第一篇：论文-嵌入式Web传感器的研究与应用
石油大学硕士学位论文开题报告及文献总结
嵌入式Web传感器的研究与应用
摘要：本文在分析了传统传感器和智能传感器的不足之处的基础上，结合IEEE1451标准，着重介绍了嵌入式Web传感器的结构与功能，并阐述了其发展前景和存在的问题。
Abstract: On the basis of analyzing the shortcomings of the Dumb Sensor and the Smart Sensor, the author introduced the Embedded Web Sensor by the link of the IEEE1451.关键字：网络传感器 嵌入式Web传感器 IEEE1451 Key Words：Networked Sensor
Embedded Web Sensor IEEE1451
一、嵌入式Web传感器的必然性
1.1 网络传感器的必然性
传感器是人类探知自然界信息的触角,它可将人们需要探知的各种非电量信息转化成可测的电量信息,是信息系统的第一道门槛,为人们认识和控制相应的对象提供条件和依据。作为现代信息技术三大核心技术之一的传感器技术,从诞生到现在,已经经历了传统的传感器(Dumb Sensor)、“智能传感器”(Smart Sensor)[1]、“网络化传感器”(Networked Sensor)的发展历程。
传统的传感器基本上分为电阻式和电容式，它的设计指导思想是把外部信息变换成模拟电压或电流信号, 然后通过变送器以电压或电流 [2]石油大学硕士学位论文开题报告及文献总结
方式连接到采集器。它输出幅值小,灵敏度低,而且功能单一,因而被人们称为“聋哑传感器”。
人们将微处理器技术、智能技术和微机械加工技术（MEMS）应用于传感器，传感器性能的改变不再仅仅依赖硬件的改进，而是用存放于微处理器中的功能强大的软件对系统进行非线性自动校正、自校零、自校准、自补偿、自检验、抑制噪声等处理，增强了传感器的“智能化”功能，这就是智能传感器。智能传感器仍然存在缺陷。例如，在数据通信方面，传感器与控制设备之间仍然采用传统的模拟电压和电流信号进行通信，没有根本解决布线复杂和抗干扰性差的问题。
网络传感器的出现成了历史的必然。网络传感器的输出信号是符合某种网络协议的数字信号，这就从根本上解决了传统传感器和智能传感器的缺陷，使得网络传感器的精度更高、传输距离更远、抗干扰性更强。[3]1.2嵌入式Web传感器的必然性
根据网络传感器所遵从的协议不同，可以将其分为基于现场总线的网络传感器和基于Internet的网络传感器。基于现场总线网络传感器的测控系统的基本结构如图1所示。
图1 典型的分布式测量和控制系统 石油大学硕士学位论文开题报告及文献总结
目前市场上现场总线多种多样，较为流行的现场总线有CAN（控制局域网络），Lonworks(局部操作网络)、Profibus（过程现场总线）、HART（可寻址远程传感器数据通信）、FF（基金现场总线）等。各种现场总线的内部结构、通信接口、通信协议各不相同，使得基于现场总线的传感器/执行器（Sensor/Actuator）接口协议标准各异，这就要求智能传感器必须符合所在现场总线的有关规定，从而给系统的扩展、维护等带来不利的影响。
对于传感器生产商而言，要开发出为所有控制网络支持的传感器，是不现实的，所以现有的智能传感器只能用在特定的现场总线中；对于用户来说，如果所需要的智能传感器不支持现有的现场总线，是更换现有的现场总线(显然这样代价太大)，还是忍痛割爱，选择现有现场总线支持但不太符合需要的智能传感器？哪种选择都不理想。
如果所使用的传感器是基于TCP/IP协议的，那么它将直接与企业内部网（Intranet）或因特网(Internet)相连，从而使数据采集、信息传输等都能直接在Intranet/Internet上进行，既统一了标准，又使工业测控数据能直接在Intranet/Internet上动态发布和共享，供相关技术人员、管理人员参考，这样就把测控网（Infranet）和信息网（Intranet）有机地结合了起来，使得工厂或企业拥有一个一体的网络平台，无论从成本、管理、维护等方面考虑，都是一个最佳的选择。
于是就有了本文要论述的嵌入式Web传感器，下面将对之进行详细的介绍。
二、嵌入式Web传感器简介
2.1嵌入式Web传感器的定义与特点
嵌入式Web传感器的实质是在传统传感器的基础上实现信息化、网 3 石油大学硕士学位论文开题报告及文献总结
络化、智能化和微型化，其核心是使传感器本身实现TCP/IP网络通信协议，将传感器作为网络节点直接与计算机网络通信，可以利用Internet上的任意一台PC通过浏览器与该传感器通信。确切地说，嵌入式Web传感器已不再是简单意义上的“传感器”，它已经涵盖了以前是属于仪器和微型计算机所具有的功能。
