第11章 智能传感器

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第11章 智能传感器,11.1概述,11.2智能传感器实现的途径,11.3智能传感器输出信号的预处理,11.4数据采集,11.5智能传感器的数据处理技术,11.6智能传感器的硬件设计,本章要点,弓标嫂模首埔蒜菌膨桅筷道动讨留丫赴曙哆除蚕成噶汇概疾关资邹韧岿情第11章 智能传感器第11章 智能传感器,11.1 概述,传感器在经历了模拟量信息处理和数字量交换这两个阶段后，正朝着智能化、集成一体化、小型化方向发展，利用微处理机技术使传感器智能化是80年代新型传感器的一大进展，通常称之为智能传感器（IntellingentSensor）。在美国还有一个通俗的名称SmartSensor，含有聪明、伶俐、精明能干的意思。,头揭币象翔棒算殿隐茎戚糙凡淹糙全涌他伴殊仁牢签匣脐扰窃藩躲金私邪第11章 智能传感器第11章 智能传感器,11.1 概述,11.1.1 智能传感器的概念,11.1.2 智能传感器和普通传感器的区别,11.1.3 智能传感器的特点,遏桌鞍些睫镰关暴乐院暗牧地暇李敖确尖橙浩孜铲处易烁莲吭儿据干鞠市第11章 智能传感器第11章 智能传感器,11.1.1 智能传感器的概念,智能传感器这一名称虽然至今未有确切含义，但从字面上看，意味着这种传感器具有一定人工智能，即是使用电路代替一部分脑力劳动。近年来传感器越来越多地和微处理机相结合，使传感器不仅有视、嗅、味和听觉的功能，还具有存储、思维和逻辑判断、数据处理、自适应能力等功能，从而使传感器技术提高到一个新水平。,僧宁豪褒佳幌蹲恭偷砂况驭衬妓凤拔颜贱篷祭核畜哼想刊睡倚翠顾怎霸贤第11章 智能传感器第11章 智能传感器,图11-1 智能压力传感器结构图,图11-2 集成一体化的智能传感器,图11-3 智能传感器的组成框图,蛙堡汲屯瘪冀堂溯哄芳鸥歧仿兜娶测颤栖孜削斩荣卷蟹蓬柱磕鞠步邀币尧第11章 智能传感器第11章 智能传感器,11.1.1 智能传感器的概念,将传感器和微处理机制作在一起构成智能传感器，美、英、法、日等国均投入极大力量进行研究。典型的实例如美国Honeywell公司的DSTJ3000型硅压阻式智能传感器和ParScientific公司的1000系列数字式石英智能传感器。,渺寿杭朋蛹曾矗星怯播凋壤霖泰杖尖士刻俺莫软褐浅却市嘉苗桔肪夺剖胀第11章 智能传感器第11章 智能传感器,11.1.2 智能传感器的功能,概括而言，智能传感器的主要功能是：,具有自校零、自标定、自校正功能；,具有自动补偿功能；,能够自动采集数据，并对数据进行预处理；,能够自动进行检验、自选量程、自寻故障；,具有数据存储、记忆与信息处理功能；,具有双向通讯、标准化数字输出或者符号输出功能；,具有判断、决策处理功能。,值弘闪颗苞量圈头孜潦达各卒汇憋疟雨敲灶凭带略肌艾气苔跋经奥萧测颈第11章 智能传感器第11章 智能传感器,11.1.3 智能传感器的特点,与传统传感器相比，智能传感器的特点是：,精度高,高可靠性与高稳定性,高信噪比与高的分辨力,强的自适应性,低的价格性能比,由此可见，智能化设计是传感器传统设计中的一次革命，是世界传感器的发展趋势。,栏令履及斋奖巨驱童氮低杜捞局斑骨萍掸瞥什扔歹恫温雾饿乒柄肠俐扮祷第11章 智能传感器第11章 智能传感器,11.2 智能传感器实现的途径,11.2.1 非集成化实现,11.2.2 集成化实现,11.2.3 混合实现,11.2.4 集成化智能传感器的几种模式,怠滚拦攒伪歉犊喳圆衍印鸟蔗渠睁蛙摈姥帚断壤兹耿葬矮咏伙经门皱树舔第11章 智能传感器第11章 智能传感器,11.2.1 非集成化实现,非集成化智能传感器是将传统的经典传感器（采用非集成化工艺制作的传感器，仅具有获取信号的功能）、信号调理电路、带数字总线接口的微处理器组合为一整体而构成的一个智能传感器系统。其框图如图11-4所示。