传感器论文 传感器论文(新版)范本

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传感器论文 传感器论文(新版)范本

[摘要]传感器论文(新版多篇)为的会员投稿推荐,但愿对你的学习工作带来帮助。

计算机与传感器结合形成了具有捕获和处理信息功能和自动控制的智能化传感器。(1)智能化传感器不但能够执行信息处理和信息存储,而且还能够进行逻辑思考和结论判断的传感器系统。相当于计算机与传感器的综合体。(2)智能化传感器广泛应用于污水处理机械中。测控的参数包括温度、压力、流量、浓度、湿度等多项内容,其更重要的特性是传感器集成化程度高,可便利地与计算机结合,广泛应用污水行业中。从进水泵房开始,采用压力、流量传感器,可以取得准确的日处理污水能力的相关数字,从而量化生产量,也可以根据水量调节设备到最佳工作状态,保障了设备的使用寿命。

2多功能传感器

通常情况下,一个传感器只能用来探测一种物理量,但是在污水处理等行业中,为了能够完美而准确地反映客观事物和环境,往往需要同时测量大量的物理量。因此,就需要一种由若干种敏感元件组成的体积小巧而多种功能兼备的新型探测系统,借助于敏感元件中不同的物理结构或化学物质及其各不相同的表征方式,用单独一个传感器系统来同时实现多种传感器的功能。目前已经生产出将若干敏感元件综合装置在同一种材料或单独一块芯片上的一体化多功能传感器。(1)可以用来同时测量多种参数。比如:可以将一个温度探测器和一个湿度探测器配置在一起制造成一种新的传感器,这样就能够同时测量温度和湿度。(2)借助同一个传感器的不同效应可以获得不同的信息,从而获取多种数据。(3)在不同的激励的条件下,同一个敏感元件将表现出不同的特征。在电压、电流或温度等激励条件均不相同的情况下,由若干中敏感元件组成的一个多功能传感器的特征可想而知将会有多么大的差别。(4)研究生产各种仿生传感器,在感触、刺激以及视听辨别等方面已经有了最新研究成果。应用多种类型的多功能触觉传感器,组成仿生传感器,模仿人的特征测量物理量。由此可知,如果新型的多功能传感器用于污水处理行业,将从多角度地反应采样数据的真实状况;
同时由于一机多能,不仅节约了资金,还能大大的提高工作效率。

3总结

综上所述,随着当前传感器技术水平的微型化、智能化和多功能化的发展,今后随着CAD技术、MEMS技术、信息理论及数据分析计算方法的继续发展,未来的传感器系统必将变得更加微型化、综合化、多功能化、智能化和系统化。在污水处理行业采用更加先进的传感器,作为人们快速获取、分析、利用有效信息的基础,必将进一步促进污水处理工艺自动化程度的提高,在节省人力、物力的同时提高污水处理的各项指标,改善水质。因此,微型化、智能化、多功能化的传感器必将在污水处理行业进一步得到更加普遍的应用。

ZigBee无线网络共有路由器、协调器以及终端设备三种逻辑设备类型。一个ZigBee无线网络仅存在一个协调器。协调器一旦被激活将会自动建立独立网络。本文采用了星型ZigBee无线网络,有且只有一个PAN主协调器。为了确保网络唯一性将采用一个PAN标识符来建立,使终端设备与路由器网络都能够正常连接网络。

2机房监控系统的设计与实现

2.1ZigBee协调器节点硬件设计ZigBee协调器节点主要由六大模块构成,分别为LED指示灯、电源模块、串口模块、晶振模块、射频天线以及无线收发器。LED指示灯主要用于显示系统网络连接状态。串口模块用于传输数据信息,并接收相关指令控制协调器运转。由于射频天线在输入和输出为高阻与差动,故适用(115+180)的差动负载。为了进一步优化ZingBee协调器节点性能,我们采用了不平衡变压器。无线收发器工作电压为3.3V,在运行过程中应采用电压转换模块将5V电压下降至3.3V无线收发器能够同时接收两种频率的晶振电路,以此满足监控系统的不同电路需求。

2.2传感器节点硬件设计传感器节点主要由电源模块、CC2430数据传输模块、数据采集模块以及外部数据存储等模块构成。电源模块使用两节5号干电池,CC2430数据传输模块负责数据的传输与采集,并通过与路由节点进行数据交换来控制命令。数据采集模块主要负责采集系统监控区域的湿度、温度、水浸以及光照强度等信息,并将其转化为数据进程存储。

2.3ZigBee协议栈ZigBee协议栈是分层的,每一层都需要向上一层进行数据的提供和管理功能,其主要包括网络层、应用层、媒体访问控制层以及物理层。其中应用层内又划分为ZDO、APS以及应用对象等。媒体访问控制层与物理层位于协议栈子层的最底,属于硬件系统,其他层则在这两者智商,不属于硬件系统。ZigBee协议栈的分层结构简洁明了,极大的方便了系统的设计和调控。

2.4无线传感网软件平台搭建搭建无线传感网软件平台需要一个良好的操作系统。操作系统能够对各项任务进行调度并使整个系统正常运转。不同;
诶型设备的同一项处理可以视为同一任务,新建任务并添加至系统,操作系统即将新任务与ZigBee协议栈进行融合,使系统获得新功能并投入使用,从而搭建出完整的无线传感网软件平台。

3结语

综上所述,基于传感器与ZigBee无线网络技术的机房监控系统设计需要布线,并进行硬件与协调器节点、传感器节点等设计,便于对机房环境进行实时监控,从而减少管理人员的工作重量,保障机房监控系统正常运行,具有相当的推广价值。

【关键词】电涡流;
传感器;
单片机

1.引言

现代社会是信息化的社会,人们的主要交流和沟通都是通过对信息的传递、处理而进行的。传感器就是人们从自然界获取各种相应外界信息的方式,能够将相应的需要采集的信息转换成为控制芯片能够识别的电流或者电压等信号,在现代的控制测量系统中具有不可缺少的作用。

本论文主要介绍的是电涡流式位移传感器。电涡流式位移传感器属于电感式位移传感器的一种,是基于电涡流效应而工作的传感器,具有很多优点:高分辨率、高可靠性、较宽的频率响应以及较高的灵敏度等等。

该传感器还具有很强的抗干扰能力,相比而言,传统的传感器具有非线性误差,要求工作环境恒定或者价格较高[1]。

2.电涡流式微位移传感器

2.1 传感器发展历程

国外在工业化的过程中,逐渐将传感器广泛应用在各个生产领域,在航天和军事领域也有十分领先的传感器应用。之后伴随各个国家的机械、自动化、计算机等信息产业如日中天,欧美国家以及亚洲的日本都对世界的传感器具有相当重要的影响。

我国主要是在1960年开始对传感器进行开发工作。国家组织大批科研人员对其进行研究和开发,并实施了“八五”、“九五”等国家计划,使得其取得了十分瞩目的应用成就。然而我们也应该清醒地意识到,我国在传感器的基础制造工艺等方面还不能和发达国家相提并论,许多核心技术以及芯片都要进口。与此同时,我们的传感器在国际上没有太大竞争力,产品研发和更新速度很低,缺少实用创新性[2]。

2.2 传统传感器缺点

以往的传感器和电涡流位移传感器比起来,具有以下几个方面的严重不足:

(1)输入一输出特性存在非线性且随时间而漂移;

(2)环境会干扰参数,使得测量结果发生漂移;

(3)因结构尺寸大,而时间响应特别差;

(4)易受噪声干扰、信噪比低;

(5)灵敏度或者分辨率不够理想。

2.3 电涡流式微位移传感器

本论文所要介绍的电涡流位移传感器,其工作原理是利用了涡流效应。该类型的传感器,通过涡流效应使相应的位移的变化,转换成线圈的阻抗值变化;
之后利用特定的电路将线圈阻抗值变化转换成为电压的变化,再进行检测和输出,根据相应的公式或者经验,能够还原成位移信息。这种传感器具有很多优点,比如具有很高的灵敏度、简单的结构以及及时的动态响应。该传感器广泛应用在测量振动和位移等信息量上。大体上输出的电压信号与位移的变化量是线性的关系,公式是ΔS=K・ΔV。其中K是系统的比例常数,在不同的传感器中根据系统结构的不同是不一样的。

2.4 电涡流式位移传感器测量原理

公式能够精确描述该原理。我们根据公式可以得知,在其他条件不变的情况下,Z(线圈的阻抗)与S一一对应。电涡流传感器测量位移的原理就是基于此公式,在特定的信号激励过程中,传感器会依据位移变化而产生电压的变化。

