智能传感器系统刘君华第1章

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1、第1 章 概 述,1.1 传感器技术发展的重要性 1.2 智能传感器发展的历史背景 1.3 智能传感器的功能与特点 1.4 智能传感器概念与传感器系统 1.5 智能传感器实现的途径,1.1 传感器技术发展的重要性,传感器是获取信息的工具。 传感器技术是关于传感器设计、 制造及应用的综合技术。 它是信息技术(传感与控制技术、 通讯技术和计算机技术)的三大支柱之一。 传感器的应用遍及军事、科研、工业、农业、商业、交通、 环保、 医疗、 卫生、气象、 海洋、 航空、 航天、 家用电器各个领域与部门。 它是生产自动化、 科学测试、计量核算、 监测诊断等系统中不可缺少的基础环节。,传感器技术之所以受到如

2、此看重并获得极为迅速发展的原因是： 微型计算机的普及、 信息处理技术的飞速发展， 而获取信息的工具传感器处于明显落后的拖后腿的状态， 形成推动传感器技术发展的动力。 广阔的市场与强烈的社会需求是传感器技术发展的又一强劲推动力。传感器的销售值反映一个国家科技发达与社会进步的程度。80年代，日本、西欧市场传感器销售值年增长率为 30%40%，90年代，全世界年增长率预计为 8.8%。 90年代以来各方面对传感器的需求也越来越强烈。,据预测， 90年代我国国内市场所需各类传感器的形势是： 电力系统 140 万件； 化工系统 80 万件； 钢铁系统 130万件 能源管理与炉窑控制 4 000 万件；

3、汽车行业 4 400 万件； 机床行业 1 500 万件； 文化办公机械 200 万件； 各类仪器仪表 3 亿件。,由于传感器的使用，使生产工艺过程的控制和产品性能的检测才有保证，所以它是提高产品竞争力的强有力的手段，是获得经济效益的有效途径。 据有关资料介绍，全美电站有关数据表明， 如果主汽流量测量精度改善 1%，电站的燃烧成本(热效率)将会改善 1%，每年可节约 3 亿美元；若传感器及其测量仪表可利用率提高 1%， 则每年可节约 30 亿美元；美国的电站采用了先进的传感器和控制技术后， 使全美经济每年获益达 110 亿美元之多。因此，甚至有“谁掌握和支配了传感器技术谁就能够支配新时代”的说

4、法。,1.2 智能传感器发展的历史背景,图 1-1 自动化(控制)系统框图,图 1-2 传感器、计算机及执行器的价格性能比,传统的传感器技术已达到其技术极限。 它的价格性能比不可能再有大的下降。 它在以下几方面存在严重不足： 因结构尺寸大， 而时间(频率)响应特性差； 输入输出特性存在非线性， 且随时间而漂移； 参数易受环境条件变化的影响而漂移； 信噪比低， 易受噪声干扰； 存在交叉灵敏度， 选择性、 分辨率不高。,现场总线是连接测控系统中各智能装置(包括智能传感器)的双向数字通信网络。其主要特点是： 1. 传输数字信号 用数字信号取代原来的 420 mA标准模拟信号， 进而提高可靠性和抗干扰

5、能力。这就要求传感器由可输出 420 mA标准信号的变送器改变为带数字总线接口并输出数字信号。所有现场传感器， 通过数字总线接口都方便地挂接在一条环形现场总线上。这样可以大大削减现场与控制室(高/上位计算机)之间一对一的连接导线， 节约初期安装费用，大大简化整个系统的布线和设计。这种节约对一个大型、 多点测量系统是很有意义的， 譬如：,这种节约对一个大型、 多点测量系统是很有意义的，譬如： 一个电站 需要5 000 台传感器及其仪表； 一个钢铁厂 需要2 万台传感器及其仪表； 大型石油化工厂需要6 000 台传感器及其仪表； 大型发电机组 需要3 000 台传感器及其仪表； 一部汽车 需要30

