网络传感器的类型

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单元与(智能)信号调理电路,二者被封装在一个外壳里。这
是智能传感器系统最早出现的商品化形式, 也是最广泛使
用的形式, 也被称为“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。故通常称该种硬件电路为智能调理电路。
IEEE 1451.2智能传感器接口模型示例
(a)温度传感器STIM
(b)八通道数字输入输出STIM
(c)四通道STIM
(d)传感器和执行器STIM
基于TCP/IP的智能网络wk.baidu.com感器
网络化智能传感器在智能传感技术上融合了通信技 术和计算机技术,使传感器具备自检、自校、自诊断及网 络通信功能,从而实现信息的采集、传输和处理真正统一 协调,是一种新型智能传感器。而基于 TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol ,传输控制协议/互连网协议) 的网络化智能传 感器则是把计算机网络的事实上的国际标准——TCP/IP 协议引入到了传感器中,即在传感器中嵌入了简化的 TCP/IP 协议,使传感器不通过PC 或其他专用设备就能直 接连上Internet/Intranet。
能与微处理器方便地接口。免去A/D转换器,对于节省芯片面积、简
化集成化工艺,均十分有利。
7. 使用极其方便, 操作极其简单 它没有外部连接元件,外接连线数量极少,包括电源、通讯线 可以少至四条,因此,接线极其简便。它还可以自动进行整体自校 , 无需用户长时间地反复多环节调节与校验。“智能”含量越高的 智能传感器, 它的操作使用越简便, 用户只需编制简单的使用主程 序。这就如同“傻瓜”照相机的操作比不是“傻瓜”照相机的经典 式照相机要简便得多一样的道理。 根据以上特点可以看出:通过集成化实现的智能传感器,为达 到高自适应性、高精度、高可靠性与高稳定性,其发展主要有以下 两种趋势
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。后续的信号调理电路与敏 感元件一体化后可以大大减小由引线长度带来的寄生参量的影响,这
对电容式传感器更有特别重要的意义。
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
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。这时的传感器系统不仅具有1.3.1节所述的完善的智能化功能,而 且还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。
5.2.2 有线智能网络传感器
其一是: 多功能化与阵列化, 加上强大的软件信息处理功能; 其二是: 发展谐振式传感器, 加软件信息处理功能。
例如, 压阻式压差传感器是采用微机械加工技术最先实用化的集
成传感器,但是它受温度与静压影响,总精度只能达到0.1%。 致力于 改善它的温度性能花费了近20余年时间却无重大进展, 因而有的厂家 改为研制谐振式压力传感器, 而美国霍尼韦尔公司则发展多功能敏感 元件(如:ST-3000型智能变送器),通过软件进行多信息数据融合处理 改善了稳定性,提高了精度。

2. 中级形式/自立形式 中级形式是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。它具有1.3.1节所列完善的智能化功能,这些智能化功能主
要是由强大的软件来实现的。
3. 高级形式 高级形式是集成度进一步提高,敏感单元实现多维阵列化时,同
制作的智能传感器的特点是: 1. 微型化 微型压力传感器已经可以小到放在注射针头内送进血管测量 血液流动情况,装在飞机或发动机叶片表面用以测量气体的流速 和压力。 美国最近研究成功的微型加速度计可以使火箭或飞船的 制导系统质量从几公斤下降至几克。
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。传统的做法是
分类:基于现场总线和基于以太网的 基于现场总线的有线智能网络传感器技 术 基于以太网的有线智能网络传感器技术
一、有线智能传感器 1.基于现场总线的智能网络传感器技术
2.基于以太网的智能化网络传感器技术
在传统传感器的基础上嵌入了TCP/IP协议,采用以 太网标准接口,主要由传感器单元、信号采集及处理单 元、微处理器和以太网接口单元等部分组成。使传感器 具有因特网/内联网功能,相当于因特网上的一个节点 。各种现场信号均可在网上实时发布和共享,任何网络 授权用户均可通过浏览器进行实时浏览,并可在网络上 的任意位置根据实际情况对传感器进行在线控制、编程 等。
有关术语 :
(1)STIM(Smart Transducer Interface Module, 智能变送器接口模块) (2)NCAP(Networked Capable Application Processor,网络适配器) (3)TII(Transducer Independent Interface,传感 器独立接口) (4)TEDS(Transducer Electronic Data Sheet,传 感器电子数据表格)
像且构成多维图像传感器。这时的智能传感器就达到了它的最高级形
式。
6. 全数字化 通过微机械加工技术可以制作各种形式的微结构。 其固有谐振频
率可以设计成某种物理参量(如温度或压力)的单值函数。因此可以通
过检测其谐振频率来检测被测物理量。这是一种谐振式传感器, 直接 输出数字量(频率)。 它的性能极为稳定、精度高、不需A/D转换器便
中文译名有译为“灵巧传感器”的, 也有译为“智能传感
器”的。本书采用智能传感器系统(Intelligent Sensor System) 的称谓,简称智能传感器(Intelligent Sensor), 并且认为: “ 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)”;模糊传感器也是 一种智能传感器(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)的一种方式。
智能传感器概念与传感器系统
智能传感器系统是一门现代综合技术,是当今世界 正在迅速发展的高新技术,至今还没有形成规范化的定 义。早期,人们简单、 机械地强调在工艺上将传感器与 微处理器两者紧密结合, 认为“传感器的敏感元件及其 信号调理电路与微处理器集成在一块芯片上就是智能传 感器”。
关于智能传感器的中、英文称谓,目前也尚未统一。 John Brignell和Nell White认为“Intelligent Sensor”是英国人 对智能传感器的称谓, 而“Smart Sensor” 是美国人对智能
制式。
·由于芯片面积有限制,以及制作敏感元件与数字电路的优化工艺的不兼
容性,微处理器系统及可编程只读存储器的规模、 复杂性与完善性受到很大 限制。 · 对功耗与自热、 电磁耦合带来的相互影响, 在一块芯片内如何消除?
