传感器与测试技术-第八章.pptx

传感器与测试技术传感器与测试技术第第8章章 智能传感器与传感器网络智能传感器与传感器网络8.1智能传感器智能传感器8.2传感器网络传感器网络8.1 智能传感器智能传感器8.1.1 智能传感器的组成智能传感器的组成 智能传感器由智能传感器由硬件和软件硬件和软件两大部分组成，硬件部分主要由传感器、信号两大部分组成，硬件部分主要由传感器、信号调理电路、微处理器（或微计算机）等构成，其结构框图如图所示。调理电路、微处理器（或微计算机）等构成，其结构框图如图所示。软件在智能传感器中起着举足轻重的作用，可通过各种软件对信息检测软件在智能传感器中起着举足轻重的作用，可通过各种软件对信息检测过程进行管理和调节，使之工作在最佳状态，并可对传感器传送的数据进行过程进行管理和调节，使之工作在最佳状态，并可对传感器传送的数据进行各种处理，从而增强传感器的功能，提高传感器的性价比。另外，利用软件各种处理，从而增强传感器的功能，提高传感器的性价比。另外，利用软件可实现硬件难以完成的任务，由此来降低传感器的制造难度，提高性能，降可实现硬件难以完成的任务，由此来降低传感器的制造难度，提高性能，降低成本。低成本。智能传感器智能传感器模块式模块式混合式混合式集成式集成式 模块式智能传感器模块式智能传感器由许多互相独立的模块组成，如将传感器、微处理由许多互相独立的模块组成，如将传感器、微处理器、信号调理电路、数据处理电路、显示电路等多个模块组装在同一壳体器、信号调理电路、数据处理电路、显示电路等多个模块组装在同一壳体内，集成度较低，体积较大，但在目前的技术水平下，仍是一种实用的结内，集成度较低，体积较大，但在目前的技术水平下，仍是一种实用的结构形式构形式。混合式智能传感器混合式智能传感器是将传感器、微处理器和信号调理电路等集成在不是将传感器、微处理器和信号调理电路等集成在不同芯片上再组装在一起，是目前应用较多的结构形式同芯片上再组装在一起，是目前应用较多的结构形式。集成式智能传感器集成式智能传感器是将多个敏感元件、微处理器和信号调理电路等是将多个敏感元件、微处理器和信号调理电路等都集成在同一个芯片上，集成度高，体积小，但目前的技术水平还很难都集成在同一个芯片上，集成度高，体积小，但目前的技术水平还很难实现。实现。初级阶段初级阶段内部集成有温内部集成有温度补偿及校正度补偿及校正电路、线性补电路、线性补偿电路和信号偿电路和信号调理电路。调理电路。中级阶段中级阶段微处理器也组微处理器也组装在传感器内，装在传感器内，具有自诊断、具有自诊断、自校正、数据自校正、数据通信接口等功通信接口等功能。能。高级阶段高级阶段具有多维检测、具有多维检测、图像识别、分图像识别、分析记忆、模式析记忆、模式识别、自学习识别、自学习甚至思维能力甚至思维能力等功能。等功能。智能传感器的发展大致分为三个阶段智能传感器的发展大致分为三个阶段：8.1.2 智能传感器的功能智能传感器的功能与传统传感器相比，智能化传感器具有以下功能：与传统传感器相比，智能化传感器具有以下功能：（1）逻辑判断、信息处理功能逻辑判断、信息处理功能（2）自校准、自诊断功能自校准、自诊断功能（3）自适应、自调整功能自适应、自调整功能（4）组态功能组态功能（5）记忆、存储功能记忆、存储功能（6）数据通信功能数据通信功能8.1.3 智能传感器的硬件结构智能传感器的硬件结构 智能传感器的硬件主要由基本传感器、信号调理电路和微处理器等构成。智能传感器的硬件主要由基本传感器、信号调理电路和微处理器等构成。下下图所示为图所示为DTP型智能压力传感器的结构框图型智能压力传感器的结构框图。1基本传感器基本传感器（1）传感器的主要技术要求）传感器的主要技术要求 具有将被测量转换为后续电路可用信号的功能。具有将被测量转换为后续电路可用信号的功能。转换范围与被测量实际变化范围一致转换范围与被测量实际变化范围一致 满足被测介质和使用环境的特殊要求满足被测介质和使用环境的特殊要求 满足用户对可靠性和可维护性的要求。满足用户对可靠性和可维护性的要求。