嵌入式Web传感器具有如下特点：第一，具有高可靠性、低功耗、低成本和微体积等特点；第二，可根据输入信号进行判断和制定决策，具有自检测、自校准和自保护功能；第三，不同的应用系统无须采用不同的传感器，可在单一传感器的基础上通过软件设计来改变传感器的功能，以满足客户的不同需求；第四，采用当今最为流行的TCP/IP网络通信协议为载体，利用Internet传输传感器数据，与外部进行信息交换；第五，嵌入式Web传感器组成的控制网络与计算机网络直接通信，技术人员利用浏览器通过网络管理嵌入式Web传感器的工作状态，实施远程测控；第六，采用即插即用技术，具有良好的开放性、可升级性和可维护性，方便测控系统的集成；第七，实现了传统的数据采集与发送向网络化的信息管理与集成的转移。
2.2 嵌入式Web传感器的系统结构
嵌入式Web传感器主要由三部分组成：敏感单元、智能处理单元和TCP/IP通信协议接口[3]。从原理结构上来说，基于Internet的嵌入式Web传感器可以用图2来表示。
石油大学硕士学位论文开题报告及文献总结
图2 基于Internet的嵌入式WEB传感器的体系结构
从框图中我们可以看到，传统的传感器在嵌入式Web传感器中只占其中的一部分，其核心部分是完成信号处理、数据交换和控制的嵌入式智能单元以及完成数据传输的TCP/IP网络接口，通过微处理器和嵌入式操作系统的使用，使传感器本身实现数据采集、处理的智能化和数据传输的TCP/IP网络化。
2.3 嵌入式Web传感器的技术基础[3]
微处理器技术的发展促进了传感器的智能化，微机械加工技术的发展为传感器的微型化提供了可能，基于TCP/IP协议的Internet技术的发展为传感器的网络化提供了必要的技术手段，这三大技术的日渐融合促进了基于Internet的嵌入式Web传感器的产生。
具体地讲，嵌入式Web传感器的实现需要硬件技术和软件技术的紧密配合。其中硬件技术有：
a)嵌入式网络硬件技术：微处理器、数据采集和信号处理、TCP/IP等嵌入式网络硬件的飞速发展是嵌入式Web传感器发展的重要保证。目
[3]石油大学硕士学位论文开题报告及文献总结
前，美国Connect One公司、Philips公司、EmWare公司、TASKING公司和国内的P&S公司等均提供基于Internet的Device-Networking的软件、固件(Firmware)和硬件产品。此外，在数据采集、DSP、TCP/IP、STIM、NCAP方面都不断有新型的专用接口模块产生，例如完成数据采集的有ADµ、c812、CS5511、TLC548；完成DSP的有TMS320C2000TMDSP；完成STIM和NCAP的有EDI1520、PLCC-44，而Analog Devices 公司生产的芯片ADCu812就可用来执行IEEE1451.2的STIM端的工作；完成TCP/IP协议转换的有研华公司的ADAM4572、ADAM4570；目前已有TCP/IP芯片（如美国Seiko Instruments公司生产的ichip S7600A芯片可直接用作网络接口[4]）等等。随着这些专用模块和MCU的不断发展，完全可以保证在片上系统实现具有Internet功能的Web传感器。b)大规模集成电路技术：利用大规模集成电路技术将敏感元件、信号处理器和微处理器集成在一块硅片上，形成一个“单片智能传感器”，是一个对外界信息具有检测、数据、处理、判断、识别、自诊断和自适应能力的多功能传感器，还能实现与主机远距离、高速度、高精度的传输。这类传感器具有小型化、性能可靠、能批量生产、价格低廉的优点。
嵌入式Web传感器用到的软件技术有：
a)嵌入式Web服务器：嵌入式Web传感器只需要完成基本参数和采集数据的传递，所以对Web功能要求比较简单，只需要几个简单的控制命令和完成基本的数据传输。根据这个特点，可以综合采用Internet技术、操作系统剪裁技术，在ROM DOS上实现了一个最小化剪裁的嵌入式Web服务器，只保留了最基本的控制命令，其它与传感器数据传送要求无关的命令都剪裁掉。它接收浏览器的访问，实现浏览器命令到设备管理命令、数据的解析。浏览器访问命令有GET、POST、READ等，一般只要支持文件获取命令GET就可以了。
最小化裁剪的Web服务器程序可以设计为一个标准的子程序，嵌入在应用程序中，故称之为嵌入式Web服务器。另外，也可根据需要在Web服务器模块中提供CGI、JAVA脚本、嵌入式数据库等技术，也可加入GET、石油大学硕士学位论文开题报告及文献总结
POST、READ等Web协议以外的自定义命令和数据通讯格式，这时需要在Web服务器功能、复杂度、可靠性和尺寸大小等方面进行权衡和选择。b)Web远程信号采集：利用内嵌在网页中的程序、ActiveX控件等服务程序，可以很方便地通过Internet实现传感器信号的远程数据采集，用户可以通过浏览器设定采样参数、启动采样过程和获取采样数据。
有一点要指出的是，由于传感器的软、硬件资源毕竟有限，要使它象PC微机那样成为一个全功能的Internet节点，显然是不可能的，也是没有必要的[4]。
2.4 嵌入式Web传感器的前景展望
目前，包括Siemens/Infineon、Philips与Motorola在内的数十家大公司联合成立了“嵌入式Internet联盟（ETI）”，共同推动着嵌入式Internet技术和市场的发展[4]。具有Internet/Intranet功能的网络化智能传感器技术已经不再停留在论证阶段或实验室阶段，越来越多成本低廉具备Internet/Intranet网络化功能的智能传感器/执行器涌向市场，正在并且将要更多更广地影响着人类生活。
