第14章智能傳感器

1、第第1414章章 智能傳感技術智能傳感技術v14.1 14.1 智能傳感器概述智能傳感器概述 14.1.1 14.1.1 智能傳感器智能傳感器 14.1.2 14.1.2 智能傳感器的智能傳感器的結構結構 14.1.3 14.1.3 智能傳感器的智能傳感器的基本功能基本功能v14.2 14.2 智能傳感器的關鍵技術智能傳感器的關鍵技術v14.4 14.4 智能傳感器技術新發(fā)展智能傳感器技術新發(fā)展14.1.1 14.1.1 智能傳感器智能傳感器v早期，人們簡單地認為智能傳感器是將早期，人們簡單地認為智能傳感器是將“傳感器與微處理器傳感器與微處理器組裝在同一塊芯片上的裝置組裝在同一塊芯片上的裝置”

2、。v隨著智能傳感技術的發(fā)展，基于其構成特點和功能特征，普隨著智能傳感技術的發(fā)展，基于其構成特點和功能特征，普遍認為，智能傳感器是遍認為，智能傳感器是“將一個或多個敏感元件和信號處理將一個或多個敏感元件和信號處理器集成在同一塊硅或砷化鋅芯片上的裝置器集成在同一塊硅或砷化鋅芯片上的裝置”，“一種帶微處一種帶微處理機并具有檢測、判斷、信息處理、信息記憶、邏輯思維等理機并具有檢測、判斷、信息處理、信息記憶、邏輯思維等功能的傳感器功能的傳感器”。v所以智能傳感器是引入了微處理器并擴展了傳感器功能，使所以智能傳感器是引入了微處理器并擴展了傳感器功能，使之具備人的某些智能的、有信息處理功能的新概念傳感器。之

3、具備人的某些智能的、有信息處理功能的新概念傳感器。14.1.2 14.1.2 智能傳感器的智能傳感器的結構結構v一方面通過反饋回路對傳感器與信號調理電路進行調節(jié)以實一方面通過反饋回路對傳感器與信號調理電路進行調節(jié)以實現(xiàn)對測量過程的調節(jié)和控制；另一方面將處理后的結果傳送現(xiàn)對測量過程的調節(jié)和控制；另一方面將處理后的結果傳送到輸出接口，經過接口電路的處理后按照輸出格式和界面定到輸出接口，經過接口電路的處理后按照輸出格式和界面定制輸出數(shù)字化的測量結果。制輸出數(shù)字化的測量結果。14.1.2 14.1.2 智能傳感器的結構智能傳感器的結構v模塊式模塊式智能傳感器為初級的智能傳感器，它由許多相互獨立智能傳感

4、器為初級的智能傳感器，它由許多相互獨立的模塊組成（如將微計算機、信號調理電路模塊、輸出電路的模塊組成（如將微計算機、信號調理電路模塊、輸出電路模塊、顯示電路模塊和傳感器裝配在同一殼體內）。由于集模塊、顯示電路模塊和傳感器裝配在同一殼體內）。由于集成度不高而導致體積較大，但在目前的技術水平下，仍不失成度不高而導致體積較大，但在目前的技術水平下，仍不失為一種實用的結構形式。為一種實用的結構形式。v混合式混合式智能傳感器將傳感器、微處理器和信號處理電路做在智能傳感器將傳感器、微處理器和信號處理電路做在不同的芯片上，是目前智能傳感器采用較多的結構形式。不同的芯片上，是目前智能傳感器采用較多的結構形式。

