传感器智能化技术与智能式传感器

14.3　传感器智能化技术与智能式传感器

14.3.1　智能式传感器的构成与特点

所谓智能式传感器就是一种以微处理器为核心单元的，具有检测、判断和信息处理等功能的传感器。

智能式传感器包括传感器智能化和智能传感器两种主要形式。前者是采用微处理器或微型计算机系统来扩展和提高传统传感器的功能，传感器与微处理器可为两个分立的功能单元，传感器的输出信号经放大调理和转换后由接口送入微处理器进行处理。后者是借助于半导体技术将传感器部分与信号放大调理电路、接口电路和微处理器等制作在同一块芯片上，即形成大规模集成电路的智能传感器。智能传感器具有多功能、可靠性好、一体化、集成度高、体积小、适宜大批量生产、使用方便、性能价格比高等优点，它是传感器发展的必然趋势。目前广泛使用的智能式传感器，主要是通过传感器的智能化来实现的。

从构成上看，智能式传感器是一个典型的以微处理器为核心的计算机检测系统。它一般由图14-14所示的几个部分构成。

图14-14　智能式传感器的构成

14.3.2　传感器智能化设计

本节所介绍的传感器智能化设计，主要从系统的角度考虑硬件和软件的设计，至于传感器本体的设计此处不作介绍。

1.硬件设计

（1）微处理器系统的设计

微处理器系统是智能式传感器的核心，它的性能对整个传感器的调理电路、接口设计等都有很大影响。目前可供选用的微处理器系统有以8080CPU为核心的微处理系统和MCS-51系列、MCS-96系列等单片微处理器系统。微处理器的选择主要根据以下几点来确定:

①任务　即智能式传感器中的微处理器是用于数据处理还是仅仅起控制作用。例如MCS-51系列单片机的指令系统比较丰富，具有较强的数据处理能力，而Intel8080及MCS-48系列单片机的指令系统具有类似控制机的特点。

②字长　字长较长，就能处理较宽范围内的算术值。因此4位字长的微处理器一般都用于控制，8位字长的既可用于数据处理，也可用于控制，而16位字长的微处理器几乎都用于数据处理。

③处理速度　如果传感器用于动态测试，则微处理器的处理速度不能低于传感器的动态范围，如果是用于静态测试，则微处理器的处理速度可降低要求。

④功耗　在智能式传感器设计中，功耗也是一个值得注意的问题。

（2）信号调理电路的设计

多数传感器输出的模拟电压在毫伏或微伏数量级，并且存在较大的干扰和噪声。信号调理电路的作用，一方面是将微弱的低电平信号放大到模数转换器所要求的信号电平，如0～±5V或0～＋10V范围，另一方面是抑制干扰、降低噪声，保证信号检测的精度。因此，信号调理电路主要包括低通滤波器和性能指标较好的电压放大器。

滤波器有无源和有源之分。无源滤波器结构简单、价格低廉，但是体积大、精度低、调整困难。有源滤波器具有体积小、重量轻、输入阻抗高而输出阻抗低的优点，但需提供正负电源，成本较高。

信号调理电路中的放大器，除了电压放大外，还可以完成阻抗变换、电平转换、电流-电压转换，以及隔离等功能。

（3）A/D、D/A的设计

在智能式传感器中，传感器和微处理器之间要通过模数转换器将输入的模拟电压信号成比例地转化为二进制数字信号。当需要传感器的输出起控制作用时，数模转换器又将微处理器处理后的数字量转换为相应的模拟量信号。因此A/D和D/A转换器是智能式传感器不可缺少的重要环节。

在选择A/D转换器时，除需要满足用户的各种技术要求外，主要考虑以下性能指标:①分辨率；②转换时间与转换频率；③稳定性和抗干扰能力。

同样地，在选择使用D/A转换器中，主要应考虑以下性能指标:①分辨率；②转换时间；③精度。

ADC在每一次转换结束后，需要通过接口将转换结果输入到微处理器中，微处理器的数据输出通常也需要通过DAC进行数模转换后输出模拟量信号，因此接口的设计是智能式传感器设计重要的一环。

