工程測試與信號處理課件集成化智能傳感器

集成化智能傳感器集成化智能傳感器

一、概述智能傳感器系統(tǒng)是一門現(xiàn)代綜合技術(shù)，是當(dāng)今世界正在迅速發(fā)展的高新技術(shù)，至今還沒有形成規(guī)范的定義。早期，人們簡單、機械地強調(diào)在工藝上將傳感器和微處理器兩者緊密結(jié)合，認(rèn)為“傳感器的敏感元件及其信號調(diào)理電路與微處理器集成在一塊芯片上就是智能傳感器”，顯然，這種定義過于狹義。智能傳感器的中、英文稱謂很多，目前尚未統(tǒng)一。一般認(rèn)為“intelligentSensor”是英國人對智能傳感器的稱謂，而“SmartSensor”是美國人對智能傳感器的俗稱。JohanH.Huijsing在“IntegratedSmartSensor”一文中按集成化程度的不同，分別稱為“SmartSensor”，“IntegratedSmartSensor”。“SmartSensor”的中文譯名有的譯為“靈巧傳感器”，也有譯為“智能傳感器”。目前國內(nèi)大多數(shù)采用集成智能傳感器（IntegratedSmartSensor）的稱謂，簡稱智能傳感器（intelligentSensor），并且認(rèn)為：“傳感器與微處理器賦予智能的結(jié)合，兼有信息檢測和信息處理的傳感器是智能傳感器（系統(tǒng)）”；將傳感器與微處理器集成在一塊芯片上只是構(gòu)成智能傳感器（系統(tǒng)）的一種方式。集成化智能傳感器二、集成化智能傳感器的功能與特點

