智能传感系统的发展及应用课件

智能感測器與傳感系統

的發展及應用

課件1*智能感測器與感測器系統

的發展及應用0

引言1

智能感測器的定義及功能2智能感測器與傳感系統的特點3智能感測器與傳感系統的發展及應用4結語

*0

引言

感測器是構建現代資訊系統的重要組成部分。

現代資訊技術的三大支柱：

1.感測器技術（資訊採集）——“感官”

2.通信技術（資訊傳輸）——“神經”

3.電腦技術（資訊處理）——“大腦”*

目前，感測器正從傳統的分立式，朝著單片集成化、智能化、網路化、系統化的方向發展。

據光電行業開發協會（OIDA）作出的最新預測，在2003年～2006年期間，智能感測器的國際市場銷售量將以每年20％的高速度增長。

智能感測器可廣泛用於工業、農業、商業、交通、環境監測、醫療衛生、軍事科研、航空航太、現代辦公設備和家用電器等領域。

*1

智能感測器的定義及功能

1.1智能感測器的定義

目前，關於智能感測器的中、英文稱謂尚未完全統一。英國人將智能感測器稱為“IntelligentSensor”；美國人則習慣於把智能感測器稱作“SmartSensor”，直譯就是“靈巧的、聰明的感測器”。

所謂智能感測器，就是帶微處理器、兼有資訊檢測和資訊處理功能的感測器。

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智能感測器的最大特點就是將感測器檢測資訊的功能與微處理器的資訊處理功能有機地融合在一起。從一定意義上講，它具有類似於人工智慧的作用。

需要指出，這裏講的“帶微處理器”包含兩種情況：（1）將感測器與微處理器集成在一個晶片上構成所謂的“單片智能感測器”（2）感測器能夠配微處理器。顯然，後者的定義範圍更寬，但二者均屬於智能感測器的範疇。

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世界上第一個智能感測器是美國霍尼韋爾（Honeywell）公司在1983年開發的ST3000系列智能壓力感測器。它具有的多參數傳感(差壓、靜壓和溫度)與智能化的信號調理功能。最近，該公司還相繼開發出ST3000－900/2000等系列的新產品，使之功能進一步完善。目前，ST3000系列智能壓力感測器在全世界的銷量已突破50萬只，深受廣大用戶的青睞。

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1.2智能感測器的功能

（1）具有自校準和自診斷功能。智能感測器不僅能自動檢測各種被測參數，還能進行自動調零、自動調平衡、自動校準，某些智能感測器還能自標定功能。

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（2）具有數據存儲、邏輯判斷和資訊處理功能，能對被測量進行信號調理或信號處理（包括對信號進行預處理、線性化，或對溫度、靜壓力等參數進行自動補償等）。

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（3）具有組態功能，使用靈活。在智能感測器系統中可設置多種模組化的硬體和軟體，用戶可通過微處理器發出指令，改變智能感測器的硬體模組和軟體模組的組合狀態，完成不同的測量功能。

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（4）具有雙向通信功能，能直接與微處理器（μP）或單片機（μC）通信。

*2智能感測器與傳感系統的特點2.1

高精度智能感測器採用自調零、自補償、自校準等多項新技術，能達到高精度指標。美國BB（BURR－BROWN）公司：XTR系列精密電流變送器，轉換精度±0.05％，非線性誤差±0.003％。

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美國霍尼韋爾（Honeywell）公司：PPT、PPTR系列智能精密壓力感測器，測量精度為±0.05％，比傳統壓力感測器的精度大約提高了一個數量級。其外形如圖1所示。

*（a）PPT系列（b）PPTR系列圖1外形圖*

PPT、PPTR系列智能壓力感測器的內部電路框圖如圖2所示。圖2PPT、PPTR系列智能壓力感測器的內部電路框圖

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2.2

寬量程智能感測器的測量範圍很寬，並具有很強的超載能力。例如，美國ADI公司：ADXRS300型單片偏航角速度陀螺儀積體電路測量轉動物體的偏航角速度的範圍是±300°/s。只需並聯一只設定電阻，即可將測量範圍擴展到1200°/s。

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2.3

多參數、多功能測量（1）多路智能溫度控制器Pentium4處理器是Intel公司推出的高性能微處理器。最高主頻目前已達3.06GHz，它採用了0.13μm制程，集成度高達5500萬～7700萬只電晶體，在晶片中還有內置數字溫度感測器。其晶片結構如圖3所示。

