控制工程师论坛

北京理工大学微小型系统研究中心 李科杰 

一、微小型无人系统技术发展动向 

微小型无人系统技术的内涵是：根据无人系统特殊功能和特性，应用微机电系统（MEMS）、机器人、感知、控制等先进技术，综合集成为微小型无人系统的光机电一体化技术。 

国际上的科学家、战略思想家和未来学家们认为：“五种常常重叠的技术最有可能在今后15-20年使军队发生革命性的变化。这五种技术为：机器人技术、先进的动力与推进技术、微型化技术、移动和自适应数字网络、飞速发展的生物科学。” 

微小型无人系统就是二十世纪九十年代美国等先进工业国家开始发展的融合了这些技术的新概念装备，它不但在基础理论、设计、制造与试验技术等方面是革命性创新，而且对二十一世纪战争的模式将会带来变革性的影响。 

微小型无人系统技术目前重点研究的是：微小型飞行器、微小型机器人、微小型水下无人航行器和微小型航天器等。 

1．微型飞行器 

微型飞行器(MAV)的概念是由美国于九十年代最先提出的，并进行了可行性论证。研制出的微型飞行器特征是：最大尺寸为15cm以下，重数百克以下，航程大于10km，最高时速达80km/h，最高飞行高度可达150m。它还应有导航及通信能力，可用手掷或飞机部署它们，具有侦察成像、电磁干扰等作战效能，一次性使用的微型飞行器的价格计划在1000美元以下。 

目前美国DARPA有十余项微型飞行器研究计划在进行，包括固定翼、旋翼、和扑翼式微型飞行器。国外研制的典型微飞行器见图1。 

在阿富汗战场上美国使用了微型飞行器，这种微型飞行器名为“微星”，海军陆战队士兵可以通过便携式电脑的画面，操纵“微星”侦察机，可侦察前方5km的情况。 

作为微小型飞行器的一个新概念，“仿昆虫机器人”九十年代初被提出。它是基于对昆虫运动机理的分析，按照一种新的设计思想去设计的。美国投资10亿多美元研究如何利用昆虫侦察，现正在研究用遥控器控制昆虫飞行。如果在昆虫身上装上微型摄像机，则不仅可实现侦察，也可对人无法进入的地方进行探测。见图2，图3。近期美国的机器昆虫已经进行了飞行试验。 

2.微小型机器人技术 

我们对微小型机器人这个概念和内涵的看法是：基于微机电技术，有拟人功能，代替人完成任务的光机电一体化系统。可自主、半自主或人工遥控工作。 

1） 微小型固定机器人 

所谓固定式的微小型机器人，其实是一种固定不动的侦察机器人（或称侦察传感器系统），它们的外形可做成像石头、树木、花草的模样，内部装有微型图像、红外、地震、磁场、音响等各种传感器，可以东张西望，探测出物体的图像、人体的辐射，行走时地面的震动，金属移动物体磁场的变化等，并将各种信息传送给指挥部，然后利用搜集到的情报对敌人发起攻击。敌人即使见到了它们，也 

很难想到它们竟会是对方的侦察兵。一旦知道对方有这种装备，反而会疑神疑鬼，感到草木皆兵。 

美国加紧研制的“智能尘埃”拟用于军事，利用无人机布撒到未来的战场中，构成分布式战场传感器网。当坦克等军用车辆驶过这些“尘粒”时，它们就会启动火箭并附于车身，从而将其精确位置不时发送回去，使军方能随时掌握敌情。它们还具有电子干扰能力，自主寻找敌方电子指挥系统的关键部位实施破坏。上述“智能尘”配合“微型火箭”就能悬浮于空气之中，用于测量风速、气温，特别是灾害性天气的物理参数。微型芯片火箭见图4,已在6mm×4mm芯片上制造出15只火箭，并在10cm2的芯片上设计了1000万只火箭。 

2） 微小型移动机器人 

微小型移动式机器人主要也是用来从事侦察和探测的。例如，美国麻省理工学院研制的“阿蒂拉Ⅰ ”型机器人重1.6kg，有32台电机，10个微处理器和150个传感器，并带有一台微型摄象机。由于它的6条腿都具有关节，它的运动更加自如，还能越过障碍，见图5。 

美国桑地亚国家实验室正在研制一种只有几毫米大的微型机器人，为了不引人注意，可以将其形状做成昆虫形状，也可以做成象垃圾一样的形状，用来侦察生化武器。近期的目标是，在芯片上建立一个化学实验室，再将芯片嵌入只有几毫米的机器人上。 

海军陆战队正准备研制出一种比人手还小的地面军用机器人，用于城市环境侦察作战。这种机器人可以步行而非轮式，它还有翅膀，可以跳跃或飞上楼梯，主要用作侦察。它可由无人机投到作战地区，一支远征部队可以装备40~50个。研制它的最大困难是动力问题，目前的电池技术在这么小的体积内无法提供足够的能量，正在考虑替代能源。 

在小型仿人机器人方面，日本和美国等发达国家已投入了大量的资金对其进行研制。东京大学等单位研制的50cm机器人见图6。 

3．微小型水下无人航行器技术 

微小型水下无人航行器通常是指长度在米级范围，重量在几十公斤以内的水下无人航行器。 

微小型水下无人航行器因其目标小、噪声低、易于接近目标而不易被敌方发现等特点，适于在近海、狭窄海域或浅水海区执行一些特种任务，如破坏敌人海上交通运输线、对敌岸基地或锚泊舰船、水雷进行侦察、袭击等。此外，它还具有造价低、便于大批量建造、运输方便等优点。图7所示为“曼塔”未来型无人潜器。 

微小型水下无人航行器可以选择由小型潜艇携带到战区释放，对海上活动目标实施战术侦察和突然攻击，或者自主航行到预定海区执行指定任务（如战略、战役侦察）。单纯用于隐蔽侦察时，必须能回收；如用于不能回收的攻击时，可以自杀使用，也能取得一定的作战效果。所以如能实现有人操纵小型潜艇和微小型水下无人航行器结合使用，无疑将大大提高作战效能。 

机器鱼的概念研究在国外已经开始，如图8所示。 

与船舶的螺旋桨推进方式相比，鱼类的游动有以下优点： 

(1)推进效率较高，利用流体能量后，效率可接近90%； 

(2)加速性好，可在瞬间达到巡航速度； 

(3)机动性好，可在速度不减的情况下实现180度转弯，转弯半径小于体长； 

(4)噪音极小。 

由于以上原因，对鱼类的运动仿生研究在高效推进应用领域有着深远意义。 

    

3．微小型卫星 

微小型卫星的概念是：100～500kg的卫星称为微小卫星（mini），10～100kg的卫星称为微型卫星（micro），10kg以下的卫星称为纳米卫星（nano），其自身通常无法独立完成空间任务，需要依赖分布式的星座或网络才能实现其功能。 

海湾战争的爆发使美国的防务重点开始转移到发生在世界某一地区的局部军事行动。军方需要灵活迅速地发射和配置一组低轨道卫星，以执行区域性军事监测和包括士兵通讯在内的近距通讯任务。1990年5月用侦察兵火箭发射了首颗重70kg的试验通信卫星，在1991年海湾战争中发挥了重要作用。1991年7月用飞马座火箭，一箭发射7颗重23kg的微型通讯卫星，并成功组网，其主要载荷为2W功率的UHF转发器，用于士兵与作战总部的通讯联系。 

2002年2月，两颗绳系皮卫星被从低地球轨道上的主星送入太空。这两颗皮卫星是世界上第一批功能最全的超小型卫星，每颗星就象一副纸牌大小，重量不超过1.5kg。美军之所以挖空心思的研制皮卫星，主要是考虑能更有效的防止敌国反卫星武器攻击。皮卫星可以与主卫星组成网络，相互协同运行，当敌方反卫星武器进行攻击时，皮卫星可以及时为主卫星发送信息，使主卫星及时采取措施，免遭攻击；皮卫星还可以诱惑、吸引敌方反卫星武器，保护主星；皮卫星也可用做反反卫星武器，对敌方反卫星武器进行拦截。 

科索沃战争再次表明了“陆、海、空、天“一体化战场环境的特殊作用。由于微小卫星具有低轨道、信号损耗小、机动灵活、抗毁性能强等优点，很适合于战场环境监视、侦察、目标定位、通信中继等。作为未来高技术战争的“杀手锏”，在建立以卫星为核心的C4I（指挥、控制、通信、计算机和情报）一体化系统、提高战术武器的隐蔽性、突防能力等方面，微小卫星有极大的需求背景。而由微小卫星构成“卫星攻防系统”更是其可能独有的潜在军事应用。 

二、微小型无人系统战略地位及重要意义 

1．战略地位及需求 

人类社会跨入信息时代，战争形态正在发生深刻变革，江泽民主席指出：“信息战争将逐步取代工业时代的机械化战争，成为未来战争的基本形态”。作为美军建设指导纲领的“2020联合作战设想”也把信息作战摆在未来联合作战的中心位置，使信息作战的地位发生了实质性的变化。信息化战争，是一种新的战争形态。它是以机械化战争的装备平台为载体，以大量使用信息化武器为支撑，以信息为主导，以能量为后盾，以网络为神经触角的战争形态。信息化战争时代，信息、指挥、精确打击突变为战争的主要要素，那么，信息、指挥、精确打击同样成为描绘信息化战争形态的基本构件。战争形态不是战争要素的静态的简单组合，而是一个动态的纵横交织、五维一体、紧密衔接的复杂网络，把陆、海、空、天、电，以及国内外的各种作战力量、侦察力量、保障力量和各种战略资源紧密联系在一起，使指挥员、指挥机关与部队之间具备了“实时反馈、实时控制”，以及实时了解“敌在哪里，我在哪里、友邻在哪里”的能力。作战向信息收集、分类、处理、决策、打击一体化方向发展，发现即意味着摧毁。微小型无人系统（微小型飞行器、微小型水下无人航行器、微小型卫星、微小型机器人等）与传统装备相比在信息战中有更神奇的特殊作用，可以在信息化战争中大显神威。 

随着世界人口的城市化发展趋势，未来战场的主要形式将是城市作战，城市作战有利于发展中国家对抗发达国家的军事及技术优势。由于城市的地形特点，微小型无人系统例如微小型无人机、微小型机器人，将成为城市作战中的有力武器，它们将在侦察等许多方面发挥重要的作用，而且还可避免人员的伤亡。 

在过去10年中，城市维和及城市作战已成为美军的家常便饭。美国海军陆战队在它以往的250次部署中，有237次都是在城市中作战的。看来21世纪城市作战将会成为未来战场的主要形式。能否有效地解决城市作战的问题，将决定能否在未来的战场中取得军事上的优势。 

过去几年，美国国防部力图提高部队城市作战的能力，1997年制定了一个城市地区军事作战的先进概念技术演示计划（MOUT ACTD），国防部将科学家和有城市作战经验的士兵召集在一起，总结了格林纳达、巴那马、索马里及海地作战中的经验教训，得出32条用户的需求，该计划成功地找到了一些发挥美军技术优势的途径，其中很重要的一点是在未来的城市作战中，将广泛采用微小型地面机器人、微小型无人机及微小型传感器系统，以便士兵不论白天还是黑夜都能了解他周围的楼房里及街道上的敌情。除侦察外，微小型机器人等微小型无人系统还可完成诸如扫雷、排除爆炸物、控制武器射击等各项任务，而且不会有人员伤亡，因而它们在今后的城市作战中，必然会成为一种有效的武器。 

由于微小型无人系统技术在提高信息作战、城市作战能力、改变未来战争模式等方面有重要应用，美国国防部2000年把微小型无人系统列在“军用关键技术”清单中。美国国防部在2002财年选择的15个先期概念技术演示项目（有应用前景的技术转化成采办的项目），其中与微小型无人系统有关的有四项： 

城区作战的一次性使用的无人机,低成本地秘密投送传感器并执行监视任务，可支持城区作战； 

“微型飞行器”，低成本的、士兵监督的、6--9英寸大小的飞行器，可以为地面作战单位提供敌方活动的环境感知能力； 

“路径发现者”，由地面车辆、无人机和移动的智能传感器组成的网络，可以为指挥官提供环境感知能力、指挥、控制和通信，并为城区作战的攻击部队提供监视能力； 

装备有传感器和武器系统的无人水中航行器，可以作为进行非对称作战的力量倍增器。 

2. 重大意义和效益 

二十一世纪的战场，战争的初期极可能是一场无人系统的较量。永不疲倦、无所畏惧的微小型无人系统是最理想的士兵。它们已在战争中显示出的作战本领，可以突出他们在未来战场上的重要地位。微小型无人系统由于体积小、隐蔽性好、快速反应、机动性好、生存能力强、成本低等特点，特别适用于城市和恶劣环境下（如核、生、化战场等）的局部战争和信息战争，具有下述重大意义和军事效益： 

（1）减少人员伤亡，补充、加强和支援人员作战。 

公认的发展微小型无人智能武器系统的重要作用是保护士兵的生命。由于今天士兵往往不仅是为保卫祖国而战，他们还要去执行国际维和任务，所以不管这些任务多么受人尊敬，人们对自己士兵的伤亡比以前更加难以接受。微小型无人智能武器系统则能代替人侦察、作战、摧毁目标，这样既可保持战斗力又可减少人员伤亡。 

（2）能进行士兵难以进行的作战任务。 

随着进一步的微型化，科学家们预言，他们将会设计出肉眼看不到的象螨虫一样大小的微机器人，象昆虫一样大的微型飞行器，这样的微小型武器能够进入间谍或侦察人员绝对无法进入的地方如作战指挥部、机要室和保险柜内执行各种侦察与破坏任务，也能对飞机或卫星系统无法发现的地方进行侦察。在恶劣环境下，尤其是在有核辐射和失能性、致命性毒剂时，可有效的进行工作，而士兵完成这些任务将有很大的危险。 

（3）提高武器效费比，降低军费开支。 

载人武器系统的价格已达到成百上千万美元。由于微小型无人武器系统不需要使人员舒服和安全的措施和装置，也无需在核、生、化环境下保护人员的设备，以及支付训练人员的费用，因此微小型无人武器系统的造价、使用费用相对较低，如有的军用机器人仅数千美元，微型飞行器仅一千美元。 

