传感器技术及其工程应用金发庆第11章节智能传感器

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1、第11章智能传感器11.1智能传感器概述11.2计算型智能传感器11.3特殊材料型智能传感器11.4几何结构型智能传感器11.5智能传感器实例11.6多传感器融合系统11.7模糊传感器11.8微机电系统（MEMS）11.9实训11.1智能传感器概述11.1智能传感器概述国际电气电子工程师学会（IEEE）在1998年通过了智能传感器的定义，即“除产生一个被测量或被控量的正确表示之外，还同时具有简化换能器的综合信息以用于网络环境的功能的传感器”。11.1.1智能传感器的功能先看一个智能传感器的例子，图

2、11-1所示为智能红外线测温仪原理框图。目标红外传感器温度传感器A/D转换器单片机显示仪表记录仪表存储器RS-232接口微型计算机A/D转换器图11-1智能红外线测温仪原理框图环境红外传感器将被检测目标的温度转换为电信号，经A／D变换后输入单片机。温度传感器将环境温度转换为电信号，经A／D变换后输入单片机。单片机中存放有红外传感器的非线性校正数据。红外传感器检测的数据经单片机计算处理，消除非线性误差和环境温度影响后，供记录、显示、存储备用。可见，智能传感器是具备了记忆、分析和思考能力，输出期望值的

3、传感器。（1）能提供更全面、更真实的信息，消除异常值、例外值。（2）具有信号处理包括温度补偿、线性化等功能。（3）随机调整和自适应。（4）一定程度的存储、识别和自诊断。（5）含有特定算法并可根据需要改变算法。智能传感器不仅在物理层面上检测信号，而且在逻辑层面上对信号进行分析、处理、存储和通信。相当于具备了人类的记忆、分析、思考和交流的能力，即具备了人类的智能。所以称之为智能传感器。11.1.2智能传感器的层次结构人类的智能是怎么构成的呢？人类的智能是基于即时获得的信息和原先掌握的知识。人类的智能是

4、实现了多重传感信息的融合并且把它与人类积累的知识结合了起来，如图11-2所示。大脑积累的知识判断人的大脑归纳皮肤传感耳朵传感鼻子传感眼睛传感图11-2人类智能的构成1．智能传感器也应该由多重传感器或不同类型传感器从外部目标以分布和并行的方式收集信息；2．通过信号处理过程把多重传感器的输出或不同类型传感器的输出结合起来或集成在一起，实现传感器信号融合或集成；3．最后，根据先前拥有的关于被测目标的有关知识，进行最高级的智能信息处理过程。4．将信息转换为知识和概念提供使用。理想智能传感器的层次结构应是三

5、层：1．底层，分布并行传感过程，实现被测信号的收集。2．中间层，将收集到的信号融合或集成，实现信息处理。3．顶层，中央集中抽象过程，实现融合或集成后的信息的知识处理。11.1.3智能传感器的实现实现传感器智能化，让传感器具备理想智能传感器的层次结构。就目前发展状况看，有3条不同的途径：（1）利用计算机合成（智能合成）；（2）利用特殊功能的材料（智能材料）；（3）利用功能化几何结构（智能结构）；11.2计算型智能传感器11.2计算型智能传感器11.2.1计算型智能传感器构成方式计算型智能传感器最常见

6、，其底层、中间层和顶层分别由基本传感器、信号处理电路和微处理器构成。它们可以集成在一起，形成一个整体，封装在一个壳体内，称为集成化方式。也可以互相远离，分开放置在不同的位置或区域，称为非集成化方式。介于两种方式之间的混合集成化方式。1．非集成化方式非集成化传感器是把基本传感器、信号处理电路和带数字总线接口的微处理器相隔一定距离组合在一起，构成智能传感器系统。此类智能传感器系统实现方式方便快捷，熟悉自动化仪表与嵌入式系统设计的人都能入手。目前国内外已有不少此类产品。2．集成化方式集成化方式是采用微型

7、计算机技术和大规模集成电路工艺，把传感元件、信号处理电路、微处理器集成在一个硅材料芯片上制成独立的智能传感器功能块。作为商品已有多种集成化智能传感器，如单片智能压力传感器和智能温度传感器等。3．混合集成方式混合集成方式是将智能传感器的传感元件、信号处理电路、微处理器等各个部分以不同的组合方式分别集成在几个芯片上，然后封装在同一个外壳里。11.2.2计算型智能传感器基本结构通常表现为并行的多个基本传感器（也可以是一个）与期望的数字信号处理硬件结合的传感功能组件，如图11－3所示。期望的数字信号处理硬

8、件是安装有专用程序，可以有效的改善测量质量，增加准确性，可以为传感器加入诊断功能和其它形式的智能。传感器1传感器2传感器3模／数变换数字信号处理硬件电源数／模变换输出图11-3计算型智能传感器基本结构图现今已有硅芯片等多种半导体和计算机技术应用于数字信号处理硬件的开发。典型的数字信号处理硬件有如下几种：1.微控制器MCU微控制器MCU实际上是专用的单片机。其包括微处理器、ROM和RAM存储器、时钟信号发生器和片内输入输出端口I/O等。其结构如图11-4所示。数据存储器程序存储器I/