時間：2022-11-25 09:50:49
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1.彈性元件的虛擬模型根據導體材料的應變電阻效應，電阻的相對變化與應變之間的關系。為了獲得電橋輸出與載荷的關系，需要構建彈性元件的數學模型。電阻式傳感器的彈性元件結構有圓筒式、柱環式、懸梁式和輪輻式四種基本類型，各種不同的結構型式的彈性元件應變ε與載荷F的關系如下所示。（1）柱筒式彈性元件其中E為彈性模量，A為橫截面積。（2）柱環式彈性元件其中R0為內環半徑，b為柱環寬度，h為柱環厚度，E為彈性模量。（3）懸梁式彈性元件其中l為有效長度，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。將四種彈性元件類型設計在一個子VI中，通過操作“彈性元件類型”下拉列表進行選擇。
2.虛擬電橋模型電橋是目前常用的電阻式傳感器測量電路，整個電橋電路由四個橋臂組成，當橋臂接入應變電阻時則成為應變電橋。當有一個臂被接入應變電阻時，被稱為單臂電橋；兩個臂被接入應變電阻時則為雙臂電橋（也稱半橋）；四個臂均被接入應變電阻時則稱為全橋。在橋路中均未接入應變電阻時。
3.電阻屬性和接橋方式設計前面板（如圖1所示）上電橋部分的電阻屬性分為固定電阻、應變電阻和平衡電阻三種，應變電阻的貼片方式分為受拉應力和受壓應力。（1）電阻屬性。圖1中的電阻R1的屬性只有兩種：應變電阻和固定電阻。該屬性通過操作“R1”設置開關進行選擇。若R1為應變電阻屬性，其阻值會隨載荷F的增減而產生相應的ΔR1以及因溫度變化產生的ΔR1t。電阻R2的屬性與R1相同。通過操作“R2”設置開關可以選擇R2的屬性。若R2作為應變電阻，則會隨載荷F的增減而產生相應的ΔR2以及因溫度變化產生的ΔR2t。若操作“差動設置”開關，則可使R2的受力方式為受壓應力，從而會隨載荷F的增減而產生相應的-ΔR2以及因溫度變化產生的ΔR2t。R3，R4需要參與調平電路的設計，因此接線也會相對復雜。通過操作“R3”和“R4”設置開關對該電阻進行屬性操作。圖中出現的Rr顯示框為調零電路中的R5的右半部分與R6串聯然后再與R3并聯后的阻值。Rl顯示框為R5的左半部分與R6串聯后再與R4并聯后的阻值。（2）接橋方式的設計。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型。對于半橋和全橋方式，其中應變片又分為差動和非差動兩種布片方式。不工作方式指的是R1，R2，R3和R4都設置成固定電阻。該方式無論怎樣施加外力，輸出始終為零。單臂工作時將R1設置為應變電阻，R2、R3、R4設置為固定電阻。此時，按“R1”按鈕，“R1”按鈕變綠，圖中應變電阻R1如果顯示向上的箭頭，表明該應變電阻受拉應力，對應電阻值增大；如果應變電阻R1顯示向下的箭頭，表明該應變電阻受壓應力，對應電阻值減小。半橋非差動工作時，R1、R2設置為應變電阻，R3、R4設置為固定電阻。按下“R1”、“R2”兩個按鈕，兩者均變綠表示接入工作臂，同時電阻R1、R2上的箭頭方向一致，表示應變片受到相同性質的應力，此時電橋輸出基本為零。半橋差動工作時，R1、R2設置為應變電阻，R3、R4設置為固定電阻。按下“R1”、“R2”兩個按鈕，兩者均變綠表示接入工作臂，同時電阻R1顯示向上箭頭，R2顯示向下的箭頭，表示對應的應變片受到拉應力和壓應力。全橋非差動工作時R1、R2、R3、R4屬性均為應變電阻，此時，按下“R1”、“R2”、“R3”、“R4”按鈕，均變為綠色。四個電阻上的箭頭方向一致，表明四個電阻受相同性質的應力，此時電橋輸出基本為零。全橋差動工作時，“R1”、“R3”電阻箭頭向上，表示受拉應力；“R2”“R4”箭頭向下，表示受壓應力。
4.溫度誤差計算及補償在討論應變計的工作特性時通常是以溫度恒定為前提的，但在實際應用過程中，工作溫度可能會發生變化，從而導致應變電阻的阻值發生變化。設工作溫度變化為Δt℃，則由此引起粘貼在試件上的應變電阻的相對變化為。將公式（11）代入公式（7）-（10），即可以計算出溫度變化時的電橋輸出，該輸出即為溫度誤差。單臂工作時，采用補償塊法進行溫度誤差補償，該方法利用兩塊參數相同的應變計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境的補償塊上，但該補償塊不參與機械應變，同時接入電橋相鄰臂作為補償臂。當接通電源并施加負載時，補償臂產生的熱輸出與工作臂產生的熱輸出相同，則可達到溫度誤差補償的目的。對于半橋差動和全橋差動工作方式，根據公式（10）的和差特性即能進行溫度誤差補償。5.非線性誤差計算及補償公式（10）是對公式（9）進行線性化后的輸出。對于單臂工作時，非線性誤差可以通過在電路中加入補償臂（該臂不受外加應力作用）。對于半橋差動和全橋差動工作方式，不需要外接補償電路，因為差動工作方式具有很好的非線性補償作用。
二、虛擬操作面板的設計
用LabVIEW軟件開發虛擬儀器，用戶能“量身定制”儀器的操作面板。本實驗根據真實的電阻式傳感器實驗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驗原理及操作方式，虛擬面板如圖1所示，主要包括虛擬彈性元件選擇、應變電阻布片方式選擇、電橋接法選擇、電橋調零模塊、差動放大模塊、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、遠程虛擬實驗的演示步驟
電阻式傳感器實驗的遠程操作分別由DataSocket技術與Web網絡工具來實現。DataSocket技術以及網絡化技術的結合使虛擬儀器的遠程控制成為可能，可在若干計算機上對傳感器虛擬實驗進行操作及數據處理。這為傳感器虛擬實驗的互動教學提升了便捷性。電阻式傳感器虛擬實驗的遠程操作過程如下：第一步，打開服務器網頁。第二步，輸入R1、R2、R3、R4的阻值。第三步，選擇彈性元件類型。第四步，設置接橋和布片方式。第五步，打開電源開關。第六步，調節調零電位計，直至電橋近似達到初始平衡狀態。第七步，點擊“施力F”按鈕。第八步，查看客戶端網頁，查看電橋輸出曲線。第十步，點擊服務器面板中的“復位鍵”，使所有選項、開關及輸入數據均清零和初始化。第十一步，關閉電源開關。
四、結束語
關鍵詞：測力傳感器，應力集中，精度，靈敏度
一、概述
對于電阻應變片式測力傳感器（以下簡稱“測力傳感器”）來說，彈性體的結構形狀與相關尺寸對測力傳感器性能的影響極大。可以說，測力傳感器的性能主要取決于其彈性體的形狀及相關尺寸。如果測力傳感器的彈性體設計不合理，無論彈性體的加工精度多高、粘貼的電阻應變片的品質多好，測力傳感器都難以達到較高的測力性能。因此，在測力傳感器的設計過程中，對彈性體進行合理的設計至關重要。
