智能信息感知技術(shù) 課件 第3、4章 智能傳感器信息感知技術(shù)、智能傳感器及網(wǎng)絡(luò)接口標(biāo)準(zhǔn)

2024-07-231智能傳感器技術(shù)——第三章 智能傳感器信息感知技術(shù)目

錄22024-07-233.1智能傳感器定義智能傳感器設(shè)計(jì)智能傳感器校準(zhǔn)智能傳感器應(yīng)用智能傳感器的發(fā)展趨勢(shì)3.1

智能傳感器33.1.1智能傳感器由來(lái)最初是美國(guó)宇航局在宇宙飛船的開(kāi)發(fā)過(guò)程中形成的。為了解飛船在太空的飛行信息和控制艙內(nèi)環(huán)境，使宇航員在飛船內(nèi)能正常工作、生活和進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)，飛船安裝了大量的傳感器。由于數(shù)據(jù)量巨大，希望傳感器具有信息處理功能，傳統(tǒng)傳感器在功能、性能和工作容量方面不能滿足這樣的要求，便出現(xiàn)了智能傳感器。智能傳感器是傳感器、計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。普遍認(rèn)為智能傳感器是“將一個(gè)或多個(gè)敏感元件和信號(hào)處理器集成在同一芯片上的裝置”和“是一種帶微處理器并具有檢測(cè)、判斷、信息處理和記憶、邏輯思維等功能的傳感器”2024-07-233.1

智能傳感器定義2024-07-2343.1.2智能傳感器定義智能傳感器的主要特征就是敏感技術(shù)和信息處理技術(shù)的結(jié)合，也就是它具有信息處理能力，而要具有這種能力，就必然要使用計(jì)算機(jī)技術(shù)，考慮到智能傳感器的體積問(wèn)題，當(dāng)然只能使用微處理器。通常情況下，一個(gè)通用的檢測(cè)儀器只能用來(lái)探測(cè)一種物理量，其信號(hào)調(diào)節(jié)是由那些與主探測(cè)部件相連接著的模擬電路來(lái)完成的。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為,

智能傳感器是由傳統(tǒng)的傳感器和微處理器(

或微計(jì)算機(jī))

相結(jié)合而構(gòu)成的,

它充分利用計(jì)算機(jī)的計(jì)算和存儲(chǔ)能力,

對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,

并能對(duì)它的內(nèi)部行為進(jìn)行調(diào)節(jié),

使采集的數(shù)據(jù)最佳。3.1

智能傳感器定義3.1.2

智能傳感器定義①

人類智能2024-07-235②

智能傳感器人類通過(guò)眼睛、鼻子、耳朵和皮膚感知獲得外部環(huán)境多重傳感信息，這些傳感信息在人類大腦中歸納、推理并積累形成知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)：當(dāng)再次遇到相似外部環(huán)境時(shí)，人類大腦根據(jù)積累的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)對(duì)環(huán)境進(jìn)行推理判斷，做出相應(yīng)反應(yīng)。智能傳感器與人類智能相類似，其傳感器相當(dāng)于人類的感知器官，其微處理器相當(dāng)于人類大腦，可進(jìn)行信息處理、邏輯思維與推理判斷，存儲(chǔ)設(shè)備存儲(chǔ)“知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)”與采集的有用數(shù)據(jù)。3.1

智能傳感器定義63.1.3智能傳感器系統(tǒng)框架關(guān)于智能傳感器目前尚無(wú)統(tǒng)一定義。對(duì)智能傳感器的中、英文稱謂，目前也未統(tǒng)一?！癐ntelligent

Sensor”是英國(guó)對(duì)智能傳感器的稱謂，“SmartSensor”是美國(guó)對(duì)它的稱謂。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

：系統(tǒng)主要由傳感器、微處理器及相關(guān)電路組成。傳感器本體是基礎(chǔ)，核心是微處理器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般如下圖所示。結(jié)構(gòu)可以是分離式的，也可以是集成式的。智能傳感器原理圖如下：2024-07-233.1

智能傳感器定義2024-07-233.1.3

智能傳感器系統(tǒng)框架7所示的智能稱重傳感器系統(tǒng)來(lái)認(rèn)識(shí)智能傳感器技術(shù)的功能特點(diǎn)。稱重傳感器將被測(cè)目標(biāo)的重量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)模-數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后輸入單片機(jī)，此時(shí)測(cè)量的目標(biāo)重量電信號(hào)受溫度、非線性等因素的影響，并不能較準(zhǔn)確地反映目標(biāo)的真正重量。所以，智能稱重傳感器可以加入溫度傳感器測(cè)量環(huán)境溫度，同樣通過(guò)模-數(shù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸入單片機(jī)。存儲(chǔ)設(shè)備中存儲(chǔ)有用于非線性校正的數(shù)據(jù)。稱重傳感器測(cè)得的目標(biāo)重量數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算處理、消除非線性誤差，同時(shí)根據(jù)溫度傳感器測(cè)得的環(huán)境溫度進(jìn)行溫度補(bǔ)償、零點(diǎn)自校正、數(shù)據(jù)校正，并將處理后的數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)設(shè)備中，還可以在顯示設(shè)備上顯示，以及通過(guò)RS-232，USB等接口與微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字化雙向通信。可見(jiàn)，由于智能傳感器引入了微處理器進(jìn)行信息處理、邏輯思維、推理判斷，使其除了傳統(tǒng)傳感器的檢測(cè)功能外，還具有數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信等功能，其功能已經(jīng)延伸至儀器的領(lǐng)域，具有如下功能特點(diǎn)。3.1

智能傳感器定義2024-07-2383.1.4

智能傳感器特點(diǎn)隨著測(cè)控系統(tǒng)自動(dòng)化、智能化的發(fā)展,

要求傳感器準(zhǔn)確度高、可靠性高、穩(wěn)定性好,

而且具備一定的數(shù)據(jù)處理能力,

并能夠自檢、自校、自補(bǔ)償。傳統(tǒng)的傳感器已不能滿足這樣的要求。而智能傳感器需要具備這樣的功能：自補(bǔ)償能力:

通過(guò)軟件對(duì)傳感器的非線性、溫度漂移、時(shí)間漂移、響應(yīng)時(shí)間等進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。自校準(zhǔn)功能:

操作者輸入零值或某一標(biāo)準(zhǔn)量值后,

自校準(zhǔn)軟件可以自動(dòng)地對(duì)傳感器進(jìn)行在線校準(zhǔn)。自診斷功能:

接通電源后,可對(duì)傳感器進(jìn)行自檢,

檢查傳感器各部分是否正常,

并可診斷發(fā)生故障的部件。數(shù)值處理功能:

可以根據(jù)智能傳感器內(nèi)部的程序,自動(dòng)處理數(shù)據(jù),如進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理,剔除異常值等。雙向通信功能:

微處理器和基本傳感器之間構(gòu)成閉環(huán),

微處理機(jī)不但接收、處理傳感器的數(shù)據(jù),還可將信息反饋至傳感器,

對(duì)測(cè)量過(guò)程進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。信息存儲(chǔ)和記憶功能。數(shù)字量輸出功能:

輸出數(shù)字信號(hào),

可方便的和計(jì)算機(jī)或接口總線相連。3.1

智能傳感器定義3.1.4

智能傳感器特點(diǎn)自補(bǔ)償能力智能傳感器的功能自校準(zhǔn)功能自診斷功能數(shù)值處理功能雙向通信功能信息存儲(chǔ)和記憶功能數(shù)字量輸出功2024-07-239(1)

功能特點(diǎn)（a）邏輯判斷、統(tǒng)計(jì)處理功能；（b）自檢、自診斷和自校準(zhǔn)功能；（c）軟件組態(tài)功能；（d）雙向通信和標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字輸出功能；（e）人機(jī)對(duì)話功能；（f）信息存儲(chǔ)與記憶功能。(2)

性能特點(diǎn)量程寬，準(zhǔn)確性與靈活性高，可靠性與穩(wěn)定性高，自適應(yīng)能力強(qiáng)，性價(jià)比高。3.1

智能傳感器定義2024-07-23103.1.4

智能傳感器特點(diǎn)目前研制的智能傳感器只具有上述功能中的一部分。傳統(tǒng)的傳感器只能作為敏感元件,

檢測(cè)物理量的變化,

而智能傳感器則包括測(cè)量信號(hào)調(diào)理(如濾波、放大、A/D

轉(zhuǎn)換等)

、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)顯示等。它幾乎包括了儀器儀表的全部功能。可見(jiàn)智能傳感器的功能已延伸到儀器的領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,智能傳感器的功能將逐步增強(qiáng),

它將利用人工神經(jīng)網(wǎng)、人工智能、信息處理技術(shù)(

如傳感器信息融合技術(shù)、模糊理論等)，使傳感器具有更高級(jí)的智能，具有分析、判斷、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)的功能,可以完成圖象識(shí)別、特征檢測(cè)、多維檢測(cè)等復(fù)雜任務(wù)。3.1

