第11章 智能传感器

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第11章 智能传感器 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6

智能传感器概述 计算型智能传感器 特殊材料型智能传感器 几何结构型智能传感器 智能传感器实例 实训

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11.1 智能传感器概述

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智能传感器概述 国际电气电子工程师学会(IEEE)在 1998年通过了智能传感器的定义，即 “除产生一个被测量或被控量的正确表示 之外，还同时具有简化换能器的综合信息以 用于网络环境的功能的传感器”。 11.1.1 智能传感器的功能 先看一个智能传感器的例子，图11-1所示 为智能红外线测温仪原理框图。 11.1

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显示仪表 红 外 传 感 器 温 度 传 感 器

目 标

A/D 转 换 器

记录仪表 单片 存储器

微 型 计 算 机

环 境

A/D 转 换 器

机 RS-232接口

图11-1 智能红外线测温仪原理框图

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红外传感器将被检测目标的温度转换为电 信号，经A/D变换后输入单片机。 温度传感器将环境温度转换为电信号，经 A/D变换后输入单片机。 单片机中存放有红外传感器的非线性校正 数据。 红外传感器检测的数据经单片机计算处理， 消除非线性误差后，可获得被测目标的温度 特性与环境温度的关系。 供记录、显示、存储备用。

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可见，智能传感器是具备了记忆、分析 和思考能力，输出期望值的传感器。 (1)能提供更全面、更真实的信息，消除 异常值、例外值。 (2)具有信号处理包括温度补偿、线性化 等功能。 (3)随机调整和自适应。 (4)一定程度的存储、识别和自诊断。 (5)含有特定算法并可根据需要改变算法。

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这种传感器不仅在物理层面上检测信号， 而且在逻辑层面上对信号进行分析、处理、 存储和通信。 相当于具备了人类的记忆、分析、思考和 交流的能力，即具备了人类的智能。 所以称之为智能传感器。

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智能传感器的层次结构 人类的智能是怎么构成的呢？ 人类的智能是基于即时获得的信息和原先 掌握的知识。 人类的智能是实现了多重传感信息的融合 并且把它与人类积累的知识结合了起来，如 图11-2所示。 11.1.2

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眼睛 传感

鼻子 传感

耳朵 传感

皮肤 传感

大脑 积累的 知识

人的大脑归纳

判断

图11-2 人类智能的构成

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智能传感器也应该由多重传感器或不同类 型传感器从外部目标以分布和并行的方式收 集信息； 通过信号处理过程把多重传感器的输出或 不同类型传感器的输出结合起来或集成在一 起，实现传感器信号融合或集成； 最后，根据先前拥有的关于被测目标的有 关知识，进行最高级的智能信息处理过程。 将信息转换为知识和概念提供使用。

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理想智能传

感器的层次结构应是三层： 1.底层，分布并行传感过程，实现被测信号 的收集。 2.中间层，将收集到的信号融合或集成，实 现信息处理。 3.顶层，中央集中抽象过程，实现融合或集 成后的信息的知识处理。

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智能传感器的实现 实现传感器智能化，让传感器具备理想智 能传感器的层次结构，让传感器具备记忆、 分析和思考能力。 就目前发展状况看，有3条不同的途径： (1)利用计算机合成(智能合成); (2)利用特殊功能的材料(智能材料); (3)利用功能化几何结构(智能结构); 11.1.3

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11.2 计算型智能传感器

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计算型智能传感器 11.2.1 计算型智能传感器构成方式 计算型智能传感器最常见，其底层、中间 层和顶层分别由基本传感器、信号处理电路 和微处理器构成。 它们可以集成在一起，形成一个整体，封 装在一个壳体内，称为集成化方式。 也可以互相远离，分开放置在不同的位置 或区域，称为非集成化方式。 介于两种方式之间的混合集成化方式。 11.2

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1.非集成化方式

非集成化传感器是把基本传感器、信号处 理电路和带数字总线接口的微处理器相隔一 定距离组合在一起，构成智能传感器系统。 此类智能传感器系统实现方式方便快捷， 熟悉自动化仪表与嵌入式系统设计的人都能 入手。 目前国内外已有不少此类产品。

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2.集成化方式

集成化方式是采用微型计算机技术和大规 模集成电路工艺，把传感元件、信号处理电 路、微处理器集成在一个硅材料芯片上制成 独立的智能传感器功能块。 作为商品已有多种集成化智能传感器，如 单片智能压力传感器和智能温度传感器等。