则系统的频率响应函数Hjω

第一章传感器原理与应用第一章传感器原理与应用11.1传感器的概述与原理

1.11什么是传感器1.12传感器定义1.13传感器的应用1.1传感器的概述与原理1.11什么是传感器21.11什么是传感器传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。1.11什么是传感器传感器（英文名称：transduc3则系统的频率响应函数Hjω41.12传感器定义国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量件并按照一定的规律(数学函数法则)转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。“传感器”在新韦式大词典中定义为：“从一个系统接受功率，通常以另一种形式将功率送到第二个系统中的器件”。根据这个定义，传感器的作用是将一种能量转换成另一种能量形式，所以不少学者也用“换能器（Transducer）”来称谓“传感器”。1.12传感器定义国家标准GB7665-87对传感器下的定51.13传感器的应用水利建设工业生产宇宙开发海洋探测环境保护、资源调查医学诊断、生物工程文物保护等等1.13传感器的应用水利建设61.2传感器的组成与分类1.2.1传感器的组成1.2.2传感器的分类1.2传感器的组成与分类78

1.2.2传感器的组成敏感元件辅助电路传感元件

被测非电量有用非电量有用电量信号调节转换电路电量图1-1传感器组成框图81.2.2传感器的组成敏感元件辅助电路传感元件8敏感元件：直接感受被测非电量并按一定规律转换成与被测量有确定关系的其它量的元件。传感元件：又称变换器。能将敏感元件感受到的非电量直接转换成电量的器件。敏感元件：直接感受被测非电量并按一定规律转换成与被测量有确定9敏感元件传感元件压力传感器示例敏感元件传感元件压力传感器示例10则系统的频率响应函数Hjω11信号调节与转换电路：能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理、和控制的有用电信号的电路。常用的电路有电桥、放大器、变阻器、振荡器等。辅助电路通常包括电源等。信号调节与转换电路：能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、121.2.3传感器的分类1．按工作机理分类：结构型：被测参数变化引起传感器的结构变化，使输出电量变化，利用物理学中场的定律和运动定律等构成。如电容式传感器，电感式传感器

物质型：利用某些物质的某种性质随被测参数变化的原理构成。传感器的性能和材料密切相关。如电压式传感器，各种半导体传感器。1.2.3传感器的分类1．按工作机理分类：131.2.3传感器的分类2．按被测量分类：根据输入物理量的性质进行分类。

3．按敏感材料分类：根据制造传感器所使用的材料进行分类。可分为半导体传感器、陶瓷传感器等。1.2.3传感器的分类3．按敏感材料分类：根据制造传感器所14基本物理量派生物理量位移线位移长度、厚度、应变、振动、磨损、不平度等角位移旋转角、偏转角、角振动等速度线速度速度、振动、流量、动量等角速度转速、角振动等加速度线加速度振动、冲击、质量等角加速度角振动、扭矩、转动惯量等力压力重量、应力、力矩等时间频率周期、记数、统计分布等温度热容量、气体速度、涡流等光光通量与密度、光谱分布等基本物理量派生物理量位移线位移长度、厚度、应变、振动、磨损、154.按能量的关系分类：根据能量观点分类，可将传感器分为有源传感器和无源传感器两大类。有源传感器是将非电能量转换为电能量，称之为能量转换型传感器，也称换能器。通常配合有电压测量电路和放大器。如:压电式、热电式、电磁式等。4.按能量的关系分类：根据能量观点有源传感器是将非电能量转16无源传感器又称为能量控制型传感器。被测非电量仅对传感器中的能量起控制或调节作用。所以必须具有辅助能源(电能)。如:电阻式、电容式和电感式等。5.其他：按用途、学科、功能和输出信号的性质等进行分类。无源传感器又称为能量控制型传感器。被测非电量仅对传感器中的能17从系统角度看，一种传感器就是一种系统。而一个系统总可以用一个数学方程式或函数来描述。即用某种方程式或函数表征传感器的输出和输入的关系和特性，从而，用这种关系指导对传感器的设计、制造、校正和使用。通常从传感器的静态输入-输出关系和动态输入-输出关系两方面建立数学模型。1.3传感器的数学模型概述从系统角度看，一种传感器就是一种系统。而一个系统总可以用一个181.3.1静态模型静态模型是指在输入信号不随时间变化的情况下，描述传感器的输出与输入量的一种函数关系。如果不考虑蠕动效应和迟滞特性，传感器的静态模型一般可用多项式来表示：1.3.1静态模型静态模型是指在输入信号19

1.3.2动态模型动态模型是指传感器在准动态信号或动态信号作用下，描述其输出和输入信号的一种数学关系。动态模型通常采用微分方程和传递函数描述。1.3.2动态模型动态模型是指传感器20

1.微分方程大多数传感器都属模拟系统之列。描述模拟系统的一般方法是采用微分方程。在实际的模型建立过程中，一般采用线性常系数微分方程来描述输出量y和输入量x的关系。1.微分方程大多数传感器都属模拟系统之列21其通式如下：an,an-1…a0和bm,bm-1…b0

