時(shí)間：2022-05-10 07:09:20
緒論：在尋找寫作靈感嗎？愛發(fā)表網(wǎng)為您精選了8篇傳感器設(shè)計(jì)論文，愿這些內(nèi)容能夠啟迪您的思維，激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，歡迎您的閱讀與分享！
藍(lán)牙技術(shù)為藍(lán)牙特別興趣小組（SIG，SpecialInterestGroup）在1998年提出。它是一種新的短距離無(wú)線通信協(xié)議，是一種無(wú)線數(shù)據(jù)與語(yǔ)音通信的開放標(biāo)準(zhǔn)，目的是以無(wú)線的方式取代現(xiàn)有的有線接口。其優(yōu)勢(shì)在于：具有很強(qiáng)的移植性，可應(yīng)用于多種通信場(chǎng)合；硬件集成應(yīng)用簡(jiǎn)單，成本低廉，實(shí)現(xiàn)容易，而且易于推廣；藍(lán)牙功耗低，對(duì)人體危害??；采用擴(kuò)頻跳頻技術(shù)，抗干擾能力強(qiáng)，增加了信息傳輸?shù)陌踩?。藍(lán)牙系統(tǒng)支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信。在一點(diǎn)對(duì)多瞇的連接方式中，多個(gè)藍(lán)牙單元共享一條信道，采用同一跳頻序列。各個(gè)藍(lán)牙設(shè)備構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)稱為匹克網(wǎng)（Piconet）。匹克網(wǎng)中藍(lán)牙設(shè)備以主從方式實(shí)現(xiàn)通信。由于藍(lán)牙設(shè)備的物理尋址地址為3位，因此在同一時(shí)刻，匹克網(wǎng)最多只能激活8位設(shè)備（1主7從）；但不同時(shí)刻，多個(gè)匹克網(wǎng)可以構(gòu)成一個(gè)可重疊的散射網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。藍(lán)牙通信的有效半徑和其輸出的功率有關(guān)：當(dāng)輸出功率是2類（2.5mW/4dB）時(shí)，通信范圍為15m；如果增加其功率到1類（4mW/20dB）時(shí)，就能使通信范圍達(dá)到100m。
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(wú)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(wú)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(wú)線的STIM和無(wú)線NCAP接收終端的模式。通過(guò)在原有的STIM和NCAP中嵌入了藍(lán)牙模塊，構(gòu)成的無(wú)線NCAP和無(wú)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(wú)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(lái)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(wú)線抄表傳感器的設(shè)計(jì)
基于上述無(wú)線傳感器結(jié)構(gòu)模型給出的無(wú)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(wú)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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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(wú)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。
4基于藍(lán)牙抄表傳感器的抄表系統(tǒng)
關(guān)鍵詞：測(cè)力傳感器，應(yīng)力集中，精度，靈敏度
一、概述
對(duì)于電阻應(yīng)變片式測(cè)力傳感器（以下簡(jiǎn)稱“測(cè)力傳感器”）來(lái)說(shuō)，彈性體的結(jié)構(gòu)形狀與相關(guān)尺寸對(duì)測(cè)力傳感器性能的影響極大?？梢哉f(shuō)，測(cè)力傳感器的性能主要取決于其彈性體的形狀及相關(guān)尺寸。如果測(cè)力傳感器的彈性體設(shè)計(jì)不合理，無(wú)論彈性體的加工精度多高、粘貼的電阻應(yīng)變片的品質(zhì)多好，測(cè)力傳感器都難以達(dá)到較高的測(cè)力性能。因此，在測(cè)力傳感器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)彈性體進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。
彈性體的設(shè)計(jì)基本屬于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的范圍，但因測(cè)力性能的需要，其結(jié)構(gòu)上與普通的機(jī)械零件和構(gòu)件有所不同。一般說(shuō)來(lái)，普通的機(jī)械零件和構(gòu)件只須滿足在足夠大的安全系數(shù)下的強(qiáng)度和剛度即可，對(duì)在受力條件下零件或構(gòu)件上的應(yīng)力分布情況不必嚴(yán)格要求。然而，對(duì)于彈性體來(lái)說(shuō)，除了需要滿足機(jī)械強(qiáng)度和剛度要求以外，必須保證彈性體上粘貼電阻應(yīng)變片部位（以下簡(jiǎn)稱“貼片部位”）的應(yīng)力（應(yīng)變）與彈性體承受的載荷（被測(cè)力）保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系；同時(shí)，為了提高測(cè)力傳感器測(cè)力的靈敏度，還應(yīng)使貼片部位達(dá)到較高的應(yīng)力（應(yīng)變）水平。
由此可見，在彈性體的設(shè)計(jì)過(guò)程中必須滿足以下兩項(xiàng)要求：
（1）貼片部位的應(yīng)力（應(yīng)變）應(yīng)與被測(cè)力保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系；
（2）貼片部位應(yīng)具有較高的應(yīng)力（應(yīng)變）水平。
