压力传感器范文第1篇
关键词：低功耗广域通信;物联网;变电站;温度监测;智能化管理
0 引言
物联网是涉及多学科、知识高度集成的前沿热点研究领域，其快速发展对无线通信技术提出了更高的要求，专为远距离、低功耗、密集终端通信而设计的低功耗广域网也快速兴起[1]。本文在变电站高压断路器柜等关键设备温度监测领域，采用低功耗广域网通信技术进行温度监测系统的构建，充分利用其覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗小等特点，提高电力测温系统性能，并降低运维成本。
本系统采用低功耗广域物联网技术(LoRa)[2]对变电站的高压进线、变压器、高压断路器柜、隔离开关、电缆搭头和电容器室等关键设备的温度实现智能化管理，实现温度信息的在线监测、实时显示、预警报警等综合智能化信息管理，更加智能、无漏警、无虚警地实现告警信号采集与处理，满足智能变电站的设备运行管理要求。
目前电力无线测温通常采用ZigBee通信技术[3]，其特点是通信距离短、功耗低，通过MESH多跳组网，实现终端数据到通信中继或通信基站的数据传输。ZigBee通信技术采用2.4 GHz工作频段，会对Wi-Fi信号产生干扰，目前电力系统在推广专用Wi-Fi通信网络，所以采用ZigBee技术的无线测温设备会导致其与其他采用Wi-Fi网络通信的电力设备产生通信干扰，不仅影响测温数据的正常传输，还会影响到其他设备的正常通信[4]。
本系统首次将长距离、低功耗(LoRa)物联网技术在智能变电温度监测领域进行规模应用和实践研究，通过研究长距离、低功耗传感器网络的结构、传输协议和路由算法，填补长距离、低功耗物联网络技术在智能变电监测领域大规模集成应用的空白，验证其网络传输可靠性和数据安全性。
1 低功耗广域无线测温系统架构
本系统由无线温度传感器、传感网络通信基站、温度管理平台等组成，可以实时监测高压设备工作温度。系统测量的设备温度数据可在温度管理平台进行综合比较分析，如当前数据与历史数据、当前设备温度数据与环境温度数据、同类设备相间温度数据的实时比较。通过多数据的融合分析，可有效提高数据的准确性和可靠性。系统结构如图1所示。
该系统中，无线温度传感器采用低功耗MCU控制和处理技术，抗干扰能力强。设备天线采用特殊定制的平板天线，避免了普通鞭状天线在高压环境下容易尖端放电的缺陷，适宜在高压环境下运行;传感网络通信基站，负责自动接收无线温度传感器所发送的温度数据，并可通过以太网/3G/4G上传到监测管理中心。基站收到温度管理平台的召唤数据指令后，可上传监测点温度数据。通信基站采用单跳星型网络与温度传感器通信，实现对传感器的温度数据采集和命令发布。单基站的传感器管理容量大(可管理上万个无线传感器)[5-6]，系统扩展性强。温度管理平台具有在线采集并分析现场温度的功能，保障了电力设备稳定运行。
2 系统技术特点
系统中的无线测温终端与通信基站采用星型网络结构，终端与基站间采用低功耗广域通信技术，该技术以低功耗和长距离通信为特点，实现终端大容量、广域无线通信覆盖。本文主要介绍无线测温传感器的低功耗技术、低功耗广域网络的抗干扰技术以及系统的无线通信安全技术。
2.1 低功耗设计
无线传感器网络的节点数量大、电池小、能量有限，而传感器网络覆盖区域大，如何设计合适的通信机制并实现能源高效利用是无线传感器网络设计面临的难题[7]。
首先终端传感器的功耗需要降低，在硬件和软件协同方面系统地研究无线传感器的低功耗设计策略。在硬件方面主要是对低功耗射频唤醒机制、动态功率管理和动态电压调节技术以及射频器件、微处理器等器件的选择和电源管理策略等方面进行研究，在软件方面主要是对低功耗传感网络协议、节点级低功耗数据融合算法等方面进行研究。通过软硬件低功耗设计，实现节点休眠功耗1 μAh，平均功耗低于5 μAh，如果供电电池为500 mAh，则节点寿命可达10年以上，即可满足大多数工业应用需求。无线测温传感器功能框架如图2所示。
