2.1　智能传感器的基本功能

传感器产生故障的因素很多，外部因素有强电磁场的冲击、机械振动、温/湿度的变化等，使用和维护不当也可能引起传感器的损坏或失效。内部因素主要是传感器内部老化引起其性能下降和参数变化，当这种变化超过一定的容限时就会形成传感器故障。和传统传感器不同，智能传感器除硬件故障外还可能出现软件故障。

对待故障的策略就是检测故障，在故障发生时或发生前及时发现，及时排除，从而使传感器可靠地工作。所谓自检，就是利用事先编制好的检测程序对传感器进行自动检测，并对故障进行定位。自检功能给智能传感器的使用和维修带来很大的方便。

2.1.1　智能传感器的自检技术

1.自检方式

智能传感器的自检方式有4种，即开机自检、周期自检、按键自检和连续监控。

（1）开机自检。开机自检是对传感器正式工作之前所进行的全面检查，在传感器电源接通之后进行。在自检过程中，如果没发现异常问题，智能传感器就自动进入测量程序；如果发现异常问题，就会及时报警，以避免传感器带故障工作。

（2）周期性自检。周期性自检是指在传感器运行过程中，间断插入自检操作，这种自检方式可以保证传感器在运行过程中一直处于正常状态。周期性自检不影响传感器的正常工作。

（3）按键自检。按键自检是通过按动“自检”按键实现的，当用户对传感器的可信度发生怀疑时，便通过该键来启动一次自检过程。若不设“自检”按键，则不能进行。

（4）连续监控。连续监控的实现需要设置专门电路或者检错码，用于实时监视传感器的运行状态。一旦出现某种故障，就立即停止传感器工作，使之转入出错处理程序。

2.自检实例

1）只读存储器（ROM）或可擦除可编程只读存储器（EPROM）的自检

由于ROM中存在传感器的控制软件，因而对ROM的检测是至关重要的。ROM故障的测量算法常采用“校验和”方法，具体做法如下：在将程序机器码写入ROM的时候，保留一个单元（一般是最后一个单元），此单元不写入程序机器码，而是写入“校验字”，“校验字”应能满足ROM中所有单元的每一列数都具有奇数个1。自检程序的内容如下：对每一列数进行异或运算，如果ROM无故障，那么各列的运算结果应该都为“1”，即“校验和”等于FFH。这种“校验和”算法见表2-1。

理论上，这种方法不能发现同一位上的偶数个错误，但是因为出现此类错误的概率很小，所以一般可以不予考虑。若要考虑，则必须采用更复杂的校验方法。

2）随机存取存储器（RAM）自检

RAM是否正常地测量算法，是通过检验其“读／写功能”的有效性来体现的。通常选用特征字55H（01010101B）和AAH（10101010B），分别对RAM的每个单元进行先写入后读出的操作，其自检流程图如图2-1所示。

判别读／写内容是否相符的常用方法是“异或法”，即把RAM单元的内容求反并与原码进行“异或”运算。若运算结果为FFH，则表明该RAM单元读／写功能正常；否则，说明该单元存在故障。最后，再恢复原单元内容。上述检验属于破坏性检验，只能用于开机自检。

3）总线自检

许多智能传感器中的微处理器总线都是经过缓冲器与各个I/O设备和插件相连接的，这样，即使缓冲器以外的总线出了故障，也能维持微处理器正常工作。所谓总线自检是指对经过缓冲器的总线进行检测。由于总线没有记忆能力，因此设置了两组锁存触发器，用于分别记忆地址总线和数据总线上的信息。这样，只要执行一条对存储器或I/O设备的写操作指令，地址总线和数据总线上的信息就能分配到两组8D触发器（地址锁存触发器和数据锁存触发器）中。对这两组锁存触发器分别进行读操作，便可判断总线是否存在故障。总线检测电路如图2-2所示。

总线自检程序应该对每一根总线进行检测。具体做法是使被检测的每根总线依次为1态，其余总线为0态。如果某一根总线停留在0态或1态，说明有故障存在。总线故障一般是由于印制线路板工艺不佳使两线相接触而引起的。需要指出的是，存有自检程序的ROM芯片与CPU的连线应不通过缓冲器，否则，若总线出现故障，则不能进行自检。

