第一篇：論文-嵌入式Web傳感器的研究與應(yīng)用

石油大學(xué)碩士學(xué)位論文開題報(bào)告及文獻(xiàn)總結(jié)

嵌入式Web傳感器的研究與應(yīng)用

摘要：本文在分析了傳統(tǒng)傳感器和智能傳感器的不足之處的基礎(chǔ)上，結(jié)合IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)，著重介紹了嵌入式Web傳感器的結(jié)構(gòu)與功能，并闡述了其發(fā)展前景和存在的問題。

Abstract: On the basis of analyzing the shortcomings of the Dumb Sensor and the Smart Sensor, the author introduced the Embedded Web Sensor by the link of the IEEE1451.關(guān)鍵字：網(wǎng)絡(luò)傳感器 嵌入式Web傳感器 IEEE1451 Key Words：Networked Sensor

Embedded Web Sensor IEEE1451

一、嵌入式Web傳感器的必然性

1.1 網(wǎng)絡(luò)傳感器的必然性

傳感器是人類探知自然界信息的觸角,它可將人們需要探知的各種非電量信息轉(zhuǎn)化成可測(cè)的電量信息,是信息系統(tǒng)的第一道門檻,為人們認(rèn)識(shí)和控制相應(yīng)的對(duì)象提供條件和依據(jù)。作為現(xiàn)代信息技術(shù)三大核心技術(shù)之一的傳感器技術(shù),從誕生到現(xiàn)在,已經(jīng)經(jīng)歷了傳統(tǒng)的傳感器(Dumb Sensor)、“智能傳感器”(Smart Sensor)[1]、“網(wǎng)絡(luò)化傳感器”(Networked Sensor)的發(fā)展歷程。

傳統(tǒng)的傳感器基本上分為電阻式和電容式，它的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想是把外部信息變換成模擬電壓或電流信號(hào), 然后通過變送器以電壓或電流 [2]石油大學(xué)碩士學(xué)位論文開題報(bào)告及文獻(xiàn)總結(jié)

方式連接到采集器。它輸出幅值小,靈敏度低,而且功能單一,因而被人們稱為“聾啞傳感器”。

人們將微處理器技術(shù)、智能技術(shù)和微機(jī)械加工技術(shù)（MEMS）應(yīng)用于傳感器，傳感器性能的改變不再僅僅依賴硬件的改進(jìn)，而是用存放于微處理器中的功能強(qiáng)大的軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行非線性自動(dòng)校正、自校零、自校準(zhǔn)、自補(bǔ)償、自檢驗(yàn)、抑制噪聲等處理，增強(qiáng)了傳感器的“智能化”功能，這就是智能傳感器。智能傳感器仍然存在缺陷。例如，在數(shù)據(jù)通信方面，傳感器與控制設(shè)備之間仍然采用傳統(tǒng)的模擬電壓和電流信號(hào)進(jìn)行通信，沒有根本解決布線復(fù)雜和抗干擾性差的問題。

網(wǎng)絡(luò)傳感器的出現(xiàn)成了歷史的必然。網(wǎng)絡(luò)傳感器的輸出信號(hào)是符合某種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的數(shù)字信號(hào)，這就從根本上解決了傳統(tǒng)傳感器和智能傳感器的缺陷，使得網(wǎng)絡(luò)傳感器的精度更高、傳輸距離更遠(yuǎn)、抗干擾性更強(qiáng)。[3]1.2嵌入式Web傳感器的必然性

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳感器所遵從的協(xié)議不同，可以將其分為基于現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)傳感器和基于Internet的網(wǎng)絡(luò)傳感器?；诂F(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)傳感器的測(cè)控系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型的分布式測(cè)量和控制系統(tǒng) 石油大學(xué)碩士學(xué)位論文開題報(bào)告及文獻(xiàn)總結(jié)

目前市場(chǎng)上現(xiàn)場(chǎng)總線多種多樣，較為流行的現(xiàn)場(chǎng)總線有CAN（控制局域網(wǎng)絡(luò)），Lonworks(局部操作網(wǎng)絡(luò))、Profibus（過程現(xiàn)場(chǎng)總線）、HART（可尋址遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)通信）、FF（基金現(xiàn)場(chǎng)總線）等。各種現(xiàn)場(chǎng)總線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、通信接口、通信協(xié)議各不相同，使得基于現(xiàn)場(chǎng)總線的傳感器/執(zhí)行器（Sensor/Actuator）接口協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)各異，這就要求智能傳感器必須符合所在現(xiàn)場(chǎng)總線的有關(guān)規(guī)定，從而給系統(tǒng)的擴(kuò)展、維護(hù)等帶來不利的影響。

對(duì)于傳感器生產(chǎn)商而言，要開發(fā)出為所有控制網(wǎng)絡(luò)支持的傳感器，是不現(xiàn)實(shí)的，所以現(xiàn)有的智能傳感器只能用在特定的現(xiàn)場(chǎng)總線中；對(duì)于用戶來說，如果所需要的智能傳感器不支持現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線，是更換現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線(顯然這樣代價(jià)太大)，還是忍痛割愛，選擇現(xiàn)有現(xiàn)場(chǎng)總線支持但不太符合需要的智能傳感器？哪種選擇都不理想。

如果所使用的傳感器是基于TCP/IP協(xié)議的，那么它將直接與企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)（Intranet）或因特網(wǎng)(Internet)相連，從而使數(shù)據(jù)采集、信息傳輸?shù)榷寄苤苯釉贗ntranet/Internet上進(jìn)行，既統(tǒng)一了標(biāo)準(zhǔn)，又使工業(yè)測(cè)控?cái)?shù)據(jù)能直接在Intranet/Internet上動(dòng)態(tài)發(fā)布和共享，供相關(guān)技術(shù)人員、管理人員參考，這樣就把測(cè)控網(wǎng)（Infranet）和信息網(wǎng)（Intranet）有機(jī)地結(jié)合了起來，使得工廠或企業(yè)擁有一個(gè)一體的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，無論從成本、管理、維護(hù)等方面考慮，都是一個(gè)最佳的選擇。

于是就有了本文要論述的嵌入式Web傳感器，下面將對(duì)之進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

二、嵌入式Web傳感器簡(jiǎn)介

2.1嵌入式Web傳感器的定義與特點(diǎn)

嵌入式Web傳感器的實(shí)質(zhì)是在傳統(tǒng)傳感器的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)信息化、網(wǎng) 3 石油大學(xué)碩士學(xué)位論文開題報(bào)告及文獻(xiàn)總結(jié)

絡(luò)化、智能化和微型化，其核心是使傳感器本身實(shí)現(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，將傳感器作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)直接與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信，可以利用Internet上的任意一臺(tái)PC通過瀏覽器與該傳感器通信。確切地說，嵌入式Web傳感器已不再是簡(jiǎn)單意義上的“傳感器”，它已經(jīng)涵蓋了以前是屬于儀器和微型計(jì)算機(jī)所具有的功能。

嵌入式Web傳感器具有如下特點(diǎn)：第一，具有高可靠性、低功耗、低成本和微體積等特點(diǎn)；第二，可根據(jù)輸入信號(hào)進(jìn)行判斷和制定決策，具有自檢測(cè)、自校準(zhǔn)和自保護(hù)功能；第三，不同的應(yīng)用系統(tǒng)無須采用不同的傳感器，可在單一傳感器的基礎(chǔ)上通過軟件設(shè)計(jì)來改變傳感器的功能，以滿足客戶的不同需求；第四，采用當(dāng)今最為流行的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議為載體，利用Internet傳輸傳感器數(shù)據(jù)，與外部進(jìn)行信息交換；第五，嵌入式Web傳感器組成的控制網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)直接通信，技術(shù)人員利用瀏覽器通過網(wǎng)絡(luò)管理嵌入式Web傳感器的工作狀態(tài)，實(shí)施遠(yuǎn)程測(cè)控；第六，采用即插即用技術(shù)，具有良好的開放性、可升級(jí)性和可維護(hù)性，方便測(cè)控系統(tǒng)的集成；第七，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與發(fā)送向網(wǎng)絡(luò)化的信息管理與集成的轉(zhuǎn)移。

