最新-第六章智能传感器1-PPT课件

1、第六章 智能传感器一、定义智能传感器【intelligent sensor】具有信息处理功能的传感器。智能传感器带有微处理机，具有采集、处理、交换信息的能力，是传感器集成化与微处理机相结合的产物。 7/19/20221需要指出，这里讲的“带微处理器”包含两种情况： （1）将传感器与微处理器集成在一个芯片上构成所谓的“单片智能传感器” （2）传感器能够配微处理器。 显然，后者的定义范围更宽，但二者均属于智能传感器的范畴。 7/19/20222(1)具有自校零、自标定、自校正功能；(2) 具有自动补偿功能；(3) 能够自动采集数据， 并对数据进行预处理；(4) 能够自动进行检验、 自选量程、 自寻

2、故障；(5) 具有数据存储、记忆与信息处理功能；(6) 具有双向通讯、标准化数字输出或者符号输出功能(7) 具有判断、决策处理功能。 智能传感器的功能7/19/20223 关于智能传感器的中、英文称谓，目前也尚未统一。“Intelligent Sensor”是英国人的称谓， “Smart Sensor” 是美国人的俗称。 对“Smart Sensor”的中文译名有译为“灵巧传感器”的， 也有译为“智能传感器”的。7/19/20224智能传感器实现的途径 1、利用计算机 非集成化实现 集成化实现2、利用特殊材料3、利用功能化几何结构7/19/20225 非集成化实现 非集成式智能传感器框图 7/

3、19/20226 集成化实现 集成智能传感器外形示意图 7/19/202277/19/20228近几年来，人们提出了智能结构的概念，也就是将传感元件、致动元件以及微处理器集成于基底材料中，使材料或结构具有自感知、自诊断、自适应的智能能力。智能结构涉及到传感技术、控制技术、人工智能、信息处理和材料学等多种学科与技术，是当今国内外竞相研究开发的跨世纪前沿科技。利用特殊材料利用功能化几何结构7/19/2022920世纪50年代提出智能结构1974年美国首次提出将压电陶瓷嵌入复合材料制成构件进入80年代末期以来,智能结构已经有了长足的进展（日本日立公司的机械手）主要研究国家：美、日、德、英为代表的发达

4、国家107/19/202210航天航空工程 （威胁警报、智能机翼、噪声控制）土木工程 （智能混凝土结构、结构灾害反应控制系统、结构健康监测与诊断系统）机器人7/19/202211智能微尘传感器 智能微尘（Smart Micro Dust）是一种具有电脑功能的超微型传感器。从肉眼看来，它和一颗沙粒没有多大区别。但内部却包含了从信息收集、信息处理到信息发送所必需的全部部件。 智能微尘还可以“永久”使用，因为它不仅自带微型薄膜电池，还有一个微型的太阳能电池为它充电。最近，美国英特尔公司制定了基于微型传感器网络的新型计算机的发展规划，也将致力于研究智能微尘传感器网络的工作。 7/19/202212 目

5、前，直径约为5mm的智能微尘已经问世，智能微尘的外形及内部结构如图所示。未来的智能微尘甚至可以悬浮在空中几个小时，搜集、处理并无线发射信息。a）肉眼所看到的智能微尘 b）智能微尘的内部结构智能微尘的外形及内部结构 7/19/202213二、实现的功能 1. 复合敏感功能 周围的自然现象，常见的信号有声、光、电、热、力、化学等。智能传感器具有复合功能，能够同时测量多种物理量和化学量，给出能够较全面反映物质运动规律的信息。美国加利弗尼亚大学研制的复合液体传感器，可同时测量介质的温度、流速、压力和密度。美国EG&G IC Sensors公司研制的复合力学传感器，可同时测量物体某一点的三维振动加速度、

