传感器设计论文大全11篇

绪论：写作既是个人情感的抒发，也是对学术真理的探索，欢迎阅读由发表云整理的11篇传感器设计论文范文，希望它们能为您的写作提供参考和启发。

篇（1）

随着科学技术的发展，许多新的科学领域相继涌现，其中微米/纳米技术就是诸多领域中引人注目的一项前沿技术。20世纪90年代以来，继微米/纳米技术成功应用于大规模集成电路制作后，以集成电路工艺和微机械加工工艺为基础的各种微传感器和微机电系统（MEMS）脱颖而出，平均年增长率达到30%。微机械陀螺是其中的一个重要组成部分。目前，世界各个先进工业国家都十分重视对MMG的研究及开发，投入了大量人力物力，低精度的产品已经问世，正在向高精度发展。

1微机械振动陀螺仪的简要工作原理

陀螺系统组成见图1，它由敏感元件、驱动电路、检测电路和力反馈电路等组成。在梳状静电驱动器的差动电路上分别施加带有直流偏置但相位相反的交流电压，由于交变的静电驱动力矩的作用，质量片在平行于衬底的平面内产生绕驱动轴Z轴的简谐角振动。当在振动平面内沿垂直于检测轴的方向（X方向）有空间角速度Ω输入时，在哥氏力的作用下，检测质量片便绕检测轴（Y轴）上下振动。这种振动幅度非常小，可以由位于质量片下方、淀积在衬底上的电容极板检测，并通过电荷放大器、相敏检波电路和解调电路进行处理，得到与空间角速度成正比的电压信号。

在科研及加工过程中，一个重要的内容就是检测陀螺仪的特性，如工作状态谐振频率、带宽增益、Q值等，于是就提出了微机械惯性传感器检测平台的研制任务。根据陀螺仪的工作原理，整个仪器包括两大部分：驱动信号发生部分和表头的输出信号检测部分。驱动信号发生部分对待测的惯性传感器给予适当的驱劝信号，使传感器处于工作状态。信号检测部分要求检测出微小电容变化，经过放大、解调处理后，将模拟量转换成数字量采集到PC机中，分析输出信号，以确定惯性表的特性。

2微电容检测技术

在MMG检测技术中，利用电容传感器敏感试验质量片在哥氏力作用下的振动角位移，获取输入角速率信号。由于陀螺仪的尺寸微小，为了得到10°/h的中等精度，要求电容测量分辨率达到（0.01×10-15）～(1×10-18)法拉。因此，对于微机械加速度计和向机械陀螺仪来说，检测试验质量和基片之间的电容变化是一个关键技术。目前在MMG中采用的微电容检测方案有三种：开关电容前在MMG中采用的微电容检测方案有三种：开关电容电路、单位增益放大电路和电荷放大电路。

2.1开关电容电路

其基本原理是利用电容的充放电将未知电容变化转换为电压输出。该测量电路包括一个电荷放大器、一个采样保持电路以及控制开关的时序，如图2所示。

在测量过程中，先将未知电容（C1、C2）充电至已知电压Vref，然后让其放电。充、放电过程由一定时序控制，不断重复，使未知电容总处于动态的充放电过程。C1、C2连续地放电，电流脉冲经过电荷放大器转换为电压。再经过采样保持器，得到输出Vc。将公式ΔC=2C0·x/d0代入，可得电容检测电路的传递函数为：

Vc/x=-[2VrefC0/Cfd0]

2.2单位增益放大器电路

AD公司与U.C.Berkeley联合开发的ADXL50（5g的微机械加速度计）采用了单位增益放大电路。

图3是单位增益放大器的等效电路。图3中，Cp为分布电容，Cgs为前置级输入电容，Rgs为输入电阻。当载波频率在放大器的通频带以内时，前置级输入电阻可忽略不计。由图3可午，前置级有用信号输出为：

（Vs-Vout）jω（C0+ΔC）+(-Vs-Vout)jω（C0-ΔC）

=Voutjω(Cp+Cgs)+Vout/Rgs

Rgs∞

Vout=(2ΔC/2C0+Cp+Cgs)Vs

分布电容Cp约为10pF，

输入电容Cgs约为1～10pF，一般都大于传感器标称电容C0(1pF左右)。可以看出，它们的存在都极大地降低了电容检测灵敏度。要提高电路灵敏度，就必须消除Cp、Cgs的影响，通常采用的措施等电位屏蔽。

2.3电荷放大器电路

电荷放大器电路如图4所示。它采用具有低输入阻抗的反相输入运算放大器。其中Cp表示分布电容，Cf为标准反馈电容，Rf用来为放大器提供直流通道，保持电路正常工作。应选取Rf，使时间常数RfCf远大于载波周期，以避免输出波形畸变。但Rf过大为今后电路集成带来不便。可以使用小阻值的电阻组成T型网络，替代大阻值电阻。

若运算放大器具有足够的开环增益，反相输入端为很好的虚地，那么，两输入端点之间的电位差为零。因此，反相输入端对地的分布电容Cp和放大器的输入电容Cgs对电路测量不会造成影响。电荷放大电路相对于单位增益放大电路来说，结构要简单，不需考虑等电位屏蔽问题；只需将杂散电容的影响转化为对地的分布电容，即进行合理的对地屏蔽，就能获得较好的效果。

尽管在电荷放大电路中，可以忽略掉输入电容及反相输入端对地的分布电容，但是在检测微小电容变化时，输出还是有很大的衰。这是由放大器输入输出端分布电容Cio造成的。当载波电压频率大于1/（2πRfCf）和小于放大器的截止频率时，输出电压Vout应该表示为：

Vout=-[(C1-C2)/（Cio+Cf）]Vs=-[(2ΔC)/Cio+Cf]]Vs

3检测平台的系统构成及工作原理

该系统的工作原理如图5所示。对惯性传感器施以适当的激励信号后，传感器的动片即处于振动状态，上下极板间的电容发生周期变化，采用电荷放大器电路将该信号提取出来，经交流放大、解调后通过A/D转换变成数字量采集到微机中，观察传感器的输出响应，为下一步利用软件方法分析微机械惯性传感器的时域、频域特性打下基础。

3.1激励信号发生器

根据微机械轮式振动陀螺仪的工作原理，最多需要4路激励信号。激励信号为正弦波，每两路相位相反。为了测量陀螺仪的频率特性，需要不断改变激励信号的频率。目前不同设计的陀螺仪谐振频率在几百赫兹到10千赫兹之间，激励信号也需要在这个范围内进行调节。另外，陀螺仪的驱动力矩等于驱动信号的交流分量与直流分量的乘积，所以还要施加正或负的直流偏置，使陀螺能处于正常工作状态。交流相位和直流偏置组合见表1。

表1交流相位和直流偏置组合

直流偏置：++--交流信号：+-+-

一般的RC振荡电路生成的正弦波频率靠改变R、C值来调节，不能连续大范围调节。所以，设计中采用数字方法合成模拟波形，其原理见图6。图6中8254为软件可编程计数器。其包含3个独立的16位计数器，计数最高频率可达8MHz，设计中输入3MHz的时钟，将2个计数器串连使用，这样可以增加频率控制范围。8254产生的方波信号作为后面并行计数器的计数脉冲输入。并行计数器由2片74LS161组成8位二进制循环计数器。74LS161计数到最大值时会自动清零，重新开始计数，其输出可作为E2PROM2817A的地址信号（即每个正弦周期内采样点数为256个）。2817A的数据读取时间为150ns。设计电路时将它的片选和读信号均设为有效，以提高数据读取速度。D/A转换采用DAC-08电流输出型D/A转换器。电路输出时间85ns，放大器采用高速高精度运放OP-37，同理，D/A转换器的片选和转换开始信号总为有效，其输出跟随输入变化，提高转换速度。实验结果表明，此信号发生器完全可以生成10kHz以内可调频的正弦波。而且使用可编程计数器8254，输出正弦波的频率可以用软件方法调节。如果想输出非正弦波形，只要修改E2PROM的数据，就可以输出任意形状的周期波形。

3.2低通跟踪滤波器

数字信号发生器具有控制灵活的优点，但是输出信号不够平滑，其中会有台阶波。在对信号要求比较高的场合，还需要进行滤波。本设计中信号的频率变化范围很大：几百赫兹到10千赫兹。为了进一步提高信号质量，采用AD633模拟乘法器构成低通跟踪滤波器，其原理如图7。

通带的截止频率是由电压Ec控制的，输出是OUTPUTA，截止频率：

fc=Ec/[(20V)πRC]

