新型传感器技术论文

1、 新型传感器技术课程报告院 系： 信息工程与自动化学院 专 业： 仪器仪表工程 年 级： 2013级学生姓名： 汤超 学 号： 任课教师： 万舟 2014年6月昆 明 理 工 大 学 试卷信自学院 检测、测试 专业硕士生 2013 级 二 学 期考试科目：新型传感器技术 学生姓名：汤超 学号：题 号12345678910总 分评 分结合实际工艺对象设计一种传感器和检测方法1、针对特定的工艺对象，选择相关参数2、分析传感器敏感元件、换能元件的工作原理、物理特性3、建立传感器数学模型4、传感器静态特性、动态特性分析5、分析测量电路6、分析干扰因素及解决方案7、校验与标定方案8、该传感器的应用、发展

2、前景及目前的最新动态一种新型土壤水分传感器的研究与应用引言灌溉是农业生产中的重要环节，精确观察和计算土壤湿度，并建立一个土壤水分含量模型对于农业生产具有重要的指导意义。水分是土壤的重要组成部分，是农作物生长状况与产量的重要影响因素之一。土壤中水分的测量是精细农业中实施节水灌溉的基础，是实现农业灌溉自动化的关键环节。通过实时测量土壤水分可以及时地了解土壤旱情，对作物需水规律的研究也具有重要的现实意义。土壤水分的测定方法有烘干法、射线法、介电特性法、核磁共振法、分离示踪剂法和遥感法等。其中，介电特性法是利用土壤的介电特性进行间接测量的，能实现土壤水分的快速无损测量，具体来说又可分为基于电阻原理、基

3、于电容原理、基于时域反射原理、基于频率反射原理和基于驻波原理的测量方法。但每种实现方法有着各自的优势与不足，综合考虑技术难度、成本、精度和实时性等因素，当前土壤水分测量方法中，以基于电容原理的介电方法较为普遍，并在此方法的基础上研制了许多土壤水分传感器。这些传感器的传感部件以插入式结构居多，几何结构简单，制作方便，但其感知的信号大多需要调理、放大等处理，电路实现相对有点复杂，而且受传感部件外形尺寸及强度的限制，不易测量较深层土壤的含水量。为此，本文基于真有效值检测技术，设计了一个成本低、体积小、能埋入土壤中不同深度进行测量的高频电容式土壤水分传感器，并使之易于与各种自动灌溉系统及土壤旱情监控系

4、统相连，实时地提供待测土壤的水分信息。1 相关参数的选定土壤水分的测量是精细农业中实施节水灌溉的基础。基于真有效值检测技术，利用土壤的介电特性，本文设计了一个高频电容式土壤水分传感器，主要由电源滤波电路、100MHz有源品振、XC74UL14AA ，探针电极和AD8361组成。其中，探针电极由印刷电路板制成并与主印刷电路板一体化成型。传感器以直流电压输出，分别在空气和去离子水中测得其输出范围为工作电压的20%70%。配制不同等效土壤体积含水率的待测溶液，在不同工作电压下，对传感器进行了标定。另外，目前在市场上所能见到的土壤水分快速检测设备一般的参数为： 测试时间：20秒； 测试的绝对误差：2%

5、；相对百分误差：3%；土壤水分探头工作温度：1070；2 传感器的工作原理及数学模型土壤水分传感器的测量原理是：当传感器置于待测土壤进行测量时，100 MHz方波激励信号加在由电阻R2和探针的等效电容组成的一阶RC电路上，进行周期性地充放电，同时探针上会出现相应的周期性波形信号，然后利用真有效值检测器对此波形信号进行真有效值转换，以等效的直流电压输出，作为传感器的测量结果。当土壤的含水量不同时，其介电常数发生变化，从而探针的等效电容也随之变化，导致探针等效电容上的充放电曲线发生变化，即探针上的周期性波形发生变化，最终使传感器输出的直流电压发生改变。在方波信号的激励下，探针等效电容C上的充电电压

6、可用下式计算 (1)式中，为探针等效电容C两端的电压；V与分别为方波信号的高、低电压；t为充电时间，大小由方波激励信号的频率决定；C为探针等效电容；R为图3中的电阻R2。探针等效电容C的容量与探针周围的介质及探针本身的寄生电容有关，是介质的介电常数和几何因子的函数，其中几何因子与探针电极的配置及渗透到介质中的电磁场的形状相关。探针等效电容C的容量可用下式计算 (2)式中，C同式(1)，是探针的几何因子，是待测介质的介电常数。 由式(1) (2)知 (3)式中，、R和t同式（1），和同式（2）。 由方波激励信号的特性知，式（3）可简化为 (4)式中，、V、R和t同式(1)，和同式（2）。 由上述

