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時(shí)間：2023-03-21 17:16:39
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隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，許多新的科學(xué)領(lǐng)域相繼涌現(xiàn)，其中微米/納米技術(shù)就是諸多領(lǐng)域中引人注目的一項(xiàng)前沿技術(shù)。20世紀(jì)90年代以來，繼微米/納米技術(shù)成功應(yīng)用于大規(guī)模集成電路制作后，以集成電路工藝和微機(jī)械加工工藝為基礎(chǔ)的各種微傳感器和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）脫穎而出，平均年增長(zhǎng)率達(dá)到30%。微機(jī)械陀螺是其中的一個(gè)重要組成部分。目前，世界各個(gè)先進(jìn)工業(yè)國(guó)家都十分重視對(duì)MMG的研究及開發(fā)，投入了大量人力物力，低精度的產(chǎn)品已經(jīng)問世，正在向高精度發(fā)展。
1微機(jī)械振動(dòng)陀螺儀的簡(jiǎn)要工作原理
陀螺系統(tǒng)組成見圖1，它由敏感元件、驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路和力反饋電路等組成。在梳狀靜電驅(qū)動(dòng)器的差動(dòng)電路上分別施加帶有直流偏置但相位相反的交流電壓，由于交變的靜電驅(qū)動(dòng)力矩的作用，質(zhì)量片在平行于襯底的平面內(nèi)產(chǎn)生繞驅(qū)動(dòng)軸Z軸的簡(jiǎn)諧角振動(dòng)。當(dāng)在振動(dòng)平面內(nèi)沿垂直于檢測(cè)軸的方向（X方向）有空間角速度Ω輸入時(shí)，在哥氏力的作用下，檢測(cè)質(zhì)量片便繞檢測(cè)軸（Y軸）上下振動(dòng)。這種振動(dòng)幅度非常小，可以由位于質(zhì)量片下方、淀積在襯底上的電容極板檢測(cè)，并通過電荷放大器、相敏檢波電路和解調(diào)電路進(jìn)行處理，得到與空間角速度成正比的電壓信號(hào)。
在科研及加工過程中，一個(gè)重要的內(nèi)容就是檢測(cè)陀螺儀的特性，如工作狀態(tài)諧振頻率、帶寬增益、Q值等，于是就提出了微機(jī)械慣性傳感器檢測(cè)平臺(tái)的研制任務(wù)。根據(jù)陀螺儀的工作原理，整個(gè)儀器包括兩大部分：驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生部分和表頭的輸出信號(hào)檢測(cè)部分。驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生部分對(duì)待測(cè)的慣性傳感器給予適當(dāng)?shù)尿?qū)勸信號(hào)，使傳感器處于工作狀態(tài)。信號(hào)檢測(cè)部分要求檢測(cè)出微小電容變化，經(jīng)過放大、解調(diào)處理后，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量采集到PC機(jī)中，分析輸出信號(hào)，以確定慣性表的特性。
2微電容檢測(cè)技術(shù)
在MMG檢測(cè)技術(shù)中，利用電容傳感器敏感試驗(yàn)質(zhì)量片在哥氏力作用下的振動(dòng)角位移，獲取輸入角速率信號(hào)。由于陀螺儀的尺寸微小，為了得到10°/h的中等精度，要求電容測(cè)量分辨率達(dá)到（0.01×10-15）～(1×10-18)法拉。因此，對(duì)于微機(jī)械加速度計(jì)和向機(jī)械陀螺儀來說，檢測(cè)試驗(yàn)質(zhì)量和基片之間的電容變化是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。目前在MMG中采用的微電容檢測(cè)方案有三種：開關(guān)電容前在MMG中采用的微電容檢測(cè)方案有三種：開關(guān)電容電路、單位增益放大電路和電荷放大電路。
2.1開關(guān)電容電路
其基本原理是利用電容的充放電將未知電容變化轉(zhuǎn)換為電壓輸出。該測(cè)量電路包括一個(gè)電荷放大器、一個(gè)采樣保持電路以及控制開關(guān)的時(shí)序，如圖2所示。
在測(cè)量過程中，先將未知電容（C1、C2）充電至已知電壓Vref，然后讓其放電。充、放電過程由一定時(shí)序控制，不斷重復(fù)，使未知電容總處于動(dòng)態(tài)的充放電過程。C1、C2連續(xù)地放電，電流脈沖經(jīng)過電荷放大器轉(zhuǎn)換為電壓。再經(jīng)過采樣保持器，得到輸出Vc。將公式ΔC=2C0·x/d0代入，可得電容檢測(cè)電路的傳遞函數(shù)為：
Vc/x=-[2VrefC0/Cfd0]
2.2單位增益放大器電路
AD公司與U.C.Berkeley聯(lián)合開發(fā)的ADXL50（5g的微機(jī)械加速度計(jì)）采用了單位增益放大電路。
圖3是單位增益放大器的等效電路。圖3中，Cp為分布電容，Cgs為前置級(jí)輸入電容，Rgs為輸入電阻。當(dāng)載波頻率在放大器的通頻帶以內(nèi)時(shí)，前置級(jí)輸入電阻可忽略不計(jì)。由圖3可午，前置級(jí)有用信號(hào)輸出為：
（Vs-Vout）jω（C0+ΔC）+(-Vs-Vout)jω（C0-ΔC）
=Voutjω(Cp+Cgs)+Vout/Rgs
Rgs∞
Vout=(2ΔC/2C0+Cp+Cgs)Vs
分布電容Cp約為10pF，
輸入電容Cgs約為1～10pF，一般都大于傳感器標(biāo)稱電容C0(1pF左右)?？梢钥闯?，它們的存在都極大地降低了電容檢測(cè)靈敏度。要提高電路靈敏度，就必須消除Cp、Cgs的影響，通常采用的措施等電位屏蔽。
2.3電荷放大器電路
電荷放大器電路如圖4所示。它采用具有低輸入阻抗的反相輸入運(yùn)算放大器。其中Cp表示分布電容，Cf為標(biāo)準(zhǔn)反饋電容，Rf用來為放大器提供直流通道，保持電路正常工作。應(yīng)選取Rf，使時(shí)間常數(shù)RfCf遠(yuǎn)大于載波周期，以避免輸出波形畸變。但Rf過大為今后電路集成帶來不便?？梢允褂眯∽柚档碾娮杞M成T型網(wǎng)絡(luò)，替代大阻值電阻。
若運(yùn)算放大器具有足夠的開環(huán)增益，反相輸入端為很好的虛地，那么，兩輸入端點(diǎn)之間的電位差為零。因此，反相輸入端對(duì)地的分布電容Cp和放大器的輸入電容Cgs對(duì)電路測(cè)量不會(huì)造成影響。電荷放大電路相對(duì)于單位增益放大電路來說，結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單，不需考慮等電位屏蔽問題；只需將雜散電容的影響轉(zhuǎn)化為對(duì)地的分布電容，即進(jìn)行合理的對(duì)地屏蔽，就能獲得較好的效果。
盡管在電荷放大電路中，可以忽略掉輸入電容及反相輸入端對(duì)地的分布電容，但是在檢測(cè)微小電容變化時(shí)，輸出還是有很大的衰。這是由放大器輸入輸出端分布電容Cio造成的。當(dāng)載波電壓頻率大于1/（2πRfCf）和小于放大器的截止頻率時(shí)，輸出電壓Vout應(yīng)該表示為：
Vout=-[(C1-C2)/（Cio+Cf）]Vs=-[(2ΔC)/Cio+Cf]]Vs
3檢測(cè)平臺(tái)的系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理
該系統(tǒng)的工作原理如圖5所示。對(duì)慣性傳感器施以適當(dāng)?shù)募?lì)信號(hào)后，傳感器的動(dòng)片即處于振動(dòng)狀態(tài)，上下極板間的電容發(fā)生周期變化，采用電荷放大器電路將該信號(hào)提取出來，經(jīng)交流放大、解調(diào)后通過A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字量采集到微機(jī)中，觀察傳感器的輸出響應(yīng)，為下一步利用軟件方法分析微機(jī)械慣性傳感器的時(shí)域、頻域特性打下基礎(chǔ)。
3.1激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器
根據(jù)微機(jī)械輪式振動(dòng)陀螺儀的工作原理，最多需要4路激勵(lì)信號(hào)。激勵(lì)信號(hào)為正弦波，每?jī)陕废辔幌喾础榱藴y(cè)量陀螺儀的頻率特性，需要不斷改變激勵(lì)信號(hào)的頻率。目前不同設(shè)計(jì)的陀螺儀諧振頻率在幾百赫茲到10千赫茲之間，激勵(lì)信號(hào)也需要在這個(gè)范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。另外，陀螺儀的驅(qū)動(dòng)力矩等于驅(qū)動(dòng)信號(hào)的交流分量與直流分量的乘積，所以還要施加正或負(fù)的直流偏置，使陀螺能處于正常工作狀態(tài)。交流相位和直流偏置組合見表1。
表1交流相位和直流偏置組合
直流偏置：++--交流信號(hào)：+-+-
一般的RC振蕩電路生成的正弦波頻率靠改變R、C值來調(diào)節(jié)，不能連續(xù)大范圍調(diào)節(jié)。所以，設(shè)計(jì)中采用數(shù)字方法合成模擬波形，其原理見圖6。圖6中8254為軟件可編程計(jì)數(shù)器。其包含3個(gè)獨(dú)立的16位計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)最高頻率可達(dá)8MHz，設(shè)計(jì)中輸入3MHz的時(shí)鐘，將2個(gè)計(jì)數(shù)器串連使用，這樣可以增加頻率控制范圍。8254產(chǎn)生的方波信號(hào)作為后面并行計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖輸入。并行計(jì)數(shù)器由2片74LS161組成8位二進(jìn)制循環(huán)計(jì)數(shù)器。74LS161計(jì)數(shù)到最大值時(shí)會(huì)自動(dòng)清零，重新開始計(jì)數(shù)，其輸出可作為E2PROM2817A的地址信號(hào)（即每個(gè)正弦周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)為256個(gè)）。2817A的數(shù)據(jù)讀取時(shí)間為150ns。設(shè)計(jì)電路時(shí)將它的片選和讀信號(hào)均設(shè)為有效，以提高數(shù)據(jù)讀取速度。D/A轉(zhuǎn)換采用DAC-08電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器。電路輸出時(shí)間85ns，放大器采用高速高精度運(yùn)放OP-37，同理，D/A轉(zhuǎn)換器的片選和轉(zhuǎn)換開始信號(hào)總為有效，其輸出跟隨輸入變化，提高轉(zhuǎn)換速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此信號(hào)發(fā)生器完全可以生成10kHz以內(nèi)可調(diào)頻的正弦波。而且使用可編程計(jì)數(shù)器8254，輸出正弦波的頻率可以用軟件方法調(diào)節(jié)。如果想輸出非正弦波形，只要修改E2PROM的數(shù)據(jù)，就可以輸出任意形狀的周期波形。
3.2低通跟蹤濾波器
數(shù)字信號(hào)發(fā)生器具有控制靈活的優(yōu)點(diǎn)，但是輸出信號(hào)不夠平滑，其中會(huì)有臺(tái)階波。在對(duì)信號(hào)要求比較高的場(chǎng)合，還需要進(jìn)行濾波。本設(shè)計(jì)中信號(hào)的頻率變化范圍很大：幾百赫茲到10千赫茲。為了進(jìn)一步提高信號(hào)質(zhì)量，采用AD633模擬乘法器構(gòu)成低通跟蹤濾波器，其原理如圖7。
通帶的截止頻率是由電壓Ec控制的，輸出是OUTPUTA，截止頻率：
fc=Ec/[(20V)πRC]
OUTPUTB處是乘法器的直接輸出端，截止頻率與RC濾波器相同：
f1=1/(2πRC)
這種濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒有開關(guān)電容，噪聲小，一般采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器控制Ec，控制通帶頻率也比較容易。
3.3交流放大器
微機(jī)械慣性傳感器在施加激勵(lì)信號(hào)后，即處于振動(dòng)狀態(tài)。傳感器有差動(dòng)微電容量變化C0+ΔC和C0-
ΔC。采用電荷放大器電路提取出ΔC，此電壓信號(hào)仍然很彈，需要進(jìn)一步放大處理，于是采用圖8所示的交流放大器。
交流放大器由4個(gè)放大倍數(shù)為-1、-2、-5、-10的運(yùn)算放大器級(jí)聯(lián)組成，進(jìn)一步放大被測(cè)信號(hào)，同時(shí)調(diào)整幅值以便適應(yīng)解調(diào)器的輸入。圖8中的開關(guān)選用ADG211模擬開關(guān)，通過控制模擬開關(guān)的開合，可以任意選擇某級(jí)或某幾級(jí)放大器參加工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)放大倍數(shù)正負(fù)1、2、5、10、20、50、100的整倍數(shù)調(diào)整。例如，將模擬開關(guān)S0、S2、S8、S13閉合，其他開關(guān)全部打開，交流放大器的總放大器數(shù)即為：（-1）×（-2）×（-10）=-20。
3.4數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
使用計(jì)算機(jī)總線，與外設(shè)之間必須有接口。本系統(tǒng)采用雙端口RAM作為數(shù)據(jù)緩存。先將信號(hào)采樣并存儲(chǔ)其中，然后成組地向主機(jī)傳送，從而有效地發(fā)揮了主、從、資源的效率，且設(shè)計(jì)也相對(duì)簡(jiǎn)單。
