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1、,传感器原理及应用技术第10章 智能传感器,10.1,10.2,10.3,10.4,10.5,10.6,迅速发展的微处理机技术推动和影响着其他技术领域的变革。把微处理机技术引入传感器，可以使传感器实现过去实现不了的功能，具有智能本领，这就是新一代的传感器智能传感器(Intelligent Sensor或Smart Sensor)。,“Intelligent Sensor”是英国人对智能传感器的称谓，而“Smart Sensor”是美国人对智能传感器的俗称。,在传感器中采用微处理机是构成智能传感器的关键。图10.1示出了这种设计的简单框图。,图10.1将微处理机引入传感器的简单框图,如果把框图中
2、的各部分构成一个整体，组装在同一壳体内，那么从整体来看，就是一个智能化的传感器。如果把各部分通过超大规模集成电路集成在一起，那么就构成了更高级的集成一体化的智能传感器。,智能传感器的主要功能：,自校零、自标定、自校正功能；具有自动补偿功能； 自动采集数据，对数据预处理；自动检验、自选量程、自寻故障；数据存储、记忆与信息处理功能；具有双向通讯、标准化数字输出或者符号输出功能；具有判断、决策处理功能。,智能传感器的突出优点：,(1) 研究与开发传感器的自由度大。 (2) 精度高。 (3) 具有一定的可编程自动化能力。 (4) 输出形式多。 (5) 功能价格比大。,近几年发展起来的无线传感器网络是智
3、能传感器的又一深层次研究，是又一个新的飞跃。,无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)是计算机、通信和传感器这三项技术相结合的产物。,随着无线通讯技术的飞速发展与广泛应用，传感器技术正朝着多功能化、微型化、智能化、网络化、无线化方向发展。,图10.3无线传感器网络的简略体系结构图,无线传感器网络的简略体系结构图如图10.3所示。,传感器网络的基本组成单位是节点，它一般由四个模块组成：传感模块（传感器、A/D转换器）、数据处理模块（微处理器、存储器）、通信模块（无线收发器）及电源模块（提供能源）。节点都具有传感、信号处理和无线通信功能。,传感器节点结构：,其中
4、传感器模块负责信息采集和数据转换；数据处理模块负责整个传感器节点的操作，处理本身采集的数据和其它节点发来的数据；通信模块负责与其它传感器节点进行通信；电源模块为传感器节点提供运行所需的能量。,传感器节点：,传感器模块,数据处理模块,通讯模块,电源模块,本节要点总结,1,理解智能传感器的功能。,2,掌握无线传感器网络的结构。,掌握智能传感器的优点。,3,目前，物联网及物联网传感器已成为一个新的研究热点。物联网(the Internet of Things)也称传感网，其定义是：通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，
5、进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网就是“物物相连的互联网”。,如果说无线传感器网络(WSN)是计算机、通信和传感器三项技术相结合的产物，那么物联网就可看成是计算机、通信、射频识别、全球定位系统、互联网和物联网传感器多项技术相结合的产物。,物联网的概念自1999年提出以来，越来越受到世界各国特别是发达国家的高度重视。现在，物联网已被正式列为我国五大新兴战略性产业之一，写入政府工作报告。,物联网在我国受到了全社会极大的关注，许多高等学校相继设置了物联网工程等相关专业，着力培养国家物联网等战略性新兴产业发展急需的物联网人才。作为物联网的重要组成部分，物联网
6、传感器早已渗透到诸如工业自动化、智能家居、航天航空、海洋探测、环境保护、资源利用、医学诊断、生物医学工程甚至文物保护等等广泛的领域。,物联网传感器是在智能传感器的基础上进一步完善研制而成的。目前开发的物联网传感器有：无线幕帘控制器；无线调光器；红外动作感应器；无线可燃气体探测器；无线烟感探测器；无线有毒气体探测器；电流监测插座；无线温度感应器；无线移动感应器；无线窗户感应器；无线防盗报警器；无线光线感应器；无线门磁感应器；无线开关控制器；ZigBee RF 模块；无线温湿度传感器；无线压力传感器；等等。,图10.4所示为物联网在智能家居中的简单应用例子。,图10.4物连网在智能家居的简单应用,