1.集成化智能傳感器的功能集成化智能傳感器的功能是通過比較人的感官和大腦的協(xié)調(diào)動作，總結(jié)長期以來傳感器測量的實際經(jīng)驗而提出的。概括而言，主要功能如下：（1）自補償和計算智能傳感器的自補償和計算功能為傳感器的溫度漂移和非線性補償開辟了新的道路。即使傳感器的加工不太精密，只要能保證其重復(fù)性好，通過傳感器的計算功能也能獲得較精確的測量結(jié)果。集成化智能傳感器（2）自檢、自診斷和自校正普通傳感器需要定期檢驗和標(biāo)定，以保證其精確度。檢驗和標(biāo)定時一般要求將傳感器從使用現(xiàn)場拆卸下來拿到實驗室進(jìn)行，很不方便。而集成化智能傳感器的檢驗校正可以在線進(jìn)行。一般所要調(diào)整的參數(shù)主要是零位和增益。將校正功能軟件存儲在智能傳感器的存儲器中，操作者只要輸入零位和一些已知參數(shù)，智能傳感器的微處理器就能自動將隨時間變化了的零位和增益校正過來。（3）復(fù)合敏感功能集成化智能傳感器能夠同時測量多種物理量和化學(xué)量，具有復(fù)合敏感功能，能夠給出全面反映物質(zhì)和變化規(guī)律的信息。如壓力、真空度，溫度梯度、熱量和熵，濃度、pH值等分別反映物質(zhì)的力、熱、化學(xué)特性。集成化智能傳感器（4）接口功能由于傳感器中使用了微處理器，其接口容易實現(xiàn)數(shù)字化與標(biāo)準(zhǔn)化，可方便地與一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或上一級計算機進(jìn)行接口，這樣就可以由遠(yuǎn)程中心計算機控制整個系統(tǒng)工作。（5）顯示報警功能集成化智能傳感器通過接口與數(shù)碼管或其他顯示器結(jié)合起來，可選點顯示或定時循環(huán)顯示各種測量值及相關(guān)參數(shù)。測量結(jié)果也可以由打印機輸出。此外，通過與預(yù)設(shè)上下限值的比較還可實現(xiàn)超限值的聲光報警功能。集成化智能傳感器（6）數(shù)字通訊功能集成化智能傳感器可利用接口或智能現(xiàn)場通訊器（SFC）來交換信息。SFC可掛在傳感器兩信號輸出線的任何位置，通過鍵盤的簡單操作進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)定或變更傳感器的參數(shù)，如測量范圍、線性輸出或平方根輸出等。這樣，無需把傳感器從危險區(qū)取下來，極大地節(jié)省了維護(hù)時間和費用。綜上所述，集成化智能傳感器功能模塊可分為兩部分：基本傳感器部分和信號處理單元部分。基本傳感器的功能主要是用傳感器測量被測參數(shù)，并將傳感器的識別特性和計量特性存在可編程的只讀存儲器（PROM）中，以便校準(zhǔn)計算。信號處理單元部分主要是由微處理器計算和處理被測量，并濾除傳感器感知的非被測量。這兩個部分通常是集成在一起，形成一個整體，封裝在一個殼體內(nèi)。兩個部分也可以遠(yuǎn)距離實現(xiàn)，特別是在測量現(xiàn)場環(huán)境較差的情況下，這有利于電子元件和微處理器的保護(hù)，也便于遠(yuǎn)程控制和操作。集成化智能傳感器2.集成化智能傳感器的特點集成化智能傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比具有以下特點：（1）精度高集成化智能傳感器有多項功能來保證它的高精度，如自動校零以去除零點誤差；與標(biāo)準(zhǔn)參考基準(zhǔn)實時對比以自動進(jìn)行整體系統(tǒng)校定；自動進(jìn)行整體系統(tǒng)的非線性等系統(tǒng)誤差的校正；通過對采集的大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理以消除偶然誤差的影響。這些措施保證了智能傳感器有很高的測量精度。集成化智能傳感器（2）可靠性與穩(wěn)定性高集成化智能傳感器可以自動補償因工作條件與環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化后引起的系統(tǒng)特性的漂移，如溫度補償；自動轉(zhuǎn)換量程以適應(yīng)被測參數(shù)的變化；自我檢驗、分析、判斷所采集數(shù)據(jù)的合理性，并給出異常情況的應(yīng)急處理（報警或故障提示）等。因此集成化智能傳感器具有高可靠性與高穩(wěn)定性。（3）信噪比與分辨力高由于集成化智能傳感器具有數(shù)據(jù)存儲、記憶與信息處理功能，通過軟件進(jìn)行數(shù)字濾波、相關(guān)分析等處理，可以去除輸入數(shù)據(jù)中的噪聲，取出有用信號；通過數(shù)據(jù)融合、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，可以消除多參數(shù)狀態(tài)下交叉靈敏度的影響，從而保證在多參數(shù)狀態(tài)下對特定參數(shù)測量的分辨力。因此集成化智能傳感器具有高信噪比和高分辨力。集成化智能傳感器（4）自適應(yīng)性強由于集成化智能傳感器具有判斷、分析與處理功能，它能根據(jù)系統(tǒng)工作情況決策各部分供電情況、與上位計算機的數(shù)據(jù)傳輸速率，使系統(tǒng)工作在最低功耗狀態(tài)和優(yōu)化傳送效率。（5）性能價格比高集成化智能傳感器所具有的上述高性能，不是像傳統(tǒng)傳感器技術(shù)追求傳感器本身的完善、對傳感器的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行精心設(shè)計與調(diào)試、進(jìn)行“手工藝品”式的精雕細(xì)琢來獲得，而是通過與微處理器/微計算機相結(jié)合，采用廉價的集成電路工藝和芯片以及強大的軟件來實現(xiàn)的，所以其性能價格比高。集成化智能傳感器三、智能傳感器的實現(xiàn)目前，智能傳感器主要有如下三條實現(xiàn)途徑：

