《傳感器及應(yīng)用（第三版）》 課件 模塊八　現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)

模塊八現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)597課題二總線式傳感器課題一智能傳感器科技發(fā)展的腳步越來(lái)越快，人類已經(jīng)置身于信息時(shí)代，而作為信息獲取最重要和最基本的技術(shù)———傳感器技術(shù)，也得到了極大的發(fā)展。傳感器信息獲取技術(shù)已經(jīng)從過(guò)去的單一化逐漸向集成化、微型化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，促進(jìn)現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)手段更快、更廣泛發(fā)展，測(cè)量技術(shù)將在網(wǎng)絡(luò)時(shí)代發(fā)生革命性變化。599課題一智能傳感器600學(xué)習(xí)目標(biāo)

了解智能傳感器的概念和組成。

熟悉智能傳感器的功能特點(diǎn)。

熟悉智能傳感器的適用場(chǎng)合。

了解智能傳感器在胎壓監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。601知識(shí)引入據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)表明，全球每年有26萬(wàn)起交通事故是由于輪胎故障引起的，而75%的輪胎故障是由輪胎氣壓不足或輪胎滲漏造成的爆胎，導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，多數(shù)新型汽車都要安裝輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)，圖所示為遠(yuǎn)程輪胎壓力監(jiān)測(cè)傳感器。汽車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)主要用于在汽車行駛過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輪胎氣壓，并對(duì)輪胎漏氣和低氣壓進(jìn)行報(bào)警，預(yù)防爆胎，保障行車安全。602603遠(yuǎn)程輪胎壓力監(jiān)測(cè)傳感器知識(shí)講解一、智能傳感器的基本知識(shí)智能傳感器是具備了某些人工智能的一種帶有微處理機(jī)的，兼有信息檢測(cè)、信息處理、信息記憶、邏輯思維與判斷功能的傳感器。它將機(jī)械系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)、電子產(chǎn)品和信息技術(shù)完美結(jié)合，使傳感器技術(shù)有了本質(zhì)性的提高。傳統(tǒng)的傳感器功能單一，體積大，功耗高，已不能滿足多種多樣控制系統(tǒng)的要求，先進(jìn)的智能傳感器技術(shù)由此得到廣泛應(yīng)用。智能傳感器必須具備通信功能，不具備通信功能的傳感器，就不能稱之為智能傳感器。604智能傳感器主要由四部分構(gòu)成：電源、敏感元件、信號(hào)處理單元和通信接口，其原理框圖如圖所示。敏感元件將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過(guò)微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理（校準(zhǔn)、補(bǔ)償、濾波），最后通過(guò)通信接口，與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行交換，完成測(cè)量與控制功能。605智能傳感器原理框圖美國(guó)通用公司的智能傳感器NPXⅡ代表了世界上最新一代的遠(yuǎn)程輪胎壓力監(jiān)測(cè)傳感器，其外形如圖所示。NPXⅡ智能傳感器集成了硅壓力傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器、電壓傳感器和低功耗8位微處理器，以及一個(gè)低頻觸發(fā)輸入級(jí)，以靈活滿足客戶的特殊需求并降低成本，其內(nèi)部各元件的功能詳見(jiàn)表。606NPXⅡ智能傳感器607NPXⅡ智能傳感器內(nèi)部元件功能分配表輪胎壓力監(jiān)測(cè)傳感器是安裝在汽車四個(gè)輪胎中的高靈敏智能傳感器，在汽車行駛狀態(tài)下實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)輪胎溫度和壓力，然后將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線數(shù)字信號(hào)發(fā)射到主機(jī)（接收器）進(jìn)行處理，并在主機(jī)液晶顯示屏上以數(shù)字加圖案的形式同時(shí)顯示出四個(gè)輪胎中的溫度和氣壓值，駕駛者可以直觀地了解各個(gè)輪胎的溫度和氣壓狀況。當(dāng)出現(xiàn)輪胎氣壓過(guò)低、過(guò)高或溫度過(guò)高等異常情況時(shí)，系統(tǒng)都能夠自動(dòng)報(bào)警，從而使駕駛員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，避免輪胎非正常損傷，有效預(yù)防爆胎，保障行車安全。608NPXⅡ智能傳感器體現(xiàn)了傳統(tǒng)壓力傳感器與微處理器數(shù)字電路的完美結(jié)合，具有適合輪胎監(jiān)測(cè)應(yīng)用的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。