時(shí)間：2022-02-05 19:48:52
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光纖傳感器主要由光源、光纖與探測(cè)器3部分組成，光源發(fā)出的光耦合進(jìn)光纖，經(jīng)光纖進(jìn)入調(diào)制區(qū)，在調(diào)治區(qū)內(nèi)，外界被測(cè)參數(shù)作用于進(jìn)入調(diào)區(qū)內(nèi)的光信號(hào)，是其光學(xué)性質(zhì)如光的強(qiáng)度、相位、偏振態(tài)、波長等發(fā)生變化成為被調(diào)制的信號(hào)光，再經(jīng)過光纖送入光探測(cè)器而獲得被測(cè)參數(shù)，光纖傳感器中的光纖通常由纖芯、包層、樹脂涂層和塑料護(hù)套組成，纖芯和包層具有不同的折射率，樹脂涂層對(duì)光纖起保護(hù)作用，光纖按材料組成分為玻璃光纖和塑料光纖；按光纖纖芯和包層折射率的分布可分為階躍折射率型光纖和梯度折射率光纖兩種。光纖能夠約束引導(dǎo)光波在其內(nèi)部或表面附近沿軸線方向向前傳播，具有感測(cè)和傳輸?shù)碾p重功能，是一種非常重要的智能材料。
2.光纖傳感器的類型及特點(diǎn)
光纖傳感器的類型很多，按光纖傳感器中光纖的作用可分為傳感型和傳光型兩種類型。
傳感型光纖傳感器又稱為功能型光纖傳感器，主要使用單模光纖，光纖不僅起傳光作用，同時(shí)又是敏感元件，它利用光纖本身的傳輸特性經(jīng)被測(cè)物理量作用而發(fā)生變化的特點(diǎn)，使光波傳導(dǎo)的屬性(振幅、相位、頻率、偏振)被調(diào)制。因此，這一類光纖傳感器又分為光強(qiáng)調(diào)制型，偏振態(tài)調(diào)制型和波長調(diào)制型等幾種。對(duì)于傳感型光纖傳感器，由于光纖本身是敏感元件，因此加長光纖的長度可以得到很高的靈敏度。
傳光型光纖傳感器又稱非功能型光纖傳感器，它是將經(jīng)過被測(cè)對(duì)象所調(diào)制的光信號(hào)輸入光纖后，通過在輸出段進(jìn)行光信號(hào)處理而進(jìn)行測(cè)量的。在這類傳感器中，光纖僅作為傳光元件，必須附加能夠?qū)饫w所傳遞的光進(jìn)行調(diào)治的敏感元件才能組成傳感元件。
3.光纖傳感器的應(yīng)用
光纖傳感器的應(yīng)用范圍很廣，幾乎涉及國民經(jīng)濟(jì)的所有重要領(lǐng)域和人們的日常生活，尤其可以安全有效地在惡劣環(huán)境中使用，解決了許多行業(yè)多年來一直存在的技術(shù)難題，具有很大的市場(chǎng)需求。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面的應(yīng)用:
(1)城市建設(shè)中橋梁、大壩、油田等的干涉陀螺儀和光柵壓力傳感器的應(yīng)用。光纖傳感器可預(yù)埋在混凝土、碳纖維增強(qiáng)塑料及各種復(fù)合材料中，用于測(cè)試應(yīng)力松弛、施工應(yīng)力和動(dòng)荷載應(yīng)力從而來評(píng)估橋梁短期、施工階段和長期營運(yùn)狀態(tài)的結(jié)構(gòu)性能。
(2)在電力系統(tǒng)，需要測(cè)定溫度、電流等參數(shù)，如對(duì)高壓變壓器和大型電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子內(nèi)的溫度檢測(cè)等，由于電類傳感器易受強(qiáng)電磁場(chǎng)的干擾，無法在這些場(chǎng)合中使用，只能用光纖傳感器。分布式光纖溫度傳感器是近幾年發(fā)展起來的一種用于實(shí)時(shí)測(cè)量空間溫度場(chǎng)分布的高新技術(shù)，分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)不僅具有普通光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)，還具有對(duì)光纖沿線各點(diǎn)的溫度的分布式傳感能力，利用這種特點(diǎn)我們可以連續(xù)實(shí)時(shí)測(cè)量光纖沿線幾公里內(nèi)各點(diǎn)的溫度，定位精度可達(dá)米的量級(jí)，測(cè)溫精度可達(dá)1度的水平，非常適用于大范圍多點(diǎn)測(cè)溫的應(yīng)用場(chǎng)合。
(3)在石油化工系統(tǒng)、礦井、大型電廠等，需要檢測(cè)氧氣、碳?xì)浠衔?、CO等氣體，采用電類傳感器不但達(dá)不到要求的精度，更嚴(yán)重的是會(huì)引起安全事故。因此，研究和開發(fā)高性能的光纖氣敏傳感器，可以安全有效地實(shí)現(xiàn)上述檢測(cè)。
(4)在環(huán)境監(jiān)測(cè)、臨床醫(yī)學(xué)檢測(cè)、食品安全檢測(cè)等方面，由于其環(huán)境復(fù)雜，影響因素多，使用其它傳感器達(dá)不到所需要的精度，并且易受外界因素的干擾，采用光纖傳感器可以具有很強(qiáng)的抗干擾能力和較高的精度，可實(shí)現(xiàn)對(duì)上述各領(lǐng)域的生物量的快速、方便、準(zhǔn)確地檢測(cè)。目前，我國水源的污染情況嚴(yán)重，臨床檢驗(yàn)、食品安全檢測(cè)手段比較落后，光纖傳感器在這些領(lǐng)域具有極好的市場(chǎng)前景。
(5)醫(yī)學(xué)及生物傳感器。醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用光纖輻射劑量計(jì)、呼吸系統(tǒng)氣流傳感系統(tǒng);圓錐形微型FOS測(cè)量氧氣濃度及其他生物參數(shù);用FOS探測(cè)氫氧化物及其他化學(xué)污染物;光纖表面細(xì)胞質(zhì)?；蚪M共振生物傳感器;生物適應(yīng)FOS系統(tǒng)應(yīng)用于海水監(jiān)測(cè)、生化技術(shù)、醫(yī)藥。
光纖傳感器在實(shí)踐中運(yùn)用到的例子舉不勝舉，這些技術(shù)都是多學(xué)科的綜合，涵蓋的知識(shí)面廣，象光纖陀螺，火花塞光纖傳感器，光纖傳感復(fù)合材料，以及利用光纖傳感器對(duì)植物葉綠素的研究等等；隨著科技的不斷進(jìn)步，越來越多的光纖傳感器將面世，它將被應(yīng)用到生產(chǎn)生活的每一個(gè)角落。
