传感器原理及工程应用(第三版)第14章智能式传感器.ppt

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1、传感器原理及工程应用(第三版)第14章智能式传感器第14章 智能式传感器 14.1 概概 述述 14.1.1 智能式传感器的概述智能式传感器的概述 智智能能式式传传感感器器:是一种带有微处理机的，兼有信息检测、信号处理、信息记忆、逻辑思维与判断功能的传感器。智智能能式式传传感感器器具有准确度高、可靠性高、稳定性好，且具备一定的数据处理能力，并能够自检、自校、自补偿。为制造高性能的传感器，需要利用计算机技术与传感器技术相结合来弥补其性能的不足。计算机技术使传感器技术发生了巨大的变革，微处理器(或微计算机)和传感器相结合，产生了功能强大的智能式传感器。第14章 智能式传感器 第14章 智能式传感器

2、 第14章 智能式传感器 第14章 智能式传感器 具具有有自自适适应应、自自调调整整功功能能。可根据待测物理量的数值大小及变化情况自动选择检测量程和测量方式，提高了检测适用性。具具有有组组态态功功能能。可实现多传感器、多参数的复合测量，扩大了检测与使用范围。具具有有记记忆忆、存存储储功功能能。可进行检测数据的随时存取，加快了信息的处理速度。具具有有数数据据通通讯讯功功能能。智能化传感器具有数据通讯接口，能与计算机直接联机，相互交换信息，提高了信息处理的质量。第14章 智能式传感器 计算机软件在智能传感器中起着举足轻重的作用。由于“电脑”的加入，智能传感器可通过各种软件对信息检测过程进行管理和调

3、节，使之工作在最佳状态，从而增强了传感器的功能，提升了传感器的性能。此外，利利用用计计算算机机软软件件能能够够实实现现硬硬件件难难以以实实现现的的功功能能，因因为为以以软软件件代代替替部部分分硬硬件件，可可降降低低传传感感器器的的制制作难度。作难度。智能式传感器系统一般构成框图如图14-1所示。其中作为系统“大脑”的微型计算机，可以是单片机、单板机，也可以是微型计算机系统。第14章 智能式传感器 图14 1 智能传感器的结构框图 智能式传感器系统一般构成框图如图14-1所示。其中作为系统“大脑”的微型计算机，可以是单片机、单板机，也可以是微型计算机系统。智能式传感器集成智能化传感器第14章 智

4、能式传感器 14.2 传感器的智能化传感器的智能化 14.2.1 传感器的智能化概念传感器的智能化概念 传感器的智能化指传感器与微处理机可分为两个独立部分，传感器的输出信号经处理和转化后由接口送入微处理机部分进行运算处理。这类智智能能传传感感器器主主要要由由传传感感器器、微微处处理理器器及及其其相相关关电电路路组组成成。传感器将被测的物理量转换成相应的电信号,送到信号调理电路中,进行滤波、放大、模-数转换后,送到微处理机中。微处理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。由于微处理机充分发挥各种软件的功能,可以完成硬件难以完成

5、的任务,从而大大降低了传感器制造的难度,提高了传感器的性能,降低了成本。第14章 智能式传感器 n 微微型型计计算算机机或或微微处处理理机机是是智智能能式式传传感感器器的的核核心心。传感器的信号经一定的硬件电路处理后，以数字信号的形式进入计算机，于是计算机即可根据其内存中驻留的软件实现对测量过程的各种控制、逻辑判断和数据处理以及信息输送等功能，从而使传感器获得智能。n 在智能传感器中，其控控制制功功能能、数数据据处处理理功功能能和和数数据据传传输输功功能能尤尤为为重重要要。实际上，为了使智能式传感器真正具有智能，控制功能就应该包括：键盘控制功能、量程自动切换功能、多路与多路通道切换功能、数据极

6、限判断与越限报警功能、自诊断与自校正功能。例如为使智能式传感器具有自校正功能，在传感器系统设计时，可考虑预留一路模拟量输入通道作自校正用，然后通过计算机编程实现自校正。第14章 智能式传感器 n 该程序执行步骤为：所用微机先向/转换口输出一个定值(固定代码)，经DAC变换为对应的模拟电压值，再送到/通路的自校正输入端。此后，由微机启动ADC，待/转换结束，再取回转换结果值，并与原送出的代码进行比较。如结果相符或误差在允许范围内，则认为自校正功能正常。若感觉仅在一点上进行自校正还不能说明问题，可以设置 2 3个自校正点，如可设置其零点、中点及满刻度点为自校正点，并分三次比较。通过比较和判断，确定

