第九章智能傳感器及系統(tǒng)集成（new）課件

第九章（1）

智能傳感器

第九章（1）

智能傳感器1智能傳感器的結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)智能傳感器是一種帶微處理器兼有檢測、判斷、信息處理、信息記憶、邏輯思維等功能的傳感器。其特點(diǎn)是：1、易于線性化。2、自動修正測量數(shù)據(jù)減少環(huán)境因素引起的誤差。智能傳感器的結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)智能傳感器是一種帶微處理器兼有檢23、具有抑制漂移的能力。4、其跟蹤濾波功能可以去除噪聲、提高信噪比從而提高傳感器的可靠性。5、用軟件解決硬件難以解決的問題，完成數(shù)據(jù)計(jì)算與數(shù)據(jù)處理工作。

智能傳感器主要由敏感元件、微處理器及相關(guān)電路組成。3、具有抑制漂移的能力。3智能傳感器的原理框圖如下傳感元件信號調(diào)理微處理器通訊接口輸入接口智能傳感器的原理框圖如下傳信微通輸4微處理器是智能傳感器的智能核心，承擔(dān)了數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)校準(zhǔn)、系統(tǒng)補(bǔ)償?shù)却罅坑布y以完成的工作，從而大大降低了傳感器的制造難度，提高了傳感器的性能，降低了成本，提高了傳感器的可靠性。智能傳感器有集成式、混合式和模塊式三種結(jié)構(gòu)。集成式：將若干個(gè)敏感元件與微處理器、信號處理電路集成在同一硅片上。微處理器是智能傳感器的智能核心，承擔(dān)了數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)存5混合式：將傳感器和微處理器、信號處理電路做在不同的芯片上，這是目前的智能傳感器的主要形式。模塊式：將傳感元件模塊、微處理器模塊、信號調(diào)理電路模塊等裝配在同一個(gè)殼結(jié)構(gòu)內(nèi)?；旌鲜剑簩鞲衅骱臀⑻幚砥鳌⑿盘柼幚黼娐纷鲈诓煌男酒?，這6智能傳感器的功能特點(diǎn)1、具有邏輯思維與判斷、信息處理功能，可對檢測數(shù)值進(jìn)行分析、修正和誤差補(bǔ)償，提高測量精度。

2、具有自診斷、自校準(zhǔn)功能，提高了可靠性。智能傳感器的功能特點(diǎn)1、具有邏輯思維與判斷、信息處理功能，可73、組態(tài)功能可以實(shí)現(xiàn)多傳感器多參數(shù)復(fù)合測量，擴(kuò)大了檢測使用范圍。用戶可以選擇需要的組態(tài)。包括檢測范圍，可編程通/斷延時(shí)，選組計(jì)數(shù)器，常開/常閉，分辨率選擇等?？墒雇活愋偷膫鞲衅鞴ぷ髟谧罴褷顟B(tài)，并且能在不同場合從事不同的工作。3、組態(tài)功能可以實(shí)現(xiàn)多傳感器多參數(shù)復(fù)合測量，擴(kuò)大了檢測使用范84、存儲功能使檢測數(shù)據(jù)可以隨時(shí)存取。5、數(shù)據(jù)通信功能具有數(shù)據(jù)通信接口，能與計(jì)算機(jī)直接聯(lián)機(jī)，互相交換信息。

智能傳感器具有的串行通信接口，既可以直接與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的測控，也可以構(gòu)成智能傳感器網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對多點(diǎn)的分布式集散測控系統(tǒng)。避免了模擬信號的遠(yuǎn)距離傳輸，提高了系統(tǒng)的可靠性。4、存儲功能使檢測數(shù)據(jù)可以隨時(shí)存取。96、自適應(yīng)技術(shù)

可在條件變化的情況下，在一定范圍內(nèi)使自己的特性自動適應(yīng)這種變化。通過采用自適應(yīng)技術(shù)，智能傳感器能補(bǔ)償老化部件引起的參數(shù)漂移，延長器件或裝置的壽命。同時(shí)擴(kuò)大其工作領(lǐng)域，自動適應(yīng)不同的環(huán)境條件。自適應(yīng)技術(shù)提高了傳感器的重復(fù)性和準(zhǔn)確度。6、自適應(yīng)技術(shù)10智能傳感器中的軟件軟件對傳感器的測量過程進(jìn)行管理和調(diào)節(jié)，使之工作在最佳狀態(tài)，并對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行各種處理，從而增強(qiáng)傳感器功能，提高性能指標(biāo)。智能傳感器中的軟件11一、溫度補(bǔ)償基本方法是：1、將溫度敏感元件與智能傳感器的敏感元件集成在一起，用于測量敏感元件的環(huán)境溫度。2、建立溫度誤差的數(shù)學(xué)模型，微處理器根據(jù)測得的溫度值和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行補(bǔ)償。3、查表法。一、溫度補(bǔ)償12

二、非線性校正1、線性插值法先用實(shí)驗(yàn)測出傳感器的輸入輸出數(shù)據(jù)，利用一次函數(shù)進(jìn)行插值，用直線逼近傳感器的特性曲線。如果傳感器的特性曲率大，可以將該曲線分段插值，把每段曲線用直線近似，即用折線逼近整個(gè)曲線。這樣可以按分段線性關(guān)系求出輸入值所對應(yīng)的輸出值。一般情況下只要分段合理，插值點(diǎn)數(shù)得當(dāng)就可獲得良好的線性度和精度。1、線性插值法132、二次曲線插值法用拋物線代替原來的曲線，先求出傳感器特性曲線的反函數(shù)，并根據(jù)精度要求對曲線進(jìn)行分段，然后利用二次函數(shù)進(jìn)行插值，用二次函數(shù)逼近。3、查表法通過計(jì)算或?qū)嶒?yàn)得到檢測值和被檢測值的關(guān)系，然后按一定規(guī)律把數(shù)據(jù)排成表格，存入內(nèi)存單元。微處理器根據(jù)檢測的大小查表。2、二次曲線插值法14三、數(shù)字濾波1、算術(shù)平均濾波

計(jì)算連續(xù)N個(gè)點(diǎn)的采樣值的算術(shù)平均值作為濾波器的輸出.三、數(shù)字濾波15

2、遞推平均濾波

遞推平均濾波只需進(jìn)行一次測量就能得到平均值，它把N個(gè)數(shù)據(jù)看作一個(gè)隊(duì)列，每次測量得到的新數(shù)據(jù)存在隊(duì)尾，而扔掉原來隊(duì)首的一個(gè)數(shù)據(jù)，這樣在隊(duì)列中始終有N個(gè)“新”數(shù)據(jù)，然后計(jì)算隊(duì)列中數(shù)據(jù)的平均值作為濾波結(jié)果。每進(jìn)行一次這樣的測量，就可立即計(jì)算出一個(gè)新的平均值。2、遞推平均濾波163、加權(quán)遞推平均濾波

遞推平均濾波法中所有采樣值的權(quán)系數(shù)相同，在結(jié)果中所占的比例相等，這會對時(shí)變信號引起滯后。為增加新采樣數(shù)據(jù)在遞推濾波中的比重，提高傳感器對當(dāng)前干擾的抑制能力，可以采用加權(quán)遞推平均濾波算法，對不同時(shí)刻的數(shù)據(jù)加不同的權(quán)重，通常越接近現(xiàn)時(shí)刻的數(shù)據(jù)，權(quán)重取得越大。N項(xiàng)加權(quán)遞推平均濾波算法為3、加權(quán)遞推平均濾波17四、標(biāo)度變換

