智能传感器系统 第1章 概述

前言及第1章概述智能传感器系统主讲：程健联系方式：[e-mail]电二楼413；3601517前言及第1章概述前言从“智能化”、“传感器”、“系统”三个概念及其合成简要介绍“智能传感器系统”的外延和内涵。“系统”：泛指由若干部件相互作用而构成的具有特定功能的整体，它强调的是从整体和部分的辨证关系进行问题的研究。前言及第1章概述主要参考教材“智能传感器系统”，西安交通大学刘君华，西安电子科技大学出版社，联系地址：西安市太白南路2号，西安电子科技大学出版社发行部，邮编：710071，电话：[phone]主要讲授内容智能传感器系统的举例说明、传感器基础知识、智能传感器系统的集成方法与技术、智能化功能的实现、通讯功能与接口技术、神经网络技术、模糊理论在智能传感器系统中的应用；智能传感器的具体应用及应用中的抗干扰技术；无线传感器网络技术等。教学方式以课堂讲授为主，同时布置一些课外作业，最后提供一些与考试内容有关的思考题。最终的目的是希望大家通过本课程的学习：了解智能传感器系统的构成、集成方法与技术；如何根据实际应用需要选取合适的智能化的方前言及第1章概述法和手段；如何选用具体的智能传感器及如何根据应用需要具体使用；了解智能传感器系统的发展方向和趋势；熟悉相关的参考资料及文献方面的知识；掌握一种开展该方面工作的方法。最终成绩：平时成绩＋期终成绩需要掌握的基础知识经典传感器知识信号分析与处理电路与系统电子线路嵌入式系统网络、计算机及通信技术微机械与微电子学神经网络技术模糊理论基础前言及第1章概述总体要求基本概念要清晰，各种方法要熟悉，适用条件要明确，具体过程要清楚。前言及第1章概述作业1：通过相关的检索手段，分项列出（每项至少三种）有关“智能传感器系统”方面的专业杂志、网站、专业参考书等。前言及第1章概述目录第1章概述第2章智能传感器系统中经典传感技术基础第3章不同集成度智能传感器系统介绍×第4章智能传感器的集成技术第5章智能传感器系统智能化功能的实现方法第6章通信功能与总线接口第7章智能技术在传感器系统中的应用第8章智能传感器系统的设计与应用×第9章无线传感器网络技术概述前言及第1章概述第1章概述要点：传感器的重要作用；智能传感器的发展过程；智能传感器的功能与特点；智能传感器与传统传感器的差别；智能传感器系统的构成；智能传感器的实现方法。前言及第1章概述前言及第1章概述前言及第1章概述前言及第1章概述前言及第1章概述§1.1传感器技术发展的重要性是信息技术的三大支柱之一（传感与控制、通信、计算机）；应用领域越来越广泛；世界发达国家重点研究与开发的对象之一；现代传感技术的发展远远不能满足社会的需求；是提高产品竞争力的强有力的手段；二十世纪是计算机的世纪，二十一世纪将是传感器的世纪。前言及第1章概述1.现代自动化系统对传感器最基本和最急切的要求是降低现行传感器的价格性能比2.典型自动化系统中传感器的位置和作用传感器计算机执行器对象设定值典型自动化框图§1.2智能传感器发展的历史背景19701990价性比11/319701990价性比11/1000传感器计算机19701990价性比11/10执行器前言及第1章概述3.人类自动化的历史进程1)首先发展了执行器，导致了“工业革命”，如：蒸气机的出现；2)计算机的出现，产生了“信息革命”；3)传感器的应用，导致了“自动化时代”的到来。目前，传感器的发展处于拖后腿阶段。4.传统的传感器已达到其技术极限，而且有以下几种严重不足：1)结构尺寸大，频响特性差（与质量、大小有关）；2)输入－输出存在非线性，且随时间而漂移；3)受环境的影响严重；4)信噪比低，易受噪声干扰；5)存在交叉灵敏度，选择性、分辨率不高，导致性能低；6)传统传感器大多是“手工艺品”，因此成本高。5.现代自动化系统对传感器的要求前言及第1章概述1)现代自动化系统对传感器的要求；2)应用领域的不断扩展，特殊领域需要多参量同时测量；3)数字化、智能化、标准化。