時間：2023-03-21 17:16:39
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隨著科學技術的發(fā)展，許多新的科學領域相繼涌現(xiàn)，其中微米/納米技術就是諸多領域中引人注目的一項前沿技術。20世紀90年代以來，繼微米/納米技術成功應用于大規(guī)模集成電路制作后，以集成電路工藝和微機械加工工藝為基礎的各種微傳感器和微機電系統(tǒng)（MEMS）脫穎而出，平均年增長率達到30%。微機械陀螺是其中的一個重要組成部分。目前，世界各個先進工業(yè)國家都十分重視對MMG的研究及開發(fā)，投入了大量人力物力，低精度的產品已經問世，正在向高精度發(fā)展。
1微機械振動陀螺儀的簡要工作原理
陀螺系統(tǒng)組成見圖1，它由敏感元件、驅動電路、檢測電路和力反饋電路等組成。在梳狀靜電驅動器的差動電路上分別施加帶有直流偏置但相位相反的交流電壓，由于交變的靜電驅動力矩的作用，質量片在平行于襯底的平面內產生繞驅動軸Z軸的簡諧角振動。當在振動平面內沿垂直于檢測軸的方向（X方向）有空間角速度Ω輸入時，在哥氏力的作用下，檢測質量片便繞檢測軸（Y軸）上下振動。這種振動幅度非常小，可以由位于質量片下方、淀積在襯底上的電容極板檢測，并通過電荷放大器、相敏檢波電路和解調電路進行處理，得到與空間角速度成正比的電壓信號。
在科研及加工過程中，一個重要的內容就是檢測陀螺儀的特性，如工作狀態(tài)諧振頻率、帶寬增益、Q值等，于是就提出了微機械慣性傳感器檢測平臺的研制任務。根據(jù)陀螺儀的工作原理，整個儀器包括兩大部分：驅動信號發(fā)生部分和表頭的輸出信號檢測部分。驅動信號發(fā)生部分對待測的慣性傳感器給予適當?shù)尿寗裥盘枺箓鞲衅魈幱诠ぷ鳡顟B(tài)。信號檢測部分要求檢測出微小電容變化，經過放大、解調處理后，將模擬量轉換成數(shù)字量采集到PC機中，分析輸出信號，以確定慣性表的特性。
2微電容檢測技術
在MMG檢測技術中，利用電容傳感器敏感試驗質量片在哥氏力作用下的振動角位移，獲取輸入角速率信號。由于陀螺儀的尺寸微小，為了得到10°/h的中等精度，要求電容測量分辨率達到（0.01×10-15）～(1×10-18)法拉。因此，對于微機械加速度計和向機械陀螺儀來說，檢測試驗質量和基片之間的電容變化是一個關鍵技術。目前在MMG中采用的微電容檢測方案有三種：開關電容前在MMG中采用的微電容檢測方案有三種：開關電容電路、單位增益放大電路和電荷放大電路。
2.1開關電容電路
其基本原理是利用電容的充放電將未知電容變化轉換為電壓輸出。該測量電路包括一個電荷放大器、一個采樣保持電路以及控制開關的時序，如圖2所示。
在測量過程中，先將未知電容（C1、C2）充電至已知電壓Vref，然后讓其放電。充、放電過程由一定時序控制，不斷重復，使未知電容總處于動態(tài)的充放電過程。C1、C2連續(xù)地放電，電流脈沖經過電荷放大器轉換為電壓。再經過采樣保持器，得到輸出Vc。將公式ΔC=2C0·x/d0代入，可得電容檢測電路的傳遞函數(shù)為：
Vc/x=-[2VrefC0/Cfd0]
2.2單位增益放大器電路
AD公司與U.C.Berkeley聯(lián)合開發(fā)的ADXL50（5g的微機械加速度計）采用了單位增益放大電路。
圖3是單位增益放大器的等效電路。圖3中，Cp為分布電容，Cgs為前置級輸入電容，Rgs為輸入電阻。當載波頻率在放大器的通頻帶以內時，前置級輸入電阻可忽略不計。由圖3可午，前置級有用信號輸出為：
（Vs-Vout）jω（C0+ΔC）+(-Vs-Vout)jω（C0-ΔC）
=Voutjω(Cp+Cgs)+Vout/Rgs
Rgs∞
Vout=(2ΔC/2C0+Cp+Cgs)Vs
分布電容Cp約為10pF，
輸入電容Cgs約為1～10pF，一般都大于傳感器標稱電容C0(1pF左右)?？梢钥闯觯鼈兊拇嬖诙紭O大地降低了電容檢測靈敏度。要提高電路靈敏度，就必須消除Cp、Cgs的影響，通常采用的措施等電位屏蔽。
2.3電荷放大器電路
電荷放大器電路如圖4所示。它采用具有低輸入阻抗的反相輸入運算放大器。其中Cp表示分布電容，Cf為標準反饋電容，Rf用來為放大器提供直流通道，保持電路正常工作。應選取Rf，使時間常數(shù)RfCf遠大于載波周期，以避免輸出波形畸變。但Rf過大為今后電路集成帶來不便?？梢允褂眯∽柚档碾娮杞M成T型網(wǎng)絡，替代大阻值電阻。
若運算放大器具有足夠的開環(huán)增益，反相輸入端為很好的虛地，那么，兩輸入端點之間的電位差為零。因此，反相輸入端對地的分布電容Cp和放大器的輸入電容Cgs對電路測量不會造成影響。電荷放大電路相對于單位增益放大電路來說，結構要簡單，不需考慮等電位屏蔽問題；只需將雜散電容的影響轉化為對地的分布電容，即進行合理的對地屏蔽，就能獲得較好的效果。
盡管在電荷放大電路中，可以忽略掉輸入電容及反相輸入端對地的分布電容，但是在檢測微小電容變化時，輸出還是有很大的衰。這是由放大器輸入輸出端分布電容Cio造成的。當載波電壓頻率大于1/（2πRfCf）和小于放大器的截止頻率時，輸出電壓Vout應該表示為：
Vout=-[(C1-C2)/（Cio+Cf）]Vs=-[(2ΔC)/Cio+Cf]]Vs
3檢測平臺的系統(tǒng)構成及工作原理
該系統(tǒng)的工作原理如圖5所示。對慣性傳感器施以適當?shù)募钚盘柡螅瑐鞲衅鞯膭悠刺幱谡駝訝顟B(tài)，上下極板間的電容發(fā)生周期變化，采用電荷放大器電路將該信號提取出來，經交流放大、解調后通過A/D轉換變成數(shù)字量采集到微機中，觀察傳感器的輸出響應，為下一步利用軟件方法分析微機械慣性傳感器的時域、頻域特性打下基礎。
3.1激勵信號發(fā)生器
根據(jù)微機械輪式振動陀螺儀的工作原理，最多需要4路激勵信號。激勵信號為正弦波，每兩路相位相反。為了測量陀螺儀的頻率特性，需要不斷改變激勵信號的頻率。目前不同設計的陀螺儀諧振頻率在幾百赫茲到10千赫茲之間，激勵信號也需要在這個范圍內進行調節(jié)。另外，陀螺儀的驅動力矩等于驅動信號的交流分量與直流分量的乘積，所以還要施加正或負的直流偏置，使陀螺能處于正常工作狀態(tài)。交流相位和直流偏置組合見表1。
表1交流相位和直流偏置組合
直流偏置：++--交流信號：+-+-
一般的RC振蕩電路生成的正弦波頻率靠改變R、C值來調節(jié)，不能連續(xù)大范圍調節(jié)。所以，設計中采用數(shù)字方法合成模擬波形，其原理見圖6。圖6中8254為軟件可編程計數(shù)器。其包含3個獨立的16位計數(shù)器，計數(shù)最高頻率可達8MHz，設計中輸入3MHz的時鐘，將2個計數(shù)器串連使用，這樣可以增加頻率控制范圍。8254產生的方波信號作為后面并行計數(shù)器的計數(shù)脈沖輸入。并行計數(shù)器由2片74LS161組成8位二進制循環(huán)計數(shù)器。74LS161計數(shù)到最大值時會自動清零，重新開始計數(shù)，其輸出可作為E2PROM2817A的地址信號（即每個正弦周期內采樣點數(shù)為256個）。2817A的數(shù)據(jù)讀取時間為150ns。設計電路時將它的片選和讀信號均設為有效，以提高數(shù)據(jù)讀取速度。D/A轉換采用DAC-08電流輸出型D/A轉換器。電路輸出時間85ns，放大器采用高速高精度運放OP-37，同理，D/A轉換器的片選和轉換開始信號總為有效，其輸出跟隨輸入變化，提高轉換速度。實驗結果表明，此信號發(fā)生器完全可以生成10kHz以內可調頻的正弦波。而且使用可編程計數(shù)器8254，輸出正弦波的頻率可以用軟件方法調節(jié)。如果想輸出非正弦波形，只要修改E2PROM的數(shù)據(jù)，就可以輸出任意形狀的周期波形。
3.2低通跟蹤濾波器
數(shù)字信號發(fā)生器具有控制靈活的優(yōu)點，但是輸出信號不夠平滑，其中會有臺階波。在對信號要求比較高的場合，還需要進行濾波。本設計中信號的頻率變化范圍很大：幾百赫茲到10千赫茲。為了進一步提高信號質量，采用AD633模擬乘法器構成低通跟蹤濾波器，其原理如圖7。
通帶的截止頻率是由電壓Ec控制的，輸出是OUTPUTA，截止頻率：
fc=Ec/[(20V)πRC]
OUTPUTB處是乘法器的直接輸出端，截止頻率與RC濾波器相同：
f1=1/(2πRC)
這種濾波器結構簡單，沒有開關電容，噪聲小，一般采用數(shù)模轉換器控制Ec，控制通帶頻率也比較容易。
3.3交流放大器
微機械慣性傳感器在施加激勵信號后，即處于振動狀態(tài)。傳感器有差動微電容量變化C0+ΔC和C0-
ΔC。采用電荷放大器電路提取出ΔC，此電壓信號仍然很彈，需要進一步放大處理，于是采用圖8所示的交流放大器。
交流放大器由4個放大倍數(shù)為-1、-2、-5、-10的運算放大器級聯(lián)組成，進一步放大被測信號，同時調整幅值以便適應解調器的輸入。圖8中的開關選用ADG211模擬開關，通過控制模擬開關的開合，可以任意選擇某級或某幾級放大器參加工作，實現(xiàn)對放大倍數(shù)正負1、2、5、10、20、50、100的整倍數(shù)調整。例如，將模擬開關S0、S2、S8、S13閉合，其他開關全部打開，交流放大器的總放大器數(shù)即為：（-1）×（-2）×（-10）=-20。
3.4數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