5、v集成式集成式智能傳感器將一個或多個敏感器件與微處理器、信號智能傳感器將一個或多個敏感器件與微處理器、信號處理電路集成在同一硅片上，集成度高、體積小，是智能傳處理電路集成在同一硅片上，集成度高、體積小，是智能傳感器發(fā)展的方向。感器發(fā)展的方向。 14.1.3 14.1.3 智能傳感器的智能傳感器的基本功能基本功能v邏輯判斷、統(tǒng)計處理邏輯判斷、統(tǒng)計處理：智能傳感器能夠對檢測數(shù)據(jù)進：智能傳感器能夠對檢測數(shù)據(jù)進行分析、統(tǒng)計和修正，能進行非線性、溫度、噪聲、響行分析、統(tǒng)計和修正，能進行非線性、溫度、噪聲、響應時間、交叉感應以及緩慢漂移等誤差補償，還能根據(jù)應時間、交叉感應以及緩慢漂移等誤差補償，還能根據(jù)工

6、作情況調整系統(tǒng)狀態(tài)，使系統(tǒng)工作在低功耗狀態(tài)和傳工作情況調整系統(tǒng)狀態(tài)，使系統(tǒng)工作在低功耗狀態(tài)和傳送效率優(yōu)化的狀態(tài)。送效率優(yōu)化的狀態(tài)。v自檢、自診斷和自校準自檢、自診斷和自校準：這是智能傳感器的標志之一，：這是智能傳感器的標志之一，智能傳感器可以通過對環(huán)境的判斷和自診斷進行零位和智能傳感器可以通過對環(huán)境的判斷和自診斷進行零位和增益等參數(shù)的調整。可以借助其內部檢測線路對異?，F(xiàn)增益等參數(shù)的調整?？梢越柚鋬炔繖z測線路對異常現(xiàn)象或故障進行診斷。操作者輸入零值或某一標準值后，象或故障進行診斷。操作者輸入零值或某一標準值后，自校準程序可以自動地進行在線校準。自校準程序可以自動地進行在線校準。 14.1.3

7、14.1.3 智能傳感器的基本功能智能傳感器的基本功能v軟件組態(tài)（復合敏感）軟件組態(tài)（復合敏感）：智能傳感器設置多種模塊化的硬：智能傳感器設置多種模塊化的硬件和軟件，用戶可以通過操作指令，改變智能傳感器的硬件件和軟件，用戶可以通過操作指令，改變智能傳感器的硬件模塊和軟件模塊的組合形式，以達到不同的應用目的，完成模塊和軟件模塊的組合形式，以達到不同的應用目的，完成不同的功能，實現(xiàn)多傳感、多參數(shù)的復合測量。不同的功能，實現(xiàn)多傳感、多參數(shù)的復合測量。 v雙向通信和標準化數(shù)字輸出雙向通信和標準化數(shù)字輸出：智能化傳感器具有數(shù)字標準：智能化傳感器具有數(shù)字標準化數(shù)據(jù)通信接口，能與計算機直接或接口總線相連，相

8、互交化數(shù)據(jù)通信接口，能與計算機直接或接口總線相連，相互交換信息。這是智能傳感器的又一標志。換信息。這是智能傳感器的又一標志。v人機對話人機對話：智能傳感器與儀表等組合在一起，配備各種顯：智能傳感器與儀表等組合在一起，配備各種顯示裝置和輸入鍵盤，使系統(tǒng)具有靈活的人機對話功能。示裝置和輸入鍵盤，使系統(tǒng)具有靈活的人機對話功能。 v信息存儲與記憶信息存儲與記憶：可以存儲各種信息，如裝載歷史信息、：可以存儲各種信息，如裝載歷史信息、校正數(shù)據(jù)、測量參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)等。對檢測數(shù)據(jù)的隨時存取，校正數(shù)據(jù)、測量參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)等。對檢測數(shù)據(jù)的隨時存取，大大加快了信息的處理速度。大大加快了信息的處理速度。 第第1414

9、章章 智能傳感技術智能傳感技術v14.1 14.1 智能傳感器概述智能傳感器概述v14.2 14.2 智能傳感器的關鍵技術智能傳感器的關鍵技術 14.2.1 14.2.1 間接傳感間接傳感 14.2.2 14.2.2 線性化校正線性化校正 14.2.3 14.2.3 自診斷自診斷 14.2.4 14.2.4 動態(tài)特性校正動態(tài)特性校正 14.2.5 14.2.5 自校準與自適應量程自校準與自適應量程 14.2.6 14.2.6 電磁兼容性電磁兼容性v14.4 14.4 智能傳感器技術新發(fā)展智能傳感器技術新發(fā)展14.2.2 14.2.2 線性化校正線性化校正v理想傳感器的輸入物理量與轉換信號呈線性

