传感器与检测技术第二版胡向东著第十二章 新型传感器

1、第12章 新型传感器 12.1 智能传感器 一、概述1. 智能传感器的概念 智能传感器是带有微处理器并兼有信息检测和信息处理功能的传感器，它能充分利用微处理器进行数据分析和处理，并能对内部工作过程进行调节和控制，使采集的数据最佳。 与传统的传感器相比，智能传感器将传感器检测信息的功能与微处理器(CPU)的信息处理功能有机地结合在一起，从而具有了一定的人工智能，它弥补了传统传感器性能的不足，使传感器技术发生了巨大的变革，将传感器的发展提高到一个更高的层次上。 下页返回图12.1 智能传感器基本结构框图 智能传感器就是一个最小的微机系统，其中作为控制核心的微处理器通常采用单片机，其基本结构框图如下

2、： 下页上页返回2. 智能传感器的功能 具有自补偿功能。 具有自校准功能。 具有自诊断功能。 具有自动数据处理功能。 具有组态功能。 具有双向通信和数字输出功能。 具有信息存储与记忆功能。 具有分析、判断、自适应、自学习的功能。3. 智能传感器的特点 与传统传感器相比，智能传感器的特点是： 精度高 高可靠性与高稳定性强 高信噪比与高分辨率 自适应性强 性能价格比高 由此可见，智能化设计是传感器传统设计中的一次革命，是世界传感器的发展趋势。下页上页返回（1）提高测量精度1）利用微型计算机进行多次测量和求平均值的办法可削弱随机误差的影响；2）利用微型计算机进行系统误差补偿；3）利用辅助温度传感器和

3、微型计算机进行温度补偿；4）利用微型计算机实现线性化，可以减少非线性误差；5）利用微型计算机进行测量前的零点调整、放大系数调整和工作中周期调整零点、放大系数。4. 智能传感器的作用 下页上页返回（2）增加功能1）利用记忆功能获取被测量的最大值和最小值；2）利用计算功能对原始信号进行数据处理，可获得新的量值；3）用软件的办法完成硬件功能，经济并减小体积；4）对数字显示可有译码功能；5）可用微型计算机对周期信号特征参数进行测量；6）对诸多被测量可有记忆存储功能。（3）提高自动化程度1）可实现误差自动补偿；2）可实现检测程序自动化操作；3）可实现越限自动报警和故障自动诊断；4）可实现量程自动变换；5

4、）可实现自动巡回检测。下页上页返回二、智能传感器的实现途径 非集成化智能传感器是将传统的经典传感器、信号调理电路、带数字总线接口的微处理器组合为一整体而构成的一个智能传感器系统。图12.2 非集成化智能传感器框图1. 非集成化实现下页上页返回 这种智能传感器系统是采用微机加工技术和大规模集成电路工艺技术，利用硅作为基本材料来制作敏感元件、信号调理电路、微处理器单元，并把它们集成在一块芯片上而构成的。故又可称为集成智能传感器。2. 集成化实现图12.3 集成智能传感器外形示意图 下页上页返回集成智能传感器的特点： 微型化 结构一体化 精度高 多功能 阵列式 全数字化 使用方便，操作简单 下页上页

5、返回3. 混合实现 混合实现是指根据需要与可能，将系统各个集成化环节，如敏感单元、信号调理电路、微处理器单元、数字总线接口等，以不同的组合方式集成在两块或三块芯片上，并装在一个外壳里。 集成化敏感单元：弹性敏感元件及变换器； 信号调理电路：多路开关、仪用放大器、基准、A/D转换器等； 微处理器单元：数字存储(EPROM、ROM、RAM)、I/O接口、微处理器、D/A转换器等。 下页上页返回图12.4 在一个封装中可能的混合集成实现方式 三、智能传感器实例1. ST-3000系列智能压力传感器 图12.5 ST-3000系列智能压力传感器原理框图 下页上页返回2. 固体图像传感器 固体图像传感器

