傳感器及其接口技術(shù)

UI<UF不保留1,置零UF=UREF(2-1a1+2-1a2

…..+2-nan)0755-833764890755-83376489AD574A是美國模擬數(shù)字公司（Analog）推出的單片高速12位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置雙極性電路構(gòu)成的混合集成轉(zhuǎn)換芯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特點(diǎn)，并且具有自動(dòng)校零和自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換功能，只需外接少量的阻容件即可構(gòu)成一個(gè)完整的A/D轉(zhuǎn)換器，其主要功能特性如下：

分辨率：12位

非線性誤差：小于±1/2LBS或±1LBS

轉(zhuǎn)換速率：25us

模擬電壓輸入范圍：0—10V和0—20V，0—±5V和0—±10V兩檔四種

電源電壓：±15V和5V

數(shù)據(jù)輸出格式：12位/8位0755-8337648912位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器AD574與單片機(jī)8051的接口電2)雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)與工作原CL7109是一種高精度、低噪聲、低漂移、價(jià)格低廉的雙積分型12位A/D轉(zhuǎn)換器。在要求轉(zhuǎn)換速度不太高的場合，如用于稱重測力、測溫度等各種傳感器信號的高精度測量系統(tǒng)中時(shí)，可采用廉價(jià)的雙積分式12位A/D轉(zhuǎn)換器ICL7109。ICL7109主要有如下特性：(1)高精度(12位)(2)低噪聲(典型值為15μVP-P);(3)低漂移(＜1μV/℃)；(4)高輸入阻抗(典型值1012Ω);(5)低功耗(＜20mW);(6)轉(zhuǎn)換速度最快達(dá)30次/秒，當(dāng)采用3.58MHz晶振作振源時(shí)，速度為7.5次/秒CL7109與8031接口電路0755-833764893采樣/保持器

在對模擬信號進(jìn)行模數(shù)變換時(shí)，從啟動(dòng)變換到變換結(jié)束的數(shù)字量輸出，需要一定的時(shí)間，即A／D轉(zhuǎn)換器的孔徑時(shí)間。當(dāng)輸入信號頻率提高時(shí)，由于孔徑時(shí)間的存在，可能會(huì)造成較大的轉(zhuǎn)換誤差；要防止這種誤差的產(chǎn)生，必須在A／D轉(zhuǎn)換開始時(shí)將信號電平保持住，而在A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束后又能跟蹤輸入信號的變化，即對輸入信號處于采樣狀態(tài)。能完成這種功能的器件叫采樣/保持器，從上面分析也可知，采樣/保持器在保持階段相當(dāng)于一個(gè)“模擬信號存儲器”樣保持器的組成與工作原片集成采樣/保持電路LF198在LF198中，采用了雙極型與CMOS型混合工藝。當(dāng)CH=0.01uF時(shí)，輸出電壓的下降率達(dá)到10-3mv/s

以下.0755-833764894模擬多路開關(guān)

在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，經(jīng)常對許多傳感器信號進(jìn)行采集和控制。如果每一路都單獨(dú)采用各自的輸入回路，即每一路都采用放大、采樣/保持、A/D等環(huán)節(jié)，不僅成本比單路成倍的增加，還會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)體積龐大，且由于模擬器件，阻容元件參數(shù)和特性不一致，對系統(tǒng)的校準(zhǔn)帶來很多困難。因此除特殊情況下，多采用公共的采樣/保持及A/D轉(zhuǎn)換電路。要實(shí)現(xiàn)這種設(shè)計(jì)，往往需要采用模擬多路開關(guān)，將各路信號按照一定的順序切換到后續(xù)電路中D4051模擬多路開關(guān)的組成與工作原理0755-833764890755-833764895測量放大器在許多檢測技術(shù)應(yīng)用場合，傳感器輸出的信號往往較弱，而且其中還包括工頻、靜電和電磁耦合等共模干擾，對這種信號的放大就需要放大電路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪聲和高輸入阻抗。習(xí)慣上將具有這種特點(diǎn)的放大器稱為測量放大器或儀表放大器。下圖為三個(gè)運(yùn)放組成的測量放大器，差動(dòng)輸入端UI1和UI2分別是兩個(gè)運(yùn)算放大器(A1、A2)的同相輸入端，因此輸入阻抗很高，采用對稱電路結(jié)構(gòu)，而且被測信號直接加入到輸入端上，從而保證了較強(qiáng)的抑制共模信號的能力。A3實(shí)際上是一差動(dòng)跟隨器，其增益近似為1。測量放大器的放大倍數(shù)由下式確定了提高共模抑制比和降低溫飄的影響，測量放大器采用對稱結(jié)構(gòu)，即取R1=R2，R3=R4,R5=R6,則增益K可由下式計(jì)用的測量放大器(儀表放大器)AD620的典型應(yīng)用電路0755-833764896傳感器模擬量接口的幾種形式