为传感器的结构参数。除b0

0外，一般取b1,b2…bm为零.其通式如下：an,an-1…a0和bm,bm-1…b222.传递函数如果y(t)在t≤0时，y(t)=0，则y(t)的拉氏变换可定义为

式中s=σ+jω，σ>0。对微分方程两边取拉氏变换，则得2.传递函数如果y(t)在t≤0时，y(t)=0，则y23定义输出y(t)的拉氏变换Y(S)和输入x(t)的拉氏变换X(S)的比为该系统的传递函数H(S)，则

对y(t)进行拉氏变换的初始条件是t≤0时，y(t)=0。对于传感器被激励之前所有的储能元件如质量块、弹性元件、电气元件等均符合上述的初始条件。定义输出y(t)的拉氏变换Y(S)和输入x(t)的拉氏变换X2425对于多环节串、并联组成的传感器，若各环节阻抗匹配适当，可忽略相互间的影响，传感器的等效传递函数可按代数方式求得。显然H(s)与输入量x(t)无关，只与系统结构参数有关。因而H(s)可以简单而恰当地描述传感器输出与输入的关系。25对于多环节串、并联组成的传感器，若各环节阻抗匹配适当，可2526若传感器由r个环节串联而成对于较为复杂的系统，可以将其看作是一些较为简单系统的串联与并联。26若传感器由r个环节串联而成对于较为复杂的系统，可2627若传感器由p个环节并联而成27若传感器由p个环节并联而成271.4传感器的基本特性1.4.1静态特性

1．线性度：输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度。又称非线性误差。可用下式表示:

max—输出量与输入量实际曲线与拟合直线之间的最大偏差yFS—输出满量程值1.4传感器的基本特性1.4.1静态特性28传感器的静态模型有三种有用的特殊形式：（1）理想的线性特性（2）仅有偶次非线性项（3）仅有奇次非线性项传感器的静态模型有三种有用的特殊形式：（1）理想的线性特29（1）（2）（3）三种形式所呈现的非线性程度图1-2三种特殊形式的特性曲线（1）（2302.灵敏度：在稳态下输出增量与输入增量的比值：

对线性传感器，其灵敏度就是它的静态特性的斜率：非线性传感器灵敏度是一个变量，只能表示传感器在某一工作点的灵敏度。2.灵敏度：在稳态下输出增量与输入增量的比值：对线性传感器313.重复性：

输入量按同一方向作全程多次测试时，所得特性曲线不一致的程度。图1-3重复性yx0

Rmax2

Rmax13.重复性：图1-3重复性yx0Rmax2Rmax324.迟滞（回差滞环）现象：表明传感器在正向行程和反向行程期间，输出-输入特性曲线不重合的程度。ΔH0x

yyFS

xFS图1-4迟滞特性4.迟滞（回差滞环）现象：ΔH03334对于同一大小的输入信号x，在x连续增大的行程中，对应某一输出量yi，与在x连续减小的行程中，对应某一输出量yd之间的差值叫滞环误差，即所谓的迟滞现象。在整个测量范围内产生的最大滞环误差用∆m表示，它与满量程输出值的比值称最大滞环率：34对于同一大小的输入信号x，在x连续增大的行程中，对应某一345．分辨率与阈值

：传感器在规定的范围所能检测输入量的最小变化量。阈值是使传感器的输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零点附近的分辨力。6．稳定性：在室温条件下，经过相当长的时间间隔，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。5．分辨率与阈值：传感器在规定的范围所能检测输入量的最小变357．漂移：在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的、不需要的变化。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移。零点漂移和灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移。时间漂移是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化。温度漂移为环境温度变化而引起的零点或灵敏度漂移。7．漂移：在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的、不需要的368．静态误差（精度）

静态误差是传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论输出值的偏离程度。求静态误差是把全部校准数据与拟合直线上对应值的残差看成是随机分布，求出其标准偏差σ，取2σ或3σ值即为传感器的静态误差。或用相对误差表示：也可以由非线性误差、迟滞误差、重复性误差这几个单项误差综合而得，即8．静态误差（精度）静态误差是传感器在其全量程内任371.动态误差在动态的输入信号情况下，输出与输入间的差异即为动态误差。1.4.2动态特性

图1-5热电偶测温过程测试曲线动态误差TtTT0tt0例：用一只热电偶测量某一容器的液体温度T，若环境温度为T0，把置于环境温度之中的热电偶立即放入容器中（若T>T0)。1.动态误差在动态的输入信号情况下，输出与输入间的差异即38（1）阶跃响应2.研究传感器动态特性的方法及其指标当给静止的传感器输入一个单位阶跃函数信号（1-17）时，其输出特性称为阶跃响应特性。（1）阶跃响应2.研究传感器动态特性的方法及其指标当给39图1-6阶跃响应特性tdtrtpσpσ'pts00.100.500.901.00y(t)t图1-6阶跃响应特性tdtrtpσpσ'pts0040①最大超调量σp：响应曲线偏离阶跃曲线的最大值。当稳态值为1，则最大百分比超调量为：②延滞时间td：阶跃响应达到稳态值50%所需要的时间。①最大超调量σp：响应曲线偏离阶跃曲线的最大值。41③上升时间tr：A．响应曲线从稳态值10%~90%所需要的时间。

