学文网传感器论文篇1
极限型相对于浓差型，不需要参比气，在固体电解质的阴极侧进一步设置限制气体扩散的扩散层。当在固体电解质两侧施加一电压，阴极附近的氧得到电子形成O2-，O2-通过固体电解质到达阳极被还原失去电子产生氧，在电极电路中产生可测泵电流，这相当于一个电化学氧泵。施加的电压增大，泵氧速度增大，当电压超过某一数值，气体扩散速度小于泵氧速度，泵电流达到极限值。依据扩散孔隙大小，分为普通扩散（孔径远大于分子平均自由程）和克努森（孔径远小于分子平均自由程）扩散。在扩散层参数（扩散系数、孔截面积、孔长度）固定时，普通扩散（如小孔型）的极限电流与氧分压的对数成正比；克努森扩散（如多孔型）的极限电流与氧分压成正比。极限型在理论空燃比附近以及浓燃烧（贫氧）区域产生电信号极其微弱，因此主要用于稀薄（富氧）燃烧发动机（即作为稀薄空燃比型）。极限型需要加热器使得固体电解质达到工作温度。为了调整传感器的响应时间，极限型也发展了套管式、平板式。根据扩散层类型，极限型包括物理扩散障碍型（包括小孔扩散和多孔扩散）、化学扩散障碍型（致密型）。物理扩散障碍的材料一般为Al2O3；化学扩散障碍的材料是固体电子-离子混合导体，后者是依靠混合导体两侧的氧化学势差，通过混合导体的晶格缺陷将O2-传输至氧泵电池的阴极，混合导体的材料可为钙钛矿结构的镧系过渡金属氧化物（如镧锶锰、镧锶钴、镧锶镍、铷锶钴、铷钙钴等）、稀土与过渡金属掺杂的氧化铈和氧化锆为基体的萤石与烧绿石型氧化物。另外，利用浓差电池原理和电化学氧泵原理可组成管式或板式双电池型宽域氧传感器，该型传感器可用于整个浓燃烧和稀薄燃烧范围的空燃比控制。
2氧化物半导体型
在氧化物半导体表面上形成一对电极。根据周围气氛的分压，氧化物半导体（如TiO2、Nb2O5、CeO2、CoO2、SnO2、ZnO等）自身进行氧化或还原反应，导致半导体的电阻发生变化。在温度固定时，半导体电阻的对数与氧分压的对数成正比。该型传感器需要加热器使得半导体达到工作温度，不需要参比气，按照结构分为烧结体型（片状）、薄膜型、厚膜型。
3场效应晶体管（FET）型或肖特基势垒二极管型
电极形成在FET的YSZ栅上或半导体表面的氧敏膜上。在气/铂/YSZ或气/铂/TiO2三相界面上，氧被催化为O2-，使得铂/YSZ或铂/TiO2界面的电位发生变化，进而使得FET阈值电压或二极管端电压发生变化，通过测量FET阈值电压或二极管端电压变化获得氧分压。该型传感器适用于室温到高温。
4混合电势型
传感器论文篇2
灵敏度
电容传感器的灵敏度是由其物理结构、测量电容的方法和精确比较电容相对于接触门限电平变化的能力而决定的。采用传统印制电路板(PCB)方法制造的电容传感器的测量范围通常为1～20pF,因而很难准确地检测微小变化。虽然有几种测量这些电容微小值的方法,但采用16位电容/数字转换器(CDC)的高精密测量方法仍然具有明显的优势。
基于PCB设计的电容传感器
制作在标准印制电路板或挠性印制电路上的电容传感器都使用了相同的铜材料来做信号线。在这两种情况下,传感器的最大灵敏度都由传感器的物理尺寸、电介质常数以及覆膜厚度所决定。例如,带有5mm塑料覆膜的3mm厚传感器不如带有2mm塑料覆膜的6mm厚传感器灵敏。
我们的目标是开发具有正确响应并且满足人体工学要求的电容传感器。在某些应用中,传感器可能会很小,从而使用户接触面上产生微小的电容变化。
***1和***2显示了在印制电路板上设计电容传感器的两种常用方法。***中给出了在用户接触期间施加激励信号时传感器的响应特性。虽然根据用户接触方式的变化,传感器电容会有所不同,但是传感器的性能在这两种情况下相差不大。
激励电容传感器
如***1所示,连续的250kHz方波激励信号施加在传感器的SRC端,以在电容传感器内建立电场。激励信号在传感器中建立电场后,该电场会部分地延伸出塑料覆膜,ClN端连接到CDC上。
***2所示为另外一种电容传感器设计案例,其将一个恒流源加到传感器的A端,而将B端接地。当用户触摸传感器时会增加额外的手指电容,从而增加了充电周期内RC的上升时间。
测量电容传感器并且检测传感器接触面积
***3显示了一种测量电容的传统方法。恒流源不断地为电容传感器充电,以使其达到比较器的参考门限电平。当电容传感器达到参考门限值时,比较器将输出高电平脉冲,然后闭合开关,电容器放电并且复位计数器。灵敏度门限电平如***4所示。
要确定何时用户开始接触传感器,需要计数器对电容传感器充电到比较器参考电平所经历的时钟周期数
进行计数,并将这个值与预置门限检测设置值比较。例如,计数为50表明传感器有接触,而小于50则表明没有接触。在本例中,当用户接触传感器时,其准确度和精密度与参考时钟的频率和驱动各种电容传感器的电流源的重复性有关。
***5所示是一种较理想的测量电容方法,它使用了高分辨率16位ADC和250kHz的激励源。激励源不断产生250kHz的方波,从而在电容传感器中产生电场以及能够穿透覆盖材料的磁通量。无论用户何时接触传感器,精密
16位ADC都能以lfF测量分辨率来检测。其无须外部控制元件并且自动校准,所以可确保不会发生由于温度或湿度变化引起虚假接触。
传感器论文篇3
本文以常用的车载物流过程为研究对象，在货柜中部署传感器节点，来实时监测货物运输过程的相关环境参数，WSN中的汇聚节点通过蓝牙传输协议将数据传给作为网关的智能手机，智能手机通过GPS卫星定位将位置信息加入到参数数据中，再通过移动通信网络将数据传输到后台系统中。本论文研究主体为车载部分，其架构如***2所示。