7、本节要点总结,1,理解物联网与物联网传感器。,智能传感器视其传感元件的不同具有不同的名称和用途。虽然其硬件的组合方式不尽相同，但其结构模块大致一样。下面我们以智能压力传感器为例，介绍它的结构框图。,这种智能压力传感器主要由主机模板、模拟量输入模块、IEEE-488标准总线模板、接口模板等组成。,P主机模板主要由CPU、存储器(ROM、RAM、EPROM)、串行通信接口、地址译码器、时钟发生器、地址总线(AB)、数据总线(DB)、控制总线(CB)等组成。P是智能传感器的神经中枢，其性能不但影响传感器的硬件电路、接口设计、模块数目，而且影响传感器的成本高低。,10.3.1 P主机模板,因此，在智能
8、传感器设计时，应参照如下原则来选择P。(1) 根据任务选机型。根据所研制的智能传感器是用于数据处理完成某些测量任务，还是用于某种系统控制，对于不同的任务，应选择不同的机型。,10.3.1 P主机模板,(2) 按照需要选字长。字长即并行数据总线的线数。字长较长，就能满足处理较宽范围的算术值的需要。(3) 依据用途定速度。P的处理速度取决于时钟频率、执行给定指令所用周期数、指令系统。应依据智能传感器的实际用途，确定P的处理速度。动态测量，速度不能低于传感器的响应速度。,10.3.1 P主机模板,传感器的输出一般为毫伏数量级模拟量。要满足AD转换电路的要求，还必须经过模拟量输入模板上有关电路的放大、
9、处理，再经AD转换电路传输到主机板上。,10.3.2模拟量输入模板,智能传感器的外总线通常分为并行和串行两种。并行外总线以IEEE-488为代表，串行则以RS-232为典型。采用IEEE-488标准总线(General Purpose Interface Bus，GP-IB)，能使智能传感器从机械上、电气上、功能上与一些必要的智能仪器相连，组成各种工作系统或自动测试系统。,10.3.3IEEE-488标准总线模板,IEEE-488标准总线共有16根信号线：8根双向数据总线；3根挂钩线，即数据有效线DAV、未准备好接收数据线NRFD、未收到数据线NDAC；5根管理线，即注意线ATN、接口清除线I
10、FC、实行远控线REN、服务请求线SRQ、结束与识别线EOI。IEEE-488标准总线如图10.6所示。,10.3.3IEEE-488标准总线模板,10.3.3IEEE-488标准总线模板,图10.6IEEE-488标准总线,该总线可以与带有IEEE-488标准接口的计算机、电压表、电源、信号源等智能仪器相连，完成各种功能。IEEE-488标准接口中的收发器采用Intel 8291、Intel 8292、Intel 8293等芯片，详细内容可参阅自动测试系统方面的相关资料。,10.3.3IEEE-488标准总线模板,接口模板包括数字显示、打印输出以及控制系统所需的数模转换等必需的接口电路。,1
11、0.3.4接口模板,LED(七段LED、点阵LED)LCD(液晶显示器),1. 数字显示,10.3.4接口模板,必要时应配备打印机。打印输出可以作为永久性记录保存，还可记录瞬时测量值、累加值、周期、批号等用户感兴趣的信息。打印机的选用应从性能价格比等方面考虑。,2. 打印输出,10.3.4接口模板,接口电路指控制系统所需的数/模转换等一切必需的接口电路。,3. 接口电路,10.3.4接口模板,灵活方便。,4. USB接口,10.3.4接口模板,本节要点总结,1,掌握智能传感器的构成模块。,2,掌握智能传感器组成各部分功能。,在智能传感器系统中，接收传感器的输出信号并进行加工处理的是微处理机。微
12、处理机常常要求输入信息的形式是一定字长的并行脉冲信号，即一组二进制数字信息。然而，传感器的输出电信号形式却因传感器的工作原理不同而不尽相同， 如图10.7所示。,10.4.1传感器输出信号的类型,传感器的输出信号形式：,10.4.1传感器输出信号的类型,由于传感器的输出信号形式不同，因此必须采用不同的处理和转换方法，把这些信号经过某些预处理并转换为便于微处理机接收的数字信号。,10.4.1传感器输出信号的类型,如果传感器输出的是数字信号，则微处理机接收之前的预处理和转换就方便得多。在数字信号中，开关信号是最简单的形式，它有触点式与无触点式两种。,10.4.1传感器输出信号的类型,触点式开关信号
