第19章智能傳感器ppt課件

1、19.1 智能傳感器的特點(diǎn)智能傳感器的特點(diǎn)19.2 智能傳感器的實(shí)現(xiàn)智能傳感器的實(shí)現(xiàn)19.3 智能傳感器的應(yīng)用智能傳感器的應(yīng)用19.4 智能傳感器的設(shè)計(jì)思路智能傳感器的設(shè)計(jì)思路第第19章章 智能式傳感器智能式傳感器 引 言 智能傳感器是美國(guó)宇航局(NASA) 在開(kāi)發(fā)宇宙飛船的過(guò)程中產(chǎn)生的。宇宙飛船需要速度、加速度、位置和姿態(tài)等傳感器,宇航員的生活環(huán)境需要溫度、氣壓、空氣成份和微量氣體傳感器,科學(xué)觀測(cè)也要用大量的各種傳感器。宇宙飛船觀測(cè)到的各種數(shù)據(jù)是很龐大的,處理這些數(shù)據(jù)需要用超大型計(jì)算機(jī)。要不丟失數(shù)據(jù),并降低成本,必須有能實(shí)現(xiàn)傳感器與計(jì)算機(jī)一體化的靈巧傳感器。因此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理由集中處理變?yōu)榉稚?/p>

2、處理,避免使用超大型計(jì)算機(jī)，由此而產(chǎn)生了智能傳感器。o現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)：o傳感器技術(shù)：信息的采集 “感官”o通 信 技 術(shù) ：信息的傳輸 “神經(jīng)”o計(jì)算機(jī)技術(shù)：信息的處理 “大腦”o智能傳感器(Intelligent sensor)是既有獲取信息的功能又有信息處理的功能的系統(tǒng)，是傳感器、計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的結(jié)合。l 微傳感器系統(tǒng)l 多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)l 網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器系統(tǒng)l 藍(lán)牙傳感器系統(tǒng)l 生物傳感器系統(tǒng)智能傳感器的主要發(fā)展趨勢(shì)：智能傳感器的主要發(fā)展趨勢(shì)：目前智能傳感器具有自補(bǔ)償、自診斷、自學(xué)習(xí)、目前智能傳感器具有自補(bǔ)償、自診斷、自學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)記憶、雙向通信、數(shù)字輸出等功數(shù)據(jù)

3、處理、存儲(chǔ)記憶、雙向通信、數(shù)字輸出等功能，幾乎包括了儀器儀表的全部功能。能，幾乎包括了儀器儀表的全部功能。與傳統(tǒng)的傳感器相比，智能傳感器將傳感器檢測(cè)與傳統(tǒng)的傳感器相比，智能傳感器將傳感器檢測(cè)信息的功能與微處理器信息的功能與微處理器(CPU)的信息處理功能有機(jī)的信息處理功能有機(jī)地結(jié)合在一起，從而具有一定的人工智能，它彌地結(jié)合在一起，從而具有一定的人工智能，它彌補(bǔ)了傳統(tǒng)傳感器性能的不足。它能充分利用微處補(bǔ)了傳統(tǒng)傳感器性能的不足。它能充分利用微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，并能對(duì)內(nèi)部工作過(guò)程理器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，并能對(duì)內(nèi)部工作過(guò)程進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，是采集數(shù)據(jù)最佳。進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，是采集數(shù)據(jù)最佳。智能傳感

4、器就是一個(gè)最小的微機(jī)系統(tǒng)，其中作為智能傳感器就是一個(gè)最小的微機(jī)系統(tǒng)，其中作為控制核心的微處理器通常采用單片機(jī)，其基本結(jié)控制核心的微處理器通常采用單片機(jī)，其基本結(jié)構(gòu)框圖如下：構(gòu)框圖如下： 與傳統(tǒng)傳感器相比，智能傳感器有以下幾個(gè)特點(diǎn)：與傳統(tǒng)傳感器相比，智能傳感器有以下幾個(gè)特點(diǎn)： （1精度高精度高 1.可通過(guò)自動(dòng)校零去除零點(diǎn)；可通過(guò)自動(dòng)校零去除零點(diǎn)； 2.與標(biāo)準(zhǔn)參考基準(zhǔn)實(shí)時(shí)對(duì)比以自動(dòng)進(jìn)行整體系統(tǒng)標(biāo)定；與標(biāo)準(zhǔn)參考基準(zhǔn)實(shí)時(shí)對(duì)比以自動(dòng)進(jìn)行整體系統(tǒng)標(biāo)定； 3.自動(dòng)進(jìn)行整體系統(tǒng)的非線(xiàn)性等系統(tǒng)誤差的校正；自動(dòng)進(jìn)行整體系統(tǒng)的非線(xiàn)性等系統(tǒng)誤差的校正； 4.通過(guò)對(duì)采集的大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理以消除偶然誤差的影響等。通過(guò)對(duì)

