傳感器與檢測(cè)技術(shù) 第十章 智能傳感技術(shù)

1、1,基本要求： 10-1了解智能傳感器體系結(jié)構(gòu)； 10-2掌握實(shí)現(xiàn)智能化功能常采用的技術(shù)； 10-3了解網(wǎng)絡(luò)傳感器特點(diǎn)及發(fā)展。 重點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)智能化功能常采用的技術(shù) 難點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)智能化功能常采用的技術(shù),2,10-1 智能傳感器的體系結(jié)構(gòu)與功能實(shí)現(xiàn) 一、智能傳感器的體系結(jié)構(gòu) (一)非集成化結(jié)構(gòu),圖10-2 非集成化智能傳感器框圖,3,(二)集成化結(jié)構(gòu) 這種智能傳感器系統(tǒng)是采用微機(jī)加工技術(shù)和大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)，利用硅作為基本材料制作敏感元件、信號(hào)調(diào)理電路、微處理器單元，并把它們集成在一塊芯片上而構(gòu)成，故又可稱為集成智能傳感器(integrated smart/intelligent sensor)。

2、,圖10-3 集成智能傳感器結(jié)構(gòu)示意圖,4,(三)混合實(shí)現(xiàn) 將系統(tǒng)各個(gè)集成化環(huán)節(jié)，如敏感單元、信號(hào)調(diào)理電路、微處理器單元、數(shù)字總線接口，以不同的組合方式集成在兩塊或三塊芯片上，并裝在一個(gè)外殼里。,圖10-4 智能傳感器的混合集成實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu),5,圖10-5 傳統(tǒng)儀器儀表中的硬件非線性校正原理,二、智能傳感器功能的實(shí)現(xiàn),6,圖10-6 智能儀器的非線性校正技術(shù),7,(二)自校零與自校準(zhǔn)技術(shù) 假設(shè)一傳感器系統(tǒng)經(jīng)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)得到的靜態(tài)輸出(Y)與輸入(X)特性如下： Y=a0+a1X (10-11) 式中 a0零位值，即當(dāng)輸入X=0時(shí)之輸出值； a1靈敏度，又稱傳感器系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換增益。,8,被校環(huán)節(jié)的增益a1

3、可根據(jù)(10-11)式得出 (10-13) 被測(cè)信號(hào)UX則為 (10-14) 可見(jiàn)，這種方法是實(shí)時(shí)測(cè)量零點(diǎn)，實(shí)時(shí)標(biāo)定靈敏度a1 。,圖10-11 檢測(cè)系統(tǒng)自校準(zhǔn)原理框圖,9,被測(cè)目標(biāo)參量X為 (10-16) 式中 YX被測(cè)目標(biāo)參量X為輸 入量時(shí)的輸出值； YR標(biāo)準(zhǔn)值XR為輸入量 時(shí)的輸出值； Y0零點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)值X0為輸入 量時(shí)的輸出值。,圖10-12 檢測(cè)系統(tǒng)自校準(zhǔn)原理框圖,10,(三)噪聲抑制技術(shù) 如果信號(hào)的頻譜和噪聲的頻譜不重合，則可用濾波器消除噪聲；當(dāng)信號(hào)和噪聲頻帶重合或噪聲的幅值比信號(hào)大時(shí)就需要采用其他的噪聲抑制方法，如相關(guān)技術(shù)、平均技術(shù)等來(lái)消除噪聲。,11,(四)自補(bǔ)償、自檢驗(yàn)及自診斷

