多传感器集成（精选7篇）
多传感器集成 篇1
0 引言
近年来随着在不同应用领域里的突出表现,无人机应用越来越广泛。无人机遥感系统的主要优势在于具有更高的灵活性,不受重访周期的限制,可以应任务需要随时起飞,并可在云下飞行,实现遥感影像的实时获取;资料的时效性强,成本大大低于载人飞机。无人机低空遥感系统属于特殊的航空遥感平台,技术含量高,涉及航空、自动化控制、微电子、地理信息等多个领域,组成复杂。无人机平台体积小、重量轻,难以使用专业航空摄影机和记录仪、稳定平台等辅助设备,且无人机多在中低空飞行,气流复杂,易导致空中姿态剧烈变化,这些因素增加了遥感影像的处理难度。总体而言,无人机遥感行业在世界范围内还属于起步阶段,当前国内外对无人机搭载单一传感器的研究较多,其研究的焦点聚集在某一类传感器的定标与定姿、数据的处理与分析上,但是对无人机上多传感器集成与同步控制方面存在欠缺,难以充分发挥多传感器集成的优势,极大地限制了多功能无人机测量系统的广泛运用。
针对上述问题,对无人机多功能测量系统进行研发,以无人机为平台载体,搭载GPS/IMU、CCD数码相机、Lidar、无线传输等多种传感器,攻关关键技术,探讨多传感器集成与同步控制这一技术难题的解决方式。
1 无人机多传感器硬件集成
无人机多功能测量系统除无人机外,传感器硬件部分主要包括惯性导航系统(INS)、GPS、激光扫描测距仪、数码相机、中心控制单元以及操作控制终端:
(1)姿态测量装置INS。
惯性导航系统INS由惯性测量单元IMU和导航电脑组成。一个IMU包括3个单轴的加速度计和3个单轴的陀螺。加速度计监测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号,而陀螺监测载体相对于导航坐标系的角速度信号。这些信号传输至导航电脑进行系统误差补偿后计算相关姿态矩阵、重力改正、加速度积分及速度积分,输出载体在导航坐标系统中3个位置、3个速度以及3个姿态的定位与导航信息。
(2)定位测量装置GPS。
GPS是机载激光扫描系统主要的定位数据来源。GPS在机载激光扫描系统中的作用:提供传感器在空中的三维位置,为后续的INS和GPS集成提供数据来源;为姿态测量装置INS提供数据,消除INS中陀螺系统的漂移并参与陀螺系统的修正计算;为导航显示器提供导航数据。GPS和INS是机载定位和定姿的主要数据来源。
(3)激光扫描系统。
机载激光扫描测距系统是对地定位的重要数据来源。扫描转镜平面在电机的带动下旋转,同时,编码器随着转镜同步转动,给出同步触发脉冲送到激光器控制器和激光探测器等电学系统。当转镜平面朝向天底方向某一视场范围内时,激光器在控制器的触发下输出激光脉冲。发射激光经转折棱镜和平面转镜的导向射向地面。地面的后向散射回波经平面转镜被望远镜主镜收集,再由望远镜次镜汇聚到回波探测器上,从而检测到回波脉冲信号。激光发射光路上设有一块分色片,将绝大部分光束波脉冲与回波脉冲一起送到距离计数器,得到扫描方向的地面采样点的斜距数据,实现扫描测距。
(4)数码相机。
无人机搭载的主要遥感传感器为面阵CCD数码相机,一般市面上的小型专业级数字相机不能达到要求。为使获取的遥感影像能够满足大比例尺测图的精度要求,相机在使用前需根据相机的几何成像模型,进行专业检测、检校工作,得到相机的内外参数,测定每个像元的畸变量。大面阵CCD数字相机由于获取的影像数据量较大,需配置专用的数据传输和存储系统。
设计的无人机多功能测量系统采用的硬件配置为:
(1)无人机:巡航速度90~130km/h,续航时间3~5h,升限5000m,有效载荷20kg左右,起降方式为滑跑飞降。
(2)GPS/INS:Novatel公司的SPAN系列POS系统,用于提供无人机的精确位置和姿态,采用单点定位模式时,在卫星信号良好的情况下,经处理后的位置精度可以达到亚米级,姿态精度能达到0.01°;当采用差分定位模式时,后处理的位置精度可以达到厘米级。授时型GPS的PPS脉冲及数字时间信号用于激光扫描仪对时以及产生相机触发同步信号。Riegl-Q160激光扫描仪1s可以获得10000个点的测距信号,每个点的信息都包含时刻、角度、距离和反射强度信息,最远扫描距离200m,角度分辨率可达0.1°,测距精度25mm。
(3)激光扫描系统:高精度Riegl Q160线阵激光扫描仪,脉冲频率100kHz,测量覆盖能力360°全视场角,4次激光回波,具有穿透测量能力,激光点云平面精度10cm,激光点云高程精度5cm,点云点间距10cm,照片分辨率500万像素。
(4)数码相机:采用高分辨率CCD相机,Canon 5D Mark II,28mm定焦镜头,影像最大分辨率:5616×3744,传感器尺寸:36×24mm,像元大小:0.00641mm。
2 时间同步技术
多传感器集成联合使用,为得到地物更多更完善更准确的信息,必然要解决一个关键问题———同步。为了能将同一时刻各种传感器测量出来的数据关联起来,需要一种统一的时间坐标。在利用CCD影像进行立体测图时,必须知道CCD曝光采集时刻摄站点的位置及姿态,由GPS和INS提供。
考虑到GPS接收机最普遍的功能是输出定位数据(含UTC时间)和1PPS脉冲,脉冲边沿和输出定位数据时刻对应,专门设计通过一个授时型GPS和时间同步控制器实现各传感器数据的同步记录。将GPS输出的时间信号和PPS信号引入至时间同步控制器,对时间同步控制器进行对时。同步控制器先给Riegl激光扫描仪授时,扫描仪在接收到PPS信号后,将秒计数清零,从而获得精确至微秒的时间。同步控制器同时用于触发相机曝光,并将曝光时刻发送至计算机记录下来。从而实现POS、CCD相机、激光扫描仪数据的时间都为统一的GPS时间,达到多数据源时间基准统一的目的。
3 标定技术
无人机平台的各个传感器都有着各自的坐标系统,POS获得载体平台在WGS84坐标系下的位置和姿态信息,激光扫描仪获得扫描点在扫描平面极坐标系下的距离和角度值,CCD相机获得像元在相机焦平面坐标系下二维坐标。最终解算出的激光点云和正射影像图均需转至当地高斯坐标系下。
由激光点和POS的定位测姿信息生成激光点云需经过三步坐标变换(如图1所示)。
采用7参数模型将激光点二维平面坐标转至IMU空间坐标系下时,7个转换参数(3个平移量,3个旋转角度和1个尺度因子)需要进行标定才能获得。目前激光器外参数的标定仍是一个技术难题,尚未有通用的方法。其原因一方面在于激光光电的不可见,另一方面在于很难通过布设控制点的方法来反算转换参数。
采用ICP算法对Riegl扫描仪与IMU之间的相对关系进行标定。将整套数据采集系统放置在推车上,对空旷路面上的一个规则木箱进行来回扫描。尺度因子置为1,平移量和旋转量均置为0,解算得到两个点云集,此时由两个点云生成的图像不完全重合。以第一次扫描的点云为参考点云,第二次扫描的点云为目标点云,利用ICP算法计算得到目标点云至参考点云之间的旋转矩阵和平移矩阵。平移矩阵的各个分量除以2便得到激光扫描仪原点在IMU坐标系中的坐标,旋转矩阵十分接近单位阵,说明各个旋转角非常小,可以认为激光扫描仪空间坐标系与IMU空间坐标系平行。
