传感器的优化设计论文

2024-06-14

传感器的优化设计论文（精选11篇）

1.传感器的优化设计论文篇一

压电智能结构传感器/作动器位置优化研究

研究压电主动结构振动控制当中传感器/作动器的位置优化问题.从系统的`状态空间方程出发,在系统可控性、可观性Grammian矩阵特征值的基础上来描述性能指标,以控制能量最小化和传感能量最大化作为优化目标,利用遗传算法(GE)进行优化计算,计算过程中对传感器/作动器的位置采用二进制编码加以描述.通过对一压电板结构的仿真计算对该方法进行了验证,优化计算结果与枚举法结果完全相符,从而证明了方法的有效性.

作者：王威远魏英杰王聪邓年春邹振祝 WANG Wei-yuan WEI Ying-jie WANG Cong DENG Nian-chun ZOU Zhen-zhu 作者单位：哈尔滨工业大学航天学院,黑龙江,哈尔滨,150001 刊名：宇航学报 ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF ASTRONAUTICS 年，卷(期)：2007 28(4) 分类号：O482.41 V214.19 关键词：压电传感器/作动器智能结构位置优化遗传算法

★ V2O5复合薄膜材料的电子结构研究

★ 基于压电陀螺的惯性测量单元设计及数据优化

★ 网站首页的结构优化分析

★ KPbTlO复合氧化物的合成和电子结构的XPS研究

★ 优化课堂教学结构，训练英语运用能力

★ 精密卧式立柱结构优化设计论文

★ Kazal型蛋白酶抑制剂结构与功能研究进展

★ 复合大师经典台词

★ 聚丙烯腈纳米纤维毡上生长ZnSe纳米晶的结构及发光特性

★ 企业财务管理目标的选择与资本结构优化

2.传感器的优化设计论文篇二

激光器中的自混合是指:外界物体通过外腔返回的反馈光和原来信号进行混合,改变了激光器发出的激光信号的阈值增益和相位;从而改变了光的斜率效率,输出功率和频谱。在光通信中,激光器的自混合现象是一个不利因素[1],因为它引起的光噪声、谱线展宽、相干碎灭等现象会给激光系统带来致命的破坏。垂直腔面发射激光器的设计中总是以消除自混合现象为一重要内容。然而,现在自混合现象已经被研究者广泛运用在测量领域[2],包括距离测量、速度测量、位移测量等。其高精密度和准确度、无伤测量使之在高精密测量领域很有优势[3]。微机械悬臂粱的毫微米(10-10m)级别测量,又将成为其一个伟大的应用[4]。通过优化VCSEL外部设计来使自混合信号最大化,现在还没有相关文献作品出现。根据参考文献[2],在光反馈系统中,输出镜反射率是一个重要参数。在我们的设计中,从另一个角度利用文献[2]中的结论,我们降低输出镜的反射率,以使我们的设计效果更加明显。但这样也带来负面因素:损耗急剧增大,且此损耗不会被量子阱的增益所改善。

本文给出一种改善的方法:即通过改进增益材质和反射镜反射率,很好的优化了自混合信号。根据我们的实验模型,我们发现,顶镜和底镜的已调输出光信号的强度有很大区别(见图1,PDt和PDb分别表示顶镜和底镜)。这说明只把面向反馈的镜面(即文献2中的输出镜)作为研究对象并不是最好选择。

1 仿真系统

我们在激光器和悬臂之间搭建一个微外腔,长度在35~200μm;表面涂有一层薄的有机薄膜(约50nm)。传感器的悬臂会随着测量对象的状况而震动,从而,导致外腔长度(Z)的的变化,反馈光的相位也随外腔长度的变化而周期性的变化,周期为发出光的半波波长。由此,我们可以通过测量超过阈值的输出功率,得到毫微米级别的震动信息。

h为普朗克常量;v为激光频率;q为电子电荷,ηd为量子效率的微分量,Ith为阈值电流。调制深度(或称为可见度)我们定义为:

能见度可以很好的表征处传感器的灵敏度和固有信噪比(不计外界误差幅度影响),它将是本文主要的测量对象。

由于半导体激光器的设计多集成了光检器[5](如图1中的PDb)[5],这样整个传感器会非常的紧凑,紧固,简洁,且更容易实现量产。激光器的结点电压的变化量或者阈值电流可以用万用表记录下来,详见图1。

2 标准的VCSEL结构

我们研究的标准的VCSEL结构为:由3个6nm的In0.17Ga0.83As/GaAs0.92P0.08结构的量子阱发出的970nm光的激光器,放置一个38电子偶的底端分布式布拉格反射镜和一个23电子偶的顶端分布式布拉格反射镜(AlxGa1-xAs,x:0.12-0.9)之间。我们之所以选择这种材质,是因为这种InGaAs的紧凑结构有高的增益,且使底层结构为透明的比较方便。反射镜都参杂Np=2.5×1018cm-3和Nn=1.5-2.0×1018cm-3,杂质损耗设定为(11×10-18cm3Np+5×10-18cm3Nn)cm-1[6],我们的设计结构反射率为:98.36%(顶镜),99.88%(底镜)。杂质损耗分别为1.3%和0.1%。透射率分别为0.3%和0.02%。阈值模态的增益为41cm-1(忽略孔径氧化和散射损耗)。每个阱阈值增益为548cm-1。激光器的氧化孔径为3μm,我们假定其为单向横向方式。我们用矩阵乘法计算有效反射率和带有三镜腔反馈模型的布拉格反射镜的光传输。我们给出了一个对数增益模型(g=g0×ln[N/Ntr])以及一个激光速率方程来计算输出功率和注入电流的载流子密度。增益模型和速率方程中用到的已知参数,我们在表1中给出。这些数据是由参考[7]得到的。聚合物组成的悬臂(n=1.5,4.5μm厚度)反射率为2×10-4(包括耦合损耗)。

表1中:g0:增益系数;Ntr:透明载流子密度;ηi:固有量子效率;Γ3QW:有效限制因数;A:无辐射复合系数;B:双分子复合系数;C:奥杰复合系数,β:自发射因数。

3 能见度VS电流

大多数边发射激光二极管,方程一的第二项占主要因素。但是对低透射率二级管如VCSELs,第一项也很重要。下面我们分析其原因。量子效率的微分量为:

ηi为固有量子效率,ai为固有损耗,F为输出功率到达镜面部分。对象VSCSL这样的有双不对称镜的激光器来说,输出功率到达各镜面的部分是不同的。顶镜包括反馈部分的输出功率表达式为:

Teff,Reff和Rbot为功率透射率及顶镜和底镜的反射率。由于VCSEL的透射率很低,Reff(△R/R≈5×10-4)的微弱变化就将导致Teff的巨大改变,从而导致F(包括反馈光相位)的改变。这意味着相对于边发射激光器,VCSEL的效率微分量更加重要。有文献指出,在VCSEL中效率微分量的变化量相当于到达顶镜光信息量的40%。[8]。我们搭建的优化模型中测量结果达到10%[5]。输出部分的相位的重要性,在图2中也表现出来。当阈值低时从底镜可以得到高的透射信号,这意味着这两个因素以相反的效果影响着顶镜。

图2空心菱形代表当到达悬臂的距离发生改变时,标准VCSEL模型的阈值电流的仿真值。顶镜的输出部分(用方块表示)底镜(用点表示)的仿真量和距离之间的关系也在图中展示出来。当阈值电流降低时,到达镜面的信号量分别变低(顶镜)、高(底镜)。

图3展示了输出功率能见度的计算数值和标准VCSEL结构阈值电流的关系。最大阈值时双向的能见度峰值。然而,底镜峰值总是相对大些,这是由于阈值电流受底镜部分的量子效率微分量的相位调制。

在更高电流时,能见度急剧下降,趋向于一个定值:△ηd/2ηd。顶镜部分在峰值和定值之间有一部分为零能见度。这是由Ith和ηd的相位关系影响的。因此当VCSEL作为传感器激光器,而电流选取出现严重失误时,将会产生零灵敏度。用VCSEL的背向发射,将对此有所帮助。

图3:仿真顶镜方向(方块)和底镜方向(圆环)光发射能见度与优化结构电流构成的平面图。右轴为上、下方向LI曲线(取最大反馈和最小反馈)插图为当电流远大于阈值量时的能见度。高电流时横定量仅决定于斜率效率的改变。