1.1传感器节点的设计本系统中，传感器节点的主要任务是实时监测相关环境参数，并对其他节点转发来的数据进行存储和转发，使数据通过WSN传输到汇聚节点处，其处理能力、存储能力和通信能力要求不高，因此采用简单节约的设计方案。如***3所示，传感器节点由传感器模块、处理器模块、射频模块、电源模块和电路等部分组成。传感器模块负责对所需参数进行采集和模数转换。处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理传感器模块采集的以及射频模块发送过来的数据。射频模块负责与其他节点之间的通信，对数据进行发送或接收。电源模块负责为整个节点提供运行所需的能量，是决定节点寿命的关键因素之一。电路则包括声光电路、复位电路及接口电路等。（1）处理器模块。处理器模块是传感器节点的核心部分，本设计方案中，处理器选用德州仪器（TI）公司的16位超低功耗微控制器MSP430F135，该处理器采用1.8V-3.6V的低电压供电，可以在低电压下以超低功耗状态工作，非常适合应用在对功耗控制要求甚高的无线传感器网络。该处理器同时拥有较强的处理能力和较丰富的片内资源，拥有16kB闪存、512BRAM、2个16位的定时器、1个通用同步异步接口（USART）、12位的模数转换器（ADC）和6个8位并行接口。（2）射频模块。在无线传感器网络实际应用中，传感器节点既需要发射又需要接收数据，因此本设计方案中的射频模块采用收发一体的无线收发机。射频模块采用Chipcon公司推出的无线收发芯片CC2420，它的工作电压位于2.1~3.6V之间，收发电流不超过20mA，功耗低；其具有很高的集成度，只需要较少的电路就可工作，天线设计采用PCB天线，进一步减小模块体积。CC2420工作在2.4GHz频段上，支持IEEE802.15.4和Zig-Bee协议；采用O-QPSK调制方式，抗邻道干扰能力强；128B接收和128B发射用的数据缓存空间，数据传输速率高达250kb-ps。（3）传感器模块。传感器节点的数据采集部分根据实际需要选择相应的传感器，如温度、湿度、振动、光敏、压力等传感器。本文的研究重点不在传感器上，因此仅以温湿度传感器作为例子。本方案采用Sensirion公司的SHT15温湿度传感器，该传感器将传感元件和信号处理电路集成在一起，输出完全标定的数字信号[3]。其工作温度范围在-40℃-123.8℃之间，其在-20℃-70℃范围内，温度测量精度在±1℃以内；湿度范围在0%-100%之间，在10%-90%范围内，湿度测量精度在±2%以内。
1.2汇聚节点的设计在本系统中，汇聚节点的主要任务是接收传感器节点转发来的数据，进行存储和处理后传输到网关节点处，同时，接收来自网关节点的信息，向传感器节点监测任务。汇聚节点是连接WSN和外部网络的接口，实现两种协议间的转换，使用户能够访问、获取和配置WSN的资源，对其处理能力、存储能力和通信能力要求较高。而为了与传感器节点匹配，汇聚节点的硬件结构与传感器节点基本相似，如***4所示，汇聚节点没有传感器模块，增加了存储器模块和蓝牙通信模块。（1）处理器模块。同样的，处理器模块也是汇聚节点的核心部分，主要负责控制整个汇聚节点的操作，存储和处理来自射频模块或者蓝牙通信模块的数据，再将处理结果交给射频模块或者蓝牙通信模块发送出去。本设计方案中，处理器选用TI公司的16位超低功耗微控制器MSP430F1611，该处理器和MSP430F135一样，可以在1.8V~3.6V的低电压下以超低功耗状态工作，但其拥有更强的处理能力和更丰富的片内资源，48kB闪存和10KBRAM、2个16位定时器、1个快速12位ADC、双12位DAC、2个USART接口和6个8位并行I/O接口。（2）存储器模块。考虑到物流运输过程中环境多变，容易带来一些不确定因素，这些不确定因素可能引起处理器自带的存储器中的数据丢失，因此汇聚节点需要存储一些重要的数据。本设计方案中，汇聚节点的外部存储器芯片选用由Mi-crochip公司生产的24AA64，工作电压低至1.8V，它采用低功耗CMOS技术，工作时电流仅为1mA，而且可以在恶劣的环境下稳定工作。由于汇聚节点对存储容量要求不高，而且24AA64芯片的存储容量为64KB，擦写次数可达到百万次，因此一块芯片即可满足本系统的存储要求。（3）蓝牙通信模块。本系统采用智能手机作为后台系统和WSN之间的网关，来实现远距离的数据传输。为了使汇聚节点与智能手机能够进行通信，采用蓝牙通信协议。而在汇聚节点使用蓝牙通信方式需要增加一个蓝牙通信模块。本设计方案中，采用SparkFun公司的Blue***iRF模块，其工作电压为3.3V-6V，工作电流最大为25mA，功耗较低；其最大传输距离为100m，通信速率最高可达115200bps；其天线为PCB天线，所需器件很少，故模块的体积很小，可以通过串行接口直接与处理器模块相连。
1.3网关节点的设计本系统要求在后台系统和WSN部署点间进行双向通信，为了实现远距离的数据传输功能，有两种方案，一是汇聚节点增加移动通信模块，如GPRS模块[4]；二是采用智能手机作为后台系统和汇聚节点之间的网关。方案一对汇聚节点的要求进一步提高，不仅处理过程更加复杂，其能量消耗也大大提高；另一方面要实现物流过程的跟踪，还需有定位功能，一般采用GPS模块[5]，这样成本也将大大提高。相比之下，方案二优势明显，采用智能手机可以进行各种复杂的数据处理，进行大量数据的存储，使用移动通信网络与后台系统进行通信，使用内置的GPS定位功能，后台用户可以在紧急事件发生时直接联系货车司机等。因此，本系统采用智能手机作为网关节点。本设计方案中，采用中国移动M811手机作为测试对象，其支持4G/3G/GPRS等移动网络，可以方便地使用移动网络与后台系统进行通信；其具有GPS定位功能，可以实现货车定位；具有蓝牙通信功能，可与汇聚节点间采用蓝牙通信；使用An-droid4.0操作系统，拥有丰富的开源资源，方便软件的设计。
2系统软件部分设计
本系统使用WSN中的传感器节点检测物流过程中相关环境参数并发送到汇聚节点处，由其将数据通过蓝牙连接传输到智能手机，智能手机通过移动通信网络将加入GPS信息的数据传输到后台服务器。系统各部分的工作任务不一，硬件条件也有很大差别，因此系统的软件设计也十分关键。
2.1传感器节点程序设计传感器节点主要承担数据采集和发送的工作，由于其能量及处理资源有限，因此需要采取节能和减少数据处理的设计方案。本设计方案中，传感器节点采取按需求唤醒的工作方式，检测等待时间（等待时间可由后台设置）未到或者没有收到汇聚节点命令时节点处于休眠状态；当等待时间一到或者收到命令时，立刻开始工作，进行采集数据并发送，或者根据命令完成相应操作，完成后又进入休眠状态，等待下一次激活，其程序流程如***5所示。
2.2汇聚节点程序设计汇聚节点的主要任务是接收传感器节点转发来的数据，处理后通过蓝牙传输到网关节点处，同时接收来自网关的命令，完成相应的操作。相比于传感器节点，汇聚节点的工作更加复杂，而且其能量和处理资源也不多，因此采取与传感器节点相似的节能设计方案，将复杂的数据处理工作交予网关节点，其程序流程如***6所示。
