时间：2022-05-10 07:09:20
绪论：在寻找写作灵感吗？爱发表网为您精选了8篇传感器设计论文，愿这些内容能够启迪您的思维，激发您的创作热情，欢迎您的阅读与分享！
蓝牙技术为蓝牙特别兴趣小组（SIG，SpecialInterestGroup）在1998年提出。它是一种新的短距离无线通信协议，是一种无线数据与语音通信的开放标准，目的是以无线的方式取代现有的有线接口。其优势在于：具有很强的移植性，可应用于多种通信场合；硬件集成应用简单，成本低廉，实现容易，而且易于推广；蓝牙功耗低，对人体危害小；采用扩频跳频技术，抗干扰能力强，增加了信息传输的安全性。蓝牙系统支持点对点和一点对多点的通信。在一点对多眯的连接方式中，多个蓝牙单元共享一条信道，采用同一跳频序列。各个蓝牙设备构成的网络称为匹克网（Piconet）。匹克网中蓝牙设备以主从方式实现通信。由于蓝牙设备的物理寻址地址为3位，因此在同一时刻，匹克网最多只能激活8位设备（1主7从）；但不同时刻，多个匹克网可以构成一个可重叠的散射网络结构。蓝牙通信的有效半径和其输出的功率有关：当输出功率是2类（2.5mW/4dB）时，通信范围为15m；如果增加其功率到1类（4mW/20dB）时，就能使通信范围达到100m。
2基本标准和协议的传感器结构模型
基于IEEE1451.5和蓝牙协议的无线网络化传感器由STIM、蓝牙模块和NCAP三部分组成，其体系结构如图1所示。此方案的实现，相当于在IEEE1451.2的结构模型上取代了原有的TII接口。采用无线的蓝牙协议实现连接，类似于实现了一个无线的STIM和无线NCAP接收终端的模式。通过在原有的STIM和NCAP中嵌入了蓝牙模块，构成的无线NCAP和无线STIM，以点对多点在蓝牙匹克网以主从方式实现相互通信。
与典型的有线方式相比，上述无线网络模型增加了两个蓝牙模块。对于蓝牙模块部分标准的蓝牙对外接口电路一般使用RS232或USB接口，而TII是一个控制链接到它的STIM的串行接口。因此，必须设计一个类似于TII接口的蓝牙电路，构造一个专门的处理器来完成控制STIM和转换数据到蓝牙主控制接口HCI（HostControlInterface）的功能。
3蓝虎无线抄表传感器的设计
基于上述无线传感器结构模型给出的无线抄表传感器的结构原理，如图2所示。整个传感器核心部件是实现数据采集的前端STIM部分和实现网络接口的NCAP部分。STIM完成数据的采集和处理（滤波、校准等），NCAP完成传感器的网络接口，实现对PSTN电话互网连。STIM和NCAP之间用蓝牙无线接口连接。STIM选用8位处理器实现，而NCAP的网络接口通过8位的处理器和内嵌Modem的形式实现。
（1）NCAP部分硬件设计
抄表传感器NCAP硬件部分选用的处理器、蓝牙模块和内置Modem分别是Winbond公司的W78E58处理器、Erricsson公司ROM101008系列蓝牙模块以及OKI公司的调制解调芯片MSM7512B。
图3
由于系统中蓝牙模块接口采用的是RS232串口，同时处理器和内置Modem的通信接口也要用到RS232串口，因此我们选用W78E58处理器。该处理器具有双串口。ROK101008系列蓝牙模块遵从蓝牙1.1规范，是一个点对多点的通信模块。该模块可以同时和在其范围内被连接的7个蓝牙从设备实现数据传输。MSM7512B为OKI公司推出的FSK模式调制解调器芯片，通过设置引脚MOD2和MOD1选择四种工作模式的一种。MT8888C作为DTMF接收器时，DTMF信号从IN+和IN-输入，一旦信息被写入到接收寄存器中，MT8888C将置位状态豁口中接收寄存器满标志位和IRQ/CP端电平来通知控制器准备接收数据；MT8888C作为DTMF发送器时，数据被写入发送寄存器，经内部转换合成DTMF信号从TONE端输出。本处采用中断方式检测DTMF振铃信号。图3为蓝牙抄表传感器NCAP部分的硬件电路原理。
（2）抄表传感器NCAP部分软件设计
抄表传感器NCAP部分的软件设计，主要是在单片机上完成两部分功能的程序编制：一是初始化蓝牙模块，使抄表传感器NCAP部分上主设备模块和所有范围内的从设备模块建立连接；二是驱动MSM7512B和MT8888C工作，实现与PSTN的连接。
①蓝牙模块初始化。参照008蓝牙模块的工作方式，即通过单片机向蓝牙模块发送HCI（HostContr
olerInterface）分组。HCI指令包括指令分组、数据分组和事件分组。具体格式为：操作码+参数总长+参数0+……+参数N。
如下给出主、从设备间实现ACL数据连接的HCI指令（字符对应相应指令的操作码，由前10位和后6位两部分组成，括弧内为该指令的参数）：从设备上电后实现查询使能进行复位Write_scan_enable(0x3)。主设备发送查询HCI指令Inquiry(0x9c8b33,8,0)，假定从设备的地址为0x000000000000,则建立ACI连接的HCI指令为Creat_Connection(0x000000000000,0xcc18,0,0,0,0)。从设备接收连接请求指令为Accept_connection_request(0x111111111111,0)，假定主设备的地址为0x111111111111。这样主从设备之间即建立了ACL数据连接。其中Inquiry对应的操作码为：0x0001,0x01。具体指令参见蓝牙规范。②初始化MSM7512B和MT8888C。首先使能MSM7512B，选择模式1。值得注意的是，复位MT8888C时，必须将上电后延时100ms。具体复位方式参见MT8888C数据手册。
如下给出单片机的初始化程序及外部中断0的服务程序。
/*初始化程序*/
TCON=0x40H;//Timer1使能
