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第1篇

1.彈性元件的虛擬模型根據(jù)導(dǎo)體材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)，電阻的相對(duì)變化與應(yīng)變之間的關(guān)系。為了獲得電橋輸出與載荷的關(guān)系，需要構(gòu)建彈性元件的數(shù)學(xué)模型。電阻式傳感器的彈性元件結(jié)構(gòu)有圓筒式、柱環(huán)式、懸梁式和輪輻式四種基本類(lèi)型，各種不同的結(jié)構(gòu)型式的彈性元件應(yīng)變?chǔ)排c載荷F的關(guān)系如下所示。（1）柱筒式彈性元件其中E為彈性模量，A為橫截面積。（2）柱環(huán)式彈性元件其中R0為內(nèi)環(huán)半徑，b為柱環(huán)寬度，h為柱環(huán)厚度，E為彈性模量。（3）懸梁式彈性元件其中l(wèi)為有效長(zhǎng)度，b為懸梁寬度，h為懸梁厚度，E為彈性模量。（4）輪輻式彈性元件其中b為輪輻條厚度，h為輪輻條寬度，G為剪切模量。將四種彈性元件類(lèi)型設(shè)計(jì)在一個(gè)子VI中，通過(guò)操作“彈性元件類(lèi)型”下拉列表進(jìn)行選擇。

2.虛擬電橋模型電橋是目前常用的電阻式傳感器測(cè)量電路，整個(gè)電橋電路由四個(gè)橋臂組成，當(dāng)橋臂接入應(yīng)變電阻時(shí)則成為應(yīng)變電橋。當(dāng)有一個(gè)臂被接入應(yīng)變電阻時(shí)，被稱(chēng)為單臂電橋；兩個(gè)臂被接入應(yīng)變電阻時(shí)則為雙臂電橋（也稱(chēng)半橋）；四個(gè)臂均被接入應(yīng)變電阻時(shí)則稱(chēng)為全橋。在橋路中均未接入應(yīng)變電阻時(shí)。

3.電阻屬性和接橋方式設(shè)計(jì)前面板（如圖1所示）上電橋部分的電阻屬性分為固定電阻、應(yīng)變電阻和平衡電阻三種，應(yīng)變電阻的貼片方式分為受拉應(yīng)力和受壓應(yīng)力。（1）電阻屬性。圖1中的電阻R1的屬性只有兩種：應(yīng)變電阻和固定電阻。該屬性通過(guò)操作“R1”設(shè)置開(kāi)關(guān)進(jìn)行選擇。若R1為應(yīng)變電阻屬性，其阻值會(huì)隨載荷F的增減而產(chǎn)生相應(yīng)的ΔR1以及因溫度變化產(chǎn)生的ΔR1t。電阻R2的屬性與R1相同。通過(guò)操作“R2”設(shè)置開(kāi)關(guān)可以選擇R2的屬性。若R2作為應(yīng)變電阻，則會(huì)隨載荷F的增減而產(chǎn)生相應(yīng)的ΔR2以及因溫度變化產(chǎn)生的ΔR2t。若操作“差動(dòng)設(shè)置”開(kāi)關(guān)，則可使R2的受力方式為受壓應(yīng)力，從而會(huì)隨載荷F的增減而產(chǎn)生相應(yīng)的-ΔR2以及因溫度變化產(chǎn)生的ΔR2t。R3，R4需要參與調(diào)平電路的設(shè)計(jì)，因此接線也會(huì)相對(duì)復(fù)雜。通過(guò)操作“R3”和“R4”設(shè)置開(kāi)關(guān)對(duì)該電阻進(jìn)行屬性操作。圖中出現(xiàn)的Rr顯示框?yàn)檎{(diào)零電路中的R5的右半部分與R6串聯(lián)然后再與R3并聯(lián)后的阻值。Rl顯示框?yàn)镽5的左半部分與R6串聯(lián)后再與R4并聯(lián)后的阻值。（2）接橋方式的設(shè)計(jì)。虛擬前面板上的電橋工作方式分別為：不工作、單臂工作，半橋工作和全電橋工作方式四大類(lèi)型。對(duì)于半橋和全橋方式，其中應(yīng)變片又分為差動(dòng)和非差動(dòng)兩種布片方式。不工作方式指的是R1，R2，R3和R4都設(shè)置成固定電阻。該方式無(wú)論怎樣施加外力，輸出始終為零。單臂工作時(shí)將R1設(shè)置為應(yīng)變電阻，R2、R3、R4設(shè)置為固定電阻。此時(shí)，按“R1”按鈕，“R1”按鈕變綠，圖中應(yīng)變電阻R1如果顯示向上的箭頭，表明該應(yīng)變電阻受拉應(yīng)力，對(duì)應(yīng)電阻值增大；如果應(yīng)變電阻R1顯示向下的箭頭，表明該應(yīng)變電阻受壓應(yīng)力，對(duì)應(yīng)電阻值減小。半橋非差動(dòng)工作時(shí)，R1、R2設(shè)置為應(yīng)變電阻，R3、R4設(shè)置為固定電阻。按下“R1”、“R2”兩個(gè)按鈕，兩者均變綠表示接入工作臂，同時(shí)電阻R1、R2上的箭頭方向一致，表示應(yīng)變片受到相同性質(zhì)的應(yīng)力，此時(shí)電橋輸出基本為零。半橋差動(dòng)工作時(shí)，R1、R2設(shè)置為應(yīng)變電阻，R3、R4設(shè)置為固定電阻。按下“R1”、“R2”兩個(gè)按鈕，兩者均變綠表示接入工作臂，同時(shí)電阻R1顯示向上箭頭，R2顯示向下的箭頭，表示對(duì)應(yīng)的應(yīng)變片受到拉應(yīng)力和壓應(yīng)力。全橋非差動(dòng)工作時(shí)R1、R2、R3、R4屬性均為應(yīng)變電阻，此時(shí)，按下“R1”、“R2”、“R3”、“R4”按鈕，均變?yōu)榫G色。四個(gè)電阻上的箭頭方向一致，表明四個(gè)電阻受相同性質(zhì)的應(yīng)力，此時(shí)電橋輸出基本為零。全橋差動(dòng)工作時(shí)，“R1”、“R3”電阻箭頭向上，表示受拉應(yīng)力；“R2”“R4”箭頭向下，表示受壓應(yīng)力。

4.溫度誤差計(jì)算及補(bǔ)償在討論應(yīng)變計(jì)的工作特性時(shí)通常是以溫度恒定為前提的，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，工作溫度可能會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致應(yīng)變電阻的阻值發(fā)生變化。設(shè)工作溫度變化為Δt℃，則由此引起粘貼在試件上的應(yīng)變電阻的相對(duì)變化為。將公式（11）代入公式（7）-（10），即可以計(jì)算出溫度變化時(shí)的電橋輸出，該輸出即為溫度誤差。單臂工作時(shí)，采用補(bǔ)償塊法進(jìn)行溫度誤差補(bǔ)償，該方法利用兩塊參數(shù)相同的應(yīng)變計(jì)R1、R2，R1貼于試件上并接入工作臂，R2貼于與試件材料相同溫度環(huán)境的補(bǔ)償塊上，但該補(bǔ)償塊不參與機(jī)械應(yīng)變，同時(shí)接入電橋相鄰臂作為補(bǔ)償臂。當(dāng)接通電源并施加負(fù)載時(shí)，補(bǔ)償臂產(chǎn)生的熱輸出與工作臂產(chǎn)生的熱輸出相同，則可達(dá)到溫度誤差補(bǔ)償?shù)哪康摹?duì)于半橋差動(dòng)和全橋差動(dòng)工作方式，根據(jù)公式（10）的和差特性即能進(jìn)行溫度誤差補(bǔ)償。5.非線性誤差計(jì)算及補(bǔ)償公式（10）是對(duì)公式（9）進(jìn)行線性化后的輸出。對(duì)于單臂工作時(shí)，非線性誤差可以通過(guò)在電路中加入補(bǔ)償臂（該臂不受外加應(yīng)力作用）。對(duì)于半橋差動(dòng)和全橋差動(dòng)工作方式，不需要外接補(bǔ)償電路，因?yàn)椴顒?dòng)工作方式具有很好的非線性補(bǔ)償作用。

二、虛擬操作面板的設(shè)計(jì)

用LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)虛擬儀器，用戶能“量身定制”儀器的操作面板。本實(shí)驗(yàn)根據(jù)真實(shí)的電阻式傳感器實(shí)驗(yàn)電路接線圖作為虛擬儀器的操作面板，能直觀地闡述電阻式傳感器實(shí)驗(yàn)原理及操作方式，虛擬面板如圖1所示，主要包括虛擬彈性元件選擇、應(yīng)變電阻布片方式選擇、電橋接法選擇、電橋調(diào)零模塊、差動(dòng)放大模塊、直流電源模塊。此外前面板還包括電阻、外力、溫度的賦值等。

三、遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)的演示步驟

電阻式傳感器實(shí)驗(yàn)的遠(yuǎn)程操作分別由DataSocket技術(shù)與Web網(wǎng)絡(luò)工具來(lái)實(shí)現(xiàn)。DataSocket技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的結(jié)合使虛擬儀器的遠(yuǎn)程控制成為可能，可在若干計(jì)算機(jī)上對(duì)傳感器虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行操作及數(shù)據(jù)處理。這為傳感器虛擬實(shí)驗(yàn)的互動(dòng)教學(xué)提升了便捷性。電阻式傳感器虛擬實(shí)驗(yàn)的遠(yuǎn)程操作過(guò)程如下：第一步，打開(kāi)服務(wù)器網(wǎng)頁(yè)。第二步，輸入R1、R2、R3、R4的阻值。第三步，選擇彈性元件類(lèi)型。第四步，設(shè)置接橋和布片方式。第五步，打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)。第六步，調(diào)節(jié)調(diào)零電位計(jì)，直至電橋近似達(dá)到初始平衡狀態(tài)。第七步，點(diǎn)擊“施力F”按鈕。第八步，查看客戶端網(wǎng)頁(yè)，查看電橋輸出曲線。第十步，點(diǎn)擊服務(wù)器面板中的“復(fù)位鍵”，使所有選項(xiàng)、開(kāi)關(guān)及輸入數(shù)據(jù)均清零和初始化。第十一步，關(guān)閉電源開(kāi)關(guān)。

四、結(jié)束語(yǔ)