由于POS能直接提供其导航中心的位置与直升机的航向、俯仰和横滚(HPR),因此相机的标定采用布设地面控制点的方法。
4 实验验证
为了验证研制的无人机集成空间信息获取平台的适用性,利用构建好的无人机多功能测量系统在实地进行飞行实验。以广东某区域进行实验飞行,影像面积为257m×171m,航拍空间分辨率为0.05m,航拍飞行高度为200m。
实验获取了分辨率为5616×3744,地面分辨率约为0.05m的无人机影像,航拍照片550张。原始航拍数据如图2所示。
同时获取了该地区同步的激光扫描数据,由于无人机航飞高度较低,激光点云密集度达到数千点每平方米,数据精度高。基于采集数据集,分别依据有、无激光数据,生成正射影像数据。对密集的激光点云进行滤波,对滤波后的点云使用反距离法生成DEM,并修补空洞获得正射纠正所需的DEM数据。激光扫描数据成果如图3所示。
使用影像内外方位元素以及DEM数据,对影像进行正射纠正,然后对多幅正射影像进行镶嵌,完成处理全部550张数据,获得区域镶嵌正射影像图,如图4所示。
实验结果表明研制的无人机多功能测量系统,在多传感器同步和标定技术方面都取得了一定成果,能实现GPS/IMU、CCD数码相机、Lidar、无线传输等多传感器集成与同步控制,采集航片效果良好,可以获取到同步的高分辨率、高精度的POS数据、航片数据以及激光扫描数据。航飞的成果可以作为高精度的DEM、DOM数据制作的优质数据源。
5 结语
无人机多功能测量系统可广泛应用于国土资源调查、森林防火、交通监控、安全防范与应急响应、勘查设计、电力巡线、测绘制图等领域。
参考文献
[1]郑团结,缪剑,高德俊,等.基于机载三维激光扫描的实时一体化摄影测量及数据处理[J].测绘科学,2007,32(1):64-66
[2]朱长青.计算方法及其在测绘中的应用[M].北京:测绘出版社,1997
[3]徐卫明,舒嵘.利用GPS接收机实现多传感器同步工作的两种方法[J].遥感技术与应用,2003,18(6):404-406
[4]李德仁.数字摄影测量[M].北京:测绘出版社,1991
CMOS集成温度传感器 篇2
从空调系统、冰箱、电饭煲、电风扇等家电产品直至PC机、服务器、计算机外设、移动电话手机等,都需要具有温度传感功能的器件。集成温度传感器与目前常用的传统的温度传感器,如热电偶、铂电阻、双金属片等相比,具有体积小和高集成等优点,能用于控制电路或计算机接口,更加适合在集成电路系统中应用,为未来温度传感器的发展方向。
本文利用CMOS工艺中寄生PNP晶体管的温度特性,研究和设计了一种全集成的温度传感器,该温度传感器的工作范围为-40oC~120oC,温度误差小于2℃,功耗为0.75m W。
2 总体结构
本文设计的温度传感器的电路结构框图如图1所示,主要包括感温电路、采样比较电路、DAC、逻辑电路等。
集成温度传感器的工作原理:利用带隙基准原理设计获得一个不随温度变化的基准电压Vbg;利用CMOS工艺下的寄生衬底PNP双极型晶体管[1]的温度特性,可以产生一个与温度成反比的Vbe电压。根据两个电压Vbe(三极管be结电压)和Vbg(带隙基准)随温度变化情况,输入到模数转换器(ADC)中,经过模数转换器的处理,输出与温度相关的数字信号存入寄存器。数据处理单元从寄存器中读取温度数据,进行数据拟合,最终得到片内温度。
3关键电路设计
3.1感温电路
有多种传感原理可用于设计CMOS集成温度传感器,比如利用MOS晶体管在弱反型区的温度特性,利用MOS晶体管阈值电压VT的温度特性等[2],其缺点是高温下会产生漏电流、复现能力低、容差大和长期稳定性差,在高性能要求时必须有大范围的微调和校准工作[3]。本次感温电路的设计主要利用在CMOS工艺中寄生双极晶体管作为实现温度传感器功能的器件,其优点是低成本、出色的长期稳定性、可预测性较高、工艺的兼容性较好[4]。其结构如图2所示。
双极型晶体管PNP2的基极-发射级的电压Vbg为:
运算放大器OP、PMOS管P1、电阻R1~R3、双极管PNP1 和PNP2形成基准电压源,产生不随温度变化的电压Vbg为:
电压Vbg和Vbe的仿真结果如图3所示,可以看出,温度范围在-40oC~120oC电压Vbg的电压变化量为2.3m V,电压Vbe与温度成反比,电压变化量为310m V。
3.2采样比较电路
由于温度传感器对ADC的速度要求不高,本设计采用单端结构实现的采样比较器,通过逻辑控制,使比较器在不同的控制逻辑下,分别工作于运算放大、比较器,实现采样、比较的功能。选择这种比较器,可以省略比例放大器,同时能避免一般差分比较器的失调,从而提高传感器的线性度和精确度。其结构如图4所示。
采样电路主要是分别采取与温度成反比的Vbe电压、不随温度变化的基准电压Vbg。工作过程以Vbe为例:
A、采样阶段,控制开关r_h打开、采样开关vdac_h关闭、采样开关vbe_h、rt_sel_h打开,感温电压Vbe输入采样电容c1 的一端,采样电容的另一端VN与基准电压vref相同,采样电容c1的电压差位为
B、比较阶段,控制开关r_h关闭、采样开关vdac_h打开、采样开关vbe_h、rt_sel_h关闭,电压Vdac输入采样电容c1 的一端,由于电容两端的电压不能突变,电容另一端的电压为VN为
比较器比较Vdac与Vbe的大小,若Vbe大于Vdac,比较器输出逻辑高电平VOH;若Vbe小于Vdac,则比较器输出逻辑低电平VOL。Vbg的采样比较过程依次类推。
3.3 DAC电路
DAC电路主要是将逐次逼近型逻辑寄存器的输出值sar_value[9:0]转变为模拟量电压Vdac。DAC主要包括寄存器、电阻网络两部分。结构如图5 所示。寄存器主要实现对sar_value[9:0]的寄存,产生电阻网络的控制信号。
DAC选用加权电阻阵列,采用R-2R与2R电路网络相结合的方式,其结构如图6所示。
输出电压可以表示为:
其中Si代表sar_value<i>的逻辑值,avdd表示输出电压。
3.4 逐次逼近寄存器
逐次逼近寄存器[5]协调DAC比较器共同工作,完成逐次逼近逻辑,主要使用具有复位和置位功能的触发器串行构成的移位寄存器实现逐次逼近寄存器。完成一个数据的转换需要十五个周期,其中启动占用一个周期,对输入的模拟信号进行采样占用二个,逐次逼近转换过程占用十个,逐次逼近寄存器如图7所示,图中EOC表示结束信号,CLK为时钟信号,DVDD、GND表示电源和低电平,R表示复位信号,sar_bit<9:0>表示比较结果,COM表示比较器的比较结果。
