智能传感器综述(共10页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上智能传感器综述摘要在科学技术高速发展的现代社会中，人类已经入瞬息万变的信息时代，人们在日常生活，生产过程中，主要依靠检测技术对信息经获取、筛选和传输，来实现制动控制，自动调节，目前我国已将检测技术列入优先发展的科学技术之一。智能传感器是一种具有信息处理功能的传感器。智能传感器带有微处理机，具有采集、处理、交换信息的能力，是传感器集成化与微处理机相结合的产物,它的产生极大地推动了自动化领域的发展。本文主要阐述了智能传感器的功能、特点，探讨了智能传感器在工程中的应用。关键词：智能传感器 功能 应用 AbstractThe rapid development of scie

2、nce and technology in modern society, humans have into the rapidly changing information age, people in their daily life, production process, mainly by relying on detection technology for information access, filtering, and transmission, to achieve braking control, automatic adjustment, the current ou

3、r detection technology has priority to the development of science and technology. Intelligent sensor is a sensor having an information processing function. Smart sensors with microprocessors, with collection, processing, exchange information, the sensor integration and microprocessor product of the

4、combination, which produces greatly promoted the development of the field of automation. This article focuses on intelligent sensor functions, features, discusses smart sensor applications in engineering.Keywords：Intelligent sensor Functions Applications概 述传感是获取信息的工具，在自动控制系统中起着重要的作用。传感器是反馈环节的主要元件，是影

5、响控制系统精度的主要因素。随着传感器技术的迅猛发展，多种新型传感器应运而生，如智能传感器、微波传感器、超声波传感器、生物传感器和机器人传感器等。以此来满足对信息测量准确度也越来越高的要求，克服越来越大的测量难度，实现自动检测系统的智能控制。智能传感器是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、材料科学等综合密集型技术的结合，主要由传感器、微处理器（或微计算机）及相关电路组成。微计算机是智能传感器的核心，它不但可以对传感器测量数据进行计算、存储、数据处理，还可以通过反馈回路对传感器进行调节。微计算机能充分发挥各种软件的功能，可以完成硬件难以完成的任务，从而大大降低传感器制造的难度

6、，提高传感器的性能，降低成本。传感器将被测的物理、化学量转换成相应的电信号，送到信号调理电路中，进行波、放大、模数转换后送到微计算机中。智能传感器的结构可以是集成化的，也可以是分离式的。1.智能传感器国内外发展智能传感器是年由美国宇航局在宇航工业发展中开发出来的产品。宇宙飞船中有大量传感器不断向地面发送温度、位置、速度和姿态等数据。由于一台大型计算机很难同时处理这样多的数据,于是提出把CPU分散化的解决方案, 这样就产生出智能化传感器。随着微电子技术的发展, 1983年,美国Honeywell公司首次推出过程工业中应用的智能压力传感器, 其它公司效法, 纷纷推出自己的智能传感器产品。智能传感器

7、之所以这么受关注,其原因是先进的硅检测元件和先进的信号处理集成电路的不断涌现.硅的微加工工艺诞生了一代新的传感器产品,包括及其廉价的消费类产品到现代化的航空航天器件。专用集成电路的发展使大功率信号处理系统集成到一个很小的芯片上。专为智能传感器设计的先进的标准化非传统集成电路将使人们只花很少的钱就能组装一个智能传感器装置。例如，美国德克萨斯仪表公司的TSS40传感器信号处理器就是在一个芯片上集成了一个四通道多路调制器，一个12比特A/D变换器，一个恒流源，一个由传感器专用语言支持的4比特I/O总线，6比特数字输出，一个定时器和一个LCD7段数字显示驱动器，器件价格只有10美元。我国智能传感器技术

