第九章智能传感器2

第九章智能传感器

本课程主要内容第九章智能传感器9.1智能传感器概述9.2智能传感器的构成、功能与特点9.3智能传感器的实现途径9.3.1集成化9.3.2软件化9.3.2.1非线性自校正技术9.3.2.2软件抗干扰技术9.3.2.3自补偿技术9.3.2.4自检技术9.3.3多传感器信息融合9.3.3.1多传感器信息类型及其融合方法9.3.3.2多传感器信息融合过程9.3.3.3多传感器信息融合结构9.3.3.4多传感器信息融合方法9.3.3.5多传感器融合实例9.3.4网络化9.3.4.1基于现场总线的智能传感器9.3.4.2基于IEEE1451标准的网络化智能传感器9.4典型智能传感器简介参考资料徐甲强，张全法，范福玲，传感器技术（下册）[M]，哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2004年王军，苏剑波，席裕庚，多传感器融合综述[J]，数据采集与处理，2004年第19卷第1期龚瑞昆，李奇平，改善传感器特性的软件处理方法[J]，成都电子机械高等专科学校学报，2001，刘君华，智能传感器系统[M]，西安：西安电子科技大学出版社，1999年沙占友，智能传感器系统设计与应用[M]，电子工业出版社，2004年王君，凌振宝，传感器原理及检测技术[M]，长春：吉林大学出版社，2003年刘国汉，韩根亮，张建华，网络化智能传感器[J]，甘肃科技，2003,vol.19(9)：46-47

课程特点注重物理概念和应用背景，避免空洞理论和复杂公式；内容实用，多来自工程实际问题；重点培养（基本理论、分析方法和问题解决能力等）。第九章智能传感器

９.１智能传感器概述

。智能传感器是指具有信息检测、信息处理、信息记忆、逻辑思维和判断功能的传感器。

9.2智能传感器的构成、功能与特点

智能传感器的原理框图

智能传感器的结构

智能传感器的功能具有自动调零、自校准、自标定功能。智能传感器不仅能够自动检测各种被测参数，还能进行自动调零、自动调平衡、自动校准，某些智能传感器还能自动完成标定工作。具有逻辑判断和信息处理能力，能对被测量进行信号调理和信号处理（对信号进行预处理、线性化、或对温度、静压力等参数进行自动补偿等）。具有自诊断功能。智能传感器通过自检软件，能对传感器和系统的工作状态进行定期或不定期的检测，诊断出故障的原因和位置并做出必要的响应。具有组态功能，使用灵活。在智能传感器系统中可设置多种模块化的硬件和软件，用户可通过微处理器发出指令，改变智能传感器的硬件模块和软件模块的组合状态，完成不同的测量功能。具有数据存储和记忆功能，能随时存取检测数据。具有双向通信功能，能通过各种标准总线接口、无线协议等直接与微型计算机及其它传感器、执行器通信。智能传感器的优点精度高测量范围很宽，并具有很强的过载能力。

高信噪比高、高分辨力。

高可靠性与高稳定性

自适应性强智能传感器具有判断、分析与处理功能

性价比高

超小型化、微型化

低功耗

智能传感器的实现途径1）采用新的检测原理和结构实现信息处理的智能化。2）应用人工智能材料实现信息处理的智能化利用人工智能材料的自适应、自诊断、自修复、自完善、自调节和自学习特性，制造智能传感器。3）集成化集成智能传感器是利用集成电路工艺和微机械技术将传感器敏感元件与功能强大的电子线路集成在一个芯片上（或二次集成在同一外壳内），通常具有信号提取、信号处理、逻辑判断、双向通讯等功能。4）软件化5）多传感器信息融合技术6）网络化9.3.1集成化1）传感器信号调理器UZZ9000的内部框图9.3.1集成化2）传感器信号处理系统MMX1460传感器信号处理系统内部框图9.3.2软件化9.3.2.1非线性自校正技术开环式非线性补偿仪表框图课外自学9.3.2.2软件抗干扰技术