第2篇

關(guān)鍵詞：測(cè)力傳感器，應(yīng)力集中，精度，靈敏度

一、概述

對(duì)于電阻應(yīng)變片式測(cè)力傳感器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“測(cè)力傳感器”）來(lái)說(shuō)，彈性體的結(jié)構(gòu)形狀與相關(guān)尺寸對(duì)測(cè)力傳感器性能的影響極大。可以說(shuō)，測(cè)力傳感器的性能主要取決于其彈性體的形狀及相關(guān)尺寸。如果測(cè)力傳感器的彈性體設(shè)計(jì)不合理，無(wú)論彈性體的加工精度多高、粘貼的電阻應(yīng)變片的品質(zhì)多好，測(cè)力傳感器都難以達(dá)到較高的測(cè)力性能。因此，在測(cè)力傳感器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)彈性體進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

彈性體的設(shè)計(jì)基本屬于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的范圍，但因測(cè)力性能的需要，其結(jié)構(gòu)上與普通的機(jī)械零件和構(gòu)件有所不同。一般說(shuō)來(lái)，普通的機(jī)械零件和構(gòu)件只須滿足在足夠大的安全系數(shù)下的強(qiáng)度和剛度即可，對(duì)在受力條件下零件或構(gòu)件上的應(yīng)力分布情況不必嚴(yán)格要求。然而，對(duì)于彈性體來(lái)說(shuō)，除了需要滿足機(jī)械強(qiáng)度和剛度要求以外，必須保證彈性體上粘貼電阻應(yīng)變片部位（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“貼片部位”）的應(yīng)力（應(yīng)變）與彈性體承受的載荷（被測(cè)力）保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系；同時(shí)，為了提高測(cè)力傳感器測(cè)力的靈敏度，還應(yīng)使貼片部位達(dá)到較高的應(yīng)力（應(yīng)變）水平。

由此可見(jiàn)，在彈性體的設(shè)計(jì)過(guò)程中必須滿足以下兩項(xiàng)要求：

（1）貼片部位的應(yīng)力（應(yīng)變）應(yīng)與被測(cè)力保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系；

（2）貼片部位應(yīng)具有較高的應(yīng)力（應(yīng)變）水平。

為了滿足上述兩項(xiàng)要求，在測(cè)力傳感器的彈性體設(shè)計(jì)方面，經(jīng)常應(yīng)用“應(yīng)力集中”的設(shè)計(jì)原則，確保貼片部位的應(yīng)力（應(yīng)變）水平較高，并與被測(cè)力保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以提高所設(shè)計(jì)測(cè)力傳感器的測(cè)力靈敏度和測(cè)力精度。

二、改善應(yīng)力（應(yīng)變）不規(guī)則分布的“應(yīng)力集中”原則

在機(jī)械零件或構(gòu)件的設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常認(rèn)為應(yīng)力（應(yīng)變）在零件或構(gòu)件上是規(guī)則分布的，如果零件或構(gòu)件的截面形狀不發(fā)生變化，不必考慮應(yīng)力（應(yīng)變）分布不規(guī)則的問(wèn)題。其實(shí)，在機(jī)械零件或構(gòu)件的設(shè)計(jì)中，對(duì)于應(yīng)力（應(yīng)變）不規(guī)則分布的問(wèn)題并非不予考慮，而是通過(guò)強(qiáng)度計(jì)算中的安全系數(shù)將其包容在內(nèi)了。

對(duì)于測(cè)力傳感器來(lái)說(shuō)，它是通過(guò)電阻應(yīng)變片測(cè)量彈性體上貼片部位的應(yīng)變來(lái)測(cè)量被測(cè)力的大小。若要保證貼片部位的應(yīng)力（應(yīng)變）與被測(cè)力保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)際上就是保證在測(cè)力傳感器受力時(shí)，彈性體上貼片部位的應(yīng)力（應(yīng)變）要按照某一規(guī)律分布。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于彈性體貼片部位應(yīng)力（應(yīng)變）分布影響較大的因素主要是彈性體受力條件的變化。

彈性體受力條件的變化是指當(dāng)彈性體受力的大小不變時(shí)，力的作用點(diǎn)發(fā)生變化或彈性體與其相鄰的加載構(gòu)件和承載構(gòu)件的接觸條件發(fā)生變化。如果在彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，未能考慮這一情況，就可能造成彈性體上應(yīng)力（應(yīng)變）分布的不規(guī)則變化。這方面最典型的實(shí)例是筒式測(cè)力傳感器（見(jiàn)圖1）。

當(dāng)筒式測(cè)力傳感器上、下端面均勻受力時(shí)，在彈性體貼片部位的整個(gè)圓周上應(yīng)力（應(yīng)變）的分布是均勻的。當(dāng)上、下兩個(gè)端面上受力情況發(fā)生變化后，力在兩個(gè)端面的作用情況不再是均勻分布的，這時(shí)彈性體貼片部位圓周上應(yīng)力（應(yīng)變）的分布情況就難以預(yù)料了。如果筒式測(cè)力傳感器彈性體的高度與直徑之比足夠大，彈性體貼片部位圓周上的應(yīng)力（應(yīng)變）基本上還是均勻分布。但是，在實(shí)際應(yīng)用中，通常很少能為測(cè)力傳感器提供較大的安裝空間位置，因而筒式測(cè)力傳感器彈性體的高度與直徑之比很難做到足夠大，彈性體貼片部位圓周上應(yīng)力（應(yīng)變）將不均勻分布，而且不均勻分布的情況隨彈性體受力情況的變化而改變。在這樣的條件下，彈性體貼片部位的應(yīng)力（應(yīng)變）與被測(cè)力不能保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將造成明顯的測(cè)力誤差。

為了減小由于彈性體受力條件的變化引起的測(cè)力誤差，有些傳感器設(shè)計(jì)者采取在筒式測(cè)力傳感器彈性體上增加貼片數(shù)量的方法，盡可能將彈性體上貼片部位圓周上應(yīng)力（應(yīng)變）分布不均勻的情況測(cè)量出來(lái)。這樣的處理方法有一定的效果，可以減小彈性體受力條件的變化引起的測(cè)力誤差。但這種方法畢竟是一種被動(dòng)的方法，增加的貼片數(shù)量總是有限的，還是很難把彈性體上貼片部位圓周上應(yīng)力（應(yīng)變）分布不均勻的情況全部測(cè)量出來(lái)，測(cè)力誤差減小的程度不夠顯著。

由于彈性體受力條件的變化引起的測(cè)力誤差的實(shí)質(zhì)是彈性體貼片部位圓周上的應(yīng)力（應(yīng)變）的不規(guī)則分布，如果能使彈性體貼片部位圓周上的應(yīng)力（應(yīng)變）分布受到一定條件的約束，迫使貼片部位的應(yīng)力（應(yīng)變）按照某一規(guī)律分布，因而使得彈性體貼片部位的應(yīng)力（應(yīng)變）與被測(cè)力基本保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，由此來(lái)減小因彈性體受力條件的變化引起的測(cè)力誤差。

對(duì)于筒式測(cè)力傳感器來(lái)說(shuō)，在承載強(qiáng)度足夠的條件下，如果將彈性體貼片部位圓周上不貼片的部位挖空（見(jiàn)圖2），使得應(yīng)力只能在未挖空的部位分布，大大改善了應(yīng)力（應(yīng)變）不規(guī)則分布的情況。或者說(shuō)，應(yīng)力（應(yīng)變）的不規(guī)則分布僅僅限于未挖空的部位，并且其不規(guī)則分布的程度不會(huì)很大。因此，在未挖空的部位粘貼電阻應(yīng)變片，就能使測(cè)得的應(yīng)力（應(yīng)變）與被測(cè)力基本保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

上述處理方法實(shí)際上出于這樣一個(gè)原理：通過(guò)某種措施，使彈性體上的應(yīng)力（應(yīng)變）集中分布在便于貼片檢測(cè)的部位，實(shí)現(xiàn)測(cè)得的應(yīng)力（應(yīng)變）與被測(cè)力基本保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以保證傳感器的測(cè)力精度。

作者曾用上述方法對(duì)筒式測(cè)力傳感器進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)前的普通筒式傳感器測(cè)力誤差大于1%F.S.，改進(jìn)后（局部挖空）的筒式傳感器測(cè)力誤差為0.1~0.3%F.S.，測(cè)力精度明顯提高。

三、提高應(yīng)力（應(yīng)變）水平的應(yīng)力集中原則

若要測(cè)力傳感器達(dá)到較高的靈敏度，通常應(yīng)該使電阻應(yīng)變片有較高的應(yīng)變水平，即在彈性體上貼片部位應(yīng)該有較高的應(yīng)力（應(yīng)變）水平。

實(shí)現(xiàn)彈性體上貼片部位達(dá)到較高應(yīng)力（應(yīng)變）水平有兩種常用的方法：

（1）整體減小彈性體的尺寸，全面提高彈性體上的應(yīng)力（應(yīng)變）水平；

（2）在貼片部位附近對(duì)彈性體進(jìn)行局部削弱，使貼片部位局部應(yīng)力（應(yīng)變）水平提高，而彈性體其它部位的應(yīng)力（應(yīng)變）水平基本不變。

以上兩種方法都可以提高貼片部位的應(yīng)力（應(yīng)變）水平，但對(duì)彈性體整體性能而言，局部削弱彈性體的效果要遠(yuǎn)好于整體減小彈性體尺寸。因?yàn)榫植肯魅鯊椥泽w既能提高貼片部位的應(yīng)力（應(yīng)變）水平，又使得彈性體整體保持較高的強(qiáng)度和剛度，有利于提高傳感器的性能和使用效果。

局部削弱彈性體提高貼片部位應(yīng)力（應(yīng)變）水平的原理是：通過(guò)局部削弱彈性體，造成局部的應(yīng)力集中，使得應(yīng)力集中部位的應(yīng)力（應(yīng)變）水平明顯高于彈性體其它部位的應(yīng)力水平，將電阻應(yīng)變片粘貼于應(yīng)力集中部位，就可以測(cè)得較高的應(yīng)變水平。

局部應(yīng)力（應(yīng)變）集中的方法在測(cè)力傳感器的設(shè)計(jì)中經(jīng)常被采用，尤其在梁式測(cè)力傳感器（如彎曲梁式和剪切梁式測(cè)力傳感器）的彈性體設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用。局部應(yīng)力（應(yīng)變）集中方法應(yīng)用較為成功的當(dāng)數(shù)剪切梁式測(cè)力傳感器。剪切梁式測(cè)力傳感器是通過(guò)檢測(cè)梁式彈性體上的剪應(yīng)力（剪應(yīng)變）實(shí)現(xiàn)測(cè)力的，其彈性體的結(jié)構(gòu)如圖3所示（為了便于說(shuō)明問(wèn)題，這里僅以一簡(jiǎn)支梁式的彈性體為例）。

