多測點智能溫度傳感器設計

葉廷東，黃曉紅，冼廣淋

(廣東輕工職業技術學院 計算機工程系,廣州 510640)

多測點智能溫度傳感器設計

葉廷東，黃曉紅，冼廣淋

(廣東輕工職業技術學院 計算機工程系,廣州 510640)

針對廣泛應用的溫度檢測，設計了一種多測點智能溫度傳感器;該智能溫度傳感器將多個常規溫度傳感元件、信號調理電路、帶數字總線接口的微處理器連接起來，利用三維單片智能傳感器結構集成在一塊硅基片上，實現了三維集成多層結構;同時智能溫度傳感器利用信號幅度、變化趨勢、多測點冗余故障判決和傳感信息融合方法，在實現傳感故障診斷的同時提高檢測準確度。

溫度檢測;智能傳感器;故障診斷;信息融合;多傳感

0 引言

現代航空航天、自動化生產、高品質生活等領域對智能傳感器的需求量急劇增大，同時微處理器技術、微電子技術、人工智能理論等快速發展，極大推動了智能傳感器的飛速發展，智能傳感技術已成為現代測控技術的主要發展方向之一[1-3]。目前，智能傳感器廣泛應用于航空航天、國防、現代工農業、醫療、交通、智能家居等領域[4-5]。其中智能溫度傳感器是最早開發、應用最廣的一類傳感器。

溫度是表征物體冷熱程度的物理量，是工農業生產過程中一個很重要而普遍的測量參數。溫度的測量及控制對保證產品質量、提高生產效率、節約能源、生產安全、促進國民經濟的發展起到非常重要的作用。由于溫度測量的普遍性，溫度傳感器的數量在各種傳感器中居首位，約占50%。因此智能溫度傳感器的研究具有重要實際意義，本論文將設計一種多測點智能溫度傳感器，用于可靠性、檢測精度要求較高的場合。

1 多測點智能溫度傳感器結構

多測點智能溫度傳感器主要由傳感元件、微處理器及相關電路組成，如圖1所示。智能傳感器將多個測點溫度量轉換成相應的電信號，然后將它送到信號調理電路，經過濾波、放大、AD轉換等信號調理流程，送到微處理器，最后由微處理器進行計算、存儲、數據分析和處理。

圖1 智能傳感器原理圖

智能傳感器通常的實現形式是將常規的溫度傳感元件、信號調理電路、帶數字總線接口的微處理器連接起來，組合成一整體而構成智能傳感器系統，如圖2所示。這種傳統的模塊化智能傳感器的通常有集成度不高、體積較大缺點。

圖2 智能溫度傳感器實現結構圖

為此，在加工時模塊化多測點智能溫度傳感器時可采用微機械加工技術和大規模集成電路工藝技術，使用半導體材料硅將上述結構中的敏感元件、信號調理電路以及微處理器等集成在一塊芯片上構成的，可采用如圖3所示的三維單片智能傳感器的結構實現，該結構形式將電源、驅動、敏感元件、數據傳輸線、存儲器和運算器等集成在一塊硅基片上，將平面集成發展成三維集成，實現了多層結構。

圖3 三維單片智能傳感器的結構圖

2 多測點智能溫度傳感器信息處理

多測點的好處在于：第一可以通過信息融合提高測量的準確性；第二可以根據多個測點值進行故障判決與診斷。

2.1 測量信息評估與故障診斷

在實際應用中，智能傳感系統通常需要通過分析當前所有可用信息源，對自身工作性能、狀態進行內部在線評估，實現傳感元件器件的初步故障診斷，以保障系統的可靠運行、準確檢測[6]。但若對所有信息源進行分析評估，對智能傳感器的運算能力要求會很高，并會消耗大量系統資源。這時可以在傳感器應用時獲得被測溫度信號的一些特殊信息，比如該應用場景下溫度信號變化趨勢、幅度范圍，則可使智能傳感信息的自評估大為簡化。這時我們可以為智能傳感器配置電子數據表格，在表格中預留了用戶自定義區域，它可用于記錄傳感器的各種特殊信息，如溫度信號變化趨勢、幅度范圍。應用時，將溫度傳感器信號特征、幅度范圍等以電子數據表格形式存儲在微處理器的存儲空間上，系統運行時，通過對傳感輸出信息進行信號幅值評估、趨勢評估等的分析，實現傳感元件自身狀態的判斷，確保信息源的可靠性[7]。其基本工作原理為：

將事先獲得被測溫度信號的幅度范圍M∈[ML，MH]、變化率范圍|dM/dt|≤Δ (Δ為變化率限值)等特征信息寫入電子數據表格中，在工作時，傳感信息通過表決器表決后，則利用傳感元件的實際輸出特征與電子數據表格中既定特征信息進行比較判斷即可。若信號幅值M?[ML,MH]或|dM/dt|>Δ，則系統判定傳感檢測信息不可靠，傳感元件可能發生故障，從而系統啟動自免疫功能，進入故障處理程序。其中在應用中|dM/dt|的計算可按一定周期對傳感信號進行微分運算得到。

上述方法可以用于單個元件故障判斷，當存在多個測點時，則可以利用傳感元件檢測信息之間的相互關系進行故障判斷。在此引入一致性測度系數，用它們來表示傳感元件之間的支持程度。為了量化各傳感元件在某一時刻觀測值的相互支持度，采用模糊數學中最大最小貼近度來度量。

設k時刻傳感元件i和傳感元件j觀測貼近度為：

(1)

則可以知道k時刻傳感元件i與其它傳感元件的一致性測度為：

(2)

