工程測試與信號(hào)處理課件5集成化智能傳感器

集成化智能傳感器集成化智能傳感器1集成化智能傳感器

一、概述智能傳感器系統(tǒng)是一門現(xiàn)代綜合技術(shù)，是當(dāng)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)范的定義。早期，人們簡單、機(jī)械地強(qiáng)調(diào)在工藝上將傳感器和微處理器兩者緊密結(jié)合，認(rèn)為“傳感器的敏感元件及其信號(hào)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”，顯然，這種定義過于狹義。智能傳感器的中、英文稱謂很多，目前尚未統(tǒng)一。一般認(rèn)為“intelligentSensor”是英國人對(duì)智能傳感器的稱謂，而“SmartSensor”是美國人對(duì)智能傳感器的俗稱。JohanH.Huijsing在“IntegratedSmartSensor”一文中按集成化程度的不同，分別稱為“SmartSensor”，“IntegratedSmartSensor”?！癝martSensor”的中文譯名有的譯為“靈巧傳感器”，也有譯為“智能傳感器”。目前國內(nèi)大多數(shù)采用集成智能傳感器（IntegratedSmartSensor）的稱謂，簡稱智能傳感器（intelligentSensor），并且認(rèn)為：“傳感器與微處理器賦予智能的結(jié)合，兼有信息檢測和信息處理的傳感器是智能傳感器（系統(tǒng)）”；將傳感器與微處理器集成在一塊芯片上只是構(gòu)成智能傳感器（系統(tǒng)）的一種方式。集成化智能傳感器一、概述2集成化智能傳感器二、集成化智能傳感器的功能與特點(diǎn)

1.集成化智能傳感器的功能集成化智能傳感器的功能是通過比較人的感官和大腦的協(xié)調(diào)動(dòng)作，總結(jié)長期以來傳感器測量的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)而提出的。概括而言，主要功能如下：（1）自補(bǔ)償和計(jì)算智能傳感器的自補(bǔ)償和計(jì)算功能為傳感器的溫度漂移和非線性補(bǔ)償開辟了新的道路。即使傳感器的加工不太精密，只要能保證其重復(fù)性好，通過傳感器的計(jì)算功能也能獲得較精確的測量結(jié)果。集成化智能傳感器二、集成化智能傳感器的功能與特點(diǎn)1.集3集成化智能傳感器（2）自檢、自診斷和自校正普通傳感器需要定期檢驗(yàn)和標(biāo)定，以保證其精確度。檢驗(yàn)和標(biāo)定時(shí)一般要求將傳感器從使用現(xiàn)場拆卸下來拿到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，很不方便。而集成化智能傳感器的檢驗(yàn)校正可以在線進(jìn)行。一般所要調(diào)整的參數(shù)主要是零位和增益。將校正功能軟件存儲(chǔ)在智能傳感器的存儲(chǔ)器中，操作者只要輸入零位和一些已知參數(shù)，智能傳感器的微處理器就能自動(dòng)將隨時(shí)間變化了的零位和增益校正過來。（3）復(fù)合敏感功能集成化智能傳感器能夠同時(shí)測量多種物理量和化學(xué)量，具有復(fù)合敏感功能，能夠給出全面反映物質(zhì)和變化規(guī)律的信息。如壓力、真空度，溫度梯度、熱量和熵，濃度、pH值等分別反映物質(zhì)的力、熱、化學(xué)特性。集成化智能傳感器（2）自檢、自診斷和自校正（3）復(fù)合敏感功能4集成化智能傳感器（4）接口功能由于傳感器中使用了微處理器，其接口容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化與標(biāo)準(zhǔn)化，可方便地與一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或上一級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行接口，這樣就可以由遠(yuǎn)程中心計(jì)算機(jī)控制整個(gè)系統(tǒng)工作。（5）顯示報(bào)警功能集成化智能傳感器通過接口與數(shù)碼管或其他顯示器結(jié)合起來，可選點(diǎn)顯示或定時(shí)循環(huán)顯示各種測量值及相關(guān)參數(shù)。測量結(jié)果也可以由打印機(jī)輸出。此外，通過與預(yù)設(shè)上下限值的比較還可實(shí)現(xiàn)超限值的聲光報(bào)警功能。集成化智能傳感器5集成化智能傳感器（6）數(shù)字通訊功能集成化智能傳感器可利用接口或智能現(xiàn)場通訊器（SFC）來交換信息。