胡靖的洗衣机

题目：全自动洗衣机在洗涤过程中的全自动控制系统

【摘要】

模糊控制系统是模拟人智能的一种控制系统。它将人的经验、知识和判断力作为控制规则，根据诸多复杂的因素和条件做出逻辑推理去影响控制对象。

模糊洗衣机,能自动判断衣物的数量、布料质地(粗糙、软硬)、肮脏程度，从而决定水位的高低、洗涤时间、搅拌与水流方式、脱水时间等，将洗涤控制在最佳状态。不但使洗衣机省电、省水、省洗涤剂，又能减少衣物磨损，请利用所学知识，设计一台全自动洗衣机在洗涤过程中的全自动控制系统。

关键词：模糊控制、负载量传感器、液位传感器、布质传感器、洗涤粉传感器、

水温传感器、光电传感器

目 录

1.模糊家电

1.1模糊控制洗衣机

1.2模糊控制系统

1.2.1模糊控制器

1.2.2一种洗衣机模糊控制方法及其控制器

1.2.3模糊控制在全自动洗衣机中的应用

1.3模糊传感器

1.3.1模糊传感器的研究意义

1.3.2模糊传感器的理论基础

1.3.3模糊传感器的理论及实现方法

2.全自动洗衣机

2.1洗衣机的基本功能

2.2传感器应用

3.传感器在家用电器中的应用

3.1液位传感器

3.1.1导电式水位传感器

3.1.2压差式液位传感器

3.2流量及流速传感器

3.2.1电磁式流量传感器

3.2.2电磁式流速传感器

3.2.3涡轮式流速传感器

3.3布质、布量传感器

3.4压力传感器

3.4.1应变片压力传感器原理及应用

3.4.2陶瓷压力传感器原理及应用

3.4.3扩散硅压力传感器原理及应用

3.4.4蓝宝石压力传感器原理及应用

3.4.5压电压力传感器原理及应用

1. 模糊家电

1965年美国的扎德教授创立了模糊逻辑理论，到现在模糊技术已经被广泛 地应用在各个领域。虽然起源于美国，但是模糊技术在中国和日本却得到了广泛的关注，并且在理论研究和实际应用方面走在了世界的前列。模糊控制技术在家用电器中得到了广泛的应用，形成了模糊家电系列产品。所谓模糊家电就是揉入人们对家电使用的先验知识，根据人的经验建立操作模式，在电脑的控制下可模仿人的思维进行判断的家用电器，可以说是人和电器的结合体。一个模糊家电就象是一个普通家电和一个熟练操作员的结合体，这样用户对家电的操作会更加简单高效。现在已经投放市场的模糊家电有：模糊电视机、模糊空调器、模糊吸尘器、模糊电冰箱、模糊电动剃须刀等、模糊推理规则和输出量组成。系统根据不同的输入量采用对应的推理规则决定输出量的大小。

1. 1 模糊控制洗衣机

模糊控制洗衣机是在神经网络智能控制下，模仿人的思维进行判断操作的一种新型全自动洗衣机。普通微电脑洗衣机采用的是量化的固定程序，一经设定便不能更改；而模糊洗衣机则是应用模糊控制器代替人脑来“分析”“判断”。工作程序可以在一定程度上随时变化，因而具有人工智能，比普通微电脑更精确、更适用。

模糊控制洗衣机通常采用如下的传感器来进行信息量的摄取：

水位传感器：根据洗涤物的多少自动感知，设定并自动控制用水量。

布质传感器：通过自动感知衣物重量和吸水程序，感知衣物的质料，进而决定洗

涤方式。

水温传感器：可以根据环境温度和水温，自动决定洗涤时间。

光电传感器：根据衣物洗涤过程中洗涤循环水的透光率（肮脏程度）、决定最佳

洗衣程序。

这几个传感器收集到的信息，经过微电脑综合判定后，便自动选择出最适当 的水位、洗涤时间和洗衣动作等工作参数，并按照衣物的大小及质地等信息，执 行最佳洗涤程序。因此，有人戏称它为“傻瓜”洗衣机。即人们只需轻轻一按洗 衣机的启动键，余下的事就都由洗衣机自动完成了。

在洗衣服的过程中，通常决定洗涤效果的主要因素为：衣服的种类、水的温 度、洗涤剂和机械力。衣服种类主要有棉纤维和化纤之分，化纤的衣服要比棉纤 维的衣服好洗，水温越高，洗涤效果越好。洗涤剂主要是各种酶决定洗涤效果。 机械力也就是洗衣机通过水流来模拟揉、搓等各种人的动作。模糊洗衣机中具有 检测各种状态的传感器，主要有负载量传感器、水位传感器、水温传感器、布质

传感器、洗涤粉传感器。

负载量传感器：主要用于检测洗涤衣服的多少。

水位传感器：用来确定水位的高低和衣服吸水能力的大小。

布质传感器：用来测定所洗衣物属于棉纤类还是化纤类。

洗涤粉传感器：主要测定洗涤粉的种类。

图1 模糊洗衣机的控制原理图

根据从各种传感器中得到的信号，进行模糊控制，以确定洗涤方法。模糊洗 衣机的控制结构如图1所示。首先将从各种传感器中得到的数据按照数值的不同 分成各种不同的档次，如水温分高、中、低，衣服分少、一般、多等档次，数据 所分的档次越多，洗涤的精度越好。但是就会增加推理规则，然后把这些不同的 档次作为输入量送入模糊控制推理器中，根据推理规则来决定洗涤时间和水流强 度。模糊控制推理器一般是一个智能芯片，具有储存和计算能力，推理规则就储 存在这个芯片中，怎样确定推理规则呢？实际上推理规则就是把人洗衣服的模糊 经验数字化。例如：如果负载小，洗涤化纤衣服，且水温高，人们就会用小的力 量，洗涤短时间。将很多类似的经验规则化，就形成了推理规则。在用的时候， 根据不同的输入组合采用不同的规则就可以了。衣物的脏污程度是通过水的透明 度来判断的。在洗衣桶的排水口处加一红外光电传感器，是红外光通过水而进入 另一侧的接收管。若水的透明度低，接收管获得的光能小，说明衣物较脏。脱水 时采用压电传感器。当脱水桶高度旋转时，从脱水桶喷射出来的水作用于压电传 感器上，根据这个压力变化，自动停止脱水运转。

