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篇1

關(guān)鍵詞：生物傳感器；發(fā)酵工業(yè)；環(huán)境監(jiān)測。

中圖分類號：TP212.3文獻標識碼：A文章編號：1006-883X(2002)10-0001-06

一、引言

從1962年，Clark和Lyons最先提出生物傳感器的設(shè)想距今已有40年。生物傳感器在發(fā)酵工藝、環(huán)境監(jiān)測、食品工程、臨床醫(yī)學(xué)、軍事及軍事醫(yī)學(xué)等方面得到了深度重視和廣泛應(yīng)用。在最初15年里，生物傳感器主要是以研制酶電極制作的生物傳感器為主，但是由于酶的價格昂貴并不夠穩(wěn)定，因此以酶作為敏感材料的傳感器，其應(yīng)用受到一定的限制。

近些年來，微生物固定化技術(shù)的不斷發(fā)展，產(chǎn)生了微生物電極。微生物電極以微生物活體作為分子識別元件，與酶電極相比有其獨到之處。它可以克服價格昂貴、提取困難及不穩(wěn)定等弱點。此外，還可以同時利用微生物體內(nèi)的輔酶處理復(fù)雜反應(yīng)。而目前，光纖生物傳感器的應(yīng)用也越來越廣泛。而且隨著聚合酶鏈式反應(yīng)技術(shù)（PCR）的發(fā)展，應(yīng)

用PCR的DNA生物傳感器也越來越多。

二、研究現(xiàn)狀及主要應(yīng)用領(lǐng)域

1、發(fā)酵工業(yè)

各種生物傳感器中，微生物傳感器最適合發(fā)酵工業(yè)的測定。因為發(fā)酵過程中常存在對酶的干擾物質(zhì)，并且發(fā)酵液往往不是清澈透明的，不適用于光譜等方法測定。而應(yīng)用微生物傳感器則極有可能消除干擾，并且不受發(fā)酵液混濁程度的限制。同時，由于發(fā)酵工業(yè)是大規(guī)模的生產(chǎn)，微生物傳感器其成本低設(shè)備簡單的特點使其具有極大的優(yōu)勢。

(1).原材料及代謝產(chǎn)物的測定

微生物傳感器可用于原材料如糖蜜、乙酸等的測定，代謝產(chǎn)物如頭孢霉素、谷氨酸、甲酸、甲烷、醇類、青霉素、乳酸等的測定。測量的原理基本上都是用適合的微生物電極與氧電極組成，利用微生物的同化作用耗氧，通過測量氧電極電流的變化量來測量氧氣的減少量，從而達到測量底物濃度的目的。

在各種原材料中葡萄糖的測定對過程控制尤其重要，用熒光假單胞菌（Psoudomonasfluorescens）代謝消耗葡萄糖的作用，通過氧電極進行檢測，可以估計葡萄糖的濃度。這種微生物電極和葡萄糖酶電極型相比，測定結(jié)果是類似的，而微生物電極靈敏度高，重復(fù)實用性好，而且不必使用昂貴的葡萄糖酶。

當(dāng)乙酸用作碳源進行微生物培養(yǎng)時，乙酸含量高于某一濃度會抑制微生物的生長，因此需要在線測定。用固定化酵母（Trichosporonbrassicae），透氣膜和氧電極組成的微生物傳感器可以測定乙酸的濃度。

此外，還有用大腸桿菌（E.coli）組合二氧化碳氣敏電極，可以構(gòu)成測定谷氨酸的微生物傳感器，將檸檬酸桿菌完整細胞固定化在膠原蛋白膜內(nèi)，由細菌—膠原蛋白膜反應(yīng)器和組合式玻璃電極構(gòu)成的微生物傳感器可應(yīng)用于發(fā)酵液中頭孢酶素的測定等等。

(2).微生物細胞總數(shù)的測定

在發(fā)酵控制方面，一直需要直接測定細胞數(shù)目的簡單而連續(xù)的方法。人們發(fā)現(xiàn)在陽極表面，細菌可以直接被氧化并產(chǎn)生電流。這種電化學(xué)系統(tǒng)已應(yīng)用于細胞數(shù)目的測定，其結(jié)果與傳統(tǒng)的菌斑計數(shù)法測細胞數(shù)是相同的[1]。

(3).代謝試驗的鑒定

傳統(tǒng)的微生物代謝類型的鑒定都是根據(jù)微生物在某種培養(yǎng)基上的生長情況進行的。這些實驗方法需要較長的培養(yǎng)時間和專門的技術(shù)。微生物對底物的同化作用可以通過其呼吸活性進行測定。用氧電極可以直接測量微生物的呼吸活性。因此，可以用微生物傳感器來測定微生物的代謝特征。這個系統(tǒng)已用于微生物的簡單鑒定、微生物培養(yǎng)基的選擇、微生物酶活性的測定、廢水中可被生物降解的物質(zhì)估計、用于廢水處理的微生物選擇、活性污泥的同化作用試驗、生物降解物的確定、微生物的保存方法選擇等[2]。

2、環(huán)境監(jiān)測

(1).生化需氧量的測定

生化需氧量（biochemicaloxygendemand–BOD）的測定是監(jiān)測水體被有機物污染狀況的最常用指標。常規(guī)的BOD測定需要5天的培養(yǎng)期，操作復(fù)雜、重復(fù)性差、耗時耗力、干擾性大，不宜現(xiàn)場監(jiān)測，所以迫切需要一種操作簡單、快速準確、自動化程度高、適用廣的新方法來測定。目前，有研究人員分離了兩種新的酵母菌種SPT1和SPT2，并將其固定在玻璃碳極上以構(gòu)成微生物傳感器用于測量BOD，其重復(fù)性在±10%以內(nèi)。將該傳感器用于測量紙漿廠污水中BOD的測定，其測量最小值可達2mg/l，所用時間為5min[3]。還有一種新的微生物傳感器，用耐高滲透壓的酵母菌種作為敏感材料，在高滲透壓下可以正常工作。并且其菌株可長期干燥保存，浸泡后即恢復(fù)活性，為海水中BOD的測定提供了快捷簡便的方法[4]。

除了微生物傳感器，還有一種光纖生物傳感器已經(jīng)研制出來用于測定河水中較低的BOD值。該傳感器的反應(yīng)時間是15min，最適工作條件為30°C，pH=7。這個傳感器系統(tǒng)幾乎不受氯離子的影響（在1000mg/l范圍內(nèi)），并且不被重金屬（Fe3+、Cu2+、Mn2+、Cr3+、Zn2+）所影響。該傳感器已經(jīng)應(yīng)用于河水BOD的測定，并且獲得了較好的結(jié)果[4]。

現(xiàn)在有一種將BOD生物傳感器經(jīng)過光處理（即以TiO2作為半導(dǎo)體，用6W燈照射約4min）后，靈敏度大大提高，很適用于河水中較低BOD的測量[5]。同時，一種緊湊的光學(xué)生物傳感器已經(jīng)發(fā)展出來用于同時測量多重樣品的BOD值。它使用三對發(fā)光二極管和硅光電二極管，假單胞細菌（Pseudomonasfluorescens）用光致交聯(lián)的樹脂固定在反應(yīng)器的底層，該測量方法既迅速又簡便，在4℃下可使用六周，已經(jīng)用于工廠廢水處理的過程中[5]。

(2).各種污染物的測定

常用的重要污染指標有氨、亞硝酸鹽、硫化物、磷酸鹽、致癌物質(zhì)與致變物質(zhì)、重金屬離子、酚類化合物、表面活性劑等物質(zhì)的濃度。目前已經(jīng)研制出了多種測量各類污染物的生物傳感器并已投入實際應(yīng)用中了。

測量氨和硝酸鹽的微生物傳感器，多是用從廢水處理裝置中分離出來的硝化細菌和氧電極組合構(gòu)成。目前有一種微生物傳感器可以在黑暗和有光的條件下測量硝酸鹽和亞硝酸鹽(NOx-)，它在鹽環(huán)境下的測量使得它可以不受其他種類的氮的氧化物的影響。用它對河口的NOx-進行了測量，其效果較好[6]。

硫化物的測定是用從硫鐵礦附近酸性土壤中分離篩選得到的專性、自養(yǎng)、好氧性氧化硫硫桿菌制成的微生物傳感器。在pH=2.5、31℃時一周測量200余次，活性保持不變，兩周后活性降低20%。傳感器壽命為7天，其設(shè)備簡單，成本低，操作方便。目前還有用一種光微生物電極測硫化物含量，所用細菌是Chromatium.SP，與氫電極連接構(gòu)成[7]。

最近科學(xué)家們在污染區(qū)分離出一種能夠發(fā)熒光的細菌，此種細菌含有熒光基因，在污染源的刺激下能夠產(chǎn)生熒光蛋白，從而發(fā)出熒光?？梢酝ㄟ^遺傳工程的方法將這種基因?qū)牒线m的細菌內(nèi)，制成微生物傳感器，用于環(huán)境監(jiān)測。現(xiàn)在已經(jīng)將熒光素酶導(dǎo)入大腸桿菌（E.coli）中，用來檢測砷的有毒化合物[8]。

