复合传感范文

复合传感范文（精选8篇）

复合传感 第1篇

视频监控系统常用固定摄像机进行目标监控,但是由于视角有限,只能监控有限的区域。而可移动、旋转的摄像机可以改变拍摄视角,扩大监控范围,获得较为全面和完整的目标运动信息。去背景法[1]、帧差法[2]、光流法[3]是运动目标检测的常用,但适用于静态背景目标检测的去背景法、帧差法不适用于背景和图像同时随摄像机运动而改变的情况,而且光流法对环境变化的敏感度很高,计算较为复杂。因此,考虑到实用性与实时性,提出采用惯性传感器(集成三轴加速度计与陀螺仪)与摄像机结合拍摄,对序列图像进行运动补偿,使图像背景配准的改进帧差法。

2 帧差法动态目标检测

帧差法的基本原理是根据运动目标在图像序列中像素的变化,环境的变化并不会特别明显,这使得帧差法实现起来较为简单,而且噪声较小。将差分图像进行二值化运算,帧差法的关键在于阈值的选择,若选择的阈值过小,会引入不必要的噪声,造成误检或多检;若选择的阈值过大,会屏蔽掉部分有用信息。阈值可以不断学习训练进行设定。

3 图像背景配准

当摄像机的姿态发生变化就会导致被拍摄的物体影像发生一定的运动偏移。而图像序列的补偿,就是根据惯性传感器所采集的数据求取帧间图像的运动矢量,对原始图像进行补偿,从而稳定背景图像,实现运动目标检测。在实际图像的捕获过程中,连续两帧图像之间的产生的全局运动可以近似的表现为平移运动(x,y)和绕光轴的旋转运动。帧内图像参考点(x,y)在经过旋转运动后所处的坐标点为(x,y),再经过平移运动后,在当前帧内所处坐标为(x,y)。

3.1 图像序列平移补偿

图像的平移补偿是根据求得的平移运动矢量,将原图像中的所有点都按照指定的平移量水平、垂直移动。点经由图像的水平平移量和垂直平移量移动到点存在如下关系:

在惯性数据采集系统中,根据陀螺仪所采集到的数据,将该陀螺仪的输出信号通过积分转换成相机的俯仰角、横滚角、方向角。这些姿态角,根据公式:

便可求出平移变化矢量,再按照平移矢量的反方向将图像进行整体移动,可实现图像的平移补偿。

3.2 图像序列旋转补偿

图像序列间的运动常常不仅包含平移,而且还包含旋转,对于图像旋转量的补偿是补偿图像运动的难点。由于一般的相机靶面都是矩形的,因此图像在旋转后的轮廓会与原先的图像轮廓有所出入,所以,补偿运动前先要计算图像顶点旋转后的坐标值,假设旋转中心为(x0,y0),补偿公式为:

4 改进帧差法动态目标检测

传统帧差法仅适用于静态背景中动态目标的检测,因此需要通过对序列运动补偿分析的基础上,运用全局参数校正摄像机运动对于背景的影响再差分相邻两幅图像。选择两帧图像如图1所示。

完成相邻两帧图像背景配准后,进行背景差分得到二值图像如图2所示。

将面积小于设定阈值的区域去除,可得完整的运动目标区域。

通过改进帧差法消除背景,获得运动目标区域如图3所示,能够正确的识别运动目标并进行标示。

5 结语

通过分析了摄像机在进行图像序列的拍摄过程中发生的姿态变化,补偿图像背景,稳定图像序列。在分析运动目标检测现有方法的基础上,对图像帧差法进行了方法的改进,并用光流法与改进帧差法分别进行验证与分析,证实改进的帧差法在动态目标检测上更为准确。

摘要：针对移动摄像机进行大视角运动目标检测,在帧差法基础上,提出了一种适用且实时性好的检测方法,使其适用于动态背景下的动态目标检测。摄像机与惯性传感器结合拍摄,利用惯性传感器采集的惯性数据得到摄像机的全局运动参数,从而获得摄像机拍摄各帧图像的相对位置关系,进行图像背景配准补偿,得到校正后的图像,再根据帧差法检测出运动目标。实验表明,改进帧差法运算速度快,可以实现传统帧差法解决不了的动态背景下的目标。

关键词：帧差法,动态目标检测,背景配准

参考文献

[1]张正华,许晔等.基于背景差分和混合帧差的运动目标检测[J].信号与信息处理,2012,42(8).

[2]高凯亮,覃团发等.一种基于帧差法与背景减法的运动目标检测新方法[J].电讯技术,2011,51(10).

复合传感 第2篇

应用匀胶旋涂和退火处理的方法将纳米级SnO2和具有规则阵列结构和多孔结构的硅微米/纳米结构复合体系硅纳米孔柱阵列(Si-NPA)进行很好地复合,对复合材料的电阻酒敏特性进行了测试.结果表明,SnO2/Si-NPA与Si-NPA相比对酒精具有更高的灵敏度和更好的.长期稳定性SnO2/Si-NPA良好的酒精敏感性能被归因于复合薄膜材料既保持了衬底材料独特的微纳双重结构,又保证了SnO2能够发挥其在传感方面的作用,即高灵敏度来自干其巨大的比表面积对酒精分子的物理吸附和材料对酒精分子化学吸附.通过工艺条件的进一步改进以及气体标定系统和信号检出系统进行配套设计与优化,可望开发出性能优异的酒敏传感元件.

