智能传感器与传感器系统

1智能传感器与传感系统的发展及应用2智能传感器与传感器系统的发展及应用•0引言•1智能传感器的定义及功能•2智能传感器与传感系统的特点•3智能传感器与传感系统的发展及应用•4结语30引言传感器是构建现代信息系统的重要组成部分。现代信息技术的三大支柱：1.传感器技术（信息采集）——“感官”2.通信技术（信息传输）——“神经”3.计算机技术（信息处理）——“大脑”4目前，传感器正从传统的分立式，朝着单片集成化、智能化、网络化、系统化的方向发展。据光电行业开发协会（OIDA）作出的最新预测，在2003年～2006年期间，智能传感器的国际市场销售量将以每年20％的高速度增长。智能传感器可广泛用于工业、农业、商业、交通、环境监测、医疗卫生、军事科研、航空航天、现代办公设备和家用电器等领域。51智能传感器的定义及功能1.1智能传感器的定义目前，关于智能传感器的中、英文称谓尚未完全统一。英国人将智能传感器称为“IntelligentSensor”；美国人则习惯于把智能传感器称作“SmartSensor”，直译就是“灵巧的、聪明的传感器”。所谓智能传感器，就是带微处理器、兼有信息检测和信息处理功能的传感器。6智能传感器的最大特点就是将传感器检测信息的功能与微处理器的信息处理功能有机地融合在一起。从一定意义上讲，它具有类似于人工智能的作用。需要指出，这里讲的“带微处理器”包含两种情况：（1）将传感器与微处理器集成在一个芯片上构成所谓的“单片智能传感器”（2）传感器能够配微处理器。显然，后者的定义范围更宽，但二者均属于智能传感器的范畴。7世界上第一个智能传感器是美国霍尼韦尔（Honeywell）公司在1983年开发的ST3000系列智能压力传感器。它具有的多参数传感(差压、静压和温度)与智能化的信号调理功能。最近，该公司还相继开发出ST3000－900/2000等系列的新产品，使之功能进一步完善。目前，ST3000系列智能压力传感器在全世界的销量已突破50万只，深受广大用户的青睐。81.2智能传感器的功能（1）具有自校准和自诊断功能。智能传感器不仅能自动检测各种被测参数，还能进行自动调零、自动调平衡、自动校准，某些智能传感器还能自标定功能。9（2）具有数据存储、逻辑判断和信息处理功能，能对被测量进行信号调理或信号处理（包括对信号进行预处理、线性化，或对温度、静压力等参数进行自动补偿等）。10（3）具有组态功能，使用灵活。在智能传感器系统中可设置多种模块化的硬件和软件，用户可通过微处理器发出指令，改变智能传感器的硬件模块和软件模块的组合状态，完成不同的测量功能。11（4）具有双向通信功能，能直接与微处理器（μP）或单片机（μC）通信。122智能传感器与传感系统的特点2.1高精度智能传感器采用自调零、自补偿、自校准等多项新技术，能达到高精度指标。美国BB（BURR－BROWN）公司：XTR系列精密电流变送器，转换精度±0.05％，非线性误差±0.003％。13美国霍尼韦尔（Honeywell）公司：PPT、PPTR系列智能精密压力传感器，测量精度为±0.05％，比传统压力传感器的精度大约提高了一个数量级。其外形如图1所示。14（a）PPT系列（b）PPTR系列图1外形图15PPT、PPTR系列智能压力传感器的内部电路框图如图2所示。图2PPT、PPTR系列智能压力传感器的内部电路框图162.2宽量程智能传感器的测量范围很宽，并具有很强的过载能力。例如，美国ADI公司：ADXRS300型单片偏航角速度陀螺仪集成电路测量转动物体的偏航角速度的范围是±300°/s。只需并联一只设定电阻，即可将测量范围扩展到1200°/s。172.3多参数、多功能（1）多路智能温度控制器Pentium4处理器是Intel公司推出的高性能微处理器。最高主频目前已达3.6GHz，它采用了0.13μm制程，集成度高达5500万～7700万只晶体管，在芯片中还有内置数字温度传感器。其芯片结构如图3所示。