傳感器11章智能

1、 傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)已達到其技術(shù)極限。傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)已達到其技術(shù)極限。 它的價格性能比不可能再有大的下降。它的價格性能比不可能再有大的下降。 它它在以下幾方面存在嚴重不足：在以下幾方面存在嚴重不足：因結(jié)構(gòu)尺寸大，因結(jié)構(gòu)尺寸大， 而時間而時間(頻率頻率)響應(yīng)特性差；響應(yīng)特性差；輸入輸入輸出特性存在非線性，輸出特性存在非線性， 且隨時間而漂移；且隨時間而漂移；參數(shù)易受環(huán)境條件變化的影響而漂移；參數(shù)易受環(huán)境條件變化的影響而漂移；信噪比低，信噪比低， 易受噪聲干擾；易受噪聲干擾；存在交叉靈敏度，存在交叉靈敏度， 選擇性、選擇性、 分辨率不高。分辨率不高。 現(xiàn)場總線是連接測控系統(tǒng)中各智能裝置現(xiàn)場總線是連

2、接測控系統(tǒng)中各智能裝置(包括智能傳感器包括智能傳感器)的雙向數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)。其的雙向數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)。其主要特點是：主要特點是： 1. 傳輸數(shù)字信號傳輸數(shù)字信號 用數(shù)字信號取代原來的用數(shù)字信號取代原來的 420 mA標準模擬信號，標準模擬信號， 進而提高可靠性和抗干擾能力。進而提高可靠性和抗干擾能力。這就要求傳感器由可輸出這就要求傳感器由可輸出 420 mA標準信號的變送器改變?yōu)閹?shù)字總線接口并輸出標準信號的變送器改變?yōu)閹?shù)字總線接口并輸出數(shù)字信號。所有現(xiàn)場傳感器，數(shù)字信號。所有現(xiàn)場傳感器， 通過數(shù)字總線接口都方便地掛接在一條環(huán)形現(xiàn)場總線上。通過數(shù)字總線接口都方便地掛接在一條環(huán)形現(xiàn)場總線上。這樣可以

3、大大削減現(xiàn)場與控制室這樣可以大大削減現(xiàn)場與控制室(高高/上位計算機上位計算機)之間一對一的連接導線，之間一對一的連接導線， 節(jié)約初期安節(jié)約初期安裝費用，大大簡化整個系統(tǒng)的布線和設(shè)計。這種節(jié)約對一個大型、裝費用，大大簡化整個系統(tǒng)的布線和設(shè)計。這種節(jié)約對一個大型、 多點測量系統(tǒng)是很多點測量系統(tǒng)是很有意義的，有意義的， 譬如：譬如：一個電站一個電站 需要需要5 000 臺傳感器及其儀表；臺傳感器及其儀表；一個鋼鐵廠一個鋼鐵廠需要需要2 萬臺傳感器及其儀表；萬臺傳感器及其儀表；大型石油化工廠大型石油化工廠 需要需要6 000 臺傳感器及其儀表；臺傳感器及其儀表；大型發(fā)電機組大型發(fā)電機組 需要需要3 0

4、00 臺傳感器及其儀表；臺傳感器及其儀表；一部汽車一部汽車需要需要30 至至 100 臺傳感器；臺傳感器；一架飛機一架飛機需要需要3 600 臺傳感器；臺傳感器；例如：現(xiàn)場控制級例如：現(xiàn)場控制級 由由PLCPLC及數(shù)采模塊構(gòu)成及數(shù)采模塊構(gòu)成* * 巡回監(jiān)測工藝過程參數(shù)及電氣參數(shù)巡回監(jiān)測工藝過程參數(shù)及電氣參數(shù)* * 對本地生產(chǎn)過程進行自動控制對本地生產(chǎn)過程進行自動控制* * 與上位機交換數(shù)據(jù)信息與上位機交換數(shù)據(jù)信息 集中管理級集中管理級 由工控機構(gòu)成由工控機構(gòu)成* 對對PLC及數(shù)采模塊送來的工藝過程數(shù)據(jù)進及數(shù)采模塊送來的工藝過程數(shù)據(jù)進行分析處理、貯存、建立數(shù)據(jù)庫行分析處理、貯存、建立數(shù)據(jù)庫* 向

5、向PLC發(fā)布指令，實時遙控調(diào)節(jié)設(shè)備運行發(fā)布指令，實時遙控調(diào)節(jié)設(shè)備運行* 多幅工藝流程畫面，并實時顯示巡檢參數(shù)多幅工藝流程畫面，并實時顯示巡檢參數(shù)* 再線故障診斷、并發(fā)出聲光報警再線故障診斷、并發(fā)出聲光報警* 打印報表打印報表* 歷史及實時趨勢顯示歷史及實時趨勢顯示* 模擬棒圖顯示模擬棒圖顯示 例如為使發(fā)動機處于最佳工作狀態(tài)，就需要從吸入汽缸的空氣流量、進氣壓力的例如為使發(fā)動機處于最佳工作狀態(tài)，就需要從吸入汽缸的空氣流量、進氣壓力的測定開始，再根據(jù)水溫、空氣溫度等工作環(huán)境參數(shù)計算出基本噴油量，同時還要通測定開始，再根據(jù)水溫、空氣溫度等工作環(huán)境參數(shù)計算出基本噴油量，同時還要通過節(jié)氣門位置傳感器檢測

6、節(jié)氣門的開度，確定發(fā)動機的工況，進而控制，調(diào)整最佳過節(jié)氣門位置傳感器檢測節(jié)氣門的開度，確定發(fā)動機的工況，進而控制，調(diào)整最佳噴油量，最后還需要通過曲軸的角速度傳感器監(jiān)測曲軸轉(zhuǎn)角和發(fā)動機轉(zhuǎn)速，最終計噴油量，最后還需要通過曲軸的角速度傳感器監(jiān)測曲軸轉(zhuǎn)角和發(fā)動機轉(zhuǎn)速，最終計算出并發(fā)出最佳點火時機的指令。這個發(fā)動機燃油噴射系統(tǒng)和點火綜合控制系統(tǒng)還算出并發(fā)出最佳點火時機的指令。這個發(fā)動機燃油噴射系統(tǒng)和點火綜合控制系統(tǒng)還可以與廢氣排放的監(jiān)控系統(tǒng)和起動系統(tǒng)等組合，構(gòu)筑成可使汽車發(fā)動機功率和扭矩可以與廢氣排放的監(jiān)控系統(tǒng)和起動系統(tǒng)等組合，構(gòu)筑成可使汽車發(fā)動機功率和扭矩最大化，而同時燃油消耗和廢氣排放最低化的智能系

7、統(tǒng)。最大化，而同時燃油消耗和廢氣排放最低化的智能系統(tǒng)。 出于平穩(wěn)、安全駕駛的需要，僅只針對四個輪子的操控上，除了應(yīng)用大量壓力傳出于平穩(wěn)、安全駕駛的需要，僅只針對四個輪子的操控上，除了應(yīng)用大量壓力傳感器并普遍安裝了剎車防抱死裝置感器并普遍安裝了剎車防抱死裝置(ABS)(ABS)外，許多轎車，包括國產(chǎn)車，已增設(shè)了電子外，許多轎車，包括國產(chǎn)車，已增設(shè)了電子動力分配系統(tǒng)動力分配系統(tǒng)(EBD)(EBD)，ABS+EBDABS+EBD可以最大限度的保障雨雪天氣駕駛時的穩(wěn)定性?，F(xiàn)在，可以最大限度的保障雨雪天氣駕駛時的穩(wěn)定性?，F(xiàn)在，國內(nèi)外的一些汽車進一步加裝了緊急剎車輔助系統(tǒng)國內(nèi)外的一些汽車進一步加裝了緊急剎