3.自检软件

上面介绍的各个自检项目一般要分别编成子程序，以便需要时调用。假设各段子程序的入口地址为TSTi（i=0,1,2...），对应的故障代号为TNUM（0,1,2...）。编程时，由序号通过表2-2所示的测试指针表（TSTPT）来寻找某一项自检子程序的入口。若检测到有故障发生，则显示其故障代号TNUM。对于周期性自检，由于它是在测量间隙进行的，为了不影响传感器的正常工作，有些周期性自检项目不宜进行，如显示器周期性自检、按键周期性自检、破坏性RAM周期性自检等，而对开机自检和按键自检则不存在这个问题。

一个典型的含有自检功能的智能传感器操作流程图如图2-3所示。其中，开机自检被安排在传感器通电之前进行，检测项目尽量多选。周期性自检被安排在两次测量之间进行，由于允许两次测量的时间有限，所以一般每次只插入一项自检内容。多次测量之后，才能完成传感器的全部自检项目。图2-4给出了能完成上述任务的周期性自检子程序的操作流程图。根据TNUM进入测试指针表取得子程序TSTi并执行之。如果发现有故障，就进入故障显示操作。故障显示操作一般要先关闭全部显示器，然后显示故障代号TNUM，提醒操作人员传感器已有故障。当操作人员按下任意键后，就退出故障显示（有些传感器在故障显示一定时间之后自动退出）。无论故障发生与否，每进行一项自检，就使TNUM加1，以便在下一次测量间隙中进行另一项自检。

上述自检软件的编程方法具有一般性，由于各类传感器的功能及性能差别很大，故智能传感器的实际自检算法的制定应结合各自的特点来考虑。

2.1.2　智能传感器的自动校准技术

与传统传感器的手动校准不同，智能传感器都是可编程控制的，在控制器的程控命令指挥下，可以自动进行校准。

1.传感器系统误差及其校准

传感器准确度是用测量误差来衡量的，测量误差包括偶然误差和系统误差。偶然误差主要是由于周围环境和传感器内部偶然因素的作用造成的。为了减小偶然误差，除了要稳定的测量环境，还要在规定条件下对被测量进行多次测量，再利用统计方法对测量数据进行平均和滤波处理。系统误差是由于传感器内部和外部的固定不变或按确定规律变化的因素的作用造成的。可利用校准的方法来减小传感器的系统误差。

（1）根据系统误差的变化规律，采用一定的测量方法或计算方法，将它从传感器的测量结果中扣除。

（2）准确度等级高的传感器其系统误差小，因此，可用准确度等级高的标准传感器去修正准确度低的被测传感器。有两种方案可供使用：

①采用相同类型的准确度等级高的标准传感器（见图2-5）进行比对校准。校准时，标准传感器和被校传感器同时测量可调信号源输出的一个信号，把标准传感器的显示值作为被测信号的真值，它与被校传感器显示值的差值即该传感器的测量误差。然后，由小到大改变信号源的输出值，可以获得传感器在所有测量点上的校准值。

②采用准确度等级高的可步进调节输出值的标准信号源，即可调标准信号源（见图2-6）。校准时，把可调信号源的显示值作为真值，它与被校传感器显示值的差值就是该传感器的测量误差。然后，从小到大调节标准信号源的输出值，可以测量出被校传感器在所有测量点上的校准值。

2.传感器内部自动校准

传感器内部自动校准就是利用传感器内部微处理器和内附的校准信号源消除环境因素对测量准确度的影响，补偿工作环境的变化。它根据系统误差的变化规律，使用一定的测量方法或计算方法来扣除系统误差。传感器内部自动校准不需要任何外部设备和连线，只需要按要求启动内部自动校准程序，即可完成自动校准。下面介绍常用的传感器内部自动校准方法。

