智能傳感器及系統(tǒng)集成

1、 第九章（1） 智能傳感器智能傳感感器的結(jié)結(jié)構(gòu)與系系統(tǒng)智能傳感感器是一一種帶微微處理器器兼有檢檢測、判判斷、信信息處理理、信息息記憶、邏輯思思維等功功能的傳傳感器。其特點是是：1、易于線線性化。2、自動修修正測量量數(shù)據(jù)減減少環(huán)境境因素引引起的誤誤差。3、具有抑抑制漂移移的能力力。4、其跟蹤蹤濾波功功能可以以去除噪噪聲、提提高信噪噪比從而而提高傳傳感器的的可靠性性。5、用軟件解解決硬件件難以解解決的問問題，完完成數(shù)據(jù)據(jù)計算與與數(shù)據(jù)處處理工作作。智能傳感感器主要要由敏感感元件、微處理理器及相相關(guān)電路路組成。智能傳感感器的原原理框圖圖如下傳感元件信號調(diào)理微處理器通訊接口輸入接口微處理器器是智能能傳感

2、器器的智能能核心，承擔(dān)了了數(shù)據(jù)收收集、數(shù)數(shù)據(jù)存儲儲、數(shù)據(jù)據(jù)處理、系統(tǒng)校校準(zhǔn)、系系統(tǒng)補償償?shù)却罅苛坑布y難以完成成的工作作，從而而大大降降低了傳傳感器的的制造難難度，提提高了傳傳感器的的性能，降低了了成本，提高了了傳感器器的可靠靠性。智能傳感感器有集集成式、混合式式和模塊塊式三種種結(jié)構(gòu)。集成式：將若干干個敏感感元件與與微處理理器、信信號處理理電路集集成在同同一硅片片上?；旌鲜剑簩鞲懈衅骱臀⑽⑻幚砥髌鳌⑿盘柼柼幚黼婋娐纷鲈谠诓煌牡男酒仙?，這是是目前的的智能傳傳感器的的主要形形式。模塊式：將傳感感元件模模塊、微微處理器器模塊、信號調(diào)調(diào)理電路路模塊等等裝配在在同一個個殼結(jié)構(gòu)構(gòu)內(nèi)。智能傳感感器的功

3、功能特點點1、具有邏邏輯思維維與判斷斷、信息息處理功功能，可可對檢測測數(shù)值進(jìn)進(jìn)行分析析、修正正和誤差差補償，提高測測量精度度。2、具有自自診斷、自校準(zhǔn)準(zhǔn)功能，提高了了可靠性性。3、組態(tài)功功能可以以實現(xiàn)多多傳感器器多參數(shù)數(shù)復(fù)合測測量，擴(kuò)擴(kuò)大了檢檢測使用用范圍。用戶可以以選擇需需要的組組態(tài)。包包括檢測測范圍，可編程程通/斷延時，選組計計數(shù)器，常開/常閉，分分辨率選選擇等。可使同同一類型型的傳感感器工作作在最佳佳狀態(tài)，并且能能在不同同場合從從事不同同的工作作。4、存儲功功能使檢檢測數(shù)據(jù)據(jù)可以隨隨時存取取。5、數(shù)據(jù)通通信功能能具有數(shù)數(shù)據(jù)通信信接口，能與計計算機直直接聯(lián)機機，互相相交換信信息。智能傳感感

4、器具有有的串行行通信接接口，既既可以直直接與計計算機進(jìn)進(jìn)行數(shù)據(jù)據(jù)通信，實現(xiàn)點點對點的的測控，也可以以構(gòu)成智智能傳感感器網(wǎng)絡(luò)絡(luò)與計算算機實現(xiàn)現(xiàn)數(shù)據(jù)通通信，實實現(xiàn)點對對多點的的分布式式集散測測控系統(tǒng)統(tǒng)。避免免了模擬擬信號的的遠(yuǎn)距離離傳輸，提高了了系統(tǒng)的的可靠性性。6、自適應(yīng)應(yīng)技術(shù)可在條件件變化的的情況下下，在一一定范圍圍內(nèi)使自自己的特特性自動動適應(yīng)這這種變化化。通過采用用自適應(yīng)應(yīng)技術(shù)，智能傳傳感器能能補償老老化部件件引起的的參數(shù)漂漂移，延延長器件件或裝置置的壽命命。同時時擴(kuò)大其其工作領(lǐng)領(lǐng)域，自自動適應(yīng)應(yīng)不同的的環(huán)境條條件。自適應(yīng)技技術(shù)提高高了傳感感器的重重復(fù)性和和準(zhǔn)確度度。智能傳感感器中的的軟件軟

