第14章智能传感器 14.1智能传感器概述 14.2智能传感器的功能及特点 14.3智能传感器的实现途径 14.4智能传感器系统智能化的功能实现方法 14.5智能传感器的形 14.6智能传感器的应用 14.1智能传感器概述 14.1.1智能传感器的定义 14.1.2智能传感器的组成 14.1.3智能传感器的发展 14.1.1智能传感器的定义 一个真正意义上的智能传感器必须具备学习、 推理、感知、通讯及 理功能，使传感器与 微处理器赋予智能的结合，兼有信息检测与 信息处理功能的传感器就是智能传感器(系 统)，将传感器与微处理器集成在一块芯片上 是构成智能传感器(系统)的一种最主要的方 式。智能传感器英文常译为：Intelligent Sensor/SmartSensor。 14.1.2智能传感器的组成 图14-1DPT型智能压力传感器的结构 UART—异步发送 接收器PFA—程控放大器 14.1.3智能传感器的发展 传感器是获取信息的工具。传感器技术是关于 传感器设计、制造及 用的综合技术。它是 信息技术的三大支柱(传感与控制技术、通讯 技术和计算机技术)之一。传统的传感器技术 已达到其技术极限。智能传感器是信息时代 的骄子，它正成为推动信息产业发展的强大 动力。智能传感器在电子信息工程领域具有 特殊重要的意义。当前，智能传感器向以下 几方面迅猛发展：①单片集成化；②网络 化；③智能微尘传感器；④系统化、高精 度；⑤多功能；⑥高可靠性；⑦安全性。 14.2智能传感器的功能及特点 14.2.1智能传感器的功能 14.2.2智能传感器的特点 14.2.1智能传感器的功能 (1)具有自校准和自诊断功能。 (2)具有数据存储、逻辑判断和 息处理功能，能对被测量进行 号调理 或 号处理(包括对 号进行预处理、线性化，或对温度、静压力等参数 进行自动补偿等)。 (3)能够自动采集数据，并对数据进行预处理。 (4)具有组态功能，使用灵活。 (5)具有双向通 功能，能直接与微处理器(μP)或单片机(μC)通 。 (6)具有判断、决策处理功能。 14.2.2智能传感器的特点 1.精度高 2.量程宽 3.多参数、多功能测量 4.自适应(S lf-adaptiv )能力强 5.较高的价格性能比 1.精度高 智能传感器采用自调零、自补偿、自校准等多 项新技术，能达到高精度指标 例如，美国BB(BURR-BROWN)公司的XTR系列精 密电流变送器，转换精度±0.05％，非线％ 美国霍尼韦尔(Honeywell)公司的 PPT、PPTR系列智能精密压力传感器，测量精 度为±0.05％，比传统压力传感器的精度大约 提高了一个数量级 2.量程宽 智能传感器的测量范围很宽，并具有很强的过 载能力。 例如，美国ADI 司的ADXRS300型单片偏航角速 度陀螺仪集成电路测量转动物体的偏航角速 度的范围是±300°/s。只需并联一只设定电 阻，即可将测量范围扩展到±1200°/s。 3.多参数、多功能测量 (1)多路智能温度控制器Pentium4处理器 Intel公司推出的高性能微处理 器。 (2)多功能式混浊度/电导/温度智能传感器系统例如，Honeywell公司的 APMS—10G型带微处理器和单线接口的智能化混浊度传感器系统能同时 测量液体的混浊度、电导和温度，构成多参数在线检测系统，可广泛用 于水质净化，清洗设备及化工、食品、医疗卫生等部门。 4.自适应(Self-adaptive)能力强 US0012是一种基于数 信号处理器(DSP)和模糊 逻辑技术(FLT)的高性能智能化超声波干扰探 测器集成电路，对温度环境等自然条件具有 自适应能力。 5.较高的价格性能比 例如，摩托罗拉(Motorola)公司烟雾检测 警IC 光电型的MC145010配上红外光电室，即可通 过传感微小烟雾颗粒的散热光束来检测烟 雾。其基本工作原理是：红外接收二极管接 受到红外发射二级管经烟雾颗粒的作用下形 成的散射光束后，结合光电型的MC145010即 可发出警 信号，达到烟雾检测 警目的。 