*圖3Pentium4處理器晶片的結構

*隨著Pentium4處理器運行速度的大幅度提高，其功耗也顯著增加，必須採取更完善的散熱保護措施。

2002年，美國ADI公司專門開發出適配Pentium4處理器的ADT7460型智能化遠程散熱風扇控制器積體電路，並已用於奔騰4電腦產品中。

ADT7460採用了dBCOOLTM專有技術。

*

奔騰4電腦的散熱控制電路如圖4所示。該電腦中共使用了3臺散熱風扇。其中，風扇1專門給CPU散熱，風扇2和風扇3分別安裝在主機箱的前面和後面給機箱散熱。圖4電腦的散熱控制電路

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（2）多功能式濕度／溫度／露點智能感測器系統瑞士Sensirion公司：SHT11/15型高精度、自校準、多功能式智能感測器。能同時測量相對濕度、溫度和露點等參數；兼有數字濕度計、溫度計和露點計這3種儀錶的功能；可廣泛用於工農業生產、環境監測、醫療儀器、通風及空調設備等領域。

*SHT11/15型智能感測器系統，外形尺寸僅為7.62mm（長）×5.08mm（寬）×2.5mm（高），品質只有0.1g，其體積與一個大火柴頭相近，見圖5。

圖5SHT11/15型智能感測器的外形

*（1）瑞士Sensirion公司：將半導體晶片（CMOS）與感測器技術融合的CMOSens®技術。該項技術亦稱“Sensmitter”，它表示感測器（sensor）與變送器（transmitter）的有機結合。

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SHT11/15的引腳排列如圖6所示。（a）俯視圖；（b）側視圖圖6SHT11/15的引腳排列圖

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SHT11/15型濕度／溫度感測器系統的內部框圖如圖7所示。

圖7

SHT11/15型濕度／溫度感測器的內部電路框圖

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相對濕度：（空氣中所含壓強與該溫度下飽和水蒸氣的壓強之比，通常用百分數表示）測量範圍：0％～99.99％RH；測量精度：±2％RH分辨力：0.01％RH

*溫度：測量範圍：－40℃～＋123.8℃

測量精度：±1℃

分辨力：0.01℃

露點：（在水氣冷卻過程中最初發生結露的溫度）測量精度：＜±1℃分辨力為：±0.01℃*

由SHT15構成的相對濕度／溫度測試系統的電路框圖如圖8所示。該系統能測量並顯示出相對濕度、溫度和露點。SHT15作為從機，89C51單片機作為主機，二者通過串行匯流排進行通信。圖8相對濕度／溫度測試系統的電路框圖

*（3）多功能式混濁度/電導/溫度智能感測器系統

混濁度（亦稱不透明度）：表示水或其他液體的不透明程度。

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當單色光通過含有懸浮粒子的液體時，由於懸浮粒子引起光的散射，使單色光的強度被衰減，其衰減量就代表液體的混濁度。混濁度是個比值，其單位用NTU來表示。

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美國霍尼韋爾（Honeywell）公司：APMS－10G型帶微處理器和單線介面的智能化混濁度感測器系統能同時測量液體的混濁度、電導和溫度，構成多參數線上檢測系統可廣泛用於水質淨化，清洗設備及化工、食品、醫療衛生等部門。

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APMS－10GRCF的外形及插座上的引腳排列如圖9所示。（a）外形；（b）插座引腳圖9APMS－10GRCF的外形及插座上的引腳排列圖*APMS－10G的內部框圖如圖10所示。圖10APMS－10G的內部框圖

*混濁度測量原理（圖11）*APMS－10G通過9腳RS－232插座連電腦，接線方式如圖12所示。圖12APMS－10G與電腦的接線

*2.4

自適應（Self-adaptive）能力強

US0012是一種基於數字信號處理器（DSP）和模糊邏輯技術（FLT）的高性能智能化超聲波干擾探測器積體電路，對溫度環境等自然條件具有自適應能力。

*2.6

自校準和自標定Motorola公司煙霧檢測報警IC主要有三種類型：離子型：MC14467－1、MC14468光電型：MC145010、MC145011比較器型：MC14578*MC145010配上紅外光電室，即可通過傳感微小煙霧顆粒的散熱光束來檢測煙霧。其基本工作原理是：“紅外發射二極體→紅外光→在煙霧顆粒的作用下形成散射光束→紅外接收二極體→MC145010→BZ發出報警聲”。

