网络化的智能传感器

随着微处理器技术的迅猛发展及测控系统自动化、智能化的发展，要求传感器准确度高、可靠性高、稳定性好， 而且具备一定的数据处理能力，并能够自检、自校、自补偿。传统的传感器已不能满足这样的要求。高性能的传感器，需要利用计算机技术与传感器技术相结合来弥补其性能的不足。计算机技术使传感器技术发生了巨大的变革，微处理器(或微计算机)和传感器相结合，产生了功能强大的智能式传感器。

硅微电子技术的成熟使得在单个芯片中实现复杂结构的微电子机械系统成为现实，也给传感器的微型化提供了基础。同时采用 IC技术将信号处理和控制电路集成到单个芯片中 ，大大提高了传感器的性能并扩展了传感器的功能 ，即实现所谓的智能化。

所谓智能传感器(intelligent sensor或smart sensor)，就是一种带有微处理器的兼有检测、判断与信息处理功能的传感器。智能传感器的最大特点就是将传感器检测信息的功能与微处理器的信息处理功能有机融合在一起，从一定意义上讲，它具有类似于人工智能的作用。

一般来说 ，智能传感器是能够实现对传感器的原始数据进行加工处理，而并非 仅 仅 是 将 模 拟 信 号 转 换 为 数 字 信 号 。根 据 EDC（Electronic Development Corporation）的定 义 ，智能传感器应具备如下的特征：

所谓的智能传感器并非是简单的单片机嵌入传感器中将模拟信号转换为数字信号，其实际所包括的内容要广泛得多。从智能传感器的概念产生和发展历史来看， 其经历了一个内涵不断丰富的过程。 即使是传统意义上的智能传感器也并不具备这种功能。正如上面所提到的 ，在80年代 ，将信号处理电 路（滤 波 、放 大 、调 零 ）与 传 感 器 设 计 在 一 起 ，输 出0~5V电压或4~20mA电流，这样的传感器即为当时意义上 的“ 智能传感器 ”；在80年代末期到90年代中后期，随着单片机技术的发展 ，将单片微处理器嵌入传感器中实现温度补偿 、修正 、校准，同 时A/D变换器直接将原来的模拟信号转换为数字信号 ，这样一来将“ 智能传感器” 所包含的含义推进了一步。这种类型的传感器在设计方法上已开始有所转变，不再象以前是简单的硬件构成 ，需要通过软件对信号进行简单处理 ，相应输出的信号是数字信号；自“现场总线 ”概念提出以后，基于现场总线的测量控制系统得到了广泛的应用， 相应对传感器的设计又提出了新的要求。从发展的角度看，未来单个传感器独立使用的场合将越来越少 ，更多的是多传感器系统的应用以实现多参数的测量和多对象的控制。测量和控制信息的交换在底层主要是通过现场总线来完成。数据交换主要是通过Internet等网络来实现。为 了 满 足 这 种 多 传 感 器 之 间 的 信 息 交换 ，传感器设计上软件占主要的地位，通过软件将传感器内部各个敏感单元或与外部的智能传感器单元联系在一起。软件对象不再是以前的单个对象，而是整个系统 ，其输出的数字信号是符合某种协议格式的。从而可以实现传感器与传感器之间 、传感器与执行器之间、传 感器与系统之间的数据交换和共享。因此智能网络化是传感器的未来发展方向。

从原理结构上看来，智能传感器结构可以用下图所示框图来表示。

从上面的框图可以发现 ，一般意义上的传感器（即敏感单元）在智能传感器中仅仅占很少的一部分，信号处理电路占主要部分。与普通传感器相比，智 能传感器将传感器使用过程中所涉及到的所有问题都包括了。

例如上图所示的灵敏度、零点漂移 、标定等 ，即使是单物理量测量传感器，也必须有标准的接口获取所 ，加 上输出显示单元 ，这种单智能传感器系统已经涵盖了传统的仪表概念。