6、 至 100 台传感器； 一架飞机 需要3 600 台传感器； ,2. 标准化 总线采用统一标准，使系统具有开放性。不同厂家的产品， 在硬件、软件、通信规程、连接方式等方面互相兼容、 互换联用，既方便用户使用，又易于安装维修。不少大公司都推出了自己的现场总线标准。国际化的统一标准的工作正在加紧进行中。,3. 智能化 采用智能与控制职能分散下放到现场装置的原则，现场总线网络的每一节点处安装的现场仪表应是“智能”型的，即安装的传感器应是“智能传感器”。在这种控制系统中，智能型现场装置是整个控制管理系统的主体。这种基于现场总线的控制系统， 要求必须使用智能传感器， 而不是一般传统的传感器。 智能传感

7、器代表了传感器的发展方向，这种智能传感器带有标准数字总线接口，能够自己管理自己。它将所检测到的信号经过变换处理后，以数字量形式通过现场总线与高/上位计算机进行信息通信与传递。,1.3 智能传感器的功能与特点,1.3.1 智能传感器的功能 概括而言， 智能传感器的主要功能是： (1) 具有自校零、 自标定、 自校正功能； (2) 具有自动补偿功能； (3) 能够自动采集数据， 并对数据进行预处理； (4) 能够自动进行检验、 自选量程、 自寻故障； (5) 具有数据存储、记忆与信息处理功能； (6) 具有双向通讯、标准化数字输出或者符号输出功能； (7) 具有判断、决策处理功能。,1.3.2 智

8、能传感器的特点 与传统传感器相比， 智能传感器的特点是： 1. 精度高 2. 高可靠性与高稳定性 3. 高信噪比与高的分辨力 4. 强的自适应性 5. 低的价格性能比,1.4 智能传感器概念与传感器系统,智能传感器系统是一门现代综合技术，是当今世界正在迅速发展的高新技术，至今还没有形成规范化的定义。早期，人们简单、 机械地强调在工艺上将传感器与微处理器两者紧密结合， 认为“传感器的敏感元件及其信号调理电路与微处理器集成在一块芯片上就是智能传感器”。,关于智能传感器的中、英文称谓，目前也尚未统一。John Brignell和Nell White认为“Intelligent Sensor”是英国人

9、对智能传感器的称谓， 而“Smart Sensor” 是美国人对智能传感器的俗称。 而Johan H.Huijsing在“Integrated Smart Sensor”一文中按集成化程度的不同，分别称为“Smart Sensor”、 “Integrated Smart Sensor”。 对“Smart Sensor”的中文译名有译为“灵巧传感器”的， 也有译为“智能传感器”的。本书采用智能传感器系统(Intelligent Sensor System)的称谓，简称智能传感器(Intelligent Sensor), 并且认为： “传感器与微处理器赋予智能的结合，兼有信息检测与信息处理功能的传

10、感器就是智能传感器(系统)”；模糊传感器也是一种智能传感器(系统)，将传感器与微处理器集成在一块芯片上是构成智能传感器(系统)的一种方式。,1.5 智能传感器实现的途径,1.5.1 非集成化实现,图1-3 非集成式智能传感器框图,图1-4 模糊传感器的简单结构示意图,1.5.2 集成化实现,图1-5 集成智能传感器外形示意图,现代传感器技术，是指以硅材料为基础(因为硅既有优良的电性能，又有极好的机械性能)，采用微米(1 m1 mm)级的微机械加工技术和大规模集成电路工艺来实现各种仪表传感器系统的微米级尺寸化。国外也称它为专用集成微型传感技术(ASIM)。 由此制作的智能传感器的特点是： 1.

11、微型化 微型压力传感器已经可以小到放在注射针头内送进血管测量血液流动情况，装在飞机或发动机叶片表面用以测量气体的流速和压力。 美国最近研究成功的微型加速度计可以使火箭或飞船的制导系统质量从几公斤下降至几克。,2. 结构一体化 压阻式压力(差)传感器是最早实现一体化结构的。传统的做法是先分别由宏观机械加工金属圆膜片与圆柱状环，然后把二者粘贴形成周边固支结构的“金属杯”，再在圆膜片上粘贴电阻变换器(应变片)而构成压力(差)传感器，这就不可避免地存在蠕变、迟滞、非线性特性。采用微机械加工和集成化工艺， 不仅“硅杯”一次整体成型，而且电阻变换器与硅杯是完全一体化的。进而可在硅杯非受力区制作调理电路、微

