《第九章智能傳感器及系統(tǒng)集成(new)70》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《第九章智能傳感器及系統(tǒng)集成(new)70（72頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、Click to edit Master title style,,Click to edit Master text styles,,Second level,,Third level,,Fourth level,,Fifth level,,*,,*,,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,,,,*,單擊此處編輯母版文本樣式,,第二級(jí),,第三級(jí),,第四級(jí),,第五級(jí),,第九章（1） 智能傳感器,,,智能傳感器的結(jié)構(gòu)與系統(tǒng),智能傳感器是一種帶微處理器兼有檢測(cè)、判斷、信息處理、信息記憶、邏輯思維等功能的傳感器。,其特點(diǎn)是：,1、易于線性化。,2、自動(dòng)修正測(cè)量數(shù)據(jù)減少環(huán)境因素引起的誤差。,,,3、具

2、有抑制漂移的能力。,4、其跟蹤濾波功能可以去除噪聲、提高信噪比從而提高傳感器的可靠性。,5、用軟件解決硬件難以解決的問(wèn)題，完成數(shù)據(jù)計(jì)算與數(shù)據(jù)處理工作。,,智能傳感器主要由敏感元件、微處理器及相關(guān)電路組成。,,,智能傳感器的原理框圖如下,,傳,感,元,件,信,號(hào),調(diào),理,微,處,理,器,通,訊,接,口,輸,入,接,口,,,微處理器是智能傳感器的智能核心，承擔(dān)了數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)校準(zhǔn)、系統(tǒng)補(bǔ)償?shù)却罅坑布y以完成的工作，從而大大降低了傳感器的制造難度，提高了傳感器的性能，降低了成本，提高了傳感器的可靠性。,,智能傳感器有集成式、混合式和模塊式三種結(jié)構(gòu)。,,集成式：將若干個(gè)敏感元件與微

3、處理器、信號(hào)處理電路集成在同一硅片上。,,,混合式：將傳感器和微處理器、信號(hào)處理電路做在不同的芯片上，這是目前的智能傳感器的主要形式。,,模塊式：將傳感元件模塊、微處理器模塊、信號(hào)調(diào)理電路模塊等裝配在同一個(gè)殼結(jié)構(gòu)內(nèi)。,,,智能傳感器的功能特點(diǎn),1、具有邏輯思維與判斷、信息處理功能，可對(duì)檢測(cè)數(shù)值進(jìn)行分析、修正和誤差補(bǔ)償，提高測(cè)量精度。,,2、具有自診斷、自校準(zhǔn)功能，提高了可靠性。,,,3、組態(tài)功能可以實(shí)現(xiàn)多傳感器多參數(shù)復(fù)合測(cè)量，擴(kuò)大了檢測(cè)使用范圍。,,用戶可以選擇需要的組態(tài)。包括檢測(cè)范圍，可編程通/斷延時(shí)，選組計(jì)數(shù)器，常開/常閉，分辨率選擇等?？墒雇活愋偷膫鞲衅鞴ぷ髟谧罴褷顟B(tài)，并且能在不同場(chǎng)合

4、從事不同的工作。,,,,4、存儲(chǔ)功能使檢測(cè)數(shù)據(jù)可以隨時(shí)存取。,5、數(shù)據(jù)通信功能具有數(shù)據(jù)通信接口，能與計(jì)算機(jī)直接聯(lián)機(jī)，互相交換信息。,,智能傳感器具有的串行通信接口，既可以直接與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的測(cè)控，也可以構(gòu)成智能傳感器網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的分布式集散測(cè)控系統(tǒng)。避免了模擬信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，提高了系統(tǒng)的可靠性。,,,6、自適應(yīng)技術(shù),,,可在條件變化的情況下，在一定范圍內(nèi)使自己的特性自動(dòng)適應(yīng)這種變化。,,通過(guò)采用自適應(yīng)技術(shù)，智能傳感器能補(bǔ)償老化部件引起的參數(shù)漂移，延長(zhǎng)器件或裝置的壽命。同時(shí)擴(kuò)大其工作領(lǐng)域，自動(dòng)適應(yīng)不同的環(huán)境條件。,,自適應(yīng)技術(shù)提高了傳感器的重復(fù)性和準(zhǔn)