8、車輔助系統(tǒng)(EBA)(EBA)，該系統(tǒng)在發(fā)生緊急情況時，該系統(tǒng)在發(fā)生緊急情況時，自動檢測駕駛者踩制動踏板時的速度和力度，并判斷緊急制動的力度是否足夠，如自動檢測駕駛者踩制動踏板時的速度和力度，并判斷緊急制動的力度是否足夠，如果需要，就會自動增大制動力。果需要，就會自動增大制動力。EBA EBA 的自控動作必須在極短時間的自控動作必須在極短時間( (例如百萬分之一秒例如百萬分之一秒級級) )內(nèi)完成。這個系統(tǒng)能使內(nèi)完成。這個系統(tǒng)能使200km/h200km/h高速行駛車輛的制動滑行距離縮短極其寶貴的高速行駛車輛的制動滑行距離縮短極其寶貴的2020多米。針對車輪的還有分別監(jiān)測各個車輪相對于車速的轉(zhuǎn)速

9、，進而為每個車輪平衡多米。針對車輪的還有分別監(jiān)測各個車輪相對于車速的轉(zhuǎn)速，進而為每個車輪平衡分配動力，保證在惡劣路面條件下各輪間具有良好的均衡抓地能力的分配動力，保證在惡劣路面條件下各輪間具有良好的均衡抓地能力的“電子牽引力電子牽引力控制控制”(ETC)(ETC)系統(tǒng)等。系統(tǒng)等。 2. 標準化標準化 總線采用統(tǒng)一標準，使系統(tǒng)具有開放性。不同廠家的產(chǎn)品，總線采用統(tǒng)一標準，使系統(tǒng)具有開放性。不同廠家的產(chǎn)品， 在硬件、軟件、通信在硬件、軟件、通信規(guī)程、連接方式等方面互相兼容、規(guī)程、連接方式等方面互相兼容、 互換聯(lián)用，既方便用戶使用，又易于安裝維修?；Q聯(lián)用，既方便用戶使用，又易于安裝維修。不少大公司

10、都推出了自己的現(xiàn)場總線標準。國際化的統(tǒng)一標準的工作正在加緊進行不少大公司都推出了自己的現(xiàn)場總線標準。國際化的統(tǒng)一標準的工作正在加緊進行中。中。 性能特點性能特點1. 提高、穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，降低原料消耗；提高、穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，降低原料消耗；2. 采用高級智能控制算法，提高控制水采用高級智能控制算法，提高控制水平；平；3. 減少人工參與，實現(xiàn)無污染生產(chǎn)，減減少人工參與，實現(xiàn)無污染生產(chǎn)，減少質(zhì)量風險；少質(zhì)量風險；4. 替代人工，降低生產(chǎn)成本；替代人工，降低生產(chǎn)成本；5. 測、管、控一體化，滿足信息化需求，測、管、控一體化，滿足信息化需求，提高企業(yè)管理水平與競爭力。提高企業(yè)管理水平與競爭力。 功能介紹功能

11、介紹系統(tǒng)分脫膠、脫色、脫臘、脫臭等工序系統(tǒng)分脫膠、脫色、脫臘、脫臭等工序，各工序采用智能化儀表及電子自動化，各工序采用智能化儀表及電子自動化設(shè)備來嚴格保證工藝流程中的溫度、壓設(shè)備來嚴格保證工藝流程中的溫度、壓力、流量等技術(shù)要求。采用進口上位機力、流量等技術(shù)要求。采用進口上位機組態(tài)軟件（組態(tài)軟件（ifx，wincc等）設(shè)計、組態(tài)，等）設(shè)計、組態(tài)，應(yīng)用方便、靈活、運行穩(wěn)定、可靠，實應(yīng)用方便、靈活、運行穩(wěn)定、可靠，實現(xiàn)了全自動化控制，減少了人工成本，現(xiàn)了全自動化控制，減少了人工成本，提高了糧油產(chǎn)量。提高了糧油產(chǎn)量。 11.2 智能傳感器的功能與特點智能傳感器的功能與特點 11.2.1 智能傳感器的功

12、能智能傳感器的功能 概括而言，概括而言， 智能傳感器的主要功能是：智能傳感器的主要功能是：(1) 具有自校零、具有自校零、 自標定、自標定、 自校正功能；自校正功能；(2) 具具有自動補償功能；有自動補償功能；(3) 能夠自動采集數(shù)據(jù)，能夠自動采集數(shù)據(jù)， 并對數(shù)據(jù)進行預處理；并對數(shù)據(jù)進行預處理；(4) 能夠自動進行檢驗、能夠自動進行檢驗、 自自選量程、選量程、 自尋故障；自尋故障；(5) 具有數(shù)據(jù)存儲、記憶與信息處理功能；具有數(shù)據(jù)存儲、記憶與信息處理功能；(6) 具有雙向通訊、標準化數(shù)具有雙向通訊、標準化數(shù)字輸出或者符號輸出功能；字輸出或者符號輸出功能；(7) 具有判斷、決策處理功能。具有判斷

13、、決策處理功能。 11.2.2 智能傳感器的特點智能傳感器的特點 與傳統(tǒng)傳感器相比，與傳統(tǒng)傳感器相比， 智能傳感器的特點是：智能傳感器的特點是：1. 精度高精度高 2. 高可靠性與高穩(wěn)定性高可靠性與高穩(wěn)定性 3. 高信噪比與高的分辨力高信噪比與高的分辨力 4. 強的自適應(yīng)性強的自適應(yīng)性 5. 低的價格性能比低的價格性能比 3. 智能化智能化 采用智能與控制職能分散下放到現(xiàn)場裝置的原則，現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的每一節(jié)點處安裝采用智能與控制職能分散下放到現(xiàn)場裝置的原則，現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的每一節(jié)點處安裝的現(xiàn)場儀表應(yīng)是的現(xiàn)場儀表應(yīng)是“智能智能”型的，即安裝的傳感器應(yīng)是型的，即安裝的傳感器應(yīng)是“智能傳感器智能傳感器”

14、。在這種控制。在這種控制系統(tǒng)中，智能型現(xiàn)場裝置是整個控制管理系統(tǒng)的主體。這種基于現(xiàn)場總線的控制系系統(tǒng)中，智能型現(xiàn)場裝置是整個控制管理系統(tǒng)的主體。這種基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)，統(tǒng)， 要求必須使用智能傳感器，要求必須使用智能傳感器， 而不是一般傳統(tǒng)的傳感器。而不是一般傳統(tǒng)的傳感器。 智能傳感器代表了傳感器的發(fā)展方向，這種智能傳感器帶有標準數(shù)字總線接口，能智能傳感器代表了傳感器的發(fā)展方向，這種智能傳感器帶有標準數(shù)字總線接口，能夠自己管理自己。它將所檢測到的信號經(jīng)過變換處理后，以數(shù)字量形式通過現(xiàn)場總夠自己管理自己。它將所檢測到的信號經(jīng)過變換處理后，以數(shù)字量形式通過現(xiàn)場總線與高線與高/上位計算機進行信息通

