多測點(diǎn)智能溫度傳感器設(shè)計(jì)

葉廷東，黃曉紅，冼廣淋

(廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程系,廣州 510640)

多測點(diǎn)智能溫度傳感器設(shè)計(jì)

葉廷東，黃曉紅，冼廣淋

(廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程系,廣州 510640)

針對(duì)廣泛應(yīng)用的溫度檢測，設(shè)計(jì)了一種多測點(diǎn)智能溫度傳感器;該智能溫度傳感器將多個(gè)常規(guī)溫度傳感元件、信號(hào)調(diào)理電路、帶數(shù)字總線接口的微處理器連接起來，利用三維單片智能傳感器結(jié)構(gòu)集成在一塊硅基片上，實(shí)現(xiàn)了三維集成多層結(jié)構(gòu);同時(shí)智能溫度傳感器利用信號(hào)幅度、變化趨勢、多測點(diǎn)冗余故障判決和傳感信息融合方法，在實(shí)現(xiàn)傳感故障診斷的同時(shí)提高檢測準(zhǔn)確度。

溫度檢測;智能傳感器;故障診斷;信息融合;多傳感

0 引言

現(xiàn)代航空航天、自動(dòng)化生產(chǎn)、高品質(zhì)生活等領(lǐng)域?qū)χ悄軅鞲衅鞯男枨罅考眲≡龃螅瑫r(shí)微處理器技術(shù)、微電子技術(shù)、人工智能理論等快速發(fā)展，極大推動(dòng)了智能傳感器的飛速發(fā)展，智能傳感技術(shù)已成為現(xiàn)代測控技術(shù)的主要發(fā)展方向之一[1-3]。目前，智能傳感器廣泛應(yīng)用于航空航天、國防、現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、交通、智能家居等領(lǐng)域[4-5]。其中智能溫度傳感器是最早開發(fā)、應(yīng)用最廣的一類傳感器。

溫度是表征物體冷熱程度的物理量，是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中一個(gè)很重要而普遍的測量參數(shù)。溫度的測量及控制對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、節(jié)約能源、生產(chǎn)安全、促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到非常重要的作用。由于溫度測量的普遍性，溫度傳感器的數(shù)量在各種傳感器中居首位，約占50%。因此智能溫度傳感器的研究具有重要實(shí)際意義，本論文將設(shè)計(jì)一種多測點(diǎn)智能溫度傳感器，用于可靠性、檢測精度要求較高的場合。

1 多測點(diǎn)智能溫度傳感器結(jié)構(gòu)

多測點(diǎn)智能溫度傳感器主要由傳感元件、微處理器及相關(guān)電路組成，如圖1所示。智能傳感器將多個(gè)測點(diǎn)溫度量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，然后將它送到信號(hào)調(diào)理電路，經(jīng)過濾波、放大、AD轉(zhuǎn)換等信號(hào)調(diào)理流程，送到微處理器，最后由微處理器進(jìn)行計(jì)算、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析和處理。

圖1 智能傳感器原理圖

智能傳感器通常的實(shí)現(xiàn)形式是將常規(guī)的溫度傳感元件、信號(hào)調(diào)理電路、帶數(shù)字總線接口的微處理器連接起來，組合成一整體而構(gòu)成智能傳感器系統(tǒng)，如圖2所示。這種傳統(tǒng)的模塊化智能傳感器的通常有集成度不高、體積較大缺點(diǎn)。

圖2 智能溫度傳感器實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖

為此，在加工時(shí)模塊化多測點(diǎn)智能溫度傳感器時(shí)可采用微機(jī)械加工技術(shù)和大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)，使用半導(dǎo)體材料硅將上述結(jié)構(gòu)中的敏感元件、信號(hào)調(diào)理電路以及微處理器等集成在一塊芯片上構(gòu)成的，可采用如圖3所示的三維單片智能傳感器的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)形式將電源、驅(qū)動(dòng)、敏感元件、數(shù)據(jù)傳輸線、存儲(chǔ)器和運(yùn)算器等集成在一塊硅基片上，將平面集成發(fā)展成三維集成，實(shí)現(xiàn)了多層結(jié)構(gòu)。

