更大。美国国防高级研究计划局在大学和科研机构中投资很多钱来支持无线传感器网络的研究。美国许多大学都开展了对传感器网络的研究。
参考文献
[1] 马祖长，孙怡宁，梅涛.？无线传感器网络综述[J].通信学报.2004（04）.
[2] 任丰原，黄海宁，林闯.？无线传感器网络[J].软件学报.2003（07）.
压电传感器：基于压电效应的传感器。是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量，如压力、加速度等(见压电式压力传感器、加速度计)。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。配套仪表和低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电传感器的使用更为方便。它广泛应用于工程力学、生物医学、电声学等技术领域。
应变传感器：应变传感器是国内外应用较广泛的一种,它是以电阻应变计为转换元件,将非电量如:力、压力、位移、加速度、扭矩等参数转换为电量。
光电传感器：将光信号转换成电信号的传感器
热电传感器：将热信号转换成电信号的传感器
电容式传感器原理
电容式传感器原理
电容式压力传感器简介
科学技术的不断发展极大地丰富了压力测量产品的种类，现在，压力传感器的敏感原理不仅有电容式、压阻式、金属应变式、霍尔式、振筒式等等但仍以电容式、压阻式和金属应变式传感器最为多见。
金属应变式压力传感器是一种历史较长的压力传感器，但由于它存在迟滞、蠕变及温度性能差等缺点，其应用场合受到了很大的限制。
压阻式传感器是利用半导体压阻效应制造的一种新型的传感器，它具有制造方便，成本低廉等特点，但由于半导体材料对温度极为敏感，所以其性能受温度影响较大，产品的一致性较差。
电容式传感器是应用最广泛的一种压力传感器，其原理十分简单。一个无限大平行平板电容器的电容值可表示为：
C= ε s/d（ε 为平行平板间介质的介电常数，d 为极板的间距，s 为极板的覆盖面积）
改变其中某个参数，即可改变电容量。由于结构简单，几乎所有电容式压力传感器均采用改变间隙的方法来获得可变电容。电容式传感器的初始电容值较小，一般为几十皮法，它极易受到导线电容和电路的分布电容的影响，因而必须采用先进的电子线路才能检测出电容的微小变化。可以说，一个好的电容式传感器应该是可变电容设计和信号处理电路的完美结合机械磅秤是利用杠杆位移原理秤量被测物体的质量，它是一种模拟测量，所以显示值误差很大。电子衡器是利用传感器测量原理，它是把外部的压力通过传感器的弹性梁变形使之贴在上面的应变片发生阻值变化，在激励电压的作用下，输出与被测物成正比的模拟的电信号，给AD电路。
电子衡器的AD电路，它把传感器送来的模拟信号进行调制、放大、滤波、取样、积分，输出稳定高效的数字信号，送给中央微处理器（CPU），由CPU控制内部的工作程序通过显示电路，显示出被测物重量值。
秤量的标定，是由国家标准量值（法定砝码）的质量，输出的数字码（BCD码）与CPU内部程序存储器所编制的程序校准码一致时，便可完成秤量标定。模拟衡器是靠标准砝码直接标定，技术含量低，容易作假（取决于标准砝码的质量）。电子衡器的秤量标定需要标准砝码，但还需要标定密码。标定密码由衡器生产厂家掌握，它是严格保密的。
电子衡器的非法标定是利用标准砝码的质量值与校准程序的校准码值的允许范围来进行的，因为校准数码值是有一定范围空间的（例如最大秤量150kg的电子秤，它的50kg内码值是在12000～18000范围内都可以标定为50kg显示值。如果标定砝码实际质量是49kg标定出的显示值是50kg，那么该电子秤显示150kg时它的实际重量是147kg。这种秤在市场贸易中就会造成什么后果，不言而喻。这就是法制计量在国民经济中的重要性。
第一部分 电子秤的原理方框图:
程式 K/B(按键)↑ Fx → 传感器 → OP放大 → A/D转换 → CPU → 显示驱动 → 显示屏 ↓ 记忆体工作流程说明： 当物体放在秤盘上时，压力施给传感器，该传感器发生形变，从而使阻抗发生变化，同时使用激励电压发生变化，输出一个变化的模拟信号。该信号经放大电路放大输出到模数转换器。转换成便于处理的数字信号输出到CPU运算控制。CPU根据键盘命令以及程序将这种结果输出到显示器。直至显示这种结果。
第二部分 秤的分类： 1.按原理分：电子秤 机械秤 机电结合秤 2.按功能分：计数秤 计价秤 计重秤 3.按用途分：工业秤 商业秤 特种秤
第三部分 秤的种类： 1.桌面秤 指全称量在30Kg以下的电子秤 2.台秤 指全称量在30-300Kg以内的电子秤 3.地磅 指全称量在300Kg以上的电子秤 4.精密天平
第四部分 按精确度分类： I级： 特种天平精密度≥1/10万 II级： 高精度天平1/1万≤精密度＜1/10万 III级： 中精度天平1/1000≤精密度＜1/1万 IV级： 普通秤 1/100≤精密度＜1/1000
第五部分 专业术语： 1.最大称量： 一台电子秤不计皮重，所能称量的最大的载荷;2.最小称量： 一台电子秤在低于该值时会出现的一个相对误差;3.安全载荷： 120%正常称量范围;4.额定载荷： 正常称量范围;5.允许误差： 等级检定时允许的最大偏差;6.感量： 一台电子秤所能显示的最小刻度;通常用“d”来表示;7.解析量： 一台具有计数功能的电子秤，所能分辩的最小刻度;8.解析度： 一台具有计数功能的电子秤，内部具有分辩能力的一个参数;9.预热时间： 一台秤达到各项指标所用的时间;10.精度： 感量与全称量的比值;11.电子秤使用环境温度为：-10摄氏度 到 40摄氏度 12.台秤的台面规格： 25cm X 30cm 30cm X 40cm 40cm X 50cm 42cm X 52cm 45cm X 60cm
第六部分 电子秤的特点： 1.实现远距离操作;2.实现自动化控制;3.数字显示直观、减小人为误差;4.准确度高、分辩率强;5.称量范围广;6.特有功能：扣重、预扣重、归零、累计、警示等;7.维护简单;8.体积小;9.安装、校正简单;10.特种行业，可接打印机或电脑驱动;11.智能化电子秤，反应快，效率高;
第七部分 电子秤检查过程： 1.首先整体检查：有无磨损和损坏;2.能否开机：开机后是否从0到9依次显示、数字是否模糊、能否归零;3.有无背光;4.用砝码测试能否称重;5.充电器是否完好，能否使用;6.配件是否齐全;