TMOD=0x20H;//Timer1为定时器，8位自动重装TH1到TL1
CKCON=0x30H;//Timer1和Timer2时钟为1/12CLOCK
SCON=0x50H//串口0模式1，波特率由Timer2决定
IE=0xD1H;//使能中断（串口1和串口2以及INT0）
SCON1=0x50H;//串口1模式1，波特率由Timer1决定
T2CON=0x34H;//Timer2自动重装RCAP2L到TL2，RCAP2H到T2H
WDCON=0x02H//Watchdog复位使能
TL1=0xFDH;TH1=0xFDH;TL2=0xFDH;TH2=0x00H;
RCAP2L=0xFAH;RCAP2H=0x00H;
/*初始值设置，设置串口1和串口2的波特率为9600bps*/
Init_008();//初始化蓝牙模块
Reset_mt8888c();//复位MT8888C
P1^0=1;P0=0x00H;//使能MSM7512，选择模式1
/*外部中断0的服务程序*/
voidservice_int0()interrupt0
{SendRecord();//传送监测记录……}
（3）STIM的设计
大多数传大吃一惊器的STIM部分设计相对简单，因为电表数据采集的功能比较单一。图4为STIM数据采集部分的原理框图。
硬件设计时，电表数据采集部分和传统的有线方式一样，只是硬件上增加了蓝牙模块作为和上层蓝牙传感器NCAP的无线接口。数据采集部分经光电转换后的数字脉冲接到单片机的计数器口，实现计数，然后将必要的电表数据量送至蓝牙模块。单片机迁移家长普通的8031即可，模块选用的是ROK101008系列。软件上除了要注单片机上完成数据采集的部分程序外，上电时还应该初妈哗蓝牙模块，使模块能够在其有效范围被搜索连接。数据采集部分程序主要是实现对计数器的计数，同时转换成电表参量，然后径蓝牙模块送到NCAP。
4基于蓝牙抄表传感器的抄表系统
关键词：测力传感器，应力集中，精度，灵敏度
一、概述
对于电阻应变片式测力传感器（以下简称“测力传感器”）来说，弹性体的结构形状与相关尺寸对测力传感器性能的影响极大。可以说，测力传感器的性能主要取决于其弹性体的形状及相关尺寸。如果测力传感器的弹性体设计不合理，无论弹性体的加工精度多高、粘贴的电阻应变片的品质多好，测力传感器都难以达到较高的测力性能。因此，在测力传感器的设计过程中，对弹性体进行合理的设计至关重要。
弹性体的设计基本属于机械结构设计的范围，但因测力性能的需要，其结构上与普通的机械零件和构件有所不同。一般说来，普通的机械零件和构件只须满足在足够大的安全系数下的强度和刚度即可，对在受力条件下零件或构件上的应力分布情况不必严格要求。然而，对于弹性体来说，除了需要满足机械强度和刚度要求以外，必须保证弹性体上粘贴电阻应变片部位（以下简称“贴片部位”）的应力（应变）与弹性体承受的载荷（被测力）保持严格的对应关系；同时，为了提高测力传感器测力的灵敏度，还应使贴片部位达到较高的应力（应变）水平。
由此可见，在弹性体的设计过程中必须满足以下两项要求：
（1）贴片部位的应力（应变）应与被测力保持严格的对应关系；
（2）贴片部位应具有较高的应力（应变）水平。
为了满足上述两项要求，在测力传感器的弹性体设计方面，经常应用“应力集中”的设计原则，确保贴片部位的应力（应变）水平较高，并与被测力保持严格的对应关系，以提高所设计测力传感器的测力灵敏度和测力精度。
二、改善应力（应变）不规则分布的“应力集中”原则
在机械零件或构件的设计过程中，通常认为应力（应变）在零件或构件上是规则分布的，如果零件或构件的截面形状不发生变化，不必考虑应力（应变）分布不规则的问题。其实，在机械零件或构件的设计中，对于应力（应变）不规则分布的问题并非不予考虑，而是通过强度计算中的安全系数将其包容在内了。
对于测力传感器来说，它是通过电阻应变片测量弹性体上贴片部位的应变来测量被测力的大小。若要保证贴片部位的应力（应变）与被测力保持严格的对应关系，实际上就是保证在测力传感器受力时，弹性体上贴片部位的应力（应变）要按照某一规律分布。在实际应用中，对于弹性体贴片部位应力（应变）分布影响较大的因素主要是弹性体受力条件的变化。
弹性体受力条件的变化是指当弹性体受力的大小不变时，力的作用点发生变化或弹性体与其相邻的加载构件和承载构件的接触条件发生变化。如果在弹性体结构设计时，未能考虑这一情况，就可能造成弹性体上应力（应变）分布的不规则变化。这方面最典型的实例是筒式测力传感器（见图1）。
当筒式测力传感器上、下端面均匀受力时，在弹性体贴片部位的整个圆周上应力（应变）的分布是均匀的。当上、下两个端面上受力情况发生变化后，力在两个端面的作用情况不再是均匀分布的，这时弹性体贴片部位圆周上应力（应变）的分布情况就难以预料了。如果筒式测力传感器弹性体的高度与直径之比足够大，弹性体贴片部位圆周上的应力（应变）基本上还是均匀分布。但是，在实际应用中，通常很少能为测力传感器提供较大的安装空间位置，因而筒式测力传感器弹性体的高度与直径之比很难做到足够大，弹性体贴片部位圆周上应力（应变）将不均匀分布，而且不均匀分布的情况随弹性体受力情况的变化而改变。在这样的条件下，弹性体贴片部位的应力（应变）与被测力不能保持严格的对应关系，将造成明显的测力误差。
为了减小由于弹性体受力条件的变化引起的测力误差，有些传感器设计者采取在筒式测力传感器弹性体上增加贴片数量的方法，尽可能将弹性体上贴片部位圆周上应力（应变）分布不均匀的情况测量出来。这样的处理方法有一定的效果，可以减小弹性体受力条件的变化引起的测力误差。但这种方法毕竟是一种被动的方法，增加的贴片数量总是有限的，还是很难把弹性体上贴片部位圆周上应力（应变）分布不均匀的情况全部测量出来，测力误差减小的程度不够显著。