1.非集成化實現(xiàn)非集成化智能傳感器是將傳統(tǒng)的經(jīng)典傳感器（采用非集成化工藝制作的傳感器，僅具有獲取信息的功能）、信號調(diào)理電路、帶數(shù)字總線接口的微處理器組合為一整體而構(gòu)成的一個智能傳感器系統(tǒng)。其組成框圖如圖所示。集成化智能能傳感器2.集成成化實現(xiàn)這種智能傳傳感器系統(tǒng)統(tǒng)是用微機機械加工技技術(shù)和大規(guī)規(guī)模集成電電路工藝技技術(shù)，利用用硅作為基基本材料來來制作敏感感元件、信信號調(diào)理電電路、微處處理單元，，并把它們們集成在一一塊芯片上上而構(gòu)成的的。故又可可稱為集成成智能傳感感器（integratedsmart/intelligentsensor）。。其外形如如圖所示。。集成化智智能傳感感器這類集成成化智能能傳感器器以硅材材料為基基礎(chǔ)，采采用微米米（1μμm~1mm））級的微微機械加加工技術(shù)術(shù)和大規(guī)規(guī)模集成成電路工工藝來實實現(xiàn)各種種集成智智能傳感感器系統(tǒng)統(tǒng)的微米米級尺寸寸化，其其特點：：（1）微微型化。。微型壓壓力傳感感器已經(jīng)經(jīng)可以小小到放到到注射針針頭內(nèi)送送進(jìn)血管管測量血血液流動動情況，，裝在飛飛機或發(fā)發(fā)動機葉葉片表面面用以測測量氣體體的流速速和壓力力。目前前最新研研究成功功的微型型加速度度計可以以使火箭箭或飛船船的制導(dǎo)導(dǎo)系統(tǒng)質(zhì)質(zhì)量從幾幾公斤下下降至幾幾克。無線藥丸丸式內(nèi)窺窺鏡1圖像像采集、、處理與與控制部部分膠丸式內(nèi)內(nèi)窺鏡這這部分包包括帶數(shù)數(shù)字圖像像輸出的的CMOS圖圖像傳感感器、圖圖像壓縮縮模塊、、MEMS微微電機、、發(fā)白光光與具有有兩種不不同紅外外波長的的LED光源(采集集三維深深度圖像像數(shù)據(jù))等。2無線線傳輸部部分膠丸式內(nèi)內(nèi)窺鏡無無線傳輸輸部分包包括信道道編碼、、無線收收發(fā)器、、射頻功功放和天天線等3能量量供給部部分對于無線線藥丸式式內(nèi)窺鏡鏡系統(tǒng)，，能量供供給包括括電池和和能源管管理電路路,它它是整個個體內(nèi)部部分硬件件電路最最關(guān)鍵的的部分之之一，為為保證實實現(xiàn)全消消化道檢檢查，必必須采用用低功耗耗設(shè)計以以延長電電池壽命命。4.無線線接收與與數(shù)據(jù)傳傳輸部分分體外的便便攜式無無線接收收和數(shù)據(jù)據(jù)傳輸裝裝置的功功能主要要是把天天線接收收陣列接接收的內(nèi)內(nèi)窺圖像像數(shù)據(jù)分分成兩路路，一路路送給膠膠囊定位位模塊獲獲得膠囊囊的定位位信息，，另一路路送入相相連接的的無線接接收器，，然后把把定位信信息和圖圖像一起起存入便便攜式存存儲體上上或轉(zhuǎn)發(fā)發(fā)給計算算機控制制與處理理裝置。。Z軸加速速度傳感感器：汽車運動動時使Z軸傳感感器懸浮浮扭矩梁梁因向心心力的作作用而發(fā)發(fā)生旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)引起了了可旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)梁與硅硅底間的的電容量量變化，，即△旋旋轉(zhuǎn)速度度=△電電容量。。其MEMS照片片如左圖圖。X軸加速速度傳感感器在汽汽車運動動時使傳傳感器中中間懸浮浮可動板板因加速速度的作作用而發(fā)發(fā)生左右右位移，，左右位位移引起起中間可可動板與與左右固固定板間間的電容容量變化化，即△△加速度度=△電電容量。。其MEMS照照片如左左圖。x軸加速速度傳感感器：集成化智智能傳感感器（2）結(jié)結(jié)構(gòu)一體體化。壓壓阻式壓壓力（差差）傳感感器是最最早實現(xiàn)現(xiàn)一體化化結(jié)構(gòu)的的。傳統(tǒng)統(tǒng)的應(yīng)變變式壓力力（差））傳感器器的做法法是先分分別由宏宏觀機械械加工金金屬圓膜膜片與圓圓柱狀環(huán)環(huán)，然后后將兩者者粘貼形形成周邊邊固支結(jié)結(jié)構(gòu)的““金屬環(huán)環(huán)”，再再在圓膜膜片上粘粘貼電阻阻應(yīng)變片片而構(gòu)成成壓力（（差）傳傳感器，，這就不不可避免免的存在在蠕變、、遲滯、、非線性性等誤差差。