至少要有涂层，裸露的电阻元件不能浸入导电或污染的流体中，当需要其快速响应时，可将它们用于干燥的空气和有限的几种气体及某些液体中。电阻元件如用在停滞的或慢速流动的流体中，通常需有某种壳体罩住以进行机械保护。当管子、导管或容器不能开口或禁止开口，因而不能使用探头或热电偶套管时，可通过在外壁钳夹或固定一个表面温度传感器的方法进和测量。为了确保合理的测量精度，传感器必须与环境大气热隔离并与热辐射源隔离，而且必须通过传感器的适当设计与安装使壁对敏感元件的热传导达到到最佳状态。所测的固体材料可以是金属的或非金属的，任何类型的表面温度传感器都会在某种程度上改变被测物表面或表面下层的材料特性。因此，必须对传感器及其安装方法进行适当的选择以便将这种干扰减到最小程度。理想的传感器应该完全用与所测固体相同的材料制造并与材料形成一体，这样测量点或其周围的结构特征就不会以任何方式改变。可用的这类传感器有各种各样，其中包括电阻(薄膜热电阻、热敏电阻)型，也包括薄膜和细导线型的热电偶。用可埋入的小传感器或带螺纹的镶嵌件进行表面玉的温度测量，应使埋入的传感器或镶嵌件的外缘与所测材料的外表面平齐。镶嵌件的材料应与所测的材料相同，至少要非常相似。使用垫圈式传感器时，必须注意确保垫圈所能达到的温度尽可能接近欲测温度。
　　温度传感器的选择主要是根据测量范围。当测量范围预计在总量程之内，可选用铂电阻传感器。较窄的量程通常要求传感器必须具有相当高的基本电阻，以便获得足够大的电阻变化。热敏电阻所提供的足够大的电阻变化使得这些敏感元件非常适用于窄的测量范围。如果测量范围相当大时，热电偶更适用。最好将冰点也包括在此范围内，因为热电偶的分度表是以此温度为基准的。已知范围内的传感器线性也可作为选择传感器的附加条件。响应时间通常用时间常数表示，它是选择传感器的另一个基本依据。当要监视贮槽中温度时，时间常数不那么重要。然而当使用过程中必须测量振动管中的温度时，时间常数就成为选择传感器的决定因素。珠型热敏电阻和铠装露头型热电偶的时间常数相当小，而浸入式探头，特别是带有保护套管的热电偶，时间常数比较大。动态温度的测量比较复杂，只有通过反复测试，尽量接近地模拟出传感器使用中经常发生的条件，才能获得传感器动态性能的合理近似。

光纤光栅传感系统的技术简介


　　本文介绍了光纤光栅传感系统的构成，分析了光纤光栅传感系统所用的3种不同的光源LED，LD和掺铒光源的性能，阐述了光纤光栅传感器的工作原理和各种不同的温度和应力的区分测量方法，描述了滤波法、干涉法、可调窄带光源法等几种常用的信号解调技术，最后，提出适应未来的需要如何对光纤光栅传感系统的光源、光纤光栅传感器和信号解调进行优化。
　　自1978年，加拿大的Hill等人首次在掺锗石英光纤中发现光敏现象并采用驻波法制造出世界上第一根光纤光栅和1989年美国的Melt等人实现了光纤Bragg光栅(FBG)的UV激光侧面写入技术以来，光纤光栅的制造技术不断完善，人们对光纤光栅在光传感方面的研究变得更为广泛和深入。光纤光栅传感器具有一般传感器抗电磁干扰、灵敏度高、尺寸小、重量轻、成本低，适于在高温、腐蚀性等环境中使用的优点外，还具有本征自相干能力强和在一根光纤上利用复用技术实现多点复用、多参量分布式区分测量的独特优势。故光纤光栅传感器已成为当前传感器的研究热点。由光源、光纤光栅传感器和信号解调系统为主构成的光纤光栅系统如何能够在降低成本、提高测量精度、满足实时测量等方面的前提下，使各部分达到最优匹配，满足光纤光栅传感系统在现代化各个领域实用化的需要也是研究人员重点考虑的问题。

