《傳感器與檢測技術(shù)(第2版)》胡向東第13章

1、知識單元與知識點(diǎn)智能傳感器的定義、特點(diǎn)、作用、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；模糊傳感器的概念、基本功能、結(jié)構(gòu)；MEMS與微加工、微傳感器的特點(diǎn)、典型微傳感器介紹；網(wǎng)絡(luò)傳感器的概念、類型、體系結(jié)構(gòu)。能力點(diǎn)理解新型傳感器（智能傳感器、模糊傳感器、微傳感器與網(wǎng)絡(luò)傳感器）的概念、特點(diǎn)；理解新型傳感器的結(jié)構(gòu)、作用；了解新型傳感器涉及的主要技術(shù)；了解典型新型傳感器的特性與應(yīng)用。重難點(diǎn)重點(diǎn)：新型傳感器（智能傳感器、模糊傳感器、微傳感器與網(wǎng)絡(luò)傳感器）的概念、特點(diǎn)。難點(diǎn)：新型傳感器涉及的主要技術(shù)。學(xué)習(xí)要求了解新型傳感器（智能傳感器、模糊傳感器、微傳感器與網(wǎng)絡(luò)傳感器）的概念、特點(diǎn)；了解新型傳感器的結(jié)構(gòu)、作用；了解新型傳感器涉及的主

2、要技術(shù)；了解典型新型傳感器的特性與應(yīng)用。13.1 智能傳感器 智能傳感器是基于人工智能、信息處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)的具有分析、判斷，量程自動轉(zhuǎn)換，漂移、非線性和頻率響應(yīng)等自動補(bǔ)償，對環(huán)境影響量的自適應(yīng)，自學(xué)習(xí)以及超限報(bào)警、故障診斷等功能的傳感器。與傳統(tǒng)的傳感器相比，智能傳感器將傳感器檢測信息的功能與微處理器的信息處理功能有機(jī)地結(jié)合在一起，充分利用微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，并能對內(nèi)部工作過程進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，從而具有了一定的人工智能，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)傳感器性能的不足，使采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量得以提高?！拔⑻幚砥鳌卑瑑煞N情況：一種是將傳感器與微處理器集成在一個芯片上構(gòu)成所謂的“單片智能傳感器”；另一種是指傳感器能夠配微

3、處理器。 智能傳感器基本結(jié)構(gòu)13.1.1 智能傳感器的特點(diǎn)智能傳感器的特點(diǎn) 精度高 高可靠性與高穩(wěn)定性 高信噪比與高分辨率 自適應(yīng)性強(qiáng) 性能價格比高 13.1.2 智能傳感器的作用智能傳感器的作用（1）提高測量精度）提高測量精度1）利用微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行多次測量和求平均值的辦法可削弱隨機(jī)誤差的影響；2）利用微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)誤差補(bǔ)償；3）利用輔助溫度傳感器和微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行溫度補(bǔ)償；4）利用微型計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)線性化，可以減少非線性誤差；5）利用微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行測量前的零點(diǎn)調(diào)整、放大系數(shù)調(diào)整和工作中周期調(diào)整零點(diǎn)、放大系數(shù)。（2）增加功能）增加功能1）利用記憶功能獲取被測量的最大值和最小值；2）利用計(jì)算功能對

4、原始信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可獲得新的量值；3）用軟件的辦法完成硬件功能，經(jīng)濟(jì)并減小體積；4）對數(shù)字顯示可有譯碼功能；5）可用微型計(jì)算機(jī)對周期信號特征參數(shù)進(jìn)行測量；6）對諸多被測量可有記憶存儲功能。（3）提高自動化程度）提高自動化程度1）可實(shí)現(xiàn)誤差自動補(bǔ)償；2）可實(shí)現(xiàn)檢測程序自動化操作；3）可實(shí)現(xiàn)越限自動報(bào)警和故障自動診斷；4）可實(shí)現(xiàn)量程自動變換；5）可實(shí)現(xiàn)自動巡回檢測。13.1.3 智能傳感器的實(shí)現(xiàn)智能傳感器的實(shí)現(xiàn) 集成化實(shí)現(xiàn) 采用微機(jī)械加工技術(shù)和大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)，利用半導(dǎo)體材料硅作為基本材料來制作敏感元件，將信號調(diào)理電路、微處理器單元等集成在一塊芯片上構(gòu)成的 非集成化實(shí)現(xiàn) 將傳統(tǒng)傳感器(采