為了滿足上述兩項(xiàng)要求，在測(cè)力傳感器的彈性體設(shè)計(jì)方面，經(jīng)常應(yīng)用“應(yīng)力集中”的設(shè)計(jì)原則，確保貼片部位的應(yīng)力（應(yīng)變）水平較高，并與被測(cè)力保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以提高所設(shè)計(jì)測(cè)力傳感器的測(cè)力靈敏度和測(cè)力精度。
二、改善應(yīng)力（應(yīng)變）不規(guī)則分布的“應(yīng)力集中”原則
在機(jī)械零件或構(gòu)件的設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常認(rèn)為應(yīng)力（應(yīng)變）在零件或構(gòu)件上是規(guī)則分布的，如果零件或構(gòu)件的截面形狀不發(fā)生變化，不必考慮應(yīng)力（應(yīng)變）分布不規(guī)則的問(wèn)題。其實(shí)，在機(jī)械零件或構(gòu)件的設(shè)計(jì)中，對(duì)于應(yīng)力（應(yīng)變）不規(guī)則分布的問(wèn)題并非不予考慮，而是通過(guò)強(qiáng)度計(jì)算中的安全系數(shù)將其包容在內(nèi)了。
對(duì)于測(cè)力傳感器來(lái)說(shuō)，它是通過(guò)電阻應(yīng)變片測(cè)量彈性體上貼片部位的應(yīng)變來(lái)測(cè)量被測(cè)力的大小。若要保證貼片部位的應(yīng)力（應(yīng)變）與被測(cè)力保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)際上就是保證在測(cè)力傳感器受力時(shí)，彈性體上貼片部位的應(yīng)力（應(yīng)變）要按照某一規(guī)律分布。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于彈性體貼片部位應(yīng)力（應(yīng)變）分布影響較大的因素主要是彈性體受力條件的變化。
彈性體受力條件的變化是指當(dāng)彈性體受力的大小不變時(shí)，力的作用點(diǎn)發(fā)生變化或彈性體與其相鄰的加載構(gòu)件和承載構(gòu)件的接觸條件發(fā)生變化。如果在彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，未能考慮這一情況，就可能造成彈性體上應(yīng)力（應(yīng)變）分布的不規(guī)則變化。這方面最典型的實(shí)例是筒式測(cè)力傳感器（見圖1）。
當(dāng)筒式測(cè)力傳感器上、下端面均勻受力時(shí)，在彈性體貼片部位的整個(gè)圓周上應(yīng)力（應(yīng)變）的分布是均勻的。當(dāng)上、下兩個(gè)端面上受力情況發(fā)生變化后，力在兩個(gè)端面的作用情況不再是均勻分布的，這時(shí)彈性體貼片部位圓周上應(yīng)力（應(yīng)變）的分布情況就難以預(yù)料了。如果筒式測(cè)力傳感器彈性體的高度與直徑之比足夠大，彈性體貼片部位圓周上的應(yīng)力（應(yīng)變）基本上還是均勻分布。但是，在實(shí)際應(yīng)用中，通常很少能為測(cè)力傳感器提供較大的安裝空間位置，因而筒式測(cè)力傳感器彈性體的高度與直徑之比很難做到足夠大，彈性體貼片部位圓周上應(yīng)力（應(yīng)變）將不均勻分布，而且不均勻分布的情況隨彈性體受力情況的變化而改變。在這樣的條件下，彈性體貼片部位的應(yīng)力（應(yīng)變）與被測(cè)力不能保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將造成明顯的測(cè)力誤差。
為了減小由于彈性體受力條件的變化引起的測(cè)力誤差，有些傳感器設(shè)計(jì)者采取在筒式測(cè)力傳感器彈性體上增加貼片數(shù)量的方法，盡可能將彈性體上貼片部位圓周上應(yīng)力（應(yīng)變）分布不均勻的情況測(cè)量出來(lái)。這樣的處理方法有一定的效果，可以減小彈性體受力條件的變化引起的測(cè)力誤差。但這種方法畢竟是一種被動(dòng)的方法，增加的貼片數(shù)量總是有限的，還是很難把彈性體上貼片部位圓周上應(yīng)力（應(yīng)變）分布不均勻的情況全部測(cè)量出來(lái)，測(cè)力誤差減小的程度不夠顯著。
由于彈性體受力條件的變化引起的測(cè)力誤差的實(shí)質(zhì)是彈性體貼片部位圓周上的應(yīng)力（應(yīng)變）的不規(guī)則分布，如果能使彈性體貼片部位圓周上的應(yīng)力（應(yīng)變）分布受到一定條件的約束，迫使貼片部位的應(yīng)力（應(yīng)變）按照某一規(guī)律分布，因而使得彈性體貼片部位的應(yīng)力（應(yīng)變）與被測(cè)力基本保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，由此來(lái)減小因彈性體受力條件的變化引起的測(cè)力誤差。
對(duì)于筒式測(cè)力傳感器來(lái)說(shuō)，在承載強(qiáng)度足夠的條件下，如果將彈性體貼片部位圓周上不貼片的部位挖空（見圖2），使得應(yīng)力只能在未挖空的部位分布，大大改善了應(yīng)力（應(yīng)變）不規(guī)則分布的情況?；蛘哒f(shuō)，應(yīng)力（應(yīng)變）的不規(guī)則分布僅僅限于未挖空的部位，并且其不規(guī)則分布的程度不會(huì)很大。因此，在未挖空的部位粘貼電阻應(yīng)變片，就能使測(cè)得的應(yīng)力（應(yīng)變）與被測(cè)力基本保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
上述處理方法實(shí)際上出于這樣一個(gè)原理：通過(guò)某種措施，使彈性體上的應(yīng)力（應(yīng)變）集中分布在便于貼片檢測(cè)的部位，實(shí)現(xiàn)測(cè)得的應(yīng)力（應(yīng)變）與被測(cè)力基本保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以保證傳感器的測(cè)力精度。
作者曾用上述方法對(duì)筒式測(cè)力傳感器進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)前的普通筒式傳感器測(cè)力誤差大于1%F.S.，改進(jìn)后（局部挖空）的筒式傳感器測(cè)力誤差為0.1~0.3%F.S.，測(cè)力精度明顯提高。
三、提高應(yīng)力（應(yīng)變）水平的應(yīng)力集中原則
若要測(cè)力傳感器達(dá)到較高的靈敏度，通常應(yīng)該使電阻應(yīng)變片有較高的應(yīng)變水平，即在彈性體上貼片部位應(yīng)該有較高的應(yīng)力（應(yīng)變）水平。
實(shí)現(xiàn)彈性體上貼片部位達(dá)到較高應(yīng)力（應(yīng)變）水平有兩種常用的方法：