由于弹性体受力条件的变化引起的测力误差的实质是弹性体贴片部位圆周上的应力（应变）的不规则分布，如果能使弹性体贴片部位圆周上的应力（应变）分布受到一定条件的约束，迫使贴片部位的应力（应变）按照某一规律分布，因而使得弹性体贴片部位的应力（应变）与被测力基本保持严格的对应关系，由此来减小因弹性体受力条件的变化引起的测力误差。
对于筒式测力传感器来说，在承载强度足够的条件下，如果将弹性体贴片部位圆周上不贴片的部位挖空（见图2），使得应力只能在未挖空的部位分布，大大改善了应力（应变）不规则分布的情况。或者说，应力（应变）的不规则分布仅仅限于未挖空的部位，并且其不规则分布的程度不会很大。因此，在未挖空的部位粘贴电阻应变片，就能使测得的应力（应变）与被测力基本保持严格的对应关系。
上述处理方法实际上出于这样一个原理：通过某种措施，使弹性体上的应力（应变）集中分布在便于贴片检测的部位，实现测得的应力（应变）与被测力基本保持严格的对应关系，以保证传感器的测力精度。
作者曾用上述方法对筒式测力传感器进行改进。改进前的普通筒式传感器测力误差大于1%F.S.，改进后（局部挖空）的筒式传感器测力误差为0.1~0.3%F.S.，测力精度明显提高。
三、提高应力（应变）水平的应力集中原则
若要测力传感器达到较高的灵敏度，通常应该使电阻应变片有较高的应变水平，即在弹性体上贴片部位应该有较高的应力（应变）水平。
实现弹性体上贴片部位达到较高应力（应变）水平有两种常用的方法：
（1）整体减小弹性体的尺寸，全面提高弹性体上的应力（应变）水平；
（2）在贴片部位附近对弹性体进行局部削弱，使贴片部位局部应力（应变）水平提高，而弹性体其它部位的应力（应变）水平基本不变。
以上两种方法都可以提高贴片部位的应力（应变）水平，但对弹性体整体性能而言，局部削弱弹性体的效果要远好于整体减小弹性体尺寸。因为局部削弱弹性体既能提高贴片部位的应力（应变）水平，又使得弹性体整体保持较高的强度和刚度，有利于提高传感器的性能和使用效果。
局部削弱弹性体提高贴片部位应力（应变）水平的原理是：通过局部削弱弹性体，造成局部的应力集中，使得应力集中部位的应力（应变）水平明显高于弹性体其它部位的应力水平，将电阻应变片粘贴于应力集中部位，就可以测得较高的应变水平。
局部应力（应变）集中的方法在测力传感器的设计中经常被采用，尤其在梁式测力传感器（如弯曲梁式和剪切梁式测力传感器）的弹性体设计中被广泛应用。局部应力（应变）集中方法应用较为成功的当数剪切梁式测力传感器。剪切梁式测力传感器是通过检测梁式弹性体上的剪应力（剪应变）实现测力的，其弹性体的结构如图3所示（为了便于说明问题，这里仅以一简支梁式的弹性体为例）。
由材料力学中有关梁的应力分布知识可知，当梁承受横向（弯曲）载荷时，在梁的中性层处剪应力（剪应变）最大。如果要检测梁上的剪应变，应该在梁的中性层处贴片。为了提高贴片处的剪应力（剪应变）水平，可将弹性体两侧各挖一个盲孔（见图3的2处），盲孔的中心应在中性层处。电阻应变片应该粘贴在盲孔的底面上，即图3中工字形断面（A－A剖面）的腹板上。
对于梁形构件来说，其弯曲强度是主要矛盾。在一个梁满足弯曲强度的情况下，剪切强度一般裕量较大。当在中性层附近挖盲孔后，该截面上腹板上的剪应力（剪应变）明显提高，然而该截面上的弯曲应力提高很小。因此，剪切梁式弹性体应用局部应力集中方案后，被检测的剪应变大大提高，使该测力传感器的灵敏度显著提高，而对整个梁的弯曲强度影响很小，使整个梁保持了良好的强度和刚度。
四、小结
在测力传感器的设计过程中，如能自觉地按照上述两种应力集中的原则，对弹性体进行结构设计，就能够收到提高测力传感器的测力精度和测力灵敏度的良好效果。灵活、恰当地运用应力集中的原则，对于设计和生产高性能的测力传感器具有重要的实用意义。
参考文献
[1].刘鸿文主编，《材料力学》，高等教育出版社，1979年
PrinciplesofConcentratingStressintheDesignofLoadCells
Abstract:Thispaperintroducestwoprinciplesofconcentratingstress,whichareusually
usedinthedesignofloadcells.Accordingtotheprinciplestheelasticbodiesofloadcells
1．1传感器激励的设计硅压阻式压力传感器内部结构为惠斯通电桥结构，可在恒压或者恒流模式下工作。由于硅压阻式传感器很容易受到温度的影响产生漂移，在恒压模式下随着温度的变化，传感器本身电阻R的变化会对信号产生影响，因此，选择恒流源作为传感器的激励［6］。传感器激励源的稳定与噪声大小直接影响着压力敏感元件的输出，因此，在确保低温漂、低噪声、驱动能力强的选型原则下，选择ADR4525基准源、AD8506运放构建驱动电路以及反馈电路。图2所示为传感器激励原理框图。
1．2温度补偿电路的设计温度补偿电路用于对温度发生变化时，敏感元件和构成信号调理电路各主要元器件的输入输出特性的补偿，温度补偿电路提供两类误温度漂移补偿:零点温度漂移补偿与灵敏度温度漂移补偿［7］。理想传感器的输出量与输入量关系。补偿的原理为将b，k调整到精确的某个值，最大限度消除温漂值b(T)和k(T)以及二次以上的非线性成分。
1．2．1零点温度漂移补偿由温度引起零点变化而造成输出变化的元器件中，压力敏感元件所占比重最大，对零点补偿原理如图3所示，温度检测元件的输出作为补偿端与待补偿信号做加减运算［8］，最终输出信号即为零点补偿后输出。该部分设计中，温度检测元件选择温度传感器AD590，AD590封装下、测量范围宽、输出线性，输出信号噪声仅为40pA，补偿信号不引入更多的噪声;同时由于温度传感器的输出以电流的形式输出，因此，需要通过高精密电阻器将其转换为电压信号后，与待补偿信号做加减运算，电阻器阻值的大小根据测量的零点漂移大小计算。