使用計算機總線，與外設之間必須有接口。本系統(tǒng)采用雙端口RAM作為數(shù)據(jù)緩存。先將信號采樣并存儲其中，然后成組地向主機傳送，從而有效地發(fā)揮了主、從、資源的效率，且設計也相對簡單。
3.4.1系統(tǒng)工作原理
系統(tǒng)基本組成原理如圖9。主要有雙端口RAM、邏輯控制模塊、A/D轉換器組、計算機接口。機通過接口啟動邏輯控制模塊后，CPU資源向其他請求開放，邏輯控制模塊發(fā)控制信號啟動A/D轉換器并進行采樣，并將轉換結果存入雙端口RAM。當RAM中的數(shù)據(jù)達到一定數(shù)量時，邏輯控制模塊向計算機發(fā)出中斷請求。主機接到請求后進入中斷服務程序，向邏輯控制模塊發(fā)出命令，決定是否繼續(xù)采樣，并將RAM內的數(shù)據(jù)讀入內存。
3.4.2硬件設計
本設計使用Cypress公司的CY7C136（2k×8bit）雙端口RAM。其兩個端口都有獨立的控制信號、片選CE、輸出允許OE和讀寫控制R/W。這組控制信號使得兩個端口可以像獨立的存儲器一樣使用。使用這種器件要注意當兩個端口訪問同一個單元時，有可能導致數(shù)據(jù)讀出結果不正確。解決這個問題的方法有兩個：一種是監(jiān)測busy信號輸出，當檢測到busy信號有效，就使訪問周期拉長，這是從硬件上解決；另一種方法是軟件上保證兩個端口不同時訪問一個單元，即將雙端口RAM進行分塊。本系統(tǒng)采用后者，將busy信號輸出通過上拉電阻接到電源正極。
在系統(tǒng)中，邏輯控制模塊的作用非同小可，是控制采樣、存儲、與計算機接口的核心。本系統(tǒng)為方便對采樣速率等參數(shù)進行設置，在該模塊中采用了MCS-51單片機。這樣可以通過編程設定采樣速率。
與主機的信息交換包括：
（1）接收主機控制信號，以決定是否開始采樣；
（2）在存儲區(qū)滿后，向主機發(fā)中斷請求。
本系統(tǒng)使用AT89C51的地址總線來選通RAM的存儲單元，對其進行寫操作，將采樣結果存入相應的單元。
3.4.3軟件設計
2基本標準和協(xié)議的傳感器結構模型
基于IEEE1451.5和藍牙協(xié)議的無線網(wǎng)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(xiàn)，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(xié)議實現(xiàn)連接，類似于實現(xiàn)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(wǎng)以主從方式實現(xiàn)相互通信。
與典型的有線方式相比，上述無線網(wǎng)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(shù)據(jù)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(xiàn)數(shù)據(jù)采集的前端STIM部分和實現(xiàn)網(wǎng)絡接口的NCAP部分。STIM完成數(shù)據(jù)的采集和處理（濾波、校準等），NCAP完成傳感器的網(wǎng)絡接口，實現(xiàn)對PSTN電話互網(wǎng)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(xiàn)，而NCAP的網(wǎng)絡接口通過8位的處理器和內嵌Modem的形式實現(xiàn)。
（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(tǒng)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(guī)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(xiàn)數(shù)據(jù)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(tài)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(shù)據(jù)；MT8888C作為DTMF發(fā)送器時，數(shù)據(jù)被寫入發(fā)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(xiàn)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(fā)送HCI（HostContr
olerInterface）分組。HCI指令包括指令分組、數(shù)據(jù)分組和事件分組。具體格式為：操作碼+參數(shù)總長+參數(shù)0+……+參數(shù)N。
如下給出主、從設備間實現(xiàn)ACL數(shù)據(jù)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(shù)）：從設備上電后實現(xiàn)查詢使能進行復位Write_scan_enable(0x3)。主設備發(fā)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(shù)據(jù)連接。其中Inquiry對應的操作碼為：0x0001,0x01。具體指令參見藍牙規(guī)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(shù)據(jù)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(jiān)測記錄……}
（3）STIM的設計
大多數(shù)傳大吃一驚器的STIM部分設計相對簡單，因為電表數(shù)據(jù)采集的功能比較單一。圖4為STIM數(shù)據(jù)采集部分的原理框圖。
硬件設計時，電表數(shù)據(jù)采集部分和傳統(tǒng)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(shù)據(jù)采集部分經光電轉換后的數(shù)字脈沖接到單片機的計數(shù)器口，實現(xiàn)計數(shù)，然后將必要的電表數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集部分程序主要是實現(xiàn)對計數(shù)器的計數(shù)，同時轉換成電表參量，然后徑藍牙模塊送到NCAP。
加速度傳感器是用來將加速度這一物理信號轉變成便于測量的電信號的測試儀器。它是工業(yè)、國防等許多領域中進行沖擊、振動測量常用的測試儀器。
1、加速度傳感器原理概述
加速度傳感器是用來將加速度這一物理信號轉變成便于測量的電信號的測試儀器。差容式力平衡加速度傳感器則把被測的加速度轉換為電容器的電容量變化。實現(xiàn)這種功能的方法有變間隙，變面積，變介電常量三種，差容式力平衡加速度傳感器利用變間隙，且用差動式的結構，它優(yōu)點是結構簡單，動態(tài)響應好，能實現(xiàn)無接觸式測量，靈敏度好，分辨率強，能測量0.01um甚至更微小的位移，但是由于本身的電容量一般很小，僅幾pF至幾百pF，其容抗可高達幾MΩ至幾百MΩ，所以對絕緣電阻的要求較高，并且寄生電容（引線電容及儀器中各元器件與極板間電容等）不可忽視。近年來由于廣泛應用集成電路，使電子線路緊靠傳感器的極板，使寄生電容，非線性等缺點不斷得到克服。
差容式力平衡加速度傳感器的機械部分緊靠電路板，把加速度的變化轉變?yōu)殡娙葜虚g極的位移變化，后續(xù)電路通過對位移的檢測，輸出一個對應的電壓值，由此即可以求得加速度值。為保證傳感器的正常工作.，加在電容兩個極板的偏置電壓必須由過零比較器的輸出方波電壓來提供。
2、變間隙電容的基本工作原理
如式2－1所示是以空氣為介質，兩個平行金屬板組成的平行板電容器，當不考慮邊緣電場影響時，它的電容量可用下式表示：
由式（2－1）可知，平板電容器的電容量是、A、的函數(shù)，如果將上極板固定，下極板與被測運動物體相連，當被測運動物體作上、下位移（即變化）或左右位移（即A變化）時，將引起電容量的變化，通過測量電路將這種電容變化轉換為電壓、電流、頻率等電信號輸出根據(jù)輸出信號的大小，即可測定物移的大小，若把這種變化應用到電容式差容式力平衡傳感器中，當有加速度信號時，就會引起電容變化C，然后轉換成電壓信號輸出，根據(jù)此電壓信號即可計算出加速度的大小。
由式（2－2）可知，極板間電容C與極板間距離是成反比的雙曲線關系。由于這種傳感器特性的非線性，所以工作時，一般動極片不能在整個間隙，范圍內變化，而是限制在一個較小的范圍內，以使與C的關系近似于線性。
它說明單位輸入位移能引起輸出電容相對變化的大小，所以要提高靈敏度S應減少起始間隙,但這受電容器擊穿電壓的限制，而且增加裝配加工的困難。
由式（2－5）可以看出，非線性將隨相對位移增加面增加。因此，為了保證一定的線性，應限制極板的相對位移量，若增大起始間隙，又影響傳感器的靈敏度，因此在實際應用中，為了提高靈敏度，減小非線性，大都采用差動式結構，在差動式電容傳感器中，其中一個電容器C1的電容隨位移增加時，另一個電容器C2的電容則減少，它們的特性方程分別為：