我们针对变电站高压带电设備无线温度传感器的低功耗设计技术进行了大量研究。由于高压带电设备的无线温度传感器具有无法随意更换电池以及电力检修周期较长等特点，本设计在长寿命一次性电池供电和环境获取能源技术、超低功耗路由算法、动态心跳占空比等方面进行了深入研究，设计的低功耗传感节点满足电力无线传感器网络对监测周期的要求和节点功耗最低化的要求。
2.1.1 低功耗射频唤醒机制研究
传感器节点主要包括传感器模块、无线通信模块和处理器。处理器和传感器模块的功耗由于工艺进步变得很低，无线通信模块功耗还是很高的，因此需要重点研究通信模块的节能。本设计提出了一种低功耗唤醒机制，通过采用低功耗的射频唤醒电路，感知其他节点唤醒请求，从而唤醒通信模块和MCU来响应其他节点的请求，满足无线传感器网络的低功耗与实时性要求。
2.1.2 动态功率管理和动态电压调节技术研究
系统的技术指标包括驱动能力、稳定性、处理速度、线性度等，如果是非关键指标，可以根据传感器需求，降低技术指标来减少系统功耗。
根据明确的技术指标，系统通过对动态功率管理和动态电压调节技术在无线传感网络系统中的应用研究，具体在降低电源电压，减少系统电路门数，降低时钟频率以及系统中静态功耗低的CMOS芯片器件的应用等方面，实现信号获取单元及处理单元消耗功率的降低，即从硬件角度降低网络化传感器的功耗。
无线传感节点的其他功耗器件，如无线收发单元、处理器、内存等，可以通过动态功率管理技术使其运行在节能模式下，也可以减少能量消耗。
另外，传感器的工作负荷是随时间变化的，因此可以采用动态电压调节技术，动态地改变微处理器的工作电压和频率，使其刚好满足当时的运行需求，从而在性能和能耗之间取得平衡。根据节点的负载确定节点处理器速率，再根据这个处理速率来确定下个时隙处理器的工作电压和工作频率，以实现降低无线传感节点能耗的目的。
2.1.3 传感器数据融合算法与边缘计算研究
通过对变电站内多种关键设备温度信息实现自动融合，实现设备运行温度、温升和相同设备相间温差等信息的综合分析处理，可更加智能、无漏警、无虚警地实现告警信号采集与处理，并可降低通信频率以降低传感器功耗[8]。基于对传感器网络中数据的研究，结合网络管理实时性的要求，通过对不同融合策略的分析，本设计在满足系统寿命周期和实时管理要求的条件下，实现了对相似数据和异常数据的识别判断，对相似数据的合并或捎带传输，对异常数据的剔除，避免了发送无效数据，提高了数据准确性，并降低了传感节点的功耗。
2.2 抗干扰技术
本系统采用线性扩频通信技术(CSS)和跳频-正交频分复用(FH-OFDM)扩频通信技术，实现变电站监测网络所需的长距离、低功耗和大容量终端管理功能。CSS技术具有较强的抗频偏能力、抗衰落能力、抗截获能力，并且处理增益大、传输距离远、系统功耗低，在复杂的环境中也可以进行可靠通信[9]。
CSS不但具有上述特点，而且由于自身独有的脉冲压缩特性，能够有效将传统的幅度调制、频率调制和相位调制结合到一起，形成一种高效的多维度多址技术，能够充分利用珍贵的频谱资源，低能量传送信息，满足低速低功耗无线网的需求。同时，由于线性扩频信号的产生和匹配处理主要是通过声波滤波器(SAW)来完成，声波的传播速度只有电磁波的约十万分之一，所以在声波滤波器上很容易进行信号的采样和处理，这也很大程度上降低了物理层的复杂度和功率消耗[10]。
系统同时在正交频分复用系统的基础上引入跳频技术，实现子载波跳频通信。系统中跳频通信的实现采用数字化方式，OFDM作为一种多载波调制技术，能够将频域高速数据流通过串并变换，在多个正交的子载波上进行传输，对系统的频谱利用率提高很大。
2.3 通信安全技术
无线通信安全是物联网通信领域的重要研究内容[11]，低功耗广域网络(LoRa)需要在通信技术和通信加密协议两方面实现通信安全保障。LoRa融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术，采用线性扩频(CSS)技术构建通信网络，满足现在室内外通信对系统提出的抗干扰能力强、通信可靠稳定性好、发射功率低、系统电池持续时间长等要求。本通信系统终端设备发射功率很低，具有良好的电磁兼容性：即不仅具有抗干扰、抗噪声能力，同时由于其频点选择范围宽(能够避开其他通信设备频点)、发射功率低，也不会对其他设备通信造成干扰，十分适合在通信条件复杂的室内外环境中进行可靠通信。