8、虽然起步较晚，但也已经取得了一些成就。我国的研究主要集中在以下几方面：一是采用先进的微电子技术、计算机技术，研究开发出将传感器和微处理器结合、具有各种功能的单片集成化，这是当前智能传感器的主要发展方向之一;二是针对传感器的材料，利用生物工艺和纳米技术，开发分子和原子生物传感器，这将为以后智能传感器的发展奠定基础;三是整合国内外芯片技术，结合敏感电子元件，研发出混合型集成智能传感器，这种传感器精度更高、成本更低、稳定性更好。我国在集成智能传感器领域已经取得了重大突破，国产传感器逐步打开了智能传感器的市场份额。2.智能传感器的主要功能智能传感器一般是指以专用微处理器进行控制的具有双向通信功能的先进

9、传感器系统,微处理器能够按照给定的程序对传感器实现软件控制,把传感器从单功能变成多功能。智能传感器一般具有如下基本功能：1、 自补偿功能：通过软件对传感器的非线性、温度漂移、响应时间等进行自动补偿。2、 自校准功能：操作者输人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。3、 自诊断功能：接通电源后，检查传感器各部分是否正常，并可诊断发生故障的部件。自动诊断功能是智能传感器的重要功能,智能传感器通过其故障诊断软件和自检软件,自动对传感器和系统工作状态进行定期和不定期的检验、测试,及时发现故障,协助诊断发生故障的原因、位置,并给予操作提示。4、 数据处理功能：可以根据智能传感器

10、内部的程序，自动处理数据。智能传感器不仅能对各个被测量参数进行测量,而且能够根据已知被测参数求出未知参数,并能自动调零、自动平衡、自动补偿、自动量程变换等。例如,在带有温度补偿和静压补偿的智能差压传感器中,当被测量的介质温度和静压发生变化时,智能传感器中的温度和静压补偿软件能自动依照一定的补偿算法进行补偿,以提高测量精度。5、 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。6、 信息存储和记忆功能：对接收到的信息能够进行存储和记忆。智能传感器具有信息存储,记忆功能。能把测量参数、状态参数通过RAM 和EEP

11、ROM 进行存储。为了防止数据在掉电时自动消失,智能传感器中具有备用电源,当系统掉电时,能够把后备电源接入RAM ,保护数据不丢失。7、 数字量输出功能：输出数字信号，可方便地与计算机或接口总线相连。8、 软件组态功能：智能传感器由于采用微处理器,所以它不仅由必要的硬件组成,例如检测、放大、A/ D、D/ A、通讯接口等等,而且还有软件资料用于控制和处理数据。在智能传感器中,设置有多种模块化的硬件和软件,用户可以通过微处理器颁布指令,改变智能传感器的硬件模块和软件模块的组合状态,以达到不同的应用目的,完成不同的功能,增加了传感器的灵活性和可靠性。9、 接口功能：智能传感器采用标准化接口,统一接

12、口标准,容易通过RS - 232 ,RS - 485 ,HART 等总线和上位机进行通信。这样,可以由远距离中央控制计算机来控制整个系统工作,对测量系统进行遥控,也可以将测量数据传送到远方用户。10、 人机对话功能：将微型机、智能传感器、仪表组合在一起,配备各种显示装置和输入键盘,使系统具有灵活的人机对话功能进行人机对话,配合操作人员指导工作,减少操作失误和读数错误,及时进行修改。3.智能传感器的特点与传统传感器相比，智能传感器的特点是：1、 高稳定性与高可靠性：智能传感器能自动补偿工作条件与环境参数发生变化后引起系统特性的漂移。智能传感器有多项功能保证了智能传感器的高可靠性与高稳定性。2、

13、高信噪比与高的分辨力：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、相关分析处理，可以去除输入数据中的噪声、将有用信号提取出来；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析能力，故智能传感器具有高的信噪比与高的分辨力。3、 精度高：智能传感器有多项功能来保证它的高精度。如自校正零去除零点；自动进行整体系统的非线性等系统误差的校正。4、 强的自适应能性：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、与高/上位计算机的数据传送速率，是系统工作在最优低功耗状态和优化传送速率。5

