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传感仪器范文

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来源：开心麻花

作者：开心麻花

2025-09-17

传感仪器范文（精选6篇）

传感仪器第1篇

1 差动电阻式传感器

差动电阻式传感器(以下简称差阻式传感器)的工作原理是基于20世纪30年代美国的卡尔逊博士提出的电阻丝变形与电阻率成正比的原理。差阻式传感器种类较多,但原理相同,它的等效物理模型如图1所示。

它利用内部两根钢丝长度变化引起电阻值的变化来感受外界物理量的变化。其一般计算公式如下:

被测物理量=f+ΔZ+b×Δt (1)

其中, f为传感器的最小读数;ΔZ为电阻比相对于基准值的变化量;b为传感器的温度修正系数;Δt为温度相对于基准值的变化量。

由式(1)可知,要知道被测物理量的大小,必须知道ΔZ与Δt的值。由于电阻值的变化与温度具有对应关系,所以电阻丝的温度必须与所测结构的温度一致,可以直接由仪器与被测物体接触测得。对于电阻比Z的获得,它因仪器中线路连接方式的不同而不同,有四芯制和五芯制两种不同的连接方式,如图2所示。

从图2中可以看出,四芯制接法中,电阻比 $Ζ = \frac{R_{1} + r_{1}}{R_{2} + r_{2}}$ ;而五芯制接法中,由于电路等效,电阻比 $Ζ = \frac{R_{1}}{R_{2}}$ 。所以,在四芯制接法中,与芯线阻值大小有关,并且经验表明芯线电阻每相差0.01 Ω要引起(3～4)×0.01%电阻比的误差,影响测量精度,所以目前的差阻式传感器均采用五芯制方式连接。因此,只要知道电阻值(四芯制中还要知道芯线阻值)的大小就可以得到Z,从而求得被测物理量,对于电阻值的测量,常见的有组桥法和放大法,组桥法能有效解决信号放大问题,但是测量范围相当有限。较多采用多源体系放大法,它能克服组桥法存在的缺陷,并且能消除相同比例放大器的负反支路电流If对测试主回路电流I的影响,并且分辨率达到0.000 01,精度达到0.000 1。

差阻式传感器适用于绝缘条件较好的大体积混凝土结构中。用于测量应力、渗压、温度等[1,2]。

2 振弦式传感器

图3为振弦式传感器的等效物理模型,工作原理是:将一根金属丝(弦)两端固定然后张拉,金属丝内部将产生一定的张力,此时金属丝的固有振动频率与其内部张力就具有一定的定量关系[4]。

从图3可以看出,一根金属钢丝弦两端被固定,外部用金属管做支撑和保护作用,金属管的中间位置设一激励线圈和测温电阻,当用一个脉冲电压信号去激励线圈,线圈中将产生变化的磁场,变磁场会促使钢丝弦产生衰减振动(即变磁场使金属丝内部产生张力),振动的频率为钢丝弦的固有频率。由动力学原理,得:

$f = \frac{k}{l} \sqrt{\frac{Τ}{ρ}}$ (2)

其中, f为钢弦丝的振动频率;k为自然数(可取0,1,2…);T为金属内部的张力;l为金属丝长度;ρ为钢弦丝密度。

所以,当外界条件影响下金属丝长度发生变化时,可得:

$f_{1} = \frac{k}{l + Δ l} \sqrt{\frac{Τ + Δ Τ}{ρ}}$ (3)

但是, $\frac{Δ l}{l} ≪ 1$ ,故式(3)可以简化为:

$f_{1} = \frac{k}{l} \sqrt{\frac{Τ + Δ Τ}{ρ}}$ (4)

即固有频率主要由张力的变化量决定。可见,钢弦丝振动频率与张力的平方根成正比,当金属丝内部张力变化时,其固有振动频率将随之发生变化,因此,通过测试弦的固有振动频率的变化确定其内部张力的变化,而内部张力的变化又与结构应变相关联,所以通过测量钢丝弦固有频率的变化,就可以测出外界应变的变化。

此外,在无应变变化条件下,温度的变化也会对弦的张力产生影响,温度升高,张力减小;温度降低,张力增大。故应予以消除,根据动力学原理可得温度变化与应变的关系为:

$ε = \frac{m l}{E A} f^{2} + Δ Τ_{1} α$ (5)

其中,E为钢弦的弹性模量;A为钢弦丝的截面面积;m为钢弦丝单位长度质量;l为钢弦丝的长度;ΔT1为温度的变化量;α为钢弦丝的热膨胀系数。实际应用中,还应考虑被测物体在温度变化下应变的影响,故可得修正温度与应变关系公式:

$ε = \frac{m l}{E A} f^{} 2 + Δ Τ_{1} α - Δ Τ_{2} β$ (6)

其中,ΔT2为被测结构的温度变化量;β为被测结构的热膨胀系数[3]。

振弦式传感器由于体积小,抗干扰能力强,对电缆要求低,可远程监测,故用途更加广泛,可用于桥梁结构和大坝结构。但是由于与被测物体弹性模量的不同,而导致测量精度会产生误差,当被测结构与钢弦的弹性模量相差较大时,误差比较大。因此,它只能用于弹性模量与仪器本身接近的结构[4]。

3 光纤光栅传感器

在结构健康监测中,用得较多的光纤光栅传感器是光纤布拉格光栅(Fiberopic Bragg Griding,简称FBG)传感器, 其制作示意图如图4所示。

光纤光栅的工作原理是利用光纤的光敏性,即指激光通过掺杂光纤时,在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化,从而形成永久性空间相位,光纤光栅的折射率将随光强的空间分布发生相应变化。而在纤芯内形成的空间相位光栅,其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。当一束宽光谱光经过光纤光栅时,满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射。光纤布拉格光栅的波长由下式决定:

λB=2nΛ (7)

其中,n为芯模折射率;Λ为光栅周期。当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其他物理量发生变化时,光栅会产生轴向应变,光栅的周期将变化,并且由于光弹效应使纤芯的折射率变化,这将引起中心波长的改变。光栅的周期或纤芯折射率将发生变化,从而使反射光的波长发生变化,通过测量物理量变化前后反射光波长的变化,就可以获得待测的物理变化量。实验表明,光栅中心波长的改变与光栅应变成良好的线性关系[5]。

在土木工程结构的健康监测中,光纤光栅的波长变化主要由于测量结构应变变化和温度变化引起,假定这两个因素对波长的影响是独立的,则布拉格波长变化可以表示为:

$\frac{Δ λ_{B}}{λ_{B}} = Κ_{ε} ε + Κ_{Τ} Δ Τ$ (8)

其中,Kε为布拉格波长的应变灵敏系数;ε为被测结构的轴向应变;KT为布拉格波长的温度灵敏系数;ΔT为温度的变化量。

光纤光栅由于耐久性好,无火花,既可以实现点测量,也可以实现准分布式测量等优点[9],适于长期监测和相对特殊监测领域;这些优点使其应用更加广泛。特别是传统的传感器难以实现监测的部位得到应用。

但是由式(8)可以看出,当温度和应变同时发生变化时,布拉格光纤光栅传感器本身无法分辨出两者分别引起的布拉格波长变化。因此,测量其中一个量时,必然会受到另一个量的影响,同样也无法实现应变和温度的同时测量。由此可见,要精确测量应变,必须解决应变、温度交叉敏感等问题[6,7]。

4 光纤传感器

土木工程中用于结构健康监测的光纤传感技术主要是基于布里渊散射的分布式光纤应变监测技术,主要仪器为布里渊光纤时域反射计(BOTDR,Brillouin Optical Time-Domain Reflectometer)。它的简图如图5所示。

其工作原理是:脉冲光以一定的频率自光纤的一端入射,入射的脉光与光纤中的声学声子发生相互作用后产生布里渊散射,其中的背向布里渊散射光沿光纤原路返回到脉冲光入射端,进入BOTDR的受光部和信号处理单元,经过一系列复杂的信号处理可以得到光纤沿线的布里渊背光散射的功率分布。

光纤在未受到外界影响下,布里渊背散光谱为洛仑兹形,其峰值功率所对应的频率即是布里渊频移vB,在光纤受到轴向拉伸时,布里渊频移就会发生改变,试验表明,频移变化量与应变之间呈线性关系,其关系式为:

$v_{B} (ε) = v_{B} (0) + \frac{d v_{B} (ε)}{d ε} ε$ (9)

其中,vB(ε)为应变为ε时的布里渊频移量;vB(0)为应变变化量为0时的布里渊频移量; $\frac{d v_{B} (ε)}{d ε}$ 为布里渊频的变化率。因此可以由测得的频移变化量推得应变的变化量。但是,温度变化也可以引起光纤发生轴向应变,可以通过温度补偿进行消除,通过如下修正关系式得到:

$v_{B} (ε) - \frac{d v_{B} (Τ)}{d Τ} (Τ - Τ_{0}) = v_{B} (0) + \frac{d v_{B} (ε)}{d ε} ε$ (10)

其中,T为应变值为ε的温度;T0为应变值为0时的温度。并且,光纤传感器还可以分别将应变和温度对频移的影响进行独立测量,同时,它可以测量光纤沿线上各点的情况,光纤质轻,对埋设结构的材料参数影响小,使其可以进行长距离的分布式监测,在土木工程的监测中应用更为广泛[8,9]。

5 结语

本文介绍了土木工程中常用结构健康监测传感仪器的工作原理,并分析了各自的优缺点,为实际应用中仪器的选取提供了参考。随着电子技术和通信技术等相关领域的发展,传感仪器在提高测量精度,减小偶然误差,抗干扰,经久耐用等方面会取得更大的进步。能提供更加准确的结构信息,对增强结构的使用性能,减少维修成本具有重要意义。

参考文献

[1]毛为良,王为胜,沈省三.高性能差动电阻式传感器自动化测量系统的研制[J].传感技术学报,2002(6):153-157.

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[3]毛为良,王为胜,沈省三.振弦式传感器及自动化网络测量系统在桥梁安全监测系统中的应用[J].传感技术学报,2002(1):73-76.

[4]张兴斌,纪强,张莉.振弦式应变传感器特性研究[J].传感世界,2003(8):19-21.

[5]周美军,韩卫华,刘永辉,等.光纤光栅传感技术在土木工程中的应用现状[J].四川建筑,2006,26(2):116-117.

[6]耿伟霞,王天滑,王亚民.光纤光栅传感器在桥梁应变测量中交叉敏感问题的研究[J].交通标准化,2006(2):52-55.

[7]卢哲安,江志学,石玉华.光纤光栅传感技术在桥梁监测中的应用研究[J].武汉理工大学学报,2003,25(11):57-59.

[8]张丹,施斌,吴智深,等.BOTDR分布式光纤传感器及其在结构健康监测中的应用[J].土木工程学报,2003,36(11):83-87.