本文对光纤光栅传感系统进行了介绍，对光纤光栅系统的宽带光源进行了说明，重点分析了光纤光栅传感器的传感原理及如何区分测量技术，对信号常用的信号解调方法进行了总结，最后，提出为适应未来的需要对系统各部分的优化措施。
　　1、光纤光栅传感系统
　　光纤光栅传感系统主要由宽带光源、光纤光栅传感器、信号解调等组成。宽带光源为系统提供光能量，光纤光栅传感器利用光源的光波感应外界被测量的信息，外界被测量的信息通过信号解调系统实时地反映出来。
　　1.1 光 源
　　光源性能的好坏决定着整个系统所送光信号的好坏。在光纤光栅传感中，由于传感量是对波长编码，光源必须有较宽的带宽和较强的输出功率与稳定性，以满足分布式传感系统中多点多参量测量的需要。光纤光栅传感系统常用的光源的有LED，LD和掺杂不同浓度、不同种类的稀土离子的光源。LED光源有较宽的带宽，可达到几十个纳米，有较高的可靠性，但光源的输出功率较低，且很难与单模光纤耦合。LD光源具有单色性好、相干性强、功率高的特点。但LD光谱的稳定性差(4×10-4/℃)。因此，这2种光源自身的缺点制约了它们在光传感中的应用。掺杂不同种类、不同浓度的稀土离子的光源研究最广泛的是掺铒光源。现在C波段掺铒光源已经研制成功并使用，随着光通信中对通信容量和速度的要求及分布式光纤传感密集布点对光源带宽要求，L波段的研究越来越重要。有研究者提出C+L波段的研制方案以提高光源的带宽和功率。掺铒光源在温度稳定性方面比半导体光源提高2个数量级，同时，能提供较高的功率、宽的带宽和较长的使用寿命，因此，可以扩大光纤光栅传感器的测量范围，提高检测的信噪比。
　　1.2 光纤光栅传感器
　　光纤光栅传感器可以实现对温度、应变等物理量的直接测量。由于光纤光栅波长对温度与应变同时敏感，即温度与应变同时引起光纤光栅耦合波长移动，使得通过测量光纤光栅耦合波长移动无法对温度与应变加以区分。因此，解决交叉敏感问题，实现温度和应力的区分测量是传感器实用化的前提。通过一定的技术来测定应力和温度变化来实现对温度和应力区分测量。这些技术的基本原理都是利用两根或者两段具有不同温度和应变响应灵敏度的光纤光栅构成双光栅温度与应变传感器，通过确定2个光纤光栅的温度与应变响应灵敏度系数，利用2个二元一次方程解出温度与应变。区分测量技术大体可分为两类，即，多光纤光栅测量和单光纤光栅测量。

多光纤光栅测量主要包括混合FBG/长周期光栅(long period grating)法、双周期光纤光栅法、光纤光栅/F-P腔集成复用法、双FBG重叠写入法。各种方法各有优缺点。FBG/LPG法解调简单，但很难保证测量的是同一点，精度为9×10-6，1.5℃。双周期光纤光栅法能保证测量位置，提高了测量精度，但光栅强度低，信号解调困难。光纤光栅/F-P腔集成复用法传感器温度稳定性好、体积小、测量精度高，精度可达20×10-6，1℃，但F-P的腔长调节困难，信号解调复杂。双FBG重叠写入法精度较高，但是，光栅写入困难，信号解调也比较复杂。
　　单光纤光栅测量主要包括用不同聚合物材料封装单光纤光栅法、利用不同的FBG组合和预制应变法等。用聚合物材料封装单光纤光栅法是利用某些有机物对温度和应力的响应不同增加光纤光栅对温度或应力灵敏度，克服交叉敏感效应。这种方法的制作简单，但选择聚合物材料困难。利用不同的FBG组合法是把光栅写于不同折射率和温度敏感性或不同温度响应灵敏度和掺杂材料浓度的2种光纤的连接处，利用不同的折射率和温度灵敏性不同实现区分测量。这种方法解调简单，且解调为波长编码避免了应力集中，但具有损耗大、熔接处易断裂、测量范围偏小等问题。预制应变法是首先给光纤光栅施加一定的预应变，在预应变的情况下将光纤光栅的一部分牢固地粘贴在悬臂梁上。应力释放后，未粘贴部分的光纤光栅形变恢复，其中心反射波长不变;而粘贴在悬臂梁上的部分形变不能恢复，从而导致了这部分光纤光栅的中心反射波长改变，因此，这个光纤光栅有2个反射峰，一个反射峰(粘贴在悬臂梁上的部分)对应变和温度都敏感;另一个反射峰(未粘贴部分) 只对温度敏感，通过测量这2个反射峰的波长漂移可以同时测量温度和应变。