圖3 三維單片智能傳感器的結(jié)構(gòu)圖

2 多測點(diǎn)智能溫度傳感器信息處理

多測點(diǎn)的好處在于：第一可以通過信息融合提高測量的準(zhǔn)確性；第二可以根據(jù)多個(gè)測點(diǎn)值進(jìn)行故障判決與診斷。

2.1 測量信息評(píng)估與故障診斷

在實(shí)際應(yīng)用中，智能傳感系統(tǒng)通常需要通過分析當(dāng)前所有可用信息源，對(duì)自身工作性能、狀態(tài)進(jìn)行內(nèi)部在線評(píng)估，實(shí)現(xiàn)傳感元件器件的初步故障診斷，以保障系統(tǒng)的可靠運(yùn)行、準(zhǔn)確檢測[6]。但若對(duì)所有信息源進(jìn)行分析評(píng)估，對(duì)智能傳感器的運(yùn)算能力要求會(huì)很高，并會(huì)消耗大量系統(tǒng)資源。這時(shí)可以在傳感器應(yīng)用時(shí)獲得被測溫度信號(hào)的一些特殊信息，比如該應(yīng)用場景下溫度信號(hào)變化趨勢、幅度范圍，則可使智能傳感信息的自評(píng)估大為簡化。這時(shí)我們可以為智能傳感器配置電子數(shù)據(jù)表格，在表格中預(yù)留了用戶自定義區(qū)域，它可用于記錄傳感器的各種特殊信息，如溫度信號(hào)變化趨勢、幅度范圍。應(yīng)用時(shí)，將溫度傳感器信號(hào)特征、幅度范圍等以電子數(shù)據(jù)表格形式存儲(chǔ)在微處理器的存儲(chǔ)空間上，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，通過對(duì)傳感輸出信息進(jìn)行信號(hào)幅值評(píng)估、趨勢評(píng)估等的分析，實(shí)現(xiàn)傳感元件自身狀態(tài)的判斷，確保信息源的可靠性[7]。其基本工作原理為：

將事先獲得被測溫度信號(hào)的幅度范圍M∈[ML，MH]、變化率范圍|dM/dt|≤Δ (Δ為變化率限值)等特征信息寫入電子數(shù)據(jù)表格中，在工作時(shí)，傳感信息通過表決器表決后，則利用傳感元件的實(shí)際輸出特征與電子數(shù)據(jù)表格中既定特征信息進(jìn)行比較判斷即可。若信號(hào)幅值M?[ML,MH]或|dM/dt|>Δ，則系統(tǒng)判定傳感檢測信息不可靠，傳感元件可能發(fā)生故障，從而系統(tǒng)啟動(dòng)自免疫功能，進(jìn)入故障處理程序。其中在應(yīng)用中|dM/dt|的計(jì)算可按一定周期對(duì)傳感信號(hào)進(jìn)行微分運(yùn)算得到。

上述方法可以用于單個(gè)元件故障判斷，當(dāng)存在多個(gè)測點(diǎn)時(shí)，則可以利用傳感元件檢測信息之間的相互關(guān)系進(jìn)行故障判斷。在此引入一致性測度系數(shù)，用它們來表示傳感元件之間的支持程度。為了量化各傳感元件在某一時(shí)刻觀測值的相互支持度，采用模糊數(shù)學(xué)中最大最小貼近度來度量。

設(shè)k時(shí)刻傳感元件i和傳感元件j觀測貼近度為：

(1)

則可以知道k時(shí)刻傳感元件i與其它傳感元件的一致性測度為：

(2)

由公式(2)可知，當(dāng)ri(k)接近1時(shí)，表明k時(shí)刻傳感元件i與其它傳感元件的觀測值保持一致，反之，則表明第i個(gè)傳感元件的觀測值偏離多數(shù)傳感元件的觀測值。為此可以用一致性測度來進(jìn)行檢測數(shù)據(jù)異常與元件故障判斷，即如果某一個(gè)傳感元件的一致性測度小于一致性測度閾值r0，則判定該檢測數(shù)據(jù)異常并剔除，若存在多個(gè)元件的一致性測度小于一致性測度閾值，則判定傳感器故障并進(jìn)入故障處理程序，如果沒有則進(jìn)行信息融合。冗余溫度傳感元件的故障檢測、辨識(shí)與分離過程如圖4所示。

圖4 冗余傳感元件故障判決方法

2.2 多測點(diǎn)信息融合

多傳感信息融合可以提高多測點(diǎn)溫度的檢測準(zhǔn)確的。在這里，將利用最大后驗(yàn)方法來對(duì)多測點(diǎn)溫度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合[8]。其方法為：

(3)

服從聯(lián)合正態(tài)分別,且已知估計(jì)誤差協(xié)方差陣：

(4)

那么si的極大后驗(yàn)估計(jì)為:

(5)

(6)

3 實(shí)驗(yàn)分析

為了滿足高精度測量的要求，多測點(diǎn)智能溫度傳感器選擇3個(gè)A級(jí)精度的鉑膜片熱敏電阻Pt1000組成實(shí)驗(yàn)電路來完成，Pt1000的單路溫度傳感檢測電路如圖5所示，圖中Vref用芯片REF3140產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的4.096 V基準(zhǔn)電壓作為電橋的輸入電壓。電橋輸出送到由OP07組成的差動(dòng)放大電路中，經(jīng)過放大后電壓輸出送到單片機(jī)采樣端口。

