智能传感器系统概述

(3) 量程
又称“满度值”，表征测量系统能够承受最大 输入量的能力。其数值是测量系统示值范围上、下 限之差的模。
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0.5 传感器性能指标(复习)
(4) 迟滞
y
max 100% 迟滞误差： H Y FS
H
YF.S
ΔHmax
H max —同一输入量对应正、反
行程输出量的最大差值， 迟滞差值；
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0.4 构建智能传感器系统的目的
(1)提高传统传感器的检测准确度，延长检测/监测系 统使用寿命； (2)拓宽传统传感器的应用范围； (3)构建大范围监测系统； (4)降低对用户的要求(傻瓜传感器)。
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0.5 传感器性能指标(复习)
1. 静态指标
(1)灵敏度 描述测量系统对输入 量变化反应的能力：

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0. 7 国内外传感器产业的现状和趋势

全球未来三大高科技产业：传感器网络、 塑料电子学、和仿生人体器官。
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0.8 本课程内容


信息融合技术：最小二乘法、神经网络、 支持向量机、最优决策； 滤波技术：经典滤波器设计( 巴特沃斯滤波 器、切比雪夫滤波器、性相位滤波) 、自适 应滤波、Kalman滤波、小波消噪
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智能传感器系统(Intelligent Sensor/Smart Sensor)
第0章 序论 汤晓君 Xiaojun_tang@
0.1 智能传感器系统的概念
传感器是指能感受规定的物理量，并 按一定规律转换成可用输入信号的器件或 装置。 传感器技术是研究传感器的材料、设 计、工艺、性能和应用等的综合技术。
y t y t1 t
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0.5 传感器性能指标(复习)
(8). 一致性
γC=(yi-yj)/YF.S i,j=1,2, ···,n 一致性是一批产品能否批量生产的依据。
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0.5 传感器性能指标(复习)

概念:输入量随时间变化时传感器的响应特性。 2 传感器的动态特性 t/oC 动态误差
动态误差：输入量随时间变化时，传感器输出将不会与输入具有 相同的时间函数，这种输出与输入的差异称之为动态误差。 15

0.5 传感器性能指标(复习)

动态特性的指标：幅频特性与相频特性 二阶系统的传递函数、幅频特性与相频特性
Hale Waihona Puke H j 1 1 n1 1 n 2 n
0. 7 国内外传感器产业的现状和趋势
MEMS传感器将成为全世界增长最快的产品之一， 其可靠性、技术附加值高，市场回报率大于传统 产业。 中国传感器的市场近几年一直保持平稳增长的态 势。 2003年中国传感器的市场销售额为186亿元，同比 增长32.9%。2005年传感器国内市场容量为8.5～ l0.5亿只，年产量(推荐量)为13.4～16.8亿只。考 虑到产品出口量，2005年我国基本建成年生产能 力达到20亿只的传感器新兴产业。
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0.3 智能传感器系统的结构
通信 显示和记 录
被测 量
传感器 (阵列)
预处理及接 口
微型计算 机
输出接 口
执行机 构
信号预处理模 MP 、 ROM 、 D/A 转 拟信号数字化 RAM 信 息 处 化 、 驱 输入接口 理及校正软件 动电路 图0-1 智能传感器系统的结构框图

由多个这样的传感器系统组成的网络也就是传感器网 络
2——理论线性度拟合直线； 3——测量系统实验标定曲线； L1——最小二乘法线性度的最大拟合偏差 L2——理论线性度的最大拟合偏差
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0.5 传感器性能指标(复习)


(7) 漂移
输入量不变时，传感器输出量随着时间变化的现象。 产生原因： 传感器自身结构参数发生变化； 周围环境变化（温度、湿度等）。 大多数传感器的输出会随着环境温度的变化而变化， 这称之为传感器的温度漂移，简称温漂。温漂包含温度 零点漂移、温度灵敏度漂移。
x t a sin t , y t b sin t
T0(t) ui q Ti(t) (b) 图0-6 一阶系统实例 （a）液柱式温度计；（b）RC电路； (a) R C
t1
t0
uo o τ0 τ/s 图0-7 动态误差曲线
t u o u i 1 e
2 2
j 2 n
2
幅频特性
A H j
相频特性
arctan
2 n
1 n
2
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0.6 智能传感器系统的应用

军事 环境监测与预报 医疗护理 智能家居 建筑状态监测
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0. 7 国内外传感器产业的现状和趋势


传感器技术的水平基本上反应出了一个国家 的科技水平，至少是一个国家科技水平的重 要标志。 近年来，我国已经初步建立了敏感元件与传 感器产业，但同发达国家相比还有很大差距， 许多传感器依赖于进口。但智能传感器的发 展为提高我国检测技术提供了契机。
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0. 7 国内外传感器产业的现状和趋势
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0. 7 国内外传感器产业的现状和趋势
1 现状