OUTPUTB处是乘法器的直接输出端，截止频率与RC滤波器相同：

f1=1/(2πRC)

这种滤波器结构简单，没有开关电容，噪声小，一般采用数模转换器控制Ec，控制通带频率也比较容易。

3.3交流放大器

微机械惯性传感器在施加激励信号后，即处于振动状态。传感器有差动微电容量变化C0+ΔC和C0-

ΔC。采用电荷放大器电路提取出ΔC，此电压信号仍然很弹，需要进一步放大处理，于是采用图8所示的交流放大器。

交流放大器由4个放大倍数为-1、-2、-5、-10的运算放大器级联组成，进一步放大被测信号，同时调整幅值以便适应解调器的输入。图8中的开关选用ADG211模拟开关，通过控制模拟开关的开合，可以任意选择某级或某几级放大器参加工作，实现对放大倍数正负1、2、5、10、20、50、100的整倍数调整。例如，将模拟开关S0、S2、S8、S13闭合，其他开关全部打开，交流放大器的总放大器数即为：（-1）×（-2）×（-10）=-20。

3.4数据采集系统

使用计算机总线，与外设之间必须有接口。本系统采用双端口RAM作为数据缓存。先将信号采样并存储其中，然后成组地向主机传送，从而有效地发挥了主、从、资源的效率，且设计也相对简单。

3.4.1系统工作原理

系统基本组成原理如图9。主要有双端口RAM、逻辑控制模块、A/D转换器组、计算机接口。机通过接口启动逻辑控制模块后，CPU资源向其他请求开放，逻辑控制模块发控制信号启动A/D转换器并进行采样，并将转换结果存入双端口RAM。当RAM中的数据达到一定数量时，逻辑控制模块向计算机发出中断请求。主机接到请求后进入中断服务程序，向逻辑控制模块发出命令，决定是否继续采样，并将RAM内的数据读入内存。

3.4.2硬件设计

本设计使用Cypress公司的CY7C136（2k×8bit）双端口RAM。其两个端口都有独立的控制信号、片选CE、输出允许OE和读写控制R/W。这组控制信号使得两个端口可以像独立的存储器一样使用。使用这种器件要注意当两个端口访问同一个单元时，有可能导致数据读出结果不正确。解决这个问题的方法有两个：一种是监测busy信号输出，当检测到busy信号有效，就使访问周期拉长，这是从硬件上解决；另一种方法是软件上保证两个端口不同时访问一个单元，即将双端口RAM进行分块。本系统采用后者，将busy信号输出通过上拉电阻接到电源正极。

在系统中，逻辑控制模块的作用非同小可，是控制采样、存储、与计算机接口的核心。本系统为方便对采样速率等参数进行设置，在该模块中采用了MCS-51单片机。这样可以通过编程设定采样速率。

与主机的信息交换包括：

（1）接收主机控制信号，以决定是否开始采样；

（2）在存储区满后，向主机发中断请求。

本系统使用AT89C51的地址总线来选通RAM的存储单元，对其进行写操作，将采样结果存入相应的单元。

3.4.3软件设计

篇（2）

本研究以病原菌为检测对象，通过蛋白A将病原菌抗体固定于金叉指阵列微电极表面，制备了一种阻抗型传感器。以Fe(CN)3－/4－6作为氧化还原对，经过化学电阻抗谱表征电极表面修饰及抗原捕获过程，采用等效电路阐述其阻抗谱的变化。实验结果表明，待测溶液中病原菌浓度的对数值与叉指阵列微电极的电子传递阻抗的变化值呈线性关系。传感器系统将上面的输出信号进行电压放大、A/D转换等处理，然后由已知的定量检测模型得出表征被测物含量的数值，并通过LCD装置进行显示，且可在超过安全值时进行报警。

1．2基本结构

实现定量检测和自动报警等功能，单片机是核心部件。本设计选用STC89C52单片机，它是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，可满足系统工作的要求。该系统以STC89C52单片机为核心，包括阻抗测试模块、阻抗电压转换模块、电压放大电路模块、A/D转换模块和显示及报警模块。此系统采用模块化设计不仅便于扩充不同测量单元，而且可防止各模块间相互干扰，利于仪器稳定。

2硬件选型及电路设计

2．1集成放大器选择

A/D转换电路所需的电压幅值一般为2V，而叉指微电极输出的电压信号比较小，所以需要对叉指微电极输出的电压信号进行放大。主放大电路采用放大器ICL7650，其电路具有电源电压范围宽、静态功耗小、可单电源使用及价格低廉等优点，广泛应用在各种电路中。

2．2A/D转换模块设计

经放大电路输出的电压值是模拟信号，不能直接送入单片机进行处理，还必须进行A/D转换后送入单片机进行处理。本设计选择ADC0809芯片作为AD转换装置，此芯片功能简单，能稳定实现本设计的要求。

2．3显示及报警模块设计

2．3．1显示电路设计

传感器需要输出液晶显示结果，主要包括检测物名及物质浓度等。本系统选用LCD1602液晶显示屏，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块，能够同时显示16×2(16列2行，即32个)字符，可满足显示检测物名称和浓度的要求。

2．3．2报警电路设计

为了实现超限自动报警的功能，需要蜂鸣器接受单片机发出的超限报警信号发出警报，警示微生物的数量已经超标。要实现自动报警的功能，可采用实现单频音报警。其接口电路较简单，发音元件为压电蜂鸣器，当在蜂鸣器两引脚上加3～15V直流工作电压时，可产生3kHz左右的蜂鸣振荡音响。压电式蜂鸣器结构简单、耗电少，更适于在单片机系统中应用。压电式蜂鸣器约需10mA的驱动电流，可在单片机一端口接一只三极管和电阻组成的驱动电路来驱动。浓度超标时，单片机P3．6输出高电平，驱动蜂鸣器报警，提醒检测者被测物超标，并做相应处理。

3软件设计

为了便于程序修改和升级，软件系统采用模块化设计方法，主要程序包括:主程序、键盘处理子程序、数据处理子程序、液晶显示子程序及报警子程序。系统工作流程为:检测人员通过键盘输入被测物种类，MCU通过判断处理之后，阻抗测试仪测量获得多个阻抗值，经阻抗电压转换电路和放大电路，A/D转换器处理，将得到的数字信号送入MCU;MCU对数字进行计算、比较等处理，得到被测物浓度，判断出浓度是否超限;接着，MCU将浓度送入LCD进行显示，判断比较结果是否需要进行报警，需要时则控制报警器报警。

篇（3）

引言

随着微电子工业的迅速发展，单片机控制的智能型控制器广泛应用于电子产品中，为了使学生对单片机控制的智能型控制器有较深的了解。经过综合分析选择了由单片机控制的智能型液位控制器作为研究项目，通过训练充分激发学生分析问题、解决问题和综合应用所学知识的潜能。另外，液位控制在高层小区水塔水位控制，污水处理设备和有毒，腐蚀性液体液位控制中也被广泛应用。通过对模型的设计可很好的延伸到具体应用案例中。

一、系统设计方案比较说明

对于液位进行控制的方式有很多，而应用较多的主要有2种，一种是简单的机械式控制装置控制，一种是复杂的控制器控制方式。两种方式的实现如下：

(1)简单的机械式控制方式。其常用形式有浮标式、电极式等，这种控制形式的优点是结构简单，成本低廉。存在问题是精度不高，不能进行数值显示，另外很容易引起误动作，且只能单独控制，与计算机进行通信较难实现。

(2)复杂控制器控制方式。这种控制方式是通过安装在水泵出口管道上的压力传感器，把出口压力变成标准工业电信号的模拟信号，经过前置放大、多路切换、AD变换成数字信号传送到单片机，经单片机运算和给定参量的比较，进行PID运算，得出调节参量；经由DA变换给调压变频调速装置输入给定端，控制其输出电压变化，来调节电机转速，以达到控制水箱液位的目的。

针对上述2种控制方式，以及设计需达到的性能要求，这里选择第二种控制方式，同时考虑到成本需要把PID控制去掉。最终形成的方案是，利用单片机为控制核心，设计一个对供水箱水位进行监控的系统。根据监控对象的特征，要求实时检测水箱的液位高度，并与开始预设定值做比较，由单片机控制固态继电器的开断进行液位的调整，最终达到液位的预设定值。检测值若高于上限设定值时，要求报警，断开继电器，控制水泵停止上水；检测值若低于下限设定值，要求报警，开启继电器，控制水泵开始上水。现场实时显示测量值，从而实现对水箱液位的监控。

