传感器11章智能

1、 传统的传感器技术已达到其技术极限。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。它的价格性能比不可能再有大的下降。 它它在以下几方面存在严重不足：在以下几方面存在严重不足：因结构尺寸大，因结构尺寸大， 而时间而时间(频率频率)响应特性差；响应特性差；输入输入输出特性存在非线性，输出特性存在非线性， 且随时间而漂移；且随时间而漂移；参数易受环境条件变化的影响而漂移；参数易受环境条件变化的影响而漂移；信噪比低，信噪比低， 易受噪声干扰；易受噪声干扰；存在交叉灵敏度，存在交叉灵敏度， 选择性、选择性、 分辨率不高。分辨率不高。 现场总线是连接测控系统中各智能装置现场总线是连

2、接测控系统中各智能装置(包括智能传感器包括智能传感器)的双向数字通信网络。其的双向数字通信网络。其主要特点是：主要特点是： 1. 传输数字信号传输数字信号 用数字信号取代原来的用数字信号取代原来的 420 mA标准模拟信号，标准模拟信号， 进而提高可靠性和抗干扰能力。进而提高可靠性和抗干扰能力。这就要求传感器由可输出这就要求传感器由可输出 420 mA标准信号的变送器改变为带数字总线接口并输出标准信号的变送器改变为带数字总线接口并输出数字信号。所有现场传感器，数字信号。所有现场传感器， 通过数字总线接口都方便地挂接在一条环形现场总线上。通过数字总线接口都方便地挂接在一条环形现场总线上。这样可以

3、大大削减现场与控制室这样可以大大削减现场与控制室(高高/上位计算机上位计算机)之间一对一的连接导线，之间一对一的连接导线， 节约初期安节约初期安装费用，大大简化整个系统的布线和设计。这种节约对一个大型、装费用，大大简化整个系统的布线和设计。这种节约对一个大型、 多点测量系统是很多点测量系统是很有意义的，有意义的， 譬如：譬如：一个电站一个电站 需要需要5 000 台传感器及其仪表；台传感器及其仪表；一个钢铁厂一个钢铁厂需要需要2 万台传感器及其仪表；万台传感器及其仪表；大型石油化工厂大型石油化工厂 需要需要6 000 台传感器及其仪表；台传感器及其仪表；大型发电机组大型发电机组 需要需要3 0

4、00 台传感器及其仪表；台传感器及其仪表；一部汽车一部汽车需要需要30 至至 100 台传感器；台传感器；一架飞机一架飞机需要需要3 600 台传感器；台传感器；例如：现场控制级例如：现场控制级 由由PLCPLC及数采模块构成及数采模块构成* * 巡回监测工艺过程参数及电气参数巡回监测工艺过程参数及电气参数* * 对本地生产过程进行自动控制对本地生产过程进行自动控制* * 与上位机交换数据信息与上位机交换数据信息 集中管理级集中管理级 由工控机构成由工控机构成* 对对PLC及数采模块送来的工艺过程数据进及数采模块送来的工艺过程数据进行分析处理、贮存、建立数据库行分析处理、贮存、建立数据库* 向

5、向PLC发布指令，实时遥控调节设备运行发布指令，实时遥控调节设备运行* 多幅工艺流程画面，并实时显示巡检参数多幅工艺流程画面，并实时显示巡检参数* 再线故障诊断、并发出声光报警再线故障诊断、并发出声光报警* 打印报表打印报表* 历史及实时趋势显示历史及实时趋势显示* 模拟棒图显示模拟棒图显示 例如为使发动机处于最佳工作状态，就需要从吸入汽缸的空气流量、进气压力的例如为使发动机处于最佳工作状态，就需要从吸入汽缸的空气流量、进气压力的测定开始，再根据水温、空气温度等工作环境参数计算出基本喷油量，同时还要通测定开始，再根据水温、空气温度等工作环境参数计算出基本喷油量，同时还要通过节气门位置传感器检测

6、节气门的开度，确定发动机的工况，进而控制，调整最佳过节气门位置传感器检测节气门的开度，确定发动机的工况，进而控制，调整最佳喷油量，最后还需要通过曲轴的角速度传感器监测曲轴转角和发动机转速，最终计喷油量，最后还需要通过曲轴的角速度传感器监测曲轴转角和发动机转速，最终计算出并发出最佳点火时机的指令。这个发动机燃油喷射系统和点火综合控制系统还算出并发出最佳点火时机的指令。这个发动机燃油喷射系统和点火综合控制系统还可以与废气排放的监控系统和起动系统等组合，构筑成可使汽车发动机功率和扭矩可以与废气排放的监控系统和起动系统等组合，构筑成可使汽车发动机功率和扭矩最大化，而同时燃油消耗和废气排放最低化的智能系

7、统。最大化，而同时燃油消耗和废气排放最低化的智能系统。 出于平稳、安全驾驶的需要，仅只针对四个轮子的操控上，除了应用大量压力传出于平稳、安全驾驶的需要，仅只针对四个轮子的操控上，除了应用大量压力传感器并普遍安装了刹车防抱死装置感器并普遍安装了刹车防抱死装置(ABS)(ABS)外，许多轿车，包括国产车，已增设了电子外，许多轿车，包括国产车，已增设了电子动力分配系统动力分配系统(EBD)(EBD)，ABS+EBDABS+EBD可以最大限度的保障雨雪天气驾驶时的稳定性。现在，可以最大限度的保障雨雪天气驾驶时的稳定性。现在，国内外的一些汽车进一步加装了紧急刹车辅助系统国内外的一些汽车进一步加装了紧急刹

