时间：2022-12-16 05:44:08
导语：在传感器设计论文的撰写旅程中，学习并吸收他人佳作的精髓是一条宝贵的路径，好期刊汇集了九篇优秀范文，愿这些内容能够启发您的创作灵感，引领您探索更多的创作可能。
关键词：加速度差容式力平衡传感器
加速度传感器是用来将加速度这一物理信号转变成便于测量的电信号的测试仪器。它是工业、国防等许多领域中进行冲击、振动测量常用的测试仪器。
1、加速度传感器原理概述
加速度传感器是用来将加速度这一物理信号转变成便于测量的电信号的测试仪器。差容式力平衡加速度传感器则把被测的加速度转换为电容器的电容量变化。实现这种功能的方法有变间隙，变面积，变介电常量三种，差容式力平衡加速度传感器利用变间隙，且用差动式的结构，它优点是结构简单，动态响应好，能实现无接触式测量，灵敏度好，分辨率强，能测量0.01um甚至更微小的位移，但是由于本身的电容量一般很小，仅几pF至几百pF，其容抗可高达几MΩ至几百MΩ，所以对绝缘电阻的要求较高，并且寄生电容（引线电容及仪器中各元器件与极板间电容等）不可忽视。近年来由于广泛应用集成电路，使电子线路紧靠传感器的极板，使寄生电容，非线性等缺点不断得到克服。
差容式力平衡加速度传感器的机械部分紧靠电路板，把加速度的变化转变为电容中间极的位移变化，后续电路通过对位移的检测，输出一个对应的电压值，由此即可以求得加速度值。为保证传感器的正常工作.，加在电容两个极板的偏置电压必须由过零比较器的输出方波电压来提供。
2、变间隙电容的基本工作原理
如式2－1所示是以空气为介质，两个平行金属板组成的平行板电容器，当不考虑边缘电场影响时，它的电容量可用下式表示：
由式（2－1）可知，平板电容器的电容量是、A、的函数，如果将上极板固定，下极板与被测运动物体相连，当被测运动物体作上、下位移（即变化）或左右位移（即A变化）时，将引起电容量的变化，通过测量电路将这种电容变化转换为电压、电流、频率等电信号输出根据输出信号的大小，即可测定物移的大小，若把这种变化应用到电容式差容式力平衡传感器中，当有加速度信号时，就会引起电容变化C，然后转换成电压信号输出，根据此电压信号即可计算出加速度的大小。
由式（2－2）可知，极板间电容C与极板间距离是成反比的双曲线关系。由于这种传感器特性的非线性，所以工作时，一般动极片不能在整个间隙，范围内变化，而是限制在一个较小的范围内，以使与C的关系近似于线性。
它说明单位输入位移能引起输出电容相对变化的大小，所以要提高灵敏度S应减少起始间隙,但这受电容器击穿电压的限制，而且增加装配加工的困难。
由式（2－5）可以看出，非线性将随相对位移增加面增加。因此，为了保证一定的线性，应限制极板的相对位移量，若增大起始间隙，又影响传感器的灵敏度，因此在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性，大都采用差动式结构，在差动式电容传感器中，其中一个电容器C1的电容随位移增加时，另一个电容器C2的电容则减少，它们的特性方程分别为：
可见，电容式传感器做成差动式之后，非线性大大降低了，灵敏度提高一倍，与此同时，差动电容传感器还能减小静电引力测量带来的影响，并有效地改善由于温度等环境影响所造成的误差。
3、电容式差容式力平衡传感器器的工作原理与结构
3.1工作原理
如图1所示，差容式力平衡加速度传感器原理框图
电路中除了所必须的电容，电阻外，主要由正负电压调节器，四运放放大器LT1058，双运放op270放大器组成。
3.2差容式力平衡传感器机械结构原理
由于差动式电容，在变间隙应用中的灵敏度和线性度得到很大改善，所以得到广泛应用。如图2所示为一种差容式力平衡电容差容式力平衡传感器原理简图。主要由上、下磁钢，电磁铁，磁感应线圈，弹簧片，作电容中间极的质量块，覆铜的上下极板等部分组成。传感器上、下磁钢通过螺钉及弹簧相连，作为传感器的固定部分，上，下极板分别固定在上、下磁钢上。极板之间有一个用弹簧片支撑的质量块，并在此质量块上、下两侧面沉积有金属（铜）电极，形成电容的活动极板。这样，上顶板与质量块的上侧面形成电容C1，下底板与质量块下侧面形成电容C2，弹簧片一端与磁钢相连，另一端与电容中间极相连，以控制其在一个有效的范围内振动。由相应芯片输出的方波信号，经过零比较后输出方波，此方波经电容滤除其中的直流电压，形成对称的方波，该对称的方波加到电容的一个极板上，同时经一次反向后的对称波形加到另一个极板上。