3.4.1系統(tǒng)工作原理
系統(tǒng)基本組成原理如圖9。主要有雙端口RAM、邏輯控制模塊、A/D轉(zhuǎn)換器組、計(jì)算機(jī)接口。機(jī)通過接口啟動(dòng)邏輯控制模塊后，CPU資源向其他請(qǐng)求開放，邏輯控制模塊發(fā)控制信號(hào)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器并進(jìn)行采樣，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果存入雙端口RAM。當(dāng)RAM中的數(shù)據(jù)達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，邏輯控制模塊向計(jì)算機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求。主機(jī)接到請(qǐng)求后進(jìn)入中斷服務(wù)程序，向邏輯控制模塊發(fā)出命令，決定是否繼續(xù)采樣，并將RAM內(nèi)的數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存。
3.4.2硬件設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)使用Cypress公司的CY7C136（2k×8bit）雙端口RAM。其兩個(gè)端口都有獨(dú)立的控制信號(hào)、片選CE、輸出允許OE和讀寫控制R/W。這組控制信號(hào)使得兩個(gè)端口可以像獨(dú)立的存儲(chǔ)器一樣使用。使用這種器件要注意當(dāng)兩個(gè)端口訪問同一個(gè)單元時(shí)，有可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)讀出結(jié)果不正確。解決這個(gè)問題的方法有兩個(gè)：一種是監(jiān)測(cè)busy信號(hào)輸出，當(dāng)檢測(cè)到busy信號(hào)有效，就使訪問周期拉長(zhǎng)，這是從硬件上解決；另一種方法是軟件上保證兩個(gè)端口不同時(shí)訪問一個(gè)單元，即將雙端口RAM進(jìn)行分塊。本系統(tǒng)采用后者，將busy信號(hào)輸出通過上拉電阻接到電源正極。
在系統(tǒng)中，邏輯控制模塊的作用非同小可，是控制采樣、存儲(chǔ)、與計(jì)算機(jī)接口的核心。本系統(tǒng)為方便對(duì)采樣速率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，在該模塊中采用了MCS-51單片機(jī)。這樣可以通過編程設(shè)定采樣速率。
與主機(jī)的信息交換包括：
（1）接收主機(jī)控制信號(hào)，以決定是否開始采樣；
（2）在存儲(chǔ)區(qū)滿后，向主機(jī)發(fā)中斷請(qǐng)求。
本系統(tǒng)使用AT89C51的地址總線來選通RAM的存儲(chǔ)單元，對(duì)其進(jìn)行寫操作，將采樣結(jié)果存入相應(yīng)的單元。
3.4.3軟件設(shè)計(jì)
2基本標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議的傳感器結(jié)構(gòu)模型
基于IEEE1451.5和藍(lán)牙協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)化傳感器由STIM、藍(lán)牙模塊和NCAP三部分組成，其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。此方案的實(shí)現(xiàn)，相當(dāng)于在IEEE1451.2的結(jié)構(gòu)模型上取代了原有的TII接口。采用無線的藍(lán)牙協(xié)議實(shí)現(xiàn)連接，類似于實(shí)現(xiàn)了一個(gè)無線的STIM和無線NCAP接收終端的模式。通過在原有的STIM和NCAP中嵌入了藍(lán)牙模塊，構(gòu)成的無線NCAP和無線STIM，以點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)在藍(lán)牙匹克網(wǎng)以主從方式實(shí)現(xiàn)相互通信。
與典型的有線方式相比，上述無線網(wǎng)絡(luò)模型增加了兩個(gè)藍(lán)牙模塊。對(duì)于藍(lán)牙模塊部分標(biāo)準(zhǔn)的藍(lán)牙對(duì)外接口電路一般使用RS232或USB接口，而TII是一個(gè)控制鏈接到它的STIM的串行接口。因此，必須設(shè)計(jì)一個(gè)類似于TII接口的藍(lán)牙電路，構(gòu)造一個(gè)專門的處理器來完成控制STIM和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)到藍(lán)牙主控制接口HCI（HostControlInterface）的功能。
3藍(lán)虎無線抄表傳感器的設(shè)計(jì)
基于上述無線傳感器結(jié)構(gòu)模型給出的無線抄表傳感器的結(jié)構(gòu)原理，如圖2所示。整個(gè)傳感器核心部件是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的前端STIM部分和實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口的NCAP部分。STIM完成數(shù)據(jù)的采集和處理（濾波、校準(zhǔn)等），NCAP完成傳感器的網(wǎng)絡(luò)接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)PSTN電話互網(wǎng)連。STIM和NCAP之間用藍(lán)牙無線接口連接。STIM選用8位處理器實(shí)現(xiàn)，而NCAP的網(wǎng)絡(luò)接口通過8位的處理器和內(nèi)嵌Modem的形式實(shí)現(xiàn)。
（1）NCAP部分硬件設(shè)計(jì)
抄表傳感器NCAP硬件部分選用的處理器、藍(lán)牙模塊和內(nèi)置Modem分別是Winbond公司的W78E58處理器、Erricsson公司ROM101008系列藍(lán)牙模塊以及OKI公司的調(diào)制解調(diào)芯片MSM7512B。
圖3
由于系統(tǒng)中藍(lán)牙模塊接口采用的是RS232串口，同時(shí)處理器和內(nèi)置Modem的通信接口也要用到RS232串口，因此我們選用W78E58處理器。該處理器具有雙串口。ROK101008系列藍(lán)牙模塊遵從藍(lán)牙1.1規(guī)范，是一個(gè)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信模塊。該模塊可以同時(shí)和在其范圍內(nèi)被連接的7個(gè)藍(lán)牙從設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。MSM7512B為OKI公司推出的FSK模式調(diào)制解調(diào)器芯片，通過設(shè)置引腳MOD2和MOD1選擇四種工作模式的一種。MT8888C作為DTMF接收器時(shí)，DTMF信號(hào)從IN+和IN-輸入，一旦信息被寫入到接收寄存器中，MT8888C將置位狀態(tài)豁口中接收寄存器滿標(biāo)志位和IRQ/CP端電平來通知控制器準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)；MT8888C作為DTMF發(fā)送器時(shí)，數(shù)據(jù)被寫入發(fā)送寄存器，經(jīng)內(nèi)部轉(zhuǎn)換合成DTMF信號(hào)從TONE端輸出。本處采用中斷方式檢測(cè)DTMF振鈴信號(hào)。圖3為藍(lán)牙抄表傳感器NCAP部分的硬件電路原理。
（2）抄表傳感器NCAP部分軟件設(shè)計(jì)
抄表傳感器NCAP部分的軟件設(shè)計(jì)，主要是在單片機(jī)上完成兩部分功能的程序編制：一是初始化藍(lán)牙模塊，使抄表傳感器NCAP部分上主設(shè)備模塊和所有范圍內(nèi)的從設(shè)備模塊建立連接；二是驅(qū)動(dòng)MSM7512B和MT8888C工作，實(shí)現(xiàn)與PSTN的連接。
①藍(lán)牙模塊初始化。參照008藍(lán)牙模塊的工作方式，即通過單片機(jī)向藍(lán)牙模塊發(fā)送HCI（HostContr
olerInterface）分組。HCI指令包括指令分組、數(shù)據(jù)分組和事件分組。具體格式為：操作碼+參數(shù)總長(zhǎng)+參數(shù)0+……+參數(shù)N。
如下給出主、從設(shè)備間實(shí)現(xiàn)ACL數(shù)據(jù)連接的HCI指令（字符對(duì)應(yīng)相應(yīng)指令的操作碼，由前10位和后6位兩部分組成，括弧內(nèi)為該指令的參數(shù)）：從設(shè)備上電后實(shí)現(xiàn)查詢使能進(jìn)行復(fù)位Write_scan_enable(0x3)。主設(shè)備發(fā)送查詢HCI指令I(lǐng)nquiry(0x9c8b33,8,0)，假定從設(shè)備的地址為0x000000000000,則建立ACI連接的HCI指令為Creat_Connection(0x000000000000,0xcc18,0,0,0,0)。從設(shè)備接收連接請(qǐng)求指令為Accept_connection_request(0x111111111111,0)，假定主設(shè)備的地址為0x111111111111。這樣主從設(shè)備之間即建立了ACL數(shù)據(jù)連接。其中Inquiry對(duì)應(yīng)的操作碼為：0x0001,0x01。具體指令參見藍(lán)牙規(guī)范。②初始化MSM7512B和MT8888C。首先使能MSM7512B，選擇模式1。值得注意的是，復(fù)位MT8888C時(shí)，必須將上電后延時(shí)100ms。具體復(fù)位方式參見MT8888C數(shù)據(jù)手冊(cè)。
如下給出單片機(jī)的初始化程序及外部中斷0的服務(wù)程序。
/*初始化程序*/
TCON=0x40H;//Timer1使能
TMOD=0x20H;//Timer1為定時(shí)器，8位自動(dòng)重裝TH1到TL1
CKCON=0x30H;//Timer1和Timer2時(shí)鐘為1/12CLOCK
SCON=0x50H//串口0模式1，波特率由Timer2決定
IE=0xD1H;//使能中斷（串口1和串口2以及INT0）
SCON1=0x50H;//串口1模式1，波特率由Timer1決定
T2CON=0x34H;//Timer2自動(dòng)重裝RCAP2L到TL2，RCAP2H到T2H
WDCON=0x02H//Watchdog復(fù)位使能
TL1=0xFDH;TH1=0xFDH;TL2=0xFDH;TH2=0x00H;
RCAP2L=0xFAH;RCAP2H=0x00H;
/*初始值設(shè)置，設(shè)置串口1和串口2的波特率為9600bps*/
Init_008();//初始化藍(lán)牙模塊
Reset_mt8888c();//復(fù)位MT8888C
P1^0=1;P0=0x00H;//使能MSM7512，選擇模式1
/*外部中斷0的服務(wù)程序*/
voidservice_int0()interrupt0
{SendRecord();//傳送監(jiān)測(cè)記錄……}
（3）STIM的設(shè)計(jì)
大多數(shù)傳大吃一驚器的STIM部分設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，因?yàn)殡姳頂?shù)據(jù)采集的功能比較單一。圖4為STIM數(shù)據(jù)采集部分的原理框圖。
硬件設(shè)計(jì)時(shí)，電表數(shù)據(jù)采集部分和傳統(tǒng)的有線方式一樣，只是硬件上增加了藍(lán)牙模塊作為和上層藍(lán)牙傳感器NCAP的無線接口。數(shù)據(jù)采集部分經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的數(shù)字脈沖接到單片機(jī)的計(jì)數(shù)器口，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)，然后將必要的電表數(shù)據(jù)量送至藍(lán)牙模塊。單片機(jī)遷移家長(zhǎng)普通的8031即可，模塊選用的是ROK101008系列。軟件上除了要注單片機(jī)上完成數(shù)據(jù)采集的部分程序外，上電時(shí)還應(yīng)該初媽嘩藍(lán)牙模塊，使模塊能夠在其有效范圍被搜索連接。數(shù)據(jù)采集部分程序主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)，同時(shí)轉(zhuǎn)換成電表參量，然后徑藍(lán)牙模塊送到NCAP。
加速度傳感器是用來將加速度這一物理信號(hào)轉(zhuǎn)變成便于測(cè)量的電信號(hào)的測(cè)試儀器。它是工業(yè)、國(guó)防等許多領(lǐng)域中進(jìn)行沖擊、振動(dòng)測(cè)量常用的測(cè)試儀器。
1、加速度傳感器原理概述
加速度傳感器是用來將加速度這一物理信號(hào)轉(zhuǎn)變成便于測(cè)量的電信號(hào)的測(cè)試儀器。差容式力平衡加速度傳感器則把被測(cè)的加速度轉(zhuǎn)換為電容器的電容量變化。實(shí)現(xiàn)這種功能的方法有變間隙，變面積，變介電常量三種，差容式力平衡加速度傳感器利用變間隙，且用差動(dòng)式的結(jié)構(gòu)，它優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，能實(shí)現(xiàn)無接觸式測(cè)量，靈敏度好，分辨率強(qiáng)，能測(cè)量0.01um甚至更微小的位移，但是由于本身的電容量一般很小，僅幾pF至幾百pF，其容抗可高達(dá)幾MΩ至幾百M(fèi)Ω，所以對(duì)絕緣電阻的要求較高，并且寄生電容（引線電容及儀器中各元器件與極板間電容等）不可忽視。近年來由于廣泛應(yīng)用集成電路，使電子線路緊靠傳感器的極板，使寄生電容，非線性等缺點(diǎn)不斷得到克服。