10位寄存器首先设置在中间刻度512(即:100000000,MSB位D9=1)。此时,DAC输出(vdac)被设为avdd/2,avdd是提供给ADC的基准电压。然后,比较判断Vbe是小于还是大于Vdac,如果比较器输出逻辑高电平,sar_bit<9>即寄存器的MSB保持为1。相反,如果比较器输出逻辑低电平,sar_bit<9>清为0。随后,逐次逼近控制逻辑移至下一位,并将该位置为高电平,进行下一次比较。这个过程一直持续到最低有效位(LSB)。经过十个周期完成转换,10 位转换结果m1 储存在寄存器内。同理,由Vbg拟合出来的数值m2,与m1不同的是,由于Vbg是带隙基准电压,所以m2基本不随温度的变化而变化。
4 芯片版图和仿真结果
使用tsmc N65 的5X1z工艺文件绘制的CMOS集成温度传感器如图8所示,在版图绘制时,比较器的差分管、DAC的电阻要注意匹配,感温电路要注意隔离。
经过版图参数提取后,本文设计的CMOS集成温度传感器的系统后仿真结果如图9所示,图中的DEC信号表示内部电压Vbe、Vbg的转换结果。
利用恒温箱、开发板、示波器、直流稳压源、温度测量仪等仪器在-40oC~120oC的温度范围内将温度传感器芯片放在恒温箱内,FPGA芯片放在恒温箱外的测试,测量结果如表1 所示,表中T0表示温度传感器放置环境-恒温箱的设定温度,m1、m2分别表示从示波器读取的内部电压Vbe、Vbg的转换结果,T1表示经过数据处理单元得到的片内温度,T’表示温度传感器的温度误差。在-40oC~120oC的温度范围内,不包括数据处理单元,芯片的平均功耗为0.75m W。
5 结论
本文设计了一种CMOS集成温度传感器,感温电路主要利用CMOS工艺下的寄生衬底PNP双极型晶体管的温度特性,产生与温度成反比的电压Vbe和基本不随温度变化的电压Vbg,通过10位逐次逼近型数模转换电路实现温度量的数字信号输出,通过后续的数据处理,实现片内温度的检测。基于65nm CMOS工艺,完成了电路和版图的设计,试验结果表明,该集成温度传感器在-40oC~120oC,温度误差小于2℃,功耗小于0.75mW,满足集成电路系统中温度传感器的需求。
参考文献
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[2]Middelhoek S,Auder S A.Silicon Sensors[M].London:Aca-demic Press,1989.
[3]Szekely V,Rencz M.CMOS temperature sensors and built-intest circuitry for thermal testing of ICs[J].Sensors and Actua-tors,1998,71:10-18.
[4]陈贵灿,程军,张瑞智.模拟CMOS集成电路设计[M].西安:西安交通大学出版社,2002:309-321.
多传感器集成 篇3
采用仔细选择的模拟元件、32位ARM处理器内核以及合适的数字外设组合, 能以分立式解决方案所无法实现的方式达成这些目标。影响最大的集成元件有:模拟放大器、ADC、DAC、基准电压源、温度传感器、无线收发器和信号处理加速器。
有很多应用领域都具有潜在优势, 包括:工业现场仪器仪表应用/精密检测、电机控制、太阳能逆变器等。
现场仪器仪表:过程控制中的低功耗传感器
现场仪器仪表是过程控制系统的一部分。后者广泛用于各种领域, 比如石油和天然气处理、食品处理、汽车以及半导体制造等。它们常常部署在恶劣环境下, 比如需要远程控制、具有极端温度和安全风险 (如爆炸危险) 等。在这些困难条件下, 器件必须能够可靠、准确地测量过程变量, 如温度、压力和流速。由于要接触这些设备具有一定的难度, 因此未来的趋势是将它们设计得更为智能化, 从而更高效地进行通信、自我校准以及更好地诊断问题。在网络边缘中引入智能是很多应用共有的趋势, 助推新一代嵌入式系统的设计目标向更激进的方向发展。就现场仪器仪表而言, 难点在于增加新功能而不增加功耗、尺寸并且不影响测量性能。在现场仪器仪表中加入新功能的特定例子有:HART调制解调器的通信功能、电子电路诊断功能以及尺寸更大、分辨率更高的显示器。此外, 若要为现场仪器仪表优化模拟微控制器, 则必须首先了解行业趋势, 然后还要深入理解系统级要求。拥有系统知识, 便可选择正确的集成模块。
对于单芯片数据采集子系统来说, 从电路级架构角度出发, 可以获得大量的系统级优势。这便为实现激进的功耗、尺寸和性能目标提供了可能性。实现高效而灵活的现场仪器仪表数据采集方案所需的IP有:模拟多路复用、仪表放大器、Σ-Δ型ADC、基准电压源、可编程电流源、ARM M3微控制器内核、Flash、定时器、看门狗和数字串行接口。框图显示针对现场仪器仪表优化的IP, 经过集成后, 它们可良好地协调工作, 从而提供能效与尺寸方面的优势, 并允许加入额外功能。
大部分现场仪器仪表设备通过双线式模拟环路通信, 采用4 m A-20 m A电流信号。这类环路使用广泛的原因是它们成本低、稳定性高, 并且具有噪声抗扰度, 不会产生压降。另外, 4 m A-20 m A环路还可用来为现场仪器仪表供电。这种受限型电源使得仪器仪表对电源十分敏感, 即吸取的电流必须低于环路源电流能力的下限4 m A。具体而言, 电流预算为3.5m A。现场仪器仪表中全部电子器件的总消耗电流不可超过该值。对于数据采集元件而言——包括信号放大、模数转换、数字信号处理、诊断、校准和控制——此部分预算需小于2m A。从系统角度来理解这个预算, 便能针对应用设计并优化集成式模拟微控制器。
模拟微控制器中的所有主要IP模块都需针对功耗进行优化, 满足2 m A以内的功耗目标。实现这一目标的关键器件有:仪表放大器、ADC和微控制器子系统。单个ADC通道的功耗目标为150 u A以内。对微控制器子系统进行功耗优化时, 应当包括对低功耗工作的电路设计优化、对调节时钟频率以控制功耗的能力进行优化, 以及对某段时间内不使用的外设的时钟关断进行优化。这些优化可以实现800u A以内的功耗, 并让内核工作在能够处理全部所需功能的速率下, 比如2MHz。
除了功耗, 选择正确的ADC并进行适当配置对于性能和尺寸而言同样十分重要。系统性能是ADC效果最直观的反映。ADC精度越高, 过程变量的测量结果就越精确。这最终会提升控制能力和性能。对于现场仪器仪表而言, 16位分辨率是较为常见的要求, Σ-Δ转换器便能很好地满足这种精度要求。
在现场仪器仪表设计中, 经常会出现两个或更多传感器。这类应用实例有:温度测量和压力测量。这对ADC、仪表放大器和多路复用芯片设计的配置都会有影响。集成两个ADC, 就能测量两个过程变量。采用多路复用可增加输入数量。对于温度测量而言, 可以将一个ADC与热电偶对接, 另一个ADC与电阻温度检测器 (RTD) 对接。热电偶的电压输出与两个端点之间的温度差成正比, 其一端参考目标 (比如极高温金属) , 另一端参考电子元件的温度。第二个ADC用来测量RTD, 后者为电子元件提供绝对参考温度。利用参考温度及其与目标之间的差异, 目标温度便能由ARM M3微控制器内核精确计算得出。
