智能传感器及系统集成.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第九章（1）智能传感器,智能传感器及系统集成,第1页,智能传感器结构与系统,智能传感器是一个带微处理器兼有检测、判断、信息处理、信息记忆、逻辑思维等功效传感器。,其特点是：,1、易于线性化。,2、自动修正测量数据降低环境原因引发误差。,智能传感器及系统集成,第2页,3、含有抑制漂移能力。,4、其跟踪滤波功效能够去除噪声、提升信噪比从而提升传感器可靠性。,5、用软件处理硬件难以处理问题，完成数据计算与数据处理工作。,智能传感器主要由敏感元件、微处理器及相关电路组成。,智能传感器及系统集成,第3页,智能传感器原理框图以下,传,感,元,件,信,号,调,理,微,处,理,器,通,讯,接,口,输,入,接,口,智能传感器及系统集成,第4页,微处理器是智能传感器智能关键，负担了数据搜集、数据存放、数据处理、系统校准、系统赔偿等大量硬件难以完成工作，从而大大降低了传感器制造难度，提升了传感器性能，降低了成本，提升了传感器可靠性。,智能传感器有集成式、混合式和模块式三种结构。,集成式：将若干个敏感元件与微处理器、信号处理电路集成在同一硅片上。,智能传感器及系统集成,第5页,混合式：将传感器和微处理器、信号处理电路做在不一样芯片上，这是当前智能传感器主要形式。,模块式：将传感元件模块、微处理器模块、信号调理电路模块等装配在同一个壳结构内。,智能传感器及系统集成,第6页,智能传感器功效特点,1、含有逻辑思维与判断、信息处理功效，可对检测数值进行分析、修正和误差赔偿，提升测量精度。,2、含有自诊疗、自校准功效，提升了可靠性。,智能传感器及系统集成,第7页,3、组态功效能够实现多传感器多参数复合测量，扩大了检测使用范围。,用户能够选择需要组态。包含检测范围，可编程通/断延时，选组计数器，常开/常闭，分辨率选择等。可使同一类型传感器工作在最正确状态，而且能在不一样场所从事不一样工作。,智能传感器及系统集成,第8页,4、存放功效使检测数据能够随时存取。,5、数据通信功效含有数据通信接口，能与计算机直接联机，相互交换信息。,智能传感器含有串行通信接口，既能够直接与计算机进行数据通信，实现点对点测控，也能够组成智能传感器网络与计算机实现数据通信，实现点对多点分布式集散测控系统。防止了模拟信号远距离传输，提升了系统可靠性。,智能传感器及系统集成,第9页,6、自适应技术,可在条件改变情况下，在一定范围内使自己特征自动适应这种改变。,经过采取自适应技术，智能传感器能赔偿老化部件引发参数漂移，延长器件或装置寿命。同时扩大其工作领域，自动适应不一样环境条件。,自适应技术提升了传感器重复性和准确度。,智能传感器及系统集成,第10页,智能传感器中软件,软件对传感器测量过程进行管理和调整，使之工作在最正确状态，并对传感器数据进行各种处理，从而增强传感器功效，提升性能指标。,智能传感器及系统集成,第11页,一、温度赔偿,基本方法是：,1、将温度敏感元件与智能传感器敏感元件集成在一起，用于测量敏感元件环境温度。,2、建立温度误差数学模型，微处理器依据测得温度值和数学模型进行赔偿。,3、查表法。,智能传感器及系统集成,第12页,二、非线性校正,1、线性插值法,先用试验测出传感器输入输出数据，利用一次函数进行插值，用直线迫近传感器特征曲线。,假如传感器特征曲率大，能够将该曲线分段插值，把每段曲线用直线近似，即用折线迫近整个曲线。这么能够按分段线性关系求出输入值所对应输出值。普通情况下只要分段合理，插值点数得当就可取得良好线性度和精度。