1．2．2灵敏度温度漂移补偿随着温度的变化传感器的满量程输出也会随之变化(即增益发生变化)，从输出来看，该变化可归一为压力敏感元件的灵敏度发生变化，此时，需对传感器的增益特性进行温度补偿。补偿原理如图4所示，温度检测元件检测到温度变化后，及时调整激励源的基准［9］，调整策略与增益温度特性互补，即增益降低，则增强激励源的基准，由激励源输出相应的恒流;同时可在敏感头的桥臂上串、并联电阻器调整增益特性。
1．3信号调理电路的设计信号调理电路用于将压力传感器输出的差分信号进行放大、滤波，原理图如图5所示。压阻式传感器输出的电压信号大多为mV级，采用仪表放大器AD8553对传感器输出的信号进行放大，AD8553为轨到轨输出，最大失调电压仅为20μV，在频响0．01～10Hz范围内噪声峰峰值为0．7μV，其中，R应大于3．92kΩ;同时由于SM5420输出的为差分信号，在仪表放大器的输入端需要添加抗射频干扰的滤波电路，如图5所示，若仪表放大器输入前滤波电路匹配不佳，输入的某些共模信号将转换为差模信号，因此，通常情况下所选的C2至少比C1或者C3大10倍，用于抑制滤波电路不匹配带来的杂散差分信号;基准源ADR4525为仪表放大器提供2．5V的参考电压，用于调整信号的零位。仪表放大器的输出信号需要进行滤波处理，这里采用MAX295芯片进行滤波，该芯片为8阶巴特沃斯滤波器，操作简单，只需提供输入时钟CLK则可任意控制滤波器的截止频率，输入时钟频率与截止频率的关系为50︰1。
1．4数据采集电路设计该部分电路主要是将补偿后的模拟信号通过A/D转换器AD8330将其转换成数字信号，AD8330为16位采样精度，采样率最高可达1MHz;采用已经使用成熟的微型处理器C8051F410进行数据采集和处理，微控制器通过SPI接口采集到量化后信号，同时通过RS—485总线转USB适配器与计算机进行通信。
2传感器标定与测试结果
压力传感器的标定主要是对零点和灵敏度的标定。将压力传感器安装到压力腔体内，共同放入高低温试验箱，打开高低温试验室箱并设置11个间隔均匀的温度值，在不同的温度梯度下使用压力泵对压力腔体打压，并记录压力传感器在零位和满量程时的输出值，采用最小二乘法对记录的值进行拟合［12］，得到传感器的零点温度漂移值和灵敏度温度漂移值。根据得到的值调整补偿电路使传感器的输出满足要求。将经过补偿后的压力传感器放入高低温试验箱，高低温试验室箱内温度设置为25℃，在量程范围内设置10个均匀的压力测试点，将测试结果记录到表1中，采用最小二乘法拟合数据得到补偿后的传感器静态特性。通过Matlab拟合后得到传感器输入与输出的线性关系式为y=0．020x+2．454，如图6(a)所示;经过计算传感器的静态特性为非线性误差为0．043%，迟滞为0．062%，重复性为0．027%，精度为0．085%，如图6(b)所示，最大误差位于点0kPa处，偏差为0．00154V，故非线性度小于1．54/(20．29×175)=0．043%，满足设计的要求。在测试的过程中，由于一天当中大气压强的变化测试结果会受到影响。
3结束语
【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）.
关键词：虚拟仪器，力传感器，标定
1 引言
力传感器是目前广泛使用的传感器，在长期使用过程中，由于使用环境、本身结构的变化，需要对其进行标定，以此保证测量的精度。近年来，随着虚拟仪器技术的出现和发展，越来越多的技术人员开始基于该技术来开发自动化测量设备。博士论文，标定。虚拟仪器是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向[1]。而在众多的虚拟仪器开发平台中，美国国家仪器公司（NI）的LabVIEW应用最为广泛。本文主要介绍了基于LabVIEW的力传感器标定程序的设计。
2 标定的原理
所谓标定（或现场校准）[2]就是指用相对标准的量来确定测试系统电输出量与物理输入量之间的函数关系的过程。标定是测试中极其重要的一环。标定除了能够确定输入量和输出量之间的函数关系之外，还可以最大限度地消除测量系统中的系统误差。
传感器的校准采用静态的方法，即在静态标准条件下，采用一定标准等级（其精度等级为被较传感器的3~5倍）的校准设备，对传感器重复（不少于3次）进行全量程逐级加载和卸载测试，获得各次校准数据，以确定传感器的静态基本性能指标和精度的过程。为简化系统的设计，此处标准量采用砝码加载的方式获得。
3 系统组成
3.1硬件组成
系统的硬件组成如图1所示：
图1 系统硬件组成
由图可以看出，系统主要包括计算机、力传感器，数据采集卡、接线盒等。本系统中，力传感器采用电阻应变式压力传感器，四个应变片采用全桥的工作方式。数据采集卡采用NI公司的PCI-6221，该采集卡的主要参数如下：它具有16个模拟输入端口，2个模拟输出端口，24个数字输入输出端口，采样速率最高可达到250kS/s。接线盒采用NI公司的SC-2345，此接线盒直接与数据采集卡相连，接线盒上有SCC信号调理模块插座。SCC模块是NI公司提供的信号调理模块，其上面包含信号调理电路，可以将传感器处采集的信号转换成适合数据采集卡读取的信号。本系统所用的SCC模块为SCC-SG04，此模块适用于连接采用全桥工作方式的电阻应变式压力传感器。
3.2软件组成
