现代测试技术-智能传感器

1、华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器传感器、计算机及执行器的价格性能比传感器、计算机及执行器的价格性能比 3.1 3.1 重新重新认识传统传感器认识传统传感器华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器F敏感元件敏感元件转换元件转换元件3.1 3.1 重新重新认识传统传感器认识传统传感器VER1R2R3R4华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器因结构尺寸大，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

2、， 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，易受噪声干扰；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。存在交叉灵敏度，选择性、分辨率不高。 传统的传感器技术（特别是结构型传感器）传统的传感器技术（特别是结构型传感器）已已达到其技术极限达到其技术极限。 它的价格性能比不可能再有大它的价格性能比不可能再有大的下降。的下降。3.1 3.1 重新重新认识传统传感器认识传统传感器华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器发展趋势发展趋势智能化智能化多功能传感器多功能传感器微型化微型化传感器网络传感器网络3

3、.1 3.1 重新重新认识传统传感器认识传统传感器华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器HoneyWell ST3000 智压力能变送器的结构框图智压力能变送器的结构框图 敏感元件是在同一块硅片上配置差压、静压和温度三种传感元件，敏感元件是在同一块硅片上配置差压、静压和温度三种传感元件，有效地解决了静压、有效地解决了静压、 差压以及温度之间交叉灵敏度对测量的影响问差压以及温度之间交叉灵敏度对测量的影响问题，变送器的内部除传感器调理电路外，题，变送器的内部除传感器调理电路外， 还带有微处理器、存储器还带有微处理器、存储器以及以及I/OI/O接口等，具有双向通信能力和完善的自

4、诊断功能。变送器的接口等，具有双向通信能力和完善的自诊断功能。变送器的输出有两种形式：一种为标准的输出有两种形式：一种为标准的4 420 20 mAmA的模拟信号输出；一种为数的模拟信号输出；一种为数字信号输出。字信号输出。 3.1 3.1 重新重新认识传统传感器认识传统传感器华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器定义：定义：传感器与微处理器赋予智能的结合，兼有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信息检测与信息处理功能的传感器就是智能传感功能的传感器就是智能传感器器( (系统系统) )。利用微处理机技术使传感器智能化是利用微处理机技术使传感器智能化是80

5、80年代新型传感器的一大进展。年代新型传感器的一大进展。 智能化设计是传感器传统设计中的一次革命，智能化设计是传感器传统设计中的一次革命，是世界传感器发展的必然趋势。是世界传感器发展的必然趋势。3.2 3.2 认识智能传感器认识智能传感器华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器v 具有自校零、自标定、自校正功能；具有自校零、自标定、自校正功能；v 具有自动补偿功能；具有自动补偿功能；v 能够自动采集数据，并对数据进行预处理；能够自动采集数据，并对数据进行预处理；v 能够自动进行检验、自选量程、自寻故障；能够自动进行检验、自选量程、自寻故障；v 具有数据存储、记忆与信息处理功

6、能；具有数据存储、记忆与信息处理功能；v 具有双向通讯、标准化数字输出或者符号输出功能；具有双向通讯、标准化数字输出或者符号输出功能；v 具有判断、决策处理功能。具有判断、决策处理功能。3.2 3.2 认识智能传感器认识智能传感器智能传感器功能智能传感器功能华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器精度高；精度高；高可靠性与高稳定性；高可靠性与高稳定性；高信噪比与高的分辨力；高信噪比与高的分辨力；强的自适应性；强的自适应性；低的价格性能比低的价格性能比3.2 3.2 认识智能传感器认识智能传感器智能传感器特点智能传感器特点华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能

7、传感器板材测厚传感器板材测厚传感器华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器 精密智能压力传感器精密智能压力传感器( (Precision Pressure TransducerPrecision Pressure Transducer),),是基于霍尼韦尔是基于霍尼韦尔先进的硅压阻技术先进的硅压阻技术，内含微处理，内含微处理器进行数字补偿、组态、控制和通讯的智能传感器进行数字补偿、组态、控制和通讯的智能传感器。其测量综合精度为满量程的器。其测量综合精度为满量程的0 00505，在工，在工业、航天、军事、医疗器械、大气环保检测及家业、航天、军事、医疗器械、大气环保检测及家电等

8、领域得到了广泛的应用。电等领域得到了广泛的应用。3.2 3.2 认识智能传感器认识智能传感器华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器具有优异的重复性和稳定性，其压力信号可设置为具有优异的重复性和稳定性，其压力信号可设置为数字数字输出输出模式模式, , 也可以设置为也可以设置为模拟模拟输出模式输出模式；华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器利用利用RS232 RS232 串口总线串口总线, ,用户可通过用户可通过PC PC 发布指令（组态）来发布指令（组态）来改变改变PPTPPT传感器的任何一个