对于压力测量而言, 主ADC测量阻性电桥压力传感器。第二个ADC测量温度, 以便用于温度补偿以及提供整个温度范围内的更佳精度。灵活的多路复用允许测量静态压力补偿值。
需要提供额外功能并保持尺寸与功耗预算不变的一个例子便是HART (可寻址远程传感器高速通道) 调制解调器功能。HART调制解调器采用数字双向通信标准, 它在标准4 m A至20 m A模拟环路上调制一个1 m A峰峰值FSK信号。若要加入这个功能, 就必须在总功耗预算中留出裕量。前文所讨论的优化在这种情况下适用。另外, 还需考虑微控制器子系统。微控制器内核需实现该性能, 同时保持能效以控制HART调制解调器并驱动环路供电型DAC, 它还需执行处理测量数据、诊断和校准等任务。
选择正确的元件实现芯片级集成和优化固然重要, 但开发高效率集成系统还需要掌握目标市场要求与趋势等丰富知识。系统级目标——比如增加功能而不增加功耗水平与尺寸——要求芯片供应商与最终系统开发商之间展开密切合作。为了便于展开这种合作, 半导体供应商需对电路板级要求具有充分的理解, 例如:外形尺寸、温度范围、制造工艺、功耗、成本以及信号链中的补充器件。
摘要：本文通过介绍几种不同的现场仪器仪表的缺点与不足, 分析了ARM M3/M4处理器内核与适当的模拟元件集成后, 如何实现现场仪器仪表应用的系统级优化。
多传感器集成 篇4
随着网络科学技术的不断发展,作为国民支柱的制造业逐渐朝着数字化和网络化的方向发展,同时制造设备的智能化、网络化、大型化、集成化、复杂化、信息化程度也在不断提高。若设备某些部件或加工流程的某些环节发生故障,将严重影响企业的生产并造成巨大的经济损失和设备的损毁。因此,为了提高设备利用率和提升产品生产质量及生产效率,减少企业由于设备故障而导致的损失,必须对反映机械设备运行工况的重要参数进行监测[1]。目前在很多工业现场,设备状态信息数据采用有线方式传输,但随着无线传感器网络应用研究的深入,许多制造工厂也已经将无线传感器网络用于生产设备信息检测,特别在生产条件比较恶劣的环境中,比如核电厂的发电机组、矿山和冶金中用的回转窑等各种旋转机械、钢铁热轧车间中的自动化加工设备等工业现场设备。为此,将无线传感器网络用于设备状态信息的检测,无需布线,更加灵活地布置传感器节点以适应各工业现场,构建出高效低成本的设备信息集成网络具有重要的实际应用价值。图1为信息检测集成系统原理图。
1 无线传感器网络(WSN)
无线传感器网络(WSN,Wireless Sensor Networks)是由大量分布式传感器节点组成的面向任务型自组织网络,它能为传感器、执行器和控制器之间提供冗余、容错的无线连接通信[2]。作为一种新兴技术,无线传感器网络涉及微机电系统(MEMS)、片上系统(SOC)、传感器、纳米材料、无线通信、计算机网络、分布式信息处理等技术。在国防军事、工农业控制、智能家居、卫生医疗、环境监测、抢险救灾、危险区域作业等领域都有广阔的应用前景。
当前,如何面向工业应用开发出实用可靠的无线传感器网络系统,已成为迫切需要解决的问题。表1所示为工业环境下无线通信系统的要求[2]。
2 基于无线传感器网络的设备状态信息检测集成系统的设计与实现
为了满足工业环境下无线传感器网络应用要求,我们采用ATmega128L单片机作为传感器节点的主控制器;以TinyOS作为节点的嵌入式操作系统;用CC2420芯片作为节点的无线通信控制芯片;以基于IEEE 802.15.4标准的ZigBee作为传输协议;并根据实际检测需要设计相应的电路以及相应的传感器接口。图2所示为无线传感器节点硬件系统结构图。
2.1 系统硬件设计及实现
2.1.1 ATmega128L
ATmega128L是基于AVR RISC的低功耗8位单片机,最高工作频率可达16 MHz,具有128 KB Flash内部存储器、4 KB EEPROM和4 KB SRAM数据存储空间,同时还可以扩展外部存储器,并且采用了JTAG技术;有64个I/O引脚,都与通用单片机兼容;片内提供1个串行外围接口SPI,1个两线串行接口TWI和2个通用同异步串行接口,用于与外部元件的通信;并提供8通道10位采样精度的A/D转换器,该器件同时支持16路差分电压输入组合[3]。正由于ATmega128L高性价比,以及丰富的片上资源,很适合作为无线传感器网络节点的主控制单元。
2.1.2 CC2420芯片
CC2420是一款符合2.4GHz IEEE 802.15.4标准的射频收发器。它基于SmartRF03技术,以0.18μm CMOS工艺制成,只需极少外部元器件,性能稳定且功耗低。CC2420芯片还具有硬件加密、安全可靠、组网灵活、灵敏度高、抗干扰性强的特点。利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输速率高达250kb/s,可以实现多点对多点快速组网,而且成本低廉[4]。CC2420芯片采用IEEE802.15.4规范要求的直接序列扩频方式(DSSS)和O-QPSK调制方式,并为IEEE802.15.4的数据帧格式提供硬件支持。
CC2420和MCU连接十分方便,CC2420有4个SPI通信接口:CSn、SI、SO、SCLK,刚好对应ATmega128L的4个SPI通信接口:SS、MO-SI、MISO、SCLK。通过这4条线,处理器可以对CC2420进行写入或读取操作,也可以收发数据。CC2420使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA4个引脚表示收发数据状态。图3为CC2420和MCU接口实例。
2.1.3传感器接口电路
设备信息状态的检测主要靠各监测点的传感器,而对于不同的传感器输出的信号需要经过不同的信号放大调理电路来处理,因此,我们设计了一些典型信号的接口电路:
(1)工业开关量信号
对于工业设备操作面板上的开关量,我们用拨码开关连接到ATmega128L作为输入的PA口,外接电阻将其拉到高电位。当有开关拨下时,输入与地连接,检测到低电位。控制程序一直检测PA口的状态是否与前一次相同,若不同则表示有新的开关动作。图4为其与八位拨码开关的连接图。
(2)模拟信号和数字信号
节点上有A/D转换接口和GPIO口,如果是模拟量,只需要把信号接到A/D转换接口,如图4,但是要注意传感器信号的输出幅值不要超过芯片的参考电压值(3.5V)。如果超出了,需要把信号的幅值衰减到合适的范围。如果是数字量,标准接口输出,如RS232等,只需要接到节点上的相应接口,如图5,并修改相应程序;如果不是标准接口,把信号线连到空闲管脚,并针对该传感器开发相应驱动程序。
(3)非标准信号,如电荷等