基于分布式智能传感器的测量控制系统是由一定的网络将各个控制节点 、传 感器节点及中央控制单元共同构成。其中传感器节点是用来实现参数测量并将数据传送给网络中的其他节点；控制节点是根需要的信息（如温度 、湿度等）以实现对被测物理量的标定和校准。在很多场合下据需要从网络中获取所需要 的数据并根据这些数据制订相应的控制方法和执行控制输出。在整个系统中 ，每个传感器节点和控制节点是相互独立且能够自治 。控制节点和传感器节 点的数目可多可少，根据要求而定 。网络的选择可以是传感器总线 、现场总线，也可以是企业内部的Ethernet，也可以直接是 Internet。一个智能传感 器节点是由三部分构 成：传统意义上的传感器 、网络接口和处理单元。根 据不同的要求，这三个部分可以是采用不同芯片共同组成合成式的 ，也可以是单片式的 。首先传感器将被测量物理量转换为电信号，通过A/D转化为数字信号，经过微处理器的数据处理（滤波 、校准）后将结果传送给网络，与 网络的数据交换有网络接口模块完成。

控制节点由微处理器、网络接口及人机接口的输入输出设备组成。用来收集传感器节点所发送来的信息，并反馈给用户和输出到执行器，以实现一定的输出。将所有的传感器连接在一个公共的网络上。为保证所有的传感器节点和控制节点能够实现即插即用，必须保证网络中所有的节点能够满足共同的协议 。无论是硬件还是软件都必须满足一定的要求 ，只 要符合协议标准的节点都能够接入系统。因 此为了保证这种即插即用的功能 ，智能传感器的节点内部必须包含微处理芯片和存储器 。一方面用来存储传感器的物理特征：偏移 、灵敏度 、校准参数 ，甚至传感器的厂家信息（维护等）， 另一方面用来实现数据的处理和补偿，以及输出校准 。由于这些功能的实现是在每个传感器内部完成 ，相应的内部参数在传感器出厂的时候已经写入内部寄存器中固定的单元，因此在更换和增加新的节点时候 ，无须对传感器进行标定 、校准。

在很多的情况下，微处理器需要根据实际的需要对传感器的输入进行处理和变换。

设计方法和智能传感器的研究领域

智能传感器系统的实现是在传感器技术、计算机技术 、信号处理 、网络控制等技术的基础上发展起来的 ，并随这些技术的发展而发展 ，但不是这些技术 的简单合成。无论是微处理器还是网络技术，都不是原来一般技术的简单合成 ，下面针对网络化传感器系统所涉及的一些问题进行分析。

首先，系统构成。从计算机技术角度来看，一般计算机系统所处理的数据是数字信号， 且是直接通过外部设备输入的，这些信号本身会受到外部设备限制 。但是对于传感器系统来说所面对的是与外界环境相关的模拟信号， 信号与外界的一些物理量相关。这意味着信号的存在和信号的出现是受到环境限制的，为了满足控制实时性的需要 ，信号的采样必须保证实时性。

其次，信号处理方法。在网络化使用环境中，即插即用是对网络中的每个设备最基本的要求。但是由于每个被测物理量通过传感器时输入输出的关系是不定的，有些是线性的，但更多的是非线性的 ，必须保证系统能够准确识别被测对象，一方面要能够确定探测器信号的位置，另一方面要能够确定传感器输入输出之间的关系以及物理量（一般被测物理量和传感器输出物理量不一定一样。例如电容式压力传感器输入为压力， 输出为电容）。这类似于传统传感器设计时涉及到的标定问题，但是不完全一样。因为一般传感器设计中无须考虑输入输出物理量，仅仅只考虑它们之间的关系。

再次，需要考虑外部接口。从网络化智能传感器的应用来说，其一般使用在 自动化现场的测量控制级，相互之间需要通过现场总线连接在一起。对于不同的应用场合， 现在已经有很多不同的总线标准协议 。要保证所设计的传感器完全满足这些协议比较困难，这就必须考虑接口问题。这是智能网络化传感器与普通传感器最大的区别。