（4）提高作战能力，倍增军事力量。 

如目前扫雷机器人一次作业能开辟一条8米宽、100米长的通道，比战士扫雷能力要提高许多倍。 

（5）用微小型武器对付传统武器，导致未来战场出现“尺度不均衡战争”。 

目前，战场上攻防两方的武器，就其尺度而言是“均衡”的，如地空导弹的长度与飞机翼展的尺度均以米计。作战双方的坦克也均在同一尺度上，而微小型飞机和微小型攻击型机器人的尺度则是以“厘米”计，若以高射炮攻击它，就真的成了“高射炮打蚊子”和“坦克打昆虫”，使传统武器的作战效能显著降低。国外正加紧开展微小型无人武器的研制，这将使我国所面临“尺度不均衡战争”的威胁日趋严重。为了在未来“尺度不均衡战争”中能与敌实施有效抗衡，我们必须尽早开展微小型无人系统技术的研究。 

（6）微小型无人系统的重大军事作用还在于它的深远影响。 

国外专家预测，长远上，微小型无人系统可能引起军队组织机构、体制及战术的变化。如军队的规模将缩小，不再划分为陆海空三军；在战术上无人系统可以直接通过与传感器相连的系统，同机器智能共用情报，使攻防作战更机动灵活。它可能使战术作战与战略作战之间、防御和进攻之间不再有明显的差别，士兵也不一定必须年青力壮。 

三、微小型无人系统的作用 

未来用纳米技术制造的微型无人系统，形成一批如“蚊蝇飞行器”、“蚂蚁机器士兵”、“智能尘埃”、“纳米卫星”等微型武器，其运用将十分方便。 

微小型无人系统在战场上可发挥以下作用： 

1.侦察与战场评估 

近距离针对目标的细节侦察,特别适合于敌后侦察和谍报侦察，见图9；对战场目标（如军舰、坦克、军队）作空中或地面监视、毁伤效果评估（实时图象传回），并难于被发现； 

超近距离或附着目标体发出信号，便于侦察定位或指引导弹攻击。用一架无人驾驶飞机就可以将数以万计的“智能尘埃”空投到敌军可能部署的地域或散布在天空中，十分容易地掌握敌人目标动向。“蚊蝇飞行器”、“ 蚂蚁机器士兵”等，能对侦察卫星和军用飞机监视不到的死角，或人员无法到达的危险地区进行侦察，它们可潜入敌军司令部、机密柜中，来搜集情报，能实时准确地把侦察到的信息传送回来。 

2.近距离电子干扰 

大型电子干扰飞机功率大，可以实行较远距离的干扰，缺点是目标大，易被攻击，且成本高、数量少。微型飞行器作为电子干扰机将会给电子对抗带来一种新形式，见图10。微型飞行器可实行较近距离的、针对性地干扰防空武器(导弹、火炮)的导引雷达、炮瞄雷达、探测雷达和警戒雷达。微型电子干扰飞行器可以用警戒飞机或战斗机携带(可一次携带多达数十个微型飞行器)。当飞机飞到与战场或敌方阵地一定的距离时，探明敌方雷达的位置，然后放飞微型飞行器，对敌方阵地雷达实施干扰。如果干扰效果不理想，可增加微型飞行器的数量，实行“集群干扰”的战术。 

3.直接作为攻击武器 

能以群布性对飞机目标实施难于防备的攻击；皮球形状的攻击用机器人武器，会又蹦又跳自动寻找目标，可击毁坦克或洞中机场的飞机（图12）；潜艇警惕敌人发射的鱼雷，却意想不到会受到海湾内游弋的“鱼”的攻击，搭载在这种机器鱼上的炸药的数量很少，根本无法同鱼雷相比，但是，没有必要击沉军舰，只要能够对声纳等重要部位进行一发必中的攻击，破坏其部分零部件，就足以推迟其参加作战的时间。与传统的武器不同，微型武器以敌方的“神经系统”为主要打击目标，这是现代战争的特点和微型武器的优势所决定的。微型武器由于具有微型化和智能化的明显优势，打击敌方的“神经系统”必然是微型武器的首选目标，“蚊蝇飞行器”、“蚂蚁机器士兵”、“智能尘埃”等，可潜入敌军司令部，炸毁电脑网络和通信线路。通过微型武器所焕发出来的巨大战争威力而使敌方宏观作战体系“突然瘫痪”，以致不得不屈服于微型武器所造成的战争压力。微型武器如果装上一些高效能炸药或者一些失能剂，就能实施各种突袭和打击任务。例如，成千上万的“蚊蝇飞行器”形成“云团”，可攻击载人的飞行器和士兵（“火蚁战争”），敌司令官可能被识别他的“蚊蝇飞行器”叮咬后精神失控，不能指挥战斗。 

4.特殊环境应用 

可遥控探雷、扫雷，避免人员近距离操作的危险；对特殊环境 (化学战、生物战、核爆炸等)的战场信息获取，及有害物质的提取（图12、图13）。 

四．微小型无人系统对测试技术的新挑战 

1.系统化带来的挑战 

基于微米、纳米技术发展起来的微机电系统，由于是高度集成的光机电一体化系统，传感器是系统不可分割的一部分，因此给测试、校准带来新的问题，如图14所示微流体测控系统，由迂回型密集微沟道、微流量传感器、微型温敏元件、智能化控制微泵、微接口等组成，并集成/装配在一起。整个 

系统还含有专用的信号处理及驱动电路，用于对微泵进行智能化驱动。智能化控制微泵采用宽频、宽电压范围下工作的单膜无阀微泵，这不仅易于微装备实现微系统集成化，而且利于在宽范围内调节微流体的流动指标。另外无阀微泵由于其本身无活动微部件、对流体介质无损伤等特点，使其具有工作可靠、稳定、寿命长等优点极适合于长期工作的微流体测控系统（小卫星、集成电路芯片等）或化学微配给系统中。温度和流量测量元件采用半导体和金属薄膜传感器结构实现。 

集成在微流体系统上的温度敏感及微流量传感元件能够对微流体系统的温度及流量进行实时监测，信号处理驱动电路可根据温度和流量的变化自动调节微泵的工作状态，从而实现微流体系统的智能化控制。但是由于传感器如流量计是集成在系统之内，因此如何校准呢？这是有待于解决的问题。由此也可以看到微小型无人系统中，测试技术不再是从属的、服务的地位，而是必不可少的重要组成部分。 

2.微型化带来的挑战 

图4 所示“数字推进火箭芯片”，主要用于微型航天器（如微米/纳米卫星）的高精度空间定位和姿态控制。由于微型航天器体积很小（直径约10-15cm），重量很轻（约1-1.5kg），因此用来精确定位和姿态调控的推进脉冲量级约为10-4-10-6N·s。传统火箭推进器含有燃烧箱、控制阀、燃烧室和喷管等，结构复杂，体积、重量大，无法提供小而精的脉冲推力，不能用于微型航天器。火箭芯片是一种新概念微型推进器，它以阵列形式将大量一次性推进单元制作于三合夹层的芯片上。其中，上层为喷管和爆破薄膜硅片，中层为玻璃制作的含有推进剂的燃烧室，下层为多晶硅上的起爆电阻。推进单元可提供一个被称为“脉冲比特”的脉冲量。推进单元既可单独作用，也可多个同时作用或顺序作用，依次向微型航天器提供不同大小和不同方向的作用力。其冲量、功率、能量的测试、计量是十分重要的，以此评估不同尺寸的膛室的推进效能。但目前没有很好的测试方法。 

纳米碳管可作为微传感器进行单个细胞称重，但这样的称重传感器如何计量呢，也是一个难题。 

3.性能提高带来的挑战 

由于MEMS传感器固有的特点，使得其性能有所提高，如微机电加速度传感器，美国已做到20万g，固有频率1MHz，俄罗斯可能做到40万g，这样高量程、高频响的传感器也给测试、校准提出了新的问题。 

总之，由于微小型无人系统的发展，势必给测试技术提出一些新的课题，而微小型无人系统测试技术问题的突破，也必然促进我国微小型无人系统的跨越式发展。

北京理工大学微小型系统研究中心 李科杰 

一、微小型无人系统技术发展动向 

微小型无人系统技术的内涵是：根据无人系统特殊功能和特性，应用微机电系统（MEMS）、机器人、感知、控制等先进技术，综合集成为微小型无人系统的光机电一体化技术。 

国际上的科学家、战略思想家和未来学家们认为：“五种常常重叠的技术最有可能在今后15-20年使军队发生革命性的变化。这五种技术为：机器人技术、先进的动力与推进技术、微型化技术、移动和自适应数字网络、飞速发展的生物科学。” 

微小型无人系统就是二十世纪九十年代美国等先进工业国家开始发展的融合了这些技术的新概念装备，它不但在基础理论、设计、制造与试验技术等方面是革命性创新，而且对二十一世纪战争的模式将会带来变革性的影响。 

微小型无人系统技术目前重点研究的是：微小型飞行器、微小型机器人、微小型水下无人航行器和微小型航天器等。 

1．微型飞行器 

微型飞行器(MAV)的概念是由美国于九十年代最先提出的，并进行了可行性论证。研制出的微型飞行器特征是：最大尺寸为15cm以下，重数百克以下，航程大于10km，最高时速达80km/h，最高飞行高度可达150m。它还应有导航及通信能力，可用手掷或飞机部署它们，具有侦察成像、电磁干扰等作战效能，一次性使用的微型飞行器的价格计划在1000美元以下。 

目前美国DARPA有十余项微型飞行器研究计划在进行，包括固定翼、旋翼、和扑翼式微型飞行器。国外研制的典型微飞行器见图1。 

在阿富汗战场上美国使用了微型飞行器，这种微型飞行器名为“微星”，海军陆战队士兵可以通过便携式电脑的画面，操纵“微星”侦察机，可侦察前方5km的情况。 

作为微小型飞行器的一个新概念，“仿昆虫机器人”九十年代初被提出。它是基于对昆虫运动机理的分析，按照一种新的设计思想去设计的。美国投资10亿多美元研究如何利用昆虫侦察，现正在研究用遥控器控制昆虫飞行。如果在昆虫身上装上微型摄像机，则不仅可实现侦察，也可对人无法进入的地方进行探测。见图2，图3。近期美国的机器昆虫已经进行了飞行试验。 

2.微小型机器人技术 

我们对微小型机器人这个概念和内涵的看法是：基于微机电技术，有拟人功能，代替人完成任务的光机电一体化系统。可自主、半自主或人工遥控工作。 

1） 微小型固定机器人 

所谓固定式的微小型机器人，其实是一种固定不动的侦察机器人（或称侦察传感器系统），它们的外形可做成像石头、树木、花草的模样，内部装有微型图像、红外、地震、磁场、音响等各种传感器，可以东张西望，探测出物体的图像、人体的辐射，行走时地面的震动，金属移动物体磁场的变化等，并将各种信息传送给指挥部，然后利用搜集到的情报对敌人发起攻击。敌人即使见到了它们，也 

很难想到它们竟会是对方的侦察兵。一旦知道对方有这种装备，反而会疑神疑鬼，感到草木皆兵。 

美国加紧研制的“智能尘埃”拟用于军事，利用无人机布撒到未来的战场中，构成分布式战场传感器网。当坦克等军用车辆驶过这些“尘粒”时，它们就会启动火箭并附于车身，从而将其精确位置不时发送回去，使军方能随时掌握敌情。它们还具有电子干扰能力，自主寻找敌方电子指挥系统的关键部位实施破坏。上述“智能尘”配合“微型火箭”就能悬浮于空气之中，用于测量风速、气温，特别是灾害性天气的物理参数。微型芯片火箭见图4,已在6mm×4mm芯片上制造出15只火箭，并在10cm2的芯片上设计了1000万只火箭。 

2） 微小型移动机器人 

微小型移动式机器人主要也是用来从事侦察和探测的。例如，美国麻省理工学院研制的“阿蒂拉Ⅰ ”型机器人重1.6kg，有32台电机，10个微处理器和150个传感器，并带有一台微型摄象机。由于它的6条腿都具有关节，它的运动更加自如，还能越过障碍，见图5。 

美国桑地亚国家实验室正在研制一种只有几毫米大的微型机器人，为了不引人注意，可以将其形状做成昆虫形状，也可以做成象垃圾一样的形状，用来侦察生化武器。近期的目标是，在芯片上建立一个化学实验室，再将芯片嵌入只有几毫米的机器人上。 

海军陆战队正准备研制出一种比人手还小的地面军用机器人，用于城市环境侦察作战。这种机器人可以步行而非轮式，它还有翅膀，可以跳跃或飞上楼梯，主要用作侦察。它可由无人机投到作战地区，一支远征部队可以装备40~50个。研制它的最大困难是动力问题，目前的电池技术在这么小的体积内无法提供足够的能量，正在考虑替代能源。 

在小型仿人机器人方面，日本和美国等发达国家已投入了大量的资金对其进行研制。东京大学等单位研制的50cm机器人见图6。 

3．微小型水下无人航行器技术 

微小型水下无人航行器通常是指长度在米级范围，重量在几十公斤以内的水下无人航行器。 

微小型水下无人航行器因其目标小、噪声低、易于接近目标而不易被敌方发现等特点，适于在近海、狭窄海域或浅水海区执行一些特种任务，如破坏敌人海上交通运输线、对敌岸基地或锚泊舰船、水雷进行侦察、袭击等。此外，它还具有造价低、便于大批量建造、运输方便等优点。图7所示为“曼塔”未来型无人潜器。 

微小型水下无人航行器可以选择由小型潜艇携带到战区释放，对海上活动目标实施战术侦察和突然攻击，或者自主航行到预定海区执行指定任务（如战略、战役侦察）。单纯用于隐蔽侦察时，必须能回收；如用于不能回收的攻击时，可以自杀使用，也能取得一定的作战效果。所以如能实现有人操纵小型潜艇和微小型水下无人航行器结合使用，无疑将大大提高作战效能。 

机器鱼的概念研究在国外已经开始，如图8所示。 

与船舶的螺旋桨推进方式相比，鱼类的游动有以下优点： 

(1)推进效率较高，利用流体能量后，效率可接近90%； 

(2)加速性好，可在瞬间达到巡航速度； 

(3)机动性好，可在速度不减的情况下实现180度转弯，转弯半径小于体长； 

(4)噪音极小。 

由于以上原因，对鱼类的运动仿生研究在高效推进应用领域有着深远意义。 

    

3．微小型卫星 

微小型卫星的概念是：100～500kg的卫星称为微小卫星（mini），10～100kg的卫星称为微型卫星（micro），10kg以下的卫星称为纳米卫星（nano），其自身通常无法独立完成空间任务，需要依赖分布式的星座或网络才能实现其功能。 

