第三章 信号的获取 第五节 其他类型传感器 四、智能传感器

第三章第三章

信 号 的 获 取信 号 的 获 取

第三章 信号的获取 第五节 其他类型传感器 四、智能传感器

第五节 其他类型传感器

一、霍尔传感器一、霍尔传感器

二、光纤传感器二、光纤传感器

三、气敏传感器三、气敏传感器

四、智能传感器四、智能传感器

第三章 信号的获取 第五节 其他类型传感器 四、智能传感器

四、智能传感器概念

•智能传感器是一个系统，科技的发展使其研究内容与组成不断更新

•它是正在迅速发展的现代综合性高新技术，迄今尚无规范的定义

•人们早期简单认为它是工艺上将传感器与微处理器紧密结合的产物

传感器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

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• 以传感器系统发展为特征的传感器技术进步，人们发现：

应用中，将传感器与微处理器集成在一块芯片上，并非必需，

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

机智能化的结合

—— 若没有足够的“智能” ，只是“传感器微机化”，就不

是智能传感器

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• 传统观念认为仪器系统才能执行信息处理任务，即：

从噪声中提取输入信号，并显示有用信息的装置

• “ 信息处理”功能仅属于“仪器”所有

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智能传感器定义智能传感器定义

• 智能传感器是一种具有信号检测和信息处理功能的传感器

信号调理电路与微处理器结合，核心在于赋予其智能

• 传感器与微处理器并非必须在工艺上集成在一块芯片上

• 传感器系统由以往的“信号检测”扩展到兼具“信息处理”功能

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目前

• 采用微机械加工与集成电路微电子工艺压缩后，将

大的仪器系统与敏感元件装在一个小的外壳里

—— 构成的智能传感器系统在工艺上已经实现

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• 智能传感器必须具备学习、推理、感知、通讯以及管理等功能

—— 其能力相当于一个具备专门知识与经验丰富的专家

• 知识的最大特点：模糊性

• 20 世纪 80 年代末，研制出模糊传感器

—— 是一种能够在线实现符号处理的智能传感器

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1．智能传感器的功能与特点

(1) 智能传感器的功能

主要功能：

① 自校零、自标定、白校正

② 自动补偿

③ 自动采集数据，并进行数据预处理

④ 自动进行检验、自选量程、自寻故障

⑤ 数据存储、记忆与信息处理

⑥ 双向通讯、标准化数字输出或符号输出

⑦判断、决策处理

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(2) 智能传感器的特点

①精度高 启动校零、去除零点误差、与标准参考基准实时对比，自动进行系统

标定和非线性等系统误差校正；统计与处理数据以消除偶然误差 —— 使智能传感器具有高精度

② 高可靠性与高稳定性 自动补偿因工作条件与环境参数变化引起的系统特性的漂移，如： 温度变化产生的零点和灵敏度漂移，被测参数变化后自动改换量程，

实时自动进行系统的自我检验，分析、判断数据的合理性，异常情况的应急处理 (报警或故障提示 )

—— 有多项功能保证智能传感器的高可靠性与高稳定性

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③ 高信噪比与高的分辨力 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；去除输入数据中的噪声，提取有用信号；通过数据融合、神经网络技术，消除多参数状态下交叉灵敏度的影响 ——保证多参数状态下对特定参数测量的分辨能力

④强的自适应性 具有判断、分析与处理的功能，根据系统工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

⑤ 高的性能价格比 不是像传统传感器那样，通过对传感器各环节进行精心设计与调试、 “手工艺品”式的精雕细琢获得高性能 而是通过与微处理器 / 微计算机结合，采用廉价的集成电路工艺和芯片以及强大的软件实现 —— 性能价格比高

