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基于有限元的相關理論，首先對標定裝置的機械結構建立模型。黃色部分為標定裝置，藍色部分為電場傳感器。然后，對幾何模型進行單元剖分、加載，可求解出標定裝置兩極板間的電場分布情況。根據求得的電場分布情況，可進行標定裝置結構參數的設計。在計算求解過程中，改變加載在兩極板間的電壓，使兩極板間形成的電場強度的理論值始終為20kV/m。被標定的場磨式電場傳感器外殼直徑8cm，感應片直徑6cm，傳感器外殼與標定裝置的下極板接觸。

2.1標定裝置極板間距和極板直徑對電場的影響研究

在標定裝置的設計上，受限于被檢電場傳感器的尺寸，以及要考慮標定裝置的便攜性，把標定裝置的極板直徑L固定為16cm。在L固定的條件下，分析兩極板間距H對極板間電場強度的影響，并以此確定極板間距H。依照圖2所建立的模型，取H值分別為1cm,2cm,3cm,4cm和5cm,，。橫坐標是電場傳感器感應片距離標定裝置中心的橫向距離，單位為m；縱坐標是感應片某一位置處的電場強度，單位是V/m。同時，在感應片的敏感范圍（x<0.03m）內，電場強度并非恒定值，而是隨著與標定裝置中心距離的增加發生了畸變。圖6為極板間電場強度實際值的畸變情況。理想情況下，在感應片的敏感范圍內，電場強度應保持不變，但由于標定裝置中極板邊緣效應的存在，使得感應片敏感區域內的電場不是一個恒定值，距離電場傳感器的外殼越近，畸變程度越大。定義在感應片敏感范圍（x<0.03m）內各個位置處電場強度的平均值與理論值之比為電場強度的畸變率，并用該值來衡量電場強度的變化程度。畸變率越小，說明所產生的電場越接近均勻分布。綜上，在極板直徑固定為16cm時，極板間距為5cm時，電場強度的實際值與理論值最為接近，且在電場傳感器感應片感應區域內電場的畸變最小。同時，在保證H/L小于0.5的條件下，極板直徑L對實際電場的影響非常小。

2.2傳感器外殼與標定裝置的相對位置研究

當標定裝置與被檢電場傳感器配合不好時，容易使被檢電場傳感器相對于標定裝置發生傾斜。模型中，極板直徑為16cm，極板間距為1cm，傾斜角度為1.5°。標定裝置的傾斜，會對被檢電場傳感器感應片上方的電場分布造成較大影響。圖9是基于圖8的傾斜模型計算得到的感應片上方的電場強度的橫向分布。由于相對傾斜后，模型不再對稱，因此分析了整個感應片上方（-3cm~3cm）的電場強度的橫向分布，并將結果與沒有相對傾斜時的感應片上方電場分布作了比較。被檢電場傳感器與標定裝置在相對傾斜角為1.5°時的電場的畸變情況，比沒有相對傾斜時嚴重。有相對傾斜時，感應片上方電場分布更加不均勻，因而被檢電場傳感器與標定裝置間的相對傾斜會對標定結果產生較大影響。在標定裝置設計中，應使標定裝置與被檢電場傳感器的外殼的直徑盡可能接近（極限情況是外徑與孔徑的差值為零），以使得兩者緊密結觸，從而保證被檢電場傳感器與標定裝置之間不會發生相對傾斜。

3便攜式標定裝置的優化設計和實驗結果分析

當輸出為-3kV至+3KV的可調直流電源加在兩極板上時，兩極板間的電場強度理論值的范圍為-60kV/m~+60kV/m。使用在標準標定裝置中標定好的電場傳感器測量本文工作中所設計的便攜式標定裝置中的實際電場。實測電場強度與所加電源電壓之間有良好的線性關系，同時，實測電場小于理論電場，兩者的比值約為0.92，這與給出的仿真結果吻合。在野外的實際標定過程中，保持被檢電場傳感器與標定裝置的位置不變，使得電場強度理論值與實際值的比值保持不變，在此基礎上，可以通過加在兩極板間的電壓計算出電場強度的理論值，計算出電場強度的實際值。然后，通過電場強度實際值與被檢電場傳感器輸出值兩者間的關系，計算出被檢電場傳感器的靈敏度，實現對被檢電場傳感器的標定。經過較長時間的現場使用，所研發的便攜式標定裝置能夠方便、快捷地對場磨式電場傳感器進行校準。目前，該校準裝置已經應用于中國電力科學研究院特高壓直流實驗基地高壓直流輸電線路地面合成電場測量系統中，并已取得了良好的效果。

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基于IEEE1451.5和藍牙協議的無線網絡化傳感器由STIM、藍牙模塊和NCAP三部分組成，其體系結構如圖1所示。此方案的實現，相當于在IEEE1451.2的結構模型上取代了原有的TII接口。采用無線的藍牙協議實現連接，類似于實現了一個無線的STIM和無線NCAP接收終端的模式。通過在原有的STIM和NCAP中嵌入了藍牙模塊，構成的無線NCAP和無線STIM，以點對多點在藍牙匹克網以主從方式實現相互通信。

與典型的有線方式相比，上述無線網絡模型增加了兩個藍牙模塊。對于藍牙模塊部分標準的藍牙對外接口電路一般使用RS232或USB接口，而TII是一個控制鏈接到它的STIM的串行接口。因此，必須設計一個類似于TII接口的藍牙電路，構造一個專門的處理器來完成控制STIM和轉換數據到藍牙主控制接口HCI（HostControlInterface）的功能。

3藍虎無線抄表傳感器的設計

基于上述無線傳感器結構模型給出的無線抄表傳感器的結構原理，如圖2所示。整個傳感器核心部件是實現數據采集的前端STIM部分和實現網絡接口的NCAP部分。STIM完成數據的采集和處理（濾波、校準等），NCAP完成傳感器的網絡接口，實現對PSTN電話互網連。STIM和NCAP之間用藍牙無線接口連接。STIM選用8位處理器實現，而NCAP的網絡接口通過8位的處理器和內嵌Modem的形式實現。

（1）NCAP部分硬件設計

抄表傳感器NCAP硬件部分選用的處理器、藍牙模塊和內置Modem分別是Winbond公司的W78E58處理器、Erricsson公司ROM101008系列藍牙模塊以及OKI公司的調制解調芯片MSM7512B。

圖3

由于系統中藍牙模塊接口采用的是RS232串口，同時處理器和內置Modem的通信接口也要用到RS232串口，因此我們選用W78E58處理器。該處理器具有雙串口。ROK101008系列藍牙模塊遵從藍牙1.1規范，是一個點對多點的通信模塊。該模塊可以同時和在其范圍內被連接的7個藍牙從設備實現數據傳輸。MSM7512B為OKI公司推出的FSK模式調制解調器芯片，通過設置引腳MOD2和MOD1選擇四種工作模式的一種。MT8888C作為DTMF接收器時，DTMF信號從IN+和IN-輸入，一旦信息被寫入到接收寄存器中，MT8888C將置位狀態豁口中接收寄存器滿標志位和IRQ/CP端電平來通知控制器準備接收數據；MT8888C作為DTMF發送器時，數據被寫入發送寄存器，經內部轉換合成DTMF信號從TONE端輸出。本處采用中斷方式檢測DTMF振鈴信號。圖3為藍牙抄表傳感器NCAP部分的硬件電路原理。

（2）抄表傳感器NCAP部分軟件設計

抄表傳感器NCAP部分的軟件設計，主要是在單片機上完成兩部分功能的程序編制：一是初始化藍牙模塊，使抄表傳感器NCAP部分上主設備模塊和所有范圍內的從設備模塊建立連接；二是驅動MSM7512B和MT8888C工作，實現與PSTN的連接。

①藍牙模塊初始化。參照008藍牙模塊的工作方式，即通過單片機向藍牙模塊發送HCI（HostContr

olerInterface）分組。HCI指令包括指令分組、數據分組和事件分組。具體格式為：操作碼+參數總長+參數0+……+參數N。

如下給出主、從設備間實現ACL數據連接的HCI指令（字符對應相應指令的操作碼，由前10位和后6位兩部分組成，括弧內為該指令的參數）：從設備上電后實現查詢使能進行復位Write_scan_enable(0x3)。主設備發送查詢HCI指令Inquiry(0x9c8b33,8,0)，假定從設備的地址為0x000000000000,則建立ACI連接的HCI指令為Creat_Connection(0x000000000000,0xcc18,0,0,0,0)。從設備接收連接請求指令為Accept_connection_request(0x111111111111,0)，假定主設備的地址為0x111111111111。這樣主從設備之間即建立了ACL數據連接。其中Inquiry對應的操作碼為：0x0001,0x01。具體指令參見藍牙規范。②初始化MSM7512B和MT8888C。首先使能MSM7512B，選擇模式1。值得注意的是，復位MT8888C時，必須將上電后延時100ms。具體復位方式參見MT8888C數據手冊。