作 者：陈绍军 冯春岳 李新建 CHEN Shao-jun FENG Chun-yue LI Xin-jian  作者单位：陈绍军,CHEN Shao-jun(河源职业技术学院机电系,河源,517000;郑州大学物理系,材料物理教育部重点实验室,郑州,450052)

冯春岳,李新建,FENG Chun-yue,LI Xin-jian(郑州大学物理系,材料物理教育部重点实验室,郑州,450052)

刊 名：科学技术与工程  ISTIC英文刊名：SCIENCE TECHNOLOGY AND ENGINEERING 年，卷(期)：2008 8(8) 分类号：O484.42 关键词：硅纳米孔柱阵列   酒敏特性   SnO2 气体传感器  

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一种无线复合传感器网络的设计 第3篇

无线传感器网络 (Wireless Sensor Network) 是一种由众多无线传感器节点构成的网络, 能够随时监测、采集被测环境或被测对象的相关信息及各种数据, 并对这些数据信息进行处理, 然后以无线的方式发送出去, 通过无线网络最终发送给终端。当每一个传感器节点不再使用单一功能的传感器, 而采用集成了两个以上检测不同物理量的复合型传感器时, 便形成了无线复合传感器网络。无线传感器网络综合了传感技术、微电子技术、通信技术、计算机技术和分布式信息处理技术等多个学科, 是新兴的交叉研究领域, 被称为二十一世纪最具影响的技术之一。

2 系统总体设计

如图1所示, 无线复合传感器网络是由众多无线复合传感器节点构成, 以传感器节点01为例, 系统首先由检测传感器实现数据采集, 即物理量测量, 包括温度、压力、湿度等, 输出信号为物理量的数字信号;节点将信号传输至微处理器, 并将这三种有效数据依照通讯协议, 结合测试点地址进行地址编码, 数据处理等, 然后打包成数据包, 利用Zig Bee协议, 将数据包无线传输给无线数据收/发模块GPRS DTU。微处理器还要控制传感器的采集频率、无线数据通讯的发送频率及供电逻辑, 以实现系统最低功耗运行。无线数据收/发模块GPRS DTU借助通讯运营商的基站和网络将数据包无线传输给远距离的控制中心, 控制中心的无线数据收/发模块GPRS DTU接收数据, 并传输用户终端进行数据处理。

2.1 无线复合传感器节点

无线复合传感器节点由传感器部分、数据处理及地址编码部分、无线通讯模块、电源及管理策略部分构成。

2.1.1 传感器

传感器部分包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器, 依据实际情况, 在通讯端口可级联或扩展的情况下, 还可以预留其他物理量传感器的接口。如图2所示。

无线传感器网络中的传感器, 通常因为实际使用环境的原因, 需要结构坚固、体积小巧、安装方便。同时, 由于每一个传感器节点需要独立供电, 因此超低功耗也是敏感元件选择上的关键要素。

温湿度传感器选用高集成度数字温湿传感器SHT11, 它的敏感芯体选用了电容性聚合体湿度敏感元件和能隙材料制成的温度敏感元件。利用片上集成的信号变换器分别将湿度和温度转换成电信号, 该电信号首先进入微弱信号放大器进行放大, 然后进入一个片上集成的14位的A/D转换器, 最后经过二线串行数字接口输出数字信号。其高集成度降低了芯片的功耗, 在测量状态其功耗为3m W, 测量和通信结束后, 自动转入低功耗模式, 休眠模式下功耗只有2u W, 平均功耗150u W;同时体积也很微小, 它的外形尺寸只有7.62 mm5.08mm2.5mm。

压力传感器选用一款采用MEMS技术制作的高分辨率压力传感器BA5803, 它将高线性硅压阻压力传感器与一个低功耗的24位模数转换电路 (ADC) 集成于一体, 把从压阻式传感器输出的未经补偿的模拟电压直接转换为24位的数字信号, 即数字压力值。相对于以前的模拟信号输出的产品, 减少了信号放大电路, 标定校准寄存器等电路, 不但节省了成本, 缩小了体积, 该产品的体积只有6.4mm6.2mm2.88mm, 更降低了产品的功耗, 峰值电流1.4m A, 静态电流最低只有0.02u A。

以上温度、湿度、压力三种传感器的选择都是以高精度, 小体积, 低功耗为原则, 这也是网络传感器节点的重要属性之一。而且以上产品都采用了各自不同的方式实现了数字输出, 温湿度传感器采用二线串行数字接口;压力传感器支持SPI和I2C总线传输协议, 更方便与微处理器进行通讯和匹配, 用户可根据实际应用的转换速度和功耗在软件中选择不同的工作模式。

2.1.2 微处理器与地址编码

功耗是无线复合传感器网络设计的重要因素, 在选择微处理器时, 不但要考虑处理器本身具有极低的功耗, 而且还要考虑这款处理器可以提供一种设计, 使其余芯片也能实现最小功耗的功能。基于这种考虑, 无线网络节点中的微处理器选用纳瓦技术芯片8位PIC18F系列单片机, 休眠模式时在2.5V/25摄氏度条件下的典型待机电流是0.6u A;具备可承受5V电压的数字I/O;拥有多种通信通道。在纳瓦技术中设有功耗管理模式, 在运行时, 开启CPU和外部芯片, 在空闲时, 开启外部芯片、关闭CPU, 而在休眠时, 则关闭CPU和外部芯片, 这种灵活的方式可以通过软件选择时钟以最低功耗来实现性能要求。如图3所示。

对于无线复合传感器网络众多的传感器数据, 系统需要确定每个设备数据的地址及来源, 也就是地址编码。我们可以利用PIC18F丰富的硬件资源采用程序软件来进行地址编码, 这样既节省了硬件成本, 降低系统功耗, 同时也增加了数据的可靠性。如图4所示。