当没有加速度信号时，中间极板处于上、下极板的中间位置C1＝C2，C＝0后续电路没有输出；当有加速度信号时，中间极板（质量块）将偏离中间位置，产生微小位移，传感器的固定部分也将有微小的位移，设加速度为正时，质量块与上顶板距离减小，与下底板距离增大，于是C1＞C2，因此会产生一个电容的变化量C，C由放大电路部分放大，同时，将放大电路的输出电流引入到反馈网络。由于OP270的脚1和16分别与线圈两端相连，当有电流流过线圈时，将产生感应磁场，就会有电磁力产生。因为上、下磁钢之间有弹簧，所以在电磁力的作用下将使磁钢回到没有加速度时的位置，即此时的电容变化完全有加速度的变化引起，同时由于线圈与活动极板通过中心轴线相连，所以在电磁力的作用下，使中间极向产生加速度时的位移的相反的方向运动，即相当于在C的放大电路中引入了负反馈，这样，使传感器的测量范围大大提高。因此，对于任何加速度值，只要检测到合成电容变化量C，便能使活动极板在两固定极板之间对应一个合适的位置，此时后续电路便输出一个与加速度成正比的电压，由此电压值就可以计算出加速度的大小。
4、力平衡传感器实际应用
哈尔滨北奥振动技术是专门从事振动信号测量的专业公司，它们应用这种差容式力平衡原理开发出的力平衡加速度传感器实现的主要性能指标如下：
测量范围：±2.0g，±0.125g，±0.055g
灵敏度：BA-02a:±2.5V/g、±40.0V/g
BA-02b1:±40.0V/g（差动输出）
BA-02b2:±90.0V/g（特定要求，高灵敏度）
频响范围：DC-50Hz（±1dB）
绝对精度：±3％FS
交叉干扰：小于0.3%
线性度：优于1%
噪声：小于10μV
动态范围：大于120dB
温漂：小于0.01%g/g
电源：±12V-±15V@30.0mA
【关键词】AGV 磁引导 PWM调速 8052单片机
随着现代科学技术的高速发展，自动导引小车（Automatic Guided Vehicle AGV）得到了广泛的应用。AGV以电池为动力，并装有非接触导航（导引）装置，以电磁引导、激光引导、惯性引导及GPS引导等方式。可实现无人驾驶的运输作业。它能在计算机监控下，按路径规划和作业要求，精确地行走并停靠到指定地点，完成一系列作业。
AGV以轮式移动为特征，较之步行、爬行或其它非轮式的移动机器人具有行动快捷、工作效率高、结构简单、可控性强、安全性好等优势。AGV的活动区域无需铺设轨道、支座架等固定装置，不受场地、道路和空间的限制。在自动化物流系统中，最能充分地体现其自动性和柔性，实现高效、经济、灵活的无人化生产。
一、AGV导航系统的系统总体设计
本论文设计了磁带引导AGV，完成寻迹、蔽障、PWM调速、人工控制等功能，为大量生产工业型AGV提供较好的研究基础。系统模块设计如图1所示：
图1
本论文主要对AGV的硬件系统进行设计，重点研究磁引导AGV的磁寻迹感器模块软硬件模块、速度反馈模块的设计。
二、磁寻迹传感模块设计
磁寻迹传感器是AGV能否完成磁带寻迹功能的关键，为了检测到弱磁磁场的存在，要选用灵敏度更高的传感器。本设计采用磁阻传感器，可以测量到弱磁磁场的存在。由于磁阻传感器输出为模拟量输出，需要通过响应的A/D转换电路将信号输入单片机。模块设计如图2所示。
图2 磁寻迹传感器硬件实现电路
三、速度反馈模块设计
本论文AGV采用双轮差速驱动方式，当电机负载增加时，电机的运行速度下降，一般额定转速降落达3%～10%，为了使两电机同速，必须要有反馈换环节对电机的速度进行反馈。只有组成了闭环系统，AGV的运动与速度才可控。码盘接口硬件电路如图3所示。两编码器的A和B两相信号经过74LS14施密特整形，分别接到单片机的P2.3和P2.2 以及INT0和INT1上。单片机对INT1和INT0的中断次数计数来测量通道B的脉冲数，读取P1.2的电平状态来判断电机的转动方向。以上升沿触发为例，当B路信号的上升沿引起中断时，单片机判断P2.2或P2.3信号的电平高低。若其为低，则电机正传；为高，则电机反转。电机的速度即为一个采样周期中N值的变化量。电机的转速为，式中，C为标度变化系数，可根据转速的量纲来选择，N为一个采样周期中的计数值，它的符号反应电机的转动方向。硬件实现电路如图3所示。
图3 光电编码器实现电路图
四、总结
本系统采用PWM调速及双轮差速控制，使车辆依照车载传感器确定的位置信息，沿着规定的行驶路线和停靠位置，自动行驶，完成规定的操作。论文对关键模块的设计进行了详细设计，经验证该系统设计可靠合理，能实现系统设计的基本功能。
参考文献：
[1] 温钢云，黄道平. 计算机控制技术[M]. 华南理工大学出版社，2002.
[2] hard C.Dorf Robert H.Bishop. 现代控制系统[M].高等教育出版社，2006.