5、確度。,,,,智能傳感器中的軟件,,軟件對(duì)傳感器的測(cè)量過(guò)程進(jìn)行管理和調(diào)節(jié)，使之工作在最佳狀態(tài)，并對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行各種處理，從而增強(qiáng)傳感器功能，提高性能指標(biāo)。,,,,一、溫度補(bǔ)償,基本方法是：,,1、將溫度敏感元件與智能傳感器的敏感元件集成在一起，用于測(cè)量敏感元件的環(huán)境溫度。,,2、建立溫度誤差的數(shù)學(xué)模型，微處理器根據(jù)測(cè)得的溫度值和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行補(bǔ)償。,,3、查表法。,,,,,二、非線性校正,,,1、線性插值法,,先用實(shí)驗(yàn)測(cè)出傳感器的輸入輸出數(shù)據(jù)，利用一次函數(shù)進(jìn)行插值，用直線逼近傳感器的特性曲線。,,如果傳感器的特性曲率大，可以將該曲線分段插值，把每段曲線用直線近似，即用折線逼近整個(gè)曲線。這樣可以

6、按分段線性關(guān)系求出輸入值所對(duì)應(yīng)的輸出值。一般情況下只要分段合理，插值點(diǎn)數(shù)得當(dāng)就可獲得良好的線性度和精度。,,,2、二次曲線插值法,用拋物線代替原來(lái)的曲線，先求出傳感器特性曲線的反函數(shù)，并根據(jù)精度要求對(duì)曲線進(jìn)行分段，然后利用二次函數(shù)進(jìn)行插值，用二次函數(shù)逼近。,3、查表法,通過(guò)計(jì)算或?qū)嶒?yàn)得到檢測(cè)值和被檢測(cè)值的關(guān)系，然后按一定規(guī)律把數(shù)據(jù)排成表格，存入內(nèi)存單元。微處理器根據(jù)檢測(cè)的大小查表。,,,,三、數(shù)字濾波,,1、算術(shù)平均濾波,,計(jì)算連續(xù)N個(gè)點(diǎn)的采樣值的算術(shù)平均值作為濾波器的輸出.,,,,2、遞推平均濾波,,遞推平均濾波只需進(jìn)行一次測(cè)量就能得到平均值，它把N個(gè)數(shù)據(jù)看作一個(gè)隊(duì)列，每次測(cè)量得到的新數(shù)據(jù)存

7、在隊(duì)尾，而扔掉原來(lái)隊(duì)首的一個(gè)數(shù)據(jù)，這樣在隊(duì)列中始終有N個(gè)“新”數(shù)據(jù)，然后計(jì)算隊(duì)列中數(shù)據(jù)的平均值作為濾波結(jié)果。每進(jìn)行一次這樣的測(cè)量，就可立即計(jì)算出一個(gè)新的平均值。,,,,3、加權(quán)遞推平均濾波,,遞推平均濾波法中所有采樣值的權(quán)系數(shù)相同，在結(jié)果中所占的比例相等，,這會(huì)對(duì)時(shí)變信號(hào)引起滯后。為增加新采樣數(shù)據(jù)在遞推濾波中的比重，提高傳感器對(duì)當(dāng)前干擾的抑制能力，可以采用加權(quán)遞推平均濾波算法，,對(duì)不同時(shí)刻的數(shù)據(jù)加不同的權(quán)重，通常越接近現(xiàn)時(shí)刻的數(shù)據(jù)，權(quán)重取得越大,。N 項(xiàng)加權(quán)遞推平均濾波算法為,,,,四、標(biāo)度變換,,如果傳感器的輸入輸出之間具有函數(shù)關(guān)系，可直接用解析式進(jìn)行標(biāo)度變換。如果沒有，采用多項(xiàng)式插值法進(jìn)行

8、標(biāo)度變換。,五、自動(dòng)校正和自診斷,自動(dòng)校正是校正傳感器的零位和滿量程誤差。傳感器分別輸入零點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)值和滿度標(biāo)準(zhǔn)值，通過(guò)測(cè)量傳感器的輸出，得到智能傳感器的校正方程。測(cè)量時(shí)軟件系統(tǒng)根據(jù)校正方程，對(duì)傳感器的零位誤差、增益誤差等進(jìn)行校正。從而大大提高測(cè)量準(zhǔn)確度和可靠性。,,,,自診斷就是對(duì)敏感元件及整個(gè)傳感器各部件的狀態(tài)進(jìn)行自檢，檢查傳感器的各個(gè)部分是否正常，并診斷發(fā)生故障的部件，以保證傳感器正常工作。,六、數(shù)字調(diào)零,用軟件實(shí)現(xiàn)偏差調(diào)零。,,,,智能傳感器的低功耗設(shè)計(jì),一、設(shè)計(jì)原則,,1、選用低功耗的敏感元件。,,2、簡(jiǎn)化硬件電路和傳感器功能。,,3、設(shè)計(jì)低功耗電路，采用低功耗器件。,,4、單電源、低電

