現(xiàn)代測試技術(shù)-智能傳感器課件

智能傳感器IntelligentSensor傳感器、計算機及執(zhí)行器的價格性能比§3.1重新認(rèn)識傳統(tǒng)傳感器F敏感元件轉(zhuǎn)換元件§3.1重新認(rèn)識傳統(tǒng)傳感器VER1R2R3R4發(fā)展趨勢智能化多功能傳感器微型化傳感器網(wǎng)絡(luò)§3.1重新認(rèn)識傳統(tǒng)傳感器HoneyWellST—3000

智壓力能變送器的結(jié)構(gòu)框圖

敏感元件是在同一塊硅片上配置差壓、靜壓和溫度三種傳感元件，有效地解決了靜壓、差壓以及溫度之間交叉靈敏度對測量的影響問題，變送器的內(nèi)部除傳感器調(diào)理電路外，還帶有微處理器、存儲器以及I/O接口等，具有雙向通信能力和完善的自診斷功能。變送器的輸出有兩種形式：一種為標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA的模擬信號輸出；一種為數(shù)字信號輸出?！?.1重新認(rèn)識傳統(tǒng)傳感器定義：傳感器與微處理器賦予智能的結(jié)合，兼有信息檢測與信息處理功能的傳感器就是智能傳感器(系統(tǒng))。利用微處理機技術(shù)使傳感器智能化是80年代新型傳感器的一大進展。

智能化設(shè)計是傳感器傳統(tǒng)設(shè)計中的一次革命，是世界傳感器發(fā)展的必然趨勢?！?.2認(rèn)識智能傳感器

具有自校零、自標(biāo)定、自校正功能；具有自動補償功能；能夠自動采集數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理；能夠自動進行檢驗、自選量程、自尋故障；具有數(shù)據(jù)存儲、記憶與信息處理功能；具有雙向通訊、標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字輸出或者符號輸出功能；具有判斷、決策處理功能?！?.2認(rèn)識智能傳感器智能傳感器功能板材測厚傳感器利用RS232串口總線,用戶可通過PC發(fā)布指令（組態(tài)）來改變PPT傳感器的任何一個參數(shù)；通過RS232總線聯(lián)網(wǎng),用戶可以和一個傳感器、一組傳感器或網(wǎng)絡(luò)上所有的傳感器通訊；§3.2認(rèn)識智能傳感器DS18B20的性能特點：①采用單總線專用技術(shù)，既可通過串行口線，也可通過其它I/O口線與微機接口，無須經(jīng)過其它變換電路，直接輸出被測溫度值（9位二進制數(shù)，含符號位），②測溫范圍為-55℃-+125℃，測量分辨率為0.0625℃,③內(nèi)含64位經(jīng)過激光修正的只讀存儲器ROM，④適配各種單片機或系統(tǒng)機，⑤用戶可分別設(shè)定各路溫度的上、下限，⑥內(nèi)含寄生電源。DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM,溫度傳感器,非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL,高速暫存器。DS18B20的管腳排列如圖1所示。

64位光刻ROM是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列號。不同的器件地址序列號不同?！?.2認(rèn)識智能傳感器國產(chǎn)ACD-2智能無線數(shù)字壓力溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)§3.2認(rèn)識智能傳感器反非線性的折線逼近非線性自校正流程圖非線性自校正技術(shù):§3.3智能傳感技術(shù)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)定實驗得到的靜態(tài)輸出(y)—輸入(x)特性如下：y=a0+a1x式中：a0——零位值，即當(dāng)輸入x=0時之輸出值；

a1——靈敏度，又稱傳感器系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換增益。式中：Δa0——零位漂移；

Δa1—靈敏度漂移。§3.3智能傳感技術(shù)智能傳感器系統(tǒng)實現(xiàn)自校準(zhǔn)功能原理框圖(a)方法一(不含傳感器自校)；(b)方法二(含傳感器自校)§3.3智能傳感技術(shù)壓力自校準(zhǔn)系統(tǒng)原理框圖§3.3智能傳感技術(shù)不同狀態(tài)下的靜態(tài)特性(a)壓力傳感器；(b)溫度傳感器多信息融合技術(shù)§3.3智能傳感技術(shù)我們可以將壓力傳感器輸出電壓U描述為壓力參數(shù)P和溫度傳感器輸出Ut的二元函數(shù)，即通過標(biāo)定，確定二次曲面擬合方程式多信息融合技術(shù)自診斷技術(shù)§3.3智能傳感技術(shù)

傳感器故障診斷的早期方法主要是采用硬件冗余方法(HardwareRedundancy)。硬件冗余方法是對容易失效的傳感器設(shè)置一定的備份，然后通過表決器方法進行管理。缺點是設(shè)備復(fù)雜，體積和重量都很大，占空間，而且成本較高，尤其是對于有許多測量量的情況而言，硬件冗余方法的不足就更為突出。自診斷技術(shù)§3.3智能傳感技術(shù)傳感器故障診斷的解析冗余方法原理圖