5、采集的大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理以消除偶然誤差的影響等。19.1 智能傳感器的特點(diǎn)智能傳感器的特點(diǎn) （2可靠性與高穩(wěn)定性強(qiáng)可靠性與高穩(wěn)定性強(qiáng) 1.自動(dòng)補(bǔ)償因工作條件與環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化所引起的系統(tǒng)特性的漂移，如溫度自動(dòng)補(bǔ)償因工作條件與環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化所引起的系統(tǒng)特性的漂移，如溫度變化而產(chǎn)生的零點(diǎn)和靈敏度漂移；變化而產(chǎn)生的零點(diǎn)和靈敏度漂移； 2.當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化后能自動(dòng)改換量程；當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化后能自動(dòng)改換量程； 3.能實(shí)時(shí)自動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)的自我檢驗(yàn)，分析、判斷所采集到的數(shù)據(jù)的合理性，并能實(shí)時(shí)自動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)的自我檢驗(yàn)，分析、判斷所采集到的數(shù)據(jù)的合理性，并給出異常情況的應(yīng)急處理報(bào)警或故障提示）。給出異常情況的應(yīng)急處理

6、報(bào)警或故障提示）。 （3高信噪比和高分辨率高信噪比和高分辨率 1.由于智能傳感器具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、記憶與信息處理功能，通過(guò)軟件進(jìn)行數(shù)字濾由于智能傳感器具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、記憶與信息處理功能，通過(guò)軟件進(jìn)行數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)分析等處理，可以去除輸入數(shù)據(jù)中的噪聲，從而將有用信號(hào)提取出來(lái)；波、數(shù)據(jù)分析等處理，可以去除輸入數(shù)據(jù)中的噪聲，從而將有用信號(hào)提取出來(lái)； 2.通過(guò)數(shù)據(jù)融合、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以消除多參數(shù)狀態(tài)下交叉靈敏度的影響，通過(guò)數(shù)據(jù)融合、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以消除多參數(shù)狀態(tài)下交叉靈敏度的影響，從而保證在多參數(shù)狀態(tài)下對(duì)特定參數(shù)測(cè)量的分辨能力。從而保證在多參數(shù)狀態(tài)下對(duì)特定參數(shù)測(cè)量的分辨能力。 （4自適應(yīng)能力強(qiáng)自適應(yīng)能力

7、強(qiáng) 由于智能傳感器具有判斷、分析與處理功能，它能根據(jù)系統(tǒng)工作情況決策各部由于智能傳感器具有判斷、分析與處理功能，它能根據(jù)系統(tǒng)工作情況決策各部分的供電情況，優(yōu)化與上位計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)傳送速率，并保證系統(tǒng)工作在最優(yōu)低功耗分的供電情況，優(yōu)化與上位計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)傳送速率，并保證系統(tǒng)工作在最優(yōu)低功耗狀態(tài)。狀態(tài)。 （5性格價(jià)格比高性格價(jià)格比高 智能傳感器所具有的上述高性能，不是像傳統(tǒng)傳感器技術(shù)追求傳感器本身的完智能傳感器所具有的上述高性能，不是像傳統(tǒng)傳感器技術(shù)追求傳感器本身的完善，對(duì)傳感器的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)與調(diào)試來(lái)獲得，而是通過(guò)與微處理器善，對(duì)傳感器的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)與調(diào)試來(lái)獲得，而是通過(guò)與微處理器/計(jì)