智能傳感器定義2024-07-23113.1.5

傳感器智能化的途徑三種可能途徑（a）利用計(jì)算機(jī)合成，即智能合成（目前的主要途徑）（b）利用特殊功能材料，即智能材料（c）利用功能化幾何結(jié)構(gòu)，即智能結(jié)構(gòu)智能合成實(shí)現(xiàn)方式（a）非集成化模塊方式：集成度不高、體積較大，較實(shí)用（b）混合實(shí)現(xiàn)：智能化的主要類型，已得到廣泛應(yīng)用。（c）集成化實(shí)現(xiàn)：體積小、成本低、功耗小、速度快、可靠性高、精度高、功能強(qiáng)、結(jié)構(gòu)一體化、數(shù)字化、易操作。集成智能傳器是目前研究的熱點(diǎn)和傳感器發(fā)展的主方向.3.1

智能傳感器定義2024-07-23123.1.6

基本傳感器的選用原則基本傳感器是智能傳感器的基礎(chǔ)，在很大程度上決定著智能傳感器的性能，因此其選用、設(shè)計(jì)至關(guān)重要。基本傳感器的選用原則如下。(1)采用微結(jié)構(gòu)方式(2)選用具有準(zhǔn)數(shù)字或直接數(shù)字輸出的傳感器(3)優(yōu)先考慮重復(fù)性和穩(wěn)定性指標(biāo)(4)減小材料缺陷和內(nèi)在特性對(duì)長(zhǎng)期穩(wěn)定性的影響(5)改善動(dòng)態(tài)特性3.1

智能傳感器定義2024-07-23133.1.7

智能傳感器發(fā)展隨著技術(shù)的進(jìn)步，還將進(jìn)一步擴(kuò)展，這種擴(kuò)展是基于兩個(gè)方面：硬件上的進(jìn)步和軟件設(shè)計(jì)上的發(fā)展。智能傳感器將向著精度與可靠性高、品種多、功能豐富、復(fù)合型、集成化與微型化等方向發(fā)展。智能網(wǎng)絡(luò)化、研究新型敏感材料、探索新穎感知方法、敏感元件的陣列化與復(fù)合化將成為智能傳感器感知技術(shù)未來(lái)發(fā)展的主要方向。以智能傳感器為節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的智能傳感網(wǎng)絡(luò)是重要發(fā)展方向，在多功能、高精度的復(fù)雜分布式測(cè)控系統(tǒng)中將顯示出

其強(qiáng)大的生命力并起著非常重要的基礎(chǔ)作用。智能傳感器的通信技術(shù)將會(huì)隨著總線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展而不斷豐富、發(fā)展。隨著微機(jī)械加工技術(shù)、微電子加工技術(shù)的發(fā)展，市場(chǎng)將推動(dòng)智能傳感器向著集成化、微型化方向快速發(fā)展。3.2

智能傳感器設(shè)計(jì)2024-07-23143.2.1智能傳感器原理1.信號(hào)感知與調(diào)理技術(shù)智能傳感器一般通過(guò)信號(hào)感知模塊中的敏感元件將待測(cè)量最終轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)。目前能感知的量很多，有物體位移、速度、加速度等運(yùn)動(dòng)量，溫度、濕度、壓力等過(guò)程量，光強(qiáng)、波長(zhǎng)、偏振度等光的特性量，流量、濃度、pH

值等液體特性量，成分、濃度等氣體特性量，葡萄糖、尿素、維生素等化學(xué)成分等。智能傳感器中的敏感元件有些如傳統(tǒng)傳感器一樣單個(gè)存在的，有些借助于微機(jī)械技術(shù)、硅集成等技術(shù)以陣列方式存在，以提高測(cè)試精度與可靠性，有些將多種敏感元件以一定的方式復(fù)合分布在感知模塊中以感知多種待測(cè)量。感知模塊出來(lái)的信號(hào)一般含有來(lái)自于外界的干擾，需要“凈化”處理以確保測(cè)試精度。另外，該信號(hào)一般比較小，有時(shí)甚至非常微弱，通常需要利用電橋等電路進(jìn)行信號(hào)放大。這些功能一般通過(guò)具有濾波、放大等功能的，如測(cè)試放大器等調(diào)理電路予以實(shí)現(xiàn)。感知模塊與調(diào)理電路有時(shí)分開(kāi)放置，有時(shí)集成在一個(gè)模塊上。2.2

智能傳感器設(shè)計(jì)2024-07-23153.2.1智能傳感器原理2.

信號(hào)處理技術(shù)智能傳感器的信號(hào)處理主要完成“感知”、“認(rèn)知”這2個(gè)方面的功能。“感知”就是通過(guò)對(duì)來(lái)自于調(diào)理電路信號(hào)的分析，獲得待測(cè)物理量或待測(cè)參數(shù)、性能的大小，稱之為粗信號(hào)處理?！罢J(rèn)知”指智能傳感器通過(guò)信號(hào)處理，獲取關(guān)于其自身狀態(tài)、測(cè)試狀態(tài)等方面的知識(shí)，稱之為細(xì)信號(hào)處理。信號(hào)處理一般在通用微處理器上借助軟件予以實(shí)現(xiàn)，也可利用專用集成電路或數(shù)字信號(hào)處理器予以硬件實(shí)現(xiàn)，或部分功能通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，部分功能通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)。3.2

智能傳感器設(shè)計(jì)2024-07-23163.2.1

智能傳感器原理2.信號(hào)處理技術(shù)粗信號(hào)處理“感知”就是通過(guò)對(duì)來(lái)自于調(diào)理電路信號(hào)的分析，獲得待測(cè)物理量或待測(cè)參數(shù)、性能的大小。一般通過(guò)定義法、綜合法、分析法來(lái)測(cè)量。（1）有些待測(cè)量可根據(jù)其定義利用單個(gè)調(diào)理信號(hào)直接獲得，如溫度、位移、交流電流有效值等;有些待測(cè)量則需要多種調(diào)理信號(hào)，如交流電力的視在功率、有功功率等性能指標(biāo)，稱這些方法為定義法。（2）基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)，綜合法主要用于傳統(tǒng)方法獲取比較困難、精度不高、測(cè)試不可靠，甚至不能測(cè)試出待測(cè)量的信號(hào)。（3）分析法的基本任務(wù)是尋求能降低調(diào)理信號(hào)中干擾對(duì)分析精度影響的待測(cè)量獲取算法，其根本目的是提高測(cè)試性能或簡(jiǎn)化智能傳感器硬件結(jié)構(gòu)，以降低智能傳感器的成本或提高其性價(jià)比，利于智能傳感器的推廣、應(yīng)用。3.2

智能傳感器設(shè)計(jì)2024-07-23173.2.1

智能傳感器原理2.信號(hào)處理技術(shù)細(xì)信號(hào)處理粗信號(hào)處理的精度與穩(wěn)定性常受到如偏移誤差、增益

誤差、非線性誤差以及環(huán)境等方面的影響，智能傳感器需通過(guò)細(xì)信號(hào)處理來(lái)認(rèn)識(shí)其“健康”狀態(tài)，“彌補(bǔ)”其分析偏差，

確保測(cè)試的可靠性、精確性。細(xì)信號(hào)處理通常包括自診斷、

自校正、自補(bǔ)償。（1）自診斷用于檢測(cè)智能傳感器是否“健康”:各組成部分能否正常工作，系統(tǒng)參數(shù)是否配置合適，整個(gè)系統(tǒng)能否正常進(jìn)行測(cè)試、通信等。它通常利用人工智能等理論方法，例如:一種基于知識(shí)庫(kù)或?qū)＜蚁到y(tǒng)的智能傳感器自診斷方法。（2）自校正用于智能傳感器各組成部分狀態(tài)、特征參數(shù)及系統(tǒng)參數(shù)的校正。（3）自補(bǔ)償則用于補(bǔ)償待測(cè)量的非線性或因溫度、環(huán)境變化等造成的測(cè)試誤差。3.2

智能傳感器設(shè)計(jì)2024-07-23183.2.1

智能傳感器原理3.通信技術(shù)IEEE

1451系列標(biāo)準(zhǔn)是智能傳感器通用通信標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)支持多種現(xiàn)場(chǎng)總線、以太網(wǎng)等現(xiàn)有的各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。IEEE

1451第七部分則規(guī)定了智能傳感器與目前正蓬勃興起的物聯(lián)網(wǎng)間的通信接口標(biāo)準(zhǔn)。人們?cè)谶@方面開(kāi)展了大量工作并取得了豐碩成果。例如:

人們研究出了一種基于IEEE

1451標(biāo)準(zhǔn)的智能傳感器結(jié)構(gòu)，提出了即插即用

Web智能傳感器的一種基于Web服務(wù)方法，實(shí)現(xiàn)了一種基于CAN協(xié)議的溫度智能傳感器，探索出了一種智能傳感器無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)協(xié)議和一種基于Zig

Bee無(wú)線通信技術(shù)的智能傳感器無(wú)線接口設(shè)計(jì)方案等。

通信模塊以軟件硬件方式實(shí)現(xiàn)，它一般與智能傳感器的信號(hào)處理模塊集成在一起。3.2

智能傳感器設(shè)計(jì)2024-07-23193.2.1智能傳感器原理3.通信技術(shù)通信模塊以軟件硬件方式實(shí)現(xiàn)，它一般與智能傳感器的信號(hào)處理模塊集成在一起。實(shí)現(xiàn)智能傳感器目前主要有3種方式。①

