智能式傳感器

汪 寧

[摘要]傳感器技術是信息獲取與處理技術中的三大核心技術之一，近十年傳感器技術其智彘化的特點日益突出，下面來談談智能化傳感器的構成和特點，以及其設計方法。

[關鍵詞]傳感器智能化構成設計

中圖分類號：TP2文獻標識碼：A文章編號：1671--7597(2009)1020048--01

現在世界各國都在大力推進社會的信息化進程，大力發展信息技術。信息技術實際上是由傳感器技術、通信技術和計算機技術三大核心組成的。作為信息獲取處理技術的重要一環，傳感器技術的發展受到了極大的關注，這為這一技術的發展起到了很好的推動作用。智能化是傳感器技術大力發展的方向之一。

一、智能式傳感器的構成和特點

智能式傳感器是一種以微處理器為核心的具有檢測、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算機系統來擴展提高傳統傳感器的功能，傳感器與微處理器可為兩個分立的功能單元，傳感器的輸出信號經過放大調理和轉換后由接口送入微處理器進行處理。

(二)智能傳感器

其借助于半導體技術將傳感器部分與信號放大調理電路、接口電路和微處理器等結合在同一塊芯片上，形成了大規模集成電路的智能傳感器。

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

二、傳感器智能化設計

傳感器智能化設計從系統的角度著手考慮主要可以分成兩個方面。

(一)硬件設計

1、微處理器系統設計

微處理器系統是智能式傳感器的核心，它的性能對整個傳感器的調理電路、接口設計等有很大影響。微處理器選擇的主要依據有：

(1)任務：智能式傳感器中的微處理器是用于數據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的算術值。因此4位字長的微處理器一般都用于控制，8位字長的可用于數據處理和控制，16位字長的都用于數據處理。

(3)處理速度：如果傳感器用于動態測試，其微處理器的處理速度不得低于傳感器的動態范圍。

(4)功耗。

2、信號調理電路設計

多數傳感器輸出的模擬電壓在毫伏或微伏數量級，并且存在較大的干擾和噪聲。信號調理電路的作用，一是將微弱的低電平信號放大到模數轉換器所要求的信號電平，如0～±5v或0～+10v范圍，二是抑制干擾、降低噪聲，保證信號檢測的精度。

3、A／D、D／A的設計

在智能式傳感器中，傳感器和微處理罌之間要通過模數轉換器將輸入的模擬電壓信號成比例地轉化成二進制數字信號。當需要傳感器的輸出起控制作用時，數模轉換器將微處理器處理后的數字量轉換為相應的模擬量信導，詵檉A／D轉換器時要注意分辨率、轉換時間與轉換頻率以及穩定性和抗干擾能力這些性能指標。而D／A轉換器選擇是要注意分辨率、轉換時間和精度。

(二)軟件設計與數據處理

軟件是智能式傳感器的靈魂，其主要功能是完成數據處理任務。數據處理主要包括算術和邏輯運算、檢索與分類、非線性特性的校正、誤差的自動校準及自診斷和數字濾波等。下面主要從三個功能來談談軟件設計和數據處理。

1、非線性特性的校正

傳感器的輸出信號與被測參數之間存在明顯的非線性，為提高智能式傳感器的測量精度，必須對非線性特性進行校正，使之線性化。而線性化的關鍵就是找出校正函數。

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

(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系，可以用自變量x的高次多項式來逼近，即：

y＝ao+alX+a2X2+，”+ad“

其中a0，a1，a2，…an是待求的擬合系數。

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

2、誤差的自動校準及自我診斷

借助微處理器的計算能力，可自動校準由零點電壓偏移和漂移、各種電路的增益誤差及器件參數的不穩定等引起的誤差，從而提高傳感器的精度，簡化硬件并降低對靜謐與案件的要求。自診斷程序步驟有兩種，一是設立獨立的“自檢”功能，在操作員按下“自檢”按鍵時，系統將照事先設計的程序，完成一個循環的自檢，并從顯示器上觀察自檢結果是否正確。二是可以在每次測量之前插入一段自檢程序，若程序不能往下執行則說明系統有故障。

3、數字濾波

數字濾波就是通過一定的計算程序降低干擾在有用信號中的比重。與模擬濾波器相比，數字濾波的優點有：一是通過改變程序，方便靈活得調整參數。二是可對極低頻率的信號實現濾波。三是不要增加硬件設備，各通道可選用同一數字濾波程序。對于簡單的數字濾波器設計可采用基于算術平均值法的平滑濾波器和一階數字濾波器等，而比較復雜的可采用模擬化設計。模擬化設計方法是以模擬濾波為理論基礎。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，要求的傳遞函數的系數也不相同。