8、算機(jī)計(jì)算機(jī)相結(jié)合，即是采用低價(jià)的集成電路工藝和芯片以及強(qiáng)大的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。相結(jié)合，即是采用低價(jià)的集成電路工藝和芯片以及強(qiáng)大的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 1. 集成化實(shí)現(xiàn)集成化實(shí)現(xiàn) 這種傳感器系統(tǒng)采用為機(jī)械加工技術(shù)和大規(guī)模集成電路這種傳感器系統(tǒng)采用為機(jī)械加工技術(shù)和大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)，利用半導(dǎo)體材料硅作為基本材料來(lái)制作敏感元件，工藝技術(shù)，利用半導(dǎo)體材料硅作為基本材料來(lái)制作敏感元件，將信號(hào)調(diào)理電路、為處理單元等集成在一塊芯片上構(gòu)成的，故將信號(hào)調(diào)理電路、為處理單元等集成在一塊芯片上構(gòu)成的，故稱(chēng)為集成智能傳感器。稱(chēng)為集成智能傳感器。19.2 智能傳感器的實(shí)現(xiàn)智能傳感器的實(shí)現(xiàn) 2. 非集成化實(shí)現(xiàn)非集成化實(shí)現(xiàn) 非集

9、成化智能傳感器是將傳統(tǒng)傳感器采用非集成化工非集成化智能傳感器是將傳統(tǒng)傳感器采用非集成化工藝制作的傳感器，僅具有獲取信號(hào)的功能）、信號(hào)調(diào)理電路、藝制作的傳感器，僅具有獲取信號(hào)的功能）、信號(hào)調(diào)理電路、帶數(shù)字總線(xiàn)接口的微處理器組合為一個(gè)整體而構(gòu)成的一個(gè)智能帶數(shù)字總線(xiàn)接口的微處理器組合為一個(gè)整體而構(gòu)成的一個(gè)智能傳感器系統(tǒng)。傳感器系統(tǒng)。 模糊傳感器是一種非集成化的新型智能傳感器。模糊傳感器是一種非集成化的新型智能傳感器。 模糊傳感器是在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)檢測(cè)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)模糊推理和知識(shí)合成，模糊傳感器是在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)檢測(cè)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)模糊推理和知識(shí)合成，以模擬人類(lèi)自然語(yǔ)言符號(hào)描述的形式輸出測(cè)量結(jié)果。以模擬人類(lèi)自然語(yǔ)言

10、符號(hào)描述的形式輸出測(cè)量結(jié)果。 模糊傳感器的核心部分就是模擬人類(lèi)自然語(yǔ)言符號(hào)的產(chǎn)生及其處理。模糊傳感器的核心部分就是模擬人類(lèi)自然語(yǔ)言符號(hào)的產(chǎn)生及其處理。o模糊傳感器的模糊傳感器的“智能之處在于：它可以模擬人類(lèi)感智能之處在于：它可以模擬人類(lèi)感知的全過(guò)程，核心在于知識(shí)性，知識(shí)的最大特點(diǎn)在于知的全過(guò)程，核心在于知識(shí)性，知識(shí)的最大特點(diǎn)在于其模糊性。其模糊性。o模糊傳感器由硬件層和軟件層兩部分構(gòu)成。其突出特模糊傳感器由硬件層和軟件層兩部分構(gòu)成。其突出特點(diǎn)是其具有豐富強(qiáng)大的軟件功能。點(diǎn)是其具有豐富強(qiáng)大的軟件功能。o模糊傳感器實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵也在于軟件的設(shè)計(jì)。模糊傳感器實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵也在于軟件的設(shè)計(jì)。 3. 混合實(shí)現(xiàn)混

11、合實(shí)現(xiàn) 混合實(shí)現(xiàn)是根據(jù)需要與可能，將系統(tǒng)各個(gè)集成化環(huán)節(jié)，混合實(shí)現(xiàn)是根據(jù)需要與可能，將系統(tǒng)各個(gè)集成化環(huán)節(jié)，如敏感單元、信號(hào)處理電路、微處理器單元、數(shù)字總線(xiàn)接口等，如敏感單元、信號(hào)處理電路、微處理器單元、數(shù)字總線(xiàn)接口等，以不同的組合方式集成在兩塊或三塊芯片上，并安裝在一個(gè)外以不同的組合方式集成在兩塊或三塊芯片上，并安裝在一個(gè)外殼內(nèi)。殼內(nèi)。 集成化敏感單元：彈性敏感元件及變換器；集成化敏感單元：彈性敏感元件及變換器； 信號(hào)調(diào)理電路：多路開(kāi)關(guān)、醫(yī)用放大器、基準(zhǔn)、信號(hào)調(diào)理電路：多路開(kāi)關(guān)、醫(yī)用放大器、基準(zhǔn)、 A/D轉(zhuǎn)換器等；轉(zhuǎn)換器等； 微處理器單元：數(shù)字存儲(chǔ)微處理器單元：數(shù)字存儲(chǔ)(EPROM、ROM、RA