4 量子阱增益和镜面反射率的优化

通过降低镜面反馈光方向的反射率可使激光器对反馈变得更加灵敏。这已被实验证实。我们的仿真结果显示灵敏度的提高意味着其本身峰值能见度的增高,对应于阈值电流的增高(见表2)。底部输出功率部分的变化增大,这将导致峰值能见度的增高。顶部输出功率部分降低,将从顶部导致峰值可见度的增高。然而,平均损失也有所增加,从而阈值增益和载流子密度也增加。每个量子阱只能提供有限的增益,因为载流子密度增加到一定程度导致增益饱和。因此,虽然理论上19个电子偶的反射率能增加77%的能见度,但是实验装置却无法达到,因为材质不可能达到那么高。解决方法为多量子间阱共享增益。为了弥补另加量子阱需要额外空间,激光器组成和拉伸应变栅应稍作调整。在1-λ腔,大多增加的量子阱将超出电场峰值,因此对增益贡献很小。通过增加一AlGaAs垫片(类似于最近的一种高功率设计方法[9])从而腔长改变为m×λ/2,3阱组群设置在光场多峰值中心,可以显著的改善制约因数(表2)。在图4我们标绘了3、6、9量子阱组VCSEL的能见度仿真结果,对6和9阱,反射镜位置调远,直到达到和原来阈值载流子相近为止。6阱和9阱VCSEL的峰值可见度增大到80%也因为阈值电流和功耗的微涨而达到。

图4:功率能见度顶部(黑线)底部(红线)与VCSEL电流平面图。3阱设计为23电子偶布拉格反射镜,6阱为17电子偶布拉格反射镜,9阱为15电子偶布拉格反射镜。插图表示大电流时的能见度。

在电流远大于阈值时,顶部能见度降低,底部能见度提高(插图4和表格2)通过调远顶镜距离。用优化过增益和镜面的底部输出作为传感器会取得更好的效果。然而,能见度只是在底部和顶部相互转换了一下。为了增加总常量标准,必须有一方增加反馈,降低额外损耗(如杂质损耗)提高峰值能见度和底部的△ηd/2ηd。

Γ:制约因数,Nth:阈值载流子密度,△Ith:阈值电流受反馈影响的变化量,△ηd/ηd:量子效率微分量的相对变化,Vpeak:峰值能见度。

5 结论和总结

如果要完成一个自混合的有高峰值敏感度的VCSEL,镜面反馈方向的反射率一定要低,为了补偿增加的损耗,我们用在额外的共振增益腔增加紧凑型式的3阱组合6阱组的方式提高了增益从而提高了80%峰值敏感度。如果检测到功率的变化是静态的,那么最佳偏置点为处于阈值点,根据信背比,确定为最优方案。如果应用锁入技术,远高于阈值的偏置点将使测量从背向散射取得的信号更加方便。

摘要：自混合传感器中的垂直腔面发射激光器(VCSEL),是其一个重要的组成部分,VCSEL对自混合传感器的应用有重要影响。为了使自混合信号最大化,我们优化了VCSEL的外围设计。其中,最重要的部分是量子阱数目和布拉格反射镜数目的改变,以及探测器位置的变化,本文仿真了带反馈VCSEL的光输出能力的变化。

关键词：自混合,传感器,VCSEL

参考文献

[1]M.Shikada,S.Takano S.Fujita,I.Mito,and K.Minemura,”Evaluation of power penalties caused by feedback noise of DFB laser diodes,”J.lightwave Technol.,vol.6,pp.655458,May1988.

[2]U.Fiedler and K.Ebeling,“Design of VCSELs for Feedback Insensitive Data Transmission and External Cavity Mode-Locking”,IEEE J.Sel.Top.Quant.Elec.1,442(1995).

[3]W.M.Wang,K.T.V.Grattan,A.W.Palmer,and W.J.O.Boyle,“Self-Mixing Interference Inside a Single-Mode Laser for Optical sensing Applications,”J.Lightwave Techn.12,1577(1994).

[4]D.Larsson,A.Greve,J.M.Hvam,A.Boisen,and K.Yvind,“Self-mixing interferometry in vertical-cavity surface-emitting lasers for nanomechanical cantilever sensing,Appl.Phys.Letts.94,091103(2009).

[5]M.Grabherr,P.Gerlach,R.King and R.J覿ger,“Integrated photodiodes complement the VCSEL platform,”Proc.of SPIE Vol.7229(2009).

[6]J.W.Scott,“Design,Fabrication and Characterisation of High-Speed Intra-Cavity Contacted Vertical-Cavity Lasers”,Ph.D.Dissertation,ECE Technical Report#95-006,Univeristy of California,Santa Barbara,1995.

[7]L.Coldren and S.Corzine,“Diode Lasers and Photonic Integrated Circuits”,2nd edition(John Wiley&Sons,Inc,1995),Chap.3-5,

[8]A.Hsu,J.-F.P.Seurin,S.L.Chuang,and K.Choquette,“Optical Feedback in Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers,”IEEE J.Quant.Elec.,37,1643(2001).

3.传感器的优化设计论文篇三

关键词：猪肉新鲜度；传感器阵列；阵列优化；电子鼻；相关系数；逐步判别法

Pork Freshness Detection Using Optimized Electronic Nose Sensor Array

WANG Zhining1， ZHENG Limin1，2，*， FANG Xiongwu1， YANG Lu1

（1. College of Information and Electrical Engineering， China Agricultural University， Beijing 100083， China；

2. Beijing Laboratory of Food Quality and Safety， China Agricultural University， Beijing 100083， China）

Abstract： When electronic nose is used for detecting pork freshness， sensor array optimization has a great influence on improving the accuracy by eliminating the negative effects brought about by the redundant information. The initial sensor array was determined by the odor released from pork. Then the sensors with poor repeatability and differentiation were excluded by analysis of variance （ANOVA）. By coefficient of variation， minimum cumulation of absolute correlation coefficient and the second principal component of principal component analysis （PCA）， an optimized sensor array was selected for the detection of pork freshness. This study adopted stepwise discriminant analysis to optimize features and compare the data before and after optimization by using Bayes discriminant method. Results showed that by sensor optimization and feature optimization， the accuracy was increased from 86.8% to 98.9%. This study indicates that sensor array optimization and feature optimization can greatly improve the detection accuracy of pork freshness.

Key words： pork freshness； sensor array； array optimization； electronic nose； correlation coefficient； stepwise discriminant analysis

中图分类号：TP212.2 文献标志码：A文章编号：1001-8123（2015）05-0027-04

doi： 10.7506/rlyj1001-8123-201505007

电子鼻是一种利用气敏传感器模拟人类嗅觉而进行的气味智能检测技术设备，与其他化学分析仪器不同，电子鼻能够得到样品中挥发性成分的整体信息，也称“指纹信息”[1]。电子鼻可以客观、准确、快捷地进行猪肉新鲜度的检测，克服了传统猪肉新鲜度检测中费时、费力、破坏样品的缺点。

电子鼻系统由气敏传感器阵列、信号预处理电路、模式识别算法和气味表达模块4个部分组成。由于传感器的广谱响应特性[2]，能够对多种气体进行响应，所以采集到的信息存在着显著的相关性。并且若存在某个传感器对环境的响应程度高于样品信息，则会产生冗余信息，对样品判断产生极大的干扰。所以，要在保证单一传感器对相同样本的重复性和对不同样本的区分度的基础上，对传感器整体阵列进行优化。

本实验以电子鼻采集到的原始信息为基础，对其进行方差分析，根据单一传感器对不同样品的显著性分析的概率值（P值）和F统计量（F值）剔除重复性和区分度差的传感器，得到传感器的初筛阵列[3]。再结合变异系数分析、相关系数绝对值累加和最小分析、主成分分析（principal component analysis，PCA）第二主成分系数选择性分析3种方法，得到优先考虑的传感器阵列，最终确定传感器的最终阵列[4]。

传感器阵列采集到的是猪肉的指纹图谱，包含大量信息，如果直接采用原始数据来进行分类会造成模式空间的维数灾难，因此要对原始数据进行特征提取及优化。本实验提取9个特征值来表征响应曲线所包含的信息并用逐步判别法进行特征优化[5]。对阵列优化前后的数据，用Bayes判别法进行对比研究。

1 材料与方法

1.1 材料

选取来自北京市顺鑫农业股份有限公司鹏程食品分公司当天屠宰的新鲜猪肉外脊。

1.2 仪器与设备

实验使用中国农业大学自行研发设计的电子鼻系统，其由气敏传感器阵列、放大调理电路、A/D采集装置、气压控制和温度控制及计算机等部分组成。根据猪肉散发的醛类、醇类、酮类、羧酸类、醛酸类气味[6]，选择9 只TGS8系列和7 只TGS2000系列组成气敏传感器阵列。其中TGS8系列传感器工作电压采用12V，加热电压为5 V；TGS2000系列传感器工作电压和加热电压均为5 V。标准空气流速设置为3 L/min，保持采样室温度为40 ℃，保持在（40±2）℃。