集成化智能传感器的几种形式
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
先分别由宏观机械加工金属圆膜片与圆柱状环,然后把二者粘贴形成
周边固支结构的“金属杯”,再在圆膜片上粘贴电阻变换器(应变片) 而构成压力(差)传感器,这就不可避免地存在蠕变、迟滞、非线性特 性。采用微机械加工和集成化工艺, 不仅“硅杯”一次整体成型,而 且电阻变换器与硅杯是完全一体化的。进而可在硅杯非受力区制作调 理电路、微处理器单元,甚至微执行器, 从而实现不同程度的, 乃 至整个系统的一体化。
(4) 能够自动进行检验、 自选量程、 自寻故障; (5) 具有数据存储、记忆与信息处理功能; (6) 具有双向通讯、标准化数字输出或者符号输出功能; (7) 具有判断、决策处理功能。
智能传感器的特点
与传统传感器相比, 智能传感器的特点是: 1. 精度高 2. 高可靠性与高稳定性 3. 高信噪比与高的分辨力 4. 强的自适应性 5. 低的价格性能比
传 感 器 的 俗 称 。 而 Johan H.Huijsing 在 “ Integrated Smart
Sensor” 一 文 中 按 集 成 化 程 度 的 不 同 , 分 别 称 为 “ Smart Sensor”、 “Integrated Smart Sensor”。 对“Smart Sensor”的
口、微处理器、数/模转换器(DAC)等)。
在一个封装中可能的混合集成实现方式
现代传感器技术,是指以硅材料为基础(因为硅既有优良的电 性能,又有极好的机械性能),采用微米(1 μm~1 mm)级的微机械 加工技术和大规模集成电路工艺来实现各种仪表传感器系统的微
米级尺寸化。国外也称它为专用集成微型传感技术(ASIM)。 由此
度。
5. 阵列式 微米技术已经可以在一平方厘米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8 mm×8 mm的硅片 上制作了1 024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16 000个。 敏感元件构成阵列后,配合相应图像处理软件,可以实现图形成
要在一块芯片上实现智能传感器系统存在着许多困难的、 棘手的难题。 例如: ·哪一种敏感元件比较容易采用标准的集成电路工艺来制作? ·选用何种信号调理电路, 如精密电阻、 电容、 晶振等, 不需要外接元 件? 由于直接转换型A/D变换器电路太复杂, 制作了敏感元件后留下的芯片面 积有限, 需要寻求其它模—数转换的型式。 如: 电压/频率变换器、 占空比调
5.2 网络传感器的类型
网络传感器通常是指将各种高可靠、低 功耗、低成本、微体积的网络接口芯片 集于一体的新型传感器。
5.2.1 网络传感器硬件组成
智能化的网络传感器是通过在普通传感 器内部嵌入微处理芯片,具有将模拟信 号转换成数字信号、加工处理原始感知 数据等功能,通过标准接口与外界进行 数据交换的一种传感器。
网络传感器的实现途径: 非集成化、集成化和混合三种方式。 集成化特点: 微型化、一体化、高准确度、多功能 化、阵列式、全数字化。
智能传感器的功能与特点
智能传感器的功能
概括而言, 智能传感器的主要功能是: (1) 具有自校零、 自标定、 自校正功能; (2) 具有自动补偿功能;
(3) 能够自动采集数据, 并对数据进行预处理;
智能传感器实现的途径
非集成化实现
非集成式智能传感器框图
模糊传感器的简单结构示意图
集成化实现
集成智能传感器外形示意图
混合实现
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 成在两块或三块芯片上,并装在一个外壳里。 集成化敏感单元包括(对结构型传感器)弹性敏感元件及变换器。 信号调理电路包括多路开关、 仪用放大器、 基准、 模/数转换器 (ADC)等。 微处理器单元包括数字存储器(EPROM、ROM、RAM)、 I/O接
实例应用
5.2.3 无线智能网络传感器
蓝牙传感器系统
实现运用蓝牙传输/接收数据
2.ZigBee(路由)传感器系统
ZigBee技术是一种双向无线网络通信技术。它可以 在数以千计的微小的传感器之间实现通信,这些传感器 以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另 一个传感器,所以他们的通信效率非常高。
能的多个传感器,如,美国霍尼韦尔公司, 80 年代初期生产的ST3000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、 压差及温度三个参量的,具有三种功能(可测压力、 压差、温度) 的敏感元件结构的传感器。不仅增加了传感器的功能, 而且可以通过 采用数据融合技术消除交叉灵敏度的影响, 提高传感器的稳定性与精
3.普通RF射频无线通信
采用普通RF射频芯片构建无线通信模块,通信模块 经无线接口接入智能传感器
5.2.4 智能网络传感器
基于IEEE1451.2的智能网络传感器 IEEE Std 1451.2针对传感器网络化的 需要对智能传感器定义为:一种变送器,除 了必须能够提供正确表示传感量或控制量 的功能外,还能够提供其他功能,尤其是显 著简化把传感器/执行器集成到网络环境应 用中的功能。
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