12、M)、I/O接接口、微處理器、口、微處理器、D/A轉(zhuǎn)換器等。轉(zhuǎn)換器等。 1.ST-3000系列智能壓力傳感器系列智能壓力傳感器19.3 智能傳感器的應(yīng)用智能傳感器的應(yīng)用圖示為圖示為ST-3000系列智能壓力傳感器圖，它是由檢測(cè)和變送系列智能壓力傳感器圖，它是由檢測(cè)和變送 兩部分組成。兩部分組成。 2.固體圖像傳感器固體圖像傳感器固體圖像傳感器主要有三種類(lèi)型：第一種是電荷耦合器固體圖像傳感器主要有三種類(lèi)型：第一種是電荷耦合器件件(CCD)；第二；第二 種是種是MOS圖像傳感器，又稱(chēng)為自?huà)呙韫鈭D像傳感器，又稱(chēng)為自?huà)呙韫怆姸O管陣列電二極管陣列(SSPA)；第三種是電荷注入器件；第三種是電荷注入器件

13、(CID) 。固體圖像傳感器是現(xiàn)代視覺(jué)信息獲取的一種基礎(chǔ)器件，固體圖像傳感器是現(xiàn)代視覺(jué)信息獲取的一種基礎(chǔ)器件，因其能實(shí)現(xiàn)信息的獲取、轉(zhuǎn)換和視覺(jué)功能的擴(kuò)展光因其能實(shí)現(xiàn)信息的獲取、轉(zhuǎn)換和視覺(jué)功能的擴(kuò)展光譜拓寬、靈敏度范圍擴(kuò)大），能給出直觀、真實(shí)、層譜拓寬、靈敏度范圍擴(kuò)大），能給出直觀、真實(shí)、層次最多、內(nèi)容最豐富的可視圖像信息。次最多、內(nèi)容最豐富的可視圖像信息。目前，由于傳感器智能化和集成化的要求，使得固體圖像傳感器有三目前，由于傳感器智能化和集成化的要求，使得固體圖像傳感器有三維集成的發(fā)展趨勢(shì)。例如，在同一硅片上，用超大規(guī)模集成電路工藝維集成的發(fā)展趨勢(shì)。例如，在同一硅片上，用超大規(guī)模集成電路工藝制

14、作三維結(jié)構(gòu)的智能傳感器，下圖為這種三維結(jié)構(gòu)智能化傳感器的一制作三維結(jié)構(gòu)的智能傳感器，下圖為這種三維結(jié)構(gòu)智能化傳感器的一種形式。種形式。 右圖為具有三層結(jié)構(gòu)的三維集成智能圖右圖為具有三層結(jié)構(gòu)的三維集成智能圖像傳感器的結(jié)構(gòu)圖。它用以提取待測(cè)物像傳感器的結(jié)構(gòu)圖。它用以提取待測(cè)物體的輪廓圖，它的第一層為光電轉(zhuǎn)換面體的輪廓圖，它的第一層為光電轉(zhuǎn)換面陣，由第一層輸出的信號(hào)并行進(jìn)入第二陣，由第一層輸出的信號(hào)并行進(jìn)入第二層電流型層電流型MOS模擬信號(hào)調(diào)理電路，輸模擬信號(hào)調(diào)理電路，輸出的模擬信號(hào)再進(jìn)入第三層，轉(zhuǎn)換成二出的模擬信號(hào)再進(jìn)入第三層，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，與第三層相進(jìn)制數(shù)并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，與第