(1)多通道一般型特點(diǎn)：適合于中低速采樣，在A/D轉(zhuǎn)換器為逐次逼近式的情況下，必須加采樣保持器。在采用間接比較式A/D轉(zhuǎn)換器的情況下可以不加采樣保持器。此方案可有效降低接口成本。結(jié)構(gòu)與工作過程2)多通道同時(shí)采樣共享A/D轉(zhuǎn)換器型特點(diǎn)：可以保證多路信號的相位關(guān)系，可以降低接口成本。結(jié)構(gòu)與工作過程3)多通道并行A/D轉(zhuǎn)換型特點(diǎn)：適合于高速、超高速信號轉(zhuǎn)換，能夠保證各路信號的相位，成本較高。結(jié)構(gòu)與工作過程：0755-833764894.3傳感器的非線性補(bǔ)償處理

在機(jī)電一體化測控系統(tǒng)中，特別是需對被測參量進(jìn)行測量、顯示時(shí)，總是希望傳感器及檢測電路的輸出和輸入特性呈線性關(guān)系．使測量對象在整個(gè)刻度范圍內(nèi)靈敏度一致，以便于讀數(shù)及對系統(tǒng)進(jìn)行分析處理。以往在使用模擬電路組成檢測回路時(shí)，為了進(jìn)行非線性補(bǔ)償，通常用硬件電路組成各種補(bǔ)償回路。非線性補(bǔ)償完全可以用計(jì)算機(jī)的軟件來完成，其補(bǔ)償過程較簡單，精確度也很高，又減少了硬件電路的復(fù)雜性用的非線性軟件處理方法主要有兩種：插值法和計(jì)算法4.3.1插值法

0755-833764894.3.2擬合計(jì)算法1、對所給的數(shù)據(jù)點(diǎn)，尋找一條曲線，使得在同一坐標(biāo)點(diǎn)xi處，曲線上的點(diǎn)與實(shí)測的數(shù)據(jù)之間的誤差平方和最小，以這種度量方法確定擬合曲線稱為最小二乘原理。0755-833764894.4傳感器輸出信號的數(shù)字濾波

在機(jī)電一體化測控系統(tǒng)的輸入信號中，一般都含有各種干擾信號，它們主要來自被測信號本身、傳感器或者外界的干擾。為了提高信號的可靠性，減小虛假信息的影響，可采用軟件方法實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波。

數(shù)字濾波就是通過一定算法程序的計(jì)算或判斷來剔除或減少干擾信號成分，提高信噪比。它與硬件濾波器相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)數(shù)字濾波是用軟件程序?qū)崿F(xiàn)的，不需要增加任何硬件設(shè)備，也不存在阻抗匹配問題，可以多個(gè)通道共用，不但節(jié)約投資，還可提高可靠性、穩(wěn)定性。

(2)可以對頻率很低的信號實(shí)現(xiàn)濾波，而模擬RC濾波器由于受電容容量的限制,頻率不可能太低。

(3)靈活性好，可以用不同的濾波程序?qū)崿F(xiàn)不同的濾波方法，或改變?yōu)V波器的參數(shù)。

正因?yàn)橛密浖?shí)現(xiàn)數(shù)字濾波具有上述特點(diǎn)，所以在機(jī)電一體化測控系統(tǒng)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用/p>

