时间：2023-05-05 17:01:53
参考文献
[1]梁瑞冰，孙琪真，沃江海，刘德明.微纳尺度光纤布拉格光栅折射率传感的理论研究[J].物理学报.2011（10）
[2]钱银博.基于SOA的长距离无源光网络理论与实验研究[D].华中科技大学2010
[3]赵攀，隋成华，叶必卿.微纳光纤构建M-Z干涉光路进行液体折射率变化测量[J].浙江工业大学学报.2009（03）
[4]李宇航，童利民.微纳光纤马赫-泽德干涉仪[J].激光与光电子学进展.2009（02）
[5]刘盛春.基于拍频解调技术的光纤激光传感技术研究[D].南京大学2011
[6]高学强，杨日杰.潜艇辐射噪声声源级经验公式修正[J].声学与电子工程.2007（03）
[7]胡家艳，江山.光纤光栅传感器的应力补偿及温度增敏封装[J].光电子·激光.2006（03）
[8]牛嗣亮.光纤法布里-珀罗水听器技术研究[D].国防科学技术大学2011
[9]曹锋.新一代周界防入侵软件系统研究及其应用[D].华中科技大学2010
[10]唐天国，朱以文，蔡德所，刘浩吾，蔡元奇.光纤岩层滑动传感监测原理及试验研究[J].岩石力学与工程学报.2006（02）
[11]詹亚歌，蔡海文，耿建新，瞿荣辉，向世清，王向朝.铝槽封装光纤光栅传感器的增敏特性研究[J].光子学报.2004（08）
[12]孙运强.激光内通道传输的气体热效应研究[D].国防科学技术大学2011
[13]刘浩吾，吴永红，丁睿，文利.光纤应变传感检测的非线性有限元分析和试验[J].光电子·激光.2003（05）
[14]邓磊.OFDM技术在无源光网络及光无线系统中的应用与研究[D].华中科技大学2012
[15]胡家雄，伏同先.21世纪常规潜艇声隐身技术发展动态[J].舰船科学技术.2001（04）
[16]ZuyuanHe，QingwenLiu，TomochikaTokunaga.Ultrahighresolutionfiber-opticquasi-staticstrainsensorsforgeophysicalresearch[J].PhotonicSensors.2013（4）
[17]YiJiang，WenhuiDing.Recentdevelopmentsinfiberopticspectralwhite-lightinterferometry[J].PhotonicSensors.2011（1）
[18]AnSun，YuliyaSemenova，GeraldFarrell.Anovelhighlysensitiveopticalfibermicrophonebasedonsinglemode-multimode-singlemodestructure[J].Microw.Opt.Technol.Lett..2010（2）
参考文献
[1]孙运强.激光内通道传输的气体热效应研究[D].国防科学技术大学2011
[2]赵兴涛.掺镱、亚波长空芯及新型高非线性光子晶体光纤的研究[D].北京交通大学2015
[3]杨春勇.GMPLS智能光网络中波长路由器的研究[D].华中科技大学2005
[4]许荣荣.光纤环形腔光谱技术与传感应用的研究[D].华中科技大学2012
[5]张磊.基于光子晶体光纤非线性效应的超宽带可调谐光源[D].清华大学2014
[6]王超.基于高频等离子体法制备掺镱微结构光纤及其特性的研究[D].燕山大学2014
[7]林桢.新型大模场直径弯曲不敏感单模及少模光纤的研究[D].北京交通大学2014
[8]苏伟.新型光子准晶光纤及石英基光纤的微观机制研究[D].北京交通大学2015
[9]许艳.基于飞秒光频梳的绝对距离测量技术研究[D].华中科技大学2012
[10]钱新伟.PCVD单模光纤高速拉丝工艺与光纤性能研究[D].华中科技大学2009
[11]刘国华.高功率光纤激光器的理论研究[D].华中科技大学2007
[12]常宇光.光纤射频传输（ROF）接入系统及无线局域网应用研究[D].华中科技大学2009
[13]张雅婷.基于光子晶体光纤的表面等离子体传感技术研究[D].华中科技大学2013
[14]张小龙.同轴电缆接入网信道建模与故障诊断方法研究[D].华中科技大学2013
[15]张传浩.电信级以太无源光网络接入理论与实验研究[D].华中科技大学2009
[16]吴广生.无源光网络与电网络复合接入技术研究[D].华中科技大学2009
[17]江国舟.10Gbps以太无源光网络关键技术与应用研究[D].华中科技大学2009
[18]张利.以太无源光网络安全性与增强技术研究[D].华中科技大学2009
[19]冯亭.MOPA光纤激光系统放大级增益光纤特性与高质量种子源关键技术研究[D].北京交通大学2015
[20]张曙.EPON和WLAN融合网络架构下的上行链路调度算法研究[D].华中科技大学2009
[21]孙琪真.分布式光纤传感与信息处理技术的研究及应用[D].华中科技大学2008
[22]孙运强.Ⅰ钳式镍配合物的合成及性质反应研究Ⅱ有机氟化物的合成新方法研究[D].山东大学2014
参考文献
[1]刘钰旻.纳米功能材料在能量转换与储存器件中的应用[D].武汉大学2013
[2]曾谦.声表面波技术在微流控芯片中的集成及应用研究[D].武汉大学2011
[3]彭露，朱红伟，杨旻，国世上.微沟道内两相流速比对液滴形成的影响[J].传感技术学报.2010（09）
[4]郭志霄.微液滴和海藻酸凝胶颗粒在微流控芯片中的应用研究[D].武汉大学2011
[5]全祖赐.环境友好型多功能氧化物薄膜的微结构、光学、电学和磁学性能研究[D].武汉大学2010
[6]彭涛.功能电极材料在染料敏化太阳能电池中的应用[D].武汉大学2014
[7]黄妞.光阳极修饰和二氧化钛形貌调制在染料敏化太阳能电池中的应用[D].武汉大学2013
[8]国世上.电子辐照铁电共聚物P（VDF-TrFE）及超声传感器的研究[D].武汉大学2004
[9]韩宏伟.染料敏化二氧化钛纳米晶薄膜太阳电池研究[D].武汉大学2005
[10]何荣祥.纳米功能材料器件及其在流体和细胞检测中的应用研究[D].武汉大学2013
[11]周聪华.染料敏化太阳能电池中电极材料和寄生电阻的研究[D].武汉大学2009
[12]胡浩.碳材料对电极在染料敏化太阳能电池中的应用[D].武汉大学2011
[13]李伟平.铁电共聚物P（VDF-TrFE）的性能和换能器的模拟研究[D].武汉大学2004
[14]蓝才红，蒋炳炎，刘瑶，陈闻.聚合物微流控芯片键合微通道变形仿真研究[J].塑料工业.2009（05）
灵敏度
电容传感器的灵敏度是由其物理结构、测量电容的方法和精确比较电容相对于接触门限电平变化的能力而决定的。采用传统印制电路板(PCB)方法制造的电容传感器的测量范围通常为1～20pF,因而很难准确地检测微小变化。虽然有几种测量这些电容微小值的方法,但采用16位电容/数字转换器(CDC)的高精密测量方法仍然具有明显的优势。
基于PCB设计的电容传感器
制作在标准印制电路板或挠性印制电路上的电容传感器都使用了相同的铜材料来做信号线。在这两种情况下,传感器的最大灵敏度都由传感器的物理尺寸、电介质常数以及覆膜厚度所决定。例如,带有5mm塑料覆膜的3mm厚传感器不如带有2mm塑料覆膜的6mm厚传感器灵敏。
我们的目标是开发具有正确响应并且满足人体工学要求的电容传感器。在某些应用中,传感器可能会很小,从而使用户接触面上产生微小的电容变化。
图1和图2显示了在印制电路板上设计电容传感器的两种常用方法。图中给出了在用户接触期间施加激励信号时传感器的响应特性。虽然根据用户接触方式的变化,传感器电容会有所不同,但是传感器的性能在这两种情况下相差不大。
激励电容传感器
如图1所示,连续的250kHz方波激励信号施加在传感器的SRC端,以在电容传感器内建立电场。激励信号在传感器中建立电场后,该电场会部分地延伸出塑料覆膜,ClN端连接到CDC上。
图2所示为另外一种电容传感器设计案例,其将一个恒流源加到传感器的A端,而将B端接地。当用户触摸传感器时会增加额外的手指电容,从而增加了充电周期内RC的上升时间。
测量电容传感器并且检测传感器接触面积
图3显示了一种测量电容的传统方法。恒流源不断地为电容传感器充电,以使其达到比较器的参考门限电平。当电容传感器达到参考门限值时,比较器将输出高电平脉冲,然后闭合开关,电容器放电并且复位计数器。灵敏度门限电平如图4所示。
