温度传感器论文精选(九篇)

第1篇：温度传感器论文范文

1系统组成系统

主要由主控计算机、无线传感器网络骨干节点、无线温度传感器节点和无线温湿度传感器节点和半导体冷凝除湿器等组成。在开关柜室、电缆沟和开关柜内分别部署无线温湿度传感器，在开关柜内接头等可能发热部位部署微型无线温度传感器，这些传感器节点自组织成一个温湿度监测网络。系统组成如下图所示。

2系统工作原理

无线温度传感器、无线温湿度传感器自动定时工作，监测部署点的温湿度，这些监测数据通过无线骨干节点传输到主控计算机。主控计算机融合这些信息，判断出是否有开关柜过热、是否有可能凝露，是否需要投入半导体冷凝除湿器、并将告警信息发送到集控站监控平台，从而完成多个高压开关柜的实时在温湿度监控任务。主机通过比较设备与环境的相对温升、柜内与柜外大气的相对温升、不同相位的温度差异，分析可能的过热情况，提前发出预警信号，提醒管理人员进行处理。主机还通过比较设备与环境的相对温差、柜内与柜外大气的相对温差、柜内与柜外大气的相对湿度差异，柜内和电缆沟内的湿度差异，分析出是否有可能凝露，如果需要，就提前投入半导体冷凝除湿器，并发出预警信号，提醒管理人员进行处理。

3传感器节点的技术条件

考虑选用微型无线温度传感器用于带电体的温度监测，选用无线温湿度传感器，用于监测室内环境、电缆沟和开关柜内的温湿度，这些温湿度传感器的数据融合后形成凝露判据。在高压开关柜内使用的传感器节点必须具备满足以下技术条件：（1）微型化：要安装在带电设备上，体积大的传感器节点会导致开关柜内绝缘距离不够，也会导致电场分别不均匀，从而损坏绝缘，所以，带电设备上的传感器越小越好。（2）低功耗与长电池寿命：开关柜一旦投运，就很难再停电，所以要求无线传感器节点的寿命要足够长，保证在二个检修周期内无需更换电池或节点。（3）灵敏度：开关柜是密闭的金属柜体，对电磁波传播衰减非常大，如果灵敏度低，将不得不部署更多的骨干节点，这会增加系统的复杂度和系统成本。（4）抗干扰性能：变电站通常都有高场强的干扰，对射频干扰主要是火花形成的散弹噪声和电晕形成的白噪声，这些噪声会对射频通信形成干扰，所以要实现高可靠的无线通信，就必须有良好的抗干扰性能。

4结论

第2篇：温度传感器论文范文

关键词：单片机，温度传感器，远程监控与测量

 

1.研究的目的与意义

本研究以温度采集及转换，单片机处理和监控，无线传输为核心，可用于航空航天系统中，仓储温度监测及环境监测，矿井里的温度采集等。免费论文。快速方便并且可以实现远程采集，具有较高精确度，另外加有存储单元，可以对温度数据进行存储对比，以备不时之需。在该系统中还添加报警系统，自动提醒不正常温度，以免发生不必要的危险。由于采用ZigBee无线传输装置，可以远距离测温，因此可用于危险区域，例如：高压区，工厂，大型机器内部温测等，还可采集低温。另外还适用于家庭防火灾，火灾内部温度探测和温度监控，有助于灭火的开展和抢救人员和财产以及预测火势的发展等。

在现代社会中温度在航空航天，工业自动化、家用电器、环境保护和安全生产等方面都是最基本的监测参数之一，但是在某些环境下温度检测比较危险。因而需要一个智能检测和监测系统来代替危险的工作，本系统就可以很好的解决此问题，不仅可以实时的对温度进行远程检测监控，还可以在十分恶劣的环境下工作，测量结果精度高，并且对所测数据可以直接通过USB接口传给电脑存储或者直接存入外设存储单元，同时加报警装置，在温度不正常给予提醒，从而将损失减少到最低。为满足对温度记录的要求（高精度、自动控制、经济实用），系统实现了对现场环境温度的不间断测量与监控，让您通过监控中心可以直观看到温度实时变化，做到足不出户即可了解各被测点的温度。在那些需要对温度监控和测量的地方放置无线温度采集器，然后由监控中心通过软件对无线采集器进行控制，代替过去由人工来完成的温度数据采集任务；同时监控中心对无线温度采集器传输来的温度数据进行存储和查询统计。本系统使用方便，操作简捷，已经在许多领域中得到广泛的使用

2.国内外本项目的研究状况

温度在工业自动化、家用电器、环境保护和安全生产等方面都是最基本的监测参数之一，因此其检测装置也得到的长足的进步和发展。免费论文。例如美日生产的管缆热电阻温度传感器可测温度高达1000℃，精度0.5级，清华大学的“光纤黑体腔温度传感器”可在400～1300℃间灵敏度可达0.1℃。随着科技的进步和新材料的发现，新一代的温度传感器也在不断出现和完善，如利用核磁共振的温度检测器，可测量出千分之一开尔文，而且输出信号适于数字运算处理，在常温下可作为理想的标准温度。此外还有热噪声温度传感器、激光温度传感器等诸多发展。智能温度传感器(亦称数字温度传感器)是在20世纪90年代中期问世的。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶。智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器(MCU)，它在硬件的基础上通过软件来实现测试功能。目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。如由美国DALLAS半导体公司新研制的DS1624型高分辨力智能温度传感器，能输出13位二进制数据，其分辨力高达0.03125°C,测温精度为±0.2°C。此外新型智能温度传感器的功能也在不断增强。例如，DS1629型单线智能温度传感器增加了实时日历时钟(RTC),使其功能更加完善。DS1624还增加了存储功能，利用芯片内部256字节的E2PROM存储器，可存储用户的短信息。免费论文。另外，智能温度传感器正从单通道向多通道的方向发展，这就为研制和开发多路温度测控系统创造了良好条件。

无线传输技术ZigBee是在工业自动化、家庭智能化和遥控监测领域对无线通讯和数据传输的需求日益增长的情况下应运而生的，它采用IEEE802.15.4协议，具有功耗低，成本低等特点，还可以方便的实现自动移动的AdHoc网络。目前市场上的RF芯片供应商主要还是TI、EMBER、FREESCAIE及JENNIC，国产厂商在这个方面仍然是空白。鉴于ZigBee技术在功耗、组网技术等方面的出色能力，受到各国政府、军方、科研机构和跨国公司的广泛关注和高度重视，随着其技术的发展，无线传感器网络将会逐渐的深入生活的每个方面。