（1）帶加速度傳感器的智能傳感器：能夠輸出連續(xù)的加速度值，使用者可以靈活地選擇觸發(fā)閾值，即使用者可以任意設(shè)定啟動(dòng)監(jiān)測(cè)輪胎壓力系統(tǒng)的速度。（2）更加安全、智慧的氣壓檢測(cè)算法：當(dāng)汽車時(shí)速超過(guò)設(shè)定速度時(shí)，傳感器馬上發(fā)射輪胎信息。時(shí)速越高，檢測(cè)次數(shù)越多，高度智能，使行車更加安全。609（3）靜態(tài)智能監(jiān)測(cè)：當(dāng)車輛靜止時(shí)，如果輪胎充放氣或溫度發(fā)生變化，可觸發(fā)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行輪胎壓力監(jiān)測(cè)。（4）發(fā)射傳感器電池容量監(jiān)測(cè)：對(duì)發(fā)射傳感器電池容量直接進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如電池容量消耗到不能支持發(fā)射傳感器的正常工作，顯示器會(huì)有信息通知用戶更換電池，確保安全。（5）智能識(shí)別碼設(shè)置：用戶不再需要慢慢設(shè)置各個(gè)輪胎的發(fā)射傳感器的識(shí)別碼，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)接收并顯示各個(gè)發(fā)射傳感器的識(shí)別碼和狀態(tài)，用戶只需把相應(yīng)的發(fā)射傳感器設(shè)置對(duì)應(yīng)的輪胎位置即可。610在數(shù)據(jù)處理方面，智能傳感器一方面根據(jù)實(shí)際的需要對(duì)敏感元件的輸出進(jìn)行處理、變換、校準(zhǔn)和補(bǔ)償；另一方面，微處理器可存儲(chǔ)傳感器的物理特征，包括零點(diǎn)、靈敏度、校準(zhǔn)參數(shù)、補(bǔ)償參數(shù)以及傳感器廠家信息（維護(hù)信息）等。NPXⅡ智能傳感器中固化了壓力傳感器的測(cè)量、補(bǔ)償和校準(zhǔn)程序。611二、智能傳感器的功能特點(diǎn)智能傳感器與傳統(tǒng)的傳感器相比，最突出的特點(diǎn)是數(shù)字化、智能化、陣列化、微小型化和微系統(tǒng)化。它具有以下功能。（1）具有邏輯思維與判斷、信息處理功能，可對(duì)檢測(cè)數(shù)值進(jìn)行分析、修正和誤差補(bǔ)償，如非線性修正、溫度誤差補(bǔ)償、響應(yīng)時(shí)間調(diào)整等，提高了傳感器的測(cè)量準(zhǔn)確度。（2）具有自診斷、自校準(zhǔn)功能，如在接通電源時(shí)可以進(jìn)行自檢，溫度變化時(shí)可以進(jìn)行自校準(zhǔn)等，提高了傳感器的可靠性。612（3）可以實(shí)現(xiàn)多傳感器多參數(shù)復(fù)合測(cè)量，如能夠同時(shí)測(cè)量聲、光、電、熱、力、化學(xué)等多個(gè)物理和化學(xué)量，給出比較全面反映物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的信息，同時(shí)集成了測(cè)量介質(zhì)的溫度、流速、壓力和密度的復(fù)合傳感器等，擴(kuò)大了傳感器的檢測(cè)與使用范圍。（4）內(nèi)部設(shè)有存儲(chǔ)器，檢測(cè)數(shù)據(jù)可以存取，并可固化壓力、溫度和電池電壓的測(cè)量、補(bǔ)償和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，以得到最好的測(cè)量結(jié)果，使用方便。613（5）具有數(shù)字通信接口，能與計(jì)算機(jī)直接聯(lián)機(jī)，相互交換信息。利用雙向通信網(wǎng)絡(luò)，可設(shè)置智能傳感器的增益、補(bǔ)償參數(shù)、內(nèi)檢參數(shù)，并輸出測(cè)試數(shù)據(jù)。這是智能傳感器與傳統(tǒng)傳感器的關(guān)鍵區(qū)別之一。（6）最新開(kāi)發(fā)的智能傳感器還增加了傳感器故障檢測(cè)功能，能自動(dòng)檢測(cè)外部傳感器（也稱遠(yuǎn)程傳感器）的開(kāi)路或短路故障。（7）一些智能傳感器還增加了靜電保護(hù)電路，智能傳感器的串行接口端、中斷/比較器信號(hào)輸出端和地址輸入端一般可承受1000~4000V的靜電放電電壓。614三、智能傳感器的適用場(chǎng)合智能傳感器可應(yīng)用于各種領(lǐng)域、各種環(huán)境的自動(dòng)化測(cè)試和控制系統(tǒng)，使用方便、靈活，測(cè)試精度高，優(yōu)于任何傳統(tǒng)的數(shù)字化、自動(dòng)化測(cè)控設(shè)備，特別是在以下場(chǎng)合使用非常廣泛。（1）在分布式多點(diǎn)測(cè)試、集中控制采集、測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)離集中控制中心的場(chǎng)合。（2）在安裝現(xiàn)場(chǎng)受空間條件限制的場(chǎng)合，如大型電動(dòng)機(jī)繞線內(nèi)部、通風(fēng)道內(nèi)部、電子組合件內(nèi)部等場(chǎng)合。615（3）在自動(dòng)化程度高、規(guī)模大的自動(dòng)化生產(chǎn)線上，如工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制、發(fā)電廠、熱電廠、大型中央空調(diào)設(shè)備用戶端等場(chǎng)合。（4）在經(jīng)常無(wú)人看守，但需要檢測(cè)的場(chǎng)合，如農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖場(chǎng)、溫棚、溫室、干燥房、糧食倉(cāng)庫(kù)等場(chǎng)合。616課題二總線式傳感器617學(xué)習(xí)目標(biāo)