3.测量系统的硬件设计

3.1 主控芯片

本论文设计的电涡流微位移传感器使用的主控芯片是AT89S52单片机。MSC-51单片机是八位的非常实用的单片机。本论文所使用的AT89S52单片机就是基于这款单片机的。MSC-51单片机的基本架构被ATMEL公司购买,继而在其基本内核的基础上加入了许多新的功能,同时扩展了芯片的容量以及加入flash闪存等等。51内核的单片机具有很多优点,因此无论是在工业上还是在一些电子产品上应用都很多。全球也有许多大公司对其进行扩展,加入新的功能。即使是在今天,51单片机仍然在控制系统中占据很大市场[4]。

下面对本论文所使用的单片机作简要介绍。AT89S52单片机具有最大能够支持的64K外部存储扩展,同时还具有8K字节的Flash空间。该单片机具有4组I/O口,分别是从P0到P3,同时每组端口具有8个引脚。每个引脚除了能够作为普通的输入和输出端口外,还具有其它功能,也就是我们通常所说的引脚复用。其还具有断电保护、看门口、计时器和定时器。51单片机一般的工作电压是5V。

3.2 显示模块

本论文设计的LCD1602电路,该液晶模块能够显示2行*16列的字符,相对于数码管而言,显示更加灵活多变。该液晶模块用来显示其测量处理后的数据。

4.测量系统的软件设计

本论文的主程序循环采集电量的变化,并实时显示在液晶模块上。系统软件是指完成系统设计功能的软件。为了提高系统的实时性、可靠性,在编写系统应用软件时,主要考虑以下两方面:

(1)提高系统抗干扰性能。在工业现场不可避免的有各种抗干扰因素。因此本系统除了在硬件上硬件复位和加电容滤波外。在软件上,采用了指令冗余技术、延时消抖技术以及对位移大小采样值进行中值滤波的数字滤波方法,进一步提高系统的抗干扰能力。

(2)采用模块化编程。将系统的应用程序分为若干个功能模块,这些模块可以任意更改而不影响程序的其余部分,将各个功能模块程序调通后,再把各个功能模块结合起进行联调,这大大减少了调试时间,提高了程序的通用性,方便程序的修改和检查。

5.总结

电涡流位移传感器是一种基于电涡流效应的传感器,能够将位移的变化转换成电量的变化。本论文主要介绍了传统传感器的发展历程,进而介绍了电涡流式微位移传感器的测量原理和优势,并基于单片机设计了测量系统。

参考文献

[1]谭祖根,汪乐宇。电涡流检测技术[M].北京:原子能出版社,1986.

[2]于鹏,许媛媛。利用插值法和曲线拟合法标定电涡流传感器[J].中国测试技术,2007,1(33).

[3]要利鑫,鲍其莲。基于电涡流位移传感器和虚拟仪器技术的微小位移测量[J].测控技术,2006,5(26).

传感器是一种检测装置,其测量对象是被检测系统的信息,然后将其以不同的形式进行传输、处理和管理等工作,从而能够实现对被检测系统信息数据的自动测量和控制。简单来说,传感器的作用就是类似于人的感觉器官,帮助机电一体化系统探索和发现系统当中存在的问题。因此,将传感器技术应用于检测机电一体化系统的操作对象以及运行环境状态,能够精确、快速的获取机电一体化系统的运作信息,有效地提高了机电一体化系统的运行水平。目前,传感器技术已经被广泛用于人们的生活和生产当中,引起了人们的高度重视。但是与此同时,由于传感器技术在我国的起步较晚,在发展过程中仍然存在着一些局限性,因此为了提高传感器技术的精确度,还需要对其进行进一步的改进与完善。

2传感器技术在机电一体化中的应用价值

机电一体化技术包含机械制造技术、微电子技术、信息处理技术、自动控制技术以及人工智能技术等多方面内容,在发展过程中直接导致了自动化技术的产生。而从某种程度上说,传感器技术是机电一体化发展过程中不可缺少的关键技术,影响着机电一体化系统的自动化程度,具有非常重要的应用价值。

2.1传感器技术在机械加工过程中的应用

众所周知,在机械加工的过程中,需要检测的地方有很多,下面将从两个个方面进行简要介绍:第一,将传感器技术应用于机械的切削过程和机床运行过程。现阶段,在切削方面,传感器技术主要是对切削过程中的机械设备切削力的变化状态进行控制,通过分析这个过程当中的相关数据,从而实现对设备运行状态的了解,保证切削过程的顺利进行,提高切削过程的生产效率,以及降低材料的消耗量。将传感器技术应用到机床的运行当中,主要是为了对机床的驱动系统、温度进行检测,从而保证机床运行的安全性,通过分析得到的相应参数,从而不断提高机床的运行效率和精度。第二,将传感器技术应用到工件的生产过程。与切削和机床的运行过程相比,工件的生产过程监视是非常重要,而且研究和应用也是最早、最多的。首先,在加工之前需要对所用的加工设备和坯件进行自动检查,从而保证加工过程的正常进行,比如说自动判断和调整坯件的夹持方位等;
其次,在加工过程中,也有严格的要求,对切削的剫、力度、扭矩等参数都需要进行自动检测,以保证加工条件处于最佳状态,除此之外,对于在这个过程中加入传感技术的其他目的还在于提高切削过程的生产效率;
最后,在加工完成之后还需要对工件的合格与否进行测量,例如工件的尺寸、粗糙程度、形状等,由于检查的过程比较繁琐和复杂,所以这些检测需要能够自动的进行,并且可以将检测结果直接输入到下一道程序,从而选用合格的产品。

2.2传感器技术在汽车行业中的应用

近年来,随着传感器技术在汽车行业中的广泛应用,现代汽车不断朝着智能化、小型化和电子化发展,进入了全新时期。目前,在汽车的制造过程中,为了实现汽车的机电一体化,需要用自动控制系统来代替传统的机械式控制装置,将先进的监测和控制技术扩大到汽车的全身,从而全面改善汽车的功能,不断增加汽车的人性化服务、减少排气污染和汽油损耗、提高汽车的安全驾驶和舒适性。比如说,在实现汽车的一体化过程中,凡是和电子控制有关的系统或是装置都离不开传感器的应用,尤其是在安全报警装置、信息装置和自动变速器等装置当中,所以这也要求传感器能够适应恶劣的环境,无论是尘土弥漫还是风雨交加的时候,都能够保证具有很好的密封性,与此同时还应该具备一定的抗干扰能力,尤其是安装在汽车发动机内的传感器,需要能够承受得住发动机在工作时的高温和高压环境。

3我国传感器技术在机电一体化中的发展现状和未来方向

从我国现有的传感器技术发展现状来看,当前的传感器发展还不能够满足机电一体化系统的快速、精确和价格低廉的要求,仍然处于研究阶段,没有真正的实行于市场当中。这个问题的主要原因在于我国传感技术的起步较晚,科研技术水平比较低,所以为了提高传感器的整体水平,还需要对其进行不断的技术研究。除此之外,针对传感器技术在现实生活中的应用,其今后的发展方向还可以朝着加速开发新型敏感材料、向微型化发展、向高精度发展等方向发展。综上所述,目前将传感器技术的应用于机电一体化当中,不仅提高了机械设备的使用效率,而且促进了机械一体化的不断进步。但是与此同时,面对我国传感器技术发展较晚的现状,在实际应用过程中还存在着一些问题,需要对其进行有效的改进和完善,从而不断推动经济社会的发展。

关键词:生物传感器;
发酵工业;
环境监测。

中图分类号:TP212.3文献标识码:A文章编号:1006-883X(2002)10-0001-06

一、引言

从1962年,Clark和Lyons最先提出生物传感器的设想距今已有40年。生物传感器在发酵工艺、环境监测、食品工程、临床医学、军事及军事医学等方面得到了深度重视和广泛应用。在最初15年里,生物传感器主要是以研制酶电极制作的生物传感器为主,但是由于酶的价格昂贵并不够稳定,因此以酶作为敏感材料的传感器,其应用受到一定的限制。

近些年来,微生物固定化技术的不断发展,产生了微生物电极。微生物电极以微生物活体作为分子识别元件,与酶电极相比有其独到之处。它可以克服价格昂贵、提取困难及不稳定等弱点。此外,还可以同时利用微生物体内的辅酶处理复杂反应。而目前,光纤生物传感器的应用也越来越广泛。而且随着聚合酶链式反应技术(PCR)的发展,应