例如松下NA-FSOY5型全自动洗衣机采用了光传感器、水位传感器和布量传感器。除能测定水位和布量外，可判断脏污的性质和程度，还可读出所用洗衣粉的种类。该洗衣机共有六条模糊规则，可推理出几种状况下的最佳洗涤方法。推理规则的制定和参数的选择不限于实验室，还把PC带到各家各户，收集一年四季各种衣物的实际洗净结果，再根据这些庞大的数据和熟练洗涤工的诀窍进行制

作和调整。把三个传感器的输出送入微电脑，进行数据处理。根据脏污的性质（达到饱和状态所需要的时间T）和脏污的程度（这是输出的电压V），确定此时最佳水位、水流强度、洗涤时间、漂洗次数和脱水时间。

1.2模糊控制系统

模糊控制是指洗衣机通过传感器来判别衣物的重量、质地以及污染的程度来自动确定水位的高低、洗涤剂的用量，并确定最家洗涤程序。模糊控制是以模糊数学为基础发展起来的一种新的非线形的控制方法，对那些无法取得数学模型或数学模型相当粗糙的系统可以取得较满意的控制效果，解决了一些用传统方法无法解决的问题。近年来，模糊控制在家用电器控制中得到较广泛的应用，采用模糊控制技术的洗衣机具有自动识别衣质、衣量，自动识别肮脏程度、自动决定水量、自动投入适当的洗涤剂等功能，不仅实现了洗衣机的全面自动化，也大大提高了洗衣的质量，具有很强的实用性和较好的发展前景。

1.2.1模糊控制器

（图2 模糊控制器的内部结构）

模糊控制器能够对外部系统进行监控，其输入包括外部系统状态信息，对这些信息进行预处理、转换成模糊隶属函数的形式，而模糊输入再经过规则估值，得到精确的输出，即规则强度，最后规则强度和隶属函数通过精确化过程，给出精确的输出。因此，模糊控制器的推理过程主要包括如下4个步骤：

（1）模糊化：接受输入变量的当前值，并最终把它们变换到合适的范围中，如[-1，1]。另外，可以把所测得的值变换为语言项或模糊集。准确值X0通常变换为模糊集合µ（X0）。如果测量到的值本身就是不精确的，则就需要其他的模糊集合。

（2）知识库：包含有关变量域的信息，各种归一化方法与语言变量相关的模糊集合，语言控制规则形式的规则库也存储在知识库中。

（3）决策逻辑/规则估值：根据所得到的输入值和知识库确定有关控制变量的信息。

（4）清晰化：通过使用合适的变换，从决策逻辑控制变量的信息中得到精确的控制值。

1.2.2一种洗衣机模糊控制方法及其控制器

模糊控制方法是用洗衣机电机作为重量、布质、脱水传感器，并用光传感器作为脏度传感器，根据实测堵转点电压、电机电流及其相应差角，由单片微机计算待洗衣物的重量、柔软度、脱水程度和脏度以及进水速度，进而确定洗涤剂用量、进水量、进水时间、洗涤时间、脱水时间等以实现模糊全自动控制，其电路包括主回路、控制回路、检测回路、抗干扰网络，输出电路、直流电源等。本

控制器体积小、重量轻、易安装、节电显著、成本低、并具有完善的保护功能。

一种洗衣机模糊控制方法，其特征在于它是利用洗衣机的电机本身作为待洗衣服的重量传感器，衣服布质柔软度传感器和衣服脱水度传感器，并设计有一种光传感器作为待洗衣物的脏度传感器，电机对不同的负载有不同的特点，测算出相应负载下的堵转点参数，即堵转时电机的端压及电流，便可确定负载量的大小，当测算洗衣机自重后，再测算新的堵转点对应的重量，这重量减去洗衣机自重，即为待洗衣物的重量；衣物有各自不同的吸水率，其测量方法是根据待洗衣物重量和进水速度，按300～500%最大可能吸水率确定补进水量并补进水一定时间后排水，再一次测算堵转点所对应的重量，这重量减去洗衣机自重和待洗衣物重量，即为待洗衣物的吸水量，从而可计算出待洗衣物的吸水率，即可确定待洗衣物的布质柔软度；根据已确定的待洗衣物重量及其吸水率，即可确定洗涤周期的进水量，当预洗一定时间后排水的同时，利用洗衣水很脏其透光度差，洗衣水不脏其透光度就好的原理便可测算出待洗衣物的脏度；当漂洗干净排水后进行脱水，在脱水过程中实时检测脱水程度。当达到要求的脱水度时，即停止脱水。

1.2.3模糊控制在全自动洗衣机中的应用

洗衣机在我国城市甚至在广大农村已得到广泛的普及。随着就职妇女增加，以及不少妇女热衷于参加文化娱乐，体育健美锻炼等，要求洗衣操作便捷，过程全自动化、合理化，并且洗衣时段可任意选择。