本系统无线传感网络通信采用LoRaWAN协议[12]，该协议是物联网国际标准，具有完备的通信安全机制，包括双向认证、完整性校验和保密机制。双向认证作为网络连接的过程，发生在通信终端与网络服务器之间，确保了只有真正的和已授权的通信终端才能与真实的网络相连接。LoRaWAN协议的MAC和应用消息是经过认证、完整性保护和加密处理的，这种保护和双向认证机制共同确保了网络通信来自合法的设备。
LoRaWAN为终端设备和服务器之间的数据交换提供端对端的加密机制，在网络服务器和应用服务器之间采用双层加密认证机制，密钥采用AES128加密技术。通信终端加入网络或进行网络通信时，由终端64位EUI与网络服务器的网络秘钥和应用服务器的应用秘钥共同绑定，它们分别对应用层数据和MAC协议帧加密;信息收发密钥是由终端与网络服务器、应用服务器独立产生，抗干扰能力强。
应用秘钥是服务器和通信终端的根密钥，双方共同拥有，且不参与通信交换，因此攻击者无法通过窃听无线电而破解。因为双方具备相同的两个密钥，而AES128是对称加密机制，服务器和通信终端都可以有效使用该机制。同时为防止网络重播攻击，LoRaWAN在协议中采用绑定通信终端与任意或非重復的随机数方式进行验证加密，确保验证信息不被重复使用，以对抗网络非法重复攻击。
3 结语
本系统采用低功耗广域物联网所建立的大数量设备温度在线监测系统，是物联网技术在变电监测领域的一次创新性规模应用。系统从高压进线、变压器、高压断路器柜和电容器室等关键设备上采集温度数据信息，通过物联网和管理平台进行数据传递和信息交换，为变电站设备运行提供数据支持，有效提高了电网运行自动化、信息化管理水平，同时降低了现有电力设备温度监测的安装成本和后期运维费用。
[参考文献]
[1] 赵静，喻晓红，黄波，等.物联网的结构体系与发展[J].通信技术，2010(9)：106-108.
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[5] PETAJAJARVI J，MIKHAYLOV K，ROIVAINEN A，et al.On the coverage of LPWANs：range evaluation and channel attenuation model for LoRa technology[C]// 2015 14th International Conference on ITS Telecommunications (ITST)，2015：55-59.
[6] MIKHAYLOV K，PETAEJAEJAERVI J，HAENNINEN T.Analysis of Capacity and Scalability of the LoRa Low Power Wide Area Network Technology[C]// European Wireless 2016， 22th European Wireless Conference，2016：119-124.
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[9] 陈治国，袁雪莲，张文杰.基于Chirp信号跳频调制的超宽带通信系统设计[J].通信技术，2007，40(9)：15-17.
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[11] Internet of Things：Privacy and Security in a Conn-ected World[Z].Federal Trade Commission，2015.