4.光纖傳感器的技術(shù)發(fā)展方向
光纖傳感技術(shù)經(jīng)過20余年的發(fā)展也已獲得長足的進(jìn)步，出現(xiàn)了很多實(shí)用性的產(chǎn)品，然而實(shí)際的需要是各種各樣的，光纖傳感技術(shù)的現(xiàn)狀仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際需要。目前，光纖傳感器技術(shù)發(fā)展的主要方向是。
(1)傳感器的實(shí)用化研究。即一種光纖傳感器不僅只針對(duì)一種物理量，要能夠?qū)Χ喾N物理量進(jìn)行同時(shí)測(cè)量。
(2)提高分布式傳感器的空間分辨率、靈敏度，降低其成本，設(shè)計(jì)復(fù)雜的傳感器網(wǎng)絡(luò)工程。注意分布式傳感器的參數(shù)，即壓力、溫度，特別是化學(xué)參數(shù)(碳?xì)浠衔?、一些污染物、濕度、PH值等)對(duì)光纖的影響。
(3)傳感器用特殊光纖材料和器件的研究。例如:增敏和去敏光纖、熒光光纖、電極化光纖的研究等。這些將是以后傳感器進(jìn)一步發(fā)展的趨勢(shì)。
(4)在惡劣條件下(高溫、高壓、化學(xué)腐蝕)低成本傳感器(支架、連接、安裝)的開發(fā)和應(yīng)用。
(5)新傳感機(jī)理的研究，開拓新型光纖傳感器。
參考文獻(xiàn)
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一、基于傳感技術(shù)探究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
在教學(xué)實(shí)踐中我利用傳感技術(shù)儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虻玫胶芎玫膶?shí)驗(yàn)效果。分析教材、根據(jù)教學(xué)目標(biāo)及學(xué)生的年齡特點(diǎn)合理選擇利用數(shù)字化傳感器材能夠有效提高課堂實(shí)驗(yàn)效果。課堂實(shí)驗(yàn)探究的高效，傳感技術(shù)儀器的有效使用，不僅需要分析教材，合理選材，還需要精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。只有通過有效的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和規(guī)范的實(shí)驗(yàn)操作，以學(xué)生為主體性，讓學(xué)生配合教師來完成實(shí)驗(yàn)，學(xué)生便于理解，又可增加學(xué)習(xí)興趣，才能使實(shí)驗(yàn)變得簡單易行，達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。以下是四上年級(jí)《運(yùn)動(dòng)起來會(huì)怎樣》一個(gè)有關(guān)于心率傳感器的實(shí)驗(yàn)。首先，連接手握心率傳感器、界面和計(jì)算機(jī)。其次，啟動(dòng)LoggerPro或LoggerLite軟件，最后，程序?qū)⒆詣?dòng)識(shí)別手握心率傳感器，這樣就可以準(zhǔn)備采集數(shù)據(jù)了。測(cè)量一個(gè)人在激烈活動(dòng)，例如做跳躍運(yùn)動(dòng)前、之間和之后的心率；測(cè)量一個(gè)人在運(yùn)動(dòng)后的心率返回平常心率要多久。讓學(xué)生在探究實(shí)踐的過程中，注重體驗(yàn)和感悟，又便于學(xué)生對(duì)知識(shí)的接受和理解，從而也激發(fā)學(xué)生的興趣。
二、傳感技術(shù)探究實(shí)驗(yàn)室的組建
為了提高實(shí)驗(yàn)探究效率，保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效開展，創(chuàng)建探究實(shí)驗(yàn)室，合理利用“數(shù)字化”儀器設(shè)備是非常重要的。數(shù)據(jù)采集器和傳感器的配備，主要用于采集并儲(chǔ)存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并根據(jù)探究需測(cè)定的參數(shù)。通過政府采購，我們采購到探究實(shí)驗(yàn)室套材，主要有濕度、音高、音量、光強(qiáng)、pH值、溶解氧濃度、電流、電壓、氧氣含量、二氧化碳含量等傳感器，還可以根據(jù)需求來自行選擇；同時(shí)，這些儀器的輕巧與便攜還為學(xué)生進(jìn)行戶外探究提供了可能。計(jì)算機(jī)軟件的安裝將傳感器插入計(jì)算機(jī)時(shí)，傳感器可以精確地測(cè)量實(shí)驗(yàn)中獲取的各種數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)采集器傳到計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)經(jīng)由配套軟件將數(shù)據(jù)以表格和圖像的形式呈現(xiàn)，并進(jìn)行分析處理。
三、傳感技術(shù)實(shí)驗(yàn)器材在拓展課程中的應(yīng)用
基于激光傳感器的船舶交通量觀測(cè)系統(tǒng),以激光傳感器作為船舶數(shù)據(jù)的采集手段,實(shí)現(xiàn)船舶特征識(shí)別;以多激光傳感器在航船舶通行檢測(cè)系統(tǒng)為基礎(chǔ),采用多源數(shù)據(jù)融合和機(jī)器學(xué)習(xí)方法實(shí)現(xiàn)船舶特征辨識(shí)和自適應(yīng)誤差控制。
由于系統(tǒng)中選用了兩臺(tái)不同型號(hào)的激光傳感器作為船舶特征信息的采集,它們采用的數(shù)據(jù)接口各異。因此,需選用不同的傳輸方式獲取其數(shù)據(jù)信息。通過對(duì)三種方案的實(shí)踐和比較,最終得到了合適的傳輸方案。
激光傳感器數(shù)據(jù)的傳輸
1、激光傳感器