（1）模糊控制洗衣机结构和系统组成

通常，模糊控制全自动洗衣机的系统由系统控制部分和电动机驱动部分组成。系统控制部分：它包括控制用微机、给排水阀及其控制、测量传感器、LED显示和电源与盖子开关、按键等六部件（图3a 系统控制部分）。电动机驱动部分：包括直流电动机、整流二极管组件、电动机驱动器及其控制器（内含电动机驱动控制专用微机和D/A转换接口）、电动机电流检测正反向传感器等（图3b 电动机驱动部分）

（2）功能选择

由“操作面板功能”的模糊控制洗衣机操作部分可知，它具有过程选择、程序选择、洗衣粉用量选择和水位高度选择等功能。此外，还有预约洗涤、时间显示和进行过程显示等多种辅助功能。

A．过程选择：由“过程选择”键，可以任意选择“全自动洗法”或选“洗涤”、“洗涤—漂洗”、“洗涤—脱水”、“漂洗—脱水”、“脱水”等组合过程。当桶内水满时，“漂洗—脱水”和“脱水”过程将从“排水”开始进行，若桶内无水时，则从“脱水”开始。当选择“洗涤”或“洗涤—漂洗”等单个行程组合时，按压“过程选择”按钮。如果桶内有一定积水时，仅在“洗涤—脱水”

程序中才会排水，否则脱水将在10s以后开始。在按“启动/暂停”按钮后，只能在“洗涤”程序中改变过程。在其他程序执行中需改变过程，只有切断电源后，再接通电源，进行选择。

B．程序选择：由“程序选择”按钮，可以根据洗衣量和衣服脏污程度，任意选择各种“洗涤程序组合”状态。它们是由“浸洗—水位—洗涤时间—漂洗方法—脱水时间”等因素的不同组合。给出“标准”、“快速”、“强力浸洗”、“大物”和“手洗”五种可供选择的洗涤状态。一旦按了启动按钮，任何程序都不能改变，若要更换为新的程序，关掉电源开关后，再接通电源进行变更。

C．水位选择：由“水位”按钮，根据待洗衣服量按4.5、3、1和0.3kg量级，分别可选择“高水位”、“中等水位”、“低水位”或“少量”等不同水位档次。当衣服放入过多，而洗涤停止时应适当更改。

D．洗衣粉用量选择，用“迅速表示”按钮来决定洗衣粉量选择。第一步，打开电源，将衣服放入洗衣机后，先按“迅速表示”按钮，在按“启动/暂停”按钮；第二步，洗衣机波轮将在洗衣桶内无水的情况下，转动约6s，以便自动测量洗衣量。若桶内预先存有水，就不必按动“迅速表示”按钮，只按一下“启动”按钮，在少量水位的情况下，作洗衣量多少的测量后，即会显示洗涤剂标准使用量；第三步，洗衣粉量指示灯用来表示水位和与衣量相适应的洗衣粉量。

（3）模糊检测原理

高档模糊控制全自动洗衣机，在自动决定控制方式（如洗衣水位、水流种类、过渡时间等参量）以前，必须对待洗衣服的“衣量”和“布质”进行测定，而且能够检测这些物理变量的传感器，在洗衣机中能实用的还没有。为此，必须采用特殊的测量手段，即用模糊检测原理来进行测量。

模糊检测原理：首先在洗衣桶内注入“少量”水，启动洗涤电动机至定速，而后立即切断电动机电源，利用图4a所示的电动机反电动势检测电路，光耦合器和滤波电路等，可以测得电动机在不同阶段的反电动势值（即电容器两端电压Uc）及其衰减时间比（图4b），再根据模糊推理的方法来测定布量或者布质。利用这种原理来进行测量的传感电路，由于它应用了模糊逻辑及其推理原理，所以在模糊控制洗衣机中被称为“模糊型传感器”。

（4）模糊控制

近年来，在日本更高档次的模糊控制全自动洗衣机，不仅利用了布质与布量等模糊型传感器来获得相应信息，并将测得的数据，用模糊推理方法来自动选择洗涤方式、洗涤时间、水位高度、水流等级、洗涤过程和各个洗涤阶段的时间设定等参数，从而使原来只有700种可选方案的早期模糊控制洗衣机发展成目前的

已拥有1300多种可选方案的高档机，而且还采用了洗涤液浑浊度的模糊检测技术，作为全过程模糊控制的信息依据。

A．采用浑浊度传感器：利用光传感器检测发光体所发光线穿透洗涤液的透过率来测定洗涤液的浑浊程度，再应用模糊推理原理，可以确定在洗衣服的清洗状态。这类传感器在模糊控制洗衣机中应用，被称为“浑浊度传感器”，其推理法则为： （图5 浑浊度传感器）

a.在洗涤阶段：“如从图5a→图5b,则洗涤过程结束”。即洗衣开始时，水中污垢不多，所以光的透过率大（如图a所示）；经过洗涤，衣服污垢溶解于洗涤液中，使洗涤液变得浑浊，使光的透过率减少（如图b所示），这时说明已达到洗涤效果，可以结束洗涤过程。

b.在清洗阶段：“如从图b→图a，则清洗过程结束”。也即在开始清洗时，衣服所附带洗涤下来的污垢较多，是清洗水的光透率小（如图b所示）；经过清洗一定次数，衣服上附带污垢已被清洗掉，所以清洗水的光透率有变大（如图a所示）。说明衣服已清洗干净，可以结束清洗过程。

