数字式液测量仪设计.doc

1绪论 1.1模拟传感器与智能数字传感器 新技术革命的到来，世界开始进入信息时代，信息社会的表征是社会活动和生产活动的信息化，其基本活动形式是信息的获取，传递，处理和控制。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然科学领域中信息的主要途径和手段。传感器技术是信息社会的关键技术，传感器技术的水平在一定程度上标志着一个国家的科学技术水平[1]。 传感器的研究始于二十世纪三十年代，它是研究非电量信息与电量间转换的一门跨学科的边缘技术科学。早期设计的传感器是模拟式传感器，现在通常称为传统传感器。这种传感器采用模拟电子电路组成，只能进行信号调理，基本不具备信息处理能力和自我管制能力。这就决定了传感器存在着输入—输出特性具有一定的非线性、信噪比低而易受噪声干扰、复合灵敏度难以克服而使分辨率不高等问题，导致传感器性能不稳定、可靠性差、精度低。 为改善传感器的传输性能，人们应用频率调制技术研制了频率式传感器，如感应同步器等。这种传感器的输出不再是模拟量，而是频率量，它的信号调理与转换电路把由传感元件获得的电参量转换为某种周期信号即频率量输出，该信号的幅值恒定而频率则随被测量按确定的函数关系变化。频率量传输具有较强的抗干扰性，提高了信噪比，用于计算机测控系统中时可以取消模数转换，通过测频率、测周期方法转换为数字量，容易由计算机实现。但频率量转换为数字量需要较长的时间，频率量的传输同样要求单独的信号线，系统没有得到简化。此外，与模拟式传感器类似，它也基本不具备信息处理能力和自我管理能力，致使性能没有大的改观，仍属于传统传感器。 自动控制系统应用计算机作为控制核心后，为提高系统的整体性能，人们在发展传感器和数字化信息采集系统方面开展了大量的研究工作，主要体现在以下两方面：一是大力改进传统传感器的性能，采用高精度、高稳定度的元器件以及各种校正电路，使传感器特性得到了一定的改善；二是采用数字化仪表作为传感器与计算机之间的接口，它将传感器输出的模拟信号转换为数字信号并作相应的预处理后再传送给计算机。这样，虽然在一定程度上满足了计算机测控系统对信息采集系统高精度和数字化的要求，但由于未把传感器与数字化仪表作为一个整体设计，致使以下一些问题仍未解决：(1)为提高传感器性能而对元器件的要求提高，电路复杂化，使传感器成本增加，可靠性下降；(2)数字化仪表的采用增加了信息采集系统的体积，并使系统的结构更为复杂；(3)仪表对传感器无法进行管理，难以实现传感器的在线自动标定、自动校准和在线故障检测等智能化特性。 随着高性能计算机测控系统的发展，当系统对传感器提出数字化、智能化要求后，传统传感器已不再与系统相适应。控制系统要求传感器输出数字信号，并具备较强的信息处理和自我管理能力，以实现信息的采集与信息的预处理，减轻控制计算机的数据处理负担和提高整个测控系统的可靠性，而计算机则着重于信息的高层次加工和处理，便于在现有硬件条件下大幅提高系统的性能，简化系统的结构。智能传感器系统就是为了更好地适应计算机测控系统的发展而提出的一个新的研究方向[2]。 智能传感器一词已经出现了十几年。目前对其中“智能”的确切定义仍在讨论之中。以往人们主要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”。然而，这样的提法没有突出智能传感器系统的主要特点，单纯强调芯片集成化的现实意义不大，而且也不经济。智能传感器系统的主要特点是把计算机技术和现代通讯技术融入传感器系统中，其目的是为了适应计算机测控系统的发展满足系统对传感器提出的更高要求，因此认为智能传感器是指传感器与微处理器赋予智能的结合，兼有信息检测、信息处理及通讯功能的传感器系统[3]。 在结构上，智能传感器系统将传感器、信号调理电路、微控制器及数字信号接口组合为一整体，其框图如图1.1所示。图中的传感元件将被测非电量转换为电信号，信号调理电路对传感器输出的电信号进行调理并转换为数字信号后送入微控制器，由微控制器处理后的测量结果经数字信号接口输出。在智能传感器系统中不仅有硬件作为实现测量的基础，更有强大的软件支持来保证测量结果的正确性和高精度，以数字信号形式作为输出易于和计算机测控系统接口，并具有很好的传输特性和很强的抗干扰能力。 图1.1 智能传感器系统框图 智能传感器与传统传感器相比，具有如下特点： （1）精度高 智能传感器可以用多个功能来保证它的高精度，如：通过自动校零调整零点；自动进行整体系统的非线性等系统误差的校正；通过对采集数据进行滤波以消除随机误差的影响。 （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后引起系统特性的漂移，如：对温度变化而产生的零点和灵敏度的漂移进行补偿；能自动改换量程；能进