如下給出單片機的初始化程序及外部中斷0的服務程序。

/*初始化程序*/

TCON=0x40H;//Timer1使能

TMOD=0x20H;//Timer1為定時器，8位自動重裝TH1到TL1

CKCON=0x30H;//Timer1和Timer2時鐘為1/12CLOCK

SCON=0x50H//串口0模式1，波特率由Timer2決定

IE=0xD1H;//使能中斷（串口1和串口2以及INT0）

SCON1=0x50H;//串口1模式1，波特率由Timer1決定

T2CON=0x34H;//Timer2自動重裝RCAP2L到TL2，RCAP2H到T2H

WDCON=0x02H//Watchdog復位使能

TL1=0xFDH;TH1=0xFDH;TL2=0xFDH;TH2=0x00H;

RCAP2L=0xFAH;RCAP2H=0x00H;

/*初始值設置，設置串口1和串口2的波特率為9600bps*/

Init_008();//初始化藍牙模塊

Reset_mt8888c();//復位MT8888C

P1^0=1;P0=0x00H;//使能MSM7512，選擇模式1

/*外部中斷0的服務程序*/

voidservice_int0()interrupt0

{SendRecord();//傳送監測記錄……}

（3）STIM的設計

大多數傳大吃一驚器的STIM部分設計相對簡單，因為電表數據采集的功能比較單一。圖4為STIM數據采集部分的原理框圖。

硬件設計時，電表數據采集部分和傳統的有線方式一樣，只是硬件上增加了藍牙模塊作為和上層藍牙傳感器NCAP的無線接口。數據采集部分經光電轉換后的數字脈沖接到單片機的計數器口，實現計數，然后將必要的電表數據量送至藍牙模塊。單片機遷移家長普通的8031即可，模塊選用的是ROK101008系列。軟件上除了要注單片機上完成數據采集的部分程序外，上電時還應該初媽嘩藍牙模塊，使模塊能夠在其有效范圍被搜索連接。數據采集部分程序主要是實現對計數器的計數，同時轉換成電表參量，然后徑藍牙模塊送到NCAP。

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1．2基本結構

實現定量檢測和自動報警等功能，單片機是核心部件。本設計選用STC89C52單片機，它是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，可滿足系統工作的要求。該系統以STC89C52單片機為核心，包括阻抗測試模塊、阻抗電壓轉換模塊、電壓放大電路模塊、A/D轉換模塊和顯示及報警模塊。此系統采用模塊化設計不僅便于擴充不同測量單元，而且可防止各模塊間相互干擾，利于儀器穩定。

2硬件選型及電路設計

2．1集成放大器選擇

A/D轉換電路所需的電壓幅值一般為2V，而叉指微電極輸出的電壓信號比較小，所以需要對叉指微電極輸出的電壓信號進行放大。主放大電路采用放大器ICL7650，其電路具有電源電壓范圍寬、靜態功耗小、可單電源使用及價格低廉等優點，廣泛應用在各種電路中。

2．2A/D轉換模塊設計

經放大電路輸出的電壓值是模擬信號，不能直接送入單片機進行處理，還必須進行A/D轉換后送入單片機進行處理。本設計選擇ADC0809芯片作為AD轉換裝置，此芯片功能簡單，能穩定實現本設計的要求。

2．3顯示及報警模塊設計

2．3．1顯示電路設計

傳感器需要輸出液晶顯示結果，主要包括檢測物名及物質濃度等。本系統選用LCD1602液晶顯示屏，它是一種專門用來顯示字母、數字、符號等的點陣型液晶模塊，能夠同時顯示16×2(16列2行，即32個)字符，可滿足顯示檢測物名稱和濃度的要求。

2．3．2報警電路設計

為了實現超限自動報警的功能，需要蜂鳴器接受單片機發出的超限報警信號發出警報，警示微生物的數量已經超標。要實現自動報警的功能，可采用實現單頻音報警。其接口電路較簡單，發音元件為壓電蜂鳴器，當在蜂鳴器兩引腳上加3～15V直流工作電壓時，可產生3kHz左右的蜂鳴振蕩音響。壓電式蜂鳴器結構簡單、耗電少，更適于在單片機系統中應用。壓電式蜂鳴器約需10mA的驅動電流，可在單片機一端口接一只三極管和電阻組成的驅動電路來驅動。濃度超標時，單片機P3．6輸出高電平，驅動蜂鳴器報警，提醒檢測者被測物超標，并做相應處理。

3軟件設計

為了便于程序修改和升級，軟件系統采用模塊化設計方法，主要程序包括:主程序、鍵盤處理子程序、數據處理子程序、液晶顯示子程序及報警子程序。系統工作流程為:檢測人員通過鍵盤輸入被測物種類，MCU通過判斷處理之后，阻抗測試儀測量獲得多個阻抗值，經阻抗電壓轉換電路和放大電路，A/D轉換器處理，將得到的數字信號送入MCU;MCU對數字進行計算、比較等處理，得到被測物濃度，判斷出濃度是否超限;接著，MCU將濃度送入LCD進行顯示，判斷比較結果是否需要進行報警，需要時則控制報警器報警。

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2．1主控制器端口分配及人機交互模塊

主控制器選擇TI公司的MSP430F169，利用其豐富的中斷作為按鍵輸入，內部自帶的UART模塊實現串口通信，采用IO口模擬SPI總線與DAC通信，低功耗的128×64LCD用于顯示輸出信號大小及對應的氣象量。主控制器的最小系統及端口分配如圖2所示。主控制器的P1．0～P1．3接按鍵，采用中斷方式。4個按鍵的功能包括：調節電信號和氣象量之間的轉換關系鍵SET、增大和減小輸出信號鍵UP和DOWN、確認保存參數鍵ENTER；P3．0～P3．3端口的RS、RW等為LCD的控制總線；P5．0～P5．7為LCD的數據總線；P3．6～P3．7為單片機部自帶的UART模塊的收發端口，用于串口通信；P4．0～P4．2作為DAC的SPI總線；P4．3～P4．6用于存儲器的總線。TDO／TDI～TCK為單片機的下載口。P6．0端口MeaV為單片機內部自帶的ADC模擬輸入通道，用來監測系統電源。晶振X2和電容C1、C2構成時鐘電路，電阻R8和電容C3構成上電復位電路。

2．2模擬信號產生DAC模塊

為產生程控的高精度電壓信號，采用高精度的數模轉換芯片，輔以總線隔離、電源隔離等措施提高精度。工藝上采用四層印制板電路。產生的信號為微伏級，選用16位的低功耗、單通道電壓輸出型DAC芯片AD5660，滿量程輸出電壓范圍可達2．5V。軟件編程模擬SPI總線與主控制器通信。AD5660內部硬件結構如圖3所示，主要由數字量輸入寄存器、電阻串型DAC、基準源、輸出緩沖放大電路組成。由圖3可知，AD5660內部含有一個增益為2的放大器。設D為載入DAC寄存器的二進制編碼的十進制等效值，則輸出電壓VOUT的大小為16位的AD5660－1內置1．25V的基準電壓，輸入數字量D的范圍為0～65535。根據式（1），輸出電壓VOUT的范圍為：0～2．5V。采用總線隔離和電源隔離措施，以提高輸出電壓的精度。iCoupler技術的四通道數字隔離器ADUM1401具有優于光耦合器的出色性能［4］，系統利用ADUM1401作為DAC模塊的SPI總線數據轉換器，使AD5660的總線與主控制器完全隔離。同時，采用DC－DC芯片MEB01Z－05S05D為信號產生部分提供獨立電源。MEB01Z－05S05D的輸出功率可達到1W，且其具有極低的紋波，Vp－p≤10mV。其電路如圖4所示。

2．3信號調理電路

濕度傳感器輸出信號為0～1V，氣壓傳感器設置于模擬模式時，輸出電壓為0～5V，而總輻射傳感器的輸出信號十分微弱，小于30mV。DAC輸出信號需要經過調理電路，產生與傳感器輸出范圍和分辨率一致的信號。這里以產生0～30mV的微弱電壓信號為例，設計其信號調理電路如圖5所示。

2．4參數存儲及串口構成軟件補償電路

除采用總線隔離、電源隔離、低溫度系數電阻、低失調電壓運放等提高系統輸出信號的精度外。設計參數存儲和串口通信電路，利用軟件來對信號輸出進行校準，進一步提高輸出信號的精度。軟件補償的思路是采用零滿刻度校準法，用高精度的61／2位數字萬用電表測量系統在零點和滿量程時的實際輸出，并記錄與理想值的偏差。上位機通過串口將偏差值寫入到存儲器中。系統每次進行D／A轉換之間先讀取存儲器中的偏差值，并調整單片機送給DAC的數字量，使輸出信號接近理想值。偏差值存儲于EEPROM中，如圖6所示。同時，氣象量和電信號之間的轉換函數關系也存儲于EEPROM中。MSP430F169內部自帶了UART模塊，只需在輔以常用的MAX232構成電平轉換電路即可與上位機通信。