生化测试仪器中光传感器的选择第2篇

随着科学技术的进一步发展,各种新器件不断被研制面市,各种测试仪器不断涌现,尤其是采用光电转换传感器的测试、测量仪器越来越多。对生化测试仪器的指标起关键作用的光电传感器性能的了解越来越重要,文章就光电管、光电倍增管、硅光电池的原理、性能指标和应用进行深入分析和研究。

1生化测试仪器的测试原理

一般生化测试仪器主要由光源、传感器、数据采集与处理系统、输出设备、电源等几部分组成,其结构框图如图1所示。

光源发出的光经光学系统聚光(有时要变为单色光)后入射到被测物体,光线被所测物体吸收部分光,余留的光被光电传感器接收,传感器输出与接收光能量成一定关系(比尔定理)的电信号,经数据采集转换成数字信号,这数字信号与未被吸收的光信号(即入射光)进行比较,得出被测物体吸收了多少光能量,再经过关系式得出被测物体的浓度或成分,最后得到想要的结果。所以,光电传感器的好坏(如灵敏度、稳定度、线性度等)会直接影响仪器的测试结果。

2 常用光电传感器

2.1 光电管和光电倍增管

紫外和可见分光光度计常用的光电转换器,一般使用光电管和光电倍增管。

2.1.1 光电管

光电管工作时,需在阳极和阴极之间加一个直流工作电压。光电管的阳极A,接在直流工作电源的正极上,光电管的阴极K接在直流工作电源的负极上,直流工作电源的电压一般为80～100V。当光照射到光电管的阴极K上时,阴极K的材料被激发,发射出电子,在直流工作电源电压的作用下,电子飞向阳极A,形成光电流。其接线如图2所示:

光电管分充气光电管和真空光电管2类。充气光电管的积分灵敏度比真空光电管高,但充气光电管的惰性较大,而且其光电特性具有非线性,因此很少被使用。几种真空光电管的光电特性[1]见表1。

光电管的光谱灵敏度主要取决于光阴极的灵敏度,光阴极的灵敏度又取决于光阴极材料。几种常用的光电阴极材料及其光谱特性[1]如表2所示。

目前,真空光电管使用最多,真空光电管的特性如下:

(1) 光谱响应特性:光电管是对光具有选择性接收的光电转换器件;光谱响应特性主要取决于光电阴极材料。不同光电阴极材料,对同一种波长的光有不同的响应率;同一种光电阴极材料,对不同波长的光具有不同的响应率。

(2) 光学特性:光电管的光学特性是指阳极电压不变时,入射到光电管的辐射功率与光电流之间的线性关系。当电压一定时,入射到光电管上的辐射功率(以光通量表示:lm)与光电管输出的光电流(μA)之间呈线性关系,即响应率为常数,并随极间电压的提高而增长。

(3) 伏安特性:光电管的伏安特性是指在一定辐射功率的光束照射下,阳极和阴极之间的电压与光电流的关系。当极间电压高于40～50V时,光电流开始饱和。因此,使用时极间电压过高没有意义。

(4) 暗电流:光电管在没有光照射到阴极上的时候,也有电流输出,这就是暗电流。这是不需要的电流,往往以噪声的形式出现。光电管的暗电流的最大值一般小于10nA,与加在阳极和阴极之间的工作电压有关。因此,使用光电管时,工作电压不能太高,一般极间电压不要超过45V为宜。并且,该电压的稳定性很重要,他直接影响整机的稳定性。一般要求工作直流电压的电压调整率为5×10-5,纹波系数1×10-3。

2.1.2 光电倍增管

光电倍增管是外光电效应和多级2次发射体相结合而制成的光电器件。外光电效应可发射电子,多级2次发射体可作为电子放大元件,二者结合就是光电倍增管。光电倍增管的积分灵敏度大大超过充气光电管和真空光电管。而且与真空光电管一样,有很好的线性关系,是紫外光区和可见光区非常灵敏的光电转换器件,被广泛使用。特别在高档紫外可见分光光度计中光电倍增管使用最多。光电倍增管是各类光谱仪器(特别是高档紫外可见分光光度计)、各类生化仪器、各类核物理仪器和天文测量仪器的关键部件。光电倍增管的工作原理如图3所示。

K为光阴极,D1, D2, D3, D4…, Dn为2次发射极,又称打拿极。一般被设计成凹面形,以利于电子聚焦;A为阳极,当有光照射到阴极K上时,阴极K上的光敏材料就发射光电子,这些光电子受电场加速,到达D1,由于D1的2次发射系数被设计成>1(即δ>1)。因此,有较多的2次电子被电场加速到D2,以后逐渐放大。最后,在阳极A上形成很强的光电流信号输出。2次发射级数越多,发射系数越大,总的光电子放大系数也越大。设每级的放大系数(又称倍增率)为δ,打拿极有n级,则光电倍增管的光电流倍增率为δn。光电倍增管的主要技术指标和特点如下:

(1) 阴极和阳极光谱灵敏度:这是光电倍增管最重要的技术指标之一,决定光电倍增管的灵敏度。阴极光谱灵敏度取决于光阴极材料,常用的阴极材料见表2。阳极光谱灵敏度等于阴极光谱灵敏度和光电倍增管的电流放大倍数的乘积。

光电倍增管的光谱响应特性是光电倍增管一项极其重要的关键指标。在相同条件下测得不同光电倍增管的绝对阴极光谱响应特性,可以挑选、比较光电倍增管的相对灵敏度、响应峰值波长位置、长波和短波的响应极限等。光电倍增管的绝对阴极光谱响应特性可限制光电倍增管的使用范围,影响用光电倍增管作光接收器的各类仪器仪表的整机灵敏度。