水體中酚類和表面活性劑的濃度測定已經(jīng)有了很大的發(fā)展。目前，有9種革蘭氏陰性細菌從西西伯利亞石油盆地的土壤中分離出來，以酚作為唯一的碳源和能源。這些菌種可以提高生物傳感器的感受器部分的靈敏度。它對酚的監(jiān)測極限為5´10-9mol。該傳感器工作的最適條件為：pH=7.4、35℃，連續(xù)工作時間為30h[9]。還有一種假單胞菌屬（Pseudomonasrathonis）制成的測量表面活性劑濃度的電流型生物傳感器，將微生物細胞固定在凝膠（瓊脂、瓊脂糖和海藻酸鈣鹽）和聚乙醇膜上，可以用層析試紙GF/A，或者是谷氨酸醛引起的微生物細胞在凝膠中的交聯(lián)，長距離的保持它們在高濃度表面活性劑檢測中的活性和生長力。該傳感器能在測量結(jié)束后很快的恢復(fù)敏感元件的活性[10]。

還有一種電流式生物傳感器，用于測定有機磷殺蟲劑，使用的是人造酶。利用有機磷殺蟲劑水解酶，對硝基酚和二乙基酚的測量極限為100´10-9mol，在40℃只要4min[11]。還有一種新發(fā)展起來的磷酸鹽生物傳感器，使用丙酮酸氧化酶G，與自動系統(tǒng)CL-FIA臺式電腦結(jié)合，可以檢測(32~96)´10-9mol的磷酸鹽，在25°C下可以使用兩周以上，重復(fù)性高[12]。

最近，有一種新型的微生物傳感器，用細菌細胞作為生物組成部分，測定地表水中壬基酚（nonyl-phenoletoxylate--NP-80E）的含量。用一個電流型氧電極作傳感器，微生物細胞固定在氧電極上的透析膜上，其測量原理是測量毛孢子菌屬（Trichosporumgrablata）細胞的呼吸活性。該生物傳感器的反應(yīng)時間為15~20min，壽命為7~10天（用于連續(xù)測定時）。在濃度范圍0.5~6.0mg/l內(nèi)，電信號與NP-80E濃度呈線性關(guān)系，很適合于污染的地表水中分子表面活性劑的檢測[13]。

除此之外，污水中重金屬離子濃度的測定也是不容忽視的。目前已經(jīng)成功設(shè)計了一個完整的，基于固定化微生物和生物體發(fā)光測量技術(shù)上的重金屬離子生物有效性測定的監(jiān)測和分析系統(tǒng)。將弧菌屬細菌（Vibriofischeri）體內(nèi)的一個操縱子在一個銅誘導(dǎo)啟動子的控制下導(dǎo)入產(chǎn)堿桿菌屬細菌（Alcaligeneseutrophus(AE1239)）中，細菌在銅離子的誘導(dǎo)下發(fā)光，發(fā)光程度與離子濃度成正比。將微生物和光纖一起包埋在聚合物基質(zhì)中，可以獲得靈敏度高、選擇性好、測量范圍廣、儲藏穩(wěn)定性強的生物傳感器。目前，這種微生物傳感器可以達到最低測量濃度1´10-9mol[14]。

還有一種專門測量銅離子的電流型微生物傳感器。它用酒釀酵母（Saccharomycescerevisiae）重組菌株作為生物元件，這些菌株帶有酒釀酵母CUP1基因上的銅離子誘導(dǎo)啟動子與大腸桿菌lacZ基因的融合體。其工作原理，首先是CUP1啟動子被Cu2+誘導(dǎo)，隨后乳糖被用作底物進行測量。如果Cu2+存在于溶液中，這些重組體細菌就可以利用乳糖作為碳源，這將導(dǎo)致這些好氧細胞需氧量的改變。該生物傳感器可以在濃度范圍(0.5~2)´10-3mol范圍內(nèi)測定CuSO4溶液。目前已經(jīng)將各類金屬離子誘導(dǎo)啟動子轉(zhuǎn)入大腸桿菌中，使得大腸桿菌會在含有各種金屬離子的的溶液中出現(xiàn)發(fā)光反應(yīng)。根據(jù)它發(fā)光的強度可以測定重金屬離子的濃度，其測量范圍可以從納摩爾到微摩爾，所需時間為60~100min[15][16]。

用于測量污水中鋅濃度的生物傳感器也已經(jīng)研制成功，使用嗜堿性細菌Alcaligenescutrophus，并用于對污水中鋅的濃度和生物有效性進行測量，其結(jié)果令人滿意[17]。

估測河口出水流污染情況的海藻傳感器是由一種螺旋藻屬藍細菌（cyanobacteriumSpirlinasubsalsa）和一個氣敏電極構(gòu)成的。通過監(jiān)測光合作用被抑制的程度來估測由于環(huán)境污染物的存在而引起水的毒性變化。以標準天然水為介質(zhì)，對三種主要污染物（重金屬、除草劑、氨基甲酸鹽殺蟲劑）的不同濃度進行了測定，均可監(jiān)測到它們的有毒反應(yīng)，重復(fù)性和再生性都很高[18]。

近來由于聚合酶鏈式反應(yīng)技術(shù)（PCR）的迅猛發(fā)展及其在環(huán)境監(jiān)測方面的廣泛應(yīng)用，不少科學(xué)家開始著手于將它與生物傳感器技術(shù)結(jié)合應(yīng)用。有一種應(yīng)用PCR技術(shù)的DNA壓電生物傳感器，可以測定一種特殊的細菌毒素。將生物素酰化的探針固定在裝有鏈酶抗生素鉑金表面的石英晶體上，用1´10-6mol的鹽酸可以使循環(huán)式測量在同一晶體表面進行。用細菌中提取的DNA樣品進行同樣的雜交反應(yīng)并由PCR放大，產(chǎn)物為氣單胞菌屬（Aeromonashydrophila）的一種特殊基因片斷。這種壓電生物傳感器可以鑒別樣品中是否含有這種基因，這為從水樣中檢測是否含帶有這種病原的各種氣單胞菌提供了可能[19]。

還有一種通道生物傳感器可以檢測浮游植物和水母等生物體產(chǎn)生的腰鞭毛蟲神經(jīng)毒素等毒性物質(zhì)，目前已經(jīng)能夠測量在一個浮游生物細胞內(nèi)含有的極微量的PSP毒素[20]。DNA傳感器也在迅速的得到應(yīng)用，目前有一種小型化DNA生物傳感器，能將DNA識別信號轉(zhuǎn)換為電信號，用于測量水樣中隱孢子和其他水源傳染體。該傳感器著重于改進核酸的識別作用和加強該傳感器的特異性和靈敏性，并尋求將雜交信號轉(zhuǎn)化為有用信號的新方法，目前研究工作為識別裝置和轉(zhuǎn)換裝置的一體化[21]。

微藻素是一種從藍藻細菌引起的水華中產(chǎn)生的細菌肝毒素，一種固定有表面細胞質(zhì)粒基因組的生物傳感器已經(jīng)制得，用于測量水中微藻素的含量，它直接的測量范圍是50~1000´10-6g/l[22]。

一種基于酶的抑制性分析的多重生物傳感器用于測量毒性物質(zhì)的設(shè)想也已經(jīng)提出。在這種多重生物傳感器中，應(yīng)用了兩種傳導(dǎo)器—對pH敏感的電子晶體管和熱敏性的薄膜電極，以及三種酶—尿素酶、乙酰膽堿酯酶和丁酰膽堿酯酶。該生物傳感器的性能已經(jīng)得到測試，效果較好[23]。

除了發(fā)酵工業(yè)和環(huán)境監(jiān)測，生物傳感器還深入的應(yīng)用于食品工程、臨床醫(yī)學(xué)、軍事及軍事醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，主要用于測量葡萄糖、乙酸、乳酸、乳糖、尿酸、尿素、抗生素、谷氨酸等各種氨基酸，以及各種致癌和致變物質(zhì)。

三、討論與展望

美國的HaroldH.Weetal指出，生物傳感器商品化要具備以下幾個條件：足夠的敏感性和準確性、易操作、價格便宜、易于批量生產(chǎn)、生產(chǎn)過程中進行質(zhì)量監(jiān)測。其中，價格便宜決定了傳感器在市場上有無競爭力。而在各種生物傳感器中，微生物傳感器最大的優(yōu)點就是成本低、操作簡便、設(shè)備簡單，因此其在市場上的前景是十分巨大和誘人的。相比起來，酶生物傳感器等的價格就比較昂貴。但微生物傳感器也有其自身的缺點，主要的缺點就是選擇性不夠好，這是由于在微生物細胞中含有多種酶引起的?，F(xiàn)已有報道加專門抑制劑以解決微生物電極的選擇性問題。除此之外，微生物固定化方法也需要進一步完善，首先要盡可能保證細胞的活性，其次細胞與基礎(chǔ)膜結(jié)合要牢固，以避免細胞的流失。另外，微生物膜的長期保存問題也待進一步的改進，否則難于實現(xiàn)大規(guī)模的商品化。