激光傳感器船舶交通量觀測(cè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)和輔助子系統(tǒng)三個(gè)部分組成。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)中的激光傳感器通過自身激光頭的旋轉(zhuǎn),對(duì)物體進(jìn)行短時(shí)間的線掃描,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物截面的二維掃描,可實(shí)時(shí)采集航道上的目標(biāo)圖像。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)主要由兩臺(tái)激光傳感器組成。
2、激光傳感器數(shù)據(jù)的傳輸
傳輸方案:
傳輸方案:本方案為最初設(shè)計(jì)的傳輸方案,設(shè)計(jì)基于設(shè)備簡單、造價(jià)低廉、安裝方便的原則。 具體方案1號(hào)激光器采用以太網(wǎng)的無線傳輸,2號(hào)激光器由于沒有網(wǎng)絡(luò)接口,采用了通訊電纜RS422方式傳輸。
極限型相對(duì)于濃差型，不需要參比氣，在固體電解質(zhì)的陰極側(cè)進(jìn)一步設(shè)置限制氣體擴(kuò)散的擴(kuò)散層。當(dāng)在固體電解質(zhì)兩側(cè)施加一電壓，陰極附近的氧得到電子形成O2-，O2-通過固體電解質(zhì)到達(dá)陽極被還原失去電子產(chǎn)生氧，在電極電路中產(chǎn)生可測(cè)泵電流，這相當(dāng)于一個(gè)電化學(xué)氧泵。施加的電壓增大，泵氧速度增大，當(dāng)電壓超過某一數(shù)值，氣體擴(kuò)散速度小于泵氧速度，泵電流達(dá)到極限值。依據(jù)擴(kuò)散孔隙大小，分為普通擴(kuò)散（孔徑遠(yuǎn)大于分子平均自由程）和克努森（孔徑遠(yuǎn)小于分子平均自由程）擴(kuò)散。在擴(kuò)散層參數(shù)（擴(kuò)散系數(shù)、孔截面積、孔長度）固定時(shí)，普通擴(kuò)散（如小孔型）的極限電流與氧分壓的對(duì)數(shù)成正比；克努森擴(kuò)散（如多孔型）的極限電流與氧分壓成正比。極限型在理論空燃比附近以及濃燃燒（貧氧）區(qū)域產(chǎn)生電信號(hào)極其微弱，因此主要用于稀?。ǜ谎酰┤紵l(fā)動(dòng)機(jī)（即作為稀薄空燃比型）。極限型需要加熱器使得固體電解質(zhì)達(dá)到工作溫度。為了調(diào)整傳感器的響應(yīng)時(shí)間，極限型也發(fā)展了套管式、平板式。根據(jù)擴(kuò)散層類型，極限型包括物理擴(kuò)散障礙型（包括小孔擴(kuò)散和多孔擴(kuò)散）、化學(xué)擴(kuò)散障礙型（致密型）。物理擴(kuò)散障礙的材料一般為Al2O3；化學(xué)擴(kuò)散障礙的材料是固體電子-離子混合導(dǎo)體，后者是依靠混合導(dǎo)體兩側(cè)的氧化學(xué)勢(shì)差，通過混合導(dǎo)體的晶格缺陷將O2-傳輸至氧泵電池的陰極，混合導(dǎo)體的材料可為鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鑭系過渡金屬氧化物（如鑭鍶錳、鑭鍶鈷、鑭鍶鎳、銣鍶鈷、銣鈣鈷等）、稀土與過渡金屬摻雜的氧化鈰和氧化鋯為基體的螢石與燒綠石型氧化物。另外，利用濃差電池原理和電化學(xué)氧泵原理可組成管式或板式雙電池型寬域氧傳感器，該型傳感器可用于整個(gè)濃燃燒和稀薄燃燒范圍的空燃比控制。
2氧化物半導(dǎo)體型
在氧化物半導(dǎo)體表面上形成一對(duì)電極。根據(jù)周圍氣氛的分壓，氧化物半導(dǎo)體（如TiO2、Nb2O5、CeO2、CoO2、SnO2、ZnO等）自身進(jìn)行氧化或還原反應(yīng)，導(dǎo)致半導(dǎo)體的電阻發(fā)生變化。在溫度固定時(shí)，半導(dǎo)體電阻的對(duì)數(shù)與氧分壓的對(duì)數(shù)成正比。該型傳感器需要加熱器使得半導(dǎo)體達(dá)到工作溫度，不需要參比氣，按照結(jié)構(gòu)分為燒結(jié)體型（片狀）、薄膜型、厚膜型。
3場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）型或肖特基勢(shì)壘二極管型
電極形成在FET的YSZ柵上或半導(dǎo)體表面的氧敏膜上。在氣/鉑/YSZ或氣/鉑/TiO2三相界面上，氧被催化為O2-，使得鉑/YSZ或鉑/TiO2界面的電位發(fā)生變化，進(jìn)而使得FET閾值電壓或二極管端電壓發(fā)生變化，通過測(cè)量FET閾值電壓或二極管端電壓變化獲得氧分壓。該型傳感器適用于室溫到高溫。
4混合電勢(shì)型
1.1無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)很受大眾的喜歡與它的高科技的發(fā)展是分不開的，而且許多國家也很重視它的發(fā)展，世界各國的工業(yè)界、高科技界和學(xué)術(shù)界對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展展開了猛烈的攻勢(shì)，希望可以通過靠科技技術(shù)的結(jié)合實(shí)現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步，許多國家還將無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)列入國家的重點(diǎn)研究技術(shù)，而且一些周刊和雜志對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)的評(píng)價(jià)也很高，認(rèn)為無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是未來引領(lǐng)世界計(jì)算機(jī)進(jìn)步的主要技術(shù)。