2.3智能手机APP设计智能手机作为本系统的网关节点，承担协议转换、数据传输、数据处理等复杂工作，因此开发相应的应用程序（Applica-tionProgram，简称APP）来实现上述功能，其流程***如***7所示。该APP实现对智能手机内部蓝牙模块的调用，通过蓝牙连接与汇聚节点通信；利用智能手机的GPS模块获取位置信息，加入到接收到的传感器数据中，再通过移动通信网络传输到后台系统；接收后台系统的命令，完成相应的操作；同时通过智能手机对应的界面提供数据显示、告警提醒以及日志功能。
3结语
传感器论文篇4
1．1工作原理
本研究以病原菌为检测对象，通过蛋白A将病原菌抗体固定于金叉指阵列微电极表面，制备了一种阻抗型传感器。以Fe(CN)3－/4－6作为氧化还原对，经过化学电阻抗谱表征电极表面修饰及抗原捕获过程，采用等效电路阐述其阻抗谱的变化。实验结果表明，待测溶液中病原菌浓度的对数值与叉指阵列微电极的电子传递阻抗的变化值呈线性关系。传感器系统将上面的输出信号进行电压放大、A/D转换等处理，然后由已知的定量检测模型得出表征被测物含量的数值，并通过LCD装置进行显示，且可在超过安全值时进行报警。
1．2基本结构
实现定量检测和自动报警等功能，单片机是核心部件。本设计选用STC89C52单片机，它是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，可满足系统工作的要求。该系统以STC89C52单片机为核心，包括阻抗测试模块、阻抗电压转换模块、电压放大电路模块、A/D转换模块和显示及报警模块。此系统采用模块化设计不仅便于扩充不同测量单元，而且可防止各模块间相互干扰，利于仪器稳定。
2硬件选型及电路设计
2．1集成放大器选择
A/D转换电路所需的电压幅值一般为2V，而叉指微电极输出的电压信号比较小，所以需要对叉指微电极输出的电压信号进行放大。主放大电路采用放大器ICL7650，其电路具有电源电压范围宽、静态功耗小、可单电源使用及价格低廉等优点，广泛应用在各种电路中。
2．2A/D转换模块设计
经放大电路输出的电压值是模拟信号，不能直接送入单片机进行处理，还必须进行A/D转换后送入单片机进行处理。本设计选择ADC0809芯片作为AD转换装置，此芯片功能简单，能稳定实现本设计的要求。
2．3显示及报警模块设计
2．3．1显示电路设计
传感器需要输出液晶显示结果，主要包括检测物名及物质浓度等。本系统选用LCD1602液晶显示屏，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块，能够同时显示16×2(16列2行，即32个)字符，可满足显示检测物名称和浓度的要求。
2．3．2报警电路设计
为了实现超限自动报警的功能，需要蜂鸣器接受单片机发出的超限报警信号发出警报，警示微生物的数量已经超标。要实现自动报警的功能，可采用实现单频音报警。其接口电路较简单，发音元件为压电蜂鸣器，当在蜂鸣器两引脚上加3～15V直流工作电压时，可产生3kHz左右的蜂鸣振荡音响。压电式蜂鸣器结构简单、耗电少，更适于在单片机系统中应用。压电式蜂鸣器约需10mA的驱动电流，可在单片机一端口接一只三极管和电阻组成的驱动电路来驱动。浓度超标时，单片机P3．6输出高电平，驱动蜂鸣器报警，提醒检测者被测物超标，并做相应处理。
3软件设计
为了便于程序修改和升级，软件系统采用模块化设计方法，主要程序包括:主程序、键盘处理子程序、数据处理子程序、液晶显示子程序及报警子程序。系统工作流程为:检测人员通过键盘输入被测物种类，MCU通过判断处理之后，阻抗测试仪测量获得多个阻抗值，经阻抗电压转换电路和放大电路，A/D转换器处理，将得到的数字信号送入MCU;MCU对数字进行计算、比较等处理，得到被测物浓度，判断出浓度是否超限;接着，MCU将浓度送入LCD进行显示，判断比较结果是否需要进行报警，需要时则控制报警器报警。
4结论
传感器论文篇5
协同作战等概念的提出和发展，武器平台趋于网络化，促使传感器管理架构从台向多平台和网络化方向发展。传感器获得的信息能共享给所有作战单元，从而更加充分有效的发挥传感器资源作用。文献[15]中提出一种基于多平台的传感器管理系统架构，随着***事装备的研发及作战系统的设计不断朝网络化发展，传感器管理架构也必将趋于网络化。因此对制信息权提出紧迫需求，需解决网络节点激增时的通信负载问题，以确保各类信息能够实时、准确地传输到各作战单元，最大限度的发挥传感器资源的作用2架构设计依据科学合理的传感器管理系统架构，既能增强管理系统性能，如增加资源利用率、提高协同探测能力和增强智能化水平等，又能不过度增加其他系统的负担，如数据融合系统的工作量和通信的负载。因此，传感器管理系统架构设计必须既考虑内部的关键技术，又兼顾与外部系统的关系。
2关键技术
2.1传感器状态监测
传感器状态监测模块可实时监测传感器状态，对各传感器任务完成情况和负载进行评估并预测性能。任务分配与指示交接均需考虑传感器自身实时状态，且任务完成情况可对下一步管理内容做出指导，形成传感器与传感器管理之间的闭环回路，更加迅速有效的调整传感器管理策略。多传感器多任务分配传感器管理的本质是对传感器进行动态选择，即在每个管理周期内，在一定的约束条件下，解决多传感器多任务的分配问题。当用多个传感器完成多个任务时，需要优化基于任务优先级和传感器——目标配对值建立的目标函数，使某一项或几项性能指标达到最优。同时考虑约束条件：传感器自身最大探测能力、目标覆盖率以及传感器状态等。因此，建立约束条件下的目标函数，即多传感器多任务分配模型，是实现传感器管理的核心问题之一。
2.2多传感器协同探测目标指示与交接
为实现异类传感器协同工作，快速获取目标准确信息，确保目标成功交接，必须解决异类传感器对目标的指示交接问题。主要包括无源传感器牵引有源传感器以及雷达传感器牵引敌我识别/二次雷达传感器两类。首先依据协同工作模式数据包确定可能进行目标指示和交接的传感器组/对，然后建立目标指示成功率、目标误交接概率与交/接传感器对目标量测参数、精度之间的关系。由指示传感器向被指示传感器提供目标的充分信息，然后被指示的传感器在指定的范围内搜索指定的目标，并反馈是否成功截获该目标。
2.3协同工作模式预测
