第10章智能传感器

1、第10章 智能传感器 10.1 智能传感器概述智能传感器概述 10.2 计算型智能传感器计算型智能传感器 10.3 特殊材料型智能传感器特殊材料型智能传感器 10.4 几何结构型智能传感器几何结构型智能传感器 10.5 多传感器融合系统多传感器融合系统 10.6 模糊传感器模糊传感器 10.7 智能传感器实例智能传感器实例 10.8 实训实训 10.1 智能传感器概述智能传感器概述 v 国际电气电子工程师学会（IEEE）在 1998年通过了智能传感器的定义，即 v “除产生一个被测量或被控量的正确表 示之外，还同时具有简化换能器的综合信息 以用于网络环境的功能的传感器”。 v10.1.1 智能

2、传感器的功能 v 先看一个智能传感器的例子， v 图10-1所示为智能红外线测温仪原理框 图。 目目 标标 红红 外外 传传 感感 器器 温温 度度 传传 感感 器器 A/D 转转 换换 器器单单 片片 机机 显示仪表显示仪表 记录仪表记录仪表 存储器存储器 RS-232接口接口 微微 型型 计计 算算 机机 A/D 转转 换换 器器 图10-1 智能红外线测温仪原理框图 环环 境境 v 红外传感器将被检测目标的温度转换为电 信号，经AD变换后输入单片机。 v 温度传感器将环境温度转换为电信号，经 AD变换后输入单片机。 v 单片机中存放有红外传感器的非线性校正 数据。 v 红外传感器检测的数

3、据经单片机计算处理， 消除非线性误差和环境温度影响后， v 供记录、显示、存储备用。 v 可见，智能传感器是具备了记忆、分析 和思考能力，输出期望值的传感器。 v（1）能提供更全面、更真实的信息，消除 异常值、例外值。 v（2）具有信号处理包括温度补偿、线性化 等功能。 v（3）随机调整和自适应。 v（4）一定程度的存储、识别和自诊断。 v（5）含有特定算法并可根据需要改变算法。 v 智能传感器不仅在物理层面上检测信号， 而且在逻辑层面上对信号进行分析、处理、 存储和通信。 v 相当于具备了人类的记忆、分析、思考 和交流的能力，即具备了人类的智能。 v 所以称之为智能传感器。 v10.1.2

4、智能传感器的层次结构智能传感器的层次结构 v 人类的智能是怎么构成的呢？ v 人类的智能是基于即时获得的信息和原先 掌握的知识。 v 人类的智能是实现了多重传感信息的融合 并且把它与人类积累的知识结合了起来，如 图10-2所示。 大脑大脑 积累的积累的 知识知识 判断判断 人的大脑归纳人的大脑归纳 皮肤皮肤 传感传感 耳朵耳朵 传感传感 鼻子鼻子 传感传感 眼睛眼睛 传感传感 图10-2 人类智能的构成 v 1智能传感器也应该由多重传感器或不 同类型传感器从外部目标以分布和并行的方 式收集信息； v 2通过信号处理过程把多重传感器的输 出或不同类型传感器的输出结合起来或集成 在一起，实现传感器

5、信号融合或集成； v 3最后，根据先前拥有的关于被测目标 的有关知识，进行最高级的智能信息处理过 程。 v 4将信息转换为知识和概念提供使用。 v 理想智能传感器的层次结构应是三层： v 1底层，分布并行传感过程，实现被 测信号的收集。 v 2中间层，将收集到的信号融合或集 成，实现信息处理。 v 3顶层，中央集中抽象过程，实现融 合或集成后的信息的知识处理。 v10.1.3 智能传感器的实现智能传感器的实现 v 实现传感器智能化，让传感器具备理想智 能传感器的层次结构。 v 就目前发展状况看，有3条不同的途径： v（1）利用计算机合成（智能合成）； v（2）利用特殊功能的材料（智能材料）；

6、v（3）利用功能化几何结构（智能结构）； 10.2 计算型智能传感器计算型智能传感器 v11.2.1 计算型智能传感器构成方式计算型智能传感器构成方式 v 计算型智能传感器最常见，其底层、中 间层和顶层分别由 v 基本传感器、 v 信号处理电路和 v 微处理器构成。 v 它们可以集成在一起，形成一个整体， 封装在一个壳体内，称为集成化方式。 v 也可以互相远离，分开放置在不同的位 置或区域，称为非集成化方式。 v 介于两种方式之间的混合集成化方式。 v1非集成化方式 v 非集成化传感器是把基本传感器、信号处 理电路和带数字总线接口的微处理器相隔一 定距离组合在一起，构成智能传感器系统。 v 此

