《傳感器原理及應(yīng)用》課件第12章

第1２章智能傳感器12.1

智能傳感器發(fā)展的歷史背景12.2

智能傳感器的概念及其功能特點(diǎn)12.3智能傳感器的實(shí)現(xiàn)本章小結(jié)

12.1智能傳感器發(fā)展的歷史背景

隨著生產(chǎn)過程自動(dòng)化領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，需要測(cè)量和控制的參量日益增加，自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)對(duì)傳感器的技術(shù)要求更為迫切：增加品種，減小體積和重量，增大功能；數(shù)字

化，智能化，標(biāo)準(zhǔn)化。自動(dòng)化系統(tǒng)的功能愈全，系統(tǒng)對(duì)傳感器的依賴程度也愈大。

12.1.1傳輸數(shù)字信號(hào)

用數(shù)字信號(hào)取代原來的4~20mA標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)，進(jìn)

而提高可靠性和抗干擾能力。這就要求傳感器由可輸出4~20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的變送器改為帶數(shù)字總線接口并輸出數(shù)

字信號(hào)。所有現(xiàn)場(chǎng)傳感器，通過數(shù)字總線接口都方便地掛接在一條環(huán)形現(xiàn)場(chǎng)總線上。這樣可以大大削減現(xiàn)場(chǎng)與控制室(高/上位計(jì)算機(jī))之間一對(duì)一的連接導(dǎo)線，節(jié)約初期安

裝費(fèi)用，大大簡化整個(gè)系統(tǒng)的布線和設(shè)計(jì)。很有意義的，譬如：一個(gè)電站需要5000臺(tái)傳感器及其儀表；一個(gè)鋼鐵廠需要20000臺(tái)傳感器及其儀表；大型石油化工廠需要6000臺(tái)傳感器及其儀表；大型發(fā)電機(jī)組需要3000臺(tái)傳感器及其儀表；一架飛機(jī)需要3600臺(tái)傳感器；一部汽車需要30～100臺(tái)傳感器。12.1.2標(biāo)準(zhǔn)化

總線采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，使系統(tǒng)具有開放性。不同廠家的產(chǎn)品，在硬件、軟件、通信規(guī)程、連接方式等方面互相兼容、互換聯(lián)用，既方便用戶使用，又易于安裝維護(hù)，不少大公司都推出了自己的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。國際化的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)工作正在加緊進(jìn)行中。12.1.3智能化

采用智能與控制職能分散下放到現(xiàn)場(chǎng)裝置的原則，現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的每一節(jié)點(diǎn)安裝的現(xiàn)場(chǎng)儀表應(yīng)是“智能”型的，即安裝的傳感器應(yīng)是“智能傳感器”。在這種控制系統(tǒng)中，智能型現(xiàn)場(chǎng)裝置是整個(gè)控制管理系統(tǒng)的主體。這種基于現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)，要求必須使用智能傳感器，而不是一般傳統(tǒng)的傳感器。

12.2智能傳感器的概念及其功能特點(diǎn)

1.智能傳感器的概念

人們提出“傳感器系統(tǒng)”，是因?yàn)楫?dāng)前世界傳感技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)就是傳感器系統(tǒng)的發(fā)展。所謂傳感器系統(tǒng)，簡單地講就是傳感器、計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的結(jié)合，而智能傳感器系統(tǒng)與微傳感器系統(tǒng)是其中的兩個(gè)主要研究方向。前者著重點(diǎn)在如何賦予傳感器系統(tǒng)以“智能”，后者以實(shí)現(xiàn)微小結(jié)構(gòu)為主要目標(biāo)。智能傳感器的定義分為以下幾個(gè)階段：