B．响应曲线从稳态值5%~95%所需要的时间。

C．响应曲线从零到第一次到达稳态值所需要的时间。

对有振荡的传感器常用C，对无振荡的传感器常用A。③上升时间tr：A．响应曲线从稳态值10%~90%所需要42④峰值时间tp：

响应曲线到第一个峰值所需要的时间。⑤响应时间ts：

响应曲线衰减到稳态值之差不超过±5%或±2%时所需要的时间。有时称过渡过程时间。④峰值时间tp：响应曲线到第一个峰值所需要的时间。⑤响43（2）频率响应在定常线性系统中，拉氏变换是广义的傅氏变换，取s=σ+jω中的σ=0，则s=jω，即拉氏变换局限于s平面的虚轴，则得到傅氏变换：同样有：（2）频率响应在定常线性系统中，拉氏变换是广义的傅氏变换，取44

H（jω）称为传感器的频率响应函数。H（jω）是一个复函数，它可以用指数形式表示，即H（jω）称为传感器的频率响应函数。H（jω）是一45即

A(ω)称为传感器的幅频特性，也称为传感器的动态灵敏度（或增益）。A(ω)表示传感器的输出与输入的幅度比值随频率而变化的大小。其中即

A(ω)称为传感器的幅频特性，也称为传感器的动态灵敏度46若以分别表示H（jω）的实部和虚部，则频率特性的相位角:φ（ω）表示传感器的输出信号相位随频率而变化的关系。若以φ（ω）表示传感器的输出信号相位随频率而变化的47对于传感器φ通常是负的，表示传感器输出滞后于输入的相位角度，而且φ随ω而变，故称之为传感器相频特性。对于传感器φ通常是负的，表示传感器输出滞后于输入的相位角483.典型环节传感器系统的动态响应分析（1）零阶传感器系统由（1-2）式，零阶系统的微分方程为或零阶传感器的传递函数和频率特性为：3.典型环节传感器系统的动态响应分析（1）零阶传感器系统49（2）一阶系统的动态响应分析一阶系统微分方程：对上式进行拉氏变换，得则传递函数为时间常数，静态灵敏度其中（2）一阶系统的动态响应分析一阶系统微分方程：对上式进行拉氏50频率响应函数幅频特性：相频特性：讨论：τ越小，频率响应特性越好。负号表示相位滞后频率响应函数幅频特性：相频特性：讨论：τ越小，频率响应特性越51τ越小，阶跃响应特性越好。若输入为阶跃函数一阶系统微分方程的解为：讨论：tx01输出的初值为0,随着时间推移y接近于1；当t=τ时,在一阶系统中,时间常数值是决定响应速度的重要参数。τ越小，阶跃响应特性越好。若输入为阶跃函数一阶系统微分方程52图1-7一阶传感器CKK

x(t)=F(t)y(t)例1-1：由弹簧阻尼器构成的压力传感器，系统输入量

为F(t)=Kx(t)，输出量为位移y(t)，分析系统的频率响应特性。解：根据牛顿第二定律：

fC+fK=F(t)或

图1-7一阶传感器CKKx(t)=F(t)y(t53由（1-29）式τ为时间常数由（1-29）式τ为时间常数54令H(S)中的s=jω,即σ=0，则系统的频率响应函数H（jω）为由Ｈ(jω)可以分析该系统的幅频特性Ajω）和相频特性φ（jω）

：令H(S)中的s=jω,即σ=0，则系统的频率响应函数55例1-2：一阶测温传感器系统中，已知敏感部分的质量为m，比热为c，表面积为s，传热系数为h（w/m2

k）。给出输入量T0与输出量T之间的微分方程，并推导其幅频特性、相频特性及阶跃响应特性。

图1-8一阶测温传感器解：例1-2：一阶测温传感器系统中，已知敏感部分的质量为m，比热56频率响应特性幅频特性相频特性阶跃响应特性频率响应特性幅频特性相频特性阶跃响应特性57（3）二阶传感器的数学模型所谓二阶传感器是指由二阶微分方程所描述的传感器。很多传感器，如振动传感器、压力传感器等属于二阶传感器，其微分方程为：静态灵敏度阻尼比固有频率,ω0=1/τ（3）二阶传感器的数学模型所谓二阶传感器是指由二阶微分方程所58则系统的频率响应函数Hjω59阻尼比ξ的影响较大，不同阻尼比情况下相对幅频特性即动态特性与静态灵敏度之比的曲线如图。2.42.22.01.81.61.41.21.00.80.60.40.200.511.522.5ωτξ=0ξ=0.2ξ=0.4ξ=0.6ξ=1ξ=0.8ξ=0.707A(ω)当ξ→0时，在ωτ=1处A(ω)趋近无穷大，这一现象称之为谐振。随着ξ的增大，谐振现象逐渐不明显。当ξ≥0.707时，不再出现谐振，这时A(ω)将随着ωτ的增大而单调下降。阻尼比ξ的影响较大，不同阻尼比情况下相对幅频特性即动600-30°-60°-90°-120°-150°-180°0.511.522.5ωτξ=0ξ=0.2ξ=0.4ξ=0.6ξ=0.707ξ=0.8ξ=1ξ=0.8ξ=1ξ=0.707ξ=0.6ξ=0.4ξ=0.2ξ=0Φ(ω)相频特性0-30°-60°-90°-120°-150°-180°0.61二阶传感器的阶跃响应特性随阻尼比ξ的不同，有几种不同的解：y/K21ω0tξ=01.510.60.2单位阶跃响应通式①ξ=0(零阻尼)：输出变成等幅振荡，即二阶传感器的阶跃响应特性随阻尼比ξ的不同，有几62②0＜ξ＜1(欠阻尼)：该特征方程具有共轭复数根

