传感技术论文精选(九篇)

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第1篇：传感技术论文范文

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，其架构如图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。如图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，如图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BlueSMiRF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，其程序流程如图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，其程序流程如图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，其流程图如图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

第2篇：传感技术论文范文

Proceedings of the 12th

Italian Conference Sensors

and Microsystems

2008, 563pp.

Hardcover

ISBN 9789812833587

G Di Francia等著

本书为第12届意大利传感器与微系统会议论文集。这次会议由意大利传感器与微系统协会于2007年2月12-14日在Napoli城镇举行。本书收录了本次会议上的近80篇论文,为传感器与微系统及其相关技术领域的发展提供了一个独特的视角。

传感器与微系统是一门多学科交叉的综合性学科,它涉及材料科学、化学、应用物理、电子工程、生物技术等许多领域。本书将收录的79篇论文依据其所属的不同领域共分为9个部分:1.生物传感器,包含用于血糖生物传感器的敏感元件的制备与特性等10篇文章;2.生理参数监测,包含了对一种用于糖尿病人呼吸标志物检测的氧化铟传感器的研究等4篇文章;3.气体传感器,包含用多孔硅推动硅技术的极限:一种CMOS气体敏感芯片、用基于碳纳米管的纳米复合层涂覆的薄膜体声波谐振器制成的蒸汽传感器、饮水机中水和酒精蒸发速率的检测等15篇文章;4.液相传感器,包括用于水和空气环境化学检测的基于二氧化锡颗粒层的光纤传感器等4篇文章;5.化学传感器阵列和网络,包含了一个用于易挥发性有机化合物分析的多通道的石英晶体微天平、一种用于酒质量分析的新型便携式微系统的发展等9篇文章;6.微制造与微系统,包括通过实验研究湿多孔硅的拉曼散射现象、多孔硅上高流速渗透膜在氢过滤装置中的应用等13篇文章;7.光学传感器与微系统,包括金属包层的漏波导化学和生化传感应用、结构光纤布拉格栅传感器:前景与挑战等14篇文章;8.物理传感器,包括通过多像素的光子计数快速闪烁读出等6篇文章;9.系统和电子接口,包括能够估计并联电容值的非校准的高动态范围电阻传感器前端等4篇文章。

本书介绍了传感器与微系统在意大利的发展状况与趋势,对于从事传感器与微系统方面的研究人员及工程师们,它是一本十分有价值的参考读物。

孙方敏,

博士生

(中国科学院电子学研究所)

第3篇：传感技术论文范文

关键词：LEACH路由算法；相对位置分布；簇头分布；距离因子；权重系数

中图分类号：TP393.03文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)26-6222-06

Improvement and Simulation of LEACH Routing Algorithm Based on Distance Conception

JIANG Yue-tao1, PENG Rui2

(1.College of Electronic and Information Engineering, Tongji University, Shanghai 201804,China; 2. Telecommunications Col? lege CAD Center, Tongji University, Shanghai 201804,China)

Abstract：The LEACH-DB routing algorithm aims at solving the problem of huge energy consumption between the far away cluster nodes and the base station, this problem is caused by the cluster nodes election strategy of LEACH routing protocol. LEACH-DB analyses different location distributions and energy consumption situations between nodes in WSN and the base sta? tion, introduces the distance factorφand its weight coefficientα. This improvement changes the comparative location distribu? tion of cluster nodes and lowers the communication consumption, then prolongs the network lifetime. By the simulation re? searches of Matlab, the LEACH-DB can prolong the lifetime of WSN efficiently.

Key words: LEACH routing algorithm; comparative location distribution; cluster distribution; distance factor; weight coefficient

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，简称WSN)作为计算机网络技术、无线通信技术、传感器技术、自动化控制技术等领域发展而结合产生的产物，是当今国际上的一个研究热点。WSN中的节点具有低成本、计算能力弱、能量有限等特点，因此如何均衡其各个节点的能量消耗对于延长网络生存时间就显得格外重要。

WSN的能耗主要分为通信能耗、感知能耗和计算能耗，其中通信能耗所占比重最大[1],所以均衡通信能耗将能够有效的延长整个网络的生存时间。

LEACH[2]路由协议作为一种能量有效、基于层次结构的路由协议[3]，最早提出了分簇的思想。这种思想下，将WSN中节点分为两种类型：簇头节点(Cluster Header，简称CH)与簇成员节点(Cluster Member，简称CM)。LEACH协议在实际使用中优点十分明显，每一轮的数据通信都在少数簇头与基站之间进行，而避免了其他大多数节点直接与基站通信的情况，大大降低了这方面的通信开销；每轮以一定概率随机选取簇头也使得整个网络的能量消耗得到了较好的均衡，延长了网络的生存时间。

但同时，LEACH协议也暴露出了一些内在的弱点，协议本身所采取的随机选取簇头的策略并没有考虑到各个节点剩余能量和地理位置的具体情况。剩余能量较少或距离基站较远的簇头节点在与基站的通信过程中，消耗大量能量，最终过早死亡。而节点过早死亡的问题会随着网络运行时间的推移显得愈发严重，最终导致网络剩余生存节点也很快死亡，网络最终消亡。

论文从无线传感器网络与基站(Base Station,简称BS)之间相对位置的角度出发，分析了LEACH协议路由算法中存在的不足之处。在基于一阶无线电模型(First Order Radio Model)[1]的基础上，分析了整个WSN与BS的三种不同距离情形下的能量消耗情况，提出了一种基于距离的LEACH协议改进算法LEACH-DB (Distance Based)。通过引入距离因子及其权重系数来改变簇头的位置分布，使其与基站之间的通信能耗能够得到有效的均衡，从而到达延长WSN生存时间的目的。

1 LEACH协议

1.1 LEACH协议路由算法分析

论文基于距离的概念，对LEACH协议的路由算法进行了改进，提出了LEACH-DB路由算法。该路由算法考虑了无线传感网络中各个节点与基站之间的相对位置，并通过这种相对位置的关系来有意识的影响各个节点成为簇头的概率，从而影响了簇头的总体地理位置分布，使它们更加靠近基站，有效的减小了簇头与基站之间的数据通信开销，延长了网络的生存时间，提高了网络性能。从仿真时间的结果可知，LEACH-DB路由算法对于网络生存时间的提升，相对于LEACH协议，延长了大约25%。这是一个比较可观的提高，说明LEACH-DB路由算法是行之有效的。

论文中LEACH-DB算法并没有考虑各个节点剩余能量情况，而根据节点剩余能量的概念来均衡整个网络的能量消耗也是一个延长网络生存时间的有效手段。因此，今后的研究工作会围绕这个问题继续深入下去，以期将距离和剩余能量这两个概念结合起来，更加有效的提高整个网络的工作性能。

[1]廖明华,张华,王东.基于LEACH协议的簇头选举改进算法[J].计算机工程,2011(7):112-114.