SFC可掛在傳感器兩信號(hào)輸出線的任何位置，通過鍵盤的簡單操作進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)定或變更傳感器的參數(shù)，如測量范圍、線性輸出或平方根輸出等。這樣，無需把傳感器從危險(xiǎn)區(qū)取下來，極大地節(jié)省了維護(hù)時(shí)間和費(fèi)用。綜上所述，集成化智能傳感器功能模塊可分為兩部分：基本傳感器部分和信號(hào)處理單元部分?；緜鞲衅鞯墓δ苤饕怯脗鞲衅鳒y量被測參數(shù)，并將傳感器的識(shí)別特性和計(jì)量特性存在可編程的只讀存儲(chǔ)器（PROM）中，以便校準(zhǔn)計(jì)算。信號(hào)處理單元部分主要是由微處理器計(jì)算和處理被測量，并濾除傳感器感知的非被測量。這兩個(gè)部分通常是集成在一起，形成一個(gè)整體，封裝在一個(gè)殼體內(nèi)。兩個(gè)部分也可以遠(yuǎn)距離實(shí)現(xiàn)，特別是在測量現(xiàn)場環(huán)境較差的情況下，這有利于電子元件和微處理器的保護(hù)，也便于遠(yuǎn)程控制和操作。集成化智能傳感器（6）數(shù)字通訊功能6集成化智能傳感器2.集成化智能傳感器的特點(diǎn)集成化智能傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比具有以下特點(diǎn)：（1）精度高集成化智能傳感器有多項(xiàng)功能來保證它的高精度，如自動(dòng)校零以去除零點(diǎn)誤差；與標(biāo)準(zhǔn)參考基準(zhǔn)實(shí)時(shí)對(duì)比以自動(dòng)進(jìn)行整體系統(tǒng)校定；自動(dòng)進(jìn)行整體系統(tǒng)的非線性等系統(tǒng)誤差的校正；通過對(duì)采集的大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理以消除偶然誤差的影響。這些措施保證了智能傳感器有很高的測量精度。集成化智能傳感器2.集成化智能傳感器的特點(diǎn)7集成化智能傳感器（2）可靠性與穩(wěn)定性高集成化智能傳感器可以自動(dòng)補(bǔ)償因工作條件與環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化后引起的系統(tǒng)特性的漂移，如溫度補(bǔ)償；自動(dòng)轉(zhuǎn)換量程以適應(yīng)被測參數(shù)的變化；自我檢驗(yàn)、分析、判斷所采集數(shù)據(jù)的合理性，并給出異常情況的應(yīng)急處理（報(bào)警或故障提示）等。因此集成化智能傳感器具有高可靠性與高穩(wěn)定性。（3）信噪比與分辨力高由于集成化智能傳感器具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、記憶與信息處理功能，通過軟件進(jìn)行數(shù)字濾波、相關(guān)分析等處理，可以去除輸入數(shù)據(jù)中的噪聲，取出有用信號(hào)；通過數(shù)據(jù)融合、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，可以消除多參數(shù)狀態(tài)下交叉靈敏度的影響，從而保證在多參數(shù)狀態(tài)下對(duì)特定參數(shù)測量的分辨力。因此集成化智能傳感器具有高信噪比和高分辨力。集成化智能傳感器（2）可靠性與穩(wěn)定性高8集成化智能傳感器（4）自適應(yīng)性強(qiáng)由于集成化智能傳感器具有判斷、分析與處理功能，它能根據(jù)系統(tǒng)工作情況決策各部分供電情況、與上位計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸速率，使系統(tǒng)工作在最低功耗狀態(tài)和優(yōu)化傳送效率。（5）性能價(jià)格比高集成化智能傳感器所具有的上述高性能，不是像傳統(tǒng)傳感器技術(shù)追求傳感器本身的完善、對(duì)傳感器的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)與調(diào)試、進(jìn)行“手工藝品”式的精雕細(xì)琢來獲得，而是通過與微處理器/微計(jì)算機(jī)相結(jié)合，采用廉價(jià)的集成電路工藝和芯片以及強(qiáng)大的軟件來實(shí)現(xiàn)的，所以其性能價(jià)格比高。集成化智能傳感器（4）自適應(yīng)性強(qiáng)9集成化智能傳感器三、智能傳感器的實(shí)現(xiàn)目前，智能傳感器主要有如下三條實(shí)現(xiàn)途徑：