6、速度、位移，等等。7/19/2022142. 自补偿和计算功能 传统传感器没有从根本上解决传感器的温度漂移和输出非线性的补偿工作。智能传感器的自补偿和计算功能为传感器的温度漂移和非线性补偿开辟了新的道路。放宽传感器加工精密度要求，只要能保证传感器的重复性好，利用微处理器对测试的信号通过软件计算，采用多次拟合和差值计算方法对漂移和非线性进行补偿，从而能获得较精确的测量结果。 7/19/2022153. 自检、自校、自诊断功能 普通传感器需要定期检验和标定，以保证它在正常使用时足够的准确度，常规传感器-从使用现场拆卸送到实验室或检验部门进行。对于在线测量传感器出现异常则不能及时诊断。智能传感器-首

7、先自诊断功能在电源接通时进行自检，诊断测试以确定组件有无故障。其次根据使用时间可以在线进行校正，微处理器利用存在EPROM内的计量特性数据进行对比校对。 7/19/202216自校零、 自标定、 自校正系统的自校零与自校准功能充分利用了微控制器的功能，用软件和少量硬件，在软件程序的导引下进行三步测量法，自动校准零点以及自动消除因零点、增益漂移而引入的系统误差，从而提高系统的精度和稳定度。采用这种智能化技术，可以使低精度、低稳定度的测量系统获得高精度的测量结果。测量精度仅决定于测量标准。 7/19/202217量程的自动切换也就是增益的自动选择，要综合考虑被测量的数值范围，以及对测量精度、分辨率

8、的要求诸因素来确定增益(含衰减)档数的设定和确定切换档的准则，这些都依具体问题而定。我公司最近研制出高精度小外型压力变送器，线路采用半导体薄膜工艺制作，量程自选：020KPa60MPa，输出420mA，精度可达到0.1级，防爆等级：本安型，隔爆型。生产许可证，防爆等级证书齐全。本企业通过了ISO9001质量体系认证 7/19/2022184. 信息存储和传输 智能集散控制系统(Smart Distributed System)的飞速发展，对智能单元要求具备通信功能，用通信网络以数字形式进行双向通信，这也是智能传感器关键标志之一。智能传感器通过测试数据传输或接收指令来实现各项功能。如增益的设置、

9、补偿参数的设置、内检参数设置、测试数据输出等。 7/19/202219三、智能传感器的发展1、最初是由美国宇航局1978年在开发出来的产品。宇宙飞船上需要大量的传感器不断向地面发送温度、位置、速度和姿态等数据信息，用一台大型计算机很难同时处理如此庞杂的数据，于是提出把CPU分散化，从而产生出智能化传感器。 2、1983年美国Honeywell公司首次推出用于过程工业的智能压力传感器-ST3000系列智能压力传感器。它具有的多参数传感(差压、静压和温度)与智能化的信号调理功能 。7/19/2022203、半导体技术的迅速发展，使微控制器的功能不断升级，价格不断下降，从而引起工业传感器设计的革命。

10、带微控制器的智能激光传感器可实现3mm的分辨率。 带有16位微控制器的光纤传感器可实现12比特的A/D分辨率 彩色条码检测装置至少能检测16个灰度等级 7/19/2022214、嵌入智能增加了设计的灵活性，缩短了完成周期，降低了开发新应用的成本。设计工程师只用一个传感器通过改变或重新编程微控制器，或者通过升级软件的方法就能满足许多检测的需要。 7/19/202222四、智能传感器的特点性能指标1. 精度高 2. 高可靠性与高稳定性 3. 高信噪比与高的分辨力 4. 强的自适应性 5. 低的价格性能比 7/19/202223现代智能传感器技术,是指以硅材料为基础(优良的电性能,又有极好的机械性能

11、),采用微米级的微机械加工技术和大规模集成电路工艺来实现，特点是:1. 微型化微型压力传感器已经可以小到放在注射针头内送进血管测量血液流动情况,装在飞机或发动机叶片表面用以测量气体的流速和压力. 美国最近研究成功的微型加速度计可以使火箭或飞船的制导系统质量从几公斤下降至几克. 7/19/2022242. 结构一体化压阻式压力(差)传感器是最早实现一体化结构的.传统在金属杯的圆膜片上粘贴电阻变换器(应变片)而构成压力(差)传感器,这就不可避免地存在蠕变,迟滞,非线性特性.采用微机械加工和集成化工艺, 不仅硅杯一次整体成型,而且电阻变换器与硅杯是完全一体化的.进而可在硅杯非受力区制作调理电路,微处