第八部分 传感器类型： 1.电阻式：价格适中、精度高、使用广泛;2.电容式：体积小、精度低;3.磁浮式：特高精度、造价高;4.油压式：现市场上已淘汰;显示器种类： 1.LCD（液晶显示）：免插电、省电、附带背光;2.LED：免插电、耗电、很亮;3.灯管：插电、耗电、很高;K/B（按键）类型： 1.薄膜按键：触点式;2.机械按键：由许多单独按键组合在一起;传感器的特性： 1.额定载荷;2.输出灵敏度;3.非线性;4.滞后;5.重复性;6.蠕变;7.零点输出影响;8.额定输出温度影响;9.零点输入;10.输入阻抗;11.输出阻抗;12.绝缘阻抗;13.容许激励电压;(5-18V)
第九部分 传感器损坏后现象： 1.称量不准;2.显示不归零;3.显示的数字乱跳 判断传感器的+E、-E、+S、-S 1.先用电阻档测4条线两两这间的电阻值，共有6组。如为400-450欧 则为+E、-E;如果为350欧，则为+S、-S;为290欧，则为R桥臂;2.在+E、-E端接上+_5V电压，传感器正确施加一个压力，如输出+_S增大，则红表笔为+S，反之-S;
第十部分 高精度计数秤特点： 1.Kg/Ib单位转换功能;2.零点显示范围、调整功能(GLH系列没有)3.取样速度调节功能;4.有10组单重记忆功能;5.可同时进行重量、数量、累计功能(GLH只有数量累计)6.可设定重量、数量上限警示功能;7.自动零点追踪、温度线性校正;8.扣重及预扣重功能;9.待机功能;10.有零点显示范围和零点跟踪范围;11.有电池电压管制限制功能;
压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出。
用作压阻式传感器的基片（或称膜片）材料主要为硅片和锗片，硅片为敏感 材料而制成的硅压阻传感器越来越受到人们的重视，尤其是以测量压力和速度的固态压阻式传感器应用最为普遍。
传感器的灵敏度
灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化△y对输入量变化△x的比值。
它是输出一输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间显线性关系，则灵敏度S是一个常数。否则，它将随输入量的变化而变化。
灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。例如，某位移传感器，在位移变化1mm时，输出电压变化为200mV，则其灵敏度应表示为200mV/mm。
当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。
提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。
传感器常用术语
1.传感器
能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。通常有敏感元件和转换元件组成。
① 敏感元件是指传感器中能直接（或响应）被测量的部分。
② 转换元件指传感器中能较敏感元件感受（或响应）的北侧量转换成是与传输和（或）测量的电信号部分。
③ 当输出为规定的标准信号时，则称为变送器。
2.测量范围
在允许误差限内被测量值的范围。
3.量程
测量范围上限值和下限值的代数差。
4.精确度
被测量的测量结果与真值间的一致程度。
5.从复性
在所有下述条件下，对同一被测的量进行多次连续测量所得结果之间的符合程度：相同测量方法：
相同观测者：
相同测量仪器：
相同地点：
相同使用条件：
在短时期内的重复。
6.分辨力
传感器在规定测量范围圆可能检测出的被测量的最小变化量。
7.阈值
能使传感器输出端产生可测变化量的被测量的最小变化量。
8.零位
使输出的绝对值为最小的状态，例如平衡状态。
9.激励
为使传感器正常工作而施加的外部能量（电压或电流）。
10.最大激励
在市内条件下，能够施加到传感器上的激励电压或电流的最大值。
11.输入阻抗
在输出端短路时，传感器输入的端测得的阻抗。
12.输出
有传感器产生的与外加被测量成函数关系的电量。13.输出阻抗 在输入端短路时，传感器输出端测得的阻抗。14.零点输出 在市内条件下，所加被测量为零时传感器的输出。15.滞后 在规定的范围内，当被测量值增加和减少时，输出中出现的最大差值。16.迟后 输出信号变化相对于输入信号变化的时间延迟。17.漂移 在一定的时间间隔内，传感器输出终于被测量无关的不需要的变化量。18.零点漂移 在规定的时间间隔及室内条件下零点输出时的变化。19.灵敏度 传感器输出量的增量与相应的输入量增量之比。20.灵敏度漂移 由于灵敏度的变化而引起的校准曲线斜率的变化。21.热灵敏度漂移 由于灵敏度的变化而引起的灵敏度漂移。22.热零点漂移 由于周围温度变化而引起的零点漂移。23.线性度 校准曲线与某一规定直线一致的程度。24.非线性度 校准曲线与某一规定直线偏离的程度。25.长期稳定性 传感器在规定的时间内仍能保持不超过允许误差的能力。26.固有凭率 在无阻力时，传感器的自由（不加外力）振荡凭率。27.响应 输出时被测量变化的特性。28.补偿温度范围 使传感器保持量程和规定极限内的零平衡所补偿的温度范围。29.蠕变 当被测量机器多有环境条件保持恒定时，在规定时间内输出量的变化。30.绝缘电阻
3.2差容式力平衡传感器机械结构原理
由于差动式电容，在变间隙应用中的灵敏度和线性度得到很大改善，所以得到广泛应用。如图2所示为一种差容式力平衡电容差容式力平衡传感器原理简图。主
要由上、下磁钢，电磁铁，磁感应线圈，弹簧片，作电容中间极的质量块，覆铜的上下极板等部分组成。传感器上、下磁钢通过螺钉及弹簧相连，作为传感器的固定部分，上，下极板分别固定在上、下磁钢上。极板之间有一个用弹簧片支撑的质量块，并在此质量块上、下两侧面沉积有金属(铜)电极，形成电容的活动极板。这样，上顶板与质量块的上侧面形成电容C1，下底板与质量块下侧面形成电容C2，弹簧片一端与磁钢相连，另一端与电容中间极相连，以控制其在一个有效的范围内振动。由相应芯片输出的方波信号，经过零比较后输出方波，此方波经电容滤除其中的直流电压，形成对称的方波，该对称的方波加到电容的一个极板上，同时经一次反向后的对称波形加到另一个极板上。