15、信與傳遞。上位計算機進行信息通信與傳遞。 智能傳感器系統(tǒng)是一門現(xiàn)代綜合技術(shù)，是當今世界正在迅速發(fā)展的高新技術(shù)，至智能傳感器系統(tǒng)是一門現(xiàn)代綜合技術(shù)，是當今世界正在迅速發(fā)展的高新技術(shù)，至今還沒有形成規(guī)范化的定義。今還沒有形成規(guī)范化的定義。早期，人們簡單、早期，人們簡單、 機械地強調(diào)在工藝上將傳感器與微機械地強調(diào)在工藝上將傳感器與微處理器兩者緊密結(jié)合，處理器兩者緊密結(jié)合， 認為認為“傳感器的敏感元件及其信號調(diào)理電路與微處理器集成傳感器的敏感元件及其信號調(diào)理電路與微處理器集成在一塊芯片上就是智能傳感器在一塊芯片上就是智能傳感器”。 關(guān)于智能傳感器的中、英文稱謂，目前也尚未統(tǒng)一。關(guān)于智能傳感器的中、英文

16、稱謂，目前也尚未統(tǒng)一。John Brignell和和Nell White認認為為“Intelligent Sensor”是英國人對智能傳感器的稱謂，是英國人對智能傳感器的稱謂， 而而“Smart Sensor” 是美國人是美國人對智能傳感器的俗稱。對智能傳感器的俗稱。 而而Johan H.Huijsing在在“Integrated Smart Sensor”一文中按集一文中按集成化程度的不同，分別稱為成化程度的不同，分別稱為“Smart Sensor”、 “Integrated Smart Sensor”。 對對“Smart Sensor”的中文譯名有譯為的中文譯名有譯為“靈巧傳感器靈巧傳感器

17、”的，的， 也有譯為也有譯為“智能傳感器智能傳感器”的。的。智能傳感器系統(tǒng)智能傳感器系統(tǒng)書上的定義：書上的定義： “傳感器與微處理器賦予智能的結(jié)合，兼有信息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檢測與信息處理功能的傳感器就是智能傳感器(系統(tǒng)系統(tǒng))”；模糊傳感器也是一種智；模糊傳感器也是一種智能傳感器能傳感器(系統(tǒng)系統(tǒng))，將傳感器與微處理器集成在一塊芯片上是構(gòu)成智能傳感器，將傳感器與微處理器集成在一塊芯片上是構(gòu)成智能傳感器(系系統(tǒng)統(tǒng))的一種方式。（的一種方式。（智能傳感器系統(tǒng)智能傳感器系統(tǒng)，劉君華，西安電子科技大學出版社），劉君華，西安電子科技大學出版社

18、）現(xiàn)代新型傳感器原理與應(yīng)用現(xiàn)代新型傳感器原理與應(yīng)用書上的定義：所渭智能式傳感器就是一種帶行微處書上的定義：所渭智能式傳感器就是一種帶行微處理機的，兼有信息檢測、信息處理、信息記憶、邏輯思維與判斷功能的傳感器。理機的，兼有信息檢測、信息處理、信息記憶、邏輯思維與判斷功能的傳感器。（ 現(xiàn)代新型傳感器原理與應(yīng)用現(xiàn)代新型傳感器原理與應(yīng)用 ，劉迎春，葉湘濱等，國防工業(yè)出版社，劉迎春，葉湘濱等，國防工業(yè)出版社，2000.5）11.4.1 非集成化實現(xiàn)非集成化實現(xiàn) 非集成式智能傳感器框圖非集成式智能傳感器框圖 11.4.2 集成化實現(xiàn)集成化實現(xiàn) 集成智能傳感器外形示意圖集成智能傳感器外形示意圖 現(xiàn)代傳感器技

19、術(shù)，是指以硅材料為基礎(chǔ)現(xiàn)代傳感器技術(shù)，是指以硅材料為基礎(chǔ)(因為硅既有優(yōu)良的電性能，又有極好的機因為硅既有優(yōu)良的電性能，又有極好的機械性能械性能)，采用微米，采用微米(1 m1 mm)級的微機械加工技術(shù)和大規(guī)模集成電路工藝來實現(xiàn)級的微機械加工技術(shù)和大規(guī)模集成電路工藝來實現(xiàn)各種儀表傳感器系統(tǒng)的微米級尺寸化。國外也稱它為專用集成微型傳感技術(shù)各種儀表傳感器系統(tǒng)的微米級尺寸化。國外也稱它為專用集成微型傳感技術(shù)(ASIM)。 由此制作的智能傳感器的特點是：由此制作的智能傳感器的特點是： 1. 微型化微型化 微型壓力傳感器已經(jīng)可以小到放在注射針頭內(nèi)送進血管測量血液流動情況，裝在飛微型壓力傳感器已經(jīng)可以小到放

20、在注射針頭內(nèi)送進血管測量血液流動情況，裝在飛機或發(fā)動機葉片表面用以測量氣體的流速和壓力。機或發(fā)動機葉片表面用以測量氣體的流速和壓力。 美國最近研究成功的微型加速度美國最近研究成功的微型加速度計可以使火箭或飛船的制導系統(tǒng)質(zhì)量從幾公斤下降至幾克。計可以使火箭或飛船的制導系統(tǒng)質(zhì)量從幾公斤下降至幾克。 2. 結(jié)構(gòu)一體化結(jié)構(gòu)一體化 壓阻式壓力壓阻式壓力(差差)傳感器是最早實現(xiàn)一體化結(jié)構(gòu)的。傳統(tǒng)的做法是先分別由宏觀機械傳感器是最早實現(xiàn)一體化結(jié)構(gòu)的。傳統(tǒng)的做法是先分別由宏觀機械加工金屬圓膜片與圓柱狀環(huán)，然后把二者粘貼形成周邊固支結(jié)構(gòu)的加工金屬圓膜片與圓柱狀環(huán)，然后把二者粘貼形成周邊固支結(jié)構(gòu)的“金屬杯金屬杯”

21、，再在，再在圓膜片上粘貼電阻變換器圓膜片上粘貼電阻變換器(應(yīng)變片應(yīng)變片)而構(gòu)成壓力而構(gòu)成壓力(差差)傳感器，這就不可避免地存在蠕變、傳感器，這就不可避免地存在蠕變、遲滯、非線性特性。采用微機械加工和集成化工藝，遲滯、非線性特性。采用微機械加工和集成化工藝， 不僅不僅“硅杯硅杯”一次整體成型，而一次整體成型，而且電阻變換器與硅杯是完全一體化的。進而可在硅杯非受力區(qū)制作調(diào)理電路、微處理且電阻變換器與硅杯是完全一體化的。進而可在硅杯非受力區(qū)制作調(diào)理電路、微處理器單元，甚至微執(zhí)行器，器單元，甚至微執(zhí)行器， 從而實現(xiàn)不同程度的，從而實現(xiàn)不同程度的， 乃至整個系統(tǒng)的一體化。乃至整個系統(tǒng)的一體化。 3. 精

22、度高精度高 比起分體結(jié)構(gòu)，傳感器結(jié)構(gòu)本身一體化后，遲滯、重復性指標將大大改善，比起分體結(jié)構(gòu)，傳感器結(jié)構(gòu)本身一體化后，遲滯、重復性指標將大大改善， 時間時間漂移大大減小，精度提高。后續(xù)的信號調(diào)理電路與敏感元件一體化后可以大大減小漂移大大減小，精度提高。后續(xù)的信號調(diào)理電路與敏感元件一體化后可以大大減小由引線長度帶來的寄生參量的影響，這對電容式傳感器更有特別重要的意義。由引線長度帶來的寄生參量的影響，這對電容式傳感器更有特別重要的意義。 5. 陣列式陣列式 微米技術(shù)已經(jīng)可以在一平方厘米大小的硅芯片上制作含有幾千個壓力傳感器陣列，微米技術(shù)已經(jīng)可以在一平方厘米大小的硅芯片上制作含有幾千個壓力傳感器陣列，