1.3 方法

将新鲜猪外脊置于4 ℃冰箱冷藏，每24 h检测1次，每次检测13 个样本，共检测7 d，得到13×7=91 个样本测试结果。每个样本取10.0 g搅碎搅匀后的肉泥，置于恒温40 ℃的样品皿中进行检测。每次检测前，先用标准空气以3 L/min流速通入密封采样室，待得到平稳响应后放入10 g样品，密封，进行数据采集，采样间隔时间设置5 s，采样时间300 s。采样结束后，取出样品，用标准空气还原采样前的环境，以便下一次检测。

2 结果与分析

2.1 传感器优化

2.1.1 传感器初始筛选

由于电子鼻的各个传感器有广谱响应特性，能对一种或多种气体成分进行响应，故其得到的原始数据具有极其显著的相关性[7]。若某个传感器对环境信息敏感，对样品信息不敏感，则会造成大量的冗余信息，所以要对传感器进行筛选。

表 1 传感器原始数据的相对变化值的均值

由表1可知，在采集初期，传感器对猪肉气味进行强烈的吸附过程，响应曲线数值变化明显。当挥发性气体与传感器达到吸附饱和时，响应曲线数值趋于平缓。可以看出各个传感器的相对变化值区分度比较大，所以选择相对变化值作为特征值。

由于传感器S5与S16的相对变化值的均值小于100，说明这两个传感器对猪肉样品气味不敏感，故剔除这两个传感器。

2.1.2 用方差分析进行传感器筛选

将传感器相对变化值进行正态分布检验，方差分析结果的组内均方值越小，表明传感器重复性越好，利用结果的F统计量值和小概率P值，F统计量值越大或者概率P值越小，表明传感器的区分度越好[3]。

本实验把每个传感器当作一个因子，不同传感器对样品响应的相对变化值当作水平，进行方差分析[8]。首先进行正态分布和方差齐性检验，由于原始数据的相对变化值不满足方差齐性，故对原始数据的相对变化值做数据处理。本实验选取原始数据相对变化值的对数，再进行方差齐性检验。可知大部分传感器满足方差齐性要求。再对其进行单因素方差分析，结果见表2。

表 2 传感器原始数据相对变化值的对数的单因素分析

由表2可知，剔除组内均方值大于0.2的S10、S13传感器，其余传感器重复性较好。S1～S11、S13～S14传感器概率临界P<0.01，即对不同样本的区分度及其显著；S9传感器概率临界P<0.05，说明对不同组样本区分度显著；而当P>0.05时，说明传感器对于不同组样本的区分度不显著，故剔除S12、S15、S16传感器。

2.2 传感器阵列第3次筛选

2.2.1 变异系数分析

本实验把每个传感器当作一个变量，计算其变异系数。若变异系数过大，说明该传感器的测试数据离散程度较大，其稳定性不好，将其剔除。变异系数（CV）计算公式[9]：

（1）

对表3变异系数大于0.4的传感器进行剔除，剔除S9、S10、S12、S13、S15传感器。

2.2.2 相关系数绝对值累加和最小分析

相关性分析即计算各传感器测试数据的相关程度，两传感器测试数据的相关程度越大，则从这个两个传感器所获得的信息的一致性就越大，即两传感器可互相取代，那么就可以考虑将其中一个从传感器阵列中去除，从而简化气敏传感器阵列[10]。

传感器之间的相关程度用Pearson相关系数表示[11]

（2）

式中：xi为传感器x对第i个样品的相对变化值；yi为传感器y对第i个样品的相对变化值；为传感器x的样品特征值（相对变化值）的均值；为传感器y的样品特征值（相对变化值）的均值。

由于无法从任意两个传感器的相关度推知整体整列的相关程度，故引用某一个传感器与其他传感器的相关系数绝对值累加和来判断，设为ri：

（3）

表 4 相关系数绝对值累加和

由表4可知，除了对样本不敏感的S5、S16传感器外，可以优先考虑相关系数绝对值累加和小于12的S9、S12、S8、S13、S15、S7、S14传感器。

2.2.3 PCA第2主成分系数选择性分析

主成分分析是多维数据进行降维的主要方法之一。PCA通过线性组合可以将原始数据重新变换为一组新的数据，即主成分。新数据的特点在于前几个分量中包含了整个样本空间的绝大部分信息，故可以用少数的主成分来描述整个样本空间，达到降维的目的[4]。

如果前3个主成分的累计贡献率大于80%，则可针对前3个主成分中的系数进行分析，一般第1主成分的系数表明传感器信号在样本空间的贡献，第2主成分系数则表明传感器信号的离散程度，即选择性。

本实验中，前3个主成分的累计贡献率为84.988%，对前3个主成分求特征向量矩阵，如表5所示。

表 5 PCA前3个主成分特征向量矩阵

由表5可知，S13、S5、S8、S15、S7、S14传感器的PCA第2主成分系数较大，说明其对不同样品的选择性较好，故优先考虑这些传感器。

综合上述3 种对传感器阵列的优化方法，选取S1、S2、S3、S4、S6、S7、S8、S11、S14传感器作为优化阵列。

2.2.4 特征优化与检验结果

为了避免直接采用原始数据造成的模式空间的维数灾难[12]，本实验对每个传感器得到的猪肉指纹图谱提取了9 个特征值：相对平均值、相对积分值、平均微分值、相对变化值、二次拟合二次项系数、一次项系数、对数拟合一次项系数、常数项系数和半宽值。由于所选取的这9 个特征值不一定对分类识别都有正面效果，有的甚至会造成一些消极影响，所以用逐步判别法对所选的

9个特征值进行特征优化，并用Bayes判别法对传感器阵列优化前后的数据进行对比研究。

2.2.4.1 逐步判别法

实验用逐步判别法进行特征优化，它采用“有进有出”的算法，即逐步引入变量，每引入一个“最重要”的变量进入判别式的同时也考虑较早引入判别式的某些变量，如果其判别能力随新引入变量而变为不显著了，应及时将新引入变量从判别式中剔除，直到判别式中没有不重要的变量需要剔除，而剩下的变量也没有重要的变量可引入判别式时，筛选结束。这个筛选过程实质上就是作假设检验，通过检验找出显著性变量，剔除不显著变量[13-14]。

2.2.4.2 检验结果与分析

使用贝叶斯判别法对传感器阵列优化前后进行对比分析，结果见表6（优化前）和表7（优化后）。

表 6 传感器阵列优化和特征优化前的结果

由表6可知，已对初始分组案例中的86.8% 进行了正确分类。给出了传感器阵列优化前对已知组别每组13个样例的预测情况。以第5已知组别为例，第5已知组别表示冷藏在4 ℃条件下第5天的数据。已知13 个数据，有10 个正确预测为第5天，正确率为76.9%，有2 个错误预测到了第4天，错误率为15.4%，有1个错误预测到了第6天，错误率为7.7%。综合数据可知，一共91 个数据，正确的分类的有79 个，得出正确率为86.8%。

由表7可知，已对初始分组案例中的98.9% 进行了正确分类。给出了传感器阵列优化后对已知组别每组13 个样例的预测情况。只有第0已知组别中的一个样本错误预测成了第1天。共91 个数据，正确分类的有90 个，得出正确率为98.9%。

表 7 传感器阵列优化和特征优化后的结果

3 结论

本实验通过应用电子鼻对不同新鲜度的猪肉进行实验分析，通过对传感器阵列的二次筛选，得到了一种适合检测猪肉新鲜度的传感器阵列。证明方差分析、变异系数分析、相关系数绝对值累加和最小分析和PCA第2主成分系数选择性分析方法能够对传感器阵列进行有针对性的优化。并采用了逐步判别法进行特征优化，用贝叶斯判别法对这一结果进行了验证，证明传感器阵列优化以及特征优化可以显著提高电子鼻猪肉新鲜度的识别，为电子鼻进行针对性地检测提供了一种思路。

参考文献：

[1]芦筱菲，郑丽敏，张晓梅，等. 电子鼻技术在干酪识别上的应用[J]. 中国乳业， 2008（6）： 52-55.

[2]杨建华，侯宏，王磊，等. 基于集成气体传感器阵列的电子鼻系统动态响应特性分析[J]. 西北工业大学学报， 2003（4）： 435-438.

[3]赵镭，史波林，汪厚银，等. 电子鼻传感器筛选的组合优化法研究[J]. 食品科学， 2009， 30（20）： 367-370.

[4]周海涛，殷勇，于慧春. 劲酒电子鼻鉴别分析中传感器阵列优化方法研究[J]. 传感技术学报， 2009， 22（2）： 175-178.

[5]庞旭欣. 基于电子鼻系统牛奶指纹图谱的应用研究[D]. 北京：中国农业大学， 2012.

[6]孙钟雷. 电子鼻技术在猪肉新鲜度识别中的应用[J]. 肉类研究， 2008， 22（2）： 50-53.

[7]贾洪锋，卢一，何江红，等. 电子鼻在牦牛肉和牛肉猪肉识别中的应用[J]. 农业工程学报， 2011（5）： 358-363.

