传感器设计论文范文
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第1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
第2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
第3篇
关键词：微机电系统（MEMS）微机械陀螺（MMG）检测
随着科学技术的发展，许多新的科学领域相继涌现，其中微米/纳米技术就是诸多领域中引人注目的一项前沿技术。20世纪90年代以来，继微米/纳米技术成功应用于大规模集成电路制作后，以集成电路工艺和微机械加工工艺为基础的各种微传感器和微机电系统（MEMS）脱颖而出，平均年增长率达到30%。微机械陀螺是其中的一个重要组成部分。目前，世界各个先进工业国家都十分重视对MMG的研究及开发，投入了大量人力物力，低精度的产品已经问世，正在向高精度发展。
1微机械振动陀螺仪的简要工作原理
陀螺系统组成见图1，它由敏感元件、驱动电路、检测电路和力反馈电路等组成。在梳状静电驱动器的差动电路上分别施加带有直流偏置但相位相反的交流电压，由于交变的静电驱动力矩的作用，质量片在平行于衬底的平面内产生绕驱动轴Z轴的简谐角振动。当在振动平面内沿垂直于检测轴的方向（X方向）有空间角速度Ω输入时，在哥氏力的作用下，检测质量片便绕检测轴（Y轴）上下振动。这种振动幅度非常小，可以由位于质量片下方、淀积在衬底上的电容极板检测，并通过电荷放大器、相敏检波电路和解调电路进行处理，得到与空间角速度成正比的电压信号。
在科研及加工过程中，一个重要的内容就是检测陀螺仪的特性，如工作状态谐振频率、带宽增益、Q值等，于是就提出了微机械惯性传感器检测平台的研制任务。根据陀螺仪的工作原理，整个仪器包括两大部分：驱动信号发生部分和表头的输出信号检测部分。驱动信号发生部分对待测的惯性传感器给予适当的驱劝信号，使传感器处于工作状态。信号检测部分要求检测出微小电容变化，经过放大、解调处理后，将模拟量转换成数字量采集到PC机中，分析输出信号，以确定惯性表的特性。
2微电容检测技术
在MMG检测技术中，利用电容传感器敏感试验质量片在哥氏力作用下的振动角位移，获取输入角速率信号。由于陀螺仪的尺寸微小，为了得到10°/h的中等精度，要求电容测量分辨率达到（0.01×10-15）～(1×10-18)法拉。因此，对于微机械加速度计和向机械陀螺仪来说，检测试验质量和基片之间的电容变化是一个关键技术。目前在MMG中采用的微电容检测方案有三种：开关电容前在MMG中采用的微电容检测方案有三种：开关电容电路、单位增益放大电路和电荷放大电路。
2.1开关电容电路
其基本原理是利用电容的充放电将未知电容变化转换为电压输出。该测量电路包括一个电荷放大器、一个采样保持电路以及控制开关的时序，如图2所示。
在测量过程中，先将未知电容（C1、C2）充电至已知电压Vref，然后让其放电。充、放电过程由一定时序控制，不断重复，使未知电容总处于动态的充放电过程。C1、C2连续地放电，电流脉冲经过电荷放大器转换为电压。再经过采样保持器，得到输出Vc。将公式ΔC=2C0·x/d0代入，可得电容检测电路的传递函数为：
Vc/x=-[2VrefC0/Cfd0]
2.2单位增益放大器电路
AD公司与U.C.Berkeley联合开发的ADXL50（5g的微机械加速度计）采用了单位增益放大电路。
图3是单位增益放大器的等效电路。图3中，Cp为分布电容，Cgs为前置级输入电容，Rgs为输入电阻。当载波频率在放大器的通频带以内时，前置级输入电阻可忽略不计。由图3可午，前置级有用信号输出为：
（Vs-Vout）jω（C0+ΔC）+(-Vs-Vout)jω（C0-ΔC）
=Voutjω(Cp+Cgs)+Vout/Rgs
Rgs∞
Vout=(2ΔC/2C0+Cp+Cgs)Vs
分布电容Cp约为10pF，
输入电容Cgs约为1～10pF，一般都大于传感器标称电容C0(1pF左右)。可以看出，它们的存在都极大地降低了电容检测灵敏度。要提高电路灵敏度，就必须消除Cp、Cgs的影响，通常采用的措施等电位屏蔽。
2.3电荷放大器电路
电荷放大器电路如图4所示。它采用具有低输入阻抗的反相输入运算放大器。其中Cp表示分布电容，Cf为标准反馈电容，Rf用来为放大器提供直流通道，保持电路正常工作。应选取Rf，使时间常数RfCf远大于载波周期，以避免输出波形畸变。但Rf过大为今后电路集成带来不便。可以使用小阻值的电阻组成T型网络，替代大阻值电阻。
若运算放大器具有足够的开环增益，反相输入端为很好的虚地，那么，两输入端点之间的电位差为零。因此，反相输入端对地的分布电容Cp和放大器的输入电容Cgs对电路测量不会造成影响。电荷放大电路相对于单位增益放大电路来说，结构要简单，不需考虑等电位屏蔽问题；只需将杂散电容的影响转化为对地的分布电容，即进行合理的对地屏蔽，就能获得较好的效果。
尽管在电荷放大电路中，可以忽略掉输入电容及反相输入端对地的分布电容，但是在检测微小电容变化时，输出还是有很大的衰。这是由放大器输入输出端分布电容Cio造成的。当载波电压频率大于1/（2πRfCf）和小于放大器的截止频率时，输出电压Vout应该表示为：
Vout=-[(C1-C2)/（Cio+Cf）]Vs=-[(2ΔC)/Cio+Cf]]Vs
3检测平台的系统构成及工作原理
该系统的工作原理如图5所示。对惯性传感器施以适当的激励信号后，传感器的动片即处于振动状态，上下极板间的电容发生周期变化，采用电荷放大器电路将该信号提取出来，经交流放大、解调后通过A/D转换变成数字量采集到微机中，观察传感器的输出响应，为下一步利用软件方法分析微机械惯性传感器的时域、频域特性打下基础。
3.1激励信号发生器
根据微机械轮式振动陀螺仪的工作原理，最多需要4路激励信号。激励信号为正弦波，每两路相位相反。为了测量陀螺仪的频率特性，需要不断改变激励信号的频率。目前不同设计的陀螺仪谐振频率在几百赫兹到10千赫兹之间，激励信号也需要在这个范围内进行调节。另外，陀螺仪的驱动力矩等于驱动信号的交流分量与直流分量的乘积，所以还要施加正或负的直流偏置，使陀螺能处于正常工作状态。交流相位和直流偏置组合见表1。
表1交流相位和直流偏置组合
直流偏置：++--交流信号：+-+-
一般的RC振荡电路生成的正弦波频率靠改变R、C值来调节，不能连续大范围调节。所以，设计中采用数字方法合成模拟波形，其原理见图6。图6中8254为软件可编程计数器。其包含3个独立的16位计数器，计数最高频率可达8MHz，设计中输入3MHz的时钟，将2个计数器串连使用，这样可以增加频率控制范围。8254产生的方波信号作为后面并行计数器的计数脉冲输入。并行计数器由2片74LS161组成8位二进制循环计数器。74LS161计数到最大值时会自动清零，重新开始计数，其输出可作为E2PROM2817A的地址信号（即每个正弦周期内采样点数为256个）。2817A的数据读取时间为150ns。设计电路时将它的片选和读信号均设为有效，以提高数据读取速度。D/A转换采用DAC-08电流输出型D/A转换器。电路输出时间85ns，放大器采用高速高精度运放OP-37，同理，D/A转换器的片选和转换开始信号总为有效，其输出跟随输入变化，提高转换速度。实验结果表明，此信号发生器完全可以生成10kHz以内可调频的正弦波。而且使用可编程计数器8254，输出正弦波的频率可以用软件方法调节。如果想输出非正弦波形，只要修改E2PROM的数据，就可以输出任意形状的周期波形。
3.2低通跟踪滤波器
数字信号发生器具有控制灵活的优点，但是输出信号不够平滑，其中会有台阶波。在对信号要求比较高的场合，还需要进行滤波。本设计中信号的频率变化范围很大：几百赫兹到10千赫兹。为了进一步提高信号质量，采用AD633模拟乘法器构成低通跟踪滤波器，其原理如图7。
通带的截止频率是由电压Ec控制的，输出是OUTPUTA，截止频率：
fc=Ec/[(20V)πRC]
OUTPUTB处是乘法器的直接输出端，截止频率与RC滤波器相同：
f1=1/(2πRC)
这种滤波器结构简单，没有开关电容，噪声小，一般采用数模转换器控制Ec，控制通带频率也比较容易。
3.3交流放大器
微机械惯性传感器在施加激励信号后，即处于振动状态。传感器有差动微电容量变化C0+ΔC和C0-
ΔC。采用电荷放大器电路提取出ΔC，此电压信号仍然很弹，需要进一步放大处理，于是采用图8所示的交流放大器。