8、车辅助系统(EBA)(EBA)，该系统在发生紧急情况时，该系统在发生紧急情况时，自动检测驾驶者踩制动踏板时的速度和力度，并判断紧急制动的力度是否足够，如自动检测驾驶者踩制动踏板时的速度和力度，并判断紧急制动的力度是否足够，如果需要，就会自动增大制动力。果需要，就会自动增大制动力。EBA EBA 的自控动作必须在极短时间的自控动作必须在极短时间( (例如百万分之一秒例如百万分之一秒级级) )内完成。这个系统能使内完成。这个系统能使200km/h200km/h高速行驶车辆的制动滑行距离缩短极其宝贵的高速行驶车辆的制动滑行距离缩短极其宝贵的2020多米。针对车轮的还有分别监测各个车轮相对于车速的转速

9、，进而为每个车轮平衡多米。针对车轮的还有分别监测各个车轮相对于车速的转速，进而为每个车轮平衡分配动力，保证在恶劣路面条件下各轮间具有良好的均衡抓地能力的分配动力，保证在恶劣路面条件下各轮间具有良好的均衡抓地能力的“电子牵引力电子牵引力控制控制”(ETC)(ETC)系统等。系统等。 2. 标准化标准化 总线采用统一标准，使系统具有开放性。不同厂家的产品，总线采用统一标准，使系统具有开放性。不同厂家的产品， 在硬件、软件、通信在硬件、软件、通信规程、连接方式等方面互相兼容、规程、连接方式等方面互相兼容、 互换联用，既方便用户使用，又易于安装维修。互换联用，既方便用户使用，又易于安装维修。不少大公司

10、都推出了自己的现场总线标准。国际化的统一标准的工作正在加紧进行不少大公司都推出了自己的现场总线标准。国际化的统一标准的工作正在加紧进行中。中。 性能特点性能特点1. 提高、稳定产品质量，降低原料消耗；提高、稳定产品质量，降低原料消耗；2. 采用高级智能控制算法，提高控制水采用高级智能控制算法，提高控制水平；平；3. 减少人工参与，实现无污染生产，减减少人工参与，实现无污染生产，减少质量风险；少质量风险；4. 替代人工，降低生产成本；替代人工，降低生产成本；5. 测、管、控一体化，满足信息化需求，测、管、控一体化，满足信息化需求，提高企业管理水平与竞争力。提高企业管理水平与竞争力。 功能介绍功能

11、介绍系统分脱胶、脱色、脱腊、脱臭等工序系统分脱胶、脱色、脱腊、脱臭等工序，各工序采用智能化仪表及电子自动化，各工序采用智能化仪表及电子自动化设备来严格保证工艺流程中的温度、压设备来严格保证工艺流程中的温度、压力、流量等技术要求。采用进口上位机力、流量等技术要求。采用进口上位机组态软件（组态软件（ifx，wincc等）设计、组态，等）设计、组态，应用方便、灵活、运行稳定、可靠，实应用方便、灵活、运行稳定、可靠，实现了全自动化控制，减少了人工成本，现了全自动化控制，减少了人工成本，提高了粮油产量。提高了粮油产量。 11.2 智能传感器的功能与特点智能传感器的功能与特点 11.2.1 智能传感器的功

12、能智能传感器的功能 概括而言，概括而言， 智能传感器的主要功能是：智能传感器的主要功能是：(1) 具有自校零、具有自校零、 自标定、自标定、 自校正功能；自校正功能；(2) 具具有自动补偿功能；有自动补偿功能；(3) 能够自动采集数据，能够自动采集数据， 并对数据进行预处理；并对数据进行预处理；(4) 能够自动进行检验、能够自动进行检验、 自自选量程、选量程、 自寻故障；自寻故障；(5) 具有数据存储、记忆与信息处理功能；具有数据存储、记忆与信息处理功能；(6) 具有双向通讯、标准化数具有双向通讯、标准化数字输出或者符号输出功能；字输出或者符号输出功能；(7) 具有判断、决策处理功能。具有判断

13、、决策处理功能。 11.2.2 智能传感器的特点智能传感器的特点 与传统传感器相比，与传统传感器相比， 智能传感器的特点是：智能传感器的特点是：1. 精度高精度高 2. 高可靠性与高稳定性高可靠性与高稳定性 3. 高信噪比与高的分辨力高信噪比与高的分辨力 4. 强的自适应性强的自适应性 5. 低的价格性能比低的价格性能比 3. 智能化智能化 采用智能与控制职能分散下放到现场装置的原则，现场总线网络的每一节点处安装采用智能与控制职能分散下放到现场装置的原则，现场总线网络的每一节点处安装的现场仪表应是的现场仪表应是“智能智能”型的，即安装的传感器应是型的，即安装的传感器应是“智能传感器智能传感器”

14、。在这种控制。在这种控制系统中，智能型现场装置是整个控制管理系统的主体。这种基于现场总线的控制系系统中，智能型现场装置是整个控制管理系统的主体。这种基于现场总线的控制系统，统， 要求必须使用智能传感器，要求必须使用智能传感器， 而不是一般传统的传感器。而不是一般传统的传感器。 智能传感器代表了传感器的发展方向，这种智能传感器带有标准数字总线接口，能智能传感器代表了传感器的发展方向，这种智能传感器带有标准数字总线接口，能够自己管理自己。它将所检测到的信号经过变换处理后，以数字量形式通过现场总够自己管理自己。它将所检测到的信号经过变换处理后，以数字量形式通过现场总线与高线与高/上位计算机进行信息通