用PCR的DNA生物传感器也越来越多。

二、研究现状及主要应用领域

1、发酵工业

各种生物传感器中,微生物传感器最适合发酵工业的测定。因为发酵过程中常存在对酶的干扰物质,并且发酵液往往不是清澈透明的,不适用于光谱等方法测定。而应用微生物传感器则极有可能消除干扰,并且不受发酵液混浊程度的限制。同时,由于发酵工业是大规模的生产,微生物传感器其成本低设备简单的特点使其具有极大的优势。

(1).原材料及代谢产物的测定

微生物传感器可用于原材料如糖蜜、乙酸等的测定,代谢产物如头孢霉素、谷氨酸、甲酸、甲烷、醇类、青霉素、乳酸等的测定。测量的原理基本上都是用适合的微生物电极与氧电极组成,利用微生物的同化作用耗氧,通过测量氧电极电流的变化量来测量氧气的减少量,从而达到测量底物浓度的目的。

在各种原材料中葡萄糖的测定对过程控制尤其重要,用荧光假单胞菌(Psoudomonasfluorescens)代谢消耗葡萄糖的作用,通过氧电极进行检测,可以估计葡萄糖的浓度。这种微生物电极和葡萄糖酶电极型相比,测定结果是类似的,而微生物电极灵敏度高,重复实用性好,而且不必使用昂贵的葡萄糖酶。

当乙酸用作碳源进行微生物培养时,乙酸含量高于某一浓度会抑制微生物的生长,因此需要在线测定。用固定化酵母(Trichosporonbrassicae),透气膜和氧电极组成的微生物传感器可以测定乙酸的浓度。

此外,还有用大肠杆菌(E.coli)组合二氧化碳气敏电极,可以构成测定谷氨酸的微生物传感器,将柠檬酸杆菌完整细胞固定化在胶原蛋白膜内,由细菌—胶原蛋白膜反应器和组合式玻璃电极构成的微生物传感器可应用于发酵液中头孢酶素的测定等等。

(2).微生物细胞总数的测定

在发酵控制方面,一直需要直接测定细胞数目的简单而连续的方法。人们发现在阳极表面,细菌可以直接被氧化并产生电流。这种电化学系统已应用于细胞数目的测定,其结果与传统的菌斑计数法测细胞数是相同的[1]。

(3).代谢试验的鉴定

传统的微生物代谢类型的鉴定都是根据微生物在某种培养基上的生长情况进行的。这些实验方法需要较长的培养时间和专门的技术。微生物对底物的同化作用可以通过其呼吸活性进行测定。用氧电极可以直接测量微生物的呼吸活性。因此,可以用微生物传感器来测定微生物的代谢特征。这个系统已用于微生物的简单鉴定、微生物培养基的选择、微生物酶活性的测定、废水中可被生物降解的物质估计、用于废水处理的微生物选择、活性污泥的同化作用试验、生物降解物的确定、微生物的保存方法选择等[2]。

2、环境监测

(1).生化需氧量的测定

生化需氧量(biochemicaloxygendemand–BOD)的测定是监测水体被有机物污染状况的最常用指标。常规的BOD测定需要5天的培养期,操作复杂、重复性差、耗时耗力、干扰性大,不宜现场监测,所以迫切需要一种操作简单、快速准确、自动化程度高、适用广的新方法来测定。目前,有研究人员分离了两种新的酵母菌种SPT1和SPT2,并将其固定在玻璃碳极上以构成微生物传感器用于测量BOD,其重复性在±10%以内。将该传感器用于测量纸浆厂污水中BOD的测定,其测量最小值可达2mg/l,所用时间为5min[3]。还有一种新的微生物传感器,用耐高渗透压的酵母菌种作为敏感材料,在高渗透压下可以正常工作。并且其菌株可长期干燥保存,浸泡后即恢复活性,为海水中BOD的测定提供了快捷简便的方法[4]。

除了微生物传感器,还有一种光纤生物传感器已经研制出来用于测定河水中较低的BOD值。该传感器的反应时间是15min,最适工作条件为30°C,pH=7。这个传感器系统几乎不受氯离子的影响(在1000mg/l范围内),并且不被重金属(Fe3+、Cu2+、Mn2+、Cr3+、Zn2+)所影响。该传感器已经应用于河水BOD的测定,并且获得了较好的结果[4]。

现在有一种将BOD生物传感器经过光处理(即以TiO2作为半导体,用6W灯照射约4min)后,灵敏度大大提高,很适用于河水中较低BOD的测量[5]。同时,一种紧凑的光学生物传感器已经发展出来用于同时测量多重样品的BOD值。它使用三对发光二极管和硅光电二极管,假单胞细菌(Pseudomonasfluorescens)用光致交联的树脂固定在反应器的底层,该测量方法既迅速又简便,在4℃下可使用六周,已经用于工厂废水处理的过程中[5]。

(2).各种污染物的测定

常用的重要污染指标有氨、亚硝酸盐、硫化物、磷酸盐、致癌物质与致变物质、重金属离子、酚类化合物、表面活性剂等物质的浓度。目前已经研制出了多种测量各类污染物的生物传感器并已投入实际应用中了。

测量氨和硝酸盐的微生物传感器,多是用从废水处理装置中分离出来的硝化细菌和氧电极组合构成。目前有一种微生物传感器可以在黑暗和有光的条件下测量硝酸盐和亚硝酸盐(NOx-),它在盐环境下的测量使得它可以不受其他种类的氮的氧化物的影响。用它对河口的NOx-进行了测量,其效果较好[6]。

硫化物的测定是用从硫铁矿附近酸性土壤中分离筛选得到的专性、自养、好氧性氧化硫硫杆菌制成的微生物传感器。在pH=2.5、31℃时一周测量200余次,活性保持不变,两周后活性降低20%。传感器寿命为7天,其设备简单,成本低,操作方便。目前还有用一种光微生物电极测硫化物含量,所用细菌是Chromatium.SP,与氢电极连接构成[7]。

最近科学家们在污染区分离出一种能够发荧光的细菌,此种细菌含有荧光基因,在污染源的刺激下能够产生荧光蛋白,从而发出荧光。可以通过遗传工程的方法将这种基因导入合适的细菌内,制成微生物传感器,用于环境监测。现在已经将荧光素酶导入大肠杆菌(E.coli)中,用来检测砷的有毒化合物[8]。

水体中酚类和表面活性剂的浓度测定已经有了很大的发展。目前,有9种革兰氏阴性细菌从西西伯利亚石油盆地的土壤中分离出来,以酚作为唯一的碳源和能源。这些菌种可以提高生物传感器的感受器部分的灵敏度。它对酚的监测极限为5´10-9mol。该传感器工作的最适条件为:pH=7.4、35℃,连续工作时间为30h[9]。还有一种假单胞菌属(Pseudomonasrathonis)制成的测量表面活性剂浓度的电流型生物传感器,将微生物细胞固定在凝胶(琼脂、琼脂糖和海藻酸钙盐)和聚乙醇膜上,可以用层析试纸GF/A,或者是谷氨酸醛引起的微生物细胞在凝胶中的交联,长距离的保持它们在高浓度表面活性剂检测中的活性和生长力。该传感器能在测量结束后很快的恢复敏感元件的活性[10]。

还有一种电流式生物传感器,用于测定有机磷杀虫剂,使用的是人造酶。利用有机磷杀虫剂水解酶,对硝基酚和二乙基酚的测量极限为100´10-9mol,在40℃只要4min[11]。还有一种新发展起来的磷酸盐生物传感器,使用丙酮酸氧化酶G,与自动系统CL-FIA台式电脑结合,可以检测(32~96)´10-9mol的磷酸盐,在25°C下可以使用两周以上,重复性高[12]。

最近,有一种新型的微生物传感器,用细菌细胞作为生物组成部分,测定地表水中壬基酚(nonyl-phenoletoxylate--NP-80E)的含量。用一个电流型氧电极作传感器,微生物细胞固定在氧电极上的透析膜上,其测量原理是测量毛孢子菌属(Trichosporumgrablata)细胞的呼吸活性。该生物传感器的反应时间为15~20min,寿命为7~10天(用于连续测定时)。在浓度范围0.5~6.0mg/l内,电信号与NP-80E浓度呈线性关系,很适合于污染的地表水中分子表面活性剂的检测[13]。