4、智能傳感器系統(tǒng)通過(guò)自補(bǔ)償技術(shù)可以改善其動(dòng)態(tài)特性，但在不能進(jìn)行完善實(shí)時(shí)自校準(zhǔn)的情況下，可以采用補(bǔ)償法消除因工作條件、環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化后引起系統(tǒng)特性的漂移，如零點(diǎn)漂移、靈敏度漂移等。同時(shí)，智能傳感器系統(tǒng)能夠根據(jù)工作條件的變化，自動(dòng)選擇改換量程，定期進(jìn)行自檢驗(yàn)、自尋故障及自行診斷等多項(xiàng)措施保證系統(tǒng)可靠地工作。,12,1.自補(bǔ)償 溫度是傳感器系統(tǒng)最主要的干擾量。在典型的傳感器系統(tǒng)中主要采用結(jié)構(gòu)對(duì)稱來(lái)消除其影響；在智能傳感器的初級(jí)形式中主要采用以硬件電路實(shí)現(xiàn)的“拼湊”補(bǔ)償技術(shù)，但補(bǔ)償效果不能滿足實(shí)際測(cè)量的要求。在傳感器與微處理器/微計(jì)算機(jī)相結(jié)合的智能傳感器系統(tǒng)中，可采用監(jiān)測(cè)補(bǔ)償法，它是通過(guò)對(duì)干擾量的監(jiān)測(cè)

5、由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償?shù)?。如壓阻式傳感器的零點(diǎn)及靈敏度溫漂的補(bǔ)償。,13,(1)零位溫漂的補(bǔ)償 傳感器的零點(diǎn)，即輸入量為零時(shí)的輸出量U0隨溫度而漂移，傳感器類型不同，其零位溫漂特性也各異。只要該傳感器的溫漂特性(U0-T)具有重復(fù)性就可以補(bǔ)償。若傳感器的工作溫度為T(mén)，則應(yīng)在傳感器輸出值U中減掉T 時(shí)的零位值U0(T)。關(guān)鍵是要事先測(cè)出U0-T特性，存在內(nèi)存中，大多數(shù)傳感器的零位輸出U0與溫度關(guān)系特性呈非線性，如圖10-13所示。故由溫度T求取該溫度的零位值U0(T)，實(shí)際上是相同于非線性校正的線性化處理問(wèn)題。,圖10-13 零位溫漂特性,14,(2)靈敏度溫度漂移的補(bǔ)償 對(duì)于壓阻式壓力傳感器，當(dāng)輸入

6、壓力保持不變的情況下，其輸出值U(T)將隨溫度的升高而下降，如圖10-14所示。圖中溫度TT1，其輸出U(T)T1，若仍按工作溫度T時(shí)的輸入(P)輸出(U)特性進(jìn)行刻度轉(zhuǎn)換求取被測(cè)輸入量壓力的數(shù)值是P，而真正的被測(cè)輸入量是P，將會(huì)產(chǎn)生很大的測(cè)量誤差，其原因就是輸入量P為常量時(shí)，傳感器的工作溫度T升高，TT1傳感器的輸出由U(T1)降至U(T)，即工作點(diǎn)由B點(diǎn)降至A點(diǎn)，輸出電壓減少量U為 U=U(T1)-U(T) 故 U(T1)=U(T)+U (10-29),15,由(10-29)式可見(jiàn)，當(dāng)在工作溫度T時(shí)測(cè)得的傳感器輸出量U(T)，給U(T)加一個(gè)補(bǔ)償電壓U后，再按U(T1)-P反非線性特性進(jìn)行

7、刻度變換求取輸入量壓力值即為P。因而問(wèn)題歸結(jié)為如何在各種不同的工作溫度T，獲得所需要的補(bǔ)償電壓U。,圖10-14 壓阻式壓力傳感器 的靈敏度溫度漂移,16,2.自檢驗(yàn) 自檢驗(yàn)是智能傳感器自動(dòng)開(kāi)始或人為觸發(fā)開(kāi)始執(zhí)行的自我檢驗(yàn)過(guò)程。它能對(duì)系統(tǒng)出現(xiàn)的軟硬件故障進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，并給出相應(yīng)指示，從而大大地提高了系統(tǒng)的可靠性。 自檢驗(yàn)通常有三種方式。 (1)開(kāi)機(jī)自檢 每當(dāng)電源接通或總清復(fù)位之后，都要進(jìn)行一次開(kāi)機(jī)自檢，在以后的測(cè)控工作中不再進(jìn)行。這種自檢一般用于檢查顯示裝置、ROM、RAM和總線，有時(shí)也用于對(duì)插件進(jìn)行檢查。,17,(2)周期性自檢 若僅在開(kāi)機(jī)時(shí)進(jìn)行一次性的自檢，而自檢項(xiàng)目又不能包括系統(tǒng)的所有關(guān)