[12] LoRaWANTM 1.1 Specification 2[Z].LoRa Alliance，Inc.， 2017.
收稿日期：2020-04-16
作者简介：杨博(1991—)，男，河南新郑人，硕士，工程师，研究方向：电力物联网。
金佳奔(1991—)，男，江苏无锡人，工程师，研究方向：变电设备智能运检。
张煦(1986—)，男，湖南隆回人，硕士，工程师，研究方向：电力系统规划。
压力传感器范文第2篇
【关键词】传感器;教学设计;教学方法
引言
传感器市场近些年一直持续增长，势头良好，主要应用于工业制造、汽车产品、电子通讯和专用设备，其中工业制造和汽车产品达到市场份额的三分之一，因此《传感器技术》课程是电子信息工程技术与应用电子技术专业的专业必修课，它既是前期理论课的延续，又是学习其它专业课的前提，在本专业的职业能力培养中，起着承前启后的桥梁作用。
从转换原理上来说，该课程涉及电学、磁学、光学、化学等学科;从应用角度来看，又与测量学、电子学、计算机技术及自动控制技术等紧密联系;从每一种传感器的转换机理及应用场合来说，内容相对独立;因为该门课程内容繁多，教学内容不可能面面俱到，因此在教学中，整合了教学内容，将教学内容分成多个项目，其中每周六个学时为一个项目，例如：应变式传感器在称重测量上的应用，电感式传感器在位移测量上的应用，热电式传感器在温度测量上的应用、计算机温度、转速的PID控制等等。
根据职业院校学生的特点，为了提高学生学习的积极性，在课堂上采取了理论与实践相结合、项目教学法和任务驱动法相结合、传统黑板教学和计算机多媒体教学相结合等多种教学方法。下面就以《应变式传感器在称重测量上的应用》项目为例来具体介绍一下《传感器技术》课程的教学设计。
1.理论课的教学设计
现代教育技术是当前教育的制高点，充分利用多媒体课件，利用网络资源优化教学是目前教学改革的热点。利用各种图片、视频等资料来充实教学，有利于培养学生的敏锐观察力、丰富想象力、求异思考等良好的品质思维。但是，传统的黑板教学并不能完全舍弃，本项目的理论课为两个学时，根据教学需要，在多媒体教室上课，采用传统的黑板教学与多媒体教学相结合的教学方式。
在项目的开始首先在多媒体课件上展示出一些电子秤图片，让学生讨论电子秤在生活中的应用有哪些，并且告诉他们，学完这个项目之后自己也可以做出一个电子秤，可以称出随身携带的物品的重量。以此来引入本项目的教学，极大地提高了学习兴趣，让学生很快进入了学习状态。
然后布置具体任务。
任务1：应变式传感器的结构、分类、指标
任务2：应变式传感器的测量电路
任务3：应变式传感器的应用
在任务1的教学中，主要是一些基本的概念和定义，可采用多媒体教学，这样一方面节省了板书的时间，而且通过多媒体可以展示应变片的实物，让学生更加清楚地了解应变片的结构。也可以播放应变片的制作视频，让学生了解应变片的制作过程。
在任务2的教学中，涉及到单臂电桥、双臂电桥、全桥公式的推导，此时如果单纯地采用多媒体教学，学生就会感觉速度太快，难以理解接受。因此公式推导采用了传统的黑板教学。为了巩固学生对公式的理解，可以让学生再做两个和公式相关的习题。
在任务3的教学中，主要是讲述应变式传感器的应用，例如在荷重、加速度及压力测量方面的应用，此时主要采取多媒体教学，可以利用图片、动画等形式来展示该传感器的应用，同时也可以展示该传感器应用的最新动态，结合图片和动画来讲解传感器的工作过程，学生容易理解掌握，印象深刻。
2.实践课的教学设计
实践课是四个学时，在实验室进行，实验开始前先布置任务：
任务1：完成电路的连接、调试
任务2：数据的测量