如果傳感器的輸入輸出之間具有函數(shù)關(guān)系，可直接用解析式進(jìn)行標(biāo)度變換。如果沒有，采用多項(xiàng)式插值法進(jìn)行標(biāo)度變換。五、自動校正和自診斷自動校正是校正傳感器的零位和滿量程誤差。傳感器分別輸入零點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)值和滿度標(biāo)準(zhǔn)值，通過測量傳感器的輸出，得到智能傳感器的校正方程。測量時(shí)軟件系統(tǒng)根據(jù)校正方程，對傳感器的零位誤差、增益誤差等進(jìn)行校正。從而大大提高測量準(zhǔn)確度和可靠性。四、標(biāo)度變換18自診斷就是對敏感元件及整個(gè)傳感器各部件的狀態(tài)進(jìn)行自檢，檢查傳感器的各個(gè)部分是否正常，并診斷發(fā)生故障的部件，以保證傳感器正常工作。六、數(shù)字調(diào)零用軟件實(shí)現(xiàn)偏差調(diào)零。自診斷就是對敏感元件及整個(gè)傳感器各部件的狀態(tài)進(jìn)行自檢，檢查傳19智能傳感器的低功耗設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)原則1、選用低功耗的敏感元件。2、簡化硬件電路和傳感器功能。3、設(shè)計(jì)低功耗電路，采用低功耗器件。4、單電源、低電壓供電。智能傳感器的低功耗設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)原則20二、智能傳感器低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)1、降低電源電壓，壓縮電路動態(tài)范圍。2、控制大電流器件的工作時(shí)間。3、降低單片機(jī)的時(shí)鐘頻率。4、使用單片機(jī)的睡眠方式。二、智能傳感器低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)21三、智能傳感器的低功耗設(shè)實(shí)例1、智能濕度傳感器的結(jié)構(gòu)框圖濕度敏感元件調(diào)節(jié)放大電路單片機(jī)LCD顯示器控制鍵通信接口三、智能傳感器的低功耗設(shè)實(shí)例濕度敏感元件調(diào)單LCD顯示器控制22被測信號經(jīng)調(diào)理放大電路處理，成為與被測量成正比的0.001～4.99V直流電壓信號，送單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換口。LCD顯示器可顯示濕度測量值、智能濕度傳感器的工作狀態(tài)（測量/通信）、超量程提示和欠電報(bào)警。通信接口可以實(shí)現(xiàn)智能濕度傳感器與計(jì)算機(jī)之間的信息傳輸。對于相對濕度小于50%RH的測量環(huán)境，可選用芬蘭VAISALA公司的HMP-35濕度敏感元件，它在相對濕度60%RH以下被測信號經(jīng)調(diào)理放大電路處理，成為與被測量成正比的0.001～23具有較好的線性和準(zhǔn)確度。對于相對濕度大于40%RH以上的環(huán)境，可選用GeneralEastern公司的653-M2濕敏器件，它在相對濕度20%RH以上具有較好的線性和準(zhǔn)確性。2、低功耗設(shè)計(jì)措施低功耗智能濕度傳感器的模擬電路主要是運(yùn)算放大器為核心的放大電路。這里宜選用低功耗、單電源的運(yùn)算放大器，具有較好的線性和準(zhǔn)確度。對于相對濕度大于40%RH以上的環(huán)境24可選用模擬器件公司的AD822。單片機(jī)選用內(nèi)部帶有4路8位A/D轉(zhuǎn)換器、4個(gè)中斷源、8分頻定時(shí)/計(jì)數(shù)器、1024*14位片內(nèi)程序存儲器、68*8位RAM的低功耗單片機(jī)PIC16C71。它具有低功耗睡眠模式（SLEEP)和片內(nèi)看門狗定時(shí)器(WTD)，易于實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)和抗干擾設(shè)計(jì)，是低功耗低成本智能傳感器較為適宜的單片機(jī)。可選用模擬器件公司的AD822。單片機(jī)選用內(nèi)部帶有4路8位A25智能傳感器的設(shè)計(jì)與制造目前智能傳感器的實(shí)際產(chǎn)品大多是模塊化結(jié)構(gòu)，近年來由于多芯片組件（MCM)技術(shù)的發(fā)展，可將智能傳感器分布在幾個(gè)芯片組件上的部件組裝起來，構(gòu)成傳感器。集成智能傳感器的設(shè)計(jì)和制造中有許多復(fù)雜的技術(shù)問題。智能傳感器的設(shè)計(jì)與制造目前智能傳感器的實(shí)際產(chǎn)品大多是模塊化結(jié)26一、利用微機(jī)械加工技術(shù)制造傳感器

微機(jī)械加工技術(shù)是微型傳感器和微機(jī)械元件的加工工藝技術(shù)，是制造智能傳感器的重要技術(shù)。其中硅微機(jī)械加工技術(shù)是硅集成電路工藝的一項(xiàng)重要擴(kuò)展技術(shù)。它除了包括高度發(fā)展的硅集成電路工藝外，還有一些獨(dú)特的工藝。它主要用于制造硅材料為基底、層與層之間有很大差別的三維結(jié)構(gòu)。一、利用微機(jī)械加工技術(shù)制造傳感器271、刻蝕技術(shù)它是微加工技術(shù)的特殊工藝，通過腐蝕加工形成各種微結(jié)構(gòu)，這是形成微型傳感器的關(guān)鍵技術(shù)。2、體形結(jié)構(gòu)腐蝕加工腐蝕加工有化學(xué)腐蝕和離子刻蝕技術(shù)兩大類?；瘜W(xué)腐蝕是應(yīng)用腐蝕劑腐蝕，腐蝕劑有各向同性和各向異性兩種，改變腐蝕劑中氧化劑、去除劑和稀釋劑的成分可以調(diào)整腐蝕速率、選擇性和表面腐蝕條件。各向異性腐蝕可形成三維結(jié)構(gòu)。1、刻蝕技術(shù)28離子刻蝕是在真空腔內(nèi)進(jìn)行。采用等離子定向刻蝕，將硅片放在交流電源驅(qū)動的電極上，并置于充有含氟里昂氣體的化學(xué)反應(yīng)等離子體中進(jìn)行。3、表面腐蝕加工技術(shù)用于制造各種懸式結(jié)構(gòu)，如微型懸臂梁、懸臂塊、微型橋、微型腔等。目前已成功應(yīng)用在微型諧振式傳感器，加速度傳感器、流量傳感器和壓電傳感器中。離子刻蝕是在真空腔內(nèi)進(jìn)行。采用等離子定向刻蝕，將硅片放在交流294、薄膜技術(shù)可以加工成各種梁、橋、彈性膜、壓電膜。用作傳感器的敏感元件，有的可作為介質(zhì)膜起絕緣層的作用；有的可作為控制尺寸的襯墊層，在加工完成之前去除掉。5、固相鍵合技術(shù)是微機(jī)械部件的裝配技術(shù)，可以把兩個(gè)固態(tài)部件直接鍵合在一起。4、薄膜技術(shù)30二、智能傳感器的電路設(shè)計(jì)1、模擬信號輸入級一般模擬信號輸入級是含有多路切換開關(guān)的可編程增益放大器。2、傳感器的激勵(lì)源傳感器的激勵(lì)源由微處理器控制，以便使傳感器工作在最佳狀態(tài)。