1.2無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在我國的發(fā)展還很緩慢，這主要是由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在我國出現(xiàn)的時(shí)間比較晚，無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在我國的研究方案中還處在初級(jí)階段，與西方一些發(fā)達(dá)國家相比，存在嚴(yán)重的滯后性，我國在無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)上的研究主要局限在仿真計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等，在人們的生活和軍事中的應(yīng)用還很少，而且無線網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在已經(jīng)可以用來作環(huán)境監(jiān)測(cè)，我國卻沒有將無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到實(shí)處。
1.3目前，中國的未來技術(shù)研究方向中有幾項(xiàng)是專門針對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行直接論述的，而且在一些重大會(huì)議的決策里面，也將無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)列為三大前沿信息技術(shù)，無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的自發(fā)組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能感知技術(shù)都成為中國重點(diǎn)信息技術(shù)研究，無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在我國如此重視的情況下一定會(huì)有所成就，無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也成為社會(huì)信息技術(shù)發(fā)展的必然，在我國，信息技術(shù)領(lǐng)域廣泛地被應(yīng)用已經(jīng)成為不爭的事實(shí)，對(duì)人們的生活、工作和社會(huì)的發(fā)展帶來很深刻的影響。
2無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展
2.1無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)代社會(huì)，人類的生活水平在逐漸的提高，人們對(duì)于環(huán)境的探討也越來越重視，環(huán)境方面的應(yīng)用科學(xué)也越來越多，傳統(tǒng)的環(huán)境探索的模式已經(jīng)不能滿足人們對(duì)環(huán)境探索強(qiáng)烈的欲望，而且關(guān)于環(huán)境的采集數(shù)據(jù)的難度也越來越大。無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)及時(shí)地解決了環(huán)境探索方面的難關(guān)，無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)戶外的野生動(dòng)物的跟蹤、發(fā)現(xiàn)和保護(hù)做出了巨大的貢獻(xiàn)，通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，人們能夠?qū)Ω鞣N野生動(dòng)物的生存成長環(huán)境做監(jiān)測(cè)，比如說動(dòng)物生存環(huán)境的氣象、洪澇災(zāi)害、地球的物理環(huán)境、環(huán)境的污染狀況、大氣的監(jiān)測(cè)等等，根據(jù)監(jiān)測(cè)的結(jié)果采取必要的保護(hù)措施和改善措施。
2.2無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)起于軍事領(lǐng)域，無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在軍事上的應(yīng)用是它能夠在國家的邊疆上站崗放哨做警衛(wèi)，將無線傳感網(wǎng)絡(luò)器安置在國家的邊疆防線上，士兵可以直接通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)國家邊疆進(jìn)行防御，接受來自不同方向的信息并及時(shí)果斷地做出相應(yīng)的措施。無線傳感器在軍事上的另外一個(gè)應(yīng)用就是可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位，以及時(shí)地防范敵軍的可能的侵襲和進(jìn)攻，還可以通過無線傳感技術(shù)對(duì)無人駕駛的車輛進(jìn)行擺布，戰(zhàn)爭結(jié)束后，無線傳感網(wǎng)絡(luò)還能對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)的破壞性和環(huán)境污染程度進(jìn)行監(jiān)測(cè)并且評(píng)估。
2.3無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在家庭生活中的應(yīng)用和發(fā)展無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)最貼近人的生活的應(yīng)用就是在家庭生活中的應(yīng)用，無線傳感網(wǎng)絡(luò)器可以為人民的生活提供很多方便，并且能夠使人們的生活環(huán)境更舒適，無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為人們的生活提供比較人性化智能家居，比如說像冰箱、真空吸塵器、錄像機(jī)和微波爐等，這樣用戶就可以在遠(yuǎn)處遙控這些家用產(chǎn)品，而且還能通過無線傳感技術(shù)在家里的主要房間安裝監(jiān)測(cè)器，以便隨時(shí)控制家里的安全。