早期，“傳感器的敏感元件及其信號(hào)調(diào)理電路與微處理器集成在一塊芯片上就是智能傳感器”。

隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，“所謂智能傳感器，就是一種帶有微處理器兼有信息檢測(cè)和信息處理功能的傳感器”；“傳感器(通過信號(hào)調(diào)理電路)與微處理器賦予智能的結(jié)合，兼有信息檢測(cè)與信息處理功能的傳感器就是智能傳感器”。智能傳感器系統(tǒng)是既具有獲取信息的功能，又具有信息處理功能的傳感器系統(tǒng)。

一個(gè)真正意義上的智能傳感器，必須具備學(xué)習(xí)、推理、感知、通信以及管理等功能（H.Sehodel，E.Beniot等）。

模糊傳感器是一種能夠在線實(shí)現(xiàn)符號(hào)處理的智能傳感器（L.Foulloy）。

模糊傳感器是一種智能測(cè)量設(shè)備（D.Stipanicer）。關(guān)于智能傳感器的中、英文稱謂，目前也尚未統(tǒng)一，主要有“IntelligentSensor”、“SmartSensor”、“IntegratedSmartSensor”；目前國內(nèi)大多數(shù)采用智能傳感器系統(tǒng)(Intelligentsensorsystem)的稱謂，簡稱智能傳感器(IntelligentSensor)，并且認(rèn)為：“傳感器與微處理器賦予智能的結(jié)合，兼有信息

檢測(cè)與信息處理的傳感器是智能傳感器(系統(tǒng))”；模糊傳感器也是一種智能傳感器(系統(tǒng))，將傳感器與微處理器集成在一塊芯片上是構(gòu)成智能傳感器(系統(tǒng))的一種方式。

2.智能傳感器的功能

智能傳感器的主要功能如下：

（1）具有自動(dòng)校零、自動(dòng)標(biāo)定、自動(dòng)校正功能。

（2）具有自動(dòng)補(bǔ)償功能。

（3）能夠自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。（4）能夠自動(dòng)進(jìn)行檢驗(yàn)、自選量程、自尋故障。

（5）具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、記憶與信息處理功能。

（6）具有雙向通信、標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字輸出或符號(hào)輸出功能。（7）具有判斷、決策處理功能。

3.智能傳感器的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)傳感器相比，智能傳感器具有以下特點(diǎn)：

（1）精度高。

（2）可靠性與穩(wěn)定性高。

（3）信噪比與分辨力高。

（4）自適應(yīng)性強(qiáng)。

（5）性能價(jià)格比高。

12.3智能傳感器的實(shí)現(xiàn)

12.3.1非集成化實(shí)現(xiàn)

