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測量系統(tǒng)范文第1篇

針對傳統(tǒng)心率測量受專業(yè)知識和工作環(huán)境的限制，設(shè)計(jì)一種低功耗心率測量智能穿戴系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)以STC15W401AS單片機(jī)為控制核心，采用NJL5303集成收發(fā)光電傳感采樣脈搏信號，經(jīng)二階帶通濾波放大處理后由微控制器處理得到心率值，通過藍(lán)牙無線通信將結(jié)果發(fā)送到手機(jī)端App軟件顯示。系統(tǒng)可開發(fā)為指套、手環(huán)、腳環(huán)和耳釘?shù)犬a(chǎn)品，在不影響使用者日常活動的情況下，可以長時間對心率值進(jìn)行實(shí)時測量，具有較高的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞:

智能穿戴;心率測量;光電傳感器;藍(lán)牙通信;單片機(jī)

隨著國民生活水平的不斷提高，人們對健康的意識也不斷加強(qiáng)。受專業(yè)知識、儀器設(shè)備和工作環(huán)境等條件的限制，在醫(yī)院進(jìn)行檢測身體指標(biāo)的傳統(tǒng)方式已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足日常生活自我保健的需求。為此提出一種基于智能穿戴的心率測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，以STC15W401AS單片機(jī)為控制核心，采用反射式光電傳感器為脈搏信號采集方法，通過將傳感單元佩戴于手指、耳垂等處，在不影響使用者日常活動的情況下，實(shí)時測量心率，并通過藍(lán)牙通信與智能手機(jī)互聯(lián)，將實(shí)時的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示在智能手機(jī)上。

1心率檢測方法

傳統(tǒng)的心率測量方法有心電圖信號法、壓電法等，受使用條件的限制，這些方法一般只在醫(yī)院臨床方面應(yīng)用。光電容積脈搏描記法（PPG）是一種新的測量方法，被廣泛應(yīng)用于智能穿戴設(shè)備上，傳感部件由光電發(fā)射器、接收器組成。根據(jù)該傳感部件與人體接觸部位不同有透射式和反射式兩種，其中透射式適合安放在人體組織比較薄的耳垂等位置，反射式則無此要求，使用更為靈活。反射式光電積脈搏法的工作原理是當(dāng)脈搏隨心臟的搏動而呈現(xiàn)周期性變化時，動脈血管的容積也隨之呈現(xiàn)周期性的變化，利用人體組織在血管搏動時造成吸光率的不同進(jìn)行心率測量。依據(jù)朗伯-比爾定律（Beer-Lambert）,入射波長為λ、光強(qiáng)為I0的線垂直照射人體表皮動脈血管，通過血液的散射、吸收后接收管接收到的光強(qiáng)為（1）其中εa為動脈血液總吸收常數(shù)，ca為動脈血液濃度，va為動脈血液容積。當(dāng)反射區(qū)動脈血管容積變化Δv時會引起接收管光強(qiáng)電流ΔI變化，并有（2）藉此可知，當(dāng)動脈血液容積變化時會導(dǎo)致接收光強(qiáng)成正比變化，從而將動脈容積變化率轉(zhuǎn)化為電流強(qiáng)度變化率，對該變化電流信號拾取可實(shí)現(xiàn)心率信號的檢測。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

若要在不影響使用者日常活動的情況下，能長時間實(shí)時測量心率，因此設(shè)計(jì)上要求結(jié)構(gòu)巧、體積小、重量輕、攜帶方便，同時由于受使用環(huán)境的限制，應(yīng)采用電池供電，故還要求系統(tǒng)耗電要低。考慮到使用人群的不確定性，操作上應(yīng)簡單明了，測試結(jié)果直觀。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。系統(tǒng)通過反射式光電傳感器感知人體脈搏信號的變化，并將其轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過后級電路濾波、放大后輸入單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。在單片機(jī)內(nèi)部通過算法計(jì)算出人體實(shí)時心率、平均心率，并將結(jié)果通過藍(lán)牙通信傳輸智能手機(jī)顯示，實(shí)現(xiàn)人體脈搏心率實(shí)時監(jiān)測。

3硬件設(shè)計(jì)

3.1光電傳感器

使用反射式光電傳感器采集人體的脈搏信號并轉(zhuǎn)換成電信號。光電傳感器分發(fā)射源、受光源兩部分。研究表明500~700nm光源光波對動脈血中氧紅蛋白有較好的選擇性，560nm波長光波能反映皮膚淺部的微動脈信號，適合用于提取脈搏信號。選用JRC公司NJL5303收發(fā)一體反射式光電傳感器，其發(fā)射光源波長570nm，體積尺寸僅為1.9×2.6×0.8mm。NJL5303發(fā)射管工作電壓設(shè)定為2V，工作電流設(shè)定為8mA，具體光電檢測電路如圖2所示。

3.2信號處理電路

光電傳感器感知輸出的脈搏電信號非常微弱，且容易受到干擾，因此需進(jìn)行濾波和放大。圖3為脈搏信號放大、濾波電路，主要以運(yùn)算放大器為核心的2級結(jié)構(gòu)完全相同的帶通濾波、放大電路構(gòu)成。選用型號為MCP602運(yùn)算放大器，其為軌到軌輸出的高精度運(yùn)放，2.7~6V單電源供電，增益帶寬為2.8MHz。經(jīng)過C1、R1組成無源高通濾波器，濾除傳感器輸出信號VO中的直流分量，U1A、R2、C2組成有源低通濾波器濾除VO中包含50Hz在內(nèi)的高頻干擾并將其放大。該電路高通截止頻率fH、低通截止頻率fL、增益G分別為（3）U1B為核心組成第二級濾波放大電路，性能參數(shù)同U1A。兩級放大電路總的增益可達(dá)到10201（≈80db）。光電傳感器輸出的毫伏以下的信號到圖3電路后，經(jīng)U1放大可輸出伏特級信號送后級電路處理。

