智能传感器

传感器的智能化
随着计算机技术的迅猛发展及测控系统自动化、智能化的发展，对传感器及检测技术的准确度、可靠性、稳定性以及其他功能（自检、自校、自补偿）提出了更高的要求，智能传感器（Intelligent sensor或者Smart sensor）应运而生。

它是计算机技术与传感器技术相结合的产物。

智能传感器因其在功能、精度、可靠性上较普通的传感器有很大的提高，已经成为传感研究开发的热点。

近年来，随着传感器技术的发展和微电子技术的发展，智能传感器技术发展也很快，发展高性能的以硅材料为主的各种智能传感器已经成为必然。

1认识智能传感器
所谓智能传感器，就是一种带有微处理机的，兼有信息检测、信号处理、信息记忆、逻辑思维与判断功能的传感器。

其实质是用微处理器形成的一个智能化的数据采集处理系统，实现人们希望的功能。

其最大的特点是将传感器检测信息的功能与未处理器的信息处理功能有机地融合在一起。

这里讲的“带微处理器”包括两种情况：一种是将传感器与微处理器集成在一个芯片上构成“单片智能传感器”，另外一种情况是传感器配接单独的微处理器形成智能传感器。

1.1熟悉智能传感器的基本功能
智能传感器具有以下6个基本功能：
（1）具有自诊断、自校正功能。

智能传感器可以实现开机自检（在接通电源时进行）和运行自检（在工作中实时进行），以确定哪一组件出现故障，从而提高工作的可靠性。

（2）具有自适应、自调整功能。

智能传感器内含的特定算法可以根据待测物理量的数值大小和变化情况等自动选择检测量程和测量方式，提高了检测适用性。

（3）极强的数据处理能力。

智能型温度测量仪可以进行各种复杂的预算，对获取的温度信息进行整理和加工；统计分析干扰信号的特性，采用适当的数字滤波，达到抑制干扰的目的；实现各种控制规律，满足不同控制系哦他那个的需求，能对测量传感器的冷端自动补偿和非线性补偿，以及对热电阻的引线电阻影响的消除等，还可以实现各类测量误差的自动修正。

可对检测数据进行分析，统计和修正，还可以进行线性，非线性，温度，噪声，响应时间，交叉感应以及缓慢漂移等的误差补偿，可以大大提高测量准确度。

（4）多种输出形式。

智能型温度测量仪的输出形式可以有数字显示，打印记录，声光报警，还可以多点巡回检测。

它既可以输出模拟量信号也可以输出数字量信号。

（5）具有组态功能。

可以实现多传感器，多参数的复合测量，扩大了检测与使用的范围。

（6）具有数据通信功能，智能传感器具有数据通信借口，具有双向通信，标准化数字输出或者符号输出特性，能与计算机直接相连，相互交换信息，提高了信息处理的质量。

1.2认识智能传感器的基本结构
智能传感器的结构有多种样式，但是总体来说，应当包括以下几个部分：微处理器部分，这是智能传感器的核心部分；A/D部分，这是主要决定智能传感器精度的部分；传感器测量及其信号调理部分，主要包括信号的放大，滤波，电平转换等，这是传感器主要的部分；其他辅助部分，如键盘显示电路等。