23、譬如，豐田中央研究所半導體研究室用微機械加工技術(shù)制作的集成化應(yīng)變計式面陣譬如，豐田中央研究所半導體研究室用微機械加工技術(shù)制作的集成化應(yīng)變計式面陣觸覺傳感器，在觸覺傳感器，在8 mm8 mm的硅片上制作了的硅片上制作了1 024個個(3232)敏感觸點敏感觸點(橋橋)， 基片四基片四周還制作了信號處理電路，其元件總數(shù)約周還制作了信號處理電路，其元件總數(shù)約16 000個。個。 敏感元件構(gòu)成陣列后，配合相應(yīng)圖像處理軟件，可以實現(xiàn)圖形成像且構(gòu)成多維圖像敏感元件構(gòu)成陣列后，配合相應(yīng)圖像處理軟件，可以實現(xiàn)圖形成像且構(gòu)成多維圖像傳感器。這時的智能傳感器就達到了它的最高級形式。傳感器。這時的智能傳感器就達到了

24、它的最高級形式。 4. 多功能多功能 微米級敏感元件結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)特別有利于在同一硅片上制作不同功能的多個傳感器，微米級敏感元件結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)特別有利于在同一硅片上制作不同功能的多個傳感器，如，美國霍尼韋爾公司，如，美國霍尼韋爾公司， 80 年代初期生產(chǎn)的年代初期生產(chǎn)的ST-3000型智能壓力型智能壓力(差差)和溫度變送器，和溫度變送器，就是在一塊硅片上制作了感受壓力、就是在一塊硅片上制作了感受壓力、 壓差及溫度三個參量的，具有三種功能壓差及溫度三個參量的，具有三種功能(可測壓可測壓力、力、 壓差、溫度壓差、溫度)的敏感元件結(jié)構(gòu)的傳感器。不僅增加了傳感器的功能，的敏感元件結(jié)構(gòu)的傳感器。不僅增加了傳感器

25、的功能， 而且可以通而且可以通過采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)消除交叉靈敏度的影響，過采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)消除交叉靈敏度的影響， 提高傳感器的穩(wěn)定性與精度。提高傳感器的穩(wěn)定性與精度。 6. 全數(shù)字化全數(shù)字化 通過微機械加工技術(shù)可以制作各種形式的微結(jié)構(gòu)。通過微機械加工技術(shù)可以制作各種形式的微結(jié)構(gòu)。 其固有諧振頻率可以設(shè)計成某種其固有諧振頻率可以設(shè)計成某種物理參量物理參量(如溫度或壓力如溫度或壓力)的單值函數(shù)。因此可以通過檢測其諧振頻率來檢測被測物理的單值函數(shù)。因此可以通過檢測其諧振頻率來檢測被測物理量。這是一種諧振式傳感器，量。這是一種諧振式傳感器， 直接輸出數(shù)字量直接輸出數(shù)字量(頻率頻率)。 它的性能極為穩(wěn)定、

26、精度高、它的性能極為穩(wěn)定、精度高、不需不需A/D轉(zhuǎn)換器便能與微處理器方便地接口。免去轉(zhuǎn)換器便能與微處理器方便地接口。免去A/D轉(zhuǎn)換器，對于節(jié)省芯片面積、轉(zhuǎn)換器，對于節(jié)省芯片面積、簡化集成化工藝，均十分有利。簡化集成化工藝，均十分有利。 7. 使用極其方便，使用極其方便， 操作極其簡單操作極其簡單8. 混合實現(xiàn)混合實現(xiàn) 根據(jù)需要與可能，將系根據(jù)需要與可能，將系統(tǒng)各個集成化環(huán)節(jié)，如：統(tǒng)各個集成化環(huán)節(jié)，如：敏感單元、敏感單元、 信號調(diào)理電路、信號調(diào)理電路、微處理器單元、數(shù)字總線微處理器單元、數(shù)字總線接口，以不同的組合方式接口，以不同的組合方式集成在兩塊或三塊芯片上，集成在兩塊或三塊芯片上，并裝在一個

27、外殼里。如圖并裝在一個外殼里。如圖1-6中所示的幾種方式。中所示的幾種方式。 集成化敏感單元包括集成化敏感單元包括(對對結(jié)構(gòu)型傳感器結(jié)構(gòu)型傳感器)彈性敏感元彈性敏感元件及變換器。件及變換器。 信號調(diào)理電路包括多路信號調(diào)理電路包括多路開關(guān)、開關(guān)、 儀用放大器、儀用放大器、 基準、基準、 模模/數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)等。等。 微處理器單元包括數(shù)字微處理器單元包括數(shù)字存儲器存儲器(EPROM、ROM、RAM)、 I/O接口、微處理接口、微處理器、數(shù)器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器模轉(zhuǎn)換器(DAC)等等)。11.4.4 集成化智能傳感器的幾種形式集成化智能傳感器的幾種形式 1. 初級形式初級形式 初級形式就是組成

28、環(huán)節(jié)中沒有微處理器單元，只有敏感單元與初級形式就是組成環(huán)節(jié)中沒有微處理器單元，只有敏感單元與(智能智能)信號調(diào)理電路，信號調(diào)理電路，二者被封裝在一個外殼里。這是智能傳感器系統(tǒng)最早出現(xiàn)的商品化形式，二者被封裝在一個外殼里。這是智能傳感器系統(tǒng)最早出現(xiàn)的商品化形式， 也是最廣泛也是最廣泛使用的形式，使用的形式， 也被稱為也被稱為“初級智能傳感器初級智能傳感器”(Smart Sensor)。 從功能來講，從功能來講， 它只具有它只具有比較簡單的自動校零、非線性的自動校正、溫度自動補償功能。這些簡單的智能化功比較簡單的自動校零、非線性的自動校正、溫度自動補償功能。這些簡單的智能化功能是由硬件電路來實現(xiàn)的

29、。故通常稱該種硬件電路為智能調(diào)理電路。能是由硬件電路來實現(xiàn)的。故通常稱該種硬件電路為智能調(diào)理電路。 2. 中級形式中級形式/自立形式自立形式 中級形式是在組成環(huán)節(jié)中除敏感單元與信號調(diào)理電路外，必須含有微處理器單元，中級形式是在組成環(huán)節(jié)中除敏感單元與信號調(diào)理電路外，必須含有微處理器單元，即一個完整的傳感器系統(tǒng)全部封裝在一個外殼里的形式。它具有即一個完整的傳感器系統(tǒng)全部封裝在一個外殼里的形式。它具有9.2.1節(jié)所列完善的智能節(jié)所列完善的智能化功能，這些智能化功能主要是由強大的軟件來實現(xiàn)的?；δ埽@些智能化功能主要是由強大的軟件來實現(xiàn)的。 3. 高級形式高級形式 高級形式是集成度進一步提高，敏感單

30、元實現(xiàn)多維陣列化時，同時配備了更強大高級形式是集成度進一步提高，敏感單元實現(xiàn)多維陣列化時，同時配備了更強大的信息處理軟件，從而具有更高級的智能化功能的形式。這時的傳感器系統(tǒng)不僅具的信息處理軟件，從而具有更高級的智能化功能的形式。這時的傳感器系統(tǒng)不僅具有有9.2.1節(jié)所述的完善的智能化功能，而且還具有更高級的傳感器陣列信息融合功能，節(jié)所述的完善的智能化功能，而且還具有更高級的傳感器陣列信息融合功能， 或具有成像與圖像處理等功能?；蚓哂谐上衽c圖像處理等功能。 對于集成化智能傳感器系統(tǒng)而言，集成化程度越高，其智能化程度也就越可能達對于集成化智能傳感器系統(tǒng)而言，集成化程度越高，其智能化程度也就越可能達