[8]洪雪珍，王俊. 牛肉品质检测中电子鼻参数的优化[J]. 农业机械学报， 2013（9）： 125-131； 137.

[9]刘鹏，屠康，潘磊庆，等. 基于多传感器融合的鸡蛋裂纹系统性识别[J]. 农业机械学报， 2010（10）： 185-189； 203.

[10]张覃轶. 电子鼻：传感器阵列、系统及应用研究[D]. 武汉：华中科技大学， 2005.

[11]张树明，杨阳，倪元颖. 近红外光谱和电子鼻技术用于葡萄酒发酵过程中酒精度的定量分析[J]. 光谱学与光谱分析， 2012（11）： 2997-3001.

[12]DUDA R O， HART P E， STORK D G. Pattern classification[M]. New York： Wiley， 2001.

[13]PATHANGE L P， MALLIKARJUNAN P， MARINI R P， et al. Non-destructive evaluation of apple maturity using an electronic nose system[J]. Journal of Food Engineering， 2006， 77（4）： 1018-1023.

4.关于电容传感器项目教学的设计篇四

摘要：传感器是一门综合性很强的学科。掌握运用传感器的相关知识，对于中职学校的学生来说，有着重要的意义。本文主要介绍了电容传感器项目教学的设计。通过传感器知识的学习，可以培养学生的创新精神和思维能力，并将其广泛地应用于现代化生产中，促进科技革新和生产力的发展。

关键词：教学设计电容传感器项目教学

中等职业教育国家规划教材配套教学用书《传感器及其应用》第四章第二节讲述了电容式传感器的原理及分类。传感器在测量与控制电路中不可或缺，在现代生产生活中也已被广泛应用。如何使学生更高效的学习，教学过程的优化设计起着极其关键的作用。要提高教学效率，教师必须在教学设计上多下工夫。

一、项目教学过程设计

1.引入项目

水是生命之源。我国水资源总量位居世界前列，可是人均水资源占有量却很少，再加之人们对水的不重视，水资源浪费、污染的情况日益严重。所以，教师要让学生运用所学的知识来保护水资源，减少人为浪费。这样从情感上激励学生，要努力完成这个有意义的项目。

2.明确项目

设计电容感应式水龙头。

3.实施项目

（1）通过实验了解电容性能，引出电容公式及分类。

实验：将两片方形金属片相互靠近，用万用表的电容挡，测量两者之间的电容量。随着两金属片的缓慢靠近，电容量从0pF逐渐变大，最大可以达到30pF。请一名学生，在两金属片之间缓慢地放入塑料薄膜，同时观察万用表。学生们发现电容量逐渐增大至40pF。请另一名学生，在保持两金属片相对距离不变的情况下，沿水平方向将其分开，此时万用表显示的电容值逐渐变小。通过实验，学生们感性地认识到，电容量与两极板间相对的有效面积、介电常数成正比，而与两极板间的相对距离成反比。

根据以上原理，学生们把电容传感器分为三类：变面积式、变极距式、变介电常数式。

（2）分组分类讨论查阅资料，选择变介电常数式电容传感器为设计基础。

①变面积式。变面积式传感器，两极板水平相对，其中一个为定极板，固定不动；另一个为动极板，可以左右直线运动，两极板间的相对位置为原始距离。学生讨论表达式K=-εb/δ，指出变面积式电容传感器，其灵敏度为常数，输出特性为线性，同时明确变面积式电容传感器的应用场合，多用于直线位移、角位移、尺寸等参数的测量。

②变极距式。变极距式电容传感器，被测物连接动极板上下运动，使其两极板之间的距离发生改变，从而电容量也随之改变。初始极距与灵敏度相互矛盾，因此变极距式电容传感器适合测量小位移。为了使灵敏度得到提高，一般采用差动结构。

③变介电常数式。由于不同介质的介电常数差异很大，因此在电容器两极板之间放入不同介质时，电容C是不相同的。根据这种原理制成的电容传感器称为变介电常数式电容传感器。

（3）分析实施。

①教师提出设计要求：当手或物体靠近水龙头时，水龙头会自动定量出水。

②学生通过资料整理讨论设计方案，提出独立电源供电，变介电常数式电容传感器采集信号，通过转换电路将控制信号传给自动水龙头开关电路，同时计时电路开始倒计时，到达设定时间自动切断水源，达到节水目的。

③各小组对提出方案集体讨论并改进，提出自己的想法，使学生的思路得到了开阔。

学生在拓展思考过程中，扩大电容传感器在生活中的应用范围，根据电容传感器的工作原理再提出新的设计项目，从而激发学习积极性和自主学习意识。

二、项目教学评价设计

组织各小组派代表在班级汇报，学生在项目教学过程中，进一步理解非电量到电量的转换概念，了解电容传感器的工作原理及在日常生活中的应用。通过查阅资料，了解当今国内传感器的现状。各组汇报完成后，进行小组互评，班级气氛很活跃。最后教师点评并给各小组打分，激励学生的竞争意识，使学生的学习热情更加高涨。

三、小结

该次课是依据学生的认知规律安排教学的，其引入项目是从珍惜水资源和一个有趣的实验开始的，通过不同的实验现象引导学生思考，增强学生对电容传感器了解的积极性，激发他们自主学习传感器的热情。项目教学主要分成三大块，学生变成学习的主体，很多学生介绍了日常生活中，藏在我们身边的传感器。提出自己的想法，设计了新的传感器应用项目。在项目教学过程中培养了学生的自主、合作、思考的能力，增强了学生的学习能力和科学素养。

参考文献：

5.传感器的优化设计论文篇五

一种基于电容传感器的液体密度测量电路的设计

设计了一种基于电容传感器的`液体密度测量电路,介绍了设计思想和各部分的工作原理,给出了总的测量电路图.利用本电路测量相对误差在0.5%以内,具有测量准确度高、测量速度快、数字显示直读、使用简单的特点.

作者：刘竹琴白泽生 LIU Zhu-qin BAI Ze-sheng 作者单位：延安大学,物理与电子信息学院,陕西,延安,716000刊名：大学物理 PKU英文刊名：COLLEGE PHYSICS年，卷(期)：28(2)分类号：O552.4关键词：电容式传感器液体密度测量电路设计

6.传感器的优化设计论文篇六

摘要：介绍了嵌入式WEB传感器的体系结构，提出了网络化接口中TCP/IP协议栈的几种实现方式，着重探讨了基于TCP/IP协议栈芯片W3100A的网络化接口的实现，最后分析了嵌入式WEB传感器的WEB功能的实现。

关键词：嵌入式WEB传感器网络化接口

嵌入式WEB传感器是在智能传感器的基础上发展起来的具有Internet功能的新型传感器。其实质是在传统传感器的基础上实现TCP／IP网络通信协议接口，将传感器作为网络节点直接与计算机网络通信。它的组成主要有：敏感单元、智能处理单元和TCP／IP通信协议接口。

图1为嵌入式WEB传感器的体系结构。传统的传感器在嵌入式WEB传感器中只占一部分。核心部分是完成信号处理、数据交换和控制的嵌入式智能单元以及完成数据传输的TCP／IP网络接口。整个传感器的工作机理是：传感器将被测物理量转换为电信号，通过A／D转换为数字信号，经过微处理器的数据处理（滤波、校准）后将结果传送给网络；与网络的数据交换由基于TCP／IP协议的网络接口模块完成。嵌入式WEB传感器的内部存储器存储传感器的物理特征，如偏移、灵敏度、校准参数等；微处理器实现数据的处理和补偿以及输出校准；TCP／IP协议实现传感器的直接网络连接。与传统的传感器相比，基于Internet的嵌入式WEB传感器更加可靠、便宜，扩展性更好且可以在内部直接对原始数据加工、处理，并通过Internet与外界进行数据交换。因而它具有微型化、网络化和智能化。传感器的网络化接口实现了对Internet或以太网的互连以进行信息的发布和资源共享。其实现方式是嵌入式WEB传感器研究的重点。

网络化接口实现的关键在于TCP／IP通信协议的实现。TCP／IP通信协议的实现方法主要有：采用协议栈移植，针对嵌入式系统，将TCP／IP协议栈移植到系统中，然后调用相关的API函数实现网络通信；不采用移植方式，参照标准的TCP／IP协议精简相应的协议层，编写相关的API函数完成简易的TCP／IP通信；采用协议芯片，如W3100A芯片，该方法直接采用硬件方式实现TCP／IP协议，直接对芯片的寄存器进行设置，实现数据对网络的传送。本文着重探讨采用W3100A芯片实现嵌入式WEB传感器的网络化接口的`问题。