交流放大器由4个放大倍数为-1、-2、-5、-10的运算放大器级联组成，进一步放大被测信号，同时调整幅值以便适应解调器的输入。图8中的开关选用ADG211模拟开关，通过控制模拟开关的开合，可以任意选择某级或某几级放大器参加工作，实现对放大倍数正负1、2、5、10、20、50、100的整倍数调整。例如，将模拟开关S0、S2、S8、S13闭合，其他开关全部打开，交流放大器的总放大器数即为：（-1）×（-2）×（-10）=-20。
3.4数据采集系统
使用计算机总线，与外设之间必须有接口。本系统采用双端口RAM作为数据缓存。先将信号采样并存储其中，然后成组地向主机传送，从而有效地发挥了主、从、资源的效率，且设计也相对简单。
3.4.1系统工作原理
系统基本组成原理如图9。主要有双端口RAM、逻辑控制模块、A/D转换器组、计算机接口。机通过接口启动逻辑控制模块后，CPU资源向其他请求开放，逻辑控制模块发控制信号启动A/D转换器并进行采样，并将转换结果存入双端口RAM。当RAM中的数据达到一定数量时，逻辑控制模块向计算机发出中断请求。主机接到请求后进入中断服务程序，向逻辑控制模块发出命令，决定是否继续采样，并将RAM内的数据读入内存。
3.4.2硬件设计
本设计使用Cypress公司的CY7C136（2k×8bit）双端口RAM。其两个端口都有独立的控制信号、片选CE、输出允许OE和读写控制R/W。这组控制信号使得两个端口可以像独立的存储器一样使用。使用这种器件要注意当两个端口访问同一个单元时，有可能导致数据读出结果不正确。解决这个问题的方法有两个：一种是监测busy信号输出，当检测到busy信号有效，就使访问周期拉长，这是从硬件上解决；另一种方法是软件上保证两个端口不同时访问一个单元，即将双端口RAM进行分块。本系统采用后者，将busy信号输出通过上拉电阻接到电源正极。
在系统中，逻辑控制模块的作用非同小可，是控制采样、存储、与计算机接口的核心。本系统为方便对采样速率等参数进行设置，在该模块中采用了MCS-51单片机。这样可以通过编程设定采样速率。
与主机的信息交换包括：
（1）接收主机控制信号，以决定是否开始采样；
（2）在存储区满后，向主机发中断请求。
本系统使用AT89C51的地址总线来选通RAM的存储单元，对其进行写操作，将采样结果存入相应的单元。
3.4.3软件设计
系统软件包括主机程序和逻辑控制模块中89C51程序。软件的关键是单片机控制A/D转换器和存储器部分，软件流程见图10。
第4篇
知识与技能：通过实验探究，知道磁敏传感器的工作原理及应用；能分析、设计、制作简单的磁敏传感器．过程与方法：学生组装和调试磁敏传感器，经历科学探究过程，学习科学研究方法，培养学生的实践能力、团队合作能力和创新思维能力．情感态度与价值观：通过自己设计、制作简单的磁敏传感器，体验科技创新的乐趣，体会到传感器在生活、生产和科技中的理论意义和实践意义，激发学习兴趣．
2学习任务
任务1：制作防盗报警器．任务2：制作位置传感器．任务3：制作模拟电梯关门控制电路。
3问题与方案
通过阅读教材与实验探究完成以下问题：（1）什么是霍尔效应及应用？（2）单、双干簧管的检测方法有哪些？（3）磁敏元件在控制电路中起什么作用？（4）用干簧管与霍尔开关设计、制作简易的磁敏传感器．能画出方案图并说出工作过程．
4探究过程
4.1熟悉器材
具体器材如下：磁敏元件，稳压电源，负载［电位器、定值电阻、12V或6V直流电动机、蜂鸣器、小灯泡、SRD－05V或JZC－23F（12V）的直流电磁继电器］，MF－47型万用表，DT830B型数字万用表，逻辑非门74LS14或74LS04，三极管（S9013，S9018，S8050等），面包板等．
4.2实验探究
4.2.1制作防盗报警器
利用干簧管、电磁继电器、霍尔开关、非门的特点进行设计．所做的作品和市场销售的“门磁”相同，灵敏度高，简单实用，形象、直观地演示了磁敏传感器工作原理及磁控开关的应用．（1）干簧管与继电器制作的防盗报警器，小灯泡为“6．3V，0．15A”，根据负载选取电源电压，J和Ja是5V继电器，J为线圈，Ja为常闭触点．将小磁铁嵌入在活动门的上方边缘上，将常开干簧管嵌入在门框内，让两者相对靠近，即门处于关闭状态，此时干簧管内两簧片闭合．接通电路，继电器线圈得电，常闭触点Ja动作断开，工作电路不接通；当有人开门时，磁铁与干簧管远离，两簧片断开，线圈失电，Ja触点释放复位闭合，工作电路接通，蜂鸣器发声报警，红灯亮．（2）干簧管与非门制作的防盗报警器，采用74LS04非门，R为2．2kΩ电位器或电阻箱，首先按图将元件接插在面包板上，接上5V电压，再调试电位器R，当其阻值在1～2kΩ时，蜂鸣器发声报警，然后用小磁体靠近干簧管，报警声停止．本电路工作过程为：当门关闭时，永磁体使干簧管接通，非门输入端A与电源负极相接，处于低电平，则输出端Y为高电平，蜂鸣器不发声；当开门时，没有磁场作用，干簧管不通，非门输入端A高电平，则输出端Y低电平，蜂鸣器通电发声报警．（3）制作霍尔防盗报警器，R为5kΩ电位器（或电阻箱），采用74LS04非门，首先按图将元件接插在面包板上，接通5V电源，调试电位器，当R为2～4kΩ时，蜂鸣器发出报警声，再将小磁铁靠近霍尔开关平面，报警声立刻停止．本作品在生活中应用是：将小磁铁固定在门的上方边缘上，将霍尔开关固定在门框的边缘上，让两者靠近，即门处于关闭状态，霍尔开关输出为低电平，非门输出端Y为高电平，蜂鸣器达不到工作电压不报警；当门被撬开时，霍尔开关输出为高电平，非门输出端Y为低电平，蜂鸣器接通发出报警声．
4.2.2制作干簧管位置传感器（自动停车的磁力自动控制电路）
用于玩具车接近磁铁时自动切断电源的自动控制电路，电源电压3～4．5V，R为200～500Ω电阻，M为6V直流电动机，VT为三极管9013，8050，9012等．开启电源开关S，三极管VT基极有偏置电流，VT处于饱和导通状态，玩具直流电动机M转动．当磁铁靠近H时，触点闭合，将基极偏置电流旁路，VT截止，电动机停止转动，保护了电动机及避免了大电流放电．
4.2.3制作模拟电梯关门控制电路
参考电路，VT为三极管9012，9014，9013等，J为12V电磁继电器，小灯泡为6．3V，接6～11V电源，按图接插电路元件，调试电位器，当R2阻值达到8～10kΩ，R1达到2．2kΩ，电流达到45mA时，用磁铁靠近霍尔开关，电流达到50mA时再微调R2与R1，电流稍高于50mA时，线圈得电，触点动作，电动机转动，绿灯亮；磁铁离开时，电动机停转，绿灯熄灭，同时红灯亮，蜂鸣器发声报警．模拟了电梯门关闭时，电梯才能运行，不关闭时红灯亮，蜂鸣器报警，此电路灵敏度高、可操作性强。
5探究结果
第5篇
近几年来，国内的高速电梯控制手段及群控管理方法、速度有着极大的革新。其控制技术可以归整为八个发展阶段，司机控制、按钮控制、微驱动平层控制、集选控制、交流双速控制、直流变压调速控制、交流调速控制、PC－PLC控制;群控管理方法为两类方式，区段分配方式及呼叫分配方式，这些技术使得电梯的群控体系控制特性有了极大改善;各国电梯厂商对于电梯速度也有着很大的竞争，现如今世界上电梯最高速可达到17．4m/s。
2光电开关与斯密特触发器
2．1光电开关
大多传感器电路所选择的都是槽型光电开关，其一般会利用最标准的U型结构，发射器及接收器在U型槽的两边，呈现出一个光轴，在对应检测物通过该槽并隔断光轴时，这时的光电开关就出现了开关量号。以槽式光电开关来讲，其最适宜检测运行速度较高的物体，其可以很好的分辨出透明及半透明的物体，应用安全性较高。因为光电开关输出及输入回路之间是利用电缘绝来实现的，因此其能够应用于众多的场合中。利用集成电路相关技术以及表面安装工艺制作的新型光电开关元件，其具有较好的延时性、拓展性、外同步、抗干扰、可靠性、运行区域稳定、自行诊断等诸多智能化功能。该光电开关属于脉冲调制主动式的光电探测体系类电子开关，其主要应用的冷光源为红外光、红、绿、蓝色光，可以不接触、无损害、快速将各类固体、液体、透明体、黑体、柔软体等物质控制其对应状态及动作。
2．2斯密特触发器
该传感器电路运用斯密特触发器对相关电平进行转换，便于很好地满足于传感器体系测量的精确度，斯密特触发器自身有着巧妙的滞后特性数字化传送门。其电路阀值电压为两个，正向阀值及负向阀值电压;双稳态触发器及单稳态触发器不相同，斯密特触发器整体上是电平触发型的电路，并不会依靠周边较为陡峭脉冲。其属于阀值开关电路的一类，输入级输出特性容易突变的门电路。该电路设计为阻隔相关输入电压所存在的微笑变化而导致的输出电压变化。斯密特触发器对应输出情况转换是由其相关输入信号变化而决定的，输入信号在最低电平提高时，电路状况变化中输入的电平及其相关输入信号是与高电平处降低中的输入变化电平不相同的，其对应阀值电压被称之为正向阀值及负向阀值电压。并且，因为斯密特触发器之内会有相关正反应，因此其输出电压所对应的波形通常较为陡峭。使用斯密特触发器不止是可以把周边转化减缓信号所呈现的波形进行一定整形，最终形成边沿陡峭型矩形波，并且能够把其互相叠加于矩形波的脉冲高与低处电平噪音合理清除。