數(shù)字濾波的方法有很多種，可以根據(jù)不同的測量參數(shù)進(jìn)行選擇。下面介紹幾種常用的數(shù)字濾波方法及程序。4.4.1算術(shù)平均值法

式中:xi——第i次采樣值；

Y——數(shù)字濾波的輸出；

N——采樣次數(shù)。

N的選取應(yīng)按具體情況決定。若N大，則平滑度高，靈敏度低，但計(jì)算量較大。一般而言，對于流量信號，推薦取N＝12；壓力信號取N=4。0755-833764894.4.2中值濾波法

所謂“中值濾波法”，就是對某一個(gè)被測量連續(xù)采樣n次(一般取奇數(shù))，然后把n個(gè)采樣值從小到大(或從達(dá)到小)排序，再取中間值作為本次采樣的結(jié)果。

X1<X2<X3<X4<X5，取X3

中值濾波能有效地濾去由于偶然因素引起的波動(dòng)(脈沖)或采樣器的不穩(wěn)定造成的誤碼等引起的脈沖干擾。對緩慢變化的過程變過采用中值濾波有效果。中值濾波不宜用于快速變化的過程參數(shù)。

0755-833764894.4.3防脈沖干擾復(fù)合濾波法

將算術(shù)平均值法和中值濾波法結(jié)合起來，便可得到防脈沖干擾平均值法。它是先用中值濾波原理濾除由于脈外干擾引起誤差的采樣值，然后把剩下的采樣值進(jìn)行算術(shù)平均。

4.3智能傳感器4.3.1智能傳感器的概念

智能傳感器是由傳統(tǒng)的傳感器和微處理器(或微計(jì)算機(jī))相結(jié)合而構(gòu)成的,它充分利用計(jì)算機(jī)的計(jì)算和存儲能力,對傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并能對它的內(nèi)部行為進(jìn)行調(diào)節(jié),使采集的數(shù)據(jù)最佳。4.3.2智能傳感器的功能與特點(diǎn)智能傳感器的功能概括起來主要有以下7個(gè)；自補(bǔ)償能力:通過軟件對傳感器的非線性、溫度漂移、時(shí)間漂移、響應(yīng)時(shí)間等進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。(2)自校準(zhǔn)功能:操作者輸入零值或某一標(biāo)準(zhǔn)量值后,自校準(zhǔn)軟件可以自動(dòng)地對傳感器進(jìn)行在線校準(zhǔn)。(3)自診斷功能:接通電源后,可對傳感器進(jìn)行自檢,檢查傳感器各部分是否正常,

并可診斷發(fā)生故障的部件。(4)數(shù)值處理功能:可以根據(jù)智能傳感器內(nèi)部的程序,自動(dòng)處理數(shù)據(jù),如進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理,剔除異常值等5)雙向通信功能:微處理器和基本傳感器之間構(gòu)成閉環(huán),微處理機(jī)不但接收、處理傳感器的數(shù)據(jù),還可將信息反饋至傳感器,對測量過程進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。(6)信息存儲和記憶功能。(7)數(shù)字量輸出功能:輸出數(shù)字信號,可方便的和計(jì)算機(jī)或接口總線相連。

目前研制的智能傳感器通常只具有上述功能中的一部分。傳統(tǒng)的傳感器只能作為敏感元件,檢測物理量的變化,而智能傳感器則包括測量信號調(diào)理(如濾波、放大、Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換等)、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)顯示等。它幾乎包括了儀器儀表的全部功能?？梢娭悄軅鞲衅鞯墓δ芤蜒由斓絻x器的領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,智能傳感器的功能將逐步增強(qiáng),它將利用人工智能、信息處理技術(shù)(如傳感器信息融合技術(shù)、模糊理論等),使傳感器具有更高級的智能,具有分析、判斷、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)的功能,可以完成如圖象識別、特征檢測、多維檢測等復(fù)雜任務(wù)。0755-833764894.3.3智能傳感器的組成與結(jié)構(gòu)智能傳感器主要由傳感器、微處理器(或微計(jì)算機(jī))及相關(guān)電路組成,其結(jié)構(gòu)框圖如下圖所/p>