7、类智能传感器系统实现方式方便快捷， 熟悉自动化仪表与嵌入式系统设计的人都能 入手。 v 目前国内外已有不少此类产品。 v2集成化方式 v 集成化方式是采用微型计算机技术和大规 模集成电路工艺， v 把传感元件、信号处理电路、微处理器 集成在一个硅材料芯片上制成独立的智能传 感器功能块。 v 作为商品已有多种集成化智能传感器，如 单片智能压力传感器和智能温度传感器等。 v3混合集成方式 v 混合集成方式是将智能传感器的 v 传感元件、 v 信号处理电路、 v 微处理器等各个部分 v 以不同的组合方式分别集成在几个芯片 上，然后封装在同一个外壳里。 v10.2.2 计算型智能传感器基本结构计算型智

8、能传感器基本结构 v 通常表现为并行的多个基本传感器（也 可以是一个）与期望的数字信号处理硬件结 合的传感功能组件， v 如图103所示。 v 期望的数字信号处理硬件是 v 安装有专用程序，可以有效的改善测量 质量，增加准确性，可以为传感器加入诊断 功能和其它形式的智能。 传感器传感器1 传感器传感器2 传感器传感器3 模模 数数 变变 换换 数字数字 信号信号 处理处理 硬件硬件 电源电源 数数 模模 变变 换换 输出输出 图10-3 计算型智能传感器基本结构图 v 现今已有硅芯片等多种半导体和计算机 技术应用于数字信号处理硬件的开发。 v 典型的数字信号处理硬件有如下几种： v 1.微控制

9、器MCU v 微控制器MCU实际上是专用的单片机。 其包括微处理器、ROM和RAM存储器、时钟 信号发生器和片内输入输出端口I/O等。 v 其结构如图10-4所示。 数据存储器数据存储器 程序存储器程序存储器 I/O接口接口 中央处理器单元（中央处理器单元（CPU） 时钟信号发生器时钟信号发生器 晶振晶振 数数 据据 总总 线线 地地 址址 总总 线线 数数 字字 输输 入入 数数 字字 输输 出出 置置 位位 电电 源源 接地接地 图10-4 微控制器MCU结构框图 v 微控制器MCU为智能传感器提供了灵活、 快速、省时地实现一体控制的捷径。 v MCU编程较容易，逻辑运算能力强，可 与各种

10、不同类型的外设连接，这为MCU增加 了设计中的选择能力。 v 大批量的硅芯片集成生产能力可使系统获 得更低成本、更高质量和更高的可靠性。 v 2.数字信号处理器DSP v DSP比一般单片机或MCU运算速度快， 可供实时信号处理用。 v 典型的DSP可在不到100ns（10-9秒）的 时间内执行数条指令。 v 这种能力使其可获得最高达20MIPS（百 万条指令每秒）的运行速度，是通常MCU的 1020倍。 v 例如DSP56L811： v（1）可在2.73.6V电压范围内工作，在 40MHz时钟频率下、最高达20MIPS速度； v（2）单循环、多重累加位移计算方式； v（3）16位指令和16位

11、数据字长； v（4）两个36位累加器； v（5）三个串行I/O口； v（6）16位并行I/O口，两个外部中断； v（7）40MHz时钟频率下，功率损耗为 120mW。 v 汽车的接近障碍探测系统和减噪系统就 使用了DSP与传感器的结合； v 检查电机框架上螺栓孔倾斜度的智能传感 器就是用DSP代替原先的一台主计算机，速 度由原来的一分钟检查一个孔，提高到一分 钟检查100个孔， v 用来处理传感器信号的DSP设计工具只 有一张名片大。 v 3. 专用集成电路ASIC v ASIC技术是利用计算机辅助设计， v 将可编程逻辑装置（PLD）用于小于 5000只逻辑门的低密度集成电路上，设计成 可编

