《传感器及应用（第三版）》 课件 模块八　现代测量技术

模块八现代测量技术597课题二总线式传感器课题一智能传感器科技发展的脚步越来越快，人类已经置身于信息时代，而作为信息获取最重要和最基本的技术———传感器技术，也得到了极大的发展。传感器信息获取技术已经从过去的单一化逐渐向集成化、微型化和网络化方向发展，促进现代测量技术手段更快、更广泛发展，测量技术将在网络时代发生革命性变化。599课题一智能传感器600学习目标

了解智能传感器的概念和组成。

熟悉智能传感器的功能特点。

熟悉智能传感器的适用场合。

了解智能传感器在胎压监测中的应用。601知识引入据调查统计表明，全球每年有26万起交通事故是由于轮胎故障引起的，而75%的轮胎故障是由轮胎气压不足或轮胎渗漏造成的爆胎，导致巨大的经济损失。因此，多数新型汽车都要安装轮胎压力监视系统，图所示为远程轮胎压力监测传感器。汽车轮胎压力监视系统主要用于在汽车行驶过程中实时监测轮胎气压，并对轮胎漏气和低气压进行报警，预防爆胎，保障行车安全。602603远程轮胎压力监测传感器知识讲解一、智能传感器的基本知识智能传感器是具备了某些人工智能的一种带有微处理机的，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。它将机械系统及结构、电子产品和信息技术完美结合，使传感器技术有了本质性的提高。传统的传感器功能单一，体积大，功耗高，已不能满足多种多样控制系统的要求，先进的智能传感器技术由此得到广泛应用。智能传感器必须具备通信功能，不具备通信功能的传感器，就不能称之为智能传感器。604智能传感器主要由四部分构成：电源、敏感元件、信号处理单元和通信接口，其原理框图如图所示。敏感元件将被测物理量转换为电信号，通过放大、模/数转换成数字信号，再经过微处理器进行数据处理（校准、补偿、滤波），最后通过通信接口，与网络数据进行交换，完成测量与控制功能。605智能传感器原理框图美国通用公司的智能传感器NPXⅡ代表了世界上最新一代的远程轮胎压力监测传感器，其外形如图所示。NPXⅡ智能传感器集成了硅压力传感器、加速度传感器、温度传感器、电压传感器和低功耗8位微处理器，以及一个低频触发输入级，以灵活满足客户的特殊需求并降低成本，其内部各元件的功能详见表。606NPXⅡ智能传感器607NPXⅡ智能传感器内部元件功能分配表轮胎压力监测传感器是安装在汽车四个轮胎中的高灵敏智能传感器，在汽车行驶状态下实时、动态地监测轮胎温度和压力，然后将数据通过无线数字信号发射到主机（接收器）进行处理，并在主机液晶显示屏上以数字加图案的形式同时显示出四个轮胎中的温度和气压值，驾驶者可以直观地了解各个轮胎的温度和气压状况。当出现轮胎气压过低、过高或温度过高等异常情况时，系统都能够自动报警，从而使驾驶员及时发现问题，避免轮胎非正常损伤，有效预防爆胎，保障行车安全。608NPXⅡ智能传感器体现了传统压力传感器与微处理器数字电路的完美结合，具有适合轮胎监测应用的独特优势，具体体现在以下几个方面。（1）带加速度传感器的智能传感器：能够输出连续的加速度值，使用者可以灵活地选择触发阈值，即使用者可以任意设定启动监测轮胎压力系统的速度。（2）更加安全、智慧的气压检测算法：当汽车时速超过设定速度时，传感器马上发射轮胎信息。时速越高，检测次数越多，高度智能，使行车更加安全。609（3）静态智能监测：当车辆静止时，如果轮胎充放气或温度发生变化，可触发监测系统，进行轮胎压力监测。（4）发射传感器电池容量监测：对发射传感器电池容量直接进行监测，如电池容量消耗到不能支持发射传感器的正常工作，显示器会有信息通知用户更换电池，确保安全。（5）智能识别码设置：用户不再需要慢慢设置各个轮胎的发射传感器的识别码，系统会自动接收并显示各个发射传感器的识别码和状态，用户只需把相应的发射传感器设置对应的轮胎位置即可。610在数据处理方面，智能传感器一方面根据实际的需要对敏感元件的输出进行处理、变换、校准和补偿；另一方面，微处理器可存储传感器的物理特征，包括零点、灵敏度、校准参数、补偿参数以及传感器厂家信息（维护信息）等。NPXⅡ智能传感器中固化了压力传感器的测量、补偿和校准程序。611二、智能传感器的功能特点智能传感器与传统的传感器相比，最突出的特点是数字化、智能化、阵列化、微小型化和微系统化。它具有以下功能。（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，如非线性修正、温度误差补偿、响应时间调整等，提高了传感器的测量准确度。（2）具有自诊断、自校准功能，如在接通电源时可以进行自检，温度变化时可以进行自校准等，提高了传感器的可靠性。612（3）可以实现多传感器多参数复合测量，如能够同时测量声、光、电、热、力、化学等多个物理和化学量，给出比较全面反映物质运动规律的信息，同时集成了测量介质的温度、流速、压力和密度的复合传感器等，扩大了传感器的检测与使用范围。（4）内部设有存储器，检测数据可以存取，并可固化压力、温度和电池电压的测量、补偿和校准数据，以得到最好的测量结果，使用方便。613（5）具有数字通信接口，能与计算机直接联机，相互交换信息。利用双向通信网络，可设置智能传感器的增益、补偿参数、内检参数，并输出测试数据。这是智能传感器与传统传感器的关键区别之一。（6）最新开发的智能传感器还增加了传感器故障检测功能，能自动检测外部传感器（也称远程传感器）的开路或短路故障。（7）一些智能传感器还增加了静电保护电路，智能传感器的串行接口端、中断/比较器信号输出端和地址输入端一般可承受1000~4000V的静电放电电压。614三、智能传感器的适用场合智能传感器可应用于各种领域、各种环境的自动化测试和控制系统，使用方便、灵活，测试精度高，优于任何传统的数字化、自动化测控设备，特别是在以下场合使用非常广泛。（1）在分布式多点测试、集中控制采集、测试现场远离集中控制中心的场合。（2）在安装现场受空间条件限制的场合，如大型电动机绕线内部、通风道内部、电子组合件内部等场合。615（3）在自动化程度高、规模大的自动化生产线上，如工业生产过程控制、发电厂、热电厂、大型中央空调设备用户端等场合。（4）在经常无人看守，但需要检测的场合，如农业养殖场、温棚、温室、干燥房、粮食仓库等场合。616课题二总线式传感器617学习目标