关键词：放大电路 信号调理 噪声控制
中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2015）05-0000-00
1 引言
压力传感器在电子产品中的应用比较广泛，其信号调理电路通过对信号的调节变换，使信号达到后续电路的接收要求。电路的误差控制、抗干扰技术对电路的设计至关重要，电路的稳定性直接关系到单片机数据采集系统的准确性和产品的实用性。
本论文的信号调理电路主要用于电子称等衡器的前端信号处理，量程0―5Kg，其最大允许误差±1.5e（分度值e=2g）。本论文从误差分析，力传感器的选定和放大电路的设计三个方面阐述该电路设计思路。
2硬件设计中误差解决方法
降低电路元器件产生的噪声、设置稳压电流源作传感器专用电源，可保证传感器输出信号精度高，纹波小，稳定可靠，选择合适的传感器。
由于组成电路的元件内部会产生一些噪声，并且实验中发现，噪声的功率与输入的电压有直接的关系，而且会对实验的参数产生较大的影响。在试验中对电阻等噪声较大的原件通过元件的噪声参数建立模型来进行系统分析。综合考虑成本及噪声性能，选择噪声较小的NE5532放大器电路，其相对噪声比优于同等价格的其他运算放大器。
传感器采用了N430-5kg应变式压力传感器，量程0～5kg，灵敏度为1.0mV/N，体积小，易携带；额定输出1.0±0.15mV/V，能够满足实验精度要求；并能够使产品具有便携性，力传感器后接电桥的以减少温漂，即电桥压力传感器的电桥电阻设为R1=R2=R3=R4=100Ω，差动工作，应变片使得电桥保持了平衡，使得电桥的输出电压与电阻变化有关，保持了一个即R1=R-R，R2=R+R，R3=R-R，R4=R+R，则电桥输出为
3放大电路的分析与设计
整体电路设计如图3-1所示，包含两级放大电路，通过反馈设计提高了输出的准确性。第一级放大电路采用双运算放大器，此放大器小信号带宽10MHZ，功率带宽140KHZ，转换速率9V/us，符合一般控制电路的设计要求。第二级放大电路采用二阶低通滤波运算放大电路。
通过使用Multisim 12.0仿真软件中的函数发生器模拟在f0=10Hz下的滤波波形，其通带最大衰减为4.165518dB，阻带最大衰减为14.403186dB，其中R9和R11=R10//R12，由R12来确定放大倍数，算得Q=0.5，满足实验设计要求。
由于在 Multisim12.0仿真软件中，没有直接的电荷源信号，考虑到电阻应变式传感器输出为电压信号，改变传感器的应变重量，在形式上是以电压的形式输出的。在电路分析时可以把传感器看作一个电压源，其输出电压在其电电路中将信号传递给放大电路。所以在模拟仿真中，采用了TL431ACD 保证模拟信号输入端的稳定性。
4 软件设计中的误差补偿
采用延迟法进行误差补偿，在系统中， 存在控制开关的抖动干扰。抑制这种噪声方法就是通过延时， 让接通或断开信号稳定后系统再工作， 就可以避免抖动干扰。
5 结语
本设计的放大电路的带宽在890mHZ～123HZ，测得输入为2.756mv时，输出为217.177mv，放大倍数约100倍。整体上对各种误差来源给以充分的估计，并针对不同的情况采取不同的技术措施，以提高系统的抗干扰能力，保证了系统的准确、可靠。
参考文献
[1]庄严.《电子秤与智能仪器的设计》.仪表技术，2002.2.
[2]刘同娟，马向国.《Multisim在电力电子电路仿真中的应-用》.电力电子，2006.2.
[3]殷铸灵，许良军.《小信号放大电路的噪声分析》.机电元件，2011.12.
关键词 功能纳米材料； 生物传感器； 评述
1 引 言
生物传感器（Biosensors）是一门集化学、生物学、医学、物理学、电子技术等诸多学科于一身的交叉学科[1]。近年来， 随着纳米技术（Nanotechnology）和功能纳米材料（Functional nano-materials）的迅速发展， 生物传感器的性能已提高到一个新的水平[2]。基于功能纳米材料的生物传感器呈现出体积更小、检测速度更快、灵敏度更高和可靠性更好等优异性能， 在临床诊断、工业控制、食品和药物分析、环境监测以及生物技术、生物芯片等诸多领域有着十分广阔的应用前景[3，4]。 因此， 21世纪的第一个十年被称之为“传感的十载” [5]。在这10年中， 该领域的发展非常迅猛， 平均每年约有2000篇相关论文在国际杂志发表， 2011年度在国际杂志刊载发表的相关论文已超过3000篇，其中包括Nature Communications， Journal of the American Chemical Society， Analytical Chemistry， Angewndte Chemie International Edition， Chemistry-A Europe Journal等知名期刊。国内相关领域的研究紧跟国际发展的步伐， 取得了较好的研究成果， 2011年度国内期刊刊载相关论文60余篇， 其中在《分析化学》和《中国科学：化学》（中英、文版）上近40篇， 在很大程度上推动了国内生命分析学科的发展。
2 基于功能纳米材料的生物传感器的研究现状
不同纳米结构材料的生物功能化是生物传感器研究的主要亮点和重点[6]。国内在该领域的研究发展也十分迅速， 在2011年度中国期刊刊载发表基于功能纳米材料的生物传感器的论文中， 纳米材料结构涉及二维纳米膜[7～18]、一维纳米管[19～31]和零维纳米粒子[32～46]， 其中研究工作以零维纳米粒子和二维纳米膜居多；分析对象广泛， 包括DNA、大肠杆菌内毒素、癌胚抗原、氨基酸、葡萄糖、酶、唾液分泌性免疫球蛋白 A、IgG、细胞＼， 基因、谷胱甘肽、过氧化氢等；传感器类型有电化学传感器、表面等离子共振（SPR）传感器、石英晶体微天平（QCM）传感器和光学传感器， 其中多数为电化学传感器， 在其它类型传感器方面的探索研究还有待进一步加强。