最后 ，软件工具的开发。由于过去传感器完全是由硬件所组成， 因此研究 的对象主要局限在传感机理 、材料 、结构 、工艺等物理方面。而智能传感器的智能性则是在硬件的基础上通过软件实现其价值的，软件在智能传感器中占据了主要的成分 。而且智能化的程度是与软件的开发水平成正比的 ，相 信在不久的将来， 基于计算机平台完全通过软件开发的虚拟传感器会有十分广泛的应用。软件开发工具包括设计 、管 理和通讯管理等不同方面。目前这类工具已经开始出现，一般 C，LabView，ActiVeX等工具软件都可以完成。软件的功能主是与软件的开发水平成正比的，用以实现传感器模型建立 、标定参数建立 、最佳标定模型选择等。尽管智能传感器的构成方法并非在所有 的场合使用都是合理的 ，但是在许多的应用中 ，其相对与传 统传感器的优点是无法抗拒的。在大多数情况下 ，智能传感器价格便宜 、使用方便 、性能优越 、维护简单 、功能扩展容易的优点是传统的传感器所无法比拟的 。特别是在一些应用传感器较多的场合 ，无疑智能传感器将是最为合理的选择。

目前来说 ，考虑到投资因素，由于在过程测量控制领域中系统设计寿命一般都有几十年，尽管传统所使用的测量控制主要是模拟量传输的，而符合现场总线网络标准的智能传感器有很多优点 ，但是更换这些传感器执行器需要花 费很多的时间和增加很大的投资，这种系统还会存在相当长的一段时间。过去这类系统功能的扩展比较困难 ，因此多种系统共存的局面将维持一段时间。

传感器及其工作原理

一、认识传感器

1.传感器

（1）定义：传感器是指这样一类元件：它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等物理量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的另一个物理量（通常是电压、电流等电学量），或转换为电路的通断.

☞生活中的实例

（2）基本特性：把非电学量转换为电学量，可以方便地进行测量、传输、处理和控制等.

2.传感器的工作原理：传感器通过敏感元件感受的通常是非电学量，而它利用转换元件输出的通常是电学量，如电压、电流、电荷量等.

传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路和辅助电源四部分组成，其工作原理如图所示.

敏感元件直接感受被测量，并输出与被测量有确定关系的物理量信号；转换元件将敏感元件输出的物理量信号转换为电信号；转换电路负责对转换元件输出的电信号进行放大调制；转换元件和转换电路一般还需要辅助电源供电.

☞敏感原件干簧管的结构及原理

如图所示，它由用玻璃管封入两个软磁性材料制成的簧片组成.当磁铁靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通，所以干簧管能起到开关的作用，操纵开关的是磁场这只看不见的“手”.干簧管是一种能够感知磁场的传感器，广泛用于电工设备和电子设备中.

3.传感器的特点

微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化它是实现自动检测和自动控制的首要环节.传感器的存在和发展，让物体有了“触觉”“味觉”和“嗅觉”等，让物体慢慢“活”了起来.

4.传感器的分类

（1）按照其用途可分为：压力传感器、位置传感器、液面传感器、能耗传感器、速度传感器、加速度传感器、射线辐射传感器、热敏传感器、雷达传感器等.

（2）按照其原理可分为：振动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、真空度传感器、生物传感器等.

（3）按其输出信号可分为：模拟传感器——将被测量的非电学量转换成模拟电信号；

数字传感器——将被测量的非电学量转换成数字输出信号（包括直接和间接转换）；

膺数字传感器——将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号（包括直接和间接转换）；

开关传感器—当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号.

（4）按照其测量目的可分为：物理型传感器、化学型传感器、生物型传感器.

☞几种传感器中的敏感元件

二、对敏感元件的认识

1、光敏电阻：是一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器.

（1）特性：当用不同的光照射光敏电阻时会得到不同的电阻，由实验数据可知一般光照强度越强，电阻越小.

（2）本质：一般构成光敏电阻的物质为半导体材料，当无光照时载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性能变强，电阻就会减小.