方程通解

根据t→∞，y→kA，求出A3；据初始条件求出A1、A2则②0＜ξ＜1(欠阻尼)：该特征方程具有共轭复数根

方程通解

63其曲线如图，是一衰减振荡过程,ξ越小,振荡频率越高,衰减越慢。y/K21ω0tξ=01.510.60.2其曲线如图，是一衰减振荡过程,ξ越小,振荡频率越高,衰减越64④ξ>1（过阻尼）：特征方程具有两个不同的实根过渡函数为：③ξ=1(临界阻尼)：特征方程具有重根-1/τ,过渡函数为上两式表明，当ξ≥1时，该系统不再是振荡的，而是由两个一阶阻尼环节组成，前者两个时间常数相同，后者两个时间常数不同。④ξ>1（过阻尼）：特征方程具有两个不同的实根过渡函数为：③65实际传感器，ξ值一般可适当安排，兼顾过冲量δm不要太大，稳定时间tω不要过长的要求。在ξ＝0.6～0.7范围内，可获得较合适的综合特性。对正弦输入来说，当ξ=0.6～0.7时，幅值比A(ω)/k在比较宽的范围内变化较小。计算表明在ωτ＝0～0.58范围内，幅值比变化不超过5％，相频特性φ(ω)接近于线性关系。实际传感器，ξ值一般可适当安排，兼顾过冲量δm不要太大，66对于高阶传感器，在写出运动方程后，可根据式具体情况写出传递函数、频率特性等。在求出特征方程共轭复根和实根后，可将它们分解为若干个二阶模型和一阶模型研究其过渡函数。有些传感器可能难于写出运动方程，这时可采用实验方法，即通过输入不同频率的周期信号与阶跃信号，以获得该传感器系统的幅频特性、相频特性与过渡函数等。对于高阶传感器，在写出运动方程后，可根据式具体情671.5传感器的标定与校准1.5.1传感器的标定压电式压力传感器电荷信号压力信号活塞式压力计：已知标准力精度已知检测设备测量校准：传感器在使用中或存储后进行的性能复测。——再次的标定。标定：利用标准器具对传感器进行标度的过程。输入-输出关系1.5传感器的标定与校准1.5.1传感器的标68待标定传感器已知非电量输入量标定的基本方法标准设备输出量输入量发生器标准传感器输出2待标定传感器输出1输入标准量：由标准传感器检测得到实质：待标定传感器与标准传感器之间的比较。电量待标定传感器已知非电量输入量标定的基本方法标准设备输出量输入69标定系统的组成（1）被测非电量的标准发生器（2）被测非电量的标准测试系统（3）待标定传感器配接的信号检测设备测量产生活塞式压力计标准压力标准压力传感器产生测力机测量标准力标准力传感器产生恒温源测量标准温度标准温度计标定系统的组成（1）被测非电量的标准发生器（2）被测非电量的70为保证精度和可靠性，使用中注意问题：（1）标定等级：只能用上一级精度的标准装置标定下一级精度的传感器（2）环境条件（3）标定测试系统（4）安装条件为保证精度和可靠性，使用中注意问题：（1）标定等级：只能用上71力：测力砝码、拉（压）式测力计压力：活塞式压力计、水银压力计、麦氏真空计位移：深度尺、千分尺、块规温度：铂电阻温度计、热电偶、基准光电高温比色仪传感器的静态标定及设备力：测力砝码、拉（压）式测力计压力：活塞式压力计、水银压力计72低频-激振器：电磁振动台、低频回转台、机械振动台、液压振动台高频-瞬变函数激励信号：激波管传感器的动态标定及设备标准激励信号周期函数：正弦波瞬变函数：阶跃波低频-激振器：电磁振动台、低频回转台、机械振动台、液压振动台731.5.2提高传感器性能的方法提高提高传感器性能的方法主要有非线性校正、温度补偿、零位法、微差法、闭环技术、平均技术、差动技术、采用屏蔽、隔离与抑制干扰措施等。1.5.2提高传感器性能的方法提高提高传感器性能的方法主74湿度传感器湿度传感器各种传感器湿度传感器湿度传感器各种传感器75第二章SMARTDATA-2000

