智能传感器PPT课件.ppt

1、19.1 智能传感器的特点智能传感器的特点19.2 智能智能传感器传感器的实现的实现19.3 智能传感器的智能传感器的应用应用19.4 智能传感器的智能传感器的设计思路设计思路第第19章章 智能智能式式传感器传感器 引 言 智能传感器是美国宇航局智能传感器是美国宇航局(NASA)在开发宇宙飞船的在开发宇宙飞船的过程中产生的。宇宙飞船需要速度、加速度、位置和姿过程中产生的。宇宙飞船需要速度、加速度、位置和姿态等传感器态等传感器,宇航员的生活环境需要温度、气压、空气宇航员的生活环境需要温度、气压、空气成份和微量气体传感器成份和微量气体传感器,科学观测也要用大量的各种传科学观测也要用大量的各种传感器

2、宇宙飞船观测到的各种数据是很庞大的感器。宇宙飞船观测到的各种数据是很庞大的,处理这处理这些数据需要用超大型计算机。要不丢失数据些数据需要用超大型计算机。要不丢失数据,并降低成并降低成本本,必须有能实现传感器与计算机一体化的灵巧传感器。必须有能实现传感器与计算机一体化的灵巧传感器。因此实现数据处理由集中处理变为分散处理因此实现数据处理由集中处理变为分散处理,避免使用避免使用超大型计算机，由此而产生了智能传感器。超大型计算机，由此而产生了智能传感器。o现代信息技术的三大基础：n传感器技术：信息的采集 “感官”n通 信 技 术：信息的传输 “神经”n计算机技术：信息的处理 “大脑”o智能传感器(I

3、ntelligent sensor)是既有获取信息的功能又有信息处理的功能的系统，是传感器、计算机和通信技术的结合。l 微传感器系统l 多传感器数据融合技术l 网络化智能传感器系统l 蓝牙传感器系统l 生物传感器系统智能传感器的主要发展趋势：智能传感器的主要发展趋势：目目前前智智能能传传感感器器具具有有自自补补偿偿、自自诊诊断断、自自学学习习、数数据据处处理理、存存储储记记忆忆、双双向向通通信信、数数字字输输出出等等功功能，几乎包括了仪器仪表的全部功能。能，几乎包括了仪器仪表的全部功能。与与传传统统的的传传感感器器相相比比，智智能能传传感感器器将将传传感感器器检检测测信信息息的的功功能能与与微

4、微处处理理器器(CPU)的的信信息息处处理理功功能能有有机机地地结结合合在在一一起起，从从而而具具有有一一定定的的人人工工智智能能，它它弥弥补补了了传传统统传传感感器器性性能能的的不不足足。它它能能充充分分利利用用微微处处理理器器进进行行数数据据分分析析和和处处理理，并并能能对对内内部部工工作作过过程程进行调节和控制，是采集数据最佳。进行调节和控制，是采集数据最佳。智智能能传传感感器器就就是是一一个个最最小小的的微微机机系系统统，其其中中作作为为控控制制核核心心的的微微处处理理器器通通常常采采用用单单片片机机，其其基基本本结结构框图如下：构框图如下：与传统与传统传感器相比，智能传感器有以下几个

5、特点：传感器相比，智能传感器有以下几个特点：（1）精度高）精度高 1.可通过自动校零去除零点；可通过自动校零去除零点；2.与标准参考基准实时对比以自动进行整体系统标定；与标准参考基准实时对比以自动进行整体系统标定；3.自动进行整体系统的非线性等系统误差的校正；自动进行整体系统的非线性等系统误差的校正；4.通过对采集的大量数据的统计处理以消除偶然误差的影通过对采集的大量数据的统计处理以消除偶然误差的影响等。响等。19.1 智能传感器的特点智能传感器的特点 （2）可靠性与高稳定性强可靠性与高稳定性强 1.自动补偿因工作条件与环境参数发生变化所引起的系统自动补偿因工作条件与环境参数发生变化所引起的系

6、统特性的漂移，如温度变化而产生的零点和灵敏度漂移；特性的漂移，如温度变化而产生的零点和灵敏度漂移；2.当被测参数变化后能自动改换量程；当被测参数变化后能自动改换量程；3.能实时自动进行系统的自我检验，分析、判断所采集到能实时自动进行系统的自我检验，分析、判断所采集到的数据的合理性，并给出异常情况的应急处理（报警或故障提的数据的合理性，并给出异常情况的应急处理（报警或故障提示）。示）。（3）高信噪比和高分辨率高信噪比和高分辨率 1.由于智能传感器具有数据存储、记忆与信息处理功能，由于智能传感器具有数据存储、记忆与信息处理功能，通过软件进行数字滤波、数据分析等处理，可以去除输入数据通过软件进行数字