B．给水阀、排水阀及电动机上的晶闸管由微机进行控制，使洗衣程序能协调配合，自动工作。

C．在新一代模糊控制洗衣机中，还辅助采用了变频控制技术、静音化技术、预约时间洗衣以及自动洗净水桶等。不仅实现了高度自动化，而且还可在节水、节能、省时的情况下，减少噪声（约20%），并达到衣服最佳洗净度。

1.3模糊传感器

模糊传感器是在20世纪80年代末出现的术语。随着模糊理论技术的发展，模糊传感器也得到了国内外学者们的广泛关注。模糊传感器是在经典传感器数值测量的基础上，经过模糊推理与知识集成，以自然语言符号描述的形式输出测量结果的智能传感器。一般认为，模糊传感器是以数值量为基础，能产生和处理与其相关测量的符号信息的传感器件。

1.3.1模糊传感器的研究意义

传统的传感器是数值传感器，它将被测量映射到实数集中，以数值符号来描述被测量状态，即对被测量对象给以定量的描述。这种方法既精确又严谨，还可以给出许多定量的算术表达式，但随着测量领域的不断扩大与深化，由于被测对象的多维性，被分析问题的复杂性或信息的直接获取，存储方面的困难等等原因，只进行单纯的数值测量是对测量结果以数值符号来描述，这样做有很大缺陷，例如：

（1） 某些信息难以用数值符号来描述。例如在产品质量评定中，人们常用的是

“优”、“次优”、“合格”、“不合格”、也可用数字1、2、3、4来描述，但

数字在这里已失去通常的测量值的意义，它仅作为一个符号，不能来表征被测实体的具体特征。

（2） 很多数值化的测量结果不易理解，如在测量人体血压时，人们更关注的是：

老年人的血压是否正常，青年人的血压是否偏高。而实测的数据往往不能被普通人读懂，因而满足不了人们的需求。

因此，有待用新的测量理论和方法来补充。模糊传感器正是顺应人类的生活实践、生产与科学实践的需要而提出的。

1.3.2模糊传感器的理论基础

（1）符号化表示原理

模糊语言是人类表达语言的一种，因为人们对自然界事物的认识存在着一定的模糊性，用模糊符号来表述信息具有较为简单、方便且易于进行高层逻辑推理等优点。模糊符号化表示就是利用模糊数学的理论和方法，借助于专门的技术工具，把测量得到的信息，用适合人们模糊概念的模糊语言符号加以描述的过程。符号是信息的载体，是对一个物体或事件状态的描述，它定义了实体的特征属性或实体间的关系，设Q为数值域，S为语言域，在各自的论域上有若干个元素qi、si，且表示为：Q＝＜q1、q2、„＞，qi∈Q （1）

S＝＜s1、s2、„＞，si∈S （2） 同时，在论域Q和S上分别定义一组关系：

R＝＜R1、R2、„、Rn＞，Ri：Q×Qׄ×Q （3） P＝＜P1×P2ׄ×Pn＞，Pi：S×Sׄ×S （4） 并且定义：D＝＜Q，R＞，L＝＜S，P＞

其中，D—对象关系系统，描述数值域元素及其相互关系；

L—符号关系系统，描述符号域元素及其相互关系。

设有两个映射M和F，M：Q→S，使得Si=M（qi）；F:R→P，使得Pi=F(Ri)成立，且M Q×S和（qi，si） M，则称si是qi的一个符号。si的含义是qi从数值域下向语言域映射的投影，而对每一次测量qi，符号si成为qi的描述。系统原理如图6所示。

图6 符号化表示原理示意图

如果F映射是一对一映射，而M映射是同态映射，那么一定存在逆映射：F-1(Pi)＝Ri，M-1（si）＝qi。M映射可以是“单对单”或“多对单”映射。那么，在后一种情况下，符号域中的一个符号经M-1映射在数值域对应出的不是一个点，而是一个“子域”。因此，模糊符号化表示有一定的局限性，即在不同测量结构下，同一测量子集的元素对应不同的符号；或在同一测量结构下，存在测量子集的一些元素同时对应于不同的符号的情况。这一局限性可通过基于多值逻辑理论的多值符号化测量来弥补。其基本思想是：在实体测量集中，根据对实体的某一特征表现程度的不同，把测量子集Q中的元素按特征隶属度最大归类于某一子集，忽略其他特征的表现，因此只要在测量集上对实体集选取适当多个特征表示，使之与测量集中的元素相对应，就可把Q分成有限个意义相关又表现不同的子集{Qi}，对每一个Qi进行符号映射，从

而实现对实体集多值符号化测量。

（2）多级映射原理

虽然符号具有高级逻辑表达，易理解，人

类经验与知识易集成，较宽的冗余度等特点，

但与数值测量无限可分相比，符号化测量描述

细节的程度和范围不够，尤其在利用符号对数

值转换实现定量测量时更为突出。而多级映射

原理在实现数值对符号和符号对数值转换的同时，可以扩大符号表示的细致程度和范围。

本文概述了模糊传感器的研究意义及概念，简要介绍了模糊传感器的理论基础及实现方法，并举例说明了模糊传感器的应用。

多级映射的基本功能是实现数值→符号的变换和符号→数值变换。其原理如图7所示，它的信息传输分为两种情况：

首先，数值对符号的转换，并且是由数值域Q中的元素qi经过映射M的第一级M1映射到符号域S的子集Si，如果子集Si描述细致程度不够，则可以进行第二级映射M2，映射M2将qi映射到次子集Sij，经过若干级映射可以得到描述qi信息的符号sy；