15、信与传递。上位计算机进行信息通信与传递。 智能传感器系统是一门现代综合技术，是当今世界正在迅速发展的高新技术，至智能传感器系统是一门现代综合技术，是当今世界正在迅速发展的高新技术，至今还没有形成规范化的定义。今还没有形成规范化的定义。早期，人们简单、早期，人们简单、 机械地强调在工艺上将传感器与微机械地强调在工艺上将传感器与微处理器两者紧密结合，处理器两者紧密结合， 认为认为“传感器的敏感元件及其信号调理电路与微处理器集成传感器的敏感元件及其信号调理电路与微处理器集成在一块芯片上就是智能传感器在一块芯片上就是智能传感器”。 关于智能传感器的中、英文称谓，目前也尚未统一。关于智能传感器的中、英文

16、称谓，目前也尚未统一。John Brignell和和Nell White认认为为“Intelligent Sensor”是英国人对智能传感器的称谓，是英国人对智能传感器的称谓， 而而“Smart Sensor” 是美国人是美国人对智能传感器的俗称。对智能传感器的俗称。 而而Johan H.Huijsing在在“Integrated Smart Sensor”一文中按集一文中按集成化程度的不同，分别称为成化程度的不同，分别称为“Smart Sensor”、 “Integrated Smart Sensor”。 对对“Smart Sensor”的中文译名有译为的中文译名有译为“灵巧传感器灵巧传感器

17、”的，的， 也有译为也有译为“智能传感器智能传感器”的。的。智能传感器系统智能传感器系统书上的定义：书上的定义： “传感器与微处理器赋予智能的结合，兼有信息传感器与微处理器赋予智能的结合，兼有信息检测与信息处理功能的传感器就是智能传感器检测与信息处理功能的传感器就是智能传感器(系统系统)”；模糊传感器也是一种智；模糊传感器也是一种智能传感器能传感器(系统系统)，将传感器与微处理器集成在一块芯片上是构成智能传感器，将传感器与微处理器集成在一块芯片上是构成智能传感器(系系统统)的一种方式。（的一种方式。（智能传感器系统智能传感器系统，刘君华，西安电子科技大学出版社），刘君华，西安电子科技大学出版社

18、）现代新型传感器原理与应用现代新型传感器原理与应用书上的定义：所渭智能式传感器就是一种带行微处书上的定义：所渭智能式传感器就是一种带行微处理机的，兼有信息检测、信息处理、信息记忆、逻辑思维与判断功能的传感器。理机的，兼有信息检测、信息处理、信息记忆、逻辑思维与判断功能的传感器。（ 现代新型传感器原理与应用现代新型传感器原理与应用 ，刘迎春，叶湘滨等，国防工业出版社，刘迎春，叶湘滨等，国防工业出版社，2000.5）11.4.1 非集成化实现非集成化实现 非集成式智能传感器框图非集成式智能传感器框图 11.4.2 集成化实现集成化实现 集成智能传感器外形示意图集成智能传感器外形示意图 现代传感器技

19、术，是指以硅材料为基础现代传感器技术，是指以硅材料为基础(因为硅既有优良的电性能，又有极好的机因为硅既有优良的电性能，又有极好的机械性能械性能)，采用微米，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：由此制作的智能传感器的特点是： 1. 微型化微型化 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，装在飞微型压力传感器已经可以小到放

20、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。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。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. 结构一体化结构一体化 压阻式压力压阻式压力(差差)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“金属杯金属杯”

21、，再在，再在圆膜片上粘贴电阻变换器圆膜片上粘贴电阻变换器(应变片应变片)而构成压力而构成压力(差差)传感器，这就不可避免地存在蠕变、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，迟滞、非线性特性。采用微机械加工和集成化工艺， 不仅不仅“硅杯硅杯”一次整体成型，而一次整体成型，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，器单元，甚至微执行器， 从而实现不同程度的，从而实现不同程度的， 乃至整个系统的一体化。乃至整个系统的一体化。 3. 精

22、度高精度高 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，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。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。 5. 阵列式阵列式 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，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，

23、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，在触觉传感器，在8 mm8 mm的硅片上制作了的硅片上制作了1 024个个(3232)敏感触点敏感触点(桥桥)， 基片四基片四周还制作了信号处理电路，其元件总数约周还制作了信号处理电路，其元件总数约16 000个。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。传感器。这时的智能传感器就达到了

24、它的最高级形式。 4. 多功能多功能 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，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，如，美国霍尼韦尔公司， 80 年代初期生产的年代初期生产的ST-3000型智能压力型智能压力(差差)和温度变送器，和温度变送器，就是在一块硅片上制作了感受压力、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，具有三种功能压差及温度三个参量的，具有三种功能(可测压可测压力、力、 压差、温度压差、温度)的敏感元件结构的传感器。不仅增加了传感器的功能，的敏感元件结构的传感器。不仅增加了传感器

25、的功能， 而且可以通而且可以通过采用数据融合技术消除交叉灵敏度的影响，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。提高传感器的稳定性与精度。 6. 全数字化全数字化 通过微机械加工技术可以制作各种形式的微结构。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其固有谐振频率可以设计成某种物理参量物理参量(如温度或压力如温度或压力)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，量。这是一种谐振式传感器， 直接输出数字量直接输出数字量(频率频率)。 它的性能极为稳定、