（1）整體減小彈性體的尺寸，全面提高彈性體上的應(yīng)力（應(yīng)變）水平；
（2）在貼片部位附近對(duì)彈性體進(jìn)行局部削弱，使貼片部位局部應(yīng)力（應(yīng)變）水平提高，而彈性體其它部位的應(yīng)力（應(yīng)變）水平基本不變。
以上兩種方法都可以提高貼片部位的應(yīng)力（應(yīng)變）水平，但對(duì)彈性體整體性能而言，局部削弱彈性體的效果要遠(yuǎn)好于整體減小彈性體尺寸。因?yàn)榫植肯魅鯊椥泽w既能提高貼片部位的應(yīng)力（應(yīng)變）水平，又使得彈性體整體保持較高的強(qiáng)度和剛度，有利于提高傳感器的性能和使用效果。
局部削弱彈性體提高貼片部位應(yīng)力（應(yīng)變）水平的原理是：通過(guò)局部削弱彈性體，造成局部的應(yīng)力集中，使得應(yīng)力集中部位的應(yīng)力（應(yīng)變）水平明顯高于彈性體其它部位的應(yīng)力水平，將電阻應(yīng)變片粘貼于應(yīng)力集中部位，就可以測(cè)得較高的應(yīng)變水平。
局部應(yīng)力（應(yīng)變）集中的方法在測(cè)力傳感器的設(shè)計(jì)中經(jīng)常被采用，尤其在梁式測(cè)力傳感器（如彎曲梁式和剪切梁式測(cè)力傳感器）的彈性體設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用。局部應(yīng)力（應(yīng)變）集中方法應(yīng)用較為成功的當(dāng)數(shù)剪切梁式測(cè)力傳感器。剪切梁式測(cè)力傳感器是通過(guò)檢測(cè)梁式彈性體上的剪應(yīng)力（剪應(yīng)變）實(shí)現(xiàn)測(cè)力的，其彈性體的結(jié)構(gòu)如圖3所示（為了便于說(shuō)明問(wèn)題，這里僅以一簡(jiǎn)支梁式的彈性體為例）。
由材料力學(xué)中有關(guān)梁的應(yīng)力分布知識(shí)可知，當(dāng)梁承受橫向（彎曲）載荷時(shí)，在梁的中性層處剪應(yīng)力（剪應(yīng)變）最大。如果要檢測(cè)梁上的剪應(yīng)變，應(yīng)該在梁的中性層處貼片。為了提高貼片處的剪應(yīng)力（剪應(yīng)變）水平，可將彈性體兩側(cè)各挖一個(gè)盲孔（見圖3的2處），盲孔的中心應(yīng)在中性層處。電阻應(yīng)變片應(yīng)該粘貼在盲孔的底面上，即圖3中工字形斷面（A－A剖面）的腹板上。
對(duì)于梁形構(gòu)件來(lái)說(shuō)，其彎曲強(qiáng)度是主要矛盾。在一個(gè)梁滿足彎曲強(qiáng)度的情況下，剪切強(qiáng)度一般裕量較大。當(dāng)在中性層附近挖盲孔后，該截面上腹板上的剪應(yīng)力（剪應(yīng)變）明顯提高，然而該截面上的彎曲應(yīng)力提高很小。因此，剪切梁式彈性體應(yīng)用局部應(yīng)力集中方案后，被檢測(cè)的剪應(yīng)變大大提高，使該測(cè)力傳感器的靈敏度顯著提高，而對(duì)整個(gè)梁的彎曲強(qiáng)度影響很小，使整個(gè)梁保持了良好的強(qiáng)度和剛度。
四、小結(jié)
在測(cè)力傳感器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，如能自覺地按照上述兩種應(yīng)力集中的原則，對(duì)彈性體進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，就能夠收到提高測(cè)力傳感器的測(cè)力精度和測(cè)力靈敏度的良好效果。靈活、恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用應(yīng)力集中的原則，對(duì)于設(shè)計(jì)和生產(chǎn)高性能的測(cè)力傳感器具有重要的實(shí)用意義。
參考文獻(xiàn)
[1].劉鴻文主編，《材料力學(xué)》，高等教育出版社，1979年
PrinciplesofConcentratingStressintheDesignofLoadCells
Abstract:Thispaperintroducestwoprinciplesofconcentratingstress,whichareusually
usedinthedesignofloadcells.Accordingtotheprinciplestheelasticbodiesofloadcells
1．1傳感器激勵(lì)的設(shè)計(jì)硅壓阻式壓力傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)為惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，可在恒壓或者恒流模式下工作。由于硅壓阻式傳感器很容易受到溫度的影響產(chǎn)生漂移，在恒壓模式下隨著溫度的變化，傳感器本身電阻R的變化會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生影響，因此，選擇恒流源作為傳感器的激勵(lì)［6］。傳感器激勵(lì)源的穩(wěn)定與噪聲大小直接影響著壓力敏感元件的輸出，因此，在確保低溫漂、低噪聲、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)的選型原則下，選擇ADR4525基準(zhǔn)源、AD8506運(yùn)放構(gòu)建驅(qū)動(dòng)電路以及反饋電路。圖2所示為傳感器激勵(lì)原理框圖。
1．2溫度補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償電路用于對(duì)溫度發(fā)生變化時(shí)，敏感元件和構(gòu)成信號(hào)調(diào)理電路各主要元器件的輸入輸出特性的補(bǔ)償，溫度補(bǔ)償電路提供兩類誤溫度漂移補(bǔ)償:零點(diǎn)溫度漂移補(bǔ)償與靈敏度溫度漂移補(bǔ)償［7］。理想傳感器的輸出量與輸入量關(guān)系。補(bǔ)償?shù)脑頌閷，k調(diào)整到精確的某個(gè)值，最大限度消除溫漂值b(T)和k(T)以及二次以上的非線性成分。
1．2．1零點(diǎn)溫度漂移補(bǔ)償由溫度引起零點(diǎn)變化而造成輸出變化的元器件中，壓力敏感元件所占比重最大，對(duì)零點(diǎn)補(bǔ)償原理如圖3所示，溫度檢測(cè)元件的輸出作為補(bǔ)償端與待補(bǔ)償信號(hào)做加減運(yùn)算［8］，最終輸出信號(hào)即為零點(diǎn)補(bǔ)償后輸出。該部分設(shè)計(jì)中，溫度檢測(cè)元件選擇溫度傳感器AD590，AD590封裝下、測(cè)量范圍寬、輸出線性，輸出信號(hào)噪聲僅為40pA，補(bǔ)償信號(hào)不引入更多的噪聲;同時(shí)由于溫度傳感器的輸出以電流的形式輸出，因此，需要通過(guò)高精密電阻器將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后，與待補(bǔ)償信號(hào)做加減運(yùn)算，電阻器阻值的大小根據(jù)測(cè)量的零點(diǎn)漂移大小計(jì)算。