[2] Wendi Rabiner Heinzelman,Anantha Ch, Hari Balakrishnan.Energy-Efficient communication protocol for wireless microsensor networks[C].Proceedings of the Hawaii International Conference on System Science,January 4- 7,2000,Maui,Hawaii.[S.1.]:IEEE Computer Society,2000:3005-3014.

[3]张伟华,李腊元,张留敏,等.无线传感器网络LEACH协议能耗均衡改进[J].传感技术学报，2008(11):1918-1922.

[4]路纲,周明天,佘堃,等.无线传感网络路由协议的寿命分析[J].软件学报,2009(2):375-393.

[5]吕涛,朱清新.一种基于LEACH协议的改进算法[J].电子学报,2011(6):1405-1409.

第4篇：传感技术论文范文

关键词:过程控制;人工免疫网络;传感器

生产实践表明测量装置失效是导致连续工业过程控制间断的重要因素之一[1]。因此，对连续工业过程进行传感器置信度评估尤为重要。目前常用的方法有贝叶斯估计法、DS证据推理法、自适应神经网络模糊推理方法(ANFIS)和人工免疫网络法等[2，3]。其中，连续生产过程中的物质能量流模型和人工免疫网络传播模型相类似，所以利用这种关系进行传感器置信度评估已成为近年来自动化领域研究的热点。目前基于人工免疫网络的传感器置信度评估方法主要有:以Ishida为代表的动态识别免疫网络和以Leonard M.Adleman为代表的基于DNA的阴性选择[4-6]。而前者已成功地应用于水泥生产过程的设备传感器置信度评估。但是Ishida动态识别方法中只能处理传感器关系确定的情况。因此，本文引入了传感器关系的非确定性约束，用于连续生产过程传感器之间为非确定关系情况下的传感器置信度评估。

1　传感器置信度评估算法Ishida动态识别免疫网络是在N.K.Jerne系统级识别方法基础上提出的。N.K.Jerne认为在免疫网络理论中，免疫系统由识别集合组成，识别集合中的一些抗原可以被其他抗原激活，并产生抗体;而这些抗体又可以激活其他的抗原。通过这种方式，刺激可以从一个抗原传播到另外一个抗原，直至影响整个网络。对刺激信号的辨识不是一个抗原单独完成的，而是通过抗原相互连接的网络进行的[7，8]。Ishida动态识别免疫网络方法利用传感器之间的约束条件为每个传感器建立测试单元。在用动态识别免疫网络进行传感器置信度评估时，网络主体与传感器相对应，免疫细胞的浓度与传感器的可靠性相对应，网络平衡状态与传感器正常状态相对应，外部刺激信号和测试单元的测试结果相对应。因此，这个网络中的每一个传感器不仅测量工业过程的物理量，还要评估其他传感器的可靠性。在同一工业过程中，温度、压力、流量等传感器的测量值之间既互相独立又互相联系;只要利用简单的工业过程知识就能建立起这些传感器之间具有确定性的约束，所以这种方法实现起来较为简单。这种模型可用图1的结构表示。图1　动态人工免疫网络图中是一个包含n个节点的人工免疫网络Nais(p(i)ais)，i =1，…，n。其中p(i)ais是网络的第i个节点， p(i)ais= {Aais，I(1)ais，I(2)ais，…，I(m)ais}，Aais表示网络中的抗体，I(i)ais表示第i个抗体的独特位。在Ishida的方法中，p(i)ais与工业现场中的第i个传感器的逻辑位置相对应，抗体Aais与传感器实体相对应，抗体Aais的浓度与传感器的可信度对应，独特位I(1)ais，I(2)ais，…，I(m)ais对应m个测试单元。对Aais(Aais∈p(i)ais)的刺激由第i个传感器和其他传感器建立的测试单元对应的独特位I(1)ais，I(2)ais，…，I(m)ais产生。但是，测试单元存在如下缺点[3]:测试单元的结果只能用0，1，-1来表示，不能利用人工经验等一些非确定知识。针对这些缺点本文进行了改进，设计了新型的测试单元。针对Ishida测试单元存在的不足，本文设计了模糊测试单元，使其能够反应传感器数值间的非确定性关系。在动态识别免疫网络中，独特位Iais实际上就是传感器数值Sj和Sk的关系的体现，而这种关系用在模糊论域可分为5个等级:{Sj小于Sk，Sj小于等于Sk，Sj在Sk的附近变化，Sj大于等于Sk，Sj大于Sk}。Sj和Sk之间的模糊关系则代表了动态识别免疫网络中抗体之间刺激的强度。设在t时刻，抗体Aais对应的传感器j通过独特位I(jk)ais收到来自k传感器的刺激为I(jk)ais(t)，则其隶属度为I(jk)ais(t) =∪5l=112πσaisle-(sj-sk-μaisl)22σ2aisl(1)式中I(jk)ais(t)∈(0，1)，两个数列之间的关系是互易的，所以I(jk)ais(t)=I(kj)ais(t);ηaisl，σaisl(l=1，2，3，4，5)是不同等级的隶属度函数的中的常数，由Sj和Sk之间的统计关系决定。由外部刺激引起抗体浓度ri产生变化，可表示为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)，经验值取0.001;R(i)ais表示节点p(i)ais对应的第i个传感器的可信度，R(i)ais越大，传感器的可信度越高，由于qais·rais>0，所以Rais∈(Rd，1);ξais为灵敏度系数;qais是网络平衡状态的调节系数，主要作用是传感器网络在正常时的可信度调节在一个合适的范围内。

转贴于 2　参数确定的方法在本算法中，需要确定的参数有两类:一类是式(1)影响对独特位刺激程度的参数μais和σais，另一类是影响网络平衡状态的参数ξais和qais。参数μais和σais主要表征了和独特位对应的测试单元中两个传感器之间的关系。这种关系通常是生产工艺所要求的(或者工业过程特性决定的)。要确定参数μais和σais，首先要获取这两个传感器大量的现场数据，然后以它们相同时刻测量值的差作为样本。μais是该样本的正态分布的均值，σais是该样本的正态分布的均方差。参数ξais和qais影响网络的平衡状态，如图2所示。从图中可以看出:ξais越大，网络对外界的反映就越灵敏，但容易产生误报。qais越大Rais正常状态下就越大;但是，qais过大会造成测量失效状态下的可信度变大，容易发生漏报。参数ξais和qais可以通过学习得到。在传感器正常工作状态下，qais可通过以下公式得到qais(t+1) = qais(t)+αais(Rais-R0) (4)式中αais为步长系数;R0为qais调节时传感器正常状态下置信度的平均值，一般可取0.7。在某个时刻，1732传　感　技　术　学　报2008年能比较试验。ANFIS结构如图4所示，酵罐三个温度传感器，两个作为输入，另外一个作为输出，对传感器输入值的隶属度划分为两个区间:正常和异常。经过训练以后和分别对应于两个输入传感器的“标准可信度”。图4　ANFIS的结构例如，当对于罐顶传感器的置信度评估时，建立2个ANFIS:ANFIS-1:输入为罐顶传感器和罐中部传感器，输出为罐底传感器，w(1)top表征罐顶传感器的置信度。ANFIS-2:输入为罐顶传感器和罐底传感器，输出为罐中部传感器，w(2)top表征罐顶传感器的置信度。那么，罐顶传感器的置信度为w(1)top和w(2)top的平均值。其余两个传感器的评估方法也同样。AN-FIS实验使用和人工免疫网络实验相同的数据，数据窗口大小为30 ks。由于两个实验中的置信度没有可比性，人工免疫网络算法中的置信度来源于人工经验，ANFIS的标准的可信度来源于归一化的权系数。因此，论文比较的是:传感器“故障”引起的其置信度变化率ηt，ηt=| Rm-Ra|Rm(6)式中:Rm表示正常状态下的置信度，Ra表示异常情况下的置信度。对比实验的结果如表2所示，从中可以看出，两种方法结果是一致的，而当偏差数据较大时，ANFIS方法ηt的较大，对故障数据比较敏感，在偏差较小时，人工免疫网络算法的ηt较大，对故障数据比较敏感。因此，人工免疫网络算法适用的数值范围更广一些。表2　对比实验的ηt结果传感器偏差数据/℃人工免疫网络方法ANFIS方法罐顶传感器-0.50 34.6% 57.7%罐中部传感器-0.30 18.1% 4.8%罐底传感器-0.15 6.4% 0.2%