12、程的低、中密度集成的用户电路， v 作为数字信号处理硬件使用。 v ASIC具有相对低的成本和更短的更新周 期。 v 用户电路上附加的逻辑功能可以实现某 些特殊传感要求的寻址。 v 混合信号的ASIC则可同时用于模拟信号 与数字信号处理。 v 4.场编程逻辑门阵列FPGA v 场编程逻辑门阵列FPGA以标准单元用于 中密度（小于100000只逻辑门）高端电路， 设计成可编程的高密度集成的用户电路， v 作为数字信号处理硬件使用。 v FPGA和 (用于模拟量处理的同系列装置 场编程模拟阵列) FPAA， v 作为传感器接口具有特殊的吸引力。 v 它们具有很强的计算能力， v 它们能减小开发周期

13、，在投入使用后还可 以再次重新设计信号处理程序，调整传感功 能。 v 5.微型计算机 v 当然，期望的数字信号处理硬件也可以用 微型计算机来实现。 v 这样组合成的计算型智能传感器就不是一 个集成单片传感功能装置，而是一个智能传 感器系统了。 v 今后，计算型智能传感器还将进一步利 用人工神经网络、人工智能、多重信息融合 等技术， v 从而具备分析、判断、自适应、自学习 能力， v 完成图像识别、特征检测和多维检测等 更为复杂的任务。 10.3 特殊材料型智能传感器特殊材料型智能传感器 v 特殊材料型智能传感器利用了特殊功能 材料对传感信号的选择性能。 v 例如，在生物传感器一节中曾提到过酶

14、和微生物对特殊物质具有高选择性，有时甚 至能辨别出一个特殊分子。 v 另一种化学智能传感器是用具有不同特性 和非完全选择性的多重传感器组成。 v 例如“电子鼻”的嗅觉系统 v 目前已经发现有几种对有机或无机气体具 有不同敏感性或传导性的材料，都已经或者 正在获得应用。 10.4 几何结构型智能传感器几何结构型智能传感器 v 几何结构型智能传感器的信号处理是 以传感器本身的几何或机械结构得以实现 的，这使得信号处理可以大大简化，响应 很迅速。 v 前面所述的凸透镜和凹透镜就是一个 几何结构型光智能传感器的例子。 v 几何结构型智能传感器的最重要特点是： v 传感器和信号处理、 v 传感和执行、

15、v 信号处理和信号传输等 v 多重功能的合成。 10.5 多传感器融合系统多传感器融合系统 v 多传感器融合系统是用计算机对多个基 本传感器的检测数据，在一定准则下进行分 析、综合、支配和使用，获得对被测对象的 一致性解释与描述，形成相应的决策和估计 的智能传感器系统。 v 多传感器融合系统包含 v 多传感器融合 v 数据融合。 v10.5.1 多传感器融合多传感器融合 v 多传感器融合指多个基本传感器空间和 时间上的复合应用和设计， v 常称为多传感器复合。 v 多传感器融合能在最短的时间内获得大 量的数据，实现多路传感器的资源共享，提 高系统的可靠性和鲁棒性。 v 多传感器融合有4个级别：

16、 级别复合类型特 征实 例 0同等式 1各个分离的传感器集成在一个平台上； 2每个传感器的功能独立； 3各传感器的数据不相互利用 1导航雷达； 2夜视镜 1信号式 1各个分离的传感器集成在一个平台上； 2各传感器的数据可用来控制其他传感器 工作 1遥控和遥 测， 2炮瞄雷达 2物理式 1多传感器组合为一个整体； 2多传感器位置明确； 3共口径输出数据； 4各传感器的数据可用来控制其他传感器 工作 1交通管制； 2工业过程 监视 3融合式 1各传感器数据的分析互相影响； 2处理后的整体性能好于各传感器的简单 相加； 3结构合成是必须的 1机械手； 2机器人 v10.5.2 数据融合数据融合 v

17、数据融合也称信息融合，是把分布在不 同位置的，多个同类或不同类基本传感器所 提供的局部不完整观测数据，进行合并或综 合， v 消除可能存在的冗余和矛盾，降低不确 定性，形成相对完整一致的感知描述，提供 给决策和执行系统。 v 多传感器数据融合目前有数据层融合、 特征层融合、决策层融合3种融合层次。 v10.5.3 多传感器融合系统的应用多传感器融合系统的应用 v 多传感器融合系统可用于工业过程监 视、机器人、空中交通管制、遥感检测、 水上船舶航行安全、海上监视和环境保护 等系统。 v 图10-5所示为空中交通管制系统框图， 它是一个典型的多传感器（雷达）、多因 素、多层次的信息融合系统。 飞机

