智能传感器

以现场总线为基础的全数字控制系统将现有的模拟信号电缆用高容量的现场总线网络代替 从而大大减轻现场信号电缆连接的费用和工作量 提高信号的传输效率 实际上现场总线控制系统就是以现场总线技术为核心 以基于现场总线的智能I O或智能传感器 智能仪表为控制主体 以计算机为监控指挥中心的系统编程 组态 维护 监控等功能为一体的工作平台 智能传感器 现场总线与FCS 根据现场总线基金会 FieldbusFoundation 的定义 现场总线是连接智能化现场设备和控制室之间的全数字式 开放的 双向的局部通信网络 现场总线 随着复杂过程工业的不断发展 工业过程控制对大量现场信号的采集 传递和数据转换以及对精度 可靠性 管控一体化都提出了更新 更高的要求 现有的DCS已不能满足这些要求 况且现有的DCS具有诸如控制不能彻底分散 故障相对集中 系统不彻底开放 成本较高等缺点 于是通过数字通信技术 传感器技术和微处理器技术的融合 把传统的数字信号和模拟信号的混合系统变成全数字信号系统 从而产生了新一代的控制系统FCS 属于局部测控网络 现场总线控制系统 FCS 现场总线控制系统的网络结构图 符合现场总线标准的各种智能仪器 智能传感器和现场总线是组成FCS的两个重要部分 现场总线在控制现场建立一条高可靠性的数据通信线路 把单个分散的智能传感器变成网络节点 智能传感器减轻主控站的工作负担 使大量信息处理就地化 减少了现场仪表与主控站之间的信息往返 降低了对网络数据通信容量的要求 计算机技术传感器技术 智能传感器 计算机技术通信技术 计算机网络技术 网络化智能传感器 现代信息技术的三大基础 传感器技术 通信技术和计算机技术 网络化智能传感器 测控系统的各种现场数据直接在网络上传输 发布与共享 可在网络上任何节点对现场传感器进行在线编程和组态 网络化智能传感器 支持现场总线通信协议进入局部测控网络的现场总线智能传感器支持网络通信协议 1EEE802 3 TCP IP等 的智能传感器 信息传感器能直接与Ethernet Intranet Internet等进行数据通信 进一步还可以实现在网络上任何节点对网络化智能传感器的远程数据访问 信息适时发布与共享 以及在线编程和组态 现场总线智能传感器与一般智能传感器相比 需有以下功能 共用一条总线传递信息 具有多种计算 数据处理及控制功能 从而减少主机的负担 取代4 20mA模拟信号传输 实现传输信号的数字化 增强信号的抗干扰能力 采用统一的网络化协议 成为FCS的节点 实现传感器与执行器之间信息交换 系统可对之进行校验 组态 测试 从而改善系统的可靠性 接口标准化 具有 即插即用 特性 现场总线智能传感器 IEEE1451标准 IEEE制定的IEEE1451标准定义了网络化智能传感器接口标准 解决了以往各种现场网络之间不兼容性和不可互操作性 采用IEEE1451标准研制的网络化智能传感器具有很多特点和优点 标准化的接口和软硬件定义即插即用性 与具体网络无关自我描述和自我识别能力广泛的应用范围不仅包括现场总线 也包括Internet等网络 IEEE1451标准的特点 主编 沙占友 电子工业出版社2004 1 集成化智能传感器原理与应用 现代信息技术 传感器技术 通信技术 信息传输 计算机技术 信息处理 感官 神经 大脑 传感器的发展方向 分立式单片集成化智能化系统化 网络化 传感器是信息采集的重要工具 传感器 Sensor Transducer 的定义 GB7665 87 能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置 智能传感器 IntelligentSensor SmartSensor 的定义 带微处理器 兼有信息检测和信息处理功能的传感器 带微处理器 单片智能传感器 传感器与微处理器集成在一个芯片上 传感器能够配微处理器 一 单片集成化智能传感器 