传感器与检测技术 第十章 智能传感技术

1、1,基本要求： 10-1了解智能传感器体系结构； 10-2掌握实现智能化功能常采用的技术； 10-3了解网络传感器特点及发展。 重点：实现智能化功能常采用的技术 难点：实现智能化功能常采用的技术,2,10-1 智能传感器的体系结构与功能实现 一、智能传感器的体系结构 (一)非集成化结构,图10-2 非集成化智能传感器框图,3,(二)集成化结构 这种智能传感器系统是采用微机加工技术和大规模集成电路工艺技术，利用硅作为基本材料制作敏感元件、信号调理电路、微处理器单元，并把它们集成在一块芯片上而构成，故又可称为集成智能传感器(integrated smart/intelligent sensor)。

2、,图10-3 集成智能传感器结构示意图,4,(三)混合实现 将系统各个集成化环节，如敏感单元、信号调理电路、微处理器单元、数字总线接口，以不同的组合方式集成在两块或三块芯片上，并装在一个外壳里。,图10-4 智能传感器的混合集成实现结构,5,图10-5 传统仪器仪表中的硬件非线性校正原理,二、智能传感器功能的实现,6,图10-6 智能仪器的非线性校正技术,7,(二)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(y)与输入(x)特性如下： y=a0+a1x (10-11) 式中 a0零位值，即当输入x=0时之输出值； a1灵敏度，又称传感器系统的转换增益。,8,被校环节的增益a1

3、可根据(10-11)式得出 (10-13) 被测信号ux则为 (10-14) 可见，这种方法是实时测量零点，实时标定灵敏度a1 。,图10-11 检测系统自校准原理框图,9,被测目标参量x为 (10-16) 式中 yx被测目标参量x为输 入量时的输出值； yr标准值xr为输入量 时的输出值； y0零点标准值x0为输入 量时的输出值。,图10-12 检测系统自校准原理框图,10,(三)噪声抑制技术 如果信号的频谱和噪声的频谱不重合，则可用滤波器消除噪声；当信号和噪声频带重合或噪声的幅值比信号大时就需要采用其他的噪声抑制方法，如相关技术、平均技术等来消除噪声。,11,(四)自补偿、自检验及自诊断

4、智能传感器系统通过自补偿技术可以改善其动态特性，但在不能进行完善实时自校准的情况下，可以采用补偿法消除因工作条件、环境参数发生变化后引起系统特性的漂移，如零点漂移、灵敏度漂移等。同时，智能传感器系统能够根据工作条件的变化，自动选择改换量程，定期进行自检验、自寻故障及自行诊断等多项措施保证系统可靠地工作。,12,1.自补偿 温度是传感器系统最主要的干扰量。在典型的传感器系统中主要采用结构对称来消除其影响；在智能传感器的初级形式中主要采用以硬件电路实现的“拼凑”补偿技术，但补偿效果不能满足实际测量的要求。在传感器与微处理器/微计算机相结合的智能传感器系统中，可采用监测补偿法，它是通过对干扰量的监测

5、由软件来实现补偿的。如压阻式传感器的零点及灵敏度温漂的补偿。,13,(1)零位温漂的补偿 传感器的零点，即输入量为零时的输出量u0随温度而漂移，传感器类型不同，其零位温漂特性也各异。只要该传感器的温漂特性(u0-t)具有重复性就可以补偿。若传感器的工作温度为t，则应在传感器输出值u中减掉t 时的零位值u0(t)。关键是要事先测出u0-t特性，存在内存中，大多数传感器的零位输出u0与温度关系特性呈非线性，如图10-13所示。故由温度t求取该温度的零位值u0(t)，实际上是相同于非线性校正的线性化处理问题。,图10-13 零位温漂特性,14,(2)灵敏度温度漂移的补偿 对于压阻式压力传感器，当输入

6、压力保持不变的情况下，其输出值u(t)将随温度的升高而下降，如图10-14所示。图中温度tt1，其输出u(t)t1，若仍按工作温度t时的输入(p)输出(u)特性进行刻度转换求取被测输入量压力的数值是p，而真正的被测输入量是p，将会产生很大的测量误差，其原因就是输入量p为常量时，传感器的工作温度t升高，tt1传感器的输出由u(t1)降至u(t)，即工作点由b点降至a点，输出电压减少量u为 u=u(t1)-u(t) 故 u(t1)=u(t)+u (10-29),15,由(10-29)式可见，当在工作温度t时测得的传感器输出量u(t)，给u(t)加一个补偿电压u后，再按u(t1)-p反非线性特性进行