5、件對傳傳感器的的測量過過程進(jìn)行行管理和和調(diào)節(jié)，使之工工作在最最佳狀態(tài)態(tài)，并對對傳感器器數(shù)據(jù)進(jìn)進(jìn)行各種種處理，從而增增強傳感感器功能能，提高高性能指指標(biāo)。一、溫度度補償基本方法法是：1、將溫度度敏感元元件與智智能傳感感器的敏敏感元件件集成在在一起，用于測測量敏感感元件的的環(huán)境溫溫度。2、建立溫溫度誤差差的數(shù)學(xué)學(xué)模型，微處理理器根據(jù)據(jù)測得的的溫度值值和數(shù)學(xué)學(xué)模型進(jìn)進(jìn)行補償償。3、查表法法。 二、非線線性校正正1、線性插插值法先用實驗驗測出傳傳感器的的輸入輸輸出數(shù)據(jù)據(jù)，利用用一次函函數(shù)進(jìn)行行插值，用直線線逼近傳傳感器的的特性曲曲線。如果傳感感器的特特性曲率率大，可可以將該該曲線分分段插值值，把每每段

6、曲線線用直線線近似，即用折折線逼近近整個曲曲線。這這樣可以以按分段段線性關(guān)關(guān)系求出出輸入值值所對應(yīng)應(yīng)的輸出出值。一一般情況況下只要要分段合合理，插插值點數(shù)數(shù)得當(dāng)就就可獲得得良好的的線性度度和精度度。2、二次次曲線插插值法用拋物線線代替原原來的曲曲線，先先求出傳傳感器特特性曲線線的反函函數(shù)，并并根據(jù)精精度要求求對曲線線進(jìn)行分分段，然然后利用用二次函函數(shù)進(jìn)行行插值，用二次次函數(shù)逼逼近。3、查表表法通過計算算或?qū)嶒烌灥玫綑z檢測值和和被檢測測值的關(guān)關(guān)系，然然后按一一定規(guī)律律把數(shù)據(jù)據(jù)排成表表格，存存入內(nèi)存存單元。微處理理器根據(jù)據(jù)檢測的的大小查查表。三、數(shù)字字濾波1、算術(shù)術(shù)平均濾濾波計算連續(xù)續(xù)N個點的采采

7、樣值的的算術(shù)平平均值作作為濾波波器的輸輸出.2、遞推推平均濾濾波 遞推平均均濾波只只需進(jìn)行行一次測測量就能能得到平平均值，它把N個數(shù)據(jù)看作作一個隊隊列，每每次測量量得到的的新數(shù)據(jù)據(jù)存在隊隊尾，而而扔掉原原來隊首首的一個個數(shù)據(jù)，這樣在在隊列中中始終有有N個“新”數(shù)據(jù)，然后計計算隊列列中數(shù)據(jù)據(jù)的平均均值作為為濾波結(jié)結(jié)果。每每進(jìn)行一一次這樣樣的測量量，就可可立即計計算出一一個新的的平均值值。3、加權(quán)權(quán)遞推平平均濾波波遞推平均均濾波法法中所有有采樣值值的權(quán)系系數(shù)相同同，在結(jié)結(jié)果中所所占的比比例相等等，這會對時時變信號號引起滯滯后。為為增加新新采樣數(shù)數(shù)據(jù)在遞遞推濾波波中的比比重，提提高傳感感器對當(dāng)當(dāng)前干