2.1.3 无线通讯模块

无线复合传感器节点内的通讯模块采用ZIGBEE无线方式将接收到的传感器采集节点的数据发送给数据收发模块, 识别各传感器采集节点地址, 然后打包并发送数据

Zig Bee技术的突出特点是应用简单、组网能力强、可靠性高以及成本低, 最重要的是Zig Bee的待机功耗比较低为 (3~40) u A, 功耗很低。

系统选用的是飞思卡尔公司提供的带数据调制解调器的射频收发芯片MC13192。该芯片性能稳定, 功耗很低, 采用经济高效的CMOS设计, 几乎不需要外部组件。

MC13192选择的工作频率是2.405~2.480GHz, 数据传输速率为250kbps, 采用O-QPSK调试方式。这种功能丰富的双向2.4GHz收发器带有一个数据调制解调器, 它还具有一个优化的数字核心, 有助于降低MCU处理功率, 缩短执行周期。芯片采用2.7V供电, 接收状态耗电37m A, 发射状态耗电30m A, 功耗很低;QFN-32封装, 尺寸为5mm5mm, 是同类芯片中尺寸最小的。

图5是MC13192应用于Zig Bee网络终端设备典型应用电路。要发送的信号从MCU通过SPI口传送到MC13192中, 经过扩频O-QPSK调制到载波后通过发通路从天线发射出去。从天线来的射频信号经过收通路传送到MC13192中, 经过解调、解扩得到原始的数据, 再通过SPI接口传送到MCU, MCU同时提供对收发通路切换的控制。

2.1.4 电池及供电管理策略

根据本系统芯片与传感器的选型, 可选用3.6V/3.6A的锂电池为传感器节点供电。如何管理电池供电, 制定供电管理策略将是控制系统功耗大小的关键。前面介绍过纳瓦技术的微处理器PIC18FX, 本系统的供电管理主要依靠其提供的功耗管理技术。

纳瓦技术微控制器就是专门为减小电流消耗而设计的, 主要通过降低工作电流、选用较低的时钟频率以及关断机制来实现。使微控制器工作在3V电压和32k Hz时钟的情况下, 电流消耗将从过去CMOS微控制器的1~2m A降到18μA以下, 而且有一半时间都处于睡眠状态。PIC18F系列器件提供了只需通过管理CPU和外设的时钟源就可以管理功耗的功能。为了在应用中管理功耗, 提供了三种主要的工作模式:运行模式、空闲模式、休眠模式, 这些模式定义了器件的哪些部分由时钟源驱动, 以及以多高的时钟速度驱动。运行和空闲模式可以使用主时钟源、辅助时钟源或内部振荡电路中的任意一种;而休眠模式则不使用时钟源。功耗管理模式节约功耗的功能之一是时钟切换功能, 该功能允许控制器使用Timer1振荡器代替主振荡器。节约功耗的功能还有休眠模式, 在此模式下所有器件时钟均停止。

根据长期监测的实际情况, 无线复合传感器节点无需设置为实时监测, 可设计为定时监测, 以一天监测四次为例, 监测时间间隔为六小时, 依据纳瓦技术特点, 控制策略如图6所示。

2.2 GPRS无线数据收发

无线数据收发模块通过无线方式接收传感器采集节点的数据, 然后打包数据, 发送数据。本系统采用GPRS进行无线数据收发。

GPRS是利用“包交换” (Packet-Switched) 来进行无线传输的, 所谓“包交换”就是将数据封装成许多独立的封包, 再将这些封包一一传送出去。GPRS工作时, 通过路由管理来进行寻址和建立数据连接, 而GPRS的路由管理表现在以下三方面:移动终端发送数据的路由建立;移动终端接收数据的路由建立;以及移动终端处于漫游时数据路由的建立。

2.2.1 路由管理

移动终端发送数据的路由建立, 当移动终端产生了一个PDU分组数据单元, 这个PDU经过SNDC层处理, 称为SNDC数据单元。然后经过LLC层处理为LLC帧通过空中接口送到GSM网络中移动终端所处的SGSN。SGSN把数据送到GGSN。GGSN把收到的消息进行解装处理, 转换为可在公用数据网中传送的格式 (如PSPDN的PDU) , 最终送给公用数据网的用户。

2.2.2 GPRS的主要特点

GPRS的数据传送方式采用分组交换技术。数据可实现分组发送和接受, 这意味着用户总是在线且按流量计费, 降低了无线复合传感器网络的维护成本。

GPRS的最大优势在于数据传输速度。目前的GSM移动通信网的传输速度为115Kbps。

GPRS还有“永远在线”的特点, 即用户随时与网络保持联系。举个例子, 系统访问网络时时, 就在无线信道上发送和接受数据, 数据收发结束后, 没有数据传送, 系统就进入一种“准休眠”状态, 同时释放所用的无线频道给其它用户使用, 这时网络与用户之间还保持一种逻辑上的连接, 当用户再次点击, 系统立即向网络请求无线频道用来传送数据。

2.2.3 系统无线数据收发的实现

DTU是基于通讯运营商的GPRS通信网络的数据传输和远程监控终端设备, 采用当今前沿内核技术设计的一款工业级无线通讯终端产品, 适用于GPRS网络覆盖范围内的各种室内或野外恶劣环境, 主要针对系统自动化、工业控制、管理监测等行业的应用, 利用GPRS网络平台实现数据信息的透明传输, 并可通过辅助手段来实现对DTU控制, 组成用户专用数据网络。它可以很方便地与网络转换器进行组网及通讯。

目前, 市场上的GPRS DTU品牌多样, 技术成熟, 操作简单, 很容易实现本系统的无线收发功能, 在此不再赘述。

3 关键技术

低功耗策略。电池供电系统的关键之一解决系统低功耗问题。降低系统功耗的措施有采用低功耗芯片, 处理器采用低频时钟和高频时钟, 优化工作流程。具体措施如下:

3.1 通讯芯片采用3.3V供电

无线电模块接收状态的工作电流3.2m A, 在Polling mode下接收消耗不到20u A, 发射电流34m A。选用3.6V/7A的锂亚电池传感器节点能够工作2-3年左右。

3.2 微处理器采用纳瓦技术芯片

微处理集成度高, 内部集成高分辨率A/D模块, 定时器, 时钟管理等多种模块, 降低外围电路设计, 节省空间。

3.3 微处理器工作于多种时钟模式, 定时采集传感器数据

一般情况下处于低主频的休眠状态, 接收到无线模块触发信号切换到高主频后, 处于唤醒状态进行通讯。

3.4 电池管理的低功耗策略

控制电路的供电, 正常情况下微处理器, 无线通讯模块保持通电状态, 其它电路不通电。优化工作流程。从软件编程角度考虑, 系统工作流程中尽量使微处理器处于低主频工作状态, 使工作时间尽量短。

4 结论

复合传感 第4篇

在大量调查数据显示:易燃, 易爆等危险品因为运输和储存时保护不当而导致的事故的比例在危险品发生的所有事故中比例最大。在储存和运输中, 易燃, 易爆危险品都有非常多的安全条件, 一旦安全条件超过警戒线就极其容易发生事故。易燃, 易爆危险品在仓库储存的安全条件包括:环境温度和湿度, 室内光线强度, 室温气体含量和货架稳定性。目前仅依靠人工监测手段, 存在精度低, 监测, 监视等困难问题。

1 硬件设计

1.1 复合传感器节点的结构

复合传感器节点包涵了感测单元、微处理器单元、存储单元、无线收发单元这四个单元。各个单元有相应的功能, 但是有相互配合工作。感测单元, 主要用于取得各种仓库中知晓的不安全的位置的信息;微处理器主要是对整个复杂的传感器节点的工作进行控制和协调;存储单元是存放自己的数据的单元, 还用于存储所收集从其它节点接收的数据;无线收发单元是负责该复合传感器信号中的其他节点, 包括控制信息的交换, 发送和接收的数据等。

1.2 传感单元设计

由光照强度传感器、温湿度传感器、气体传感器、加速度传感器组成了复合传感器的传感单元。并利用这些传感单元度对危险品仓库的安全条件进行综合检测。因为易燃、易爆危险品的性质不同, 使得室内气体各种成分的含量的临界点也是不同的。本文以下探讨均以CO2传感器为例来测试室内空气中各种气体的含量[1]。传感元件分别选择:Toshiba公司的TPS851光照强度传感光照强度传感器连接电路, 瑞士Sensirion生产的SHT75温湿度传感器, Telaire公司的6004型CO2传感器, TI公司的CC2430芯片, 用电池供电方式的电路 (其中的低压差线性调压器 (LDO) 选用LM1117芯片) 。

2 软件设计

2.1 操作系统的选择

选择Tiny OS操作系统, 结合复合无线传感器节点的特点, 运行程序最好采用模块化设计, 只是哟个非常小的核心程序。它的核心代码有400余字节的数据) , 通过传感器能够解决以往存储器因为存储空间小而不能够存储大量数据的问题。Tiny OS操作系统可以顺畅的在节点的无线传感器网络上运行, 同时执行对相应传感器的的综合管理工作等[2]。

2.2 程序设计

传感器与外界的接口通过传感器接口定义文件进行声明。其中接口提供者实现系统的命令函数, 而调用接口者则实现程序中的事件函数, 利用此种流程来对程序的运行进行分配。传感器接口的配置程序文件着重标出了要实现SHT接口所需要的各种应用组件。传感器接口的实现程序文件中具体编写了SHT接口程序和传感器的驱动程序[3]。

2.3 通信设计

复合传感器节点的数据通信协议有分发式、收集式两种。将分发式和收集式相结合, 因此如下图结构来定义了所需要的具体结构体来存放需要分发的各条指令和传感器所收集到的各项数据。

2.4 工作流程

汇聚节点首先启动来建立网络负并发出信号让他节点纷纷申请加入所建立的网络, 在其他节点都加入网络成功之后, 各个分节点便将自身所负责的传感器所采集的各项数据情况传送到汇聚节点中。汇聚节点根据各分节点传送来的数据信息进行判断并发送相应的判断结果指令到各个分节点中, 从而完成了网络中的数据信号的重传、获取各分节点所负责的传感器的状态、以及根据判断结果来更改采集周期等。

3 节点测试

3.1 功耗测试

采用具有电源管理能力Tiny OS2操作系统。在关闭电源管理的情况下, 传感器功耗平均每秒10.13m A;在开启了节点的电源管理功能的情况下, 各传感器功耗之和为每秒0.96m A, 与未开启电源管理的情况相比, 功耗相差近10倍的样子, 该数据足以证明系统在开启了电源管理的情况下工作可以延长将近10倍的工作时间, 性能大大提高。

3.2 网络性能测试

首先, 对复合式无线传感器节点进行距离测试, 随后进行节点组网检测和节点数据传输测试。当以上测试结果均表示通信系统正常。最后进行现场测试。测试结果显示复合无线传感器节点能够在无人看守的情况下能够及时, 准确的记录仓库中的各项数据, 如有不测, 报警系统反应良好, 能够在第一时间进行反应并发出报警信号。

4 结语

复合传感器节点设计中含有大量的传感器装置, 建立可靠的网络系统, 对各个传感器进行统一管理。然而在未来设计中, 还应该对可以预料到一些危险状况进行预防设计, 一旦事故发生, 该结构能够马上通过感应器节点网络传送信息给主网络, 发出指令执行紧急抢救。同时进行人工智能化共同管理, 确保危险品万无一失。

参考文献

[1]Holg er Karl, Andr eas Willig.无线传感器网络协议与体系结构[M].北京:电子工业出版社, 2007.