1．2．2靈敏度溫度漂移補(bǔ)償隨著溫度的變化傳感器的滿量程輸出也會(huì)隨之變化(即增益發(fā)生變化)，從輸出來(lái)看，該變化可歸一為壓力敏感元件的靈敏度發(fā)生變化，此時(shí)，需對(duì)傳感器的增益特性進(jìn)行溫度補(bǔ)償。補(bǔ)償原理如圖4所示，溫度檢測(cè)元件檢測(cè)到溫度變化后，及時(shí)調(diào)整激勵(lì)源的基準(zhǔn)［9］，調(diào)整策略與增益溫度特性互補(bǔ)，即增益降低，則增強(qiáng)激勵(lì)源的基準(zhǔn)，由激勵(lì)源輸出相應(yīng)的恒流;同時(shí)可在敏感頭的橋臂上串、并聯(lián)電阻器調(diào)整增益特性。
1．3信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路用于將壓力傳感器輸出的差分信號(hào)進(jìn)行放大、濾波，原理圖如圖5所示。壓阻式傳感器輸出的電壓信號(hào)大多為mV級(jí)，采用儀表放大器AD8553對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大，AD8553為軌到軌輸出，最大失調(diào)電壓僅為20μV，在頻響0．01～10Hz范圍內(nèi)噪聲峰峰值為0．7μV，其中，R應(yīng)大于3．92kΩ;同時(shí)由于SM5420輸出的為差分信號(hào)，在儀表放大器的輸入端需要添加抗射頻干擾的濾波電路，如圖5所示，若儀表放大器輸入前濾波電路匹配不佳，輸入的某些共模信號(hào)將轉(zhuǎn)換為差模信號(hào)，因此，通常情況下所選的C2至少比C1或者C3大10倍，用于抑制濾波電路不匹配帶來(lái)的雜散差分信號(hào);基準(zhǔn)源ADR4525為儀表放大器提供2．5V的參考電壓，用于調(diào)整信號(hào)的零位。儀表放大器的輸出信號(hào)需要進(jìn)行濾波處理，這里采用MAX295芯片進(jìn)行濾波，該芯片為8階巴特沃斯濾波器，操作簡(jiǎn)單，只需提供輸入時(shí)鐘CLK則可任意控制濾波器的截止頻率，輸入時(shí)鐘頻率與截止頻率的關(guān)系為50︰1。
1．4數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)該部分電路主要是將補(bǔ)償后的模擬信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器AD8330將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，AD8330為16位采樣精度，采樣率最高可達(dá)1MHz;采用已經(jīng)使用成熟的微型處理器C8051F410進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，微控制器通過(guò)SPI接口采集到量化后信號(hào)，同時(shí)通過(guò)RS—485總線轉(zhuǎn)USB適配器與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。
2傳感器標(biāo)定與測(cè)試結(jié)果
壓力傳感器的標(biāo)定主要是對(duì)零點(diǎn)和靈敏度的標(biāo)定。將壓力傳感器安裝到壓力腔體內(nèi)，共同放入高低溫試驗(yàn)箱，打開高低溫試驗(yàn)室箱并設(shè)置11個(gè)間隔均勻的溫度值，在不同的溫度梯度下使用壓力泵對(duì)壓力腔體打壓，并記錄壓力傳感器在零位和滿量程時(shí)的輸出值，采用最小二乘法對(duì)記錄的值進(jìn)行擬合［12］，得到傳感器的零點(diǎn)溫度漂移值和靈敏度溫度漂移值。根據(jù)得到的值調(diào)整補(bǔ)償電路使傳感器的輸出滿足要求。將經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后的壓力傳感器放入高低溫試驗(yàn)箱，高低溫試驗(yàn)室箱內(nèi)溫度設(shè)置為25℃，在量程范圍內(nèi)設(shè)置10個(gè)均勻的壓力測(cè)試點(diǎn)，將測(cè)試結(jié)果記錄到表1中，采用最小二乘法擬合數(shù)據(jù)得到補(bǔ)償后的傳感器靜態(tài)特性。通過(guò)Matlab擬合后得到傳感器輸入與輸出的線性關(guān)系式為y=0．020x+2．454，如圖6(a)所示;經(jīng)過(guò)計(jì)算傳感器的靜態(tài)特性為非線性誤差為0．043%，遲滯為0．062%，重復(fù)性為0．027%，精度為0．085%，如圖6(b)所示，最大誤差位于點(diǎn)0kPa處，偏差為0．00154V，故非線性度小于1．54/(20．29×175)=0．043%，滿足設(shè)計(jì)的要求。在測(cè)試的過(guò)程中，由于一天當(dāng)中大氣壓強(qiáng)的變化測(cè)試結(jié)果會(huì)受到影響。
3結(jié)束語(yǔ)
【關(guān)鍵詞】電渦流；傳感器；單片機(jī)
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(guò)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(guò)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(lái)，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(guò)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(guò)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(gòu)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(wú)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(shuō)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(lái)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.
[2]于鵬，許媛媛.利用插值法和曲線擬合法標(biāo)定電渦流傳感器[J].中國(guó)測(cè)試技術(shù)，2007，1（33）.
