第九章智能传感器及系统集成(new)70

第九章（1）智能传感器智能传感器的结构与系统智能传感器是一种带微处理器兼有检测、判断、信息处理、信息记忆、逻辑思维等功能的传感器。其特点是：1、易于线性化。2、自动修正测量数据减少环境因素引起的误差。3、具有抑制漂移的能力。4、其跟踪滤波功能可以去除噪声、提高信噪比从而提高传感器的可靠性。5、用软件解决硬件难以解决的问题，完成数据计算与数据处理工作。智能传感器主要由敏感元件、微处理器及相关电路组成。智能传感器的原理框图如下传感元件信号调理微处理器通讯接口输入接口微处理器是智能传感器的智能核心，承担了数据收集、数据存储、数据处理、系统校准、系统补偿等大量硬件难以完成的工作，从而大大降低了传感器的制造难度，提高了传感器的性能，降低了成本，提高了传感器的可靠性。智能传感器有集成式、混合式和模块式三种结构。集成式：将若干个敏感元件与微处理器、信号处理电路集成在同一硅片上。混合式：将传感器和微处理器、信号处理电路做在不同的芯片上，这是目前的智能传感器的主要形式。模块式：将传感元件模块、微处理器模块、信号调理电路模块等装配在同一个壳结构内。智能传感器的功能特点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，提高测量精度。2、具有自诊断、自校准功能，提高了可靠性。3、组态功能可以实现多传感器多参数复合测量，扩大了检测使用范围。用户可以选择需要的组态。包括检测范围，可编程通/断延时，选组计数器，常开/常闭，分辨率选择等。可使同一类型的传感器工作在最佳状态，并且能在不同场合从事不同的工作。4、存储功能使检测数据可以随时存取。5、数据通信功能具有数据通信接口，能与计算机直接联机，互相交换信息。智能传感器具有的串行通信接口，既可以直接与计算机进行数据通信，实现点对点的测控，也可以构成智能传感器网络与计算机实现数据通信，实现点对多点的分布式集散测控系统。避免了模拟信号的远距离传输，提高了系统的可靠性。6、自适应技术可在条件变化的情况下，在一定范围内使自己的特性自动适应这种变化。通过采用自适应技术，智能传感器能补偿老化部件引起的参数漂移，延长器件或装置的寿命。同时扩大其工作领域，自动适应不同的环境条件。自适应技术提高了传感器的重复性和准确度。智能传感器中的软件软件对传感器的测量过程进行管理和调节，使之工作在最佳状态，并对传感器数据进行各种处理，从而增强传感器功能，提高性能指标。一、温度补偿基本方法是：1、将温度敏感元件与智能传感器的敏感元件集成在一起，用于测量敏感元件的环境温度。2、建立温度误差的数学模型，微处理器根据测得的温度值和数学模型进行补偿。3、查表法。二、非线性校正1、线性插值法先用实验测出传感器的输入输出数据，利用一次函数进行插值，用直线逼近传感器的特性曲线。如果传感器的特性曲率大，可以将该曲线分段插值，把每段曲线用直线近似，即用折线逼近整个曲线。这样可以按分段线性关系求出输入值所对应的输出值。一般情况下只要分段合理，插值点数得当就可获得良好的线性度和精度。2、二次曲线插值法用抛物线代替原来的曲线，先求出传感器特性曲线的反函数，并根据精度要求对曲线进行分段，然后利用二次函数进行插值，用二次函数逼近。3、查表法通过计算或实验得到检测值和被检测值的关系，然后按一定规律把数据排成表格，存入内存单元。微处理器根据检测的大小查表。三、数字滤波1、算术平均滤波计算连续N个点的采样值的算术平均值作为滤波器的输出.2、递推平均滤波递推平均滤波只需进行一次测量就能得到平均值，它把N个数据看作一个队列，每次测量得到的新数据存在队尾，而扔掉原来队首的一个数据，这样在队列中始终有N个“新”数据，然后计算队列中数据的平均值作为滤波结果。每进行一次这样的测量，就可立即计算出一个新的平均值。3、加权递推平均滤波递推平均滤波法中所有采样值的权系数相同，在结果中所占的比例相等，这会对时变信号引起滞后。