二、工作原理

基于单片机实现的液位控制器是以AT89C51芯片为核心，由键盘、数码显示、AD转换、传感器，电源和控制部分等组成。

工作过程如下：水箱(水塔)液位发生变化时，引起连接在水箱(水塔)底部的软管管内的空气气压变化，气压传感器在接收到软管内的空气气压信号后，即把变化量转化成电压信号；该信号经过运算放大电路放大后变成幅度为0～5V标准信号，送入AD转换器，AD转换器把模拟信号变成数字信号量，由单片机进行实时数据采集，并进行处理，根据设定要求控制输出，同时数码管显示液位高度。通过键盘设置液位高、低和限定值以及强制报警值。该系统控制器特点是直观地显示水位高度，可任意控制水位高度。

三、硬件设计

液位控制器的硬件主要包括由单片机、传感器(带变送器)、键盘电路、数码显示电路、AD转换器和输出控制电路等。

3.1单片机

单片机采用由Atmel公司生产的双列40脚AT89C51芯片。

3.2传感器

传感器使用SY一9411L—D型变送器，它内部含有1个压力传感器和相应的放大电路。压力传感器是美国SM公司生产的555—2型OEM压阻式压力传感器，其有全温度补偿及标定(O～70℃)，传感器经过特殊加工处理，用坚固的耐高温塑料外壳封装。在水箱底部安装1根直径为5mm的软管，一端安装在水箱底部；另一端与传感器连接。水箱水位高度发生变化时，引起软管内气压变化，然后传感器把气压转换成电压信号，输送到AD转换器。

3.3键盘电路

P1口作为键盘接口，连接一个4×4键盘。

3.4液位显示电路

液位显示采用数码管动态显示，范围从0～999(单位可自定)，选择的数码管是7段共阴极连接，型号是LDSl8820。在这里使用到了74LS373，它是一个8位的D触发器，在单片机系统中经常使用，可以作地址数据总线扩展的锁存器，也可以作为普通的LED的驱动器件，由于单独使用HEF4511B七段译码驱动显示器来完成数码管的驱动显示，因此74LS373在这里只用作扩展的缓冲。

3.5AD转换电路及控制输出

AD转换电路在控制器中起主导作用，用它将传感器输出的模拟电压信号转换成单片机能处理的数字量。该控制器采用CMOS工艺制造的逐步逼近式8位AD转换器芯片ADC0809。在使用时可选择中断、查询和延时等待3种方式编制AD转换程序。控制输出主要有上下限状态显示、超限报警。另外在设计过程中预留了串行口，供进一步开发使用。

四、软件设计

4.1键盘程序

由于键盘采用的是4×4结构，因此可使用的键有16个，根据需要分别定义各键，0～9号为数字键，10～15号分别是确定键、修改键、移位键、加减键、取消键和复位键。

值得注意的是，在用汇编语言编写控制器程序时，相对会比较麻烦，如果用C语言编写程序会简单很多，这里就不再做具体说明。

五、结束语

基于单片机实现液位控制器模型设计的关键在于硬件电路的正确构建，只有在电路准确的前提下再进行软件编程才能取得成功。

参考文献：

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引言

随着机器人技术和复杂检测系统的出现，人们对触觉传感器提出了更高的要求。随着触觉阵列规模的扩大，希望A/D转换速度加快，而原先在小规模阵列触觉传感器系统中采用的共用A/D转换器的方法，已不能满足大规模阵列触觉传感器信号采集实时性的要求。因此，要想实现高速、高分辨率并且对小信号敏感的大规模阵列触觉传感器信号采集系统，关键部件就是A/D转换器。

本文利用混沌帐篷映射方法和开关电容（SC）技术，设计了一种新型A/D转换器。该A/D转换器的电路具有调理放大、误差补偿和A/D转换功能一体化的优点，并且电路简单、便于集成、功耗小；能以很高的性能价格比实现多路触觉传感器输出信号的并行采样和A/D转换。

1阵列触觉传感器信号采集系统的组成

模拟式阵列触觉传感器信号采集系统的原理电路见图1。该系统由m×n阵列传感器、列读取电路、行扫描电路、n个ADC电路、时序控制电路和计算机等组成。在时序控制电路的控制下，行扫描电路对m行阵列触觉传感器发送周期性激励信号；而列读取电路则周期性地并行读入n列输出信号。读n个信号经n个A/D转换器，把模拟信号转换成格雷码序列直接送到计算机；计算机完成格雷码向二进制码的转换，接着在时序逻辑的控制下，读取下一行的n列信号并进行A/D转换。计算机在获得1帧m×n触觉传感器信号后，就可以进行信号处理了。图1中除A/D转换器需要特殊设计外，其余各电路都有现有的产品，没有特殊要求。

2混沌开关电容A/D转换器的设计

2.1混沌开关电容A/D转换的原理

利用开关电容技术进行误差补偿的基本原理是电荷的再分配。电容失配误差利用开关转换储存起来，结果由电容上电荷的再分配而得到补偿。混沌帐篷映射是一种离散非线性系统，其映射关系为：

这一映射可以看到由两步组成：先将区间[0,1]伸长2倍，然后再压缩成原区间[0,1]。如此反复迭代操作，最终导致相邻点的指数分离，从而进入混沌状态。这种映射对初始值（系统的输入信号）的放大与通常的线性放大方法不同：线性放大倍数为一常数，而且受工作范围限制；而处于混沌状态的帐篷映射系统，是在有界的区间内，迭代1次将信号放大2倍，反复有限次迭代后，可以将微弱信号放大到可观测的水平，而不会出现溢出再现象。显然，这是一种非线性放大。帐篷映射系统的输入值Vin对应于系统的初始状态x0。x0可以二进制小数表示：

为了得到离散帐篷映射的迭代输出与x0的关系，引入另一种非线性映射——离散贝努利移位是映射：

这一映射的作用是每迭代一次，就将二进制位t1、t2、t3、……向左依次移出一个二进制位，即

对于贝努利移位映射，令bn=sgn(x''''n-0.5)，作为贝努利移位映射的第n次迭代输出，由于bn=tn,且bi(i=0,1,2,…)是一个二进制序列；对于帐篷映射，令gn=sgn(xn-0.5)，则gi是与bi对应的格雷码序列，即

根据上述和初始时刻x0=x''''0=Vi，可得：

因此，通过将帐篷映射迭代输出的格雷码序列gi(i=0,1,2,…)，转换成贝努利移位映射的二进制序列bi(i=0,1,2，…)，可推算出初始值（输入信号的二进制数字量），即

式（7）中{Vin}表示输入信号的二进制数字量。gi(i=0,1,2,…)就是经过帐篷映射完成了对输入信号的非线性放大和A/D转换的格雷码形式的数字量。

2.2混沌开关电容A/D转换电路的实现

利用并关电容技术进行电路设计，有其独特的优点：电路的性能与电容无关，只取决于电容之比，两个电容比值的误差小于1/1000，因此电路运算精度高；电路便于实现大规模集成，因而电容体积小、工作可靠、成本低，功耗小（一个开关电容A/D转换器功耗4mW）等。这些优点对模拟式阵列触觉传感器信号采集系统最有利，因此该系统需要大量的ADC。

图2混沌开关电容A/D转换电路

基于帐篷映射的开关电容A/D转换电路如图2所示。运放A1、A2及周围的电路完成帐篷映射，即完成对输入信号的非线性放大和A/D转换；C4、C5、A3及周围的电子模拟开关组成保持电路，输出信号V0为输入信号的格雷码形式的数字量。图3为电路时序控制逻辑。

图2电路，当启动信号为高电平时，电子模拟开关指向“1”端，输入信号Vi接通。延时t1时间后，D触发器产生一个脉冲信号，这时，若0≤Vi≤0.5，则电子模拟开关S1指向“2”端，C1、C3和A2及有关的电子模拟开关构成一个开关电容比例延时器，如图4所示。在（n-1）T时，Vi给C1充电，充电电荷为C1Vi（n-1），C3被短路，V02(n-1)=0;在nT时，C1中电荷转移到C3中，充电电荷为C3V02（n），由电荷守恒原理，其差分方程为：

C1Vi(n-1)=C3[V02(n)-V02(n-1)]=C3V02(n)(8)

式（8）经过Z变换可得该电路Z域传递函数：

H（Z）=V02(Z)/Vi(Z)=(C1/C3)Z-1(9)

若取C3=0.5C1，则有：

H（Z）=V02(Z)/Vi(Z)=(C1/C3)/Z-1=(C1/0.5C1)Z-1=2Z-1(10)

