傳感器與檢測技術 第十章 智能傳感技術

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

2、,圖10-3 集成智能傳感器結構示意圖,4,(三)混合實現(xiàn) 將系統(tǒng)各個集成化環(huán)節(jié)，如敏感單元、信號調理電路、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，并裝在一個外殼里。,圖10-4 智能傳感器的混合集成實現(xiàn)結構,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現(xiàn),6,圖10-6 智能儀器的非線性校正技術,7,(二)自校零與自校準技術 假設一傳感器系統(tǒng)經標定實驗得到的靜態(tài)輸出(y)與輸入(x)特性如下： y=a0+a1x (10-11) 式中 a0零位值，即當輸入x=0時之輸出值； a1靈敏度，又稱傳感器系統(tǒng)的轉換增益。,8,被校環(huán)節(jié)的增益a1

3、可根據(10-11)式得出 (10-13) 被測信號ux則為 (10-14) 可見，這種方法是實時測量零點，實時標定靈敏度a1 。,圖10-11 檢測系統(tǒng)自校準原理框圖,9,被測目標參量x為 (10-16) 式中 yx被測目標參量x為輸 入量時的輸出值； yr標準值xr為輸入量 時的輸出值； y0零點標準值x0為輸入 量時的輸出值。,圖10-12 檢測系統(tǒng)自校準原理框圖,10,(三)噪聲抑制技術 如果信號的頻譜和噪聲的頻譜不重合，則可用濾波器消除噪聲；當信號和噪聲頻帶重合或噪聲的幅值比信號大時就需要采用其他的噪聲抑制方法，如相關技術、平均技術等來消除噪聲。,11,(四)自補償、自檢驗及自診斷

4、智能傳感器系統(tǒng)通過自補償技術可以改善其動態(tài)特性，但在不能進行完善實時自校準的情況下，可以采用補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，如零點漂移、靈敏度漂移等。同時，智能傳感器系統(tǒng)能夠根據工作條件的變化，自動選擇改換量程，定期進行自檢驗、自尋故障及自行診斷等多項措施保證系統(tǒng)可靠地工作。,12,1.自補償 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)中主要采用結構對稱來消除其影響；在智能傳感器的初級形式中主要采用以硬件電路實現(xiàn)的“拼湊”補償技術，但補償效果不能滿足實際測量的要求。在傳感器與微處理器/微計算機相結合的智能傳感器系統(tǒng)中，可采用監(jiān)測補償法，它是通過對干擾量的監(jiān)測

5、由軟件來實現(xiàn)補償?shù)?。如壓阻式傳感器的零點及靈敏度溫漂的補償。,13,(1)零位溫漂的補償 傳感器的零點，即輸入量為零時的輸出量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)具有重復性就可以補償。若傳感器的工作溫度為t，則應在傳感器輸出值u中減掉t 時的零位值u0(t)。關鍵是要事先測出u0-t特性，存在內存中，大多數(shù)傳感器的零位輸出u0與溫度關系特性呈非線性，如圖10-13所示。故由溫度t求取該溫度的零位值u0(t)，實際上是相同于非線性校正的線性化處理問題。,圖10-13 零位溫漂特性,14,(2)靈敏度溫度漂移的補償 對于壓阻式壓力傳感器，當輸入

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時的輸入(p)輸出(u)特性進行刻度轉換求取被測輸入量壓力的數(shù)值是p，而真正的被測輸入量是p，將會產生很大的測量誤差，其原因就是輸入量p為常量時，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)，即工作點由b點降至a點，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，當在工作溫度t時測得的傳感器輸出量u(t)，給u(t)加一個補償電壓u后，再按u(t1)-p反非線性特性進行

7、刻度變換求取輸入量壓力值即為p。因而問題歸結為如何在各種不同的工作溫度t，獲得所需要的補償電壓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 自檢驗是智能傳感器自動開始或人為觸發(fā)開始執(zhí)行的自我檢驗過程。它能對系統(tǒng)出現(xiàn)的軟硬件故障進行自動檢測，并給出相應指示，從而大大地提高了系統(tǒng)的可靠性。 自檢驗通常有三種方式。 (1)開機自檢 每當電源接通或總清復位之后，都要進行一次開機自檢，在以后的測控工作中不再進行。這種自檢一般用于檢查顯示裝置、rom、ram和總線，有時也用于對插件進行檢查。,17,(2)周期性自檢 若僅在開機時進行一次性的自檢，而自檢項目又不能包括系統(tǒng)的所有關