14、、 低的价格性能比：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、惊醒“手工艺品”式的精雕细琢来获得，而是通过与微处理器/微计算机相结合，采用廉价的集成电路工艺和芯片以及强大的软件来实现，所以具有低的价格性价比。4.现阶段智能传感器的一些应用以下示例可以充分体现出智能传感器具有的上述的功能。4.1 汽车制动性能检测仪汽车制动性能的好坏，是安全行车的最重要因素之一，也是汽车安全检测的重点指标之一。制动性能的检测有路试法和台试法。台试法用得较多，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

15、综合评价汽车的制动性能。汽车制动性能检测仪由左轮、右轮制动力传感器及数据采集、处理与输出系统组成，其总体框图如图1所示。汽车开上制动检测台后，其左轮、右轮压下到位开关，使两个到位开关闭合接通，单片机检测到信号，判断汽车已经就位，于是发出一个控制信号。该控制信号经耦合驱动电路使检测台上的左轮、右轮滚筒电动机电路接通，滚筒电动机转动带动车轮一起转动。滚筒为粘砂滚筒，摩擦系数近似真实路面，可以模拟车轮在路面上行驶。此时，左轮和右轮制动力传感器开始测取阻滞力，经信号处理后，送单片机存储和显示。5s后，单片机发出刹车信号，司机踏下制动踏板，车轮制动力作用于滚筒上，传送至动力传感器，信号变换后送单片机存储

16、，由显示器显示。若某一车轮先被抱死，停止转动，则抱死指示灯亮，滚筒电动机电路断电，停止滚筒转动，完成一个检测过程，汽车制动性能检测结果由显示器显示。汽车制动性能检测仪电路中使用的单片机型号为AT89C52，为CMOS型8位单片机低功率、高性能，自带8KBFlash程序存储器ROM，可擦写1000次，引脚与指令与80C51单片机兼容。4.2 智能传感器的接口芯片目前的智能传感器,在结构上大多由敏感元件和外接的信号调理电路、微处理器组成,还不能将它们集成在一个芯片上。随着集成电路技术的发展和对于智能传感器研究的不断深入,已经研制出专用集成电路芯片,用来对敏感元件的信号进行放大、滤波、A/D转换和数

17、据处理。利用这些接口芯片和敏感元件,可以组成具有一定功能的智能传感器。4.2.1通用传感器接口芯片USIC在欧洲尤理卡计划中,JAMIE(Joint Language Mi2crosystems Initiative of Europe - EU574) 工程研制了通用传感器接口芯片USIC ,目的是为了应用于JAMIE工程中的各种智能传感器。该芯片具有智能传感器所需要的各种信号处理能力,并具有通用性。该芯片由两个多路开关、两个运算放大器、两路带有 - 调制器和FIR 数字滤波器的A/ D 转换器、两个24位计数器、RISC 处理器、两个D/A转换器、一个并行接口、一个串新接口组成。USIC

18、提供了传感器数据处理的多种功能,在USIC中每一部分的输入、输出均有管脚引出,用户可以根据需要自由组合。4.2.2信号调理芯片SCA2095该电路由ISS(Integrated Sensor Solution) 公司开发。主要应用于利用压阻效应,组成全桥电路的压力传感器、应变式传感器、加速度传感器。内存的EEP2ROM 可以储存非线性校正、温度补偿、故障诊断等功能。SCA2095还能够调节增益和传感器全桥信号的偏移,能够修正灵敏度误差。芯片的外部数字接口有串行时钟SCLK、数据输出DO、数据输入DI。芯片内部设置有温度寄存器、增益温度补偿寄存器、零点温度补偿寄存器、零点偏移寄存器、输出基准寄存