3系統軟件電路設計

系統任務主要包括時鐘初始化、LCD的初始化、信息顯示、系統電源電量顯示、軟件校準、按鍵切換輸出檔位等。根據各功能模塊，確定系統的軟件設計流程和中斷服務程序功能。主程序主要完成初始化工作；電量檢測需定期進行，故在定時中斷服務程序中完成；檔位切換和信息顯示等在外部中斷服務程序中實現；校準參數和轉換函數通過串口的中斷服務程序由上位機寫入EEPROM中。系統主程序流程如圖7所示。輸出信號大小的調整由按鍵中斷服務程序實現，圖8為UP鍵按下時的服務程序流程。

4系統測試

為提高系統精度，PCB采用4層印制板。中間2層為GND和隔離后的電源。利用高精度的61／2位數字萬用電表對系統進行零滿刻度校準。校準步驟如下：（1）設定輸出值為0mV，利用萬用電表測量此時的實際輸出電壓值V1；（2）將V1通過串口調試助手寫入下位機，單片機根據V1計算零點偏差，并保存于EEPROM中；（3）設定輸出值為30mV，利用萬用電表測量此時的實際輸出電壓值為V2；（4）將V2通過串口調試助手寫入下位機，單片機根據V1，V2，計算線性校準函數的斜率和截距，并保存于EEPROM中。系統校準后，再通過按鍵切換輸出檔位，并用萬用電表測量實際輸出值，測試結果如表1所示。結果表明，系統經過軟件校準后，輸出微弱電壓信號的誤差小于10μV。但通過高速的數據采集卡測量，系統瞬時值存在80μV的抖動。分析其原因是由于萬用電表測量時進行了滑動平均處理，測量值為短暫時間的平均值，抖動被抵消。經過反復測試和分析得知，雖然采用4層PCB在硬件上減小了干擾，但空氣中的電磁場仍然在PCB板上形成了干擾。整個PCB需要采用一定的屏蔽措施或在有良好的電磁環境下測試。

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現代社會是信息化的社會，人們的主要交流和溝通都是通過對信息的傳遞、處理而進行的。傳感器就是人們從自然界獲取各種相應外界信息的方式，能夠將相應的需要采集的信息轉換成為控制芯片能夠識別的電流或者電壓等信號，在現代的控制測量系統中具有不可缺少的作用。

本論文主要介紹的是電渦流式位移傳感器。電渦流式位移傳感器屬于電感式位移傳感器的一種，是基于電渦流效應而工作的傳感器，具有很多優點：高分辨率、高可靠性、較寬的頻率響應以及較高的靈敏度等等。

該傳感器還具有很強的抗干擾能力，相比而言，傳統的傳感器具有非線性誤差，要求工作環境恒定或者價格較高[1]。

2.電渦流式微位移傳感器

2.1 傳感器發展歷程

國外在工業化的過程中，逐漸將傳感器廣泛應用在各個生產領域，在航天和軍事領域也有十分領先的傳感器應用。之后伴隨各個國家的機械、自動化、計算機等信息產業如日中天，歐美國家以及亞洲的日本都對世界的傳感器具有相當重要的影響。

我國主要是在1960年開始對傳感器進行開發工作。國家組織大批科研人員對其進行研究和開發，并實施了“八五”、“九五”等國家計劃，使得其取得了十分矚目的應用成就。然而我們也應該清醒地意識到，我國在傳感器的基礎制造工藝等方面還不能和發達國家相提并論，許多核心技術以及芯片都要進口。與此同時，我們的傳感器在國際上沒有太大競爭力，產品研發和更新速度很低，缺少實用創新性[2]。

2.2 傳統傳感器缺點

以往的傳感器和電渦流位移傳感器比起來，具有以下幾個方面的嚴重不足：

（1）輸入一輸出特性存在非線性且隨時間而漂移；

（2）環境會干擾參數，使得測量結果發生漂移；

（3）因結構尺寸大，而時間響應特別差；

（4）易受噪聲干擾、信噪比低；

（5）靈敏度或者分辨率不夠理想。

2.3 電渦流式微位移傳感器

本論文所要介紹的電渦流位移傳感器，其工作原理是利用了渦流效應。該類型的傳感器，通過渦流效應使相應的位移的變化，轉換成線圈的阻抗值變化；之后利用特定的電路將線圈阻抗值變化轉換成為電壓的變化，再進行檢測和輸出，根據相應的公式或者經驗，能夠還原成位移信息。這種傳感器具有很多優點，比如具有很高的靈敏度、簡單的結構以及及時的動態響應。該傳感器廣泛應用在測量振動和位移等信息量上。大體上輸出的電壓信號與位移的變化量是線性的關系，公式是ΔS=K?ΔV。其中K是系統的比例常數，在不同的傳感器中根據系統結構的不同是不一樣的。

2.4 電渦流式位移傳感器測量原理

公式能夠精確描述該原理。我們根據公式可以得知，在其他條件不變的情況下，Z（線圈的阻抗）與S一一對應。電渦流傳感器測量位移的原理就是基于此公式，在特定的信號激勵過程中，傳感器會依據位移變化而產生電壓的變化。

3.測量系統的硬件設計

3.1 主控芯片

本論文設計的電渦流微位移傳感器使用的主控芯片是AT89S52單片機。MSC-51單片機是八位的非常實用的單片機。本論文所使用的AT89S52單片機就是基于這款單片機的。MSC-51單片機的基本架構被ATMEL公司購買，繼而在其基本內核的基礎上加入了許多新的功能，同時擴展了芯片的容量以及加入flash閃存等等。51內核的單片機具有很多優點，因此無論是在工業上還是在一些電子產品上應用都很多。全球也有許多大公司對其進行擴展，加入新的功能。即使是在今天，51單片機仍然在控制系統中占據很大市場[4]。

下面對本論文所使用的單片機作簡要介紹。AT89S52單片機具有最大能夠支持的64K外部存儲擴展，同時還具有8K字節的Flash空間。該單片機具有4組I/O口，分別是從P0到P3，同時每組端口具有8個引腳。每個引腳除了能夠作為普通的輸入和輸出端口外，還具有其它功能，也就是我們通常所說的引腳復用。其還具有斷電保護、看門口、計時器和定時器。51單片機一般的工作電壓是5V。

3.2 顯示模塊

本論文設計的LCD1602電路，該液晶模塊能夠顯示2行*16列的字符，相對于數碼管而言，顯示更加靈活多變。該液晶模塊用來顯示其測量處理后的數據。

4.測量系統的軟件設計

本論文的主程序循環采集電量的變化，并實時顯示在液晶模塊上。系統軟件是指完成系統設計功能的軟件。為了提高系統的實時性、可靠性，在編寫系統應用軟件時，主要考慮以下兩方面：

（1）提高系統抗干擾性能。在工業現場不可避免的有各種抗干擾因素。因此本系統除了在硬件上硬件復位和加電容濾波外。在軟件上，采用了指令冗余技術、延時消抖技術以及對位移大小采樣值進行中值濾波的數字濾波方法，進一步提高系統的抗干擾能力。

（2）采用模塊化編程。將系統的應用程序分為若干個功能模塊，這些模塊可以任意更改而不影響程序的其余部分，將各個功能模塊程序調通后，再把各個功能模塊結合起進行聯調，這大大減少了調試時間，提高了程序的通用性，方便程序的修改和檢查。

5.總結

電渦流位移傳感器是一種基于電渦流效應的傳感器，能夠將位移的變化轉換成電量的變化。本論文主要介紹了傳統傳感器的發展歷程，進而介紹了電渦流式微位移傳感器的測量原理和優勢，并基于單片機設計了測量系統。

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篇7

目前已有的各個測試系統存在各種各樣的缺陷，并且各種方法只能實現對某一種故障的監測，還無法實現對高壓開關柜的運行狀態準確監測。針對于上述的情況，針對于上述的情況，對高壓開關柜在運行過程中各故障狀態下的氣體成分進行了分析，發現各種故障狀態下，高壓開關內部會產生不同的特征氣體。由此可見，采用變壓器油色譜測試的原理，通過對不同特征氣體的分析，可以實現對高壓開關柜運行狀態的監測。基于上述的原理，本論文介紹了基于故障氣體原理開發了便攜式開關柜故障探測裝置，該系統通過提取開關柜運行過程中所形成的氣體，采用氣敏傳感器對各種氣體成分進行分析，從而對開關柜的運行狀態做出可靠判斷，確保高壓開關柜的安全運行。

