智能传感技术.ppt

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1、第14章智能传感技术14.1智能传感器概述14.2智能传感器的关键技术14.3智能传感器系统的总线标准14.4智能传感器技术新发展智能传感技术是涉及微机械电子技术、计算机技术、信号处理技术、传感技术与人工智能技术等多种学科的综合密集型技术，它能实现传统传感器所不能完成的功能。智能传感器是21世纪最具代表性的高新科技成果之一。本章首先介绍智能传感器的基本概念、结构、主要功能及特点，然后阐述智能传感器的实现途径及智能传感器(包括实例)的总线标准，最后概述智能传感器的新技术与发展趋势。引言早期认识人们简单地认为智能传感器是将“传感器与微处理器组装在同一块芯片上的装置”

2、。后来定义智能传感器是“将一个或多个敏感元件和信号处理器集成在同一块硅或砷化锌芯片上的装置”；智能传感器是“一种带微处理机并具有检测、判断、信息处理、信息记忆、逻辑思维等功能的传感器”。14.1.1智能传感器概念主要由传感器、微处理器（或微计算机）及相关电路组成14.1.2智能传感器的结构图14-1智能传感器基本结构框图智能传感器比传统传感器在功能上有极大提高，几乎包括仪器仪表的全部功能，主要表现在：⑴逻辑判断、统计处理功能⑵自检、自诊断和自校准功能⑶软件组态功能⑷双向通信和标准化数字输出的功能⑸人机对话功能⑹信息存储与记忆功能14.1.3智能传感器的功能间接

3、传感是指利用一些容易测得的过程参数或物理参数，通过寻找这些过程参量或物理参数与难以直接检测的目标被测变量的关系，建立测量模型，采用各种计算方法，用软件实现待测变量的测量。智能传感器间接传感核心在于建立传感模型。目前建立模型的方法：(1)基于工艺机理的建模方法(2)基于数据驱动的建模方法(3)混合建模方法14.2.1间接传感智能传感器具有通过软件对前端传感器进行非线性的自动校正功能，即能够实现传感器输入-输出的线性化。14.2.2非线性的线性化校正图14-2智能传感器线性化校正原理框图图14-3智能传感器输入-输出特性线性化原理智能传感器自诊断技术俗称“自检”，要求

4、对智能传感器自身各部件，包括软件和硬件进行检测，如ROM、RAM、寄存器、插件、A/D及D/A转换电路及其它硬件资源等的自检验，以及验证传感器能否正常工作，并显示相关信息。对传感器进行故障诊断主要以传感器的输出值为基础的，主要有：(1)硬件冗余诊断法(2)基于数学模型的诊断法(3)基于信号处理的诊断法(4)基于人工智能的故障诊断法14.2.3自诊断在智能传感器中，对传感器进行动态校正的方法多是用一个附加的校正环节与传感器相联（如图14-7），使合成的总传递函数达到理想或近乎理想(满足准确度要求)状态。14.2.4动态特性校正图14-7动态校正原理示意图目前对传感器

5、的特性进行提高的软件方法主要有：⑴将传感器的动态特性用低阶微分方程来表示；⑵按传感器的实际特性建立补偿环节。⑴自校准传感器的自校准采用各种技术手段来消除传感器的各种漂移，以保证测量的准确。自校准在一定程度上相当于每次测量前的重新定标,它可以消除传感器系统的温度漂移和时间漂移。⑵自适应量程智能传感器的自适应量程，要综合考虑被测量的数值范围，以及对测量准确度、分辨率的要求诸因素来确定增益(含衰减)档数的设定和确定切换档的准则，这些都依具体问题而定。14.2.5自校准与自适应量程图14-9自适应量程电路随着现代电子科学技术向高频、高速、高灵敏度、高安装密度、高集

6、成度、高可靠性方面发展，电磁兼容性作为智能传感器的性能指标，受到越来越多的重视。要求传感器在同一时空环境的其它电子设备相互兼容，既不受电磁干扰的影响，也不会对其它电子设备产生影响。一般来说，抑制传感器电磁干扰可以从以下几个方面考虑：一是削弱和减少噪声信号的能量；二是破坏干扰的路径；三是提高线路本身的抗干扰能力。14.2.6电磁兼容性智能传感器标志之一是具有数字标准化数据通信接口，能与计算机直接或接口总线相连，相互交换信息。结合到智能传感器总线技术的实际状况以及逐步实现标准化、规范化的趋势，本节按基于典型芯片级的总线、USB总线和IEEE1451智能传感器接口

7、标准来叙述智能传感器总线标准。14.3智能传感器系统的总线标准㈠1-Wire总线简介1-Wire总线采用一种特殊的总线协议，通过单条连接线解决了控制、通信和供电，具备电子标识、传感器、控制和存储等多种功能器件，提供传统的IC封装、超小型CSP、不锈钢铠装iButtons等新型封装。具有结构简单、成本低、节省I/O资源、便于总线扩展和维护等优点，适用于单个主机系统控制一个或多个从机设备，在分布式低速测控系统（约100kbit/s以下的速率）中有着广泛应用。14.3.1基于典型芯片级的总线㈠1-Wire总线硬件结构14.3.1基于典型芯片级的总线图14-10硬件结构图

8、14-11