5、用非集成化工藝制作的傳感器，僅具有獲取信號的功能)、信號調(diào)理電路、帶數(shù)字總線接口的微處理器組合為一整體而構(gòu)成的一個智能傳感器系統(tǒng) 混合實(shí)現(xiàn) 根據(jù)需要與可能，將系統(tǒng)各個集成化環(huán)節(jié)，如敏感單元、信號調(diào)理電路、微處理器單元、數(shù)字總線接口等，以不同的組合方式集成在幾塊芯片上，并裝在一個外殼里 13.1.4 智能傳感器的設(shè)計(jì)智能傳感器的設(shè)計(jì) 智能壓力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 敏感元件設(shè)計(jì) 傳感器工藝設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)開 機(jī)自 檢各 芯 片傳 感 器 工 作 是 否正 常 ？分 別 表 示 接 入 符 號停 機(jī)表 示 不 正 常 標(biāo) 志初 始 化 對 各 接 口 芯 片 設(shè) 置 狀 態(tài) 字 對 中 斷 設(shè) 置 狀 態(tài)

6、 字 讀 鍵 命 令 、 IEEE-488命 令 、 RS-232命 令顯 示NYYN接 入 了LED、 鍵 盤 、 打 印 、CRT、 IEEE -488、RS-232嗎 ？13.1.5 智能傳感器的應(yīng)用智能傳感器的應(yīng)用實(shí)例實(shí)例 ST-3000系列智能壓力傳感器 固體圖像傳感器 液態(tài)乙醇濃度在線檢測嵌入式智能傳感器通過TFT-LCD觸摸屏可視化界面能夠設(shè)置各傳感器數(shù)據(jù)采集通道的開關(guān)狀態(tài)和采集數(shù)據(jù)類型(如溫度、壓力、溫度、乙醇濃度、pH值)；傳感器將檢測到的各參數(shù)值送入32位DSP處理器進(jìn)行插值、解耦、自校正等智能處理，并根據(jù)定義好的通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)打包，通過串口送入32位嵌入式ARM9處理器

7、；網(wǎng)絡(luò)接口模塊中的以太網(wǎng)控制器(AX88796)將收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行TCP數(shù)據(jù)打包，通過RJ45接口(HR911105A型)將其傳送到Internet；上位機(jī)實(shí)時接收來自Internet的測量信息，并根據(jù)需要向嵌入式智能傳感器發(fā)送控制命令，執(zhí)行相應(yīng)的操作、調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)等。13.2 模糊傳感器模糊傳感器 模糊傳感器是在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)檢測的基礎(chǔ)上，經(jīng)過模糊推理和知識合成，以模擬人類自然語言符號描述的形式輸出測量結(jié)果的一類智能傳感器。 模糊傳感器的核心部分就是模擬人類自然語言符號的產(chǎn)生及其處理。 模糊傳感器的“智能”之處在于：它可以模擬人類感知的全過程，核心在于知識性，知識的最大特點(diǎn)在于其模糊性 模糊傳感器由

8、硬件和軟件兩部分構(gòu)成 13.2.1 模糊傳感器概述模糊傳感器概述 模糊傳感器是以數(shù)值測量為基礎(chǔ)，并能產(chǎn)生和處理與其相關(guān)的測量符號信息的裝置，即模糊傳感器是在經(jīng)典傳感器數(shù)值測量的基礎(chǔ)上經(jīng)過模糊推理與知識集成，以自然語言符號的描述形式輸出的傳感器。 將被測量值范圍劃分為若干個區(qū)間，利用模糊集理論判斷被測量值的區(qū)間，并用區(qū)間中值或相應(yīng)符號進(jìn)行表示，這一過程稱為模糊化。對多參數(shù)進(jìn)行綜合評價測試時，需要將多個被測量值的相應(yīng)符號進(jìn)行組合模糊判斷，最終得出測量結(jié)果 信息的符號表示與符號信息系統(tǒng)是研究模糊傳感器的核心與基石 模糊傳感器的一般結(jié)構(gòu) 模糊傳感器的基本功能模糊傳感器的基本功能 學(xué)習(xí)功能 推理聯(lián)想功能

9、 感知功能 通信功能 13.2.2 模糊傳感器的結(jié)構(gòu)模糊傳感器的結(jié)構(gòu)多維模糊傳感器結(jié)構(gòu) 有導(dǎo)師學(xué)習(xí)的模糊傳感器 13.2.3 典型模糊傳感器舉例典型模糊傳感器舉例數(shù)值符號轉(zhuǎn)換原理 流程圖13.3 微傳感器微傳感器 完整的MEMS是由微傳感器、微執(zhí)行器、信號處理和控制電路、通訊接口和電源等部件組成的一體化的微型器件系統(tǒng) 其目標(biāo)是把信息的獲取、處理和執(zhí)行集成在一起，組成具有多功能的微型系統(tǒng)，集成于大尺寸系統(tǒng)中，從而大幅度地提高系統(tǒng)的自動化、智能化和可靠性水平。 MEMS系統(tǒng)的突出特點(diǎn)是其微型化，涉及電子、機(jī)械、材料、制造、控制、物理、化學(xué)、生物等多學(xué)科技術(shù)，其中大量應(yīng)用的各種材料的特性和加工制作方