7、分析知，当探针电极插入某种待测土壤进行测量时，电阻R、几何因子、时间t及方波激励信号的高电平V均为常量，因此土壤介电常数与探针上的电压成一一对应关系。3 传感器结构传感器主要由电源滤波电路、有源晶振、施密特触发器、信号衰减器、探针和真有效值检测器组成，如图1所示。电源滤波电路用于消除或减小地电位跳跃和电源噪声，为电路中各单元提供稳定、无纹波的工作电压；有源晶振用来产生一个单一频率的高频振荡信号，经施密特触发器整形成波形标准的方波信号，作为传感器测量时的激励信号；信号衰减器将方波激励信号的幅度衰减后再加至探针上；真有效值检测器用于将插入待测土壤中的探针上的信号进行真有效值转换，以将探针上的波形信

8、号以等效的直流电压输出，作为整个传感器的输出信号。图1 土壤水分传感器的原理框图其中，探针电极为两针平行结构，由2个长条形印刷电路板(PCB)构成，并与安装有整个传感器电子电路的主PCB进行电气连接成一体化结构，如图2所示。探针电极长5cm，宽0.5cm，厚1.6 mm，两探针电极的内侧距离为0.5 cm，探针末端设计为三角形便于插入待测土壤。主PCB与探针电极PCB均为双层板，但探针电极PCB只有其中一个表面涂有敷铜层，并在敷铜层表面上涂覆有绝缘层，只裸露探针电极PCB敷铜层的四周，形成电接触区，以感知待测土壤的水分信息。为使传感器能埋入土壤中进行测量，采用专门的电路板、防水胶水对传感器的电

9、子电路区进行灌封处理后，再用橡胶外壳密封，只引出一条带屏蔽的三芯线作为外部接口，三芯线分别与传感器的电源输入端、地线及信号输出线相连。图2 土壤水分传感器的外观结构图4 测量电路分析传感器的电路原理如图3所示，电源滤波电路是由电感L1、电阻R1和电容C1组成的RLC滤波电路，并在电路布局上使其尽量靠近有源晶振的电源输入端，以最大程度减小射频环路电流，避免有源晶振可能引起与谐振频率有关的电流环路辐射；有源晶振U1输出的振荡信号经施密特触发器U2整形后变成标准的方波信号，作为传感器测量时的激励信号；探针置于待测土壤中感知信号时相当于一个以土壤为介质的电容器，其容量与探针周围的介质及探针本身的寄生电

10、容有关；电阻R2相当于信号衰减器，它串联在施密特触发器U2的输出端与真有效值检测器U3的输入端之间，用来将方波激励信号进行降幅，以使其适应真有效值检测器的输入信号的幅度要求，此外电阻R2与探针的等效电容组成一阶RC电路，根据激励信号周期性地充放电；真有效值检测器U3对探针上的周期性信号进行幅值的真有效值转换，以等效的直流电压形式进行输出。其中，施密特触发器U2的型号为XC74UL14AA，它是一个单通道、高速低功耗施密特触发器，其典型的传输延迟时间为2.3 ns，可以将400 MHz范围内的信号整形成方波信号，其工作电压为25 V，最大消耗电流为1uA；真有效值检测器U3是型号为AD8361的

11、真有效值功率检测器件，工作电压为2.76.5V，工作时只需要消耗1.1 mA的电流，能将频率在2.5GHz范围内、最高幅值为390mV的任意波形信号转换成等效的直流电压输出，其输出值为输入波形信号真有效值的7.5倍；电容C2和电容C3是AD8361的去耦电容，用于进一步滤除电源的噪声和纹波，为AD8361提供一个干净的工作电压；电容C5用来降低AD8361输出信号的噪声；电阻R3和电容C4及AD8361本身的输入阻抗构成一个高通滤波电路，只允许高于某一频率的信号进入AD8361的信号输入端。电容式土壤水分传感器受土壤电导的影响程度与其测量频率有关，频率越高受土壤电导的影响越小，但频率越高趋肤效

