《智能传感器》PPT课件.ppt

19.1 智能传感器的特点 19.2 智能传感器的实现 19.3 智能传感器的应用 19.4 智能传感器的设计思路,第19章 智能式传感器,引 言,智能传感器是美国宇航局(NASA) 在开发宇宙飞船的过程中产生的。宇宙飞船需要速度、加速度、位置和姿态等传感器,宇航员的生活环境需要温度、气压、空气成份和微量气体传感器,科学观测也要用大量的各种传感器。宇宙飞船观测到的各种数据是很庞大的,处理这些数据需要用超大型计算机。要不丢失数据,并降低成本,必须有能实现传感器与计算机一体化的灵巧传感器。因此实现数据处理由集中处理变为分散处理,避免使用超大型计算机，由此而产生了智能传感器。,现代信息技术的三大基础： 传感器技术：信息的采集 “感官” 通 信 技 术 ：信息的传输 “神经” 计算机技术：信息的处理 “大脑” 智能传感器(Intelligent sensor)是既有获取信息的功能又有信息处理的功能的系统，是传感器、计算机和通信技术的结合。,微传感器系统 多传感器数据融合技术 网络化智能传感器系统 蓝牙传感器系统 生物传感器系统,智能传感器的主要发展趋势：,目前智能传感器具有自补偿、自诊断、自学习、数据处理、存储记忆、双向通信、数字输出等功能，几乎包括了仪器仪表的全部功能。,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，从而具有一定的人工智能，它弥补了传统传感器性能的不足。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，是采集数据最佳。,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：,与传统传感器相比，智能传感器有以下几个特点： （1）精度高 1.可通过自动校零去除零点； 2.与标准参考基准实时对比以自动进行整体系统标定； 3.自动进行整体系统的非线性等系统误差的校正； 4.通过对采集的大量数据的统计处理以消除偶然误差的影响等。,19.1 智能传感器的特点,（2）可靠性与高稳定性强 1.自动补偿因工作条件与环境参数发生变化所引起的系统特性的漂移，如温度变化而产生的零点和灵敏度漂移； 2.当被测参数变化后能自动改换量程； 3.能实时自动进行系统的自我检验，分析、判断所采集到的数据的合理性，并给出异常情况的应急处理（报警或故障提示）。,（3）高信噪比和高分辨率 1.由于智能传感器具有数据存储、记忆与信息处理功能，通过软件进行数字滤波、数据分析等处理，可以去除输入数据中的噪声，从而将有用信号提取出来； 2.通过数据融合、神经网络技术，可以消除多参数状态下交叉灵敏度的影响，从而保证在多参数状态下对特定参数测量的分辨能力。,（4）自适应能力强 由于智能传感器具有判断、分析与处理功能，它能根据系统工作情况决策各部分的供电情况，优化与上位计算机的数据传送速率，并保证系统工作在最优低功耗状态。,（5）性格价格比高 智能传感器所具有的上述高性能，不是像传统传感器技术追求传感器本身的完善，对传感器的各个环节进行精心设计与调试来获得，而是通过与微处理器/计算机相结合，即是采用低价的集成电路工艺和芯片以及强大的软件来实现的。,1. 集成化实现 这种传感器系统采用为机械加工技术和大规模集成电路工艺技术，利用半导体材料硅作为基本材料来制作敏感元件，将信号调理电路、为处理单元等集成在一块芯片上构成的，故称为集成智能传感器。,19.2 智能传感器的实现,2. 非集成化实现 非集成化智能传感器是将传统传感器（采用非集成化工艺制作的传感器，仅具有获取信号的功能）、信号调理电路、带数字总线接口的微处理器组合为一个整体而构成的一个智能传感器系统。,模糊传感器是一种非集成化的新型智能传感器。 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。 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，核心在于知识性，知识的最大特点在于其模糊性。 模糊传感器由硬件层和软件层两部分构成。其突出特点是其具有丰富强大的软件功能。 模糊传感器实现的关键也在于软件的设计。,3. 混合实现 混合实现是根据需要与可能，将系统各个集成化环节，如敏感单元、信号处理电路、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，并安装在一个外壳内。 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、医用放大器、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。,1.ST-3000系列智能压力传感器,19.3 智能传感器的应用,图示为ST-3000系列智能压力传感器图，它是由检测和变送 两部分组成。,2.固体图像传感器,固体图像传感器主要有三种类型：第一种是电荷耦合器件(CCD)；第二 种是MOS图像传感器，又称为自扫描光电二极管阵列(SSPA)；第三种是电荷注入器件(CID) 。,固体图像传感器是现代视觉信息获取的一种基础器件，因其能实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展（光谱拓宽、灵敏度范围扩大），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。例如，在同一硅片上，用超大规模集成电路工艺制作三维结构的智能传感器，下图为这种三维结构智能化传感器的一种形式。,右图为具有三层结构的三维集成智能图像传感器的结构图。它用以提取待测物体的轮廓图，它的第一层为光电转换面阵，由第一层输出的信号并行进入第二层电流型MOS模拟信号调理电路，输出的模拟信号再进入第三层，转换成二进制数并存储在存储器中，与第三层相连的是信号读出（放大）单元。信号读出单元的作用是通过地址译码读取存储器中的信号信息。,下图为多个智能图像传感器组成的图像识别系统。这个系统由光学透镜系统、多个智能图像传感器和一个主计算机组成。,下面以智能压力传感器的设计为例介绍一下智能传感器的设计思路。,19.4 智能传感器的设计思路,1.结构设计 智能压力传感器是由半导体力敏元件（制作力敏元件时,同时制作两只温敏二极管）、放大器、转换开关、双积分AD转换器、单片机、接口电路、IEEE-488标准接口、存储器和部分外围电路组成。,敏感元件 （压力、温度）,放大器,转换开关,A/D,D/A,单片机,接口电路,EPROM,IEEE-488接口,2敏感元件设计 利用集成电路工艺，根据圆形平膜片上各点应力分在半导体圆形基片上扩散出四个电阻，同时生成两个温敏二极管。这四个电阻通常接成电桥形式，使输出信号与测量压力成正比例，并将阻值增加的两个电阻对接，阻值减小的两个电阻对接，使电桥灵敏度最大。,3传感器工艺设计 传感器中的微处理器采用MCS-51系列8031单片机，它通过锁存器74LS373等与外部存储器EPROM相连。可选用2716（2K*8)、2732（4K*8）、2764（8K*8）等不同芯片作存储器，用来存放控制程序、修正值、数据等。其他电路（如放大器、A/D、D/A、IEEE-488标准接口、接口电路等）可合理分布在不同的模板上，组装进一个壳体内。,4.软件设计