要确定何时用户开始接触传感器,需要计数器对电容传感器充电到比较器参考电平所经历的时钟周期数
进行计数,并将这个值与预置门限检测设置值比较。例如,计数为50表明传感器有接触,而小于50则表明没有接触。在本例中,当用户接触传感器时,其准确度和精密度与参考时钟的频率和驱动各种电容传感器的电流源的重复性有关。
图5所示是一种较理想的测量电容方法,它使用了高分辨率16位ADC和250kHz的激励源。激励源不断产生250kHz的方波,从而在电容传感器中产生电场以及能够穿透覆盖材料的磁通量。无论用户何时接触传感器,精密
16位ADC都能以lfF测量分辨率来检测。其无须外部控制元件并且自动校准,所以可确保不会发生由于温度或湿度变化引起虚假接触。
关键词：生物传感器；发酵工业；环境监测。
中图分类号：TP212.3文献标识码：A文章编号：1006-883X(2002)10-0001-06
一、引言
从1962年，Clark和Lyons最先提出生物传感器的设想距今已有40年。生物传感器在发酵工艺、环境监测、食品工程、临床医学、军事及军事医学等方面得到了深度重视和广泛应用。在最初15年里，生物传感器主要是以研制酶电极制作的生物传感器为主，但是由于酶的价格昂贵并不够稳定，因此以酶作为敏感材料的传感器，其应用受到一定的限制。
近些年来，微生物固定化技术的不断发展，产生了微生物电极。微生物电极以微生物活体作为分子识别元件，与酶电极相比有其独到之处。它可以克服价格昂贵、提取困难及不稳定等弱点。此外，还可以同时利用微生物体内的辅酶处理复杂反应。而目前，光纤生物传感器的应用也越来越广泛。而且随着聚合酶链式反应技术（PCR）的发展，应
用PCR的DNA生物传感器也越来越多。
二、研究现状及主要应用领域
1、发酵工业
各种生物传感器中，微生物传感器最适合发酵工业的测定。因为发酵过程中常存在对酶的干扰物质，并且发酵液往往不是清澈透明的，不适用于光谱等方法测定。而应用微生物传感器则极有可能消除干扰，并且不受发酵液混浊程度的限制。同时，由于发酵工业是大规模的生产，微生物传感器其成本低设备简单的特点使其具有极大的优势。
(1).原材料及代谢产物的测定
微生物传感器可用于原材料如糖蜜、乙酸等的测定，代谢产物如头孢霉素、谷氨酸、甲酸、甲烷、醇类、青霉素、乳酸等的测定。测量的原理基本上都是用适合的微生物电极与氧电极组成，利用微生物的同化作用耗氧，通过测量氧电极电流的变化量来测量氧气的减少量，从而达到测量底物浓度的目的。
在各种原材料中葡萄糖的测定对过程控制尤其重要，用荧光假单胞菌（Psoudomonasfluorescens）代谢消耗葡萄糖的作用，通过氧电极进行检测，可以估计葡萄糖的浓度。这种微生物电极和葡萄糖酶电极型相比，测定结果是类似的，而微生物电极灵敏度高，重复实用性好，而且不必使用昂贵的葡萄糖酶。
当乙酸用作碳源进行微生物培养时，乙酸含量高于某一浓度会抑制微生物的生长，因此需要在线测定。用固定化酵母（Trichosporonbrassicae），透气膜和氧电极组成的微生物传感器可以测定乙酸的浓度。
此外，还有用大肠杆菌（E.coli）组合二氧化碳气敏电极，可以构成测定谷氨酸的微生物传感器，将柠檬酸杆菌完整细胞固定化在胶原蛋白膜内，由细菌—胶原蛋白膜反应器和组合式玻璃电极构成的微生物传感器可应用于发酵液中头孢酶素的测定等等。
(2).微生物细胞总数的测定
在发酵控制方面，一直需要直接测定细胞数目的简单而连续的方法。人们发现在阳极表面，细菌可以直接被氧化并产生电流。这种电化学系统已应用于细胞数目的测定，其结果与传统的菌斑计数法测细胞数是相同的[1]。
(3).代谢试验的鉴定
传统的微生物代谢类型的鉴定都是根据微生物在某种培养基上的生长情况进行的。这些实验方法需要较长的培养时间和专门的技术。微生物对底物的同化作用可以通过其呼吸活性进行测定。用氧电极可以直接测量微生物的呼吸活性。因此，可以用微生物传感器来测定微生物的代谢特征。这个系统已用于微生物的简单鉴定、微生物培养基的选择、微生物酶活性的测定、废水中可被生物降解的物质估计、用于废水处理的微生物选择、活性污泥的同化作用试验、生物降解物的确定、微生物的保存方法选择等[2]。
2、环境监测
(1).生化需氧量的测定
生化需氧量（biochemicaloxygendemand–BOD）的测定是监测水体被有机物污染状况的最常用指标。常规的BOD测定需要5天的培养期，操作复杂、重复性差、耗时耗力、干扰性大，不宜现场监测，所以迫切需要一种操作简单、快速准确、自动化程度高、适用广的新方法来测定。目前，有研究人员分离了两种新的酵母菌种SPT1和SPT2，并将其固定在玻璃碳极上以构成微生物传感器用于测量BOD，其重复性在±10%以内。将该传感器用于测量纸浆厂污水中BOD的测定，其测量最小值可达2mg/l，所用时间为5min[3]。还有一种新的微生物传感器，用耐高渗透压的酵母菌种作为敏感材料，在高渗透压下可以正常工作。并且其菌株可长期干燥保存，浸泡后即恢复活性，为海水中BOD的测定提供了快捷简便的方法[4]。除了微生物传感器，还有一种光纤生物传感器已经研制出来用于测定河水中较低的BOD值。该传感器的反应时间是15min，最适工作条件为30°C，pH=7。这个传感器系统几乎不受氯离子的影响（在1000mg/l范围内），并且不被重金属（Fe3+、Cu2+、Mn2+、Cr3+、Zn2+）所影响。该传感器已经应用于河水BOD的测定，并且获得了较好的结果[4]。
现在有一种将BOD生物传感器经过光处理（即以TiO2作为半导体，用6W灯照射约4min）后，灵敏度大大提高，很适用于河水中较低BOD的测量[5]。同时，一种紧凑的光学生物传感器已经发展出来用于同时测量多重样品的BOD值。它使用三对发光二极管和硅光电二极管，假单胞细菌（Pseudomonasfluorescens）用光致交联的树脂固定在反应器的底层，该测量方法既迅速又简便，在4℃下可使用六周，已经用于工厂废水处理的过程中[5]。
(2).各种污染物的测定
常用的重要污染指标有氨、亚硝酸盐、硫化物、磷酸盐、致癌物质与致变物质、重金属离子、酚类化合物、表面活性剂等物质的浓度。目前已经研制出了多种测量各类污染物的生物传感器并已投入实际应用中了。
测量氨和硝酸盐的微生物传感器，多是用从废水处理装置中分离出来的硝化细菌和氧电极组合构成。目前有一种微生物传感器可以在黑暗和有光的条件下测量硝酸盐和亚硝酸盐(NOx-)，它在盐环境下的测量使得它可以不受其他种类的氮的氧化物的影响。用它对河口的NOx-进行了测量，其效果较好[6]。
硫化物的测定是用从硫铁矿附近酸性土壤中分离筛选得到的专性、自养、好氧性氧化硫硫杆菌制成的微生物传感器。在pH=2.5、31℃时一周测量200余次，活性保持不变，两周后活性降低20%。传感器寿命为7天，其设备简单，成本低，操作方便。目前还有用一种光微生物电极测硫化物含量，所用细菌是Chromatium.SP，与氢电极连接构成[7]。
最近科学家们在污染区分离出一种能够发荧光的细菌，此种细菌含有荧光基因，在污染源的刺激下能够产生荧光蛋白，从而发出荧光。可以通过遗传工程的方法将这种基因导入合适的细菌内，制成微生物传感器，用于环境监测。现在已经将荧光素酶导入大肠杆菌（E.coli）中，用来检测砷的有毒化合物[8]。
水体中酚类和表面活性剂的浓度测定已经有了很大的发展。目前，有9种革兰氏阴性细菌从西西伯利亚石油盆地的土壤中分离出来，以酚作为唯一的碳源和能源。这些菌种可以提高生物传感器的感受器部分的灵敏度。它对酚的监测极限为5´10-9mol。该传感器工作的最适条件为：pH=7.4、35℃，连续工作时间为30h[9]。还有一种假单胞菌属（Pseudomonasrathonis）制成的测量表面活性剂浓度的电流型生物传感器，将微生物细胞固定在凝胶（琼脂、琼脂糖和海藻酸钙盐）和聚乙醇膜上，可以用层析试纸GF/A，或者是谷氨酸醛引起的微生物细胞在凝胶中的交联，长距离的保持它们在高浓度表面活性剂检测中的活性和生长力。该传感器能在测量结束后很快的恢复敏感元件的活性[10]。