8、擾擾的抑制制能力，可以采采用加權(quán)權(quán)遞推平平均濾波波算法，對不同時時刻的數(shù)數(shù)據(jù)加不不同的權(quán)權(quán)重，通通常越接接近現(xiàn)時時刻的數(shù)數(shù)據(jù)，權(quán)權(quán)重取得得越大。N項加權(quán)遞遞推平均均濾波算算法為四、標(biāo)度度變換如果傳感感器的輸輸入輸出出之間具具有函數(shù)數(shù)關(guān)系，可直接接用解析析式進(jìn)行行標(biāo)度變變換。如如果沒有有，采用用多項式式插值法法進(jìn)行標(biāo)標(biāo)度變換換。五、自動動校正和和自診斷斷自動校正正是校正正傳感器器的零位位和滿量量程誤差差。傳感感器分別別輸入零零點標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)值和滿滿度標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)值，通通過測量量傳感器器的輸出出，得到到智能傳傳感器的的校正方方程。測測量時軟軟件系統(tǒng)統(tǒng)根據(jù)校校正方程程，對傳傳感器的的零位誤誤差、增增益誤差差等進(jìn)

9、行行校正。從而大大大提高高測量準(zhǔn)準(zhǔn)確度和和可靠性性。自診斷就就是對敏敏感元件件及整個個傳感器器各部件件的狀態(tài)態(tài)進(jìn)行自自檢，檢檢查傳感感器的各各個部分分是否正正常，并并診斷發(fā)發(fā)生故障障的部件件，以保保證傳感感器正常常工作。六、數(shù)字字調(diào)零用軟件實實現(xiàn)偏差差調(diào)零。智能傳感感器的低低功耗設(shè)設(shè)計一、設(shè)計計原則1、選用用低功耗耗的敏感感元件。2、簡化化硬件電電路和傳傳感器功功能。3、設(shè)計計低功耗耗電路，采用低低功耗器器件。4、單電電源、低低電壓供供電。二、智能能傳感器器低功耗耗設(shè)計技技術(shù)1、降低低電源電電壓，壓壓縮電路路動態(tài)范范圍。2、控制制大電流流器件的的工作時時間。3、降低低單片機機的時鐘鐘頻率。4、

10、使用用單片機機的睡眠眠方式。三、智能能傳感器器的低功功耗設(shè)實實例1、智能能濕度傳傳感器的的結(jié)構(gòu)框框圖濕度敏感感元件調(diào)節(jié)放大電路單片機LCD顯顯示器控制鍵通信接口口被測信號號經(jīng)調(diào)理理放大電電路處理理，成為為與被測測量成正正比的0.0014.99V直流電壓壓信號，送單片片機A/D轉(zhuǎn)換換口。LCD顯顯示器可可顯示濕濕度測量量值、智智能濕度度傳感器器的工作作狀態(tài)（測量/通信）、超量量程提示示和欠電電報警。通信接接口可以以實現(xiàn)智智能濕度度傳感器器與計算算機之間間的信息息傳輸。對于相對對濕度小小于50%RH的測量量環(huán)境，可選用用芬蘭VAISALA公司的的HMP-35濕度敏敏感元件件，它在在相對濕濕度60%

11、RH以下具有較好好的線性性和準(zhǔn)確確度。對對于相對對濕度大大于40%RH以上的的環(huán)境，可選用用GeneralEastern公司的的653-M2濕敏器器件，它它在相對對濕度20%RH以上上具有較較好的線線性和準(zhǔn)準(zhǔn)確性。2、低功功耗設(shè)計計措施低功耗智智能濕度度傳感器器的模擬擬電路主主要是運運算放大大器為核核心的放放大電路路。這里里宜選用用低功耗耗、單電電源的運運算放大大器，可選用模模擬器件件公司的的AD822。單片機機選用內(nèi)內(nèi)部帶有有4路8位A/D轉(zhuǎn)換換器、4個中斷斷源、8分頻定定時/計計數(shù)器、1024*14位片片內(nèi)程序序存儲器器、68*8位位RAM的低功功耗單片片機PIC16C71。它具具有低功功