一種方式是將信號(hào)感知與調(diào)理模塊、信號(hào)處理模塊、通信模塊等通過(guò)導(dǎo)線等方式組合在一起即可，這種實(shí)現(xiàn)方式適合于智能化如化工廠等用戶原有傳統(tǒng)傳感器的場(chǎng)合；② 另一種方式乃利用微機(jī)械加工、微電子加工等技術(shù)將這些模塊集成在一片芯片上，實(shí)現(xiàn)了智能傳感器的微型化。這是商品化智能傳感器的最佳選擇，這種智能傳感器使用方便、性能穩(wěn)定、可靠。③ 還有一種方式是將這些模塊集成在兩片或多片芯片上，然后由這些芯片構(gòu)成智能傳感器，這是目前商品化智能傳感器的一種較好選擇。3.2

智能傳感器設(shè)計(jì)智能傳感系統(tǒng)總體框架3.2.2

智能傳感器設(shè)計(jì)智能傳感器系統(tǒng)的工作流程為：（1）上位機(jī)發(fā)送指令；（2）網(wǎng)絡(luò)適配器模塊接收指令后解析指令并生成自己的指令，然后向相應(yīng)的智能傳感器模塊發(fā)送指令；（3）智能傳感器模塊接收指令后執(zhí)行相應(yīng)操作，并將結(jié)果發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)適配器模塊；（4）網(wǎng)絡(luò)適配器模塊收到結(jié)果后將結(jié)果發(fā)送給上位機(jī)；（5）上位機(jī)接收結(jié)果并進(jìn)行相關(guān)操作。2024-07-23203.2

智能傳感器設(shè)計(jì)2024-07-23213.2.3

智能傳感器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)隨著電子技術(shù)、信息技術(shù)、材料科學(xué)的不斷進(jìn)步，傳感器作為物理信息獲取的源頭，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、民生等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的傳感器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)普遍存在穩(wěn)定性差、體積大、能耗高、環(huán)境適應(yīng)能力差等問(wèn)題，僅能開(kāi)展傳統(tǒng)傳感器實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)和研究。隨著新型智能傳感器的不斷出現(xiàn)，傳統(tǒng)的傳感器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已經(jīng)不能滿足當(dāng)前相關(guān)領(lǐng)域人員的學(xué)習(xí)及研究需求。

結(jié)合這一需求，提出了一種基于STM32L476RG嵌入式處理器的智能傳感器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)放式總線結(jié)構(gòu)下的平臺(tái)硬件裝置設(shè)計(jì)，可以兼容傳統(tǒng)模擬傳感器和新型智能傳感器的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)、工程應(yīng)用快速開(kāi)發(fā)和測(cè)試等功能，并設(shè)計(jì)了平臺(tái)軟件。3.2

智能傳感器設(shè)計(jì)3.2.3

智能傳感器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)1.

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)智能傳感器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由主控單元、傳感器接口和通信接口組成，平臺(tái)對(duì)傳統(tǒng)傳感器信號(hào)調(diào)理與采集采用高精度、高速ADC實(shí)現(xiàn)，同時(shí)為新型智能傳感器預(yù)留了大量的總線型接口，保證了平臺(tái)的開(kāi)放性和擴(kuò)展性。在結(jié)構(gòu)上，設(shè)計(jì)了層疊拼裝方式，按照系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)將功能單元直接接入系統(tǒng)，即可開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)或研究，使平臺(tái)具有更大的靈活性。其結(jié)構(gòu)如圖所示。2024-07-2322智能傳感器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)3.2

智能傳感器設(shè)計(jì)2024-07-23233.2.3智能傳感器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)2.

硬件方案設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)方案主要包括主控模塊、Bluetooth

模塊、上位機(jī)接口模塊和供電模塊，其中CAN、

IIC、SPI等總

線功能均集成于主控模塊中。智能傳感實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案，具有低成本、低功耗、高開(kāi)放性和可擴(kuò)展性的特點(diǎn)，可以用于傳感器類實(shí)驗(yàn)教學(xué)、傳感領(lǐng)域應(yīng)用系統(tǒng)或裝置的快速開(kāi)發(fā)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，具有良好的應(yīng)用推廣價(jià)值。3.2

智能傳感器設(shè)計(jì)3.2.3智能傳感器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)2.硬件方案設(shè)計(jì)（1）

主控模塊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主模塊以超低功耗嵌入式處理器

STM32L4765RG為核心。主要完成CAN、 IIC、SPI總線接口驅(qū)動(dòng)，采集、處理ADC的傳感信號(hào)轉(zhuǎn)換結(jié)果，Bluetooth接口驅(qū)動(dòng)，RS232/485接口驅(qū)動(dòng)等功能。（2）通信接口的實(shí)現(xiàn)方法

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供了RS232、RS484、

I2C、SPI及CAN形式的通信接口。（3）藍(lán)牙通信模塊采用Blue

NRG芯片設(shè)計(jì)，它是一款超低功耗單模藍(lán)牙SOC，支持BTLE

4.0和BALF-NRG-01D3協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)；內(nèi)部集成SPI、I2C、UART接口，與微處理器的連接和驅(qū)動(dòng)十分方便；Blue

NRG通過(guò)STM32L4765RG的SPI1通道

接入實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件裝置，可以在平臺(tái)與移動(dòng)設(shè)備間實(shí)現(xiàn)近距離數(shù)據(jù)傳輸。（4）上位機(jī)接口模塊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過(guò)RS-232接口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)間的數(shù)據(jù)通信。由于標(biāo)準(zhǔn)串行接口在PC中已很少見(jiàn)，故采用USB轉(zhuǎn)串口芯片CH340G實(shí)現(xiàn)PC機(jī)通過(guò)MICRO-USB接口與平臺(tái)間的數(shù)據(jù)通信。2024-07-23243.2

智能傳感器設(shè)計(jì)2024-07-23253.2.4

其他智能傳感器設(shè)計(jì)1.基于微機(jī)控制技術(shù)的激光智能傳感器設(shè)計(jì)激光智能傳感器是進(jìn)行激光檢測(cè)的智能儀器,

激光智能傳感器可以用于探測(cè)各種工程材料、零部件、結(jié)構(gòu)件等內(nèi)部和表面缺陷,

利用材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)異常或缺陷存在所引起的對(duì)激光波束反應(yīng)的變化,

進(jìn)行工件缺陷的類型、性質(zhì)、數(shù)量的檢測(cè)和判斷。激光智能傳感器采用激光換能器進(jìn)行激光信號(hào)采集,采用自適應(yīng)波束形成實(shí)現(xiàn)對(duì)激光信號(hào)的集成處理,

通過(guò)功率放大、匹配濾波方法和包絡(luò)檢波,

實(shí)現(xiàn)信號(hào)增益放大,

經(jīng)接收機(jī)放大后的輸出可識(shí)別的激光傳感數(shù)據(jù)和激光信號(hào),

經(jīng)系統(tǒng)接收機(jī)的放大、處理與識(shí)別,

并應(yīng)用在信號(hào)檢測(cè)和識(shí)別中,

研究智能激光傳感器設(shè)計(jì)方法,

在信號(hào)檢測(cè)、目標(biāo)識(shí)別和探測(cè)制導(dǎo)控制等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用價(jià)值,

相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法研究受到人們的極大重視。3.2

智能傳感器設(shè)計(jì)3.2.4

其他智能傳感器設(shè)計(jì)1.基于微機(jī)控制技術(shù)的激光智能傳感器設(shè)計(jì)基于微機(jī)控制技術(shù)的激光智能傳感器設(shè)計(jì),

首先進(jìn)行智能傳感器的總體結(jié)構(gòu)分析,智能激光傳感器一般由發(fā)射天線、接收天線、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、控制器組成,

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)模型中,

發(fā)射天線通過(guò)激光器發(fā)射激光脈沖,

為激光智能傳感器提供一定頻率、幅度的交變的激光脈沖輸入信號(hào),

激光脈沖信號(hào)通過(guò)發(fā)射天線和接收天線形成一個(gè)交變磁場(chǎng),

接收天線利用激光在空氣中的輻射、傳播以及反射特性,

直接耦合感應(yīng)電勢(shì),

經(jīng)接收機(jī)放輸出感應(yīng)脈沖,

并通過(guò)微機(jī)進(jìn)行集成控制,

在輻射場(chǎng)的激勵(lì)下,

輸出激光采樣信號(hào)和傳感數(shù)據(jù)。采集的激光信號(hào)經(jīng)系統(tǒng)接收機(jī)的放大、濾波、包絡(luò)檢波和調(diào)制解調(diào)處理后,輸出可識(shí)別和可利用的激光信號(hào)。2024-07-2326激光傳感器的總體結(jié)構(gòu)框圖3.2