18图3Pentium4处理器芯片的结构19随着Pentium4处理器运行速度的大幅度提高，其功耗也显著增加，必须采取更完善的散热保护措施。2002年，美国ADI公司专门开发出适配Pentium4处理器的ADT7460型智能化远程散热风扇控制器集成电路，并已用于奔腾4计算机产品中。20奔腾4计算机的散热控制电路如图4所示。该计算机中共使用了3台散热风扇。其中，风扇1专门给CPU散热，风扇2和风扇3分别安装在主机箱的前面和后面给机箱散热。图4计算机的散热控制电路21微处理器最高可承受的工作温度规定为tH，台式计算机一般为75℃，高档笔记本电脑的专用CPU可达100℃。图5检测CPU的温度22配套软件日臻完善温度传感器＋专用计算机测试软件。232425（2）多功能式湿度／温度／露点智能传感器系统瑞士Sensirion公司：SHT11/15型高精度、自校准、多功能式智能传感器。能同时测量相对湿度、温度和露点等参数；兼有数字湿度计、温度计和露点计这3种仪表的功能；可广泛用于工农业生产、环境监测、医疗仪器、通风及空调设备等领域。26SHT11/15型智能传感器系统，外形尺寸仅为7.62mm（长）×5.08mm（宽）×2.5mm（高），质量只有0.1g，其体积与一个大火柴头相近，见图6。图6SHT11/15型智能传感器的外形27（1）瑞士Sensirion公司：将半导体芯片（CMOS）与传感器技术融合的CMOSens®技术。该项技术亦称“Sensmitter”，它表示传感器（sensor）与变送器（transmitter）的有机结合。28SHT11/15的引脚排列如图7所示。（a）俯视图；（b）侧视图图7SHT11/15的引脚排列图29SHT11/15型湿度／温度传感器系统的内部框图如图8所示。图8SHT11/15型湿度／温度传感器的内部电路框图30相对湿度：（空气中所含压强与该温度下饱和水蒸气的压强之比，通常用百分数表示）测量范围：0％～99.99％RH；测量精度：±2％RH分辨力：0.01％RH31温度：测量范围：－40℃～＋123.8℃测量精度：±1℃分辨力：0.01℃露点：（在水气冷却过程中最初发生结露的温度）测量精度：＜±1℃分辨力为：±0.01℃32由SHT15构成的相对湿度／温度测试系统的电路框图如图9所示。该系统能测量并显示出相对湿度、温度和露点。SHT15作为从机，89C51单片机作为主机，二者通过串行总线进行通信。图9相对湿度／温度测试系统的电路框图33（3）多功能式混浊度/电导/温度智能传感器系统混浊度（亦称不透明度）：表示水或其他液体的不透明程度。34当单色光通过含有悬浮粒子的液体时，由于悬浮粒子引起光的散射，使单色光的强度被衰减，其衰减量就代表液体的混浊度。混浊度是个比值，其单位用NTU来表示。35美国霍尼韦尔（Honeywell）公司：APMS－10G型带微处理器和单线接口的智能化混浊度传感器系统能同时测量液体的混浊度、电导和温度，构成多参数在线检测系统可广泛用于水质净化，清洗设备及化工、食品、医疗卫生等部门。36APMS－10GRCF的外形及插座上的引脚排列如图10所示。（a）外形；（b）插座引脚图10APMS－10GRCF的外形及插座上的引脚排列图37APMS－10G的内部框图如图11所示。图11APMS－10G的内部框图38混浊度测量原理（图12）39APMS－10G通过9脚RS－232插座连计算机，接线方式如图13所示。图13APMS－10G与计算机的接线402.4自校准与自标定Motorola公司烟雾检测报警IC主要有三种类型：离子型：MC14467－1、MC14468光电型：MC145010、MC145011比较器型：MC1457841MC145010配上红外光电室，即可通过传感微小烟雾颗粒的散热光束来检测烟雾。其基本工作原理是：“红外发射二极管→红外光→在烟雾颗粒的作用下形成散射光束→红外接收二极管→MC145010→BZ发出报警声”。