数据采集系统

设备与系统介绍第二章SMARTDATA-2000

数据采集系统

设备与762.1.系统特点2.1.1系统可伸缩性2.1.2多类型参数2.1.3多种通信方式2.1.4数据传输效率2.1.5数据可靠性2.1.6多网合一2.1.7结构化2.1.系统特点2.1.1系统可伸缩性772.1.1系统可伸缩性简单的小系统

遥测站点少，一个小规模中心站多级系统 一级以上中继，一个中心站多中心系统 遥测站点多，多个分中心站，一个中心站2.1.1系统可伸缩性简单的小系统782.1.2多种测量参数脉冲信号雨量计数字信号轴编码式水位计（BCD码，格雷码）（见第三章）模拟信号压力式水位计、温度计、流量计等频率信号振弦式渗压计、应变计、沉降仪等2.1.2多种测量参数脉冲信号792.1.2多种测量参数智能传感器信号采用协议输出信号的传感器（如SDI_12协议、DX_120协议、黄委会水位计协议等）模拟量扩展板（接入电流量、电压量、电阻量、振弦式频率量等）卡尔逊扩展板（接入卡尔逊式传感器）2.1.2多种测量参数智能传感器信号802.1.3多种通信方式超短波电话MODEMGSM短消息GPRS/CDMA北斗卫星/海事卫星/南方卫星其它通信方式（RS232直接连接、诺特网等）2.1.3多种通信方式超短波812.1.4数据传输效率高效信息帧编码帧长可变较高的通信速率2.1.4数据传输效率高效信息帧编码822.1.5数据可靠性高可靠性校验反馈重发本地自记多通信路由2.1.5数据可靠性高可靠性校验832.1.6多网合一防汛测报系统水文资料采集系统水工建筑物安全监测系统水土流失数据采集系统水环境监测系统其它类似数据采集系统2.1.6多网合一防汛测报系统842.1.7结构化数据采集数据通信数据存贮数据分析数据表现数据采集及传输策略数据处理流程软件模块2.1.7结构化数据采集852.2.SMARTDATA-2000特点采用嵌入式计算机技术高精度A/D、D/A技术多种数据通信方式多功能配置功耗控制高可靠设计全套应用方案2.2.SMARTDATA-2000特点采用嵌入式计算机技术862.3.网络结构2.3.网络结构872.4.通信可靠性分中心与遥测站间通信 主、备两种不同的通信信道中心站与分中心站通信 计算机网络应急通信 中心站可绕过分中心站直接读取遥测站数据2.4.通信可靠性分中心与遥测站间通信882.5.遥测站通信方式RS-232直接连接 RS-232电缆、微波线路、租用专线电话MODEMGSM短消息GPRS/CDMA卫星通信 北斗卫星、海事卫星、全线通2.5.遥测站通信方式RS-232直接连接892.6.数据采集流程

……遥测站1遥测站N传感器人工置数传感器人工置数传感器人工置数传感器人工置数…遥测站1遥测站N中心计算机系统人工数据源分中心1计算机系统人工数据源分中心N计算机系统人工数据源2.6.数据采集流程……遥测站1遥测站N传感器人工置数传感902.7.遥测站设备7.1传感器接入7.2数据采集7.3数据处理7.4本地记录7.5数据发送7.6数据格式7.7通信方式2.7.遥测站设备7.1传感器接入912.7.遥测站设备7.8主备通信信道7.9配置7.10功耗控制7.11蓄电池保护7.12避雷保护2.7.遥测站设备7.8主备通信信道922.7.1传感器接入雨量等脉冲输出传感器 分辨率可以是0.1mm、0.2mm、0.5mm或1mm 开关量，低电平有效水位等轴编码输出传感器 格雷码编码：Gn=Bn^Bn+1 格雷码译码：Bn=Gn^Bn+1 多路开关量：10、12，低电平有效2.7.1传感器接入雨量等脉冲输出传感器932.7.1传感器接入模拟量传感器 16位分辨力A/D转换 16位分辨力D/A转换（可编程激励） 动态校准 数字滤波 差分输入 二线制、四线制 4~20mA电流信号 0~100mV、0~1V、0~5V电压信号 电阻信号2.7.1传感器接入模拟量传感器942.7.1传感器接入弦式传感器 扫频激励（400~5000Hz） 高增益放大和滤波 高精度自适应频率检测 渗透压（水位） 应力 变形 位移、沉降、倾斜 温度2.7.1传感器接入弦式传感器952.7.1传感器接入SDI-12标准智能传感器 物理接口：SDI-12、RS-485、RS-232 接线长度： 小于50m（SDI-12） 小于1200m（RS-485） 小于15m（RS-232） 水位计（闸位计） 流量计 多参数水质探头2.7.1传感器接入SDI-12标准智能传感器962.7.1传感器接入人工置数 由通信接口输入数据 日期时间 最多8个参数，自由定义参数的意义 可用科学记数法表示