智能傳感器設(shè)計(jì)2024-07-23激光智能傳感器的功能實(shí)現(xiàn)框圖3.2.4

其他智能傳感器設(shè)計(jì)1.基于微機(jī)控制技術(shù)的激光智能傳感器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的激光智能傳感器主要分為用戶界面模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、可視化模塊,采用Linux作為微機(jī)嵌入式內(nèi)核,

進(jìn)行系統(tǒng)的嵌入式設(shè)計(jì),

激光傳感器的主要功能是進(jìn)行激光信號(hào)的采集和數(shù)據(jù)輸出,采用VXI總線發(fā)射電路提供信號(hào),

采用PXI實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)的中斷的激光脈沖,

通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)集成A/D、D/A、信號(hào)處理器

(DSP)

,

實(shí)現(xiàn)多線程的總線數(shù)據(jù)采集和信息傳輸。273.2

智能傳感器設(shè)計(jì)2024-07-23283.2.4

其他智能傳感器設(shè)計(jì)2.基于I2C總線的智能傳感器設(shè)計(jì)智能傳感器系統(tǒng)所采用的總線標(biāo)準(zhǔn)可分為基于芯片級(jí)的I^2

C總線、USB總線和IEEE1451智能傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)。在基于I^2

C總線的智能傳感器設(shè)計(jì)中，采用

MEMS傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能傳感器的小型化、智能化。硬件電路由DC/DC模塊、微控制器最小系統(tǒng)、溫度傳感器電路、濕度傳感器電路，壓力傳感器，加速度傳感器，CAN總線收發(fā)電路，ＲS422收發(fā)電路構(gòu)成。如右圖：智能傳感器原理框圖3.2

智能傳感器設(shè)計(jì)3.2.4

其他智能傳感器設(shè)計(jì)2.基于I2C總線的智能傳感器設(shè)計(jì)智能傳感器I2C總線數(shù)據(jù)傳輸流程圖2024-07-23293.2

智能傳感器設(shè)計(jì)2024-07-23303.2.4

其他智能傳感器設(shè)計(jì)3.

基于CAN總線的航空發(fā)動(dòng)機(jī)智能壓力傳感器設(shè)計(jì)智能傳感器總體結(jié)構(gòu)是智能傳感器是把原有的傳感器進(jìn)行微機(jī)化，將微處理器植入到傳感器系統(tǒng)中，并具有電源總線接口和數(shù)據(jù)總線接口。在分布式控制系統(tǒng)中，智能傳感器完成集中式控制系統(tǒng)中央控制器的低級(jí)功能，主要是信號(hào)采集、信號(hào)傳輸和信號(hào)處理等功能。智能傳感器主要包括傳感器、微處理器、電源總線接口和數(shù)據(jù)總線接口。智能傳感器結(jié)構(gòu)圖3.2

智能傳感器設(shè)計(jì)2024-07-23313.2.4

其他智能傳感器設(shè)計(jì)3.

基于CAN總線的航空發(fā)動(dòng)機(jī)智能壓力傳感器設(shè)計(jì)智能壓力傳感器硬件電路設(shè)計(jì)原理圖如圖，主要由上電自檢電路、信號(hào)處理電路、微處理器DSP以及CAN通訊接口電路組成?；贑AN總線的智能傳感器的設(shè)計(jì)方法，針對(duì)分布式控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了CAN通訊程序，使其能夠完成信號(hào)采集、處理、傳輸?shù)鹊图?jí)功能，減輕了中央控制器的負(fù)載。通DSP接收

CAN

總線上的智能溫度傳感器發(fā)出的溫度信號(hào)對(duì)智能壓力傳感器的輸出量進(jìn)行補(bǔ)償，避免了多余的硬件電路設(shè)計(jì)，可以減輕設(shè)備的質(zhì)量。3.2

智能傳感器設(shè)計(jì)3.2.4

其他智能傳感器設(shè)計(jì)4.基于IEEE1451的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器設(shè)計(jì)IEEE

1451功能模型: 為提升數(shù)據(jù)獲取、分布式傳感與控制功能，以及建立開(kāi)放式系統(tǒng)，通過(guò)系列技術(shù)手段把傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)分隔開(kāi)來(lái)，其中包括傳感器自識(shí)別、自配置、遠(yuǎn)程自標(biāo)定、長(zhǎng)期自身文檔維護(hù)、簡(jiǎn)化傳感器升級(jí)維護(hù)以及增加系統(tǒng)與數(shù)據(jù)的可靠性等。IEEE

1451定義的智能傳感器功能模型2024-07-23323.2

智能傳感器設(shè)計(jì)2024-07-2333網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器系統(tǒng)框圖3.2.4

其他智能傳感器設(shè)計(jì)4.基于IEEE1451的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)提出的將智能變送器接口（STIM）和網(wǎng)絡(luò)適配器（NCAP）作為系統(tǒng)的兩個(gè)模塊，根據(jù)功能要求和可行性，設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器系統(tǒng)如圖。(a) 變送器接口(TIM)模塊主要功能：向NCAP傳輸數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，TIM借助于IEEE1451.2所定義的10線數(shù)據(jù)接口TII(transducer

independent

interface)連接到NCAP。(b)網(wǎng)絡(luò)適配處理器模塊(NCAP)模塊NCAP介于TIM和數(shù)字網(wǎng)絡(luò)之間，用于從TIM模塊獲取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至不同的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)TIM模塊的智能控制。電子數(shù)據(jù)表格TEDS是TIM內(nèi)部的一個(gè)特定電子格式的內(nèi)存區(qū)，用于描述TIM自身以及與其連接的傳感器或執(zhí)行器，提供對(duì)大范圍傳感器或執(zhí)行器的支持，以自動(dòng)識(shí)別這些傳感器或執(zhí)行器。3.3

智能傳感器校準(zhǔn)3.3.1

智能傳感器的主要功能復(fù)合敏感功能敏感元件測(cè)量一般通過(guò)兩種方式：直接和間接的測(cè)量。而智能傳感器具有復(fù)合功能，能夠同時(shí)測(cè)量多種物理量和化學(xué)量，給出能夠較全面反映物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的信息。自補(bǔ)償和計(jì)算功能信息存儲(chǔ)和傳輸功能放寬傳感器加工精密度要求，利用微處理器對(duì)測(cè)試的信號(hào)通過(guò)軟件計(jì)算，采用多次擬合和差值計(jì)算方法對(duì)漂移和非線性進(jìn)行補(bǔ)償，從而能獲得較為精確的測(cè)量結(jié)果。自診斷功能在電源接通時(shí)進(jìn)行自檢，診斷測(cè)試以確定組件有無(wú)故障；根據(jù)使用時(shí)間可以在線進(jìn)行校正，微處理器利用存

在E2PROM內(nèi)的計(jì)量特性數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比校對(duì)。智能傳感器通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸或接收指令來(lái)實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。如增益的設(shè)置、補(bǔ)償參數(shù)的設(shè)置、內(nèi)檢參數(shù)設(shè)置、測(cè)試數(shù)據(jù)輸出等。自檢、自校、自診斷功能2024-07-23343.3

智能傳感器校準(zhǔn)2024-07-23353.3.2

智能化的主要實(shí)現(xiàn)方法和技術(shù)智能化目標(biāo)：克服傳感器自身不足，獲取高的穩(wěn)定性、可靠性、精度、分辨率與自適應(yīng)能力。智能化選擇思路:利用非線性自校正功能，消除傳感器系統(tǒng)的非線性系統(tǒng)誤差。利用自校零與自校準(zhǔn)功能，排除系統(tǒng)的固定系統(tǒng)誤差和溫度、電源電壓波動(dòng)等引起的可變系統(tǒng)誤差。采用補(bǔ)償法，消除因工作條件、環(huán)境參數(shù)變化后引起的系統(tǒng)特性漂移，如零點(diǎn)漂移、靈敏度溫度漂移等通過(guò)智能化軟件進(jìn)行數(shù)字濾波、相關(guān)分析、統(tǒng)計(jì)平均處理等排除干擾與噪聲影響。3.3

智能傳感器校準(zhǔn)2024-07-23363.3.2

智能化的主要實(shí)現(xiàn)方法和技術(shù)(1)非線性自校正：a) 查表法;

b）曲線擬合法

;

c）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法(2)溫度誤差補(bǔ)償a）多段折線逼近法；b)曲線擬合法(3)自校準(zhǔn)和自適應(yīng)增益及量程調(diào)整（a）自校準(zhǔn)；（b）自適應(yīng)增益控制和量程自動(dòng)調(diào)整3.3

智能傳感器校準(zhǔn)2024-07-2337智能傳感器的非線性自校正3.3.2

智能化的主要實(shí)現(xiàn)方法和技術(shù)(1)

非線性自校正原理：智能傳感器具有通過(guò)軟件對(duì)基本傳感器進(jìn)行非線性自動(dòng)校正功能，因此不介意從系統(tǒng)前端的傳感器及其調(diào)理電路至A/D轉(zhuǎn)換器部分的輸入?輸出特性的非線性程度，僅要求其具有重復(fù)性。如圖所示，自動(dòng)選用圖（c）所示反非線性特性進(jìn)行刻度轉(zhuǎn)換，使輸出y與被測(cè)的輸入x呈理想直線關(guān)系（d）。輸入-輸出特性反非線性特性智能溫度傳感器輸入-輸出3.3