可見，電容式傳感器做成差動式之后，非線性大大降低了，靈敏度提高一倍，與此同時，差動電容傳感器還能減小靜電引力測量帶來的影響，并有效地改善由于溫度等環(huán)境影響所造成的誤差。
3、電容式差容式力平衡傳感器器的工作原理與結構
3.1工作原理
如圖1所示，差容式力平衡加速度傳感器原理框圖
電路中除了所必須的電容，電阻外，主要由正負電壓調節(jié)器，四運放放大器LT1058，雙運放op270放大器組成。
3.2差容式力平衡傳感器機械結構原理
由于差動式電容，在變間隙應用中的靈敏度和線性度得到很大改善，所以得到廣泛應用。如圖2所示為一種差容式力平衡電容差容式力平衡傳感器原理簡圖。主要由上、下磁鋼，電磁鐵，磁感應線圈，彈簧片，作電容中間極的質量塊，覆銅的上下極板等部分組成。傳感器上、下磁鋼通過螺釘及彈簧相連，作為傳感器的固定部分，上，下極板分別固定在上、下磁鋼上。極板之間有一個用彈簧片支撐的質量塊，并在此質量塊上、下兩側面沉積有金屬（銅）電極，形成電容的活動極板。這樣，上頂板與質量塊的上側面形成電容C1，下底板與質量塊下側面形成電容C2，彈簧片一端與磁鋼相連，另一端與電容中間極相連，以控制其在一個有效的范圍內振動。由相應芯片輸出的方波信號，經過零比較后輸出方波，此方波經電容濾除其中的直流電壓，形成對稱的方波，該對稱的方波加到電容的一個極板上，同時經一次反向后的對稱波形加到另一個極板上。
當沒有加速度信號時，中間極板處于上、下極板的中間位置C1＝C2，C＝0后續(xù)電路沒有輸出；當有加速度信號時，中間極板（質量塊）將偏離中間位置，產生微小位移，傳感器的固定部分也將有微小的位移，設加速度為正時，質量塊與上頂板距離減小，與下底板距離增大，于是C1＞C2，因此會產生一個電容的變化量C，C由放大電路部分放大，同時，將放大電路的輸出電流引入到反饋網(wǎng)絡。由于OP270的腳1和16分別與線圈兩端相連，當有電流流過線圈時，將產生感應磁場，就會有電磁力產生。因為上、下磁鋼之間有彈簧，所以在電磁力的作用下將使磁鋼回到沒有加速度時的位置，即此時的電容變化完全有加速度的變化引起，同時由于線圈與活動極板通過中心軸線相連，所以在電磁力的作用下，使中間極向產生加速度時的位移的相反的方向運動，即相當于在C的放大電路中引入了負反饋，這樣，使傳感器的測量范圍大大提高。因此，對于任何加速度值，只要檢測到合成電容變化量C，便能使活動極板在兩固定極板之間對應一個合適的位置，此時后續(xù)電路便輸出一個與加速度成正比的電壓，由此電壓值就可以計算出加速度的大小。
4、力平衡傳感器實際應用
哈爾濱北奧振動技術是專門從事振動信號測量的專業(yè)公司，它們應用這種差容式力平衡原理開發(fā)出的力平衡加速度傳感器實現(xiàn)的主要性能指標如下：
測量范圍：±2.0g，±0.125g，±0.055g
靈敏度：BA-02a:±2.5V/g、±40.0V/g
BA-02b1:±40.0V/g（差動輸出）
BA-02b2:±90.0V/g（特定要求，高靈敏度）
頻響范圍：DC-50Hz（±1dB）
絕對精度：±3％FS
交叉干擾：小于0.3%
線性度：優(yōu)于1%
噪聲：小于10μV
動態(tài)范圍：大于120dB
溫漂：小于0.01%g/g
引言
隨著機器人技術和復雜檢測系統(tǒng)的出現(xiàn)，人們對觸覺傳感器提出了更高的要求。隨著觸覺陣列規(guī)模的擴大，希望A/D轉換速度加快，而原先在小規(guī)模陣列觸覺傳感器系統(tǒng)中采用的共用A/D轉換器的方法，已不能滿足大規(guī)模陣列觸覺傳感器信號采集實時性的要求。因此，要想實現(xiàn)高速、高分辨率并且對小信號敏感的大規(guī)模陣列觸覺傳感器信號采集系統(tǒng)，關鍵部件就是A/D轉換器。
本文利用混沌帳篷映射方法和開關電容（SC）技術，設計了一種新型A/D轉換器。該A/D轉換器的電路具有調理放大、誤差補償和A/D轉換功能一體化的優(yōu)點，并且電路簡單、便于集成、功耗??；能以很高的性能價格比實現(xiàn)多路觸覺傳感器輸出信號的并行采樣和A/D轉換。
1陣列觸覺傳感器信號采集系統(tǒng)的組成
模擬式陣列觸覺傳感器信號采集系統(tǒng)的原理電路見圖1。該系統(tǒng)由m×n陣列傳感器、列讀取電路、行掃描電路、n個ADC電路、時序控制電路和計算機等組成。在時序控制電路的控制下，行掃描電路對m行陣列觸覺傳感器發(fā)送周期性激勵信號；而列讀取電路則周期性地并行讀入n列輸出信號。讀n個信號經n個A/D轉換器，把模擬信號轉換成格雷碼序列直接送到計算機；計算機完成格雷碼向二進制碼的轉換，接著在時序邏輯的控制下，讀取下一行的n列信號并進行A/D轉換。計算機在獲得1幀m×n觸覺傳感器信號后，就可以進行信號處理了。圖1中除A/D轉換器需要特殊設計外，其余各電路都有現(xiàn)有的產品，沒有特殊要求。
2混沌開關電容A/D轉換器的設計
2.1混沌開關電容A/D轉換的原理
利用開關電容技術進行誤差補償?shù)幕驹硎请姾傻脑俜峙?。電容失配誤差利用開關轉換儲存起來，結果由電容上電荷的再分配而得到補償?；煦鐜づ裼成涫且环N離散非線性系統(tǒng)，其映射關系為：
這一映射可以看到由兩步組成：先將區(qū)間[0,1]伸長2倍，然后再壓縮成原區(qū)間[0,1]。如此反復迭代操作，最終導致相鄰點的指數(shù)分離，從而進入混沌狀態(tài)。這種映射對初始值（系統(tǒng)的輸入信號）的放大與通常的線性放大方法不同：線性放大倍數(shù)為一常數(shù)，而且受工作范圍限制；而處于混沌狀態(tài)的帳篷映射系統(tǒng)，是在有界的區(qū)間內，迭代1次將信號放大2倍，反復有限次迭代后，可以將微弱信號放大到可觀測的水平，而不會出現(xiàn)溢出再現(xiàn)象。顯然，這是一種非線性放大。帳篷映射系統(tǒng)的輸入值Vin對應于系統(tǒng)的初始狀態(tài)x0。x0可以二進制小數(shù)表示：
為了得到離散帳篷映射的迭代輸出與x0的關系，引入另一種非線性映射——離散貝努利移位是映射：
這一映射的作用是每迭代一次，就將二進制位t1、t2、t3、……向左依次移出一個二進制位，即
對于貝努利移位映射，令bn=sgn(x''''n-0.5)，作為貝努利移位映射的第n次迭代輸出，由于bn=tn,且bi(i=0,1,2,…)是一個二進制序列；對于帳篷映射，令gn=sgn(xn-0.5)，則gi是與bi對應的格雷碼序列，即
根據(jù)上述和初始時刻x0=x''''0=Vi，可得：
因此，通過將帳篷映射迭代輸出的格雷碼序列gi(i=0,1,2,…)，轉換成貝努利移位映射的二進制序列bi(i=0,1,2，…)，可推算出初始值（輸入信號的二進制數(shù)字量），即
式（7）中{Vin}表示輸入信號的二進制數(shù)字量。gi(i=0,1,2,…)就是經過帳篷映射完成了對輸入信號的非線性放大和A/D轉換的格雷碼形式的數(shù)字量。
2.2混沌開關電容A/D轉換電路的實現(xiàn)
利用并關電容技術進行電路設計，有其獨特的優(yōu)點：電路的性能與電容無關，只取決于電容之比，兩個電容比值的誤差小于1/1000，因此電路運算精度高；電路便于實現(xiàn)大規(guī)模集成，因而電容體積小、工作可靠、成本低，功耗?。ㄒ粋€開關電容A/D轉換器功耗4mW）等。這些優(yōu)點對模擬式陣列觸覺傳感器信號采集系統(tǒng)最有利，因此該系統(tǒng)需要大量的ADC。
圖2混沌開關電容A/D轉換電路
基于帳篷映射的開關電容A/D轉換電路如圖2所示。運放A1、A2及周圍的電路完成帳篷映射，即完成對輸入信號的非線性放大和A/D轉換；C4、C5、A3及周圍的電子模擬開關組成保持電路，輸出信號V0為輸入信號的格雷碼形式的數(shù)字量。圖3為電路時序控制邏輯。
圖2電路，當啟動信號為高電平時，電子模擬開關指向“1”端，輸入信號Vi接通。延時t1時間后，D觸發(fā)器產生一個脈沖信號，這時，若0≤Vi≤0.5，則電子模擬開關S1指向“2”端，C1、C3和A2及有關的電子模擬開關構成一個開關電容比例延時器，如圖4所示。在（n-1）T時，Vi給C1充電，充電電荷為C1Vi（n-1），C3被短路，V02(n-1)=0;在nT時，C1中電荷轉移到C3中，充電電荷為C3V02（n），由電荷守恒原理，其差分方程為：
C1Vi(n-1)=C3[V02(n)-V02(n-1)]=C3V02(n)(8)
式（8）經過Z變換可得該電路Z域傳遞函數(shù)：
H（Z）=V02(Z)/Vi(Z)=(C1/C3)Z-1(9)
若取C3=0.5C1，則有：
H（Z）=V02(Z)/Vi(Z)=(C1/C3)/Z-1=(C1/0.5C1)Z-1=2Z-1(10)
可見，圖4的電路具有起放大作用的比例延時功能，實現(xiàn)了對輸入信號的翻倍，即實現(xiàn)了y=2x的運算；同時對C4充電，當下一個“o”脈沖為高電平時，C4中電荷轉移到C5中，這時開關S0指向“2”端，把輸出信號Vo反饋到輸入端，給C1充電，實現(xiàn)迭代運算。經過n次迭代后，使Vi信號入大，直到可觀測為止。
同理，當0.5≤Vi≤1時，Vi向C2充電，電子模擬開關S2指向“2”端，這時，C2、C3和A2構成另一個開關電容比例延時器，把式（9）中的C1換成C2，就是這個比例延時器的Z域傳遞函數(shù)。“e”脈沖為高電平時，C2中電荷Q=C2Vi轉換到C3中，若取C3=0.5C2,就實現(xiàn)了y=2(1-x)的運算；當下一個“o”脈沖為高電平時，C4中電荷轉移到C5中，這時開關S0指向“2”端，把輸出信號Vo反饋到輸入端，給C2充電，實現(xiàn)迭代運算。經過n次迭代后，使Vi信號放大到可觀測為止。