为了完成这个两个任务，本次实验分成五个环节进行：
第一个环节主要介绍本次实验所用到的仪器及使用注意事项，例如应变式传感器实验模块、应变式传感器、砝码、托盘、直流电源等。
第二个环节是讲解实验步骤及现场演示，讲解的重点主要有金属箔式应变片在电子秤上的应用原理;电路的连接方法，差放和电桥的作用，差放和电桥的调零方法。最后和学生一起绘制出本实验工作原理框图，通过框图学生可以更好地理解整个实验的工作过程。
另外，為了让学生能够顺利完成实验，老师先做一遍演示，在演示的过程中再讲解具体的电路连接方法。
第三个环节是学生动手操作，让学生自己动手做实验，反复练习，小组之间可以相互讨论，这样可以锻炼学生的动手能力和团队合作能力。在这个环节，教师只做指导，不再演示，否则学生容易形成依赖模仿，自己不动脑的习惯。
第四个环节是抽查学生实验情况，检查实验电源的连接是否接反，电路的连接是否合理，实验结果的显示是否正确。
第五个环节是教师点评，学完本实验后，学生是否能够独立完成电子秤的制作;本次实验存在哪些问题及注意事项，同时对本次实验完成较好的小组和个人给予表扬，并记入平时成绩。
3.考核方式
在课程考核方式上，采取了平时考核、理论考核、实践考核并重的全面考核方法，平时考核主要是学生平时上课的出勤、上课表现及作业成绩;理论考核是期末试卷成绩，实践考核是将原来的做过的实验进行整理，让学生从中抽取一个实验，根据操作的情况当场给出成绩。这样可以充分调动学生学习的积极性，无论平时还是期末，无论理论课还是实验课都不能懈怠。
4.结论
在《传感器技术》课程的教学设计中，采用了项目教学法，任务驱动法，让学生明白了学习过程中具体要完成的任务，这样才能有目的的学习;传统的黑板教学和多媒体教学相结合的教学方法，让学生既能跟上老师讲课的速度，又能开拓视野，增长见识;理论与实践相结合的教学方法让学生不仅掌握了必要的理论知识，而且通过实验教学巩固了理论知识，加深了他们对理论知识的理解，同时理论联系实际，突出了职业教育的特点，提高了学生的动手能力及团队协作能力，为他们将来的工作打下了良好的基础。
参考文献
[1]戴华.《传感器与检测技术》课程教学改革的探讨[J]. 湖北水利水电职业技术学院学报，2011
[2]陈静.传感器与检测技术教学改革探索[J].现代教育装备，2011
[3]冯梅琳等.“传感器技术”课程设计模式探讨与实践[J].中国电力教育，2010
压力传感器范文第3篇
了解光电转速传感器测量转速的原理及方法。
二、基本原理
光电式转速转速传感器有反射型和透射型两种，本实验装置是透射型的，传感器端部有发光管和光电管，发光管发出的光源通过转盘上开的孔透射后由光电二极管接受转换成电信号，由于转盘上有相间的6个孔，转动时将获得与转速及孔数有关的脉冲，将电脉冲计数处理即可得到转速值。
三、需用器件与单元
传感器实验模块
四、实验步骤
1.光电转速传感器已经安装在传感器实模块上。
2.将+5V直流稳压电源接到光电转速传感器的“+5V输入”端。
3.将光电转速传感器的输出接“频率/转速表”输入端。
4.将面板上的0~30V稳压电源调节到小于24V，接到传感器实验模块“0~24V转动电源”输入端。
5.调节0~30V直流稳压电源输出电压(+24V以下)，使转盘的转速发生变化，观察频率/转速表显示的变化，并用虚拟示波器观察光电转速传感器输出波形。
五、注意事项
1.转动源的正负输入端不能接反，否则可能击穿电机里面的晶体管。
2.转动源的输入电压不可超过24V，否则容易烧毁电机。
3.光电转速传感器中+5V电源不能接错,否则会烧毁光电传感器.