7、刻度变换求取输入量压力值即为p。因而问题归结为如何在各种不同的工作温度t，获得所需要的补偿电压u。,图10-14 压阻式压力传感器 的灵敏度温度漂移,16,2.自检验 自检验是智能传感器自动开始或人为触发开始执行的自我检验过程。它能对系统出现的软硬件故障进行自动检测，并给出相应指示，从而大大地提高了系统的可靠性。 自检验通常有三种方式。 (1)开机自检 每当电源接通或总清复位之后，都要进行一次开机自检，在以后的测控工作中不再进行。这种自检一般用于检查显示装置、rom、ram和总线，有时也用于对插件进行检查。,17,(2)周期性自检 若仅在开机时进行一次性的自检，而自检项目又不能包括系统的所有关

8、键部位，那就难以保证运行过程中智能传感器始终处于最优工作状态。因此，大部分智能传感器都在运行过程中周期性地插入自检操作，称作周期性自检。在这种自检中，若自检项目较多，一般应把检查程序编号，并设置标志和建立自检程序指针表，以此寻找子程序入口。周期性自检完全是自动的，在测控的间歇期间进行，不干扰传感器的正常工作。除非检查到故障，周期性自检并不为操作者所觉察。,18,(3)键控自检 键控自检是需要人工干预的检测手段。对那些不能在正常运行操作中进行的自检项目，可通过操作面板上的“自检按键”，由操作人员干预，启动自检程序。例如，对智能传感器插件板上接口电路工作正常与否的自检，往往通过附加一些辅助电路，并

9、采用键控方式进行。该种自检方式简单方便，人们不难在测控过程中找到一个适当的机会执行自检操作，且不干扰系统的正常工作。 智能传感器内部的微处理器，具有强大的逻辑判断能力和运行功能，通过技术人员灵活的编程，可以方便地实现各种自检项目。,19,3.自诊断 传感器故障诊断的早期主要采用硬件冗余的方法(hardware redundancy)。硬件冗余方法是对容易失效的传感器设置一定的备份，然后通过表决器方法进行管理。硬件冗余方法的优点是不需要被测对象的数学模型，而且鲁棒性非常强。其缺点是设备复杂，体积和重量都很大，而且成本较高。,20,图10-15 传感器故障诊断的解析冗余方法原理图,21,解析冗余方

10、法的大致步骤如下。 模型设计。根据被控对象的特征、传感器的类型、故障类型以及系统的要求等等，建立相应的被控对象的数学模型。 设计与传感器故障相关的残差。在相同的控制量作用下，传感器输出信号和由模型所得值之差，称为残差。在没有传感器故障时，残差为零。当传感器有故障时，残差不再为零，即残差中包含了传感器故障信号。 进行统计检验和逻辑分析。用统计检验和逻辑分析方法可以诊断某些类型的传感器故障。,22,一、网络传感器及其特点 网络传感器是指在现场级就实现了tcp/ip协议(这里，tcp/ip协议是一个相对广泛的概念，还包括udp、http、smtp、pop3等协议)的传感器，这种传感器使得现场测控数据

11、能就近登临网络，在网络所能及的范围内实时发布和共享。,10-3 网络传感器,23,网络传感器就是采用标准的网络协议，同时采用模块化结构将传感器和网络技术有机地结合在一起的智能传感器。它是测控网中的一个独立节点，其敏感元件输出的模拟信号经a/d转换及数据处理后，能由网络处理装置根据程序的设定和网络协议封装成数据帧，并加上目的地址，通过网络接口传输到网络上。反之，网络处理器又能接收网络上其他节点传给自己的数据和命令，实现对本节点的操作。网络传感器的基本结构如图10-46所示。,图10-46 网络传感器的基本结构,24,网络化智能传感器是以嵌入式微处理器为核心，集成了传感单元、信号处理单元和网络接口