了解现场总线技术的基本知识。

了解现场总线的核心与基础。

熟悉有线和无线网络传感器的功能和应用。

能根据应用场合，正确选择总线式传感器。618知识引入现代汽车中所使用的电子控制系统和通信系统越来越多，如发动机的电控系统、自动变速器的控制系统、防抱死制动系统、自适应巡航控制系统和车载多媒体系统等，这些系统之间、系统和汽车的显示仪表之间、系统和汽车故障诊断系统之间均需要进行数据交换，如此巨大的数据交换量，如仍然采用传统数据交换的方法，即用导线进行点对点连接的传输方式，其设备复杂度和工作量将是难以想象的。619据统计，如果采用普通数据传输方式，一个中级轿车就需要电缆插头300个左右，接插件插针总数将是2000个左右，电缆总长超过1.6km，不但装配复杂、占用空间大，而且故障率会很高。因此，用串行数据传输系统（即现场总线系统）取而代之就成为必然的选择。用串行数据传输系统进行数据传输，要用到各种总线式传感器。620知识讲解一、现场总线技术生产过程控制仪表是工业自动化中最常用的、不可缺少的一部分，多数仪表输出为DC4~20mA标准信号。但是这种基于模拟信号的测量仪表暴露出许多缺点，已不能满足现场的需要。随着微处理技术的迅速发展，在工业控制仪表和智能传感器中大量采用微机技术，现场总线技术在此背景下应运而生，即所有传感器都挂在一条数据线上，如图b所示，传感器通过这条数据线与控制仪表进行信息的传输、交流。621622传统控制系统接线方式和现场总线系统接线方式比较a）传统的接线方式b）现场总线接线方式现场总线系统是用于现场仪表与控制室主机系统之间的一种开放的、全数字化、双向、多站的通信系统。国际电工委员会IEC1158-2将现场总线定义为安装在制造或生产过程区域的现场测量装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。现场总线包括三部分：数据传输线、地址传输线以及发送单元和接收单元之间的传送控制线。测量数据按CPU的指令以一定的模式传输到指定的地址，而传输模式是由软件控制的。623现场总线技术将专用的微处理器置入传统的测量传感器及仪表中，使它们各自具有数字计算和通信能力，利用普通的双绞线作为总线，把多个测量控制仪表连接成网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个带有微型计算机的测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种自动控制系统。简而言之，现场总线把单个分散的测量控制仪表变成网络节点，以现场总线为纽带，将各测量控制仪表连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络通信系统与控制系统。624使用现场总线技术给用户带来了许多好处，具体如下。（1）节省了硬件成本。（2）设计组态安装、调试简便。（3）系统的安全性和可靠性好。（4）减少了故障停机时间。（5）用户对系统配置及设备选型有最大的自主权。（6）系统维护、设备更换和系统扩充简单、方便。（7）完善了企业信息系统，为实现企业综合自动化提供了基础。625现场总线与控制系统、现场测量仪表联用，组成现场总线控制系统，也叫作“通用现场通信系统”，它是一种生产现场中各测量设备之间的通信方式，如机器上的传感器、执行器等设备间的通信方式，以及传感器与控制设备之间的通信方式等，信息传输的范围已远远超出传统的DC4~20mA信号的限制，具有高度的灵活性和适用性。