协同工作模式预测可以作为管理周期的起始条件，结合获取的战场态势、宏观任务、当前任务完成情况、当前传感器状态，对下一周期内多传感器协同工作模式进行预测。随着战场态势的变化，传感器协同工作模式应当及时作出相应改变，通过合理设置协同工作模式转换的触发条件，可实时自动切换，也可支持人工干预。
2.4传感器系统
预警平台上存在大量异类传感器，这些传感器探测到的原始目标信息以及其自身的工作状态作为传感器管理系统的输入，经过分析和处理形成管理策略，指导传感器的下一步工作。各类传感器通过搜索和跟踪目标，为管理系统提供输入信息，后者通过分析处理对前者的探测范围和工作模式等下达指令。数据融合系统数据融合是对多源信息进行检测、关联、相关、估计和综合处理，以得到更加精确的状态估计、目标识别以及完整、及时的态势和威胁评估，为传感器管理提供输入。传感器管理子系统作为整个融合系统的反馈环节，与传感器、多传感器信息融合、决策支持与态势估计等子系统共同构成了融合闭环控制系统。通过对系统中传感器行为的统一管理调度，实现了融合系统中多种复杂传感器的协同工作，最大程度的发挥了融合系统的能力。同的传感器组合，并从数据包获取指示交接成功概率。传感器工作模式数据包：存储各个传感器的详细性能信息及其各种工作模式的适用条件、参数配置和能达到的探测指标。进行模式管理及预测时，数据包中存储的适用条件可作为模式转换的触发条件。信息支援多平台全方位部署的侦测设备，通过数据链传递探测信息，可实时获取大量情报。众多侦查方式协同工作，可初步获取战场态势信息、减少侦察盲区、提高情报的可信度。为充分利用其他平台获取的信息，传感器管理系统架构中应设置相应接口。
2.5人工干预
人工操作是传感器管理闭环的必要模块，但操作者不应被低级别的非战术性决策负担分散了完成主要目标的注意力。传感器管理系统适当分担了操作者的负担，完成低级别的非战术性的决策，对高级别的决策给出恰当的建议。对于总体任务指标、战略战术性的决策、突发任务、任务优先级的升降，仍需由操作员完成。当操作员认为传感器管理系统的决策不够合理时，应当有权对其修改。
3建立架构
现有架构多侧重于信息融合和资源分配方面，本文结合预警机执行作战任务的基本过程，充分考虑任务分配、指示交接、模式管理之间关系，并采用宏观/微观管理降低通信负载减少计算量，构建传感器管理将传感器的探测数据和信息支援平台获取的信息，送入数据融合系统进行处理，对战场态势评估并形成目标优先级。人工干预模块读取态势评估结果并对优先级做出相应调整。宏观任务生成模块接收态势评估结果以及操作员的输入，依据期望性能和战术数据需求情况生成宏观任务。结合战术数据需求及数据库中传感器性能特性构成目标-传感器配对函数。宏观任务分配模块根据现有宏观任务、目标优先级、配对函数、数据库信息以及实时监测的传感器信息，确定多传感器多任务的分配结果，并指导指示交接模块确定需要指示哪个传感器继续探测以及如何有效交接目标，指导模式管理模块调整工作模式实现多传感器协同工作。微观指令生成模块将宏观管理具体化，结合各传感器试试运行状态，控制自身参数，形成传感器时间序列。传感器监测模块将传感器状态、负载及任务完成情况反馈回管理系统。
4结束语
传感器论文篇6
本文所设计传感器节点无线传感网络实时监测系统可以分为3个部分：无线传感器网络部分，广域网（移动网络或Internet）部分，远端用户部分。无线传感器网络的各个节点被安置在每个冷藏箱内，并组成通讯网络。每个节点上集成了温湿度、二氧化碳、乙烯、震荡检测器等传感器。温度是冷链运输过程中最重要的参数，直接影响食物的保鲜时间，湿度能体现出食物的失水程度，二氧化碳能表现出食物内部的代谢情况，乙烯能反映运输过程中的果实成熟过程，震荡检测则能体现一些突况。各个传感器受嵌入式CPU控制并将信息交给CPU处理，同时嵌入式CPU与Zigbee协议处理芯片通信已实现协议层面的各种操作。以此方式实现对传感器采样周期、工作状态等的设置和调控。各节点将各种传感器采集的数据进行存储、压缩并发送给上一级路由器，再由路由器发送到协调器。在协调器上，安装有GPRS和WiFi空中接口，能够根据具体环境选择一种方式将各路由器发送到协调器的食品所处环境信息发送到广域网中。
广域网部分在本文系统中指移动服务器或者Internet。协调器将监测到的环境信息发送到广域网中，而广域网则提供中转的功能，便于物流管理者在远端获取这些环境信息。远端用户部分指物流管理者通过在PC上开发的用户界面或者在手机上开发的相关应用程序从广域网获取实时的冷鲜食品信息，并根据这些信息对出现的异常情况及时地做出判断和调整。
由于终端节点是通过电池供电的，而在一次长途运送过程中无法更换电池，所以终端节点的功耗是在设计中需要考虑的重要问题。合理利用Zigbee协议栈中提供的节点睡眠功能将有效地优化终端节点的能量利用效率。因为传感器采集的环境信息将按照一定周期上传给路由节点或协调器，所以在不需要发送信息时，可以将发送模块以及嵌入式CPU中与发送有关的功能置于睡眠状态，在需要发送数据时再由设置好的系统时钟进行唤醒。这样通过软件的编写，控制各个模块的工作时间，对能量进行分时合理利用将大幅提高终端节点的电能使用时间，使整个传感器节点网络更加适用于实际的冷鲜食品物流监控应用。
2结语
传感器论文篇7
关键词：微机电系统（MEMS）微机械陀螺（MMG）检测
随着科学技术的发展，许多新的科学领域相继涌现，其中微米/纳米技术就是诸多领域中引人注目的一项前沿技术。20世纪90年代以来，继微米/纳米技术成功应用于大规模集成电路制作后，以集成电路工艺和微机械加工工艺为基础的各种微传感器和微机电系统（MEMS）脱颖而出，平均年增长率达到30%。微机械陀螺是其中的一个重要组成部分。目前，世界各个先进工业国家都十分重视对MMG的研究及开发，投入了大量人力物力，低精度的产品已经问世，正在向高精度发展。
1微机械振动陀螺仪的简要工作原理
陀螺系统组成见***1，它由敏感元件、驱动电路、检测电路和力反馈电路等组成。在梳状静电驱动器的差动电路上分别施加带有直流偏置但相位相反的交流电压，由于交变的静电驱动力矩的作用，质量片在平行于衬底的平面内产生绕驱动轴Z轴的简谐角振动。当在振动平面内沿垂直于检测轴的方向（X方向）有空间角速度Ω输入时，在哥氏力的作用下，检测质量片便绕检测轴（Y轴）上下振动。这种振动幅度非常小，可以由位于质量片下方、淀积在衬底上的电容极板检测，并通过电荷放大器、相敏检波电路和解调电路进行处理，得到与空间角速度成正比的电压信号。
