传感器与检测技术 第十章 智能传感技术教程文件

a1—灵敏度，又称传感器系统的转换增益。
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第10章 智能传感技术
被校环节的增益a1可根据(10-11)式得出
被测信号UX则为
a1
Ka1
YRY0 UR
UX
YXY0 a1
Y YX R Y Y00UR
(10-13) (10-14)
可见，这种方法是实时测量零点，实时标定灵敏度a1 。
图10-11 检测系统自校准原理框图
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被测目标参量X为
XYXY0 a1
YXY0 YRY0
XR
(10-16)
式中 YX—被测目标参量X为输
入量时的输出值；
YR—标准值XR为输入量 时的输出值；
Y0—零点标准值X0为输入 量时的输出值。
图10-12 检测系统自校准原理框图
8Hale Waihona Puke Baidu
第10章 智能传感技术 (三)噪声抑制技术 如果信号的频谱和噪声的频谱不重合，则可 用滤波器消除噪声；当信号和噪声频带重合或噪 声的幅值比信号大时就需要采用其他的噪声抑制 方法，如相关技术、平均技术等来消除噪声。
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(3)键控自检 键控自检是需要人工干预的检测手段。对那些不能 在正常运行操作中进行的自检项目，可通过操作面板上 的“自检按键”，由操作人员干预，启动自检程序。例 如，对智能传感器插件板上接口电路工作正常与否的自 检，往往通过附加一些辅助电路，并采用键控方式进行。 该种自检方式简单方便，人们不难在测控过程中找到一 个适当的机会执行自检操作，且不干扰系统的正常工作。 智能传感器内部的微处理器，具有强大的逻辑判断 能力和运行功能，通过技术人员灵活的编程，可以方便 地实现各种自检项目。
图10-5 传统仪器仪表中的硬件非线性校正原理
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图10-6 智能仪器的非线性校正技术
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(二)自校零与自校准技术
假设一传感器系统经标定实验得到的静态输出(Y)与 输入(X)特性如下：
式中
Y=a0+a1X
(10-11)
a0—零位值，即当输入X=0时之输出值；
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1.自补偿 温度是传感器系统最主要的干扰量。在典型的传感 器系统中主要采用结构对称来消除其影响；在智能传感 器的初级形式中主要采用以硬件电路实现的“拼凑”补 偿技术，但补偿效果不能满足实际测量的要求。在传感 器与微处理器/微计算机相结合的智能传感器系统中， 可采用监测补偿法，它是通过对干扰量的监测由软件来 实现补偿的。如压阻式传感器的零点及灵敏度温漂的补 偿。
ΔU=U(T1)-U(T)
故
U(T1)=U(T)+ΔU
(10-29)
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图10-14 压阻式压力传感器 的灵敏度温度漂移
由(10-29)式可见，当 在工作温度T时测得的传感 器输出量U(T)，给U(T)加一 个补偿电压ΔU后，再按 U(T1)-P反非线性特性进行 刻度变换求取输入量压力
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(2)周期性自检 若仅在开机时进行一次性的自检，而自检项目又不 能包括系统的所有关键部位，那就难以保证运行过程中 智能传感器始终处于最优工作状态。因此，大部分智能 传感器都在运行过程中周期性地插入自检操作，称作周 期性自检。在这种自检中，若自检项目较多，一般应把 检查程序编号，并设置标志和建立自检程序指针表，以 此寻找子程序入口。周期性自检完全是自动的，在测控 的间歇期间进行，不干扰传感器的正常工作。除非检查 到故障，周期性自检并不为操作者所觉察。
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(四)自补偿、自检验及自诊断 智能传感器系统通过自补偿技术可以改善其动态 特性，但在不能进行完善实时自校准的情况下，可以采 用补偿法消除因工作条件、环境参数发生变化后引起系 统特性的漂移，如零点漂移、灵敏度漂移等。同时，智 能传感器系统能够根据工作条件的变化，自动选择改换 量程，定期进行自检验、自寻故障及自行诊断等多项措 施保证系统可靠地工作。
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传感器与检测技术 第十章 智能 传感技术
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(二)集成化结构 这种智能传感器系统是采用微机加工技术和大规模 集成电路工艺技术，利用硅作为基本材料制作敏感元件、 信号调理电路、微处理器单元，并把它们集成在一块芯 片上而构成，故又可称为集成智能传感器(integrated smart/intelligent sensor)。
图10-3 集成智能传感器结构示意图
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(三)混合实现 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，以不同的组合方式 集成在两块或三块芯片上，并装在一个外壳里。
图10-4 智能传感器的混合集成实现结构
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二、智能传感器功能的实现
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(1)零位温漂的补偿
传感器的零点，即输入量为
零时的输出量U0随温度而漂移， 传感器类型不同，其零位温漂特
性也各异。只要该传感器的温漂 特若性传(感U器0-T的)具工有作重温复度性为就T，可则以应补在偿。 传感器输出值U中减掉T ℃时的零 位值U0(T)。关键是要事先测出 U传0感-T特器性的，零存位在输内出存U0中与，温大度多关数系 特性呈非线性，如图10-13所示。 故由温度T求取该温度的零位值 U正0的(T)线，性实化际处上理是问相题同。于非线性校
值即为P。因而问题归结为 如何在各种不同的工作温
度T，获得所需要的补偿电 压ΔU。
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2.自检验 自检验是智能传感器自动开始或人为触发开始执行 的自我检验过程。它能对系统出现的软硬件故障进行自 动检测，并给出相应指示，从而大大地提高了系统的可 靠性。 自检验通常有三种方式。 (1)开机自检 每当电源接通或总清复位之后，都要进行一次开机 自检，在以后的测控工作中不再进行。这种自检一般用 于检查显示装置、ROM、RAM和总线，有时也用于对 插件进行检查。
图10-13 零位温漂特性
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(2)灵敏度温度漂移的补偿
对于压阻式压力传感器，当输入压力保持不变的情况下，
其输出值U(T)将随温度的升高而下降，如图10-14所示。图中 温度T>T1，其输出U(T)<U(T1)。如果T1是传感器校准标定时 的时工的作输温入度(P)，—而输实出际(U工)特作性温进度行却刻是度T>转T换1，求若取仍被按测工输作入温量度压T 力的数值是P′，而真正的被测输入量是P，将会产生很大的 测量误差，其原因就是输入量P为常量时，传感器的工作温 度B点T升降高至，A点T>，T1输传出感电器压的减输少出量由ΔUU(T为1)降至U(T)，即工作点由