2.1 二维纳米膜
二维纳米材料中最具代表性的是纳米超薄膜。国内研究利用不同的制备技术（如自组装、电化学聚合及滴涂法），制得不同的纳米超薄膜，建立各种生物传感器。如Zhang等[7]通过静电组装的方式将双链 DNA 膜组装到纳米 SnO2半导体电极上， 然后使用一种DNA双链嵌入剂， 即Ru（bpy）2（dppz）2+作为光电信号分子， 根据电极的光电信号的变化， 研究光电传感器中纳米材料对DNA的损伤， 为纳米材料的毒理学研究奠定了理论基础。刘艳等[9]利用阳离子型聚合物聚二烯丙基二甲基氯化铵（PDDA）和功能化的带负电荷的多壁碳纳米管（MWCNTs）及石墨烯（GR）之间的静电吸附， 通过层层自组装的方法在GCE的表面制备了均一、稳定的（PDDA/GR/PDDA/MWNTs）5 多层膜。由于GR和MWCNTs均具有良好的导电性能， 可以提高H2O2的氧化反应中电子传递的能力。该电极对H2O2的氧化显示出较好的电催化活性， 对H2O2响应灵敏度高， 检测范围宽。在此基础上可进一步对膜进行修饰， 如对生物分子的固定， 有望研制出灵敏度更高， 抗干扰性更好的生物传感器。
电化学聚合法在二维膜的制备中因其简单、快速的特性得到广泛应用。张志军等[10]以电化学聚合苯胺（ANI）/邻氨基苯甲酸（OAA）， 制得在中性溶液中具有导电性的聚（苯胺-邻氨基苯甲酸）（PAOAA）共聚物膜， 随后负载Cu2+通过配位作用固定过氧化氢酶， 实现了蛋白的有效固定， 并保留了蛋白质的活性， 为传感器表面生物分子的有效固定提供了新途径。张玉雪等[11]利用循环伏安法将新蒸单体吡咯和羧基化WMCNTs聚合到电极表面， 通过生物素-亲和素体系固定探针， 制备了一种电化学DNA 生物传感器， 成功实现了对沙门氏菌毒力基因invA 的特异性基因片段的快速检测， 在食品与环境安全、临床基因诊断、药物筛选分析等领域有很广泛的应用前景。Zhang等[12]在玻碳电极（GCE）表面电聚合了一层邻氨基苯甲酸， 通过共价方法将抗-CEA（Ab1）捕获在聚合物膜表面。固定有Ab1的电极和结合有碱基磷酸酶标记的抗-CEA（Ab1）的金纳米粒子（AuNPs）复合物， 实现了对CEA的双催化信号放大的夹层检测法， 分析灵敏度提高了近百倍， 实现了CEA的高灵敏度电化学检测。
滴涂法也是二维膜材料制备过程中常见的方法之一。汪红梅等[15]依据慢性粒细胞白血病BCR/ABL融合基因的碱基序列， 设计了一种新型发夹结构锁核酸（LNA） 探针， 将该探针滴涂在金电极表面形成一超薄LNA探针膜层， 对慢性粒细胞白血病基因片段表现出良好的电化学响应信号， 有望在临床慢性粒细胞白血病基因的早起诊断中得到应用。
在2011年度国内基于二维功能纳米膜作为分子识别元件在生物传感器中的应用的研究工作中， 二维纳米膜的制备方法多以电聚合和滴涂法为主， 只有很少一部分工作使用自组装的方法制备二维纳米膜。然而， 自组装是目前制造纳米材料最方便、最普遍的途径之一， 特别对于制造结构规则的功能纳米材料， 自组装已经显示出独一无二的优越性。因此， 今后应加强研究自组装功能纳米材料在生物传感器领域中的应用研究。
2.2 一维纳米线、纳米棒和纳米管
论文关键词：运用,传感器,探究,物体,速度
“探究功与物体速度变化的关系”一节引入的目的在于增加学生探究与动手的机会，让学生学会观察，大胆猜想，为下一节动能和动能定理的推导奠定基础。通过本节内容的教学，也可以促使学生在学习动能定理后比较深刻地认识到动能定理。为了实现探究的目标和教学的持续，笔者设计了如图的实验装置，数据理想，操作简单。
一、探究原理
利用单摆模型、计算机和力传感器可以比较精确地测量作用在挂钩上的力，通过计算机得到挂钩所受的拉力随时间的变化图像，运用图像探究。
利用单摆模型，小铁块在来回摆动过程只有重力做功，大小为-，
当运动到最低点的向心力公式：，得到
通过力传感器采集的F-t的图像研究，发现力随时间按波形变化，有最小和最大值，其中最小值位置在摆动的最高点,得重力做功为
最大值位置在摆动的最低点得
【关键词】TinyOS；传感器网络节点；msp430；无线数传电台
Design of WSN Node on TinyOS Platform
Li Yuan-chao Gao Xiao-ding
（College of mechanical and electrical，Xi’an Polytechnic University，Xi’an 710048，China）
Abstract：The general rules and methods of building wireless sensor network（WSN）node are analyzed from aspects of hardware and software.The wireless sensor network has been built with the msp430 MCU and wireless digital radio.And the software of wireless sensor network has been developed on the tinyOS which is developed by the California Berkeley College for WSN field.