3　结论论文研究了连续过程中传感器具有非确定关系情况下的传感器置信度评估。实验证明:①具有模糊测试单元的人工免疫网络能够使用人工经验对传感器的数据置信度进行评估;②具有模糊测试单元的参数物理意义明显、确定方法简单易行。但是，论文中的算法在某些情况下抗干扰能力较弱。例如，图3(c)所示情况应用单条件的阀值比较的方法输出的结果不稳定，论文将用复合的判决条件的方法在此深入研究。

参考文献

[1]　李雄杰，周东华，陈良光.一类非线性时滞过程的传感器主动容错控制[J].传感技术学报，2007，20(5):980-984.

[2]　房方，魏乐.传感器故障的神经网络信息融合诊断方法[J].传感技术学报，2000，13(4):272-276.

[3]　赵志刚，赵伟.基于动态不确定度理论的多传感器系统传感器失效检测方法[J].传感技术学报， 2006， 19(6): 2723-2736.

[4]　Mizessyn F，Ishida Y.Immune Networks for Cement Plants[C]// IEEE: International Symposium on Autonomous Decen-tralized Systems. IEEE， 1993.282-288.

[5]　Costa Branco P J.Using Immunology Principles for Fault De-tection[J]，IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2003，50(2):362-373.

[6]　Ishida Y.The Immune System as Prototype of AutonomousDecentralized Systems: An Overview[C]// IEEE:Third Inter-national Symposium on Autonomous Decentralized Systems.USA， IEEE， 1997:85-92.

第5篇：传感技术论文范文

由于机器人具有可靠性高、适应性强、功能强大的特点使其成为执行高危险任务的理想平台，具有步行能力的机器人更是该领域研究的前沿课题。

本论文为6腿机器人控制系统研究与设计，采用了1种分层控制系统结构，采用1点对多点的串行通信模式。论文对单关节控制器的数学模型进行了简单研究并采用PID控制算法对关节的位置控制进行控制。完成了基本的硬件设计，包括主从控制器的设计，主从通讯设计，延时及驱动电路的设计，传感器及其信号处理的设计。在软件设计方面，给出了主从通讯，步态算法的软件实现程序框图。

关键词：6腿机器人、Motorola MCU、PID控制、主从通讯、编码器、步态

第1章 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

机器人学是迅速发展的交叉性学科，但世界各国对机器人的定义各不相同，联合国标准化组织采纳美国机器人协会给“机器人”下的定义:“1种可以反复编程和多功能的，用来搬运材料、0件、工具的操作机；或者为了执行不同的任务而具有可改变的和可编程的动作的专门系统”。

机器人技术成为高科技应用领域中的重要组成部分。可以预言，机器人技术具有广阔的发展前景，它正向着具有行走能力、对环境的自主性强、具有多种感觉能力的智能机器人的方向发展。机器人技术的进展与其在各个领域的广泛应用，引起了各国专家、学者的普遍关注。许多技术先进国家均把机器人技术的开发、研究列入国家高科技发展计划，进行大力研究。机器人学作为1门边缘学科，成为当前高科技发展的前沿学科，它与高等动力学、材料科学、近代电子学、计算机科学、自动控制理论与系统、传感技术、人工智能、仿生学、系统工程等学科关系密切，相互渗透，共同发展。机器人的要害是自动控制，是计算机与人工智能的结合，它解决CAD, CAM, CAE等1系列问题。机器人先进程度和功能的强弱，通常直接受到其控制技术的影响。由于机器人动力学模型具有变参数强耦合、高度非线性的特点，机器人控制要求精度高与速度快;并具有通用性、柔软性与灵活性，它在很大程度上依赖于机构运动学和动力学分析、感知能力与伺服技术。现代控制理论的发展、高级控制策略的探求，新1代计算机的出现与人工智能开发将给机器人技术带来新的生机。

机器人学是迅速发展的交叉性学科，但世界各国对机器人的定义各不相同，联合国标准化组织采纳美国机器人协会给“机器人”下的定义:“1种可以反复编程和多功能的，用来搬运材料、0件、工具的操作机:或者为了执行不同的任务而具有可改变的和可编程的动作的专门系统”。

机器人可分为固定式和行走式。1般的工业机器人如立柱式、机座式和屈伸式机器人大部分为固定式.但是随着海洋科学、原子能工业及宇宙空间事业的发展甚至人类娱乐的需要，可以预见，具有智能的可移动机器人、能够自行的柔性机器人肯定是今后机器人的发展方向。

第6篇：传感技术论文范文

关键词：仪器仪表工程；专业硕士；校企合作；联合培养

中图分类号：G643 文献标识码：A文章编号：1002-4107（2014）05-0086-02

一、校企联合培养模式的特点

按着国家确立的仪器仪表专业领域硕士研究生培养目标，创新能力的培养对研究生教育至关重要。结合工科研究生教育的实际，国内有学者提出在学位与研究生教育中影响创造能力培养的重要因素有：知识结构、实践环节、科学方法、个性培养、管理工作[1]；也有学者针对全日制工程硕士教育提出，培养具有创新活力的未来工程师需要合理的师资队伍结构，未来工程师应该依靠工程师与科学家共同培养。应该探索工程型科学家与科研型工程师合理配比的双师型师资结构[2]。西方发达国家与国内创新教育有所不同，譬如美国研究生学术能力培养的特点可概括为：重视基础理论，强化学科间渗透；注重探索精神和研究能力的培养；有具体的学术标准和良好的学术氛围；学术自治和社会监督[3]。为了保证实现培养目标的同时，突出专业研究生实践开发特色和创新能力的培养，东北石油大学电子科学学院和大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司共同启动了校企联合培养模式，针对仪表工程领域工程硕士专业业务素质培养进行了一系列的探索与实践，集中概括为三个方面：第一，为确保研究生具备从事本专业设计开发所必需的扎实理论基础和优化知识结构，结合实际建立了一套特色鲜明的课程体系；第二，为确保研究生历经严格的专业训练以提升其研发能力，建立了严格的学位论文质量保证体系；第三，为确保研究生综合素质的提升，建立了高效的研究生实践创新能力培养机制。