15、三層相連的是信號(hào)讀出放大單元。信號(hào)讀連的是信號(hào)讀出放大單元。信號(hào)讀出單元的作用是通過(guò)地址譯碼讀取存儲(chǔ)出單元的作用是通過(guò)地址譯碼讀取存儲(chǔ)器中的信號(hào)信息。器中的信號(hào)信息。 下圖為多個(gè)智能圖像傳感器組成的圖像識(shí)別系統(tǒng)。下圖為多個(gè)智能圖像傳感器組成的圖像識(shí)別系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)由光學(xué)透鏡系統(tǒng)、多個(gè)智能圖像傳感器這個(gè)系統(tǒng)由光學(xué)透鏡系統(tǒng)、多個(gè)智能圖像傳感器和一個(gè)主計(jì)算機(jī)組成。和一個(gè)主計(jì)算機(jī)組成。 下面以智能壓力傳感器的設(shè)計(jì)為例介紹一下智能傳感器的下面以智能壓力傳感器的設(shè)計(jì)為例介紹一下智能傳感器的設(shè)計(jì)思路。設(shè)計(jì)思路。19.4 智能傳感器的設(shè)計(jì)思路智能傳感器的設(shè)計(jì)思路1.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)智能壓力傳感器是由半導(dǎo)體力敏

16、元件制作力敏元件時(shí)智能壓力傳感器是由半導(dǎo)體力敏元件制作力敏元件時(shí),同時(shí)制作兩同時(shí)制作兩只溫敏二極管）、放大器、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、雙積分只溫敏二極管）、放大器、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、雙積分AD轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、接口電路、接口電路、IEEE-488標(biāo)準(zhǔn)接口、存儲(chǔ)器和部分外圍電路組成。標(biāo)準(zhǔn)接口、存儲(chǔ)器和部分外圍電路組成。敏感元件敏感元件（壓力、溫度）（壓力、溫度）放大器放大器轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)A/DD/A單片機(jī)單片機(jī)接口電路接口電路EPROMIEEE-488接口接口 2敏感元件設(shè)計(jì)敏感元件設(shè)計(jì) 利用集成電路工藝，根據(jù)圓形平膜片上各點(diǎn)應(yīng)力分在半導(dǎo)體圓形基片上擴(kuò)散出利用集成電路工藝，根據(jù)圓形平膜片上各點(diǎn)應(yīng)力分在

17、半導(dǎo)體圓形基片上擴(kuò)散出四個(gè)電阻，同時(shí)生成兩個(gè)溫敏二極管。這四個(gè)電阻通常接成電橋形式，使輸出信號(hào)四個(gè)電阻，同時(shí)生成兩個(gè)溫敏二極管。這四個(gè)電阻通常接成電橋形式，使輸出信號(hào)與測(cè)量壓力成正比例，并將阻值增加的兩個(gè)電阻對(duì)接，阻值減小的兩個(gè)電阻對(duì)接，與測(cè)量壓力成正比例，并將阻值增加的兩個(gè)電阻對(duì)接，阻值減小的兩個(gè)電阻對(duì)接，使電橋靈敏度最大。使電橋靈敏度最大。 3傳感器工藝設(shè)計(jì)傳感器工藝設(shè)計(jì) 傳感器中的微處理器采用傳感器中的微處理器采用MCS-51系列系列8031單片機(jī)，它通單片機(jī)，它通過(guò)鎖存器過(guò)鎖存器74LS373等與外部存儲(chǔ)器等與外部存儲(chǔ)器EPROM相連?？蛇x用相連?？蛇x用27162K*8)、27324K*8）、）、27648K*8等不同芯片作存儲(chǔ)器，等不同芯片作存儲(chǔ)器，用來(lái)存放控制程序、修正值、數(shù)據(jù)等。其他電路如放大器、用來(lái)存放控制程序、修正值、數(shù)據(jù)等。其他電路如放大器、A/D、D/A、IEEE-488標(biāo)準(zhǔn)接口、接口電路等可合理分布在標(biāo)準(zhǔn)接口、接口電路等可合理分布在不同的模板上，組裝進(jìn)一個(gè)殼體內(nèi)。不同的模板上，組裝進(jìn)一個(gè)殼體內(nèi)。 4.軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì) 用用8031單片機(jī)構(gòu)成的智能單片機(jī)構(gòu)成的