当没有加速度信号时，中间极板处于上、下极板的中间位置C1=C2，△C=0后续电路没有输出;当有加速度信号时，中间极板(质量块)将偏离中间位置，产生微小位移，传感器的固定部分也将有微小的位移，设加速度为正时，质量块与上顶板距离减小，与下底板距离增大，于是C1>C2，因此会产生一个电容的变化量△C，△C由放大电路部分放大，同时，将放大电路的输出电流引入到反馈网络。由于OP270的脚1和16分别与线圈两端相连，当有电流流过线圈时，将产生感应磁场，就会有电磁力产生。因为上、下磁钢之间有弹簧，所以在电磁力的作用下将使磁钢回到没有加速度时的位置，即此时的电容变化完全有加速度的变化引起，同时由于线圈与活动极板通过中心轴线相连，所以在电磁力的作用下，使中间极向产生加速度时的位移的相反的方向运动，即相当于在△C的放大电路中引入了负反馈，这样，使传感器的测量范围大大提高。因此，对于任何加速度值，只要检测到合成电容变化量△C，便能使活动极板在两固定极板之间对应一个合适的位置，此时后续电路便输出一个与加速度成正比的电压，由此电压值就可以计算出加速度的大小。
4、力平衡传感器实际应用
哈尔滨北奥振动技术是专门从事振动信号测量的专业公司，它们应用这种差容式力平衡原理开发出的力平衡加速度传感器实现的主要性能指标如下：
测量范围：±2.0g，±0.125g，±0.055g
灵敏度：BA-02a:±2.5V/g、±40.0V/g
BA-02b1:±40.0V/g(差动输出)
BA-02b2:±90.0V/g(特定要求，高灵敏度)
频响范围：DC-50Hz(±1dB)
绝对精度：±3%FS
交叉干扰：小于0.3%
线性度：优于1%
噪声：小于10μV
动态范围：大于120dB
温漂：小于0.01%g/g
电源：±12V-±15V @30.0mA
体积：Φ43x60mm
气体传感器以气敏器件为核心组成, 在检测系统中的作用相当于人类的鼻子, 将气体种类、浓度等参量转化成电信号输出。对气体传感器的基本性能要求是:
(1) 较好的选择性, 不受其他气体干扰, 能按要求检测出气体浓度;
(2) 可以重复多次使用, 使用寿命较长和稳定性好;
(3) 能实现实时监测。
由于不同气体具有不同性质, 为了能检测不同种类的气体, 所需的气体传感器的种类也就比较多。
按被测气体的性质分为: (1) 检测氢气、一氧化碳、瓦斯、汽油挥发气等易燃易爆气体的传感器; (2) 检测如氯气、硫化氢、砷烷等有毒气体的传感器。 (3) 检测工业过程气体的传感器, 如炼钢炉中的氧气、热处理炉中的二氧化碳。 (4) 检测甲醛、臭氧等大气污染的传感器。
根据气敏材料及作用效应可分为半导体气体传感器、电化学气体传感器、固体电解质气体传感器、光学气体传感器、催化燃烧式气体传感器等。
根据作用原理可将气体传感器可分为: (1) 电学类气体传感器, 利用气敏材料的电学参量反映气体浓度的变化。 (2) 光学类气体传感器, 利用气体的光学特性来检测气体成分和浓度。 (3) 高分子气敏材料气体传感器。 (4) 电化学类气体传感器。
此外, 按传感器的输出可分为电阻式和非电阻式;按气体传感器的结构还可分为干式和湿式。
较为常见的几种气体传感器件的工作原理和特性分析如下:
1 金属氧化物半导体气体传感器
电阻式气体传感器是由气体分子引起气敏材料阻值的变化, 目前已研发出单一金属氧化物材料、复合金属氧化物材料以及混合金属氧化物材料, 这是除了传统的Sn O、Sn O2和Fe2O3材料以外的一批新型材料。非电阻式气体传感器是一类较为常见的半导体气敏器件, 它利用了敏感气体会改变MOSFET开启电压的原理, 这类器件使用简单方便, 无需设置工作温度, 稳定性好, 灵敏度较高, 易集成, 市场上应用最为广泛, 但选择性有待改善。
2 催化燃烧式气体传感器
此类传感器采用惠斯通电桥原理, 感应电阻与周围的可燃气体发生无焰燃烧, 感应电阻变化的阻值使电桥平衡被打破, 转化为电流信号, 该信号经过放大、稳定和处理, 变为可靠的易读的数值显示出来。这类气体传感器响应快, 受温度和湿度影响小, 而且价格便宜, 广泛用于检测氢气、甲烷以及部分有机溶剂蒸气。但是这类传感器只可检测可燃性气体, 选择性也有待改善。
3 固体电解质气体传感器
固体电解质作为气体传感器时类似一种电池。这种传感器电导率高, 灵敏度和选择性好, 广泛应用在石化、环保、矿业、食品等各个领域。
4 电化学式气体传感器
此类气体传感器有四种类型:电量式、原电池式、定电位电解式和离子电极式。定电位式传感器需要由外界施加特定电压, 然后通过测量电解电流来检测气体的浓度, 能检测CO、O2等多种气体。电量式气体传感器通过测量被测气体与电解质发生反应产生的电流来确定气体浓度的。离子电极式气体传感器通过测量离子极化电流来确定气体浓度。此类气体传感器检测气体的灵敏度高, 选择性好, 但需要经常标定, 且使用寿命短。
5 光学式气体传感器
红外吸收型气体分析仪就是一种光学式气体传感器, 该分析仪通过测量和分析不同气体吸收红外线所产生的不同红外吸收峰来确定气体种类及浓度。此类气体传感器灵敏度高、响应快、稳定性好、使用寿命长, 但是价格偏高。
6 石英振子式气体传感器
此类气体传感器的核心是石英振子微秤 (QCM) , 它由石英振动盘和两个电极构成, 其中石英振动盘直径为数微米, 盘上淀积了有机聚合物, 吸附气体后的聚合物会使器件质量增加。给器件加上振荡信号, 于是在其特征频率内发生共振, 增加质量的器件会降低石英振子的共振频率, 由此测定共振频率的变化就能识别气体种类及浓度。
7 声表面波 (SAW) 气体传感器
由于聚异丁烯等材料能吸附具有挥发性的有机化合物 (VOC) , 吸附后使传感器件质量增加, 声波在该材料表面传播时, 其传播速度、振动频率就会发生相应的变化, 由此可测量声波频率的变化来识别气体浓度。此类气体传感器灵敏度高、检测限低、体积小, 可测量苯乙烯、甲苯等有机物的蒸汽, 但只能在室温工作, 且对气体的选择性是由敏感材料决定的。
摘要：气体传感器以气敏器件为核心组成, 在检测系统中的作用相当于人类的鼻子, 将气体种类、浓度等参量转化成电信号输出。本文分析了几种常见的气体传感器的工作原理和特性。
关键词：气体传感器,气敏材料,工作原理
参考文献
[1]陈长伦等.电化学式气体传感器研究进展[J].传感器世界, 2004 (04) :11-15.