關(guān)鍵詞：虛擬儀器，力傳感器，標(biāo)定
1 引言
力傳感器是目前廣泛使用的傳感器，在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，由于使用環(huán)境、本身結(jié)構(gòu)的變化，需要對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定，以此保證測(cè)量的精度。近年來(lái)，隨著虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，越來(lái)越多的技術(shù)人員開始基于該技術(shù)來(lái)開發(fā)自動(dòng)化測(cè)量設(shè)備。博士論文，標(biāo)定。虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的儀器。計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向[1]。而在眾多的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)中，美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI）的LabVIEW應(yīng)用最為廣泛。本文主要介紹了基于LabVIEW的力傳感器標(biāo)定程序的設(shè)計(jì)。
2 標(biāo)定的原理
所謂標(biāo)定（或現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)）[2]就是指用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的量來(lái)確定測(cè)試系統(tǒng)電輸出量與物理輸入量之間的函數(shù)關(guān)系的過(guò)程。標(biāo)定是測(cè)試中極其重要的一環(huán)。標(biāo)定除了能夠確定輸入量和輸出量之間的函數(shù)關(guān)系之外，還可以最大限度地消除測(cè)量系統(tǒng)中的系統(tǒng)誤差。
傳感器的校準(zhǔn)采用靜態(tài)的方法，即在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下，采用一定標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)（其精度等級(jí)為被較傳感器的3~5倍）的校準(zhǔn)設(shè)備，對(duì)傳感器重復(fù)（不少于3次）進(jìn)行全量程逐級(jí)加載和卸載測(cè)試，獲得各次校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，以確定傳感器的靜態(tài)基本性能指標(biāo)和精度的過(guò)程。為簡(jiǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，此處標(biāo)準(zhǔn)量采用砝碼加載的方式獲得。
3 系統(tǒng)組成
3.1硬件組成
系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示：
圖1 系統(tǒng)硬件組成
由圖可以看出，系統(tǒng)主要包括計(jì)算機(jī)、力傳感器，數(shù)據(jù)采集卡、接線盒等。本系統(tǒng)中，力傳感器采用電阻應(yīng)變式壓力傳感器，四個(gè)應(yīng)變片采用全橋的工作方式。數(shù)據(jù)采集卡采用NI公司的PCI-6221，該采集卡的主要參數(shù)如下：它具有16個(gè)模擬輸入端口，2個(gè)模擬輸出端口，24個(gè)數(shù)字輸入輸出端口，采樣速率最高可達(dá)到250kS/s。接線盒采用NI公司的SC-2345，此接線盒直接與數(shù)據(jù)采集卡相連，接線盒上有SCC信號(hào)調(diào)理模塊插座。SCC模塊是NI公司提供的信號(hào)調(diào)理模塊，其上面包含信號(hào)調(diào)理電路，可以將傳感器處采集的信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合數(shù)據(jù)采集卡讀取的信號(hào)。本系統(tǒng)所用的SCC模塊為SCC-SG04，此模塊適用于連接采用全橋工作方式的電阻應(yīng)變式壓力傳感器。
3.2軟件組成
本系統(tǒng)軟件基于LabVIEW 8.2來(lái)開發(fā)。LabVIEW是一種圖形化的編程語(yǔ)言。博士論文，標(biāo)定。博士論文，標(biāo)定。與其他開發(fā)工具不同，用LabVIEW編程的過(guò)程不是寫代碼，而是畫“流程圖”。這樣可以使用戶從煩瑣的程序設(shè)計(jì)中解放出來(lái)，而將注意力集中在測(cè)量等物理問(wèn)題本身。它主要針對(duì)各個(gè)領(lǐng)域的工程技術(shù)人員而設(shè)計(jì)，非計(jì)算機(jī)專業(yè)人員[1]。博士論文，標(biāo)定。
因?yàn)樗玫牧鞲衅鲗儆趹?yīng)變式電阻傳感器，其電阻變化率與應(yīng)變可以保持很好的線性關(guān)系，即輸入與輸出量之間呈線性關(guān)系，所以可以用一條直線對(duì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。此直線就稱為擬合直線，所求得的方程為擬合方程。圖2所示為傳感器標(biāo)定程序的采樣頁(yè)面。
此程序采用LabVIEW的事件驅(qū)動(dòng)編程技術(shù)進(jìn)行編制的。事件[3]是對(duì)活動(dòng)發(fā)生的異步通知。事件可以來(lái)自于用戶界面、外部I/O或程序的其它部分。在LabVIEW中使用用戶界面事件可使前面板用戶操作與程序框圖執(zhí)行保持同步。事件允許用戶每當(dāng)執(zhí)行某個(gè)特定操作時(shí)執(zhí)行特定的事件處理分支。
圖2 標(biāo)定程序采樣頁(yè)面
圖3 采樣程序
直線擬合的方法[2]有很多種，比如最小二乘法、平均選點(diǎn)法、斷點(diǎn)法等等。其中，最小二乘法精度比較高，此處利用它進(jìn)行直線擬合。根據(jù)最小二乘法，假定是一組測(cè)量值，是相應(yīng)的擬合值，mse為均方差，則擬合目標(biāo)可以表達(dá)為，期望mse最小。
LabVIEW中的分析軟件庫(kù)提供了多種線性和非線性的曲線擬合算法，例如線性擬合、指數(shù)擬合、通用多項(xiàng)式擬合等等。本程序選擇Linear Fit.Vi 來(lái)實(shí)現(xiàn)最小二乘法線性擬合。
標(biāo)定子程序的工作流程如下：用戶先通過(guò)多次采樣，獲得各個(gè)輸入量對(duì)應(yīng)的輸出量，通過(guò)While循環(huán)的移位寄存器保存這些值。博士論文，標(biāo)定。采樣完成后，把這些值輸入Linear Fit.Vi進(jìn)行擬合，擬合的曲線在Graph控件中顯示出來(lái)，同時(shí)該Vi自動(dòng)求出方程y=ax+b中的斜率a和截距b，這樣，輸入輸出量之間的函數(shù)關(guān)系就可以確定下來(lái)了，如圖4所示。
圖4 標(biāo)定程序擬合前面板
4 小結(jié)
基于虛擬儀器的力傳感器標(biāo)定程序能夠方便地對(duì)力傳感器進(jìn)行標(biāo)定。博士論文，標(biāo)定。該系統(tǒng)具有人機(jī)界面友好，靈活方便，自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。
參考文獻(xiàn)：
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1 多傳感器融合技術(shù)簡(jiǎn)介