,智能传感器及系统集成,第13页,2、二次曲线插值法,用抛物线代替原来曲线，先求出传感器特征曲线反函数，并依据精度要求对曲线进行分段，然后利用二次函数进行插值，用二次函数迫近。,3、查表法,经过计算或试验得到检测值和被检测值关系，然后按一定规律把数据排成表格，存入内存单元。微处理器依据检测大小查表。,智能传感器及系统集成,第14页,三、数字滤波,1、算术平均滤波,计算连续N个点采样值算术平均值作为滤波器输出.,智能传感器及系统集成,第15页,2、递推平均滤波,递推平均滤波只需进行一次测量就能得到平均值，它把N个数据看作一个队列，每次测量得到新数据存在队尾，而扔掉原来队首一个数据，这么在队列中一直有N个“新”数据，然后计算队列中数据平均值作为滤波结果。每进行一次这么测量，就可马上计算出一个新平均值。,智能传感器及系统集成,第16页,3、加权递推平均滤波,递推平均滤波法中全部采样值权系数相同，在结果中所占百分比相等，,这会对时变信号引发滞后。为增加新采样数据在递推滤波中比重，提升传感器对当前干扰抑制能力，能够采取加权递推平均滤波算法，,对不一样时刻数据加不一样权重，通常越靠近现时刻数据，权重取得越大,。N 项加权递推平均滤波算法为,智能传感器及系统集成,第17页,四、标度变换,假如传感器输入输出之间含有函数关系，可直接用解析式进行标度变换。假如没有，采取多项式插值法进行标度变换。,五、自动校正和自诊疗,自动校正是校正传感器零位和满量程误差。传感器分别输入零点标准值和满度标准值，经过测量传感器输出，得到智能传感器校正方程。测量时软件系统依据校正方程，对传感器零位误差、增益误差等进行校正。从而大大提升测量准确度和可靠性。,智能传感器及系统集成,第18页,自诊疗就是对敏感元件及整个传感器各部件状态进行自检，检验传感器各个部分是否正常，并诊疗发生故障部件，以确保传感器正常工作。,六、数字调零,用软件实现偏差调零。,智能传感器及系统集成,第19页,智能传感器低功耗设计,一、设计标准,1、选取低功耗敏感元件。,2、简化硬件电路和传感器功效。,3、设计低功耗电路，采取低功耗器件。,4、单电源、低电压供电。,智能传感器及系统集成,第20页,二、智能传感器低功耗设计技术,1、降低电源电压，压缩电路动态范围。,2、控制大电流器件工作时间。,3、降低单片机时钟频率。,4、使用单片机睡眠方式。,智能传感器及系统集成,第21页,三、智能传感器低功耗设实例,1、智能湿度传感器结构框图,湿度敏感元件,调,节,放,大,电,路,单,片,机,LCD显示器,控制键,通信接口,智能传感器及系统集成,第22页,被测信号经调理放大电路处理，成为与被测量成正比0.001,4.99V,直流电压信号，送单片机A/D转换口。LCD显示器可显示湿度测量值、智能湿度传感器工作状态（测量/通信）、超量程提醒和欠电报警。通信接口能够实现智能湿度传感器与计算机之间信息传输。,对于相对湿度小于50%RH测量环境，可选取芬兰VAISALA企业HMP-35湿度敏感元件，它在相对湿度60%RH以下,智能传感器及系统集成,第23页,含有很好线性和准确度。对于相对湿度大于40%RH以上环境，可选取General Eastern企业653-M2湿敏器件，它在相对湿度20%RH以上含有很好线性和准确性。,2、低功耗设计办法,低功耗智能湿度传感器模拟电路主要是运算放大器为关键放大电路。这里宜选取低功耗、单电源运算放大器，,智能传感器及系统集成,第24页,可选取模拟器件企业AD822。单片机选取内部带有4路8位A/D转换器、4个中止源、8分频定时/计数器、1024*14位片内程序存放器、68*8位RAM低功耗单片机PIC16C71。它含有低功耗睡眠模式（SLEEP)和片内看门狗定时器(WTD)，易于实现低功耗设计和抗干扰设计，是低功耗低成本智能传感器较为适宜单片机。