6、能实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展，能给出直观、真实、层次最多、内容最丰富的可视图像信息，目前，由于传感器智能化和集成化的要求，使得固体图像传感器有三维集成的发展趋势。 图12.6 三维结构集成的智能化传感器 下页上页返回 图11.7 三层结构的三维集成 图11.8 多个智能图像传感器 智能图像传感器 的图像识别系统 下页上页返回12.2 模糊传感器 模糊传感器是在传统数据检测的基础上，经过模糊推理和知识合成，以模拟人类自然语言符号描述的形式输出测量结果的一类智能传感器。模糊传感器的核心部分就是模拟人类自然语言符号的产生及其处理。 模糊传感器的“智能”之处在于：它可以模拟人类感知的全过程，

7、核心在于知识性，知识的最大特点在于其模糊性。与传统传感器的区别是具有学习及可训练性。 模糊传感器由硬件和软件两部分构成。 下页上页返回1、 模糊传感器概述模糊传感器是以数值测量为基础，并能产生和处理与其相关的测量符号信息的装置，即模糊传感器是在经典传感器数值测量的基础上经过模糊推理与知识集成，以自然语言符号的描述形式输出的传感器。将被测量值范围划分为若干个区间，利用模糊集理论判断被测量值的区间，并用区间中值或相应符号进行表示，这一过程称为模糊化。对多参数进行综合评价测试时，需要将多个被测量值的相应符号进行组合模糊判断，最终得出测量结果。信息的符号表示与符号信息系统是研究模糊传感器的核心与基石。

8、 下页上页返回模糊传感器的一般结构 图12.9 模糊传感器的一般结构 下页上页返回模糊传感器的基本功能 学习功能（导师学习、无导师学习算法） 推理联想功能 （通过推理机构和知识库来实现）感知功能（不仅输出数值量，还可输出语言符号量） 通信功能 下页上页返回2. 模糊传感器的结构下页上页返回下页上页返回12.3 微传感器 依赖于MEMS（微机电系统），即由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。其目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能的微型系统，集成于大尺寸系统中，从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。 下页上页返回M

9、EMS芯片测控系统结构 图12.18 MEMS芯片测控系统结构 下页上页返回 MEMS系统的突出特点是其微型化，涉及电子、机械、材料、制造、控制、物理、化学、生物等多学科技术，其中大量应用的各种材料的特性和加工制作方法在微米或纳米尺度下具有特殊性。 典型特征： 微型化零件 结构零件大多为二维的、扁平零件 以半导体材料为主，越来越多使用塑料材料 机械和电子部分集成为相应独立的子系统 下页上页返回下页上页返回MEMS器件制造中的四种主流技术 超精密加工及特种加工 日本表面微加工 体微加工 LIGA技术（光刻、电铸、塑铸技术） 德国硅基微加工 美国下页上页返回常用微加工工艺及设备下页上页返回微传感器

10、的特点：空间占有率小灵敏度高，响应速度快便于集成化和多功能化可靠性提高消耗电力小，节省资源和能量价格低廉下页上页返回12.4 网络传感器 1. 网络传感器的概念 网络传感器是指传感器在现场级实现网络协议，使现场测控数据就近登陆网络，在网络覆盖范围内实时发布和共享。即：能与网络连接或通过网络使其与微处理器、计算机或仪器系统连接的传感器。 下页上页返回2. 网络传感器基本结构敏感元件调理电路A/D转换微处理器网络接口信号采集单元数据处理单元网络接口单元下页上页返回3.网络传感器的类型基于现场总线的网络传感器连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支机构的通讯网；支持全数字通信、可靠性高目标是实现信息处理的现场化 基于以太网络的网络传感器开发性好、通信速度快、价格低通过网络介质可直接接入Internet 4.网络传感器的应用前景分布式测控：将网络传感器布置在测控现场，处于控制网络中的最低级，其采集到的信息传输到控制网络中的分布智能节点，由它处理，然后传感器数据散发到网络中。网络中其他节点利用信息做出适当的决策，如操作执行器、执行算法。嵌入式网络：如果能够将嵌入式系统连