多傳感器融合技術(shù)可類比于人類邏輯系統(tǒng)中自然實(shí)現(xiàn)的基本功能，是用機(jī)器實(shí)現(xiàn)人類由感知到認(rèn)知過(guò)程的模仿。在人類對(duì)客觀事物的認(rèn)知過(guò)程中，首先使用來(lái)自人體中的傳感器（眼、耳、鼻、皮膚等）通過(guò)聽、嗅、視、觸、味五覺對(duì)客觀事物信息（景物、聲音、氣味等）進(jìn)行多方位、多種類的感知，從中獲得大量冗余和互補(bǔ)的信息。然后根據(jù)人腦的先驗(yàn)知識(shí)去對(duì)這些信息進(jìn)行相關(guān)分析與處理，進(jìn)而估計(jì)、理解周圍環(huán)境和正在發(fā)生的事件，獲得對(duì)客觀事物統(tǒng)一與和諧的理解與認(rèn)識(shí)。這就是人的復(fù)雜的，同時(shí)也是自適應(yīng)的認(rèn)知過(guò)程。人類的感官由于具有各自不同的度量特征可以在不同空間范圍內(nèi)對(duì)各種事件進(jìn)行反應(yīng)。人腦把各種信息（圖像、聲音、氣味、形貌、上下文等）轉(zhuǎn)換成對(duì)事物有價(jià)值的一致性解釋，需要大量不同的智能處理，以及適用于解釋組合信息含義的知識(shí)庫(kù)。
傳感器可以類比于人的感知器官：通過(guò)不同的原理對(duì)自然界的光、熱、聲、磁等信號(hào)進(jìn)行捕捉，由換能器將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再數(shù)字化后經(jīng)通訊系統(tǒng)傳遞給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。單傳感器系統(tǒng)只能從單個(gè)度量維度獲得片面的、局部的特征信息，信息量十分有限。同時(shí)單個(gè)傳感器本身的累計(jì)誤差對(duì)系統(tǒng)造成的影響也無(wú)法消除。[2]因此，想要獲得對(duì)事物的一致性準(zhǔn)確解釋，單一傳感器系統(tǒng)力有不足。
多傳感器融合技術(shù)把多個(gè)不同種類的傳感器集中于同一個(gè)感知系統(tǒng)中，將各個(gè)傳感器來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，形成對(duì)[( dylw.NEt) 專業(yè)提供專業(yè)論文寫作和發(fā)表教育論文的服務(wù),歡迎光臨]被測(cè)事物更準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)。它出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代初期，最早應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，后于20世紀(jì)80年展起來(lái)。近年來(lái)隨著計(jì)算技術(shù)、遙感技術(shù)、通訊技術(shù)以及微電子制造業(yè)的迅猛發(fā)展，多傳感器信息融合技術(shù)成為了一個(gè)熱門的研究方向，獲得了更廣泛的應(yīng)用。例如，在人機(jī)交互領(lǐng)域，要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互所追求的最終目標(biāo)“自然人機(jī)交互”，對(duì)于人、環(huán)境的解讀尤為重要，[3]這正是多傳感器融合技術(shù)的優(yōu)勢(shì)所在。
2 多傳感器融合系統(tǒng)的基本組成及技術(shù)原理
多傳感器融合技術(shù)，雖然沒有一個(gè)嚴(yán)格的定義，但可以基本概括為： （1）充分利用多傳感器數(shù)據(jù)資源（來(lái)自不同時(shí)/空范圍）。 （2）在一定的規(guī)則下對(duì)多傳感器所得檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析。 （3）獲得一致性解釋并根據(jù)所設(shè)算法實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的決策或估計(jì)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)獲得比各單傳感器更加充分的信息。[4]多傳感器融合系統(tǒng)一般由如圖1所示的三個(gè)部分組成：傳感器部分（包括數(shù)據(jù)獲取及預(yù)處理）、數(shù)據(jù)融合部分、結(jié)果輸出部分。
多傳感器融合系統(tǒng)就像一個(gè)為了實(shí)現(xiàn)“對(duì)被測(cè)對(duì)象的一致性解釋或描述”而有機(jī)裝配而成的整體，可類比于人的身、腦綜合信息處理系統(tǒng)。其中多傳感器系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)的硬件基礎(chǔ)和手段，所得多源信息成為數(shù)據(jù)融合的對(duì)象；融合是指對(duì)數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)優(yōu)化和綜合處理，也是聯(lián)系整個(gè)系統(tǒng)的核心。它無(wú)法用單一的技術(shù)來(lái)解決，而是多種跨學(xué)科技術(shù)、理論的綜合。
多傳感器融合系統(tǒng)同單傳感器系統(tǒng)相比，其系統(tǒng)的復(fù)雜性大大增加的同時(shí)從自然界所獲得的信息量也成倍增長(zhǎng)。多個(gè)傳感器的存在從時(shí)間和空間的角度都擴(kuò)展了信息獲取的覆蓋范圍，[5]而傳感器之間的協(xié)同作業(yè)則提高了信息獲取的概率，對(duì)于某個(gè)傳感器不能顧及的檢測(cè)對(duì)象，可由其他傳感器完成工作。在某個(gè)傳感器出現(xiàn)故障、受干擾或不可用的情況下，系統(tǒng)仍有其他傳感器可以提供信息，不易受到破壞。
各傳感器在信息融合系統(tǒng)中所得的數(shù)據(jù)、信息具有不同的特征，可以是實(shí)時(shí)/非實(shí)時(shí)，快變/緩變，模糊/確定，相互支持/互補(bǔ)，相互矛盾/競(jìng)爭(zhēng)等等。在系統(tǒng)中，這些復(fù)雜的數(shù)據(jù)不是孤立而是融合的，所得最終信息并不是各傳感器信息的簡(jiǎn)單加和，需要根據(jù)各傳感器之間的邏輯關(guān)系依據(jù)智能算法進(jìn)行聯(lián)合、相關(guān)、組合推導(dǎo)出更多的信息。利用多個(gè)傳感器協(xié)同作業(yè)的多傳感器融合相比由它的各個(gè)傳感器分別構(gòu)成單獨(dú)系統(tǒng)再加和而成的系統(tǒng)集更有優(yōu)勢(shì)。
3 多傳感器融合技術(shù)在公共藝術(shù)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
利用多傳感器融合技術(shù)進(jìn)行公共藝術(shù)設(shè)計(jì)，將前沿科技與傳統(tǒng)藝術(shù)方式集成在一起，是一種全新的嘗試。從字面意思的理解來(lái)看，公共藝術(shù)分為公共和藝術(shù)兩個(gè)獨(dú)立的定義，可以理解為：具有“公共性”含義的藝術(shù)形式。其界定的核心原則就是“公共性”。“公共”就意味著公共藝術(shù)作品必須是能與民眾產(chǎn)生自由交流的一種藝術(shù)形式，要以公眾自主、自由參與到公共藝術(shù)中為前提，任何缺少與民眾之間自由評(píng)論和互動(dòng)的藝術(shù)形式都不是公共藝術(shù)。[6]因此，公共藝術(shù)不能僅僅是“藝術(shù)家創(chuàng)作”的藝術(shù)，而是一種“公共互動(dòng)”的藝術(shù)。如何讓公眾自主自由參與到藝術(shù)作品中，形成真正的“公共藝術(shù)”是藝術(shù)家們亟待解決的重要問(wèn)題。完整的公共藝術(shù)作品必須是“表達(dá)”與“吸收”經(jīng)互動(dòng)過(guò)程的完整呈現(xiàn)。“吸收”的是來(lái)自公眾的思想，由公眾的行為進(jìn)行表達(dá)，通過(guò)互動(dòng)產(chǎn)生交流。因此，藝術(shù)家們需要考慮的一個(gè)重要問(wèn)題是，如何由公眾的行為導(dǎo)向公眾思想的表達(dá)，形成有效的交互。在日本藝術(shù)家草間彌生（Yayoi Kusama）創(chuàng)造的作品The Obliteration Room中，草間彌生構(gòu)建了一個(gè)純白色的房間，每個(gè)參觀者都將被發(fā)放一張彩色波點(diǎn)貼紙，參觀者可以根據(jù)喜好將貼紙貼在房間中的任意位置。空間中的每一個(gè)彩色波點(diǎn)都是參觀者對(duì)此次參觀經(jīng)歷的一種表達(dá)。[7]