2.2 嵌入式Web傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

嵌入式Web傳感器主要由三部分組成：敏感單元、智能處理單元和TCP/IP通信協(xié)議接口[3]。從原理結(jié)構(gòu)上來說，基于Internet的嵌入式Web傳感器可以用圖2來表示。

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圖2 基于Internet的嵌入式WEB傳感器的體系結(jié)構(gòu)

從框圖中我們可以看到，傳統(tǒng)的傳感器在嵌入式Web傳感器中只占其中的一部分，其核心部分是完成信號(hào)處理、數(shù)據(jù)交換和控制的嵌入式智能單元以及完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)腡CP/IP網(wǎng)絡(luò)接口，通過微處理器和嵌入式操作系統(tǒng)的使用，使傳感器本身實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理的智能化和數(shù)據(jù)傳輸?shù)腡CP/IP網(wǎng)絡(luò)化。

2.3 嵌入式Web傳感器的技術(shù)基礎(chǔ)[3]

微處理器技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了傳感器的智能化，微機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展為傳感器的微型化提供了可能，基于TCP/IP協(xié)議的Internet技術(shù)的發(fā)展為傳感器的網(wǎng)絡(luò)化提供了必要的技術(shù)手段，這三大技術(shù)的日漸融合促進(jìn)了基于Internet的嵌入式Web傳感器的產(chǎn)生。

具體地講，嵌入式Web傳感器的實(shí)現(xiàn)需要硬件技術(shù)和軟件技術(shù)的緊密配合。其中硬件技術(shù)有：

a)嵌入式網(wǎng)絡(luò)硬件技術(shù)：微處理器、數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理、TCP/IP等嵌入式網(wǎng)絡(luò)硬件的飛速發(fā)展是嵌入式Web傳感器發(fā)展的重要保證。目

[3]石油大學(xué)碩士學(xué)位論文開題報(bào)告及文獻(xiàn)總結(jié)

前，美國(guó)Connect One公司、Philips公司、EmWare公司、TASKING公司和國(guó)內(nèi)的P&S公司等均提供基于Internet的Device-Networking的軟件、固件(Firmware)和硬件產(chǎn)品。此外，在數(shù)據(jù)采集、DSP、TCP/IP、STIM、NCAP方面都不斷有新型的專用接口模塊產(chǎn)生，例如完成數(shù)據(jù)采集的有ADµ、c812、CS5511、TLC548；完成DSP的有TMS320C2000TMDSP；完成STIM和NCAP的有EDI1520、PLCC-44，而Analog Devices 公司生產(chǎn)的芯片ADCu812就可用來執(zhí)行IEEE1451.2的STIM端的工作；完成TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換的有研華公司的ADAM4572、ADAM4570；目前已有TCP/IP芯片（如美國(guó)Seiko Instruments公司生產(chǎn)的ichip S7600A芯片可直接用作網(wǎng)絡(luò)接口[4]）等等。隨著這些專用模塊和MCU的不斷發(fā)展，完全可以保證在片上系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)具有Internet功能的Web傳感器。b)大規(guī)模集成電路技術(shù)：利用大規(guī)模集成電路技術(shù)將敏感元件、信號(hào)處理器和微處理器集成在一塊硅片上，形成一個(gè)“單片智能傳感器”，是一個(gè)對(duì)外界信息具有檢測(cè)、數(shù)據(jù)、處理、判斷、識(shí)別、自診斷和自適應(yīng)能力的多功能傳感器，還能實(shí)現(xiàn)與主機(jī)遠(yuǎn)距離、高速度、高精度的傳輸。這類傳感器具有小型化、性能可靠、能批量生產(chǎn)、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)。

嵌入式Web傳感器用到的軟件技術(shù)有：

a)嵌入式Web服務(wù)器：嵌入式Web傳感器只需要完成基本參數(shù)和采集數(shù)據(jù)的傳遞，所以對(duì)Web功能要求比較簡(jiǎn)單，只需要幾個(gè)簡(jiǎn)單的控制命令和完成基本的數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，可以綜合采用Internet技術(shù)、操作系統(tǒng)剪裁技術(shù)，在ROM DOS上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)最小化剪裁的嵌入式Web服務(wù)器，只保留了最基本的控制命令，其它與傳感器數(shù)據(jù)傳送要求無關(guān)的命令都剪裁掉。它接收瀏覽器的訪問，實(shí)現(xiàn)瀏覽器命令到設(shè)備管理命令、數(shù)據(jù)的解析。瀏覽器訪問命令有GET、POST、READ等，一般只要支持文件獲取命令GET就可以了。

最小化裁剪的Web服務(wù)器程序可以設(shè)計(jì)為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的子程序，嵌入在應(yīng)用程序中，故稱之為嵌入式Web服務(wù)器。另外，也可根據(jù)需要在Web服務(wù)器模塊中提供CGI、JAVA腳本、嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)，也可加入GET、石油大學(xué)碩士學(xué)位論文開題報(bào)告及文獻(xiàn)總結(jié)

POST、READ等Web協(xié)議以外的自定義命令和數(shù)據(jù)通訊格式，這時(shí)需要在Web服務(wù)器功能、復(fù)雜度、可靠性和尺寸大小等方面進(jìn)行權(quán)衡和選擇。b)Web遠(yuǎn)程信號(hào)采集：利用內(nèi)嵌在網(wǎng)頁(yè)中的程序、ActiveX控件等服務(wù)程序，可以很方便地通過Internet實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，用戶可以通過瀏覽器設(shè)定采樣參數(shù)、啟動(dòng)采樣過程和獲取采樣數(shù)據(jù)。

有一點(diǎn)要指出的是，由于傳感器的軟、硬件資源畢竟有限，要使它象PC微機(jī)那樣成為一個(gè)全功能的Internet節(jié)點(diǎn)，顯然是不可能的，也是沒有必要的[4]。

2.4 嵌入式Web傳感器的前景展望

目前，包括Siemens/Infineon、Philips與Motorola在內(nèi)的數(shù)十家大公司聯(lián)合成立了“嵌入式Internet聯(lián)盟（ETI）”，共同推動(dòng)著嵌入式Internet技術(shù)和市場(chǎng)的發(fā)展[4]。具有Internet/Intranet功能的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器技術(shù)已經(jīng)不再停留在論證階段或?qū)嶒?yàn)室階段，越來越多成本低廉具備Internet/Intranet網(wǎng)絡(luò)化功能的智能傳感器/執(zhí)行器涌向市場(chǎng)，正在并且將要更多更廣地影響著人類生活。

可以預(yù)見，在網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控、嵌入式網(wǎng)絡(luò)和e-維護(hù)技術(shù)三個(gè)領(lǐng)域中，嵌入式Web傳感器都將起到重要作用[3]。在國(guó)防、通信、航空、航天、氣象、制造等領(lǐng)域，對(duì)大范圍的網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控將提出更迫切的需求，嵌入式Web傳感器必將很快發(fā)展并成熟起來，從而有力地帶動(dòng)和促進(jìn)現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)即網(wǎng)絡(luò)測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步。在此基礎(chǔ)上，嵌入式網(wǎng)絡(luò)、e-維護(hù)等技術(shù)也會(huì)蓬勃發(fā)展起來，對(duì)工業(yè)和社會(huì)的進(jìn)步產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

而同時(shí)，嵌入式Web傳感器使得“數(shù)字地球”成為可能。屆時(shí)，無數(shù)因特網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)（具有Internet/Intranet功能的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器）將發(fā)揮著神經(jīng)細(xì)胞的功能，它將使地球披上一層“電子皮膚”，地球用因特網(wǎng)在支持和傳遞著它的“感覺”，無處不在的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器（包括氣象參數(shù)傳感器、水土分析傳感器、污染檢測(cè)器、電子眼、電子

[4]石油大學(xué)碩士學(xué)位論文開題報(bào)告及文獻(xiàn)總結(jié)

