第11章 智能傳感器

1、第11章 智能傳感器,11.1概述11.2智能傳感器實(shí)現(xiàn)的途徑11.3智能傳感器輸出信號(hào)的預(yù)處理11.4數(shù)據(jù)采集11.5智能傳感器的數(shù)據(jù)處理技術(shù)11.6智能傳感器的硬件設(shè)計(jì)本章要點(diǎn),11.1 概述,傳感器在經(jīng)歷了模擬量信息處理和數(shù)字量交換這兩個(gè)階段后，正朝著智能化、集成一體化、小型化方向發(fā)展，利用微處理機(jī)技術(shù)使傳感器智能化是80年代新型傳感器的一大進(jìn)展，通常稱之為智能傳感器（IntellingentSensor）。在美國還

2、有一個(gè)通俗的名稱SmartSensor，含有聰明、伶俐、精明能干的意思。,11.1 概述,11.1.1 智能傳感器的概念11.1.2 智能傳感器和普通傳感器的區(qū)別11.1.3 智能傳感器的特點(diǎn),11.1.1 智能傳感器的概念,智能傳感器這一名稱雖然至今未有確切含義，但從字面上看，意味著這種傳感器具有一定人工智能，即是使用電路代替一部分腦力勞動(dòng)。近年來傳感器越來越多地和微處理機(jī)相結(jié)合，使傳感器不僅有視、嗅、味和聽覺的功能，還具

3、有存儲(chǔ)、思維和邏輯判斷、數(shù)據(jù)處理、自適應(yīng)能力等功能，從而使傳感器技術(shù)提高到一個(gè)新水平。,圖11-1 智能壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖,圖11-2 集成一體化的智能傳感器,圖11-3 智能傳感器的組成框圖,11.1.1 智能傳感器的概念,將傳感器和微處理機(jī)制作在一起構(gòu)成智能傳感器，美、英、法、日等國均投入極大力量進(jìn)行研究。典型的實(shí)例如美國Honeywell公司的DSTJ3000型硅壓阻式智能傳感器和ParScientific公司的1000系列

4、數(shù)字式石英智能傳感器。,11.1.2 智能傳感器的功能,概括而言，智能傳感器的主要功能是： 具有自校零、自標(biāo)定、自校正功能； 具有自動(dòng)補(bǔ)償功能； 能夠自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理； 能夠自動(dòng)進(jìn)行檢驗(yàn)、自選量程、自尋故障； 具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、記憶與信息處理功能； 具有雙向通訊、標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字輸出或者符號(hào)輸出功能； 具有判斷、決策處理功能。,11.1.3 智能傳感器的特點(diǎn),與傳統(tǒng)傳感器

5、相比，智能傳感器的特點(diǎn)是： 精度高 高可靠性與高穩(wěn)定性 高信噪比與高的分辨力 強(qiáng)的自適應(yīng)性 低的價(jià)格性能比 由此可見，智能化設(shè)計(jì)是傳感器傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一次革命，是世界傳感器的發(fā)展趨勢(shì)。,11.2 智能傳感器實(shí)現(xiàn)的途徑,11.2.1 非集成化實(shí)現(xiàn)11.2.2 集成化實(shí)現(xiàn) 11.2.3 混合實(shí)現(xiàn)11.2.4 集成化智能傳感器的幾種模式,11.2.1 非集成化實(shí)現(xiàn),非集成化智能

6、傳感器是將傳統(tǒng)的經(jīng)典傳感器（采用非集成化工藝制作的傳感器，僅具有獲取信號(hào)的功能）、信號(hào)調(diào)理電路、帶數(shù)字總線接口的微處理器組合為一整體而構(gòu)成的一個(gè)智能傳感器系統(tǒng)。其框圖如圖11-4所示。 圖11-4 非集成式智能傳感器外殼這種非集成化智能傳感器是在現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)發(fā)展形勢(shì)的推動(dòng)下一步迅速發(fā)展起來的。,11.2.1 非集成化實(shí)現(xiàn),模 糊 傳 感 器近10年來發(fā)展極為迅速的模糊傳感器也是一種非集成

