Click to edit Master title style,,Click to edit Master text styles,,Second level,,Third level,,Fourth level,,Fifth level,,*,,*,,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,,第九章（1） 智能传感器,,,智能传感器的结构与系统,智能传感器是一种带微处理器兼有检测、判断、信息处理、信息记忆、逻辑思维等功能的传感器其特点是：,1、易于线性化2、自动修正测量数据减少环境因素引起的误差3、具有抑制漂移的能力4、其跟踪滤波功能可以去除噪声、提高信噪比从而提高传感器的可靠性5、用软件解决硬件难以解决的问题，完成数据计算与数据处理工作智能传感器主要由敏感元件、微处理器及相关电路组成智能传感器的原理框图如下,,传,感,元,件,信,号,调,理,微,处,理,器,通,讯,接,口,输,入,接,口,,,微处理器是智能传感器的智能核心，承担了数据收集、数据存储、数据处理、系统校准、系统补偿等大量硬件难以完成的工作，从而大大降低了传感器的制造难度，提高了传感器的性能，降低了成本，提高了传感器的可靠性。
智能传感器有集成式、混合式和模块式三种结构集成式：将若干个敏感元件与微处理器、信号处理电路集成在同一硅片上混合式：将传感器和微处理器、信号处理电路做在不同的芯片上，这是目前的智能传感器的主要形式模块式：将传感元件模块、微处理器模块、信号调理电路模块等装配在同一个壳结构内智能传感器的功能特点,1、具有逻辑思维与判断、信息处理功能，可对检测数值进行分析、修正和误差补偿，提高测量精度2、具有自诊断、自校准功能，提高了可靠性3、组态功能可以实现多传感器多参数复合测量，扩大了检测使用范围用户可以选择需要的组态包括检测范围，可编程通/断延时，选组计数器，常开/常闭，分辨率选择等可使同一类型的传感器工作在最佳状态，并且能在不同场合从事不同的工作4、存储功能使检测数据可以随时存取5、数据通信功能具有数据通信接口，能与计算机直接联机，互相交换信息智能传感器具有的串行通信接口，既可以直接与计算机进行数据通信，实现点对点的测控，也可以构成智能传感器网络与计算机实现数据通信，实现点对多点的分布式集散测控系统避免了模拟信号的远距离传输，提高了系统的可靠性6、自适应技术,,,可在条件变化的情况下，在一定范围内使自己的特性自动适应这种变化。
通过采用自适应技术，智能传感器能补偿老化部件引起的参数漂移，延长器件或装置的寿命同时扩大其工作领域，自动适应不同的环境条件自适应技术提高了传感器的重复性和准确度智能传感器中的软件,,软件对传感器的测量过程进行管理和调节，使之工作在最佳状态，并对传感器数据进行各种处理，从而增强传感器功能，提高性能指标一、温度补偿,基本方法是：,,1、将温度敏感元件与智能传感器的敏感元件集成在一起，用于测量敏感元件的环境温度2、建立温度误差的数学模型，微处理器根据测得的温度值和数学模型进行补偿3、查表法二、非线性校正,,,1、线性插值法,,先用实验测出传感器的输入输出数据，利用一次函数进行插值，用直线逼近传感器的特性曲线如果传感器的特性曲率大，可以将该曲线分段插值，把每段曲线用直线近似，即用折线逼近整个曲线这样可以按分段线性关系求出输入值所对应的输出值一般情况下只要分段合理，插值点数得当就可获得良好的线性度和精度2、二次曲线插值法,用抛物线代替原来的曲线，先求出传感器特性曲线的反函数，并根据精度要求对曲线进行分段，然后利用二次函数进行插值，用二次函数逼近3、查表法,通过计算或实验得到检测值和被检测值的关系，然后按一定规律把数据排成表格，存入内存单元。