还有一种电流式生物传感器，用于测定有机磷杀虫剂，使用的是人造酶。利用有机磷杀虫剂水解酶，对硝基酚和二乙基酚的测量极限为100´10-9mol，在40℃只要4min[11]。还有一种新发展起来的磷酸盐生物传感器，使用丙酮酸氧化酶G，与自动系统CL-FIA台式电脑结合，可以检测(32~96)´10-9mol的磷酸盐，在25°C下可以使用两周以上，重复性高[12]。
最近，有一种新型的微生物传感器，用细菌细胞作为生物组成部分，测定地表水中壬基酚（nonyl-phenoletoxylate--NP-80E）的含量。用一个电流型氧电极作传感器，微生物细胞固定在氧电极上的透析膜上，其测量原理是测量毛孢子菌属（Trichosporumgrablata）细胞的呼吸活性。该生物传感器的反应时间为15~20min，寿命为7~10天（用于连续测定时）。在浓度范围0.5~6.0mg/l内，电信号与NP-80E浓度呈线性关系，很适合于污染的地表水中分子表面活性剂的检测[13]。除此之外，污水中重金属离子浓度的测定也是不容忽视的。目前已经成功设计了一个完整的，基于固定化微生物和生物体发光测量技术上的重金属离子生物有效性测定的监测和分析系统。将弧菌属细菌（Vibriofischeri）体内的一个操纵子在一个铜诱导启动子的控制下导入产碱杆菌属细菌（Alcaligeneseutrophus(AE1239)）中，细菌在铜离子的诱导下发光，发光程度与离子浓度成正比。将微生物和光纤一起包埋在聚合物基质中，可以获得灵敏度高、选择性好、测量范围广、储藏稳定性强的生物传感器。目前，这种微生物传感器可以达到最低测量浓度1´10-9mol[14]。
还有一种专门测量铜离子的电流型微生物传感器。它用酒酿酵母（Saccharomycescerevisiae）重组菌株作为生物元件，这些菌株带有酒酿酵母CUP1基因上的铜离子诱导启动子与大肠杆菌lacZ基因的融合体。其工作原理，首先是CUP1启动子被Cu2+诱导，随后乳糖被用作底物进行测量。如果Cu2+存在于溶液中，这些重组体细菌就可以利用乳糖作为碳源，这将导致这些好氧细胞需氧量的改变。该生物传感器可以在浓度范围(0.5~2)´10-3mol范围内测定CuSO4溶液。目前已经将各类金属离子诱导启动子转入大肠杆菌中，使得大肠杆菌会在含有各种金属离子的的溶液中出现发光反应。根据它发光的强度可以测定重金属离子的浓度，其测量范围可以从纳摩尔到微摩尔，所需时间为60~100min[15][16]。
用于测量污水中锌浓度的生物传感器也已经研制成功，使用嗜碱性细菌Alcaligenescutrophus，并用于对污水中锌的浓度和生物有效性进行测量，其结果令人满意[17]。
估测河口出水流污染情况的海藻传感器是由一种螺旋藻属蓝细菌（cyanobacteriumSpirlinasubsalsa）和一个气敏电极构成的。通过监测光合作用被抑制的程度来估测由于环境污染物的存在而引起水的毒性变化。以标准天然水为介质，对三种主要污染物（重金属、除草剂、氨基甲酸盐杀虫剂）的不同浓度进行了测定，均可监测到它们的有毒反应，重复性和再生性都很高[18]。
近来由于聚合酶链式反应技术（PCR）的迅猛发展及其在环境监测方面的广泛应用，不少科学家开始着手于将它与生物传感器技术结合应用。有一种应用PCR技术的DNA压电生物传感器，可以测定一种特殊的细菌毒素。将生物素酰化的探针固定在装有链酶抗生素铂金表面的石英晶体上，用1´10-6mol的盐酸可以使循环式测量在同一晶体表面进行。用细菌中提取的DNA样品进行同样的杂交反应并由PCR放大，产物为气单胞菌属（Aeromonashydrophila）的一种特殊基因片断。这种压电生物传感器可以鉴别样品中是否含有这种基因，这为从水样中检测是否含带有这种病原的各种气单胞菌提供了可能[19]。
还有一种通道生物传感器可以检测浮游植物和水母等生物体产生的腰鞭毛虫神经毒素等毒性物质，目前已经能够测量在一个浮游生物细胞内含有的极微量的PSP毒素[20]。DNA传感器也在迅速的得到应用，目前有一种小型化DNA生物传感器，能将DNA识别信号转换为电信号，用于测量水样中隐孢子和其他水源传染体。该传感器着重于改进核酸的识别作用和加强该传感器的特异性和灵敏性，并寻求将杂交信号转化为有用信号的新方法，目前研究工作为识别装置和转换装置的一体化[21]。
微藻素是一种从蓝藻细菌引起的水华中产生的细菌肝毒素，一种固定有表面细胞质粒基因组的生物传感器已经制得，用于测量水中微藻素的含量，它直接的测量范围是50~1000´10-6g/l[22]。
一种基于酶的抑制性分析的多重生物传感器用于测量毒性物质的设想也已经提出。在这种多重生物传感器中，应用了两种传导器—对pH敏感的电子晶体管和热敏性的薄膜电极，以及三种酶—尿素酶、乙酰胆碱酯酶和丁酰胆碱酯酶。该生物传感器的性能已经得到测试，效果较好[23]。
除了发酵工业和环境监测，生物传感器还深入的应用于食品工程、临床医学、军事及军事医学等领域，主要用于测量葡萄糖、乙酸、乳酸、乳糖、尿酸、尿素、抗生素、谷氨酸等各种氨基酸，以及各种致癌和致变物质三、讨论与展望
美国的HaroldH.Weetal指出，生物传感器商品化要具备以下几个条件：足够的敏感性和准确性、易操作、价格便宜、易于批量生产、生产过程中进行质量监测。其中，价格便宜决定了传感器在市场上有无竞争力。而在各种生物传感器中，微生物传感器最大的优点就是成本低、操作简便、设备简单，因此其在市场上的前景是十分巨大和诱人的。相比起来，酶生物传感器等的价格就比较昂贵。但微生物传感器也有其自身的缺点，主要的缺点就是选择性不够好，这是由于在微生物细胞中含有多种酶引起的。现已有报道加专门抑制剂以解决微生物电极的选择性问题。除此之外，微生物固定化方法也需要进一步完善，首先要尽可能保证细胞的活性，其次细胞与基础膜结合要牢固，以避免细胞的流失。另外，微生物膜的长期保存问题也待进一步的改进，否则难于实现大规模的商品化。
总之，常用的微生物电极和酶电极在各种应用中各有其优越之处。若容易获得稳定、高活性、低成本的游离酶，则酶电极对使用者来说是最理想的。相反的，若生物催化需经过复杂途径，需要辅酶，或所需酶不宜分离或不稳定时，微生物电极则是更理想的选择。而其他各种形式的生物传感器也在蓬勃发展中，其应用也越来越广泛。随着固定化技术的进一步完善，随着人们对生物体认识的不断深入，生物传感器必将在市场上开辟出一片新的天地。
--------------------------------------------------------------------------------
参考文献
[1]韩树波，郭光美，李新等.伏安型细菌总数生物传感器的研究与应用[J].华夏医学，2000，63（2）：49-52
[2]蔡豪斌.微生物活细胞检测生物传感器的研究[J].华夏医学，2000，13（3）：252-256
[3]TrosokSP,DriscollBT,LuongJHTMediatedmicrobialbiosensorusinganovelyeaststrainforwastewaterBODmeasurement[J].Appliedmicreobiologyandbiotechnology，2001，56(3-4):550-554
[4]张悦,王建龙，李花子等.生物传感器快速测定BOD在海洋监测中的应用[J].海洋环境科学，2001，20(1)：50-54
[5]YoshidaN,McNivenSJ,YoshidaA,etc.Acompactopticalsystemformulti-determinationofbiochemicaloxygendemandusingdisposablestrips[J].Fieldanalyticalchemistryandtechnology，2001，5(5):222-227
[6]MeyerRL,KjaerT,RevsbechNP.UseofNOx-microsensorstoestimatetheactivityofsedimentnitrificationandNOx-consumptionalonganestuarinesalinity,nitrate,andlightgradient[J].Aquaticmicrobialecology,2001，26(2):181-193
[7]王晓辉，白志辉，孙裕生等.硫化物微生物传感器的研制与应用[J].分析试验室，2000，19（3）：83-86