9、壓供電。,,,二、智能傳感器低功耗設(shè)計(jì)技術(shù),,1、降低電源電壓，壓縮電路動(dòng)態(tài)范圍。,,2、控制大電流器件的工作時(shí)間。,,3、降低單片機(jī)的時(shí)鐘頻率。,,4、使用單片機(jī)的睡眠方式。,,,三、智能傳感器的低功耗設(shè)實(shí)例,,1、智能濕度傳感器的結(jié)構(gòu)框圖,,濕度敏感元件,調(diào),節(jié),放,大,電,路,單,片,機(jī),LCD顯示器,控制鍵,通信接口,,,被測(cè)信號(hào)經(jīng)調(diào)理放大電路處理，成為與被測(cè)量成正比的0.001,～4.99V,直流電壓信號(hào)，送單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換口。LCD顯示器可顯示濕度測(cè)量值、智能濕度傳感器的工作狀態(tài)（測(cè)量/通信）、超量程提示和欠電報(bào)警。通信接口可以實(shí)現(xiàn)智能濕度傳感器與計(jì)算機(jī)之間的信息傳輸。,,對(duì)于相對(duì)

10、濕度小于50%RH的測(cè)量環(huán)境，可選用芬蘭VAISALA公司的HMP-35濕度敏感元件，它在相對(duì)濕度60%RH以下,,,具有較好的線性和準(zhǔn)確度。對(duì)于相對(duì)濕度大于40%RH以上的環(huán)境，可選用General Eastern公司的653-M2濕敏器件，它在相對(duì)濕度20%RH以上具有較好的線性和準(zhǔn)確性。,,2、低功耗設(shè)計(jì)措施,,低功耗智能濕度傳感器的模擬電路主要是運(yùn)算放大器為核心的放大電路。這里宜選用低功耗、單電源的運(yùn)算放大器，,,,可選用模擬器件公司的AD822。單片機(jī)選用內(nèi)部帶有4路8位A/D轉(zhuǎn)換器、4個(gè)中斷源、8分頻定時(shí)/計(jì)數(shù)器、1024*14位片內(nèi)程序存儲(chǔ)器、68*8位RAM的低功耗單片機(jī)PIC

11、16C71。它具有低功耗睡眠模式（SLEEP) 和片內(nèi)看門狗定時(shí)器(WTD)，易于實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)和抗干擾設(shè)計(jì)，是低功耗低成本智能傳感器較為適宜的單片機(jī)。,,,,智能傳感器的設(shè)計(jì)與制造,目前智能傳感器的實(shí)際產(chǎn)品大多是模塊化結(jié)構(gòu)，近年來(lái)由于多芯片組件（MCM)技術(shù)的發(fā)展，可將智能傳感器分布在幾個(gè)芯片組件上的部件組裝起來(lái)，構(gòu)成傳感器。集成智能傳感器的設(shè)計(jì)和制造中有許多復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題。,,,一、利用微機(jī)械加工技術(shù)制造傳感器,,,微機(jī)械加工技術(shù)是微型傳感器和微機(jī)械元件的加工工藝技術(shù)，是制造智能傳感器的重要技術(shù)。,其中硅微機(jī)械加工技術(shù)是硅集成電路工藝的一項(xiàng)重要擴(kuò)展技術(shù)。它除了包括高度發(fā)展的硅集成電路工藝外