可以预见，在网络化测控、嵌入式网络和e-维护技术三个领域中，嵌入式Web传感器都将起到重要作用[3]。在国防、通信、航空、航天、气象、制造等领域，对大范围的网络化测控将提出更迫切的需求，嵌入式Web传感器必将很快发展并成熟起来，从而有力地带动和促进现代测量技术即网络测量技术的进步。在此基础上，嵌入式网络、e-维护等技术也会蓬勃发展起来，对工业和社会的进步产生深远影响。
而同时，嵌入式Web传感器使得“数字地球”成为可能。届时，无数因特网的节点（具有Internet/Intranet功能的网络化智能传感器）将发挥着神经细胞的功能，它将使地球披上一层“电子皮肤”，地球用因特网在支持和传递着它的“感觉”，无处不在的网络化智能传感器（包括气象参数传感器、水土分析传感器、污染检测器、电子眼、电子
[4]石油大学硕士学位论文开题报告及文献总结
鼻、葡萄粮传感器和脑电图仪等等）探测和监视着我们的城市、大气、船只、车流和我们人类自己。
三、IEEE1451系列标准简介
3.1 IEEE1451系列标准发展历程
鉴于现场总线的混乱，为了实现智能传感器接口总线的统一，IEEE-TC9在1993年9月决定制定一种智能传感器通信接口。
1994年3月，NIST(the National Institute of Standard and Technology)和IEEE(the Institute of Electrical & Electronic Engineer)共同组织了一次关于制定智能传感器接口的研讨会，会上讨论了开发这样一种简化控制网络和智能传感器连接标准接口的可能性。从那以后，连续召开四次研讨会，直到1995年4月,成立了两个专门的技术委员会：P1451.1工作组和P1451.2工作组。
P1451.1工作组主要负责智能变送器的公共目标模型进行定义和对相应模型的接口进行定义；P1451.2工作组主要定义TEDS 和数字接口标准，包括STIM和NACP之间的通讯接口协议和管脚定义分配[5]。在1997年和1999年IEEE先后颁布了IEEE 1451.2标准和IEEE 1451.1标准。1998底，技术委员会针对大量的模拟量传输方式的测量控制网络及小空间数据交换问题，鉴于许多混合型智能传感器（即能非同时地以模拟和数字的方式进行通信）由于没有统一的标准，成立了另外两个工作组P1451.3和P1451.4。其中P1451.3负责制定模拟量传输网络与智能网络化传感器的接口标准；P1451.4负责制定小空间范围内智能网络化传感器相互之间的互联标准。
IEEE1451.4就是一个混合型的智能传感器接口的标准，它通过提供一个与传统传感器兼容的通用IEEE1451.4传感器通信接口使得传感器具有即插即用功能，在传统仪器与智能混合型（smart mixed-mode）传感器之间提供了一个桥梁。石油大学硕士学位论文开题报告及文献总结
IEEE1451.4标准通过定义不依赖于特定控制网络的硬件和软件模块来简化网络化传感器的设计，使得工程师们在选择传感器时不用考虑网络结构，这就减轻了制造商要生产支持多网络的传感器的负担，也使得用户在需要把传感器移到另一个不同的网络标准时可减少开销[5]。
3.2 IEEE1451标准的优越性
IEEE1451是为变送器制造商和用户提供的一种有效而经济的方式以支持各种控制网络。IEEE1451标准接口的结构如图3所示[5]：
图3.不同网络总线IEEE1451转换方案
针对上图的几点说明：
第一层模块结构用来运行网络协议栈（Network Protocol Stack）和应用硬件（Application Firmware）,即网络匹配处理器NCAP(Network Capable Application Processor);第二层模块为智能变送器接口模块STIM（Smart Transducer interface Module）,其中包括变送器和变送器电子数据单TEDS（Transducer Electronic Data Sheet）。
这样在基于各种现场总线的分布测量控制系统中，各种变送器的设计制造无须考虑系统的网络结构。石油大学硕士学位论文开题报告及文献总结
3.3.IEEE1451.2标准简介[6]
IEEE 1451.1标准定义了网络独立的信息模型，使传感器接口与NCAP相连，它使用了面向对象的模型定义提供给智能传感器及其组件；IEEE 1451.2标准定义了一个连接传感器到微处理器数字接口（STIM），并通过网络适配器（NCAP）把传感器和执行器连接到网络。据IEEE和NIST最新资料，1451.X标准之间可以一起使用，也可以单独使用
[7]。
IEEE1451.2是一个开放的标准，它的目标不是开发另外一种控制网络，而是在控制网络和传感器之间定义一个标准接口，使传感器的选择和控制网络的选择分开，从而使用户可以根据自己的需要选择不同厂家生产的智能传感器而不受限制，实现真正意义上的即插即用(Plug and Play)。
基于IEEE1451.2标准的网络Web传感器的系统结构框图如下：
图4 IEEE1451.2传感器的结构框图