8、鍵部位，那就難以保證運行過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行過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，若自檢項目較多，一般應把檢查程序編號，并設置標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的，在測控的間歇期間進行，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察。,18,(3)鍵控自檢 鍵控自檢是需要人工干預的檢測手段。對那些不能在正常運行操作中進行的自檢項目，可通過操作面板上的“自檢按鍵”，由操作人員干預，啟動自檢程序。例如，對智能傳感器插件板上接口電路工作正常與否的自檢，往往通過附加一些輔助電路，并

9、采用鍵控方式進行。該種自檢方式簡單方便，人們不難在測控過程中找到一個適當?shù)臋C會執(zhí)行自檢操作，且不干擾系統(tǒng)的正常工作。 智能傳感器內部的微處理器，具有強大的邏輯判斷能力和運行功能，通過技術人員靈活的編程，可以方便地實現(xiàn)各種自檢項目。,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)。硬件冗余方法是對容易失效的傳感器設置一定的備份，然后通過表決器方法進行管理。硬件冗余方法的優(yōu)點是不需要被測對象的數(shù)學模型，而且魯棒性非常強。其缺點是設備復雜，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。 模型設計。根據被控對象的特征、傳感器的類型、故障類型以及系統(tǒng)的要求等等，建立相應的被控對象的數(shù)學模型。 設計與傳感器故障相關的殘差。在相同的控制量作用下，傳感器輸出信號和由模型所得值之差，稱為殘差。在沒有傳感器故障時，殘差為零。當傳感器有故障時，殘差不再為零，即殘差中包含了傳感器故障信號。 進行統(tǒng)計檢驗和邏輯分析。用統(tǒng)計檢驗和邏輯分析方法可以診斷某些類型的傳感器故障。,22,一、網絡傳感器及其特點 網絡傳感器是指在現(xiàn)場級就實現(xiàn)了tcp/ip協(xié)議(這里，tcp/ip協(xié)議是一個相對廣泛的概念，還包括udp、http、smtp、pop3等協(xié)議)的傳感器，這種傳感器使得現(xiàn)場測控數(shù)據

11、能就近登臨網絡，在網絡所能及的范圍內實時發(fā)布和共享。,10-3 網絡傳感器,23,網絡傳感器就是采用標準的網絡協(xié)議，同時采用模塊化結構將傳感器和網絡技術有機地結合在一起的智能傳感器。它是測控網中的一個獨立節(jié)點，其敏感元件輸出的模擬信號經a/d轉換及數(shù)據處理后，能由網絡處理裝置根據程序的設定和網絡協(xié)議封裝成數(shù)據幀，并加上目的地址，通過網絡接口傳輸?shù)骄W絡上。反之，網絡處理器又能接收網絡上其他節(jié)點傳給自己的數(shù)據和命令，實現(xiàn)對本節(jié)點的操作。網絡傳感器的基本結構如圖10-46所示。,圖10-46 網絡傳感器的基本結構,24,網絡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、信號處理單元和網絡接口

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。 嵌入式技術和集成電路技術的引入，使傳感器的功耗降低、體積小、抗干擾性和可靠性提高，更能滿足工程應用的需要。,25,處理器的引入使傳感器成為硬件和軟件的結合體，能根據輸入信號值進行一定程度的判斷和制定決策，實現(xiàn)自校正和自保護功能。非線性補償、零點漂移和溫度補償?shù)溶浖夹g的應用，則使傳感器具有很高的線性度和測量精度。同時，大量信息由傳感器進行處理還減少了現(xiàn)場設備與主控站之間的信息傳輸量，使系統(tǒng)的可靠性和實時性提高。,26,網絡接口技術的應用使傳感器能方便地接入網絡，為系統(tǒng)的擴充和維護提供了極大的方便。同時，傳感器可就近接入網絡，改變了