3.3USB充電電路

該設(shè)備采用鋰電池供電，通過USB口進(jìn)行充電，設(shè)計(jì)由MCP73831組成的USB充電電路如圖4所示。MCP73831為單芯片鋰、鋰聚合物電池充電電路，SOT-23-55腳小尺寸封裝可選，充電電壓4.2~4.5V可選，充電電流通過外接電阻可在15mA~500mA編程設(shè)定。

3.4主控電路

主控制電路控制器選用STC15W401AS新型8051內(nèi)核單片機(jī)，該單片機(jī)為增強(qiáng)型8051內(nèi)核單片機(jī)，可在2.5~5.5V寬電壓范圍工作，功耗低。單片機(jī)內(nèi)置512個字節(jié)SRAM數(shù)據(jù)存儲器，2KB個FLASH程序存儲器，8通道10bitA/D轉(zhuǎn)換器，使用串口IAP在線下載程序，SOP16腳封裝，體積小巧。設(shè)計(jì)主控電路如圖5所示，傳感器感知脈搏信號Vsensor輸入到單片機(jī)的P1.0口，該口同時也是ADC0輸入引腳。本設(shè)備不帶顯示單元，測量結(jié)果通過藍(lán)牙方式傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)，通過在智能手機(jī)上運(yùn)行App顯示測量結(jié)果。為實(shí)現(xiàn)與智能手機(jī)間的無線數(shù)據(jù)傳輸，主控電路設(shè)計(jì)藍(lán)牙接口連接XM-15B藍(lán)牙模塊。該藍(lán)牙模塊支持藍(lán)牙2.1協(xié)議，模塊無需編程，控制器通過串口給模塊發(fā)送AT命令直接配置即可使用。

4軟件設(shè)計(jì)

4.1心率測算方法

心率有瞬時值測量和平均值測量。類似信號頻率測量法，通過在單位時間內(nèi)統(tǒng)計(jì)輸入脈搏信號的個數(shù)并通過公式計(jì)算后即可得到心率瞬時值IHR（4）式中T為單位時間1秒，N為單位時間統(tǒng)計(jì)的脈搏脈沖個數(shù)，單位為bpm(beatperminute)。此法受元件特性及外界干擾較大，可靠性差，統(tǒng)計(jì)測量時響應(yīng)差，故測量精度度和魯棒性較差。兩相鄰脈搏波（R波）之間的間隔時間為脈搏周期THR，若f0為頻率遠(yuǎn)大于IHR的脈沖，并以THR為閘門時間對f0進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值為N，顯然（5）可以得到IHR為（6）對比公式（6）、（5）可以發(fā)現(xiàn)，（6）式T0<<T，因此具有更快的測量響應(yīng)速度，尤其是當(dāng)測量IHR平均值時。

4.2軟件設(shè)計(jì)思路

依照（6）式編寫IHR測量程序，實(shí)現(xiàn)思路為啟動單片機(jī)定時器定時（分辨率1uS），Vsensor脈搏信號輸入單片機(jī)內(nèi)部比較器，當(dāng)輸入信號幅度超過比較器設(shè)置閥值后比較器狀態(tài)產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)，將其整形為矩形波。比較器每次發(fā)生翻轉(zhuǎn)觸發(fā)中斷，通過中斷服務(wù)讀取定時器計(jì)數(shù)值，并與上一次讀取到的計(jì)數(shù)值相減后得到N，代入（6）式即可得到瞬時心率值IHR，多次累加除權(quán)后可得到其平均值，程序流程圖如圖6所示。

5結(jié)語

依據(jù)以上原理及電路設(shè)計(jì)實(shí)測模擬信號波形如圖7所示。本系統(tǒng)可以實(shí)時測量人體心率，結(jié)果及時顯示在智能手機(jī)上，數(shù)據(jù)信息讀取方便。將系統(tǒng)應(yīng)用于智能穿戴設(shè)備之上，可以制作成手環(huán)、腳環(huán)等產(chǎn)品，亦可以制成耳釘或植入耳塞，具有體積小、成本低、實(shí)用價值高等特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]徐禮勝,靳雁冰.多傳感器融合的穿戴式心率監(jiān)測系統(tǒng)[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2015,47(05):97-103.

[2]靳雪斌.基于光電容積脈搏波形描記法的智能嬰兒腳環(huán)設(shè)計(jì)[D].開封:河南大學(xué),2016:5-6.

[3]龔渝順,吳寶明,高丹丹等.一種抗干擾穿戴式血氧飽和度監(jiān)測儀的研制[J].傳感技術(shù)學(xué)報,2012,25(01):6-10．

測量系統(tǒng)范文第2篇

關(guān)鍵詞: 城市規(guī)劃; 測量放樣 全球定位系統(tǒng) RTK測量系統(tǒng)

1 RTK 技術(shù)概述

(RTK)測量系統(tǒng), 是GPS測量技術(shù)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的結(jié)合, 是GPS 測量技術(shù)中的一個新突破。RTK測量技術(shù)是以載波相位觀測量為根據(jù)的實(shí)時差分GPS測量技術(shù), 其基本思想是: 在基準(zhǔn)站上設(shè)置1 臺GPS 接收機(jī), 對所有可見GPS衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)地觀測, 并將其觀測數(shù)據(jù)通過無線電傳輸設(shè)備,實(shí)時地發(fā)送給用戶觀測站。在用戶站上, GPS 接收機(jī)在接收GPS 衛(wèi)星信號的同時, 通過無線電接收設(shè)備, 接收基準(zhǔn)站傳輸?shù)挠^測數(shù)據(jù), 然后根據(jù)相對定位原理, 實(shí)時地解算整周模糊度未知數(shù)并計(jì)算顯示用戶站的三維坐標(biāo)及其精度。通過實(shí)時計(jì)算的定位結(jié)果, 便可監(jiān)測基準(zhǔn)站與用戶站觀測成果的質(zhì)量和解算結(jié)果的收斂情況, 實(shí)時地判定解算結(jié)果是否成功, 從而減少冗余觀測量, 縮短觀測時間。