彈性體的設計基本屬于機械結構設計的范圍，但因測力性能的需要，其結構上與普通的機械零件和構件有所不同。一般說來，普通的機械零件和構件只須滿足在足夠大的安全系數下的強度和剛度即可，對在受力條件下零件或構件上的應力分布情況不必嚴格要求。然而，對于彈性體來說，除了需要滿足機械強度和剛度要求以外，必須保證彈性體上粘貼電阻應變片部位（以下簡稱“貼片部位”）的應力（應變）與彈性體承受的載荷（被測力）保持嚴格的對應關系；同時，為了提高測力傳感器測力的靈敏度，還應使貼片部位達到較高的應力（應變）水平。
由此可見，在彈性體的設計過程中必須滿足以下兩項要求：
（1）貼片部位的應力（應變）應與被測力保持嚴格的對應關系；
（2）貼片部位應具有較高的應力（應變）水平。
為了滿足上述兩項要求，在測力傳感器的彈性體設計方面，經常應用“應力集中”的設計原則，確保貼片部位的應力（應變）水平較高，并與被測力保持嚴格的對應關系，以提高所設計測力傳感器的測力靈敏度和測力精度。
二、改善應力（應變）不規則分布的“應力集中”原則
在機械零件或構件的設計過程中，通常認為應力（應變）在零件或構件上是規則分布的，如果零件或構件的截面形狀不發生變化，不必考慮應力（應變）分布不規則的問題。其實，在機械零件或構件的設計中，對于應力（應變）不規則分布的問題并非不予考慮，而是通過強度計算中的安全系數將其包容在內了。
對于測力傳感器來說，它是通過電阻應變片測量彈性體上貼片部位的應變來測量被測力的大小。若要保證貼片部位的應力（應變）與被測力保持嚴格的對應關系，實際上就是保證在測力傳感器受力時，彈性體上貼片部位的應力（應變）要按照某一規律分布。在實際應用中，對于彈性體貼片部位應力（應變）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彈性體受力的大小不變時，力的作用點發生變化或彈性體與其相鄰的加載構件和承載構件的接觸條件發生變化。如果在彈性體結構設計時，未能考慮這一情況，就可能造成彈性體上應力（應變）分布的不規則變化。這方面最典型的實例是筒式測力傳感器（見圖1）。
當筒式測力傳感器上、下端面均勻受力時，在彈性體貼片部位的整個圓周上應力（應變）的分布是均勻的。當上、下兩個端面上受力情況發生變化后，力在兩個端面的作用情況不再是均勻分布的，這時彈性體貼片部位圓周上應力（應變）的分布情況就難以預料了。如果筒式測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力（應變）基本上還是均勻分布。但是，在實際應用中，通常很少能為測力傳感器提供較大的安裝空間位置，因而筒式測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力（應變）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力（應變）與被測力不能保持嚴格的對應關系，將造成明顯的測力誤差。
為了減小由于彈性體受力條件的變化引起的測力誤差，有些傳感器設計者采取在筒式測力傳感器彈性體上增加貼片數量的方法，盡可能將彈性體上貼片部位圓周上應力（應變）分布不均勻的情況測量出來。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力誤差。但這種方法畢竟是一種被動的方法，增加的貼片數量總是有限的，還是很難把彈性體上貼片部位圓周上應力（應變）分布不均勻的情況全部測量出來，測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力誤差的實質是彈性體貼片部位圓周上的應力（應變）的不規則分布，如果能使彈性體貼片部位圓周上的應力（應變）分布受到一定條件的約束，迫使貼片部位的應力（應變）按照某一規律分布，因而使得彈性體貼片部位的應力（應變）與被測力基本保持嚴格的對應關系，由此來減小因彈性體受力條件的變化引起的測力誤差。
對于筒式測力傳感器來說，在承載強度足夠的條件下，如果將彈性體貼片部位圓周上不貼片的部位挖空（見圖2），使得應力只能在未挖空的部位分布，大大改善了應力（應變）不規則分布的情況。或者說，應力（應變）的不規則分布僅僅限于未挖空的部位，并且其不規則分布的程度不會很大。因此，在未挖空的部位粘貼電阻應變片，就能使測得的應力（應變）與被測力基本保持嚴格的對應關系。
上述處理方法實際上出于這樣一個原理：通過某種措施，使彈性體上的應力（應變）集中分布在便于貼片檢測的部位，實現測得的應力（應變）與被測力基本保持嚴格的對應關系，以保證傳感器的測力精度。
作者曾用上述方法對筒式測力傳感器進行改進。改進前的普通筒式傳感器測力誤差大于1%F.S.，改進后（局部挖空）的筒式傳感器測力誤差為0.1~0.3%F.S.，測力精度明顯提高。
三、提高應力（應變）水平的應力集中原則
若要測力傳感器達到較高的靈敏度，通常應該使電阻應變片有較高的應變水平，即在彈性體上貼片部位應該有較高的應力（應變）水平。
實現彈性體上貼片部位達到較高應力（應變）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力（應變）水平；
（2）在貼片部位附近對彈性體進行局部削弱，使貼片部位局部應力（應變）水平提高，而彈性體其它部位的應力（應變）水平基本不變。
以上兩種方法都可以提高貼片部位的應力（應變）水平，但對彈性體整體性能而言，局部削弱彈性體的效果要遠好于整體減小彈性體尺寸。因為局部削弱彈性體既能提高貼片部位的應力（應變）水平，又使得彈性體整體保持較高的強度和剛度，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力（應變）水平的原理是：通過局部削弱彈性體，造成局部的應力集中，使得應力集中部位的應力（應變）水平明顯高于彈性體其它部位的應力水平，將電阻應變片粘貼于應力集中部位，就可以測得較高的應變水平。
局部應力（應變）集中的方法在測力傳感器的設計中經常被采用，尤其在梁式測力傳感器（如彎曲梁式和剪切梁式測力傳感器）的彈性體設計中被廣泛應用。局部應力（應變）集中方法應用較為成功的當數剪切梁式測力傳感器。剪切梁式測力傳感器是通過檢測梁式彈性體上的剪應力（剪應變）實現測力的，其彈性體的結構如圖3所示（為了便于說明問題，這里僅以一簡支梁式的彈性體為例）。
由材料力學中有關梁的應力分布知識可知，當梁承受橫向（彎曲）載荷時，在梁的中性層處剪應力（剪應變）最大。如果要檢測梁上的剪應變，應該在梁的中性層處貼片。為了提高貼片處的剪應力（剪應變）水平，可將彈性體兩側各挖一個盲孔（見圖3的2處），盲孔的中心應在中性層處。電阻應變片應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。
對于梁形構件來說，其彎曲強度是主要矛盾。在一個梁滿足彎曲強度的情況下，剪切強度一般裕量較大。當在中性層附近挖盲孔后，該截面上腹板上的剪應力（剪應變）明顯提高，然而該截面上的彎曲應力提高很小。因此，剪切梁式彈性體應用局部應力集中方案后，被檢測的剪應變大大提高，使該測力傳感器的靈敏度顯著提高，而對整個梁的彎曲強度影響很小，使整個梁保持了良好的強度和剛度。