在科研及加工过程中，一个重要的内容就是检测陀螺仪的特性，如工作状态谐振频率、带宽增益、Q值等，于是就提出了微机械惯性传感器检测平台的研制任务。根据陀螺仪的工作原理，整个仪器包括两大部分：驱动信号发生部分和表头的输出信号检测部分。驱动信号发生部分对待测的惯性传感器给予适当的驱劝信号，使传感器处于工作状态。信号检测部分要求检测出微小电容变化，经过放大、解调处理后，将模拟量转换成数字量采集到PC机中，分析输出信号，以确定惯性表的特性。
2微电容检测技术
在MMG检测技术中，利用电容传感器敏感试验质量片在哥氏力作用下的振动角位移，获取输入角速率信号。由于陀螺仪的尺寸微小，为了得到10°/h的中等精度，要求电容测量分辨率达到（0.01×10-15）～(1×10-18)法拉。因此，对于微机械加速度计和向机械陀螺仪来说，检测试验质量和基片之间的电容变化是一个关键技术。目前在MMG中采用的微电容检测方案有三种：开关电容前在MMG中采用的微电容检测方案有三种：开关电容电路、单位增益放大电路和电荷放大电路。
2.1开关电容电路
其基本原理是利用电容的充放电将未知电容变化转换为电压输出。该测量电路包括一个电荷放大器、一个采样保持电路以及控制开关的时序，如***2所示。
在测量过程中，先将未知电容（C1、C2）充电至已知电压Vref，然后让其放电。充、放电过程由一定时序控制，不断重复，使未知电容总处于动态的充放电过程。C1、C2连续地放电，电流脉冲经过电荷放大器转换为电压。再经过采样保持器，得到输出Vc。将公式ΔC=2C0·x/d0代入，可得电容检测电路的传递函数为：
Vc/x=-[2VrefC0/Cfd0]
2.2单位增益放大器电路
AD公司与U.C.Berkeley联合开发的ADXL50（5g的微机械加速度计）采用了单位增益放大电路。
***3是单位增益放大器的等效电路。***3中，Cp为分布电容，Cgs为前置级输入电容，Rgs为输入电阻。当载波频率在放大器的通频带以内时，前置级输入电阻可忽略不计。由***3可午，前置级有用信号输出为：
（Vs-Vout）jω（C0+ΔC）+(-Vs-Vout)jω（C0-ΔC）
=Voutjω(Cp+Cgs)+Vout/Rgs
Rgs∞
Vout=(2ΔC/2C0+Cp+Cgs)Vs
分布电容Cp约为10pF，
输入电容Cgs约为1～10pF，一般都大于传感器标称电容C0(1pF左右)。可以看出，它们的存在都极大地降低了电容检测灵敏度。要提高电路灵敏度，就必须消除Cp、Cgs的影响，通常采用的措施等电位屏蔽。
2.3电荷放大器电路
电荷放大器电路如***4所示。它采用具有低输入阻抗的反相输入运算放大器。其中Cp表示分布电容，Cf为标准反馈电容，Rf用来为放大器提供直流通道，保持电路正常工作。应选取Rf，使时间常数RfCf远大于载波周期，以避免输出波形畸变。但Rf过大为今后电路集成带来不便。可以使用小阻值的电阻组成T型网络，替代大阻值电阻。
若运算放大器具有足够的开环增益，反相输入端为很好的虚地，那么，两输入端点之间的电位差为零。因此，反相输入端对地的分布电容Cp和放大器的输入电容Cgs对电路测量不会造成影响。电荷放大电路相对于单位增益放大电路来说，结构要简单，不需考虑等电位屏蔽问题；只需将杂散电容的影响转化为对地的分布电容，即进行合理的对地屏蔽，就能获得较好的效果。
尽管在电荷放大电路中，可以忽略掉输入电容及反相输入端对地的分布电容，但是在检测微小电容变化时，输出还是有很大的衰。这是由放大器输入输出端分布电容Cio造成的。当载波电压频率大于1/（2πRfCf）和小于放大器的截止频率时，输出电压Vout应该表示为：
Vout=-[(C1-C2)/（Cio+Cf）]Vs=-[(2ΔC)/Cio+Cf]]Vs
3检测平台的系统构成及工作原理
该系统的工作原理如***5所示。对惯性传感器施以适当的激励信号后，传感器的动片即处于振动状态，上下极板间的电容发生周期变化，采用电荷放大器电路将该信号提取出来，经交流放大、解调后通过A/D转换变成数字量采集到微机中，观察传感器的输出响应，为下一步利用软件方法分析微机械惯性传感器的时域、频域特性打下基础。
3.1激励信号发生器
根据微机械轮式振动陀螺仪的工作原理，最多需要4路激励信号。激励信号为正弦波，每两路相位相反。为了测量陀螺仪的频率特性，需要不断改变激励信号的频率。目前不同设计的陀螺仪谐振频率在几百赫兹到10千赫兹之间，激励信号也需要在这个范围内进行调节。另外，陀螺仪的驱动力矩等于驱动信号的交流分量与直流分量的乘积，所以还要施加正或负的直流偏置，使陀螺能处于正常工作状态。交流相位和直流偏置组合见表1。
表1交流相位和直流偏置组合
直流偏置：++--交流信号：+-+-
一般的RC振荡电路生成的正弦波频率靠改变R、C值来调节，不能连续大范围调节。所以，设计中采用数字方法合成模拟波形，其原理见***6。***6中8254为软件可编程计数器。其包含3个***的16位计数器，计数最高频率可达8MHz，设计中输入3MHz的时钟，将2个计数器串连使用，这样可以增加频率控制范围。8254产生的方波信号作为后面并行计数器的计数脉冲输入。并行计数器由2片74LS161组成8位二进制循环计数器。74LS161计数到最大值时会自动清零，重新开始计数，其输出可作为E2PROM2817A的地址信号（即每个正弦周期内采样点数为256个）。2817A的数据读取时间为150ns。设计电路时将它的片选和读信号均设为有效，以提高数据读取速度。D/A转换采用DAC-08电流输出型D/A转换器。电路输出时间85ns，放大器采用高速高精度运放OP-37，同理，D/A转换器的片选和转换开始信号总为有效，其输出跟随输入变化，提高转换速度。实验结果表明，此信号发生器完全可以生成10kHz以内可调频的正弦波。而且使用可编程计数器8254，输出正弦波的频率可以用软件方法调节。如果想输出非正弦波形，只要修改E2PROM的数据，就可以输出任意形状的周期波形。
3.2低通跟踪滤波器
数字信号发生器具有控制灵活的优点，但是输出信号不够平滑，其中会有台阶波。在对信号要求比较高的场合，还需要进行滤波。本设计中信号的频率变化范围很大：几百赫兹到10千赫兹。为了进一步提高信号质量，采用AD633模拟乘法器构成低通跟踪滤波器，其原理如***7。
通带的截止频率是由电压Ec控制的，输出是OUTPUTA，截止频率：