（2）可供选用的传感器类型）可供选用的传感器类型 大信号输出传感器大信号输出传感器 数字式传感器数字式传感器 集成传感器集成传感器 光纤传感器光纤传感器 模拟信号调理电路主要由放大器、滤波器、温度补偿及自动校准电路模拟信号调理电路主要由放大器、滤波器、温度补偿及自动校准电路等部分组成。等部分组成。模拟式传感器对传感器输出的信号必须进行放大、温度补偿和非线性模拟式传感器对传感器输出的信号必须进行放大、温度补偿和非线性校正等处理校正等处理。智能传感器智能传感器的的技术指标如下：技术指标如下：非线性度非线性度 温漂温漂 建立时间和恢复时间建立时间和恢复时间 电源引起的失调电源引起的失调2模拟信号调理电路模拟信号调理电路智能传感器中常用的放大器有仪用放大器、程控增益放大器及隔离放大器智能传感器中常用的放大器有仪用放大器、程控增益放大器及隔离放大器。（1）仪用放大器）仪用放大器 仪用放大器常采用三运放对称结构，是具有较高的输入阻抗和共模抑仪用放大器常采用三运放对称结构，是具有较高的输入阻抗和共模抑制比的单片集成放大器，只需外接一个电阻即可设定增益，如美国制比的单片集成放大器，只需外接一个电阻即可设定增益，如美国BB（Burr Brown）公司生产的）公司生产的INA114，其内部电路如图所示。其内部电路如图所示。为了在整个测量范围内使为了在整个测量范围内使A/D转换器获取合适的分辨率，常采用程控转换器获取合适的分辨率，常采用程控增益放大器。常见的程控增益放大器有美国增益放大器。常见的程控增益放大器有美国BB公司生产的公司生产的PGA202/203，其内部结构和基本接法如图所示。其内部结构和基本接法如图所示。（2）程控增益放大器）程控增益放大器（3）隔离放大器）隔离放大器 隔离放大器由输入放大器、输出放大器、隔离器以及隔离电源等组成，隔离放大器由输入放大器、输出放大器、隔离器以及隔离电源等组成，其原理框图如图所示。其原理框图如图所示。上上图为变压器耦合隔离放大器框图图为变压器耦合隔离放大器框图，下，下图为光电耦图为光电耦合隔离放大器框图合隔离放大器框图。3微处理器的接口技术微处理器的接口技术（1）A/D转换器转换器 A/D转换器用于将模拟信号转变为数字信号，常用的转换器用于将模拟信号转变为数字信号，常用的A/D转换器有逐转换器有逐次逼近型次逼近型ADC、双积分型、双积分型ADC、型型ADC等。等。逐次逼近型逐次逼近型ADC包括一个比较器、一个数模转换器、一个逐次逼近寄包括一个比较器、一个数模转换器、一个逐次逼近寄存器（存器（SAR）和一个逻辑控制单元。它是通过将采样输入信号与已知电压）和一个逻辑控制单元。它是通过将采样输入信号与已知电压不断进行比较来完成转换的，不断进行比较来完成转换的，1个时钟周期完成个时钟周期完成1位转换，位转换，n位转换需要位转换需要n个个时钟周期。时钟周期。双积分型双积分型ADC又称为又称为双斜率双斜率或或多斜率多斜率ADC，它由一个带有输入切换开，它由一个带有输入切换开关的模拟积分器、一个比较器和一个计数单元构成，通过两次积分将输入关的模拟积分器、一个比较器和一个计数单元构成，通过两次积分将输入的模拟电压转换成与其平均值成正比的时间间隔。同时，在此时间间隔内的模拟电压转换成与其平均值成正比的时间间隔。同时，在此时间间隔内利用计数器对时钟脉冲进行计数，从而实现利用计数器对时钟脉冲进行计数，从而实现A/D转换。转换。型型ADC又称为过采样转换器，其采样频率远远高于奈奎斯特又称为过采样转换器，其采样频率远远高于奈奎斯特（Nyquist）采样频率，是目前应用较广的新型）采样频率，是目前应用较广的新型A/D转换器。它由简单的模转换器。它由简单的模拟电路（一个比较器、一个开关、一个或几个积分器及模拟求和电路）和拟电路（一个比较器、一个开关、一个或几个积分器及模拟求和电路）和复杂的数字信号处理电路构成。复杂的数字信号处理电路构成。型型ADC采用增量编码方式，即根据采用增量编码方式，即根据前一量值与后一量值差值的大小来进行量化编码，包括模拟前一量值与后一量值差值的大小来进行量化编码，包括模拟 调制器和数字调制器和数字抽取滤波器。抽取滤波器。A/D转换器的主要技术指标：转换器的主要技术指标：分辨率分辨率 转换速度转换速度 精度精度（2）AD574A与微处理器的接口与微处理器的接口 AD574A简介简介 AD574A为逐次逼近型为逐次逼近型ADC，是一种常用的，是一种常用的12位位A/D转换芯片，也可实转换芯片，也可实现现8位转换。