這樣，經過一個周期T，完成了對Vi一個樣點的采集。如此周而復始地進行A/D轉換工作。D觸發(fā)器輸出的信號就是格雷碼序列：
將gk序列和初始條件b0=Q0代入式（6）中，就得到貝努利二進制序列bk（k=0,1,2,…）。當然，只要把ADC的輸出信號Vo(格雷碼序列)送入計算機，轉換成二進制數(shù)字量的工作，可由計算機通過軟件來實現(xiàn)。
3實驗結果
利用圖4的信號系統(tǒng)對5×7應變式微型陣列傳感器輸出的信號進行非線性放大和A/D轉換實驗，實驗結果見表1。表1中為第4行7個傳感器輸出信號進行A/D轉換的結果。實驗結果表明，基于帳篷映射的開關電容A/D轉換器可有效地實現(xiàn)對小信號的放大和A/D轉換。
4結論
本文利用混沌電路對小信號敏感及它具有的非線性變換的獨特性能，設計了混沌帳篷映射開關電容新型A/D轉換器。這種A/D轉換器適用于機器人模擬陣列觸覺傳感器輸出信號的A/D轉換。它集調理放大和A/D轉換于一體，具有電路簡單、易于集成及功耗小的特點。開關電容電路只有二相時鐘，電路性能只取決于兩個電容之比而與電容絕對值無關，因而電路運算精度高、成本低。利用該A/D轉換器可實現(xiàn)多路觸覺信號的并行采樣和A/D轉換，以滿足大規(guī)模陣列傳感器信號的實時采集要求。實驗結果證明了本方法的有效性。
表1A/D轉換實驗結果
傳感器（4，1）（4，2）（4，3）（4，4）（4，5）（4，6）（4，7）
測量值/mV0806718824617025
計算值/mV0.080.266.4187.5242.3168.924.7
格雷碼
1.引言
現(xiàn)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(xiàn)代的控制測量系統(tǒng)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(yōu)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(tǒng)的傳感器具有非線性誤差，要求工作環(huán)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(fā)展歷程
國外在工業(yè)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(yè)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(fā)工作。國家組織大批科研人員對其進行研究和開發(fā)，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(fā)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(fā)和更新速度很低，缺少實用創(chuàng)新性[2]。
2.2 傳統(tǒng)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(huán)境會干擾參數(shù)，使得測量結果發(fā)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(jù)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(yōu)點，比如具有很高的靈敏度、簡單的結構以及及時的動態(tài)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(tǒng)的比例常數(shù)，在不同的傳感器中根據(jù)系統(tǒng)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(jù)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(jù)位移變化而產生電壓的變化。
3.測量系統(tǒng)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(yōu)點，因此無論是在工業(yè)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(tǒng)中占據(jù)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(jié)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(shù)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(shù)據(jù)。
4.測量系統(tǒng)的軟件設計
本論文的主程序循環(huán)采集電量的變化，并實時顯示在液晶模塊上。系統(tǒng)軟件是指完成系統(tǒng)設計功能的軟件。為了提高系統(tǒng)的實時性、可靠性，在編寫系統(tǒng)應用軟件時，主要考慮以下兩方面：
（1）提高系統(tǒng)抗干擾性能。在工業(yè)現(xiàn)場不可避免的有各種抗干擾因素。因此本系統(tǒng)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(shù)字濾波方法，進一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力。
（2）采用模塊化編程。將系統(tǒng)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(lián)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(tǒng)傳感器的發(fā)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(yōu)勢，并基于單片機設計了測量系統(tǒng)。
參考文獻
[1]譚祖根，汪樂宇.電渦流檢測技術[M].北京：原子能出版社，1986.
隨著現(xiàn)代科學技術的高速發(fā)展，自動導引小車（Automatic Guided Vehicle AGV）得到了廣泛的應用。AGV以電池為動力，并裝有非接觸導航（導引）裝置，以電磁引導、激光引導、慣性引導及GPS引導等方式?？蓪崿F(xiàn)無人駕駛的運輸作業(yè)。它能在計算機監(jiān)控下，按路徑規(guī)劃和作業(yè)要求，精確地行走并?？康街付ǖ攸c，完成一系列作業(yè)。
AGV以輪式移動為特征，較之步行、爬行或其它非輪式的移動機器人具有行動快捷、工作效率高、結構簡單、可控性強、安全性好等優(yōu)勢。AGV的活動區(qū)域無需鋪設軌道、支座架等固定裝置，不受場地、道路和空間的限制。在自動化物流系統(tǒng)中，最能充分地體現(xiàn)其自動性和柔性，實現(xiàn)高效、經濟、靈活的無人化生產。
一、AGV導航系統(tǒng)的系統(tǒng)總體設計
本論文設計了磁帶引導AGV，完成尋跡、蔽障、PWM調速、人工控制等功能，為大量生產工業(yè)型AGV提供較好的研究基礎。系統(tǒng)模塊設計如圖1所示：
圖1
本論文主要對AGV的硬件系統(tǒng)進行設計，重點研究磁引導AGV的磁尋跡感器模塊軟硬件模塊、速度反饋模塊的設計。
二、磁尋跡傳感模塊設計
磁尋跡傳感器是AGV能否完成磁帶尋跡功能的關鍵，為了檢測到弱磁磁場的存在，要選用靈敏度更高的傳感器。本設計采用磁阻傳感器，可以測量到弱磁磁場的存在。由于磁阻傳感器輸出為模擬量輸出，需要通過響應的A/D轉換電路將信號輸入單片機。模塊設計如圖2所示。
圖2 磁尋跡傳感器硬件實現(xiàn)電路
三、速度反饋模塊設計
本論文AGV采用雙輪差速驅動方式，當電機負載增加時，電機的運行速度下降，一般額定轉速降落達3%～10%，為了使兩電機同速，必須要有反饋換環(huán)節(jié)對電機的速度進行反饋。只有組成了閉環(huán)系統(tǒng)，AGV的運動與速度才可控。碼盤接口硬件電路如圖3所示。兩編碼器的A和B兩相信號經過74LS14施密特整形，分別接到單片機的P2.3和P2.2 以及INT0和INT1上。單片機對INT1和INT0的中斷次數(shù)計數(shù)來測量通道B的脈沖數(shù)，讀取P1.2的電平狀態(tài)來判斷電機的轉動方向。以上升沿觸發(fā)為例，當B路信號的上升沿引起中斷時，單片機判斷P2.2或P2.3信號的電平高低。若其為低，則電機正傳；為高，則電機反轉。電機的速度即為一個采樣周期中N值的變化量。電機的轉速為，式中，C為標度變化系數(shù)，可根據(jù)轉速的量綱來選擇，N為一個采樣周期中的計數(shù)值，它的符號反應電機的轉動方向。硬件實現(xiàn)電路如圖3所示。
圖3 光電編碼器實現(xiàn)電路圖
四、總結
本系統(tǒng)采用PWM調速及雙輪差速控制，使車輛依照車載傳感器確定的位置信息，沿著規(guī)定的行駛路線和?？课恢茫詣有旭?，完成規(guī)定的操作。論文對關鍵模塊的設計進行了詳細設計，經驗證該系統(tǒng)設計可靠合理，能實現(xiàn)系統(tǒng)設計的基本功能。
參考文獻：
[1] 溫鋼云，黃道平. 計算機控制技術[M]. 華南理工大學出版社，2002.