智能傳感器校準(zhǔn)383.3.2智能化的主要實(shí)現(xiàn)方法和技術(shù)(a)

查表法智能溫度傳感器信號(hào)輸人，輸出線性關(guān)系可用線性插值法表示，其中較為簡(jiǎn)便的方法是查表法，選取若干點(diǎn)畫(huà)折線,逼近非線性曲線，選取的點(diǎn)越多，逼近非線性曲線折線數(shù)量越多,最終得到的信號(hào)輸出值就越真實(shí)，相應(yīng)的程序代碼編寫(xiě)過(guò)程越復(fù)雜。原理：分段線性插值。它根據(jù)準(zhǔn)確度要求對(duì)反非線性曲線分段，用若干折線逼近非線性曲線。如圖所示，將折點(diǎn)坐標(biāo)存入數(shù)據(jù)表，測(cè)量時(shí)先查被測(cè)量xi對(duì)應(yīng)的輸出量在哪段，再根據(jù)斜率進(jìn)行線性插值求得輸出值yi=xi。線性插值表達(dá)式為：i i ki kk

1

ku

uy

x

x

xk

1

xk(u

u

), k

1,

2,

3,

,

n式中2024，-07-k23為折點(diǎn)的序數(shù)，折線條數(shù)為n-1。缺點(diǎn)及解決辦法：線性插值精度較低，可采用二次拋物線插值法提高。3.3

智能傳感器校準(zhǔn)2024-07-23393.3.2

智能化的主要實(shí)現(xiàn)方法和技術(shù)(b)曲線擬合法在已經(jīng)投人使用的傳感器中一般使用最小二乘法對(duì)非線性曲線進(jìn)行擬合,最小二乘法是現(xiàn)在曲線擬合法中最常用到的方式計(jì)算方法。原理：用n次多項(xiàng)式逼近反非線性曲線。多項(xiàng)式方程的各系數(shù)一般用最小二乘法確定。其步驟如下：對(duì)傳感器及其調(diào)理電路進(jìn)行靜態(tài)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定，得到校準(zhǔn)曲線；設(shè)標(biāo)定點(diǎn)的數(shù)據(jù)輸入為xi，即x1,x2,x3,…,xN，輸出為ui，即u1,u2,u3,…,uN。其中，N為標(biāo)定點(diǎn)個(gè)數(shù)，i=1,2,3,…,N。設(shè)反非線性曲線擬合多項(xiàng)式方程為：xi(ui)=a0+a1ui+a2ui2+a3ui3+…+anuin，式中n的值按準(zhǔn)確度要求確定，a0,a1,…,an為待定常數(shù)。根據(jù)最小二乘法求解待定系數(shù)a0,a1,a2,…,an。缺點(diǎn)：有噪聲時(shí)，用最小二乘法求解待定系數(shù)時(shí)可能遇到無(wú)法求解情況。3.3

智能傳感器校準(zhǔn)403.3.2

智能化的主要實(shí)現(xiàn)方法和技術(shù)(c)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法原理：用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)求解反非線性特性擬合多項(xiàng)式待定系數(shù).傳感器中常用函數(shù)鏈神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法。如右圖所示，i,

ui,

ui2,

…,

uin為函數(shù)鏈神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，ui為靜態(tài)標(biāo)定試驗(yàn)獲得的標(biāo)定點(diǎn)輸出值；Wj（j=0,1,2,…,n）為網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)值（對(duì)應(yīng)反非線性擬合多項(xiàng)式uij項(xiàng)的系數(shù)aj）；zi為函數(shù)鏈神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出估計(jì)值，其第k步輸出估計(jì)為2024-07-23函數(shù)鏈神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖nzi

(k)

uiWj

(k)j

03.3

智能傳感器校準(zhǔn)與應(yīng)用2024-07-23413.3.2

智能化的主要實(shí)現(xiàn)方法和技術(shù)(c)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法與標(biāo)定點(diǎn)輸入xi比較的估計(jì)誤差為:ei

(k)=xi－zi(k)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)的調(diào)節(jié)式為:Wj(k+1)=Wj(k)+ηei(k)ui其中，Wj(k)為第

k

步第

j

個(gè)連接權(quán)值，η

為學(xué)習(xí)因子（直接影響迭代的穩(wěn)定性和收斂速度）。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法不斷調(diào)整連接權(quán)值，直至估計(jì)誤差的均方差足夠小。此時(shí)結(jié)束學(xué)習(xí)過(guò)程，得到最終的連接權(quán)值W0,

W1,

W2,

…,

Wn。此時(shí)的權(quán)值即為多項(xiàng)式的待定系數(shù)，即a0=W0,

a1=W1,a2=W2,…,an=Wn。3.3

智能傳感器校準(zhǔn)3.3.2

智能化的主要實(shí)現(xiàn)方法和技術(shù)(2)溫度誤差補(bǔ)償(a)自補(bǔ)償法原理：基于壓阻效應(yīng)的壓力傳感器由4個(gè)壓敏電阻組成全橋差動(dòng)電路，如圖所示。采用恒流源供電時(shí)，電源端A、C點(diǎn)之間的電位差UAC即為溫度輸出信號(hào)；UBD即為測(cè)壓輸出。當(dāng)輸出端B、D后接高阻放大器時(shí)，可視為開(kāi)路，則A、C兩端的等效電阻RAC為:

RAC＝(R1+R2)//(R3+R4)2024-07-23423.3

智能傳感器校準(zhǔn)2024-07-23433.3.2

智能化的主要實(shí)現(xiàn)方法和技術(shù)溫度誤差補(bǔ)償自補(bǔ)償法理想條件下，四臂電阻初值均為R，被測(cè)壓力P引起各臂電阻呈差動(dòng)變化，溫度干擾量引起的各臂電阻的改變量

RT相同，符號(hào)相同，是共模干擾信號(hào)。這樣，被測(cè)量壓力P與干擾量溫度T同時(shí)作用下，各橋臂的阻值表達(dá)式為：R1＝R3＝R+ΔR+ΔRT；

R2＝R4＝R－ΔR+ΔRT等效電阻：RAC＝R+ΔRT電橋輸入端電壓：UAC＝IRAC＝I（R+ΔRT）＝IR+IΔRT式中，I為恒定電流值，R為壓力傳感器橋臂電阻初值，均為常量；

RT為由溫度改變引起橋臂電阻的改變量?？梢?jiàn)：UAC隨

RT改變，是溫度的函數(shù)，只要進(jìn)行UAC?T

特性標(biāo)定，由監(jiān)測(cè)電壓UAC和通過(guò)UAC?T關(guān)系曲線就可知壓力傳感器的工作溫度T。3.3

智能傳感器校準(zhǔn)2024-07-23443.3.2

智能化的主要實(shí)現(xiàn)方法和技術(shù)(2)

溫度誤差補(bǔ)償(b)

綜合補(bǔ)償多段折線逼近法：零位溫漂補(bǔ)償、靈敏度溫度漂移補(bǔ)償曲線擬合法補(bǔ)償原理：通過(guò)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)只能在有限的幾個(gè)溫度值條件下標(biāo)定P-U特性。通過(guò)曲線擬合法，可找出在工作溫度范圍內(nèi)非標(biāo)定條件下的任一溫度T狀態(tài)的輸入（P）?輸出（U）特性。3.3

智能傳感器校準(zhǔn)2024-07-23453.3.2

智能化的主要實(shí)現(xiàn)方法和技術(shù)(2)

溫度誤差補(bǔ)償(b)

綜合補(bǔ)償-曲線擬合法--補(bǔ)償步驟：①利用標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。將不同工作溫度條件下獲得的輸入(P)?輸出(U)特性用一維多項(xiàng)式方程表示為：式中，U0(T1)，U0(T2)，…，U0(Ti)分別是傳感器在不同溫度的零位值；U(T1)，U(T2)，…，U(Ti)分別是對(duì)應(yīng)不同溫度零位修正后的傳感器的輸出值。利用標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求解各溫度條件下多項(xiàng)式方程的系數(shù)，則上式各方程式可確定。

21P5

Ti

:U

(Ti

)

U

'

U

0

(T

)

P

P

2

P3

P4

i i 1i

2i

3i

4i

5iT2

:

U

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)

U

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U

0

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12

P

22

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2

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P3

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P

4

52

P5

T1

:U

(T1)

U

'

U

0

(T1)

11P

21P

2

31P3

41P

4

51P5

3.3

智能傳感器校準(zhǔn)2024-07-23463.3.2

智能化的主要實(shí)現(xiàn)方法和技術(shù)(2)

溫度誤差補(bǔ)償(b)

綜合補(bǔ)償-曲線擬合法--補(bǔ)償步驟：②建立系數(shù)β的曲線擬合方程。上式中各系數(shù)βi隨溫度而變化的規(guī)律通常不是線性的，也可用一維多項(xiàng)式方程表示為利用實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)可求解出上式中的各系數(shù)：A1，…，A5；B1，…，B5；C1，…，C5；D1，…，D5，從而上式被確定。3 3 3 3 32344444 42 345 5 5 5 5