26、精度高、它的性能极为稳定、精度高、不需不需A/D转换器便能与微处理器方便地接口。免去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、转换器，对于节省芯片面积、简化集成化工艺，均十分有利。简化集成化工艺，均十分有利。 7. 使用极其方便，使用极其方便， 操作极其简单操作极其简单8. 混合实现混合实现 根据需要与可能，将系根据需要与可能，将系统各个集成化环节，如：统各个集成化环节，如：敏感单元、敏感单元、 信号调理电路、信号调理电路、微处理器单元、数字总线微处理器单元、数字总线接口，以不同的组合方式接口，以不同的组合方式集成在两块或三块芯片上，集成在两块或三块芯片上，并装在一个

27、外壳里。如图并装在一个外壳里。如图1-6中所示的几种方式。中所示的几种方式。 集成化敏感单元包括集成化敏感单元包括(对对结构型传感器结构型传感器)弹性敏感元弹性敏感元件及变换器。件及变换器。 信号调理电路包括多路信号调理电路包括多路开关、开关、 仪用放大器、仪用放大器、 基准、基准、 模模/数转换器数转换器(ADC)等。等。 微处理器单元包括数字微处理器单元包括数字存储器存储器(EPROM、ROM、RAM)、 I/O接口、微处理接口、微处理器、数器、数/模转换器模转换器(DAC)等等)。11.4.4 集成化智能传感器的几种形式集成化智能传感器的几种形式 1. 初级形式初级形式 初级形式就是组成

28、环节中没有微处理器单元，只有敏感单元与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(智能智能)信号调理电路，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，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， 也是最广泛也是最广泛使用的形式，使用的形式， 也被称为也被称为“初级智能传感器初级智能传感器”(Smart Sensor)。 从功能来讲，从功能来讲， 它只具有它只具有比较简单的自动校零、非线性的自动校正、温度自动补偿功能。这些简单的智能化功比较简单的自动校零、非线性的自动校正、温度自动补偿功能。这些简单的智能化功能是由硬件电路来实现的

29、。故通常称该种硬件电路为智能调理电路。能是由硬件电路来实现的。故通常称该种硬件电路为智能调理电路。 2. 中级形式中级形式/自立形式自立形式 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，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全部封装在一个外壳里的形式。它具有即一个完整的传感器系统全部封装在一个外壳里的形式。它具有9.2.1节所列完善的智能节所列完善的智能化功能，这些智能化功能主要是由强大的软件来实现的。化功能，这些智能化功能主要是由强大的软件来实现的。 3. 高级形式高级形式 高级形式是集成度进一步提高，敏感单

30、元实现多维阵列化时，同时配备了更强大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。这时的传感器系统不仅具的信息处理软件，从而具有更高级的智能化功能的形式。这时的传感器系统不仅具有有9.2.1节所述的完善的智能化功能，而且还具有更高级的传感器阵列信息融合功能，节所述的完善的智能化功能，而且还具有更高级的传感器阵列信息融合功能， 或具有成像与图像处理等功能。或具有成像与图像处理等功能。 对于集成化智能传感器系统而言，集成化程度越高，其智能化程度也就越可能达对于集成化智能传感器系统而言，集成化程度越高，其智能化程度也就越可能达

31、到更高的水平。到更高的水平。 光纤光栅传感的工作原理是直接或间接光纤光栅传感的工作原理是直接或间接借助某种装置将被测量的变化转化为光纤借助某种装置将被测量的变化转化为光纤光栅上的应变或温度变化，建立并标定光光栅上的应变或温度变化，建立并标定光纤光栅中心波长的变化与被测量的关系，纤光栅中心波长的变化与被测量的关系，由光纤布拉格中心波长的变化获得被测量。由光纤布拉格中心波长的变化获得被测量。 SG FBG-IT-01型光纤光栅温度传感器型光纤光栅温度传感器提高了温度灵敏度，且具有不受电磁干扰、提高了温度灵敏度，且具有不受电磁干扰、精度高、重复性好、分布式测量、长期稳精度高、重复性好、分布式测量、长

32、期稳定性好、绝对测量等优点，特别适于不宜定性好、绝对测量等优点，特别适于不宜采用电学量温度传感器的温度场，可用于采用电学量温度传感器的温度场，可用于电站、输电线、埋地管线、土木结构施工电站、输电线、埋地管线、土木结构施工监测、竣工试验和运营监测等的温度监测。监测、竣工试验和运营监测等的温度监测。同时，它还可以用作光纤光栅应变敏感元同时，它还可以用作光纤光栅应变敏感元件的温度补偿器件。件的温度补偿器件。量量 程程8080150150精精 度度 0.08 0.08 0.1 0.1 (解调仪决定）分辨率解调仪决定）分辨率0.04 ( 0.04 ( 解调解调仪决定）耐久性大于仪决定）耐久性大于2020

33、年年 JCJ900B 纺机专用智能湿度监控系统纺机专用智能湿度监控系统 本系统为九纯健科技根据纺织、印染行业在布料加工工艺过程中，对温湿度有特殊要求这一需求，本系统为九纯健科技根据纺织、印染行业在布料加工工艺过程中，对温湿度有特殊要求这一需求，组织对纺织、印染工艺方面经验丰富的工程师经过大量的现场试验，而开发的纺机专用湿度自动组织对纺织、印染工艺方面经验丰富的工程师经过大量的现场试验，而开发的纺机专用湿度自动控制系统。该系统已在纺织机械的纱锭烘干，印染后整理过程中的燥洗、高温烘干定型等工艺过控制系统。该系统已在纺织机械的纱锭烘干，印染后整理过程中的燥洗、高温烘干定型等工艺过程中成功应用。系统对