fc=Ec/[(20V)πRC]
OUTPUTB处是乘法器的直接输出端，截止频率与RC滤波器相同：
f1=1/(2πRC)
这种滤波器结构简单，没有开关电容，噪声小，一般采用数模转换器控制Ec，控制通带频率也比较容易。
3.3交流放大器
微机械惯性传感器在施加激励信号后，即处于振动状态。传感器有差动微电容量变化C0+ΔC和C0-
ΔC。采用电荷放大器电路提取出ΔC，此电压信号仍然很弹，需要进一步放大处理，于是采用***8所示的交流放大器。
交流放大器由4个放大倍数为-1、-2、-5、-10的运算放大器级联组成，进一步放大被测信号，同时调整幅值以便适应解调器的输入。***8中的开关选用ADG211模拟开关，通过控制模拟开关的开合，可以任意选择某级或某几级放大器参加工作，实现对放大倍数正负1、2、5、10、20、50、100的整倍数调整。例如，将模拟开关S0、S2、S8、S13闭合，其他开关全部打开，交流放大器的总放大器数即为：（-1）×（-2）×（-10）=-20。
3.4数据采集系统
使用计算机总线，与外设之间必须有接口。本系统采用双端口RAM作为数据缓存。先将信号采样并存储其中，然后成组地向主机传送，从而有效地发挥了主、从、资源的效率，且设计也相对简单。
3.4.1系统工作原理
系统基本组成原理如***9。主要有双端口RAM、逻辑控制模块、A/D转换器组、计算机接口。机通过接口启动逻辑控制模块后，CPU资源向其他请求开放，逻辑控制模块发控制信号启动A/D转换器并进行采样，并将转换结果存入双端口RAM。当RAM中的数据达到一定数量时，逻辑控制模块向计算机发出中断请求。主机接到请求后进入中断服务程序，向逻辑控制模块发出命令，决定是否继续采样，并将RAM内的数据读入内存。
3.4.2硬件设计
本设计使用Cypress公司的CY7C136（2k×8bit）双端口RAM。其两个端口都有***的控制信号、片选CE、输出允许OE和读写控制R/W。这组控制信号使得两个端口可以像***的存储器一样使用。使用这种器件要注意当两个端口访问同一个单元时，有可能导致数据读出结果不正确。解决这个问题的方法有两个：一种是监测busy信号输出，当检测到busy信号有效，就使访问周期拉长，这是从硬件上解决；另一种方法是软件上保证两个端口不同时访问一个单元，即将双端口RAM进行分块。本系统采用后者，将busy信号输出通过上拉电阻接到电源正极。
在系统中，逻辑控制模块的作用非同小可，是控制采样、存储、与计算机接口的核心。本系统为方便对采样速率等参数进行设置，在该模块中采用了MCS-51单片机。这样可以通过编程设定采样速率。
与主机的信息交换包括：
（1）接收主机控制信号，以决定是否开始采样；
（2）在存储区满后，向主机发中断请求。
本系统使用AT89C51的地址总线来选通RAM的存储单元，对其进行写操作，将采样结果存入相应的单元。
3.4.3软件设计
系统软件包括主机程序和逻辑控制模块中89C51程序。软件的关键是单片机控制A/D转换器和存储器部分，软件流程见***10。
传感器论文篇8
[关键词]物联网传感器
一、物联网概念与定义
物联网(TheInternetofthings)的概念是在1999年提出的,它的定义很简单:把所有物品通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备与互联网连接起来,进行信息交换和通讯,实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。
现在对物联网的定义至少有几十种,都是不同领域专家从不同领域定义的,我们取几种有代表性的供大家参考:
1.英语中“物联网”一词:InternetofThings,可译成物的互联网。
2.2005年ITU关于物联网的定义:是一个具有可识别,可定位的传感网络。
3.经过与无线网络(也含固定网络)连接,使物体与物体之间实现沟通和对话,人与物体之间实现沟通与对话。能实现上述功能的网称为物联网。
4.作者比较赞成一种基于泛网及其多制式、多系统、多终端等综合的物联网的定义——或称为广义物联网。
二、国内外物联网发展现状
从国际上看,欧盟、美国、日本等国都十分重视物联网的工作,并且已作了大量研究开发和应用工作。如美国把它当成重振经济的法宝,所以非常重视物联网和互联网的发展,它的核心是利用信息通信技术(ICT)来改变美国未来产业发展模式和结构(金融、制造、消费和服务等),改变***府、企业和人们的交互方式以提高效率、灵活性和响应速度。按欧盟专家讲,欧盟发展物联网先于美国,确实欧盟围绕物联网技术和应用作了不少创新性工作。在北京全球物联网会议上,他们介绍了《欧盟物联网行动计划》(Internetofthings-AnactionplanforEurope)其目的也是企***在“物联网”的发展上引领世界。
我国在“物联网”的启动和发展上与国际相比并不落后,我国中长期规划《新一代宽带移动无线通信网》中有重点专项研究开发“传感器及其网络”,国内不少城市和省份已大量采用传感网解决电力、交通、公安、农渔业中的“M2M”等信息通信技术的服务。
在***关于“感知中国”的讲话后我国“物联网”的研究、开发和应用工作进入了高潮,江苏省无锡市一马当先率先提出建立“感知中国”研究中心,中国科学院、运营商、知名大学云集无锡共同协力发展我国的物联网。
三、传感器在物联网中的应用
一说到传感器,可能大家就会往小的方面想,在物联网的大概念下,一个泛在的物联网系统,随着参照物的不同,传感器可以是一个“大”的“智能物件”,它可以是一个机器人、一台机床、一列火车,甚至是一个卫星或太空探测器。物联网关注传感器的实际应用,下面是按应用方式进行的分类。
1.液位传感器:利用流体静力学原理测量液位,是压力传感器的一项重要应用,适用于石油化工、冶金、电力、制药、供排水、环保等系统和行业的各种介质的液位测量。
2.速度传感器:是一种将非电量(如速度、压力)的变化转变为电量变化的传感器,适应于速度监测。
3.加速度传感器:是一种能够测量加速力的电子设备,可应用在控制、手柄振动和摇晃、仪器仪表、汽车制动启动检测、地震检测、报警系统、玩具、结构物、环境监视、工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析,以及鼠标,高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上。