自动化系统：50～60年代是集中控制70年代是分散性控制（DCS系统）80年代是基于现场总线的开放型控制系统（FCS系统），该系统的特点：传输数字信号，提高可靠性和抗干扰能力；节省现场与控制室的连接导线，简化系统的布线和设计；总线采用统一标准，使系统具有开放性，有影响的几种总线标准；采用智能化，控制职能分散下放到现场装置的原则，必须使用智能传感器。前言及第1章概述§1.3智能传感器的功能与特点1.功能1）自校零（消除零漂）、自标定（输出值对应的输入值）、自校正（输出特性的变化）2）自动补偿零点温漂、灵敏度温漂；3）自动采集数据，对数据进行预处理；4）自动进行检测、自选量程、自寻故障；5）数据存贮、记忆与信息处理功能；6）双向通讯、标准化数字输出或者符号输出功能；7）判断、决策处理功能。2.特点1）精度高：通过多项功能（1）、（2）、（3）保证；2）高可靠性与高稳定性：由功能（2）、（4）、（7）保证；3）高信噪比与高的分辨力：由功能（5）、（7）保证，前言及第1章概述通过数据处理除去输入数据中的噪声；通过数据融合、神经网络技术消除交叉灵敏度的影响；4）强的自适应性；5）低的价格性能比通过采用廉价的集成电路工艺和芯片以及强大的软件来实现，大大降低了传感器本身的价格。最早研发出的智能型传感器有：honeywell、ST－3000（压阻式）Smar、LD302（电容式）日本横河：EJA型（谐振式）3．我国在这方面的现状与差距前言及第1章概述§1.4智能传感器的概念与传感器系统1.智能传感器系统就是传感器（包括信号调理电路）、计算机（信号处理）和通讯技术（对外通信）的结合，有两个主要研究方向：智能传感器系统（偏重智能化）与微传感器系统（偏重微小化）。2.定义传感器（通过信号调理电路）与微处理器赋予智能的结合，兼有信息检测与信息处理功能的传感器就是智能传感器。3.智能化功能具备学习、推理、感知、通讯以及管理等功能。4.模糊传感器能够在线实现符号处理的功能。5.英文名称English：IntelligentsensorAmerican：Smartsensor，Integratedsmartsensor本书作者：Intelligentsensorsystem前言及第1章概述§1.5智能传感器的实现途径（三条途径）经典传感器信号调理电路微处理器总线接口非集成式智能传感器外壳数字总线1.非集成化实现将上述电路组合为一个整体，经开发配置可进行通讯、控制、自校正、自补偿、自诊断等功能的智能化软件，如ST-3000。模糊传感器也是一种非集成化的智能传感器。管理单元知识库符号产生单元符号处理单元通信口经典数值测量单元被测量数据总线前言及第1章概述关键问题：软件功能的设计2.集成化的实现采用微机械加工技术和大规模集成电路技术，称为集成智能传感器（Integratedsmart/Intelligentsensor），该技术也称为集成微型传感技术其特点如下：1）微型化血液流量计、发动机叶片表面的气体流速和压力传感器。2）结构一体化传统的加工方法存在蠕变、迟滞、非线性特性。3）精度高减少引线长度带来的寄生参量的影响。4）多功能在同一硅片上可制作不同功能的多个传感器。前言及第1章概述ST－3000可测压力、压差、温度三种参量。5）阵列式可在8mm×8mm上制作有1024（32×32）个面阵触觉敏感触点。优点：消除传感器的时变误差和交叉灵敏度的影响，提高传感器的可靠性、稳定性和分辨能力。6）全数字化通过微机械加工技术制作合适的微结构，使其固有谐振频率可以设计成某种物理参量的单值函数，通过检测其谐振频率来检测被测物理量。7）使用方便、操作简单集成化智能传感器的发展趋势：a）多功能化与阵列化，软件功能的增强；b）发展谐振式传感器，结合软件信息处理功能。前言及第1章概述存在的问题：主要是工艺上的。3.混合实现将1和2两种方式结合起来，可能的混合集成方式有：总线接口、微处理器、信号处理电路、集成化敏感单元的不同组合。4.集成式智能传感器的几种形式（按智能化程度来分）1）初级形式（smartsensor）敏感单元＋（智能）信号调理电路。2）中级形式在初级形式基础上增加微处理器单元，智能化功能由软件实现。3）高级形式敏感单元多维、阵列化，信息处理软件功能更强大。