可见，图4的电路具有起放大作用的比例延时功能，实现了对输入信号的翻倍，即实现了y=2x的运算；同时对C4充电，当下一个“o”脉冲为高电平时，C4中电荷转移到C5中，这时开关S0指向“2”端，把输出信号Vo反馈到输入端，给C1充电，实现迭代运算。经过n次迭代后，使Vi信号入大，直到可观测为止。

同理，当0.5≤Vi≤1时，Vi向C2充电，电子模拟开关S2指向“2”端，这时，C2、C3和A2构成另一个开关电容比例延时器，把式（9）中的C1换成C2，就是这个比例延时器的Z域传递函数。“e”脉冲为高电平时，C2中电荷Q=C2Vi转换到C3中，若取C3=0.5C2,就实现了y=2(1-x)的运算；当下一个“o”脉冲为高电平时，C4中电荷转移到C5中，这时开关S0指向“2”端，把输出信号Vo反馈到输入端，给C2充电，实现迭代运算。经过n次迭代后，使Vi信号放大到可观测为止。

这样，经过一个周期T，完成了对Vi一个样点的采集。如此周而复始地进行A/D转换工作。D触发器输出的信号就是格雷码序列：

将gk序列和初始条件b0=Q0代入式（6）中，就得到贝努利二进制序列bk（k=0,1,2,…）。当然，只要把ADC的输出信号Vo(格雷码序列)送入计算机，转换成二进制数字量的工作，可由计算机通过软件来实现。

3实验结果

利用图4的信号系统对5×7应变式微型阵列传感器输出的信号进行非线性放大和A/D转换实验，实验结果见表1。表1中为第4行7个传感器输出信号进行A/D转换的结果。实验结果表明，基于帐篷映射的开关电容A/D转换器可有效地实现对小信号的放大和A/D转换。

4结论

本文利用混沌电路对小信号敏感及它具有的非线性变换的独特性能，设计了混沌帐篷映射开关电容新型A/D转换器。这种A/D转换器适用于机器人模拟阵列触觉传感器输出信号的A/D转换。它集调理放大和A/D转换于一体，具有电路简单、易于集成及功耗小的特点。开关电容电路只有二相时钟，电路性能只取决于两个电容之比而与电容绝对值无关，因而电路运算精度高、成本低。利用该A/D转换器可实现多路触觉信号的并行采样和A/D转换，以满足大规模阵列传感器信号的实时采集要求。实验结果证明了本方法的有效性。

表1A/D转换实验结果

传感器（4，1）（4，2）（4，3）（4，4）（4，5）（4，6）（4，7）

测量值/mV0806718824617025

计算值/mV0.080.266.4187.5242.3168.924.7

格雷码

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篇（6）

 

0.引言：

传感器在现代信息技术中有着举足轻重的地位，传感器为系统提供进行处理和决策所必需的原始信息，很大程度上影响和决定着系统的性能，本设计采用以单片机为控制单元，用单轴倾角传感器检测平衡板倾斜角度，采取步进电机控制平衡板角度自动旋转目的。

1.硬件电路设计

角度传感器硬件连接图如图1所示，当步进电机带动平衡板倾斜到使角度传感器SCA60C处于水平位置时，Vo端输出+0.5V的模拟电压。传感器SCA60C仅可精确检测到0~90度的角度范围，当平衡板转到使角度传感器与水平面成90度的角度时，此时Vo端输出+5V的模拟电压。在0~90度的倾角范围内，Vo端输出的是正比于倾角大小的+0.5~+5V的模拟电压信号，当平衡板转动到使角度传感器与水平面间的角度从90度到180度的范围变化时，输出端Vo输出的是从+5V依次变化到+0.5V 的模拟电压信号[1][2]，因此通过测定传感器SCA60C输出端Vo电压的大小即可确定平衡板与水平面的夹角。

步进电机驱动电路的设计本系统中，我们选择4相5线步进电机，其驱动电路主要由L297+L298组成，该驱动电路集驱动与保护于一体。L297是脉冲分配器，只要步进电机A、B、C、D四项依次连接到J1的1、2、3、4各点，且将剩下的一条线接地，L297就会自动的将输入到端口CW/CCW的脉冲分配给步进电机的各个相序，此时步进电机便可转动[3][4]。控制电机时只需单片机通过I/O口向L297的cw/ccw和clock端发送控制信号即可控制它的转速和正反转。驱动电路原理如下图2。论文参考。论文参考。

图1角度传感器硬件连接图图2步进电机驱动电路原理图

本系统主要由主控制器模块、角度检测模块、A/D转换模块、键盘模块和显示器模块等部分组成，系统连接图如图3所示：

图3系统框图

系统分为两个工作模式，工作于模式一时，可通过键盘模块预置一个角度，主控制器接收到此信息后，通过控制电机控制模块来使角度检测模块做出转动动作以使平衡板按输入角度完成倾斜动作。同时，角度传感器输出的模拟量经A/D转换模块转换后送入主控制器，主控制器据此输入判定平衡板是否已倾斜到预置的角度，并据此来控制电机控制模块，并且主控制器模块通过控制显示模块实时的显示平衡板的倾斜角度。通过按键模块可将系统切换到模式二，模式二的功能是能始终保持平衡板的水平，且能使显示模块显示的内容与平衡板联动，两种工作可通过按键来切换。系统使用c8051f00作为控制核心，128*64作为显示器，4*4键盘来输入需要预置的角度。程序具有角度预置和自动寻找平衡点两种模式，根据不同需要选择，具有友好人机界面，操作简单易懂。软件流程图如下图4所示：

图4 程序流程图

2.系统测试与分析

表1系统性能测试

 

基本要求测试 发挥部分测试 输入角度大小 平衡时角度 误差 起始倾斜角度 平衡时角度 误差 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

篇（7）

中图分类号：G642文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)18-31739-01

Experimental Teaching Reform of Sensors Course

ZHANG Huai,Chen Fu-jun,YANG Yong,LIANG Feng

(Huanghuai University,Zhumadian 463000,China)

Abstract:Sensors is a most practical course, the students can verify theories through an experiment, and can strengthen the cultivation of the student’s innovation and practice ability. Aimed at the present situation of the experimental teaching for sensor of our university, we do some beneficial reform and the aim is to improve the practice ability of students and cultivate the innovative talents.

Key words:sensor experiment;teaching reform;cultivation of innovative talents

传感器技术作为现代三大信息技术之一，广泛应用于工农业生产及日常生活中，是测控过程中反映被测对象、保证控制质量的重要一环，也是自动化、测控技术、机械电子等专业的一门实践性和应用性很强的基础课。随着计算机技术，信息技术和网络技术的发展，传感器技术与应用也飞速发展，而传统的传感器教学尤其是实践环节的教学迫切需要改革创新。为此，针对我校传感器实验教学的现状做一些有益的改革，旨在提高学生对传感器原理及特性的理解并进而达到设计和应用的目的，培养高素质技能型人才。

1 我国传感器及实验教学的发展及需求

传感器及智能仪器仪表自上个世纪60年代以来一直作为自动化、测控技术、机械电子等专业的一门专业课程，特别是进入80年代后，国际上出现了“传感器热”：日本把传感器技术列为80年代十大技术之首，美国把传感器技术列为90年代的关键技术，我国把传感器技术列为“八五”、“九五”的重点研究项目之一；并且2003年3月国家教育部紧跟国际科技发展步伐，已将传感器的教学纳入到普通高级中学物理课程的教学体系中。由此可见，传感器在当今科技发展及国民教育体系中所处的重要地位。而对于传感器本身又是一门实践性和应用性很强的学科，而且传感器实验教学是整个教学环节中的一个重要子系统，因此，加强传感器实验教学以适应我国高等教育的任务――培养学生创新精神和实践能力的需求。

2 传感器实验教学的现状

长期以来，理论教学重于实验教学的观念根深蒂固，影响了传感器教学的效果。传统的传感器教学尤其是实践性环节迫切需要改革创新。传统的传感器实验教学的问题主要反映在以下几个方面：

2.1教学中存在不重视实验的倾向

实验教学是理论知识和实验活动、间接经验与直接经验、抽象思维和形象思维、传授知识与训练技能相结合的过程。但是，对传感器实验教学现状的调查结果表明，目前很多高校在教育观念上，仍存在着重理论、轻实践，重理论知识传授、轻动手能力培养的倾向，在课程体系上，实验教学少有独立的教学体系以及相应的学分评价体系，实验课从属于理论课，实验内容含在理论课程中，实验学时与内容的开设随意性强，随意削减实验学时成为普遍现象，实验课时同理论课时比例不太合理等问题，从而大大影响了学生对传感器特性的理解及在传感器应用中解决实际问题能力的培养。