1）输入偏置电流自动校准

输入型前置放大器是高精度智能传感器的常用部件之一，应保证传感器的高输入阻抗、低输入偏置电流和低漂移性能，否则会给测量带来误差。例如，为了消除输入偏置电流带来的误差，在数字多用表中设计了输入偏置电流的自动补偿和校准电路。输入偏置电流自动校准原理示意如图2-7所示，在传感器输入高端和低端连接一个带有屏蔽作用的10MΩ电阻盒，输入偏置电流Ib在该电阻上产生电压降，经模/数转换器转换后存储于非易失性校准存储器内，作为输入偏置电流的修正值。在正常测量时，微处理器根据修正值选出适当的数字量输入数/模转换器，经输入偏置电流补偿电路产生补偿电流，抵消Ib，从而消除传感器输入偏置电流带来的测量误差。

2）零点漂移自动校准

传感器零点漂移是造成零点误差的主要原因之一。智能传感器可自动进行零点漂移校准。智能传感器进行零点校准时，需中断正常的测量过程，把输入端短路（使输入值为零）。这时，整个传感器输入通道的输出为零位输出。但由于存在零点漂移误差，使传感器的输出值并不为零。根据整个传感器的增益，将传感器的输出值折算成输入通道的零位输入值，并把这一零位输入值存在内存单元中。在正常测量过程中，传感器在每次测量后均从采样值中减去原先存入的零位值，从而实现了零点漂移自动校准。这种零点漂移自动校准方法已经在智能化数字电压表、数字欧姆表等传感器中得到广泛应用。需要特别注意的是，在使用校准信号源进行零点漂移校准前，一般应分别执行正零点和负零点漂移的校准，并把校准值同时存储于校准存储器中。

3）增益误差自动校准

在智能传感器的测量输入通道中，除了存在零点漂移，放大器的增益误差及器件的不稳定因素也会影响测量数据的准确性，因而必须对这类误差进行校准。增益误差自动校准的基本思路如下：在传感器通电后或每隔一定时间，测量一次基准参数，例如，用数字电压表测量基准电压和接地零电压，然后用前面介绍的建立误差校正模型的方法，确定并存储校正模型的参数。在正式测量时，根据测量结果和校正模型求校准值。增益误差自动校准原理示意如图2-8所示。

增益误差自动校准电路的输入部分有一个多路开关，由传感器内的微处理器控制。校准时先把开关接地，测出这时的输出值。然后把开关接到标准电源VR，测量输出值，并将和存入内存中。通过计算可得到式（2-3）所示的校准计算式。

校准的关键在于建立系统误差模型。误差模型的数学表达式中含有若干表示误差的系数，为此，需要通过校准方法确定这些系数。例如，设信号测量值和实际值是呈线性关系的，利用上述电路分别测量标准电源VR和接地短路电压信号，由此获得误差方程组，即

式中，x1，x0分别两次测量值。

解上述方程组，可得

从而得到校准计算式，即

这样，对于任何输入电压V，可以利用式（2-3）对测量结果进行校准，从而消除传感器零点漂移和增益误差。

3.传感器外部自动校准

传感器外部自动校准通常采用高精度的外部标准。在进行外部校准时，传感器校准常数要参照外部标准来调整。例如，对一些智能传感器，只需要操作者按下自动校准的按键，显示器便提示操作者应输入的标准电压值；操作者按提示要求将相应标准电压值输入之后，再按一次键，智能传感器就进行一次测量，并将标准量（或标准系数）存入校准存储器；然后显示器提示下一个要求输入的标准电压值，再重复上述测量和存储过程。当对预定的校正测量完成之后，校准程序还能自动计算每两个校准点之间的插值公式的系数，并把这些系数也存入校准存储器，这样就在传感器内部固定存储了一张校准表和一张插值公式系数表。在正式测量时，它们将和测量结果一起形成经过修正的准确测量值。校准存储器可以采用EEPROM或Flash ROM，以确保断电后数据不丢失。

外部校准一旦完成，新的校准常数就被保存在测量传感器存储器的被保护区域内，并且用户无法改变，这样就避免了由于偶然的调整对校准完整性造成影响。一般情况下，由传感器制造商提供相应的校准流程，以及在基于计算机的测量传感器装置上进行外部校准所必需的校准软件。

2.1.3　智能传感器的量程自动转换技术

很多智能传感器的输入信号动态范围都很大，为了保证智能传感器系统的测量精度，需要设计其量程的自动转换电路。量程自动转换电路可以采用微处理器控制程控增益放大器的方法来实现，也可以通过控制模拟开关的切换来实现。