AT

B

T

2

C

T

3

D

T

41 1 1 1 1

AT

BT2

CT3

DT42 2 2 2 2

AT

B

T

2

C

T

3

D

T

4AT

B

T

C

T

D

T

AT

B

T

C

T

D

T

一次項(xiàng)系數(shù)平方項(xiàng)系數(shù)立方項(xiàng)系數(shù)四次方項(xiàng)系數(shù)五次方項(xiàng)系數(shù)3.3

智能傳感器校準(zhǔn)2024-07-23473.3.23智能化的主要實(shí)現(xiàn)方法和技術(shù)(2)

溫度誤差補(bǔ)償(b)

綜合補(bǔ)償-曲線擬合法--補(bǔ)償步驟：③ 確立工作溫度T

時(shí)的P-U特性的曲線擬合方程。讀入U(xiǎn)AC與U(P,T)。由UAC求出工作溫度T的數(shù)值后將該值代入上述方程式中，可計(jì)算出該工作溫度狀態(tài)的各項(xiàng)系數(shù)：

1,

2,

…，

5，從而確立工作溫度T時(shí)的P-U特性一維多項(xiàng)式方程式:U(T)

P

P2

P3

P4

P51 2 3 4 5根據(jù)上式的反非線性特性，可由讀入的傳感器輸出U(P,T)解得被測(cè)輸入量P。此P值是由其工作溫度T狀態(tài)的輸出?輸入特性求解的，故原理上不存在溫度誤差。3.3

智能傳感器校準(zhǔn)3.3.3

自校準(zhǔn)和自適應(yīng)增益及量程調(diào)整一般來(lái)說(shuō)，傳感器在使用過(guò)程中都有溫漂、時(shí)漂或某些參數(shù)發(fā)生變化的現(xiàn)象。又該如何減小給測(cè)量帶來(lái)的誤差呢?

為保證測(cè)量的精度，通常測(cè)量?jī)x器必須定期進(jìn)行校準(zhǔn)。下面探討下如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校準(zhǔn)。自校準(zhǔn)原理：在軟件程序引導(dǎo)下實(shí)時(shí)自動(dòng)校零和實(shí)時(shí)自動(dòng)校準(zhǔn)。（自動(dòng)校正因零位漂移、靈敏度漂移而引入的誤差）（a）實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)功能的方法之一—不含傳感器的自校準(zhǔn)方案如下圖所示：智能傳感器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)功能原理框圖（不含傳感器自校）2024-07-23483.3

智能傳感器校準(zhǔn)3.3.3

自校準(zhǔn)和自適應(yīng)增益及量程調(diào)整（b）實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)功能的方法之二—含標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器方案如下圖所示智能傳感器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)功能原理框圖2024-07-23493.3

智能傳感器校準(zhǔn)3.3.3

自校準(zhǔn)和自適應(yīng)增益及量程調(diào)整(2)

自動(dòng)增益控制用一個(gè)可編程增益放大器(PGA)，在微處理器的控制下，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制。PGA由運(yùn)放和多路模擬開(kāi)關(guān)切換的電阻反饋網(wǎng)絡(luò)組成。下圖為ADI公司的LH0084原理圖，

它是以測(cè)量放大器為基礎(chǔ)，增加了少量控制程序，很容易實(shí)現(xiàn)量程自動(dòng)調(diào)整。利用PGA實(shí)現(xiàn)量程自動(dòng)調(diào)整2024-07-23503.3

智能傳感器校準(zhǔn)2024-07-23513.3.3

自校準(zhǔn)和自適應(yīng)增益及量程調(diào)整量程自動(dòng)調(diào)整確定增益擋數(shù)和換擋需考慮的因素:系統(tǒng)自身數(shù)據(jù)容量與被測(cè)量范圍;系統(tǒng)精度與信噪比;系統(tǒng)的靈敏度與分辨率要求等。下圖通過(guò)改變采樣電阻大小來(lái)調(diào)整量程。被測(cè)電阻RT和參考電阻(RN1

,

RN2)有相同的恒電流，

RT與RN1上的電壓差過(guò)小使差動(dòng)放大后的電壓轉(zhuǎn)換出的頻率太低時(shí)，微處理器控制開(kāi)關(guān)S轉(zhuǎn)接RN2，以獲得大電壓差，提高輸出頻率，有利于提高測(cè)頻精度。自適應(yīng)量程電路3.3

智能傳感器校準(zhǔn)2024-07-2352智能傳感器非線性誤差校準(zhǔn)主要有1、硬件補(bǔ)償法：硬件補(bǔ)償法存在補(bǔ)償效率不高，拓展性差等缺點(diǎn)。2、軟件校準(zhǔn)法：為了充分利用智能傳感器具有微處理單元的特點(diǎn)，軟件校準(zhǔn)法成為主流，特別是對(duì)自身特性曲線非線性誤差較大的傳感器。軟件校準(zhǔn)法又包括：插值法查表法曲線曲面擬合法BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法3.3

智能傳感器校準(zhǔn)與應(yīng)用3.3.4

基于激光位移傳感器的校準(zhǔn)基于激光位移傳感器的機(jī)器人工具坐標(biāo)系自動(dòng)標(biāo)定方法，搭建了相應(yīng)的機(jī)器人工具校準(zhǔn)系統(tǒng)，其中包含硬件部分和軟件部分。搭建的機(jī)器人工具自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)的硬件組成分為三部分:1.硬件部分：機(jī)器人部分機(jī)器人是進(jìn)行工具校準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，

包含機(jī)器人本體以及配套的機(jī)器人控制柜。測(cè)試裝置部分包含兩個(gè)激光位移傳感器、用于傳感器安裝的架子以及將傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的PLC。計(jì)算機(jī)部分計(jì)算機(jī)是對(duì)標(biāo)定過(guò)程進(jìn)行控制、數(shù)據(jù)處理以及人機(jī)交互的裝置，

是整個(gè)自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)的核心部分。0102032024-07-23533.3

智能傳感器校準(zhǔn)與應(yīng)用2024-07-23543.3.4

基于激光位移傳感器的校準(zhǔn)2.軟件部分信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換模塊、機(jī)器人軌跡規(guī)劃、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集與讀取、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及標(biāo)定計(jì)算。通過(guò)將整個(gè)軟件的功能分解為許多比較小的功能模塊，不僅有助于開(kāi)發(fā)者理清開(kāi)發(fā)思路，而且能降低開(kāi)發(fā)難度，提高開(kāi)發(fā)效率。因此，將整個(gè)軟件系統(tǒng)細(xì)分為人機(jī)交互模塊、信號(hào)AD轉(zhuǎn)換模塊、機(jī)器人軌跡規(guī)劃模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)采集與讀取模塊、標(biāo)定模塊。軟件系統(tǒng)的大致結(jié)構(gòu)如圖3.3

智能傳感器校準(zhǔn)與應(yīng)用550102030405PORTAL上完成開(kāi)發(fā)。描述。3.3.2

基于激光位移傳感器的校準(zhǔn)2.軟件部分AD模塊傳感器的模擬量信號(hào)通過(guò)PLC的模擬量模塊完成A/D轉(zhuǎn)換，該模塊相應(yīng)的程序在TIA機(jī)器人軌跡規(guī)劃模塊可以通過(guò)示教的方式獲得機(jī)器人的運(yùn)行軌跡信息，然后將其儲(chǔ)存在機(jī)器人控制器中，當(dāng)機(jī)器人上位機(jī)發(fā)送命令時(shí)，機(jī)器人開(kāi)始按照軌跡運(yùn)動(dòng)。數(shù)據(jù)采集與讀取模塊通過(guò)數(shù)據(jù)采集與讀取模塊，機(jī)器人上位機(jī)可以讀取機(jī)器人控制器內(nèi)部的數(shù)據(jù),包括機(jī)器人的位姿信息，以及傳感器測(cè)得的距離信號(hào)，由于該信號(hào)并不是理想的一個(gè)數(shù)據(jù)，而是幾千個(gè)數(shù)據(jù)，需要從中采集到所需的那個(gè)數(shù)據(jù)，具體的采集方法后文有詳細(xì)的參數(shù)設(shè)置模塊通過(guò)標(biāo)定獲得的機(jī)器人工具坐標(biāo)系的位置與姿態(tài)通過(guò)該模塊寫(xiě)入機(jī)器人控制器，完成標(biāo)定過(guò)程。2024-07-23標(biāo)定模塊標(biāo)定模塊包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及標(biāo)定計(jì)算三個(gè)小模塊。軟件部分3.4

智能傳感器應(yīng)用3.4.1

多傳感器信息融合技術(shù)及其在機(jī)器人中的應(yīng)用多傳感器信息融合是指綜合來(lái)自多個(gè)傳感器的感知數(shù)據(jù),

以產(chǎn)生更可靠、更準(zhǔn)確或更精確的信息。經(jīng)過(guò)融合的多傳感器系統(tǒng)能完善地、精確地反映檢測(cè)對(duì)象特性，消除信息的不確定性,提高傳感器的可靠性。經(jīng)過(guò)融合的多傳感器信息具有以下特性:

信息的冗余性、信息的互補(bǔ)性、信息的實(shí)時(shí)性和信息的低成本性。多傳感器信息融合的一般方法：信息融合的方法是多傳感器信息融合的最重要的部分,

由于其應(yīng)用上的復(fù)雜性和多樣性,

決定了信息融合的研究?jī)?nèi)容極其豐富,

涉及的基礎(chǔ)理論較多。多傳感器信息融合算法可以分為以下四類:估計(jì)方法、分類方法、推理方法和人工智能方法。2024-07-23563.4

智能傳感器應(yīng)用2024-07-233.4.1

多傳感器信息融合技術(shù)及其在機(jī)器人中的應(yīng)用如今，基于多傳感器信息融合的機(jī)器人開(kāi)始從工業(yè)向其它方向發(fā)展,如服務(wù)機(jī)器人和醫(yī)學(xué)用途的機(jī)器人等。他們的出現(xiàn)得益于機(jī)器人智能的研究和傳感器技術(shù)的發(fā)展。隨著這些特種機(jī)器人的需求越來(lái)越高,

其基于多傳感器信息融合技術(shù)將得到更大的發(fā)展。目前多傳感器信息融合技術(shù)是一個(gè)十分活躍的研究領(lǐng)域,

在這方面將來(lái)的發(fā)展方向有:多層次傳感器融合、微傳感器和智能傳感器、自適應(yīng)多傳感器融合。573.4

智能傳感器應(yīng)用3.4.1

多傳感器信息融合技術(shù)及其在機(jī)器人中的應(yīng)用多層次傳感器融合發(fā)展

方向低層次融合方法可以融合多傳感器數(shù)據(jù);中間層次融合方法可以融合數(shù)據(jù)和特征,得到融合的特征或決策;高層次融合方法可以融合特征和決策,得到最終的決策。微傳感器和智能傳感器微電子技術(shù)的迅速發(fā)展使小型或微型傳感器的制造成為可能。自適應(yīng)多傳感器融合2024-07-2358已研究出一些自適應(yīng)多傳感器融合算法來(lái)處理由于傳感器的不完善帶來(lái)的不確定性。3.4

智能傳感器應(yīng)用2024-07-23593.4.2

物聯(lián)網(wǎng)智能傳感器物聯(lián)網(wǎng)是信息技術(shù)領(lǐng)域的一次重大變革，其被認(rèn)為是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)之后的第三次信息產(chǎn)業(yè)浪潮。物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)，是通過(guò)信息傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。智能傳感器的性能決定了物聯(lián)網(wǎng)性能。傳感器是物聯(lián)網(wǎng)獲得信息的唯一途徑，傳感器采集信息的能力和質(zhì)量將直接影響計(jì)算單元對(duì)信息的處理與傳輸，其特性對(duì)整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)有著舉足輕重的作用。3.4

智能傳感器應(yīng)用3.4.2

物聯(lián)網(wǎng)智能傳感器傳感器的智能特性體現(xiàn)在:

傳感器工作過(guò)程中利用數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)，對(duì)其內(nèi)部行為進(jìn)行調(diào)節(jié)，減少外部因素的不利影響，從而得到最佳結(jié)果?？紤]到智能傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀和種類的多樣性，智能傳感器在信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理、信息交互和邏輯判斷等過(guò)程中表現(xiàn)出如下智能特性：數(shù)據(jù)預(yù)處理自動(dòng)校準(zhǔn)自動(dòng)診斷自適應(yīng)雙向通信智能組態(tài)信息存儲(chǔ)和記憶自推演自學(xué)習(xí)2024-07-23603.4

智能傳感器應(yīng)用2024-07-23613.4.3

MEMS傳感器現(xiàn)狀及應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)特性為了更好地適配物聯(lián)網(wǎng)，智能傳感器應(yīng)具備一些面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的特性，在物聯(lián)網(wǎng)條件下應(yīng)具有即聯(lián)即用的能力，主要表現(xiàn)在其具有自動(dòng)描述、自動(dòng)識(shí)別和自動(dòng)組織(包括自動(dòng)組網(wǎng))等特性。自動(dòng)描述自動(dòng)識(shí)別自動(dòng)組織互操作性數(shù)據(jù)安全特性3.4

智能傳感器應(yīng)用2024-07-23623.4.3

MEMS傳感器現(xiàn)狀及應(yīng)用MEMS傳感器是采用微機(jī)械加工技術(shù)制造的新型傳感器，是MEMS器件的一個(gè)重要分支。MEMS傳感器的門類品種繁多，分類方法也很多。按其工作原理，可分為物理型、化學(xué)型和生物型三類。按照被測(cè)的量又可分為加速度、角速度、壓力、位移、流量、電量、磁場(chǎng)、紅外、溫

度、氣體成分、濕度、pH值、離子濃度、生物濃度及觸覺(jué)等類型的傳感器。作為獲取信息的關(guān)鍵器件，MEMS傳感器對(duì)各種傳感裝備的微型化發(fā)展起著巨大的推動(dòng)作用，已在太空衛(wèi)星、運(yùn)載火箭，航空航天設(shè)備、飛機(jī)、各種車輛、生物醫(yī)學(xué)及消費(fèi)電子產(chǎn)品等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。3.4

智能傳感器應(yīng)用3.4.3

MEMS傳感器現(xiàn)狀及應(yīng)用可用于汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)及工業(yè)控制等領(lǐng)域，采用各種壓力傳感器測(cè)量氣囊壓力、燃油壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力、進(jìn)氣管道壓力及輪胎壓力。在生物和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，壓力傳感器可用于診斷和檢測(cè)系統(tǒng)以及顱內(nèi)壓力檢測(cè)系統(tǒng)等。在航天領(lǐng)域，MEMS壓力傳感器可用于宇宙飛船和航天飛行器的姿態(tài)控制、高速飛行器、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭、衛(wèi)星等耐熱腔體和表面各部分壓力的測(cè)量。MEMS壓力傳感器、用于測(cè)量載體的加速度，并提供相關(guān)的速度和位移信息。MEMS加速度計(jì)的主要性能指標(biāo)包括測(cè)量范圍、分辨率、標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性、標(biāo)度因數(shù)非線性、噪聲零偏穩(wěn)定性和帶寬等。MEMS加速度計(jì)MEMS陀螺儀是一種振動(dòng)式角速率傳感器，其特點(diǎn)是幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜和精準(zhǔn)度較高。MEMS陀螺儀的關(guān)鍵性能指標(biāo)包括靈敏度、滿量程輸出、噪聲、帶寬、分辨率、隨機(jī)漂移和動(dòng)態(tài)范圍等。性能指標(biāo)又可分為低精度、中精度和高精度。2024-07-23633.4

智能傳感器應(yīng)用電氣量傳感器2024-07-2364非電氣量傳感器環(huán)境量傳感器行為量傳感器3.4.4

電力智能傳感技術(shù)挑戰(zhàn)及應(yīng)用展望面向能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展建設(shè)，根據(jù)被測(cè)對(duì)象的特征，電力傳感器可分為：1.電壓、電流、諧波等電氣量不僅是電力設(shè)備的重要參數(shù)，也是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和線路上重要的感知量。2.電力設(shè)備的劣化過(guò)程是電場(chǎng)、磁場(chǎng)、力、熱及濕度等多物理場(chǎng)綜合作用的過(guò)程。目前已通過(guò)電學(xué)、聲學(xué)、氣體及壓力等多種傳感器，獲取電力主設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的典型狀態(tài)量，并開(kāi)展一體化智能監(jiān)測(cè)裝置及基于大數(shù)據(jù)的故障定位分析等技術(shù)研究.3.氣象等環(huán)境參量是新能源運(yùn)行的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，電網(wǎng)作為重要基礎(chǔ)設(shè)施，部署環(huán)境復(fù)雜，所處的地理環(huán)境及工作荷載復(fù)雜多變，需要基于光纖傳感、無(wú)源無(wú)線等傳感技術(shù)，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行全面感知。4.確保電網(wǎng)的安全運(yùn)行,

需要加強(qiáng)作業(yè)管理，同時(shí)需要加強(qiáng)對(duì)外部破壞、自然災(zāi)害的防御。目前基于視頻監(jiān)控、目標(biāo)定位等感知裝置和系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)安全生產(chǎn)、入侵識(shí)別等行為的監(jiān)測(cè)、預(yù)警等。3.5

智能傳感器的發(fā)展趨勢(shì)2024-07-23653.5.1

智能傳感器需求及技術(shù)特點(diǎn)智能傳感器的最大特點(diǎn)就是將傳感器檢測(cè)信息的功能與微處理器的信息處理功能有機(jī)融合在一起，使之具備了某些人工智能。也是傳感器集成化與微處理機(jī)相結(jié)合的產(chǎn)物。智能傳感器必須具備通信功能。智能傳感器可以將檢測(cè)到的各種物理量?jī)?chǔ)存起來(lái)，并按照指令處理這些數(shù)據(jù)，從而創(chuàng)造出的新?lián)?。智能傳感器還能實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，并自我決定應(yīng)該傳送的數(shù)據(jù)，舍棄異常數(shù)據(jù)，完成分析和統(tǒng)計(jì)計(jì)算等。智能傳感器還可以與外部進(jìn)行信息交換，有輸入輸出接口、還具有自檢測(cè)、自修正和自保護(hù)功能等。優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)軟件技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高精度的信息采集，而且成本低；具有一定的編程自動(dòng)化能力；功能多樣化。3.5