7、输入、输出以及接口等是否正常。第14章 智能式传感器 n 在数据处理功能方面，智能式传感器须具备标度变换功能、函数运算功能、系统误差消除功能、随机误差处理功能以及信号合理性判断功能。在数据传输功能方面，智能式传感器应实现各传感器之间或与其它微机系统的信息交换及传输。数据传输可采用并行和串行两种方式，无论采用哪种传输方式，都要在传送的双方配置相同的标准接口。IEEE-48总线和RS232总线在并行和串行两种数据传送方式中，分别可起重要作用。第14章 智能式传感器 图14 2 智能式应力传感器的硬件结构图温度传感器014.2.2 传感器的智能化实例传感器的智能化实例共有6路应力传感器和1路温度传感

8、器在单片机的控制下分别选择不同的放大倍数对各路信号进行放大第14章 智能式传感器 图14 3 智能式应力传感器的软件结构图 第14章 智能式传感器 图14-2是智能式应力传感器的硬件结构图。智能式应力传感器用于测量飞机机翼上各个关键部位的应力大小，并判断机翼的工作状态是否正常以及故障情况。它共有6路应力传感器和1路温度传感器，其中每一路应力传感器由4个应变片构成的全桥电路和前级放大器组成，用于测量应力大小。温度传感器用于测量环境温度，从而对应力传感器进行误差修正。采用8031单片机作为数据处理和控制单元。多路开关根据单片机发出的命令轮流选通各个传感器通道，0通道作为温度传感器通道，16通道分别

9、为6个应力传感器通道。程控放大器则在单片机的命令下分别选择不同的放大倍数对各路信号进行放大。该智能式传感器具有较强的自适应能力，它可以判断工作环境因素的变化，进行必要的修正，以保证测量的准确性。第14章 智能式传感器 智智能能式式应应力力传传感感器器具有测测量量、程程控控放放大大、转转换换、处处理理、模模拟拟量量输出、打印键盘监控及通过串口与计算机通信输出、打印键盘监控及通过串口与计算机通信的功能。p 软软件件采用模块化和结构化的设计方法，软件结构如图14-3 所示。主程序模块完成自检、初始化、通道选择以及各个功能模块调用的功能。其中p 信信号号采采集集模模块块主要完成数据滤波、非线性补偿、信

10、号处理、误差修正以及检索查表等功能。p 故故障障诊诊断断模模块块的任务是对各个应力传感器的信号进行分析，判断飞机机翼的工作状态及是否存在损伤或故障。第14章 智能式传感器 p 键盘输入及显示模块键盘输入及显示模块具有以下任务：查询是否有键按下，若有键按下则反馈给主程序模块，主程序模块根据键意执行或调用相应的功能模块；显示各路传感器的数据和工作状态。输出打印模块主要控制模拟量输出以及控制打印机完成打印任务。通信模块主要控制RS232串行通信口和上位微机发通信。第14章 智能式传感器 14.3 集成智能传感器集成智能传感器 14.3.1 集成智能传感器的发展方向集成智能传感器的发展方向集成电路和微

11、机械工艺促进了传感器技术的发展，改变了传感器作为单纯物理量转换的传统概念。目前，传传感感器器的的发发展展主要集中主要集中在集成化在集成化和和智能化智能化两个方面两个方面。第14章 智能式传感器 传传感感器器的的集集成成化化是指将多个功能相同或不同的敏感器件制作在同一个芯片上构成传感器阵列。集成化主要有三个方面的含义：一是将多个功能完全相同的敏感单元集成在同一个芯片上，用来测量被测量的空间分布信息，例如压力传感器阵列或我们熟知的CCD器件；二是对多个结构相同、功能相近的敏感单元进行集成，例如将不同气敏传感元集成在一起组成“电子鼻”，利用各种敏感元对不同气体的交叉敏感效应，采用神经网络模式识别等先

12、进数据处理技术，可以对组成混合气体的各种成分同时监测，得到混合气体的组成信息，同时提高气敏传感器的测量精度;第14章 智能式传感器 这层含义上的集成还有一种情况是将不同量程的传感元集成在一起，可以根据待测量的大小在各个传感元之间切换，在保证测量精度的同时，扩大传感器的测量范围；三是指对不同类型的传感器进行集成，例如集成有压集成有压力、温度、湿度、流量、加速度、化学等敏感单元的力、温度、湿度、流量、加速度、化学等敏感单元的传感器传感器，能同时测到环境中的物理特性或化学参量，用来对环境进行监测。第14章 智能式传感器 p 集成电路和各种传感器的特征尺寸已达到亚微米和深亚微米量级，由于非电子元件接口

13、未能做到同等尺寸而限制了其体积、重量、价格等的减小。p 智能化是将传感器(或传感器阵列)与信号处理电路和控制电路集成在同一芯片上。系统能够通过电路进行信号提取和信号处理，根据具体情况自主地对整个传感器系统进行自检、自校准和自诊断，并能根据待测物理量的大小及变化情况自动选择量程和测量工作方式。p 和经典的传感器相比，集成智能传感器能够减小系统的体积，降低制造成本，提高测量精度，增强传感器功能，是目前国际上传感器研究的热点，也是未来传感器发展的主流。第14章 智能式传感器 14.3.2 智能传感器的研究热点智能传感器的研究热点 1.物理转化机理物理转化机理 理论上讲，有有很很多多种种物物理理效效应

