1、第1章 概述 第 1 章 概 述 1.1传感器技术发展的重要性传感器技术发展的重要性1.2智能传感器发展的历史背景智能传感器发展的历史背景1.3智能传感器的功能与特点智能传感器的功能与特点1.4智能传感器概念与传感器系统智能传感器概念与传感器系统1.5智能传感器实现的途径智能传感器实现的途径1.6现场总线智能变送器现场总线智能变送器/传感器经典实例简介传感器经典实例简介第1章 概述 1.1 传感器技术发展的重要性传感器技术发展的重要性 （1）近几十年来传感器技术总是一个时代技术发展进步的瓶颈。传感器、执行器、计算机是组成近代自动化系统的三大环节。在工业自动化技术发展时代，传感器是瓶颈。因此，在
2、微处理器开始普及的20世纪80年代，掀起了“传感器热”，日本把传感器列为20世纪80年代10大技术之首，美国把传感器技术列为20世纪90年代22项关键技术之一，甚至有“谁掌握了传感器，谁就能掌握一个时代”的说法。第1章 概述 当今，我们正处于信息化时代，传感器技术是信息获取科学与技术的核心技术，信息获取科学与技术又是构成信息技术的三大支柱之一，是信息的源头和基础。但是传感器目前仍是信息技术发展的瓶颈，信息获取技术（传感/检测技术）大大落后于信息处理技术（计算机技术）与信息传输技术（通信、网络技术），所以传感器仍然居于推动科学技术进步发展的关键与基础的地位，是众多科学家、技术工作者攻坚的热点。第
3、1章 概述（2）传感器具有广阔的市场和强烈的社会需求。传感器的销售值反映一个国家科技发达与社会进步的程度。20世纪80年代，日本、西欧市场传感器销售值年增长率为30%40%，英国传感器销售额1990年比1980年增长24倍。近十几年来发达国家传感器的产量及市场需求年增长率平均在10%以上。这是因为它是：第1章 概述 工业生产的倍增器。通常一部高档轿车需要200300个传感器，一架飞机需要3600个传感器，一个发电站需要近万个传感器，一个钢厂需要2万个传感器 正是由于以传感器为前端的测量仪器系统保证了庞大的发电厂、化工厂、钢铁厂等的稳定生产、产品的质量和效率，从而才有巨额的产值、效益与市场的倍增
4、。而这些带传感器的仪器仪表系统仅占企业固定资产10%15%，因此它们对于工业生产具有“四两拨千斤”的拉动作用。第1章 概述 由于传感器的使用，使生产工艺过程的控制和产品性能的检测有了保证，所以它是提高产品竞争力的强有力的手段，是获得经济效益的有效途径。据有关资料，全美电站的相关数据表明，如果主汽流量精度改善1%，电站的燃烧成本（热效率）将会改善1%，每年可节约3亿美元；若传感器及其测量仪表可利用率提高1%，则每年可节约30亿美元；美国的电站采用了先进的传感器和控制技术后，使全美经济每年获益达110亿美元之多。第1章 概述 科学研究的“先行官”。伟大的科学家门捷列夫说过：“没有测量就没有科学”。
5、诺贝尔奖设立至今，众多得奖科学家都是借助于先进仪器的诞生才获得重大的科学发现。例如，正是因为有了改进的仪器仪表，才使人类基因的测试提前3年完成。人类进一步对地下、海洋空间、宇宙星球的探索都离不开传感器及其仪器仪表系统，而且还需研制在这些极端条件下可正常工作的传感器。第1章 概述 军事上的“战斗力”。现代武器装备几乎都配备了相关的检测传感器及其控制仪器仪表。确认证据的“物化法官”。在产品质检、环境污染监测、违禁药物检测、指纹识别、假钞与金属利器识别等方面，传感器及其仪器仪表是确认证据的科学依据。安全的屏障。煤矿瓦斯监测与安全预警需要高灵敏度、高稳定性、快速响应的气体传感器；气体液体传输，如我国的
6、“西气东输”管道，需要高精度的油气计量传感器；国家领空、领海、边境安全等都需要大面积、广域传感检测系统。第1章 概述 传染病预警、环境保护、可持续发展的战略保障。SARS、禽流感等突发性流行病的快速诊断需要具有快速分析能力的生物传感器；大气环境监测（SO2、NOx、CO2、微尘等），水质监测（COD、BOD等），以及电磁辐射、噪声、室内有害气体（甲醛等）等的监测无不需要相应的传感器及其仪器仪表系统。所以社会需要它！海陆空、吃穿住，传感器无处不在，也必须无处不在。第1章 概述 1.2 智能传感器发展的历史背景智能传感器发展的历史背景 作为获取信息工具的传感器，位于信息系统的最前端。其特性的好坏、