四、小結
在測力傳感器的設計過程中，如能自覺地按照上述兩種應力集中的原則，對彈性體進行結構設計，就能夠收到提高測力傳感器的測力精度和測力靈敏度的良好效果。靈活、恰當地運用應力集中的原則，對于設計和生產高性能的測力傳感器具有重要的實用意義。
參考文獻
[1].劉鴻文主編，《材料力學》，高等教育出版社，1979年
PrinciplesofConcentratingStressintheDesignofLoadCells
Abstract:Thispaperintroducestwoprinciplesofconcentratingstress,whichareusually
usedinthedesignofloadcells.Accordingtotheprinciplestheelasticbodiesofloadcells
關鍵詞：傳感器；AD轉換；控制器；硬件電路
引言
隨著微電子工業的迅速發展，單片機控制的智能型控制器廣泛應用于電子產品中，為了使學生對單片機控制的智能型控制器有較深的了解。經過綜合分析選擇了由單片機控制的智能型液位控制器作為研究項目，通過訓練充分激發學生分析問題、解決問題和綜合應用所學知識的潛能。另外，液位控制在高層小區水塔水位控制，污水處理設備和有毒，腐蝕性液體液位控制中也被廣泛應用。通過對模型的設計可很好的延伸到具體應用案例中。
一、系統設計方案比較說明
對于液位進行控制的方式有很多，而應用較多的主要有2種，一種是簡單的機械式控制裝置控制，一種是復雜的控制器控制方式。兩種方式的實現如下：
(1)簡單的機械式控制方式。其常用形式有浮標式、電極式等，這種控制形式的優點是結構簡單，成本低廉。存在問題是精度不高，不能進行數值顯示，另外很容易引起誤動作，且只能單獨控制，與計算機進行通信較難實現。
(2)復雜控制器控制方式。這種控制方式是通過安裝在水泵出口管道上的壓力傳感器，把出口壓力變成標準工業電信號的模擬信號，經過前置放大、多路切換、AD變換成數字信號傳送到單片機，經單片機運算和給定參量的比較，進行PID運算，得出調節參量；經由DA變換給調壓變頻調速裝置輸入給定端，控制其輸出電壓變化，來調節電機轉速，以達到控制水箱液位的目的。
針對上述2種控制方式，以及設計需達到的性能要求，這里選擇第二種控制方式，同時考慮到成本需要把PID控制去掉。最終形成的方案是，利用單片機為控制核心，設計一個對供水箱水位進行監控的系統。根據監控對象的特征，要求實時檢測水箱的液位高度，并與開始預設定值做比較，由單片機控制固態繼電器的開斷進行液位的調整，最終達到液位的預設定值。檢測值若高于上限設定值時，要求報警，斷開繼電器，控制水泵停止上水；檢測值若低于下限設定值，要求報警，開啟繼電器，控制水泵開始上水。現場實時顯示測量值，從而實現對水箱液位的監控。
二、工作原理
基于單片機實現的液位控制器是以AT89C51芯片為核心，由鍵盤、數碼顯示、AD轉換、傳感器，電源和控制部分等組成。
工作過程如下：水箱(水塔)液位發生變化時，引起連接在水箱(水塔)底部的軟管管內的空氣氣壓變化，氣壓傳感器在接收到軟管內的空氣氣壓信號后，即把變化量轉化成電壓信號；該信號經過運算放大電路放大后變成幅度為0～5V標準信號，送入AD轉換器，AD轉換器把模擬信號變成數字信號量，由單片機進行實時數據采集，并進行處理，根據設定要求控制輸出，同時數碼管顯示液位高度。通過鍵盤設置液位高、低和限定值以及強制報警值。該系統控制器特點是直觀地顯示水位高度，可任意控制水位高度。
三、硬件設計
液位控制器的硬件主要包括由單片機、傳感器(帶變送器)、鍵盤電路、數碼顯示電路、AD轉換器和輸出控制電路等。
3.1單片機
單片機采用由Atmel公司生產的雙列40腳AT89C51芯片。
3.2傳感器
傳感器使用SY一9411L—D型變送器，它內部含有1個壓力傳感器和相應的放大電路。壓力傳感器是美國SM公司生產的555—2型OEM壓阻式壓力傳感器，其有全溫度補償及標定(O～70℃)，傳感器經過特殊加工處理，用堅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。水箱水位高度發生變化時，引起軟管內氣壓變化，然后傳感器把氣壓轉換成電壓信號，輸送到AD轉換器。
3.3鍵盤電路
P1口作為鍵盤接口，連接一個4×4鍵盤。
3.4液位顯示電路
液位顯示采用數碼管動態顯示，范圍從0～999(單位可自定)，選擇的數碼管是7段共陰極連接，型號是LDSl8820。在這里使用到了74LS373，它是一個8位的D觸發器，在單片機系統中經常使用，可以作地址數據總線擴展的鎖存器，也可以作為普通的LED的驅動器件，由于單獨使用HEF4511B七段譯碼驅動顯示器來完成數碼管的驅動顯示，因此74LS373在這里只用作擴展的緩沖。
3.5AD轉換電路及控制輸出
AD轉換電路在控制器中起主導作用，用它將傳感器輸出的模擬電壓信號轉換成單片機能處理的數字量。該控制器采用CMOS工藝制造的逐步逼近式8位AD轉換器芯片ADC0809。在使用時可選擇中斷、查詢和延時等待3種方式編制AD轉換程序。控制輸出主要有上下限狀態顯示、超限報警。另外在設計過程中預留了串行口，供進一步開發使用。
四、軟件設計
4.1鍵盤程序
由于鍵盤采用的是4×4結構，因此可使用的鍵有16個，根據需要分別定義各鍵，0～9號為數字鍵，10～15號分別是確定鍵、修改鍵、移位鍵、加減鍵、取消鍵和復位鍵。
值得注意的是，在用匯編語言編寫控制器程序時，相對會比較麻煩，如果用C語言編寫程序會簡單很多，這里就不再做具體說明。
五、結束語
基于單片機實現液位控制器模型設計的關鍵在于硬件電路的正確構建，只有在電路準確的前提下再進行軟件編程才能取得成功。
參考文獻：
[1]黃智偉.傳感器技術.2002，21（9）：31～33
知識與技能：通過實驗探究，知道磁敏傳感器的工作原理及應用；能分析、設計、制作簡單的磁敏傳感器．過程與方法：學生組裝和調試磁敏傳感器，經歷科學探究過程，學習科學研究方法，培養學生的實踐能力、團隊合作能力和創新思維能力．情感態度與價值觀：通過自己設計、制作簡單的磁敏傳感器，體驗科技創新的樂趣，體會到傳感器在生活、生產和科技中的理論意義和實踐意義，激發學習興趣．
2學習任務
任務1：制作防盜報警器．任務2：制作位置傳感器．任務3：制作模擬電梯關門控制電路。
3問題與方案
通過閱讀教材與實驗探究完成以下問題：（1）什么是霍爾效應及應用？（2）單、雙干簧管的檢測方法有哪些？（3）磁敏元件在控制電路中起什么作用？（4）用干簧管與霍爾開關設計、制作簡易的磁敏傳感器．能畫出方案圖并說出工作過程．
4探究過程
4.1熟悉器材
具體器材如下：磁敏元件，穩壓電源，負載［電位器、定值電阻、12V或6V直流電動機、蜂鳴器、小燈泡、SRD－05V或JZC－23F（12V）的直流電磁繼電器］，MF－47型萬用表，DT830B型數字萬用表，邏輯非門74LS14或74LS04，三極管（S9013，S9018，S8050等），面包板等．