2.4無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)的應(yīng)用和發(fā)展無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在健康護(hù)理人的方面的應(yīng)用主要是用來對(duì)患者和醫(yī)生的行為進(jìn)行監(jiān)測(cè)，人的身體里面有很多我們并不知道的生理和心理數(shù)據(jù)，將無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)安裝在病人的身上就可以隨時(shí)觀察病人的病情，并得到及時(shí)的救治，無線網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù)在不久的將來會(huì)更加的方便，用途也會(huì)更加的多，還能實(shí)現(xiàn)醫(yī)療的遠(yuǎn)程遙控。
3結(jié)束語
現(xiàn)在在各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中都普遍的運(yùn)用到了傳感器技術(shù)，集成化方向已經(jīng)成為機(jī)電系統(tǒng)當(dāng)中的傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，集成化傳感器具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性、較輕的重量、較小的體積以及較高的可靠性等特點(diǎn)，同時(shí)還具有較低的生產(chǎn)成本，非常容易實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，因此具有非常廣闊的發(fā)展前景。
2傳感器技術(shù)在機(jī)電技術(shù)當(dāng)中的應(yīng)用
由于傳感器的電磁兼容性能比較強(qiáng)，因此具有較高的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)可行性，同時(shí)還不容易丟失其中的模塊參數(shù)。智能濾波算法以及A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)等先進(jìn)的技術(shù)都在傳感器當(dāng)中得到了應(yīng)用，就算是滿量程的時(shí)候，傳感器仍然可以使穩(wěn)定的輸出碼得到保證。傳感器的通訊接口屬于標(biāo)準(zhǔn)的接口，其能夠與計(jì)算機(jī)進(jìn)行直接的連接，同時(shí)也可以連接標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)控制總線，具有十分靈活的使用方式。
2.1在機(jī)器人中傳感器技術(shù)的應(yīng)用
作為典型的仿生裝置，機(jī)器人對(duì)傳感器技術(shù)進(jìn)行了充分的應(yīng)用。通過將感知到的物理量向電量進(jìn)行轉(zhuǎn)化，機(jī)器人就可以實(shí)現(xiàn)信息輸出，在這個(gè)過程中對(duì)機(jī)器人傳感技術(shù)進(jìn)行了充分的利用，其中包括兩方面的內(nèi)容，也就是外部傳感器以及內(nèi)部傳感器。外部傳感器需要通過檢測(cè)外部信息，從而對(duì)工作環(huán)境進(jìn)行判別，為機(jī)器人提供必要的信息，使之能夠?qū)Σ僮鲗?duì)象進(jìn)行準(zhǔn)確的控制。而實(shí)施系統(tǒng)的控制是內(nèi)部傳感器的主要功能，其能夠?qū)C(jī)器人的狀態(tài)進(jìn)行有效的檢測(cè)，保證機(jī)器人在工作的過程中能夠按照要求來進(jìn)行。內(nèi)部傳感器可以將具有價(jià)值的信息提供給外部傳感器，從而能夠使機(jī)器人對(duì)外部的環(huán)境產(chǎn)生有效的感知，并且將相應(yīng)的動(dòng)作做出。與此同時(shí)，在科技生產(chǎn)的過程中，還可以利用對(duì)機(jī)器人的操作從而能夠?qū)Ψ答伒囊庖娺M(jìn)行獲取。
2.2在機(jī)械制造行業(yè)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用
由于在機(jī)械制造行業(yè)當(dāng)中需要實(shí)施包括加工精度等在內(nèi)的動(dòng)態(tài)特性測(cè)量，因此要利用傳感器針對(duì)機(jī)械阻抗以及振動(dòng)等相關(guān)部件當(dāng)中的參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，從而對(duì)其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行檢驗(yàn)。如果需要在線監(jiān)測(cè)與控制超精加工中的零件尺寸的時(shí)候，就要利用傳感器將相關(guān)的信息提供出來。比如利用傳感器針對(duì)數(shù)控車床中車刀的位置進(jìn)行檢測(cè)；由于工件的表面精度以及尺寸在很大程度上都會(huì)受到刀尖形狀的影響，可以采用在車刀上放置的振動(dòng)傳感器對(duì)其鋒銳的程度進(jìn)行檢驗(yàn)。還可以利用液面?zhèn)鞲衅麽槍?duì)液壓系統(tǒng)中的油量以及車床中的油進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
2.3在環(huán)境當(dāng)中傳感技術(shù)的應(yīng)用
傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測(cè)當(dāng)中通常具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，其中包括無需專人現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)、可以長期不用對(duì)電池進(jìn)行更換、具有十分簡單的布置等?？梢岳脤?duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行密集的布置，從而對(duì)微觀的環(huán)境因素進(jìn)行觀察。在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域當(dāng)中對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)具有非常廣泛的應(yīng)用，其中包括微觀觀測(cè)生物群落、森林火災(zāi)報(bào)警、觀察氣象現(xiàn)象、觀測(cè)海島鳥類的生活規(guī)律等。