12、耗睡眠眠模式（SLEEP) 和片片內(nèi)看門門狗定時時器(WTD)，易于于實現(xiàn)低低功耗設(shè)設(shè)計和抗抗干擾設(shè)設(shè)計，是是低功耗耗低成本本智能傳傳感器較較為適宜宜的單片片機。智能傳感感器的設(shè)設(shè)計與制制造目前智能能傳感器器的實際際產(chǎn)品大大多是模模塊化結(jié)結(jié)構(gòu)，近近年來由由于多芯芯片組件件（MCM)技技術(shù)的發(fā)發(fā)展，可可將智能能傳感器器分布在在幾個芯芯片組件件上的部部件組裝裝起來，構(gòu)成傳傳感器。集成智智能傳感感器的設(shè)設(shè)計和制制造中有有許多復(fù)復(fù)雜的技技術(shù)問題題。一、利用用微機械械加工技技術(shù)制造造傳感器器 微機械加加工技術(shù)術(shù)是微型型傳感器器和微機機械元件件的加工工工藝技技術(shù)，是是制造智智能傳感感器的重重要技術(shù)術(shù)。其中

13、硅微微機械加加工技術(shù)術(shù)是硅集集成電路路工藝的的一項重重要擴(kuò)展展技術(shù)。它除了了包括高高度發(fā)展展的硅集集成電路路工藝外外，還有有一些獨獨特的工工藝。它它主要用用于制造造硅材料料為基底底、層與與層之間間有很大大差別的的三維結(jié)結(jié)構(gòu)。1、刻蝕蝕技術(shù)它是微加加工技術(shù)術(shù)的特殊殊工藝，通過腐腐蝕加工工形成各各種微結(jié)結(jié)構(gòu)，這這是形成成微型傳傳感器的的關(guān)鍵技技術(shù)。2、體形形結(jié)構(gòu)腐腐蝕加工工腐蝕加工工有化學(xué)學(xué)腐蝕和和離子刻刻蝕技術(shù)術(shù)兩大類類。化學(xué)腐蝕蝕是應(yīng)用用腐蝕劑劑腐蝕，腐蝕劑劑有各向向同性和和各向異異性兩種種，改變變腐蝕劑劑中氧化化劑、去去除劑和和稀釋劑劑的成分分可以調(diào)調(diào)整腐蝕蝕速率、選擇性性和表面面腐蝕條條件

14、。各各向異性性腐蝕可可形成三三維結(jié)構(gòu)構(gòu)。離子刻蝕蝕是在真真空腔內(nèi)內(nèi)進(jìn)行。采用等等離子定定向刻蝕蝕，將硅硅片放在在交流電電源驅(qū)動動的電極極上，并并置于充充有含氟氟里昂氣氣體的化化學(xué)反應(yīng)應(yīng)等離子子體中進(jìn)進(jìn)行。3、表面面腐蝕加加工技術(shù)術(shù)用于制造造各種懸懸式結(jié)構(gòu)構(gòu)，如微微型懸臂臂梁、懸懸臂塊、微型橋橋、微型型腔等。目前已已成功應(yīng)應(yīng)用在微微型諧振振式傳感感器，加加速度傳傳感器、流量傳傳感器和和壓電傳傳感器中中。4、薄膜膜技術(shù)可以加工工成各種種梁、橋橋、彈性性膜、壓壓電膜。用作傳傳感器的的敏感元元件，有有的可作作為介質(zhì)質(zhì)膜起絕絕緣層的的作用；有的可可作為控控制尺寸寸的襯墊墊層，在在加工完完成之前前去除掉掉

15、。5、固相相鍵合技技術(shù)是微機械械部件的的裝配技技術(shù)，可可以把兩兩個固態(tài)態(tài)部件直直接鍵合合在一起起。二、智能能傳感器器的電路路設(shè)計1、模擬擬信號輸輸入級一般模擬擬信號輸輸入級是是含有多多路切換換開關(guān)的的可編程程增益放放大器。2、傳感感器的激激勵源傳感器的的激勵源源由微處處理器控控制，以以便使傳傳感器工工作在最最佳狀態(tài)態(tài)。 3、數(shù)據(jù)據(jù)轉(zhuǎn)換4、數(shù)據(jù)據(jù)處理5、數(shù)字字輸出接接口電路路6、微處處理器選選擇目前以單單片機、DSP等嵌入式式微處理理器。智能傳感感器實例例一、ST-3000系系列智能能壓力傳傳感器該系列傳傳感器是是美國Honeywell公公司20世紀(jì)80年代代研制的的產(chǎn)品，是最早早的商品品化智能