中圖分類號：G642文獻標識碼：A文章編號：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
傳感器技術作為現(xiàn)代三大信息技術之一，廣泛應用于工農業(yè)生產及日常生活中，是測控過程中反映被測對象、保證控制質量的重要一環(huán)，也是自動化、測控技術、機械電子等專業(yè)的一門實踐性和應用性很強的基礎課。隨著計算機技術，信息技術和網(wǎng)絡技術的發(fā)展，傳感器技術與應用也飛速發(fā)展，而傳統(tǒng)的傳感器教學尤其是實踐環(huán)節(jié)的教學迫切需要改革創(chuàng)新。為此，針對我校傳感器實驗教學的現(xiàn)狀做一些有益的改革，旨在提高學生對傳感器原理及特性的理解并進而達到設計和應用的目的，培養(yǎng)高素質技能型人才。
1 我國傳感器及實驗教學的發(fā)展及需求
傳感器及智能儀器儀表自上個世紀60年代以來一直作為自動化、測控技術、機械電子等專業(yè)的一門專業(yè)課程，特別是進入80年代后，國際上出現(xiàn)了“傳感器熱”：日本把傳感器技術列為80年代十大技術之首，美國把傳感器技術列為90年代的關鍵技術，我國把傳感器技術列為“八五”、“九五”的重點研究項目之一；并且2003年3月國家教育部緊跟國際科技發(fā)展步伐，已將傳感器的教學納入到普通高級中學物理課程的教學體系中。由此可見，傳感器在當今科技發(fā)展及國民教育體系中所處的重要地位。而對于傳感器本身又是一門實踐性和應用性很強的學科，而且傳感器實驗教學是整個教學環(huán)節(jié)中的一個重要子系統(tǒng)，因此，加強傳感器實驗教學以適應我國高等教育的任務――培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和實踐能力的需求。
2 傳感器實驗教學的現(xiàn)狀
長期以來，理論教學重于實驗教學的觀念根深蒂固，影響了傳感器教學的效果。傳統(tǒng)的傳感器教學尤其是實踐性環(huán)節(jié)迫切需要改革創(chuàng)新。傳統(tǒng)的傳感器實驗教學的問題主要反映在以下幾個方面：
2.1教學中存在不重視實驗的傾向
實驗教學是理論知識和實驗活動、間接經驗與直接經驗、抽象思維和形象思維、傳授知識與訓練技能相結合的過程。但是，對傳感器實驗教學現(xiàn)狀的調查結果表明，目前很多高校在教育觀念上，仍存在著重理論、輕實踐，重理論知識傳授、輕動手能力培養(yǎng)的傾向，在課程體系上，實驗教學少有獨立的教學體系以及相應的學分評價體系，實驗課從屬于理論課，實驗內容含在理論課程中，實驗學時與內容的開設隨意性強，隨意削減實驗學時成為普遍現(xiàn)象，實驗課時同理論課時比例不太合理等問題，從而大大影響了學生對傳感器特性的理解及在傳感器應用中解決實際問題能力的培養(yǎng)。
2.2實驗項目驗證型多于設計型
目前，我系使用的傳感器實驗裝置是由浙江高聯(lián)科技開發(fā)公司提供的CSY2000D型傳感器檢測技術實驗臺，它所提供的實驗項目大多為驗證性實驗，雖然各傳感器透明式封裝比較直觀，但缺乏設計性、綜合性要求，與工程實踐脫節(jié)嚴重。
2.3教學方式單調枯燥
傳統(tǒng)的傳感器實驗教學是注入式的，從實驗原理、步驟、實驗注意事項，甚至連實驗結果都面面俱到地由老師講解，然后由學生“按方抓藥”地操作。這使學生處于消極被動的地位，影響其學習主觀能動性的發(fā)揮，嚴重阻礙了學生的全面綜合素質的培養(yǎng)。
2.4實驗經費投入不足
實驗室建設對各高校來說是一項重要的投資，特別是對于一般的普通高校在資金有限的情況下，對實驗室的建設投入更少；而傳感器又是精密測量儀器，一般單個售價都在50元以上，我系于2003年購置的6臺CSY2000D型傳感器檢測技術試驗臺就高達1.83萬元/臺。因此，在資金緊張的情況下，使得高校擴招后由原來的一名學生一臺設備，改為2～3人一組，這樣在實驗過程中往往一個學生做，同組人旁觀，教學效果很不理想。
3 改革與探討
實驗教學是高等院校教學的重要組成部分，是對課堂所學理論知識的直觀認識和拓展應用，是學生理論聯(lián)系實際的重要途徑，它在培養(yǎng)學生綜合素質和創(chuàng)新能力方面有著不可替代的重要作用。因此傳感器實驗教學必須從理論教學中解脫出來，實驗教學應與本課程特點緊密結合，做一次全面的改革：
3.1深化傳感器實驗教學改革，著力培養(yǎng)學生動手能力
為推進我國全面的素質教育，培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和實踐能力，根據(jù)傳感器實驗教學的現(xiàn)狀和面臨的問題，充分調研，對目前的傳感器實驗教學進行全面改革：從本科培養(yǎng)計劃的約束，到實際實驗教學的實施；從教師的教學觀念，到學生的實驗的目的等各方面都要充分認識到傳感器實驗在傳感器教學中的重要性，在實際實驗教學中不斷培養(yǎng)學生獨立的操作動手能力。
總體上說，注重引導，加強實驗考核，使學生普遍對實驗重視程度提高，能主動預習準備實驗，甚至帶著問題進實驗室，學生的動手能力明顯增強。
3.2切實加強傳感器實驗室基礎建設和科學管理制度
實驗器材是開展實驗教學活動的基礎平臺，雖然傳感器實驗器材價格相對較貴，但也應逐漸增加傳感器實驗室經費的投入，除了確保正常的教學實驗所需各項經費外，還要投入一定經費改進和完善現(xiàn)有儀器設備。同時，還要加強實驗室科學管理制度的建設，現(xiàn)在各高校的實驗室管理專職人員緊缺，一般由理論課老師來擔任實驗的教學和實驗室管理，其間存在管理漏洞，儀器損壞無法及時維修，嚴重影響實驗教學的開展。因此，傳感器實驗室要根據(jù)本學科的特點和自身條件建立切實可行的實驗室管理制度和實驗操作規(guī)程，逐漸形成較為完整的實驗教學管理和保證體系。
3.3加快傳感器實驗教材的編寫
實驗教材是提高實驗教學質量的重要環(huán)節(jié)。傳感器實驗是近幾年才在各高校普遍開設，據(jù)調查現(xiàn)階段各高校采用的傳感器實驗教材都是在廠家提供的儀器使用指南的基礎上編寫的講義，缺乏規(guī)范性、普適性。根據(jù)高校實驗教學改革和本學科發(fā)展的現(xiàn)狀更新充實實驗教學內容和教學方法，編寫配套的、高水平的傳感器實驗教材是刻不容緩的。
3.4改革傳感器實驗教學的內容及方法
3.4.1實驗教學內容的改革
為了突出實踐教學，培養(yǎng)學生的應用意識、工程實踐能力，使學生“消化理論、發(fā)展能力”我們對該課程的實驗內容進行了較大改革：一方面保留了一些基礎驗證性實驗，如電阻應變、電渦流位移特性、光纖傳感器位移特性實驗等，使學生通過這些實驗，理解傳感器的基木原理和特性，消化教學內容；另一方面開設一些設計性實驗，如我們利用電阻應變片設計了數(shù)字電子秤，以及結合單片機知識設計出自動避障小車和全自動洗衣機控制器等，通過學生自己制作出一些小產品模型，使學生進一步認識到課堂中學過的傳感器在其中的限位、距離檢測等作用。在教學過程中除了要求學生寫出實驗報告外還要求撰寫設計論文，這樣更能夠將設計思想、方案論證、技術路線等一些列創(chuàng)造性工作反映出來，同時還可鍛煉學生的總結能力，為將來撰寫科技論文奠定基礎。
3.4.2實驗教學方法的改革
實驗課是驗證理論、應用理論、鍛煉學生動手能力的重要環(huán)節(jié)。在實驗指導的方法上,我們進行了一些改革探索，在實驗指導過程中,注意因材施教,采用啟發(fā)式教學方法,提示學生是否有更好的改進方法等等。如電阻應變實驗中對電子秤標定時反復調節(jié)Rw3、Rw4直至托盤空時電壓表顯示為0v、200g砝碼時顯示為0.2v。反復調節(jié)最終是可以達到要求，當學生反復調節(jié)幾次沒達到預期要求時可能不耐煩了，這時提示學生根據(jù)電阻應變式傳感器的測力原理及輸入輸出特性――線性關系，分析電路中Rw3、Rw4的作用可以看出Rw3起調節(jié)放大倍數(shù)――即線性關系中的斜率、Rw4起零點參考電壓調節(jié)――線性關系中的初始值的作用，經過這樣比較對應后，很快可以得出這樣的快速調節(jié)方法：當托盤空時，調節(jié)Rw4使電壓表顯示為零；然后將10個砝碼全放入托盤，調節(jié)Rw3使電壓表顯示為0.2v；然后去掉全部砝碼記下此時電壓表讀數(shù)v0 (如0.002v)；再將砝碼全放入托盤調節(jié)Rw4使電壓表顯示為0.2-v0（如0.198v）；最后再調節(jié)Rw3使電壓表顯示為0.2v即可。通過像這個實驗一樣的實驗教學方法改革,我們認識到如果在每次實驗指導中都能夠采用啟發(fā)式的方法啟迪學生，發(fā)展學生的發(fā)散思維能力，那么一定能使學生舉一反三，達到學以致用的目的，同時還可激發(fā)學生的創(chuàng)新興趣。
3.5建立科學的實驗考核方案