3.无线网络温度采集可以实现如下功能

（一）数字信号通过单片机分析处理，通过ZigBee无线传输模块，可实现无线传输功能。（二）接收模块得到的数字信号通过单片机处理，可在LCD FC12864上可进行当前温度显示，可实现数字显示功能。（三）外部存储单元可对过去温度进行存储，以便随时调用，可实现存储功能。（四）由于有无线传输，可以实现远程对温度进行监控和测量 存储，安全可靠，而且速度快精度高。（五）系统实现了对现场环境的不间断温度测量与监控，让您通过监控中心可以直观看到温度实时变化，做到足不出户即可了解各被测点的温度。在那些需要对温度监控和测量的地方放置无线温度采集器，然后由监代替过去由人工来完成的温度数据采集任务；同时监控中心对无线温度采集器传输来的温度数据进行存储和查询统计。（六）该系统可换部分装置，然后实现其它功能，例如：将温度传感器换成湿度传感器进行湿度采集等，具有很强的移植性。

4.结语

在当代社会科学技术的迅猛发展以及人类对自然的不断深入探索下，一些人类无法立足的恶劣环境以及相关工业、煤矿业、石油业、存储业等相关环境中的重要温度数据的采集和控制成为科学研究的重要课题。本研究项目以适应相关条件下的温度传感器为依托，以单片机为整个系统的处理和监控为核心，当需要采集人类无法立足的恶劣环境中的重要温度数据时，本系统可以通过媒介放置一体积小、精度高的温度传感器去采集；在生产和存储环境中可以通过本系统来监测温度，当超过合适的环境温度时，发出警报，通知工作人员及时处理控制温度以减少损失。本研究项目可以更好的服务于科研，提高生产效率，降低危险事故发生的几率，具有很强的现实意义

参考文献：

1.闫德立、刘展威.ZigBee技术优势及其在现代企业生产中的应用[J].河北企业，2009.08.

2.乐嘉华.温度检测技术的现状和未来[J].炼油化工自动化.

3．孙俊杰. ZigBee应用向商业化逼近[J]. 电子设计应用，2007.11.

4. 张培仁，张志坚，高修峰. 十六位单片微处理器原理及应用（第一版）[M].北京：清华大学出版社，2005.5，P18-P52，P60-P63，P130-P163，P226-P260，P280-P286.

5.李勋，林广艳，卢景山.单片微型计算机大学读本（第一版）[M].北京：北京航空航天大学出版社，1998.11，P197-P203.

6.吴国凤.C语言程序设计教程（第一版）[M].合肥：中国科技大学出版社，2003.2，P36-P60，P88-P115.

7.Horstmann.c著，晏海华等译. C++核心思想：第三版[M]. 北京：电子工业出版社， 2004.8 .

8.宋育才. MCS-51系列单片微型计算机及其应用[M]. 南京：东南大学出版社 ，1997.3.

9.智能温度传感器的趋势[DB/ol].

10..LCD12864中文资料手册.

第3篇：温度传感器论文范文

关键词 光纤光栅；海洋监y；温深传感器

中图分类号 P7 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2017）188-0062-02

随着国家“一带一路”和海洋战略政策的实施，海洋环境监测越来越重要，监测传感器中最基础的是温盐深（CTD）传感器，其中深度参数通过测量水压得到。光纤光栅对温度和压力都敏感，因此可以采用光纤光栅同时完成温度和压力的测量。温度可以单独测量，而压力的测量会受到温度的影响，因此要消除温度的影响。潘洪亮等[1]提出了一种分程式双灵敏度的光纤光栅压力、温度一体化监测装置。利用分程式的封装结构增大了压力测量范围，实现温度和压力双灵敏度一体化监测，但是该传感器在压力测量中引入了另外的温度传感器作为温度参考，无法做到实时的温度补偿。蔡安等[2]提出了通过引入一根自由状态的光纤光栅来实现温度补偿，但由于两根光纤光栅处于不同的状态，同样无法实现实时补偿温度的变化。何少灵等[3]提出了一种温度实时补偿的高精度光纤光栅压力传感器，可以实现温度的实时补偿，该光纤光栅压力传感器可以应用在温度快速变化的环境中，但是该传感器只能实现压力的测量，不能在海洋监测中同时完成温度和压力的

测量。

本文提出了一种新型的光纤光栅海洋监测传感器，可以实现温度和压力的同时测量，且排除温度对压力测量的影响。

1 原理

基于光纤光栅的海洋温深传感器结构示意图如图1所示。温度和压力测量光纤同时与海水接触，温度会使光纤的反射波长发生改变，通过检测波长变化量就可以计算出温度的改变量，温度测量光纤完成温度测量和压力测量过程中的温度补偿；压力测量基于弹性膜片结构，压力测量光纤直接与弹性膜片连接，膜片的中心位置在海水压力的作用下发生改变，引起压力测量光纤的长度变化，造成其反射波长的改变，通过检测波长变化量就可以计算出压力的改变量。

2 实验与讨论

本文选择两根同型号光纤光栅分别作为温度测量和压力测量光纤，初始反射波长为1 560nm。光纤光栅的栅区长度为10mm，反射率大于80%，边模抑制比大于15dB。实验过程中使用的解调仪型号为MOI130，其波长的检测精度为1pm。

2.1 温度系数确定

首先确定所选两根光纤光栅的温度系数，利用高精度恒温水槽进行温度调整，水槽的温度从0℃调到40℃，调整步长为1℃，记录每个温度下光纤光栅的反射波长，把波长与温度进行拟合，可得光纤光栅的温度一次拟合关系式为 ，拟合曲线如图2所示。

从记录数据可以得出，光纤光栅的温度拟合曲线的误差范围小于0.07%，光纤光栅用于对温度的测量具有很高的线性度。

从图中可以看出温度系数偏小，可以采取在温度测量光纤外加装热膨胀系数大的导热套，以达到提高 值，提高温度测量灵敏度的目的[4]。

2.2 压力系数确定

利用把传感器放置于压力罐内以确定其压力系数，压力罐内的压力从0MPa逐渐加压至100MPa，加压步长为2MPa，记录每个压强下光纤光栅的反射波长，通过计算排除温度对压力测量的影响，之后把压力测量光纤的波长与压强进行拟合，可得光纤光栅的压力一次拟合关系式为 ，如图3所示。

从记录数据可以得出，光纤光栅的压力拟合曲线的误差范围小于0.01%，光纤光栅用于对压力的测量具有很高的线性度。

3 结论

光纤材料属于非金属，性质稳定，不会受到电磁干扰的影响，损耗小，测量精度高，同时体积小，安装灵活，耐腐蚀，可靠性好，很适合海洋的监测。本文提出的基于光纤光栅的海洋温深传感器，能高精度稳定地实现温度和压力的同时测量，且压力测量不受温度变化的影响，值得研究融入海洋监测系统。

参考文献

[1]潘洪亮，董惠娟，张广玉，等.分程式双灵敏度光纤光栅压力温度监测装置的研制[J].中国激光，2013，40（2）：158-163.

[2]蔡安，印新达，常晓东，等.具有温度补偿的膜片型光纤光栅温度压力传感器[J].传感器与微系统，2013，32（4）：98-100.