1.基本要求

量程自动转换是大多数智能传感器的基本功能，它能根据被测量的大小自动选择合适的量程，以保证测量值有足够的分辨力和准确度。除此之外，量程自动转换还应满足以下基本要求。

1）尽可能高的测量速度

量程自动转换的测量速度，是指根据被测量的大小自动选择合适的量程并完成一次测量所需要的速度。例如，当测量某一量程时，若发现被测量已超过该量程的满度（升量程阈值），则应立刻回到最高量程进行一次测量，将测量结果与各量程的降量程阈值相比较，寻找合适的量程。当发生超量程时，只需经过一次最高量程的测量，即可找到正确的量程。而在降量程（读数小于正在测量的量程的降量程阈值）时，只需将读数直接同较小量程的降量程阈值进行比较，就可找到正确的量程，而无须对逐个量程进行测量。此外，在大多数情况下，被测量并不一定会经常发生大幅度变化。因此，一旦选定合适的量程，就应该在该量程继续测量，直到发现过载或被测量值低于降量程阈值为止。

2）确定性

量程自动转换的确定性是指在升、降量程时，不应该发生在两个相邻量程间反复选择的现象。这种情况的出现是由于分档差的存在所造成。例如，某一电压表20V量程存在着负的测量误差，而2V量程又存在着正的测量误差。那么，在升降量程转换点附近就有可能出现反复选择量程的现象。假设被测电压为2V，在20V量程读数可能为1.999V，低于满度值的十分之一，理应把量程降到2V再进行测量。但是，2V量程读数为2.002V，超过满度值，应该升至20V量程进行测量。于是就产生了两个相邻量程间的反复选择，造成被选量程的不确定性。

量程选择的不确定性可以通过给定升、降量程阈值回差的方法来解决。通常可采用减小降量程阈值的方法。例如，对降量程阈值选取满刻度值的9.5%而不是10%，对升量程阈值选取满刻度值100%。这样，只要两个相邻量程的测量误差绝对值之和不超过0.5%，就不会造成被选量程的不确定性。

3）安全性

由于每次测量并不是都从最高量程开始的，而是在选定量程上进行，因此不可避免地会发生被测量超过选定量程的最大测量范围，甚至达到传感器的最大允许值。这种过载现象须经过一次测量后才能被发现。因此，量程输入电路必须具有过载保护能力。当发生过载时，传感器至少在一次测量过程中仍能正常工作，并且不会损坏。

2.量程自动转换电路举例

量程自动转换电路根据其用途的不同，分为不同的形式，但就其组成来说，可以分成衰减器、放大器、接口及开关驱动3部分。图2-9给出了电压量程自动转换电路。

在量程自动转换电路中，通常使用继电器作为高压衰减电路的切换开关，而低压电路则通常使用模拟开关。量程自动转换电路接口实质上是一个开关控制接口，无论使用何种开关，其接口电路的方式基本相同，所不同的是驱动电路。图2-9中的电压量程自动转换电路接口使用MCS-51单片机3个位输出口，驱动电路采用反向输出形式。当MCS-51单片机的某个位输出口的输出为“1”时，该位继电器开关被激励。

该量程自动转换的衰减电路具有1和100两种衰减系数。当K1被激励时，开关切换到A端，衰减系数为100；当激励撤销时，开关切换到B端，衰减系数为1。K2控制前置放大器的放大倍数。当K2被激励时，开关切换到C端，放大器增益为1；反之，放大增益为10。K3控制放大器输出，当其被激励时，放大器输出电压被衰减10倍；否则，直接输出原值。若对这3个开关动作状态进行不同组合，则该电路具有200mV、2V、20V、200V和2000V 5个量程。各量程下的开关动作状态如表2-3所示。当运算放大器为理想放大器，并且线性增益范围为-20～20V，电阻比值为R1/R3＝99和R5/R6＝9时，按表2-3中的开关动作状态，无论哪个量程电路都将输出±2V的满刻度电压。