本系统软件基于LabVIEW 8.2来开发。LabVIEW是一种图形化的编程语言。博士论文，标定。博士论文，标定。与其他开发工具不同，用LabVIEW编程的过程不是写代码，而是画“流程图”。这样可以使用户从烦琐的程序设计中解放出来，而将注意力集中在测量等物理问题本身。它主要针对各个领域的工程技术人员而设计，非计算机专业人员[1]。博士论文，标定。
因为所用的力传感器属于应变式电阻传感器，其电阻变化率与应变可以保持很好的线性关系，即输入与输出量之间呈线性关系，所以可以用一条直线对校准数据进行拟合。此直线就称为拟合直线，所求得的方程为拟合方程。图2所示为传感器标定程序的采样页面。
此程序采用LabVIEW的事件驱动编程技术进行编制的。事件[3]是对活动发生的异步通知。事件可以来自于用户界面、外部I/O或程序的其它部分。在LabVIEW中使用用户界面事件可使前面板用户操作与程序框图执行保持同步。事件允许用户每当执行某个特定操作时执行特定的事件处理分支。
图2 标定程序采样页面
图3 采样程序
直线拟合的方法[2]有很多种，比如最小二乘法、平均选点法、断点法等等。其中，最小二乘法精度比较高，此处利用它进行直线拟合。根据最小二乘法，假定是一组测量值，是相应的拟合值，mse为均方差，则拟合目标可以表达为，期望mse最小。
LabVIEW中的分析软件库提供了多种线性和非线性的曲线拟合算法，例如线性拟合、指数拟合、通用多项式拟合等等。本程序选择Linear Fit.Vi 来实现最小二乘法线性拟合。
标定子程序的工作流程如下：用户先通过多次采样，获得各个输入量对应的输出量，通过While循环的移位寄存器保存这些值。博士论文，标定。采样完成后，把这些值输入Linear Fit.Vi进行拟合，拟合的曲线在Graph控件中显示出来，同时该Vi自动求出方程y=ax+b中的斜率a和截距b，这样，输入输出量之间的函数关系就可以确定下来了，如图4所示。
图4 标定程序拟合前面板
4 小结
基于虚拟仪器的力传感器标定程序能够方便地对力传感器进行标定。博士论文，标定。该系统具有人机界面友好，灵活方便，自动化程度高等特点。
参考文献：
【1】.候国屏;王珅;叶齐鑫.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计[M].清华大学出版社.2005
【2】.张迎新等.非电量测量技术基础[M].北京航空航天大学出版社，2001
【3】.NationalInstrumentsCorporation.LabVIEWHelp[CD].ni.com/china,2008
1 多传感器融合技术简介
多传感器融合技术可类比于人类逻辑系统中自然实现的基本功能，是用机器实现人类由感知到认知过程的模仿。在人类对客观事物的认知过程中，首先使用来自人体中的传感器（眼、耳、鼻、皮肤等）通过听、嗅、视、触、味五觉对客观事物信息（景物、声音、气味等）进行多方位、多种类的感知，从中获得大量冗余和互补的信息。然后根据人脑的先验知识去对这些信息进行相关分析与处理，进而估计、理解周围环境和正在发生的事件，获得对客观事物统一与和谐的理解与认识。这就是人的复杂的，同时也是自适应的认知过程。人类的感官由于具有各自不同的度量特征可以在不同空间范围内对各种事件进行反应。人脑把各种信息（图像、声音、气味、形貌、上下文等）转换成对事物有价值的一致性解释，需要大量不同的智能处理，以及适用于解释组合信息含义的知识库。
传感器可以类比于人的感知器官：通过不同的原理对自然界的光、热、声、磁等信号进行捕捉，由换能器将其转换成电信号，再数字化后经通讯系统传递给计算机进行处理。单传感器系统只能从单个度量维度获得片面的、局部的特征信息，信息量十分有限。同时单个传感器本身的累计误差对系统造成的影响也无法消除。[2]因此，想要获得对事物的一致性准确解释，单一传感器系统力有不足。
多传感器融合技术把多个不同种类的传感器集中于同一个感知系统中，将各个传感器来的数据进行数据融合，形成对[( dylw.NEt) 专业提供专业论文写作和发表教育论文的服务,欢迎光临]被测事物更准确认识。它出现在20世纪70年代初期，最早应用于军事领域，后于20世纪80年展起来。近年来随着计算技术、遥感技术、通讯技术以及微电子制造业的迅猛发展，多传感器信息融合技术成为了一个热门的研究方向，获得了更广泛的应用。例如，在人机交互领域，要实现人机交互所追求的最终目标“自然人机交互”，对于人、环境的解读尤为重要，[3]这正是多传感器融合技术的优势所在。
2 多传感器融合系统的基本组成及技术原理
多传感器融合技术，虽然没有一个严格的定义，但可以基本概括为： （1）充分利用多传感器数据资源（来自不同时/空范围）。 （2）在一定的规则下对多传感器所得检测数据进行综合分析。 （3）获得一致性解释并根据所设算法实现相应的决策或估计，实现整个系统获得比各单传感器更加充分的信息。[4]多传感器融合系统一般由如图1所示的三个部分组成：传感器部分（包括数据获取及预处理）、数据融合部分、结果输出部分。
多传感器融合系统就像一个为了实现“对被测对象的一致性解释或描述”而有机装配而成的整体，可类比于人的身、脑综合信息处理系统。其中多传感器系统是整个系统获取数据的硬件基础和手段，所得多源信息成为数据融合的对象；融合是指对数据的协调优化和综合处理，也是联系整个系统的核心。它无法用单一的技术来解决，而是多种跨学科技术、理论的综合。
多传感器融合系统同单传感器系统相比，其系统的复杂性大大增加的同时从自然界所获得的信息量也成倍增长。多个传感器的存在从时间和空间的角度都扩展了信息获取的覆盖范围，[5]而传感器之间的协同作业则提高了信息获取的概率，对于某个传感器不能顾及的检测对象，可由其他传感器完成工作。在某个传感器出现故障、受干扰或不可用的情况下，系统仍有其他传感器可以提供信息，不易受到破坏。