[3]何少灵，郝凤欢，刘鹏飞，等.温度实时补偿的高精度光纤光栅压力传感器[J].中国激光，2015，42（6）：166-170.

[4]徐元哲，马淑婧，张颖，等.新型封装的光纤光栅温度传感器的研究[J].东北电力大学学报，2012，32（4）：83-86.

作者简介：吴路光，海南热带海洋学院。

徐元哲，海南热带海洋学院。

第4篇：温度传感器论文范文

【关键词】控制系统；PLC；温室

农业从古至今一直是我国经济基础，在国家发展中占有重要的地位。随着人们生活水平的提高，人们对农作物的生命期、品种都有了更高的要求，如四季能吃到绿色菜以及买到想要品种的鲜花。因此温室现在越建越多，建温室的重要保证参数就是植物的生长要素，即光、温度、湿度和CO2，本论文就是论述如何用PLC技术对温室进行控制。

一、确定控制系统方案

（一）控制对象

1.温度

植物生长的温度是在一个范围内，虽然最适宜温度植物长得很快，但是往往因为消耗有机物太多，会出现长的细长现象。控制系统的控制温度范围要略低于植物最适宜温度。

2.湿度

空气的湿度太大会造成之无病虫害，但是要保证空气湿度低的同时要有充足的水分由土壤供给植物。

3.光照

植物生长需要光照，这样才能进行光合作用，不同植物的光补偿点不同，因此事宜温度范围也不同，同时人们可以控制光照时间和强度来控制植物的生长速度。

4.CO2

植物生长需要光合作用，光合作用需要的一个物质是CO2，植物的光合作用随着CO2的浓度增大而增强，但是浓度过高反而会抑制植物光合作用，因此二氧化碳浓度的控制范围要与农作物相适应。

（二）PLC控制系统

PLC是可编程逻辑控制器，它可以通过编程方式完成传统的继电器-接触器的逻辑控制，PLC的控制系统性能稳定，价格便宜，开发容易，性价比高，缺点就是人机交流困难。

（三）控制系统的方案确定

本控制系统方案为各参数的自动控制，当传感器检测的温湿度、光照以及CO2超过范围时，PLC控制系统会发出指令，控制执行机构如天窗的电动机等动作，使温室参数达到用户要求。

二、控制系统软硬件设计

（一）控制要求

随时检测控制对象温湿度、CO2浓度和光照参数，并保证参数在控制范围内。控制系统设计流程如图1所示。

（二）硬件设计

1.根据控制系统输入输出的点数，对PLC型号进行选择

（1）PLC开关量点数确定

（2）根据PLC开关量点数确定PLC型号

由上表可得输出点13个，输入点14个，考虑到应有输入输出端子的余量，选择S7-200cpu226型，其有24/16个I/O口。

2.模拟量模块的选型

对于温湿度、CO2和光强传感器都输出模拟信号，需要PLC扩展模拟量模块。温湿度传感器分别要在温室的上下南北四处检测，因此输入10路模拟量信号，因此选择EM235模块3个（此模块4AI/1AO）。

3.温湿度、光照以及CO2检测元件选型

选择HMD40温度传感器，Poi88-c光强传感器，TGS4160型CO2传感器以及A1203型湿度传感器。

4.进行电路设计

控制电路简图如图2所示，主电路同传统继电器-接触器电路。

（三）软件设计

以光照的控制为例，比较光照传感器的值，如果超过上限，则打开遮光帘，如果在范围内，则遮光装备动作不变，低于下限值收起遮光装备并且打开光照灯。

最后，要进行整机调试。调试时先启动控制电路，断开主电路，等确定程序和控制电路无误后，在进行整机调试。

参考文献

第5篇：温度传感器论文范文

关键词：无线传感器网络；MSP430；控制算法；水资源

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)05-1168-03

Auto System Based on Wireless Sensor Network for Water-saving Irrigation of Garden

CAO Ji-zhong

(Institute of Information and Science Technology, Xiamen University, Xiamen 361005, China)

Abstract: Aiming at the characters of low utilization rate of garden irrigation, wide range of area , large amount of information and the simply control algorithm, a system of water-saving irrigation, which based on wireless sensor network has been designed. The collection part based on single chip microcomputer of MSP430 digitalizes the signal from the sensor and sends it to irrigation controller using wireless digital transmission technology. And we use control algorithm based on fuzzy control temperature and humidity in system. The irrigation controller controls pipe network to irrigate and adjust humidity of soil which meets the request for spatial analysis and high efficiency irriga? tion in precision flowers.

Key words: wireless senor networks; msp430; contorl algorithm; water resources

1概述

我国园林水资源利用率低，短缺与浪费现象并存[1]，是当前园林发展面临的主要问题。一定的土壤含水率是作物存活的保证，而过多的土壤含水率又会引起园林作物的根部腐烂。解决以上问题的根本方法是发展合理灌溉，提高水资源利用率以获取最佳的经济和生态环境效益。然而，目前中国在园林节水灌溉方面还存在明显不足[2]。主要体现在：1）目前常用的灌溉控制系统主要以有线工作方式，采用现场总线和串行总线技术，不仅需要较高的布线成本不便于扩展，而且系统安装及维护成本高；2）国内大多数的园林控制系统简单的采用控制算法进行定时自动喷灌和滴灌，不能根据植物土壤的温湿度及所需的水量及时适量地加水，不仅导致水资源的浪费，还有可能导致植物因为水多或者水量不足而死亡。因此，本文设计了一种基于无线传感网络的园林自动节水灌溉系统[3]，该系统主要由低功耗无线传感网络节点通过ZigBee自组网方式构成，同时在软件设计中引入了基于温湿度的模糊控制算法，提高了系统的灵活性和控制精度，实现了精细花卉所要求的时空差异性和水资源的高效利用。

2系统总体设计

控制系统由园林灌溉控制器和无线传感器节点组成。园林灌溉控制器包括了无线通讯模块，喷滴灌控制阀和人机交互接口，负责接收传操作指令和处理无线传感器节点采集的温湿度信息。无线传感器节点包括主控模块、传感器模块和无线通信模块。功能是实施采集园林土壤的温湿度值并通过无线的方式将数据发往园林灌溉控制器。

系统启动后，园林灌溉控制器先发起组网命令[4]，当收到无线传感器节点应答命令后。用户通过上位机软件设置各个参数，传感器节点周期性的采集整个园林土壤的温湿度数据并把数据发给灌溉控制器让其进行采取相应的控制策略。本文分别对传感器节点设计、园林灌溉控制器和温湿度的模糊控制算法进行了详细的介绍。

3无线传感器节点设计

传感器节点担负着园林土壤温湿度采集，数据接收和发送的任务。节点的结构如图1所示，节点由电源、土壤温湿度传感器和Zigbee[5]片上系统CC2430四部分组成。传感器模块负责园林内信息的采集和数据转换;处理器模块负责控制整个传感器的操作，接收和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信和收发采集数据；电源模块为整个系统提供所需的能量[6]。