差容式力平衡加速度傳感器的機(jī)械部分緊靠電路板，把加速度的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙葜虚g極的位移變化，后續(xù)電路通過對(duì)位移的檢測(cè)，輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)的電壓值，由此即可以求得加速度值。為保證傳感器的正常工作.，加在電容兩個(gè)極板的偏置電壓必須由過零比較器的輸出方波電壓來提供。
2、變間隙電容的基本工作原理
如式2－1所示是以空氣為介質(zhì)，兩個(gè)平行金屬板組成的平行板電容器，當(dāng)不考慮邊緣電場(chǎng)影響時(shí)，它的電容量可用下式表示：
由式（2－1）可知，平板電容器的電容量是、A、的函數(shù)，如果將上極板固定，下極板與被測(cè)運(yùn)動(dòng)物體相連，當(dāng)被測(cè)運(yùn)動(dòng)物體作上、下位移（即變化）或左右位移（即A變化）時(shí)，將引起電容量的變化，通過測(cè)量電路將這種電容變化轉(zhuǎn)換為電壓、電流、頻率等電信號(hào)輸出根據(jù)輸出信號(hào)的大小，即可測(cè)定物移的大小，若把這種變化應(yīng)用到電容式差容式力平衡傳感器中，當(dāng)有加速度信號(hào)時(shí)，就會(huì)引起電容變化C，然后轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出，根據(jù)此電壓信號(hào)即可計(jì)算出加速度的大小。
由式（2－2）可知，極板間電容C與極板間距離是成反比的雙曲線關(guān)系。由于這種傳感器特性的非線性，所以工作時(shí)，一般動(dòng)極片不能在整個(gè)間隙，范圍內(nèi)變化，而是限制在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，以使與C的關(guān)系近似于線性。
它說明單位輸入位移能引起輸出電容相對(duì)變化的大小，所以要提高靈敏度S應(yīng)減少起始間隙,但這受電容器擊穿電壓的限制，而且增加裝配加工的困難。
由式（2－5）可以看出，非線性將隨相對(duì)位移增加面增加。因此，為了保證一定的線性，應(yīng)限制極板的相對(duì)位移量，若增大起始間隙，又影響傳感器的靈敏度，因此在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高靈敏度，減小非線性，大都采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，在差動(dòng)式電容傳感器中，其中一個(gè)電容器C1的電容隨位移增加時(shí)，另一個(gè)電容器C2的電容則減少，它們的特性方程分別為：
可見，電容式傳感器做成差動(dòng)式之后，非線性大大降低了，靈敏度提高一倍，與此同時(shí)，差動(dòng)電容傳感器還能減小靜電引力測(cè)量帶來的影響，并有效地改善由于溫度等環(huán)境影響所造成的誤差。
3、電容式差容式力平衡傳感器器的工作原理與結(jié)構(gòu)
3.1工作原理
如圖1所示，差容式力平衡加速度傳感器原理框圖
電路中除了所必須的電容，電阻外，主要由正負(fù)電壓調(diào)節(jié)器，四運(yùn)放放大器LT1058，雙運(yùn)放op270放大器組成。
3.2差容式力平衡傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)原理
由于差動(dòng)式電容，在變間隙應(yīng)用中的靈敏度和線性度得到很大改善，所以得到廣泛應(yīng)用。如圖2所示為一種差容式力平衡電容差容式力平衡傳感器原理簡(jiǎn)圖。主要由上、下磁鋼，電磁鐵，磁感應(yīng)線圈，彈簧片，作電容中間極的質(zhì)量塊，覆銅的上下極板等部分組成。傳感器上、下磁鋼通過螺釘及彈簧相連，作為傳感器的固定部分，上，下極板分別固定在上、下磁鋼上。極板之間有一個(gè)用彈簧片支撐的質(zhì)量塊，并在此質(zhì)量塊上、下兩側(cè)面沉積有金屬（銅）電極，形成電容的活動(dòng)極板。這樣，上頂板與質(zhì)量塊的上側(cè)面形成電容C1，下底板與質(zhì)量塊下側(cè)面形成電容C2，彈簧片一端與磁鋼相連，另一端與電容中間極相連，以控制其在一個(gè)有效的范圍內(nèi)振動(dòng)。由相應(yīng)芯片輸出的方波信號(hào)，經(jīng)過零比較后輸出方波，此方波經(jīng)電容濾除其中的直流電壓，形成對(duì)稱的方波，該對(duì)稱的方波加到電容的一個(gè)極板上，同時(shí)經(jīng)一次反向后的對(duì)稱波形加到另一個(gè)極板上。
當(dāng)沒有加速度信號(hào)時(shí)，中間極板處于上、下極板的中間位置C1＝C2，C＝0后續(xù)電路沒有輸出；當(dāng)有加速度信號(hào)時(shí)，中間極板（質(zhì)量塊）將偏離中間位置，產(chǎn)生微小位移，傳感器的固定部分也將有微小的位移，設(shè)加速度為正時(shí)，質(zhì)量塊與上頂板距離減小，與下底板距離增大，于是C1＞C2，因此會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電容的變化量C，C由放大電路部分放大，同時(shí)，將放大電路的輸出電流引入到反饋網(wǎng)絡(luò)。由于OP270的腳1和16分別與線圈兩端相連，當(dāng)有電流流過線圈時(shí)，將產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，就會(huì)有電磁力產(chǎn)生。因?yàn)樯?、下磁鋼之間有彈簧，所以在電磁力的作用下將使磁鋼回到?jīng)]有加速度時(shí)的位置，即此時(shí)的電容變化完全有加速度的變化引起，同時(shí)由于線圈與活動(dòng)極板通過中心軸線相連，所以在電磁力的作用下，使中間極向產(chǎn)生加速度時(shí)的位移的相反的方向運(yùn)動(dòng)，即相當(dāng)于在C的放大電路中引入了負(fù)反饋，這樣，使傳感器的測(cè)量范圍大大提高。因此，對(duì)于任何加速度值，只要檢測(cè)到合成電容變化量C，便能使活動(dòng)極板在兩固定極板之間對(duì)應(yīng)一個(gè)合適的位置，此時(shí)后續(xù)電路便輸出一個(gè)與加速度成正比的電壓，由此電壓值就可以計(jì)算出加速度的大小。
4、力平衡傳感器實(shí)際應(yīng)用
哈爾濱北奧振動(dòng)技術(shù)是專門從事振動(dòng)信號(hào)測(cè)量的專業(yè)公司，它們應(yīng)用這種差容式力平衡原理開發(fā)出的力平衡加速度傳感器實(shí)現(xiàn)的主要性能指標(biāo)如下：
測(cè)量范圍：±2.0g，±0.125g，±0.055g
靈敏度：BA-02a:±2.5V/g、±40.0V/g
BA-02b1:±40.0V/g（差動(dòng)輸出）
BA-02b2:±90.0V/g（特定要求，高靈敏度）
頻響范圍：DC-50Hz（±1dB）
絕對(duì)精度：±3％FS
交叉干擾：小于0.3%
線性度：優(yōu)于1%
噪聲：小于10μV
動(dòng)態(tài)范圍：大于120dB
溫漂：小于0.01%g/g
引言
隨著機(jī)器人技術(shù)和復(fù)雜檢測(cè)系統(tǒng)的出現(xiàn)，人們對(duì)觸覺傳感器提出了更高的要求。隨著觸覺陣列規(guī)模的擴(kuò)大，希望A/D轉(zhuǎn)換速度加快，而原先在小規(guī)模陣列觸覺傳感器系統(tǒng)中采用的共用A/D轉(zhuǎn)換器的方法，已不能滿足大規(guī)模陣列觸覺傳感器信號(hào)采集實(shí)時(shí)性的要求。因此，要想實(shí)現(xiàn)高速、高分辨率并且對(duì)小信號(hào)敏感的大規(guī)模陣列觸覺傳感器信號(hào)采集系統(tǒng)，關(guān)鍵部件就是A/D轉(zhuǎn)換器。
本文利用混沌帳篷映射方法和開關(guān)電容（SC）技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種新型A/D轉(zhuǎn)換器。該A/D轉(zhuǎn)換器的電路具有調(diào)理放大、誤差補(bǔ)償和A/D轉(zhuǎn)換功能一體化的優(yōu)點(diǎn)，并且電路簡(jiǎn)單、便于集成、功耗小；能以很高的性能價(jià)格比實(shí)現(xiàn)多路觸覺傳感器輸出信號(hào)的并行采樣和A/D轉(zhuǎn)換。
1陣列觸覺傳感器信號(hào)采集系統(tǒng)的組成
模擬式陣列觸覺傳感器信號(hào)采集系統(tǒng)的原理電路見圖1。該系統(tǒng)由m×n陣列傳感器、列讀取電路、行掃描電路、n個(gè)ADC電路、時(shí)序控制電路和計(jì)算機(jī)等組成。在時(shí)序控制電路的控制下，行掃描電路對(duì)m行陣列觸覺傳感器發(fā)送周期性激勵(lì)信號(hào)；而列讀取電路則周期性地并行讀入n列輸出信號(hào)。讀n個(gè)信號(hào)經(jīng)n個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成格雷碼序列直接送到計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)完成格雷碼向二進(jìn)制碼的轉(zhuǎn)換，接著在時(shí)序邏輯的控制下，讀取下一行的n列信號(hào)并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。計(jì)算機(jī)在獲得1幀m×n觸覺傳感器信號(hào)后，就可以進(jìn)行信號(hào)處理了。圖1中除A/D轉(zhuǎn)換器需要特殊設(shè)計(jì)外，其余各電路都有現(xiàn)有的產(chǎn)品，沒有特殊要求。
2混沌開關(guān)電容A/D轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)
2.1混沌開關(guān)電容A/D轉(zhuǎn)換的原理
利用開關(guān)電容技術(shù)進(jìn)行誤差補(bǔ)償?shù)幕驹硎请姾傻脑俜峙洹ｋ娙菔湔`差利用開關(guān)轉(zhuǎn)換儲(chǔ)存起來，結(jié)果由電容上電荷的再分配而得到補(bǔ)償?；煦鐜づ裼成涫且环N離散非線性系統(tǒng)，其映射關(guān)系為：
這一映射可以看到由兩步組成：先將區(qū)間[0,1]伸長(zhǎng)2倍，然后再壓縮成原區(qū)間[0,1]。如此反復(fù)迭代操作，最終導(dǎo)致相鄰點(diǎn)的指數(shù)分離，從而進(jìn)入混沌狀態(tài)。這種映射對(duì)初始值（系統(tǒng)的輸入信號(hào)）的放大與通常的線性放大方法不同：線性放大倍數(shù)為一常數(shù)，而且受工作范圍限制；而處于混沌狀態(tài)的帳篷映射系統(tǒng)，是在有界的區(qū)間內(nèi)，迭代1次將信號(hào)放大2倍，反復(fù)有限次迭代后，可以將微弱信號(hào)放大到可觀測(cè)的水平，而不會(huì)出現(xiàn)溢出再現(xiàn)象。顯然，這是一種非線性放大。帳篷映射系統(tǒng)的輸入值Vin對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)的初始狀態(tài)x0。x0可以二進(jìn)制小數(shù)表示：
為了得到離散帳篷映射的迭代輸出與x0的關(guān)系，引入另一種非線性映射——離散貝努利移位是映射：
這一映射的作用是每迭代一次，就將二進(jìn)制位t1、t2、t3、……向左依次移出一個(gè)二進(jìn)制位，即
對(duì)于貝努利移位映射，令bn=sgn(x''''n-0.5)，作為貝努利移位映射的第n次迭代輸出，由于bn=tn,且bi(i=0,1,2,…)是一個(gè)二進(jìn)制序列；對(duì)于帳篷映射，令gn=sgn(xn-0.5)，則gi是與bi對(duì)應(yīng)的格雷碼序列，即
根據(jù)上述和初始時(shí)刻x0=x''''0=Vi，可得：
因此，通過將帳篷映射迭代輸出的格雷碼序列g(shù)i(i=0,1,2,…)，轉(zhuǎn)換成貝努利移位映射的二進(jìn)制序列bi(i=0,1,2，…)，可推算出初始值（輸入信號(hào)的二進(jìn)制數(shù)字量），即
式（7）中{Vin}表示輸入信號(hào)的二進(jìn)制數(shù)字量。gi(i=0,1,2,…)就是經(jīng)過帳篷映射完成了對(duì)輸入信號(hào)的非線性放大和A/D轉(zhuǎn)換的格雷碼形式的數(shù)字量。
2.2混沌開關(guān)電容A/D轉(zhuǎn)換電路的實(shí)現(xiàn)
利用并關(guān)電容技術(shù)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：電路的性能與電容無關(guān)，只取決于電容之比，兩個(gè)電容比值的誤差小于1/1000，因此電路運(yùn)算精度高；電路便于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成，因而電容體積小、工作可靠、成本低，功耗?。ㄒ粋€(gè)開關(guān)電容A/D轉(zhuǎn)換器功耗4mW）等。這些優(yōu)點(diǎn)對(duì)模擬式陣列觸覺傳感器信號(hào)采集系統(tǒng)最有利，因此該系統(tǒng)需要大量的ADC。
圖2混沌開關(guān)電容A/D轉(zhuǎn)換電路
基于帳篷映射的開關(guān)電容A/D轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。運(yùn)放A1、A2及周圍的電路完成帳篷映射，即完成對(duì)輸入信號(hào)的非線性放大和A/D轉(zhuǎn)換；C4、C5、A3及周圍的電子模擬開關(guān)組成保持電路，輸出信號(hào)V0為輸入信號(hào)的格雷碼形式的數(shù)字量。圖3為電路時(shí)序控制邏輯。