【关键词】传感器 CDIO 教学模式
一、引言
我国高等教育的迫切任务是尽快培养与国际接轨的中国工程师，然而在我国工科的教育实践中存在不少问题，如重理论轻实践、强调个人学术能力而忽视团队协作精神、重视知识学习而轻视开拓创新的培养等。国内外的经验都表明CDIO的理念和方法是先进可行的，适合工科教育教学过程各个环节的改革。CDIO代表构思（conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），它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、课程之间有机联系的方式学习工程。学院引入CDIO工程教育理念的目的就是要对传统的工程教育模式进行改革。
二、CDIO理念下的教学模式改革
在CDIO理念下的传感器相关课程，主要探讨一种将项目引入到教学中的教学模式。
1、明确学习目标。作为“传感器原理及应用”课程的授课教师，在学生首次接触该门课程时，将一个广阔的视野展示在他们面前，引用生活中鲜活生动的实例、具体的视频播放来冲击和震撼学生，进而进一步激发他们的求知欲和探索的兴趣。因此，作为课程开端的绪论尤为重要，摒弃传统教学中发展历史、发展前景的固定模式，取而代之的是大量的图片和视频展示，既包含大量的实际工程专业信息，又激发学生的兴趣，取得了事半功倍的效果。
2、课堂教学改革。基于CDIO设计理念，根据物联网专业涉及的传感器应用知识和检测非电量的难易程度，设计情境化教学方式，使学生在教学过程中掌握各类传感器选用、测量电路调试等相关专业知识和技能，同时提高学生职业素质和能力。同时，教学手段采用板书与PPT课件相结合的方法，图片、文字、动画以课件形式给出，有利于提高课堂效率，而工作原理推导、分析过程则采用板书形式，以加深印象，突出重要性。此外，计算机辅助教学工具MATLAB、Proteus的运用也必不可少，能更加直观、简洁、生动的反映出各种物理量的测量、显示结果。
三、实验与实践教学改革
以CDIO教学大纲为依据，整合院内所有各系现有实验室、实践资源创建CDIO创新实践平台，支持学生开展不同层次的项目、实验以及创新实践活动，从机制上保证学生创新精神和创新能力的培养；实现实践教学和理论教学的无缝连接。在实验与实践内容上，设计三类实验：一是验证性实验，紧跟理论教学进程，通过该类实验掌握常用传感器的使用和标定方法以及接口电路的设计，独立进行实验数据读取和实验结果分析，着重培养个人能力；二是综合性实验，从教学项目中，挑选了一些设计比较成熟、典型的项目让学生去实践开发，通过课堂外完成的知识积累动手设计实验、交流讨论，完成对实验的综合参数测量，使学生主动去解决实际问题；三是设计性实验，是一个综合性较强的实验课题，要求学生在具备了一定的实验能力的基础上，运用所学的相关知识进行综合分析、设计，用科学的方法来解决实际的问题，完成整个系统的设计和实现，使得传感器的学习有血有肉，和实际的应用实现无缝接轨，这样就增加了课程学习和实验开展的有效性和科学性，培养学生实际工程系统能力。
四、教学效果评价
传统评价方式主要通过最终考试成绩来实现，存在目标单一、内容片面简单化等缺点，而对传感器原理及应用课程本身来说，学习是一个积累、实践、创新的过程。故对学习成果的最终评价，采用闭卷考试占总成绩的50%，平时出勤、协作表现、主动意识等占15%，实验与实践占35%。从CDIO理念的角度出发，这种评价方式可以比较充分地反映学生在学习过程中取得的进展，促进学生学习主动性的形成，起到激励作用。
五、结论
起重机的工作类型：指起重机工作忙闲程度和载荷变化程度的参数。
工作忙闲程度，对起重机来说，就是指在一年总时间内，起重机的实际运转时数与总时数之比;对机构来说，则是指一个机构在一年时间内运转时数与总时数之比。在起重机的一个工作循环中，机构运转时间所占的百分比，称为该机构的负载持续率，用JC表示。
载荷变化程度，按额定起重量设计的起重机在实际作业中，起重机所起吊的载荷往往小于额定起重.量。这种载荷的变化程度用起重量利用系数k表示。k=起重机在全年实际起重量的平均值/起重机的额定起重量。
根据起重机的工作忙闲程度和载荷变化程度，通常把起重机的工作类型划分为：轻级、中级、重级和特重级4种级别
起重机的工作类型和起重量是两个不同的概念，起重量大，不一定是重级，起重量小，也不一定是轻级，
如水.电站用的起重机的起重量达数百吨，但使用机会却很少，只有在安装机组、修理机.组时才使用，其余时间都停歇在那里，所以尽管起重量很大，但还是属于轻级。又如车站货场用的龙门起重机，虽然起重量不大，但工作非常繁忙，属于重级工作类型。
起重机的工作类型与安全性能有着十分密切的关系。起重量、跨度、起升高度相同的起重机，如果工作类型不同，在设计制.造时，所采取的安全系数就不相同，也就是零部.件型号、尺寸、规格各不相同。如钢丝.绳、制.动器由于工作类型不同，安全系数不同(轻级安全系数小、重级安全系数大)，所选出的型号就不相同。再如同是10t的桥式起重机，对于中级工作类型(JC=25%)的起升电动机功率为N=16KW，而对于重级工作类型(JC=40%)起升电动机功率则为N=23.5KW。
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首先、激光在检测领域中的应用十分广泛，技术含量十分丰富，对社会生产和生活的影响也十分明显。激光测距是激光最早的应用之一。这是由于激光具有方向性强、亮度高、单色性好等许多优点。利用激光传输时间来测量距离的基本原理是通过测量激光往返目标所需时间来确定目标距离。
其次、传输时间激光传感器工作时，先由激光二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号。记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。传输时间激光传感器必须极其精确地测定传输时间，因为光速太快。
摘要：本文系统地分析和描述了工程机械空调系统的工作原理，并详细地介绍了其在使用过程中应注意的事项，另外还就工程机械系统常见的故障及其相应的诊断方法作了说明，极大地提高了空调系统的维修效率。
