傳感器與測(cè)試技術(shù)-第八章

傳感器與測(cè)試技術(shù)第8章智能傳感器與傳感器網(wǎng)絡(luò)8.1智能傳感器8.2傳感器網(wǎng)絡(luò)8.1智能傳感器8.1.1智能傳感器的組成

智能傳感器由硬件和軟件兩大部分組成，硬件部分主要由傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、微處理器（或微計(jì)算機(jī)）等構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)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(guò)各種軟件對(duì)信息檢測(cè)過(guò)程進(jìn)行管理和調(diào)節(jié)，使之工作在最佳狀態(tài)，并可對(duì)傳感器傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種處理，從而增強(qiáng)傳感器的功能，提高傳感器的性價(jià)比。另外，利用軟件可實(shí)現(xiàn)硬件難以完成的任務(wù)，由此來(lái)降低傳感器的制造難度，提高性能，降低成本。智能傳感器模塊式混合式集成式

模塊式智能傳感器由許多互相獨(dú)立的模塊組成，如將傳感器、微處理器、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)處理電路、顯示電路等多個(gè)模塊組裝在同一殼體內(nèi)，集成度較低，體積較大，但在目前的技術(shù)水平下，仍是一種實(shí)用的結(jié)構(gòu)形式。

混合式智能傳感器是將傳感器、微處理器和信號(hào)調(diào)理電路等集成在不同芯片上再組裝在一起，是目前應(yīng)用較多的結(jié)構(gòu)形式。

集成式智能傳感器是將多個(gè)敏感元件、微處理器和信號(hào)調(diào)理電路等都集成在同一個(gè)芯片上，集成度高，體積小，但目前的技術(shù)水平還很難實(shí)現(xiàn)。初級(jí)階段內(nèi)部集成有溫度補(bǔ)償及校正電路、線性補(bǔ)償電路和信號(hào)調(diào)理電路。中級(jí)階段微處理器也組裝在傳感器內(nèi)，具有自診斷、自校正、數(shù)據(jù)通信接口等功能。高級(jí)階段具有多維檢測(cè)、圖像識(shí)別、分析記憶、模式識(shí)別、自學(xué)習(xí)甚至思維能力等功能。智能傳感器的發(fā)展大致分為三個(gè)階段：8.1.2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：（1）邏輯判斷、信息處理功能（2）自校準(zhǔn)、自診斷功能（3）自適應(yīng)、自調(diào)整功能（4）組態(tài)功能（5）記憶、存儲(chǔ)功能（6）數(shù)據(jù)通信功能8.1.3智能傳感器的硬件結(jié)構(gòu)

智能傳感器的硬件主要由基本傳感器、信號(hào)調(diào)理電路和微處理器等構(gòu)成。下圖所示為DTP型智能壓力傳感器的結(jié)構(gòu)框圖。1．基本傳感器（1）傳感器的主要技術(shù)要求①具有將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為后續(xù)電路可用信號(hào)的功能。②轉(zhuǎn)換范圍與被測(cè)量實(shí)際變化范圍一致③滿足被測(cè)介質(zhì)和使用環(huán)境的特殊要求④滿足用戶對(duì)可靠性和可維護(hù)性的要求。（2）可供選用的傳感器類型①大信號(hào)輸出傳感器②數(shù)字式傳感器③集成傳感器④光纖傳感器

模擬信號(hào)調(diào)理電路主要由放大器、濾波器、溫度補(bǔ)償及自動(dòng)校準(zhǔn)電路等部分組成。

模擬式傳感器對(duì)傳感器輸出的信號(hào)必須進(jìn)行放大、溫度補(bǔ)償和非線性校正等處理。智能傳感器的技術(shù)指標(biāo)如下：①非線性度②溫漂③建立時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間④電源引起的失調(diào)2．模擬信號(hào)調(diào)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。（1）儀用放大器