二、特色鲜明的课程体系

课程体系的构建是校企联合培养模式中十分重要的环节，事关研究生培养质量。根据国家仪器仪表工程硕士学位标准，为了保证学习基础突出、理论与实践相结合、前沿技术与现实需求结合的培养特色，构建课程体系要明确本专业的办学定位，即掌握仪器仪表学科的基本理论和相关工程技术，了解本学科的历史、现状和国际上的学术动态，掌握一门外语并能阅读本专业的外文资料。培养学生具有较好的专业理论基础，能较熟练运用相关专业技术从事仪器仪表工程开发或实际应用。要求学位获得者掌握所从事工程领域的坚实的基础理论和宽广的专门知识，具有解决仪器仪表工程领域实践问题的先进技术方法和现代技术手段。在明确办学定位基础上，结合培养目标和专业特色研究确定课程体系。具体课程规划为公共必修课、专业必修课、必修环节和选修课四个模块。按着培养方案要求每人修业不低于30学分，该课程体系突出现代传感技术、光电检测技术、智能信息处理技术、虚拟仪器技术四大研究方向。研究生可以根据自身研究方向自行选定选修课程，也可以根据课题需求和自身爱好跨专业选课，研究生有权自由选择集中修业或跨学年修业。研究生参加全国电子设计大赛并荣获奖励的可以置换智能仪器设计实践学分。

三、“四位一体”的学位论文质量保证体系

针对仪器仪表专业领域硕士研究生校企联合培养，历经探索形成了以研究生为主体、导师为引领、平台为基础、项目为依托“四位一体”的学位论文质量保证体系。

第一，突出研究生的主体地位和作用。研究生是学习的主体，是创新设计的主体，更是受教育的主体。其知识结构、理论基础、思维模式、实践技能等内在素质和研究态度、工作热情、勤奋程度等外在体现都是决定学位论文质量的内在因素，这些都需要导师对其研究生有充分的了解并经常予以高度关注。为此在校企联合培养模式下采用了双导师制，研究生在校理论学习期间，主要由高校的导师负责理论学习指导和综合素质考核，进入企业从事课题研究过程中主要由企业的导师负责指导开发实践。无论校内还是校外均以任务化管理的方式提供给研究生最大化的自由度和独立研发空间。事实证明，这更有利于发挥学生自主创新思维。

第二，充分发挥导师的引领作用。双导师作为创新培养体系的特征体现，在导师和研究生之间建立一种新型的“导学”关系，导师即要当好向导，引领学生朝着正确的方向前行，使学生在探索创新的路上不至于迷茫；导师又要当好伴侣，从思想层面上陪伴着学生，使学生在攀登科学高峰的进程中不感到寂寞和孤单。目前仪器仪表专业聘请校内导师12人、企业兼职导师5人，采取两种选配方式：其一是由校内教授担任主导师，企业高级工程师为副导师；其二是由企业教授级高级工程师主导师，校内年轻的副教授担任副导师。无论哪种方式，主导师都要负责培养计划的制订并提供论文研究课题，副导师配合主导师完成对研究生的指导任务。双导师配备原则主要考虑主副导师是否有深入合作研究的背景，是否能够真正形成理论研究与实践开发两者优势互补。除此之外，有计划地引进和培养青年后备人才，将青年博士列入后备导师团队，形成导师梯队。近五年本学科引进博士5人，在职培养博士7人，在读博士12人，这些对于强化导师队伍建设至关重要。

第三，加强平台基础建设，充分利用各级各类平台为研究生研究课题和创新实验提供实验条件。目前仪器仪表专业主要依托油气田控制与动态监测黑龙江省重点实验室和黑龙江省高校校企共建测试计量技术及仪器仪表工程研发中心，并与大庆油田测试技术服务分公司共建研究生创新设计培养基地。

第四，依托重大研究课题并结合生产实际精选研究生论文研究项目。校企联合培养的研究生学位论文课题都是源于国家油气重大专项、国家自然基金项目、黑龙江省自然基金、石油天然气总公司计划项目等课题。其主体研究方向面向油田生产测井及计量仪器仪表的现代传感器研制。

四、“一个面向、三个结合”，实践创新能力校企联合培养机制

为了提高研究生实践创新能力，建立了校企联合培养机制。为此采取了一系列的手段与措施，突出体现一个面向、三个结合为特色的校企联合两段式教育培养模式。其中，一个面向特指仪器仪表专业研究生论文选题面向油田生产实际；三个结合特指具体研究开发与本专业研究方向密切结合、与高级别科研项目密切结合、与先进实验装置密切结合。校企联合两段式教育形式上体现为理论学习阶段在校内，实践开发阶段在企业。校企联合两段式教育的内涵要充分利用仪器仪表工程学科特有优势，发挥研究生创新培养基地的作用，按高级工程技术人才培养模式，与行业企业深度合作，与油田生产测试及标准计量密切结合的仪器仪表研发课题密切结合，形成仪器仪表工程专业学位研究生的校企联合共同培养的教育模式。

具体操作上，第一，坚持论文选题与油田生产实际相结合。东北石油大学电子科学学院与大庆油田测试技术服务分公司共建研究生创新设计培养基地，因此，只有选择面向油田生产实际与仪器仪表工程相结合的课题，才能将研究生真正置于校企联合培养教育模式之中。第二，研究生要深入导师科研团队参与高级别项目研究：校企联合培养模式中双导师制的具体落实，集中体现在对于研究生的教育培养，而双导师之间的分工与配合显得尤为重要。对于研究生而言，必须深入导师科研团队参与高级别项目研究，才能以更加宽阔的视野面对技术领域高深问题，在实践中更有效地锻炼和培养自身的科研开发能力，快速提升思维能力。第三，研究生要深入开发现场亲历创新实践。只有深入开发现场才能深入了解企业需求，进而才能进一步实践创新。测试的核心技术是传感器技术，油田测试领域的传感器有其鲜明的特色，必须在苛刻的尺寸限制下实现井下各参数的测量，必须适应井下的恶劣环境。因此，只有深入企业了解生产实际，才能有针对性地开展现代传感技术及仪器研究，以提高测试水平，更好地为油田开发服务。否则，其研究成果将无法与生产实际对接，自然也无法参与创新设计。

通过三年仪器仪表工程专业硕士研究生校企联合培养模式的探索与实践，结合自身的办学条件及合作企业的生产实际，寻求出一条有效路径，从而进一步明确了培养目标；构建了一套科学的课程体系；明确了以研究生为主体、导师为引领、平台为基础、项目为依托“四位一体”的学位论文质量保证体系；突出体现仪器仪表专业研究面向油田生产实际、与本专业研究方向密切结合、与高级别科研项目密切结合、与先进实验装置密切结合的提高研究生实践创新能力手段与措施。尽管因合作企业突出的行业特点和自身的企业文化，致使该校企联合培养模式更多体现出个性化的特征，但仍有一定的推广价值。今后，将继续深入研究和不断实践，使得接续研究成果有更加广泛的应用性。

参考文献：

[1]高洁，王斌.理工科研究生创新教育的几点思考[J].教育新观察，2009，(9).

