《传感器PPT模板》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器PPT模板（58页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第3章 智能传感器系统的组建,智能传感器系统的基本组成形式 基于虚拟仪器平台实现数据采集与显示功能 芯片实例,一、传感器+个人计算机 虚拟仪器形式 二、传感器+MPU微处理器 智能仪器形式,目前一些专门的集成电路芯片，用来对敏感元件的信号进行放大、滤波、A/D转换以及数据处理。这些芯片和敏感元件一起,可以方便地组成具有一定功能的智能传感器。,图3-1 智能传感器系统的基本组成,1 智能传感器系统的基本组成形式 智能传感器系统主要由传感器、 调理电路、 数据采集与转换、 计算机及其I/O接口设备四大部分组成， 如图3-1所示。,传感器 传感器完成信号的获得， 它将规定的被测参量按一定规律转换成相
2、应的可用输出信号。被测参量可以是各种非电参量， 也可以是电气参量。,信号调理 (1) 放大， 将信号放大到与数据采集卡（板）中的A/D转换器相适配。 (2) 预滤波， 抑制干扰噪声信号的高频分量， 将频带压缩以降低采样频率， 避免产生混淆， (3) 转换， 将传感器输出的电参量， 如电容C、 电感L或M、 电阻R的改变量， 转换为电压或频率量。,数据采集与转换 数据采集部分由采样/保持（S/H）与多路切换开关（MUX）组成， 实现对多传感器多点多通道输入信号的分时或并行采样。 时间连续信号x(t)经过采样后变为离散时间序列x(n)， n=0， 1， 2， 。,计算机及其I/O接口设备 （1）
3、智能仪器式智能传感器系统： 20世纪80年代初开始应用 微型计算机或微处理器（Microprocessor）为核心 实例：1、美国霍尼韦尔公司的ST-3000型 2、美国罗斯蒙特公司的3051型智能压力变送器 将微处理器所在的数据处理主板放到压力传感器腔内， 将传感器与计算机赋予智能， 形成了智能传感器/变送器,（2） 虚拟/集成仪器式智能传感器系统： 个人计算机（Personal Computer）为核心 充分利用PC的运算与分析处理功能和显示功能， 有更强大的运算与信号分析处理和显示功能。,集成化与智能化是提高传感器性能价格比的必由之路 集成化： 1、利用微机械加工技术与集成电路工艺制作敏
4、感元件与变换器可以形成产业化批量生产，彻底改变经典传感器手工艺品的生产方式。 2、体积小不仅为应用于空间狭小的地方提供可能，还有利于动态性能的改善。同时为制作多维、阵列传感器提供条件。为多传感器信息融合提供基础。,智能化： 1、传感器与微处理器结合，可构建智能传感器系统，可以有强大的软件编程能力，使得传感器不仅具有传统的信号检测能力，还可以引入数据处理技术，信息处理技术，数据融合技术，神经网络技术，模糊理论。 2、系统可以实现自动校正，自补偿，自诊断等功能。 3、系统可以具有高精度，高稳定性，高可靠性，高自适应能力等。,2、传感器的集成化与智能化的概述,一、 集成化的含义（两层含义）,把许多同
5、样的单个传感器按一定规律进行阵列集成。 将单个传感器进行列集成，形成一维传感器 将单个传感器集成为矩阵形式，形成二维传感器 将传感器进行阵列集成的目的，是为了对空间参数进行测量，例如CCD图像传感器即为此类集成传感器。,图1、传感器的集成化,图 面阵CCD传感器简图,许多单个光传感器(像素)组成，由于单个像素很小， 一般约为10 m左右， 所以可获得清晰的图像。,传感器的功能集成化。 将传感器与其后的各种信号调理电路进行集成，可以把它们集成在同一芯片上，形成单片集成传感器， 也可以将它们分别集成在几块芯片上，然后再将这几块芯片组装在一起， 形成混合集成传感器。,图 3 混合式集成压力传感器,混