二、智能傳感器的電路設(shè)計(jì)313、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換4、數(shù)據(jù)處理5、數(shù)字輸出接口電路6、微處理器選擇目前以單片機(jī)、DSP等嵌入式微處理器。3、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換32智能傳感器實(shí)例一、ST-3000系列智能壓力傳感器該系列傳感器是美國Honeywell公司20世紀(jì)80年代研制的產(chǎn)品，是最早的商品化智能傳感器，可以同時(shí)測量靜壓、差壓和溫度三個(gè)參數(shù)。精度達(dá)0.1級，6個(gè)月總漂移不超過全量程的0.03%，量程比可達(dá)400：1，阻尼時(shí)間常數(shù)在0～32s間可調(diào)。目前該產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用。智能傳感器實(shí)例一、ST-3000系列智能壓力傳感器33傳感器的結(jié)構(gòu)框圖如下：差壓靜壓溫度多路開關(guān)A/DCPUD/AI/OROMRAMPROMEEPROM4-20mA或數(shù)字信號傳感器的結(jié)構(gòu)框圖如下：差壓靜壓溫度多A/DCPUD/AI/O34傳感部分由差壓、靜壓和溫度三個(gè)傳感器組成，該部分的輸出是三個(gè)參數(shù)的函數(shù)，設(shè)三個(gè)傳感器的輸出為由此可解得傳感部分由差壓、靜壓和溫度三個(gè)傳感器組成，該部分的輸出是三個(gè)35以上由三個(gè)傳感器信號計(jì)算待測壓力的過程是在微處理器中通過軟件程序進(jìn)行的。在傳感器的制造過程中，待測壓力特征數(shù)據(jù)、環(huán)境溫度特征數(shù)據(jù)就、和靜壓數(shù)據(jù)需要事先存儲在PROM中。這些特征數(shù)據(jù)由生產(chǎn)線的計(jì)算機(jī)采集并送入存儲器存儲。實(shí)際工作時(shí)，傳感器芯片上的三個(gè)傳感器的信號經(jīng)多路切換開關(guān)、調(diào)理電路以及A/D轉(zhuǎn)換器，分別進(jìn)入CPU。CPU利用以上由三個(gè)傳感器信號計(jì)算待測壓力的過程是在微處理器中通過軟件36PROM中的特征數(shù)據(jù)，對三種信號進(jìn)行程序運(yùn)算處理，最終產(chǎn)生一個(gè)高精度的特性優(yōu)異的待測壓力信號輸出?，F(xiàn)場通信器具有以下功能：對傳感器進(jìn)行遠(yuǎn)程組態(tài)，設(shè)定標(biāo)號、測量范圍、輸出形式和阻尼時(shí)間常數(shù)，不到現(xiàn)場就可調(diào)節(jié)變送器的參數(shù)；傳感器的零點(diǎn)和量程校準(zhǔn)可以在現(xiàn)場進(jìn)行，不必拆卸傳感器，也不需要專門設(shè)備。PROM中的特征數(shù)據(jù)，對三種信號進(jìn)行程序運(yùn)算處理，最終產(chǎn)生一37對傳感器進(jìn)行診斷，進(jìn)行組態(tài)檢查、通信功能檢查、變送功能檢查、參數(shù)異常檢查，診斷結(jié)果傳送到現(xiàn)場通信器中顯示；設(shè)定傳感器為恒流輸出，把傳感器當(dāng)作恒流源使用以便檢查系統(tǒng)中的其它傳感器或設(shè)備。對傳感器進(jìn)行診斷，進(jìn)行組態(tài)檢查、通信功能檢查、變送功能檢查、38二、EJA差壓變送器系日本橫河電機(jī)株式會社與1994年研制成功的高性能智能式差壓傳感器。它利用單晶硅諧振式傳感器原理，采用微電子機(jī)械加工技術(shù)（MEMS)，精度達(dá)0.075%，具有高穩(wěn)定性和高可靠性。其由膜盒組件和智能轉(zhuǎn)換部件組成。膜盒組件包括膜盒、單晶硅諧振式傳感器和特性修正存儲器。二、EJA差壓變送器39原理圖如下：單晶硅諧振式傳感器特性修正傳感器CPUA/DD/A內(nèi)置存儲器4-20mADC及數(shù)字信號膜盒組件數(shù)據(jù)處理部件Δp原理圖如下：單晶硅特性CPUA/DD/A內(nèi)置存儲器4-20m40單晶硅諧振式傳感器的兩個(gè)H型諧振梁將差壓、壓力信號分別轉(zhuǎn)換成頻率信號，送到脈沖計(jì)數(shù)器中，再將兩頻率之差直接送到CPU中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成與輸入信號相對應(yīng)的4-20mA電流信號。膜盒組件中的特性修正存儲器存儲傳感器的環(huán)境溫度、靜壓及輸入輸出特性的修正數(shù)據(jù)，CPU利用它們進(jìn)行溫度補(bǔ)償，校正靜壓及輸入輸出特性。單晶硅諧振式傳感器的兩個(gè)H型諧振梁將差壓、壓力信號分別轉(zhuǎn)換成41三、8800A型卡曼旋渦流量變送器這是美國Rosemount公司的智能傳感器。它利用“卡曼渦流”現(xiàn)象測定流量，即當(dāng)管道中裝設(shè)柱狀阻擋物時(shí)，流體流過時(shí)形成兩列旋渦，旋渦出現(xiàn)的頻率與流量成正比。該變送器利用應(yīng)力檢測法測量旋渦頻率，在柱狀物的后部插入嵌有壓電元件的桿，當(dāng)旋渦沖擊桿端時(shí)形成彎矩，壓電元件出現(xiàn)電荷，電荷經(jīng)放大器放大后，經(jīng)濾波、A/D轉(zhuǎn)換后送入數(shù)字式跟蹤濾波器。三、8800A型卡曼旋渦流量變送器42它能跟蹤旋渦的頻率對噪聲進(jìn)行抑制，使濾波后的數(shù)字信號正確反映流量值。CPU接收跟蹤濾波的數(shù)字信號進(jìn)行處理后送D/A轉(zhuǎn)換器輸出4-20mA的電流。8800A型卡曼旋渦流量變送器具有自診斷、溫度校正等功能，通過現(xiàn)場通信器進(jìn)行組態(tài)。它能跟蹤旋渦的頻率對噪聲進(jìn)行抑制，使濾波后的數(shù)字信號正確反映434、超聲智能測距傳感器美國Merritt系統(tǒng)公司（MSI）開發(fā)了兩種超聲智能測距傳感器，一種測量范圍為150-3000mm，采樣頻率為40Hz，精度為、2.5mm；另一種是高精度型，測量范圍為25-600mm，采樣頻率為200Hz，精度為0.25mm。傳感器內(nèi)有以CPU為中心的數(shù)據(jù)處理電路，通過測量超聲波從傳感器到目標(biāo)再返回所需要的時(shí)間，計(jì)算傳感器到達(dá)目標(biāo)的距離。4、超聲智能測距傳感器445、多路光譜分析智能傳感器它可以從人造衛(wèi)星攝取地球表面的圖像，通過反射型繞射光柵，由CCD固態(tài)攝像傳感器轉(zhuǎn)換成電信號，即可進(jìn)行多路光譜分析，測量數(shù)據(jù)由CPU解析和統(tǒng)計(jì)處理，可得到氣象方面的各種信息。5、多路光譜分析智能傳感器456、機(jī)器人視覺傳感器它利用CCD圖像傳感器，將工作信號經(jīng)微機(jī)處理，獲得重心坐標(biāo)、面積、最大尺寸等數(shù)據(jù)即確定工件位置，并由母線系統(tǒng)輸送到顯示器再經(jīng)數(shù)摸轉(zhuǎn)換器后輸入到控制系統(tǒng)控制機(jī)器人動作。6、機(jī)器人視覺傳感器46第九章（2）測試系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)與性能評價(jià)一、測試系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)原則與步驟

現(xiàn)代測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程就是對系統(tǒng)各單元模塊的參數(shù)反復(fù)進(jìn)行預(yù)估選擇、性能評價(jià)的過程，以使按最終確定的參數(shù)建立起的系統(tǒng)達(dá)到預(yù)定的技術(shù)目標(biāo)。第九章（2）471、單元模塊的選擇與優(yōu)化現(xiàn)代測試系統(tǒng)的基本組成形式如圖所示

