智能信息感知技术 课件 第3、4章 智能传感器信息感知技术、智能传感器及网络接口标准

2024-07-231智能传感器技术——第三章 智能传感器信息感知技术目

录22024-07-233.1智能传感器定义智能传感器设计智能传感器校准智能传感器应用智能传感器的发展趋势3.1

智能传感器33.1.1智能传感器由来最初是美国宇航局在宇宙飞船的开发过程中形成的。为了解飞船在太空的飞行信息和控制舱内环境，使宇航员在飞船内能正常工作、生活和进行各种实验，飞船安装了大量的传感器。由于数据量巨大，希望传感器具有信息处理功能，传统传感器在功能、性能和工作容量方面不能满足这样的要求，便出现了智能传感器。智能传感器是传感器、计算机和通信技术结合的产物。普遍认为智能传感器是“将一个或多个敏感元件和信号处理器集成在同一芯片上的装置”和“是一种带微处理器并具有检测、判断、信息处理和记忆、逻辑思维等功能的传感器”2024-07-233.1

智能传感器定义2024-07-2343.1.2智能传感器定义智能传感器的主要特征就是敏感技术和信息处理技术的结合，也就是它具有信息处理能力，而要具有这种能力，就必然要使用计算机技术，考虑到智能传感器的体积问题，当然只能使用微处理器。通常情况下，一个通用的检测仪器只能用来探测一种物理量，其信号调节是由那些与主探测部件相连接着的模拟电路来完成的。目前国内外学者普遍认为,

智能传感器是由传统的传感器和微处理器(

或微计算机)

相结合而构成的,

它充分利用计算机的计算和存储能力,

对传感器的数据进行处理,

并能对它的内部行为进行调节,

使采集的数据最佳。3.1

智能传感器定义3.1.2

智能传感器定义①

人类智能2024-07-235②

智能传感器人类通过眼睛、鼻子、耳朵和皮肤感知获得外部环境多重传感信息，这些传感信息在人类大脑中归纳、推理并积累形成知识与经验：当再次遇到相似外部环境时，人类大脑根据积累的知识、经验对环境进行推理判断，做出相应反应。智能传感器与人类智能相类似，其传感器相当于人类的感知器官，其微处理器相当于人类大脑，可进行信息处理、逻辑思维与推理判断，存储设备存储“知识、经验”与采集的有用数据。3.1

智能传感器定义63.1.3智能传感器系统框架关于智能传感器目前尚无统一定义。对智能传感器的中、英文称谓，目前也未统一。“Intelligent

Sensor”是英国对智能传感器的称谓，“SmartSensor”是美国对它的称谓。系统结构

：系统主要由传感器、微处理器及相关电路组成。传感器本体是基础，核心是微处理器，系统结构一般如下图所示。结构可以是分离式的，也可以是集成式的。智能传感器原理图如下：2024-07-233.1

智能传感器定义2024-07-233.1.3

智能传感器系统框架7所示的智能称重传感器系统来认识智能传感器技术的功能特点。称重传感器将被测目标的重量转换为电信号，经过模-数转换为数字信号后输入单片机，此时测量的目标重量电信号受温度、非线性等因素的影响，并不能较准确地反映目标的真正重量。所以，智能称重传感器可以加入温度传感器测量环境温度，同样通过模-数转换为电信号输入单片机。存储设备中存储有用于非线性校正的数据。称重传感器测得的目标重量数据经过单片机进行计算处理、消除非线性误差，同时根据温度传感器测得的环境温度进行温度补偿、零点自校正、数据校正，并将处理后的数据存入存储设备中，还可以在显示设备上显示，以及通过RS-232，USB等接口与微型计算机进行数字化双向通信。可见，由于智能传感器引入了微处理器进行信息处理、逻辑思维、推理判断，使其除了传统传感器的检测功能外，还具有数据处理、数据存储、数据通信等功能，其功能已经延伸至仪器的领域，具有如下功能特点。3.1

智能传感器定义2024-07-2383.1.4

智能传感器特点随着测控系统自动化、智能化的发展,

要求传感器准确度高、可靠性高、稳定性好,

而且具备一定的数据处理能力,

并能够自检、自校、自补偿。传统的传感器已不能满足这样的要求。而智能传感器需要具备这样的功能：自补偿能力:

通过软件对传感器的非线性、温度漂移、时间漂移、响应时间等进行自动补偿。自校准功能:

操作者输入零值或某一标准量值后,

自校准软件可以自动地对传感器进行在线校准。自诊断功能:

接通电源后,可对传感器进行自检,

检查传感器各部分是否正常,

并可诊断发生故障的部件。数值处理功能:

可以根据智能传感器内部的程序,自动处理数据,如进行统计处理,剔除异常值等。双向通信功能:

微处理器和基本传感器之间构成闭环,

微处理机不但接收、处理传感器的数据,还可将信息反馈至传感器,

对测量过程进行调节和控制。信息存储和记忆功能。数字量输出功能:

输出数字信号,

可方便的和计算机或接口总线相连。3.1

智能传感器定义3.1.4

智能传感器特点自补偿能力智能传感器的功能自校准功能自诊断功能数值处理功能双向通信功能信息存储和记忆功能数字量输出功2024-07-239(1)

功能特点（a）逻辑判断、统计处理功能；（b）自检、自诊断和自校准功能；（c）软件组态功能；（d）双向通信和标准化数字输出功能；（e）人机对话功能；（f）信息存储与记忆功能。(2)

性能特点量程宽，准确性与灵活性高，可靠性与稳定性高，自适应能力强，性价比高。3.1

智能传感器定义2024-07-23103.1.4

智能传感器特点目前研制的智能传感器只具有上述功能中的一部分。传统的传感器只能作为敏感元件,

检测物理量的变化,

而智能传感器则包括测量信号调理(如滤波、放大、A/D

转换等)

