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第3章智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍第3章智能传感器系统的组建•智能传感器系统的基本组成形式•基于虚拟仪器平台实现数据采集与显示功能•芯片实例第3章智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍一、传感器+个人计算机虚拟仪器形式二、传感器+MPU微处理器智能仪器形式第3章智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍目前一些专门的集成电路芯片，用来对敏感元件的信号进行放大、滤波、A/D转换以及数据处理。这些芯片和敏感元件一起,可以方便地组成具有一定功能的智能传感器。第3章智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍图3-1智能传感器系统的基本组成1智能传感器系统主要由传感器、调理电路、数据采集与转换、计算机及其I/O接口设备四大部分组成，如图3-1所示。第3章智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍传感器传感器完成信号的获得，它将规定的被测参量按一定规律转换成相应的可用输出信号。被测参量可以是各种非电参量，也可以是电气参量。第3章智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍(1)放大，将信号放大到与数据采集卡（板）中的A/D转换器相适配。(2)预滤波，抑制干扰噪声信号的高频分量，将频带压缩以降低采样频率，避免产生混淆，(3)转换，将传感器输出的电参量，如电容C、电感L或M、电阻R的改变量，转换为电压或频率量。第3章智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍数据采集与转换数据采集部分由采样/保持（S/H）与多路切换开关（MUX）组成，实现对多传感器多点多通道输入信号的分时或并行采样。时间连续信号x(t)经过采样后变为离散时间序列x(n)，n=0，1，2，…。第3章智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍计算机及其I/O（1）智能仪器式智能传感器系统：20世纪80年代初开始应用微型计算机或微处理器（Microprocessor）为核心实例：1、美国霍尼韦尔公司的ST-3000型2、美国罗斯蒙特公司的3051型智能压力变送器将微处理器所在的数据处理主板放到压力传感器腔内，将传感器与计算机赋予智能，形成了智能传感器/变送器第3章智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍（2）虚拟/集成仪器式智能传感器系统：个人计算机（PersonalComputer）为核心充分利用PC的运算与分析处理功能和显示功能，有更强大的运算与信号分析处理和显示功能。第3章智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍集成化与智能化是提高传感器性能价格比的必由之路集成化：1、利用微机械加工技术与集成电路工艺制作敏感元件与变换器可以形成产业化批量生产，彻底改变经典传感器手工艺品的生产方式。2、体积小不仅为应用于空间狭小的地方提供可能，还有利于动态性能的改善。同时为制作多维、阵列传感器提供条件。为多传感器信息融合提供基础。第3章智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍智能化：1、传感器与微处理器结合，可构建智能传感器系统，可以有强大的软件编程能力，使得传感器不仅具有传统的信号检测能力，还可以引入数据处理技术，信息处理技术，数据融合技术，神经网络技术，模糊理论。2、系统可以实现自动校正，自补偿，自诊断等功能。3、系统可以具有高精度，高稳定性，高可靠性，高自适应能力等。第3章智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍2、传感器的集成化与智能化的概述一、•把许多同样的单个传感器按一定规律进行阵列集成。将单个传感器进行列集成，形成一维传感器将单个传感器集成为矩阵形式，形成二维传感器将传感器进行阵列集成的目的，是为了对空间参数进行测量，例如CCD图像传感器即为此类集成传感器。第3章智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍图1、传感器的集成化第3章智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍图２面阵CCD传感器简图许多单个光传感器(像素)组成，由于单个像素很小，一般约为10μm左右，第3章智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍•传感器的功能集成化。将传感器与其后的各种信号调理电路进行集成，可以把它们集成在同一芯片上，形成单片集成传感器，也可以将它们分别集成在几块芯片上，然后再将这几块芯片组装在一起，形成混合集成传感器。第3章智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍图3混合式集成压力传感器混合集成压力传感器。图中的温度传感器并不是为了测量温度，而是为了补偿压力传感器灵敏度随环境温度所产生的变化。第3章智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍二、1.提高了传感器性能2.降低了传感器的生产成本3.提高了传感器的可靠性4.促使传感器多功能化、智能化第3章智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍三、不同集成度智能传感器概述图4集成智能传感器的基本框图第3章智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍1、主要特征：•传感器内部集成有温度补偿及校正电路、线性补偿电路和信号调理电路，使传感器具有相应的能力，提高了经典传感器的精度和性能。•传感器尚属智能的初级形式，智能含量少，不具备更高级的智能，缺少智能传感器系统的关键部件——微处理器，从而影响了其性能的进一步完善，故此形式的智能传感器尚为初级形式。第3章智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍2、智能传感器系统的中级形式(自立形式)•除具有初级智能传感器的功能外，此形式传感器系统还具有自诊断、自校正、数据通讯接口等功能。结构上通常带有微处理器。•传感器与微处理器的集成形式可以为单片式或混合式。是一个基本完善的传感器系统，故称之为智能传感器系统的中级形式或自立形式。第3章智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍3、•传感器除具有初级形式和中级形式的所有功能外，还具有多维检测、图像识别、分析记忆、模式识别、自学习甚至思维能力等。•它所涉及的理论领域将包括：神经网络，人工智能及模糊理论等等。该传感器系统可具备人类“五官”的能力，从复杂的背景信息中提取有用信息，进行智能化处理，从而成为真正意义上的智能传感器。