(2) 放大倍数(增益)M:放大倍数M= c·δn;其中,c为收集系数,反映倍增极收集电子的效率。一般光电倍增管的M值为105～107。光电倍增管的放大倍数与其工作直流高压有关,所加的高压越高,放大倍数越大。一般光电倍增管工作时,要加300～1000V的直流高压。

(3) 阳极特性:光电倍增管的阳极特性是指在一定光照下,阳极光电流与末级倍增极和阳极间电压的关系,而其余各级间的电压保持恒定不变。一般光电倍增管的阳极特性曲线[2]如图4所示。

由图4可知,光电倍增管的阳极特性曲线有饱和区。照射到光阴极上的光通量越大,相应的阳极光电流也越大,达到饱和时的级间电压也越大。

(4) 暗电流:暗电流决定光电倍增管的极限灵敏度。一般光电倍增管的暗电流在1～10nA,这与工作时的温度有关。所以,使用时为了降低暗电流,采取制冷的办法。

(5) 稳定性:光电倍增管的稳定性是使用者特别要关注的问题。因为这直接影响紫外可见分光光度计的稳定性。光电倍增管的稳定性与以下因素有关。

a. 所加直流工作电压的稳定性。如直流工作电压波动1%,则光电倍增管的放大倍数波动12%以上。

b. 光电阴极疲劳。光电倍增管的光电阴极经强光照射后,会产生灵敏度下降,称之为疲劳。但经过几小时后,有可能恢复。如果长期在较强的光照射下,光阴极会产生不可逆的疲劳(即不能恢复光谱灵敏度),这是影响光电倍增管测量重复性的重要因素。所以使用者要注意,不能让强光直接照射光电倍增管的阴极。

c. 漂移。由于光谱灵敏度的慢而不可逆变化(下降)的长期积累(老化),使光电倍增管的输出产生漂移。

几种常用的光电倍增管的主要特性[2]如表3所示:

2.2 硅光电池

光电池是一种简单实用的光电转换器件。优点是简单、便宜、体积小、使用方便,不需要附加电源,可以直接使用。缺点是响应时间较长、有疲劳效应和温度效应。光电池分硒光电池和硅光电池,目前在生化测试仪器中使用最多的是硅光电池。

硅光电池的最大光电流比硒光电池的最大光电流要大100倍以上,在可见光区的灵敏度更高。各类光电池都有极限照度,若入射光过强,光电池有可能产生疲劳或损坏,使用时须按说明书要求操作。

(1) 光谱响应特性[3]如图5所示。

图5是日本浜松公司生产的6种型号的光电池的光谱响应特性曲线。其中:a为S1087型,b为S1133-01型,c为S3407-01型,d为S1133-14型,e为S5493型,f为S6931型。硅光电池的光谱响应范围一般为320～1100 nm,峰值波长一般在960nm左右,如日本浜松公司S1133-01、S1337-33BR等硅光电池。近几年,国外有些公司研制出光谱响应峰值波长在500～600nm的硅光电池,如日本浜松公司S1087硅光电池,其波长范围为320～730nm,峰值位置在560nm。

(2) 光照特性曲线[4]:各类光电池在不同的光照下,都有不同的光电流输出。图6所示为硅光电池的光照特性曲线,他表明了硅光电池的开路电压、短路电流和光照度的关系。由图可知,短路电流和光照度成线性关系,开路电压与光照度成非线性关系,且当照度大于1000lx时,出现饱和。因此,使用光电池时,注意使其工作在接近短路状态,即负载电阻尽量要小。不同负载下光电流与光照度的关系如图7所示。

(3) 稳定性:光电池的稳定性与制造工艺、温度、电磁场干扰[5]等有关。光电池如果密封不好,很快就会使噪声增大,灵敏度下降;当光电池的温度上升,也会使噪声增加,使稳定性变坏;周围有电磁场干扰,也会影响其稳定性。所以,使用光电池作光检测器的紫外可见分光光度计,一定要注意防潮、防高温、防周围电磁场的干扰,以保证光电池工作在最佳环境下。

(4) 暗电流和灵敏度:一般光电池的暗电流都较大,但近几年国外生产的硅光电池的暗电流[5]非常小,如S1336-18BU、S1336-18BQ等硅光电池,最大暗电流仅20pA。硅光电池的灵敏度也很高;目前国外生产的硅光电池,峰值灵敏度有的可达到0.3～0.6A/W,如日本浜松公司的硅光电池(S1087、S1133)等。

3 结束语

针对不同的要求、用途、条件、环境等因素,在生化测试仪器的研制过程中,选择光电传感器时,要考虑最佳的光谱响应范围、峰值波长、灵敏度、暗电流、稳定度等技术指标,同时还要考虑体积的大小,必要时通过实验的方法来确定所选择的传感器是否符合仪器的工作要求。

参考文献

[1]李昌厚.光电管和硅光电池的相对光谱响应特性测试方法的研究[J].光学仪器,1995(02):8-12.

[2]李昌厚.光电倍增管暗电流等效输入光通量的简易测试方法[J].传感器技术,1988(03):47-49.

[3]吴林斌.光传感器及其应用分析[J].硅谷,2011(09):45-53.

[4]薛婧.基于硅光电池的电荷放大器性能测试信号发生器[J].仪表技术与传感器,2009(07):60-62.