除此之外,污水中重金属离子浓度的测定也是不容忽视的。目前已经成功设计了一个完整的,基于固定化微生物和生物体发光测量技术上的重金属离子生物有效性测定的监测和分析系统。将弧菌属细菌(Vibriofischeri)体内的一个操纵子在一个铜诱导启动子的控制下导入产碱杆菌属细菌(Alcaligeneseutrophus(AE1239))中,细菌在铜离子的诱导下发光,发光程度与离子浓度成正比。将微生物和光纤一起包埋在聚合物基质中,可以获得灵敏度高、选择性好、测量范围广、储藏稳定性强的生物传感器。目前,这种微生物传感器可以达到最低测量浓度1´10-9mol[14]。

还有一种专门测量铜离子的电流型微生物传感器。它用酒酿酵母(Saccharomycescerevisiae)重组菌株作为生物元件,这些菌株带有酒酿酵母CUP1基因上的铜离子诱导启动子与大肠杆菌lacZ基因的融合体。其工作原理,首先是CUP1启动子被Cu2+诱导,随后乳糖被用作底物进行测量。如果Cu2+存在于溶液中,这些重组体细菌就可以利用乳糖作为碳源,这将导致这些好氧细胞需氧量的改变。该生物传感器可以在浓度范围(0.5~2)´10-3mol范围内测定CuSO4溶液。目前已经将各类金属离子诱导启动子转入大肠杆菌中,使得大肠杆菌会在含有各种金属离子的的溶液中出现发光反应。根据它发光的强度可以测定重金属离子的浓度,其测量范围可以从纳摩尔到微摩尔,所需时间为60~100min[15][16]。

用于测量污水中锌浓度的生物传感器也已经研制成功,使用嗜碱性细菌Alcaligenescutrophus,并用于对污水中锌的浓度和生物有效性进行测量,其结果令人满意[17]。

估测河口出水流污染情况的海藻传感器是由一种螺旋藻属蓝细菌(cyanobacteriumSpirlinasubsalsa)和一个气敏电极构成的。通过监测光合作用被抑制的程度来估测由于环境污染物的存在而引起水的毒性变化。以标准天然水为介质,对三种主要污染物(重金属、除草剂、氨基甲酸盐杀虫剂)的不同浓度进行了测定,均可监测到它们的有毒反应,重复性和再生性都很高[18]。

近来由于聚合酶链式反应技术(PCR)的迅猛发展及其在环境监测方面的广泛应用,不少科学家开始着手于将它与生物传感器技术结合应用。有一种应用PCR技术的DNA压电生物传感器,可以测定一种特殊的细菌毒素。将生物素酰化的探针固定在装有链酶抗生素铂金表面的石英晶体上,用1´10-6mol的盐酸可以使循环式测量在同一晶体表面进行。用细菌中提取的DNA样品进行同样的杂交反应并由PCR放大,产物为气单胞菌属(Aeromonashydrophila)的一种特殊基因片断。这种压电生物传感器可以鉴别样品中是否含有这种基因,这为从水样中检测是否含带有这种病原的各种气单胞菌提供了可能[19]。

还有一种通道生物传感器可以检测浮游植物和水母等生物体产生的腰鞭毛虫神经毒素等毒性物质,目前已经能够测量在一个浮游生物细胞内含有的极微量的PSP毒素[20]。DNA传感器也在迅速的得到应用,目前有一种小型化DNA生物传感器,能将DNA识别信号转换为电信号,用于测量水样中隐孢子和其他水源传染体。该传感器着重于改进核酸的识别作用和加强该传感器的特异性和灵敏性,并寻求将杂交信号转化为有用信号的新方法,目前研究工作为识别装置和转换装置的一体化[21]。

微藻素是一种从蓝藻细菌引起的水华中产生的细菌肝毒素,一种固定有表面细胞质粒基因组的生物传感器已经制得,用于测量水中微藻素的含量,它直接的测量范围是50~1000´10-6g/l[22]。

一种基于酶的抑制性分析的多重生物传感器用于测量毒性物质的设想也已经提出。在这种多重生物传感器中,应用了两种传导器—对pH敏感的电子晶体管和热敏性的薄膜电极,以及三种酶—尿素酶、乙酰胆碱酯酶和丁酰胆碱酯酶。该生物传感器的性能已经得到测试,效果较好[23]。

除了发酵工业和环境监测,生物传感器还深入的应用于食品工程、临床医学、军事及军事医学等领域,主要用于测量葡萄糖、乙酸、乳酸、乳糖、尿酸、尿素、抗生素、谷氨酸等各种氨基酸,以及各种致癌和致变物质。

三、讨论与展望

美国的HaroldH.Weetal指出,生物传感器商品化要具备以下几个条件:足够的敏感性和准确性、易操作、价格便宜、易于批量生产、生产过程中进行质量监测。其中,价格便宜决定了传感器在市场上有无竞争力。而在各种生物传感器中,微生物传感器最大的优点就是成本低、操作简便、设备简单,因此其在市场上的前景是十分巨大和诱人的。相比起来,酶生物传感器等的价格就比较昂贵。但微生物传感器也有其自身的缺点,主要的缺点就是选择性不够好,这是由于在微生物细胞中含有多种酶引起的。现已有报道加专门抑制剂以解决微生物电极的选择性问题。除此之外,微生物固定化方法也需要进一步完善,首先要尽可能保证细胞的活性,其次细胞与基础膜结合要牢固,以避免细胞的流失。另外,微生物膜的长期保存问题也待进一步的改进,否则难于实现大规模的商品化。

总之,常用的微生物电极和酶电极在各种应用中各有其优越之处。若容易获得稳定、高活性、低成本的游离酶,则酶电极对使用者来说是最理想的。相反的,若生物催化需经过复杂途径,需要辅酶,或所需酶不宜分离或不稳定时,微生物电极则是更理想的选择。而其他各种形式的生物传感器也在蓬勃发展中,其应用也越来越广泛。随着固定化技术的进一步完善,随着人们对生物体认识的不断深入,生物传感器必将在市场上开辟出一片新的天地。

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参考文献

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TheRecentResearchAndApplicationOfBiosensor

Abstract:Inthisarticle,therecentresearchprogressandapplicationofbiosensors,

especiallythemicro-biosensors,arereviewed,andtheprospectofbiosensorsdevelopmentisalso

prognosticated.Biosensorsaremadeupofbioelectrode,usingimmobileorganism

assensitivematerialformoleculerecognition,togetherwithoxygen-electrode,

membrane-eletrodeandfuel-electrode.Biosensorsarebroadlyusedinzymosisindustry,environmentmonitor,

foodmonitorandclinicmedicine.Fast,accurate,facilitateasbiosensorsis,therewill

beanexcellentprospectforbiosensorsinthemarket

Keywords:Biosensor,Zymosis-Industry,Environment-Monitor

作者简介:

何星月:中国科学技术大学生命科学院,合肥230027

关键词:传感器技术 课程教学 改革 探索

中图分类号:G642 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2014)03(b)-0184-02

《传感器技术及应用》课程机械工程专业学生必修的专业基础课,该课程内容涉及大学物理、电工电子、电磁学、计算机技术等多门基础课程的专业知识,具有课程知识面广、综合性强、学时少等特点[1]。特别是机械专业学生对电工电子、电磁学及计算机等知识相对欠缺,初次接触系统静、动态特性、直流/交流电桥等抽象概念,学生一致反映《传感器技术及应用》课程存在学习难度大、课程内容松散、缺乏感官认识等问题。随着现代工业自动化技术的发展,传感器已经成为自动检测控制系统不可或缺的重要环节,例如新机械产品制造及装配、下线检测及设备状态诊断等均以传感器为基础[2]。因此,《传感器技术及应用》课程在机械工程专业课程体系中具有越来越突出的地位。为了保证机械工程专业学生更好地理解和掌握传感器工作原理、最新技术及典型工程应用,适应学校培养创新型工程应用人才的需求,必须对《传感器技术及应用》课程的教学过程进行改革,以提高课程教学质量。

1 传统教学及改革探索

1.1 传统教学

《传感器技术及应用》课程的传统教学是以教师为主体,采用灌输式讲授教学模式,并辅以少量传感器视频与动画,整个教学过程教师作为主体灌输知识,学生作为被动角色,被动吸收知识,传统教学无法激发学生的学习积极性,更不利于培养学生创新型思维模式。此外,由于《传感器技术及应用》课程涉及知识面宽,学生无法在课堂学习时有效将已有知识灵活运用于新知识的理解和学习,使学生感觉《传感器技术及应用》课程知识学习难度大,从而学生容易丧失学习该课程的兴趣和积极性,甚至产生厌学心理[3],这将使该课程的教学过程变得异常艰难,课程教学质量更无从保证。