考虑到传感器在满足精度要求的情况下易于安装的要求,我们选择了以压电式加速度传感器来检测设备的振动信息。压电式加速度传感器的前置放大器有电压放大器和电荷放大器两种。因为电压放大器的输出信号易受连接电缆对地电容的影响,所以我们选择电荷放大器作为前置放大器较适宜。所谓电荷放大器就是输出电压正比于输入电荷的一种放大器,它是用电容负反馈,并具有高输入阻抗和高增益的一种运算放大器。电荷放大器与压电式加速度传感器及连接电缆构成的等效电路如图6所示。图中q0是压电式加速度传感器产生的总电荷,它由振动产生;C0、R0为传感器的电容量和绝缘电阻;CL为连接电缆的电容量:C1、R1为电荷放大器的输入电容和输入阻抗;CF为反馈电容。因为电荷放大器是高增益的,所以一般情况下,输出电压U:
U≈-q0/CF (1)
由上式可以看出输出电压U值与传感器产生的总电荷q0和反馈电容CF有关,与连接电缆的电容量CL无关。
有时由传感器输出的信号虽然经过电荷放大器放大,其输出电压U仍然很小,可能只有几微伏。要想清楚地观察振动强度的大小,还该对电压U信号
2.2 节点软件设计
2.2.1 IEEE 802.15.4协议和ZigBee
IEEE 802.15.4是2004年提出的无线标准的安全网络技术,主要定义物理层和MAC层的协议,其余协议主要参照和采用现有的标准,主要应用场合是传感器网络和自动化控制,针对低复杂度、低功耗、低数据速率的短距离网络。IEEE 802.15.4定义了2个物理层标准,即2.4GHz物理层和868/915MHz物理层。这2个物理层都基于直接序列扩频DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum),使用相同的物理层数据包格式;区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率[5]。2.4GHz波段为全球统一、无须申请的ISM频段,有助于15.4设备的推广和生产成本的降低。2.4GHz的物理层通过采用高阶调制技术(O-QPSK)能够提供250kb/s的传输速率,有助于获得更高的吞吐量、更短的通信时延和工作周期,从而更加省电。图8为IEEE 802.15.4协议栈架构。
ZigBee技术建立在IEEE 802.15.4协议规范之上,制定了网络层和应用层标准,如图9。其中,网络层负责网络拓扑的搭建和维护,以及设备寻址、路由等;应用层负责数据流的汇聚、设备发现、服务发现、安全和鉴权等。
无线传感器网络采用ZigBee协议来传输数据是由于其满足了大部分在工业环境下无线通信的要求(见表1),具体特点如下:成本低,传输速率低,协议简单,降低了成本;激活节点延时短,传输能耗低,增加电池寿命;2.4GHz全球免执照频段,通用性扩展性强;支持星型(Star)、树型(Cluster Tree)和网状(Mesh)拓扑结构,采用IEEE标准的64bit编址和16 bit短编址,最大容纳65000个节点,网络容量和规模都可扩;采用CSMA-CA技术来避免发送数据的竞争和冲突,而且MAC层采用了完全确认的数据传输模式,通信可靠性高;支持CRC(循环冗余校验)的数据包完整性检查和AES-128加密,信息传输安全性高。
2.2.2 TinyOS嵌入式操作系统
TinyOS是一个开源的嵌入式操作系统,主要应用于无线传感器网络方面。它基于一种组件(Component-Based)的架构方式,能够快速实现各种应用。TinyOS的程序采用的是模块化设计,所以它的程序核心往往都很小(一般来说核心代码和数据大概在400 Bytes左右),能够突破传感器存储资源少的限制,这能够让TinyOS很有效地运行在无线传感器网络上并去执行相应的管理工作。TinyOS本身提供了一系列的组件,可以很简单方便地用nesC语言编制程序,用来获取和处理传感器的数据并通过无线来传输信息。
TinyOS在构建无线传感器网络时,会有一个基地控制台,主要是用来控制各个传感器子节点,并聚集和处理它们所采集到的信息。TinyOS提供一系列可重用的组件,一个应用程序可以通过连接配置文件将各种组件连接起来,以完成它所需要的功能。TinyOS的应用程序都是基于事件驱动模式的,采用事件触发去唤醒传感器工作。可根据需要在TinyOS中控制ATmega128L进入以下6种睡眠模式:空闲模式、ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、待命模式以及扩展待命模式,以节省能耗。同时,各种睡眠模式都有各自的唤醒源,当有数据需要处理器处理时,便可由唤醒源将其唤醒,进入工作状态,一旦处理完成,再次进入睡眠状态。采用这种工作方式,节点能够最大限度地节约能耗。
3 系统实验测试
根据设备监测的需要采用振动和温度传感器节点构成如图10网络,其中基节点与PC主机通过串口连接,接收各传感器节点发送来的检测数据,传给主机显示处理。实验中,节点以20Hz的采样频率连续采集温度和振动数据,图1 1为接收到的未经数值标定的振动和温度数据。实际应用中,当设备正常运转时,节点以较长周期定时检测设备状态信息,以节省能量消耗延长节点工作时限。一旦检测到某项状态信息异常,如振动频率或幅值超过阀值,基节点将唤醒所有休眠节点进行持续采样,以为分析决策提供准确详细的数据。通过实验还验证了单个节点通信覆盖范围,在直线可视情况下有效通信距离为120m,在有机床设备等一般障碍物情况下有效通信距离为50～60m左右,满足多数工业现场的应用需要。
4 结论
本文在工业无线技术应用背景下将无线传感器网络应用于设备状态信息检测集成系统,针对各应用场合开发设计传感器节点。软件设计及硬件选型都充分考虑了节点成本和电池使用寿命,经过实验验证,系统运行可靠。由于对PLC信号的监控都由配套的组态软件完成,今后要分析PLC信号,并提取相关信号,完善整个工业设备状态信息检测与故障诊断集成系统。
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多传感器集成 篇5
随着人们使用可穿戴健康监测器和智能设备数量的快速增加, 通过这些设备来监测我们的活动与健康的想法已经深入人心。据市场分析公司CCS Insight的研究报告, 可穿戴设备的销量从过去两年到2015年增长了六倍, 并有望在未来三年内保持相同的增长速度, 到2018年将超过1.7亿台 (如图1所示) 。
推动这一增长的部分原因是这些设备给重视健康的人们带来了好处, 但未来的增长可能源自更多样化的用户案例。这些设备收集数据的质量已达到可满足医学专业人士要求的水平;“低调”地收集数据的方便性也很重要, 但也许真正的好处尚待挖掘。关键技术领域 (如传感器、通信和超低功耗工作) 的持续创新正在可穿戴设备上不断得到应用, 预示着更好的产品还会源源不断地出现。
可穿戴设备集成度不断提高
业界的共识是可穿戴设备市场正在发展演变, 且“第三代”设备将由于诸多原因会吸引大量用户。这些设备的明显智能化将使它们能够根据其位置、活动或大环境而调整其工作模式。这将通过使用功能更强大的传感器来实现, 从而产生更多有用数据。如今, 可穿戴设备已从基于运动传感器 (通常是三维加速计) 的简单设备, 发展成为集成了压力传感器、陀螺仪和其他传感器的设备, 使其能够确定用户的活动类型。如徒步行走、跑步、骑车或游泳 (如图2所示) 。这一趋势继续发展下去将包括温度传感器、湿度检测器以及心率监测器, 从而在更广泛活动中获得更全面的生理数据。在不远的将来, 我们的可穿戴设备将会包括更多生物传感器, 从而可以连续在白天与夜晚测量和记录更多生理参数。