NOx气体传感器虚拟测试仪器设计第3篇

1 Lab VIEW简介

虚拟仪器是一种全新的概念, 它是利用计算机的硬件资源 (CPU、存储器、显示器、键盘、鼠标) 、标准数字电路 (GPIB、RS232接口总线、新型的VXI接口总线、信号调理和转换电路、图像采集电路、现场总线等) 以及计算机软件资源 (数据分析与表达、过程通信、图像用户界面等) , 经过有针对性的开发测试, 使之成为一套相当于使用者自己设计的传统仪器。随着计算机技术的高速发展, 虚拟仪器在近几十年得到了迅猛发展, 测控系统仪表正在逐渐虚拟化和组件化。与传统仪器相比, 虚拟仪器具有开放性好、灵活性强、开发及维护费用低、系统性能升级方便、技术更新周期短等优点, 成为计算机技术时代下测量仪器的发展趋势。

1986年10月, 美国NI (National Instrument) 公司推出了虚拟仪器专用开发平台Lab VIEW, Lab VIEW是图形化编程语言 (G语言) , 因其编程方式简单方便, 可以大大提高工作效率, 而成为目前最受欢迎的虚拟仪器开发平台之一。Lab VIEW带有丰富的类库和组件, 能实现信号测量、信号统计、信号处理和设备驱动等各种功能, 并能根据用户的需要方便的开发应用软件和建立测试系统。

基于Lab VIEW的测试系统的结构示意图如图1所示, 计算机通过数据采集卡 (或测试仪器) 采集被测物理量信号, 计算机中的Lab VIEW应用程序再对信号数据进行各种处理, 当然Lab VIEW应用程序也可以反馈控制数据采集卡的输出 (或测试仪器的设置参数等) 。

2 电位型电解方式电化学式气体传感器

电化学式气体传感器, 由里一个敏感电极、一个参考电极和电解质组成, 结构如图2所示, 敏感电极由于能与被测气体发生化学反应而用于测量气体浓度, 参考电极不能与被测气体发生化学反应而作为基准参考参, 而电解质有液体电解质和固体电解质两种。而根据测量物理对象的不同又分为电位型和电流型, 电位型主要利用两个电极之间的化学电位差, 利用电极电位和气体浓度之间的关系进行测量。电流型采用极限电流原理, 利用气体通过薄层透气膜或毛细孔扩散作为限流措施, 获得稳定的传质条件, 产生正比于气体浓度或分压的极限扩散电流。

3 基于Lab VIEW的NOx传感器实时测试系统

电位型NO传感器输出电位信号, 电位响应时间是衡量传感器性能的重要技术指标, 当测试样气从一种气氛变化到另一种气氛时传感器响应电位也会随着发生变化, 电位随时间的变化关系就是电位响应时间。实验设想利用实验室现有的Agilent 34401A数字万用表结合Lab VIEW驱动控制实现实时记录传感器在测试气氛变化时的电位变化情况, 从而可以分析突变电位随时间的变化关系。当然, 通过对软硬件参数的适当设置, 该系统还可以用于测量电流型传感器、电阻型传感器等的气敏特性, 有较好的实用价值。在此以电位型传感器为例, 介绍开发过程。

Agilent 34401A数字万用表由于其性价比高而成为高校实验室比较常用的测试仪器, 可以提供6 1/2数字分辨率、每秒钟1000个读数和15ppm的基本直流精度。Agilent 34401A数字万用表配有RS—232标准512读数存储器, 可以通过RS—232串口数据线与计算机连接进行数据通信。以前驱动Agilent 34401A大都是基于VISA的仪器驱动, VISA要求编程人员熟悉仪器专用语言 (如SCPI) , 给软件的编程带来了一定的困难。而NI公司提供的Agilent 34401A驱动器可以在Lab VIEW中运行, 通过串口能方便的实现软件控制记录万用表的测试数据。

3.1 数字万用表参数配置及其驱动安装

(1) Agilent 34401A数字万用表硬件参数配置。通过万用表前面板上的按键进行万用表参数配置:测量类型为电压值, 量程为1V, 识别语言为SCPI, 前面板显示位数为5位半, 通信方式为“RS—232”, 波特率为9600, 奇偶校验为奇校验 (7个数据位) 。

(2) 在Lab VIEW8.6上没有Agilent34401A驱动, 需要在线安装。点击“工具”下的“查找仪器驱动”, 在制造商栏选“Agilent Technologies”, 附加关键词栏输入34401A, 点击“搜索”, 搜索结果窗口就显示要安装的驱动版本, 考虑到实验使用的Lab VIEW8.6版本, 安装“Driver for Lab VIEW 8.0”。安装完成后在Lab VIEW的程序框图面板中的“仪器I/O”的“仪器驱动程序”就会显示“HP34401A Multi Meter”组件, 即Agilent 34401A数字万用表的驱动程序。具体安装步骤图3所示:

A) 在线查找驱动程序B) 搜索仪器驱动C) 安装驱动D) 安装成功

3.2 测试软件设计

鉴于气体传感器的输出特性, 我们要得到测试腔样气中的被测气体浓度突变和再次稳定时传感器的电位变化, 故要求软件对数据进行实时记录保存, 然后再对保存的数据进行回放分析。测试系统的程序主要包括数据采集模块、数据保存模块、数据回放模块和数据显示模块。程序流程图如图4所示:

采集模块主要包括初始化、通信参数设置、测量测样、关闭通信和错误处理子模块, 其中通信参数的配置要与上述数字万用表的配置参数一致, 采集数据的设备端口选为COM1。配置如图5所示:

数据储存模块程序框图如图6, 其主要功能有:

(1) 选择保存路径;