從參觀者的行為、思想的角度進(jìn)行考慮，人類對(duì)于思想的表達(dá)具有多樣性，有顯 式的主動(dòng)動(dòng)作、行為、語(yǔ)言等等，也有隱式的如表情、眼動(dòng)、甚至氣味及生化物質(zhì)（如唾液、汗液、荷爾蒙等）的分泌。傳統(tǒng)的藝術(shù)作品（如圖2例）[( dylw.NEt) 專業(yè)提供專業(yè)論文寫作和發(fā)表教育論文的服務(wù),歡迎光臨]主要是從公眾顯式的主動(dòng)作為中獲得表達(dá)形成交互，所受限制較大，參與門檻較高。將多傳感器融合系統(tǒng)應(yīng)用于公共藝術(shù)，首先拓寬了公眾思想的行為來(lái)源，降低了公眾參與的門檻。目前，在國(guó)內(nèi)外已出現(xiàn)了一些基于單傳感器的公共藝術(shù)作品，但單傳感器的單一數(shù)據(jù)來(lái)源、不可靠、易受干擾、不穩(wěn)定等技術(shù)局限性使其發(fā)展受到限制。隨著先進(jìn)傳感技術(shù)的飛躍，除了人類的主要信息來(lái)源聲音、光、力等自然信號(hào)之外，甚至在人傳感器力所不及的范疇如紅外、紫外等非可見光區(qū)域，次/超聲波區(qū)域，非揮發(fā)性痕量生化物質(zhì)等，我們也能夠通過(guò)先進(jìn)傳感技術(shù)獲得所需要的信息。通過(guò)多傳感器融合技術(shù)所帶來(lái)的巨大優(yōu)勢(shì)，科技比人類更懂得人類已經(jīng)不再是夢(mèng)想。將多傳感器融合系統(tǒng)應(yīng)用于公共藝術(shù)，降低了公眾參與公共藝術(shù)的閾值。多傳感器融合系統(tǒng)對(duì)于公眾行為的捕捉不是被動(dòng)的，而是主動(dòng)地感知公眾的行為，將公眾“拉”入?yún)⑴c公共藝術(shù)的行為中，為公共藝術(shù)的設(shè)計(jì)提供了一種嶄新的思路。
以城市中某廣場(chǎng)為例，在人們進(jìn)入廣場(chǎng)時(shí)，形成參觀經(jīng)歷。假設(shè)給每個(gè)人分發(fā)一張彩色波點(diǎn)紙，通過(guò)張貼彩色波點(diǎn)紙的顯示行為進(jìn)行表達(dá)，即形成類似草間彌生潔凈之屋的效果。在沒有彩色波點(diǎn)紙的情況下，人們對(duì)其參觀經(jīng)歷產(chǎn)生隱式的表達(dá)。例如，不同的面部表情、走路的步長(zhǎng)、速度、方向等等。公眾的這些隱式表達(dá)可以使用多傳感器融合系統(tǒng)進(jìn)行捕捉。使用彩色數(shù)字投影代替彩色波點(diǎn)紙，每一種顏色對(duì)應(yīng)多傳感器融合系統(tǒng)所得到的一致性結(jié)論。例如，紅色對(duì)應(yīng)熱情、綠色對(duì)應(yīng)平靜、不同程度的黑色對(duì)應(yīng)一些負(fù)面情緒如沮喪等，形成交互。此例的多傳感器融合系統(tǒng)中，使用攝像裝置及壓力感應(yīng)裝置對(duì)人群進(jìn)行檢測(cè)，即通過(guò)攝像裝置對(duì)公眾面部表情進(jìn)行捕捉、壓力傳感器對(duì)公眾步態(tài)進(jìn)行捕捉。二類傳感器所得數(shù)據(jù)需進(jìn)行時(shí)間、空間二個(gè)層面的融合。時(shí)間融合主要是將單傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，是指對(duì)不同時(shí)間點(diǎn)的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合?？臻g融合適用于多傳感器所得信息的一次融合處理，是指對(duì)不同位置、類型傳感器在同一時(shí)刻的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。在融合過(guò)程中，需要結(jié)合圖像識(shí)別技術(shù)、步態(tài)分析對(duì)公眾的面部表情、步態(tài)行為進(jìn)行特征數(shù)據(jù)提取、分析，從而得出對(duì)該參與個(gè)體的一致性結(jié)論，并根據(jù)設(shè)計(jì)需求予以分類。此處可分為熱情、平靜、沮喪等類別，每一個(gè)類別對(duì)應(yīng)于一種顏色，由數(shù)字投影進(jìn)行表達(dá)。該“波點(diǎn)”設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單模型如圖3所示。
隨著多傳感器融合系統(tǒng)中傳感器數(shù)量、種類的不斷增加，可根據(jù)歸屬將公共藝術(shù)裝置中使用的傳感器分為兩類：第一類傳感器從屬于裝置藝術(shù)本身，由藝術(shù)家根據(jù)藝術(shù)表達(dá)的需求進(jìn)行設(shè)計(jì)安裝。第二類傳感器從屬于公眾，來(lái)自公眾隨身攜帶的電子設(shè)備，藝術(shù)裝置提供數(shù)據(jù)接口，從中獲取數(shù)據(jù)。二類傳感器協(xié)同作業(yè)，通過(guò)融合中心進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，得到全方位多角度的“立體信息”。將多傳感器融合系統(tǒng)應(yīng)用于公共藝術(shù)裝置，是實(shí)現(xiàn)公共藝術(shù)公共性的有力保障。
從設(shè)計(jì)目的的層面考慮，根據(jù)馬斯洛的理論，將人的需求由低級(jí)層次到高級(jí)層次依次分為5個(gè)層次：生理、安全、社會(huì)、尊重以及自我實(shí)現(xiàn)。公共藝術(shù)的實(shí)質(zhì)就是滿足人的真正需求，而不是公共藝術(shù)裝置的物質(zhì)形態(tài)本身。多傳感器融合系統(tǒng)對(duì)所得多元數(shù)據(jù)進(jìn)行多種層次上的融合，實(shí)現(xiàn)對(duì)人腦綜合信息處理的高級(jí)模仿，深刻挖掘公眾[( dylw.NEt) 專業(yè)提供專業(yè)論文寫作和發(fā)表教育論文的服務(wù),歡迎光臨]表面行為背后的含義，幫助藝術(shù)家們分析、理解、滿足公眾的真正需求。隨著分布式計(jì)算、通訊、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)與多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)的共進(jìn)發(fā)展，多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)所能實(shí)現(xiàn)的功能也越來(lái)越強(qiáng)大?？梢灶A(yù)見，隨著數(shù)字化進(jìn)程的進(jìn)一步深入，多傳感器融合技術(shù)與公共藝術(shù)的結(jié)合必將帶給我們更多的驚喜。
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【關(guān)鍵詞】傳感器；智能化；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；自補(bǔ)償