IEEE1451.2主要定义了STIM(Smart Transducer Interface Module)的内容,其中主要包括TEDS(Transducer Electronic Data Sheet)和TII(Transducer Independent Interface)。
TEDS是IEEE1451.2标准的核心,提供了对广大范围传感器 石油大学硕士学位论文开题报告及文献总结
(sensor)、缓存传感器(buffered sensor)、数据系列传感器(data sequence sensor)、事件系列传感器(event sequence sensor)、执行器(actuator)等模型的支持,并具有自动识别这些传感器和执行器的能力。TEDS完整详细地描述了它支持的传感器和执行器的类型、操作和属性。
TEDS被分成8个可以寻址的部分,其中只有Meta TEDS和Channel TEDS是必须要的,其余的6个TEDS可以根据需要选择。每个STIM包括1个Meta TEDS，用来描述TEDS的数据结构、STIM的极限时间参数和通道组信息等有关STIM的总体信息；每个STIM通道包括1个Channel TEDS，主要用来对每个通道的具体信息，如：函数模型、校准模型、通道的物理属性、返回的数据类型和格式、对象使用上下极限、使用时限等参数。
TII并非是额外的一种网络协议，而是用于连接NCAP和STIM的点对点、时钟同步、短距离的接口，共有10个引脚。IEEE1451.2标准详细定义了这10个引脚的功能，并定义了NCAP和STIM数据传输协议。
3.4 IEEE1451系列标准的发展动向[5]
IEEE和NIST还在着手制定无线连接各种传感设备的接口标准，该标准的名称为“IEEE P1451.5”，主要用于利用电脑等主机设备综合管理建筑物内各传感设备获得的数据，还将包括把传感器获得的信息用于
第二篇：Web数据研究与应用论文
1知如何能够投其所好，为用户实现主动推荐，提供个性化服务；这些都是电子商务成败的关键问题。在这种新型的商务模式下，如何对网络上大量的信息进行有效组织利用，帮助海量数据的拥有者们找出真正有价值的信息和知识，以指导他们的商业决策行为，成为电子商务经营者关注的问题。迅速发展的基于Web的数据挖掘技术，为解决电子商务所面临的问题提供了有效途径。Web数据挖掘
2.1 Web数据挖掘概述
数据挖掘（Data Mining）是从大量的、不完全的、有噪声的、模糊的和随机的数据中提取人们事先不知道的、潜在有用的信息和知识的非平凡过程。
Web数据挖掘（Web Mining）是从Web文档和Web活动中抽取感兴趣的、潜在的有用模式和隐藏的信息，是数据库、数据挖掘、人工智能、信息检索、自然语言理解等技术的综合应用，是在一定基础上应用数据挖掘的方法以发现有用的知识来帮助人们从www.xiexiebang.computer processing of Oriental Languages,2003,16(2).
第三篇：传感器原理与应用
传感器原理与应用（专业限选课）
Principle and Application of Sensor
【课程编号】XZ260111
【学分数】2
【学时数】24+6+9（实验课时）【课程类别】专业限选 【编写日期】2010.3.30 【先修课程】电路分析、模电、数电
【适用专业】电子信息工程类
一、教学目的、任务
《传感器原理和应用》是电子及自动化专业的一门专业课。它有较强的实际应用价值。通过学习本课程使学生掌握各类传感器的基本原理、主要性能及其结构特点；能合理地选择和使用传感器； 掌握常用传感器的工程设计方法和实验研究方法；了解传感器的发展动向。
二、课程教学的基本要求
现代信息产业的三大支柱是传感器技术﹑通信技术和计算机技术，它们分别构成了信息系统的“感官”、“神经”和“大脑”。在机械工程中,传感器对于机械电子、测量、控制、计量等领域都是必不可少的获取信息的关键部件。
鉴于上述认识并考虑学科特色,在本课程有限学时内,要求学生重点掌握下列几方面的知识：⑴传感器的基本概念﹑术语和特性；⑵常用传感器的原理、结构和应用；⑶传感器测量电路；⑷传感器的典型应用。
三、教学内容和学时分配
第1章 传感与检测技术的理论基础自学
主要内容：
1.1测量概论
1.2测量数据的估计和处理
教学要求：
了解测量的基本概念，测量系统的特性，测量误差及数据处理的各种方法。
第2章 传感器概述2学时
2.1传感器的组成与分类
2.2传感器的基本特性
教学要求：
熟悉传感器的输出--输入特性与内部结构参数有关的外部特性，掌握其静态特性，动态特性的分析方法。
第3章 应变式传感器4学时
主要内容：
3.1 工作原理
3.2 应变片的种类、材料及粘贴
3.3 电阻应变片的特性
3.4 电阻应变片的测量电路
3.5 应变式传感器的应用
教学要求：
熟悉应变片传感器的工作原理及外部特性，了解其应用范围，掌握测量电路的分析方法。其它教学环节：实验一应变片性能测试实验3学时
实验性质：验证性实验
实验内容：金属箔式应变片性能——单臂电桥、半桥和全桥。
实验目的与要求：掌握使用金属箔式应变片组成单臂电桥、半桥和全桥的方法，了解在不同电路