12、，還有一些獨(dú)特的工藝。它主要用于制造硅材料為基底、層與層之間有很大差別的三維結(jié)構(gòu)。,,,1、刻蝕技術(shù),它是微加工技術(shù)的特殊工藝，通過(guò)腐蝕加工形成各種微結(jié)構(gòu)，這是形成微型傳感器的關(guān)鍵技術(shù)。,,2、體形結(jié)構(gòu)腐蝕加工,腐蝕加工有化學(xué)腐蝕和離子刻蝕技術(shù)兩大類。,化學(xué)腐蝕是應(yīng)用腐蝕劑腐蝕，腐蝕劑有各向同性和各向異性兩種，改變腐蝕劑中氧化劑、去除劑和稀釋劑的成分可以調(diào)整腐蝕速率、選擇性和表面腐蝕條件。各向異性腐蝕可形成三維結(jié)構(gòu)。,,,離子刻蝕是在真空腔內(nèi)進(jìn)行。采用等離子定向刻蝕，將硅片放在交流電源驅(qū)動(dòng)的電極上，并置于充有含氟里昂氣體的化學(xué)反應(yīng)等離子體中進(jìn)行。,,3、表面腐蝕加工技術(shù),用于制造各種懸式結(jié)構(gòu)，

13、如微型懸臂梁、懸臂塊、微型橋、微型腔等。目前已成功應(yīng)用在微型諧振式傳感器，加速度傳感器、流量傳感器和壓電傳感器中。,,,4、薄膜技術(shù),可以加工成各種梁、橋、彈性膜、壓電膜。用作傳感器的敏感元件，有的可作為介質(zhì)膜起絕緣層的作用；有的可作為控制尺寸的襯墊層，在加工完成之前去除掉。,,5、固相鍵合技術(shù),是微機(jī)械部件的裝配技術(shù)，可以把兩個(gè)固態(tài)部件直接鍵合在一起。,,,二、智能傳感器的電路設(shè)計(jì),1、模擬信號(hào)輸入級(jí),一般模擬信號(hào)輸入級(jí)是含有多路切換開關(guān)的可編程增益放大器,。,2、傳感器的激勵(lì)源,傳感器的激勵(lì)源由微處理器控制，以便使傳感器工作在最佳狀態(tài)。,,,,3、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,,4、數(shù)據(jù)處理,,5、數(shù)字輸出接

14、口電路,,6、微處理器選擇,目前以單片機(jī)、DSP等嵌入式微處理器。,,,智能傳感器實(shí)例,一、ST-3000系列智能壓力傳感器,,該系列傳感器是美國(guó)Honeywell公司20世紀(jì)80年代研制的產(chǎn)品，是最早的商品化智能傳感器，可以同時(shí)測(cè)量靜壓、差壓和溫度三個(gè)參數(shù)。精度達(dá)0.1級(jí)，6個(gè)月總漂移不超過(guò)全量程的0.03%，量程比可達(dá)400：1，阻尼時(shí)間常數(shù)在0,～32s,間可調(diào)。目前該產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用。,,,傳感器的結(jié)構(gòu)框圖如下：,,差壓,靜壓,溫度,多,路,開,關(guān),A/D,CPU,D/A,I/O,ROM,RAM,PROM,EEPROM,4-20mA,或,數(shù)字信號(hào),,,傳感部分由差壓、靜壓和溫度三個(gè)傳感器

15、組成，該部分的輸出是三個(gè)參數(shù)的函數(shù)，設(shè)三個(gè)傳感器的輸出為,,,,,由此可解得,,,,,,以上由三個(gè)傳感器信號(hào)計(jì)算待測(cè)壓力的過(guò)程是在微處理器中通過(guò)軟件程序進(jìn)行的。在傳感器的制造過(guò)程中，待測(cè)壓力特征數(shù)據(jù)、環(huán)境溫度特征數(shù)據(jù)就、和靜壓數(shù)據(jù)需要事先存儲(chǔ)在PROM中。這些特征數(shù)據(jù)由生產(chǎn)線的計(jì)算機(jī)采集并送入存儲(chǔ)器存儲(chǔ)。,,實(shí)際工作時(shí)，傳感器芯片上的三個(gè)傳感器的信號(hào)經(jīng)多路切換開關(guān)、調(diào)理電路以及A/D轉(zhuǎn)換器，分別進(jìn)入CPU。CPU利用,,,PROM中的特征數(shù)據(jù)，對(duì)三種信號(hào)進(jìn)行程序運(yùn)算處理，最終產(chǎn)生一個(gè)高精度的特性優(yōu)異的待測(cè)壓力信號(hào)輸出。,,現(xiàn)場(chǎng)通信器具有以下功能：,,對(duì)傳感器進(jìn)行遠(yuǎn)程組態(tài)，設(shè)定標(biāo)號(hào)、測(cè)量范圍、輸