1 网络化接口的实现

1．1 W3100A芯片及处理器对其访问的实现

W3100A是一TCP／IP协议栈芯片，包含的各协议层有：TCP、IP、UDP、ICMP和以太网协议的数据链路DLC，以及MAC协议。其工作方式类似于Windows的Socket API。芯片的内部结构示意如图2所示。

该芯片可选择地支持Intel／Motorola MCU接口，另外还提供一个I2C接口给上层应用层，一个MII接口给底层物理层。芯片支持全双工模式，内部带有双口的SRAM数据缓冲区。其封装是64脚的LQFP。

芯片提供寄存器供MCU访问，具体的寄存器分类如下：控制寄存器（命令、状态及中断）；系统寄存器（网关地址、子网掩码、IP地址等）；用于数据收、发的指针寄存器；通道操作的通道寄存器。

比较重要的几个寄存器如表1所示。

表1 寄存器功能和地址

7.传感器的优化设计论文篇七

航天工业是当今世界最具风险和挑战的高科技领域之一。航天型号具有系统复杂、投入大、风险高的特点,对可靠性的要求很高。在研制、生产过程中必须采用科学、有效的可靠性技术和管理手段,采用预防、控制与纠正的措施来解决产品可能的故障[1]。

航天产品的质量由设计、制造和管理决定。要保障产品质量,必须从设计阶段开始贯彻可靠性要求。将可靠性作为重要的设计目标,从系统可靠性的角度出发对产品进行设计,保证后续的制造、试验等阶段的顺利完成。对设计阶段的缺陷纠正得越晚,付出的代价也将越高。因此,航天产品可靠性设计、分析工作是十分重要的,提高空间设备可靠性的研究一直都是航天领域的重要研究方向,也取得了很多实际应用成果[2,3,4,5]。因此在研制XX型号星载空间遥感仪器时,运用了可靠性设计、分析等技术和方法,确保产品满足任务书规定的可靠性定性和定量要求。

航天产品的质量和寿命取决于产品设计、研制生产和试验全过程的可靠性,而电路系统的可靠性又是整个设备可靠性的基础。由于航天产品的不可维修性,有可能因为一个小小的电子元器件的失效而导致整个航天产品的失效,航天系统多年以来的经验教训足以证明这一点[6,7]。据有关资料介绍,20世纪90年代,航天系统曾开展过一次质量清理整顿工作,对20多个型号在研制试验中暴露出来的3 000多个问题进行了统计分析,其中设计方面约占25.1%,制造(含工艺)方面约占24%,电子元器件方面约占26%,管理方面约占15%,其他约占10%。从上述比例看,电子系统元器件和设计上存在的质量与可靠性问题所占的比例最高,成为制约航天产品发展的主要问题之一[8]。在设计阶段对电子系统的可靠性进行反复验证与优化设计,是保证型号质量的重要手段。

目前,中国的航天事业进入了一个新的发展阶段。随着载人飞船和空间站的发射、对接成功,中国航天产品的研制生产正逐步的、快速的展开。通过对电子系统结构方案的优化设计,达到提高型号产品可靠性的效果,这样的研究具有很大的现实意义。现结合某航天产品关键电路系统研制过程中的情况,对航天产品的电子系统可靠性优化设计流程进行了分析和探讨。

1电路简介

在研制的星载XX型号高分辨率空间遥感仪器中,采用了4路CCD探测器及相应电路,每路CCD连接驱动器和AD转化器。AD转化器和驱动器连接FPGA,由FPGA提供驱动时序和接收AD转换的数据。FPGA接收AD数据后将其编码并串行发送至数传接口,总体结构如图1所示。

2可靠性分析

对所述的传感器电路系统,为实现系统功能,更为了满足系统高可靠性的要求,设计时运用了综合权衡的优化设计技术,提出了多套系统方案。因为对于FPGA来说,与之相连的每一路CCD的接口和数传接口都是一致的。根据简化电路设计的准则,减少零部件、元器件的种类数量,得到了方案一:使用一个FPGA连接4个CCD,把4个CCD的数据统一打包,通过数传接口下发。由于传感器电路是影响任务成功的关键部件,为尽可能减少或避免单点失效,采用容错设计,利用冗余技术(子系统备份),使技术风险减少到最低[9]。由此得到方案二和方案三。方案二:采用2个FPGA,各连接两个CCD,然后每一个FPGA打包两路CCD数据,另外再用一个FPGA完成4路数据的合并,下发到数传接口,并对此FPGA作备份。方案三:采用4个FPGA,各连接一个CCD,然后每一个FPGA打包一路CCD数据,另外再用一个FPGA完成4路数据的合并,下发到数传接口,并对此FPGA作备份。不同的连接方式对整体失效率的影响是不一样的。以下对几种可行方式的失效率做一个比较和讨论。

鉴于CCD和数传接口部分对不同模式都是一样的。这里只讨论FPGA结构的失效率。每个FPGA结构包括电源,配置芯片,LVDS驱动芯片,接插件和电缆,如图1中FPGA部分所示。

在整个优化设计中,有3种不同的方式连接CCD和数传接口,下称方案一,方案二和方案三。

2.1方案一,单路FPGA方案

该方案以一片FPGA连接4片CCD和数传接口,如图2所示。此方案的优点是结构最简单,体积小;缺点是无法做备份,且需要选用大规模FPGA芯片,受购买渠道所限,芯片属目录外器件,且不能保证可以获得抗辐照器件。

为评价方案1的可靠性,首先计算元器件的失效率,根据进口电子元器件的应力分析可靠性预计方法,多数进口元器件的工作失效率预计模型都为λb与πQ、πE等一系列π系数相连乘法的形式。预计时,首先根据元器件信息查得λb值,然后根据设备工作环境类别和元器件质量等级等信息,查出相应的π系数值,进而计算元器件工作失效率λP。对FPGA,其工作失效率为[10,11]:

$λ_{Ρ} = (C_{1} π_{Τ} + C_{2} π_{E}) π_{Q} (1)$

式(1)中,πT是温度应力系数,πE是工作环境系数,πQ是质量系数,C1表示电路复杂度失效率,C2表示封装复杂度失效率。按此法求得FPGA芯片的失效率λP= 66.321 4 FIT= 66.3214 (10-9/h)。同理可求得422接收芯片的失效率λP= 2.777 0 FIT= 2.777 0 (10-9/h),总的失效率λ为两者之和,即λ=69.098 4 FIT。

方案一的失效模式分为四路失效(即四路都不可靠)和零路实效(即四路都可靠)两种情况,考虑FPGA及422接收芯片,其失效概率如表1所示:

2.2方案二,双路FPGA方案:

该方案以两片FPGA各自分别连接两片CCD,然后用另一个FPGA完成两路FPGA的数据合成,这里数据合成部分可以再用一个FPGA做备份提高整体的可靠性。如图3所示。该方案的优点是每两路CCD及相连的FPGA独立工作,一个FPGA失效不会影响另外一路,而且可采用小规模FPGA(目录内器件),可采购到抗辐照器件。缺点则是增加了系统体积和结构的复杂性。

对于方案二,为便于计算,将待分析电路分为8个子模块,分别以字母A—H表示,如图3所示。各个子模块的失效率在表2中列出:

该方案的失效情况分为两路失效、四路失效和零路失效(即4路数据通道全可靠)。由于系统较复杂,使用布尔代数法[12]建立其可靠性数学模型,只考虑系统及其子模块的失效和成功两个状态。共有8个模块,则共有28种电路状态组合,它们或者对应着系统成功状态,或者对应着系统失败状态,可用真值表形式列出。对应于系统完成任务的每个项,根据独立事件概率乘法定理,将项中与每个模块状况相应的概率相乘,即得出这个完成任务项的PSi值。再考虑到28种模块状态组合是两两互斥的,根据互斥事件概率加法定理,将系统所有的完成任务项的Psi相加,就得到整个系统的可靠性(完成任务的概率)PS。

运用上述方法,可导出两路失效、四路失效和零路失效时系统的可靠性数学模型。由于受篇幅所限,这里只给出零路失效时系统的布尔真值表,其余情况类似。表3只列出了系统状态为真(即发生零路失效)时的各模块状态(A-H为子模块状态,S列代表总的系统状态),而其余所有的各模块状态组合都会导致系统状态为假:

由此可求得双路方案时的失效概率,如表4所列:

2.3方案三,四路FPGA方案

该模式使用4片FPGA各连接一片CCD,再由一片FPGA做4路数据的合成,数据合成部分做备份。如图4所示。

此方案优点是4路CCD都有FPGA单独驱动,一个FPGA失效不会影响其他3路。而且采用小规模FPGA,属目录内产品。缺点是体积庞大,电路板多,结构复杂,电缆连接多。

该方案的失效情况分为一路失效,两路失效,四路失效和零路失效(即4路数据通道都可靠)。由于线缆等器件相对FPGA来说对失效率影响很小,在此忽略以简化计算,取λ=40.7568 FIT,得到失效概率如表5。