12、理器单元,甚至微执行器, 从而实现不同程度的, 乃至整个系统的一体化. 7/19/2022253. 精度高比起分体结构,传感器结构本身一体化后,迟滞,重复性指标将大大改善, 时间漂移大大减小,精度提高.后续的信号调理电路与敏感元件一体化后可以大大减小由引线长度带来的寄生参量的影响,这对电容式传感器更有特别重要的意义. 7/19/2022264. 多功能微米级敏感元件结构的实现特别有利于在同一硅片上制作不同功能的多个传感器,如,美国霍尼韦尔公司, 80 年代初期生产的ST-3000型智能压力(差)和温度变送器,就是在一块硅片上制作了感受压力, 压差及温度三个参量的,具有三种功能(可测压力, 压差

13、,温度)的敏感元件结构的传感器.不仅增加了传感器的功能, 而且可以通过采用数据融合技术消除交叉灵敏度的影响, 提高传感器的稳定性与精度 7/19/2022275. 阵列式微米技术已经可以在一平方厘米大小的硅芯片上制作含有几千个压力传感器阵列,譬如,丰田中央研究所半导体研究室用微机械加工技术制作的集成化应变计式面阵触觉传感器,在8 mm8 mm的硅片上制作了1 024个(3232)敏感触点(桥), 基片四周还制作了信号处理电路,其元件总数约16 000个. 7/19/202228五、新一代汽车智能传感器 汽车智能传感器也必然成为智能车先进系统的“神经末梢”，为中央处理器提供必需的感知信息，汽车动

14、力性能、操控性能、安全性能和舒适性能等各个方面 。发动机管理系统底盘与传动系统安全系统车身电子系统空调环境系统7/19/202229汽车应用相关的传感器除光照度、图像传感器和主动探测的超声波、微波、毫米波雷达外，还包括压力、液位、流量、位置、高度、距离、速度、转速、转矩、加速度、温度、湿度、气体浓度等传感器，以及适合汽车总线的CAN总线式智能传感器。应用非接触的位置测量、磁阻、磁变、霍尔效应、显微加工的硅芯片、热覆膜、Piezo陶瓷等技术方式，采用通用化、标准化的设计理念来提供切合市场需求的汽车传感器。 7/19/202230新型智能安全方案 酒精检测MEMS系统：采用二氧化锡MEMS元件，正

15、常状况下，元件在吸附空气中的氧气后会保持某个电阻值不发生变化，而一旦空气中含有酒精，元件表面的氧元素便会与酒精发生反应，使电阻值下降。通过测定电阻值，便可检测出呼气中含有的酒精浓度。传感器植入在直径8mm的密封外壳内、连同信号处理电路等一起嵌入方向盘内，一旦检测出驾驶员呼出的气体含有酒精，便发出安全警报。 7/19/202231自动雨刷系统：以发光二极管对前挡风玻璃发出光束，当雨滴打在感应区的玻璃上时，光束所反射的光线强度，会因玻璃上的雨量或湿气含量而有所变化，改变雨刷的刷动频率；或透过红外线电子雨量传感器感应雨量的多寡，并随车速的变化自动调整雨刷速度，增进驾驶人的驾驶方便性，让驾驶更有安全性

16、。 7/19/2022321、采用激光斑多点探测窗上雨滴数来控制雨刷的启动； 2、光电式自动雨刷感控器； 3、平面电容式汽车玻璃自动雨刷系统智能传感器 4、光栅数字式自动雨刷系统测控器； 5、红外雨量传感器； 7/19/2022337/19/202234车速信号仪表板电脑左侧SAM电脑雨刷电机雨滴传感器头顶控制电脑室外温度传感器雨水传感器雨刷马达左侧SAM电脑头顶控制电脑7/19/202235电子式自动照明系统：电子式感应头灯可透过车外的光线明暗感应器自动监测外界的光线，在天色有变化或是进入山洞时，电子式感应器将头灯自动打开，减少驾驶人操作的时间，增加行车安全性。 胎压监测系统：在每个轮胎上安