由材料力學(xué)中有關(guān)梁的應(yīng)力分布知識(shí)可知，當(dāng)梁承受橫向（彎曲）載荷時(shí)，在梁的中性層處剪應(yīng)力（剪應(yīng)變）最大。如果要檢測(cè)梁上的剪應(yīng)變，應(yīng)該在梁的中性層處貼片。為了提高貼片處的剪應(yīng)力（剪應(yīng)變）水平，可將彈性體兩側(cè)各挖一個(gè)盲孔（見(jiàn)圖3的2處），盲孔的中心應(yīng)在中性層處。電阻應(yīng)變片應(yīng)該粘貼在盲孔的底面上，即圖3中工字形斷面（A－A剖面）的腹板上。

對(duì)于梁形構(gòu)件來(lái)說(shuō)，其彎曲強(qiáng)度是主要矛盾。在一個(gè)梁滿足彎曲強(qiáng)度的情況下，剪切強(qiáng)度一般裕量較大。當(dāng)在中性層附近挖盲孔后，該截面上腹板上的剪應(yīng)力（剪應(yīng)變）明顯提高，然而該截面上的彎曲應(yīng)力提高很小。因此，剪切梁式彈性體應(yīng)用局部應(yīng)力集中方案后，被檢測(cè)的剪應(yīng)變大大提高，使該測(cè)力傳感器的靈敏度顯著提高，而對(duì)整個(gè)梁的彎曲強(qiáng)度影響很小，使整個(gè)梁保持了良好的強(qiáng)度和剛度。

四、小結(jié)

在測(cè)力傳感器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，如能自覺(jué)地按照上述兩種應(yīng)力集中的原則，對(duì)彈性體進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，就能夠收到提高測(cè)力傳感器的測(cè)力精度和測(cè)力靈敏度的良好效果。靈活、恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用應(yīng)力集中的原則，對(duì)于設(shè)計(jì)和生產(chǎn)高性能的測(cè)力傳感器具有重要的實(shí)用意義。

參考文獻(xiàn)

[1].劉鴻文主編，《材料力學(xué)》，高等教育出版社，1979年

PrinciplesofConcentratingStressintheDesignofLoadCells

Abstract:Thispaperintroducestwoprinciplesofconcentratingstress,whichareusually

usedinthedesignofloadcells.Accordingtotheprinciplestheelasticbodiesofloadcells

第3篇

關(guān)鍵詞：傳感器；AD轉(zhuǎn)換；控制器；硬件電路

引言

隨著微電子工業(yè)的迅速發(fā)展，單片機(jī)控制的智能型控制器廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品中，為了使學(xué)生對(duì)單片機(jī)控制的智能型控制器有較深的了解。經(jīng)過(guò)綜合分析選擇了由單片機(jī)控制的智能型液位控制器作為研究項(xiàng)目，通過(guò)訓(xùn)練充分激發(fā)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題和綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)的潛能。另外，液位控制在高層小區(qū)水塔水位控制，污水處理設(shè)備和有毒，腐蝕性液體液位控制中也被廣泛應(yīng)用。通過(guò)對(duì)模型的設(shè)計(jì)可很好的延伸到具體應(yīng)用案例中。

一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案比較說(shuō)明

對(duì)于液位進(jìn)行控制的方式有很多，而應(yīng)用較多的主要有2種，一種是簡(jiǎn)單的機(jī)械式控制裝置控制，一種是復(fù)雜的控制器控制方式。兩種方式的實(shí)現(xiàn)如下：

(1)簡(jiǎn)單的機(jī)械式控制方式。其常用形式有浮標(biāo)式、電極式等，這種控制形式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉。存在問(wèn)題是精度不高，不能進(jìn)行數(shù)值顯示，另外很容易引起誤動(dòng)作，且只能單獨(dú)控制，與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信較難實(shí)現(xiàn)。

(2)復(fù)雜控制器控制方式。這種控制方式是通過(guò)安裝在水泵出口管道上的壓力傳感器，把出口壓力變成標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)電信號(hào)的模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)前置放大、多路切換、AD變換成數(shù)字信號(hào)傳送到單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)運(yùn)算和給定參量的比較，進(jìn)行PID運(yùn)算，得出調(diào)節(jié)參量；經(jīng)由DA變換給調(diào)壓變頻調(diào)速裝置輸入給定端，控制其輸出電壓變化，來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，以達(dá)到控制水箱液位的目的。

針對(duì)上述2種控制方式，以及設(shè)計(jì)需達(dá)到的性能要求，這里選擇第二種控制方式，同時(shí)考慮到成本需要把PID控制去掉。最終形成的方案是，利用單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)一個(gè)對(duì)供水箱水位進(jìn)行監(jiān)控的系統(tǒng)。根據(jù)監(jiān)控對(duì)象的特征，要求實(shí)時(shí)檢測(cè)水箱的液位高度，并與開(kāi)始預(yù)設(shè)定值做比較，由單片機(jī)控制固態(tài)繼電器的開(kāi)斷進(jìn)行液位的調(diào)整，最終達(dá)到液位的預(yù)設(shè)定值。檢測(cè)值若高于上限設(shè)定值時(shí)，要求報(bào)警，斷開(kāi)繼電器，控制水泵停止上水；檢測(cè)值若低于下限設(shè)定值，要求報(bào)警，開(kāi)啟繼電器，控制水泵開(kāi)始上水。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)顯示測(cè)量值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位的監(jiān)控。

二、工作原理

基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的液位控制器是以AT89C51芯片為核心，由鍵盤(pán)、數(shù)碼顯示、AD轉(zhuǎn)換、傳感器，電源和控制部分等組成。

工作過(guò)程如下：水箱(水塔)液位發(fā)生變化時(shí)，引起連接在水箱(水塔)底部的軟管管內(nèi)的空氣氣壓變化，氣壓傳感器在接收到軟管內(nèi)的空氣氣壓信號(hào)后，即把變化量轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)；該信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大電路放大后變成幅度為0～5V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，送入AD轉(zhuǎn)換器，AD轉(zhuǎn)換器把模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)量，由單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行處理，根據(jù)設(shè)定要求控制輸出，同時(shí)數(shù)碼管顯示液位高度。通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)置液位高、低和限定值以及強(qiáng)制報(bào)警值。該系統(tǒng)控制器特點(diǎn)是直觀地顯示水位高度，可任意控制水位高度。

三、硬件設(shè)計(jì)

液位控制器的硬件主要包括由單片機(jī)、傳感器(帶變送器)、鍵盤(pán)電路、數(shù)碼顯示電路、AD轉(zhuǎn)換器和輸出控制電路等。

3.1單片機(jī)

單片機(jī)采用由Atmel公司生產(chǎn)的雙列40腳AT89C51芯片。

3.2傳感器

傳感器使用SY一9411L—D型變送器，它內(nèi)部含有1個(gè)壓力傳感器和相應(yīng)的放大電路。壓力傳感器是美國(guó)SM公司生產(chǎn)的555—2型OEM壓阻式壓力傳感器，其有全溫度補(bǔ)償及標(biāo)定(O～70℃)，傳感器經(jīng)過(guò)特殊加工處理，用堅(jiān)固的耐高溫塑料外殼封裝。在水箱底部安裝1根直徑為5mm的軟管，一端安裝在水箱底部；另一端與傳感器連接。水箱水位高度發(fā)生變化時(shí)，引起軟管內(nèi)氣壓變化，然后傳感器把氣壓轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，輸送到AD轉(zhuǎn)換器。

3.3鍵盤(pán)電路

P1口作為鍵盤(pán)接口，連接一個(gè)4×4鍵盤(pán)。

3.4液位顯示電路

液位顯示采用數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示，范圍從0～999(單位可自定)，選擇的數(shù)碼管是7段共陰極連接，型號(hào)是LDSl8820。在這里使用到了74LS373，它是一個(gè)8位的D觸發(fā)器，在單片機(jī)系統(tǒng)中經(jīng)常使用，可以作地址數(shù)據(jù)總線擴(kuò)展的鎖存器，也可以作為普通的LED的驅(qū)動(dòng)器件，由于單獨(dú)使用HEF4511B七段譯碼驅(qū)動(dòng)顯示器來(lái)完成數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)顯示，因此74LS373在這里只用作擴(kuò)展的緩沖。

3.5AD轉(zhuǎn)換電路及控制輸出

AD轉(zhuǎn)換電路在控制器中起主導(dǎo)作用，用它將傳感器輸出的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能處理的數(shù)字量。該控制器采用CMOS工藝制造的逐步逼近式8位AD轉(zhuǎn)換器芯片ADC0809。在使用時(shí)可選擇中斷、查詢和延時(shí)等待3種方式編制AD轉(zhuǎn)換程序。控制輸出主要有上下限狀態(tài)顯示、超限報(bào)警。另外在設(shè)計(jì)過(guò)程中預(yù)留了串行口，供進(jìn)一步開(kāi)發(fā)使用。

四、軟件設(shè)計(jì)

4.1鍵盤(pán)程序

由于鍵盤(pán)采用的是4×4結(jié)構(gòu)，因此可使用的鍵有16個(gè)，根據(jù)需要分別定義各鍵，0～9號(hào)為數(shù)字鍵，10～15號(hào)分別是確定鍵、修改鍵、移位鍵、加減鍵、取消鍵和復(fù)位鍵。

值得注意的是，在用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)控制器程序時(shí)，相對(duì)會(huì)比較麻煩，如果用C語(yǔ)言編寫(xiě)程序會(huì)簡(jiǎn)單很多，這里就不再做具體說(shuō)明。

五、結(jié)束語(yǔ)

基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)液位控制器模型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于硬件電路的正確構(gòu)建，只有在電路準(zhǔn)確的前提下再進(jìn)行軟件編程才能取得成功。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃智偉.傳感器技術(shù).2002，21（9）：31～33

第4篇

知識(shí)與技能：通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，知道磁敏傳感器的工作原理及應(yīng)用；能分析、設(shè)計(jì)、制作簡(jiǎn)單的磁敏傳感器．過(guò)程與方法：學(xué)生組裝和調(diào)試磁敏傳感器，經(jīng)歷科學(xué)探究過(guò)程，學(xué)習(xí)科學(xué)研究方法，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)合作能力和創(chuàng)新思維能力．情感態(tài)度與價(jià)值觀：通過(guò)自己設(shè)計(jì)、制作簡(jiǎn)單的磁敏傳感器，體驗(yàn)科技創(chuàng)新的樂(lè)趣，體會(huì)到傳感器在生活、生產(chǎn)和科技中的理論意義和實(shí)踐意義，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣．

2學(xué)習(xí)任務(wù)

任務(wù)1：制作防盜報(bào)警器．任務(wù)2：制作位置傳感器．任務(wù)3：制作模擬電梯關(guān)門(mén)控制電路。

3問(wèn)題與方案

通過(guò)閱讀教材與實(shí)驗(yàn)探究完成以下問(wèn)題：（1）什么是霍爾效應(yīng)及應(yīng)用？（2）單、雙干簧管的檢測(cè)方法有哪些？（3）磁敏元件在控制電路中起什么作用？（4）用干簧管與霍爾開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)、制作簡(jiǎn)易的磁敏傳感器．能畫(huà)出方案圖并說(shuō)出工作過(guò)程．