【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(lái)，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(guò)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(lái)說(shuō)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(guò)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(shuō)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(lái)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(lái)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(guò)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(guò)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(lái)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(wú)法進(jìn)行此步驟。學(xué)生也可以通過(guò)教材或者相關(guān)論文來(lái)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(lái)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(lái)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(guò)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(wèn)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(wèn)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(guò)更換核函數(shù)來(lái)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(guò)程中，通過(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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(shuō)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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關(guān)鍵詞：虛擬儀器，地磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)，分布式測(cè)量，電子郵件
1、前言
地磁場(chǎng)的異常波動(dòng)是發(fā)生地震的重要征兆，對(duì)地磁場(chǎng)異常的監(jiān)測(cè)可以為地震預(yù)報(bào)研究提供重要的數(shù)據(jù)資料 [1]。
虛擬儀器技術(shù)是利用編程軟件，按照測(cè)量原理,采用適當(dāng)?shù)男盘?hào)分析與處理技術(shù),編制具有測(cè)量功能的程序就可以構(gòu)成相應(yīng)的測(cè)試儀器[2],降低了儀器的開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用,縮短了技術(shù)更新周期，顯著提高了儀器的柔性和性價(jià)比[3]。
2、硬件結(jié)構(gòu)
分布式地磁場(chǎng)異常監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。磁場(chǎng)傳感器通過(guò)RS232串口將計(jì)算出的地磁場(chǎng)方位值前期數(shù)據(jù)發(fā)送給電腦1，電腦1上的虛擬儀器軟件完成對(duì)信號(hào)的讀取、計(jì)算、分析、顯示、存儲(chǔ)等并通過(guò)電子郵件將相關(guān)數(shù)據(jù)傳送給遠(yuǎn)端的電腦2。
3、軟件設(shè)計(jì)
3.1、軟件的總體功能
如圖2所示，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要有數(shù)據(jù)采集模塊、顯示模塊、磁場(chǎng)異常報(bào)警模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)保存模塊、電子郵件發(fā)送模塊等組成。
3.2、軟件前面板
前面板如圖3所示,主要分為3個(gè)模塊:通信參數(shù)設(shè)置模塊、監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示及保存模塊、異常報(bào)警模塊等。論文參考，電子郵件。論文參考，電子郵件。設(shè)置的通信參數(shù)主要有與傳感器通信時(shí)的波特率、數(shù)據(jù)位、數(shù)據(jù)文件保存的位置、軟件異常及地磁異常時(shí)發(fā)送電郵的收發(fā)件人電子信箱地址等。論文參考，電子郵件。論文參考，電子郵件。
圖2 軟件總體功能框圖
圖3 軟件前面板
3.3、地磁場(chǎng)方位值的計(jì)算
地磁場(chǎng)方位值計(jì)算模塊如圖4所示，將VISA讀取控件緩沖區(qū)中的字符串?dāng)?shù)組讀出，截取其中第9和第10個(gè)元素，進(jìn)行數(shù)制、進(jìn)制轉(zhuǎn)換得到地磁場(chǎng)方位值，接到前面板進(jìn)行顯示。論文參考，電子郵件。論文參考，電子郵件。
圖4 方位值計(jì)算模塊
3.4異常報(bào)警
將當(dāng)前時(shí)刻的方位值與正常方位值相比較，如果相差5度，即認(rèn)為是地磁場(chǎng)的異常波動(dòng)，報(bào)警指示燈亮，發(fā)出報(bào)警音，同時(shí)啟動(dòng)郵件發(fā)送模塊。
3.5 數(shù)據(jù)保存模塊
調(diào)用日期/時(shí)間字符串控件，讀取windows日期時(shí)間，和地磁場(chǎng)方位值一起寫入指定目錄的txt文件中。當(dāng)?shù)卮艌?chǎng)異常時(shí)，觸發(fā)磁場(chǎng)異常邏輯為真，寫入文件控件將從此時(shí)刻開始5秒內(nèi)的時(shí)間值、地磁場(chǎng)方位值寫入txt文件中。
圖5 郵件發(fā)送第一幀
圖6 郵件發(fā)送第二幀
3.6 郵件發(fā)送
4.實(shí)驗(yàn)
如圖7所示，實(shí)驗(yàn)方法為:將傳感器與電腦1串口相連，通過(guò)虛擬儀器軟件監(jiān)測(cè)地磁場(chǎng)的異常情況，當(dāng)?shù)卮虐l(fā)生異常或接收傳感器數(shù)據(jù)異常時(shí)，電腦1上的監(jiān)測(cè)軟件報(bào)警，并把異常數(shù)據(jù)記錄到數(shù)據(jù)文件中，同時(shí)通過(guò)電子郵件模塊向指定信箱發(fā)送指定格式郵件，監(jiān)測(cè)者在電腦2上查看相關(guān)異常郵件。做法是轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器使其與地磁場(chǎng)磁北指向夾角為200°，用一塊磁鐵沿著與傳感器指向垂直的方向自遠(yuǎn)及近靠近后又自近及遠(yuǎn)離開傳感器，記錄下整個(gè)過(guò)程磁鐵與傳感器距離、地磁場(chǎng)方位值、異常情況及郵件接收情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。
反復(fù)實(shí)驗(yàn)表明，監(jiān)測(cè)軟件準(zhǔn)確地記錄下了磁鐵靠近傳感器的過(guò)程中該處磁場(chǎng)的變化情況，且當(dāng)?shù)卮女惓r(shí)電腦2及時(shí)地接收到了相關(guān)異常數(shù)據(jù)郵件。
表 1模擬干擾地磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)