成績評定方式對于實驗教學十分重要，它是這次傳感器實驗教學改革實施的總體指揮棒。學生最關心的就是成績，我們要充分利用這一法寶設計較為合理的考核方案，既能達到考察的目的，同時使學生通過試驗不僅能很好理解理論知識，還可以培養(yǎng)學生的動手、創(chuàng)新能力。為此，將成績評價定位在是否理解并靈活應用所學知識，以及鼓勵創(chuàng)新思想和創(chuàng)新實踐過程，而不僅僅是結果正確與否。在總結多年實驗課經驗的基礎上，采用兩種結果驗收相結合的形式，一種形式是當面驗收，通過演示和口頭介紹展示實驗過程及實驗效果，并完成高質量的實驗報告（包括利用VC、vb、matlab等軟件實現(xiàn)對測量數(shù)據(jù)的分析及相應的改進措施和仿真），這種方式是學生實踐活動結果的直觀體現(xiàn)；另一種形式是提交撰寫設計論文，相對與前者，這種形式更能夠將設計思想、方案論證、技術路線等一些列創(chuàng)造性工作反映出來，同時還可鍛煉學生的總結能力，為將來撰寫科技論文奠定基礎。學生的最終實驗成績是這兩部分成績的綜合。
4 結束語
關于傳感器實驗課教學改革涉及面廣，環(huán)節(jié)多，是個比較復雜的問題。我們只是在這方面做了一些有益的嘗試，并取得了一定的成功經驗。我們改革的目的很明確，就是要讓學生感覺到每一個實驗都是一次挑戰(zhàn)，要想取得成功必須要有充分的準備、嚴謹?shù)膽B(tài)度、細致的操作和靈活的思維。每一次實驗的完成，不僅要讓學生的實驗能力得到充分的訓練和提高，更重要的是要激發(fā)學生的主觀能動性和創(chuàng)造性。只有這樣才能為國家培養(yǎng)出具有較高的全面素質的一流人才。
參考文獻：
【基金項目】論文受到成都信息工程大學校級項目KYTZ201521，Y2013062，Y2015015以及“傳感器與檢測技術”精品課程建設項目的資助。
一、引言
現(xiàn)代傳感器技術是在傳統(tǒng)傳感器技術的基礎上發(fā)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(tǒng)”級別。
開設現(xiàn)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(tǒng)計學習理論和現(xiàn)代信號處理技術等[2]。該課程的內容涉及智能傳感器系統(tǒng)的硬件構成，智能化功能的軟件實現(xiàn)方法，以及多元回歸分析法、神經網(wǎng)絡技術和支持向量機技術等數(shù)據(jù)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(xiàn)和數(shù)據(jù)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(xiàn)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(xiàn)方法。
智能傳感器集成化的實現(xiàn)涉及微電子技術等相關內容，對于非微電子專業(yè)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(yè)和高校的推廣。
智能傳感器智能化的實現(xiàn)方式多樣，有硬件實現(xiàn)，也有軟件實現(xiàn)。軟件實現(xiàn)方法包括神經網(wǎng)絡技術、支持向量機技術、粒子群算法和小波分析等數(shù)據(jù)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(fā)掘算法的優(yōu)化方法，加深對知識的理解。
本論文將舉例說明現(xiàn)代傳感器技術課程在智能傳感器智能化實現(xiàn)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(wǎng)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(huán)境溫度的影響，就需要設計自補償模塊，補償?shù)姆椒ㄓ卸喾N，這里選用神經網(wǎng)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(tài)下傳感器靜態(tài)標定數(shù)據(jù)，根據(jù)標定數(shù)據(jù)制作樣本，輸入到神經網(wǎng)絡。學生可以根據(jù)需要選擇不同的神經網(wǎng)絡，比如BP神經網(wǎng)絡和RBF神經網(wǎng)絡等[4]。實驗編程時可于利用現(xiàn)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(wǎng)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(shù)據(jù)，再利用支持向量機方法建立數(shù)據(jù)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(xiàn)算法。本論文采用Matlab軟件為仿真工具實現(xiàn)算法。
三、實驗示例
（一）基于神經網(wǎng)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(wǎng)絡技術設計溫度補償模塊，消除工作環(huán)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(wǎng)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(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)，但是必須在實驗報告中注明數(shù)據(jù)的來源。
2.數(shù)據(jù)預處理與樣本制作
用上一步中獲取的原始數(shù)據(jù)來制作樣本。通常先將原始數(shù)據(jù)進行歸一化處理，用歸一化之后的數(shù)據(jù)制作樣本。神經網(wǎng)絡的樣本包括訓練樣本和測試樣本。
3.訓練神經網(wǎng)絡
將訓練樣本輸入到編好的神經網(wǎng)絡算法，可以是BP神經網(wǎng)絡和RBF神經網(wǎng)絡等，得到訓練后的模型。
4.測試神經網(wǎng)絡
用測試樣本檢驗訓練好的神經網(wǎng)絡模型。如果得到的效果不好，可以適當?shù)卣{整神經網(wǎng)絡的參數(shù)，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(wǎng)絡模型的適應性。
6.換一種神經網(wǎng)絡方法重復第五個步驟
同一樣本采用不同的神經網(wǎng)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(wǎng)絡方法，或者通過優(yōu)化神經網(wǎng)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(shù)據(jù)進行分析，用以抑制交叉敏感現(xiàn)象。
2.嘗試修改支持向量機的程序，例如更換核函數(shù)或改變分類策略，得到不同的測試結果。
3.制備多組樣本數(shù)據(jù)，對不同的樣本數(shù)據(jù)進行測試，用以檢驗算法的適應性。
實驗步驟如下。
1.樣本數(shù)據(jù)制作
根據(jù)確定的實驗對象，采集或制備樣本數(shù)據(jù)。制作好的樣本數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。利用多種策略測試算法優(yōu)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(shù)，包括線性核函數(shù)、多項式核函數(shù)和徑向基（Radial Basis Function，RBF）核函數(shù)等。目前尚缺乏一種選取核函數(shù)的標準方法。實驗中可以通過更換核函數(shù)來測試它們的不同效果，用以選取最優(yōu)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(shù)據(jù)，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(wǎng)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(wǎng)絡分析法和支持向量機法之一進行項目設計；（5）根據(jù)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(wǎng)絡分析法和支持向量機法在智能傳感器系統(tǒng)的智能化功能實現(xiàn)方法上進行項目設計的時候，數(shù)據(jù)來源要有出處，應用范圍要明確。
四、結論
現(xiàn)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(wǎng)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(wǎng)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。
【參考文獻】
[1] 張鵬，吳東艷，張凌志.項目教學法與傳感器課程改革探索[J]. 中國電力教育，2014（05）：78-79.