12、应越明显，检测电路的设计越困难，综合考虑选取有源晶振的频率为100 MHz 。 图3 土壤水分传感器的电路原理图5 干扰因素及其解决方案本设计主要是研制一个土壤水分检测传感器，其中可能会遇到的干扰因素及其解决方案如下： 1、传感器的建模问题。建立一个好的数学模型是传感器的研制成功的关键，本设计是利用传感器的阻抗模型，将介电系数计算出来，并找出土壤含水率与介电系数之间的关系。土壤的阻抗是一个比较复杂的模型，影响土壤阻抗值的因素有许多，包括温度、土壤成分、含盐率以及各种无机物和有机物的影响等。本文采用的方法是在保证检测精度的情况下忽略掉一些次要的问题； 2、电路的精度问题。较好地实现非电量与电子信

13、号之间的转换，并保障精度在可允许的范围内是本设计的关键。设计中主要采用高精度电子器件，印制板电路采取多种抗干扰措施，检测电路外加屏蔽等方法进行解决； 3、传感器的设计问题。由于本设计采用的是一种新型的传感器，因此在设计的过程中如何选取精度最高、成本最低、效果最好的传感器是设计的要点。6 展望通过对基于真有效值的高频电容式土壤水分传感器的研究，认为该技术今后主要有以下几个发展方向： 把土壤的电阻率和电导率与土壤介电系数结合起来进行研究，在保证一般精度的情况下，检测土壤的阻抗值。深入研究土壤阻抗对土壤的含水率、含盐率、土壤成分、对农作物生长周期的影响等诸多方面必然会有一定的推动作用。 农业生产是一

14、个复杂的过程，影响农产品产量的因素很多，深入研究土壤含水率以及检测设备对于现代化农业和精细农业都有比较重要的作用。该传感器在目前来看其精度比现有的产品要低，但成本上有很好的优势，具有推广价值。不同品质的土壤在相同含水率的条件下所表现的介电系数不同，使得基于真有效值的高频电容式土壤水分传感器在测量时会产生一定的误差，在今后的应用中，要根据不同的土壤成分制定不同的特性方程参数，以适应不同的土壤。研究生课程开设申请表开课院（系、所）：仪器科学与工程学院课程申请开设类型： 新开 重开 更名（请在内打勾，下同）课程名称中文新型传感器技术英文Technology of Novel Transducers待

15、分配课程编号B课程适用学位级别博士硕士总学时36课内学时30学分2 实践环节用机小时6课程类别 公共基础 专业基础 专业必修 专业选修开课院(系)仪器科学与工程学院开课学期秋考核方式A. 笔试（ 开卷 闭卷） B. 口试 C. 笔试与口试结合 D. 其他 专题报告 课程负责人教师姓名宋爱国职称教授e-maila.g.song网页地址授课语言汉语课件地址适用学科范围一级所属一级学科名称仪器科学与技术实验(案例)个数先修课程（本科）传感器技术、普通物理教学用书教材名称教材编者出版社出版年月版次主要教材传感器技术贾伯年东南大学出版社20073主要参考书现代传感技术金豪芷电子工业19952现代新型传感

16、器原理与应用刘迎春国防工业19951一、课程介绍（含教学目标、教学要求等）扩大学生的知识面，掌握现代传感技术的发展动向。要求学生对于特种检测要求，能提出适当的传感器方案，并进行深入的方案论证。 二、教学大纲（含章节目录）：（可附页）红外传感技术 红外物理 红外器件 红外系统激光传感技术 激光器原理 干涉与衍射技术 激光传感系统 光纤传感技术 光纤原理 传输通道型光纤传感器原理 功能型光纤传感器原理声传感技术 超声波原理 换能器 典型系统生物传感技术 基本技术 酶传感器 免疫传感器机器人传感器技术 触觉传感器 力觉传感器 临场感技术传感器新技术 传感器技术新进展三、教学周历周次教学内容教学方式1

17、概论讲述2红外传感技术1讲述3红外传感技术2讲述4红外系统讨论5激光传感技术讲述6激光传感技术讲述7典型系统讨论8光纤传感技术讲述9光纤传感技术讲述10典型系统讨论11声传感技术讲述12典型系统讨论13生物传感技术讲述14机器人传感器技术讲述15机器人传感器技术讨论16传感器技术新进展讲述17传感器技术新进展讨论18传感器技术新进展讨论注：1.以上一、二、三项内容将作为中文教学大纲，在研究生院中文网页上公布，四、五内容将保存在研究生院。2.开课学期为：春季、秋季或春秋季。3.授课语言为：汉语、英语或双语教学。4.适用学科范围为：公共，一级，二级，三级。5.实践环节为：实验、调研、研究报告等。6