7、输出信息的可靠性对整个系统质量至关重要。因此，传感器的性能必须适应系统使用的要求。回顾自动化系统对传感器的要求，对了解智能传感器提出的背景是很有益处的。自动化系统对传感器最基本的，而且又是最急切的要求是：降低现行传感器的价格性能比。第1章 概述 我们知道，每种现代自动化过程，都包括有如图1-1所示的三种主要功能块：执行器、计算机（或微处理器）及传感器。传感器时时检测“对象”的状态及其相应的物理参量，并及时馈送给计算机；计算机相当于人的大脑，经过运算、分析、判断，根据“对象”状态偏离设定值的方向与程度，对执行器下达修正动作的命令；执行器相当于人的手脚，按大脑的命令对“对象”进行操作。如此反复不止
8、，以使“对象”在允许的误差范围内维持在所设定的状态。第1章 概述 图1-1 自动化（控制）系统框图第1章 概述 透视人类自动化的历史进程，我们看到：首先，人们发展了执行器：通过制造人造工具执行器，如水磨，以扩大机械动力；待蒸汽机出现，导致了“工业革命”。然后，计算机出现，通过扩展计算机程序的“智能”，产生了“信息革命”。现在，人们正在通过应用传感器来扩展“感觉”，去获得信息数据，以便校正自动化过程中的偏差，并能根据各种情况的变化作出实时、正确的处理。第1章 概述 在控制环路中，只有当三个功能块都经济耐用时，才可能实现工业现场的许多工作不是由人工去做，而是由自动化机械或机器人来做，甚至家务工作也
9、可如此。这种标志人类生活主要变化的时代就叫“自动化时代”。我们正处于“自动化时代”的发展期，但是传感器技术发展的落后阻碍了自动化的进程。第1章 概述 从图1-2中我们可以看到，若以1970年的价格性能比为1，则1990年的价格性能比是：执行器（以电动机为例）为1/10，计算机为1/1000，传感器为1/3。其中，以计算机的价格性能比下降幅度最为惊人。这是由于半导体集成电路工艺的迅速发展，使大规模集成电路芯片制作成本大幅度降低。相对而言，近30年来计算机性能价格比的提高更是遥遥领先，而传感器的价格性能仍居高不下，与其它两个功能块的发展形势极不适应。第1章 概述 图1-2 传感器、计算机及执行器的
10、价格性能比第1章 概述 然而，传统的传感器技术已达到其技术极限。它的价格性能比不可能再有大的下降。它在以下几方面存在严重不足：因结构尺寸大，故时间(频率)响应特性差；输入输出特性存在非线性，且随时间而漂移；参数易受环境条件变化的影响而漂移；信噪比低，易受噪声干扰；存在交叉灵敏度，选择性、分辨率不高。第1章 概述 随着自动化领域不断扩展，需要测量的参量日益增加，而且一些特殊领域进而需要传感器小型化和轻量化。如在线监测，除了温度、压力、流量等热工参量外，还迫切需要监测机械振动参量以及化学成分与物理成分，在线监测电站每一个燃烧器的煤粉量和一次风量，等等，不可胜数。特别是自动控制系统的飞速发展，对传感
11、器进一步提出了数字化、智能化、标准化的紧迫需求。第1章 概述 生产过程自动化在经历了20世纪50年代和60年代的集中控制，70年代的分散型控制系统(DCS)之后，为适应多点多参数日益复杂的大型控制系统的需要，80年代以来出现了基于现场总线的开放型控制系统(FCS)。它是对分散型控制系统(DCS)的继承、完善和进一步发展，是继DCS之后自动化领域的又一次重大变革。现场总线是连接测控系统中各智能装置(包括智能传感器)的双向数字通信网络。其主要特点分述如下。第1章 概述 1.传输数字信号 用数字信号取代原来的420 mA标准模拟信号，提高可靠性和抗干扰能力。这就要求传感器由可输出420 mA标准信号
12、的变送器改变为带数字总线接口并输出数字信号。所有现场传感器，通过数字总线接口都方便地挂接在一条环形现场总线上。这样可以大大削减现场与控制室(高上位计算机)之间一对一的连接导线，节约初期安装费用，大大简化整个系统的布线和设计。这种节约对一个大型、多点测量系统是很有意义的，譬如：第1章 概述 一个电站 需要5000台传感器及其仪表；一个钢铁厂需要20 000台传感器及其仪表；大型石油化工厂需要6000台传感器及其仪表；大型发电机组需要3000台传感器及其仪表；一部汽车需要30100台传感器；一架飞机需要3600台传感器；第1章 概述 2.标准化 总线采用统一标准，使系统具有开放性。不同厂家的产品，
13、在硬件、软件、通信规程、连接方式等方面互相兼容、互换联用，既方便用户使用，又易于安装维修。不少大公司都推出了自己的现场总线标准。国际化的统一标准的工作正在加紧进行中。第1章 概述 3.智能化 采用智能与控制职能分散下放到现场装置的原则，现场总线网络的每一节点处安装的现场仪表应是“智能”型的，即安装的传感器应是“智能传感器”。在这种控制系统中，智能型现场装置是整个控制管理系统的主体。这种基于现场总线的控制系统，要求必须使用智能传感器，而不是一般传统的传感器。第1章 概述 现场总线中的智能传感器，通常称为智能变送器。这种智能传感器带有标准数字总线接口，能够自己管理自己，它将所检测到的信号经过变换处