关键词：空调系统工作原理故障快速诊断
1 工程机械空调系统的基本结构和工作原理
当前，随着我国科技水平的不断提升，我国的工程机械制造水平也越来越高，与世界先进水平差距越来越小。而工程机械空调系统作为一种特殊的空调系统，它主要适用于工作条件较为复杂和恶劣的环境，它主要分为单冷型工程机械空调系统和双冷型工程机械空调系统。从其基本结构来看，工程机械空调系统主要由冷凝器、压缩机、蒸发器、贮液干燥器、膨胀阀、管路系统、电控系统等组成，其工作过程主要由压缩、冷凝、节流、蒸发四个环节组成。工程机械空调系统在进行制冷循环工作时，压缩机和发动机通过带电磁离合器的皮带轮连接在一起，通电后，离合器结合发动机运转进而带动压缩机开始工作。断电后，发动机和压缩机相分离，压缩机将蒸发器中的低温低压制冷剂蒸汽吸收进来，并通过压缩将其转化为高温高压气体，然后将气体通过高压管路输送至冷凝器当中，与外界空气热交换，以降低其温度，当温度降至50℃左右时，即可将其冷凝为液态存放至贮液干燥罐内，再进行相应的净化处理，将水分和杂质清除出去，由高压管输送至膨胀阀，在其节流作用下，高温高压的液态制冷剂会变为低温、低压的雾状进入蒸发器内，吸收热量沸腾汽化，降低周围气温。而在蒸发器的出口部位，制冷剂气体吸热后温度上升至5℃左右，鼓风机将蒸发器表面的一些凉气及时输送到车厢中，降低车厢温度，使人感到凉爽。工程机械空调系统通过不断循环这一工作过程，使蒸发器周围始终保持着较低的温度。
工程机械采暖装置的主要功能是向车内供热，保持车内温度。根据供热热源类型的不同，可将工程机械采暖装置划分为独立式采暖装置和非独立式采暖装置。其中，非独立式采暖装置又被称作发动机采热式装置，它将发动机在工作工程中产生的冷却水作为热源，通过热交换器和离心风机组合而成的暖风机进行加热，提高车厢温度。这种采暖方式具有操作性强、采暖成本低、高效便捷等优势，但这种采暖装置制热量较小，难以满足实际需要。因此，工程机械一般使用非独立式采暖装置。
2 空调器的快速故障诊断方法及常见故障类型
2.1 空调器的故障诊断方法
2.1.1 手触检查 工程机械空调系统在整个工作过程中，经常容易出现一系列故障和问题，因此要及时检查尽早发现并妥善处理。在检查高低压管的温度时，技术人员必须先将空调制冷调至最大，风量也调至最大，并进行直吹，保证空气的循环流动。此时，将手放在冷风出口位置会感觉到冰凉。一般地，温度必须保持在5℃左右，否则空调不能正常制冷。
同时，技术人员还可以通过触摸空调制冷剂循环回路来判断其故障，一般其低温低压一侧温度较低，触摸有冰凉之感。而高温高压一侧温度较高。用两手分别触摸压缩机的进气管和出气管，正常情况下进气管较凉，而出气管略微发烫，若二者差异不明显，则说明空调器的制冷剂不足或发生系统泄漏。轻触冷凝器，若其上部和下部温度无明显差异，则说明冷凝片发生堵塞，造成冷却功能丧失。用手触摸干燥器的进液管和出液管，若二者温差较小或无明显温差，则说明干燥器发生堵塞。用手触摸冷凝器出液管至膨胀器进液管之间的所有部件和管道，正常情况下其温度应一致，若局部存在温差，则说明故障发生在该处。而膨胀阀的进液管和出液管应该存在一定的温差，否则说明其存在故障。
一般地，当制冷系统处于正常状态时，高压管的温度应处于50~60℃之间，而低压管的温度应处于5~６℃之间手触有冰凉之感。如果手触制冷系统的高压管和低压管其温度均正常，但车内并不感觉凉爽，则说明故障可能出现在空调的温度调节系统。用手感觉系统出风口的风量大小，若风量过小则说明蒸发器存在堵塞问题，应及时清理。
2.1.2 目测检查 技术人员还可以通过目测法对整个空调系统进行检查，观察其运行状态有无异常，以便及早维修。在观察时可以先由系统的传送装置开始，观察传送皮带是否松弛或发生断裂，一旦传送皮带出现过松情况就容易打滑，从而加速系统的磨损，同时还影响动力的正常传送。另外，冷凝器和风扇也是故障多发地带，技术人员可以观察风扇散热片上是否沉积灰尘量过大，影响了风扇的正常运行，导致空调系统出现故障。
观察鼓风机的运转状态，若其在低、中、高速度时均能正常运转，则说明故障不在鼓风机内，若出现运转异常，则需及时维修处理，以免造成空气流动困难。
2.1.3 听诊检查 听诊检查也是一种十分重要的故障检查方法。技术人员可以接通开关，待压缩机工作一会儿后，再接通电磁离合器，若其发出一阵刺耳的摩擦声，则说明离合器出现打滑故障，影响了系统的正常功能。若接通后，压缩机传来一阵异常的敲击声，则说明压缩机存在阀门破裂或者松动等问题，导致轴承损坏或摩擦过大，从而发出噪音。若系统的传送带发出一种“唧唧”的响声，则说明传送带过松或磨损严重，应及时更换或维修。
2.1.4 窥视镜检查 一般地，在贮液干燥器的上盖处或其出口处有一个透明的玻璃窥视镜，以便技术人员及时检查循环制冷机的流量情况。当空调系统运行正常时，制冷剂是清澈透明且无气泡的，并时刻处于流动状态，此时蒸发器的出口温度较低，触手有冰凉感。但由于制冷剂是透明的，不易观察。因此，技术人员在观察时常常通过抖动发动机油门的方式来观察，若发现气泡则说明系统存在故障。另外，技术人员还可以重复开关空调，观察制冷剂的气泡情况，若空调关闭后制冷剂中仍有小气泡，但不久慢慢消失，则表明制冷剂的流量较为合适。同时，还要注意区分高温情况下的气泡，那是一种正常现象，不能和系统故障一概而论。通过窥视镜，每隔1~2s就可以观察到气泡的流动，若冷凝器出风口的温度较高，没有冰凉感，则说明空调系统的制冷机不足，需及时添加；若通过窥视镜观察到气泡不断，且出风口无冷感，则说明制冷剂泄漏严重，系统难以制冷。
2.1.5 压力表检查 将压力表连接在压缩机排气阀的高压端和进气阀的低压端，若发动机运行时，其转速保持在2000r/min左右，蒸发器入口处的温度在30~35℃之间时，表明系统运行正常。将风速调至最高，温度调至强冷，若此时高压端排气压力在1300·1500kPa之间，低压端压力在100~200kPa之间，则说明系统运行正常。当高压端的排气压力过大时，则说明风扇的V形传送皮带出现松弛或冷凝器位置出现堵塞，导致系统运行失常。
2.2 空调器的常见故障类型