1.2 教学改革探索

1.2.1 教学内容的优化与整合

《传感器技术及应用》课程包括以下内容:传感器一般特性、电阻应变式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器、磁电式传感器、热电式传感器、光电式传感器及计算机测试系统等。

通过对课程主要内容的细致分析和研究,将每类传感器的学习内容分为基础知识、基本原理、实物及影像资料观摩、典型应用等四方面内容。其中基础知识首先为学生讲解该类传感器所用到的前期知识体系,便于学生与自身已有知识有效融合起来,消除学生对后续原理学习的畏惧心理;
通过基础知识讲解,运用剖析法将该类传感器基本原理拆解,指出该类传感器工作特点和工作方式;
在学生掌握传感器基本工作原理基础上,任课教师利用自己科研资源和学院的科研资源,尽可能将传感器实物至少是影像资料为学生展示;
同时结合该类传感器的典型应用场合和安装工作方式给予详细讲解。优化整合后的教学内容不仅兼顾由浅及深的教学思路,使学生在学习初期接受起来相对容易,引起学生的学习兴趣和积极性;
而且使教学内容的每部分具有统一的模式,使学生学习起来思路清晰,同时便于学生课后复习和自学。另外,在教学过程中,将科研项目中用到的传感器应用实例融合到课堂的教学内容,保证了教学内容的实时性和前沿性。

1.2.2 教学方法探索

随着传感器技术的发展,本课程的教学内容快速膨胀,传统的教学思想和教学模式已经无法适应课程教学任务。然而,以“学生主体+教师主导”的新教学模式能够最大化发挥教师的导引作用和学生的主观能动作用,从而新教学模式更适应《传感器技术及应用》课程的快速发展。

在新教学模式体系下,课程教学采用任课教师启发式引导、案例解析及课堂小组讨论等相结合的教学方法。在教学过程中,注重以日常生活实例和工程案例启发学生,引导学生对实例和案例中所涉及的传感器基本原理和知识展开讨论,充分发挥学生的教学主体作用,借此调动学生积极性和激发学生独立思考、分析和解决问题的能力,逐步培养其理论知识的工程运用能力。同时,为了方便学生课后预习课程涉及到的基础知识,在每节内容讲授完毕后,教师列出下节内容涉及的基础知识,以便学生课后可以及时温习,从而保证下节课内容的学习。

1.2.3 教学手段的丰富

在教学手段方面,采用多元化教学手段,将多媒体教学、黑板教学及实物教学等多种手段有机结合起来。课程充分利用多媒体教学能够很好地把概念、图形、动画、视频及声音等信息载体有机结合的特点[4],将一些传统黑板教学手段难以表达的教学内容和无法观察的现象采用图文并茂、灵活多样的多媒体方式生动形象地展示给学生,确保学生能够从认知的角度建立传感器技术的相关概念,力求教学过程与教学效果达到最优化。对于理论抽象的教学内容(例如传感器动态特性章节)则采用黑板式教学与仿真演示相结合手段,通过对公式的详细推导和仿真,加深学生对公式掌握和理解。对于应用性强的教学内容(如传感器原理、信号调理等)则采用多媒体教学、黑板教学及实物教学相结合手段进行讲授,提高学生对教学内容的工程应用能力。

1.2.4 考评体系的创新

在课程考核方面,传统“闭卷考试”的考核模式具有诸多弊端:一是学生临时突击,放松平时学习;
二是难以考查学生的知识综合运用能力。为了改善传统考核模式的不足,提出“平时作业20%+课堂讨论表现30%+期末考试50%”,避免了传统依据考试结果定水平的不足,新考评体系重在促进学生的学习主动性,考核学生的知识综合应用能力。平时作业以大作业为主,重点培养学生的探索意识和知识综合运用能力;
课堂讨论以工程案例为对象,通过考评学生参与分析讨论的积极性和主动性,培养其运用知识分析解决问题的能力;
同时,为了考评学生对课程基本知识的掌握程度,在期末辅以闭卷考试,以确保学生对基础知识的理解和掌握。

2 结语

《传感器技术及应用》课程教学的改革探索,使我们充分认识到教学改革是一个与时俱进的过程,在未来的教学过程中还有待进一步优化和完善课程教学内容、教学方法、教学手段及考评体系。

参考文献

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摘 要:介绍了一种基于高精度数字温度传感器LM92CIM、单片机AT89C2051

和集成无线收发芯片nRF4

>>高精度温度\压力\电流综合传感器及其测控仪表的设计 高精度数字温度传感器在烟叶烤房温度控制系统中的应用 DS18S20温度传感器的高精度测温及校正算法 压力传感器高精度温度补偿的软件实现 高精度校准测试压力传感器装置及其测试平台设计 无线温度传感器的设计 高精度扭矩传感器制作工艺方法 集成温度传感器LM94022及其应用 浅析无线传感器网络及其应用 井下无线瓦斯传感器及其应用研究 无线传感器网络及其应用研究 浅谈无线传感器网络技术及其应用 无线传感器及其路由 基于高精度倾角传感器的桥梁线形监测系统在工程中的应用 温度传感器 无线传感器网络在酒窖温度监测中的应用 无线红外温度传感器的设计 无线温度传感器网络节点设计研究 基于ZigBee无线传感器网络的温度测量 基于无线传感器网络的温度监测系统 常见问题解答 当前所在位置:中国论文网 >科技 >高精度无线温度传感器及其应用 高精度无线温度传感器及其应用 杂志之家、写作服务和杂志订阅支持对公帐户付款!安全又可靠! document.write("作者:未知 如您是作者,请告知我们")

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摘 要:介绍了一种基于高精度数字温度传感器LM92CIM、单片机AT89C2051

和集成无线收发芯片nRF403的无线温度传感器原理和应用。关键词:温度传感器;
无线通信;
单片机

关键词:CBM;
车辆;
维修

中图分类号:U472文献标识码:A

CBM是随着状态监控和故障诊断技术的不断发展而逐步出现的,通过内置传感器或便携式外部检测设备进行测试,获取装备运行的特征量信息,借助各种智能推理算法(如物理模型、神经网络、数据融合、模糊逻辑、专家系统等)实时评估装备的技术状态,在装备故障发生前对其剩余寿命进行预测,并根据各种可利用的资源信息结合不同的决策目标实施决策的维修过程。

在CBM理论研究方面,主要是以状态监测和故障诊断为主,对维修决策研究不够。特别是对状态模型、维修决策模型的建立、求解以及应用都缺乏深入系统的研究。但仍然取得了一些成绩,如唐红芳对汽轮机转子和汽缸的二维模型进行了分析,建立了有限元模型,并采用C++语言编制了汽轮机以及缸体的温度场实时在线监测程序[1];
张秀斌、王广伟等应用比例风险模型(PHM)建立系统运行状态与故障率之间的关系,并给出了维修状态阈值[2];
袁志坚提出了一种电力变压器状态维修策略的模糊多属性群决策方法,并通过某一变压器状态维修方案的决策过程,采用折衷型群决策方法具体探讨了模糊多属性群决策方法在变压器状态维修决策中的应用[3];
董玉亮提出了多状态特征参数变权模糊综合状态评价方法,利用设备的监测诊断、维修历史数据等信息,使状态评价的结果更贴近设备的实际运行状态,并利用这些结果建立了维修任务决策及优化模型[4];
吕文元、杨远涛等利用滤波理论建立设备预测维修的优化模型[5];
北京航空航天大学曾声奎结合故障预测与健康管理(PHM)的技术发展过程,阐述了PHM的应用价值[6];
邱立鹏在其硕士论文中阐述了基于各种指标的预测分析技术,并使用C++开发了一套完整的基于Microsoft Window9x对设备剩余寿命进行分析和预测的软件[7]。

1先进传感器技术

精确、及时、高效的数据是应用CBM的基础,而传感器作为获取装备状态数据的一种有效工具,在CBM系统中具有重要的作用。传感器技术作为一门专项技术,是以传感器为核心,涉及测量技术、功能材料、微电子技术、精密与微细加工技术、信息处理技术和计算机技术等相互融合的技术密集型综合技术,其发展趋势主要体现在:发现新效应,开发新材料、新功能;
向多功能集成化和微型化发展;
传感器的数字化、智能化和网络化发展趋势日益明显。