2.4在火災(zāi)報(bào)警當(dāng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用
防災(zāi)報(bào)警裝置是現(xiàn)代建筑必須要具備的，其中最為關(guān)鍵的就是火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。在發(fā)生火災(zāi)的時(shí)候一般都會(huì)出現(xiàn)有害氣體、高溫、火光以及煙霧等。如果將傳感器運(yùn)用到火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)當(dāng)中，就可以對(duì)異常的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，使之變成容易進(jìn)行傳送的形式，然后就可以利用消防網(wǎng)絡(luò)向指揮中心提供火災(zāi)地點(diǎn)的報(bào)告。
3結(jié)語
本文以常用的車載物流過程為研究對(duì)象，在貨柜中部署傳感器節(jié)點(diǎn)，來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)貨物運(yùn)輸過程的相關(guān)環(huán)境參數(shù)，WSN中的匯聚節(jié)點(diǎn)通過藍(lán)牙傳輸協(xié)議將數(shù)據(jù)傳給作為網(wǎng)關(guān)的智能手機(jī)，智能手機(jī)通過GPS衛(wèi)星定位將位置信息加入到參數(shù)數(shù)據(jù)中，再通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_(tái)系統(tǒng)中。本論文研究主體為車載部分，其架構(gòu)如圖2所示。
1.1傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)相關(guān)環(huán)境參數(shù)，并對(duì)其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)，使數(shù)據(jù)通過WSN傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)處，其處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力要求不高，因此采用簡單節(jié)約的設(shè)計(jì)方案。如圖3所示，傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、處理器模塊、射頻模塊、電源模塊和電路等部分組成。傳感器模塊負(fù)責(zé)對(duì)所需參數(shù)進(jìn)行采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換。處理器模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，存儲(chǔ)和處理傳感器模塊采集的以及射頻模塊發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。射頻模塊負(fù)責(zé)與其他節(jié)點(diǎn)之間的通信，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送或接收。電源模塊負(fù)責(zé)為整個(gè)節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量，是決定節(jié)點(diǎn)壽命的關(guān)鍵因素之一。電路則包括聲光電路、復(fù)位電路及接口電路等。（1）處理器模塊。處理器模塊是傳感器節(jié)點(diǎn)的核心部分，本設(shè)計(jì)方案中，處理器選用德州儀器（TI）公司的16位超低功耗微控制器MSP430F135，該處理器采用1.8V-3.6V的低電壓供電，可以在低電壓下以超低功耗狀態(tài)工作，非常適合應(yīng)用在對(duì)功耗控制要求甚高的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。該處理器同時(shí)擁有較強(qiáng)的處理能力和較豐富的片內(nèi)資源，擁有16kB閃存、512BRAM、2個(gè)16位的定時(shí)器、1個(gè)通用同步異步接口（USART）、12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和6個(gè)8位并行接口。（2）射頻模塊。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用中，傳感器節(jié)點(diǎn)既需要發(fā)射又需要接收數(shù)據(jù)，因此本設(shè)計(jì)方案中的射頻模塊采用收發(fā)一體的無線收發(fā)機(jī)。射頻模塊采用Chipcon公司推出的無線收發(fā)芯片CC2420，它的工作電壓位于2.1~3.6V之間，收發(fā)電流不超過20mA，功耗低；其具有很高的集成度，只需要較少的電路就可工作，天線設(shè)計(jì)采用PCB天線，進(jìn)一步減小模塊體積。CC2420工作在2.4GHz頻段上，支持IEEE802.15.4和Zig-Bee協(xié)議；采用O-QPSK調(diào)制方式，抗鄰道干擾能力強(qiáng)；128B接收和128B發(fā)射用的數(shù)據(jù)緩存空間，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)250kb-ps。（3）傳感器模塊。傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集部分根據(jù)實(shí)際需要選擇相應(yīng)的傳感器，如溫度、濕度、振動(dòng)、光敏、壓力等傳感器。本文的研究重點(diǎn)不在傳感器上，因此僅以溫濕度傳感器作為例子。本方案采用Sensirion公司的SHT15溫濕度傳感器，該傳感器將傳感元件和信號(hào)處理電路集成在一起，輸出完全標(biāo)定的數(shù)字信號(hào)[3]。其工作溫度范圍在-40℃-123.8℃之間，其在-20℃-70℃范圍內(nèi)，溫度測(cè)量精度在±1℃以內(nèi)；濕度范圍在0%-100%之間，在10%-90%范圍內(nèi)，濕度測(cè)量精度在±2%以內(nèi)。