31、到更高的水平。到更高的水平。 光纖光柵傳感的工作原理是直接或間接光纖光柵傳感的工作原理是直接或間接借助某種裝置將被測量的變化轉(zhuǎn)化為光纖借助某種裝置將被測量的變化轉(zhuǎn)化為光纖光柵上的應(yīng)變或溫度變化，建立并標定光光柵上的應(yīng)變或溫度變化，建立并標定光纖光柵中心波長的變化與被測量的關(guān)系，纖光柵中心波長的變化與被測量的關(guān)系，由光纖布拉格中心波長的變化獲得被測量。由光纖布拉格中心波長的變化獲得被測量。 SG FBG-IT-01型光纖光柵溫度傳感器型光纖光柵溫度傳感器提高了溫度靈敏度，且具有不受電磁干擾、提高了溫度靈敏度，且具有不受電磁干擾、精度高、重復性好、分布式測量、長期穩(wěn)精度高、重復性好、分布式測量、長

32、期穩(wěn)定性好、絕對測量等優(yōu)點，特別適于不宜定性好、絕對測量等優(yōu)點，特別適于不宜采用電學量溫度傳感器的溫度場，可用于采用電學量溫度傳感器的溫度場，可用于電站、輸電線、埋地管線、土木結(jié)構(gòu)施工電站、輸電線、埋地管線、土木結(jié)構(gòu)施工監(jiān)測、竣工試驗和運營監(jiān)測等的溫度監(jiān)測。監(jiān)測、竣工試驗和運營監(jiān)測等的溫度監(jiān)測。同時，它還可以用作光纖光柵應(yīng)變敏感元同時，它還可以用作光纖光柵應(yīng)變敏感元件的溫度補償器件。件的溫度補償器件。量量 程程8080150150精精 度度 0.08 0.08 0.1 0.1 (解調(diào)儀決定）分辨率解調(diào)儀決定）分辨率0.04 ( 0.04 ( 解調(diào)解調(diào)儀決定）耐久性大于儀決定）耐久性大于2020

33、年年 JCJ900B 紡機專用智能濕度監(jiān)控系統(tǒng)紡機專用智能濕度監(jiān)控系統(tǒng) 本系統(tǒng)為九純健科技根據(jù)紡織、印染行業(yè)在布料加工工藝過程中，對溫濕度有特殊要求這一需求，本系統(tǒng)為九純健科技根據(jù)紡織、印染行業(yè)在布料加工工藝過程中，對溫濕度有特殊要求這一需求，組織對紡織、印染工藝方面經(jīng)驗豐富的工程師經(jīng)過大量的現(xiàn)場試驗，而開發(fā)的紡機專用濕度自動組織對紡織、印染工藝方面經(jīng)驗豐富的工程師經(jīng)過大量的現(xiàn)場試驗，而開發(fā)的紡機專用濕度自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)已在紡織機械的紗錠烘干，印染后整理過程中的燥洗、高溫烘干定型等工藝過控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)已在紡織機械的紗錠烘干，印染后整理過程中的燥洗、高溫烘干定型等工藝過程中成功應(yīng)用。系統(tǒng)對

34、濕度測量傳感器、智能監(jiān)控調(diào)節(jié)儀表等系統(tǒng)部件都采取了特殊的措施，使程中成功應(yīng)用。系統(tǒng)對濕度測量傳感器、智能監(jiān)控調(diào)節(jié)儀表等系統(tǒng)部件都采取了特殊的措施，使之能穩(wěn)定運行于紡織、印染行業(yè)高溫、高濕、高電磁干擾、高靜電干擾等的特殊環(huán)境中。之能穩(wěn)定運行于紡織、印染行業(yè)高溫、高濕、高電磁干擾、高靜電干擾等的特殊環(huán)境中。應(yīng)用場應(yīng)用場合：合：紡織、印染行業(yè)在布料加工工藝過程中；紡織、印染行業(yè)在布料加工工藝過程中；系統(tǒng)性能參數(shù)：系統(tǒng)性能參數(shù)：供電電壓：交流供電電壓：交流220V;系統(tǒng)功耗：系統(tǒng)功耗：10W;負載驅(qū)動能力：負載驅(qū)動能力：0.75KW-20KW交流負載交流負載;濕度測量準確度：濕度測量準確度：3%RH;

35、濕度測量范圍：濕度測量范圍：10-99.9%RH;系統(tǒng)分辨系統(tǒng)分辨率：率：0.1%RH;濕度控制波動度：濕度控制波動度：2%RH;被測氣體溫度范圍：被測氣體溫度范圍：600;系統(tǒng)工作環(huán)境溫度：系統(tǒng)工作環(huán)境溫度：-40-70;系統(tǒng)工作系統(tǒng)工作環(huán)境濕度：環(huán)境濕度：10-90%RH 生物傳感器研究和開發(fā)的目的是向社會提供采用生物傳感器原理的新儀器和分析控生物傳感器研究和開發(fā)的目的是向社會提供采用生物傳感器原理的新儀器和分析控制方法，它們可以廣泛地應(yīng)用于臨床診斷和監(jiān)護、食品分析、工業(yè)控制和環(huán)境狀態(tài)的制方法，它們可以廣泛地應(yīng)用于臨床診斷和監(jiān)護、食品分析、工業(yè)控制和環(huán)境狀態(tài)的監(jiān)測。監(jiān)測。 11.5 11.

36、5 生物傳感器生物傳感器 生物的基本特征之一，是能夠?qū)ν饨绲母鞣N刺激作出反應(yīng)。其所以能夠如此，首先是由于生生物的基本特征之一，是能夠?qū)ν饨绲母鞣N刺激作出反應(yīng)。其所以能夠如此，首先是由于生物能感受外界的各類刺激信號，并將這些信號轉(zhuǎn)換成體內(nèi)信息處理系統(tǒng)所能接收并處理的信號。物能感受外界的各類刺激信號，并將這些信號轉(zhuǎn)換成體內(nèi)信息處理系統(tǒng)所能接收并處理的信號。例如，人能通過眼、耳、鼻、舌、身等感覺器官將外界的光、聲溫度及其它各種化學和物理信例如，人能通過眼、耳、鼻、舌、身等感覺器官將外界的光、聲溫度及其它各種化學和物理信號轉(zhuǎn)換成人體內(nèi)神經(jīng)系統(tǒng)等信息處理系統(tǒng)能夠接收和處理的信號?，F(xiàn)代和未來的信息社會中，

37、號轉(zhuǎn)換成人體內(nèi)神經(jīng)系統(tǒng)等信息處理系統(tǒng)能夠接收和處理的信號?，F(xiàn)代和未來的信息社會中，信息處理系統(tǒng)要對自然和社會的各種變化作出反應(yīng)，首先需要通過傳感器將外界的各種信息接信息處理系統(tǒng)要對自然和社會的各種變化作出反應(yīng)，首先需要通過傳感器將外界的各種信息接下來并轉(zhuǎn)換成信息系統(tǒng)中的信息處理單元（即計算機）能夠接收和處理的信號。下來并轉(zhuǎn)換成信息系統(tǒng)中的信息處理單元（即計算機）能夠接收和處理的信號。 生物傳感器是近幾十年內(nèi)發(fā)展起來的一種生物傳感器是近幾十年內(nèi)發(fā)展起來的一種新的傳感器技術(shù)。有人把新的傳感器技術(shù)。有人把21世紀稱為生命科世紀稱為生命科學的世紀，也有人把學的世紀，也有人把21世紀稱為信息科學的世紀稱