另一个潜在发展是使用音频和视频传感器, 来提供更多的情境感知 (context awareness) 。例如, 如果麦克风检测到与旅行有关的背景噪声, 则其可能将设备置于监测困倦模式;而在没有环境光照的情况下, 可能表明设备适合进入睡眠模式。
这种连续监测情景引出了一个重要的考虑事项——功耗。多数市场数据表明, 设备两次充电之间的可用时间是影响消费者便捷式设备购买选择的关键因素。由于对于连续使用的需要, 可穿戴设备的电池续航时间需要超出消费者的期望。这意味着除了集成更多传感器和功能, 第三代可穿戴设备还需要有更好的续航能力。
为此, 许多制造商都在寻找用于补充电池电量, 甚至帮助给可穿戴设备充电的创新途径, 如能量采集和无线充电 (如图3) 。这两种技术的发展速度几乎与可穿戴设备市场一样快;前者使用包括光伏、热电和振动发电机等技术来提供小而适用的电能水平, 而后者可提取背景或直达RF波中存在的能量并将其转化为电。这两种技术都显示出光明的前景, 并且将来有可能在可穿戴设备市场上发挥重要作用。但目前最有可能的解决方案依然是可充电的电化学电池, 这些电池尽管需要充电, 但只有它们可以为采用无线连接的小型可穿戴设备提供其所需的能量密度。
更高的安全性保护用户数据
在消费者期望已经很高的情况下, 第三代可穿戴设备需要更加无缝地融入日常生活, 特别是在数据收集方面。这一直是并仍将是无线连接的主要应用;即使仍然有必要摘下可穿戴设备并将其放在平台之上、之中或附近进行充电, 用户也不会愿意只是为上传数据而受此麻烦。
到目前为止, 可穿戴设备最广泛使用的无线技术是蓝牙, 具体而言是最新的低能耗 (Low Energy) 蓝牙技术。像开放标准无线协议的其他例子一样, 安全性也是蓝牙规范不可缺少的组成部分, 其最新版本 (4.2) 推出了一系列安全增强。然而, 随着可穿戴设备从运动跟踪器发展成为医学监测器, 对更高安全性的需求也在增加。对于分享敏感医学数据的解决方案, 制造商和消费者对安全性都提出高要求。所以Dialog在其针对可穿戴设备技术的解决方案中采用了加密技术, 确保数据即使在无线链路受到黑客入侵时仍然是安全的。
不局限于腕戴的设计
随着第三代可穿戴设备的出现, 消费者将需要使用日益繁多的各种设备, 虽然许多设备仍然会戴在手腕上, 但实际上人体的许多部位都可佩戴可穿戴设备, 前提是设备必须轻便小巧, 不会喧宾夺主。随着集成度的上升, 制造商将面临使设备变得更小更轻的挑战, 但芯片提供商早就知道这一点并且未雨绸缪, 纷纷推出新的解决方案。
小结
多功能、多传感器甚至多标准可穿戴设备将在日常生活中发挥日益重要的作用。如同物联网将自动化带给许多常见任务一样, 可穿戴设备将不仅监测我们的身体健康, 还将无缝地融入我们的生活, 提供与物联网及更广泛世界的联系。可穿戴设备将使我们能够控制我们的周围环境, 并使我们的周围环境能够适应我们的迫切需要。它们将在医疗保健和持续治疗中发挥重要作用, 并最终负责执行辅助患者生活的工作。
多传感器集成 篇6
微型传感器已成为MEMS器件的重要组成部分之一, 目前具有实用价值并得到较广泛应用的是微机械力敏传感器, 主要有压力传感器、加速度计、陀螺等, 而其中应用最广的是压阻式压力传感器[1,2]。
压阻式压力传感器明显的缺点是对周围环境温度的敏感性过高, 其温度漂移大是限制该类器件精度提高和应用范围扩大的主要因素之一。温度漂移是半导体压力传感器的关键指标[3], 此类传感器的输出灵敏度是其静态特性中的一个重要指标, 而灵敏度温度漂移的存在影响了其静态特性[4]。本文将“集成恒流源网络”用于超低量程微型压力传感器和表面微机械加工的多晶硅压力传感器的灵敏度温度漂移的高精度补偿。
1 压阻式压力传感器的灵敏度温度特性
压阻式压力传感器是利用硅的压阻效应而制作的半导体器件, 硅材料受到外力作用, 原子结构内部的电子能级状态发生变化, 导致电阻率剧烈地变化, 由硅制成的电阻也就出现巨大变化[5]。硅的电阻变化的灵敏度系数 (G因子) 为
G=1+2ν+π E (1)
式中, ν为硅的泊松比;E为弹性模量;π为压阻系数。
压阻式压力传感器输出灵敏度S与其压阻系数π成比例关系。E与晶向有关, 与温度无关。而硅的压阻系数π是温度的函数, 随着温度的改变而变化, 在某掺杂浓度某温度下的压阻系数可表示为
π (NT) =P (NT) π300K (2)
式中, P (NT) 为压阻因子;π300K为室温下的压阻系数;N为掺杂浓度;T为温度。
因此灵敏度S也随着温度的改变而变化, 即存在灵敏度温度系数 (sensitivity temperature coefficient, TCS) 。一般情况下, P型硅压阻系数随温度升高而减小[6], 大多数未经温度补偿的压阻式压力传感器的灵敏度温度系数为负值, 随表面浓度的增加压阻系数减小, 表面浓度越高, 灵敏度温度系数受温度影响越小。
在实际传感器芯片灵敏度温度漂移补偿中, 灵敏度温度系数表示为
式中, VOS (T) 、VOS (T0) 分别为温度T和参考温度T0时的零点输出;VM (T) 、VM (T0) 分别为温度T和参考温度T0时的满量程输出。
早先的压阻式压力传感器芯片制作工艺主要基于体硅微机械加工, 采用扩散或离子注入的方法, 掺杂获得4个硅应变电阻, 在单晶硅片正面上构成应力敏感检测的惠斯登电桥, 电阻和衬底之间一般形成PN结隔离。为了满足测试量程的需要, 单晶硅片背面一般采用氢氧化钾进行腐蚀以减薄硅片, 使得敏感膜厚度降到所需要的尺寸。测控技术的发展, 要求压力传感器量程越来越小, 分辨率越来越高, 科学实验、工业自动化控制、空气动力学、计量学等领域都需要量程在数百帕的高精度的超微压压力传感器。此类超低量程的微型传感器近年来常采用梁膜结构, 它利用厚度有差异的梁和膜将应力集中到梁上, 以获得比周边固支膜灵敏度高的力学结构[7]。为尽可能地提高灵敏度, 常采用低浓度硼掺杂电阻, 因此压阻式压力传感器的灵敏度温度系数值通常在10-3/℃满量程输出以上, 且为负值。
另一方面, 在表面微机械加工的压力传感器中, 一般用低压化学气相沉积多晶硅薄膜, 使硼离子注入或扩散进行掺杂, 高温退火后形成压阻[8]。与单晶硅压阻不同, 多晶硅压阻内部由大量的单晶晶粒和晶粒晶界组成, 如图1所示。纵向压阻系数πL (指电流方向与应力方向一致) 只有单晶硅压阻系数π44的1/4, 而横向压阻系数πT (电流方向与应力方向垂直) 远小于其自身的纵向压阻系数[9,10]。为提高压力传感器受外力时的电压输出, 一般也采用低浓度硼掺杂电阻, 所形成的压阻的方块电阻为每方块200～300Ω[11]。表面微机械加工可以使膜片尺寸大大缩小, 同时也使得灵敏度温度系数增大, 一般在10-3 /℃满量程输出左右, 采用常规补偿方法较难获得如此大的补偿量。