7、化的新型智能傳感器。模糊傳感器是在經(jīng)典數(shù)值測(cè)量的基礎(chǔ)上，經(jīng)過模糊推理和知識(shí)合成，以模擬人類自然語言符號(hào)描述的形式輸出測(cè)量結(jié)果。顯然，模糊傳感器的核心部分就是模擬人類自然語言符號(hào)的產(chǎn)生及其處理。 圖11-5 模糊傳感器的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)示意圖,11.2.2 集成化實(shí)現(xiàn),這種智能傳感器系統(tǒng)是采用微機(jī)加工技術(shù)和大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)，利用硅作為基本材料來制作敏感元件、信號(hào)調(diào)理電路、微處理器單元，并把它們集成在一塊芯片

8、上而構(gòu)成的。故又可稱為集成智能傳感器（IntegratedSmart/IntelligentSensor）其外形如圖11-6所示。,11.2.2 集成化實(shí)現(xiàn),智能傳感器的特點(diǎn)是： 微型化 結(jié)構(gòu)一體化 精度高 多功能 陣列式 全數(shù)字化 使用極其方便，操作極其簡(jiǎn)單,11.2.2 集成化實(shí)現(xiàn),根據(jù)以上特點(diǎn)可以看出

9、：通過集成化實(shí)現(xiàn)的智能傳感器，為達(dá)到高自適應(yīng)性、高精度、高可靠性與高穩(wěn)定性，其發(fā)展主要有以下兩種趨勢(shì)：其一是：多功能化陣列化，及強(qiáng)大的軟件信息處理功能其二是：發(fā)展諧振式傳感器，加軟件信息處理功能所示的集成智能傳感器，是智能傳感器的最終期望形式。如果再具有圖像處理功能則是智能傳感器的最高級(jí)形式。,11.2.3 混合實(shí)現(xiàn),根據(jù)需要與可能，將系統(tǒng)各個(gè)集成化環(huán)節(jié)，如：敏感單元、信號(hào)調(diào)理電路、微處理器單元、數(shù)字總線接口，以不同的組合方式集成

10、在兩塊或三塊芯片上，并裝在一個(gè)外殼里，如圖11-7中所示的幾種方式,11.2.3 混合實(shí)現(xiàn),圖11-7 在一個(gè)封裝中可能的混合集成實(shí)現(xiàn)方式在圖（a）中，是三塊集成化芯片封裝在一個(gè)外殼里。在圖(b),(c),(d)中，是兩塊集成化芯片封裝在一個(gè)外殼里。圖11-8(a)(c)中的（智能）信號(hào)調(diào)理電路，具有部分智能化功能，如自校零、自動(dòng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，這是因?yàn)檫@種電路帶有零點(diǎn)校正電路和溫度補(bǔ)償電路才獲得了這種簡(jiǎn)單的智能化功能的。,11

11、.2.4 集成化智能傳感器的幾種模式,若按具有的智能化程度來分類，集成化智能傳感器有三種存在形式: 初級(jí)形式初級(jí)形式就是組成環(huán)節(jié)中沒有微處理器單元，只有敏感單元與（智能）信號(hào)調(diào)理電路，二者被封裝在一個(gè)外殼里。這是智能傳感器系統(tǒng)最早出現(xiàn)的商品化形式，也是最廣泛使用的形式，也被稱為"初級(jí)智能傳感器"（SmartSensor）,11.2.4 集成化智能

12、傳感器的幾種模式,中級(jí)形式/自立形式中級(jí)形式是在組成環(huán)節(jié)中除敏感單元與信號(hào)調(diào)理電路外，必須含有微處理器單元，即一個(gè)完整的傳感器系統(tǒng)封裝在一個(gè)外殼里的形式。 高級(jí)形式高級(jí)形式是集成度進(jìn)一步提高，敏感單元實(shí)現(xiàn)多維陣列化時(shí)，同時(shí)配備了更強(qiáng)大的信息處理軟件，從而具有更高級(jí)的智能化功能的形式。,11.3 智能傳感器輸出信號(hào)的預(yù)處理,11.3.1 傳感器輸出信號(hào)的分類11.3.2 開關(guān)信號(hào)的預(yù)處理