14、应可可以以将将待待测测物物理理量量转转换换为为电电学学量量。在智能传感器出现之前，为了数据读取的方便，人们选择物理转化机理时，被迫优先选择那些输入输出传递函数为线性的转化机理，而舍弃掉其它传递函数为非线性，但具有长期稳定性、精确性等性质的转换机理或材料。由于智智能能传传感感器器可可以以很很容容易易对对非非线线性性的的传传递递函函数数进进行行校校正正，得到一个线性度非常好的输出结果，从而消消除除了了非非线线性性传传递递函函数数对对传传感感器器应应用用的的制制约约，因此一些科科研研工工作作者者正正在在对对这这些些稳稳定定性性好好、精精确确度度高高、灵敏度高的转换机理或材料重新进行研究灵敏度高的转换

15、机理或材料重新进行研究。第14章 智能式传感器 例如，谐振式传感器具有高稳定性、高精度、准数字化输出等许多优点，但以前频率信号检测需要较复杂的设备，限制了谐振式传感器的应用和发展，现在利用同一硅片上集成的检测电路，可以迅速提取频率信号，使得谐振式微机械传感器成为国际上传感器领域的一个研究热点。第14章 智能式传感器 2.数据融合理论数据融合理论数据融合是智能传感器理论的重要领域，也是各国研究的热点。数数据据融融合合通通过过分分析析各各个个传传感感器器的的信信息息，来来获获得得更更可可靠靠、更更有有效效、更更完完整整的的信信息息，并并依依据据一一定定的的原原则则进进行行判判断断，作作出出正正确确

16、的的结结论论。对于由多个传感器组成的阵列，数据融合技术能够充分发挥各个传感器的特点，利用其互补性、冗余性，提高测量信息的精度和可靠性，延长系统的使用寿命，进而实现识别、判断和决策。第14章 智能式传感器 多传感器系统的融合中心接受各传感器的输入信息，得到一个基于多传感器决策的联合概率密度函数，然后按一定的准则作出最后决策。融融合合中中心心常常用用的的融融合合方方法法有有错错误误率率最最小小化化法法、NP法法、自自适适应应增增强强学学习习法法、广广义义证证据据处处理理法法等等等等。传传感感器器数数据据融融合合是是传传感感器器技技术术、模模式式识识别别、人人工工智智能能、模模糊糊理理论论、概概率率

17、统统计计等等交交叉叉的的新新兴兴学学科科，目前还还有有许许多多问问题题没没有有解解决决，如如最最优优的的分分布布检检测测方方法法、数数据据融融合合的的分分布布式式处处理理结结构构、基基于于模模糊糊理理论论的的融融合合方方法法、神神经经网网络络应应用用于于多多传传感感器器系系统统、多多传传感感器器信信号号之之间间的的相相互互耦耦合合、系系统统功功能能配配置置及及冗冗余余优优化化设设计计等等，这些问题也是当今数据融合理论的研究热点。第14章 智能式传感器 3.CMOS工艺兼容的传感器制造与集成封装技术工艺兼容的传感器制造与集成封装技术 集成式微型智能传感器是受集成电路制作工艺的牵引而发展起来的，如

18、如何何充充分分利利用用已已经经行行之之有有效效的的大大规规模模集集成成电电路路制制作作技技术术，是是智智能能传传感感器器降降低低成成本本，提提高高质质量量，增增加加效效益益，批批量量生生产产的的最最可可行行，最最有有效效的的途途径径。但传统的微机械传感器制作工艺与CMOS工艺兼容性较差。为了保证加工应力能完全松弛，微机械结构需要长时间的高温退火；而为了成功地实施必要的曝光，CMOS技术需要非常平整的表面，这就造成了矛盾。因为如果先完成机械加工工序，基底的平面性将会有所牺牲；如果先完成CMOS工序，基底将经受高温退火。这使得传感器敏感单元与大规模集成电路进行单片集成时产生困难，限制了智能传感器向

19、体积缩小、成本降低与生产效率提高的方向发展。为了解决这个“瓶颈”问题，目前在研究二次集成技术的同时，智能传感器的工艺研究热点集中在研制与CMOS工艺兼容的各种传感器结构及其制造工艺流程上。第14章 智能式传感器 如前所述，由于非电子元件接口未能做到同等尺寸缩微，因而限制了其体积、重量等的减小。当前，集成式微型智能传感器正朝着更高功效及轻、薄、短、小的方向发展，传统的封装技术将无法满足这些需求。对于新的集成式微型智能传感器来说，有关分离和封装问题可能是其商品化的最大障碍。现阶段，制造微机械的加工设备和工艺与制造IC的设备和工艺是紧密匹配的，但是，封装技术还未能达到同样高的匹配水准。虽然单片集成式