(2) 建立Excel表格文件, 保存日期、时间及对应的采样值, 将采样值与日期、时间联系起来, 方便以后的查看整理和回放。

当需要保存数据时, 条件结构真值分支运行, 显示日期、时间, 并可以设定数据保存的路径。其中:

(1) 获取日期/时间 (秒) , 返回当前时间的时间标识。

(2) 获取日期/时间字符串, 将时间标识的值或数值转换为计算机配置的时区的日期和时间字符串。

(3) 格式化写入字符串, 将字符串路径、枚举型、事件标识、布尔或数值数据格式

(4) 连接字符串, 将输入字符串和一维字符串数组连接成一个输出字符串。对于数组输入, 该函数连接数组中的每个元素。

(5) 创建数组, 连接多个数组或向N维数组添加元素。

(6) 写入电子表格文件, 将字符串、带符号整数或双精度数的二维或一维数组转换为文本字符串, 将字符串写入新的字节流文件或将字符串添加到现有文件。

(7) 路径至字符串转换, 路径转换为字符串, 以操作平台的标准格式描述一个路径。

3.3 测试系统的人机交换界面

人机交换界面如图7.8所示。通过界面操作可实现数据显示、波形显示、错误显示、数据保存和历史数据回放等功能。

3.3 测试结果

通过测试系统测试的数据保存着在电子表格中, 把电子表格中的数据进行整理得到传感器的输出电势与时间的响应曲线如下图, 结果显示NO浓度达到稳定时, 传感器有良好的电位平台, 每个平台显示了当前浓度下的传感器相应电位;当NO浓度变化时, 电位也随着发生变;从图中还可以看出, 传感器对NO测试的重复性均较好, 并且均存在着上升和下降响应时间不对称的现象。上升和下降响应时间不对称的现象初步分析是由于下降响应时间对应着气体NO浓度由高变低的下降过程, 当低浓度NO气体进入测量腔内需要较长的时间才能将高浓度NO气体排出并置换完毕, 这就带来了下降响应时间的变长。反之, 当高浓度NO气体进入测量腔内时只需很短的时间就能将NO浓度由低变高。该系统很好的记录了传感器的响应过程。

4 结果及讨论

传感仪器第4篇

测量血压的传统仪器是机械式水银血压计,而我校目前实验采用的是用压力传感器的性能测量人体血压,虽然操作简单,但仪器陈旧,线路简单,已不适用于当前时代的发展。因此对原有仪器进行了改装。

1 原有仪器的实验原理

心脏收缩时的动脉血压叫收缩压,心脏舒张时的动脉血压叫舒张压,它们都高于大气压强,用水银血压计在人体肘关节上部测收缩压和舒张压,这是无创伤间接测量方法,也是比较准确的,水银血压计的主要缺点是若有不慎,水银流失污染环境,用压力传感器配上放大指示系统可以取代水银指示[1]如图1所示。

求两个液面的压强差:P1-P2=(ρ-ρ1)gh式中:ρ为水银密度,ρ1 为空气密度,g 为重力加速度,一定条件下这3个物理量为常数,因此,外加压强P1与水银高h 成正比[2]。

通常情况下把大气压强P2作为基准电压,令P2=0,高于大气压强的为正压,低于大气压强的为负压。

刚开始,没有向气袋充气时,水银槽与玻璃管中水银面上的压强和传感器入口m处的压强都是大气压,两个液面高度相同,此时玻璃管处表记O,传感器输出指示为O;挤压打气球,使气袋内压强增加,玻璃管内水银面上升,毫伏表指示也上升。测量血压时,把气袋缠在肘关节上部,听诊器置于肘动脉处听到脉搏音,然后打气,使气袋中的压强大于收缩压,气袋通过肌肉组织将动脉血管压闭,听诊器听不到脉搏音,这时开始缓慢放气减压,当气袋压强降到等于收缩压时(图1的A 点处),血压正好能冲过压闭的血管,听诊器开始听到声音,立刻读玻璃管或者毫伏表的指示数,即为收缩压。

在读降压过程中,主要气袋内压强高于舒张压,血流将随血压周期性的波动而继续流过血管,如图1的BC段,听诊器可以听到与脉搏次数相同的声音次数,由于气袋内压强愈来愈低,血流增强声音的强度增大,而音调(频率)变低,当外加压强正好等于舒张压时(图1的C点)血液由继续流动变为连续流动,这时能听到与其相应的声音转变立刻读数,此数即为舒张压[3]。

2 改进后的仪器原理

实验装置所用的传感器是Motorola公司的MPX50GP压力传感器[4],在0～40 kPa的压强范围内输出电压信号范围是20～60 mV,它是一种半导体应变集成型压力传感器[5]。实验装置把传感器放大电路与电表组装在一起,当电表开关指向mV档时,电表为毫伏表,用来测传感器的输出电压,当开关指向kPa时电表为一具电子血压计,实验方法同上,主要对原有的电子线路和实验装置进行了改装。

2.1 线路图

由于压力传感输出的电压的信号是很微弱的,须经放大器进行放大(见图2)。

A1,A2组成放大器的第1级,它们是同相输入,输入阻抗很高,电路结构对称,零点漂移小,A3为第2级以提高共模抑制比和灵敏度。A4是反相输入组成放大器的第3级,通过对电位器W2W3及开关SW的调节可以使A4有两个放大倍数,输出信号至表头,分别指示血压的KPa值和mmHg值。A5是电压跟随器,输出至表头2,直接显示第3级的输入电压值。电源采用± 5V电源[6]。实验操作时,先使血压计为零,调节W1,使表2头指示为零,在调节W4使表头1指示为零。之后加压,分别调节W2和W3对KPa值和mmHg值进行定标[7]。调零,定标工作完成后,就可以进行实验的下一步了。压力传感器经过标定核准后,可以方便地用于测量血压[8],图1中把胶管n端接于传感器m处,就是一具电子血压计。