海湾战争的爆发使美国的防务重点开始转移到发生在世界某一地区的局部军事行动。军方需要灵活迅速地发射和配置一组低轨道卫星，以执行区域性军事监测和包括士兵通讯在内的近距通讯任务。1990年5月用侦察兵火箭发射了首颗重70kg的试验通信卫星，在1991年海湾战争中发挥了重要作用。1991年7月用飞马座火箭，一箭发射7颗重23kg的微型通讯卫星，并成功组网，其主要载荷为2W功率的UHF转发器，用于士兵与作战总部的通讯联系。 

2002年2月，两颗绳系皮卫星被从低地球轨道上的主星送入太空。这两颗皮卫星是世界上第一批功能最全的超小型卫星，每颗星就象一副纸牌大小，重量不超过1.5kg。美军之所以挖空心思的研制皮卫星，主要是考虑能更有效的防止敌国反卫星武器攻击。皮卫星可以与主卫星组成网络，相互协同运行，当敌方反卫星武器进行攻击时，皮卫星可以及时为主卫星发送信息，使主卫星及时采取措施，免遭攻击；皮卫星还可以诱惑、吸引敌方反卫星武器，保护主星；皮卫星也可用做反反卫星武器，对敌方反卫星武器进行拦截。 

科索沃战争再次表明了“陆、海、空、天“一体化战场环境的特殊作用。由于微小卫星具有低轨道、信号损耗小、机动灵活、抗毁性能强等优点，很适合于战场环境监视、侦察、目标定位、通信中继等。作为未来高技术战争的“杀手锏”，在建立以卫星为核心的C4I（指挥、控制、通信、计算机和情报）一体化系统、提高战术武器的隐蔽性、突防能力等方面，微小卫星有极大的需求背景。而由微小卫星构成“卫星攻防系统”更是其可能独有的潜在军事应用。 

二、微小型无人系统战略地位及重要意义 

1．战略地位及需求 

人类社会跨入信息时代，战争形态正在发生深刻变革，江泽民主席指出：“信息战争将逐步取代工业时代的机械化战争，成为未来战争的基本形态”。作为美军建设指导纲领的“2020联合作战设想”也把信息作战摆在未来联合作战的中心位置，使信息作战的地位发生了实质性的变化。信息化战争，是一种新的战争形态。它是以机械化战争的装备平台为载体，以大量使用信息化武器为支撑，以信息为主导，以能量为后盾，以网络为神经触角的战争形态。信息化战争时代，信息、指挥、精确打击突变为战争的主要要素，那么，信息、指挥、精确打击同样成为描绘信息化战争形态的基本构件。战争形态不是战争要素的静态的简单组合，而是一个动态的纵横交织、五维一体、紧密衔接的复杂网络，把陆、海、空、天、电，以及国内外的各种作战力量、侦察力量、保障力量和各种战略资源紧密联系在一起，使指挥员、指挥机关与部队之间具备了“实时反馈、实时控制”，以及实时了解“敌在哪里，我在哪里、友邻在哪里”的能力。作战向信息收集、分类、处理、决策、打击一体化方向发展，发现即意味着摧毁。微小型无人系统（微小型飞行器、微小型水下无人航行器、微小型卫星、微小型机器人等）与传统装备相比在信息战中有更神奇的特殊作用，可以在信息化战争中大显神威。 

随着世界人口的城市化发展趋势，未来战场的主要形式将是城市作战，城市作战有利于发展中国家对抗发达国家的军事及技术优势。由于城市的地形特点，微小型无人系统例如微小型无人机、微小型机器人，将成为城市作战中的有力武器，它们将在侦察等许多方面发挥重要的作用，而且还可避免人员的伤亡。 

在过去10年中，城市维和及城市作战已成为美军的家常便饭。美国海军陆战队在它以往的250次部署中，有237次都是在城市中作战的。看来21世纪城市作战将会成为未来战场的主要形式。能否有效地解决城市作战的问题，将决定能否在未来的战场中取得军事上的优势。 

过去几年，美国国防部力图提高部队城市作战的能力，1997年制定了一个城市地区军事作战的先进概念技术演示计划（MOUT ACTD），国防部将科学家和有城市作战经验的士兵召集在一起，总结了格林纳达、巴那马、索马里及海地作战中的经验教训，得出32条用户的需求，该计划成功地找到了一些发挥美军技术优势的途径，其中很重要的一点是在未来的城市作战中，将广泛采用微小型地面机器人、微小型无人机及微小型传感器系统，以便士兵不论白天还是黑夜都能了解他周围的楼房里及街道上的敌情。除侦察外，微小型机器人等微小型无人系统还可完成诸如扫雷、排除爆炸物、控制武器射击等各项任务，而且不会有人员伤亡，因而它们在今后的城市作战中，必然会成为一种有效的武器。 

由于微小型无人系统技术在提高信息作战、城市作战能力、改变未来战争模式等方面有重要应用，美国国防部2000年把微小型无人系统列在“军用关键技术”清单中。美国国防部在2002财年选择的15个先期概念技术演示项目（有应用前景的技术转化成采办的项目），其中与微小型无人系统有关的有四项： 

城区作战的一次性使用的无人机,低成本地秘密投送传感器并执行监视任务，可支持城区作战； 

“微型飞行器”，低成本的、士兵监督的、6--9英寸大小的飞行器，可以为地面作战单位提供敌方活动的环境感知能力； 

“路径发现者”，由地面车辆、无人机和移动的智能传感器组成的网络，可以为指挥官提供环境感知能力、指挥、控制和通信，并为城区作战的攻击部队提供监视能力； 

装备有传感器和武器系统的无人水中航行器，可以作为进行非对称作战的力量倍增器。 

2. 重大意义和效益 

二十一世纪的战场，战争的初期极可能是一场无人系统的较量。永不疲倦、无所畏惧的微小型无人系统是最理想的士兵。它们已在战争中显示出的作战本领，可以突出他们在未来战场上的重要地位。微小型无人系统由于体积小、隐蔽性好、快速反应、机动性好、生存能力强、成本低等特点，特别适用于城市和恶劣环境下（如核、生、化战场等）的局部战争和信息战争，具有下述重大意义和军事效益： 

（1）减少人员伤亡，补充、加强和支援人员作战。 

公认的发展微小型无人智能武器系统的重要作用是保护士兵的生命。由于今天士兵往往不仅是为保卫祖国而战，他们还要去执行国际维和任务，所以不管这些任务多么受人尊敬，人们对自己士兵的伤亡比以前更加难以接受。微小型无人智能武器系统则能代替人侦察、作战、摧毁目标，这样既可保持战斗力又可减少人员伤亡。 

（2）能进行士兵难以进行的作战任务。 

随着进一步的微型化，科学家们预言，他们将会设计出肉眼看不到的象螨虫一样大小的微机器人，象昆虫一样大的微型飞行器，这样的微小型武器能够进入间谍或侦察人员绝对无法进入的地方如作战指挥部、机要室和保险柜内执行各种侦察与破坏任务，也能对飞机或卫星系统无法发现的地方进行侦察。在恶劣环境下，尤其是在有核辐射和失能性、致命性毒剂时，可有效的进行工作，而士兵完成这些任务将有很大的危险。 

（3）提高武器效费比，降低军费开支。 

载人武器系统的价格已达到成百上千万美元。由于微小型无人武器系统不需要使人员舒服和安全的措施和装置，也无需在核、生、化环境下保护人员的设备，以及支付训练人员的费用，因此微小型无人武器系统的造价、使用费用相对较低，如有的军用机器人仅数千美元，微型飞行器仅一千美元。 

（4）提高作战能力，倍增军事力量。 

如目前扫雷机器人一次作业能开辟一条8米宽、100米长的通道，比战士扫雷能力要提高许多倍。 

（5）用微小型武器对付传统武器，导致未来战场出现“尺度不均衡战争”。 

目前，战场上攻防两方的武器，就其尺度而言是“均衡”的，如地空导弹的长度与飞机翼展的尺度均以米计。作战双方的坦克也均在同一尺度上，而微小型飞机和微小型攻击型机器人的尺度则是以“厘米”计，若以高射炮攻击它，就真的成了“高射炮打蚊子”和“坦克打昆虫”，使传统武器的作战效能显著降低。国外正加紧开展微小型无人武器的研制，这将使我国所面临“尺度不均衡战争”的威胁日趋严重。为了在未来“尺度不均衡战争”中能与敌实施有效抗衡，我们必须尽早开展微小型无人系统技术的研究。 

（6）微小型无人系统的重大军事作用还在于它的深远影响。 

国外专家预测，长远上，微小型无人系统可能引起军队组织机构、体制及战术的变化。如军队的规模将缩小，不再划分为陆海空三军；在战术上无人系统可以直接通过与传感器相连的系统，同机器智能共用情报，使攻防作战更机动灵活。它可能使战术作战与战略作战之间、防御和进攻之间不再有明显的差别，士兵也不一定必须年青力壮。 

三、微小型无人系统的作用 

未来用纳米技术制造的微型无人系统，形成一批如“蚊蝇飞行器”、“蚂蚁机器士兵”、“智能尘埃”、“纳米卫星”等微型武器，其运用将十分方便。 

微小型无人系统在战场上可发挥以下作用： 

1.侦察与战场评估 

近距离针对目标的细节侦察,特别适合于敌后侦察和谍报侦察，见图9；对战场目标（如军舰、坦克、军队）作空中或地面监视、毁伤效果评估（实时图象传回），并难于被发现； 

超近距离或附着目标体发出信号，便于侦察定位或指引导弹攻击。用一架无人驾驶飞机就可以将数以万计的“智能尘埃”空投到敌军可能部署的地域或散布在天空中，十分容易地掌握敌人目标动向。“蚊蝇飞行器”、“ 蚂蚁机器士兵”等，能对侦察卫星和军用飞机监视不到的死角，或人员无法到达的危险地区进行侦察，它们可潜入敌军司令部、机密柜中，来搜集情报，能实时准确地把侦察到的信息传送回来。 

2.近距离电子干扰 

大型电子干扰飞机功率大，可以实行较远距离的干扰，缺点是目标大，易被攻击，且成本高、数量少。微型飞行器作为电子干扰机将会给电子对抗带来一种新形式，见图10。微型飞行器可实行较近距离的、针对性地干扰防空武器(导弹、火炮)的导引雷达、炮瞄雷达、探测雷达和警戒雷达。微型电子干扰飞行器可以用警戒飞机或战斗机携带(可一次携带多达数十个微型飞行器)。当飞机飞到与战场或敌方阵地一定的距离时，探明敌方雷达的位置，然后放飞微型飞行器，对敌方阵地雷达实施干扰。如果干扰效果不理想，可增加微型飞行器的数量，实行“集群干扰”的战术。 

3.直接作为攻击武器 

能以群布性对飞机目标实施难于防备的攻击；皮球形状的攻击用机器人武器，会又蹦又跳自动寻找目标，可击毁坦克或洞中机场的飞机（图12）；潜艇警惕敌人发射的鱼雷，却意想不到会受到海湾内游弋的“鱼”的攻击，搭载在这种机器鱼上的炸药的数量很少，根本无法同鱼雷相比，但是，没有必要击沉军舰，只要能够对声纳等重要部位进行一发必中的攻击，破坏其部分零部件，就足以推迟其参加作战的时间。与传统的武器不同，微型武器以敌方的“神经系统”为主要打击目标，这是现代战争的特点和微型武器的优势所决定的。微型武器由于具有微型化和智能化的明显优势，打击敌方的“神经系统”必然是微型武器的首选目标，“蚊蝇飞行器”、“蚂蚁机器士兵”、“智能尘埃”等，可潜入敌军司令部，炸毁电脑网络和通信线路。通过微型武器所焕发出来的巨大战争威力而使敌方宏观作战体系“突然瘫痪”，以致不得不屈服于微型武器所造成的战争压力。微型武器如果装上一些高效能炸药或者一些失能剂，就能实施各种突袭和打击任务。例如，成千上万的“蚊蝇飞行器”形成“云团”，可攻击载人的飞行器和士兵（“火蚁战争”），敌司令官可能被识别他的“蚊蝇飞行器”叮咬后精神失控，不能指挥战斗。 

4.特殊环境应用 

可遥控探雷、扫雷，避免人员近距离操作的危险；对特殊环境 (化学战、生物战、核爆炸等)的战场信息获取，及有害物质的提取（图12、图13）。 

四．微小型无人系统对测试技术的新挑战 

1.系统化带来的挑战 

基于微米、纳米技术发展起来的微机电系统，由于是高度集成的光机电一体化系统，传感器是系统不可分割的一部分，因此给测试、校准带来新的问题，如图14所示微流体测控系统，由迂回型密集微沟道、微流量传感器、微型温敏元件、智能化控制微泵、微接口等组成，并集成/装配在一起。整个 

系统还含有专用的信号处理及驱动电路，用于对微泵进行智能化驱动。智能化控制微泵采用宽频、宽电压范围下工作的单膜无阀微泵，这不仅易于微装备实现微系统集成化，而且利于在宽范围内调节微流体的流动指标。另外无阀微泵由于其本身无活动微部件、对流体介质无损伤等特点，使其具有工作可靠、稳定、寿命长等优点极适合于长期工作的微流体测控系统（小卫星、集成电路芯片等）或化学微配给系统中。温度和流量测量元件采用半导体和金属薄膜传感器结构实现。 

集成在微流体系统上的温度敏感及微流量传感元件能够对微流体系统的温度及流量进行实时监测，信号处理驱动电路可根据温度和流量的变化自动调节微泵的工作状态，从而实现微流体系统的智能化控制。但是由于传感器如流量计是集成在系统之内，因此如何校准呢？这是有待于解决的问题。由此也可以看到微小型无人系统中，测试技术不再是从属的、服务的地位，而是必不可少的重要组成部分。 

2.微型化带来的挑战 

图4 所示“数字推进火箭芯片”，主要用于微型航天器（如微米/纳米卫星）的高精度空间定位和姿态控制。由于微型航天器体积很小（直径约10-15cm），重量很轻（约1-1.5kg），因此用来精确定位和姿态调控的推进脉冲量级约为10-4-10-6N·s。传统火箭推进器含有燃烧箱、控制阀、燃烧室和喷管等，结构复杂，体积、重量大，无法提供小而精的脉冲推力，不能用于微型航天器。火箭芯片是一种新概念微型推进器，它以阵列形式将大量一次性推进单元制作于三合夹层的芯片上。其中，上层为喷管和爆破薄膜硅片，中层为玻璃制作的含有推进剂的燃烧室，下层为多晶硅上的起爆电阻。推进单元可提供一个被称为“脉冲比特”的脉冲量。推进单元既可单独作用，也可多个同时作用或顺序作用，依次向微型航天器提供不同大小和不同方向的作用力。其冲量、功率、能量的测试、计量是十分重要的，以此评估不同尺寸的膛室的推进效能。但目前没有很好的测试方法。 

纳米碳管可作为微传感器进行单个细胞称重，但这样的称重传感器如何计量呢，也是一个难题。 

3.性能提高带来的挑战 

由于MEMS传感器固有的特点，使得其性能有所提高，如微机电加速度传感器，美国已做到20万g，固有频率1MHz，俄罗斯可能做到40万g，这样高量程、高频响的传感器也给测试、校准提出了新的问题。 

总之，由于微小型无人系统的发展，势必给测试技术提出一些新的课题，而微小型无人系统测试技术问题的突破，也必然促进我国微小型无人系统的跨越式发展。

黄树森1，李昕欣1，王跃林1，鲍敏杭2 

    

1 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 传感技术联合国家重点实验室， 上海200050 

2 复旦大学 微电子学系， 上海200433 

    

摘要：在分析MEMS（微电子机械系统）传感器当前的发展现状、特点特别是在器件实用化和产品化进程中所面临的挑战后，提出了MEMS传感器技术实用化的关键——提高器件性能满足应用要求。根据研究经历举例说明改进传感器材料、结构、制作工艺和器件工作原理等具体措施对提高器件性能的作用。 

    

关键词：微电子机械系统、微传感器、微执行器、微机械技术 

    

How to Improve the Performances of MEMS Transducers 
    

Huang Shusen1, Li Xinxin1, Wang Yuelin1, Bao Minhang2 

(1 State Key Lab on Transducer Technology, Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200050; 

2 Department of Microelectronics, Fudan University, Shanghai 200433) 

    

Abstract: Based on the current technical status and encountered challenges of MEMS transducers towards application market, a view point is given in the paper that performance improvement of MEMS transducers is the key to inter application market. Examples are given to describe how to improve the device-performances by utilizing some improved sensing materials, sensing structures, fabrication techniques and device working schemes, etc. 