2 RTK 技術(shù)在城市規(guī)劃測量中應(yīng)用

2.1 控制測量

城市控制網(wǎng)具有控制面積大、精度高、使用頻繁等特點(diǎn), 城市Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級導(dǎo)線大多位于地面, 隨著城市建設(shè)的飛速發(fā)展,這些點(diǎn)常被破壞, 影響了工程測量的進(jìn)度, 如何快速精確地提供控制點(diǎn), 直接影響工作的效率。常規(guī)控制測量如導(dǎo)線測量, 要求點(diǎn)間通視, 費(fèi)工費(fèi)時, 且精度不均勻。GPS 靜態(tài)測量, 點(diǎn)間不需通視且精度高, 但需事后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理, 不能實(shí)時知道定位結(jié)果, 如內(nèi)業(yè)發(fā)現(xiàn)精度不符合要求則必須返工。應(yīng)用RTK技術(shù)將無論是在作業(yè)精度, 還是作業(yè)效率上都具有明顯的優(yōu)勢。

自引入RTK 測量技術(shù)以來, 作者多次對市區(qū)原GPS 點(diǎn)及I、II 級導(dǎo)線點(diǎn)進(jìn)行檢驗(yàn), 其部分檢驗(yàn)值較差見表1。

表 1 部分檢驗(yàn)較差表

從表1 可以看出, RTK 測量的同一點(diǎn)位相對于靜態(tài)GPS觀測點(diǎn)基本上是一致的, 其坐標(biāo)差值較小;而對于常規(guī)儀器觀測的I、II 級導(dǎo)線來說有部分相差較大, 這也可能是常規(guī)測量的誤差積累所引起的。由此可見, RTK技術(shù)可用于常規(guī)的控制測量, 它將對傳統(tǒng)逐級布網(wǎng)的理念予以更新。

2.2 規(guī)劃道路中線放線

RTK測量技術(shù)用于市政道路中線放樣, 放樣工作一人也可完成。將線路參數(shù)如線路起終點(diǎn)坐標(biāo)、曲線轉(zhuǎn)角、半徑等輸入RTK 的外業(yè)控制器, 即可放樣。放樣方法靈活, 即能按樁號也可按坐標(biāo)放樣, 并可以隨時互換。放樣時屏幕上有箭頭指示偏移量和偏移方位, 便于前后左右移動, 直到誤差小于設(shè)定的為止。

2.3 用地測量

在建設(shè)用地勘測定界測量中, RTK 技術(shù)可實(shí)時地測定界址點(diǎn)坐標(biāo), 確定土地使用界限范圍, 計(jì)算用地面積, 在土地分類及權(quán)屬調(diào)查時, 應(yīng)用RTK 技術(shù)可實(shí)時測量權(quán)屬界限、土地分類修測, 提高了測量速度和精度。

2.4 建筑物規(guī)劃放線

規(guī)劃放線既要滿足城市規(guī)劃條件要求, 又要滿足建筑物本身的幾何關(guān)系, 放樣精度要求較高, 同時要求工期緊, 作者曾對某小區(qū)采用GPSRTK 儀器進(jìn)行放樣, 該小區(qū)場地平整, 視野開闊, 有規(guī)劃建筑12 棟, 在放樣的同時, 使用Topcon 全站儀進(jìn)行檢測, 檢查結(jié)果如表2:

表2 點(diǎn)位、高程檢測精度統(tǒng)計(jì)表

點(diǎn)位中誤差m=0.010, 高程中誤差m=0.013.計(jì)算公式:m=±([vv]2/n), v, V 分別為點(diǎn)位和高程較差;n 為檢查點(diǎn)數(shù)。

從以上數(shù)據(jù)分析表明, RTK 測量結(jié)果與全站儀測量結(jié)果互差均在厘米級, 其中點(diǎn)位較差最大2.6cm, 高程較差最大為3.2cm, 點(diǎn)位中誤差為0.01m, 高程中誤差0.013m, 完全滿足測量放線的精度要求, 因此, 使用GPSRTK 進(jìn)行規(guī)劃放線, 在場地條件好, 保證點(diǎn)位精度收斂高的情況下, 能滿足規(guī)劃放線要求。

3 結(jié)論

測量系統(tǒng)范文第3篇

1盤式分流器的設(shè)計(jì)

1.1盤式分流器的原理設(shè)定電阻材料的導(dǎo)磁率為μ，電阻率為ρ。電流從圓盤的中心到達(dá)分流器時開始穿過電阻膜，對稱地由中心向四周流動，電流密度均勻。這一過程與電磁波沿傳輸線傳播類似。電感分析圖見圖1。