9、传感器的任何一个参数参数；华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器通过通过RS232 RS232 总线联网总线联网, ,用户可以和一个传感器、一组传用户可以和一个传感器、一组传感器或网络上所有的传感器感器或网络上所有的传感器通讯通讯；3.2 3.2 认识智能传感器认识智能传感器华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器DS18B20DS18B20单线数字温度传感器单线数字温度传感

10、器由由DALLASDALLAS半导体公司生产的半导体公司生产的DS18B20DS18B20型单线智能温度传感器型单线智能温度传感器, ,属于新一代属于新一代适配微处理器的智能温度传感器适配微处理器的智能温度传感器, ,可可广泛用于工业、民用、军事等领域的广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪器、测控系统和大温度测量及控制仪器、测控系统和大型设备中。它具有体积小，接口方便，型设备中。它具有体积小，接口方便，传输距离远等特点。传输距离远等特点。 3.2 3.2 认识智能传感器认识智能传感器华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器DS18B20DS18B20的性能特点：

11、采用的性能特点：采用单总线专用技术单总线专用技术，既可通过串行口线，也可通过其它既可通过串行口线，也可通过其它I/OI/O口线与微口线与微机接口，无须经过其它变换电路，直接输出被测机接口，无须经过其它变换电路，直接输出被测温度值（温度值（9 9位二进制数，含符号位），测温范位二进制数，含符号位），测温范围为围为-55-+125-55-+125，测量分辨率为，测量分辨率为0.0625,0.0625,内含内含6464位经过激光修正的只读存储器位经过激光修正的只读存储器ROMROM，适，适配各种单片机或系统机，用户可分别设定各路配各种单片机或系统机，用户可分别设定各路温度的上、下限，内含寄生电源。温

12、度的上、下限，内含寄生电源。DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM,温度传感器,非挥发的温度报警触发器TH和TL,高速暂存器。DS18B20的管脚排列如图1所示。 64位光刻ROM是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列号。不同的器件地址序列号不同。华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器3.2 3.2 认识智能传感器认识智能传感器华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器AD7417AD7417是美国是美国ADIADI公司生产的公司生产的5 5通道精密智能温通道精密智能温度传感器集成电路，适用于环境温度监测、工业度传感

13、器集成电路，适用于环境温度监测、工业过程控制以及电池过热保护等领域。过程控制以及电池过热保护等领域。3.2 3.2 认识智能传感器认识智能传感器华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器国产国产ACD-2ACD-2智能无线数字压力温度传感器网络智能无线数字压力温度传感器网络华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器3.2 3.2 认识智能传感器认识智能传感器华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器非线性自校正技术非线性自校正技术 3.3 3.3 智能传感技术智能传感技术华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器反非线性的

14、折线逼近反非线性的折线逼近 非线性自校正流程图非线性自校正流程图 非线性自校正技术非线性自校正技术: :3.3 3.3 智能传感技术智能传感技术华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器自校零与自校准技术自校零与自校准技术 假设一传感器系统经标定实验得到的静态输出假设一传感器系统经标定实验得到的静态输出( (y y) )输入输入(x)(x)特性如下：特性如下：y=a0+a1x式中：式中：a a0 0零位值，即当输入零位值，即当输入x x=0 =0 时之输出值；时之输出值；a a1 1灵敏度，又称传感器系统的转换增益。灵敏度，又称传感器系统的转换增益。xaSaPy)()(10式

15、中：式中：a a0 0零位漂移；零位漂移；a a1 1灵敏度漂移。灵敏度漂移。 3.3 3.3 智能传感技术智能传感技术华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器智能传感器系统实现自校准功能原理框图智能传感器系统实现自校准功能原理框图( (a a) ) 方法一方法一( (不含传感器自校不含传感器自校) )； ( (b b) ) 方法二方法二( (含传感器自校含传感器自校) ) 3.3 3.3 智能传感技术智能传感技术华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器第一步校零：输入信号为零点标准值，输出值为第一步校零：输入信号为零点标准值，输出值为y y0 0= =

16、a a0 0； 第二步标定：输入信号为标准值第二步标定：输入信号为标准值U UR R，输出值为，输出值为y yR R； 第三步测量：输入信号为传感器的输出第三步测量：输入信号为传感器的输出U UX X，输出值为，输出值为y yX X。RRUyyaSa011被测信号被测信号U UX X则为则为 RRXXXUyyyyayyU0010这种方法是实时测量零点，实时标定灵敏度这种方法是实时测量零点，实时标定灵敏度/ /增益增益a a1 1。 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器压力自校准系统原理框图压力自校准系统原理框图 3.3 3.3 智能传感技术智能传感技术华南农业大学工程学