（3）作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量，就如同人的眼睛一样，可以感知光线的强弱，应用光敏电阻可制成光电计数器.

☞街旁路灯和江海里的航标都要求在夜晚亮、白天熄，利用半导体的电学特性制成了自动点亮、熄灭的装置，实现了自动控制，这是利用半导体的光敏性.

2.热敏电阻和金属热电阻

（1）热敏电阻

①由半导体材料制成，利用温度变化使半导体的导电性能发生变化的电子元件一般热敏电阻的阻值随温度的升高而减小.

②分类：热敏电阻是敏感元件的一类，按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻（PTC）、负温度系数热敏电阻（NTC）和临界温度热敏电阻（CTR）.正温度系数热敏电阻随温度升高电阻增大；负温度系数热敏电阻随温度升高电阻减小（这是最常见到的热敏电阻，如边栏图R-T图象中的热敏电阻）；临界温度热敏电阻具有负电阻突变特性，在某一温度下，电阻值随温度的增加急剧减小，具有很大的负温度系数.它们的电阻率随温度的变化如边栏图中ρ-t图象所示.

☞金属热电阻与热敏电阻的R-T特性曲线

☞各种热敏电阻的电阻率随温度的变化情况

（2）金属热电阻：金属的电阻率随温度的升高而增大，利用这一特性，金属丝也可以制作成热敏传感器，称为热电阻一般的金属热电阻的灵敏度较差.

（3）氧化锰热敏电阻和金属热电阻的对比

三、霍尔元件

1、霍尔元件：如图所示，在一个很小的矩形半导体（例如砷化铟）薄片上、制作四个电极E、F、M、N，它就成了一个霍尔元件.

2、霍尔电压

（1）表达式：如图所示，E、F间通入恒定电流I，同时外加与薄片垂直的磁感应强度为B的磁场，则MN间出现霍尔电压UH，UH＝kIB/d.

（2）原理：以载流子是自由电子为例，霍尔电压的推导如下：根据左手定则，让磁感线垂直穿过手心，四指指向电子运动的反方向（即电流方向），

拇指指向即电子受洛伦兹力的方向，电子在洛伦兹力作用下发生偏转，并在左右两侧表面积累，则左侧表面积累负电荷，右侧表面就积累等量的正电荷，即右侧表面的电势高，这样就会形成电场，当电子所受电场力与洛伦兹力平衡时，左、右两侧的电压达到稳定.

☞霍尔元件的分类

霍尔元件可分为两类：一类是金属霍尔元件，其载流子是自由电子；另一类是半导体霍尔元件，其载流子是空穴（可以认为是带正电的粒子）.

设M、N左右两板距离为h，E、F上下两板距离为d，则eE场=eU/h＝evB，又知导体中电流I＝nevS＝nev·hd，联立方程得U＝IB/ned.由于ne是由霍尔元件本身材料决定的，我们把kIB/d称为霍尔系数，用k表示，这样就有UH＝kIB/d，其中d是薄片的厚度.

3、霍尔电势高低的判断

由左手定则判断带电粒子的受力方向，从而得出带电粒子的偏转方向，正电荷聚集的面为高电势面，负电荷聚集的面为低电势面.

☞霍尔电势判断要点

在判断霍尔电势的高低时，一定要注意载流子是正电荷还是负电荷.无论载流子是正电荷还是负电荷，四指指的都是电流方向，即正电荷定向移动的方向，负电荷定向移动的反方向（电流方向一定时，无论载流子是正电荷还是负电荷，载流子受力方向均相同）.

4.霍尔元件的作用

一个霍尔元件的厚度d、霍尔系数k为定值，若保持电流I恒定，则霍尔电压U就与磁感应强度B成正比，因此，霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量，故霍尔元件又称磁敏元件.

☞霍尔传感器技术在汽车工业中有着广泛的应用，包括动力、车身控制、牵引力控制以及防抱死制动系统。为了满足不同系统的需要，霍尔传感器有开关式、模拟式和数字式三种形式.

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