第九章 智能传感器.ppt

微型化
以硅及其他新型材料为基础，采用微机械加工技术和大规模集成电 路 工艺使得传感器的体积已经达到了微米级 。
精度高 比起分体结构，结构一体化后的传感器迟滞、重复性指标将大大改 善，时间漂移大大减小，精度提高。 多功能 将多个不同功能的敏感元件集成制作在一个芯片上，使传感器能测 量不同性质的参数，实现综合检测。 阵列化 将多个功能相同的敏感元件集成在一个芯片上，可以用来测量线状、 面状甚至体状的分布信息。 使用方便 集成化的智能传感器，没有外部连接元件，外接连线数量极少，包括 电源、通信线可以少至四条，因此，接线极其简便。
9.3 智能传感器的实现途径
智能传感器的“智能”主要体现在强大的信息 处理功能上。在技术上有以下一些途径来实现。在 先进的传感器中至少综合了其中两种趋势，往往同 时体现了几种趋势
采用新的检测原理和结构实现信息处理的智能化
采用新的检测原理，通过微机械精细加工工艺设计新型结 构，使之能真实地反映被测对象的完整信息，这也是传感器智 能化的重要技术途径之一 。
多传感器信息融合技术
多传感器系统通过多个传感器获得更多种类和数量的传感 数据，经过处理得到多种信息能够对环境进行更加全面和准确 的描述 。
网络化
智能传感器与通信网络技术相结合，形成网络化智能传感 器。网络化智能传感器使传感器由单一功能、单一检测向多 功能和多点检测发展；从被动检测向主动进行信息处理方向 发展；从就地测量向远距离实时在线测控发展。传感器可以 就近接入网络，传感器与测控设备间无需点对点连接，大大 简化了连接线路，节省投资，也方便了系统的维护和扩充。
计算法
查表法
插值法
计算法
计算法就是利用软件编制一段反非线性特性关系表达式 的计算程序。当被测参数经过采样、滤波后，直接进入计算 程序进行计算，从而得到线性化处理的输出参数，因此，在 掌握传感器输入输出特性f（x）的情况下，利用编制好的反 非线性特性函数，就能快速准确的实现传感器的线性输出。
在实际工程中，被测参数和输出电压常常是一组测定 的数据，这时，需要根据实际情况，用曲线来拟合传感器 的输入－输出特性。如果近似表达式为线性的，则可采用 理论直线法、端点线法、端点平移法、最小二乘法等来拟 合；对于非线性曲线，利用传感器的标定数据，根据最小 二乘原理，可以获得非线性特性的拟合函数。反过来，改 变拟合过程中的变量关系，则可以取得反非线性特性曲线 的拟合函数。关于多项式拟和曲线的参数确定，可以采用 最小二乘法，也可以采用神经网络逼近等方法。
是在芯片种集成了微处理器或数字信号处理器（DSP)并 且带串行总线接口。和传感器信号调理器相比，传感器信号 处理系统则以数字电路为主，其性能比传感器信号调理器更 先进，使用更灵活
利用集成电路制作技术和微机械加工技术可以将多个功能 相同、相近或不同的单个传感器件集成为一维线型传感器或二 维面型（阵列）传感器。现代集成传感器具有以下特点：
9.2 智能传感器的结构、功能与特点
智能传感器是由传感器和微处理器相结合而构成的，它充分利 用微处理器的计算和存储能力，对传感器的数据进行处理，并对 它的内部行为进行调节。图9.1是智能传感器的原理框图，它主要 包括传感器、信号调理电路和微处理器。
微处理器是智能传感器的核心，它不但可以对传感器测量的 数据进行计算、存储、还可以通过反馈回路对传感器进行调节。 由于微处理器充分发挥各种软件的功能，可以完成硬件难以完成 的任务，从而能有效降低制造工艺难度，提高传感器性能，降低 成本。智能传感器的信号感知器件往往由主传感器和辅助传感器 两种微处理器单元对传感器输出的微弱信号进行放大、处理、存 储和与计算机通信。
利用最小二乘法求取反非线性曲线的n阶多项式表达 式的具体步骤如下：
1.列出逼近反非线性曲线的多项式方程
① 对传感器及其条例电路进行静态标定，得校准曲线。 标定点得数据为N为标定点的个数。
输入 xr : x1, x2, x3, , xN
输出 ur : u1, u2, u3,
,uN
② 假设反非线性特性拟合方程为
微处理器
存储器
数据交换模块
控制模块
信号处理模块
数据采集模块
传感器特性参数 （漂移、校 9.1智能传感器原理框图
智能处理单元
智能处理单元
敏感单元
敏感单元
智能传感器的实现结构
非集成化实现
非集成化智能传感器是将传统的经典传感器即采用非集 成化工艺制作的传感器，仅具有获取信号的功能、信号调 理电路、带数字总线接口的微处理器组合为整体而构成的 一个智能传感器系统。其框图如下：
具有自动调零、自校准、自标定功能 具有逻辑判断和信息处理能力。 具有自诊断功能。 具有组态功能，使用灵活。 具有存储和记忆功能，能随时存取数据。 具有双向通信功能。
智能传感器具有以下特点
与传统传感器相比，智能传感器具有传统 传感器所不具有的优点
测量范围很宽，并具有很强的过载能力 高信噪比、高分辨率、高精度 高信噪比与高分辨率 自适应性强 性价比高 超小型化、微型化 低功耗
xi (ui ) a0 a1ui a2ui2 a3ui3 anuin
n的数值由所要求的精度来定。若n＝3，则
xi (ui ) a0 a1ui a2ui2 a3ui3
a0、a1、a2、a3 为待定常数
③ 求解含待定常 数
a0、a1、a2、a3
的函数。根据最小二乘法原
可见，若校正环节具有和传感器非线性特性成反函数 的输出特性，则可以实现对传感器输出非线性的校正。
x
传感器及其
u
调理电路 A/D
微型计算机/处理器
y=x
(a)
u
x
y x 系统框图
xi
0
xi
x
(b)
0
(c) ui u
0
x (d)
输入输出特性
最终输入输出特性 反输入输出特性
非线性自校正的三种实现方法
新型传感器技术
第九章 智能传感器
9.1 智能传感器概述 9.2 智能传感器的构成、功能与特点 9.3 智能传感器的实现途径 9.4 典型智能传感器简介
9.1 智能传感器概述
智能传感器（Intelligent sensor ）最初是由美国宇航局在 1978 年开发出来的。智能传感器是指具有信息检测、处理、记 忆、逻辑思维和判断功能的新型传感器。它不仅具有传统传感器 的各种功能,而且还具有数据处理、故障诊断、非线性处理、自 校正、自调整以及人机通讯等多种功能。它是微电子技术、微型 电子计算机技术与检测技术相结合的产物。早期的智能传感器是 将传感器的输出信号经处理和转化后由接口送到微处理机进行运 算处理。80年代智能传感器主要以微处理器为核心,把传感器信 号调节电路、微电子计算机存贮器及接口电路集成到一块芯片上, 使传感器具有一定的人工智能。90年代智能化测量技术进一步 提高,使传感器实现了微型化、结构一体化、阵列式、数字式,使 用方便和操作简单。同时具有自诊断功能、记忆与信息处理功能、 数据存贮功能、多参量测量功能、联网通信功能、逻辑思维以及 判断功能。智能化传感器是传感器技术未来发展的主要方向。
9.3.2 软件化
不论智能传感器以何种硬件组成方式实现，传感器与微计 算机或微处理器相结合所实现的智能传感器系统，都是在最小 硬件条件基础上采用强大的软件优势来“赋予”智能化功能的。 传感器的数据经过A/D转换后，所获得的数字信号一般不能直 接输入微处理器应用程序中使用，还必须根据需要进行加工处 理，如非线性校正、噪声抑制、自补偿、自检、自诊断等，以 上这些处理也称为软件处理。以软件代硬件也体现出传感器智 能化的优越性所在。
高/上位计算机
外壳
总线接口 微处理器单元
（智能） 信号调理电路 芯片 集成化敏感单元
(a)
总线接口 微处理器单元
信号调理 电路
集成化敏感单元 (b)
总线接口 微处理器单元
（智能） 信号调理电路 集成化敏感单元
(c)
总线接口
微处理器单元 信号调理 电路
集成化敏感单元 (d)
智能传感器的功能
由于智能传感器实现了微型化、结构一体化、 阵列式、数字式。所以它除了具有传统传感器 的功能外，还具有一些高级功能。
x
传感器 V1 放大器 V2 线性化器
V0
设图中传感器输入－输出关系的表达式为 V1 f1(x) 线性放大器的表达式为 V2 a KV1
要求整台仪器的输入－输出特性为 V0 Sx b
式中K，a，S，b都为常数
线性化器的输入－输出关系式为
V2