1.2盤式分流器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)盤式分流器一般為薄膜金屬圓盤(環(huán)狀圓盤)，內(nèi)外邊緣可作為電流的輸入端(例如，內(nèi)外邊緣分別連接同軸電纜末端的內(nèi)外導(dǎo)體)，同時也作為測量端。電流在薄的電阻盤中徑向均勻流動，測量信號受雜散電感影響很小，適用于測量快速變化的電流。盤式分流器也可由大量小阻值電阻并聯(lián)組成，電阻的一端在圓心相連，另一端連接成圓盤的外環(huán)。本文采用全金屬材料、并聯(lián)寬頻大功率小電阻設(shè)計(jì)了一種盤式分流器。盤式分流器主要包括依次連接的上面板、紫銅圓盤、電阻和下面板。上面板輸入端的丁頭正端與紫銅圓盤中心孔通過電路焊接連接;紫銅圓盤邊緣與12個電阻電路焊接連接，電阻另一端焊接到下面板邊緣;紫銅圓盤中心孔與下面板的輸出端N型頭的正端電路焊接連接。盤式分流器結(jié)構(gòu)效果圖如圖2所示。上面板結(jié)構(gòu)如圖3所示。上面板由兩部分組成，兩部分之間為機(jī)械螺絲連接，方便組裝。上面板整體為長方體，中心凹進(jìn)為圓柱體。上面板正面連接同軸丁頭，丁頭的負(fù)端與上面板整體導(dǎo)通。上面板圓柱體邊緣留有等分的12個凹進(jìn)去的長方體，為電阻焊接留下足夠的空間。紫銅圓盤結(jié)構(gòu)如圖4所示。紫銅圓盤的中心孔與上面板丁頭的正端、下面板N型頭的正端通過銅線電路焊接在一起。紫銅圓盤的邊緣有等分的12個圓孔用來固定和電路焊接的12個電阻。紫銅圓盤上還有2個固定通孔，用絕緣螺絲固定在下面板上。電阻的組裝方式如圖4所示。先在紫銅圓盤和下面板的12個圓孔上螺絲固定紫銅片，再將電阻一邊焊接在紫銅圓盤的固定紫銅片上，另一邊焊接在下面板的固定紫銅片上。下面板結(jié)構(gòu)如圖5所示。下面板正面連接同軸N型頭，N型頭的負(fù)端與下面板整體導(dǎo)通，N型頭正端與紫銅圓盤中心孔相連。盤式分流器實(shí)物圖見圖6。其中大電流由前面板的丁頭輸入，經(jīng)過丁頭正端流到紫銅圓盤，經(jīng)過12路電阻到下面板，下面板與上面板是相通的，電流回到上面板，即丁頭負(fù)端，形成回路。下面板的N型頭正端從紫銅圓盤電阻端、負(fù)端從下面板采取電壓信號。此盤式分流器即可實(shí)現(xiàn)將大電流轉(zhuǎn)化為電壓進(jìn)行測量。

1.3盤式分流器特點(diǎn)電阻為VISHAY公司的CSM系列電阻，阻值為0.12Ω，可通過最大電流為10A或者功率為20W。此盤式分流器具有以下優(yōu)點(diǎn):1)電阻排列及接口設(shè)計(jì)均用同軸結(jié)構(gòu)，對稱性好，外部采用金屬圓桶，能減少分布參數(shù)影響，屏蔽雜散磁場，趨膚效應(yīng)好。信號經(jīng)同軸接口輸出，失真度小;2)各部件由紫銅制成，表面鍍銀，導(dǎo)電性好，整體結(jié)構(gòu)都為金屬材料，散熱性好，能長時間測量而不影響測量精度;3)采用大功率、頻帶寬的穩(wěn)定電阻，長時間通過電流不會因過度發(fā)熱而導(dǎo)致電阻值發(fā)生改變并影響測量數(shù)據(jù)。

1.4數(shù)據(jù)采集卡測試系統(tǒng)中的電壓頻率最高達(dá)到10kHz，其波形持續(xù)時間短，很難精確測量。為此我們選定美國Dy-namicSystem公司型號為CS1622的高速數(shù)據(jù)采集卡，其采樣速率達(dá)到200MS/s，帶寬125MHz，分辨力為16位。高速數(shù)據(jù)采集卡采用SMA接口，由同軸屏蔽線接到阻抗匹配連接器電壓端N型接口，減小了高頻信號傳輸?shù)膿p耗和電磁干擾。測量程序采用多次測量取平均值，同時清除噪聲干擾，保證測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

2系統(tǒng)組建和測量結(jié)果分析

盤式分流器的直流阻值按照直流標(biāo)準(zhǔn)電阻采用直流電流比較儀式電橋校準(zhǔn)。其交流電阻采用比較法測量，即標(biāo)準(zhǔn)交流電流源輸出穩(wěn)定電流依次通過盤式分流器和標(biāo)準(zhǔn)分流器A40B，測量兩個分流器上電壓，因相同電流可由分流器A40B阻值計(jì)算得到盤式分流器交流阻值。盤式分流器經(jīng)計(jì)量校準(zhǔn)不同頻率點(diǎn)阻值如表1所示。其中不同頻率下盤式分流器的阻值相對變化最大為1.5×10－4，可以看出盤式分流器頻帶很寬，符合大電流的校準(zhǔn)要求。測試系統(tǒng)由超級大電流源52120A/脈沖電流源LDI-928-25輸出大電流，經(jīng)過盤式分流器由數(shù)據(jù)采集卡測得電壓，計(jì)算得到電流值。系統(tǒng)連接圖見圖7。數(shù)據(jù)采集卡CS1622有軟件GagaScope，可以設(shè)置采樣速率、耦合方式等，直接測量有效值、幅值、上升時間、周期等量值，見圖8。實(shí)驗(yàn)中超級大電流源52120A輸出100A，10kHz電流，經(jīng)過分流器轉(zhuǎn)化為電壓，在數(shù)據(jù)采集卡軟件中顯示的波形如圖9所示。經(jīng)過計(jì)算交流電流的數(shù)據(jù)如表2所示，標(biāo)準(zhǔn)偏差為sn(x－)=7.4×10－5A。交流電流測量不確定度主要有盤式分流器引入的分量、數(shù)據(jù)采集卡引入的分量、電流源不穩(wěn)定引入的分量等組成，計(jì)算100A，10kHz交流電流測量不確定度為1×10－3。