20、微型智能传感器商品化的成功已能对传统的封装技术产生一定程度的影响，但仍需要进行广泛的改进和提高。因此，一些新封装技术的研究和开发已越来越得到人们的重视，开发更先进的封装形式及其技术也成为集成式微型智能传感器制造相关技术的研究热点。第14章 智能式传感器 14.3.3 集成智能传感器系统举例集成智能传感器系统举例 从前面讨论可知，智智能能传传感感器器是是“电电五五官官”与与“微微电电脑脑”的的有有机机结结合合，对外界信息具有检测、判断、自诊断、数据处理和自适应能力的集成一体化的多功能传感器。这种传感器还具有与主机自动对话、自行选择最佳方案的能力。它还能将已取得的大量数据进行分割处理，实现远距离、

21、高速度、高精度的传输。目前，这类传感器虽然尚处于研究开发阶段，但是已出现不少实用的智能传感器。人的五官：眼（视觉）、人的五官：眼（视觉）、耳（听觉）、鼻（嗅觉）、耳（听觉）、鼻（嗅觉）、舌（味觉、四肢身体（触觉）舌（味觉、四肢身体（触觉）第14章 智能式传感器 图14 4 混合智能传感器组成框图 1.混合集成压力智能传感器混合集成压力智能传感器microprocessor control unit 微处理机控制单元微处理机控制单元 第14章 智能式传感器 混混合合集集成成压压力力智智能能传传感感器器是是采采用用二二次次集集成成技技术术制制造造的的混混合合智智能能传传感感器器，图14-4是混合智

22、能传感器的组成框图，即在同一个管壳内封装了微控制器、检测环境参数的各种传感元件、连接传感元件和控制器的各种接口/读出电路、电源管理器、晶振、电池、无线发送器等电路及器件，具有数据处理功能，并且可以根据环境参数的变化情况，自主地开始测量或者改变测试频率，具有了智能化的特点。智能传感器系统的核心是Motorola公司的 68HC11微控制器(MCU)，其中包含有内存、八位/、时序电路、串行通信电路。MCU与前台传感器间内部数据传递通过内部总线进行。第14章 智能式传感器 传传感感系系统统包包括括了了温温度度传传感感器器、压压力力传传感感器器阵阵列列、加加速速度度传传感感器器阵阵列列、启启动动加加速

23、速度度计计阵阵列列、湿湿度度传传感感器器等等多多种种传传感感器器或或传传感感器器阵阵列列。MCU将传感器的测量数据转换为标准格式，并对数据进行储存，然后通过系统内的无线发送器或RS-232 接口传送出去。传感器由6电池供电，功耗小于700，至少能够连续工作180天。整个智能传感器微系统的体积仅仅为体积仅仅为5cm3，相当于一个火柴盒那么大。美美国国Honeywell公公司司研研制制的的DSTJ3000智智能能压压差差压压力力传传感感器器，能在同一块半导体基片上用离子注入法配置扩散了压压差差、静静压压和和温温度度三三个个敏敏感感元元件件。整个传感器还包含转换器，多路转换器，脉冲调制器，微处理器和

24、数字量输出接口等，并在EPROM中装有该传感器的特性数据，以实现非线性补偿。其结构也类同上述框架。第14章 智能式传感器 图14 5 多路光谱分析传感器的结构示意图 2.多路光谱分析传感器多路光谱分析传感器第14章 智能式传感器 多路光谱分析传感器是目前投入使用的微电脑型传感器。这种传感器利用CCD(电荷耦合器件)二维阵列摄像仪，将检测图像转换成时序的视频信号，在电子电路中产生与空间滤波器相应的同步信号，再与视频信号相乘后积分，改变空间滤波器参数，移动滤波器光栅以提高灵敏度，来实现二维自适应图像传感的目的。它由光学系统和微型计算机的CPU构成，其结构如图14-5所示。它可以装在人造卫星上，对地

25、面进行多路光谱分析。测量获得的数据直接由CPU进行分析和统计处理，然后输送出有关地质、气象等各种情报。第14章 智能式传感器 图14 6 三维多功能单片智能传感器 3.三维多功能单片智能传感器三维多功能单片智能传感器第14章 智能式传感器 目前已开发的三维多功能的单片智能传感器，是把传感器、数据传送、存储及运算模块集成为以硅片为基础的超大规模集成电路的智能传感器。它已将平面集成发展成三维集成，实现了多层结构，如图14-6所示。在硅片上分层集成了敏感元件、电源、记忆、传输等多个部分，日本的3DIC研制计划中设计的视觉传感器就是一例。它将光电转换等检测功能和特征抽取等信息处理功能集成在一硅基片上。