18、上的雷达、信 标机、通信机 计算机、雷达显示器、 飞行数据显示器 地形地貌、地理 位置特征 航管通信设 备 调 度 人 员 多部一次、二次 地面雷达 气象站 图10-5 空中交通管制系统框图 v 飞机在飞行的过程中，使用机载雷达识 别出地面预先精心设置的某些地理位置，再 用信标机把飞越每个地理位置的时间和高度 向雷达信标应答。 v 计算机和显示器等监视和控制设备，接 收到飞机上和地面多部各种类型雷达检测数 据，进行数据融合 v 得到飞机位置、航向、速度和属性等信 息，利用这些信息修正飞机对指定航线的偏 离，防止相撞并调度飞机流量。 10.6 模糊传感器模糊传感器 v 模糊传感器是智能传感器的一

19、种，是以 数值量为基础，能产生被测量状态的模糊符 号信息的传感器。 v10.6.1 模糊语言和模糊传感器结构模糊语言和模糊传感器结构 v 传统传感器是数值传感器，它以定量数 值来描述被测量状态。随着测量领域的不断 扩大与深化，被测量状态仅仅以定量数值来 描述存在很多不足。 v 为了顺应人们生活、生产与科学实践的 需要，测量领域需要一种在传统传感器进行 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”的形式输出测量结 果的传感器，即模糊传感器。 v 模糊传感器的结构如图10-6所示，主要 由“传统的数值测量单元”和“数值（模 糊语言）符号转换单元”两部分组成。 被 测 对 象 数值

20、 测量 单元 数值 符号转 换单元 符号 处理 专家信号管理 被测量数值量 符 号 输 出 图10-6 模糊传感器的结构 v 模糊化工作必须在“专家”的指导下进 行，专家是具有大量的专门知识与经验，能 进行推理和判断的计算机程序系统。模糊化 工作过程是： v1. 在测量集上对实数集合选取适当多个“特 征表示”； v2. 将这些“特征表示”映射为模糊语言符号 ，生成模糊语言符号集合； v3. 再把被测量的数值量，转换为该集合中的 最合适的模糊语言符号来表述。 v 图10-7所示为模糊语言映射的过程。 v 图中Q为数值域，S为符号域， R、P 为各自的隶属函数。M（qi）si为映射， 称si是qi

21、的一个模糊符号。 v 与定量数值无限可分相比，模糊符号 描述细节的程度和范围不够，有时需要多 级映射，把符号分得细一些，以扩大符号 表示的细致程度和范围。 v 但最多不超过3级。 图10-7 数值到符号的映射 v 在送执行时， v 模糊化后的模糊符号经过了模糊 决策，通常需清晰化，即由模糊符号 向数值逆转换，通过逆映射M-1（si） qi，获得定量数值（不是返回原来的 数值量），送执行器执行。 v10.6.2 模糊传感器的应用模糊传感器的应用 v 模糊传感器的应用已进入日用家电领域， 如 v 模糊控制洗衣机中布量检测、水位检测、 水的浑浊度检测； v 电饭煲中的水、饭量检测； v 模糊手机充电

22、器等。 v 另外，模糊距离传感器、模糊温度传感 器、模糊色彩传感器等也由国内外专家们 研制，并已经获得了成果。 v 随着科学技术的发展，学科分支的相互 融合，模糊传感器也应用到了神经网络、模 式识别等体系中。 v 模糊传感器的出现，不仅拓宽了经典测 量学科，而且使测量科学向人类的自然语言 理解方面迈出了重要的一步。 10.7 智能传感器实例智能传感器实例 v10.7.1 DSIJ3000智能压力传感器智能压力传感器 v 美国霍尼韦尔（Honeywell）公司生产 DSTJ3000智能压差压力传感器，组成如 图10-8所示，精度可达0.1FS。 v 被测的动态力或压力（差压）作用在电 阻应变片上

23、，引起阻值变化。电阻应变片组 成电桥电路，输出电压值大小与被测压力大 小成比例。 v 硅片上的静压传感器和温度传感器，测 得温度和静态压力并转换为电压值输出。 图10-8 DSTJ3000智能压差压力传感器 v CPU根据储存在ROM中的程序，控制传 感器的整个工作过程，根据储存在PROM中 的修正算法和两个辅助传感器的测量值进行 温度补偿，静压校准和非线性补偿。 v RAM中存放用户输入数据，包括对测量 的一些具体要求。 v E2PROM作为ROM的后备存储器。 v 再经过D/A转换器，转换为模拟信号输出 。也可以由I/O数字接口直接输出数字信号。 v10.7.2 气象参数测试仪气象参数测试