位转换。下下图所示为图所示为AD574A芯片结构及引脚说明芯片结构及引脚说明。AD574A单极性输入和双极性输入的连接线路如图所示。单极性输入和双极性输入的连接线路如图所示。单极性输入单极性输入双极性输入双极性输入 AD574A与与89C51的接口的接口AD574A与单片机与单片机89C51的接口电路如图所示。的接口电路如图所示。（3）CS5360与微处理器的接口与微处理器的接口 CS5360简介简介下下图所示为图所示为CS5360的功能框图的功能框图。CS5360的接口电路的接口电路下下图所示是基于图所示是基于FPGA的数字接口电路框图，的数字接口电路框图，CS5360工作于主动模式。工作于主动模式。8.1.4 智能传感器的应用智能传感器的应用1集成智能传感器集成智能传感器 传感器的集成化是指将多个功能相同或不同的敏感器件制作在同一传感器的集成化是指将多个功能相同或不同的敏感器件制作在同一个芯片上构成传感器阵列，这主要有三个方面的含义：个芯片上构成传感器阵列，这主要有三个方面的含义：一一是将多个功能是将多个功能完全相同的敏感单元集成制造在同一个芯片上；完全相同的敏感单元集成制造在同一个芯片上；二二是对多个结构相同、是对多个结构相同、功能相近的敏感单元进行集成；功能相近的敏感单元进行集成；三三是对不同类型的传感器进行集成是对不同类型的传感器进行集成。2智能温度传感器智能温度传感器 智能温度传感器亦称数字温度传感器，其内部包含温度传感器、智能温度传感器亦称数字温度传感器，其内部包含温度传感器、A/D转转换器、信号处理器、寄存器、接口电路以及多路选择器、中央控制器换器、信号处理器、寄存器、接口电路以及多路选择器、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（）和只读存储器（ROM）等。）等。MAX6654是美国是美国MAXIM公司生产的双通道智能温度传感器，公司生产的双通道智能温度传感器，下下图所示为图所示为MAX6654与温度传感器及主机的接口电路。与温度传感器及主机的接口电路。3智能湿度传感器智能湿度传感器 湿度传感器也已从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方湿度传感器也已从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向发展，为研制湿度测控系统创造了有利条件。向发展，为研制湿度测控系统创造了有利条件。SHT15是瑞士森斯瑞是瑞士森斯瑞（Sensirion）公司推出的超小型、高精度、自校准、多功能智能传感器，可）公司推出的超小型、高精度、自校准、多功能智能传感器，可用来测量相对湿度、温度和露点等参数。用来测量相对湿度、温度和露点等参数。SHT15与与89C51（主机）的接口电（主机）的接口电路如图所示。路如图所示。4智能压力传感器智能压力传感器 智能压力传感器的硬件结构如图所示，由压力传感器、温度传感器、智能压力传感器的硬件结构如图所示，由压力传感器、温度传感器、微处理器、电源模块和输出模块构成。微处理器、电源模块和输出模块构成。MSC1211是美国德州仪器公司（是美国德州仪器公司（TI）新推出的一款功能强大的带）新推出的一款功能强大的带24位位 型型A/D转换器和转换器和16位位D/A转换器的微处理器，其内部包括程控增益放转换器的微处理器，其内部包括程控增益放大器、多路转换开关、数字滤波和信号校准电路等。图为大器、多路转换开关、数字滤波和信号校准电路等。图为MSC1211与传与传感器模块及主机的接口电路。感器模块及主机的接口电路。5智能差压传感器智能差压传感器 ST3000系列智能差压传感器是美国霍尼韦尔（系列智能差压传感器是美国霍尼韦尔（Honeywell）公司在世）公司在世界上率先推出实现商品化的智能传感器，由差压、静压、温度参数检测和界上率先推出实现商品化的智能传感器，由差压、静压、温度参数检测和数据处理两部分组成，如图所示。数据处理两部分组成，如图所示。