34、湿度测量传感器、智能监控调节仪表等系统部件都采取了特殊的措施，使程中成功应用。系统对湿度测量传感器、智能监控调节仪表等系统部件都采取了特殊的措施，使之能稳定运行于纺织、印染行业高温、高湿、高电磁干扰、高静电干扰等的特殊环境中。之能稳定运行于纺织、印染行业高温、高湿、高电磁干扰、高静电干扰等的特殊环境中。应用场应用场合：合：纺织、印染行业在布料加工工艺过程中；纺织、印染行业在布料加工工艺过程中；系统性能参数：系统性能参数：供电电压：交流供电电压：交流220V;系统功耗：系统功耗：10W;负载驱动能力：负载驱动能力：0.75KW-20KW交流负载交流负载;湿度测量准确度：湿度测量准确度：3%RH;

35、湿度测量范围：湿度测量范围：10-99.9%RH;系统分辨系统分辨率：率：0.1%RH;湿度控制波动度：湿度控制波动度：2%RH;被测气体温度范围：被测气体温度范围：600;系统工作环境温度：系统工作环境温度：-40-70;系统工作系统工作环境湿度：环境湿度：10-90%RH 生物传感器研究和开发的目的是向社会提供采用生物传感器原理的新仪器和分析控生物传感器研究和开发的目的是向社会提供采用生物传感器原理的新仪器和分析控制方法，它们可以广泛地应用于临床诊断和监护、食品分析、工业控制和环境状态的制方法，它们可以广泛地应用于临床诊断和监护、食品分析、工业控制和环境状态的监测。监测。 11.5 11.

36、5 生物传感器生物传感器 生物的基本特征之一，是能够对外界的各种刺激作出反应。其所以能够如此，首先是由于生生物的基本特征之一，是能够对外界的各种刺激作出反应。其所以能够如此，首先是由于生物能感受外界的各类刺激信号，并将这些信号转换成体内信息处理系统所能接收并处理的信号。物能感受外界的各类刺激信号，并将这些信号转换成体内信息处理系统所能接收并处理的信号。例如，人能通过眼、耳、鼻、舌、身等感觉器官将外界的光、声温度及其它各种化学和物理信例如，人能通过眼、耳、鼻、舌、身等感觉器官将外界的光、声温度及其它各种化学和物理信号转换成人体内神经系统等信息处理系统能够接收和处理的信号。现代和未来的信息社会中，

37、号转换成人体内神经系统等信息处理系统能够接收和处理的信号。现代和未来的信息社会中，信息处理系统要对自然和社会的各种变化作出反应，首先需要通过传感器将外界的各种信息接信息处理系统要对自然和社会的各种变化作出反应，首先需要通过传感器将外界的各种信息接下来并转换成信息系统中的信息处理单元（即计算机）能够接收和处理的信号。下来并转换成信息系统中的信息处理单元（即计算机）能够接收和处理的信号。 生物传感器是近几十年内发展起来的一种生物传感器是近几十年内发展起来的一种新的传感器技术。有人把新的传感器技术。有人把21世纪称为生命科世纪称为生命科学的世纪，也有人把学的世纪，也有人把21世纪称为信息科学的世纪称

38、为信息科学的世纪。生物传感器正是在生命科学和信息科世纪。生物传感器正是在生命科学和信息科学之间发展起来的一个交叉学科。学之间发展起来的一个交叉学科。 生物传感器可以依照其感受器中所采用的生物传感器可以依照其感受器中所采用的生命物质而称为组织传感器、细胞传感器、生命物质而称为组织传感器、细胞传感器、酶传感器等等，也可根据所监测的物理量、酶传感器等等，也可根据所监测的物理量、化学量或生物量而命名为热传感器、光传感化学量或生物量而命名为热传感器、光传感器、胰岛素传感器等，还可根据其用途统称器、胰岛素传感器等，还可根据其用途统称为免疫传感器、药物传感器等等。为免疫传感器、药物传感器等等。 谷氨酸传感器

39、的研制成功并进入实用是国际首创，由于我国是世界上的味精大国，谷氨酸传感器的研制成功并进入实用是国际首创，由于我国是世界上的味精大国，味精产量居世界第一，因此味精产量居世界第一，因此40型仪器的问世很快得到工厂用户的关注。它与葡萄糖、型仪器的问世很快得到工厂用户的关注。它与葡萄糖、乳酸传感器一起成龙配套地监测控制发酵罐内的物质成分的变化（每年在我们向全国乳酸传感器一起成龙配套地监测控制发酵罐内的物质成分的变化（每年在我们向全国有关单位提供固定化酶膜共有关单位提供固定化酶膜共1500个，实现分析个，实现分析150万次万次/年），至今国际上还没有大规年），至今国际上还没有大规模应用生物传感器于工业测

40、量实例的报道，它为味精行业提供了精确的生化成份检测模应用生物传感器于工业测量实例的报道，它为味精行业提供了精确的生化成份检测和控制手段。由于工业生产是一种连续不可间断的生产过程，要求生物传感器产品能和控制手段。由于工业生产是一种连续不可间断的生产过程，要求生物传感器产品能耐受各种温度变化、连续、电压波动等比较粗放的环境条件，耐受各种温度变化、连续、电压波动等比较粗放的环境条件，SBA生物传感器几经改生物传感器几经改造，在技术上已经基本适应这一条件，经过造，在技术上已经基本适应这一条件，经过7年多在几家大型味精企业集团使用的考验，年多在几家大型味精企业集团使用的考验，已证明已证明SBA-生物传感