2.2 实验装置的改进

将原有分立式实验装置改装为仪器,即将传感器,设计的放大器集中到一个印刷线路板上,将电位器、表头(用数码器做成的成品)电源、开关等固定在面板上,装在金属箱里,成为一台美观适用的电子血压计。改装后的电子血压计实验装置性能良好,简单适用。表1为改进后的仪器压强与电压之间关系数据表。

3 结语

综上所述,改进后的仪器在测量的准确性、精确度及清晰度、稳定性上都已达到了学生实验的要求,同时由于操作简单、自动性高、成本低等特点便于推广[9],非常适用于医学生的实验操作,也是对物理知识的综合应用,可以很好地考察学生综合能力和创新能力[10]。

参考文献

[1]马胜玉.基于单片机的数字血压计设计[J].机械研究与应用,2010(4):78-79.

[2]梁路光.医用物理学[M].北京:高等教育出版社,2009.

[3]代伟,兰小刚,谢春茂.用压力传感器和温度传感器测量绝对零度[J].大学物理,2008(9):31-33.

[4]何春芬,张玲,何伟.基于模数混合FPGA的便携式电子血压计设计[J].计算机技术与发展,2009(9):32-33.

[5]姚久民,祝玉华,杨希东.气体压力传感器测量血压与心率的设计性实验[J].实验室研究与探索,2010(12):27-30.

[6]周珊.压力传感器及其应用实例科学大众[J].科学教育,2009(10):114-115.

[7]郭冰,王冲.压力传感器的现状与发展[J].中国仪器仪表,2009(5):72-75.

[8]崔海朋.基于MSP430F449的电子血压计设计[J].今日电子,2008(4):22-24.

[9]范昕.基于MN101EF32D单片机的电子血压计设计[J].世界电子元器件,2008(10):32-33.

传感仪器第5篇

北京2014年12月17日电/--日前, 德州仪器 (TI) 宣布推出业界首款灵活型高频13.56 MHz传感器应答器系列。高度集成的超低功耗RF430FRL15x H片上系统 (So C) 产品系列把符合ISO 15693标准的近场通信 (NFC) 接口与可编程微控制器 (MCU) 、非易失性FRAM、模数转换器 (ADC) 、SPI或I2C接口进行了完美的结合。双接口RF430FRL15x H NFC传感器应答器经优化可用于完全无源 (无电池) 模式或半有源模式, 以便在多种消费类可穿戴设备、工业、医疗和资产跟踪应用中实现更长的电池寿命。

非易失性FRAM将SRAM的速度、灵活性、耐用性与闪存的稳定性、可靠性集于一体, 同时还可提供业界最低的功耗和几乎无限的可写次数。FRAM允许开发人员创建可快速存储传感器数据的产品, 并能轻松配置应答器和传感器以满足任何应用的需求。

将NFC传感器集成到医疗、工业和资产跟踪应用

开发人员现在可设计出需要模拟或数字接口、数据记录功能、向NFC致能读取器进行数据传输的产品。RF430FRL15x H应答器可作为适合这些应用的传感器节点, 还可在NFC致能设备将数据传送到云时生成Io T即用型解决方案。

●在医疗或健康与健身应用中, RF430FRL15x H可用于那些能检测温度、水合作用等的一次性补丁。这就允许患者安全地监控重要数据并将这些数据与负责自己健康的相关人员共享。在将数据传输到NFC致能平板电脑或智能手机之前, 该器件可监控数据并将其记录在本地存储器 (FRAM) 中。

●RF430FRL15x H可支持工业市场上的免维护设计和密封电流隔离传感器系统。这些传感器依靠RF场供电, 并通过NFC进行无线通信以收集和记录数据。

●食品跟踪等物流应用需要恒温控制, 可借助RF430FRL15x H应答器对这种恒温控制进行监控和记录。该应答器可通过数个与NFC智能设备及分销渠道普遍的读取器相连的传感器来设计高度集成、尺寸优化的易用型数据记录器。

TI RF430FRL15x H NFC传感器应答器的特性与优势

可通过符合ISO/IEC 15693、ISO/IEC 18000-3标准的RFID接口支持无线通信。

●经优化适用于能在一个NFC读取器的读取距离内从该读取器产生的RF场收集能量的1.5V单节电池供电型设计或无电池设计。智能电源管理包括电池开关, 以确保较长的电池寿命。

●具有超低输入电流、低噪声和超低偏移的14位Σ-ΔADC, 使开发人员除了能连接集成温度传感器外还能连接多达三个附加外部传感器。

●SPI或I2C接口可支持数字传感器或将该设备连接到主机系统。

嵌入到ROM中的应用代码可管理RF通信和传感器读数, 以便在配置该应答器时提供最大的灵活性。开发人员还可配置采样率、测量阈值和报警器。

通用非易失性存储器 (FRAM) 实现数据存储以及应用代码的扩展和调整。

●可集成由功能强大的开发工具生态系统所支持的16位超低功耗可编程MSP430™CPU内核。

●可完全集成到TI的Code Composer Studio™ (CCS) 以及IAR’s Embedded Workbench®集成开发环境 (IDE) 中。

即时评估RF430FRL15x H传感器应答器

传感仪器第6篇

关键词：压电晶体,静态特性,虚拟仪器,指针仪表,机器视觉

0前言

压电晶体传感器在工程实践中占有重要地位, 在传统的标定过程中, 通过不断给压电晶体施加压力, 读出不同压力值下通过电荷放大器与之相连的电压表的示数, 即可进行静态特性标定。然而, 当加压或者降压过程速度加快时, 电压表的示值会相应地快速变化而不容易读数。通过引入机器视觉技术的应用, 将数字图像处理技术与机器视觉技术相结合, 可以实现仪表图像的自动收集、分析、处理与识别[1], 得到不同压力值下电压表的读数, 最后将所得两组数据进行数据处理可以直接生成实验报告, 实现标定系统的自动化。