38、為信息科學的世紀。生物傳感器正是在生命科學和信息科世紀。生物傳感器正是在生命科學和信息科學之間發(fā)展起來的一個交叉學科。學之間發(fā)展起來的一個交叉學科。 生物傳感器可以依照其感受器中所采用的生物傳感器可以依照其感受器中所采用的生命物質(zhì)而稱為組織傳感器、細胞傳感器、生命物質(zhì)而稱為組織傳感器、細胞傳感器、酶傳感器等等，也可根據(jù)所監(jiān)測的物理量、酶傳感器等等，也可根據(jù)所監(jiān)測的物理量、化學量或生物量而命名為熱傳感器、光傳感化學量或生物量而命名為熱傳感器、光傳感器、胰島素傳感器等，還可根據(jù)其用途統(tǒng)稱器、胰島素傳感器等，還可根據(jù)其用途統(tǒng)稱為免疫傳感器、藥物傳感器等等。為免疫傳感器、藥物傳感器等等。 谷氨酸傳感器

39、的研制成功并進入實用是國際首創(chuàng)，由于我國是世界上的味精大國，谷氨酸傳感器的研制成功并進入實用是國際首創(chuàng)，由于我國是世界上的味精大國，味精產(chǎn)量居世界第一，因此味精產(chǎn)量居世界第一，因此40型儀器的問世很快得到工廠用戶的關(guān)注。它與葡萄糖、型儀器的問世很快得到工廠用戶的關(guān)注。它與葡萄糖、乳酸傳感器一起成龍配套地監(jiān)測控制發(fā)酵罐內(nèi)的物質(zhì)成分的變化（每年在我們向全國乳酸傳感器一起成龍配套地監(jiān)測控制發(fā)酵罐內(nèi)的物質(zhì)成分的變化（每年在我們向全國有關(guān)單位提供固定化酶膜共有關(guān)單位提供固定化酶膜共1500個，實現(xiàn)分析個，實現(xiàn)分析150萬次萬次/年），至今國際上還沒有大規(guī)年），至今國際上還沒有大規(guī)模應(yīng)用生物傳感器于工業(yè)測

40、量實例的報道，它為味精行業(yè)提供了精確的生化成份檢測模應(yīng)用生物傳感器于工業(yè)測量實例的報道，它為味精行業(yè)提供了精確的生化成份檢測和控制手段。由于工業(yè)生產(chǎn)是一種連續(xù)不可間斷的生產(chǎn)過程，要求生物傳感器產(chǎn)品能和控制手段。由于工業(yè)生產(chǎn)是一種連續(xù)不可間斷的生產(chǎn)過程，要求生物傳感器產(chǎn)品能耐受各種溫度變化、連續(xù)、電壓波動等比較粗放的環(huán)境條件，耐受各種溫度變化、連續(xù)、電壓波動等比較粗放的環(huán)境條件，SBA生物傳感器幾經(jīng)改生物傳感器幾經(jīng)改造，在技術(shù)上已經(jīng)基本適應(yīng)這一條件，經(jīng)過造，在技術(shù)上已經(jīng)基本適應(yīng)這一條件，經(jīng)過7年多在幾家大型味精企業(yè)集團使用的考驗，年多在幾家大型味精企業(yè)集團使用的考驗，已證明已證明SBA-生物傳感

41、器能夠連續(xù)不停地生物傳感器能夠連續(xù)不停地24小時長期運轉(zhuǎn)。小時長期運轉(zhuǎn)。 SBA-40型谷氨酸葡萄糖雙功能分析儀型谷氨酸葡萄糖雙功能分析儀 60型分析儀是一種以生物傳感器為關(guān)鍵器件的大型儀器設(shè)備，它采用自動化的機械型分析儀是一種以生物傳感器為關(guān)鍵器件的大型儀器設(shè)備，它采用自動化的機械臂實現(xiàn)自動取樣、稀釋等操作，用生物傳感器實現(xiàn)生物反應(yīng)器樣品的自動檢測，它臂實現(xiàn)自動取樣、稀釋等操作，用生物傳感器實現(xiàn)生物反應(yīng)器樣品的自動檢測，它集發(fā)酵罐常規(guī)控制和物料控制于一體，具有其它系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點：由生物傳感集發(fā)酵罐常規(guī)控制和物料控制于一體，具有其它系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點：由生物傳感器檢測相應(yīng)的生化物質(zhì)及其變化

42、，還能測定反映菌體的生長情況光密度和溫度、器檢測相應(yīng)的生化物質(zhì)及其變化，還能測定反映菌體的生長情況光密度和溫度、pH、攪拌、消泡電阻等常規(guī)發(fā)酵指標。系統(tǒng)可與計算機相連接，自動記錄發(fā)酵過程中各攪拌、消泡電阻等常規(guī)發(fā)酵指標。系統(tǒng)可與計算機相連接，自動記錄發(fā)酵過程中各項指標的變化過程，在計算機平臺上完成關(guān)鍵參數(shù)的發(fā)酵過程直觀圖像，供技術(shù)人項指標的變化過程，在計算機平臺上完成關(guān)鍵參數(shù)的發(fā)酵過程直觀圖像，供技術(shù)人員分析各因素對發(fā)酵過程的影響，探索最佳發(fā)酵條件。也可脫離計算機獨立工作，員分析各因素對發(fā)酵過程的影響，探索最佳發(fā)酵條件。也可脫離計算機獨立工作，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵異常時，可隨時與計算機聯(lián)機，取出保存數(shù)據(jù)進

43、行分析研究。系統(tǒng)用于提發(fā)現(xiàn)發(fā)酵異常時，可隨時與計算機聯(lián)機，取出保存數(shù)據(jù)進行分析研究。系統(tǒng)用于提升發(fā)酵和其它生物技術(shù)行業(yè)的生產(chǎn)模擬研究活動及生產(chǎn)過程監(jiān)控，改變目前人工采升發(fā)酵和其它生物技術(shù)行業(yè)的生產(chǎn)模擬研究活動及生產(chǎn)過程監(jiān)控，改變目前人工采樣的狀況，逐步過渡到自動控制，將對傳統(tǒng)生物技術(shù)的改造發(fā)揮重要的作用。樣的狀況，逐步過渡到自動控制，將對傳統(tǒng)生物技術(shù)的改造發(fā)揮重要的作用。 S B A - 60型生物傳感在線分析系統(tǒng)型生物傳感在線分析系統(tǒng) 德國研發(fā)的環(huán)境廢水德國研發(fā)的環(huán)境廢水BODBOD分析儀分析儀手掌型葡萄糖手掌型葡萄糖(glucose)(glucose)分析儀分析儀第第12章章 信號處理及抗

44、干擾技術(shù)信號處理及抗干擾技術(shù) 一般測量系統(tǒng)通常由傳感器、測量電路（信號轉(zhuǎn)換與信號處理電路）以一般測量系統(tǒng)通常由傳感器、測量電路（信號轉(zhuǎn)換與信號處理電路）以及顯示記錄部分組成。對于被測非電量變換為電路參數(shù)（及顯示記錄部分組成。對于被測非電量變換為電路參數(shù)（R、L、C、M）的無源型傳感器（如電阻式、電感式、電容式、電渦流式等），因為傳感器的無源型傳感器（如電阻式、電感式、電容式、電渦流式等），因為傳感器的輸出是電路參數(shù)的變化，因此，需要對他們先進行激勵，通過不同的轉(zhuǎn)換的輸出是電路參數(shù)的變化，因此，需要對他們先進行激勵，通過不同的轉(zhuǎn)換電路把電路參數(shù)轉(zhuǎn)換成電流或電壓信號，然后再經(jīng)過放大輸出；而對于直接