Keywords：TinyOS；WSN node；msp430；wireless digital radio
1.引言
无线传感器网络（WSN）是传感器和无线通讯以及电子等技术的结合，起初是用于解决因监测区域范围过大、监测节点过多或者环境太恶劣等的地方。随着该技术的发展，现今其已被应用于很多领域，不论是在环境的监测和保护方面，还在精细农业、医疗护理，甚至在军事领域以及目标方面都有很大的应用。如图1所示为以无线数传电台为传输媒介的传感器网络组成形式：监测区域内的大量传感器节点对监测区域内的环境参数进行监测，通过无线数传电台传送至汇聚节点，最后汇聚节点通过数据线传输到数据处理中心（计算机）进行数据的处理，其中传感器节点是无线传感器网络的关键部分。本文设计的传感器节点是在msp430控制芯片上移植TinyOS操作系统来实现数据采集、处理和传输。
2.无线传感器节点结构设计
无线传感器节点包括固定节点（锚点）和移动节点。固定节点便是位置固定的节点，其在整个无线传感器网络中的作用十分重要，移动节点或者其他新增节点可以通过固定节点对自己进行定位，而起移动节点的信息传递也要借助于固定的转发。根据监测对象的运动状态，整个网络中的节点可以都是固定节点，也可以是移动节点。
本文所设计的无线传感器网络系统是对某个地区的温湿度进行监测，所有节点都设计为固定节点；每个无线传感器节点的组成结构如图2所示。
3.无线传感器节点硬件设计
该传感器节点的硬件部分由msp430单片机模块、温湿度传感器模块、无线通信模块、电源模块和RS232通讯模块等组成，其中RS232模块是主节点独有的，它主要是用于主节点与PC通讯用的。
单片机模块主要是对采集的信息的处理。设计采用的TI的msp430f169芯片，该芯片是16位自带AD转换的低功耗芯片，选用该芯片简化了电路，也一定程度上减少了能耗，延长了该节点数据采集时间。msp430f169单片机的最小系统如图3所示。
本设计选择数字温度传感器，传感器将检测的信息直接送到单片机的IO口，由单片机处理后进行上传。其电路连接情况如图4所示。
本设计采用双电源供电模式：单片机模块由三块1.2v的干电池供电，这样就能保证msp430和温湿度传感器都在正常工作电压以内。无线数传模块单独供电，因为无线传输非常消耗电量。
4.无线传感器节点软件设计
节点的软件设计设计实际上就是对TinyOS系统的修改和移植。TinyOS采用了组件的结构，它是一个基于事件的系统.其设计的主要目标是代码量小、耗能少、并发性高、鲁棒性好，可以适应不同的应用.完整的系统由一个调度器和一些组件组成，应用程序与组件一起编译成系统.组件由下到上可分为硬件抽象组件、综合硬件组件和高层软件组件，高层组件向底层组件发出命令，底层组件向高层组件报告事件.调度器具有两层结构，第一层维护着命令和事件，它主要是在硬件中断发生时对组件的状态进行处理；第二层维护着任务（负责各种计算），只有当组件状态维护工作完成后，任务才能被调度.TinyOS的组件层次结构就如同一个网络协议栈，底层的组件负责接收和发送最原始的数据位，而高层的组件对这些位数据进行编码、解码，更高层的组件则负责数据打包、路由和传输数据.TinyOS体系结构如图5所示。
TinyOS无法直接在windows上进行裁剪和修改，本设计使用的方法是在windows上安装一个类linux系统的cygwin系统，并以此为平台安装TinyOS、nesC编辑器以及msp430 tools。通过这种方法解决了系统平台的搭建。
TinyOS的层次化思想就是把把组成系统的所有构件按照某种标准划分成层次，以分层的形式来组织系统。上层对下层通过构件接口进行命令调用，下层对上层通过构件接口进行事件通知。从上到下划分成应用层、管理层、硬件抽象层。
本节点的设计主要对通讯类模块、传感类模块和控制类模块进行编程，其他的一些则是根据需要对TinyOS系统进行裁剪。
5.结束语
本论文对无线传感网络节点的相关知识进行了简单介绍，提出了一套完整的以msp430f169控制器和无线数传电台为基础构建无线传感网络节点硬件平台的方案，构建了一个全新的无线传器网络硬件平台。对当前无线传感器网络领域流行的嵌入式系统TinyOS请进了概括的分析，并在新搭建的硬件平台上以TinyOS为基础设计了各硬件的驱动。系统设计完成后，通过10个该节点组成的无线网络对10个房间的温湿度变化进行了监测，其结果与实际温湿度变化相同，验证了整个节点软硬件系统的准据和可靠。
参考文献
[1]孙利民，李建中，等.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005.407-409.
[2]李响.无线传感器网络节点嵌入式操作系统TinyOS的研究与移植[D].西安：西安电子科技大学，2008.
[3]刘振宇.无线传感器网络专用微处理器设计与实现[D].成都：电子科技大学，2007.
[4]钱开国，桑楠.基于TinyOS的无线传感器网络操作系统移植性研究与实现[A].第二届全国通信新理论与新技术学术大会会议论文集[C].
[5]王大喜.无线传感器网络的网络管理协议及关键技术研究[D].杭州电子科技大学，2010.
[6]王洪通，金淑梅，王忠.基于WSN的公路监控系统设计[J].通信技术，2010（06）.
结合铁路基础设施健康监测的特点，从硬件和软件两个方面设计数据采集子系统；首先，分析振动传感器的选用原则和输出信号的特点，在此基础上进行数据采集系统的硬件设计；然后，提出利用软件进行数据采集的模拟，详细论述各个模拟模块的建立过程；最后利用所属方法建立用于铁路基础设施检测的数据采集子系统，系统的建立为铁路基础设施监测理论研究提供了方法，为同类型数据采集系统设计提供参考。