2.2.1 压缩机故障 空调压缩机是空调器制冷系统中最重要的部件，它是一种高精度的机电一体化装置，在实际使用过程中是故障发生率较高的部位。故障一般包括泄漏和异响两种。其中，压缩机泄漏主要包括进出气口处泄漏、气缸体破裂、盖缸处泄漏、轴封处泄漏等。而造成压缩机异响的原因主要有气隙大小不合理、离合器打滑、进气阀或放气阀的弹簧损坏、制冷剂流量不足等。
2.2.2 离合器故障 空调电磁离合器也常会出现一系列故障，影响空调系统的正常运行。一般地，离合器发生故障后，常会出现以下现象：一是离合器无法带动压缩机正常工作，因荷载过大而出现啮合面不断打滑，摩擦产生热量导致温度过高，出现烧灼情况；二是固定线圈和转动部分发生严重摩擦，损坏电磁圈，使得离合器无法正常使用，影响空调系统功能；三是离合器的间隙过大或过小。
2.2.3 冷凝器及蒸发器故障 空调系统冷凝器及蒸发器故障类型一般包括泄漏和散热性能失灵两种类型。当冷凝器及蒸发器出现泄漏时，应及时通过补焊方式将泄漏部位填补起来，阻止泄漏的进一步扩大。而造成散热性能失灵的原因为冷凝器及蒸发器表面清洁不及时，导致散热性能恶化。此时，技术人员可以使用刷子蘸适量清水清洁其表面。
2.2.4 膨胀阀故障 膨胀阀堵塞是最常见的故障类型，发生堵塞后，系统内部气体无法正常流通，影响系统的使用寿命。而出现膨胀阀堵塞的主要原因有系统内部灰尘过多或存在水汽，技术人员应及时清理系统内部或更换干燥剂，从而消除故障。
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[6]徐艳雷，韩兵.基于自适应数值滤波器的空调系统故障诊断[J].计算机技术与发展，2011(12).
作者简介：章义（1986-），男，湖南长沙人，工程师，研究方向：机械工程及自动化。
SI-PROG编程器为PonyProg 2000[1]软件中使用的一种ISP编程器, 该编程器利用PC机串口电路的异步通信控制器UART实现AVR, PIC, AT89等单片机的ISP编程。虽然该编程器不为Atmel的AVR Studio所支持, 但是其硬件电路简单, 成本低, 便于制作, 适于初学者进行学习和简单开发。下面以AVR单片机为例, 介绍SI-PROG编程器的工作原理及其程序设计。
1 SI-PROG编程器的工作原理
1.1 电路组成
图1为SI-PROG串口编程器的工作原理图。电路分为PC机串口电路[2,3]、SI-PROG编程器[4]和目标机3部分。编程器通过9针D型连接器DB9与PC机串口连接, 通过10针连接器J1与目标机连接, 电路在文献[4]的基础上做了适当的简化。J1引脚定义与Atmel的STK200下载线相同。
1.1.1 PC机串口电路及SI-PROG编程器
PC机串口电路由U1～U4组成。8250 (U1) 为异步通信控制器UART, SN75150 (U2, U3) 为驱动器, SN75154为线接收器。U2, U3, U4实现8250引脚上TTL 电平与串口DB9上RS 232电平转换。SI-PROG编程器则完成DB9上RS 232电平与目标机上TTL电平的转换。
1.1.2 串行SPI接口
编程器通过目标机的SPI 接口[5,6]对其片内的FLASH程序存储器进行下载编程。SPI接口由SCK, MOSI和MISO等几条信号线组成。下载编程的过程实际上是PC机与AVR的通信过程。两者的关系是一种主从关系, PC机为主机, AVR为从机。主机经MOSI引脚将串行数据发给从机, 从机经MISO引脚将数据返回给主机。SCK为串行时钟脉冲, 由主机发往从机。主机通过SCK脉冲控制与从机的数据传输。图2为串行下载编程时序图。单片机在SCK上升沿读取MOSI上的数据位, 在SCK下降沿输出数据位到MISO。
1.2 信号的逻辑关系
由图1可见, 8250的11, 33, 32, 36四个引脚分别通过编程器与AVR的
下面分析8250与AVR通信信号间的逻辑关系。为了避免引起混乱, 这里全部采用正逻辑描述。
1.2.1 与SB位的逻辑关系
线路控制寄存器LCR的D6位SB决定了8250的11脚的电平。当SB=1时, 11脚被强制拉到低电平, DB9的3脚为高电平。当SB=0时, DB9的3脚为低电平。逻辑关系在Q1上又反相一次。因此,
编程时只要通过OUT指令改变SB位的值, 就可以控制
1.2.2 MOSI, SCK信号与DTR, RTS位的逻辑关系
MODEM控制寄存器MCR的D0位DTR控制
着33脚的电平。置DTR=1, 则33脚
类似的, SCK信号与MCR的D1位RTS的逻辑关系为:
1.2.3 CTS位与MISO信号的逻辑关系
MODEM状态寄存器 (MSR) 的D4位CTS反映了8250的36脚的电平, 当
根据式 (1) ～式 (4) , 下载编程时, 设置或读取AVR的
1.3 SI-PROG编程器的电平转换
根据RS 232标准, 串口DB9上的两种电平分别为5～15 V和-5～-15 V。编程器电路采用分立元件实现DB9上的RS 232电平与AVR的TTL电平间的转换。
1.3.1 RS 232到TTL电平的转换
图1中, 用限流电阻R3和4.7 V的稳压二极管Z2完成DB9的4脚上RS 232电平到J1的1脚上TTL电平的转换。5～15 V与-5～-15 V高低两种电平通过R3后将分别变成4.7 V和0 V (实际为-0.7 V) , 符合TTL电平的要求。
类似的, 限流电阻R4和4.7 V的稳压二极管Z1完成DB9的7脚上RS 232电平到J1的7脚上的TTL电平的转换。
Q1, R1, R2接成反相器, DB9的3脚上的5～15 V与-5～-15 V两种电平分别使Q1处于饱和导通和截至状态, 实现了
1.3.2 TTL到RS 232电平的转换
TTL到RS 232电平的转换由SN75154线接收器实现。图4为SN75154的施密特电压传输特性曲线[7]。
当阈值电压控制端T3接VCC时, 它工作在图4中曲线a状态, 两个阈值电压分别为VIT-= -1.1 V和VIT+ =2.2 V;当T3悬空时, 它工作于图中曲线b状态, VIT-=1.4 V, VIT+ =2.2 V。显然, 对于后一状态, MISO引脚上的TTL电平信号可以通过U4到达8250, 而前一状态则无法通过U4。