2.2实验项目验证型多于设计型

目前，我系使用的传感器实验装置是由浙江高联科技开发公司提供的CSY2000D型传感器检测技术实验台，它所提供的实验项目大多为验证性实验，虽然各传感器透明式封装比较直观，但缺乏设计性、综合性要求，与工程实践脱节严重。

2.3教学方式单调枯燥

传统的传感器实验教学是注入式的，从实验原理、步骤、实验注意事项，甚至连实验结果都面面俱到地由老师讲解，然后由学生“按方抓药”地操作。这使学生处于消极被动的地位，影响其学习主观能动性的发挥，严重阻碍了学生的全面综合素质的培养。

2.4实验经费投入不足

实验室建设对各高校来说是一项重要的投资，特别是对于一般的普通高校在资金有限的情况下，对实验室的建设投入更少；而传感器又是精密测量仪器，一般单个售价都在50元以上，我系于2003年购置的6台CSY2000D型传感器检测技术试验台就高达1.83万元/台。因此，在资金紧张的情况下，使得高校扩招后由原来的一名学生一台设备，改为2～3人一组，这样在实验过程中往往一个学生做，同组人旁观，教学效果很不理想。

3 改革与探讨

实验教学是高等院校教学的重要组成部分，是对课堂所学理论知识的直观认识和拓展应用，是学生理论联系实际的重要途径，它在培养学生综合素质和创新能力方面有着不可替代的重要作用。因此传感器实验教学必须从理论教学中解脱出来，实验教学应与本课程特点紧密结合，做一次全面的改革：

3.1深化传感器实验教学改革，着力培养学生动手能力

为推进我国全面的素质教育，培养学生创新精神和实践能力，根据传感器实验教学的现状和面临的问题，充分调研，对目前的传感器实验教学进行全面改革：从本科培养计划的约束，到实际实验教学的实施；从教师的教学观念，到学生的实验的目的等各方面都要充分认识到传感器实验在传感器教学中的重要性，在实际实验教学中不断培养学生独立的操作动手能力。

总体上说，注重引导，加强实验考核，使学生普遍对实验重视程度提高，能主动预习准备实验，甚至带着问题进实验室，学生的动手能力明显增强。

3.2切实加强传感器实验室基础建设和科学管理制度

实验器材是开展实验教学活动的基础平台，虽然传感器实验器材价格相对较贵，但也应逐渐增加传感器实验室经费的投入，除了确保正常的教学实验所需各项经费外，还要投入一定经费改进和完善现有仪器设备。同时，还要加强实验室科学管理制度的建设，现在各高校的实验室管理专职人员紧缺，一般由理论课老师来担任实验的教学和实验室管理，其间存在管理漏洞，仪器损坏无法及时维修，严重影响实验教学的开展。因此，传感器实验室要根据本学科的特点和自身条件建立切实可行的实验室管理制度和实验操作规程，逐渐形成较为完整的实验教学管理和保证体系。

3.3加快传感器实验教材的编写

实验教材是提高实验教学质量的重要环节。传感器实验是近几年才在各高校普遍开设，据调查现阶段各高校采用的传感器实验教材都是在厂家提供的仪器使用指南的基础上编写的讲义，缺乏规范性、普适性。根据高校实验教学改革和本学科发展的现状更新充实实验教学内容和教学方法，编写配套的、高水平的传感器实验教材是刻不容缓的。

3.4改革传感器实验教学的内容及方法

3.4.1实验教学内容的改革

为了突出实践教学，培养学生的应用意识、工程实践能力，使学生“消化理论、发展能力”我们对该课程的实验内容进行了较大改革：一方面保留了一些基础验证性实验，如电阻应变、电涡流位移特性、光纤传感器位移特性实验等，使学生通过这些实验，理解传感器的基木原理和特性，消化教学内容；另一方面开设一些设计性实验，如我们利用电阻应变片设计了数字电子秤，以及结合单片机知识设计出自动避障小车和全自动洗衣机控制器等，通过学生自己制作出一些小产品模型，使学生进一步认识到课堂中学过的传感器在其中的限位、距离检测等作用。在教学过程中除了要求学生写出实验报告外还要求撰写设计论文，这样更能够将设计思想、方案论证、技术路线等一些列创造性工作反映出来，同时还可锻炼学生的总结能力，为将来撰写科技论文奠定基础。

3.4.2实验教学方法的改革

实验课是验证理论、应用理论、锻炼学生动手能力的重要环节。在实验指导的方法上,我们进行了一些改革探索，在实验指导过程中,注意因材施教,采用启发式教学方法,提示学生是否有更好的改进方法等等。如电阻应变实验中对电子秤标定时反复调节Rw3、Rw4直至托盘空时电压表显示为0v、200g砝码时显示为0.2v。反复调节最终是可以达到要求，当学生反复调节几次没达到预期要求时可能不耐烦了，这时提示学生根据电阻应变式传感器的测力原理及输入输出特性――线性关系，分析电路中Rw3、Rw4的作用可以看出Rw3起调节放大倍数――即线性关系中的斜率、Rw4起零点参考电压调节――线性关系中的初始值的作用，经过这样比较对应后，很快可以得出这样的快速调节方法：当托盘空时，调节Rw4使电压表显示为零；然后将10个砝码全放入托盘，调节Rw3使电压表显示为0.2v；然后去掉全部砝码记下此时电压表读数v0 (如0.002v)；再将砝码全放入托盘调节Rw4使电压表显示为0.2-v0（如0.198v）；最后再调节Rw3使电压表显示为0.2v即可。通过像这个实验一样的实验教学方法改革,我们认识到如果在每次实验指导中都能够采用启发式的方法启迪学生，发展学生的发散思维能力，那么一定能使学生举一反三，达到学以致用的目的，同时还可激发学生的创新兴趣。

3.5建立科学的实验考核方案

成绩评定方式对于实验教学十分重要，它是这次传感器实验教学改革实施的总体指挥棒。学生最关心的就是成绩，我们要充分利用这一法宝设计较为合理的考核方案，既能达到考察的目的，同时使学生通过试验不仅能很好理解理论知识，还可以培养学生的动手、创新能力。为此，将成绩评价定位在是否理解并灵活应用所学知识，以及鼓励创新思想和创新实践过程，而不仅仅是结果正确与否。在总结多年实验课经验的基础上，采用两种结果验收相结合的形式，一种形式是当面验收，通过演示和口头介绍展示实验过程及实验效果，并完成高质量的实验报告（包括利用VC、vb、matlab等软件实现对测量数据的分析及相应的改进措施和仿真），这种方式是学生实践活动结果的直观体现；另一种形式是提交撰写设计论文，相对与前者，这种形式更能够将设计思想、方案论证、技术路线等一些列创造性工作反映出来，同时还可锻炼学生的总结能力，为将来撰写科技论文奠定基础。学生的最终实验成绩是这两部分成绩的综合。

4 结束语

关于传感器实验课教学改革涉及面广，环节多，是个比较复杂的问题。我们只是在这方面做了一些有益的尝试，并取得了一定的成功经验。我们改革的目的很明确，就是要让学生感觉到每一个实验都是一次挑战，要想取得成功必须要有充分的准备、严谨的态度、细致的操作和灵活的思维。每一次实验的完成，不仅要让学生的实验能力得到充分的训练和提高，更重要的是要激发学生的主观能动性和创造性。只有这样才能为国家培养出具有较高的全面素质的一流人才。

参考文献：

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1 引言

目前，水资源的管理和节约成为世界性的难题。在控制人们意识上浪费的同时，各种节水设备也应运而生。目前大多都是着眼于用水节约和效率，却忽视了废水的循环使用。为此，本文基于“绿色设计”的原则，设计了一种基于单片机控制的家庭智能节水系统，最大限度的做到“水尽其用”。

2 智能节水系统设计思路

该设计用MCS-51单片机作为控制电路的核心控制部件来构成控制器,单片机输出不同程序信息，经过移位寄存器74LS164驱动，使得数码管显示相应内容，红外传感器以及混浊度传感器和水位传感器检测到的模拟信号经过8位模数转换器ADC0809转变成数字信号写入单片机，经过单片机处理再把数字信号经过8255A送给电磁阀电路和继电器电路，控制其工作与否。从结构来说该设计包括A/D转换和扩展I/O口。输入部分包括按键设置、水位传感器、浑浊度传感器和红外传感器。输出部分包括LED显示、继电器驱动电路、电磁阀驱动电路和发光二极管。系统设计框图如图1所示：