S1為傳感器，S2為調(diào)理電路，S3為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；W1與W2分別代表傳感器和放大器的頻率特性1、單元模塊的選擇與優(yōu)化482、參數(shù)的確定與預(yù)估根據(jù)測試系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求，確定測試系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的基本參數(shù)、動態(tài)特性，預(yù)估系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的誤差極限。（1）基本參數(shù)的確定基本參數(shù)的確定主要根據(jù)分辨力與量程的要求，確定各硬件模塊或環(huán)節(jié)的靈敏度。對于一般測試系統(tǒng)的基本形式，靈敏度的表達(dá)式為2、參數(shù)的確定與預(yù)估49基本參數(shù)的確定方法：通常按系統(tǒng)分辨力與量程的要求及工作環(huán)境條件，先確定傳感器類型及其靈敏度S．然后再進(jìn)行放大器增益S與A/D轉(zhuǎn)換器分度值S的權(quán)衡。一般方法是先根據(jù)測試范圍和分辨力確定A/D轉(zhuǎn)換器或數(shù)據(jù)采集卡的位數(shù)。再根A/D轉(zhuǎn)換器或數(shù)據(jù)采集卡的位數(shù)、輸入電壓范圍和傳感器的靈敏度S，確定放大器的增益S。當(dāng)測試范圍較大時(shí)可考慮多量程。這樣可以降低A/D轉(zhuǎn)換器或數(shù)據(jù)采集卡的要求。

基本參數(shù)的確定方法：50（2）誤差極限的預(yù)估

誤差極限的預(yù)估就是按系統(tǒng)總誤差的限定值對組成系統(tǒng)單元模塊進(jìn)行誤差分配?；舅悸肥钦`差預(yù)分配、綜合調(diào)整、再分配再綜合，直至選定單元模塊的靜態(tài)性能滿足系統(tǒng)靜態(tài)性能的要求。（2）誤差極限的預(yù)估51二、測試系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)舉例題目：電阻傳感器稱重測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求：測量范圍：0~10t；分辨力：0.01t；測量不確定度：1.5%；工作溫度：0~50℃。1、系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖所示。

二、測試系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)舉例522、稱重傳感器的選擇

橋式稱重傳感器是利用電阻應(yīng)變原理構(gòu)成的一種高精度力電轉(zhuǎn)換元件，彈性體采用橋式結(jié)構(gòu)。它由4片電阻應(yīng)變計(jì)構(gòu)成惠斯登電橋，如圖所示。當(dāng)傳感器受到外力作用時(shí)，彈性體產(chǎn)生形變，電阻應(yīng)變計(jì)阻值發(fā)生變化．使橋路失去平衡，在外界供橋電源作用下，電橋輸出一下平衡直流電壓信號，該信號的大小與傳感器所受外力大小成正比，據(jù)此可測定外載荷的大小。2、稱重傳感器的選擇53CZLYB-11型橋式稱重傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)如表所示

CZLYB-11型橋式稱重傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)如表所示543、A／D轉(zhuǎn)換器位數(shù)n的確定

從設(shè)計(jì)要求中獲知，該系統(tǒng)的測量范圍0~10t、分辨力0.01t，所以系統(tǒng)的最大量化值Dm為：Dm=滿量程值/分辨率＝10/0.01＝1000故至少選擇10位A/D，本系統(tǒng)選TCL1549。TCL1549是TI公司生產(chǎn)的10位逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有自動采樣保持、串行接口功能，滿度輸入電壓隨基準(zhǔn)電壓VH而變化。這里VH

=5v。3、A／D轉(zhuǎn)換器位數(shù)n的確定554、放大器的選擇或設(shè)計(jì)

稱重傳感器輸出信號的特點(diǎn)是“浮地”，所以放大器必須采用雙端輸入差動放大器。放大器的增益可根據(jù)稱重傳感器輸出靈敏度、A/D轉(zhuǎn)換器的最大輸入電壓確定。

由表可知，稱重傳感器輸出靈敏度為2mv／v，意指在額定載荷、橋路電壓為1V時(shí)，橋路輸出為2mv。本系統(tǒng)選額定載荷10t，橋路電壓取12v，傳感器輸出靈敏度S1為：4、放大器的選擇或設(shè)計(jì)56A／D轉(zhuǎn)換器的滿度輸入電壓為5V，則量化值Q為當(dāng)載荷為W=0.01t時(shí)，橋路輸出電壓為現(xiàn)選擇AD627測量放大器作為本系統(tǒng)的放大器環(huán)節(jié)。

A／D轉(zhuǎn)換器的滿度輸入電壓為5V，則量化值Q為當(dāng)載荷為W=057AD627是美國ADI公司生產(chǎn)的精密儀器放大器之一。參考電路如圖所示。其增益G=5＋200/RG，改變RG可調(diào)整增益。當(dāng)選擇RG

=910+（0~200）Ω，增益的變比范圍為185~225，可滿足設(shè)計(jì)要求。此外，考慮到A/D轉(zhuǎn)換器的最大輸入電壓VH

=5v，當(dāng)最大載荷W=10t時(shí)，橋路的輸出電壓為：

于是，AD627的最大增益

AD627是美國ADI公司生產(chǎn)的精密儀器放大器58AD627管腳示意圖AD627管腳示意圖59AD627的主要技術(shù)參數(shù)見下表

AD627的主要技術(shù)參數(shù)見下表60

5、測量不確定度的預(yù)估（1）測量不確定度預(yù)估的數(shù)學(xué)模型當(dāng)被測重物的重量W對應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換器的量化值為D，根據(jù)基本結(jié)構(gòu)，可得重量W與量化值D的關(guān)系為于是可得數(shù)學(xué)模型

式中，S1、S2、S3分別為傳感器、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器的靈敏度5、測量不確定度的預(yù)估61

（2）分項(xiàng)測量不確定度的預(yù)估W的分項(xiàng)測量不確定度包含4項(xiàng)，即測量不確定度U(S1)、U（S2）、U（S3）和U（D），下面分別計(jì)算。

①測量不確定度u(S1)的計(jì)算

由表可知，影響測量不確定度u(S1)的因素如下。

由靈敏度變化0.004/2時(shí)，引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度非線性引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

重復(fù)性引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度（2）分項(xiàng)測量不確定度的預(yù)估62當(dāng)環(huán)境變化50℃引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

橋路電壓變化引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

S1測量不確定度U(S1)為這里沒有考慮”零點(diǎn)輸出”引起的不確定度，是因?yàn)榱泓c(diǎn)輸出是恒定的系統(tǒng)誤差，可通過硬件或軟件消除，如果軟件中有非線性校正功能，非線性誤差引起的測量不確定度也可不考慮．本例不考慮非線性校正。

當(dāng)環(huán)境變化50℃引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度63

②測量不確定度U(S2)的計(jì)算。

根據(jù)表，S2的測量不確定度分量如下

本例中，增益為203，所以增益誤差取0.2％，引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

注意，上述增益誤差未計(jì)入RG阻值波動而產(chǎn)生的增益誤差。

非線性引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

當(dāng)溫度在25±25℃范圍變化時(shí)引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度②測量不確定度U(S2)的計(jì)算。64S2的測量不確定度為U(S2)此外，共模電壓也會引起測量誤差。稱重傳感器的電路是橋式結(jié)構(gòu)，其共模輸出電壓為由于AD627的共模抑制比CMRR=90dB,即有