、数据处理以及数据显示等。它几乎包括了仪器仪表的全部功能。可见智能传感器的功能已延伸到仪器的领域。随着科学技术的发展,智能传感器的功能将逐步增强,

它将利用人工神经网、人工智能、信息处理技术(

如传感器信息融合技术、模糊理论等)，使传感器具有更高级的智能，具有分析、判断、自适应、自学习的功能,可以完成图象识别、特征检测、多维检测等复杂任务。3.1

智能传感器定义2024-07-23113.1.5

传感器智能化的途径三种可能途径（a）利用计算机合成，即智能合成（目前的主要途径）（b）利用特殊功能材料，即智能材料（c）利用功能化几何结构，即智能结构智能合成实现方式（a）非集成化模块方式：集成度不高、体积较大，较实用（b）混合实现：智能化的主要类型，已得到广泛应用。（c）集成化实现：体积小、成本低、功耗小、速度快、可靠性高、精度高、功能强、结构一体化、数字化、易操作。集成智能传器是目前研究的热点和传感器发展的主方向.3.1

智能传感器定义2024-07-23123.1.6

基本传感器的选用原则基本传感器是智能传感器的基础，在很大程度上决定着智能传感器的性能，因此其选用、设计至关重要。基本传感器的选用原则如下。(1)采用微结构方式(2)选用具有准数字或直接数字输出的传感器(3)优先考虑重复性和稳定性指标(4)减小材料缺陷和内在特性对长期稳定性的影响(5)改善动态特性3.1

智能传感器定义2024-07-23133.1.7

智能传感器发展随着技术的进步，还将进一步扩展，这种扩展是基于两个方面：硬件上的进步和软件设计上的发展。智能传感器将向着精度与可靠性高、品种多、功能丰富、复合型、集成化与微型化等方向发展。智能网络化、研究新型敏感材料、探索新颖感知方法、敏感元件的阵列化与复合化将成为智能传感器感知技术未来发展的主要方向。以智能传感器为节点构成的智能传感网络是重要发展方向，在多功能、高精度的复杂分布式测控系统中将显示出

其强大的生命力并起着非常重要的基础作用。智能传感器的通信技术将会随着总线技术、网络技术、通信技术的发展而不断丰富、发展。随着微机械加工技术、微电子加工技术的发展，市场将推动智能传感器向着集成化、微型化方向快速发展。3.2

智能传感器设计2024-07-23143.2.1智能传感器原理1.信号感知与调理技术智能传感器一般通过信号感知模块中的敏感元件将待测量最终转换成模拟电压信号。目前能感知的量很多，有物体位移、速度、加速度等运动量，温度、湿度、压力等过程量，光强、波长、偏振度等光的特性量，流量、浓度、pH

值等液体特性量，成分、浓度等气体特性量，葡萄糖、尿素、维生素等化学成分等。智能传感器中的敏感元件有些如传统传感器一样单个存在的，有些借助于微机械技术、硅集成等技术以阵列方式存在，以提高测试精度与可靠性，有些将多种敏感元件以一定的方式复合分布在感知模块中以感知多种待测量。感知模块出来的信号一般含有来自于外界的干扰，需要“净化”处理以确保测试精度。另外，该信号一般比较小，有时甚至非常微弱，通常需要利用电桥等电路进行信号放大。这些功能一般通过具有滤波、放大等功能的，如测试放大器等调理电路予以实现。感知模块与调理电路有时分开放置，有时集成在一个模块上。2.2

智能传感器设计2024-07-23153.2.1智能传感器原理2.

信号处理技术智能传感器的信号处理主要完成“感知”、“认知”这2个方面的功能。“感知”就是通过对来自于调理电路信号的分析，获得待测物理量或待测参数、性能的大小，称之为粗信号处理。“认知”指智能传感器通过信号处理，获取关于其自身状态、测试状态等方面的知识，称之为细信号处理。信号处理一般在通用微处理器上借助软件予以实现，也可利用专用集成电路或数字信号处理器予以硬件实现，或部分功能通过软件实现，部分功能通过硬件实现。3.2

智能传感器设计2024-07-23163.2.1

智能传感器原理2.信号处理技术粗信号处理“感知”就是通过对来自于调理电路信号的分析，获得待测物理量或待测参数、性能的大小。一般通过定义法、综合法、分析法来测量。（1）有些待测量可根据其定义利用单个调理信号直接获得，如温度、位移、交流电流有效值等;有些待测量则需要多种调理信号，如交流电力的视在功率、有功功率等性能指标，称这些方法为定义法。（2）基于数据融合技术，综合法主要用于传统方法获取比较困难、精度不高、测试不可靠，甚至不能测试出待测量的信号。（3）分析法的基本任务是寻求能降低调理信号中干扰对分析精度影响的待测量获取算法，其根本目的是提高测试性能或简化智能传感器硬件结构，以降低智能传感器的成本或提高其性价比，利于智能传感器的推广、应用。3.2

智能传感器设计2024-07-23173.2.1

智能传感器原理2.信号处理技术细信号处理粗信号处理的精度与稳定性常受到如偏移误差、增益

误差、非线性误差以及环境等方面的影响，智能传感器需通过细信号处理来认识其“健康”状态，“弥补”其分析偏差，

确保测试的可靠性、精确性。细信号处理通常包括自诊断、

自校正、自补偿。（1）自诊断用于检测智能传感器是否“健康”:各组成部分能否正常工作，系统参数是否配置合适，整个系统能否正常进行测试、通信等。它通常利用人工智能等理论方法，例如:一种基于知识库或专家系统的智能传感器自诊断方法。（2）自校正用于智能传感器各组成部分状态、特征参数及系统参数的校正。（3）自补偿则用于补偿待测量的非线性或因温度、环境变化等造成的测试误差。3.2

智能传感器设计2024-07-23183.2.1

智能传感器原理3.通信技术IEEE

1451系列标准是智能传感器通用通信标准，该标准支持多种现场总线、以太网等现有的各种网络技术。IEEE

1451第七部分则规定了智能传感器与目前正蓬勃兴起的物联网间的通信接口标准。人们在这方面开展了大量工作并取得了丰硕成果。例如:

人们研究出了一种基于IEEE

1451标准的智能传感器结构，提出了即插即用

Web智能传感器的一种基于Web服务方法，实现了一种基于CAN协议的温度智能传感器，探索出了一种智能传感器无线网络组织结构协议和一种基于Zig

Bee无线通信技术的智能传感器无线接口设计方案等。

通信模块以软件硬件方式实现，它一般与智能传感器的信号处理模块集成在一起。3.2

智能传感器设计2024-07-23193.2.1智能传感器原理3.通信技术通信模块以软件硬件方式实现，它一般与智能传感器的信号处理模块集成在一起。实现智能传感器目前主要有3种方式。①