4探究過(guò)程

4.1熟悉器材

具體器材如下：磁敏元件，穩(wěn)壓電源，負(fù)載［電位器、定值電阻、12V或6V直流電動(dòng)機(jī)、蜂鳴器、小燈泡、SRD－05V或JZC－23F（12V）的直流電磁繼電器］，MF－47型萬(wàn)用表，DT830B型數(shù)字萬(wàn)用表，邏輯非門(mén)74LS14或74LS04，三極管（S9013，S9018，S8050等），面包板等．

4.2實(shí)驗(yàn)探究

4.2.1制作防盜報(bào)警器

利用干簧管、電磁繼電器、霍爾開(kāi)關(guān)、非門(mén)的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)．所做的作品和市場(chǎng)銷(xiāo)售的“門(mén)磁”相同，靈敏度高，簡(jiǎn)單實(shí)用，形象、直觀地演示了磁敏傳感器工作原理及磁控開(kāi)關(guān)的應(yīng)用．（1）干簧管與繼電器制作的防盜報(bào)警器，小燈泡為“6．3V，0．15A”，根據(jù)負(fù)載選取電源電壓，J和Ja是5V繼電器，J為線圈，Ja為常閉觸點(diǎn)．將小磁鐵嵌入在活動(dòng)門(mén)的上方邊緣上，將常開(kāi)干簧管嵌入在門(mén)框內(nèi)，讓兩者相對(duì)靠近，即門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)干簧管內(nèi)兩簧片閉合．接通電路，繼電器線圈得電，常閉觸點(diǎn)Ja動(dòng)作斷開(kāi)，工作電路不接通；當(dāng)有人開(kāi)門(mén)時(shí)，磁鐵與干簧管遠(yuǎn)離，兩簧片斷開(kāi)，線圈失電，Ja觸點(diǎn)釋放復(fù)位閉合，工作電路接通，蜂鳴器發(fā)聲報(bào)警，紅燈亮．（2）干簧管與非門(mén)制作的防盜報(bào)警器，采用74LS04非門(mén)，R為2．2kΩ電位器或電阻箱，首先按圖將元件接插在面包板上，接上5V電壓，再調(diào)試電位器R，當(dāng)其阻值在1～2kΩ時(shí)，蜂鳴器發(fā)聲報(bào)警，然后用小磁體靠近干簧管，報(bào)警聲停止．本電路工作過(guò)程為：當(dāng)門(mén)關(guān)閉時(shí)，永磁體使干簧管接通，非門(mén)輸入端A與電源負(fù)極相接，處于低電平，則輸出端Y為高電平，蜂鳴器不發(fā)聲；當(dāng)開(kāi)門(mén)時(shí)，沒(méi)有磁場(chǎng)作用，干簧管不通，非門(mén)輸入端A高電平，則輸出端Y低電平，蜂鳴器通電發(fā)聲報(bào)警．（3）制作霍爾防盜報(bào)警器，R為5kΩ電位器（或電阻箱），采用74LS04非門(mén)，首先按圖將元件接插在面包板上，接通5V電源，調(diào)試電位器，當(dāng)R為2～4kΩ時(shí)，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲，再將小磁鐵靠近霍爾開(kāi)關(guān)平面，報(bào)警聲立刻停止．本作品在生活中應(yīng)用是：將小磁鐵固定在門(mén)的上方邊緣上，將霍爾開(kāi)關(guān)固定在門(mén)框的邊緣上，讓兩者靠近，即門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)，霍爾開(kāi)關(guān)輸出為低電平，非門(mén)輸出端Y為高電平，蜂鳴器達(dá)不到工作電壓不報(bào)警；當(dāng)門(mén)被撬開(kāi)時(shí)，霍爾開(kāi)關(guān)輸出為高電平，非門(mén)輸出端Y為低電平，蜂鳴器接通發(fā)出報(bào)警聲．

4.2.2制作干簧管位置傳感器（自動(dòng)停車(chē)的磁力自動(dòng)控制電路）

用于玩具車(chē)接近磁鐵時(shí)自動(dòng)切斷電源的自動(dòng)控制電路，電源電壓3～4．5V，R為200～500Ω電阻，M為6V直流電動(dòng)機(jī)，VT為三極管9013，8050，9012等．開(kāi)啟電源開(kāi)關(guān)S，三極管VT基極有偏置電流，VT處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，玩具直流電動(dòng)機(jī)M轉(zhuǎn)動(dòng)．當(dāng)磁鐵靠近H時(shí)，觸點(diǎn)閉合，將基極偏置電流旁路，VT截止，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，保護(hù)了電動(dòng)機(jī)及避免了大電流放電．

4.2.3制作模擬電梯關(guān)門(mén)控制電路

參考電路，VT為三極管9012，9014，9013等，J為12V電磁繼電器，小燈泡為6．3V，接6～11V電源，按圖接插電路元件，調(diào)試電位器，當(dāng)R2阻值達(dá)到8～10kΩ，R1達(dá)到2．2kΩ，電流達(dá)到45mA時(shí)，用磁鐵靠近霍爾開(kāi)關(guān)，電流達(dá)到50mA時(shí)再微調(diào)R2與R1，電流稍高于50mA時(shí)，線圈得電，觸點(diǎn)動(dòng)作，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，綠燈亮；磁鐵離開(kāi)時(shí)，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，綠燈熄滅，同時(shí)紅燈亮，蜂鳴器發(fā)聲報(bào)警．模擬了電梯門(mén)關(guān)閉時(shí)，電梯才能運(yùn)行，不關(guān)閉時(shí)紅燈亮，蜂鳴器報(bào)警，此電路靈敏度高、可操作性強(qiáng)。

5探究結(jié)果

第5篇

關(guān)鍵詞：虛擬儀器，力傳感器，標(biāo)定

 

1 引言

力傳感器是目前廣泛使用的傳感器，在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，由于使用環(huán)境、本身結(jié)構(gòu)的變化，需要對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定，以此保證測(cè)量的精度。近年來(lái)，隨著虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，越來(lái)越多的技術(shù)人員開(kāi)始基于該技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)自動(dòng)化測(cè)量設(shè)備。博士論文，標(biāo)定。虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的儀器。計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向[1]。而在眾多的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)中，美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI）的LabVIEW應(yīng)用最為廣泛。本文主要介紹了基于LabVIEW的力傳感器標(biāo)定程序的設(shè)計(jì)。

2 標(biāo)定的原理

所謂標(biāo)定（或現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)）[2]就是指用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的量來(lái)確定測(cè)試系統(tǒng)電輸出量與物理輸入量之間的函數(shù)關(guān)系的過(guò)程。標(biāo)定是測(cè)試中極其重要的一環(huán)。標(biāo)定除了能夠確定輸入量和輸出量之間的函數(shù)關(guān)系之外，還可以最大限度地消除測(cè)量系統(tǒng)中的系統(tǒng)誤差。

傳感器的校準(zhǔn)采用靜態(tài)的方法，即在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下，采用一定標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)（其精度等級(jí)為被較傳感器的3~5倍）的校準(zhǔn)設(shè)備，對(duì)傳感器重復(fù)（不少于3次）進(jìn)行全量程逐級(jí)加載和卸載測(cè)試，獲得各次校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，以確定傳感器的靜態(tài)基本性能指標(biāo)和精度的過(guò)程。為簡(jiǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，此處標(biāo)準(zhǔn)量采用砝碼加載的方式獲得。

3 系統(tǒng)組成

3.1硬件組成

系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)硬件組成

由圖可以看出，系統(tǒng)主要包括計(jì)算機(jī)、力傳感器，數(shù)據(jù)采集卡、接線盒等。本系統(tǒng)中，力傳感器采用電阻應(yīng)變式壓力傳感器，四個(gè)應(yīng)變片采用全橋的工作方式。數(shù)據(jù)采集卡采用NI公司的PCI-6221，該采集卡的主要參數(shù)如下：它具有16個(gè)模擬輸入端口，2個(gè)模擬輸出端口，24個(gè)數(shù)字輸入輸出端口，采樣速率最高可達(dá)到250kS/s。接線盒采用NI公司的SC-2345，此接線盒直接與數(shù)據(jù)采集卡相連，接線盒上有SCC信號(hào)調(diào)理模塊插座。SCC模塊是NI公司提供的信號(hào)調(diào)理模塊，其上面包含信號(hào)調(diào)理電路，可以將傳感器處采集的信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合數(shù)據(jù)采集卡讀取的信號(hào)。本系統(tǒng)所用的SCC模塊為SCC-SG04，此模塊適用于連接采用全橋工作方式的電阻應(yīng)變式壓力傳感器。

3.2軟件組成

本系統(tǒng)軟件基于LabVIEW 8.2來(lái)開(kāi)發(fā)。LabVIEW是一種圖形化的編程語(yǔ)言。博士論文，標(biāo)定。博士論文，標(biāo)定。與其他開(kāi)發(fā)工具不同，用LabVIEW編程的過(guò)程不是寫(xiě)代碼，而是畫(huà)“流程圖”。這樣可以使用戶從煩瑣的程序設(shè)計(jì)中解放出來(lái)，而將注意力集中在測(cè)量等物理問(wèn)題本身。它主要針對(duì)各個(gè)領(lǐng)域的工程技術(shù)人員而設(shè)計(jì)，非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)人員[1]。博士論文，標(biāo)定。

因?yàn)樗玫牧鞲衅鲗儆趹?yīng)變式電阻傳感器，其電阻變化率與應(yīng)變可以保持很好的線性關(guān)系，即輸入與輸出量之間呈線性關(guān)系，所以可以用一條直線對(duì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。此直線就稱(chēng)為擬合直線，所求得的方程為擬合方程。圖2所示為傳感器標(biāo)定程序的采樣頁(yè)面。

此程序采用LabVIEW的事件驅(qū)動(dòng)編程技術(shù)進(jìn)行編制的。事件[3]是對(duì)活動(dòng)發(fā)生的異步通知。事件可以來(lái)自于用戶界面、外部I/O或程序的其它部分。在LabVIEW中使用用戶界面事件可使前面板用戶操作與程序框圖執(zhí)行保持同步。事件允許用戶每當(dāng)執(zhí)行某個(gè)特定操作時(shí)執(zhí)行特定的事件處理分支。

圖2 標(biāo)定程序采樣頁(yè)面

圖3 采樣程序

直線擬合的方法[2]有很多種，比如最小二乘法、平均選點(diǎn)法、斷點(diǎn)法等等。其中，最小二乘法精度比較高，此處利用它進(jìn)行直線擬合。根據(jù)最小二乘法，假定是一組測(cè)量值，是相應(yīng)的擬合值，mse為均方差，則擬合目標(biāo)可以表達(dá)為，期望mse最小。