總之，常用的微生物電極和酶電極在各種應(yīng)用中各有其優(yōu)越之處。若容易獲得穩(wěn)定、高活性、低成本的游離酶，則酶電極對使用者來說是最理想的。相反的，若生物催化需經(jīng)過復(fù)雜途徑，需要輔酶，或所需酶不宜分離或不穩(wěn)定時，微生物電極則是更理想的選擇。而其他各種形式的生物傳感器也在蓬勃發(fā)展中，其應(yīng)用也越來越廣泛。隨著固定化技術(shù)的進一步完善，隨著人們對生物體認識的不斷深入，生物傳感器必將在市場上開辟出一片新的天地。

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TheRecentResearchAndApplicationOfBiosensor

Abstract:Inthisarticle,therecentresearchprogressandapplicationofbiosensors,especiallythemicro-biosensors,arereviewed,andtheprospectofbiosensorsdevelopmentisalsoprognosticated.Biosensorsaremadeupofbioelectrode,usingimmobileorganismassensitivematerialformoleculerecognition,togetherwithoxygen-electrode,membrane-eletrodeandfuel-electrode.Biosensorsarebroadlyusedinzymosisindustry,environmentmonitor,foodmonitorandclinicmedicine.Fast,accurate,facilitateasbiosensorsis,therewillbeanexcellentprospectforbiosensorsinthemarket

Keywords:Biosensor,Zymosis-Industry,Environment-Monitor

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篇2

1.1送料機構(gòu)（1個）送料機構(gòu)中，只有出料口有一個物料檢測傳感器，它用于檢測出料口位置處有無物料。在運行中，如果它檢測到物料，則發(fā)出信號到PLC，PLC內(nèi)部程序指揮送料機構(gòu)開始送料動作；如若它沒有檢測到物料并保持若干秒鐘，則應(yīng)讓系統(tǒng)停機然后報警。這個傳感器屬于光電漫反射型傳感器，簡稱光電傳感器，主要為PLC提供一個輸入信號，判斷是否驅(qū)動送料機構(gòu)執(zhí)行下一步動作。

1.2機械手搬運機構(gòu)在這部分機構(gòu)中，裝有較多的磁性傳感器用作多個不同的位置檢測，它需要在前點和后點各裝一個，以便檢測氣缸伸出和縮回的位置是否到位。例如，提升氣缸、手臂伸縮氣缸以及分揀機構(gòu)的三個手指伸縮氣缸就分別各裝有5對磁性傳感器。在運行中，當(dāng)磁性開關(guān)檢測到氣缸準確到位后，則發(fā)出信號到PLC，PLC內(nèi)部程序指揮相應(yīng)部件執(zhí)行下一步動作。值得注意的是，在機械手手爪處單獨安裝有一個磁性傳感器，若手爪為夾緊狀態(tài)，則有信號輸出，指示燈亮；反之，手爪松開則無信號輸出。

1.3物料傳送和分揀機構(gòu)在這部分機構(gòu)中，落料口附近與出料口一樣，需要安裝一個物料檢測傳感器，檢測是否有物料在傳送帶的起始端。在運行中，如果它檢測到物料，則發(fā)出信號到PLC，PLC內(nèi)部程序啟動電機驅(qū)動傳送帶；若檢測為無料并保持若干秒鐘后，停止傳送帶。當(dāng)物料在傳動帶前進時，有三個傳感器逐一檢測物料的材料性質(zhì)，先是通過一個電感式傳感器，它可以檢測到金屬材料，發(fā)出信號至PLC，啟動推料一執(zhí)行推料動作。為保證檢測的靈敏度，檢測距離需調(diào)節(jié)為3～5mm。若物料不是金屬，將繼續(xù)前行至后面的兩個光纖傳感器處，它們主要用于檢測塑料，并區(qū)分黑、白兩種不同顏色。對于不同顏色的塑料，光纖傳感器的靈敏度是不同的，可以通過調(diào)節(jié)光纖放大器來區(qū)分塑料的不同顏色。

2傳感器應(yīng)用說明與注意事項

2.1常用傳感器光電傳感器由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成，具有使用簡單、性能穩(wěn)定、抗干擾強的特點，常采用光電器件作為檢測元件，如光敏三極管。使用時應(yīng)注意將光電傳感器的前端面與被檢測的工件或物體表面保持平行，且距離應(yīng)保持在規(guī)定的范圍內(nèi)。電感式接近傳感器由即振蕩電路、開關(guān)電路和放大輸出電路這三部分組成。當(dāng)接通電源時，震蕩器在傳感器感應(yīng)面產(chǎn)生一個交變的磁場，當(dāng)金屬物料接近傳感器感應(yīng)面時，金屬中產(chǎn)生的渦流會改變磁場，根據(jù)磁場的變化來判斷是否有金屬物體接近。

2.2磁性傳感器該實訓(xùn)裝置中的磁性傳感器均為DC24V帶指示燈有觸點開關(guān)，所以也叫磁性開關(guān)，它通過機械觸點的動作進行開關(guān)的通斷。從設(shè)計、加工、安裝、調(diào)試各方面來看，用磁性開關(guān)檢測活塞位置比使用其他限位開關(guān)方式簡單、省時。安裝時，要避免沖擊，開關(guān)的導(dǎo)線不要隨氣缸運動；控制信號線不要與電力線并排在一起，避免誤動作。

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[關(guān)鍵詞]動物溫度傳感器單片機

一、設(shè)計指標

本系統(tǒng)采用了高精度傳感器AD22100。要準確測量動物病患體溫，首先應(yīng)全面了解動物的正常體溫。據(jù)有關(guān)資料報道.美國科學(xué)家用口腔電子體溫計對幾十種動物測試得到了一系列數(shù)據(jù)，可將這些數(shù)據(jù)存儲于上位機之中?？紤]到整個監(jiān)控系統(tǒng)的成本，A/D轉(zhuǎn)換采用價廉的8位芯片.設(shè)計時量程范圍確定為36.00-41.10℃。將36.0℃時.輸入到A/D芯片的電壓處理.調(diào)整為0V.溫度41.10℃時.輸入到A/D芯片的電壓處理、調(diào)整為5V。溫度每升高0.02℃，.電壓升高5V/255=0.0196V.保證系統(tǒng)分辨力為0.02c.0.02℃×255—5.10℃.溫度上下限為36.0℃-41.10℃。報警溫度為36.5℃。

二、方案比較與選擇

本課題的核心問題在于模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換以及數(shù)字量的顯示，筆者對兩種比較理想的方案進行討論。

1.硬件實現(xiàn):在溫度傳感器AD22100將溫度信號轉(zhuǎn)換成電壓信號后，通過A/D轉(zhuǎn)換器將電壓模擬量轉(zhuǎn)化成八位二進制精度的數(shù)字信號，再把該八位二進制精度的數(shù)字通過譯碼轉(zhuǎn)化成十進制數(shù)，并最終用數(shù)碼管顯示。

2.基于單片機的軟件實現(xiàn):在溫度傳感器AD22100將溫度信號轉(zhuǎn)換成電壓信號后，通過A/D轉(zhuǎn)換器將電壓模擬量轉(zhuǎn)化成八位二進制精度的數(shù)字信號，改用51單片機，通過編寫程序，按照一定的算法來將八位二進制精度的數(shù)字轉(zhuǎn)化成十進制數(shù)，并通過數(shù)碼管顯示出來。

實踐表明:A/D轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化出來的是八位二進制精度的數(shù)字，這個二進制數(shù)的大小并不代表真實的溫度，需要一種算法來實現(xiàn)而不是單純的譯碼就可以實現(xiàn)的。而單片機軟件實現(xiàn)分辨率高，高可靠性且具有一定的智能功能。

所以綜合考慮，確立方案:用單片機程序?qū)⒃摪宋欢M制精度的數(shù)字轉(zhuǎn)化成十進制數(shù)字，再利用單片機驅(qū)動顯示器顯示，可以從顯示器上精確的讀出溫度的數(shù)值。

三、硬件設(shè)計

1.傳感器、放大模塊。測量溫度的時候，我們選用具有信號調(diào)理的電壓輸出溫度傳感器AD22100。其有以下特點:工作溫度范圍為—50~150度；溫度系數(shù)22.5mV/℃；輸出電壓正比于溫度與V+的乘積；線性優(yōu)于滿量程的±1%。；反向電壓保護；高電壓、低阻抗輸出。

溫度傳感器AD22100將溫度信號通過溫敏電阻R的變化轉(zhuǎn)換成電壓信號，從運放輸出端輸出電壓，對應(yīng)的電壓信號傳輸函數(shù)為:

當(dāng)圖中電源電壓為+5V，—50~150度對應(yīng)的輸出電壓為0.25~4.75V。溫度與輸出電壓呈線性關(guān)系，當(dāng)溫度變化有變化，則會對應(yīng)有一個電壓輸出，通過溫度傳感器AD22100將溫度轉(zhuǎn)化成電壓。

2.A/D轉(zhuǎn)換模塊。運用A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809將模擬量的電壓信號轉(zhuǎn)化成八位二進制精度的數(shù)字量ADC0809芯片介紹可參看有關(guān)文獻。

3.單片機的顯示數(shù)碼轉(zhuǎn)換模塊

(1)原理與算法。在很多運用單片機進行測量的系統(tǒng)中，通過傳感器或A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)只是測量數(shù)據(jù)，并非顯示數(shù)據(jù)，將這些測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二進制的顯示數(shù)據(jù)，才能通過查表的方式正確顯示直觀數(shù)據(jù)。8位二進制有0-255共256個值，但是電壓值卻只有0-5V，8位二進制的0和電壓的0V對應(yīng)，而8位二進制的255和電壓值的5V對應(yīng)，把0-255分成5分，即255/5=51，，1/51=0.0196V，即一個8位二進制值所代表的電壓值近似為0.0196伏。再按照這個關(guān)系去除以51，得到十位電壓值；再將余數(shù)與26比較，小于26直接乘以10再除以51，所得商就是個位電壓值；如大于26則先減去26，再乘以10，然后除以51，所得商再加上5，即得個位電壓值；將第二次除以51所得余數(shù)，按第二次除以51的方法進行計算，所得結(jié)果為十分位電壓值。(2)單片機與LED數(shù)碼管動態(tài)顯示接口電路。具體電路可查閱相關(guān)文獻。由于動態(tài)顯示情況下，CPU要定時掃描刷新顯示，數(shù)碼管的信號在不停的通斷變化，為了保證顯示效果，一般會在數(shù)據(jù)端口接一個緩沖驅(qū)動芯片(如74HC244、74LS244等)，而在位選通端接一個PNP三極管作驅(qū)動(如9012、8550等)。

4.超溫異常報警模塊。利用AD22100傳感器取得電壓模擬量后，根據(jù)其傳輸函數(shù)公式

可算得當(dāng)溫度TA達到36.5時，電壓模擬量V0的值為2.196V。所以，在V0后面加一個比較器，當(dāng)V0大于恒壓源設(shè)定值時，就會在比較器輸出端輸出一報警信號，從而引發(fā)報警裝置。

四、軟件設(shè)計

1.顯示程序的實現(xiàn)。在程序設(shè)計時一般將具體的顯示部分單獨分出來組成一個顯示子程序，這樣編程方便、思路清晰，也便于檢查。顯示時，從主程序調(diào)用顯示子程序，根據(jù)顯示數(shù)據(jù)通過查表程序讀取顯示代碼，將顯示代碼從P0口傳給數(shù)碼管，同時P2選中1個數(shù)碼管，每個數(shù)碼管亮1MS，顯示完接著顯示第二位數(shù)據(jù)，當(dāng)所有數(shù)碼管第一輪全部顯示完后返回主程序。

2.程序設(shè)計。設(shè)計者可按個人習(xí)慣及擅長具體設(shè)計。

五、問題及展望

此類溫度檢測器只能有一種報警溫度值，理論上只適用于平均溫度接近的一類動物的檢測，存在局限性，可在此問題上進行深入的研究，制造出集成的有各種溫度設(shè)定值得模塊，設(shè)計更加通用型的溫度檢測儀。

參考文獻:

[1]薛鈞義，張彥斌.MCS一51系列單片微型計算機及其應(yīng)用.西安交通大學(xué)出版社，1991.

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本文所設(shè)計傳感器節(jié)點無線傳感網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)測系統(tǒng)可以分為3個部分：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部分，廣域網(wǎng)（移動網(wǎng)絡(luò)或Internet）部分，遠端用戶部分。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各個節(jié)點被安置在每個冷藏箱內(nèi)，并組成通訊網(wǎng)絡(luò)。每個節(jié)點上集成了溫濕度、二氧化碳、乙烯、震蕩檢測器等傳感器。溫度是冷鏈運輸過程中最重要的參數(shù)，直接影響食物的保鮮時間，濕度能體現(xiàn)出食物的失水程度，二氧化碳能表現(xiàn)出食物內(nèi)部的代謝情況，乙烯能反映運輸過程中的果實成熟過程，震蕩檢測則能體現(xiàn)一些突況。各個傳感器受嵌入式CPU控制并將信息交給CPU處理，同時嵌入式CPU與Zigbee協(xié)議處理芯片通信已實現(xiàn)協(xié)議層面的各種操作。以此方式實現(xiàn)對傳感器采樣周期、工作狀態(tài)等的設(shè)置和調(diào)控。各節(jié)點將各種傳感器采集的數(shù)據(jù)進行存儲、壓縮并發(fā)送給上一級路由器，再由路由器發(fā)送到協(xié)調(diào)器。在協(xié)調(diào)器上，安裝有GPRS和WiFi空中接口，能夠根據(jù)具體環(huán)境選擇一種方式將各路由器發(fā)送到協(xié)調(diào)器的食品所處環(huán)境信息發(fā)送到廣域網(wǎng)中。

廣域網(wǎng)部分在本文系統(tǒng)中指移動服務(wù)器或者Internet。協(xié)調(diào)器將監(jiān)測到的環(huán)境信息發(fā)送到廣域網(wǎng)中，而廣域網(wǎng)則提供中轉(zhuǎn)的功能，便于物流管理者在遠端獲取這些環(huán)境信息。遠端用戶部分指物流管理者通過在PC上開發(fā)的用戶界面或者在手機上開發(fā)的相關(guān)應(yīng)用程序從廣域網(wǎng)獲取實時的冷鮮食品信息，并根據(jù)這些信息對出現(xiàn)的異常情況及時地做出判斷和調(diào)整。

由于終端節(jié)點是通過電池供電的，而在一次長途運送過程中無法更換電池，所以終端節(jié)點的功耗是在設(shè)計中需要考慮的重要問題。合理利用Zigbee協(xié)議棧中提供的節(jié)點睡眠功能將有效地優(yōu)化終端節(jié)點的能量利用效率。因為傳感器采集的環(huán)境信息將按照一定周期上傳給路由節(jié)點或協(xié)調(diào)器，所以在不需要發(fā)送信息時，可以將發(fā)送模塊以及嵌入式CPU中與發(fā)送有關(guān)的功能置于睡眠狀態(tài)，在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時再由設(shè)置好的系統(tǒng)時鐘進行喚醒。這樣通過軟件的編寫，控制各個模塊的工作時間，對能量進行分時合理利用將大幅提高終端節(jié)點的電能使用時間，使整個傳感器節(jié)點網(wǎng)絡(luò)更加適用于實際的冷鮮食品物流監(jiān)控應(yīng)用。

2結(jié)語

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關(guān)鍵詞：傳感器；AD轉(zhuǎn)換；控制器；硬件電路

引言

隨著微電子工業(yè)的迅速發(fā)展，單片機控制的智能型控制器廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品中，為了使學(xué)生對單片機控制的智能型控制器有較深的了解。經(jīng)過綜合分析選擇了由單片機控制的智能型液位控制器作為研究項目，通過訓(xùn)練充分激發(fā)學(xué)生分析問題、解決問題和綜合應(yīng)用所學(xué)知識的潛能。另外，液位控制在高層小區(qū)水塔水位控制，污水處理設(shè)備和有毒，腐蝕性液體液位控制中也被廣泛應(yīng)用。通過對模型的設(shè)計可很好的延伸到具體應(yīng)用案例中。

一、系統(tǒng)設(shè)計方案比較說明

對于液位進行控制的方式有很多，而應(yīng)用較多的主要有2種，一種是簡單的機械式控制裝置控制，一種是復(fù)雜的控制器控制方式。兩種方式的實現(xiàn)如下：

(1)簡單的機械式控制方式。其常用形式有浮標式、電極式等，這種控制形式的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。存在問題是精度不高，不能進行數(shù)值顯示，另外很容易引起誤動作，且只能單獨控制，與計算機進行通信較難實現(xiàn)。

(2)復(fù)雜控制器控制方式。這種控制方式是通過安裝在水泵出口管道上的壓力傳感器，把出口壓力變成標準工業(yè)電信號的模擬信號，經(jīng)過前置放大、多路切換、AD變換成數(shù)字信號傳送到單片機，經(jīng)單片機運算和給定參量的比較，進行PID運算，得出調(diào)節(jié)參量；經(jīng)由DA變換給調(diào)壓變頻調(diào)速裝置輸入給定端，控制其輸出電壓變化，來調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，以達到控制水箱液位的目的。