3.1传感器节点硬件设计

传感器节点的电源采用2节干电池供电（每节1.5v），相当于采用太阳能电池供电，又有利于减小节点的体积，电池在每半年左 右轮换充电一次这样既经济又环保。

图1传感器节点的结构图

本系统的ZigBee芯片选用Chipcon公司的CC2430,它延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了Zigbee射频（RF）前端、内存和微控制器。它使用了1个8位的MCU（8051），具有128KB可编程闪存和8KB的RAM，还包含14位模拟数字转换器（ADC）、较宽的电压范围（2.0~3.6v）、几个定时器、32KHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、以及21个可编程I/O引脚。同时CC2430芯片功耗低，功能强大，较宽的电压范围（2.0~3.6v），集成符合IEEE802.15.4标准的2.4GHZ的PF无线电收发机，只需很少的部件就能实现信号的收发功能。

温湿度传感器的选择及参数，该系统采用TDR-3A

土壤温湿度传感器，该传感器能够同时对温度和湿度进行测量，具有适宜园林土壤环境的密封，防水，精度等特点，是测量土壤温度和湿度的理想仪器。测湿度量程0～100%(m3/m3)。在0～50%范围内精度：±2%；测温量程：-40～80℃，精度:±0.2℃；输出电流

4～20mA标准电流环[6]。

3.2传感器节点的软件流程

温湿度传感器的选择及参数，该系统采用TDR-3A传感器节点的基本工作流程主要包括上电初始化、数据信息采集、电源模块及数据的接收与发送等[4]。当系统上电启动程序对个端口进行配置，基本工作流程如图2所示。

4园林灌溉控制器设计

4.1园林灌溉控制器的组成

园林控制器由无线数据传输模块，按键输入模块，控制信息I/O口输出模块和主控制芯片模块组成，结构图如图3所示。微处理器采用MSP430F2274单片机,该芯片是TI公司430家族的16位单片机。电压工作范围是1.8～3.6V,性能高达16M IPS。正常工作功耗低至270uA,10位AD采样，32KB容量flash和1KB容量RAM,是一款高性价比的430单片机。

微处理器的通用I/O口与电池阀之间以光耦隔离，每一个I/O口对应的控制一个电池阀，以控制喷滴灌头的开闭，并通过定时器控制电池阀的打开时间等，同时系统具有很高的扩展性。

4.2灌溉控制器模糊控制策略

目前大多数园林灌溉控制器只是采用简单的控制方法并不能对花卉进行精细的控制以及传统的温、湿度闭环控制通常采用开关控制或PID控制，前者实现简单但精度差，后者精度高，但需建立数学模型，参数整定要求较高，而在温湿度非线性复杂变化的环境下，不易精确建模，基于以上特点本系统化采用模糊控制策略。模糊集论是由美国控制论专家Zadeh最早在1965年提出来的[7]。4

.2.1输入量和输出量

园林作物需水量的多少和土壤水分含量、空气温度、作物的种类及其生长阶段等相关。土壤含水量的多少和温度值通过TDR-3A传感器获得，测得环境中的温度x∈[]

4.2.2温湿度值模糊化

在温度中选择低温、中温和高温三个模糊子集，涵盖输入量x的论域[] 0,40；相应土壤含水量分为含水少、含水适中和含水多，涵盖输入量y的论域为[] 20%,55%。

4.2.3模糊控制算法

系统温湿度的模糊控制算法如图4所示，输入的信号为土壤的温度和湿度值，输出为园林灌溉的时间，先将输入变量的精确值转化为适当的论域上的模糊语言变量值，本系统对状态变量{e(k)}进行“归档”模糊量化。系统中的输入变量的误差e，变化率ec和输出都有相应的范围，当e(k)的值大于最大误差时取相应的最大误差值，同理通过模糊法算出变量的变化率的值最终系统根据园林土壤温湿度值来决策输出合理的灌溉输出时间也就是喷滴灌的用水量实现了精细花卉所要求的时空差异性和水资源的高效利用。

5系统实际应用与验证

本系统在厦门市翔安区生态园林进行了初步实验。该园林采用地面固定喷灌和滴灌系统，按照园林的作物状况不同部署了传感器节点，每一个节点负责监测一块区域土壤温湿度状况。同时每个区域采用一主管加多分支管的输配水管网，每个电磁阀与灌溉控制器相连，并由控制器控制每个之路的喷滴灌时间。实践表明选择节点间距离为220米为最佳，园林面积为1000平方米，单次通信误码率为2%，另外系统电磁阀控制精准、系统稳定性较好。

6结束语

本文提出了将无线传感器网络用于园林节水灌溉自动控制领域的技术方案，并设计了一套基于无线传感器网络的园林节水灌

（下转第1175页） 溉系统。该系统有灵活性强、安全可靠、低功耗的特点，无需人为操作，免除有线接入的繁琐和种种隐患能长期稳定的工作，是对有线控制方式的补充。同时本文针对园林灌溉系统在软件上运用了基于温湿度的模糊控制算法，使系统具有更高的可靠性，实用性，提高了园林控制系统的实用性及喷灌用水的使用效率。无线传感网络不仅能运用于园林、农业领域中的传感器数据的采集、水表的抄表、电池阀的远程控制等，对于其他领域如家居智能化、自动抄表、远程监控的领域有广阔的前景。

参考文献：

[1]高峰，俞立，张文安,等，基于无线传感器网络的作物水分状况监测系统研究与设计[J].农业工程学报，2009, 25(2):107-112.

[2]裘正军，童晓星，沈杰辉,等.基于模糊控制与虚拟仪器的灌溉决策系统研究[J].农业工程学报，2007,23(8):169-112.

[3]孙利民,李建中,陈渝.无线传感网络[M].北京:清华大学出版社,2005:4-21.

[4]闻蔷,范征宇，路林吉.基于无线传感网络的景观灯控制系统设计[J].微型电脑应用,2009,25(8) :22-24.

[5] IEEE 802.15.4 specification [OL].[2009-12].htp://standards.省略/getieee802/Download/802.15.4-2003.pdf.