圖5 單路傳感信號(hào)檢測電路圖

智能傳感器在測試實(shí)驗(yàn)時(shí)，先將應(yīng)用場景中溫度信號(hào)的幅度范圍M∈[ML，MH]、變化率范圍|dM/dt|≤Δ特征信息寫入電子數(shù)據(jù)表格中即可進(jìn)行單個(gè)元件的故障判斷，然后采集無故障情況下3個(gè)溫度傳感檢測電路的信號(hào)，獲得各溫度傳感檢測電路的一致性測度指標(biāo)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定在信息處理時(shí)一致性測度閾值r0為0.95，然后即可利用一致性測度進(jìn)行冗余溫度傳感元件的故障檢測、辨識(shí)與分離。表1為使用各溫度傳感檢測電路分別在32℃、34℃情況下進(jìn)行測試的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表。表中Vi為各溫度傳感元件的電壓檢測信號(hào)值，Ri是計(jì)算得到的各溫度傳感元件電阻值，Ti則是得到的溫度值，ri是計(jì)算得到的一致性測度。

表1 溫度傳感檢測電路測量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

從表1可知，智能傳感器的3個(gè)溫度傳感檢測電路對(duì)溫度同時(shí)進(jìn)行檢測，第一組數(shù)據(jù)中的傳感元件S3的一致性測度較低，小于一致性測度閾值存在數(shù)據(jù)異常現(xiàn)象，在數(shù)據(jù)融合時(shí)需要將該數(shù)據(jù)剔除；第二組數(shù)據(jù)由于傳感元件S1的檢測值偏離較大，造成S1和S3的一致性測度同時(shí)低于0.95，為此智能傳感器將啟動(dòng)故障處理程序，提示用戶進(jìn)行故障處理。在排除異常數(shù)據(jù)和傳感元件故障后，可得到溫度信息的融合檢測值，經(jīng)計(jì)算其融合誤差與平均加權(quán)融合方法相比，降低了約21.4%。

4 結(jié)束語

針對(duì)普遍使用的溫度檢測，設(shè)計(jì)了一種多測點(diǎn)智能溫度傳感器：

1) 多測點(diǎn)智能溫度傳感器將多個(gè)常規(guī)的Pt1000溫度傳感元件、信號(hào)調(diào)理電路、帶數(shù)字總線接口的微處理器連接起來，組合成一整體而構(gòu)成智能傳感器系統(tǒng)。該智能傳感器利用三維單片智能傳感器結(jié)構(gòu)將電源、驅(qū)動(dòng)、敏感元件、數(shù)據(jù)傳輸線、存儲(chǔ)器和運(yùn)算器等集成在一塊硅基片上，將平面集成發(fā)展成三維集成，實(shí)現(xiàn)了多層結(jié)構(gòu)。

2)智能溫度傳感器從信號(hào)幅度、變化趨勢等方面進(jìn)行傳感信息與測點(diǎn)元件的初步故障判斷，同時(shí)針對(duì)多測點(diǎn)信息，利用一致性測度實(shí)現(xiàn)冗余傳感元件的故障檢測、辨識(shí)與分離。最后，智能傳感器利用最大后驗(yàn)方法來對(duì)多測點(diǎn)進(jìn)行信息融合，提高檢測準(zhǔn)確度，試驗(yàn)研究表明，其融合誤差與平均加權(quán)融合方法相比，降低了約21.4%。

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Design of Smart Temperature Sensor Based on Multi Measuring Point

Ye Tingdong, Huang Xiaohong, Xian Guangling

(Computer Engineering Department, Guangdong Industry Polytechnic, Guangzhou 610640,China)

In view of the widely used temperature measurement, the paper designed a smart temperature sensor based on multi measuring point. The smart temperature sensor connected multi conventional temperature sensing units, signal conditioning circuits, the microprocessor with digital bus interface together, and it was integrated on a silicon substrate using a 3D monolithic structure of smart sensor, the three-dimensional integrated multi-layer structure was realized. The smart temperature sensor used the signal magnitude, trends, fault diagnosis and sensor information fusion method of redundancy measuring point, realizes sensor fault diagnosis and improves the measurement accuracy.

temperature measurement;smart sensor;fault diagnosis; information fusion; multi-sensor

2016-04-07；

2016-06-21。

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015A020214025，2015A070710030)；廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013J4100077, 201604020049)；創(chuàng)新強(qiáng)校工程項(xiàng)目(2A11105)。

葉廷東(1976-)，男，江西南康人，博士后,副教授，主要從事新型傳感技術(shù)與無線傳感網(wǎng)絡(luò)方向的研究。

1671-4598(2017)02-0242-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.02.066

TP212

A