3电路模块设计及实现
总体传感器电路模块呈现为:电梯脱离信号光电开关触发信号触发器终端处理元件。在相关电梯并未脱离缓冲器时，对应传感器有一个小挡板位于槽型光电开关之间，合理得隔档LED对三极管的触发。在电梯脱离了相关缓冲器时，经由安装于传感器间的对应弹簧将挡板有效的弹开，这时LED就能够轻易的触发光敏三极管。
4结语
第6篇
关键词：阵列传感器混沌电路开关电容A/D转换信号采集
引言
随着机器人技术和复杂检测系统的出现，人们对触觉传感器提出了更高的要求。随着触觉阵列规模的扩大，希望A/D转换速度加快，而原先在小规模阵列触觉传感器系统中采用的共用A/D转换器的方法，已不能满足大规模阵列触觉传感器信号采集实时性的要求。因此，要想实现高速、高分辨率并且对小信号敏感的大规模阵列触觉传感器信号采集系统，关键部件就是A/D转换器。
本文利用混沌帐篷映射方法和开关电容（SC）技术，设计了一种新型A/D转换器。该A/D转换器的电路具有调理放大、误差补偿和A/D转换功能一体化的优点，并且电路简单、便于集成、功耗小；能以很高的性能价格比实现多路触觉传感器输出信号的并行采样和A/D转换。
1阵列触觉传感器信号采集系统的组成
模拟式阵列触觉传感器信号采集系统的原理电路见图1。该系统由m×n阵列传感器、列读取电路、行扫描电路、n个ADC电路、时序控制电路和计算机等组成。在时序控制电路的控制下，行扫描电路对m行阵列触觉传感器发送周期性激励信号；而列读取电路则周期性地并行读入n列输出信号。读n个信号经n个A/D转换器，把模拟信号转换成格雷码序列直接送到计算机；计算机完成格雷码向二进制码的转换，接着在时序逻辑的控制下，读取下一行的n列信号并进行A/D转换。计算机在获得1帧m×n触觉传感器信号后，就可以进行信号处理了。图1中除A/D转换器需要特殊设计外，其余各电路都有现有的产品，没有特殊要求。
2混沌开关电容A/D转换器的设计
2.1混沌开关电容A/D转换的原理
利用开关电容技术进行误差补偿的基本原理是电荷的再分配。电容失配误差利用开关转换储存起来，结果由电容上电荷的再分配而得到补偿。混沌帐篷映射是一种离散非线性系统，其映射关系为：
这一映射可以看到由两步组成：先将区间[0,1]伸长2倍，然后再压缩成原区间[0,1]。如此反复迭代操作，最终导致相邻点的指数分离，从而进入混沌状态。这种映射对初始值（系统的输入信号）的放大与通常的线性放大方法不同：线性放大倍数为一常数，而且受工作范围限制；而处于混沌状态的帐篷映射系统，是在有界的区间内，迭代1次将信号放大2倍，反复有限次迭代后，可以将微弱信号放大到可观测的水平，而不会出现溢出再现象。显然，这是一种非线性放大。帐篷映射系统的输入值Vin对应于系统的初始状态x0。x0可以二进制小数表示：
为了得到离散帐篷映射的迭代输出与x0的关系，引入另一种非线性映射——离散贝努利移位是映射：
这一映射的作用是每迭代一次，就将二进制位t1、t2、t3、……向左依次移出一个二进制位，即
对于贝努利移位映射，令bn=sgn(x''''n-0.5)，作为贝努利移位映射的第n次迭代输出，由于bn=tn,且bi(i=0,1,2,…)是一个二进制序列；对于帐篷映射，令gn=sgn(xn-0.5)，则gi是与bi对应的格雷码序列，即
根据上述和初始时刻x0=x''''0=Vi，可得：
因此，通过将帐篷映射迭代输出的格雷码序列gi(i=0,1,2,…)，转换成贝努利移位映射的二进制序列bi(i=0,1,2，…)，可推算出初始值（输入信号的二进制数字量），即
式（7）中{Vin}表示输入信号的二进制数字量。gi(i=0,1,2,…)就是经过帐篷映射完成了对输入信号的非线性放大和A/D转换的格雷码形式的数字量。
2.2混沌开关电容A/D转换电路的实现
利用并关电容技术进行电路设计，有其独特的优点：电路的性能与电容无关，只取决于电容之比，两个电容比值的误差小于1/1000，因此电路运算精度高；电路便于实现大规模集成，因而电容体积小、工作可靠、成本低，功耗小（一个开关电容A/D转换器功耗4mW）等。这些优点对模拟式阵列触觉传感器信号采集系统最有利，因此该系统需要大量的ADC。
图2混沌开关电容A/D转换电路
基于帐篷映射的开关电容A/D转换电路如图2所示。运放A1、A2及周围的电路完成帐篷映射，即完成对输入信号的非线性放大和A/D转换；C4、C5、A3及周围的电子模拟开关组成保持电路，输出信号V0为输入信号的格雷码形式的数字量。图3为电路时序控制逻辑。
图2电路，当启动信号为高电平时，电子模拟开关指向“1”端，输入信号Vi接通。延时t1时间后，D触发器产生一个脉冲信号，这时，若0≤Vi≤0.5，则电子模拟开关S1指向“2”端，C1、C3和A2及有关的电子模拟开关构成一个开关电容比例延时器，如图4所示。在（n-1）T时，Vi给C1充电，充电电荷为C1Vi（n-1），C3被短路，V02(n-1)=0;在nT时，C1中电荷转移到C3中，充电电荷为C3V02（n），由电荷守恒原理，其差分方程为：
C1Vi(n-1)=C3[V02(n)-V02(n-1)]=C3V02(n)(8)
式（8）经过Z变换可得该电路Z域传递函数：
H（Z）=V02(Z)/Vi(Z)=(C1/C3)Z-1(9)
若取C3=0.5C1，则有：
H（Z）=V02(Z)/Vi(Z)=(C1/C3)/Z-1=(C1/0.5C1)Z-1=2Z-1(10)
可见，图4的电路具有起放大作用的比例延时功能，实现了对输入信号的翻倍，即实现了y=2x的运算；同时对C4充电，当下一个“o”脉冲为高电平时，C4中电荷转移到C5中，这时开关S0指向“2”端，把输出信号Vo反馈到输入端，给C1充电，实现迭代运算。经过n次迭代后，使Vi信号入大，直到可观测为止。
同理，当0.5≤Vi≤1时，Vi向C2充电，电子模拟开关S2指向“2”端，这时，C2、C3和A2构成另一个开关电容比例延时器，把式（9）中的C1换成C2，就是这个比例延时器的Z域传递函数。“e”脉冲为高电平时，C2中电荷Q=C2Vi转换到C3中，若取C3=0.5C2,就实现了y=2(1-x)的运算；当下一个“o”脉冲为高电平时，C4中电荷转移到C5中，这时开关S0指向“2”端，把输出信号Vo反馈到输入端，给C2充电，实现迭代运算。经过n次迭代后，使Vi信号放大到可观测为止。
这样，经过一个周期T，完成了对Vi一个样点的采集。如此周而复始地进行A/D转换工作。D触发器输出的信号就是格雷码序列：
将gk序列和初始条件b0=Q0代入式（6）中，就得到贝努利二进制序列bk（k=0,1,2,…）。当然，只要把ADC的输出信号Vo(格雷码序列)送入计算机，转换成二进制数字量的工作，可由计算机通过软件来实现。
3实验结果
利用图4的信号系统对5×7应变式微型阵列传感器输出的信号进行非线性放大和A/D转换实验，实验结果见表1。表1中为第4行7个传感器输出信号进行A/D转换的结果。实验结果表明，基于帐篷映射的开关电容A/D转换器可有效地实现对小信号的放大和A/D转换。
4结论
本文利用混沌电路对小信号敏感及它具有的非线性变换的独特性能，设计了混沌帐篷映射开关电容新型A/D转换器。这种A/D转换器适用于机器人模拟阵列触觉传感器输出信号的A/D转换。它集调理放大和A/D转换于一体，具有电路简单、易于集成及功耗小的特点。开关电容电路只有二相时钟，电路性能只取决于两个电容之比而与电容绝对值无关，因而电路运算精度高、成本低。利用该A/D转换器可实现多路触觉信号的并行采样和A/D转换，以满足大规模阵列传感器信号的实时采集要求。实验结果证明了本方法的有效性。
表1A/D转换实验结果
传感器（4，1）（4，2）（4，3）（4，4）（4，5）（4，6）（4，7）
测量值/mV0806718824617025
计算值/mV0.080.266.4187.5242.3168.924.7
格雷码
gog1…g6g700000000000111110001100100101000001000010011111000000101
第7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/.