LabVIEW中的分析軟件庫(kù)提供了多種線性和非線性的曲線擬合算法，例如線性擬合、指數(shù)擬合、通用多項(xiàng)式擬合等等。本程序選擇Linear Fit.Vi 來(lái)實(shí)現(xiàn)最小二乘法線性擬合。

標(biāo)定子程序的工作流程如下：用戶先通過(guò)多次采樣，獲得各個(gè)輸入量對(duì)應(yīng)的輸出量，通過(guò)While循環(huán)的移位寄存器保存這些值。博士論文，標(biāo)定。采樣完成后，把這些值輸入Linear Fit.Vi進(jìn)行擬合，擬合的曲線在Graph控件中顯示出來(lái)，同時(shí)該Vi自動(dòng)求出方程y=ax+b中的斜率a和截距b，這樣，輸入輸出量之間的函數(shù)關(guān)系就可以確定下來(lái)了，如圖4所示。

圖4 標(biāo)定程序擬合前面板

4 小結(jié)

基于虛擬儀器的力傳感器標(biāo)定程序能夠方便地對(duì)力傳感器進(jìn)行標(biāo)定。博士論文，標(biāo)定。該系統(tǒng)具有人機(jī)界面友好，靈活方便，自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

【1】.候國(guó)屏;王珅;葉齊鑫.LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設(shè)計(jì)[M].清華大學(xué)出版社.2005

【2】.張迎新等.非電量測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2001

【3】.NationalInstrumentsCorporation.LabVIEWHelp[CD].ni.com/china,2008

第6篇

關(guān)鍵詞：角度傳感器，C8051F005單片機(jī)，角度預(yù)置，步進(jìn)電機(jī)，顯示聯(lián)動(dòng)

 

0.引言：

傳感器在現(xiàn)代信息技術(shù)中有著舉足輕重的地位，傳感器為系統(tǒng)提供進(jìn)行處理和決策所必需的原始信息，很大程度上影響和決定著系統(tǒng)的性能，本設(shè)計(jì)采用以單片機(jī)為控制單元，用單軸傾角傳感器檢測(cè)平衡板傾斜角度，采取步進(jìn)電機(jī)控制平衡板角度自動(dòng)旋轉(zhuǎn)目的。

1.硬件電路設(shè)計(jì)

角度傳感器硬件連接圖如圖1所示，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)平衡板傾斜到使角度傳感器SCA60C處于水平位置時(shí)，Vo端輸出+0.5V的模擬電壓。傳感器SCA60C僅可精確檢測(cè)到0~90度的角度范圍，當(dāng)平衡板轉(zhuǎn)到使角度傳感器與水平面成90度的角度時(shí)，此時(shí)Vo端輸出+5V的模擬電壓。在0~90度的傾角范圍內(nèi)，Vo端輸出的是正比于傾角大小的+0.5~+5V的模擬電壓信號(hào)，當(dāng)平衡板轉(zhuǎn)動(dòng)到使角度傳感器與水平面間的角度從90度到180度的范圍變化時(shí)，輸出端Vo輸出的是從+5V依次變化到+0.5V 的模擬電壓信號(hào)[1][2]，因此通過(guò)測(cè)定傳感器SCA60C輸出端Vo電壓的大小即可確定平衡板與水平面的夾角。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中，我們選擇4相5線步進(jìn)電機(jī)，其驅(qū)動(dòng)電路主要由L297+L298組成，該驅(qū)動(dòng)電路集驅(qū)動(dòng)與保護(hù)于一體。L297是脈沖分配器，只要步進(jìn)電機(jī)A、B、C、D四項(xiàng)依次連接到J1的1、2、3、4各點(diǎn)，且將剩下的一條線接地，L297就會(huì)自動(dòng)的將輸入到端口CW/CCW的脈沖分配給步進(jìn)電機(jī)的各個(gè)相序，此時(shí)步進(jìn)電機(jī)便可轉(zhuǎn)動(dòng)[3][4]。控制電機(jī)時(shí)只需單片機(jī)通過(guò)I/O口向L297的cw/ccw和clock端發(fā)送控制信號(hào)即可控制它的轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)電路原理如下圖2。論文參考。論文參考。

圖1角度傳感器硬件連接圖圖2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖

本系統(tǒng)主要由主控制器模塊、角度檢測(cè)模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、鍵盤(pán)模塊和顯示器模塊等部分組成，系統(tǒng)連接圖如圖3所示：

圖3系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)分為兩個(gè)工作模式，工作于模式一時(shí)，可通過(guò)鍵盤(pán)模塊預(yù)置一個(gè)角度，主控制器接收到此信息后，通過(guò)控制電機(jī)控制模塊來(lái)使角度檢測(cè)模塊做出轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作以使平衡板按輸入角度完成傾斜動(dòng)作。同時(shí)，角度傳感器輸出的模擬量經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后送入主控制器，主控制器據(jù)此輸入判定平衡板是否已傾斜到預(yù)置的角度，并據(jù)此來(lái)控制電機(jī)控制模塊，并且主控制器模塊通過(guò)控制顯示模塊實(shí)時(shí)的顯示平衡板的傾斜角度。通過(guò)按鍵模塊可將系統(tǒng)切換到模式二，模式二的功能是能始終保持平衡板的水平，且能使顯示模塊顯示的內(nèi)容與平衡板聯(lián)動(dòng)，兩種工作可通過(guò)按鍵來(lái)切換。系統(tǒng)使用c8051f00作為控制核心，128*64作為顯示器，4*4鍵盤(pán)來(lái)輸入需要預(yù)置的角度。程序具有角度預(yù)置和自動(dòng)尋找平衡點(diǎn)兩種模式，根據(jù)不同需要選擇，具有友好人機(jī)界面，操作簡(jiǎn)單易懂。軟件流程圖如下圖4所示：

圖4 程序流程圖

2.系統(tǒng)測(cè)試與分析

表1系統(tǒng)性能測(cè)試

 

基本要求測(cè)試 發(fā)揮部分測(cè)試 輸入角度大小 平衡時(shí)角度 誤差 起始傾斜角度 平衡時(shí)角度 誤差 30o　 29.07 o

0.70% 14 o

0 o

0 65 o

65.6 o

0.90% 32 o

0.3 o

0.90% 94 o

94.2 o

0.20% 80 o

0.3 o

0.38% 110 o

110.4 o

0.36% 76 o

0.7 o

0.92% 176 o

175.7 o

0.17 121 o

第7篇

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)；理論課程教學(xué)；自制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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

無(wú)線傳感器網(wǎng)近年來(lái)成為IT領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1]。2009年8月，總理提出盡快建立“感知中國(guó)”中心，促進(jìn)我國(guó)無(wú)線傳感器網(wǎng)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。無(wú)線傳感器網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)核心，2010年7月20日，教育部向社會(huì)公布了2011年全國(guó)各高校140個(gè)本科新專(zhuān)業(yè)詳細(xì)名單，其中“物聯(lián)網(wǎng)工程”專(zhuān)業(yè)占據(jù)30個(gè)，高居榜首。無(wú)線傳感器網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)骨干課程之一，也是一門(mén)新課程。我們對(duì)該課程的教學(xué)方法作了些探索性的改革。

1 目前存在的問(wèn)題

物聯(lián)網(wǎng)作為新專(zhuān)業(yè)有新的建設(shè)和教學(xué)思想[2]。而無(wú)線傳感器網(wǎng)作為新興行業(yè)的新課程，其理論基礎(chǔ)要求高，應(yīng)用性也要強(qiáng)，因而給教學(xué)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。存在的主要問(wèn)題有：

(1)教學(xué)內(nèi)容涉及廣與系統(tǒng)性教學(xué)的矛盾。無(wú)線傳感器網(wǎng)是一門(mén)應(yīng)用性和理論基礎(chǔ)要求都很強(qiáng)的課程。該課程所講述的網(wǎng)絡(luò)是一種集成創(chuàng)新型技術(shù)，同時(shí)理解和運(yùn)用好該技術(shù)需要一定理論基礎(chǔ)。它所涉及的內(nèi)容廣泛，需要多方面計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)理論知識(shí)，且涵蓋面廣，包括概率論、圖論、高等數(shù)學(xué)、隨機(jī)過(guò)程等。同時(shí)，它涉及單片機(jī)編程、電子線路、無(wú)線電發(fā)射等多方面硬件知識(shí)。而這門(mén)課程的傳授對(duì)象是研究生，研究生班的學(xué)生往往來(lái)自不同專(zhuān)業(yè)，讀研期間的主修專(zhuān)業(yè)也各不相同，而其導(dǎo)師所指導(dǎo)的研究方向更是千差萬(wàn)別。因而，如何系統(tǒng)地講授這門(mén)課，同時(shí)又能滿足學(xué)生不同需求，將成為面臨的難題。

(2)理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的脫節(jié)。無(wú)線傳感器網(wǎng)是門(mén)全新課程，問(wèn)題(1)中所述特點(diǎn)使得在理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩個(gè)方面的任務(wù)既各有特色又繁重，造成這兩方面的教學(xué)任務(wù)難以平衡。由于它是一門(mén)新課程，可以借鑒的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)并不多。而從橫向比較來(lái)看，類(lèi)似應(yīng)用性很強(qiáng)的課程，其教學(xué)方法一般單一地偏向理論教學(xué)或?qū)嶒?yàn)教學(xué)。

(3)傳統(tǒng)單向性教學(xué)模式的不良影響。多年來(lái)，研究生教學(xué)模式一般都是單向性的，即教師教、學(xué)生學(xué)，缺乏真正的互動(dòng)，難以培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思維，更難以激發(fā)其主動(dòng)性和創(chuàng)造性。從學(xué)生角度來(lái)看，這種教學(xué)模式從中學(xué)一直延續(xù)到研究生階段，沒(méi)有讓學(xué)生充分參與到教學(xué)中來(lái)，使得學(xué)生的學(xué)習(xí)效果無(wú)法保證，學(xué)習(xí)的興趣也不高。這種長(zhǎng)期的被動(dòng)式參與教學(xué)，使得學(xué)生失去了主動(dòng)性、獨(dú)立性和主導(dǎo)性，形成了不良的學(xué)習(xí)和科研習(xí)慣，最終導(dǎo)致研究生創(chuàng)造性的缺失[5]。