自动调零 自校准 自标定功能 逻辑判断和信息处理功能 预处理 线性化 补偿 自诊断功能 通过自检软件诊断出故障的原因和位置 组态功能 使用灵活 可设置多种模块化的硬件和软件 通过指令组态 完成不同的测量功能 数据存储和记忆功能 双向通信功能 能通过RS 232 RS 485 USB I2C等标准总线接口 直接与微机通信 智能传感器的功能 智能传感器原理框图 高精度 例如 测压 0 05 测温 0 1 宽量程 测量范围宽 并具有很强的过载能力 多功能 能进行多参数 多功能测量 自适应能力强 高可靠性 高性价比 超小型化 微型化 微功耗 有些可用叠层电池甚至纽扣电池供电 高信噪比 智能传感器的特点 采用新技术提高智能化程度 单片传感器系统 将一个可灵活应用的系统集成在一个芯片中 智能微尘 SmartMicroDust 传感器 具有电脑功能的超微型传感器 总线技术的标准化与规范化 目前采用的总线 1 wire I2C SMBus SPI MicroWire USB总线 智能传感器作为从机 可通过专用总线接口与主机进行通信 虚拟传感器 基于软件开发而成的智能传感器 网络传感器 包含数字传感器 网络接口和处理单元的新一代智能传感器 可靠性与安全性设计 智能传感器的发展趋势 温度传感器的发展方向 单片集成化智能化网络化单片系统化 产品分类 1 模拟集成温度传感器 将温度传感器集成在一个芯片上 可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC 典型产品 AD590 AD592 TMP17 LM135等 2 模拟集成温度控制器 包括温控开关 可编程温度控制器 典型产品 LM56 AD22105 MAX6509等 二 单片智能温度传感器的原理及应用 3 智能温度传感器 数字温度传感器 内部包含温度传感器 A D 信号处理器 存储器 或寄存器 和接口电路 能输出温度数据及相关的控制量 适配各种微控制器 MCU 它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的 4 通用智能温度控制器在3的基础上发展而成 适配各种微控制器构成智能化温控系统 可脱离微控制器单独工作 自行构成一个温控仪 可连续转换也可单次转换 5 微机散热保护专用的智能温度控制器专为微机散热保护而设计 可通过散热风扇来控制PC机中CPU的温度 温度测量数字温度计温度变送器温度巡回检测仪智能化温度检测系统网络化测温系统 温度控制智能化温度测控系统工业过程控制现场可编程温度控制系统环境温度监测及报警系统中央空调 大型冷库及恒温装置风扇温控电路微处理器及微机系统的过热保护装置现代办公设备电信设备 服务器中的温度测控系统电池充电器的过热保护电路家用电器 特殊应用热电偶冷端温度补偿测量温差测量平均温度测量温度场液晶显示器表面温度监测 智能温度传感器的应用领域 MAX6626将温度传感器 12位A D转换器 可编程温度越限报警器和I2C总线串行接口集成在同一个芯片中 适用于温度控制系统 温度报警装置及散热风扇控制器 MAX6626的性能特点 测温范围 55 125 分辨力 0 0625 测温误差 40 80 3 55 125 4 温度 数据转换时间 133msI2C总线串行时钟频率范围 0 400kHz 利用I2C总线地址选择端 可选择4片MAX6626 当被测温度超过上限时 报警输出端被激活 电源电压范围 3 0V 5 5V 静态工作电流 1mA 基于I2C总线的MAX6626型智能温度传感器 6引脚SOT23小型化封装 温度报警输出端 MAX6626的内部电路框图 可接执行机构 串行数据总线 串行时钟端 MAX6626的典型应用 MAX6654是双通道智能温度传感器 能同时测量远程温度和本地温度 即芯片的环境温度 它采用SMBus总线接口 有多种工作模式可供选择 并具有可编程的欠温 