    

Key Words: Microelectromechanical systems, Micro sensors, Micro actuators, Micromachining technology 

    

1． MEMS传感器技术发展的特点和现状 

    

随着MEMS技术的发展，采用该技术的微机械传感器研发事业正在壮大。但人们往往会有一种想法，即只要采用了MEMS的制造技术，完全可以把传统的传感器做成小型的器件。除MEMS制造技术外，完全可以沿用传统的传感器相关技术。事实上由于MEMS技术引入，传感器的相应设计规则也发生了变化。这其中包括：微机械应力的获取规则、微小电容检测的规则、温度漂移的引入规则、微机械位移和固有频率的关系、噪声作用的顺序、最终噪声底线等。同时，在MEMS执行器方面，也出现了诸如静电驱动深宽比法则、驱动稳定性条件、空气和稀薄气体的阻尼、静电吸合法则、微机械热平衡与传输规律、表面张力和毛细管作用规律、非线性振动规律等十分重要的问题。这些问题在宏观机械领域不起很大作用，因而没有受到很大重视。需要在研发MEMS传感器技术的同时逐步加以解决。 

就在MEMS技术还处于不很完善的情况下，人们已经迫切希望和需要MEMS传感器走向实用化和产业化。其原因和动力如下： 

a. 人们认为MEMS技术是微电子集成模式的延续和发展，理应尽快实现产业化； 

b. MEMS传感器除可以实现传统产品更新换代之外，还可以依据自身的优势开拓崭新的应用市场，应用前景广阔。 

c. 在Bio-MEMS、RF-MEMS等技术相继出现后，人们期待MEMS技术成为一种在从工业化到信息化乃至生物时代跨越发展中具有普适性的技术。而当人们纷纷展开MEMS产品技术的研究时，往往发现器件指标总是与应用需求有一些差距，我们称之为临界点突破前的困惑。仔细分析原因，有如下的一些因素： 

a. MEMS选择了微电子集成制造的先进模式，也同时选择了它在三维机械加工方面的先天不足。人们也借鉴其它学科的一些三维加工技术并运用到MEMS中来。如采用电镀、粉末冶金、电火花技术等。这些技术很多与硅基的微电子集成模式又没有很好的兼容性。 

b. 在产品市场开发中，MEMS产品取代传统产品遇到很多困惑。人们往往关注MEMS产品能否比传统产品具有更高的技术指标，而忽略了MEMS技术带来的其它优势和特点。 

c. 很多正在开发的MEMS产品在性能上似乎总是接近但有不容易完全达到应用对指标的要求。相差不是很远但最后一段路往往十分漫长。 

所以，从目前来看，在MEMS技术体系框架内实现关键技术突破，尽快使MEMS传感器能够达到应用的要求，这一点对MEMS技术实用化进程的成功十分重要。 

    

2． 对MEMS技术与微传感器性能间关系的认识 

    

首先应该认识到MEMS技术的复杂性和技术混合性远远不能同CMOS电路制造标准技术相比。简单依靠目前现有和成熟的所谓标准MEMS技术，往往使传感器性能不能达到要求。比如解决压阻式微压传感器线性化问题，需要考虑微机械膜片结构本身的力学非线性和半导体压阻效应非线性两方面。另外可能还要考虑介质隔离等封装因素造成的非线性。再如对待电容式微加速度传感器的分辨力问题，不能只考虑芯片电容本身，还要考虑结构中、引线中和接口电路中各种寄生电容效应的影响，当然还要考虑C－V变换等信号处理环节引入的噪声。另外对于诸如微振动陀螺机械耦合作用的影响、光开关运动行程与响应速度间的矛盾、通讯用RF谐振器高工作频率与超小谐振子驱动检测对面积要求的矛盾等等问题， 

目前不能简单依靠一种标准技术来完全解决，而只能Case by case 对症下药，攻克技术难关。在认识上和研究问题出发点上，要认识到MEMS技术与标准IC技术的区别；在研究中要充分发挥MEMS技术组合中的灵巧性和艺术性；充分发挥人的作用，在MEMS产品开发中起决定性的作用。 

    

    

3．举例论述提高MEMS传感器性能的具体措施 

    

3．1．敏感材料改进在传感器中的作用 

参见文献[1]和[2]，在微管道流体系统研究中需要高灵敏度和稳定的压力传感器阵列。常规产品技术难以满足表面微机械密集排列阵列器件的要求，而表面微机械压阻传感器采用多晶硅压阻时会遇到灵敏度低和稳定性欠佳的问题。为解决现实与需求的矛盾，采用了一种金属诱导再结晶的工艺来制造敏感电阻，在绝缘膜片上制造出了类似于单晶的电阻条。这样显著提高了压力灵敏度和温度稳定性，满足了微流体测量的需要。 

    

3．2．器件结构的改进 

参见文献[3]，为解决电容压力传感器输出非线性严重的问题而有避免进行复杂的信号处理，采用了一种单面推挽微机械结构，使传感器在二极管电桥输出时实现了高线性度。再如为了减小表面微机械麦克风中敏感膜片应力对灵敏度的降低，同时避免因采用波纹膜片释放应力时产生膜片刚度提高的负面影响，在文献[4]中采用了一种深盆腔膜片结构。即释放了薄膜应力，也减小了膜片本征刚性，实现了较高的声音灵敏度。 

    

    

3．3．现有工艺改进对器件性能的改进 

    

为解决压阻式微压传感器非线性问题，梁－膜－岛结构是很好的选择[5]。但正面加工梁区将不利于正面压阻的光刻。另外希望有较小质量的岛（较薄的岛）来减小惯性灵敏度和提高频响。文献[6]中介绍的一种在普通各向异型腐蚀基础上发明的掩模－无掩模两步腐蚀方法，可以在一个光刻图形之下腐蚀实现多层立体微结构。用该技术制作的微压传感器实现了高灵敏度和高线性度[7]。同样，利用无掩模腐蚀还实现了正交复合梁结构的压阻式微陀螺[8]。因此对制作工艺的改进可以实现多种器件并改善器件特性。 

    

3．4．工作原理的改进对器件性能的影响 

传统的微机械压阻加速度传感器往往采用梁弯曲获得应力实现敏感输出。这样加速度带来的应力总是只有一小部分被压阻条检测出来。因此传感器灵敏度往往较低。如果靠减小微机械梁刚度来提高灵敏度，往往有使频率带宽降低很多。因此输出灵敏度和自由振动频率乘积作为一种综合性能参数，在没有重要技术突破下很难得到提高。一种新的设计是微梁直拉直压的加速度传感器[9]。三梁结构传感器的可动质量块动能绝大部分反映到直拉或直压微梁的应力势能中，用整个微梁作为压敏电阻，从而提高了输出灵敏度和自由振动频率乘积达一个量级以上。再如MEMS谐振器，往往由于一些驱动技术限制造成振动幅度不够，影响了器件的工作特性。文献[10]中提出了一种两自由度(2-DOF)谐振器，通过巧妙的参数设计，使谐振器的力学灵敏度大大提高。将该技术应用到谐振式微陀螺中，可以提高角速度检测信号幅度，有利于提高测量分辨力。使用同样的技术，使NEMS谐振器的驱动问题得到了很好的解决。该种NEMS谐振器可以对质量的测量趋近和达到原子级分辨力[11,12]。 

    

4． 总结语 

    

采用多种手段，在器件材料、结构、制作工艺或器件工作原理等方面进行针对具体应用问题的技术改进，可以有力促进MEMS传感器面向应用实现实用化和产品化。只有当更多种MEMS传感器相继实现了产业化，使应用市场真正意识到MEMS技术的先进性的时候，投资者才会对MEMS技术和MEMS传感器技术投入更大的热情和资金，MEMS事业就会有更大的发展。反过来MEMS技术的研究就会有更大的推动力。

澳门自来水公司　范晓军博士 

　　中国水星8月10日发表许保玖先生题为《论水质科学与工程兼论21世纪的水处理科技》的论文。在这篇文章中，许先生高屋建瓴，积其多年之丰富学识与经验，以其对水工业和水质科学与工程学科的深刻认识与理解，对这门学科的发展进行了哲学层次上的精辟的论述。无疑，先生的观点对我国的水工业和水质科学与工程学科未来的发展会有指导意义和启发促进作用。 

　　虽然本人对先生的很多观点十分认同，但也想在此借题发挥，进一步提出一些对水工业和水质科学与工程学科的看法。 

1，关于水质科学与工程学科的学术领域的界定范围 

　　水质科学与工程学科，如果应该有这样一个独立的学科定位的话，我想应该是针对某种用途的水回答一下几个简单而基本的问题：水中有什么和处于什么状态？有多少？是否需要去除或转化？能否或怎么去除？花多大代价去除到什么程度？前三个问题是水质科学问题，在很大程度上和分析技术的发展及人们的生活水平和思想水平相关。后两个问题是水质工程(水处理技术)和管理问题。先生在文中对水工业和水质科学与工程学科的定义高度概括，但在解释这一定义时，着重强调了水质工程(处理技术)，对水质科学和水质工程管理方面的着墨却很有限(虽然也谈了水质概念的重要性)。本人认为，水质的化验分析、监测、不同水质的不同用途，对生物、环境和社会发展的影响，水质工程管理等等都应该包括在水工业和水质科学与工程学科之中，是这一学科的有机的不可分割的组成部分，而且与水处理技术同等重要。 

　　水质化验分析和监测的重要性是不言而喻的，是知道水里有什么和有多少的手段。现代水质分析技术的发展可谓一日千里，新的分析方法、仪器设备、试剂材料不断涌现，这一点看看关于水的学术杂志里的广告和仪器或材料试剂生产和供应商从水工业中所攫取的利润就再清楚不过了。十年前，GC/MS在中国绝对是从事水质科学与工程学科研究人员的奢侈品，而现在，不但研究所和大学里有，很多水处理企业里都配备了，是很平常的甚至是必不可少的分析仪器了。有的甚至装备了HPLC/MS和ICP/MS。有了这些先进的分析仪器方法，过去很多难以测定的水质指标和参数，现在变得简单快速。有了这些水质化验分析和监测的方法，对水处理技术的发展也是极大地支持和促进，没有GC/MS检测厌氧微生物的代谢产物，没有电子显微镜，很难想象污水厌氧净化处理技术理论能发展到今天这样。没有GC/MS，如何去简单快洁地分析饮用水中消毒副产物？新的分析技术也是原来不为人们所知道的水质参数得以重视，如水中的藻毒素，雌激素(内分泌干扰物)可以用HPLC/MS或生化分析方法(如ELISA方法)得以分析和鉴定等等。再比如被动采样技术(PASSIVE SAMPLER)的诞生，使得测定水中匹克量级物质变得更加容易。所以水质的化验和监测是水质科学与工程学科中不可缺少的部分。水质化验分析和监测技术越先进，对水处理技术和工艺的研究发展提供的方便就越多，当然对其要求也就越加严格，这是辩证的关系。水质分析监测的手段的提高也使得对水质的描述越来越精确，对水中的物质知道的越来越多，找到精确描述水质的参数的可能性就会大增。比如，如果用粒子计数代替浊度作为饮用水处理工艺中的控制参数，那么，避免由原虫引起的象发生在美国米尔沃基(MILWAUKEE)流行病的机会就会大增。传统污水五日生化需氧量的测定耗时长，难以用来进行工艺控制，但是现在不断有人研制新的测定方法，比如用生物芯片，可以是测定时间大为缩短，使污水的可生化性信息迅速准确地获得，对污水生化处理工艺的研究和控制十分有意义。 

　　水中的物质是否都要去除或转化？这涉及到水的用途和标准。对这个问题要有一个科学的认识。不同用途的水要有一套与之相应的科学的标准。如何建立一套适用的以科学事实为基础的水质标准就是一门很大的学问，这部分无疑也应该是水质科学与工程学科的有机内容。比如污水回用的有关标准，如果回用到农业，则标准制订过程应考虑回用水对土壤的短期和长期影响，对农作物的影响，对人类和其他使用这些农作物的生物的影响等等；如果回用到工业，则应考虑腐蚀、结垢等等因素。水质标准可以说是对水处理工艺设计、运行和管理的依据，也是水质科学和工程学科研究的要达到和逾越的目标，其重要性不言而喻。而没有一套有充分科学依据的水质标准，水质工程(处理)技术的研究和发展就变得盲目，失去了具体的目标和方向。 