圖2電路，當(dāng)啟動(dòng)信號(hào)為高電平時(shí)，電子模擬開關(guān)指向“1”端，輸入信號(hào)Vi接通。延時(shí)t1時(shí)間后，D觸發(fā)器產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，這時(shí)，若0≤Vi≤0.5，則電子模擬開關(guān)S1指向“2”端，C1、C3和A2及有關(guān)的電子模擬開關(guān)構(gòu)成一個(gè)開關(guān)電容比例延時(shí)器，如圖4所示。在（n-1）T時(shí)，Vi給C1充電，充電電荷為C1Vi（n-1），C3被短路，V02(n-1)=0;在nT時(shí)，C1中電荷轉(zhuǎn)移到C3中，充電電荷為C3V02（n），由電荷守恒原理，其差分方程為：
C1Vi(n-1)=C3[V02(n)-V02(n-1)]=C3V02(n)(8)
式（8）經(jīng)過Z變換可得該電路Z域傳遞函數(shù)：
H（Z）=V02(Z)/Vi(Z)=(C1/C3)Z-1(9)
若取C3=0.5C1，則有：
H（Z）=V02(Z)/Vi(Z)=(C1/C3)/Z-1=(C1/0.5C1)Z-1=2Z-1(10)
可見，圖4的電路具有起放大作用的比例延時(shí)功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入信號(hào)的翻倍，即實(shí)現(xiàn)了y=2x的運(yùn)算；同時(shí)對(duì)C4充電，當(dāng)下一個(gè)“o”脈沖為高電平時(shí)，C4中電荷轉(zhuǎn)移到C5中，這時(shí)開關(guān)S0指向“2”端，把輸出信號(hào)Vo反饋到輸入端，給C1充電，實(shí)現(xiàn)迭代運(yùn)算。經(jīng)過n次迭代后，使Vi信號(hào)入大，直到可觀測(cè)為止。
同理，當(dāng)0.5≤Vi≤1時(shí)，Vi向C2充電，電子模擬開關(guān)S2指向“2”端，這時(shí)，C2、C3和A2構(gòu)成另一個(gè)開關(guān)電容比例延時(shí)器，把式（9）中的C1換成C2，就是這個(gè)比例延時(shí)器的Z域傳遞函數(shù)?！癳”脈沖為高電平時(shí)，C2中電荷Q=C2Vi轉(zhuǎn)換到C3中，若取C3=0.5C2,就實(shí)現(xiàn)了y=2(1-x)的運(yùn)算；當(dāng)下一個(gè)“o”脈沖為高電平時(shí)，C4中電荷轉(zhuǎn)移到C5中，這時(shí)開關(guān)S0指向“2”端，把輸出信號(hào)Vo反饋到輸入端，給C2充電，實(shí)現(xiàn)迭代運(yùn)算。經(jīng)過n次迭代后，使Vi信號(hào)放大到可觀測(cè)為止。
這樣，經(jīng)過一個(gè)周期T，完成了對(duì)Vi一個(gè)樣點(diǎn)的采集。如此周而復(fù)始地進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換工作。D觸發(fā)器輸出的信號(hào)就是格雷碼序列：
將gk序列和初始條件b0=Q0代入式（6）中，就得到貝努利二進(jìn)制序列bk（k=0,1,2,…）。當(dāng)然，只要把ADC的輸出信號(hào)Vo(格雷碼序列)送入計(jì)算機(jī)，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字量的工作，可由計(jì)算機(jī)通過軟件來實(shí)現(xiàn)。
3實(shí)驗(yàn)結(jié)果
利用圖4的信號(hào)系統(tǒng)對(duì)5×7應(yīng)變式微型陣列傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行非線性放大和A/D轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。表1中為第4行7個(gè)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于帳篷映射的開關(guān)電容A/D轉(zhuǎn)換器可有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)小信號(hào)的放大和A/D轉(zhuǎn)換。
4結(jié)論
本文利用混沌電路對(duì)小信號(hào)敏感及它具有的非線性變換的獨(dú)特性能，設(shè)計(jì)了混沌帳篷映射開關(guān)電容新型A/D轉(zhuǎn)換器。這種A/D轉(zhuǎn)換器適用于機(jī)器人模擬陣列觸覺傳感器輸出信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換。它集調(diào)理放大和A/D轉(zhuǎn)換于一體，具有電路簡(jiǎn)單、易于集成及功耗小的特點(diǎn)。開關(guān)電容電路只有二相時(shí)鐘，電路性能只取決于兩個(gè)電容之比而與電容絕對(duì)值無關(guān)，因而電路運(yùn)算精度高、成本低。利用該A/D轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)多路觸覺信號(hào)的并行采樣和A/D轉(zhuǎn)換，以滿足大規(guī)模陣列傳感器信號(hào)的實(shí)時(shí)采集要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了本方法的有效性。
表1A/D轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)結(jié)果
傳感器（4，1）（4，2）（4，3）（4，4）（4，5）（4，6）（4，7）
測(cè)量值/mV0806718824617025
計(jì)算值/mV0.080.266.4187.5242.3168.924.7
格雷碼
1.引言
現(xiàn)代社會(huì)是信息化的社會(huì)，人們的主要交流和溝通都是通過對(duì)信息的傳遞、處理而進(jìn)行的。傳感器就是人們從自然界獲取各種相應(yīng)外界信息的方式，能夠?qū)⑾鄳?yīng)的需要采集的信息轉(zhuǎn)換成為控制芯片能夠識(shí)別的電流或者電壓等信號(hào)，在現(xiàn)代的控制測(cè)量系統(tǒng)中具有不可缺少的作用。
本論文主要介紹的是電渦流式位移傳感器。電渦流式位移傳感器屬于電感式位移傳感器的一種，是基于電渦流效應(yīng)而工作的傳感器，具有很多優(yōu)點(diǎn)：高分辨率、高可靠性、較寬的頻率響應(yīng)以及較高的靈敏度等等。
該傳感器還具有很強(qiáng)的抗干擾能力，相比而言，傳統(tǒng)的傳感器具有非線性誤差，要求工作環(huán)境恒定或者價(jià)格較高[1]。
2.電渦流式微位移傳感器
2.1 傳感器發(fā)展歷程
國(guó)外在工業(yè)化的過程中，逐漸將傳感器廣泛應(yīng)用在各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域，在航天和軍事領(lǐng)域也有十分領(lǐng)先的傳感器應(yīng)用。之后伴隨各個(gè)國(guó)家的機(jī)械、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)等信息產(chǎn)業(yè)如日中天，歐美國(guó)家以及亞洲的日本都對(duì)世界的傳感器具有相當(dāng)重要的影響。
我國(guó)主要是在1960年開始對(duì)傳感器進(jìn)行開發(fā)工作。國(guó)家組織大批科研人員對(duì)其進(jìn)行研究和開發(fā)，并實(shí)施了“八五”、“九五”等國(guó)家計(jì)劃，使得其取得了十分矚目的應(yīng)用成就。然而我們也應(yīng)該清醒地意識(shí)到，我國(guó)在傳感器的基礎(chǔ)制造工藝等方面還不能和發(fā)達(dá)國(guó)家相提并論，許多核心技術(shù)以及芯片都要進(jìn)口。與此同時(shí)，我們的傳感器在國(guó)際上沒有太大競(jìng)爭(zhēng)力，產(chǎn)品研發(fā)和更新速度很低，缺少實(shí)用創(chuàng)新性[2]。
2.2 傳統(tǒng)傳感器缺點(diǎn)
以往的傳感器和電渦流位移傳感器比起來，具有以下幾個(gè)方面的嚴(yán)重不足：
（1）輸入一輸出特性存在非線性且隨時(shí)間而漂移；
（2）環(huán)境會(huì)干擾參數(shù)，使得測(cè)量結(jié)果發(fā)生漂移；
（3）因結(jié)構(gòu)尺寸大，而時(shí)間響應(yīng)特別差；
（4）易受噪聲干擾、信噪比低；
（5）靈敏度或者分辨率不夠理想。
2.3 電渦流式微位移傳感器
本論文所要介紹的電渦流位移傳感器，其工作原理是利用了渦流效應(yīng)。該類型的傳感器，通過渦流效應(yīng)使相應(yīng)的位移的變化，轉(zhuǎn)換成線圈的阻抗值變化；之后利用特定的電路將線圈阻抗值變化轉(zhuǎn)換成為電壓的變化，再進(jìn)行檢測(cè)和輸出，根據(jù)相應(yīng)的公式或者經(jīng)驗(yàn)，能夠還原成位移信息。這種傳感器具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如具有很高的靈敏度、簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)以及及時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。該傳感器廣泛應(yīng)用在測(cè)量振動(dòng)和位移等信息量上。大體上輸出的電壓信號(hào)與位移的變化量是線性的關(guān)系，公式是ΔS=K?ΔV。其中K是系統(tǒng)的比例常數(shù)，在不同的傳感器中根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不同是不一樣的。
2.4 電渦流式位移傳感器測(cè)量原理
公式能夠精確描述該原理。我們根據(jù)公式可以得知，在其他條件不變的情況下，Z（線圈的阻抗）與S一一對(duì)應(yīng)。電渦流傳感器測(cè)量位移的原理就是基于此公式，在特定的信號(hào)激勵(lì)過程中，傳感器會(huì)依據(jù)位移變化而產(chǎn)生電壓的變化。
3.測(cè)量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
3.1 主控芯片
本論文設(shè)計(jì)的電渦流微位移傳感器使用的主控芯片是AT89S52單片機(jī)。MSC-51單片機(jī)是八位的非常實(shí)用的單片機(jī)。本論文所使用的AT89S52單片機(jī)就是基于這款單片機(jī)的。MSC-51單片機(jī)的基本架構(gòu)被ATMEL公司購買，繼而在其基本內(nèi)核的基礎(chǔ)上加入了許多新的功能，同時(shí)擴(kuò)展了芯片的容量以及加入flash閃存等等。51內(nèi)核的單片機(jī)具有很多優(yōu)點(diǎn)，因此無論是在工業(yè)上還是在一些電子產(chǎn)品上應(yīng)用都很多。全球也有許多大公司對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展，加入新的功能。即使是在今天，51單片機(jī)仍然在控制系統(tǒng)中占據(jù)很大市場(chǎng)[4]。
下面對(duì)本論文所使用的單片機(jī)作簡(jiǎn)要介紹。AT89S52單片機(jī)具有最大能夠支持的64K外部存儲(chǔ)擴(kuò)展，同時(shí)還具有8K字節(jié)的Flash空間。該單片機(jī)具有4組I/O口，分別是從P0到P3，同時(shí)每組端口具有8個(gè)引腳。每個(gè)引腳除了能夠作為普通的輸入和輸出端口外，還具有其它功能，也就是我們通常所說的引腳復(fù)用。其還具有斷電保護(hù)、看門口、計(jì)時(shí)器和定時(shí)器。51單片機(jī)一般的工作電壓是5V。
3.2 顯示模塊
本論文設(shè)計(jì)的LCD1602電路，該液晶模塊能夠顯示2行*16列的字符，相對(duì)于數(shù)碼管而言，顯示更加靈活多變。該液晶模塊用來顯示其測(cè)量處理后的數(shù)據(jù)。
4.測(cè)量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
本論文的主程序循環(huán)采集電量的變化，并實(shí)時(shí)顯示在液晶模塊上。系統(tǒng)軟件是指完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能的軟件。為了提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性，在編寫系統(tǒng)應(yīng)用軟件時(shí)，主要考慮以下兩方面：
（1）提高系統(tǒng)抗干擾性能。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)不可避免的有各種抗干擾因素。因此本系統(tǒng)除了在硬件上硬件復(fù)位和加電容濾波外。在軟件上，采用了指令冗余技術(shù)、延時(shí)消抖技術(shù)以及對(duì)位移大小采樣值進(jìn)行中值濾波的數(shù)字濾波方法，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力。
（2）采用模塊化編程。將系統(tǒng)的應(yīng)用程序分為若干個(gè)功能模塊，這些模塊可以任意更改而不影響程序的其余部分，將各個(gè)功能模塊程序調(diào)通后，再把各個(gè)功能模塊結(jié)合起進(jìn)行聯(lián)調(diào)，這大大減少了調(diào)試時(shí)間，提高了程序的通用性，方便程序的修改和檢查。
5.總結(jié)
電渦流位移傳感器是一種基于電渦流效應(yīng)的傳感器，能夠?qū)⑽灰频淖兓D(zhuǎn)換成電量的變化。本論文主要介紹了傳統(tǒng)傳感器的發(fā)展歷程，進(jìn)而介紹了電渦流式微位移傳感器的測(cè)量原理和優(yōu)勢(shì)，并基于單片機(jī)設(shè)計(jì)了測(cè)量系統(tǒng)。
參考文獻(xiàn)
[1]譚祖根，汪樂宇.電渦流檢測(cè)技術(shù)[M].北京：原子能出版社，1986.