8、鍵部位，那就難以保證運(yùn)行過(guò)程中智能傳感器始終處于最優(yōu)工作狀態(tài)。因此，大部分智能傳感器都在運(yùn)行過(guò)程中周期性地插入自檢操作，稱作周期性自檢。在這種自檢中，若自檢項(xiàng)目較多，一般應(yīng)把檢查程序編號(hào)，并設(shè)置標(biāo)志和建立自檢程序指針表，以此尋找子程序入口。周期性自檢完全是自動(dòng)的，在測(cè)控的間歇期間進(jìn)行，不干擾傳感器的正常工作。除非檢查到故障，周期性自檢并不為操作者所覺(jué)察。,18,(3)鍵控自檢 鍵控自檢是需要人工干預(yù)的檢測(cè)手段。對(duì)那些不能在正常運(yùn)行操作中進(jìn)行的自檢項(xiàng)目，可通過(guò)操作面板上的“自檢按鍵”，由操作人員干預(yù)，啟動(dòng)自檢程序。例如，對(duì)智能傳感器插件板上接口電路工作正常與否的自檢，往往通過(guò)附加一些輔助電路，并

9、采用鍵控方式進(jìn)行。該種自檢方式簡(jiǎn)單方便，人們不難在測(cè)控過(guò)程中找到一個(gè)適當(dāng)?shù)臋C(jī)會(huì)執(zhí)行自檢操作，且不干擾系統(tǒng)的正常工作。 智能傳感器內(nèi)部的微處理器，具有強(qiáng)大的邏輯判斷能力和運(yùn)行功能，通過(guò)技術(shù)人員靈活的編程，可以方便地實(shí)現(xiàn)各種自檢項(xiàng)目。,19,3.自診斷 傳感器故障診斷的早期主要采用硬件冗余的方法(hardware redundancy)。硬件冗余方法是對(duì)容易失效的傳感器設(shè)置一定的備份，然后通過(guò)表決器方法進(jìn)行管理。硬件冗余方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要被測(cè)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，而且魯棒性非常強(qiáng)。其缺點(diǎn)是設(shè)備復(fù)雜，體積和重量都很大，而且成本較高。,20,圖10-15 傳感器故障診斷的解析冗余方法原理圖,21,解析冗余方

10、法的大致步驟如下。 模型設(shè)計(jì)。根據(jù)被控對(duì)象的特征、傳感器的類型、故障類型以及系統(tǒng)的要求等等，建立相應(yīng)的被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。 設(shè)計(jì)與傳感器故障相關(guān)的殘差。在相同的控制量作用下，傳感器輸出信號(hào)和由模型所得值之差，稱為殘差。在沒(méi)有傳感器故障時(shí)，殘差為零。當(dāng)傳感器有故障時(shí)，殘差不再為零，即殘差中包含了傳感器故障信號(hào)。 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)和邏輯分析。用統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)和邏輯分析方法可以診斷某些類型的傳感器故障。,22,一、網(wǎng)絡(luò)傳感器及其特點(diǎn) 網(wǎng)絡(luò)傳感器是指在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)就實(shí)現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議(這里，TCP/IP協(xié)議是一個(gè)相對(duì)廣泛的概念，還包括UDP、HTTP、SMTP、POP3等協(xié)議)的傳感器，這種傳感器使得現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控?cái)?shù)據(jù)