微处理器根据检测的大小查表三、数字滤波,,1、算术平均滤波,,计算连续N个点的采样值的算术平均值作为滤波器的输出.,,,,2、递推平均滤波,,递推平均滤波只需进行一次测量就能得到平均值，它把N个数据看作一个队列，每次测量得到的新数据存在队尾，而扔掉原来队首的一个数据，这样在队列中始终有N个“新”数据，然后计算队列中数据的平均值作为滤波结果每进行一次这样的测量，就可立即计算出一个新的平均值3、加权递推平均滤波,,递推平均滤波法中所有采样值的权系数相同，在结果中所占的比例相等，,这会对时变信号引起滞后为增加新采样数据在递推滤波中的比重，提高传感器对当前干扰的抑制能力，可以采用加权递推平均滤波算法，,对不同时刻的数据加不同的权重，通常越接近现时刻的数据，权重取得越大,N 项加权递推平均滤波算法为,,,,四、标度变换,,如果传感器的输入输出之间具有函数关系，可直接用解析式进行标度变换如果没有，采用多项式插值法进行标度变换五、自动校正和自诊断,自动校正是校正传感器的零位和满量程误差传感器分别输入零点标准值和满度标准值，通过测量传感器的输出，得到智能传感器的校正方程测量时软件系统根据校正方程，对传感器的零位误差、增益误差等进行校正。
从而大大提高测量准确度和可靠性自诊断就是对敏感元件及整个传感器各部件的状态进行自检，检查传感器的各个部分是否正常，并诊断发生故障的部件，以保证传感器正常工作六、数字调零,用软件实现偏差调零智能传感器的低功耗设计,一、设计原则,,1、选用低功耗的敏感元件2、简化硬件电路和传感器功能3、设计低功耗电路，采用低功耗器件4、单电源、低电压供电二、智能传感器低功耗设计技术,,1、降低电源电压，压缩电路动态范围2、控制大电流器件的工作时间3、降低单片机的时钟频率4、使用单片机的睡眠方式三、智能传感器的低功耗设实例,,1、智能湿度传感器的结构框图,,湿度敏感元件,调,节,放,大,电,路,单,片,机,LCD显示器,控制键,通信接口,,,被测信号经调理放大电路处理，成为与被测量成正比的0.001,～4.99V,直流电压信号，送单片机A/D转换口LCD显示器可显示湿度测量值、智能湿度传感器的工作状态（测量/通信）、超量程提示和欠电报警通信接口可以实现智能湿度传感器与计算机之间的信息传输对于相对湿度小于50%RH的测量环境，可选用芬兰VAISALA公司的HMP-35湿度敏感元件，它在相对湿度60%RH以下,,,具有较好的线性和准确度。
对于相对湿度大于40%RH以上的环境，可选用General Eastern公司的653-M2湿敏器件，它在相对湿度20%RH以上具有较好的线性和准确性2、低功耗设计措施,,低功耗智能湿度传感器的模拟电路主要是运算放大器为核心的放大电路这里宜选用低功耗、单电源的运算放大器，,,,可选用模拟器件公司的AD822单片机选用内部带有4路8位A/D转换器、4个中断源、8分频定时/计数器、1024*14位片内程序存储器、68*8位RAM的低功耗单片机PIC16C71它具有低功耗睡眠模式（SLEEP) 和片内看门狗定时器(WTD)，易于实现低功耗设计和抗干扰设计，是低功耗低成本智能传感器较为适宜的单片机智能传感器的设计与制造,目前智能传感器的实际产品大多是模块化结构，近年来由于多芯片组件（MCM)技术的发展，可将智能传感器分布在几个芯片组件上的部件组装起来，构成传感器集成智能传感器的设计和制造中有许多复杂的技术问题一、利用微机械加工技术制造传感器,,,微机械加工技术是微型传感器和微机械元件的加工工艺技术，是制造智能传感器的重要技术其中硅微机械加工技术是硅集成电路工艺的一项重要扩展技术它除了包括高度发展的硅集成电路工艺外，还有一些独特的工艺。