4.2實驗探究
4.2.1制作防盜報警器
利用干簧管、電磁繼電器、霍爾開關、非門的特點進行設計．所做的作品和市場銷售的“門磁”相同，靈敏度高，簡單實用，形象、直觀地演示了磁敏傳感器工作原理及磁控開關的應用．（1）干簧管與繼電器制作的防盜報警器，小燈泡為“6．3V，0．15A”，根據負載選取電源電壓，J和Ja是5V繼電器，J為線圈，Ja為常閉觸點．將小磁鐵嵌入在活動門的上方邊緣上，將常開干簧管嵌入在門框內，讓兩者相對靠近，即門處于關閉狀態，此時干簧管內兩簧片閉合．接通電路，繼電器線圈得電，常閉觸點Ja動作斷開，工作電路不接通；當有人開門時，磁鐵與干簧管遠離，兩簧片斷開，線圈失電，Ja觸點釋放復位閉合，工作電路接通，蜂鳴器發聲報警，紅燈亮．（2）干簧管與非門制作的防盜報警器，采用74LS04非門，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，再調試電位器R，當其阻值在1～2kΩ時，蜂鳴器發聲報警，然后用小磁體靠近干簧管，報警聲停止．本電路工作過程為：當門關閉時，永磁體使干簧管接通，非門輸入端A與電源負極相接，處于低電平，則輸出端Y為高電平，蜂鳴器不發聲；當開門時，沒有磁場作用，干簧管不通，非門輸入端A高電平，則輸出端Y低電平，蜂鳴器通電發聲報警．（3）制作霍爾防盜報警器，R為5kΩ電位器（或電阻箱），采用74LS04非門，首先按圖將元件接插在面包板上，接通5V電源，調試電位器，當R為2～4kΩ時，蜂鳴器發出報警聲，再將小磁鐵靠近霍爾開關平面，報警聲立刻停止．本作品在生活中應用是：將小磁鐵固定在門的上方邊緣上，將霍爾開關固定在門框的邊緣上，讓兩者靠近，即門處于關閉狀態，霍爾開關輸出為低電平，非門輸出端Y為高電平，蜂鳴器達不到工作電壓不報警；當門被撬開時，霍爾開關輸出為高電平，非門輸出端Y為低電平，蜂鳴器接通發出報警聲．
4.2.2制作干簧管位置傳感器（自動停車的磁力自動控制電路）
用于玩具車接近磁鐵時自動切斷電源的自動控制電路，電源電壓3～4．5V，R為200～500Ω電阻，M為6V直流電動機，VT為三極管9013，8050，9012等．開啟電源開關S，三極管VT基極有偏置電流，VT處于飽和導通狀態，玩具直流電動機M轉動．當磁鐵靠近H時，觸點閉合，將基極偏置電流旁路，VT截止，電動機停止轉動，保護了電動機及避免了大電流放電．
4.2.3制作模擬電梯關門控制電路
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，調試電位器，當R2阻值達到8～10kΩ，R1達到2．2kΩ，電流達到45mA時，用磁鐵靠近霍爾開關，電流達到50mA時再微調R2與R1，電流稍高于50mA時，線圈得電，觸點動作，電動機轉動，綠燈亮；磁鐵離開時，電動機停轉，綠燈熄滅，同時紅燈亮，蜂鳴器發聲報警．模擬了電梯門關閉時，電梯才能運行，不關閉時紅燈亮，蜂鳴器報警，此電路靈敏度高、可操作性強。
5探究結果
關鍵詞：虛擬儀器，力傳感器，標定
1 引言
力傳感器是目前廣泛使用的傳感器，在長期使用過程中，由于使用環境、本身結構的變化，需要對其進行標定，以此保證測量的精度。近年來，隨著虛擬儀器技術的出現和發展，越來越多的技術人員開始基于該技術來開發自動化測量設備。博士論文，標定。虛擬儀器是基于計算機的儀器。計算機和儀器的密切結合是目前儀器發展的一個重要方向[1]。而在眾多的虛擬儀器開發平臺中，美國國家儀器公司（NI）的LabVIEW應用最為廣泛。本文主要介紹了基于LabVIEW的力傳感器標定程序的設計。
2 標定的原理
所謂標定（或現場校準）[2]就是指用相對標準的量來確定測試系統電輸出量與物理輸入量之間的函數關系的過程。標定是測試中極其重要的一環。標定除了能夠確定輸入量和輸出量之間的函數關系之外，還可以最大限度地消除測量系統中的系統誤差。
傳感器的校準采用靜態的方法，即在靜態標準條件下，采用一定標準等級（其精度等級為被較傳感器的3~5倍）的校準設備，對傳感器重復（不少于3次）進行全量程逐級加載和卸載測試，獲得各次校準數據，以確定傳感器的靜態基本性能指標和精度的過程。為簡化系統的設計，此處標準量采用砝碼加載的方式獲得。
3 系統組成
3.1硬件組成
系統的硬件組成如圖1所示：
圖1 系統硬件組成
由圖可以看出，系統主要包括計算機、力傳感器，數據采集卡、接線盒等。本系統中，力傳感器采用電阻應變式壓力傳感器，四個應變片采用全橋的工作方式。數據采集卡采用NI公司的PCI-6221，該采集卡的主要參數如下：它具有16個模擬輸入端口，2個模擬輸出端口，24個數字輸入輸出端口，采樣速率最高可達到250kS/s。接線盒采用NI公司的SC-2345，此接線盒直接與數據采集卡相連，接線盒上有SCC信號調理模塊插座。SCC模塊是NI公司提供的信號調理模塊，其上面包含信號調理電路，可以將傳感器處采集的信號轉換成適合數據采集卡讀取的信號。本系統所用的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變式壓力傳感器。
3.2軟件組成
本系統軟件基于LabVIEW 8.2來開發。LabVIEW是一種圖形化的編程語言。博士論文，標定。博士論文，標定。與其他開發工具不同，用LabVIEW編程的過程不是寫代碼，而是畫“流程圖”。這樣可以使用戶從煩瑣的程序設計中解放出來，而將注意力集中在測量等物理問題本身。它主要針對各個領域的工程技術人員而設計，非計算機專業人員[1]。博士論文，標定。
因為所用的力傳感器屬于應變式電阻傳感器，其電阻變化率與應變可以保持很好的線性關系，即輸入與輸出量之間呈線性關系，所以可以用一條直線對校準數據進行擬合。此直線就稱為擬合直線，所求得的方程為擬合方程。圖2所示為傳感器標定程序的采樣頁面。
此程序采用LabVIEW的事件驅動編程技術進行編制的。事件[3]是對活動發生的異步通知。事件可以來自于用戶界面、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行保持同步。事件允許用戶每當執行某個特定操作時執行特定的事件處理分支。
圖2 標定程序采樣頁面
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、平均選點法、斷點法等等。其中，最小二乘法精度比較高，此處利用它進行直線擬合。根據最小二乘法，假定是一組測量值，是相應的擬合值，mse為均方差，則擬合目標可以表達為，期望mse最小。
LabVIEW中的分析軟件庫提供了多種線性和非線性的曲線擬合算法，例如線性擬合、指數擬合、通用多項式擬合等等。本程序選擇Linear Fit.Vi 來實現最小二乘法線性擬合。