16、出形式和阻尼時(shí)間常數(shù)，不到現(xiàn)場(chǎng)就可調(diào)節(jié)變送器的參數(shù)；,,傳感器的零點(diǎn)和量程校準(zhǔn)可以在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，不必拆卸傳感器，也不需要專門設(shè)備。,,,對(duì)傳感器進(jìn)行診斷，進(jìn)行組態(tài)檢查、通信功能檢查、變送功能檢查、參數(shù)異常檢查，診斷結(jié)果傳送到現(xiàn)場(chǎng)通信器中顯示；,,設(shè)定傳感器為恒流輸出，把傳感器當(dāng)作恒流源使用以便檢查系統(tǒng)中的其它傳感器或設(shè)備。,,,二、EJA差壓變送器,,系日本橫河電機(jī)株式會(huì)社與1994年研制成功的高性能智能式差壓傳感器。它利用單晶硅諧振式傳感器原理，采用微電子機(jī)械加工技術(shù)（MEMS)，精度達(dá)0.075%，具有高穩(wěn)定性和高可靠性。,,其由膜盒組件和智能轉(zhuǎn)換部件組成。膜盒組件包括膜盒、單晶硅諧振式傳感

17、器和特性修正存儲(chǔ)器。,,,原理圖如下：,單晶硅,諧振式,傳感器,特性,修正,傳感器,CPU,A/D,D/A,內(nèi)置存儲(chǔ)器,4-20mA DC,及數(shù)字信號(hào),,,膜盒組件,數(shù)據(jù)處理部件,Δp,,,單晶硅諧振式傳感器的兩個(gè)H型諧振梁將差壓、壓力信號(hào)分別轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)，送到脈沖計(jì)數(shù)器中，再將兩頻率之差直接送到 CPU中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成與輸入信號(hào)相對(duì)應(yīng)的 4-20mA電流信號(hào)。,,膜盒組件中的特性修正存儲(chǔ)器存儲(chǔ)傳感器的環(huán)境溫度、靜壓及輸入輸出特性的修正數(shù)據(jù)，CPU利用它們進(jìn)行溫度補(bǔ)償，校正靜壓及輸入輸出特性。,,,三、8800 A型卡曼旋渦流量變送器,這是美國(guó)Rosemount公司的智能

18、傳感器。它利用“卡曼渦流”現(xiàn)象測(cè)定流量，即當(dāng)管道中裝設(shè)柱狀阻擋物時(shí)，流體流過(guò)時(shí)形成兩列旋渦，旋渦出現(xiàn)的頻率與流量成正比。,該變送器利用應(yīng)力檢測(cè)法測(cè)量旋渦頻率，在柱狀物的后部插入嵌有壓電元件的桿，當(dāng)旋渦沖擊桿端時(shí)形成彎矩，壓電元件出現(xiàn)電荷，電荷經(jīng)放大器放大后，經(jīng)濾波、A/D轉(zhuǎn)換后送入數(shù)字式跟蹤濾波器。,,,它能跟蹤旋渦的頻率對(duì)噪聲進(jìn)行抑制，使濾波后的數(shù)字信號(hào)正確反映流量值。 CPU接收跟蹤濾波的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理后送D/A轉(zhuǎn)換器輸出4-20mA的電流。,,8800 A型卡曼旋渦流量變送器具有自診斷、溫度校正等功能，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)通信器進(jìn)行組態(tài)。,,,4、超聲智能測(cè)距傳感器,,美國(guó)Merritt系統(tǒng)公司（

19、MSI）開發(fā)了兩種超聲智能測(cè)距傳感器，一種測(cè)量范圍為150-3000mm，采樣頻率為40Hz，精度為、2.5mm；另一種是高精度型，測(cè)量范圍為25-600mm，采樣頻率為200Hz，精度為0.25mm。,,傳感器內(nèi)有以 CPU為中心的數(shù)據(jù)處理電路，通過(guò)測(cè)量超聲波從傳感器到目標(biāo)再返回所需要的時(shí)間，計(jì)算傳感器到達(dá)目標(biāo)的距離。,,,5、多路光譜分析智能傳感器,,它可以從人造衛(wèi)星攝取地球表面的圖像，通過(guò)反射型繞射光柵，由CCD固態(tài)攝像傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，即可進(jìn)行多路光譜分析，測(cè)量數(shù)據(jù)由CPU解析和統(tǒng)計(jì)處理，可得到氣象方面的各種信息。,,,6、機(jī)器人視覺傳感器,,它利用CCD圖像傳感器，將工作信號(hào)經(jīng)微機(jī)