13、 當(dāng)傳感器輸入的物理量小于某閾值時(shí)，傳感器處于"關(guān)"狀態(tài)，大于閾值時(shí)，處于"開"狀態(tài)。實(shí)際使用中，輸入信號(hào)經(jīng)常伴有噪聲疊加成分，使傳感器不能在閾值點(diǎn)準(zhǔn)確地發(fā)生躍變，因此為了消除噪聲和改善特性，常接入具有遲滯特性的電路，稱為鑒別器，或稱脈沖整形電路，如施密特觸發(fā)器。,11.3.3 模擬信號(hào)預(yù)處理,模擬脈沖式傳感器信號(hào)一般需接脈沖限幅電路，使輸出變成窄脈沖，方可使用脈沖瞬值保持電路將脈沖擴(kuò)展。以便

14、A/D轉(zhuǎn)換。 圖11-9 5G7650的應(yīng)用,圖11-11 隔離放大器TD290的應(yīng)用,11.4 數(shù)據(jù)采集,11.4.1 數(shù)據(jù)采集的配置11.4.2 取樣周期的選擇11.4.3 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇,11.4.1 數(shù)據(jù)采集的配置,典型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配置如圖11-11所示，圖（a）是典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配置方法, 圖（b）是同時(shí)采集、分時(shí)轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)，可保證獲得各采樣點(diǎn)同一時(shí)刻的模擬量。在需要高

15、速采樣時(shí)，系統(tǒng)中就需要每個(gè)傳感器有一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器再進(jìn)入模擬開關(guān)。這樣，系統(tǒng)價(jià)格會(huì)有所提高，如圖（c）所示。 （書上204頁）圖11-11 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的配置,11.4.2 取樣周期的選擇,對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行兩次采樣之間的時(shí)間間隔稱為采樣周期TS。為了盡可能保持被采樣信號(hào)的真實(shí)性，采樣周期不宜太長(zhǎng)，要根據(jù)采樣定理來定。由采樣得到的輸出函數(shù)要能不失真地恢復(fù)到原來的信號(hào)。實(shí)用上一般使采樣頻率等于2.5～3倍

16、的輸入信號(hào)最大頻率，有時(shí)用5～10，根據(jù)實(shí)際需要而定。采樣周期的長(zhǎng)短也要涉及跟配置的A/D轉(zhuǎn)換芯片的選擇.,11.4.3 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇,A/D轉(zhuǎn)換器的種類很多，主要有比較型和積分型兩大類，其中常用的是逐次逼近型、雙積分型和V-F轉(zhuǎn)換器。 雖然芯片繁多，性能各異，但從使用角度看，其外特性不外乎有以下四點(diǎn)：模擬信號(hào)輸入端數(shù)字量的并行輸出端；啟動(dòng)轉(zhuǎn)換的外部控制信號(hào)；轉(zhuǎn)換完畢同轉(zhuǎn)換器發(fā)出的轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。,11.5 智

17、能傳感器的數(shù)據(jù)處理技術(shù),傳感器的數(shù)據(jù)輸出信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，所獲得的數(shù)字信號(hào)一般不能直接輸入微處理機(jī)供應(yīng)用程序使用，還必須根據(jù)需要進(jìn)行加工處理，如標(biāo)度變換、非線性補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償、數(shù)字濾波等。以上這些處理也稱軟件處理。以軟件代硬件這也就體現(xiàn)出傳感器智能化的優(yōu)越性所在。盡可能多的采用軟件設(shè)計(jì)提高傳感器的精度、可靠性和性能價(jià)格比，這是設(shè)計(jì)智能傳感器的原則。,11.5 智能傳感器的數(shù)據(jù)處理技術(shù),11.5.1 數(shù)據(jù)處理包含的內(nèi)容11.