17、院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器不同状态下的静态特性不同状态下的静态特性( (a a) ) 压力传感器；压力传感器； ( (b b) ) 温度传感器温度传感器 多信息融合技术多信息融合技术3.3 3.3 智能传感技术智能传感技术华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器我们可以将压力传感器输出电压我们可以将压力传感器输出电压U U描述为压力参数描述为压力参数P P和温度和温度传感器输出传感器输出U Ut t的二元函数，的二元函数， 即即 ),(tUPgU 通过标定，确定通过标定，确定二次曲面拟合方程式二次曲面拟合方程式多信息融合技术多信息融合技术华南农业大学工程学院

18、华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器自诊断技术自诊断技术3.3 3.3 智能传感技术智能传感技术 传感器故障诊断的早期方法主要是采用传感器故障诊断的早期方法主要是采用硬件硬件冗余方法冗余方法( (Hardware Redundancy) )。 硬件冗余方硬件冗余方法是对容易失效的传感器设置一定的备份，法是对容易失效的传感器设置一定的备份， 然后然后通过表决器方法进行管理。缺点是设备复杂，体通过表决器方法进行管理。缺点是设备复杂，体积和重量都很大，占空间，而且成本较高，积和重量都很大，占空间，而且成本较高， 尤其尤其是对于有许多测量量的情况而言，硬件冗余方法是对于有许多测量量的情况而言，硬件

19、冗余方法的不足就更为突出。的不足就更为突出。华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器自诊断技术自诊断技术3.3 3.3 智能传感技术智能传感技术传感器故障诊断的传感器故障诊断的解析冗余方法解析冗余方法原理图原理图 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器3.4 3.4 智能传感器的实现智能传感器的实现非集成化实现非集成化实现华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器3.4 3.4 智能传感器的实现智能传感器的实现混合集成化实现混合集成化实现华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器3.4 3.4 智能传感器的实现智能传

20、感器的实现集成化实现（集成化实现（ASIM）华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器C5-M3C5-M3湿度传感器湿度传感器集成电路相对湿度传感器集成电路相对湿度传感器HIH3610/4000HIH3610/4000 3.4 3.4 智能传感器的实现智能传感器的实现华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器瑞士瑞士SensirionSensirion 公司公司 SHT11SHT11数字式温湿度传感器数字式温湿度传感器3.4 3.4 智能传感器的实现智能传感器的实现华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器iPhone 4 里的里的陀螺仪，

21、型号是陀螺仪，型号是AGDL2022,是是一种微电子机械一种微电子机械系统（系统（MEMS）华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器 常规传感器主要选择金属材料制作，而微传感器常规传感器主要选择金属材料制作，而微传感器则优先选用则优先选用硅材料硅材料制作；制作； 绝大多数的硅压力传感器，其感压元件都是硅膜绝大多数的硅压力传感器，其感压元件都是硅膜片，敏感机理主要有：压阻效应、电容效应及机片，敏感机理主要有：压阻效应、电容效应及机械谐振效应械谐振效应3.5 3.5 MEMS传感器传感器华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器3.5 3.5 MEMS传感器传

22、感器华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器微型化；微型化；结构一体化；结构一体化；精度高；精度高；多功能；多功能；阵列式；阵列式；全数字化（谐振式传感器）；全数字化（谐振式传感器）；使用极其方便，操作极其简单使用极其方便，操作极其简单3.5 3.5 MEMS传感器传感器华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器 在膜片上扩散电阻，并连成惠斯顿电桥。当压力作用在膜在膜片上扩散电阻，并连成惠斯顿电桥。当压力作用在膜片上时，膜片产生变形，电阻值变化，电桥失衡，失衡量片上时，膜片产生变形，电阻值变化，电桥失衡，失衡量和被测压力成比例，用微电路检测出这种电阻变化，

23、即可和被测压力成比例，用微电路检测出这种电阻变化，即可测出压力变化。测出压力变化。硅压阻式传感器的主要缺点是压阻效应随硅压阻式传感器的主要缺点是压阻效应随温度的变化明显，应用时必须做温度补偿。温度的变化明显，应用时必须做温度补偿。3.5.1 3.5.1 硅压阻式压力传感器硅压阻式压力传感器华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器3.5.1 3.5.1 硅压阻式压力传感器硅压阻式压力传感器华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器 淀积在膜片表面上的金属层形成电容器的活动电极，另一淀积在膜片表面上的金属层形成电容器的活动电极，另一电极淀积在衬底上，二者构成平