第8篇
【关键词】温度 at89s52 nrf9e5
1 引言
由于在局部的温度通常具有不一致性，因此在检测环境温度时，传统的单一测点测量温度的方法并不能够准确说明实际的温度信息。在同一环境中，对多点进行温度测量，能够有效解决这一问题，使得温度测量更加准确。但是多点温度测量的温度测量点比较分散，如果使用传统的有线布线方式的话，则系统设计复杂，十分麻烦。本论文设计了一种基于无线传输的温度采集系统，采用了nrf9e5无线芯片，主控芯片采用的是at89s52单片机，温度测量的传感器为ds18b20[1]。
本论文首先介绍系统整体设计方案，然后分别简要介绍硬件电路设计以及部分软件程序设计。
2 系统方案
无线数据传输按照传输方式的不同，可以分为：点对点、点对多点以及多点对多点。本论文所设计的系统由主控芯片51单片机、主接收器以及多个测量终端组成。每个测量终端都是通过无线传输模块nrf9e5传递数据，进而形成无线传输的温度采集系统。系统框图如图1所示。
将相应的温度传感器分布在所要测量环境的不同位置，就能够精确评估环境温度。然后再将这些测量得到的温度经过无线通信模块发送到主控芯片上，主控芯片对数据进行处理和显示。
3 硬件电路设计
3.1 无线数据传输模块
nrf9e5具有和8051相互兼容的微控制器，但是时序和指令都与其有些差别。nrf9e5与cpu的数据交换是通过串口来进行的。
nrf9e5和其他模块通信主要是通过自身内部的并行口和内部的spi口。nrf9e5与nrf905等具有一样的功能。收发器在与微控制器进行数据交换的过程中，主要是通过片内的spi和并行口。在要传输通信的数据准备好之后，就能够产生中断，供微控制器使用。
3.2 温度测量电路
温度检测的方法有很多，比如采用热电偶等。但是本论文采用的是ds18b20温度传感器。该温度传感器采用的是one-wire总线，即只采用一根信号线与单片机进行连接。该测温传感器能够测量零下55度到125摄氏度的温度范围，同时分辨率能够达到0.5摄氏度。工作电压范围很宽，一般为3.0至5.5v。
3.3 主控芯片
本论文设计的数据采集器使用的主控芯片是at89s52单片机。msc-51单片机是八位的非常实用的单片机。本论文所使用的at89s52单片机就是基于这款单片机的。msc-51单片机的基本架构被atmel公司购买，继而在其基本内核的基础上加入了许多新的功能，同时扩展了芯片的容量以及加入flash闪存等等。51内核的单片机具有很多优点，因此无论是在工业上还是在一些电子产品上应用都很多。全球也有许多大公司对其进行扩展，加入新的功能。即使是在今天，51单片机仍然在控制系统中占据很大市场。
下面对本论文所使用的单片机作简要介绍。这款单片机具有最大能够支持的64k外部存储扩展，同时还具有8k字节的flash空间。该单片机具有4组i/o口，分别是从p0到p3，同时每组端口具有8个引脚。每个引脚除了能够作为普通的输入和输出端口外，还具有其它功能，也就是我们通常所说的引脚复用。其还具有断电保护、看门口、计时器和定时器。51单片机一般的工作电压是5v。
4 软件设计
4.1 通信协议
本系统为单点对多点的无线通信，主接收器在可靠通信范围内分别与每个数据终端通信。主接收器与每个数据终端都有一个唯一的地址，因此在通信过程中必须明确接收方的地址。系统通信协议定制如表1所示。
4.2 温度测量程序
本论文采用的温度传感器是one-wire总线的器件，与主控芯片进行一根数据线连接，就能够同时实现数据和时钟信号的双向传输。但是这样就要求主控芯片的时序必须具有严格的要求。在出厂之前，每个器件的rom上都光刻上64位的编码，这个编码地址序列是唯一的，我们可以通过这个编码地址序列来进行多
点的组网。但是本论文所设计的温度采集系统，在每一个结点只是用一个温度传感器，因此在程序中并不需要读取其rom编码。
5 总结
在实际的温度测量过程中，测量单点的温度往往并不能够准确反映实际温度信息，需要对同一环境进行多次测量，同时要对多个温度节点进行测量。但是多点温度测量的温度测量点比较分散，如果使用传统的有线布线方式的话，则系统设计复杂，十分麻烦。本论文设计了一种基于无线传输的温度采集系统，采用了nrf9e5无线芯片，主控芯片采用的是at89s52单片机，温度测量的传感器为ds18b20。本论文首先介绍系统整体设计方案，然后分别简要介绍硬件电路设计以及部分软件程序设计。
参考文献
[1]马祖长，孙怡宁，梅涛.无线传感器网络综述[j].北京：通信学报，2004，25（4）：15-17.
[2]郑启忠，耿四军，朱宏辉.射频socnrf9e5及无线数据传输系统的实现[j].单片机与嵌入式系统应用，2004（8）：51-54.
[3]季一锦，尹明德.一种基于nrf9e5的无线监测局域网系统的设计[j].国外电子元器件，2004，（12）：22-25.
[4]盛超华，陈章龙.无线传感器网络及应用[j].微型电脑应用，2005，21（6）.10-13.
第9篇
关键词：传感器实验；教学改革；创新人才培养
中图分类号：G642文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)18-31739-01
Experimental Teaching Reform of Sensors Course
ZHANG Huai,Chen Fu-jun,YANG Yong,LIANG Feng
(Huanghuai University,Zhumadian 463000,China)
Abstract:Sensors is a most practical course, the students can verify theories through an experiment, and can strengthen the cultivation of the student’s innovation and practice ability. Aimed at the present situation of the experimental teaching for sensor of our university, we do some beneficial reform and the aim is to improve the practice ability of students and cultivate the innovative talents.