根据文献[2], 长城0520 PC-XT机上SN75154的阈值电压控制端T3接到+5 V。这样, SI-PROG编程器就不能工作。计算机硬件发展到今天, UART一般均升级为16550, 它与打印机并口、键盘控制器等电路一起集成于LPC芯片[8,9,10]内, 16550仍与8250相兼容。驱动器和接收器也都集成到一个芯片内, 如75232[11,12], 75185[13]。这些芯片的接收器不再采用图4中曲线a那样的阈值电压, 而改为与曲线b相接近的情况。表1为3台PC机阈值电压的实验测量结果。表中, 典型值为芯片数据手册中的数据[11,12], 实验值为实验测量结果。显然, 3台PC机上, SI-PROG编程器都能正常工作。
2 下载程序设计
根据式 (1) , 用输出指令向3FBH端口写入40H, 将使
根据AVR单片机的串行下载算法[5], 发送串行编程指令的操作步骤为:进入串行下载模式;发送编程使能指令;执行所需的读、写等操作指令, 可执行一条, 也可执行多条;退出串行编程模式。
(1) 进入串行下载模式。
保持SCK端为低电平, 给
(2) 发送串行编程指令。
根据图2, 一个SCK时钟周期可分4个步骤:输出位数据到MOSI线, 延时;令SCK由0变1, 延时;读取MISO线上的数据位;令SCK由1变0, 延时。前两个步骤写一位数据到AVR, 后两个步骤则从AVR读取1位数据。8个SCK时钟周期写1个字节, 同时读一个字节。
AVR单片机每条编程指令均由4个字节组成。根据上述过程, 将4个字节的编程指令依次写入到AVR, 同时读取返回的4个字节数据。
(3) 退出串行编程模式。
将
3 结 语
根据上述分析, 采用VC++6.0编程成功地对ATtiny13和ATmega16两种芯片的FLASH进行了芯片擦除、读、写以及对熔丝位的读、写等操作。注意编程时需要解决Windows NT/2000/XP 操作系统下访问I/O端口的技术问题[14]。
使用SI-PROG编程器, 必须满足两个条件:
(1) 串口的UART芯片要与8250兼容;
(2) 电平转换芯片接收器的阈值电压要介于TTL高、低两种电平之间。
多数PC机所配置的串口都能满足上述两个条件。某些早期的PC机有可能与PC/XT机类似, 不满足条件 (1) 。目前, 家用笔记本电脑上一般不再配置串口。这样, SI-PROG编程器在某些PC机上不能使用。然而, SI-PROG编程器仍有一定的使用空间。毕竟USB接口的编程器价格较高, 而一些商用笔记本电脑中取消了并口但保留着串口, 并口编程器又不能用。而多数台式机上一般仍配置有串口。
摘要：介绍SI-PROG编程器的工作原理, 利用PC机串口UART芯片实现单片机的ISP下载。PC机串口8250芯片中SOUT, DTR, RTS, CTS四个引脚的电平可通过其内部的几个寄存器分别进行控制或读取, 利用引脚可实现单片机的ISP下载。介绍了8250与单片机之间通信信号的逻辑关系以及电平转换, 分析了接收器的阈值电压的特点, 给出了使用SI-PROG编程器的条件。最后, 以AVR单片机为例介绍了下载程序设计。结果表明, 利用PC机串口UART芯片可以实现对AVR单片机的ISP下载, 其硬件电路和软件设计都很简单。
姓名： 哥
08级电子信息科学与技术1班
传感器原理学习心得
传感器应用极其广泛，而且种类繁多，涉及的学科也很多，通过对传感器的学习让我基本了解了传感器的基本概念及传感器的静、动态 特性电阻式、电容式、电感式、压电式、热电式、磁敏式、光电式传感器与光纤传感器的结构、工作原理及应用。
传感器的特性主要是指输出入输入之间的关系。当输入量为常量或变化很慢时，其关系为静态特性。当输入量随时间变换较快时，其关系为动态特性。
传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等
所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。
传感器的作用主要是感受和响应规定的被测量，并按一定规律将其转换成有用输出，特别是完成非电量到电量的转换。传感器的组成并无严格的规定。一般说来，可以把传感器看做由敏感元件（有时又称为预变换器）和变换元件（有时又称为变换器）两部分组成。
敏感元件
在具体实现非电量到电量的变换时，并非所有的非电量都能利用现有的技术手段直接变换为电量，有些必须进行预变换，即先将待测的非电量变为易于转换成电量的另一种非电量。这种能完成预变换的器件称为敏感元件。变换器
能将感受到的非电量变换为电量的器件称为变换器，例如，可以将位移量直接变换为电容、电阻及电感的电容变换器、电阻变换器及电感变换器，能直接把温度变换为电势的热电偶变换器。显然，变换器是传感器不可缺少的重要组成部分。
在实际情况中，由于有一些敏感元件直接就可以输出变换后的电信号，而一些传感器又不包括敏感元件在内，因此常常无法将敏感元件与变换器加以严格区别。
通过本学期的学习让我了解在实际使用中对传感器的选择的要求如下： 1、根据测量对象与测量环境确定传感器的类型
要进行 — 个具体的测量工作,首先要考虑采用何种原理的传感器,这需要分析多方面的因素之后才能确定.因为,即使是测量同一物理量,也有多种原理的传感器可供选用,哪一种原理的传感器更为合适,则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题:量程的大小;被测位置对传感器体积的要求;测量方式为接触式还是非接触式;信号的引出方法,有线或是非接触测量;传感器的来源,国产还是进口,价格能否承受,还是自行研制.在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器,然后再考虑传感器的具体性能指针.2、灵敏度的选择
通常,在传感器的线性范围内,希望传感器的灵敏度越高越好.因为只有灵敏度高时,与被测