2.7.1传感器接入人工置数972.7.2数据采集方式雨量 外部脉冲触发上电 雨量计数 雨量测试格雷码水位（闸位）、模拟量 定时触发上电 一般周期采集 加密周期采集2.7.2数据采集方式雨量982.7.2数据采集方式SDI-12参量 定时触发上电 周期采集 加密周期采集人工置数 人工触发上电 人工输入参数2.7.2数据采集方式SDI-12参量992.7.3传感器数据处理雨量计数累加 分辨力 阈值控制平滑滤波 求平均次数加注时标 年月日时分2.7.3传感器数据处理雨量计数累加1002.7.4本地记录按日期组织数据存贮自动覆盖旧数据存贮容量为256KB（或512KB）2.7.4本地记录按日期组织数据存贮1012.7.5数据发送实时发送发送密度控制数据变化量的阈值控制发送数据帧间的时间间隔各遥测参数有独立的发送机制。定时发送2.7.5数据发送实时发送1022.7.6数据格式实时时标（年月日时分）遥测站地址及中心站地址中继站路由多种数据类型高性能的检错能力区分实际数据和测试数据支持多种数据通信方式2.7.6数据格式实时时标（年月日时分）1032.7.7通信方式自报方式自报_确认方式应答方式2.7.7通信方式自报方式1042.7.8主备通信信道一路主通信信道，一路备用通信信道典型主备信道配置 主信道：UHF，备用信道：电话MODEM（或GSM短消息、 卫星）主信道：GSM短消息，备用信道：电话MODEM（或卫星）主信道：RS-232专线，备用信道：电话MODEM（或GSM短消息或卫星或UHF）2.7.8主备通信信道一路主通信信道，一路备用通信信道1052.7.9参数配置地址工作模式传感器类型数据采集过程参数通信端口及参数通信方式及过程配置方法2.7.9参数配置地址106地址配置遥测站子网地址遥测站中继地址中心站地址地址配置遥测站子网地址107工作模式配置掉电工作模式 微功耗，必须上电后才响应命令不掉电工作模式 低功耗，随时响应命令工作模式配置掉电工作模式108传感器类型配置雨量传感器 单（双）簧，分辨力水位传感器类型 量程模拟量传感器类型 电压型、电流型、电阻型、振弦型SDI-12传感器类型传感器类型配置雨量传感器109数据采集过程参数配置一般采集周期加密采集周期传感器信号变化阈值传感器信号越限值数据采集过程参数配置一般采集周期110通信端口及参数配置端口类型端口号波特率其它参数（如延时参数、计数、电话号码等）通信端口及参数配置端口类型111通信方式及过程配置自报方式自报_确认方式应答方式通信设备预热时间最短发送间隔通信方式及过程配置自报方式112配置方法本地配置 RS-232接口（专线）、电话MODEM远程配置 远程唤醒 配置命令缓存配置方法本地配置1132.7.10功耗控制降低外围设备耗电 关闭传感器电源 关闭通信设备电源降低CPU耗电 无工作任务时CPU处于休眠模式掉电模式 关闭除值守电路以外所有设备、电路的电源2.7.10功耗控制降低外围设备耗电1142.7.11蓄电池保护过充电保护 蓄电池电压超过安全电压：14.6V 回差控制过放电保护 蓄电池电压低于安全电压：10.2V 回差控制2.7.11蓄电池保护过充电保护1152.7.12避雷保护过电压嵌位浪涌电流抑制分层次多级防护2.7.12避雷保护过电压嵌位1162.8.中继站设备存贮转发中继 接收帧 检错 中继标识 转发路由识别 独立的中继站地址 禁止转发其它路由的帧 禁止转发已经转发过的帧2.8.中继站设备存贮转发中继1172.8.中继站设备多级中继 由遥测站设定中继路由 严格控规定的顺序转发帧异种媒介转发 从一种媒介通信设备接收帧 数据格式转换 用另一种媒介通信设备发送帧具备遥测站功能2.8.中继站设备多级中继118第三章计算机编码1BCD码2格雷码第三章计算机编码1BCD码1193.1BCD码BCD码（Binary-CodedDecimal‎）亦称二进码十进数或二-十进制代码。既用4位二进制数来表示1位十进制数中的0~9这10个数码。BCD码这种编码形式利用了四个位元来储存一个十进制的数码，使二进制和十进制之间的转换得以快捷的进行。这种编码技巧最常用于会计系统的设计里，因为会计制度经常需要对很长的数字串作准确的计算。相对于一般的浮点式记数法，采用BCD码，既可保存数值的精确度，又可免却使电脑作浮点运算时所耗费的时间。此外，对于其他需要高精确度的计算，BCD编码亦很常用。由于十进制数共有0、1、2、……、9十个数码，因此，至少需要4位二进制码来表示1位十进制数。4位二进制码共有2^4=16种码组，在这16种代码中，可以任选10种来表示10个十进制数码，共有N=16！/10!*（16-10）！约等于8008方种方案。常用的BCD代码列于末。3.1BCD码BCD码（Binary-CodedDeci1203.1BCD码BCD码可分为有权码和无权码两类：有权BCD码有8421码、2421码、5421码，其中8421码是最常用的；无权BCD码有余3码、格雷码等。（而8421码就是将十进制的数以8421的形式展开成二进制