第6篇：温度传感器论文范文

关键词 焊接波纹管；刚度；零件凸台；充液环境；影响因素

中图分类号TP212 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）87-0099-02

0 引言

充液式温度传感器是一种在组件的密闭内腔充满对温度敏感的液体，文献[1]阐述了敏感液体的要求与特性，文献[2]给出了液体的体膨胀系数，在感受外界温度的变化后，敏感液体的体积随之产生胀缩，通过弹性元件输出位移，控制阀门开启的大小，以调节供油量及叶片的张开角度或对通过杠杆机构最终改变喷嘴挡板活门的开度，给出燃油流量的温度补偿等。

充液式温度传感器结构简图见图1。

充液式温度传感器在我国机载传感器中，占有很重要的位置，有着高灵敏度和高精确度，在航空发动机、自动控制等领域有着广泛的应用。但在弹性敏感元件研究领域中，对充液式温度传感器[3]线性性能的影响因素却未见有系统的阐述。

某型号燃油调节器配套用焊接波纹管充液式温度传感器，其线性度是该型温度传感器重要的性能指标。其结构简图见图2，焊接波纹管内腔加一凸台。

生产实践中发现，温度传感器非线性度大，制约着产品的研制。本文主要研究不同因素对温度传感器线性性能的影响，以改善产品的性能，利于主机的装调。

1 充液量对最大输出温度位移的影响

由于产品内腔充灌的是感温液体，产品的位移是通过液体的膨胀来实现，所以充灌液体量的大小直接影响产品的位移，而充灌液体的环境温度及充灌时的真空度又是影响充灌液体量的直接因素：

1）环境充液温度太高，液体膨胀，充灌量少，输出位移小；温度太低，液体收缩，充灌量多，输出位移又大，因此必须选择合适的温度进行液体的充灌，以达到理想的位移值；

2）真空度的高低对液体充灌的影响不可忽视，真空度不够，即不能保证有足够的位移及较好的线性度，因此在保证真空度的前提下，充灌次数也应控制在4次以上。

但必须的指出的是，最大输出温度位移合格是线性计算的基础。故研究线性特性的前提条件是最大输出温度位移在合理的范围内。

2 焊接波纹管刚性对温度传感器线性影响

文献[4]阐述了焊接波纹管所用膜片的基本形式，焊接波纹管是由多个膜片组合而成，当制造膜片的材料确定后，波纹管刚度的大小主要取决于膜片的波纹形状及几何参数[5]等，影响焊接波纹管刚度的主要因素[6]，详见表1。

3 随着波纹深度的增加，

波纹管的初始刚度也增加，非线性度减小

焊接波纹管的刚性大小对温度传感器线性的影响曲线，详见图3。

从图中可以看出，增加焊接波纹管刚性，温度传感器的非线性减小。而焊接波纹管刚性增加最有效又简单的办法是增加膜片的厚度。由表1知，当膜片有效半径R/r和高厚比H/h保持不变时，波纹管的刚度与膜片厚度h的立方成正比，本文中膜片厚度的微量调整后，传感器实际非线性误差见表3。

由表3知：膜片厚度增加0.002㎜，焊接波纹管的刚度平均增加0.13kg/mm，非线性平均改善1.67%。

3 波纹管内腔凸台对线性度的影响

消除传感器提前止动，实践中凸台尺寸变化如图5。

温度传感器的线性度主要由敏感液体的固有特性决定的，一旦敏感液体确定了，它的体膨胀系数也就基本确定，传感器位移输出根据液体不可压缩性并随环境温度的影响进行膨胀及收缩通过焊接波纹管组合件来实现。由于传感器位移的输出是在焊接波纹管输出端加载的前提下实现的，因此传感器特性在低温-T℃时，由于感温液体的作用，已经产生一定量的收缩方向的位移，此时作为产品的零点位置，而在收缩方向若遇到止动（凸台高）的情况，则其收缩位置不能到位，而在（-T+T）位置点，当温度升高时，输出的起始位移产生滞后，位移减小，输出的总位移也减少，产品的线性将呈现减增的状态，如图4所示。

4 结论

为改善温度传感器的线性，满足航空发动机需求，在敏感液体不变的前提下，从如下三方面解决。

1）调整适当的充液温度，且保证传感器内腔的真空度及充液量，需充灌液体至少4个循环，使温度传感器达到最佳状态；

2）增加焊接波纹管刚度，最简单、有效的办法是微量增加波纹管的厚度；

3）波纹管内腔设有凸台，应消除产品的提前止动状态。将伸入焊接波纹管内腔底座的中心凸台尺寸减少0.2㎜，使产品在零点位置充分收缩，充分反映出固有线性特性。

参考文献

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第7篇：温度传感器论文范文

关键词: 机电控制系统课程教学 虚拟仪器 应用实例

1.原有机电控制系统课程在实践教学中存在的弊端

机电控制系统是以控制理论为基础,密切结合工程实际的一门专业基础课,是电气自动化、机电一体化等专业的一门专业基础课,它是将电机学、机电传动、控制电机等课程有机结合而成的一门课程。对高职类学生的主要教学目标是使学生首先掌握各类工业常用传感器的选用及具体应用方法,从而在此基础上学会对整个系统进行综合设计和分析。它以《电子技术》、《可编程序控制器》、《单片机技术》为基础,教学的目的在于培养学生掌握电机的控制方法,并从理论逐步过渡到实际的工业控制系统,真正解决实际系统的中的有关问题。由于本课程应用性极强,单靠书本太抽象,学生听起来枯燥乏味,因此实践教学环节显得尤为重要。然而传统实验手段的落后使得实践教学环节只有两种选择:要么借助一些专用实验设备做一些验证性的实验,了解一些简单传感器的工作原理;要么买一些工业用传感器来示教。

这两种方法都存在着一定的弊端,前者的缺点是学生在专用实验设备上接触到的只能是一些与工业实际传感器差别较大的简单传感器,通过实验,学生只能对传感器的原理加深理解,在实际应用方面用处不大;而后者则因为各类工业传感器的应用往往是在工业控制过程或某种特定测控对象中,传感器的输出又需要相应的信号处理与显示,如果要在实验室中真实再现各类传感器的工业应用,不仅需要大量仪器、设备与资金的投入,而且其教学效果并没有想象中的好。

2.虚拟仪器在机电控制系统课程教学中的应用

NI公司的LabVIEW是一种非常优秀的面向对象的图形化编程语言,是一个开放型的开发环境,它使用图标代替文本代码创建应用程序,拥有大量与其它应用程序通信的VI库。作为目前国际上主流的基于数据流的编译型图形编程环境,它可以把复杂、烦琐、费时的语言编程简化成用简单或图标提示的方法选择功能(图形),并用线条把各种图形连接起来的简单图形编程方式,使得不熟悉编程的工程技术人员也可以按照测试要求和任务快速设计出自己的程序和仪器面板,大大提高了工作效率,减轻了科研和工程技术人员的工作量。

虚拟仪器作为目前测控领域的最新技术,已被广泛应用于航天、航空、工农业生产各个领域。所谓虚拟仪器就是在通用计算机平台上,用户根据自己的需求来定义和设计仪器的测量功能。其具有各类标准的信号输入输出接口和各类使用灵活方便的信号处理及仪器模块,恰好为传感器提供了各类信号处理与显示的方案。学生通过虚拟仪器不仅可以将传感器产生的信号采集进来,还可以进一步做二次信号转换、数据处理、显示等,并可以根据检测分析的结果产生相应的输出控制信号,且在计算机上编写用户交互界面,显示相关信息。

