《精密测控与系统》讲稿之智能传感器.doc

内 蒙 古 工 业 大 学 课 程 讲 稿 用 纸讲 授 内 容教学设计备注智能式传感器0、传统的传感器技术不足传统的传感器技术已达到其技术极限。它的价格性能比不可能再有大的下降。它在以下几方面存在严重不足：因结构尺寸大， 而时间（频率）响应特性差；输入输出特性存在非线性， 且随时间而漂移；参数易受环境条件变化的影响而漂移；信噪比低，易受噪声干扰；存在交叉灵敏度，选择性、分辨率不高。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 超小型化，微功耗1、智能式传感器的概述 智能式传感器（Intelligent sensor或Smart sensor）自20世纪70年代初出现以来，随着微处理器技术的迅猛发展及测控系统自动化、智能化的发展，要求传感器准确度高、可靠性高、稳定性好， 而且具备一定的数据处理能力，并能够自检、自校、自补偿。传统的传感器已不能满足这样的要求。另外，为制造高性能的传感器， 光靠改进材料工艺也很困难，需要利用计算机技术与传感器技术相结合来弥补其性能的不足。计算机技术使传感器技术发生了巨大的变革，微处理器(或微计算机)和传感器相结合，产生了功能强大的智能式传感器。所谓智能式传感器，就是一种带有微处理机的，兼有信息检测、信号处理、信息记忆、逻辑思维与判断功能的传感器。 传感器与微处理机结合可以通过以下两个途径来实现：一是采用微处理机或微型计算机系统以强化和提高传统传感器的功能， 即传感器与微处理机可分为两个独立部分，传感器的输出信号经处理和转化后由接口送到微处理机部分进行运算处理。这就是我们指的一般意义上的智能传感器, 又称传感器的智能化。二是借助于半导体技术把传感器部分与信号预处理电路、输入输出接口、 微处理器等制作在同一块芯片上，即成为大规模集成电路智能传感器，简称集成智能传感器。集成智能传感器具有多功能、 一体化、精度高、适宜于大批量生产、体积小和便于使用等优点， 它是传感器发展的必然趋势，它的实现将取决于半导体集成化工艺水平的提高与发展。 就目前来看，已有少数以组合形式出现的智能传感器作为产品投入市场，如美国Honeywell公司推出的DSTJ-3000型硅压阻式智能传感器, Par Scientific 公司的1000系列数字式石英智能传感器。我国也着手智能传感器的开发与研究，主要是在现有使用的传感器中，采用先进的微处理机和微型计算机系统， 使之完成第一类途径的智能化。 智能传感器因其在功能、精度、可靠性上较普通传感器有很大提高，已经成为传感器研究开发的热点。近年来，随着传感器技术和微电子技术的发展，智能传感器技术也发展很快。 发展高性能的以硅材料为主的各种智能传感器已成为必然。 目前，关于智能传感器的中、英文称谓尚未完全统一。英国人将智能传感器称为“Intelligent Sensor”；美国人则习惯于把智能传感器称作“Smart Sensor”，直译就是“灵巧的、聪明的传感器”。智能传感器可广泛用于工业、农业、商业、交通、环境监测、医疗卫生、军事科研、航空航天、现代办公设备和家用电器等领域。 2、智能传感器的功能和构成 无论是传感器的智能化，还是集成智能化传感器，都是带有微机的兼具检测信息和处理信息功能的传感器，可统称为智能式传感器。 和传统的传感器相比， 智能化传感器具有以下功能： 自补偿和计算功能 为传感器的温度飘移和非线性补偿开辟了道路。 即使传感器的加工不太精密，只要保证其重复性好，通过此功能也可获得较精确的测量结果 可进行统计处理，能够重新标定某个敏感元件自诊断功能 对外部环境条件引起的工作不可靠或传感器内部故障造成的性能下降两方面均具自诊断功能。 直观、持续显示诊断结果和工作状态 提前报警，减少系统停机时间，提高生产效率复合敏感功能 能进行多传感器多参数混合测量，进一步拓展其检测与应用领域； 微处理器的介入，使其能更加方便地实时处理多种信号；强大的通讯接口功能 备有数字式通信接口，可直接与其所属PC进行通信联络和交换信息； 信息管理程序简便，可对探测系统进行远距离控制或在锁定方式下工作； 也可将所测数据发送给远程用户。