3综合失效率评估

电路的三种FPGA互联方案具有不同的失效方式,评估其可靠性需要考虑的因素过多,为简化评估方式,这里引入普通失效率、综合失效率和致命失效率的概念。

普通失效率被定义为:任意1路CCD失效的概率,即整个系统不能完整的完成工作任务的概率。

综合失效率在设计时被定义为:认为每一路CCD的数据价值相同,某一路失效并不导致整个系统完全失效,任一路失效造成的损失可认为是四路系统的1/4,1路CCD失效记为25%的系统功能损失,2路CCD失效记为50%功能损失,同理,3路记为75%,4路记为100%。因此将综合失效率定义为每一路失效率的代数和,以上四种情况的失效概率分别乘以相应权重(即0.25,0.5,0.75,1.0),它们的和即为综合失效率。

致命失效率被定义为:4路CCD都失效的概率。

航天工程中一般考虑普通失效率与致命失效率,由于综合失效率综合体现了系统功能的完备性和各种失效模式的影响,在我们的产品中还需对综合失效率作出衡量,为了更好的反映各种失效模式重要性的差异,综合失效率的定义及相关权重也可由用户参与决定。

以上3种方案里,单路方案的普通失效率最低,它的致命失效率最高。四路方案只在致命失效率这一指标上占据优势,为最低值,在普通失效率上则处于劣势,为最高值。值得注意的是,双路方案的综合失效率最低,但与四路方案相差极小;且其致命失效率与四路方案在同一数量级上,与单路方案相比失效概率都非常小。这说明就四通道CCD完整有效的概率而言,单路FPGA结构可靠性最大,四路最小,双路中等,四路的失效率增加。就四通道CCD同时失效的概率而言,单路失效率最大,四路最小,双路虽不是最小,但也很小。具体结果见表6:

以上结果也可以理解为在多FPGA结构中,各CCD通道独立工作,把四通道同时失效的风险分摊到各路,整体失效率有所增加但四通道同时失效的概率降低了。

和失效率同理可以定义普通可靠度、综合可靠度及致命可靠度。三种方案的5年可靠度与8年可靠度如表7和表8所示。3种方案里,无论5年或是8年,单路方案的普通可靠度都是最高,但它的致命可靠度最低。四路方案在致命可靠度这一指标上占据优势,为最高值,但在普通可靠度上则处于劣势,为最低值。双路方案则位于它们之间,且综合可靠度及致命可靠度与四路方案差别很小。

计算比较三种方案的可靠度对应时间(t)的曲线如图5所示,同样可看到在普通可靠度上双路与单路方案较接近,四路方案则相差较大;在其他两种可靠度上,双路和四路方案都比单路要高,且彼此相差很小(图中两者几乎重合)。

4其他因素考虑

在以上三种方案的选择上,除失效率外还有其他方面的因素影响工程实施。系统工程复杂性就是其中一项,下表列出了三种方案的主要部件。

由表9可以看出,路数越多,材料开销和空间要求越大,焊接、电装等工程复杂度也随之增加。比较四路FPGA和双路FPGA形式,可以发现,四路增加的工程开销太大,而同时四路CCD形式的失效风险相对双路降低的并不显著。而且目前情况看,受机箱空间限制,实施四路FPGA方案也不太现实。

综上所述,目前要考虑的是在双路FPGA结构和单路FPGA结构中选择一种作为下一步的方案,其中优先选择双路方案。

5结论

为保证和提高传感器电路系统的可靠度,从可靠性角度对其组成方案进行了分析与优化设计。通过推导待选方案的可靠性模型,计算出各种情况的失效率。建立综合失效率指标,进而求得各设计方案的可靠度。通过比较发现,如果注重四通道CCD的功能完整有效,即任一路CCD的正常工作都很重要,对系统都是必需的,单独一路失效就会导致系统失效,那么单路方案是最好的选择。如果其中一路或几路失效时系统只是损失了部分功能,而不会导致系统任务失败,那么双路或四路方案是更好的选择。进一步的,考虑到双路方案的致命可靠度和四路方案在绝对值上差距不大,但工程复杂度却比四路方案低很多,因此双路方案更适合系统的工程实现。

对电子系统的可靠性优化设计在航天产品中有普遍的重要意义,本文的方法可为航天电子产品设计提供有益的借鉴。

摘要：在设计空间图像传感器电路系统时,为满足严格的可靠性指标要求,从可靠性的角度,在电路组成方案的层次上对电路系统的结构进行优化设计。设计了不同的系统搭建方案。运用概率论和布尔真值方法推导出几种方案的可靠性模型,并总结出其变化规律。根据采用的元器件信息,分别计算各方案具体可靠度值。为更加科学、合理地反映系统在实际工作时的失效情况,提出了综合失效率的概念,并给出具体数学定义。通过对系统失效率、器件数量、工程复杂性以及占用空间的大小进行比较,衡量各方案的优劣,为空间传感器电路系统方案设计提供数值依据和优化方法,提高了系统的可靠性,对航天产品电子系统设计具有一定的参考价值。

关键词：星载传感器,航天,电路系统,可靠性,优化设计

参考文献

[1]许达哲.树立航天可靠性工作理念推进零缺陷系统工程管理.质量与可靠性,2007;(2):7—9

[2] Krishnaswamy S,Viamontes G F,Markov I L,et al.Accurate relia-bility evaluation and enhancement via probabilistic transfer matrices.Proc.of the Design,Automation and Test in Europe Conference andExhibition,Munich.New York:ACM Society,2005:282—287

[3] Lemaster R K.Application of Bayesian reliability concepts to cruisemissile electronic components.Master's Thesis,Air Force Inst of TechWright-Patterson AFB OH School of Systems and Logistics,1989

[4]王文华,韩双丽,张宇,等.航天应用FPGA配置可靠性研究.空间科学学报,2011;(1):106—111

[5]陈敏涛,席隆.基于温备份技术的高可靠嵌入式控制器设计.电子技术应用,2010;(8):138—141

[6]朱文冰.航天产品电子元器件的可靠性控制.电子工程师,2006;(3):11—13

[7]孙鹏,赵阳,董海平.航天电子设备可靠性评估方法研究.空间科学学报,2012;(2):265—269

[8]沈剑波.电子元器件可靠性技术在发展航天中的重要作用.导弹与航天运载技术,1999;(5):55—62

[9]中国航天工业总公司行业标准.QJ1408A—98航天器和武器导弹系统可靠性大纲要求.1998

[10]中国人民解放军总装备部.GJB299C—2006电子设备可靠性预计手册.2006

[11] Department of Defense,USA.MIL-HDBK-217 Reliability predictionof electronic equipment.1995

8.单片机技术在传感器设计中的应用篇八

关键词：单片机技术；传感器；稳定性

中图分类号：TP274.4 文献标识码：A 文章编号：1000-8136(2009)35-0016-02

从传感器的设计出发，要尽可能提高传感器本身的性能，严格控制其生产的各个环节，以实现小型化、高性能、标准化输出的目标。但是，随着计算机和微电子技术的高速发展，尤其是单片机的系列化发展，其强大的运算能力，微小的体积以及低廉的价格，对传感器的传统研究方式带来了重大的变革。下面就传感器研究中的一些体会，谈些初步的看法。

1 单片机对提高传感器稳定性的作用

稳定性是指传感器在长时间工作下输出量发生的变化，它作为传感器的一项重要的技术指标，目前在多方面已得到了越来越多的重视。而在智能传感器的研究制造中，由于传感器的其他一些性能指标，如灵敏度、分辨力、抗干扰能力等均可通过低程序加以修正，因此很多人把传感器的长期稳定性放在了工作的首位。

为了提高传感器的稳定性，避免在长时间的工作下产生非线性的误差，我们可利用单片机技术来修正非线性误差从而提高传感器的稳定性。

以我们常见的智能压力传感器为例，提出一种可提高其稳定性的方法见图1。传感器接收外界的压力信号x并产生一个输出信号y，再由接口电路和A／D模数转换器对其进行处理后，输出可由单片机接收的数字信号Y，最后由单片机对其处理后，即可得到经过修正的标准输出Yc。一般在标定传感器的过程中，输入校准温度和压力点，然后测出x～y的数据，最后用二元函数插值法来修正传感器的非线性误差。

修正过程：首先，在单片机中存储关于x、Y、θ三者关系的公式，其中X为x的数字量。这些公式可以在单片机存储器的数据区内以表格形式存放，也可在底程序中用常数形式来体现。单片机接收经接口电路输出的未修正的数字量Y和环境温度的数字量θ，然后计算出相对应的被测数字量X，再与比例系数k相乘后，则可得到标准输出Yc=kX。