標定子程序的工作流程如下：用戶先通過多次采樣，獲得各個輸入量對應的輸出量，通過While循環的移位寄存器保存這些值。博士論文，標定。采樣完成后，把這些值輸入Linear Fit.Vi進行擬合，擬合的曲線在Graph控件中顯示出來，同時該Vi自動求出方程y=ax+b中的斜率a和截距b，這樣，輸入輸出量之間的函數關系就可以確定下來了，如圖4所示。
圖4 標定程序擬合前面板
4 小結
基于虛擬儀器的力傳感器標定程序能夠方便地對力傳感器進行標定。博士論文，標定。該系統具有人機界面友好，靈活方便，自動化程度高等特點。
參考文獻：
【1】.候國屏;王珅;葉齊鑫.LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設計[M].清華大學出版社.2005
【2】.張迎新等.非電量測量技術基礎[M].北京航空航天大學出版社，2001
【3】.NationalInstrumentsCorporation.LabVIEWHelp[CD].ni.com/china,2008
關鍵詞：角度傳感器，C8051F005單片機，角度預置，步進電機，顯示聯動
0.引言：
傳感器在現代信息技術中有著舉足輕重的地位，傳感器為系統提供進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的性能，本設計采用以單片機為控制單元，用單軸傾角傳感器檢測平衡板傾斜角度，采取步進電機控制平衡板角度自動旋轉目的。
1.硬件電路設計
角度傳感器硬件連接圖如圖1所示，當步進電機帶動平衡板傾斜到使角度傳感器SCA60C處于水平位置時，Vo端輸出+0.5V的模擬電壓。傳感器SCA60C僅可精確檢測到0~90度的角度范圍，當平衡板轉到使角度傳感器與水平面成90度的角度時，此時Vo端輸出+5V的模擬電壓。在0~90度的傾角范圍內，Vo端輸出的是正比于傾角大小的+0.5~+5V的模擬電壓信號，當平衡板轉動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，輸出端Vo輸出的是從+5V依次變化到+0.5V 的模擬電壓信號[1][2]，因此通過測定傳感器SCA60C輸出端Vo電壓的大小即可確定平衡板與水平面的夾角。
步進電機驅動電路的設計本系統中，我們選擇4相5線步進電機，其驅動電路主要由L297+L298組成，該驅動電路集驅動與保護于一體。L297是脈沖分配器，只要步進電機A、B、C、D四項依次連接到J1的1、2、3、4各點，且將剩下的一條線接地，L297就會自動的將輸入到端口CW/CCW的脈沖分配給步進電機的各個相序，此時步進電機便可轉動[3][4]。控制電機時只需單片機通過I/O口向L297的cw/ccw和clock端發送控制信號即可控制它的轉速和正反轉。驅動電路原理如下圖2。論文參考。論文參考。
圖1角度傳感器硬件連接圖圖2步進電機驅動電路原理圖
本系統主要由主控制器模塊、角度檢測模塊、A/D轉換模塊、鍵盤模塊和顯示器模塊等部分組成，系統連接圖如圖3所示：
圖3系統框圖
系統分為兩個工作模式，工作于模式一時，可通過鍵盤模塊預置一個角度，主控制器接收到此信息后，通過控制電機控制模塊來使角度檢測模塊做出轉動動作以使平衡板按輸入角度完成傾斜動作。同時，角度傳感器輸出的模擬量經A/D轉換模塊轉換后送入主控制器，主控制器據此輸入判定平衡板是否已傾斜到預置的角度，并據此來控制電機控制模塊，并且主控制器模塊通過控制顯示模塊實時的顯示平衡板的傾斜角度。通過按鍵模塊可將系統切換到模式二，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容與平衡板聯動，兩種工作可通過按鍵來切換。系統使用c8051f00作為控制核心，128*64作為顯示器，4*4鍵盤來輸入需要預置的角度。程序具有角度預置和自動尋找平衡點兩種模式，根據不同需要選擇，具有友好人機界面，操作簡單易懂。軟件流程圖如下圖4所示：
圖4 程序流程圖
2.系統測試與分析
表1系統性能測試
基本要求測試 發揮部分測試 輸入角度大小 平衡時角度 誤差 起始傾斜角度 平衡時角度 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
關鍵詞：無線傳感器網；理論課程教學；自制實驗平臺；實驗項目
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
無線傳感器網近年來成為IT領域的研究熱點[1]。2009年8月，總理提出盡快建立“感知中國”中心，促進我國無線傳感器網技術與產業的發展。無線傳感器網是物聯網的技術核心，2010年7月20日，教育部向社會公布了2011年全國各高校140個本科新專業詳細名單，其中“物聯網工程”專業占據30個，高居榜首。無線傳感器網是物聯網專業骨干課程之一，也是一門新課程。我們對該課程的教學方法作了些探索性的改革。
1 目前存在的問題
物聯網作為新專業有新的建設和教學思想[2]。而無線傳感器網作為新興行業的新課程，其理論基礎要求高，應用性也要強，因而給教學帶來新的挑戰。存在的主要問題有：
(1)教學內容涉及廣與系統性教學的矛盾。無線傳感器網是一門應用性和理論基礎要求都很強的課程。該課程所講述的網絡是一種集成創新型技術，同時理解和運用好該技術需要一定理論基礎。它所涉及的內容廣泛，需要多方面計算機基礎理論知識，且涵蓋面廣，包括概率論、圖論、高等數學、隨機過程等。同時，它涉及單片機編程、電子線路、無線電發射等多方面硬件知識。而這門課程的傳授對象是研究生，研究生班的學生往往來自不同專業，讀研期間的主修專業也各不相同，而其導師所指導的研究方向更是千差萬別。因而，如何系統地講授這門課，同時又能滿足學生不同需求，將成為面臨的難題。
(2)理論教學與實驗教學的脫節。無線傳感器網是門全新課程，問題(1)中所述特點使得在理論與實驗教學兩個方面的任務既各有特色又繁重，造成這兩方面的教學任務難以平衡。由于它是一門新課程，可以借鑒的教學經驗并不多。而從橫向比較來看，類似應用性很強的課程，其教學方法一般單一地偏向理論教學或實驗教學。
(3)傳統單向性教學模式的不良影響。多年來，研究生教學模式一般都是單向性的，即教師教、學生學，缺乏真正的互動，難以培養學生的獨立思維，更難以激發其主動性和創造性。從學生角度來看，這種教學模式從中學一直延續到研究生階段，沒有讓學生充分參與到教學中來，使得學生的學習效果無法保證，學習的興趣也不高。這種長期的被動式參與教學，使得學生失去了主動性、獨立性和主導性，形成了不良的學習和科研習慣，最終導致研究生創造性的缺失[5]。
2 改革方法
我們在Seminar[4]教學方法的基礎上，讓學生充分參與教學，體會完成科研任務的獨立性和自主性。總體改革方法是教師導引，學生參與學、教、實驗設計與實現全過程，形成單向教學向理論教學與實驗互動、學生參與轉變。在設計該方法時，要充分考慮到所在高校的歷史與優勢，發揮其在電子電路設計、嵌入式編程等方面的堅實基礎與專業特色，觀察學院近幾年在無線傳感器網方面的發展速度，針對前一小節所提出的問題，給出相應的教學改革方法。