对智能传感器系统各形式之间的划分并无严格的标准，但从传感器技术发展的观点看，以上三种形式的划分，是符合发展趋势的。第3章智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍补充1：初级形式例子：具有CMOS放大器的单片集成压阻式压力传感器硅盒结构集成压力传感器剖面第3章智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍该结构采用了硅盒结构，将压敏单元与CMOS信号调理电路集成在同一硅芯片上，其加工过程是先在下层硅片表面通过掩蔽腐蚀的方法形成深10μm,长宽各60μm的凹坑,将上层硅片与下层硅片在1150℃高温中键合形成硅盒结构，从而在两层硅片之间生成一个参照压力空腔。第3章智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍将上层硅片减薄至30μm，再将其表面抛光，通过光刻对中的方法，在参照压力空腔上方的硅膜上用离子注入工艺形成压敏电桥。用标准的CMOS工艺在空腔外围的上层硅片上制作了CMOS信号放大电路，从而形成单片集成的结构。第3章智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍这种硅盒结构的最大特点是：1、只需在硅芯片单面进行加工，其工艺与标准IC工艺完全兼容，从而克服了传统硅杯型压力传感器在制作工艺上与IC工艺不兼容的缺点，使压敏元件与信号调整电路的单片集成成为现实。2、整个集成压力传感器芯片面积为1.5mm2第3章智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍R1～R4组成的压阻全桥构成了力敏传感单元，每臂电阻阻值约为5kΩ，信号放大电路由三个CMOS运算放大器及电阻网络组成。第3章智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍整个放大电路的差模放大倍数为89651RRRRRAWd改变RW可以调整差模放大倍数Ad。该电路要求A3的外接电阻严格匹配，即R10=R9,R7=R8。因为A3放大的是A1,A2输出之差，电路的失调电压主要由是A3引起的，故降低A3的增益有益于减小输出温度漂移。对封装后的整个传感器进行了实际测试，结果表明该传感器具有较高的灵敏度与精度，并且具有良好的线性。第3章智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍补充2：中级形式例子：美国霍尼韦尔公司ST—3000系列智能变送器于1983年率先推出了智能化的压力变送器ST—3000。其敏感元件是在同一块硅片上(130×175平方密耳),用离子注入等IC技术，配置差压、静压和温度三种传感元件，具有高精度、高稳定性等特点。第3章智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍ST—3000变送器的内部除传感器调理电路外，还带有微处理器、存储器以及I/O接口等，具有双向通信能力和完善的自诊断功能。变送器的输出有两种形式：一种为标准的4～20mA的模拟信号输出；一种为数字信号输出。第3章智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍图5ST—3000智能变送器的结构框图一部分为传感芯片及调理电路；另一部分为微处理器及存储器。第3章智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍变送器的传感芯片由差压(ΔP),静压(P)和温度(T)三个传感器组成。其中，差压传感器和静压传感器均接成惠斯登电桥的形式。在差压、静压和温度这三个参数的共同作用下，每个传感器的输出都是三个参数的函数第3章智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍图6传感芯片的电路图第3章智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍设：UΔP,USP,UT分别表示三个传感器的输出，即有：),,(),,(),,(321TSPPfUTSPPfUTSPPfUTSPP由以上三式可解出待测压力),(,TSPPUUUFP要准确地测量压差，必须考虑静压和温度的影响。以上由三个传感器信号计算待测压力的过程，是在微处理器中通过软件程序进行的第3章智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍在ST—3000变送器的制作过程中，对每一台变送器的待测压力特征数据、环境温度特征数据以及静压特性数据，都要事先存储在PROM中。这些特征数据是由生产线的计算机采集的，之后送入存储器储存。第3章智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍实际工作时：1、传感芯片上三个传感器的信号经多路切换开关、调理电路以及A/D转换器，分别进入微处理器。2、微处理器利用事先存储在PROM中的特征数据，对三种信号进行程序运算处理，最终产生一个高精度的特性优异的待测压力信号输出。第3章智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍2.高精度和稳定性由于每台ST—3000出厂前都是被与工作现场相似的环境所特征化的，其内存储器PROM中有一完整的温度、压力补偿曲线，从而可保证其在实用时不受环境因素的影响，保持其高精度和高稳定性的特点。ST—3000模拟输出时的精度达量程的±0.075%，其数字输出(DE)方式时的精度可达量程的±0.0625%或读数的0.125%。第3章智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍3.双向通信能力由于ST—3000所具有的双向数字通信能力，使其能方便地用于现场总线测控系统中，符合现代自动化测控系统的要求，且通过与现场通信器(SFC)的远距离通讯，可以很容易地实现工作现场与中央控制室之间所进行的参数设定、调整和作业。第3章智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍4.完善的自诊断功能自诊断通过SFC实现，将SFC与ST—3000连接通信，由SFC发出自诊断命令，可对ST—3000的通信线路、过程回路和变送器不断进行检测，将检测的结果以简明的语言在SFC上显示出来，如在SFC上显示“STATUSCHECK=OK”，则表示变送器和SFC工作正常。第3章智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍5.宽域温度及静压补偿ST—3000的温度使用范围可达-40～110℃，静压可达0～210kgf/cm21kgf/cm2=9.80665×104Pa。且在这么宽的使用范围内可使温度和静压得到补偿。第3章智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍第一次作业1：以电子报告形式提交：1、叙述关于现代传感器中集成化和智能化的思想及含义。2、智能传感器初级和中级形式说明。（请查阅相关资料并举例说明）第3章智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍补充3：高级形式举