环境空气TVOC在线监测系统的研究与开发

为了解决传统设备对环境空气TVOC含量进行检测时存在灵敏度低、检测线高的问题,设计了一款适用于现场快速分析、无需人员在环境现场的环境空气TVOC在线实时监测及预警系统。该系统采用热解吸和PID传感器相结合的技术实现了对环境空气TVOC含量的痕量检测。实际测试结果表明,该系统具有低至1ppb的检测线,示值误差小于5%,重复性小于3%,稳定性良好,达到了预期的设计要求。     

基于CC2530的无线土壤水分传感器节点设计

土壤含水量的准确测定是实现节水灌溉和精准农业的基础。为实现土壤水分的自动测量和无线传输,基于FDR和CC2530芯片设计了无线土壤水分传感器节点。FDR实现了快速、精确的土壤含水量测量,CC2530完成模数转换、数字信号处理和射频信号的发送等工作。讨论了节点的低功耗问题,最后对节点进行了丢包率测试。试验结果表明:所设计开发的基于CC2530的传感器节点具有丢包率低、运行稳定可靠的特点,能够满足土壤水分的无线数据采集的要求。     

自动土壤水分观测仪的实验室检测方法

随着我国气象高质量发展,气象观测和检定已向自动化全面推进,自动气象站已配备自动土壤水分观测设备,以减小人工观测误差,实现自动测量土壤水分含量,配备的传感器为FDR型自动土壤水分传感器。为保障气象观测数据的准确性,自动土壤水分传感器需每2年进行1次实验室检测,通过检测结果得出仪器性能,判定是否能继续投入使用。通过论述基本原理、主要参数及检测流程,明确自动土壤水分的检测要求,对在标准条件下的自动土壤水分观测仪器进行标定,确保投入使用的仪器观测所得数据可信。     

电容式冻土测量传感器设计

冻土与未冻土中的介电常数和温度物理参数有一定的差异,且差异在数值上较明显。基于这一特性,提出了利用空气、固态土、水和冰物理特性存在差异的原理检测冻土的方法,设计了一种电容式冻土测量传感器,实现了土壤水分、地温及冻土深度多参数融合测量。通过与人工测量的冻土深度进行对比分析,结果表明:其相关系数达到了0.99,平均绝对误差小于2.5 cm,满足冻土自动测量技术要求,可应用于冻土观测站,代替人工观测。     

基于FDR原理的自动灌溉系统设计

利用土壤的介电特性测量土壤含水量是一种快速、简便、可靠的方法。根据频域反射(FDR)法测量原理,电磁波在土壤中的传播频率可用来测试土壤的介电常数,从而得到土壤容积含水率,设计出了一种基于FDR原理的自动灌溉系统,介绍了FDR测量原理,阐述了自动灌溉系统的软硬件构成,土壤水分传感器测得的土壤水分含量信息,经信号处理,输出为0~5V电压信号,经A/D转换送至AT89S52单片机进行判断处理,根据输出数值的大小控制电磁阀的通断时间,从而实现自动灌溉和节水灌溉的目的。试验表明:该系统工作稳定,控制准确,反应灵敏,满足自动灌溉要求。     

参数调制探针式电容土壤水分传感技术研究

电容传感器是实现土壤水分低成本检测的主要途径,土壤水分中电导对土壤水分影响很大,为了消除电导影响,研究了一种新颖的基于参数调制的探针电容土壤水分传感器,分析了参数调制技术消除电导机理,并建立了相应数学模型,设计了参数调制式探针电容土壤水分传感器的检测电路和数据处理系统,通过参数优化得到了一种能够实现在线测试土壤水分的探针电容传感器及检测仪器.试验表明,随着土壤含水量的变化,其探针电容传感器响应有较大的变化,且在低于25%的含水量范围,土壤含水量与被测电压之间呈线性关系.     

土壤水分传感器实验室标定和测试方法探讨

通过在实验室制作标准试样(土壤)标定及测试土壤水分传感器,研究土壤水分传感器在实验室标定及测试的步骤和方法,探讨土壤水分传感器实验室环境下率定关系式的建立,提高土壤水分传感器在实验室环境下数据测试的准确性和权威性,在于探讨土壤水分传感器实验室标定和测试方法,为土壤水分传感器的实验室检测提供方法支撑。     