10、關系，線性度越理想傳感器的輸入物理量與轉換信號呈線性關系，線性度越高，則傳感器的精度越高。但實際上大多數(shù)傳感器的特性曲高，則傳感器的精度越高。但實際上大多數(shù)傳感器的特性曲線都存在一定的非線性誤差。線都存在一定的非線性誤差。v智能傳感器能實現(xiàn)傳感器輸入智能傳感器能實現(xiàn)傳感器輸入- -輸出的線性化。突出優(yōu)點在輸出的線性化。突出優(yōu)點在于不受限于前端傳感器、調理電路至于不受限于前端傳感器、調理電路至A/DA/D轉換的輸入轉換的輸入- -輸出特輸出特性的非線性程度，僅要求輸入性的非線性程度，僅要求輸入- -輸出特性重復性好。輸出特性重復性好。 14.2.2 14.2.2 線性化校正線性化校正: :1.1

11、.查表法查表法v查表法是一種分段線性插值方法。根據(jù)準確度要求查表法是一種分段線性插值方法。根據(jù)準確度要求對反非線性曲線進行分段，用若干折線逼近非線性對反非線性曲線進行分段，用若干折線逼近非線性曲線，將折點坐標值存入數(shù)據(jù)表中，測量時首先查曲線，將折點坐標值存入數(shù)據(jù)表中，測量時首先查找出被測量找出被測量xi對應的輸出量對應的輸出量ui處在哪一段，再根據(jù)斜處在哪一段，再根據(jù)斜率進行線性插值求得輸出值率進行線性插值求得輸出值yi= =xi。 11()(1,2,3)kkiikikkkxxyxxuuknuu14.2.2 14.2.2 線性化校正線性化校正: :2.2.曲線擬合法曲線擬合法v通常采用通常采用

12、n次多項式來逼近反非線性曲線，多項式次多項式來逼近反非線性曲線，多項式方程的各個系數(shù)由最小二乘法確定。方程的各個系數(shù)由最小二乘法確定。v曲線擬合法的缺點在于當有噪聲存在時，利用最小曲線擬合法的缺點在于當有噪聲存在時，利用最小二乘法原則確定待定系數(shù)時可能會遇到病態(tài)的情況二乘法原則確定待定系數(shù)時可能會遇到病態(tài)的情況而無法求解。而無法求解。 123:,iNxx xxx123:,iNuu u uu230123()niiiiinix uaa ua ua ua u14.2.2 14.2.2 線性化校正線性化校正: :3.3.神經網(wǎng)絡法神經網(wǎng)絡法v利用神經網(wǎng)絡來求解反非線性特性擬合多項利用神經網(wǎng)絡來求解反非

13、線性特性擬合多項式的待定系數(shù)。式的待定系數(shù)。 0( )( )niijjz kuW k(1)( )( )jjjiiW kW ke k u( )ie k( )iixz k14.2.3 14.2.3 自診斷自診斷v智能傳感器自診斷技術俗稱智能傳感器自診斷技術俗稱“自檢自檢”，要求對智能傳感，要求對智能傳感器自身各部分（包括軟件資源和硬件資源）進行檢測，器自身各部分（包括軟件資源和硬件資源）進行檢測，以驗證傳感器能否正常工作，并顯示相關信息。以驗證傳感器能否正常工作，并顯示相關信息。v傳感器故障診斷是智能傳感器自檢的核心內容之一，自傳感器故障診斷是智能傳感器自檢的核心內容之一，自診斷程序應判斷傳感器是