各传感器在信息融合系统中所得的数据、信息具有不同的特征，可以是实时/非实时，快变/缓变，模糊/确定，相互支持/互补，相互矛盾/竞争等等。在系统中，这些复杂的数据不是孤立而是融合的，所得最终信息并不是各传感器信息的简单加和，需要根据各传感器之间的逻辑关系依据智能算法进行联合、相关、组合推导出更多的信息。利用多个传感器协同作业的多传感器融合相比由它的各个传感器分别构成单独系统再加和而成的系统集更有优势。
3 多传感器融合技术在公共艺术设计中的应用
利用多传感器融合技术进行公共艺术设计，将前沿科技与传统艺术方式集成在一起，是一种全新的尝试。从字面意思的理解来看，公共艺术分为公共和艺术两个独立的定义，可以理解为：具有“公共性”含义的艺术形式。其界定的核心原则就是“公共性”。“公共”就意味着公共艺术作品必须是能与民众产生自由交流的一种艺术形式，要以公众自主、自由参与到公共艺术中为前提，任何缺少与民众之间自由评论和互动的艺术形式都不是公共艺术。[6]因此，公共艺术不能仅仅是“艺术家创作”的艺术，而是一种“公共互动”的艺术。如何让公众自主自由参与到艺术作品中，形成真正的“公共艺术”是艺术家们亟待解决的重要问题。完整的公共艺术作品必须是“表达”与“吸收”经互动过程的完整呈现。“吸收”的是来自公众的思想，由公众的行为进行表达，通过互动产生交流。因此，艺术家们需要考虑的一个重要问题是，如何由公众的行为导向公众思想的表达，形成有效的交互。在日本艺术家草间弥生（Yayoi Kusama）创造的作品The Obliteration Room中，草间弥生构建了一个纯白色的房间，每个参观者都将被发放一张彩色波点贴纸，参观者可以根据喜好将贴纸贴在房间中的任意位置。空间中的每一个彩色波点都是参观者对此次参观经历的一种表达。[7]
从参观者的行为、思想的角度进行考虑，人类对于思想的表达具有多样性，有显 式的主动动作、行为、语言等等，也有隐式的如表情、眼动、甚至气味及生化物质（如唾液、汗液、荷尔蒙等）的分泌。传统的艺术作品（如图2例）[( dylw.NEt) 专业提供专业论文写作和发表教育论文的服务,欢迎光临]主要是从公众显式的主动作为中获得表达形成交互，所受限制较大，参与门槛较高。将多传感器融合系统应用于公共艺术，首先拓宽了公众思想的行为来源，降低了公众参与的门槛。目前，在国内外已出现了一些基于单传感器的公共艺术作品，但单传感器的单一数据来源、不可靠、易受干扰、不稳定等技术局限性使其发展受到限制。随着先进传感技术的飞跃，除了人类的主要信息来源声音、光、力等自然信号之外，甚至在人传感器力所不及的范畴如红外、紫外等非可见光区域，次/超声波区域，非挥发性痕量生化物质等，我们也能够通过先进传感技术获得所需要的信息。通过多传感器融合技术所带来的巨大优势，科技比人类更懂得人类已经不再是梦想。将多传感器融合系统应用于公共艺术，降低了公众参与公共艺术的阈值。多传感器融合系统对于公众行为的捕捉不是被动的，而是主动地感知公众的行为，将公众“拉”入参与公共艺术的行为中，为公共艺术的设计提供了一种崭新的思路。
以城市中某广场为例，在人们进入广场时，形成参观经历。假设给每个人分发一张彩色波点纸，通过张贴彩色波点纸的显示行为进行表达，即形成类似草间弥生洁净之屋的效果。在没有彩色波点纸的情况下，人们对其参观经历产生隐式的表达。例如，不同的面部表情、走路的步长、速度、方向等等。公众的这些隐式表达可以使用多传感器融合系统进行捕捉。使用彩色数字投影代替彩色波点纸，每一种颜色对应多传感器融合系统所得到的一致性结论。例如，红色对应热情、绿色对应平静、不同程度的黑色对应一些负面情绪如沮丧等，形成交互。此例的多传感器融合系统中，使用摄像装置及压力感应装置对人群进行检测，即通过摄像装置对公众面部表情进行捕捉、压力传感器对公众步态进行捕捉。二类传感器所得数据需进行时间、空间二个层面的融合。时间融合主要是将单传感器的数据进行融合，是指对不同时间点的检测数据进行融合。空间融合适用于多传感器所得信息的一次融合处理，是指对不同位置、类型传感器在同一时刻的检测数据进行融合。在融合过程中，需要结合图像识别技术、步态分析对公众的面部表情、步态行为进行特征数据提取、分析，从而得出对该参与个体的一致性结论，并根据设计需求予以分类。此处可分为热情、平静、沮丧等类别，每一个类别对应于一种颜色，由数字投影进行表达。该“波点”设计的简单模型如图3所示。
随着多传感器融合系统中传感器数量、种类的不断增加，可根据归属将公共艺术装置中使用的传感器分为两类：第一类传感器从属于装置艺术本身，由艺术家根据艺术表达的需求进行设计安装。第二类传感器从属于公众，来自公众随身携带的电子设备，艺术装置提供数据接口，从中获取数据。二类传感器协同作业，通过融合中心进行数据融合，得到全方位多角度的“立体信息”。将多传感器融合系统应用于公共艺术装置，是实现公共艺术公共性的有力保障。
从设计目的的层面考虑，根据马斯洛的理论，将人的需求由低级层次到高级层次依次分为5个层次：生理、安全、社会、尊重以及自我实现。公共艺术的实质就是满足人的真正需求，而不是公共艺术装置的物质形态本身。多传感器融合系统对所得多元数据进行多种层次上的融合，实现对人脑综合信息处理的高级模仿，深刻挖掘公众[( dylw.NEt) 专业提供专业论文写作和发表教育论文的服务,欢迎光临]表面行为背后的含义，帮助艺术家们分析、理解、满足公众的真正需求。随着分布式计算、通讯、云计算、物联网等技术与多传感器数据融合技术的共进发展，多传感器数据融合技术所能实现的功能也越来越强大。可以预见，随着数字化进程的进一步深入，多传感器融合技术与公共艺术的结合必将带给我们更多的惊喜。
参考文献：
[1] 付志勇.设计的重构——论计算机对设计的变革[J].装饰，1995（04）：46-47.