1.2匯聚節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)中，匯聚節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)是接收傳感器節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)，進(jìn)行存儲(chǔ)和處理后傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)處，同時(shí)，接收來自網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的信息，向傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)任務(wù)。匯聚節(jié)點(diǎn)是連接WSN和外部網(wǎng)絡(luò)的接口，實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議間的轉(zhuǎn)換，使用戶能夠訪問、獲取和配置WSN的資源，對(duì)其處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力要求較高。而為了與傳感器節(jié)點(diǎn)匹配，匯聚節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)與傳感器節(jié)點(diǎn)基本相似，如圖4所示，匯聚節(jié)點(diǎn)沒有傳感器模塊，增加了存儲(chǔ)器模塊和藍(lán)牙通信模塊。（1）處理器模塊。同樣的，處理器模塊也是匯聚節(jié)點(diǎn)的核心部分，主要負(fù)責(zé)控制整個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)的操作，存儲(chǔ)和處理來自射頻模塊或者藍(lán)牙通信模塊的數(shù)據(jù)，再將處理結(jié)果交給射頻模塊或者藍(lán)牙通信模塊發(fā)送出去。本設(shè)計(jì)方案中，處理器選用TI公司的16位超低功耗微控制器MSP430F1611，該處理器和MSP430F135一樣，可以在1.8V~3.6V的低電壓下以超低功耗狀態(tài)工作，但其擁有更強(qiáng)的處理能力和更豐富的片內(nèi)資源，48kB閃存和10KBRAM、2個(gè)16位定時(shí)器、1個(gè)快速12位ADC、雙12位DAC、2個(gè)USART接口和6個(gè)8位并行I/O接口。（2）存儲(chǔ)器模塊?？紤]到物流運(yùn)輸過程中環(huán)境多變，容易帶來一些不確定因素，這些不確定因素可能引起處理器自帶的存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)丟失，因此匯聚節(jié)點(diǎn)需要存儲(chǔ)一些重要的數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)方案中，匯聚節(jié)點(diǎn)的外部存儲(chǔ)器芯片選用由Mi-crochip公司生產(chǎn)的24AA64，工作電壓低至1.8V，它采用低功耗CMOS技術(shù)，工作時(shí)電流僅為1mA，而且可以在惡劣的環(huán)境下穩(wěn)定工作。由于匯聚節(jié)點(diǎn)對(duì)存儲(chǔ)容量要求不高，而且24AA64芯片的存儲(chǔ)容量為64KB，擦寫次數(shù)可達(dá)到百萬次，因此一塊芯片即可滿足本系統(tǒng)的存儲(chǔ)要求。（3）藍(lán)牙通信模塊。本系統(tǒng)采用智能手機(jī)作為后臺(tái)系統(tǒng)和WSN之間的網(wǎng)關(guān)，來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸。為了使匯聚節(jié)點(diǎn)與智能手機(jī)能夠進(jìn)行通信，采用藍(lán)牙通信協(xié)議。而在匯聚節(jié)點(diǎn)使用藍(lán)牙通信方式需要增加一個(gè)藍(lán)牙通信模塊。本設(shè)計(jì)方案中，采用SparkFun公司的BlueSMiRF模塊，其工作電壓為3.3V-6V，工作電流最大為25mA，功耗較低；其最大傳輸距離為100m，通信速率最高可達(dá)115200bps；其天線為PCB天線，所需器件很少，故模塊的體積很小，可以通過串行接口直接與處理器模塊相連。
1.3網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)要求在后臺(tái)系統(tǒng)和WSN部署點(diǎn)間進(jìn)行雙向通信，為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸功能，有兩種方案，一是匯聚節(jié)點(diǎn)增加移動(dòng)通信模塊，如GPRS模塊[4]；二是采用智能手機(jī)作為后臺(tái)系統(tǒng)和匯聚節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)關(guān)。方案一對(duì)匯聚節(jié)點(diǎn)的要求進(jìn)一步提高，不僅處理過程更加復(fù)雜，其能量消耗也大大提高；另一方面要實(shí)現(xiàn)物流過程的跟蹤，還需有定位功能，一般采用GPS模塊[5]，這樣成本也將大大提高。