关键词：
铁路基础设施；监测；振动传感器；数据采集
0.引言
进入21世纪以来，我国铁路建设发展迅猛，取得了良好的经济与社会效益。随着铁路运输速度的迅速提升，再加上其相对方便舒适的环境和价格上的优势，势必能吸引越来越多的人选择铁路作为他们旅行的交通工具，然而，伴随着铁路运输的飞速发展给人们带来的交通上的快捷与方便，车体与铁轨的振动故障对公共财产及人身安全构成了前所未有的威胁。伴随着我国铁路立体跨越式的迅猛发展，轮轨间激扰力与激扰频率随着车辆行驶速度的不断提高，逐渐增大，变宽，结果会造成电机等吊挂设备和车内设备的高频高幅振动，引起车体设备振动能量的急速加剧。如果超过了铁路各设备所允许的振动强度范围，未来的工作性能指标及使用寿命将会受到过大的动态载荷和噪声的严重影响，情况越发严重会导致零部件的早期失效。当前大量事实表明，在长期作用的情况下，铁路振动故障可能会导致货物破损，轨道破坏，列车脱轨等危险情况。为确保铁路“安全、经济、快捷、舒适”的特点和优势，铁路建设要不断发展完善其各项功能，才能在越发激烈的市场竞争中取得优势，因此，各国都加强了对铁路振动的检测及分析，也增加了对其的投入力度。今年我国对铁路振动检测领域的人力物力投入有明显增加，并且研究范围扩展到众多方面。以往铁路振动检测系统只配备在一些重要单位或者要害部门，而在2000年以后，各个铁路站段及各个振动检测站点基本都已经涉及发展应用到。铁路振动检测系统的重要性越来越被人们所认可，近些年又不断完善各项相应的标准和规范。为了保证铁路的运输安全、高效舒适的科学发展及以人为本的发展要求，确保铁路的优势和特点，如何准确检测高速铁路的振动并判断故障是摆在铁路工作者面前不容缓的实际问题。
1.数据采集系统设计方案
本论文用于铁路基础设施监测的振动传感器数据采集系统主要由下位机系统和上位机节点两个大的部分组成。系统设计方案的结构框图下位机系统里包含了振动传感器数据采集模块、IIC实时数据传输模块、微处理器模块和电源模块五个单元。振动传感器把接收到的振动信号数字化，通过IIC数字传输方式，将数据发送给微处理器STM32F103ZET6。微处理器作为控制单元，用于接收振动传感器数据并进行数据处理分析计算，通过RS-232串口通信，运用MAX3232电平转换芯片及CH340RS-232串口转USB芯片，实现了XYZ三轴振动数值发送到上位机进行控制显示。因为目前个人电脑上已很少有串口，所以我们使用RS-232串口转USB口芯片CH340G，数据可以从USB口进入PC上位机。由于每一个节点的检测范围有限，使用多个这样的节点共同检测则可以扩大系统的监测范围，提高系统的整体工作性能。整个铁路振动检测系统是由多个下位机节点互相协作共同完成系统功能的。
2.系统硬件设计
2.1系统硬件设计思想
本论文的铁路振动检测系统是由振动传感器数据采集模块，IIC实时数据传输模块，微处理器模块以及RS-232有线通信模块和电源模块组成。振动传感器数据采集模块对铁路振动的振动数据信号进行实时采集，将采集到的数据数字化，并通过IIC实时数据传输方式与单片机处理器通信，接着单片机处理器模块将采集的数据进行数据处理分析，通过有线通信模块上传到上位机进行实时显示及存储，为铁路振动故障的判断提供合理依据。微处理器中有数据处理分析算法的设计，完成对采集到的实时振动信号进行数据处理分析，判断当前得到的振动数据是否在铁路设备所能产生的振动范围之内并对数据进行干扰点剔除，去直流及多项式趋势项和平滑处理，计算出与自然坐标系夹角的角度，使整个铁路振动检测系统的性能与数据准确性得到大幅度提高，很大程度上降低了系统的错误上报率。
2.2系统介绍
系统硬件部分可以分为五个部分：振动传感器数据采集模块、IIC实时数据传输模块、微处理器模块、RS-232有线通信模块和电源模块。数据采集模块：由单片机处理器模块发出相应的控制指令配置振动传感器的控制寄存器，内部控制寄存器来决定信号的采集速度、通信方式、数据输出格式与带宽，振动传感器根据内部控制寄存器的值按要求采集振动信号。实时数据传输模块：振动传感器采集的实时数据通过IIC传输方式，将数据发送给处理器，为之后的数据处理分析奠定了基础。微处理器模块：主要工作是通过系统软件控制数据采集模块完成振动数据信号的采集，并对数据进行处理分析，然后控制RS-232有线通信模块将处理完成的数据上传至PC上位机进行显示及存储。该模块是振动传感器数据采集模块和RS-232有线通信模块进行联系的核心部分。RS-232有线通信模块：将微处理器模块处理完毕的数据，通过RS-232串口通信的方式传递给上位机，上位机会自动显示及存储数据，供振动故障的判断使用。电源模块：通过该模块，将5V外部直流电源转换成系统所使用的3.3V电源。
结论
本论文设计了一套铁路振动检测系统，该系统采用下位机整体检测模块PC上位机整体控制数据流向，并对上传的检测数据进行显示保存。从与传统检测方法的比较来看，它能够更加高效、深入、细致的对铁路振动信号进行检测、处理分析及显示存储，并为铁路振动故障的判断提供可靠依据。
作者：鲁楠 唐岚 廖若冰 朱加豪 单位：西华大学汽车与交通学院 西华大学西华学院
参考文献
[1]冯晓芳.中国高速铁路的发展与展望[J].科技资讯，2009（1）：129-130.
[2]段合朋.铁道车辆振动特性及平稳性研究[D].成都：西南交通大学，2010.
[3]柴东明.铁路实用微型振动测试仪研究[J].设备管理与维修，1994（11）：18-21.