　　对水工业发展规律的正确认识，无疑有助于水质科学与工程学科的发展。使这一学科呼之欲出并打上时代烙印的并不是所谓高科技，而是人们对水 - 这种我们曾经认为是取之不尽且可自来的而如今却日渐减少的资源 - 的重新认识。诚然，高科技可以使不用笔即可画图，可以不入实验室即可做试验，或许也可以帮助找到解决某种水质问题的方法，总之，它能加速来水质科学与工程学科发展的步伐，但它不能从根本上改变人们对水的认识。如果人们对水的观念改变了，不再视之为理所当然免费用品，如果形成并尊重水资源应可持续利用的自然伦理，制订水资源有偿使用的社会法律法规，加强对水资源的管理，那才是催生水质科学与工程学科并促进其发展的动力。而事实上，这也正是我们所面临的现实。所以关于水的伦理、价值、法律法规、管理等等也应该包含在水质科学与工程学科之中。 

2　关于21世纪的水处理科技 

　　许先生认为，"对中国来说，21世纪的水处理科技任务极为艰巨"，是要"防止由于水资源继续恶化而对国家经济的可持续发展产生瓶颈效应。"而且他认为，"在现有的水处理科技水平和资金来源机制的条件下"，最终会导致"水资源水质灾害"，所以要"通过水处理的技术途径防止这一严峻形势的出现。"本人认为这是给了水处理科技一个"不可能的任务(MISSION IMPOSSIBLE)"。单靠水处理科技不能完全彻底地解决"水资源水质"问题。"在2025年内，开发出具有突破性的水处理新工艺及强化现有工艺的改造技术，使水处理设施的建造和运行费用比现有同样规模的设施降低约1/4-1/3，甚至更多。"，这一点过于乐观了。从过去国内外几十年的水处理技术研究发展和应用的历史看，水处理的成本都不是在下降，而是在上升，这一点我相信水处理设施的规划、投资、设计、运行和使用管理者(包括行政主管部门)更为清楚。对给水处理来说，随原水水质的不断恶化，随水质标准的不断提高，处理成本越来越高，这点已经勿庸置疑。新的给水处理技术，如过滤技术(超滤、纳滤、反渗透等)，臭氧活性碳技术，生物预处理技术，那一项不是增加成本的技术？对污水处理来说，确实在不断有人研究所谓低投资低运行费的处理技术，但统而言之，这些技术都不完美，占地小的，施工、运行和设备成本会高，运行成本低的，其他方面的投资可能会大，不是处理出水水质标准不高，就是只能应用于某种特定的污水或应用于较严格的特定条件下。去除或转化一定量的污染物就需要一定的能量和物质输入，这是自然规律。所以在未来25年水处理成本下降的空间可以说十分有限。而且随环保法规越来越严，占到污水处理成本一半的污水厂污泥处理成本几乎不可能下降。 

3，对水处理技术的再认识 

　　给水技术理论比较成熟和有系统。因为给水技术理论所涉及到的主要是物理化学现象，涉及到的基础学科也比较成熟，如物理，化学，流体力学等等。传统工艺中混凝、沉淀、过滤和消毒等每个步骤都有一套完整的理论。新的处理工艺单元，如膜技术，活性碳吸附，生物预处理等，理论也比较成熟。给水水质指标体系也越来越清晰明确，不再模糊。比如浊度问题，浊度主要是水中胶体尺度或更大的颗粒引起的，而很多致病微生物(如人们常引以为例的原虫)的大小都在这个尺度范围内，所以降低浊度，就降低了致病微生物存在的机会。现在粒子计数技术的发展已经使得在线计量饮用水中的粒子数量成为可能，虽然离直接在线检测原虫等致病微生物数目和活性尚有距离，但使用粒子计数代替浊度已经完全可行。对大肠杆菌进行在线监测的仪器(最短6小时内获结果)也以投入商用。现代分析技术的发展已经使应用水水质指标越来越清晰。 

　　污水处理的理论很繁杂，这与污水水质成分的多样性有关。只有借鉴了生物化学中的酶促反应理论(米门式方程)的污水生物处理理论比较成熟和有系统，这一理论至今仍是各种各样生物处理数学模型(包括IAWQ模型)的核心和基础。 

　　现有的污水处理技术从简单如化粪池、续批式反应器(SBR)工艺等到复杂如三级处理、脱氮除磷等都有。国内污水处理工艺的应用也如时装秀一样，今年流行SRB，明年可能是生物稳定塘风行天下，后年说不定氧化沟独受青睐，这些变化受市场和政策左右，不是处理工艺理论所能解决的问题。不管是什么工艺，只要投入运行并加强管理，对减轻污染都有贡献，即使是简单的化粪池，如果设计、建造和管理合理，在污水进入下水道之前增加几个百分点的污染物去除率是不成问题的。 

　　污水处理技术的难题在哪里？对绝大多数的污水，去除其中50-80%左右的污染物比较容易，但是再提高10-15%的去除率就相当难了。污染物在水中的分散或溶解一般说是自发的熵增过程，是使体系趋于稳定的热力学过程。去除污染物就是利用物理的、化学的或生物化学的方法，使污染物与水分离或转化为另一种无害或易与水分离的物质，从而来破坏一个已经稳定的体系，并形成一个新的稳定体系。以污水生物处理厌氧加好氧工艺为例，厌氧单元是一个热力学体系，污水由原始稳定状态进入反应器后，和其中的厌氧微生物通过生化反应达成一个新的稳定状态，能够被厌氧降解的污染物被降解并形成了在这个体系内不能再继续降解的新的物质，污水再进入好氧反应器，由于氧的输入及好氧微生物的存在，污水的稳定状态又被破坏了，通过反应后有达成新的稳定状态。通过不同的热力学体系间的不断转换，污染物不断被降解转化和去除。这给我们的启示是，在处理工艺中，所使用的不同方法的单元越多，对污染物的去除就会越好。在同一个热力学体系中，在多长时间内达成何等程度的稳定则是一个动力学过程。同一个反应器，同样的基质同样的浓度，不同的停留时间，基质去除的程度不同，同样的停留时间，不同基质浓度，则去除效果也不同。反应速度当然也和这一热力学体系的本质(如化学反应比较快，而生化反应则比较慢)有关。还是以厌氧--好氧工艺为例，如果把厌氧单元一分为二，即有两个厌氧反应器，那这两个反应器是两个不同的热力学体系呢还是同一体系但不同的动力学过程呢？如果两个反应器中基质成份相同，微生物种群相同，则它们应该是同一热力学体系(假定环境条件，譬如温度，只影响动力学参数)，只是基质浓度，生物量浓度不同，两个反应器中的动力学(生化反应的驱动力)不同而已。如果两个反应器中基质成份不相同，微生物种群不相同，则它们就是同一热力学体系，它们各自的功能作用不同，去除的污染物不同。好氧单元也同样。回到本段开始提出的问题，即为什么去除50-80%的污染物易，而再提高10-15%则很难，答案是，在开始时污染物浓度高，反应快且容易，动力学过程主导，但剩余的污染物，如果它的成份与原污水成份相同，则因为浓度已经很低，动力学过程缓慢，再继续提高去除率，只能用增加停留时间，提高微生物浓度等等强化反应动力学过程的办法，虽然是事倍功半的工作，但是还可进一步提高去除率。如果剩余的污染物组成成份已经改变，说明原来的热力学体系已经稳定，即基质已经不再和反应器内的微生物再发生作用，通过强化动力学过程也无能为力了，此时如果要进一步提高去除率，只能是改变破坏原有体系，如使用吸附，过滤，化学反应或使用不同的微生物种群等办法。正如先生文中指出的，如果要深入研究水处理的热力学和动力学，现在常用的水质代替参数，比如BOD5和COD等，是不够的。 

　　水处理技术的精确理论难度很大，在很大程度上依赖于水力学、水处理化学、微生物学和生物化学的发展，也依赖于计算机技术。经典的水处理过程数学模拟，一般都将水处理过程都分为水力学过程和化学或生物化学过程。每个反应器内都是完全混合或理想推流的假定大大地简化了水力学条件，这可能与实际情况差距甚远。这也使得开展水处理过程水力学的研究十分必要。化学或生物化学反应都是以平衡态或准稳态来考虑。由于所涉及的各种反应及其影响因素的复杂性，关键的反应过程及其动力学参数很难以确定，这给模型带来了不确定性。这从本质上说还是人们对水处理过程的认识不够深入。比如污水生物脱氮和除磷在氮磷的生物化学反应机理的研究方面近年取得一些进展，并据此建立了生物化学和数学模拟模型，实验室水平的结果也很令人满意，但在应用到实际污水是，确仍然要有很多工作要做，因为实际污水的生化过程要复杂很多。本人因为今后水处理精确理论的发展可能还是沿现有思路，利用现有方法加上计算机模拟这一工具，如同IAQW的活性污泥法处理模型。 

　　值得注意的是，在污水处理研究上，以单一碳元素(通常以COD或BOD为指标，而不是TOC)去除为主的工艺研究已经让位于以去除碳氮磷等主要营养元素的新污水处理工艺的研究。而现在污水处理工艺去除或产生某类物质(如内分泌干扰物等)的能力也越来越引起关注。污水的水质指标体系也和给水一样，虽分析手段的不断提高而清晰化。 

　　在过去二三十年中，不断有人探索使用新的方法来模拟甚至预测水处理过程，比如用模糊数学、黑箱模型、灰箱模型、专家系统甚至蒙特卡洛理论等等，至今来说还都是就事论事或事后诸葛的居多，具有普遍意义的几乎没有(也可能污水过于复杂，寻找普适理论没有意义或不可能)。至于从混沌的概念出发，能否找出一条新思路，本人不敢断言。"蝴蝶效应"可以用普利高津(PRIGOGINE)的耗散结构 理论 (DISSIPATIVTY STRUCTURE THEORY) 进行描述，但应用到水处理上，和前面提到那些方法一样感觉上有点儿玄学的味道。 

　　水处理技术基础学科除了先生建议的八门以外，也应该加上"水质化学和水质分析"。 

4　结论 

　　水质科学和工程学科应该是广义的，是综合的学科，涉及水循环的每一个环节，而不是只狭义地强调水处理技术，也只有这样，这门学科才能有更大的发展空间和发展动力，只有这样，它才能帮助我们真正全面认识并彻底解决"水资源水质"问题. 

声明：本文纯系个人观点，是纯粹的学术讨论。有些内容可能超出应该讨论的范围，也肯定有很多错误和不足，希望读者批评指正。

深圳市自来水（集团）有限公司 李天虹 
    
    
一、雷电对仪表设备的破坏 
　　雷电是一种自然现象，而对于自来水厂、输水泵站，近年来由于电子设备的不断普及增多，如水位计、户外流量计、水质分析仪表、电话系统、闭路电视监视系统、计算机监控系统等遭受雷击的事故时有发生，所以如何减弱与防范雷电危害应引起供水企业的足够重视。 
　　一般讲来，按照目前的防雷理论，雷击从形式上可分为直接雷击与感应雷击两种。直接雷击是指雷电直接击在物体上，产生电效应、热效应和机械力破坏的雷击现象。对于直接雷击的防护到目前为止，主要采用给建筑物设置避雷装置（如避雷针、避雷带等）以及在强电系统安装高低压避雷器装置等等办法，此方面应用相对较成熟，本文不做详述。 
　　感应雷击是指雷电通过静电感应或电磁感应途径破坏被击物，一般目前弱电设备发生的雷击多为感应雷击故障，其主要破坏力主要表现为： 
1）由于雷电引发的电荷分布不均，通过静电感应而产生的局部过压对仪器仪表电子设备的损害、据有关资料，此电压有时可达几十千伏，足以使接地不良的电器受破坏。 
2）由于雷电流形成的电磁场的变化，通过电磁感应使周围导体产生过压，此感应电压往往会沿导线传输，破坏与之相连的有关电子设备。 
3）雷击使微电子设备地不“干净”，电位不均，导致高电位地反击破坏电子设备。 
二、仪器仪表雷击的防护 
　　防范电子设备不受雷击，首先应保证设备所处的建筑物有完善的避雷设施，以及确保电力供电系统避雷措施完备（在水厂、泵站中要保证高低压配电系统避雷良好）。其次由于电子设备工作电压低，抵抗过压能力弱，所以必须重点考虑防范感应雷击。目前感应雷击的防护主要采用感应雷击防护器，或对可能感应到雷击的导线加以屏蔽，一般雷击侵入途径是由电源线或信号线入侵，因此雷击防护就是要在雷电的进入端将其泻放到大地，从而保护设备。同时还有一种情况感应到雷击，就是避雷装置引下线与仪器设备的电源线或信号线相距太近且平行而通过电磁感应引发雷击，此种雷击的避免则应通过合理布线来解决，即在有关仪器仪表布线时按标准进行合理的综合布线。 
在此方面，根据笔者经验，对于仪器仪表的感应雷击防护，若设备所处环境存在雷击可能，则应给予全面保护，否则往往就有漏保的可能。除了一般注重电源线的防护外，特别不能忽视信号线防雷，对于装设于户外的电子设备或线路，必须对有关线路采取两端保护或多点保护方式。对于重要线路，如有可能尽量采用穿金属管埋地方式敷设，以形成线路屏蔽，减少感应雷击。 
三、雷击防护器的原理 
仪器仪表感应雷击的防护主要采用雷击防护器。早期的防护器主要采用火花隙，泄流量大，但残压高，使用并不理想。之后出现了隔离变压器防雷器，虽然残压较低，但残压仍与雷电流频率有关。所以后来又发展采用了压敏电阻与小体积放电管，从而使感应雷击的防护有了较为完善的解决办法。 
　　　　　　目前的防雷器多采用两种工作方式：开路与短路。开路方式即是在防雷器遇到瞬间过电压时开路从而隔离设备，如隔离变压器、电感器、光隔离器类防雷器便是采用此种原理。短路方式是在防雷器遇到瞬间过电压时对地短路使雷电流导入大地，从而保护电子设备。由于后一种方式防雷器本身承受反压低，设备经济简单，所以逐渐被广泛应用。其保护原理（见右图）多为一个或几个功能模块的组合，由于各个模块对雷击防护性能有一些区别，所以在选择避雷器时最好有所了解。其中抑制二极管及限流电阻模块可精密控压，但泄流较小；压敏电阻模块启动电压低、启动快，但同样泄流小，过载能力低；气体放电管模块泄流大，但启动电压较高。此外为防止较大过电压冲击，某些低压电源保护器还带有热/冲击保险模块、热断路器模块等。 
四、仪表避雷器的选用与设置 
根据笔者多次对仪表避雷器的选用，体会到仪表避雷器的选用应注意以下方面。 
1、合理选择避雷器的额定工作电压，避雷器的额定工作电压与设备或线路承载的工作电压越接近越好。 
2、选择较大的泄放电流的避雷器，泄放电流越大，越能抵御较强的雷击，如：一般低压电源避雷器应有15kA（8/20µs ,10次）的容通量，一般信号避雷器则最好有10kA的容通量。 
3、选择避雷器的在线阻抗不要太大，减少避雷器接入对接入回路信号衰减的影响，一般在线阻抗应不大于10Ω，特殊要求在5Ω以下。 
4、选择残压较低的避雷器，这样因残压对仪器设备的损害几率较低，特别对精密仪器仪表或计算机设备更要注意。 
5、对于传淦德市藕诺南呗罚挂蟊芾灼髌悼碛ψ愎豢恚阋月阏Ｐ藕诺拇洹?br> 在合理选用弱电避雷器后，在避雷器安装及使用中还应注意： 
1、避雷器必须有良好的接地，必须保证接地泄放通道的可靠畅通。所以建议接地线不应与电力地线公用；接地线截面不小于4mm2；接地连接端子采用线耳连接；接地线与接地体之间采用锡焊连接等。 
2、避雷器的信号与接地线连接要简洁，要减少冗余部分，特别接地线要减少绕环布线，以免自身泄放电流形成电磁场对线路造成不必要的影响。 
3、对避雷器要经常检查，确保状态良好，特别对于带有冲击保险模块的避雷器，需经常检查保险状态，损坏需及时更换。  
签名档：