[8]AlexanderDC,CostanzoMA,GuzzoJ,CaiJ,etc.Blazingtowardsthenextmillennium:Luciferasefusionstoidentifygenesresponsivetoenvironmentalstress[J].Water,AirandSoilPollution,2000，123(1-4):81-94
[9]MakarenkoAA,BezverbnayaIP,KoshelevaIA,etc.DevelopmentofbiosensorsforphenoldeterminationfrombacteriafoundinpetroleumfieldsofWestSiberia[J].Appliedbiochemistryandmicrobiology,2002，38(1):23-27
摘 要：本文主要解析了现在水温水位传感器存在的一些问题，并且提出了相应的解决办法。论文关键词：传感器 高温 密封 水垢 干扰abstract:This text analyzed the water temperature water level primarily to spread the machine that feels now the some problem exsits, and put forward the homologous solution.Key words: transducer high temperature pressurize furring interfere 传感器就是一种能够感受水温水位，并且将感受到的水温水位转变成变化的电信号的仪器。在太阳能热水器的发展史上，水温水位传感器一直起着举足轻重的作用，热水器的智能化、人性化都与水温水位传感器密不可分，水温水位测控仪更是离不开水温水位传感器，水温水位传感器工作稳定是对整个热水器智能控制的保障。水温水位传感器的从无到有，从简单到复杂，使用寿命的由短到长，都与太阳能专业人士的努力是分不开的。 传感器技术在热水器的应用中，由于受到多种使用时恶劣环境的影响，一般很难保证长期可靠地使用，一批批专业人士虽然制作了多种形式的传感器，但是都没能解决实际问题，到底这些问题能不能解决呢？我们首先要先分析技术上存在的难点，只要能够找到解决这些难点的办法，问题也就迎刃而解了。 下面我们从多个方面探讨一下这些问题： 一：耐高温问题： 传感器要长期工作在热水器水箱之中，因为真空管的得热量大，传给热水器水箱很多热量，使水箱温度能长时间达到100度左右，短时间能达到130度，甚至150度，这就对传感器带来了耐高温问题，从太阳能界用的第一个水温水位传感器一直到近期，传感器的材料在耐高温方面一直存在缺陷，在长期的空晒过程中、在长期的水煮过程中、在长期的汽蒸过程中，不管是电子器件还是其他的传感器材料都很容易老化、损坏。突破这一难题，必须使进入水箱的传感器部分能够耐高温，在科学快速发展的今天，我国已经研制除了一种能够绝缘的、耐高温的抗高温聚丙烯材料，它能够在150度的环境中正常使用，短时间能耐170度高温，导电的电极部分使用优质不锈钢材料SUS316L，既能满足耐高温，又能满足耐腐蚀的要求；而不耐高温的电路部分，可以选取远离高温水箱的结构。这样传感器的耐高温问题就解决了。 二：密封问题： 对太阳能热水器水箱里的水温水位探测，一般将感温探头和水位探头都直接接触水源，而一些感光的器件做成探测水位的传感器成本又过高，作为一个热水器配件的成本占整个热水器成本很大一部分也很不合理，同时也超过了人们的购买能力，还有一些压力传感器又难逃水垢的影响，使压力传感器的寿命大打折扣，所以电极式传感器一直是太阳能热水器传感器的主流，但是电极、信号线和感温器件的密封问题一直困扰着众多传感器研究者们，又因为信号线的呼吸毛细现象，使的信号线被水汽腐蚀，电阻增大甚至腐蚀断信号线，直接导致控制部件失灵。 突破这一难题，就必须选取一种结构，使得信号线、电子器件等元件远离高温的水箱，而进入水箱的部分仅仅是耐腐蚀、耐高温的优质不锈钢材料SUS316L和抗高温聚丙烯材料，而不锈钢材料部分和纳米材料部分之间是用硅胶圈进行密封的，用硅胶密封圈进行密封，密封容易且简单高效。信号线和电路部分都在水箱外边和不锈钢材料部分连接，能保证电路部分感受到水箱里面的水温和水位，电路部分将感受到的水温水位准确转变成电信号。传感器的密封问题得以解决。 三：耐水垢问题： 我国水质不一，很多地区的水质问题很严重，水垢给传感器带来很多麻烦，水垢附着在电极和感温块上，造成传感器感知水位水温不准确。突破这一难题，就必须从电路上找突破口，在连续的模拟电路作用下，Ca2+、Mg2+等离子受到一个固定方向
作者：占桑 单位：中南民族大学
ZigBee网络包括三个不同的节点类型：ZigBee协调器、ZigBee路由器和ZigBee终端设备。网络层处理了以下工作：加入或离开ZigBee网络；为ZigBee数据包提供安全的处理过程；搜索和维护到节点的最佳路径；搜索邻近的节点，创建ZigBee网络（通过协调器），配置网络参数（通过协调器）及分配地址（通过协调员）。应用层包括应用支持层，应用程序框架和ZigBee设备对象。ZigBee终端设备不同于已有的有线网络终端，它具有有限的计算能力。我们的原型平台采用了德州仪器（TI）ZigBee开发套件（ZDK）。IPv6随着互联网所需的地址空间在以不可预料的速度增长，以及新型网络的应用和无线网络得到普及，IPv4定义的地址空间显然是不够的。据互联网编号分配机构（IANA）的报告，未分配的IPv4地址已经耗尽[7]，因此，下一代互联网协议—IPv6产生了。IPv6解决了IP地址不足的问题，此外，IPv6简化了IPv4报文头。IPv6有一些独特的功能包括：地址的长度从32位扩展到128位，IP报头的长度固定为40字节，无状态自动配置，增加IPsec保证传输的安全性，提供任播机制。为了管理ZigBee和互联网之间的异构网络，我们需要适用于ZigBee和互联网的网络地址。能够支持直接通信，每一个ZigBee终端设备需要配置对应的IP地址，SIP服务器需要配置一个ZigBee网络地址[6]。无线传感器网络需要配备大量的ZigBee传感器，并且每个ZigBee传感器必须有一个唯一的64位扩展地址。因此，IPv4是不适合于ZigBee，由于存在大量的传感器，IPv4地址是不够的。如果使用IPv6，我们可以容易地将一个64位的IPv6前缀和一个64位的ZigBee的扩展地址结合以获得一个完整的IPv6地址。SIPSIP是一种信令协议，它工作在TCP/IP模型中的应用层。SIP协议定义了两种类型的消息：请求和响应。表1所示是部分sip请求消息。一个SIP用户收到请求消息后会发送相应的应答消息，如表2所示SIP用户应答响应消息。
将sip植入到ZigBee中，有学者做过类似工作[8]。在文献[9]中，它提供一个用来处理SIP数据包的ZigBee/Ethernet网关，并定义其独有的数据包格式，然后发送到ZigBee终端设备。同时开发一个SIP用户用来控制ZigBee终端设备。SIP报文传输流程。gateway3实施情况为了将sip数据包从以太网传到ZigBee，我们选择已有的方案[6]解决ZigBee/Ethernet网关。同时选择了Nokia的Sofia-SIP库来实现SIP用户，Sofia-SIP是专门为嵌入式设备设计的，因此Sofia-SIP协议栈比其他sip库例如eXosip小，而且Sofia-SIP支持传输控制协议（TCP）及工作在传输层的流控制传输协议(SCTP)，并且它具备可靠的传输能力。Sofia-SIP库有如下几个模块组成：Su:包含一个简单的，代码编写的数据包/同步库；sresolv：包含使用EDNS扩展机制的异步DNS解析器；ipt:应用于IP电话的实用工具库；nua:包含具备基本的sip用户功能的用户库；nea:为不同的应用于sip状态和会议的事件提供一个接口；iptsec:为基本的HTTP协议及摘要认证提供接口；nta:为sip事物、传输和消息处理提供简单的界面；tport：包含一个使用sip、实时流传输协议（RTSP）及HTTP协议组成的通用传输接口；sip:包含用于sip解析器和sip头域、sip消息对象的接口；msg:包含解析器和操作消息的功能及基于如SIP，HTTP，RTSP类文本协议的头部，也提供多功能Internet邮件扩充服务(MIME)头部的解析器和这些协议通用的MIME类型消息；url:包含宏命令和使用URL数据类型如url_t的函数，并能解析及打印URLs；bnf:包含宏命令及解析文本格式的函数，例如解析SIP协议的函数；sdp:为会话描述协议（SDP）提供一个简单的“C”语法分析器接口；soa:由一个异步的SDPOffer/Answer引擎库组成。