,智能传感器及系统集成,第25页,智能传感器设计与制造,当前智能传感器实际产品大多是模块化结构，近年来因为多芯片组件（MCM)技术发展，可将智能传感器分布在几个芯片组件上部件组装起来，组成传感器。集成智能传感器设计和制造中有许多复杂技术问题。,智能传感器及系统集成,第26页,一、利用微机械加工技术制造传感器,微机械加工技术是微型传感器和微机械元件加工工艺技术，是制造智能传感器主要技术。,其中硅微机械加工技术是硅集成电路工艺一项主要扩展技术。它除了包含高度发展硅集成电路工艺外，还有一些独特工艺。它主要用于制造硅材料为基底、层与层之间有很大差异三维结构。,智能传感器及系统集成,第27页,1、刻蚀技术,它是微加工技术特殊工艺，经过腐蚀加工形成各种微结构，这是形成微型传感器关键技术。,2、体形结构腐蚀加工,腐蚀加工有化学腐蚀和离子刻蚀技术两大类。,化学腐蚀是应用腐蚀剂腐蚀，腐蚀剂有各向同性和各向异性两种，改变腐蚀剂中氧化剂、去除剂和稀释剂成份能够调整腐蚀速率、选择性和表面腐蚀条件。各向异性腐蚀可形成三维结构。,智能传感器及系统集成,第28页,离子刻蚀是在真空腔内进行。采取等离子定向刻蚀，将硅片放在交流电源驱动电极上，并置于充有含氟里昂气体化学反应等离子体中进行。,3、表面腐蚀加工技术,用于制造各种悬式结构，如微型悬臂梁、悬臂块、微型桥、微型腔等。当前已成功应用在微型谐振式传感器，加速度传感器、流量传感器和压电传感器中。,智能传感器及系统集成,第29页,4、薄膜技术,能够加工成各种梁、桥、弹性膜、压电膜。用作传感器敏感元件，有可作为介质膜起绝缘层作用；有可作为控制尺寸衬垫层，在加工完成之前往除掉。,5、固相键合技术,是微机械部件装配技术，能够把两个固态部件直接键合在一起。,智能传感器及系统集成,第30页,二、智能传感器电路设计,1、模拟信号输入级,普通模拟信号输入级是含有多路切换开关可编程增益放大器,。,2、传感器激励源,传感器激励源由微处理器控制，方便使传感器工作在最正确状态。,智能传感器及系统集成,第31页,3、数据转换,4、数据处理,5、数字输出接口电路,6、微处理器选择,当前以单片机、DSP等嵌入式微处理器。,智能传感器及系统集成,第32页,智能传感器实例,一、ST-3000系列智能压力传感器,该系列传感器是美国Honeywell企业20世纪80年代研制产品，是最早商品化智能传感器，能够同时测量静压、差压和温度三个参数。精度达0.1级，6个月总漂移不超出全量程0.03%，量程比可达400：1，阻尼时间常数在0,32s,间可调。当前该产品被广泛应用。,智能传感器及系统集成,第33页,传感器结构框图以下：,差压,静压,温度,多,路,开,关,A/D,CPU,D/A,I/O,ROM,RAM,PROM,EEPROM,4-20mA,或,数字信号,智能传感器及系统集成,第34页,传感部分由差压、静压和温度三个传感器组成，该部分输出是三个参数函数，设三个传感器输出为,由此可解得,智能传感器及系统集成,第35页,以上由三个传感器信号计算待测压力过程是在微处理器中经过软件程序进行。在传感器制造过程中，待测压力特征数据、环境温度特征数据就、和静压数据需要事先存放在PROM中。这些特征数据由生产线计算机采集并送入存放器存放。,实际工作时，传感器芯片上三个传感器信号经多路切换开关、调理电路以及A/D转换器，分别进入CPU。CPU利用,智能传感器及系统集成,第36页,PROM中特征数据，对三种信号进行程序运算处理，最终产生一个高精度特征优异待测压力信号输出。