6、合集成压力传感器。 图中的温度传感器并不是为了测量温度，而是为了补偿压力传感器灵敏度随环境温度所产生的变化。,二、 集成化的优点,提高了传感器性能 2. 降低了传感器的生产成本 3. 提高了传感器的可靠性 4. 促使传感器多功能化、 智能化,三、不同集成度智能传感器概述,图 4集成智能传感器的基本框图,1、 智能传感器的初级形式 主要特征： 传感器内部集成有温度补偿及校正电路、线性补偿电路和信号调理电路，使传感器具有相应的能力，提高了经典传感器的精度和性能。 传感器尚属智能的初级形式，智能含量少，不具备更高级的智能， 缺少智能传感器系统的关键部件微处理器，从而影响了其性能的进一步完善，故此形式
7、的智能传感器尚为初级形式。,2、 智能传感器系统的中级形式(自立形式) 除具有初级智能传感器的功能外，此形式传感器系统还具有自诊断、自校正、数据通讯接口等功能。结构上通常带有微处理器。 传感器与微处理器的集成形式可以为单片式或混合式。 是一个基本完善的传感器系统，故称之为智能传感器系统的中级形式或自立形式。,3、智能传感器的高级形式 传感器除具有初级形式和中级形式的所有功能外， 还具有多维检测、图像识别、分析记忆、模式识别、自学习甚至思维能力等。 它所涉及的理论领域将包括：神经网络，人工智能及模糊理论等等。该传感器系统可具备人类“五官”的能力， 从复杂的背景信息中提取有用信息，进行智能化处理，
8、 从而成为真正意义上的智能传感器。 对智能传感器系统各形式之间的划分并无严格的标准，但从传感器技术发展的观点看，以上三种形式的划分，是符合发展趋势的。,补充1：初级形式例子： 具有CMOS放大器的单片集成压阻式压力传感器,硅盒结构集成压力传感器剖面,该结构采用了硅盒结构，将压敏单元与CMOS信号调理电路集成在同一硅芯片上，其加工过程是先在下层硅片表面通过掩蔽腐蚀的方法形成深10 m, 长宽各 60 m的凹坑, 将上层硅片与下层硅片在1 150 高温中键合形成硅盒结构，从而在两层硅片之间生成一个参照压力空腔。,将上层硅片减薄至 30 m， 再将其表面抛光， 通过光刻对中的方法，在参照压力空腔上方
9、的硅膜上用离子注入工艺形成压敏电桥。 用标准的CMOS工艺在空腔外围的上层硅片上制作了CMOS信号放大电路， 从而形成单片集成的结构。,这种硅盒结构的最大特点是： 1、只需在硅芯片单面进行加工， 其工艺与标准IC工艺完全兼容，从而克服了传统硅杯型压力传感器在制作工艺上与IC工艺不兼容的缺点，使压敏元件与信号调整电路的单片集成成为现实。 2、整个集成压力传感器芯片面积为 1.5 mm2,R1R4组成的压阻全桥构成了力敏传感单元，每臂电阻阻值约为5 k，信号放大电路由三个CMOS运算放大器及电阻网络组成。,整个放大电路的差模放大倍数为,改变RW可以调整差模放大倍数Ad。该电路要求A3的外接电阻严格
10、匹配，即R10=R9, R7=R8。因为A3放大的是A1, A2输出之差，电路的失调电压主要由是A3引起的，故降低A3的增益有益于减小输出温度漂移。 对封装后的整个传感器进行了实际测试，结果表明该传感器具有较高的灵敏度与精度，并且具有良好的线性。,补充2：中级形式例子： 美国霍尼韦尔公司ST3000 系列智能变送器,于 1983 年率先推出了智能化的压力变送器ST3000。 其敏感元件是在同一块硅片上(130175平方密耳),用离子注入等IC技术，配置差压、静压和温度三种传感元件， 具有高精度、 高稳定性等特点。,ST3000 变送器的内部除传感器调理电路外， 还带有微处理器、存储器以及I/O
11、接口等，具有双向通信能力和完善的自诊断功能。 变送器的输出有两种形式：一种为标准的420 mA的模拟信号输出；一种为数字信号输出。,图 5 ST3000 智能变送器的结构框图,一部分为传感芯片及调理电路；另一部分为微处理器及存储器。,变送器的传感芯片由差压(P), 静压(P)和温度(T)三个传感器组成。其中，差压传感器和静压传感器均接成惠斯登电桥的形式。 在差压、静压和温度这三个参数的共同作用下，每个传感器的输出都是三个参数的函数,图 6 传感芯片的电路图,设：UP, USP, UT 分别表示三个传感器的输出，即有：,由以上三式可解出待测压力,要准确地测量压差，必须考虑静压和温度的影响。 以上