41、器能够连续不停地生物传感器能够连续不停地24小时长期运转。小时长期运转。 SBA-40型谷氨酸葡萄糖双功能分析仪型谷氨酸葡萄糖双功能分析仪 60型分析仪是一种以生物传感器为关键器件的大型仪器设备，它采用自动化的机械型分析仪是一种以生物传感器为关键器件的大型仪器设备，它采用自动化的机械臂实现自动取样、稀释等操作，用生物传感器实现生物反应器样品的自动检测，它臂实现自动取样、稀释等操作，用生物传感器实现生物反应器样品的自动检测，它集发酵罐常规控制和物料控制于一体，具有其它系统无法比拟的优点：由生物传感集发酵罐常规控制和物料控制于一体，具有其它系统无法比拟的优点：由生物传感器检测相应的生化物质及其变化

42、，还能测定反映菌体的生长情况光密度和温度、器检测相应的生化物质及其变化，还能测定反映菌体的生长情况光密度和温度、pH、搅拌、消泡电阻等常规发酵指标。系统可与计算机相连接，自动记录发酵过程中各搅拌、消泡电阻等常规发酵指标。系统可与计算机相连接，自动记录发酵过程中各项指标的变化过程，在计算机平台上完成关键参数的发酵过程直观图像，供技术人项指标的变化过程，在计算机平台上完成关键参数的发酵过程直观图像，供技术人员分析各因素对发酵过程的影响，探索最佳发酵条件。也可脱离计算机独立工作，员分析各因素对发酵过程的影响，探索最佳发酵条件。也可脱离计算机独立工作，发现发酵异常时，可随时与计算机联机，取出保存数据进

43、行分析研究。系统用于提发现发酵异常时，可随时与计算机联机，取出保存数据进行分析研究。系统用于提升发酵和其它生物技术行业的生产模拟研究活动及生产过程监控，改变目前人工采升发酵和其它生物技术行业的生产模拟研究活动及生产过程监控，改变目前人工采样的状况，逐步过渡到自动控制，将对传统生物技术的改造发挥重要的作用。样的状况，逐步过渡到自动控制，将对传统生物技术的改造发挥重要的作用。 S B A - 60型生物传感在线分析系统型生物传感在线分析系统 德国研发的环境废水德国研发的环境废水BODBOD分析仪分析仪手掌型葡萄糖手掌型葡萄糖(glucose)(glucose)分析仪分析仪第第12章章 信号处理及抗

44、干扰技术信号处理及抗干扰技术 一般测量系统通常由传感器、测量电路（信号转换与信号处理电路）以一般测量系统通常由传感器、测量电路（信号转换与信号处理电路）以及显示记录部分组成。对于被测非电量变换为电路参数（及显示记录部分组成。对于被测非电量变换为电路参数（R、L、C、M）的无源型传感器（如电阻式、电感式、电容式、电涡流式等），因为传感器的无源型传感器（如电阻式、电感式、电容式、电涡流式等），因为传感器的输出是电路参数的变化，因此，需要对他们先进行激励，通过不同的转换的输出是电路参数的变化，因此，需要对他们先进行激励，通过不同的转换电路把电路参数转换成电流或电压信号，然后再经过放大输出；而对于直接

45、电路把电路参数转换成电流或电压信号，然后再经过放大输出；而对于直接把非电量变换为电学量（电流或电动热）的有源型传感器（如电压式、磁电把非电量变换为电学量（电流或电动热）的有源型传感器（如电压式、磁电式、热电式等），虽然他们输出的是电量，但仍然需要进行放大或特殊处理。式、热电式等），虽然他们输出的是电量，但仍然需要进行放大或特殊处理。因此，一个非电量检测装置（或系统）中，必须具有对电信号进行转换和处因此，一个非电量检测装置（或系统）中，必须具有对电信号进行转换和处理的电路。转换和处理电路的任务比较复杂。除了微弱信号放大、滤波外，理的电路。转换和处理电路的任务比较复杂。除了微弱信号放大、滤波外，还

46、有诸如零点校正、线性化处理、温度补偿，误差修正、量程切换等信号处还有诸如零点校正、线性化处理、温度补偿，误差修正、量程切换等信号处理功能。信号处理电路的重点为微弱信号放大及线性化处理。理功能。信号处理电路的重点为微弱信号放大及线性化处理。 检测装置的抗干扰问题，实际上也是电子测量装置的抗于扰问题。为了检测装置的抗干扰问题，实际上也是电子测量装置的抗于扰问题。为了有效地防止干扰，必须首先要弄清干扰的类型、来源及其传送的方式，才能有效地防止干扰，必须首先要弄清干扰的类型、来源及其传送的方式，才能根据不同的情况，提出相应的抗干扰措施，从而达到消除或减弱干扰的目的。根据不同的情况，提出相应的抗干扰措施