一、開關柜內部故障的特征氣體分析

對于采用SF6斷路器的小車式開關柜，最容易發生的異常是接頭發熱、SF6氣體泄漏和局部放電。下文將分別研究每種異常狀況的特征氣體特點。

1.接頭發熱

接頭發熱是一次設備的常見故障，對于常用的小車式開關設備，由于其斷路器小車經常被移進移出，斷路器的觸指和觸頭很容易受到撞擊等外力作用而變形，導致接觸不良而發熱，另外其電纜接頭也是發熱故障的高發部位，由于開關柜內部發熱幾乎不能早期發覺，接頭發熱故障對于開關柜的安全運行事關重大。接頭發熱產生的特征氣體比較復雜，各種氣體的組分和濃度隨發熱溫度和接頭材料的不同而不同，主要特征氣體有以下幾種：

a.烷烴和硫化氫——主要是接頭電力脂、脂、示溫蠟片中雜質受熱分解產生，由于斷路器觸頭無一例外地涂有脂，如果接頭發熱，凡士林融化導致內部少量碳原子數量較少的烷烴和硫化物等雜質氣化而分布在柜內的空氣中，由于各種氣體傳感器對于烷烴等可燃氣體靈敏度極高，因此很容易檢出。

b.單質銅和氧化銅顆粒——如果溫度過高，接頭的銅會逐步氧化發黑形成氧化銅，極少量的氧化銅和單質銅會升華進入空氣，并產生微量煙霧。

c.絕緣材料分解氣體——發熱接頭附近的絕緣材料（如環氧樹脂）受熱也會產生一定特殊氣體，另外接頭部位的灰塵受熱也會產生特殊氣體，主要有氫溴酸、胺類、腈類、酚類、烷烴、醛類、氮氧化物，多環芳烴、雜環族化合物、羥基化合物等。

2.局部放電

局部放電也是一次設備的常見故障，空氣中的放電現象會產生氮氧化合物、臭氧和負離子，因此對于空氣中的局部放電，如沿面放電等，可采用探測上述氣體的傳感器進行探測，對于固體介質內部的局部放電則沒有作用。

3.SF6泄漏

絕大部分的小車式開關柜均為裝設斷路器SF6壓力表或密度繼電器，如發生SF6泄漏，只有等到壓力低于報警或閉鎖值時，才能通過處罰壓力接點的方式用光子牌、指示燈間接顯示出來，如果壓力接點失靈，SF6氣體即使漏完運行人員也無法知道，如果此時操作斷路器可能導致設備爆炸的嚴重后果，因此采用另一種手段探測SF6泄漏也很有必要。由于現有的SF6氣體傳感器能檢測到0.1ppm以下濃度的SF6氣體，因此開關柜內部的SF6泄漏應該能很容易地檢出。

二、氣體傳感器設計

1.傳感器的選擇

通過對不同傳感器的性能比較，分析了各種傳感器在壽命、靈敏度、成本、加熱功耗和反應速度方面的優缺點，本論文提出了采用電化學可燃氣體傳感器+離子型煙霧傳感器+TGS型空氣質量傳感器”檢測接頭發熱、大氣型臭氧傳感器檢測局部放電、環境監測型SF6傳感器檢測SF6的方案。

接頭發熱采用電化學可燃氣體傳感器，該傳感器靈敏度很高，用其可滿意地檢出微量的硫化氫或其他可燃氣體；游離碳、游離狀氧化銅和單質銅用氣體傳感器較難檢出，為了提高檢測性能，又加上了離子型煙霧傳感器，這樣如果柜內有極少量的煙霧顆粒，也能及時檢出，通過聯合使用2種不同原理的氣體傳感器，就能較可靠地探測出開關柜內部發熱異常。局部放電和SF6泄漏的檢測分別采用O3/S-5型大氣監測用臭氧傳感器和SM-SF6型SF6氣體傳感器，該兩種傳感器的檢出靈敏度都在0.1ppm以下，足以探測開關柜內部的SF6氣體泄漏和表面局部放電現象。

2.氣體傳感器的典型應用電路

氣體傳感器是一種將特征氣體濃度量轉化為電量的傳感器，大部分氣體傳感器都采用電阻率變化的方式輸出信號，當環境中某種特征氣體含量較低時，傳感器電阻較大，當該氣體濃度增大后，傳感器電阻減小，大部分氣體傳感器的電阻在一定范圍內都能與氣體濃度成比例變化，具有較高的線性度。

典型的采用加熱方式工作的氣體傳感器電路如圖1所示，傳感器的1、2端口為加熱端口，3、4端口為輸出端口，R2為加熱端口的限流電阻，用以將加熱電流調整到傳感器所規定的電流值，R1為輸出端負載電阻，當傳感器啟動后，需要加熱一段時間，加熱完畢后即能工作，此時3、4端口的電阻值會隨著外界氣體濃度的變化而變化，從而使R1上的電流和輸出端的電壓變化，起到監測氣體濃度的作用。

三、系統結構設計

通過上述的研究，本論文對整個測試系統進行了設計，其整個原理如圖2所示。

從上述監測系統的結構框圖可以看出，整個系統由CPU控制系統、按鍵、液晶顯示屏、通信總線、A/D數據采集單元、局部放電探測單元、SF6泄漏探測單元和觸頭過熱探測單元所構成。整個系統的工作過程為：首先采用抽氣的方式，將開關柜內的運行氣體送入到各測量單元中，利用局部放電探測單元、SF6泄漏探測單元和觸頭過熱探測單元中的氣敏傳感器對各種故障的特征氣體進行測量，實現非電量向電量的轉換，接著將各測試信號傳到A/D數據采集單元，將模擬信號轉換成數字信號，最后將數字信號送入CPU控制單元中，對采集的數據進行歸類、統計分析，將測試結果和分析結果顯示在液晶屏中，其顯示的內容可通過按鍵進行更改。此外，整個系統還可以通過通信總線，將測試結果上傳至監控中心。

四、測試電路設計

針對于上述電路的框架，本論文對其的測量電路進行了設計，其原理如圖3所示。

從圖3中可以看出，整個測試電路由模擬開關、AD采樣電路和MCU組成，其工作原理：首先將測量信號（如熱信號、局部放電信號等）接入模擬開關，然后利用MCU控制模擬開關，實現對其分時控制，將模擬信號輸入AD采集單元中，接著MCU控制AD采集單元實現對其模擬量的數字轉換，從而實現對被測量的測量。

五、系統軟件設計

根據上述的測量電路，對其控制軟件進行了設計，其程序的流程框圖如圖4所示。從圖中可以看出，整個程序的流程為：首先對系統進行初始化，如接口的電平、寄存器初值的設定，中斷的關閉等，然后控制模擬開關，使模擬信號進入AD的輸入端，接著對其進行模數轉換，實現對模擬量的分時采樣，然后對所測量的數據進行分析，對高壓開關柜的運行狀態作出判斷。

六、樣機的效果測試

鑒于要尋找內部存在異常的運行開關柜比較困難，因此設計了一些模擬實驗，來驗證該樣機的實際效果，試驗結果如表1所示，圖4為測量程序流程圖。

七、結論

本文說明了空氣絕緣開關柜內部異常早期探測的必要性，提出一種通過檢測開關柜內空氣質量和特征氣體組分的方式，來探測空氣絕緣開關柜內部異常狀態的方法。通過理論分析和實驗證明了其具有較高的可行性和實用性，對于接頭發熱、表面放電和SF6泄漏異常具有較高的檢出率，能夠實現對高壓開關柜的監測。

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篇8

一、引言

現代傳感器技術是在傳統傳感器技術的基礎上發展而來，廣泛結合了信息處理技術、通信技術及微電子技術等[1]，將傳感器提升至 “系統”級別。

開設現代傳感器技術課程，需要在具備經典傳感器知識的基礎之上，進一步掌握智能傳感器的相關知識，了解集成電路工藝、統計學習理論和現代信號處理技術等[2]。該課程的內容涉及智能傳感器系統的硬件構成，智能化功能的軟件實現方法，以及多元回歸分析法、神經網絡技術和支持向量機技術等數據挖掘方法。學生可以通過自主設計型實驗加深對智能傳感器的理解。而智能傳感器的軟件實現和數據挖掘方法的仿真都具備充分的靈活性，學生可以結合PC機在課堂上和課后進行實驗研究[3]。

二、自主設計實驗

現代傳感器技術的課程介紹了新型智能傳感器的概念、構成方式及具有的功能，重點在于智能傳感器的集成化和智能化實現方法。

智能傳感器集成化的實現涉及微電子技術等相關內容，對于非微電子專業的學生來說很難具備此方面的扎實基礎，不易開展自主設計型實驗。并且此部分內容的相關實驗對硬件要求較高，不利于在不同專業和高校的推廣。