它主要用于制造硅材料为基底、层与层之间有很大差别的三维结构1、刻蚀技术,它是微加工技术的特殊工艺，通过腐蚀加工形成各种微结构，这是形成微型传感器的关键技术2、体形结构腐蚀加工,腐蚀加工有化学腐蚀和离子刻蚀技术两大类化学腐蚀是应用腐蚀剂腐蚀，腐蚀剂有各向同性和各向异性两种，改变腐蚀剂中氧化剂、去除剂和稀释剂的成分可以调整腐蚀速率、选择性和表面腐蚀条件各向异性腐蚀可形成三维结构离子刻蚀是在真空腔内进行采用等离子定向刻蚀，将硅片放在交流电源驱动的电极上，并置于充有含氟里昂气体的化学反应等离子体中进行3、表面腐蚀加工技术,用于制造各种悬式结构，如微型悬臂梁、悬臂块、微型桥、微型腔等目前已成功应用在微型谐振式传感器，加速度传感器、流量传感器和压电传感器中4、薄膜技术,可以加工成各种梁、桥、弹性膜、压电膜用作传感器的敏感元件，有的可作为介质膜起绝缘层的作用；有的可作为控制尺寸的衬垫层，在加工完成之前去除掉5、固相键合技术,是微机械部件的装配技术，可以把两个固态部件直接键合在一起二、智能传感器的电路设计,1、模拟信号输入级,一般模拟信号输入级是含有多路切换开关的可编程增益放大器,2、传感器的激励源,传感器的激励源由微处理器控制，以便使传感器工作在最佳状态。
3、数据转换,,4、数据处理,,5、数字输出接口电路,,6、微处理器选择,目前以单片机、DSP等嵌入式微处理器智能传感器实例,一、ST-3000系列智能压力传感器,,该系列传感器是美国Honeywell公司20世纪80年代研制的产品，是最早的商品化智能传感器，可以同时测量静压、差压和温度三个参数精度达0.1级，6个月总漂移不超过全量程的0.03%，量程比可达400：1，阻尼时间常数在0,～32s,间可调目前该产品被广泛应用传感器的结构框图如下：,,差压,静压,温度,多,路,开,关,A/D,CPU,D/A,I/O,ROM,RAM,PROM,EEPROM,4-20mA,或,数字信号,,,传感部分由差压、静压和温度三个传感器组成，该部分的输出是三个参数的函数，设三个传感器的输出为,,,,,由此可解得,,,,,,以上由三个传感器信号计算待测压力的过程是在微处理器中通过软件程序进行的在传感器的制造过程中，待测压力特征数据、环境温度特征数据就、和静压数据需要事先存储在PROM中这些特征数据由生产线的计算机采集并送入存储器存储实际工作时，传感器芯片上的三个传感器的信号经多路切换开关、调理电路以及A/D转换器，分别进入CPU。
CPU利用,,,PROM中的特征数据，对三种信号进行程序运算处理，最终产生一个高精度的特性优异的待测压力信号输出现场通信器具有以下功能：,,对传感器进行远程组态，设定标号、测量范围、输出形式和阻尼时间常数，不到现场就可调节变送器的参数；,,传感器的零点和量程校准可以在现场进行，不必拆卸传感器，也不需要专门设备对传感器进行诊断，进行组态检查、通信功能检查、变送功能检查、参数异常检查，诊断结果传送到现场通信器中显示；,,设定传感器为恒流输出，把传感器当作恒流源使用以便检查系统中的其它传感器或设备二、EJA差压变送器,,系日本横河电机株式会社与1994年研制成功的高性能智能式差压传感器它利用单晶硅谐振式传感器原理，采用微电子机械加工技术（MEMS)，精度达0.075%，具有高稳定性和高可靠性其由膜盒组件和智能转换部件组成膜盒组件包括膜盒、单晶硅谐振式传感器和特性修正存储器原理图如下：,单晶硅,谐振式,传感器,特性,修正,传感器,CPU,A/D,D/A,内置存储器,4-20mA