采用用微機械械加工和和集成化化工藝，，不僅彈彈性敏感感元件““硅杯””一次整整體成型型，而且且電阻應(yīng)應(yīng)變片（（轉(zhuǎn)換元元件）和和硅杯是是完全一一體化的的。進(jìn)而而可在硅硅杯非受受力區(qū)制制作調(diào)理理電路、、微處理理器單元元，甚至至微執(zhí)行行器，從從而實現(xiàn)現(xiàn)不同程程度乃至至整個系系統(tǒng)的一一體化。。集成化智智能傳感感器（3）高高精度。。傳感器器結(jié)構(gòu)一一體化后后，遲滯滯、重復(fù)復(fù)性指標(biāo)標(biāo)將大大大改善，，時間漂漂移大大大減小，，精度提提高。后后續(xù)信號號調(diào)理電電路與敏敏感元件件一體化化后還可可大大減減小由引引線長度度帶來的的寄生參參量的影影響，這這對電容容式傳感感器更有有特別重重要的意意義。（4）多多功能。。由于敏敏感元件件結(jié)構(gòu)的的微型化化（微米米級），，這有利利于在同同一片硅硅片上制制作不同同功能的的多個傳傳感器，，實現(xiàn)多多功能測測量。如如20世世紀(jì)80年代初初期Honeywell公公司生產(chǎn)產(chǎn)的ＳＴＴ-３００００型型智能壓壓力（差差）和溫溫度變送送器，就就是在一一塊硅片片上制作作了感受受壓力、、壓差及及溫度三三個參量量的、具具有三種種功能（（測壓力力、壓差差、溫差差）的敏敏感元件件結(jié)構(gòu)的的傳感器器。這樣樣，不僅僅增加了了傳感器器的功能能，而且且可以通通過采用用數(shù)據(jù)融融合技術(shù)術(shù)消除交交叉靈敏敏度影響響，提高高傳感器器的穩(wěn)定定性和精精度。集成化智能傳傳感器（5）陣列化化。傳感器的的微加工技術(shù)術(shù)（微米級））已可以在1cm2大小的硅片上上制作含有幾幾千個壓力傳傳感器陣列，，如集成化應(yīng)應(yīng)變計式面陣陣列觸覺傳感感器，在8mm×8mm的硅片上制作作了1024個（32×32）敏感觸點（橋橋），基片四四周還制作了了信號處理電電路，其元件件總數(shù)約16000個。。敏感元件陣陣列化后，配配合相應(yīng)圖像像處理軟件，，可以實現(xiàn)圖圖像成像且構(gòu)構(gòu)成多維圖像像傳感器。這這時的智能傳傳感器就達(dá)到到了它的最高高級形式。敏感元件組成成陣列后，通通過計算機/微處理器解解耦運算、模模式識別、神神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)術(shù)的應(yīng)用，有有利于消除傳傳感器的時變變誤差和交叉叉靈敏度的不不利影響，可可提高傳感器器的可靠性、、穩(wěn)定性與分分辨能力。(6)全數(shù)字字化。微機械械加工技術(shù)可可以制作各種種形式的微結(jié)結(jié)構(gòu)，其固有有諧振頻率可可以設(shè)計成某某種物理參量量（如溫度或或壓力等）的的單值函數(shù)，，因此，可以以通過檢測其其諧振頻率來來檢測被測物物理量。這種種諧振式傳感感器，直接輸輸出數(shù)字量（（頻率）。其其性能極為穩(wěn)穩(wěn)定，精度高高，不需A/D轉(zhuǎn)換器便便能與微處理理器方便的接接口。省去A/D轉(zhuǎn)換器器后，對于節(jié)節(jié)省芯片面積積、簡化集成成化工藝均十十分有利。集成化智能傳傳感器3.混合實實現(xiàn)根據(jù)需要和可可能，將系統(tǒng)統(tǒng)各個集成化化環(huán)節(jié)，如敏敏感元件、信信號調(diào)理電路路、微處理單單元、數(shù)字總總線接口等，，以不同的組組合方式集成成在兩塊或三三塊芯片上，，并裝在一個個外殼里，圖圖示為幾種混混合集成方式式。四、幾種單片片智能傳感器器介紹1.SHT11/15型單片智能能傳感器SHT11和和SHT15是瑞士森士士瑞(Sensirion)公司于于2002年年推出的兩種種超小型、高高精度、自校校準(zhǔn)、多功能能式智能傳感感器，可以用用來測量相對對濕度、溫度度和露點等參參數(shù)。SHT11/15的外形尺寸寸僅為7.62