14、理后，以数字量形式通过现场总线与高/上位计算机进行信息通信与传递，有的也同时兼有420 mA标准模拟信号输出。所以，智能传感器是应现代自动化系统发展的需要而提出来的，同时也是传感技术克服自身落后向前发展的必然趋势。第1章 概述 1.3 智能传感器的功能与特点智能传感器的功能与特点1.3.1 智能传感器的功能目前还没有关于传感器智能化功能的明确定义，一般来说，可以从以下几方面概括其功能：（1）在自我完善能力方面，具有改善静态性能，提高静态测量精度的自校正、自校零、自校准功能；具有提高系统响应速度，改善动态特性的智能化频率自补偿功能；具有抑制交叉敏感，提高系统稳定性的多信息融合功能。第1章 概述
15、（2）在自我管理与自适应能力方面，具有自检验、自诊断、自寻故障、自恢复功能；具有判断、决策、自动量程切换与控制功能。（3）在自我辨识与运算处理能力方面，具有从噪声中辨识微弱信号与消噪的功能；具有多维空间的图像辨识与模式识别功能；具有数据自动采集、存储、记忆与信息处理功能。（4）在交互信息能力方面，具有双向通信、标准化数字输出以及拟人类语言符号等多种输出功能。第1章 概述 1.3.2 智能传感器的特点智能传感器的特点与传统传感器相比，智能传感器的特点简述如下。1.精度高智能传感器有多项功能来保证它的高精度，如通过自动校零去除零点，与标准参考基准实时对比以自动进行整体系统标定，自动进行整体系统的非
16、线性等系统误差的校正，通过对采集的大量数据进行统计处理以消除偶然误差的影响等，从而保证了智能传感器的高精度。第1章 概述 2.高可靠性与高稳定性智能传感器能自动补偿因工作条件与环境参数发生变化而引起的系统特性的漂移，如温度变化而产生的零点和灵敏度的漂移；在被测参数变化后能自动改换量程；能实时自动进行系统的自我检验，分析、判断所采集到的数据的合理性，并给出异常情况的应急处理(报警或故障提示)。因此，有多项功能保证了智能传感器的高可靠性与高稳定性。第1章 概述 3.高信噪比与高分辨力由于智能传感器具有数据存储、记忆与信息处理功能，通过软件进行数字滤波、相关分析等处理，可以去除输入数据中的噪声，将有
17、用信号提取出来；通过数据融合、神经网络技术，可以消除多参数状态下交叉灵敏度的影响，从而保证在多参数状态下对特定参数测量的分辨能力，故智能传感器具有高信噪比与高分辨力。第1章 概述 4.强自适应性智能传感器具有判断、分析与处理功能，它能根据系统工作情况决策各部分的供电情况、与高/上位计算机的数据传送速率，使系统工作在最优低功耗状态和优化传送效率。第1章 概述 5.较低的价格性能比智能传感器所具有的上述高性能，不是像传统传感器技术那样通过追求传感器本身的完善、对传感器的各个环节进行精心设计与调试、进行“手工艺品”式的精雕细琢来获得的，而是通过与微处理器/微计算机相结合，采用廉价的集成电路工艺和芯片
18、以及强大的软件来实现的，所以具有较低的价格性能比。第1章 概述 1.4 智能传感器概念与传感器系统智能传感器概念与传感器系统传感器本身是一个系统，随着科学技术的发展，这个系统的组成与研究内容也在不断更新。人们提出“传感器系统”，是因为当前世界传感技术发展的重要趋势就是传感器系统的发展。所谓传感器系统，简单地讲就是传感器、计算机和通信技术的结合，而智能传感器系统与微传感器系统是其中的两个主要研究方向。前者着重点在如何赋予传感器系统以“智能”，后者以实现微小结构为主要目标。第1章 概述 智能传感器系统是一门现代综合技术，是当今世界正在迅速发展的高新技术，至今还没有形成规范化的定义。早期，人们简单、
19、机械地强调在工艺上将传感器与微处理器两者紧密结合，认为“传感器的敏感元件及其信号调理电路与微处理器集成在一块芯片上就是智能传感器”。第1章 概述 随着以传感器系统发展为特征的传感技术的发展，人们逐渐发现将传感器与微处理器集成在一块芯片上构成智能传感器，在实际中并不总是必需的，而且也不经济；重要的是传感器(通过信号调理电路)与微处理器微型计算机赋以智能的结合。若没有赋予足够的“智能”的结合，只能说是“传感器微机化”，还不能说是智能传感器。于是进而认为“所谓智能传感器，就是一种带有微处理器兼有检测信息和信息处理功能的传感器”、“传感器(通过信号调理电路)与微处理器赋予智能的结合，兼有信息检测与信息