12、由三个传感器信号计算待测压力的过程，是在微处理器中通过软件程序进行的,在ST3000 变送器的制作过程中，对每一台变送器的待测压力特征数据、环境温度特征数据以及静压特性数据，都要事先存储在PROM中。这些特征数据是由生产线的计算机采集的，之后送入存储器储存。,实际工作时： 1、传感芯片上三个传感器的信号经多路切换开关、调理电路以及A/D转换器，分别进入微处理器。 2、微处理器利用事先存储在PROM中的特征数据，对三种信号进行程序运算处理，最终产生一个高精度的特性优异的待测压力信号输出。,2. 高精度和稳定性 由于每台ST3000 出厂前都是被与工作现场相似的环境所特征化的，其内存储器PROM中
13、有一完整的温度、压力补偿曲线，从而可保证其在实用时不受环境因素的影响，保持其高精度和高稳定性的特点。ST3000 模拟输出时的精度达量程的0.075%，其数字输出(DE)方式时的精度可达量程的0.062 5%或读数的 0.125%。,3. 双向通信能力 由于ST3000 所具有的双向数字通信能力，使其能方便地用于现场总线测控系统中，符合现代自动化测控系统的要求， 且通过与现场通信器(SFC)的远距离通讯， 可以很容易地实现工作现场与中央控制室之间所进行的参数设定、 调整和作业。,4. 完善的自诊断功能 自诊断通过SFC实现，将SFC与ST3000 连接通信， 由SFC发出自诊断命令，可对ST3
14、000 的通信线路、过程回路和变送器不断进行检测，将检测的结果以简明的语言在SFC上显示出来， 如在SFC上显示“STATUS CHECK = OK”， 则表示变送器和SFC工作正常。,5. 宽域温度及静压补偿 ST3000 的温度使用范围可达-40110 ，静压可达0210 kgf/cm2 1 kgf/cm2=9.806 65104 Pa。 且在这么宽的使用范围内可使温度和静压得到补偿。,第一次作业1： 以电子报告形式提交： 1、叙述关于现代传感器中集成化和智能化的思想及含义。 2、 智能传感器初级和中级形式说明。（请查阅相关资料并举例说明）,补充3：高级形式举例,具有多维检测能力的智能传感
15、器,一、 采用传感器阵列形式的智能气体传感器,64 个半导体气体传感器组成的二维面阵。 气体传感器阵列的输出 信号调理电路数字计算机显示器CRT 最后显现出气体空间和时间的实时分布信息。 例子：观察酒精的挥发过程， 我们可以在CRT上观察到酒精挥发的过程图像，由于信号计算处理的速度足够快， 在CRT上的气体图像信息是实时的，非常直观，易于理解。,图 7 气体多维检测智能传感器系统,64 个半导体气体传感器组成的二维面阵。,用途: 检测管道气体的漏气(比如煤气管道的泄漏)。 声波的传播过程研究，此时传感器阵列由单个的声压传感器组成。 展开分析：如果对这种气体阵列形式的智能传感器进行进一步研究，使
16、之能探测多种气体并确定气体的各种成分，则其实用价值将更大。,二、带有CMOS调理电路的高分辨率压力图像传感器,3232 阵列形式的压力图像传感器，它是为精确检测二维压力分布而设计制造的。 它自身带有CMOS信号调理电路， 制造工艺采用了标准的IC工艺和硅微加工工艺。 传感器的CMOS信号调理电路位于传感器阵列周围，与传感器阵列位于同一芯片上。最后由压力图像传感器输出的是经过调理的连续模拟信号。,图 8 硅压力检测单元横截面图,在一块硅晶片上分别制作了压力敏感元件和相应的CMOS电路，压力敏感元件的制造采用了硅微机械加工技术,用LPCVD工艺形成200 nm厚的多晶硅层并制作四个压敏电阻组成全桥，作为压力敏感元件。,硅片上CMOS电路的制作采用了双阱(P阱区和N阱区)CMOS结构，制作了CMOS模拟开关、NMOS电源开关以及CMOS逻辑电路，最后整个单元用