夯實基礎知識，劃分學習小組。本課程選擇的教材清華大學出版社出版、孫利民等編著的《無線傳感器網絡》為主教材，以劍橋大學出版社出版的Xiangyang Li的專著"Wireless Ad Hoc and Sensor Networks: Theory and Applications"為輔助教材。在掌握無線傳感器網絡這門課程的基礎知識的同時，根據學生所學專業和研究方向，將他們分為兩大組：理論組和應用組(如圖1所示)。對于理論組和應用組分別布置不同的課外作業。為此，筆者從計算機網絡、體系結構和應用技術領域的一些最新國際頂級會議上，如SigComm，MobiCom，SenSys，InfoCom等，選擇理論和應用兩類論文。其中，根據每名學生的指導教師對研究方向的要求，對所選論文進行較細致的篩選。在所選出的論文中，學生可以根據自己的興趣進行再選擇。當然，學生也可以從指定的學術會議論文集中選擇論文。這是一個有限定的雙向選擇過程，所選論文包含諸多無線傳感器網絡應用案例和科研實例。這些論文作為課外作業讓學生自己去研讀，而教師會從兩個組中分別隨機抽取部分學生，分兩個階段，即理論階段和應用階段，讓其上講臺宣講其所讀的論文。在宣講過程中，大家可以自由提問和討論，學生由此可以充分參與到教和學的兩個環節。課堂的自由討論，使得學生從傳統課程授課模式中的被動聽課變為主動參與，提高了學生對該課程的學習和參與興趣。為保證效率，教師對宣講和討論的時間做了限定，在討論的過程中也會做一些導引。
在兩個階段(理論階段和應用階段)開始之前，教師分別講授兩個階段的基礎知識，即理論基礎知識和應用基礎知識。由于所涉及的內容非常廣泛，講授一些入門知識，而對學生所要宣講論文的相關基礎知識要深入地講解。另外一個重要的組成部分是給學生講授獲取相關知識的技巧與途徑，例如如何使用圖書館資源及學術網站，如Google scholar，Citeseer等。
圖1 教學步驟圖
在上述過程中，理論組的學生偏重理解算法的原理，應用組的學生偏重算法實現所需的硬件運行原理和編程實現。筆者所在實驗室的主要研究方向之一是無線傳感器網絡，依托這個實驗室特點，在指導學生時采用TelosB傳感器節點，在TinyOS平臺上開發算法實現程序。
統分兼顧，學生自主。如圖1所示，在“理論(應用)基礎知識”階段中，通過讓學生自己閱讀學術論文，讓兩個組的學生分別對某一方面的理論知識有了具體了解，對無線傳感器網絡中的硬件原理也有了初步認識。在緊接著的“理論(應用)案例”階段中，從學生宣讀過的學術論文中挑選出幾篇經典的論文，它們有算法設計及其性能的理論分析，又有實驗設計與驗證。為此，根據先前的理論組和應用組劃分，以及所選經典論文，進一步將學生交叉分隊。一個分隊一般由5名學生組成：一名學生負責算法原理的解釋，兩名負責TinyOS編程和調試，一名負責數據采集與硬件平臺搭建，最后一名負責協調分隊整體工作并撰寫最終實驗報告。實際教學過程中，每隊學生人數和任務分配可以視情況做適當調整，例如，當理論組學生人數較多時，在每隊中負責算法原理解釋的學生可以適當增多。當分隊組建好以后，分給每名學生的任務以課外作業的形式完成。每個分隊的進度情況由該隊負責人以實驗報告的形式按階段提交給教師。同時，在協調學生完成作業的過程中，教師應逐個分析案例，這些案例中有涉及路由設計的，有涉及面向實際應用數據采集的，也有涉及網絡時延分析的，案例涵蓋面廣，以解決課程內容涉及廣的問題。
案例分析結束以后，進入實驗驗證或者仿真分析。在這個過程中，主要分以下幾個階段：實驗平臺的構建、實驗設計、實驗驗證及其實驗報告的撰寫。在這些過程中，學生不僅充分參與，而且在有些過程中，學生還起到主導的作用。實驗平臺的構建需要一定的科研經費支持，制作過程復雜，將在下文中闡述。在無線傳感器網絡的教學中，由于實驗條件限制，不一定都能搭建硬件平臺。另外，在教學中還發現，一個實驗平臺不能同時滿足多個分隊使用，而有些分隊的任務也不一定要在實驗平臺上進行。為此，讓部分有一定C/C++語言編程基礎的學生使用一個專門的網絡仿真平臺―OMNeT++[3]。
OMNeT++是一個面向對象的離散時間模擬器，由土耳其布達佩斯技術大學的Andras Varga等人設計。其內核源代碼完全開放，采用標準C++語言編寫，可以運行于Linux，Windows等幾乎所有支持標準C++的系統平臺上。它采用了一種搭積木式的建模方式，可以應用于任何離散事件系統的計算機模擬和仿真，包括模擬通信網絡的業務流，模擬通信協議的模型，排隊網絡，模擬多處理器和其他分布式系統。對于教學比較有利的是OMNeT++完全免費，有很多現成的模塊、框架和范例，相關資源可從其官方網站[3]免費下載。在教學過程中，部分學生使用該仿真軟件，完成了一些無線傳感器網絡中的案例，如消息洪泛案例仿真(如圖2所示)，目標追蹤案例仿真(如圖3所示)。在圖2，3中，灰色點和白色點表示傳感器節點，灰點表示已經接受到消息的節點；圖中間較大的點表示Sink節點；圖3左上角的黑色點表示目標。
圖2 消息洪泛仿真截圖 圖3 目標追蹤仿真截圖
自制實驗平臺，自己設計完成實驗，學生充分參與。需要實驗平臺驗證的分隊參與設計與構建了一個無線傳感器網絡平臺(如圖6所示)。該平臺高2米，寬4米，由200個自制TelosB節點(如圖4所示)、50個多接口Hub(如圖5所示)和一臺臺式機組成。2009和2010級部分研究生參與了該實驗平臺的設計與搭建。在該實驗平臺上驗證理論或應用案例的每個分隊，都自行設計、開發、調試實驗和相應的TinyOS程序。根據無線傳感器網絡這門課程教學的需要，以及學生科研和興趣的選擇，先后設計了6個實驗：時間同步、路由樹構建、基于非時間同步的通信時間調度、消息洪泛、主被動式追蹤、人物辨別。
圖4 自制TelosB傳感器節點 圖5 多接口Hub
圖6 200個節點組成的測試平臺
3 結束語
在整個教學過程中，總體教學思路是：從課程基礎知識開始，將學生分成兩類(理論類和應用類)；根據學生的興趣和科研需要，有重點地講解具體的理論和應用基礎知識；而后以國際頂級會議論文為素材，從具體案例著手，通過讓學生充分參與的方式誘導學生理解理論知識(如圖論、概率論、隨機過程等)是如何在無線傳感器網絡這個應用性技術中應用的，也讓他們體驗無線傳感器網絡中的算法是如何在實際實驗平臺上實現的。整個過程從基礎理論知識細化到具體理論知識，再到具體案例分析，循序漸進，有重點、系統性地講授了這門知識涉及面廣、結構較為龐雜的應用性課程。同時，在整個教學中，學生也從逐漸參與、充分參與到教和學中，到最后甚至在某些方面起到主導作用。新教學方法使得學生在研究生階段能夠體會從被動地學到主動地、獨立地完成一個完整的科研任務的轉變。這種轉變中蘊含著主動創新的種子，在長期的科研鍛煉中將會發芽結果。
參考文獻
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[3] OMNeT++ [N/OL].省略/.