掉电保护功能 由于微型机的RAM（随机存取存储器）的内部数据在掉电时会自动消失，给仪器的使用带来极大的不便 在智能传感器内装有备用电源，当系统掉电时，能自动把后备电源接入RAM，以保证数据不丢失数值处理功能 根据内部程序自动处理数据，例如进行统计处理，剔出异常数值等； 借助于一览表对非线性信号作线性化处理； 借助于软件滤波器对数字信号滤波等提供模拟和数字输出功能 能提供两个互不影响的输出通道，具有独立的组态设备点现场学习功能 嵌入智能和先进的编程特性结合 能为各种场合快速而方便地设置最佳灵敏度； 光电传感器能对被检测过程取样，计算出光信号阈值，自动编程最佳设置，能在工作过程中自动调整设置，以补偿环境条件的变化 可补偿部件老化造成的参数漂移，延长器件或装置的使用寿命和扩大其应用范围3、智能传感器实现的途径 非集成化实现 集成化实现芯片形式现代传感器技术，是指以硅材料为基础(因为硅既有优良的电性能，又有极好的机械性能)，采用微米(1 m1 mm)级的微机械加工技术和大规模集成电路工艺来实现各种仪表传感器系统的微米级尺寸化。国外也称它为专用集成微型传感技术(ASIM)。 由此制作的智能传感器的特点是：1. 微型化 微型压力传感器已经可以小到放在注射针头内送进血管测量血液流动情况，装在飞机或发动机叶片表面用以测量气体的流速和压力。 美国最近研究成功的微型加速度计可以使火箭或飞船的制导系统质量从几公斤下降至几克。 2. 结构一体化 压阻式压力(差)传感器是最早实现一体化结构的。传统的做法是先分别由宏观机械加工金属圆膜片与圆柱状环，然后把二者粘贴形成周边固支结构的“金属杯”，再在圆膜片上粘贴电阻变换器(应变片)而构成压力(差)传感器，这就不可避免地存在蠕变、迟滞、非线性特性。采用微机械加工和集成化工艺， 不仅“硅杯”一次整体成型，而且电阻变换器与硅杯是完全一体化的。进而可在硅杯非受力区制作调理电路、微处理器单元，甚至微执行器， 从而实现不同程度的， 乃至整个系统的一体化。 3. 精度高 比起分体结构，传感器结构本身一体化后，迟滞、重复性指标将大大改善， 时间漂移大大减小，精度提高。后续的信号调理电路与敏感元件一体化后可以大大减小由引线长度带来的寄生参量的影响，这对电容式传感器更有特别重要的意义。 4. 多功能 微米级敏感元件结构的实现特别有利于在同一硅片上制作不同功能的多个传感器，如，美国霍尼韦尔公司， 80 年代初期生产的ST-3000型智能压力(差)和温度变送器，就是在一块硅片上制作了感受压力、 压差及温度三个参量的，具有三种功能(可测压力、 压差、温度)的敏感元件结构的传感器。不仅增加了传感器的功能， 而且可以通过采用数据融合技术消除交叉灵敏度的影响， 提高传感器的稳定性与精度。 5. 阵列式 微米技术已经可以在一平方厘米大小的硅芯片上制作含有几千个压力传感器阵列，譬如，丰田中央研究所半导体研究室用微机械加工技术制作的集成化应变计式面阵触觉传感器，在8 mm8 mm的硅片上制作了1 024个(3232)敏感触点(桥)， 基片四周还制作了信号处理电路，其元件总数约16 000个。 敏感元件构成阵列后，配合相应图像处理软件，可以实现图形成像且构成多维图像传感器。这时的智能传感器就达到了它的最高级形式。6. 全数字化 通过微机械加工技术可以制作各种形式的微结构。 其固有谐振频率可以设计成某种物理参量(如温度或压力)的单值函数。因此可以通过检测其谐振频率来检测被测物理量。这是一种谐振式传感器， 直接输出数字量(频率)。 它的性能极为稳定、精度高、不需A/D转换器便能与微处理器方便地接口。免去A/D转换器，对于节省芯片面积、简化集成化工艺，均十分有利。7. 使用极其方便， 操作极其简单 它没有外部连接元件，外接连线数量极少，包括电源、通讯线可以少至四条，因此，接线极其简便。它还可以自动进行整体自校， 无需用户长时间地反复多环节调节与校验。“智能”含量越高的智能传感器， 它的操作使用越简便， 用户只需编制简单的使用主程序。这就如同“傻瓜”照相机的操作比不是“傻瓜”照相机的经典式照相机要简便得多一样的道理。 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： 多功能化与阵列化， 加上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。数据处理算法 在智能式传感器中，软件的最主要功能是完成数据处理任务。数据的涵义是十分广泛的，智能式传感器的数据主要是指输人非电量。输出电量、误差量、特征表格等。（1） 检索与分类 在智能式传感器设计中，为了提高传感器的精度，常常需要将传感器在部分或全部量程范围内的输人、输出数据以表格的形式储存在ROM或EPROM中，这时就需要查表算法。检索与分类就是实现查表的算法。 所谓检索就是查明某一给定数据（常称为关键字）是否存在于表格之中，若存在，则进一步查明其具体位置。线性检索是一种最基本、最简单的检索方法，它是从表格的第一个单元开始，逐个取出表格存储单元的内容与关键字相比较，直到找到两者相同为止；或者当表格中不存在该关键字时，则一直查找到表格的末端才结束。