[2]翟继强, 王克奇.无线传感器网络在林火监测中应用[J].东北林业大学学报, 2013 (8) .

复合传感 第5篇

英国Smiths公司的HGVI手持式复合传感器气体检测仪 (hand held, multi-sensor gas&vapor identifier for TICs and CWAs) 采用先进软件技术, 利用多种传感器联合检测, 可减少误报率, 提高准确度, 增加检测结果的可信度。HGVI利用3种不同原理的传感器技术获得检测数据, 并进行相关分析。目前, HGVI是唯一的集快速检测、识别和定量化学毒剂和工业有毒化合物监测3种操作模式于一体的手持式探测器, 而且3种模式可以自动切换。

复合传感 第6篇

PMSM是一个多变量、强耦合、非线性、变参数的复杂对象,因此采用常规的PID控制,抗干扰和抗参数摄动的鲁棒性不够理想,难以得到满意的动态性能。目前,国内外学者利用变结构技术[1,2]提出了一些交流伺服系统控制策略,这些控制方法较复杂,工程上不易实现。在最优转矩控制[3,4]系统中,准确获得转子磁位和速度信息是实施有效控制的基础,这些信息通常可由速度传感器获取或由无速度传感器估算方法实现,相对于有速度传感器的控制方法,无速度传感器控制策略以其低成本、高可靠性得到了广泛的研究和应用。因此,永磁同步电机无速度传感器控制策略的研究成为交流传动的一个热点。目前,在无传感器PMSM矢量控制中己经提出了许多方法来估计电机转子的位置和速度。如采用高频信号注入法,由于需要外加持续高频激励来显示凸极性并利用凸极效应实现转子位置的跟踪,对电机参数变化不敏感、鲁棒性好,但系统需要大量的坐标变换和数字滤波,信号处理过程较复杂,影响动态性能。文献[5,6,7,8]则基于模型参考自适应法,它保证了参数估计的渐近收敛性,算法不太复杂,抗干扰性能好。

本文提出了一种简单的滑模变结构速度调节器结合模型参考自适应观测器,用于永磁同步电机无速度传感器最优转矩矢量控制系统的转速调节和辨识。实现了永磁同步电机系统转动惯量、负载转矩和电动机参数变化的自适应控制,达到高精度的控制要求和精确的转速辨识。理论分析和仿真表明所提出的方法具有较强的鲁棒性和令人满意的动静态性能。

2 PMSM无速度传感器最优转矩矢量控制系统结构

为了实现PMSM无传感器全速度范围内运行,本文将滑模变结构速度调节器取代传统的PI速度调节器,利用模型参考自适应法构成位置检测机构形成一种新型转子磁位自检测的方法。系统由三部分构成:滑模变结构速度调节器,SVPWM最优转矩矢量控制系统,模型参考自适应估计机构。整个PMSM无传感器最优转矩矢量控制系统原理框图如图1所示。

3 最优转矩控制基本原理

最优转矩控制,是指在转矩给定的情况下,最优配置直轴和交轴电流分量,使定子电流最小,即单位电流下电机输出转矩最大的矢量控制方法。最优转矩控制可以减小电机损耗,提高运行效率,降低逆变器的容量,从而使整个系统性能得到优化。

永磁同步电机的电磁转矩方程为:

最优转矩控制可等效为定子电流满足转矩方程的条件极值问题,作拉格朗日函数:

式中:λ为拉格朗日乘子。对函数求偏导,并令各等式为0,可求得:

因此,可通过式(3)得出转矩电流关系作为电流调节器的给定信号。

4 滑模变结构速度调节器设计

PMSM在id=0矢量控制策略的转速微分方程为:

式中di、iq为该坐标系定子电流d-q轴分量;dL、qL分别为d-q轴电感;ωr为转速;ψf为转子永磁磁链;nP为极对数;J为转动惯量;B为粘性摩擦系数;TL为负载转矩。

选取状态变量:

令状态变量1x作为速度滑模变结构调节器输入,调节器的输出作为最优转矩控制策略的给定,则永磁同步电机位置状态方程可描述为:

则设计切换函数为:

选取滑模变结构速度调节器的输出为:

对于系统的开关面式(7),有:

从式(9)可知滑模变结构速度调节器的参数为:

则可得:满足滑模存在条件。

滑模变结构速度调节器结构图如图2所示:

5 模型参考自适应估计机构设计

模型参考自适应辨识的主要思想是将不含未知参数的方程作为参考模型,将含有待估计参数的方程作为可调模型,两个模型具有相同物理意义的输出量,两个模型同时工作,利用其输出量的差值根据合适的自适应率来实时调节可调模型的参数,以达到控制对象的输出跟踪参考模型的目的。根据稳定性原理得到速度估计自适应公式,系统和速度的渐进收敛性由Popov的超稳定性原理来保证。这种算法低速时会由于电流检测和参数估计精度的限制导致转子速度和位置估算误差太大,因此较为适合中、高速运行范围。

PMSM在d-q轴下的定子电流数学模型为:

式中ud、uq和id、iq分别为该坐标系定子电压、电流d-q轴分量;rs为定子电阻;Ld、Lq分别为d-q轴电感;ωr为转速;ψf为转子永磁磁链;P为微分算子。可以看出电流模型与电机的转速有关。因此可选PMSM本身作为参考模型,而电流模型为可调模型,采用并联结构辨识转速得到转子位置。为了便于分析,将(11)式改写为:

则被辨识过程为:

并联可调模型为:

根据Popov的超稳定性原理可得辨识算法为:

将式(13)代入式(16)可得:ψ

将式(17)进行转换得自适应率为:

整个模型参考自适应估计机构的运算框图如图3所示。

6 仿真结果

为了验证上述系统的转子位置和速度检测的正确性和可行性,对一台永磁同步电机进行仿真研究。试验电机参数为rs=0.8Ω,Ld=1.6mH,Lq=2.8mH,ψf=0.065Wb,J=0.0018kg.m2,Pn=2。仿真结果如图4-8所示。给定转速100rad/s,在0.1S突加负载(2N.m),在0.2S时突然卸掉负载,电机的实际/估计转子速度/位置、转矩和A相电流的仿真情况如图4-6所示。给定转速150rad/s,0.16S突变-150rad/s的电机的实际/估计转子速度/位置见图7-8。

从仿真结果看,整个系统比PI速度调节系统有较好的动态和稳态性能,速度/位置的估算静差较小,估计的转子位置能很好地跟踪实际位置,可实现无传感器全速起动、运行。

7 结束语

本文提出了永磁同步电机滑模变结构速度调节策略结合模型参考自适应无速度传感器速度辨识方案,应用于最优转矩矢量控制系统中。仿真结果表明该算法快速,易于实现且增加了系统的鲁棒性,该算法在相同的定子电流条件下,电机输出更大的电磁转矩,该复合方法能准确的检测转子实际位置和速度,是一种有效的永磁同步电机无速度传感器检测方法。

参考文献

[1]刘金琨,孙富春.滑模变结构控制理论及其算法研究与进展[J].控制理论与应用,2007,24(3):407-416.

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[7]王庆龙,张崇巍,张兴.基于变结构模型参考自适应系统的永磁同步电机转速辨识[J].中国电机工程学报,2008,28(9):71-75.

复合传感 第7篇

目前市场上销售的张力传感器和倾角传感器只能做到单一测量,未能实现一体化测量[3,4],并且这些传感器大多不具备多参数测量的功能,而且很难同时保证较大的过载能力和较小的体积。张力倾角复合传感器采用一体化设计理念,利用电阻应变计组成的全桥电路实现张力的测量,利用电容原理测量倾角,输出的模拟信号通过A/D转换采集到单片机,经数据处理,利用数字补偿的方式使张力和倾角的测量均能达到较高的精度,最终通过RS485通信直接在计算机中显示出数值,实现张力和倾角的实时监测。

1 工作原理及总体设计

1.1 张力模块设计

张力模块是利用四片金属应变计连接成全桥电路[5],当弹性体受力作用后,金属电阻应变计就会产生变形,阻值发生变化,在电桥上产生一个不平衡信号输出,该信号与外力成正比,从而达到测量张力的目的,如图1所示。

测量电桥采用恒压源供电,电桥的输出为:

式中,I0为电源电流;V0为电桥的输出电压。

1.2 倾角模块设计

倾角模块是利用电容差动变介电常数原理[6],借助黏稠液体电介质特性,当角度产生变化时,使敏感元件的两个电极间电介质深度发生变化,导致相应电介质介电常数发生变化,从而带动电容发生变化,实现非电量到电量的转化,不同位置时敏感元件内部状态如图2所示。

在敏感元件中设有两对电极,电极1和电极2,它们的长度、间距及与公共电极的间距都相同。采用差动式设计,可以将其灵敏度增加一倍。敏感元件处于水平位置时,如图2(a)所示,电极1及电极2浸入液体电介质的深度L1和L2相同,两电极所产生的电容量C1、C2的关系为:

当产生角度变化θ时,电极1和电极2产生的电容为:

由于L1和L2相等,所以发生角度变化所引起的电容的变化量为:

1.3 总体设计方案

该复合传感器是利用电阻应变计连成全桥电路测量张力,利用差动电容式芯片测量倾角,采用模块化设计理念,张力测量模块与倾角测量模块独立工作互不影响,采用CAN总线数字通信接口,传感器内置单片机可实现快速、实时地对测量参数进行计算、数字滤波、线性补偿等数据处理。

传感器功能框图如图3所示。

2 大过载小型化设计

该传感器需要长期在450 m海水下工作,并且总质量要求小于450 g,为此选择钛合金TC4作为传感器的弹性元件。钛合金材料具有比例极限高、密度小、弹性模量低、焊接性能好等特点,同时它的抗腐蚀性能很好,在静止的海水中无腐蚀,高速海水(42 m/s)条件下的腐蚀速率仅为0.0051 mm/a。

根据使用要求规定传感器的外形尺寸准55 mm35 mm,将弹性元件和传感器壳体设计为一体结构,弹性元件按照承受载荷50 k N(5倍过载)设计,应变计粘贴在传感器壳体底部内壁,连成全桥电路后接入放大电路,倾角芯片焊接在电路组件上,电路组件通过螺钉安装在传感器内部基准面上。传感器下端面中心处加工施力螺纹,上端面的连接螺纹则均匀分布在圆周上,端盖采用焊接方式实现连接和密封,电气连接采用特制的超小型水密连接器,耐压5 MPa以上。传感器结构如图4所示。

为了不影响传感器的灵敏度和精度又同时满足5倍过载的要求,对传感器壳体进行淬火和时效处理,经过热处理工艺后,去除了残余应力,提高了弹性梁的强度,改善了材料的机械性能,传感器精度和过载的指标同时得到满足,并提高了材料的热稳定性,有利于敏感元件的散热,允许通过的最大电流也有所提高。