式中，ΔU為Um在放大器輸出端引起的誤差電壓，于是

因此系統(tǒng)選用10位A/D，量化單位遠(yuǎn)小于Q的一半，故屬于微小誤差．可忽略不計(jì)。S2的測量不確定度為U(S2)65③S3的測量的確定度U(S3)的計(jì)算

S3是A/D轉(zhuǎn)換器的靈敏度，其表達(dá)式為

式中，Vref是A/D轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓。本系統(tǒng)選用REF02電壓基準(zhǔn)。REF02是BURRR—BROWN公司生產(chǎn)的集成精密電壓基準(zhǔn)，主要技術(shù)參數(shù)如表所示③S3的測量的確定度U(S3)的計(jì)算66S3不確定度取決于Vref不確定度，而Vref不確定度主要有兩個(gè)分量，即輸出電壓隨溫度變化引起的分量和基準(zhǔn)輸入電壓變化引起的分量?；鶞?zhǔn)輸入電壓為電源電壓，一般不會超過±1V，引起的輸出電壓變化由電壓調(diào)整率決定。輸出電壓隨溫度變化引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度當(dāng)電源電壓變化±1V時(shí)引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

于是，S3的測量不確定度U(S3)為

S3不確定度取決于Vref不確定度，而Vref不確定度主要有67

④

A/D轉(zhuǎn)換器的輸出量D（量化的數(shù)字值）的測量不確定度U（D）的計(jì)算在未給出A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換精度情況下，其測量不確定度主要由量化誤差計(jì)算引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

④A/D轉(zhuǎn)換器的輸出量D（量化的數(shù)字值）的測量不確定度U68（3）W的合成測量不確定度的預(yù)估根據(jù)測量不確度預(yù)估的數(shù)學(xué)模型式，W的合成測量不確定度為UC（W）（4）W的擴(kuò)展測量不確定度的預(yù)估W的擴(kuò)展測量不確定度U（W）等于合成測量不確定度乘以覆蓋因子(這里取)，即W的擴(kuò)展測量不確定度為1.1%，小于1.5%的設(shè)計(jì)要求，所以設(shè)計(jì)的系統(tǒng)符合要求。

（3）W的合成測量不確定度的預(yù)估（4）W的擴(kuò)展測量不確定度的69智能傳感器的發(fā)展趨勢一、利用新型材料研制基本傳感器材料包括硅、功能陶瓷、石英、記憶合金等。二、利用新加工技術(shù)主要指微加工技術(shù)。三、采用新的測量原理和方法包括光纖傳感、化學(xué)傳感和生物傳感等新的信息來源。智能傳感器的發(fā)展趨勢一、利用新型材料研制基本傳感器70

第九章（1）

智能傳感器

第九章（1）

智能傳感器71智能傳感器的結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)智能傳感器是一種帶微處理器兼有檢測、判斷、信息處理、信息記憶、邏輯思維等功能的傳感器。其特點(diǎn)是：1、易于線性化。2、自動修正測量數(shù)據(jù)減少環(huán)境因素引起的誤差。智能傳感器的結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)智能傳感器是一種帶微處理器兼有檢723、具有抑制漂移的能力。4、其跟蹤濾波功能可以去除噪聲、提高信噪比從而提高傳感器的可靠性。5、用軟件解決硬件難以解決的問題，完成數(shù)據(jù)計(jì)算與數(shù)據(jù)處理工作。

智能傳感器主要由敏感元件、微處理器及相關(guān)電路組成。3、具有抑制漂移的能力。73智能傳感器的原理框圖如下傳感元件信號調(diào)理微處理器通訊接口輸入接口智能傳感器的原理框圖如下傳信微通輸74微處理器是智能傳感器的智能核心，承擔(dān)了數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)校準(zhǔn)、系統(tǒng)補(bǔ)償?shù)却罅坑布y以完成的工作，從而大大降低了傳感器的制造難度，提高了傳感器的性能，降低了成本，提高了傳感器的可靠性。智能傳感器有集成式、混合式和模塊式三種結(jié)構(gòu)。集成式：將若干個(gè)敏感元件與微處理器、信號處理電路集成在同一硅片上。微處理器是智能傳感器的智能核心，承擔(dān)了數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)存75混合式：將傳感器和微處理器、信號處理電路做在不同的芯片上，這是目前的智能傳感器的主要形式。模塊式：將傳感元件模塊、微處理器模塊、信號調(diào)理電路模塊等裝配在同一個(gè)殼結(jié)構(gòu)內(nèi)?；旌鲜剑簩鞲衅骱臀⑻幚砥?、信號處理電路做在不同的芯片上，這76智能傳感器的功能特點(diǎn)1、具有邏輯思維與判斷、信息處理功能，可對檢測數(shù)值進(jìn)行分析、修正和誤差補(bǔ)償，提高測量精度。

2、具有自診斷、自校準(zhǔn)功能，提高了可靠性。智能傳感器的功能特點(diǎn)1、具有邏輯思維與判斷、信息處理功能，可773、組態(tài)功能可以實(shí)現(xiàn)多傳感器多參數(shù)復(fù)合測量，擴(kuò)大了檢測使用范圍。用戶可以選擇需要的組態(tài)。包括檢測范圍，可編程通/斷延時(shí)，選組計(jì)數(shù)器，常開/常閉，分辨率選擇等?？墒雇活愋偷膫鞲衅鞴ぷ髟谧罴褷顟B(tài)，并且能在不同場合從事不同的工作。3、組態(tài)功能可以實(shí)現(xiàn)多傳感器多參數(shù)復(fù)合測量，擴(kuò)大了檢測使用范784、存儲功能使檢測數(shù)據(jù)可以隨時(shí)存取。5、數(shù)據(jù)通信功能具有數(shù)據(jù)通信接口，能與計(jì)算機(jī)直接聯(lián)機(jī)，互相交換信息。

智能傳感器具有的串行通信接口，既可以直接與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的測控，也可以構(gòu)成智能傳感器網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對多點(diǎn)的分布式集散測控系統(tǒng)。避免了模擬信號的遠(yuǎn)距離傳輸，提高了系統(tǒng)的可靠性。4、存儲功能使檢測數(shù)據(jù)可以隨時(shí)存取。796、自適應(yīng)技術(shù)

可在條件變化的情況下，在一定范圍內(nèi)使自己的特性自動適應(yīng)這種變化。通過采用自適應(yīng)技術(shù)，智能傳感器能補(bǔ)償老化部件引起的參數(shù)漂移，延長器件或裝置的壽命。同時(shí)擴(kuò)大其工作領(lǐng)域，自動適應(yīng)不同的環(huán)境條件。自適應(yīng)技術(shù)提高了傳感器的重復(fù)性和準(zhǔn)確度。6、自適應(yīng)技術(shù)80智能傳感器中的軟件軟件對傳感器的測量過程進(jìn)行管理和調(diào)節(jié)，使之工作在最佳狀態(tài)，并對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行各種處理，從而增強(qiáng)傳感器功能，提高性能指標(biāo)。智能傳感器中的軟件81一、溫度補(bǔ)償基本方法是：1、將溫度敏感元件與智能傳感器的敏感元件集成在一起，用于測量敏感元件的環(huán)境溫度。2、建立溫度誤差的數(shù)學(xué)模型，微處理器根據(jù)測得的溫度值和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行補(bǔ)償。3、查表法。一、溫度補(bǔ)償82