20、处理功能的传感器就是智能传感器”。第1章 概述 这些提法突破了传感器与微处理器结合必须在工艺上集成在一块芯片上的框框，而着重于两者赋予智能的结合可以使传感器系统的功能由以往只起“信息检测”作用扩展到兼而具有“信息处理”功能。而传统观念认为，仪器系统是执行信息处理任务的，即将有用信息从含有噪声的输入信号中提取出来并予以显示的装置。也就是说，“信息处理”功能仅属于“仪器”所有。第1章 概述 另一方面，工业现场总线控制系统中的传感器/变送器，都是带微处理器的智能传感器/变送器。它们是形体较大的装置，既不是仅有获取信息功能的那种传统传感器，也不是只有信息处理功能的那种传统仪器。因此，传统的传感器与仪器
21、的那种“壁垒森严”的、“不可逾越”的界线正在消失。智能传感器系统是既有获取信息功能，又有信息处理功能的传感器系统。第1章 概述 H.Schodel，E.Beniot等人更进一步强调了智能化功能，认为“一个真正意义上的智能传感器，必须具备学习、推理、感知、通信以及管理等功能”。这种功能相当于一个具备知识与经验丰富的专家的能力。然而，知识的最大特点是它所具有的模糊性。20世纪80年代末，L.Foulloy在他的论文An Ultrasornic Fuzzy Sensor中提出了模糊传感器的概念，他认为“模糊传感器是一种能够在线实现符号处理的智能传感器”；D.Stipanieer也认为“模糊传感器是一
22、种智能测量设备”。当然，这种智能传感器也不一定是全集成化的。第1章 概述 关于智能传感器的中、英文称谓，目前也尚未统一。John Brignell和Nell White认为“Intelligent Sensor”是英国人对智能传感器的称谓，而“Smart Sensor”是美国人对智能传感器的俗称。而Johan HHuijsing在Integrated Smart Sensor一文中按集成化程度的不同，将智能传感器分称为“Smart Sensor”和“Integrated Smart Sensor”。“Smart Sensor”的中文译名有“灵巧传感器”、“智能传感器”。第1章 概述 1.5 智
23、能传感器实现的途径智能传感器实现的途径1.5.1 非集成化实现非集成化实现 非集成化智能传感器是将传统的经典传感器（采用非集成化工艺制作的传感器，仅具有获取信号的功能）、信号调理电路、带数字总线接口的微处理器组合为一整体而构成的一个智能传感器系统。其框图如图1-3所示。第1章 概述 图1-3 非集成化智能传感器框图第1章 概述 图1-3中的信号调理电路是用来调理传感器输出的信号的，即将传感器输出信号进行放大并转换为数字信号后送入微处理器，再由微处理器通过数字总线接口挂接在现场数字总线上。这是一种实现智能传感器系统的最快途径与方式。例如美国罗斯蒙特公司、SMAR公司生产的电容式智能压力(差)变送
24、器系列产品，就是在原有传统非集成化电容式变送器基础上附加一块带数字总线接口的微处理器插板后组装而成的，并开发配备通信、控制、自校正、自补偿、自诊断等智能化软件，从而实现智能传感器。第1章 概述 这种非集成化智能传感器是在现场总线控制系统发展形势的推动下迅速发展起来的。因为这种控制系统要求挂接的传感器变送器必须是智能型的，对于自动化仪表生产厂家来说，原有的一整套生产工艺设备基本不变。因此，对于这些厂家而言，非集成化实现是一种建立智能传感器系统最经济、最快捷的途径与方式。第1章 概述 1.5.2 集成化实现集成化实现 集成化实现智能传感器系统，是建立在大规模集成电路工艺及现代传感器技术两大技术基础
25、之上的。1 大规模集成电路工艺技术 利用大规模集成电路工艺技术将由硅材料制作的敏感元件、信号调理电路、微处理单元集成在一块芯片上构成智能传感器系统。然而，要在一块芯片上实现智能传感器系统存在着许多困难的、棘手的问题。例如：第1章 概述 哪一种敏感元件比较容易采用标准的集成电路工艺来制作？选用何种信号调理电路，使需要外接的元件如精密电阻、电容、晶振等最少？由于制作了敏感元件后留下的芯片面积有限，因而需要寻求占用面积最小的模/数转换器型式，如-等。由于芯片面积有限制，以及制作敏感元件与数字电路的优化工艺不兼容，因而微处理器系统及可编程只读存储器的规模、复杂性与完善性受到很大限制。对功耗与自热、电磁