16、能傳感器器，可以以同時測測量靜壓壓、差壓壓和溫度度三個參參數(shù)。精精度達(dá)0.1級級，6個個月總漂漂移不超超過全量量程的0.03%，量量程比可可達(dá)400：1，阻尼尼時間常常數(shù)在032s間可調(diào)。目前該該產(chǎn)品被被廣泛應(yīng)應(yīng)用。傳感器的的結(jié)構(gòu)框框圖如下下：差壓靜壓溫度多路開關(guān)A/DCPUD/AI/OROMRAMPROMEEPROM4-20mA或數(shù)字信號號傳感部分分由差壓壓、靜壓壓和溫度度三個傳傳感器組組成，該該部分的的輸出是是三個參參數(shù)的函函數(shù)，設(shè)設(shè)三個傳傳感器的的輸出為為由此可解解得以上由三三個傳感感器信號號計算待待測壓力力的過程程是在微微處理器器中通過過軟件程程序進(jìn)行行的。在在傳感器器的制造造過程中中

17、，待測測壓力特特征數(shù)據(jù)據(jù)、環(huán)境境溫度特特征數(shù)據(jù)據(jù)就、和和靜壓數(shù)數(shù)據(jù)需要要事先存存儲在PROM中。這這些特征征數(shù)據(jù)由由生產(chǎn)線線的計算算機采集集并送入入存儲器器存儲。實際工作作時，傳傳感器芯芯片上的的三個傳傳感器的的信號經(jīng)經(jīng)多路切切換開關(guān)關(guān)、調(diào)理理電路以以及A/D轉(zhuǎn)換換器，分分別進(jìn)入入CPU。CPU利用用PROM中的特特征數(shù)據(jù)據(jù)，對三三種信號號進(jìn)行程程序運算算處理，最終產(chǎn)產(chǎn)生一個個高精度度的特性性優(yōu)異的的待測壓壓力信號號輸出。現(xiàn)場通信信器具有有以下功功能：對傳感器器進(jìn)行遠(yuǎn)遠(yuǎn)程組態(tài)態(tài)，設(shè)定定標(biāo)號、測量范范圍、輸輸出形式式和阻尼尼時間常常數(shù)，不不到現(xiàn)場場就可調(diào)調(diào)節(jié)變送送器的參參數(shù)；傳感器的的零點和和量

18、程校校準(zhǔn)可以以在現(xiàn)場場進(jìn)行，不必拆拆卸傳感感器，也也不需要要專門設(shè)設(shè)備。對傳感器器進(jìn)行診診斷，進(jìn)進(jìn)行組態(tài)態(tài)檢查、通信功功能檢查查、變送送功能檢檢查、參參數(shù)異常常檢查，診斷結(jié)結(jié)果傳送送到現(xiàn)場場通信器器中顯示示；設(shè)定傳感感器為恒恒流輸出出，把傳傳感器當(dāng)當(dāng)作恒流流源使用用以便檢檢查系統(tǒng)統(tǒng)中的其其它傳感感器或設(shè)設(shè)備。二、EJA差壓壓變送器器系日本橫橫河電機機株式會會社與1994年研制制成功的的高性能能智能式式差壓傳傳感器。它利用用單晶硅硅諧振式式傳感器器原理，采用微微電子機機械加工工技術(shù)（MEMS)，精度達(dá)達(dá)0.075%，具有有高穩(wěn)定定性和高高可靠性性。其由膜盒盒組件和和智能轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換部件件組成。膜盒組組