六、思考题
压力传感器范文第4篇
例2：某压力表精度为1.5级，量程为0～2.0MPa，测量结果显示为1.2MPa，求1)最大引用误差δnm;2)可能出现的最大绝对误差Δm;3)示值相对误差δx=?
例3：一差动变压器式位移传感器，在位移变化1mm时，输出电压变化1200mv，问位移传感器的灵敏度是多少?
例4：机械式指针位移传感器，当输入信号有0.01mm的位移变化量式，指针位移10mm，求位移传感器的灵敏度?
例5：进行某动态压力测量时，所采用的压电式力传感器的灵敏度为90.9nC/Mpa，将它与增益为0.005V/nC的电荷放大器相连，而电荷放大器的输出接到一台笔式记录仪上，记录仪的灵敏度为20mm/V。试计算这个测量系统的总灵敏度。当压力变化为3.5MPa时，记录笔在记录纸上的偏移量是多少?
例6：有一只变极距电容传感元件，两极板重叠有效面积为，两极板间的距离为1mm，已知空气的相对介电常数是1，真空中介电常数为8.85×10-12F/m,试计算该传感器的位移灵敏度。
例7：粘贴在钢件上的康铜电阻丝应变片，其灵敏度为2，电阻温度系数为20×10-6/oC，敏感栅材料的线膨胀系数为15×10-6/oC，钢件的线线膨胀系数为11×10-6/oC，弹性模量E为2×1011N/m2,
求：(1)当环境温度变化为10oC时，应变热输出为多少?相当于试件产生多大应力?
(2)当=1000uε时，由于热输出产生的温度误差γt是多少?
压力传感器范文第5篇
1：压电式传感器设计：
内容和要求：压电元件的选择;工作原理设计;分类与结构设计;主要性能指标。 2：压电式压力传感器设计计算：
内容和要求：机械强度的设计计算;灵敏度的设计计算;绝缘电阻的选择;谐振频率的设计;压电式压力传感器的非线性;弹性元件材料的选择
3;螺管式差动传感器的设计
内容和要求：简单变压器的工作原理;差动变压器的工作原理;螺管式差动传感器的结构设计;螺管式差动传感器的参数计算;差动传感器的误差
4：电容式传感器的参数计算设计
内容和要求：电容式传感器的初始电容量计算;平行板电容器介质厚度的确定;电容式传感器极板面积的确定;电容式传感器的极板厚度确定;电极金属材料选择原则;电容式传感器的热计算
5：电阻应变式扭矩传感器的设计
内容和要求：电阻应变式扭矩传感器设计方案框图;结构设计;轴的扭矩测量原理设计;测量电桥设计;参数设计
6：基于LabVIEW和光电式传感器的转速检测与控制设计
内容和要求：前面板设计;框图程序设计
7：基于LabVIEW和温度传感器的温度计设计
内容和要求：前面板设计;框图程序设计
8：应变式称重传感器设计
内容和要求：应变式称重传感器的选择;工作原理设计;分类与结构设计;主要性能指标。
9：压电式加速度计的设计
内容和要求：机械强度的设计计算;灵敏度的设计计算;绝缘电阻的选择;谐振频率的设计;压电式加速度计的非线性;弹性元件材料的选择
10：霍尔式位移计设计
内容和要求：机械强度的设计计算;灵敏度的设计计算;绝缘电阻的选择;谐振频率的设计;霍尔式位移计的非线性;弹性元件材料的选择
11：便携式电子秤的设计
(1)选择合适的传感器测量力，重量0～5kg，最小分辨率(精确到)0.1g;
(2)画出该测量系统的系统原理框图(应包括传感器、信号处理、显示器等);
(3)画出外观图、显示、按钮、传感器位置等;
设计报告要求：设计报告字数不少于5000字，采用统一的格式，毕业论文的结构，包括封面、中文摘要、目录、正文、参考文献、附录等环节。文档格式也按照毕业论文的要求排版。
要求：3人一组，一个自然班之内课题不能重复，设计题目可不局