針對上述2種控制方式，以及設(shè)計需達到的性能要求，這里選擇第二種控制方式，同時考慮到成本需要把PID控制去掉。最終形成的方案是，利用單片機為控制核心，設(shè)計一個對供水箱水位進行監(jiān)控的系統(tǒng)。根據(jù)監(jiān)控對象的特征，要求實時檢測水箱的液位高度，并與開始預(yù)設(shè)定值做比較，由單片機控制固態(tài)繼電器的開斷進行液位的調(diào)整，最終達到液位的預(yù)設(shè)定值。檢測值若高于上限設(shè)定值時，要求報警，斷開繼電器，控制水泵停止上水；檢測值若低于下限設(shè)定值，要求報警，開啟繼電器，控制水泵開始上水。現(xiàn)場實時顯示測量值，從而實現(xiàn)對水箱液位的監(jiān)控。

二、工作原理

基于單片機實現(xiàn)的液位控制器是以AT89C51芯片為核心，由鍵盤、數(shù)碼顯示、AD轉(zhuǎn)換、傳感器，電源和控制部分等組成。

工作過程如下：水箱(水塔)液位發(fā)生變化時，引起連接在水箱(水塔)底部的軟管管內(nèi)的空氣氣壓變化，氣壓傳感器在接收到軟管內(nèi)的空氣氣壓信號后，即把變化量轉(zhuǎn)化成電壓信號；該信號經(jīng)過運算放大電路放大后變成幅度為0～5V標準信號，送入AD轉(zhuǎn)換器，AD轉(zhuǎn)換器把模擬信號變成數(shù)字信號量，由單片機進行實時數(shù)據(jù)采集，并進行處理，根據(jù)設(shè)定要求控制輸出，同時數(shù)碼管顯示液位高度。通過鍵盤設(shè)置液位高、低和限定值以及強制報警值。該系統(tǒng)控制器特點是直觀地顯示水位高度，可任意控制水位高度。

三、硬件設(shè)計

液位控制器的硬件主要包括由單片機、傳感器(帶變送器)、鍵盤電路、數(shù)碼顯示電路、AD轉(zhuǎn)換器和輸出控制電路等。

3.1單片機

單片機采用由Atmel公司生產(chǎn)的雙列40腳AT89C51芯片。

3.2傳感器

傳感器使用SY一9411L—D型變送器，它內(nèi)部含有1個壓力傳感器和相應(yīng)的放大電路。壓力傳感器是美國SM公司生產(chǎn)的555—2型OEM壓阻式壓力傳感器，其有全溫度補償及標定(O～70℃)，傳感器經(jīng)過特殊加工處理，用堅固的耐高溫塑料外殼封裝。在水箱底部安裝1根直徑為5mm的軟管，一端安裝在水箱底部；另一端與傳感器連接。水箱水位高度發(fā)生變化時，引起軟管內(nèi)氣壓變化，然后傳感器把氣壓轉(zhuǎn)換成電壓信號，輸送到AD轉(zhuǎn)換器。

3.3鍵盤電路

P1口作為鍵盤接口，連接一個4×4鍵盤。

3.4液位顯示電路

液位顯示采用數(shù)碼管動態(tài)顯示，范圍從0～999(單位可自定)，選擇的數(shù)碼管是7段共陰極連接，型號是LDSl8820。在這里使用到了74LS373，它是一個8位的D觸發(fā)器，在單片機系統(tǒng)中經(jīng)常使用，可以作地址數(shù)據(jù)總線擴展的鎖存器，也可以作為普通的LED的驅(qū)動器件，由于單獨使用HEF4511B七段譯碼驅(qū)動顯示器來完成數(shù)碼管的驅(qū)動顯示，因此74LS373在這里只用作擴展的緩沖。

3.5AD轉(zhuǎn)換電路及控制輸出

AD轉(zhuǎn)換電路在控制器中起主導(dǎo)作用，用它將傳感器輸出的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成單片機能處理的數(shù)字量。該控制器采用CMOS工藝制造的逐步逼近式8位AD轉(zhuǎn)換器芯片ADC0809。在使用時可選擇中斷、查詢和延時等待3種方式編制AD轉(zhuǎn)換程序。控制輸出主要有上下限狀態(tài)顯示、超限報警。另外在設(shè)計過程中預(yù)留了串行口，供進一步開發(fā)使用。

四、軟件設(shè)計

4.1鍵盤程序

由于鍵盤采用的是4×4結(jié)構(gòu)，因此可使用的鍵有16個，根據(jù)需要分別定義各鍵，0～9號為數(shù)字鍵，10～15號分別是確定鍵、修改鍵、移位鍵、加減鍵、取消鍵和復(fù)位鍵。

值得注意的是，在用匯編語言編寫控制器程序時，相對會比較麻煩，如果用C語言編寫程序會簡單很多，這里就不再做具體說明。

五、結(jié)束語

基于單片機實現(xiàn)液位控制器模型設(shè)計的關(guān)鍵在于硬件電路的正確構(gòu)建，只有在電路準確的前提下再進行軟件編程才能取得成功。

參考文獻：

[1]黃智偉.傳感器技術(shù).2002，21（9）：31～33

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關(guān)鍵詞：加速度差容式力平衡傳感器

加速度傳感器是用來將加速度這一物理信號轉(zhuǎn)變成便于測量的電信號的測試儀器。它是工業(yè)、國防等許多領(lǐng)域中進行沖擊、振動測量常用的測試儀器。

1、加速度傳感器原理概述

加速度傳感器是用來將加速度這一物理信號轉(zhuǎn)變成便于測量的電信號的測試儀器。差容式力平衡加速度傳感器則把被測的加速度轉(zhuǎn)換為電容器的電容量變化。實現(xiàn)這種功能的方法有變間隙，變面積，變介電常量三種，差容式力平衡加速度傳感器利用變間隙，且用差動式的結(jié)構(gòu)，它優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)響應(yīng)好，能實現(xiàn)無接觸式測量，靈敏度好，分辨率強，能測量0.01um甚至更微小的位移，但是由于本身的電容量一般很小，僅幾pF至幾百pF，其容抗可高達幾MΩ至幾百MΩ，所以對絕緣電阻的要求較高，并且寄生電容（引線電容及儀器中各元器件與極板間電容等）不可忽視。近年來由于廣泛應(yīng)用集成電路，使電子線路緊靠傳感器的極板，使寄生電容，非線性等缺點不斷得到克服。

差容式力平衡加速度傳感器的機械部分緊靠電路板，把加速度的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙葜虚g極的位移變化，后續(xù)電路通過對位移的檢測，輸出一個對應(yīng)的電壓值，由此即可以求得加速度值。為保證傳感器的正常工作.，加在電容兩個極板的偏置電壓必須由過零比較器的輸出方波電壓來提供。

2、變間隙電容的基本工作原理

如式2－1所示是以空氣為介質(zhì)，兩個平行金屬板組成的平行板電容器，當(dāng)不考慮邊緣電場影響時，它的電容量可用下式表示：

由式（2－1）可知，平板電容器的電容量是、A、的函數(shù)，如果將上極板固定，下極板與被測運動物體相連，當(dāng)被測運動物體作上、下位移（即變化）或左右位移（即A變化）時，將引起電容量的變化，通過測量電路將這種電容變化轉(zhuǎn)換為電壓、電流、頻率等電信號輸出根據(jù)輸出信號的大小，即可測定物移的大小，若把這種變化應(yīng)用到電容式差容式力平衡傳感器中，當(dāng)有加速度信號時，就會引起電容變化C，然后轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出，根據(jù)此電壓信號即可計算出加速度的大小。

由式（2－2）可知，極板間電容C與極板間距離是成反比的雙曲線關(guān)系。由于這種傳感器特性的非線性，所以工作時，一般動極片不能在整個間隙，范圍內(nèi)變化，而是限制在一個較小的范圍內(nèi)，以使與C的關(guān)系近似于線性。

它說明單位輸入位移能引起輸出電容相對變化的大小，所以要提高靈敏度S應(yīng)減少起始間隙,但這受電容器擊穿電壓的限制，而且增加裝配加工的困難。

由式（2－5）可以看出，非線性將隨相對位移增加面增加。因此，為了保證一定的線性，應(yīng)限制極板的相對位移量，若增大起始間隙，又影響傳感器的靈敏度，因此在實際應(yīng)用中，為了提高靈敏度，減小非線性，大都采用差動式結(jié)構(gòu)，在差動式電容傳感器中，其中一個電容器C1的電容隨位移增加時，另一個電容器C2的電容則減少，它們的特性方程分別為：

可見，電容式傳感器做成差動式之后，非線性大大降低了，靈敏度提高一倍，與此同時，差動電容傳感器還能減小靜電引力測量帶來的影響，并有效地改善由于溫度等環(huán)境影響所造成的誤差。

3、電容式差容式力平衡傳感器器的工作原理與結(jié)構(gòu)