二、非線性校正1、線性插值法先用實(shí)驗(yàn)測出傳感器的輸入輸出數(shù)據(jù)，利用一次函數(shù)進(jìn)行插值，用直線逼近傳感器的特性曲線。如果傳感器的特性曲率大，可以將該曲線分段插值，把每段曲線用直線近似，即用折線逼近整個(gè)曲線。這樣可以按分段線性關(guān)系求出輸入值所對應(yīng)的輸出值。一般情況下只要分段合理，插值點(diǎn)數(shù)得當(dāng)就可獲得良好的線性度和精度。1、線性插值法832、二次曲線插值法用拋物線代替原來的曲線，先求出傳感器特性曲線的反函數(shù)，并根據(jù)精度要求對曲線進(jìn)行分段，然后利用二次函數(shù)進(jìn)行插值，用二次函數(shù)逼近。3、查表法通過計(jì)算或?qū)嶒?yàn)得到檢測值和被檢測值的關(guān)系，然后按一定規(guī)律把數(shù)據(jù)排成表格，存入內(nèi)存單元。微處理器根據(jù)檢測的大小查表。2、二次曲線插值法84三、數(shù)字濾波1、算術(shù)平均濾波

計(jì)算連續(xù)N個(gè)點(diǎn)的采樣值的算術(shù)平均值作為濾波器的輸出.三、數(shù)字濾波85

2、遞推平均濾波

遞推平均濾波只需進(jìn)行一次測量就能得到平均值，它把N個(gè)數(shù)據(jù)看作一個(gè)隊(duì)列，每次測量得到的新數(shù)據(jù)存在隊(duì)尾，而扔掉原來隊(duì)首的一個(gè)數(shù)據(jù)，這樣在隊(duì)列中始終有N個(gè)“新”數(shù)據(jù)，然后計(jì)算隊(duì)列中數(shù)據(jù)的平均值作為濾波結(jié)果。每進(jìn)行一次這樣的測量，就可立即計(jì)算出一個(gè)新的平均值。2、遞推平均濾波863、加權(quán)遞推平均濾波

遞推平均濾波法中所有采樣值的權(quán)系數(shù)相同，在結(jié)果中所占的比例相等，這會對時(shí)變信號引起滯后。為增加新采樣數(shù)據(jù)在遞推濾波中的比重，提高傳感器對當(dāng)前干擾的抑制能力，可以采用加權(quán)遞推平均濾波算法，對不同時(shí)刻的數(shù)據(jù)加不同的權(quán)重，通常越接近現(xiàn)時(shí)刻的數(shù)據(jù)，權(quán)重取得越大。N項(xiàng)加權(quán)遞推平均濾波算法為3、加權(quán)遞推平均濾波87四、標(biāo)度變換

如果傳感器的輸入輸出之間具有函數(shù)關(guān)系，可直接用解析式進(jìn)行標(biāo)度變換。如果沒有，采用多項(xiàng)式插值法進(jìn)行標(biāo)度變換。五、自動校正和自診斷自動校正是校正傳感器的零位和滿量程誤差。傳感器分別輸入零點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)值和滿度標(biāo)準(zhǔn)值，通過測量傳感器的輸出，得到智能傳感器的校正方程。測量時(shí)軟件系統(tǒng)根據(jù)校正方程，對傳感器的零位誤差、增益誤差等進(jìn)行校正。從而大大提高測量準(zhǔn)確度和可靠性。四、標(biāo)度變換88自診斷就是對敏感元件及整個(gè)傳感器各部件的狀態(tài)進(jìn)行自檢，檢查傳感器的各個(gè)部分是否正常，并診斷發(fā)生故障的部件，以保證傳感器正常工作。六、數(shù)字調(diào)零用軟件實(shí)現(xiàn)偏差調(diào)零。自診斷就是對敏感元件及整個(gè)傳感器各部件的狀態(tài)進(jìn)行自檢，檢查傳89智能傳感器的低功耗設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)原則1、選用低功耗的敏感元件。2、簡化硬件電路和傳感器功能。3、設(shè)計(jì)低功耗電路，采用低功耗器件。4、單電源、低電壓供電。智能傳感器的低功耗設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)原則90二、智能傳感器低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)1、降低電源電壓，壓縮電路動態(tài)范圍。2、控制大電流器件的工作時(shí)間。3、降低單片機(jī)的時(shí)鐘頻率。4、使用單片機(jī)的睡眠方式。二、智能傳感器低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)91三、智能傳感器的低功耗設(shè)實(shí)例1、智能濕度傳感器的結(jié)構(gòu)框圖濕度敏感元件調(diào)節(jié)放大電路單片機(jī)LCD顯示器控制鍵通信接口三、智能傳感器的低功耗設(shè)實(shí)例濕度敏感元件調(diào)單LCD顯示器控制92被測信號經(jīng)調(diào)理放大電路處理，成為與被測量成正比的0.001～4.99V直流電壓信號，送單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換口。LCD顯示器可顯示濕度測量值、智能濕度傳感器的工作狀態(tài)（測量/通信）、超量程提示和欠電報(bào)警。通信接口可以實(shí)現(xiàn)智能濕度傳感器與計(jì)算機(jī)之間的信息傳輸。對于相對濕度小于50%RH的測量環(huán)境，可選用芬蘭VAISALA公司的HMP-35濕度敏感元件，它在相對濕度60%RH以下被測信號經(jīng)調(diào)理放大電路處理，成為與被測量成正比的0.001～93具有較好的線性和準(zhǔn)確度。對于相對濕度大于40%RH以上的環(huán)境，可選用GeneralEastern公司的653-M2濕敏器件，它在相對濕度20%RH以上具有較好的線性和準(zhǔn)確性。2、低功耗設(shè)計(jì)措施低功耗智能濕度傳感器的模擬電路主要是運(yùn)算放大器為核心的放大電路。這里宜選用低功耗、單電源的運(yùn)算放大器，具有較好的線性和準(zhǔn)確度。對于相對濕度大于40%RH以上的環(huán)境94可選用模擬器件公司的AD822。單片機(jī)選用內(nèi)部帶有4路8位A/D轉(zhuǎn)換器、4個(gè)中斷源、8分頻定時(shí)/計(jì)數(shù)器、1024*14位片內(nèi)程序存儲器、68*8位RAM的低功耗單片機(jī)PIC16C71。它具有低功耗睡眠模式（SLEEP)和片內(nèi)看門狗定時(shí)器(WTD)，易于實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)和抗干擾設(shè)計(jì)，是低功耗低成本智能傳感器較為適宜的單片機(jī)。可選用模擬器件公司的AD822。單片機(jī)選用內(nèi)部帶有4路8位A95智能傳感器的設(shè)計(jì)與制造目前智能傳感器的實(shí)際產(chǎn)品大多是模塊化結(jié)構(gòu)，近年來由于多芯片組件（MCM)技術(shù)的發(fā)展，可將智能傳感器分布在幾個(gè)芯片組件上的部件組裝起來，構(gòu)成傳感器。集成智能傳感器的設(shè)計(jì)和制造中有許多復(fù)雜的技術(shù)問題。智能傳感器的設(shè)計(jì)與制造目前智能傳感器的實(shí)際產(chǎn)品大多是模塊化結(jié)96一、利用微機(jī)械加工技術(shù)制造傳感器