24、仪 v 气象参数测试仪也是一台计算型智能传感 器，如图10-9所示。 v（1）实现风向、风速、温度、湿度、气压的 传感器信号采集； v（2）对采集的信号进行处理、显示； v（3）实现与微型计算机的数据通信，传送仪 器的工作状态、气象参数数据。 风向传感器风向传感器 风速传感器风速传感器 温湿传感器温湿传感器1 温湿传感器温湿传感器N 扩展数字接口扩展数字接口 气压传感器气压传感器 扩展模拟接口扩展模拟接口 数字数字 信号信号 处理处理 接口接口 电路电路 模拟信号模拟信号 处理处理 接口电路接口电路 单片机单片机 89C52 LCD 液晶液晶 显示显示 看门狗看门狗 电路电路 上上 位位 机机

25、 按键接口电路按键接口电路 RS-485 RS-232 图10-9 气象参数测试仪结构框图 v10.7.3 汽车制动性能检测仪汽车制动性能检测仪 v 制动性能的检测有路试法和台试法。 v 台试法用得较多， v 它是通过在制动试验台上对汽车进行 制动力的测量，并以车轮制动力的大小和 左右车轮制动力的差值来综合评价汽车的 制动性能。 v 汽车制动性能检测仪的组成： v 左轮制动力传感器、 v 右轮制动力传感器、 v 数据采集、处理模块、 v A/D转换、 v 单片机、 v 显示与输出系统。如图1010所示。 左轮左轮 制动力制动力 传感器传感器 右轮右轮 制动力制动力 传感器传感器 键盘键盘 打印

26、机打印机 信号信号 处理处理 模块模块 12位位 A/D 转换转换 左轮左轮 滚筒滚筒 电机电机 右轮右轮 滚筒滚筒 电机电机 单片机单片机 AT89C52 微型计算机微型计算机 串行驱动串行驱动 耦合驱动耦合驱动 左轮力左轮力右轮力右轮力 LCD显示器显示器 图1010 汽车制动性能检测仪总体框图 v10.7.4 轮速智能传感器轮速智能传感器 v 轮速智能传感器的硬件结构以单片机为核 心，外部扩展8KBRAM和8KBEPROM， v 外围电路有信号处理电路、 v 总线通信控制、 v 总线接口等， v 如图10-11所示。 轮速传感器轮速传感器 信号处理电路信号处理电路光电隔离光电隔离 SJA

27、1000 光光 电电 隔隔 离离 82C250 82C250 仪表盘智能仪表盘智能 测控节点测控节点 80 C31 单单 片片 机机 看门狗电路看门狗电路 8KBEPROM 8KBRAM CAN 总线总线 车轮车轮 仪器仪器 仪表仪表 图10-11 轮速智能传感器 v 轮速智能传感器检测到的轮子转动速 度信号经滤波、整形变换为脉冲数字信号 后，由光电隔离耦合输入到80C31单片机 端口。 v 轮速和其他测控数据，由仪表盘上的 仪器仪表显示和使用。 v10.7.5 车载信息系统车载信息系统 v 对汽车的各种信息状态，如燃油的液位、 电池电压、水温、机油压力、车速等进行采 集、处理、显示和报警，

28、v 同时接收全球卫星定位系统（GPS）信 息进行显示。 v 驾驶员可根据显示和报警提示进行相应 的操作和处理，以保证汽车安全正常行驶。 v 车载信息系统如图10-12所示，由 v 多种传感器、 v 数据采集卡（A/D转换接口）、 v 计数器卡（数据输入接口）、 v 总线、 v 声光显示和报警器、 v GPS、 v 工控机和管理控制软件等组成。 图10-12 车载信息系统工作原理框图 v 燃油的液位、电池电压、水温、机油压 力、车速等各种信息由相应的传感器进行检 测，通过数据采集接口卡转换为调制在不同 频率上的数字信号。 v 计数接口卡由多路计数器组成，将这些 调制在不同频率上的数字信号分别存储在各 路计数器里。 v 工控机在软件的控制下，巡回检取各路 计数器的数字信号，运算处理后，以图形方 式显示在液晶显示屏上，以便驾驶员观察。 v GPS全球卫星定位系统根据三颗以上 不同卫星