3 电路与程序设计

电路利用基准源REF3040为张力模块提供稳定的恒压源供电;倾角模块采用经过整流、滤波后的直流5 V电源供电,使用仪表放大器AD627R进行信号的差分放大;使用高速24位高精度A/D转换器ADS1248进行模数转换,采用串口通信方式与单片机XC886连接,数据经过单片机运算处理后由通信芯片输出数字信号。这种电路结构的转换精度可以达到0.02%以上。而且通过单片机可对传感器的非线性和温度漂移进行补偿[7,8]。通过测量张力模块的桥压间接测量温度,温度信号由微控制器内部A/D采集。

为了减小非线性误差及零位、灵敏度温漂,通常采用温度系数极小的外接电阻进行串并联补偿,但是这种传统的模拟补偿方法存在一定的缺陷,在-40℃~80℃全温范围内补偿效果不甚理想,并且补偿过程复杂、繁琐。为了提高传感器精度,需采用软件补偿的方法。本设计采用了分段拟合的方法,处理器通过读取张力A/D值、倾角A/D值以及温度A/D值,利用最小二乘法曲线拟合出在特定温度区间下的张力和倾角输出曲线,利用温度A/D值获得特定温度区间,从而得到经过温度补偿后的张力和倾角输出值。同时利用卡尔曼滤波算法对传感器的输出进行平滑滤波,剔除较大噪声,提高传感器的稳定度。主程序流程图如图5所示。

4 实验与分析

根据上述设计方案生产了一批张力倾角复合传感器,并对传感器进行测试:先将传感器固定在EEI-6型力标准机上,通电后加载50 k N(5倍过载),保持30 s后卸载,然后对传感器进行性能测试。取当地重力加速度g=9.806 65 m/s2,激励电压为5.0 V,记录3只传感器的张力测试数据如表1。

用光学分度头测试传感器的倾角,记录3只传感器的倾角测试数据如表2。

根据所得数据计算得出传感器张力、倾角准确度,零点漂移、热零点漂移,如表3所示。

从表3数据可知,该传感器的张力准确度优于0.1%FS,倾角准确度优于0.05%FS,零点漂移小于0.05%FS/h,热零点漂移小于0.002%FS/℃,满足使用要求。

本文介绍了一种大过载小型化的张力倾角复合传感器,采用模块化设计思想,同时实现张力、倾角两种参数的测量,从工作原理、结构设计、电路与程序设计等方面对传感器进行了理论分析与试验仿真,进而给出传感器的详细设计方案。实验结果证明,该传感器具有精度高、抗过载能力强、结构尺寸小、耐恶劣环境、多参数复合测量等特点,部分产品已应用于某水下拖曳式通信平台收放系统中,工作状态良好。类似产品可广泛应用于船舶、矿山、石油化工等领域。

摘要：为了实现多参数综合测量,设计出一种张力倾角复合传感器。利用电阻应变计组成的全桥电路实现张力的测量,利用加速度原理测量倾角,采用模块化设计理念,张力测量模块与倾角测量模块独立工作互不影响,实现小型化高精度测量。经过试验测量:该传感器张力准确度优于0.1%FS,倾角准确度优于0.05%FS,零点漂移小于0.05%FS/h,热零点漂移小于0.002%FS/℃,达到单个传感器的技术水平。

关键词：复合传感器,张力,倾角,过载,小型

参考文献

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复合传感 第8篇

目前,煤矿监测监控系统中,对环境参数的采集主要采用分立的传感器,如甲烷传感器、风速传感器、温度传感器、一氧化碳传感器等。这种传统的采集方式至少存在2个问题:一是传感器功能单一,要一对一地接入分站或测控网络,造成传感器成本的增加和传输电缆的增加;二是没有充分利用传感器的冗余信息,造成信息资源的浪费。为解决以上2个问题,笔者设计了一种基于PIC16F877单片机的集成式复合传感器。

1 硬件结构

集成式复合传感器硬件框图如图1所示。

1.1 PIC16F877单片机

PIC16F87X系列单片机采用精简指令集RISC(Reduced Instruction Set Computer)结构,突破了传统单片机对PC机在结构上存在的自然依赖性,加上哈佛总线的存储器结构、2级流水线指令结构、单周期指令等技术,大大提高了系统运行的效率;除此之外,在功耗、驱动能力、外围模块设计等方面,PIC单片机也有一些独到之处。因而,PIC是一款方便实用的高性价比的单片机。

PIC16F87X系列单片机是目前片内集成了外围设备模块最多的单片机品种之一,为了增加单片机功能又不增大体积,即片内模块数量增加很多,但芯片引脚不增加,就只能采取引脚功能高度复用的方式。多数的引脚具备第二功能,甚至第三功能。

笔者选用Microchip公司的PIC16F877 PDIP28芯片。该芯片有5路输入A/D转换模块,输出为10位数字量。ADCON0寄存器控制着A/D模块的运行;ADCON1寄存器用于设定端口引脚的功能;ADRESH为A/D结果高位寄存器;ADRESL为A/D结果低位寄存器。

1.2 甲烷一次转换电路

采用载体催化元件测量甲烷浓度,黑元件作为工作元件,白元件作为对比元件,构成测量电桥。当无甲烷时,电桥处于平衡状态,黑、白元件中流过相同的恒定电流,并使2个元件温度上升到500 ℃左右。当有甲烷时,甲烷与氧气在工作元件表面发生反应,放出的热量使工作元件温度升高△T,从而引起工作元件电阻增加△R,电桥失去平衡,产生1个与甲烷浓度成正比的电压信号,测出该信号的大小,即可知道甲烷浓度。