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，自動(dòng)導(dǎo)引小車（Automatic Guided Vehicle AGV）得到了廣泛的應(yīng)用。AGV以電池為動(dòng)力，并裝有非接觸導(dǎo)航（導(dǎo)引）裝置，以電磁引導(dǎo)、激光引導(dǎo)、慣性引導(dǎo)及GPS引導(dǎo)等方式。可實(shí)現(xiàn)無人駕駛的運(yùn)輸作業(yè)。它能在計(jì)算機(jī)監(jiān)控下，按路徑規(guī)劃和作業(yè)要求，精確地行走并?？康街付ǖ攸c(diǎn)，完成一系列作業(yè)。
AGV以輪式移動(dòng)為特征，較之步行、爬行或其它非輪式的移動(dòng)機(jī)器人具有行動(dòng)快捷、工作效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可控性強(qiáng)、安全性好等優(yōu)勢(shì)。AGV的活動(dòng)區(qū)域無需鋪設(shè)軌道、支座架等固定裝置，不受場(chǎng)地、道路和空間的限制。在自動(dòng)化物流系統(tǒng)中，最能充分地體現(xiàn)其自動(dòng)性和柔性，實(shí)現(xiàn)高效、經(jīng)濟(jì)、靈活的無人化生產(chǎn)。
一、AGV導(dǎo)航系統(tǒng)的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
本論文設(shè)計(jì)了磁帶引導(dǎo)AGV，完成尋跡、蔽障、PWM調(diào)速、人工控制等功能，為大量生產(chǎn)工業(yè)型AGV提供較好的研究基礎(chǔ)。系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)如圖1所示：
圖1
本論文主要對(duì)AGV的硬件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，重點(diǎn)研究磁引導(dǎo)AGV的磁尋跡感器模塊軟硬件模塊、速度反饋模塊的設(shè)計(jì)。
二、磁尋跡傳感模塊設(shè)計(jì)
磁尋跡傳感器是AGV能否完成磁帶尋跡功能的關(guān)鍵，為了檢測(cè)到弱磁磁場(chǎng)的存在，要選用靈敏度更高的傳感器。本設(shè)計(jì)采用磁阻傳感器，可以測(cè)量到弱磁磁場(chǎng)的存在。由于磁阻傳感器輸出為模擬量輸出，需要通過響應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換電路將信號(hào)輸入單片機(jī)。模塊設(shè)計(jì)如圖2所示。
圖2 磁尋跡傳感器硬件實(shí)現(xiàn)電路
三、速度反饋模塊設(shè)計(jì)
本論文AGV采用雙輪差速驅(qū)動(dòng)方式，當(dāng)電機(jī)負(fù)載增加時(shí)，電機(jī)的運(yùn)行速度下降，一般額定轉(zhuǎn)速降落達(dá)3%～10%，為了使兩電機(jī)同速，必須要有反饋換環(huán)節(jié)對(duì)電機(jī)的速度進(jìn)行反饋。只有組成了閉環(huán)系統(tǒng)，AGV的運(yùn)動(dòng)與速度才可控。碼盤接口硬件電路如圖3所示。兩編碼器的A和B兩相信號(hào)經(jīng)過74LS14施密特整形，分別接到單片機(jī)的P2.3和P2.2 以及INT0和INT1上。單片機(jī)對(duì)INT1和INT0的中斷次數(shù)計(jì)數(shù)來測(cè)量通道B的脈沖數(shù)，讀取P1.2的電平狀態(tài)來判斷電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。以上升沿觸發(fā)為例，當(dāng)B路信號(hào)的上升沿引起中斷時(shí)，單片機(jī)判斷P2.2或P2.3信號(hào)的電平高低。若其為低，則電機(jī)正傳；為高，則電機(jī)反轉(zhuǎn)。電機(jī)的速度即為一個(gè)采樣周期中N值的變化量。電機(jī)的轉(zhuǎn)速為，式中，C為標(biāo)度變化系數(shù)，可根據(jù)轉(zhuǎn)速的量綱來選擇，N為一個(gè)采樣周期中的計(jì)數(shù)值，它的符號(hào)反應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。硬件實(shí)現(xiàn)電路如圖3所示。
圖3 光電編碼器實(shí)現(xiàn)電路圖
四、總結(jié)
本系統(tǒng)采用PWM調(diào)速及雙輪差速控制，使車輛依照車載傳感器確定的位置信息，沿著規(guī)定的行駛路線和?？课恢茫詣?dòng)行駛，完成規(guī)定的操作。論文對(duì)關(guān)鍵模塊的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，經(jīng)驗(yàn)證該系統(tǒng)設(shè)計(jì)可靠合理，能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本功能。
參考文獻(xiàn)：
[1] 溫鋼云，黃道平. 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M]. 華南理工大學(xué)出版社，2002.
中圖分類號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2007)18-31739-01
Experimental Teaching Reform of Sensors Course
ZHANG Huai,Chen Fu-jun,YANG Yong,LIANG Feng
(Huanghuai University,Zhumadian 463000,China)
Abstract:Sensors is a most practical course, the students can verify theories through an experiment, and can strengthen the cultivation of the student’s innovation and practice ability. Aimed at the present situation of the experimental teaching for sensor of our university, we do some beneficial reform and the aim is to improve the practice ability of students and cultivate the innovative talents.
Key words:sensor experiment;teaching reform;cultivation of innovative talents
傳感器技術(shù)作為現(xiàn)代三大信息技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及日常生活中，是測(cè)控過程中反映被測(cè)對(duì)象、保證控制質(zhì)量的重要一環(huán)，也是自動(dòng)化、測(cè)控技術(shù)、機(jī)械電子等專業(yè)的一門實(shí)踐性和應(yīng)用性很強(qiáng)的基礎(chǔ)課。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)與應(yīng)用也飛速發(fā)展，而傳統(tǒng)的傳感器教學(xué)尤其是實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)迫切需要改革創(chuàng)新。為此，針對(duì)我校傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀做一些有益的改革，旨在提高學(xué)生對(duì)傳感器原理及特性的理解并進(jìn)而達(dá)到設(shè)計(jì)和應(yīng)用的目的，培養(yǎng)高素質(zhì)技能型人才。
1 我國(guó)傳感器及實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展及需求
傳感器及智能儀器儀表自上個(gè)世紀(jì)60年代以來一直作為自動(dòng)化、測(cè)控技術(shù)、機(jī)械電子等專業(yè)的一門專業(yè)課程，特別是進(jìn)入80年代后，國(guó)際上出現(xiàn)了“傳感器熱”：日本把傳感器技術(shù)列為80年代十大技術(shù)之首，美國(guó)把傳感器技術(shù)列為90年代的關(guān)鍵技術(shù)，我國(guó)把傳感器技術(shù)列為“八五”、“九五”的重點(diǎn)研究項(xiàng)目之一；并且2003年3月國(guó)家教育部緊跟國(guó)際科技發(fā)展步伐，已將傳感器的教學(xué)納入到普通高級(jí)中學(xué)物理課程的教學(xué)體系中。由此可見，傳感器在當(dāng)今科技發(fā)展及國(guó)民教育體系中所處的重要地位。而對(duì)于傳感器本身又是一門實(shí)踐性和應(yīng)用性很強(qiáng)的學(xué)科，而且傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)是整個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中的一個(gè)重要子系統(tǒng)，因此，加強(qiáng)傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)以適應(yīng)我國(guó)高等教育的任務(wù)――培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的需求。
2 傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀
長(zhǎng)期以來，理論教學(xué)重于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的觀念根深蒂固，影響了傳感器教學(xué)的效果。傳統(tǒng)的傳感器教學(xué)尤其是實(shí)踐性環(huán)節(jié)迫切需要改革創(chuàng)新。傳統(tǒng)的傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)的問題主要反映在以下幾個(gè)方面：
2.1教學(xué)中存在不重視實(shí)驗(yàn)的傾向
實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)活動(dòng)、間接經(jīng)驗(yàn)與直接經(jīng)驗(yàn)、抽象思維和形象思維、傳授知識(shí)與訓(xùn)練技能相結(jié)合的過程。但是，對(duì)傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀的調(diào)查結(jié)果表明，目前很多高校在教育觀念上，仍存在著重理論、輕實(shí)踐，重理論知識(shí)傳授、輕動(dòng)手能力培養(yǎng)的傾向，在課程體系上，實(shí)驗(yàn)教學(xué)少有獨(dú)立的教學(xué)體系以及相應(yīng)的學(xué)分評(píng)價(jià)體系，實(shí)驗(yàn)課從屬于理論課，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容含在理論課程中，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)與內(nèi)容的開設(shè)隨意性強(qiáng)，隨意削減實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)成為普遍現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)課時(shí)同理論課時(shí)比例不太合理等問題，從而大大影響了學(xué)生對(duì)傳感器特性的理解及在傳感器應(yīng)用中解決實(shí)際問題能力的培養(yǎng)。
2.2實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目驗(yàn)證型多于設(shè)計(jì)型
目前，我系使用的傳感器實(shí)驗(yàn)裝置是由浙江高聯(lián)科技開發(fā)公司提供的CSY2000D型傳感器檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，它所提供的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目大多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，雖然各傳感器透明式封裝比較直觀，但缺乏設(shè)計(jì)性、綜合性要求，與工程實(shí)踐脫節(jié)嚴(yán)重。
2.3教學(xué)方式單調(diào)枯燥
傳統(tǒng)的傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)是注入式的，從實(shí)驗(yàn)原理、步驟、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)，甚至連實(shí)驗(yàn)結(jié)果都面面俱到地由老師講解，然后由學(xué)生“按方抓藥”地操作。這使學(xué)生處于消極被動(dòng)的地位，影響其學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性的發(fā)揮，嚴(yán)重阻礙了學(xué)生的全面綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。
2.4實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)投入不足
實(shí)驗(yàn)室建設(shè)對(duì)各高校來說是一項(xiàng)重要的投資，特別是對(duì)于一般的普通高校在資金有限的情況下，對(duì)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)投入更少；而傳感器又是精密測(cè)量?jī)x器，一般單個(gè)售價(jià)都在50元以上，我系于2003年購置的6臺(tái)CSY2000D型傳感器檢測(cè)技術(shù)試驗(yàn)臺(tái)就高達(dá)1.83萬元/臺(tái)。因此，在資金緊張的情況下，使得高校擴(kuò)招后由原來的一名學(xué)生一臺(tái)設(shè)備，改為2～3人一組，這樣在實(shí)驗(yàn)過程中往往一個(gè)學(xué)生做，同組人旁觀，教學(xué)效果很不理想。
3 改革與探討
實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等院校教學(xué)的重要組成部分，是對(duì)課堂所學(xué)理論知識(shí)的直觀認(rèn)識(shí)和拓展應(yīng)用，是學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的重要途徑，它在培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力方面有著不可替代的重要作用。因此傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)必須從理論教學(xué)中解脫出來，實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)與本課程特點(diǎn)緊密結(jié)合，做一次全面的改革：
3.1深化傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，著力培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力
為推進(jìn)我國(guó)全面的素質(zhì)教育，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，根據(jù)傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀和面臨的問題，充分調(diào)研，對(duì)目前的傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行全面改革：從本科培養(yǎng)計(jì)劃的約束，到實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施；從教師的教學(xué)觀念，到學(xué)生的實(shí)驗(yàn)的目的等各方面都要充分認(rèn)識(shí)到傳感器實(shí)驗(yàn)在傳感器教學(xué)中的重要性，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不斷培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立的操作動(dòng)手能力。
總體上說，注重引導(dǎo)，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)考核，使學(xué)生普遍對(duì)實(shí)驗(yàn)重視程度提高，能主動(dòng)預(yù)習(xí)準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)，甚至帶著問題進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生的動(dòng)手能力明顯增強(qiáng)。
3.2切實(shí)加強(qiáng)傳感器實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)建設(shè)和科學(xué)管理制度
實(shí)驗(yàn)器材是開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)的基礎(chǔ)平臺(tái)，雖然傳感器實(shí)驗(yàn)器材價(jià)格相對(duì)較貴，但也應(yīng)逐漸增加傳感器實(shí)驗(yàn)室經(jīng)費(fèi)的投入，除了確保正常的教學(xué)實(shí)驗(yàn)所需各項(xiàng)經(jīng)費(fèi)外，還要投入一定經(jīng)費(fèi)改進(jìn)和完善現(xiàn)有儀器設(shè)備。同時(shí)，還要加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室科學(xué)管理制度的建設(shè)，現(xiàn)在各高校的實(shí)驗(yàn)室管理專職人員緊缺，一般由理論課老師來擔(dān)任實(shí)驗(yàn)的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)室管理，其間存在管理漏洞，儀器損壞無法及時(shí)維修，嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展。因此，傳感器實(shí)驗(yàn)室要根據(jù)本學(xué)科的特點(diǎn)和自身?xiàng)l件建立切實(shí)可行的實(shí)驗(yàn)室管理制度和實(shí)驗(yàn)操作規(guī)程，逐漸形成較為完整的實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理和保證體系。