45、電路把電路參數(shù)轉(zhuǎn)換成電流或電壓信號，然后再經(jīng)過放大輸出；而對于直接把非電量變換為電學量（電流或電動熱）的有源型傳感器（如電壓式、磁電把非電量變換為電學量（電流或電動熱）的有源型傳感器（如電壓式、磁電式、熱電式等），雖然他們輸出的是電量，但仍然需要進行放大或特殊處理。式、熱電式等），雖然他們輸出的是電量，但仍然需要進行放大或特殊處理。因此，一個非電量檢測裝置（或系統(tǒng)）中，必須具有對電信號進行轉(zhuǎn)換和處因此，一個非電量檢測裝置（或系統(tǒng)）中，必須具有對電信號進行轉(zhuǎn)換和處理的電路。轉(zhuǎn)換和處理電路的任務(wù)比較復雜。除了微弱信號放大、濾波外，理的電路。轉(zhuǎn)換和處理電路的任務(wù)比較復雜。除了微弱信號放大、濾波外，還

46、有諸如零點校正、線性化處理、溫度補償，誤差修正、量程切換等信號處還有諸如零點校正、線性化處理、溫度補償，誤差修正、量程切換等信號處理功能。信號處理電路的重點為微弱信號放大及線性化處理。理功能。信號處理電路的重點為微弱信號放大及線性化處理。 檢測裝置的抗干擾問題，實際上也是電子測量裝置的抗于擾問題。為了檢測裝置的抗干擾問題，實際上也是電子測量裝置的抗于擾問題。為了有效地防止干擾，必須首先要弄清干擾的類型、來源及其傳送的方式，才能有效地防止干擾，必須首先要弄清干擾的類型、來源及其傳送的方式，才能根據(jù)不同的情況，提出相應(yīng)的抗干擾措施，從而達到消除或減弱干擾的目的。根據(jù)不同的情況，提出相應(yīng)的抗干擾措施

47、，從而達到消除或減弱干擾的目的。 12.1 信號處理技術(shù)信號處理技術(shù)12.1.1 微弱信號放大微弱信號放大12.1.1.1 測量放大器測量放大器 通常對一個單純的微弱信號，可以采用運算放通常對一個單純的微弱信號，可以采用運算放大器進行放大，如圖大器進行放大，如圖10.1.1所示。其中所示。其中U，為傳，為傳感器輸出的電壓，運算放大器為反相輸入接法感器輸出的電壓，運算放大器為反相輸入接法,U。為放大后的輸出電壓，此時為放大后的輸出電壓，此時 sU210RRUUsR1R2+-圖10.1.1 運算放大器放大電路 運算放大器也可以接成同相輸入形式，由于傳感器的工作環(huán)境往往比較惡運算放大器也可以接成同相

48、輸入形式，由于傳感器的工作環(huán)境往往比較惡劣，在傳感器的兩個輸出端上經(jīng)常產(chǎn)生干擾較大的信號，有時是完全相同的劣，在傳感器的兩個輸出端上經(jīng)常產(chǎn)生干擾較大的信號，有時是完全相同的干擾信號稱為共模干擾。雖然運算放大器對直接輸入或同相輸入的共模信號干擾信號稱為共模干擾。雖然運算放大器對直接輸入或同相輸入的共模信號有較強的抑制能力，但是對簡單的反相輸入或同相輸入接法，由于電路結(jié)構(gòu)有較強的抑制能力，但是對簡單的反相輸入或同相輸入接法，由于電路結(jié)構(gòu)不對稱，抵御共模干擾的能力很差。我們可以采用運算放大器的差動接法，不對稱，抵御共模干擾的能力很差。我們可以采用運算放大器的差動接法，從比較大的共模信號中檢出差值信號

49、并加以放大。從比較大的共模信號中檢出差值信號并加以放大。U0R1R2+-R2+-+-R3R3R4R4N2N1Ui圖10.1.2 測量放大器原理圖 對于傳感器輸出的微弱對于傳感器輸出的微弱信號，通常是用一組運算放信號，通常是用一組運算放大器構(gòu)成的測量放大器來進大器構(gòu)成的測量放大器來進行放大的，經(jīng)典的測量放大行放大的，經(jīng)典的測量放大器由三個運算放大器構(gòu)成，器由三個運算放大器構(gòu)成，如圖如圖10.1.2所示。所示。 其中其中N1、N2構(gòu)成同相并聯(lián)差動放大器，差動輸入信號和共模輸入信號從構(gòu)成同相并聯(lián)差動放大器，差動輸入信號和共模輸入信號從N1、N2的同的同相輸入，所以它的差動輸入電阻和共模輸入電阻都很大

50、相輸入，所以它的差動輸入電阻和共模輸入電阻都很大 。對。對N1、N2來說，電路的平來說，電路的平衡對稱機構(gòu)也有助于失調(diào)及其漂移影響的互相抵消。運算放大器衡對稱機構(gòu)也有助于失調(diào)及其漂移影響的互相抵消。運算放大器N3接成差動式輸入，接成差動式輸入，它不但能割斷共模信號的傳遞，還將它不但能割斷共模信號的傳遞，還將N1、N2的雙端輸出變成單端輸出，以適應(yīng)接地負的雙端輸出變成單端輸出，以適應(yīng)接地負載的需要。不難證明這個電路的電壓放大倍數(shù)為載的需要。不難證明這個電路的電壓放大倍數(shù)為 調(diào)整調(diào)整R1即可改變放大倍數(shù)。即可改變放大倍數(shù)。)21(RRK1234uRR 測量放大器所采用的上述電路形式，是它具有輸入阻

51、抗高、增益調(diào)節(jié)方便、測量放大器所采用的上述電路形式，是它具有輸入阻抗高、增益調(diào)節(jié)方便、漂移相互補償以及輸出不包含共模信號等一系列優(yōu)點。這種放大器在許多高漂移相互補償以及輸出不包含共模信號等一系列優(yōu)點。這種放大器在許多高精度、低電平的放大方面是極其有用的，而且由于它的共模抑制能力強，所精度、低電平的放大方面是極其有用的，而且由于它的共模抑制能力強，所以能從高的共模信號背景中檢測出微弱的有用信號。以能從高的共模信號背景中檢測出微弱的有用信號。 傳感器輸出的微弱信號經(jīng)放大后，通常面臨長距離的問題，為了避免電傳感器輸出的微弱信號經(jīng)放大后，通常面臨長距離的問題，為了避免電壓信號在傳輸過程中的損失和抗干擾

52、方面的需要，可將直流電壓信號變換為壓信號在傳輸過程中的損失和抗干擾方面的需要，可將直流電壓信號變換為直流電流信號進行傳輸。過程控制系列儀表之間信號的傳輸就是采用直流電直流電流信號進行傳輸。過程控制系列儀表之間信號的傳輸就是采用直流電流。另外在對測量值進行顯示時，常采用動圈表頭，這也需要將直流電壓變流。另外在對測量值進行顯示時，常采用動圈表頭，這也需要將直流電壓變換為直流電流來驅(qū)動線圈。為了不受傳輸線路電阻變化和負載電阻大小的影換為直流電流來驅(qū)動線圈。為了不受傳輸線路電阻變化和負載電阻大小的影響，輸出電流應(yīng)具有良好的恒流特性。因此使用電壓響，輸出電流應(yīng)具有良好的恒流特性。因此使用電壓電流變換器實

53、現(xiàn)信號電流變換器實現(xiàn)信號的的電流傳送時，應(yīng)使變換器輸出電阻盡量大，這可以減小對信號的影響，的的電流傳送時，應(yīng)使變換器輸出電阻盡量大，這可以減小對信號的影響，同時輸出電阻也應(yīng)盡量大，以保持輸出電流的恒流特性。電壓同時輸出電阻也應(yīng)盡量大，以保持輸出電流的恒流特性。電壓電流變換器電流變換器是很不容易實現(xiàn)的。具體電路讀者可查閱有關(guān)書籍。是很不容易實現(xiàn)的。具體電路讀者可查閱有關(guān)書籍。12.1.2 線性化處理技術(shù)線性化處理技術(shù) 在自動檢測系統(tǒng)中，利用多種傳感器把各種被測量轉(zhuǎn)換成電信號時，在自動檢測系統(tǒng)中，利用多種傳感器把各種被測量轉(zhuǎn)換成電信號時，大多數(shù)傳感器的輸出信號和被測量之間的關(guān)系并非是線性關(guān)系。這是

