智能传感器与传感器系统(精选)
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智能传感器及系统集成
智能传感器的功能特点
1、具有逻辑思维与判断、信息处理功能，可对 检测数值进行分析、修正和误差补偿，提高测量 精度。
2、具有自诊断、自校准功能，提高了可靠性。
3、组态功能可以实现多传感器多参数复合测 量，扩大了检测使用范围。
用户可以选择需要的组态。包括检测范围，可编程通/ 断延时，选组计数器，常开/常闭，分辨率选择等。可 使同一类型的传感器工作在最佳状态，并且能在不同 场合从事不同的工作。
2、体形结构腐蚀加工 腐蚀加工有化学腐蚀和离子刻蚀技术两大类。
✓ 化学腐蚀是应用腐蚀剂腐蚀，腐蚀剂有各向同性和各 向异性两种，改变腐蚀剂中氧化剂、去除剂和稀释剂 的成分可以调整腐蚀速率、选择性和表面腐蚀条件。 各向异性腐蚀可形成三维结构。
✓ 离子刻蚀是在真空腔内进行。采用等离子定向刻蚀， 将硅片放在交流电源驱动的电极上，并置于充有含氟 里昂气体的化学反应等离子体中进行。
智能传感器主要由敏感元件、微处理器 及相关电路组成。
智能传感器的原理框图如下
传
信
输
微
通
感
号
入
处
讯
元
调
接
理
接
件
理
口
器
口
微处理器是智能传感器的智能核心，承担了数据收集、数据 存储、数据处理、系统校准、系统补偿等大量硬件难以完成 的工作，从而大大降低了传感器的制造难度，提高了传感器 的性能，降低了成本，提高了传感器的可靠性。
3、查表法
通过计算或实验得到检测值和被检测值的关系， 然后按一定规律把数据排成表格，存入内存单 元。微处理器根据检测的大小查表。
三、数字滤波
1、算术平均滤波
计算连续N个点的采样值的算术平均值作为滤 波器的输出.
智能传感器
机器人系统 1920年捷克斯洛伐克作家雷尔 卡佩克发表了科幻 年捷克斯洛伐克作家雷尔.卡佩克发表了科幻 年捷克斯洛伐克作家雷尔 罗萨姆的万能机器人>>。在剧本中， 剧<<罗萨姆的万能机器人 。在剧本中，卡佩克把捷 罗萨姆的万能机器人 克语“ 克语“Robota（农奴）”写成了“Robot”，该剧预告 （农奴） 写成了“ ， 了机器人的发展对人类社会的悲剧性影响， 了机器人的发展对人类社会的悲剧性影响，被当成了 机器人的起源。 机器人的起源。 到了近代 ，不同功能的机器人也相继出现并且活 跃在不同的领域，从天上到地下， 农业、 跃在不同的领域，从天上到地下，从工业拓广到 农业、 机器人的种类之多，应用之广， 林、牧、渔。机器人的种类之多，应用之广，影响之 是我们始料未及的。从机器人的用途来分， 深，是我们始料未及的。从机器人的用途来分，可以 分为两大类：军用机器人和民用机器人。 分为两大类：军用机器人和民用机器人。
指纹识别 指纹是表皮中的绒线和绒线之间的谷来组成的。 指纹是表皮中的绒线和绒线之间的谷来组成的。 每个人指纹的绒线和谷形成的图案都不一样， 每个人指纹的绒线和谷形成的图案都不一样，指纹识 别就是利用了此种图案的唯一性和差异性。 别就是利用了此种图案的唯一性和差异性。 指纹是每个人所特有的生物信息， 指纹是每个人所特有的生物信息，拥有一生都不 会变化的特性。 会变化的特性。指纹识别就是利用这些指纹信息进行 个人的认证及个人间的区分。而且避免了密码， 个人的认证及个人间的区分。而且避免了密码，卡中 发生的遗失，盗用等风险， 发生的遗失，盗用等风险，而且优秀的保安性和方便 性等原因，次世代保安技术领域中广泛被应用。 性等原因，次世代保安技术领域中广泛被应用。
智能传感器的结构框图 智能传感器根据敏感元件的不同具有不同的名称 和用途。 和用途。虽然各种智能传感器的硬件组合方式以及软 件分析过程不同，但是总体结构大致相同。 件分析过程不同，但是总体结构大致相同。 以智能压力传感器为例： 以智能压力传感器为例：