4.湿度传感器:分为电阻式和电容式两种,产品的基本形式都为在基片涂覆感湿材料形成感湿膜。空气中的水蒸汽吸附于感湿材料后,元件的阻抗、介质常数发生很大的变化,从而制成湿敏元件,适用于湿度监测。
5.气敏传感器:是一种检测特定气体的传感器,适用于一氧化碳气体、瓦斯气体、煤气、氟利昂(R11、R12)、呼气中乙醇、人体口腔口臭的检测等。
6.压力传感器:是工业实践中最为常用的一种传感器,广泛应用于各种工业自控环境,涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、***工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。
7.激光传感器:利用激光技术进行测量的传感器,广泛应用于国防、生产、医学和非电测量等。
8.MEMS传感器:包含硅压阻式压力传感器和硅电容式压力传感器,两者都是在硅片上生成的微机械电子传感器,广泛应用于国防、生产、医学和非电测量等。
9.红外线传感器:利用红外线的物理性质来进行测量的传感器,常用于无接触温度测量、气体成分分析和无损探伤,应用在医学、***事、空间技术和环境工程等。
10.超声波传感器:是利用超声波的特性研制而成的传感器,广泛应用在工业、国防、生物医学等。
11.遥感传感器:是测量和记录被探测物体的电磁波特性的工具,用在地表物质探测、遥感飞机上或是人造卫星上。
12.视觉传感器:能从一整幅***像捕获光线数以千计的像素,工业应用包括检验、计量、测量、定向、瑕疵检测和分捡。
虽然,物联网的产业供应链包括传感器和芯片供应商、应用设备提供商、网络运营及服务提供商、软件与应用开发商和系统集成商。但是,作为“金字塔”的塔座,传感器将会是整个链条需求总量最大和最基础的环节。“传感器是物联网技术的支撑、应用的支撑和未来泛在网的支撑,传感器感知了物体的信息,RFID赋予它电子编码,传感网到物联网的演变是信息技术发展的阶段表征。”
参考文献:
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[5]赵茂泰.智能仪器原理及应用[J].北京:电子工业出版社.
[6]陈艾.敏感材料与传感器[M].北京:高等教育出版社.
传感器论文篇9
[关键词]光电式传感器创新应用
一、光电传感器基本知识
光电传感器最根本的原理是光电效应，光电效应又分为外光电效应和内光电效应外光电效应：在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。内光电效应又可分为以下两类：(1)光电导效应。在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低，这种现象称为光电导效应。光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。(2)光生伏特效应。在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池。
常用的光电传感器有光敏电阻、光电池、光敏二极管、光敏三极管等。利用这些传感器各自的特点加上巧妙的设计，光电传感器几乎被应用于生活的各个方面。光电传感器特点有：(1)检测距离长。如果在对射型中保留10m以上的检测距离等，便能实现其他检测手段(磁性、超声波等)无法离检测。(2)对检测物体的限制很少。由于以检测物体引起的遮光和反射为检测原理，所以不象接近传感器等将检测物体限定在金属，它可对玻璃.塑料.木材.液体等几乎所有物体进行检测。(3)响应时间短。光本身为高速，并且传感器的电路都由电子零件构成，所以不包含机械性工作时间，响应时间非常短。(4)分辨率高。能通过高级设计技术使投光光束集中在小光点，或通过构成特殊的受光光学系统，来实现高分辨率。也可进行微小物体的检测和高精度的位置检测。(5)可实现非接触的检测。可以无须机械性地接触检测物体实现检测，因此不会对检测物体和传感器造成损伤。因此，传感器能长期使用。(6)可实现颜色判别。通过检测物体形成的光的反射率和吸收率根据被投光的光线波长和检测物体的颜色组合而有所差异。利用这种性质，可对检测物体的颜色进行检测。(7)便于调整。在投射可视光的类型中，投光光束是眼睛可见的，便于对检测物体的位置进行调整。
二、创新应用举例
1.测温功能
应用时，将感温头插入被测温环境中，外部法兰安装密封。传感器输出端与二次仪表输入端经辐射至光电转换器接收，转换成毫伏电压信号。感温管一般为经过特殊处理的高刚玉管或特殊材质管。光电转换器由光学透镜、光栏、硅光电池，温度稳定性网络组成。高压密封器将感温管开口端高压密封，防止感温管透气或断裂产生高压泄露，不影响辐射光传输，所以传感器在现场工作时，可拆卸光电转换器通过高压密封器观察感温管状况或检修光电转换器，信号传输导线为双芯屏蔽铜电缆，将传感器输出端按正负端与仪表信号输入端相接，接地端与地线相接，仪表上电即可实现测温。
2.火焰探测报警器
硫化铅光敏电阻的暗电阻为1MΩ，亮电阻为0.2MΩ，峰值响应波长为2.2μm。硫化铅光敏电阻处于V1管组成的恒压偏置电路，其偏置电压约为6V，电流约为6μΑ。V2管集电极电阻两端并联68μF的电容，可以抑制100Hz以上的高频，使其成为只有几十赫兹的窄带放大器。V2、V3构成二级负反馈互补放大器，火焰的闪动信号经二级放大后送给中心控制站进行报警处理。采用偏置电路是为了在更换光敏电阻或长时间使用后，器件阻值的变化不致于影响输出信号的幅度，确保火焰报警器能长期稳定地工作。
3.光控大门
我们都有这样的苦恼每次开车到了小区大门都要等门卫来开门或者等其按动电动门的开关，既费时又费人力，如果巧妙地利用光电传感器就可以实现光控大门。这里要用到一种电子元件——干簧继电器，它由干簧管和绕在干簧管外的线圈组成。当线圈内有电流时，线圈产生的磁场使密封在干簧管内的两个铁质簧片磁化，两个簧片在磁力作用下由原来的分离状态变成连接状态，线圈内没有电流时，磁场消失，瓷片在弹力的作用下，回复到分离状态。把光敏电阻装在大门上汽车灯光能照到的地方，把带动大门的电动机接在干簧管的电路中，那么夜间汽车开到大门前，灯光照射光敏电阻时，干簧继电器接通电动机电路，电动机带动大门打开。
