第七章《傳感器與測試技術》課件

1、傳感器與測試技術傳感器與測試技術第第7章章 智能傳感器與傳感器網絡智能傳感器與傳感器網絡7.1 智能傳感器智能傳感器7.2 傳感器網絡傳感器網絡7.1 智能傳感器智能傳感器7.1.1 智能傳感器的組成智能傳感器的組成 智能傳感器由智能傳感器由硬件和軟件硬件和軟件兩大部分組成，硬件部分主要由傳感器、信兩大部分組成，硬件部分主要由傳感器、信號調理電路、微處理器（或微計算機）等構成，其結構框圖如圖所示。號調理電路、微處理器（或微計算機）等構成，其結構框圖如圖所示。 軟件在智能傳感器中起著舉足輕重的作用，可通過各種軟件對信息檢軟件在智能傳感器中起著舉足輕重的作用，可通過各種軟件對信息檢測過程進行管理和

2、調節(jié)，使之工作在最佳狀態(tài)，并可對傳感器傳送的數(shù)據(jù)測過程進行管理和調節(jié)，使之工作在最佳狀態(tài)，并可對傳感器傳送的數(shù)據(jù)進行各種處理，從而增強傳感器的功能，提高傳感器的性價比。另外，利進行各種處理，從而增強傳感器的功能，提高傳感器的性價比。另外，利用軟件可實現(xiàn)硬件難以完成的任務，由此來降低傳感器的制造難度，提高用軟件可實現(xiàn)硬件難以完成的任務，由此來降低傳感器的制造難度，提高性能，降低成本。性能，降低成本。智能傳感器智能傳感器模塊式模塊式混合式混合式集成式集成式 模塊式智能傳感器模塊式智能傳感器由許多互相獨立的模塊組成，如將傳感器、微處理由許多互相獨立的模塊組成，如將傳感器、微處理器、信號調理電路、數(shù)據(jù)

3、處理電路、顯示電路等多個模塊組裝在同一殼體器、信號調理電路、數(shù)據(jù)處理電路、顯示電路等多個模塊組裝在同一殼體內，集成度較低，體積較大，但在目前的技術水平下，仍是一種實用的結內，集成度較低，體積較大，但在目前的技術水平下，仍是一種實用的結構形式構形式。 混合式智能傳感器混合式智能傳感器是將傳感器、微處理器和信號調理電路等集成在不是將傳感器、微處理器和信號調理電路等集成在不同芯片上再組裝在一起，是目前應用較多的結構形式同芯片上再組裝在一起，是目前應用較多的結構形式。 集成式智能傳感器集成式智能傳感器是將多個敏感元件、微處理器和信號調理電路等是將多個敏感元件、微處理器和信號調理電路等都集成在同一個芯片

4、上，集成度高，體積小，但目前的技術水平還很難都集成在同一個芯片上，集成度高，體積小，但目前的技術水平還很難實現(xiàn)。實現(xiàn)。初級階段初級階段 內部集成內部集成有溫度補有溫度補償及校正償及校正電路、線電路、線性補償電性補償電路和信號路和信號調理電路。調理電路。中級階段中級階段 微處理器微處理器也組裝在也組裝在傳感器內，傳感器內，具有自診具有自診斷、自校斷、自校正、數(shù)據(jù)正、數(shù)據(jù)通信接口通信接口等功能。等功能。高級階段高級階段 具有多維具有多維檢測、圖檢測、圖像識別、像識別、分析記憶、分析記憶、模式識別、模式識別、自學習甚自學習甚至思維能至思維能力等功能。力等功能。智能傳感器的發(fā)展大致分為三個階段智能傳感

5、器的發(fā)展大致分為三個階段：7.1.2 智能傳感器的功能智能傳感器的功能與傳統(tǒng)傳感器相比，智能化傳感器具有以下功能：與傳統(tǒng)傳感器相比，智能化傳感器具有以下功能：（1）邏輯判斷、信息處理功能邏輯判斷、信息處理功能（2）自校準、自診斷功能自校準、自診斷功能（3）自適應、自調整功能自適應、自調整功能（4）組態(tài)功能組態(tài)功能（5）記憶、存儲功能記憶、存儲功能（6）數(shù)據(jù)通信功能數(shù)據(jù)通信功能7.1.3 智能傳感器的硬件結構智能傳感器的硬件結構 智能傳感器的硬件主要由基本傳感器、信號調理電路和微處理器等構智能傳感器的硬件主要由基本傳感器、信號調理電路和微處理器等構成。成。下下圖所示為圖所示為DTP型智能壓力傳感