26、其基本工艺过程是先在硅衬底上制成二维集成电路，然后在上面依次用CDV法淀积SiO2层，腐蚀SiO2后再用CDV法淀积多晶硅,再用激光退火晶化形成第二层硅片，在第二层硅片上制成二维集成电路，依次一层一层地做成 3DIC。第14章 智能式传感器 目前三三维维多多功功能能的的单单片片智智能能传传感感器器技技术术已已制制成成两两层层10 bit线线性性图图像像传传感感器器，上面一层是PN结光敏二极管，下面一层是信号处理电路，其光谱效应线宽为400700 mm。这种将二维集成发展成三维集成的技术，可实现多层结构，将传感器功能、逻辑功能和记忆功能等集成在一个硅片上，这是智能传感器的一个重要发展方向。第14

27、章 智能式传感器 智能传感器基本型智能传感器的含义与功能基本型智能传感器的含义与功能 两种结合方式：两种结合方式：传统的传感器和微处理器（含采集单传统的传感器和微处理器（含采集单元）独立的，可组合在一起，应用维护更换相对方便元）独立的，可组合在一起，应用维护更换相对方便把微处理器嵌入到传感器中，半导体类传感器与微处把微处理器嵌入到传感器中，半导体类传感器与微处理器集成在同一块芯片上，如用于地震勘探的加速度理器集成在同一块芯片上，如用于地震勘探的加速度传感器。传感器。自补偿功能自补偿功能自诊断功能自诊断功能信息存储和记忆功能信息存储和记忆功能数字量输出或总线式输出功能数字量输出或总线式输出功能双

28、向通信功能双向通信功能 第14章 智能式传感器 二、基本型智能传感器的软件算法 1数字滤波技术数字滤波技术如尖脉冲之类的随机噪声干扰，数字累加平均；周期性的工频如尖脉冲之类的随机噪声干扰，数字累加平均；周期性的工频(50Hz)干扰信号，采用积分时间等于干扰信号，采用积分时间等于20ms的整数倍的双积分的整数倍的双积分AD变换器。变换器。2数字调零技术数字调零技术零点漂移、增益偏差和器件参数不稳定等会影响测量数据的准确零点漂移、增益偏差和器件参数不稳定等会影响测量数据的准确性，必须进行自动校准。还可在系统开机时或每隔一定时间，自性，必须进行自动校准。还可在系统开机时或每隔一定时间，自动测量基准参

29、数，实现自动校准。动测量基准参数，实现自动校准。3非线性补偿非线性补偿采用插值、查表等数据处理方法。采用插值、查表等数据处理方法。4温度补偿温度补偿建立表达温度变化的数学模型建立表达温度变化的数学模型(如多项式如多项式)，用插值或查表的数据，用插值或查表的数据处理方法。处理方法。5标度变换技术标度变换技术 在被测信号变换成数字量后，还要变换成人们所熟悉的测量值，在被测信号变换成数字量后，还要变换成人们所熟悉的测量值，如压力、温度和流量等。如压力、温度和流量等。第14章 智能式传感器 美国美国美国美国HoneywellHoneywell公司于公司于公司于公司于19831983年推出了首款商品智能

30、传感器年推出了首款商品智能传感器年推出了首款商品智能传感器年推出了首款商品智能传感器组成组成组成组成：基本传感器、微处理器和现场通信器。它包含：基本传感器、微处理器和现场通信器。它包含：基本传感器、微处理器和现场通信器。它包含：基本传感器、微处理器和现场通信器。它包含2 2个压力传个压力传个压力传个压力传感器感器感器感器(差动压力传感器和静态压力传感器差动压力传感器和静态压力传感器差动压力传感器和静态压力传感器差动压力传感器和静态压力传感器)和和和和1 1个温度传感器个温度传感器个温度传感器个温度传感器。其。其。其。其中静压和温度信号用于对差压进行补偿，经过补偿处理后的差中静压和温度信号用于对

31、差压进行补偿，经过补偿处理后的差中静压和温度信号用于对差压进行补偿，经过补偿处理后的差中静压和温度信号用于对差压进行补偿，经过补偿处理后的差压数字信号再经压数字信号再经压数字信号再经压数字信号再经D/AD/A变成变成变成变成4 420mA20mA的标准信号输出。也可经由的标准信号输出。也可经由的标准信号输出。也可经由的标准信号输出。也可经由数字接口直接输出数字信号。数字接口直接输出数字信号。数字接口直接输出数字信号。数字接口直接输出数字信号。指标指标指标指标：量程比高达到：量程比高达到：量程比高达到：量程比高达到400400：1 1；精度在其满量程内优于；精度在其满量程内优于；精度在其满量程内