一种方式是将信号感知与调理模块、信号处理模块、通信模块等通过导线等方式组合在一起即可，这种实现方式适合于智能化如化工厂等用户原有传统传感器的场合；② 另一种方式乃利用微机械加工、微电子加工等技术将这些模块集成在一片芯片上，实现了智能传感器的微型化。这是商品化智能传感器的最佳选择，这种智能传感器使用方便、性能稳定、可靠。③ 还有一种方式是将这些模块集成在两片或多片芯片上，然后由这些芯片构成智能传感器，这是目前商品化智能传感器的一种较好选择。3.2

智能传感器设计智能传感系统总体框架3.2.2

智能传感器设计智能传感器系统的工作流程为：（1）上位机发送指令；（2）网络适配器模块接收指令后解析指令并生成自己的指令，然后向相应的智能传感器模块发送指令；（3）智能传感器模块接收指令后执行相应操作，并将结果发送给网络适配器模块；（4）网络适配器模块收到结果后将结果发送给上位机；（5）上位机接收结果并进行相关操作。2024-07-23203.2

智能传感器设计2024-07-23213.2.3

智能传感器实验平台设计随着电子技术、信息技术、材料科学的不断进步，传感器作为物理信息获取的源头，在工业、农业、国防、民生等领域得到了广泛的应用。传统的传感器实验平台普遍存在稳定性差、体积大、能耗高、环境适应能力差等问题，仅能开展传统传感器实验的学习和研究。随着新型智能传感器的不断出现，传统的传感器实验平台已经不能满足当前相关领域人员的学习及研究需求。

结合这一需求，提出了一种基于STM32L476RG嵌入式处理器的智能传感器实验平台设计方案，实现了开放式总线结构下的平台硬件装置设计，可以兼容传统模拟传感器和新型智能传感器的实验学习、工程应用快速开发和测试等功能，并设计了平台软件。3.2

智能传感器设计3.2.3

智能传感器实验平台设计1.

实验平台整体结构智能传感器实验平台由主控单元、传感器接口和通信接口组成，平台对传统传感器信号调理与采集采用高精度、高速ADC实现，同时为新型智能传感器预留了大量的总线型接口，保证了平台的开放性和扩展性。在结构上，设计了层叠拼装方式，按照系统总线结构将功能单元直接接入系统，即可开展相关实验学习或研究，使平台具有更大的灵活性。其结构如图所示。2024-07-2322智能传感器实验平台整体结构3.2

智能传感器设计2024-07-23233.2.3智能传感器实验平台设计2.

硬件方案设计实验平台的硬件设计方案主要包括主控模块、Bluetooth

模块、上位机接口模块和供电模块，其中CAN、

IIC、SPI等总

线功能均集成于主控模块中。智能传感实验平台设计方案，具有低成本、低功耗、高开放性和可扩展性的特点，可以用于传感器类实验教学、传感领域应用系统或装置的快速开发及实验验证，具有良好的应用推广价值。3.2

智能传感器设计3.2.3智能传感器实验平台设计2.硬件方案设计（1）

主控模块实验平台主模块以超低功耗嵌入式处理器

STM32L4765RG为核心。主要完成CAN、 IIC、SPI总线接口驱动，采集、处理ADC的传感信号转换结果，Bluetooth接口驱动，RS232/485接口驱动等功能。（2）通信接口的实现方法

实验平台提供了RS232、RS484、

I2C、SPI及CAN形式的通信接口。（3）蓝牙通信模块采用Blue

NRG芯片设计，它是一款超低功耗单模蓝牙SOC，支持BTLE

4.0和BALF-NRG-01D3协议标准；内部集成SPI、I2C、UART接口，与微处理器的连接和驱动十分方便；Blue

NRG通过STM32L4765RG的SPI1通道

接入实验平台硬件装置，可以在平台与移动设备间实现近距离数据传输。（4）上位机接口模块实验平台通过RS-232接口实现与上位机间的数据通信。由于标准串行接口在PC中已很少见，故采用USB转串口芯片CH340G实现PC机通过MICRO-USB接口与平台间的数据通信。2024-07-23243.2

智能传感器设计2024-07-23253.2.4

其他智能传感器设计1.基于微机控制技术的激光智能传感器设计激光智能传感器是进行激光检测的智能仪器,

激光智能传感器可以用于探测各种工程材料、零部件、结构件等内部和表面缺陷,

利用材料内部结构异常或缺陷存在所引起的对激光波束反应的变化,

进行工件缺陷的类型、性质、数量的检测和判断。激光智能传感器采用激光换能器进行激光信号采集,采用自适应波束形成实现对激光信号的集成处理,

通过功率放大、匹配滤波方法和包络检波,

实现信号增益放大,

经接收机放大后的输出可识别的激光传感数据和激光信号,

经系统接收机的放大、处理与识别,

并应用在信号检测和识别中,

研究智能激光传感器设计方法,

在信号检测、目标识别和探测制导控制等领域具有很好的应用价值,

相关的系统设计方法研究受到人们的极大重视。3.2

智能传感器设计3.2.4

其他智能传感器设计1.基于微机控制技术的激光智能传感器设计基于微机控制技术的激光智能传感器设计,

首先进行智能传感器的总体结构分析,智能激光传感器一般由发射天线、接收天线、发射机、接收机、控制器组成,

系统总体结构模型中,

发射天线通过激光器发射激光脉冲,

为激光智能传感器提供一定频率、幅度的交变的激光脉冲输入信号,

激光脉冲信号通过发射天线和接收天线形成一个交变磁场,

接收天线利用激光在空气中的辐射、传播以及反射特性,

直接耦合感应电势,

经接收机放输出感应脉冲,

并通过微机进行集成控制,

在辐射场的激励下,

输出激光采样信号和传感数据。采集的激光信号经系统接收机的放大、滤波、包络检波和调制解调处理后,输出可识别和可利用的激光信号。2024-07-2326激光传感器的总体结构框图3.2