14.3智能传感器的实现途径 14.3.1非集成化实现 14.3.2集成化实现 14.3.3混和实现 14.3.1非集成化实现 将经典传感器、信号调理电路、带数字总线接 口 微处理器组合为一体而构成 一种智能 传感器系统。这是实现智能传感器 最快捷 方式。 14.3.2集成化实现 (1)微型化 (2)结构一体化 (3)精度高 (4)多功能 (5)阵列式 (1)微型化 图14-2混合智能传感器系统组成 (2)结构一体化 压阻式压力(差)传感器是最早实现一体化结构 的。 (3)精度高 比起分体结构，传感器结构本身一体化后， 迟滞、重复性指标将 改善，时间漂移 减小，精度提高。 (4)多功能 微米级敏感元件结构的实现特别有利于在同一 硅片上制 不同功能的多个传感器，如 Honeywell公司20世纪80年代初期生产的ST— 3000型智能压力(差)和温度变送器，就是在一 块硅片上制 了感受压力、压差及温度3个参 量，具有3种功能(可测压力、压差、温度)的 敏感元件结构的传感器。 (5)阵列式 2 微米技术已经可以在1cm 大小的硅芯片上制 作含有 千个压力传感器阵列，譬如，丰田 中央研究所半导体研究室用微机械加工技术 制作的集成化应变计式面阵触觉传感器，在 8mm×8mm的硅片上制作了1024个(32×32)敏 感触点(桥)，基片四周还制作了信号处理电 路，其元件总数约16000个。 14.3.3混和实现 根据需要与可能，将系统各个集成化环节， 如：敏感 元、信号调理电路、微处理器 元、数字总线接口，以不同的组合方式集成 在两块或3块芯片上，并装在一个外壳里，其 组成结构如图14-2所示，集成化敏感 元包括 弹性敏感元件(对结构型传感器)及变换器。信 号调理电路包括多路开关、仪用放大器、基 准、模/数(A/D)转换器等。微处理器 元包括 数字存储器(EPROM、ROM、RAM)、I/O接 口、微处理器、数/模(D/A)转换器等。 14.4智能传感器系统智能化的功能实现方法 14.4.1非线 声抑制技术 14.4.4自补偿 14.4.5多传感器信息融合 14.4.6自选量程与增益控制 14.4.7智能传感器的自检验和自诊断 14.4.1非线性自校正技术 传感器追求测量范围内的线性，即测量范围内 灵敏度为常数 智能传感器都可以实现前端 输入量X经调理电路至A／D转换器前端的输出Y 的线性关系，这样的校正过程是一非线性自 校正过程，其条件为前端传感器输入量X经调 理电路输出Y是重复性的 14.4.2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 y —输入x特性如下： y=a0+a1x (14-1) 式中，a0为零位值；a1为灵敏度，又称传感器 系统的转换增益。 对于一个理想的传感器系统，a0与a1应为保持 恒定不变的常量。但是实际上，由于各种内 在和外来因素的影响，a0与a1都不可能保持 恒定不变。 14.4.3噪声抑制技术 智能传感器应完成在噪声及各种干扰信号中准 确提 被测信号，若被测信号频谱与干扰信 号频谱不重合采用滤波技术，若被测信号频 谱与干扰信号频谱重合采用相关仪或平均滤 波技术。 14.4.4自补偿 消除环境参数变化引起系统特性的改变，主要 为温度的自动补偿。 14.4.5多传感器信息融合 输出量y为多个参量x1、x2、x3…的函数，要求 能传感器敏感元件的集成化、阵列化，完 成多传感器对多信息的同时检测，并将检测 到的多信息进行算法融合。 14.4.6自选量程与增益控制 根据被测量的范围、信噪比、系统精度、灵敏 度 合因素自动选择。 14.4.7智能传感器的自检验和自诊断 自检验有开机自检、周期性自检、键控自检3 类。自诊断有硬件 余、解析 余、人工神 经网络3类方法。 