传感器
第十章 智能传感技术
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把具有一种或多种功能， 把具有一种或多种功能，能够完成信号探测和 处理、逻辑判断、双向通信、自检、自校、自补偿、 处理、逻辑判断、双向通信、自检、自校、自补偿、 自诊断和计算等全部功能的器件称为智能传感器。 自诊断和计算等全部功能的器件称为智能传感器。 主要特点有： 主要特点有： (1) 高精度； 高精度； (2) 多功能； 多功能； (3)自适应能力强； (3)自适应能力强 自适应能力强； (4) 高可靠性、高稳定性； 高可靠性、高稳定性； (5) 超小型化、微型化、微功耗。 超小型化、微型化、微功耗。
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10.1 智能传感器的体系结构与功能实现一、智能传感器的体系结构 (一)非集成化结构 将传统的传感器、 将传统的传感器、信号调理电路及带数字接口的 微处理器组合为一个整体。 微处理器组合为一个整体。
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(二)集成化结构 采用微电子机械加工技术和集成电路工艺技术， 采用微电子机械加工技术和集成电路工艺技术， 将传感器、信号调理电路、 将传感器、信号调理电路、微处理器单元集成到一个 硅片上构成。 硅片上构成。
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集成化智能传感器具有以下特点： 集成化智能传感器具有以下特点： 1.微型化 2.结构一体化 3.精度高 4.多功能 5.阵列式 6.全数字化 使用方便、 7.使用方便、操作简单
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(三)混合实现 将系统各个集成化环节，如敏感单元、 将系统各个集成化环节，如敏感单元、信号调理 电路、微处理器单元、数字总线接口， 电路、微处理器单元、数字总线接口，以不同的组合 方式集成在一块或多块芯片上，并封装在一起。 方式集成在一块或多块芯片上，并封装在一起。 参见下图。 参见下图。
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二、智能传感器功能的实现 (一)非线性校正 造成传感器非线性原因主要有两个方面： 造成传感器非线性原因主要有两个方面： 传感器转换原理是非线性的；信号调理电路是非 传感器转换原理是非线性的； 线性的； 线性的； 与传统的传感器相比智能传感器采用了不同非 线性校正方法。 线性校正方法。
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1.插值法 对于一些计算复杂，特别是公式涉及指数、对数、 对于一些计算复杂，特别是公式涉及指数、对数、 三角函数和微、积分运算时，程序复杂、 三角函数和微、积分运算时，程序复杂、CPU运行时 间长、 处理能力要求高，此时可采用插值法。 间长、对CPU处理能力要求高，此时可采用插值法。 另外，一些传感器输入输出关系只有实验曲线没 另外， 有解析公式，只能采用插值法。 有解析公式，只能采用插值法。 插值法的思想是通过一组离散的输入输出对应表 插值法的思想是通
过一组离散的输入输出对应表， 一组离散的输入输出对应表， 利用插值的方式得到任意输出下的输入值 插值的方式得到任意输出下的输入值。 利用插值的方式得到任意输出下的输入值。
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a.线性插值 线性插值的思想认为在相邻的两个校正点(节点) 输入输出为线性。参见下图。 间，输入输出为线性。参见下图。
b3b2
bxb 1
ax
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图中A1,A2,A3为节点，用连接各个节点的一条折 为节点， 线代替曲线。折线的节点又等距和非等距两种。 线代替曲线。折线的节点又等距和非等距两种。 对于非线性斜率变化不大的时候可以采用等距节 点，对于非线性斜率变化比较大的时候采用非等距节 点。Y Y
X
X
X
X
X
x1x2 x3 x4 x5
x6
x7 X
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b.非线性插值 非线性插值的思想认为在相邻的两个校正点(节点) 输入输出为固定的曲线。由于插值曲线不易确定， 间，输入输出为固定的曲线。由于插值曲线不易确定， 该法使用较少。大量使用的是线性插值。 该法使用较少。大量使用的是线性插值。 2.拟合法 其主要思想是用一固定的解析式拟合实验得到的 一组输入输出关系。拟合方法有多种， 一组输入输出关系。拟合方法有多种，最常用的是最 小二乘法。 小二乘法。 该方法首先根据测得的输入输出关系， 该方法首先根据测得的输入输出关系，选取一个 描述输入输出关系的带参数的解析函数，然后根据实 描述输入输出关系的带参数的解析函数， 验数据用拟合的方法计算出解析函数的参数。 验数据用拟合的方法计算出解析函数的参数。
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将前面式子代入得
R12 (τ ) = RS1S2 (τ ) + Rn1n2 (τ ) + RS1n2 (τ ) + Rn1S2 (τ )考虑 n (t)和 n (t)为随机噪声，它们与信号之间，以 为随机噪声，它们与信号之间， 1 2 及它们相互间都是独立的， 及它们相互间都是独立的，有 于是
Rn1n2 (τ ) = 0, RS1n2 (τ ) = 0, Rn1S2 (τ ) = 0 R12 (τ ) = RS1S2 (τ )
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自补偿、 (四)自补偿、自检验及自诊断 1.自补偿 1.自补偿 温度是传感器系统最主要的干扰量。 温度是传感器系统最主要的干扰量。在传统系统 中采用各种补偿电路和对称(差分) 中采用各种补偿电路和对称(差分)结构来消除温度 影响。在智能系统中通过对干扰量进行检测， 影响。在智能系统中通过对干扰量进行检测，通过软 件计算来补偿温度漂移。 件计算来补偿温度漂移。 (1)零位温漂的补偿 只要传感器的零点随温度变化规律具有重复性就 可以进行软件补偿。通过检测传感器的温度， 可以进行软件补偿。通过检测传感器的温度，根据零 点随温度变化曲线，计算出该温度下传感器的零点， 点随温度变化曲线，计算出该温度下传感器的零点， 从测量值中减去零点值。 从测量值中减去零点值。
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(2)灵敏度温度漂移的补偿 当传感器灵敏度随温度变化特性具有重复性时， 当传感器灵敏度随温度变化特性具有重复性时， 即可以对灵敏度温度漂移进行补偿。 即可以对灵敏度温度漂移进行补偿。 2.自检验 2.自检验 自检验主要有三种：开机自检、周期性自检、 自检验主要有三种：开机自检、周期性自检、键 控自检。 控自检。 3.自诊断 3.自诊断 自诊断主要有硬件冗余法和解析冗余法。 自诊断主要有硬件冗余法和解析冗余法。