2单片机对减少传感器干扰方面的作用

传感器在实际工作中，常常会遇到外来干扰，有些为确定性的，有些为随机性的，这也是在传感器研究中常见问题之一。

2.1确定性的干扰

在实际工作中，传感器常常会产生一个确定性的干扰，这是由于传感器的自身结构特点或者外界环境的影响决定的，而这种干扰通常可由单片机来解决。

例如电涡流位移传感器在实际的工作中，由于被测物体材料的均匀性和导磁性的不同，会给测量结果带来一定的影响。轴承中轴的位置，需要进行精确的测量，但是由于轴表面不均匀的材质。会使测量变得困难。轴在转动过程中，虽然其位置保持不变，但传感器仍会有电压的输出，这样得到的测量结果会有很大的误差。由于轴在每次转动中产生的位移保持不变，所以这种干扰也可以说是确定性的。通过引用单片机技术，传感器在实际测量中，每当轴转动一周后，就对传感器的输出特性曲线进行定量修正，这样就能基本解决由于被测物体材质的不均匀性给测量结果带来的确定性干扰。

2.2随机干扰

传感器的工作环境往往是比较恶劣和复杂的，其应用的可靠性、安全性就成为一个非常突出的问题。所以，需要在工作中尽量减少干扰。提高输出信号信噪比的问题，是传感器研究中的最大难题之一。

但是实际上在传感器的使用中，单片机可利用软件来部分消除随机干扰，下面介绍一些在软件抗干扰用到的方法。

2.2.1指令冗余法

单片机受到干扰后，往往会把操作数当作指令码来执行，引起整个程序的混乱和程序弹飞。如果程序弹飞到某一条单字节指令上时，就不会发生将操作数当成指令的错误，而能自动纳入正轨。当弹飞到双字节或三字节指令的操作时，程序将继续弹飞。因此，在程序中插人幾个单字节的空操作指令NOP，就可以保护其后面的指令不被拆散而被完整地执行。

2.2.2软件陷阱法

系统中未使用的单元用跳转引导指令填满，作为软件“陷阱”，以捕获“飞掉”的程序，并强行将捕获的程序引向一个特定的地址，由一段专站处理错误的程序进行处理，以恢复系统的正常运行。

2.2.3软件“看门狗，(WATCH DOG)法”

WATCH DOG即定时监视器，俗称“看门狗”，当侵人的电磁干扰使系统程序弹飞，或进入死循环，或死机时，WATCHDOG能够帮助系统自动恢复正常运行。

3在传感器发展方面的应用

目前。成熟的传感器品种规格繁多，长期以来。由于传感器的输入输出信号符不相同，其原理和电路也差别较大，使得传感器的标准化工作进度较慢。给传感器的用户带来了很多的麻烦。同时，也不利于传感器及测试仪器的发展和在更广阔领域的应用。但是，随着单片机成本逐渐的降低，运算能力的提高以及体积的减小，会给传感器机及测试仪器的发展带来积极的影响。目前，中国也已开展了传感器的标准化工作，这也成为了目前传感器研究的一个重要方向。

标准化电路的传感器应具有的功能如下：①应对传感器信号进行放大及标准化的输出；②应具有温度补偿技术；③应具有线性校正技术；④应具有信号存储功能；⑤应具有简单的信号处理功能；⑥能连接在高一级的控制单元上，应具有良好的互换性。

9.传感器教学设计3 篇九

了解什么是传感器，知道非电学量转化为电学量的技术意义；认识一些制作传感器的元器件，知道这些传感器的工作原理。2．过程与方法

通过对实验的观察、思考和探究，让学生在了解传感器、熟悉传感器工作原理的同时，经历科学探究过程，学习科学研究方法，培养学生的观察能力、实践能力和创新思维能力。

3．情感、态度与价值观

体会传感器在生活、生产、科技领域的种种益处，激发学生的学习兴趣，拓展学生的知识视野，并加强物理与STS的联系。通过动手实验，培养学生实事求是的科学态度、团队合作精神和创新意识。

【设计思路】

从上世纪八十年代起，国际上出现了“传感器热”，传感器在当今科技发展中有着十分重要的地位。新课程标准紧扣时代脉搏，对传感器教学提出明确要求。本课的设计思路是通过对实验的观察、思考和探究，了解什么是传感器，传感器是如何将非电学量转换成电学量的，传感器在生产、生活中有哪些具体应用，为学生利用传感器制作简单的自控装置作一铺垫。教学时力避深奥的理论，侧重于联系实际，让学生感受传感器的巨大作用，进而提高学生的学习兴趣，培养学生热爱科学的情感和崇尚科学的精神。

【教学过程】

一、引入新课

教师：今天我们生活中常用的电视、空调的遥控器是如何实现远距离操纵的？楼梯上的电灯如何能人来就开，人走就熄的？工业生产中所用的自动报警器、恒温烘箱是如何工作的？“非典”病毒肆虐华夏大地时，机场、车站、港口又是如何实现快速而准确的体温检测的？所有这些，都离不开一个核心，那就是本堂课将要学习的传感器。

二、新课教学 1．什么是传感器

演示实验1：如图1所示，小盒子的侧面露出一个小灯泡，盒外没有开关，当把磁铁放到盒子上面，灯泡就会发光，把磁铁移开，灯泡熄灭。

教师提问：盒子里有怎样的装置，才能实现这样的控制？学生猜测：盒子里有弹性铁质开关。

师生探究：打开盒子，用实物投影仪展示盒内的电路图（图2），了解元件“干簧管”的结构。探明原因：当磁体靠近干簧管时，两个由软磁性材料制成的簧片因磁化而相互吸引，电路导通，干簧管起到了开关的作用。

教师点拨：这个装置反过来还可以让我们通过灯泡的发光情况，感知干簧管周围是否存在着磁场。演示实验2：教师出示一只音乐茶杯，茶杯平放桌上时，无声无息，提起茶杯，茶杯边播放悦耳的音乐，边闪烁着五彩的光芒。

教师提问：音乐茶杯的工作开关又在哪里？开启的条件是什么？学生猜测：在茶杯底部，所受压力发生改变。

实验探究：提起茶杯，用手压杯的底部，音乐并没有停止。学生猜测：是由于光照强度的改变。

实验探究：用书挡住底部（不与底部接触），音乐停止，可见音乐茶杯受光照强度的控制。师生总结：现代技术中，我们可以利用一些元件设计电路，它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量，或转换为电路的通断。我们把这种元件叫做传感器。它的优点是：把非电学量转换为电学量以后，就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制了。

教师提问：实验1中的干簧管是怎样的传感器，实验2音乐茶杯中所用的元件又是怎样的传感器？学生回答：干簧管是一个能感受磁场的传感器，音乐茶杯中所用的元件是能感受光照强度的传感器。教师介绍：数字化信息系统实验室（Digital Information System Laboratory，简称：DISLab）就是由“传感器+数据采集器+实验软件包+计算机”构成的新型实验系统。该系统成功克服了传统物理实验仪器的诸多弊端，有力地支持了信息技术与物理教学的全面整合，在实验上收到了许多意想不到的成功。

投影展示：

图3 DISLab系统构成

演示实验3：通过朗威DISLab数据采集器、位移传感器来观察简谐振动图象。

图4 弹簧振子实验装置图

图5 弹簧振子振动图线

2、认识一些制作传感器的元器件（1）光敏电阻

学生实验1：学生两人一组，用万用电表的欧姆挡测量一只光敏电阻的阻值，实验分别在暗环境和强光照射下进行。

学生总结实验结果：光敏电阻在暗环境下电阻值很大，强光照射下电阻值很小。师生总结：光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。

教师简单介绍：光敏电阻在光照射下电阻变化的原因。有些物质，例如硫化镉，是一种半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好。

（2）热敏电阻和金属热电阻

教师提问：金属导体的导电性能与温度有关吗？关系如何？

学生回答：金属导体的电阻随温度的升高而增大，如白炽灯钨丝的电阻在正常工作情况下比常温下的电阻大得多。

演示实验4：如图6所示，AB间接有一段钨丝（从旧日光灯管中取出），闭合开关，灯泡正常发光，当用打火机给钨丝加热时，灯泡亮度明显变暗。

学生探究：钨丝的电阻随温度的升高而增大。

师生总结：用金属丝可以制作温度传感器，称为热电阻。如前面已经学过的用金属铂可制作精密的电阻温度计。学生实验2：学生两人一组，用万用电表的欧姆挡测一只热敏电阻的阻值。第一次直接测量，第二次用手心捂住热敏电阻再测量，记录两次测得的电阻值。

学生探究：热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，且阻值随温度变化非常明显。师生总结：半导体热敏电阻也可以用作温度传感器。

师生总结比较：金属热电阻与热敏电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差。

（3）霍尔元件

教师介绍：霍尔元件是在一个很小的矩形半导体（例如砷化铟）薄片上，制作4个电极E、F、M、N而成（如图7所示）。若在E、F间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的匀强磁场B，薄片中的载流子就在洛伦兹力的作用下发生偏转，使M、N间出现电压U。