基于信号波形幅度检测放大技术的电容式土壤水分传感器研究

土壤水分量测对于农田系统的评估和选择、水资源的合理利用是十分重要的。本文根据土壤水分与土壤相对介电常数的关系,基于信号波形幅度检测放大技术设计了一种电容式土壤水分传感器。在标准溶液样品、粘壤土、砂壤土、粘土土样中对本文提出的传感器进行测试。实验结果显示,传感器输出电压与被测介质含水量有良好的线性关系（R2=0.81~0.99）,传感器灵敏度受土质影响明显,实际应用中时需要根据土质进行校准,传感器功耗低,在2.5V供电电压下功耗低于8mW。本文设计的传感器可推广至精准农业系统应用中。     

不同频率激励信号下土壤水分传感器性能试验

激励信号频率是影响高频电容式土壤水分传感器性能的重要因素。利用去离子水和2—异丙氧基乙醇(2—isoproxyethanol)或二氧六环(dioxane)2种溶液混合,配制了一系列等效土壤体积含水率为0.9%~51.8%的待测介电溶液来替代土样。从与土壤含水率的函数关系、温度变异性2个方面,分别对激励信号频率为40,50,60,70,80,90,100 MHz的7种土壤水分传感器进行了性能测试与分析。结果表明:7种频率的传感器的输出电压均与土壤体积含水率呈线性负相关,其相关系数R2均大于0.94;激励信号频率不影响传感器输出电压的温度变异性,温差是影响温度变异性的主要因素,其最大变异率均小于4%。试验结果可为设计高频电容式土壤水分传感器时选择激励信号频率提供依据。     

光纤传感器在机器人导航中的应用

简述了光纤传感器的工作原理,并测试了颜色对BF3RX光纤传感器测试位移的影响;利用该传感器这一特性在扫查机器人中进行导航,介绍了导航原理和导航算法,实验结果表明:利用该光纤传感器进行导航,具有较高的精度,完全可以满足超声波串列扫查的要求。     

极地多点低温低功耗高精度柔性温度链的设计

为有效提高极地冰盖低温环境下温度测量的精度,设计了一款基于Pt1000的多点低温低功耗高精度铂电阻柔性温度链。温度链由主机和多个从机组成,主机用于读取整条温度链的数据并与外界进行数据交互,从机用于采集和上传温度数据,主机和从机之间采用RS485总线通讯方式。每个单点铂电阻温度测量单元都采用软件校正,单点测温误差不超过0.006 9℃。室内低温实验和现场试验表明,该温度链对低温环境下多点同时测温整体可靠性较高,适用于在极地环境下对冰川冰雪的温度场剖面检测。     

基于Φ-OTDR的煤层气管线外界入侵振动检测系统

为实现长距离煤层气管线外界入侵振动检测,采用基于相位敏感型光时域反射原理(Φ-OTDR)的分布式光纤振动传感系统,融合FPGA与USB2.0技术开展传感数据的实时采集与高速传输,并通过时间-空间二维分析来获得振动信号典型特征,进而实现煤层气输送管道危险源的实时检测。实验结果表明,本系统可借助差分信号波峰位置实现精确定位,系统的频率响应范围是可覆盖入侵振动特征频率的1 Hz～3 k Hz,且在4 km和9 km光纤位置处的定位误差均可保持在20 m范围以内,因此本系统可有效检测到输送管道外界入侵振动。     

曲线拟合算法对光纤光栅传感解调性能的影响研究

针对光纤光栅解调过程中拟合算法优化选取问题,基于自行研制的光纤光栅解调系统,研究高斯拟合算法与三次样条插值算法对该系统解调精度的影响。实验结果表明,两种算法解调精度都很高,三次样条插值算法运算简单,速度更快,在动态拟合中更有优势。经过数字低通滤波与三次样条插值后,解调系统对于应变检测精度可达10με,线性拟合系数在0.999以上。     

水下CMUT动态性能仿真与测试的研究

目前CMUT以其频带宽、易集成阵列化、无需匹配层、灵敏度高等优点成为水下超声传感器在研究及应用推广方面的一个新热点。主要开展了对CMUT动态性能的仿真与测试。首先利用SIMULINK对CMUT发射和接收性能进行动态仿真分析,并建立实验平台,以仿真结果作为依据对CMUT动态性能进行了测试,同时实现了CMUT水下初步探测。本研究为CMUT的设计提供了有利的依据。     

压力测试中多次触发连续存储技术的研究

压力信号测试过程中,现场干扰容易引起系统误触发导致测试失败。针对分布式存储测试系统,提出一种多次触发连续存储的技术,用于解决存储测试系统在误触发过程中压力信号到来而无法采集到完整信号的问题。根据冲击波信号特点,在信号采集存储过程中完成再触发的识别并增加相应记录时长。采用WiFi通信技术,对测试节点进行组网管理,解决大量数据回收不便的问题,并针对无线不稳定造成数据丢失制定相关策略,保证数据回收的完整性。     