18、.教学方式为：讲课、讨论、实验等。7.学位课程考试必须是笔试。8.课件地址指在网络上已经有的课程课件地址。9.主讲教师简介主要为基本信息（出生年月、性别、学历学位、专业职称等）、研究方向、教学与科研成果，以100至500字为宜。四、主讲教师简介：宋爱国 教授，博士导师。1968年11月出生，1990年毕业于南京航空航天大学自动控制系，获学士学位；1993年毕业于南京航空航天大学测试工程系，获硕士学位；1996年3月毕业于东南大学仪器科学与工程系，获博士学位；1996年3月至1998年3月在东南大学无线电系从事博士后研究工作。现为东南大学仪器科学与工程学院院长，机器人传感与控制技术实验室主任。

19、先后主持完成国家863项目6项、国家自然科学基金项目3项、江苏省自然科学基金项目1项、霍英东青年教师基金项目1项等重要课题28项，研究成果获省部级科技进步二等奖5项，三等奖 1 项。发表论文 100 多篇，被 Sci 、 Ei 收录论文75篇。获国家发明专利授权11项、获计算机软件著作权3项。获2001年度国务院政府特殊津贴，获2002年度教育部优秀骨干教师称号，获2003年度教育部高校青年教师奖，获2003年度霍英东教育基金奖励资助，入选江苏省青蓝工程中青年学术带头人和江苏省333人才工程，获2003年度江苏省 新长征 突击手称号，获2005年度江苏省青年科技奖，获2007年度中国青年科技奖

20、。五、任课教师信息（包括主讲教师）：任课教师学科（专业）办公电话住宅电话手机电子邮件通讯地址邮政编码宋爱国测控技术及仪器a.g.song东南大学仪科学院Application Form For Opening Graduate CoursesSchool (Department/Institute)：School of Instrument Science and EngineeringCourse Type: New Open Reopen Rename （Please tick in , the same below）Course NameChinese新型传感器技术EnglishTech

21、nology of New TransducersCourse NumberType of Degree Ph. DMasterTotal Credit Hours36In Class Credit Hours30Credit 2PracticeComputer-using Hours6Course TypePublic Fundamental Major Fundamental Major Compulsory Major ElectiveSchool (Department)School of Instrument Science and EngineeringTermautumnExam

22、inationA. Paper（ Open-book Closed-book） B. Oral C. Paper-oral Combination D. Others report ChiefLecturerNameSong AiguoProfessional TitleProfessorE-maila.g.songWebsiteTeaching Language used in CourseChineseTeaching Material WebsiteApplicable Range of DisciplineFirst ClassName of First-Class Disciplin

23、eInstrument Science and TechnologyNumber of ExperimentPreliminary CoursesTheory of Automatic Control, Digital Signal ProcessingTeaching BooksTextbook TitleAuthorPublisherYear of PublicationEdition NumberMain Textbook传感器技术贾伯年东南大学出版社20073Main Reference Books现代传感技术金豪芷电子工业19952现代新型传感器原理与应用刘迎春国防工业19951I.

24、 Course Introduction (including teaching goals and requirements) within 300 words:Extend knowledge, master development of transducers II. Teaching Syllabus (including the content of chapters and sections. A sheet can be attached): infrared sensor infrared physics ; infrared device; infrared systemla

25、ser sensor principle of laser ; interference and diffraction ; systemsonics sensor principle of ultrasonic ; transduser ; systembiology sensor enzyme sensor ; immunity sensorDetection of signal in noiseRobot Sensor Force sensor, tactile sensor, telepresenceNew transducer techniqueIII. Teaching Sched

26、ule:WeekCourse ContentsTeaching Method1introductionlecture2Infrared sensorlecture3Infrared sensor systemdiscuss4Laser sensorlecture5Laser sensorlecture6Laser sensor systemdiscuss7Optic fibre sensorlecture8Optic fibre sensorlecture9Optic fibre sensor systemdiscuss10Sonic sensorlecture11Sonic sensor s

27、ystemdiscuss12Biology sensorlecture13Robot senasorlecture14Robot sensordiscuss15New transducer techniquelecture16New transducer techniquediscuss1718Note: 1.Above one, two, and three items are used as teaching Syllabus in Chinese and announced on the Chinese website of Graduate School. The four and five items are preserved in Graduate School.2. Course terms: Spring, Autumn , and Spring-Autumn term. 3. The teaching languages for courses: Chinese, English or Chinese-English. 4. Applicable range of discipline: public, first-class discipline, second-class discipline, and third-clas