6、器的結構框圖型智能壓力傳感器的結構框圖。1基本傳感器基本傳感器（1）傳感器的主要技術要求）傳感器的主要技術要求 具有將被測量轉換為后續(xù)電路可用信號的功能。具有將被測量轉換為后續(xù)電路可用信號的功能。 轉換范圍與被測量實際變化范圍一致轉換范圍與被測量實際變化范圍一致 滿足被測介質和使用環(huán)境的特殊要求滿足被測介質和使用環(huán)境的特殊要求 滿足用戶對可靠性和可維護性的要求。滿足用戶對可靠性和可維護性的要求。（2）可供選用的傳感器類型）可供選用的傳感器類型 大信號輸出傳感器大信號輸出傳感器 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器 集成傳感器集成傳感器 光纖傳感器光纖傳感器 模擬信號調理電路主要由放大器、濾波器、溫度補償及

7、自動校準電路模擬信號調理電路主要由放大器、濾波器、溫度補償及自動校準電路等部分組成。等部分組成。 模擬式傳感器對傳感器輸出的信號必須進行放大、溫度補償和非線性模擬式傳感器對傳感器輸出的信號必須進行放大、溫度補償和非線性校正等處理校正等處理。智能傳感器智能傳感器的的技術指標如下：技術指標如下： 非線性度非線性度 溫漂溫漂 建立時間和恢復時間建立時間和恢復時間 電源引起的失調電源引起的失調2模擬信號調理電路模擬信號調理電路智能傳感器中常用的放大器有儀用放大器、程控增益放大器及隔離放大器智能傳感器中常用的放大器有儀用放大器、程控增益放大器及隔離放大器。（1）儀用放大器）儀用放大器 儀用放大器常采用三

8、運放對稱結構，是具有較高的輸入阻抗和共模抑儀用放大器常采用三運放對稱結構，是具有較高的輸入阻抗和共模抑制比的單片集成放大器，只需外接一個電阻即可設定增益，如美國制比的單片集成放大器，只需外接一個電阻即可設定增益，如美國BB（Burr Brown）公司生產的）公司生產的INA114，其內部電路如圖所示。其內部電路如圖所示。 為了在整個測量范圍內使為了在整個測量范圍內使A/D轉換器獲取合適的分辨率，常采用程控轉換器獲取合適的分辨率，常采用程控增益放大器。常見的程控增益放大器有美國增益放大器。常見的程控增益放大器有美國BB公司生產的公司生產的PGA202/203，其內部結構和基本接法如圖所示。其內部

9、結構和基本接法如圖所示。（2）程控增益放大器）程控增益放大器（3）隔離放大器）隔離放大器 隔離放大器由輸入放大器、輸出放大器、隔離器以及隔離電源等組成，隔離放大器由輸入放大器、輸出放大器、隔離器以及隔離電源等組成，其原理框圖如圖所示。其原理框圖如圖所示。上上圖為變壓器耦合隔離放大器框圖圖為變壓器耦合隔離放大器框圖，下，下圖為光電耦圖為光電耦合隔離放大器框圖合隔離放大器框圖。3微處理器的接口技術微處理器的接口技術（1）A/D轉換器轉換器 A/D轉換器用于將模擬信號轉變?yōu)閿?shù)字信號，常用的轉換器用于將模擬信號轉變?yōu)閿?shù)字信號，常用的A/D轉換器有逐轉換器有逐次逼近型次逼近型ADC、雙積分型、雙積分型A

10、DC、 型型ADC等。等。 逐次逼近型逐次逼近型ADC包括一個比較器、一個數(shù)模轉換器、一個逐次逼近寄包括一個比較器、一個數(shù)模轉換器、一個逐次逼近寄存器（存器（SAR）和一個邏輯控制單元。它是通過將采樣輸入信號與已知電壓）和一個邏輯控制單元。它是通過將采樣輸入信號與已知電壓不斷進行比較來完成轉換的，不斷進行比較來完成轉換的，1個時鐘周期完成個時鐘周期完成1位轉換，位轉換，n位轉換需要位轉換需要n個個時鐘周期。時鐘周期。 雙積分型雙積分型ADC又稱為雙斜率或多斜率又稱為雙斜率或多斜率ADC，它由一個帶有輸入切換開，它由一個帶有輸入切換開關的模擬積分器、一個比較器和一個計數(shù)單元構成，通過兩次積分將輸