1.3 信号解调
　　在光纤光栅传感系统中，信号解调一部分为光信号处理，完成光信号波长信息到电参量的转换;另一部分为电信号处理，完成对电参量的运算处理，提取外界信息，并以人们熟悉的方式显示出来。其中，光信号处理，即传感器的中心反射波长的跟踪分析是解调的关键。光纤光栅传感器中心反射波长最直接的检测仪器是光谱仪。这种方法的优点是结构简单、使用方便。缺点是精度底、价格高、体积大，而且，不能直接输出对应于波长变化的电信号。因此，不能满足实用化自动控制的需要。为此，人们研究并提出了多种解调方法，以实现信号的快速、精确提取。可分为滤波法、干涉法、可调窄带光源法和色散法等。
　　滤波法包括体滤波法、匹配光栅滤波法、可调谐F-P滤波法。体滤波法的元件是波分复用器。工作原理是从耦合器出射的光分成等强度的两束，一束经与波长有关的滤波器滤波;另一束作为参考光束，两束出射光经过光电探测器变成电信号，经过处理消除光功率变化的影响，最后，得到与光纤光栅中心波长有关的输出值。该方法可以实现动态和静态参量的测量。分辨力为375x10-6，动态应变测量响应速度不超过100Hz匹配光栅滤波法是利用其他的FBG或带通滤波光器件，在驱动元件的作用下跟踪FBG的波长变化，然后，通过测量驱动元件的驱动信号来获得被测应力或温度。该方法结构简单、线性度好，分辨力可达 0.4×10-6。该方法可以实现静态测量。但这种方法的不足之处是2个光栅要严格匹配，且传感光栅的测量范围不大。可调谐F-P滤波器法是传感阵列 FBG的反射信号进入可调光纤F-P滤波器(FFP)，调节FFP的透射波长至FBG的反射峰值波长时，滤波后的透射光强达到最大值，由FFP驱动电压— 透射波长关系可得FBG的反射峰值波长。扫描加上扰动信号构成波长锁定闭环，其应力分辨力可达0.3×10-6。该解调法可实现动态和静态的测量。由于 FFP滤波器腔的调谐范围很宽，可以实现多传感器的解调。但高精度FFP成本较高。

滤波解调法结构简单，但很难进一步提高其传感精度。干涉法却具有更高精度，可以大大提高传感分辨力。可调窄带光源解调法可获得很高的信噪比和分辨力，实验所得最小波长分辨力约为2.3pm，对应温度分辨力约为0.2℃，但由于目前的光纤激光器的稳定性及可调谐范围不太理想，在一定程度上限制了光纤光栅传感器的个数和使用范围。
　　2、光纤光栅传感系统的发展趋势
　　为了适应未来光纤光栅传感系统网络化、大范围、准分布式测量。许多研究者正在光纤光栅传感系统的各方面进行不断的研究，使系统得到优化。光纤光栅传感系统的优化主要从三方面考虑，即，光源、光纤光栅传感器及信号解调。对于传感系统的优化，主要是根据传感器的数目、传感器的灵敏度和解调系统的分辨力，根据实际的测量需要，配置不同的光源、传感器和解调系统，使得成本低、测量误差小、测量精度高。针对未来光纤光栅传感系统网络化的要求，应使用稳定性好、宽带、高输出功率的光源。掺铒、掺钕、掺镱等离子的光源是今后发展的重点。光纤光栅传感器既能实现单参量的测量，又能实现多参量的测量。当单参量测量时，应提高传感器的灵敏度和测试精度。在实际应用中，要注意传感器的灵敏度和量程之间的折中。灵敏度高了，量程自然小了。这是因为光纤光栅的应变有一个极限值，超过这个极限值光栅就会被破坏。为实现准分布式测量，传感器复用数目较多，在布置传感器时，有时一个点要布置灵敏度不同的多个传感器，以实现温度和压力的大范围测量。由于传感量主要是微小波长偏移为载体，所以，一个实用的信号解调方案必须具有极高的波长分辨力。其次，要解决动态与静态信号的检测问题，尤其是二者的结合性检测已成为光栅传感实用解调技术中的难点。光纤光栅传感系统应用最大的优势在于很好地进行传感器的复用实现分布式传感，如，美国的 Micron Optics公司，新推出的FBGSLI采用可调激光扫描方法，利用时分技术，可以同时对四路光纤多达256个Bragg光栅进行查询。因此，未来的光纤光栅传感系统将能满足单点高精度的实时测量，又能适应网络化的准分布式的多点、多参量的测试要求，在未来的传感领域发挥更大的作用。