超温报警输出功能 可对PC机 笔记本电脑和服务器中CPU的温度进行监控 SMBus串行接口能与I2C总线兼容 总线上最多可接9片MAX6654 基于SMBus的MAX6654型智能温度传感器 MAX6654的典型应用电路 DS1629是将智能温度传感器 实时日历时钟 RTC 和32字节的SRAM集成在一片CMOS大规模集成电路中 构成功能独特的智能温度传感器 能输出9位测温数据 测温范围 55 125 分辨力 0 5 温度 数据转换时间 0 4s带二线串行接口 漏极开路的I O线 便于与微处理器通信 带实时日历时钟 RTC 的多功能智能温度传感器 由DS1629构成的温度检测系统电路 能同时对4路远程温度和1路本地温度进行精确测量和控制 片内有本地温度转换器 多路转换器和10位逐次逼近式A D转换器 转换时间极快 本地30 s 远程15 s测温范围 55 125 分辨力 0 25 精度 2 带I2C总线接口 具有超温指示器 AD7417型5通道精密智能温度传感器 模拟通道输入端 由AD7417构成5通道温度测控系统电路图 热电偶冷端温度补偿的方法 1 硬件补偿法利用模拟式集成温度传感器或热电偶冷端温度补偿专用芯片来进行补偿 优点 速度快 外围电路简单 不需调整 成本低 模拟式集成温度传感器典型产品 AD592 LM334 TMP35 LM135等热电偶冷端温度补偿专用芯片典型产品 MAX6674 6675 AC1226 AD594 595 AD596 597等2 软件补偿法利用单片机或系统机的软件来进行补偿 能节省硬件资源 但在软件编程和调试过程上要花费较多时间 常用方法 查表法 计算法 三 集成温度补偿器的原理及应用 由AD592 电流输出 构成的热电偶冷端温度补偿电路 由LM335 电压输出 构成的K热电偶冷端温度补偿电路 MAX6674 6675具有冷端温度补偿及对温度进行数字化测量两项功能 带SPI串行总线接口 适配外部微控制器MCU 含单片机 C 也可配其它智能温度控制器 过程控制器或温度监控系统 允许将多片MAX6674 6675挂在SPI总线上 构成一个系统 基于SPI总线的数字式K热电偶冷端温度补偿及转换器 由MAX6675构成的测温系统电路框图 不仅能测量环境温度 还能对各种类型的热电偶进行冷端温度自动补偿 为几种不同类型的热电偶 E J K R S T型 分别提供所需要的冷端补偿电压 内含温度传感器 其输出电压与摄氏温度成正比 可接模拟或数字式电压表 显示出环境温度 适配1B15型隔离式热电偶信号调理器 对信号进行斩波放大 调制解调 隔离及低通滤波 有效地抑制信号噪声及电源噪声 芯片工作温度范围 0 70 AC1226型微功耗热电偶温度补偿器 AC1226的引脚排列图 AC1226的内部电路框图 高性能 精密型 全隔离的弱信号 调理器模块 可广泛用于多通道热电偶测温系统 弱信号数据采集系统 工业测量及自动控制领域 采用了斩波放大 调制解调 有源滤波 信号隔离及电源隔离等先进技术 抑制各种噪声干扰的能力非常强 共模抑制比达160dB 适配AC1226构成隔离式热电偶冷端补偿及信号调理器 能在恶劣的工业环境下长期 可靠地工作 满足工业现场测试的需要 模块工作温度 20 85 1B51型隔离式热电偶信号调理器 1B51型隔离式热电偶信号调理器内部电路框图 毫伏计或数字电压表 热电偶冷端温度补偿及信号调理器电路框图 AC1226与1B51的典型接线 美国ADI公司生产把仪表放大器和热电偶冷端温度补偿器集成在一个芯片中 它们具有多种用途 除对不同类型的热电偶进行冷端温度补偿之外 还可作为线性放大器 摄氏温度传感器 温度控制器和故障报警器使用 工作温度 55 125 AD594 595 596 597型单片热电偶冷端温度补偿器 测温范围 0 300 5V单电源供电电路 AD594配J型热电偶测温范围 200 750 AD595配K型热电偶测温范围 