DC,及数字信号,,,膜盒组件,数据处理部件,Δp,,,单晶硅谐振式传感器的两个H型谐振梁将差压、压力信号分别转换成频率信号，送到脉冲计数器中，再将两频率之差直接送到 CPU中进行数据处理，经D/A转换器转换成与输入信号相对应的 4-20mA电流信号。
膜盒组件中的特性修正存储器存储传感器的环境温度、静压及输入输出特性的修正数据，CPU利用它们进行温度补偿，校正静压及输入输出特性三、8800 A型卡曼旋涡流量变送器,这是美国Rosemount公司的智能传感器它利用“卡曼涡流”现象测定流量，即当管道中装设柱状阻挡物时，流体流过时形成两列旋涡，旋涡出现的频率与流量成正比该变送器利用应力检测法测量旋涡频率，在柱状物的后部插入嵌有压电元件的杆，当旋涡冲击杆端时形成弯矩，压电元件出现电荷，电荷经放大器放大后，经滤波、A/D转换后送入数字式跟踪滤波器它能跟踪旋涡的频率对噪声进行抑制，使滤波后的数字信号正确反映流量值 CPU接收跟踪滤波的数字信号进行处理后送D/A转换器输出4-20mA的电流8800 A型卡曼旋涡流量变送器具有自诊断、温度校正等功能，通过现场通信器进行组态4、超声智能测距传感器,,美国Merritt系统公司（MSI）开发了两种超声智能测距传感器，一种测量范围为150-3000mm，采样频率为40Hz，精度为、2.5mm；另一种是高精度型，测量范围为25-600mm，采样频率为200Hz，精度为0.25mm传感器内有以 CPU为中心的数据处理电路，通过测量超声波从传感器到目标再返回所需要的时间，计算传感器到达目标的距离。
5、多路光谱分析智能传感器,,它可以从人造卫星摄取地球表面的图像，通过反射型绕射光栅，由CCD固态摄像传感器转换成电信号，即可进行多路光谱分析，测量数据由CPU解析和统计处理，可得到气象方面的各种信息6、机器人视觉传感器,,它利用CCD图像传感器，将工作信号经微机处理，获得重心坐标、面积、最大尺寸等数据即确定工件位置，并由母线系统输送到显示器再经数摸转换器后输入到控制系统控制机器人动作第九章（2）,测试系统集成设计与性能评价,一、 测试系统集成设计原则与步骤,,现代测试系统的设计过程就是对系统各单元模块的参数反复进行预估选择、性能评价的过程，以使按最终确定的参数建立起的系统达到预定的技术目标1、单元模块的选择与优化,现代测试系统的基本组成形式如图所示,,,,,S1为传感器，S2为调理电路，S3为数据采集系统；W1与W2分别代表传感器和放大器的频率特性,,,,2、参数的确定与预估,根据测试系统的技术指标要求，确定测试系统各环节的基本参数、动态特性，预估系统各环节的误差极限 1 ）基本参数的确定,基本参数的确定主要根据分辨力与量程的要求，确定各硬件模块或环节的灵敏度对于一般测试系统的基本形式，灵敏度的表达式为,,,,,,基本参数的确定方法：,通常按系统分辨力与量程的要求及工作环境条件，先确定传感器类型及其灵敏度S．然后再进行放大器增益S与A/D转换器分度值S的权衡。