19、件包括括膜盒、單晶硅硅諧振式式傳感器器和特性性修正存存儲器。原理圖如如下：單晶硅諧振式傳感器特性修正傳感器CPUA/DD/A內(nèi)置存儲儲器4-20mADC及數(shù)字信信號膜盒組件件數(shù)據(jù)處理理部件p單晶硅諧諧振式傳傳感器的的兩個H型諧振振梁將差差壓、壓壓力信號號分別轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成頻頻率信號號，送到到脈沖計計數(shù)器中中，再將將兩頻率率之差直直接送到到 CPU中進(jìn)進(jìn)行數(shù)據(jù)據(jù)處理，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換換器轉(zhuǎn)換換成與輸輸入信號號相對應(yīng)應(yīng)的4-20mA電電流信號號。膜盒組件件中的特特性修正正存儲器器存儲傳傳感器的的環(huán)境溫溫度、靜靜壓及輸輸入輸出出特性的的修正數(shù)數(shù)據(jù)，CPU利利用它們們進(jìn)行溫溫度補償償，校正正靜壓及及輸入輸輸出特

20、性性。三、8800A型卡卡曼旋渦渦流量變變送器這是美國國Rosemount公司的的智能傳傳感器。它利用用“卡曼曼渦流”現(xiàn)象測測定流量量，即當(dāng)當(dāng)管道中中裝設(shè)柱柱狀阻擋擋物時，流體流流過時形形成兩列列旋渦，旋渦出出現(xiàn)的頻頻率與流流量成正正比。該變送器器利用應(yīng)應(yīng)力檢測測法測量量旋渦頻頻率，在在柱狀物物的后部部插入嵌嵌有壓電電元件的的桿，當(dāng)當(dāng)旋渦沖沖擊桿端端時形成成彎矩，壓電元元件出現(xiàn)現(xiàn)電荷，電荷經(jīng)經(jīng)放大器器放大后后，經(jīng)濾濾波、A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換后送送入數(shù)字字式跟蹤蹤濾波器器。它能跟蹤蹤旋渦的的頻率對對噪聲進(jìn)進(jìn)行抑制制，使濾濾波后的的數(shù)字信信號正確確反映流流量值。 CPU接收收跟蹤濾濾波的數(shù)數(shù)字信號號進(jìn)行處

21、處理后送送D/A轉(zhuǎn)換器器輸出4-20mA的的電流。8800 A型型卡曼旋旋渦流量量變送器器具有自自診斷、溫度校校正等功功能，通通過現(xiàn)場場通信器器進(jìn)行組組態(tài)。4、超聲聲智能測測距傳感感器美國Merritt系系統(tǒng)公司司（MSI）開開發(fā)了兩兩種超聲聲智能測測距傳感感器，一一種測量量范圍為為150-3000mm，采采樣頻率率為40Hz，精度為為、2.5mm；另一一種是高高精度型型，測量量范圍為為25-600mm，采樣頻頻率為200Hz，精精度為0.25mm。傳感器內(nèi)內(nèi)有以CPU為中心心的數(shù)據(jù)據(jù)處理電電路，通通過測量量超聲波波從傳感感器到目目標(biāo)再返返回所需需要的時時間，計計算傳感感器到達(dá)達(dá)目標(biāo)的的距離。

22、5、多路路光譜分分析智能能傳感器器它可以從從人造衛(wèi)衛(wèi)星攝取取地球表表面的圖圖像，通通過反射射型繞射射光柵，由CCD固態(tài)態(tài)攝像傳傳感器轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成電電信號，即可進(jìn)進(jìn)行多路路光譜分分析，測測量數(shù)據(jù)據(jù)由CPU解析析和統(tǒng)計計處理，可得到到氣象方方面的各各種信息息。6、機器器人視覺覺傳感器器它利用CCD圖圖像傳感感器，將將工作信信號經(jīng)微微機處理理，獲得得重心坐坐標(biāo)、面面積、最最大尺寸寸等數(shù)據(jù)據(jù)即確定定工件位位置，并并由母線線系統(tǒng)輸輸送到顯顯示器再再經(jīng)數(shù)摸摸轉(zhuǎn)換器器后輸入入到控制制系統(tǒng)控控制機器器人動作作。第九章（2）測試系統(tǒng)統(tǒng)集成設(shè)設(shè)計與性性能評價價一、測測試系系統(tǒng)集成成設(shè)計原原則與步步驟現(xiàn)代測試試系統(tǒng)的的