微機(jī)械加工技術(shù)是微型傳感器和微機(jī)械元件的加工工藝技術(shù)，是制造智能傳感器的重要技術(shù)。其中硅微機(jī)械加工技術(shù)是硅集成電路工藝的一項(xiàng)重要擴(kuò)展技術(shù)。它除了包括高度發(fā)展的硅集成電路工藝外，還有一些獨(dú)特的工藝。它主要用于制造硅材料為基底、層與層之間有很大差別的三維結(jié)構(gòu)。一、利用微機(jī)械加工技術(shù)制造傳感器971、刻蝕技術(shù)它是微加工技術(shù)的特殊工藝，通過腐蝕加工形成各種微結(jié)構(gòu)，這是形成微型傳感器的關(guān)鍵技術(shù)。2、體形結(jié)構(gòu)腐蝕加工腐蝕加工有化學(xué)腐蝕和離子刻蝕技術(shù)兩大類。化學(xué)腐蝕是應(yīng)用腐蝕劑腐蝕，腐蝕劑有各向同性和各向異性兩種，改變腐蝕劑中氧化劑、去除劑和稀釋劑的成分可以調(diào)整腐蝕速率、選擇性和表面腐蝕條件。各向異性腐蝕可形成三維結(jié)構(gòu)。1、刻蝕技術(shù)98離子刻蝕是在真空腔內(nèi)進(jìn)行。采用等離子定向刻蝕，將硅片放在交流電源驅(qū)動的電極上，并置于充有含氟里昂氣體的化學(xué)反應(yīng)等離子體中進(jìn)行。3、表面腐蝕加工技術(shù)用于制造各種懸式結(jié)構(gòu)，如微型懸臂梁、懸臂塊、微型橋、微型腔等。目前已成功應(yīng)用在微型諧振式傳感器，加速度傳感器、流量傳感器和壓電傳感器中。離子刻蝕是在真空腔內(nèi)進(jìn)行。采用等離子定向刻蝕，將硅片放在交流994、薄膜技術(shù)可以加工成各種梁、橋、彈性膜、壓電膜。用作傳感器的敏感元件，有的可作為介質(zhì)膜起絕緣層的作用；有的可作為控制尺寸的襯墊層，在加工完成之前去除掉。5、固相鍵合技術(shù)是微機(jī)械部件的裝配技術(shù)，可以把兩個(gè)固態(tài)部件直接鍵合在一起。4、薄膜技術(shù)100二、智能傳感器的電路設(shè)計(jì)1、模擬信號輸入級一般模擬信號輸入級是含有多路切換開關(guān)的可編程增益放大器。2、傳感器的激勵(lì)源傳感器的激勵(lì)源由微處理器控制，以便使傳感器工作在最佳狀態(tài)。

二、智能傳感器的電路設(shè)計(jì)1013、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換4、數(shù)據(jù)處理5、數(shù)字輸出接口電路6、微處理器選擇目前以單片機(jī)、DSP等嵌入式微處理器。3、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換102智能傳感器實(shí)例一、ST-3000系列智能壓力傳感器該系列傳感器是美國Honeywell公司20世紀(jì)80年代研制的產(chǎn)品，是最早的商品化智能傳感器，可以同時(shí)測量靜壓、差壓和溫度三個(gè)參數(shù)。精度達(dá)0.1級，6個(gè)月總漂移不超過全量程的0.03%，量程比可達(dá)400：1，阻尼時(shí)間常數(shù)在0～32s間可調(diào)。目前該產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用。智能傳感器實(shí)例一、ST-3000系列智能壓力傳感器103傳感器的結(jié)構(gòu)框圖如下：差壓靜壓溫度多路開關(guān)A/DCPUD/AI/OROMRAMPROMEEPROM4-20mA或數(shù)字信號傳感器的結(jié)構(gòu)框圖如下：差壓靜壓溫度多A/DCPUD/AI/O104傳感部分由差壓、靜壓和溫度三個(gè)傳感器組成，該部分的輸出是三個(gè)參數(shù)的函數(shù)，設(shè)三個(gè)傳感器的輸出為由此可解得傳感部分由差壓、靜壓和溫度三個(gè)傳感器組成，該部分的輸出是三個(gè)105以上由三個(gè)傳感器信號計(jì)算待測壓力的過程是在微處理器中通過軟件程序進(jìn)行的。在傳感器的制造過程中，待測壓力特征數(shù)據(jù)、環(huán)境溫度特征數(shù)據(jù)就、和靜壓數(shù)據(jù)需要事先存儲在PROM中。這些特征數(shù)據(jù)由生產(chǎn)線的計(jì)算機(jī)采集并送入存儲器存儲。實(shí)際工作時(shí)，傳感器芯片上的三個(gè)傳感器的信號經(jīng)多路切換開關(guān)、調(diào)理電路以及A/D轉(zhuǎn)換器，分別進(jìn)入CPU。CPU利用以上由三個(gè)傳感器信號計(jì)算待測壓力的過程是在微處理器中通過軟件106PROM中的特征數(shù)據(jù)，對三種信號進(jìn)行程序運(yùn)算處理，最終產(chǎn)生一個(gè)高精度的特性優(yōu)異的待測壓力信號輸出。現(xiàn)場通信器具有以下功能：對傳感器進(jìn)行遠(yuǎn)程組態(tài)，設(shè)定標(biāo)號、測量范圍、輸出形式和阻尼時(shí)間常數(shù)，不到現(xiàn)場就可調(diào)節(jié)變送器的參數(shù)；傳感器的零點(diǎn)和量程校準(zhǔn)可以在現(xiàn)場進(jìn)行，不必拆卸傳感器，也不需要專門設(shè)備。PROM中的特征數(shù)據(jù)，對三種信號進(jìn)行程序運(yùn)算處理，最終產(chǎn)生一107對傳感器進(jìn)行診斷，進(jìn)行組態(tài)檢查、通信功能檢查、變送功能檢查、參數(shù)異常檢查，診斷結(jié)果傳送到現(xiàn)場通信器中顯示；設(shè)定傳感器為恒流輸出，把傳感器當(dāng)作恒流源使用以便檢查系統(tǒng)中的其它傳感器或設(shè)備。對傳感器進(jìn)行診斷，進(jìn)行組態(tài)檢查、通信功能檢查、變送功能檢查、108二、EJA差壓變送器系日本橫河電機(jī)株式會社與1994年研制成功的高性能智能式差壓傳感器。它利用單晶硅諧振式傳感器原理，采用微電子機(jī)械加工技術(shù)（MEMS)，精度達(dá)0.075%，具有高穩(wěn)定性和高可靠性。其由膜盒組件和智能轉(zhuǎn)換部件組成。膜盒組件包括膜盒、單晶硅諧振式傳感器和特性修正存儲器。二、EJA差壓變送器109原理圖如下：單晶硅諧振式傳感器特性修正傳感器CPUA/DD/A內(nèi)置存儲器4-20mADC及數(shù)字信號膜盒組件數(shù)據(jù)處理部件Δp原理圖如下：單晶硅特性CPUA/DD/A內(nèi)置存儲器4-20m110單晶硅諧振式傳感器的兩個(gè)H型諧振梁將差壓、壓力信號分別轉(zhuǎn)換成頻率信號，送到脈沖計(jì)數(shù)器中，再將兩頻率之差直接送到CPU中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成與輸入信號相對應(yīng)的4-20mA電流信號。膜盒組件中的特性修正存儲器存儲傳感器的環(huán)境溫度、靜壓及輸入輸出特性的修正數(shù)據(jù)，CPU利用它們進(jìn)行溫度補(bǔ)償，校正靜壓及輸入輸出特性。單晶硅諧振式傳感器的兩個(gè)H型諧振梁將差壓、壓力信號分別轉(zhuǎn)換成111三、8800A型卡曼旋渦流量變送器這是美國Rosemount公司的智能傳感器。它利用“卡曼渦流”現(xiàn)象測定流量，即當(dāng)管道中裝設(shè)柱狀阻擋物時(shí)，流體流過時(shí)形成兩列旋渦，旋渦出現(xiàn)的頻率與流量成正比。該變送器利用應(yīng)力檢測法測量旋渦頻率，在柱狀物的后部插入嵌有壓電元件的桿，當(dāng)旋渦沖擊桿端時(shí)形成彎矩，壓電元件出現(xiàn)電荷，電荷經(jīng)放大器放大后，經(jīng)濾波、A/D轉(zhuǎn)換后送入數(shù)字式跟蹤濾波器。三、8800A型卡曼旋渦流量變送器112它能跟蹤旋渦的頻率對噪聲進(jìn)行抑制，使濾波后的數(shù)字信號正確反映流量值。CPU接收跟蹤濾波的數(shù)字信號進(jìn)行處理后送D/A轉(zhuǎn)換器輸出4-20mA的電流。8800A型卡曼旋渦流量變送器具有自診斷、溫度校正等功能，通過現(xiàn)場通信器進(jìn)行組態(tài)。它能跟蹤旋渦的頻率對噪聲進(jìn)行抑制，使濾波后的數(shù)字信號正確反映1134、超聲智能測距傳感器美國Merritt系統(tǒng)公司（MSI）開發(fā)了兩種超聲智能測距傳感器，一種測量范圍為150-3000mm，采樣頻率為40Hz，精度為、2.5mm；另一種是高精度型，測量范圍為25-600mm，采樣頻率為200Hz，精度為0.25mm。傳感器內(nèi)有以CPU為中心的數(shù)據(jù)處理電路，通過測量超聲波從傳感器到目標(biāo)再返回所需要的時(shí)間，計(jì)算傳感器到達(dá)目標(biāo)的距離。4、超聲智能測距傳感器1145、多路光譜分析智能傳感器它可以從人造衛(wèi)星攝取地球表面的圖像，通過反射型繞射光柵，由CCD固態(tài)攝像傳感器轉(zhuǎn)換成電信號，即可進(jìn)行多路光譜分析，測量數(shù)據(jù)由CPU解析和統(tǒng)計(jì)處理，可得到氣象方面的各種信息。5、多路光譜分析智能傳感器1156、機(jī)器人視覺傳感器它利用CCD圖像傳感器，將工作信號經(jīng)微機(jī)處理，獲得重心坐標(biāo)、面積、最大尺寸等數(shù)據(jù)即確定工件位置，并由母線系統(tǒng)輸送到顯示器再經(jīng)數(shù)摸轉(zhuǎn)換器后輸入到控制系統(tǒng)控制機(jī)器人動作。6、機(jī)器人視覺傳感器116第九章（2）測試系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)與性能評價(jià)一、測試系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)原則與步驟