其次，则是符号对数值的转换，由经过多级映射得到的符号sy通过映射M-1得到数字值qj。

由于自然语言表现概念的局限性，建议多级映射的级数为3级。例如：对于0℃～100℃的温度范围，每级采用7个概念，在映射级数为3级时，精度达到0.3℃。对于不需要人们直接参与的中间测量结果情况，多级映射级数可以根据需要加以确定，映射级数的多少另一方面还取决于每一级中包含概念（元素）

的图7 多级映射原理示意图

个数，每一级概念个数多则需要的映射级数就相应少；如果多级映射应用于包含数值输出在内的模糊传感器研究，则映射级数和传感器变换非线形误差是相关的，映射级数应该通过给定的测量不确定度加以确定。

1.3.3模糊传感器的结构及实现方法

（1）模糊传感器的结构

模糊传感器的简化结构图如图8所示。可见，模糊传感器主要由传统的数值测量单元和数值—符号转换单元组成。其核心部分就是数值—符号转换单元。但在数值—符号转换单元中进行的数值模糊化转换为符号的工作必须在专家的指导下进行。

图8 模糊传感器结构示意图

（2）模糊传感器的实现方法

综上所述，要实现模糊传感器就在于寻找测量数值与模糊语言之间的变换方法，即数值的模糊化，来生成相应的语言概念。所谓语言概念生成就是要定义一个模糊语言映射作为数值域到语言域的模糊关系，从而将数值域中的数值量映射到符号域上，以实现模糊传感器的功能。这里的语言值用模糊集合来表示，模糊集合则由论域和隶属函数构成。因此模糊语言映射就是要求取相应语言概念所对应数值域上的模糊隶属函数。如何进行概念生成是实现模糊传感器的关键。目前有很多方法可以实现模糊传感器的功能。

2．全自动洗衣机

2.1洗衣机的基本功能

（1）搅动

直到今天，廉价简单的洗衣机仍然占主导地位，这种洗衣机仅有一种洗涤速度和单向自旋速度，因而不需要任何的电子控制。

然而，电动机速度是实现洗衣机电子控制的第一个功能。目前起规格有可控 型AC或DC电动机，根据纺织物类型或洗涤程序，使用这样的驱动器可以获得最佳的洗涤速度、回动节奏和启动时间，通常在电动机中使用一个转速传感器来测量速度。

欧洲机型为了节约能源和用水而运转在低水位模式下。因而，确保水或泡沫尽可能快地浸透所洗衣物是十分重要的，这样，干燥的织物就不会摩擦滚筒或橡胶密封圈。可以利用欧洲机型结构上的特点，如提升杆、循环（喷射）系统或直接注入来提高吸水率。

这里，电子化也带来了许多便利。在启动程序中，搅拌过程电子化的实现更好地提高了吸水率。

对电动机敏感信号的测定有很多好处：如果加入过多或不合适类型的洗涤剂，过量的泡沫就会在洗涤过程中被检测出来。有泡沫引起的电动机负载的增加就会借助于现代电子学技术记录下来并进行估计，然后，洗涤程序就会据此进行调整，以防止泡沫溢出。

在电动甩干机中，从节约能源的角度来看，确保尽可能多的水提前从衣物中排出是很重要的。随着甩干机市场渗透的加快，洗衣机最大自旋速度也变得更为重要。

要想获得较高的旋转速率，最重要的是分辨出可能存在的不平衡性，以防止机械错位所造成的轴承机械应力以及多余的噪声。避免不平衡性的第一步是在开始时做几秒钟的平稳加速运行。在这里，自旋速度是以非连续性和慢拍方式增加的，这样待洗的衣物就会均匀地分布在滚筒四周。如果当前待洗的衣物量仍产生不平衡，这将被记录下来，依据机械特性，若提高自旋速度被中断的话，就会重新尝试达到原自旋速度，或者是限定最大的自旋速度，以保证机器维持稳定。

（2）水摄入量、水位

水位测量是利用压力测量原理实现的，其功能也只是作为单纯的限位器。 现代洗衣机都使用带有模拟输出的传感器来工作。在这种洗衣机中可以用软件设定任何期望达到的水位。

此外，利用电子设备辅助建立的注入和抽取时间，可以将衣物数量或织物类型进行记录，并对洗涤和漂洗的程序做出适当调整。

（3）程序次序

在程序次序中最常见的电子应用有：①多种参数测量；②控制和调节过程；③通过微处理器估算和控制；④常规信号处理；⑤模糊算法；⑥神经元网络。

从在此提及的大量洗涤过程信号来看，这一信息仅能用完全电子化的程序控制来评估。根据实际的洗涤要求和记录信息，并考虑诸如洗涤和旋转速度、程序持续时间，水位及漂洗次数等重要参数，就可以设计出最佳的程序次序，并对其 进行自动设置。

根据模糊逻辑算法或以神经元网络为基础，可以在微处理器中完成常规的运算。在什么程度上将这些条件作为一类质量标准传达给最终用户还不确定，对于

用户来说，这些差别并不是十分重要的，因为对他们而言洗涤过程一般是干净、卫生、无故障的，并且洗涤所需水、电和化学物质的用量仅为最少量。

2.2传感器应用

（1）浑浊度

洗衣机的浑浊度水平，更确切地说是光学透射和折射比，它们可提供大量的关于洗涤和漂洗水的信息。最重要的参数是污迹和洗涤剂的浓度，这两者会对浑浊度产生影响。

浑浊度的测量装置很容易实现。将光源和一个探头安装在洗衣机滚筒内或更适宜的连接管道中。通过将几个光源与探头相结合来探测透射光以及反射光可以提高测量的可靠性。最常见的辐射源是发光二极管，辐射接受采用传统的光敏二激管。