一般方法是先根据测试范围和分辨力确定A/D转换器或数据采集卡的位数再根A/D转换器或数据采集卡的位数、输入电压范围和传感器的灵敏度S，确定放大器的增益S当测试范围较大时可考虑多量程这样可以降低A/D转换器或数据采集卡的要求2）,误差极限的预估,,误差极限的预估就是按系统总误差的限定值对组成系统单元模块进行误差分配基本思路是误差预分配、综合调整、再分配再综合，直至选定单元模块的静态性能满足系统静态性能的要求二、 测试系统集成设计举例,题目：电阻传感器称重测试系统的设计,要求：测量范围：0~10t；分辨力：0.01t；测量不确定度：1.5%；工作温度：0~5,0℃1、系统的基本结构,根据设计要求，系统的基本结构如图所示2、,称重传感器的选择,,桥式称重传感器是利用电阻应变原理构成的一种高精度力电转换元件，弹性体采用桥式结构它由,4,片电阻应变计构成惠斯登电桥，如图所示当传感器受到外力作用时，,弹性体产生形变，电阻应变计阻值发生变化．使桥路失去平衡，在外界供桥电源作用下，电桥输出一下平衡直流电压信号，该信号的大小与传感器所受外力大小成正比，据此可测定外载荷的大小CZLYB-11,型桥式称重传感器的主要技术指标如表,所,示,,,,,3、A,／,D,转换器位数,n,的确定,,从设计要求中获知，该系统的测量范围,0~10t,、分辨力,0.01t,，所以系统的最大量化值,Dm,为：,Dm=满量程值/分辨率＝10/0.01＝1000,故至少选择,10,位,A/D,，本系统选,TCL1549。
TCL1549,是,TI,公司生产的,10,位逐次逼近模数转换器，具有自动采样保持、串行接口功能，满度输入电压随基准电压V,H,而变化这里V,H,,=5v,4、,放大器的选择或设计,,称重传感器输出信号的特点是“浮地”，所以放大器必须采用双端输入差动放大器放大器的增益可根据称重传感器输出灵敏度、,A/D,转换器的最大输入电压确定由表可知，称重传感器输出灵敏度为,2mv,／,v,，意指在额定载荷、桥路电压为,1V,时，桥路输出为,2mv,本系统选额定载荷,10t,，桥路电压取,12v,，传感器输出灵敏度,S1,为：,,,,,,A,／,D,转换器的满度输入电压为5V，则量化值,Q,为,当载荷为,W=0.01t,时，桥路输出电压为,,,,,,,,,,,,现选择,AD627,测量放大器作为本系统的放大器环节AD627,是美国,ADI,公司生产的精密仪器放大器之一参考电路如图所示其增益,G=5＋200/R,G,，改变,R,G,可调整增益当选择,R,G,,=910+,（,0~200,）,Ω,，增益的变比范围为,185~225,，可满足设计要求此外，考虑到,A/D,转换器的最大输入电压V,H,,=5v,，当最大载荷,W=10t,时，桥路的输出电压为：,,于是，,AD627,的最大增益,,,,,,,AD627管脚示意图,,,AD627,的主要技术参数见下表,,,,,,,,5、,测量不确定度的预估,（1,）测量不确定度预估的数学模型,当被测重物的重量,W,对应,A/D,转换器的量化值为,D,，根据基本结构，可得重量,W,与量化值,D,的关系为,,于是可得数学模型,,,,式中，S1、S2、S3分别为传感器、放大器、,A/D,转换器的灵敏度,,,,,,,（2）,分项测量不确定度的预估,W,的分项测量不确定度包含,4,项，即测量不确定度,U(,S1,),、,U,（S2）、,U,（S3）和,U,（,D,），下面分别计算。