1.非集成化實(shí)現(xiàn)非集成化智能傳感器是將傳統(tǒng)的經(jīng)典傳感器（采用非集成化工藝制作的傳感器，僅具有獲取信息的功能）、信號(hào)調(diào)理電路、帶數(shù)字總線接口的微處理器組合為一整體而構(gòu)成的一個(gè)智能傳感器系統(tǒng)。其組成框圖如圖所示。集成化智能傳感器三、智能傳感器的實(shí)現(xiàn)目前，智能傳感器主要有10集成化智能傳感器2.集成化實(shí)現(xiàn)這種智能傳感器系統(tǒng)是用微機(jī)械加工技術(shù)和大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)，利用硅作為基本材料來制作敏感元件、信號(hào)調(diào)理電路、微處理單元，并把它們集成在一塊芯片上而構(gòu)成的。故又可稱為集成智能傳感器（integratedsmart/intelligentsensor）。其外形如圖所示。集成化智能傳感器2.集成化實(shí)現(xiàn)11集成化智能傳感器這類集成化智能傳感器以硅材料為基礎(chǔ)，采用微米（1μm~1mm）級(jí)的微機(jī)械加工技術(shù)和大規(guī)模集成電路工藝來實(shí)現(xiàn)各種集成智能傳感器系統(tǒng)的微米級(jí)尺寸化，其特點(diǎn)：（1）微型化。微型壓力傳感器已經(jīng)可以小到放到注射針頭內(nèi)送進(jìn)血管測量血液流動(dòng)情況，裝在飛機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)葉片表面用以測量氣體的流速和壓力。目前最新研究成功的微型加速度計(jì)可以使火箭或飛船的制導(dǎo)系統(tǒng)質(zhì)量從幾公斤下降至幾克。集成化智能傳感器這類集成化智能傳感器以硅材料為基礎(chǔ)，采用微米12無線藥丸式內(nèi)窺鏡1圖像采集、處理與控制部分膠丸式內(nèi)窺鏡這部分包括帶數(shù)字圖像輸出的CMOS圖像傳感器、圖像壓縮模塊、MEMS微電機(jī)、發(fā)白光與具有兩種不同紅外波長的LED光源(采集三維深度圖像數(shù)據(jù))等。2無線傳輸部分膠丸式內(nèi)窺鏡無線傳輸部分包括信道編碼、無線收發(fā)器、射頻功放和天線等3能量供給部分對(duì)于無線藥丸式內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，能量供給包括電池和能源管理電路,它是整個(gè)體內(nèi)部分硬件電路最關(guān)鍵的部分之一，為保證實(shí)現(xiàn)全消化道檢查，必須采用低功耗設(shè)計(jì)以延長電池壽命。4.無線接收與數(shù)據(jù)傳輸部分體外的便攜式無線接收和數(shù)據(jù)傳輸裝置的功能主要是把天線接收陣列接收的內(nèi)窺圖像數(shù)據(jù)分成兩路，一路送給膠囊定位模塊獲得膠囊的定位信息，另一路送入相連接的無線接收器，然后把定位信息和圖像一起存入便攜式存儲(chǔ)體上或轉(zhuǎn)發(fā)給計(jì)算機(jī)控制與處理裝置。無線藥丸式內(nèi)窺鏡1圖像采集、處理與控制部分2無線傳輸部13(工程測試與信號(hào)處理課件5集成化智能傳感器14Z軸加速度傳感器：汽車運(yùn)動(dòng)時(shí)使Z軸傳感器懸浮扭矩梁因向心力的作用而發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)引起了可旋轉(zhuǎn)梁與硅底間的電容量變化，即△旋轉(zhuǎn)速度=△電容量。其MEMS照片如左圖。Z軸加速度傳感器：15X軸加速度傳感器在汽車運(yùn)動(dòng)時(shí)使傳感器中間懸浮可動(dòng)板因加速度的作用而發(fā)生左右位移，左右位移引起中間可動(dòng)板與左右固定板間的電容量變化，即△加速度=△電容量。其MEMS照片如左圖。x軸加速度傳感器：X軸加速度傳感器在汽車運(yùn)動(dòng)時(shí)使傳感器中間懸浮可動(dòng)板因加速度的16集成化智能傳感器（2）結(jié)構(gòu)一體化。壓阻式壓力（差）傳感器是最早實(shí)現(xiàn)一體化結(jié)構(gòu)的。傳統(tǒng)的應(yīng)變式壓力（差）傳感器的做法是先分別由宏觀機(jī)械加工金屬圓膜片與圓柱狀環(huán)，然后將兩者粘貼形成周邊固支結(jié)構(gòu)的“金屬環(huán)”，再在圓膜片上粘貼電阻應(yīng)變片而構(gòu)成壓力（差）傳感器，這就不可避免的存在蠕變、遲滯、非線性等誤差。采用微機(jī)械加工和集成化工藝，不僅彈性敏感元件“硅杯”一次整體成型，而且電阻應(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件）和硅杯是完全一體化的。進(jìn)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，從而實(shí)現(xiàn)不同程度乃至整個(gè)系統(tǒng)的一體化。集成化智能傳感器（2）結(jié)構(gòu)一體化。壓阻式壓力（差）傳感器是最17集成化智能傳感器（3）高精度。傳感器結(jié)構(gòu)一體化后，遲滯、重復(fù)性指標(biāo)將大大改善，時(shí)間漂移大大減小，精度提高。后續(xù)信號(hào)調(diào)理電路與敏感元件一體化后還可大大減小由引線長度帶來的寄生參量的影響，這對(duì)電容式傳感器更有特別重要的意義。（4）多功能。由于敏感元件結(jié)構(gòu)的微型化（微米級(jí)），這有利于在同一片硅片上制作不同功能的多個(gè)傳感器，實(shí)現(xiàn)多功能測量。如20世紀(jì)80年代初期Honeywell公司生產(chǎn)的ＳＴ-３０００型智能壓力（差）和溫度變送器，就是在一塊硅片上制作了感受壓力、壓差及溫度三個(gè)參量的、具有三種功能（測壓力、壓差、溫差）的敏感元件結(jié)構(gòu)的傳感器。這樣，不僅增加了傳感器的功能，而且可以通過采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)消除交叉靈敏度影響，提高傳感器的穩(wěn)定性和精度。集成化智能傳感器（3）高精度。傳感器結(jié)構(gòu)一體化后，遲滯、重復(fù)18集成化智能傳感器（5）陣列化。傳感器的微加工技術(shù)（微米級(jí)）已可以在1cm2大小的硅片上制作含有幾千個(gè)壓力傳感器陣列，如集成化應(yīng)變計(jì)式面陣列觸覺傳感器，在8mm×8mm的硅片上制作了1024個(gè)（32×32）敏感觸點(diǎn)（橋），基片四周還制作了信號(hào)處理電路，其元件總數(shù)約16000個(gè)。敏感元件陣列化后，配合相應(yīng)圖像處理軟件，可以實(shí)現(xiàn)圖像成像且構(gòu)成多維圖像傳感器。這時(shí)的智能傳感器就達(dá)到了它的最高級(jí)形式。敏感元件組成陣列后，通過計(jì)算機(jī)/微處理器解耦運(yùn)算、模式識(shí)別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，有利于消除傳感器的時(shí)變誤差和交叉靈敏度的不利影響，可提高傳感器的可靠性、穩(wěn)定性與分辨能力。集成化智能傳感器（5）陣列化。傳感器的微加工技術(shù)（微米級(jí)）已19(6)全數(shù)字化。微機(jī)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(jì)成某種物理參量（如溫度或壓力等）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。這種諧振式傳感器，直接輸出數(shù)字量（頻率）。其性能極為穩(wěn)定，精度高，不需A/D轉(zhuǎn)換器便能與微處理器方便的接口。省去A/D轉(zhuǎn)換器后，對(duì)于節(jié)省芯片面積、簡化集成化工藝均十分有利。(6)全數(shù)字化。微機(jī)械加工技術(shù)可以制作各種形式的微結(jié)構(gòu)，其固20集成化智能傳感器