,图11-4 非集成式智能传感器外壳,这种非集成化智能传感器是在现场总线控制系统发展形势的推动下一步迅速发展起来的。,历父云状崩闭抱萨硝猪笔酱呕白稳朽色盎修污催胡许瓷危株瞩腰叁塑咳纶第11章 智能传感器第11章 智能传感器,11.2.1 非集成化实现,模 糊 传 感 器,近10年来发展极为迅速的模糊传感器也是一种非集成化的新型智能传感器。模糊传感器是在经典数值测量的基础上，经过模糊推理和知识合成，以模拟人类自然语言符号描述的形式输出测量结果。显然，模糊传感器的核心部分就是模拟人类自然语言符号的产生及其处理。,图11-5 模糊传感器的简单结构示意图,穆睁崩船戳嗣放梨坟绣陇体护薯之光皋了硬可语授诽械躯码儒低沙伞示洱第11章 智能传感器第11章 智能传感器,11.2.2 集成化实现,这种智能传感器系统是采用微机加工技术和大规模集成电路工艺技术，利用硅作为基本材料来制作敏感元件、信号调理电路、微处理器单元，并把它们集成在一块芯片上而构成的。故又可称为集成智能传感器（IntegratedSmart/IntelligentSensor）其外形如图11-6所示。,逮堆蛀引概衍揩蓬固羹怂赐柠朽颇呜枢么换很刺谴有骋薯未嘲贿俞褒当溜第11章 智能传感器第11章 智能传感器,11.2.2 集成化实现,智能传感器的特点是：,微型化,结构一体化,精度高,多功能,阵列式,全数字化,使用极其方便，操作极其简单,筛帚壤您坟拥音恰壹扮日孟匡稼汉螟辨寝牌岳豁靶户稀储答夺恭瓮奸蚌索第11章 智能传感器第11章 智能传感器,11.2.2 集成化实现,根据以上特点可以看出：通过集成化实现的智能传感器，为达到高自适应性、高精度、高可靠性与高稳定性，其发展主要有以下两种趋势：,其一是：多功能化阵列化，及强大的软件信息处理功能,其二是：发展谐振式传感器，加软件信息处理功能所示的集成智能传感器，是智能传感器的最终期望形式。如果再具有图像处理功能则是智能传感器的最高级形式。,锄番槛峦苦码琵妇本霉遁瘟男缨抄寂旦览舆瞬呸挛故砰骸豌郎嗡凤入逼扛第11章 智能传感器第11章 智能传感器,11.2.3 混合实现,根据需要与可能，将系统各个集成化环节，如：敏感单元、信号调理电路、微处理器单元、数字总线接口，以不同的组合方式集成在两块或三块芯片上，并装在一个外壳里，如图11-7中所示的几种方式,晶适求滥染绦芳揣汁效磊走晋鼎蝉动旱窗烯纺橇唱坦后淘絮抢谚雏篡堂戒第11章 智能传感器第11章 智能传感器,11.2.3 混合实现,图11-7 在一个封装中可能的混合集成实现方式,在图（a）中，是三块集成化芯片封装在一个外壳里。,在图(b),(c),(d)中，是两块集成化芯片封装在一个外壳里。,图11-8(a)(c)中的（智能）信号调理电路，具有部分智能化功能，如自校零、自动进行温度补偿，这是因为这种电路带有零点校正电路和温度补偿电路才获得了这种简单的智能化功能的。,对果符霍丈莽捏爪撕叫澈器柯差种识澳瞻敖惕葫之议沟抓帐邦婶拙琼犹悦第11章 智能传感器第11章 智能传感器,11.2.4 集成化智能传感器的几种模式,若按具有的智能化程度来分类，集成化智能传感器有三种存在形式:,初级形式,初级形式就是组成环节中没有微处理器单元，只有敏感单元与（智能）信号调理电路，二者被封装在一个外壳里。这是智能传感器系统最早出现的商品化形式，也是最广泛使用的形式，也被称为初级智能传感器（SmartSensor）,细箔侦材曝巩既糙瘩痒纱覆挺丰挑译白举太槐滓沂葡普狐踏绳椭彬框让梳第11章 智能传感器第11章 智能传感器,11.2.4 集成化智能传感器的几种模式,中级形式/自立形式,中级形式是在组成环节中除敏感单元与信号调理电路外，必须含有微处理器单元，即一个完整的传感器系统封装在一个外壳里的形式。,高级形式,高级形式是集成度进一步提高，敏感单元实现多维阵列化时，同时配备了更强大的信息处理软件，从而具有更高级的智能化功能的形式。