大多数模拟测量系统的系统架构都相对比较直接。这种架构的核心通常是主机处理器，用于控制并检索来自一个或多个 ADC 的数据。在信号链一端向 ADC 馈送数据的是主机控制的传感器。对上述系统进行分析，并明确在不影响性能的情况下需进行哪些优化，其实对我们来说可做的事情并不多。要确定功能块中需要集成哪些功能并不容易，很难直接控制传感器前端。此外，我们通常要根据一系列其他要求预先确定主机处理器，这主要是由存储器大小、CPU 速度等软件要求决定的。 对负责系统后端的模拟设计人员而言，通常只能对 ADC 进行优化。不过，这时数字接口基本已经不能变更了，这主要也是由主机处理器的要求决定的。当然，目前非常多的主机处理器都能实现极高的性能且具备灵活的集成 ADC 功能，众多此类微控制器 (MCU) 都能理想地满足各种应用需求。不过，需要再次强调的是 MCU 的选用是由多种要求决定的，而模拟功能只是其中的一部分。 除了花费大量时间开发昂贵的 ASIC、承担高风险之外，还有没有别的办法呢?办法当然是有的。若不将模拟功能与主机处理器相集成，那么将数字智能集成至 ADC 中又未尝不可呢?这就能实现“更智能化”的设备，既能充分满足传感器前端的模拟性能要求，又具备与系统主机处理器接口相连的足够灵活性。这样做还有更多好处。

智能 ADC 数据采集系统的发展 小智慧有大作用毫无疑问，这不是一种新的概念，不过却经常被忽视。只要可能，我们就应采用智能 ADC 数据采集系统，其发挥的系统级影响大大超过此前介绍的范畴。一般说来，设计人员考虑的问题包括智能处理器解决方案的物理大小或占用面积，当然价位也是非常重要的因素。价格通常是大多数高销量应用的限制因素，这使设计人员不得不采取效率较低的、会影响集成度的独立解决方案。 智能 ADC 系统架构的优势在于，数字和模拟设计都能实现极大的灵活性，这同时也为软件开发提供了极高的灵活性。智能 ADC 解决方案的集成 CPU 和数字外设实现了更简单的 A/D 控制和数据处理功能。ADC 不仅具有全面可编程性，而且无须与主机 CPU 互动就能实现空中控制。此外，智能 ADC 还能作为模拟的预处理器，不仅能捕获已转换的数字数据，而且还能在向系统主机传递数据之前对数据进行处理。这使求数据平均值乃至更复杂的数据过滤等功能都得以简化。 为了说明上述功能减轻主机负荷，我们不妨考虑外部 16 位 ADC 采用 3 线 SPI 接口通信的简单例子。主机不仅要配置 ADC，等待每次转换完成，而且还要检索每个 16 位结果，并处理得出平均值。即便在 ADC 与主机处理器集成的情况下，能优化的也只是数据通信。主机仍要处理数据、计算平均值，并提供所有 ADC 控制和配置功能。 我们不妨将这种简单而低效的系统与智能 ADC 系统相比较，智能系统采用相同的主机功能，但主机只需从“智能” ADC 中检索数据。所有 ADC 控制功能和预处理的数据以及平均值计算都由智能 ADC 完成，从而解放了主机，使其能从事更高级的功能，并使最终应用受益。 智能化程度更高的 MCU 是解决之道 超低功耗 MSP430F2013 MCU 就是此类智能型 ADC 的一个优秀典范。所有的 ADC 控制和数据处理均无需主机完成，从而不仅提高了灵活性，而且还加强了整个系统的效率。这乍看起来似乎对降低成本、提高存储器容量以及 CPU 吞吐量等方面没什么大用，但是我们需考虑到，有的任务每秒必须要处理数十次、上百次，乃至上千次。因此，智能 ADC 所能实现的优势是极为明显的，但如果设计人员在系统设计过程中只考虑采用简单 ADC 的话，那么就会让主机不得不处理大量的数据采集工作，造成无谓的消耗。 智能程度更高的 ADC 所带来的优势和功能远远超出了 A/D 转换及数据处理的范畴。在更高的层面上，MSP430F2013 的 2KB 片上闪存存储器可存储校准数据，以及针对温度变化的传感器补差表，补偿传感器采样信息的不足。此外，闪存与 128B RAM 还能存储数据日志和多采样缓冲。系统主机可用剩余的可用存储器存储其他各种数据。 至主机或 LED 指示器、开关或外部数字时钟等其他系统元素的接口具有多达 10 个通用 I/O 连接，因此显著实现了简化。可处理 SPI 或 I2C 协议的内置通信接口可提供简单而优化的可定制主机数据端口。 MSP430 超低功耗架构的关键优势之一也进一步扩展到了系统模拟领域，能实现非常灵活且易于管理的电源架构，从而充分满足电流需要。由于处理器从亚微安培待机电流的唤醒时间不到 1 微秒，因此该解决方案有助于我们大幅降低平均系统功耗要求。