7、滤波、数据分析等处理，可以去除输入数据中的噪声，从而将有用信号提取出来；中的噪声，从而将有用信号提取出来；2.通过数据融合、神经网络技术，可以消除多参数状态下通过数据融合、神经网络技术，可以消除多参数状态下交叉灵敏度的影响，从而保证在多参数状态下对特定参数测量交叉灵敏度的影响，从而保证在多参数状态下对特定参数测量的分辨能力。的分辨能力。（4）自适应能力强自适应能力强 由于智能传感器具有判断、分析与处理功能，它能根据由于智能传感器具有判断、分析与处理功能，它能根据系统工作情况决策各部分的供电情况，优化与上位计算机的数系统工作情况决策各部分的供电情况，优化与上位计算机的数据传送速率，并保证系统工作

8、在最优低功耗状态。据传送速率，并保证系统工作在最优低功耗状态。（5）性格价格比高性格价格比高 智能传感器所具有的上述高性能，不是像传统传感器技智能传感器所具有的上述高性能，不是像传统传感器技术追求传感器本身的完善，对传感器的各个环节进行精心设计术追求传感器本身的完善，对传感器的各个环节进行精心设计与调试来获得，而是通过与微处理器与调试来获得，而是通过与微处理器/计算机相结合，即是采计算机相结合，即是采用低价的集成电路工艺和芯片以及强大的软件来实现的。用低价的集成电路工艺和芯片以及强大的软件来实现的。1.集成化实现集成化实现 这这种种传传感感器器系系统统采采用用为为机机械械加加工工技技术术和和大

9、大规规模模集集成成电电路路工工艺艺技技术术，利利用用半半导导体体材材料料硅硅作作为为基基本本材材料料来来制制作作敏敏感感元元件件，将将信信号号调调理理电电路路、为为处处理理单单元元等等集集成成在在一一块块芯芯片片上上构构成成的的，故故称称为集成智能传感器。为集成智能传感器。19.2 智能传感器智能传感器的的实现实现 2.非集成化实现非集成化实现 非非集集成成化化智智能能传传感感器器是是将将传传统统传传感感器器（采采用用非非集集成成化化工工艺艺制制作作的的传传感感器器，仅仅具具有有获获取取信信号号的的功功能能）、信信号号调调理理电电路路、带带数数字字总总线线接接口口的的微微处处理理器器组组合合为

10、为一一个个整整体体而而构构成成的的一一个个智智能能传感器系统。传感器系统。l 模糊传感器是一种非集成化的新型智能传感器。模糊传感器是一种非集成化的新型智能传感器。l 模糊传感器是在模糊传感器是在传统数据检测传统数据检测的基础上，经过模糊的基础上，经过模糊推理和知识合成，以模拟人类自然语言符号描述的形推理和知识合成，以模拟人类自然语言符号描述的形式输出测量结果。式输出测量结果。l 模糊传感器的核心部分就是模拟人类自然语言符号模糊传感器的核心部分就是模拟人类自然语言符号的产生及其处理。的产生及其处理。o模糊传感器的模糊传感器的“智能智能”之处在于：它可以模拟人类感之处在于：它可以模拟人类感知的全过

11、程，核心在于知识性，知识的最大特点在于知的全过程，核心在于知识性，知识的最大特点在于其模糊性其模糊性。o模糊传感器由硬件模糊传感器由硬件层层和软件和软件层层两部分构成两部分构成。其突出特。其突出特点是其具有丰富强大的软件功能。点是其具有丰富强大的软件功能。o模糊传感器实现的关键也在于软件的设计。模糊传感器实现的关键也在于软件的设计。3.混合混合实现实现 混混合合实实现现是是根根据据需需要要与与可可能能，将将系系统统各各个个集集成成化化环环节节，如如敏敏感感单单元元、信信号号处处理理电电路路、微微处处理理器器单单元元、数数字字总总线线接接口口等等，以以不不同同的的组组合合方方式式集集成成在在两两

12、块块或或三三块块芯芯片片上上，并并安安装装在在一一个个外外壳内。壳内。集成化敏感单元：弹性敏感元件及变换器；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、信号调理电路：多路开关、医医用放大器、基准、用放大器、基准、A/D转换器等；转换器等；微微处处理理器器单单元元：数数字字存存储储(EPROM、ROM、RAM)、I/O接口、微处理器、接口、微处理器、D/A转换器等。转换器等。1.ST-3000系列智能压力传感器系列智能压力传感器19.3 智能传感器的智能传感器的应用应用图示为图示为ST-3000系列智能压力传感器图，它是由检测和变送系列智能压力传感器图，它是由检测和变送 两部分

13、组成。两部分组成。2.固体图像传感器固体图像传感器固固体体图图像像传传感感器器主主要要有有三三种种类类型型：第第一一种种是是电电荷荷耦耦合合器器件件(CCD)；第第二二 种种是是MOS图图像像传传感感器器，又又称称为为自自扫扫描描光光电二极管阵列电二极管阵列(SSPA)；第三种是电荷注入器件；第三种是电荷注入器件(CID)。固固体体图图像像传传感感器器是是现现代代视视觉觉信信息息获获取取的的一一种种基基础础器器件件，因因其其能能实实现现信信息息的的获获取取、转转换换和和视视觉觉功功能能的的扩扩展展（光光谱谱拓拓宽宽、灵灵敏敏度度范范围围扩扩大大），能能给给出出直直观观、真真实实、层层次最多、内