【关键词】天然气发动机；燃料转换；故障模拟；试验系统
通过对某城市天然气出租车的实际考察、收集资料和分析，发现天然气汽车的多发故障是燃气系统。燃气系统包括储气系统、供气管路、燃料转换开关、高频电磁阀等主要部件。其中故障率高发出现在燃料转换开关、减压器出口压力及点火提前角设置。针对上述现象，本章在意大利OMVEL燃气系统发动机试验台架上进行燃料转换故障模拟试验，并对试验结果进行了分析总结[1]。
1、燃料转换过程试验原理
此试验系统的燃料转换开关[2]，有汽油档和天燃气档两个档位。将开关放置在汽油档位，发动机汽油启动，燃用汽油工作，汽油指示灯亮。放置在天燃气档位，点燃发动机的燃料仍是汽油，但踩下油门踏板使发动机转速达到燃料转换转速（1800r/min）以上时，燃料转换状态指示灯闪烁，然后减速到燃料转换转速（1800r/min）时，减压器截止电磁阀工作，天燃气指示灯亮。此过程就是汽油/CNG两用燃料发动机的燃料转换过程。
燃料转换的故障主要包括机械故障和电器故障。机械故障多出现在燃料转换开关，电器故障多出现在电路及传感器部位。燃料转换故障模拟试验主要针对相关传感器进行故障设置，如减压器出口温度传感器、储气瓶压力传感器、喷气压力传感器和减压器出口压力，通过模拟试验结果来分析判断这些传感器对燃料转换系统产生的影响[3]。
2、试验方法
2.1减压器出口温度传感器故障模拟试验设计
将温度传感器设置为断开状态，模拟温度传感器信号丢失，进行发动机燃料转换，来判断其对发动机燃料转换的影响。其故障模拟电路设计如图1所示。用滑动电位器来替代温度传感器，橙色线属于信号线，与滑动电阻滑动档位相连，黑一白线是搭铁线，连接电位器搭铁端子。温度传感器属于NTC（负温度系数）的热敏电阻。燃气ECU的电阻与滑动电位器串联，当热敏电阻值发生变化时，所得的THW值也随之变化。但在常温下，测量温度传感器电阻值 最大值为1.6kΩ。此设计选用2kΩ的电位器，改变电位器的电阻值，橙色信号线可以得到0到2.IV的分压值。
2.2储气瓶压力传感器故障模拟试验设计
将压力传感器装在减压器高压管路的进口处。将压力信号线与燃气ECU相联接，将信号线断开，进行燃料转换模拟试验，观察对发动机燃料转换的影响。
2.3喷油器喷气压力传感器故障模拟试验设计
喷气压力传感器模拟电路的设计如图2所示。喷气压力传感器用滑动电位器来替代，
图中的红一黑线属于电源线，可以向电位器提供5V电压，黑一白线属于搭铁线，紫色线属于信号线，当滑动电位器移动时，紫色信号线可以得到的信号电压在O到5V之间变化。
2.4减压器出气口压力模拟试验方法
将减压器稳压腔与―1.5升真空泵相联接，这样可以给减压器提供一个真空调节力，调节稳压腔出口压力，使其在0.01一0.09MPa范围内变化，来模拟减压器出口压力在低压状态下对发动机燃料转换的影响；当出口压力较高时（0.1一0.2MPa），可以利用减压器稳压腔压力调整螺钉来模拟在高压力情况，压力对发动机燃料转换的影响，通过在低压管路接真空表来测量减压器出口的压力值大小。
3、结论
（l）减压器温度传感器无信号时，对发动机运转无影响，原因是当燃气ECU接受不到减压器温度传感器，燃气ECU在故障模式下工作；当减压器温度传感器信号不正确时，当分压值两端的信号电压超过1.8v时，表明水温低于40℃，此状态导致发动机燃料转换异常，无法转换到燃用天然气状态；当转换开关自动跳转到汽油状态，表明燃气ECU接收减压器传感器发出的低温信号，此温度状态下发动机无足够的热量提供给减压器。
（2）气瓶压力信号只是指示燃气量的多少，在信号丢失的情况下不会对燃料转换过程产生影响。
（3）喷气压力传感器无信号时，燃料转换过程失控，不管是燃用天然气还是燃用汽油都不能互相转换；当传感器信号电压降到0.7V时，燃料状态自动转到燃用汽油，原因是燃气ECU接收到信号电压过低，判断燃气喷射压力较小，不能保证发动机运转正常，自动保护功能开启，跳转到汽油燃料状态。
（4）当减压器出口压力小于0.02MPa时，转换开关处于燃气档，发动机转速下降明显，燃料状态跳转到汽油状态；当减压器出口压力小于0.01Mpa时，出现熄火现象。原因是喷气压力传感器电压信号值偏小，燃气ECU接收到信号电压过低，判断燃气喷射压力过小，不能维持发动机正常运转，自动保护功能开启，跳转到汽油燃料状态。
参考文献
[1]南涛.汽油/CNG两用燃料发动机燃气系统故障诊断研究[D].长安大学硕士学位论文，2009
[2]李阳阳.汽油/CNG两用燃料发动机传感器故障模拟系统研究[D].长安大学硕士学位论，2012.3.
[3]黄海波主编.《燃气汽车结构原理与维修》[M].机械工业出版社，2002.3
作者简介
李强（1981-），女，山东省济南市人，硕士，实验师。
关键词 STEM 初中生物 传感器
中图分类号 G633.91 文献标志码 B
1986年，STEM教育最先在美国开始出现。如今，作为“十三五”时期教育创新发展的重要理念和内容，STEM教育逐渐在中国教育领域得到推广。STEM代表科学（Science）、技g（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）。与传统的分学科教学方式相比，整合性STEM教育更注重这四门学科的有机整合和跨学科教学。目前整合性STEM教育在我国初中阶段开展的实例较少，没有太多的借鉴。
1 课题方向确定
本地区的初中生物课程安排在七年级和八年级进行，本选修课的开展需要学生具有一定的科学、计算机和数学知识及相对充足的课余时间，故分别在八年级的上学期和下学期分两次开展。整合性STEM教育需满足与学生已有知识相联系的一般原则。在七年级的生物课堂教学中，学生已经初步学习了植物的光合作用、呼吸作用、酸雨的形成（含pH的概念）、心率的概念、食品腐败的原因等生物学内容。实验室具备传感器若干套，包括：二氧化碳传感器、氧气传感器、溶解氧传感器、pH传感器、心率传感等，另外还有光照恒温培养箱和常规实验仪器等。学生根据实验室现有条件，结合已学知识或生活实践确定自己感兴趣的主题。
