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智能传感器系统
Intelligent Sensor System
栾楠nluan@
传感器技术发展的重要意义
传感器是：
国民经济的“倍增器”
科学研究的“先行官”
现代战争的“战斗力”
法庭审判的“物化法官”
传感器是信息之源
传感器的定义
国家标准GB7665～87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。
从定义中可见，传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
传感器的重要性集中体现在它是自动化、科学测试、计量核算、监测诊断等系统的基础环节。
现代工业对传感器的典型需求
大型电站：5000台
大型钢铁厂：20000台
大型石化厂：6000台
汽车：30~100台
大型客机：3600台
●第一代为指针式（或模拟式）仪器仪表
●第二代为数字式仪器仪表
●第三代就是智能式仪器仪表
传感器的发展
传感器技术与信息系统的关系
作为获取信息的工具，传感器总是位于信息系统的最前端。
人类现代化历史可以归结为自动化技术发展的历史，而自动化技术的三个核心环节：执行、控制、感觉。
传感器技术与信息系统的关系
以蒸汽机为代表的执行装置的自动化引发了第一次工业革命，解放了人的体力。
控制技术和信息技术的发展引发了第二次工业革命，一定程度上解放了人类的脑力。
与计算机技术和信息处理技术的飞速发展相比，传感器技术的发展明显落后，与其广阔的市场和强烈的社会需求不相符合。
传感器技术与自动化的关系
木桶盛水的能力取决于最短的一块桶板，而在自动化领域的三大基础环节中，传感器技术可是说是最短的一块，严重影响了整个自动化技术的发展。
在过去的三十年中，传感器的性能价格比提升最慢。
上世纪70年代至上世纪末：
执行器的发展 1 -> 10
计算机的发展 1 -> 1000
传感器的发展 1 -> 3
传统传感器的不足
传统传感器的特点：
结构尺寸大，不便于安装使用；
动态响应特性差，适用范围窄；
非线性问题严重，存在零漂等；
参数易受到环境、条件变化的影响；
信噪比低，容易受到干扰；
存在交叉灵敏度，选择性、分辨率不高。
对传感器技术发展的要求
对传感器的需求：
增加品种，发展新型特种传感器；
减小传感器的体积和重量；
提供全数字化接口；
实现测量的自动化、智能化；
实现标准化，做到易用性，互换性好。
传感器技术发展
为适应智能仪器发展的需要，各种新型传感器不断涌现。
聋哑传感器(Dumb Sensor)
智能传感器(Smart Sensor)
网络化传感器(Networked Sensor)
传统的传感器是模拟仪器仪表时代的产物。
它的设计指导思想是把外部信息变换成模拟电压或电流信号。
这类传感器的输出幅值小，灵敏度低，而且功能单一，因而被称为“聋哑传感器”。
聋哑传感器
微电子技术、光电子技术获得了迅猛的发展，加工工艺逐步成熟，新型敏感材料不断被开发出来。
在高新技术的渗透下，尤其是计算机硬件和软件技术的渗入，使微处理器和传感器得以结合，产生了具有一定数据处理能力，并能自检、自校、自补偿的新一代传感器——智能传感器。
智能传感器的出现是传感技术的一次革命，对传感器的发展产生了深远的影响。
智能传感器
网络通信技术逐步走向成熟并渗透到各行各业，各种高可靠、低功耗、低成本、微体积的网络接口芯片被开发出来，微电子机械加工技术,将网络接口芯片与智能传感器集成起来并使通信协议固化到智能传感器的ROM中时，就产生子网络传感器；
为解决现场总线的多样性问题，IEEEl451．2工作组建立了智能传感器接口模块(STIM)标准，该标准描述了传感器网络适配器或微处理器之间的硬件和软件接口，是IEEEl451网络传感器标准的重要组成部分，为使传感器能与各种网络连接提供了条件和方便。
网络传感器
智能传感器和网络化传感器的飞速发展可大大提高信号检测能力，进而推动智能仪器总体性能的提高。
传感器技术的发展趋势
由单个的传感器向传感器系统发展，传感器与仪表的界限越来越模糊。
传感器技术向着智能化和集成化的方向发展。
智能化（Intelligent）和集成化（Integrated），既有区别，也有联系。
集成化是实现智能化的重要措施，而对智能化的需求是推动传感器集成化的重要动力。
一个是工艺性的要求，一个是功能性的要求。
智能传感器是涉及微机械与微电子技术、计算机技术、信号处理技术、电路与系统、传感技术、神经网络技术、模糊理论等多种学科的综合性技术。
推动智能仪器发展的主要技术
传感技术
A/D等新器件的发展将显著增强仪器的
功能与测量范围
单片机
DSP的广泛应用
ASIC、FPGA／CPLD技术
LabVlEW等图形化软件技术
网络与通信技术
智能传感器的前景
目前，传感器正从传统的分立式，朝着单片集成化、智能化、网络化、系统化的方向发展。
据光电行业开发协会（OIDA）作出的最新预测，在2003年～2006年期间，智能传感器的国际市场销售量将以每年20％的高速度增长。
智能传感器可广泛用于工业、农业、商业、交通、环境监测、医疗卫生、军事科研、航空航天、现代办公设备和家用电器等领域。
智能传感器技术
1 智能传感器的定义及功能
1.1 智能传感器的定义
目前，关于智能传感器的中、英文称谓尚未完全统一。
英国人将智能传感器称为“Intelligent Sensor”；美国人则习惯于把智能传感器称作“Smart Sensor”，直译就是“灵巧的、聪明的传感器”。
所谓智能传感器，就是带微处理器、兼有信息检测和信息处理功能的传感器。
智能传感器的主要功能
具有自动校零、自动标定、自动校正等功能；
数据自动采集并具有预处理功能；
具有自检，自动故障诊断等功能；
具有自适应量程；
具有数据存储、记忆和信息处理功能；
数字化双向通讯，能做符号化输出；
具有一定的判断决策能力。
智能传感器的主要特点
具有高的测量精度；
具有好的动态响应速度；
高可靠性和稳定性；
高信噪比和高分辨力；
具有自适应能力；
价格低，性价比高。
智能传感器实现的主要途径
非集成化的实现：
将传统传感器、信号调理电路、微处理器等组合为一个整体而构成系统。
是在原有技术基础上的一种最经济、最快捷的一种方法。
集成化实现：
采用微机械加工和大规模集成电路的工艺技术，以单晶硅为基材，将敏感元件、信号调理电路和处理器等集成于一块芯片上。
其特点是微型化、一体化、精度高、多功能、可阵列化、全数字化、“傻瓜”化。
混合实现：
以上两种方式的混合，兼顾成本、工艺和性能考虑。
智能传感器的主要形式
初级形式：
敏感元件+电路调理，无微处理器。
中级形式：
敏感元件+电路调理+微处理器。
高级形式：
高集成度，多维阵列化，具有信息融合功能，有些具有成像和图像处理等功能。
本课程内容
绪论
一. 经典传感器技术基础、原理
二. 智能传感器应用举例
三. 智能传感器系统集成技术
四. 智能传感器功能实现方法
五. 通信功能和总线接口技术
六. 多传感器信息融合。