【全文】智能传感器PPT课件 (1)
7
10.1
智能传感器及无线传感器网络
第10章 1) 研究与开发传感器的自由度大。 (2) 精度高。 (3) 具有一定的可编程自动化能力。 (4) 输出形式多。 (5) 功能价格比大。
8
10.1
智能传感器及无线传感器网络
第10章 智能传感器
• 近几年发展起来的无线传感器网络是智能传感器 的又一深层次研究，是又一个新的飞跃。
22
10.3
智能传感器的结构框图
第10章 智能传感器
10.3.1 μP主机模板
• 因此，在智能传感器设计时，应参照如下原则来选择 μP。
• (1) 根据任务选机型。
• 根据所研制的智能传感器是用于数据处理完成某些测 量任务，还是用于某种系统控制，对于不同的任务， 应选择不同的机型。
23
10.3
智能传感器的结构框图
24
10.3
智能传感器的结构框图
10.3.2 模拟量输入模板
第10章 智能传感器
• 传感器的输出一般为毫伏数量级模拟量。要满足A ／D转换电路的要求，还必须经过模拟量输入模板 上有关电路的放大、处理，再经A／D转换电路传 输到主机板上。
25
10.3
智能传感器的结构框图
10.3.3 IEEE-488标准总线模板
3
第10章 智能传感器
• 迅速发展的微处理机技术推动和影响着其他技术
10.1
领智域能的传变感革器。及把无微线处传理感机器技网术络引入传感器，可以
使传感器实现过去实现不了的功能，具有智能本
领，这就是新一代的传感器——智能传感器
(Intelligent Sensor或Smart Sensor)。
• “Intelligent Sensor”是英国人对智能传感器 的称谓，而“Smart Sensor”是美国人对智能传 感器的俗称。
智能传感器
（2）可供选用的传感器类型 ① 大信号输出传感器 ② 数字式传感器 ③ 集成传感器 ④ 光纤传感器
2．模拟信号调理电路
模拟信号调理电路主要由放大器、滤波器、温度补偿及自动校准电路 等部分组成。
模拟式传感器对传感器输出的信号必须进行放大、温度补偿和非线性 校正等处理。
智能传感器的技术指标如下： ① 非线性度 ② 温漂 ③ 建立时间和恢复时间 ④ 电源引起的失调
过压 保护
Δ
R3 A1
R1 R2
Δ
R5
A3
6 VOUT
8 过压
VIN 3 保护
Δ
A2
R4
R6
5 REF
VCC 4
（2）程控增益放大器
为了在整个测量范围内使A/D转换器获取合适的分辨率，常采用程控 增益放大器。常见的程控增益放大器有美国BB公司生产的PGA202/203， 其内部结构和基本接法如图所示。
1.2 智能传感器的功能
与传统传感器相比，智能化传感器具有以下功能： （1）逻辑判断、信息处理功能 （2）自校准、自诊断功能 （3）自适应、自调整功能 （4）组态功能 （5）记忆、存储功能 （6）数据通信功能
1.3 智能传感器的硬件结构
智能传感器的硬件主要由基本传感器、信号调理电路和微处理器等构 成。下图所示为DTP型智能压力传感器的结构框图。
隔离放大器由输入放大器、输出放大器、隔离器以及隔离电源等组成，
其原理框图如图所示。上图为变压器耦合隔离放大器框图，下图为光电耦
合隔离放大器框图。
浮置电源
浮置电源
输出解调 输出 放大器
压器
输入
输入调制 放大器
输出解调 输出 放大器
浮置电源
耦合变压器 (a)
2．模拟信号调理电路
模拟信号调理电路主要由放大器、滤波器、温度补偿及自动校准电路 等部分组成。
模拟式传感器对传感器输出的信号必须进行放大、温度补偿和非线性 校正等处理。
智能传感器的技术指标如下： ① 非线性度 ② 温漂 ③ 建立时间和恢复时间 ④ 电源引起的失调