鼻、葡萄糧傳感器和腦電圖儀等等）探測(cè)和監(jiān)視著我們的城市、大氣、船只、車流和我們?nèi)祟愖约骸?/p>

三、IEEE1451系列標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介

3.1 IEEE1451系列標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展歷程

鑒于現(xiàn)場(chǎng)總線的混亂，為了實(shí)現(xiàn)智能傳感器接口總線的統(tǒng)一，IEEE-TC9在1993年9月決定制定一種智能傳感器通信接口。

1994年3月，NIST(the National Institute of Standard and Technology)和IEEE(the Institute of Electrical & Electronic Engineer)共同組織了一次關(guān)于制定智能傳感器接口的研討會(huì)，會(huì)上討論了開發(fā)這樣一種簡(jiǎn)化控制網(wǎng)絡(luò)和智能傳感器連接標(biāo)準(zhǔn)接口的可能性。從那以后，連續(xù)召開四次研討會(huì)，直到1995年4月,成立了兩個(gè)專門的技術(shù)委員會(huì)：P1451.1工作組和P1451.2工作組。

P1451.1工作組主要負(fù)責(zé)智能變送器的公共目標(biāo)模型進(jìn)行定義和對(duì)相應(yīng)模型的接口進(jìn)行定義；P1451.2工作組主要定義TEDS 和數(shù)字接口標(biāo)準(zhǔn)，包括STIM和NACP之間的通訊接口協(xié)議和管腳定義分配[5]。在1997年和1999年IEEE先后頒布了IEEE 1451.2標(biāo)準(zhǔn)和IEEE 1451.1標(biāo)準(zhǔn)。1998底，技術(shù)委員會(huì)針對(duì)大量的模擬量傳輸方式的測(cè)量控制網(wǎng)絡(luò)及小空間數(shù)據(jù)交換問題，鑒于許多混合型智能傳感器（即能非同時(shí)地以模擬和數(shù)字的方式進(jìn)行通信）由于沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，成立了另外兩個(gè)工作組P1451.3和P1451.4。其中P1451.3負(fù)責(zé)制定模擬量傳輸網(wǎng)絡(luò)與智能網(wǎng)絡(luò)化傳感器的接口標(biāo)準(zhǔn)；P1451.4負(fù)責(zé)制定小空間范圍內(nèi)智能網(wǎng)絡(luò)化傳感器相互之間的互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)。

IEEE1451.4就是一個(gè)混合型的智能傳感器接口的標(biāo)準(zhǔn)，它通過提供一個(gè)與傳統(tǒng)傳感器兼容的通用IEEE1451.4傳感器通信接口使得傳感器具有即插即用功能，在傳統(tǒng)儀器與智能混合型（smart mixed-mode）傳感器之間提供了一個(gè)橋梁。石油大學(xué)碩士學(xué)位論文開題報(bào)告及文獻(xiàn)總結(jié)

IEEE1451.4標(biāo)準(zhǔn)通過定義不依賴于特定控制網(wǎng)絡(luò)的硬件和軟件模塊來簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)化傳感器的設(shè)計(jì)，使得工程師們?cè)谶x擇傳感器時(shí)不用考慮網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這就減輕了制造商要生產(chǎn)支持多網(wǎng)絡(luò)的傳感器的負(fù)擔(dān)，也使得用戶在需要把傳感器移到另一個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)可減少開銷[5]。

3.2 IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)越性

IEEE1451是為變送器制造商和用戶提供的一種有效而經(jīng)濟(jì)的方式以支持各種控制網(wǎng)絡(luò)。IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)接口的結(jié)構(gòu)如圖3所示[5]：

圖3.不同網(wǎng)絡(luò)總線IEEE1451轉(zhuǎn)換方案

針對(duì)上圖的幾點(diǎn)說明：

第一層模塊結(jié)構(gòu)用來運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧（Network Protocol Stack）和應(yīng)用硬件（Application Firmware）,即網(wǎng)絡(luò)匹配處理器NCAP(Network Capable Application Processor);第二層模塊為智能變送器接口模塊STIM（Smart Transducer interface Module）,其中包括變送器和變送器電子數(shù)據(jù)單TEDS（Transducer Electronic Data Sheet）。

這樣在基于各種現(xiàn)場(chǎng)總線的分布測(cè)量控制系統(tǒng)中，各種變送器的設(shè)計(jì)制造無須考慮系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。石油大學(xué)碩士學(xué)位論文開題報(bào)告及文獻(xiàn)總結(jié)

3.3.IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介[6]

IEEE 1451.1標(biāo)準(zhǔn)定義了網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立的信息模型，使傳感器接口與NCAP相連，它使用了面向?qū)ο蟮哪Ｐ投x提供給智能傳感器及其組件；IEEE 1451.2標(biāo)準(zhǔn)定義了一個(gè)連接傳感器到微處理器數(shù)字接口（STIM），并通過網(wǎng)絡(luò)適配器（NCAP）把傳感器和執(zhí)行器連接到網(wǎng)絡(luò)。據(jù)IEEE和NIST最新資料，1451.X標(biāo)準(zhǔn)之間可以一起使用，也可以單獨(dú)使用

[7]。

IEEE1451.2是一個(gè)開放的標(biāo)準(zhǔn)，它的目標(biāo)不是開發(fā)另外一種控制網(wǎng)絡(luò)，而是在控制網(wǎng)絡(luò)和傳感器之間定義一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，使傳感器的選擇和控制網(wǎng)絡(luò)的選擇分開，從而使用戶可以根據(jù)自己的需要選擇不同廠家生產(chǎn)的智能傳感器而不受限制，實(shí)現(xiàn)真正意義上的即插即用(Plug and Play)。

基于IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)Web傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下：

圖4 IEEE1451.2傳感器的結(jié)構(gòu)框圖

IEEE1451.2主要定義了STIM(Smart Transducer Interface Module)的內(nèi)容,其中主要包括TEDS(Transducer Electronic Data Sheet)和TII(Transducer Independent Interface)。

TEDS是IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)的核心,提供了對(duì)廣大范圍傳感器 石油大學(xué)碩士學(xué)位論文開題報(bào)告及文獻(xiàn)總結(jié)

(sensor)、緩存?zhèn)鞲衅?buffered sensor)、數(shù)據(jù)系列傳感器(data sequence sensor)、事件系列傳感器(event sequence sensor)、執(zhí)行器(actuator)等模型的支持,并具有自動(dòng)識(shí)別這些傳感器和執(zhí)行器的能力。TEDS完整詳細(xì)地描述了它支持的傳感器和執(zhí)行器的類型、操作和屬性。

TEDS被分成8個(gè)可以尋址的部分,其中只有Meta TEDS和Channel TEDS是必須要的,其余的6個(gè)TEDS可以根據(jù)需要選擇。每個(gè)STIM包括1個(gè)Meta TEDS，用來描述TEDS的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、STIM的極限時(shí)間參數(shù)和通道組信息等有關(guān)STIM的總體信息；每個(gè)STIM通道包括1個(gè)Channel TEDS，主要用來對(duì)每個(gè)通道的具體信息，如：函數(shù)模型、校準(zhǔn)模型、通道的物理屬性、返回的數(shù)據(jù)類型和格式、對(duì)象使用上下極限、使用時(shí)限等參數(shù)。

TII并非是額外的一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，而是用于連接NCAP和STIM的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、時(shí)鐘同步、短距離的接口，共有10個(gè)引腳。IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)定義了這10個(gè)引腳的功能，并定義了NCAP和STIM數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

3.4 IEEE1451系列標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展動(dòng)向[5]

IEEE和NIST還在著手制定無線連接各種傳感設(shè)備的接口標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)的名稱為“IEEE P1451.5”，主要用于利用電腦等主機(jī)設(shè)備綜合管理建筑物內(nèi)各傳感設(shè)備獲得的數(shù)據(jù)，還將包括把傳感器獲得的信息用于