關鍵詞：虛擬儀器，地磁場監測，分布式測量，電子郵件
1、前言
地磁場的異常波動是發生地震的重要征兆，對地磁場異常的監測可以為地震預報研究提供重要的數據資料 [1]。
虛擬儀器技術是利用編程軟件，按照測量原理,采用適當的信號分析與處理技術,編制具有測量功能的程序就可以構成相應的測試儀器[2],降低了儀器的開發和維護費用,縮短了技術更新周期，顯著提高了儀器的柔性和性價比[3]。
2、硬件結構
分布式地磁場異常監測系統總體結構如圖1所示。磁場傳感器通過RS232串口將計算出的地磁場方位值前期數據發送給電腦1，電腦1上的虛擬儀器軟件完成對信號的讀取、計算、分析、顯示、存儲等并通過電子郵件將相關數據傳送給遠端的電腦2。
3、軟件設計
3.1、軟件的總體功能
如圖2所示，監測系統主要有數據采集模塊、顯示模塊、磁場異常報警模塊、數據處理模塊、數據保存模塊、電子郵件發送模塊等組成。
3.2、軟件前面板
前面板如圖3所示,主要分為3個模塊:通信參數設置模塊、監測結果顯示及保存模塊、異常報警模塊等。論文參考，電子郵件。論文參考，電子郵件。設置的通信參數主要有與傳感器通信時的波特率、數據位、數據文件保存的位置、軟件異常及地磁異常時發送電郵的收發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、地磁場方位值的計算
地磁場方位值計算模塊如圖4所示，將VISA讀取控件緩沖區中的字符串數組讀出，截取其中第9和第10個元素，進行數制、進制轉換得到地磁場方位值，接到前面板進行顯示。論文參考，電子郵件。論文參考，電子郵件。
圖4 方位值計算模塊
3.4異常報警
將當前時刻的方位值與正常方位值相比較，如果相差5度，即認為是地磁場的異常波動，報警指示燈亮，發出報警音，同時啟動郵件發送模塊。
3.5 數據保存模塊
調用日期/時間字符串控件，讀取windows日期時間，和地磁場方位值一起寫入指定目錄的txt文件中。當地磁場異常時，觸發磁場異常邏輯為真，寫入文件控件將從此時刻開始5秒內的時間值、地磁場方位值寫入txt文件中。
圖5 郵件發送第一幀
圖6 郵件發送第二幀
3.6 郵件發送
4.實驗
如圖7所示，實驗方法為:將傳感器與電腦1串口相連，通過虛擬儀器軟件監測地磁場的異常情況，當地磁發生異常或接收傳感器數據異常時，電腦1上的監測軟件報警，并把異常數據記錄到數據文件中，同時通過電子郵件模塊向指定信箱發送指定格式郵件，監測者在電腦2上查看相關異常郵件。做法是轉動傳感器使其與地磁場磁北指向夾角為200°，用一塊磁鐵沿著與傳感器指向垂直的方向自遠及近靠近后又自近及遠離開傳感器，記錄下整個過程磁鐵與傳感器距離、地磁場方位值、異常情況及郵件接收情況。實驗結果如表1所示。
反復實驗表明，監測軟件準確地記錄下了磁鐵靠近傳感器的過程中該處磁場的變化情況，且當地磁異常時電腦2及時地接收到了相關異常數據郵件。
表 1模擬干擾地磁場實驗
關鍵詞：傳感器，發展，新趨勢
作為模擬人體感官的“電五官”（傳感器）是獵取所研究對象信息的“窗口”，它為系統提供賴以進行處理和決策所必須的對象信息，它是高度自動化系統乃至現代尖端技術必不可少的關鍵組成部分。未來的社會，將是充滿傳感器的世界。有人認為支配了傳感器技術，就能把握住新時代。因此，傳感器技術是21世紀人們在高新技術發展方面爭奪的一個制高點，各發達國家都將傳感器技術視為現代高新技術發展的關鍵。從20世紀80年代起，日本就將傳感器技術列為優先發展的高新技術之首，美國等西方國家也將此技術列為國家科技和國防技術發展的重點內容，我國從20世紀80年代以來也已將傳感器技術列入國家高新技術發展的重點。21世紀是人類全面進入信息化的時代，作為現代信息技術的三大支柱之一的傳感器技術必將有長足的發展。
“電五官”落后于“電腦”的現狀，已成為新型計算機的進一步開發和應用的一大障礙，傳感器的發展遠遠不能滿足計算機應用和開發的需要；許多有競爭力的新產品開發和卓有成效的技術改造，都離不開傳感器。如：工廠自動化中的柔性制造系統（FMS）、計算機集成制造系統（CIMS）、幾十萬千瓦的大型發電機組、連續生產的軋鋼生產線、無人駕駛的自動化汽車、多功能裝備指揮系統、直至宇宙飛船或各種探測器等等，其開發與傳感器密不可分；傳感器的應用提高了機器設備的自動化程度，提高了產量和質量，產生了巨大的經濟效應。同時，推動了科學技術的進步，促進了生產力的發展，產生了巨大的社會效應；傳感器普及于社會各個領域，從茫茫太空到浩瀚海洋、從各種復雜的工程系統到日常生活的衣食住行，將造成良好的銷售前景。這些都是傳感器技術發展的強大動力，隨著現代科學技術，特別是大規模集成電路技術的飛速發展和電腦的普及，傳感器在新的技術革命中的地位和作用將更為突出，一股競相開發和應用傳感器的熱潮已在世界范圍內掀起。
目前的傳感器，無論在數量上、質量上和功能上，遠遠不適應社會多方面發展的需要。當前，人們在充分利用先進的電子技術條件，研究和采用合適的外部電路以及最大限度地提高現有傳感器的性能價格比的同時，正在尋求傳感器技術發展的新途徑。特別是電子設計自動化（EDA）、計算機輔助制造（CAM）、計算機輔助測試（CAT）、數字信號處理（DSP）、專用集成電路（ASIC）及表面貼裝技術（SMT）等技術的發展，極大地加速了傳感器技術的發展。下面探討傳感器發展的新趨勢：
1．開發新型傳感器
鑒于傳感器的工作機理是基于物理學、化學等各種效應和定律，由此啟發人們進一步探索具有新效應的敏感材料，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。目前發展最迅速的新材料是半導體、陶瓷、光導纖維、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技術研制成功高溫超導磁傳感器，是傳感器技術的重大突破。其靈敏度比霍爾器件高，僅次于超導量子干涉器件，而其制造工藝遠比超導量子干涉器件簡單。它可用于磁成像技術，具有廣泛推廣價值。此外，當前控制材料性能的技術已取得長足的進步，不久的將來人們將可按照傳感要求來合成所需的材料。其中，利用量子力學諸效應研制的高靈敏閾傳感器，用來檢測極微信號，是傳感器發展的新方向之一。