26、耦合带来的相互影响，在一块芯片内应如何消除？第1章 概述 2 现代传感器技术 1）现代传感器技术的技术特征与传统经典传感器制作工艺完全不同的现代传感器技术是于20世纪70年代开始发展起来的。它以既有优良电性能、又有极好的机械性能的硅材料为基础，采用微米（1 m1 mm）级的微机械加工技术（包括硅的各向异性刻蚀技术，干湿法刻蚀技术，控制腐蚀深度的自停止技术，形成空腔、梁等可动三维结构的牺牲层技术，将分离件整合的键合技术等）代替制作经典传感器的车、铣、铇、磨、焊等宏观加工工艺，国外也称其为专用集成微型传感技术（ASIM）。第1章 概述 由现代传感器技术制作出的敏感元件也是MEMS（MicroEle
27、ctronic Mechanical System）技术的开端。由现代传感器技术制作的传感器通常称为集成传感器或固态传感器。已作为工业产品的集成传感器有20世纪70年代美国霍尼尔公司生产的硅压阻式传感器，90年代初日本横河株式会社生产的硅谐振式传感器，90年代末美国罗斯蒙特及日本FUJI公司生产的硅电容式压力（差）传感器，以及美国摩托罗拉公司生产的硅加速度传感器等。第1章 概述 2）集成/固态传感器的特点（1）微型化。微型压力传感器已经可以小到放在注射针头内送进血管测量血液流动情况，装在飞机或发动机叶片表面用以测量气体的流速和压力。美国最近研究成功的微型加速度计可以使火箭或飞船的制导系统的重量
28、从几公斤下降至几克。第1章 概述（2）结构一体化。压阻式压力（差）传感器是最早实现一体化结构的。传统的做法是先分别由宏观机械加工金属圆膜片与圆柱状环，然后把二者粘贴形成周边固支结构的“金属杯”，再在圆膜片上粘贴电阻变换器（应变片）而构成压力（差）传感器，这就不可避免地存在蠕变、迟滞、非线性特性。采用微机械加工和集成化工艺，不仅“硅杯”一次整体成型，而且电阻变换器与硅杯是完全一体化的，进而可在硅杯非受力区制作调理电路、微处理器单元，甚至微执行器，从而实现不同程度乃至整个系统的一体化。第1章 概述（3）精度高。比起分体结构，传感器结构本身一体化后，迟滞、重复性指标将大大改善，时间漂移大大减小，精度
29、提高。后续的信号调理电路与敏感元件一体化后可以大大减小由引线长度带来的寄生参量的影响，这对电容式传感器更有特别重要的意义。第1章 概述（4）多功能。微米级敏感元件结构的实现特别有利于在同一硅片上制作不同功能的多个传感器。例如，压阻式压差传感器是采用微机械加工技术最先实用化的集成传感器，但是它受温度与静压影响，总精度只能达到0.1，致力于改善它的温度性能花费了20余年时间却无重大进展。第1章 概述（5）阵列式。微米技术已经可以在一平方厘米大小的硅芯片上制作含有几千个压力传感器的阵列。譬如丰田中央研究所半导体研究室用微机械加工技术制作的集成化应变计式面阵触觉传感器，在8 mm8 mm的硅片上制作了
30、1024（3232）个敏感触点（桥），基片四周还制作了信号处理电路，其元件总数约16 000个。敏感元件构成阵列后，配合相应图像处理软件，可以实现图形成像且构成多维图像传感器。这时的智能传感器就达到了它的最高级形式。第1章 概述 敏感元件组成阵列后，通过计算机/微处理器解耦运算、模式识别、神经网络技术的应用，有利于消除传感器的时变误差和交叉灵敏度的不利影响，可提高传感器的可靠性、稳定性与分辨能力。传感器的集成化实现是传感器的发展方向，它又是传感器向微型化、阵列化、多功能化、智能化方向发展的基础。第1章 概述 1.5.3 混合实现混合实现 根据需要与可能，将系统各个环节，如敏感单元、信号调理电路
31、、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，实现混合集成。可采用如图1-4所示的几种方式来实现。第1章 概述 图1-4 在一个封装中可能的混合集成实现方式第1章 概述 集成化敏感单元包括（对结构型传感器）弹性敏感元件及变换器。信号调理电路包括多路开关、仪用放大器、基准、模/数转换器(ADC)等。微处理器单元包括数字存储器(EPROM、ROM、RAM)，I/O接口，微处理器，数/模转换器（DAC）等。在图1-4（a）中，三块集成化芯片封装在一个外壳里。在图1-4（b）、（c）、（d）中，两块集成化芯片封装在一个外壳里。第1章 概述 图1-4（a）、（c