3.混合實(shí)現(xiàn)根據(jù)需要和可能，將系統(tǒng)各個(gè)集成化環(huán)節(jié)，如敏感元件、信號(hào)調(diào)理電路、微處理單元、數(shù)字總線接口等，以不同的組合方式集成在兩塊或三塊芯片上，并裝在一個(gè)外殼里，圖示為幾種混合集成方式。集成化智能傳感器3.混合實(shí)現(xiàn)21

四、幾種單片智能傳感器介紹

1.SHT11/15型單片智能傳感器SHT11和SHT15是瑞士森士瑞(Sensirion)公司于2002年推出的兩種超小型、高精度、自校準(zhǔn)、多功能式智能傳感器，可以用來測量相對(duì)濕度、溫度和露點(diǎn)等參數(shù)。SHT11/15的外形尺寸僅為7.62

mm×5.08

mm×2.5

mm，質(zhì)量只有0.1g，其體積與一個(gè)大火柴頭相近，如圖所示。

SHT11/15的測量參數(shù)指標(biāo)如下：(1)相對(duì)濕度。測量范圍：0%～100%RH；測量精度：±2%RH；分辨力：0.01%RH。(2)溫度。測量范圍：-40～+123.8℃；測量精度：±1℃；分辨力：0.01℃。(3)露點(diǎn)。測量精度：＜±1℃；分辨力：±0.01℃。四、幾種單片智能傳感器介紹SHT11/15的測22SHT11/15采用表面安裝式LCC-8封裝，引腳排列如圖所示。在0.8

mm厚的基座上有一個(gè)用液晶聚合物(LCP)制成的帽，上面開著傳感器窗口，以便與空氣接觸。另外有一塊環(huán)氧樹脂起到粘接作用。UDD、GND端分別接電源和公共地。DATA為串行數(shù)據(jù)輸入/輸出端(I/O)。SCK為串行時(shí)鐘輸入端，當(dāng)UDD＞+4.5

V時(shí)，最高時(shí)鐘頻率為10

MHz；當(dāng)UDD＜4.5

V時(shí)，最高時(shí)鐘頻率為1

MHz。SHT11/15采用表面安裝式LCC-8封裝，引腳排列如圖所23SHT11/15型濕度/溫度傳感器的內(nèi)部電路框圖SHT11/15型濕度/溫度傳感器的內(nèi)部電路框圖24SHT15智能傳感器的應(yīng)用SHT15智能傳感器的應(yīng)用25集成化智能傳感器微處理器對(duì)SHT11/15的控制是通過5個(gè)5位命令代碼實(shí)現(xiàn)的：測量溫度和相對(duì)濕度的順序如下：上電后SHT15經(jīng)過10

ms時(shí)間就進(jìn)入休眠模式，在此之前不應(yīng)傳輸任何命令。在發(fā)出測量命令(測溫命令為00000011，測濕度為00000101)后，芯片即被“喚醒”，89C51就啟動(dòng)SCK直至完成測量；然后將數(shù)據(jù)線拉成低電平，89C51又重新啟動(dòng)SCK，接著傳輸溫/濕度兩個(gè)測量數(shù)據(jù)字節(jié)和一個(gè)循環(huán)冗余檢驗(yàn)碼數(shù)據(jù)的字節(jié)。傳輸數(shù)據(jù)的順序是從最高位(MSB)到最低位(LSB)。集成化智能傳感器微處理器對(duì)SHT11/15的控制是通過5個(gè)526集成化智能傳感器