过压 保护
Δ
R3 A1
R1 R2
Δ
R5
A3
6 VOUT
8 过压
VIN 3 保护
Δ
A2
R4
R6
5 REF
VCC 4
（2）程控增益放大器
为了在整个测量范围内使A/D转换器获取合适的分辨率，常采用程控 增益放大器。常见的程控增益放大器有美国BB公司生产的PGA202/203， 其内部结构和基本接法如图所示。
1.2 智能传感器的功能
与传统传感器相比，智能化传感器具有以下功能： （1）逻辑判断、信息处理功能 （2）自校准、自诊断功能 （3）自适应、自调整功能 （4）组态功能 （5）记忆、存储功能 （6）数据通信功能
1.3 智能传感器的硬件结构
智能传感器的硬件主要由基本传感器、信号调理电路和微处理器等构 成。下图所示为DTP型智能压力传感器的结构框图。
隔离放大器由输入放大器、输出放大器、隔离器以及隔离电源等组成，
其原理框图如图所示。上图为变压器耦合隔离放大器框图，下图为光电耦
合隔离放大器框图。
浮置电源
浮置电源
输出解调 输出 放大器
压器
输入
输入调制 放大器
输出解调 输出 放大器
浮置电源
耦合变压器 (a)
智能传感器系统(第二版)(刘君华)1-5章 (1)
① 工业生产的倍增器。通常一部高档轿车需要200~ 300个传感器， 一架飞机需要3600个传感器， 一个发电站需 要近万个传感器， 一个钢厂需要2万个传感器…… 正是由于 以传感器为前端的测量仪器系统保证了庞大的发电厂、 化 工厂、 钢铁厂等的稳定生产、 产品的质量和效率， 从而才 有巨额的产值、 效益与市场的倍增。 而这些带传感器的仪 器仪表系统仅占企业固定资产10%~15%， 因此它们对于工 业生产具有“四两拨千斤”的拉动作用。
第1章 概述
由于传感器的使用， 使生产工艺过程的控制和产品性 能的检测有了保证， 所以它是提高产品竞争力的强有力的 手段， 是获得经济效益的有效途径。 据有关资料， 全美电 站的相关数据表明， 如果主汽流量精度改善1%， 电站的燃 烧成本（热效率）将会改善1%， 每年可节约3亿美元； 若 传感器及其测量仪表可利用率提高1%， 则每年可节约30亿 美元； 美国的电站采用了先进的传感器和控制技术后， 使 全美经济每年获益达110亿美元之多。
第1章 概述
（2） 传感器的销售值反映一个国家科技发达与社会进步的 程度。 20世纪80年代， 日本、 西欧市场传感器销售值年增 长率为30%~40%， 英国传感器销售额1990年比1980年增长 24倍。 近十几年来发达国家传感器的产量及市场需求年增 长率平均在10%以上。 这是因为它是：
第1章 概述
第1章 概述
1.2
作为获取信息工具的传感器， 位于信息系统的最前端。 其特性的好坏、 输出信息的可靠性对整个系统质量至关重 要。 因此， 传感器的性能必须适应系统使用的要求。
回顾自动化系统对传感器的要求， 对了解智能传感器 提出的背景是很有益处的。
自动化系统对传感器最基本的， 而且又是最急切的要 求是： 降低现行传感器的价格性能比。
第1章 概述
由于传感器的使用， 使生产工艺过程的控制和产品性 能的检测有了保证， 所以它是提高产品竞争力的强有力的 手段， 是获得经济效益的有效途径。 据有关资料， 全美电 站的相关数据表明， 如果主汽流量精度改善1%， 电站的燃 烧成本（热效率）将会改善1%， 每年可节约3亿美元； 若 传感器及其测量仪表可利用率提高1%， 则每年可节约30亿 美元； 美国的电站采用了先进的传感器和控制技术后， 使 全美经济每年获益达110亿美元之多。
第1章 概述
（2） 传感器的销售值反映一个国家科技发达与社会进步的 程度。 20世纪80年代， 日本、 西欧市场传感器销售值年增 长率为30%~40%， 英国传感器销售额1990年比1980年增长 24倍。 近十几年来发达国家传感器的产量及市场需求年增 长率平均在10%以上。 这是因为它是：