2.软件设计与数据处理方法

软件是智能式传感器的灵魂和大脑。在智能式传感器中，软件的最主要功能是完成数据处理任务。数据处理的功能包括以下几个部分:①算术和逻辑运算；②检索与分类；③非线性特性的校正；④误差的自动校准及自诊断；⑤数字滤波等。其中算术与逻辑运算是微处理器最基本的功能，在微处理器手册中都有详细介绍；检索与分类作为一种常见的方法在智能仪器设计课程和数据库原理课程中已有详细介绍。因此，本书只对后3种功能进行介绍。

（1）非线性特性的校正

许多传感器的输出信号与被测参数间存在明显的非线性，为提高智能式传感器的测量精度，必须对非线性特性进行校正，使之线性化。线性化的关键是找出校正函数，但有时校正函数很难求得，这时可用多项式函数进行拟合或分段线性化处理。

①校正函数　假设传感器的输出为y，输入为x，y＝f（x）存在非线性，现计算下列函数

R＝g（y）＝g［f（x）］（14-4）

使R与x之间保持线性关系，函数g（y）便是校正函数。

例如，半导体二极管检波器的输出电压u与被测输入电压u_i成指数关系

式中a为常数。为了得到线性结果，微处理器必须对数字化后的输出电压进行一次对数运算:R＝lnu₀∝u_i，使R与u_i间存在线性关系。

②曲线拟合法校正　曲线拟合的理论表明:某些自变量x与因变量y之间的单值非线性关系，可以用自变量x的高次多项式来逼近，即

y＝a₀＋a₁x＋a₂x²＋…＋a_nxⁿ　　　　　　　　（14-6）

其中a₀，a₁，a₂，…，a_n是待求的拟合系数。利用最小二乘法可得到求解拟合系数的方程组:

式中，

③分段线性化与线性插值　对于一个已知函数y＝f（x）的曲线，可按一定的要求将它分成若干小段，每个分段曲线用其端点连成的直线段来代替，这样就可在分段范围内用直线方程来代替曲线，从而简化计算。在任一个分段如（x_i，x_i＋1）中，对于x_i＋1＞x＞x_i的一切点，它们的值可利用下面的直线方程计算，所以这种方法为线性插值。

或简化为

y＝y_i＋k_i（x-x_i）　　　　　　　（14-9）

其中k_i＝（y_i＋1-y_i）/（x_i＋1-x_i）为第i段直线的斜率；（x₀，y₀），（x₁，y₁），…，（x_n，y_n）为曲线上各分段点的自变量和函数值。

由式（14-9）可知，k_i，x_i，y_i都是按函数特性预先确定的值，可作为已知常数存于微处理器指定存储区。若要计算与某一输入x相对应的y值，需首先按x值检索其所属的区段，从常数表查得该区段的三个常数k_i，x_i，y_i，从而可计算所对应的输出y。

这里，分段点的选取是一个重要问题；分段数越多，则逼近精度越高，但同时所占计算机内存单元也越多，此外，还会大大增加在分段常数获取方面的工作量。因此，应该根据传感器的精度要求合理地选取分段点。一般来说，分段可以是不等距的，曲率半径小的段落分段可密一些，曲率半径大的段落分段可稀疏一些。

（2）误差的自动校准及自我诊断

借助微处理器的计算能力，可自动校准由零点电压偏移和漂移、各种电路的增益误差及器件参数的不稳定等引起的误差，从而提高传感器的精度，简化硬件并降低对精密元件的要求。自动校准的基本思想是仪器在开机后或每隔一段时间自动测量基准参数，如数字电压表中的基准电压或地电位等，然后计算误差模型，获得并存储误差因子。在正式测量时，根据测量结果和误差因子，计算校准方程，从而消除误差。

自诊断程序步骤一般可以有两种:一种是设立独立的“自检”功能，在操作人员按下“自检”按键时，系统将照事先设计的程序，完成一个循环的自检，并从显示器上观察自检结果是否正确；另一种可以在每次测量之前插入一段自检程序，若程序不能往下执行而停在自检阶段，则说明系统有故障。

（3）数字滤波

所谓数字滤波，就是通过一定的计算程序降低干扰在有用信号中的比重。与模拟滤波器相比，数字滤波的优点在于:①通过改变程序，就可方便灵活地调整参数；②可以对极低频率的信号（如0.01Hz）实现滤波；③不要增加硬件设备，各通道可选用同一数字滤波程序。对于简单的数字滤波器设计可采用基于算术平均值法的平滑滤波器和一阶数字滤波器等；对于比较复杂的滤波器可采用模拟化设计方法。