洗衣机中，使用几个光透射元件检测有关清洁剂和污迹的信息，这些光透射元件监控着从开始到结束的整个洗涤过程。由于连续不断涌出清水时会产生气泡，因而必须对传感器进行精心设计，以避免由此引起的误差。对于污迹和洗涤剂浓度之间的相依性可以很容易地用光学方法测量出来。一个可能的应用是监测漂洗过程。掌握了漂洗水脏度的详细信息，就可以使漂洗过程中的需水量和漂洗时间达到最优。

（2）洗衣机中水软化剂和净化剂的料位监视

水软化剂和净化剂的容器安装于洗衣机的门上。干簧管传感器安装于塑料盒旁边，塑料盒内还装有带泡沫隔离套的磁铁，漂浮在料面上。当料位降到一定位置点时，浮子触发干簧管传感器，然后开启面板上的指示灯，警告洗衣机使用者需要填充软化剂或净化剂了。

检测水软化剂（碱性）余量采用的就是这种方法。此情况下，所有时刻水都充满容器，调节浮子的确切质量来满足所需水的碱性度。当料位下降时，干簧管传感器露到容器外面，触发指示元件，提醒需要添加软化剂了。

（3）防止冷凝水外溢

商用洗衣甩干机不能像家用甩干机那样很容易地将水排到外边。这是因为潮湿空气经过冷凝器时会积累大量的水。如果没有直接的排水管，冷凝水就排入一个存储容器中，用一个磁浮子来监视水位，当水位升高到满刻度时，启动干簧管传感器关闭甩干机。一旦水被排走，干簧管传感器就复位，使得甩干机继续工作。如果用导管来排水，那么水位探测传感器一触发，聚集起来的水就会被排空，这里使用传感器的目的是探测满度水位，紧接着进行抽排水。

3.传感器在家用电器中的应用

目前使用微型计算机的自动洗衣机，干燥机也逐步采用了电子电路控制系统。最早出售电子化洗衣机的是涅尔普（whirlpool）公司。这种洗衣机使用了水温传感器与水位传感器，此外，还要求有测量洗涤物质量的传感器，而且，干燥机使用的干燥度传感器。

（1）对家用电器传感器的要求：

①便宜 ②具有耐水性与耐湿性 ③耐污染、防灰尘 ④使用温度范围宽 ⑤无害 ⑥小型化

（2）洗衣机用到的压力传感器、湿度传感器：

①压力传感器利用伸缩软管与隔膜的移动而使开关工作的机械压力开关。另外，洗衣机需要在更低压力下工作的模拟输出压力传感器；②湿度传感器根据布料电阻值变化检测干燥机干燥度的湿度传感器。由于检测部位往往是裸露的，所以在家庭中使用时，传感器表面易受环境气氛影响，从而难以保证其可靠性。

3.1液位传感器

测量液位的目的一种是为了液体储藏量的管理，一种是为了液位的安全或自动化控制，有时需要精确的液位数据，有时只需液位升降的信息。液位传感器按测定原理可分为浮子式液位传感器、平衡浮筒式液位传感器、压差式液位传感器、电容式液位传感器、导电式液位传感器及超声波式液位传感器和放射线式液位传感器等。

3.1.1导电式水位传感器

导电式水位传感器的基本工作原理，如图9所示。电极可根据检测水位的要求进行升降调节，它实际上是一个导电性的检测电路，当水位低于检知电极时，两电极间呈绝缘状态，检测电路没有电流流过，传感器输出电压为零。假如水位上升到与检知电极端都接触时，由于水有一定的导电性，因此测量电路中有电流流过，指示电路中的显示仪表就会发生偏转，同时在限流电阻两端有电压输出。人们通过仪表或电路输出电压便得知水位已达到预定的程度了。如果把输出电压和控制电路连接起来，便可对供水系统进行自动控制。

（图9）

图10是一种使用的导电式水位检测器的电路原理图。电路主要由两个运算放大器组成，IC1a运算放大器及外围元件组成方波发生器，通过电容器C1与检知电极相接。IC1b运算放大器与外围元件组成比较器，以识别仪表水位的电信号状态。采用发光二极管作为水位的指示。由于水有一定的等效电阻R0，当水位上升到和检知电极接触时，方波发生器产生的矩形波信号被旁路。相当于加在比较器反相输入端的信号为直流低电平，比较器输出端输出高电平，发光二极管处于熄灭状态。当水位低于检知电极时，电极与水呈绝缘状态，方波发生器产生正

常的矩形波信号，此时比较器输出为低电平，发光二极管闪烁发光，告知水箱缺水。如果对水位进行控制，可以设置多个电极，以电极不同的高度来控制水位的高低。

（图10）

导电式水位传感器，在日常工作和生活中应用很广泛，它在抽水及储水设备、工业水箱、汽车水箱等方面均被采用。

3.1.2压差式液位传感器

压差式液位传感器是根据液面的高度与液压成比例的原理制成的。如果液体的密度恒定，则液体加在测量基准面上的压力与液面到基准面的高度成正比，因此通过压力的测定便可得知液面的高度。

如图11所示，当储液缸为开放型时，其基准面上的压力由下式确定，即: P＝ρh＝ρ(h1+h2)式中，P为测量基准面的压力；ρ为液体的密度；h为液面距测量基准面的高度；h1为所控最高液面与最小液面之间的高度；h2为最小液面距测量基准面的高度。