2 改革方法

我們?cè)赟eminar[4]教學(xué)方法的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生充分參與教學(xué)，體會(huì)完成科研任務(wù)的獨(dú)立性和自主性。總體改革方法是教師導(dǎo)引，學(xué)生參與學(xué)、教、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)全過(guò)程，形成單向教學(xué)向理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)互動(dòng)、學(xué)生參與轉(zhuǎn)變。在設(shè)計(jì)該方法時(shí)，要充分考慮到所在高校的歷史與優(yōu)勢(shì)，發(fā)揮其在電子電路設(shè)計(jì)、嵌入式編程等方面的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)與專(zhuān)業(yè)特色，觀察學(xué)院近幾年在無(wú)線傳感器網(wǎng)方面的發(fā)展速度，針對(duì)前一小節(jié)所提出的問(wèn)題，給出相應(yīng)的教學(xué)改革方法。

夯實(shí)基礎(chǔ)知識(shí)，劃分學(xué)習(xí)小組。本課程選擇的教材清華大學(xué)出版社出版、孫利民等編著的《無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)》為主教材，以劍橋大學(xué)出版社出版的Xiangyang Li的專(zhuān)著"Wireless Ad Hoc and Sensor Networks: Theory and Applications"為輔助教材。在掌握無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)這門(mén)課程的基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，根據(jù)學(xué)生所學(xué)專(zhuān)業(yè)和研究方向，將他們分為兩大組：理論組和應(yīng)用組(如圖1所示)。對(duì)于理論組和應(yīng)用組分別布置不同的課外作業(yè)。為此，筆者從計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、體系結(jié)構(gòu)和應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域的一些最新國(guó)際頂級(jí)會(huì)議上，如SigComm，MobiCom，SenSys，InfoCom等，選擇理論和應(yīng)用兩類(lèi)論文。其中，根據(jù)每名學(xué)生的指導(dǎo)教師對(duì)研究方向的要求，對(duì)所選論文進(jìn)行較細(xì)致的篩選。在所選出的論文中，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣進(jìn)行再選擇。當(dāng)然，學(xué)生也可以從指定的學(xué)術(shù)會(huì)議論文集中選擇論文。這是一個(gè)有限定的雙向選擇過(guò)程，所選論文包含諸多無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用案例和科研實(shí)例。這些論文作為課外作業(yè)讓學(xué)生自己去研讀，而教師會(huì)從兩個(gè)組中分別隨機(jī)抽取部分學(xué)生，分兩個(gè)階段，即理論階段和應(yīng)用階段，讓其上講臺(tái)宣講其所讀的論文。在宣講過(guò)程中，大家可以自由提問(wèn)和討論，學(xué)生由此可以充分參與到教和學(xué)的兩個(gè)環(huán)節(jié)。課堂的自由討論，使得學(xué)生從傳統(tǒng)課程授課模式中的被動(dòng)聽(tīng)課變?yōu)橹鲃?dòng)參與，提高了學(xué)生對(duì)該課程的學(xué)習(xí)和參與興趣。為保證效率，教師對(duì)宣講和討論的時(shí)間做了限定，在討論的過(guò)程中也會(huì)做一些導(dǎo)引。

在兩個(gè)階段(理論階段和應(yīng)用階段)開(kāi)始之前，教師分別講授兩個(gè)階段的基礎(chǔ)知識(shí)，即理論基礎(chǔ)知識(shí)和應(yīng)用基礎(chǔ)知識(shí)。由于所涉及的內(nèi)容非常廣泛，講授一些入門(mén)知識(shí)，而對(duì)學(xué)生所要宣講論文的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)要深入地講解。另外一個(gè)重要的組成部分是給學(xué)生講授獲取相關(guān)知識(shí)的技巧與途徑，例如如何使用圖書(shū)館資源及學(xué)術(shù)網(wǎng)站，如Google scholar，Citeseer等。

圖1 教學(xué)步驟圖

在上述過(guò)程中，理論組的學(xué)生偏重理解算法的原理，應(yīng)用組的學(xué)生偏重算法實(shí)現(xiàn)所需的硬件運(yùn)行原理和編程實(shí)現(xiàn)。筆者所在實(shí)驗(yàn)室的主要研究方向之一是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，依托這個(gè)實(shí)驗(yàn)室特點(diǎn)，在指導(dǎo)學(xué)生時(shí)采用TelosB傳感器節(jié)點(diǎn)，在TinyOS平臺(tái)上開(kāi)發(fā)算法實(shí)現(xiàn)程序。

統(tǒng)分兼顧，學(xué)生自主。如圖1所示，在“理論(應(yīng)用)基礎(chǔ)知識(shí)”階段中，通過(guò)讓學(xué)生自己閱讀學(xué)術(shù)論文，讓兩個(gè)組的學(xué)生分別對(duì)某一方面的理論知識(shí)有了具體了解，對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的硬件原理也有了初步認(rèn)識(shí)。在緊接著的“理論(應(yīng)用)案例”階段中，從學(xué)生宣讀過(guò)的學(xué)術(shù)論文中挑選出幾篇經(jīng)典的論文，它們有算法設(shè)計(jì)及其性能的理論分析，又有實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。為此，根據(jù)先前的理論組和應(yīng)用組劃分，以及所選經(jīng)典論文，進(jìn)一步將學(xué)生交叉分隊(duì)。一個(gè)分隊(duì)一般由5名學(xué)生組成：一名學(xué)生負(fù)責(zé)算法原理的解釋?zhuān)瑑擅?fù)責(zé)TinyOS編程和調(diào)試，一名負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集與硬件平臺(tái)搭建，最后一名負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)分隊(duì)整體工作并撰寫(xiě)最終實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，每隊(duì)學(xué)生人數(shù)和任務(wù)分配可以視情況做適當(dāng)調(diào)整，例如，當(dāng)理論組學(xué)生人數(shù)較多時(shí)，在每隊(duì)中負(fù)責(zé)算法原理解釋的學(xué)生可以適當(dāng)增多。當(dāng)分隊(duì)組建好以后，分給每名學(xué)生的任務(wù)以課外作業(yè)的形式完成。每個(gè)分隊(duì)的進(jìn)度情況由該隊(duì)負(fù)責(zé)人以實(shí)驗(yàn)報(bào)告的形式按階段提交給教師。同時(shí)，在協(xié)調(diào)學(xué)生完成作業(yè)的過(guò)程中，教師應(yīng)逐個(gè)分析案例，這些案例中有涉及路由設(shè)計(jì)的，有涉及面向?qū)嶋H應(yīng)用數(shù)據(jù)采集的，也有涉及網(wǎng)絡(luò)時(shí)延分析的，案例涵蓋面廣，以解決課程內(nèi)容涉及廣的問(wèn)題。

案例分析結(jié)束以后，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證或者仿真分析。在這個(gè)過(guò)程中，主要分以下幾個(gè)階段：實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及其實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫(xiě)。在這些過(guò)程中，學(xué)生不僅充分參與，而且在有些過(guò)程中，學(xué)生還起到主導(dǎo)的作用。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建需要一定的科研經(jīng)費(fèi)支持，制作過(guò)程復(fù)雜，將在下文中闡述。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)中，由于實(shí)驗(yàn)條件限制，不一定都能搭建硬件平臺(tái)。另外，在教學(xué)中還發(fā)現(xiàn)，一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不能同時(shí)滿足多個(gè)分隊(duì)使用，而有些分隊(duì)的任務(wù)也不一定要在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行。為此，讓部分有一定C/C++語(yǔ)言編程基礎(chǔ)的學(xué)生使用一個(gè)專(zhuān)門(mén)的網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)―OMNeT++[3]。

OMNeT++是一個(gè)面向?qū)ο蟮碾x散時(shí)間模擬器，由土耳其布達(dá)佩斯技術(shù)大學(xué)的Andras Varga等人設(shè)計(jì)。其內(nèi)核源代碼完全開(kāi)放，采用標(biāo)準(zhǔn)C++語(yǔ)言編寫(xiě)，可以運(yùn)行于Linux，Windows等幾乎所有支持標(biāo)準(zhǔn)C++的系統(tǒng)平臺(tái)上。它采用了一種搭積木式的建模方式，可以應(yīng)用于任何離散事件系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模擬和仿真，包括模擬通信網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)流，模擬通信協(xié)議的模型，排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)，模擬多處理器和其他分布式系統(tǒng)。對(duì)于教學(xué)比較有利的是OMNeT++完全免費(fèi)，有很多現(xiàn)成的模塊、框架和范例，相關(guān)資源可從其官方網(wǎng)站[3]免費(fèi)下載。在教學(xué)過(guò)程中，部分學(xué)生使用該仿真軟件，完成了一些無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的案例，如消息洪泛案例仿真(如圖2所示)，目標(biāo)追蹤案例仿真(如圖3所示)。在圖2，3中，灰色點(diǎn)和白色點(diǎn)表示傳感器節(jié)點(diǎn)，灰點(diǎn)表示已經(jīng)接受到消息的節(jié)點(diǎn)；圖中間較大的點(diǎn)表示Sink節(jié)點(diǎn)；圖3左上角的黑色點(diǎn)表示目標(biāo)。

圖2 消息洪泛仿真截圖 圖3 目標(biāo)追蹤仿真截圖

自制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，自己設(shè)計(jì)完成實(shí)驗(yàn)，學(xué)生充分參與。需要實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證的分隊(duì)參與設(shè)計(jì)與構(gòu)建了一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)(如圖6所示)。該平臺(tái)高2米，寬4米，由200個(gè)自制TelosB節(jié)點(diǎn)(如圖4所示)、50個(gè)多接口Hub(如圖5所示)和一臺(tái)臺(tái)式機(jī)組成。2009和2010級(jí)部分研究生參與了該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與搭建。在該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上驗(yàn)證理論或應(yīng)用案例的每個(gè)分隊(duì)，都自行設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、調(diào)試實(shí)驗(yàn)和相應(yīng)的TinyOS程序。根據(jù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)這門(mén)課程教學(xué)的需要，以及學(xué)生科研和興趣的選擇，先后設(shè)計(jì)了6個(gè)實(shí)驗(yàn)：時(shí)間同步、路由樹(shù)構(gòu)建、基于非時(shí)間同步的通信時(shí)間調(diào)度、消息洪泛、主被動(dòng)式追蹤、人物辨別。

圖4 自制TelosB傳感器節(jié)點(diǎn) 圖5 多接口Hub

圖6 200個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的測(cè)試平臺(tái)

3 結(jié)束語(yǔ)

在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，總體教學(xué)思路是：從課程基礎(chǔ)知識(shí)開(kāi)始，將學(xué)生分成兩類(lèi)(理論類(lèi)和應(yīng)用類(lèi))；根據(jù)學(xué)生的興趣和科研需要，有重點(diǎn)地講解具體的理論和應(yīng)用基礎(chǔ)知識(shí)；而后以國(guó)際頂級(jí)會(huì)議論文為素材，從具體案例著手，通過(guò)讓學(xué)生充分參與的方式誘導(dǎo)學(xué)生理解理論知識(shí)(如圖論、概率論、隨機(jī)過(guò)程等)是如何在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)這個(gè)應(yīng)用性技術(shù)中應(yīng)用的，也讓他們體驗(yàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的算法是如何在實(shí)際實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的。整個(gè)過(guò)程從基礎(chǔ)理論知識(shí)細(xì)化到具體理論知識(shí)，再到具體案例分析，循序漸進(jìn)，有重點(diǎn)、系統(tǒng)性地講授了這門(mén)知識(shí)涉及面廣、結(jié)構(gòu)較為龐雜的應(yīng)用性課程。同時(shí)，在整個(gè)教學(xué)中，學(xué)生也從逐漸參與、充分參與到教和學(xué)中，到最后甚至在某些方面起到主導(dǎo)作用。新教學(xué)方法使得學(xué)生在研究生階段能夠體會(huì)從被動(dòng)地學(xué)到主動(dòng)地、獨(dú)立地完成一個(gè)完整的科研任務(wù)的轉(zhuǎn)變。這種轉(zhuǎn)變中蘊(yùn)含著主動(dòng)創(chuàng)新的種子，在長(zhǎng)期的科研鍛煉中將會(huì)發(fā)芽結(jié)果。

參考文獻(xiàn)

[1] 李建中.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)刊前言[J].軟件學(xué)報(bào),2007,18(05):1077-1079.