11、能就近登臨網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)所能及的范圍內(nèi)實(shí)時(shí)發(fā)布和共享。,10-3 網(wǎng)絡(luò)傳感器,23,網(wǎng)絡(luò)傳感器就是采用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，同時(shí)采用模塊化結(jié)構(gòu)將傳感器和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起的智能傳感器。它是測(cè)控網(wǎng)中的一個(gè)獨(dú)立節(jié)點(diǎn)，其敏感元件輸出的模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理后，能由網(wǎng)絡(luò)處理裝置根據(jù)程序的設(shè)定和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議封裝成數(shù)據(jù)幀，并加上目的地址，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)上。反之，網(wǎng)絡(luò)處理器又能接收網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)傳給自己的數(shù)據(jù)和命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)本節(jié)點(diǎn)的操作。網(wǎng)絡(luò)傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖10-46所示。,圖10-46 網(wǎng)絡(luò)傳感器的基本結(jié)構(gòu),24,網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器是以嵌入式微處理器為核心，集成了傳感單元、信號(hào)處理單元和網(wǎng)絡(luò)接口

12、單元的新一代傳感器。與其他類型傳感器相比，該傳感器有如下特點(diǎn)。 嵌入式技術(shù)和集成電路技術(shù)的引入，使傳感器的功耗降低、體積小、抗干擾性和可靠性提高，更能滿足工程應(yīng)用的需要。,25,處理器的引入使傳感器成為硬件和軟件的結(jié)合體，能根據(jù)輸入信號(hào)值進(jìn)行一定程度的判斷和制定決策，實(shí)現(xiàn)自校正和自保護(hù)功能。非線性補(bǔ)償、零點(diǎn)漂移和溫度補(bǔ)償?shù)溶浖夹g(shù)的應(yīng)用，則使傳感器具有很高的線性度和測(cè)量精度。同時(shí)，大量信息由傳感器進(jìn)行處理還減少了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與主控站之間的信息傳輸量，使系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性提高。,26,網(wǎng)絡(luò)接口技術(shù)的應(yīng)用使傳感器能方便地接入網(wǎng)絡(luò)，為系統(tǒng)的擴(kuò)充和維護(hù)提供了極大的方便。同時(shí)，傳感器可就近接入網(wǎng)絡(luò)，改變了

13、傳統(tǒng)傳感器與特定測(cè)控設(shè)備間的點(diǎn)到點(diǎn)聯(lián)接方式，從而顯著減少了現(xiàn)場(chǎng)布線的復(fù)雜程度。,27,二、網(wǎng)絡(luò)傳感器發(fā)展概況 將傳感器與網(wǎng)絡(luò)緊密結(jié)合在一起成為網(wǎng)絡(luò)傳感器，是解決工業(yè)控制領(lǐng)域布線復(fù)雜和抗干擾性差問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)代化的必然選擇，也是實(shí)現(xiàn)社會(huì)現(xiàn)代化如家庭管理智能化，城市管理智能化，電網(wǎng)、公路、鐵路管理智能化等的必然選擇。,28,20世紀(jì)80年代末到90年代初，現(xiàn)場(chǎng)總線是連接智能化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和控制室之間全數(shù)字式、開(kāi)放的、雙向的局部通信網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場(chǎng)總線的不斷發(fā)展和基于現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議的智能傳感器的廣泛應(yīng)用，使智能傳感器通信技術(shù)進(jìn)入局域網(wǎng)階段。,圖10-47 基于HART協(xié)議的智能 溫度傳感器結(jié)構(gòu),29,隨著