20、處理，獲得重心坐標(biāo)、面積、最大尺寸等數(shù)據(jù)即確定工件位置，并由母線系統(tǒng)輸送到顯示器再經(jīng)數(shù)摸轉(zhuǎn)換器后輸入到控制系統(tǒng)控制機(jī)器人動(dòng)作。,,,第九章（2）,測(cè)試系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)與性能評(píng)價(jià),一、 測(cè)試系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)原則與步驟,,現(xiàn)代測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程就是對(duì)系統(tǒng)各單元模塊的參數(shù)反復(fù)進(jìn)行預(yù)估選擇、性能評(píng)價(jià)的過(guò)程，以使按最終確定的參數(shù)建立起的系統(tǒng)達(dá)到預(yù)定的技術(shù)目標(biāo)。,,,,1、單元模塊的選擇與優(yōu)化,現(xiàn)代測(cè)試系統(tǒng)的基本組成形式如圖所示,,,,,S1為傳感器，S2為調(diào)理電路，S3為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；W1與W2分別代表傳感器和放大器的頻率特性,,,,2、參數(shù)的確定與預(yù)估,根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求，確定測(cè)試系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的基本參

21、數(shù)、動(dòng)態(tài)特性，預(yù)估系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的誤差極限。,（ 1 ）基本參數(shù)的確定,基本參數(shù)的確定主要根據(jù)分辨力與量程的要求，確定各硬件模塊或環(huán)節(jié)的靈敏度。對(duì)于一般測(cè)試系統(tǒng)的基本形式，靈敏度的表達(dá)式為,,,,,,基本參數(shù)的確定方法：,通常按系統(tǒng)分辨力與量程的要求及工作環(huán)境條件，先確定傳感器類型及其靈敏度S．然后再進(jìn)行放大器增益S與A/D轉(zhuǎn)換器分度值S的權(quán)衡。,一般方法是先根據(jù)測(cè)試范圍和分辨力確定A/D轉(zhuǎn)換器或數(shù)據(jù)采集卡的位數(shù)。再根A/D轉(zhuǎn)換器或數(shù)據(jù)采集卡的位數(shù)、輸入電壓范圍和傳感器的靈敏度S，確定放大器的增益S。,當(dāng)測(cè)試范圍較大時(shí)可考慮多量程。這樣可以降低A/D轉(zhuǎn)換器或數(shù)據(jù)采集卡的要求。,,,,（2）,誤差極

22、限的預(yù)估,,誤差極限的預(yù)估就是按系統(tǒng)總誤差的限定值對(duì)組成系統(tǒng)單元模塊進(jìn)行誤差分配。,基本思路是誤差預(yù)分配、綜合調(diào)整、再分配再綜合，直至選定單元模塊的靜態(tài)性能滿足系統(tǒng)靜態(tài)性能的要求。,,,,二、 測(cè)試系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)舉例,題目：電阻傳感器稱重測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì),要求：測(cè)量范圍：0~10t；分辨力：0.01t；測(cè)量不確定度：1.5%；工作溫度：0~5,0℃。,1、系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu),根據(jù)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖所示。,,,,,,2、,稱重傳感器的選擇,,橋式稱重傳感器是利用電阻應(yīng)變?cè)順?gòu)成的一種高精度力電轉(zhuǎn)換元件，彈性體采用橋式結(jié)構(gòu)。它由,4,片電阻應(yīng)變計(jì)構(gòu)成惠斯登電橋，如圖所示。當(dāng)傳感器受到外力作用時(shí)

23、，,彈性體產(chǎn)生形變，電阻應(yīng)變計(jì)阻值發(fā)生變化．使橋路失去平衡，在外界供橋電源作用下，電橋輸出一下平衡直流電壓信號(hào)，該信號(hào)的大小與傳感器所受外力大小成正比，據(jù)此可測(cè)定外載荷的大小。,,,,CZLYB-11,型橋式稱重傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)如表,所,示,,,,,3、A,／,D,轉(zhuǎn)換器位數(shù),n,的確定,,從設(shè)計(jì)要求中獲知，該系統(tǒng)的測(cè)量范圍,0~10t,、分辨力,0.01t,，所以系統(tǒng)的最大量化值,Dm,為：,Dm=滿量程值/分辨率＝10/0.01＝1000,故至少選擇,10,位,A/D,，本系統(tǒng)選,TCL1549。,TCL1549,是,TI,公司生產(chǎn)的,10,位逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有自動(dòng)采樣保持、串行