基于RFID和传感技术的冷链物流环境监测系统设计


　　摘要：近年来，在发改委和商务部门的推动下，我国冷链物流建设进入了前所未有的高潮期。为了有效解决冷链物流行业的实时环境监测问题，文章采用RFID技术和传感技术相结合的方法设计了一个冷链物流环境监测系统。本系统可实时监测物品在储藏、运输阶段的光线、温度、湿度、位置等环境参数，并由监控中心统一管理，从而提高冷链物流的运输和存储质量。
　　关键字：RFID;冷链环境：物流监测;传感器
　　0 引言
　　近年来，冷链物流行业在我国迅速发展。冷链物流是指冷藏冷冻品在生产、储藏、运输、销售，到消费前的各个环节中始终处于低温环境下，以保证产品质量，减少物品损耗的系统工程，适用于果蔬、禽蛋、水产品、速冻食品、乳制品、花卉、药品等领域。如果在某个环节的环境指标没有达到要求，就很容易造成质量事故。传统的方法不能够持续记录环境参数，也不能够及时响应而给出报警信号，这一方面可能造成经济损失，另一方面，也为事故原因的鉴定工作造成了困难。为了解决这些问题，就需要有一套能够持续记录物品所处环境数据，并将其发送到监控中心进行存储和分析的系统。
　　本文设计了一种基于射频识别技术(Radio Frequency Identification，RFID)及传感技术的冷链物流环境监测系统。本系统可实时监测物品在储藏、运输阶段的环境参数，并通过监控中心判断是否符合标准，以便及时调整，减少损失。

冷链物流中的温度和时间是必须考虑的两个风险因素，而又以温度为重要，二者贯穿于储藏和输配送的整个过程中。如处理不当，就可能引起品质降低的累积性和不可逆性，直至影响到产品的安全性。本文采用RFID标签取代传统的环境监控方法，这种标签内部装有天线RFID芯片、温度传感器、湿度传感器以及光线传感器。标签安放在合适的位置后，传感器将实时采集所处环境的温度、湿度、光照信息，并将信息写入标签的芯片内，按规定的时间间隔将信息传输到阅读器中。阅读器通过有线/无线网络上报到监控中心，由监控中心存储并分析收到的数据，如有异常情况，则及时报警，采取措施。
　　1 环境监测系统设计方案
　　本系统由监控中心、冷藏库监测子系统和冷藏车监测子系统组成，各子系统通过网络与监控中心连接。其系统总体组成框图如图1所示。
　　


冷藏库监测子系统由RFID传感标签与读写器组成。根据冷藏库的大小，可以放置多个标签，也可以在冷藏库的大门处安放读写器。每个标签与读写器都有唯一的编号，在使用前，由监控中心的发卡部门将冷藏库的相关信息写入标签，并将读写器的编号与冷藏库的编号相关联。传感标签除了记录温湿度信息外，还会收集光线传感器的变化情况，将这些信息通过读写器发送到监控中心，监控中心通过对记录进行分析，可判断冷藏库中温湿度是否满足要求，并根据光线传感器的数据计算出冷藏库库门的开启时间点与持续时间，并判断其是否属于非法开启。