非集成化智能傳感器是將傳統(tǒng)的經(jīng)典傳感器(采用非集成化工藝制作的傳感器，僅具有獲取信息的功能)、信號(hào)調(diào)理電路、帶數(shù)字總線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)。其組成框圖如圖12-1所示。圖12-1非集成式智能傳感器組成框圖圖12-1中的信號(hào)調(diào)理電路是用來調(diào)理傳感器輸出信號(hào)的，即將傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行放大并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后送入微處理器，再由微處理器通過數(shù)字總線接口掛接在現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字總線上。這是一種實(shí)現(xiàn)智能傳感器的最快途徑與方式。例如美國羅斯蒙特公司、SMAR公司生產(chǎn)的電容式智能壓力(差)變送器系列產(chǎn)品，就是在原有傳統(tǒng)式非集成化電容式變送器的基礎(chǔ)上附加一塊帶數(shù)字總線接口的微處理器插板后組裝而成的，并開發(fā)配備可進(jìn)行通信、控制、自校正、自補(bǔ)償、自診斷等智能化軟件，從而實(shí)現(xiàn)智能傳感器。這種非集成化智能傳感器是在現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)發(fā)展形勢(shì)的推動(dòng)下迅速發(fā)展起來的。因?yàn)檫@種控制系統(tǒng)要求掛接的傳感器／交送器必須是智能型的，對(duì)于自動(dòng)化儀表生產(chǎn)廠家來說，原有的一整套生產(chǎn)工藝設(shè)備基本不變，所以，對(duì)于這些廠家而言非集成化實(shí)現(xiàn)是一種建立智能傳感器系統(tǒng)最經(jīng)濟(jì)、最快捷的途徑與方式。模糊傳感器的“智能”之處在于：它可以模擬人類感知的全過程。它不僅具有智能傳感器的一般優(yōu)點(diǎn)和功能，而且具有學(xué)習(xí)推理的能力，具有適應(yīng)測(cè)量環(huán)境變化的能力，并且能夠根據(jù)測(cè)量任務(wù)的要求進(jìn)行學(xué)習(xí)推理。另外，模糊傳感器還具有與上級(jí)系統(tǒng)交換信息的能力，以及自我管理和調(diào)節(jié)的能力。通俗地說，模糊傳感器的作用應(yīng)與一個(gè)具有豐富經(jīng)驗(yàn)的測(cè)量人員的作用是等同的，甚至更好。圖12-2是模糊傳感器的簡單結(jié)構(gòu)和功能示意圖。其中，經(jīng)典數(shù)值測(cè)量單元不僅提取傳感信號(hào)，而且對(duì)其進(jìn)行數(shù)值預(yù)處理，如濾波、恢復(fù)信號(hào)等等。符號(hào)產(chǎn)生和處理單元是模糊傳感器的核心部分，它利用已有的知識(shí)或經(jīng)驗(yàn)(通常存放在知識(shí)庫中)，對(duì)已恢復(fù)的傳感信號(hào)進(jìn)一步處理，得到符合客觀對(duì)象的模擬人類自然語言符號(hào)的描述信息。圖12-2模糊傳感器的簡單結(jié)構(gòu)示意圖其實(shí)現(xiàn)方法是利用得到的符號(hào)形式的傳感信號(hào)，結(jié)合知識(shí)庫內(nèi)的知識(shí)(主要有模糊判斷規(guī)則、傳感信號(hào)特征、傳感器特性及測(cè)量任務(wù)要求等信息)，經(jīng)過模糊推理和運(yùn)算，得到被測(cè)量的符號(hào)描述結(jié)果及其相關(guān)知識(shí)。當(dāng)然，模糊傳感器可以經(jīng)過學(xué)習(xí)新的變化情況(如任務(wù)發(fā)生改變，環(huán)境變化等等)來修正和更新知識(shí)庫內(nèi)的信息。模糊傳感器的構(gòu)成有兩部分：硬件層和軟件層。模糊傳感器的突出特點(diǎn)是具有豐富強(qiáng)大的軟件功能。模糊傳感器與一般基于計(jì)算機(jī)的智能傳感器的根本區(qū)別在于模糊傳感器具有實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)功能的單元和符號(hào)產(chǎn)生、處理單元。它能夠?qū)崿F(xiàn)專家指導(dǎo)下的學(xué)習(xí)和符號(hào)的推理及合成，從而使模糊傳感器具有可訓(xùn)練性。經(jīng)過學(xué)習(xí)與訓(xùn)練，使得模糊傳感器能適應(yīng)不同測(cè)量環(huán)境和測(cè)量任務(wù)的要求。因此，實(shí)現(xiàn)模糊傳感器的關(guān)鍵就在于軟件功能的設(shè)計(jì)。12.3.2集成化實(shí)現(xiàn)

這種智能傳感器系統(tǒng)是用微機(jī)械加工技術(shù)和大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)，利用硅作為基本材料來制作敏感元件、信號(hào)調(diào)理電路、微處理單元，并把它們集成在一塊芯片上而構(gòu)成的，故又可稱為集成智能傳感器(IntegratedSmart/Intelligent

Smart)。其外形如圖12-3所示。圖12-3集成智能傳感器外形示意圖隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展和微米/納米技術(shù)的問世，大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)的日臻完善，集成電路器件的密集度越來越高，而各種數(shù)字電路芯片、模擬電路芯片、微處理器芯片、存儲(chǔ)器電路芯片的性能價(jià)格比也隨之大幅度提高。反過來，集成化水平的提高又促進(jìn)了微機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展，形成了與傳統(tǒng)的經(jīng)典傳感器制作工藝完全不同的現(xiàn)代傳感器