为增加新采样数据在递推滤波中的比重，提高传感器对当前干扰的抑制能力，可以采用加权递推平均滤波算法，对不同时刻的数据加不同的权重，通常越接近现时刻的数据，权重取得越大。N项加权递推平均滤波算法为NiiixNky11)(四、标度变换如果传感器的输入输出之间具有函数关系，可直接用解析式进行标度变换。如果没有，采用多项式插值法进行标度变换。五、自动校正和自诊断自动校正是校正传感器的零位和满量程误差。传感器分别输入零点标准值和满度标准值，通过测量传感器的输出，得到智能传感器的校正方程。测量时软件系统根据校正方程，对传感器的零位误差、增益误差等进行校正。从而大大提高测量准确度和可靠性。自诊断就是对敏感元件及整个传感器各部件的状态进行自检，检查传感器的各个部分是否正常，并诊断发生故障的部件，以保证传感器正常工作。六、数字调零用软件实现偏差调零。智能传感器的低功耗设计一、设计原则1、选用低功耗的敏感元件。2、简化硬件电路和传感器功能。3、设计低功耗电路，采用低功耗器件。4、单电源、低电压供电。二、智能传感器低功耗设计技术1、降低电源电压，压缩电路动态范围。2、控制大电流器件的工作时间。3、降低单片机的时钟频率。4、使用单片机的睡眠方式。三、智能传感器的低功耗设实例1、智能湿度传感器的结构框图湿度敏感元件调节放大电路单片机LCD显示器控制键通信接口被测信号经调理放大电路处理，成为与被测量成正比的0.001～4.99V直流电压信号，送单片机A/D转换口。LCD显示器可显示湿度测量值、智能湿度传感器的工作状态（测量/通信）、超量程提示和欠电报警。通信接口可以实现智能湿度传感器与计算机之间的信息传输。对于相对湿度小于50%RH的测量环境，可选用芬兰VAISALA公司的HMP-35湿度敏感元件，它在相对湿度60%RH以下具有较好的线性和准确度。对于相对湿度大于40%RH以上的环境，可选用GeneralEastern公司的653-M2湿敏器件，它在相对湿度20%RH以上具有较好的线性和准确性。2、低功耗设计措施低功耗智能湿度传感器的模拟电路主要是运算放大器为核心的放大电路。这里宜选用低功耗、单电源的运算放大器，可选用模拟器件公司的AD822。单片机选用内部带有4路8位A/D转换器、4个中断源、8分频定时/计数器、1024*14位片内程序存储器、68*8位RAM的低功耗单片机PIC16C71。它具有低功耗睡眠模式（SLEEP)和片内看门狗定时器(WTD)，易于实现低功耗设计和抗干扰设计，是低功耗低成本智能传感器较为适宜的单片机。智能传感器的设计与制造目前智能传感器的实际产品大多是模块化结构，近年来由于多芯片组件（MCM)技术的发展，可将智能传感器分布在几个芯片组件上的部件组装起来，构成传感器。集成智能传感器的设计和制造中有许多复杂的技术问题。一、利用微机械加工技术制造传感器微机械加工技术是微型传感器和微机械元件的加工工艺技术，是制造智能传感器的重要技术。其中硅微机械加工技术是硅集成电路工艺的一项重要扩展技术。它除了包括高度发展的硅集成电路工艺外，还有一些独特的工艺。它主要用于制造硅材料为基底、层与层之间有很大差别的三维结构。1、刻蚀技术它是微加工技术的特殊工艺，通过腐蚀加工形成各种微结构，这是形成微型传感器的关键技术。2、体形结构腐蚀加工腐蚀加工有化学腐蚀和离子刻蚀技术两大类。化学腐蚀是应用腐蚀剂腐蚀，腐蚀剂有各向同性和各向异性两种，改变腐蚀剂中氧化剂、去除剂和稀释剂的成分可以调整腐蚀速率、选择性和表面腐蚀条件。各向异性腐蚀可形成三维结构。离子刻蚀是在真空腔内进行。采用等离子定向刻蚀，将硅片放在交流电源驱动的电极上，并置于充有含氟里昂气体的化学反应等离子体中进行。3、表面腐蚀加工技术用于制造各种悬式结构，如微型悬臂梁、悬臂块、微型桥、微型腔等。目前已成功应用在微型谐振式传感器，加速度传感器、流量传感器和压电传感器中。