目前有很多先进的传感器技术被应用于CBM系统中,如光纤传感器、压电传感器、碳纳米管、微电子机械系统等,这些新型的传感器具有精度高、使用范围广、工作温度范围大、智能化程度高等特点。在CBM系统中应用传感器主要涉及两个问题:

1.1传感器的选择

传感器的选择是获取装备状态数据的首要环节,这是因为传感器一旦确定,与之相匹配的数据处理、故障诊断及其相关仪器设备也就确定。因此测试结果的好坏,在很大程度上取决于传感器的选取是否恰当。传感器选择的一般步骤如图1所示。

1.2传感器的安装与使用

传感器作为一种精密器件,只有正确的安装与使用才能发挥其应有的工作性能,因而在其安装与使用过程中,除了要遵循精密器件一般安装使用规定外,还需要特别遵守如下注意事项:1)选择合适的测试点并正确安装传感器;
2)为确保被测信号的有效、准确传输,传感器的电源电缆、数据传输线要符合规定,正确安装;
3)传感器的定期标定与校准是保证数据采集系统正常功能的必要步骤。

2数据传输与预处理技术

2.1数据传输技术

目前主要有两种数据传输方式,即有线传输和无线传输。有线传输是较为成熟的一种传输方式,主要是通过各种有线数据总线和各种网络如Internet、Ethernet LAN(local area network)等进行数据的传输,并且大多都有各种通信标准、网络协议如TCP/IP、UDP/IP等可以遵循。其数据传输的一般过程是,首先通过各种线缆将传感器的数据采集并存储在部件级的监测系统中,然后通过特定的有线网络将部件级的监测数据传输到中央级存储和监测处理系统。图2为两种数据传输方式的简单系统构成。

2.2数据预处理技术

由于不同的状态监测、健康评估和故障预测方法要求不同的数据类型,需要对采集的原始数据信息进行各种预处理,以使数据格式满足后续处理的要求,同时也将便于传输和存储。预处理包括数据的模数转换、去噪声、高通滤波、压缩、信号自相关等。数据处理方式和技术要根据不同的目的进行选择,如特征提取技术是为了进行故障识别和故障隔离;
数据简化是为了剔除不必要冗余的原始数据便于进一步处理;
循环计数方法则是为了便于将连续的数据信息转化为离散的数据信息等。

3信息融合技术

传统的信息/数据融合是指多传感器的信息/数据在一定准则下加以自动分析、综合以完成所需的决策和评估而进行的信息处理过程。

信息融合系统的结构目前尚无形成统一的分类形式,从信息融合的功能角度,可将信息融合过程分为5层,即:检测级(判决)融合、状态级(跟踪)融合、属性级(目标识别)融合、态势评估和威胁估计,如图3所示,其中状态评估和威胁估计主要用于军事领域。

检测级融合的功能主要是判断目标的有无;
状态级融合的功能是估计目标的状态(距离、运动速度等);
属性级融合的目的是确定目标的身份。这3个层次的融合各有特点。在具体的应用中应根据融合的目的和条件选用。

4结论

本文贯穿车辆CBM应用流程的整个环节,利用RCM分析方法确定CBM的实施对象,明确了CBM在车辆维修中的关键技术,分析了关键技术的具体内容,为车辆开展状态维修提供了技术支持。

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利用滤波理论建立设备预测维修的优化模型[J]. 东北电力学院学报,2000,20(1):22-24.

关键词:传感器实验;
教学改革;
创新人才培养

中图分类号:G642文献标识码:A文章编号:1009-3044(2007)18-31739-01

Experimental Teaching Reform of Sensors Course

ZHANG Huai,Chen Fu-jun,YANG Yong,LIANG Feng

(Huanghuai University,Zhumadian 463000,China)

Abstract:Sensors is a most practical course, the students can verify theories through an experiment, and can strengthen the cultivation of the student’s innovation and practice ability. Aimed at the present situation of the experimental teaching for sensor of our university, we do some beneficial reform and the aim is to improve the practice ability of students and cultivate the innovative talents.

Key words:sensor experiment;teaching reform;cultivation of innovative talents

传感器技术作为现代三大信息技术之一,广泛应用于工农业生产及日常生活中,是测控过程中反映被测对象、保证控制质量的重要一环,也是自动化、测控技术、机械电子等专业的一门实践性和应用性很强的基础课。随着计算机技术,信息技术和网络技术的发展,传感器技术与应用也飞速发展,而传统的传感器教学尤其是实践环节的教学迫切需要改革创新。为此,针对我校传感器实验教学的现状做一些有益的改革,旨在提高学生对传感器原理及特性的理解并进而达到设计和应用的目的,培养高素质技能型人才。

1 我国传感器及实验教学的发展及需求

传感器及智能仪器仪表自上个世纪60年代以来一直作为自动化、测控技术、机械电子等专业的一门专业课程,特别是进入80年代后,国际上出现了“传感器热”:日本把传感器技术列为80年代十大技术之首,美国把传感器技术列为90年代的关键技术,我国把传感器技术列为“八五”、“九五”的重点研究项目之一;
并且2003年3月国家教育部紧跟国际科技发展步伐,已将传感器的教学纳入到普通高级中学物理课程的教学体系中。由此可见,传感器在当今科技发展及国民教育体系中所处的重要地位。而对于传感器本身又是一门实践性和应用性很强的学科,而且传感器实验教学是整个教学环节中的一个重要子系统,因此,加强传感器实验教学以适应我国高等教育的任务――培养学生创新精神和实践能力的需求。

2 传感器实验教学的现状

长期以来,理论教学重于实验教学的观念根深蒂固,影响了传感器教学的效果。传统的传感器教学尤其是实践性环节迫切需要改革创新。传统的传感器实验教学的问题主要反映在以下几个方面:

2.1教学中存在不重视实验的倾向

实验教学是理论知识和实验活动、间接经验与直接经验、抽象思维和形象思维、传授知识与训练技能相结合的过程。但是,对传感器实验教学现状的调查结果表明,目前很多高校在教育观念上,仍存在着重理论、轻实践,重理论知识传授、轻动手能力培养的倾向,在课程体系上,实验教学少有独立的教学体系以及相应的学分评价体系,实验课从属于理论课,实验内容含在理论课程中,实验学时与内容的开设随意性强,随意削减实验学时成为普遍现象,实验课时同理论课时比例不太合理等问题,从而大大影响了学生对传感器特性的理解及在传感器应用中解决实际问题能力的培养。

2.2实验项目验证型多于设计型

目前,我系使用的传感器实验装置是由浙江高联科技开发公司提供的CSY2000D型传感器检测技术实验台,它所提供的实验项目大多为验证性实验,虽然各传感器透明式封装比较直观,但缺乏设计性、综合性要求,与工程实践脱节严重。

2.3教学方式单调枯燥

传统的传感器实验教学是注入式的,从实验原理、步骤、实验注意事项,甚至连实验结果都面面俱到地由老师讲解,然后由学生“按方抓药”地操作。这使学生处于消极被动的地位,影响其学习主观能动性的发挥,严重阻碍了学生的全面综合素质的培养。

2.4实验经费投入不足

实验室建设对各高校来说是一项重要的投资,特别是对于一般的普通高校在资金有限的情况下,对实验室的建设投入更少;
而传感器又是精密测量仪器,一般单个售价都在50元以上,我系于2003年购置的6台CSY2000D型传感器检测技术试验台就高达1.83万元/台。因此,在资金紧张的情况下,使得高校扩招后由原来的一名学生一台设备,改为2~3人一组,这样在实验过程中往往一个学生做,同组人旁观,教学效果很不理想。

3 改革与探讨

实验教学是高等院校教学的重要组成部分,是对课堂所学理论知识的直观认识和拓展应用,是学生理论联系实际的重要途径,它在培养学生综合素质和创新能力方面有着不可替代的重要作用。因此传感器实验教学必须从理论教学中解脱出来,实验教学应与本课程特点紧密结合,做一次全面的改革:

3.1深化传感器实验教学改革,着力培养学生动手能力

为推进我国全面的素质教育,培养学生创新精神和实践能力,根据传感器实验教学的现状和面临的问题,充分调研,对目前的传感器实验教学进行全面改革:从本科培养计划的约束,到实际实验教学的实施;
从教师的教学观念,到学生的实验的目的等各方面都要充分认识到传感器实验在传感器教学中的重要性,在实际实验教学中不断培养学生独立的操作动手能力。