§3.4智能傳感器的實現(xiàn)非集成化實現(xiàn)§3.4智能傳感器的實現(xiàn)混合集成化實現(xiàn)§3.4智能傳感器的實現(xiàn)集成化實現(xiàn)（ASIM）C5-M3濕度傳感器集成電路相對濕度傳感器HIH3610/4000§3.4智能傳感器的實現(xiàn)瑞士Sensirion公司SHT11數(shù)字式溫濕度傳感器§3.4智能傳感器的實現(xiàn)iPhone4里的陀螺儀，型號是AGDL2022,是一種微電子機械系統(tǒng)（MEMS）常規(guī)傳感器主要選擇金屬材料制作，而微傳感器則優(yōu)先選用硅材料制作；絕大多數(shù)的硅壓力傳感器，其感壓元件都是硅膜片，敏感機理主要有：壓阻效應(yīng)、電容效應(yīng)及機械諧振效應(yīng)§3.5MEMS傳感器§3.5MEMS傳感器微型化；結(jié)構(gòu)一體化；精度高；多功能；陣列式；全數(shù)字化（諧振式傳感器）；使用極其方便，操作極其簡單§3.5MEMS傳感器在膜片上擴散電阻，并連成惠斯頓電橋。當(dāng)壓力作用在膜片上時，膜片產(chǎn)生變形，電阻值變化，電橋失衡，失衡量和被測壓力成比例，用微電路檢測出這種電阻變化，即可測出壓力變化。硅壓阻式傳感器的主要缺點是壓阻效應(yīng)隨溫度的變化明顯，應(yīng)用時必須做溫度補償?！?.5.1硅壓阻式壓力傳感器§3.5.1硅壓阻式壓力傳感器淀積在膜片表面上的金屬層形成電容器的活動電極，另一電極淀積在襯底上，二者構(gòu)成平行板式電容器。當(dāng)膜片感受壓力作用彎曲時，電容器的極板間距改變，引起電容變化，其變化量與被測壓力相對應(yīng)，從而得知被測壓力。硅電容式壓力傳感器的靈敏度高，輸出隨溫度變化小?！?.5.2硅電容式壓力傳感器§3.5.2硅電容式壓力傳感器與膜片式硅電容壓力傳感器相比，具有硬中心的硅電容壓力傳感器更有利于使極板間感壓電容Csen的變化處處相等。與硅壓阻式壓力傳感器相比，硅電容式壓力傳感器的靈敏度高10倍以上，而功耗卻低2個數(shù)量級。而且輸出隨溫度的變化小，因此具有良好的輸出重復(fù)性和穩(wěn)定性，更適合于低壓量程測量?！?.5.2硅電容式壓力傳感器基于諧振技術(shù)的諧振式傳感器，自身為周期信號輸出（準(zhǔn)數(shù)字信號），只用簡單的數(shù)字電路即可轉(zhuǎn)換為微處理器容易接受的數(shù)字信號。諧振式傳感器的重復(fù)性、分辨率和穩(wěn)定性等非常優(yōu)良，又便于和微處理器直接結(jié)合組成數(shù)字控制系統(tǒng)，自然成為當(dāng)今人們研究的重點?！?.5.3硅諧振式壓力傳感器硅諧振式壓力傳感器是基于膜片或梁的諧振頻率隨壓力變化而改變的函數(shù)關(guān)系，確定被測壓力。膜片由電容或靜電激勵而發(fā)生諧振。當(dāng)膜片受氣體壓力作用時，其剛度改變，引起頻率增加，則頻率的增加量對應(yīng)被測壓力?！?.5.3硅諧振式壓力傳感器硅諧振式壓力傳感器原理結(jié)構(gòu)§3.5.3硅諧振式壓力傳感器諧振式傳感器閉環(huán)自激的頻率點必然接近于諧振敏感元件的固有頻率。§3.5.3硅諧振式壓力傳感器組成：R為諧振子，工作時振動在諧振狀態(tài)，其諧振頻率（固有頻率）受被測量M的調(diào)制；E為激勵諧振子發(fā)生諧振的激勵器，激勵方法有靜電激勵、壓電激勵、電阻熱激勵及電磁激勵等；D為振動信號檢測器，檢測方法有電阻檢測、電容檢測、壓電檢測及電磁檢測等。A為放大調(diào)頻電路，用于調(diào)節(jié)信號的幅值和相位，并將信號正反饋給激勵器，維持諧振子在滿量程內(nèi)等幅振動，同時將放大信號傳到檢測輸出裝置，顯示出與被測量相對應(yīng)的電信號?！?.5.3硅諧振式壓力傳感器§3.5.3硅諧振式壓力傳感器直接輸出頻率量，無需A/D轉(zhuǎn)換，可方便的與數(shù)字系統(tǒng)掛接，組成高精度的測控系統(tǒng)。為閉環(huán)工作，其性能主要取決于諧振子的機械性質(zhì)，受電路參數(shù)變化（如電漂移、噪聲等）的影響很小。測量精度、穩(wěn)定性及測量分辨率均優(yōu)于硅壓阻和硅電容式壓力傳感器1個數(shù)量級。缺點－－結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，加工難度較大?！?.5.3硅諧振式壓力傳感器§3.5.3硅諧振式壓力傳感器單軸MEMS偏航陀螺儀工作原理圖§3.5MEMS傳感器§3.5MEMS傳感器§3.6現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中的智能傳感器現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)框圖

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)把許多控制功能從控制室移至現(xiàn)場儀表，大量的過程檢測與控制的信