数字滤波器的设计1）设计步骤设计数字滤波器时，一般可按以下步骤来进行：首先，干扰信号的特征来选择合适的数字滤波器；建立其典型的差分方程数学模型，并对差分方程进行Z变换，写出其Z传递函数；根据有用信号和干扰信号的频率特征，来确定系统所期望的通频带；根据Z传递函数，确定其幅频特性和相频特性，再对Z进行反变换，求出滤波器的线性离散方程；按照线性差分方程来编制相应的软件，最终实现数字滤波器的功能。所设计的数字滤波器特性，可用MATLAB软件进行仿真。9.3.2.2软件抗干扰技术

２）数字滤波器的软件设计程序判断滤波9.3.2.2软件抗干扰技术器（即限幅滤波法）中位值滤波法算术平均滤波法递推平均滤波法防脉冲干扰平均滤波法一阶滞后滤波法9.3.2.3自补偿技术包括温度补偿和频率补偿温度补偿的曲线拟合法的过程与步骤与前非线性校正类似。

在未知传感器动态特性时，则可以采用神经网络方法进行频率补偿。

9.3.2.4自检技术智能传感器的自检过程一般按照如下方法进行：1、检测零点漂移2、A/D自检3、D/A自检4、差动放大器电路的自检可通过以下四部完成5、ROM自检6、RAM自检9.3.3多传感器信息融合信息融合的3个核心方面，1）信息融合是在几个层次上完成对多源信息的处理过程，其中各个层次都表示不同级别的信息抽象；2）信息融合处理包括探测、互联、相关、估计以及信息组合；3）信息融合包括较低层次上的状态和身份估计，以及较高层次上的整个战术态势估计。

9.3.3.1多传感器信息类型及其融合方法冗余信息：冗余信息是指由一组传感器(或一个传感器多次观测)获得的关于同一环境特征的信息。互补信息：互补信息就是两个或多个独立的传感器所提供的、从不同侧面描述同一对象或环境的、彼此间又不相互重复的多个信息。协同信息：协同信息是指在多传感器系统中，传感器获得的相互依赖或相互配合的信息。9.3.3.2多传感器信息融合过程9.3.3.3多传感器信息融合结构(a)串联形式（b）并联形式（c）混合形式

典型的传感器组织结构图9.3.3.3多传感器信息融合结构典型的信息融合层次9.3.3.4多传感器信息融合方法融合处理是将多维输入数据根据信息融合的功能，在不同融合层次上采用不同的数学方法，对数据进行综合处理，最终实现融合。多传感器信息融合的数学方法很多，常用的方法可概括为概率统计方法和人工智能方法两大类。与概率统计有关的方法包括：估计理论、卡尔曼滤波、假设检验、贝叶斯方法，统计决策理论以及其他变形的方法。而人工智能类则有模糊逻辑理论、神经网络、粗集理论、专家系统等。9.3.3.5多传感器融合实例控制和信息融合计算机自主移动装配机器人装配机械手力觉传感器触觉传感器视觉传感器超声波传感器激光测距传感器9.3.4

网络化网络化智能传感器的基本结构9.3.4.1基于现场总线的智能传感器基于现场总线的智能传感器技术简图

通用分布式测试和控制系统9.3.4.1基于现场总线的智能传感器9.3.4.2基于IEEE1451标准的网络化智能传感器

基于IEEE1451.2的网络传感器结构9.4典型智能传感器简介PPT、PPTR系列智能压力传感器的内部电路框图思考题1、什么是智能传感器？与传统传感器相比其突出特点有哪些？2、简述智能传感器的主要形式和结构。3、智能传感器的软件实现方法有哪些？4、为什么要对传感器进行频率补偿，利用软件方法进行频率补偿的途径有哪些？5、智能传感器的硬件实现方法有哪些？6、智能传感器的软件实现和硬件实现相比各有何优势？7、多传感器信息融合的作用是什么？简述几种典型的多传感器信息融合算法。8、智能传感器网络化的意义何在？网络化智能传感器在硬件结构上和传统传感器的显著区别是什么？9、试论述一种智能传感器的工作原理和结构。10、试叙述一种智能传感