24、接口功能，滿度輸入電壓隨基準(zhǔn)電壓V,H,而變化。,這里V,H,,=5v,。,,,4、,放大器的選擇或設(shè)計(jì),,稱重傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)是“浮地”，所以放大器必須采用雙端輸入差動(dòng)放大器。,放大器的增益可根據(jù)稱重傳感器輸出靈敏度、,A/D,轉(zhuǎn)換器的最大輸入電壓確定。,,由表可知，稱重傳感器輸出靈敏度為,2mv,／,v,，意指在額定載荷、橋路電壓為,1V,時(shí)，橋路輸出為,2mv,。本系統(tǒng)選額定載荷,10t,，橋路電壓取,12v,，傳感器輸出靈敏度,S1,為：,,,,,,A,／,D,轉(zhuǎn)換器的滿度輸入電壓為5V，則量化值,Q,為,當(dāng)載荷為,W=0.01t,時(shí)，橋路輸出電壓為,,,,,,,,,,,,現(xiàn)選擇,

25、AD627,測(cè)量放大器作為本系統(tǒng)的放大器環(huán)節(jié)。,,,,AD627,是美國(guó),ADI,公司生產(chǎn)的精密儀器放大器之一。參考電路如圖所示。其增益,G=5＋200/R,G,，改變,R,G,可調(diào)整增益。,當(dāng)選擇,R,G,,=910+,（,0~200,）,Ω,，增益的變比范圍為,185~225,，可滿足設(shè)計(jì)要求。,此外，考慮到,A/D,轉(zhuǎn)換器的最大輸入電壓V,H,,=5v,，當(dāng)最大載荷,W=10t,時(shí)，橋路的輸出電壓為：,,于是，,AD627,的最大增益,,,,,,,AD627管腳示意圖,,,AD627,的主要技術(shù)參數(shù)見下表,,,,,,,,5、,測(cè)量不確定度的預(yù)估,（1,）測(cè)量不確定度預(yù)估的數(shù)學(xué)模型,當(dāng)被測(cè)

26、重物的重量,W,對(duì)應(yīng),A/D,轉(zhuǎn)換器的量化值為,D,，根據(jù)基本結(jié)構(gòu)，可得重量,W,與量化值,D,的關(guān)系為,,于是可得數(shù)學(xué)模型,,,,式中，S1、S2、S3分別為傳感器、放大器、,A/D,轉(zhuǎn)換器的靈敏度,,,,,,,（2）,分項(xiàng)測(cè)量不確定度的預(yù)估,W,的分項(xiàng)測(cè)量不確定度包含,4,項(xiàng)，即測(cè)量不確定度,U(,S1,),、,U,（S2）、,U,（S3）和,U,（,D,），下面分別計(jì)算。,,①,測(cè)量不確定度,u(S1),的計(jì)算,,由表可知，影響測(cè)量不確定度,u(S1),的因素如下。,,由靈敏度變化0.004/2時(shí)，引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度,,非線性引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度,,,重復(fù)性引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度,,,,,,,

27、,當(dāng)環(huán)境變化,5,0℃引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度,,橋路電壓變化引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度,,,S1,測(cè)量不確定度U(S1)為,,這里沒有考慮”零點(diǎn)輸出”引起的不確定度，是因?yàn)榱泓c(diǎn)輸出是恒定的系統(tǒng)誤差，可通過(guò)硬件或軟件消除，如果軟件中有非線性校正功能，非線性誤差引起的測(cè)量不確定度也可不,考慮．本例不考慮非線性校正。,,,,,,,,,,②,測(cè)量不確定度,U(,S2,),的計(jì)算。,,根據(jù)表， S2的測(cè)量不確定度分量如下,,本例中，增益為,203,，所以增益誤差取,0.2,％，引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為,,注意，上述增益誤差未計(jì)入,R,G,阻值波動(dòng)而產(chǎn)生的增益誤差。,,非線性引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度,,,當(dāng)溫度在,25,±,2