3.1工作原理

如圖1所示，差容式力平衡加速度傳感器原理框圖

電路中除了所必須的電容，電阻外，主要由正負電壓調(diào)節(jié)器，四運放放大器LT1058，雙運放op270放大器組成。

3.2差容式力平衡傳感器機械結(jié)構(gòu)原理

由于差動式電容，在變間隙應(yīng)用中的靈敏度和線性度得到很大改善，所以得到廣泛應(yīng)用。如圖2所示為一種差容式力平衡電容差容式力平衡傳感器原理簡圖。主要由上、下磁鋼，電磁鐵，磁感應(yīng)線圈，彈簧片，作電容中間極的質(zhì)量塊，覆銅的上下極板等部分組成。傳感器上、下磁鋼通過螺釘及彈簧相連，作為傳感器的固定部分，上，下極板分別固定在上、下磁鋼上。極板之間有一個用彈簧片支撐的質(zhì)量塊，并在此質(zhì)量塊上、下兩側(cè)面沉積有金屬（銅）電極，形成電容的活動極板。這樣，上頂板與質(zhì)量塊的上側(cè)面形成電容C1，下底板與質(zhì)量塊下側(cè)面形成電容C2，彈簧片一端與磁鋼相連，另一端與電容中間極相連，以控制其在一個有效的范圍內(nèi)振動。由相應(yīng)芯片輸出的方波信號，經(jīng)過零比較后輸出方波，此方波經(jīng)電容濾除其中的直流電壓，形成對稱的方波，該對稱的方波加到電容的一個極板上，同時經(jīng)一次反向后的對稱波形加到另一個極板上。

當(dāng)沒有加速度信號時，中間極板處于上、下極板的中間位置C1＝C2，C＝0后續(xù)電路沒有輸出；當(dāng)有加速度信號時，中間極板（質(zhì)量塊）將偏離中間位置，產(chǎn)生微小位移，傳感器的固定部分也將有微小的位移，設(shè)加速度為正時，質(zhì)量塊與上頂板距離減小，與下底板距離增大，于是C1＞C2，因此會產(chǎn)生一個電容的變化量C，C由放大電路部分放大，同時，將放大電路的輸出電流引入到反饋網(wǎng)絡(luò)。由于OP270的腳1和16分別與線圈兩端相連，當(dāng)有電流流過線圈時，將產(chǎn)生感應(yīng)磁場，就會有電磁力產(chǎn)生。因為上、下磁鋼之間有彈簧，所以在電磁力的作用下將使磁鋼回到?jīng)]有加速度時的位置，即此時的電容變化完全有加速度的變化引起，同時由于線圈與活動極板通過中心軸線相連，所以在電磁力的作用下，使中間極向產(chǎn)生加速度時的位移的相反的方向運動，即相當(dāng)于在C的放大電路中引入了負反饋，這樣，使傳感器的測量范圍大大提高。因此，對于任何加速度值，只要檢測到合成電容變化量C，便能使活動極板在兩固定極板之間對應(yīng)一個合適的位置，此時后續(xù)電路便輸出一個與加速度成正比的電壓，由此電壓值就可以計算出加速度的大小。

4、力平衡傳感器實際應(yīng)用

哈爾濱北奧振動技術(shù)是專門從事振動信號測量的專業(yè)公司，它們應(yīng)用這種差容式力平衡原理開發(fā)出的力平衡加速度傳感器實現(xiàn)的主要性能指標如下：

測量范圍：±2.0g，±0.125g，±0.055g

靈敏度：BA-02a:±2.5V/g、±40.0V/g

BA-02b1:±40.0V/g（差動輸出）

BA-02b2:±90.0V/g（特定要求，高靈敏度）

頻響范圍：DC-50Hz（±1dB）

絕對精度：±3％FS

交叉干擾：小于0.3%

線性度：優(yōu)于1%

噪聲：小于10μV

動態(tài)范圍：大于120dB

溫漂：小于0.01%g/g

電源：±12V-±15V@30.0mA

篇7

關(guān)鍵詞：光伏水泵系統(tǒng)；直流無刷電機；反電勢；過零點識別電路；三段式起動

引言

近年來，隨著電力電子器件及控制理論的迅速發(fā)展，永磁直流無刷電機以其高效性，良好的調(diào)速性，易于維護性而得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的永磁直流無刷電機往往采用位置傳感器來確定轉(zhuǎn)子的位置，這不僅增大了電機的安裝體積，增加了成本，而且降低了電機的可靠性。目前，無傳感器直流無刷電機一般采用三段式起動方式，起動轉(zhuǎn)矩在開始起動時比較小，并且有脈動，對于有起動轉(zhuǎn)矩要求的系統(tǒng)存在著局限性，而在中小型太陽能光伏水泵系統(tǒng)中，負載轉(zhuǎn)矩是隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加的，不計摩擦力，在靜止時負載轉(zhuǎn)矩為零，所以，直流無刷電機可以應(yīng)用于光伏水泵系統(tǒng)，并且整個系統(tǒng)是直流的，無須逆變，那么，在光伏水泵系統(tǒng)中應(yīng)用直流無刷電機，對于提高系統(tǒng)效率,簡化系統(tǒng)裝置就具有重大的意義。

1光伏水泵系統(tǒng)簡介

光伏水泵系統(tǒng)由光伏陣列，控制器，電機，水泵4部分組成。光伏陣列由許多太陽電池串并聯(lián)構(gòu)成，直接把太陽能轉(zhuǎn)化為直流電能。目前所用的太陽電池都為硅太陽電池，包括單晶硅、多晶硅及非晶硅太陽電池。由于光伏陣列的輸出伏－安特性曲線具有強烈的非線性，而且和太陽輻照度、環(huán)境溫度、陰、晴、雨、霧等氣象條件有密切關(guān)系,所以，如果要使光伏水泵系統(tǒng)工作在比較理想的工況，就需要用控制器去調(diào)節(jié)、控制整個系統(tǒng)。電機是用來驅(qū)動水泵的，由于電機的功率因數(shù)及電壓等級在很大程度上受到太陽電池陣列的電壓等級和功率等級的制約，因此，對水泵揚程、流量的要求被反映到電機上，往往在兼顧陣列結(jié)構(gòu)的條件下專門進行設(shè)計。對于要求流量小、揚程高的用戶，宜選用容積式水泵；對于需要流量較大，但揚程卻較低的用戶，一般宜采用自吸式水泵。

2單片機M68HC908JK3ECP介紹

這是Motorola公司的8位單片機家族中的成員之一，同樣具有高性能，低成本的優(yōu)點。它內(nèi)嵌4k閃速存儲器FLASH，128字節(jié)RAM；具有10個通道的8位精度ADC模塊，15個I/O端口；時鐘模塊具有輸入捕捉，輸出比較及脈寬調(diào)制等功能，能滿足系統(tǒng)要求。

3無傳感器直流無刷電機控制原理

無刷電機的定子為三相對稱繞組，采用兩相通電方式時控制電路按照一定的順序向定子的兩相通入直流電流，產(chǎn)生定子磁勢Fa；轉(zhuǎn)子為永磁材料，產(chǎn)生磁勢Ff，通過兩者的相互作用，可以產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩T=FaFf|sinθ|，顯然，當(dāng)θ=60°～120°時，平均電磁轉(zhuǎn)矩最大。故檢測轉(zhuǎn)子磁勢位置時，當(dāng)定轉(zhuǎn)子磁勢夾角為60°時，三相繞組中的某兩相導(dǎo)通，轉(zhuǎn)過60°時，其中一相的功率管關(guān)斷，另一相中的功率管導(dǎo)通。這樣，保證定轉(zhuǎn)子磁勢夾角為60°～120°，達到轉(zhuǎn)矩最大的目的。由于每次轉(zhuǎn)過60°只關(guān)斷一個功率管，故每個功率管導(dǎo)通角度為120°，這種方式為120°導(dǎo)通方式。

主電路采用三相全控橋，如圖1所示。圖2為三相6拍工作方式下典型的相電壓反電勢波形圖。由圖2我們可以清楚地看到，在該相懸空狀態(tài)（過零點前后30°區(qū)域）下，繞組感應(yīng)反電勢按正弦規(guī)律變化，平頂部分為繞組通電激勵時逆變換相主電路電壓鉗位引起的。換相點發(fā)生在過零點后30°，使用反電勢法來實現(xiàn)電子換相，就是在過零點檢測電路檢測到過零點后30°進行換相。三相6拍工作方式下，導(dǎo)通次序為S1，S2－S2，S3－S3，S4－S4，S5－S5，S6－S6，S1－S1，S2。基于反電勢的電子換相方法有多種，如“1/2母線電壓比較法”、“端電壓比較法”等，但這些測量方法都存在抗干擾能力弱的問題，特別是在PWM調(diào)制情況下，測量時必須采取專門措施避開或抑制干擾，增加了控制電路的復(fù)雜性，并且可能產(chǎn)生換相滯后。采用“虛擬中點法”可以解決以上問題，并且在PWM調(diào)制情況下，其開關(guān)噪聲不會影響相繞組的過零測量，檢測電路也較簡單。