19、器。通过CPU操作,这些寄存器的数值可以设定,并通过D/ A转换器变成模拟量叠加在调理电路中,用于改善传感器的特性。4.2.3 MAX14 系列传感器接口芯片Maxim公司推出的MAX14系列传感器接口芯片提供精密的传感器补偿和温度校正。该系列有MAX1450、MAX1457、MAX1458三个产品。所有这些电路都提供一条信号通道,包括灵活的传感器激励电路,可编程增益放大器(PGA) 及模拟输出。低档器件MAX1450只提供这些功能;中档器件MAX1458 增加了4 个12 位DAC ,用来对其增益、失调及参数的温度漂移进行校正:一个3 位DAC 用于粗调,一个内部EEPROM 用来保存DAC

20、 校正数据; 高档器件MAX1457 是一个高精度、混合信号、线性化器件,采用两种补偿方式:第一种是模拟方式,采用两个DAC 补偿一阶温度误差,用一个失调温度补偿DAC 调节失调,另一个满度输出温度补偿DAC 调节激励电流来改变激励电压。第二种是数字补偿,由指示温度的桥路激励电压驱动ADC 产生EEPROM 地址,EEPROM 输出120 段逼近的残余高价误差,进行线性化,并将数据保存于EEPROM ,经过这种线性化处理后输出精度可以达到传感器重复误差的011 % 以内。新产品MAX1460 也将近期推出。5.智能传感器发展重点第一，应用机器智能的故障探测和预报。任何系统在出现错误并导致严重后

21、果之前，必须对其可能出现的问题作出探测或预报。目前非正常状态还没有准确定义的模型，非正常探测技术还很欠缺，急需将传感信息与知识结合起来以改进机器的智能。 第二，正常状态下能高精度、高敏感性地感知目标的物理参数；而在非常态和误动作的探测方面却进展甚微。因而对故障的探测和预测具有迫切需求，应大力开发与应用。 第三，目前传感技术能在单点上准确地传感物理或化学量，然而对多维状态的传感却困难。如环境测量，其特征参数广泛分布且具有时空方面的相关性，也是迫切需要解决的一类难题。因此，要加强多维状态传感的研究与开发。 第四，目标成分分析的远程传感。化学成分分析大多在基于样本物质，有时目标材料的采样又很困难。如

22、测量同温层中臭氧含量，远程传感不可缺少，光谱测定与雷达或激光探测技术的结合是一种可能的途径。没有样本成分的分析很容易受到传感系统和目标组分之间的各种噪音或介质的干扰，而传感系统的机器智能有望解决该问题。 第五，用于资源有效循环的传感器智能。现代制造系统已经实现了从原材料到产品的高效的自动化生产过程，当产品不再使用或被遗弃时，循环过程既非有效，也非自动化。如果再生资源的循环能够有效且自动地进行，可有效地防止环境的污染和能源紧缺，实现生命循环资源的管理。对一个自动化的高效循环过程，利用机器智能去分辨目标成分或某些确定的组分，是智能传感系统一个非常重要的任务。结论传感器技术与通信技术（信息传输）和计

23、算机技术（信息处理）构成了现代信息技术的三大支柱，在信息系统中分别起着“感官”、“神经”和“大脑”的作用。目前传感器正从传统的分立式朝着单片集成化、智能化、网络化、系统化方向发展。智能传感器作为21 世纪最具影响力和发展前景高新技术，正引起国内外电子信息界的高度重视。光电行业开发协会（OIDA）预测，智能传感器的国际市场销售量将以每年20%的高速度增长，智能传感器将在21 世纪信息时代扮演更加重要角色。参考文献1. IEEE Std 1451. 2 - 1997 Smart Transducer for Sensors and Actuators - Transducer to Microprocessor communication protocols and TEDS for Mats.2. 刘君华.智能传感器系统.西安电子科技大学出版社,1999 ; p5.3. 张子栋等：智能传感器原理及应用，河南科技学院学报，2008年6月.4. 何道清,张禾,堪海云.传感器与传感器技术M.北京:科学出版社，2008.5. 黄庆彩，程勇.传感器技术与应用M.长沙:国防科技大学出版社，2009.6. 姜书汉：智能传感器的主要功能与应用发展，物联网，2011：34-35.专心-专注-专业