中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2015）05-0000-00
1 引言
壓力傳感器在電子產品中的應用比較廣泛，其信號調理電路通過對信號的調節(jié)變換，使信號達到后續(xù)電路的接收要求。電路的誤差控制、抗干擾技術對電路的設計至關重要，電路的穩(wěn)定性直接關系到單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的準確性和產品的實用性。
本論文的信號調理電路主要用于電子稱等衡器的前端信號處理，量程0―5Kg，其最大允許誤差±1.5e（分度值e=2g）。本論文從誤差分析，力傳感器的選定和放大電路的設計三個方面闡述該電路設計思路。
2硬件設計中誤差解決方法
降低電路元器件產生的噪聲、設置穩(wěn)壓電流源作傳感器專用電源，可保證傳感器輸出信號精度高，紋波小，穩(wěn)定可靠，選擇合適的傳感器。
由于組成電路的元件內部會產生一些噪聲，并且實驗中發(fā)現(xiàn)，噪聲的功率與輸入的電壓有直接的關系，而且會對實驗的參數(shù)產生較大的影響。在試驗中對電阻等噪聲較大的原件通過元件的噪聲參數(shù)建立模型來進行系統(tǒng)分析。綜合考慮成本及噪聲性能，選擇噪聲較小的NE5532放大器電路，其相對噪聲比優(yōu)于同等價格的其他運算放大器。
傳感器采用了N430-5kg應變式壓力傳感器，量程0～5kg，靈敏度為1.0mV/N，體積小，易攜帶；額定輸出1.0±0.15mV/V，能夠滿足實驗精度要求；并能夠使產品具有便攜性，力傳感器后接電橋的以減少溫漂，即電橋壓力傳感器的電橋電阻設為R1=R2=R3=R4=100Ω，差動工作，應變片使得電橋保持了平衡，使得電橋的輸出電壓與電阻變化有關，保持了一個即R1=R-R，R2=R+R，R3=R-R，R4=R+R，則電橋輸出為
3放大電路的分析與設計
整體電路設計如圖3-1所示，包含兩級放大電路，通過反饋設計提高了輸出的準確性。第一級放大電路采用雙運算放大器，此放大器小信號帶寬10MHZ，功率帶寬140KHZ，轉換速率9V/us，符合一般控制電路的設計要求。第二級放大電路采用二階低通濾波運算放大電路。
通過使用Multisim 12.0仿真軟件中的函數(shù)發(fā)生器模擬在f0=10Hz下的濾波波形，其通帶最大衰減為4.165518dB，阻帶最大衰減為14.403186dB，其中R9和R11=R10//R12，由R12來確定放大倍數(shù)，算得Q=0.5，滿足實驗設計要求。
由于在 Multisim12.0仿真軟件中，沒有直接的電荷源信號，考慮到電阻應變式傳感器輸出為電壓信號，改變傳感器的應變重量，在形式上是以電壓的形式輸出的。在電路分析時可以把傳感器看作一個電壓源，其輸出電壓在其電電路中將信號傳遞給放大電路。所以在模擬仿真中，采用了TL431ACD 保證模擬信號輸入端的穩(wěn)定性。
4 軟件設計中的誤差補償
采用延遲法進行誤差補償，在系統(tǒng)中， 存在控制開關的抖動干擾。抑制這種噪聲方法就是通過延時， 讓接通或斷開信號穩(wěn)定后系統(tǒng)再工作， 就可以避免抖動干擾。
5 結語
本設計的放大電路的帶寬在890mHZ～123HZ，測得輸入為2.756mv時，輸出為217.177mv，放大倍數(shù)約100倍。整體上對各種誤差來源給以充分的估計，并針對不同的情況采取不同的技術措施，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力，保證了系統(tǒng)的準確、可靠。
參考文獻
[1]莊嚴.《電子秤與智能儀器的設計》.儀表技術，2002.2.
[2]劉同娟，馬向國.《Multisim在電力電子電路仿真中的應-用》.電力電子，2006.2.
生產實踐表明測量裝置失效是導致連續(xù)工業(yè)過程控制間斷的重要因素之一[1]。因此，對連續(xù)工業(yè)過程進行傳感器置信度評估尤為重要。目前常用的方法有貝葉斯估計法、DS證據(jù)推理法、自適應神經網(wǎng)絡模糊推理方法(ANFIS)和人工免疫網(wǎng)絡法等[2，3]。其中，連續(xù)生產過程中的物質能量流模型和人工免疫網(wǎng)絡傳播模型相類似，所以利用這種關系進行傳感器置信度評估已成為近年來自動化領域研究的熱點。目前基于人工免疫網(wǎng)絡的傳感器置信度評估方法主要有:以Ishida為代表的動態(tài)識別免疫網(wǎng)絡和以Leonard M.Adleman為代表的基于DNA的陰性選擇[4-6]。而前者已成功地應用于水泥生產過程的設備傳感器置信度評估。但是Ishida動態(tài)識別方法中只能處理傳感器關系確定的情況。因此，本文引入了傳感器關系的非確定性約束，用于連續(xù)生產過程傳感器之間為非確定關系情況下的傳感器置信度評估。
1 傳感器置信度評估算法Ishida動態(tài)識別免疫網(wǎng)絡是在N.K.Jerne系統(tǒng)級識別方法基礎上提出的。N.K.Jerne認為在免疫網(wǎng)絡理論中，免疫系統(tǒng)由識別集合組成，識別集合中的一些抗原可以被其他抗原激活，并產生抗體;而這些抗體又可以激活其他的抗原。通過這種方式，刺激可以從一個抗原傳播到另外一個抗原，直至影響整個網(wǎng)絡。對刺激信號的辨識不是一個抗原單獨完成的，而是通過抗原相互連接的網(wǎng)絡進行的[7，8]。Ishida動態(tài)識別免疫網(wǎng)絡方法利用傳感器之間的約束條件為每個傳感器建立測試單元。在用動態(tài)識別免疫網(wǎng)絡進行傳感器置信度評估時，網(wǎng)絡主體與傳感器相對應，免疫細胞的濃度與傳感器的可靠性相對應，網(wǎng)絡平衡狀態(tài)與傳感器正常狀態(tài)相對應，外部刺激信號和測試單元的測試結果相對應。因此，這個網(wǎng)絡中的每一個傳感器不僅測量工業(yè)過程的物理量，還要評估其他傳感器的可靠性。在同一工業(yè)過程中，溫度、壓力、流量等傳感器的測量值之間既互相獨立又互相聯(lián)系;只要利用簡單的工業(yè)過程知識就能建立起這些傳感器之間具有確定性的約束，所以這種方法實現(xiàn)起來較為簡單。這種模型可用圖1的結構表示。圖1 動態(tài)人工免疫網(wǎng)絡圖中是一個包含n個節(jié)點的人工免疫網(wǎng)絡Nais(p(i)ais)，i =1，…，n。其中p(i)ais是網(wǎng)絡的第i個節(jié)點， p(i)ais= {Aais，I(1)ais，I(2)ais，…，I(m)ais}，Aais表示網(wǎng)絡中的抗體，I(i)ais表示第i個抗體的獨特位。在Ishida的方法中，p(i)ais與工業(yè)現(xiàn)場中的第i個傳感器的邏輯位置相對應，抗體Aais與傳感器實體相對應，抗體Aais的濃度與傳感器的可信度對應，獨特位I(1)ais，I(2)ais，…，I(m)ais對應m個測試單元。對Aais(Aais∈p(i)ais)的刺激由第i個傳感器和其他傳感器建立的測試單元對應的獨特位I(1)ais，I(2)ais，…，I(m)ais產生。但是，測試單元存在如下缺點[3]:測試單元的結果只能用0，1，-1來表示，不能利用人工經驗等一些非確定知識。針對這些缺點本文進行了改進，設計了新型的測試單元。針對Ishida測試單元存在的不足，本文設計了模糊測試單元，使其能夠反應傳感器數(shù)值間的非確定性關系。在動態(tài)識別免疫網(wǎng)絡中，獨特位Iais實際上就是傳感器數(shù)值Sj和Sk的關系的體現(xiàn)，而這種關系用在模糊論域可分為5個等級:{Sj小于Sk，Sj小于等于Sk，Sj在Sk的附近變化，Sj大于等于Sk，Sj大于Sk}。Sj和Sk之間的模糊關系則代表了動態(tài)識別免疫網(wǎng)絡中抗體之間刺激的強度。設在t時刻，抗體Aais對應的傳感器j通過獨特位I(jk)ais收到來自k傳感器的刺激為I(jk)ais(t)，則其隸屬度為I(jk)ais(t) =∪5l=112πσaisle-(sj-sk-μaisl)22σ2aisl(1)式中I(jk)ais(t)∈(0，1)，兩個數(shù)列之間的關系是互易的，所以I(jk)ais(t)=I(kj)ais(t);ηaisl，σaisl(l=1，2，3，4，5)是不同等級的隸屬度函數(shù)的中的常數(shù)，由Sj和Sk之間的統(tǒng)計關系決定。由外部刺激引起抗體濃度ri產生變化，可表示為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)，經驗值取0.001;R(i)ais表示節(jié)點p(i)ais對應的第i個傳感器的可信度，R(i)ais越大，傳感器的可信度越高，由于qais·rais>0，所以Rais∈(Rd，1);ξais為靈敏度系數(shù);qais是網(wǎng)絡平衡狀態(tài)的調節(jié)系數(shù)，主要作用是傳感器網(wǎng)絡在正常時的可信度調節(jié)在一個合適的范圍內。