形式时电路的输出特性。
注意要点：确保接线正确，电源电压不能用错。
第4章 电感式传感器3 学时
主要内容：
4.1自感式电感传感器
4.2差动变压器式传感器
4.3电涡流式传感器
教学要求：
了解电感式传感器的应用范围，工作特点，掌握其组成的各种测量电路的分析方法及组成特点。其它教学环节：实验二电涡流式传感器的静态位移性能3学时
实验性质：设计性实验
实验内容：电涡流式传感器的工作原理和工作情况，动手自制一个涡流探头，利用实验室放大器
及振荡器对不同被测材料（即混料）进行分选。
实验目的与要求：研究电涡流传感器特性，被测材料（物质）对传感器的特性的影响以及电涡流
传感器的应用。
注意要点：确保接线正确，激励、响应线圈不能用错。
第5章电容式传感器3 学时
主要内容：
5.1电容式传感器的工作原理和结构
5.2电容式传感器的灵敏度及非线性
5.3电容式传感器的等效电路
5.4电容式传感器的测量电路
5.5电容式传感器的应用
教学要求：
熟悉电容式传感器的工作原理及结构，掌握其在非电量测量与自动检测中的应用。
其它教学环节：实验三 变面积式电容传感器的性能1学时
实验性质：验证性实验
实验内容：变面积式电容传感器的工作原理和工作情况。
实验目的与要求：熟悉变面积式电容传感器的工作原理和工作情况；研究差动式电容传感器特性。注意要点：确保接线正确，电源电压不能用错。
第6章 压电式传感器3 学时
主要内容：
6.1压电效应及压电材料
6.2 压电式传感器测量电路
6.3 压电式传感器的应用
教学要求：
了解压电式传感器具有的特点及其应用范围，掌握其组成的测量电路分析及应用。
第7章 磁电式传感器4学时
主要内容：
7.1磁电感应式传感器
7.2 霍尔式传感器
教学要求：
掌握磁电式传感器的各种不同类型及应用范围。
其它教学环节：实验四 霍尔传感器特性研究及应用2学时
实验性质：验证性实验
实验内容：霍尔传感器在交、直流信号激励下的特性。
实验目的与要求：了解霍尔传感器的结构和工作原理；实验研究霍尔传感器在交、直流信号激励
下的特性；掌握霍尔传感器测量振幅和称重应用的实验方法。
注意要点：确保接线正确，电源电压不能超出规定值。
第8章 光电式传感器3 学时
主要内容：
8.1光电器件
8.2光纤传感器
教学要求：
熟悉典型的光电器件的特性和应用，了解光纤传感器及其技术发展方向，掌握红外传感器的应用。
第9章 半导体传感器2学时
主要内容：
9.1半导体气敏传感器
9.2湿敏传感器
9.3色敏传感器
9.4半导体式传感器的应用
教学要求：
了解以半导体材料组成的各种传感器及其它们的工作原理，掌握气敏、湿敏、色敏传感器在测量电路中的应用及其电路分析。
第10章 超声波传感器2学时
主要内容：
10.1超声波及其物理性质
10.2超声波传感器
10.3超声波传感器应用用
教学要求：
熟悉超声波传感器的工作原理及其物理性质，掌握超声波传感器的应用。
第11章 微波传感器1学时
主要内容：
11.1微波概述
11.2微波传感器的原理和组成11．3微波传感器的应用
教学要求：
了解压电式传感器具有的特点及其应用范围，掌握其组成的测量电路分析及应用。
第12章 辐射式传感器1 学时
主要内容：
12.1红外传感器
12.2核辐射传感器
教学要求：
了解辐射式传感器的特性及应用。
第13章 数字式传感器自学
主要内容：
13.1光栅传感器
13.2编码器
13.3感应同步器
教学要求：
了解数字式传感器的特点及应用。
第14章 智能式传感器自学
主要内容：
14.1概述
14.2传感器的智能化
14.3集成智能传感器
教学要求：
了解集成智能感器的特性及应用。
第15章 传感器在工程检测中的应用4学时
主要内容：
15.1温度测量
15.2压力测量
15.3流量测量
15.4物位测量
教学要求：
了解热电偶的结构和原理、热电效应的构成成份。掌握热电偶的基本定律、冷端补偿方法、测量计算方法。了解热电阻的工作原理、结构，掌握应用方法。了解传感器在工程检测中的作用及其应用。
四、教学重点、难点及教学方法
重点：各种常见的、应用广泛的传感器的基本原理、基本特性、转换电路以及工程应用，及分析、设计方法。以课堂讲授为主，通过实验加深对所学各类传感器的性能及工作原理理解。
难点：各种传感器的特性分析。
五、考核方式及成绩评定方式：
考核方式：考查，六、教材及参考书目
推荐教材：
《传感器原理及工程应用》（第三版），郁有文等编著，西安科技大学出版社，2008年参考书：
1．王化祥，《传感器原理与应用》，天津大学出版社，第七版，2003
3．刘君华，《智能传感器系统》，西安电子科技大学出版社，第一版，1999
4．单成祥，《传感器的理论与设计基础及其应用》，国防工业出版社，1999
4．赵负图，《现代传感器集成电路》，人民邮电出版社，2000
修（制）订人：审核人：
2010年 3 月30日
第四篇：传感器设计及应用实例论文
压力传感器（压力变送器）的原理及应用
概 述：压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，下面就简单介绍一些常用传感器原理及其应用
1、应变片压力传感器原理与应用