3結(jié)論

測量系統(tǒng)范文第4篇

關(guān)鍵詞：綜合物性測量系統(tǒng) 應(yīng)變片 低溫 超導(dǎo)帶材

中圖分類號：O348 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）03（c）-0105-02

美國Quantum Design公司的綜合物性測量系統(tǒng)（Physics Property Measurement System，PPMS）提供了一個可以完美控制的低溫和強(qiáng)磁場（1.9～300K，0～9T）平臺，對于絕大多數(shù)常規(guī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，PPMS已經(jīng)設(shè)計(jì)好了全自動的測量軟件、具有標(biāo)準(zhǔn)測量功能以硬件，如電阻率、磁阻、微分電阻、霍爾系數(shù)、伏安特性、臨界電流、磁滯回線、比熱、熱磁曲線、熱電效應(yīng)、塞貝克系數(shù)和熱導(dǎo)率等等。這些測量方法的可靠性和便捷性在過去的十幾年中已經(jīng)得到世界科學(xué)界的認(rèn)可。

應(yīng)變是材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一個非常重要的物理參數(shù)，超導(dǎo)材料易脆的材料特性和極端的應(yīng)用條件決定了應(yīng)變測量在其實(shí)際應(yīng)用中的必要性。現(xiàn)在常規(guī)環(huán)境下應(yīng)變測量設(shè)備及方法已經(jīng)發(fā)展的極為成熟并得到了廣泛的應(yīng)用，但對于極端條件（如低溫、強(qiáng)磁場環(huán)境）下的應(yīng)變測量目前尚欠缺一個令人滿意地解決方案，現(xiàn)有的如中子衍射等方案設(shè)備昂貴，難以做到普及應(yīng)用。尤其是目前超導(dǎo)材料相關(guān)領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，其應(yīng)用的極端條件對應(yīng)變測量的要求更加迫切。用應(yīng)變計(jì)進(jìn)行應(yīng)變測量是非常成熟的測量方法，可以滿足在各種復(fù)雜環(huán)境下（如高、低溫、高速旋轉(zhuǎn)、強(qiáng)磁場等環(huán)境）的測量要求，并且具有較好的穩(wěn)定性和令人滿意的測量精度。利用應(yīng)變計(jì)測量方法配合PPMS的良好兼容性可以很好地實(shí)現(xiàn)應(yīng)變的簡易測量，具有經(jīng)濟(jì)適用的特點(diǎn)。

本文通過整合PPMS和應(yīng)變計(jì)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了材料在低溫、強(qiáng)磁場背景下的應(yīng)變測量。文中針對低溫對應(yīng)變片的影響在該儀器環(huán)境下做了標(biāo)定，并得出了應(yīng)變片在該條件下溫度補(bǔ)償[1-3]的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)方法及原理

本實(shí)驗(yàn)選用中航電測公司生產(chǎn)的卡瑪箔式應(yīng)變片，為適應(yīng)在PPMS較小的樣品腔中測量，我們選用的應(yīng)變片型號為：BB（BAB）300-1AA-W250（11），靈敏度系數(shù)為K=1.87±1%，敏感柵尺寸為：1.1×1.0 mm。貼片膠水采用環(huán)氧樹脂。

因?yàn)閼?yīng)變片小而薄，便于貼在結(jié)構(gòu)材料上，當(dāng)材料因溫度改變而產(chǎn)生應(yīng)變時，貼在其上的應(yīng)變片也隨之而產(chǎn)生應(yīng)變，進(jìn)而應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化，則材料應(yīng)變ε可以表示為：

ε=ΔL/L=ΔR/（K×R） （1）

其中，L為材料初始的長度，ΔL為材料長度的變化，R為應(yīng)變片的初始電阻，ΔR為應(yīng)變片電阻的變化，文中設(shè)定初始狀態(tài)為溫度為293 K時的狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)中，我們利用綜合物性測量系統(tǒng)提供的可以完美控制的低溫強(qiáng)磁場環(huán)境，以應(yīng)變片作為傳感器，通過直流電橋放大信號，經(jīng)過數(shù)字萬用表測量并由電腦采集和處理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了低溫的極端條件下應(yīng)變的測量。

利用以上方法，我們使用傳統(tǒng)的1/2橋進(jìn)行測量。如圖1所示，選取一已知應(yīng)變參數(shù)的參照樣品接于電橋AB間，待測樣品接于電橋BC間。測試前，先調(diào)節(jié)電橋平衡使數(shù)字萬用表顯示值為0 mV，測量過程中，通過PPMS程序控制溫度以3 K/min的速度從300 K降到10 K以消除殘余應(yīng)力影響，保溫10 min使系統(tǒng)達(dá)到一個穩(wěn)定狀態(tài)，然后以1 K/min的速度升溫到300 K，選取升溫時的數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)。則我們可由下式得到待測樣品應(yīng)變?yōu)椋?/p>

ε=[εref×（1-2Vr）]/（1+2Vr）-4Vr/[K×（1+2Vr）] （2）

其中，Vr=Vout/Vin，Vout為數(shù)字萬用表測得的輸出電壓，Vin為直流電橋輸入電壓，εref為參照樣品的應(yīng)變參數(shù)。

在實(shí)際測量中，應(yīng)變片的電阻不僅是應(yīng)變的函數(shù)，也是溫度的函數(shù)。以上方法雖然可以有效地回避了溫度對應(yīng)變片的影響而直接可得到我們所需的結(jié)果，但測量時必須同時在PPMS的樣品托上接一參照樣品，而我們知道，樣品托可以同時接三個樣品，采取以上方法則每次只能測量一個樣品。為使設(shè)備資源得到有效利用，我們對以上方法進(jìn)行了改進(jìn)，使用1/4電橋，樣品接于BC間，則相應(yīng)的應(yīng)變公式為：