3.3加快傳感器實(shí)驗(yàn)教材的編寫
實(shí)驗(yàn)教材是提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。傳感器實(shí)驗(yàn)是近幾年才在各高校普遍開設(shè)，據(jù)調(diào)查現(xiàn)階段各高校采用的傳感器實(shí)驗(yàn)教材都是在廠家提供的儀器使用指南的基礎(chǔ)上編寫的講義，缺乏規(guī)范性、普適性。根據(jù)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和本學(xué)科發(fā)展的現(xiàn)狀更新充實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，編寫配套的、高水平的傳感器實(shí)驗(yàn)教材是刻不容緩的。
3.4改革傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容及方法
3.4.1實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的改革
為了突出實(shí)踐教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用意識(shí)、工程實(shí)踐能力，使學(xué)生“消化理論、發(fā)展能力”我們對(duì)該課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了較大改革：一方面保留了一些基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，如電阻應(yīng)變、電渦流位移特性、光纖傳感器位移特性實(shí)驗(yàn)等，使學(xué)生通過這些實(shí)驗(yàn)，理解傳感器的基木原理和特性，消化教學(xué)內(nèi)容；另一方面開設(shè)一些設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，如我們利用電阻應(yīng)變片設(shè)計(jì)了數(shù)字電子秤，以及結(jié)合單片機(jī)知識(shí)設(shè)計(jì)出自動(dòng)避障小車和全自動(dòng)洗衣機(jī)控制器等，通過學(xué)生自己制作出一些小產(chǎn)品模型，使學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到課堂中學(xué)過的傳感器在其中的限位、距離檢測(cè)等作用。在教學(xué)過程中除了要求學(xué)生寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告外還要求撰寫設(shè)計(jì)論文，這樣更能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)思想、方案論證、技術(shù)路線等一些列創(chuàng)造性工作反映出來，同時(shí)還可鍛煉學(xué)生的總結(jié)能力，為將來撰寫科技論文奠定基礎(chǔ)。
3.4.2實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的改革
實(shí)驗(yàn)課是驗(yàn)證理論、應(yīng)用理論、鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力的重要環(huán)節(jié)。在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)的方法上,我們進(jìn)行了一些改革探索，在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)過程中,注意因材施教,采用啟發(fā)式教學(xué)方法,提示學(xué)生是否有更好的改進(jìn)方法等等。如電阻應(yīng)變實(shí)驗(yàn)中對(duì)電子秤標(biāo)定時(shí)反復(fù)調(diào)節(jié)Rw3、Rw4直至托盤空時(shí)電壓表顯示為0v、200g砝碼時(shí)顯示為0.2v。反復(fù)調(diào)節(jié)最終是可以達(dá)到要求，當(dāng)學(xué)生反復(fù)調(diào)節(jié)幾次沒達(dá)到預(yù)期要求時(shí)可能不耐煩了，這時(shí)提示學(xué)生根據(jù)電阻應(yīng)變式傳感器的測(cè)力原理及輸入輸出特性――線性關(guān)系，分析電路中Rw3、Rw4的作用可以看出Rw3起調(diào)節(jié)放大倍數(shù)――即線性關(guān)系中的斜率、Rw4起零點(diǎn)參考電壓調(diào)節(jié)――線性關(guān)系中的初始值的作用，經(jīng)過這樣比較對(duì)應(yīng)后，很快可以得出這樣的快速調(diào)節(jié)方法：當(dāng)托盤空時(shí)，調(diào)節(jié)Rw4使電壓表顯示為零；然后將10個(gè)砝碼全放入托盤，調(diào)節(jié)Rw3使電壓表顯示為0.2v；然后去掉全部砝碼記下此時(shí)電壓表讀數(shù)v0 (如0.002v)；再將砝碼全放入托盤調(diào)節(jié)Rw4使電壓表顯示為0.2-v0（如0.198v）；最后再調(diào)節(jié)Rw3使電壓表顯示為0.2v即可。通過像這個(gè)實(shí)驗(yàn)一樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革,我們認(rèn)識(shí)到如果在每次實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)中都能夠采用啟發(fā)式的方法啟迪學(xué)生，發(fā)展學(xué)生的發(fā)散思維能力，那么一定能使學(xué)生舉一反三，達(dá)到學(xué)以致用的目的，同時(shí)還可激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新興趣。
3.5建立科學(xué)的實(shí)驗(yàn)考核方案
成績(jī)?cè)u(píng)定方式對(duì)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)十分重要，它是這次傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革實(shí)施的總體指揮棒。學(xué)生最關(guān)心的就是成績(jī)，我們要充分利用這一法寶設(shè)計(jì)較為合理的考核方案，既能達(dá)到考察的目的，同時(shí)使學(xué)生通過試驗(yàn)不僅能很好理解理論知識(shí)，還可以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手、創(chuàng)新能力。為此，將成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)定位在是否理解并靈活應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，以及鼓勵(lì)創(chuàng)新思想和創(chuàng)新實(shí)踐過程，而不僅僅是結(jié)果正確與否。在總結(jié)多年實(shí)驗(yàn)課經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用兩種結(jié)果驗(yàn)收相結(jié)合的形式，一種形式是當(dāng)面驗(yàn)收，通過演示和口頭介紹展示實(shí)驗(yàn)過程及實(shí)驗(yàn)效果，并完成高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)報(bào)告（包括利用VC、vb、matlab等軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析及相應(yīng)的改進(jìn)措施和仿真），這種方式是學(xué)生實(shí)踐活動(dòng)結(jié)果的直觀體現(xiàn)；另一種形式是提交撰寫設(shè)計(jì)論文，相對(duì)與前者，這種形式更能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)思想、方案論證、技術(shù)路線等一些列創(chuàng)造性工作反映出來，同時(shí)還可鍛煉學(xué)生的總結(jié)能力，為將來撰寫科技論文奠定基礎(chǔ)。學(xué)生的最終實(shí)驗(yàn)成績(jī)是這兩部分成績(jī)的綜合。
4 結(jié)束語
關(guān)于傳感器實(shí)驗(yàn)課教學(xué)改革涉及面廣，環(huán)節(jié)多，是個(gè)比較復(fù)雜的問題。我們只是在這方面做了一些有益的嘗試，并取得了一定的成功經(jīng)驗(yàn)。我們改革的目的很明確，就是要讓學(xué)生感覺到每一個(gè)實(shí)驗(yàn)都是一次挑戰(zhàn)，要想取得成功必須要有充分的準(zhǔn)備、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度、細(xì)致的操作和靈活的思維。每一次實(shí)驗(yàn)的完成，不僅要讓學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ玫匠浞值挠?xùn)練和提高，更重要的是要激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性和創(chuàng)造性。只有這樣才能為國(guó)家培養(yǎng)出具有較高的全面素質(zhì)的一流人才。
參考文獻(xiàn)：
【基金項(xiàng)目】論文受到成都信息工程大學(xué)校級(jí)項(xiàng)目KYTZ201521，Y2013062，Y2015015以及“傳感器與檢測(cè)技術(shù)”精品課程建設(shè)項(xiàng)目的資助。
一、引言
現(xiàn)代傳感器技術(shù)是在傳統(tǒng)傳感器技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，廣泛結(jié)合了信息處理技術(shù)、通信技術(shù)及微電子技術(shù)等[1]，將傳感器提升至 “系統(tǒng)”級(jí)別。
開設(shè)現(xiàn)代傳感器技術(shù)課程，需要在具備經(jīng)典傳感器知識(shí)的基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步掌握智能傳感器的相關(guān)知識(shí)，了解集成電路工藝、統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論和現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)等[2]。該課程的內(nèi)容涉及智能傳感器系統(tǒng)的硬件構(gòu)成，智能化功能的軟件實(shí)現(xiàn)方法，以及多元回歸分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和支持向量機(jī)技術(shù)等數(shù)據(jù)挖掘方法。學(xué)生可以通過自主設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)加深對(duì)智能傳感器的理解。而智能傳感器的軟件實(shí)現(xiàn)和數(shù)據(jù)挖掘方法的仿真都具備充分的靈活性，學(xué)生可以結(jié)合PC機(jī)在課堂上和課后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究[3]。
二、自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)
現(xiàn)代傳感器技術(shù)的課程介紹了新型智能傳感器的概念、構(gòu)成方式及具有的功能，重點(diǎn)在于智能傳感器的集成化和智能化實(shí)現(xiàn)方法。
智能傳感器集成化的實(shí)現(xiàn)涉及微電子技術(shù)等相關(guān)內(nèi)容，對(duì)于非微電子專業(yè)的學(xué)生來說很難具備此方面的扎實(shí)基礎(chǔ)，不易開展自主設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)。并且此部分內(nèi)容的相關(guān)實(shí)驗(yàn)對(duì)硬件要求較高，不利于在不同專業(yè)和高校的推廣。
智能傳感器智能化的實(shí)現(xiàn)方式多樣，有硬件實(shí)現(xiàn)，也有軟件實(shí)現(xiàn)。軟件實(shí)現(xiàn)方法包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、支持向量機(jī)技術(shù)、粒子群算法和小波分析等數(shù)據(jù)挖掘方法中的智能算法。這些智能算法的仿真工具眾多，算法設(shè)計(jì)靈活且多樣，可以讓學(xué)生在完成課程實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，通過自主設(shè)計(jì)進(jìn)一步發(fā)掘算法的優(yōu)化方法，加深對(duì)知識(shí)的理解。
本論文將舉例說明現(xiàn)代傳感器技術(shù)課程在智能傳感器智能化實(shí)現(xiàn)方面的自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的開設(shè)方法。
例如，開設(shè)題為“基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的傳感器溫度自補(bǔ)償模塊設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)。對(duì)于會(huì)受溫度影響的傳感器，要降低工作環(huán)境溫度的影響，就需要設(shè)計(jì)自補(bǔ)償模塊，補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ卸喾N，這里選用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法。首先，學(xué)生需要選定實(shí)驗(yàn)對(duì)象，即傳感器，比如某款壓阻式壓力傳感器，然后獲取不同溫度狀態(tài)下傳感器靜態(tài)標(biāo)定數(shù)據(jù)，根據(jù)標(biāo)定數(shù)據(jù)制作樣本，輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。學(xué)生可以根據(jù)需要選擇不同的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，比如BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等[4]。實(shí)驗(yàn)編程時(shí)可于利用現(xiàn)有的工具箱進(jìn)行輔助編程，也可以完全自行編程。
以上實(shí)驗(yàn)只考慮了溫度這一個(gè)干擾量的影響。通常影響傳感器的不止一個(gè)干擾量，還可能存在兩個(gè)或多個(gè)干擾量的影響。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法可以用來降低兩個(gè)或者是多個(gè)干擾量的影響。此外，學(xué)生還可以用支持向量機(jī)技術(shù)來設(shè)計(jì)智能化軟件模塊，用于降低多個(gè)干擾量的影響。例如，可開設(shè)題為“基于支持向量機(jī)方法的降低多個(gè)干擾量影響的傳感器智能模塊設(shè)計(jì)”。該實(shí)驗(yàn)的過程是先選定存在交叉敏感的傳感器作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行多維標(biāo)定實(shí)驗(yàn)獲取樣本數(shù)據(jù)，再利用支持向量機(jī)方法建立數(shù)據(jù)融合模型，從而消除或是降低多個(gè)干擾量的影響。支持向量機(jī)的功能包括分類和回歸等，因此學(xué)生還可以結(jié)合其分類的功能設(shè)計(jì)其他傳感器智能模塊。
學(xué)生在進(jìn)行智能算法的課程實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以選擇自帶工具箱中豐富的仿真工具，也可以自行編程實(shí)現(xiàn)算法。本論文采用Matlab軟件為仿真工具實(shí)現(xiàn)算法。
三、實(shí)驗(yàn)示例
（一）基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的傳感器溫度自補(bǔ)償模塊設(shè)計(jì)
本實(shí)驗(yàn)選定壓阻式壓力傳感器作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，目標(biāo)如下。
1.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償模塊，消除工作環(huán)境溫度對(duì)傳感器的影響。
2.實(shí)驗(yàn)過程需對(duì)多個(gè)樣本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，提高補(bǔ)償模塊的適應(yīng)性，即在滿足壓力量程的情況下對(duì)不同的工作溫度進(jìn)行補(bǔ)償。
3.溫度補(bǔ)償模塊的設(shè)計(jì)可以使用多種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，并進(jìn)行對(duì)比，得到消除溫度影響最好的方法。
實(shí)驗(yàn)步驟如下。
1.二維標(biāo)定實(shí)驗(yàn)