）用8421码将十进制数字展开成二进制的方法：

我们知道十进制是由0~9十个数字组成，而这十个数字的二进制码怎样来表示呢？分析：0=0000（0=8×0+4×0+2×0+1×0）1=0001（1=8×0+4×0+2×0+1×1）2=0010（2=8×0+4×0+2×1+1×0）3=0011（3=8×0+4×0+2×1+1×1）3.1BCD码BCD码可分为有权码和无权码两类：有权BCD码1213.1BCD码4=0100（4=8*0+4*1+2*0+1*0）5=0101（5=8*0+4*1+2*0+1*1）6=0110（6=8*0+4*1+2*1+1*0）7=0111（7=8*0+4*1+2*1+1*1）8=1000（8=8*1+4*0+2*0+1*0）9=1001

（9=8*1+4*0+2*0+1*1）举个列子：321的8421码就是001100100001BCD码是四位二进制码,也就是将十进制的数字转化为二进制,但是和普通的转化有一点不同,每一个十进制的数字0-9都对应着一个四位的二进制码,对应关系如下:十进制0对应二进制0000;十进制1对应二进制0001.......91001接下来的10就有两个上述的码来表示10表示为00010000也就是BCD码是遇见1001就产生进位,不象普通的二进制码,到1111才产生进位100003.1BCD码4=0100（4=8*0+4*1+1223.1BCD码运算方法BCD码的运算规则：BCD码是十进制数，而运算器对数据做加减运算时，都是按二进制运算规则进行处理的。这样，当将BCD码传送给运算器进行运算时，其结果需要修正。修正的规则是：当两个BCD码相加，如果和等于或小于1001(即十进制数9)，不需要修正；如果相加之和在1010到1111(即十六进制数0AH～0FH)之间，则需加6进行修正；如果相加时，本位产生了进位，也需加6进行修正。这样做的原因是，机器按二进制相加，所以4位二进制数相加时，是按“逢十六进一”的原则进行运算的，而实质上是2个十进制数相加，应该按“逢十进一”的原则相加，16与10相差6，所以当和超过9或有进位时，都要加6进行修正。下面举例说明：3.1BCD码运算方法BCD码的运算规则：BCD码是十进制数1233.1BCD码运算方法例1：1+2=3用8421码表示就是：0001+0010=0011例2：4+5=9用8421码表示就是：0100+0101=1001（注意：这里的百位是1+1=2，所以需要进位）例3：5+8=13用8421码表示就是：0101+1000=1101由于1101>9,所以要加6修正即：0101+1000+0110=1101+0110=10011=13（当然在自然数二进制中13也可以用1101表示）

3.1BCD码运算方法例1：1+2=3用8421码1243.2格雷码格雷码(Graycode),又叫循环二进制码或反射二进制码

在数字系统中只能识别0和1，各种数据要转换为二进制代码才能进行处理，格雷码是一种无权码，采用绝对编码方式，典型格雷码是一种具有反射特性和循环特性的单步自补码，它的循环、单步特性消除了随机取数时出现重大误差的可能，它的反射、自补特性使得求反非常方便。格雷码属于可靠性编码，是一种错误最小化的编码方式，因为，自然二进制码可以直接由数/模转换器转换成模拟信号，但某些情况，例如从十进制的3转换成4时二进制码的每一位都要变，使数字电路产生很大的尖峰电流脉冲。而格雷码则没有这一缺点，它是一种数字排序系统，其中的所有相邻整数在它们的数字表示中只有一个数字不同。它在任意两个相邻的数之间转换时，只有一个数位发生变化。它大大地减少了由一个状态到下一个状态时逻辑的混淆。另外由于最大数与最小数之间也仅一个数不同，故通常又叫格雷反射码或循环码。下表为几种自然二进制码与格雷码的对照表：3.2格雷码格雷码(Graycode),又叫循环二进制码或1253.2格雷码十进制数01234567自然二进制数00000001001000110100010101100111格雷码00000001001100100110011101010100十进制数89101112131415自然二进制数10001001101010111100110111101111格雷码110011011111111010101011100110003.2格雷码十进制数01234567自然二进制数0000001263.2格雷码转换成二进制码格雷码不是权重码，每一位码没有确定的大小，不能直接进行比较大小和算术运算，也不能直接转换成液位信号，要经过一次码变换，变成自然二进制码,再由上位机读取。解码的方法是用‘0’和采集来的4位格雷码的最高位（第4位）异或，结果保留到4位，再将异或的值和下一位（第3位）相异或，结果保留到3位，再将相异或的值和下一位（第2位）异或，结果保留到2位，依次异或，直到最低位，依次异或转换后的值（二进制数）就是格雷码转换后自然码的值.3.2格雷码转换成二进制码格雷码不是权重码，每一位码没有确定1273.2格雷码转换成二进制码从左边第二位起，将每位与左边一位解码后的值异或，作为该位解码后的值（最左边一位依然不变）异或:异或则是按位“异或”，相同为“0”，相异为“1”。例：10011000异或01100001结果:11111001举例:如果采集器器采到了格雷码:1010就要将它变为自然二进制:0与第四位1进行异或结果为1

