第8章 智能传感器与传感器网络(课件）-《传感器与测试技术》同步教学（航空工业出版社）

第8章 智能传感器与传感器网络 8.1 智能传感器 8.2 传感器网络 8.1 智能传感器 8.1.1 智能传感器的组成 智能传感器由硬件和软件两大部分组成，硬件部分主要由传感器、信号调理电路、微处理器（或微计算机）等构成，其结构框图如图所示。 软件在智能传感器中起着举足轻重的作用，可通过各种软件对信息检测过程进行管理和调节，使之工作在最佳状态，并可对传感器传送的数据进行各种处理，从而增强传感器的功能，提高传感器的性价比。另外，利用软件可实现硬件难以完成的任务，由此来降低传感器的制造难度，提高性能，降低成本。 模块式智能传感器由许多互相独立的模块组成，如将传感器、微处理器、信号调理电路、数据处理电路、显示电路等多个模块组装在同一壳体内，集成度较低，体积较大，但在目前的技术水平下，仍是一种实用的结构形式。 混合式智能传感器是将传感器、微处理器和信号调理电路等集成在不同芯片上再组装在一起，是目前应用较多的结构形式。 集成式智能传感器是将多个敏感元件、微处理器和信号调理电路等都集成在同一个芯片上，集成度高，体积小，但目前的技术水平还很难实现。 智能传感器 模块式 混合式 集成式 智能传感器的发展大致分为三个阶段： 初级阶段 内部集成有温度补偿及校正电路、线性补偿电路和信号调理电路。 中级阶段 微处理器也组装在传感器内，具有自诊断、自校正、数据通信接口等功能。 高级阶段 具有多维检测、图像识别、分析记忆、模式识别、自学习甚至思维能力等功能。 8.1.2 智能传感器的功能 与传统传感器相比，智能化传感器具有以下功能： （1）逻辑判断、信息处理功能 （2）自校准、自诊断功能 （3）自适应、自调整功能 （4）组态功能 （5）记忆、存储功能 （6）数据通信功能 8.1.3 智能传感器的硬件结构 智能传感器的硬件主要由基本传感器、信号调理电路和微处理器等构成。下图所示为DTP型智能压力传感器的结构框图。 1．基本传感器 （1）传感器的主要技术要求 ① 具有将被测量转换为后续电路可用信号的功能。 ② 转换范围与被测量实际变化范围一致 ③ 满足被测介质和使用环境的特殊要求 ④ 满足用户对可靠性和可维护性的要求。 （2）可供选用的传感器类型 ① 大信号输出传感器 ② 数字式传感器 ③ 集成传感器 ④ 光纤传感器 模拟信号调理电路主要由放大器、滤波器、温度补偿及自动校准电路等部分组成。 模拟式传感器对传感器输出的信号必须进行放大、温度补偿和非线性校正等处理。 智能传感器的技术指标如下： ① 非线性度 ② 温漂 ③ 建立时间和恢复时间 ④ 电源引起的失调 2．模拟信号调理电路 智能传感器中常用的放大器有仪用放大器、程控增益放大器及隔离放大器。 （1）仪用放大器 仪用放大器常采用三运放对称结构，是具有较高的输入阻抗和共模抑制比的单片集成放大器，只需外接一个电阻即可设定增益，如美国BB（Burr Brown）公司生产的INA114，其内部电路如图所示。 为了在整个测量范围内使A/D转换器获取合适的分辨率，常采用程控增益放大器。常见的程控增益放大器有美国BB公司生产的PGA202/203，其内部结构和基本接法如图所示。 （2）程控增益放大器 （3）隔离放大器 隔离放大器由输入放大器、输出放大器、隔离器以及隔离电源等组成，其原理框图如图所示。上图为变压器耦合隔离放大器框图，下图为光电耦合隔离放大器框图。 3．微处理器的接口技术 （1）A/D转换器 A/D转换器用于将模拟信号转变为数字信号，常用的A/D转换器有逐次逼近型ADC、双积分型ADC、 型ADC等。 逐次逼近型ADC包括一个比较器、一个数模转换器、一个逐次逼近寄存器（SAR）和一个逻辑控制单元。它是通过将采样输入信号与已知电压不断进行比较来完成转换的，1个时钟周期完成1位转换，n位转换需要n个时钟周期。 双积分型ADC又称为双斜率或多斜率ADC，它由一个带有输入切换开关的模拟积分器、一个比较器和一个计数单元构成，通过两次积分将输入的模拟电压转换成与其平均值成正比的时间间隔。同时，在此时间间隔内利用计数器对时钟脉冲进行计数，从而实现A/D转换。 型ADC又称为过采样转换器，其采样频率远远高于奈奎斯特（Nyquist）采样频率，是目前应用较广的新型A/D转换器。它由简单的模拟电路（一个比较器、一个开关、一个或几个积分器及模拟求和电路）和复杂的数字信号处理电路构成。 型ADC采用增量编码方式，即根据前一量值与