,现场通信器含有以下功效：,对传感器进行远程组态，设定标号、测量范围、输出形式和阻尼时间常数，不到现场就可调整变送器参数；,传感器零点和量程校准能够在现场进行，无须拆卸传感器，也不需要专门设备。,智能传感器及系统集成,第37页,对传感器进行诊疗，进行组态检验、通信功效检验、变送功效检验、参数异常检验，诊疗结果传送到现场通信器中显示；,设定传感器为恒流输出，把传感器看成恒流源使用方便检验系统中其它传感器或设备。,智能传感器及系统集成,第38页,二、EJA差压变送器,系日本横河电机株式会社与1994年研制成功高性能智能式差压传感器。它利用单晶硅谐振式传感器原理，采取微电子机械加工技术（MEMS)，精度达0.075%，含有高稳定性和高可靠性。,其由膜盒组件和智能转换部件组成。膜盒组件包含膜盒、单晶硅谐振式传感器和特征修正存放器。,智能传感器及系统集成,第39页,原理图以下：,单晶硅,谐振式,传感器,特征,修正,传感器,CPU,A/D,D/A,内置存放器,4-20mA DC,及数字信号,膜盒组件,数据处理部件,p,智能传感器及系统集成,第40页,单晶硅谐振式传感器两个H型谐振梁将差压、压力信号分别转换成频率信号，送到脉冲计数器中，再将两频率之差直接送到 CPU中进行数据处理，经D/A转换器转换成与输入信号相对应 4-20mA电流信号。,膜盒组件中特征修正存放器存放传感器环境温度、静压及输入输出特征修正数据，CPU利用它们进行温度赔偿，校正静压及输入输出特征。,智能传感器及系统集成,第41页,三、8800 A型卡曼旋涡流量变送器,这是美国Rosemount企业智能传感器。它利用“卡曼涡流”现象测定流量，即当管道中装设柱状阻挡物时，流体流过时形成两列旋涡，旋涡出现频率与流量成正比。,该变送器利用应力检测法测量旋涡频率，在柱状物后部插入嵌有压电元件杆，当旋涡冲击杆端时形成弯矩，压电元件出现电荷，电荷经放大器放大后，经滤波、A/D转换后送入数字式跟踪滤波器。,智能传感器及系统集成,第42页,它能跟踪旋涡频率对噪声进行抑制，使滤波后数字信号正确反应流量值。CPU接收跟踪滤波数字信号进行处理后送D/A转换器输出4-20mA电流。,8800 A型卡曼旋涡流量变送器含有自诊疗、温度校正等功效，经过现场通信器进行组态。,智能传感器及系统集成,第43页,4、超声智能测距传感器,美国Merritt系统企业（MSI）开发了两种超声智能测距传感器，一个测量范围为150-3000mm，采样频率为40Hz，精度为、2.5mm；另一个是高精度型，测量范围为25-600mm，采样频率为200Hz，精度为0.25mm。,传感器内有以 CPU为中心数据处理电路，经过测量超声波从传感器到目标再返回所需要时间，计算传感器抵达目标距离。,智能传感器及系统集成,第44页,5、多路光谱分析智能传感器,它能够从人造卫星摄取地球表面图像，经过反射型绕射光栅，由CCD固态摄像传感器转换成电信号，即可进行多路光谱分析，测量数据由CPU解析和统计处理，可得到气象方面各种信息。,智能传感器及系统集成,第45页,6、机器人视觉传感器,它利用CCD图像传感器，将工作信号经微机处理，取得重心坐标、面积、最大尺寸等数据即确定工件位置，并由母线系统输送到显示器再经数摸转换器后输入到控制系统控制机器人动作。,智能传感器及系统集成,第46页,第九章（2）,测试系统集成设计与性能评价,一、测试系统集成设计标准与步骤,当代测试系统设计过程就是对系统各单元模块参数重复进行预估选择、性能评价过程，以使按最终确定参数建立起系统到达预定技术目标。,智能传感器及系统集成,第47页,1、单元模块选择与优化,当代测试系统基本组成形式如图所表示,S1为传感器，S2为调理电路，S3为数据采集系统；W1与W2分别代表传感器和放大器频率特征,智能传感器及系统集成,第48页,2、参数确实定与预估,依据测试系统技术指标要求，确定测试系统各步骤基本参数、动态特征，预估系统各步骤误差极限。