传感器原理与传感器技术第14章 智能传感器

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，必须含有微处理器单元，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4～20 mA的模拟信号输出，一种为数字信号输出。
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 智能传感器的形式 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
14.4.2 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出 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。
14.1.2 智能传感器的组成
图14-1 DPT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、制造及应用的综合技术。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。
图14-3 MAX6626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I2C串行总线接口。 3)当被测温度超过上限tH时，报警输出端(OT)被激活。 4)MAX6626具有掉电模式，主机通过串行口将配置寄存器的Do置成高电 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。
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 确提取被测信号，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
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 感单元实现多维阵列化，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阵列信息融合功 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。
3. MAX6626的典型应用
图14-4 MAX6626的典型应用
14.6.2 ST3000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)集成在一个0.147cm2的硅片上， 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。
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公司的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 Pentium 4处理器是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A PMS—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。
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、造纸等领域中， 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
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(Self-adaptive)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％，非线性误差 ±0.003％。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。
14.6 智能传感器的应用
14.6.1 基于I2C总线的MAX6626型智能温度传感器 14.6.2 ST3000系列智能压力传感器
14.6.1 基于I2C总线的MAX6626型智能温度传感器
1.MAX6626的工作原理 2.MAX6626的性能特点 3. MAX6626的典型应用
1.MAX6626的工作原理
4.自适应(Self-adaptive)能力强
US0012是一种基于数字信号处理器(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)公司烟雾检测报警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即可发出警报信 号，达到烟雾检测报警目的。
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(智能)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 级智能传感器”(Smart Sensor)。从功能来讲， 它只具有比较简单的自动校零、非线性的自动 校正、温度自动补偿功能。这些简单的智能化 功能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、性能可靠、使用方便等特点。
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、逻辑判断和信息处理功能，能对被测量进行信号调理 或信号处理(包括对信号进行预处理、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)具有双向通信功能，能直接与微处理器(μP)或单片机(μC)通信。 (6)具有判断、决策处理功能。
(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、重复性指标将大大改善，时间漂移大大 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 硅片上制作不同功能的多个传感器，如Honeyw ell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 作了感受压力、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。
输出量y为多个参量x1、x2、x3…的函数，要求 智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 度综合因素自动选择。
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。 自诊断有硬件冗余、解析冗余、人工神经网络3 类方法。
14.4 智能传感器系统智能化的功能实现方法
14.4.1 14.4.2 14.4.3 14.4.4 14.4.5 14.4.6 14.4.7
非线性自校正技术 自校零与自校准技术 噪声抑制技术 自补偿 多传感器信息融合 自选量程与增益控制 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。
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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，集成化敏感单元包括弹性敏感元 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。微处理器单元包括数字存储器(EPROM、 ROM、RAM)、I/O接口、微处理器、数/模(D/A) 转换器等。
14.3 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 口的微处理器组合为一体而构成的一种智能传 感器系统。这是实现智能传感器的最快捷方式。
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
(5)阵列式
微米技术已经可以在1cm2大小的硅芯片上制 作含有几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×8 mm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。
14.1.1 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、通讯及管理功能，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/Smart Sensor。