第二篇：Web數(shù)據(jù)研究與應(yīng)用論文

1知如何能夠投其所好，為用戶實(shí)現(xiàn)主動(dòng)推薦，提供個(gè)性化服務(wù)；這些都是電子商務(wù)成敗的關(guān)鍵問題。在這種新型的商務(wù)模式下，如何對(duì)網(wǎng)絡(luò)上大量的信息進(jìn)行有效組織利用，幫助海量數(shù)據(jù)的擁有者們找出真正有價(jià)值的信息和知識(shí)，以指導(dǎo)他們的商業(yè)決策行為，成為電子商務(wù)經(jīng)營(yíng)者關(guān)注的問題。迅速發(fā)展的基于Web的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，為解決電子商務(wù)所面臨的問題提供了有效途徑。Web數(shù)據(jù)挖掘

2.1 Web數(shù)據(jù)挖掘概述

數(shù)據(jù)挖掘（Data Mining）是從大量的、不完全的、有噪聲的、模糊的和隨機(jī)的數(shù)據(jù)中提取人們事先不知道的、潛在有用的信息和知識(shí)的非平凡過程。

Web數(shù)據(jù)挖掘（Web Mining）是從Web文檔和Web活動(dòng)中抽取感興趣的、潛在的有用模式和隱藏的信息，是數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)挖掘、人工智能、信息檢索、自然語(yǔ)言理解等技術(shù)的綜合應(yīng)用，是在一定基礎(chǔ)上應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘的方法以發(fā)現(xiàn)有用的知識(shí)來幫助人們從www.tmdps.cnputer processing of Oriental Languages,2003,16(2).

第三篇：傳感器原理與應(yīng)用

傳感器原理與應(yīng)用（專業(yè)限選課）

Principle and Application of Sensor

【課程編號(hào)】XZ260111

【學(xué)分?jǐn)?shù)】2

【學(xué)時(shí)數(shù)】24+6+9（實(shí)驗(yàn)課時(shí)）【課程類別】專業(yè)限選 【編寫日期】2010.3.30 【先修課程】電路分析、模電、數(shù)電

【適用專業(yè)】電子信息工程類

一、教學(xué)目的、任務(wù)

《傳感器原理和應(yīng)用》是電子及自動(dòng)化專業(yè)的一門專業(yè)課。它有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。通過學(xué)習(xí)本課程使學(xué)生掌握各類傳感器的基本原理、主要性能及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；能合理地選擇和使用傳感器； 掌握常用傳感器的工程設(shè)計(jì)方法和實(shí)驗(yàn)研究方法；了解傳感器的發(fā)展動(dòng)向。

二、課程教學(xué)的基本要求

現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱是傳感器技術(shù)﹑通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，它們分別構(gòu)成了信息系統(tǒng)的“感官”、“神經(jīng)”和“大腦”。在機(jī)械工程中,傳感器對(duì)于機(jī)械電子、測(cè)量、控制、計(jì)量等領(lǐng)域都是必不可少的獲取信息的關(guān)鍵部件。

鑒于上述認(rèn)識(shí)并考慮學(xué)科特色,在本課程有限學(xué)時(shí)內(nèi),要求學(xué)生重點(diǎn)掌握下列幾方面的知識(shí)：⑴傳感器的基本概念﹑術(shù)語(yǔ)和特性；⑵常用傳感器的原理、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用；⑶傳感器測(cè)量電路；⑷傳感器的典型應(yīng)用。

三、教學(xué)內(nèi)容和學(xué)時(shí)分配

第1章 傳感與檢測(cè)技術(shù)的理論基礎(chǔ)自學(xué)

主要內(nèi)容：

1.1測(cè)量概論

1.2測(cè)量數(shù)據(jù)的估計(jì)和處理

教學(xué)要求：

了解測(cè)量的基本概念，測(cè)量系統(tǒng)的特性，測(cè)量誤差及數(shù)據(jù)處理的各種方法。

第2章 傳感器概述2學(xué)時(shí)

2.1傳感器的組成與分類

2.2傳感器的基本特性

教學(xué)要求：

熟悉傳感器的輸出--輸入特性與內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)的外部特性，掌握其靜態(tài)特性，動(dòng)態(tài)特性的分析方法。

第3章 應(yīng)變式傳感器4學(xué)時(shí)

主要內(nèi)容：

3.1 工作原理

3.2 應(yīng)變片的種類、材料及粘貼

3.3 電阻應(yīng)變片的特性

3.4 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路

3.5 應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用

教學(xué)要求：

熟悉應(yīng)變片傳感器的工作原理及外部特性，了解其應(yīng)用范圍，掌握測(cè)量電路的分析方法。其它教學(xué)環(huán)節(jié)：實(shí)驗(yàn)一應(yīng)變片性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)3學(xué)時(shí)

實(shí)驗(yàn)性質(zhì)：驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：金屬箔式應(yīng)變片性能——單臂電橋、半橋和全橋。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求：掌握使用金屬箔式應(yīng)變片組成單臂電橋、半橋和全橋的方法，了解在不同電路

形式時(shí)電路的輸出特性。

注意要點(diǎn)：確保接線正確，電源電壓不能用錯(cuò)。

第4章 電感式傳感器3 學(xué)時(shí)

主要內(nèi)容：

4.1自感式電感傳感器

4.2差動(dòng)變壓器式傳感器

4.3電渦流式傳感器

教學(xué)要求：

了解電感式傳感器的應(yīng)用范圍，工作特點(diǎn)，掌握其組成的各種測(cè)量電路的分析方法及組成特點(diǎn)。其它教學(xué)環(huán)節(jié)：實(shí)驗(yàn)二電渦流式傳感器的靜態(tài)位移性能3學(xué)時(shí)

實(shí)驗(yàn)性質(zhì)：設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：電渦流式傳感器的工作原理和工作情況，動(dòng)手自制一個(gè)渦流探頭，利用實(shí)驗(yàn)室放大器

及振蕩器對(duì)不同被測(cè)材料（即混料）進(jìn)行分選。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求：研究電渦流傳感器特性，被測(cè)材料（物質(zhì)）對(duì)傳感器的特性的影響以及電渦流

傳感器的應(yīng)用。

注意要點(diǎn)：確保接線正確，激勵(lì)、響應(yīng)線圈不能用錯(cuò)。

第5章電容式傳感器3 學(xué)時(shí)

主要內(nèi)容：

5.1電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)

5.2電容式傳感器的靈敏度及非線性

5.3電容式傳感器的等效電路

5.4電容式傳感器的測(cè)量電路

5.5電容式傳感器的應(yīng)用

教學(xué)要求：

熟悉電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)，掌握其在非電量測(cè)量與自動(dòng)檢測(cè)中的應(yīng)用。

其它教學(xué)環(huán)節(jié)：實(shí)驗(yàn)三 變面積式電容傳感器的性能1學(xué)時(shí)

實(shí)驗(yàn)性質(zhì)：驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：變面積式電容傳感器的工作原理和工作情況。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求：熟悉變面積式電容傳感器的工作原理和工作情況；研究差動(dòng)式電容傳感器特性。注意要點(diǎn)：確保接線正確，電源電壓不能用錯(cuò)。

第6章 壓電式傳感器3 學(xué)時(shí)

主要內(nèi)容：

6.1壓電效應(yīng)及壓電材料

6.2 壓電式傳感器測(cè)量電路

6.3 壓電式傳感器的應(yīng)用

教學(xué)要求：

了解壓電式傳感器具有的特點(diǎn)及其應(yīng)用范圍，掌握其組成的測(cè)量電路分析及應(yīng)用。

第7章 磁電式傳感器4學(xué)時(shí)

主要內(nèi)容：

7.1磁電感應(yīng)式傳感器

7.2 霍爾式傳感器

教學(xué)要求：

掌握磁電式傳感器的各種不同類型及應(yīng)用范圍。

其它教學(xué)環(huán)節(jié)：實(shí)驗(yàn)四 霍爾傳感器特性研究及應(yīng)用2學(xué)時(shí)

實(shí)驗(yàn)性質(zhì)：驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：霍爾傳感器在交、直流信號(hào)激勵(lì)下的特性。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求：了解霍爾傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理；實(shí)驗(yàn)研究霍爾傳感器在交、直流信號(hào)激勵(lì)