Key words:sensor experiment;teaching reform;cultivation of innovative talents
传感器技术作为现代三大信息技术之一，广泛应用于工农业生产及日常生活中，是测控过程中反映被测对象、保证控制质量的重要一环，也是自动化、测控技术、机械电子等专业的一门实践性和应用性很强的基础课。随着计算机技术，信息技术和网络技术的发展，传感器技术与应用也飞速发展，而传统的传感器教学尤其是实践环节的教学迫切需要改革创新。为此，针对我校传感器实验教学的现状做一些有益的改革，旨在提高学生对传感器原理及特性的理解并进而达到设计和应用的目的，培养高素质技能型人才。
1 我国传感器及实验教学的发展及需求
传感器及智能仪器仪表自上个世纪60年代以来一直作为自动化、测控技术、机械电子等专业的一门专业课程，特别是进入80年代后，国际上出现了“传感器热”：日本把传感器技术列为80年代十大技术之首，美国把传感器技术列为90年代的关键技术，我国把传感器技术列为“八五”、“九五”的重点研究项目之一；并且2003年3月国家教育部紧跟国际科技发展步伐，已将传感器的教学纳入到普通高级中学物理课程的教学体系中。由此可见，传感器在当今科技发展及国民教育体系中所处的重要地位。而对于传感器本身又是一门实践性和应用性很强的学科，而且传感器实验教学是整个教学环节中的一个重要子系统，因此，加强传感器实验教学以适应我国高等教育的任务――培养学生创新精神和实践能力的需求。
2 传感器实验教学的现状
长期以来，理论教学重于实验教学的观念根深蒂固，影响了传感器教学的效果。传统的传感器教学尤其是实践性环节迫切需要改革创新。传统的传感器实验教学的问题主要反映在以下几个方面：
2.1教学中存在不重视实验的倾向
实验教学是理论知识和实验活动、间接经验与直接经验、抽象思维和形象思维、传授知识与训练技能相结合的过程。但是，对传感器实验教学现状的调查结果表明，目前很多高校在教育观念上，仍存在着重理论、轻实践，重理论知识传授、轻动手能力培养的倾向，在课程体系上，实验教学少有独立的教学体系以及相应的学分评价体系，实验课从属于理论课，实验内容含在理论课程中，实验学时与内容的开设随意性强，随意削减实验学时成为普遍现象，实验课时同理论课时比例不太合理等问题，从而大大影响了学生对传感器特性的理解及在传感器应用中解决实际问题能力的培养。
2.2实验项目验证型多于设计型
目前，我系使用的传感器实验装置是由浙江高联科技开发公司提供的CSY2000D型传感器检测技术实验台，它所提供的实验项目大多为验证性实验，虽然各传感器透明式封装比较直观，但缺乏设计性、综合性要求，与工程实践脱节严重。
2.3教学方式单调枯燥
传统的传感器实验教学是注入式的，从实验原理、步骤、实验注意事项，甚至连实验结果都面面俱到地由老师讲解，然后由学生“按方抓药”地操作。这使学生处于消极被动的地位，影响其学习主观能动性的发挥，严重阻碍了学生的全面综合素质的培养。
2.4实验经费投入不足
实验室建设对各高校来说是一项重要的投资，特别是对于一般的普通高校在资金有限的情况下，对实验室的建设投入更少；而传感器又是精密测量仪器，一般单个售价都在50元以上，我系于2003年购置的6台CSY2000D型传感器检测技术试验台就高达1.83万元/台。因此，在资金紧张的情况下，使得高校扩招后由原来的一名学生一台设备，改为2～3人一组，这样在实验过程中往往一个学生做，同组人旁观，教学效果很不理想。
3 改革与探讨
实验教学是高等院校教学的重要组成部分，是对课堂所学理论知识的直观认识和拓展应用，是学生理论联系实际的重要途径，它在培养学生综合素质和创新能力方面有着不可替代的重要作用。因此传感器实验教学必须从理论教学中解脱出来，实验教学应与本课程特点紧密结合，做一次全面的改革：
3.1深化传感器实验教学改革，着力培养学生动手能力
为推进我国全面的素质教育，培养学生创新精神和实践能力，根据传感器实验教学的现状和面临的问题，充分调研，对目前的传感器实验教学进行全面改革：从本科培养计划的约束，到实际实验教学的实施；从教师的教学观念，到学生的实验的目的等各方面都要充分认识到传感器实验在传感器教学中的重要性，在实际实验教学中不断培养学生独立的操作动手能力。
总体上说，注重引导，加强实验考核，使学生普遍对实验重视程度提高，能主动预习准备实验，甚至带着问题进实验室，学生的动手能力明显增强。
3.2切实加强传感器实验室基础建设和科学管理制度
实验器材是开展实验教学活动的基础平台，虽然传感器实验器材价格相对较贵，但也应逐渐增加传感器实验室经费的投入，除了确保正常的教学实验所需各项经费外，还要投入一定经费改进和完善现有仪器设备。同时，还要加强实验室科学管理制度的建设，现在各高校的实验室管理专职人员紧缺，一般由理论课老师来担任实验的教学和实验室管理，其间存在管理漏洞，仪器损坏无法及时维修，严重影响实验教学的开展。因此，传感器实验室要根据本学科的特点和自身条件建立切实可行的实验室管理制度和实验操作规程，逐渐形成较为完整的实验教学管理和保证体系。
3.3加快传感器实验教材的编写
实验教材是提高实验教学质量的重要环节。传感器实验是近几年才在各高校普遍开设，据调查现阶段各高校采用的传感器实验教材都是在厂家提供的仪器使用指南的基础上编写的讲义，缺乏规范性、普适性。根据高校实验教学改革和本学科发展的现状更新充实实验教学内容和教学方法，编写配套的、高水平的传感器实验教材是刻不容缓的。
3.4改革传感器实验教学的内容及方法
3.4.1实验教学内容的改革
为了突出实践教学，培养学生的应用意识、工程实践能力，使学生“消化理论、发展能力”我们对该课程的实验内容进行了较大改革：一方面保留了一些基础验证性实验，如电阻应变、电涡流位移特性、光纤传感器位移特性实验等，使学生通过这些实验，理解传感器的基木原理和特性，消化教学内容；另一方面开设一些设计性实验，如我们利用电阻应变片设计了数字电子秤，以及结合单片机知识设计出自动避障小车和全自动洗衣机控制器等，通过学生自己制作出一些小产品模型，使学生进一步认识到课堂中学过的传感器在其中的限位、距离检测等作用。在教学过程中除了要求学生写出实验报告外还要求撰写设计论文，这样更能够将设计思想、方案论证、技术路线等一些列创造性工作反映出来，同时还可锻炼学生的总结能力，为将来撰写科技论文奠定基础。
3.4.2实验教学方法的改革
实验课是验证理论、应用理论、锻炼学生动手能力的重要环节。在实验指导的方法上,我们进行了一些改革探索，在实验指导过程中,注意因材施教,采用启发式教学方法,提示学生是否有更好的改进方法等等。如电阻应变实验中对电子秤标定时反复调节Rw3、Rw4直至托盘空时电压表显示为0v、200g砝码时显示为0.2v。反复调节最终是可以达到要求，当学生反复调节几次没达到预期要求时可能不耐烦了，这时提示学生根据电阻应变式传感器的测力原理及输入输出特性――线性关系，分析电路中Rw3、Rw4的作用可以看出Rw3起调节放大倍数――即线性关系中的斜率、Rw4起零点参考电压调节――线性关系中的初始值的作用，经过这样比较对应后，很快可以得出这样的快速调节方法：当托盘空时，调节Rw4使电压表显示为零；然后将10个砝码全放入托盘，调节Rw3使电压表显示为0.2v；然后去掉全部砝码记下此时电压表读数v0 (如0.002v)；再将砝码全放入托盘调节Rw4使电压表显示为0.2-v0（如0.198v）；最后再调节Rw3使电压表显示为0.2v即可。通过像这个实验一样的实验教学方法改革,我们认识到如果在每次实验指导中都能够采用启发式的方法启迪学生，发展学生的发散思维能力，那么一定能使学生举一反三，达到学以致用的目的，同时还可激发学生的创新兴趣。
3.5建立科学的实验考核方案
成绩评定方式对于实验教学十分重要，它是这次传感器实验教学改革实施的总体指挥棒。学生最关心的就是成绩，我们要充分利用这一法宝设计较为合理的考核方案，既能达到考察的目的，同时使学生通过试验不仅能很好理解理论知识，还可以培养学生的动手、创新能力。为此，将成绩评价定位在是否理解并灵活应用所学知识，以及鼓励创新思想和创新实践过程，而不仅仅是结果正确与否。在总结多年实验课经验的基础上，采用两种结果验收相结合的形式，一种形式是当面验收，通过演示和口头介绍展示实验过程及实验效果，并完成高质量的实验报告（包括利用VC、vb、matlab等软件实现对测量数据的分析及相应的改进措施和仿真），这种方式是学生实践活动结果的直观体现；另一种形式是提交撰写设计论文，相对与前者，这种形式更能够将设计思想、方案论证、技术路线等一些列创造性工作反映出来，同时还可锻炼学生的总结能力，为将来撰写科技论文奠定基础。学生的最终实验成绩是这两部分成绩的综合。
4 结束语
关于传感器实验课教学改革涉及面广，环节多，是个比较复杂的问题。我们只是在这方面做了一些有益的尝试，并取得了一定的成功经验。我们改革的目的很明确，就是要让学生感觉到每一个实验都是一次挑战，要想取得成功必须要有充分的准备、严谨的态度、细致的操作和灵活的思维。每一次实验的完成，不仅要让学生的实验能力得到充分的训练和提高，更重要的是要激发学生的主观能动性和创造性。只有这样才能为国家培养出具有较高的全面素质的一流人才。
参考文献：
[1]廖正琴.新课程标准理念指导下的传感器教学初探[J].物理教学与探讨,2003,5:42-43.