14、否有故障，并實現(xiàn)故障定位、診斷程序應判斷傳感器是否有故障，并實現(xiàn)故障定位、判別故障類型，以便后續(xù)操作中采取相應的對策。判別故障類型，以便后續(xù)操作中采取相應的對策。v對傳感器進行故障診斷主要以傳感器的輸出為基礎，一對傳感器進行故障診斷主要以傳感器的輸出為基礎，一般有般有硬件冗余診斷法硬件冗余診斷法、基于數(shù)學模型的診斷法基于數(shù)學模型的診斷法和和基于信基于信號處理的診斷法號處理的診斷法等。等。14.2.3 14.2.3 自診斷自診斷:1.:1.硬件冗余診斷法硬件冗余診斷法v對容易失效的傳感器進行冗余備份，一般采用兩個、三個或對容易失效的傳感器進行冗余備份，一般采用兩個、三個或者四個相同傳感器來測量同

15、一個被測量，通過冗余傳感器的者四個相同傳感器來測量同一個被測量，通過冗余傳感器的輸出量進行相互比較以驗證整個系統(tǒng)輸出的一致性。輸出量進行相互比較以驗證整個系統(tǒng)輸出的一致性。v一般情況下，該方法采用兩個冗余傳感器可以診斷有無傳感一般情況下，該方法采用兩個冗余傳感器可以診斷有無傳感器故障，采用三個或者三個以上冗余傳感器可以分離發(fā)生故器故障，采用三個或者三個以上冗余傳感器可以分離發(fā)生故障的傳感器。障的傳感器。14.2.3 14.2.3 自診斷自診斷:2.:2.基于數(shù)學模型的診斷法基于數(shù)學模型的診斷法v建立適當?shù)臄?shù)學模型來表征測量系統(tǒng)的特性，通過比較模型建立適當?shù)臄?shù)學模型來表征測量系統(tǒng)的特性，通過比較

16、模型輸出與實際輸出之間的差異來判斷是否有傳感器故障。輸出與實際輸出之間的差異來判斷是否有傳感器故障。v參數(shù)估計診斷法參數(shù)估計診斷法：故障致使模型參數(shù)發(fā)生變化，通過參數(shù)的：故障致使模型參數(shù)發(fā)生變化，通過參數(shù)的估計值與正常值之間的偏差情況來判斷傳感器是否發(fā)生故障。估計值與正常值之間的偏差情況來判斷傳感器是否發(fā)生故障。v通過標定建立被測量對象的輸入輸出模型；通過標定建立被測量對象的輸入輸出模型；通過測量獲通過測量獲得傳感器的輸入輸出系列，估計得傳感器的輸入輸出系列，估計模型參數(shù)模型參數(shù)序列和序列和過程參數(shù)過程參數(shù)系系列；列；根據(jù)參數(shù)變化序列的統(tǒng)計特性，判斷傳感器故障，如根據(jù)參數(shù)變化序列的統(tǒng)計特性，判

17、斷傳感器故障，如有故障則進行故障的分離、估計和決策。有故障則進行故障的分離、估計和決策。 )(),()(ptxfty14.2.3 14.2.3 自診斷自診斷:3.:3.基于信號處理的診斷法基于信號處理的診斷法v直接對檢測到的各種信號進行加工、交換以提取故障特征，直接對檢測到的各種信號進行加工、交換以提取故障特征，回避了基于模型方法需要抽取對象數(shù)學模型的難點?；谛呕乇芰嘶谀Ｐ头椒ㄐ枰槿ο髷?shù)學模型的難點。基于信號處理的診斷方法雖然可靠，但也有局限性，如某些狀態(tài)發(fā)號處理的診斷方法雖然可靠，但也有局限性，如某些狀態(tài)發(fā)散導致輸出量發(fā)散的情況，該方法不適用；另外，閾值選擇散導致輸出量發(fā)散的情況，該