传感器技术是信息技术的三大支柱(传感器、通信和 计算机)之一。谁掌握了传感器，谁就掌握了世界。 目前全世界约有40个国家从事传感器的研制、生产 和应用开发，研发机构6000余家。
美国约有1300家生产和开发传感器的厂家，100多个研 究院所和院校，日本有800家厂商。我国近年建立了传感器 技术国家重点实验室、微米/纳米国家重点实验室等研发基地， 初步建立了敏感元件和传感器产业，2000年总产量超过13亿 只，目前我国已有1688家从事传感器的生产和研发的企业， 其中MEMS研制生产的已有50多家，到“十五”末期，敏感 元件和传感器年总产量已达到20亿只.
2 趋势 世界传感器市场正在以持续稳定的增长之势向前发 展。
据2002年的预测，2003年至2008年期间的年平均增长率为 3.7%，2008年将增加到506亿美元。而考虑到传感器价格降 低和难以预知的新兴应用领域的崛起等因素，2003年至2008 年期间的实际增长率有可能达到4.5%-5%。Frost&Sullivan 公司对世界各类传感器市场的发展进行了如下预测：光纤传 感器由1998年的1.75亿美元增长到2008年的3.5亿美元；温度 传感器市场将由1998年的17.4亿美元增长到2006年的3326亿 美元；半导体传感器市场从1998年的126亿美元增长到2008 年的218亿美元。 20
YF.S —满量程输出值
O XF.S x
图0-3 迟滞特性

迟滞产生的原因：弹性敏感元件的弹性滞后、运动 部件的摩擦、传动机构的间隙、紧固件松动等。
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0.5 传感器性能指标(复习)
(5) 重复性 定义：
R
R 100% YFS
图0-4
重复性误差是随机误差，常用标准差计算（标准法），
输出量增量y dy S 输入量增量x dx
图 0-2
S=常量
S常量
其它表达形式： 注意：单位
8
y y y S 、S x x x
0.5 传感器性能指标(复习)
(2) 分辨力 它表征测量系统有效辨别输入量最小变化量的能 力。一般为最小分度值的1/2~1/5。具有数字显示器 的测量系统，其分辨力是当最小有效数字增加一个 字时相应示值的改变量，也即一个分度值。 注意与分辨率的区别！
也可用正反行程中最大重复差值Rmax（极差法）计算：
R
2 ~ 3
YFS
100%
R
Rmax 100% YFS
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0.5 传感器性能指标(复习)
(6) 线性度（非线性误差）
y
Lmax L 100% YFS |ΔLmax|——静态特性与 拟合直线的最大拟合偏差。

YF.S
(YF.S,XF.S) 3 1 ΔL2 2
ΔL1
常用拟合直线确定的方 法：理论线性度、最小二 乘法线性度等。常用后者， 后者拟合的直线与实际曲 线所有点的平方和最小， 非线性误差较小。拟合直 线方程为：y=b+kx
O
图0-5最小二乘法线性度与理论线性度的拟 合直线
XF.S x
1——最小二乘法线性度拟合直线；
本课程侧重点——通过智能化方法 提高传感器系统的性能 2
0.1 智能传感器系统的概念

智能传感器技术就是通过给传感器添加智能 化功能的技术 ，是20世纪70年代初出现的， 随着微处理器级数的迅猛发展，顺应测控系 统自动化、智能化的发展要求的，准确度高、 可靠性高、稳定性好，而且具备一定的数据 处理能力，并能够自检、自校正、自补偿等 功能的传感器。
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0.2 智能传感器系统的功能
(3)具有自适应、自调整功能。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，提高检测适用性。 (4)具有组态功能。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。 (5)具有记忆、存储功能。可进行检测数据的随时存 取，加快了信息的处理速度。 (6) 具有数据通讯功能(包括有线传输和无线传输)。 智能化传感器据欧数据通讯接口，能与计算机直 接联机，相互交换信息，提高信息处理的质量。
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0.2 智能传感器系统的功能
智能传感器一般都是带有微机兼具检测信息和处 理信息功能得传感器。和传统的传感器相比，智能化 传感器具有以下功能： (1)具有逻辑判断、统计处理功能。可对检测数据 进行分析、统计和修正，还可进行线性、非线性、温 度、噪声、响应时间、交叉感应以及缓慢漂移等的误 差补偿，提高测量准确度。 (2)具有自诊断、自校准功能。可在接通电源时进 行开机自检，可在工作中进行运行自检，并可实时进 行诊断测试，以确定哪一组件有故障，提高工作可靠 性。