2.MPX5100系列集成硅壓力傳感器MPX5100系列壓阻式傳感器是一種高集成度、大信號(hào)輸出的硅壓力傳感器，它不僅能構(gòu)成各種性能優(yōu)良的壓力計(jì)，而且還能優(yōu)化單片機(jī)輸入通道的設(shè)計(jì)。由于采用了先進(jìn)激光微調(diào)技術(shù)，薄膜金屬化、雙極型半導(dǎo)體和各種補(bǔ)償功能（如溫度補(bǔ)償、失調(diào)和增益校準(zhǔn)、信號(hào)調(diào)理等），所以它具有精度高、輸出電壓大、線性好、功能多、易與A/D轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)接口等特點(diǎn)。MPX5100系列有很多型號(hào)，常用的有MPX5100D和MPX5100A兩種，它們的壓力測量范圍分別是0～100kPa和15～115kPa，過壓力能力均為700kPa，滿量程輸出信號(hào)為4V，偏差為0.5V，溫度系數(shù)為1%/℃。集成化智能傳感器2.MPX5100系列集成硅壓力傳感器27集成化智能傳感器MPX5100壓力傳感器剖面圖如圖所示，圖中的敏感元件是硅半導(dǎo)體應(yīng)變片。（a）壓差式(b)絕壓式主要性能指標(biāo)壓力測試范圍：0～100kPa（MPX5100D）；15～115kPa（MPX5100A）；輸出電壓大：0.2～4.8V；溫度補(bǔ)償范圍寬：-40～+125℃；靈敏度：4.5mv/kPa；穩(wěn)定性：±0.5%FS。集成化智能傳感器MPX5100壓力傳感器剖面圖如圖所示，圖28集成化智能傳感器MPX5100的6個(gè)引腳中實(shí)際應(yīng)用的只有3個(gè)，其中VOUT（引腳1）為輸出，而VS（引腳3）為電源電壓正輸入端。另外GND（引腳2）為地線。MPX5100和單片機(jī)（MCU）的典型接口電路集成化智能傳感器MPX5100的6個(gè)引腳中實(shí)際應(yīng)用的只有3個(gè)29由MPX5100和單片機(jī)組成的數(shù)字式壓力表由MPX5100和單片機(jī)組成的數(shù)字式壓力表30集成化智能傳感器3.單片雙軸加速度傳感器ADXL202ADXL202是一款低成本、低功耗、功能完善的雙軸加速度傳感器，其功能特點(diǎn)如下：（1）將敏感元件和調(diào)理電路集成在一個(gè)芯片上，小巧緊湊，提高了可靠性，可廣泛地應(yīng)用在斜度測量、慣性導(dǎo)航、地震監(jiān)測裝置和交通安全系統(tǒng)等領(lǐng)域；（2）既能測量動(dòng)態(tài)加速度（如振動(dòng)加速度），又能測量靜態(tài)加速度（如重力加速度）；（3）在3dB帶寬情況下的頻率響應(yīng)達(dá)5kHz；（4）與電解質(zhì)型、水銀型、熱敏型等加速度傳感器相比，ADXL202響應(yīng)速度更快；（5）耐沖擊性好，可耐高達(dá)1000g的沖擊。集成化智能傳感器3.單片雙軸加速度傳感器ADXL202ADX31集成化智能傳感器ADXL202采用QC-14封裝，引腳排列如圖所示。UDD和COM分別為兩個(gè)電源端和兩個(gè)接地端；UTP為測試端，供廠家測試芯片用；ST是自檢測端，可進(jìn)行功能自檢；T端接電阻RSET，用于設(shè)定輸出脈沖的周期；XFILT、YFILT端分別接X通道、Y通道的濾波電容CX、CY。XOUT、YOUT為傳感器X軸、Y軸的輸出端；NC為空腳。集成化智能傳感器ADXL202采用QC-14封裝，引腳排列如32集成化智能傳感器ADXL202工作原理集成化智能傳感器ADXL202工作原理33集成化智能傳感器ADXL202的電路原理集成化智能傳感器ADXL202的電路原理34集成化智能傳感器占空比信號(hào)的周期式中，R=125M，T的單位為秒。利用μP中的計(jì)數(shù)器可分別測出T1、T值，進(jìn)而求出沿X軸和Y軸方向的加速度αX、αY值。X或Y向的加速度為集成化智能傳感器占空比信號(hào)的周期式中，R=125M，T的35集成化智能傳感器集成化智能傳感器36集成化智能傳感器

一、概述智能傳感器系統(tǒng)是一門現(xiàn)代綜合技術(shù)，是當(dāng)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)范的定義。早期，人們簡單、機(jī)械地強(qiáng)調(diào)在工藝上將傳感器和微處理器兩者緊密結(jié)合，認(rèn)為“傳感器的敏感元件及其信號(hào)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”，顯然，這種定義過于狹義。智能傳感器的中、英文稱謂很多，目前尚未統(tǒng)一。一般認(rèn)為“intelligentSensor”是英國人對(duì)智能傳感器的稱謂，而“SmartSensor”是美國人對(duì)智能傳感器的俗稱。JohanH.Huijsing在“IntegratedSmartSensor”一文中按集成化程度的不同，分別稱為“SmartSensor”，“IntegratedSmartSensor”?！癝martSensor”的中文譯名有的譯為“靈巧傳感器”，也有譯為“智能傳感器”。目前國內(nèi)大多數(shù)采用集成智能傳感器（IntegratedSmartSensor）的稱謂，簡稱智能傳感器（intelligentSensor），并且認(rèn)為：“傳感器與微處理器賦予智能的結(jié)合，兼有信息檢測和信息處理的傳感器是智能傳感器（系統(tǒng)）”；將傳感器與微處理器集成在一塊芯片上只是構(gòu)成智能傳感器（系統(tǒng)）的一種方式。集成化智能傳感器一、概述37集成化智能傳感器二、集成化智能傳感器的功能與特點(diǎn)