力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。
在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是 A/D转换和CPU）显示或执行机构。
它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。
电阻应变片的工作原理
金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示：
式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω·cm2/m）
S——导体的截面积（cm2）
L——导体的长度（m）
我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情况。来源: http://tede.cn
2、陶瓷压力传感器原理及应用
抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥（闭桥），由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和应变式传感器相兼容。通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿0～70℃，并可以和绝大多数介质直接接触。
陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40～135℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度 >2kV，输出信号强，长期稳定性好。高特性，低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势，在中国也越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。
3、扩散硅压力传感器原理及应用
工作原理
被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。来源:www.xiexiebang.com
4、蓝宝石压力传感器原理与应用
利用应变电阻式工作原理，采用硅-蓝宝石作为半导体敏感元件，具有无与伦比的计量特性。
蓝宝石系由单晶体绝缘体元素组成，不会发生滞后、疲劳和蠕变现象；蓝宝石比硅要坚固，硬度更高，不怕形变；蓝宝石有着非常好的弹性和绝缘特性（1000 OC以内），因此，利用硅-蓝宝石制造的半导体敏感元件，对温度变化不敏感，即使在高温条件下，也有着很好的工作特性；蓝宝石的抗辐射特性极强；另外，硅-蓝宝石半导体敏感元件，无p-n漂移，因此，从根本上简化了制造工艺，提高了重复性，确保了高成品率。
用硅-蓝宝石半导体敏感元件制造的压力传感器和变送器，可在最恶劣的工作条件下正常工作，并且可靠性高、精度好、温度误差极小、性价比高。
表压压力传感器和变送器由双膜片构成：钛合金测量膜片和钛合金接收膜片。印刷有异质外延性应变灵敏电桥电路的蓝宝石薄片，被焊接在钛合金测量膜片上。被测压力传送到接收膜片上（接收膜片与测量膜片之间用拉杆坚固的连接在一起）。在压力的作用下，钛合金接收膜片产生形变，该形变被硅-蓝宝石敏感元件感知后，其电桥输出会发生变化，变化的幅度与被测压力成正比。
传感器的电路能够保证应变电桥电路的供电，并将应变电桥的失衡信号转换为统一的电信号输出（0-5，4-20mA或0-5V）。在绝压压力传感器和变送器中，蓝宝石薄片，与陶瓷基极玻璃焊料连接在一起，起到了弹性元件的作用，将被测压力转换为应变片形变，从而达到压力测量的目的。
5、压电压力传感器原理与应用
压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。
现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。
压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。
压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。
压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广泛。
BP01型压力传感器及其在便携式电子血压计中的应用
介绍了德利康公司的BP01型压力传感器的主要性能和参数给出了一个用BP01作传感器组成的便携式电子血压计的实际电路,并对该应用电路的工作原理进行了说明,同时给出了该便携式电子血压计电路的设计和调试方法。概述
BP01 型压力传感器是为监测血压而专门设计的,主要用于便携式电子血压计。它采用精密厚膜陶瓷芯片和尼龙塑料封装,具有高线性、低噪声和外界应力小的特点;采用内部标定和温度补偿方式,从而提高了测量的精度、稳定性以及可重复性,在全量程范围内,精度为±1%,零点失调不大于±300μV。BP01的主要性能参数