每个模块都有自己的依赖关系图，可以在已设计出的系统中看到例如nta的依赖关系图。由于ZigBee终端设备的计算能力和的存储记忆能力有限，我们将重新创建Sofia-SIP协议栈，并选择专门的Linux内核[12]；我们使用Sofia-SIP库中部分函数并删除无线传感器网络中不必要的功能，如语音通信功能，将Sofia-SIP协议栈大小从18MB减小到2MB.图3显示运用我们的方法后sip数据包传输流向。虽然系统结构看起来类似，注意在图2只有ZigBee/Ethernet网关注册到SIP服务器。ZigBee/Ethernet网关进行解析封装SIP数据包，然后将相应ZigBee数据包传输到ZigBee终端设备。ZigBee/Ethernet网关需要处理大量的数据包，因此它承受了沉重的负载，这必然会降低网络的性能。与此相反，图3中所示我们的方法，采用的方法是在每一个ZigBee终端设备上执行SIP协议。因此，ZigBee/Ethernet网关只需要转发SIP数据包到ZigBee终端设备，不需要解析相关的有效负荷。这将显著减少ZigBee/Ethernet网关的重载负荷。
SIP协议被广泛用于VoIP通信。除了这种成熟的应用，越来越多的研究人员提出使用SIP协议作为网络管理的机制。由于无线传感器网络（WSN）变得越来越重要，移植SIP协议到无线传感器网络（WSN）中被视为通用的管理机制。由于ZigBee终端设备的计算能力有限，以前在ZigBee中使用的SIP协议只是应用于ZigBee/Ethernet网关部分的开发，这样它拥有更好的计算能力来处理应用层的转换。但是，处理大量的SIP协议报文会降低无线传感器网络（WSNs）的性能，这是因为ZigBee/Ethernet网关很容易成为瓶颈。在我们提出的计划中，SIP协议栈从18MB简化为2MB，并被移植到终端设备上。因此，只需要一个ZigBee/Ethernet网关处理ZigBee和以太网之间的网络层转换。在我们的设计中，因为网关不需要通过检查有效负荷完成应用层的转换，这样可以减少大量的资源量并相应提高ZigBee/Ethernet网关传输性能。然而，由于SIP消息的格式包含XML(可扩展标记语言)文本，这必将形成一个沉重的有效负载。在未来的研究中，减少SIP协议的开销使SIP协议更适合WSN(无线局域网网络)管理是研究的重点。
关键词：网络；无线传感器；安全；研究
当前互联网中，无线传感器网络组成形式主要为大量廉价、精密的节点组成的一种自组织网络系统，这种网络的主要功能是对被检测区域内的参数进行监测和感知，并感知所在环境内的温度、湿度以及红外线等信息，在此基础上利用无线传输功能将信息发送给检测人员实施信息检测，完整对整个区域内的检测。很多类似微型传感器共同构成无线传感器网络。由于无线传感器网络节点具有无线通信能力与微处理能力，所以无线传感器的应用前景极为广阔，具体表现在环境监测、军事监测、智能建筑以及医疗等领域。
1无线传感器网络安全问题分析
彻底、有效解决网络中所存在的节点认证、完整性、可用性等问题，此为无线传感器网络安全的一个关键目标，基于无线传感器网络特性，对其安全目标予以早期实现，往往不同于普通网络，在对不同安全技术进行研究与移植过程中，应重视一下约束条件：①功能限制。部署节点结束后，通常不容易替换和充电。在这种情况下，低能耗就成为无线传感器自身安全算法设计的关键因素之一。②相对有限的运行空间、存储以及计算能力。从根本上说，传感器节点用于运行、存储代码进空间极为有限，其CPU运算功能也无法和普通计算机相比[1]；③通信缺乏可靠性。基于无线信道通信存在不稳定特性。而且与节点也存在通信冲突的情况，所以在对安全算法进行设计过程中一定要对容错问题予以选择，对节点通信进行合理协调；④无线网络系统存在漏洞。随着近些年我国经济的迅猛发展，使得无线互联网逐渐提升了自身更新速度，无线互联网应用与发展在目前呈现普及状态，而且在实际应用期间通常受到技术缺陷的制约与影响，由此就直接损害到互联网的可靠性与安全性。基于国内技术制约，很多技术必须从国外进购，这就很容易出现不可预知的安全患，主要表现为错误的操作方法导致病毒与隐性通道的出现，且能够恢复密钥密码，对计算机无线网安全运行产生很大程度的影响[2]。
2攻击方法与防御手段
传感器网络在未来互联网中发挥着非常重要的作用。因为物理方面极易被捕获与应用无线通信，及受到能源、计算以及内存等因素的限制，所以传感器互联网安全性能极为重要。对无线传感器网络进行部署，其规模必须在不同安全举措中认真判断与均衡。现阶段，在互联网协议栈不同层次内部，传感器网络所受攻击与防御方法见表1。该章节主要分析与介绍代表性比较强的供给与防御方法。
3热点安全技术研究
3.1有效发挥安全路由器技术的功能
无线互联网中，应用主体互联网优势比较明显，存在较多路由器种类。比方说，各个科室间有效连接无线网络，还能实现实时监控流量等优点，这就对互联网信息可靠性与安全性提出更大保障与更高要求[3]。以此为前提，无线互联网还可以对外来未知信息进行有效阻断，以将其安全作用充分发挥出来。
3.2对无线数据加密技术作用进行充分发挥
在实际应用期间，校园无线网络必须对很多保密性资料进行传输，在实际传输期间，必须对病毒气侵入进行有效防范，所以，在选择无线互联网环节，应该对加密技术进行选择，以加密重要的资料，研究隐藏信息技术，采用这一加密技术对无线数据可靠性与安全性进行不断提升。除此之外，在加密数据期间，数据信息收发主体还应该隐藏资料，保证其数据可靠性与安全性得以实现。
3.3对安全MAC协议合理应用
无线传感器网络的形成和发展与传统网络形式有一定的差异和区别，它有自身发展优势和特点，比如传统网络形式一般是利用动态路由技术和移动网络技术为客户提供更好网络的服务。随着近些年无线通信技术与电子器件技术的迅猛发展，使多功能、低成本与低功耗的无线传感器应用与开发变成可能。这些微型传感器一般由数据处理部件、传感部件以及通信部件共同组成[4]。就当前情况而言，仅仅考虑有效、公平应用信道是多数无线传感器互联网的通病，该现象极易攻击到无线传感器互联网链路层，基于该现状，无线传感器网络MAC安全体制可以对该问题进行有效解决，从而在很大程度上提升无线传感器互联网本身的安全性能，确保其能够更高效的运行及应用[5]。
3.4不断加强网络安全管理力度
实际应用环节，首先应该不断加强互联网安全管理的思想教育，同时严格遵循该制度。因此应该选择互联网使用体制和控制方式，不断提高技术维护人员的综合素质，从而是无线互联网实际安全应用水平得到不断提升[6]。除此之外，为对其技术防御意识进行不断提升，还必须培训相关技术工作者，对其防范意识予以不断提升；其次是应该对网络信息安全人才进行全面培养，在对校园无线网络进行应用过程中，安全运行互联网非常关键[7]。所以，应该不断提升无线互联网技术工作者的技术能力，以此使互联网信息安全运行得到不断提升。
4结束语
无线传感器网络技术是一种应用比较广泛的新型网络技术，比传统网络技术就有较多优势，不但对使用主体内部资料的保存和传输带来了方便，而且也大大提升了国内无线互联网技术的迅猛发展。从目前使用情况来看，依旧存在问题，负面影响较大，特别是无线传感器网络的安全防御方面。网络信息化是二十一世纪的显著特征，也就是说，国家与国家间的竞争就是信息化的竞争，而无线网络信息化可将我国信息实力直接反映与体现出来，若无线传感网络系统遭到破坏，那么就会导致一些机密文件与资料信息的泄露，引发不必要的经济损失与人身安全，私自截获或篡改互联网机密信息，往往会造成互联网系统出现瘫痪现象。因此，应该进一步强化无线传感器互联网信息安全性。
作者:杨波 单位:常州大学怀德学院
参考文献：
[1]周贤伟,覃伯平.基于能量优化的无线传感器网络安全路由算法[J].电子学报,2007,35(1):54-57.