現(xiàn)代測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程就是對系統(tǒng)各單元模塊的參數(shù)反復(fù)進(jìn)行預(yù)估選擇、性能評價(jià)的過程，以使按最終確定的參數(shù)建立起的系統(tǒng)達(dá)到預(yù)定的技術(shù)目標(biāo)。第九章（2）1171、單元模塊的選擇與優(yōu)化現(xiàn)代測試系統(tǒng)的基本組成形式如圖所示

S1為傳感器，S2為調(diào)理電路，S3為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；W1與W2分別代表傳感器和放大器的頻率特性1、單元模塊的選擇與優(yōu)化1182、參數(shù)的確定與預(yù)估根據(jù)測試系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求，確定測試系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的基本參數(shù)、動態(tài)特性，預(yù)估系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的誤差極限。（1）基本參數(shù)的確定基本參數(shù)的確定主要根據(jù)分辨力與量程的要求，確定各硬件模塊或環(huán)節(jié)的靈敏度。對于一般測試系統(tǒng)的基本形式，靈敏度的表達(dá)式為2、參數(shù)的確定與預(yù)估119基本參數(shù)的確定方法：通常按系統(tǒng)分辨力與量程的要求及工作環(huán)境條件，先確定傳感器類型及其靈敏度S．然后再進(jìn)行放大器增益S與A/D轉(zhuǎn)換器分度值S的權(quán)衡。一般方法是先根據(jù)測試范圍和分辨力確定A/D轉(zhuǎn)換器或數(shù)據(jù)采集卡的位數(shù)。再根A/D轉(zhuǎn)換器或數(shù)據(jù)采集卡的位數(shù)、輸入電壓范圍和傳感器的靈敏度S，確定放大器的增益S。當(dāng)測試范圍較大時(shí)可考慮多量程。這樣可以降低A/D轉(zhuǎn)換器或數(shù)據(jù)采集卡的要求。

基本參數(shù)的確定方法：120（2）誤差極限的預(yù)估

誤差極限的預(yù)估就是按系統(tǒng)總誤差的限定值對組成系統(tǒng)單元模塊進(jìn)行誤差分配?；舅悸肥钦`差預(yù)分配、綜合調(diào)整、再分配再綜合，直至選定單元模塊的靜態(tài)性能滿足系統(tǒng)靜態(tài)性能的要求。（2）誤差極限的預(yù)估121二、測試系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)舉例題目：電阻傳感器稱重測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求：測量范圍：0~10t；分辨力：0.01t；測量不確定度：1.5%；工作溫度：0~50℃。1、系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖所示。

二、測試系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)舉例1222、稱重傳感器的選擇

橋式稱重傳感器是利用電阻應(yīng)變原理構(gòu)成的一種高精度力電轉(zhuǎn)換元件，彈性體采用橋式結(jié)構(gòu)。它由4片電阻應(yīng)變計(jì)構(gòu)成惠斯登電橋，如圖所示。當(dāng)傳感器受到外力作用時(shí)，彈性體產(chǎn)生形變，電阻應(yīng)變計(jì)阻值發(fā)生變化．使橋路失去平衡，在外界供橋電源作用下，電橋輸出一下平衡直流電壓信號，該信號的大小與傳感器所受外力大小成正比，據(jù)此可測定外載荷的大小。2、稱重傳感器的選擇123CZLYB-11型橋式稱重傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)如表所示

CZLYB-11型橋式稱重傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)如表所示1243、A／D轉(zhuǎn)換器位數(shù)n的確定

從設(shè)計(jì)要求中獲知，該系統(tǒng)的測量范圍0~10t、分辨力0.01t，所以系統(tǒng)的最大量化值Dm為：Dm=滿量程值/分辨率＝10/0.01＝1000故至少選擇10位A/D，本系統(tǒng)選TCL1549。TCL1549是TI公司生產(chǎn)的10位逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有自動采樣保持、串行接口功能，滿度輸入電壓隨基準(zhǔn)電壓VH而變化。這里VH

=5v。3、A／D轉(zhuǎn)換器位數(shù)n的確定1254、放大器的選擇或設(shè)計(jì)

稱重傳感器輸出信號的特點(diǎn)是“浮地”，所以放大器必須采用雙端輸入差動放大器。放大器的增益可根據(jù)稱重傳感器輸出靈敏度、A/D轉(zhuǎn)換器的最大輸入電壓確定。

由表可知，稱重傳感器輸出靈敏度為2mv／v，意指在額定載荷、橋路電壓為1V時(shí)，橋路輸出為2mv。本系統(tǒng)選額定載荷10t，橋路電壓取12v，傳感器輸出靈敏度S1為：4、放大器的選擇或設(shè)計(jì)126A／D轉(zhuǎn)換器的滿度輸入電壓為5V，則量化值Q為當(dāng)載荷為W=0.01t時(shí)，橋路輸出電壓為現(xiàn)選擇AD627測量放大器作為本系統(tǒng)的放大器環(huán)節(jié)。

A／D轉(zhuǎn)換器的滿度輸入電壓為5V，則量化值Q為當(dāng)載荷為W=0127AD627是美國ADI公司生產(chǎn)的精密儀器放大器之一。參考電路如圖所示。其增益G=5＋200/RG，改變RG可調(diào)整增益。當(dāng)選擇RG

=910+（0~200）Ω，增益的變比范圍為185~225，可滿足設(shè)計(jì)要求。此外，考慮到A/D轉(zhuǎn)換器的最大輸入電壓VH

=5v，當(dāng)最大載荷W=10t時(shí)，橋路的輸出電壓為：

于是，AD627的最大增益