（图11）

由于需要测定的是h1高度，因此移动压力传感器的零点，把零点提高ρh2，就可以得到压力与液面高度成比例的输出。当储液缸为密封型时（见图12），压差、液位高度及零点的移动关系如下：

高压侧的压力P1为：P1=P0+ρ(h1+h2)

低压侧的压力P2为：P2=P0+ρ0（h3+h4)

压力差△P为：△P=P1-P2=ρ(h1+h2)- ρ0（h3+h4)= ρh1-（ρ0h3-ρh2+ρ0h2） 式中，ρ为液体的密度，h1为所控最高液面与最低液面之间的高度；h2为最小控制液面距测量基准面的高度；ρ

液面距最小液位的高度。

（图12）

同样，只要移动压差式传感器的零点，就可以得到压差与液面高度h1成比例的输出。

图13是压差式液位传感器的结构原理图。它由压差传感器和电路两部分组成。压差传感器实际上是一个差动电容式压力传感器，它由动电极感压膜片、固定电极隔液膜片的传递作用于感压膜片上，感压膜片便产生位移，从而使动电极与固定电极之间的电容量发生变化。用电路将这种变化进行转换及放大，便可获得与压力差成比例的直流电压输出。

（图13） 0为填充液体密度；P0为罐内压力；h3为填充

这种传感器具有可靠性高、性能稳定、体积小和重量轻等特点，因此，广泛应用于工业生产中的液面测量及液面自动控制。

3.2流量及流速传感器

凡涉及流体介质的生产过程（如气体、液体及粉状物质的传送等）都有流量及流速的测量和控制问题。流量及流速传感器的种类有电磁式流量传感器、涡流式流量传感器、超声波式流量传感器、导式流速传感器、激光式流速传感器、光纤式流速传感器、浮子式流量传感器及涡轮式流量传感器和空间滤波器式流量传感器等。

3.2.1电磁式流量传感器

（1）电磁式流量传感器的工作原理及使用

导电性的液体在流动时切割磁力线，也会产生感应电动势。因此可应用电磁感应定律来测定流速，电磁流量计就是根据这一原理制成的。

图14所示为电磁式流量传感器的工作原理图。在励磁线圈加上励磁电压后，绝缘导管便处于磁力线密度为B的均匀磁场中，当平均流速为ū的导电性液体流经绝缘导管时，在导管内径为D的管道壁上所设置的一对与液体接触的金属电极中，便会产生电动势e为：e＝BūD式中，ū为液体的平均流速（m/s）；B为磁场的磁通密度（T）；D为导管的内径（m）。

（图14）

管道内液体流动的容积流量为：Q＝

根据上式可以看出，容积流量Q与电动势e成正比，单位为m³/s。如果我们事先知道导管内径和磁场的磁通密度B，那么就可以通过对电动势的测定，求出容积流量。

虽然电磁式流量传感器使用条件要求流体是导电性的，使用有局限性，但它还是有许多优点：

① 没有机械可动部分，安装使用简单可靠；

② 电极的距离正好为导管的内径，因此没有妨碍流体流动的障碍，压力损失极小；

③ 能够得到与容积流量成正比的输出信号；

④ 测量结果不受流体粘度的影响；

⑤ 由于电动势是包含电极的导管的断面处作为平均流速测得的，因此受流速分布影响较小；

⑥ 测量范围宽，可以从0.005～190000m³/h；

⑦ 测量的精度高，可达±0.5%。

使用电磁式流量传感器时应注意以下几点：

① 由于管道是绝缘体，电流在流体中流动很容易受杂波的干扰，因此必须在安装流量传感器的管道两端设置接地环接地；

② 虽然流速的分布对精度的影响不大，但为了消除这种影响，应保证液体流动管道有足够的直线长度；

③ 使用电磁式流量计时，必须使管道内充满液体，最好是把管道垂直设置，让被测液体从上至下流动；

④ 测定电导率较小的液体时，由于两电极间的内部阻抗（电动势e的内阻）比较高，故所接信号放大器要有100ΜΩ左右的输入阻抗.为保证传感器正常的工作,液体的速率必须保证在5cm/s以上.

电磁式流量计可以广泛应用于自来水、工业用水、农业用水、海水、污水、污泥及化学药品、食品和矿浆等流量的检测。

3.2.2电磁式流速传感器

电磁式流速传感器电路框图，如图15所示。激励电压信号为方波信号，由方波信号发生器发出的方波一路经励磁放大器进行功率放大，然后送入传感器的励磁线圈进行励磁；另一路将其作采样脉冲。流动液体所产生的信号经输入放大器进行阻抗变换，然后由主放大器进行放大。由于流速产生的信号很微弱，因此要求主放大器要有高放大倍数、高噪声抑制和抗干扰能力。

（图15）

放大后的信号经采样、倒相后加以鉴相，鉴相后的信号经滤波器滤波后输送给直流放大器放大，然后由直流放大器输出，则为检测到的流速信号Uout。

3.2.3涡轮式流速传感器

涡轮式流速传感器是利用放在流体中的叶轮的转速进行流量测试的一种传感器。当叶轮置于流体中时，由于叶轮的迎流面和背流面流速不同，因此在流向方向形成压差，所产生的推力使叶轮转动。如果选择摩擦力小的轴承来支承叶轮，且叶轮采用轻型材料制作，那么可使流速和转速的关系接近线形，只要测得叶轮的转速，便可得知流体的流速。