上面结果1与第三位0异或结果为1上面结果1与第二位1异或结果为0

上面结果0与第一位0异或结果为0因此最终结果为:1100这就是二进制码即十进制123.2格雷码转换成二进制码从左边第二位起，将每位与左边一位解1283.2二进制码转换成格雷码最右边一位起，依次将每一位与左边一位异或(XOR)，作为对应格雷码该位的值，最左边一位不变(相当于左边是0)例如：二进制码8=1000转换成格雷码就是：个位数字0与十位数字0异或得0；十位数字0与百位数字0异或得0；百位数字0与千位数字1异或得1；而最左边千位上的数字不变所以也是1.因此1000转化成格雷码结果就是1100.再例如二进制11=1011转化成格雷码就是11103.2二进制码转换成格雷码最右边一位起，依次将每一位与左边一129第四章水利信息化与几种传感器4.1水利信息化4.2水利信息化中常见的传感器第四章水利信息化与几种传感器4.1水利信息化1304.1水利信息化4.1.1水利信息化概念水利信息化就是充分利用现代信息技术，开发和利用水利信息资源，包括对水利信息进行采集、传输、存储、处理和利用，提高水利信息资源的应用水平和共享程度，从而全面提高水利建设和水事处理的效率和效能。4.1水利信息化4.1.1水利信息化概念1314.1水利信息化4.1.2水利信息化的必要性1.由水引发的问题洪涝灾害水资源短缺水土流失严重水污染加剧面对严峻形势，水利需要全面提高效率与能力，需要与国民经济和社会发展相适应，需要用水利信息化来带动水利现代化。

4.1水利信息化4.1.2水利信息化的必要性1322.水利信息化带来的效益

有效地利用政府内部和外部资源，提高资源的利用效率，对改进政府职能、实现资源共享和降低行政管理成本具有十分重要的意义。水利信息化可以把一定区域乃至全国的水利行政机关连接在一起，真正实现信息、知识、人力以及创新的方法、管理制度、管理方式、管理理念等各种资源的共享，提高包括信息资源在内的各种资源利用的效率。水利信息化还可以大大降低政府的行政管理成本。在电子网络政府状态下，由于行政系统内部办公自动化技术的普遍运用，大量以传统作业模式完成的行政工作，可以在一种全新的网络环境下进行，从而可以有效地降低行政管理成本。2.水利信息化带来的效益1334.1.3水利信息化的基本任务1.水利信息化基础设施建设信息源的建设、通信网络系统建设、数据中心建设、视频会议系统建设、水利信息化标准建立的等。2.基础数据库建设水利基础数据库的建设包括国家防汛指挥系统综合数据库、实时水雨情库、国家水文数据库、全国水资源数据库、水质数据库、水土保持数据库、水利工程数据库等3.水利信息化业务系统设计水利工程建设与管理信息系统、水利政务信息系统、办公自动化系统、水利信息公众服务系统建设、水利规划设计信息管理系统、水利经济信息服务系统、水利人才管理信息系统、文献信息查询系统。4.国家水利基础国家水质监测评价信息系统工程、全国水信息系统工程的建设水利基础信息系统工程的建设包括国家防汛指挥系统工程、土保持监测与管理信息系统、国家水资源管理决策支持系统等4.1.3水利信息化的基本任务1.水利信息化基础设施建设1344.1.4当前水利信息化的主要问题1、信息资源不足动态信息采集环节薄弱信息积累未能全面规范化

2、信息共享困难服务目标单一，导致条块分割标准规范不全，形成数字鸿沟共享机制缺乏，产生信息壁垒技术设施不足，阻碍信息交流3、信息基础薄弱模型和应用软件不健全信息资源开发利用层次低，成本高，维护困难4.1.4当前水利信息化的主要问题1、信息资源不足1354.1.5水利信息技术中的基本概念1.信号与数制信号是运载消息的工具，是消息的载体。从广义上讲，它包含光信号、声信号和电信号等；数制也称计数制，是用一组固定的符号和统一的规则来表示数值的方法。人们通常采用的数制有十进制、二进制、八进制和十六进制。2.信息与信息量信息是指从数据中加工、提炼出来的，用于帮助人们正确决策的有用的数据，它的表现形式是数据；信息量信息多少的量度，1928年R.V.L.哈特莱首先提出信息定量化的初步设想，他将消息数的对数定义为信息量。4.1.5水利信息技术中的基本概念1.信号与数制1364.1.5水利信息技术中的基本概念3.传感器原理与实际应用从广义上讲，传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置，简单说传感器是将外界信号转换为电信号的装置，所以它由敏感元器件（感知元件）和转换器件两部分组成，有的半导体敏感元器件可以直接输出电信号，本身就构成传感器。敏感元器件品种繁多，就其感知外界信息的原理来讲，可分为①物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。②化学类，基于化学反应的原理。③生物类，基于酶、抗体、和