第1章 概述
第1章 概述
1.2
作为获取信息工具的传感器， 位于信息系统的最前端。 其特性的好坏、 输出信息的可靠性对整个系统质量至关重 要。 因此， 传感器的性能必须适应系统使用的要求。
回顾自动化系统对传感器的要求， 对了解智能传感器 提出的背景是很有益处的。
自动化系统对传感器最基本的， 而且又是最急切的要 求是： 降低现行传感器的价格性能比。
智能传感器技术概述
根据以上特点可以看出：通过集成化实现的智能传感器，为 达到高自适应性、高精度、高可靠性与高稳定性，其发展主要有 以下两种趋势：
其一是： 多功能化与阵列化， 加上强大的软件信息处理功 能；
其二是： 发展谐振式传感器， 加软件信息处理功能。
例如， 压阻式压差传感器是采用微机械加工技术最先实用 化的集成传感器，但是它受温度与静压影响，总精度只能达到 0.1%。 致力于改善它的温度性能花费了近20余年时间却无重大 进展， 因而有的厂家改为研制谐振式压力传感器， 而美国霍尼 韦尔公司则发展多功能敏感元件(如：ST-3000型智能变送器)， 通过软件进行多信息数据融合处理改善了稳定性，提高了精度。
敏感元件构成阵列后，配合相应图像处理软件，可以实现 图形成像且构成多维图像传感器。这时的智能传感器就达到了 它的最高级形式。
6.
通过微机械加工技术可以制作各种形式的微结构。 其固有 谐振频率可以设计成某种物理参量(如温度或压力)的单值函数。 因此可以通过检测其谐振频率来检测被测物理量。这是一种谐 振式传感器， 直接输出数字量(频率)。 它的性能极为稳定、精 度高、不需A/D转换器便能与微处理器方便地接口。免去A/D转 换器，对于节省芯片面积、简化集成化工艺，均十分有利。
·由于芯片面积有限制，以及制作敏感元件与数字电路的优 化工艺的不兼容性，微处理器系统及可编程只读存储器的规模、 复杂性与完善性受到很大限制。
·对功耗与自热、 电磁耦合带来的相互影响， 在一块芯片 内如何消除?
1.5.3 混合实现
根据需要与可能，将系统各个集成化环节，如：敏感单元、 信号调理电路、微处理器单元、数字总线接口，以不同的组合 方式集成在两块或三块芯片上，并装在一个外壳里。如图1-6中 所示的几种方式。
其一是： 多功能化与阵列化， 加上强大的软件信息处理功 能；
其二是： 发展谐振式传感器， 加软件信息处理功能。
例如， 压阻式压差传感器是采用微机械加工技术最先实用 化的集成传感器，但是它受温度与静压影响，总精度只能达到 0.1%。 致力于改善它的温度性能花费了近20余年时间却无重大 进展， 因而有的厂家改为研制谐振式压力传感器， 而美国霍尼 韦尔公司则发展多功能敏感元件(如：ST-3000型智能变送器)， 通过软件进行多信息数据融合处理改善了稳定性，提高了精度。
敏感元件构成阵列后，配合相应图像处理软件，可以实现 图形成像且构成多维图像传感器。这时的智能传感器就达到了 它的最高级形式。
6.
通过微机械加工技术可以制作各种形式的微结构。 其固有 谐振频率可以设计成某种物理参量(如温度或压力)的单值函数。 因此可以通过检测其谐振频率来检测被测物理量。这是一种谐 振式传感器， 直接输出数字量(频率)。 它的性能极为稳定、精 度高、不需A/D转换器便能与微处理器方便地接口。免去A/D转 换器，对于节省芯片面积、简化集成化工艺，均十分有利。
·由于芯片面积有限制，以及制作敏感元件与数字电路的优 化工艺的不兼容性，微处理器系统及可编程只读存储器的规模、 复杂性与完善性受到很大限制。
·对功耗与自热、 电磁耦合带来的相互影响， 在一块芯片 内如何消除?