智能傳感器智能化的實現方式多樣，有硬件實現，也有軟件實現。軟件實現方法包括神經網絡技術、支持向量機技術、粒子群算法和小波分析等數據挖掘方法中的智能算法。這些智能算法的仿真工具眾多，算法設計靈活且多樣，可以讓學生在完成課程實驗的同時，通過自主設計進一步發掘算法的優化方法，加深對知識的理解。

本論文將舉例說明現代傳感器技術課程在智能傳感器智能化實現方面的自主設計實驗的開設方法。

例如，開設題為“基于神經網絡方法的傳感器溫度自補償模塊設計”實驗。對于會受溫度影響的傳感器，要降低工作環境溫度的影響，就需要設計自補償模塊，補償的方法有多種，這里選用神經網絡方法。首先，學生需要選定實驗對象，即傳感器，比如某款壓阻式壓力傳感器，然后獲取不同溫度狀態下傳感器靜態標定數據，根據標定數據制作樣本，輸入到神經網絡。學生可以根據需要選擇不同的神經網絡，比如BP神經網絡和RBF神經網絡等[4]。實驗編程時可于利用現有的工具箱進行輔助編程，也可以完全自行編程。

以上實驗只考慮了溫度這一個干擾量的影響。通常影響傳感器的不止一個干擾量，還可能存在兩個或多個干擾量的影響。神經網絡方法可以用來降低兩個或者是多個干擾量的影響。此外，學生還可以用支持向量機技術來設計智能化軟件模塊，用于降低多個干擾量的影響。例如，可開設題為“基于支持向量機方法的降低多個干擾量影響的傳感器智能模塊設計”。該實驗的過程是先選定存在交叉敏感的傳感器作為實驗對象，進行多維標定實驗獲取樣本數據，再利用支持向量機方法建立數據融合模型，從而消除或是降低多個干擾量的影響。支持向量機的功能包括分類和回歸等，因此學生還可以結合其分類的功能設計其他傳感器智能模塊。

學生在進行智能算法的課程實驗時，可以選擇自帶工具箱中豐富的仿真工具，也可以自行編程實現算法。本論文采用Matlab軟件為仿真工具實現算法。

三、實驗示例

（一）基于神經網絡方法的傳感器溫度自補償模塊設計

本實驗選定壓阻式壓力傳感器作為實驗對象，目標如下。

1.基于神經網絡技術設計溫度補償模塊，消除工作環境溫度對傳感器的影響。

2.實驗過程需對多個樣本進行實驗，提高補償模塊的適應性，即在滿足壓力量程的情況下對不同的工作溫度進行補償。

3.溫度補償模塊的設計可以使用多種神經網絡方法，并進行對比，得到消除溫度影響最好的方法。

實驗步驟如下。

1.二維標定實驗

用標定實驗來獲取原始實驗數據。由于實驗條件和實驗時間的限制，有些學生無法進行此步驟。學生也可以通過教材或者相關論文來獲取原始數據，但是必須在實驗報告中注明數據的來源。

2.數據預處理與樣本制作

用上一步中獲取的原始數據來制作樣本。通常先將原始數據進行歸一化處理，用歸一化之后的數據制作樣本。神經網絡的樣本包括訓練樣本和測試樣本。

3.訓練神經網絡

將訓練樣本輸入到編好的神經網絡算法，可以是BP神經網絡和RBF神經網絡等，得到訓練后的模型。

4.測試神經網絡

用測試樣本檢驗訓練好的神經網絡模型。如果得到的效果不好，可以適當地調整神經網絡的參數，改善補償效果。

5.更換訓練樣本和測試樣本后重復第三和第四個步驟

不同樣本得到的結果往往差異較大，實驗中需要更換訓練樣本和測試樣本后進行多次重褪笛椋用以提高神經網絡模型的適應性。

6.換一種神經網絡方法重復第五個步驟

同一樣本采用不同的神經網絡方法可能得到不同的補償結果，實驗中可以嘗試對比不同的神經網絡方法，或者通過優化神經網絡的方法改善補償效果。

（二）基于支持向量機方法的降低多個干擾量影響的傳感器智能模塊設計

本實驗的目標如下。

1.利用支持向量機的處理分類和回歸問題的功能，對傳感器交叉敏感的數據進行分析，用以抑制交叉敏感現象。

2.嘗試修改支持向量機的程序，例如更換核函數或改變分類策略，得到不同的測試結果。

3.制備多組樣本數據，對不同的樣本數據進行測試，用以檢驗算法的適應性。

實驗步驟如下。

1.樣本數據制作

根據確定的實驗對象，采集或制備樣本數據。制作好的樣本數據將分為訓練樣本和測試樣本兩部分。訓練樣本與測試樣本的格式保持一致。

2.算法設計

利用支持向量回歸（Support Vector Regression，SVR）或支持向量分類（Support Vector Classification，SVC）算法，處理樣本數據。利用多種策略測試算法優劣。

例如在支持向量分類算法中，有兩種處理多分類問題的策略， 一種是“一對一（one agaist one， 1A1）”， 另一種是“一對多（one agaist all， 1AA）”。實驗中可測試不同策略的算法。支持向量機可選取多種核函數，包括線性核函數、多項式核函數和徑向基（Radial Basis Function，RBF）核函數等。目前尚缺乏一種選取核函數的標準方法。實驗中可以通過更換核函數來測試它們的不同效果，用以選取最優的方案。

可以采用不同的支持向量機工具箱，例如SVM and Kernel Methods Matlab Toolbox工具箱，或者自行編程。

在算法設計的過程中，通過對訓練樣本進行訓練和對測試樣本進行測試，得到每一次的結果。同一算法必須經過多個訓練樣本和測試樣本的檢驗。更換算法策略后，再重復以上步驟。

3.效果評價

用抑制交叉敏感的結果對比最初的傳感器數據，對算法效果進行綜合評價。

（三）實驗方案

結合以上實例，可以設計出自主實驗的方案，具體如下：自行查閱資料進行神經網絡分析法和支持向量機法的設計，兩種算法選擇其一即可。

實驗步驟如下：（1）安裝matlab軟件；（2）熟悉matlab軟件的使用方法；（3）查閱資料進行項目設計；（4）選取神經網絡分析法和支持向量機法之一進行項目設計；（5）根據設計要求編寫算法，并仿真；（6）對算法效果進行綜合評價。

需要注意的是，利用神經網絡分析法和支持向量機法在智能傳感器系統的智能化功能實現方法上進行項目設計的時候，數據來源要有出處，應用范圍要明確。

四、結論

現代傳感器技術課程通過開設自主設計型實驗可以提高學生的學習興趣，加深學生對知識的理解。該課程涉及的神經網絡技術、支持向量機技術、主成分分析和小波分析等方法可以較為靈活地開設自主設計實驗，加強學生的動手能力。本論文以“基于神經網絡方法的傳感器溫度自補償模塊設計”實驗為例說明了自主設計實驗的方案。實驗采用Matlab軟件設計，方案可行。

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1 引言

目前，水資源的管理和節約成為世界性的難題。在控制人們意識上浪費的同時，各種節水設備也應運而生。目前大多都是著眼于用水節約和效率，卻忽視了廢水的循環使用。為此，本文基于“綠色設計”的原則，設計了一種基于單片機控制的家庭智能節水系統，最大限度的做到“水盡其用”。

2 智能節水系統設計思路

該設計用MCS-51單片機作為控制電路的核心控制部件來構成控制器,單片機輸出不同程序信息，經過移位寄存器74LS164驅動，使得數碼管顯示相應內容，紅外傳感器以及混濁度傳感器和水位傳感器檢測到的模擬信號經過8位模數轉換器ADC0809轉變成數字信號寫入單片機，經過單片機處理再把數字信號經過8255A送給電磁閥電路和繼電器電路，控制其工作與否。從結構來說該設計包括A/D轉換和擴展I/O口。輸入部分包括按鍵設置、水位傳感器、渾濁度傳感器和紅外傳感器。輸出部分包括LED顯示、繼電器驅動電路、電磁閥驅動電路和發光二極管。系統設計框圖如圖1所示：

圖1 系統設計框圖

3 智能節水系統硬件選擇

家庭節水系統通常包括4個主要構成部分，分別是收集器、處理器、儲存器和供給器。系統中要用水位傳感器和渾濁度傳感器及多個電磁閥、繼電器等，既有模擬量又有數字量。

3.1單片機的選取

ATMEL公司的89系列單片機也稱Flash單片機是以8031為核心構成，它和 INTEL公司的MCS-S1系列單片機完全兼容，擴展了它的功能。89系列單片機存在下列很顯著的優點:

(1)內部含Flash存儲器;(2)和AT80C51插座兼容;(3)靜態時鐘方式;