32、优于；精度在其满量程内优于0.10.1。智能压力传感器 智智能能压压力力传传感感器器P：微处理器，micro processor 第14章 智能式传感器 三、三、IEEE1451.2IEEE1451.2网络化智能传感器接口标准网络化智能传感器接口标准 1协议中涉及的相关术语协议中涉及的相关术语（1）智能变送器模块（）智能变送器模块（STIM）。一个）。一个STIM可以拥有多达可以拥有多达255通通道的传感器或执行器。道的传感器或执行器。（2）网络应用处理器）网络应用处理器(NCAP)。NCAP是介于是介于STIM和现场网络之和现场网络之间的控制模块。间的控制模块。STIM工作时通过工作时通过N

33、CAP连接到通信网络。连接到通信网络。NCAP可以对来自可以对来自STIM或者客户端的原始数据进行校正和补偿。或者客户端的原始数据进行校正和补偿。（3）电子数据表格）电子数据表格(TEDS)。它描述了。它描述了STIM总体和传感器各通道总体和传感器各通道的相关参数，是的相关参数，是IEEE1451协议的精华之一。协议的精华之一。（4）校正引擎（）校正引擎（CE）。是指应用特定的数学函数将来自一个或）。是指应用特定的数学函数将来自一个或多个多个STIM的数据或者其他途径的数据融合起来，应用数学公式或的数据或者其他途径的数据融合起来，应用数学公式或存储的多项式系数为校准通道校正出一个精确的数据，体

34、现了传存储的多项式系数为校准通道校正出一个精确的数据，体现了传感器智能。感器智能。（5）传感器类型。分为）传感器类型。分为6种类型。种类型。（6）物理单位。标准采用）物理单位。标准采用10字节长度的二进制表示物理单位，单字节长度的二进制表示物理单位，单位定义基于位定义基于7个国际单位标准，任何单位通过这个国际单位标准，任何单位通过这7个个SI单位得到。单位得到。（7）UUID（全局统一标识符），（全局统一标识符），UUID是全球唯一的标识符。是全球唯一的标识符。第14章 智能式传感器 特点特点（1）IEEE1451是一个开放、与网络无关的通信接口，用于将是一个开放、与网络无关的通信接口，用于将

35、智能传感器直接连接到计算机、仪器系统和其它网络智能传感器直接连接到计算机、仪器系统和其它网络（Network-neutral）；）；（2）可以使得传感器制造厂商和系统集成商没有必要对很多复）可以使得传感器制造厂商和系统集成商没有必要对很多复杂的现场总线协议进行研究就可以完成各种现场总线测控系统杂的现场总线协议进行研究就可以完成各种现场总线测控系统的集成（的集成（Vendor-independent）；）；（3）加速了智能传感器采用有线或者无线的手段连入测控网络）加速了智能传感器采用有线或者无线的手段连入测控网络系统（系统（Wired or Wireless）；建立了智能传感器的）；建立了智能传

36、感器的“即插即用即插即用”标标准（准（Plug And Play）；）；（4）使得智能传感器拥有）使得智能传感器拥有TEDS，包含足够的描述信息，增强，包含足够的描述信息，增强了传感器了传感器“智能智能”；（5）定义了传感器模型，包括传感器接口模块（）定义了传感器模型，包括传感器接口模块（TIM）和网络）和网络应用处理器（应用处理器（NCAP）。）。第14章 智能式传感器 四、四、ZigBee无线传感器网络主要应用领域无线传感器网络主要应用领域 1军事领域的应用军事领域的应用2生态环境与灾害监测生态环境与灾害监测 3智能交通管理智能交通管理 4ZigBee 联盟预测的无线传感器网络主要应用联盟

37、预测的无线传感器网络主要应用 第14章 智能式传感器 模糊传感器模糊传感器 模糊传感器的概念及其认识模糊传感器的概念及其认识1 1模糊传感器的产生模糊传感器的产生 模糊传感器模糊传感器是在经典传感器数值测量的基础上，经过模是在经典传感器数值测量的基础上，经过模糊推理与知识集成，以自然语言符号描述的形式输出测糊推理与知识集成，以自然语言符号描述的形式输出测量结果的智能传感器。量结果的智能传感器。法国学者法国学者L.Foulloy指出指出,模糊传感器是一种能够在线实现模糊传感器是一种能够在线实现符号处理的聪敏传感器符号处理的聪敏传感器，它集成了数值符号转换器，可，它集成了数值符号转换器，可直接应用

38、于模糊控制；英国学者直接应用于模糊控制；英国学者D.Stipanicer指出，模糊指出，模糊传感器是一种智能测量设备，将被测量转换为适于人类传感器是一种智能测量设备，将被测量转换为适于人类理解和感知的信号；英国学者理解和感知的信号；英国学者K.Tukahashi认为认为,数值传数值传感器是只见树木的微观传感器，而模糊传感器是一种感器是只见树木的微观传感器，而模糊传感器是一种“既既见森林见森林,又见树木又见树木”的宏观传感器的宏观传感器,它在测量中的作用正日它在测量中的作用正日益增大。益增大。第14章 智能式传感器 2 2测量的发展与模糊传感器测量的发展与模糊传感器 从测量仪器的发展趋势看从测量