3.量程自动转换电路的控制

仍以图2-9所示的电压量程自动转换电路为例，其后续A/D转换器若具有四位半有效读数，并且各个相邻量程分档误差的绝对值之和小于0.5%，则各量程升降阈值如表2-4所示。量程自动转换程序流程如图2-10所示。该程序被调用时，把最新的测量数据与当前量程的阈值进行比较。若当前量程合适，则显示测量读数后返回主程序。反之，则进行量程选择，找到新的合适量程后，返回主程序。下一次测量就在新选择的量程下进行。量程自动转换程序流程分为3条支路，分别是降量程、保护现行量程和升量程。

当测量读数小于当前量程降量程阈值，即时，实施降量程操作。降量程操作采用逐挡阈值比较，直到读数大于阈值，即到时为止。由于最低量程降量程阈值为零，所以总能找到合适量程。

当时，程序进入升量程支路，升量程采用一次转换到最高量程的方法，即每当发生过载后的第一次测量总在最高量程下进行。若最高量程并非为合适量程，则在下一次量程自动转换程序被调用时，自动实施降量程操作并找到合适量程。这种方法的好处在于能通过一次中间测量即可找到合适量程，而且输入电路的过载时间最短；仅为一次测量时间。

具备量程自动转换电路的传感器过载是不可避免的，其最大过载值可达到传感器的最低量程和最高量程满刻度值之比。图2-9所示电路在200mV量程下，输入值达到2000V，在这样高的过载情况下，如果没有采取保护措施，那么器件很快被过载损坏。因此，在量程自动转换电路中必须采取过电压和过电流保护措施。

2.1.4　智能传感器的标度变换技术

智能传感器在测量过程中，通常首先通过传感器把外界的各种信号变换成模拟信号，然后将其转换为微处理器能接受的数字信号。由于被测对象的各种数据的量纲与A/D转换器的输入值不尽相同，这些参数经传感器和A/D转换器转换后得到的二进制数码并不一定等于原来带有量纲的参数值，仅对应于参数值相对量的大小，因此必须将其转换成带有量纲的物理量值后才可进行运算和显示，这种转换过程即标度变换。标度变换方法有多种，选择哪种方法取决于被测定参数传感器的传输特性，在智能传感器设计过程中应根据实际要求选用适当的标度变换方法。

进行标度变换时，需要通过一个关系式，用测量得到的数字量表示出被测量的客观值，通常分为线性参数标度变换和非线性参数标度变换两种。

1.线性参数标度变换

线性参数标度变换是最常用的标度变换方法，其变换前提条件是被测参数与A/D转换结果呈线性关系。

线性参数标度变换的公式为

经变换得

式中，A0为测量量程的下限值；Am为测量量程的上限值；Ax为实际测量值（物理量）；N0为测量量程的下限值所对应的数字量；Nm为测量量程的上限值所对应的数字量；Nx为测量值所对应的数字量。

为了使程序设计简单，一般假设测量量程的下限值A0所对应的数字量N0=0，则式（2-4）可写成

在多数测量系统中，测量量程的下限值A0=0，对应的N0=0，则式（2-6）可进一步简化为

式（2-5）、式（2-6）和式（2-7）就是不同情况下的线性刻度传感器测量参数的标度变换公式。

2.非线性参数标度变换

一般情况下，非线性参数的变化规律各不相同，故其标度变换公式也需根据各自的具体情况建立，通常采用下述两种方法：按非线性参数变化规律直接进行标度变换；先进行非线性校正，然后再按线性参数标度变换进行。

下面以具体实例介绍通过被测量各个参数间的关系来确定标度变换公式的方法。在流量测量中，流量与压力差之间的关系为

式中，Q为流量；为节流装置的压力差；K为刻度系数，它与流体的性质、节流装置的尺寸有关。

可见，流体的流量与被测流体流过节流装置前后产生的压力差的平方根成正比，由此可得到测量流体时的标度变换公式，即

式中，Qx为被测流体的流量值；Qm为流量仪表的上限值；Q0为流量仪表的下限值；Nx为所测得的压力差的数字量；Nm为压力差上限值所对应的数字量；N0为压力差下限值所对应的数字量。

Qm、Q0、Nm，N0均为常数，令

式（2-9）变为

若N0=0，则