总体上说,注重引导,加强实验考核,使学生普遍对实验重视程度提高,能主动预习准备实验,甚至带着问题进实验室,学生的动手能力明显增强。

3.2切实加强传感器实验室基础建设和科学管理制度

实验器材是开展实验教学活动的基础平台,虽然传感器实验器材价格相对较贵,但也应逐渐增加传感器实验室经费的投入,除了确保正常的教学实验所需各项经费外,还要投入一定经费改进和完善现有仪器设备。同时,还要加强实验室科学管理制度的建设,现在各高校的实验室管理专职人员紧缺,一般由理论课老师来担任实验的教学和实验室管理,其间存在管理漏洞,仪器损坏无法及时维修,严重影响实验教学的开展。因此,传感器实验室要根据本学科的特点和自身条件建立切实可行的实验室管理制度和实验操作规程,逐渐形成较为完整的实验教学管理和保证体系。

3.3加快传感器实验教材的编写

实验教材是提高实验教学质量的重要环节。传感器实验是近几年才在各高校普遍开设,据调查现阶段各高校采用的传感器实验教材都是在厂家提供的仪器使用指南的基础上编写的讲义,缺乏规范性、普适性。根据高][校实验教学改革和本学科发展的现状更新充实实验教学内容和教学方法,编写配套的、高水平的传感器实验教材是刻不容缓的。

3.4改革传感器实验教学的内容及方法

3.4.1实验教学内容的改革

为了突出实践教学,培养学生的应用意识、工程实践能力,使学生“消化理论、发展能力”我们对该课程的实验内容进行了较大改革:一方面保留了一些基础验证性实验,如电阻应变、电涡流位移特性、光纤传感器位移特性实验等,使学生通过这些实验,理解传感器的基木原理和特性,消化教学内容;
另一方面开设一些设计性实验,如我们利用电阻应变片设计了数字电子秤,以及结合单片机知识设计出自动避障小车和全自动洗衣机控制器等,通过学生自己制作出一些小产品模型,使学生进一步认识到课堂中学过的传感器在其中的限位、距离检测等作用。在教学过程中除了要求学生写出实验报告外还要求撰写设计论文,这样更能够将设计思想、方案论证、技术路线等一些列创造性工作反映出来,同时还可锻炼学生的总结能力,为将来撰写科技论文奠定基础。

3.4.2实验教学方法的改革

实验课是验证理论、应用理论、锻炼学生动手能力的重要环节。在实验指导的方法上,我们进行了一些改革探索,在实验指导过程中,注意因材施教,采用启发式教学方法,提示学生是否有更好的改进方法等等。如电阻应变实验中对电子秤标定时反复调节Rw3、Rw4直至托盘空时电压表显示为0v、200g砝码时显示为0.2v。反复调节最终是可以达到要求,当学生反复调节几次没达到预期要求时可能不耐烦了,这时提示学生根据电阻应变式传感器的测力原理及输入输出特性――线性关系,分析电路中Rw3、Rw4的作用可以看出Rw3起调节放大倍数――即线性关系中的斜率、Rw4起零点参考电压调节――线性关系中的初始值的作用,经过这样比较对应后,很快可以得出这样的快速调节方法:当托盘空时,调节Rw4使电压表显示为零;
然后将10个砝码全放入托盘,调节Rw3使电压表显示为0.2v;
然后去掉全部砝码记下此时电压表读数v0 (如0.002v);
再将砝码全放入托盘调节Rw4使电压表显示为0.2-v0(如0.198v);
最后再调节Rw3使电压表显示为0.2v即可。通过像这个实验一样的实验教学方法改革,我们认识到如果在每次实验指导中都能够采用启发式的方法启迪学生,发展学生的发散思维能力,那么一定能使学生举一反三,达到学以致用的目的,同时还可激发学生的创新兴趣。

3.5建立科学的实验考核方案

成绩评定方式对于实验教学十分重要,它是这次传感器实验教学改革实施的总体指挥棒。学生最关心的就是成绩,我们要充分利用这一法宝设计较为合理的考核方案,既能达到考察的目的,同时使学生通过试验不仅能很好理解理论知识,还可以培养学生的动手、创新能力。为此,将成绩评价定位在是否理解并灵活应用所学知识,以及鼓励创新思想和创新实践过程,而不仅仅是结果正确与否。在总结多年实验课经验的基础上,采用两种结果验收相结合的形式,一种形式是当面验收,通过演示和口头介绍展示实验过程及实验效果,并完成高质量的实验报告(包括利用VC、vb、matlab等软件实现对测量数据的分析及相应的改进措施和仿真),这种方式是学生实践活动结果的直观体现;
另一种形式是提交撰写设计论文,相对与前者,这种形式更能够将设计思想、方案论证、技术路线等一些列创造性工作反映出来,同时还可锻炼学生的总结能力,为将来撰写科技论文奠定基础。学生的最终实验成绩是这两部分成绩的综合。

4 结束语

关于传感器实验课教学改革涉及面广,环节多,是个比较复杂的问题。我们只是在这方面做了一些有益的尝试,并取得了一定的成功经验。我们改革的目的很明确,就是要让学生感觉到每一个实验都是一次挑战,要想取得成功必须要有充分的准备、严谨的态度、细致的操作和灵活的思维。每一次实验的完成,不仅要让学生的实验能力得到充分的训练和提高,更重要的是要激发学生的主观能动性和创造性。只有这样才能为国家培养出具有较高的全面素质的一流人才。

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关键词:贝叶斯估计信息融合障碍探测智能驾驶

随着传感器技术、信息处理技术、测量技术与计算机技术的发展,智能驾驶系统(辅助驾驶系统一无人驾驶系统)也得了飞速的发展。消费者越来越注重驾驶的安全性与舒适性,这就要求传感器能识别在同一车道上前方行驶的汽车,并能在有障碍时提醒驾驶员或者自动改变汽车状态,以避免事故诉发生。国际上各大汽车公司也都致力于这方面的研究,并开发了一系列安全驾驶系统,如碰撞报警系统(CW)、偏向报警系统(LDW)和智能巡游系统(ICC)等。国内在这些方面也有一定的研究,但与国外相比仍存在较大的差距。本文将主要讨论多传感器信息融合技术在智能驾驶系统(ITS)中的应用。

1ICC/CW和LDW系统中存在的问题

1.1ICC/CW系统中的误识别问题

ICC/CW系统中经常使用单一波束传感器。这类传感器利用非常狭窄的波束宽度测定前方的车辆,对于弯曲道路(见图1(a)),前后车辆很容易驶出传感器的测量范围,这将引起智能巡游系统误加速。如果前方车辆减速或在拐弯处另一辆汽车驶入本车道,碰撞报警系统将不能在安全停车范围内给出响应而容易产生碰撞。类似地,当弯曲度延伸时(见图1(b)),雷达系统易把邻近道路的车辆或路边的防护栏误认为是障碍而给出报警。当道路不平坦时,雷达传感器前方的道路是斜向上,小丘或小堆也可能被误认为是障碍,这些都降低了系统的稳定性。现在有一些滤波算法可以处理这些问题并取得了一定效果,但不能彻底解决。

1.2LDW系统中存在的场景识别问题

LDW系统中同样存在公共驾驶区场景识别问题。LDW系统依赖于一侧的摄像机(经常仅能测道路上相邻车辆的位置),很难区分弯曲的道路和做到多样的个人驾驶模式。LDW系统利用一个前向摄像机探测车辆前方道路的地理状况,这对于远距离测量存在着精确性的问题,所有这些都影响了TLC(Time-to-Line-Crossing)测量的准确性。现常用死区识别和驾驶信息修订法进行处理,但并不能给出任何先验知识去识别故障。

2多传感器信息融合技术在ITS系统中的应用

针对以上系统存在的一些问题,研究者们纷纷引入了多传感器信息融合技术,并提出了不同的融合算法。基于视觉系统的传感器可以提供大量的场景信息,其它传感器(如雷达或激光等)可以测定距离、范围等信息,对两方面的信息融合处理后能够给出更可靠的识别信息。融合技术可以采用Beaurais等人于1999年提出的CLARK算法(CombinedLikelihoodAddingRadar)和InstitudeNeuroinformatik提出的ICDA(IntegrativeCouplingofDifferentAlgorithms)算法等方法实现。