626二、现场总线的核心与基础1.现场总线的核心———总线协议总线协议技术是“信息时代”的高新技术，它可应用于不同的领域，但在各自领域中是完全独立的。例如，火力发电、核电、冶金、油田、石化、汽车制造、机械制造、楼宇，以及农田企业化、节水灌溉、水电、风力发电、酿造、轻工等，在不同的应用领域可以用不同的总线协议，即不同的总线类型。在每个应用领域中都有一种最为适用的总线协议。627对于各类总线而言，其核心是各类总线协议，而这些协议的本质就是数据传输的标准。各种总线，不论应用于什么领域，每种总线协议都有一套软件、硬件的支撑，它们能够形成独立的系统，形成相应的产品。由于现场总线是众多仪表之间的接口，因此希望现场总线满足可互操作性的要求。对于一个开放的总线而言，具有一种总线协议，亦即各种测量仪表具有统一的数据传输标准尤为重要。6282.现场总线的基础———智能测量仪表现场测量仪表包括多类工业测量装置，流量、压力、温度、振动、转速等传感器或变送器，射频发射电路和电子开关，以及控制阀和执行器等。用于现场总线中的现场测量装置，与以往的现场测量仪表有着本质上的差别，它必须符合下列要求。（1）无论是哪个公司生产的现场测量装置，它必须与其所处的现场总线控制系统具有统一的总线协议，或者是必须遵守相关的通信规约。（2）用于现场总线系统的现场测量装置必须是多功能、智能化的。629三、网络传感器（有线）虽然总线式仪器、虚拟仪器等微机化仪器技术的应用使组建集中式或分布式测控系统变得更为容易，但集中测控越来越满足不了复杂的、远程（异地）的和范围较大的测控任务的需求，因此，组建网络化的测控系统非常有必要。利用现有Internet资源而不建立专门的拓扑网络，组建测控网络、企业内部网络以及它们与Internet的互联，实现测控网络化。630网络传感器是包含数字传感器、网络接口和处理单元的新一代智能传感器，如图所示。631网络传感器使用网络传感器，人们可以从任何地点、在任意时间获取到测量信息（或数据），与传统的仪器、测量、测试相比，这又是一个质的飞跃。在网络化仪器环境下，被测对象可通过测试现场的仪器设备，将测得数据（信息）通过网络传输给异地的精密测量设备或高档次的微机化仪器去分析、处理，从而实现测量信息的共享，掌握网络节点处信息的实时变化情况。另外也可通过网络将数据传至现场的网络传感器。632目前，国外著名仪器厂商以及一些大的公司已在积极研制和开发新型网络化仪器。自动抄表系统就是网络传感器的典型应用，如图所示。633自动抄表系统自动抄表系统用于水、电、气不同行业的自动抄表与收费管理。在某种意义上，可以称之为网络化仪器。因为自动抄表系统虽然没有连接Internet，但它采用电话网方式，即管理中心与小区电话有线连接，经公用电话网对异地用电、用气等信息进行测取和监控，为管理部门提供各种信息。采用自动抄表系统，可以提高抄表的准确性，减少因估计或誊写而可能出现的账单错误，供电、水、燃气、热能等的管理部门能及时获得准确的数据信息，用户也不再需要与抄表员预约上门抄表时间，还能迅速查询账单。采用网络测量技术、使用网络化仪器，能显著提高测量功效，有效降低监测、测控工作的人力和财力投入，缩短完成一些计量测试工作的周