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2．智能传感器系统

(1) 非集成化实现系统 这种传统的传感器是仅具有信号获取、调理电路、带数字总线接口的微处理器组合而构成的智能传感器系统

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•信号调理电路用于调理传感器输出信号

•将传感器输出信号进行放大并转换为数字信号后送人微处理器

•由微处理器通过数字总线接口挂接在现场数字总线上

•开发配备可进行通讯、控制、自校正、自补偿、自诊断等智能化软件

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•非集成化智能传感器的迅速发展受现场总线控制系统的推动

•控制系统要求挂接智能型的传感器 /变送器

•自动化仪表生产厂原有的成套生产工艺设备基本不变

•非集成化实现是建立智能传感器系统最经济、快捷的途径与方式

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•可以模拟人类感知的全过程

•不仅具有智能传感器的一般优点和功能，而且具有学习推理功能

•有适应测量环境变化的能力

•能够根据测量任务要求进行学习推理

•具有与上级系统交换信息的能力

•自我管理和调节的能力

通俗地说，模糊传感器的作用等同甚至优于经验丰富的测量工人

模糊传感器

模糊传感器的“智能”之处在于：

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•符号产生和处理单元是模糊传感器的核心，它利用知识库中的已有知识或经验，处理传感信号，得到符合客观对象的拟人类自然语言符号的描述信息

实现方法是利用数值模糊化方法，得到符号测量结果•符号处理是采用模糊信息处理技术，对模糊化后得到的符号传感信号，结合知识库内的知识 ( 模糊判断规则，信号特征，传感器特性及测量任务要求 ) ，经模糊推理和运算，得到被测量的符号描述结果及相关知识

•可学习新的变化情况 (如任务发生与环境变化等 )修正和更新知识库内的信息

模糊传感器

•经典数值测量单元可提取传感信号，并进行数值预处理

——如滤波、恢复信号等

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•采用微机械加工技术和大规模集成

电路工艺技术

•用硅作为基本材料制作敏感元件、

信号调理电路、微处理器单元

•集成在一块芯片上而构成

—— 集成智能传感器

(2) 集成化实现系统

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•以硅材料为基础 ( 有优良的电性能与极好的机械性能 )

•采用微米 (1μm~1mm)级的微机械加工技术和大规模集成电路工艺

实现各种仪表传感器系统的微米级尺寸化

•国外也称它为专用集成微型传感技术 (ASIM)

现代传感器技术

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① 微型化 可以放在注射针头内，送进血管，测量血液流动情况，还可以装在飞机或发动机叶片表面，测量气体的流速和压力

② 结构一体化 最早实现一体化结构的是压阻式压力 (差 ) 传感器。采用微机械加工和集成化工艺，使“硅杯”一次整体成型，电阻变换器与硅杯完全一体化。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，实现系统的一体化

③精度高 传感器结构实现一体化后，大大改善了迟滞、重复性指标，减小了时间漂移，提高了精度。信号调理电路与敏感元件一体化可以大大减小由引线长度带来的寄生参量的影响 ——对电容式传感器有特别重要的意义

智能传感器的特点

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④多功能 微米级敏感元件结构有利于在同一硅片上制作不同功能的多个传感器

⑤阵列式 微米技术可以在 1cm2 的硅芯片上制作数千个压力传感器阵列，敏感元件构成阵列后，配合图像处理软件，可实现图形成像且构成多维图像传感器

⑥全数字化 可以制作各种微结构。固有谐振频率可设计成物理参量的单值函数。通过检测谐振频率检测被测物理量，这种谐振式传感器，直接输出数字量(频率 ) ，性能极为稳定、精度高、不需 A/D转换器便能与微处理器方便地接口

⑦便捷性 使用极其方便，操作极其简单

智能传感器的特点

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•根据需要与可能，将系统各环节，如敏感单元、调理电路、微处理器单元、

数字总线接口，以不同组合方式集成在 2~3 块芯片上，并装在一个外壳里

•对结构型传感器而言，集成化敏感单元：弹性敏感元件及变换器

•信号调理电路：多路开关、放大器、基准、模 / 数转换器 (A/D) 等

•微处理器单元：数字存储器 (EPROM 、 ROM 、 RAM) 、 I/O接口、微处

理器、数 / 模转换器 (DAC) 等

(3)混合实现

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