a

Kf1
(V0 S
b
)
从而有V0=Sf1-1(V2-a/k)+b
集成化
集成智能传感器是利用集成电路工艺和微机械技术将传感 器敏感元件与功能强大的电子线路集成在一个芯片上。
软件化
传感器与微处理器相结合的智能传感器，利用计算机 软件编程的优势，实现对测量数据的信息处理功能主要包 括以下两方面： ① 运用软件计算实现非线性校正、自补偿、自校准等，提高 传感器的精度、重复性等。用软件实现信号滤波,如快速傅 里叶变换、短时傅里叶变换、小波变换等技术,简化硬件、 提高信噪比、改善传感器动态特性； ② 运用人工智能、神经网络、模糊理论等，使传感器具有更 高智能即分析、判断、自学习的功能。
F (a0 , a1, a2 , a3 ) 0 a0
9.3.1 集成化
智能传感器的集成化有两种途径。一是利用微电子电路 制作技术和微计算机接口技术将传感器信号调理单元集成在 同一个芯片上。这种集成化传感器信号调理电路又可分为两
种类型：
传感器信号调理器
传感器信号调理器是将信号的A/D转换器、温度补偿及 自动校正电路集成在一起，输出模拟量或数字量
传感器信号处理系统
9.3.2.1 非线性自校正技术