BP01的内部等效电路和外形封装如图1所示;表1所列为BP01在电源电压Vs为5.0V、环境温度TA为25℃时的主要性能参数。
BP01的极限参数如下：
·最大工作电压：20VDC;
·最大耐压：1500 mmHg;
·工作温度范围：0～70℃;
·引脚焊接温度（最大值）：250℃（2～4秒）。基于BP01的电子血压计
3.1工作原理
用BP01构成的便携式电子血压计的原理电路如图2所示,它由偏置电源电路（A1、A2）、前置处理电路（A3～A6）、显示电路（A7）和压力传感器（BP01）组成,该血压计的血压测量范围为0～200mmHg,分辨率为0.1mmHg,工作电源为一节9V迭层电池。现将血压计中各主要电路的工作原理分述如下：
a.偏置电源电路
电源电路由带有内置参考电压的双运放LM10组成,A1构成同相放大器,A2构成跟随器,它们的作用是将内置的参考电压放大后用作压力传感器BP01的偏置电压Vs,其Vs的值由下式决定：
Vs=Vref（1+R2/R3）
式中：Vref为LM10的内置参考电压。其值为200mV,将此值连同电路中的R2和R3的值代入上式即可求得偏置电压Vs的值为5V。
b.前置处理电路
前置处理电路由A3～A6四个运算放大器组成,其中A3构成失调偏置电路以对电路失调进行补偿;A5构成跟随器,用于对压力传感器BP01的输出信号进行隔离缓冲;A4、A6构成放大电路,其增益AV由下式决定：
AV=1+（R1/RT）
若忽略失调,前置处理电路的输出电压Vout为：
Vout=2（1+R1/RT）VIN
式中：VIN为压力传感器BP01的输出电压。
c.显示电路
显示电路选用三位半的显示驱动器。工作时,压力传感器BP01的输出经前置处理电路放大后,由显示驱动电路来驱动LCD,以读出测量的血压值。
3.2调试方法
a.零压输出调整
在零压输出时,调整失调电位器RP1,在血压计的显示值为000.0时,即可认为完成了零压输出调整。
b.前置电路增益的调整
压力传感器BP01的满量程输出与偏置电压有一定的关系,当5V偏置时,在200mmHg压力下的输出为10mV,其对应的显示驱动电路的输入为200mV,因此前置电路的增益AV为200mV/10mV,这样,利用前面Av的计算公式即可反推出增益电阻RT的值。
若选取电阻R1为10kΩ,则增益电阻RT应为1.1kΩ。调试时可先用电位器调整输出值,再用万用表测出该电位器的阻值,最后再换成固定电阻。
c.满量程调整
满量程调整时,先在显示电路的输入端加上200mV电压,然后调整电位器RP2,使其读数为199.9mmHg即可。
上调整完成之后,一般应多重复几次,以使显示值可靠地符合精度要求。
3.3元器件的选择
为保证测量精度,上述电路的外围元器件的选择也是一个不容忽视的重要环节。一般情况下,电位器RP1、RP2应选用1%精度的金属膜多圈电位器;电阻应选用1%精度的金属膜电阻器;电容一般选用聚脂薄膜或者云母电容。结束语
在使用压力传感器BP01和其它器件设计便携式电子血压计时,应注意的是：对于不同的偏置电压,其输出也不同,因而前置处理电路的增益应做相应的调整,以满足满量程的不同要求。
第五篇：敏感材料与传感器论文
红外感应材料
作者：adverlouis 红外线是一类电磁波的统称，广泛用于指代波长从1mm到770nm之间的电磁波。在自然界中，任何物体都能够发射红外线，任何物体都会吸收红外线。红外线在自然界中主要起传播能量的作用，其在物体上的效应主要是热效应。良好的红外线发射物体同时也是良好的红外线吸收物体。
由于红外线在自然界中的广泛存在，决定了它在自然界和人类社会中的广泛应用。而对红外线的任何利用离不开对红外线的检测，或者说感应。在自然界中，很多动物都能够利用红外线来获取信息，正如人类利用可见光来接收信息一样。蛇类利用舌头上的热感器官来捕捉红外线，蚊子利用头部的红外线感应器来确定猎物位置。这些是自然界历经千百年变化而衍生出来的生物红外感应器，其精巧型是超出人类解析范围的。而进入二十世纪以来，自红外线被发现以来，人类也在寻找各种技术来检测红外线，设计了多种多样的红外线传感器。
红外传感器的先进与否由制造传感器采用的红外感应材料决定。历经接近两百年的发展，红外感应技术也发生了翻天覆地的变化。最初的时候，人们曾利用红外线的热效来检测红外线，由于当没有半导体材料，人们只好采用热电偶来检测红外线，由于热电偶较低的灵敏性和红外线微弱的热效应，当时的检测效果可想而知。也有人采用感光胶片来对红外线进行检测，但是红外线的波长较长，光子能量较低，胶片的感光效果并不理想。直到半导体材料出现，红外检测技术才真正的开始发展起来。
从工作机理上来分，红外感应材料可分为热探测仪和光子型探测仪。
热探测仪利用了红外线的热效应，当红外线照射到热探测仪的敏感材料时，敏感材料的温度就会发生变化，而温度的变化可以转化成一定的电信号输出出来，从而实现了红外信号到电信号的转化。因为是利用红外线的热效应，热探测的响应时间较长。但是对波长的要求，即对单光子能量的要求较低，因此热探测的响应范围较广，对于波长超过200um的红外线，热探测仪是唯一的选择。