13、可采用隔离电路，使电平输出端与触点一侧在电气上完全绝缘，以防干扰的引入，同时可用硬件或软件的方法来消除机械触点的抖动，以增加可靠性；无触点式开关信号一般为电压信号，可用积分电路或施密特电路来提高输出的抗干扰能力。在考虑了电平、阻抗等匹配问题以后，开关信号可直接引入微处理机的某些端口。,当传感器的输出信号为随时间连续变化的电参量(如电压、电流、电阻、电容或电感等模拟量)时，这类信号的预处理和数字化接口电路的组成如图10.8所示。,10.4.2传感器输出的模拟信号的处理,10.4.2传感器输出的模拟信号的处理,图10.8模拟信号的预处理和数字化接口电路的组成,多数传感器输出的模拟电压在毫伏或微伏数
14、量级，而且一般变化较为缓慢。但信号所处的环境往往比较恶劣，干扰和噪声较大。预处理电路既要将微弱的低电平信号放大至模/数转换器所要求的信号电平，又要抑制干扰，降低噪声，保证信号检测的精度。,1. 电压信号的预处理,10.4.2传感器输出的模拟信号的处理,因此，在电压信号的预处理电路中主要包括滤波器与性能指标良好的电压放大器。在放大器的输入端加上一个滤波环节，就能有效地降低常规的模拟干扰。通常采用简便、廉价的单级或多级RC滤波器，也可采用由运算放大器构成的有源滤波器。,1. 电压信号的预处理,10.4.2传感器输出的模拟信号的处理,电压信号预处理电路中的放大器，除了要进行电压放大外，常常还要完成阻
15、抗变换、电平转换、电流-电压转换以及隔离等功能，通常可采用仪表放大器(Instrumentation Amplifiers)(或称数据放大器)、测量放大器和隔离放大器(Isolation Amplifiers)。,1. 电压信号的预处理,10.4.2传感器输出的模拟信号的处理,仪表(数据)放大器具有很高的输入阻抗(一般高达109以上)、较低的失调电压(一般小于等于25 V)与温度漂移系数(一般小于等于0.3 V)、较高的共模抑制比(CMRR) (一般均超过120 dB)、稳定的增益以及低的输出阻抗。,1. 电压信号的预处理,10.4.2传感器输出的模拟信号的处理,所谓隔离，就是在信号传输电路中
16、，在保证信号传输通畅的同时，切断输出电路与输入电路电流或电阻的联系。隔离放大器的主要特点如下：(1) 抵抗输入端点和地之间或输入和输出端口之间高的电压差(即共模电压)。,1. 电压信号的预处理,10.4.2传感器输出的模拟信号的处理,(2) 具有高的噪声抑制能力和高的共模抑制能力。(3) 从输入到电源地之间有很高的泄漏通路阻抗(隔离欧姆电阻的典型值为1011以上)。隔离放大器可以把信号源与电路输出端欧姆隔离(隔离电阻大于10 M)；,1. 电压信号的预处理,10.4.2传感器输出的模拟信号的处理,隔离放大器能使系统或设备隔离保护。隔离放大器的耦合方式可以是热、磁、光等。目前国内外已生产出许多专
17、用的隔离放大器，如国产型号有北京半导体器件一厂的GF289、B-GF01等，国外同类产品型号有AD289、AD275等。,1. 电压信号的预处理,10.4.2传感器输出的模拟信号的处理,1) 采样保持(SH)在智能传感器中，一般被测的连续模拟信号只能以一定的采样频率将采样点的量值数字化后送入微处理器，而AD转换器每完成一次转换都需要一定的时间Tc。如果输入AD转换器的模拟电压Ux在Tc期间的变化大于1 LSB的量化电压，则一般不能保证转换的精度，因此，在转换时间内对采样点的信号电压要加以保持。,2. 电压信号的模/数转换,10.4.2传感器输出的模拟信号的处理,教材中通过计算分析已知，直接用A
18、DC对模拟电压进行采样与量化的方法只适合于直流与低频信号。当输入ADC的电压变化率较大时，必须采取措施，在ADC之前加入一个SH。SH在某个规定的时刻接收输入电压，并在输出端保持该电压，直至下次采样为止，在保持期间由ADC完成AD转换。,2. 电压信号的模/数转换,10.4.2传感器输出的模拟信号的处理,在模拟信号采集系统中，选取采样周期也是很重要的。在智能传感器中，采样周期一般是通过实验来确定的。对工业过程的参数，如流量、压力、温度等，采样周期的选取可参考表10.2所列出的经验数据来确定。,2. 电压信号的模/数转换,10.4.2传感器输出的模拟信号的处理,2. 电压信号的模/数转换,10.