17、装高灵敏度的传感器，于行车状态下随时监测轮胎状况，并透过传感器以无线方式发射到接收器，让驾驶人能随时掌握漏气与温度升高等轮胎状况，以确保汽车行驶中的安全，并延长轮胎的使用寿命与降低燃油的消耗。最先进的直接轮胎压力监测解决方案的特点包括高级预警系统和压力、温度、电压和动作探测等。7/19/202236安全气囊触发系统：现代安全气囊系统由碰撞传感器、缓冲气囊、气体发生器及控制块（电脑）等组成。 如飞思卡尔推出的加速度传感器，可扩展到整个汽车周围以探测碰撞。通过加速度传感器与SmartMOS技术集成，专门用于探测碰撞和触发汽车正面和侧面的安全气囊。一个集成式器件提供加速度探测、电压调节、MCU功能和

18、有线通讯协议。提供种类众多的加速度传感器，从1.5g到250g,覆盖X.XY.XYZ和Z轴方向。磁电式传感器的采用 7/19/202237此外，随着图像传感和处理技术的发展，还有更多的用于道路分离报警和引导、司机睡意探测、道路障碍传感、智能气囊部署、盲点探测等基于传感器的智能系统将逐渐进入新一代的汽车应用中。采用 “电子稳定控制(ESC)系统”。目前是高档汽车的一个标准配置，但将继续向更多的车款扩散。“稳定控制系统尤其令SUV运动休闲车受益，因为这种车重心较高，更容易发生侧翻。”7/19/202238汽车车体内的空间有限：传感器件和控制电路尽可能微型化。集成化。运行环境非常恶劣：诸如工作状态时

19、的高温，静止待命时的低温，高浓度的油蒸汽和活性(毒性)气体，以及高速运动和高强度的冲击和振动等。传感器和电路必须要有高稳定。抗环境干扰和自适应。自补偿调整的能力。汽车传感器在出厂之前要经过高低温存放。恒定湿热。热冲击。泥浆喷溅。盐水喷溅。振动和电磁干扰等严格测试，确保产品性能不受周围环境的影响。7/19/2022391、船舶用传感器的种类船舶系统中使用的传感器种类繁多, 按照在船舶中的用途, 大致可分为以下几类：通信导航类传感器：主要是各类雷达、测程仪等。六、新一代船舶智能传感器 7/19/202240消防系统类传感器：主要是船舶消防系统中各种温度、烟雾探测器, 随时监控着船舶的消防情况。包含

20、一个光电感烟传感器，和一个热敏电阻温度传感器 7/19/202241主、副机系统类传感器：此类传感器的应用较多, 大多是用于检测温度、压力、速度等指标的传感器,它们对主、副机的工作状态监控起了重大作用, 为机舱的遥控管理提供便利, 是实现机舱工作自动化和无人机舱管理的基础。7/19/202242航行报警系统类传感器：此类传感器监控船舶舱底水位和各船舶之间水密门的状态, 在船舱底水位过高和水密门未关严时发出警报, 以便船上人员及时发现和处理, 消除安全隐患。7/19/2022432、光纤传感器的应用急剧增加的监视和计算机控制对大多数船舶系统来说是必须的,商船上的综合导航系统要求有高分辨率的显示器

21、, 以及在卫星、雷达和底测声纳导航分系统之间进行高速数据传递。这些应用在数据传递网络和传感器上都要求使用光纤技术。在船舶上可应用光纤传感器的系统有：机械故障诊断、机舱监控、航行系统、货舱液位监控、破损控制系统、通风加热空调系统（HVAC）等。7/19/202244一方面不受电磁干扰, 又不产生电子干扰 二是光纤传感器是本质安全型的, 可应用在含有碳氢化合物蒸气、氢气或其它易爆、易燃物质的环境中三是可以方便地进行传感器网络设置。货舱液位监控7/19/2022453、智能式磁致伸缩位移传感器磁致伸缩位移传感器应用于船舶的各种液位测量, 以及各种阀门的开启行程检测等。船舶上有许多地方需要运用液位传感