第10篇
本书为第11届意大利传感器与微系统会议的论文集，其中精选了具有代表性的会议论文。这次会议展示了在传感器与微系统领域的理论模拟与实际应用的最新成果。传感器与微系统是一个新兴的交叉学科，其涉及到物理、化学、材料科学以及生命科学等领域。
本书共分为六部分，第一部分为化学传感器，主要介绍了：可调谐二极管激光光谱仪原位测量平流层微量气体；四苯基卟啉在高有序热解石墨上的组装：前所未有的吸附压缩驱动的双层模式组装；一种室温下的基于铂／氧化铱复合物的氧气传感器；聚合物涂层的长周期光栅作为高灵敏度化学传感器；用于低温下检测氢气的光纤传感器；溶剂对复合薄膜形貌和传感特性的影响；纳米钛对气体的传感性质；基于二元金属的碳水化合物传感装置；一种快速检测牛奶中M1黄曲霉素的便携式荧光计；利用光学传感器检测橄榄油的质量；质量标准体系在计划、设计和实现厚膜气体检测器中的应用；基于单壁碳纳米管的光纤传感器；合成且表征用于二氧化氮检测的纳米材料；铂金元素作为覆盖层的P型一氧化钛薄膜用于对氢气的检测；包含银纳米簇的氟化聚亚酰胺纳米复合薄膜用于对有机气体的光学检测等等。第二部分为物理传感器，主要介绍了荒芜环境中的固体定位风速计；一种具有溅射内核的二维平面磁通量阀门；一种用于探测RF电场的光学探针；通过拉曼散射来测量多孔硅结构的应力；对热传感器的一种十分有效的计算机模拟模型；对硅化铬应力传感器的认识。第三部分为生物传感器，主要介绍了基于不定型硅基器件检测DNA分子；抑制酪氨酸酶的有机相酶传感器；用于人瘤病毒检测的DNA压电生物传感器；用于检测硬质小麦安全型的用户友好的电化学手持设备；采用SPR成像技术来研究DNA―DNA生物分子的相互作用。第四部分为微米纳米技术，主要介绍了实验室芯片技术对基因进行分析；利用硅基玻璃芯片对化学物质进行快速光学检测；采用不同导电纳米颗粒来控制复合材料聚合物的传感性质；采用电化学刻蚀硅片的方法制备嵌入式微通道；采用超声束沉积方式制备具有气体传感的金属氧化物／有机物杂化材料；聚焦离子束刻蚀用于气体传感技术；一种模拟IPMC传感器的软件工具；对印迹二氧化钛纳米粒子的合成与表征；机车安全与舒适度测量；悬臂梁的强制型阻尼振动。第五部分为传感器阵列和多重传感系统，主要介绍了整合型微重力化学物质检测装置；采用杂化电子鼻原位检测硫质喷气孔火山口喷发的火山气体；对主要公路旁的漂浮粒子和氧化氮化合物的检测；多传感器布局在敌对环境中的机器人。第六部分为传感器网络和对传感器的数据分析，主要介绍了对于无线传感器网络的概览：对ZGIGBEE网络架构一瞥；动态场景下尘埃传感器网络：在城市环境中普遍应用性能的研究；一种配置了IEEE 802.15.4的移动设备的便携式软件工具；一种神经光谱分类的光学传感器；对城市环境污染检测无线网络设备的设计；应用多传感器微型化系统对橄榄油进行评价。
本书几乎涵盖了传感器方面的所有方向，包括化学、物理、生物以及传感器构架等等。相信从事任何传感器研究方向的科研人员都会在本书中找到有参考价值的内容。
第11篇
【关键词】硬币计数定量 伺服电机
少量的硬币使用在日常生活中带来方便，但是硬币的回收，计数分装和打包就非常的麻烦。银行，超市，娱乐场所等硬币的收付，清点和包装的自动化程度很低，基本靠手工操作，难度大，效率低。目前市场上已经存在的硬币处理装置功能单一，自动化程度低，并且依然需要大量的人工配合才能实现。基于这种现状，本论文研究并实现了一种硬币计数定量打包装置，自动化程度高，可以有效的节省人工成本，提供效率。
1 硬币计数定量打包装置系统结构
本设计由伺服电机控制系统，硬币自动计数装置，硬币自动分装定量打包装置组成。硬币计数装置采用了光纤传感器和压力传感器的双重控制，确保系统更高的精度。当硬币计数装置计数到预设值时，系统通过中央控制系统对伺服电机系统发出指令，驱动伺服电机驱动电路来操控伺服电机。本系统中使用的是无刷直流伺服电机，具有体积小，重量轻，响应快，惯性小，力矩稳定等优点。分装打包装置由一系列的机械结构组成，通过伺服电机的带动进行工作。
2 硬币计数定量打包装置的机械设计
本系统的机械结构图2如图所示，伺服电机控制系统包括伺服电机（1），压力传感器，光纤传感器，伺服放大器组成。伺服电机装在四角机架（14）下端，压力传感器，光纤传感器，伺服放大器分别与伺服电机相连。伺服电机输出轴通过联轴器依次连接硬币自动分装定量打包装置和硬币自动计数装置。硬币自动分装定量打包装置包括主动轴（3），轴承座（4）以及轴承，槽轮（12），分度台（11），收集管（10）拔插以及锁止环（13），主动轴下端连接联轴器（2），上端连接轴承座和轴承，轴承座和轴承固定到四角机架上。主动轴中间固定连接拔插及锁止环，拔插及锁止环与槽轮配合连接构成槽轮系统。硬币自动计数装置包括凸轮（5），拉簧（6），集币管（8），运币滑块（9）。凸轮与主动轴连接，并且通过滚轮和运币滑块连接，运币滑块与拉簧连接。集币管底部装有用于检测硬币重量的压力传感器，运币滑块上面通过支座（7）安装用于硬币计数的光纤传感器。
3 硬币计数定量打包装置软件设计
本设计采用人机交互伺服控制系统，凸轮滑块间歇式硬币推送装置，针孔式光纤传感计数器，自带压力传感器的集币器，槽轮联动式分度台，自动封口包装硬币收集管配合实现。
硬币完成分类后经过滑道依次滑至集币管，光纤传感计数器和集币管底部的压力传感器先后对硬币进行技术，反馈检测数据到中央控制器，并且根据数据判断是否一致，如果不一致则进行重新分拣。在传感器计数时，人机交互界面会显示硬币的数额。当硬币的数目和质量参数共同确定硬币的个数达到用户的设定值，伺服电机驱动主动轴带动凸轮旋转，运币滑块移动，将定量硬币送入收集管，运币滑块推送命令完成后在拉簧的作用下完成复位，等待下一次循环命令。同时安装在主动轴上的拔插锁止环拔动槽轮，驱动联动式分度台旋转五分之一圈，收集管工作就绪，硬币掉入收集管，包装袋受硬币掉入时的冲击自动完成口袋的封合，完成一次硬币定量打包动作。
4 系统测试
在系统调试成功之后对系统进行了正确性的测试，对硬币的计数定量进行了测试。系统分别对100枚，500枚，1000枚硬币进行了预设值为10的计数定量。结果如表1所示，系统在100个，500个和100个硬币的测试表现中，表现稳定，没有任何的错误。
5 总结
本论文设计并实现了一种硬币计数定量打包系统，由伺服电机系统，硬币自动计数装置，硬币自动分装定量打包装置组成。本论文阐述了系统框架的设计，机械机构的设计以及软件系统的设计，并且对系统进行了测试，测试结果反应本系统拥有很高的可靠性，计数快速，定量准确，有效的提升了工作效率。同时本设计采用了大量的自动化设置，降低了人工成本。
参考文献
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作者简介
任少华，男，硕士研究生。
杨宝山，男，硕士研究生。
施小明，男，原上海理工大学机械工程学院党总支书记，现上海理工大学监察处处长。
作者单位
1.上海理工大学光电信息与计算机工程学院 上海市 200093
第12篇
关键词:过程控制;人工免疫网络;传感器
生产实践表明测量装置失效是导致连续工业过程控制间断的重要因素之一[1]。因此，对连续工业过程进行传感器置信度评估尤为重要。目前常用的方法有贝叶斯估计法、DS证据推理法、自适应神经网络模糊推理方法(ANFIS)和人工免疫网络法等[2，3]。其中，连续生产过程中的物质能量流模型和人工免疫网络传播模型相类似，所以利用这种关系进行传感器置信度评估已成为近年来自动化领域研究的热点。目前基于人工免疫网络的传感器置信度评估方法主要有:以Ishida为代表的动态识别免疫网络和以Leonard M.Adleman为代表的基于DNA的阴性选择[4-6]。而前者已成功地应用于水泥生产过程的设备传感器置信度评估。但是Ishida动态识别方法中只能处理传感器关系确定的情况。因此，本文引入了传感器关系的非确定性约束，用于连续生产过程传感器之间为非确定关系情况下的传感器置信度评估。