量变化对应的输出信号的值才比较大,有利于信号处理.但要注意的是,传感器的灵敏度高,与被测量无关的外界噪声也容易混入,也会被放大系统放大,影响测量精度.因此,要求传感器本身应具有较高的信噪比,尽员减少从外界引入的厂扰信号.传感器的灵敏度是有方向性的.当被测量是单向量,而且对其方向性要求较高,则应选择其它方向灵敏度小的传感器;如果被测量是多维向量,则要求传感器的交叉灵敏度越小越好.3、频率响应特性
传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围,必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件,实际上传感器的响应总有 — 定延迟,希望延迟时间越短越好.传感器的频率响应高,可测的信号频率范围就宽,而由于受到结构特性的影响,机械系统的惯性较大,因有频率低的传感器可测信号的频率较低.在动态测量中,应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性,以免产生过火的误差.4、线性范围
传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围.以理论上讲,在此范围内,灵敏度保持定值.传感器的线性范围越宽,则其量程越大,并且能保证一定的测量精度.在选择传感器时,当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求.但实际上,任何传感器都不能保证绝对的线性,其线性度也是相对的.当所要求测量精度比较低时,在一定的范围内,可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的,这会给测量带来极大的方便.5、稳定性
传感器使用一段时间后,其性能保持不变化的能力称为稳定性.影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外,主要是传感器的使用环境.因此,要使传感器具有良好的稳定性,传感器必须要有较强的环境适应能力.在选择传感器之前,应对其使用环境进行调查,并根据具体的使用环境选择合适的传感器,或采取适当的措施,减小环境的影响.传感器的稳定性有定量指标,在超过使用期后,在使用前应重新进行标定,以确定传感器的性能是否发生变化.在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合,所选用的传感器稳定性要求更严格,要能够经受住长时间的考验.6、精度
精度是传感器的一个重要的性能指针,它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节.传感器的精度越高,其价格越昂贵,因此,传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以,不必选得过高.这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器.如果测量目的是定性分析的,选用重复精度高的传感器即可,不宜选用绝对量值精度高的;如果是为了定量分析,必须获得精确的测量值,就需选用精度等级能满足要求的传感器.传感器的作用
人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。
新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。
在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。
在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展，进入了许多新领域：例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到 cm的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到 s的瞬间反应。此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁砀等等。显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。
传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。
由此可见传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。
目前，全球的传感器市场在不断变化的创新之中呈现出快速增长的趋势。有关专家指出，传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高，各国将竞相加速新一代传感器的开发和产业化，竞争也将日益激烈。新技术的发展将重新定义未来的传感器市场，比如无线传感器、光纤传感器、智能传感器和金属氧化传感器等新型传感器的出现与市场份额的扩大。
通过对这门课的学习开阔了我的视野，让我了解了以前没有了解的东西。在韩老师的指导下让我明白了学习要有自觉性，要自己积极主动地去学习。
2010年6月28日星期一
07级自动化2班
（Sensors Principle）
课程编号：X1602007课程类别：专业选修学时：32学分：2考核方式：随堂 课程目的：本课程是针对物联网方向本科学生开设的一门专业课程。通过《传感器原理》课程的学习，使学生掌握基本的传感技术原理，了解常规敏感元器件的工作原理和特性，掌握常见物理量的检测方法和传感器选型，提高解决实际测量及控制问题的能力。
课程内容：传感与检测技术的理论基础、传感器概述、应变式传感器、电感式传感器、压电式传感器、磁电式传感器、光电式传感器
教材：郁有文编 《传感器原理及工程应用》西安电子科技大学出版社，2005年。主要参考书目：
[1] 陈杰著，《传感器与检测技术》，高等教育出版社，2006年
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