6智能超声波传感器智能超声波传感器 美国美国Merritt系统公司（系统公司（MSI）开发了两种智能超声波测距传感器，）开发了两种智能超声波测距传感器，测距范围分别为测距范围分别为1503000 mm和和25600 mm，精度分别为，精度分别为2.5 mm和和0.25 mm，采样频率分别为，采样频率分别为40 Hz和和200 Hz。超声波探头的工作频率为。超声波探头的工作频率为40 kHz，传感器内部包括超声波发射与接收电路、模拟信号与数字信号处理电，传感器内部包括超声波发射与接收电路、模拟信号与数字信号处理电路等。这种传感器广泛应用于过程监控和移动机器人自动寻轨、避障的路等。这种传感器广泛应用于过程监控和移动机器人自动寻轨、避障的测距系统中。测距系统中。8.2 传感器网络传感器网络8.2.1 传感器网络概述传感器网络概述 单独的传感器数据采集已经不能适应现代控制技术和检测技术的发展，单独的传感器数据采集已经不能适应现代控制技术和检测技术的发展，取而代之的是分布式数据采集系统组成的传感器网络，如图所示。取而代之的是分布式数据采集系统组成的传感器网络，如图所示。8.2.2 传感器网络的作用传感器网络的作用 传感器网络可以实施远程数据采集数据，并进行分类存储和应用。传感器网络可以实施远程数据采集数据，并进行分类存储和应用。传感器网络上的多个用户可同时对同一过程进行监控。传感器网络上的多个用户可同时对同一过程进行监控。不同任务的传感器、仪器仪表（执行器）与计算机组成网络后，可凭不同任务的传感器、仪器仪表（执行器）与计算机组成网络后，可凭借智能化软硬件（例如模式识别、神经网络的自学习、自适应、自组织和借智能化软硬件（例如模式识别、神经网络的自学习、自适应、自组织和联想记忆功能），灵活调用网上各种计算机、仪器仪表和传感器各自的资联想记忆功能），灵活调用网上各种计算机、仪器仪表和传感器各自的资源特性和潜力，区别不同的时空条件和仪器仪表、传感器的类别特征，测源特性和潜力，区别不同的时空条件和仪器仪表、传感器的类别特征，测出临界值，作出不同的特征响应，完成各种形式、各种要求的任务。出临界值，作出不同的特征响应，完成各种形式、各种要求的任务。8.2.3 传感器网络的结构传感器网络的结构 传感器网络的结构形式多种多样，可以是传感器网络的结构形式多种多样，可以是如如图所示的全部互连形成的图所示的全部互连形成的分布式传感器网络系统分布式传感器网络系统。也可以是多个传感器计算机工作站和一台服务器组成的主从结构传也可以是多个传感器计算机工作站和一台服务器组成的主从结构传感器网络，如图所示。感器网络，如图所示。网络形式可以是以太网或其他网络形式，总线连接可以是星形、环形、网络形式可以是以太网或其他网络形式，总线连接可以是星形、环形、线形。传感器网络还可以是多个传感器和一台计算机或单片机组成的智能线形。传感器网络还可以是多个传感器和一台计算机或单片机组成的智能传感器，如图所示。传感器，如图所示。传感器网络可以组成个人网、局域网、城域网，甚至可以连上遍布全传感器网络可以组成个人网、局域网、城域网，甚至可以连上遍布全球的球的Internet互联网，如图所示。互联网，如图所示。8.2.4 传感器网络信息交换体系传感器网络信息交换体系 传感器网络是传感器领域的新兴学科，传感器网络的运行需要传感器传感器网络是传感器领域的新兴学科，传感器网络的运行需要传感器信号的数字化，还需要网络上各种计算机、仪器仪表（执行器）和传感器信号的数字化，还需要网络上各种计算机、仪器仪表（执行器）和传感器相互间进行信息交换。传感器网络系统信息交换体系涉及到协议、总线、相互间进行信息交换。传感器网络系统信息交换体系涉及到协议、总线、器件标准总线、复合传输、隐藏和数据链接控制等。器件标准总线、复合传输、隐藏和数据链接控制等。协议是传感器网络为保证各分布式系统之间进行信息交换而制定的一协议是传感器网络为保证各分布式系统之间进行信息交换而制定的一套规则和约定。对于一个给定的具体应用，在选择协议时，必须考虑传感套规则和约定。对于一个给定的具体应用，在选择协议时，必须考虑传感器网络的系统功能和使用硬件、软件与开发工具的能力。器网络的系统功能和使用硬件、软件与开发工具的能力。