12、处理器单元，甚至微执行器， 从而实现不同程度的， 乃至整个系统的一体化。,3. 精度高 比起分体结构，传感器结构本身一体化后，迟滞、重复性指标将大大改善， 时间漂移大大减小，精度提高。后续的信号调理电路与敏感元件一体化后可以大大减小由引线长度带来的寄生参量的影响，这对电容式传感器更有特别重要的意义。,4. 多功能 微米级敏感元件结构的实现特别有利于在同一硅片上制作不同功能的多个传感器，如，美国霍尼韦尔公司， 80 年代初期生产的ST-3000型智能压力(差)和温度变送器，就是在一块硅片上制作了感受压力、 压差及温度三个参量的，具有三种功能(可测压力、 压差、温度)的敏感元件结构的传感器。不仅增

13、加了传感器的功能， 而且可以通过采用数据融合技术消除交叉灵敏度的影响， 提高传感器的稳定性与精度(详细讨论见6.2.2节)。,5. 阵列式 微米技术已经可以在一平方厘米大小的硅芯片上制作含有几千个压力传感器阵列，譬如，丰田中央研究所半导体研究室用微机械加工技术制作的集成化应变计式面阵触觉传感器，在8 mm8 mm的硅片上制作了1 024个(3232)敏感触点(桥)， 基片四周还制作了信号处理电路，其元件总数约16 000个。 敏感元件构成阵列后，配合相应图像处理软件，可以实现图形成像且构成多维图像传感器。这时的智能传感器就达到了它的最高级形式。,6. 全数字化 通过微机械加工技术可以制作各种形

14、式的微结构。 其固有谐振频率可以设计成某种物理参量(如温度或压力)的单值函数。因此可以通过检测其谐振频率来检测被测物理量。这是一种谐振式传感器， 直接输出数字量(频率)。 它的性能极为稳定、精度高、不需A/D转换器便能与微处理器方便地接口。免去A/D转换器，对于节省芯片面积、简化集成化工艺，均十分有利。,7. 使用极其方便， 操作极其简单 它没有外部连接元件，外接连线数量极少，包括电源、通讯线可以少至四条，因此，接线极其简便。它还可以自动进行整体自校， 无需用户长时间地反复多环节调节与校验。“智能”含量越高的智能传感器， 它的操作使用越简便， 用户只需编制简单的使用主程序。这就如同“傻瓜”照相

15、机的操作比不是“傻瓜”照相机的经典式照相机要简便得多一样的道理。 根据以上特点可以看出：通过集成化实现的智能传感器，为达到高自适应性、高精度、高可靠性与高稳定性，其发展主要有以下两种趋势：,其一是： 多功能化与阵列化， 加上强大的软件信息处理功能； 其二是： 发展谐振式传感器， 加软件信息处理功能。 例如， 压阻式压差传感器是采用微机械加工技术最先实用化的集成传感器，但是它受温度与静压影响，总精度只能达到0.1%。 致力于改善它的温度性能花费了近20余年时间却无重大进展， 因而有的厂家改为研制谐振式压力传感器， 而美国霍尼韦尔公司则发展多功能敏感元件(如：ST-3000型智能变送器)，通过软件

16、进行多信息数据融合处理改善了稳定性，提高了精度。,要在一块芯片上实现智能传感器系统存在着许多困难的、 棘手的难题。 例如： 哪一种敏感元件比较容易采用标准的集成电路工艺来制作? 选用何种信号调理电路， 如精密电阻、 电容、 晶振等， 不需要外接元件? 由于直接转换型A/D变换器电路太复杂， 制作了敏感元件后留下的芯片面积有限， 需要寻求其它模数转换的型式。 如： 电压/频率变换器、 占空比调制式、。,由于芯片面积有限制，以及制作敏感元件与数字电路的优化工艺的不兼容性，微处理器系统及可编程只读存储器的规模、 复杂性与完善性受到很大限制。 对功耗与自热、 电磁耦合带来的相互影响， 在一块芯片内如何消除?,1.5.3 混合实现,根据需要与可能，将系统各个集成化环节，如：敏感单元、 信号调理电路、微处理器单元、数字总线接口，以不同的组合方式集成在两块或三块芯片上，并装在一个外壳里。如图