下的特性；掌握霍爾傳感器測(cè)量振幅和稱重應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)方法。

注意要點(diǎn)：確保接線正確，電源電壓不能超出規(guī)定值。

第8章 光電式傳感器3 學(xué)時(shí)

主要內(nèi)容：

8.1光電器件

8.2光纖傳感器

教學(xué)要求：

熟悉典型的光電器件的特性和應(yīng)用，了解光纖傳感器及其技術(shù)發(fā)展方向，掌握紅外傳感器的應(yīng)用。

第9章 半導(dǎo)體傳感器2學(xué)時(shí)

主要內(nèi)容：

9.1半導(dǎo)體氣敏傳感器

9.2濕敏傳感器

9.3色敏傳感器

9.4半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用

教學(xué)要求：

了解以半導(dǎo)體材料組成的各種傳感器及其它們的工作原理，掌握氣敏、濕敏、色敏傳感器在測(cè)量電路中的應(yīng)用及其電路分析。

第10章 超聲波傳感器2學(xué)時(shí)

主要內(nèi)容：

10.1超聲波及其物理性質(zhì)

10.2超聲波傳感器

10.3超聲波傳感器應(yīng)用用

教學(xué)要求：

熟悉超聲波傳感器的工作原理及其物理性質(zhì)，掌握超聲波傳感器的應(yīng)用。

第11章 微波傳感器1學(xué)時(shí)

主要內(nèi)容：

11.1微波概述

11.2微波傳感器的原理和組成11．3微波傳感器的應(yīng)用

教學(xué)要求：

了解壓電式傳感器具有的特點(diǎn)及其應(yīng)用范圍，掌握其組成的測(cè)量電路分析及應(yīng)用。

第12章 輻射式傳感器1 學(xué)時(shí)

主要內(nèi)容：

12.1紅外傳感器

12.2核輻射傳感器

教學(xué)要求：

了解輻射式傳感器的特性及應(yīng)用。

第13章 數(shù)字式傳感器自學(xué)

主要內(nèi)容：

13.1光柵傳感器

13.2編碼器

13.3感應(yīng)同步器

教學(xué)要求：

了解數(shù)字式傳感器的特點(diǎn)及應(yīng)用。

第14章 智能式傳感器自學(xué)

主要內(nèi)容：

14.1概述

14.2傳感器的智能化

14.3集成智能傳感器

教學(xué)要求：

了解集成智能感器的特性及應(yīng)用。

第15章 傳感器在工程檢測(cè)中的應(yīng)用4學(xué)時(shí)

主要內(nèi)容：

15.1溫度測(cè)量

15.2壓力測(cè)量

15.3流量測(cè)量

15.4物位測(cè)量

教學(xué)要求：

了解熱電偶的結(jié)構(gòu)和原理、熱電效應(yīng)的構(gòu)成成份。掌握熱電偶的基本定律、冷端補(bǔ)償方法、測(cè)量計(jì)算方法。了解熱電阻的工作原理、結(jié)構(gòu)，掌握應(yīng)用方法。了解傳感器在工程檢測(cè)中的作用及其應(yīng)用。

四、教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)及教學(xué)方法

重點(diǎn)：各種常見的、應(yīng)用廣泛的傳感器的基本原理、基本特性、轉(zhuǎn)換電路以及工程應(yīng)用，及分析、設(shè)計(jì)方法。以課堂講授為主，通過實(shí)驗(yàn)加深對(duì)所學(xué)各類傳感器的性能及工作原理理解。

難點(diǎn)：各種傳感器的特性分析。

五、考核方式及成績(jī)?cè)u(píng)定方式：

考核方式：考查，六、教材及參考書目

推薦教材：

《傳感器原理及工程應(yīng)用》（第三版），郁有文等編著，西安科技大學(xué)出版社，2008年參考書：

1．王化祥，《傳感器原理與應(yīng)用》，天津大學(xué)出版社，第七版，2003

3．劉君華，《智能傳感器系統(tǒng)》，西安電子科技大學(xué)出版社，第一版，1999

4．單成祥，《傳感器的理論與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)及其應(yīng)用》，國(guó)防工業(yè)出版社，1999

4．趙負(fù)圖，《現(xiàn)代傳感器集成電路》，人民郵電出版社，2000

修（制）訂人：審核人：

2010年 3 月30日

第四篇：傳感器設(shè)計(jì)及應(yīng)用實(shí)例論文

壓力傳感器（壓力變送器）的原理及應(yīng)用

概 述：壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機(jī)床、管道等眾多行業(yè)，下面就簡(jiǎn)單介紹一些常用傳感器原理及其應(yīng)用

1、應(yīng)變片壓力傳感器原理與應(yīng)用

力學(xué)傳感器的種類繁多，如電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。但應(yīng)用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價(jià)格和較高的精度以及較好的線性特性。下面我們主要介紹這類傳感器。

在了解壓阻式力傳感器時(shí)，我們首先認(rèn)識(shí)一下電阻應(yīng)變片這種元件。電阻應(yīng)變片是一種將被測(cè)件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號(hào)的敏感器件。它是壓阻式應(yīng)變傳感器的主要組成部分之一。電阻應(yīng)變片應(yīng)用最多的是金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。金屬電阻應(yīng)變片又有絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片兩種。通常是將應(yīng)變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時(shí)，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應(yīng)變片在受力時(shí)產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋，并通過后續(xù)的儀表放大器進(jìn)行放大，再傳輸給處理電路（通常是 A/D轉(zhuǎn)換和CPU）顯示或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

它由基體材料、金屬應(yīng)變絲或應(yīng)變箔、絕緣保護(hù)片和引出線等部分組成。根據(jù)不同的用途，電阻應(yīng)變片的阻值可以由設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)，但電阻的取值范圍應(yīng)注意：阻值太小，所需的驅(qū)動(dòng)電流太大，同時(shí)應(yīng)變片的發(fā)熱致使本身的溫度過高，不同的環(huán)境中使用，使應(yīng)變片的阻值變化太大，輸出零點(diǎn)漂移明顯，調(diào)零電路過于復(fù)雜。而電阻太大，阻抗太高，抗外界的電磁干擾能力較差。一般均為幾十歐至幾十千歐左右。

電阻應(yīng)變片的工作原理

金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是吸附在基體材料上應(yīng)變電阻隨機(jī)械形變而產(chǎn)生阻值變化的現(xiàn)象，俗稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。金屬導(dǎo)體的電阻值可用下式表示：

式中：ρ——金屬導(dǎo)體的電阻率（Ω·cm2/m）

S——導(dǎo)體的截面積（cm2）

L——導(dǎo)體的長(zhǎng)度（m）

我們以金屬絲應(yīng)變電阻為例，當(dāng)金屬絲受外力作用時(shí)，其長(zhǎng)度和截面積都會(huì)發(fā)生變化，從上式中可很容易看出，其電阻值即會(huì)發(fā)生改變，假如金屬絲受外力作用而伸長(zhǎng)時(shí)，其長(zhǎng)度增加，而截面積減少，電阻值便會(huì)增大。當(dāng)金屬絲受外力作用而壓縮時(shí)，長(zhǎng)度減小而截面增加，電阻值則會(huì)減小。只要測(cè)出加在電阻的變化（通常是測(cè)量電阻兩端的電壓），即可獲得應(yīng)變金屬絲的應(yīng)變情況。來源: http://tede.cn

2、陶瓷壓力傳感器原理及應(yīng)用

抗腐蝕的陶瓷壓力傳感器沒有液體的傳遞，壓力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片產(chǎn)生微小的形變，厚膜電阻印刷在陶瓷膜片的背面，連接成一個(gè)惠斯通電橋（閉橋），由于壓敏電阻的壓阻效應(yīng)，使電橋產(chǎn)生一個(gè)與壓力成正比的高度線性、與激勵(lì)電壓也成正比的電壓信號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)根據(jù)壓力量程的不同標(biāo)定為2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和應(yīng)變式傳感器相兼容。通過激光標(biāo)定，傳感器具有很高的溫度穩(wěn)定性和時(shí)間穩(wěn)定性，傳感器自帶溫度補(bǔ)償0～70℃，并可以和絕大多數(shù)介質(zhì)直接接觸。