智能傳感器的發(fā)展趨勢(shì)663.5.2

智能傳感器的應(yīng)用發(fā)展智能傳感器在各個(gè)領(lǐng)域中已經(jīng)嶄露頭角，對(duì)智能化的傳感器的應(yīng)用越來(lái)越多：應(yīng)用在汽車領(lǐng)域的規(guī)?；a(chǎn)中，對(duì)于汽車的安全行駛系統(tǒng)、智能交通系統(tǒng)、車身系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用較多。2024-07-23尺寸小、運(yùn)行速度快，對(duì)能量的消耗小，其能力還十分強(qiáng)大，能夠檢測(cè)出多種物質(zhì)與環(huán)境情況，而且由于其雙向的信息交流能力，就可以讓檢測(cè)出來(lái)的信息遠(yuǎn)程讀取。利用電磁波的傳播與反饋，讓智能傳感器對(duì)電磁波進(jìn)行收集與數(shù)據(jù)的分析，簡(jiǎn)單的分析后就會(huì)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)街黧w電腦當(dāng)中進(jìn)行下一步的處理，最大限度地避免事故的發(fā)生。種電子元件也在從實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)，對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的需求進(jìn)一步的進(jìn)行滿足，讓智能傳感器發(fā)展更為迅速，應(yīng)用的方面越來(lái)越多。2024-07-2367謝

謝！2024-07-231智能傳感技術(shù)——第四章

智能傳感器及網(wǎng)絡(luò)接口標(biāo)準(zhǔn)目錄智能傳感器概述智能傳感器網(wǎng)絡(luò)智能傳感器網(wǎng)絡(luò)接口標(biāo)準(zhǔn)多傳感器網(wǎng)絡(luò)信息的融合2024-07-2324.1智能傳感器概述2024-07-234.1.1智能傳感器的定義智能傳感器在發(fā)展的同時(shí)，其功能、內(nèi)涵得到不斷的加強(qiáng)和完善，所以智能傳感器至今尚無(wú)統(tǒng)一、確切的定義。但是，業(yè)界普遍認(rèn)為智能傳感器是利用傳感技術(shù)和微處理器技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)高性能檢測(cè)的基礎(chǔ)上，還具備記憶存儲(chǔ)、信息處理、邏輯思維、推理判斷等智能化功能的新型傳感器。智能傳感器與人類智能相類似，其傳感器相當(dāng)于人類的感知器官，其微處理器相當(dāng)于人類大腦，可進(jìn)行信息處理、邏輯思維與推理判斷，存儲(chǔ)設(shè)備存儲(chǔ)"知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)"與采集的有用數(shù)據(jù)。簡(jiǎn)化的概念對(duì)比圖可以參照?qǐng)D4-1。4.1智能傳感器概述4.1.1智能傳感器的定義圖4-1

智能傳感器與人類智能的對(duì)比2024-07-234.1智能傳感器概述2024-07-234.1.1智能傳感器的定義有以下幾個(gè)定義被普遍應(yīng)用：①、智能傳感器是能夠調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)部性能以優(yōu)化對(duì)外界數(shù)據(jù)獲取能力的傳感器系統(tǒng)。在這一定義中，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)及補(bǔ)償能力是智能化傳感器的核心。②、智能傳感器是將敏感元件及信號(hào)和處理器組合在單一集成電路中的器件。在這種定義中，對(duì)信號(hào)處理器的最低要求不是很明確。一般來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)中應(yīng)包括基本的集成電路組件（信號(hào)調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換器）、微處理器、邏輯功能以及得出結(jié)論的功能。4.1智能傳感器概述2024-07-234.1.1智能傳感器的定義有以下幾個(gè)定義被普遍應(yīng)用：③、智能傳感器是可提供比正確表達(dá)被測(cè)對(duì)象參量更多功能的傳感器，符合這個(gè)定義的傳感器通常也稱為靈巧傳感器。典型的例子就是可集成到網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中應(yīng)用的傳感器。盡管有很多不同的定義，但是智能傳感器的主要組成部分是基本相同的。智能傳感器的基本單元包括：①敏感元件或敏感元件陣列；②激勵(lì)控制單元；③放大；④模擬濾波；⑤信號(hào)轉(zhuǎn)換；⑥補(bǔ)償；⑦數(shù)字信號(hào)處理；⑧數(shù)字通信。從其組成部分可以看出，這種智能傳感器已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了普通概念上傳感器所具有的功能。因此，智能傳感器更像是一個(gè)具有敏感元件、數(shù)據(jù)獲取、處理及傳輸功能的完整系統(tǒng)。4.1智能傳感器概述4.1.1智能傳感器的定義圖4-2

智能傳感器的基本結(jié)構(gòu)框架圖2024-07-234.1智能傳感器概述2024-07-234.1.1智能傳感器的定義如圖4-2所示，智能傳感器主要由傳感器、微處理器及相關(guān)電路組成。傳感器將被測(cè)物理量、化學(xué)量等轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，送到信號(hào)調(diào)理電路中，經(jīng)過(guò)濾波放大、數(shù)模轉(zhuǎn)換等信號(hào)預(yù)調(diào)處理后送到微處理器。微處理器對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析和處理后，一方面通過(guò)反饋回路對(duì)傳感器與信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量過(guò)程的調(diào)節(jié)和控制，另一方面將處理后的結(jié)果傳送到輸出接口，經(jīng)過(guò)接口電路的處理后按照輸出格式輸出數(shù)字化的測(cè)量結(jié)果。其中微處理器可以是微控制器(MicrocontrollerUnit,MCU)、數(shù)字信號(hào)處理器(Digital

Signal

Processing,DSP)、專用集成電路(Application-Specific

Integrated

Circuit,ASIC)、現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列(Field-Programmable

GateArray,FPGA)、微型計(jì)算機(jī)。4.1智能傳感器概述USB等接口與微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字化雙向通信。2024-07-234.1.2智能傳感器的特性首先，通過(guò)圖4-3所示的智能稱重傳感器系統(tǒng)來(lái)認(rèn)識(shí)智能傳感器技術(shù)的功能特點(diǎn)。稱重傳感器將被測(cè)目標(biāo)的重量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)模-數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后輸入單片機(jī)，此時(shí)測(cè)量的目標(biāo)重量電信號(hào)受溫度、非線性等因素的影響，并不能較準(zhǔn)確地反映目標(biāo)的真正重量。所以，智能稱重傳感器可以加入溫度傳感器測(cè)量環(huán)境溫度，同樣通過(guò)模-數(shù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸入單片機(jī)。存儲(chǔ)設(shè)備中存儲(chǔ)有用于非線性校正的數(shù)據(jù)。稱重傳感器測(cè)得的目標(biāo)重量數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算處理、消除非線性誤差，同時(shí)根據(jù)溫度傳感器測(cè)得的環(huán)境溫度進(jìn)行溫度補(bǔ)償、零點(diǎn)自校正、數(shù)據(jù)校正，并將處理后的數(shù)據(jù)存人存儲(chǔ)設(shè)備中，還可以在顯示設(shè)備上顯示，以及通過(guò)RS-232，4.1智能傳感器概述4.1.2智能傳感器的特性圖4-3

智能稱重傳感器系統(tǒng)原理圖2024-07-234.1智能傳感器概述2024-07-234.1.2智能傳感器的特性可見(jiàn)，由于智能傳感器引入了微處理器進(jìn)行信息處理、邏輯思維、推理判斷，使其除了傳統(tǒng)傳感器的檢測(cè)功能外，還具有數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信等功能，其功能已經(jīng)延伸至儀器的領(lǐng)域，具有如下功能特點(diǎn)。①

補(bǔ)償功能這是智能傳感器最突出的功能。由于智能傳感器內(nèi)部集成有可用于對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理的嵌入式微處理器，因此可實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器性能的多方面補(bǔ)償，如零點(diǎn)補(bǔ)償、增益補(bǔ)償、線性補(bǔ)償、溫度漂移補(bǔ)償?shù)?。智能傳感器利用微處理器?duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，采用多次擬合、差值計(jì)算或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)漂移和非線性等進(jìn)行補(bǔ)償，從而獲得較精確的測(cè)量結(jié)果。此外智能傳感器還可以判斷某傳感器的信號(hào)是否在合理范圍內(nèi)、是否與某相鄰傳感器的檢測(cè)結(jié)果相符、輸出信號(hào)的變化速度是否合理、輸出信號(hào)的變化是否真的代表被測(cè)量量的變化等。4.1智能傳感器概述2024-07-234.1.2智能傳感器的特性②自校零、自標(biāo)定、自校正、自適應(yīng)量程功能這是智能傳感器技術(shù)的重要功能之一。操作