图1 系统设计框图

3 智能节水系统硬件选择

家庭节水系统通常包括4个主要构成部分，分别是收集器、处理器、储存器和供给器。系统中要用水位传感器和浑浊度传感器及多个电磁阀、继电器等，既有模拟量又有数字量。

3.1单片机的选取

ATMEL公司的89系列单片机也称Flash单片机是以8031为核心构成，它和 INTEL公司的MCS-S1系列单片机完全兼容，扩展了它的功能。89系列单片机存在下列很显著的优点:

(1)内部含Flash存储器;(2)和AT80C51插座兼容;(3)静态时钟方式;

(4)错误编程亦无废品产生;(5)可反复进行系统试验。

鉴于以上的优点，经过分析比较，根据本系统的特点，选用ATMEL公司89系列的标准型单片机AT89C51。其片内含有128字节的数据存储器(RAM)和4K字节的可电擦电写闪烁程序存储器E2PROM，这足以满足系统实现其功能。

3.2模数转换芯片

在众多的转换器中以逐次逼近式A/D转换器的性价比最高，应用最广泛，国内使用较多的芯片有ADC0808/0809,ADC0801-ADCO805及ADC0816/0817和AD574等，根据本系统的特点和要求选用中速、低廉的逐次逼近式ADC0809模数转换芯片。它包括一个高阻抗斩波比较器；一个带有256个电阻分压器的树状开关网络；一个逻辑控制环节和8 位逐次比较寄存器(SAR)；一个8位三态输出缓冲器。

该系统中ADC0809与AT89C51单片机的连接如图2所示，采用等待延时方式。论文大全。ADC0809的时钟频率范围要求在10-1280kHz。ADC0809的CLOCK脚的频率是单片机时钟频率的1/6，因此当单片机的时钟频率采用6MHz。ADC0809输入时钟频率即为CLOCK=1MHz，发生启动脉冲后需延时100μs才可读取A/D转换数据。

图2 模数转换电路

3.3 按键的识别和输出显示

常用的键盘有阵列式键盘、独立式键盘。本设计中有4个按键，不必采用阵列式，而采用独立式键盘键接一个上拉电阻与P1口的一个管脚连接。对于按键的识别，有动态扫描和中断两种方式，在该设计中，按键的使用并不是很频繁，所以采用了中断的方式进行按键的识别．

对于输出，有动态并行输出、LCD液晶显示屏和静态译码输出三种方式。水箱中的液位要提供给用户，采用了最简单的八段数码管作为显示部分的硬件电路。该设计中只用到两个数码管显示，不会占用很多硬件资源，所以采用了静态显示。这样在发光二极管导通电流一定的情况下，显示器的亮度大，而且显示稳定。在输出方式上，由于对数码管响应速度不高，采用了串行移位的方式。这里采用74LS164进行显示驱动。

3.4电磁阀与继电器的控制

为使系统安全、稳定，采用了24V电磁阀和12V 继电器。由于电磁阀不能直接与单片机相连，采用了光电隔离，再通过IRF 530进行驱动。继电器的驱动采用的是最简单的方法，即三极管驱动，通过I/O脚电平的翻转来对电磁阀进行开/关控制。论文大全。电磁阀开关动作的控制脉冲宽度可选为30ms。其控制电路如图3所示。

图3 电磁阀控制电路

3.5浑浊度传感器、液位传感器和红外传感器

APMS-10G浑浊度传感器可以根据溶液含有的杂质、灰尘的颗粒大小、密度不同，产生光电经滤波后输出即得到浑浊度检测信号。采用AT89C51单片机与APMS-10G浑浊度传感器通信,读出浑浊度值,再将数据通过串行口传给主机，采用可控三态门74LS125将两路串行通道隔离,通过可控端分时使用，当P17输出高电平时,与APMS-10G的通道导通；当P17引脚低电平时,与主机的通信回路导通。从机串口平时与主机保持通信畅通,将串口设为中断状态,随时可以接收主机发来的指令。

众多的的传感器当中。谐振式水位传感器采用了先进的传感原理,高Q值的谐振电路,具有较强的抗干扰能力、结构灵巧、精密、简单易于制造。该设计中采用了谐振式水位传感器作为中位水箱和低位水箱中的水位检测装置。

红外传感器安装在水龙头内,当人手触发传感器时,信号传递给单片机。对于红外传感器，则利用热释电红外传感器直接接收运动人体的信号，使用574S红外探头。此电路只需要接收系统，不需要发射系统，通过技术处理，可以只接受运动的人体信号，比常规红外光接收器抗干扰性强。论文大全。

4 智能节水系统主程序流程图

系统主程序流程图如图4所示。设计的思路是首先初始化，让所有芯片都恢复最开始的设置，等所有芯片都准备好了之后，则读取E2PROM内的数据，接着进行A/D采样，读取水位传感器和浑浊度传感器采集到的数据，再对数据进行数据处理，若有数据输入，则转入相应的子程序并显示水位的高度；没有数据输入则继续下面的按键判断。有键按下时，判断是哪个按键按下，然后再转入相应的子程序；若无按键按下，则转回A/D采样子程序，重复上述的程序，如此往复进行下去。

5 结束语

提出了家庭智能节水系统控制器的设计方案、硬件电路和主程序流程图。

（1）从人性化、性价比方面综合考虑器件的优略，为该系统的优化提供了基础。

（2）红外感应水龙头、LED显示和延时可调开关不仅方面使用，便于监控，而且方便自如的调节水流时间，达到了节约用水的目的。

（3）结构简单，使用方便，经济节能环保。

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篇（9）

 

作为模拟人体感官的“电五官”（传感器）是猎取所研究对象信息的“窗口”，它为系统提供赖以进行处理和决策所必须的对象信息，它是高度自动化系统乃至现代尖端技术必不可少的关键组成部分。未来的社会，将是充满传感器的世界。有人认为支配了传感器技术，就能把握住新时代。因此，传感器技术是21世纪人们在高新技术发展方面争夺的一个制高点，各发达国家都将传感器技术视为现代高新技术发展的关键。从20世纪80年代起，日本就将传感器技术列为优先发展的高新技术之首，美国等西方国家也将此技术列为国家科技和国防技术发展的重点内容，我国从20世纪80年代以来也已将传感器技术列入国家高新技术发展的重点。21世纪是人类全面进入信息化的时代，作为现代信息技术的三大支柱之一的传感器技术必将有长足的发展。

“电五官”落后于“电脑”的现状，已成为新型计算机的进一步开发和应用的一大障碍，传感器的发展远远不能满足计算机应用和开发的需要；许多有竞争力的新产品开发和卓有成效的技术改造，都离不开传感器。如：工厂自动化中的柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（CIMS）、几十万千瓦的大型发电机组、连续生产的轧钢生产线、无人驾驶的自动化汽车、多功能装备指挥系统、直至宇宙飞船或各种探测器等等，其开发与传感器密不可分；传感器的应用提高了机器设备的自动化程度，提高了产量和质量，产生了巨大的经济效应。同时，推动了科学技术的进步，促进了生产力的发展，产生了巨大的社会效应；传感器普及于社会各个领域，从茫茫太空到浩瀚海洋、从各种复杂的工程系统到日常生活的衣食住行，将造成良好的销售前景。这些都是传感器技术发展的强大动力，随着现代科学技术，特别是大规模集成电路技术的飞速发展和电脑的普及，传感器在新的技术革命中的地位和作用将更为突出，一股竞相开发和应用传感器的热潮已在世界范围内掀起。

目前的传感器，无论在数量上、质量上和功能上，远远不适应社会多方面发展的需要。当前，人们在充分利用先进的电子技术条件，研究和采用合适的外部电路以及最大限度地提高现有传感器的性能价格比的同时，正在寻求传感器技术发展的新途径。特别是电子设计自动化（EDA）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）、数字信号处理（DSP）、专用集成电路（ASIC）及表面贴装技术（SMT）等技术的发展，极大地加速了传感器技术的发展。下面探讨传感器发展的新趋势：