儀用放大器常采用三運(yùn)放對(duì)稱結(jié)構(gòu)，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(gè)電阻即可設(shè)定增益，如美國(guó)BB（BurrBrown）公司生產(chǎn)的INA114，其內(nèi)部電路如圖所示。

為了在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)使A/D轉(zhuǎn)換器獲取合適的分辨率，常采用程控增益放大器。常見(jiàn)的程控增益放大器有美國(guó)BB公司生產(chǎn)的PGA202/203，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和基本接法如圖所示。（2）程控增益放大器（3）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，其原理框圖如圖所示。上圖為變壓器耦合隔離放大器框圖，下圖為光電耦合隔離放大器框圖。3．微處理器的接口技術(shù)（1）A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器用于將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，常用的A/D轉(zhuǎn)換器有逐次逼近型ADC、雙積分型ADC、型ADC等。

逐次逼近型ADC包括一個(gè)比較器、一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器、一個(gè)逐次逼近寄存器（SAR）和一個(gè)邏輯控制單元。它是通過(guò)將采樣輸入信號(hào)與已知電壓不斷進(jìn)行比較來(lái)完成轉(zhuǎn)換的，1個(gè)時(shí)鐘周期完成1位轉(zhuǎn)換，n位轉(zhuǎn)換需要n個(gè)時(shí)鐘周期。

雙積分型ADC又稱為雙斜率或多斜率ADC，它由一個(gè)帶有輸入切換開(kāi)關(guān)的模擬積分器、一個(gè)比較器和一個(gè)計(jì)數(shù)單元構(gòu)成，通過(guò)兩次積分將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成與其平均值成正比的時(shí)間間隔。同時(shí)，在此時(shí)間間隔內(nèi)利用計(jì)數(shù)器對(duì)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。型ADC又稱為過(guò)采樣轉(zhuǎn)換器，其采樣頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于奈奎斯特（Nyquist）采樣頻率，是目前應(yīng)用較廣的新型A/D轉(zhuǎn)換器。它由簡(jiǎn)單的模擬電路（一個(gè)比較器、一個(gè)開(kāi)關(guān)、一個(gè)或幾個(gè)積分器及模擬求和電路）和復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理電路構(gòu)成。型ADC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(lái)進(jìn)行量化編碼，包括模擬調(diào)制器和數(shù)字抽取濾波器。A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)：①分辨率②轉(zhuǎn)換速度③精度（2）AD574A與微處理器的接口①AD574A簡(jiǎn)介AD574A為逐次逼近型ADC，是一種常用的12位A/D轉(zhuǎn)換芯片，也可實(shí)現(xiàn)8位轉(zhuǎn)換。下圖所示為AD574A芯片結(jié)構(gòu)及引腳說(shuō)明。AD574A單極性輸入和雙極性輸入的連接線路如圖所示。單極性輸入雙極性輸入②AD574A與89C51的接口AD574A與單片機(jī)89C51的接口電路如圖所示。（3）CS5360與微處理器的接口①CS5360簡(jiǎn)介下圖所示為CS5360的功能框圖。②CS5360的接口電路下圖所示是基于FPGA的數(shù)字接口電路框圖，CS5360工作于主動(dòng)模式。8.1.4智能傳感器的應(yīng)用1．集成智能傳感器

傳感器的集成化是指將多個(gè)功能相同或不同的敏感器件制作在同一個(gè)芯片上構(gòu)成傳感器陣列，這主要有三個(gè)方面的含義：一是將多個(gè)功能完全相同的敏感單元集成制造在同一個(gè)芯片上；二是對(duì)多個(gè)結(jié)構(gòu)相同、功能相近的敏感單元進(jìn)行集成；三是對(duì)不同類型的傳感器進(jìn)行集成。2．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(nèi)部包含溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、信號(hào)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(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）和只讀存儲(chǔ)器（ROM）等。MAX6654是美國(guó)MAXIM公司生產(chǎn)的雙通道智能溫度傳感器，下圖所示為MAX6654與溫度傳感器及主機(jī)的接口電路。3．智能濕度傳感器