3.液压控制系统应用实例分析

系统采用的数据采集卡为NI公司M系列的PCT6221多功能数据采集卡,具有16路单端输入通道或8路差分输入通道,采集速度最高为250k/s,分辨率为16位,两路模拟输出通道,最高转换速率为833k/s,分辨率为16位。此外还有两个32位的定时计数器,24路数字量输入输出通道,满足系统的控制要求。

利用超声传感器把液位信号变为0―10v的电压信号,经NI-6221数据采集卡的模拟输入通道采集到计算机,由LabVIEW编写的控制器根据实测信号和设定值发出控制信号,经NI-6221数据采集卡的模拟输出通道输出0―10v的信号控制泵的驱动器,从而改变泵的转速,达到控制液位的目的。该系统的主要功能有:实时数据采集和显示,实时PID及其它算法控制和数据存储。

4.其他应用实例分析

温度传感器是传感器中的一个重要章节,由于温度传感器种类较多,目前工业常用的有:热电偶、热电阻、热敏电阻、半导体温度传感器等。选用目前工业应用较广的半导体温度传感器为蓝本,设计虚拟仪器测量显示程序。我们可通过在接线面板上的简单连接,将传感器产生的信号输入到虚拟仪器数据采集卡的模拟通道。由于传感器的输出电压随温度的变化规律是:温度每变化1℃,其输出电压改变0.01V,故在程序中只需将数据采集卡采集得到的电压值乘以100即得到温度值,其数据经温度单位选择开关送温度显示,通过程序的循环执行将当前温度实时地显示在计算机显示屏上。

执行本程序不仅可在计算机屏幕上看到当前温度的动态采样值和图形显示,而且可在按下停止键后显示出采样的点数和采样时间段内的最高温度、最低温度、平均温度,同时可将采样数据都保存到用户指定文件中。程序执行后在计算机屏幕上将见到用户界面及对话框,在对话框中学生可输入指定文件名及路径,过后学生可到该文件中查看所有温度采样数据。

通过本实验,学生不仅可以真实体会温度传感器在温度测量中的应用,而且可加深对动态测量和数据处理的认识。另外学生只要更换传感器后在程序中稍做修改,就可以做其他温度传感器的测量实验。同时教师可启发学过虚拟仪器的学生设计程序完成其他功能的编程,如画出动态温度分布曲线、增加传感器选择功能等。

5.结语

虚拟仪器系统具有友好的人机界面,经过实际测试系统稳定可靠,控制响应速度快,曲线变化平稳,完全满足了实际和教学方面的需要,也充分体现了虚拟仪器的特点。特别是其扩展性很好,可以随时添加更加先进的控制算法,而且开发周期很短。综合看来,虚拟仪器在机电控制系统的实践教学中具有推广使用价值,值得进一步探讨和研究。

参考文献:

[1]周求湛,钱志鸿,刘萍萍等编著.虚拟仪器与LabVIEW 7 Express程序设计.北京航空航天大学出版社,2004.

[2]雷振山编著.LabVIEW 7 Express实用技术教程.中国铁道出版社,2005.

第8篇：温度传感器论文范文

关键词 DS18B20；红外线；脉宽调制

中图分类号TP212 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）77-0179-02

0 引言

远程红外温度采集系统是通过红外通讯技术实现对温度的信息的数据传输，红外线经过发射器发射到指定位置，探测到有效数据后返回经过接收器接收，完成对温度信息的采集。远程红外温度采集系统是采用红外通讯技术实现对温度数据的采集，红外通讯技术是基于AT89C51单片机的红外温度采集系统设计，其操作简单、使用方便、使用成本低等特性在温度采集方面得以广泛的应用。其能够实时的对周围环境温度进行采集和监视，通常条件下可以检测10m左右的范围内的温度。本文结合红外通讯技术介绍一种基于单片机远程红外测温系统，并对该系统的设计方案及设计原理进行了详细讨论。

1 红外通信原理

红外通信原理流程是发射模块是由单片机构成，能够调制二进制编码数据，使其转换为脉冲数据串信号，在经过发射管的推动发射出去红外信号。在接收端通过红外线脉冲波的接收模块对红外信号进行接收，在通过检验、放大、编制、译码转化为可读的有效数据。红外线接收模块通过一体化红外接收头接收解调，并通过单片机解码，再显示在数码显示管上供我们读取数据。

红外通信原理流程：

单片机（输出调制）-红外发射电路（发送）-一体化红外接收头（接收解调）-单片机（解码）-显示管（显示数值）。

2 系统设计方案

远程红外温度采集系统设计的硬件设备采用数字温度传感器（DS18B20）对周围环境的温度进行采集，在通过单片机（AT89S51）对温度信息进行输出调制，经过调制后通过红外线发射电路（二极管发射器）发射到空中，接收端采用一体化红外接收头对发射端发射过来的红外线进行采集，经过接收解调（检验、放大等），传送给单片机（AT89S51）进行解码，通过四位数码显示管显示出当前环境的温度。

硬件设计与实现：

1）数字温度传感器（DS18B20）

数字温度传感器（DS18B20）能够感知环境周围的温度，并将感知的温度进行采集和将温度信息转变为数据，数字温度传感器（DS18B20）通过对1线I/O口进行数据写入，再采用串行通信与微控制器进行通信（温度传感器工作电压3V～5V，测量温度精度0.5°，测量温度范围-55°～+125°）温度采集电路如图示。

2）控制单元

远程红外温度采集系统的控制单元采用单片机AT89S51，单片机AT89S51拥有8KB的FlashROM内存，可进行反复的数据存储与擦拭，用于对数字温度传感器（DS18B20）感应到的温度信息进行存储和编辑。单片机AT89S51拥有连接数字温度传感器（DS18B20）与数码显示二级管的连接接口，可将温度信息进行调制传输和解制显示。

3）显示模块

远程红外温度采集系统的温度是通过4位八段的数码管显示，能够将采集的温度数值精准到0.1°。

3 软件设计原理

经红外遥控接收器对红外脉冲信号的每个脉宽进行测量，通过CPU解码，同时执行指令还原PWM码。将红外脉冲的脉宽以二进制数值（0，1）表示，对红外脉冲信号的脉冲宽度、间隔时间、脉冲周期进行划分脉冲宽度在0.56ms，间隔时间在1.68ms，脉冲周期在2.24ms的脉冲信号用“1”表示，其他宽度、间隔时间、脉冲周期的脉冲信号用“0”表示。当INT0为高电平时启动定时器进行计数；到INT0变为低电平时，结束计数，读取这一周期T0的数值。再将T0设置为初值0，进行循环操作。通过单片机对二进制“0”“1”进行解码，并在数码管中显示出所探测的环境温度数值。

4 结论

远程红外温度采集系统的设计主要是通过数字温度传感器（DS18B20）对周围环境的温度进行采集，在通过单片机（AT89S51）对温度信息进行输出调制，经过调制后通过红外线发射电路（二极管发射器）发射到空中，接收端采用一体化红外接收头对发射端发射过来的红外线进行采集，经过接收解调（检验、放大等），传送给单片机（AT89S51）进行解码，通过四位数码显示管显示出当前环境的温度。我们通过对红外线传输与接收原理的学习，更好的掌握远程红外温度采集系统的设计。

制作的无线红外温度采集系统硬件，可以实现温度的无线采集，并且相当精确。本系统中38kHz载波的产生和红外编码都是通过软件产生，节省了硬件。当然，电路还有些改进的地方，比如可设置温度上下限，并能进行报警，起到提醒用户的作用。

参考文献

[1]陈杰.传感器检测技术[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2]MoulyM，PauterMB.GSM数字移动通信系统[M].北京：电子工业出版社，1996.