技術(shù)?，F(xiàn)代傳感器技術(shù)是指以硅材料為基礎(chǔ)(因?yàn)楣杓扔袃?yōu)良的電性能，又有極好的機(jī)械性能)，采用微米(1μm～1mm)級(jí)的微機(jī)械加工技術(shù)和大規(guī)模集成電路工藝來實(shí)現(xiàn)各種儀表傳感器系統(tǒng)的微米級(jí)尺寸化。國外也稱它為專用集成微型傳感技術(shù)(ASIM)。由此制作的智能傳感器的特點(diǎn)有：

微型化，結(jié)構(gòu)一體化，精度高，多功能，陣列化，全數(shù)字化，使用方便，操作簡單。雖然集成化實(shí)現(xiàn)的智能傳感器有很多優(yōu)點(diǎn)，然而，要在一塊芯片上集成實(shí)現(xiàn)

智能化傳感器系統(tǒng)也存在許多困難、棘手的問題，如：

（1）哪一種敏感元件比較容易采用標(biāo)準(zhǔn)的集成電路工藝來制作?

（2）選用何種信號(hào)調(diào)理電路，如精密電阻、電容、晶振等，不需要外接元件?

（3）由于直接轉(zhuǎn)換型A／D變換器電路太復(fù)雜，制作敏感元件后留下的芯片面積有限，需要尋求其他模/數(shù)轉(zhuǎn)換形式，如電壓/頻率變換器、占空比調(diào)制式等。（4）由于芯片面積有限制，以及制作敏感元件與數(shù)字電路優(yōu)化工藝的不兼容性，因此微處理器系統(tǒng)及可編程只讀存儲(chǔ)器的規(guī)模、復(fù)雜性與完整性受到很大限制。

（5）對(duì)功耗與自熱、電磁耦合帶來的相互影響，在一塊芯片內(nèi)應(yīng)如何消除?

由于在一塊芯片上實(shí)現(xiàn)智能傳感器，并不總是希望的，也并不總是必須的，所以，更實(shí)際的途徑是混合實(shí)現(xiàn)法。12.3.3混合實(shí)現(xiàn)

根據(jù)需要和可能，將系統(tǒng)各個(gè)集成化環(huán)節(jié)，如敏感單元、信號(hào)調(diào)理電路、微處理單元、數(shù)字總線接口等，以不同的組合方式集成在兩塊或三塊芯片上，并裝在一個(gè)外殼里，如圖12-4所示的幾種方式。圖12-4混合集成實(shí)現(xiàn)的智能傳感器集成化敏感單元包括(對(duì)結(jié)構(gòu)型傳感器)彈性敏感元件及變換器；信號(hào)調(diào)理電路包括多路開關(guān)、儀用放大器、基準(zhǔn)、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)等；微處理單元包括數(shù)字存儲(chǔ)(EPROM、ROM、RAM)、I/O接口、微處理器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)等。在圖12-4(a)中，三塊集成化芯片封裝在一個(gè)外殼里；在圖12-4(b)、(c)、(d)中，兩塊集成化芯片封裝在一個(gè)外殼里。圖12-4(a)、(c)所示的(智能)信號(hào)調(diào)理電路具有部分智能化功能，如自校零、自動(dòng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，這是因?yàn)檫@種電路帶有零點(diǎn)校正電路和溫度補(bǔ)償電路才獲得了這種簡單的智能化功能。綜上所述，我們可以看到智能傳感器系統(tǒng)是一門涉及多種學(xué)科的綜合技術(shù)，是當(dāng)今世界正在發(fā)展的高新技術(shù)。隨著集成技術(shù)、微機(jī)械加工技術(shù)和微處理技術(shù)的發(fā)展，智能傳感器必定會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。特別是納米科學(xué)(納米電子