基于单壁碳纳米管的压阻式柔性传感器

一维纳米材料与微结构结合的纳器件制造过程,实现了微纳加工工艺上的创新升级,有可能突破微米级器件的性能极限。首先利用传统的硅微加工技术,在综合性能优异的聚酰亚胺PI(Polyimide)薄膜上制作金(Au)微电极,形成排列有序的平行电极对;然后通过交流介电电泳的方法在微电极对间实现单壁碳纳米管SWNTs(Single-Walled Carbon Nanotubes)一维定向排布;接着采用区域选择性电沉积技术定域沉积Au压覆SWNTs,改善SWNTs与电极的接触特性。最后,针对基于SWNTs的柔性微纳传感器进行了力电特性测试。结果表明:在环境温度为(23±5)℃,湿度为65±15%RH,0.1 V工作电压下,压阻因子约为443,精度约为5.16%。上述研究结果在柔性微纳器件的制作方面显示了一定的应用前景,为实现超微型化和高功能密度化的柔性器件铺平道路。     

基于贝叶斯估计的放入式电子测压器准静态校准数据处理方法

为解决贝叶斯估计法无法用于直接处理准静态校准数据的问题,提出了一种先对数据进行预处理,随后进行正态性分析获得正态性参数,最后依据正态性参数进行贝叶斯估计的多传感器动态测试数据融合的处理方法。经过计算分析,放入式电子测压器准静态校准数据具有较好的正态性,使用贝叶斯估计法处理充分考虑了测试数据的统计规律特性,减轻了多传感器测试系统中单传感器对测量整体结果的影响;经实验验证,其同时明显提高了数据相关性,能进一步提高测试可靠性。对于火炮膛压的精确测量有显著意义。     

基于压电阻抗技术的结构初始裂纹监测研究

针对工程结构早期裂纹损伤,提出了利用压电阻抗法检测损伤区域高频局部动力学特性,通过监测局部动力学特性变化实现对早期损伤监测的方法。建立了压电阻抗有限元仿真模型并进行数值分析,结果显示压电导纳信号峰值频率即为结构某阶谐振频率,压电阻抗法能有效检测结构的动力学特性。针对不同大小裂纹的铝梁结构进行压电导纳仿真和试验研究,仿真和试验结果表明:压电材料的导纳峰值频率随着裂纹损伤增大而减小;同样的损伤程度下,高频谐振频率对损伤更为敏感。利用高频谐振频率变化来监测早期裂纹损伤的产生及发展,具有较好的重复性和信噪比,具有重要的应用前景。     

基于SCE-PSO的无线传感器网络节点三维定位方法

目前,无线传感器网络节点定位算法的研究主要集中在二维空间,对三维定位算法的研究较少。如果将现有的二维定位算法扩展到三维,一些算法很难扩展,另外一些算法虽然可以扩展,但扩展后由于维数的增加,计算复杂度太大。为此,结合粒子群算法PSO(Particle Swarm Optimization)和混合复杂进化算法SCE-UA(Shuffled Complex Evolution-University of Arizona)的优点,提出了两个无线传感器网络节点三维定位算法SCE-PSO1和SCE-PSO2。这两个算法保持了PSO算法收敛速度快,受问题维数影响小的优点,同时采用了SCE-UA算法中的洗牌策略,增加了粒子的多样性,改善了PSO算法中的早熟现象,提高了节点定位精度。两个算法的不同在于粒子的速度更新公式,与SCE-PSO1算法相比,SCE-PSO2算法中粒子的速度更新公式增加了各复合形之间的信息共享,因此,SCE-PSO2算法的性能要优于SCE-PSO1算法。仿真分析证明,与原始的PSO算法和SCE-UA算法相比,SCE-PSO1和SCE-PSO2算法具有更高的定位精度。     

基于PDMS海绵介质层的电容式柔性压力传感器

柔性压力传感器以其低成本和大的检测范围等优势广泛的应用于电子皮肤和可穿戴传感器领域。本文通过在PDMS中填充碳酸氢铵材料,制备了大面积高密度具有微观结构的PDMS海绵介质层,通过简易的方法完成了柔性压力传感器的制备。与以往的柔性压力传感器相比,制备的PDMS海绵介质层由于气孔的存在更容易在受到压力时发生形变,拥有高的灵敏度(0.23 kPa^-1)、大的检测范围(0～50 kPa)、稳定的重复性(>1 000循环)以及快的响应时间(<150 ms)。通过对不同厚度、不同大小的PDMS海绵介质层进行测试,利用厚度为1.5 mm,大小为8 mm×8 mm的PDMS海绵作为压力传感器的介质层实现了力的实时检测。