[3]李朝青.单片机原理及接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.

第9篇：温度传感器论文范文

关键词：氨氮；智能传感器；快速检测；数据融合

中图分类号： TP212 文献标识码： A 文章编号：2095-1302（2013）03-0035-05

0 引 言

水体的氨氮含量是指以游离态氨NH3和铵离子NH4+形式存在的化合态氮的总量，是反映水体污染的一个重要指标。含有大量氨氮的废水排入江河湖泊，不仅造成自然水体的富营养化，使水体缺氧，滋生有害水生物，导致鱼类死亡，而且给生活和工业用水的处理带来较大困难。特别是游离态的氨氮到一定浓度时对水生生物有明显的毒害作用，例如大多数鱼类在游离态的氨氮在0.02 mg/L时即会中毒。氨在水中的溶解度在不同温度和pH值下是不同的，当pH值偏高时，游离氨的比例较高，反之，则铵离子的比例较高。一定条件下，水中的氨和铵离子有下列平衡方程式表示：

测定水体中氨氮含量有很多种方法，现有的测定氨氮的方法主要有蒸馏分离后的滴定法、纳氏试剂分光光度法、苯酚-次氯酸盐（或水杨酸-次氯酸盐）分光光度法、电极法、光纤荧光法及光谱分析法等。上述方法均存在一些缺陷，比如，滴定法的灵敏度不够高，分光光度法化学试剂用量大、步骤繁杂，铵离子电极法易受其他一价阳离子干扰，氨气敏电极测试水样pH值必须调整到大于11，光纤荧光法技术还不成熟，光谱分析法仪器成本昂贵等，均难以满足现场原位高频检测的需要。

近年来，随着传感技术、计算机技术和通信技术的发展，原本功能比较单一的传感器变送器逐渐过渡到具备一定的数据处理能力，能够自识别、自校正和自补偿，且具备一定的网络功能智能传感器。本文所述智能氨氮传感器采用氨气敏、铵离子、pH和温度四电极复合结构，不需要化学试剂，适用于水体氨氮含量的原位快速检测，并且通过数据融合处理提高了其测量精度。

1 水体氨氮的原位快速检测原理

水体中的氨气和铵离子的浓度与水的离子积常数Kw和NH3碱离解度常数Kb有关，而不同温度下水的离子积常数Kw和NH3碱离解度常数Kb是变化的。通过查表1可以得到0～50℃范围水的离子积常数Kw和NH3碱离解度常数Kb，进而可以通过下式计算水体中的氨气和铵离子的浓度比例：

（1）

其中：

当水样的pH提高到11以上时，NH3 + H2ONH4++ OH-的反应向右移动，可使铵盐转化为氨气；当水样的pH值在7以下时，反应向左移动，氨氮全部以铵离子形式存在。所以，利用氨气敏、铵离子、pH和温度探头同时测量出水体中的NH3 浓度、NH4+ 浓度、pH值和温度，就可以计算出当前水体的氨氮含量。

2 氨氮传感器的结构和电路设计

2.1 智能氨氮传感器的结构设计

为了实现对水体氨氮的原位快速测量，本文设计了一体化的智能氨氮传感器，图1所示是智能氨氮传感器的结构示意图，该传感器包括氨气敏电极、铵离子电极、pH和温度探头、过滤网、保护罩、壳体底座、传感器壳体、防水接头、密封垫以及线路板等部件。传感器与壳体底座的连接固定采用国际通用的PG13.5螺纹，使其具有良好的互换性。由于整个传感器要浸在水下，对其防水要求很高，我们在所有螺纹的连接处都设计了硅胶密封垫，引线通过防水接头引出，使其防护等级达IP68。另外，考虑到传感器要长期在线工作，在探头外加装滤网和保护罩，以便于传感器的清洗维护。

2.2 智能氨氮传感器的电路设计

图2所示是智能氨氮传感器的电路原理框图。该氨氮智能传感器包括氨气敏探头、铵离子探头、pH和温度探头、信号调理模块、铁电存储器、微控制器MSP430、总线接口模块、电源管理模块。由于pH电极、铵离子选择性电极和氨气敏电极的输出阻抗特别高，所以放大电路的第一级必须选用高输入阻抗的运放进行阻抗匹配。另外，在试验中发现，电极探头输出的信号容易受50 Hz工频信号干扰，所以在信号调理模块中增加了低通滤波环节，以提高其工作的稳定性。

利用四种探头，本文通过两种方法检测水体氨氮。第一种是测量水温、pH值和离子态铵可以得到一个氨氮含量。第二种是测量水温、pH值和游离态氨可以得到另一个氨氮含量，然后再参考pH值和温度对二者进行融合，得到最终的氨氮含量。采用这种方法可以在不用化学药剂对水样进行预处理的情况下，得到较为精确的水体氨氮含量。

为了实现智能氨氮传感器的即插即用和自补偿等功能，本文参考IEEE1451设计了传感器的TEDS表格，其内容包含传感器信息、通道信息和校准补偿参数表，并将其存储于外部铁电存储器之中，这样，通过I2C总线就可以读取或修改其中的内容。

3 氨氮传感器的标定及数据融合算法

3.1 氨氮传感器的标定算法

根据公式（1），水体中的氨气和铵离子的浓度与水的离子积常数Kw和NH3碱离解度常数Kb有关，而pKw和pKb都与水体温度有关。

根据表1中的数据，本文得出pKw与温度呈线性关系，其公式如下：

（2）

pKb与温度的关系可用如下二次多项式表示：

（3）

为了测试游离态氨与pH和温度之间的关系，配置了如下氨氮的标准溶液：10 mg/L、1 mg/L、0.1 mg/L和0.01 mg/L，然后用烧杯各取50 ml标准溶液，放入恒温水槽中，从5～35 ℃每隔10 ℃记录一次氨气敏电极的测量输出，同时用1 mol/L的NaOH溶液调节pH值，使样品溶液的pH值分别稳定在pH = 7、pH = 8、pH = 9、pH = 10和pH = 11，通过80组试验，得出游离态氨随pH和温度的变化曲线。