18、5.2 標(biāo)度變換技術(shù)11.5.3 非線性補(bǔ)償技術(shù)11.5.4 傳感器的溫度誤差補(bǔ)償11.5.5 數(shù)字濾波技術(shù),11.5.1 數(shù)據(jù)處理包含的內(nèi)容,任何數(shù)據(jù)處理都包含下列一個(gè)或者幾個(gè)方面的工作： 數(shù)據(jù)收集 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 數(shù)據(jù)分組 數(shù)據(jù)組織 數(shù)據(jù)計(jì)算 數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 數(shù)據(jù)搜索,11.5.2 標(biāo)度變換技術(shù),線性參數(shù)的標(biāo)度變換

19、非線性參數(shù)的標(biāo)度變換多項(xiàng)式變換法,11.5.2 標(biāo)度變換技術(shù),線性參數(shù)的標(biāo)度變換這種標(biāo)度變換的前提是參數(shù)值與A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果之間為線性關(guān)系，其變換公式為 （11-1） 式中: y--參數(shù)測(cè)量值； ym--參數(shù)量程最大值；

20、 y0--參數(shù)量程最小值； Nm--ym對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量； N0--量程起點(diǎn)y0所對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量； x--測(cè)量值y所對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換值。,11.5.2 標(biāo)度變換技術(shù),一般情況下，在編寫程序時(shí)，ym、y0、Nm、N0都是已知值，因此可以把（11-1）式寫成 y=ao+a1x

21、 (11-2),11.5.3 非線性補(bǔ)償技術(shù),線性插值法二次曲線插值法查表技術(shù),11.5.3 非線性補(bǔ)償技術(shù),線性插值法先用實(shí)驗(yàn)法測(cè)出傳感器的輸入輸出特性曲線，假定如圖11-13所示 （11-7）

22、 （11-8）,11.5.3 非線性補(bǔ)償技術(shù),二次曲線差值法若傳感器的輸入和輸出之間的特性曲線的斜率變化很大，則兩插值點(diǎn)之間的曲線將很彎曲，如圖11-14所示。這時(shí)若仍采用線性插值法，誤差就很大?？梢圆捎枚吻€插值法，這是通過曲線上的三個(gè)點(diǎn)作一拋物線（圖中的實(shí)線），用此曲線代替原來的曲線。利用三個(gè)已知點(diǎn)A、B、C的數(shù)值求出系數(shù)m0、m1、m2后，存放在相應(yīng)的內(nèi)存單元，然后根

23、據(jù)某點(diǎn)的x值代入即可求出被測(cè)值y0,11.5.3 非線性補(bǔ)償技術(shù),查表技術(shù)所謂查表技術(shù)，就是事先把檢測(cè)值和被測(cè)值按已知的公式計(jì)算出來，或者用測(cè)量法事先測(cè)量出結(jié)果，然后按一定方法把數(shù)據(jù)排成表格，存入內(nèi)存單元，以后微處理機(jī)就根據(jù)檢測(cè)值大小查出被測(cè)結(jié)果。查表技術(shù)是一種常用的非數(shù)值運(yùn)算方法，可以完成數(shù)據(jù)補(bǔ)償、計(jì)算、轉(zhuǎn)換等功能。它具有程序簡(jiǎn)單、執(zhí)行速度快等優(yōu)點(diǎn)。下面介紹幾種常用的查表方法。,11.5.3 非線性補(bǔ)償技術(shù),（一）順序查表法順序

24、查表法是按表格的排列順序，從頭開始，一個(gè)一個(gè)進(jìn)行比較，直到找到關(guān)鍵字為止。這種方法主要適用于無序表的查找。若表格的地址按一定規(guī)律排列且被測(cè)量與檢測(cè)結(jié)果的表格有一定關(guān)系時(shí)，則可以通過計(jì)算求出查表法所需的地址，然后從相應(yīng)的內(nèi)存單元中取出檢測(cè)結(jié)果。,11.5.3 非線性補(bǔ)償技術(shù),（二）對(duì)分搜索法在實(shí)際應(yīng)用中，很多表格都很長(zhǎng)，且難以用計(jì)算查表法進(jìn)行查找，但是這種表格一般都滿足從大到小（或從小到大）的順序。對(duì)于這種表格可以采用對(duì)分搜索法進(jìn)行查找