1．开发新型传感器

鉴于传感器的工作机理是基于物理学、化学等各种效应和定律，由此启发人们进一步探索具有新效应的敏感材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型传感器，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。目前发展最迅速的新材料是半导体、陶瓷、光导纤维、磁性材料以及所谓的“智能材料”（如形状记忆合金，具有自增殖功能的生物体材料等）。如日本夏普公司利用超导技术研制成功高温超导磁传感器，是传感器技术的重大突破。其灵敏度比霍尔器件高，仅次于超导量子干涉器件，而其制造工艺远比超导量子干涉器件简单。它可用于磁成像技术，具有广泛推广价值。此外，当前控制材料性能的技术已取得长足的进步，不久的将来人们将可按照传感要求来合成所需的材料。其中，利用量子力学诸效应研制的高灵敏阈传感器，用来检测极微信号，是传感器发展的新方向之一。

2．结构型传感器的发展

结构型传感器主要向高稳定性、高可靠性和高精度方向发展。论文参考。目前，结构型传感器在国防和工业控制等领域还大量使用，但其在原理、材料和结构形式等方面都不断发生变化，并且向有源化方向发展，即将敏感元件和电路组装在一起,减小装置体积,提高信噪比和精度。结构型传感器由于采用新结构、新材料和新工艺，可大幅提高传感器的性能。如采用微细加工技术（半导体技术中氧化、光刻、扩散、沉积、平面电子工艺、各向异性腐蚀以及蒸镀、溅射薄膜等加工工艺），可制造出各式各样的新型传感器。

3．传感器的集成化和多功能化

传感器的集成化分为传感器本身的集成化和传感器与后续电路的集成化。前者是在同一芯片上，或将众多同一类型的单个传感器件集成为一维线型、二维阵列（面）型传感器，使传感器的检测参数由点到面到体多维图像化，甚至能加上时序，变单参数检测为多参数检测；后者是将传感器与调理、补偿等电路集成一体化，使传感器由单一的信号变换功能，扩展为兼有放大、运算、干扰补偿等多功能——实现了横向和纵向的多功能。如日本丰田研究所开发出同时检测Na+、K+和H+等多种离子的传感器。这种传感器的芯片尺寸为2.5mm×0.5mm，仅用一滴液体，如一滴血液，即可同时快速检测出其中Na+、K+和H+的浓度，对医院临床非常方便实用。

目前集成化传感主要使用硅材料，它可以制作电路，又可制作磁敏、力敏、温敏、光敏和离子敏器件。在制作敏感元件时要采用单硅的各向同性和各向异性腐蚀、等离子刻蚀 、离子注入等工艺，利用微机械加工技术在单晶硅上加工出各种弹性元件。当今，发达国家正在把传感器与电路集成在一起进行研究。

4．传感器的智能化

将传统的传感器和微处理器及相关电路组成一体化的结构，就是传感器的智能化。智能传感器具有自校准、自补偿、自诊断、数据处理、双向通信、信息存储和记忆、数字信号输出等功能。智能传感器按其结构分为模块式、混合式和集成式三种。模块式智能传感器是初级的，是由许多互相独立的模块组成，其集成度不高、体积较大，但比较实用；混合式智能传感器是将传感器、微处理器和信号处理电路制作在不同的芯片上。目前，其作为智能传感器的主要类型而被广泛应用；集成式智能传感器是将一个或多个敏感元件与微处理器、信号处理电路集成在同一芯片上，其结构一般是三维器件（立体器件），具有类似于人的五官与大脑相结合的功能，并且智能化程度随着集成化程度的提高而不断提高。如美国图尼尔公司的ST—3000型智能传感器，采用半导体工艺，在同一芯片上制作CPU，EPROM和静压、压差、温度等三种敏感元件。论文参考。另外还有MEMS，MEMS通常是由传感器、信息单元、执行器和通信/接口单元等组成。它可从需要观测与控制的对象中获取光、声、压力、温度等信息，转换成电信号并要求处理、提取信息，通过执行器对目标实施控制或显示；同时，系统通过通信/接口单元以光、电或磁的形式与其它微系统保持信息联系。

今后,随着传感器技术的发展,还将研制出更高级的集成式智能传感器,它完全可以做到将检测、逻辑和记忆等功能集成在一块半导体芯片上。同时，冷却部分也可以制作在立体电路中，利用帕耳帖效应使电路进行冷却。目前，集成式智能传感技术正在起飞，它势必在未来的传感器技术中发挥重要的作用。

5．传感器的虚拟化和网络化

5．1虚拟化。自20世纪90年代以来，一种全新概念“虚拟化”正获得愈来愈广泛的应用。虚拟传感器是传感器、计算机和软件这三者的有机结合，构成软硬结合、实虚共体的新一代传感器。这种传感器是基于计算机平台并且完全通过软件开发而成，利用软件来建立传感器模型、标定参数及标定模型，以实现最佳性能指标。如美国B＆K公司最近已开发一种基于软件设置的TEDS型虚拟传感器，其主要特点是每只传感器都有唯一的产品序列号并附带一张软盘，软盘上存储着该传感器进行标定的有关数据。使用时，传感器通过数据采集器接至计算机，首先从计算机输入该传感器的产品序列号，再从软盘上读出有关数据，然后自动完成对传感器的检查，传感器参数的读取、传感器设置和记录工作。此外，专供开发虚拟传感器产品的软件工具也已面市了。

5．2网络化。网络传感器是包含数字化传感器、网络接口和处理单元的新一代智能传感器。这里讲的网络已不限于传感器总线，还应包括现场总线、局域网和因特网。数字传感器首先将被测参数转换成数字量，再送给微处理器做数据处理，最后将测量结果传输给网络，以便实现各传感器之间、传感器与执行器之间，传感器与系统之间的数据交换及资源共享。

6．研究生物感官，开发仿生传感器

大自然是生物传感器的优秀设计师。它通过漫长的岁月，不仅造就了集多种感官于一身的人类本身，而且还设计了许许多多的功能奇特、性能高超的生物传感器。如狗的嗅觉（灵敏阈为人的10 倍）；鸟的视觉（视力为人的8～50倍）；蝙蝠、海豚的听觉（主动型生物雷达——超声波传感器）；蛇的接近觉（分辩率达0.001℃的红外测温传感器）等等.这些生物的感官性能,是当今传感器技术所望尘莫及的.研究它们的机理,开发仿生传感器（包括视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉传感器等）,也是引人注目的方向。目前只有视觉与触觉传感器得到了比较好的发展。

传感器技术在广泛应用于工业自动化、军事国防和以宇宙开发为代表的尖端科学与工程等重要领域的同时，正以自己的巨大 力，向着与人们生活密切相关的方面渗透。论文参考。现代科学技术的飞速发展以及社会对高性能、高适用性传感器的迫切需要，极大地推动了传感器技术的发展。生物工程、医疗卫生、环境保护、安全防范、家用电器等方面的传感器已层出不穷，并在日新月异地发展。我们有理由相信，传感器这颗璀璨的明珠，必将放射出更加耀眼的光芒。

参考文献：

〔1〕 单成祥.传感器的理论与设计基础及其应用〔M〕.北京：国防工业出版社，1999。

〔2〕 何希才.传感器及其应用电路〔M〕.北京：电子工业出版社，2001。

〔3〕 黄长艺.机械工程测试技术基础〔M〕.北京：机械工业出版社，2001。

〔4〕 王元庆.新型传感器原理及应用〔M〕.北京：机械工业出版社，2002。

〔5〕 沙占友.智能化集成温度传感器原理及应用〔M〕.北京：机械工业出版社，2002

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生产实践表明测量装置失效是导致连续工业过程控制间断的重要因素之一[1]。因此，对连续工业过程进行传感器置信度评估尤为重要。目前常用的方法有贝叶斯估计法、DS证据推理法、自适应神经网络模糊推理方法(ANFIS)和人工免疫网络法等[2，3]。其中，连续生产过程中的物质能量流模型和人工免疫网络传播模型相类似，所以利用这种关系进行传感器置信度评估已成为近年来自动化领域研究的热点。目前基于人工免疫网络的传感器置信度评估方法主要有:以Ishida为代表的动态识别免疫网络和以Leonard M.Adleman为代表的基于DNA的阴性选择[4-6]。而前者已成功地应用于水泥生产过程的设备传感器置信度评估。但是Ishida动态识别方法中只能处理传感器关系确定的情况。因此，本文引入了传感器关系的非确定性约束，用于连续生产过程传感器之间为非确定关系情况下的传感器置信度评估。