ε=-4Vr/[K×（1+2Vr）]-εT （3）

其中，Vr=Vout/Vin，Vout為數(shù)字萬用表測得的輸出電壓，Vin為直流電橋輸入電壓，εT為溫度對應(yīng)變片的影響。

即我們只需對系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，測出溫度對應(yīng)變片的影響，得到溫度補(bǔ)償參數(shù)就可實(shí)現(xiàn)同時進(jìn)行三個樣品的應(yīng)變測量。（如圖1）

經(jīng)過大量試驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)測得溫度補(bǔ)償數(shù)據(jù)后通過公式（3）得到的應(yīng)變數(shù)據(jù)與常規(guī)方法通過公式（2）得出的數(shù)據(jù)具有同樣的可靠性。然后，我們充分考慮到實(shí)用性，對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了進(jìn)一步的簡化，得到了一套直接利用PPMS原有配件的應(yīng)變測量方法。

由公式（1）可知，我們可以直接通過應(yīng)變片隨溫度的電阻改變數(shù)據(jù)得到材料應(yīng)變數(shù)據(jù)，而PPMS原有的基于四引線法的直流電阻測量配件就可實(shí)現(xiàn)這一功能。

這是一種全新的測量思路，其測量方法極為簡單快捷，理論上只需對選用的應(yīng)變片進(jìn)行溫度補(bǔ)償參數(shù)標(biāo)定后就可使用。在這里，材料應(yīng)變滿足關(guān)系式：

εm=ε+εT=（RT-R293）/（K×R293） （4）

其中，εm為測得的應(yīng)變，ε為材料的實(shí)際應(yīng)變，εT為溫度引起的干擾信號，RT為應(yīng)變片在溫度T時的電阻，R293為溫度為293K時的初始電阻。

此外，由文獻(xiàn)可知溫度對應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)也有一定的影響，研究表明應(yīng)變片的靈敏系數(shù)在4.2 K時比300K時高5%[4]，這一項(xiàng)可根據(jù)下式修正：

KT=[1+（T-300）/（4.2-300）×5%]×Kref（5）

其中，KT為溫度T時應(yīng)變片的靈敏系數(shù)，Kref為300 K時應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。

下面，我們對式（4）提出的方法進(jìn)行詳細(xì)的介紹，主要包括測量系統(tǒng)的標(biāo)定，得出相應(yīng)的應(yīng)變片溫度補(bǔ)償參數(shù)的具體實(shí)施方法，并進(jìn)行該方法的可行性分析。

2 測量系統(tǒng)的標(biāo)定

實(shí)驗(yàn)中，我們選取鐵、銅兩種材料對測量系統(tǒng)進(jìn)行了溫度補(bǔ)償參數(shù)的標(biāo)定，以消除溫度引起的干擾，并將最后結(jié)果與其他測量方法得到的公認(rèn)的參考數(shù)據(jù)進(jìn)行對比以驗(yàn)證本實(shí)驗(yàn)方法的可靠性。選取鐵、銅這兩種材料主要考慮其常見且廉價，他們的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變數(shù)據(jù)也經(jīng)過多次驗(yàn)證，可直接在美國國家標(biāo)準(zhǔn)局?jǐn)?shù)據(jù)[5]中查得。

我們將鐵、銅樣品同時測量，以消除儀器環(huán)境及測量誤差。由（4）式可得，銅的實(shí)際應(yīng)變值可由以下式得出：

ε（Cu）=εm（Cu）-εm（Fe）+ε（Fe） （6）

根據(jù)上式我們得出銅的應(yīng)變-溫度曲線，該曲線與標(biāo)準(zhǔn)參考數(shù)據(jù)曲線如圖2所示。由圖中我們可以看出，該方法測得的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)大致相符，計(jì)算得誤差為±5%，滿足實(shí)驗(yàn)測量精度要求。（如圖2）

我們在此實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分別用兩種材料進(jìn)行了多次重復(fù)測量，然后根據(jù)式（4），用直接測得的應(yīng)變減去標(biāo)準(zhǔn)參考值，得出了溫度對應(yīng)變信號的影響，其結(jié)果如圖3中曲線e，f所示。圖中可看出，溫度干擾信號曲線基本重合，這一結(jié)果進(jìn)一步表明了測量方法的可靠性。由于單次測量的偶然性具有較大誤差，根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，我們對多種材料樣品多次測量的溫度干擾產(chǎn)生的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均，得到了最終的該應(yīng)變片對溫度干擾信號補(bǔ)償曲線。在進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中，數(shù)據(jù)處理時我們運(yùn)用直接測得的應(yīng)變數(shù)據(jù)減去這一統(tǒng)計(jì)溫度補(bǔ)償數(shù)據(jù)得出應(yīng)變-溫度曲線，如圖4所示，與圖2進(jìn)行對比可看出數(shù)據(jù)曲線誤差進(jìn)一步減小，這說明這一統(tǒng)計(jì)平均一定程度上消除了單次測量的偶然誤差。（如圖3圖4）

3 在超導(dǎo)材料應(yīng)變測量的應(yīng)用

為了進(jìn)一步評價該系統(tǒng)的應(yīng)用性能，我們應(yīng)用該系統(tǒng)使用這一極其簡易的方法對Bi2223（Ag包套）高溫超導(dǎo)體帶材樣品進(jìn)行了相應(yīng)的應(yīng)變測量。此Bi2223（Ag包套）高溫超導(dǎo)體帶材樣品來源于美國超導(dǎo)公司（AMSC），其應(yīng)變-溫度曲線如圖5所示，其應(yīng)變數(shù)據(jù)與Yamada小組報導(dǎo)的數(shù)據(jù)[7]相符。這一結(jié)果表明該系統(tǒng)可以應(yīng)用于超導(dǎo)體應(yīng)變的測量。

4 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)采用國產(chǎn)應(yīng)變片和廣泛應(yīng)用的綜合物性測量系統(tǒng)較好的實(shí)現(xiàn)了低溫條件下材料應(yīng)變性能的測量，并通過不斷的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，為超導(dǎo)材料的應(yīng)變性能提供了一種經(jīng)濟(jì)又簡單的測量方法，易于推廣使用。

參考文獻(xiàn)

[1]尹福炎.電阻應(yīng)變片的溫度自補(bǔ)償及其它[J].衡器，2009，38（9）：40-45.

