现代测试技术-智能传感器课件

智能传感器IntelligentSensor传感器、计算机及执行器的价格性能比§3.1重新认识传统传感器F敏感元件转换元件§3.1重新认识传统传感器VER1R2R3R4发展趋势智能化多功能传感器微型化传感器网络§3.1重新认识传统传感器HoneyWellST—3000

智压力能变送器的结构框图

敏感元件是在同一块硅片上配置差压、静压和温度三种传感元件，有效地解决了静压、差压以及温度之间交叉灵敏度对测量的影响问题，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。§3.1重新认识传统传感器定义：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)。利用微处理机技术使传感器智能化是80年代新型传感器的一大进展。

智能化设计是传感器传统设计中的一次革命，是世界传感器发展的必然趋势。§3.2认识智能传感器

具有自校零、自标定、自校正功能；具有自动补偿功能；能够自动采集数据，并对数据进行预处理；能够自动进行检验、自选量程、自寻故障；具有数据存储、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。§3.2认识智能传感器智能传感器功能板材测厚传感器利用RS232串口总线,用户可通过PC发布指令（组态）来改变PPT传感器的任何一个参数；通过RS232总线联网,用户可以和一个传感器、一组传感器或网络上所有的传感器通讯；§3.2认识智能传感器DS18B20的性能特点：①采用单总线专用技术，既可通过串行口线，也可通过其它I/O口线与微机接口，无须经过其它变换电路，直接输出被测温度值（9位二进制数，含符号位），②测温范围为-55℃-+125℃，测量分辨率为0.0625℃,③内含64位经过激光修正的只读存储器ROM，④适配各种单片机或系统机，⑤用户可分别设定各路温度的上、下限，⑥内含寄生电源。DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM,温度传感器,非挥发的温度报警触发器TH和TL,高速暂存器。DS18B20的管脚排列如图1所示。

64位光刻ROM是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列号。不同的器件地址序列号不同。§3.2认识智能传感器国产ACD-2智能无线数字压力温度传感器网络§3.2认识智能传感器反非线性的折线逼近非线性自校正流程图非线性自校正技术:§3.3智能传感技术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式中：a0——零位值，即当输入x=0时之输出值；

a1——灵敏度，又称传感器系统的转换增益。式中：Δa0——零位漂移；

Δa1—灵敏度漂移。§3.3智能传感技术智能传感器系统实现自校准功能原理框图(a)方法一(不含传感器自校)；(b)方法二(含传感器自校)§3.3智能传感技术压力自校准系统原理框图§3.3智能传感技术不同状态下的静态特性(a)压力传感器；(b)温度传感器多信息融合技术§3.3智能传感技术我们可以将压力传感器输出电压U描述为压力参数P和温度传感器输出Ut的二元函数，即通过标定，确定二次曲面拟合方程式多信息融合技术自诊断技术§3.3智能传感技术

传感器故障诊断的早期方法主要是采用硬件冗余方法(HardwareRedundancy)。硬件冗余方法是对容易失效的传感器设置一定的备份，然后通过表决器方法进行管理。缺点是设备复杂，体积和重量都很大，占空间，而且成本较高，尤其是对于有许多测量量的情况而言，硬件冗余方法的不足就更为突出。自诊断技术§3.3智能传感技术传感器故障诊断的解析冗余方法原理图

§3.4智能传感器的实现非集成化实现§3.4智能传感器的实现混合集成化实现§3.4智能传感器的实现集成化实现（ASIM）C5-M3湿度传感器集成电路相对湿度传感器HIH3610/4000§3.4智能传感器的实现瑞士Sensirion公司SHT11数字式温湿度传感器§3.4智能传感器的实现iPhone4里的陀螺仪，型号是AGDL2022,是一种微电子机械系统（MEMS）常规传感器主要选择金属材料制作，而微传感器则优先选用硅材料制作；绝大多数的硅压力传感器，其感压元件都是硅膜片，敏感机理主要有：压阻效应、电容效应及机械谐振效应§3.5MEMS传感器§3.5MEMS传感器微型化；结构一体化；精度高；多功能；阵列式；全数字化（谐振式传感器）；使用极其方便，操作极其简单§3.5MEMS传感器在膜片上扩散电阻，并连成惠斯顿电桥。当压力作用在膜片上时，膜片产生变形，电阻值变化，电桥失衡，失衡量和被测压力成比例，用微电路检测出这种电阻变化，即可测出压力变化。硅压阻式传感器的主要缺点是压阻效应随温度的变化明显，应用时必须做温度补偿。§3.5.1硅压阻式压力传感器§3.5.1硅压阻式压力传感器淀积在膜片表面上的金属层形成电容器的活动电极，另一电极淀积在衬底上，二者构成平行板式电容器。当膜片感受压力作用弯曲时，电容器的极板间距改变，引起电容变化，其变化量与被测压力相对应，从而得知被测压力。硅电容式压力传感器的灵敏度高，输出随温度变化小。§3.5.2硅电容式压力传感器§3.5.2硅电容式压力传感器与膜片式硅电容压力传感器相比，具有硬中心的硅电容压力传感器更有利于使极板间感压电容Csen的变化处处相等。与硅压阻式压力传感器相比，硅电容式压力传感器的灵敏度高10倍以上，而功耗却低2个数量级。而且输出随温度的变化小，因此具有良好的输出重复性和稳定性，更适合于低压量程测量。§3.5.2硅电容式压力传感器基于谐振技术的谐振式传感器，自身为周期信号输出（准数字信号），只用简单的数字电路即可转换为微处理器容易接受的数字信号。谐振式传感器的重复性、分辨率和稳定性等非常优良，又便于和微处理器直接结合组成数字控制系统，自然成为当今人们研究的重点。§3.5.3硅谐振式压力传感器硅谐振式压力传感器是基于膜片或梁的谐振频率随压力变化而改变的函数关系，确定被测压力。膜片由电容或静电激励而发生谐振。当膜片受气体压力作用时，其刚度改变，引起频率增加，则频率的增加量对应被测压力。§3.5.3硅谐振式压力传感器硅谐振式压力传感器原理结构§3.5.3硅谐振式压力传感器谐振式传感器闭环自激的频率点必然接近于谐振敏感元件的固有频率。§3.5.3硅谐振式压力传感器组成：R为谐振子，工作时振动在谐振状态，其谐振频率（固有频率）受被测量M的调制；E为激励谐振子发生谐振的激励器，激励方法有静电激励、压电激励、电阻热激励及电磁激励等；D为振动信号检测器，检测方法有电阻检测、电容检测、压电检测及电磁检测等。A为放大调频电路，用于调节信号的幅值和相位，并将信号正反馈给激励器，维持谐振子在满量程内等幅振动，同时将放大信号传到检测输出装置，显示出与被测量相对应的电信号。§3.5.3硅谐振式压力传感器§3.5.3硅谐振式压力传感器直接输出频率量，无需A/D转换，可方便的与数字系统挂接，组成高精度的测控系统。为闭环工作，其性能主要取决于谐振子的机械性质，受电路参数变化（如电漂移、噪声等）的影响很小。测量精度、稳定性及测量分辨率均优于硅压阻和硅电容式压力传感器1个数量级。缺点－－结构比较复杂，加工难度较大。§3.5.3硅谐振式压力传感器§3.5.3硅谐振式压力传感器单轴MEMS偏航陀螺仪工作原理图§3.5MEMS传感器§3.5MEMS传感器§3.6现场总线控制系统中的智能传感器现场总线控制系统框图

现场总线控制系统(FCS)把许多控制功能从控制室移至现场仪表，大量的过程检测与控制的信