1　传感器置信度评估算法Ishida动态识别免疫网络是在N.K.Jerne系统级识别方法基础上提出的。N.K.Jerne认为在免疫网络理论中，免疫系统由识别集合组成，识别集合中的一些抗原可以被其他抗原激活，并产生抗体;而这些抗体又可以激活其他的抗原。通过这种方式，刺激可以从一个抗原传播到另外一个抗原，直至影响整个网络。对刺激信号的辨识不是一个抗原单独完成的，而是通过抗原相互连接的网络进行的[7，8]。Ishida动态识别免疫网络方法利用传感器之间的约束条件为每个传感器建立测试单元。在用动态识别免疫网络进行传感器置信度评估时，网络主体与传感器相对应，免疫细胞的浓度与传感器的可靠性相对应，网络平衡状态与传感器正常状态相对应，外部刺激信号和测试单元的测试结果相对应。因此，这个网络中的每一个传感器不仅测量工业过程的物理量，还要评估其他传感器的可靠性。在同一工业过程中，温度、压力、流量等传感器的测量值之间既互相独立又互相联系;只要利用简单的工业过程知识就能建立起这些传感器之间具有确定性的约束，所以这种方法实现起来较为简单。这种模型可用图1的结构表示。图1　动态人工免疫网络图中是一个包含n个节点的人工免疫网络Nais(p(i)ais)，i =1，…，n。其中p(i)ais是网络的第i个节点， p(i)ais= {Aais，I(1)ais，I(2)ais，…，I(m)ais}，Aais表示网络中的抗体，I(i)ais表示第i个抗体的独特位。在Ishida的方法中，p(i)ais与工业现场中的第i个传感器的逻辑位置相对应，抗体Aais与传感器实体相对应，抗体Aais的浓度与传感器的可信度对应，独特位I(1)ais，I(2)ais，…，I(m)ais对应m个测试单元。对Aais(Aais∈p(i)ais)的刺激由第i个传感器和其他传感器建立的测试单元对应的独特位I(1)ais，I(2)ais，…，I(m)ais产生。但是，测试单元存在如下缺点[3]:测试单元的结果只能用0，1，-1来表示，不能利用人工经验等一些非确定知识。针对这些缺点本文进行了改进，设计了新型的测试单元。针对Ishida测试单元存在的不足，本文设计了模糊测试单元，使其能够反应传感器数值间的非确定性关系。在动态识别免疫网络中，独特位Iais实际上就是传感器数值Sj和Sk的关系的体现，而这种关系用在模糊论域可分为5个等级:{Sj小于Sk，Sj小于等于Sk，Sj在Sk的附近变化，Sj大于等于Sk，Sj大于Sk}。Sj和Sk之间的模糊关系则代表了动态识别免疫网络中抗体之间刺激的强度。设在t时刻，抗体Aais对应的传感器j通过独特位I(jk)ais收到来自k传感器的刺激为I(jk)ais(t)，则其隶属度为I(jk)ais(t) =∪5l=112πσaisle-(sj-sk-μaisl)22σ2aisl(1)式中I(jk)ais(t)∈(0，1)，两个数列之间的关系是互易的，所以I(jk)ais(t)=I(kj)ais(t);ηaisl，σaisl(l=1，2，3，4，5)是不同等级的隶属度函数的中的常数，由Sj和Sk之间的统计关系决定。由外部刺激引起抗体浓度ri产生变化，可表示为dr(i)aisdt=∑nj=1R(i)aisI(ij)ais∑ni=1R(i)aisξais+r(i)ais(1-ξais) (2)R(i)ais=2arctan(qais·r(i)ais)π(1-Rd)+Rd(3)式中Rd∈(0，1)，经验值取0.001;R(i)ais表示节点p(i)ais对应的第i个传感器的可信度，R(i)ais越大，传感器的可信度越高，由于qais·rais>0，所以Rais∈(Rd，1);ξais为灵敏度系数;qais是网络平衡状态的调节系数，主要作用是传感器网络在正常时的可信度调节在一个合适的范围内。

转贴于 2　参数确定的方法在本算法中，需要确定的参数有两类:一类是式(1)影响对独特位刺激程度的参数μais和σais，另一类是影响网络平衡状态的参数ξais和qais。参数μais和σais主要表征了和独特位对应的测试单元中两个传感器之间的关系。这种关系通常是生产工艺所要求的(或者工业过程特性决定的)。要确定参数μais和σais，首先要获取这两个传感器大量的现场数据，然后以它们相同时刻测量值的差作为样本。μais是该样本的正态分布的均值，σais是该样本的正态分布的均方差。参数ξais和qais影响网络的平衡状态，如图2所示。从图中可以看出:ξais越大，网络对外界的反映就越灵敏，但容易产生误报。qais越大Rais正常状态下就越大;但是，qais过大会造成测量失效状态下的可信度变大，容易发生漏报。参数ξais和qais可以通过学习得到。在传感器正常工作状态下，qais可通过以下公式得到qais(t+1) = qais(t)+αais(Rais-R0) (4)式中αais为步长系数;R0为qais调节时传感器正常状态下置信度的平均值，一般可取0.7。在某个时刻，1732传　感　技　术　学　报2008年能比较试验。ANFIS结构如图4所示，酵罐三个温度传感器，两个作为输入，另外一个作为输出，对传感器输入值的隶属度划分为两个区间:正常和异常。经过训练以后和分别对应于两个输入传感器的“标准可信度”。图4　ANFIS的结构例如，当对于罐顶传感器的置信度评估时，建立2个ANFIS:ANFIS-1:输入为罐顶传感器和罐中部传感器，输出为罐底传感器，w(1)top表征罐顶传感器的置信度。ANFIS-2:输入为罐顶传感器和罐底传感器，输出为罐中部传感器，w(2)top表征罐顶传感器的置信度。那么，罐顶传感器的置信度为w(1)top和w(2)top的平均值。其余两个传感器的评估方法也同样。AN-FIS实验使用和人工免疫网络实验相同的数据，数据窗口大小为30 ks。由于两个实验中的置信度没有可比性，人工免疫网络算法中的置信度来源于人工经验，ANFIS的标准的可信度来源于归一化的权系数。因此，论文比较的是:传感器“故障”引起的其置信度变化率ηt，ηt=| Rm-Ra|Rm(6)式中:Rm表示正常状态下的置信度，Ra表示异常情况下的置信度。对比实验的结果如表2所示，从中可以看出，两种方法结果是一致的，而当偏差数据较大时，ANFIS方法ηt的较大，对故障数据比较敏感，在偏差较小时，人工免疫网络算法的ηt较大，对故障数据比较敏感。因此，人工免疫网络算法适用的数值范围更广一些。表2　对比实验的ηt结果传感器偏差数据/℃人工免疫网络方法ANFIS方法罐顶传感器-0.50 34.6% 57.7%罐中部传感器-0.30 18.1% 4.8%罐底传感器-0.15 6.4% 0.2%

3　结论论文研究了连续过程中传感器具有非确定关系情况下的传感器置信度评估。实验证明:①具有模糊测试单元的人工免疫网络能够使用人工经验对传感器的数据置信度进行评估;②具有模糊测试单元的参数物理意义明显、确定方法简单易行。但是，论文中的算法在某些情况下抗干扰能力较弱。例如，图3(c)所示情况应用单条件的阀值比较的方法输出的结果不稳定，论文将用复合的判决条件的方法在此深入研究。

参考文献

[1]　李雄杰，周东华，陈良光.一类非线性时滞过程的传感器主动容错控制[J].传感技术学报，2007，20(5):980-984.

[2]　房方，魏乐.传感器故障的神经网络信息融合诊断方法[J].传感技术学报，2000，13(4):272-276.

[3]　赵志刚，赵伟.基于动态不确定度理论的多传感器系统传感器失效检测方法[J].传感技术学报， 2006， 19(6): 2723-2736.

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[5]　Costa Branco P J.Using Immunology Principles for Fault De-tection[J]，IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2003，50(2):362-373.

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0引言

血压是人体重要的生理参数之一，对其进行精确测量，有利于早期发现和鉴别高血压类型医学检验论文，提出合理的治疗建议。目前，临床上对普通病人主要采用无创检测的方法，它大致分为人工柯氏音法和示波法两类，人工柯氏音法虽然比较准确，但操作困难，受主观因素影响较大，而示波法虽然操作简单医学检验论文，但稳定性和个体适应性都比较差，不利于其在临床应用上的普及和推广。本文在示波法的基础上，从硬件实现和软件设计两个方面，改进了原来的测量方法，并进行了比对测试

在研究国内外已有产品或设计构思的基础上，使用先进的信号处理技术与智能控 制技术，尽量消除脉搏提取处理中的噪声干扰与非线性失真医学检验论文，提高血压测量的准确性与稳定性，并提高了测量的自动化和智能化论文开题报告。

1系统的硬件设计