①,测量不确定度,u(S1),的计算,,由表可知，影响测量不确定度,u(S1),的因素如下由灵敏度变化0.004/2时，引起的标准不确定度,,非线性引起的标准不确定度,,,重复性引起的标准不确定度,,,,,,,,当环境变化,5,0℃引起的标准不确定度,,桥路电压变化引起的标准不确定度,,,S1,测量不确定度U(S1)为,,这里没有考虑”零点输出”引起的不确定度，是因为零点输出是恒定的系统误差，可通过硬件或软件消除，如果软件中有非线性校正功能，非线性误差引起的测量不确定度也可不,考虑．本例不考虑非线性校正②,测量不确定度,U(,S2,),的计算根据表， S2的测量不确定度分量如下,,本例中，增益为,203,，所以增益误差取,0.2,％，引起的标准不确定度为,,注意，上述增益误差未计入,R,G,阻值波动而产生的增益误差非线性引起的标准不确定度,,,当温度在,25,±,2,5℃,范围变化时引起的标准不确定度,,,,,,,S2的测量不确定度为U(S2),此外，共模电压也会引起测量误差称重传感器的电路是桥式结构，其共模输出电压为,由于,AD627,的共模抑制比,CMRR=90dB,,即有,,式中，,ΔU,为Um在放大器输出端引起的误差电压，于是,,因此,,系统选用,10,位,A/D,，量化单位,远小于,Q,的一半，故属于微小误差．可忽略不计。
③,S3,的测量的确定度U,(,S3,),的计算,,S3,是,A/D,转换器的灵敏度，其表达式为,,式中，,V,ref,是,A/D,转换器的基准电压本系统选用,REF02,电压基准REF02,是,BURRR,—,BROWN,公司生产的集成精密电压基准，主要技术参数如表所示,,,,,S3不确定度取决于V,ref,不确定度，而V,ref,不确定度主要有两个分量，即输出电压随温度变化引起的分量和基准输入电压变化引起的分量基准输入电压为电源电压，一般不会超过,±,1V,，引起的输出电压变化由电压调整率决定输出电压随温度变化引起的标准不确定度,,当电源电压变化,±,1V,时引起的标准不确定度,,,于是，,S3,的测量不确定度,U,(,S3,),为,,,,,,,,,,④,,A/D,转换器的输出量,D,（量化的数字值）的测量不确定度U（D）的计算,在未给出,A/D,转换器转换精度情况下，其测量不确定度主要由量化误差计算引起的标准不确定度,,,,,,（,3,）,W,的合成测量不确定度的预估,根据测量不确度预估的数学模型式，,W,的合成测量不确定度为U,C,（W）,,,,,,,,,,,（,4,）,W,的扩展测量不确定度的预估,W,的扩展测量不确定度,U,（,W,）等于合成测量不确定度乘以覆盖因子,(,这里取,),，即,,W,的扩展测量不确定度为,1.1%,，小于,1.5%,的设计要求，所以设计的系统符合要求。
智能传感器的发展趋势,一、利用新型材料研制基本传感器,,材料包括硅、功能陶瓷、石英、记忆合金等二、利用新加工技术,,主要指微加工技术三、采用新的测量原理和方法,,包括光纤传感、化学传感和生物传感等新的信息来源演讲完毕，谢谢观看！,内容总结,第九章（1） 智能传感器计算连续N个点的采样值的算术平均值作为滤波器的输出.每进行一次这样的测量，就可立即计算出一个新的平均值集成智能传感器的设计和制造中有许多复杂的技术问题它主要用于制造硅材料为基底、层与层之间有很大差别的三维结构用作传感器的敏感元件，有的可作为介质膜起绝缘层的作用有的可作为控制尺寸的衬垫层，在加工完成之前去除掉以上由三个传感器信号计算待测压力的过程是在微处理器中通过软件程序进行的它能跟踪旋涡的频率对噪声进行抑制，使滤波后的数字信号正确反映流量值CPU接收跟踪滤波的数字信号进行处理后送D/A转换器输出4-20mA的电流对于一般测试系统的基本形式，灵敏度的表达式为放大器的增益可根据称重传感器输出灵敏度、A/D转换器的最大输入电压确定3）W的合成测量不确定度的预估4）W的扩展测量不确定度的预估演讲完毕，谢谢观看,。