4、薄膜技术可以加工成各种梁、桥、弹性膜、压电膜。用作传感器的敏感元件，有的可作为介质膜起绝缘层的作用；有的可作为控制尺寸的衬垫层，在加工完成之前去除掉。5、固相键合技术是微机械部件的装配技术，可以把两个固态部件直接键合在一起。二、智能传感器的电路设计1、模拟信号输入级一般模拟信号输入级是含有多路切换开关的可编程增益放大器。2、传感器的激励源传感器的激励源由微处理器控制，以便使传感器工作在最佳状态。3、数据转换4、数据处理5、数字输出接口电路6、微处理器选择目前以单片机、DSP等嵌入式微处理器。智能传感器实例一、ST-3000系列智能压力传感器该系列传感器是美国Honeywell公司20世纪80年代研制的产品，是最早的商品化智能传感器，可以同时测量静压、差压和温度三个参数。精度达0.1级，6个月总漂移不超过全量程的0.03%，量程比可达400：1，阻尼时间常数在0～32s间可调。目前该产品被广泛应用。传感器的结构框图如下：差压静压温度多路开关A/DCPUD/AI/OROMRAMPROMEEPROM4-20mA或数字信号传感部分由差压、静压和温度三个传感器组成，该部分的输出是三个参数的函数，设三个传感器的输出为由此可解得P,SP,T)(fUP,SP,T)(fUP,SP,T)(fUTSPΔP321),,(TSPPUUUFP以上由三个传感器信号计算待测压力的过程是在微处理器中通过软件程序进行的。在传感器的制造过程中，待测压力特征数据、环境温度特征数据就、和静压数据需要事先存储在PROM中。这些特征数据由生产线的计算机采集并送入存储器存储。实际工作时，传感器芯片上的三个传感器的信号经多路切换开关、调理电路以及A/D转换器，分别进入CPU。CPU利用PROM中的特征数据，对三种信号进行程序运算处理，最终产生一个高精度的特性优异的待测压力信号输出。现场通信器具有以下功能：对传感器进行远程组态，设定标号、测量范围、输出形式和阻尼时间常数，不到现场就可调节变送器的参数；传感器的零点和量程校准可以在现场进行，不必拆卸传感器，也不需要专门设备。对传感器进行诊断，进行组态检查、通信功能检查、变送功能检查、参数异常检查，诊断结果传送到现场通信器中显示；设定传感器为恒流输出，把传感器当作恒流源使用以便检查系统中的其它传感器或设备。二、EJA差压变送器系日本横河电机株式会社与1994年研制成功的高性能智能式差压传感器。它利用单晶硅谐振式传感器原理，采用微电子机械加工技术（MEMS)，精度达0.075%，具有高稳定性和高可靠性。其由膜盒组件和智能转换部件组成。膜盒组件包括膜盒、单晶硅谐振式传感器和特性修正存储器。原理图如下：单晶硅谐振式传感器特性修正传感器CPUA/DD/A内置存储器4-20mADC及数字信号膜盒组件数据处理部件Δp单晶硅谐振式传感器的两个H型谐振梁将差压、压力信号分别转换成频率信号，送到脉冲计数器中，再将两频率之差直接送到CPU中进行数据处理，经D/A转换器转换成与输入信号相对应的4-20mA电流信号。膜盒组件中的特性修正存储器存储传感器的环境温度、静压及输入输出特性的修正数据，CPU利用它们进行温度补偿，校正静压及输入输出特性。三、8800A型卡曼旋涡流量变送器这是美国Rosemount公司的智能传感器。它利用“卡曼涡流”现象测定流量，即当管道中装设柱状阻挡物时，流体流过时形成两列旋涡，旋涡出现的频率与流量成正比。该变送器利用应力检测法测量旋涡频率，在柱状物的后部插入嵌有压电元件的杆，当旋涡冲击杆端时形成弯矩，压电元件出现电荷，电荷经放大器放大后，经滤波、A/D转换后送入数字式跟踪滤波器。它能跟踪旋涡的频率对噪声进行抑制，使滤波后的数字信号正确反映流量值。CPU接收跟踪滤波的数字信号进行处理后送D/A转换器输出4-20mA的电流。8800A型卡曼旋涡流量变送器具有自诊断、温度校正等功能，通过现场通信器进行组态。4、超声智能测距传感