了解現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的基本知識(shí)。

了解現(xiàn)場(chǎng)總線的核心與基礎(chǔ)。

熟悉有線和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器的功能和應(yīng)用。

能根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合，正確選擇總線式傳感器。618知識(shí)引入現(xiàn)代汽車中所使用的電子控制系統(tǒng)和通信系統(tǒng)越來(lái)越多，如發(fā)動(dòng)機(jī)的電控系統(tǒng)、自動(dòng)變速器的控制系統(tǒng)、防抱死制動(dòng)系統(tǒng)、自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)和車載多媒體系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)之間、系統(tǒng)和汽車的顯示儀表之間、系統(tǒng)和汽車故障診斷系統(tǒng)之間均需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，如此巨大的數(shù)據(jù)交換量，如仍然采用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的方法，即用導(dǎo)線進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接的傳輸方式，其設(shè)備復(fù)雜度和工作量將是難以想象的。619據(jù)統(tǒng)計(jì)，如果采用普通數(shù)據(jù)傳輸方式，一個(gè)中級(jí)轎車就需要電纜插頭300個(gè)左右，接插件插針總數(shù)將是2000個(gè)左右，電纜總長(zhǎng)超過(guò)1.6km，不但裝配復(fù)雜、占用空間大，而且故障率會(huì)很高。因此，用串行數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)（即現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)）取而代之就成為必然的選擇。用串行數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，要用到各種總線式傳感器。620知識(shí)講解一、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)生產(chǎn)過(guò)程控制儀表是工業(yè)自動(dòng)化中最常用的、不可缺少的一部分，多數(shù)儀表輸出為DC4~20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。但是這種基于模擬信號(hào)的測(cè)量?jī)x表暴露出許多缺點(diǎn)，已不能滿足現(xiàn)場(chǎng)的需要。隨著微處理技術(shù)的迅速發(fā)展，在工業(yè)控制儀表和智能傳感器中大量采用微機(jī)技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在此背景下應(yīng)運(yùn)而生，即所有傳感器都掛在一條數(shù)據(jù)線上，如圖b所示，傳感器通過(guò)這條數(shù)據(jù)線與控制儀表進(jìn)行信息的傳輸、交流。621622傳統(tǒng)控制系統(tǒng)接線方式和現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)接線方式比較a）傳統(tǒng)的接線方式b）現(xiàn)場(chǎng)總線接線方式現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)是用于現(xiàn)場(chǎng)儀表與控制室主機(jī)系統(tǒng)之間的一種開(kāi)放的、全數(shù)字化、雙向、多站的通信系統(tǒng)。國(guó)際電工委員會(huì)IEC1158-2將現(xiàn)場(chǎng)總線定義為安裝在制造或生產(chǎn)過(guò)程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量裝置與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線?，F(xiàn)場(chǎng)總線包括三部分：數(shù)據(jù)傳輸線、地址傳輸線以及發(fā)送單元和接收單元之間的傳送控制線。測(cè)量數(shù)據(jù)按CPU的指令以一定的模式傳輸?shù)街付ǖ牡刂?