相比之下，方案二優(yōu)勢(shì)明顯，采用智能手機(jī)可以進(jìn)行各種復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，使用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)與后臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行通信，使用內(nèi)置的GPS定位功能，后臺(tái)用戶可以在緊急事件發(fā)生時(shí)直接聯(lián)系貨車司機(jī)等。因此，本系統(tǒng)采用智能手機(jī)作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)方案中，采用中國移動(dòng)M811手機(jī)作為測(cè)試對(duì)象，其支持4G/3G/GPRS等移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，可以方便地使用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與后臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行通信；其具有GPS定位功能，可以實(shí)現(xiàn)貨車定位；具有藍(lán)牙通信功能，可與匯聚節(jié)點(diǎn)間采用藍(lán)牙通信；使用An-droid4.0操作系統(tǒng)，擁有豐富的開源資源，方便軟件的設(shè)計(jì)。
2系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)使用WSN中的傳感器節(jié)點(diǎn)檢測(cè)物流過程中相關(guān)環(huán)境參數(shù)并發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)處，由其將數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙連接傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)，智能手機(jī)通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將加入GPS信息的數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_(tái)服務(wù)器。系統(tǒng)各部分的工作任務(wù)不一，硬件條件也有很大差別，因此系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)也十分關(guān)鍵。
2.1傳感器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)主要承擔(dān)數(shù)據(jù)采集和發(fā)送的工作，由于其能量及處理資源有限，因此需要采取節(jié)能和減少數(shù)據(jù)處理的設(shè)計(jì)方案。本設(shè)計(jì)方案中，傳感器節(jié)點(diǎn)采取按需求喚醒的工作方式，檢測(cè)等待時(shí)間（等待時(shí)間可由后臺(tái)設(shè)置）未到或者沒有收到匯聚節(jié)點(diǎn)命令時(shí)節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)；當(dāng)?shù)却龝r(shí)間一到或者收到命令時(shí)，立刻開始工作，進(jìn)行采集數(shù)據(jù)并發(fā)送，或者根據(jù)命令完成相應(yīng)操作，完成后又進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下一次激活，其程序流程如圖5所示。
2.2匯聚節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)匯聚節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)是接收傳感器節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)，處理后通過藍(lán)牙傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)處，同時(shí)接收來自網(wǎng)關(guān)的命令，完成相應(yīng)的操作。相比于傳感器節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)的工作更加復(fù)雜，而且其能量和處理資源也不多，因此采取與傳感器節(jié)點(diǎn)相似的節(jié)能設(shè)計(jì)方案，將復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理工作交予網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，其程序流程如圖6所示。
2.3智能手機(jī)APP設(shè)計(jì)智能手機(jī)作為本系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，承擔(dān)協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理等復(fù)雜工作，因此開發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用程序（Applica-tionProgram，簡稱APP）來實(shí)現(xiàn)上述功能，其流程圖如圖7所示。該APP實(shí)現(xiàn)對(duì)智能手機(jī)內(nèi)部藍(lán)牙模塊的調(diào)用，通過藍(lán)牙連接與匯聚節(jié)點(diǎn)通信；利用智能手機(jī)的GPS模塊獲取位置信息，加入到接收到的傳感器數(shù)據(jù)中，再通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)胶笈_(tái)系統(tǒng)；接收后臺(tái)系統(tǒng)的命令，完成相應(yīng)的操作；同時(shí)通過智能手機(jī)對(duì)應(yīng)的界面提供數(shù)據(jù)顯示、告警提醒以及日志功能。
3結(jié)語