11、入關的模擬積分器、一個比較器和一個計數(shù)單元構成，通過兩次積分將輸入的模擬電壓轉換成與其平均值成正比的時間間隔。同時，在此時間間隔內的模擬電壓轉換成與其平均值成正比的時間間隔。同時，在此時間間隔內利用計數(shù)器對時鐘脈沖進行計數(shù)，從而實現(xiàn)利用計數(shù)器對時鐘脈沖進行計數(shù)，從而實現(xiàn)A/D轉換。轉換。 型型ADC又稱為過采樣轉換器，其采樣頻率遠遠高于奈奎斯特又稱為過采樣轉換器，其采樣頻率遠遠高于奈奎斯特（Nyquist）采樣頻率，是目前應用較廣的新型）采樣頻率，是目前應用較廣的新型A/D轉換器。它由簡單的模轉換器。它由簡單的模擬電路（一個比較器、一個開關、一個或幾個積分器及模擬求和電路）和擬電路（一個比較器

12、、一個開關、一個或幾個積分器及模擬求和電路）和復雜的數(shù)字信號處理電路構成。復雜的數(shù)字信號處理電路構成。 型型ADC采用增量編碼方式，即根據(jù)采用增量編碼方式，即根據(jù)前一量值與后一量值差值的大小來進行量化編碼，包括模擬前一量值與后一量值差值的大小來進行量化編碼，包括模擬 調制器和數(shù)字調制器和數(shù)字抽取濾波器。抽取濾波器。A/D轉換器的主要技術指標：轉換器的主要技術指標： 分辨率分辨率 轉換速度轉換速度 精度精度（2）AD574A與微處理器的接口與微處理器的接口 AD574A簡介簡介 AD574A為逐次逼近型為逐次逼近型ADC，是一種常用的，是一種常用的12位位A/D轉換芯片，也可實轉換芯片，也可實現(xiàn)

13、現(xiàn)8位轉換。位轉換。 下下圖所示為圖所示為AD574A芯片結構及引腳說明芯片結構及引腳說明。AD574A單極性輸入和雙極性輸入的連接線路如圖所示。單極性輸入和雙極性輸入的連接線路如圖所示。單極性輸入單極性輸入雙極性輸入雙極性輸入 AD574A與與89C51的接口的接口AD574A與單片機與單片機89C51的接口電路如圖所示。的接口電路如圖所示。（3）CS5360與微處理器的接口與微處理器的接口 CS5360簡介簡介下下圖所示為圖所示為CS5360的功能框圖的功能框圖。 CS5360的接口電路的接口電路下下圖所示是基于圖所示是基于FPGA的數(shù)字接口電路框圖，的數(shù)字接口電路框圖，CS5360工作于

14、主動模式。工作于主動模式。7.1.4 智能傳感器的應用智能傳感器的應用1集成智能傳感器集成智能傳感器 傳感器的集成化是指將多個功能相同或不同的敏感器件制作在同一傳感器的集成化是指將多個功能相同或不同的敏感器件制作在同一個芯片上構成傳感器陣列，這主要有三個方面的含義：個芯片上構成傳感器陣列，這主要有三個方面的含義：一一是將多個功能是將多個功能完全相同的敏感單元集成制造在同一個芯片上；完全相同的敏感單元集成制造在同一個芯片上；二二是對多個結構相同、是對多個結構相同、功能相近的敏感單元進行集成；功能相近的敏感單元進行集成；三三是對不同類型的傳感器進行集成是對不同類型的傳感器進行集成。2智能溫度傳感器

15、智能溫度傳感器 智能溫度傳感器亦稱數(shù)字溫度傳感器，其內部包含溫度傳感器、智能溫度傳感器亦稱數(shù)字溫度傳感器，其內部包含溫度傳感器、A/D轉換器、信號處理器、寄存器、接口電路以及多路選擇器、中央控制器轉換器、信號處理器、寄存器、接口電路以及多路選擇器、中央控制器（CPU）、隨機存取存儲器（）、隨機存取存儲器（RAM）和只讀存儲器（）和只讀存儲器（ROM）等。）等。MAX6654是美國是美國MAXIM公司生產的雙通道智能溫度傳感器，公司生產的雙通道智能溫度傳感器，下下圖所示為圖所示為MAX6654與溫度傳感器及主機的接口電路。與溫度傳感器及主機的接口電路。3智能濕度傳感器智能濕度傳感器 濕度傳感器也

16、已從簡單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數(shù)檢測的方濕度傳感器也已從簡單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數(shù)檢測的方向發(fā)展，為研制濕度測控系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件。向發(fā)展，為研制濕度測控系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件。SHT15是瑞士森斯瑞是瑞士森斯瑞（Sensirion）公司推出的超小型、高精度、自校準、多功能智能傳感器，可）公司推出的超小型、高精度、自校準、多功能智能傳感器，可用來測量相對濕度、溫度和露點等參數(shù)。用來測量相對濕度、溫度和露點等參數(shù)。SHT15與與89C51（主機）的接口電（主機）的接口電路如圖所示。路如圖所示。4智能壓力傳感器智能壓力傳感器 智能壓力傳感器的硬件結構如圖所示，由壓力傳感器、溫度傳