47、，从而达到消除或减弱干扰的目的。 12.1 信号处理技术信号处理技术12.1.1 微弱信号放大微弱信号放大12.1.1.1 测量放大器测量放大器 通常对一个单纯的微弱信号，可以采用运算放通常对一个单纯的微弱信号，可以采用运算放大器进行放大，如图大器进行放大，如图10.1.1所示。其中所示。其中U，为传，为传感器输出的电压，运算放大器为反相输入接法感器输出的电压，运算放大器为反相输入接法,U。为放大后的输出电压，此时为放大后的输出电压，此时 sU210RRUUsR1R2+-图10.1.1 运算放大器放大电路 运算放大器也可以接成同相输入形式，由于传感器的工作环境往往比较恶运算放大器也可以接成同相

48、输入形式，由于传感器的工作环境往往比较恶劣，在传感器的两个输出端上经常产生干扰较大的信号，有时是完全相同的劣，在传感器的两个输出端上经常产生干扰较大的信号，有时是完全相同的干扰信号称为共模干扰。虽然运算放大器对直接输入或同相输入的共模信号干扰信号称为共模干扰。虽然运算放大器对直接输入或同相输入的共模信号有较强的抑制能力，但是对简单的反相输入或同相输入接法，由于电路结构有较强的抑制能力，但是对简单的反相输入或同相输入接法，由于电路结构不对称，抵御共模干扰的能力很差。我们可以采用运算放大器的差动接法，不对称，抵御共模干扰的能力很差。我们可以采用运算放大器的差动接法，从比较大的共模信号中检出差值信号

49、并加以放大。从比较大的共模信号中检出差值信号并加以放大。U0R1R2+-R2+-+-R3R3R4R4N2N1Ui图10.1.2 测量放大器原理图 对于传感器输出的微弱对于传感器输出的微弱信号，通常是用一组运算放信号，通常是用一组运算放大器构成的测量放大器来进大器构成的测量放大器来进行放大的，经典的测量放大行放大的，经典的测量放大器由三个运算放大器构成，器由三个运算放大器构成，如图如图10.1.2所示。所示。 其中其中N1、N2构成同相并联差动放大器，差动输入信号和共模输入信号从构成同相并联差动放大器，差动输入信号和共模输入信号从N1、N2的同的同相输入，所以它的差动输入电阻和共模输入电阻都很大

50、相输入，所以它的差动输入电阻和共模输入电阻都很大 。对。对N1、N2来说，电路的平来说，电路的平衡对称机构也有助于失调及其漂移影响的互相抵消。运算放大器衡对称机构也有助于失调及其漂移影响的互相抵消。运算放大器N3接成差动式输入，接成差动式输入，它不但能割断共模信号的传递，还将它不但能割断共模信号的传递，还将N1、N2的双端输出变成单端输出，以适应接地负的双端输出变成单端输出，以适应接地负载的需要。不难证明这个电路的电压放大倍数为载的需要。不难证明这个电路的电压放大倍数为 调整调整R1即可改变放大倍数。即可改变放大倍数。)21(RRK1234uRR 测量放大器所采用的上述电路形式，是它具有输入阻

51、抗高、增益调节方便、测量放大器所采用的上述电路形式，是它具有输入阻抗高、增益调节方便、漂移相互补偿以及输出不包含共模信号等一系列优点。这种放大器在许多高漂移相互补偿以及输出不包含共模信号等一系列优点。这种放大器在许多高精度、低电平的放大方面是极其有用的，而且由于它的共模抑制能力强，所精度、低电平的放大方面是极其有用的，而且由于它的共模抑制能力强，所以能从高的共模信号背景中检测出微弱的有用信号。以能从高的共模信号背景中检测出微弱的有用信号。 传感器输出的微弱信号经放大后，通常面临长距离的问题，为了避免电传感器输出的微弱信号经放大后，通常面临长距离的问题，为了避免电压信号在传输过程中的损失和抗干扰

52、方面的需要，可将直流电压信号变换为压信号在传输过程中的损失和抗干扰方面的需要，可将直流电压信号变换为直流电流信号进行传输。过程控制系列仪表之间信号的传输就是采用直流电直流电流信号进行传输。过程控制系列仪表之间信号的传输就是采用直流电流。另外在对测量值进行显示时，常采用动圈表头，这也需要将直流电压变流。另外在对测量值进行显示时，常采用动圈表头，这也需要将直流电压变换为直流电流来驱动线圈。为了不受传输线路电阻变化和负载电阻大小的影换为直流电流来驱动线圈。为了不受传输线路电阻变化和负载电阻大小的影响，输出电流应具有良好的恒流特性。因此使用电压响，输出电流应具有良好的恒流特性。因此使用电压电流变换器实

53、现信号电流变换器实现信号的的电流传送时，应使变换器输出电阻尽量大，这可以减小对信号的影响，的的电流传送时，应使变换器输出电阻尽量大，这可以减小对信号的影响，同时输出电阻也应尽量大，以保持输出电流的恒流特性。电压同时输出电阻也应尽量大，以保持输出电流的恒流特性。电压电流变换器电流变换器是很不容易实现的。具体电路读者可查阅有关书籍。是很不容易实现的。具体电路读者可查阅有关书籍。12.1.2 线性化处理技术线性化处理技术 在自动检测系统中，利用多种传感器把各种被测量转换成电信号时，在自动检测系统中，利用多种传感器把各种被测量转换成电信号时，大多数传感器的输出信号和被测量之间的关系并非是线性关系。这是