例如，学生学习了光合作用的内容后，知道了植物在光照条件下，可以吸收二氧化碳，产生氧气。但是一株植物到底能产生多少氧气呢？这个过程和环境中的哪些因素有关呢？于是确定了“探究影响光合作用效率的因素”的主题。初中生喝饮料较多，因此他们想知道各种饮料的酸碱度如何，长期喝对人体是否有影响，于是确定了“探究市场上各类饮料的酸碱度”的主题。网络上一度流传“保鲜膜并不能保鲜”的说法，为了防止食品腐败，到底是用保鲜膜好，还是不用保鲜膜好？由此确定了“探究影响食品腐败的因素”的主题。还有“探究影响心率的因素”“探究不同土质土壤的酸碱度”等主题。
在STEM教育应用中，教学模型根据给定的限定条件不同，可以分为支架式和开放式。本课程采用开放式，即更多由学习者自行提出目标并自行完成任务。八年级的学生求知欲和发散性思维较强，在教师介绍了已有的实验设备后，学生三人组成探究小组，会提出很多有趣的探究主题。教师将所有主题都记录在案，根据可行性和教学时间进行合理安排，每学期以进行3个探究主题为宜。
2 课题内容梳理
每个探究主题确立后，教师会下发探究报告，指导学生对课题内容进行梳理。探究报告中包括：实验小组的名称、实验时间、实验目的、实验原理、实验器材及试剂、实验设计、数据统计、实验结论、实验反思和拓展。教师通过指导学生查阅文献资料，帮助学生分析探究目的、实验原理。学生根据探究主题，确定具体实验变量，进行实验设计，可以用文字或流程图的方式展示实验步骤，并根据实验步骤列出所需的实验器材及试剂。
3 教学课时安排
初中选修课一学期开设10次，每次2课时，共计20课时。本课程安排如表1所示。
其中，某些实验如若每天需要定时测量，就利用课余时间进行。例如探究影响食物腐败的因素，学生就利用午饭后的时间到实验室进行测量。
4 教学实施过程
目前，美国中小学STEM教育较多采用辅助式整合，即教师设计的教学活动或单元涵盖两门以及以上学科，但把其中一门预设为主要学科，其他学科只是为了辅助该学科的学习。在本课程中，教师以此为借鉴，以生物科学为主，数学和工程（传感器）为辅。
4.1 设备培训
传感器作为本STEM课程的辅工具，学生要熟悉其原理和使用。教师在教学过程中将传感器比喻成灵敏的触角，以激发学生的兴趣，讲授设备连接、设备使用、软件应用、设备复原等环节。
4.2 课前准备
本实验是开放性的实验，由学生根据本组实验需求列出清单，可以自己准备，也可以在实验室老师的帮助下配齐。
例如，在“探究检测市场中常见饮料的酸碱度”课题时，学生自己分工准备了纯水、碳酸饮料、运动饮料、果汁、茶类、奶类、咖啡、蜂蜜水、巧克力水等多种类型的饮料，并和实验室老师沟通，准备好大小烧杯若干、玻璃棒、pH传感器探头、数据采集器和电脑（配套传感器软件、Excel等软件）等。
4.3 课题实施
生物科学是本STEM的核心学科，观察是学生发现问题的出发点。在课题实施过程中，教师要特别注意培养学生生物知识技能。教师提前告知学生各种仪器的使用方法和注意事项，并请学生特别注意实验操作的重复性原则、对照原则、控制单一变量原则以及规范性操作。教师在一旁进行观察和及时指导。当实验结果与预期不符时，学生也可以及时和教师沟通，或课后再通过查阅文献资料解决问题。
例如，在“探究温度对光合作用效率的影响”中，应将两盆相似的植物放在光照等无关变量相同、温度不同的环境中测量。学生发现在某温度条件下测得氧气产生量为负值，产生此时“是否不进行光合作用”的疑惑。后经过教师的指导，他们知道植物在进行光合作用的同时进行呼吸作用，测得的值为净光合速率；若想测得真正的光合速率，还需要先测无光条件下的呼吸速率。
再如，在“探究市场上各类饮料的酸碱度”中，一开始学生准备直接将传感器探头深入饮料瓶中测量。后经过教师指导，学生先取若干个50 mL的小烧杯，编号、贴好标签。手握贴有标签一侧的烧杯，用玻璃棒引流，分别倒入等量的饮料，再进行测量。
学生在课题实施过程中，学习了过滤、引流等实验技术，并体会了规范操作的重要性，还不断发现问题，解决问题，各种能力得到了很大的提升。
4.4 数据处理和得出
数学作为本STEM课程的辅工具，能帮助学生更好的总结、分析实验结果，反映科学规律。在本课程中，教师要求学生在数据记录前设计好统计表格，课程实施中及时填写真实数据，计算出平均值。并鼓励学生将表格中的数据转化成曲线图或折线图等形式。学生学会了对数据进行不同方式的处理，体会到表格利于统计和计算，而图形、曲线更能直观反映趋势。
例如，在“探究食品腐败的环境因素”的课题论文中，某小组就利用excel软件将数据处理成折线图进行呈现（图1）。
4.5 课题汇报交流
各个实验小组完成验报告，呈现研究问题、过程、测量数据及结果，学生间交流和分享整个课题研究过程，并相互评价。
例如：在“探究温度对光合作用效率的影响”中，某小组在25℃和5℃的情况下，测得的结果相似。点评的小组对比本组测试结果，指出测量应该在测试的温度下放置一段时间之后再测量，否则误差较大，并提出了重复实验的重要性。
汇报和评价过程是学生对各个学科知识和技能的进一步整合，使学生逐渐学会如何用数学、工程知识分析生活中的生物现象。
4.6 撰写课题论文
学生如果对某一实验的研究比较深入，可继续查阅资料，思考与实际生活的联系，撰写论文。教师对学生论文撰写的流程、格式和内容等进行指导。
例如，在“探究影响食品腐败的环境因素”课题中，某小组除了探究了“温度对牛奶腐败的影响”，还受到微信中某文章的启发，探究了“覆盖保鲜膜对牛奶腐败的影响”，并撰写了论文。论文将对照实验的结果进行分析，得出以下两个结论：① 食物保存过程中，短期可以使用保鲜膜，长期则应使用低温保存法较为可靠；② 食物厂家提供的保质期是科学的，所以超过保质期的食物不可以食用。
学生在撰写成论文的过程，体会了各科知识综合运用的重要性，强化了用STEM理念去解决实际问题的能力。
参考文献：
[1] 杨亚平，陈晨.美国中小学整合性STEM教学实践的研究[J].外国中小学教育，2016（5）：58-64.
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