光子型探测仪利用了光子的能量效应。当红外线照射到光子敏感材料上时，材料中的电子就会接收红外光子的能量，改变其能量状态，由此改变了材料的电学性质。通过对材料电学性质的检验，就可以得到入射红外线的相关信息，事实上也是一种由红外信号到电信号的转化。光子型探测仪的感应材料从种类上来划分可以划分为三种，分别是半导体探测材料，超导探测材料和超巨磁电阻探测材料。其中半导体探测材料是发展历史最长的红外感应材料，也是发展最为完善的红外感应材料。超导探测材料技术发展时间较短，技术工艺尚不成熟，但是，随着近年来的高温超导材料的不断发展，超导材料显示出了巨大的前景。超巨磁电阻探测技术更是刚起步的领域，目前仍处于探索研究阶段。
半导体红外探测材料包括硫化铅，锑化yin，锗掺杂(金，汞)，碲锡铅，碲镉汞，硫酸三甘酞，钮酸铿，锗酸铅，氧化镁等。其中锑化yin和碲镉汞是目前红外光电体系使用的主要探测材料，特别是碲镉汞是世界研究的重点。当前生长碲镉汞体材料的主要方法是固态再结晶，少数采用垂直区熔和磅熔剂等方法生长。碲镉汞体材料的主要问题是组分不易控制，得不到大尺寸均匀晶体，成品率低等。在这种情况下国外一些公司仍然在寻求新的生长方以改善晶体质量。如近年来采用的移动热区法和移动溶剂法已取得进展，尽管从科学研究的角度来看碲镉汞体材料已逐渐让位，但从六十年代初开始研究到七十年代初，取得突破性进展的碲镉汞体材料近十几年在红外技术的发中发挥了和仍然在发挥着主要的作用。当前绝大部分红外军事装备所用的红外探测器都是由碲镉汞体材料制造的。在碲镉汞红外探测材料的研究上，美国和法国走的是不同的研究道路。法国着重于研究制备型红外感应材料，世界上第一个光伏型红外探测仪就是在法国诞生的。美国着重于材料的提纯，认为有了高纯度的材料，就便于制造出高性能的红外检测仪。法国科研界认为：制造光伏器件并不需要高纯度的半导体材料，杂质浓度在1018CM-8即可。尽管碲镉汞是目前制备红外探测仪的最好材料，但是它所存在的不足，仍是人们寻找新型红外感应材料的依据。在七十年代，碲锡铅曾经是碲镉汞的强力竞争者，但是在后来的发展中败下阵来。但近年的发展中它又有所进展，它与硅的失配也可以用过渡办法加以解决。由于汞碲与镉碲结合自由能较小，晶体的缺陷较多，错位高。而汞碲和锌碲的结合自由能大于前者，因此错位可以很低。碲锌汞可能成为制造红外探测器的更好的材料。汞锰碲也是一种很有希望的新材料，当x=0.6时禁带宽度为0，且其晶体生长较碲镉汞还要容易些，但是，目前由于材料纯度不够，还不能做出高性能的红外感应材料。此外人们曾经认为镉碲晶体是外延的碲镉汞一种较好的衬底材料，但它并不是一种理想的衬底材料，因为它的晶体结构并不与碲镉汞完全匹配；其次是错位密度很降下来。因此，人们积极寻找更适合的材料。据认为碲锌镉较镉碲要好的多，国外正研究用它取代镉碲作为碲镉汞或锌镉汞的衬底材料。
超导红外探测仪在工作机理上又可分为三类：超导—绝缘—超导红外探测仪，热电子红外探测仪，超导薄膜红外探测仪。超导红外探测仪探测率较高，且其噪声远低于其他的红外探测仪，响应波长范围更大。由于超导和非导电电子之间存在能隙。当有光子能量大于能隙入射后，电子会吸收该能量发生跃迁从而产生光电流。该光电流在超导体中的效应十分磁明显。通过对电流磁效应的测量，可以间接得到红外入射光的有关信息。利用以上原理制备的红外感应器就是超导—绝缘—超导红外探测仪。热电子红外探测仪分为高温超导和低温超导两类。低温超导红外探测仪主要的部件是几个纳米厚的铌超导纳米微桥和作为冷却装置的两个金块组成的混频器。当铌薄膜吸收光子时，其薄膜内电子温度会很快升高。而薄膜电阻依赖于电子温度，电子温度改变会改变薄膜的电阻。从而将入射红外线信号转化为电信号。高温超导发现以后, LeiaR.Val 和R.H.Ono研制了YBCO超导薄膜的热电子微红外探测仪, 它主要是用生长于Si 衬底上外延超导薄膜(厚几十纳米、宽几个微米), 含钇氧化锆(YSZ)为缓冲层, 工作温度为80K, 大大提高了以往热电子红外探测仪的工作温度。超导薄膜红外探测仪主要利用了超导薄膜在Tc附近的I-V非线性关系。以超导薄膜作为吸收层，用超导量子干涉仪读出数据。目前的超导薄膜探测仪及发展了低温下的超导薄膜红外探测仪又发展了高温下的超导薄膜红外探测仪。
钙钛矿锰化合物具有一系列的特殊性质近年来引起了人们的注意。在磁场中，它们的电阻发生巨大变化，从而被人们称为超巨磁电阻材料。进一步的研究还发现，大多数超巨磁电阻材料在略低于转变点温度时其电阻会突然下降。通过掺杂，氧退火等方式可以改变材料的转折点。红外线的入射会改变材料的温度，而温度的改变会引起超巨磁电阻材料电阻的急剧变化。利用这一点，可以将超巨磁电阻材料做成非常灵敏的红外线检测仪。但是，目前为止，超巨磁电阻材料的转折点温度依然没能达到正常的温度使用要求。而关于其响应范围的限制也在进一步的研究中。随着人们认识的加深，超巨磁电阻材料将成为一种非常有前景的材料出现在现代科学和工业应用中。
红外检测在现代生活中遍布与民用和军事之中。我们随处可见的感应盥洗装置，军事上的红外成像仪，红外追踪仪等等。红外感应材料弥补了人类在可见光以外的信息获取渠道。是人类利用自身的知识与技术提高人类生物体能力的一个很好地证明。
参考文献
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