轉貼于 2 參數(shù)確定的方法在本算法中，需要確定的參數(shù)有兩類:一類是式(1)影響對獨特位刺激程度的參數(shù)μais和σais，另一類是影響網(wǎng)絡平衡狀態(tài)的參數(shù)ξais和qais。參數(shù)μais和σais主要表征了和獨特位對應的測試單元中兩個傳感器之間的關系。這種關系通常是生產工藝所要求的(或者工業(yè)過程特性決定的)。要確定參數(shù)μais和σais，首先要獲取這兩個傳感器大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，然后以它們相同時刻測量值的差作為樣本。μais是該樣本的正態(tài)分布的均值，σais是該樣本的正態(tài)分布的均方差。參數(shù)ξais和qais影響網(wǎng)絡的平衡狀態(tài)，如圖2所示。從圖中可以看出:ξais越大，網(wǎng)絡對外界的反映就越靈敏，但容易產生誤報。qais越大Rais正常狀態(tài)下就越大;但是，qais過大會造成測量失效狀態(tài)下的可信度變大，容易發(fā)生漏報。參數(shù)ξais和qais可以通過學習得到。在傳感器正常工作狀態(tài)下，qais可通過以下公式得到qais(t+1) = qais(t)+αais(Rais-R0) (4)式中αais為步長系數(shù);R0為qais調節(jié)時傳感器正常狀態(tài)下置信度的平均值，一般可取0.7。在某個時刻，1732傳 感 技 術 學 報2008年能比較試驗。ANFIS結構如圖4所示，酵罐三個溫度傳感器，兩個作為輸入，另外一個作為輸出，對傳感器輸入值的隸屬度劃分為兩個區(qū)間:正常和異常。經過訓練以后和分別對應于兩個輸入傳感器的“標準可信度”。圖4 ANFIS的結構例如，當對于罐頂傳感器的置信度評估時，建立2個ANFIS:ANFIS-1:輸入為罐頂傳感器和罐中部傳感器，輸出為罐底傳感器，w(1)top表征罐頂傳感器的置信度。ANFIS-2:輸入為罐頂傳感器和罐底傳感器，輸出為罐中部傳感器，w(2)top表征罐頂傳感器的置信度。那么，罐頂傳感器的置信度為w(1)top和w(2)top的平均值。其余兩個傳感器的評估方法也同樣。AN-FIS實驗使用和人工免疫網(wǎng)絡實驗相同的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)窗口大小為30 ks。由于兩個實驗中的置信度沒有可比性，人工免疫網(wǎng)絡算法中的置信度來源于人工經驗，ANFIS的標準的可信度來源于歸一化的權系數(shù)。因此，論文比較的是:傳感器“故障”引起的其置信度變化率ηt，ηt=| Rm-Ra|Rm(6)式中:Rm表示正常狀態(tài)下的置信度，Ra表示異常情況下的置信度。對比實驗的結果如表2所示，從中可以看出，兩種方法結果是一致的，而當偏差數(shù)據(jù)較大時，ANFIS方法ηt的較大，對故障數(shù)據(jù)比較敏感，在偏差較小時，人工免疫網(wǎng)絡算法的ηt較大，對故障數(shù)據(jù)比較敏感。因此，人工免疫網(wǎng)絡算法適用的數(shù)值范圍更廣一些。表2 對比實驗的ηt結果傳感器偏差數(shù)據(jù)/℃人工免疫網(wǎng)絡方法ANFIS方法罐頂傳感器-0.50 34.6% 57.7%罐中部傳感器-0.30 18.1% 4.8%罐底傳感器-0.15 6.4% 0.2%
3 結論論文研究了連續(xù)過程中傳感器具有非確定關系情況下的傳感器置信度評估。實驗證明:①具有模糊測試單元的人工免疫網(wǎng)絡能夠使用人工經驗對傳感器的數(shù)據(jù)置信度進行評估;②具有模糊測試單元的參數(shù)物理意義明顯、確定方法簡單易行。但是，論文中的算法在某些情況下抗干擾能力較弱。例如，圖3(c)所示情況應用單條件的閥值比較的方法輸出的結果不穩(wěn)定，論文將用復合的判決條件的方法在此深入研究。
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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(jiān)控，無線傳輸為核心，可用于航空航天系統(tǒng)中，倉儲溫度監(jiān)測及環(huán)境監(jiān)測，礦井里的溫度采集等。免費論文?？焖俜奖悴⑶铱梢詫崿F(xiàn)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(shù)據(jù)進行存儲對比，以備不時之需。在該系統(tǒng)中還添加報警系統(tǒng)，自動提醒不正常溫度，以免發(fā)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(qū)域，例如：高壓區(qū)，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(jiān)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(fā)展等。
在現(xiàn)代社會中溫度在航空航天，工業(yè)自動化、家用電器、環(huán)境保護和安全生產等方面都是最基本的監(jiān)測參數(shù)之一，但是在某些環(huán)境下溫度檢測比較危險。因而需要一個智能檢測和監(jiān)測系統(tǒng)來代替危險的工作，本系統(tǒng)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(jiān)控，還可以在十分惡劣的環(huán)境下工作，測量結果精度高，并且對所測數(shù)據(jù)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(tǒng)實現(xiàn)了對現(xiàn)場環(huán)境溫度的不間斷測量與監(jiān)控，讓您通過監(jiān)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(jiān)控和測量的地方放置無線溫度采集器，然后由監(jiān)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(shù)據(jù)采集任務；同時監(jiān)控中心對無線溫度采集器傳輸來的溫度數(shù)據(jù)進行存儲和查詢統(tǒng)計。本系統(tǒng)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(yè)自動化、家用電器、環(huán)境保護和安全生產等方面都是最基本的監(jiān)測參數(shù)之一，因此其檢測裝置也得到的長足的進步和發(fā)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(fā)現(xiàn)，新一代的溫度傳感器也在不斷出現(xiàn)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(shù)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(fā)展。智能溫度傳感器(亦稱數(shù)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(shù)據(jù)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(xiàn)測試功能。目前，國際上已開發(fā)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(shù)據(jù)，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(jié)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(fā)展，這就為研制和開發(fā)多路溫度測控系統(tǒng)創(chuàng)造了良好條件。
無線傳輸技術ZigBee是在工業(yè)自動化、家庭智能化和遙控監(jiān)測領域對無線通訊和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笕找嬖鲩L的情況下應運而生的，它采用IEEE802.15.4協(xié)議，具有功耗低，成本低等特點，還可以方便的實現(xiàn)自動移動的AdHoc網(wǎng)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(wǎng)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(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡將會逐漸的深入生活的每個方面。
3.無線網(wǎng)絡溫度采集可以實現(xiàn)如下功能
（一）數(shù)字信號通過單片機分析處理，通過ZigBee無線傳輸模塊，可實現(xiàn)無線傳輸功能。（二）接收模塊得到的數(shù)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(xiàn)數(shù)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(xiàn)存儲功能。（四）由于有無線傳輸，可以實現(xiàn)遠程對溫度進行監(jiān)控和測量 存儲，安全可靠，而且速度快精度高。（五）系統(tǒng)實現(xiàn)了對現(xiàn)場環(huán)境的不間斷溫度測量與監(jiān)控，讓您通過監(jiān)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(jiān)控和測量的地方放置無線溫度采集器，然后由監(jiān)代替過去由人工來完成的溫度數(shù)據(jù)采集任務；同時監(jiān)控中心對無線溫度采集器傳輸來的溫度數(shù)據(jù)進行存儲和查詢統(tǒng)計。（六）該系統(tǒng)可換部分裝置，然后實現(xiàn)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(fā)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(huán)境以及相關工業(yè)、煤礦業(yè)、石油業(yè)、存儲業(yè)等相關環(huán)境中的重要溫度數(shù)據(jù)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(tǒng)的處理和監(jiān)控為核心，當需要采集人類無法立足的惡劣環(huán)境中的重要溫度數(shù)據(jù)時，本系統(tǒng)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(huán)境中可以通過本系統(tǒng)來監(jiān)測溫度，當超過合適的環(huán)境溫度時，發(fā)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(fā)生的幾率，具有很強的現(xiàn)實意義
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