18、方法不適用；另外，閾值選擇不當，也會造成該方法的誤報或者漏報。不當，也會造成該方法的誤報或者漏報。 v直接信號比較法直接信號比較法：在正常情況下，被測量過程的輸入輸出應：在正常情況下，被測量過程的輸入輸出應該在正常范圍變化，來判斷是否發(fā)生了故障。該在正常范圍變化，來判斷是否發(fā)生了故障。 min( )Xt( )X tmax( )Xtmin( )Yt( )Y tmax( )Yt14.2.3 14.2.3 自診斷自診斷:4.:4.基于人工智能的故障診斷法基于人工智能的故障診斷法 v（1 1）基于基于專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)的故障診斷方法的故障診斷方法：在故障診斷專家系：在故障診斷專家系統(tǒng)的知識庫中，儲存了某

19、個對象的故障征兆、故障模式、統(tǒng)的知識庫中，儲存了某個對象的故障征兆、故障模式、故障成因、處理意見等內容，專家系統(tǒng)在推理機構的指導故障成因、處理意見等內容，專家系統(tǒng)在推理機構的指導下，根據(jù)用戶的信息，運用知識進行推理判斷，將觀察到下，根據(jù)用戶的信息，運用知識進行推理判斷，將觀察到的現(xiàn)象與潛在的原因進行比較，形成故障判據(jù)。的現(xiàn)象與潛在的原因進行比較，形成故障判據(jù)。v（2 2）基于基于神經網(wǎng)絡神經網(wǎng)絡的故障診斷方法的故障診斷方法：可利用神經網(wǎng)絡強：可利用神經網(wǎng)絡強大的自學習功能、并行處理能力和良好的容錯能力，神經大的自學習功能、并行處理能力和良好的容錯能力，神經網(wǎng)絡模型由診斷對象的故障診斷事例集經訓

20、練而成，避免網(wǎng)絡模型由診斷對象的故障診斷事例集經訓練而成，避免了解析冗余中實時建模的需求。了解析冗余中實時建模的需求。 14.2.4 14.2.4 動態(tài)特性校正動態(tài)特性校正v在利用傳感器對瞬變信號實施動態(tài)測量時，傳感器由于機械在利用傳感器對瞬變信號實施動態(tài)測量時，傳感器由于機械慣性、熱慣性、電磁儲能元件及電路充放電等多種原因，使慣性、熱慣性、電磁儲能元件及電路充放電等多種原因，使得動態(tài)測量結果與真值之間存在較大的動態(tài)誤差得動態(tài)測量結果與真值之間存在較大的動態(tài)誤差( (即輸出量即輸出量隨時間的變化曲線與被測量的變化曲線相差較大隨時間的變化曲線與被測量的變化曲線相差較大) )。v在智能傳感器中，對

21、傳感器進行動態(tài)校正的方法大多是用一在智能傳感器中，對傳感器進行動態(tài)校正的方法大多是用一個附加的校正環(huán)節(jié)與傳感器相聯(lián)，使合成的總傳遞函數(shù)達到個附加的校正環(huán)節(jié)與傳感器相聯(lián)，使合成的總傳遞函數(shù)達到理想或近乎理想狀態(tài)。理想或近乎理想狀態(tài)。14.2.4 14.2.4 動態(tài)特性校動態(tài)特性校正正v用低階微分方程表示傳感器動態(tài)特性用低階微分方程表示傳感器動態(tài)特性：使補償環(huán)節(jié)傳遞：使補償環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)的零點與傳感器傳遞函數(shù)的極點相同，通過零極抵函數(shù)的零點與傳感器傳遞函數(shù)的極點相同，通過零極抵消的方法實現(xiàn)動態(tài)補償。該方法要求確定傳感器的數(shù)學消的方法實現(xiàn)動態(tài)補償。該方法要求確定傳感器的數(shù)學模型。由于確定數(shù)學模型時的簡