2 集成恒流源的灵敏度温度漂移补偿原理
图2是典型的圆膜压力传感器芯片照片, 4个电阻R1、R2、R3、R4布置在圆膜边缘上最大应力区, 用金属 (铝或金) 连接成图3所示的差动等臂等应变惠斯登检测电桥。若硅微机械加工中能保证R1=R2=R3=R4=R, ΔR1=ΔR3=-ΔR2=-ΔR4=ΔR, 这样输出电压VO可以表示为
VO=VBΔR/R (4)
又因为压力传感器电阻的变化直接与外部压力p有关, 则有
VO=SpVB+VOS (5)
式中, VO为输出电压;S为输出灵敏度, 即传感器在单位电压下, 满量程输出值与其对应的被测量的物理量变化值之比;p为传感器所受外部压力;VB为电桥的激励电压;VOS为外部压力为零时惠斯登电桥的输出电压。
式 (5) 两边同时对温度求导数, 有
对传感器灵敏度温度系数进行电桥外部补偿后, 输出电压VO不再随温度变化而变化, 即
式中, IB为惠斯登电桥电流;RB为惠斯登电桥内阻;ISET为集成恒流源可调电流;I1和I2分别为外接电阻R1和R2的电流;VS为电路供电电压。
将式 (8) 简化可得
令α=RB/ (RB+R2) , 式 (9) 两边对温度求导并简化可得
可解出
再将式 (7) 代入式 (11) , 有
由三端可调试集成恒流源知ISET=0.0677/R1, 代入式 (9) , 有
对给定传感器全桥应变芯片, 选定VS、VB后, 可测得RB、
3 灵敏度温度系数补偿实验
以自主研发的超低量程微压压力传感器来验证集成恒流源补偿灵敏度温度系数的有效性, 简易封装后的压力传感器实物如图5所示, 其设计量程为300Pa。
测试设备如下:GE DP1 104数字式标准压力表, 精度为0.05%满量程输出, 具有5位数字的分辨率;ESCORT 3146A型数字万用表;直流稳压电源, 型号JC2733;高低温循环烘箱等。测试开始前压力传感器本身的温度应达到测试时的室温, 一般需要在测试温度下放置4～6h以上。
选定工作激励电压VS及桥压VB后做补偿前的温度特性标定, 根据标定数据由式 (3) 计算出所需要的灵敏度温度系数补偿量, 再参考式 (2) 求出两个电阻R1和R2的理论值, 通过温度周期的调节标定, 补偿后灵敏度温度系数绝对值易达到10×10-6～50×10-6/℃满量程输出 (表1仅列出其中任意2台传感器实验结果) 。在此基础上进行零位温度漂移补偿, 实验表明若传感器基本性能是稳定的, 补偿后零位温度漂移绝对值也可控制在10×10-6～50×10-6/℃满量程输出之内。然后再测量传感器整体灵敏度温度系数, 未见明显变化, 即表中第三次数据。同时对传感器做静态标定和时漂记录, 表明方法简便可行。该方法已在微型压力传感器生产线中推广应用。
注:“*”表示零位温度系数补偿后再次测量的灵敏度温度系数数据。
1号微差压压力传感器在零位温度系数和灵敏度温度系数补偿后, 在室温 (25℃) 下进行了零位时间漂移的测试, 样品零位时间漂移输出如图6所示, 可看出补偿后的传感器低时漂的特性。
4 讨论
利用集成恒流源的温度特性补偿压力传感器灵敏度温度系数有如下特点:
(1) 成本低, 效果较好, 具有实用价值, 在低量程宽温区 (-10～70℃) 高精度微型压力传感器和表面微机械多晶硅压力传感器生产实践中反复考察证明, 补偿后压力传感器工作性能稳定可靠。
(2) 不要求敏感元件上4只扩散应变电阻的阻值具有很高的一致性, 这一点对掺杂生产而言无疑是受欢迎的。而且因为没有引入非线性元件如热敏电阻等, 适合压力传感器的批量制作。
(3) 由于电桥电压与激励电压无关联, 因而可根据芯片设计选定电桥工作电压, 补偿量可以在较大范围内方便地单独调节, 通过温度周期的调节标定, 补偿后灵敏度温度漂移绝对值易达到10×10-6/℃～50×10-6/℃, 满足高精度用户的要求。
(4) 可以将补偿的恒流源与敏感器件集成在一起, 更加利于表面微机械压力传感器的应用。在分立元件的情况下, 温度补偿电路由外部附加的感温元件和电路构成, 但由于外部的感温元件难以很好地跟踪敏感器件的实际温度, 因而难以获得好的效果。因此对于表面微机械加工制作的压力传感器, 采用与集成电路工艺相兼容的平面工艺将集成恒流源和电阻、敏感器件集成在一起, 就可以获得良好的补偿效果, 同时可以使传感器膜片尺寸进一步缩小, 成本更加低廉。
摘要：针对超低量程微型压力传感器和表面微机械加工的多晶硅压力传感器在高精度测试时和宽温区使用时灵敏度温度系数补偿量大的特点, 提出应用“集成恒流源网络”来补偿灵敏度温度系数的方法, 推导了定量补偿的公式。灵敏度温度漂移补偿实验中, 通过温度周期的调节标定, 补偿后灵敏度温度系数绝对值容易达到10×10-6/℃50×10-6/℃满量程输出, 从而验证了该方法的可行性和实用性, 表明用集成恒流源补偿压阻式压力传感器具有补偿量大、成本低、效果好、精度高、容易集成等优点, 在器件制作中有很大的应用前景。
关键词：压力传感器,灵敏度温度系数,集成恒流源,补偿
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多传感器集成 篇7
CO是一种无色、无味、有毒且易燃易爆的气体, 常见于煤炉产生的煤气或液化气管道漏气或工业生产煤气以及矿井等, CO中毒主要体现在CO进入人体之后会和血液中的血红蛋白结合, 进而使血红蛋白不能与氧气结合, 从而引起机体组织出现缺氧, 导致人体窒息死亡。CO2是一种无色无味无臭的气体, 常见于化石燃料燃烧以及矿井等, CO2中毒主要表现为头痛、恶心、心跳加速等, 严重时可能导致缺氧, 造成永久性脑损伤、昏迷、甚至死亡。CO2含量猛增会导致温室效应、全球气候变暖、冰川融化、海平面升高等, 为了遏制CO2过量排放造成的温室效应制定了《京都议定书》。SO2是一种无色具有强烈刺激性气味的气体, 常见于煤矿、石油等行业以及火山爆发, SO2中毒主要表现为头痛、头昏、流泪、畏光、咳嗽, 咽、喉灼痛等, 严重时可在数小时内发生肺水肿, 吸入极高浓度可引起反射性声门痉挛而致窒息, 同时SO2还是造成酸雨的主要原因之一。
GBZ 2.1《工作场所有害因素职业接触限值第1部分:化学有害因素》中提到CO的时间加权平均容许浓度 (PC-TWA) 为20 mg/m3, 短时间接触容许浓度 (PC-STEL) 为30mg/m3;CO2的PC-TWA为9000 mg/m3, PC-STEL为18000 mg/m3;SO2的PC-TWA为5 mg/m3, PC-STEL为10 mg/m3。因此, 当CO、CO2、SO2气体浓度超出一定限值时, 不仅会对环境造成严重影响, 还会对人民的生命财产安全造成严重威胁。