1.集成化智能傳感器的功能集成化智能傳感器的功能是通過比較人的感官和大腦的協(xié)調(diào)動(dòng)作，總結(jié)長期以來傳感器測量的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)而提出的。概括而言，主要功能如下：（1）自補(bǔ)償和計(jì)算智能傳感器的自補(bǔ)償和計(jì)算功能為傳感器的溫度漂移和非線性補(bǔ)償開辟了新的道路。即使傳感器的加工不太精密，只要能保證其重復(fù)性好，通過傳感器的計(jì)算功能也能獲得較精確的測量結(jié)果。集成化智能傳感器二、集成化智能傳感器的功能與特點(diǎn)1.集38集成化智能傳感器（2）自檢、自診斷和自校正普通傳感器需要定期檢驗(yàn)和標(biāo)定，以保證其精確度。檢驗(yàn)和標(biāo)定時(shí)一般要求將傳感器從使用現(xiàn)場拆卸下來拿到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，很不方便。而集成化智能傳感器的檢驗(yàn)校正可以在線進(jìn)行。一般所要調(diào)整的參數(shù)主要是零位和增益。將校正功能軟件存儲(chǔ)在智能傳感器的存儲(chǔ)器中，操作者只要輸入零位和一些已知參數(shù)，智能傳感器的微處理器就能自動(dòng)將隨時(shí)間變化了的零位和增益校正過來。（3）復(fù)合敏感功能集成化智能傳感器能夠同時(shí)測量多種物理量和化學(xué)量，具有復(fù)合敏感功能，能夠給出全面反映物質(zhì)和變化規(guī)律的信息。如壓力、真空度，溫度梯度、熱量和熵，濃度、pH值等分別反映物質(zhì)的力、熱、化學(xué)特性。集成化智能傳感器（2）自檢、自診斷和自校正（3）復(fù)合敏感功能39集成化智能傳感器（4）接口功能由于傳感器中使用了微處理器，其接口容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化與標(biāo)準(zhǔn)化，可方便地與一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或上一級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行接口，這樣就可以由遠(yuǎn)程中心計(jì)算機(jī)控制整個(gè)系統(tǒng)工作。（5）顯示報(bào)警功能集成化智能傳感器通過接口與數(shù)碼管或其他顯示器結(jié)合起來，可選點(diǎn)顯示或定時(shí)循環(huán)顯示各種測量值及相關(guān)參數(shù)。測量結(jié)果也可以由打印機(jī)輸出。此外，通過與預(yù)設(shè)上下限值的比較還可實(shí)現(xiàn)超限值的聲光報(bào)警功能。集成化智能傳感器40集成化智能傳感器（6）數(shù)字通訊功能集成化智能傳感器可利用接口或智能現(xiàn)場通訊器（SFC）來交換信息。SFC可掛在傳感器兩信號(hào)輸出線的任何位置，通過鍵盤的簡單操作進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)定或變更傳感器的參數(shù)，如測量范圍、線性輸出或平方根輸出等。這樣，無需把傳感器從危險(xiǎn)區(qū)取下來，極大地節(jié)省了維護(hù)時(shí)間和費(fèi)用。綜上所述，集成化智能傳感器功能模塊可分為兩部分：基本傳感器部分和信號(hào)處理單元部分?；緜鞲衅鞯墓δ苤饕怯脗鞲衅鳒y量被測參數(shù)，并將傳感器的識(shí)別特性和計(jì)量特性存在可編程的只讀存儲(chǔ)器（PROM）中，以便校準(zhǔn)計(jì)算。信號(hào)處理單元部分主要是由微處理器計(jì)算和處理被測量，并濾除傳感器感知的非被測量。這兩個(gè)部分通常是集成在一起，形成一個(gè)整體，封裝在一個(gè)殼體內(nèi)。兩個(gè)部分也可以遠(yuǎn)距離實(shí)現(xiàn)，特別是在測量現(xiàn)場環(huán)境較差的情況下，這有利于電子元件和微處理器的保護(hù)，也便于遠(yuǎn)程控制和操作。集成化智能傳感器（6）數(shù)字通訊功能41集成化智能傳感器2.集成化智能傳感器的特點(diǎn)集成化智能傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比具有以下特點(diǎn)：（1）精度高集成化智能傳感器有多項(xiàng)功能來保證它的高精度，如自動(dòng)校零以去除零點(diǎn)誤差；與標(biāo)準(zhǔn)參考基準(zhǔn)實(shí)時(shí)對(duì)比以自動(dòng)進(jìn)行整體系統(tǒng)校定；自動(dòng)進(jìn)行整體系統(tǒng)的非線性等系統(tǒng)誤差的校正；通過對(duì)采集的大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理以消除偶然誤差的影響。這些措施保證了智能傳感器有很高的測量精度。集成化智能傳感器2.集成化智能傳感器的特點(diǎn)42集成化智能傳感器（2）可靠性與穩(wěn)定性高集成化智能傳感器可以自動(dòng)補(bǔ)償因工作條件與環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化后引起的系統(tǒng)特性的漂移，如溫度補(bǔ)償；自動(dòng)轉(zhuǎn)換量程以適應(yīng)被測參數(shù)的變化；自我檢驗(yàn)、分析、判斷所采集數(shù)據(jù)的合理性，并給出異常情況的應(yīng)急處理（報(bào)警或故障提示）等。因此集成化智能傳感器具有高可靠性與高穩(wěn)定性。（3）信噪比與分辨力高由于集成化智能傳感器具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、記憶與信息處理功能，通過軟件進(jìn)行數(shù)字濾波、相關(guān)分析等處理，可以去除輸入數(shù)據(jù)中的噪聲，取出有用信號(hào)；通過數(shù)據(jù)融合、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，可以消除多參數(shù)狀態(tài)下交叉靈敏度的影響，從而保證在多參數(shù)狀態(tài)下對(duì)特定參數(shù)測量的分辨力。因此集成化智能傳感器具有高信噪比和高分辨力。集成化智能傳感器（2）可靠性與穩(wěn)定性高43集成化智能傳感器（4）自適應(yīng)性強(qiáng)由于集成化智能傳感器具有判斷、分析與處理功能，它能根據(jù)系統(tǒng)工作情況決策各部分供電情況、與上位計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸速率，使系統(tǒng)工作在最低功耗狀態(tài)和優(yōu)化傳送效率。（5）性能價(jià)格比高集成化智能傳感器所具有的上述高性能，不是像傳統(tǒng)傳感器技術(shù)追求傳感器本身的完善、對(duì)傳感器的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)與調(diào)試、進(jìn)行“手工藝品”式的精雕細(xì)琢來獲得，而是通過與微處理器/微計(jì)算機(jī)相結(jié)合，采用廉價(jià)的集成電路工藝和芯片以及強(qiáng)大的軟件來實(shí)現(xiàn)的，所以其性能價(jià)格比高。集成化智能傳感器（4）自適應(yīng)性強(qiáng)44集成化智能傳感器三、智能傳感器的實(shí)現(xiàn)目前，智能傳感器主要有如下三條實(shí)現(xiàn)途徑：

