智能式傳感器

汪 寧

[摘要]傳感器技術(shù)是信息獲取與處理技術(shù)中的三大核心技術(shù)之一，近十年傳感器技術(shù)其智彘化的特點(diǎn)日益突出，下面來談?wù)勚悄芑瘋鞲衅鞯臉?gòu)成和特點(diǎn)，以及其設(shè)計(jì)方法。

[關(guān)鍵詞]傳感器智能化構(gòu)成設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671--7597(2009)1020048--01

現(xiàn)在世界各國都在大力推進(jìn)社會(huì)的信息化進(jìn)程，大力發(fā)展信息技術(shù)。信息技術(shù)實(shí)際上是由傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)三大核心組成的。作為信息獲取處理技術(shù)的重要一環(huán)，傳感器技術(shù)的發(fā)展受到了極大的關(guān)注，這為這一技術(shù)的發(fā)展起到了很好的推動(dòng)作用。智能化是傳感器技術(shù)大力發(fā)展的方向之一。

一、智能式傳感器的構(gòu)成和特點(diǎn)

智能式傳感器是一種以微處理器為核心的具有檢測(cè)、判斷和信息處理能力等功能的傳感器。其主要包括傳感器智能化和智能傳感器兩種主要形式。

(一)傳感器智能化

采用微處理器或微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來擴(kuò)展提高傳統(tǒng)傳感器的功能，傳感器與微處理器可為兩個(gè)分立的功能單元，傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過放大調(diào)理和轉(zhuǎn)換后由接口送入微處理器進(jìn)行處理。

(二)智能傳感器

其借助于半導(dǎo)體技術(shù)將傳感器部分與信號(hào)放大調(diào)理電路、接口電路和微處理器等結(jié)合在同一塊芯片上，形成了大規(guī)模集成電路的智能傳感器。

智能傳感器特點(diǎn)主要集中在：功能多、可靠性強(qiáng)、一體化、集成度高、體積小、適宜大批量生產(chǎn)、使用方便、性價(jià)比高等方面。這些都是傳感器發(fā)展的必然趨勢(shì)。

二、傳感器智能化設(shè)計(jì)

傳感器智能化設(shè)計(jì)從系統(tǒng)的角度著手考慮主要可以分成兩個(gè)方面。

(一)硬件設(shè)計(jì)

1、微處理器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

微處理器系統(tǒng)是智能式傳感器的核心，它的性能對(duì)整個(gè)傳感器的調(diào)理電路、接口設(shè)計(jì)等有很大影響。微處理器選擇的主要依據(jù)有：

(1)任務(wù)：智能式傳感器中的微處理器是用于數(shù)據(jù)處理還是僅僅起控制作用。

(2)字長：字長較長，就能處理較寬范圍內(nèi)的算術(shù)值。因此4位字長的微處理器一般都用于控制，8位字長的可用于數(shù)據(jù)處理和控制，16位字長的都用于數(shù)據(jù)處理。

(3)處理速度：如果傳感器用于動(dòng)態(tài)測(cè)試，其微處理器的處理速度不得低于傳感器的動(dòng)態(tài)范圍。

(4)功耗。

2、信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

多數(shù)傳感器輸出的模擬電壓在毫伏或微伏數(shù)量級(jí)，并且存在較大的干擾和噪聲。信號(hào)調(diào)理電路的作用，一是將微弱的低電平信號(hào)放大到模數(shù)轉(zhuǎn)換器所要求的信號(hào)電平，如0～±5v或0～+10v范圍，二是抑制干擾、降低噪聲，保證信號(hào)檢測(cè)的精度。

3、A／D、D／A的設(shè)計(jì)

在智能式傳感器中，傳感器和微處理罌之間要通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將輸入的模擬電壓信號(hào)成比例地轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。當(dāng)需要傳感器的輸出起控制作用時(shí)，數(shù)模轉(zhuǎn)換器將微處理器處理后的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬量信導(dǎo)，詵檉A／D轉(zhuǎn)換器時(shí)要注意分辨率、轉(zhuǎn)換時(shí)間與轉(zhuǎn)換頻率以及穩(wěn)定性和抗干擾能力這些性能指標(biāo)。而D／A轉(zhuǎn)換器選擇是要注意分辨率、轉(zhuǎn)換時(shí)間和精度。

(二)軟件設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理

軟件是智能式傳感器的靈魂，其主要功能是完成數(shù)據(jù)處理任務(wù)。數(shù)據(jù)處理主要包括算術(shù)和邏輯運(yùn)算、檢索與分類、非線性特性的校正、誤差的自動(dòng)校準(zhǔn)及自診斷和數(shù)字濾波等。下面主要從三個(gè)功能來談?wù)勡浖O(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理。

1、非線性特性的校正

傳感器的輸出信號(hào)與被測(cè)參數(shù)之間存在明顯的非線性，為提高智能式傳感器的測(cè)量精度，必須對(duì)非線性特性進(jìn)行校正，使之線性化。而線性化的關(guān)鍵就是找出校正函數(shù)。

(1)校正函數(shù)。假設(shè)傳感器的輸出為y，輸入為x，y=f(x)存在非線性，先計(jì)算下列函數(shù)R=g(y)=g[f(x)]使R與x之間保持線性關(guān)系，函數(shù)g(y)便是校正函數(shù)。

(2)曲線擬合法校正。曲線擬合的理論表明：某些自變量x與因變量y之間的單值非線性關(guān)系，可以用自變量x的高次多項(xiàng)式來逼近，即：

y＝ao+alX+a2X2+，”+ad“

其中a0，a1，a2，…an是待求的擬合系數(shù)。

(3)分段線性化與線性插值。對(duì)于一個(gè)已知函數(shù)y=f(x)的曲線，可按一定的要求將其分成若干小段，每個(gè)分段曲線用其端點(diǎn)連成的直線端來代替。

2、誤差的自動(dòng)校準(zhǔn)及自我診斷

借助微處理器的計(jì)算能力，可自動(dòng)校準(zhǔn)由零點(diǎn)電壓偏移和漂移、各種電路的增益誤差及器件參數(shù)的不穩(wěn)定等引起的誤差，從而提高傳感器的精度，簡化硬件并降低對(duì)靜謐與案件的要求。自診斷程序步驟有兩種，一是設(shè)立獨(dú)立的“自檢”功能，在操作員按下“自檢”按鍵時(shí)，系統(tǒng)將照事先設(shè)計(jì)的程序，完成一個(gè)循環(huán)的自檢，并從顯示器上觀察自檢結(jié)果是否正確。二是可以在每次測(cè)量之前插入一段自檢程序，若程序不能往下執(zhí)行則說明系統(tǒng)有故障。

3、數(shù)字濾波

數(shù)字濾波就是通過一定的計(jì)算程序降低干擾在有用信號(hào)中的比重。與模擬濾波器相比，數(shù)字濾波的優(yōu)點(diǎn)有：一是通過改變程序，方便靈活得調(diào)整參數(shù)。二是可對(duì)極低頻率的信號(hào)實(shí)現(xiàn)濾波。三是不要增加硬件設(shè)備，各通道可選用同一數(shù)字濾波程序。對(duì)于簡單的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)可采用基于算術(shù)平均值法的平滑濾波器和一階數(shù)字濾波器等，而比較復(fù)雜的可采用模擬化設(shè)計(jì)。模擬化設(shè)計(jì)方法是以模擬濾波為理論基礎(chǔ)。無論是低通濾波器還是高通濾波器，都可以分為幾種不同類型。濾波器的類型不同，要求的傳遞函數(shù)的系數(shù)也不相同。