,（1）基本参数确实定,基本参数确实定主要依据分辨力与量程要求，确定各硬件模块或步骤灵敏度。对于普通测试系统基本形式，灵敏度表示式为,智能传感器及系统集成,第49页,基本参数确实定方法：,通常按系统分辨力与量程要求及工作环境条件，先确定传感器类型及其灵敏度S然后再进行放大器增益S与A/D转换器分度值S权衡。,普通方法是先依据测试范围和分辨力确定A/D转换器或数据采集卡位数。再根A/D转换器或数据采集卡位数、输入电压范围和传感器灵敏度S，确定放大器增益S。,当测试范围较大时可考虑多量程。这么能够降低A/D转换器或数据采集卡要求。,智能传感器及系统集成,第50页,（2）,误差极限预估,误差极限预估就是按系统总误差限定值对组成系统单元模块进行误差分配。,基本思绪是误差预分配、综合调整、再分配再综合，直至选定单元模块静态性能满足系统静态性能要求。,智能传感器及系统集成,第51页,二、测试系统集成设计举例,题目：电阻传感器称重测试系统设计,要求：测量范围：010t；分辨力：0.01t；测量不确定度：1.5%；工作温度：05,0。,1、系统基本结构,依据设计要求，系统基本结构如图所表示。,智能传感器及系统集成,第52页,2、,称重传感器选择,桥式称重传感器是利用电阻应变原理组成一个高精度力电转换元件，弹性体采取桥式结构。它由,4,片电阻应变计组成惠斯登电桥，如图所表示。当传感器受到外力作用时，,弹性体产生形变，电阻应变计阻值发生改变使桥路失去平衡，在外界供桥电源作用下，电桥输出一下平衡直流电压信号，该信号大小与传感器所受外力大小成正比，据此可测定外载荷大小。,智能传感器及系统集成,第53页,CZLYB-11型桥式称重传感器主要技术指标如表所表示,智能传感器及系统集成,第54页,3、A,D,转换器位数,n,确实定,从设计要求中获知，该系统测量范围,010t,、分辨力,0.01t,，所以系统最大量化值,Dm,为：,Dm=满量程值/分辨率10/0.011000,故最少选择,10,位,A/D,，本系统选,TCL1549。,TCL1549,是,TI,企业生产,10,位逐次迫近模数转换器，含有自动采样保持、串行接口功效，满度输入电压随基准电压V,H,而改变。,这里V,H,=5v,。,智能传感器及系统集成,第55页,4、,放大器选择或设计,称重传感器输出信号特点是“浮地”，所以放大器必须采取双端输入差动放大器。,放大器增益可依据称重传感器输出灵敏度、,A/D,转换器最大输入电压确定。,由表可知，称重传感器输出灵敏度为,2mv,v,，意指在额定载荷、桥路电压为,1V,时，桥路输出为,2mv,。本系统选额定载荷,10t,，桥路电压取,12v,，传感器输出灵敏度,S1,为：,智能传感器及系统集成,第56页,A,D,转换器满度输入电压为5V，则量化值,Q,为,当载荷为,W=0.01t,时，桥路输出电压为,现选择,AD627,测量放大器作为本系统放大器步骤。,智能传感器及系统集成,第57页,AD627,是美国,ADI,企业生产精密仪器放大器之一。参考电路如图所表示。其增益,G=5200/R,G,，改变,R,G,可调整增益。,当选择,R,G,=910+,（,0200,）,，增益变比范围为,185225,，可满足设计要求。