[2] 吳功宜.對(duì)物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)體系建設(shè)的思考[J].計(jì)算機(jī)教育,2010,21:26-28.

[3] OMNeT++ [N/OL].省略/.

第8篇

關(guān)鍵詞：虛擬儀器，地磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)，分布式測(cè)量，電子郵件

 

1、前言

地磁場(chǎng)的異常波動(dòng)是發(fā)生地震的重要征兆，對(duì)地磁場(chǎng)異常的監(jiān)測(cè)可以為地震預(yù)報(bào)研究提供重要的數(shù)據(jù)資料 [1]。

虛擬儀器技術(shù)是利用編程軟件，按照測(cè)量原理,采用適當(dāng)?shù)男盘?hào)分析與處理技術(shù),編制具有測(cè)量功能的程序就可以構(gòu)成相應(yīng)的測(cè)試儀器[2],降低了儀器的開(kāi)發(fā)和維護(hù)費(fèi)用,縮短了技術(shù)更新周期，顯著提高了儀器的柔性和性價(jià)比[3]。

2、硬件結(jié)構(gòu)

分布式地磁場(chǎng)異常監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。磁場(chǎng)傳感器通過(guò)RS232串口將計(jì)算出的地磁場(chǎng)方位值前期數(shù)據(jù)發(fā)送給電腦1，電腦1上的虛擬儀器軟件完成對(duì)信號(hào)的讀取、計(jì)算、分析、顯示、存儲(chǔ)等并通過(guò)電子郵件將相關(guān)數(shù)據(jù)傳送給遠(yuǎn)端的電腦2。

3、軟件設(shè)計(jì)

3.1、軟件的總體功能

如圖2所示，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要有數(shù)據(jù)采集模塊、顯示模塊、磁場(chǎng)異常報(bào)警模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)保存模塊、電子郵件發(fā)送模塊等組成。

3.2、軟件前面板

前面板如圖3所示,主要分為3個(gè)模塊:通信參數(shù)設(shè)置模塊、監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示及保存模塊、異常報(bào)警模塊等。論文參考，電子郵件。論文參考，電子郵件。設(shè)置的通信參數(shù)主要有與傳感器通信時(shí)的波特率、數(shù)據(jù)位、數(shù)據(jù)文件保存的位置、軟件異常及地磁異常時(shí)發(fā)送電郵的收發(fā)件人電子信箱地址等。論文參考，電子郵件。論文參考，電子郵件。

圖2 軟件總體功能框圖

圖3 軟件前面板

3.3、地磁場(chǎng)方位值的計(jì)算

地磁場(chǎng)方位值計(jì)算模塊如圖4所示，將VISA讀取控件緩沖區(qū)中的字符串?dāng)?shù)組讀出，截取其中第9和第10個(gè)元素，進(jìn)行數(shù)制、進(jìn)制轉(zhuǎn)換得到地磁場(chǎng)方位值，接到前面板進(jìn)行顯示。論文參考，電子郵件。論文參考，電子郵件。

圖4 方位值計(jì)算模塊

3.4異常報(bào)警

將當(dāng)前時(shí)刻的方位值與正常方位值相比較，如果相差5度，即認(rèn)為是地磁場(chǎng)的異常波動(dòng)，報(bào)警指示燈亮，發(fā)出報(bào)警音，同時(shí)啟動(dòng)郵件發(fā)送模塊。

3.5 數(shù)據(jù)保存模塊

調(diào)用日期/時(shí)間字符串控件，讀取windows日期時(shí)間，和地磁場(chǎng)方位值一起寫(xiě)入指定目錄的txt文件中。當(dāng)?shù)卮艌?chǎng)異常時(shí)，觸發(fā)磁場(chǎng)異常邏輯為真，寫(xiě)入文件控件將從此時(shí)刻開(kāi)始5秒內(nèi)的時(shí)間值、地磁場(chǎng)方位值寫(xiě)入txt文件中。

圖5 郵件發(fā)送第一幀

圖6 郵件發(fā)送第二幀

3.6 郵件發(fā)送

4.實(shí)驗(yàn)

如圖7所示，實(shí)驗(yàn)方法為:將傳感器與電腦1串口相連，通過(guò)虛擬儀器軟件監(jiān)測(cè)地磁場(chǎng)的異常情況，當(dāng)?shù)卮虐l(fā)生異常或接收傳感器數(shù)據(jù)異常時(shí)，電腦1上的監(jiān)測(cè)軟件報(bào)警，并把異常數(shù)據(jù)記錄到數(shù)據(jù)文件中，同時(shí)通過(guò)電子郵件模塊向指定信箱發(fā)送指定格式郵件，監(jiān)測(cè)者在電腦2上查看相關(guān)異常郵件。做法是轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器使其與地磁場(chǎng)磁北指向夾角為200°，用一塊磁鐵沿著與傳感器指向垂直的方向自遠(yuǎn)及近靠近后又自近及遠(yuǎn)離開(kāi)傳感器，記錄下整個(gè)過(guò)程磁鐵與傳感器距離、地磁場(chǎng)方位值、異常情況及郵件接收情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

反復(fù)實(shí)驗(yàn)表明，監(jiān)測(cè)軟件準(zhǔn)確地記錄下了磁鐵靠近傳感器的過(guò)程中該處磁場(chǎng)的變化情況，且當(dāng)?shù)卮女惓r(shí)電腦2及時(shí)地接收到了相關(guān)異常數(shù)據(jù)郵件。

表 1模擬干擾地磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

第9篇

關(guān)鍵詞：傳感器，發(fā)展，新趨勢(shì)

 

作為模擬人體感官的“電五官”（傳感器）是獵取所研究對(duì)象信息的“窗口”，它為系統(tǒng)提供賴以進(jìn)行處理和決策所必須的對(duì)象信息，它是高度自動(dòng)化系統(tǒng)乃至現(xiàn)代尖端技術(shù)必不可少的關(guān)鍵組成部分。未來(lái)的社會(huì)，將是充滿傳感器的世界。有人認(rèn)為支配了傳感器技術(shù)，就能把握住新時(shí)代。因此，傳感器技術(shù)是21世紀(jì)人們?cè)诟咝录夹g(shù)發(fā)展方面爭(zhēng)奪的一個(gè)制高點(diǎn)，各發(fā)達(dá)國(guó)家都將傳感器技術(shù)視為現(xiàn)代高新技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。從20世紀(jì)80年代起，日本就將傳感器技術(shù)列為優(yōu)先發(fā)展的高新技術(shù)之首，美國(guó)等西方國(guó)家也將此技術(shù)列為國(guó)家科技和國(guó)防技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)內(nèi)容，我國(guó)從20世紀(jì)80年代以來(lái)也已將傳感器技術(shù)列入國(guó)家高新技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。21世紀(jì)是人類(lèi)全面進(jìn)入信息化的時(shí)代，作為現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱之一的傳感器技術(shù)必將有長(zhǎng)足的發(fā)展。

“電五官”落后于“電腦”的現(xiàn)狀，已成為新型計(jì)算機(jī)的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的一大障礙，傳感器的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足計(jì)算機(jī)應(yīng)用和開(kāi)發(fā)的需要；許多有競(jìng)爭(zhēng)力的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和卓有成效的技術(shù)改造，都離不開(kāi)傳感器。如：工廠自動(dòng)化中的柔性制造系統(tǒng)（FMS）、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）、幾十萬(wàn)千瓦的大型發(fā)電機(jī)組、連續(xù)生產(chǎn)的軋鋼生產(chǎn)線、無(wú)人駕駛的自動(dòng)化汽車(chē)、多功能裝備指揮系統(tǒng)、直至宇宙飛船或各種探測(cè)器等等，其開(kāi)發(fā)與傳感器密不可分；傳感器的應(yīng)用提高了機(jī)器設(shè)備的自動(dòng)化程度，提高了產(chǎn)量和質(zhì)量，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。同時(shí)，推動(dòng)了科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，促進(jìn)了生產(chǎn)力的發(fā)展，產(chǎn)生了巨大的社會(huì)效應(yīng)；傳感器普及于社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域，從茫茫太空到浩瀚海洋、從各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)到日常生活的衣食住行，將造成良好的銷(xiāo)售前景。這些都是傳感器技術(shù)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，特別是大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展和電腦的普及，傳感器在新的技術(shù)革命中的地位和作用將更為突出，一股競(jìng)相開(kāi)發(fā)和應(yīng)用傳感器的熱潮已在世界范圍內(nèi)掀起。

目前的傳感器，無(wú)論在數(shù)量上、質(zhì)量上和功能上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不適應(yīng)社會(huì)多方面發(fā)展的需要。當(dāng)前，人們?cè)诔浞掷孟冗M(jìn)的電子技術(shù)條件，研究和采用合適的外部電路以及最大限度地提高現(xiàn)有傳感器的性能價(jià)格比的同時(shí)，正在尋求傳感器技術(shù)發(fā)展的新途徑。特別是電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）、計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試（CAT）、數(shù)字信號(hào)處理（DSP）、專(zhuān)用集成電路（ASIC）及表面貼裝技術(shù)（SMT）等技術(shù)的發(fā)展，極大地加速了傳感器技術(shù)的發(fā)展。下面探討傳感器發(fā)展的新趨勢(shì)：