在靜止或低速狀態(tài)下反電勢值為0或很小，無法用反電勢法來判定轉(zhuǎn)子的位置，通常采用三段式起動方式來解決這個問題，即先按他控式同步電機的運行狀態(tài)從靜止開始加速，當(dāng)達到一定的轉(zhuǎn)速時再切換到反電勢法控制狀態(tài)，包括轉(zhuǎn)子定位，步進起動和自由切換三個階段。轉(zhuǎn)子定位時首先導(dǎo)通兩個功率管，一般來說先導(dǎo)通S6及S1，一定時間后就完成轉(zhuǎn)子的初始定位。步進起動時從初始位置開始，按前面的導(dǎo)通次序依次導(dǎo)通各功率管，但導(dǎo)通時間按一定規(guī)律遞減，以達到提速的目的。步進起動結(jié)束后進行自由切換，保證換相的正確性，同時，PWM斬波使直流側(cè)電壓逐漸加到主電路上，使無刷電機的轉(zhuǎn)速按控制要求加速，相當(dāng)于電機轉(zhuǎn)速的軟起動過程，這樣就避免了電機在起動初期會產(chǎn)生大電流，減少了對主電路的沖擊，延長了功率管的壽命。

4系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)硬件電路由主電路、驅(qū)動電路、過零點檢測電路、采樣電路、各種保護電路組成。過零點檢測電路檢測到過零信號，并把過零信號送到JK3單片機的捕捉口，JK3單片機接收到過零信號，由軟件計算出延遲時間，并在延遲時間到后發(fā)出換相脈沖信號，經(jīng)驅(qū)動電路轉(zhuǎn)換為驅(qū)動信號去驅(qū)動各功率管，這樣就實現(xiàn)了單片機對直流無刷電機的控制。保護電路主要有過電壓充電保護，低水位保護。

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計，包括初始化模塊，PWM中斷模塊，捕捉中斷模塊，采樣保護模塊。PWM中斷模塊實現(xiàn)了無刷電機的步進起動，自由切換運行。PWM中斷模塊的流程圖如圖3所示。

初始化模塊主要完成程序所用變量的初始化，PWM中斷初始化，捕捉中斷初始化，發(fā)初始定位脈沖；捕捉中斷完成反電勢過零點的捕捉及換相周期的確定；采樣保護模塊主要用來采集直流側(cè)電壓和電流，以及判定和處理故障。實驗數(shù)據(jù)證明，換相時刻的準確性和相位跟蹤的快速性對電機控制的性能影響極大，電子開關(guān)的準確換相點每次都在該相不激勵繞組的反電勢過零后30°的電角度位置，由于電機的運行是變速運行，換相周期是變化的，所以并不能準確確定延遲30°電角度的換相時間，只能根據(jù)前若干個換相周期的變化趨勢，對該次換相時刻進行合理有效的濾波和預(yù)估，有數(shù)字濾波和鎖相跟蹤兩種方式。

圖4為系統(tǒng)正常運行時測得的線電壓波形，毛刺部分是由PWM斬波和換相引起的。從圖中可以看出，電壓波形比較接近于理想情況，說明換相點準確，從而驗證了對整個系統(tǒng)控制思想是正確的。

篇8

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)傳感器

一、物聯(lián)網(wǎng)概念與定義

物聯(lián)網(wǎng)(TheInternetofthings)的概念是在1999年提出的,它的定義很簡單:把所有物品通過射頻識別(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來,進行信息交換和通訊,實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。

現(xiàn)在對物聯(lián)網(wǎng)的定義至少有幾十種,都是不同領(lǐng)域?qū)＜覐牟煌I(lǐng)域定義的,我們?nèi)追N有代表性的供大家參考:

1.英語中“物聯(lián)網(wǎng)”一詞:InternetofThings,可譯成物的互聯(lián)網(wǎng)。

2.2005年ITU關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)的定義:是一個具有可識別,可定位的傳感網(wǎng)絡(luò)。

3.經(jīng)過與無線網(wǎng)絡(luò)(也含固定網(wǎng)絡(luò))連接,使物體與物體之間實現(xiàn)溝通和對話,人與物體之間實現(xiàn)溝通與對話。能實現(xiàn)上述功能的網(wǎng)稱為物聯(lián)網(wǎng)。

4.作者比較贊成一種基于泛網(wǎng)及其多制式、多系統(tǒng)、多終端等綜合的物聯(lián)網(wǎng)的定義——或稱為廣義物聯(lián)網(wǎng)。

二、國內(nèi)外物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

從國際上看,歐盟、美國、日本等國都十分重視物聯(lián)網(wǎng)的工作,并且已作了大量研究開發(fā)和應(yīng)用工作。如美國把它當(dāng)成重振經(jīng)濟的法寶,所以非常重視物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,它的核心是利用信息通信技術(shù)(ICT)來改變美國未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式和結(jié)構(gòu)(金融、制造、消費和服務(wù)等),改變政府、企業(yè)和人們的交互方式以提高效率、靈活性和響應(yīng)速度。按歐盟專家講,歐盟發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)先于美國,確實歐盟圍繞物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和應(yīng)用作了不少創(chuàng)新性工作。在北京全球物聯(lián)網(wǎng)會議上,他們介紹了《歐盟物聯(lián)網(wǎng)行動計劃》(Internetofthings-AnactionplanforEurope)其目的也是企圖在“物聯(lián)網(wǎng)”的發(fā)展上引領(lǐng)世界。

我國在“物聯(lián)網(wǎng)”的啟動和發(fā)展上與國際相比并不落后,我國中長期規(guī)劃《新一代寬帶移動無線通信網(wǎng)》中有重點專項研究開發(fā)“傳感器及其網(wǎng)絡(luò)”,國內(nèi)不少城市和省份已大量采用傳感網(wǎng)解決電力、交通、公安、農(nóng)漁業(yè)中的“M2M”等信息通信技術(shù)的服務(wù)。

在溫總理關(guān)于“感知中國”的講話后我國“物聯(lián)網(wǎng)”的研究、開發(fā)和應(yīng)用工作進入了,江蘇省無錫市一馬當(dāng)先率先提出建立“感知中國”研究中心,中國科學(xué)院、運營商、知名大學(xué)云集無錫共同協(xié)力發(fā)展我國的物聯(lián)網(wǎng)。

三、傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

一說到傳感器,可能大家就會往小的方面想,在物聯(lián)網(wǎng)的大概念下,一個泛在的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),隨著參照物的不同,傳感器可以是一個“大”的“智能物件”,它可以是一個機器人、一臺機床、一列火車,甚至是一個衛(wèi)星或太空探測器。物聯(lián)網(wǎng)關(guān)注傳感器的實際應(yīng)用,下面是按應(yīng)用方式進行的分類。

1.液位傳感器:利用流體靜力學(xué)原理測量液位,是壓力傳感器的一項重要應(yīng)用,適用于石油化工、冶金、電力、制藥、供排水、環(huán)保等系統(tǒng)和行業(yè)的各種介質(zhì)的液位測量。

2.速度傳感器:是一種將非電量(如速度、壓力)的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏孔兓膫鞲衅?適應(yīng)于速度監(jiān)測。

3.加速度傳感器:是一種能夠測量加速力的電子設(shè)備,可應(yīng)用在控制、手柄振動和搖晃、儀器儀表、汽車制動啟動檢測、地震檢測、報警系統(tǒng)、玩具、結(jié)構(gòu)物、環(huán)境監(jiān)視、工程測振、地質(zhì)勘探、鐵路、橋梁、大壩的振動測試與分析,以及鼠標,高層建筑結(jié)構(gòu)動態(tài)特性和安全保衛(wèi)振動偵察上。

4.濕度傳感器:分為電阻式和電容式兩種,產(chǎn)品的基本形式都為在基片涂覆感濕材料形成感濕膜?？諝庵械乃羝接诟袧癫牧虾?元件的阻抗、介質(zhì)常數(shù)發(fā)生很大的變化,從而制成濕敏元件,適用于濕度監(jiān)測。

5.氣敏傳感器:是一種檢測特定氣體的傳感器,適用于一氧化碳氣體、瓦斯氣體、煤氣、氟利昂(R11、R12)、呼氣中乙醇、人體口腔口臭的檢測等。

6.壓力傳感器:是工業(yè)實踐中最為常用的一種傳感器,廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境,涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等眾多行業(yè)。

7.激光傳感器:利用激光技術(shù)進行測量的傳感器,廣泛應(yīng)用于國防、生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)和非電測量等。

8.MEMS傳感器:包含硅壓阻式壓力傳感器和硅電容式壓力傳感器,兩者都是在硅片上生成的微機械電子傳感器,廣泛應(yīng)用于國防、生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)和非電測量等。

9.紅外線傳感器:利用紅外線的物理性質(zhì)來進行測量的傳感器,常用于無接觸溫度測量、氣體成分分析和無損探傷,應(yīng)用在醫(yī)學(xué)、軍事、空間技術(shù)和環(huán)境工程等。

10.超聲波傳感器:是利用超聲波的特性研制而成的傳感器,廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等。

11.遙感傳感器:是測量和記錄被探測物體的電磁波特性的工具,用在地表物質(zhì)探測、遙感飛機上或是人造衛(wèi)星上。

12.視覺傳感器:能從一整幅圖像捕獲光線數(shù)以千計的像素,工業(yè)應(yīng)用包括檢驗、計量、測量、定向、瑕疵檢測和分撿。

雖然,物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈包括傳感器和芯片供應(yīng)商、應(yīng)用設(shè)備提供商、網(wǎng)絡(luò)運營及服務(wù)提供商、軟件與應(yīng)用開發(fā)商和系統(tǒng)集成商。但是,作為“金字塔”的塔座,傳感器將會是整個鏈條需求總量最大和最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)?！皞鞲衅魇俏锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的支撐、應(yīng)用的支撐和未來泛在網(wǎng)的支撐,傳感器感知了物體的信息,RFID賦予它電子編碼,傳感網(wǎng)到物聯(lián)網(wǎng)的演變是信息技術(shù)發(fā)展的階段表征?！?/p>

參考文獻:

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[5]趙茂泰.智能儀器原理及應(yīng)用[J].北京:電子工業(yè)出版社.

