現(xiàn)代智能傳感技術(shù)及應(yīng)用

現(xiàn)代智能傳感技術(shù)及應(yīng)用

一智能傳感器的構(gòu)成智能傳感器主要由傳感器，微處理器（或微計(jì)算機(jī)）及相關(guān)電路組成，其原理框圖如圖1-1所示。傳感器將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行濾波，放大，模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理后送入微處理器（微計(jì)算機(jī)）。微處理器是智能傳感器的核心，它不但可以對(duì)傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)處理，還可以通過(guò)反饋回路對(duì)傳感器進(jìn)行調(diào)節(jié)。計(jì)算機(jī)在此充分發(fā)揮了它的軟件優(yōu)勢(shì)，完成硬件難以完成的任務(wù)，從而大大降低傳感器制造的難度，提高傳感器的性能，降低成本。

圖1-1智能傳感器原理框圖二傳感器的智能化

——數(shù)據(jù)處理與控制功能

微處理器（或微計(jì)算機(jī)）是在智能傳感器系統(tǒng)的核心，傳感器將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由信號(hào)調(diào)理電路一定的硬件電路處理后送人微處理器。微處理器根據(jù)駐留在內(nèi)存的程序，對(duì)傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以及各種控制。2.1數(shù)據(jù)處理功能 數(shù)據(jù)處理功能包括工程量的轉(zhuǎn)換、函數(shù)運(yùn)算、系統(tǒng)誤差的消除、隨機(jī)誤差的處理。2.2控制功能在智能傳感器中，測(cè)量過(guò)程可以通過(guò)預(yù)先編制好的程序，在微型計(jì)算機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量。其控制內(nèi)容一般有：鍵盤(pán)控制功能；量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換；機(jī)制判斷與超限警報(bào)、自動(dòng)校準(zhǔn)；測(cè)量結(jié)果顯示及打印方式選擇等。三常用智能傳感器集成電路芯片3.1數(shù)據(jù)輸出接口

智能傳感器輸出的數(shù)字信號(hào)，具有遠(yuǎn)程通信能力。常規(guī)儀器儀表中的傳感器將輸出信號(hào)處理、顯示單元中，工控系統(tǒng)中的傳感器則掛在數(shù)據(jù)總線(xiàn)上，通過(guò)總線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。目前模擬信號(hào)有相應(yīng)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，而數(shù)字信號(hào)無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。為了解決分布式控制和監(jiān)測(cè)問(wèn)題，現(xiàn)在工控領(lǐng)域出現(xiàn)一種新的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，各大公司都按自己的標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)產(chǎn)品，但其標(biāo)準(zhǔn)接口及協(xié)議各不相同。目前國(guó)際有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化組織正在積極推出統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。作為過(guò)渡,制定了智能傳感器的通信協(xié)議HART，它與現(xiàn)有的（4~20mA）模擬系統(tǒng)兼容，在模擬信號(hào)上疊加專(zhuān)業(yè)頻率信號(hào)即可使用。因此，按照這個(gè)協(xié)議模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)可以同時(shí)通信。3.2

微處理器

微處理器是智能傳感器的心臟，能控制測(cè)量過(guò)程并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。它的設(shè)計(jì)和選用要考慮傳感器的測(cè)量速度、精度、分辨率及數(shù)據(jù)處理能力。對(duì)于集成傳感器，設(shè)計(jì)的微處理器既要考慮產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，又要考慮降低成本，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，滿(mǎn)足芯片尺寸的要求。目前大量實(shí)際開(kāi)發(fā)研制的是模塊化、積木式結(jié)構(gòu)，一般選用現(xiàn)成的微處理器，及單片機(jī)如8031,8XC552，PIC等產(chǎn)品。近年來(lái)由于多芯片組件技術(shù)(MCM-MULTI-CHIP-MODULES)的發(fā)展可將智能傳感器分布在幾個(gè)芯片上的部件組裝起來(lái)。隨著傳感器技術(shù)、微機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展，可將智能傳感器分布在幾個(gè)芯片上的部件組裝起來(lái)。隨著傳感技術(shù),微機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展，智能傳感器的集成度將越來(lái)越高。3.3智能傳感器的接口芯片

現(xiàn)在已研制出一些專(zhuān)門(mén)的集成電路芯片，用來(lái)對(duì)敏感元件的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)處理。3.3.1通用傳感器接口芯片USIC

USIC具有智能傳感器所需要的各種處理能力，并能在大多數(shù)場(chǎng)合只需少量的外圍元件就可提供復(fù)雜的高質(zhì)量處理能力。如圖3-1所示為USIC的方框圖。該芯片中每一部分的輸出均有管腳引出，因此可以方便地組成各種電路，由用戶(hù)選擇是否使用運(yùn)放或多路開(kāi)關(guān)，可以根據(jù)自己的需要靈活地組織使用。 圖3-1USIC框圖3.3.2信號(hào)調(diào)節(jié)電路SCA2095

SCA2095是利用壓阻效應(yīng)，采用全橋設(shè)計(jì)的傳感器（如壓力傳感器、應(yīng)立技、加速度技等）的信號(hào)調(diào)節(jié)電路的集成芯片，如圖3-2所示。它采用EEPROM進(jìn)行校準(zhǔn)、溫度補(bǔ)償，并具有傳感器輸出保護(hù)和診斷的功能，還能夠更好地調(diào)節(jié)增益和傳感器電橋偏移，能修正靈敏度誤差。芯片的外部數(shù)據(jù)接口采用三線(xiàn)制，即串行時(shí)SLCK，數(shù)據(jù)輸出D0，數(shù)據(jù)輸入Di。通過(guò)CPU的操作，設(shè)置零點(diǎn)漂移寄存器、溫度寄存器、零點(diǎn)溫度補(bǔ)償寄存器、輸出基準(zhǔn)寄存器、增益溫度補(bǔ)償寄存器等。這些寄存器的值通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器變成模擬量疊加在調(diào)節(jié)電路中，從而改變了傳感器特性。

圖3-2SCA2095信號(hào)調(diào)節(jié)電路圖3.3.3其他接口芯片

AD7705由多路轉(zhuǎn)換器、緩沖器、可編程增益放大器以及數(shù)字串行接口組成，它具有兩路差分模擬輸入，因此可以方便地進(jìn)行溫度補(bǔ)償、AM401包括電流輸出，電壓輸出以及比例輸出和開(kāi)關(guān)輸出，可以同各種氣體傳感器連接。ES152