1.非集成化實(shí)現(xiàn)非集成化智能傳感器是將傳統(tǒng)的經(jīng)典傳感器（采用非集成化工藝制作的傳感器，僅具有獲取信息的功能）、信號(hào)調(diào)理電路、帶數(shù)字總線接口的微處理器組合為一整體而構(gòu)成的一個(gè)智能傳感器系統(tǒng)。其組成框圖如圖所示。集成化智能傳感器三、智能傳感器的實(shí)現(xiàn)目前，智能傳感器主要有45集成化智能傳感器2.集成化實(shí)現(xiàn)這種智能傳感器系統(tǒng)是用微機(jī)械加工技術(shù)和大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)，利用硅作為基本材料來制作敏感元件、信號(hào)調(diào)理電路、微處理單元，并把它們集成在一塊芯片上而構(gòu)成的。故又可稱為集成智能傳感器（integratedsmart/intelligentsensor）。其外形如圖所示。集成化智能傳感器2.集成化實(shí)現(xiàn)46集成化智能傳感器這類集成化智能傳感器以硅材料為基礎(chǔ)，采用微米（1μm~1mm）級(jí)的微機(jī)械加工技術(shù)和大規(guī)模集成電路工藝來實(shí)現(xiàn)各種集成智能傳感器系統(tǒng)的微米級(jí)尺寸化，其特點(diǎn)：（1）微型化。微型壓力傳感器已經(jīng)可以小到放到注射針頭內(nèi)送進(jìn)血管測量血液流動(dòng)情況，裝在飛機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)葉片表面用以測量氣體的流速和壓力。目前最新研究成功的微型加速度計(jì)可以使火箭或飛船的制導(dǎo)系統(tǒng)質(zhì)量從幾公斤下降至幾克。集成化智能傳感器這類集成化智能傳感器以硅材料為基礎(chǔ)，采用微米47無線藥丸式內(nèi)窺鏡1圖像采集、處理與控制部分膠丸式內(nèi)窺鏡這部分包括帶數(shù)字圖像輸出的CMOS圖像傳感器、圖像壓縮模塊、MEMS微電機(jī)、發(fā)白光與具有兩種不同紅外波長的LED光源(采集三維深度圖像數(shù)據(jù))等。2無線傳輸部分膠丸式內(nèi)窺鏡無線傳輸部分包括信道編碼、無線收發(fā)器、射頻功放和天線等3能量供給部分對(duì)于無線藥丸式內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，能量供給包括電池和能源管理電路,它是整個(gè)體內(nèi)部分硬件電路最關(guān)鍵的部分之一，為保證實(shí)現(xiàn)全消化道檢查，必須采用低功耗設(shè)計(jì)以延長電池壽命。4.無線接收與數(shù)據(jù)傳輸部分體外的便攜式無線接收和數(shù)據(jù)傳輸裝置的功能主要是把天線接收陣列接收的內(nèi)窺圖像數(shù)據(jù)分成兩路，一路送給膠囊定位模塊獲得膠囊的定位信息，另一路送入相連接的無線接收器，然后把定位信息和圖像一起存入便攜式存儲(chǔ)體上或轉(zhuǎn)發(fā)給計(jì)算機(jī)控制與處理裝置。無線藥丸式內(nèi)窺鏡1圖像采集、處理與控制部分2無線傳輸部48(工程測試與信號(hào)處理課件5集成化智能傳感器49Z軸加速度傳感器：汽車運(yùn)動(dòng)時(shí)使Z軸傳感器懸浮扭矩梁因向心力的作用而發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)引起了可旋轉(zhuǎn)梁與硅底間的電容量變化，即△旋轉(zhuǎn)速度=△電容量。其MEMS照片如左圖。Z軸加速度傳感器：50X軸加速度傳感器在汽車運(yùn)動(dòng)時(shí)使傳感器中間懸浮可動(dòng)板因加速度的作用而發(fā)生左右位移，左右位移引起中間可動(dòng)板與左右固定板間的電容量變化，即△加速度=△電容量。其MEMS照片如左圖。x軸加速度傳感器：X軸加速度傳感器在汽車運(yùn)動(dòng)時(shí)使傳感器中間懸浮可動(dòng)板因加速度的51集成化智能傳感器（2）結(jié)構(gòu)一體化。壓阻式壓力（差）傳感器是最早實(shí)現(xiàn)一體化結(jié)構(gòu)的。傳統(tǒng)的應(yīng)變式壓力（差）傳感器的做法是先分別由宏觀機(jī)械加工金屬圓膜片與圓柱狀環(huán)，然后將兩者粘貼形成周邊固支結(jié)構(gòu)的“金屬環(huán)”，再在圓膜片上粘貼電阻應(yīng)變片而構(gòu)成壓力（差）傳感器，這就不可避免的存在蠕變、遲滯、非線性等誤差。采用微機(jī)械加工和集成化工藝，不僅彈性敏感元件“硅杯”一次整體成型，而且電阻應(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件）和硅杯是完全一體化的。進(jìn)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，從而實(shí)現(xiàn)不同程度乃至整個(gè)系統(tǒng)的一體化。集成化智能傳感器（2）結(jié)構(gòu)一體化。壓阻式壓力（差）傳感器是最52集成化智能傳感器（3）高精度。傳感器結(jié)構(gòu)一體化后，遲滯、重復(fù)性指標(biāo)將大大改善，時(shí)間漂移大大減小，精度提高。后續(xù)信號(hào)調(diào)理電路與敏感元件一體化后還可大大減小由引線長度帶來的寄生參量的影響，這對(duì)電容式傳感器更有特別重要的意義。（4）多功能。由于敏感元件結(jié)構(gòu)的微型化（微米級(jí)），這有利于在同一片硅片上制作不同功能的多個(gè)傳感器，實(shí)現(xiàn)多功能測量。如20世紀(jì)80年代初期Honeywell公司生產(chǎn)的ＳＴ-３０００型智能壓力（差）和溫度變送器，就是在一塊硅片上制作了感受壓力、壓差及溫度三個(gè)參量的、具有三種功能（測壓力、壓差、溫差）的敏感元件結(jié)構(gòu)的傳感器。這樣，不僅增加了傳感器的功能，而且可以通過采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)消除交叉靈敏度影響，提高傳感器的穩(wěn)定性和精度。集成化智能傳感器（3）高精度。傳感器結(jié)構(gòu)一體化后，遲滯、重復(fù)53集成化智能傳感器（5）陣列化。傳感器的微加工技術(shù)（微米級(jí)）已可以在1cm2大小的硅片上制作含有幾千個(gè)壓力傳感器陣列，如集成化應(yīng)變計(jì)式面陣列觸覺傳感器，在8mm×8mm的硅片上制作了1024個(gè)（32×32）敏感觸點(diǎn)（橋），基片四周還制作了信號(hào)處理電路，其元件總數(shù)約16000個(gè)。敏感元件陣列化后，配合相應(yīng)圖像處理軟件，可以實(shí)現(xiàn)圖像成像且構(gòu)成多維圖像傳感器。這時(shí)的智能傳感器就達(dá)到了它的最高級(jí)形式。敏感元件組成陣列后，通過計(jì)算機(jī)/微處理器解耦運(yùn)算、模式識(shí)別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，有利于消除傳感器的時(shí)變誤差和交叉靈敏度的不利影響，可提高傳感器的可靠性、穩(wěn)定性與分辨能力。集成化智能傳感器（5）陣列化。傳感器的微加工技術(shù)（微米級(jí)）已54(6)全數(shù)字化。微機(jī)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(jì)成某種物理參量（如溫度或壓力等）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。這種諧振式傳感器，直接輸出數(shù)字量（頻率）。其性能極為穩(wěn)定，精度高，不需A/D轉(zhuǎn)換器便能與微處理器方便的接口。省去A/D轉(zhuǎn)換器后，對(duì)于節(jié)省芯片面積、簡化集成化工藝均十分有利。(6)全數(shù)字化。微機(jī)械加工技術(shù)可以制作各種形式的微結(jié)構(gòu)，其固55集成化智能傳感器