14.5智能传感器的形式 14.5.1初级形式 14.5.2中级形式 14.5.3高级形式 14.5.1初级形式 初级形式就是组成环节中没有微处理器单元， 只有敏感单元与(智 )信号调理电路，二者被 封装在一个外壳里，这种形式的传感器称为 “初级智 传感器”(SmartSensor)。从功 来讲，它只具有比较简单的自动校零、非线 性的自动校正、温度自动补偿功 。这些简 单的智 化功 是由硬件电路来实现的。 例如，摩托罗拉公司的MPX3100压力传感器， 其量程为0～100kPa。按被测量可分为差压、 表压和绝对压力3种形式。它集应变仪、温度 补偿、标准和信号调理于同一芯片上，具有 精度高、补偿效果好、性 可靠、使用方便 等特点。 14.5.2中级形式 中级形式在组成环节中除敏感单元与信号调理 电路外，必须 有微处理器单元，即一个完 整的传感器系统全部封装在一个外壳里的形 式，智能化功能主要是由强大的软件来实 现。 例如，美国霍尼韦尔公司的ST—3000系列智能 变送器，ST—3000变送器的内部除传感器调 理电路外，还带有微处理器、存储器以及I/O 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4～20mA的模拟信号输出，一种为数字信 号输出。 14.5.3高级形式 高级形式智能传感器的集成度进一步提高，敏 感单元实现多维 列化，同时配备了更强大 的信息处理软件，从而具有更高级的智能化 功能的形式。具有更高级的传感器 列信息 融合功能，或具有成像与图像处理等功能。 对于集成化智能传感器系统而言，集成化程 度越高，其智能化程度也就越可能达到更高 的水平。 14.6智能传感器的应用 14.6.1基于IC总线 14.6.1基于IC总线.MAX6626的性能特点 .MAX6626的典型应用 1.MAX6626的工作原理 图14-3MAX6626传感器的内部电路框图 2.MAX6626的性能特点 1)内含温度传感器和12位A／D转换器，测温范围是 55～+125℃，分辨率可达 0.0625℃。 2)带IC串行总线)当被测温度超过上限t时，报警输出端(OT)被激活。H 4)MAX6626具有掉电模式，主机通过串行口将配置寄存器的D置成高电 o 平时，芯片就进入此模式，这时除上电重启动电路和串行接口以外，其 余电路均不工作。 5)利用内部的故障排队计数器，能防止出现误报警现象。 6)电源电压范围是+3.0～+5.5V，静态工作电流约为1mA，在掉电模式下 降至1μA。 3.MAX6626的典型应用 图14-4MAX6626的典型应用 14.6.2ST3000系列智能压力传感器 1.ST3000系列的性能特点 2.ST3000系列的工作原理及应用 1.ST3000系列的性能特点 1)它将集成等感器与信号调理器(即变送器)集成在 个0.147cm 的硅片上，2 可同时测量压差(ΔP)、静压(P)和温度(T)这3个参数，并具有压力校准和温 度补偿功能。 2)芯片中包含微处理器、存储器、A/D转换器、D/A转换器和数字I/O接 口。 3)高精度、宽量程。 4)ST3000能与现场通信器(SFC)进行双向通信，通过SFC来调节传感器参 数。 5)长期稳定性好，设计的平均故障间隔时间(MTBF)为470年，实际使用寿 命不低于15年，能满足高精度、高稳定性及可靠性的测量需要。 6)以ST3000—900系列为例,其电源电压为+10.8～+45V,电源电流为3.8～ 21.8mA,负载电阻为0～1.44kΩ。 1.ST3000系列的性能特点 7)ST3000系列产品可广泛用于石油、化工、冶金、电力、 纸等领域中，测 量气体、蒸气和液体的压力、流量、液位等参数。 2.ST3000系列的工作原理及应用 (1)工作原理 (2)应用领域 (1)工作原理 1)远程调节传感器的参数，包括设定的传感器序号、量程、
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