模拟化设计法以模拟滤波器理论为基础。从模拟滤波器理论知道，无论是低通滤波器还是高通滤波器，都可以分为几种不同类型，如巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、贝塞尔滤波器等。同样都是低通滤波器，巴特沃斯低通滤波器的通带特性最平、切比雪夫低通滤波器高频段衰减最快、贝塞尔低通滤波器则具有线性相移特性。滤波器类型不同，要求的传递函数的系数也不相同。

14.3.3　传感器智能化实例

智能式应力传感器用于测量飞机机翼上各个关键部位的应力大小，并判断机翼的工作状态是否正常以及故障情况。如图14-15所示，它共有6路应力传感器和1路温度传感器，其中每一路应力传感器由4个应变片构成的全桥电路和前级放大器组成，用于测量应力的大小。温度传感器用于测量环境的温度，从而对应力传感器进行温度误差修正。采用8031单片机作为数据处理和控制单元。多路开关根据单片机发出的命令轮流选通各个传感器通道，0通道为温度传感器通道，1～6通道分别为6个应力传感器通道。程控放大器则在单片机的命令下分别选择不同的放大倍数对各路信号进行放大。

图14-15　智能式应力传感器的硬件结构

图14-16　智能式应力传感器的软件结构

智能式应力传感器具有测量、程控放大、转换、处理、模拟量输出、打印、键盘监控以及通过串行口与上位微型计算机进行通讯的功能。其软件采用模块化和结构化的设计方法，软件结构如图14-16所示。主程序模块主要完成自检、初始化、通道选择、以及各个功能模块调用功能。其中信号采集模块主要完成各路信号的放大、A/D转换和数据读取的功能。信号处理模块主要完成数据滤波、非线性补偿、信号处理、误差修正等功能。故障诊断模块的任务是对各个应力传感器的信号进行分析，判断飞机机翼的工作状态以及是否有损伤或故障存在。键盘输入及显示模块的任务一是查询是否有键按下，若有键按下则反馈给主程序模块，从而程序模块根据键意执行或调用相应的功能模块，二是显示各路传感器的数据和工作状态。输出及打印模块主要是控制模拟量输出以及控制打印机完成打印任务。通讯模块主要控制RS232串行通讯口和上位微机的通讯。图14-17为信号采集模块的程序流程图。

图14-17　信号采集模块程序流程图

14.3.4　智能传感器

图14-18　多路光谱分析传感器结构示意图

智能传感器英文名称为Intelligent Sensor或Smart Sensor。智能传感器是“电五官”与“微电脑”的有机结合，对外界信息具有检测、逻辑判断、自行诊断、数据处理和自适应能力的集成一体化多功能传感器。这种传感器还具有与主机互相对话的功能，也可以自行选择最佳方案。它还能将已取得的大量数据进行分割处理，实现远距离、高速度、高精度的传输。

多路光谱分析传感器是目前已投入使用的典型的智能传感器。这种传感器采用硅CCD（电荷耦合器件）二元阵列作摄像仪，结合光学系统和微处理器共同构成一个不可分割的整体。其结构如图14-18所示。它可以装在人造卫星上对地面进行多路光谱分析。测量获得的数据直接由CPU进行分析和统计处理，然后输送出有关地质、气象等各种情报。

以硅为基础的超大规模集成电路技术正在加速发展并日臻成熟，三维集成电路已成为现实。在不久的将来，具有上述智能的传感器系统将全部集成在同一芯片上，构成一个由微传感器、微处理器和微执行器集成一体化的闭环工作微系统。目前日本已开发出三维多功能的单片智能传感器。它已将平面集成发展为三维集成，实现了多层结构，如图14-19所示。它将传感器功能、逻辑功能和记忆功能等集成在一块半导体芯片上，反映了智能传感器的一个发展方向。

图14-19　三维多功能单片智能传感器

另外，未来的智能传感器将向生物体传感器系统方向发展。例如，利用仿生学、遗传工程和分子电子学制作成分子电子器件，并通过化学合成等方法，将分子生物传感器与分子计算机集成为微型智能生物传感器。它能将外界空间分布信息转换为机体可感知的信号，成为人工视觉、听觉和触觉等。若将具有光电转换功能的生物硅片替代盲人的视网膜，则可使之重见光明。