李莉 佛山市供水总公司信息中心 


提要: 本文主要介绍自动抄表技术在佛山水司的应用和发展过程，以及远程自动抄表系统的构成和实施策略。 
关键词：远传水表 自动抄表 数据采集 无线通讯 

引言 

当今信息化数字化的浪潮已席卷了全球的所有行业。供水行业也在生产和管理上进行了许多信息化方面的建设,比如对企业管理进行信息化改造及对水厂进行自动化改造等。但是在一个非常重要的环节——抄表环节上尽管进行了不少自动抄表技术的尝试，但效果不尽理想，其应用还处于起步阶段。原因是由于将非电量的用水信号变换为电信号技术难度较大，再由于水表数量巨大给数据传输带来很多困难，且市场上也很难找到成熟稳定的技术产品，致使水表抄收的自动化程度远远滞后于其它项目的水平。 

对于一个供水企业来说，抄表是生产的一部分，因此抄表自动化也是生产自动化的一部分，它不仅仅为营业收费提供水量数据，还可为管网建模、漏耗计量等提供准确可靠的依据，而一个供水企业的信息化如果没有抄表自动化，就不是真正意义上的信息化了。 

佛山供水一直致力于实现抄表自动化，在自动抄表技术方面不断地进行尝试和实践，取得了一些进展。 

一、抄表自动化的历程 

自动抄表技术在佛山供水的发展过程大致分为三个阶段： 

1. 抄表机抄表阶段 

抄表员将抄表数据输入抄表机，再经RS232接口与管理中心计算机连接，将抄表数据传入电脑，最后由相应的软件对抄表数据进行处理。这种方式不仅解决了在电脑上重复输入抄表数据的问题，而且抄表机本身具有在抄表现场自动检查、判别抄表结果，异常数据自动提醒，已抄、未抄情况自动统计等功能，从而大大提高了抄表收费的工作效率，因此这种方式被大多数水司所采用。但是，随着人民生活水平的提高、住宅商品化的发展，居民住宅的质量和档次越来越高，住户对住宅环境、物业管理水平的要求也日益提高。对供水部门和用户来说，这种方式存在的弊病越来越突出，其原因主要有以下几点： 

入户难：由于居民生活水平的提高、家庭财产价值越来越高、越来越重视隐私权等原因，用户不希望被人打扰；同时入户抄表只能在早、晚居民休息时间，抄表人员实际可利用抄表时间较短，因而使抄表率、收费率无法达到公司要求； 
现行抄表收费结算方式不合理：由于入户抄表困难，一些水司干脆只抄收总表，而分表则让用户自己抄，不足部分由用户分摊，产生用户在交费上的不配合行为，致使水费拖欠现象严重； 
管理费用过高：以佛山水司为例，有12万用水户，抄表和管理人员达100多人，耗费人工多，成本高，效率低，不利于科学管理；数据采集不及时，无法实时反映系统状况，不能为相关的应用系统提供准确及时可靠的数据； 

不能对用户行为进行有效监控。 

2. 半自动化阶段 

随着城市的发展和扩大，以及“一户一表，独立计费”工程的开展，用水户数量急剧上升，抄表收费问题更为突出。在技术与管理两方面急待进步、改革的迫切需求下，自动抄表技术迅速发展起来，远传水表也应运而生。公司为用水户安装了远传水表，抄表人员用便携式抄收器将各自独立工作的数据采集器的数据采集后，再携带到机房传输给管理中心计算机。这种方式不仅解决了人工抄表入户难的问题，而且一次可抄上百户甚至上千户水表，抄表速度和准确率比以前提高了很多，抄表员人数大量减少，并以其服务便捷，能避免水费纠纷问题而受到广大居民的欢迎，国内许多水司都进行了这方面的试点，而佛山水司在对各种远传水表的性能进行比较测试后，更是率先全面采用了这种抄表方式。目前，全市70%的水表为一户一表的远传水表。但是，这种方式也存在许多问题： 

由于“一户一表，独立计费”工程推进速度过快，有关部门又缺乏统一规划，造成用户资料变动频繁，对管理造成极大的困难； 

由于国家在远传水表制造上没有制定统一的行业标准，市场上现有的远传水表种类繁多，设备普遍存在故障率较高的问题。我司现有远传水表近8万个，数据采集器约12000个，数据集中器约2220个，即使故障率为1%，故障设备总数都将达到约940个，绝对数量很大，大大增加了设备维护工作的困难程度； 

由于抄表数据仍要现场采集，受到抄收次数的限制，无法及时发现设备的故障，维护工作跟不上，维护人员经常是月初闲月底忙，而抄表员也要等到月底才能把数据都收上来，所以，尽管增加了很多维护人员，远传水表用户的欠收率仍高居不下，而随着“一户一表”工程的进一步开展，工作负荷不均衡的问题日益突出。 

3. 全自动化阶段 

在远传水表的基础上，利用现代通信技术，实现远程自动抄表和实时监测。其原理是将水表的流量转换为脉冲信号，该信号经传输线传送至数据采集器，由数据采集器进行采集累计等处理，然后通过网络传输到管理中心计算机，由后台测控软件对数据进行自动处理。它克服了前两种抄表方式的多种弊病，呈现出无可比拟的优势： 

随时监控，及早发现水表故障，及时进行维护，将维护工作分配到每一天，解决设备维护人员工作负荷不均衡的问题，提高抄表率； 
抄表时间灵活，既可设定统一时间集中抄表，也可以根据需要对某个水表进行补抄，还可以采集某一时段的水量； 
提供其它增值服务：例如为营业收费系统提供准确的数据，而实时的水量数据则保证了管网建模的准确性，同时也为准确计量漏耗提供了依据等； 
简化管理层次，减少管理费用，降低成本； 

二、远程自动抄表的关键技术问题 

佛山水司正在积极地进行远程自动抄表的尝试，我们认为实现远程自动抄表有几个关键的技术问题： 

1 传感器技术 

脉冲远传表：是将表计远传的信号以脉冲（或开关量）的形式发出，每一个脉冲信号代表一定的数值，由数据采集器进行实时在线累计存贮。系统要对这样累计的脉冲数进行一定的换算处理之后，才能得到表计的数值。其中，干簧管传感器或霍尔器件的传感器，接线方便，耗电小，成本较低，应用比较广泛，但误差较大； 
光栅远传表：通过光栅将用水量转换为电信号，计量较准确，抗干扰能力强，误差较小，但接线较复杂、成本较高,； 
数字远传表：内置电子芯片，自身已经对数据进行数字化处理，向外传输的是准确的数据，上位机可以通过总线方式直接读取到确切的数值，而不必要对数据进行加工处理。这种远传表具有较好的抗磁抗干扰能力，但价格较贵，市场占有面较小。 
摄像远程抄表：通过利用安装在水表上的专用摄像头，把表的真实图像拍下来，经过压缩打成IP包，用网络传输到计算机，并经过自动识别技术处理后把水表数据提取浏览确认、存储。数据的准确性较高，但自动识别技术不能百分百地完全识别图像，需要人工参与，传输数据量较大，成本高。 

2. 通讯技术 

无线数传电台组网：利用无线电波进行无线通信，对于范围广、布局分散的集中器进行数据通信，是一种较好的选择，且安装调试方便，运行费用小，设备、技术较简单，主要缺点是采用串行的通讯方式，并发通讯能力差，数据传输速度慢。 
GPRS、CDMA等公网：各个数据集中点把数据传输到移动公司的无线网络，然后再通过互联网把数据送往远传中心。特点是组网简单，维护方便，并发通讯能力强，数据采集实时性高，主要缺点是在采集点数量较大时，运行费用昂贵。 

3. 系统结构 

自动抄表系统应由这样几部分组成： 
前端采集装置 
数据采集处理装置 
数据传输通道 
中心控制系统 

根据实际情况，佛山水司准备采用基于数据库及无线通讯与GPRS等公网相结合的组网技术，使水表数据通过数次存储和转发后最终到达应用层，达到远程抄表的目的。 

系统原理图如下： 

 



三、实施远程自动抄表的策略 

根据现时自动抄表技术发展的水平和佛山市远传水表使用的现状，我司准备分以下几步来实施远程自动抄表工作： 

1 积极进行试点工作，为进一步推广获取可靠依据 

对于小口径水表，在已经大量安装了水表远传系统的基础上，广泛测试各种通讯方式，对其通讯速度、可靠性和运行费用进行评比，从中选定最优方案；对于大口径水表，要选择多种传感器进行性能测试，从中选定可行方案。 

2 逐步开展推广工作，最终完全实现远程自动抄表 

考虑到这是一项数量大、投资多的工程，预计全市采集点超过四千个，总投资超过两千万。在试点成功后，将用三至四年的时间逐步完成，第一年完成全市水表总数的 5-10 %，以后根据实际应用情况逐年递增；同时，由于大口径水表的用水量占全市用水量的绝大多数，对加快企业的资金回笼和经济效益的分析起着重要的作用，所以在推广过程中将优先考虑实施大口径水表的远程自动抄表。 

3 加快各种相关应用的开发，使远程自动抄表系统发挥更积极的作用 

研究自动抄表系统与其它信息系统的数据互联和交换技术，建立良好的接口，为其它信息系统提供实时准确的数据，例如：为营业信息管理系统提供水量，以便进行及时收费；为调度系统提供实时水量，以保证建立管网水利模型的精度；为网上用水信息发布系统、用水信息查询系统提供即时信息，以提高企业的服务水平，更好地树立企业形象。同时，进一步开发水量分析研究的新系统，比如：漏耗分析、用水模式分析、水量趋势分析等系统，为企业的管理决策提供更多的支持。 

结束语 

我们相信，远程自动抄表将是今后水表抄收方式改革的必然趋势，而随着国家对远传水表制造行业管理的进一步规范和自动抄表技术的发展，远程自动抄表系统将越来越稳定可靠并显现出其巨大的优势，它最终也必定会为企业带来人们所期望的管理效益、经济效益和社会效益。

郑军 肖维贵 深圳市水务（集团）有限公司 


摘要：随着计算机技术，网络技术和通信技术的高速发展，仪器仪表也跨入了数字化、智能化、网络化的时代。本文就仪器仪表如何在信息时代的管理进行了探讨。 
关键词：信息时代 仪器仪表 智能技术 选型 配件 维护 

随着以知识经济为特征的信息时代的到来，人们对仪器仪表的认识已超越一般工具的范畴，发生了明显的观念更新。“工欲善其事，必先利其器”，作为工业自动化技术工具的工业仪表与装置，在高新技术的推动下，正跨入真正的数字化、智能化、网络化的时代。现代化仪器仪表特别是智能化仪表及系统，已成为改造传统工业、提高生产效率、降低生产成本、延长生产装置寿命、保证产品质量、实现环境保护、保障安全运行、节能降耗、实现信息管理等的技术装备。所以要求仪表工作者从观念到知识素质都应适应新技术发展的潮流，要以信息技术和网络化思想指导仪器仪表的应用和管理，使仪器仪表功能应用得更强、效率更高、适用性更好，充分发挥其生产运行过程中的“把关者”和“指导者”的作用。 

一. 重视仪器仪表的智能技术 

进入信息时代，仪器仪表技术发展的总方面，就是高新技术在仪器仪表领域的广泛应用。其技术发展的主流趋势表现在：测量信息数字化、检测控制智能化、管理控制集成化。 

“智能化”是工业控制与自动化当前和今后的发展动向之一，已经成为测量控制领域的各种新技术、新方法、新产品的发展趋势和显著标志。“智能化”有两方面的含义：一是采用“人工智能”的理论、方法和技术；二是具有“拟人智能”的特性或功能。例如自适应、自校正、自学习、自诊断、自组织、自修复等。也就是说，利用计算机来代替人的一部分脑力劳动，具有运用知识进行推理、学习、联想解决问题的能力。还可以通过标准总线组成一个多种仪表的测量系统，实现复杂的控制功能，并灵活地改变和扩展功能，以及进一步采用硬件软化、软件集成、虚拟显示、软测量等技术实现柔性智能化的仪表。这样新颖仪器仪表的知识结构和技术内涵便超过了传统仪器仪表的学科和框架。有人断言：“软件就是仪器”。这说明仪器仪表本身的硬件、软件界限已经模糊化。还有人说：传统仪器仪表由精密机械零部件加工精度、电子器材和电路质量决定仪器仪表水平和性能的时代已经过去。仪器仪表软件(包括操作软件和应用软件)已经成为仪器仪表总体设计的主要基础和决定应用水平的主要因素。所以仪器仪表工作者要改变传统的观念，不断提高和丰富自身的知识结构和水平，尤其是软件方面的知识，在实际工作中充分发挥仪器仪表的智能技术，通过计算机专用或公用平台，在局域网或远程网上实现其应用和管理。 

二. 重视仪器仪表的选型工作 

测量仪表的准确性和可靠性是仪表应用工程中的重要技术指标。它是一种过程知识经验，其中仪表选型是首要的也是最重要的。此外还牵涉到仪表安装正确与否，调试和维护细心与否等问题。由于工业测量技术与仪表类型繁多，测量对象复杂多样，因此决定了工业仪表在应用技术上的复杂性，它与传统意义上的计量器具（如度量衡）的应用有很大差别。它不是简单地将设计好的仪表安装就位，开表投运就能达到检测目的。工业仪表是依赖于使用条件的，在应用现场一旦工况条件或环境条件有较大的变化，不仅精度无法保证，甚至无法进行正常测量。专家曾对某一工厂装用的千余台流量仪表进行测量，发现约有60%选型不是最合适或不正确，其余的40%约有一半虽然选型合适，却存在现场布置和安装不合理现象，这些不合适、不正确和不合理，都给工厂带来了相应的测量误差和生产上的经济损失。 