32、）中的（智能）信号调理电路具有部分智能化功能，如自校零、自动进行温度补偿,这是因为这种电路带有零点校正电路和温度补偿电路，它们常不与微处理单元封装在一起而单独出售。图(a)、(b)中的集成化敏感单元也可以代之以片外外接传感器。第1章 概述 1.5.4 智能传感器的几种形式智能传感器的几种形式1 初级形式初级形式就是组成环节中没有微处理器单元，只有敏感单元与（智能）信号调理电路，二者被封装在一个外壳里。这是智能传感器系统最早出现的商品化形式，是最广泛使用的形式，被称为“初级智能传感器”。从功能来讲，它只具有比较简单的自动校零、非线性的自校正、温度自动补偿功能。这些简单的智能化功能是由硬件电路来实
33、现的。通常称这种硬件电路为智能调理电路。第1章 概述 2 中级形式/自立形式中级形式是指在组成环节中除敏感单元与信号调理电路外，必须含有微处理器单元，即一个完整的传感器系统全部封装在一个外壳里，如现场总线中使用的各种型号的智能传感/变送器。其中的传感器可以是集成化的也可以是经典的，它具有1.3.1节所列的完善的智能化功能，这些智能化功能主要是由强大的软件来实现的。第1章 概述 3 高级形式高级形式的智能传感器集成度进一步提高，敏感单元实现多维阵列化，同时配备了更强大的信息处理软件，从而具有更高级的智能化功能。这时的传感器系统不仅具有1.3.1节所述的完善的智能化功能，而且还具有更高级的传感器阵
34、列信息融合功能，或具有成像与图像处理等功能。第1章 概述 1.5.5 改善传感器系统性能的多传感器智能化技术改善传感器系统性能的多传感器智能化技术当前，多传感器智能化技术迅速发展，已成为改善传感器系统性能最有效的手段。多传感器智能化技术包括两大方面：其一，将多个传感器与计算机（或微处理器）组建成智能化传感器系统，其深刻内涵是提高某点（单点）位置处某一个参量（单参量）x1的测量准确度，而不是一般意义的多点或多参量测量系统。第1章 概述 其二，将多个传感器获得的多个信息的数据进行融合处理，实现某种改善传感器性能的智能化功能，在抑制交叉敏感、改善传感器稳定性的同时，线性度也得到改善。作为一个设计智能
35、传感器系统的工程师，除必须掌握经典的、现代的传感器技术外，还必须具有信号分析与处理、计算机软件设计、通信与接口、电路与系统等多种学科方面的基础知识。第1章 概述 1.6 现场总线智能变送器现场总线智能变送器/传感器经典实例简传感器经典实例简1.6.1 现场总线控制系统（FCS）中的传感器与仪表1 现场总线结构现场总线控制系统的典型结构如图1-5所示。图中现场总线的节点是现场设备或现场仪表，如传感器/变送器、调节器、调节阀、步进电机、记录仪、条形阅读器等等，但不是传统的单功能的现场仪表，而是具有综合功能的智能仪表。第1章 概述 图1-5 现场总线控制系统的典型结构第1章 概述 图中为数众多的智能
36、设备智能执行元件与智能传感器/变送器位于现场生产、运行区域，处于FCS控制系统的“末梢”节点上。智能传感器/变送器通过总线接口挂接在环形现场总线上，通过现场总线实现现场智能化设备之间的数字通信以及现场设备和上级控制中心（上位机）之间的信息传递。第1章 概述 现场总线网络协议规定了现场应用进程之间的相互可操作性、通信方式、层次化通信服务功能的划分、信息流向及传递规则。这样，可以实现不同厂家生产的种类繁多的产品在硬件、软件、通信规程、连接方式诸方面互相兼容，互换联用。因此，一个智能化设备若想方便地安装、挂接到现场总线上，实现与其它设备及上位机的正常通信，必须遵守统一的网络协议。由于工业现场的固有特
37、点，所以现场总线互联网与商用互联网既有一定的共性，又有很大的不同。第1章 概述 2 现场总线设备为什么需要“智能”如果传感器与仪表都是没有智能的，只会采集数据，对采得的数据毫无“感觉”，甚至是否进行数据采集也要由中心控制室下达命令，势必中心控制室的中心计算机就不得不时刻关注每台传感器与仪表（对电站有5000台，对钢铁厂有2万台，对石油化工厂有6000台）的详细状况。第1章 概述 譬如传感器及其仪表的温度补偿情况、自校准情况，工作是否正常，数据是否可靠，等等，再根据所知情况与数据进行分析、判断后作出决策，之后对某个执行器发出控制命令，这就相当于5000、6000或2万人的军团，每个士兵的动作都只