目前, 市面上已有多种从国外进口和国产的气体传感器, 如催化燃烧式、半导体式、电化学式和光学式等, 包含了单一气体传感器和多组分气体传感器, 其中基于红外技术的多组分气体传感器由于其具有使用寿命长、灵敏度高、稳定性好、适合气体多、性价比高、维护成本低、可在线分析等等一系列优点而被广泛应用。
随着科技的发展, 为满足各种复杂环境对气体传感器的发展要求, 在提高检测的准确性和及时性的同时, 红外气体传感器正朝着智能化、集成化、低功耗、低成本的方向发展。因此, 随着国家对环境污染监测和治理力度的加大, 研发体积小、重量轻、稳定性好的CO、CO2、SO2三组分红外集成气体传感器是防止事故、保护环境、保障人民生命财产安全的主要手段, 对于认真落实国务院颁布的《节能减排“十二五”规划》并及时准确监测和检测生态环境、居住环境、工作场所等环境质量和污染源等具有重要意义。
1 原理
非分散红外吸收光谱对CO、CO2、SO2具有较高的灵敏度。GB 9801-88《空气质量一氧化碳的测定非分散红外法》和HJ/T 44-1999《固体污染源排气中一氧化碳的测定非色散红外吸收法》中提到CO对4.67μm和4.72μm波长处的红外辐射具有选择性吸收;GB/T 18204.24-2000《公共场所空气中二氧化碳测定方法》和GBZ/T 160.28-2004《工作场所空气有毒物质测定无机含碳化合物》中提到CO2对4.26μm波长处的红外辐射具有选择性吸收;HJ 629-2011《固定污染源废气二氧化硫的测定非分散红外吸收法》中提到SO2对7.3μm波长处的红外辐射具有选择性吸收。因此, CO、CO2、SO2气体的基频吸收带出现在中红外波段 (2.5~25μm) , 由于基频振动是红外光谱中吸收最强的振动, 所以, 中红外波段最适于进行红外光谱的定性和定量分析, 并且CO、CO2、SO2气体的特征吸收峰出现在不同的波长范围内, 因此互不干扰。
在一定波长范围内, 气体对特定波长红外光线的吸收呈线性关系, 遵守朗伯-比尔 (Lambert-Beer) 定律, 待测组分是按照指数规律对红外辐射能量进行吸收的, 其表达式为:
式中:I0为红外光线被气体吸收前的光强度;I为红外光线被气体吸收后的光强度;k为待测组分对红外光线的吸收系数;c为待测组分的物质的量百分比浓度;l为红外光线经过的待测气体层的长度。
由式 (1) 可知, 待测气体浓度c满足以下关系:
由式 (1) 可以得出:
由式 (3) 可知, 在k和l确定的情况下, 吸光度A与待测气体浓度c成正比。事实上, 当吸光度A很小时, 吸光度才与待测气体浓度有较好的线性关系, 当吸光度A较大时, 吸光度不再随待测气体浓度线性增加, 而呈饱和趋势, 因此需要对其进行非线性校正。
2 系统设计
2.1 结构设计
CO、CO2、SO2红外集成气体传感器的基本结构如图1所示, 主要包括:外壳、红外光源、进气口、出气口、气室、CO2集成探测器、CO集成探测器, SO2集成探测器, 信号放大处理器、温度传感器、单片机系统、声光报警系统。
2.2 器件选择
红外光源为内部配有抛物面反射镜的宽带脉冲红外光源, 具有安全性能好、发射率高、体积小、光电转换效率高、耗电省、寿命长、温度低等优点, 其封装窗口材料为氟化钙 (Ca F2) , 可通过波长范围为2~9.5μm的红外光, CO、CO2、SO2三种气体的特征吸收带都处于此波长范围内, 抛物面反射镜的配置可使红外光源发出平行红外光, 防止反射光、折射光等造成的光强度和光程改变的影响。
传感器的进气口和出气口上配置有疏水型防尘防潮过滤膜, 可防止空气中的粉尘、水汽等的影响, 具有较好的防潮防尘特性, 能提高传感器的抗干扰性和延长产品使用寿命。
CO2集成探测器为一组带通带中心波长为4.26μm滤光片的测量红外探测器和带相应特定波长滤光片的参比红外探测器组成的;CO集成探测器为一组带通带中心波长为4.67μm滤光片的测量红外探测器和带相应特定波长滤光片的参比红外探测器组成的, SO2集成探测为一组带通带中心波长为7.30μm滤光片的测量红外探测器和带相应特定波长滤光片的参比红外探测器组成的。红外探测器和相应的滤光片封装在一起, 可避免其他气体光信号对红外探测器的干扰。测量红外探测器和参比红外探测器与相应的滤光片是集成在一起的集成元件, 有利于传感器的小型化和稳定性的提高。测量红外探测器和参比红外探测器与相应滤光片的配置, 采用了双波长单光路的差分光学结构, 能消除气室光学元器件、其他干扰气体以及环境变化等因素的影响, 并且产生一个只与待测气体相关的信号, 提高了抗干扰能力和测量精度。
因光源波长的稳定性易受到温度的影响, 因此配置的温度传感器采集环境温度, 再利用单机片对其进行修正。
声光报警系统的配置, 能对危险环境做出及时和准确的报警。当检测到测量气体浓度超出限值时, 单机片输出信号, 此时LED闪烁, 并发出报警声, 以便工作人员采取相应的预防措施, 防止发生严重事故。
2.3 系统软件设计
单片机采用了C500系列, 在保持与80C51兼容的前提下, 增强了各项性能, 尤其是增强了电磁兼容性能, 增加了CAN总线接口。单机片系统准确读取接收到的信号, 通过初始化操作, 协调硬件电路的正常工作, 并对气室长度、温度、气体交叉干扰等影响测量精度和准度的因素进行自动校准, 并对数据进行处理和储存。
3 工作流程
图2为CO、CO2、SO2红外集成气体传感器的工作流程图。气体经进气口进入气室, 红外光源发出平行脉冲波, 经由气室后平行照射到集成探测器上, 经滤光后, 波长为4.26μm的红外光照射到CO2集成探测器中的测量红外探测器和参比红外探测器上, 波长为4.67μm的红外光照射到CO集成探测器中的测量红外探测器和参比红外探测器上, 波长为7.30μm的红外光照射到SO2集成探测器中的测量红外探测器和参比红外探测器上, 以上三组信号和温度传感器的数据被传至信号放大处理器处理后传至单片机系统, 单片机系统对接收到的数据进行处理和储存并在显示屏上显示, 经处理过的数据经由声光报警系统后, 若气体测量浓度超过一定限值则指示灯变亮且发出报警声。
4 结论
本文介绍了一种基于红外差分吸收光谱检测原理的CO、CO2、SO2红外集成气体传感器。该传感器为单光源多组分红外检测器, 采用了配有抛物面反射镜且封装窗口材料为氟化钙的宽带脉冲红外光源、含有疏水型防尘防潮膜的进出气口、集成红外探测器和高性能的C500系列单机片系统, 在实现传感器集成化、小型化的同时, 能够稳定、准确、及时的完成自动在线测量CO、CO2、SO2三组分气体。能够很好地满足工业和环境等领域的迫切需要。
摘要：基于红外光谱吸收原理, 设计了一种可以同时监测一氧化碳 (CO) 、二氧化碳 (CO2) 、二氧化硫 (SO2) 三种气体的集成气体传感器。该传感器采用了单光源六探测器差分光学结构, 消除了光源、其他干扰气体等干扰因素所带来的影响。该仪器具有较好的灵敏度、稳定性、选择性和抗腐蚀性, 可准确、稳定的在线测量CO、CO2、SO2三种气体。同时, 通过更换带有特定波长滤光片的参比红外探测器和测量红外探测器, 可对不同气体进行在线检测。