(4)錯誤編程亦無廢品產生;(5)可反復進行系統試驗。

鑒于以上的優點，經過分析比較，根據本系統的特點，選用ATMEL公司89系列的標準型單片機AT89C51。其片內含有128字節的數據存儲器(RAM)和4K字節的可電擦電寫閃爍程序存儲器E2PROM，這足以滿足系統實現其功能。

3.2模數轉換芯片

在眾多的轉換器中以逐次逼近式A/D轉換器的性價比最高，應用最廣泛，國內使用較多的芯片有ADC0808/0809,ADC0801-ADCO805及ADC0816/0817和AD574等，根據本系統的特點和要求選用中速、低廉的逐次逼近式ADC0809模數轉換芯片。它包括一個高阻抗斬波比較器；一個帶有256個電阻分壓器的樹狀開關網絡；一個邏輯控制環節和8 位逐次比較寄存器(SAR)；一個8位三態輸出緩沖器。

該系統中ADC0809與AT89C51單片機的連接如圖2所示，采用等待延時方式。論文大全。ADC0809的時鐘頻率范圍要求在10-1280kHz。ADC0809的CLOCK腳的頻率是單片機時鐘頻率的1/6，因此當單片機的時鐘頻率采用6MHz。ADC0809輸入時鐘頻率即為CLOCK=1MHz，發生啟動脈沖后需延時100μs才可讀取A/D轉換數據。

圖2 模數轉換電路

3.3 按鍵的識別和輸出顯示

常用的鍵盤有陣列式鍵盤、獨立式鍵盤。本設計中有4個按鍵，不必采用陣列式，而采用獨立式鍵盤鍵接一個上拉電阻與P1口的一個管腳連接。對于按鍵的識別，有動態掃描和中斷兩種方式，在該設計中，按鍵的使用并不是很頻繁，所以采用了中斷的方式進行按鍵的識別．

對于輸出，有動態并行輸出、LCD液晶顯示屏和靜態譯碼輸出三種方式。水箱中的液位要提供給用戶，采用了最簡單的八段數碼管作為顯示部分的硬件電路。該設計中只用到兩個數碼管顯示，不會占用很多硬件資源，所以采用了靜態顯示。這樣在發光二極管導通電流一定的情況下，顯示器的亮度大，而且顯示穩定。在輸出方式上，由于對數碼管響應速度不高，采用了串行移位的方式。這里采用74LS164進行顯示驅動。

3.4電磁閥與繼電器的控制

為使系統安全、穩定，采用了24V電磁閥和12V 繼電器。由于電磁閥不能直接與單片機相連，采用了光電隔離，再通過IRF 530進行驅動。繼電器的驅動采用的是最簡單的方法，即三極管驅動，通過I/O腳電平的翻轉來對電磁閥進行開/關控制。論文大全。電磁閥開關動作的控制脈沖寬度可選為30ms。其控制電路如圖3所示。

圖3 電磁閥控制電路

3.5渾濁度傳感器、液位傳感器和紅外傳感器

APMS-10G渾濁度傳感器可以根據溶液含有的雜質、灰塵的顆粒大小、密度不同，產生光電經濾波后輸出即得到渾濁度檢測信號。采用AT89C51單片機與APMS-10G渾濁度傳感器通信,讀出渾濁度值,再將數據通過串行口傳給主機，采用可控三態門74LS125將兩路串行通道隔離,通過可控端分時使用，當P17輸出高電平時,與APMS-10G的通道導通；當P17引腳低電平時,與主機的通信回路導通。從機串口平時與主機保持通信暢通,將串口設為中斷狀態,隨時可以接收主機發來的指令。

眾多的的傳感器當中。諧振式水位傳感器采用了先進的傳感原理,高Q值的諧振電路,具有較強的抗干擾能力、結構靈巧、精密、簡單易于制造。該設計中采用了諧振式水位傳感器作為中位水箱和低位水箱中的水位檢測裝置。

紅外傳感器安裝在水龍頭內,當人手觸發傳感器時,信號傳遞給單片機。對于紅外傳感器，則利用熱釋電紅外傳感器直接接收運動人體的信號，使用574S紅外探頭。此電路只需要接收系統，不需要發射系統，通過技術處理，可以只接受運動的人體信號，比常規紅外光接收器抗干擾性強。論文大全。

4 智能節水系統主程序流程圖

系統主程序流程圖如圖4所示。設計的思路是首先初始化，讓所有芯片都恢復最開始的設置，等所有芯片都準備好了之后，則讀取E2PROM內的數據，接著進行A/D采樣，讀取水位傳感器和渾濁度傳感器采集到的數據，再對數據進行數據處理，若有數據輸入，則轉入相應的子程序并顯示水位的高度；沒有數據輸入則繼續下面的按鍵判斷。有鍵按下時，判斷是哪個按鍵按下，然后再轉入相應的子程序；若無按鍵按下，則轉回A/D采樣子程序，重復上述的程序，如此往復進行下去。

5 結束語

提出了家庭智能節水系統控制器的設計方案、硬件電路和主程序流程圖。

（1）從人性化、性價比方面綜合考慮器件的優略，為該系統的優化提供了基礎。

（2）紅外感應水龍頭、LED顯示和延時可調開關不僅方面使用，便于監控，而且方便自如的調節水流時間，達到了節約用水的目的。

（3）結構簡單，使用方便，經濟節能環保。

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篇10

傳感與測量是控制系統的重要組成部分。多維力傳感器中應用最廣泛的為六維力傳感器。廣義六維力傳感器能夠檢查空間任意力系中的三維正交力（Fx、Fy、Fz）及三維正交力矩（Mx、My、Mz），由于其測力信息豐富、測量精度高等特點，主要應用在力及力-位控制場合，如機器人末端執行器，汽車行駛過程輪力檢測，輪廓跟蹤，精密裝配，雙手協調等，尤其在航空機器人，宇宙空間站對接仿真等場合發揮了極其重要的作用。目前，國內外關于六維力傳感器研究最主要的應用是在機器人技術上，它是機器人高質量控制和智能化不可缺少的重要傳感元件。

二、 六維力傳感器的國內外研究現狀

國際上對六維力傳感器獲取的研究是從上世紀七十年代初期開始的，美國、日本等極少數國家率先研發出多維力傳感器，價格十分昂貴。目前，六維力傳感器生產廠家主要有美國的 AMTI、ATI、JR3、Lord 等，瑞士的 Kriste，德國的 Schunk、HBM 等公司。

各種測力機理的出現為廣義六維力傳感器的設計提供了理論基礎。按采用的敏感原件可將六維力傳感器分為：應變式（金屬箔式和半導體式）、壓電式（石英、壓電復合材料等）、光纖應變式、厚膜陶瓷式、MEMS（壓電和應變）式等。早在 1974 年，瑞士洛桑聯邦工學院科學家G. Piller 就對六維力傳感器的可行性進行了驗證和分析，并設計了以電阻應變片為敏感元件的六維力/力矩傳感器。意大利的Giovanni Giovinazzo和Piergiorgio Varrone于 1980 年提出一種電容式的六維力/力矩傳感器。加拿大的A.Bazergui教授設計了一種壓電式六維力傳感器；而東京工業大學機械系研制了一種光學六維力傳感器。

我國對六維力傳感器的研究是在上世紀八十年代初期開始的，中科院合肥智能機械研究所于1987 年研制出我國第一臺六維腕力傳感器，之后陸續有哈爾濱工業大學、華中理工大學、東南大學等單位研制出多種規格的多維力/力矩傳感器，展現了我國多維力/力矩信息獲取研究領域的蓬勃發展態勢。目前在六維力傳感器研究較多的院校有燕山大學、哈工大，大連理工等。

十字梁型結構是目前六維力傳感器采用最多的一種形式，如美國斯坦福大學人工智能研究所研制的Scheinman腕力傳感器，中科院合肥智能機械研究所的SAFMS型系列六維力/力矩腕力傳感器 Robot Technology Inc. Load 等公司的相應六維力/力矩腕力傳感器。這種結構的彈性體對稱性好，易于加工，維間耦合小，但動態響應慢，需過載保護。

近年來，并聯機構被廣泛的研究，其相應成果被應用到機器人技術相關領域，

取得了一些新穎的成果。將并聯機構尤其是Stewart平臺應用到多維力/力矩傳感器也獲得了相應的研究：Gailet和Reboulet早在 1983 年首次提出和設計了一種基于Stewart平臺八面體結構的力傳感器；Dwarakanath和Bhaumick于 1999年研制了基于Stewart平臺的六維力傳感器，如圖1所示。

國際上除了對多維力/力矩傳感器的研究熱點除了在檢測原理和方法創新、新型彈性體結構設計外，人們更關注的是多維力/力矩傳感器的應用問題，如現代工業機器人怎么樣能夠充分利用多維力/力矩傳感器以及其它感知系統來完成對各種環境下的更多更復雜的機器人作業，使工作更加精確、生產效率更高、成本更低。如將多維力/力矩傳感器利用到工業機器人自動裝配生產線，結合更實時更有效的算法，使智能工業機器人能夠更好的進行精密柔性機械裝配、輪廓跟蹤等作業。