叶轮转速的测量一般采用图16所示的方法，叶轮的叶片可以用导磁材料制作，然后由永久磁铁、铁心及线圈与叶片形成磁路。当叶片旋转时，磁阻将发生周期性的变化，从而使线圈中感应出脉冲电压信号。该信号经放大、整形后，便可输出作为供检测转速用的脉冲信号。

还有一种利用叶轮旋转引起流体电阻变化来检测流量的传感器，它是在叶轮的框架内嵌镶有一对不锈钢电极，电极在流体中存在一定的电阻。当塑料制成的叶片尾部遮挡电极时，电极间的电阻增大。因此，叶轮旋转一周，电极间的电阻周期性地变化一次，电阻的变化经检测电路转换成随叶轮转速成比例的脉冲信号。这样便可通过脉冲信号检测出叶轮的转速，也就测出了流体的流速。

3.3布质、布量传感器

“布质判定水位”——为了进行待洗衣服的布质测定，必须先在洗衣桶内注入约为标准水位的1/3左右高的水量，这时的水位A被称为“布质判定水位”。

“布量判定水位”——为了对待洗衣服的布量进行测定，必须先在洗衣桶内注入约为标准水位的2/3左右高的水量，这时的水位B被称为“布量判定水位”。

“布阻抗”——它是衣服在洗涤桶中阻碍水流旋转的一种特性，它与衣服重量与布质有关。这种特性通常是由洗涤电动机在给定速度情况下，突然断电，测量电动机反电动势的衰减时间比来确定。

“布质分类”——根据待洗衣服质料，通常可以粗略地分为“软质类”、“硬质类”和“混合类”。我们把丝绸、化纤、薄型花布等制成的轻型服装称为“软质类”；而把那些牛仔衣裤，呢绒服装，浴巾等重型服料称为“硬质料”；界于它们之间的则称为“混合衣类”。

（1）布质传感器：利用前述基本原理，在模糊控制洗衣机中构成用来检测布质类别的模糊型传感器，可称为“布质传感器”。测量方法是在“布质判定水位A”情况下，检测布阻抗和设定水位衰减率间的关系特性（如图16），并将这些特性数据以表格形式存入存储器。在实测时，再根据在检测水位同样变化量情况下，“布阻抗落差大”的为“硬质布类”；反之，“布阻抗落差小”的为“软质布类”的推理规则，来确定布质模糊类别。

（图16）

（2）布量传感器：同样利用前述基本原理，在模糊控制洗衣机中构成用来检测待洗衣服重量的模糊型传感器，被称为“布量传感器”。测量方法是在“布量判定水位B”情况下，按不同布质，检测其相应的“布阻抗特性”，如图17所示，且将这些特性数据存入存储器。实测时，再根据：衰减时间长→布阻抗大→布量多；反之，衰减时间短→布阻抗小→布量少的推理规则来测定布量值。 （图17）

3.4压力传感器

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，下面就简单介绍一些常用传感器原理及其应用。

3.4.1应变片压力传感器原理与应用

力学传感器种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。

在了解压阻式压力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘和在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。

图18 金属电阻应变片的内部结构

如图18所示，是电阻应变片的结构示意图，它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，是应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂，而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。

电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示： 式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω。cm2/m ）

S ——导体的截面积（cm2 ）

L ——导体的长度（m ）

我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生变化，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情况。

3.4.2陶瓷压力传感器原理及应用

抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥（闭桥），由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度现性、与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0/3.0/3.3mV/V等，可以和应变式传感器相兼容。通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿0～70℃，并可以和绝大多数介质直接接触。

陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40 ～135 ℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度>2kV，输出信号强，长期稳定性好。高特性，低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势，在中国也越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。

3.4.3扩散硅压力传感器原理及应用

工作原理被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。

图19 结构原理图、

3.4.4蓝宝石压力传感器原理与应用

利用应变电阻式工作原理，采用硅-蓝宝石作为半导体敏感元件，具有无与伦比的计量特性。

蓝宝石系由单晶体绝缘体元素组成，不会发生滞后、疲劳和蠕变现象；蓝宝石比硅要坚固，硬度要高，不怕形变；蓝宝石有着非常好的弹性和绝缘特性（1000 OC 以内），因此，利用硅-蓝宝石制造的半导体敏感元件，对温度变化不敏感，即使在高温条件下，也有着很好的工作特性；蓝宝石的抗辐射特性极强；另外，硅-蓝宝石半导体敏感元件，无p-n 漂移，因此，从根本上简化了制造工艺，提高了重复性，确保了高成品率。

用硅-蓝宝石半导体敏感元件制造的压力传感器和变送器，可在最恶劣的工作条件下正常工作，并且可靠性高、精度好、温度误差极小、性价比高。

表压压力传感器和变送器由双膜片构成：钛合金测量膜片和钛合金接收膜片。印刷有异质外延性应变灵敏电桥电路的蓝宝石薄片，被焊接在钛合金测量膜片上。被测压力传送到接收膜片上（接收膜片与测量膜片之间用拉杆坚固的连接在一起）。在压力的作用下，钛合金幅度与被测压力成正比。

传感器的电路能够保证应变电桥电路的供电，并将应变电桥的失衡信号转换为统一的电信号输出（0-5 ，4-20mA或0-5V）。在绝压压力传感器和变送器中，蓝宝石薄片，与陶瓷基极玻璃焊料连接在一起，起到了弹性元件的作用，将被测压力转换为应变片形变，从而达到压力测量的目的。

3.4.5压电压力传感器原理与应用

压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。由于随着应力的变化电场变化微

小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。

现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。

压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗是才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。

压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长的优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬见的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。

压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广泛。 21