图3所示是10 mg/L的氨氮溶液其氨气敏电极变送输出电压随pH和温度变化实测曲线。从图3中可以看出：变送器输出电压随pH值的变化趋势与理论计算相同，但温度对输出电压的影响并不明显，与理论分析有所不同。所以为了简化处理，本文将5～35℃测量值取平均，作为室温下的变送器输出电压来重点研究pH值对其的影响。

经过简化处理后，将80组试验数据合并为20组，得出图4所示氨气敏电极输出电压随pH值的变化曲线。在图4中，对于不同浓度的样品，其输出电压随pH值的变化有着相同的规律，这与理论分析一致。

将图4中的数据转换为以氨氮浓度为横轴，并取对数坐标，则可得到如图5所示的一组曲线和如下的回归方程：

（4）

图5所示是对数坐标下氨气敏输出电压和氨氮浓度的关系图。从图5中可以看出，在pH值恒定的条件下，变送器输出电压与氨氮浓度的对数呈线性关系，且pH值越高，其线性越好，但不同pH值其回归方程的系数不同。令氨氮浓度的对数ln[NH3-N]为自变量x，则公式（4）的形式可以简化为 U =Ax+B，下面考察系数A、B随pH值变化的情况。

图6所示是氨气敏回归方程系数A随pH值的变化曲线。可以看出，氨气敏回归方程系数A与pH值的关系和游离态氨与pH的理论曲线相吻合，即系数A的变化与游离态氨在氨氮中的比例的对数呈线性关系。通过曲线拟合以及调整常数项*，发现当常数*=8.85时，拟合效果最好，如图6所示，其R2=0.999 9，故系数A可用如下公式表示：

（5）

系数B的变化与系数A类似，用同样的方法可以得到如下表达式：

（6）

其中，常数*=9.65时，拟合效果最好。图7所示是氨气敏回归方程系数B随pH值的变化曲线，其R2=0.998 7。

综合公式（4）、公式（5）和公式（6），可以得出水体氨氮的浓度[NH3-N]与氨气敏电极输出电压U以及pH值的关系如下：

[NH3-N]=（7）

利用同样的分析方法，可以得出由铵离子电极测出的水体氨氮浓度[NH4+-N]与其输出电压U以及pH值的关系如下：

3.2 氨氮传感器的数据融合算法

3.2.1 智能氨氮传感器数据融合算法

通过氨气敏电极和铵离子电极，我们可以得到两个氨氮含量[NH3-N]和[NH4+-N]，传感器最终输出的氨氮含量是根据当前水体情况，对以上两个数值的融合。为了提高整个氨氮传感器的检测精度，本文根据不同水体状况，赋予[NH3-N]和[NH4+-N]不同的权重，然后进行加权平均。即当水体pH值比较低时，[NH4+-N]的权重高，以铵离子电极为主，氨气敏电极为辅；而当水体pH值比较高时，[NH3-N]的权重高，以氨气敏电极为主，铵离子电极为辅。

[NH3-N]权重WNH3的计算公式如下，是由公式（1）推出：

（9）

其中，* = pKw-pKb，而pKw和pKb可根据公式（2）和公式（3）并通过水体温度计算：

（10）

计算出[NH3-N]的权重WNH3，则[NH4+-N]的权重WNH4=1- WNH3。所以加权平均后的氨氮浓度[NHx-N]、游离态氨浓度[NH3]和离子态铵[NH4+]的浓度可由如下公式计算：

3.2.2 智能氨氮传感器数据融合算法的实现

综合前面几节的分析，我们设计出智能氨氮传感器的工作流程如图8所示。当采样时间到来的时候，系统从低功耗状态唤醒，首先向pH变送电路供电，经过一段传感器稳定时间后，开启微控制器的A/D转换，读取pH和温度的原始值。因为pH电极输出易受各种信号干扰，本文在硬件滤波的基础上，又对其进行软件滤波。具体方法如下：首先连续采样255次，对采样结果进行排序和中值滤波，然后再重复以上过程50次，并对中值滤波的结果进行算术平均。这种算法的优点是既可以去除脉冲信号干扰，又可以减小随机信号的干扰，无论对快变信号还是缓变信号，都可以得到比较好的滤波效果。

图8 智能氨氮传感器采样及数据融合流程图

数字滤波后，得到较为稳定的pH和温度的原始电压值，然后读取pH传感器的Calibration TEDS参数，计算出当前水体的pH值和水温并保存以备后用，同时关闭pH变送电路电源，打开氨气敏变送电路的电源，准备进行[NH3-N]浓度的读取和计算。其处理过程如下：当供电达到氨气敏传感器稳定时间后，开启A/D转换，连续读取其原始电压值，进行数字滤波；根据当前pH值以及公式（7），计算出由氨气敏电极测量的水体氨氮含量[NH3-N]并保存，同时关闭氨气敏变送电路电源，打开铵离子变送电路的电源，准备进行[NH4-N]浓度的读取和计算。其处理过程与[NH3-N]类似：当供电达到铵离子传感器稳定时间后，开启A/D转换，连续读取其原始电压值，进行数字滤波；根据当前pH值以及公式（8），计算出由铵离子电极测量的水体氨氮含量[NH4-N]并保存。最后进行数据融合，根据pH值和水温，用公式（9）计算[NH3-N]的权重WNH3和[NH4-N]的权重WNH4，利用公式（11），得出最终的水体氨氮浓度、游离态氨浓度[NH3]和离子态铵[NH4+]的浓度并保存，关闭变送器电源和A/D转换模块，完成一次氨氮浓度的测量，将系统转入低功耗运行，等待下一次被唤醒。

4 测试结果讨论

为了验证智能氨氮传感器的检测精度，我们用0.01 mg/L、0.1 mg/L、1 mg/L和10 mg/L的氨氮标准液在室温（20 ℃）下对传感器进行了测试。具体方法：将探头分别置于0.01 mg/L、0.1 mg/L、1 mg/L和10 mg/L的标准液中，用1 mol/L的NaOH溶液仔细调节pH值，使样品溶液的pH值分别稳定在pH = 7、pH = 8、pH = 9、pH = 10和pH = 11，然后读取并记录其[NH3-N]、[NH4-N]和[NHx-N]，其测量结果如图9所示。

（a）氨气敏所测氨氮浓度

（b）铵离子所测氨氮浓度

（c）数据融合后的氨氮浓度

图9 不同pH值下氨氮传感器测量融合结果

由图9可以看出，数据融合后的氨氮测量结果明显优于单个氨气敏传感器或铵离子传感器的测量结果。将不同pH值测量结果取平均，然后列表、绘图观察其绝对误差和相对误差，则可以更清楚地看出数据融合对检测结果的影响。表2所列是氨氮传感器的检测精度表。

5 结 语

通过实际测试可以看出，经数据融合后，氨氮测量的绝对误差和相对误差都明显减小，其绝对误差在0.5 mg/L之内，相对误差小于8%（0.01 mg/L除外），可以满足水产养殖在线的需求。

参 考 文 献

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