39、仪器的发展趋势看,未来的测量仪器将是一个信息处理机未来的测量仪器将是一个信息处理机,引入人工智能以实现智能测量引入人工智能以实现智能测量,已是一种必然的趋势。智能表现出已是一种必然的趋势。智能表现出最大的特点是知识性。而知识的表示则在于符号而不是数值。智最大的特点是知识性。而知识的表示则在于符号而不是数值。智能测量中能测量中,无论是学习、推理、判断无论是学习、推理、判断,还是自适应等功能都离不开符还是自适应等功能都离不开符号号,从这一个基本观点出发从这一个基本观点出发,测量应该包含定量、定性以及定量与定测量应该包含定量、定性以及定量与定性综合集成信息的获取过程。把人的思维、思维的成果、人的知性

40、综合集成信息的获取过程。把人的思维、思维的成果、人的知识及各种信息集成起来识及各种信息集成起来,获取定性或定量描述被测对象的高层逻辑获取定性或定量描述被测对象的高层逻辑信息。信息。第14章 智能式传感器 从测量要求看从测量要求看，人们要求测量结果接近人的习，人们要求测量结果接近人的习惯，而不是人去接近测量仪器。惯，而不是人去接近测量仪器。这包括三个方面：这包括三个方面：p 人们要求测量结果不但给出量值的显示，而且给人们要求测量结果不但给出量值的显示，而且给出对结果的判断和最终结论出对结果的判断和最终结论,即对被测对象定性的描述；即对被测对象定性的描述；p 对于非统计方法可处理的误差，应立足于模

41、糊集对于非统计方法可处理的误差，应立足于模糊集理论和区间值分析法，给出更切实际的不确定性；理论和区间值分析法，给出更切实际的不确定性；p 人类经过大脑加工处理后所产生的输出信息人类经过大脑加工处理后所产生的输出信息,不管不管是语言、动作、还是某种暂存于大脑中的决策，大都是语言、动作、还是某种暂存于大脑中的决策，大都不是唯一最佳的，而是属于能解决问题的满意型的。不是唯一最佳的，而是属于能解决问题的满意型的。第14章 智能式传感器 从测量信息处理方式演变过程来看从测量信息处理方式演变过程来看,由传统的由传统的数据处理数据处理以数学以数学模型为主的数据处理模型为主的数据处理以人类经验和知识为基础的知

42、识处理以人类经验和知识为基础的知识处理数学模型和知识模型组合处理方式数学模型和知识模型组合处理方式发展。发展。其中其中,基于定性符号描述的知识的作用变得越来越重要。现代基于定性符号描述的知识的作用变得越来越重要。现代医疗仪器应该输出基于知识的诊断结果医疗仪器应该输出基于知识的诊断结果,为此要在相关物理量测为此要在相关物理量测试的基础上进行诊断。因此试的基础上进行诊断。因此,刻划、模仿和实现人类的定性知识刻划、模仿和实现人类的定性知识推理促成了符号化表示的研究。推理促成了符号化表示的研究。第14章 智能式传感器 从测量结果的表示和处理来看从测量结果的表示和处理来看,随着测量领域的扩大随着测量领域

43、的扩大,现实现实世界的各种模糊对象及其联系决定了不可能完全采用常世界的各种模糊对象及其联系决定了不可能完全采用常规的精确数值来表述这些信息。规的精确数值来表述这些信息。当人们寻求用定量方法学处理复杂行为系统时当人们寻求用定量方法学处理复杂行为系统时,容易注意容易注意数学模型的逻辑处理，而忽视数学模型微妙的经验含义数学模型的逻辑处理，而忽视数学模型微妙的经验含义或解释或解释,从而脱离真实。从而脱离真实。科学的方法首先应当是有意义的，把复杂的事物人为的科学的方法首先应当是有意义的，把复杂的事物人为的精确化，势必降低所用方法的有意义性。模糊集合论创精确化，势必降低所用方法的有意义性。模糊集合论创始人

44、始人Zadeh将复杂性与精确性之间的矛盾概括为不相容原将复杂性与精确性之间的矛盾概括为不相容原理理:当系统的复杂性增大时当系统的复杂性增大时,我们对系统特性的精确而有意我们对系统特性的精确而有意义的描述能力将相应降低义的描述能力将相应降低,在达到一定的阀值时在达到一定的阀值时,精确性和精确性和有意义性将相互排斥。有意义性将相互排斥。第14章 智能式传感器 3 3模糊传感器的基本功能模糊传感器的基本功能 学习功能是模糊传感器特殊和重要的功能学习功能是模糊传感器特殊和重要的功能人类知识集成的实现，测量结果高级逻辑表达等都是通过学习人类知识集成的实现，测量结果高级逻辑表达等都是通过学习功能完成的。能