师生讨论：霍尔元件的上的电压U与电流I、磁感应强度B的关系，设霍尔元件长为a，宽为b，厚为d，则当薄片中载流子达到稳定状态时，即，又因，所以，即化。（为霍尔系数）。因此，我们就可以根据电压U的变化得知磁感应强度的变师生共析：霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。

演示实验5：利用朗威DISLab数据采集器、霍尔元件观察通电螺线管内部磁感应强度的大小分布规律。

图8 磁感应强度测定的实验装置图

图9 磁感应强度分布图线

三、小结

传感器是指一些能把光、力、温度、磁感应强度等非电学量转化为电学量或转换为电路的通断的元器件，它在生活、生产和科技领域有着非常广泛的应用。日本把传感器技术列为上世纪八十年代十大技术之首，美国把传感器技术列为九十年代的关键技术，而我国有关传感器的研究和应用正方兴未艾„„

四、作业

1．观察与思考：日常生活中哪些地方用到了传感器，它们分别属于哪种类型的传感器，它们的工作原理如何？

2．实验设计：用热敏电阻、继电器等器材设计一个火警报警器。【教学反思】

10.教学设计：使用红外线传感器篇十

第11课使用红外线传感器教学设计

教学目标：

1．知识和技能目标：

⑴了解红外传感器的使用方法与工作原理。⑵了解选择结构语句的使用方法。2．过程与方法目标： ⑴学会红外传感器。

⑵学会编写含有选择结构的程序。

⑶学会应用红外传感器处理日常生活中的一些问题。3．情感目标：

⑴培养学生分析问题、解决问题的能力，认真思考调试中出现的现象，并根据现象确定其原因。

⑵培养学生相互协作的精神，共同随失败，分享成功。

教学重、难点：

1．教学重点： ⑴红外传感器的使用。⑵编写带有选择结构的程序。2．教学难点： ⑴红外传感器检测原理。⑵选择结构程序的理解与编写。

教学课时：课时

教学过程：

一、谈话导入

今天我们来学习新课：“红外测障”。（板书课题）

二、新课教学

师播放机器人视频，生观看。

师：刚才同学们观看了视频，知道了机器人在散步时都做了哪些动作，如：前进、左转、右转、停止等等，下面请同学们跟我一起来学习程序的流程图。师分析流程图，提出：机器人之所以会做出反应是因为通过它的“眼睛”──红外传感器来接收外面的信息。

板书：检测前方是否有人。

师：当机器人正前方的红外传感器探测到有人的时候，机器人开始前进。下面请同学们以自学方式完成本知识点的操作。

1．生自学，师巡视，指导。

2．提示： “数字输入”参数有0、1两个，当红外传感器检测到障碍物时，返回的数值是1，否则为0。

3．师请做好的学生讲解并展示。4．师生共同点评。

5．师对学生操作予以肯定，鼓励学生继续学下去。板书：检测左右是否有人。

师：前面我们已经学习过了，如果机器人探测到前方有人，它就会开始前进，当机器人的左方有人时，机器人左转调整方向；右方有人时，机器人右转调整方向，下面请同学们看老师的操作步骤。

①师演示操作步骤。（过程略）②学生观看。③师请学生动手操作。④生动手操作，师巡视，指导。⑤师对学生操作情况予以小结。

三、全课总结

四、反思

11.传感器的优化设计论文篇十一

关键词：无线传感器网络；ZigBee协议；多跳；协调器；路由器；终端设备

中图分类号：TP79

无线传感器网络（WSN，WirelessSensorNetwork）是由多个节点组成的面向任务的无线自组织网络，它综合了无线通信技术，传感器技术，微机电技术，计算机网络技术等多学科的技术领域，借助各类传感器对检测目标进行数据采集，通过无线通信的方式把信息发送给观测者。由于无线传感器网络具有不依赖有线基础设施，可以自组网和允许网络具有动态的拓扑结构等优点，特别适用于一些不适合人类直接参与的检测环境进行数据采集，因此无线传感器网络在军事、空间探索和灾难拯救等特殊领域有其得天独厚的技术优势，在环境、健康、家庭和其他商业领域有广阔的应用前景。

1 ZigBee协议

ZigBee协议是一种建立在IEEE802.15.4标准之上的短距离，低速率的无线通信协议，其中物理层和链路层由IEEE802.15.定义，网络层和应用层由ZigBee联盟规范。与其他短距离无线通信技术相比，ZigBee协议具有以下优点：（1）功耗低。低功耗待机模式下，两节5号电池就可以是由6个月以上。（2）具有3个无线收发器频段。868MHZ（欧盟）；902MHZ（美国）；2.4GHZ。（3）网络容量大。可支持6500个节点设备。（4）采用CSMA-CA机制，有效的避免了数据发送时因碰撞产生的冲突。（5）网络安全性高。采用了密钥长度为128位的加密算法，对所传输的数据进行了加密算法，有效的保证了数据传输的有效性和安全性。

2 系统硬件设计

无线传感器网络节点的组成一般都由传感器模块、处理模块、无线通信模块和能量供应模块这四部分构成：（1）传感器模块。本设计中传感器采用数字湿度温度传感器SHT10，SHT10是一款高度集成的温湿度传感器芯片，提供全量程标定的数字输出。产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。该传感器品质卓越、响应超快、抗干扰能力强、极高的性价比。每个传感器芯片都在极为精确的恒温室中进行标定。通过两线制的串行接口与内部的电压调整，使外围系统集成变得快速而简单。（2）处理模块。处理器单元采用ATMEL公司的ATmega128L芯片。ATmega128L为基于AVRRISC结构的8位低功耗CMOS微处理器。它具有非常丰富的资源，具有片内128K字节的程序存储器（Flash），4K字节的数据存储器（SRAM，可外扩到64K）和4K字节的EEPROM。由于其先进的指令集以及单周期指令执行时间，ATmega128L的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。（3）无线通信模块。无线通信单元采用Chipcon公司的CC2420射频芯片。是ChipconAs公司推出的首款符合2.4GHzIEEE802.15.4标准的射频收发器。该器件包括众多额外功能，是第一款适用于ZigBee产品的RF器件。只需极少外部元器件，性能稳定，功耗极低。（4）能量供应模块。能量供应模块主要是电池来实现，目前常用的传感器电池有两种，一种是常用可充电电池，如可充电锂钮扣电池LIR2450，该类电池具有电压高、平均电压为3.6伏，充放电循环特性优秀，但是由于其额定容量小，而且许多传感器都会放在一些特殊的环境中，再次充电的可能性很小，从而减少了网络的生命周期；如果是在一些允许的环境中采集数据，常采用两节普通的5号AA电池，则可以维持更长的网络生命周期。

3 软件设计

Zigbee协议定义了三种设备类型：（1）协调器程序设计。每个ZigBee网络都必须包含一台协调器。协调器的主要功能是为建立和启动网络这一过程设置参数。（2）路由器程序设计。本程序设计的路由器就有两部分组成，一个是路由器入网程序流程图，另一个是路由程序流程图。（3）终端设备程序设计。终端设备不参与路由选择，由于路由器和终端设备被整合到网络之中，所以它们从协调器或从任何已经处于网络中的路由器那里可以获得有关网络的信息。这些信息可以让其他设备设置操作参数，并因此加入网络之中。

图1 协调器程序

图2 路由器程序流程图

4 实验调试结果

按照上述设计组建网络后，把对应的程序烧录到协调器节点，路由器节点和终端设备节点。等待终端设备节点传感器数据采集完成后，数据发送到路由器节点，并由路由器节点发送给协调器节点，最终传送到计算机，在串口调试助手中可以看到如下的提示信息：

其中阴影部分为采集到的数据，表示收到长度为41的数据帧，发送数据的节点地址为0x1430，一共采集到了八组数据。说明所有节点通过自组织的方式，成功的组成了一个基于路由的多跳网络，并能够正确工作，达到了设计的目的。

5 结束语

无线传感器网络是资源受限网络，节点因受能源限制，其发射功率较低，因此网络中节点通信距离有限，节点只能与它的邻居直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过路由器节点进行路由，从而形成多跳网络，本文基于ZigBee协议，通过对无线传感器网络节点的硬件和软件设计来成功实现数据在无线传感器网络节点间的多跳路由。

参考文献：

[1]于海斌，曾鹏.智能无线传感器网络系统[M].北京：科学出版社，2006：40-50.

[2]顾瑞红，张宏科.基才ZigBee的无线网络技术及其应用[J].电子技术应用，2005，6：1-3.

作者简介：宋朝君（1975.7-），性别：女，籍贯：新疆，学历：研究生，职称：讲师，研究方向：电子与信息工程。

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