智能传感器设计2024-07-23激光智能传感器的功能实现框图3.2.4

其他智能传感器设计1.基于微机控制技术的激光智能传感器设计设计的激光智能传感器主要分为用户界面模块、数据处理模块、可视化模块,采用Linux作为微机嵌入式内核,

进行系统的嵌入式设计,

激光传感器的主要功能是进行激光信号的采集和数据输出,采用VXI总线发射电路提供信号,

采用PXI实时记录数据的中断的激光脉冲,

通过实时数据交换系统集成A/D、D/A、信号处理器

(DSP)

,

实现多线程的总线数据采集和信息传输。273.2

智能传感器设计2024-07-23283.2.4

其他智能传感器设计2.基于I2C总线的智能传感器设计智能传感器系统所采用的总线标准可分为基于芯片级的I^2

C总线、USB总线和IEEE1451智能传感器接口标准。在基于I^2

C总线的智能传感器设计中，采用

MEMS传感器技术，实现智能传感器的小型化、智能化。硬件电路由DC/DC模块、微控制器最小系统、温度传感器电路、湿度传感器电路，压力传感器，加速度传感器，CAN总线收发电路，ＲS422收发电路构成。如右图：智能传感器原理框图3.2

智能传感器设计3.2.4

其他智能传感器设计2.基于I2C总线的智能传感器设计智能传感器I2C总线数据传输流程图2024-07-23293.2

智能传感器设计2024-07-23303.2.4

其他智能传感器设计3.

基于CAN总线的航空发动机智能压力传感器设计智能传感器总体结构是智能传感器是把原有的传感器进行微机化，将微处理器植入到传感器系统中，并具有电源总线接口和数据总线接口。在分布式控制系统中，智能传感器完成集中式控制系统中央控制器的低级功能，主要是信号采集、信号传输和信号处理等功能。智能传感器主要包括传感器、微处理器、电源总线接口和数据总线接口。智能传感器结构图3.2

智能传感器设计2024-07-23313.2.4

其他智能传感器设计3.

基于CAN总线的航空发动机智能压力传感器设计智能压力传感器硬件电路设计原理图如图，主要由上电自检电路、信号处理电路、微处理器DSP以及CAN通讯接口电路组成。基于CAN总线的智能传感器的设计方法，针对分布式控制系统，设计了CAN通讯程序，使其能够完成信号采集、处理、传输等低级功能，减轻了中央控制器的负载。通DSP接收

CAN

总线上的智能温度传感器发出的温度信号对智能压力传感器的输出量进行补偿，避免了多余的硬件电路设计，可以减轻设备的质量。3.2

智能传感器设计3.2.4

其他智能传感器设计4.基于IEEE1451的网络化智能传感器设计IEEE

1451功能模型: 为提升数据获取、分布式传感与控制功能，以及建立开放式系统，通过系列技术手段把传感器节点设计与网络实现分隔开来，其中包括传感器自识别、自配置、远程自标定、长期自身文档维护、简化传感器升级维护以及增加系统与数据的可靠性等。IEEE

1451定义的智能传感器功能模型2024-07-23323.2

智能传感器设计2024-07-2333网络化智能传感器系统框图3.2.4

其他智能传感器设计4.基于IEEE1451的网络化智能传感器设计标准提出的将智能变送器接口（STIM）和网络适配器（NCAP）作为系统的两个模块，根据功能要求和可行性，设计了网络化智能传感器系统如图。(a) 变送器接口(TIM)模块主要功能：向NCAP传输数据和状态信息，TIM借助于IEEE1451.2所定义的10线数据接口TII(transducer

independent

interface)连接到NCAP。(b)网络适配处理器模块(NCAP)模块NCAP介于TIM和数字网络之间，用于从TIM模块获取数据，并将数据转发至不同的现场总线网络，同时实现对TIM模块的智能控制。电子数据表格TEDS是TIM内部的一个特定电子格式的内存区，用于描述TIM自身以及与其连接的传感器或执行器，提供对大范围传感器或执行器的支持，以自动识别这些传感器或执行器。3.3

智能传感器校准3.3.1

智能传感器的主要功能复合敏感功能敏感元件测量一般通过两种方式：直接和间接的测量。而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。自补偿和计算功能信息存储和传输功能放宽传感器加工精密度要求，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，从而能获得较为精确的测量结果。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；根据使用时间可以在线进行校正，微处理器利用存

在E2PROM内的计量特性数据进行对比校对。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、补偿参数的设置、内检参数设置、测试数据输出等。自检、自校、自诊断功能2024-07-23343.3

智能传感器校准2024-07-23353.3.2

智能化的主要实现方法和技术智能化目标：克服传感器自身不足，获取高的稳定性、可靠性、精度、分辨率与自适应能力。智能化选择思路:利用非线性自校正功能，消除传感器系统的非线性系统误差。利用自校零与自校准功能，排除系统的固定系统误差和温度、电源电压波动等引起的可变系统误差。采用补偿法，消除因工作条件、环境参数变化后引起的系统特性漂移，如零点漂移、灵敏度温度漂移等通过智能化软件进行数字滤波、相关分析、统计平均处理等排除干扰与噪声影响。3.3

智能传感器校准2024-07-23363.3.2

智能化的主要实现方法和技术(1)非线性自校正：a) 查表法;

b）曲线拟合法

;

c）神经网络法(2)温度误差补偿a）多段折线逼近法；b)曲线拟合法(3)自校准和自适应增益及量程调整（a）自校准；（b）自适应增益控制和量程自动调整3.3

智能传感器校准2024-07-2337智能传感器的非线性自校正3.3.2

智能化的主要实现方法和技术(1)

非线性自校正原理：智能传感器具有通过软件对基本传感器进行非线性自动校正功能，因此不介意从系统前端的传感器及其调理电路至A/D转换器部分的输入−输出特性的非线性程度，仅要求其具有重复性。如图所示，自动选用图（c）所示反非线性特性进行刻度转换，使输出y与被测的输入x呈理想直线关系（d）。输入-输出特性反非线性特性智能温度传感器输入-输出3.3

智能传感器校准383.3.2智能化的主要实现方法和技术(a)