陶瓷是一種公認(rèn)的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊和振動(dòng)的材料。陶瓷的熱穩(wěn)定特性及它的厚膜電阻可以使它的工作溫度范圍高達(dá)-40～135℃，而且具有測(cè)量的高精度、高穩(wěn)定性。電氣絕緣程度 >2kV，輸出信號(hào)強(qiáng)，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好。高特性，低價(jià)格的陶瓷傳感器將是壓力傳感器的發(fā)展方向，在歐美國(guó)家有全面替代其它類型傳感器的趨勢(shì)，在中國(guó)也越來越多的用戶使用陶瓷傳感器替代擴(kuò)散硅壓力傳感器。

3、擴(kuò)散硅壓力傳感器原理及應(yīng)用

工作原理

被測(cè)介質(zhì)的壓力直接作用于傳感器的膜片上（不銹鋼或陶瓷），使膜片產(chǎn)生與介質(zhì)壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻值發(fā)生變化，和用電子線路檢測(cè)這一變化，并轉(zhuǎn)換輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)于這一壓力的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)。來源:www.tmdps.cn

4、藍(lán)寶石壓力傳感器原理與應(yīng)用

利用應(yīng)變電阻式工作原理，采用硅-藍(lán)寶石作為半導(dǎo)體敏感元件，具有無與倫比的計(jì)量特性。

藍(lán)寶石系由單晶體絕緣體元素組成，不會(huì)發(fā)生滯后、疲勞和蠕變現(xiàn)象；藍(lán)寶石比硅要堅(jiān)固，硬度更高，不怕形變；藍(lán)寶石有著非常好的彈性和絕緣特性（1000 OC以內(nèi)），因此，利用硅-藍(lán)寶石制造的半導(dǎo)體敏感元件，對(duì)溫度變化不敏感，即使在高溫條件下，也有著很好的工作特性；藍(lán)寶石的抗輻射特性極強(qiáng)；另外，硅-藍(lán)寶石半導(dǎo)體敏感元件，無p-n漂移，因此，從根本上簡(jiǎn)化了制造工藝，提高了重復(fù)性，確保了高成品率。

用硅-藍(lán)寶石半導(dǎo)體敏感元件制造的壓力傳感器和變送器，可在最惡劣的工作條件下正常工作，并且可靠性高、精度好、溫度誤差極小、性價(jià)比高。

表壓壓力傳感器和變送器由雙膜片構(gòu)成：鈦合金測(cè)量膜片和鈦合金接收膜片。印刷有異質(zhì)外延性應(yīng)變靈敏電橋電路的藍(lán)寶石薄片，被焊接在鈦合金測(cè)量膜片上。被測(cè)壓力傳送到接收膜片上（接收膜片與測(cè)量膜片之間用拉桿堅(jiān)固的連接在一起）。在壓力的作用下，鈦合金接收膜片產(chǎn)生形變，該形變被硅-藍(lán)寶石敏感元件感知后，其電橋輸出會(huì)發(fā)生變化，變化的幅度與被測(cè)壓力成正比。

傳感器的電路能夠保證應(yīng)變電橋電路的供電，并將應(yīng)變電橋的失衡信號(hào)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的電信號(hào)輸出（0-5，4-20mA或0-5V）。在絕壓壓力傳感器和變送器中，藍(lán)寶石薄片，與陶瓷基極玻璃焊料連接在一起，起到了彈性元件的作用，將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換為應(yīng)變片形變，從而達(dá)到壓力測(cè)量的目的。

5、壓電壓力傳感器原理與應(yīng)用

壓電傳感器中主要使用的壓電材料包括有石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺。其中石英（二氧化硅）是一種天然晶體，壓電效應(yīng)就是在這種晶體中發(fā)現(xiàn)的，在一定的溫度范圍之內(nèi)，壓電性質(zhì)一直存在，但溫度超過這個(gè)范圍之后，壓電性質(zhì)完全消失（這個(gè)高溫就是所謂的“居里點(diǎn)”）。由于隨著應(yīng)力的變化電場(chǎng)變化微小（也就說壓電系數(shù)比較低），所以石英逐漸被其他的壓電晶體所替代。而酒石酸鉀鈉具有很大的壓電靈敏度和壓電系數(shù)，但是它只能在室溫和濕度比較低的環(huán)境下才能夠應(yīng)用。磷酸二氫胺屬于人造晶體，能夠承受高溫和相當(dāng)高的濕度，所以已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

現(xiàn)在壓電效應(yīng)也應(yīng)用在多晶體上，比如現(xiàn)在的壓電陶瓷，包括鈦酸鋇壓電陶瓷、PZT、鈮酸鹽系壓電陶瓷、鈮鎂酸鉛壓電陶瓷等等。

壓電效應(yīng)是壓電傳感器的主要工作原理，壓電傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量，因?yàn)榻?jīng)過外力作用后的電荷，只有在回路具有無限大的輸入阻抗時(shí)才得到保存。實(shí)際的情況不是這樣的，所以這決定了壓電傳感器只能夠測(cè)量動(dòng)態(tài)的應(yīng)力。

壓電傳感器主要應(yīng)用在加速度、壓力和力等的測(cè)量中。壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計(jì)。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)異的特點(diǎn)。壓電式加速度傳感器在飛機(jī)、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動(dòng)和沖擊測(cè)量中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，特別是航空和宇航領(lǐng)域中更有它的特殊地位。壓電式傳感器也可以用來測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃燒壓力的測(cè)量與真空度的測(cè)量。也可以用于軍事工業(yè)，例如用它來測(cè)量槍炮子彈在膛中擊發(fā)的一瞬間的膛壓的變化和炮口的沖擊波壓力。它既可以用來測(cè)量大的壓力，也可以用來測(cè)量微小的壓力。

壓電式傳感器也廣泛應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)測(cè)量中，比如說心室導(dǎo)管式微音器就是由壓電傳感器制成的，因?yàn)闇y(cè)量動(dòng)態(tài)壓力是如此普遍，所以壓電傳感器的應(yīng)用就非常廣泛。

BP01型壓力傳感器及其在便攜式電子血壓計(jì)中的應(yīng)用

介紹了德利康公司的BP01型壓力傳感器的主要性能和參數(shù)給出了一個(gè)用BP01作傳感器組成的便攜式電子血壓計(jì)的實(shí)際電路,并對(duì)該應(yīng)用電路的工作原理進(jìn)行了說明,同時(shí)給出了該便攜式電子血壓計(jì)電路的設(shè)計(jì)和調(diào)試方法。概述

BP01 型壓力傳感器是為監(jiān)測(cè)血壓而專門設(shè)計(jì)的,主要用于便攜式電子血壓計(jì)。它采用精密厚膜陶瓷芯片和尼龍塑料封裝,具有高線性、低噪聲和外界應(yīng)力小的特點(diǎn);采用內(nèi)部標(biāo)定和溫度補(bǔ)償方式,從而提高了測(cè)量的精度、穩(wěn)定性以及可重復(fù)性,在全量程范圍內(nèi),精度為±1%,零點(diǎn)失調(diào)不大于±300μV。BP01的主要性能參數(shù)

BP01的內(nèi)部等效電路和外形封裝如圖1所示;表1所列為BP01在電源電壓Vs為5.0V、環(huán)境溫度TA為25℃時(shí)的主要性能參數(shù)。

BP01的極限參數(shù)如下：

·最大工作電壓：20VDC;

·最大耐壓：1500 mmHg;

·工作溫度范圍：0～70℃;

·引腳焊接溫度（最大值）：250℃（2～4秒）?；贐P01的電子血壓計(jì)