45、够根据测量任务的要求学习知识模糊传感器与功能完成的。能够根据测量任务的要求学习知识模糊传感器与传统传感器的重要差别。学习功能通过学习算法实现。传统传感器的重要差别。学习功能通过学习算法实现。推理联想功能推理联想功能单输入模糊传感器当接受外界刺激时（有输入），可以通过训单输入模糊传感器当接受外界刺激时（有输入），可以通过训练记忆联想得到符号化测量结果；而多输入模糊传感器通过人练记忆联想得到符号化测量结果；而多输入模糊传感器通过人类知识的集成进行推理实现时空信息整合或信息融合，得到复类知识的集成进行推理实现时空信息整合或信息融合，得到复合概念的符号化表示结果。合概念的符号化表示结果。第14章 智能

46、式传感器 感知功能感知功能模糊传感器包括传统传感器的测量单元，但是根本区模糊传感器包括传统传感器的测量单元，但是根本区别在于它不仅可以输出数值量，而且能输出语言符号别在于它不仅可以输出数值量，而且能输出语言符号量。因此，模糊传感器必须具有数值量。因此，模糊传感器必须具有数值符号转换器。符号转换器。通信功能通信功能传感器通常作为大系统中的子系统。应该能与上级系传感器通常作为大系统中的子系统。应该能与上级系统进行信息交换，即通信功能是模糊传感器的基本功统进行信息交换，即通信功能是模糊传感器的基本功能。能。第14章 智能式传感器 模模糊糊传传感感器器的的基基本本功功能能决决定定了了它它的的结结构构。

47、其其简简化化结结构构如如图图。模模糊糊传传感感器器以以微微处处理理器器（或或计计算算机机）为为核核心心，以以传传统统测测量量传传感感器器为为基基础础，在在硬硬件件支支持持下下，采采用用软软件件实实现现学学习习功功能能和和符符号号的的生生成成及及处处理理。特特别别强强调调的的是是，在在数数值值/符符号号转转换换单单元元中中进进行行的的数数值值模模糊糊化化转转换换为为符符号号的的工工作作要要在在专专家家的的指指导导下下进进行行，这这样样在在于于提提高高模模糊糊传传感感器器的的智智能能化水平。化水平。4 4模糊传感器的结构模糊传感器的结构 第14章 智能式传感器 1.1.符号化表示原理符号化表示原理

48、 二、模糊传感器的符号化表示与语言概念生成原理二、模糊传感器的符号化表示与语言概念生成原理 模糊语言是人类表述语言的一种，因为人们对自然界事物的认模糊语言是人类表述语言的一种，因为人们对自然界事物的认识存在着一定的模糊性，用模糊符号来表述信息具有较为简单、识存在着一定的模糊性，用模糊符号来表述信息具有较为简单、方便，且易于进行高层逻辑推理等优点。模糊符号化表示就是方便，且易于进行高层逻辑推理等优点。模糊符号化表示就是利用模糊数学的理论和方法，借助于专门的技术工具，把测量利用模糊数学的理论和方法，借助于专门的技术工具，把测量得到的信息，用适合人们模糊概念的模糊语言符号加以描述的得到的信息，用适合

49、人们模糊概念的模糊语言符号加以描述的过程。符号是信息的载体，是对一个物体或事件状态的描述，过程。符号是信息的载体，是对一个物体或事件状态的描述，它定义了实体的特征属性或实体间的关系。它定义了实体的特征属性或实体间的关系。第14章 智能式传感器 2 2概念生成的基本方法举例概念生成的基本方法举例（1 1）线性划分法）线性划分法（2 2）非线必划分法）非线必划分法 第14章 智能式传感器 三、模糊传感器在集气管压力控制上的应用三、模糊传感器在集气管压力控制上的应用 采用模糊传感器的原理，两座焦炉共用一套鼓冷系统采用模糊传感器的原理，两座焦炉共用一套鼓冷系统的集气管压力控制系统。的集气管压力控制系统

50、。第14章 智能式传感器 本节所介绍的智能式传感器的设计，主要从系统的角度考虑硬件和软件的设计，至于传感器本体的设计此处不作介绍。10.4.1 10.4.1 硬件设计硬件设计1微处理器系统的设计 微处理器系统主要由中央处理器CPU、存储器（ROM、RAM）、总线结构（地址总线、数据总线和控制总线）、输人输出口（串行口和并行口）等组成。智能式传感器的设计智能式传感器的设计第14章 智能式传感器 微处理器系统是智能式传感器的核心，它的性能对整个传感器的调理电路、接口设计等都有很大的影响。目前可供选用的微处理器系统有以8080 CPU为核心的微处理器系统和MCS51系列、MCS96系列等单片微处理器