22、化和假設，這種動態(tài)補模型。由于確定數(shù)學模型時的簡化和假設，這種動態(tài)補償器的效果受到限制。償器的效果受到限制。v按傳感器的實際特性建立補償環(huán)節(jié)按傳感器的實際特性建立補償環(huán)節(jié)：根據(jù)傳感器對輸入：根據(jù)傳感器對輸入信號響應的實測參數(shù)以及參考模型輸出，通過系統(tǒng)辨識信號響應的實測參數(shù)以及參考模型輸出，通過系統(tǒng)辨識的方法設計動態(tài)補償環(huán)節(jié)。由于實際測量系統(tǒng)不可避免的方法設計動態(tài)補償環(huán)節(jié)。由于實際測量系統(tǒng)不可避免地存在各種噪聲，辨識得到的傳感器動態(tài)補償環(huán)節(jié)存在地存在各種噪聲，辨識得到的傳感器動態(tài)補償環(huán)節(jié)存在一定誤差。一定誤差。 14.2.5 14.2.5 自校準自校準與自適應量程與自適應量程v自校準在一定程度上

23、相當于每次測量前的重新定標自校準在一定程度上相當于每次測量前的重新定標, ,以消除以消除傳感器的系統(tǒng)漂移。自校準可以采用硬件自校準、軟件自校傳感器的系統(tǒng)漂移。自校準可以采用硬件自校準、軟件自校準和軟硬件結合的方法。準和軟硬件結合的方法。v校零校零：輸入信號的零點標準值，進行零點校準；：輸入信號的零點標準值，進行零點校準；校準校準：輸入：輸入信號標準值測量；信號標準值測量；測量測量：對輸入信號進行測量。：對輸入信號進行測量。 14.2.5 14.2.5 自校準與自校準與自適應量程自適應量程v要綜合考慮被測量的數(shù)值范圍，以及對測量準確度、分辨率要綜合考慮被測量的數(shù)值范圍，以及對測量準確度、分辨率的

24、要求等諸因素來確定增益的要求等諸因素來確定增益( (含衰減含衰減) )檔數(shù)的設定和確定切換檔數(shù)的設定和確定切換檔的準則，這些都依具體問題而定。檔的準則，這些都依具體問題而定。 v在電壓輸入回路中插入四量程電阻在電壓輸入回路中插入四量程電阻衰減器，每個量程相差衰減器，每個量程相差1010倍，在每倍，在每個量程中設置兩個數(shù)據(jù)限，上限通個量程中設置兩個數(shù)據(jù)限，上限通常在滿刻度值附近取值，下限一般常在滿刻度值附近取值，下限一般取為上限的取為上限的1/101/10。智能傳感器在工。智能傳感器在工作中通過判斷測量值是否達到上下作中通過判斷測量值是否達到上下限來自動切換量程。限來自動切換量程。第第1414章

25、章 智能傳感技術智能傳感技術v14.1 14.1 智能傳感器概述智能傳感器概述v14.2 14.2 智能傳感器的關鍵技術智能傳感器的關鍵技術v14.4 14.4 智能傳感器技術新發(fā)展智能傳感器技術新發(fā)展 14.4.1 14.4.1 嵌入式嵌入式智能傳感器智能傳感器 14.4.2 14.4.2 陣列式陣列式智能傳感器智能傳感器14.4.1 14.4.1 嵌入式智能傳感器嵌入式智能傳感器v嵌入式智能傳感器一般是指應用了嵌入式系統(tǒng)技術、嵌入式智能傳感器一般是指應用了嵌入式系統(tǒng)技術、智能理論和傳感器技術，具備網(wǎng)絡傳輸功能，并且智能理論和傳感器技術，具備網(wǎng)絡傳輸功能，并且集成了多樣化外圍功能的新型傳感器系統(tǒng)。集成了多樣化外圍功能的新型傳感器系統(tǒng)。v經典智能傳感器一般是使用單片機再加上控制規(guī)則經典智能傳感器一般是使用單片機再加上控制規(guī)則進行工作的，較少涉及智能理論（人工智能技術、進行工作的，較少涉及智能理論（人工智能技術、神經網(wǎng)絡技術和模糊技術等）。神經網(wǎng)絡技術和模糊技術等）。v因此，基于嵌入式系統(tǒng)來應用智能理論的