22、器, 例如普通船舶上的船用锅炉水位检测、燃油油位检测、舱底污水检测、以及特殊船舶如散装化学品运输船的液舱液位遥测与溢流控制、油船的油位检测与溢流控制等。船舶上阀门则更是不计其数。随着船舶自动化程度的提高, 各种阀门的控制自动化要求也越来越高。与之相应, 对检测设备精度的要求也越来越高。7/19/202246特点：它是一种非接触式位移传感器, 不存在磨擦和磨损, 操作简单,互换性好, 有效传递距离达1KM以上。该传感器能直接与计算机、中央控制系统交换数据, 其综合指标目前较为领先, 是其它任何位移传感器都无法相比的, 非常适合需要精确测量物体位移, 并须将测量数据输入中心控制计算机的场合。7/1

23、9/202247智能船舶机舱信息管理系统 船舶智能导航仪 船舶智能航迹仪 船舶智能通信控制系统 船舶智能推进系统 船舶智能避碰决策支持系统船舶智能火灾报警控制系统船舶智能化系统：驾驶、机舱和货运监控等子系统机舱集中监控系统和综合船桥系统是船舶机舱和驾驶导航新技术的代表，相对独立，也可采用现场总线相连进行信息传输。 7/19/202248多功能船舶机舱智能监控系统该项目研制的多功能船舶机舱智能监控系统，包含三个功能：船舶上智能监控、通过无线局域网的陆地监控（与结合）、通过卫星通信的陆地监控（与结合），可根据需要进行选择组合。该项目将控制、检测、计算机、多媒体、数字通信、故障诊断和卫星通信等技术集

24、于一体，具有下列特点：（1）有线网络与无线网络相结合，建立了基于B/S(Brower/Server，浏览器/服务器)、无线收发器和海事卫星的远程网络化机舱智能监控系统；（2）实现船舶机舱各部件实时监控及故障报警功能。（3）利用数据融合技术、支持向量机技术实现了船舶机舱设备的智能故障诊断功能。7/19/202249德国NORIS公司1960年，开发了第一代船用自动化系统，并于1966年成功运用于德国第一艘商船，作为无人机舱监控（获得GL认证）。1980年，又推出了第一套采用微处理器的机舱监控系统（NORIMOS 1000）。1922年，在罗斯托克成立了德国诺力士自动化（罗斯托克）公司，现已成为主

25、机遥控系统（NORISTAR）的开发和生产基地。2019年，开发的基于CAN总线技术的机舱监控系统（NORICAN）获得GL批准，并广泛应用在世界各地的新造船舶上。 7/19/202250综合船桥系统 integrated bridge system 置于船舶桥楼驾驶室里具有多种功能的集成电子系统，又称一人船桥（one-man bridge）。理想的综合船桥应能将导航、通信、机舱自动控制、货物装卸作业操纵等各种功能集于一体，一名值班驾驶员便可完成上述各种任务。 目前综合船桥系统还只能做到有限功能之综合，或叫半综合，例如：有的是将雷达与自动驾驶仪集成一体，或者再加上1个电子海图显示信息系统，由1

26、个多功能显示控制台进行操纵；有的采取模块化结构，即分别制备海图及标绘、驱动、控制、通信等多种标准模块，销售时根据不同用户要求组装成一系列略有差异的系统；7/19/202251有的主要兼备导航和推进控制两方面的功能，既能显示与控制船舶位置、航向、航速、航线、目标和水深，也能显示和控制发动机转速、推进器状态、舵角、风速、风向等；有的则能综合来自各种导航设备（GPS、DGPS、陀螺仪、计程仪、测深仪等）的信息并在电子海图上显示本船的位置。采用综合船桥的突出优点是能节省人力和燃油以及有利于保证航行安全（其电子海图和自动雷达标绘仪起避碰作用）。7/19/202252国外最新综合船桥系统（IBS） 德国R