10、法在微米或納米尺度下具有特殊性 MEMS芯片測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu) MEMS器件制造中的四種主流技術(shù) 超精密加工及特種加工 表面微加工 體微加工 LIGA技術(shù) 常用微加工工藝及設(shè)備13.3.2 微傳感器概述微傳感器概述 微傳感器具有以下特點(diǎn)： 空間占有率小 靈敏度高，響應(yīng)速度快 便于集成化和多功能化 可靠性提高 消耗電力小，節(jié)省資源和能量 價格低廉13.3.3 壓阻式微傳感器壓阻式微傳感器 壓阻式微壓力傳感器壓阻式微壓力傳感器 壓阻式微加速度傳感器壓阻式微加速度傳感器 壓阻式微型流量傳感器壓阻式微型流量傳感器 13.3.4 電容式微傳感器電容式微傳感器 電容式微壓力傳感器電容式微壓力傳感器 電容式微加速

11、度傳感器電容式微加速度傳感器 電容式微流量傳感器電容式微流量傳感器 13.3.5 電感式微傳感器電感式微傳感器13.3.6 熱敏電阻式微傳感器熱敏電阻式微傳感器 13.4 網(wǎng)絡(luò)傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感器 13.4.1 網(wǎng)絡(luò)傳感器的概念網(wǎng)絡(luò)傳感器的概念 網(wǎng)絡(luò)傳感器是指傳感器在現(xiàn)場級實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，使現(xiàn)場測控?cái)?shù)據(jù)就近登陸網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)實(shí)時發(fā)布和共享。 簡單地說，網(wǎng)絡(luò)傳感器就是能與網(wǎng)絡(luò)連接或通過網(wǎng)絡(luò)使其與微處理器、計(jì)算機(jī)或儀器系統(tǒng)連接的傳感器。 網(wǎng)絡(luò)傳感器基本結(jié)構(gòu)敏感元件調(diào)理電路A/D轉(zhuǎn)換微處理器網(wǎng)絡(luò)接口信號采集單元數(shù)據(jù)處理單元網(wǎng)絡(luò)接口單元13.4.2 網(wǎng)絡(luò)傳感器的類型網(wǎng)絡(luò)傳感器的類型 基于現(xiàn)場總線的網(wǎng)

12、絡(luò)傳感器基于現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)傳感器 基于以太網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)傳感器基于以太網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)傳感器 13.4.3 基于基于IEEE1451標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)傳感器準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)傳感器代 號名稱與描述IEEE1451.0智能變送器接口標(biāo)準(zhǔn)IEEE1451.1-1999網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用處理器（NCAP）信息模型IEEE1451.2-1997變送器與微處理器通信協(xié)議和TEDS格式IEEE1451.3-2003多點(diǎn)分布式系統(tǒng)數(shù)字通信與TEDS格式IEEE1451.4-2004混合模式通信協(xié)議與TEDS格式IEEE1451.5無線通信協(xié)議與TEDS格式IEEE1451.6CANopen協(xié)議變送器網(wǎng)絡(luò)接口IEEE1451.7帶射頻標(biāo)簽（RF

13、ID）的換能器和系統(tǒng)接口IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議簇體系結(jié)構(gòu) IEEE1451.1的實(shí)現(xiàn) IEEE1451.2的實(shí)現(xiàn) IEEE1451.3的實(shí)現(xiàn) IEEE1451.4的實(shí)現(xiàn) 基于基于IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)化傳感器絡(luò)化傳感器 基于IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)的有線網(wǎng)絡(luò)化傳感器的典型體系結(jié)構(gòu) 網(wǎng)絡(luò)敏感元件信號調(diào)理轉(zhuǎn)換TEDSIEEE1451邏輯網(wǎng)絡(luò)適配器（NCAP）STIM基于IEEE1451.2和藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器體系結(jié)構(gòu) 13.4.4 網(wǎng)絡(luò)傳感器測控系網(wǎng)絡(luò)傳感器測控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)13.4.5 網(wǎng)絡(luò)傳感器的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)傳感器的應(yīng)用前景前景 分布式測控：將網(wǎng)絡(luò)傳感器布置在測控現(xiàn)場，處于控制網(wǎng)絡(luò)中的最低級，其采集到的信息傳輸?shù)娇刂凭W(wǎng)絡(luò)中的分