測量系統(tǒng)范文第5篇

關(guān)鍵字：GPS應(yīng)用精度

一、GPS概述

GPS系統(tǒng)是美軍于上世紀(jì)七十年代初，在“子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航定位”技術(shù)上發(fā)展起來的一種高科技衛(wèi)星定位系統(tǒng)，具有全球性、全能型、全天候性的優(yōu)勢，能夠應(yīng)用于陸地、海洋、航空、航天的領(lǐng)域的導(dǎo)航定位、定時、測速系統(tǒng)。GPS系統(tǒng)主要有三大子系統(tǒng)所組成：空間衛(wèi)星系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)、用戶接受系統(tǒng)。空間衛(wèi)星系統(tǒng)由均勻分布于地球六個軌道平面上的24顆高軌道工作的衛(wèi)星組成，衛(wèi)星每十二恒星小時延近圓形軌道繞地球運(yùn)動一周，由星載高精度原子鐘控制無線電發(fā)射機(jī)在低噪聲窗口附近發(fā)射L1、L2兩種載波，向全球用戶接受系統(tǒng)連續(xù)播發(fā)GPS導(dǎo)航信號。地面監(jiān)控系統(tǒng)由美國本土和三大洋的美軍基地上均勻分布的五個監(jiān)測站、一個主控站和三個注入站構(gòu)成。地面監(jiān)控系統(tǒng)用GPS接受系統(tǒng)測量沒課衛(wèi)星的偽距和距離差，采集氣象觀測數(shù)據(jù)，并傳送給主控站，主控站將各種觀測數(shù)據(jù)和衛(wèi)星工作狀態(tài)數(shù)據(jù)諸如自身的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)中，及時的編算出每顆衛(wèi)星的導(dǎo)航電文并傳送給注入站控制和協(xié)調(diào)監(jiān)測站間，注入時間的工作，檢驗(yàn)注入衛(wèi)星的導(dǎo)航電文是否正確以及衛(wèi)星是否將導(dǎo)航電文發(fā)給了GPS用戶系統(tǒng)。

二、GPS系統(tǒng)用戶接受原理

（一）GPS接收機(jī)

GPS 系統(tǒng)用戶接受主要是通過衛(wèi)星接受機(jī)完成，衛(wèi)星接收機(jī)的基本結(jié)構(gòu)是由天線單元和接收單元兩部分組成。天線單元的主要作用是:當(dāng)GPS衛(wèi)星從地平線上升時起，捕獲、跟蹤衛(wèi)星，并接收放大捕獲到的 GPS 信號。接收單元的主要作用是:記錄GPS接受到的信號并對信號進(jìn)行解調(diào)和濾波等處理，還原出GPS 衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，并解求信號在站星間的傳播時間和載波相位差，在此基礎(chǔ)上實(shí)時地獲得導(dǎo)航定位的數(shù)據(jù)或采用測后處理的方式，獲得定位、測速、定時等數(shù)據(jù)結(jié)果。

（二）GPS 數(shù)據(jù)處理軟件

GPS 的數(shù)據(jù)處理軟件是 GPS 用戶系統(tǒng)的最重要部分，其主要任務(wù)是對GPS 接收機(jī)所獲取的各種衛(wèi)星測量記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行“粗加工”和“預(yù)處理”，并對所處理得到的結(jié)果進(jìn)行平差計(jì)算、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和分析綜合處理。解得測站的三維坐標(biāo)，測體的坐標(biāo)、運(yùn)動速度、方向及精確時刻等各項(xiàng)精確信息。

三、GPS系統(tǒng)應(yīng)用于公路測量的必要性和可行性

（一）GPS系統(tǒng)的優(yōu)勢

1各測站之間無需進(jìn)行通視。傳統(tǒng)公路測量過程中各測站間相互通視一直是測量學(xué)的益達(dá)難題。GPS系統(tǒng)應(yīng)用衛(wèi)星傳授信息技術(shù)，解決了這一問題，GPS的這一特點(diǎn)，使得測量工作的選點(diǎn)變得更加靈活方便。

2定位精度較高。一般紅外儀標(biāo)的測量精度為5mm+5ppm，而雙頻 GPS 接收機(jī)基線解的精度達(dá)到 5mm+1ppm，GPS的測量精度雖與紅外儀相當(dāng)，但隨著測量距離的加大，GPS 測量的優(yōu)越性就會愈加突出。

3觀測時間較短。GPS系統(tǒng)在應(yīng)用于測量的過程中，在小于 20千米的短基線上，進(jìn)行快速相對定位一般只需 5分鐘的觀測時間。

4能夠提供三維坐標(biāo)。GPS 系統(tǒng)在繼續(xù)測量時，在精確的測定觀測站平面位置的同時，還可以精確的測定觀測站的大致高程，并提供三維坐標(biāo)。