*

（1）自校準將MC145010置於校準模式。在該模式下，某些引腳的功能將被重新設定。為進入校準模式，需要給TEST端加負電壓，使該端的輸出電流為100μA並保持一個時鐘週期的時間。

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（2）自標定利用自檢模式可以模擬煙霧條件，對感測器進行自標定。

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具體方法是顯著提高光信號放大器的增益，將煙霧室中的背景反射光看成是由煙霧產生的散射光，從而獲得模擬的煙霧條件。經過一個時鐘週期後，光信號放大器的增益恢復正常值，模擬的煙霧條件就被撤銷。

*2.6

生物感測器生物識別技術是人體生物特徵進行身份鑒別的技術。要求這些特徵具有“人各有異”、“終身不變”和“隨身攜帶”這三大特點。

*生物識別系統的組成如圖13所示。圖13生物識別系統的組成

*●指紋具有惟一性（隨身攜帶、無法複製、人人不同、指指相異）。●根據指紋學理論，將兩個指紋分別匹配上12個特徵時的相同幾率僅為1/1050。因此，至今找不出兩個指紋完全相同的人，●即使相貌酷似的孿生兄弟姐妹，或同一個人的十指之間，指紋也存在明顯差異。●指紋的這一特點，為身份鑒定提供了客觀依據。

*指紋圖像的獲取取像設備主要有以下4種類型：

▲光學取像設備（例如微型三棱鏡矩陣）

▲壓電式指紋感測器

▲半導體指紋感測器

▲超聲波指紋掃描器。

*表1

幾種取像設備的性能比較取像設備光學取像設備半導體指紋感測器超聲波掃描體積大小，外形尺寸比手指略大中耐用性非常耐用耐磨損性超過100萬次一般成像能力

對汗多或稍髒的手指成像模糊

手指上有汗漬或污垢時不能成像非常好功耗高低高成本高低很高*

指紋的基本紋路圖案：基本紋路圖案有環形、弓形和螺旋形，如圖14所示。其他指紋圖案都是基於這三種基本圖案衍生而成的。（a）環型；（b）弓型；（c）螺旋型圖143種基本紋路圖案

*指紋識別過程：指紋採樣→指紋圖像預處理→二值化處理→細化，紋路提取→細節特徵提取→指紋匹配（即指紋庫的查對）。如圖15所示。圖15指紋識別過程

*

半導體指紋感測器半導體指紋感測器亦稱單片集成指紋感測器或CMOS固態指紋感測器，它是在20世紀90年代末問世的。指紋感測器，可廣泛用於可攜式指紋識別儀，網路、資料庫及工作站的保護裝置，自動櫃員機（ATM）、智能卡、手機、電腦、門禁系統等身份識別器，還可構成賓館、家庭的門鎖識別系統。

*（1）溫差感應式指紋感測器它是基於溫度感應的原理而製成的，每個像素都相當於一個微型化的電荷感測器，用來感應手指與晶片映像區域之間某點的溫度差，產生一個代表圖像資訊的電信號。典型產品：美國Atmel公司的FCD4B14。可在0.1s內獲取指紋圖像（時間一長，手指和晶片就處於相同的溫度了）

。*FCD4B14的外形、引腳和安裝圖分別如圖16、圖17、圖18所示。

（a）DIP－20陶瓷封裝；（b）COB封裝圖16FCD4B14的外形圖

*（a）表面傾斜式；（b）將感測器裝在靠邊緣處圖17FCD4B14的引腳圖

*（a）表面傾斜式；（b）將感測器裝在靠邊緣處圖18FCD4B14的安裝圖

*FCD4B14型指紋感測器的內部電路框圖如圖18所示。圖19FCD4B14的內部電路框圖

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感測器共有8行280列，包含8×280＝2240個像素，另有一個虛列。

基本工作原理：行、列掃描→指紋的模擬圖像→經過兩個ADC轉換成數字圖像→通過8位鎖存器輸出到微處理器或電腦中。*（2）電容感應式指紋感測器由電容陣列構成內部包含9萬只微型化電容器