压力表面的图像处理与识别是非电子设备与现代电子设备的接口, 与工业精密测量向自动化、智能化的新趋势相一致, 具有广阔的发展前景和应用价值[2,3]。而且, 这套系统不仅适用于压电晶体静态特性的标定, 经过一定参数修改之后, 可以适用于任何带有指针式仪表盘的传统标定平台, 在现代测量工程中具有重大意义。

1 系统方案

设计的压电晶体传感器静态特性自动标定系统, 硬件部分主要由NI公司的USB-6001数据采集卡、USB摄像头、计算机和传统压电晶体标定平台组成;系统软件选择Lab VIEW2012[4]。软件在功能上主要包括指针图像采集处理模块、电压采集数据采集处理模块、数据计算及报表生成模块。系统工作时, 首先由数字摄像头采集图像, 通过USB接口将数据传入计算机, 利用程序对图像进行相应处理并获得指针示数[5,6]。同时由数据采集卡同步采集电荷放大器输出的电压值, 通过USB接口传入计算机, 利用相应程序进行处理[7]。最后综合压力值与电压值数据, 程序总体分析处理并生成测试报表, 并将所有采集数据存盘以便后用。

如图1为教学实验中常用的压电晶体传感器自动标定平台, 由YU-6活塞式压力计, YE5850电荷放大器以及PZ114型直流数字电压表组成。经过改造后的平台如图2所示。

2 操作说明

2.1 新建测量

在连接好设备并做好所有准备工作之后, 打开程序, 界面如图3所示, 点击运行按钮, 首先弹出一个对话框, 进行参数设置。首先是功能选择, 此处有两个功能可供选择, 新建测量和读取文件, 下面逐一介绍。首先选择新建测量, 接着是设置压力值取样点, 即选择若干个压力点并对该压力点对应的电压值进行处理, 默认值设置的是教学实验中的1、3、5、10、15、20、24 (单位:MPa) 这几个点, 也可设置其他值。接下来选择测量用的摄像头。设置完成后, 点击确定, 如图4所示。

接下来程序的电压采集部分首先开始工作, 等待用户将电荷放大器调零。调零结束后, 点击完成按钮。系统的图像采集模块和电压采集模块即同步开始工作, 左下角是摄像头采集到的并经过一定处理的仪表盘图像, 因为仪表盘的指针带有一定长度的尾部, 会使程序对指针读数判别产生影响, 因此需要将其屏蔽, 将其会出现的区域设置为与背景相近的灰度。整个图像处理的频率约为每秒25帧左右。右上角及采集到的电荷放大器输出的电压值, 这里为了更精确地反映电压值的变化, 采用该数据采集卡支持的最大采样率10 000 Hz, 每次读取200个采集点并进行滤波与求取平均值, 也就是每秒产生50个可用电压值, 这个频率约为图像处理频率的两倍, 满足要求。如图5所示。

在达到设置的最大的压力值取样点也即24 MPa之后, 下方指示灯将亮起, 提示应开始卸载。卸载到0之后, 指示窗口中当前循环次数变为2, 即说明程序准备好开始第二次加压卸载循环, 在将电荷放大器进行复位一次后, 即可开始第二次循环。如此进行三次。三次循环结束后, 程序弹出窗口询问是否保存此次测量的数据, 即刚才测量中所有点的数据。点击保存之后, 弹出窗口询问计算并生成报告, 点击确定后程序便从刚才测得的数据中提取出给定的压力值取样点对应的数据, 并进行最后的处理, 计算压电晶体灵敏度、非线性误差、相关系数等参数, 并以此作为此次压电晶体传感器的实验标定结果, 并生成一份word文档报表, 在报表中包含数据记录的表格, 以及对数据的拟合曲线以及相应的参数, 如图6所示。

图6报表示意图 (局部)

2.2 处理旧实验数据

运行程序后, 在功能里选择读取文件, 选择过去保存的测量数据, 进行计算与报告生成, 这里取样点可以进行更改, 同样可以生成一份报告。

3 程序框图

图像处理、电压数据采集及报表生成程序框图如图7、图8、图9所示。

4 实验分析

在均匀光照条件下, 整个实验系统能顺利完成三次加压卸载实验过程, 所得实验数据与手工操作差异极小, 数据精度更高, 实验耗时更低。

5 结束语

本课题针对测控技术的自动化进程趋势, 对于传统压电晶体传感器静态特性标定平台进行了自动化改进, 使得整个系统最后达到预期效果及精度, 是一次有益的尝试。

参考文献

[1]张飞.仪表管理信息自动采集技术研究[D].广东:广东工业大学, 2010.

[2]张磊.基于ARM的CMOS数字图像传感器图像采集系统的研究与设计[D].黑龙江:哈尔滨工程大学, 2008.