查表法智能温度传感器信号输人，输出线性关系可用线性插值法表示，其中较为简便的方法是查表法，选取若干点画折线,逼近非线性曲线，选取的点越多，逼近非线性曲线折线数量越多,最终得到的信号输出值就越真实，相应的程序代码编写过程越复杂。原理：分段线性插值。它根据准确度要求对反非线性曲线分段，用若干折线逼近非线性曲线。如图所示，将折点坐标存入数据表，测量时先查被测量xi对应的输出量在哪段，再根据斜率进行线性插值求得输出值yi=xi。线性插值表达式为：i i ki kk

1

ku

uy

x

x

xk

1

xk(u

u

), k

1,

2,

3,

,

n式中2024，-07-k23为折点的序数，折线条数为n-1。缺点及解决办法：线性插值精度较低，可采用二次抛物线插值法提高。3.3

智能传感器校准2024-07-23393.3.2

智能化的主要实现方法和技术(b)曲线拟合法在已经投人使用的传感器中一般使用最小二乘法对非线性曲线进行拟合,最小二乘法是现在曲线拟合法中最常用到的方式计算方法。原理：用n次多项式逼近反非线性曲线。多项式方程的各系数一般用最小二乘法确定。其步骤如下：对传感器及其调理电路进行静态实验标定，得到校准曲线；设标定点的数据输入为xi，即x1,x2,x3,…,xN，输出为ui，即u1,u2,u3,…,uN。其中，N为标定点个数，i=1,2,3,…,N。设反非线性曲线拟合多项式方程为：xi(ui)=a0+a1ui+a2ui2+a3ui3+…+anuin，式中n的值按准确度要求确定，a0,a1,…,an为待定常数。根据最小二乘法求解待定系数a0,a1,a2,…,an。缺点：有噪声时，用最小二乘法求解待定系数时可能遇到无法求解情况。3.3

智能传感器校准403.3.2

智能化的主要实现方法和技术(c)

神经网络法原理：用神经网络求解反非线性特性拟合多项式待定系数.传感器中常用函数链神经网络方法。如右图所示，i,

ui,

ui2,

…,

uin为函数链神经网络的输入，ui为静态标定试验获得的标定点输出值；Wj（j=0,1,2,…,n）为网络的连接权值（对应反非线性拟合多项式uij项的系数aj）；zi为函数链神经网络的输出估计值，其第k步输出估计为2024-07-23函数链神经网络结构图nzi

(k)

uiWj

(k)j

03.3

智能传感器校准与应用2024-07-23413.3.2

智能化的主要实现方法和技术(c)

神经网络法与标定点输入xi比较的估计误差为:ei

(k)=xi－zi(k)神经网络算法调节网络连接权的调节式为:Wj(k+1)=Wj(k)+ηei(k)ui其中，Wj(k)为第

k

步第

j

个连接权值，η

为学习因子（直接影响迭代的稳定性和收敛速度）。神经网络算法不断调整连接权值，直至估计误差的均方差足够小。此时结束学习过程，得到最终的连接权值W0,

W1,

W2,

…,

Wn。此时的权值即为多项式的待定系数，即a0=W0,

a1=W1,a2=W2,…,an=Wn。3.3

智能传感器校准3.3.2

智能化的主要实现方法和技术(2)温度误差补偿(a)自补偿法原理：基于压阻效应的压力传感器由4个压敏电阻组成全桥差动电路，如图所示。采用恒流源供电时，电源端A、C点之间的电位差UAC即为温度输出信号；UBD即为测压输出。当输出端B、D后接高阻放大器时，可视为开路，则A、C两端的等效电阻RAC为:

RAC＝(R1+R2)//(R3+R4)2024-07-23423.3

智能传感器校准2024-07-23433.3.2

智能化的主要实现方法和技术温度误差补偿自补偿法理想条件下，四臂电阻初值均为R，被测压力P引起各臂电阻呈差动变化，温度干扰量引起的各臂电阻的改变量

RT相同，符号相同，是共模干扰信号。这样，被测量压力P与干扰量温度T同时作用下，各桥臂的阻值表达式为：R1＝R3＝R+ΔR+ΔRT；

R2＝R4＝R－ΔR+ΔRT等效电阻：RAC＝R+ΔRT电桥输入端电压：UAC＝IRAC＝I（R+ΔRT）＝IR+IΔRT式中，I为恒定电流值，R为压力传感器桥臂电阻初值，均为常量；

RT为由温度改变引起桥臂电阻的改变量。可见：UAC随

RT改变，是温度的函数，只要进行UAC−T

特性标定，由监测电压UAC和通过UAC−T关系曲线就可知压力传感器的工作温度T。3.3

智能传感器校准2024-07-23443.3.2

智能化的主要实现方法和技术(2)

温度误差补偿(b)

综合补偿多段折线逼近法：零位温漂补偿、灵敏度温度漂移补偿曲线拟合法补偿原理：通过标定实验只能在有限的几个温度值条件下标定P-U特性。通过曲线拟合法，可找出在工作温度范围内非标定条件下的任一温度T状态的输入（P）−输出（U）特性。3.3

智能传感器校准2024-07-23453.3.2

智能化的主要实现方法和技术(2)

温度误差补偿(b)

综合补偿-曲线拟合法--补偿步骤：①利用标定实验数据。将不同工作温度条件下获得的输入(P)−输出(U)特性用一维多项式方程表示为：式中，U0(T1)，U0(T2)，…，U0(Ti)分别是传感器在不同温度的零位值；U(T1)，U(T2)，…，U(Ti)分别是对应不同温度零位修正后的传感器的输出值。利用标定实验数据求解各温度条件下多项式方程的系数，则上式各方程式可确定。

21P5

Ti

:U

(Ti

)

U

'

U

0

(T

)

P

P

2

P3

P4

i i 1i

2i

3i

4i

5iT2

:

U

(T2

)

U

'

U

0

(T2

)

12

P

22

P

2

32

P3

42

P

4

52

P5

T1

:U

(T1)

U

'

U

0

(T1)

11P

21P

2

31P3

41P

4

51P5

3.3

智能传感器校准2024-07-23463.3.2

智能化的主要实现方法和技术(2)

温度误差补偿(b)

综合补偿-曲线拟合法--补偿步骤：②建立系数β的曲线拟合方程。上式中各系数βi随温度而变化的规律通常不是线性的，也可用一维多项式方程表示为利用实验标定数据可求解出上式中的各系数：A1，…，A5；B1，…，B5；C1，…，C5；D1，…，D5，从而上式被确定。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