，而傳輸模式是由軟件控制的?23現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)將專用的微處理器置入傳統(tǒng)的測(cè)量傳感器及儀表中，使它們各自具有數(shù)字計(jì)算和通信能力，利用普通的雙絞線作為總線，把多個(gè)測(cè)量控制儀表連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并按公開(kāi)、規(guī)范的通信協(xié)議，在位于現(xiàn)場(chǎng)的多個(gè)帶有微型計(jì)算機(jī)的測(cè)量控制設(shè)備之間以及現(xiàn)場(chǎng)儀表與遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換，形成各種自動(dòng)控制系統(tǒng)。簡(jiǎn)而言之，現(xiàn)場(chǎng)總線把單個(gè)分散的測(cè)量控制儀表變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，以現(xiàn)場(chǎng)總線為紐帶，將各測(cè)量控制儀表連接成可以相互溝通信息、共同完成自控任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。624使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)給用戶帶來(lái)了許多好處，具體如下。（1）節(jié)省了硬件成本。（2）設(shè)計(jì)組態(tài)安裝、調(diào)試簡(jiǎn)便。（3）系統(tǒng)的安全性和可靠性好。（4）減少了故障停機(jī)時(shí)間。（5）用戶對(duì)系統(tǒng)配置及設(shè)備選型有最大的自主權(quán)。（6）系統(tǒng)維護(hù)、設(shè)備更換和系統(tǒng)擴(kuò)充簡(jiǎn)單、方便。（7）完善了企業(yè)信息系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)企業(yè)綜合自動(dòng)化提供了基礎(chǔ)。625現(xiàn)場(chǎng)總線與控制系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x表聯(lián)用，組成現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，也叫作“通用現(xiàn)場(chǎng)通信系統(tǒng)”，它是一種生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中各測(cè)量設(shè)備之間的通信方式，如機(jī)器上的傳感器、執(zhí)行器等設(shè)備間的通信方式，以及傳感器與控制設(shè)備之間的通信方式等，信息傳輸?shù)姆秶堰h(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)的DC4~20mA信號(hào)的限制，具有高度的靈活性和適用性。626二、現(xiàn)場(chǎng)總線的核心與基礎(chǔ)1.現(xiàn)場(chǎng)總線的核心———總線協(xié)議總線協(xié)議技術(shù)是“信息時(shí)代”的高新技術(shù)，它可應(yīng)用于不同的領(lǐng)域，但在各自領(lǐng)域中是完全獨(dú)立的。例如，火力發(fā)電、核電、冶金、油田、石化、汽車制造、機(jī)械制造、樓宇，以及農(nóng)田企業(yè)化、節(jié)水灌溉、水電、風(fēng)力發(fā)電、釀造、輕工等，在不同的應(yīng)用領(lǐng)域可以用不同的總線協(xié)議，即不同的總線類型。在每個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中都有一種最為適用的總線協(xié)議。627對(duì)于各類總線而言，其核心是各類總線協(xié)議，而這些協(xié)議的本質(zhì)就是數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)。各種總線，不論應(yīng)用于什么領(lǐng)域，每種總線協(xié)議都有一套軟件、硬件的支撐，它們能夠形成獨(dú)立的系統(tǒng)，形成相應(yīng)的產(chǎn)品。由于現(xiàn)場(chǎng)總線是眾多儀表之間的接口，因此希望現(xiàn)場(chǎng)總線滿足可互操作性的要求。對(duì)于一個(gè)開(kāi)放的總線而言，具有一種總線協(xié)議，亦即各種測(cè)量?jī)x表具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)尤為重要。6282.現(xiàn)場(chǎng)總線的基礎(chǔ)———智能測(cè)量?jī)x表現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x表包括多類工業(yè)測(cè)量裝置，流量、壓力、溫度、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速等傳感器或變送器，射頻發(fā)射電路和電子開(kāi)關(guān)，以及控制閥和執(zhí)行器等。