24、行板式电容器。当膜片感电极淀积在衬底上，二者构成平行板式电容器。当膜片感受压力作用弯曲时，电容器的极板间距改变，引起电容变受压力作用弯曲时，电容器的极板间距改变，引起电容变化，其变化量与被测压力相对应，从而得知被测压力。化，其变化量与被测压力相对应，从而得知被测压力。 硅电容式压力传感器的灵敏度高，输出随温度变化小。硅电容式压力传感器的灵敏度高，输出随温度变化小。3.5.2 3.5.2 硅电容式压力传感器硅电容式压力传感器华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器senC3.5.2 3.5.2 硅电容式压力传感器硅电容式压力传感器华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传

25、感器智能传感器 与膜片式硅电容压力传感器相比，具有硬中心的硅电容压力与膜片式硅电容压力传感器相比，具有硬中心的硅电容压力传感器更有利于使极板间传感器更有利于使极板间感压电容感压电容CsenCsen的变化处处相等的变化处处相等。与硅。与硅压阻式压力传感器相比，硅电容式压力传感器的压阻式压力传感器相比，硅电容式压力传感器的灵敏度高灵敏度高1010倍倍以上，而以上，而功耗却功耗却低低2 2个数量级。而且输出个数量级。而且输出随温度的变化小随温度的变化小，因，因此此具有良好的输出重复性和稳定性，更适合于低压量程测量具有良好的输出重复性和稳定性，更适合于低压量程测量。3.5.2 3.5.2 硅电容式压力

26、传感器硅电容式压力传感器华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器 基于谐振技术的谐振式传感器，自身为基于谐振技术的谐振式传感器，自身为周期信号周期信号输出输出（准数字信号），只用简单的数字电路即可（准数字信号），只用简单的数字电路即可转换为微处理器容易接受的数字信号。谐振式传转换为微处理器容易接受的数字信号。谐振式传感器的重复性、分辨率和稳定性等非常优良，又感器的重复性、分辨率和稳定性等非常优良，又便于和微处理器直接结合组成数字控制系统，自便于和微处理器直接结合组成数字控制系统，自然成为当今人们研究的重点。然成为当今人们研究的重点。3.5.3 3.5.3 硅谐振式压力传感器

27、硅谐振式压力传感器华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器 硅谐振式压力传感器是基于膜片或梁的谐振频率随硅谐振式压力传感器是基于膜片或梁的谐振频率随压力变化而改变的函数关系，确定被测压力。膜片压力变化而改变的函数关系，确定被测压力。膜片由电容或静电激励而发生谐振。当膜片受气体压力由电容或静电激励而发生谐振。当膜片受气体压力作用时，其刚度改变，引起频率增加，作用时，其刚度改变，引起频率增加，则频率的增则频率的增加量对应被测压力加量对应被测压力。3.5.3 3.5.3 硅谐振式压力传感器硅谐振式压力传感器华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器硅谐振式压力传

28、感器原理结构硅谐振式压力传感器原理结构 3.5.3 3.5.3 硅谐振式压力传感器硅谐振式压力传感器华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器谐振式传感器闭环自激的频率点必然接近于谐振敏感元件的谐振式传感器闭环自激的频率点必然接近于谐振敏感元件的固有频率。固有频率。3.5.3 3.5.3 硅谐振式压力传感器硅谐振式压力传感器华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器组成：组成：R R为谐振子，工作时振动在谐振状态，为谐振子，工作时振动在谐振状态，其谐振频率（固有其谐振频率（固有频率）受被测量频率）受被测量MM的调制；的调制；E E为激励谐振子发生谐振的激励器

29、，为激励谐振子发生谐振的激励器，激励方法有静电激励、压电激励、电阻热激励及电磁激励等；激励方法有静电激励、压电激励、电阻热激励及电磁激励等；D D为振动信号检测器，检测方法有电阻检测、电容检测、压电为振动信号检测器，检测方法有电阻检测、电容检测、压电检测及电磁检测等。检测及电磁检测等。A A为放大调频电路，用于调节信号的幅值为放大调频电路，用于调节信号的幅值和相位，并将信号正反馈给激励器，维持谐振子在满量程内和相位，并将信号正反馈给激励器，维持谐振子在满量程内等幅振动，同时将放大信号传到检测输出装置，显示出与被等幅振动，同时将放大信号传到检测输出装置，显示出与被测量相对应的电信号。测量相对应的电信号。3.5.3 3.5.3 硅谐振式压力传感器硅谐振式压力传感器华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器3.5.3 3.5.3 硅谐振式压力传感器硅谐振式压力传感器华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院智能传感器智能传感器 直接输出频率量，无需直接输出频率量，无需A/DA/D转换，可方便的与数字转换，可方便的与数字系统挂接，组成系统挂接，组成高精度高精度的测控系统。