（2） 非线性特性的校正 许多传感器的输出信号与被测参数间存在明显的非线性，为提高智能式传感器的测量精度，必须对非线性特性进行校正，使之线性化。线性化的关键是找出校正函数，但有时校正函数很难求得，这时可用多项式函数进行拟合或分段线性化处理。 校正函数 假设传感器的输出为y，输入为x，yf（x）存在非线性，现计算下列函数使R与x之间保持线性关系，函数g（y）便是校正函数。 例如，半导体二极管检波器的输出电压与被测输人电压成指数关系 式中a为常数。为了得到线性结果，微处理器必须对数字化后的输出电压进行一次对数运算：，使R与间存在线性关系。曲线拟合法校正曲线拟合的理论表明：某些自变量x与因变量y之间的单值非线性关系，可以用自变量x的高次多项式来逼近，即 其中a0，a1，a2，an是待求的拟合系数。通常用最小二乘法来求以上系数，也就是使残差平方和为最小值，其中i为第i个实际数据与拟合曲线上相应值之间的残差，由此可得出曲线拟合的经验公式： 分段线性化与线性插值对于一个已知函数yf（x）的曲线，可按一定的要求将它分成若干小段，每个分段曲线用其端点连成的直线段来代替，这样就可在分段范围内用直线方程来代替曲线，从而简化计算。对每一个分段，如（xi，xi1），直线与实际曲线上的点只是在两个端点上是重合的；对于xi1xxi的一切点，它们的值都不是曲线上的真实值，而是根据下面的直线方程计算得到的，所以称这种方法为线性插值。 或简化为 其中ki（yi1yi）/（xi1xi）为第i段直线的斜率；（x0，y0），（x1，y1），（xn，yn）为曲线上各分段点的自变量和函数值。 由式（126）可知，ki，xi，yi都是按函数特性预先确定的值，可作为已知常数存于微处理器的指定存储区。若要计算与某一输人X相对应的y值，须首先按工值检索其所属的区段，从常数表查得该区段的三个常数ki，xi，yi，从而可计算得式（126）所对应的输出y。 该方法是查表与计算的有效结合。这里，分段点的选取是一个重要问题；分段数越多，则逼近精度越高，但同时所占计算机内存单元也越多，此外，还会大大增加在分段常数准备及存储方面的工作量。因此，应该根据传感器的精度要求合理地选取分段点。一般来说，分段可以是不等距的，曲率半径小的段落分段可密一些，曲率半径大的段落分段可稀疏一些。（3） 误差的自动校准及自诊断 借助微处理器的计算能力，可自动校准由零点电压偏移和漂移、各种电路的增益误差及器件参数的不稳定等引起的误差从而提高传感器的精度，简化硬件并降低对精密元件的要求。自动校准的基本思想是仪器在开机后或每隔一定时间自动测量基准参数，如数字电压表中的基准电压或地电位等，然后计算误差模型，获得并存储误差因子。在正式测量时，根据测量结果和误差因子，计算校准方程，从而消除误差。 自诊断程序步骤一般可以有两种：一种是设立独立的“自检”功能，在操作人员按下“自检”按键时，系统将按照事先设计的程序，完成一个循环的自检，并从显示器上观察自检结果是否正确；另一种可以在每次测量之前插入一段自检程序，若程序不能往下执行而停在自检阶段，则说明系统有故障。（4）数字滤波 所谓数字滤波，就是通过一定的计算程序降低干扰在有用信号中的比重。与模拟滤波器相比，数字滤波的优点在于：通过改变程序，就可方便灵活地调整参数；可以对极低频率的信号（如0.01Hz）实现滤波；不需要增加硬件设备，各通道可选用同一数字滤波程序。对于简单的数字滤波器设计可采用基于算术平均值法的平滑滤波器和一阶数字滤波器等；对于比较复杂的滤波器可采用模拟化设计方法。 模拟化设计法以模拟滤波器理论为基础。从模拟滤波器理论知道，无论是低通滤波器还是高通滤波器，都可以分为几种不同类型，如巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、贝塞尔滤波器等。同样都是低通滤波器，巴特沃斯低通滤波器的通带特性最平、切比雪夫低通滤波器高频段衰减最快、贝塞尔低通滤波器则具有线性相移特性。滤波器类型不同，要求的传递函数的系数也不相同 根据模拟化设计法，数字滤波器的设计步骤如下 根据要求的滤波器性质（低通、高通、带通等），决定滤波器的传递函数形式。 根据要求的滤波器特性（通带特性。截止频率、通带外的衰减速度、相移特性等），选取滤波器类型、阶次并决定相应的传递函数的系数。 将所得到的滤波器的模拟传递函数离散化，得到相应的差分方程。 根据差分方程编写数字滤波程序。多功能式湿度温度露点智能传感器系统传感器型号：SHT11/15生产厂家：瑞士Sensirion公司功能：同时测量相对湿度、温度和露点等参数；兼有数字湿度计、温度计和露点计这3种仪表的功能应用领域：可广泛用于工农业生产、环境监