[2]罗常.基于RC5加密算法的无线传感器网络安全通信协议实现技术[J].电工程技术,2014(3):15-18.
[3]试析生物免疫原理的新型无线传感器网络安全算法研究[J].科技创新导报,2015(3):33-33.
[4]滕少华,洪源,李日贵,等.自适应多趟聚类在检测无线传感器网络安全中的应用[J].传感器与微系统,2015(2):150-153.
[5]刘云.基于流密码的无线传感器网络安全若干问题管窥[J].网络安全技术与应用,2014(10):99-100.
关键词：传感器；AD转换；控制器；硬件电路
引言
随着微电子工业的迅速发展，单片机控制的智能型控制器广泛应用于电子产品中，为了使学生对单片机控制的智能型控制器有较深的了解。经过综合分析选择了由单片机控制的智能型液位控制器作为研究项目，通过训练充分激发学生分析问题、解决问题和综合应用所学知识的潜能。另外，液位控制在高层小区水塔水位控制，污水处理设备和有毒，腐蚀性液体液位控制中也被广泛应用。通过对模型的设计可很好的延伸到具体应用案例中。
一、系统设计方案比较说明
对于液位进行控制的方式有很多，而应用较多的主要有2种，一种是简单的机械式控制装置控制，一种是复杂的控制器控制方式。两种方式的实现如下：
(1)简单的机械式控制方式。其常用形式有浮标式、电极式等，这种控制形式的优点是结构简单，成本低廉。存在问题是精度不高，不能进行数值显示，另外很容易引起误动作，且只能单独控制，与计算机进行通信较难实现。
(2)复杂控制器控制方式。这种控制方式是通过安装在水泵出口管道上的压力传感器，把出口压力变成标准工业电信号的模拟信号，经过前置放大、多路切换、AD变换成数字信号传送到单片机，经单片机运算和给定参量的比较，进行PID运算，得出调节参量；经由DA变换给调压变频调速装置输入给定端，控制其输出电压变化，来调节电机转速，以达到控制水箱液位的目的。
针对上述2种控制方式，以及设计需达到的性能要求，这里选择第二种控制方式，同时考虑到成本需要把PID控制去掉。最终形成的方案是，利用单片机为控制核心，设计一个对供水箱水位进行监控的系统。根据监控对象的特征，要求实时检测水箱的液位高度，并与开始预设定值做比较，由单片机控制固态继电器的开断进行液位的调整，最终达到液位的预设定值。检测值若高于上限设定值时，要求报警，断开继电器，控制水泵停止上水；检测值若低于下限设定值，要求报警，开启继电器，控制水泵开始上水。现场实时显示测量值，从而实现对水箱液位的监控。
二、工作原理
基于单片机实现的液位控制器是以AT89C51芯片为核心，由键盘、数码显示、AD转换、传感器，电源和控制部分等组成。
工作过程如下：水箱(水塔)液位发生变化时，引起连接在水箱(水塔)底部的软管管内的空气气压变化，气压传感器在接收到软管内的空气气压信号后，即把变化量转化成电压信号；该信号经过运算放大电路放大后变成幅度为0～5V标准信号，送入AD转换器，AD转换器把模拟信号变成数字信号量，由单片机进行实时数据采集，并进行处理，根据设定要求控制输出，同时数码管显示液位高度。通过键盘设置液位高、低和限定值以及强制报警值。该系统控制器特点是直观地显示水位高度，可任意控制水位高度。
三、硬件设计
液位控制器的硬件主要包括由单片机、传感器(带变送器)、键盘电路、数码显示电路、AD转换器和输出控制电路等。
3.1单片机
单片机采用由Atmel公司生产的双列40脚AT89C51芯片。
3.2传感器
传感器使用SY一9411L—D型变送器，它内部含有1个压力传感器和相应的放大电路。压力传感器是美国SM公司生产的555—2型OEM压阻式压力传感器，其有全温度补偿及标定(O～70℃)，传感器经过特殊加工处理，用坚固的耐高温塑料外壳封装。在水箱底部安装1根直径为5mm的软管，一端安装在水箱底部；另一端与传感器连接。水箱水位高度发生变化时，引起软管内气压变化，然后传感器把气压转换成电压信号，输送到AD转换器。
3.3键盘电路
P1口作为键盘接口，连接一个4×4键盘。
3.4液位显示电路
液位显示采用数码管动态显示，范围从0～999(单位可自定)，选择的数码管是7段共阴极连接，型号是LDSl8820。在这里使用到了74LS373，它是一个8位的D触发器，在单片机系统中经常使用，可以作地址数据总线扩展的锁存器，也可以作为普通的LED的驱动器件，由于单独使用HEF4511B七段译码驱动显示器来完成数码管的驱动显示，因此74LS373在这里只用作扩展的缓冲。
3.5AD转换电路及控制输出
AD转换电路在控制器中起主导作用，用它将传感器输出的模拟电压信号转换成单片机能处理的数字量。该控制器采用CMOS工艺制造的逐步逼近式8位AD转换器芯片ADC0809。在使用时可选择中断、查询和延时等待3种方式编制AD转换程序。控制输出主要有上下限状态显示、超限报警。另外在设计过程中预留了串行口，供进一步开发使用。
四、软件设计
4.1键盘程序
由于键盘采用的是4×4结构，因此可使用的键有16个，根据需要分别定义各键，0～9号为数字键，10～15号分别是确定键、修改键、移位键、加减键、取消键和复位键。
值得注意的是，在用汇编语言编写控制器程序时，相对会比较麻烦，如果用C语言编写程序会简单很多，这里就不再做具体说明。
五、结束语
基于单片机实现液位控制器模型设计的关键在于硬件电路的正确构建，只有在电路准确的前提下再进行软件编程才能取得成功。
参考文献：
[1]黄智伟.传感器技术.2002，21（9）：31～33
关键词：转速传感器；磁阻；电磁干扰滤波器；KMI15
转速属于常规电测参数。测量转速时经常采用磁阻式传感器或光电式传感器进行非接触性测量，传统的磁阻式传感器是由磁钢、线圈等分立元件构成的，亦可用耳塞机改装而成。但这种传感器存在一些缺点：第一，灵敏度低，传感器与转动齿轮的最大间隙（亦称磁感应距离）只有零点几毫米；第二，在测量高速旋转物体的转速时，因安装不牢固或受机械振动，容易与齿轮发生碰撞，安全性较差；第三，这种传感器所产生的是幅度很低且变化缓慢的模拟电压信号，因此，需要经过放大、整形后变成沿口陡直的数字频率信号，才能送给数字转速仪或数字频率计测量转速，而且电路比较复杂；第四，它无法测量非常低（接近于零）的转速，因为这时磁阻式传感器可能检测不到转速信号。
目前，转速传感器正朝着高灵敏度、高可靠性和全集成化的方向发展，典型产品有飞利浦（Philips）公司生产的KMI15系列磁阻式集成转速传感器。该传感器性能优良，安全性好，稳定性强，是分立式转速传感器理想的升级换代产品。KMI15系列包括KMI15－1、KMI15－2、KMI15－4等型号，它们的工作原理相同，仅性能指标略有差异。下面就以KMI15－1为例来介绍该系列集成转速传感器的工作原理与具体应用方法。
1KMI15－1型传感器的性能特点
KMI15－1芯片内含高性能磁钢、磁敏电阻传感器和IC。它利用IC来完成信号变换功能，其输出的电流信号频率与被测转速成正比，电流信号的变化幅度为7mA～14mA。由于其电路比较简单，因而很容易配二次仪表测量转速。
KMI15－1器件的测量范围宽，灵敏度高，它的齿轮转动频率范围是0～25kHz，而且即使在转动频率接近于零时，它也能够进行测量。传感器与齿轮的最大磁感应距离为2．9mm（典型值），由于与齿轮相距较远，因此使用比较安全。
该传感器抗干扰能力强，同时具有方向性，它对轴向振动不敏感。另外，芯片内部还有电磁干扰（EMI）滤波器、电压控制器以及恒流源，从而保证了其工作特性不受外界因素的影响。
KMI15－1的体积较小，其最大外形尺寸为8×6×21mm，能可靠固定在齿轮附近。
KMI15采用＋12V电源供电（典型值），最高不超过16V。工作温度范围宽达－40～＋85℃。
图2图3
2工作原理
KMI15－1型集成转速传感器的外形如图1所示，它的两个引脚分别为UCC（接＋12V电源端）和U－（方波电流信号输出端）。为使IC处于较低的环境温度中，设计时专门将IC与传感元件分开，以改善传感器的高温工作性能。
该传感器的简化电路如图2所示。其内部主要包括以下六部分：
（1）磁敏电阻传感器；
（2）前置放大器A1；
（3）施密特触发器；
（4）开关控制式电流源；
（5）恒流源；
（6）电压控制器。实际上，该传感器是由4只磁敏电阻构成的一个桥路，可固定在靠近齿轮的地方，其测量原理如图3所示。
当齿轮沿Y轴方向转动时，由于气隙处的磁力线发生变化，磁路中的磁阻也随之改变，从而可在传感器上产生电信号。此外，该传感器具有很强的方向性，它对沿Y轴转动的物体十分敏感，而对沿Z轴方向的振动或抖动量很不敏感。这正是测量转速所需要的。
工作时，传感器产生的电信号首先通过EMI滤波器滤除高频电磁干扰，然后经过前置放大器，再利用施密特触发器进行整形以获得控制信号UK，并将其加到开关控制式电流源的控制端。KMI15－1的输出电流信号ICC是由两个电流叠加而成的，一个是由恒流源提供的7mA恒定电流IH，另一个是由开关控制式电流源输出的可变电流IK。它们之间的关系式为：
ICC＝IH＋IK
当控制信号UK＝0（低电平）时，该电流源关断，IK＝0，ICC＝IH＝7mA。当UK＝1（高电平）时，电流源被接通，IK＝7mA，从而使得ICC＝14mA。图4给出了从U－端输出的方波电流信号的波形，其高电平持续时间为t1，周期为T。输出波形的占空比D＝t1／T＝50％±20％。上升时间和下降时间分别仅为0．5μs和0．7μs。