19、4.2传感器输出的模拟信号的处理,表10.2工业过程某些物理量的采样周期选取范围,2) A/D转换器AD有多种工作原理不同的电路，并各有不同的优缺点。如果所选用的AD转换器不能满足系统的要求，那么系统就得不到所要求的性能，严重时甚至所采集的是完全错误的信息。根据不同的工作原理，AD转换器大致可分为以下几种。,2. 电压信号的模/数转换,10.4.2传感器输出的模拟信号的处理,(1) 双积分AD转换器。(2) 计数比较AD转换器。 (3) 逐次逼近AD转换器。(4) 并行AD转换器。,2. 电压信号的模/数转换,10.4.2传感器输出的模拟信号的处理,AD转换器的主要性能指标有：输入条件、分辨力
20、、转换速度、线性、稳定性、输出代码和附加功能等。下面简单介绍前四项指标的定义及内涵。 输入条件。输入条件就是模拟信号转换成数字信号时，模拟信号的输入条件。,2. 电压信号的模/数转换,10.4.2传感器输出的模拟信号的处理, 分辨力。数字化信息是从离散的整数型0开始的连续数值信息，该数值信息的最大值称为分辨力。 转换速度。转换速度就是将模拟输入信号转换成数字信息的速度。严格地说，转换速度是转换所需时间的倒数，但习惯上却大多直接用转换所需的时间来表,2. 电压信号的模/数转换,10.4.2传感器输出的模拟信号的处理,示。AD转换器的工作原理不同，转换速度差别很大，如以转换所需时间表示，一般为几十
21、纳秒到几百毫秒。 线性。线性是定义被转换的模拟输入信号与转换后的数字信息比例关系的指标。图10.9所示为AD转换器的线性关系。,2. 电压信号的模/数转换,10.4.2传感器输出的模拟信号的处理,3) 与微机的接口各种型号的AD转换器芯片均设有数据输出引脚、启动转换引脚、转换结束引脚等。在使用时，要正确处理好上述引脚与CPU之间的硬件连线。AD转换器的某些产品注明能直接和CPU配接，这是指AD转换器的数据输出线可直接挂到CPU的数据总线上，说明该转换器的数据输出寄存器具有可控的三态输出功能，转换结束，CPU可用输入指令读取数据。,2. 电压信号的模/数转换,10.4.2传感器输出的模拟信号的处
22、理,本节要点总结,1,掌握智能传感器的输出信号形式。,2,3,掌握A/D转换器的功能。,理解隔离放大器的功能。,数据处理就是对传感器输出的信息通过微处理机进行某些处理，从而得到新的有用的信息。,顺序输入给微处理机的信息大致有两种。第一种是输入的信息只在当时使用才是有效的。第二种是将输入的信息累积存储在存储器中，然后综合利用整个累积的信息。为为了对这些数据信息进行正确使用，使其充分发挥作用，必须进行处理。,数据处理通常包含如下若干内容：,数据收集数据转换数据分组数据组织数据计算数据存储数据搜索,智能传感器中的数据主要是指输入非电量、输出电量、误差量、修正量、特性表格的值等。,智能传感器中主要涉及
23、下述问题。,表格是智能传感器中数据的基本结构。对于表格，按不同的情况，可采用不同的查表方法。如：,10.5.1查表与搜索,线性搜索对分搜索跟踪搜索,插值法是数值计算中的一个基本方法。分段插值法是插值法中算法简单、收敛性和稳定性较好的一种。,10.5.2分段插值法,这种方法是把传感器的测量范围划分成若干个分段，然后在每个分段内进行线性插值或抛物线插值。,在要求较高的智能传感器设计中，可考虑选用曲线拟合修正法。查表搜索和分段插值都保留了数据的全部测试误差，如果个别测量点的测量精度很低，则将影响到修正结果。曲线拟合法是能反映出数据变化趋势的一种方法。,10.5.3曲线拟合修正法,在智能传感器中，随机
24、噪声干扰总是存在的。如果通过数字滤波器对测量结果进行数字滤波，则可以很好地抑制随机噪声干扰。这里所说的数字滤波主要是指通过软件来实现的数字滤波。数字滤波器的功能就是将一组输入的数字序列通过一定的运算后，转变为另一组输出的数字序列。将所需要的运算编成程序，通过智能仪器中的单片机执行计算，即可实现数字滤波。,10.5.4数字滤波,本节要点总结,1,理解智能传感器中的数据处理。,10.6.1智能压力传感器的设计思路,智能压力传感器由半导体力敏元件(制作力敏元件时，同时制作两只温敏二极管)、放大器、转换开关、双积分AD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，如图1
25、0.14所示。,10.6.1智能压力传感器的设计思路,图10.14智能压力传感器组成框图,10.6.1智能压力传感器的设计思路,敏感元件测到的压力、温度两组信号经放大后进入二选一模拟开关，在事先编制好存入EPROM的程序控制下，分时进入A/D转换器，转换后的数字量送入单片机进行分析、运算、处理，处理结果可经D/A转换后直接输出模拟量，对某些系统进行控制；,10.6.1智能压力传感器的设计思路,也可由IEEE-488标准接口与其它智能仪器互联；也可以通过接口电路与普通外设如显示器、打印机、绘图仪等连接。,10.6.1智能压力传感器的设计思路,给敏感元件设计厂商提出具体要求；或选择合适的敏感元件。,10.6.1智能压力传感器的设计思路,合理设计各个模板。考虑布局、体积、维护、抗干扰性能、电磁兼容性等。,10.6.1智能压力传感器的设计思路,软件包括系统监控程序、数据处理程序、辅助程序等。模块化设计思想。,本节要点总结,1,理解智能传感器的设计思路。,2,掌握智能压力传感器的结构设计。,谢谢观看！,