由公式(2)可知，當ri(k)接近1時，表明k時刻傳感元件i與其它傳感元件的觀測值保持一致，反之，則表明第i個傳感元件的觀測值偏離多數傳感元件的觀測值。為此可以用一致性測度來進行檢測數據異常與元件故障判斷，即如果某一個傳感元件的一致性測度小于一致性測度閾值r0，則判定該檢測數據異常并剔除，若存在多個元件的一致性測度小于一致性測度閾值，則判定傳感器故障并進入故障處理程序，如果沒有則進行信息融合。冗余溫度傳感元件的故障檢測、辨識與分離過程如圖4所示。

圖4 冗余傳感元件故障判決方法

2.2 多測點信息融合

多傳感信息融合可以提高多測點溫度的檢測準確的。在這里，將利用最大后驗方法來對多測點溫度傳感器進行數據融合[8]。其方法為：

(3)

服從聯合正態分別,且已知估計誤差協方差陣：

(4)

那么si的極大后驗估計為:

(5)

(6)

3 實驗分析

為了滿足高精度測量的要求，多測點智能溫度傳感器選擇3個A級精度的鉑膜片熱敏電阻Pt1000組成實驗電路來完成，Pt1000的單路溫度傳感檢測電路如圖5所示，圖中Vref用芯片REF3140產生一個穩定的4.096 V基準電壓作為電橋的輸入電壓。電橋輸出送到由OP07組成的差動放大電路中，經過放大后電壓輸出送到單片機采樣端口。

圖5 單路傳感信號檢測電路圖

智能傳感器在測試實驗時，先將應用場景中溫度信號的幅度范圍M∈[ML，MH]、變化率范圍|dM/dt|≤Δ特征信息寫入電子數據表格中即可進行單個元件的故障判斷，然后采集無故障情況下3個溫度傳感檢測電路的信號，獲得各溫度傳感檢測電路的一致性測度指標，根據實驗數據確定在信息處理時一致性測度閾值r0為0.95，然后即可利用一致性測度進行冗余溫度傳感元件的故障檢測、辨識與分離。表1為使用各溫度傳感檢測電路分別在32℃、34℃情況下進行測試的試驗數據表。表中Vi為各溫度傳感元件的電壓檢測信號值，Ri是計算得到的各溫度傳感元件電阻值，Ti則是得到的溫度值，ri是計算得到的一致性測度。

表1 溫度傳感檢測電路測量實驗數據表

從表1可知，智能傳感器的3個溫度傳感檢測電路對溫度同時進行檢測，第一組數據中的傳感元件S3的一致性測度較低，小于一致性測度閾值存在數據異常現象，在數據融合時需要將該數據剔除；第二組數據由于傳感元件S1的檢測值偏離較大，造成S1和S3的一致性測度同時低于0.95，為此智能傳感器將啟動故障處理程序，提示用戶進行故障處理。在排除異常數據和傳感元件故障后，可得到溫度信息的融合檢測值，經計算其融合誤差與平均加權融合方法相比，降低了約21.4%。

4 結束語

針對普遍使用的溫度檢測，設計了一種多測點智能溫度傳感器：

1) 多測點智能溫度傳感器將多個常規的Pt1000溫度傳感元件、信號調理電路、帶數字總線接口的微處理器連接起來，組合成一整體而構成智能傳感器系統。該智能傳感器利用三維單片智能傳感器結構將電源、驅動、敏感元件、數據傳輸線、存儲器和運算器等集成在一塊硅基片上，將平面集成發展成三維集成，實現了多層結構。

2)智能溫度傳感器從信號幅度、變化趨勢等方面進行傳感信息與測點元件的初步故障判斷，同時針對多測點信息，利用一致性測度實現冗余傳感元件的故障檢測、辨識與分離。最后，智能傳感器利用最大后驗方法來對多測點進行信息融合，提高檢測準確度，試驗研究表明，其融合誤差與平均加權融合方法相比，降低了約21.4%。

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[3] 葉廷東,程韜波,周松斌,等.海洋水環境網絡化智能監測系統的建模設計研究[J]. 計算機測量與控制,2014,22(6):1697-1699.

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[5] Sorribas J, Del Rio J, Trullols E, et al. A smart sensor architecture for marine sensor networks[M]. Piscataway, NJ 08855-1331, United States: Institute of Electrical and Electronics Engineers Computer Society, 2006.

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[7] 黃國健.網絡化嵌入式智能傳感基礎理論研究及應用[D]:廣州：華南理工大學,2010.

[8] 鄧自立.自校正濾波理論及其應用[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社,2003.

Design of Smart Temperature Sensor Based on Multi Measuring Point

Ye Tingdong, Huang Xiaohong, Xian Guangling

(Computer Engineering Department, Guangdong Industry Polytechnic, Guangzhou 610640,China)

In view of the widely used temperature measurement, the paper designed a smart temperature sensor based on multi measuring point. The smart temperature sensor connected multi conventional temperature sensing units, signal conditioning circuits, the microprocessor with digital bus interface together, and it was integrated on a silicon substrate using a 3D monolithic structure of smart sensor, the three-dimensional integrated multi-layer structure was realized. The smart temperature sensor used the signal magnitude, trends, fault diagnosis and sensor information fusion method of redundancy measuring point, realizes sensor fault diagnosis and improves the measurement accuracy.

temperature measurement;smart sensor;fault diagnosis; information fusion; multi-sensor

2016-04-07；

2016-06-21。

廣東省科技計劃項目(2015A020214025，2015A070710030)；廣州市科技計劃項目(2013J4100077, 201604020049)；創新強校工程項目(2A11105)。

葉廷東(1976-)，男，江西南康人，博士后,副教授，主要從事新型傳感技術與無線傳感網絡方向的研究。

1671-4598(2017)02-0242-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.02.066

TP212

A