38、由一个总司令来指挥一样。这样，中心计算机负担过重，难以适应现代工业化大生产日益复杂的要求。解决此问题的办法是“分散”或“分布”智能，也就是给现场的传感器/变送器、执行器等设备配备“大脑”微计算机/微处理器。第1章 概述 决策模式既可以是PID控制模式，也可以是模糊控制模式或其他模式，依控制软件功能模块的类型而定，同时还可以采用调节阀的阀门特性的自校验和自诊断软件功能模块等。这样，我们可以清楚看到：在这种现场总线控制系统的现场设备中，已经组成了对单一量的自行测量、自行数据处理、自行分析判断与决策的控制系统。第1章 概述 也就是说，FCS废弃了DCS的控制站，把DCS控制站的功能块分散地分配给现场
39、仪表，从而构成虚拟控制站。这样，许多控制功能从控制室移至现场仪表，大量的过程检测与控制的信息就地采集、就地处理、就地使用，在新的技术基础上实施就地控制。现场智能传感器/变送器将调控了的对象状态参量（如流量）通报给控制室的上位计算机。上位机主要对其进行总体监督、协调、优化控制与管理，实现了彻底的分散控制。第1章 概述 譬如，处于监控中心的上位计算机，根据全局优化分析，确定某位置压力值的设定值，该位置处的测控系统就根据设定的压力值进行控制。若上位机下达新的压力设定值，则该位置处的测控系统按新的设定值进行自动调控。在这个局域的分散控制系统中的现场传感器/变送器及执行器都是智能型的，并带有标准数字总线
40、接口，之间的信息反馈与指令均通过现场总线进行。第1章 概述 3 现场总线仪表的主要特点与DCS系统中的现场仪表相比，FCS系统现场仪表的主要特点是：（1）具有多种基本的智能化功能，可用于改善静态、动态特性，提高精度和稳定性。如量程设定和零点调整，刻度转换可以多种单位表示被测量，非线性自校正、频率补偿、温度补偿、自检等。第1章 概述 （2）具有控制与基本参数存储功能，可实现自我管理并提高自适应能力。大量过程检测与控制信息实行现场采集、现场处理、现场使用，现场实时控制，使过程控制基本分散到现场。现场设备都是具有微处理器的，不论是智能传感器/变送器还是执行元件的微处理器中均可装入PID（或其他模式）
41、控制模块以实现现场实时控制功能。控制模块通常装入智能传感器/变送器的微处理器中。第1章 概述（3）开放性与互换性。最高理想情况是采用统一的国际标准通信协议，在未能实现最高理想的情况下，可采用同一种通信协议，不同厂家的产品在硬件、软件、通信规程、连接方式等方面可相互兼容、互换使用。这对用户的安装、使用、操作、维修和产品的扩展都十分有利。第1章 概述（4）带有数字总线接口，实现通信功能。所有的智能化现场设备，包括变送器、执行器等都通过接口挂接在总线上。现场设备之间，如流量变送器与调节阀之间要执行闭环控制功能需要的信息传递，同时它们与管理中心的上位机之间的通信均是通过各自的接口经现场总线传输进行的。
42、现场总线采用双绞线、光缆或无线方式，目前主要以双绞线为主。第1章 概述 也就是说，上位机与所有现场设备的连接只有两根导线，这两根线不仅可以承担现场设备所需的供电，而且承担了它们之间全数字化、双向串行通信。用数字信号取代模拟信号可以提高抗干扰能力，延长信息传输距离，而且大量削减了现场与控制室之间的导线安装费用。而在DCS系统中，每一台现场设备就要有一对导线与控制室相连。当然，这种多站的通信必须遵守统一的通信规范和标准。第1章 概述 1.6.2 经典实例简介经典实例简介现场总线智能传感器/变送器的开发研究多姿多彩。有的生产厂家提供OEM集成/固态传感器芯片器件；有的公司专为OEM芯片器件配备含有微
43、处理器及通信接口电路系统的印刷电路板，并把印刷电路板与OEM芯片器件组装成一个智能传感器；有的按某种现场总线标准对现有用于工业自动化中的传统传感器/变送器加装微处理器与数字总线接口使之成为智能化传感器。第1章 概述 1 ST-3000系列智能变送器美国霍尼韦尔（Honeywell）公司于1983年率先推出了压阻式智能压力变送器ST-3000。ST-3000型智能变送器是世界上第一台智能变送器，其对传统的现场仪表而言是一次深刻的变革，它开创了现场仪表的新纪元，为工业自动化及其系统应用向更高层次发展奠定了基础。第1章 概述 1）ST-3000智能变送器的结构及工作原理图1-6为ST-3000智能变
44、送器的结构框图。它由两部分组成：一部分为传感器芯片及调理电路；另一部分为微处理器及存储器。传感器芯片上有由集成工艺制作的三个传感器：压力/压差（P）、静压（P）和温度（T）传感器。其中压力/压差传感器和静压传感器均接成全桥差动电路形式（具体工作原理详见2.3.1与2.4.2节）。三个传感器的静态标定数据，即表征输入输出特性的标定数据均存入PROM中。第1章 概述 整个变送器的测压原理为：待测压力首先作用在传感器芯片的硅膜片上，引起传感器的电阻值的相应变化，此阻值的变化由形成于传感器芯片上的惠斯登电桥检出，桥路输出信号经调理电路进行调理，并由A/D转换器转换成数字信号，送入微处理器。与此同时，在