13、傳統(tǒng)傳感器與特定測控設備間的點到點聯(lián)接方式，從而顯著減少了現(xiàn)場布線的復雜程度。,27,二、網絡傳感器發(fā)展概況 將傳感器與網絡緊密結合在一起成為網絡傳感器，是解決工業(yè)控制領域布線復雜和抗干擾性差問題，實現(xiàn)生產現(xiàn)代化的必然選擇，也是實現(xiàn)社會現(xiàn)代化如家庭管理智能化，城市管理智能化，電網、公路、鐵路管理智能化等的必然選擇。,28,20世紀80年代末到90年代初，現(xiàn)場總線是連接智能化現(xiàn)場設備和控制室之間全數(shù)字式、開放的、雙向的局部通信網絡?，F(xiàn)場總線的不斷發(fā)展和基于現(xiàn)場總線通信協(xié)議的智能傳感器的廣泛應用，使智能傳感器通信技術進入局域網階段。,圖10-47 基于hart協(xié)議的智能 溫度傳感器結構,29,隨著

14、現(xiàn)場總線技術的發(fā)展，涌現(xiàn)出很多種現(xiàn)場總線，比較有影響的有dupline、lonworks、profibus、hart、can和ff等，它們各有特點和優(yōu)勢，在不同領域有不同的應用價值。,30,(二)網絡傳感器通用接口標準 ieee1451.1標準采用通用的a/d或d/a轉換裝置作為傳感器的i/o接口，將所用傳感器的模擬信號轉換成標準規(guī)定格式的數(shù)據，連同存儲器傳感器電子數(shù)據表(teds)與標準規(guī)定的處理器目標模型網絡適配器(ncap)連接，使數(shù)據可按網絡規(guī)定的協(xié)議登臨網絡。這是一個開放的標準，它的目的不是開發(fā)另一種控制網絡，而是在控制網絡與傳感器之間定義一個標準接口，使傳感器選擇與控制網絡的選擇分

15、開，從而使用戶選擇需要的傳感器而不受限制，實現(xiàn)真正意義上的即插即用。,31,圖10-48 基于ieee1451.2的 網絡傳感器結構,32,其中stim由符合標準的變送器自身帶有內部信息包括制造商、數(shù)據代碼、序列號、使用的極限、未定量及校準系數(shù)等組成。當電源接通時，這些數(shù)據可提供給ncap及系統(tǒng)其他部分。當ncap讀入一個stim中teds數(shù)據時，ncap可知道這個stim的通信速度、通道數(shù)及每個通道上變送器的數(shù)據格式，并知道所測物理量的單位及怎樣將所得到的原始數(shù)據轉換為國際標準單位。,33,變送器的電子數(shù)據表teds是ieee1451.2標準的核心，用于詳細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，但主要是為將來擴展用。meta teds主要描述teds自身的信息與數(shù)據結構，以及它支持的通道數(shù)和通道極限時間參數(shù)等。channel teds主要描述通道的物理單位、對象范圍的上下限、函數(shù)模型、校準模型及定時信息。 目前設計基于ieee1451.2標準的網絡傳感器已十分方便，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標準的stim軟件模塊如stim模塊、th模塊和teds模塊等。,34,(三)網絡傳感器的發(fā)展形式 1

17、.從有線形式到無線形式 在一些特殊測控環(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標準與藍牙技術結合起來設計無線網絡化傳感器，以解決有線系統(tǒng)的局限性。,35,藍牙技術是指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線連接標準。它是實現(xiàn)語音和數(shù)據無線傳輸?shù)拈_放性規(guī)范，其實質是建立通用的無線空中接口及其控制軟件的公開標準，使不同廠家生產的設備在沒有電線或電纜相互連接的情況下，能近距離(10 cm100 m)范圍內具有互用、互操作的性能。藍牙技術具有工作頻段全球通用、使用方便、安全加密、抗干擾能力強、兼容性好、尺寸小、功耗低及多路多方向鏈接等優(yōu)點。基于ieee1451.2標準的藍牙協(xié)議的無線網絡傳感器結構框圖如圖10-49所示。,3