1 传感器置信度评估算法Ishida动态识别免疫网络是在N.K.Jerne系统级识别方法基础上提出的。N.K.Jerne认为在免疫网络理论中，免疫系统由识别集合组成，识别集合中的一些抗原可以被其他抗原激活，并产生抗体;而这些抗体又可以激活其他的抗原。通过这种方式，刺激可以从一个抗原传播到另外一个抗原，直至影响整个网络。对刺激信号的辨识不是一个抗原单独完成的，而是通过抗原相互连接的网络进行的[7，8]。Ishida动态识别免疫网络方法利用传感器之间的约束条件为每个传感器建立测试单元。在用动态识别免疫网络进行传感器置信度评估时，网络主体与传感器相对应，免疫细胞的浓度与传感器的可靠性相对应，网络平衡状态与传感器正常状态相对应，外部刺激信号和测试单元的测试结果相对应。因此，这个网络中的每一个传感器不仅测量工业过程的物理量，还要评估其他传感器的可靠性。在同一工业过程中，温度、压力、流量等传感器的测量值之间既互相独立又互相联系;只要利用简单的工业过程知识就能建立起这些传感器之间具有确定性的约束，所以这种方法实现起来较为简单。这种模型可用图1的结构表示。图1 动态人工免疫网络图中是一个包含n个节点的人工免疫网络Nais(p(i)ais)，i =1，…，n。其中p(i)ais是网络的第i个节点， p(i)ais= {Aais，I(1)ais，I(2)ais，…，I(m)ais}，Aais表示网络中的抗体，I(i)ais表示第i个抗体的独特位。在Ishida的方法中，p(i)ais与工业现场中的第i个传感器的逻辑位置相对应，抗体Aais与传感器实体相对应，抗体Aais的浓度与传感器的可信度对应，独特位I(1)ais，I(2)ais，…，I(m)ais对应m个测试单元。对Aais(Aais∈p(i)ais)的刺激由第i个传感器和其他传感器建立的测试单元对应的独特位I(1)ais，I(2)ais，…，I(m)ais产生。但是，测试单元存在如下缺点[3]:测试单元的结果只能用0，1，-1来表示，不能利用人工经验等一些非确定知识。针对这些缺点本文进行了改进，设计了新型的测试单元。针对Ishida测试单元存在的不足，本文设计了模糊测试单元，使其能够反应传感器数值间的非确定性关系。在动态识别免疫网络中，独特位Iais实际上就是传感器数值Sj和Sk的关系的体现，而这种关系用在模糊论域可分为5个等级:{Sj小于Sk，Sj小于等于Sk，Sj在Sk的附近变化，Sj大于等于Sk，Sj大于Sk}。Sj和Sk之间的模糊关系则代表了动态识别免疫网络中抗体之间刺激的强度。设在t时刻，抗体Aais对应的传感器j通过独特位I(jk)ais收到来自k传感器的刺激为I(jk)ais(t)，则其隶属度为I(jk)ais(t) =∪5l=112πσaisle-(sj-sk-μaisl)22σ2aisl(1)式中I(jk)ais(t)∈(0，1)，两个数列之间的关系是互易的，所以I(jk)ais(t)=I(kj)ais(t);ηaisl，σaisl(l=1，2，3，4，5)是不同等级的隶属度函数的中的常数，由Sj和Sk之间的统计关系决定。由外部刺激引起抗体浓度ri产生变化，可表示为dr(i)aisdt=∑nj=1R(i)aisI(ij)ais∑ni=1R(i)aisξais+r(i)ais(1-ξais) (2)R(i)ais=2arctan(qais·r(i)ais)π(1-Rd)+Rd(3)式中Rd∈(0，1)，经验值取0.001;R(i)ais表示节点p(i)ais对应的第i个传感器的可信度，R(i)ais越大，传感器的可信度越高，由于qais·rais>0，所以Rais∈(Rd，1);ξais为灵敏度系数;qais是网络平衡状态的调节系数，主要作用是传感器网络在正常时的可信度调节在一个合适的范围内。
转贴于 2 参数确定的方法在本算法中，需要确定的参数有两类:一类是式(1)影响对独特位刺激程度的参数μais和σais，另一类是影响网络平衡状态的参数ξais和qais。参数μais和σais主要表征了和独特位对应的测试单元中两个传感器之间的关系。这种关系通常是生产工艺所要求的(或者工业过程特性决定的)。要确定参数μais和σais，首先要获取这两个传感器大量的现场数据，然后以它们相同时刻测量值的差作为样本。μais是该样本的正态分布的均值，σais是该样本的正态分布的均方差。参数ξais和qais影响网络的平衡状态，如图2所示。从图中可以看出:ξais越大，网络对外界的反映就越灵敏，但容易产生误报。qais越大Rais正常状态下就越大;但是，qais过大会造成测量失效状态下的可信度变大，容易发生漏报。参数ξais和qais可以通过学习得到。在传感器正常工作状态下，qais可通过以下公式得到qais(t+1) = qais(t)+αais(Rais-R0) (4)式中αais为步长系数;R0为qais调节时传感器正常状态下置信度的平均值，一般可取0.7。在某个时刻，1732传 感 技 术 学 报2008年能比较试验。ANFIS结构如图4所示，酵罐三个温度传感器，两个作为输入，另外一个作为输出，对传感器输入值的隶属度划分为两个区间:正常和异常。经过训练以后和分别对应于两个输入传感器的“标准可信度”。图4 ANFIS的结构例如，当对于罐顶传感器的置信度评估时，建立2个ANFIS:ANFIS-1:输入为罐顶传感器和罐中部传感器，输出为罐底传感器，w(1)top表征罐顶传感器的置信度。ANFIS-2:输入为罐顶传感器和罐底传感器，输出为罐中部传感器，w(2)top表征罐顶传感器的置信度。那么，罐顶传感器的置信度为w(1)top和w(2)top的平均值。其余两个传感器的评估方法也同样。AN-FIS实验使用和人工免疫网络实验相同的数据，数据窗口大小为30 ks。由于两个实验中的置信度没有可比性，人工免疫网络算法中的置信度来源于人工经验，ANFIS的标准的可信度来源于归一化的权系数。因此，论文比较的是:传感器“故障”引起的其置信度变化率ηt，ηt=| Rm-Ra|Rm(6)式中:Rm表示正常状态下的置信度，Ra表示异常情况下的置信度。对比实验的结果如表2所示，从中可以看出，两种方法结果是一致的，而当偏差数据较大时，ANFIS方法ηt的较大，对故障数据比较敏感，在偏差较小时，人工免疫网络算法的ηt较大，对故障数据比较敏感。因此，人工免疫网络算法适用的数值范围更广一些。表2 对比实验的ηt结果传感器偏差数据/℃人工免疫网络方法ANFIS方法罐顶传感器-0.50 34.6% 57.7%罐中部传感器-0.30 18.1% 4.8%罐底传感器-0.15 6.4% 0.2%
3 结论论文研究了连续过程中传感器具有非确定关系情况下的传感器置信度评估。实验证明:①具有模糊测试单元的人工免疫网络能够使用人工经验对传感器的数据置信度进行评估;②具有模糊测试单元的参数物理意义明显、确定方法简单易行。但是，论文中的算法在某些情况下抗干扰能力较弱。例如，图3(c)所示情况应用单条件的阀值比较的方法输出的结果不稳定，论文将用复合的判决条件的方法在此深入研究。
参考文献
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第13篇
【关键字】传感器；内容编写；辅助教材结构
【中图分类号】G40057 【文献标识码】A 【论文编号】1009―8097（2008）13―0077―01
一 辅助教材编写的背景
《传感器》课程是测控技术与仪器专业以及电子信息类专业的一门核心课程，它涉及多学科的知识，是一门内容繁杂的交叉学科。我校测控技术与仪器专业的性质是一门以电子测控技术、智能仪器技术和自动测试技术为技术基础，以计算机及电子信息技术为工具的高新技术学科。由于专业课程设置，学生学习电子技术及电子测量相关的课程较多，因此在传感器的授课中对检测不必过多讲解，而本专业学生缺少机械、仪器设计及工程力学方面的知识，也就是说在传感器应用和设计方面的基础知识欠缺，这样就导致在《传感器》教材的选择上具有一定的局限性。近几年来,本专业一直使用的教材是强锡富教授主编的《传感器》，学生反映在传感器的设计和应用方面理解比较困难，究其原因是学生缺乏机械原理、精密仪器、工程力学方面知识。对比各种教材，不太切合我校测控专业的实际，因此根据专业特色，主要参考强锡富教授主编的《传感器》一书，结合本专业的课程设置制作课件，编写多媒体辅助教材，并将多媒体辅助教材提供给学生，进而改善了教学效果。
二 辅助教材编写的特色
1 内容简单明白。通过知识的提炼，辅助教材具有言简意赅，深入浅出、通俗易懂，一目了然的效果。辅助教材对内容的提炼主要体现在以下几个方面：
首先，合理的内容结构有助于学生对传感器知识的系统掌握，每章内容从五个方面介绍：基本效应、基本结构、基本电路、基本特性、基本应用。传感器的基本物理效应、基本结构及基本电路是反映事物本质的理性知识，是本课程的讲授重点。而基本特性及基本应用则是寓于理性知识的反映事物表面现象的感性知识，其准确性及唯一性都欠佳，而且易学易忘，因而不能教授过多，但考虑到这两方面内容在教学中是相辅相成的，因此辅助教材对后者也有相当篇幅的阐述。以半导体气体传感器为例，对此进行说明，具体内容见表1。