三、六維力傳感器的測力原理及特點

3.1 電阻應變式六維力傳感器

電阻應變式測力原理是目前廣義六維力傳感器中應用最多的一種。被測物理量作用在彈性元件上，安裝在彈性元件上的電阻應變敏感元件將物理量轉化為電阻變化，又通過變換電路將電阻變化轉換為電壓變化。電阻應變式傳感器主要特性是準確度高，非線性及滯后誤差小，蠕變小，并對傳感器的零點平衡、零點溫度影響、靈敏度溫度影響以及輸出靈敏度標準化都進行了全面的補償。它的缺點是動態響應低，靈敏度與剛度往往相互制約。電阻應變式六維力傳感器設計的關鍵是如何設計出合理的彈性體結構形式。

3.2 壓電式六維力傳感器

壓電式力敏傳感器是另一種比較常用的測力形式，它的基本測力原理是在外部應力的作用下，壓電材料產生一個電荷，當外力變化時，壓電材料表面的電荷隨之變化，帶來輸出電壓信號的變化。壓電傳感器的主要特點是其有很高的固有頻率（200 kHz），特別適合動態測量；與位移型測力儀器不同，它的剛度和靈敏度相互不影響，因此能同時得到高靈敏度和高彈性系數（8000 kgf/mm）的測力儀。如何克服傳感器各向載荷間的相互干擾是提高壓電傳感器測量精度的有效途徑。

3.3 電容式六維力傳感器

電容式力敏傳感器的核心部分是對壓力敏感的電容器。力敏電容器的電容量是由電極面積和兩個電極間的距離決定，當硅膜片兩邊存在壓力差時，硅膜片產生形變，極板間的間距發生變化，從而引起電容量的變化，電容變化量與壓差有關。它與壓阻式力敏傳感器相比，具有靈敏度高、溫度穩定性好、壓力量程大等特點。

3.4基于光學檢測的六維力/力矩傳感器

東京工業大學機械工程與科學系設計了一種基于光學檢測的六維力/力矩傳感器，裝備的六橫梁上的三個橫梁上裝有四分型光學傳感器，在梁中心位置有三個相應光源，通過光學傳感器測量加載力/力矩引起的微小變形，從而檢測相應的六維力/力矩信息。由于光學檢測對電磁干擾不敏感，所以能被應用到比較惡劣的環境中，但成本高，適用溫度范圍較窄。

3.5 六維力傳感器的結構形式

廣義六維力傳感器有著許多種結構形式，大體上可分為直接輸出型（無耦合型）和間接輸出型（耦合型）。直接輸出型簡言之就是六維空間力由測力元件直接檢測或經簡單計算求得，如壓電式六維力傳感器就是直接由六組石英晶組分別檢測Fx、Fy、Fz及Mx、My、Mz。這種無耦合六維力傳感器以美國SIR公司1973年設計的積木式結構較為著名。直接輸出型傳感器代表了今后傳感器的一個發展方向。

間接輸出型檢測的六維輸出力與傳感器檢測到的每一個力分量和力矩分量相關，需要通過各分力的耦合才能得到六維輸出力。基于Stewart平臺的六維力/力矩傳感器是個典型的耦合型檢測傳感器，它具有承載能力強，剛性好，誤差不積累等獨特優點。但其結構不緊湊，存在耦合誤差，需要標定時利用標定矩陣加以減少和消除。

另外，多維力/力矩傳感器還有其它多種彈性體結構形式如三垂直筋結構、

雙環形結構、盒式結構、圓柱形結構、雙頭形結構、三梁結構、八垂直筋結構等。

四、專利技術現狀分析

本文用于檢索的數據庫采用了中國專利文摘數據庫CNABS及VEN數據庫，檢索式選擇表示本領域的IPC國際專利分類號G01L5/16、G01L5/24、G01L1與本領域通用的關鍵詞六維、六分量、力、力矩、傳感器，統計日期截止到公開日2016年5月31號，獲得專利文獻300篇，本文以上述數據作為研究對象，從六維力傳感器專利申請年度申請情況、國家/地區分布、主要申請人特點等幾個角度展開分析。

4.1專利申請量趨勢分析

圖2為六維力傳感器領域在中國申請的專利申請量年度分布圖，從圖2可看出在近十年有關六維力傳感器在中國范圍內的專利申請量整體上呈增長趨勢，自2007年開始，申請量有大幅增長，2009年有所下降，至2013年迎來了申請高峰，專利申請量呈現逐年下降的態勢，由于2014-2015年部分申請未公開，所以申請量相比2013年有所下降。

4.2在中國申請專利的主要申請人分析

表1給出了六維力傳感器在中國申請專利的主要申請人申請量排名情況，可以看出，國內申請人主要集中在以哈爾濱工業大學、燕山大學為代表的高校。由于六維力傳感器結構較為復雜，測量信息量大，在彈性體的設計以及數據采集與處理等方面面臨著一定難度，因此大部分研究成果仍處于實驗室階段，能夠應用于實際生產中產品化的六維力傳感器還比較少。

4.3六維力傳感器專利申請量的國別分別情況

在S系統中的VEN數據庫中，截止到2016年5月底，對六維力傳感器領域所有專利國家/地區專利申請進行統計，如圖3所示，世界范圍內可見六維力傳感器在中國為研究熱點，其次為日本、美國。

五、總結

六維力傳感器是一個龐大而富有挑戰性的課題，以此為基礎的應用的研究和正得到不斷的擴展和深入，新設計、新方法、新應用、新成果屢見報道。六維力傳感有著許多種測量原理及結構形式。本文簡要介紹了目前各種形式的六維力傳感器的測力原理及特點，及六維力傳感器專利申請年度申請情況、國家/地區分布、主要申請人特點。希望能夠推動六維力傳感器走向實用化。

參考文獻

篇11

1.研究的目的與意義

本研究以溫度采集及轉換，單片機處理和監控，無線傳輸為核心，可用于航空航天系統中，倉儲溫度監測及環境監測，礦井里的溫度采集等。免費論文。快速方便并且可以實現遠程采集，具有較高精確度，另外加有存儲單元，可以對溫度數據進行存儲對比，以備不時之需。在該系統中還添加報警系統，自動提醒不正常溫度，以免發生不必要的危險。由于采用ZigBee無線傳輸裝置，可以遠距離測溫，因此可用于危險區域，例如：高壓區，工廠，大型機器內部溫測等，還可采集低溫。另外還適用于家庭防火災，火災內部溫度探測和溫度監控，有助于滅火的開展和搶救人員和財產以及預測火勢的發展等。

在現代社會中溫度在航空航天，工業自動化、家用電器、環境保護和安全生產等方面都是最基本的監測參數之一，但是在某些環境下溫度檢測比較危險。因而需要一個智能檢測和監測系統來代替危險的工作，本系統就可以很好的解決此問題，不僅可以實時的對溫度進行遠程檢測監控，還可以在十分惡劣的環境下工作，測量結果精度高，并且對所測數據可以直接通過USB接口傳給電腦存儲或者直接存入外設存儲單元，同時加報警裝置，在溫度不正常給予提醒，從而將損失減少到最低。為滿足對溫度記錄的要求（高精度、自動控制、經濟實用），系統實現了對現場環境溫度的不間斷測量與監控，讓您通過監控中心可以直觀看到溫度實時變化，做到足不出戶即可了解各被測點的溫度。在那些需要對溫度監控和測量的地方放置無線溫度采集器，然后由監控中心通過軟件對無線采集器進行控制，代替過去由人工來完成的溫度數據采集任務；同時監控中心對無線溫度采集器傳輸來的溫度數據進行存儲和查詢統計。本系統使用方便，操作簡捷，已經在許多領域中得到廣泛的使用