14、容最丰富的可视图像信息。次最多、内容最丰富的可视图像信息。目目前前，由由于于传传感感器器智智能能化化和和集集成成化化的的要要求求，使使得得固固体体图图像像传传感感器器有有三三维维集集成成的的发发展展趋趋势势。例例如如，在在同同一一硅硅片片上上，用用超超大大规规模模集集成成电电路路工工艺艺制制作作三三维维结结构构的的智智能能传传感感器器，下下图图为为这这种种三三维维结结构构智智能能化化传传感感器器的的一一种形式。种形式。右图为具有三层结构的三维集成智能图右图为具有三层结构的三维集成智能图像传感器的结构图。它用以提取待测物像传感器的结构图。它用以提取待测物体的轮廓图，它的第一层为光电转换面体的轮廓

15、图，它的第一层为光电转换面阵，由第一层输出的信号并行进入第二阵，由第一层输出的信号并行进入第二层电流型层电流型MOS模拟信号调理电路，输模拟信号调理电路，输出的模拟信号再进入第三层，转换成二出的模拟信号再进入第三层，转换成二进制数并存储在存储器中，与第三层相进制数并存储在存储器中，与第三层相连的是信号读出（放大）单元。信号读连的是信号读出（放大）单元。信号读出单元的作用是通过地址译码读取存储出单元的作用是通过地址译码读取存储器中的信号信息。器中的信号信息。下下图为多个智能图像传感器组成的图像识别系统。图为多个智能图像传感器组成的图像识别系统。这个系统由光学透镜系统、多个智能图像传感器这个系统由

16、光学透镜系统、多个智能图像传感器和一个主计算机组成。和一个主计算机组成。下下面面以以智智能能压压力力传传感感器器的的设设计计为为例例介介绍绍一一下下智智能能传传感感器器的的设计思路。设计思路。19.4 智能传感器的设计思路智能传感器的设计思路1.结构结构设计设计智智能能压压力力传传感感器器是是由由半半导导体体力力敏敏元元件件（制制作作力力敏敏元元件件时时,同同时时制制作作两两只只温温敏敏二二极极管管）、放放大大器器、转转换换开开关关、双双积积分分AD转转换换器器、单单片片机机、接口电路、接口电路、IEEE-488标准接口、存储器和部分外围电路组成标准接口、存储器和部分外围电路组成。敏感元件敏感

17、元件（压力、温度）（压力、温度）放大器放大器转换开关转换开关A/DD/A单片机单片机接口电路接口电路EPROMIEEE-488接口接口 2敏感元件敏感元件设计设计 利利用用集集成成电电路路工工艺艺，根根据据圆圆形形平平膜膜片片上上各各点点应应力力分分在在半半导导体体圆圆形形基基片片上上扩扩散散出出四四个个电电阻阻，同同时时生生成成两两个个温温敏敏二二极极管管。这这四四个个电电阻阻通通常常接接成成电电桥桥形形式式，使使输输出出信信号号与与测测量量压压力力成成正正比比例例，并并将将阻阻值值增增加加的的两两个个电电阻阻对对接接，阻阻值值减减小小的的两两个个电电阻阻对对接接，使使电桥灵敏度最大。电桥灵

18、敏度最大。3传感器工艺传感器工艺设计设计 传传感感器器中中的的微微处处理理器器采采用用MCS-51系系列列8031单单片片机机，它它通通过过锁锁存存器器74LS373等等与与外外部部存存储储器器EPROM相相连连。可可选选用用2716（2K*8)、2732（4K*8）、2764（8K*8）等等不不同同芯芯片片作作存存储储器器，用用来来存存放放控控制制程程序序、修修正正值值、数数据据等等。其其他他电电路路（如如放放大大器器、A/D、D/A、IEEE-488标标准准接接口口、接接口口电电路路等等）可可合合理理分布在不同的模板上，组装进一个壳体内。分布在不同的模板上，组装进一个壳体内。4.软件设计软件设计 用用8031单单片片机机构构成成的的智智能能 压压力力传传感感器器软软件件有有控控制制程程序序、数数据处理程序及辅助程序据处理程序及辅助程序。智智能能传传感感器器的的重重要要特特点点之之一一是是多多功功能能。一一般般可可用用两两种种方方式式去去执执行行:一一是是用用户户通通过过键键盘盘发发出出所所选选功功能能的的指指令令；另另一一种种是是自自动动方方式式，由由内内部部功功能能控控制制程程序序协协调调已已编编制制好好的的数数据据采采集集与与处处理理程程序序工工作作，或或通通过过IEEE-488总总线线接接受受外外部部远远控控向向智智能能传传感感器器发出控制指令。发出控制指令。