KMI15芯片中的电压控制器实际上是一个并联调整式稳压器，可用于为传感器提供稳定的工作电压UC。而电阻R3、稳压管VDZ和晶体管VT1则可构成取样电路，其中VT1接成射极跟随器。A2为误差放大器，VT2为并联式调整管。这样，IH在经过R1、R2分压后可给A2提供基准电压UREF，从而在UCC发生变化时，由A2对取样电压与基准电压进行比较后产生误差电压Ur，同时通过改变VT2上的电流来使UC保持不变。
3KMI15－1的典型应用
3．1安装方法
KMI15－1应当安装在转动齿轮的旁边。若被测转动工件上没有齿轮，亦可在转盘外缘处钻一个小孔，套上螺扣，再拧上一个螺杆并用弹簧垫圈压紧，以防止受震动后松动，并以此代替齿尖获得转速标记信号。
3．2典型应用电路
KMI15－1型集成转速传感器的典型应用电路如图5（a）所示。工作时，转速传感器输出方波电流信号，从而在负载电阻RL与负载电容CL上形成电压频率信号UO（f），并送至二次仪表。通常取RL＝115Ω、CL＝0．1μF。需要指出：KMI15－1输出的是齿轮转动频率f（单位是Hz，即次／s）信号，欲得到转速n（r／min），还应将f除以齿轮上的齿数N，并将时间单位改成分钟，公式如下：
采用多源数据融合和机器学习方法实现船舶特征辨识和自适应误差控制;研究基于形态分类方法和时空数据连续特征提取的拖船队检测,实现对船舶交通量的全天候自动船舶交通流量统计。
由于系统中选用了两台不同型号的激光传感器作为船舶特征信息的采集,它们采用的数据接口各异。
激光传感器数据的传输
激光传感器船舶交通量观测系统由数据采集子系统、数据处理子系统和辅助子系统三个部分组成。数据采集子系统中的激光传感器通过自身激光头的旋转,对物体进行短时间的线扫描,从而实现对被测物截面的二维扫描,可实时采集航道上的目标图像。数据采集子系统主要由两台激光传感器组成。
因此,需选用不同的传输方式获取其数据信息。通过对三种方案的实践和比较,最终得到了合适的传输方案。编辑老师为大家整理了试论船舶交通量观测激光传感器,希望对大家有所帮助。
关键词：HMP45D，温湿度传感器，原理，维护
引言
HMP45D温湿度传感器是芬兰VAISALA公司开发的具有HUMICAP技术的新一代聚合物薄膜电容传感器，目前大连周水子国际机场空管气象部门已投入业务运行的自动气象站[1]，均采用该传感器。论文范文，。由于该传感器的测量部分总是要和空气中的灰尘和化学物质接触，从而使传感器在某些环境中产生漂移。论文范文，。而仪器的电气参数会随时间的推移、温度变化及机械冲击产生变化，因此传感器需要进行定期维护和校准。
1.HMP45D温湿度传感器的结构
HMP45D温湿度传感器应安装在其中心点离地面1.5米处。其中，温度传感器是铂电阻温度传感器，湿度传感器是湿敏电容湿度传感器[2]，即HMP45D是将铂电阻温度传感器与湿敏电容湿度传感器制作成为一体的温湿度传感器，如图1所示。
图1 HMP45D温湿度传感器外型图
2.HMP45D温湿度传感器的工作原理
2．1 温度传感器工作原理
HMP45D温湿度传感器的测温元件是铂电阻传感器Pt100，其结构如图2。铂电阻温度传
感器是利用其电阻随温度变化的原理制成的。标准铂电阻的复现可达万分之几摄氏度的精确度，在-259.34～+630.74范围内可作为标准仪器。铂电阻材料具有如下特点：温度系数较大，即灵敏度较大；电阻率交大，易于绕制高阻值的元件；性能稳定，材料易于提纯；测温精度高，复现性好[3]。
图2 铂电阻温度传感器结构图
由于铂电阻具有阻值随温度改变的特性，所以自动气象站中采集器是利用四线制恒流源供电方式及线性化电路，将传感器电阻值的变化转化为电压值的变化对温度进行测量[4]。铂电阻在0℃时的电阻值R0是100Ω，以0℃作为基点温度，在温度t时的电阻值Rt为
(1)
式中：α，β为系数，经标定可以求出其值。由恒流源提供恒定电流I0流经铂电阻Rt，电压I0Rt通过电压引线传送给测量电路，只要测量电路的输入阻抗足够大，流经引线的电流将非常小，引线的电阻影响可忽略不计。所以，自动气象站温度传感器电缆的长短与阻值大小对测量值的影响可忽略不计。论文范文，。测量电压的电路采用A/D转换器方式。
2．2 湿度传感器工作原理
HMP45D温湿度传感器的测湿元件是HUMICIP180高分子薄膜型湿敏电容，湿敏电容具有感湿特性的电介质，其介电常数随相对湿度的变化而变化，从而完成对湿度的测量。湿敏电容主要由湿敏电容和转换电路两部分组成，其结构如图3所示。它由上电极(upper electrode)、湿敏材料即高分子薄膜(thin-film polymer)、下电极(lower electrode)、玻璃衬底(glass substrate)几部分组成。
图3 湿敏电容传感器结构图
湿敏电容传感器上电极是一层多孔膜，能透过水汽；下电极为一对电极，引线由下电极引出；基板是玻璃。整个传感器由两个小电容器串联组成。湿敏材料是一种高分子聚合物，它的介电常数随着环境的相对湿度变化而变化。当环境湿度发生变化时，湿敏元件的电容量随之发生改变，即当相对湿度增大时，湿敏电容量随之增大，反之减小，电容量通常在48～56pF。传感器的转换电路把湿敏电容变化量转换成电压量变化，对应于湿度0～100%RH的变化，传感器的输出呈0～1V的线性变化。由此，可以通过湿敏电容湿度传感器测得相对湿度。
3．HMP45D温湿度传感器的校准和维护
对HMP45D 传感器的维护，要注意定期清洁，对于温度传感器测量时要保证Pt100 铂电阻表面及管脚的清洁干燥。论文范文，。在清洗铂电阻时一定要将湿度传感器取下，使用酒精或异丙酮进行清洗。其具体步凑如下：
1） 旋开探头处黑色过滤器，过滤器内有一层薄薄的白色过滤网，旋出过滤网，用干净的小毛刷刷去过滤网上的灰尘，然后用蒸馏水分别将它们清洗干净。
2） 等保护罩和滤纸完全风干之后，将其安装到传感器上。然后再将传感器通过外转接盒连接到采集器上，再和湿度标准传感器一起放入恒湿盐湿度发生器进行对比。恒湿盐容器的温湿参数[4]如表1。
表1HMP45D校准前后数据对比
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
关键词：CCFPI传感器 孔径尺寸 单轴拉伸实验 应变测试范围 力学原理 理论参考
中图分类号：TP21 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）03（b）-0012-03
The Influence of Aperture Sizes on the Dynamic Range of Coaxial Cable Fabry-Perot Sensor
Yang Shuhan
（The Dalian University of Technology， Dalian Liaoning， 116024， China）
Abstract： Coaxial cable Fabry-Perot （F-P） sensing technology which has been proposed and started to research recently is a new type of large strain testing components， which has greater strain test range compared with other traditional strain sensors. So far， the relevant scholars have conducted preliminary studies on sensing mechanism and performance. The different aperture sizes of CCFPI sensors at reflex point can change the mechanical strength， thus influence the range of strain test. This paper first illustrates the CCFPI sensor sensing mechanism， and then starts from the sensor uniaxial tensile experiments， combining with the theory of mechanics， by the test and analysis of the stress and strain of sensors under different aperture sizes， gets the conclusion of change regularity between strain range and the aperture sizes and provides mechanical theory reference for the reasonable fabrication of sensors.