一次项系数平方项系数立方项系数四次方项系数五次方项系数3.3

智能传感器校准2024-07-23473.3.23智能化的主要实现方法和技术(2)

温度误差补偿(b)

综合补偿-曲线拟合法--补偿步骤：③ 确立工作温度T

时的P-U特性的曲线拟合方程。读入UAC与U(P,T)。由UAC求出工作温度T的数值后将该值代入上述方程式中，可计算出该工作温度状态的各项系数：

1,

2,

…，

5，从而确立工作温度T时的P-U特性一维多项式方程式:U(T)

P

P2

P3

P4

P51 2 3 4 5根据上式的反非线性特性，可由读入的传感器输出U(P,T)解得被测输入量P。此P值是由其工作温度T状态的输出−输入特性求解的，故原理上不存在温度误差。3.3

智能传感器校准3.3.3

自校准和自适应增益及量程调整一般来说，传感器在使用过程中都有温漂、时漂或某些参数发生变化的现象。又该如何减小给测量带来的误差呢?

为保证测量的精度，通常测量仪器必须定期进行校准。下面探讨下如何实现自动校准。自校准原理：在软件程序引导下实时自动校零和实时自动校准。（自动校正因零位漂移、灵敏度漂移而引入的误差）（a）实现自校准功能的方法之一—不含传感器的自校准方案如下图所示：智能传感器系统实现自校准功能原理框图（不含传感器自校）2024-07-23483.3

智能传感器校准3.3.3

自校准和自适应增益及量程调整（b）实现自校准功能的方法之二—含标准发生器方案如下图所示智能传感器系统实现自校准功能原理框图2024-07-23493.3

智能传感器校准3.3.3

自校准和自适应增益及量程调整(2)

自动增益控制用一个可编程增益放大器(PGA)，在微处理器的控制下，实现自动增益控制。PGA由运放和多路模拟开关切换的电阻反馈网络组成。下图为ADI公司的LH0084原理图，

它是以测量放大器为基础，增加了少量控制程序，很容易实现量程自动调整。利用PGA实现量程自动调整2024-07-23503.3

智能传感器校准2024-07-23513.3.3

自校准和自适应增益及量程调整量程自动调整确定增益挡数和换挡需考虑的因素:系统自身数据容量与被测量范围;系统精度与信噪比;系统的灵敏度与分辨率要求等。下图通过改变采样电阻大小来调整量程。被测电阻RT和参考电阻(RN1

,

RN2)有相同的恒电流，

RT与RN1上的电压差过小使差动放大后的电压转换出的频率太低时，微处理器控制开关S转接RN2，以获得大电压差，提高输出频率，有利于提高测频精度。自适应量程电路3.3

智能传感器校准2024-07-2352智能传感器非线性误差校准主要有1、硬件补偿法：硬件补偿法存在补偿效率不高，拓展性差等缺点。2、软件校准法：为了充分利用智能传感器具有微处理单元的特点，软件校准法成为主流，特别是对自身特性曲线非线性误差较大的传感器。软件校准法又包括：插值法查表法曲线曲面拟合法BP神经网络法3.3

智能传感器校准与应用3.3.4

基于激光位移传感器的校准基于激光位移传感器的机器人工具坐标系自动标定方法，搭建了相应的机器人工具校准系统，其中包含硬件部分和软件部分。搭建的机器人工具自动标定系统的硬件组成分为三部分:1.硬件部分：机器人部分机器人是进行工具校准的实验平台，

包含机器人本体以及配套的机器人控制柜。测试装置部分包含两个激光位移传感器、用于传感器安装的架子以及将传感器的模拟信号转化为数字信号的PLC。计算机部分计算机是对标定过程进行控制、数据处理以及人机交互的装置，

是整个自动标定系统的核心部分。0102032024-07-23533.3

智能传感器校准与应用2024-07-23543.3.4

基于激光位移传感器的校准2.软件部分信号A/D转换模块、机器人轨迹规划、参数设置、数据采集与读取、数据转换、数据存储以及标定计算。通过将整个软件的功能分解为许多比较小的功能模块，不仅有助于开发者理清开发思路，而且能降低开发难度，提高开发效率。因此，将整个软件系统细分为人机交互模块、信号AD转换模块、机器人轨迹规划模块、参数设置模块、数据采集与读取模块、标定模块。软件系统的大致结构如图3.3

智能传感器校准与应用550102030405PORTAL上完成开发。描述。3.3.2

基于激光位移传感器的校准2.软件部分AD模块传感器的模拟量信号通过PLC的模拟量模块完成A/D转换，该模块相应的程序在TIA机器人轨迹规划模块可以通过示教的方式获得机器人的运行轨迹信息，然后将其储存在机器人控制器中，当机器人上位机发送命令时，机器人开始按照轨迹运动。数据采集与读取模块通过数据采集与读取模块，机器人上位机可以读取机器人控制器内部的数据,包括机器人的位姿信息，以及传感器测得的距离信号，由于该信号并不是理想的一个数据，而是几千个数据，需要从中采集到所需的那个数据，具体的采集方法后文有详细的参数设置模块通过标定获得的机器人工具坐标系的位置与姿态通过该模块写入机器人控制器，完成标定过程。2024-07-23标定模块标定模块包括数据存储、数据转换以及标定计算三个小模块。软件部分3.4

智能传感器应用3.4.1

多传感器信息融合技术及其在机器人中的应用多传感器信息融合是指综合来自多个传感器的感知数据,

以产生更可靠、更准确或更精确的信息。经过融合的多传感器系统能完善地、精确地反映检测对象特性，消除信息的不确定性,提高传感器的可靠性。经过融合的多传感器信息具有以下特性:

信息的冗余性、信息的互补性、信息的实时性和信息的低成本性。多传感器信息融合的一般方法：信息融合的方法是多传感器信息融合的最重要的部分,

由于其应用上的复杂性和多样性,

决定了信息融合的研究内容极其丰富,

涉及的基础理论较多。多传感器信息融合算法可以分为以下四类:估计方法、分类方法、推理方法和人工智能方法。2024-07-23563.4

智能传感器应用2024-07-233.4.1

多传感器信息融合技术及其在机器人中的应用如今，基于多传感器信息融合的机器人开始从工业向其它方向发展,如服务机器人和医学用途的机器人等。他们的出现得益于机器人智能的研究和传感器技术的发展。随着这些特种机器人的需求越来越高,