54、由于大多數(shù)傳感器的輸出信號和被測量之間的關(guān)系并非是線性關(guān)系。這是由于不少傳感的轉(zhuǎn)換原理并非線性，其次是由于采用的電路（如電橋電路）的不少傳感的轉(zhuǎn)換原理并非線性，其次是由于采用的電路（如電橋電路）的非線性。要解決這個問題，在模擬量自動檢測系統(tǒng)中可采用三種方法：非線性。要解決這個問題，在模擬量自動檢測系統(tǒng)中可采用三種方法：縮小測量范圍，取近似值?？s小測量范圍，取近似值。采用非均勻的指示刻度。采用非均勻的指示刻度。增加非線性校正增加非線性校正環(huán)節(jié)。顯然，前兩種方法的局限性和缺點比較明顯。下面我們著重介紹增環(huán)節(jié)。顯然，前兩種方法的局限性和缺點比較明顯。下面我們著重介紹增加非線性校正環(huán)節(jié)的方法。加非線性

55、校正環(huán)節(jié)的方法。 通常我們在設(shè)計測量儀表時總希望得到均勻的指示刻度，這樣儀表讀通常我們在設(shè)計測量儀表時總希望得到均勻的指示刻度，這樣儀表讀數(shù)看起來清楚、方便。此外，如果儀表的刻度特性為線性，就能保證儀表數(shù)看起來清楚、方便。此外，如果儀表的刻度特性為線性，就能保證儀表在整個量程內(nèi)靈敏度是相同的，從而有利于分析和處理測量結(jié)果。為了保在整個量程內(nèi)靈敏度是相同的，從而有利于分析和處理測量結(jié)果。為了保證測量儀表的輸出與輸入之間具有線性關(guān)系，就需要在儀表中引入一種特證測量儀表的輸出與輸入之間具有線性關(guān)系，就需要在儀表中引入一種特殊環(huán)節(jié)，用它來補償其他環(huán)節(jié)的非線性，這就是非線性校正環(huán)節(jié)或稱為殊環(huán)節(jié)，用它來補

56、償其他環(huán)節(jié)的非線性，這就是非線性校正環(huán)節(jié)或稱為“線性化器線性化器”。 12.2 噪聲源噪聲源 在檢測裝置中，測量的信息往往是以電壓或電流形式傳送的，由于檢測裝置內(nèi)在檢測裝置中，測量的信息往往是以電壓或電流形式傳送的，由于檢測裝置內(nèi)部和外部因素的影響，使信號在傳輸過程的各個環(huán)節(jié)中，否可避免地要受到各種，部和外部因素的影響，使信號在傳輸過程的各個環(huán)節(jié)中，否可避免地要受到各種，噪聲的干擾，而使信號產(chǎn)生不同程度的畸變，即為失真?？梢哉f噪聲是限制檢測系噪聲的干擾，而使信號產(chǎn)生不同程度的畸變，即為失真。可以說噪聲是限制檢測系統(tǒng)性能的決定因素。統(tǒng)性能的決定因素。 噪聲一般可分為外部噪聲和內(nèi)部噪聲兩大類。外部

57、噪聲有自然界噪聲源噪聲一般可分為外部噪聲和內(nèi)部噪聲兩大類。外部噪聲有自然界噪聲源(如電離如電離層的電磁現(xiàn)象產(chǎn)生的噪聲層的電磁現(xiàn)象產(chǎn)生的噪聲)和人為噪聲源和人為噪聲源(如電氣設(shè)備、電臺干擾等如電氣設(shè)備、電臺干擾等)；內(nèi)部噪聲又名；內(nèi)部噪聲又名固有噪聲，它是由檢測裝置的各種元件內(nèi)部產(chǎn)生的，如熱噪聲、散粒噪聲等。噪聲固有噪聲，它是由檢測裝置的各種元件內(nèi)部產(chǎn)生的，如熱噪聲、散粒噪聲等。噪聲與一般的電信號不同，一般的電信號可以用千個確定的時間函數(shù)來描述與一般的電信號不同，一般的電信號可以用千個確定的時間函數(shù)來描述(如正弦信如正弦信號、脈沖信號號、脈沖信號)，而噪聲是不能用，而噪聲是不能用+個預先確定的時

58、間函數(shù)來描述的。個預先確定的時間函數(shù)來描述的。 表征一個系統(tǒng)干擾的主要指標是表征一個系統(tǒng)干擾的主要指標是“信噪比信噪比”。信噪比。信噪比SN指的是在信號通道中，指的是在信號通道中，有用信號成分與噪聲信號成分之比。設(shè)有用信號功率為有用信號成分與噪聲信號成分之比。設(shè)有用信號功率為Ps，有用信號電壓，有用信號電壓Us，噪，噪聲功率為聲功率為PN，噪聲電壓為，噪聲電壓為UN，則用分貝，則用分貝(dB)單位表示的信噪比為單位表示的信噪比為 由上式可知，信噪比越大，表示噪聲的影咽越小。由上式可知，信噪比越大，表示噪聲的影咽越小。NNUUslg20PPslg10S/N12.2.1 噪聲源噪聲源10.2.1.

59、1 放電噪聲放電噪聲 各種電子設(shè)備的噪聲干擾，其產(chǎn)生原因多數(shù)屑于放電現(xiàn)象。在放電過程中各種電子設(shè)備的噪聲干擾，其產(chǎn)生原因多數(shù)屑于放電現(xiàn)象。在放電過程中會向周圍空間輻射出從低頻到高頻的電磁波，而且會傳播得很遠。例如在一會向周圍空間輻射出從低頻到高頻的電磁波，而且會傳播得很遠。例如在一個大氣壓的空氣中，對曲率半徑較小的兩電極間施加電壓，電壓慢慢升高時，個大氣壓的空氣中，對曲率半徑較小的兩電極間施加電壓，電壓慢慢升高時，最初幾乎無電流流過，當電壓升高到一定數(shù)值時，如果電極中介質(zhì)完全被電最初幾乎無電流流過，當電壓升高到一定數(shù)值時，如果電極中介質(zhì)完全被電離時離時(稱為電暈稱為電暈)，電極尖端引起局部破壞

60、，電流急劇增加，形成電暈放電；，電極尖端引起局部破壞，電流急劇增加，形成電暈放電；如果繼續(xù)升高電壓，將會經(jīng)過火花放電過渡到弧光放電，此時空氣擊穿，同如果繼續(xù)升高電壓，將會經(jīng)過火花放電過渡到弧光放電，此時空氣擊穿，同時向周圍輻射出各種頻率的電磁波。這種干擾電磁波幾乎對各種電子設(shè)備都時向周圍輻射出各種頻率的電磁波。這種干擾電磁波幾乎對各種電子設(shè)備都有影響。有影響。 (1)電暈放電噪聲電暈放電噪聲主要來源于高壓輸電線，它具有間隙性，并產(chǎn)生脈沖電流，主要來源于高壓輸電線，它具有間隙性，并產(chǎn)生脈沖電流，從而成為一種干擾噪聲。伴隨電暈放電過程產(chǎn)生的高頻振蕩也是一種干擾。從而成為一種干擾噪聲。伴隨電暈放電過