12、单元的新一代传感器。与其他类型传感器相比，该传感器有如下特点。 嵌入式技术和集成电路技术的引入，使传感器的功耗降低、体积小、抗干扰性和可靠性提高，更能满足工程应用的需要。,25,处理器的引入使传感器成为硬件和软件的结合体，能根据输入信号值进行一定程度的判断和制定决策，实现自校正和自保护功能。非线性补偿、零点漂移和温度补偿等软件技术的应用，则使传感器具有很高的线性度和测量精度。同时，大量信息由传感器进行处理还减少了现场设备与主控站之间的信息传输量，使系统的可靠性和实时性提高。,26,网络接口技术的应用使传感器能方便地接入网络，为系统的扩充和维护提供了极大的方便。同时，传感器可就近接入网络，改变了

13、传统传感器与特定测控设备间的点到点联接方式，从而显著减少了现场布线的复杂程度。,27,二、网络传感器发展概况 将传感器与网络紧密结合在一起成为网络传感器，是解决工业控制领域布线复杂和抗干扰性差问题，实现生产现代化的必然选择，也是实现社会现代化如家庭管理智能化，城市管理智能化，电网、公路、铁路管理智能化等的必然选择。,28,20世纪80年代末到90年代初，现场总线是连接智能化现场设备和控制室之间全数字式、开放的、双向的局部通信网络。现场总线的不断发展和基于现场总线通信协议的智能传感器的广泛应用，使智能传感器通信技术进入局域网阶段。,图10-47 基于hart协议的智能 温度传感器结构,29,随着

14、现场总线技术的发展，涌现出很多种现场总线，比较有影响的有dupline、lonworks、profibus、hart、can和ff等，它们各有特点和优势，在不同领域有不同的应用价值。,30,(二)网络传感器通用接口标准 ieee1451.1标准采用通用的a/d或d/a转换装置作为传感器的i/o接口，将所用传感器的模拟信号转换成标准规定格式的数据，连同存储器传感器电子数据表(teds)与标准规定的处理器目标模型网络适配器(ncap)连接，使数据可按网络规定的协议登临网络。这是一个开放的标准，它的目的不是开发另一种控制网络，而是在控制网络与传感器之间定义一个标准接口，使传感器选择与控制网络的选择分

15、开，从而使用户选择需要的传感器而不受限制，实现真正意义上的即插即用。,31,图10-48 基于ieee1451.2的 网络传感器结构,32,其中stim由符合标准的变送器自身带有内部信息包括制造商、数据代码、序列号、使用的极限、未定量及校准系数等组成。当电源接通时，这些数据可提供给ncap及系统其他部分。当ncap读入一个stim中teds数据时，ncap可知道这个stim的通信速度、通道数及每个通道上变送器的数据格式，并知道所测物理量的单位及怎样将所得到的原始数据转换为国际标准单位。,33,变送器的电子数据表teds是ieee1451.2标准的核心，用于详细描述它所支持的传感器和执行器的类型

16、、操作及属性。teds分为可寻址的8个单元，其中只有meta teds与channel teds是必备的，其他的可选，但主要是为将来扩展用。meta teds主要描述teds自身的信息与数据结构，以及它支持的通道数和通道极限时间参数等。channel teds主要描述通道的物理单位、对象范围的上下限、函数模型、校准模型及定时信息。 目前设计基于ieee1451.2标准的网络传感器已十分方便，特别是stim和ncap模块，硬件可用专用的集成芯片如edi1520等，软件模型可用ieee1451.2标准的stim软件模块如stim模块、th模块和teds模块等。,34,(三)网络传感器的发展形式 1

17、.从有线形式到无线形式 在一些特殊测控环境下使用有线形式传输传感器信息是不方便的。为此，可将ieee1451.2标准与蓝牙技术结合起来设计无线网络化传感器，以解决有线系统的局限性。,35,蓝牙技术是指ericsson、ibm、intel、nokia和toshiba等公司于1998年5月联合推出的一种低功率短距离的无线连接标准。它是实现语音和数据无线传输的开放性规范，其实质是建立通用的无线空中接口及其控制软件的公开标准，使不同厂家生产的设备在没有电线或电缆相互连接的情况下，能近距离(10 cm100 m)范围内具有互用、互操作的性能。蓝牙技术具有工作频段全球通用、使用方便、安全加密、抗干扰能力强、兼容性好、尺寸小、功耗低及多路多方向链接等优点。基于ieee1451.2标准的蓝牙协议的无线网络传感器结构框图如图10-49所示。,3