1.5.3 混合实现
根据需要与可能，将系统各个集成化环节，如：敏感单元、 信号调理电路、微处理器单元、数字总线接口，以不同的组合 方式集成在两块或三块芯片上，并装在一个外壳里。如图1-6中 所示的几种方式。
智能传感器系统刘君华第章
数据链路层(DLL: Data Link Layer)： DLL低层(介质访问)功能有：基本设备不能主动发起通信，只 能接受查询； 链路主设备在得到令牌时可以发起一次通信；每个网段的链路主设备中有一个链路活动 调节器，发起周期和非周期通信。
DLL高层(数据传输)功能有：无连接数据传输，发行数据定向连接传输， 请求/响应数据定向连接 传输。
7.3.2 可寻址远程传感器数据通路(HART)
HART是美国Rosemount公司研制的。其协议可参照ISO/OSI模型的物理层、数据链路层和应用层。 它主要有如下特性：
物理层：采用基于Bell 202通信标准的FSK技术， 即在直流4~20 mA模拟信号上叠加FSK数字信号， 逻辑1为1 200 Hz，逻辑0为2 200 Hz， 波特率为1 200 bit/s， 调制信号为±0.5 mA或 Up-p=0.25 V(250 Ω 负载)。用屏蔽双绞线单台设备距离为3 000 m而多台设备互连距离为1 500 m。
FAL应用实体(AE)：为一些通信服务功能。该服务功能组成了现场总应用服务元素(FAL ASE)。 每个ASE又提供了一组传递应用层及其APO的请求或应答服务。 对于每一类APO，都定义了一个特定 的ASE。在现场总线中，为访问应用进程的APO定义了一些ASE，包括变量ASE、事件ASE、装载区 域ASE、 功能请求ASE。
LONWORKS采用LONTALK通信协议，LONTALK提供了五种基本类型的报文服务：确认、非确 认、请求/响应、重复、 非确认重复。
LONTALK协议的介质访问控制子层(MAC)对CSMA作了改进，采用一种新的称为Predictive P Persistent的CSMA， 根据总线负载随机调整时间槽n(1~63)，在负载较轻时使介质访问延迟最小化，而 在负载较重时使冲突的可能性最小化， 从而使传输介质发生挥它的最大传输容量。LONWORKS支持 可自动重试的点到点的确认功能。
智能传感器应用
智能传感器是一种能够感知环境并将数据传输到计算机或其他设备的智能设备。
它们可
以用于各种应用，包括工业、医疗、农业、环境监测等领域。
下面我们将介绍智能传感
器的应用。
工业应用
智能传感器在工业领域中的应用非常广泛。
它们可以用于监测机器的运行状态、温度、湿度、压力等参数，以及监测工厂的环境条件。
这些数据可以帮助企业实现智能化生产，提高生产效率和产品质量。
医疗应用
智能传感器在医疗领域中的应用也非常广泛。
它们可以用于监测患者的生命体征，如心率、血压、体温等，以及监测医院的环境条件。
这些数据可以帮助医生更好地了解患者的病情，提高医疗质量。
农业应用
智能传感器在农业领域中的应用也越来越多。
它们可以用于监测土壤的湿度、温度、光照等参数，以及监测作物的生长情况。
这些数据可以帮助农民更好地管理农田，提高农作物的产量和质量。
环境监测应用
智能传感器在环境监测领域中的应用也非常重要。
它们可以用于监测空气质量、水质、噪音等参数，以及监测自然灾害的发生情况。
这些数据可以帮助政府和公众更好地了解环境状况，采取相应的措施保护环境。
总之，智能传感器的应用非常广泛，可以帮助我们更好地了解环境和生产过程，提高生产效率和产品质量，保护环境和人类健康。
随着技术的不断发展，智能传感器的应用将会越来越广泛，为我们的生活带来更多的便利和福利。