[6]陳艾.敏感材料與傳感器[M].北京:高等教育出版社.

篇9

1病例簡介

患者，女，31歲、G2P2L2，2007年11月10日在縣級醫(yī)院經(jīng)陰順娩一足月女嬰，評10分，產(chǎn)后母嬰健康，住院2天出院。2007年12月6日母親開始發(fā)熱，體溫最高達38.9℃，12月7日開始出現(xiàn)紅色斑丘疹，出疹順序為面—頸—四肢。出疹當(dāng)日來院就診，擬診“麻疹”收入院。嬰兒于2007年12月9日始發(fā)熱，最高體溫39℃。皮疹于發(fā)熱第二天出現(xiàn)，始為耳后—頸—腋窩。擬診“小兒麻疹”收入院。住院經(jīng)醫(yī)護人員積極救治，母女均無并發(fā)癥，已康復(fù)出院?，F(xiàn)將護理體會報告如下。

2護理

2.1心理護理首先消除患者心理緊張和思想顧慮，用通俗的語言介紹麻疹病的知識及隔離的重要性，特別是消除患母擔(dān)心其女的病情變化的焦慮、恐懼，隨時告知其女的病情變化及治療情況，有針對性疏導(dǎo)，增強其治療疾病的信心。

2.2一般護理按呼吸道傳染隔離，居室應(yīng)空氣新鮮，保持適當(dāng)溫度和濕度，室溫在18～22度，相對濕度在50%～60%，每日定時通風(fēng)，通風(fēng)時避免直接吹向患者、患兒，患者衣被每日暴曬2小時，盡量保持病室安靜，使患者、患兒臥床休息至皮疹消退，體溫正常。發(fā)熱出疹期間屬患者多喝水，給予易消化而富有營養(yǎng)的飲食，在恢復(fù)期除少吃油膩的食品外，無需忌口。高熱時給予小劑量退熱劑，切忌降溫過猛，忌酒精浴、冷敷，保持床單整潔、干燥與皮膚清潔，在保溫情況下，每日用溫水檫浴更衣1次。加強五官護理，保持口、眼、鼻、耳的清潔，每日定時做口腔護理，用棉簽蘸生理鹽水清潔患者的雙眼，再滴入抗生素眼液或眼膏，患兒取側(cè)臥位，防止嘔吐物或淚水流入外耳道發(fā)生中耳炎，及時清除鼻痂，保持呼吸道通暢。

篇10

關(guān)鍵詞：壓力傳感器，薄膜，敏感柵

 

隨著社會的發(fā)展，信息處理技術(shù)、微處理器和計算機技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，都需要在傳感器的開發(fā)方面有相應(yīng)的進展。現(xiàn)在非電物理量的測試與控制技術(shù)，已越來越廣泛地應(yīng)用于航天、航空、常規(guī)武器、船舶、交通運輸、冶金、機械制造、化工、輕工、生物醫(yī)學(xué)工程、自動檢測與計量、稱重等技術(shù)領(lǐng)域[1]，而且也正在逐步引入人們的日常生活中。免費論文參考網(wǎng)?？梢哉f測試技術(shù)與自動控制技術(shù)水平的高低，是衡量一個國家科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化程度的重要標志。傳感器是信息采集系統(tǒng)的感應(yīng)單元，所以，它是自動化系統(tǒng)和控制設(shè)備的關(guān)鍵部件，作為系統(tǒng)中的一個結(jié)構(gòu)組成，在科技、生產(chǎn)自動化領(lǐng)域中的作用越來越重要[2]。

傳感器亦稱換能器，是將各種非電量（包括物理量，化學(xué)量，生物學(xué)量等）按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于處理和傳輸?shù)牧硗庖环N物理量（一般為電量、磁量等）的裝置[3]，它能把某種形式的能量轉(zhuǎn)換成另一種形式的能量。傳感器一般由敏感元件、傳感元件和測量電路3部分組成，有時還需加上輔助電源。免費論文參考網(wǎng)。其原理如圖1所示。

其中：①敏感元件直接感受被測物理量，如在應(yīng)變式傳感器中為彈性元件；②傳感元件將感受到的非電量直接轉(zhuǎn)換成電量，是轉(zhuǎn)換元件，如固態(tài)壓阻式壓力傳感器；③測量電路是將傳感元件輸出的電信號轉(zhuǎn)換為便于顯示、控制和處理的有用電信號的電路，使用較多的是電橋電路。由于傳感器元件輸出的信號一般較小，大多數(shù)的測量電路還包括放大電路，有的還包括顯示器，直接在傳感器上顯示出所測量的物理量；④輔助電源是供給傳感元件和測量電路工作電壓和電流的器件。

國際電工委員會IEC則將傳感器定義為測量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測量的信號[4]。傳感器是傳感器系統(tǒng)的一個組成部分，是被測量信號輸入的第一道關(guān)口。對傳感器在技術(shù)方面有一定的要求，而同時亦要考慮盡可能低的零點漂移、溫度漂移及蠕變等[5]。近年來，傳感器有向小型化、集成化、智能化、系列化 、標準化方向發(fā)展的趨勢[6]。

電阻式傳感器的工作原理是將被測的非電量轉(zhuǎn)換成電阻值，通過測量此電阻值達到測量非電量的目的。這類傳感器大致分為兩類：電阻應(yīng)變式和電位計式。利用電阻式傳感器可以測量形變、壓力、力、位移、加速度和溫度等非電量參數(shù)。

壓力傳感器是將壓力這個物理量轉(zhuǎn)換成電信號的一種電阻應(yīng)變式傳感器。傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變式壓力傳感器是一種由敏感柵和彈性敏感元件組合起來的傳感器[7]。如圖2所示，將應(yīng)變片用粘合劑粘貼在彈性敏感元件上，當(dāng)彈性敏感元件受到外施壓力作用時，彈性敏感元件將產(chǎn)生應(yīng)變，電阻應(yīng)變片將它們轉(zhuǎn)換成電阻變化，再通過電橋電路及補償電路輸出電信號。它是目前應(yīng)用較多的壓力傳感器之一，因具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、測量速度快等特點而廣泛應(yīng)用于航空、機械、電力、化工、建筑、醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域。

傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變式壓力傳感器的電阻敏感柵是刻錄在一層絕緣脂薄膜上，而薄膜又通過粘結(jié)劑粘合到彈性基片上，由于彈性元件與粘結(jié)劑及絕緣脂膜之間的彈性模量不同，彈性元件的應(yīng)變不能直接傳遞給敏感柵，而是要通過粘結(jié)劑、絕緣脂膜才能到達敏感柵，從而產(chǎn)生較大的蠕變和滯后，影響傳感器的靈敏度、響應(yīng)度、線性度等性能。另外，由于粘結(jié)劑不能在高溫條件下使用，這也使它的應(yīng)用范圍受到限制。

為了消除絕緣薄膜層和粘結(jié)劑層對傳感器性能的影響，可以嘗試采用真空鍍膜方法及光刻技術(shù)，在彈性元件上直接刻錄敏感柵，彈性元件與敏感柵直接接觸，以克服常規(guī)工藝導(dǎo)致的滯后和蠕變大的缺陷。另外，如果彈性材料和結(jié)構(gòu)選擇恰當(dāng)，還可制成耐高溫、耐腐蝕的全隔膜式薄膜壓力傳感器。

一、器件研制

采用真空鍍膜技術(shù)在彈性基片上蒸鍍一層約300nm金屬柵材料的薄膜，用半導(dǎo)體光刻技術(shù)，在彈性基片上直接形成電阻敏感柵，最后利用耐高溫、耐酸堿腐蝕的環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑，將制作好的芯片封裝在工件中，組成壓力傳感器探頭。經(jīng)過熱老化、電老化，待封裝應(yīng)力趨于穩(wěn)定后，進行電性能測試。

在制作薄膜電阻應(yīng)變式壓力傳感器中，采用的工藝流程如圖3所示。