3.1工作原理

用BP01構(gòu)成的便攜式電子血壓計(jì)的原理電路如圖2所示,它由偏置電源電路（A1、A2）、前置處理電路（A3～A6）、顯示電路（A7）和壓力傳感器（BP01）組成,該血壓計(jì)的血壓測(cè)量范圍為0～200mmHg,分辨率為0.1mmHg,工作電源為一節(jié)9V迭層電池。現(xiàn)將血壓計(jì)中各主要電路的工作原理分述如下：

a.偏置電源電路

電源電路由帶有內(nèi)置參考電壓的雙運(yùn)放LM10組成,A1構(gòu)成同相放大器,A2構(gòu)成跟隨器,它們的作用是將內(nèi)置的參考電壓放大后用作壓力傳感器BP01的偏置電壓Vs,其Vs的值由下式?jīng)Q定：

Vs=Vref（1+R2/R3）

式中：Vref為L(zhǎng)M10的內(nèi)置參考電壓。其值為200mV,將此值連同電路中的R2和R3的值代入上式即可求得偏置電壓Vs的值為5V。

b.前置處理電路

前置處理電路由A3～A6四個(gè)運(yùn)算放大器組成,其中A3構(gòu)成失調(diào)偏置電路以對(duì)電路失調(diào)進(jìn)行補(bǔ)償;A5構(gòu)成跟隨器,用于對(duì)壓力傳感器BP01的輸出信號(hào)進(jìn)行隔離緩沖;A4、A6構(gòu)成放大電路,其增益AV由下式?jīng)Q定：

AV=1+（R1/RT）

若忽略失調(diào),前置處理電路的輸出電壓Vout為：

Vout=2（1+R1/RT）VIN

式中：VIN為壓力傳感器BP01的輸出電壓。

c.顯示電路

顯示電路選用三位半的顯示驅(qū)動(dòng)器。工作時(shí),壓力傳感器BP01的輸出經(jīng)前置處理電路放大后,由顯示驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)LCD,以讀出測(cè)量的血壓值。

3.2調(diào)試方法

a.零壓輸出調(diào)整

在零壓輸出時(shí),調(diào)整失調(diào)電位器RP1,在血壓計(jì)的顯示值為000.0時(shí),即可認(rèn)為完成了零壓輸出調(diào)整。

b.前置電路增益的調(diào)整

壓力傳感器BP01的滿量程輸出與偏置電壓有一定的關(guān)系,當(dāng)5V偏置時(shí),在200mmHg壓力下的輸出為10mV,其對(duì)應(yīng)的顯示驅(qū)動(dòng)電路的輸入為200mV,因此前置電路的增益AV為200mV/10mV,這樣,利用前面Av的計(jì)算公式即可反推出增益電阻RT的值。

若選取電阻R1為10kΩ,則增益電阻RT應(yīng)為1.1kΩ。調(diào)試時(shí)可先用電位器調(diào)整輸出值,再用萬(wàn)用表測(cè)出該電位器的阻值,最后再換成固定電阻。

c.滿量程調(diào)整

滿量程調(diào)整時(shí),先在顯示電路的輸入端加上200mV電壓,然后調(diào)整電位器RP2,使其讀數(shù)為199.9mmHg即可。

上調(diào)整完成之后,一般應(yīng)多重復(fù)幾次,以使顯示值可靠地符合精度要求。

3.3元器件的選擇

為保證測(cè)量精度,上述電路的外圍元器件的選擇也是一個(gè)不容忽視的重要環(huán)節(jié)。一般情況下,電位器RP1、RP2應(yīng)選用1%精度的金屬膜多圈電位器;電阻應(yīng)選用1%精度的金屬膜電阻器;電容一般選用聚脂薄膜或者云母電容。結(jié)束語(yǔ)

在使用壓力傳感器BP01和其它器件設(shè)計(jì)便攜式電子血壓計(jì)時(shí),應(yīng)注意的是：對(duì)于不同的偏置電壓,其輸出也不同,因而前置處理電路的增益應(yīng)做相應(yīng)的調(diào)整,以滿足滿量程的不同要求。

第五篇：敏感材料與傳感器論文

紅外感應(yīng)材料

作者：adverlouis 紅外線是一類電磁波的統(tǒng)稱，廣泛用于指代波長(zhǎng)從1mm到770nm之間的電磁波。在自然界中，任何物體都能夠發(fā)射紅外線，任何物體都會(huì)吸收紅外線。紅外線在自然界中主要起傳播能量的作用，其在物體上的效應(yīng)主要是熱效應(yīng)。良好的紅外線發(fā)射物體同時(shí)也是良好的紅外線吸收物體。

由于紅外線在自然界中的廣泛存在，決定了它在自然界和人類社會(huì)中的廣泛應(yīng)用。而對(duì)紅外線的任何利用離不開對(duì)紅外線的檢測(cè)，或者說感應(yīng)。在自然界中，很多動(dòng)物都能夠利用紅外線來獲取信息，正如人類利用可見光來接收信息一樣。蛇類利用舌頭上的熱感器官來捕捉紅外線，蚊子利用頭部的紅外線感應(yīng)器來確定獵物位置。這些是自然界歷經(jīng)千百年變化而衍生出來的生物紅外感應(yīng)器，其精巧型是超出人類解析范圍的。而進(jìn)入二十世紀(jì)以來，自紅外線被發(fā)現(xiàn)以來，人類也在尋找各種技術(shù)來檢測(cè)紅外線，設(shè)計(jì)了多種多樣的紅外線傳感器。

紅外傳感器的先進(jìn)與否由制造傳感器采用的紅外感應(yīng)材料決定。歷經(jīng)接近兩百年的發(fā)展，紅外感應(yīng)技術(shù)也發(fā)生了翻天覆地的變化。最初的時(shí)候，人們?cè)眉t外線的熱效來檢測(cè)紅外線，由于當(dāng)沒有半導(dǎo)體材料，人們只好采用熱電偶來檢測(cè)紅外線，由于熱電偶較低的靈敏性和紅外線微弱的熱效應(yīng)，當(dāng)時(shí)的檢測(cè)效果可想而知。也有人采用感光膠片來對(duì)紅外線進(jìn)行檢測(cè)，但是紅外線的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，光子能量較低，膠片的感光效果并不理想。直到半導(dǎo)體材料出現(xiàn)，紅外檢測(cè)技術(shù)才真正的開始發(fā)展起來。

從工作機(jī)理上來分，紅外感應(yīng)材料可分為熱探測(cè)儀和光子型探測(cè)儀。

熱探測(cè)儀利用了紅外線的熱效應(yīng)，當(dāng)紅外線照射到熱探測(cè)儀的敏感材料時(shí)，敏感材料的溫度就會(huì)發(fā)生變化，而溫度的變化可以轉(zhuǎn)化成一定的電信號(hào)輸出出來，從而實(shí)現(xiàn)了紅外信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)化。因?yàn)槭抢眉t外線的熱效應(yīng)，熱探測(cè)的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。但是對(duì)波長(zhǎng)的要求，即對(duì)單光子能量的要求較低，因此熱探測(cè)的響應(yīng)范圍較廣，對(duì)于波長(zhǎng)超過200um的紅外線，熱探測(cè)儀是唯一的選擇。

光子型探測(cè)儀利用了光子的能量效應(yīng)。當(dāng)紅外線照射到光子敏感材料上時(shí)，材料中的電子就會(huì)接收紅外光子的能量，改變其能量狀態(tài)，由此改變了材料的電學(xué)性質(zhì)。通過對(duì)材料電學(xué)性質(zhì)的檢驗(yàn)，就可以得到入射紅外線的相關(guān)信息，事實(shí)上也是一種由紅外信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)化。光子型探測(cè)儀的感應(yīng)材料從種類上來劃分可以劃分為三種，分別是半導(dǎo)體探測(cè)材料，超導(dǎo)探測(cè)材料和超巨磁電阻探測(cè)材料。其中半導(dǎo)體探測(cè)材料是發(fā)展歷史最長(zhǎng)的紅外感應(yīng)材料，也是發(fā)展最為完善的紅外感應(yīng)材料。超導(dǎo)探測(cè)材料技術(shù)發(fā)展時(shí)間較短，技術(shù)工藝尚不成熟，但是，隨著近年來的高溫超導(dǎo)材料的不斷發(fā)展，超導(dǎo)材料顯示出了巨大的前景。超巨磁電阻探測(cè)技術(shù)更是剛起步的領(lǐng)域，目前仍處于探索研究階段。