200 1250 双电源供电电路 摄氏温度计电路 热电偶开路故障报警电路 配LED指示灯的故障报警电路 当T T1时 U0为低电平当T T1时 U0为高电平 恒温控制 温度控制电路 性能特点 适配Pt1000或Pt100型铂热电阻 采用普通的薄膜式铂热电阻测温范围为 50 500 若配高性能铂热电阻 测温上限可扩展到1000 测温误差仅为 1 采用4线制接法时 能消除由铂电阻引线而造成的测温误差 芯片中有两个低噪声电压放大器采用 5V单电源或 5V双电源供电 ADT70的工作温度范围 40 125 仪表放大器备用放大器 集成化ADT70型铂热电阻信号调理器 ADT70的内部电路框图及典型应用电路 Pt1000 采用4线制接法消除引线电阻的影响 Pt1000 单电源供电电路 ADT70在电阻应变仪中的应用 四 单片硅压力传感器及信号调理器的原理及应用 普通压阻式压力传感器 硅杯应变电阻桥路 集成硅压力传感器 ISP 传感器单元信号调理温度补偿压力修正 美国Motorola公司生产 适合测量管道中的绝对压力测量范围 MPX2100 MPX5100 0 100kPaMPX4100A 15 115kPa MPX5700 0 700kPa内部有压力信号调理器 薄膜温度补偿器和压力修正电路 温度补偿范围是 40 125 传感器的输出电压与被测绝对压力成正比 适配带A D转换器的微控制器 构成压力检测系统 还可构成LED条图显示压力计或压力调节系统 工作温度 40 125 MPX2100 4100A 5100 5700系列集成硅压力传感器 MPX4100A系列集成硅压力传感器 MPX4100A的内部电路框图 MPX4100A的内部结构 MPX4100A的典型应用电路 集成硅压力传感器 10段LED条图显示压力计 LED条图驱动器 压力调节系统框图 设定压力 调节蓄水池中的水量 ST3000系列智能压力传感器 1983年 美国Honeywell公司率先推出 它将差压 静压和温度的多参数传感与智能化的信号调理功能融为一体 彻底打破了传感器与变送器的界限 测量精度优于 0 1 量程比超过1 100 400 ST3000能与现场通信器 SFC 进行双向通信 通过SFC 带LCD显示器 来调节传感器参数 如重新设定量程 自动调零等 利用数字输出的双向通信还可以进行自诊断 通过现场通信器 SFC 与现场总线进行双向通信 特别适用于现场总线测控系统中 ST3000系列智能压力传感器原理框图 ST3000的输入电路 ST3000系列产品的外形 MAX1457型高精度集成压力信号调理器 美国MAXIM公司生产的高精度硅压阻式压力信号调理器芯片 信号调理精度 0 1 带ADC DAC 串行接口和多路信号输出 能对传感器进行最优化校准和补偿 是一种智能化程度较高 具有推广价值的模拟传感信号调理器 具有与SPI总线 MicroWire 微总线 兼容的串行接口 适配SPI接口的E2PROM 还可配单片机组成高精度压力检测系统 数字式高精度压力测试仪电路 E2PROM 数字电压表 多通道压力巡检仪电路框图 基于SPI总线的高精度压力测试系统电路 MAX1458型数字式压力信号调理器 中等精度 信号调理精度 1 内含E2PROM 能自成系统 几乎不用外围元件即可实现压阻式压力传感器的最优化校准与补偿 因此使用比MAX1547更简便 带配置寄存器和串行接口 微机系统可通过串行接口对MAX1458进行编程 把补偿系数存入E2PROM中内含热敏电阻 可做温度传感器使用 由MAX1458构成数字式压力测试仪的电路 带微机的压力测试系统电路 最近 美国Honeywell公司推出PPT PPTR PPTE系列可实现网络化的智能精密压力传感器 压敏电阻传感器A D转换器微处理器存储器 RAM E2PROM 接口电路 集于一身 五 网络化智能压力传感器的原理与应用 网络化智能压力传感器的