2.1传感器的选择

识别障碍的首要问题是传感器的选择,下面对几种传感器的优缺点进行说明(见表1)。探测障碍的最简单的方法是使用超声波传感器,它是利用向目标发射超声波脉冲,计算其往返时间来判定距离的。该方法被广泛应用于移动机器人的研究上。其优点是价格便宜,易于使用,且在10m以内能给出精确的测量。不过在ITS系统中除了上文提出的场景限制外,还有以下问题。首先因其只能在10m以内有效使用,所以并不适合ITS系统。另外超声波传感器的工作原理基于声,即使可以使之测达100m远,但其更新频率为2Hz,而且还有可能在传输中受到其它信号的干扰,所以在CW/ICC系统中使用是不实际的。

表1传感器性能比较

传感器类型优点缺点

超声波

视觉

激光雷达

MMW雷达价格合理,夜间不受影响。

易于多目标测量和分类,分辨率好。

价格相合理,夜间不受影响

不受灯光、天气影响。测量范围小,对天气变化敏感。

不能直接测量距离,算法复杂,处理速度慢。

对水、灰尘、灯光敏感。

价格贵

视觉传感器在CW系统中使用得非常广泛。其优点是尺寸小,价格合理,在一定的宽度和视觉域内可以测量定多个目标,并且可以利用测量的图像根据外形和大小对目标进行分类。但是算法复杂,处理速度慢。

雷达传感器在军事和航空领域已经使用了几十年。主要优点是可以鲁棒地探测到障碍而不受天气或灯光条件限制。近十年来随着尺寸及价格的降低,在汽车行业开始被使用。但是仍存在性价比的问题。

为了克服这些问题,利用信息融合技术提出了一些新的方法,利用这些方式可以得到较单一传感器更为可靠的探测。

2.2信息融合的基本原理

所谓信息融合就是将来自多个传感器或多源的信息进行综合处理,从而得出更为准确、可靠的结论。多传感器信息融合是人类和其它生物系统中普遍存在的一种基本功能,人类本地地具有将身体上的各种功能器官(眼、耳、鼻、四肢)所探测的信息(景物、声音、气味和触觉)与先验知识进行综合的能力,以便对其周围的环境和正在发生的事件做出估计。由于人类的感官具有不同度量特征,因而可测出不同空间范围的各种物理现象,这一过程是复杂的,也是自适应的。它将各种信息(图像、声音、气味和物理形状或描述)转化成对环境的有价值的解释。

多传感器信息融合实际上是人对人脑综合处理复杂问题的一种功能模拟。在多传感器系统中,各种传感器提供的信息可能具有不同的特片:对变的或者非时变的,实时的或者非实时的,模糊的或者确定的,精确的或者不完整的,相互支持的或者互补的。多传感器信息融合就像人脑综合处理信息的过程一样,它充分利用多个传感器资源,通过对各种传感器及其观测信息的合理支配与使用,将各种传感器在空间和时间上的互补与冗余信息依据某种优化准则结合起来,产生对观测环境的一致性解释或描述。信息融合的目标是基于各种传感器分离观测信息,通过对信息的优化组合导出更多的有效信息。这是最佳协同作用的效果,它的最终目的是利用多个传感器共同或联合操作的优势来提高整个系统的有效性。

2.3常用信息融合算法

信息融合技术涉及到方面的理论和技术,如信息处理、估计理论、不确定性理论、模式识别、最优化技术、神经网络和人工智能等。由不同的应用要求形成的各种方法都是融合方法的个子集。表2归纳了一些常用的信息融合方法。

表2信息融合方法

经典方法现代方法

估计方法统计方法信息论方法人工智能方法

加权平均法经典推理法聚类分析模糊逻辑

极大似然估计贝叶斯估计模板法产生式规则

最小二乘法品质因素法熵理论神经网络

卡尔曼滤波D-S证据决策理论遗传算法

模糊积分理论

2.4智能驾驶系统中信息融合算法的基本结构

由于单一传感器的局限性,现在ITS系统中多使用一组传感器探测不同视点的信息,再对这些信息进行融合处理,以完成初始目标探测识别。在智能驾驶系统中识别障碍常用的算法结构如图2所示。

3CLARK算法

CLARK算法是用于精确测量障碍位置和道路状况的方法,它同时使用来自距离传感器(雷达)和摄像机的信息。CLARK算法主要由以下两部分组成:①使用多传器融合技术对障碍进行鲁棒探测;
②在LOIS(LikelihoodofImageShape)道路探测算法中综合考虑上述信息,以提高远距离道路和障碍的识别性能。

3.1用雷达探测障碍

目前经常使用一个雷达传感器探测前方的车辆或障碍。如前面所分析,雷达虽然在直路上的性能良好,但当道路弯曲时,探测的信号将完全可靠,有时还会有探测的盲点或产生错误报警。为了防止错误报警,常对雷达的输出进行标准卡尔曼(Kalman)滤波,但这并不能有效解决探测盲点问题。为了更可靠地解决这类问题,可以使用扫描雷达或多波束雷达,但其价格昂贵。这里选用低价的视觉传感器作为附加信息,视觉传感器经常能提供扫描雷达和多波束雷达所不能提供的信息。

3.2在目标识别中融合视觉信息

CLARK算法使用视觉图像的对比度和颜色信息探测目标,使用矩形模板方法识别目标。这个模板由具有不同左右边界和底部尺寸的矩形构成,再与视觉图像对比度域匹配,选择与雷达传感器输出最接近的障碍模板。

CLARK算法首先对雷达信号进行卡尔曼滤波,用于剔除传感器输出的强干扰,这出下列状态和观测方程处理:

D(t)=R(t)+v(t)

式中,R(t)为前方障碍的真实距离(未知),R(t)是其速度(未知,)D(t)为距离观测值,Δt为两次观测的问题时间,w(t)和v(t)为高斯噪声。给定D(t),由Kalman滤波器估计R(t)和R(t)的值,并把估计值R(t)作为距离输入值,使用R(t)和D(t)的差值确定所用矩形模板的偏差。由于使用雷达探测的位置与雷达作为补偿。

使用上述算法可以有效提高雷达探测的可靠性,但当图像包含很强的边缘信息或障碍只占据相平面一个很小的区域时,仍不能得到满意的结果。因此,除对比度外,又引入视觉图像的颜色域。

3.3相合似然法

在探测到障碍后,CLARK算法将这些信息整合到道路探测算法(LOIS)中。LOIS利用变形道路的边缘应为图像中对比度的最大值部分且其方位应垂直于道路边缘来搜索道路。如果只是简单地将两个信息整合,则障碍探测部分的像素被隐藏,其图像梯度值不会影响LOIS的似然性。这样可以防止LOIS将汽车前方障碍的边缘误认为是道路的边缘来处理。但是当道路的真实边缘非常接近障碍的边缘时,隐藏技术则失效。

为了使隐藏技术有效,可以在障碍和道路探测之间采取折中的处理方法。这种折中的处理方法就是相合似然法。它将探测障碍固定的位置和尺寸参数变为可以在小范围内变化的参数。新的似然函数由LOIS的似然和小探测障碍的似然融合而成。它使用七维参数探测方法(三维用于障碍,四维用于道路),能同时给出障碍和道路预测的最好结果。其公式如下:

式中,Tb、Tl、Tw为相平面内矩形模板的底部位置、左边界和宽度的三个变形参数,[xr(t),xc(t)]为变形模板相平面的中心。[yr(t),yc(t)]为由雷达探测并经Kalman滤波的障碍在相平观的位置。将地平面压缩变化为相平面,的实时估计,为相平面内一个路宽的值(3.2m)。tan-1的压缩比率在相平面内不小于Tmin(路宽的一半),不太于Tmax(路宽)。通过求解七维后验pdfP(k"""",b""""LEFT,b""""RIGHT,vp,Tb,Tl,Tw|[yr(t),yc(t)],ObservedImage)的最大值获得障碍和道路目标。

3.4CLARK算法的局限性

CLARK算法假定障碍为矩形形状且其最小尺寸为标准路宽的一半,所以当障碍为客车、货车、拖拉机及公共汽车时满足要求;
但当障碍为摩托车、自行车及行人时就不适用了。这种矩形形状的假设也要求雷达为窄波束雷达,对其它宽波束雷达、扫描雷达或多波束雷达则无效,并假定探测障碍的偏向位置总是在转达波束的中心。

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