半導(dǎo)體紅外探測(cè)材料包括硫化鉛，銻化yin，鍺摻雜(金，汞)，碲錫鉛，碲鎘汞，硫酸三甘酞，鈕酸鏗，鍺酸鉛，氧化鎂等。其中銻化yin和碲鎘汞是目前紅外光電體系使用的主要探測(cè)材料，特別是碲鎘汞是世界研究的重點(diǎn)。當(dāng)前生長(zhǎng)碲鎘汞體材料的主要方法是固態(tài)再結(jié)晶，少數(shù)采用垂直區(qū)熔和磅熔劑等方法生長(zhǎng)。碲鎘汞體材料的主要問題是組分不易控制，得不到大尺寸均勻晶體，成品率低等。在這種情況下國(guó)外一些公司仍然在尋求新的生長(zhǎng)方以改善晶體質(zhì)量。如近年來采用的移動(dòng)熱區(qū)法和移動(dòng)溶劑法已取得進(jìn)展，盡管從科學(xué)研究的角度來看碲鎘汞體材料已逐漸讓位，但從六十年代初開始研究到七十年代初，取得突破性進(jìn)展的碲鎘汞體材料近十幾年在紅外技術(shù)的發(fā)中發(fā)揮了和仍然在發(fā)揮著主要的作用。當(dāng)前絕大部分紅外軍事裝備所用的紅外探測(cè)器都是由碲鎘汞體材料制造的。在碲鎘汞紅外探測(cè)材料的研究上，美國(guó)和法國(guó)走的是不同的研究道路。法國(guó)著重于研究制備型紅外感應(yīng)材料，世界上第一個(gè)光伏型紅外探測(cè)儀就是在法國(guó)誕生的。美國(guó)著重于材料的提純，認(rèn)為有了高純度的材料，就便于制造出高性能的紅外檢測(cè)儀。法國(guó)科研界認(rèn)為：制造光伏器件并不需要高純度的半導(dǎo)體材料，雜質(zhì)濃度在1018CM-8即可。盡管碲鎘汞是目前制備紅外探測(cè)儀的最好材料，但是它所存在的不足，仍是人們尋找新型紅外感應(yīng)材料的依據(jù)。在七十年代，碲錫鉛曾經(jīng)是碲鎘汞的強(qiáng)力競(jìng)爭(zhēng)者，但是在后來的發(fā)展中敗下陣來。但近年的發(fā)展中它又有所進(jìn)展，它與硅的失配也可以用過渡辦法加以解決。由于汞碲與鎘碲結(jié)合自由能較小，晶體的缺陷較多，錯(cuò)位高。而汞碲和鋅碲的結(jié)合自由能大于前者，因此錯(cuò)位可以很低。碲鋅汞可能成為制造紅外探測(cè)器的更好的材料。汞錳碲也是一種很有希望的新材料，當(dāng)x=0.6時(shí)禁帶寬度為0，且其晶體生長(zhǎng)較碲鎘汞還要容易些，但是，目前由于材料純度不夠，還不能做出高性能的紅外感應(yīng)材料。此外人們?cè)?jīng)認(rèn)為鎘碲晶體是外延的碲鎘汞一種較好的襯底材料，但它并不是一種理想的襯底材料，因?yàn)樗木w結(jié)構(gòu)并不與碲鎘汞完全匹配；其次是錯(cuò)位密度很降下來。因此，人們積極尋找更適合的材料。據(jù)認(rèn)為碲鋅鎘較鎘碲要好的多，國(guó)外正研究用它取代鎘碲作為碲鎘汞或鋅鎘汞的襯底材料。

超導(dǎo)紅外探測(cè)儀在工作機(jī)理上又可分為三類：超導(dǎo)—絕緣—超導(dǎo)紅外探測(cè)儀，熱電子紅外探測(cè)儀，超導(dǎo)薄膜紅外探測(cè)儀。超導(dǎo)紅外探測(cè)儀探測(cè)率較高，且其噪聲遠(yuǎn)低于其他的紅外探測(cè)儀，響應(yīng)波長(zhǎng)范圍更大。由于超導(dǎo)和非導(dǎo)電電子之間存在能隙。當(dāng)有光子能量大于能隙入射后，電子會(huì)吸收該能量發(fā)生躍遷從而產(chǎn)生光電流。該光電流在超導(dǎo)體中的效應(yīng)十分磁明顯。通過對(duì)電流磁效應(yīng)的測(cè)量，可以間接得到紅外入射光的有關(guān)信息。利用以上原理制備的紅外感應(yīng)器就是超導(dǎo)—絕緣—超導(dǎo)紅外探測(cè)儀。熱電子紅外探測(cè)儀分為高溫超導(dǎo)和低溫超導(dǎo)兩類。低溫超導(dǎo)紅外探測(cè)儀主要的部件是幾個(gè)納米厚的鈮超導(dǎo)納米微橋和作為冷卻裝置的兩個(gè)金塊組成的混頻器。當(dāng)鈮薄膜吸收光子時(shí)，其薄膜內(nèi)電子溫度會(huì)很快升高。而薄膜電阻依賴于電子溫度，電子溫度改變會(huì)改變薄膜的電阻。從而將入射紅外線信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。高溫超導(dǎo)發(fā)現(xiàn)以后, LeiaR.Val 和R.H.Ono研制了YBCO超導(dǎo)薄膜的熱電子微紅外探測(cè)儀, 它主要是用生長(zhǎng)于Si 襯底上外延超導(dǎo)薄膜(厚幾十納米、寬幾個(gè)微米), 含釔氧化鋯(YSZ)為緩沖層, 工作溫度為80K, 大大提高了以往熱電子紅外探測(cè)儀的工作溫度。超導(dǎo)薄膜紅外探測(cè)儀主要利用了超導(dǎo)薄膜在Tc附近的I-V非線性關(guān)系。以超導(dǎo)薄膜作為吸收層，用超導(dǎo)量子干涉儀讀出數(shù)據(jù)。目前的超導(dǎo)薄膜探測(cè)儀及發(fā)展了低溫下的超導(dǎo)薄膜紅外探測(cè)儀又發(fā)展了高溫下的超導(dǎo)薄膜紅外探測(cè)儀。

鈣鈦礦錳化合物具有一系列的特殊性質(zhì)近年來引起了人們的注意。在磁場(chǎng)中，它們的電阻發(fā)生巨大變化，從而被人們稱為超巨磁電阻材料。進(jìn)一步的研究還發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)超巨磁電阻材料在略低于轉(zhuǎn)變點(diǎn)溫度時(shí)其電阻會(huì)突然下降。通過摻雜，氧退火等方式可以改變材料的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。紅外線的入射會(huì)改變材料的溫度，而溫度的改變會(huì)引起超巨磁電阻材料電阻的急劇變化。利用這一點(diǎn)，可以將超巨磁電阻材料做成非常靈敏的紅外線檢測(cè)儀。但是，目前為止，超巨磁電阻材料的轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度依然沒能達(dá)到正常的溫度使用要求。而關(guān)于其響應(yīng)范圍的限制也在進(jìn)一步的研究中。隨著人們認(rèn)識(shí)的加深，超巨磁電阻材料將成為一種非常有前景的材料出現(xiàn)在現(xiàn)代科學(xué)和工業(yè)應(yīng)用中。

紅外檢測(cè)在現(xiàn)代生活中遍布與民用和軍事之中。我們隨處可見的感應(yīng)盥洗裝置，軍事上的紅外成像儀，紅外追蹤儀等等。紅外感應(yīng)材料彌補(bǔ)了人類在可見光以外的信息獲取渠道。是人類利用自身的知識(shí)與技術(shù)提高人類生物體能力的一個(gè)很好地證明。

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