1.3 风速一次转换电路

采用卡曼涡街原理测量风速,利用穿过流体的超声波束被旋涡频率调制,又从被调制的超声波束上检出旋涡频率的方法来测定风速。

1.4 温度一次转换电路

采用集成电压输出型温度传感器LM35构成温度测量电路。

1.5 一氧化碳一次转换电路

采用定电位电化学气体传感器测量一氧化碳:被测气体透过电解槽外的渗透薄膜,在工作阳极上发生电化学氧化反应,在外电场的作用下,产生了离子和电子的运动而形成电流,电流的大小反映了气体的浓度。

一次转换电路的输出信号经信号调理电路变换为1～5 V标准信号后送入单片机的AN0～AN3。

1.6 通信接口电路

根据测控网络的需要,选择不同的接口电路,如RS485接口,CAN控制器和CAN收发器构成的CAN总线接口等。

2 软件编程

2.1 主程序流程图

主程序流程如图2所示。

2.2 A/D模块工作原理及采样步骤程序流程图

A/D模块工作原理及采样步骤程序流程如图3所示。

3 矿用复合传感器的数据融合

多传感器数据融合是研究如何充分发挥各个传感器的特点,把多个同类或不同类传感器所提供的局部的、不完整的观察量加以综合,利用其互补性、冗余性,克服单个传感器的不确定性和局限性,提高整个传感器系统的有效性能,以形成对系统环境相对完整一致的感知描述,提高测量信息的精度和可靠性。

矿用复合传感器所要获取的是煤矿生产环境参数的准确信息,从而对环境状况进行判断。笔者以集成的风速、温度、瓦斯、一氧化碳共4个传感器为例说明数据融合的思路。

该矿用复合传感器采用并联二级数据融合结构形式,如图4所示。

3.1 数据级融合

数据级融合是对传感器的原始数据进行融合,属于低层次的融合,如解决传感器放置位置、角度对检测数据的影响问题、不同速度传感器的时域协调问题等。

(1) 空间与时间

传感器放置的位置与被测参数有很大关系,如风速传感器应反映平均风速点的风速情况,而平均风速点又依工作面或巷道横断面的不同有所不同,且卡曼涡街的方向与风流的方向也有很大关系。

甲烷、一氧化碳浓度的检测,是采用扩散的方式进入检测腔的,会产生(纯)滞后;温度检测采用半导体元件,也会有滞后;而风速传感器采集到的是当时的瞬时值。因此,以风速为时空基准,将所有被测参数都换算到平均风速点上,采用相同时刻的值作为处理值。该方法比较简单,不再详述。

(2) 数据融合算法

环境参数为缓变参数,其测量结果具有正态分布特性。为了减少计算量、方便编程,采用平均递推融合算法,但N次采样值在输出结果中的比重是均等的,对于时变信号会引入滞后,N越大,滞后越严重,因而,笔者采用加权平均递推融合算法。

设采样值列为y1,y2,,yn,则N个采样数据的加权算术平均值为

undefined

式中:C1,C2,,CN的选取采用加权系数法。设τ为传感器的纯滞后时间,且δ=e-τ+e-2τ++e-Nτ,则:

undefined

τ越大,δ越小,给予新的采样值的权系数就越大,而给予先前采样值的权系数就越小,提高了新的采样值在平均融合算法中的比重。

由上述分析可知,C1,C2,,CN满足下列条件:

undefined

undefined可作为已有检测结果undefined并存储,后续测量中可根据传感器误差要求ε对传感器后续采样值yk(k=n+1,n+2,)进行一致性检验,当

undefined

时,认定yk为一致性测量数据,计算undefined与yk的递推估计值即新的检测结果undefined并存储,将undefined作为下一次采样一致性和递推估计的已有数据undefined,否则,剔除yk。

对于被估计的随机变量y,测量方程为

undefined

式中:H为系数矩阵,

undefined

;v-、vk为测量噪声。

undefined、yk的方差分别为δ2-、δundefined,则测量噪声的协方差为

undefined

由递推估计理论,可得到实时估计值为

undefined

估计值undefined的方差为

undefined

式(5)即为采用加权算术平均值与递推估计相结合的数据融合结果。采用上述方法,计算量小且编程简单。

3.2 特征级数据融合

特征级数据融合属于中层融合,它首先从各传感器提供的原始数据中提取1组特征信息,以得到1个特征向量,然后把这些特征向量融合起来,并根据融合后得到的特征向量进行识别。

根据传感器之间的关联关系,用特征向量Yi作为判断传感器输出可靠性的依据,若Yi=(逻辑)“1”,认为undefined数据可靠,进行显示,并存入数据缓冲器等待传输;若Yi=(逻辑)“0”,认为undefined数据不可靠,显示“E”(错误),数据缓冲器数据不刷新。

undefined

式中:ΔY1undefined≠0时为“1”;undefined=0时为“0”,i=1～4,分别代表风速、温度、瓦斯、一氧化碳传感器。

3.3 决策级数据融合

决策级数据融合是利用多传感器提供的信息,作出对煤矿生产环境状况的客观判断,一般在上位机进行,不再详述。

4 结语

利用PIC16F877单片机集成外围设备模块多的特点,将风速、温度、瓦斯、一氧化碳等传感器集成起来,构成了复合传感器,能较好地解决分立传感器硬件资源浪费和信息不同步的问题;由于外围电路减少、采用二级数据融合算法,增强了传感器的抗干扰能力,提高了可靠性;采用精简指令集RISC,编程简单;可根据用户需要配置不同的通信接口,满足了现代化测控网络的要求。使用时,只需要设置位置参数,该复合传感器就可以工作了。该集成式复合传感器经实验室调试,达到了预期目的。

参考文献

[1]杨世兴,郭秀才.监测监控系统原理与实用设计[M].北京:中国电力出版社,2007.

[2]高金源,夏洁.计算机控制系统[M].北京:清华大学出版社,2007.

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