Key Words： CCFPI sensor； Aperture size； Uniaxial tensile experiments； Strain testing range； Mechanics principle； Theoretical reference
在目前常用的变传感器中，已被广泛研究应用的光纤传感器，其应变量程也很难超过20 000με，难以用于结构局部大应变的全历程监测。
针对传统传感器的发展现状及现阶段大应变监测存在的困难，Hai Xiao及周智等学者利用同轴电缆具有高延性且与光纤具有相同波导机制的特点，提出并发展了多种同轴电缆应变感知元件，如法布里-珀罗（F-P）干涉以及谐振腔等。在传输线理论和模式耦合理论基础上，建立了CCFPI传感机理，并通过打孔法研发出CCFPI传感器。
该文以RG400型号CCFPI传感器作为测试对象，对其孔径尺寸与其应变量程之间的关系进行分析，为传感器制作过程中的合理设计提供理论参考，进一步推动CCFPI传感器今后在实际工程中的使用。
1 RG400传感器单轴拉伸实验与分析
考虑到同轴电缆的结构特点及实验的可操作性，该文选取RG400型号同轴电缆传感器作为测试对象，其结构及实验参数如表1所示。其中，各孔径尺寸均处于实际工程中可使用的孔径尺寸范围内。根据实际测试效果，将应力应变曲线趋势吻合且应力应变量程相差不大的试件视为有效试件。采用微型机床在每根电缆中部打孔，机床钻头直径范围为1.0～3.0 mm，三维移动精度均为0.01 mm。
1.1 实验过程及结果
实验得到各孔径试件的应力-应变曲线，以1.8 mm孔径为例，各组有效试件应力-应变曲线如图1所示。
由图1可以看出，在弹性阶段，其应力与应变成良好的线性关系。当应变达到1%时，各试件开始进入屈服阶段，达到5%～6%时产生应力突降，突降点对应的应变值即为该传感器试件的应变量程，应力值即为其应力量程。其余各孔径下有效试件的应力应变量程列于表2。
1.2 实验结果分析
由于开孔传感器试件的本构关系较为复杂，故从应力、应变两个方面分别进行分析。
1.2.1 应力分析
同轴电缆在单轴拉伸状态下为内导体、绝缘体与外导体三部分协同受力，外导体断裂导致应力突降，因此，外导体的应力峰值即为传感器试件的应力量程。根据应力集中系数理论，带孔构件的第一类应力集中系数为：
式中，为总应力集中系数，为最大集中应力，位于圆孔边缘，为作用应力，位于远离孔的部位。
对于圆孔半径为，宽度为的有限宽平板，根据汉伍德经验公式，另一类应力集中系数为：
式中，为按名义应力计算的应力集中系数。
在RG400型号传感器的力学性能测试实验中，已测得传感器在不做任何处理的状态下，应力峰值为135.65 MPa。在开孔试件的拉伸实验中，认为试件局部应力达到该峰值即发生断裂，即：
将实验数据进行二次线性拟合并与理论曲线进行比较，如图2所示。
由图2可以看出，应力量程随孔径尺寸的增大而增大，即外导体断裂时，试件内部产生的最大应力随孔径尺寸的增大而增大，其增长趋势与理论分析相吻合，二者最大差值约1.5 MPa，在可接受的范围内。
对于孔径为3.0 mm的试件，其应力测量误差较大，故未将其作为拟合数据之一，其误差原因可能来自对孔洞形态的假设：微型机床在打孔时会在电缆内形成锥形孔洞，当孔径较小时，可忽略孔洞尖端而假设孔洞底部与内导体相切。而当孔径较大时，再假设相切则会产生较大误差，由此分析得到的3.0 mm孔径的应力量程与实测数据不相吻合。
1.2.2 应变量程分析
将表2中的各孔径下的应变量程进行二次线性拟合，拟合曲线如图3。
由拟合曲线可以看出，应变量程随孔径尺寸的增大而减小，孔径在1.0～3.0 mm的范围内变化时，应变量程的变化范围可达8%～9%，二者具有良好的线性关系。由此可见，孔径尺寸对传感器应变量程的影响较大，是传感器制作时的重要参数之一。
结合1.2.1中的应力分析可以得到，CCFPI传感器在较小的孔径下会有更长的测试寿命，可测量的应变动态范围也更大。
2 结语
该文从RG400同轴电缆传感器的拉伸实验出发得到了一些有价值的结论。
（1）CCFPI传感器有较大的应变测试范围，不同孔径下的传感器应变量程相差较大，孔径尺寸是影响传感器应变量程的重要因素之一。
（2）CCFPI传感器在断裂时内部产生的应力随孔径尺寸的增大而增大，在拉伸过程中，开孔部位附近会出现塑形区，在进行传感器制作时，可对这一区域进行保护处理。
（3）CCFPI传感器的应变量程随孔径尺寸的增大而减小，变化范围较大，且二者具有良好的线性关系，可用式（4）做近似计算。
综上所述，若单纯从力学角度出发，CCFPI传感器在较小孔径下会有更长的测试寿命，可测量的应变范围也更大，达11%。这为传感器制作时的合理设计提供了力学角度的理论参考。
参考文献
[1] 周智.同轴电缆法布里-珀罗传感器的性能测试与分析[D].大连：大连理工大W，2014.
[2] ITU Study Group 15-Contributions.Characteristics of Single-Mode Optical Fiber Cable G.652[Z].1993.
[3] ITU Study Group 15-Contributions.Proposed Revision of Recommendations G.652andG.655[Z].2000.
[4] 周智.土木工程结构光纤光栅智能传感元件及其监测系统[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2003.
[5] WEI T，WU S P，HUANG J，et al.Coaxial Cable bragg grating[J].Applied Physics Letters，2011，99（11）：074/02.
[6] Huang J，WEI T，LAN X W，et al.Coaxial Cable bragg grating sensors for large strain measurement with high accuracy[J].Photonics Technology Laboratory，Missouri Uniersity of Science and Technology，2012（8345）：65409.
[7] HUANG J，WEI T，HUA L，et al.A Coaxial Cable Fabry-Perot Interfermeter for sensing applications[J].Sensors，2013，13（11）：15252-15260.
[8] WU S P，WEI T，HUANG J，et al.A study on Q-Factor of CCBG Sensors by coupled mode theory[J].Missouri University of Science and Technology，2012，4（6）.