由于仪表选型是一项技术性、实用性很强的工作，因此必须对被测量对象的工况条件、物理化学性质、测量范围等了解清楚，做到对症下药，有的放矢；其次要对测量仪表的工作原理有透彻了解，掌握各个厂家产品质量的动态，建立相应的跟踪系统，利用数据库对其可靠性和稳定性进行动态跟踪管理。 

三. 重视仪器仪表的备件工作 

俗话说：“兵马未动，粮草先行”，对维修工作来讲，备件准备工作担负着现场维修活动的支持、保障作用，责任重大。尤其水厂仪控设备多而杂，种类千差万别。据不完全统计，目前我公司共有仪表设备900多件，而且绝大多数仪表为进口产品。在我国，工业仪表制造厂的整体势力还不能和国外的势力抗衡，主要问题是大多数制造厂家还是定位在初级的层次，各厂家的硬件和软件基本上依靠进口，新技术在工业仪表上应用滞后，有的仪器仪表虽然技术指标同国外同类产品的差距不大，但产品稳定性和可靠性问题依然突出，因此目前我公司乃至全国其他公司大多数仪表基本上都依赖进口。如在生产中等发现备件不足再发订单，往往需要几个月才能到货，不能及时满足生产的需要，如发生故障，只有停机，甚至影响到安全。 

此外，随着电子制造技术的飞速发展，机电产品的淘汰与升级周期也日益缩短。水厂仪表设备在当初设计选型阶段出于安全考虑，一般选用的都是市场的成熟技术和产品，而现在许多备件生产厂家已经倒闭、合并转行或者进行了产品升级，这就给仪表备件的采购和替代工作带来了很大的困难。 

因此在仪器仪表的管理中要加大备件管理力度和资源投入，对仪表备件重点跟踪，建立仪表备件跟踪系统，利用数据库对备件进行动态跟踪管理。其次，要定期与较大的生产厂家和代理商保持热线联系，及时了解厂家动态，进行交流，沟通信息，采取引进来，走出去的方式，灵活处理备件采购过程中的各类问题。如经常性举办厂家与用户的技术交流，也可尝试委托生产厂家或代理商一起整理完善备件信息，不断提高备件管理水平。 

四. 加强仪表的日常维护与管理 

为生产提供计量、检测、调节和控制的许多仪表在某一领域中应用很好，但在另一领域应用却不好。在国外应用很好，但引进后应用效果却不好，同一仪表在这个厂应用很好，而在另一个厂应用却不好。这里的原因是多方面的，如被测介质的不同，设计、安装方面存在的问题等等，而日常维护与管理也是主要原因之一。测量仪表的种类繁多，校准、调准方法各异，因此对于每种具体的仪表，应按照各自的操作、维护手段来进行日常维护、保养、定期检查、标定调整。 

由于自动化仪表技术的发展迅速，产品更新周期越来越短，新技术，新产品不断出现，因此培养一批训练有素，责任心强的仪表维护、维修队伍，对于生产中自控仪表的正常运行起着重要的作用。可根据各单位内仪表情况，通过组织各种形式的学习研讨、技术交流、专业讲座、技术培训和技术咨询等活动，定期、分层次地对仪表工、专业人员进行培训，以此提高其仪表仪器的维护和管理水平。

绍兴水联智能仪表有限公司 杨波 

摘要：本文对智能水表的整体设计进行了讨论，并对相应的设计要点进行了阐述。 

关键词：水表，设计 

1、 引言 

　　智能水表因其从根本上改变了传统的抄表方式，实行买卡用水的收费模式，在节省大量人力的基础上，同时解决了长期困扰供水行业的水费拖欠问题，因而将直接给供水行业带来巨大的经济效益。所以，它的可实施性正被日益看好。而如何对水表在技术上、性能上、价格上实行优化设计，将是问题的关键所在。 

2、 智能水表的组成部分 

2．1发讯基表 

　　发讯基表就是在普通的机械式水表中安装发讯装置以提供计量信号给水表电子主控电路以实现用水自动计量。水表的发讯装置由一小磁钢与一磁敏元件以一定的位置关系构成，当一个计量单位（一般是0.01ｍ3或0.1ｍ3）的水流经过后，磁敏元件就发出一脉冲信号给主控电路用以计数。目前，普遍采用的磁敏元件有干簧管和霍尔元件两种。干簧管因其静态时的零功耗性能在电池供电的微功耗智能水表中占有明显的优势，而优质干簧管100万次以上的工作寿命也完全能满足水表的使用周期。霍尔元件的功耗普遍在mA级，近年来，虽然也出现了微功耗的新品，（如Allegro公司的开关型霍尔元件A3210，它的静态功耗只有1μA。）但是其价格相对比较昂贵。 

2．2控制阀门 

　　智能水表通过主控电路对水表进水阀门进行开关控制，从而达到控制用户用水的目的。因而，可靠性应是阀门的设计要点。在智能水表设计的前期，应该说电磁阀是一种普遍的选择，因为它结构简单，并且功耗较低。但是经反复试验后，其缺点也不可避免地暴露出来。 简要地说，首先，电磁阀的抗震性较差，这也是最为致命的一个弱点；其次，电磁阀内的塑料部件在长期的水浸泡环境中容易变形、受腐蚀，从而影响阀的开关性能。于是，电动阀的设计趋势应运而生，虽然，与电磁阀相比，它的结构较为复杂，功耗也较大，但是，在可靠性这个大前提下，电动阀应该比较具有应用前景，当然，在结构上需作进一步的调整。双稳态电动阀是一种设计思路，此类阀门旨在利用电磁传导驱动电动阀，达到降低能耗的目的。 

2．3主控电路 

2．3．1结构框图 
 
　　　　　　　　　　　　　　　　图1 

2．3．2 CPU选型 

　　智能水表是一个小型的电池供电系统，因此，CPU的选型应着重从低电压、低功耗、高带载能力考虑。Microchip公司的PIC系列单片机在这方面的整体优势比较明显。并且它特有的精简指令集（RISC）结构和总线的哈佛结构与同类单片机相比程序代码可节省一半，指令速度可提高五倍左右，所以不失为一个理想的选择。再从性价比考虑，PIC16C57和PIC16C62为两款不错的选择，它们片内都自带Watchdog定时器，前者为2K*12位EPROM，80*8位RAM，20个I/O口；后者有2K*14位EPROM，128 RAM，20个I/O口，以及7级中断。当然，PIC16C57更为低价，但因其无中断功能，在软件设计时只能采用查询方式，相比于中断方式，在节省功耗方面稍逊一筹，但影响不大。 

2．3．3数据存储器 

　　数据存储器用于存储来自于经CPU计算、处理后的有关水表的各种信息，如购水量、用水量、用户编码等等。ATMEL公司的256*8位E2PROM通用存储器AT24LC01简单易用，而且价格十分低廉，完全能满足使用要求。虽然目前有许多性能上更胜一筹的可编程监控类、加密类存储器，但在象智能水表这样的产品中却无必要，因为电路板是密封在水表中的，而CPU与存储器之间的数据交换无外部接口，所以无所谓数锯失窃。 

2．3．4 IC卡的读写 

　　IC卡读写模块为主控电路与IC卡的逻辑接口电路，它首先应能实现对IC卡的供电，并满足不带电插拔的要求（若带电插拔，有可能会给IC卡带来损伤，甚至损坏IC卡），这可以通过硬件和软件两方面来实现。如图2所示，当CPU通过IC卡座的IC卡检测开关检测到IC卡插入时，IC-PWR端口经过适当延时（10ms左右）发出一低电平，通过小功率三极管9012控制系统的+5V电源切入，相同地，在软件设计时，当对IC卡的读写完成后，及时让IC-PWR端口发出高电平，切断IC卡的供电电源，以便IC卡拔出。 

　　此外，所有的IC卡接口部分都应加入箝位保护二极管，这些二极管可以使各引脚上的电压严格控制在-VD~VCC+VD之间，（VD是二极管的正向压降，通常为0.6V左右）。这样，可以抑制由于线路干扰和逻辑电平变化的边沿产生抖动所带来的瞬间过压，为IC卡提供了进一步的保护措施。 
 
　　　　　　　　　　　　　　　　图2 

2．3．5　开关阀控制 

　　水表阀门的开关是CPU依据一定的开关条件定时导通开关电器回路来实现的，对开关阀控制的设计要掌握两个要点：一是在软件上控制好对开关阀电路的电流输出时间，也即回路导通时间，时间过长，电池耗能太多；时间过短，不能可靠开关阀门。二是在硬件电路上要有一个针对关阀的储能电路，当电源失电时，该电路能及时释放电能，关闭阀门。 

2．3．6　低电压检测 

　　低电压检测对单片机系统来讲是个十分重要的问题，它在某种程度上起到了保障系统可靠运行，避免数据出错的作用，智能水表的设计中同样如此。具体地讲，应该在系统掉电到一个门限电压（该门限电压应高于CPU的最低运行电压）时，通过相应的电压检测电路把信号传递给CPU，CPU及时对系统进行软件复位。电压检测器可以选用合泰公司的HT70系列产品，此产品价位较低，而且规格十分齐全。 

2．3．7　显示 

　　智能水表的信息（水存量、开关阀状态、电池状态等）显示可通过串行液晶模块来完成，串行液晶模块与CPU的接口简单，只占用DATA、WR、CS三条接口线，与并行液晶模块相比大大节省CPU的I/O口资源。另外，为了尽量满足低功耗的要求，可让液晶平时处于休眠状态，用插卡唤醒的方式使其显示。 

2．3．8　脉冲信号处理 

　　对来自于发讯基表的脉冲信号，在软件设计时应作"防抖动"处理。因为在实际生活中 我们经常会遇见这样的情况：当自来水管中进入一定量的空气后，打开笼头用水，水管会瞬间不停震动，如果此时磁钢与干簧管的位置刚好处于临界状态，就会不停地将脉冲信号发给 CPU，使CPU无法正确计数。相应的措施是当CPU接收到一脉冲信号后经适当延时（该延 时只要小于水表过载流量时磁钢与干簧管的最大吸合时间即可）。再来检测该信号是否依然存在，如果没有，则认为是假信号。 

2．3．9　抗攻击模块 

　　抗攻击模块是针对采用高压、静电等手段对卡口进行恶意攻击从而引起系统瘫痪而设置的保护电路。目前，象北京握奇公司，富根公司等国内厂家有成型产品可以提供，性能上都比较可靠。 

2．4　卡的选择 

　　IC卡究其功能划分可分为普通存储卡、逻辑加密卡、CPU卡三大类。卡片作为用户和供水部门之间传递信息的载体，更作为一种电子货币，可靠性之外，安全性当是首要考虑的问题。 

　　普通存储卡芯片无安全逻辑，设计人员一般通过对数据进行一定的加密算法和滚动存储相结合的方法对数据安全性加以考虑，但由于普通存储卡内容可通过读卡设备直接读出，数据能被随意篡改，并且真实数据极有可能经过多次反复比较得出，因而安全性较差，不提倡使用。 

　　逻辑加密卡提供电路的逻辑硬件密码较对功能，一般情况下，只有通过用户密码和应用区密码才能对卡内应用区数据进行访问，卡内设置密码计数器，一旦输入错误密码次数超过密码计数器设置次数，卡将自锁。但是数据在卡的I/O口上是以明码方式传输的，如果通过仪器"窃听"获得数据，就能达到制作伪卡的目的。通常的做法是对卡上重要数据进行DES、RSA等国际通行的密码算法进行加密，以作为反"窃听"的有效手段。逻辑加密卡价格比较低廉，如果智能水表的收费不纳入"城市一卡通"系统，那么，它将是一种不错的选择。像西门子公司的SLE4442内含256*8位E2PROM数据存储器，32*1位保护存储器，和一个可编程安全码（PSC）逻辑，比较符合水表用卡的要求。 

　　CPU卡芯片内本身集成有微处理器，并且有自己的片内操作系统（COS）。与逻辑加密卡相比，CPU卡最主要的优点体现在两个方面：一是安全机制上更为严密，它的片内操作系统（COS）能对密钥进行有效管理，并使数据在卡内进行加密运算、比较，从而对卡、持卡人、读卡设备的合法性进行相互鉴别；二是在"一卡多用"上有较强的灵活性，可以同时兼容几种不同的应用，卡与系统的互相操作受存放在卡中与系统中的软件控制。尤其是第二点，对"一卡通"的意义不容置疑。但具体到水表用卡，还应视情况而定，因为毕竟目前CPU卡的价格仍然较高。 

2．5 软件流程图 

　　图3是根据查询方式设计的软件流程： 
 
    
　　　　　　　　　　　　　　　　图３ 

3．结语 

　　智能水表的应用不但关系到供水部门，更关系到千家万户，因而，多方位、多角度考虑问题的设计态度应是水表最终走向应用的关键。 

参考文献 

1 王爱英编著． 智能卡技术（第二版）． 北京：清华大学出版社，2000 

2 李东星，林培灿，陈小牧编著．PIC16CXX系列单片机应用设计．高奇电子技术有限公司  
签名档：

福州市自来水总公司计量科 陈秉光 

    

一、非轴对称流动引起的误差 

     流体在管内流速为轴对称分布时，且在均匀磁场中，流量计电极上所产生的电动势的大小与流体的流速分布无关，与流体的平均流速成正比，而非轴对称流速分布时，即每个流动质点相对于电极几何位置的不同，对电极所产生的感应电动势的大小也不同，愈靠近电极，速度大的质点所产生的感应电动势越大，因此，必须保证流体流速为轴对称。如管内流速为非轴对称分布就会引起误差。因而在选装电磁流量计时要尽可能保证直管段的要求以减小其所引起的误差。 

二、流体电导率的问题 

     流体电导率的降低，将增加电极的输出阻抗，并且由转换器输入阻抗引起的负载效而产生误差，因此，按如下所述原则，规定了电磁流量计应用中流体的电导率的下限。 

电极的输出阻抗决定了转换器所需的输入阻抗的大小，而电极输出阻抗，可认为流体的电导率和电极大小所支配。 

在理论分析时，将电极作为点电极，大小可以忽略，实际上，电极有一定大小，当直径为d的圆板电极与电导率为K的半无限展宽的流体接触时，其展宽电阻为1/2Kd，因此，如果管道直径Ｄ＞＞d，则电极的输出阻抗为两个展宽电阻之和，即等于1/Kd。 