用于現(xiàn)場(chǎng)總線中的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量裝置，與以往的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x表有著本質(zhì)上的差別，它必須符合下列要求。（1）無(wú)論是哪個(gè)公司生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量裝置，它必須與其所處的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)具有統(tǒng)一的總線協(xié)議，或者是必須遵守相關(guān)的通信規(guī)約。（2）用于現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量裝置必須是多功能、智能化的。629三、網(wǎng)絡(luò)傳感器（有線）雖然總線式儀器、虛擬儀器等微機(jī)化儀器技術(shù)的應(yīng)用使組建集中式或分布式測(cè)控系統(tǒng)變得更為容易，但集中測(cè)控越來(lái)越滿足不了復(fù)雜的、遠(yuǎn)程（異地）的和范圍較大的測(cè)控任務(wù)的需求，因此，組建網(wǎng)絡(luò)化的測(cè)控系統(tǒng)非常有必要。利用現(xiàn)有Internet資源而不建立專門的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，組建測(cè)控網(wǎng)絡(luò)、企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)以及它們與Internet的互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)化。630網(wǎng)絡(luò)傳感器是包含數(shù)字傳感器、網(wǎng)絡(luò)接口和處理單元的新一代智能傳感器，如圖所示。631網(wǎng)絡(luò)傳感器使用網(wǎng)絡(luò)傳感器，人們可以從任何地點(diǎn)、在任意時(shí)間獲取到測(cè)量信息（或數(shù)據(jù)），與傳統(tǒng)的儀器、測(cè)量、測(cè)試相比，這又是一個(gè)質(zhì)的飛躍。在網(wǎng)絡(luò)化儀器環(huán)境下，被測(cè)對(duì)象可通過(guò)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的儀器設(shè)備，將測(cè)得數(shù)據(jù)（信息）通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸給異地的精密測(cè)量設(shè)備或高檔次的微機(jī)化儀器去分析、處理，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量信息的共享，掌握網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處信息的實(shí)時(shí)變化情況。另外也可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳至現(xiàn)場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò)傳感器。632目前，國(guó)外著名儀器廠商以及一些大的公司已在積極研制和開(kāi)發(fā)新型網(wǎng)絡(luò)化儀器。自動(dòng)抄表系統(tǒng)就是網(wǎng)絡(luò)傳感器的典型應(yīng)用，如圖所示。633自動(dòng)抄表系統(tǒng)自動(dòng)抄表系統(tǒng)用于水、電、氣不同行業(yè)的自動(dòng)抄表與收費(fèi)管理。在某種意義上，可以稱之為網(wǎng)絡(luò)化儀器。因?yàn)樽詣?dòng)抄表系統(tǒng)雖然沒(méi)有連接Internet，但它采用電話網(wǎng)方式，即管理中心與小區(qū)電話有線連接，經(jīng)公用電話網(wǎng)對(duì)異地用電、用氣等信息進(jìn)行測(cè)取和監(jiān)控，為管理部門提供各種信息。采用自動(dòng)抄表系統(tǒng)，可以提高抄表的準(zhǔn)確性，減少因估計(jì)或謄寫而可能出現(xiàn)的賬單錯(cuò)誤，供電、水、燃?xì)狻崮艿鹊墓芾聿块T能及時(shí)獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息，用戶也不再需要與抄表員預(yù)約上門抄表時(shí)間，還能迅速查詢賬單。采用網(wǎng)絡(luò)測(cè)量技術(shù)、使用網(wǎng)絡(luò)化儀器，能顯著提高測(cè)量功效，有效降低監(jiān)測(cè)、測(cè)控工作的人力和財(cái)力投入，縮短完成一些計(jì)量測(cè)試工作的周