基本工作原理：當用戶將手指放在正面時，皮膚就組成了電容陣列的一個極板，電容陣列的背面是絕緣極板。由於不同區域指紋的脊和穀之間的距離也不相等，使每個單元的電容量隨之而變，由此可獲得指紋圖像。

*

典型產品：美國Veridicom公司FPS100FPS100的外形以及由它構成的指紋識別系統輸入設備如圖20所示，輸入設備與電腦相連。（a）FPS100的外形；（b）指紋識別系統的輸入設備圖20FPS100的外形以及指紋識別系統的輸入設備

*美國Veridicom公司：

●圖像搜索技術（ImageSeekTM）

●高速圖像傳輸技術

●手指自動檢測技術。

*FPS100的內部框圖如圖21所示。圖21FPS100的內部框圖

*2.7超小型化、微型化、微功耗智能感測器正朝著短、小、輕、薄的方向發展，以滿足航空、航太及國防尖端技術領域的急需，並且為開發可攜式、袖珍式檢測系統創造了有利條件。

*

ADXRS300型單片偏航角速度陀螺儀積體電路基於“音叉陀螺儀”（tuningforkgyro）的原理，採用表面顯微機械加工工藝和Bi－CMOS半導體工藝而製成的。

*

基本工作原理：在科裏奧利力的作用下，角速度感測器的轉動方向不變，而旋轉方向可以是順時針，也可以是逆時針，由轉動物體而定。ADXRS300通過電容對偏航角速度進行採樣，再依次經過能產生180○相移的π型解調器、低通濾波器和輸出放大器對信號進行調理，最終獲得與Z軸方向的角速度成正比的電壓信號。

*其工作原理示意圖如圖22所示。圖22角速度感測器工作原理示意圖

*ADXRS300的內部電路框圖如圖23所示。圖23ADXRS300的內部電路框圖

*3智能感測器與傳感系統的發展及應用●單片集成化●網路化●智能微塵感測器●系統化、高精度●多功能●高可靠性●安全性*3.1

採用新技術提高智能化程度微電子技術和電腦技術的進步，往往預示著智能感測器研製水準的新突破。近年來各項新技術不斷湧現並被採用，使之迅速轉化為生產力。

*US0012型智能化超聲波干擾探測器積體電路中採用了“模糊邏輯技術”☆它兼有干擾探測、干擾識別和干擾報警這三大功能☆將超聲波探測標準固化到晶片中☆能自動區分弱干擾、強干擾、阻斷（因超聲波感測器引線開路而導致信號被阻斷）、飽和（因回波信號過強而使接收器進入飽和狀態），併發出相應的報警信號。

*3.2

智能微塵感測器

智能微塵（SmartMicroDust）是一種具有電腦功能的超微型感測器。從肉眼看來，它和一顆沙粒沒有多大區別。但內部卻包含了從資訊收集、資訊處理到資訊發送所必需的全部部件。

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目前，直徑約為5mm的智能微塵已經問世，智能微塵的外形及內部結構如圖24所示。未來的智能微塵甚至可以懸浮在空中幾個小時，搜集、處理並無線發射資訊。a）肉眼所看到的智能微塵b）智能微塵的內部結構圖24智能微塵的外形及內部結構

*

智能微塵還可以“永久”使用，因為它不僅自帶微型薄膜電池，還有一個微型的太陽能電池為它充電。最近，美國英特爾公司制定了基於微型感測器網路的新型電腦的發展規劃，也將致力於研究智能微塵感測器網路的工作。*

智能微塵的應用範圍很廣，最主要的是軍事偵察監視網路、森林滅火、至海底板塊調查、行星探查、醫學、生活等領域。

*3.3匯流排技術的標準化與規範化智能感測器的匯流排技術現正逐步實現標準化、規範化。目前所採用的匯流排主要有以下六種：

★１－Wire匯流排★I2C匯流排★SMBus

★SPI匯流排★MicroWire匯流排★USB匯流排*◆USB是“通用串行匯流排”（UniversalSerialBus）的英文縮寫。

USB是由Compaq、IBM、Intel、微軟等公司於1994年共同提出的。

USB介面的優點：●連接單一化●軟體自動“偵測”●熱插拔

*MatchBoard開發板的電路框圖如圖25所示。圖25MatchBoard開發板的電路框圖

*（1）USB介面

USB是“通用串行匯流排”（UniversalSerialBus）的英文縮寫。USB是由Compaq、IBM、Intel、微軟等公司於1994年共同提出的。USB介面具有連接單一化、軟體自動“偵測”、能直接配PC機、能實現熱插拔的優點。目前，USB1.0的傳輸速率為12Mpbs，而USB2.0的傳輸速率最高可達480Mpbs。這是其他匯流排所無法達到的。*（2）SPI匯流排介面