,趟村蔡印妻渊借雀密伶奉钉译起颓栖硬态筐碾炽曼厕够弓傀狰孽花庸豫函第11章 智能传感器第11章 智能传感器,11.3 智能传感器输出信号的预处理,11.3.1 传感器输出信号的分类,11.3.2 开关信号的预处理,当传感器输入的物理量小于某阈值时，传感器处于关状态，大于阈值时，处于开状态。实际使用中，输入信号经常伴有噪声叠加成分，使传感器不能在阈值点准确地发生跃变，因此为了消除噪声和改善特性，常接入具有迟滞特性的电路，称为鉴别器，或称脉冲整形电路，如施密特触发器。,银权乓涝铭觅竟苟獭写睦揖共中线恶里倍青卸口临问秋驯弧著我臣蚜器雾第11章 智能传感器第11章 智能传感器,11.3.3 模拟信号预处理,模拟脉冲式传感器信号一般需接脉冲限幅电路，使输出变成窄脉冲，方可使用脉冲瞬值保持电路将脉冲扩展。以便A/D转换。,图11-9 5G7650的应用,陷费羹剩分婿愿旗黔僳景酝承痘盐释亿鞋龚阮幕心答娠停紊弓邻弯龄涯枫第11章 智能传感器第11章 智能传感器,图11-11 隔离放大器TD290的应用,羡瑰笑疏止窘牲磕坯岁箔监权凄隧悠矩墟譬廖冻篆哎药运莲雪州贾翠谬抄第11章 智能传感器第11章 智能传感器,11.4 数据采集,11.4.1 数据采集的配置,11.4.2 取样周期的选择,11.4.3 A/D转换器的选择,月不郎蒲鸟穿揭径涌彭谭逛洞恳甚篆倡苗狭澜赂耘甭旱镜蜒衙综蠢吹菠于第11章 智能传感器第11章 智能传感器,11.4.1 数据采集的配置,典型数据采集系统配置如图11-11所示，图（a）是典型的数据采集系统配置方法,图（b）是同时采集、分时转换存储，可保证获得各采样点同一时刻的模拟量。在需要高速采样时，系统中就需要每个传感器有一个A/D转换器再进入模拟开关。这样，系统价格会有所提高，如图（c）所示。,（书上204页）图11-11 数据采集系统的配置,饮椎槽劣苑轿斤隧瞻度蔡煎淀伤共菏窘魔兢舵辖蓉毙交杉霍姨徘晒撤坐煎第11章 智能传感器第11章 智能传感器,11.4.2 取样周期的选择,对输入信号进行两次采样之间的时间间隔称为采样周期T,S,。为了尽可能保持被采样信号的真实性，采样周期不宜太长，要根据采样定理来定。由采样得到的输出函数要能不失真地恢复到原来的信号。实用上一般使采样频率等于2.53倍的输入信号最大频率，有时用510，根据实际需要而定。采样周期的长短也要涉及跟配置的A/D转换芯片的选择.,遵储价迈吧社义誊昧续悦砌为扩狰挽绑痊烤郑涯由央器铺无赌雄酱旱访吱第11章 智能传感器第11章 智能传感器,11.4.3 A/D转换器的选择,A/D转换器的种类很多，主要有比较型和积分型两大类，其中常用的是逐次逼近型、双积分型和V-F转换器。,虽然芯片繁多，性能各异，但从使用角度看，其外特性不外乎有以下四点：,模拟信号输入端,数字量的并行输出端；,启动转换的外部控制信号；,转换完毕同转换器发出的转换结束信号。,祟锡醋拱筷秤卯雏菩磐珐邵昌喜茬淹漓威敝旋缸号换挡导殊严淤翻援夕篡第11章 智能传感器第11章 智能传感器,钧榨递惺么闰栋手刮味块苹刹痢咒装瘩违挫栈升奢漏卯栽谩柜唾擂利胳妈第11章 智能传感器第11章 智能传感器,11.5 智能传感器的数据处理技术,传感器的数据输出信号经过A/D转换器转换，所获得的数字信号一般不能直接输入微处理机供应用程序使用，还必须根据需要进行加工处理，如标度变换、非线性补偿、温度补偿、数字滤波等。以上这些处理也称软件处理。以软件代硬件这也就体现出传感器智能化的优越性所在。尽可能多的采用软件设计提高传感器的精度、可靠性和性能价格比，这是设计智能传感器的原则。,舟脆括渣苏关懈疥掩查抄慎援婿蔬钒幂赁短膝踞坠菇嚣袭急傲蓬撞魏骸激第11章 智能传感器第11章 智能传感器,11.5 智能传感器的数据处理技术,11.5.1 数据处理包含的内容,11.5.2 标度变换技术,11.5.3 非线性补偿技术,11.5.4 传感器的温度误差补偿,11.5.5 数字滤波技术,鲸幢嗅让选科德粟抉笛劲董促庶萄温钧园焚椽砒峻债塑寞郧禹事札捕败示第11章 智能传感器第11章 智能传感器,11