1.3 了解只能传感器的实现途径
智能传感器的实现途径一般认为有三种，即非集成实现、集成化实现和混合实现。

不管哪一种实现都离不开微处理器，实际上，就是根据微处理器与传感器的相对位置的不同来划分的，随着技术的发展，这种划分还会发生变化。

2智能传感器的硬件组成
智能传感器由输入电路，微处理器电路，输出通道，通信借口以及显示键盘电路组成，其中微处理器电路是核心。

模拟量和开关量由传感器产生。

模拟量输入电路主要接收传感器
产生的信号，模拟量输入电路主要包括信号调理电路和A/D转换电路等，微处理器电路主要包括中央处理器和存储器等。

模拟量输出电路主要包括开关量信号的整形和电平转换等，通信接口是智能传感器的主要特性。

3智能传感器的软件设计
软件设计是智能传感器的主要设计内容，是智能化的主要体现，软件设计的方法非常多，软件可以实现的共内阁也非常多。

这里主要是应用级别的软件设计，也就是构成应用系统时的软件设计。

在智能传感器总体设计时就确定了软件与硬件的界面，当这个界面确定之后，软件设计的内容也就确定了，软件的设计没有一个通用的设计内容，而且与硬件紧密结合。

大体来说，软件设计一般应该包括下面五个方面的内容。

（1）键盘显示程序：这是系统设计必须的程序。

（2）系统监控程序：监控程序用于接受和分析各种指令，管理和协调整个系统各个程序的执行主要包括自检程序，自诊断程序，系统的初始化等。

（3）各种数据处理程序：完成系统数据处理和各种控制功能的程序，如标度变换程序，采样程序，补偿程序等。

（4）各种中断程序：中断处理程序是用于人机交互或者产生中断请求以后转去执行并及时完成实时处理任务的程序。

（5）各种功能模块程序：不同的系统要求实现不同的功能，如步进电机的控制程序，语音识别程序等。

4.A/D转换技术
A/D转换是影响智能传感器精度的主要因素，它在智能传感器中有着举足轻重的作用。

从工作原理上分，A/D转换器主要有逐次逼近型、双积分型和V-F转换器等。

在应用中它们各自有各自的特点和应用场合。

通常，在条件许可的情况下可以选择分辨率和转换速度较高的器件，这是提高测量精度的一个重要措施。

但是在智能传感器中，往往使用普通的元器件通过软件可以将精度提高。

5.非线性校正和抗干扰技术
5.1非线性的原因及补偿
许多传感器的转换远离并非线性，例如在测量温度时，热电阻的电阻值与温度，热电偶的电动势与温度都是非线性关系。

采用的测量电路也是非线性的，例如测量热电阻用电桥，电阻的变化因其电桥失去平衡，此时输出电压与电阻之间的关系是非线性。

常用的增加非线性补偿环节的方法有：硬件电路补偿法和微机软件的补偿方法，其中用软件进行线性化处理主要有三种方法：计算法，查表法和插值法。

5.2传感器的干扰及抗干扰技术
在非电量测量过程中，往往会发现总是有一些无用的背景信号与被测信号叠加在一起，我们把在信号检测的领域内，检测系统检测和传输的有用信号以外的一切信号都称为噪声，一定幅值和一定强度的能影响检测系统正常工作的噪声为干扰。

它们主要来自于被测信号本身，传感器或者外界的干扰。

抗干扰技术主要有硬件抗干扰技术和软件抗干扰技术。

其中硬件抗干扰技术有接地技术，屏蔽技术和滤波技术。

软件抗干扰技术有软件冗余技术，软件陷阱技术，看门狗技术和数字滤波技术。

6.智能传感器的应用实例——ST-3000系列智能压力传感器
霍尼韦尔（Honeywell）ST-3000系列智能压力传感器是美国霍尼韦尔公司20世纪80年代研制的产品，是最早实现商品化的智能传感器。

ST-3000系列智能压力传感器由检测和变送两部分组成，被测的力或压力通过隔离的膜片作用于扩散电阻上，引起阻值变化。

扩散电阻接在惠斯登电桥中，电桥的输出代表被测压力的大小。

在硅片上制成两个辅助传感器，分别检测静压力和温度。

由于采用近于理想弹性
体的单晶硅材料，传感器的长期稳定性很好。

在同一个芯片上检测出的差压、静压和温度三个信号，经多路开关分时地接到A/D转换器中进行模数转换，变成数字量送到变送部分。

ST-3000系列智能压力传感器原理框图
ST-3000系列智能压力传感器的现场通信器具有以下功能：
（1）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等,不到现场就可调节变送器的参数。

（2）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。

（3）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.
（4）设定传感器为恒流输出，把传感器当作恒流源使用（在4～20 mA的范围内），以便检查系统中的其它传感器或设备。

它可以同时测量静压、差压和温度三个参数，精度达0.1级，6个月总漂移量不超过全量程的0.03%，量程比可达400∶1，阻尼时间常数在0～32 s间可调。

这一系列产品以其优越的性能得到广泛的应用。

由上述ST-3000系列智能压力传感器的结构和功能可以看出，微处理器使传感器具有一定智能，增强了传感器的功能，提高了技术指标。

PROM中装有针对本传感器的特性的修正公式，保证了传感器的高精度。

根据对智能传感器提出的技术指标，其设计过程主要包括总体结构设计、敏感元件设计、传感器工艺设计、软件设计等。

本论文对智能压力传感器的总体结构设计和软件设计进行介绍。

结构设计：
智能压力传感器由半导体敏元件、放大器、转换开关、双积分A/D转换器、单片机、接口电路、IEEE—488标准接口、存储器和部分外围电路组成。

智能压力传感器组成框图
软件设计：
用单片机构成的智能压力传感器软件有控制程序、数据处理程序及辅助程序。

智能压力传感器的重要特点之一是多功能，一般采用两种方式去执行：一是用户通过键盘发出所选功能的指令；二是自动式，由内部功能控制程序协调已编制好的数据采集与处理程序工作，或通过IEEE-488总线接收外部信号，向智能传感器发出控制指令，智能传感器由自校、跟踪、越限报警、输出打印、键盘、显示、A/D转换等电路及接口，保证工作有序进行可依图3—2的源程序流程图设计;智能传感器安装好以后，要进行标定，将信号转换成数字码，存入EPROM中，最后给出比较理想的输出，如图所示；
智能传感器源程序流程图
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智能压力传感器修正、显示流程图
这种智能压力传感器可利用集成电路、传感器的封接技术，将带有感温二极管的硅力
敏元件与单片机、A/D转换器、接口电路等部分混合集成、连接在一起，使整个系统具有程控、运算、处理等功能，对测试输出信号自动进行修正和补偿，可长期稳定地在环境温度变化的场合。