其基于多传感器信息融合技术将得到更大的发展。目前多传感器信息融合技术是一个十分活跃的研究领域,

在这方面将来的发展方向有:多层次传感器融合、微传感器和智能传感器、自适应多传感器融合。573.4

智能传感器应用3.4.1

多传感器信息融合技术及其在机器人中的应用多层次传感器融合发展

方向低层次融合方法可以融合多传感器数据;中间层次融合方法可以融合数据和特征,得到融合的特征或决策;高层次融合方法可以融合特征和决策,得到最终的决策。微传感器和智能传感器微电子技术的迅速发展使小型或微型传感器的制造成为可能。自适应多传感器融合2024-07-2358已研究出一些自适应多传感器融合算法来处理由于传感器的不完善带来的不确定性。3.4

智能传感器应用2024-07-23593.4.2

物联网智能传感器物联网是信息技术领域的一次重大变革，其被认为是继计算机、互联网和移动通信网络之后的第三次信息产业浪潮。物联网是在互联网基础上延伸和扩展的网络，是通过信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。智能传感器的性能决定了物联网性能。传感器是物联网获得信息的唯一途径，传感器采集信息的能力和质量将直接影响计算单元对信息的处理与传输，其特性对整个物联网应用系统有着举足轻重的作用。3.4

智能传感器应用3.4.2

物联网智能传感器传感器的智能特性体现在:

传感器工作过程中利用数据处理子系统，对其内部行为进行调节，减少外部因素的不利影响，从而得到最佳结果。考虑到智能传感器的发展现状和种类的多样性，智能传感器在信号采集、数据处理、信息交互和逻辑判断等过程中表现出如下智能特性：数据预处理自动校准自动诊断自适应双向通信智能组态信息存储和记忆自推演自学习2024-07-23603.4

智能传感器应用2024-07-23613.4.3

MEMS传感器现状及应用物联网特性为了更好地适配物联网，智能传感器应具备一些面向物联网应用的特性，在物联网条件下应具有即联即用的能力，主要表现在其具有自动描述、自动识别和自动组织(包括自动组网)等特性。自动描述自动识别自动组织互操作性数据安全特性3.4

智能传感器应用2024-07-23623.4.3

MEMS传感器现状及应用MEMS传感器是采用微机械加工技术制造的新型传感器，是MEMS器件的一个重要分支。MEMS传感器的门类品种繁多，分类方法也很多。按其工作原理，可分为物理型、化学型和生物型三类。按照被测的量又可分为加速度、角速度、压力、位移、流量、电量、磁场、红外、温

度、气体成分、湿度、pH值、离子浓度、生物浓度及触觉等类型的传感器。作为获取信息的关键器件，MEMS传感器对各种传感装备的微型化发展起着巨大的推动作用，已在太空卫星、运载火箭，航空航天设备、飞机、各种车辆、生物医学及消费电子产品等领域中得到了广泛的应用。3.4

智能传感器应用3.4.3

MEMS传感器现状及应用可用于汽车工业、生物医学及工业控制等领域，采用各种压力传感器测量气囊压力、燃油压力、发动机机油压力、进气管道压力及轮胎压力。在生物和医学领域，压力传感器可用于诊断和检测系统以及颅内压力检测系统等。在航天领域，MEMS压力传感器可用于宇宙飞船和航天飞行器的姿态控制、高速飞行器、喷气发动机、火箭、卫星等耐热腔体和表面各部分压力的测量。MEMS压力传感器、用于测量载体的加速度，并提供相关的速度和位移信息。MEMS加速度计的主要性能指标包括测量范围、分辨率、标度因数稳定性、标度因数非线性、噪声零偏稳定性和带宽等。MEMS加速度计MEMS陀螺仪是一种振动式角速率传感器，其特点是几何结构复杂和精准度较高。MEMS陀螺仪的关键性能指标包括灵敏度、满量程输出、噪声、带宽、分辨率、随机漂移和动态范围等。性能指标又可分为低精度、中精度和高精度。2024-07-23633.4

智能传感器应用电气量传感器2024-07-2364非电气量传感器环境量传感器行为量传感器3.4.4

电力智能传感技术挑战及应用展望面向能源互联网的发展建设，根据被测对象的特征，电力传感器可分为：1.电压、电流、谐波等电气量不仅是电力设备的重要参数，也是网络节点和线路上重要的感知量。2.电力设备的劣化过程是电场、磁场、力、热及湿度等多物理场综合作用的过程。目前已通过电学、声学、气体及压力等多种传感器，获取电力主设备运行过程中的典型状态量，并开展一体化智能监测装置及基于大数据的故障定位分析等技术研究.3.气象等环境参量是新能源运行的基础数据，电网作为重要基础设施，部署环境复杂，所处的地理环境及工作荷载复杂多变，需要基于光纤传感、无源无线等传感技术，对电网运行环境进行全面感知。4.确保电网的安全运行,

需要加强作业管理，同时需要加强对外部破坏、自然灾害的防御。目前基于视频监控、目标定位等感知装置和系统，实现对安全生产、入侵识别等行为的监测、预警等。3.5

智能传感器的发展趋势2024-07-23653.5.1

智能传感器需求及技术特点智能传感器的最大特点就是将传感器检测信息的功能与微处理器的信息处理功能有机融合在一起，使之具备了某些人工智能。也是传感器集成化与微处理机相结合的产物。智能传感器必须具备通信功能。智能传感器可以将检测到的各种物理量储存起来，并按照指令处理这些数据，从而创造出的新据。智能传感器还能实现对传感器的原始数据进行加工处理，并自我决定应该传送的数据，舍弃异常数据，完成分析和统计计算等。智能传感器还可以与外部进行信息交换，有输入输出接口、还具有自检测、自修正和自保护功能等。优点：通过软件技术可实现高精度的信息采集，而且成本低；具有一定的编程自动化能力；功能多样化。3.5