54、由于大多数传感器的输出信号和被测量之间的关系并非是线性关系。这是由于不少传感的转换原理并非线性，其次是由于采用的电路（如电桥电路）的不少传感的转换原理并非线性，其次是由于采用的电路（如电桥电路）的非线性。要解决这个问题，在模拟量自动检测系统中可采用三种方法：非线性。要解决这个问题，在模拟量自动检测系统中可采用三种方法：缩小测量范围，取近似值。缩小测量范围，取近似值。采用非均匀的指示刻度。采用非均匀的指示刻度。增加非线性校正增加非线性校正环节。显然，前两种方法的局限性和缺点比较明显。下面我们着重介绍增环节。显然，前两种方法的局限性和缺点比较明显。下面我们着重介绍增加非线性校正环节的方法。加非线性

55、校正环节的方法。 通常我们在设计测量仪表时总希望得到均匀的指示刻度，这样仪表读通常我们在设计测量仪表时总希望得到均匀的指示刻度，这样仪表读数看起来清楚、方便。此外，如果仪表的刻度特性为线性，就能保证仪表数看起来清楚、方便。此外，如果仪表的刻度特性为线性，就能保证仪表在整个量程内灵敏度是相同的，从而有利于分析和处理测量结果。为了保在整个量程内灵敏度是相同的，从而有利于分析和处理测量结果。为了保证测量仪表的输出与输入之间具有线性关系，就需要在仪表中引入一种特证测量仪表的输出与输入之间具有线性关系，就需要在仪表中引入一种特殊环节，用它来补偿其他环节的非线性，这就是非线性校正环节或称为殊环节，用它来补

56、偿其他环节的非线性，这就是非线性校正环节或称为“线性化器线性化器”。 12.2 噪声源噪声源 在检测装置中，测量的信息往往是以电压或电流形式传送的，由于检测装置内在检测装置中，测量的信息往往是以电压或电流形式传送的，由于检测装置内部和外部因素的影响，使信号在传输过程的各个环节中，否可避免地要受到各种，部和外部因素的影响，使信号在传输过程的各个环节中，否可避免地要受到各种，噪声的干扰，而使信号产生不同程度的畸变，即为失真。可以说噪声是限制检测系噪声的干扰，而使信号产生不同程度的畸变，即为失真。可以说噪声是限制检测系统性能的决定因素。统性能的决定因素。 噪声一般可分为外部噪声和内部噪声两大类。外部

57、噪声有自然界噪声源噪声一般可分为外部噪声和内部噪声两大类。外部噪声有自然界噪声源(如电离如电离层的电磁现象产生的噪声层的电磁现象产生的噪声)和人为噪声源和人为噪声源(如电气设备、电台干扰等如电气设备、电台干扰等)；内部噪声又名；内部噪声又名固有噪声，它是由检测装置的各种元件内部产生的，如热噪声、散粒噪声等。噪声固有噪声，它是由检测装置的各种元件内部产生的，如热噪声、散粒噪声等。噪声与一般的电信号不同，一般的电信号可以用千个确定的时间函数来描述与一般的电信号不同，一般的电信号可以用千个确定的时间函数来描述(如正弦信如正弦信号、脉冲信号号、脉冲信号)，而噪声是不能用，而噪声是不能用+个预先确定的时

58、间函数来描述的。个预先确定的时间函数来描述的。 表征一个系统干扰的主要指标是表征一个系统干扰的主要指标是“信噪比信噪比”。信噪比。信噪比SN指的是在信号通道中，指的是在信号通道中，有用信号成分与噪声信号成分之比。设有用信号功率为有用信号成分与噪声信号成分之比。设有用信号功率为Ps，有用信号电压，有用信号电压Us，噪，噪声功率为声功率为PN，噪声电压为，噪声电压为UN，则用分贝，则用分贝(dB)单位表示的信噪比为单位表示的信噪比为 由上式可知，信噪比越大，表示噪声的影咽越小。由上式可知，信噪比越大，表示噪声的影咽越小。NNUUslg20PPslg10S/N12.2.1 噪声源噪声源10.2.1.

59、1 放电噪声放电噪声 各种电子设备的噪声干扰，其产生原因多数屑于放电现象。在放电过程中各种电子设备的噪声干扰，其产生原因多数屑于放电现象。在放电过程中会向周围空间辐射出从低频到高频的电磁波，而且会传播得很远。例如在一会向周围空间辐射出从低频到高频的电磁波，而且会传播得很远。例如在一个大气压的空气中，对曲率半径较小的两电极间施加电压，电压慢慢升高时，个大气压的空气中，对曲率半径较小的两电极间施加电压，电压慢慢升高时，最初几乎无电流流过，当电压升高到一定数值时，如果电极中介质完全被电最初几乎无电流流过，当电压升高到一定数值时，如果电极中介质完全被电离时离时(称为电晕称为电晕)，电极尖端引起局部破坏

60、，电流急剧增加，形成电晕放电；，电极尖端引起局部破坏，电流急剧增加，形成电晕放电；如果继续升高电压，将会经过火花放电过渡到弧光放电，此时空气击穿，同如果继续升高电压，将会经过火花放电过渡到弧光放电，此时空气击穿，同时向周围辐射出各种频率的电磁波。这种干扰电磁波几乎对各种电子设备都时向周围辐射出各种频率的电磁波。这种干扰电磁波几乎对各种电子设备都有影响。有影响。 (1)电晕放电噪声电晕放电噪声主要来源于高压输电线，它具有间隙性，并产生脉冲电流，主要来源于高压输电线，它具有间隙性，并产生脉冲电流，从而成为一种干扰噪声。伴随电晕放电过程产生的高频振荡也是一种干扰。从而成为一种干扰噪声。伴随电晕放电过