用標(biāo)定實(shí)驗(yàn)來獲取原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。由于實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)時(shí)間的限制，有些學(xué)生無法進(jìn)行此步驟。學(xué)生也可以通過教材或者相關(guān)論文來獲取原始數(shù)據(jù)，但是必須在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中注明數(shù)據(jù)的來源。
2.數(shù)據(jù)預(yù)處理與樣本制作
用上一步中獲取的原始數(shù)據(jù)來制作樣本。通常先將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，用歸一化之后的數(shù)據(jù)制作樣本。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的樣本包括訓(xùn)練樣本和測(cè)試樣本。
3.訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
將訓(xùn)練樣本輸入到編好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，可以是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，得到訓(xùn)練后的模型。
4.測(cè)試神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
用測(cè)試樣本檢驗(yàn)訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。如果得到的效果不好，可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，改善補(bǔ)償效果。
5.更換訓(xùn)練樣本和測(cè)試樣本后重復(fù)第三和第四個(gè)步驟
不同樣本得到的結(jié)果往往差異較大，實(shí)驗(yàn)中需要更換訓(xùn)練樣本和測(cè)試樣本后進(jìn)行多次重褪笛椋用以提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的適應(yīng)性。
6.換一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法重復(fù)第五個(gè)步驟
同一樣本采用不同的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法可能得到不同的補(bǔ)償結(jié)果，實(shí)驗(yàn)中可以嘗試對(duì)比不同的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，或者通過優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法改善補(bǔ)償效果。
（二）基于支持向量機(jī)方法的降低多個(gè)干擾量影響的傳感器智能模塊設(shè)計(jì)
本實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)如下。
1.利用支持向量機(jī)的處理分類和回歸問題的功能，對(duì)傳感器交叉敏感的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，用以抑制交叉敏感現(xiàn)象。
2.嘗試修改支持向量機(jī)的程序，例如更換核函數(shù)或改變分類策略，得到不同的測(cè)試結(jié)果。
3.制備多組樣本數(shù)據(jù)，對(duì)不同的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，用以檢驗(yàn)算法的適應(yīng)性。
實(shí)驗(yàn)步驟如下。
1.樣本數(shù)據(jù)制作
根據(jù)確定的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，采集或制備樣本數(shù)據(jù)。制作好的樣本數(shù)據(jù)將分為訓(xùn)練樣本和測(cè)試樣本兩部分。訓(xùn)練樣本與測(cè)試樣本的格式保持一致。
2.算法設(shè)計(jì)
利用支持向量回歸（Support Vector Regression，SVR）或支持向量分類（Support Vector Classification，SVC）算法，處理樣本數(shù)據(jù)。利用多種策略測(cè)試算法優(yōu)劣。
例如在支持向量分類算法中，有兩種處理多分類問題的策略， 一種是“一對(duì)一（one agaist one， 1A1）”， 另一種是“一對(duì)多（one agaist all， 1AA）”。實(shí)驗(yàn)中可測(cè)試不同策略的算法。支持向量機(jī)可選取多種核函數(shù)，包括線性核函數(shù)、多項(xiàng)式核函數(shù)和徑向基（Radial Basis Function，RBF）核函數(shù)等。目前尚缺乏一種選取核函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)方法。實(shí)驗(yàn)中可以通過更換核函數(shù)來測(cè)試它們的不同效果，用以選取最優(yōu)的方案。
可以采用不同的支持向量機(jī)工具箱，例如SVM and Kernel Methods Matlab Toolbox工具箱，或者自行編程。
在算法設(shè)計(jì)的過程中，通過對(duì)訓(xùn)練樣本進(jìn)行訓(xùn)練和對(duì)測(cè)試樣本進(jìn)行測(cè)試，得到每一次的結(jié)果。同一算法必須經(jīng)過多個(gè)訓(xùn)練樣本和測(cè)試樣本的檢驗(yàn)。更換算法策略后，再重復(fù)以上步驟。
3.效果評(píng)價(jià)
用抑制交叉敏感的結(jié)果對(duì)比最初的傳感器數(shù)據(jù)，對(duì)算法效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。
（三）實(shí)驗(yàn)方案
結(jié)合以上實(shí)例，可以設(shè)計(jì)出自主實(shí)驗(yàn)的方案，具體如下：自行查閱資料進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法和支持向量機(jī)法的設(shè)計(jì)，兩種算法選擇其一即可。
實(shí)驗(yàn)步驟如下：（1）安裝matlab軟件；（2）熟悉matlab軟件的使用方法；（3）查閱資料進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)；（4）選取神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法和支持向量機(jī)法之一進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)；（5）根據(jù)設(shè)計(jì)要求編寫算法，并仿真；（6）對(duì)算法效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。
需要注意的是，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法和支持向量機(jī)法在智能傳感器系統(tǒng)的智能化功能實(shí)現(xiàn)方法上進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)的時(shí)候，數(shù)據(jù)來源要有出處，應(yīng)用范圍要明確。
四、結(jié)論
現(xiàn)代傳感器技術(shù)課程通過開設(shè)自主設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。該課程涉及的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、支持向量機(jī)技術(shù)、主成分分析和小波分析等方法可以較為靈活地開設(shè)自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力。本論文以“基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的傳感器溫度自補(bǔ)償模塊設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)為例說明了自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的方案。實(shí)驗(yàn)采用Matlab軟件設(shè)計(jì)，方案可行。
【參考文獻(xiàn)】
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中圖分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2015）05-0000-00
1 引言
壓力傳感器在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用比較廣泛，其信號(hào)調(diào)理電路通過對(duì)信號(hào)的調(diào)節(jié)變換，使信號(hào)達(dá)到后續(xù)電路的接收要求。電路的誤差控制、抗干擾技術(shù)對(duì)電路的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，電路的穩(wěn)定性直接關(guān)系到單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和產(chǎn)品的實(shí)用性。
本論文的信號(hào)調(diào)理電路主要用于電子稱等衡器的前端信號(hào)處理，量程0―5Kg，其最大允許誤差±1.5e（分度值e=2g）。本論文從誤差分析，力傳感器的選定和放大電路的設(shè)計(jì)三個(gè)方面闡述該電路設(shè)計(jì)思路。
2硬件設(shè)計(jì)中誤差解決方法
降低電路元器件產(chǎn)生的噪聲、設(shè)置穩(wěn)壓電流源作傳感器專用電源，可保證傳感器輸出信號(hào)精度高，紋波小，穩(wěn)定可靠，選擇合適的傳感器。
由于組成電路的元件內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一些噪聲，并且實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，噪聲的功率與輸入的電壓有直接的關(guān)系，而且會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)的參數(shù)產(chǎn)生較大的影響。在試驗(yàn)中對(duì)電阻等噪聲較大的原件通過元件的噪聲參數(shù)建立模型來進(jìn)行系統(tǒng)分析。綜合考慮成本及噪聲性能，選擇噪聲較小的NE5532放大器電路，其相對(duì)噪聲比優(yōu)于同等價(jià)格的其他運(yùn)算放大器。
傳感器采用了N430-5kg應(yīng)變式壓力傳感器，量程0～5kg，靈敏度為1.0mV/N，體積小，易攜帶；額定輸出1.0±0.15mV/V，能夠滿足實(shí)驗(yàn)精度要求；并能夠使產(chǎn)品具有便攜性，力傳感器后接電橋的以減少溫漂，即電橋壓力傳感器的電橋電阻設(shè)為R1=R2=R3=R4=100Ω，差動(dòng)工作，應(yīng)變片使得電橋保持了平衡，使得電橋的輸出電壓與電阻變化有關(guān)，保持了一個(gè)即R1=R-R，R2=R+R，R3=R-R，R4=R+R，則電橋輸出為
3放大電路的分析與設(shè)計(jì)
整體電路設(shè)計(jì)如圖3-1所示，包含兩級(jí)放大電路，通過反饋設(shè)計(jì)提高了輸出的準(zhǔn)確性。第一級(jí)放大電路采用雙運(yùn)算放大器，此放大器小信號(hào)帶寬10MHZ，功率帶寬140KHZ，轉(zhuǎn)換速率9V/us，符合一般控制電路的設(shè)計(jì)要求。第二級(jí)放大電路采用二階低通濾波運(yùn)算放大電路。
通過使用Multisim 12.0仿真軟件中的函數(shù)發(fā)生器模擬在f0=10Hz下的濾波波形，其通帶最大衰減為4.165518dB，阻帶最大衰減為14.403186dB，其中R9和R11=R10//R12，由R12來確定放大倍數(shù)，算得Q=0.5，滿足實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求。
由于在 Multisim12.0仿真軟件中，沒有直接的電荷源信號(hào)，考慮到電阻應(yīng)變式傳感器輸出為電壓信號(hào)，改變傳感器的應(yīng)變重量，在形式上是以電壓的形式輸出的。在電路分析時(shí)可以把傳感器看作一個(gè)電壓源，其輸出電壓在其電電路中將信號(hào)傳遞給放大電路。所以在模擬仿真中，采用了TL431ACD 保證模擬信號(hào)輸入端的穩(wěn)定性。
4 軟件設(shè)計(jì)中的誤差補(bǔ)償
采用延遲法進(jìn)行誤差補(bǔ)償，在系統(tǒng)中， 存在控制開關(guān)的抖動(dòng)干擾。抑制這種噪聲方法就是通過延時(shí)， 讓接通或斷開信號(hào)穩(wěn)定后系統(tǒng)再工作， 就可以避免抖動(dòng)干擾。
5 結(jié)語
本設(shè)計(jì)的放大電路的帶寬在890mHZ～123HZ，測(cè)得輸入為2.756mv時(shí)，輸出為217.177mv，放大倍數(shù)約100倍。整體上對(duì)各種誤差來源給以充分的估計(jì)，并針對(duì)不同的情況采取不同的技術(shù)措施，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力，保證了系統(tǒng)的準(zhǔn)確、可靠。
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生產(chǎn)實(shí)踐表明測(cè)量裝置失效是導(dǎo)致連續(xù)工業(yè)過程控制間斷的重要因素之一[1]。因此，對(duì)連續(xù)工業(yè)過程進(jìn)行傳感器置信度評(píng)估尤為重要。目前常用的方法有貝葉斯估計(jì)法、DS證據(jù)推理法、自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊推理方法(ANFIS)和人工免疫網(wǎng)絡(luò)法等[2，3]。其中，連續(xù)生產(chǎn)過程中的物質(zhì)能量流模型和人工免疫網(wǎng)絡(luò)傳播模型相類似，所以利用這種關(guān)系進(jìn)行傳感器置信度評(píng)估已成為近年來自動(dòng)化領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。目前基于人工免疫網(wǎng)絡(luò)的傳感器置信度評(píng)估方法主要有:以Ishida為代表的動(dòng)態(tài)識(shí)別免疫網(wǎng)絡(luò)和以Leonard M.Adleman為代表的基于DNA的陰性選擇[4-6]。而前者已成功地應(yīng)用于水泥生產(chǎn)過程的設(shè)備傳感器置信度評(píng)估。但是Ishida動(dòng)態(tài)識(shí)別方法中只能處理傳感器關(guān)系確定的情況。因此，本文引入了傳感器關(guān)系的非確定性約束，用于連續(xù)生產(chǎn)過程傳感器之間為非確定關(guān)系情況下的傳感器置信度評(píng)估。
1 傳感器置信度評(píng)估算法Ishida動(dòng)態(tài)識(shí)別免疫網(wǎng)絡(luò)是在N.K.Jerne系統(tǒng)級(jí)識(shí)別方法基礎(chǔ)上提出的。N.K.Jerne認(rèn)為在免疫網(wǎng)絡(luò)理論中，免疫系統(tǒng)由識(shí)別集合組成，識(shí)別集合中的一些抗原可以被其他抗原激活，并產(chǎn)生抗體;而這些抗體又可以激活其他的抗原。通過這種方式，刺激可以從一個(gè)抗原傳播到另外一個(gè)抗原，直至影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。對(duì)刺激信號(hào)的辨識(shí)不是一個(gè)抗原單獨(dú)完成的，而是通過抗原相互連接的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的[7，8]。Ishida動(dòng)態(tài)識(shí)別免疫網(wǎng)絡(luò)方法利用傳感器之間的約束條件為每個(gè)傳感器建立測(cè)試單元。在用動(dòng)態(tài)識(shí)別免疫網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳感器置信度評(píng)估時(shí)，網(wǎng)絡(luò)主體與傳感器相對(duì)應(yīng)，免疫細(xì)胞的濃度與傳感器的可靠性相對(duì)應(yīng)，網(wǎng)絡(luò)平衡狀態(tài)與傳感器正常狀態(tài)相對(duì)應(yīng)，外部刺激信號(hào)和測(cè)試單元的測(cè)試結(jié)果相對(duì)應(yīng)。因此，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)傳感器不僅測(cè)量工業(yè)過程的物理量，還要評(píng)估其他傳感器的可靠性。在同一工業(yè)過程中，溫度、壓力、流量等傳感器的測(cè)量值之間既互相獨(dú)立又互相聯(lián)系;只要利用簡(jiǎn)單的工業(yè)過程知識(shí)就能建立起這些傳感器之間具有確定性的約束，所以這種方法實(shí)現(xiàn)起來較為簡(jiǎn)單。這種模型可用圖1的結(jié)構(gòu)表示。圖1 動(dòng)態(tài)人工免疫網(wǎng)絡(luò)圖中是一個(gè)包含n個(gè)節(jié)點(diǎn)的人工免疫網(wǎng)絡(luò)Nais(p(i)ais)，i =1，…，n。其中p(i)ais是網(wǎng)絡(luò)的第i個(gè)節(jié)點(diǎn)， p(i)ais= {Aais，I(1)ais，I(2)ais，…，I(m)ais}，Aais表示網(wǎng)絡(luò)中的抗體，I(i)ais表示第i個(gè)抗體的獨(dú)特位。在Ishida的方法中，p(i)ais與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的第i個(gè)傳感器的邏輯位置相對(duì)應(yīng)，抗體Aais與傳感器實(shí)體相對(duì)應(yīng)，抗體Aais的濃度與傳感器的可信度對(duì)應(yīng)，獨(dú)特位I(1)ais，I(2)ais，…，I(m)ais對(duì)應(yīng)m個(gè)測(cè)試單元。對(duì)Aais(Aais∈p(i)ais)的刺激由第i個(gè)傳感器和其他傳感器建立的測(cè)試單元對(duì)應(yīng)的獨(dú)特位I(1)ais，I(2)ais，…，I(m)ais產(chǎn)生。但是，測(cè)試單元存在如下缺點(diǎn)[3]:測(cè)試單元的結(jié)果只能用0，1，-1來表示，不能利用人工經(jīng)驗(yàn)等一些非確定知識(shí)。針對(duì)這些缺點(diǎn)本文進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了新型的測(cè)試單元。針對(duì)Ishida測(cè)試單元存在的不足，本文設(shè)計(jì)了模糊測(cè)試單元，使其能夠反應(yīng)傳感器數(shù)值間的非確定性關(guān)系。在動(dòng)態(tài)識(shí)別免疫網(wǎng)絡(luò)中，獨(dú)特位Iais實(shí)際上就是傳感器數(shù)值Sj和Sk的關(guān)系的體現(xiàn)，而這種關(guān)系用在模糊論域可分為5個(gè)等級(jí):{Sj小于Sk，Sj小于等于Sk，Sj在Sk的附近變化，Sj大于等于Sk，Sj大于Sk}。Sj和Sk之間的模糊關(guān)系則代表了動(dòng)態(tài)識(shí)別免疫網(wǎng)絡(luò)中抗體之間刺激的強(qiáng)度。設(shè)在t時(shí)刻，抗體Aais對(duì)應(yīng)的傳感器j通過獨(dú)特位I(jk)ais收到來自k傳感器的刺激為I(jk)ais(t)，則其隸屬度為I(jk)ais(t) =∪5l=112πσaisle-(sj-sk-μaisl)22σ2aisl(1)式中I(jk)ais(t)∈(0，1)，兩個(gè)數(shù)列之間的關(guān)系是互易的，所以I(jk)ais(t)=I(kj)ais(t);ηaisl，σaisl(l=1，2，3，4，5)是不同等級(jí)的隸屬度函數(shù)的中的常數(shù)，由Sj和Sk之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系決定。由外部刺激引起抗體濃度ri產(chǎn)生變化，可表示為dr(i)aisdt=∑nj=1R(i)aisI(ij)ais∑ni=1R(i)aisξais+r(i)ais(1-ξais) (2)R(i)ais=2arctan(qais·r(i)ais)π(1-Rd)+Rd(3)式中Rd∈(0，1)，經(jīng)驗(yàn)值取0.001;R(i)ais表示節(jié)點(diǎn)p(i)ais對(duì)應(yīng)的第i個(gè)傳感器的可信度，R(i)ais越大，傳感器的可信度越高，由于qais·rais>0，所以Rais∈(Rd，1);ξais為靈敏度系數(shù);qais是網(wǎng)絡(luò)平衡狀態(tài)的調(diào)節(jié)系數(shù)，主要作用是傳感器網(wǎng)絡(luò)在正常時(shí)的可信度調(diào)節(jié)在一個(gè)合適的范圍內(nèi)。