MAX1457屬於高精度（0.1％）矽壓阻式壓力信號調理器晶片。由n個壓力測量模組與微機、數字電壓表可構成基於SPI匯流排的高精度壓力測試系統。

*電路如圖26所示。圖26基於SPI匯流排的高精度壓力測試系統的電路

*（3）基於HART協議的測試系統

問題的提出：目前智能感測器都是數字式的，而在工業測試現場仍大量使用4～20mA模擬輸出的系統（包括感測器、變送器及二次儀錶等）。

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為了解決這一技術難題，美國羅斯蒙特（Rosemount）公司提出了HART協議（HighwayAddressableRemoteTransducerProtocol，可尋址遠程感測器通信協議）作為過渡性標準。該通信協議具有與現場匯流排相類似的體系結構以及匯流排式數字通信功能。

*HART協議是在模擬信號上疊加了FSK（頻移鍵控）數字信號，因此可同時進行模擬通信和數字通信。這就保證了4～20mA模擬系統與數字通信系統相容，能在一條雙絞線上連接多臺現場設備，構成多站網路，使不同廠家的產品互相通用。

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HART協議採用“頻移鍵控”（FSK）技術。頻移鍵控是頻率調製的一種方法，調製信號只能在幾個不同的固定頻率之間變動，典型的例子是用二進位信號進行調頻，用一個頻率表示數據“1”，另一頻率表示“0”。HART協議是在4mA～20mA的模擬信號上疊加不同的頻率信號，來代表所要傳輸或接收的數據。根據Bell202標準，在HART協議信號波形中，數字信號分別用1200Hz代表邏輯“1”、2200Hz代表邏輯“0”，信號傳輸速率為1200bit/s，數字頻率信號的電流幅值為±0.5mA。由於在一個週期內數字頻率信號的平均值為零，因此不會對4mA～20mA的模擬信號產生影響，這是HART協議最重要的特點之一。

*圖27HART協議的信號波形

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它既保留了4mA～20mA過程控制信號的工業標準，又能在一條雙絞線上同時傳輸模擬信號和數字信號而互不影響，從而保證了4mA～20mA模擬系統與數字通信系統相容性。在雙絞線上可連接多臺現場設備，構成多站網路，使不同廠家的產品互相通用。

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目前，許多國際上著名的公司已接受了HART協議，還成立了專門機構來推廣HART協議。最近，我國也發佈了“國產符合HART協議智能儀錶管理辦法”並開始實行。因此，HART協議已被認為是事實上的工業標準，但它仍屬過渡性協議，還不能稱作現場匯流排。

*3.4

虛擬感測器和網路感測器（1）虛擬感測器虛擬感測器是基於軟體開發而成的智能感測器。它是在硬體的基礎上通過軟體來實現測試功能的，利用軟體還可完成感測器的校準及標定，使之達到最佳性能指標。

*◆MAXIM公司不僅研製出高精度矽壓阻式壓力信號調理器晶片MAX1457，還專門給用戶提供一套工具軟體（EVKit）和通信軟體。

*◆Sensirion公司專門為SHT15型濕度／溫度感測器提供測量露點用的SHT1xdp.bsx軟體。

*◆Atmel公司和Veridicom公司都向用戶提供開發指紋感測器的應用程式，例如在InstaMatchTM軟體包中就包含著指紋識別演算法。

*（2）網路感測器

智能感測器的另一發展方向就是網路感測器。網路感測器是包含數字感測器、網路介面和處理單元的新一代智能感測器。

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被測模擬量→數字感測器→數字量→微處理器→測量結果→網路。可實現各感測器之間、感測器與執行器之間、感測器與系統之間的數據交換及資源共用，在更換感測器時無須進行標定和校準，可做到“即插即用”。

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美國Honeywell公司開發的PPT系列、PPTR系列和PPTE系列智能精密壓力感測器就屬於網路感測器。在構成網路時，能確定每個感測器的全局地址、組地址和設備識別號（ID