[2]王钰，康妮，刘惠琴.清华大学全日制工程硕士培养的探索与实践[J].学位与研究生教育，2010，(2).

[3]张莉，柴宝芬.美国研究生培养模式解读[J].现代教育科学，2010，(1).

收稿日期：2013-10-05

作者简介：刘祥楼（1963―），男，黑龙江讷河人，东北石油大学电子科学学院教授，博士，主要从事多维信息处理、生物识别及虚拟仪器工程研究。

第7篇：传感技术论文范文

关键词： 频率测量； 声表面波； 传感器； 中界频率

中图分类号： TN911?34； TP212.9 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）08?0136?03

Study on a new method of frequency measurement based on SAW sensor

MA Hui?cheng

（Science and Technology Department， Xi’an Innovation College， Yan’an University， Xi’an 710100， China）

Abstract： The shortcomings of the traditional frequency measuring methods are discussed in this paper. A new method of frequency measurement based on SAW sensor and a measuring circuit are designed. The frequency is preselected by SAW band?pass filter. The signal which is higher than intermediate frequency is measured by the method of frequency measurement and period measurement for others. The hardware circuit is composed of high speed digital devices. The system has high accuracy and is worth to spread.

Keywords： frequency measurement； SAW； sensor； intermediate frequency

传统的频率测量是利用频率计数电路[1]，在规定的时间内对频率信号进行计数，这个规定的时间就是闸门时间，闸门时间是由双稳态电路提供的。测得的频率数值[fx]，是在闸门时间[Tg]内对脉冲的计数值[Nx]与闸门时间[Tg]的比值，即[fx=NxTg]。当频率计正常运转时，被计数的信号脉冲首先通过闸门然后输入计数器，一般状况下，闸门的打开与闭合与计数脉冲在端口输入的时间是不同的。因此在相同的闸门时间里，频率计数器对相同的脉冲信号计数时，最终的显示值是不一样的，即有可能产生[±1]个脉冲误差值[2]。[Nx]会产生误差，[Tg]也会产生误差，这些误差的叠加就构成了实际的测频误差。利用晶振来产生基准时间信号[Tg]，方法是晶振的输出信号[fb]通过[n]级10分频电路，即[Tg=10n×1fb]。所以，[fx=Nx/Tg=Nx×][fb10n]。最终测频法的相对误差[dfxfx]为：

[dfxfx=dNxNx+dfbfb] （1）

[δf=δN+δ0] （2）

式中：[δN=dNxNx=±1Nx]是示值的相对误差，也叫量化误差；[δf=dfxfx]是被测频率信号的相对误差；[δ0=df0f0]是晶体振荡器的频率准确度，可以用来表示频率信号的稳定程度。

由式（2）可得，，被测频率的相对误差由两方面内容构成。即系统石英晶体振荡器的频率稳定度和量化误差组成。量化误差与两个因素相关：被测信号的频率值得上下限和双稳态电路的输出闸门时间。在某一频率[fx]的值不变的情况下，闸门时间[Tg]越大，误差值越小，闸门时间[Tg]越短，误差值越大。如果取闸门时间[Tg]为某一定值时，测量值[fx]越大，误差越小，测量值[fx]越小，误差就越大。在检测过程中就会出现频率值较低的信号测量精度较低，频率值较高的信号测量值较高的情况。系统的测频结果与频率信号的高低有直接关系。为了避免出现以上的情况，本文设计了一种利用表面声波器件的新式测频法。

1 新型测频法原理

外界的物理量可以影响声表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）[3]传感器输出频率的数值。表面声波传感器的固有频率达到了百兆Hz量级，这个频率太高，因此很难被频率计精准测量，只有通过成比例的降低频率才能精准测量。本文的被测量是表面声波传感器在进行了差动结构的改进之后输出的频率。这个频率在经过混频电路之后就处于0～1 MHz之间。这个频率范围是可以精准测量的。为了在频率的两端都有较高的测量精度和较低的测量误差，本文设计了利用表面声波带通滤波器的新式频率测量方法。带通滤波器对于通过的信号有较强的选择能力，只有信号的频率在通频带内的信号才能无失真的通过。在此可以按照频率的高低来设计两个声表面带通滤波器，设计方式主要是在插指换能器的密度上按事先计算的结果来排成不同的密度，声波在谐振腔内的振动频率由于换能器的密度不同而不同。这样最终输出的频率就根据插指的密度不同而不同，整个系统只要2个带通滤波器就可以了。将来如果想要实现精度更高的系统，可以考虑多个带通滤波器的情况，这样带通滤波器的设计难度会增加。

频率信号的测量方式有两类，高频段可以测频以及低频段可以测周期。至于何时测频以及何时测周期则要看测量仪器的中界频率 的窄脉冲，以此脉冲触发双稳态电路1，从双稳态电路的输出端即得到所需要的宽度为基准时间的值可以推算出外界加速度的大小。同理，当[f1

2 分频、计数以及显示模块的设计

被测信号的频率介于0～1 MHz，相对数字电路器件来说信号的频率稍高。电路各个元器件都有传输延迟的现象，高频信号在测量中就会产生一些误差，这些误差体现在计数环节，译码环节及数码显示环节上。利用D触发器具有分频的特性，在正式测量前对信号进行降频，这样可以得到一个频率相对较低的信号。这样的信号在后续的测量过程中不会带有太大的误差。

图2是后续电路，包括显示、分频和计数3个环节。频率降低的原理是通过D触发器对输入被测信号首先进行两分频，这样可以得到输入信号频率一半的被测信号。电路的结构是把D触发器的端口[Q]与D触发器的置位端口D直接连接从而构成两分频电路。触发器输出端的输出信号再送到10进制计数器74LS192D的UP端口，这个信号的频率很高达到了1 MHz，所以必须用6个数码管来显示被测结果。低位计数器的C0端口和高一位的UP端口连接，这样就可以显示6位10进制数字。电路图里J1的功能是对数码管进行清零操作，以保证测量开始时数码管都显示0。整体电路如图2所示。3 试验结果及精度分析