其次，教学难点实例引入，以谐振式传感器原理介绍为例。对于谐振式传感器，辅助教材此部分主要以单自由度二阶振动系统为例，通过分析受迫振动和阻尼振动得出系统振动频率的表达式，然后介绍分类、测量电路及应用。这种对于较难章节原理深入浅出的讲解方法，有利于学生的理解。
2 原理知识与实际应用的结合。传感器原理方面的知识大部分在相关课程如大学物理、模拟电路等课程已学过，如果在课堂上重新叙述原理，学生会感到没有兴趣，辅助教材中，讲解原理的重点是启迪学生如何运用所学的知识解决问题。如电容式传感器，辅助教材先举例说明实际的应用，然后让学生分析原理，通过不同问题的回答，让学生自己分析出其分类、缺点及解决方法。这种讲解方式即消除了讲解原理知识的枯燥，又增加了学生对实际问题的思考。另一方面，用简图和实际装配图结合的方式介绍传感器的应用，简图讲解传感器应用的测量原理，装配图介绍传感器的实际应用方法，这样即增加对传感器的理性认识，又增加对传感器的感性认识。
3 基础与现代的结合。为了使学生了解当代传感器的新技术，增长知识，以利于学生创新思维和研发能力的提高，在辅助教材中加入了新型传感器。对新型传感器及传感器最新动态的介绍主要体现在以下方面：（1）集成传感器的应用，如在介绍热式传感器的应用时，介绍数字温度传感器DS18B20与模拟温湿传感器HSM-20R的应用；（2）敏感器件和测量电路结合起来的新技术，如在介绍热电偶冷端温度补偿时，介绍MAXIM公司近期推出的数字输出K型热电偶信号处理集成芯片MAX6675的特点及应用；（3）常见传感器目前的近况，如电容传感器中的触觉传感器等。
4 课后设计题的设置，扩充了学生传感器的知识面，提高了学生创新和设计能力。辅助教材每章设置一两个应用性设计题和思考题，学生以小论文的形式完成设计性习题。如应变片传感器章节布置电子称的设计、光电传感器章节布置太阳灶阳光跟踪系统的设计、超声波传感器章节布置水泵流量测量仪设计等。学生要完成这些题目，需要查阅相关资料，结合电子测量、智能仪器、测控电路等相关专业知识完成，提高了学生工程设计的能力和专业知识综合运用的能力。
三 总结与展望
辅助教材针对本专业的特色和课程设置，积累授课教师多年的授课和科研经验编写而成。此辅助教材已经使用两年，通过使用第一年学生的调查，大部分同学反映简单明白，改善了学习效果，少部分学生反映辅助教材内容不够深和广，因此辅助教材在第二年加入思考题和小型设计题进行完善，通过这一环节，解决课时少和知识面广之间的矛盾。通过调查，大部分学生反映辅助教材简洁清楚，提高了学习效率。但是由于设计题是课后习题，学生重视程度不一，做的结果差别很大，因此需要采取一定的措施，以调动学生的积极性，提高学生的完成质量，这方面在今后的教学中需要不断改进。
《传感器》课程是在大四第一学期进行，这阶段的学生由于就业压力，对课堂内容往往不够重视，因此课堂的质量和效率是吸引学生的关键。自从采用将辅助教材发到学生的手中和多媒体教学结合的方法，课堂气氛活跃，通过课后设计题的完成，激发了学生的学习兴趣，巩固了专业知识，扩展了学生的视野和增强了自信心，可谓一种成功的教学方法。
参考文献
第14篇
【关键词】压力传感器；电磁敏感性；电磁兼容；模拟退火算法；仿真软件分析
电磁兼容是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力[1-2]。电磁敏感性是指存在电磁骚扰的情况下，装置、设备或系统能够避免性能降低的能力。在具体论文研究中，将针对传感器的电磁兼容问题，提出优化设计方案，确保提升传感器的电磁敏感性。
1.提高传感器电磁敏感性原因
传感器在运行过程中需具有有一定的抗电磁干扰性[3]，电磁干扰除影响传感器的正常工作外，对人体健康也会造成有害的影响，这样的传感器在实际使用中是不安全的[4-5]，所以需要提高传感器的电磁敏感性，使传感器符合电磁兼容要求。文中所指的传感器，对外界的电磁影响可以忽略不计，故只需要研究传感器的抗电磁干扰性，并提高传感器的电磁敏感性。
2.影响传感器电磁敏感性主要因素
2.1电磁干扰源因素。在传感器运行过程中，由于会受到来自外界的无线电发射装备、高速数字电子设备、整机电气设备的静电放电、接触噪声、电路的过度现象、电磁波反射现象等的影响，产生电磁干扰，从而降低传感器的电磁敏感性[6]。2.2电磁耦合途径因素。在传感器设计中，其电路板上的引线、元器件都会产生电流，也都有电位，因此会在电路板上产生电磁场，若是传感器的电路布线和元器件的布置不合理时，会对传感器正常运行产生寄生耦合干扰，外界介质按电磁场的规律向传感器周围空间发射电磁干扰，也会降低传感器的电磁敏感性[7]。
3.传感器电磁敏感性优化设计
3.1运用模拟退火算法优化
传感器电磁兼容通常需要满足GJBl5lA-1997标准，若是仅运用传感器单层外壳屏蔽的方式并不能满足电磁兼容要求，因此可运用模拟退火算法，原理图见图1，不仅能够避免受到初始条件的约束，也可以找出能够解决电磁干扰的最佳方案，从而提高压力传感器的电磁敏感性。图1模拟退火算法原理图1）初始温度t0的选取t0要选取的足够大，Johnson等建议通过计算若干次随机便换目标函数平均增量的方法来确定t0的值。其中，为上述平均增量，x0为初始接收率，一般取0.8～1之间的数。2）温度衰减函数的选取一个常用的温度衰减函数是其中，α取0.5～0.99之间的数，固定控制参数值的衰减步数K，把区间[0,t0]划分为K个小区间，把温度衰减函数取为：3）Markov链的长度Lk的选取固定长度：Lk通常取为问题规模n的一个多项式函数。有接受和拒绝的比率来控制Lk：当温度很高时，Lk应尽量小，随着温度的渐渐下降，Lk逐步增大。4）终止温度tf（停止准则）的选取用循环总数控制法、接收概率控制法等进行选取。
3.2运用仿真软件分析优化
运用Protues（英国LabCenterElectronics公司出版的EDA工具软件）软件进行传感器电磁兼容仿真，仿真分析传感器的电磁敏感性薄弱环节，从而有针对性的进行相应优化，在优化设计后明显缩小了磁场的聚集点范围，大大削弱电磁干扰强度，传感器的电磁敏感性得到了提高，仿真图见图2。
3.3提高电磁敏感性的其它方法
3.3.1电磁屏蔽用屏蔽体将干扰源包封起来，或用屏蔽体将传感器包封，使传感器免受外界空间电磁场的影响。屏蔽技术虽然能有效地阻断电磁干扰的传播通道，但又会使传感器维修不便，并导致重量、体积和成本的增加，所以应采用合理的措施。3.3.2优化信号设计传输信息的电信号需要占用一定的频谱。为尽量减小电磁干扰，对有用信号应规定必要的最小占用带宽，这有赖于优化信号波形。3.3.3完善线路设计应设计和选用自身发射小、抗干扰能力强的电阻线路作为传感器的单元电路。3.3.4合理布局合理布局包括系统设备内各单元之间的相对位置和电缆走线等，其基本原则是使感受器和干扰源尽可能远离，输入与输出端口妥善分隔，高电平电缆及脉冲引线与低电平电缆分别敷设，通过合理布局能使干扰减小到最小程度。3.3.5滤波滤波是借助抑制元件将有用信号频谱以外不希望通过的能量加以抑制，它既可以抑制干扰源的发射，又可以抑制干扰源频谱分量对敏感设备、电路或元件的影响，滤波能十分有效地抑制传导干扰。3.3.6接地与搭接不管是否与大地有实际连接，只要为电源和信号电流提供了回路和基准电位，就通称为接地。电子设备接地是抑制噪声和防止干扰的重要措施之一。设计中如能周密设计地线系统，使用接地、滤波和屏蔽等措施，能有效提高传感器的电磁敏感性。
4.实例仿真分析解决电磁干扰
取三只传感器，按GJBl51A、GJBl52A条件进行试验，分析比较传感器在优化设计前和试验中的零位输出值，相关数据见表1。由表1可以看出，优化设计后的传感器其电磁敏感性得到了很大的提高。
5.结论
综上所述，传感器由于受到电磁干扰的影响，会降低传感器的电磁敏感性，因此需要对传感器进行优化设计，可运用模拟退火优化算法和仿真软件分析来预测传感器频能量分布的聚集点与畸变点，合理调整传感器设计方案，并对传感器做好电磁屏蔽、优化信号设计、完善线路设计、合理布局、滤波、接地与搭接等，对提高传感器的电磁敏感性，解决传感器的电磁干扰，能发挥积极的应用价值。
作者:雷钢 王长虹 齐虹 刘亚娟 刘涛 单位:中国电子科技集团公司第四十九研究所
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第15篇
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[作者简介]刘晓红（1989—），女，山东日照人，会计硕士在读。研究方向：审计理论与实务。
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