17、感器、智能壓力傳感器的硬件結構如圖所示，由壓力傳感器、溫度傳感器、微處理器、電源模塊和輸出模塊構成。微處理器、電源模塊和輸出模塊構成。 MSC1211是美國德州儀器公司（是美國德州儀器公司（TI）新推出的一款功能強大的帶）新推出的一款功能強大的帶24位位 型型A/D轉換器和轉換器和16位位D/A轉換器的微處理器，其內部包括程控增益放轉換器的微處理器，其內部包括程控增益放大器、多路轉換開關、數(shù)字濾波和信號校準電路等。圖為大器、多路轉換開關、數(shù)字濾波和信號校準電路等。圖為MSC1211與傳與傳感器模塊及主機的接口電路。感器模塊及主機的接口電路。5智能差壓傳感器智能差壓傳感器 ST3000系列智能差

18、壓傳感器是美國霍尼韋爾（系列智能差壓傳感器是美國霍尼韋爾（Honeywell）公司在世）公司在世界上率先推出實現(xiàn)商品化的智能傳感器，由差壓、靜壓、溫度參數(shù)檢測和界上率先推出實現(xiàn)商品化的智能傳感器，由差壓、靜壓、溫度參數(shù)檢測和數(shù)據(jù)處理兩部分組成，如圖所示。數(shù)據(jù)處理兩部分組成，如圖所示。6智能超聲波傳感器智能超聲波傳感器 美國美國Merritt系統(tǒng)公司（系統(tǒng)公司（MSI）開發(fā)了兩種智能超聲波測距傳感器，）開發(fā)了兩種智能超聲波測距傳感器，測距范圍分別為測距范圍分別為1503000 mm和和25600 mm，精度分別為，精度分別為2.5 mm和和0.25 mm，采樣頻率分別為，采樣頻率分別為40 Hz

19、和和200 Hz。超聲波探頭的工作頻率為。超聲波探頭的工作頻率為40 kHz，傳感器內部包括超聲波發(fā)射與接收電路、模擬信號與數(shù)字信號處理電路傳感器內部包括超聲波發(fā)射與接收電路、模擬信號與數(shù)字信號處理電路等。這種傳感器廣泛應用于過程監(jiān)控和移動機器人自動尋軌、避障的測等。這種傳感器廣泛應用于過程監(jiān)控和移動機器人自動尋軌、避障的測距系統(tǒng)中。距系統(tǒng)中。7.2 傳感器網絡傳感器網絡7.2.1 傳感器網絡概述傳感器網絡概述 單獨的傳感器數(shù)據(jù)采集已經不能適應現(xiàn)代控制技術和檢測技術的發(fā)展，單獨的傳感器數(shù)據(jù)采集已經不能適應現(xiàn)代控制技術和檢測技術的發(fā)展，取而代之的是分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成的傳感器網絡，如圖所示。取

20、而代之的是分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成的傳感器網絡，如圖所示。7.2.2 傳感器網絡的作用傳感器網絡的作用 傳感器網絡可以實施遠程數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)，并進行分類存儲和應用。傳感器網絡可以實施遠程數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)，并進行分類存儲和應用。 傳感器網絡上的多個用戶可同時對同一過程進行監(jiān)控。傳感器網絡上的多個用戶可同時對同一過程進行監(jiān)控。 不同任務的傳感器、儀器儀表（執(zhí)行器）與計算機組成網絡后，可憑不同任務的傳感器、儀器儀表（執(zhí)行器）與計算機組成網絡后，可憑借智能化軟硬件（例如模式識別、神經網絡的自學習、自適應、自組織和借智能化軟硬件（例如模式識別、神經網絡的自學習、自適應、自組織和聯(lián)想記憶功能），靈活調用網上各種計

21、算機、儀器儀表和傳感器各自的資聯(lián)想記憶功能），靈活調用網上各種計算機、儀器儀表和傳感器各自的資源特性和潛力，區(qū)別不同的時空條件和儀器儀表、傳感器的類別特征，測源特性和潛力，區(qū)別不同的時空條件和儀器儀表、傳感器的類別特征，測出臨界值，作出不同的特征響應，完成各種形式、各種要求的任務。出臨界值，作出不同的特征響應，完成各種形式、各種要求的任務。7.2.3 傳感器網絡的結構傳感器網絡的結構 傳感器網絡的結構形式多種多樣，可以是傳感器網絡的結構形式多種多樣，可以是如如圖所示的全部互連形成的圖所示的全部互連形成的分布式傳感器網絡系統(tǒng)分布式傳感器網絡系統(tǒng)。 也可以是多個傳感器計算機工作站和一臺服務器組成的主從結構傳也可以是多個傳感器計算機工作站和一臺服務器