一般测量的流体电导率的下限为5µS/㎝～10µS/㎝，所以，若电极直径为1㎝，则电极的输出阻抗就为1/Kd=100kΩ～200kΩ，为使输出阻抗的影响限制在0.1%以下，转换器的输入阻抗应为200MΩ左右。 

自来水，原水的电导率约在15µS/㎝～500µS/㎝之间，高于电磁流量计电导率要求的5µS/㎝的最低值，满足水计量用表的要求。 

三、电极衬里附着物的影响 

     在测量有附着沉淀物的流体时，电极表面将受污染，常常引起零点变动，故必须注意。 

零点变化和电极污染程度两者的关系，要进行定量分析比较困难，但可以说，电极直径越小，所受的影响越少，在使用中，应注意电极的清污，以防止附着。 

     在衬里上附着沉淀物时产生的误差Δε，如果附着的厚度是一样，则可由式： 

Δε=1-2/[1+（Kω/Kf）+（1- Kω/Kf ）×（1-2t/D）2]计算，式中Kω、Kf分别为附着物和测量流体的电导率，附着物厚度为ｔ，直径为Ｄ。 

     若式中，Kω和Kf相等，则无误差，附着物的电导率较低时，上式也成立，但因为会增加电极的输出阻抗，因此受到限制，如绝缘性沉淀物浸在流体中就是这种情况。相反，如附着金属粉末等，因高电导率的附着层，使感应电势短路，使电极输出偏低，造成负偏差。 

在测量具有沉淀附着物的流体时，除了选择如玻璃或聚四氯乙烯等难以附着沉淀的衬里外，还应增其流速。如果在流体中均匀地含有气泡，则测量的是包括气泡的体积流量，并且使所测流量值不稳定，而引入误差。 

综上所述，在选用流量计特别是大口径电磁流量计时，应考虑今后对传感器的电极及衬里的维护问题（如选用上海光华·爱而美特仪器有限公司的刮刀电极或可更换式电极。或者在传感器的上游或下游的适当位置预置一个清洗用人孔。以便于今后清洗传感器。） 

四、信号传输电缆长度的问题 

     传感器（即电极）与转换器之间的连接电缆愈短愈好。但有些现场受安装环境位置的限制，转换器与传感器的距离较远，这时要考虑连接电缆的最大长度问题。传感器与转换器之间的连接电缆的最大长度又由电缆的分布电容和被测流体的电导率决定。 

实际使用中，当被测流体的电导率是在一定的范围之间，因此就决定了电极与转换器之间电缆的最大长度。当电缆长度超过最大长度时，由电缆分布电容引起的负载效应就成了问题。为防止这种情况发生，使用双芯两层屏蔽电缆，由转换器提供低阻抗电压源使内侧屏蔽与芯线得到相同的电压，以形成屏蔽，即使芯线与屏蔽之间有分布电容存在，但芯线与屏蔽是同电位，则两者之间就无电流通过，也无电缆的负载效应存在，因此可延长信号电缆最大长度。另外，还可用特殊信号传输电缆延长转换器与传感器之间的最大长度。 

五、励磁的技术问题 

     励磁技术是电磁流量计测量性能的关键技术之一，励磁方式在实际应用上可分成 交流正弦波励磁，非正弦波交流励磁和直流励磁方式。 

交流正弦波励磁，当交流电源电压（有时是频率）不稳时，磁场强度将有所改变，所以电极间产生的感应电动势也变动，因而，必须从传感器取出对应于计算磁场强度的信号，作为标准信号。这种励磁方式易引起零点变动，而降低其测量精度。 

非正弦波交流励磁，是采用低于工业频率的方波或三角波励磁的方式，可以认为产生恒定直流，周期性地改变极性的方式，因这种励磁电源稳定，故不必为除去磁场强度的变动而进行运算。 

交流励磁方式的主要问题是感应噪声严重。 

直流励磁方式，则是在电极上的极化电位成了重要障碍。故一定值的直流励磁方式仅适用于非电解质（如液态金属）液体的测量。 

     在测量自来水、源水等水溶液时，一般采用周期性间歇的直流励磁方式。间歇周期应选为交流电源周期的整数倍，可消除交流电源频率的噪声，排除了交流磁场的电涡流和直流磁场的极化干扰。 

     励磁频率降低，零点稳定性可以提高，但仪表抗低频干扰能力减弱，响应速度慢，如果励磁频率高，则抗低频干扰的能力增强，但仪表的零点稳定性降低。这一问题到二十世纪七十年代研究出了低频矩形波（50Hz的1/2～1/32），解决了长期困扰电磁流量计的工频干扰，提高了零点稳定性和测量精确度；二十世纪八十年代又出现了三值低频矩形波励磁技术（有50Hz的1/8为周期，采用正弦规律变化的励磁电流），具有更好的零点稳定性，解决了干扰电势的影响，但降低了响应速度，并且在测量泥浆、纸浆等含固体颗粒和纤维流体及低导电率流体测量时，会产生电噪声（因流体摩擦电极，使电极表面氧化膜剥离后又形成所致），使输出信号摆动不稳；二十世纪八十年代末又针对这些问题推出了双频矩形波励磁方式，其励磁波形由低频（6.25Hz）矩形波和高频(75Hz)矩形波叠加构成，分别采样与之相对应的流量信号,得到低频和高频特征的两种信号经过处理后可再现实际流量的信号值。因此这种技术既具有低频矩形波励磁技术优良的零点稳定性，又具有高频矩形波励磁技术对流体噪声较强的抑制能力。 

六、传感器接地的问题 

     电磁流量计传感器电极检测的流量信号是毫伏级，且以传感器内流体的电位为基准的，所以外来干扰对它的影响很大，因而，良好的接地很大程度上决定着流量计的测量准确度。被测的流体本身作为电导体，必须排除其他不相关的电磁干扰。电极检测出的电势信号，不受外界寄生电势的干扰。对传感器应有良好的单独接地线，接地电阻小于10Ω。在连接传感器的管道内若涂有绝缘层或是非金属管道时，传感器两侧应装有接地环。 

七、结束语 

     今后随着电子及计算机技术发展与应用，使电磁流量计扩大了应用范围，可以测量以往不能测量的一些流体；能进行各种误差补偿，提高了测量准确度；具有转换线路异常、检测部分异常、误设定、空管、过限报警等自诊断功能；可通过手操器或计算机等实现远程通信，以调整电磁流量计的零点、量程变更、阻尼变更等。近年来，生产厂家推出了多种形式的电磁流量计以适应不同性质流体的测量。如：陶瓷衬里电磁流量计，无电极电磁流量计和采用多电极电磁流量计。

摘要：介绍一种利用径向基函数(RBF)神经网络和智能温度传感器DSl8B20改善传感器精度的新方法。RBF网络具有良好的非线性映射能力、自学习和泛化能力，通过大量的样本数据训练构建了双输入早输出网络模型，采用改进的算法实现了传感器高精度温度补偿。 
     关键词：传感器精度 温度补偿 径向基函数神经网络 温度传感器DSl8B20 

一般工业测控现场的环境温度变化急剧，传感器大多数都对温度有一定的敏感度，这样就会使传感器的零点和灵敏度发生变化，从而造成输出值随环境温度的变化而变化，导致测量出现附加误差，因此温度补偿问题一直是工业测控系统中的关键环节[1]。本文采用DSl8B20智能温度传感器和RBF神经网络相结合的温度补偿新方法来实现传感器高精度温度补偿。本文介绍的方法将DSl8B20测量值作为温度补偿输入，将传感器本身的测量值作为另一输入，用RBF神经网络构成双输入单输出的补偿模型，输出即为补偿后的测量值。RBF神经网络主要用于传感器的数据处理，以改善传感器测量精度。 

1 DSl8B20数字温度传感器测温原理 

1．1 DSl8B20的特性 

DSl8B20是美国DALLAS公司继DSl820之后推出的增强型单总线数字温度传感器，它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DSl820有了很大的改进，这给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。其特点如下： 

(1)单线接口：仅需一根口线与单片机连接；　 
(2)由总线提供电源，也可用数据线供电，电压范围：3．0～5．5V； 

(3)测温范围为：-55～+125℃，在-10～+85℃时，精度为0．5℃； 

(4)可编程的分辨率为9～12位，对应的分辨率为0．5～0．0625℃； 

(5)用户可编程的温度报警设置； 

(6)12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字量。 

1．2 DSl820引脚功能说明

DSl820的PR-35封装形式见图1，其外表看起来像三极管。另外还有8脚SOIC封装形式，只用3、4和5脚，其余为空脚或不需连接引脚。不过最常见的形式是PR-35封装，其引脚说明如表1所示。 

表1 DS1820引脚说明 8脚SOIC
 PR-35
 符 号
 说 明
 
5
 1
 GND
 地
 
4
 2
 DQ
 单线数据输入输出引脚
 
3
 3
 VDD
 正电源，一般为+5V
 


1．3 DSl820温度数据格式

在DSl820中，转换温度值是以9位二进制形式表示的，而输出温度则是以16位符号扩展的二进制补码读数形式提供。采用的办法是将低八位用补码表示，第九位以符号扩展形式扩展至其它七位。具体温度表示格式见表2。

表2 温度/数据关系

温 度
 数字输出（二进制）
 数字输出（十六进制）
 
+125
 00000000 11111010
 00FAH
 
+25
 00000000 00110010
 0032H
 
+1/2
 00000000 00000001
 0001H
 
+0
 00000000 00000000
 0000H
 
-1/2
 11111111 11111111
 FFFFH
 
-25
 11111111 11001110
 FFCEH
 
-55
 11111111 10010010
 FF92H
 

在实际应用中，测量温度往往在0℃以上，此时可只取16位二进制温度输出的低8位，即1个字节，这样将使计算和编程工作更为便利。

1．4 DSl8B20的测温原理 

DSl8B20的测温原理为：内部计数器对一个受温度影响的振荡器的脉冲计数，低温时振荡器的脉冲可以通过门电路，而当到达某一设置高温时，振荡器的脉冲无法通过门电路。计数器设置为-55℃时的值，如果计数器到达0之前门电路未关闭，则温度寄存器的值将增加，这表示当前温度高于-55℃。同时，计数器复位在当前温度值上，电路对振荡器的温度系数进行补偿，计数器重新开始计数直到回零。如果门电路仍然未关闭，则重复以上过程。温度转换所需时间不超过750ms，得到的温度值的位数因分辨率不同而不同[2]。DSl8B20同AT89C52单片机的接口电路如图2所示。这种接口方式只需占用单片机一根口线，与智能仪器或智能测控系统中的其它单片机或DSP的接口也可采用类似的方式。 

2 RBF神经网络及学习算法 

RBF神经网络即径向基函数(Radial Basis Function)神经网络[3～4]，其结构如图3所示。它很容易扩展到多输出节点的情形，在此只考虑一个输出变量Y的情况。 

RBFNN包括一个输入层、一个隐含层和一个输出层的最简模式。隐含层由一组径向基函数构成，与每个隐含层节点相关的参数向量为Ci(即中心)和σi(即宽度)。径向基函数有多种形式，一般取高斯函数[5]。具体如下： 
上式中，m是隐含层结点数；‖·‖是欧几里德范数；X，Ci∈R n，ωi是第i个基函数与输出结点的连接权值（i=1,2…，m）。 
RBF神经网络是一种性能良好的前向网络，它具有最佳逼近性能，在结构上具有输出一权值线性关系、训练方法快速易行、不存在局部最优问题的特点。该网络的学习算法有很多种，本文将带遗忘因子的梯度下降法应用于RBF神经网络的参数调整[6]，即在考虑当前时刻(k时刻)的网络状态的变化时，将前一个时刻(k—1时刻)的网络参数变化也包括进去。其具体算法如下： 
上式中，m是隐含层结点数；||·||是欧几里德范数；X，Ci∈Rn，ωi是第i个基函数与输出结点的连接权值（i=1,2,…，n）。 

其中，J为误差函数，Y(k)代表希望的输出，Y(W，k)为网络的实际输出，W是网络的所有权值组成的向量。 

隐层一输出层连接权值矩阵的调整算法为： 　　
其中，μ(k)为学习率，α(k)为动量因子，也称为遗忘因子，又称动量项或阻尼项。将其称为遗忘因子可从对于新旧信息的学习与遗忘的角度来理解；称为动量项或阻尼项是因为在网络的学习训练中，此项相当于阻尼力，当训练误差迅速增大时，它使网络发散得越来越慢。总之，它使网络的变化趋于稳定，有利于网络的收敛。 

3 测试方法及推广应用分析 

实验中以测量压力为例，采用Honeywell的24PCG—FAlG型压力传感器。将传感器测量值和DSl8B20的输出值作为网络输入层节点的输入，与其对应的压力是网络输出层节点的输出。采用的RBF神经网络为三层网络结构，其中，输入层有2个节点，隐含层有8个节点，输出层有1个节点。基于上一节中提到的网络参数调整算法，通过调整RBF网络中的可调参数(隐层节点数、学习速率、遗忘因子和网络权值、隐层标准偏差等)进行网络的训练和测试，并采用均方根(RMS)计算其训练精度和测试精度。共采集样本数据120组，其中72组作为网络训练样本，48组作为网络测试样本，在环境温度变化范围为-5℃～75℃时，最佳RBF的神经网络的训练精度为0．048％，测试精度为0．062％。同时基于获得的实验数据，采用最小二乘拟合方法建立的数学模型，其拟合精度为0．170％；用单片机直接预存线性插值补偿的方法，测试精度为0．280％。 
对于其它参数的检测，如流量、浓度或温度本身，也可采用增加温度或其它辅助传感器来实现补偿的方法。对于同时存在温、湿度漂移的测量场合，可以采用温湿度一体化传感器进行补偿。在本文图3所示的神经网络中增加一个X3输入代表湿度，只是会增加具体计算的复杂性。 

DSl8B20测温已普遍应用，且有着价格低廉、同基于单片机的智能仪器或测控系统接口简单的突出优点，本文将其引入作辅助测量传感器，在传感器温度补偿领域是一种有益的尝试。RBF网络是一种性能良好的前向网络，它不仅有全局逼近性质，而且具有最佳逼近性能。将带遗忘因子的梯度下降算法应用于RBF神经网络的参数调整，该算法具有良好的非线性映射能力、自学习和泛化能力，鲁棒性好、收敛较快，特别适用于传感器数学模型的建立。论文采用软硬件相结合的方法实现了高精度的温度补偿。与最小二乘拟合方法及线性插值补偿方法相比，其精度提高了2～5倍。