14、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展，涌現(xiàn)出很多種現(xiàn)場(chǎng)總線，比較有影響的有Dupline、Lonworks、Profibus、HART、CAN和FF等，它們各有特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，在不同領(lǐng)域有不同的應(yīng)用價(jià)值。,30,(二)網(wǎng)絡(luò)傳感器通用接口標(biāo)準(zhǔn) IEEE1451.1標(biāo)準(zhǔn)采用通用的A/D或D/A轉(zhuǎn)換裝置作為傳感器的I/O接口，將所用傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定格式的數(shù)據(jù)，連同存儲(chǔ)器傳感器電子數(shù)據(jù)表(TEDS)與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的處理器目標(biāo)模型網(wǎng)絡(luò)適配器(NCAP)連接，使數(shù)據(jù)可按網(wǎng)絡(luò)規(guī)定的協(xié)議登臨網(wǎng)絡(luò)。這是一個(gè)開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)，它的目的不是開(kāi)發(fā)另一種控制網(wǎng)絡(luò)，而是在控制網(wǎng)絡(luò)與傳感器之間定義一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，使傳感器選擇與控制網(wǎng)絡(luò)的選擇分

15、開(kāi)，從而使用戶選擇需要的傳感器而不受限制，實(shí)現(xiàn)真正意義上的即插即用。,31,圖10-48 基于IEEE1451.2的 網(wǎng)絡(luò)傳感器結(jié)構(gòu),32,其中STIM由符合標(biāo)準(zhǔn)的變送器自身帶有內(nèi)部信息包括制造商、數(shù)據(jù)代碼、序列號(hào)、使用的極限、未定量及校準(zhǔn)系數(shù)等組成。當(dāng)電源接通時(shí)，這些數(shù)據(jù)可提供給NCAP及系統(tǒng)其他部分。當(dāng)NCAP讀入一個(gè)STIM中TEDS數(shù)據(jù)時(shí)，NCAP可知道這個(gè)STIM的通信速度、通道數(shù)及每個(gè)通道上變送器的數(shù)據(jù)格式，并知道所測(cè)物理量的單位及怎樣將所得到的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位。,33,變送器的電子數(shù)據(jù)表TEDS是IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)的核心，用于詳細(xì)描述它所支持的傳感器和執(zhí)行器的類型

16、、操作及屬性。TEDS分為可尋址的8個(gè)單元，其中只有Meta TEDS與Channel TEDS是必備的，其他的可選，但主要是為將來(lái)擴(kuò)展用。Meta TEDS主要描述TEDS自身的信息與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以及它支持的通道數(shù)和通道極限時(shí)間參數(shù)等。Channel TEDS主要描述通道的物理單位、對(duì)象范圍的上下限、函數(shù)模型、校準(zhǔn)模型及定時(shí)信息。 目前設(shè)計(jì)基于IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)傳感器已十分方便，特別是STIM和NCAP模塊，硬件可用專用的集成芯片如EDI1520等，軟件模型可用IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)的STIM軟件模塊如STIM模塊、TH模塊和TEDS模塊等。,34,(三)網(wǎng)絡(luò)傳感器的發(fā)展形式 1

17、.從有線形式到無(wú)線形式 在一些特殊測(cè)控環(huán)境下使用有線形式傳輸傳感器信息是不方便的。為此，可將IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)與藍(lán)牙技術(shù)結(jié)合起來(lái)設(shè)計(jì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)化傳感器，以解決有線系統(tǒng)的局限性。,35,藍(lán)牙技術(shù)是指Ericsson、IBM、Intel、Nokia和Toshiba等公司于1998年5月聯(lián)合推出的一種低功率短距離的無(wú)線連接標(biāo)準(zhǔn)。它是實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音和數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)拈_(kāi)放性規(guī)范，其實(shí)質(zhì)是建立通用的無(wú)線空中接口及其控制軟件的公開(kāi)標(biāo)準(zhǔn)，使不同廠家生產(chǎn)的設(shè)備在沒(méi)有電線或電纜相互連接的情況下，能近距離(10 cm100 m)范圍內(nèi)具有互用、互操作的性能。藍(lán)牙技術(shù)具有工作頻段全球通用、使用方便、安全加密、抗干擾能力強(qiáng)、兼容性好、尺寸小、功耗低及多路多方向鏈接等優(yōu)點(diǎn)?；贗EEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)的藍(lán)牙協(xié)議的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器結(jié)構(gòu)框圖如圖10-49所示。,3