23、設(shè)計過過程就是是對系統(tǒng)統(tǒng)各單元元模塊的的參數(shù)反反復(fù)進(jìn)行行預(yù)估選選擇、性性能評價價的過程程，以使使按最終終確定的的參數(shù)建建立起的的系統(tǒng)達(dá)達(dá)到預(yù)定定的技術(shù)術(shù)目標(biāo)。1、單元元模塊的的選擇與與優(yōu)化現(xiàn)代測試試系統(tǒng)的的基本組組成形式式如圖所所示S1為傳傳感器，S2為為調(diào)理電電路，S3為數(shù)數(shù)據(jù)采集集系統(tǒng)；W1與與W2分分別代表表傳感器器和放大大器的頻頻率特性性2、參數(shù)的的確定與與預(yù)估根據(jù)測試試系統(tǒng)的的技術(shù)指指標(biāo)要求求，確定定測試系系統(tǒng)各環(huán)環(huán)節(jié)的基基本參數(shù)數(shù)、動態(tài)態(tài)特性，預(yù)估系系統(tǒng)各環(huán)環(huán)節(jié)的誤誤差極限限。（1）基本參參數(shù)的確確定基本參數(shù)數(shù)的確定定主要根根據(jù)分辨辨力與量量程的要要求，確確定各硬硬件模塊塊或環(huán)節(jié)節(jié)

24、的靈敏敏度。對對于一般般測試系系統(tǒng)的基基本形式式，靈敏敏度的表表達(dá)式為為基本參數(shù)數(shù)的確定定方法：通常按系系統(tǒng)分辨辨力與量量程的要要求及工工作環(huán)境境條件，先確定定傳感器器類型及及其靈敏敏度S然后再進(jìn)進(jìn)行放大大器增益益S與A/D轉(zhuǎn)換器分分度值S的權(quán)衡。一般方法法是先根根據(jù)測試試范圍和和分辨力力確定A/D轉(zhuǎn)換器或或數(shù)據(jù)采采集卡的的位數(shù)。再根A/D轉(zhuǎn)換器或或數(shù)據(jù)采采集卡的的位數(shù)、輸入電電壓范圍圍和傳感感器的靈靈敏度S，確定放大大器的增增益S。當(dāng)測試范范圍較大大時可考考慮多量量程。這這樣可以以降低A/D轉(zhuǎn)換器或或數(shù)據(jù)采采集卡的的要求。（2）誤差極限限的預(yù)估估誤差極限限的預(yù)估估就是按按系統(tǒng)總總誤差的的限定

25、值值對組成成系統(tǒng)單單元模塊塊進(jìn)行誤誤差分配配。基本思路路是誤差差預(yù)分配配、綜合合調(diào)整、再分配配再綜合合，直至至選定單單元模塊塊的靜態(tài)態(tài)性能滿滿足系統(tǒng)統(tǒng)靜態(tài)性性能的要要求。二、測測試系系統(tǒng)集成成設(shè)計舉舉例題目：電電阻傳感感器稱重重測試系系統(tǒng)的設(shè)設(shè)計要求：測測量范圍圍：010t；分辨辨力：0.01t；測測量不確確定度：1.5%；工工作溫度度：050。1、系統(tǒng)統(tǒng)的基本本結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計計要求，系統(tǒng)的的基本結(jié)結(jié)構(gòu)如圖圖所示。2、稱重傳感感器的選選擇橋式稱重重傳感器器是利用用電阻應(yīng)應(yīng)變原理理構(gòu)成的的一種高高精度力力電轉(zhuǎn)換換元件，彈性體體采用橋橋式結(jié)構(gòu)構(gòu)。它由由4片電阻應(yīng)應(yīng)變計構(gòu)構(gòu)成惠斯斯登電橋橋，如圖圖所示