2．結構型傳感器的發展
結構型傳感器主要向高穩定性、高可靠性和高精度方向發展。論文參考。目前，結構型傳感器在國防和工業控制等領域還大量使用，但其在原理、材料和結構形式等方面都不斷發生變化，并且向有源化方向發展，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。結構型傳感器由于采用新結構、新材料和新工藝，可大幅提高傳感器的性能。如采用微細加工技術（半導體技術中氧化、光刻、擴散、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電路的集成化。前者是在同一芯片上，或將眾多同一類型的單個傳感器件集成為一維線型、二維陣列（面）型傳感器，使傳感器的檢測參數由點到面到體多維圖像化，甚至能加上時序，變單參數檢測為多參數檢測；后者是將傳感器與調理、補償等電路集成一體化，使傳感器由單一的信號變換功能，擴展為兼有放大、運算、干擾補償等多功能——實現了橫向和縱向的多功能。如日本豐田研究所開發出同時檢測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，即可同時快速檢測出其中Na+、K+和H+的濃度，對醫院臨床非常方便實用。
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，利用微機械加工技術在單晶硅上加工出各種彈性元件。當今，發達國家正在把傳感器與電路集成在一起進行研究。
4．傳感器的智能化
將傳統的傳感器和微處理器及相關電路組成一體化的結構，就是傳感器的智能化。智能傳感器具有自校準、自補償、自診斷、數據處理、雙向通信、信息存儲和記憶、數字信號輸出等功能。智能傳感器按其結構分為模塊式、混合式和集成式三種。模塊式智能傳感器是初級的，是由許多互相獨立的模塊組成，其集成度不高、體積較大，但比較實用；混合式智能傳感器是將傳感器、微處理器和信號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型而被廣泛應用；集成式智能傳感器是將一個或多個敏感元件與微處理器、信號處理電路集成在同一芯片上，其結構一般是三維器件（立體器件），具有類似于人的五官與大腦相結合的功能，并且智能化程度隨著集成化程度的提高而不斷提高。如美國圖尼爾公司的ST—3000型智能傳感器，采用半導體工藝，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、執行器和通信/接口單元等組成。它可從需要觀測與控制的對象中獲取光、聲、壓力、溫度等信息，轉換成電信號并要求處理、提取信息，通過執行器對目標實施控制或顯示；同時，系統通過通信/接口單元以光、電或磁的形式與其它微系統保持信息聯系。
今后,隨著傳感器技術的發展,還將研制出更高級的集成式智能傳感器,它完全可以做到將檢測、邏輯和記憶等功能集成在一塊半導體芯片上。同時，冷卻部分也可以制作在立體電路中，利用帕耳帖效應使電路進行冷卻。目前，集成式智能傳感技術正在起飛，它勢必在未來的傳感器技術中發揮重要的作用。
5．傳感器的虛擬化和網絡化
5．1虛擬化。自20世紀90年代以來，一種全新概念“虛擬化”正獲得愈來愈廣泛的應用。虛擬傳感器是傳感器、計算機和軟件這三者的有機結合，構成軟硬結合、實虛共體的新一代傳感器。這種傳感器是基于計算機平臺并且完全通過軟件開發而成，利用軟件來建立傳感器模型、標定參數及標定模型，以實現最佳性能指標。如美國B＆K公司最近已開發一種基于軟件設置的TEDS型虛擬傳感器，其主要特點是每只傳感器都有唯一的產品序列號并附帶一張軟盤，軟盤上存儲著該傳感器進行標定的有關數據。使用時，傳感器通過數據采集器接至計算機，首先從計算機輸入該傳感器的產品序列號，再從軟盤上讀出有關數據，然后自動完成對傳感器的檢查，傳感器參數的讀取、傳感器設置和記錄工作。此外，專供開發虛擬傳感器產品的軟件工具也已面市了。
5．2網絡化。網絡傳感器是包含數字化傳感器、網絡接口和處理單元的新一代智能傳感器。這里講的網絡已不限于傳感器總線，還應包括現場總線、局域網和因特網。數字傳感器首先將被測參數轉換成數字量，再送給微處理器做數據處理，最后將測量結果傳輸給網絡，以便實現各傳感器之間、傳感器與執行器之間，傳感器與系統之間的數據交換及資源共享。
6．研究生物感官，開發仿生傳感器
大自然是生物傳感器的優秀設計師。它通過漫長的歲月，不僅造就了集多種感官于一身的人類本身，而且還設計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（靈敏閾為人的10 倍）；鳥的視覺（視力為人的8～50倍）；蝙蝠、海豚的聽覺（主動型生物雷達——超聲波傳感器）；蛇的接近覺（分辯率達0.001℃的紅外測溫傳感器）等等.這些生物的感官性能,是當今傳感器技術所望塵莫及的.研究它們的機理,開發仿生傳感器（包括視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺傳感器等）,也是引人注目的方向。目前只有視覺與觸覺傳感器得到了比較好的發展。
傳感器技術在廣泛應用于工業自動化、軍事國防和以宇宙開發為代表的尖端科學與工程等重要領域的同時，正以自己的巨大 力，向著與人們生活密切相關的方面滲透。論文參考。現代科學技術的飛速發展以及社會對高性能、高適用性傳感器的迫切需要，極大地推動了傳感器技術的發展。生物工程、醫療衛生、環境保護、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。
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