利用Multisim 10软件对测频电路进行分析。分析过程为选取1 MHz的标准信号，首先进行2分频，整体电路里的频率计XFC1对上述信号进行测量，显示示值为500 kHz。使用软件自带的示波器对两路信号进行观测， 由图3、图4可得2分频后的信号频率约为被测信号频率的一半。测试数据证明所设计的两分频电路满足测量的要求。从表1可以看出，系统在测量时在低频段的误差几乎为0，只有在高频段才出现了误差。信号源输出的频率为500 kHz时，系统的测量频率为499 kHz，绝对误差是1 Hz。信号源输出的频率为1 000 kHz时，系统的测量频率为997 kHz，绝对误差是3 Hz。

4 结 语

频率的测量在科学研究工业生产的各个方面都具有很重要的作用，能否得到一个准确的频率值往往决定了一个检测系统的优劣。例如：现代很多传感器输出的信号具有准数字化特征，这个特征就是信号不用进行模/数转换就可以直接输入测量系统进行测量，电路的结构得以简化，但是这个频率信号的测量误差是个难以解决的问题，传统的测频法无法解决在频率的上、下限处测量时产生的较大误差。本文提出的基于频率选择的测频  本文由wWW. DyLw.NeT提供，第一 论 文 网专业写作教育教学论文和毕业论文以及服务，欢迎光临DyLW.neT法在误差控制上得到了提高，但是还有一些问题尚需解决，例如下一步可以考虑测量理论的具体实现。利用智能系统实现新型频率测量方法，首先要考虑选用哪种芯片，在电路中还要选取具体的双稳态电路和相应的触发器。电路中的滤波与放大电路也要设计合理，只有所有的因素满足系统的需要，整个系统才能体现出设计目标。

图4 双通道示波器显示图

表1 试验数据

参考文献

.制造业自动化，2010（2）：184?185.

[2] 刘骏跃.声表面波惯性器件传感检测研究[D].西安：西北工业大学，2007.

第8篇：传感技术论文范文

【关键词】无线传感器网络；温室；农业监控系统

目前现有的很多温室环境监控技术仍采用封闭现场的监控方式，或是通过有线通信方式进行远程监控。这些方式对温室环境的监控来说存在很大先天性缺陷。众所周知，温室的监控对象的现场信息采集比较困难，因为在空间上温室范围广比较分散，而且往往远离生产管理者。在时间上，温室作物的生长周期长导致监控周期长，以上环境对温室环境信息实现长期有效的监控极为不利。

鉴于此情况，设计一种基于无线传感器网络的温室环境监控系统，就可以实现对温室环境信息的采集、处理、传输并且和Internet无缝连接的方案，可以采取在空间上分布式采集，在时间上长时间连续的采集策略。就可以满足温室监控的信息采集要求。就可以有效解决现场信息远程传输和监控的问题。

1.ZigBee简介

1.1 ZigBee的特点介绍

1.2 ZigBee拓扑结构介绍

星形拓扑由总协调器和终端节点组成。终端节点和总协调器是一一对应进行数据交换的。终端节点的数据交换只能由总协调器来完成数据中转。树形拓扑结构由三部分组成，总协调器、路由节点和终端节点。子节点只存在于总协调器和路由节点之间，终端节点没有子节点，节点都应该只和他的父节点和子节点进行数据交换。网状拓扑由总协调器、路由节点和终端节点组成。这和树形拓扑相同，其优点是自由度高的数据路由协议，路由节点相互无阻数据交换，其中某个路由发生了故障，不影响数据的传输，数据会沿着其他路由继续工作。

2.系统总体结构

本系统在网路拓扑结构上采用了星形无线传感器网络。本系统具有以下特点：系统能够根据温室环境，采集农业环境中的各种参数；在农业现场组建网络，使得形成自组织，分布式的数据采集网络，并通过无线传感器网络完成信息的汇聚、分析和发送。使网络完整覆盖监控区域，采集的信息能有效的反映农业环境的状态。选择相应的采集频率使数据在时间上完整的体现环境因子的变化规律；系统把相应的环境信息通过特殊编码的形式传输给处理单元，在传输过程中尽量使用现有的硬件、软件技术，使得信息完整而有效、减小传输中的能耗、提高网络的寿命。

如图2所示，在单温室情况下的结构原理图，多个温室监控时，所有温室的信息都被相应的汇聚节点收发和存储，最后所有的汇聚节点与远程计算机通过GPRS通信。

3.硬件设计

3.1 硬件原理

系统中环境因子采集装置是无线传感器，形成传输方便，减少布线的无线网络。系统还使用了GPRS收发装置，可以完成温室数据与上位机之间的无线交换信息和数据处理。上位机软件必须完成多个温室测量节点的信息汇总和分析，下达控制代码给下位机，实现无线数据传输和通讯协议的稳定、安全，并能实时查看下位机情况及时发现系统和数据异常。

3.2 硬件组成

本系统数据采集节点的微处理器是ATmega16L单片机，这种单片机可以扩展大量的模块，自身的片载资源丰富。具体特点如下：在1MHz的工作频率下，额定电压3V，25℃时正常状态功耗为1.1mA，空闲状态功耗为0.35mA，掉电模式小于1?A；采用精简操作指令集RISC；16K字节的可编程flash空间，独立锁定位的可选Boot代码区，8MHz晶振；与IEEE1149.1标准兼容的JTAG接口。

结合无线模块功耗和性能等其他技术参数，通过综合考虑，CC2420无线模块成为本系统的备选模块。这种无线模块符合IEEE80215.4标准，工作性能稳定，搭载很少的外部器件；支持SPI模式，与硬件连接的电路简单；工作能耗比较低，接收时电流18.8mA，发送时电流17.4mA。

根据温室实际情况与系统的可靠性，确定温室使用的种类有温度传感器、湿度传感器。通过阅读资料知道温度与湿度之间的耦合关系，为了系统的监控要求，必须一起采集温湿度。所以集成数字温湿度传感器SHT11满足这种需要。其详细特点如下：相对湿度和温度测量；露点计算功能；低功耗；尺寸小；自动休眠；长期稳定性好；数字输出。

本系统采用了成都众山科技有限公司提供的ZSD3110 GPRS DTU/RTU。该模块有标准的硬件连接电路。具体功能有：模块为了减少使用难度，内置了TCP/IP协议，方便完成点对点，点对多点等复杂的连接；性能稳定，不论在室内还是在自然条件下，都不受扰乱稳定运行，集成看门狗电路；可以不间断在线工作，各种保护措施和手段保证了运行的稳定性，心跳防断线机制、掉线实时复位、模块死机实时管脚复位机制；实现IP方式或动态IP+动态域名解析方式的模式。

4.软件设计

4.1 采集节点程序流程

传感器首先采集温室的环境参数，各节点与汇聚结点组成无线网络，信息集中到汇聚节点，在接收到总节点的命令后，控制数据信息的采集和发送；可以设定发送时间，改变采集模式、控制采集节点、非工作状态时休眠和工作时唤醒等。（如图4所示）

4.2 汇聚节点程序流程

汇聚节点主要完成的功能是，建立并维护无线传感器网络，通过接收子节点信息使其入网；利用星形网络与各个采集节点通信，收集各个节点信息并对信息进行初步处理并存储；通过GPRS模块接入GPRS网络，与远方的服务器进行通信；对信息进行解包和封装，使信息在协议之间进行转换；按时通过GPRS模块把初步处理的数据按照规定的格式发送，在特殊情况下接受并解析服务器发送来的命令，根据服务器端的命令来执行相应的任务，例如，改变采集时间和频率，挑选环境因子等。

5.总结和展望

本文介绍了基于无线传感器网络的温室环境监控系统设计方法和系统开发的主要流程。解决了传统布线繁琐，机动性差的缺点。无线传感技术应用到农业生产，为用户提供了一项创新有效的测控手段，相信将来会赢得广大用户的青睐。本系统还可以将用户端延伸和扩展到养殖场室内设备，实现饲养环境的自动控制、精准调控和远程实时监控。在局部环境测控领域应用有很好的发展前景。

参考文献

[1]冯宾.基于ZigBee无线网络技术的现代温室环境检测系统研究[D].合肥：安徽农业大学硕士论文，2010.