mm××5.08mm×2.5

mm，，質(zhì)量只有0.1g，其其體積與一個個大火柴頭相相近，如圖所所示。SHT11/15的測量量參數(shù)指標(biāo)如如下：(1)相對對濕度。測量范圍：0%～100%RH；測測量精度：±±2%RH；；分辨力：0.01%RH。(2)溫度度。測量范圍：-40～+123.8℃℃；測量精度度：±1℃；；分辨力：0.01℃。。(3)露點點。測量精度：＜＜±1℃；分分辨力：±0.01℃。。SHT11/15采用表表面安裝式LCC-8封封裝，引腳排排列如圖所示示。在0.8

mm厚的的基座上有一一個用液晶聚聚合物(LCP)制成的的帽，上面開開著傳感器窗窗口，以便與與空氣接觸。。另外有一塊塊環(huán)氧樹脂起起到粘接作用用。UDD、GND端分分別接電源和和公共地。DATA為串串行數(shù)據(jù)輸入入/輸出端(I/O)。。SCK為串串行時鐘輸入入端，當(dāng)UDD＞+4.5V時，最高高時鐘頻率為為10

MHz；當(dāng)UDD＜4.5V時，最高時時鐘頻率為1

MHz。。SHT11/15型濕度度/溫度傳感感器的內(nèi)部電電路框圖SHT15智智能傳感器的的應(yīng)用集成化智能傳傳感器微處理器對SHT11/15的控制制是通過5個個5位命令代代碼實現(xiàn)的：：測量溫度和相相對濕度的順順序如下：上上電后SHT15經(jīng)過10

ms時時間就進(jìn)入休休眠模式，在在此之前不應(yīng)應(yīng)傳輸任何命命令。在發(fā)出出測量命令(測溫命令為為00000011，測測濕度為00000101)后，芯芯片即被“喚喚醒”，89C51就啟啟動SCK直直至完成測量量；然后將數(shù)數(shù)據(jù)線拉成低低電平，89C51又重重新啟動SCK，接著傳傳輸溫/濕度度兩個測量數(shù)數(shù)據(jù)字節(jié)和一一個循環(huán)冗余余檢驗碼數(shù)據(jù)據(jù)的字節(jié)。傳傳輸數(shù)據(jù)的順順序是從最高高位(MSB)到最低位位(LSB)。集成化智能傳傳感器2.MPX5100系系列集成硅壓壓力傳感器MPX5100系列壓阻阻式傳感器是是一種高集成成度、大信號號輸出的硅壓壓力傳感器，，它不僅能構(gòu)構(gòu)成各種性能能優(yōu)良的壓力力計，而且還還能優(yōu)化單片片機輸入通道道的設(shè)計。由由于采用了先先進(jìn)激光微調(diào)調(diào)技術(shù)，薄膜膜金屬化、雙雙極型半導(dǎo)體體和各種補償償功能（如溫溫度補償、失失調(diào)和增益校校準(zhǔn)、信號調(diào)調(diào)理等），所所以它具有精精度高、輸出出電壓大、線線性好、功能能多、易與A/D轉(zhuǎn)換器器和單片機接接口等特點。。MPX5100系列有很很多型號，常常用的有MPX5100D和MPX5100A兩種，它們們的壓力測量量范圍分別是是0～100kPa和15～115kPa，過過壓力能力均均為700kPa，滿量量程輸出信號號為4V，偏偏差為0.5V，溫度系系數(shù)為1%/℃。集成化智能傳傳感器MPX5100壓力傳感感器剖面圖如如圖所示，圖圖中的敏感元元件是硅半導(dǎo)導(dǎo)體應(yīng)變片。。（a）壓差式式(b)絕壓式式主要性能指標(biāo)標(biāo)壓力測試范圍圍：0～100kPa（（MPX5100D）；；15～115kPa（（MPX5100A）；；輸出電壓大：：0.2～4.8V；溫度補償范圍圍寬：-40～+125℃；靈敏度：4.5mv/kPa；穩(wěn)定性：±0.5%FS。集成化智能傳傳感器MPX5100的6個引引腳中實際應(yīng)應(yīng)用的只有3個，其中VOUT（引引腳1）為輸輸出，而VS（引腳3））為電源電壓壓正輸入端。。另外GND（引腳2））為地線。MPX5100和單片機