轉(zhuǎn)貼于 2 參數(shù)確定的方法在本算法中，需要確定的參數(shù)有兩類:一類是式(1)影響對(duì)獨(dú)特位刺激程度的參數(shù)μais和σais，另一類是影響網(wǎng)絡(luò)平衡狀態(tài)的參數(shù)ξais和qais。參數(shù)μais和σais主要表征了和獨(dú)特位對(duì)應(yīng)的測(cè)試單元中兩個(gè)傳感器之間的關(guān)系。這種關(guān)系通常是生產(chǎn)工藝所要求的(或者工業(yè)過程特性決定的)。要確定參數(shù)μais和σais，首先要獲取這兩個(gè)傳感器大量的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，然后以它們相同時(shí)刻測(cè)量值的差作為樣本。μais是該樣本的正態(tài)分布的均值，σais是該樣本的正態(tài)分布的均方差。參數(shù)ξais和qais影響網(wǎng)絡(luò)的平衡狀態(tài)，如圖2所示。從圖中可以看出:ξais越大，網(wǎng)絡(luò)對(duì)外界的反映就越靈敏，但容易產(chǎn)生誤報(bào)。qais越大Rais正常狀態(tài)下就越大;但是，qais過大會(huì)造成測(cè)量失效狀態(tài)下的可信度變大，容易發(fā)生漏報(bào)。參數(shù)ξais和qais可以通過學(xué)習(xí)得到。在傳感器正常工作狀態(tài)下，qais可通過以下公式得到qais(t+1) = qais(t)+αais(Rais-R0) (4)式中αais為步長(zhǎng)系數(shù);R0為qais調(diào)節(jié)時(shí)傳感器正常狀態(tài)下置信度的平均值，一般可取0.7。在某個(gè)時(shí)刻，1732傳 感 技 術(shù) 學(xué) 報(bào)2008年能比較試驗(yàn)。ANFIS結(jié)構(gòu)如圖4所示，酵罐三個(gè)溫度傳感器，兩個(gè)作為輸入，另外一個(gè)作為輸出，對(duì)傳感器輸入值的隸屬度劃分為兩個(gè)區(qū)間:正常和異常。經(jīng)過訓(xùn)練以后和分別對(duì)應(yīng)于兩個(gè)輸入傳感器的“標(biāo)準(zhǔn)可信度”。圖4 ANFIS的結(jié)構(gòu)例如，當(dāng)對(duì)于罐頂傳感器的置信度評(píng)估時(shí)，建立2個(gè)ANFIS:ANFIS-1:輸入為罐頂傳感器和罐中部傳感器，輸出為罐底傳感器，w(1)top表征罐頂傳感器的置信度。ANFIS-2:輸入為罐頂傳感器和罐底傳感器，輸出為罐中部傳感器，w(2)top表征罐頂傳感器的置信度。那么，罐頂傳感器的置信度為w(1)top和w(2)top的平均值。其余兩個(gè)傳感器的評(píng)估方法也同樣。AN-FIS實(shí)驗(yàn)使用和人工免疫網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)相同的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)窗口大小為30 ks。由于兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中的置信度沒有可比性，人工免疫網(wǎng)絡(luò)算法中的置信度來源于人工經(jīng)驗(yàn)，ANFIS的標(biāo)準(zhǔn)的可信度來源于歸一化的權(quán)系數(shù)。因此，論文比較的是:傳感器“故障”引起的其置信度變化率ηt，ηt=| Rm-Ra|Rm(6)式中:Rm表示正常狀態(tài)下的置信度，Ra表示異常情況下的置信度。對(duì)比實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如表2所示，從中可以看出，兩種方法結(jié)果是一致的，而當(dāng)偏差數(shù)據(jù)較大時(shí)，ANFIS方法ηt的較大，對(duì)故障數(shù)據(jù)比較敏感，在偏差較小時(shí)，人工免疫網(wǎng)絡(luò)算法的ηt較大，對(duì)故障數(shù)據(jù)比較敏感。因此，人工免疫網(wǎng)絡(luò)算法適用的數(shù)值范圍更廣一些。表2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)的ηt結(jié)果傳感器偏差數(shù)據(jù)/℃人工免疫網(wǎng)絡(luò)方法ANFIS方法罐頂傳感器-0.50 34.6% 57.7%罐中部傳感器-0.30 18.1% 4.8%罐底傳感器-0.15 6.4% 0.2%
3 結(jié)論論文研究了連續(xù)過程中傳感器具有非確定關(guān)系情況下的傳感器置信度評(píng)估。實(shí)驗(yàn)證明:①具有模糊測(cè)試單元的人工免疫網(wǎng)絡(luò)能夠使用人工經(jīng)驗(yàn)對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)置信度進(jìn)行評(píng)估;②具有模糊測(cè)試單元的參數(shù)物理意義明顯、確定方法簡(jiǎn)單易行。但是，論文中的算法在某些情況下抗干擾能力較弱。例如，圖3(c)所示情況應(yīng)用單條件的閥值比較的方法輸出的結(jié)果不穩(wěn)定，論文將用復(fù)合的判決條件的方法在此深入研究。
參考文獻(xiàn)
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1.研究的目的與意義
本研究以溫度采集及轉(zhuǎn)換，單片機(jī)處理和監(jiān)控，無線傳輸為核心，可用于航空航天系統(tǒng)中，倉儲(chǔ)溫度監(jiān)測(cè)及環(huán)境監(jiān)測(cè)，礦井里的溫度采集等。免費(fèi)論文。快速方便并且可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程采集，具有較高精確度，另外加有存儲(chǔ)單元，可以對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)對(duì)比，以備不時(shí)之需。在該系統(tǒng)中還添加報(bào)警系統(tǒng)，自動(dòng)提醒不正常溫度，以免發(fā)生不必要的危險(xiǎn)。由于采用ZigBee無線傳輸裝置，可以遠(yuǎn)距離測(cè)溫，因此可用于危險(xiǎn)區(qū)域，例如：高壓區(qū)，工廠，大型機(jī)器內(nèi)部溫測(cè)等，還可采集低溫。另外還適用于家庭防火災(zāi)，火災(zāi)內(nèi)部溫度探測(cè)和溫度監(jiān)控，有助于滅火的開展和搶救人員和財(cái)產(chǎn)以及預(yù)測(cè)火勢(shì)的發(fā)展等。
在現(xiàn)代社會(huì)中溫度在航空航天，工業(yè)自動(dòng)化、家用電器、環(huán)境保護(hù)和安全生產(chǎn)等方面都是最基本的監(jiān)測(cè)參數(shù)之一，但是在某些環(huán)境下溫度檢測(cè)比較危險(xiǎn)。因而需要一個(gè)智能檢測(cè)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來代替危險(xiǎn)的工作，本系統(tǒng)就可以很好的解決此問題，不僅可以實(shí)時(shí)的對(duì)溫度進(jìn)行遠(yuǎn)程檢測(cè)監(jiān)控，還可以在十分惡劣的環(huán)境下工作，測(cè)量結(jié)果精度高，并且對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)可以直接通過USB接口傳給電腦存儲(chǔ)或者直接存入外設(shè)存儲(chǔ)單元，同時(shí)加報(bào)警裝置，在溫度不正常給予提醒，從而將損失減少到最低。為滿足對(duì)溫度記錄的要求（高精度、自動(dòng)控制、經(jīng)濟(jì)實(shí)用），系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度的不間斷測(cè)量與監(jiān)控，讓您通過監(jiān)控中心可以直觀看到溫度實(shí)時(shí)變化，做到足不出戶即可了解各被測(cè)點(diǎn)的溫度。在那些需要對(duì)溫度監(jiān)控和測(cè)量的地方放置無線溫度采集器，然后由監(jiān)控中心通過軟件對(duì)無線采集器進(jìn)行控制，代替過去由人工來完成的溫度數(shù)據(jù)采集任務(wù)；同時(shí)監(jiān)控中心對(duì)無線溫度采集器傳輸來的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和查詢統(tǒng)計(jì)。本系統(tǒng)使用方便，操作簡(jiǎn)捷，已經(jīng)在許多領(lǐng)域中得到廣泛的使用
2.國(guó)內(nèi)外本項(xiàng)目的研究狀況
溫度在工業(yè)自動(dòng)化、家用電器、環(huán)境保護(hù)和安全生產(chǎn)等方面都是最基本的監(jiān)測(cè)參數(shù)之一，因此其檢測(cè)裝置也得到的長(zhǎng)足的進(jìn)步和發(fā)展。免費(fèi)論文。例如美日生產(chǎn)的管纜熱電阻溫度傳感器可測(cè)溫度高達(dá)1000℃，精度0.5級(jí)，清華大學(xué)的“光纖黑體腔溫度傳感器”可在400～1300℃間靈敏度可達(dá)0.1℃。隨著科技的進(jìn)步和新材料的發(fā)現(xiàn)，新一代的溫度傳感器也在不斷出現(xiàn)和完善，如利用核磁共振的溫度檢測(cè)器，可測(cè)量出千分之一開爾文，而且輸出信號(hào)適于數(shù)字運(yùn)算處理，在常溫下可作為理想的標(biāo)準(zhǔn)溫度。此外還有熱噪聲溫度傳感器、激光溫度傳感器等諸多發(fā)展。智能溫度傳感器(亦稱數(shù)字溫度傳感器)是在20世紀(jì)90年代中期問世的。它是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)測(cè)試技術(shù)(ATE)的結(jié)晶。智能溫度傳感器的特點(diǎn)是能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫度控制量，適配各種微控制器(MCU)，它在硬件的基礎(chǔ)上通過軟件來實(shí)現(xiàn)測(cè)試功能。目前，國(guó)際上已開發(fā)出多種智能溫度傳感器系列產(chǎn)品。如由美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司新研制的DS1624型高分辨力智能溫度傳感器，能輸出13位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，其分辨力高達(dá)0.03125°C,測(cè)溫精度為±0.2°C。此外新型智能溫度傳感器的功能也在不斷增強(qiáng)。例如，DS1629型單線智能溫度傳感器增加了實(shí)時(shí)日歷時(shí)鐘(RTC),使其功能更加完善。DS1624還增加了存儲(chǔ)功能，利用芯片內(nèi)部256字節(jié)的E2PROM存儲(chǔ)器，可存儲(chǔ)用戶的短信息。免費(fèi)論文。另外，智能溫度傳感器正從單通道向多通道的方向發(fā)展，這就為研制和開發(fā)多路溫度測(cè)控系統(tǒng)創(chuàng)造了良好條件。
無線傳輸技術(shù)ZigBee是在工業(yè)自動(dòng)化、家庭智能化和遙控監(jiān)測(cè)領(lǐng)域?qū)o線通訊和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笕找嬖鲩L(zhǎng)的情況下應(yīng)運(yùn)而生的，它采用IEEE802.15.4協(xié)議，具有功耗低，成本低等特點(diǎn)，還可以方便的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)移動(dòng)的AdHoc網(wǎng)絡(luò)。目前市場(chǎng)上的RF芯片供應(yīng)商主要還是TI、EMBER、FREESCAIE及JENNIC，國(guó)產(chǎn)廠商在這個(gè)方面仍然是空白。鑒于ZigBee技術(shù)在功耗、組網(wǎng)技術(shù)等方面的出色能力，受到各國(guó)政府、軍方、科研機(jī)構(gòu)和跨國(guó)公司的廣泛關(guān)注和高度重視，隨著其技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將會(huì)逐漸的深入生活的每個(gè)方面。
3.無線網(wǎng)絡(luò)溫度采集可以實(shí)現(xiàn)如下功能
（一）數(shù)字信號(hào)通過單片機(jī)分析處理，通過ZigBee無線傳輸模塊，可實(shí)現(xiàn)無線傳輸功能。（二）接收模塊得到的數(shù)字信號(hào)通過單片機(jī)處理，可在LCD FC12864上可進(jìn)行當(dāng)前溫度顯示，可實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示功能。（三）外部存儲(chǔ)單元可對(duì)過去溫度進(jìn)行存儲(chǔ)，以便隨時(shí)調(diào)用，可實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)功能。（四）由于有無線傳輸，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)控和測(cè)量 存儲(chǔ)，安全可靠，而且速度快精度高。（五）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的不間斷溫度測(cè)量與監(jiān)控，讓您通過監(jiān)控中心可以直觀看到溫度實(shí)時(shí)變化，做到足不出戶即可了解各被測(cè)點(diǎn)的溫度。在那些需要對(duì)溫度監(jiān)控和測(cè)量的地方放置無線溫度采集器，然后由監(jiān)代替過去由人工來完成的溫度數(shù)據(jù)采集任務(wù)；同時(shí)監(jiān)控中心對(duì)無線溫度采集器傳輸來的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和查詢統(tǒng)計(jì)。（六）該系統(tǒng)可換部分裝置，然后實(shí)現(xiàn)其它功能，例如：將溫度傳感器換成濕度傳感器進(jìn)行濕度采集等，具有很強(qiáng)的移植性。
4.結(jié)語
在當(dāng)代社會(huì)科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及人類對(duì)自然的不斷深入探索下，一些人類無法立足的惡劣環(huán)境以及相關(guān)工業(yè)、煤礦業(yè)、石油業(yè)、存儲(chǔ)業(yè)等相關(guān)環(huán)境中的重要溫度數(shù)據(jù)的采集和控制成為科學(xué)研究的重要課題。本研究項(xiàng)目以適應(yīng)相關(guān)條件下的溫度傳感器為依托，以單片機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)的處理和監(jiān)控為核心，當(dāng)需要采集人類無法立足的惡劣環(huán)境中的重要溫度數(shù)據(jù)時(shí)，本系統(tǒng)可以通過媒介放置一體積小、精度高的溫度傳感器去采集；在生產(chǎn)和存儲(chǔ)環(huán)境中可以通過本系統(tǒng)來監(jiān)測(cè)溫度，當(dāng)超過合適的環(huán)境溫度時(shí)，發(fā)出警報(bào)，通知工作人員及時(shí)處理控制溫度以減少損失。本研究項(xiàng)目可以更好的服務(wù)于科研，提高生產(chǎn)效率，降低危險(xiǎn)事故發(fā)生的幾率，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義
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