智能传感器的发展趋势663.5.2

智能传感器的应用发展智能传感器在各个领域中已经崭露头角，对智能化的传感器的应用越来越多：应用在汽车领域的规模化生产中，对于汽车的安全行驶系统、智能交通系统、车身系统等多个领域应用较多。2024-07-23尺寸小、运行速度快，对能量的消耗小，其能力还十分强大，能够检测出多种物质与环境情况，而且由于其双向的信息交流能力，就可以让检测出来的信息远程读取。利用电磁波的传播与反馈，让智能传感器对电磁波进行收集与数据的分析，简单的分析后就会把数据传输到主体电脑当中进行下一步的处理，最大限度地避免事故的发生。种电子元件也在从实验室走向市场，对于物联网行业的需求进一步的进行满足，让智能传感器发展更为迅速，应用的方面越来越多。2024-07-2367谢

谢！2024-07-231智能传感技术——第四章

智能传感器及网络接口标准目录智能传感器概述智能传感器网络智能传感器网络接口标准多传感器网络信息的融合2024-07-2324.1智能传感器概述2024-07-234.1.1智能传感器的定义智能传感器在发展的同时，其功能、内涵得到不断的加强和完善，所以智能传感器至今尚无统一、确切的定义。但是，业界普遍认为智能传感器是利用传感技术和微处理器技术，在实现高性能检测的基础上，还具备记忆存储、信息处理、逻辑思维、推理判断等智能化功能的新型传感器。智能传感器与人类智能相类似，其传感器相当于人类的感知器官，其微处理器相当于人类大脑，可进行信息处理、逻辑思维与推理判断，存储设备存储"知识、经验"与采集的有用数据。简化的概念对比图可以参照图4-1。4.1智能传感器概述4.1.1智能传感器的定义图4-1

智能传感器与人类智能的对比2024-07-234.1智能传感器概述2024-07-234.1.1智能传感器的定义有以下几个定义被普遍应用：①、智能传感器是能够调节系统内部性能以优化对外界数据获取能力的传感器系统。在这一定义中，对环境的适应及补偿能力是智能化传感器的核心。②、智能传感器是将敏感元件及信号和处理器组合在单一集成电路中的器件。在这种定义中，对信号处理器的最低要求不是很明确。一般来说，系统中应包括基本的集成电路组件（信号调理、A/D转换器）、微处理器、逻辑功能以及得出结论的功能。4.1智能传感器概述2024-07-234.1.1智能传感器的定义有以下几个定义被普遍应用：③、智能传感器是可提供比正确表达被测对象参量更多功能的传感器，符合这个定义的传感器通常也称为灵巧传感器。典型的例子就是可集成到网络环境中应用的传感器。尽管有很多不同的定义，但是智能传感器的主要组成部分是基本相同的。智能传感器的基本单元包括：①敏感元件或敏感元件阵列；②激励控制单元；③放大；④模拟滤波；⑤信号转换；⑥补偿；⑦数字信号处理；⑧数字通信。从其组成部分可以看出，这种智能传感器已经远远超出了普通概念上传感器所具有的功能。因此，智能传感器更像是一个具有敏感元件、数据获取、处理及传输功能的完整系统。4.1智能传感器概述4.1.1智能传感器的定义图4-2

智能传感器的基本结构框架图2024-07-234.1智能传感器概述2024-07-234.1.1智能传感器的定义如图4-2所示，智能传感器主要由传感器、微处理器及相关电路组成。传感器将被测物理量、化学量等转换为相应的电信号，送到信号调理电路中，经过滤波放大、数模转换等信号预调处理后送到微处理器。微处理器对接收的信号进行计算、存储、数据分析和处理后，一方面通过反馈回路对传感器与信号调理电路进行调节以实现对测量过程的调节和控制，另一方面将处理后的结果传送到输出接口，经过接口电路的处理后按照输出格式输出数字化的测量结果。其中微处理器可以是微控制器(MicrocontrollerUnit,MCU)、数字信号处理器(Digital

Signal

Processing,DSP)、专用集成电路(Application-Specific

Integrated

Circuit,ASIC)、现场可编程逻辑门阵列(Field-Programmable

GateArray,FPGA)、微型计算机。4.1智能传感器概述USB等接口与微型计算机进行数字化双向通信。2024-07-234.1.2智能传感器的特性首先，通过图4-3所示的智能称重传感器系统来认识智能传感器技术的功能特点。称重传感器将被测目标的重量转换为电信号，经过模-数转换为数字信号后输入单片机，此时测量的目标重量电信号受温度、非线性等因素的影响，并不能较准确地反映目标的真正重量。所以，智能称重传感器可以加入温度传感器测量环境温度，同样通过模-数转换为电信号输入单片机。存储设备中存储有用于非线性校正的数据。称重传感器测得的目标重量数据经过单片机进行计算处理、消除非线性误差，同时根据温度传感器测得的环境温度进行温度补偿、零点自校正、数据校正，并将处理后的数据存人存储设备中，还可以在显示设备上显示，以及通过RS-232，4.1智能传感器概述4.1.2智能传感器的特性图4-3

智能称重传感器系统原理图2024-07-234.1智能传感器概述2024-07-234.1.2智能传感器的特性可见，由于智能传感器引入了微处理器进行信息处理、逻辑思维、推理判断，使其除了传统传感器的检测功能外，还具有数据处理、数据存储、数据通信等功能，其功能已经延伸至仪器的领域，具有如下功能特点。①

补偿功能这是智能传感器最突出的功能。由于智能传感器内部集成有可用于对信号进行数字化处理的嵌入式微处理器，因此可实现对传感器性能的多方面补偿，如零点补偿、增益补偿、线性补偿、温度漂移补偿等。智能传感器利用微处理器对测量的数据进行计算，采用多次拟合、差值计算或神经网络方法对漂移和非线性等进行补偿，从而获得较精确的测量结果。此外智能传感器还可以判断某传感器的信号是否在合理范围内、是否与某相邻传感器的检测结果相符、输出信号的变化速度是否合理、输出信号的变化是否真的代表被测量量的变化等。4.1智能传感器概述2024-07-234.1.2智能传感器的特性②自校零、自标定、自校正、自适应量程功能这是智能传感器技术的重要功能之一。操作