2.國內外本項目的研究狀況

溫度在工業自動化、家用電器、環境保護和安全生產等方面都是最基本的監測參數之一，因此其檢測裝置也得到的長足的進步和發展。免費論文。例如美日生產的管纜熱電阻溫度傳感器可測溫度高達1000℃，精度0.5級，清華大學的“光纖黑體腔溫度傳感器”可在400～1300℃間靈敏度可達0.1℃。隨著科技的進步和新材料的發現，新一代的溫度傳感器也在不斷出現和完善，如利用核磁共振的溫度檢測器，可測量出千分之一開爾文，而且輸出信號適于數字運算處理，在常溫下可作為理想的標準溫度。此外還有熱噪聲溫度傳感器、激光溫度傳感器等諸多發展。智能溫度傳感器(亦稱數字溫度傳感器)是在20世紀90年代中期問世的。它是微電子技術、計算機技術和自動測試技術(ATE)的結晶。智能溫度傳感器的特點是能輸出溫度數據及相關的溫度控制量，適配各種微控制器(MCU)，它在硬件的基礎上通過軟件來實現測試功能。目前，國際上已開發出多種智能溫度傳感器系列產品。如由美國DALLAS半導體公司新研制的DS1624型高分辨力智能溫度傳感器，能輸出13位二進制數據，其分辨力高達0.03125°C,測溫精度為±0.2°C。此外新型智能溫度傳感器的功能也在不斷增強。例如，DS1629型單線智能溫度傳感器增加了實時日歷時鐘(RTC),使其功能更加完善。DS1624還增加了存儲功能，利用芯片內部256字節的E2PROM存儲器，可存儲用戶的短信息。免費論文。另外，智能溫度傳感器正從單通道向多通道的方向發展，這就為研制和開發多路溫度測控系統創造了良好條件。

無線傳輸技術ZigBee是在工業自動化、家庭智能化和遙控監測領域對無線通訊和數據傳輸的需求日益增長的情況下應運而生的，它采用IEEE802.15.4協議，具有功耗低，成本低等特點，還可以方便的實現自動移動的AdHoc網絡。目前市場上的RF芯片供應商主要還是TI、EMBER、FREESCAIE及JENNIC，國產廠商在這個方面仍然是空白。鑒于ZigBee技術在功耗、組網技術等方面的出色能力，受到各國政府、軍方、科研機構和跨國公司的廣泛關注和高度重視，隨著其技術的發展，無線傳感器網絡將會逐漸的深入生活的每個方面。

3.無線網絡溫度采集可以實現如下功能

（一）數字信號通過單片機分析處理，通過ZigBee無線傳輸模塊，可實現無線傳輸功能。（二）接收模塊得到的數字信號通過單片機處理，可在LCD FC12864上可進行當前溫度顯示，可實現數字顯示功能。（三）外部存儲單元可對過去溫度進行存儲，以便隨時調用，可實現存儲功能。（四）由于有無線傳輸，可以實現遠程對溫度進行監控和測量 存儲，安全可靠，而且速度快精度高。（五）系統實現了對現場環境的不間斷溫度測量與監控，讓您通過監控中心可以直觀看到溫度實時變化，做到足不出戶即可了解各被測點的溫度。在那些需要對溫度監控和測量的地方放置無線溫度采集器，然后由監代替過去由人工來完成的溫度數據采集任務；同時監控中心對無線溫度采集器傳輸來的溫度數據進行存儲和查詢統計。（六）該系統可換部分裝置，然后實現其它功能，例如：將溫度傳感器換成濕度傳感器進行濕度采集等，具有很強的移植性。

4.結語

在當代社會科學技術的迅猛發展以及人類對自然的不斷深入探索下，一些人類無法立足的惡劣環境以及相關工業、煤礦業、石油業、存儲業等相關環境中的重要溫度數據的采集和控制成為科學研究的重要課題。本研究項目以適應相關條件下的溫度傳感器為依托，以單片機為整個系統的處理和監控為核心，當需要采集人類無法立足的惡劣環境中的重要溫度數據時，本系統可以通過媒介放置一體積小、精度高的溫度傳感器去采集；在生產和存儲環境中可以通過本系統來監測溫度，當超過合適的環境溫度時，發出警報，通知工作人員及時處理控制溫度以減少損失。本研究項目可以更好的服務于科研，提高生產效率，降低危險事故發生的幾率，具有很強的現實意義

參考文獻：

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8.宋育才. MCS-51系列單片微型計算機及其應用[M]. 南京：東南大學出版社 ，1997.3.

9.智能溫度傳感器的趨勢[DB/ol].

篇12

0引言

血壓是人體重要的生理參數之一，對其進行精確測量，有利于早期發現和鑒別高血壓類型醫學檢驗論文，提出合理的治療建議。目前，臨床上對普通病人主要采用無創檢測的方法，它大致分為人工柯氏音法和示波法兩類，人工柯氏音法雖然比較準確，但操作困難，受主觀因素影響較大，而示波法雖然操作簡單醫學檢驗論文，但穩定性和個體適應性都比較差，不利于其在臨床應用上的普及和推廣。本文在示波法的基礎上，從硬件實現和軟件設計兩個方面，改進了原來的測量方法，并進行了比對測試

在研究國內外已有產品或設計構思的基礎上，使用先進的信號處理技術與智能控 制技術，盡量消除脈搏提取處理中的噪聲干擾與非線性失真醫學檢驗論文，提高血壓測量的準確性與穩定性，并提高了測量的自動化和智能化論文開題報告。

1系統的硬件設計

篇13

關鍵詞：礦井通風;調節通風;自動化系統

1 序言

通風系統調節準確性和及時性直接關系到礦井的安全和運行成本，目前通風系統調節處于人工調節階段，人員勞動量大，調節不及時且調節準確性差，為進一步解決礦井通風系統管理中的通風調節問題，本論文引進壓差法礦井自動通風調節系統。

該系統包括自動化控制器、壓差測試裝置、自動調節裝置、傳感器等。

2 自動化控制器

基于壓差法的礦井自動通風調節系統核心為自動化控制器，本系統控制器采用西門子PLC為主要控制元器件，包括位移傳感器、壓差傳感器、動力源控制裝置（本論文設計動力源是氣動，其裝置是本安電磁閥）、數據傳輸、開關按鈕、聲光報警器等。

研究的技術關鍵點為：控制系統原理和控制器基本架構。

控制系統原理：壓差傳感器采集壓力變化數值，通過設置參數裝換為通過調節系統的風量，再根據預先設定的需風量進行比對，確定調節系統通風斷面的變化大小，同時位移傳感器監視通風斷面的變化，保證系統調節準確且快速。

控制器基本架構，控制器采用PLC控制器，控制器控通過電流信號與位移傳感器、壓差傳感器、動力源開閉按鈕相連接，通過開關量與手動按鈕連接，通過RS485信號與上位機進行數據和指令的傳輸，在控制器上預留瓦斯、聲光報警器、視頻接口，并可以與其他控制器進行數據傳輸。

3 壓差測試裝置

壓差測試裝置關系到系統的準確性，是系統最核心的數據采集設備，壓差測試裝置的技術要求進入測試區域內風流平穩、壓差測量精度高、數據采集準確、數據傳輸快等。

壓差測試裝置采用圓形設計，主要是保證壓差采集的準確性和進入測試裝置的風流平穩，易于測量且數據精度高。

壓差測試裝置進風測安裝有均風裝置，主要是消除通風系統渦流造成的數據采集誤差。在測試裝置上布置兩排數據采集管，其中在每排布置4個壓力采集孔，兩兩對應，測壓管深入測試裝置內側10cm處，4個測試孔外部用軟管連接，進行壓力平均處理。兩排測試孔之間距離不得少于1m，主要是保證壓差傳感器數值的讀取和測量。

壓差測試裝置對每個測壓管進行防塵處理，保證所有測壓管的通暢，靜壓傳導準確。

4 自動調節裝置

自動化調節裝置是礦井自動調節通風系統的主要調節機構，本論文采用氣動為動力源。

自動調節裝置設計要求調節準確、運行速度慢、密封性好、安全性高等。

根據技術要求，自動調節裝置采用通風斷面縮小的方式，調節速度為0.5m/min，移動精度為1cm。

自動調節裝置與壓差測試裝置相連，通過圓形阻風器向前移動，起到調節通風斷面的作用，同時根據壓差測試裝置中風量的變化，確定圓形阻風器的移動方向和移動大小，位移傳感器監測圓形阻風器的移動方向和移動大小。

圓形阻風器移動動力為緩沖氣缸，氣缸最快伸出速度為0.5m/min。帶載后，移動伸出速度為0.3m/min，滿足精確調節的目的。

5 實驗論證

實驗論證是論證系統的完整性和調節的準確性。進一步發現系統存在的問題，并進行修改和完善，為現場實地測試做準備工作。

主要是在自動風窗前后布置壓力測點，單管壓差計測量兩點壓差，與壓差傳感器數值比對;模擬巷道的斷面為半圓拱，尺寸為2.8m（寬）×2.9m（長），人工調節風阻器開口大小;模擬巷道通風選擇抽出式通風，通過風機變頻，控制測試系統的風量。

通過多次測試，得出系統測試數據，如表1所示。

通過實驗可以得出，調節裝置的調節誤差小于4%，所以，礦井自動通風調節系統是可行的。

6 結論

通過理論設計和實驗驗證，得出以下幾點結論：

（1）礦井自動調節通風系統構成為自動控制器、壓差測量裝置、自動調節裝置;（2）礦井自動通風調節系統調節誤差小于4%;（3）礦井自動通風調節系統可以解決礦井通風調節不及時和不準確問題。

參考文獻：

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