5操作簡單。GPS 測量就有較高自動化能力，在進(jìn)行觀測中測量員的主要任務(wù)是安裝并控制開關(guān)儀器、量取儀器和監(jiān)視儀器的工作狀態(tài)，而其他的觀測工作如衛(wèi)星的捕獲、跟蹤觀測等均可以由儀器自動完成。

（二） 常規(guī)測量方法的缺陷

1 常規(guī)測量方法的規(guī)范對附合導(dǎo)線、閉合導(dǎo)線長及結(jié)點(diǎn)導(dǎo)線間的長度等有著嚴(yán)格的規(guī)定，一般對于高等級的公路測量均要求達(dá)到一級導(dǎo)線的要求。在這樣的規(guī)定下，導(dǎo)線附合或閉合的長度最長不能超過10千米，結(jié)點(diǎn)導(dǎo)線的結(jié)點(diǎn)間距不得超過附合導(dǎo)線長度的0.7倍。這種嚴(yán)格的測量要求在實(shí)際的測量作業(yè)中一般難以達(dá)到，往往會出現(xiàn)超規(guī)范作業(yè)現(xiàn)象。

2 測量過程中所搜集到的用于路線測量控制的起算點(diǎn)間一般很難保證為同一測量系統(tǒng)的測量起算點(diǎn)，國測、軍測、城市各種控制點(diǎn)通常混雜一起，這樣就存在系統(tǒng)間的嚴(yán)重的兼容性問題，如果在測量中選擇了不能兼容的起算點(diǎn)，就會嚴(yán)重影響到測量質(zhì)量。

3 地面間測量點(diǎn)之間的通視困難往往就影響了常規(guī)測量的實(shí)施，一般測量路線的控制點(diǎn)要求布設(shè)在距路線300米的范圍內(nèi)。由于通視障礙的原因，這一條件在實(shí)際測量過程中通常難以滿足，甚至在一些大范圍的密林、密灌、青紗帳或居民區(qū)等地區(qū)，根本就無法實(shí)施常規(guī)控制測量的要求。

四、GPS系統(tǒng)在公路測量中的應(yīng)用

（一）線路勘測

通常在公路選線的過程中，往往要按照勘測設(shè)計(jì)的規(guī)范，在盡量少占農(nóng)田、少拆房屋并盡量利用原有路基的原則要求基礎(chǔ)上進(jìn)行線路勘測。為了達(dá)到準(zhǔn)確符合原則要求線路選擇，并設(shè)計(jì)好道路中線路使其符合設(shè)計(jì)的整體要求， 我們可以在測量過程中利用 GPS動態(tài)RTK 的技術(shù)，用GPS動態(tài)RTK 接收機(jī)做為流動信號接收站接收基站發(fā)射信號，沿著原路中線按一定間隔進(jìn)行采集數(shù)據(jù)，選擇另一個已知點(diǎn)作為參考站，遇到重要的地物，準(zhǔn)確的進(jìn)行定位，最后將觀測定位數(shù)據(jù)傳人計(jì)算機(jī)中，利用 AutoCAD 等計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件就可以方便的在計(jì)算機(jī)進(jìn)行上選線，從而選出最優(yōu)的線路方案。

（二）道路的中線測設(shè)

公路測量設(shè)計(jì)人員在大比例尺帶狀地形圖上完成定線后，需要將公路在現(xiàn)場地面標(biāo)定出來。這項(xiàng)工作就可以采用動態(tài)的GPS 測量技術(shù)進(jìn)行，應(yīng)用GPS技術(shù)只需要將中線主點(diǎn)的各個坐標(biāo)全部輸入到 GPS 的接收機(jī)中，GPS系統(tǒng)就會自動定出放樣的各個點(diǎn)位。同時由于每個點(diǎn)位的測量都是獨(dú)立精確完成的，這樣就不會產(chǎn)生累積誤差，各點(diǎn)放樣精度趨于一致，保證測量精確性。

（三）公路縱、橫斷面測量

公路中線確定完成后，可以利用中線樁點(diǎn)的坐標(biāo)，通過計(jì)算機(jī)繪圖軟件，就可給出路線縱斷面和各樁點(diǎn)的橫斷面的狀態(tài)分布。同樣，由于所用的數(shù)據(jù)都是在測繪地形圖的過程中所采集來的，因此就不需要再到現(xiàn)場進(jìn)行再次的縱、橫斷面測量，從而大大減少了外出測量工作的作業(yè)量。此外如果需要進(jìn)行現(xiàn)場斷面的測量時，也可采用動態(tài)的GPS 測量方法。這種GPS動態(tài)測量方法與傳統(tǒng)的測量方法相比，在精度、成本、實(shí)用各方面都具有明顯的優(yōu)勢。

五、結(jié)論

在公路測量中廣泛采用GPS 的靜態(tài)定位技術(shù)和動態(tài)定位技術(shù)相結(jié)合的方法，可以更高效、高精度地完成公路平面的測量工作。在測量過程中采用常規(guī)方法和GPS系統(tǒng)相結(jié)合的測量方法也可以極大地提高測量效率，并保證測量質(zhì)量。采用GPS進(jìn)行公路測量,有不受測量作業(yè)區(qū)地形條件限制、可全天候作業(yè)、所需人工較少、數(shù)據(jù)傳遞迅速準(zhǔn)確等優(yōu)勢。隨著GPS系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展,這種先進(jìn)的測量技術(shù)手段會被更廣泛地應(yīng)用到我國公路勘測工作中去,為我國公路測量提供更高的技術(shù)支持，同時也會提供更為準(zhǔn)確測量結(jié)果。GPS系統(tǒng)目前在公路測量中的廣泛應(yīng)用，是公路測量領(lǐng)域的一項(xiàng)革命性技術(shù)革新，極大地提高了勘測精度和勘測效率。

參考文獻(xiàn)：

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