28、,5℃,范圍變化時(shí)引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度,,,,,,,S2的測(cè)量不確定度為U(S2),此外，共模電壓也會(huì)引起測(cè)量誤差。稱重傳感器的電路是橋式結(jié)構(gòu)，其共模輸出電壓為,由于,AD627,的共模抑制比,CMRR=90dB,,即有,,式中，,ΔU,為Um在放大器輸出端引起的誤差電壓，于是,,因此,,系統(tǒng)選用,10,位,A/D,，量化單位,遠(yuǎn)小于,Q,的一半，故屬于微小誤差．可忽略不計(jì)。,,,,,,,,,③,S3,的測(cè)量的確定度U,(,S3,),的計(jì)算,,S3,是,A/D,轉(zhuǎn)換器的靈敏度，其表達(dá)式為,,式中，,V,ref,是,A/D,轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓。本系統(tǒng)選用,REF02,電壓基準(zhǔn)。,REF02,是,BU

29、RRR,—,BROWN,公司生產(chǎn)的集成精密電壓基準(zhǔn)，主要技術(shù)參數(shù)如表所示,,,,,S3不確定度取決于V,ref,不確定度，而V,ref,不確定度主要有兩個(gè)分量，即輸出電壓隨溫度變化引起的分量和基準(zhǔn)輸入電壓變化引起的分量。,基準(zhǔn)輸入電壓為電源電壓，一般不會(huì)超過(guò),±,1V,，引起的輸出電壓變化由電壓調(diào)整率決定。,輸出電壓隨溫度變化引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度,,當(dāng)電源電壓變化,±,1V,時(shí)引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度,,,于是，,S3,的測(cè)量不確定度,U,(,S3,),為,,,,,,,,,,④,,A/D,轉(zhuǎn)換器的輸出量,D,（量化的數(shù)字值）的測(cè)量不確定度U（D）的計(jì)算,在未給出,A/D,轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換精度情況下，其測(cè)量不

30、確定度主要由量化誤差計(jì)算引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度,,,,,,（,3,）,W,的合成測(cè)量不確定度的預(yù)估,根據(jù)測(cè)量不確度預(yù)估的數(shù)學(xué)模型式，,W,的合成測(cè)量不確定度為U,C,（W）,,,,,,,,,,,（,4,）,W,的擴(kuò)展測(cè)量不確定度的預(yù)估,W,的擴(kuò)展測(cè)量不確定度,U,（,W,）等于合成測(cè)量不確定度乘以覆蓋因子,(,這里取,),，即,,W,的擴(kuò)展測(cè)量不確定度為,1.1%,，小于,1.5%,的設(shè)計(jì)要求，所以設(shè)計(jì)的系統(tǒng)符合要求。,,,,,,智能傳感器的發(fā)展趨勢(shì),一、利用新型材料研制基本傳感器,,材料包括硅、功能陶瓷、石英、記憶合金等。,,二、利用新加工技術(shù),,主要指微加工技術(shù)。,,三、采用新的測(cè)量原理和方法

31、,,包括光纖傳感、化學(xué)傳感和生物傳感等新的信息來(lái)源。,,,演講完畢，謝謝觀看！,內(nèi)容總結(jié),第九章（1） 智能傳感器。計(jì)算連續(xù)N個(gè)點(diǎn)的采樣值的算術(shù)平均值作為濾波器的輸出.。每進(jìn)行一次這樣的測(cè)量，就可立即計(jì)算出一個(gè)新的平均值。集成智能傳感器的設(shè)計(jì)和制造中有許多復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題。它主要用于制造硅材料為基底、層與層之間有很大差別的三維結(jié)構(gòu)。用作傳感器的敏感元件，有的可作為介質(zhì)膜起絕緣層的作用。有的可作為控制尺寸的襯墊層，在加工完成之前去除掉。以上由三個(gè)傳感器信號(hào)計(jì)算待測(cè)壓力的過(guò)程是在微處理器中通過(guò)軟件程序進(jìn)行的。它能跟蹤旋渦的頻率對(duì)噪聲進(jìn)行抑制，使濾波后的數(shù)字信號(hào)正確反映流量值。CPU接收跟蹤濾波的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理后送D/A轉(zhuǎn)換器輸出4-20mA的電流。對(duì)于一般測(cè)試系統(tǒng)的基本形式，靈敏度的表達(dá)式為。放大器的增益可根據(jù)稱重傳感器輸出靈敏度、A/D轉(zhuǎn)換器的最大輸入電壓確定。（3）W的合成測(cè)量不確定度的預(yù)估。（4）W的擴(kuò)展測(cè)量不確定度的預(yù)估。演講完畢，謝謝觀看,