45、此传感器芯片上形成的两个辅助传感器（温度传感器和静压传感器）检测出表体温度和过程静压。辅助传感器的输出也被转换成数字信号并送至微处理器。在微处理器内，来自三个传感器的数字信号进行运算处理，转换成一个对应的420 mA的模拟输出信号或数字输出信号。第1章 概述 图1-6 ST-3000智能变送器的结构框图第1章 概述 2）ST-3000智能变送器的性能特点 （1）宽量程比。ST-3000的量程比通常可达100 1，最大可达400 1（一般传感器仅为10 1），这样，当被测压力发生显著变化时，只需调整量程，而不必更换或增加变送器，故一台ST-3000变送器可覆盖多台变送器的量程。这是因为PROM中
46、的输入输出特性是在宽量程范围内标定的，也反映了传感器本身硅膜片的大量程性能。第1章 概述（2）高精度和高稳定性。由于每台ST-3000出厂前都在与工作现场相似的环境进行了实验标定，其内存储器PROM中存储着一套完整的用于消除交叉灵敏度的特征参数和三个传感器数据的融合计算方程式，从而可以消除环境温度及静压变化对被测压力/压差的影响，保证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0.062%或读数的0.125%。消除交叉敏感的数据融合算法详见5.1.2节。第1章 概述（3）双向通信能力。由于ST-3000所具有的双向数字通信
47、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）的远距离通信，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1章 概述（4）完善的自诊断功能。自诊断功能通过手持现场通信器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“STATUS CHECK=OK”，则表示变送器和SFC工作正常；否则，就会把发生的故障显示出来，使用户知道问题所在及如何去修正。这种诊断可远程进行，这样一方面
48、可使操作员不必处于恶劣的工作环境现场，又可大大减少维护时间，既方便了操作又可降低维修成本。第1章 概述（5）宽域温度及静压补偿。ST-3000的温度使用范围可达40110，静压可达0210 kgf/cm2，且在这么宽的使用范围内可使温度和静压得到补偿。这是因为ST-3000具有内部温度与静压传感器，由三个传感器数据进行融合给出最终输出值。第1章 概述 2 3051型智能压力变送器3051型智能变送器是美国罗斯蒙特公司（现为费希尔-罗斯蒙特公司，FISHER-ROSEMOUNT）在保持20世纪80年代1151型差动电容式变送器优良传统的基础上坚持连续改进获得的新发展，于上世纪90年代初推出的现场
49、总线智能仪表系列之一，并于1998年开始向我国市场供货。第1章 概述 1）3051型智能压力变送器的特点（1）3051型智能压力变送器测量性能优越，可用于所有压力、液位与流量测量场合，测量精度为0.075%，其稳定性可做到工作5年不需要调整传感器零点漂移。其优异的总体性能为压力变送器树立了一个新的标准，即将温度影响和静压影响考虑在内的综合指标作为精度的指标。（2）3051型智能压力变送器具有多种输出协议：标准输出为420 mA并基于HART协议的数字信号。第1章 概述（3）3051型智能压力变送器的性能和功能不断改进，但具有向前、向后的兼容性。2）3051型智能压力变送器结构3051型智能压力
50、变送器由传感和数据处理两部分组成，其原理结构如图1-7所示，外形如图1-8所示。第1章 概述 图1-7 3051智能压力变送器结构框图第1章 概述 图1-8 3051智能变送器外形图第1章 概述 图中各部分的组成和功能阐述如下：（1）传感部分。传感部分由测量压力的差动电容式传感器、用于对压力传感器进行温度补偿的温度传感器、模/数转换器以及保存传感器修正系数、传感器膜片参数的片外传感膜头存储器组成。（2）数据处理部分。数据处理部分由微处理器、片外存储器、数/模转换器、数字通信以及本机量程和零点调整几部分组成。第1章 概述 微处理器要完成如下功能：修正传感器特性；设置量程；设置阻尼系数；对传感器进