三、小结
以上介绍了光电传感器的基本原理和其特点，并列举了一些在生活实际中的创新应用实例。从这些实例中我们可窥见光电传感器无限的发展应用前景。光电式传感器在科学技术领域、工农业生产以及日常生活中发挥着越来越重要的作用。人类社会对传感器提出的要求越来越高是其发展的强大动力，突飞猛进现代科学技术的则为其提供了坚强的后盾，我们相信在不懈地探索中，光电传感器的应用定会有新的飞跃。
传感器论文篇10
关键词:土压力传感器 匹配 误差 有限 模拟实例 分析
中***分类号:TP212.9 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)04(c)-0096-01
土压力量测是土木工程技术中的重要内容,是土力学理论和实验研究的一个基本方面,是工程测试中的主要内容之一。大量实际工程间题的解决,常常主要依靠现场土压力直接的量测结果。
由于传感器的物理和力学性质不可能完全相同,传感器必将改变土体中原因的应力场,传感器上感应到的应力和原有应力场有差异。这种因传感器和介质性质差异带来的误差通常称为匹配误差。有试验表明,这种匹配误差可以达到实际值的一倍甚至几倍,对试验结果有至关重要的影响。研究土压力传感器在土体中的工作状态,对传感器的匹配误差进行定性、定量分析,是传感器测试技术重要一环。
本文研究土压力传感器在应用中的性能,主要分析土压力传感器对土介质中应力场的影响,并据此进行的工作误差的分析。具体方法为:针对目前使用较多的双膜活塞式土压力传感器,通过数值模拟及理论分析,了解其工作机理及性状,确定匹配误差较小的土压力传感器几何尺寸、结构形式、模量等参数,对元件设计及使用提出有针对性的建议,并为以后的室内试验提供有价值的参考数据。
1 匹配误差研究方法
传统研究方法包括理论研究和试验研究两方面。
1947年美国水道试验站(WES)的泰勒(D.W.Taylor)就提出了理论公式,此后YCLoh,KRPeattic和RWSparrow对泰勒的公式进行了应用推广,此后他们进行了自己推导。此外前苏联巴兰洛夫(Д.С.Ьараноь)、美国阿宝特(P.A.Абботт)、丹麦V.Askergcard等对该问题进行了理论推导并得到一定成果。这些公式均考虑了土介质和传感器的共同作用,可以将匹配误差表示为与传感器高径比、传感器与土介质模量比的函数。主要体现为:(1)在相同情况下,匹配误差随模量比增大而增大,但增大趋势逐步趋缓,并渐趋稳定;(2)在其它因素相同情况下,匹配误差随厚径比增大持续增大。
匹配问题试验常用装置是不同尺寸和结构的土压箱,按应力模式分单轴和三轴两种形式,压力源则有静态和动态之分。刚硬连续介质常用水泥和石膏模拟;普通土介质则方法多样。由于各个学者方法、条件各不相同,得出的结论在定性趋势上基本能验证理论研究成果,但对匹配误差的数值结论则各不相同。
随着技术的发展,有限元技术逐渐被应用到该问题研究中。北京大学杜志斌、总参工程兵三所曾辉等人都进行了卓有成效的研究。
本文通过对双膜活塞式土压力传感器的有限元模拟,对该问题进行分析,为该问题的进一步研究提供经验和基础。
2 双膜活塞式土压力传感器工作原理
双膜活塞式土压力传感器结构主要包括:承压板、感应板、应力传递部分、感应电路、电缆、传感器壁、密封装置等。
双模土压力传感器的最大特点是:刚性活塞状感压面板周边支承在环状变形膜上,当活塞板受到土介质的反力时,产生的变形主要是平移而不是挠曲。这种平移变位可以设计得很小,只要介质反力的平均数值相同,不论介质反力由于粒径不同而产生的微观的非均布状态有何不同,其产生的平移变位基本相同。因此,不管外膜接触的是什么样的土介质,内膜总是在相同的受力模式下下产生弹性挠曲变形。同时,由于外膜变位的性质是平移,其平均变位量相对较小,这种微量的平移对接触介质反力状况的影响要远比单膜盒膜片挠曲变形所产生的影响小得多。
3 传感器有限元计算模型
由于双膜土压力传感器的位移模式主要是平面平移,其挠曲变形相对于很小,因此可以将其简化为刚性板平面位移,其位移方向与所测试压力方向一致。为此,将其简化为两块横向刚性板中间用垂向弹簧连接的情况,由于土压力传感器为圆形,因此将其转化为轴对称模型。
在采用的数值模拟软件中,弹簧单元只能施加在节点之间。由于划分网格时上下钢板在直径方向为平均划分,因此弹簧单元也在直径方向平均分布,在轴对称节点之间即为径向等距分布的弹簧单元。在弹簧单元等间距取等刚度的情况下,由于外部弹簧间距之间代表的圆环面积更大,因此边缘将会出现比中心更大的垂向变形。
计算中将该模型放在土体中,轴对称模型尺寸为0.5m×1.0m,避免边界效应对计算结果的影响。
4 计算结果分析
根据经验,传感器匹配误差与土体与传感器模量比、传感器高径比等因素密切相关。因此主要验证两者对匹配误差的影响。
4.1 介质/传感器模量比对匹配误差的影响
变换土压力传感器与土体模量比(Eg/Es)进行计算,模量比按0.03、0.1、0.3、1、5、10、30、100选取,共8组。标准荷载取为200kPa,土压力传感器尺寸为直径18cm,高2.5cm,上下刚性板厚度取为5mm,中间弹簧初始长度为15mm。
计算结果表明:(1)当Eg/Es1时匹配误差范围大于0;(2)当其它条件固定时,匹配误差随Eg/Es呈正相关:Eg/Es
4.2 传感器高径比比对匹配误差的影响
计算方法类似模量比变化计算。根据计算结果得到高径比变化时的匹配误差分布曲线,并与应用较广的巴兰洛夫公式进行比较。根据传感器高径比变化情况下的计算,可以得到以下规律:(1)随传感器的高径比增大,其匹配误差绝对值相应增大;(2)Eg/Es远小于1时传感器匹配误差随高径比增大非线性增大;模量比为10时传感器匹配误差变化随随高径比增大基本呈线性增大。
5 结语
(1)计算结果基本符合经典理论趋势和实际使用经验。证实了用有限元方法模拟该类型传感器的可行性。
(2)在相同的传感器模型和模量比下,两种不同参数土介质中传感器匹配误差不同。经典理论中也有认为匹配误差与土介质其他性质有关的,比如阿宝特公式、泰勒公式都考虑了土介质的强度参数。该问题值得继续研究。
参考文献
[1] 张胜利.土压力传感器与土介质相互作用特性分析[D].西南交通大学硕士学位论文,2010.
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