1．開(kāi)發(fā)新型傳感器

鑒于傳感器的工作機(jī)理是基于物理學(xué)、化學(xué)等各種效應(yīng)和定律，由此啟發(fā)人們進(jìn)一步探索具有新效應(yīng)的敏感材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型傳感器，這是發(fā)展高性能、多功能、低成本和小型化傳感器的重要途徑。目前發(fā)展最迅速的新材料是半導(dǎo)體、陶瓷、光導(dǎo)纖維、磁性材料以及所謂的“智能材料”（如形狀記憶合金，具有自增殖功能的生物體材料等）。如日本夏普公司利用超導(dǎo)技術(shù)研制成功高溫超導(dǎo)磁傳感器，是傳感器技術(shù)的重大突破。其靈敏度比霍爾器件高，僅次于超導(dǎo)量子干涉器件，而其制造工藝遠(yuǎn)比超導(dǎo)量子干涉器件簡(jiǎn)單。它可用于磁成像技術(shù)，具有廣泛推廣價(jià)值。此外，當(dāng)前控制材料性能的技術(shù)已取得長(zhǎng)足的進(jìn)步，不久的將來(lái)人們將可按照傳感要求來(lái)合成所需的材料。其中，利用量子力學(xué)諸效應(yīng)研制的高靈敏閾傳感器，用來(lái)檢測(cè)極微信號(hào)，是傳感器發(fā)展的新方向之一。

2．結(jié)構(gòu)型傳感器的發(fā)展

結(jié)構(gòu)型傳感器主要向高穩(wěn)定性、高可靠性和高精度方向發(fā)展。論文參考。目前，結(jié)構(gòu)型傳感器在國(guó)防和工業(yè)控制等領(lǐng)域還大量使用，但其在原理、材料和結(jié)構(gòu)形式等方面都不斷發(fā)生變化，并且向有源化方向發(fā)展，即將敏感元件和電路組裝在一起,減小裝置體積,提高信噪比和精度。結(jié)構(gòu)型傳感器由于采用新結(jié)構(gòu)、新材料和新工藝，可大幅提高傳感器的性能。如采用微細(xì)加工技術(shù)（半導(dǎo)體技術(shù)中氧化、光刻、擴(kuò)散、沉積、平面電子工藝、各向異性腐蝕以及蒸鍍、濺射薄膜等加工工藝），可制造出各式各樣的新型傳感器。

3．傳感器的集成化和多功能化

傳感器的集成化分為傳感器本身的集成化和傳感器與后續(xù)電路的集成化。前者是在同一芯片上，或?qū)⒈姸嗤活?lèi)型的單個(gè)傳感器件集成為一維線型、二維陣列（面）型傳感器，使傳感器的檢測(cè)參數(shù)由點(diǎn)到面到體多維圖像化，甚至能加上時(shí)序，變單參數(shù)檢測(cè)為多參數(shù)檢測(cè)；后者是將傳感器與調(diào)理、補(bǔ)償?shù)入娐芳梢惑w化，使傳感器由單一的信號(hào)變換功能，擴(kuò)展為兼有放大、運(yùn)算、干擾補(bǔ)償?shù)榷喙δ?mdash;—實(shí)現(xiàn)了橫向和縱向的多功能。如日本豐田研究所開(kāi)發(fā)出同時(shí)檢測(cè)Na+、K+和H+等多種離子的傳感器。這種傳感器的芯片尺寸為2.5mm×0.5mm，僅用一滴液體，如一滴血液，即可同時(shí)快速檢測(cè)出其中Na+、K+和H+的濃度，對(duì)醫(yī)院臨床非常方便實(shí)用。

目前集成化傳感主要使用硅材料，它可以制作電路，又可制作磁敏、力敏、溫敏、光敏和離子敏器件。在制作敏感元件時(shí)要采用單硅的各向同性和各向異性腐蝕、等離子刻蝕 、離子注入等工藝，利用微機(jī)械加工技術(shù)在單晶硅上加工出各種彈性元件。當(dāng)今，發(fā)達(dá)國(guó)家正在把傳感器與電路集成在一起進(jìn)行研究。

4．傳感器的智能化

將傳統(tǒng)的傳感器和微處理器及相關(guān)電路組成一體化的結(jié)構(gòu)，就是傳感器的智能化。智能傳感器具有自校準(zhǔn)、自補(bǔ)償、自診斷、數(shù)據(jù)處理、雙向通信、信息存儲(chǔ)和記憶、數(shù)字信號(hào)輸出等功能。智能傳感器按其結(jié)構(gòu)分為模塊式、混合式和集成式三種。模塊式智能傳感器是初級(jí)的，是由許多互相獨(dú)立的模塊組成，其集成度不高、體積較大，但比較實(shí)用；混合式智能傳感器是將傳感器、微處理器和信號(hào)處理電路制作在不同的芯片上。目前，其作為智能傳感器的主要類(lèi)型而被廣泛應(yīng)用；集成式智能傳感器是將一個(gè)或多個(gè)敏感元件與微處理器、信號(hào)處理電路集成在同一芯片上，其結(jié)構(gòu)一般是三維器件（立體器件），具有類(lèi)似于人的五官與大腦相結(jié)合的功能，并且智能化程度隨著集成化程度的提高而不斷提高。如美國(guó)圖尼爾公司的ST—3000型智能傳感器，采用半導(dǎo)體工藝，在同一芯片上制作CPU，EPROM和靜壓、壓差、溫度等三種敏感元件。論文參考。另外還有MEMS，MEMS通常是由傳感器、信息單元、執(zhí)行器和通信/接口單元等組成。它可從需要觀測(cè)與控制的對(duì)象中獲取光、聲、壓力、溫度等信息，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并要求處理、提取信息，通過(guò)執(zhí)行器對(duì)目標(biāo)實(shí)施控制或顯示；同時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)通信/接口單元以光、電或磁的形式與其它微系統(tǒng)保持信息聯(lián)系。

今后,隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展,還將研制出更高級(jí)的集成式智能傳感器,它完全可以做到將檢測(cè)、邏輯和記憶等功能集成在一塊半導(dǎo)體芯片上。同時(shí)，冷卻部分也可以制作在立體電路中，利用帕耳帖效應(yīng)使電路進(jìn)行冷卻。目前，集成式智能傳感技術(shù)正在起飛，它勢(shì)必在未來(lái)的傳感器技術(shù)中發(fā)揮重要的作用。

5．傳感器的虛擬化和網(wǎng)絡(luò)化

5．1虛擬化。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，一種全新概念“虛擬化”正獲得愈來(lái)愈廣泛的應(yīng)用。虛擬傳感器是傳感器、計(jì)算機(jī)和軟件這三者的有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成軟硬結(jié)合、實(shí)虛共體的新一代傳感器。這種傳感器是基于計(jì)算機(jī)平臺(tái)并且完全通過(guò)軟件開(kāi)發(fā)而成，利用軟件來(lái)建立傳感器模型、標(biāo)定參數(shù)及標(biāo)定模型，以實(shí)現(xiàn)最佳性能指標(biāo)。如美國(guó)B＆K公司最近已開(kāi)發(fā)一種基于軟件設(shè)置的TEDS型虛擬傳感器，其主要特點(diǎn)是每只傳感器都有唯一的產(chǎn)品序列號(hào)并附帶一張軟盤(pán)，軟盤(pán)上存儲(chǔ)著該傳感器進(jìn)行標(biāo)定的有關(guān)數(shù)據(jù)。使用時(shí)，傳感器通過(guò)數(shù)據(jù)采集器接至計(jì)算機(jī)，首先從計(jì)算機(jī)輸入該傳感器的產(chǎn)品序列號(hào)，再?gòu)能洷P(pán)上讀出有關(guān)數(shù)據(jù)，然后自動(dòng)完成對(duì)傳感器的檢查，傳感器參數(shù)的讀取、傳感器設(shè)置和記錄工作。此外，專(zhuān)供開(kāi)發(fā)虛擬傳感器產(chǎn)品的軟件工具也已面市了。

5．2網(wǎng)絡(luò)化。網(wǎng)絡(luò)傳感器是包含數(shù)字化傳感器、網(wǎng)絡(luò)接口和處理單元的新一代智能傳感器。這里講的網(wǎng)絡(luò)已不限于傳感器總線，還應(yīng)包括現(xiàn)場(chǎng)總線、局域網(wǎng)和因特網(wǎng)。數(shù)字傳感器首先將被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再送給微處理器做數(shù)據(jù)處理，最后將測(cè)量結(jié)果傳輸給網(wǎng)絡(luò)，以便實(shí)現(xiàn)各傳感器之間、傳感器與執(zhí)行器之間，傳感器與系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換及資源共享。

6．研究生物感官，開(kāi)發(fā)仿生傳感器

大自然是生物傳感器的優(yōu)秀設(shè)計(jì)師。它通過(guò)漫長(zhǎng)的歲月，不僅造就了集多種感官于一身的人類(lèi)本身，而且還設(shè)計(jì)了許許多多的功能奇特、性能高超的生物傳感器。如狗的嗅覺(jué)（靈敏閾為人的10 倍）；鳥(niǎo)的視覺(jué)（視力為人的8～50倍）；蝙蝠、海豚的聽(tīng)覺(jué)（主動(dòng)型生物雷達(dá)——超聲波傳感器）；蛇的接近覺(jué)（分辯率達(dá)0.001℃的紅外測(cè)溫傳感器）等等.這些生物的感官性能,是當(dāng)今傳感器技術(shù)所望塵莫及的.研究它們的機(jī)理,開(kāi)發(fā)仿生傳感器（包括視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)、觸覺(jué)傳感器等）,也是引人注目的方向。目前只有視覺(jué)與觸覺(jué)傳感器得到了比較好的發(fā)展。

傳感器技術(shù)在廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、軍事國(guó)防和以宇宙開(kāi)發(fā)為代表的尖端科學(xué)與工程等重要領(lǐng)域的同時(shí)，正以自己的巨大 力，向著與人們生活密切相關(guān)的方面滲透。論文參考。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展以及社會(huì)對(duì)高性能、高適用性傳感器的迫切需要，極大地推動(dòng)了傳感器技術(shù)的發(fā)展。生物工程、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境保護(hù)、安全防范、家用電器等方面的傳感器已層出不窮，并在日新月異地發(fā)展。我們有理由相信，傳感器這顆璀璨的明珠，必將放射出更加耀眼的光芒。

參考文獻(xiàn)：

〔1〕 單成祥.傳感器的理論與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)及其應(yīng)用〔M〕.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1999。

〔2〕 何希才.傳感器及其應(yīng)用電路〔M〕.北京：電子工業(yè)出版社，2001。

〔3〕 黃長(zhǎng)藝.機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)〔M〕.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001。

〔4〕 王元慶.新型傳感器原理及應(yīng)用〔M〕.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002。

〔5〕 沙占友.智能化集成溫度傳感器原理及應(yīng)用〔M〕.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002

〔6〕 何勇　王生澤.光電傳感器及其應(yīng)用〔M〕.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004