26、。當(dāng)傳感感器受到到外力作作用時，彈性體產(chǎn)產(chǎn)生形變變，電阻阻應(yīng)變計計阻值發(fā)發(fā)生變化化使橋橋路失去去平衡，在外界界供橋電電源作用用下，電電橋輸出出一下平平衡直流流電壓信信號，該該信號的的大小與與傳感器器所受外外力大小小成正比比，據(jù)此此可測定定外載荷荷的大小小。CZLYB-11型橋式稱稱重傳感感器的主主要技術(shù)術(shù)指標(biāo)如如表所示3、AD轉(zhuǎn)換器位位數(shù)n的確定從設(shè)計要要求中獲獲知，該該系統(tǒng)的的測量范范圍010t、分辨力力0.01t，所以系系統(tǒng)的最最大量化化值Dm為：Dm=滿量程值值/分辨率10/0.011000故至少選選擇10位A/D，本系統(tǒng)統(tǒng)選TCL1549。TCL1549是TI公司生產(chǎn)產(chǎn)的10位逐次逼逼

27、近模數(shù)數(shù)轉(zhuǎn)換器器，具有有自動采采樣保持持、串行行接口功功能，滿滿度輸入入電壓隨隨基準(zhǔn)電電壓VH而變化。這里VH=5v。4、放大器的的選擇或或設(shè)計稱重傳感感器輸出出信號的的特點是是“浮地地”，所所以放大大器必須須采用雙雙端輸入入差動放放大器。放大器的的增益可可根據(jù)稱稱重傳感感器輸出出靈敏度度、A/D轉(zhuǎn)換器的的最大輸輸入電壓壓確定。由表可知知，稱重重傳感器器輸出靈靈敏度為為2mvv，意指在在額定載載荷、橋橋路電壓壓為1V時，橋路路輸出為為2mv。本系統(tǒng)統(tǒng)選額定定載荷10t，橋路電電壓取12v，傳感器器輸出靈靈敏度S1為：AD轉(zhuǎn)換器的的滿度輸輸入電壓壓為5V，則量量化值Q為當(dāng)載荷為為W=0.01t時

28、，橋路路輸出電電壓為現(xiàn)選擇AD627測量放大大器作為為本系統(tǒng)統(tǒng)的放大大器環(huán)節(jié)節(jié)。AD627是美國ADI公司生產(chǎn)產(chǎn)的精密密儀器放放大器之之一。參參考電路路如圖所所示。其其增益G=5200/RG，改變RG可調(diào)整增增益。當(dāng)選擇RG=910+（0200），增益的的變比范范圍為185225，可滿足足設(shè)計要要求。此外，考考慮到A/D轉(zhuǎn)換器的的最大輸輸入電壓壓VH=5v，當(dāng)最大大載荷W=10t時，橋路路的輸出出電壓為為：于是，AD627的最大增增益AD627管腳示意意圖AD627的主要技技術(shù)參數(shù)數(shù)見下表表5、測量不確確定度的的預(yù)估（1）測量不不確定度度預(yù)估的的數(shù)學(xué)模模型當(dāng)被測重重物的重重量W對應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換器

29、的的量化值值為D，根據(jù)基基本結(jié)構(gòu)構(gòu)，可得得重量W與量化值值D的關(guān)系為為于是可得得數(shù)學(xué)模模型式中，S1、S2、S3分別別為傳感感器、放放大器、A/D轉(zhuǎn)換器的的靈敏度度（2）分項測量量不確定定度的預(yù)預(yù)估W的分項測測量不確確定度包包含4項，即測測量不確確定度U(S1)、U（S2）、U（S3）和U（D），下面面分別計計算。測量不確確定度u(S1)的計算由表可知知，影響響測量不不確定度度u(S1)的因素如如下。由靈敏度度變化0.004/2時，引引起的標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)不確確定度非線性引引起的標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)不確確定度重復(fù)性引引起的標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)不確確定度當(dāng)環(huán)境變變化50引起的標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)不確確定度橋路電壓壓變化引引起的標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)不確確定度S1測量不確確定度U(S1)為這里沒有有考慮”零點輸輸出”引引起的不不確定度度，是因因為零點點輸出是是恒定的的系統(tǒng)誤誤差，可可通過硬硬件或軟軟件消除除，如果果軟件中中有非線線性校正正功能，非線性性誤差引引起的測測量不確確定度也也可不考慮本本例不考考慮非線線性校正正。測量不確確定度U(S2)的計算。根據(jù)表， S2的測量量不確定定度分量量如下本例中，增益為為203