3.混合實(shí)現(xiàn)根據(jù)需要和可能，將系統(tǒng)各個(gè)集成化環(huán)節(jié)，如敏感元件、信號(hào)調(diào)理電路、微處理單元、數(shù)字總線接口等，以不同的組合方式集成在兩塊或三塊芯片上，并裝在一個(gè)外殼里，圖示為幾種混合集成方式。集成化智能傳感器3.混合實(shí)現(xiàn)56

四、幾種單片智能傳感器介紹

1.SHT11/15型單片智能傳感器SHT11和SHT15是瑞士森士瑞(Sensirion)公司于2002年推出的兩種超小型、高精度、自校準(zhǔn)、多功能式智能傳感器，可以用來測量相對(duì)濕度、溫度和露點(diǎn)等參數(shù)。SHT11/15的外形尺寸僅為7.62

mm×5.08

mm×2.5

mm，質(zhì)量只有0.1g，其體積與一個(gè)大火柴頭相近，如圖所示。

SHT11/15的測量參數(shù)指標(biāo)如下：(1)相對(duì)濕度。測量范圍：0%～100%RH；測量精度：±2%RH；分辨力：0.01%RH。(2)溫度。測量范圍：-40～+123.8℃；測量精度：±1℃；分辨力：0.01℃。(3)露點(diǎn)。測量精度：＜±1℃；分辨力：±0.01℃。四、幾種單片智能傳感器介紹SHT11/15的測57SHT11/15采用表面安裝式LCC-8封裝，引腳排列如圖所示。在0.8

mm厚的基座上有一個(gè)用液晶聚合物(LCP)制成的帽，上面開著傳感器窗口，以便與空氣接觸。另外有一塊環(huán)氧樹脂起到粘接作用。UDD、GND端分別接電源和公共地。DATA為串行數(shù)據(jù)輸入/輸出端(I/O)。SCK為串行時(shí)鐘輸入端，當(dāng)UDD＞+4.5

V時(shí)，最高時(shí)鐘頻率為10

MHz；當(dāng)UDD＜4.5

V時(shí)，最高時(shí)鐘頻率為1

MHz。SHT11/15采用表面安裝式LCC-8封裝，引腳排列如圖所58SHT11/15型濕度/溫度傳感器的內(nèi)部電路框圖SHT11/15型濕度/溫度傳感器的內(nèi)部電路框圖59SHT15智能傳感器的應(yīng)用SHT15智能傳感器的應(yīng)用60集成化智能傳感器微處理器對(duì)SHT11/15的控制是通過5個(gè)5位命令代碼實(shí)現(xiàn)的：測量溫度和相對(duì)濕度的順序如下：上電后SHT15經(jīng)過10

ms時(shí)間就進(jìn)入休眠模式，在此之前不應(yīng)傳輸任何命令。在發(fā)出測量命令(測溫命令為00000011，測濕度為00000101)后，芯片即被“喚醒”，89C51就啟動(dòng)SCK直至完成測量；然后將數(shù)據(jù)線拉成低電平，89C51又重新啟動(dòng)SCK，接著傳輸溫/濕度兩個(gè)測量數(shù)據(jù)字節(jié)和一個(gè)循環(huán)冗余檢驗(yàn)碼數(shù)據(jù)的字節(jié)。傳輸數(shù)據(jù)的順序是從最高位(MSB)到最低位(LSB)。集成化智能傳感器微處理器對(duì)SHT11/15的控制是通過5個(gè)561集成化智能傳感器