[2]韩红彦.无线传感器网络研究[J].科学技术与工程，2007，7（8）：1701-1706.

[3]和伟.基于ZigBee技术的无线网络的研究与实现[D].西安：西安电子科技大学硕士论文，2011.

[4]孔德恩，胡爱群.GPRS数据终端的研究与实现[J].微计算机信息，2007，23（33）105-107.

[5]A kyildize.Wireless sensor networks：A puter Networks，2002，38：392-422.

[6]Cullar D，Estrin D，Strvastava M.Overveiw of Sensor Networks.2004，37（8）：41-49.

第9篇：传感技术论文范文

关键词：速率陀螺仪；再平衡回路；表头参数；阻尼比；转动惯量

中图分类号：TP274文献标识码：A

文章编号：1004 373X(2009)02 091 04

Experimental Research on Performance of One Seeker′s Torque Feedback Rate Gyro

LI Ming,SHI Shouxia

(No.25 Institute of the Second Research Academy,Beijing,100854,China)

Abstract：It deduces that the equivalent damping ratio and torsion pendulum which is the main performance parameter of the torque feedback rate gyro is related to the gain and time constant of the head of meter.According to a torque feedback rate gyro,it designs the rebalance loop.The experimentation concludes the change tendency of parameter of the head of meter in different input frequency,so that the change tendency of damping ratio and torsion pendulum in the whole frequency is determined.It solves a problem that the performance parameter of rate gyro is not accurate in use,the design of loop is influenced.It provides bases for the practical application of the torque feedback rate gyro.

Keywords：rate gyro;rebalance loop;parameter of head of meter;damping ratio;torsion pendulum

速率陀螺仪，在姿态稳定系统中有广泛的应用，主要目的是敏感载体的角速度，通过执行机构，实现对载体的控制和稳定，在位标器上应用陀螺仪的目的是测量天线在惯性空间的转率，实现天线稳定的伺服控制。为满足系统对陀螺仪动态特性的要求，需要陀螺仪的频带要宽（通常为80 Hz），响应快、具有合适的阻尼（阻尼系数0.7±0.1）。位标器上采用的陀螺仪多数是半液浮速率陀螺仪，其内部机械结构复杂，非线性因素多，影响陀螺性能的因素包括陀螺转子特性动平衡、支撑方式、浮油特性等，在使用中，觉得表头参数不准确，使陀螺回路的设计变得很困难；另一方面，实测陀螺仪频率特性与生产厂家提供的理论值不一致，相差很大，给设计工作带来困难。这里通过闭环试验，研究陀螺表头参数在工作状态下的变化趋势，为陀螺回路设计和应用提供依据。下面以单自由度速率陀螺为例，通过对陀螺仪表头模型的分析，考虑到表头内部的一些不确定因素，使框架的转动惯量增加；同时，陀螺力矩在轴承上增加了摩擦，使陀螺的阻尼比增加。

1 等效转动惯量和等效阻尼

1.1 等效转动惯量

由于陀螺仪表结构的几何不规则性和复杂性装配，以及陀螺仪框架的变形等因素影响，使得单自由度陀螺仪的动态特性在一定程度上可能使速率陀螺仪具有双自由度陀螺仪的效应，使得框架的转动惯量发生了变化，即用等效转动惯量表示。

考虑到输入轴的弹性变形和轴承的间隙，在横向微量运动中，横向刚性系数越大，其微运动量越小，图1为单自由度速率陀螺仪数学模型图。

图1 单自由度速率陀螺仪数学模型图

用动静法，可以列出如下方程式：

Hα′cos β－Iyβ′′－Dyβ′－Kii－My=0

Hβ′cos β－Ixα″－Dxα′－Kxα－Mx=0(1)

其中：H为陀螺仪的角动量；Ix，Iy分别为绕输入I、输出轴O的转动惯量；Dx，Dy分别为输入I、输出轴O的阻尼比；Kx为输入方向的刚性系数；Ki为陀螺的力矩系数；β为外框绕输出轴的转角；α为外框绕输入轴的微小转角。

考虑到力矩再平衡特性，框架的转角β较小，忽略扰动力矩的影响，平衡方程式（1）简化为:

Hα′－Iyβ″－Dyβ′－Kii=0

Hβ′－Ix・α″－Dxα′－Kxα=0 (2)

考虑到实际情况，框架的刚度系数Kx远远大于阻尼比Dx、转动惯量Ix，依据式(2)的第二式，得:

α=－HKxβ′(3)

显然，Kx越大，外框绕输入轴的转角(影响越小，把式（3）代入式（2）的第一式，得:

(Iy+H2Kx)β″+Dyβ′+Kii=0(4)

由式（4），在动态过程中实际的转动惯量I由2部分组成的，第一部分为陀螺框架的转动惯量Iy，第二部分为框架的刚度系数Kx引起的动态附加转动惯量。

1.2 等效动态附加阻尼

图2为单自由度速率陀螺仪运动学模型图。

图2 单自由度速率陀螺仪运动学模型图

如图2所示，对于单自由度力反馈陀螺仪，当输入轴有角速度ωx，产生陀螺力矩Hωx，产生沿输出轴的角速度β′，同样产生陀螺力矩Hβ′，此陀螺力矩方向与输入轴一致，此力矩作用在轴承上，在轴承上产生正压力，产生绕输出轴的附加力矩，为:

F=Hβ′2L(5)

其中:L为浮子的中心与轴承之间的距离；F为作用在轴承上的压力，产生的摩擦力矩为2Frf；f为摩擦系数，则摩擦力矩的大小为:

2Frf=HrfL・β′(6)

因此，速率陀螺系统的动力学方程式（4）为:

(Iy+H2Kx)β″+(Dy+HrfL)β′+Kii=0(7)