42（1）自校准将MC145010置于校准模式。在该模式下，某些引脚的功能将被重新设定。为进入校准模式，需要给TEST端加负电压，使该端的输出电流为100μA并保持一个时钟周期的时间。43（2）自标定利用自检模式可以模拟烟雾条件，对传感器进行自标定。44具体方法是显著提高光信号放大器的增益，将烟雾室中的背景反射光看成是由烟雾产生的散射光，从而获得模拟的烟雾条件。经过一个时钟周期后，光信号放大器的增益恢复正常值，模拟的烟雾条件就被撤销。452.5生物传感器生物识别技术是人体生物特征进行身份鉴别的技术。要求这些特征具有“人各有异”、“终身不变”和“随身携带”这三大特点。46生物识别系统的组成如图14所示。图14生物识别系统的组成47●指纹具有惟一性（随身携带、无法复制、人人不同、指指相异）。●根据指纹学理论，将两个指纹分别匹配上12个特征时的相同几率仅为1/1050。因此，至今找不出两个指纹完全相同的人，●即使相貌酷似的孪生兄弟姐妹，或同一个人的十指之间，指纹也存在明显差异。●指纹的这一特点，为身份鉴定提供了客观依据。48指纹图像的获取取像设备主要有以下4种类型：▲光学取像设备（例如微型三棱镜矩阵）▲压电式指纹传感器▲半导体指纹传感器▲超声波指纹扫描仪。49指纹的基本纹路图案：基本纹路图案有环形、弓形和螺旋形，如图15所示。其他指纹图案都是基于这三种基本图案衍生而成的。（a）环型；（b）弓型；（c）螺旋型图153种基本纹路图案50指纹识别过程：指纹采样→指纹图像预处理→二值化处理→细化，纹路提取→细节特征提取→指纹匹配（即指纹库的查对）。如图16所示。图16指纹识别过程51半导体指纹传感器半导体指纹传感器亦称单片集成指纹传感器或CMOS固态指纹传感器，它是在20世纪90年代末问世的。指纹传感器，可广泛用于便携式指纹识别仪，网络、数据库及工作站的保护装置，自动柜员机（ATM）、智能卡、手机、计算机、门禁系统等身份识别器，还可构成宾馆、家庭的门锁识别系统。52（1）温差感应式指纹传感器它是基于温度感应的原理而制成的，每个像素都相当于一个微型化的电荷传感器，用来感应手指与芯片映像区域之间某点的温度差，产生一个代表图像信息的电信号。典型产品：美国Atmel公司的FCD4B14。可在0.1s内获取指纹图像（时间一长，手指和芯片就处于相同的温度了）。53FCD4B14的外形、引脚和安装图分别如图17、图18、图19所示。（a）DIP－20陶瓷封装；（b）COB封装图17FCD4B14的外形图54（a）表面倾斜式；（b）将传感器装在靠边缘处图18FCD4B14的安装图55FCD4B14型指纹传感器的内部电路框图如图18所示。图19FCD4B14的内部电路框图56传感器共有8行280列，包含8×280＝2240个像素，另有一个虚列。基本工作原理：行、列扫描→指纹的模拟图像→经过两个ADC转换成数字图像→通过8位锁存器输出到微处理器或计算机中。57（2）电容感应式指纹传感器由电容阵列构成内部包含9万只微型化电容器基本工作原理：当用户将手指放在正面时，皮肤就组成了电容阵列的一个极板，电容阵列的背面是绝缘极板。由于不同区域指纹的脊和谷之间的距离也不相等，使每个单元的电容量随之而变，由此可获得指纹图像。58典型产品：美国Veridicom公司FPS100FPS100的外形以及由它构成的指纹识别系统输入设备如图20所示，输入设备与计算机相连。（a）FPS100的外形；（b）指纹识别系统的输入设备图20FPS100的外形以及指纹识别系统的输入设备59美国Veridicom公司：●图像搜索技术（ImageSeekTM）●高速图像传输技术●手指自动检测技术。60FPS100的内部框图如图21所示。图21FPS100的内部框图612.6超小型化、微功耗智能传感器正朝着短、小、轻、薄的方向发展，以满足航空、航天及国防尖端技术领域的急需，并且为开发便携式、袖珍式检测系统创造了有利条件。62ADXRS300型单片偏航角速度陀螺仪集成电路基于“音叉陀