濕度傳感器也已從簡(jiǎn)單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數(shù)檢測(cè)的方向發(fā)展，為研制濕度測(cè)控系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件。SHT15是瑞士森斯瑞（Sensirion）公司推出的超小型、高精度、自校準(zhǔn)、多功能智能傳感器，可用來(lái)測(cè)量相對(duì)濕度、溫度和露點(diǎn)等參數(shù)。SHT15與89C51（主機(jī)）的接口電路如圖所示。4．智能壓力傳感器

智能壓力傳感器的硬件結(jié)構(gòu)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(gòu)成。MSC1211是美國(guó)德州儀器公司（TI）新推出的一款功能強(qiáng)大的帶24位型A/D轉(zhuǎn)換器和16位D/A轉(zhuǎn)換器的微處理器，其內(nèi)部包括程控增益放大器、多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、數(shù)字濾波和信號(hào)校準(zhǔn)電路等。圖為MSC1211與傳感器模塊及主機(jī)的接口電路。5．智能差壓傳感器ST3000系列智能差壓傳感器是美國(guó)霍尼韋爾（Honeywell）公司在世界上率先推出實(shí)現(xiàn)商品化的智能傳感器，由差壓、靜壓、溫度參數(shù)檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理兩部分組成，如圖所示。6．智能超聲波傳感器

美國(guó)Merritt系統(tǒng)公司（MSI）開(kāi)發(fā)了兩種智能超聲波測(cè)距傳感器，測(cè)距范圍分別為150~3000mm和25~600mm，精度分別為2.5mm和0.25mm，采樣頻率分別為40Hz和200Hz。超聲波探頭的工作頻率為40kHz，傳感器內(nèi)部包括超聲波發(fā)射與接收電路、模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)處理電路等。這種傳感器廣泛應(yīng)用于過(guò)程監(jiān)控和移動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)尋軌、避障的測(cè)距系統(tǒng)中。8.2傳感器網(wǎng)絡(luò)8.2.1傳感器網(wǎng)絡(luò)概述

單獨(dú)的傳感器數(shù)據(jù)采集已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代控制技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)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(wǎng)絡(luò)，如圖所示。8.2.2傳感器網(wǎng)絡(luò)的作用

傳感器網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)施遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分類存儲(chǔ)和應(yīng)用。

傳感器網(wǎng)絡(luò)上的多個(gè)用戶可同時(shí)對(duì)同一過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控。

不同任務(wù)的傳感器、儀器儀表（執(zhí)行器）與計(jì)算機(jī)組成網(wǎng)絡(luò)后，可憑借智能化軟硬件（例如模式識(shí)別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自組織和聯(lián)想記憶功能），靈活調(diào)用網(wǎng)上各種計(jì)算機(jī)、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(shí)空條件和儀器儀表、傳感器的類別特征，測(cè)出臨界值，作出不同的特征響應(yīng)，完成各種形式、各種要求的任務(wù)。8.2.3傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，可以是如圖所示的全部互連形成的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

也可以是多個(gè)傳感器計(jì)算機(jī)工作站和一臺(tái)服務(wù)器組成的主從結(jié)構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)，如圖所示。

網(wǎng)絡(luò)形式可以是以太網(wǎng)或其他網(wǎng)絡(luò)形式，總線連接可以是星形、環(huán)形、線形。傳感器網(wǎng)絡(luò)還可以是多個(gè)傳感器和一臺(tái)計(jì)算機(jī)或單片機(jī)組成的智能傳感器，如圖所示。

傳感器網(wǎng)絡(luò)可以組成個(gè)人網(wǎng)、局域網(wǎng)、城域網(wǎng)，甚至可以連上遍布全球的Internet互聯(lián)網(wǎng)，如圖所示。8.2.4傳感器網(wǎng)絡(luò)信息交換體系