,另外，考虑到,A/D,转换器最大输入电压V,H,=5v,，当最大载荷,W=10t,时，桥路输出电压为：,于是，,AD627,最大增益,智能传感器及系统集成,第58页,AD627管脚示意图,智能传感器及系统集成,第59页,AD627,主要技术参数见下表,智能传感器及系统集成,第60页,5、,测量不确定度预估,（1,）测量不确定度预估数学模型,当被测重物重量,W,对应,A/D,转换器量化值为,D,，依据基本结构，可得重量,W,与量化值,D,关系为,于是可得数学模型,式中，S1、S2、S3分别为传感器、放大器、,A/D,转换器灵敏度,智能传感器及系统集成,第61页,（2）,分项测量不确定度预估,W,分项测量不确定度包含,4,项，即测量不确定度,U(,S1,),、,U,（S2）、,U,（S3）和,U,（,D,），下面分别计算。,测量不确定度,u(S1),计算,由表可知，影响测量不确定度,u(S1),原因以下。,由灵敏度改变0.004/2时，引发标准不确定度,非线性引发标准不确定度,重复性引发标准不确定度,智能传感器及系统集成,第62页,当环境改变,5,0引发标准不确定度,桥路电压改变引发标准不确定度,S1,测量不确定度U(S1)为,这里没有考虑”零点输出”引发不确定度，是因为零点输出是恒定系统误差，可经过硬件或软件消除，假如软件中有非线性校正功效，非线性误差引发测量不确定度也可不,考虑本例不考虑非线性校正。,智能传感器及系统集成,第63页,测量不确定度,U(,S2,),计算。,依据表，S2测量不确定度分量以下,本例中，增益为,203,，所以增益误差取,0.2,，引发标准不确定度为,注意，上述增益误差未计入,R,G,阻值波动而产生增益误差。,非线性引发标准不确定度,当温度在,25,2,5,范围改变时引发标准不确定度,智能传感器及系统集成,第64页,S2测量不确定度为U(S2),另外，共模电压也会引发测量误差。称重传感器电路是桥式结构，其共模输出电压为,因为,AD627,共模抑制比,CMRR=90dB,即有,式中，,U,为Um在放大器输出端引发误差电压，于是,所以,系统选取,10,位,A/D,，量化单位,远小于,Q,二分之一，故属于微小误差可忽略不计。,智能传感器及系统集成,第65页,S3,测量确实定度U,(,S3,),计算,S3,是,A/D,转换器灵敏度，其表示式为,式中，,V,ref,是,A/D,转换器基准电压。本系统选取,REF02,电压基准。,REF02,是,BURRR,BROWN,企业生产集成精密电压基准，主要技术参数如表所表示,智能传感器及系统集成,第66页,S3不确定度取决于V,ref,不确定度，而V,ref,不确定度主要有两个分量，即输出电压随温度改变引发分量和基准输入电压改变引发分量。,基准输入电压为电源电压，普通不会超出,1V,，引发输出电压改变由电压调整率决定。,输出电压随温度改变引发标准不确定度,当电源电压改变,1V,时引发标准不确定度,于是，,S3,测量不确定度,U,(,S3,),为,智能传感器及系统集成,第67页,A/D,转换器输出量,D,（量化数字值）测量不确定度U（D）计算,在未给出,A/D,转换器转换精度情况下，其测量不确定度主要由量化误差计算引发标准不确定度,智能传感器及系统集成,第68页,（,3,）,W,合成测量不确定度预估,依据测量不确度预估数学模型式，,W,合成测量不确定度为U,C,（W）,（,4,）,W,扩展测量不确定度预估,W,扩展测量不确定度,U,（,W,）等于合成测量不确定度乘以覆盖因子,(,这里取,),，即,W,扩展测量不确定度为,1.1%,，小于,1.5%,设计要求，所以设计系统符合要求。,智能传感器及系统集成,第69页,智能传感器发展趋势,一、利用新型材料研制基本传感器,材料包含硅、功效陶瓷、石英、记忆合金等。,二、利用新加工技术,主要指微加工技术。,三、采取新测量原理和方法,包含光纤传感、化学传感和生物传感等新信息起源。,智能传感器及系统集成,第70页,