[2] 杨万海.多传感器数据融合及其应用[M].西安电子科技大学出版社，2004.
[3] 王熙元.交互设计中的信息传达研究[J].包装工程，2010，31（12）：12-14.
[4] 刘同明，夏祖勋，解洪成.数据融合技术及其应用[M].国防工业出版社，2000.
[5] 王祁，聂伟.分布式多传感器数据融合[J].传感器技术，1997，16（5）：8-10.
[6] 王峰，过伟敏.数字化城市公共艺术交互性内涵研究[J].包装工程，2010，31（24）：124-127.
【关键词】传感器；智能化；神经网络；自补偿
【基金项目】论文受到成都信息工程大学校级项目KYTZ201521，Y2013062，Y2015015以及“传感器与检测技术”精品课程建设项目的资助。
一、引言
现代传感器技术是在传统传感器技术的基础上发展而来，广泛结合了信息处理技术、通信技术及微电子技术等[1]，将传感器提升至 “系统”级别。
开设现代传感器技术课程，需要在具备经典传感器知识的基础之上，进一步掌握智能传感器的相关知识，了解集成电路工艺、统计学习理论和现代信号处理技术等[2]。该课程的内容涉及智能传感器系统的硬件构成，智能化功能的软件实现方法，以及多元回归分析法、神经网络技术和支持向量机技术等数据挖掘方法。学生可以通过自主设计型实验加深对智能传感器的理解。而智能传感器的软件实现和数据挖掘方法的仿真都具备充分的灵活性，学生可以结合PC机在课堂上和课后进行实验研究[3]。
二、自主设计实验
现代传感器技术的课程介绍了新型智能传感器的概念、构成方式及具有的功能，重点在于智能传感器的集成化和智能化实现方法。
智能传感器集成化的实现涉及微电子技术等相关内容，对于非微电子专业的学生来说很难具备此方面的扎实基础，不易开展自主设计型实验。并且此部分内容的相关实验对硬件要求较高，不利于在不同专业和高校的推广。
智能传感器智能化的实现方式多样，有硬件实现，也有软件实现。软件实现方法包括神经网络技术、支持向量机技术、粒子群算法和小波分析等数据挖掘方法中的智能算法。这些智能算法的仿真工具众多，算法设计灵活且多样，可以让学生在完成课程实验的同时，通过自主设计进一步发掘算法的优化方法，加深对知识的理解。
本论文将举例说明现代传感器技术课程在智能传感器智能化实现方面的自主设计实验的开设方法。
例如，开设题为“基于神经网络方法的传感器温度自补偿模块设计”实验。对于会受温度影响的传感器，要降低工作环境温度的影响，就需要设计自补偿模块，补偿的方法有多种，这里选用神经网络方法。首先，学生需要选定实验对象，即传感器，比如某款压阻式压力传感器，然后获取不同温度状态下传感器静态标定数据，根据标定数据制作样本，输入到神经网络。学生可以根据需要选择不同的神经网络，比如BP神经网络和RBF神经网络等[4]。实验编程时可于利用现有的工具箱进行辅助编程，也可以完全自行编程。
以上实验只考虑了温度这一个干扰量的影响。通常影响传感器的不止一个干扰量，还可能存在两个或多个干扰量的影响。神经网络方法可以用来降低两个或者是多个干扰量的影响。此外，学生还可以用支持向量机技术来设计智能化软件模块，用于降低多个干扰量的影响。例如，可开设题为“基于支持向量机方法的降低多个干扰量影响的传感器智能模块设计”。该实验的过程是先选定存在交叉敏感的传感器作为实验对象，进行多维标定实验获取样本数据，再利用支持向量机方法建立数据融合模型，从而消除或是降低多个干扰量的影响。支持向量机的功能包括分类和回归等，因此学生还可以结合其分类的功能设计其他传感器智能模块。
学生在进行智能算法的课程实验时，可以选择自带工具箱中丰富的仿真工具，也可以自行编程实现算法。本论文采用Matlab软件为仿真工具实现算法。
三、实验示例
（一）基于神经网络方法的传感器温度自补偿模块设计
本实验选定压阻式压力传感器作为实验对象，目标如下。
1.基于神经网络技术设计温度补偿模块，消除工作环境温度对传感器的影响。
2.实验过程需对多个样本进行实验，提高补偿模块的适应性，即在满足压力量程的情况下对不同的工作温度进行补偿。
3.温度补偿模块的设计可以使用多种神经网络方法，并进行对比，得到消除温度影响最好的方法。
实验步骤如下。
1.二维标定实验
用标定实验来获取原始实验数据。由于实验条件和实验时间的限制，有些学生无法进行此步骤。学生也可以通过教材或者相关论文来获取原始数据，但是必须在实验报告中注明数据的来源。
2.数据预处理与样本制作
用上一步中获取的原始数据来制作样本。通常先将原始数据进行归一化处理，用归一化之后的数据制作样本。神经网络的样本包括训练样本和测试样本。
3.训练神经网络
将训练样本输入到编好的神经网络算法，可以是BP神经网络和RBF神经网络等，得到训练后的模型。
4.测试神经网络
用测试样本检验训练好的神经网络模型。如果得到的效果不好，可以适当地调整神经网络的参数，改善补偿效果。
5.更换训练样本和测试样本后重复第三和第四个步骤
不同样本得到的结果往往差异较大，实验中需要更换训练样本和测试样本后进行多次重褪笛椋用以提高神经网络模型的适应性。
6.换一种神经网络方法重复第五个步骤
同一样本采用不同的神经网络方法可能得到不同的补偿结果，实验中可以尝试对比不同的神经网络方法，或者通过优化神经网络的方法改善补偿效果。
（二）基于支持向量机方法的降低多个干扰量影响的传感器智能模块设计
本实验的目标如下。
1.利用支持向量机的处理分类和回归问题的功能，对传感器交叉敏感的数据进行分析，用以抑制交叉敏感现象。
2.尝试修改支持向量机的程序，例如更换核函数或改变分类策略，得到不同的测试结果。
3.制备多组样本数据，对不同的样本数据进行测试，用以检验算法的适应性。
实验步骤如下。
1.样本数据制作