式（7）表明，生产陀螺表头的厂家，通常提供参数Iy,Dy，考虑到陀螺的动态系统，附加的转动惯量与刚度系数Kx成反比，而刚度系数本身除了与框架的结构形式、偏心度有关外，还与轴承的支撑形式等因素有关；在此觉得厂家提供的参数与实测的偏差较大，仍要做大量的试验工作，差别的大小由定性描述到定量确定，通过后面试验测试，分别确定出不同频率阶段，等效的转动惯量和等效的阻尼比，给出一个定量的变化范围，为陀螺回路的设计提供一定的参考依据。

3 系统方框图

考虑到力反馈速率陀螺的工作原理，再平衡电子线路的结构形式如图3所示，闭环陀螺再平衡回路的线性系统方框图如图4所示。

图3 速率陀螺再平衡回路的结构形式

图4 陀螺再平衡回路的线性系统方块图

其中:Kθ为传感器比例系数；Kt为力矩器系数；Iy为陀螺转动惯量；H为陀螺角动量；D为阻尼比；Ka为伺服回路静态增益；

KaW(s)为伺服回路传函数；Rt为力矩器直流电阻；Rs为采样电阻；Md为扰动力矩；ωx为角速率。

依据图4示，闭环传函为：

u(s)ωx(s)=

H・1Iys+D・1s・Kθ・KaW(s)・RsRs+Rt1+1Iys+D・1s・Kθ・KaW(s)・1Rs+RtKt（8）

整理：

u(s)ωx(s)=

HRsKθKaW(s)s(Iys+D)(Rs+Rt)+KθKaKtW(s)=Φ(s)（9）

其中：Φ(s)为闭环传函，进一步表示为：

Iys+D=［1Φ(s)－KtHRs］・HRsKθKaW(s)(Rs+Rt)s（10）

为方便，令E(ω)，F(ω)分别为式（10）右式的实部和虚部。

对于每个确定的角频率ω，可测得对应的系统幅频特性A（ω），相频特性φ(ω)，从而可以确定Iy、阻尼系数D。

为了计算方便，把表头的数学模型改为如下形式：

(1/Iy)・(1/s)1+(1/Iy)・(1/s)・D=1Iy・s+D=

1/D(Iy/D)・s+1Kτ・s+1(11)

其中，K， τ为表头的增益和时间常数，且:

K=1/Dτ=Iy/D(12)

同样，可以采用系统的开环特性，反算确定Iy、阻尼系数D，系统的开环传递函数为:

H0(s)=Ks(τs+1)・KθKt(Rs+Rt)・Ka・W(s)(13)

类似，闭环传递函数式（9）表示为:

Φ(s)=u(s)/ωx(s)=

HRsKKθKaW(s)s(τs+1)(Rs+Rt)+KKθKtKaW(s)(14)

3 试验测试及研究

3.1 测试数据

陀螺表头参数最简单的确定方法为不考虑校正环节，而把表头的传感器的输出经功放，送回到陀螺力矩器，组成闭合回路，从而确定陀螺表头的参数；另一种方法是考虑到校正环节，来确定表头的参数，以某陀螺仪为例，厂家提供的表头参数为：传感器传递系数：500 mV/°；力矩器的力矩系数：1 gcm/mA；力矩电流与角速率比例尺：0.628 mA/°/s；动量矩：36 gcm；阻尼系数：3.014×10-4 kgm2/s；时间常数：9.49×10-3 s。

陀螺平衡回路采用校正环节的传递函数为：

W(s)=(130s+1)(180s+1)(1156s+1)(118.2s+1)(159.s+1)(11 329s+1)（15）

闭环、开环测试数据如表1所示，表1为陀螺闭环、开环测试数据。

3.2 表头时间常数和增益的确定

分别计算了某陀螺表头时间常数，计算结果如表2和图5所示。

分别计算了陀螺表头增益曲线如图6所示，在低频阶段，计算的陀螺表头增益与厂家提供的增益相近，而随着频率增高，陀螺表头增益降低，当频率大于20 Hz，表头的增益趋于稳定值为0.13(gcms)-1，而与厂家提供的值相差1倍。

3.3 表头实际阻尼与转动惯量

根据测得的试验值，可以确定随着频率的增大，表头的阻尼比和转动惯量的变化曲线，分别见图7，图8所示。图中的结果表明，表头的动态附加阻尼变化较大，达到1倍以上，参考前面的分析，是由于表头动态附加阻尼引起的。

表1 闭环、开环测试数据

频率/Hz

开环

实测/dB线性模型/dB

闭环

实测/dB线性模型/dB

162.9751.4-5.56-5.50

248.3644.2-5.53-5.50

340.9440.2-5.47-5.48

436.4437.2-5.40-5.46

532.9734.5-5.32-5.44

630.2731.8-5.24-5.44

728.1130.2-5.15-5.33

826.1928.2-5.06-5.33

924.6127.3-4.97-5.33

1023.2226.1-4.87-5.30

2014.1717.6-3.93-5.00

309.2913.2-3.56-4.71

406.1810.0-3.97-4.56

504.217.6-4.73-4.71

601.825.5-5.74-4.32

700.483.9-6.91-4.45

80-1.182.4-8.17-4.54

90-2.371.2-9.54-4.71

100-3.46-0.1-10.71-4.60

注：实测的闭环90°相移带宽76.7 Hz，如果规定要达到80 Hz，可以再提高一点增益，从而达到要求；在低频段，实际测试的开环幅频dB数与线性模型相差8 dB数，估计是由于表头内的非线性引起的。

表2 陀螺表头时间常数

频率/Hz＜2020304050

时间常数 /s0.014~0.0100.009 790.009 690.009 10.009

厂家提供/s0.009 46

注：时间常数的计算以两个频率10 Hz点作参考，其他点也可以

图5 某陀螺回路测试的表头时间常数

表3 陀螺表头增益

频率/Hz12345678

陀螺增益/(gcms)-10.360.288 40.200 00.197 50.1640.1510.145 20.141 2

注：1 Hz点异常

通过上面分析，表头参数已经确定，下面在叙述有关的参数确定后，依据设计输入的要求，确定陀螺闭环带宽（90 °相移的带宽80 Hz）；再平衡回路系统采用－2－－1~－2的工程设计方式，仿真结果见图9，按照此过程，较好地满足了设计要求。

图6 陀螺表头增益随频率变化曲线

图7 陀螺表头阻尼随频率变化曲线

图8 陀螺表头等效转动惯量随频率变化曲线

5 结 语

陀螺表头的增益和时间常数是陀螺回路设计过程中2个十分重要的参数，采用反算法，确定陀螺表头增益、阻尼比及转动惯量在整个频段内的变化趋势，为回路设计提供依据。

图9 某陀螺开环幅频特性

随着频率的增加，陀螺表头的增益变小，到高频段下降了近一半；而阻尼比随着频率增加，到高频段趋于恒定，可以认为主要是由于表头结构的几何不规则性和复杂性，装配以及陀螺仪框架的变形、框架轴的支撑摩擦等因素引起的；确定表头的传函取定以后，依据对陀螺仪的带宽要求，进行合理的零、极点配置，达到陀螺仪性能指标。

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