25、。對(duì)分搜索是每次截取表的一半進(jìn)行搜索，逐步細(xì)分，首先把給定值x與表格中間元素的關(guān)鍵字進(jìn)行比較，如相等，則查找成功；如小于則截取低半表，大于則截取高半表。然后再把給定值與所截取半表的中間元素的關(guān)鍵字相比較，依次重復(fù)上述過程直到查找成功或截取后的子表長(zhǎng)度到零為止。對(duì)分搜索法的算法有子表限界法和子表長(zhǎng)度法等。子表限界法采用表的高低界地址來計(jì)算子表的中心元素的地址，其缺點(diǎn)是元素長(zhǎng)度大于1時(shí)計(jì)算比較麻煩。子表長(zhǎng)度法是采用子表的長(zhǎng)度和上次中心元

26、素的序號(hào)來查找元素的地址，它適合于數(shù)據(jù)元素長(zhǎng)度不同的各種表的查找。,11.5.4 傳感器的溫度誤差補(bǔ)償,傳感器線性溫度特性補(bǔ)償方法 溫度特性曲線擬合法 溫度特性查表法 傳感器非線性溫度特性補(bǔ)償方法,11.5.4 傳感器的溫度誤差補(bǔ)償,溫度特性曲線擬合法,圖11-16 不同溫度下的靜態(tài)特性,圖11-17 溫度補(bǔ)償流程圖,11.5.4 傳

27、感器的溫度誤差補(bǔ)償,溫度特性查表法將溫度值和傳感器對(duì)應(yīng)的輸出電壓值按順序分配方式存入內(nèi)存，構(gòu)成一個(gè)線性表，采集數(shù)據(jù)時(shí)，CPU按線性查找對(duì)應(yīng)溫度的電壓值u，并按下式計(jì)算對(duì)應(yīng)的被測(cè)物理量y y=(u-U)tg? (11-15) 式中U是溫度直線在坐標(biāo)上的截距，可用線性插值由輸入的T求得，a是溫度直線與縱坐標(biāo)軸u的夾角。,11.5.5 數(shù)字濾波技術(shù)

28、,數(shù)字濾波與模擬濾波相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：不需增加任何硬設(shè)備，只要在程序進(jìn)入數(shù)據(jù)處理和控制算法之前附加一段數(shù)字濾波軟件即可；因沒有硬設(shè)備、傳感器精度可以提高，不存在阻抗匹配問題；數(shù)字濾波可以多個(gè)通道共用，而模擬濾波則每個(gè)通道都要有；可以對(duì)頻率很低的信號(hào)進(jìn)行濾波，而模擬濾波受電容器量值限制，頻率不宜太低；使用靈活方便，可根據(jù)需要選擇不同的濾波方法和濾波參數(shù)。,11.5.5 數(shù)字濾波技術(shù),數(shù)字濾波的常用方法有： 算

29、術(shù)平均濾波法 滑動(dòng)平均濾波法 加權(quán)平均濾波法,11.6 智能傳感器的硬件設(shè)計(jì),11.6.1 正確選擇微處理機(jī) 常用單片機(jī)作為智能傳感器的中央處理機(jī)，這級(jí)有以下一些優(yōu)點(diǎn)：硬件通用性強(qiáng)，應(yīng)用靈活，在不同場(chǎng)合應(yīng)用時(shí)，硬件的結(jié)構(gòu)基本不動(dòng)，只要改變固化在存儲(chǔ)器里的程序，就可更新?lián)Q代變成新產(chǎn)品。指令系統(tǒng)適合實(shí)時(shí)控制。體積小，執(zhí)行速度快?？煽啃愿撸垢蓴_能力強(qiáng)。可方便地實(shí)現(xiàn)多機(jī)分布式控制，產(chǎn)品開發(fā)

30、周期短，開發(fā)效率高，同一系列和配置接口的芯片種類多，功能全，便于挑選,11.6.2 智能傳感器的輸入輸出技術(shù),鍵盤及其接口 用鍵盤輸入代替各種傳統(tǒng)的按鈕或琴鍵式轉(zhuǎn)換開關(guān)、軟件硬件配合的方法完成面板輸入的基本功能。鍵盤的優(yōu)點(diǎn)有：鍵鈕排列成有規(guī)則的矩陣，使用方便；采用單觸點(diǎn)瞬間接通方式，簡(jiǎn)單可靠；只要改變軟件便可實(shí)現(xiàn)鍵的配合操作；只要按下（1）或釋放（0）兩種狀態(tài)，便可實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話,圖11-20 4*4非編碼間盤及接口