根据确定的实验对象，采集或制备样本数据。制作好的样本数据将分为训练样本和测试样本两部分。训练样本与测试样本的格式保持一致。
2.算法设计
利用支持向量回归（Support Vector Regression，SVR）或支持向量分类（Support Vector Classification，SVC）算法，处理样本数据。利用多种策略测试算法优劣。
例如在支持向量分类算法中，有两种处理多分类问题的策略， 一种是“一对一（one agaist one， 1A1）”， 另一种是“一对多（one agaist all， 1AA）”。实验中可测试不同策略的算法。支持向量机可选取多种核函数，包括线性核函数、多项式核函数和径向基（Radial Basis Function，RBF）核函数等。目前尚缺乏一种选取核函数的标准方法。实验中可以通过更换核函数来测试它们的不同效果，用以选取最优的方案。
可以采用不同的支持向量机工具箱，例如SVM and Kernel Methods Matlab Toolbox工具箱，或者自行编程。
在算法设计的过程中，通过对训练样本进行训练和对测试样本进行测试，得到每一次的结果。同一算法必须经过多个训练样本和测试样本的检验。更换算法策略后，再重复以上步骤。
3.效果评价
用抑制交叉敏感的结果对比最初的传感器数据，对算法效果进行综合评价。
（三）实验方案
结合以上实例，可以设计出自主实验的方案，具体如下：自行查阅资料进行神经网络分析法和支持向量机法的设计，两种算法选择其一即可。
实验步骤如下：（1）安装matlab软件；（2）熟悉matlab软件的使用方法；（3）查阅资料进行项目设计；（4）选取神经网络分析法和支持向量机法之一进行项目设计；（5）根据设计要求编写算法，并仿真；（6）对算法效果进行综合评价。
需要注意的是，利用神经网络分析法和支持向量机法在智能传感器系统的智能化功能实现方法上进行项目设计的时候，数据来源要有出处，应用范围要明确。
四、结论
现代传感器技术课程通过开设自主设计型实验可以提高学生的学习兴趣，加深学生对知识的理解。该课程涉及的神经网络技术、支持向量机技术、主成分分析和小波分析等方法可以较为灵活地开设自主设计实验，加强学生的动手能力。本论文以“基于神经网络方法的传感器温度自补偿模块设计”实验为例说明了自主设计实验的方案。实验采用Matlab软件设计，方案可行。
【参考文献】
[1] 张鹏，吴东艳，张凌志.项目教学法与传感器课程改革探索[J]. 中国电力教育，2014（05）：78-79.
[2] 王兴君，毛敏.智能传感器课程建O及教学研究[J]. 电子测试，2016（07）：172-173.
关键词：虚拟仪器，地磁场监测，分布式测量，电子邮件
1、前言
地磁场的异常波动是发生地震的重要征兆，对地磁场异常的监测可以为地震预报研究提供重要的数据资料 [1]。
虚拟仪器技术是利用编程软件，按照测量原理,采用适当的信号分析与处理技术,编制具有测量功能的程序就可以构成相应的测试仪器[2],降低了仪器的开发和维护费用,缩短了技术更新周期，显著提高了仪器的柔性和性价比[3]。
2、硬件结构
分布式地磁场异常监测系统总体结构如图1所示。磁场传感器通过RS232串口将计算出的地磁场方位值前期数据发送给电脑1，电脑1上的虚拟仪器软件完成对信号的读取、计算、分析、显示、存储等并通过电子邮件将相关数据传送给远端的电脑2。
3、软件设计
3.1、软件的总体功能
如图2所示，监测系统主要有数据采集模块、显示模块、磁场异常报警模块、数据处理模块、数据保存模块、电子邮件发送模块等组成。
3.2、软件前面板
前面板如图3所示,主要分为3个模块:通信参数设置模块、监测结果显示及保存模块、异常报警模块等。论文参考，电子邮件。论文参考，电子邮件。设置的通信参数主要有与传感器通信时的波特率、数据位、数据文件保存的位置、软件异常及地磁异常时发送电邮的收发件人电子信箱地址等。论文参考，电子邮件。论文参考，电子邮件。
图2 软件总体功能框图
图3 软件前面板
3.3、地磁场方位值的计算
地磁场方位值计算模块如图4所示，将VISA读取控件缓冲区中的字符串数组读出，截取其中第9和第10个元素，进行数制、进制转换得到地磁场方位值，接到前面板进行显示。论文参考，电子邮件。论文参考，电子邮件。
图4 方位值计算模块
3.4异常报警
将当前时刻的方位值与正常方位值相比较，如果相差5度，即认为是地磁场的异常波动，报警指示灯亮，发出报警音，同时启动邮件发送模块。
3.5 数据保存模块
调用日期/时间字符串控件，读取windows日期时间，和地磁场方位值一起写入指定目录的txt文件中。当地磁场异常时，触发磁场异常逻辑为真，写入文件控件将从此时刻开始5秒内的时间值、地磁场方位值写入txt文件中。
图5 邮件发送第一帧
图6 邮件发送第二帧
3.6 邮件发送
4.实验
如图7所示，实验方法为:将传感器与电脑1串口相连，通过虚拟仪器软件监测地磁场的异常情况，当地磁发生异常或接收传感器数据异常时，电脑1上的监测软件报警，并把异常数据记录到数据文件中，同时通过电子邮件模块向指定信箱发送指定格式邮件，监测者在电脑2上查看相关异常邮件。做法是转动传感器使其与地磁场磁北指向夹角为200°，用一块磁铁沿着与传感器指向垂直的方向自远及近靠近后又自近及远离开传感器，记录下整个过程磁铁与传感器距离、地磁场方位值、异常情况及邮件接收情况。实验结果如表1所示。
反复实验表明，监测软件准确地记录下了磁铁靠近传感器的过程中该处磁场的变化情况，且当地磁异常时电脑2及时地接收到了相关异常数据邮件。
表 1模拟干扰地磁场实验
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