27、AYTHEON 公司Bridge Controll型综合船桥系统主要特性：驾驶员一直处于视野无阻的中心工作位置，方便地获得罗经指向、航速、舵角、避碰雷达及电子海图等信息。从罗经到雷达、电子海图、手动舵和自动舵所有设备单元都采用统一的键纽、显示及视窗菜单。信息综合显示器可显示出轨迹偏离航向、转向速率、向前速度、向侧速度、舵角、水深、至下个航标的距离和航向、风速、风向、水流流速等。具有全面的报警功能，所有的系统功能和各单元的操作是否正常都在监控范围内。如航向偏离、轨道偏离、危险物标、浅滩、航标、航路点等。雷达、陀螺罗经、DGPS、自动舵和电子海图等都是双套配置，可自动切换。提高系统的安全性。7/1

28、9/202253通过在船桥系统中航行数据和系统配置的新的分布式开发，操作安全得到了大大的提高。新的“一致共同参考系统”(CCRS)连续不断监测船上关于传感器数据的正确性、一致性和准确性，利用质量指示器评估数据。从这些信息中编辑了一系列最好的传感器数据，这些数据分布在综合船桥系统中。另外，新的“健康状况监测”系统会检查每个独立操作台的状态，并且如果有必要，可以调节在另一个船桥工作站接管航行任务，或重启该控制台。用这种方法，数据变得最可靠有效，并且船桥功能也能得到保证。 7/19/202254日本JRC公司JRC综合船桥系统主要特性：由高性能的雷达、ARPA、ECDIS（电子海图及信息显示系统）、

29、综合无线电通信系统以及DGPS/GPS、陀螺罗经、计程仪、自动舵、机舱监控系统等组成，具有极佳的航行安全性和经济性。荷兰IMTECHUnMACS3000型综合船桥系统主要特性：整艘船的监控和操纵集中在一个中央船桥指令站，通过具有高度一致性的用户接口连接整个综合系统。具有电源管理、推进器控制、压舵控制、油舱检测、防火报警和船用黑厘子功能。7/19/202255无人值班机舱自动化系统：主机遥控、安全保护、机舱集中监控报警、电站自动化、柴油机冷却系统温度自动控制、燃油粘度自动控制、锅炉、焚烧炉、泵系、空压机、分油机等自动控制、油雾探测7/19/2022567/19/2022577/19/202258

30、7/19/2022597/19/202260 世界上第一个智能传感器是美国霍尼韦尔（Honeywell）公司在1983年开发的ST3000系列智能压力传感器。它具有的多参数传感(差压、静压和温度)与智能化的信号调理功能 。 最近，该公司还相继开发出ST3000900/2000等系列的新产品，使之功能进一步完善。目前，ST3000系列智能压力传感器在全世界的销量已突破50万只。 7/19/202261高精度 ST3000智能压力传感器7/19/202262常规压力变送器采用两线制, 输出为4-20mA,这相当于被测变量的0-100%。“ 零”一信号用来给变送器馈电。变送器量程只能在有限的范围内适

31、应不同的压力范围。指示精度随着温度、时间和静压的变化而变化。为保证精度, 变送器需要定期地进行再标定。再标定不但费时间, 而且通常不能在有爆炸危险的环境中进行。7/19/202263ST3000变送器壳体内装有一个三变量传感器, 用来测量差压、静压和温度的影响值。在制造时,按照线性度的特性值、静压和温度影响的特性值预先给测量头编了程序, 因而通过修正计算可以得到高精度的和再现性好的测量结果。线性度、静压和温度的特性值存储在存储器内。这些特性值属于一定的测量头, 它们始终要与侧量头相匹配。校准的测量头与微处理器相结合, 使变送器的性能大大提高, 应用范围更加广泛。7/19/202264 美国霍尼韦尔（Honeywell）公司：PPT、PPTR系列智能精密压力传感器，测量精度为0.05，比传统压力传